Что такое чугун? Свойства, состав, получение и применение. Стали

Часто применяемыми в быту продуктами металлургической промышленности являются чугун и сталь. Оба материала представляют собой уникальный сплав железа и углерода. Но использование одинаковых компонентов при производстве не наделяет материалы схожими свойствами. Чугун и сталь – два различных материала. В чем же их отличия?

Чтобы получить сталь, необходимо сплавить железо, углерод и примеси. При этом содержание углерода в смеси не должно превышать 2%, а железа быть не менее 45%. Остальной процент в смеси могут составлять легирующие элементы (связывающие смесь вещества, например, молибден, никель, хром и другие). Благодаря углероду железо приобретает прочность и предельную твердость. Без его участия получалось бы вязкое и пластичное вещество.

Чугун

При производстве чугуна также сплавляют железо и углерод. Только содержание последнего в смеси составляет более 2%. Помимо перечисленных компонентов в смеси содержатся постоянные примеси: кремний, марганец, фосфор, сера и легирующие добавки.

Отличия стали и чугуна

В металлургии различают довольно большое количество разновидностей стали. Их классификация зависит от количества того или иного компонента в смеси. Например, большое содержание связывающих элементов дает высоколегированную (более 11%) сталь. Кроме этого существуют:
низколегированные – до 4% связывающих компонентов;
среднелегированные – до 11% связывающих элементов.
Содержание углерода в сплаве также дает свою классификацию металлу:
низкоуглеродистый металл – до 0,25%С;
среднеуглеродистый металл – до 0,55%С;
высокоуглеродистый – до 2%С.
И, наконец, в зависимости от содержания неметаллических включений, которые образуются в результате реакций (например, оксиды, фосфиды, сульфиды), осуществляется классификация по физическим свойствам:
особо высококачественная;
высококачественная;
качественная;
обычная сталь.
Это далеко не полная классификация стали. Еще различают виды по структуре материала, методу производства и так далее. Но каким бы способом ни сплавляли основные компоненты, в итоге получают твердый, прочный, износостойкий и устойчивый к деформациям материал с удельным весом 7,75 (до 7,9) Г/см3. Температура плавления стали – от 1450 до 1520°C.
В отличие от стали чугун более хрупок, его отличает способность разрушаться без заметных остаточных деформаций. При этом сам углерод в сплаве представлен в виде графита и/или цементита, их форма и соответственно количество определяют разновидности чугуна:
белый – весь необходимый углерод содержится в виде цементита. Материал белый на изломе. Очень тверд, но хрупок. Он поддается обработке и в основном используется для получения ковкой разновидности;
серый – углерод в виде графита (пластичная форма). Мягок, отлично поддается обработке (можно резать) и имеет низкую температуру плавления;
ковкий – получается после продолжительного отжига белого вида, в результате чего образуется графит. Нагрев (свыше 900°C) и скорость охлаждения графита негативно влияют на свойства материала. Это затрудняет сварку и обработку;
высокопрочный – содержит шаровидный графит, образующийся в результате кристаллизации.
Содержание углерода в составе определяет его температуру плавления (чем его больше, тем ниже температура) и выше текучесть при нагреве. Поэтому чугун – это жидкотекучий, непластичный, хрупкий и трудно поддающийся обработке материал с удельным весом 6,9 (7,3) Г/см3. Температура плавления – от 1150 до 1250°C.

TheDifference.ru определил, что разница между чугуном и сталью в следующем:

Сталь более прочна и тверда, нежели чугун.
Чугун легче, чем сталь, и имеет более низкую температуру плавления.
Благодаря более низкому содержанию углерода сталь лучше поддается обработке (сварке, резке, прокатке, ковке), нежели чугун.
По этой же причине изделия из чугуна изготавливают лишь методом литья.
Изделия из чугуна более пористые (по причине литья), чем из стали, а потому их теплопроводность значительно ниже.
Обычно художественные изделия из чугуна черные и матовые, а из стали – светлые и блестящие.
Чугун обладает низкой теплопроводностью, а сталь – более высокой.
Чугун является первичным продуктом черной металлургии, а сталь – конечным.
Чугун не закаливают, а некоторые виды стали обязательно подвергают процедуре закалки.
Изделия из чугуна бывают только литыми, а из стали – коваными и сварными.

