Чугун это металл: Черные металлы – железо и его сплавы

Черные металлы – железо и его сплавы

Черные металлы – железо и его сплавы, которые отличаются от остальных металлов, называемых цветными. К черным металлам относятся чугуны и стали, представляющие собой сплавы железа с углеродом, в состав которых входят еще и кремний, марганец, сера и другие элементы.

Чугун – железоуглеродистый сплав, в котором содержание углерода превышает 2%. В состав его также входят кремний, марганец, фосфор и сера. Чугун выплавляется в доменных печах из железных руд. Исходными материалами для его получения, кроме руды, служат топливо и флюсы.

Сталь – сплав железа с углеродом, содержащий углерода не более 2%. По сравнению с чугуном сталь обладает значительно более высокими физико-механическими свойствами. Она отличается высокой прочностью, хорошо обрабатывается резанием, ее можно ковать, прокатывать, закаливать. Кроме того, сталь в расплавленном состоянии жидкотекуча, из нее изготовляют различные отливки. Сталь получают из передельного чугуна его переплавкой и удалением избытка углерода, кремния, марганца и других примесей и выплавляют в мартенах, электропечах и конверторах.

Железо и его сплавы важнейшие конструкционные материалы в технике и промышленном производстве. Из сплавов железа с углеродом, называемых сталями, изготавливаются почти все конструкции в машиностроении и тяжелой промышленности. Легковые, грузовые автомобили, станки, железные дороги, корпуса и силовые установки судов – все это делается в основном из стали. Масштаб производства стали является одной из основных характеристик общего технико-экономического уровня развития государства. На долю стали приходится около 95% всей металлической продукции.

Черные металлы являются неотъемлемой частью большинства габаритных рекламных носителей. Они находят свое применение при закладке фундамента, на основе которого монтируются рекламные щиты или другие средства наружной рекламы. В этом случае обязательно используется арматура различных сечений. Используются в качестве каркаса рекламных носителей, тут может применяться металлический уголок разных профилей, балки, швеллера, трубы небольших диаметров. Так же может использоваться в виде основного (или даже единственного) материала из которого изготавливается наружная реклама.

Металл, выступая в качестве строительного материала, обладает большим количеством достоинств. Среди основных можно выделить его надежность, долговечность и легкость. Конструкции, выполненные из этого материала, имеют сравнительно небольшой вес, но при этом соединения характеризуются повышенной прочностью.

Главный недостаток металла – это его подверженность коррозии, при взаимодействии с влагой или агрессивными газами. Длительное нахождение в неблагоприятных условиях может привести к разрушению конструкции.

Вместо черных металлов так же могут использоваться более легкие и менее подверженные коррозии материалы: нержавеющая сталь, алюминий, алюминиевые композитные панели.

Черные металлы, их свойства, особенности и то что стоит знать

Металлы разделяются на цветные и черные. Черные металлы, по сути – это железо, имеющее в себе различное количество углерода, а также отличающиеся кристаллической решетки. К черным металлам относят стали и чугуны, которые в свою очередь имеют достаточно большое количество основных классов. При производстве чугунов и сталей различных типов, используют именно черные металлы, добываемые из металлических руд. В экономике металлов черные металлы составляют более 90%, а это указывает на их широкое распространение. От процентного содержания углерода зависит, какие свойства приобретет материал — чугунов или сталей. Для повышения качества черного металла, используются легирующие добавки (другие металлы и сплавы, а также химические элементы), которые улучшают свойства сплавов и придают им нужный оттенок характеристик в зависимости от его применения. Распространенными легирующими добавками являются:

• медь;
• кремний;
• хром;
• никель.

Классификация черных металлов

В большинстве случаев, классификация черных металлов построена на основании разделения элементов по их химическому составу и свойствам. Содержание легирующих элементов определяет железо и его сплав. В свою очередь, определенное процентное содержание углерода в сплаве указывает что это — чугун или сталь. Так чугуны содержат более 1,7% углерода, а стали от 0,2 до 1,7% углерода. Классификация черных металлов подразумевает разделение на следующие классы:

• железные металлы;
• тугоплавкие;
• урановые;
• щелочноземельные;
• редкоземельные.

