11 базовых характеристик, чем отличается чугун от стали
Сталь и чугун – два наиболее популяризированных материала в промышленности. Помимо глобального значения для металлургии, сплавы часто используются в бытовых условиях.
В сегодняшней статье мы опишем особенности данных материалов + расскажем, чем отличается чугун от стали + каким образом можно определить находящийся перед глазами металл вообще.
Что такое сталь?
В мире почти не имеется инструментария/оборудования, в содержании которого не присутствовала бы сталь. Материал настолько плотно вписался в жизнь человечества, что представить свое существование без данного сплава очень проблематично.
Первые образцы сплава были обнаружены еще в Турции. Возраст вещей насчитывал более 3 700 лет, а это значит, что стальные предметы пользовались популярность еще до нашей эры. Войны прошлого не обходились без использования стального оружия – дешево и прочно. Технология промышленного литья была разработана в начале 19 века Гентсманом.
1) Структура и достоинства сплава
Большинство сплавов стали – это углерод + железо в разных пропорциях. Классический вариант материала имеет не более 2% углерода. Если речь о высоколегированных марках стали, то доля других металлов в составе может колебаться от 20% до 40%.
| Преимущества стали | Недостатки материала |
|---|---|
| Материал имеет хороший запас прочности с твёрдостью. | Слабое сопротивление коррозии чистых марок стали без специальных легирующих добавок. |
| Обилие свойств, обусловленное вариативностью наполнения чистого железа легирующими примесями + методы обработки. | |
| Упругость с вязкостью в оптимальном соотношении. Идеально для удержания статики, динамики и ударных нагрузок. | Увеличенная электромеханическая коррозия из-за свойства по накоплению электрической энергии. |
| Просто нарезать, варить и сгибать. | |
| Длительный срок эксплуатации за счет высокого запаса прочности. | Существенный вес стальных конструкций + высокий риск брака из-за многоэтапного процесса изготовления. |
| Простота и дешевизна литья. |
Лидерами в изготовлении стали считается Китай, и Япония с Индией. Россия стабильно входит в топ-5 стран по объемам производства, в том числе. Взяв во внимание географию ведущих производителей, легко догадаться, что Азия – это лидер стали в мире.
Важно: сталь не относится к чистым химическим элементам — это соединение на основе нескольких.
Широкий ассортимент стальных сплавов с различным уровнем прочности, стойкости к коррозии и прочим уникальными характеристиками возможен благодаря «гибкости» материала в отношении соединений с другими компонентами.
Особенности стальных сплавов:
- обязательное наличие 2 компонентов – углерода и железа. Первый отвечает за вязкость, а второй – прочность;
- при всем обилии методов добычи стали, полностью чистых вариаций добычи не существует. Любой сплав будет иметь до 1.2% кремния и до 0.5% марганца. При незначительных вкраплениях, такие примеси не сильно влияют на свойства получаемого сплава;
- для изменения свойств материала, в сплавы искусственным путем вводятся другие металлы в технологически оговоренных пропорциях.
Важно заметить, что для смены характеристик сплава иногда достаточно ввода всего 5% легирующего компонента. Такой разнобой позволяет масштабировать производство металла по усмотрению владельца, основываясь на спросе или уровне конкуренции внутри локального/глобального рынка.
2) Классификация стали
В 2020 году трудно определить весь перечень марок стали, которые доступны в рамках производства по всему миру. Каждые пару недель добавляются новые вариации материалов, а если брать во внимание и авторские разработки, число разновидностей стальных сплавов может быть в разы больше от известного сейчас официально.