Инструкция

Вы можете определить чугун по плотности изделия. Взвесьте предмет, а затем определите, какой объем воды он вытесняет. Таким образом вы рассчитаете его плотность и сделаете вывод о материале. Дело в том, что плотность основных марок стали лежит в пределах 7,7 – 7,9 граммов/см^3, плотность же наиболее распространенного серого чугуна не превышает 7,2 граммов/см^3. Но это способ ненадежен, так как есть еще белый чугун, плотность которого колеблется между 7,6 и 7,8 граммами/см^3. Поэтому, его можно применять только будучи твердо уверенным: изделие сделано либо из стали, либо из серого чугуна.

Можете воспользоваться магнитом. К он прилипает хуже, чем к стали. Но и этот способ точным назвать нельзя, поскольку некоторые виды легированных сталей с высоким содержанием никеля почти не притягивают магнит.

Поэтому надежнее пользоваться одним из следующих методов: определять чугун с помощью вида образующихся опилок или стружки, а также с помощью шлифовальной машинки. Возьмите напильник с мелкой насечкой, несколько раз проведите по поверхности изделия. Постарайтесь собрать образующиеся мельчайшие опилки на лист бумаги. Сложите бумагу вдвое и энергично потрите. Если это чугун, то бумага будет заметно испачкана, если это сталь, следов практически не останется.

Можете также немного посверлить изделие тонким сверлом (разумеется, не с лицевой стороны, а в месте, которое не бросается в глаза). При этом образуется небольшое количество стружки. По ее внешнему виду и свойствам можно безошибочно определить, из какого материала изготовлена деталь. Если это чугун – стружка буквально рассыплется у вас в пальцах, превращаясь в пыль. Если это сталь – стружка будет выглядеть как витая пружинка и может даже оцарапать ваши пальцы, если вы попробуете ее сломать.

Наконец, можно судить о материале по величине, форме и цвету искр, образующихся, когда по краю изделия проводят шлифовальной машинкой. Чем больше содержание углерода, тем ярче и сильнее будет сноп светло-желтых искр. А содержание углерода гораздо выше, чем в стали.

Если есть сомнения – лучше использовать в качестве эталонов куски чугуна и стали и сравнивать форму и свойства опилок (стружек), а также вид образующихся искр с тем, что получается при обработке этих образцов.

В своей жизни нам часто приходится сталкиваться с использованием различных изделий из чугуна , который по своей структуре представляет довольно хрупкий сплав, но с хорошей теплопроводностью. В соответствии с этим нередко возникает вопрос, а как его варить, ведь чугун из-за высокого содержания в нём углерода, серы и фосфора относится к группе плохо свариваемых металлов?

Инструкция

Опустив тонкости химического состава чугуна, химических и других процессов происходящих при сварке, давайте всё же разберёмся: как сварить ? Промышленность нашей производит серый и белый чугун, которые сильно отличаются по своему и характеристикам. Соответственно, и способы сварки для них разные. Здесь необходимо помнить, что сварить изделия из чугуна, которые длительное время подвергались воздействию высоких температур от 300 градусов и выше, а так же изделия, длительное время проработавшие в непосредственном соприкосновении с различными маслами, практически не представляется возможным.

Наиболее приемлемым способом сварки чугуна в наших бытовых является сварка с использованием электросварочного аппарата. Итак, при электросварке проведите V-образную разделку свариваемых кромок и тщательно очистите их от масла, ржавчины и грязи щеткой.

Приобретите электроды с покрытием УОНИ-13/45 (сварку данными электродами проводят при постоянном токе обратной полярности).

Сварочный шов накладывайте отдельными участками (в разбивку), это поможет вам избежать неравномерного разогрева детали (отдельно направленные участки сварочного шва должны быть не более 10 см).При сварке изделий толщиной более 5 мм не забывайте выполнить усиление шва на длину равную толщине свариваемой детали.

Во время сварки не забывайте давать остывать отдельно наплавляемым участкам до 60-80 градусов.При сварке чугуна с использованием шпилек делайте следующее: с помощью дрели (в шахматном порядке) просверлите в подготовленных кромках отверстия (не сквозные!), нарежьте резьбу и вверните в них шпильки из низкоуглеродистой стали (угол кромок свариваемых деталей должен составлять 90 градусов).

