Понятие чугуна, его особенности и нюансы использования

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

Читать также: Какие подкатные домкраты качественные

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.

Виды сварок

Реализовать газовую сварку следует за счет оплавления пламенем частей соединяемых элементов и прутка из присадочного металла. Данная сварка используется для того, чтобы соединить металлические детали, неметаллические элементы и сплавы, которые имеют различную температуру плавления, при этом толщина должна быть не более 30 мм. Чтобы ее устроить не нужно прибегать к помощи электроэнергии.

Широко применяется электродуговая сварка. Благодаря электрической дуге оплавленный металл, который соединяет в себе различные элементы, вступает во взаимодействие с металлом электрода, образуя прочный шов. Чтобы шов не окислился, электрод покрывают защитным веществом, например, для этого используют флюс или инертные газы (аргон, гелий). Электродуговой сваркой посредством различных методов действия (вручную, на полуавтоматах и автоматах) производят соединение деталей из чугуна, конструкционных сталей, медных, алюминиевых и других сплавов.

От углерода, который содержится в составе материала, зависит температура плавления. Чем его больше, тем температура ниже, а текучесть при нагреве выше. Из этого можно заключить, что материал жидкотекучий, хрупкий, непластичный и трудно поддается обработке. Его удельный вес равен 6,9 Г/см3. Температура плавления находится в интервале 1150-1250 градусов.

Как приварить чугун к стали

Чугун и сталь очень схожие металлы, единственное, что их различает, это содержание углерода. В чугуне его больше. И именно этот химический элемент усложняет процесс сваривания чугуна. Но самое главное, что углерод в его составе может быть небольшими гранулами или крупными. Так вот первый вариант еще можно сваривать, а второй практически невозможно. Даже при кажущейся качественно проведенной сварной операции результат будет все равно плохим. И когда встает разговор о таком технологическом процессе, как сварка чугуна со сталью, необходимо понимать, что схожие металлы все равно являются разнородными. И в этом вся сложность.

Приварить сталь к чугуну можно электродуговой сваркой, используя различные электроды. К примеру, отечественными марками ЦЧ-4, ОЗЧ-2 или ОЗЛ-25. Совершенно разные электроды, поэтому их используют, если сварочный шов будет в дальнейшем обрабатываться или не будет. Если сварка производится с дальнейшей обработкой, то применяется электрод ОЗЛ-25 или ОЗЧ-2, в другом случае ЦЧ-4. Первый электрод образует в сварочном шве металл гомогенного типа с высокой проницаемостью и неоднородностью. Последнее значение дает возможность металлу не лопнуть в процессе обработки, потому что с его помощью снимается напряжение внутри сварочного шва.

Разница между температурой плавления и кипения

Точкой фазового перехода вещества из твердого кристаллического состояния в жидкое нередко называют температуру плавления металла. В расплаве молекулы не имеют определенного расположения, но притяжение удерживает их вместе, в жидком состоянии кристаллическое тело сохраняет объем, но теряет форму.

При кипении теряется объем, молекулы слабо взаимодействуют, хаотично движутся во всех направлениях, отрываются от поверхности. Температура кипения – это когда давление металлических паров достигает давления внешней среды.

Для наглядности разницу между критическими точками нагрева лучше представить в виде таблицы:

Физическое состояние	Сплав превращается в расплав, кристаллическая структура разрушается, исчезает зернистость	Переход в газообразное состояние, отдельные молекулы улетают за пределы расплава
Фазовый переход	Равновесие между жидкой и твердой фазами	Равновесие между давлением паров металла и внешним давлением воздуха
Влияние внешнего давления	Не меняется	Изменяется, падает при разряжении

Температура — плавление — чугун

Температуры плавления чугунов значительно ниже ( на 300 — 400 С), чем у стали, что облегчает процесс литья.
 

Температура плавления чугуна ниже температуры то воспламенения, а появляющиеся тугоплавкие окислы кремния препятствуют нормальному процессу резки. Цветные металлы не режутся в связи с высокой температурой плавления образующихся окислов и значительной теплопроводностью.
 

