Как отличить чугун от стали в домашних условиях без специальных приборов. Что такое чугун? Свойства, состав, получение и применение

Вопрос: 28 марта 2009
Чем отличается чугун от стали, и почему?

Ответ:
Как ни странно, но, несмотря на обилие специальной литературы на эту тему, часто нам задают и такой вопрос: Чем чугун отличается от стали? Если коротко и в общих чертах, то можно сказать, что по составу чугун отличается от стали более высоким содержанием углерода, по технологическим свойствам - лучшими литейными качествами и малой способностью к пластической деформации. Чугун, как правило, дешевле стали.
А если более подробно, то – читайте классиков, уважаемые! Многие тома посвящены материаловедению и металлургии чёрных сплавов. В качестве примера привожу отрывок из фундаментальной работы Гуляева А.П. «Металловедение»:
«Сталь - это железоуглеродистый сплав, содержащий менее 2,14% углерода. Однако указанная граница (2,14% C) относится только к двойным железоуглеродистым сплавам или сплавам, содержащим сравнительно небольшое число примесей. Вопрос о границе между сталями и чугунами в высоколегированных железоуглеродистых сплавах, т.е. содержащих ещё большее количество других элементов, кроме железа и углерода, является спорным.
В свете современной техники известны и в последнее время получили распространение сплавы на основе железа, в которых углерода очень мало и он является даже вредным элементом; тем не менее такие сплавы также называют сталями. Во избежание терминологической путаницы принято считать сплавы, в которых железа более 50%, сталями (чугунами) и не именовать их сплавами, а именовать сплавы, содержащие железа менее 50%. Научно это не строго, но технически чётко».

Среди металлов, производимых в одном технологическом процессе выделяются одни из самых распространенных — сталь и чугун. При том, что один делается в результате переделки другого, эти металлы существенно отличаются друг от друга, как по своему составу, так и по использованию в экономике.

Как варят сталь

Сталью называют железо-углеродистый сплав, в котором содержание углерода не превышает 3,4 процентов . Обычный показатель — в пределах 0,1-2,14 % . Он снижает пластические характеристики стали, при этом делая ее тверже и прочнее. В легированной и высоколегированной содержится более 45% железа. Упругость стали определяет ее востребованность при создании машиностроительной продукции, в первую очередь силовых пружин и рессор, амортизаторов, подвесок, растяжек и других упругих частей.

Независимо от форм и условий эксплуатации упругих частей машин, механизмов и приборов, у них есть общее замечательное качество. Оно заключается в том, что, несмотря на большие ударные, периодические и статические нагрузки у них нет остаточной деформации.

Стали классифицируют в соответствии с их назначением, химическим составом, структурой и качеством. Категорий назначений стали множество, в том числе такие как:

Инструментальные.
Конструкционные.
Нержавеющие.
Жаропрочные.
Устойчивые к сверхнизким температурам.

Стали могут различаться по содержанию в них углерода, от низкоуглеродистых, в которых его до 0,25%, до высокоуглеродистых с 0,6-2%. В легированных может быть от 4 до 11 и выше процентов соответствующих добавок. В зависимости от содержания различных примесей они классифицируются на стали с обыкновенными качествами, высококачественные и обладающие особо высокими качествами.

При ее производстве главное — добиться снижения до необходимого уровня содержания серы и фосфора, делающих металл ломким и хрупким. При этом применяются разные способы, окисления углерода, которые могут быть мартеновским, конверторным и электротермическим. При мартеновском способе необходимо много тепловой энергии, которая выделяется при сжигании газа или мазута. С помощью электричества нагреваются дуговые или индукционные печи. Для конвертерного варианта внешнего источника тепла не нужно. Здесь обычно расплавленный чугун отделяется от примесей путем продувания через него кислорода.

Сырьем для производства стали служит металлом, передельный чугун, добавки, образующие шлаки и обеспечивающие легирование стали. Сам процесс плавки может проводиться в разных вариантах. Случается, что он начинается в мартеновской печи, а заканчивается в электрической. Или для того, чтобы получилась сталь, устойчивая против коррозии, она после плавления в электропечи сливается в конвертер. В нем она продувается кислородом и аргоном для минимизации содержания углерода. Плавится сталь при температуре 1450-1520 °C .

Как получают чугун

Сплав железа с углеродом также может именоваться чугуном. Однако в отличие от стали, в нем должно быть не менее 2,14 % углерода, придающему этому очень твердому материалу высокую хрупкость, При этом он становится менее пластичным и вязким. В зависимости от содержания в нем цементита и графита чугун может именоваться белым, серым, ковким и высокопрочным.