Также классификация черных металлов подразумевает отделение сталей легированных и нелегированных, которые еще называют углеродистыми. К углеродистым сталям относятся стали, в которых углерод является основным компонентом, при этом примеси на свойства металла не оказывают особого значения. Легированные имеют в наличие один или несколько легируемых элементов, которые оказывают огромное влияние на свойства стали. /Легированные стали очень широко применяется для изготовления ответственных деталей, несущих большую нагрузку, испытывающих разный температурный режим, сильное фрикционное воздействие. Применение такой стали распространенно в машиностроении, тракторостроении, тяжелой промышленности и в других областях.

Виды черных металлов

Виды черных металлов из стали имеют большое применение. Однако все виды стали по себе разные и имеют свое предназначение, и область применения. Также различные виды черных металлов, в частности стали, пройдя термообработку, приобретают отличительные свойства. Многие сплавы хорошо поддаются прокатке, прессованию, успешно льются. Другие достаточно мягкие и их можно обработать вручную. Такие виды черных металлов как нержавеющая сталь, обладая нужными легирующими элементами, имеют очень высокую стойкость к коррозии, большую твердость и прочность. Данный вид стали успешно применяют в пищевой промышленности, медицине, для изготовления бытовых предметов, для производства турбин и др. Еще одним

видом черного металла является чугун. Чугун – это сплав железа с углеродом и его содержание больше чем в стали. Так как чугун имеет хорошие литейные свойства, то его в основном используют для литых деталей. Чугун подразделяется на виды:

Литейный чугун используют для литья, этому хорошо способствует пластинчатый графит. Ковкий — обладает замечательной пластичностью, хорошо поддается ковке, откуда и взято название. Отдельные виды черного металла, к примеру, чугун шаровидным графитом, благодаря своей структуре шаровидного состояния, применяют в изготовлении деталей, имеющие очень высокое качество.

Характеристики стали и чугуна, как основных железоуглеродистых сплавов

Из всего разнообразия металлов, применяемых в производстве кованых изделий, наибольшее распространение получили железоуглеродистые сплавы. К ним, в первую очередь, относятся сталь и чугун. Эти материалы служат для изготовления таких конструкций, как кованые заборы, ограждения, ворота. Также стальные и чугунные элементы являются частью конструкций фонарных столбов, кованых урн и других изделий.

Сталь – это железоуглеродистый сплав, содержание углерода в котором колеблется в пределах до 2%. Чугун же, являясь более хрупким металлом, имеет в своем составе углерод в количестве более 2%. При этом, как можно понять, чем выше процент содержания углерода в сплаве, тем ниже его показатели прочности. Кроме углерода в состав сплавов входят и другие компоненты (марганец, фосфор, сера, кремний), но преимущественную часть все-таки занимает железо.

Железо – это металл, который характеризуется важной особенностью, которая определяет его широкую сферу применения. Это аллотропичность, способность к превращениям в твердом состоянии. Такой показатель можно проследить при изменении температур. При температуре до 910 °С структура железа имеет кристаллическую решетку центрированого куба (так называемое «альфа-железо»). При повышении температуры решетка преобразуется в куб с центрироваными гранями, и такое железо имеет название «гамма-железо». При показателях температуры превышающих 1400 °С кристаллическая решетка принимает свою первоначальную конфигурацию и носит название «дельта-железо». При обычной температуре альфа-железо сохраняет магнитные свойства, которые теряются при достижении 768 °С. Немагнитное железо, существующее в период нагрева от 768 °С до 910 °С, называется «бета-железо». Таким образом, основными формами являются альфа- и гамма-железо, которые отличаются способностью к растворению углерода. Гамма-железо имеет свойство растворять большее количество углерода, что является важным показателем при термообработке стали.

Основными составляющими любого железоуглеродистого сплава являются феррит и цементит. Это собственно и есть железо, содержание которого в сплаве колеблется от 93 до 99%, но с незначительным добавлением углерода. Содержание углерода в феррите совсем мало, а цементит имеет в своем составе 6% углерода. Существует также и такое понятие как перлит. Это смесь феррита с цементитом, которая образуется при температуре 723 °С.

Структура железа, которая появляется при достижении температуры 910 °С, т.е. когда мы говорим о дельта-железе, называется аустенитом. Это та структура, в которой может быть растворено наибольшее количество углерода.