Температура плавления чугуна ниже температуры t — то воспламенения, а появляющиеся тугоплавкие окислы кремния препятствуют нормальному процессу резки. Цветные металлы не режутся в связи с высокой температурой плавления образующихся окислов и значительной теплопроводностью.
 

Способы ручной кислородной резки нержавеющих.

Температура плавления чугуна ниже температуры горения железа, поэтому кислородная резка чугуна без применения флюса затруднена. При резке чугуна кремний, сгорая, дает тугоплавкую окисную пленку, препятствующую резке. А углерод при сгорании загрязняет режущий кислород, препятствуя тем самым сгоранию железа.
 

Кислородная резка чугуна без флюса также затруднена, так как температура плавления чугуна ниже температуры горения железа. Содержащийся в чугуне кремний дает тугоплавкую пленку окиси, которая препятствует нормальному протеканию резки. При сгорании углерода чугуна образуется газообразная окись углерода, загрязняющая режущий кислород и препятствующая сгоранию железа.
 

Обычная сварка чугуна производится при температуре сварочной ванны, превышающей температуру плавления чугуна.
 

Монель имеет температуру плавления 1260 — 1340 С, что соответствует температуре плавления чугуна, и благодаря никелю хорошо сплавляется с чугуном. Однако этот сплав дает значительную усадку, что приводит к появлению высоких внутренних напряжений, способствующих образованию трещин. Поэтому монель наплавляют короткими валиками длиной 40 — 50 мм и сразу же после этого проковывают шов молотком.
 

Чугун, содержащий углерода свыше 1 7 %, не режется кислородом, так как температура плавления чугуна ниже, чем температура его горения в струе кислорода.
 

Чугун, как известно, не поддается кислородной резке обычными приемами ввиду того, что температура плавления чугуна ниже температуры его воспламенения в кислороде, а образующаяся при резке на поверхности детали пленка кремнесодержащпх окислов значительно более тугоплавка, чем основной металл.
 

Сварка чугуна затрудняется также образованием различных тугоплавких окислов с более высокой температурой плавления, чем температура плавления чугуна.
 

В расплавленном состоянии чугун быстро окисляется и покрывается окислами, температура плавления которых может быть выше температуры плавления чугуна.
 

Чугун отливается, обрабатывается на станках и поддается сварке, при нагреве он не размягчается и остается хрупким; температура плавления чугуна — 1150 — 1250 С.
 

Часть диаграммы состояния для бинарного сплава Си-Fe.

Но только при содержании в меди 10 — 15 % железа можно получить сплав с температурой плавления 1330 — 1370 С, близкой к температуре плавления чугунов. В этом случае обеспечивается смешиваемость составляющих самого расплава с чугуном. Однако после затвердевания наплавка представляет собой мягкую медную основу с различными по форме и величине вкраплениями очень твердой стальной составляющей. Эти включения и затрудняют механическую обработку металла. Частично диффундируя в основной металл, медь проявляет себя как графитизатор, поэтому на участке / околошовной зоны отбел проявляется слабо.
 

Химический состав чугуна

Чугун — это сплав железа и углерода, в котором процентное содержание углерода составляет не менее 2,14%, но не более 4,5%. Углерод входит в состав чугуна в форме цементита либо графита. Если процент содержания углерода составляет меньше 2,14%, такой сплав именуется сталью.

Известно, что чугунный сплав впервые был произведен в Китае в VI веке. В Европу секрет его производства пришел в XIV веке, а в России его состав был доведен до совершенства лишь в XVII. За все это долгое время формула чугуна не изменилась.

Самый качественный материал производился на литейном заводе братьев Демидовых, расположенном на Урале.

По прошествии веков он не только не утратил своей актуальности, но и приобрел еще более обширный спектр применения.

Соединения чугуна и пластика

В процессе замены канализации в настоящее время используются более современные материалы, чем чугун. В таком случае потребуется соединить свою часть системы с общим чугунным трубопроводом. Нередко самостоятельная реализация этого проводится методом вставки одного изделия в другое, с последующей герметизацией цементным раствором.

