Сколько углерода в чугуне и стали

Железоуглеродистые сплавы — сталь и чугун

Наиболее широкое применение в современном машиностроении имеют железоуглеродистые сплавы — сталь и чугун.

Сталь — это сплав железа с углеродом; содержание углерода в стали не превышает 2%.

К сталям относятся:

Чугун — сплавы железа с углеродом, в которых содержание углерода превышает 2%. Среднее содержание углерода в чугуне 2,5—3,5%.

Кроме железа и углерода, в сталях и чугунах присутствуют примеси:

кремний и марганец в десятых долях процента (0,15— 0,60%)

сера и фосфор в сотых долях процента (0,05—0,03%) каждого элемента.

Сталь

Сталь с содержанием углерода до 0,7% применяется для изготовления:

таврового и уголкового железа,

различного фасонного профиля,

а также для многочисленных деталей в машиностроении: шестерни, оси, валы, шатуны, болты, молотки, кувалды и т.п.

Сталь с содержанием углерода свыше 0,7% применяется для изготовления различного режущего инструмента:

Свойства стали зависят от содержания углерода. Чем больше углерода, тем сталь прочнее и тверже.

Чугун

Машиностроительный чугунприменяют для производства отливок всевозможных деталей машин.

По составу и строению чугуны делятся на:

Ковкий чугун

Ковкий чугун получается в результате специальной обработки белого чугуна. В белом чугуне весь углерод находится в химически связанном состоянии с железом (Fe₃C — цементит), что придает этому чугуну большую твердость и хрупкость и плохую обрабатываемость.

Белый чугун

В машиностроении белый чугун применяют для изготовления отливок, отжигаемых на так называемый ковкий чугун.

При отжиге цементит разлагается па железо и свободный углерод, и отливки приобретают невысокую твердость и хорошую обрабатываемость.

Серый чугун

Наиболее широкое применение в технике имеет серый чугун, в котором большая часть углерода находится в свободном состоянии, в виде графита. Этому способствует высокое содержание кремния.

Такой чугун обладает хорошими литейными качествами и применяется для производства чугунных отливок. Детали из этого чугуна получаются путем отливки в земляные или металлические формы (станины, шестерни, цилиндры, блоки и т.п.).

Благодаря наличию свободного углерода (графита) серый чугун имеет небольшую твердость и хорошо обрабатывается резанием.

Чем чугун отличается от стали?

Продукция черной металлургии широко используется во многих отраслях народного хозяйства, а черный металл всегда востребован в строительстве и машиностроении. Металлургия уже давно успешно развивается, благодаря своему высокому техническому потенциалу. Наиболее часто применяются в производстве и в быту чугунные и стальные изделия.

Чугун и сталь оба относятся к группе черных металлов, эти материалы представляют собой уникальные по своим свойствам сплавы железа с углеродом. В чем отличия стали и чугуна, их главные свойства и характеристики?

Сталь и ее основные характеристики

Сталь представляет собой деформированный сплав железа с углеродом, которого всегда максимум до 2%, а также другие элементы. Углерод является важным компонентом, поскольку придает прочности сплавам железа, а также твердость, за счет этого снижается мягкость и пластичность. В сплав часто добавляются легирующие элементы, что в итоге дает легированную и высоколегированную сталь, когда в составе не менее 45% железа и не более 2% углерода, остальные 53% составляют добавки.

Сталь является важнейшим материалом во многих отраслях, ее применяют в строительстве и по мере роста технико-экономического уровня страны, растут и масштабы производства стали. В давние времена мастера для получения литой стали применяли тигельную плавку и такой процесс был малопроизводительным и трудоемким, но сталь отличалась высокими качествами.