Если мы говорим о белом чугуне, то целесообразно вспомнить и такую составляющую как ледебурит. Это смесь цементита и аустенита, которая содержит 4,3% углерода.

Таким образом, можно говорить о характеристиках стали и чугуна в зависимости от их структурных составляющих. Например, если сталь содержит цементит, она является в разы более хрупкой, чем та, которая имеет в своей структуре феррит. Сплавы, имеющие аустенит отличаются еще менее высокой прочностью.

Кроме этого на физические свойства железоуглеродистых сплавов влияет наличие в них постоянных примесей. Как уже говорилось выше, сталь и чугун неизбежно имеют в своем составе серу, фосфор, марганец и кремний. Обычная сталь содержит до 0,05% серы, до 0,05% фосфора, до 0,8% марганца и до 0,4% кремния. Примеси фосфора и кремния в структуре стали не образуют отдельных зерен, а растворяются в феррите. Сера же в железе не растворяется, но при этом в структуре стали образует сульфиды железа и марганца. Эти химические соединения, а также оксиды металла называют неметаллическими включениями.

Разобравшись, какие же примеси существуют в составе железоуглеродистых сплавов, рассмотрим их непосредственное влияние на свойства металла.

Углерод, как самый важный компонент, оказывает наиболее серьезное влияние. Чем больше процент содержания углерода, тем выше хрупкость, но ниже показатели удлинения и сужения. Предел прочности и упругости стали определяется содержанием углерода до 0,9%. Дальнейшее увеличение углерода в составе провоцирует появление цементита в его структуре, а значит и повышение хрупкости.

Наличие марганца и кремния в составе сплавов обычной стали практически не оказывает никакого воздействия. Но вот сера и фосфор определенным образом могут навредить. Повышенный процент содержания серы реализуется в появлении так называемой красноломкости стали. Это значит,  что при достижении 900-1200 °С в металле начинают образовываться трещины. Большое содержание фосфора вызывает обратный процесс, называемый хладноломкостью. Сталь становится хрупкой, особенно на морозе. Но иногда сера и фосфор оказывают и положительное влияние на свойства стали. Например, в некоторой степени облегчают обрабатываемость на станках.

В зависимости от содержания углерода и других примесей различают углеродистые и легированые стали. Легироваными называются те, в которых содержатся искусственно добавленные металлы (хром, никель и др.). Углеродистые же стали в своем составе, кроме постоянных примесей, о которых говорилось выше, ничего не содержат.

Выплавка стали: история и современность

Что необходимо, чтобы приготовить какое-либо блюдо? Температура! Если пару веков назад ее давал открытый огонь костра из дров или угля, то сегодня на кухнях используют газовые или электрические плиты.

На металлургической кухне выплавка стали происходит по похожему сценарию: в огромную «кастрюлю» засыпают сырье (шихту) и «варят» в условиях высокой температуры по определенной технологии (рецепту). А нужная температура также достигается либо с помощью газа, либо электроэнергии.

Сейчас есть три основных промышленных способа выплавки стали в мире:

• мартеновский;
• кислородно-конвертерный;
• электрометаллургический.

История выплавки стали

Человечество научилось получать железо еще в средние века. Но вплоть до середины XIX века это были небольшие объемы низкокачественного материала. Его производили, как правило, в сыродутных печах и дорабатывали в кузнях, где мастера получали штучный товар. Интересно, что остатки средневековых сыродутных печей (также известных как гамарни) найдены на территории современной Украины. Что наиболее примечательно, они находились в западной части страны, которая сегодня не является центром металлургии.

Но в существовавших до XIX века технологиях производства железных изделий был один существенный недостаток. Фактически это было либо очень мягкое железо, либо хрупкая сталь, которую получали из железа доработкой в кузнях. И такие материалы нельзя было в чистом виде использовать — предметы быстро тупились или легко ломались.

Сейчас известно, что железный сплав обладает таким свойством как упругость. Оно появляется лишь при формировании четкой кристаллической структуры из расплава. А средневековые технологии не позволяли расплавить металл с нужной пропорцией железа и углерода. Для этого требовалась недостижимая в те времена температура 1450 С°.

Промышленная революция привела к резкому росту спроса на новый конструкционный и оружейный материал: прочный, долговечный и поддающийся механической обработке.