Детальнее о распределении стальных сплавов расскажет таблица ниже.
| Классификатор | Составляющие | Описание |
|---|---|---|
| Химия | Углеродистые | Распределение происходит в зависимости от доли содержания углерода. Для малоуглеродистых типов стали – это не более 0.3%, а пиковое значение не более 0.7%. |
| Легированные | Стали с добавками из марганца, хрома, никеля, молибдена и прочих элементов. Низколегированная сталь содержит не более 2.5% примесей, а высоколегированные – выше 10%. | |
| Структурный состав | Перлитная | Чистые марки стали с небольшим содержанием углерода и легированных примесей. |
| Мартенситная | Разновидности материала с большим числом и объемами добавок. | |
| Аутенитная | Высокое содержание примесей – высоколегированные марки стали. | |
| Раскислитель | Спокойная | Сталь без примесей закиси железа. Из-за дороговизны производства используется только в стратегических узлах металлоконструкций. |
| Полуспокойная | Отвердевает без кипения, однако, имеются мелкие вкрапления газовых пузырьков. Часть из них удаляется во время прокатки металла. | |
| Кипящая | Сталь содержит газы, которые отображаются в характеристиках материала – трещины при сварке и прочие дефекты. | |
| Назначение | Строительные | Марки сталей, от которых требуют качественного сопротивления статическим/динамическим нагрузкам. Материал обязан хорошо поддаваться сварке. |
| Инструментальные | Стали с высоким содержанием легирующих компонентов и углерода. Существуют штамповочные и режущие подтипы инструментальных сталей. Материалу присуща высокая теплостойкость, твердость + износостойкость. | |
| Конструкционные | В составе малое содержание марганца. Используются для решения большинства рутинных задач при строительстве. | |
| Примеси | Рядовые | Вкрапление серы до 0.06%, а фосфора до 0.08%. |
| Качественные | Вкрапление серы до 0.04%, а фосфора до 0.033% | |
| Высокого качества | Вкрапление серы до 0.026%, а фосфора до 0.023% | |
| Особо высокого качества | Вкрапление серы до 0.014%, а фосфора до 0.023% |
Благодаря корректировкам легирующих вкраплений + определенному методу изготовления, в каждой из групп можно выделить еще от 20 до 100 марок материала.
3) Производство стали + ценообразование
Суть изготовления стали – это выведение из чугуна лишних примесей. Для получения стального сплава, содержание серы и фосфора обязано опуститься ниже отметки в 0.1% — эти два химических элемента делают материал хрупким с низким порогом ломкости.
О методах изготовления стали расскажет таблица ниже.
| Метод | Суть | Распространенность (из 5 ★) |
|---|---|---|
| Мартеновский | Основан на переплавке чугуна с рудой в особой печи при температурном режиме более 1 900 градусов по Цельсию – это позволяет выжечь лишний углерод. Легирующие компоненты добавляются в конце процесса. Далее, материал идет на прокат. | ★★★★★ |
| Конвертерно-кислородный | Метод с повышенной КПД. Из чугуна в печи «выдувают» примеси смесью кислорода с воздухом. Отжиг происходит быстрее + качество выше. | ★★★★ |
| Электроплавильный | Переплавка материала производится при температурном режиме более 2 100 градусов. Процесс протекает в печи закрытого типа – это исключает доступ газов. Из-за дороговизны используется редко, и только для высоколегированных марок. | ★★ |
| Прямой | Продувка чугуна производится на месте добычи. В роли топлива выступает природный газ – смесь кислорода, аммиака и прочих элементов. Температурный режим -1 000+ градусов. | ★★★ |
После применения одного из методов, процесс изготовления стали не завершается. Результатом работы должен быть материал с высоким запасом прочности, а достигнуть таковых результатов без дополнительных методов обработки не получится.