Со временем процессы получения стали менялись, на смену тигельному пришли бессемеровский и мартеновский метод получения стали, что дало возможность наладить массовое производство литой стали. Затем стали выплавлять сталь в электрических печах, после чего был внедрен кислородно-конверторный процесс, он позволил получать особо чистый металл. От количества и видов связующих компонентов сталь может быть:

• Низколегированной
• Среднелегированной
• Высоколегированной

В зависимости от содержания углерода она бывает:

• Низкоуглеродистой
• Среднеуглеродистой
• Высокоуглеродистой.

В состав металла часто входят неметаллические соединения — оксиды, фосфиды, сульфиды, их содержание отличается на качестве стали, существует определенная классификация качества.

Плотность стали составляет 7700-7900 кг/м 3 , а общие характеристики стали складываются из таких показателей, как — прочность, твердость, износостойкость и пригодность для обработки различного вида. По сравнению с чугуном сталь обладает большей пластичностью, прочностью и твердостью. Благодаря пластичности она легко поддается обработке, сталь отличается более высокой теплопроводностью, а ее качество повышается за счет закаливания.

Такие элементы, как никель, хром и молибден являются легирующими компонентами, каждый из них придает стали свои характеристики. Благодаря хрому сталь становится более прочной и твердой, повышается ее износостойкость. Никель также придает прочности, а также вязкости и твердости, повышает ее антикоррозийные свойства и прокаливаемость. Кремний снижает вязкость, а марганец улучшает качества свариваемости и прокаливания.

Все существующие виды стали имеют температуру плавления от 1450 до 1520 о С и представляют собой прочные износостойкие и стойкие к деформации сплавы металла.

Чугун и его основные характеристики

Основу производства чугуна также составляет железо и углерод, но в отличие от стали углерода в нем больше, а также других примесей в виде легирующих металлов. Он отличается хрупкостью и разрушается без видимой деформации. Углерод здесь выступает графитом или цементитом и за счет содержания других элементов чугун делится на следующие разновидности:

• Белый — где лидирует в большинстве цементит, этот материал на изломе имеет белый цвет. Данный компонент отличается хрупкостью и одновременно твердостью. Он легок в обработке, что придает ковкость чугуну.
• Серый — в этой разновидности большую долю составляет графит, за счет чего чугун получается пластичным. Готовый чугун имеет небольшую температуру плавления, отличается мягкостью, его легче резать.
• Ковкий — достигается методом обжига белого чугуна, его томят в специальных нагревательных печах при температуре в 950-1000 о С. Присущая белому чугуну твердость и хрупкость снижаются, он не куется, а только становится более пластичным.
• Высокопрочный сплав чугуна — в нем содержится шаровидный графит, который образуется в ходе кристаллизации.

Температура плавления чугуна зависит от содержания в нем углерода, чем его больше в составе сплава, тем меньше температура, а также повышается его текучесть при нагреве. Это делает металл непластичными жидкотекучим, а также хрупким и трудно поддающимся обработке. Его температура плавления составляет от 1160 до 1250 о С.

Антикоррозийные свойства у чугуна выше, поскольку он подвергается сухой ржавчине в процессе использования, это называется химическая коррозия. Влажная коррозия также воздействует на чугун медленней, чем на сталь. Эти качества привели к тому, что было совершено открытие в металлургии — начали выплавлять сталь с высоким содержанием хрома. Отсюда и появилась нержавеющая сталь.

Делаем вывод

Исходя их многочисленных характеристик, можно сказать следующее о чугуне и стали, в чем их отличие:

• Сталь является более прочной и твердой, чем чугун.
• Сталь имеет более высокую температуру плавления, она тяжелей.
• Более низкий процент содержания углерода в стали делает ее легкой в обработке, ее проще резать, ковать и варить.
• По этой причине изделия из чугуна можно отлить, а стальные сварить или сделать кованными.
• Стальные изделия менее пористые, чем чугунные, поэтому они обладают большей теплопроводностью.
• По цвету они также отличаются, сталь светлая и блестит, а чугун более темный с матовой поверхностью.
• Стоимость на сталь всегда выше чугунных материалов.

