Чем качественно отличается сталь от чугуна?

Чугунные и стальные изделия металлургической промышленности находят применение как в быту, так и на производстве. Оба материала представляют собой уникальные сплавы железа и углерода. Всем известно, что железо добывается из глубин земли в огромных количествах. Но в чистом виде эксплуатировать его невозможно, этот элемент слишком мягок, а поэтому непригоден для изготовления высокопрочных изделий. Поэтому в промышленных, строительных и бытовых целях употребляется не железо в чистом виде, а его производные -чугуны и стали. Чем отличается сталь от чугуна?

Чугун и сталь представляют собой сплавы железа и углерода.

Их отличие проявляется во многих качествах, и общность элементов при производстве не дает материалу идентичные характеристики.

Градация стали и чугуна

Сталь

Схема производства стали.

Для получения стали железо сплавляется с углеродом и разнообразными примесями. Обязательным условием является содержание углерода не более 2% (он увеличивает прочность), а железа – не меньше 45%. Оставшуюся часть составляют легирующие связывающие компоненты (хром, молибден, никель и т.д). Хром увеличивает прочность стали, ее твердость и сопротивляемость износу. Никель увеличивает прочность, вязкость и твердость , повышает ее антикоррозийные качества и прокаливаемость. Кремний добавляет прочности, твердости и упругости стали, снижает ее вязкость. Марганец улучшает свариваемость и прокаливаемость.Металлурги выделяют разные виды стали. Классифицируют их в зависимости от объема оставляющих элементов. Например, содержание более 11% легирующих металлов дает высоколегированную сталь. Существует также:

1. Низколегированная сталь – до 4%.
2. Среднелегированная сталь – до 11%.

Механические свойства стали.

По количеству углерода сталь классифицируется на :

• низкоуглеродистый металл – до 0,25% С;
• среднеуглеродистый металл – до 0,55% С;
• высокоуглеродистый металл – до 2% С.

Состав неметаллических элементов (фосфидов, сульфидов) классифицирует металл на:

• обычную;
• качественную;
• высококачественную;
• особо высококачественную сталь.

В итоге все виды стали представляют собой прочный, износостойкий и устойчивый к деформации сплав с температурой плавления от 1450 до 1520 °C.

Чугун

В производстве чугуна тоже сплавляется железо и углерод. Основным же отличием чугуна от стали является содержание последнего в смеси. Оно должно составлять больше 2%. Помимо этого, смесь содержит примеси: кремний, марганец, фосфор, серу и легирующие металлы. Чугун более хрупок, чем сталь, и разрушается без видимого деформирования. Углерод в металле представлен графитом или цементитом, при этом объем и форма элемента дают определение разновидностям сплава:

Производство чугуна.

1. Белый чугун, в котором весь объем углерода представлен цементитом. На изломе этот материал имеет белый цвет, очень твердый, но при этом хрупкий. Легок в обработке и применяется для производства ковкой разновидности.
2. Серый – углерод представлен графитом, придающим материалу пластичность. Мягок, подвержен резанию, с низкой температурой плавления.
3. Ковкий, который получается из белого чугуна специальным отжигом (томлением) его в особых нагревательных печах при температуре 950-1000 °С. При этом чрезмерная хрупкость и твердость, характерные для белого чугуна, намного снижаются. Ковкий чугун не куется, а название указывает лишь на его пластичность.
4. Высокопрочный чугун, содержащий шаровидный графит, образованный в процессе кристаллизации.

Количеством углерода в сплаве определяется температура его плавления (чем больше содержание элемента, тем ниже температура и выше текучесть при нагреве). Поэтому чугун является жидкотекучим, непластичным, хрупким и трудно поддающимся обработке материалом с температурой плавления от 1150 до 1250 °C.

Устойчивость к коррозии

Оба сплава подвержены коррозии, и неправильная эксплуатация способствуют ускорению этого процесса.

Получение чугуна из руды.