| Направление | Метод | Описание |
|---|---|---|
| Термическое | Отжиг | Сталь резко поддается температурному нагреву, после чего, охлаждается на разной скорости. |
| Закалка | Перегрев + быстрое остывание. | |
| Отпуск | Дополнение закалки для уменьшения напряжения сплава. | |
| Нормализация | Аналог отжига, но на воздухе. | |
| Термомеханическое | Высокотемпературный | Механическое воздействие происходит при сохранении материалом нагрева. |
| Низкотемпературный | Холоднокатаная сталь. Сначала идет нагрев, потом частичное охлаждение до предела в 400-500 градусов, и дальнейшая закалка. | |
| Термохимическое | Цементация | Верхняя часть поверхности стали насыщается углеродом, что делает корку более износостойкой. |
| Азотирование | Вкрапление в материал азота для получения верхнего защитного слоя. | |
| Цианирование | Совокупное насыщение азотом и углеродом. |
Цена на сталь столь же разнообразна, как и ее количество марок. На биржах для удобства используют термин «условная сталь» — от 230$ за 1 тонну материала. Если речь идет о нержавеющих марках, стоимость может повышаться до 2 000$ за 1000 кг и более.
Что такое чугун?
Чугун является сплавом ферума с углеродом, но долевое содержание второго обязано быть выше 2%. В обратном случае – это будет уже сталь. Впервые литьем материала начали заниматься в Китае – Х век. Далее, чугун равномерно распределился по всем развитым уголкам планеты, и стал одним из самых распространенных металлических сплавов на земле.
В топ-5 стран по объемам производства чугуна входят Китай, Япония, Россия, Индия и Корея. Высокий спрос материала следует не только из-за его бытового применения. Чугун часто используют как основу для изготовления стальных сплавов, а это значит, что по объемам материала требуется крайне много.
| Преимущества чугуна | Недостатки сплава |
|---|---|
| Некоторые марки чугуна имеют уровень прочности сродни стали. | При длительном воздействии воды, на поверхности чугуна начнутся процессы коррозии. |
| Равномерное распределение тепла + длительное его хранение. | |
| Эко-материал, а потому безопасен при производстве посуды. | Стоимость чугуна выше классической стали. |
| Имеет стойкость к кислотно-щелочным средам. | |
| Высокий уровень гигиеничности. | Серый чугун не пластичен, а белый слишком хрупкий. |
| Долговечность за счет высокого сопротивления коррозии. |
Выделяют 2 основных типа чугуна – белый и серый. Первый является материалом для изготовления ковкого чугуна, а второй имеет более широкие области применения как в промышленности, так и быту.
С особенностями добычи сплавов можете ознакомиться на рисунке выше. В процессе создания сплава, важную роль отыгрывает легирующая добавка (как и в случае со сталью). Число примесей насчитывает сотни, но к наиболее популярным относят 4 элемента.
Популярные примеси при изготовлении чугуна:
- сера. Понижает уровень тугоплавкости вещества + снижает его текучесть в жидком состоянии;
- фосфор. Снижает прочность, но взамен дает возможность разработать изделие более сложной формы;
- кремний. Понижает литейную температуру. Доля примеси меняет тип чугуна;
- марганец. Увеличивает прочность чугуна, но негативно сказывается на литейных и технологических свойствах сплава.
Помимо перечисленного списка, часто добавляется титан, никель, медь и алюминий. Примеси влияют как на химические свойства чугуна, так и его физику со структурой. В последнем случае имеется специальная классификация – перлитный, ферритный и перлитно-ферритный разновидности чугуна.
Отличие кроется в микроструктуре графита – шаровидный, пластичный, хлопьевидный или вермикулярный. Последняя форма создана специально для повышения качественных характеристик серого чугуна.
Области применения чугуна:
- основа для коленвалов и двигательных блоков. Хорошо зарекомендовал себя также при производстве тормозных колодок;
- одно из положительных свойств чугуна – устойчивость к температурам, что позволяет материал использовать при изготовлении оборудования, которое нацелено на жесткий климат с низкими температурами;
- изделия в металлургии ценятся за адекватную прочность с высокими показателями износостойкости;
- бытовое применение чугуна известно всем – раковины, батареи, мойки и так далее. Дороже обычной стали, но по качеству куда выше.
