Основные отличия чугуна от стали: как определить в домашних условиях

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.

https://youtube.com/watch?v=SRn5t0ePulo

В зависимости от сформированной кристаллической решетки существуют такие разновидности чугуна:

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.
Серый – оттенок сырья обусловлен высоким содержанием графита. Материал отличается пластичностью и простотой обработки. В составе присутствуют сера, фосфор, магний и кремний.
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.
Высокопрочный – формирование шаровидного графита во время кристаллизации обеспечивает веществу высокую степень прочности.
Предельный – подвергается последующей обработке. Его нельзя применять в качестве самостоятельной единицы.

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.

What is Pig Iron?

Pig iron also called hot metal in its molten form is made for the purpose of storage of the metal. After it is transferred into a ladle in its molten form it is cooled down and made into pigs which can be used later or could be sold.

Pig iron is also used to make grey iron by altering the carbon content and adding some scrap steel, etc. Some pig iron can be formed into iron with ductility which is achieved by reducing carbon content.

Pig iron can be useful in diluting the content of other elements in ductile iron as well.

Pig iron was not produced until the medieval period arrived in Europe.

Earlier smelting was popular and people used to make wrought iron using the direct reduction method.

The name pig iron was arrived at because traditionally the shape of the molds was such that the resultant solid iron resembled a large number of piglets.

It is made with an intention of reuse as it becomes easy to handle and convenient to use.

Regardless, of impurities, the pig iron gets during the process of making, it proves to be useful due to the convenience of handling.

The use of pig iron dates back to 256BC and before in Asia.

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.

«Крепка как сталь». Сколько раз вы слышали такое? Но ни разу не слышали: «Крепок как чугун». Многовековая история чугуна привела металлургов, литейщиков и конструкторов к убеждению, что чугун хорошо воспринимает лишь сжимающие нагрузки. Он хорошо работает на сжатие. Там же, где нужна высокая прочность при растяжении, чугун непригоден. Причина малой прочности чугуна объясняется его природой. Ведь чугун отличается от стали более высоким содержанием углерода. В железе же растворяется лишь часть его. Остальное количество образуют графитовые включения. В структуре обычного серого чугуна эти включения выглядят как удлиненные пластинки, разрезающие железную основу (рис. 13,а). Они хорошо видны под микроскопом. Включения пластинчатого графита можно уподобить трещинам в металле, заполненным мягким материалом – графитом. Включения графита и являются концентраторами напряжений. Стоит появиться растягивающему усилию, как чугунные изделия легко разрываются. И причиной такой слабой прочности являются включения пластинчатого графита.

А нельзя ли эти включения графита уменьшить в размерах? Придать им не удлиненную (вытянутую) форму, а сделать эти включения более компактными? Приблизить их к сферической форме?

Ковкий чугун, который не куется
. Опыт показал, что если изделие отлить из белого чугуна (в котором весь углерод находится в связанном состоянии в виде карбида железа) и затем эту отливку подвергнуть длительному отжигу при высокой температуре (выше 1000° С), то включения графита принимают совсем иную форму. Форма их становится хлопьевидной (рис. 13,6). Эти включения более компактны, они меньше надрезают металлическую основу, и такой чугун оказывается значительно более прочным. Он уже может работать на растяжение. Такой чугун называют «ковким», хотя в действительности он еще не настолько пластичен, чтобы его можно было ковать.

Теперь сделаем количественное сравнение. Прочность при растяжении измеряется в килограммах, отнесенных к одному квадратному миллиметру сечения. Представим себе проволоку сечением 1 мм 2 . Подвесим один конец ее к потолку, а к спущенному вниз концу будем подвешивать грузы. Какой максимальный груз выдержит проволока прежде чем разорвется? Проволока из чистого железа выдерживает примерно 25, а стальная до 70 кгс/мм 2 .

Серый чугун, как мы уже говорили, на растяжение работает плохо и выдерживает лишь 12-15 кгс/мм 2 . А вот ковкий чугун оказывается прочнее – он может выдержать от 30 до 60 кгс/мм 2 . Но ковкий чугун дорог. Дорог из-за того, что отлитые детали нужно еще запаковать в ящики, пересыпать их либо коксиком, либо рудой, погрузить в печь и выдержать их при температуре 950-1050° С в течение по крайней мере суток. Раньше цикл отжига длился 4-5 суток. Теперь его сумели сократить до 24-20 ч, но и это значительно удорожает чугун.