Чугун в процессе использования покрывается сверху сухой ржавчиной. Это так называемая химическая коррозия. Влажная (электрохимическая) коррозия воздействует на чугун медленнее, чем на сталь. Первоначально напрашивается вывод, что антикоррозионные характеристики чугуна гораздо выше. На самом деле оба эти сплава подвержены коррозии в равной степени, просто в отношении чугунных изделий из-за толстых стен процесс занимает больше времени. Этим, например, можно объяснить разницу в сроке службы котлов: стальные – от 5 до 15 лет, чугунные – от 30 лет.

В 1913 году Гарри Бреарли совершил открытие в области металлургии. Он обнаружил, что сталь с высоким содержанием хрома имеет хорошее сопротивление к кислотной коррозии. Так появилась нержавеющая сталь. Она тоже имеет свою градацию:

1. Коррозионно-стойкая сталь имеет стойкость к коррозии в элементарных промышленных и бытовых условиях (нефтегазовая, легкая, машиностроительная промышленность, хирургические инструменты, бытовая нержавеющая посуда).
2. Жаростойкая сталь устойчива к высоким температурам и агрессивным средам (химическая промышленность).
3. Жаропрочная сталь отличается повышенной механической прочностью в условиях высоких температур.

Термический шок и ударопрочность

Сравнительные показатели чугунов и стали.

Чугун и сталь часто применяются при изготовлении отопительных котлов. При этом вопрос устойчивости к термическим ударам становится особенно важным. Если в неостывший чугунный котел попадет холодная вода, он может треснуть. Стальным изделиям термошок не страшен. Сталь более эластична и отлично переносит разницу температур. Но большие и частые температурные перепады у стали способствуют появлению «усталых» зон и, как следствие, трещин в местах, которые ослаблены сваркой.

Хорошая пластичность делает стальные изделия устойчивыми к механическим повреждениям. Хрупкость же чугуна неизбежно приводит к образованию трещин при ударах или перекосах.

Серый чугун имеет более однородную структуру, повышенные пластичность и антикоррозийные свойства, способен выдерживать большие температурные скачки.

Выводы:

1. Чугун менее прочен и тверд, нежели сталь.
2. Сталь тяжелее и имеет более высокую температуру плавления.
3. Более низкое содержание углерода в стали в отличие от чугуна позволяет более легко ее обрабатывать (варить, резать, ковать).
4. По аналогичной причине чугунные изделия производят только методом литья, стальные же могут быть кованными и сварными.
5. Изделия из стали менее пористые, чем из чугуна, а потому их теплопроводность значительно выше.
6. Изделия из чугуна имеют, как правило, черный цвет и матовую поверхность, а из стали – светлые с блестящей поверхностью.

Как отличить чугун от стали?

Способы отличить:

1. По плотности изделия. Необходимо взвесить предмет и определить, какой объем воды он вытеснит. Плотность стали лежит в диапазоне 7,7-7,9 г/см³, серого чугуна – не превышает 7,2 г/см³. Этот способ не отличается особой надежностью, потому что белый чугун имеет плотность между 7,6 и 7,8 г/см³.
2. При помощи магнита. Чугун магнитится хуже, чем сталь. Минус этого метода в том, что стали с высоким содержанием никеля практически не притягивают магнит.
3. Наиболее точным способом является определение чугуна при помощи шлифовальной машинки и вида образующейся стружки. Следует взять напильник с мелкой насечкой и провести по поверхности предмета несколько раз. Образовавшиеся опилки необходимо собрать на бумагу, сложить ее вдвое и энергично потереть. Чугун заметно испачкает бумагу, сталь практически не оставит следов.

Можно сделать выводы о материале по величине, форме и цвету искр, появляющихся при шлифовке. Чем больше углерода, тем ярче и сильнее будет сноп светло-желтых искр. Как мы уже знаем, чугун содержит углерода больше, чем сталь. Также при сверловке изделия тонким сверлом можно определить материал по виду стружки. Чугунная стружка буквально на глазах превратится в пыль, стальная – приобретет вид витой пружины.