Первый содержит 4,3-6,67 % углерода . Он светло-серый на изломе. Используют его преимущественно для получения ковких чугунов с применением технологии отжига. Серым называется чугун по серому цвету его излома из-за наличия графита в пластинчатом виде и наличия кремния. В результате продолжительного отжига белого чугуна выходит чугун ковкий. У него повышенная пластичность и вязкость, удароустойчивость и большая прочность. Из него изготавливают сложные детали для машин и механизмов. Его маркируют буквами «К» и «Ч», после которых ставятся цифры, указывающие на предел прочности и относительное удлинение.

Высокопрочный чугун отличается наличием в нем шаровидного графита, не допускающего концентрации напряжений и ослабления металлической основы. Для его упрочнения используют лазер, что позволяет получать ответственные детали машин повышенной прочности. Для промышленных потребностей существуют различные классификации чугуна передельного, антифрикционного, легированного и графитсодержащего. Его температура плавления в пределах 1 150 до 1 200 °C.

Чугун зарекомендовал себя универсальным, недорогим и прочным материалом . Из него изготавливают сложные и массивные детали машин и механизмов, уникальные художественные изделия. Чугунные украшения и памятники украшают многие города мира. Столетиями служат людям искусно выполненные из него ограды старинных зданий, ступеньки в них, водопроводные и канализационные трубы. Чугунные люки закрывают коммуникационные колодцы на улицах многих населенных пунктов. Ванны, мойки и раковины, отопительные радиаторы из этого материала отличаются надежностью и долговечностью. Из чугуна отливают коленчатые валы и блоки цилиндров двигателей внутреннего сгорания, тормозные диски и другие детали автомобилей. Обычно чугунные детали после отливки подвергаются дополнительной механической обработке.

Что их отличает

Сталь и чугун являются материалами, широко используемыми в промышленности, на транспорте и в строительстве. Внешне они бывают очень схожими.

Однако существуют такие основные различия между ними:

Сталь является конечным продуктов сталеплавильного производства, а чугун — сырьем для него.
У стали прочность и твердость выше, чем у хрупкого чугуна.
В ней содержание углерода намного меньше, чем у чугуна.
Сталь тяжелее чугуна, у нее выше температура плавления.
Сталь можно обрабатывать путем резки, прокатки, ковки и пр., изделия из чугуна преимущественно отливаются.
Чугунные изделия пористые и имеют теплопроводность значительно ниже, чем стальные
Новые стальные детали имеют серебристый блеск, чугунные матовые и черные.
Для придания стали особых свойств, ее могут закаливать, с чугуном это не делают.

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.

Разница между ломом чугуна и ломом стали не только в химическом составе, но и визуальная. Для тестирования разницы Вам понадобится шлифовальный круг, кусок металла, паяльная лампа, защитная маска и перчатки

Физические свойства чугуна и литой стали

Можно различить металлы по их внешности. Чугун грубый, матово-серого цвета, в то время как литая сталь гладкая и серебристо-серого цвета.

Тест на искру

Вам понадобятся два небольших кусочка каждого металла. Прижмите шлифовальный круг к краю каждого металла и обратите внимание на цвет образующихся искр. Сталь создаст блестящие белые искры, в то время как чугун будет генерировать тусклые красные искры.

Тест на дробление

Возьмите небольшой кусочек от каждого металла, и попытайтесь раздробить. Вы увидите, что чугун ломается хаотично в то время, как литая сталь будет дробиться на длинные, гладкие тонкие части практически без усилий.

Тест на плавление

Для этого теста Вам небольшой кусок от каждого металла для плавления. Наденьте защитное снаряжение и расплавьте металл паяльной лампой. Чем больше углерода в металле, тем труднее становится металл. Вы увидите, что чугун плавится быстрее, и становится красным. Литая сталь плавится дольше, и становится белой при расплавлении.

Тест на хрупкость

Бросьте тонкую пластинку каждого из металлов и бросьте его на землю с некоторым усилием. Чугун сломается на множество частей, в то время как сталь не сломается, или сломается на две части. Это потому, что чугун более хрупкий, сталь.

Многие знают о таком материале как чугун и его прочностных характеристиках. Сегодня мы с вами углубим эти знания и выясним, что такое чугун, из чего он состоит, каких видов бывает и как производится.

Состав

Что такое чугун? Это сплав из железа, углерода и разнообразных примесей, благодаря которым он обретает необходимые свойства. Материал должен иметь в своем составе не менее 2,14% углерода. В противном случае, это будет сталь, а не чугун. Именно благодаря углероду чугун обладает повышенной твердостью. Вместе с тем, данный элемент снижает пластичность и ковкость материала, придавая ему хрупкость.