Чугун прочнее стали?
За счет чего выросла в 2- 3 раза прочность ковкого чугуна? Только за счет изменения формы графитовых включений. Вместо длинных пластинок углерод после отжига белого чугуна принял более компактную форму (в виде хлопьев), размеры их значительно уменьшились по сравнению с размерами пластинок углерода в сером чугуне.

А нельзя ли размеры включений углерода сделать еще меньшими, а форму их – еще более компактной?

Оказалось и это возможно. Достичь этого удалось модифицированием чугуна, т. е. введением в жидкий чугун небольших добавок таких веществ, которые обеспечивают выделение графита в чугуне в виде крошечных шариков (рис. 13, в). Чугун с Шаровидным графитом получается при вводе в него магния, церия, иттрия, бария. Способствуют этому кремний, кальций и некоторые другие элементы.

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.

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:

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.
Сверление – стальная стружка обладает витой формой. По длине она превышает сверло и легко сгибается. Чугунная стружка крошится даже при незначительном воздействии.
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.

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.

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.

Как отличить чугун от стали?

Чтобы отличать эти металлы друг от друга, можно использовать следующие способы:

Сверление. Для этого понадобится взять насадку с маленьким диаметром и, выбрав на заготовке ровный участок, высверлить небольшое отверстие. Если при обработке материала образуется тонкая стружка, которая формируется в витую полоску длиной больше используемого сверла, имеет цвета побежалости по всей длине и достаточно хорошо гнется, заготовка сделана из стали. Чугунный сплав менее пластичен, он практически не образует вьюна, а стружка крошится от малейшего механического воздействия: ее легко растереть до состояния порошка, поскольку материал более хрупкий;
Шлифование. Для этого используется углошлифовальная машинка, для обработки выбирают участок, на который не воздействуют силы трения, контакт с другими металлическими поверхностями или деталями, в противном случае после шлифовки изделие может быть непригодным к дальнейшему использованию. В процессе обработки требуется следить за цветом искры и ее формой. Если сплав чугунный, искра будет короткой, звездочка будет иметь красноватый тон, а если деталь сделана из стали, искр вылетает больше, они имеют увеличенный размер и продолговатую форму. Сами искры имеют желтый или белый цвет. Исключением являются стальные сплавы с повышенным содержанием углерода, которые дают короткую багровую искру с укороченным треком и малой звездочкой.

Методы механического воздействия могут применяться в бытовых условиях, когда нужно определить, чугун или сталь перед вами, без применения специального оборудования. В лаборатории может использоваться современная техника, с помощью которой проводится спектральный или микроскопический анализ свойств металлов. Эти методы обеспечивают результат высокой точности, но используются преимущественно в промышленных целях, на производстве и в научно-технической отрасли ввиду сложности и дороговизны оборудования.

Способы обработки чугуна

Литье: Изготовление изделий путем заполнения формы расплавленным материалом, который затем затвердевает при охлаждении.
Обработка резанием: Удаление материала с использованием режущих инструментов, таких как токарные, фрезерные или сверлильные станки, с учетом низкой скорости резания и большого угла передней поверхности инструмента.
Шлифовка: Удаление материала или обработка поверхности с использованием абразивных инструментов, таких как шлифовальные круги или шлифовальные ленты.
Фрезерование: Механическое удаление материала с использованием вращающегося фрезерного инструмента для создания формы или поверхности, с учетом применения специальных режимов и инструментов.
Токарная обработка: Удаление материала с использованием вращающегося станка, на котором закреплен обрабатываемый деталь, и режущего инструмента, перемещаемого вдоль детали, с учетом использования низких скоростей резания.
Сверление: Создание отверстий в материале с использованием сверлильного станка или сверла на токарном станке, с учетом применения низких скоростей резания и особой формы сверла.