Как результат, в XIX веке появились истоки всех трех современных способов выплавки стали.

Мартеновское производство: преимущества и модернизация

Вплоть до середины XX века мартеновские печи были основной технологией, которая позволяла плавить сталь. Впервые ее построил француз Эмиль Мартен в 1864 году. Среди ее преимуществ были: возможность использования стального лома в шихте (его было много благодаря активному развитию железных дорог) и большой сортамент качественных марок стали, которые можно было производить благодаря длительной плавке (до 13 часов).

Первые мартены на территории современной Украины построил валлиец Джон Юз в 1879 году. В середине XX века с использованием этой технологии, по разным оценкам, выплавлялось от 50% до 80% всей мировой стали.

Однако из-за длительного времени плавки, необходимости постоянного внешнего подогрева печи, удорожания природного газа, неэкологичности процесса и других сложностей мартены уступили свои позиции новым технологиям.

В большинстве действующих мартеновских цехов используются не классические мартены, а, так называемые двухванные сталеплавильные агрегаты. В них объединены элементы конвертерной и мартеновской технологий. Грубо говоря, это две мартеновских печи, которые объединены между собой, что позволяет подогревать железный расплав изнутри кислородом, а не только внешнюю часть печи природным газом. Это дает существенную экономию ресурсов и возможность сократить длительность одной плавки до 3-4 часов.

Конвертерное производство: в поисках кислорода

Предтеча конвертерного способа выплавки стали – бессемеровский процесс – появился раньше мартенов. Англичанин Генри Бессемер получил патент на свое изобретение в 1856 году. В нем жидкий чугун продували атмосферным воздухом, чтобы снизить содержание углерода. Но при этом в сталь попадал азот, который снижал температуру плавки и частично переходил в виде примеси в сталь. В том числе из-за этого способ не получил широкого распространения. Ведь более низкая температура плавки ограничивала использование металлолома, возникала потребность в высококачественном сырье – чугуне, который производился бы из железной руды без вредных примесей. Бессемер знал об этом недостатке, но в те годы было практически невозможно получить большие объемы чистого кислорода. Бессемеровские печи работали на территории современной Украины вплоть до 1983 года.

В 1878 году еще один англичанин Сидни Гилкрист Томас усовершенствовал изобретение своего земляка. Томасовские печи позволили выводить из расплава часть вредных примесей, таких как фосфор. Благодаря этому технология получила распространение в Бельгии и Люксембурге, где добывались высокофосфористые железные руды.

Однако, в обеих технологиях качество стали оставалось низким по сравнению с мартенами вплоть до начала 1930 годов. Именно тогда начались попытки внедрения кислородного дутья. В бессемеровских конвертерах жидкую сталь продували не воздухом, а чистым кислородом, получаемым в криогенных установках. Считается, что одни из первых опытов по использованию такой технологии проводились Николаем Мозговым в Киеве на заводе Большевик. Параллельно велись пробные плавки в Германии и Австрии. Но Вторая мировая война затормозила технологический прогресс в металлургии.

Лишь после окончания войны с развитием криогенных технологий кислородные конвертеры начали вытеснять мартеновское производство. Первые промышленные цеха заработали в 1952 году. Производство конвертерной стали оказалось более производительным и экономным. Некоторое время на эту технологию переводили устаревшие бессемеровские цеха, но все чаще строили новые более совершенные производственные линии.

Современные кислородные конвертеры представляют собой сосуды грушевидной формы, изготовленные из стали. Внутри они обложены специальным огнеупорным материалом. Сверху в них погружаются фурмы, через которые под высоким давлением подается чистый кислород. С помощью этого газа дожигается углерод до требуемого в стали уровня.

Дуговые электросталеплавильные печи: сила тока

Еще в 19 веке стало известно, что не только газы, но и постоянный электрический ток может восстанавливать металлы из окислов, а также расплавлять их с помощью электрической дуги. Однако отсутствие мощных источников электроэнергии сдерживало развитие технологии выплавки стали в электрических печах.

Лишь в 30-х годах 20 века начали появляться мощные электростанции, которые позволили задуматься о промышленном внедрении электрометаллургии. Сначала это был цветмет. Впоследствии технология пришла и в черную металлургию. Одним из наиболее наглядных примеров внедрения электрометаллургии является Запорожье. В этом городе в 1932 году запустили первые турбины ДнепроГЭС. После этого здесь один за другим появились предприятия электрометаллургии, которые производили алюминий, титан, ферросплавы и специальные стали.

