Чем отличается чугун от стали по составу и структуре?

В качестве основы для изготовления чугуна и стали применяется железо. В природе это вещество представляет собой металл, который обладает серебристым отливом. Оно не имеет достаточной твердости. Металл почти не применяется в промышленных условиях. Вместо этого используют разные сплавы на его основе. Чугун и сталь представляют собой сплавы железа и углерода, и в этом кроется их сходство. При этом качество материала зависит от соотношения компонентов и наличия примесей. Так чем отличается чугун от стали? В статье ниже подробнее об этом.

Что это за металлы?

Чугуном называют первичный продукт металлургии. Он включает больше 2 % углерода и много примесей, которые сказываются на свойствах металла. К дополнительным компонентам относят фосфор, марганец, серу. Также чугун часто содержит легирующие ингредиенты.

Сталь не должна содержать больше 2 % углерода, тогда как количество железа в этом материале обязательно превышает 45 %. Остальные 53 % приходятся на легирующие компоненты и примеси. Они влияют на свойства металла.

Что из себя представляет сталь, где применяется?

Это вещество представляет собой деформированный сплав железа и углерода. Причем доля последнего компонента всегда превышает 2 %. Также в материал входят другие компоненты. Углерод представляет собой важнейший ингредиент, так как он делает сплав железа прочнее и тверже. Это вещество помогает снизить мягкость и пластичность материала.

Сплав часто включает легирующие компоненты, что в результате помогает получить легированную и высоколегированную сталь. В состав стали входит минимум 45 % железа и максимум 2 % углерода. Оставшиеся 53 % приходятся на дополнительные компоненты.

Используют в строительстве в настолько больших объемах, что по мере развития этой отрасли увеличиваются и масштабы производства металла.

Издавна мастера получали литую сталь путем тигельной плавки. Такой процесс был трудоемким и непродуктивным. Однако сталь получалась очень качественной. Спустя некоторое время технология производства изменилась. Это помогло наладить массовое изготовление литой стали. Впоследствии материал начали получать в электропечах путем применения кислородно-конверторного процесса. Это помогло добиться получения особенно чистого металла.

Состав и характеристики, виды и марки

С учетом содержания углерода сталь в химии делится на такие виды:

• низкоуглеродистая;
• среднеуглеродистая;
• высокоуглеродистая.

По количеству и видам связующих компонентов в материаловедении выделяют следующие разновидности стали:

• низколегированная;
• среднелегированная;
• высоколегированная.

Металл часто содержит неметаллические вещества. К ним относят сульфиды и оксиды. Также металл может включать фосфиды. Количество этих компонентов влияет на качество стали. Плотность металла находится на уровне 7700-7900 кг/м³.

Сталь считается прочным, твердым и пластичным материалом. За счет высокой пластичности вещество легко удается обрабатывать. К тому же оно характеризуется высокой теплопроводностью. Закаливание позволяет повысить качество материала.

Нередко в сталь добавляют легирующие компоненты. К ним относят никель, молибден и хром. Каждый из них придает материалу свои свойства. Так, хром делает металл прочнее и тверже. С его помощью удается повысить параметры износоустойчивости. Кремний уменьшает вязкость, никель делает металл прочнее, а марганец повышает прокаливание и облегчает сварку.

Описание чугуна, какой бывает, состав

Чугун тоже изготавливается из железа и углерода. При этом количество последнего компонента превышает 2 %. Также в металле присутствуют другие добавки в форме легирующих компонентов.

В чугуне могут присутствовать и другие компоненты. По этому признаку металл делится на следующие группы:

• Белый — тут преобладает цементит. На сломе материал обладает белым оттенком. Этот компонент является одновременно хрупким и твердым. Он характеризуется простотой обработки. За счет этого повышается ковкость металла.
• Серый — основой вещества считается графит. Этот компонент придает смеси высокую пластичность. Готовый материал характеризуется невысокой температурой плавления и мягкостью. Потому его проще резать.
• Ковкий — его получают путем обжига белой разновидности. Для этого вещество держат в особых нагревательных печах, температура в которых составляет 950-1000 градусов. Это помогает снизить хрупкость и твердость, которые характерны для белого чугуна. Он не куется. При этом повышается его пластичность.
• Высокопрочный — включает шаровидный графит. Он вырабатывается при кристаллизации.

Температурные параметры плавления металла зависят от количества углерода в нем. Чем больше этого компонента присутствует в сплаве, тем ниже температура и сильнее повышение текучести при нагревании. В результате металл теряет пластичность и становится жидкотекучим. К тому же увеличивается его хрупкость и возникают сложности с обработкой. Температура плавления такого вещества составляет 1160-1250 градусов.

Отличием чугуна считаются более высокие антикоррозионные свойства. Дело в том, что металл подвержен сухой ржавчине во время применения. Этот процесс называется химической коррозией. Влажная коррозия тоже оказывает на чугун не такое выраженное воздействие.

Основные отличия чугуна от стали

Многих людей интересует, как отличить чугун от железа. Эти материалы характеризуются разницей в способах изготовления, составе, сферах применения.