В разделку вставьте шпильки большего диаметра.Сварку выполните электродами с защитно-легирующим покрытием марки Э42 (42А) или Э50 (50А) на постоянном или переменном токе, при этом толщина электрода подбирается в зависимости от толщины свариваемого изделия.
Саму сварку выполните путём обваривания шпилек кольцевым швом и только после этого короткими участками заполните пространство между обваренными шпильками и саму разделку.Есть и другие способы сварки чугуна, но о них поговорим позже.

Видео по теме

С неослабевающей пылкостью продолжаются споры о том, можно ли заварить чугун ? Насколько надежна будет такая сварка? Опыт пытливых и упорных «самоделкиных» показывает, что устранить трещину в казане, починить печные колосники с помощью газовой или электросварки вполне возможно.

Вам понадобится

• Газовая горелка или электрический сварочный аппарат, присадочные прутки, электроды.

Инструкция

Воспользуйтесь газовой сваркой – из наиболее надежных способов сварки чугун а. Газовая сварка позволяет получать наплавленный максимально по своим свойствам к основному.
Вести газовую сварку чугун а лучше с предварительным подогревом. Предварительно очистите кромки свариваемого материала от и грязи металлической щеткой, удалите все следы масла.
В качестве присадочных прутков используйте чугун ные стержни длиной 40-70 см. Диаметр прутка должен быть равным половине толщины основного .

Обратите внимание

При сварке чугуна необходимо поменять сварочные кабеля местами – с земли на держатель, а с держателя на землю.

Полезный совет

Также можете запаять чугун, используя газовую сварочную горелку, при помощи буры - в качестве окислителя - и цветных металлов – латуни, бронзы, меди.

Чугун представляет собой сплав железа с небольшим количеством углерода. Иногда в этот состав вводят также легирующие добавки, придающие ему более высокие потребительские качества. Данный металл – первичный материал для черной металлургии. Его используют не только при производстве стали и в машиностроении, но и для изготовления художественных изделий.

Чугун - это сплав железа с углеродом. По процентному содержанию железа содержится более 90%. Количество углерода колеблется в пределах 2,14- 6,67%. Благодаря этому элементу материал имеет высокую твердость, но появляется хрупкость. Это влечет ухудшение ковкости и пластичности. В некоторые виды для улучшения характеристики добавляются легирующие элементы: алюминий, хром, ванадий, никель.

Характеристика видов углеродистого металла

Диаграмма железо-углерод показывает, из чего состоит чугун. Кроме железа, присутствует углерод в виде графита и цементита.

Состав сплава чугуна имеет разновидности:

Индивидуальные свойства металла

Материал характеризуется определенными характеристиками. К ним относятся:

В зависимости от наличия примесей появляется разница в свойствах материала.

К таким элементам относятся сера, фосфор, кремний, марганец:

• Сера уменьшает текучесть металла.
• Фосфор понижает прочность, но позволяет изготавливать изделия сложной формы.
• Кремний увеличивает текучесть материала, снижая его температуру плавления.
• Марганец дает прочность, но понижает текучесть.

Различия между чугуном и сталью

Чтобы понять, чем отличается сталь от чугуна, нужно рассмотреть их характеристики. Отличительной особенностью чугуна является количество углерода. Минимальное содержание его составляет 2,14%. Это основной показатель, по которому можно отличить этот материал от стали.

Определить же процентное содержание примесей может только химический анализ. Если сравнивать температуру плавления чугуна и стали, то у чугуна она ниже и составляет 1150−1250 градусов. У стали - в районе 1500.

Чтобы отличить материал, нужно провести следующие действия:

• Изделие опускается в воду и определяется объем вытесненной воды. У чугуна плотность меньше. Она составляет 7,2г/см3. У стали - 7,7−7,9 г / см3 .
• К поверхности прикладывается магнит, который к стали притягивается лучше.
• При помощи шлифовальной машинки или напильника натирается стружка. Затем она собирается в бумагу и вытирается об нее. Сталь не оставит следов.

Плюсы и минусы материала

Как и любой материал, чугун имеет положительные и отрицательнее стороны. К положительным качествам относятся:

Сталь – сплав железа (Fe>90%) с углеродом (C до 2,14%). Стали широко применяются в машиностроении, строительстве.
От чугунов сталь отличается более низким процентным содержанием углерода и всех постоянных примесей.
Стали более мягкие и пластичные, чем чугуны.

