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
Вернуться к оглавлению
Сталь
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:
- Низколегированная сталь — до 4%.
- Среднелегированная сталь — до 11%.
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.
Вернуться к оглавлению
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:
- 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.
- Серый — углерод представлен графитом, придающим материалу пластичность. Мягок, подвержен резанию, с низкой температурой плавления.
- 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.
- 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.
Вернуться к оглавлению
Устойчивость к коррозии
Оба сплава подвержены коррозии, и неправильная эксплуатация способствуют ускорению этого процесса.
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:
- Коррозионно-стойкая сталь имеет стойкость к коррозии в элементарных промышленных и бытовых условиях (нефтегазовая, легкая, машиностроительная промышленность, хирургические инструменты, бытовая нержавеющая посуда).
- Жаростойкая сталь устойчива к высоким температурам и агрессивным средам (химическая промышленность).
- Жаропрочная сталь отличается повышенной механической прочностью в условиях высоких температур.
Вернуться к оглавлению
Термический шок и ударопрочность
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.
- Чугун менее прочен и тверд, нежели сталь.
- Сталь тяжелее и имеет более высокую температуру плавления.
- Более низкое содержание углерода в стали в отличие от чугуна позволяет более легко ее обрабатывать (варить, резать, ковать).
- По аналогичной причине чугунные изделия производят только методом литья, стальные же могут быть кованными и сварными.
- Изделия из стали менее пористые, чем из чугуна, а потому их теплопроводность значительно выше.
- Изделия из чугуна имеют, как правило, черный цвет и матовую поверхность, а из стали — светлые с блестящей поверхностью.
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».
Развитие промышленности и создание синтетических материалов не способно умалить достоинства и преимущества традиционных материалов. К таким можно отнести чугун и сталь. Это одни из самых старых знакомых сплавов для человеческой цивилизации.
Технология ремонтных и конструкторских работ зачастую включает в себя различные виды обработки. Это может быть:
- механическая
- химическая
- термическая
- электролитическая
- плазменная и другие виды обработки.
Несмотря на тот факт, что чугун и сталь отличаются друг от друга мизерной разницей содержания углерода, способы и методы воздействия факторов на эти сплавы разнятся и требуют разных способов одного и того же метода влияния на форму и структуру металла.
Факторы, влияющие на обработку стали и чугуна
Для того что бы не потратить деньги и ресурсы на ветер, очень важно знать как определить чугун или сталь.
- Выбор сварочного электрода
- угол заточки сверла
- режим сверления и фрезерования
Это не все факторы, которые способны усложнить жизнь и труд человека, неправильно определившего тип металла. Снижение механических, прочностных и нарушение гарантированных межремонтных интервалов куда большее зло, способное нанести ущерб производству и бюджету в случае ошибки.
Визуальное определение
Как же можно отличить чугун от стали визуально, не прибегая к разрушающим методам контроля. Если стоит вопрос о сварке треснутого участка детали или даже отвалившегося куска, то есть возможность исследовать слом или структуру трещины. Металл на сломе чугунной детали наверняка будет темно-серого цвета с матовой поверхностью. При тех же условиях излом стали будет иметь светло-серый, практически белый цвет, с глянцевым блеском.
Характер трещин на поверхности высокоуглеродистых сплавов похожи на раскол на глиняной посуде, низкоуглеродистые сплавы склонны к пластическим деформациям и по этой причине трещина имеет форму разрыва пластичного материала.
По поверхностным дефектам можно выделить только чугун, который заливался в форму при низкой температуре, не обрабатывался позже и не наносился декоративный лакокрасочный слой. На таком изделии заметны полусферические мелкие зерна, образованные вследствие не пролива из-за низкой температуры.
Не забывайте о правильном визуальном методе определения материала. Советские, современные и зарубежные ГОСТы предполагают наличие маркировки материалов на всех литых изделиях. На отечественном литье значки СЧ, ВЧ, КЧ – перед вами чугунное литье. Л45, 45ХЛ, 110Г2С – говорит об использовании стального литья для данного элемента.