Такой подход нельзя назвать надежным, так как существует угроза деформация пластика и появления течи. Стыковать пластиковые и чугунные трубы нужно с большой тщательностью, ведь реакция на нагревания двух материалов довольна разная (подробнее: «Как соединить чугунную трубу с пластиковой – обновление системы канализации по проверенному методу»). Все это может свести на нет проведенную герметизацию. Еще одним вредным воздействием на такой стык являются периодически возникающие вибрации и удары в канализационной системе.

Для правильного соединения чугунной и пластиковой трубы существует два способа. Если речь идет о раструбных чугунных трубах, то стыковка проводится при помощи специального переходника (про

Типы сплавов

В зависимости от интенсивности нагрева, требуемого для перехода металла из одного состояния в другое, сплавы разделяют на несколько видов.

Легкоплавкие. Их обработка может производиться даже без специального оборудования. Температура плавления стали в градусах Цельсия составляет 600. К числу легкоплавких металлов относятся свинец, олово и цинк.

Особого внимания заслуживает ртуть, способная переходить в жидкое состояние при -39°С.

Среднеплавкие. Температура плавления сталей находится в пределах 600°С-1600°С. К этой категории относятся алюминий, медь, олово, некоторые виды нержавейки и различные сплавы с небольшим содержанием хрома. Среднеплавкие соединения получили наибольшее распространение в промышленности и в быту.

Тугоплавкие. Соединения, входящие в данную категорию, способны переходить из твердого состояния в жидкое при нагреве свыше 1600°С. Это высоколегированные металлы, в состав которых входят вольфрам, титан и хром. Благодаря этим добавкам металл приобретает повышенную прочность, устойчивость к коррозии и химическим воздействиям. В частности, к тугоплавким сплавам относится нержавейка.

При наиболее низких температурных показателях плавятся щелочные металлы. Соответственно, для перехода в жидкое состояние не щелочных металлов температурный диапазон значительно увеличивается.

Градус кипения

В процессе нагрева материала важно не достичь его кипения, при котором из жидкого состояния он переходит в газообразное. Поэтому градус кипения является не менее важным технологическим показателем

Градус кипения, как правило, вдвое выше градуса, при котором материалы расплавляются, и определяется при нормальном атмосферном давлении. При увеличении давления увеличивается и интенсивность нагрева. При уменьшении давления показатели уменьшаются.

Особенности углеродистой стали

Углеродистые соединения являются основным видом продукции, производимой на металлургических комбинатах. Кроме железа, в их состав входит углерод. Его концентрация не должна превышать 2,14%. В них присутствует небольшое количество примесей и легирующих компонентов в виде марганца, кремния и магния. Такие добавки позволяют улучшить их физические и химические показатели.

В зависимости от концентрации углерода углеродистые соединения делятся на следующие виды:

• низкоуглеродистые (содержание углерода не превышает 0,29%);
• среднеуглеродистые (до 0,6%);
• высокоуглеродистые (более 0,6%).

Углеродистые соединения используются в различных промышленных отраслях. В зависимости от сферы применения в них добавляются легирующие компоненты, позволяющие достичь специфических свойств, включая жаропрочность, коррозийную стойкость и пр. По этим критериям они подразделяются на следующие категории:

В инструментальные добавляется марганец, позволяющий значительно повысить качество металла. Температура плавления углеродистой стали составляет 1535°С.

Особенности легированной стали

В состав легированных соединений вводят дополнительные компоненты. В определенных количествах они придают им требуемые свойства. В зависимости от концентрации таких элементов они подразделяются на следующие виды:

• низколегированные (с концентрацией 2,5%);
• среднелегированные (до 10%);
• высоколегированные (свыше 10%).

За счет добавления дополнительных компонентов удается повысить прочность, коррозийную стойкость и улучшить другие характеристики. В качестве легирующих компонентов выступают хром, медь, никель, азот, ванадий и пр. Температура плавления легированной стали колеблется в пределах 1400°С-1480°С.

Особенности нержавейки

Нержавейка – это сплав, устойчивый к сухой и влажной коррозии, и невосприимчивый к воздействию агрессивных веществ. Чтобы придать ему необходимые свойства, в металл добавляются различные легирующие компоненты в виде хрома, никеля, магния, титана и пр. Температура плавления нержавеющей стали по Цельсию составляет 1350-1500 градусов.

