Сталь чугун – Чем чугун отличается от стали: основные свойства и отличительные характеристики

uas.su

Как отличить чугун от стали в домашних условиях

Автор perminoviv На чтение 4 мин. Опубликовано 13.04.2017

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.

solidiron.ru

Чугуны и литейные стали | Сварка и сварщик

К чугунам относятся сплавы железа с углеродом, содержание которого превышает 2,11% (2,14%). В этих сплавах обычно присутствует также кремний и некоторые количества марганца, серы, фосфора, а иногда и другие элементы, вводимые как легирующие добавки для придания чугуну определенных свойств. К числу таких легирующих элементов можно отнести никель, хром, магний и др.

Чугун получил широкое распространение как конструкционный материал в машиностроительной, металлургической и других отраслях промышленности в связи с рядом преимуществ перед другими материалами, среди которых в первую очередь надлежит упомянуть следующие: невысокая стоимость, хорошие литейные свойства. Изделия, изготовленные из него, имеют достаточно высокую прочность и износостойкость при работе на трение и характеризуются меньшей, чем сталь, чувствительностью к концентраторам напряжений. Наряду с перечисленными преимуществами изделия из серого литейного чугуна хорошо обрабатываются режущим инструментом. Чугун дешевле стали.

Чугун (кроме белого) отличается от стали наличием в структуре графитовых включений, а между собой чугуны различаются формой этих включений.

В зависимости от структуры чугуны подразделяют на белые и серые. В белых чугунах весь углерод связан в химическое соединение карбид железа Fe₃С — цементит. В серых чугунах значительная часть углерода находится в структурно-свободном состоянии в виде графита. Если серые чугуны хорошо поддаются механической обработке, то белые обладают очень высокой твердостью и режущим инструментом обрабатываться не могут. Поэтому белые чугуны для изготовления изделий применяют крайне редко, их используют главным образом в виде полупродукта для получения так называемых ковких чугунов. Получение белого или серого чугуна зависит от его состава и скорости охлаждения.

Чугуны классифицируют на высокопрочные (с шаровидным графитом) и ковкие.

По степени легирования чугуны подразделяют на простые, низколегированные (до 2,5% легирующих элементов), среднелегированные (2,5 — 10% легирующих элементов) и высоколегированные (свыше 10% легирующих элементов). Шире всего используют простые и низколегированные серые литейные чугуны.

Сварочный нагрев и последующее охлаждение настолько изменяют структуру и свойства чугуна в зоне расплавления и околошовной зоне, что получить сварные соединения без дефектов с необходимым уровнем свойств оказывается весьма затруднительно. В связи с этим чугун относится к материалам, обладающим плохой технологической свариваемостью. Тем не менее, сварка чугуна имеет очень большое распространение как средство исправления брака чугунного литья, ремонта чугунных изделий, а иногда и при изготовлении конструкций. Качественно выполненное сварное соединение должно обладать необходимым уровнем механических свойств, плотностью (непроницаемостью) и удовлетворительной обрабатываемостью (обрабатываться режущим инструментом Причины, обусловливающие затруднения в получении качественных сварных соединений, следующие:

1. Высокие скорости охлаждения металла шва и: зоны термического влияния, соответствующие термическому циклу сварки, приводят к отбеливанию чугуна, то есть появлению участков с выделениями цементита той или иной формы в различном количестве. Высокая твердость отбеленных участков практически лишает возможности обрабатывать чугуны режущим инструментом.

2. Вследствие местного неравномерного нагрева металла возникают сварочные напряжения, которые в связи с очень незначительной пластичностью чугуна приводят к образованию трещин в шве и околошовной зоне. Наличие отбеленных участков, имеющих большую плотность (7,4 — 7,7 г/см

3. Интенсивное газовыделение из сварочной ванны, которое продолжается и на стадии кристаллизации, может приводить к образованию пор в металле шва.

4. Повышенная жидкотекучесть чугуна затрудняет удержание расплавленного металла от вытекания и формирование шва.

5. Наличие кремния, а иногда и других элементов в металле сварочной ванны способствует образованию на ее поверхности тугоплавких окислов, приводящих к образованию непроваров.

Шов представляет собой металл, полностью расплавлявшийся. В зависимости от скорости охлаждения структура его будет представлять собой белый или серый чугун, с различным количеством структурно-свободного углерода.