Помимо железа и углерода в сталях и чугунах всегда присутствует кремний (Si), марганец (Mn), сера (S), фосфор (P) и газы – кислород, азот, водород (O,N,H). Эти примеси называют постоянными.
Кроме постоянных примесей в сталях и чугунах случайным образом могут содержаться и другие элементы, которые называют случайными примесями (из руды, лома).
Иногда в железоуглеродистые сплавы для изменения их структуры и свойств специально вводят химические элементы – хром (Cr), никель (Ni), молибден (Mo), вольфрам (W), титан (Ti). Такие примеси называют легирующими , а соответствующие сплавы – легированными.

Классификация по химическому составу

По химическому составу стали подразделяют на:
Углеродистые
Легированные

Углеродистая – сталь, у которой свойства зависят, в основном, от содержания углерода. Такие стали в свою очередь подразделяют на:
Низкоуглеродистые – С<0,25%
Среднеуглеродистые – 0,25% Высокоуглеродистые – С>0,6%
Легированная – сталь, в состав которой входят специально введенные элементы для придания ей требуемых свойств.

Классификация по назначению

Стали делят по назначению на:
Конструкционные
Инструментальные

Конструкционные стали предназначены для изготовления деталей машин, приборов и элементов строительных конструкций.
Инструментальные стали используют для изготовления режущего, измерительного инструмента, штампов для холодного и горячего деформирования.
Стали специального назначения – нержавеющие (коррозионно-стойкие), жаростойкие, жаропрочные, износостойкие и др.

Классификация по качеству

Стали подразделяют по этому признаку на:
Стали обыкновенного качества
Качественные
Высококачественные
Особо высококачественные

Под качеством здесь понимается совокупность свойств стали, определяемых металлургическим процессом ее производства.

Классификация по степени раскисления

Стали по степени раскисления классифицируют на:
Спокойные
Полуспокойные
Кипящие
При маркировке таких сталей в конце марки кипящей стали пишутся буквы "кп", полуспокойной - буквы "пс"

Раскисление – процесс удаления кислорода из жидкой стали. Нераскисленная сталь обладает недостаточной пластичностью и подвержена разрушению при горячей обработке давлением.

Классификация по структуре

Стали классифицируют в состоянии после отжига и нормализации. В отожженном (равновесном) состоянии стали подразделяют на:
Доэвтектоидные , имеющие в структуре избыточный цементит
Эвтектоидные , структура которых состоит из перлита
Завтектоидные , в структуре которых имеются вторичные карбиды, выделяющиеся из аустенита
Ледебуритные , в структуре которых содержатся первичные (эвтектические) карбиды
Аустенитные
Ферритные

Маркировка сталей

В конце марки кипящей стали пишутся буквы "кп", полуспокойной - буквы "пс".

Легирующие элементы обозначаются буквами: Н (никель), К (кобальт), Г (марганец), Х (хром), В (вольфрам), М (молибден), Ю (алюминий), С (кремний), Ф (ванадий), Р (бор). Буквы пишутся после цифры, указывающей содержание углерода. Если после буквы нет цифры, то содержание легирующего элемента в стали 1-1,5%. Исключение сделано для молибдена и ванадия, содержание которых в большинстве сталей 0,2-0,3%.

Если легирующего элемента в стали больше 1,5%, то цифра после буквы указывают его содержание в процентах. Например, марка 15Х обозначает сталь, имеющую в среднем 0,15%С и 1-1,5%Cr, сталь 35Г2 - 0,35%С и 2% Mn.

Отличие в обозначении качественных сталей от высококачественных заключается в том, что в конце марки высококачественной сстали приписывается буква А. К примеру, сталь 40ХНМ - качественная, а сталь 40ХНМА - высококачественная. Если сталь особо высококачественная, то в конце марки пишется буква Ш.

У сталей, применяемых в виде литья (в отливке), в конце марки ставится буква Л.

Шарикоподшипниковые хромистые стали обозначаются в начале буквами ШХ, содержание хрома в этих сталях указывается в десятых долях процента, а содержание углерода, одинаковое при различном содержании хрома, не указывается. Например, сталь ШХ15 содержит в среднем 1% C и 1,5% Cr.