Можно сделать вывод, что сталь и чугун объединяет содержание в них углерода и железа, но их характеристики отличаются и каждый из сплавов имеет свои особенности.

Описание состава сплава чугуна и отличие его от стали

Чугун — это сплав железа с углеродом. По процентному содержанию железа содержится более 90%. Количество углерода колеблется в пределах 2,14- 6,67%. Благодаря этому элементу материал имеет высокую твердость, но появляется хрупкость. Это влечет ухудшение ковкости и пластичности. В некоторые виды для улучшения характеристики добавляются легирующие элементы: алюминий, хром, ванадий, никель.

Характеристика видов углеродистого металла

Диаграмма железо-углерод показывает, из чего состоит чугун. Кроме железа, присутствует углерод в виде графита и цементита.

Состав сплава чугуна имеет разновидности:

• Белый. Присутствующий здесь углерод находится в химически связанном состоянии. Металл прочный, но хрупкий, поэтому плохо поддается механической обработке. В промышленности используется в виде отливок. Свойство материала позволяют вести его обработку абразивным кругом. Сложность вызывает процесс сварки, поскольку есть вероятность появления трещин из-за неоднородности структуры. Применение нашел в областях, связанных с сухим трением. Обладает повышенной жаростойкостью и износостойкостью.
• Половинчатый. Обладает повышенной хрупкостью, поэтому не нашел широкого применения.
• Серый. ГОСТ 1412–85 указывает, какой процент примесей содержит в своем составе этот металл: 3,5% углерода, 0,8% марганца, 0,3% фосфора, 0,12% серы и до 2,5% кремния. Присутствующий в пластинчатой форме углерод создает низкую ударную вязкость. Характеристика вида указывает, что на сжатие материал работает лучше, чем на растяжение. При достаточном нагреве обладает неплохой свариваемостью.
• Ковкий. Ферритовая основа такого вида обеспечивает ему высокую пластичность. В изломе имеет черный, бархатистый цвет. Получается из белого, который томится длительное время при температуре 800−950 градусов.
• Высокопрочный. Отличие от других видов заключается в присутствии графита шаровидной формы. Получается из серого после добавления в него магния.

Индивидуальные свойства металла

Материал характеризуется определенными характеристиками. К ним относятся:

• Физические. Такие величины, как удельный вес или коэффициент расширения зависят от того, сколько составляет в металле содержание углерода. Материал тяжелый, поэтому из него можно делать чугунные ванны.
• Тепловые. Теплопроводность позволяет аккумулировать тепло и удерживать, распространяя его равномерно во все стороны. Это используется при изготовлении сковородок или батарей для отопления.
• Механические. Эти характеристики меняются в зависимости от графитовой основы. Наиболее прочный — серый чугун, имеющий перлитовую основу. Материал с ферритовой составляющей более ковкий.

В зависимости от наличия примесей появляется разница в свойствах материала.

К таким элементам относятся сера, фосфор, кремний, марганец:

• Сера уменьшает текучесть металла.
• Фосфор понижает прочность, но позволяет изготавливать изделия сложной формы.
• Кремний увеличивает текучесть материала, снижая его температуру плавления.
• Марганец дает прочность, но понижает текучесть.

Различия между чугуном и сталью

Чтобы понять, чем отличается сталь от чугуна, нужно рассмотреть их характеристики. Отличительной особенностью чугуна является количество углерода. Минимальное содержание его составляет 2,14%. Это основной показатель, по которому можно отличить этот материал от стали.

Содержание железа в стали составляет 45%, а процентное содержание углерода до 2. Для определения различий на глаз нужно обратить внимание на цвет. Сталь имеет светлый оттенок, а чугун темный.

Определить же процентное содержание примесей может только химический анализ. Если сравнивать температуру плавления чугуна и стали, то у чугуна она ниже и составляет 1150−1250 градусов. У стали — в районе 1500.

Чтобы отличить материал, нужно провести следующие действия:

• Изделие опускается в воду и определяется объем вытесненной воды. У чугуна плотность меньше. Она составляет 7,2г/см3. У стали — 7,7−7,9 г / см3 .
• К поверхности прикладывается магнит, который к стали притягивается лучше.
• При помощи шлифовальной машинки или напильника натирается стружка. Затем она собирается в бумагу и вытирается об нее. Сталь не оставит следов.

Плюсы и минусы материала

Как и любой материал, чугун имеет положительные и отрицательнее стороны. К положительным качествам относятся:

• большая разновидность состояний.
• некоторые виды обладают высокой прочностью;
• возможность длительное время сохранять температуру;
• экологическая чистота, что позволяет изготавливать из него посуду;
• стойкость к кислотно-щелочной среде;
• высокая гигиеничность;
• длительный срок эксплуатации и долговечность;
• безвредность материала.

Однако и минусы тоже присутствуют. К ним относятся:

• при длительном нахождении в воде поверхность покрывается ржавчиной;
• высокая стоимость материала;
• низкая пластичность серого вида чугуна;
• хрупкость.

Чугун — это металл, который характеризуется высоким содержанием углерода. Благодаря этому у него присутствуют качества, которые бывают необходимы для промышленных и бытовых целей.

Чем отличается чугун от стали

Чугунные сковороды и казаны, легендарные чугунные радиаторы и ванны, стальные ножи и кастрюли – это предметы, изготавливаемые из сплава железа и углерода (C). Казалось бы, материал одинаковый, но разница видна невооруженным глазом. Действительно, несмотря на одинаковый состав, эти материалы имеют разные характеристики. Так чем отличается чугун от стали, и можно ли их идентифицировать в домашних условиях?

Основные характеристики сталей

Чтобы определить отличия чугуна и стали, следует рассмотреть каждый из этих металлов более подробно. Для получения определенных физических свойств в каждый из этих сплавов добавляется углерод. Он снижает пластичность и вязкость сплавов железа, делая их тверже и прочнее.

В стали содержание C не превышает 2,14%. Кроме него, туда добавляются легирующие компоненты в виде никеля, хрома, молибдена и пр. Их количество не должно превышать 53%.

Это соединение пластично, благодаря чему легко поддается обработке. Качество повышается в процессе закаливания. Кроме этого оно обладает высокой теплопроводностью. Температура плавления варьируется в пределах 1450°-1520°С.

Разновидности

Прежде чем рассматривать, чем отличается чугун от стали и их различия, следует изучить их характеристики. В зависимости от сферы применения, стальные соединения делятся на следующие типы:

Конструкционный тип соединений обладает определенными механическими, физическими и химическими свойствами. В зависимости от количества вредных примесей, выделяют следующие подтипы:

• обыкновенный (содержание фтора и серы не превышает 0,05%);
• качественный (менее 0,035%);
• высококачественный (менее 0,025%);
• особовысококачественный (менее 0,015%).

Конструкционные соединения применяются в строительстве и машиностроении. Из них изготавливают различные детали, механизмы, конструкции массового назначения.

Инструментальная сталь содержит более 0,7% углерода, с помощью которого удается придать ей высокую твердость и прочность. Эта разновидность идеально подходит для изготовления ножей, клинков и другого инструмента и делится еще на два подвида:

• качественную, где содержание серы и фосфора не превышает 0,03%;
• высококачественную, где эти показатели не превышают 0,02%.

Выпускается в листовом прокате, полосах, мотках проволоки и прутках различного сечения.

По содержанию С это соединение делится на следующие типы:

• малоуглеродистое (содержание C не превышает 0,25%);
• среднеуглеродистое (не более 0,55%);
• высокоуглеродистое (не более 0,85%).

По содержанию легирующих компонентов материал делится на низколегированный, среднелегированный и высоколегированный.

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.