Сегодня дуговые сталеплавильные печи (ДСП) используют не только для выплавки специальных, но и рядовых марок стали. Из них, как правило, производят квадратную заготовку и длинномерный стальной прокат. В печи, заполненные шихтой, погружают три огромных графитовых электрода, на которые подается переменный или постоянный ток. Возникает электрическая дуга, которая создает высокую температуру внутри печи и плавит лом. На базе ДСП обычно строят так называемые мини-заводы (mini-mills) – небольшие металлургические предприятия годовой мощностью 0.5-2 млн. тонн стали. Распространены они в странах с доступной электроэнергией и большими источниками ломообразования.

Как и в кислородных конвертерах, в электрометаллургии достаточно короткий период плавки – 40-60 минут. На первых этапах развития этих технологий скорость была и основным недостатком – возникали сложности с освоением большого количества марок стали. Ведь за несколько часов плавки в мартенах, в шихту постепенно вводили флюсы, раскислители, легирующие элементы, которые влияли на характеристики материала. А заводские лаборатории успевали за это время провести анализ полученного продукта и дать рекомендации сталеварам. Однако сейчас это преимущество мартенов практически нивелировано внедрением внепечной обработки. Сталь из конвертеров и ДСП дорабатывается в вакууматорах и установках печь-ковш до необходимого состояния и химсостава и уже после этого подается на машины непрерывной разливки.

Сырье: как найти нужную пропорцию шихты

Все три основных способа выплавки на выходе дают один продукт – жидкую сталь. При ее производстве используются разные сырьевые компоненты и их пропорции.

В мартенах при классической плавке около 33% шихты составляет лом черных металлов. Остальное – жидкий чугун из доменных печей. В отдельных случаях доля лома доходила до 66%. Это, так называемый, скрап-процесс, который активно использовался в мартенах при машиностроительных или трубных предприятиях. Ведь там во время обработки металлопродукции образовывалось огромное количество стальных отходов. Но чем больше лома, тем более высокая температура требуется для его расплавления. И мартены благодаря внешнему обогреву природным газом обеспечивали нужный уровень тепла.

А вот в кислородных конвертерах возможности внешнего обогрева нет. Поэтому доля лома в шихте здесь существенно ниже – около 15-25%. Иначе расплав получится слишком холодным. Кроме того, этот способ выплавки стали начал активно распространяться параллельно с непрерывной разливкой, которая привела к сокращению оборотного лома на металлургических предприятиях. Чтобы его не закупать на стороне, приходилось увеличивать долю горячего чугуна.

В электрометаллургических печах нет сложностей с достижением нужной температуры. Поэтому здесь до 100% шихты может быть сформировано из лома черных металлов. Однако, некоторые современные ДСП были построены вместо мартенов в составе интегрированных металлургических комбинатов с действующим доменным производством. Поэтому их конструкцией предусмотрено использование до 40% жидкого чугуна в составе шихты. Но страны, в которых распространены ДСП, имеют свои особенности. Например, в США около 70% стали выплавляется таким способом. Это объясняется высоким уровнем ломообразования: американцы часто меняют автомобили и бытовую технику, в этой стране развито машиностроение. В Турции около 68% электростали, но гораздо меньше источников ломообразования. Поэтому эта ближневосточная страна является крупнейшим в мире импортером лома.

Выплавка стали в Украине производится всеми тремя рассмотренными способами. По итогам 2019 года согласно данным www.worldsteel.org в мире было произведено 1,87 млрд. тонн стали. Из них – почти 72% в конвертерах, чуть менее 28% в ДЭСП, и лишь 0,3% в мартенах. Полный список стран по выплавке стали можно посмотреть на сайте ассоциации Worldsteel.

В любом случае можно уверенно говорить, что на современной металлургической кухне при соблюдении технологии (рецепта) и хорошей подготовке компонентов (сырья) получится качественное блюдо… то есть сталь. И при этом не важно, в какой печи его готовишь – электрической или газовой.