В отдельных участках зоны термического влияния в зависимости от скорости охлаждения возможно возникновение структур закалки, а также в зависимости от количества графитизаторов может быть получен либо белый, либо серый чугун. Наиболее эффективное средство предотвращения отбеливания металла шва и высокотемпературного участка околошовной зоны, а также резкой закалки на участке околошовной зоны, — высокий предварительный или сопутствующий подогрев чугуна до температуры 600 — 650°С. Сварку с таким подогревом называют горячей сваркой чугуна. Высокий подогрев и замедленное охлаждение способствуют также ликвидации трещин и пористости за счет увеличения времени существования жидкой ванны и лучшей дегазации ее, а также уменьшения температурного градиента, термических напряжений. Сварку с подогревом до температур 300 — 400°С называют полу горячей, а без предварительного подогрева — холодной сваркой чугуна. При полугорячей и холодной сварке чугуна широко используют металлургические и технологические средства воздействия на металл с целью повышения качества сварных соединений. К их числу относятся:

— легирование наплавленного металла элементами-графитизаторами, с тем, чтобы при данной скорости охлаждения получить в шве структуру серого чугуна;

Горячая сварка чугуна. Наиболее радикальным средством борьбы с образованием отбеленных и закаленных участков шва и околошовной зоны и образованием пор и трещин служит подогрев изделия до температуры 600 — 650°С и медленное охлаждение его после сварки.

Технологический процесс горячей сварки состоит из следующих элементов:

I — подготовка изделия под сварку;
II — предварительный подогрев деталей;
III — сварка;
IV — последующее охлаждение.

Холодная и полугорячая сварка чугуна, обеспечивающая в металле шва получение серого чугуна. Холодная сварка чугуна электродами, положительных результатов не обеспечивает, так как при больших скоростях охлаждения, соответствующих данным условиям проведения сварки, образуется структура белого чугуна в шве и высокотемпературной области околошовной зоны, а также происходит резкая закалка металлической основы участков зоны термического влияния. Возникающие при этом деформации превышают деформационную способность металла шва и околошовной зоны, в результате чего образуются трещины. Для предупреждения отбеливания необходимо обеспечить такой состав металла шва, для которого в этих условиях будет получаться структура серого чугуна с наиболее благоприятной формой графитных включений. Это может быть достигнуто путем введения в наплавленный металл достаточно большого количества графитизаторов и легирования чугуна элементами, способствующими сфероидизации карбидов (магнием).

Получить в наплавленном металле и металле шва серый чугун можно, применяя специ-альные сварочные материалы, которые обеспечивают легирование через электродное покрытие. Примером таких материалов могут служить электроды, стержень которых изготовлен из низкоуглеродистой проволоки, например, марок Св-08 или Св-08А, а в легирующем покрытии содержится достаточное количество элементов графитизаторов — углерода и кремния. Для холодной и полугорячей сварки чугуна автоматами, и главным образом полуавтоматами, используют специальные порошковые проволоки, обеспечивающие получение в шве серого чугуна.

Холодная сварка чугуна электродами, обеспечивающими получение в наплавленном металле низкоуглеродистой стали. Если выполнить наплавку на чугун электродами, предназначенными для сварки углеродистых или низколегированных конструкционных сталей, то в 1-м слое даже при относительно небольшой доле участия основного металла получится высокоуглеродистая сталь, которая при скоростях охлаждения, имеющих место в условиях сварки без предварительного подогрева изделия, приобретает резкую закалку. В связи со сказанным такие стальные электроды можно применять только для декоративной заварки небольших по размерам дефектов, если к сварному соединению не предъявляются требования обеспечения прочности, плотности и обрабатываемости режущим инструментом.

Холодная сварка чугуна электродами, обеспечивающими получение в металле шва цветных и специальных сплавов. Для получения швов, обладающих достаточно высокой пластичностью в холодном состоянии, применяют электроды, обеспечивающие получение в наплавленном металле сплавов на основе меди и никеля.

Кроме чугунов широкое применение находит также стальное литьё. Это, как правило, качественные углеродистые и легированные стали, в которых для улучшения литейных свойств несколько увеличено количество кремния (до 0,6 — 1%). Свариваемость этих сталей определяется содержанием углерода и легирующих элементов и несколько хуже, чем аналогичных качественных углеродистых сталей. Например: Сталь 25 сваривается без ограничений, Сталь 25Л — ограничено свариваемая, требует подогрева перед сваркой и последующей термообработки.

weldering.com

ЖЕЛЕЗО, СТАЛЬ, ЧУГУН

В истории человеческой цивилизации огромную роль сыграло железо. Человек начал использовать изделия из железа еще в начале I тысячелетия до н. э., и до сих пор оно является самым распространенным металлическим материалом.

В отличие от золота, серебра и меди, которые встречаются в самородном состоянии и поэтому первыми из металлов начали использоваться человеком, железо в чистом виде почти не встречается. Оно соединяется с кислородом воздуха, превращаясь в оксид, и содержится в составе железной руды. И только когда человек научился извлекать железо в большом количестве из руды, оно получило широкое распространение. (Руда — природное минеральное образование, содержащее какой-либо металл или несколько металлов.)