Механическое определение с помощью сверления
Высокопрочный чугун с шаровидным графитом по качеству и визуально очень напоминает стальные изделия. Осуществить проверку изделия разорвав его на разрывной машине, не совсем оправдано и разумно. Для этого можно выбрать не работающий, незаметный участок на изделии и просверлить его не на всю глубину сверлом минимального диаметра. Структура чугуна такова, что стружка не способна сформироваться в витой вьюн. Вкрапления графита, даже если они не видны, крошат стружку на этапе ее формирования. Такая стружка в руках растирается в пыль, оставляет на руках черный след, как от грифеля простого карандаша.
Стальная стружка способна образовывать вьюн больше длины самого сверла, не рассыпается в руках. При быстрых оборотах она имеет цвет побежалости на поверхности.
Механическое определение с помощью шлифования
Можно подойти к вопросу определения материала используя болгарку (угловую шлифовальную машинку). Как и предыдущем способе выбираем участок который не является плоскостью трения, контактной площадкой или другим важным конструкторским элементом. Включенной машинкой соприкасаемся с исследуемой поверхностью и следим за формой и цветом искр.
В чугунных изделиях это будет короткая искра с красноватым оттенком на звездочке в конце трека.
В металлических изделиях сноп искр будет сравнительно больший, треки длиннее, а искры ослепительно белого или желтого цвета.
Если существует неопределенность и неуверенность в методе и вашей оценке, то можно взять заведомо известный материал, например, чугунный казан в углу гаража и проверить какие искры летят при обработке шлифовальной машинкой. При этом не стоит забывать, что ряд сталей специального назначения, особенно жаропрочные, дают искру минимального размера, с коротким треком и вишнево красного цвета.
В данном материале не рассматриваются экзотические для домашнего пользования методы:
- спектрального анализа
- микроскопического анализа
- взвешивания и определения объема.
Но для домашних нужд вышеуказанных способов более чем достаточно. Независимо от метода и способа определения материала старайтесь использовать схемы, чертежи и прочую информацию к вашему агрегату или изделию. Количество информации во всемирной паутине зашкаливает и способно добраться в самый отдаленный уголок цеха или гаража.
25.Дать определение стали и чугунам. Как они маркируются?
Стали
Стали делятся: по применению - на конструкционные и инструментальные; по химическому составу - на углеродистые и легированные: по качеству - на углеродистые обыкновенного качества, углеродистые качественные конструкционные, легированные конструкционные и низколегированные конструкционные. Свойства стали зависят от содержания углерода. Чем больше углерода, тем прочнее, тверже и менее пластична сталь.
Конструкционная углеродистая сталь (используется для изготовления деталей машин и металлоконструкций) обыкновенного качества маркируется: Ст. О, Ст. 1, Ст. 2, Ст. 7, сталь углеродистая качественная - сталь 10, 15, 20 ...... 60, 65, 70, качественная с повышенным содержанием марганца - 15 Г, 30 Г, 50Г2 и т.д.
В марке качественной стали цифры указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента (например, сталь 50 содержит до 0,5 % углерода). Инструментальная углеродистая сталь используется для изготовления металло- и деревоперерабатывающего инструмента и штампов. Сталь имеет в маркировке букву У и цифру, показывающую количество углерода. Например, У8А означает: сталь углеродистая инструментальная, содержащая 0,8 % углерода, высококачественная, так как в конце марки указана буква А.
Чугуны применяются для изготовления литых фасонных заготовок. Различают чугуны белые (до 4 % углерода),серые (до 3,6%), ковкие, высокопрочные, антифрикционные и легированные.
Ковкий чугун получается из белых чугунов путем длительной выдержки при высокой температуре - томлением, характеризуется высокой прочностью и пластичностью.
27.Какие лигирующие элементы добавляют в сталь и как расшифровать их марки. Например: Ст.45хзнча?
Стали - сплав железа с углеродом, содержание которого не превышает 2,3 %, а также с другими естественными или вводимыми с определенной целью легирующими добавками.