А то, что это хорошо получается у металлургов Украины, подтверждено географией экспорта их металлопродукции – от ближайших соседей до самых отдаленных уголков земли.

Урок 13. сплавы металлов — Химия — 11 класс

Химия, 11 класс

Урок № 13. Сплавы металлов

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме: урок посвящён изучению сплавов чёрных и цветных металлов, роли легирующих добавок, зависимости свойств сплавов от состава.

Глоссарий

Бронза – сплав на основе меди; оловянная бронза содержит до 8,5% олова. Может содержать также алюминий, кремний, свинец. Используется для изготовления деталей машин, инструментов, при ударе не образующих искр.

Баббиты – сплавы на основе олова и свинца. Применяются для изготовления подшипников, так как отличаются высокой устойчивостью к истиранию.

Дюралюминий – высокопрочные сплавы на основе алюминия с добавками меди, магния и марганца. Основной конструкционный материал в авиа- и ракетостроении.

Константан – сплав на основе меди, никеля и марганца, используется для изготовления электроизмерительных приборов.

Латунь – сплав меди и цинка, с небольшими добавками никеля, олова, свинца, марганца. Используется для изготовления деталей машин и запорной аппаратуры.

Легированная сталь – сталь, в состав которой включены легирующие добавки, повышающие прочность, коррозионную устойчивость, жаропрочность и другие свойства сплава.

Легирующие добавки – вещества, вводимые в сплав в определённых количествах, для придания сплаву необходимых свойств.

Мельхиор – медно-никелевый сплав с добавлением железа, используется для изготовления монет, инструментов, столовых приборов.

Нейзильбер – трёхкомпонентный сплав на основе меди, цинка и никеля.

Силумин – сплав алюминия с кремнием. Применяется для литья деталей в авто- моторостроении.

Сплав — материал с металлическими свойствами, состоящий из двух или более компонентов, один из которых обязательно металл.

Сплав Вуда – легкоплавкий сплав на основе висмута, свинца, олова и кадмия. Используется для изготовления металлических моделей, заливки образцов, пайки некоторых сплавов.

Сталь – сплав железа с углеродом, причем доля углерода не превышает 2,14%.

Цветные металлы – алюминий, медь, никель, цинк, олово, свинец и другие металлы, не относящиеся к чёрным.

Цементит – карбид железа Fe₃C, образуется в виде отдельной фазы в чугуне с высоким содержанием углерода.

Чёрные металлы – железо, марганец, иногда к чёрным металлам относят хром.

Чугун – сплав железа с углеродом, содержание углерода в пределах от 2,14 до 4,3%.

Электрон – сплав на основе магния и алюминия с добавлением цинка, и марганца. Используется в авиа- и ракетостроении.

Основная литература: Рудзитис, Г. Е., Фельдман, Ф. Г. Химия. 10 класс. Базовый уровень; учебник/ Г. Е. Рудзитис, Ф. Г, Фельдман – М.: Просвещение, 2018. – 224 с.

Дополнительная литература:

1. Рябов, М.А. Сборник задач, упражнений и тестов по химии. К учебникам Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман «Химия. 10 класс» и «Химия. 11 класс»: учебное пособие / М.А. Рябов. – М.: Экзамен. – 2013. – 256 с.

2. Рудзитис, Г.Е. Химия. 10 класс: учебное пособие для общеобразовательных организаций. Углублённый уровень / Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. – М.: Просвещение. – 2018. – 352 с.

Открытые электронные ресурсы:

• Единое окно доступа к информационным ресурсам [Электронный ресурс]. М. 2005 – 2018. URL: http://window.edu.ru/ (дата обращения: 01.06.2018).

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО ИЗУЧЕНИЯ

Сплавы металлов и их классификация

Одним из первых металлов, который человек стал применять для своих нужд, была медь. Но ещё в III тысячелетии люди обнаружили, что медь, сплавленная с оловом, позволяет делать более прочное оружие, долговечную посуду. Материал, полученный при сплавлении меди с оловом, получил название «бронза». Это был первый сплав, изготовленный человеком.

Сплавом называют искусственный материал с металлическими свойствами, состоящий из двух или более компонентов, из которых, по крайней мере, один является металлом.

