В чем отличия между чугуном и сталью, состав сплавов, что прочнее и крепче

Особенности материала

Между сталью и чугуном имеется большая разница. Чтобы выявить ее, нужно ознакомиться с определениями и характеристиками металлов.

Чугун

Чугун состоит из железа и углерода. При этом количество второго компонента должно составлять больше 2 %. Сырье легируют при помощи различных добавок. К ним относят кремний, фосфор, марганец и прочие вещества.

В зависимости от сформированной кристаллической решетки существуют такие разновидности чугуна:

1. Белый – название обусловлено оттенком излома материала. Он связан с наличием в составе цементита. Помимо твердости, материал обладает хрупкостью. При помощи отжига его используют для производства ковких чугунов.
2. Серый – оттенок сырья обусловлен высоким содержанием графита. Материал отличается пластичностью и простотой обработки. В составе присутствуют сера, фосфор, магний и кремний.
3. Ковкий – продолжительный отжиг белого чугуна приводит к образованию графита. Это вещество делает металл очень пластичным, вязким и твердым. К тому же оно придает ему хорошую ударную сопротивляемость.
4. Высокопрочный – формирование шаровидного графита во время кристаллизации обеспечивает веществу высокую степень прочности.
5. Предельный – подвергается последующей обработке. Его нельзя применять в качестве самостоятельной единицы.

Температура плавления этого металла находится на уровне 1160-1250 градусов. Конкретное значение определяется содержанием углерода. Чем больше вещества в составе, тем ниже его температура и тем больше текучесть при нагревании. С такой зависимостью связана хрупкость вещества.

Сталь

Этот материал включает 45 % железа и 2 % углерода. В зависимости от марки сталь может содержать дополнительные вещества. К ним относят хром, никель, марганец, кремний и другие. В зависимости от легирующих компонентов меняются и свойства материала.

Углерод обеспечивает материалу твердость и прочностные свойства. Благодаря наличию этого вещества материал получается прочным и пластичным. Его достаточно легко обрабатывать.

В зависимости от содержания легирующих веществ сталь может иметь такие разновидности:

• низколегированная;
• среднелегированная;
• высоколегированная.

В зависимости от содержания углерода существуют такие виды стали:

• низкоуглеродистая;
• среднеуглеродистая;
• высокоуглеродистая.

Температура плавления все марок составляет 1450-1520 градусов. Параметры плотности находятся на уровне 7700-7900 килограммов на 1 кубический метр.

Сталь отличается широкой сферой применения. Ее используют в промышленности при изготовлении разных видов металлоконструкций, элементов машин, трубопроводов и иных изделий. В бытовых условиях люди используют предметы интерьера, посуду, мебель из стали.

Железо

Чистое железо можно встретить разве что в лабораторных условиях. К тому же его нельзя применять для серийного изготовления запчастей, сантехники или бытовых предметов. В отличие от чугуна, железо обладает светло-серебристым оттенком, мягкостью и пластичностью. К тому же оно сильно подвержено коррозии.

Мнение эксперта

Карнаух Екатерина Владимировна

Закончила Национальный университет кораблестроения, специальность «Экономика предприятия»

Важно не путать железо со сталью, которая представляет собой его производную. Эти понятия нельзя считать взаимозаменяемыми. Сталь представляет собой сплав железа с небольшим количеством добавок. В качестве дополнительных компонентов используют серу, фосфор, кремний, марганец, углерод. Полученный железоуглеродистый сплав отличается эластичностью. Он является ковким и деформируемым.

Чугун

Железная руда – это окисленный металл, т.е. соединение железа с кислородом. Для получения чистого металла необходимо вести борьбу с кислородом. Эта борьба начинается, когда металлурги загружают в домну руду и кокс.

При высокой температуре кислород соединяется с углеродом кокса и расстается с железом. Получается углекислый газ. А оставшийся углерод тут же занимает место кислорода и соединяется с железом. Железо плюс углерод – это и есть чугун.

Чтобы ускорить плавку, в металлурги стали использовать кислород против кислорода. Для того чтобы жарче горело пламя, в домну накачивают не просто воздух, а чистый кислород. Современные домны работают на природном газе. А это не только ускоряет плавку, но и значительно сокращает расход кокса. Что дает возможность получать более дешевый чугун.

Путь удешевления металла

Металлургия прошла еще один путь удешевления металла. Путь этот – замена дорогого человеческого труда трудом машин. Если раньше все работы по обслуживанию домны в основном выполнялись вручную, теперь в помощь металлургам пришли транспортеры, погрузочные механизмы, подъемные краны. Многие операции вообще выполняются без участия человека.