Быстрорежущие стали обозначают буквой Р (режущие). Следующая за буквой цифра указывает содержание главного для этих сталей легирующего элемента - вольфрама.
Пример: Р6М5К4 - быстрорежущая сталь с содержанием вольфрама 6%, молибдена 5%, кобальта 4%.

Электротехнические стали (трансформаторные) обозначаются буквой Э. Следующая за буквой цифра указывает содержание легирующего элемента - кремния - в процентах.

По марочнику SAE (США) конструкционные стали: углеродистые и легированные одним и двумя элементами обозначаются четырьмя цифрами. Первая цифра указывает основной легирующий элемент, вторая - его содержание в процентах, третья и четвертая - содержание углерода в сотых долях процента. Первая цифра 1 принята для обозначения углеродистых сталей; тогда вторая цифра 0. Первы цифры: 2 обозначает никелевые стали; 3 - никелевые с хромом; 4 - молибденовые; 5 - хромистые; 6 - хромистые с ванадием; 7 - вольфрамовые; 8 - ванадиевые; 9 - кремнистые с марганцем.

Например, сталь 1045 отвечает стали 45 по ГОСТ; сталь 5140 - стали 40Х и т.д. Для сталей, легированных большим числом элементов, принято более сложное обозначение.

Сталь.

Сплав на основе железа, после литья ковкий при некоторых интервалах температур;

содержит марганец, углерод и часто другие легирующие элементы.

В углеродистых и низколегированных сталях, максимальное содержание углерода до 2,0 %;

в высоколегированной стали приблизительно до 2,5 %.

Делением между низколегированными и высоколегированными сталями обычно считается рубеж с содержанием приблизительно 5 % металлических легирующих элементов.

Легирующий элемент.

Элемент, добавляемый и остающийся в металле, который изменяет его структуру и химический состав.

Легированные стали.

Высокопрочные низколегированные стали.

Сталь, спроектированная для обеспечения лучших механических свойств и более высокого сопротивления атмосферной коррозии, чем углеродистая сталь. Эта сталь не должна составлять класс легированных сталей, так как была изготовлена скорее для специальных механических свойств, чем для специального химсостава (HSLA стали имеют предел текучести более чем 275 МПа или 40 ksi). Химический состав HSLA сталей может меняться в зависимости от требуемой толщины и механических свойств. Эти стали имеют низкое содержание углерода (0,05–0,25 %) для того, чтобы получить адекватную деформируемость и свариваемость, и имеют содержание марганца до 2,0 %. Малые количества хрома, никеля, молибдена, меди, азота, ванадия, ниобия, титана, циркония используются в различных комбинациях.

Низколегированные стали.

Класс черных металлов, которые проявляют прочностные свойства, большие, чем простые углеродистые стали, в результате добавления таких легирующих элементов как никель, хром и молибден. Общее содержание легирующих элементов может составлять от 2,07 % до уровня чуть ниже нержавеющих сталей, которые содержат минимум 10 % Сr.

Ковкий чугун.

Чугун, полученный при длительном отжиге белого чугуна, при котором происходят процессы декарбюризации и графитизации, устраняющие частично или полностью цементит. Графит находится в форме углерода отжига. Если преобладает реакция декарбюризации, то продукт имеет светлую поверхность излома - ковкий белосердечный чугун. Если поверхность излома будет темной - темносердечный ковкий чугун. В Соединенных Штатах производится только темносердечный ковкий чугун. Ковкий чугун имеет преимущественно ферритную матрицу; перлитный ковкий чугун может содержать шаровидный перлит или отпущенный мартенсит, в зависимости от термообработки и желаемой твердости.

Серый чугун.

Широкий класс железных литейных сплавов (чугунов), обычно характеризуемых микроструктурой пластинчатого графита в железной матрице. Серый чугун обычно содержит от 2,5 до 4 % С, от 1 до 3 % кремния и добавки марганца, в зависимости от желательной микроструктуры (от 0,1 % Мп в ферритном сером чугуне и до 1,2 % в перлитном). Сера и фосфор также находятся в малых количествах как остаточные примеси.

Чугун.