Легированная сталь содержит в своем составе добавки, придающие ей особые свойства - повышение износостойкости, температуростойкости, коррозийной стойкости и пр. В качестве легирующих добавок используют: вольфрам - В, хром - X, ни- кель - Н, кремний - С, молибден - М, титан - Т, ванадий -Ф, бор - Р, алюминий - Ю и др.
Марка легированной стали обозначается многозначными числами (таблица 1.1). Цифры после букв обозначают процентное содержание компонентов; если оно не превышает одного процента, то цифра после буквы не ставится. Например, марка 25ХЗН4А расшифровывается как - высококачественная хромоникелевая сталь, содержащая до 0,25 % углерода, хрома 3 % и никеля 4 %. Стальное литье маркируется так: Сталь 25Л, 35Л и т.п. Механические свойства сталей (особенно усталостная прочность) повышаются при объемной и поверхностной термической (отжиг, нормализация, закалка, отпуск) или химико-термической обработке (цементация, азотирование).
Чугуном называется сплав железа с углеродом , содержащий углерода от 2,14 до 6,67%.
Получают чугун из железной руды с помощь топлива и флюсов.
Сталью называется сплав железа с углеродом , содержащий углерода до 2,1%.
Как и чугун, сталь имеет примеси кремния, марганца, серы и фосфора.
Основное отличие стали от чугуна - это то, что сталь содержит меньшее количество углерода и примесей.
2. Какие печи используются для выплавки стали?
Чугун переделывается в сталь в различных по принципу действия металлургических агрегатах: мартеновских печах, кислородных конвертерах, электрических печах.
Марте́новская печь (марте́н) - плавильная печь для переработки передельного чугуна и лома в сталь нужного химического состава и качества.
Мартеновская печь (рис. 3) по устройству и принципу работы является пламенной отражательной регенеративной печью. В плавильном пространстве сжигается газообразное топливо или мазут. Высокая температура для получения стали в расплавленном состоянии обеспечивается регенерацией тепла печных газов.
3. Что такое сталь? Что такое чугун?
Чугун - дешевый машиностроительный материал, обладающий хорошими литейными качествами. Он является сырьем для выплавки стали.
Сталь- (от нем. Stahl) - сплав (твёрдый раствор) железа с углеродом (и другими элементами), характеризующийся эвтектоидным превращением.
4. Назовите основные механические свойства металлов.
Механические свойства могут изменяться во времени. Для многих материалов (монокристаллич., ориентированных и армированных пластиков, волокон) характерна резкая анизотропия механических свойств. Хотя механические свойства зависят от сил взаимодействия между частицами (ионами, атомами. молекулами), составляющими вещество, прямое их сопоставление со структурными характеристиками затруднено из-за дефектов кристаллич. структуры и неоднородностей, присущих реальным веществам. Так, теоретические значения предела прочности на растяжение, составляющие ~ 0,1 модуля Юнга вещества, в 2-3 раза превышают достигнутые значения для предельно ориентированных волокон и монокристаллов и в сотни раз-для реальных конструкционных материалов.
По механическим свойствам различают следующие основные типы материалов:
1) жесткие и хрупкие (чугуны, высокоориентированные волокна, камни и др.), для них характерны модули Юнга > 10 ГПа и низкие разрывные удлинения (до неск. %);
2) твердые и пластичные (мн. пластмассы. мягкие стали, некоторые цветные металлы), для них характерен модуль Юнга > 2 ГПа и большие разрывные удлинения;
3) эластомеры (резины) - низкомодульные вещества (равновесный модуль высокоэластичности порядка 0,1-2 МПа), способные к огромным обратимым деформациям (сотни %);
4) вязкопластичные среды , способные к неограниченным деформациям и сохраняющие приданную им форму после снятия нагрузки (глины, пластичные смазки, бетонные смеси);
5) жидкости , расплавы солей. металлов, полимеров и т.п., способные к необратимым деформациям (течению) и принимающие заданную форму. Возможны также разнообразные промежуточные случаи проявления механических свойств.