Их выполняют автоматы. В настоящее время домна работает почти совсем без помощи людей. Все процессы автоматизированы. Автоматика принимает от приборов сообщения о качестве руды и кокса и отдает команду механизмам-исполнителям, сколько надо отвесить и загрузить в печь того и другого. Потом она проверяет температуру в печи. Если надо, добавит или убавит кислорода, газа.

К желобу, по которому из печи выпускают металл, подъедет железнодорожная платформа с ковшами. Специальная бурильная машина рассверливает отверстие для слива металла, оно называется леткой. А закрывают леточное отверстие с помощью специальной пушки.

Посредством поршневого механизма подается огнеупорная масса, которой и закрывается канал после слива чугуна. Сразу же после слива металла начинается загрузка шихтового материала через колошник – верхнюю часть печи, ведь плавка в домне идет непрерывно.

Чем они различаются

Углеродные компоненты придают молекулярному строению прочность и твердость. При этом повышается хрупкость изделий при нагревании, ударах и вибрационных нагрузках. Пластичный материал легко выдерживает подобные виды воздействий.

Главным отличием чугуна от стали считается содержание углерода. Сплавы допустимо легировать одними и теми же металлами. Однако результаты при этом получаются разными. Это связано с отличиями в решетках карбидов.

Состав и микроструктура

При изготовлении стали соединяют железо, углерод и примеси. Причем количество углерода в составе должно быть не больше 2 %, а содержание железа – не меньше 45 %. Остальной процент приходится на легирующие вещества – они используются для связывания смеси. К таким компонентам относят хром, никель, молибден.

За счет наличия углерода железо становится более прочным и приобретает нужную твердость. Без него масса получилась бы вязкой и пластичной.

Чугун тоже делают из железа и углерода. Однако количество второго компонента в смеси превышает 2 %. Помимо этого, в состав чугуна тоже вводят постоянные примеси. К ним относят фосфор, серу, кремний, марганец, а также легирующие вещества.

Производство

В производственных условиях определить вид металла можно такими способами:

1. По излому – этот визуальный метод применяют для деталей, которые идут в лом или используются как заготовки. На чугунном сломе заметен матовый темно-серый цвет. При этом трещины, которые образуются, обладают выраженным строением. Стальные изделия являются более светлыми и обладают глянцевой поверхностью.
2. Сверление – стальная стружка обладает витой формой. По длине она превышает сверло и легко сгибается. Чугунная стружка крошится даже при незначительном воздействии.
3. Шлифовка – в результате прохождения шлифовальной машинкой стальная поверхность покрывается большим количеством желтых и белых искр. У чугуна меньше искр. К тому же они короче и имеют красноватый оттенок.

Характеристики

Выявить отличия между заготовками, которые можно обрабатывать, удается по визуальным признакам. На сломе чугунных изделий виден темно-серый оттенок с матовой поверхностью. При этом сталь обладает более светлым окрасом и глянцевой текстурой.

На внешний вид металла влияет количество углеродистых компонентов. Их удается отличить по типу трещин. Для высокоуглеродистых стальных поверхностей характерны дефекты в форме раскола. Если изделие изготовлено из низкоуглеродистого сплава, трещины напоминают пластичный разрыв.

Отличия между металлами заключаются и в технических характеристиках. Сталь отличается такими свойствами:

• плотность – 7700-7900 килограммов на 1 кубический метр;
• температура плавления – 1450-1520 градусов;
• прочность, износостойкость, твердость;
• стойкость к деформации;
• высокая пластичность – это помогает обрабатывать металл разными способами;
• возможность повышения качества материала с помощью закаливания;
• возможность улучшения свойств сплава при помощи введения легирующих добавок.

Чугун – это тоже сплав железа с углеродом. Однако содержание второго компонента в нем выше. Это же касается и дополнительных компонентов. Потому чугун считается более хрупким материалом – он легко разрушается.

От содержания углерода зависит температура плавления чугуна. По мере повышения объема этого компонента температура снижается. К тому же возникает увеличение текучести при нагревании. Это не лучшим образом сказывается на эксплуатационных свойствах – хрупкости, пластичности, простоте обработки. Температура плавления чугуна составляет 1160-1250 градусов.

Прочность

Сталь прочнее по сравнению с чугуном. Она крепче за счет своей структуры. Повышенное содержание углерода в чугуне делает его более хрупким и менее пластичным.

Содержание углерода

Сталь отличается от чугуна по содержанию углерода. Количество этого компонента в металле не превышает 2 %. В чугуне объем углерода обычно составляет больше 2,14 %, но меньше 4,5 %.

Сфера применения

Чугун считается литейным материалом. Его используют для изготовления простой посуды, корпусов станков, массивных труб. Также из металла делают большие объекты простой конфигурации. Из стали изготавливают детали разных размеров и сложности, поскольку для этого используют ковку, волочение, штамповку, прокатывание. Также для этого металла допустимо применять и другие методы обработки.