Важно учитывать, что чугун является очень хрупким материалом, поэтому способы обработки, описанные выше, должны быть адаптированы к этой особенности. Это может включать использование низких скоростей резания, большего угла передней поверхности инструмента и специальных режимов работы станков для предотвращения возникновения трещин и повреждений обрабатываемой детали

11.3. Производство чугуна

Чугун получают из шихты, состоящей из железной руды, твердого топлива (кокса) и флюса. Эту смесь подвергают термической обработке до температуры 1900° С в доменных печах.

Интересно знать: Доменная печь. Получение чугуна

Железная руда состоит из рудного минерала (оксиды Fe2O3 и Fe2O4), пустой породы, не содержащей железа (известняк, кварцит, песчаник) и примесей. К вредным примесям относятся сера, фосфор, которые ухудшают качество чугуна.

Флюсы – это материалы минерального происхождения, которые вводят в шихту для образования шлака и регулирования его состава. Они способствуют переходу вредных примесей для металла в шлак. По химическому составу различают основные флюсы (известняк),
кислые (кремнезем) и нейтральные (глинозем).

Производство чугуна заключается в следующем: руду измельчают на дробильной установке, промывают, после чего обжигают для удаления вредных примесей. Затем шихта загружается в верхнюю часть печи, а снизу подается горячий воздух (Рис 11.7). Кокс
начинает интенсивно сгорать, образую углекислый газ СО2. В результате горения температура в этой зоне поднимается до 1900℃. По мере продвижения шихты вниз ее температура повышается. Углекислый газ при контакте с раскаленным коксом переходит
в оксид углерода СО. Газовая среда в печи приобретает восстановительные свойства, т.е. способность отнимать от оксидов кислород.

Таким образом, углерод кокса при высоких температурах восстанавливает железную руду до чистого железа. Железо плавится и насыщается углеродом, превращаясь в чугун.

Из шихты восстанавливаются марганец, фосфор и кремний, которые тоже переходят в расплав металла. Расплавленный чугун стекает в нижнюю часть печи, а расплавленный шлак находится сверху чугуна, т.к. более легкий, и предохраняет его от окисления.

Рис. 11.7. Схема доменной печи

Интересно знать: Технология получения чугуна

Более 80% чугуна используют для получения стали, а остальное (около 20%) – для литых чугунных изделий. При доменном производстве на каждую тонну чугуна получают около 0,6 т огненно-жидкого шлака. Шлак – ценное сырье для промышленности строительных
материалов. Из него получают шлакопортландцемент, шлаковую пемзу, шлаковую вату и другие материалы.

Основные характеристики чугунных изделий

Теперь следует рассмотреть, чем отличается чугун от стали по составу и свойствам. Беря в руки чугунную сковороду, наверняка каждая хозяйка задавалась вопросом: «Чугун – это металл или нет?». Это металл, причем состоящий все из того же Fe и C. Только доля углерода в нем превышает 2,14%.

То есть чугун – это сплав железа с углеродом, который в нем содержится в виде цементита (карбида железа) или графита (минерала, являющегося одной из модификаций C). Именно эти вещества и определяют цвет готового изделия.

Температура плавления варьируется в пределах 1160°С-1250°С и находится в прямой зависимости от содержания C – чем больше этого вещества, тем ниже температура. Сравнительно низкая температура плавления повышает текучесть, ухудшая пластичность, повышая хрупкость и делая невозможной дальнейшую обработку.

Разница стали и чугуна заключается в том, что последний не поддается обработке путем сварки и ковки. Все изделия изготавливаются только путем литья.

Разновидности

В зависимости от формы и количества этих веществ, данное соединение подразделяется на несколько подвидов.

Белый. В состав этого материала входит цементит, который на изломе белый. Поэтому такой сплав имеет светлый цвет. Углерод в нем находится в связанном виде. А в зависимости от его количества данный материал делят на эвтектический (C не превышает 4,3%) и заэвтектический (C не превышаете 6,67%)

Из белых подтипов в основном изготавливают ковкие чугунные сплавы, получаемые путем отжига.

Серый. Здесь практически весь углеродистый компонент содержится в виде пластинчатого графита, придающего ему серый оттенок. В состав входит кремний и постоянные примеси в виде магния, фосфора и серы.

Ковкий. Получают в результате длительного отжига белого вида материала. В процессе данных манипуляций образуется графит. А свое название материал получил благодаря повышенной пластичности и вязкости. Ковкая разновидность очень прочная с высоким ударным сопротивлением. Из такого материала изготавливают детали для автотехники.