Ниже представлена таблица, в которой указана температура плавления жаропрочной нержавеющей стали наиболее популярных марок.

Особенности инструментальной стали

Этот материал предназначен исключительно для изготовления инструментов. От конструкционного он отличается увеличенным содержанием углерода в количестве более 0,7%. Такие соединения в основном используются в машиностроении для обработки чермета и цветмета. Температура плавления нержавеющей стали, предназначенной для изготовления инструмента, составляет 1500°С.

Распространенность в природе

В земной коре концентрация химического элемента низкая. Ртутные рудные минералы содержат до 2,5% живого серебра. Это отличает их от других пород. В основном меркурий находится в рассеянной форме, и лишь часть находится в месторождениях.

В магматических породах долевое содержание живого серебра равно между собой, а в осадочных толщах крупные концентрации металла сосредоточены в глинистых минералах. Воды Мирового океана содержат 0,1 мкг/л меркурия.

Высокая степень ионизации определяет особенности металла:

• восстанавливаться до состояния самородного элемента;
• устойчивость к кислотной среде и кислороду.

Химический элемент присутствует в составе сульфидных минералов (сфалерит, реальгар). Этот металл является индикатором месторождений ртути и скрытых рудных тел. В поверхностных условиях живое серебро и киноварь не растворяются в воде, но при наличии серной кислоты, озона способствует увеличению показателя растворимости минералов.

Меркурий обладает отличными сорбционными свойствами. В природе существует около 20 минералов, содержащих этот металл, но промышленная добыча производится на месторождениях киновари.

Одно из крупнейших месторождений находится в Испании. Технология производства металла предусматривает обжиг киновари с последующей конденсацией и сбором паров ртути.

Сталь

Процентное содержание углерода в сплаве не должно превышать отметку 2%, а железо составлять не менее 45%. Оставшиеся 53% могут содержать различные легирующие добавки и примеси, которые позволяют изменять его свойства.

Существует большое количество разновидностей и классификаций. В зависимости от количества связующих элементов различают:

Также различают по количеству углерода:

На качество металла влияет наличие неметаллических включений (оксиды, сульфиды, фосфиды) и существует классификация по качеству.

Общая характеристика это – металл, обладающий хорошей прочностью, износостойкостью, твердостью, пригоден для различных видов обработки. Плотность стали 7700 – 7900 кг/м3.

Не смотря, на большое количество разновидностей чугуна и стали, можно выделить основные параметры различия этих металлов:

– сталь обладает большей прочностью, пластичностью и твердостью;

– более пластична, поэтому хорошо поддается обработке (штамповке, ковке, прокатке, сварке), изделия из чугуна выполняют методом литья;

– чугун имеет меньшую стоимость;

– сталь имеет высокую теплопроводность, качество повышают методом закаливания, а чугун из-за пористости металла способен удерживать тепло;

– сплавы имеют различный удельный вес.

Металлургия поставляет на рынок сотни разновидностей того и другого сплава, которые имеют свои особенности и характеристики, но обязательными компонентами этих металлов являются железо и углерод. Поэтому сталь и чугун можно объединить в группу железоуглеродистых сплавов.

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?

Достоинства и недостатки чугуна

Характеристики чугуна обсуждаются по сравнению со сталью, хотя, например, низкокачественная углеродистая сталь – это по сути тот же чугун.

По некоторым показателям (плотность, магнитные свойства, химическая реакция) эти ферросплавы практически идентичны, но имеют большие отличия в сферах применения.

Преимущества чугуна:

1. Низкая стоимость. Углерод появляется как часть процесса выплавки из руды. Поэтому если снижать его содержание, это приведет к удорожанию сплава.
2. Превосходные литейные качества. Расплав чугуна имеет хорошую текучесть, низкую усадку при кристаллизации и относительно низкую температуру плавления.
3. Изделия из чугуна имеют хорошую прочность, твердую поверхность, износостойкость.
4. Чугун, который используется в машиностроении, хорошо поддается обработке резанием.
5. Долговечность. Даже при применении в сантехнических и канализационных деталях.
6. Простота утилизации.