Способы изготовления, структура

Отвечая на вопрос, чем именно отличается сталь от чугуна, в первую очередь, нужно обратить внимание на способы их изготовления. Чугун делают в доменных печах, используя железную руду, известняк и кокс. Первым закладывается кокс. Затем размещают руду и кокс слоями. После чего в печь подают раскаленный воздух, насыщенный кислородом.

По мере сгорания кокса вырабатывается углекислый газ. Он проходит через слои сырья и тем самым освобождает оксид углерода. В итоге руда постепенно меняет свой состав. Затем к ней добавляют известняк. В результате вырабатывается силикат кальция, отделяемый в форме шлака.

Окись углерода — это главный восстановитель железа. Синтез чугуна осуществляется благодаря опусканию железа в более горячий отсек печи и растворению там углерода.

Отвечая на вопрос, чем именно отличается чугун от железа, стоит сделать следующие краткие выводы:

• Сталь отличается более высокой твердость и прочность в сравнении с чугуном.
• Поскольку в стали содержится меньше углерода, ее легче обрабатывать — варить, резать, ковать, прокатывать. По той же причине чугунные изделия изготавливают только путем литья.
• Чугун характеризуется меньшим весом по сравнению со сталью и отличается более низкой температурой плавления.
• Чугунные изделия получаются более пористыми. Поэтому они характеризуются более низкой теплопроводностью.
• Художественные изделия из чугуна имеют черный окрас и матовую текстуру. Стальные предметы получаются светлыми и блестящими.
• Чугун характеризуется более низкой теплопроводностью, а сталь — высокой.
• Чугун представляет собой первичный металлургический продукт, а сталь — конечный.
• Чугунные изделия могут быть исключительно литыми. Стальные предметы нередко делают сварными и коваными.
• Чугун не подвергают закаливанию, тогда как некоторые виды стали проходят эту процедуру.

Преимущества и недостатки каждого из этих металлов

Сталь отличается по составу и физическим характеристикам. В зависимости от марки металл имеет определенные плюсы и минусы. К универсальным преимуществам материала стоит отнести следующее:

• Повышенная прочность.
• Высокая степень твердости.
• Стойкость к разным видам нагрузок — динамической, статической, ударной.
• Многолетняя износостойкость.
• Доступная цена.
• Пригодность к разным видам обработок. Сталь можно варить, резать, сгибать вручную или механическим путем.

Однако материал характеризуется и рядом минусов. К ним относят следующее:

• Недостаточная устойчивость к коррозии.
• Намагничивание.
• Значительный вес.

Чугун обладает своими преимуществами. К ним относят следующее:

• Повышенная степень прочности.
• Длительное поддержание температуры. Это связано с равномерным распределением тепла по металлу.
• Экологическая чистота. Чугун можно применять для изготовления пищевой посуды.
• Отсутствие реакций на кислотно-щелочную среду.
• Высокая долговечность.
• Безупречное качество.
• Безопасность для человеческого организма.

Однако чугун обладает и некоторыми минусами. К ним относят следующее:

• Риск появления ржавчины при попадании воды.
• Высокая стоимость.
• Небольшая пластичность. Этот минус характерен для серой разновидности.
• Высокая хрупкость. Этот недостаток присущ белому чугуну. Чаще всего его направляют на переплавку.

Как определить в домашних условиях

В домашних условиях определить металл можно визуальным способом. Как же можно отличить чугун от стали? Для этого стоит обратить внимание на слом. Чугунные изделия обладают темно-серым оттенком, а стальные — имеют более светлую и глянцевую структуру.

На внешний вид влияет количество углерода. Отличить металлы удается по виду трещин. На высокоуглеродистых поверхностях они напоминают раскол. Если же изделие изготовлено из низкоуглеродистого сплава, трещины напоминают пластинчатый разрыв.

Отличить рассматриваемые сплавы можно такими способами:

• Сверление. Для этого небольшой насадкой нужно сделать отверстие на заготовке. Если в процессе появляется тонкая стружка, которая образует витую полоску больше сверла и хорошо гнется, значит изделие является стальным. Чугун считается не таким пластичным. Потому стружка крошится под любым механическим воздействием.
• Шлифование. Этот способ подразумевает применение углошлифовальной машинки. Для этого нужно воздействовать на участок, на который не влияют силы трения. При обработке необходимо обращать внимание на цвет искры и ее форму. На чугунном сплаве появляется короткая искра красноватого оттенка. На стальных изделиях возникает больше искр большего размера. Они обладают белым или желтоватым оттенком. Исключением считается сталь с высоким содержанием углерода. Она тоже дает короткую искру багрового оттенка.

Отличить чугун также можно магнитом. Однако важно учитывать, что магнитные свойства зависят от состава. Сплавы с высоким содержанием хрома и никеля не магнитятся. Также магнитные свойства металла снижают титан, ниобий, молибден.

Многие люди уверены, что качественная нержавеющая сталь не магнитится. На самом деле это тоже зависит от состава металла. Мартенситные и ферритные типы стали обладают магнитными свойствами.

Видео по теме статьи

Металлургия чугуна и стали показана в видеоролике ниже.

Заключение

Чугун и сталь представляют собой достаточно распространенные разновидности металлов, которые изготавливаются на основе железа и углерода. Несмотря на очевидные сходства, эти материалы характеризуются разным содержанием этих веществ и наличием дополнительных примесей. Это отражается на качестве и свойствах материалов.