Материал даже нашел свое место среди любителей прекрасного. Чугун – это классический материал для произведений искусства, связанных каким-либо образом с металлами вообще. А кованые ворота – это признак состоятельности по сей день.
Чем похожи, и чем отличается сталь от чугуна?
Из-за широкого распространения материала, мы соприкасаемся с ним практически каждый день. Необходимость в знаниях, чем отличается чугун от стали возникает у небольшой части людей. Обычно – это либо работники металлургии/промышленности, или приемщики (сдающие) по металлу.
Полезно знать, в чем кроется различие материалов и для хозяек, ведь чугунные изделия куда дороже стальных аналогов. Будет обидно переплатить в 3-5 раз, и в итоге, попасться на обман настырного торгаша с рынка.
1) Схожесть/различие базовых характеристик
Общее между чугуном и сталью – категория материала. И первый, и второй имеют в своем составе углерод с железом. На этом общие черты сплавов заканчиваются. Даже при добавлении одинакового количества легирующих элементов, получаемый результат в эквиваленте характеристик не будет схож на 100% и даже 80%.
Теперь по различиям. Для упрощения восприятия, данные предоставим в виде таблицы.
| Характеристика | Сталь | Чугун |
|---|---|---|
| Доля углерода в сплаве | Более 2% | Менее 2% |
| Содержание неметаллических примесей – серы, фосфора, магния и так далее. | Минимум | Большое количество |
| Хрупкость | Средне | Сильная |
| Уровень твердости | Высокий | Средний |
| Прочность | Выше чугуна | - |
| Уровень ковкости | Выше чугуна | - |
| Простота литья | - | Выше стали |
| Теплопроводимость | - | Выше стали |
| Закалка | Нужна | Не обязательно |
| Методов обработки | Больше чугуна | - |
| Масса | - | Больше стали |
Уже на основании представленной выше информации можно сделать определенные выводы, даже просто взяв два образца материалов в руки. Важнейшим же отличительным признаком на уровне состава является доля углерода. Если в сплаве содержится 2.5% данного элемента – сплав считается уже чугунным, а не стальным.
Методы определения стали и чугуна в домашних условиях:
2) Чем отличается чугун от стали: методы определения материала
Существует 2 направления по выявлению типа материала – лабораторный и практический. Естественно, для более точных данных, таких как тип сплава, его легирующие добавки, содержание углерода до сотой доли процента и так далее, придется использовать методы спектрального и микроскопического анализа.
Для бытовых нужд, когда необходимо знание исключительно названия сплава, сгодятся и способы механического воздействия на элемент исследования.
| Метод | Описание |
|---|---|
| По излому | Приемлемо для элементов, которые пойдут далее на лом, ибо в процессе придется исследовать сплав в разрезе. Как его получить – это уже дело техники по усмотрению испытателя. Чугун на сломе темно-сероватого матового оттенка, а сталь имеет светлую глянцевую текстуру. В местах излома трещины у чугуна более выражены, ибо по характеристикам металл считается более хрупким. |
| Сверление | Выбираем сверло мелкого диаметра и проделываем неглубокое отверстие в исследуемом элементе. Стружка металла имеет витую форму, а длина кусков достигает длины самой насадки сверла. Чугунная стружка крошится сразу, и ее легко стереть в порошок. |
| Шлифование | Основным инструментом выступает шлифовальная машинка. Критерием оценки материала будет служить искра. У чугунных изделий она короткая и с красноватым оттенком + их мало. Стальные искры продолговатой формы с яркими цветами выраженного желтого и белого оттенков. |
Последний способ определения может дать и 3-й результат – багровая искра с маленькими звездочками. Такое поведение при шлифовании материала говорит о повышенном содержании углерода в высоколегированных марках стали.
Надеемся предоставленная информация помогла вам разобраться, чем отличается сталь от чугуна. Большинство чугунных изделий априори выделяются на фоне стальных, потому, зная разницу весе и структуре, выявить, где какой сплав будет проще простого.