Мнение эксперта

Карнаух Екатерина Владимировна

Закончила Национальный университет кораблестроения, специальность «Экономика предприятия»

Если возникает вопрос, из чего сделана арматура, не стоит сомневаться – это сталь. Если интересует состав большого казана, можно с уверенностью сказать, что он сделан из чугуна. При этом корпус двигателя или коленчатого вала может быть сделан их любого металла. Потому в данном случае нужно прибегнуть к методам распознавания.

Добыча руды

Для производства стали прежде добывают руду и топливо. Но, даже имея в достаточном количестве железную руду и каменный уголь, (подробнее: Природные энергоносители) нельзя еще приступать к изготовлению стали. И руду и уголь необходимо по-особому приготовить. Руду обогатить, из каменного угля сделать кокс.

Обогащение руды

Долгий и сложный путь проделывает руда, прежде чем превратится в сталь. И первый этап на этом пути – обогащение руды на обогатительная фабрика. Сначала руду дробят с помощью машин, которые так и называются дробилками. Первая, самая мощная, раскалывает крупные глыбы на куски. Затем вторая превращает эти куски в щебень и так далее.

До тех пор, пока из руды не получится крупа. Но и этого еще не полное обогащение. Далее отправляют руду на мельницу и превращают ее в порошок. И только теперь начинается то, что металлурги называют обогащением, – отделение руды от сопутствующей породы, с которой она вместе лежала в земле. Происходит это так. Порошок смешивают с водой и пропускают между магнитами.

Магниты и выбирают из мутного потока частицы магнитного железняка. А то, что не нужно, – это уже не трудно догадаться, – уносится водой. Но даже такая отобранная руда еще не пригодна для дальнейшей переработки. Содержание железа в ней значительно повысилось. Однако и это еще не все. Руду снова надо превратить из порошка в куски. Для этого порошок смешивают с коксом, известью и сильно нагревают.

Кокс

Для выплавки стали главным топливом служит каменный уголь. Но не в том виде, который добывают шахтеры. Добытый уголь содержит много примесей, которые могут вредно повлиять на будущий металл. И поэтому их необходимо удалить. Уголь, как и руду, для этого сначала размалывают в тончайший порошок. Потом этот порошок в специальной камере нагревают без доступа воздуха.

Из угля выделяются газ и смола. Вместе с ними уходят и другие ненужные примеси. А сам угольный порошок спекается в плотную пористую массу. Пышущую жаром массу выталкивают из камеры на металлическую платформу и охлаждают водой. От резкого охлаждения масса разваливается на куски. Эти куски и есть кокс. Вот теперь и руда и топливо подготовлены.

Можно приступать к плавке. Но пока еще не к плавке стали. Прежде чем железная руда превратится в сталь, ей еще предстоит стать чугуном. Этот процесс происходит в домне. Домна – это печь-гигант. Даже десятиэтажный дом не кажется очень большим рядом с такой печью. Горит эта печь непрерывно в течение десятков лет.

Металлурги время от времени загружают в нее руду, кокс и известь – она тоже во время плавки необходима, – и выпускают готовый чугун. Какие процессы происходят в домне, как руда превращаться в чугун? Чтобы разобраться в этом, надо снова вернуться к железной руде.

Плюсы и минусы каждого метала

Сплавы имеют определенные преимущества и недостатки. К плюсам стали относят следующее:

• высокий запас прочности и твердости;
• большое количество свойств – это связано с разными вариантами легирующих примесей;
• оптимальное соотношение упругости и вязкости – материал прекрасно удерживает статику, динамику и ударные нагрузки;
• простота обработки;
• высокий запас прочности – благодаря этому материал отличается длительным периодом эксплуатации;
• простота и доступная стоимость литья.

При этом материал обладает и рядом недостатков:

• слабое сопротивление коррозии – это касается чистых видов стали, которые не содержат легирующих компонентов;
• высокая электромеханическая коррозия – это обусловлено свойством накопления электрической энергии;
• большой вес стальных конструкций;
• высокий риск брака – это обусловлено многоэтапностью изготовления.

Для чугуна характерны такие плюсы:

• высокий уровень прочности – некоторые марки сопоставимы по этому параметру со сталью;
• равномерное распределение тепла и возможность его длительного сохранения;
• безопасный состав – это позволяет использовать чугун для изготовления посуды;
• устойчивость к кислотам и щелочам;
• высокая степень гигиеничности;
• долговечность.

При этом металл обладает и некоторыми минусами:

• риск процессов коррозии при длительном воздействии воды;
• отсутствие пластичности серого чугуна;
• повышенная хрупкость белого материала.

Краткая сравнительная таблица

Основные отличия металлов коротко представлены в таблице: