Описание состава сплава чугуна и отличие его от стали

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.

Разница между сталью и чугуном

Часто применяемыми в быту продуктами металлургической промышленности являются чугун и сталь. Оба материала представляют собой уникальный сплав железа и углерода. Но использование одинаковых компонентов при производстве не наделяет материалы схожими свойствами. Чугун и сталь – два различных материала. В чем же их отличия?

Сталь

Чтобы получить сталь, необходимо сплавить железо, углерод и примеси. При этом содержание углерода в смеси не должно превышать 2%, а железа быть не менее 45%. Остальной процент в смеси могут составлять легирующие элементы (связывающие смесь вещества, например, молибден, никель, хром и другие). Благодаря углероду железо приобретает прочность и предельную твердость. Без его участия получалось бы вязкое и пластичное вещество.

Чугун

При производстве чугуна также сплавляют железо и углерод. Только содержание последнего в смеси составляет более 2%. Помимо перечисленных компонентов в смеси содержатся постоянные примеси: кремний, марганец, фосфор, сера и легирующие добавки.

Отличия

В металлургии различают довольно большое количество разновидностей стали. Их классификация зависит от количества того или иного компонента в смеси. Например, большое содержание связывающих элементов дает высоколегированную (более 11%) сталь. Кроме этого существуют:

• низколегированные – до 4% связывающих компонентов;
• среднелегированные – до 11% связывающих элементов.

Содержание углерода в сплаве также дает свою классификацию металлу:

• низкоуглеродистый металл – до 0,25%С;
• среднеуглеродистый металл – до 0,55%С;
• высокоуглеродистый – до 2%С.

И, наконец, в зависимости от содержания неметаллических включений, которые образуются в результате реакций (например, оксиды, фосфиды, сульфиды), осуществляется классификация по физическим свойствам:

• особо высококачественная;
• высококачественная;
• качественная;
• обычная сталь.

Это далеко не полная классификация стали. Еще различают виды по структуре материала, методу производства и так далее. Но каким бы способом ни сплавляли основные компоненты, в итоге получают твердый, прочный, износостойкий и устойчивый к деформациям материал с удельным весом 7,75 (до 7,9) Г/см 3 . Температура плавления стали – от 1450 до 1520°C.

В отличие от стали чугун более хрупок, его отличает способность разрушаться без заметных остаточных деформаций. При этом сам углерод в сплаве представлен в виде графита и/или цементита, их форма и соответственно количество определяют разновидности чугуна:

• белый – весь необходимый углерод содержится в виде цементита. Материал белый на изломе. Очень тверд, но хрупок. Он поддается обработке и в основном используется для получения ковкой разновидности;
• серый – углерод в виде графита (пластичная форма). Мягок, отлично поддается обработке (можно резать) и имеет низкую температуру плавления;
• ковкий – получается после продолжительного отжига белого вида, в результате чего образуется графит. Нагрев (свыше 900°C) и скорость охлаждения графита негативно влияют на свойства материала. Это затрудняет сварку и обработку;
• высокопрочный – содержит шаровидный графит, образующийся в результате кристаллизации.

Содержание углерода в составе определяет его температуру плавления (чем его больше, тем ниже температура) и выше текучесть при нагреве. Поэтому чугун – это жидкотекучий, непластичный, хрупкий и трудно поддающийся обработке материал с удельным весом 6,9 (7,3) Г/см 3 . Температура плавления – от 1150 до 1250°C.

Характеристики, свойства, виды и применение чугуна

В идеале сплав чугуна состоит из железа и углерода. Но в него часто входят различного рода присадки, потому что без них сплав был бы ещё более хрупким. Так для увеличения прочности в материал добавляются кремний, марганец, фосфор и серу (не больше 1%).

Наличие в чугуне углерода, процент содержания которого колеблется от 2,14 до 4, способствует исключительной твёрдости материала. Но в то же время именно углерод увеличивает его хрупкость. В практике обычно применяется чугун, содержащий около 3 процентов углерода.

Изделия из чугуна

В некоторые виды чугуна также добавляют специальные примеси, чтобы придать материалу дополнительные свойства. Как правило, это хром, никель и алюминий. Если вам нужно решить вопрос связанный с литьём чугуна, советуем обратиться сюда.

Преимущества чугуна

1) Чугун имеет широкое использование в литейном производстве. У него низкая температура плавления. Она равна примерно 1200 градусов, что ниже показателей стали на 250-300 градусов. Всё потому, что углерод и железо образуют не слишком прочную связь между собой. Благодаря этому, а также плотности 7,2 г/см3 чугун превосходит по литейным свойствам другие материалы, за исключением нескольких разновидностей стали.

2) Ещё одним неоспоримым преимуществом чугуна является его твёрдость. Она достигает 7,5 баллов по шкале Мооса. Этот результат превышает показатели кварца и лишь на 2,5 балла меньше от твёрдости алмаза.

3) Детали из чугуна отличаются долговечностью.

4) Чугун – экологически чистый материал. Поэтому его и применяют для создания посуды, в которой готовится пища. Сплав не включает в себя вредных компонентов и безопасен для здоровья человека.

5) Чугун способен долгое время поддерживать высокую температуру.

Процесс литья чугуна

Недостатки чугуна

1) Из-за значительного части углерода в сплаве материал очень хрупок. А потому он не пригоден для создания деталей, которые будут находиться под давлением.

2) Чугун быстро начнёт покрываться ржавчиной, если на нём длительное время будет собираться вода. Полностью изделие не проржавеет, но может утратить опрятный вид. Поэтому для деталей из чугуна необходимо покрытие для защиты от коррозии.

3) Также изделия всегда отличаются массивностью.

Виды чугуна

1) Белый чугун. Этот сплав приобрёл своё название за светлый оттенок на сколе. Он характеризуется входящим в его состав чрезмерным количеством углерода в виде цементита.

Процент углерода чаще всего выше 3, поэтому белый чугун – материал очень хрупкий и ломкий. Он тяжело плавится и с трудом поддаётся обработке стальными инструментами. В чистом виде его применяют не часто, в основном для деталей, не предназначенных для нагрузок.

Но характеристики материала можно изменить, если добавить в сплав примеси. Обычно для этого используют хром и никель. Полученный материал называется «сормайт», его применяют для нагрева. Основное применение белого чугуна – это отливка ванн.

2) Серый чугун. Эта разновидность чугуна тоже была названа по цвету в месте разлома. Материал используется практически во всех сферах народного хозяйства. Количество углерода в сплаве примерно равно 2,5%. И в отличие от белого, в сером чугуне он содержится также в виде графита.

Применение из чугуна

Материал обладает и пластичностью, и хорошей для чугуна прочностью. Благодаря этому материал применяется в производстве деталей, эксплуатируемых при циклических нагрузках. Из серого чугуна изготавливают втулки, зубчатые шестерёнки, литые конструкции.

3) Ковкий чугун. Для создания этого сплава используют белый чугун. Его подвергают обжигу, что способствует образованию феррита. Этот материал наиболее пластичен. Из него получают шестерни, поршни, подшипники, звенья и ролики конвейерных цепей, муфты, тормозные детали и педали.

4) Высокопрочный чугун. Это вид серого чугуна, в котором графит решётке имеет шаровидную форму. Округлость графита ослабляет кристаллическую решётку, что улучшает механические свойства материала.

Вследствие этого свойственные чугуну характеристики (прочность, удобство литья) дополняются устойчивостью к трещинам и пластичностью, которые близки к показателям стали. Высокопрочным чугуном даже можно заменить все стальные механизмы. Из материала изготавливаются турбопроводы и другие отопительные аппараты.

Применение

1) Чугун незаменим в машиностроении. Большое количество деталей (поршни, шестерни, электродвигатели) производятся именно из него.
2) Ценен чугун и в металлургической отрасли. Он обладает отличными литейными качествами, а также не дорог в цене.
2) Продолжает чугун широко использоваться для создания канализационных труб и сантехники. Из него изготавливаются ванны, отличающиеся долговечностью, раковины и фитинги. Некоторые радиаторы, приобретённые годы назад, всё ещё продолжают служить своим владельцам.
3) Сплав идёт и на производство посуды. Сковородки из чугуна пользуются особой популярностью.
4) Печи из чугуна не только значительно дешевле аналогов, но и не подвержены деформации при нагреве.
5) Также из чугуна создаются декоративные элементы или художественные элементы: ажурные ограды, ворота и решётки.

В последнее время из-за высокой затратности производства чугуна, его использование значительно сократилось. Чтобы облегчить производство, вместо него стали использовать сплавы более лёгкие для изготовления. Эта тенденция продолжается уже несколько лет, и для многих сейчас чугун кажется пережитком прошлого. Но остались отрасли, в которых он пока не сдаёт позиции и по-прежнему крайне необходим. Поэтому полностью отказаться от использования чугуна не представляется возможным.

Чугун состав сплава в процентах

Чугун— сплав железа с углеродом с содержанием углерода более 2.14%. Чугун также содержит некоторые другие химические элементы. Чугуны, в зависимости от того, в какой форме в чугуне находится углерод, подразделяют на высокопрочный(ВЧ), серый чугун (СЧ), ковкий чугун (КЧ), белый чугун (БЧ).

Белый чугун — в данном виде чугуна углерод находится в связанном состоянии, в виде цементита. БЧ очень твердый и хрупкий, потому в производстве применяется редко. БЧ используют в тех случаях, когда деталь работает на износ. Также применяют для изготовления КЧ.

Ковкий чугун— получают из белого чугуна, путем отжига.

Серый чугун— в таком чугуне графит находится в виде пластинчатых лепестков. Подобные включения негативно сказываются на пластинчатые свойства чугуна, на его прочность при растяжении.

Высокопрочный чугун— чугун, в котором графит находится в виде шарообразных включений. Шаровидный графит повышает прочность и пластичность чугуна. ВЧ получается модифицированием.

По процентному содержанию углерода чугуны делятся на доэвтектические (с менее 4.3%), эвтектические и заэвтектические.

Практически все механические свойства чугуна зависят от микроструктуры чугуна и его химического состава. Сама же микроструктура зависит от скорости охлаждения отливки.

В случае быстрого охлаждения графит в чугуне будет находиться в связанном состоянии, в виде цементита.

Выделению углерода в виде графитовых включений способствуют следующие химические элементы: углерод, кремний, медь, никель. Элементы, препятствующие выделению графитовых включений: хром, марганец, сера

На структуру и механические свойства графита огромное влияние оказывает его химический состав.

Кремний— снижает прочность чугуна за счет того, что кремний снижает растворимость углерода, что приводит к увеличению размеров графитовых включений.

Марганец — уменьшает влияние серы, образуя с ней сульфид марганца.

Сера — тормозит графитизацию чугуна, образовывая хрупкую эвтектику.

Фосфор — улучшает жидкотекучесть, на графитизацию практически не влияет. При малом содержании полностью растворяется в чугуне.

Хром увеличивает прочность чугуна при повышенных температурах и многократных нагреваниях, поэтому его вводят в состав жаростойких и окалиностойких чугунов. Хром повышает твердость, сопротивление износу, коррозии в морской воде и слабых растворах кислот, но увеличивает хрупкость чугуна.

Никель повышает коррозионную стойкость чугунных отливок в морской воде и щелочах.

Медь увеличивает сопро­тивление чугуна коррозии в атмосферных условиях, в растворах со­лей, кислот, нефти.

Молибден повы­шает прочность и твердость доэвтектических чугунов, а также кратковременную прочность чугуна при высоких температурах, теплостойкость, сопротивление износу и ударную вяз­ кость. Молибден улучшает жаропрочность чугуна и в этом отношении

превосходит все другие элементы.

Титан нейтрализует действие хрома в чугуне,

являясь модификатором, вследствие чего отпадает необходимость повышения содержания кремния. Титан способствует повышению механических свойств, особенно прочности высокоуглеродистых чугунов.

КЛАССИФИКАЦИЯ СЕРЫХ ЧУГУНОВ

По составу основной металлической массы отливки из серого чугуна могут быть четырех типов.

Перлитно-цементитный чугун (П+ Ц+ Г) состоит из перлита, включений структурно-свободного цементита и пла­стинчатого графита. Такую структуру можно получить при пони­женном содержании кремния в чугуне и быстром охлаждении отли­вок в форме. Эти чугуны обладают повышенной прочностью и плохо обрабатываются резцом. При модифицировании магнием или церием можно получить высокопрочный чугун с перлитно-цементитной структурой и шаровидным графитом.

Перлитный серый чугун (П + Г) состоит из пер­лита и пластинчатого графита, после модифицирования магнием или церием (рис. 150)— из перлита и шаровидного графита.

Перлитный чугун обычно содержит мелкопластинчатый графит и имеет умеренную твердость (НВ 200—230), высокие прочность.

и износостойкость и хорошо обрабатывается резцом. Перлитный серый чугун с шаровидным графитом обладает еще большей меха­нической прочностью, поэтому называется высокопрочным.

Перлитно – ферритный чугун (П + Ф + Г) состоит из перлита, феррита и пластинчатого графита (рис. 151). Прочность перлитно-ферритного чугуна ниже, чем перлитного, так как пластинки графита в нем крупнее. Твердость его ниже, и он легче обрабатывается резанием. Структура П + Ф + Г с пластинчатым графитом чаще всего встречается в обычных чугунных отливках, применяемых в машиностроении.

Ферритный серый чугун (Ф + Г) состоит из феррита и пластинчатого графита (рис. 152), получается при высоком содержании кремния и углерода в толстостенных отливках и медленном охлаждении их в форме. Включения графита очень крупные. Ферритный чугун обладает низкими механическими свойствами, очень мягкий, хрупкий, быстро изнашивается, но легко обрабатывается. Для машиностроитель­ных отливок такой чугун не пригоден.

Высокопрочным называют чугун, модифицированный магнием в количестве 0,15—0,45 % с последующей обработкой ферро­силицием (75 % Э1). При введении в чугун модификаторов изменяются условия роста зародыша графита, что влияет на его форму: он становится шаровидным (см. рис. 150). Графит такой формы способствует повышению прочности и особенно пластичности чугуна.

Высокопрочный чугун с шаровидным графитом (ВЧШГ) по сравнению с углеродистой сталью имеет следующие преимущества: более низкую температуру плавления, лучшую жидкотекучесть, меньшую склонность к образованию горячих трещин, несколько меньшую плотность, более высокую прочность и износостойкость и лучшую обрабатываемость резанием. По сравнению с серым чугуном он об­ладает более высокими прочностью, пластичностью, жаростойкостью и лучшей свариваемостью.

Для улучшения свойств чугуна, его легируют.

Легирование

В зависимости от процентного содержания легирующих элементов, различают низколегированные, среднелегированные и высоколегированные. В качестве легирующих элементов чугуна применяют никель, хром, молибден, марганец, алюминий, медь, титан.