Кроме углерода, в состав чугуна в обязательном порядке входят: марганец, кремний, фосфор и сера. В некоторые марки также вносят дополнительные присадки, для придания материалу специфических свойств. Среди часто используемых легирующих элементов можно отметить: хром, ванадий, никель и алюминий.

Материал имеет плотность 7,2 г/см 3 . Для металлов и их сплавов это достаточно высокий показатель. Чугун хорошо подходит для производства всяческих изделий путем литья. В этом плане он превосходит все сплавы железа кроме некоторых марок стали.

Температура плавления чугуна равна 1200 градусам. У стали данный показатель выше на 250-300 градусов. Причина тому кроется в повышенном содержании в чугуне углерода, которое обуславливает менее тесные связи между атомами железа. Во время выплавки чугуна и его последующей кристаллизации, углерод в полной мере не успевает внедриться в структуру железа. Поэтому материал получается хрупким. Структура чугуна не позволяет использовать его для производства продукции, которая постоянно подвержена динамическим нагрузкам. А вот для чего чугун подходит идеально, так это для деталей, которые должны обладать повышенной прочностью.

Получение

Получение чугуна - весьма затратный и материалоемкий процесс. Чтобы получить одну тонну сплава, необходимо 550 кг кокса и 900 л воды. Что касается руды, то ее количество зависит от содержания в ней железа. Как правило, используется руда с массовой долей железа не менее 70%. Обработка менее богатых руд нецелесообразна с экономической точки зрения.

Прежде чем отправиться на переплавку, материал обогащается. Производство чугуна в 98% случае происходит в доменных печах.

Технологический процесс включает в себя несколько этапов. Сначала в доменную печь загружается руда, в состав которой входит магнитный железняк (соединение двух- и трехвалентного оксида железа). Также могут использоваться руды, в которых содержатся водная окись железа или его солей. Кроме сырья, в печь кладут коксующиеся угли, необходимые для создания и поддержания высокой температуры. Продукты горения углей как восстановители железа также участвуют в химических реакциях.

Дополнительно в топку подается флюс, играющий роль катализатора. Он ускоряет процесс плавления пород и освобождения железа. Важно отметить, что прежде чем попасть в топку, руда должна пройти специальную обработку. Так как мелкие части лучше плавятся, ее предварительно измельчают на дробильной установке. Затем руду промывают, чтобы избавиться от примесей, не содержащих металла. Затем сырье высушивается и проходит обжиг в печах. Благодаря обжигу из него удаляется сера и прочие чужеродные элементы.

После полной загрузки печи начинается второй этап производства. Когда горелки запущены, кокс постепенно разогревает сырье. При этом выделяется углерод, который реагирует с кислородом и образует оксид. Последний принимает активное участие в восстановлении железа из находящихся в руде соединений. Чем больше газа накапливается в печи, тем медленнее протекает реакция. Когда нужная пропорция достигнута, реакция и вовсе останавливается. Избыток газов в дальнейшем служит топливом для поддержания необходимой температуры в печи. У этого метода есть несколько сильных сторон. Во-первых, он позволяет снизить затраты горючего, что удешевляет производственный процесс. И, во-вторых, продукты горения не попадают в атмосферу, загрязняя ее, а продолжают участвовать в производстве.

Избыток углерода перемешивается с расплавом и поглощается железом. Так и получается чугун. Примеси, которые не расплавились, всплывают на поверхность смеси и удаляются. Их называют шлаком. Шлак находит применение в производстве некоторых материалов. Когда из расплава удалены все лишние частицы, в него добавляют специальные присадки.

Разновидности

Что такое чугун и как его получают, мы уже выяснили, теперь разберемся с классификацией этого материала. Описанным выше путем получают передельный и литейный чугун.

Передельный чугун используется в производстве стали по кислородно-конвертерному пути. Этот вид отличается низким содержанием кремния и марганца в сплаве. Литейный чугун применяют в производстве всяческой продукции. Он делится на пять видов, каждый из которых рассмотрим отдельно.

Белый

Это сплав отличается содержанием избыточной части углерода в виде карбида или цементита. Название этому виду было дано за белый цвет в месте разлома. Содержание углерода в таком чугуне обычно превышает 3%. Белый чугун отличается высокой хрупкостью и ломкостью, поэтому его применяют ограниченно. Данный вид используют для производства деталей простой конфигурации, которые выполняют статические функции и не несут больших нагрузок.

Благодаря добавлению в состав белого чугуна легирующих присадок, можно повысить технические параметры материала. С этой целью чаще всего используют хром или никель, реже - ванадий или алюминий. Марка с подобного рода присадками получила название «сормайт». Она используется в различных устройствах как нагревательный элемент. «Сормайт» обладает высоким удельным сопротивлением, и хорошо работает при температурах не выше 900 градусов. Самое распространенное применение белого чугуна - производство бытовых ванн.

Серый

Это наиболее распространенная разновидность чугуна. Она нашла применение в разных областях народного хозяйства. В сером чугуне углерод представлен в виде перлита, графита или же феррито-перлита. В таком сплаве содержание углерода составляет порядка 2,5%. Как для чугуна, этот материал обладает высокой прочностью, поэтому его используют в производстве деталей, которые получают циклическую нагрузку. Из серого чугуна делают втулки, кронштейны, зубчатые шестеренки и корпуса промышленного оборудования.

Благодаря графиту серый чугун снижает силу трения и улучшает действие смазок. Поэтому детали из серого чугуна имеют высокую стойкость к данному виду износа. При эксплуатации в особо агрессивных средах в материал вводятся дополнительные присадки, позволяющие нивелировать негативное воздействие. К таковым относятся: молибден, никель, хром, бор, медь и сурьма. Эти элементы защищают серый чугун от коррозии. Кроме того, некоторые из них повышают графитизацию свободного углерода в сплаве. Благодаря этому создается защитный барьер, предотвращающий попадание на поверхность чугуна разрушающих элементов.

Половинчатый

Промежуточным материалом между двумя первыми разновидностями является половинчатый чугун. Содержащийся в нем углерод представлен в виде графита и карбида приблизительно в равных долях. Кроме того, в таком сплаве могут присутствовать в незначительных количествах лидебурит (не более 3%) и цементит (не более 1%). Общее содержание углерода в половинчатом чугуне колеблется 3,5 до 4,2%. Данная разновидность применяется для производства деталей, которые эксплуатируются в условиях постоянного трения. К таковым можно отнести автомобильные тормозные колодки, а также валки для измельчительных станков. Для еще большего повышения износостойкости в сплав добавляют всяческие присадки.

Ковкий

Этот сплав представляет собой разновидность белого чугуна, который с целью графитизации свободного углерода подвергается специальному обжигу. По сравнению со сталью, такой чугун имеет улучшенные демпфированные свойства. Кроме того, он не столь чувствителен к надрезам и хорошо работает в условиях низких температур. В таком чугуне массовая доля углерода составляет не более 3,5%. В сплаве он представлен в виде феррита, зернистого перлита, содержащего вкрапления графита или феррито-перлита. Ковкий чугун, как и половинчатый, используют в основном в производстве деталей, эксплуатирующихся в условиях непрерывного трения. Для повышения эксплуатационных характеристик материала в сплав добавляют магний, теллур и бор.

Высокопрочный

Данный вид чугуна получается вследствие образования в металлической решетке включений графита шаровидной формы. Из-за этого металлическая основа кристаллической решетки ослабевает, и сплав обретает улучшенные механические свойства. Образование шаровидного графита происходит благодаря введению в материал магния, иттрия, кальция и церия. Высокопрочный чугун близок по своим параметрам к высокоуглеродистой стали. Он неплохо поддается литью и может полностью заменить стальные детали механизмов. Благодаря высокой теплопроводности данный материал может быть использован для изготовления трубопроводов и отопительных приспособлений.

Трудности промышленности

На сегодняшний день литье чугуна имеет сомнительные перспективы. Дело в том, что из-за высокого уровня затрат и большого количества отходов промышленники все чаще отказываются от чугуна в пользу дешевых заменителей. Благодаря быстрому развитию науки уже давно стало возможным получение более качественных материалов при меньших затратах. Серьезную роль в этом вопросе играет защита окружающей среды, которая не приемлет использование доменных печей. Чтобы полностью перевести выплавку чугуна на электрические печи, нужны годы, если не десятилетия. Почему так долго? Потому что это очень дорого, и далеко не каждое государство может себе это позволить. Поэтому остается лишь ждать, пока наладится массовый выпуск новых сплавов. Конечно же, полностью прекратить промышленное применение чугуна в ближайшее время не получится. Но очевидно, что масштабы его производства будут падать с каждым годом. Эта тенденция началась еще 5-7 лет тому назад.

Заключение

Разобравшись с вопросом: «Что такое чугун?», можно сделать несколько выводов. Во-первых, чугун представляет собой сплав из железа, углерода и присадок. Во-вторых, он имеет шесть видов. В-третьих, чугун весьма полезный и универсальный материал, поэтому долгое время его дорогостоящее производство было целесообразно. В-четвертых, на сегодняшний день чугун уже считается пережитком прошлого, и планомерно уступает свои позиции более надежным и дешевым материалам.