В зависимости от количества компонентов различают двойные (бинарные), тройные и многокомпонентные сплавы. Сплавы могут иметь однородную структуру (гомогенные сплавы), а также состоять из нескольких фаз (гетерогенные сплавы). В зависимости от своих свойств сплавы подразделяются на легкоплавкие, тугоплавкие, жаропрочные, высокопрочные, твердые, коррозионно-устойчивые. По предполагаемой технологии обработки различают литейные (изделия производят путём литья) и деформируемые (обрабатывают путём ковки, проката, штамповки, прессования) сплавы.

Чёрные металлы и сплавы на их основе

В зависимости от природы металла, составляющего основу сплава, различают чёрные и цветные сплавы. В чёрных сплавах основным металлом является железо. Самыми распространенными из чёрных сплавов являются сталь и чугун. К чёрным металлам относятся железо, а также марганец и хром, которые входят в состав чёрных сплавов.

Чугун

Чугун – сплав на основе железа, содержание углерода в котором превышает точку предельной растворимости углерода в расплаве железа (2,14%). При остывании сплава, углерод кристаллизуется в виде отдельных включений цементита и графита. Углерод придает чугуну твердость, но снижает пластичность сплава, поэтому чугун хрупкий. Чугун применяют для изготовления литых деталей (коленчатых валов, колёс, труб, радиаторов отопления, ванн, решеток ограждения), кухонной посуды (сковородок, чугунков, казанов).

Сталь

В стали содержание углерода значительно меньше. В низкоуглеродистых сталях количество углерода не превышает 0,25%, в высокоуглеродистой стали содержание углерода может достигать 2%. Самые первые стальные изделия появились 4000 лет назад. В настоящее время выплавляют стальные сплавы с различными свойствами. Это конструкционные, нержавеющие, инструментальные, жаропрочные стали.

Легирующие добавки

Для придания стали особых свойств в процессе её изготовления, вводят легирующие добавки. Легирующими добавками называют вещества, которые добавляют в сплав в определенном количестве для изменения механических и физических свойств материала.

Легированные стали

В зависимости от количества легирующих добавок различают низколегированную, среднелегированную и высоколегированную сталь. Марка стали обозначается с помощью букв и цифр. Буква указывает на химическую природу легирующей добавки, а цифра, стоящая после буквы – на примерное содержание этой добавки в сплаве. Если содержание добавки меньше 1%, то цифру не ставят. Цифры впереди букв показывают содержание углерода в сотых долях процента. Например, в стали марки 18ХГТ содержится 0,18 % С, 1 % Сr, 1 % Мn, около 0,1 % Тi.

Стали применяют для изготовления армирующих железнодорожных рельсов, дробильных установок, конструкций, турбин электростанций и двигателей самолётов, инструментов (пилы, сверла, резцы, зубила, фрезы), химической аппаратуры, деталей автомобилей, тракторов, дорожных машин, труб и много другого.

Цветные металлы и сплавы на их основе

К цветным металлам относят алюминий, цинк, медь, никель, олово, свинец и др. Сплавы на основе цветных металлов называют цветными. Это бронза, латунь, силумин, дюралюминий, баббиты и многие другие. В авиации широкое применение нашли легкие и прочные сплавы на основе алюминия и титана. Изделия из медных сплавов: бронзы и латуни, применяются в химической промышленности, для изготовления запорной аппаратуры: кранов, вентилей. Сплавы на основе олова и свинца используют для изготовления подшипников. Из мельхиора и нейзильбера – сплавов меди и никеля, изготовляют столовые наборы, монеты.

ПРИМЕРЫ И РАЗБОР РЕШЕНИЙ ЗАДАЧ ТРЕНИРОВОЧНОГО МОДУЛЯ

1. Расчет массовой доли металла в сплаве

Условие задачи: Кусочек нейзильбера массой 2,00 г поместили в раствор гидроксида натрия. В ходе реакции выделилось 0,14 л водорода (н.у.). Вычислите массовую долю цинка в сплаве. Ответ запишите в процентах с точностью до десятых долей.

Шаг первый: запишем уравнение реакции цинка с раствором гидроксида натрия:

Zn + 2NaOH → Na₂ZnO₂ + H₂↑.

Один моль цинка вытесняет из щёлочи один моль водорода.

Шаг второй: найдём количество цинка, которое вытеснило 0,14 л водорода.