Родовой термин для большой совокупности литых железных сплавов, в которых содержание углерода превышает растворимость углерода в аустените при эвтектической температуре. Большинство чугунов содержит не меньше 2 % углерода, плюс кремний и серу и может содержать другие легирующие элементы. См. также высокопрочный чугун, ковкий чугун, серый чугун, пластичный чугун и белый чугун.

Чугун с вермикулярным графитом.

Чугун, имеющий графит в форме, промежуточной между формой пластинки, типичной для серого чугуна и сферической формой высокопрочного чугуна. В структуре отсутствует пластинчатый графит, она состоит из 20 % сфероидального графита и 80 % вермикулярного графита (ASTM A247, тип IV). Также известный как CG- чугун. Чугун с вермикулярным графитом аналогичен литому ковкому чугуну, но используется техника, подавляющая образование сфероидального графита. Типичные номинальные составы CG- чугуна содержат от 3,1 до 4,0 % С, от 1,7 до 3,0 % кремния и от 0,1 до 0,6 % марганца.

Полуспокойная сталь.

Состояние поверхности слитка полуспокойной стали близко к поверхности кипящей стали. Остальные характеристики имеют промежуточное значение между кипящей и спокойной сталями.

Спокойная сталь.

Сталь, обрабатываемая сильным раскислителем типа кремния или алюминия для того чтобы снизить содержание кислорода до такого уровня, что не возникает никакой реакции между углеродом и кислородом в течение кристаллизации.

Углеродистая сталь.

Сталь, содержащая не более принимаемых за норму концентрации 1,65 % марганца, 0,60 % кремния и 0,60 % меди - и только несущественное количество любых других элементов кроме углерода, кремния, марганца, меди, серы и фосфора. Низкоуглеродистые стали содержат до 0,30 % углерода, среднеуглеродистые стали содержат от 0,30 до 0,60 % углерода и высокоуглеродистые стали ее держат от 0,60 до 1,00 % С.

Легированные чугуны.

Чугуны, содержащие больше чем 3 % легирующих элементов. Различают легированные белые чугуны, серые чугуны, ковкие чугуны.

Легированный сплав.

Сплав, обогащенный одним или более желательным легирующим элементом, которые добавляются в расплавленный металл для получения необходимой концентрации.

Подшипниковые стали.

Легированные стали, используемые для производства подшипников качения. Обычно производятся из высокоуглеродистых (1,00 %) и низкоуглеродистых (0,20 %) сталей. Высокоуглеродистые стали используются после индукционной поверхностной закалки. Низкоуглеродистые стали цементируют, чтобы обеспечить необходимую поверхностную твердость при сохранении основных свойств.

Инструментальная сталь.

Любая из класса углеродистых и легированных сталей, обычно используемых для изготовления инструментов. Инструментальные стали характеризуются высокой твердостью и сопротивлением истиранию, сохраняя высокую твердость при повышенных температурах. Эти характеристики обычно достигаются высоким содержанием углерода и легированием.

Металл.

1) Непрозрачное блестящее элементарное вещество, которое является хорошим проводником тепла и электричества и, когда отполировано, характеризуется хорошим светоотражением. Большинство металлов ковки и пластичны и отличаются большей плотностью, чем другие элементарные вещества.

2) По своей структуре металлы отличаются от неметаллов их межатомной связью и электронным потенциалом. Металлические атомы имеют тенденцию к потере электронов с орбит. Положительные ионы, сформированные таким образом, скрепляются электронным газом. Способность этих «свободных электронов» к переносу электрических зарядов и тот факт, что эти способности уменьшаются с увеличением температуры, устанавливают главные различия металлических твердых тел.

3) С химической точки зрения, элементарное вещество, чей гидроксид является щелочным.

Прокат.

Любой технический продукт прокатного стана.

Основные отличия чугуна и стали:
Чугун легче стали
Чугун имеет более низкую температуру плавления.
Сталь лучше поддается обработке (сварке, резке, прокатке, ковке).
Изделия из чугуна более пористые их теплопроводность значительно ниже.
Чугун обладает низкой теплопроводностью, а сталь – более высокой.
Чугун - первичный продукт черной металлургии, а сталь является конечным продуктом.
Чугун не закаливают, а некоторые виды стали обязательно подвергают процедуре закалки.
Изделия из чугуна бывают только литыми, а из стали – коваными и сварными.