Чистое железо — светлый мягкий металл. Но используется оно не в чистом виде, а только в виде сплавов, т. е. в соединении с другими химическими элементами. Одни элементы присутствуют в железной руде и прямо при выплавке железа переходят в него. Другие — вводятся в железо специально, чтобы придать ему те или иные свойства (см. Легирование). Даже небольшие примеси некоторых химических элементов меняют свойства железа: делают его прочным, твердым, помогают успешно противостоять высоким температурам и воздействию кислот.

Непременный компонент железных сплавов — углерод. Если углерода мало — 0,02—0,04%, то сплав сохраняет природные физические свойства железа — он мягкий, пластичный, легко изменяет форму под давлением. Он называется технически чистым железом. Чем больше углерода, тем металл делается более твердым и менее пластичным. Однако пока количество углерода не превышает 2%, сплав можно ковать, штамповать. Это сталь. Из нее сделано большинство тех предметов, которые мы называем железными. А если углерода от 2 до 4%, сплав называют чугуном. Он твердый и хрупкий. Его нельзя ковать (он ломается под ударами), а можно только отливать в форму. Хотя один из видов чугуна и называется ковким, он практически ковке не подвергается. Зато обладает высокой, по сравнению с другими видами чугуна, пластичностью. Отливки из ковкого чугуна широко используют в различных отраслях промышленности.

Примеси, попадающие в железо из руды, по-разному изменяют его свойства. Одни из них — кремний, марганец — полезны, поскольку увеличивают прочность и пластичность сплава. Другие — сера, фосфор, мышьяк — вредны, так как делают сплав ломким.

Производство стали в мире постоянно растет. Несмотря на то что многие металлы продолжают находить широкое применение, и в первую очередь алюминий, титан, магний и другие и сплавы на их основе, доля железа в мировом производстве металлов по-прежнему очень высока — около 95%.

Стальной прокат является главным исходным материалом в машиностроении и других отраслях промышленности, поэтому в прокат перерабатывается 80—85% всей выплавленной стали.

В дореволюционной России на душу населения производилось меньше 30 кг стали в год. А  в 1984 г. количество выплавленной стали на душу населения составляло 600 кг! И производство ее будет все увеличиваться. Это один из важнейших показателей высокого промышленного развития страны.

Прямое получение железа. К середине XIX в. в черной металлургии для получения железа окончательно утвердился так называемый двойной передел: из руды — чугун, из чугуна — сталь. Огромные доменные печи, конвертеры, мартеновские печи удовлетворяли потребности промышленности. Однако именно в это время ученые-металлурги Европы и Америки начали искать способы прямого получения железа из руды, минуя доменный процесс.

Двойной передел, т. е. получение чугуна из руды в доменных печах, а из чугуна стали в мартеновских печах, — это двойной расход топлива и электроэнергии, двойное количество агрегатов, механизмов и инструментов, наконец двойное количество рабочих. Поэтому ученые и обратились к способу древних мастеров, которые прямо из руды получали железо, восстанавливая его древесным углем в маленьких горнах или в тиглях. Большое преимущество прямого получения железа помимо его высокой экономичности в том, что этот процесс позволяет избежать «засорения» железа серой и другими нежелательными элементами, содержащимися в коксе. Необходимо было возродить древний способ на новой, промышленной, высокопроизводительной основе.

Первая промышленная установка прямого получения железа заработала в 1911 г. в Швеции. Она полностью копировала древний способ: железо восстанавливалось из руды с помощью мелкоистолченного древесного угля в глиняных тиглях. Только в печь загружалось сразу 3500 тиглей. Позднее в разных странах появились и другие установки, причем все чаще восстановителем служил не уголь, а водород, обеспечивающий большую химическую чистоту металла.

В нашей стране в городе Старый Оскол (Белгородская область) вступил в эксплуатацию Оскольский электрометаллургический комбинат (ОЭМК), крупнейший в Европе. Он дает высококачественную сталь методом прямого получения. Сырьем для нее служит руда Лебединского горно-обогатительного комбината. Сначала ее измельчают на шаровых мельницах и смешивают с водой. Эта смесь — пульпа — идет по трубам за 26 км и поступает в цех окомкования. Здесь ее превращают в окатыши с содержанием железа 67%. Окатыши поступают в цех металлизации, где работают установки прямого получения железа. Каждая установка — это шахтная вертикальная печь, высотой 64 м и с внутренним диаметром 5 м. В их приемные устройства и текут непрерывным потоком окатыши. А навстречу им снизу вверх идет горящий природный газ, содержащий 90% оксида углерода, и водород, предварительно нагретый до 850—900° С. Теплота этих газов и теплота собственного горения и дают необходимую температуру для металлизации окатышей. Как и в древних горнах, здесь руда (окатыши) не расплавляется, а восстанавливается в твердом виде. К концу пути вдоль печи окатыши более чем на 90% состоят из железа. Они поступают в другие электропечи, где проходят дополнительный цикл очистки от примесей. Полученная сталь не уступает по качеству той, которую производят в вакуумных электропечах (см. Электрометаллургия). К тому же эта сталь более дешевая и ее можно получать в большом количестве.