Высокопрочный. В структуре данного вида присутствует шаровидный графит, образующийся в процессе кристаллизации. В отличие от пластинчатого, шаровидный графит не сильно ослабляет металлическую основу, что улучшает прочность металла.

Предельный. Этот вид подвергается дальнейшей переработке и не используется в качестве самостоятельного металла.

Подведение итогов

Рассмотрев свойства чугуна и стали, можно приступать к подведению итогов. Различие заключается в содержании углерода в стали и чугуне (в первом сплаве его меньше, во втором – больше).

Стальные изделия обладают следующими характеристиками:

повышенной твердостью и прочностью;
высокой температурой плавления;
более высоким удельным весом;
легкостью обработки;
высокой теплопроводностью.

Теперь следует рассмотреть, какой металл чугун, и каковы его характеристики. К их числу относятся:

хрупкость;
более низкая температура плавления и удельный вес;
низкая теплопроводность;
невозможность обработки.

За счет высокого содержания углерода, все чугунные изделия изготавливаются методом литья. Этот металл не поддается сварке и ковке. В отличие от стальных предметов, они имеют серый цвет, а их поверхность матовая.

Стальные изделия светлые и блестящие. Стальные конструкции быстро нагреваются и остывают. Чугунные нагреваются очень медленно и долго сохраняют тепло.

Хотя в состав стали и чугуна входят аналогичные компоненты, их отличия очевидны. Это два разных металла, имеющие различные свойства и характеристики.

Наблюдайте поведение магнита

Магнит привлекается к предметам, содержащим железо и другие магнитные материалы. Если вы прикладываете магнит к поверхности и он непосредственно притягивается к ней, то это может быть признаком наличия железа или стали. Однако, не все стали являются магнитными, поэтому этот метод не гарантирует точный результат.

Чтобы увеличить точность определения, вы можете поэкспериментировать с магнитом на разных поверхностях. Если магнит прилипает к одному предмету, а отталкивается от другого, это указывает на то, что первый предмет, к которому магнит прилип, содержит железо или сталь. Если магнит не притягивается ни к одному предмету, значит, это, скорее всего, не железо или сталь.

Но что делать, если вы не имеете магнита под рукой? В этом случае можно попробовать другие способы определения материала, такие как:

Изучение внешнего вида предмета. Сталь обычно имеет блестящую поверхность и может быть подвержена ржавчине.
Использование веса предмета. Чугун имеет более высокую плотность, чем сталь, поэтому обычно он будет тяжелее.
Проведение теплового теста. Чугун обладает более низкой теплопроводностью, чем сталь, поэтому прикосновение к нагретой поверхности может помочь определить материал.

Вот таким простым и доступным способом можно определить сталь или чугун в домашних условиях

Важно помнить, что эти методы не всегда гарантируют 100% точность, поэтому, если вам нужны более точные результаты, рекомендуется обратиться к профессионалам или использовать специальные инструменты

What is Carbon Steel?

Depending on carbon content carbon steels can be categorized into various forms. But broadly they can be categorized into two categories viz mild-carbon steel, and steel with high tensile strength.

The tensile strength of steel is inversely proportional to the amount of carbon content in it. Thus, it can be understood easily that high-tensile steels will have a lower quantity of carbon in it.

The variation of carbon content can lead to differences in properties such as plasticity, ductility, weldability, etc.

Mild-carbon steel has a very low carbon content ranging from a high of 0.5 to a low of 0.25%. According to the AISI (American Iron and Steel Institute), carbon content for different carbon steel differs and it has defined a range for each type.

For example, High-carbon steel can have carbon content ranging from 0.6% to 1%.

It is ultra-high carbon steel that has the maximum carbon content. The carbon content goes up to 2 percent.

The carbon content is the determining factor that determines the yield point of any carbon steel. The chemical properties of such steels can be changed by heat treatment.

Carbon steels that can undergo high heat treatment are found with carbon content ranging from 0.3 percent to 1.7%. The other materials present in the steel also determine the strength of steel.

Their properties of ductility, malleability, weldability, etc. largely depend on the entire process not only on carbon content.

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.