Недостатки чугуна:

1. Хрупкость. Мало пригоден для обработки давлением, из-за содержания углерода.
2. Плохая свариваемость. Технология сварки чугуна довольно сложна, большой риск возникновения дефектов.
3. Массивность изделий. Сложно изготавливать тонкостенные конструкции, стенки которых могут не выдержать собственного веса.
4. Окисляемость. Легко ржавеет во влажной среде, поэтому детали, которые используются на открытом воздухе, необходимо защищать от коррозии специальными средствами.

Плюсы и минусы

Чугун, как и любой материал, имеет положительные и отрицательные стороны.

К плюсам чугуна относят:

• Углерод в чугуне может находиться в разном состоянии. Поэтому этот материал может быть двух видов (серый и белый).
• Определенные виды чугуна обладают повышенной прочностью, поэтому чугун иногда ставят на одну линию со сталью.
• Чугун может достаточно долго сохранять температуру. То есть при нагреве тепло равномерно распределяется по материалу и остается в нем длительное время.
• По экологичности чугун является чистым материалом. Поэтому его часто используют для изготовления посуды, в которой впоследствии готовится пища.
• Чугун стоек в кислотно-щелочной среде.
• Чугун обладает хорошей гигиеничностью.
• Материал отличается достаточно долгим сроком службы. Замечено, что чем продолжительнее используется чугун, тем его качество лучше.
• Чугун – долговечный материал.
• Чугун – это безвредный материал. Он не способен нанести организму даже маленького вреда.

К минусам чугуна относят:

• Чугун покроется ржавчиной, если на нем непродолжительное время будет находиться вода.
• Чугун – дорогостоящий материал. Однако этот минус оправдан. Чугун очень качественный, практичный и надежный. Предметы, изготовленные из него, так же получаются качественными и долговечными.
• Для серого чугуна характерна маленькая пластичность.
• Для белого чугуна характерна хрупкость. Он в основном идет на переплавку.

Влияние примесей на свойства материала

Компоненты, входящие в состав чугуна, оказывают влияние на качество сплава:

• сера способствует снижению тугоплавкости и текучести чугуна;
• фосфор уменьшает прочность, но дает возможность варьировать форму готовых изделий;
• кремний снижает температуру плавления металла и усиливает его литейные качества. Кроме того, этот элемент позволяет получать сплавы разного цвета: от чисто-белого до ферритного;
• марганец придает чугуну прочность и твердость, но снижает литейные и технологические свойства готового материала;
• введение в состав титана, алюминия, хрома, никеля или меди позволяет изготавливать легированные сплавы. Они обладают высокими литейными качествами и доказали хорошую механическую обрабатываемость.

Чугун является трудносвариваемым сплавом. Трудности при сварке чугуна обусловлены его химическим составом, структурой и механическими свойствами, при сварке чугуна необходимо учитывать следующие его свойства: жидкотекучесть, поэтому сварка выполняется только в нижнем положении; малая пластичность, характеризующаяся возникновением в процессе сварки значительных внутренних напряжений и закалочных структур, которые часто приводят к образованию трещин; интенсивное выгорание углерода, что приводит к пористости сварного шва; в расплавленном состоянии чугун окисляется с образованием тугоплавких оксидов, температура плавления которых выше, чем чугуна. Сварка чугуна применяется в основном для исправления литейных дефектов, при ремонте изношенных и поврежденных деталей в процессе эксплуатации и при изготовлении сварных конструкций.

Определение удельной теплоты плавления

Удельной теплотой плавления (обозначение — греческая буква “лямбда” – λ ), называется физическая величина равная количеству тепла (в джоулях), которое необходимо передать твердому телу массой 1 кг, чтобы полностью перевести его в жидкую фазу. Формула удельной теплоты плавления выглядит так:

$$ λ ={Q over m}$$

где:

m — масса плавящегося вещества;

Q — количество тепла, переданное веществу при плавлении.

Значения для разных веществ определяют экспериментально.

Зная λ, можно вычислить количество тепла, которое необходимо сообщить телу массой m для его полного расплавления:

$$Q={λ*m}$$