enciklopediya-tehniki.ru

Чугун и сталь: различия

Два важных отличия чугунов от сталей с высоким содержанием углерода:
1) при нагреве чугун не превращается в 100 %-ный аустенит;
2) избыточная фаза в аустените чугуна – это графит, а в стали — цементит.

Кристаллизация стали при содержании углерода менее 2,1 %

Чтобы понять первое отличие чугуна от стали, рассмотрим еще раз затвердевание железоуглеродистого сплава с содержанием углерода 1,8 % (рисунок 1). При затвердевании этой стали жидкость в междендритной области кристаллизуется последней и при снижении температуры до 1148 ºС содержание углерода в ней возрастает до 4,3 %  . При этом из жидкости образуется эвтектическая смесь аустенита и цементита Fe₃C. Однако при охлаждении до 1100 ºС этот цементит может растворяться в дендридах аустенита. Поэтому при медленном охлаждении до этой температуры 1100 ºС в стали может образовываться стопроцентно однофазный аустенит (см. кружок на рисунке 1).

Рисунок 1 – Железоуглеродистый сплав с содержанием углерода 1,8 %
на фазовой диаграмме железо-углерод.

Кристаллизация стали при содержании углерода более 2,1 %

Если же, однако, содержание углерода в исходном сплаве поднять выше, чем 2,1 % — например, 2,5 % — то уже нет возможности получить полностью однофазный аустенит без частиц цементита. Сплав с содержанием углерода 2,5 % при охлаждении до 1100 ºС находится в двухфазной области фазовой диаграммы на рисунке 2 и состоит из смеси аустенита и цементита Fe₃C (см. кружок на рисунке 2). Как и чугун этот сплав нельзя превратить нагревом до точки плавления 1148 ºС в 100 %-ный аустенит.

Графит в чугунах

Графит является кристаллической формой чистого углерода, который очень мягок и легко разрушается. Его присутствие в железе обычно ведет к резкому снижению вязкости в серых чугунах, но не в чугунах с шаровидным графитом.

Диаграмма на рисунке 1 не является, строго говоря, равновесной диаграммой и более того, ее правильно называть диаграммой железо-цементит, так она предсказывает, что при большом содержании углерода в аустените образуется именно цементит. Существует еще одна фазовая диаграмма – диаграмма железо-графит, которая по-настоящему является равновесной.

Фазовая диаграмма железо-графит-цементит

Рисунок 2 показывает наложение двух этих диаграмм. Пунктирными линиями представлена диаграмма железо-графит. Заметим, что если эвтектика железо-цементит происходит при температуре 1148 ºС, то эвтектика железо-графит – при 1154  ºС, то есть на 6 градусов выше. Это означает, что: 1) в интервале температур от 1149 до 1154 ºС из жидкого раствора углерода в железо возможно образование графита и 2) графит является более устойчивой фазой. Поэтому в железоуглеродистых сплавах цементит Fe₃C является метастабильной фазой.

Рисунок 2 – Комбинированная фазовая диаграмма
железо-графит и железо-цементит

При охлаждении чистого высокоуглеродистого аустенита графитная фаза может образовываться при более высокой температуре (линия А_gr), чем цементитная фаза (линия А_cm). В сталях образование графита бывает редко – первом всегда формируется метастабильный цементит, особенно при наличии в стали карбидообразущих элементов, таких как хром. Движение атомов для образования графита – из жидкости или из аустенита более сложно, чем для образования метастабильного цементита. Поэтому метастабильный цементит образуется первым и является устойчивым для большинства промышленных изделий.

Графитизация стали и графит в чугуне

Графит имеет возможность образовываться и в сталях – в этом случае сталь называют графитизированной. Графитизация в стали иногда случается, если ее держат при высоких температурах месяцы и годы. Так, например, происходит на стальных паропроводах. В целом образование графита в сталях не имеет практического значения, но является очень важным для термической обработки чугунов.

Источник: John D. Verhoeven, Steel Metallurgy for Non-Metallurgists, 2007

steel-guide.ru