Для этого найдём в периодической таблице элементов Д.И. Менделеева молярную массу цинка: М(Zn) = 65 г/моль. При нормальных условиях 1 моль любого газа занимает объём, равный 22,4 л. Составим пропорцию:

65 г цинка вытесняет 22,4 л водорода;

х г цинка вытесняет 0,14 л водорода.

65 : х = 22,4 : 0,14, откуда х = (65·0,14) : 22,4 = 0,41 (г) – масса цинка в сплаве.

Шаг третий: найдём массовую долю цинка в сплаве:

ω = (0,41 : 2,00)*100 = 20,5 (%).

Ответ: 20,5

2. Расчёт массы легирующей добавки

Условие задачи: Для придания стали противокоррозионных свойств в сплав добавляют хром. Сталь марки С1 должна содержать 12% хрома, 1% кремния, 1,5% марганца и 0,2% углерода. Сколько хрома необходимо добавить к железному лому (посторонними примесями пренебрегаем) массой 500 кг, чтобы получить нержавеющую сталь требуемой марки? Ответ записать в килограммах с точностью до десятых долей.

Шаг первый: найдём массовую долю железа в стали марки С1:

Для этого от 100% отнимем массовые доли остальных элементов:

100 – 12 – 1 – 1,5 – 0,2 = 85,3 (%).

Шаг второй: найдём массу одного процента сплава.

Для этого массу железного лома разделим на массовую долю железа:

500 : 85,3 = 5,9 (кг).

Шаг третий: найдём необходимую массу хрома. Для этого массу одного процента сплава умножим на массовую долю хрома в сплаве:

5,9*12 = 70,8 (кг).

Ответ: 70,8

Металлы и сплавы

Металлы и сплавы

Подробности

Категория: Металл

Металлы и сплавы 

                                                
В промышленности металлы применяются в основном в виде сплавов: черных (чугун, сталь) и цветных (бронза, латунь, дюралюминий и др.)

.
Сталь и чугун — это сплавы железа с углеродом. Но в стали содержание углерода немного меньше, чем в чугуне.

В чугуне содержится от 2 до 4% углерода. В состав чугуна входят также кремний, марганец, фосфор и сера. Чугун — хрупкий твердый сплав. Поэтому его используют в тех изделиях, которые не будут подвергаться ударам. Например, из чугуна отливают радиаторы отопления, станины станков и другие изделия.

Сталь, как и чугун, имеет примеси кремния, фосфора, серы и других элементов, но в меньшем количестве.
Сталь не только прочный, но и пластичный металл. Благодаря этому она хорошо поддается механической обработке. Сталь бывает мягкой и твердой.

                      
Более твердая сталь используется для изготовления проволоки, гвоздей, шурупов, заклепок и других изделий.

Из очень твердой стали делают металлические конструкции (конструкционная сталь) и режущие инструменты (инструментальная сталь). Инструментальная сталь имеет большую, чем конструкционная, твердость и прочность.

Добавление в сталь таких элементов, как хром, никель, вольфрам, ванадий, позволяет получить сплавы с особыми физическими свойствами — кислотостойкие, нержавеющие, жаропрочные и т. д.

Чугун выплавляют из железной руды в доменных печах. Руду вместе с коксом (специально обработанным углем, который дает при горении высокую температуру) загружают в доменную печь сверху. Снизу в домну все время вдувают чистый горячий воздух, чтобы кокс лучше горел. Внутри печи образуется высокая температура, руда плавится, и полученный чугун стекает на дно печи. Расплавленный металл вытекает из отверстия домны в ковши. Из смеси чугуна со стальным ломом в мартеновских печах, конверторах и электропечах получают сталь.

                        
Из цветных сплавов наиболее широко применяются бронза, латунь и дюралюминий.

Бронза — желто-красный сплав на основе меди с добавлением олова, алюминия и других элементов. Отличается высокой прочностью, стойкостью против коррозии. Из бронзы отливают художественные изделия, делают сантехническую арматуру, трубопроводы, детали, работающие в условиях трения и повышенной влажности.

Латунь — сплав меди с цинком, желтого цвета. Имеет высокую твердость, пластичность, коррозийную стойкость. Выпускается в виде листов, проволоки, шестигранного проката и применяется чаще всего для изготовления деталей, работающих в условиях повышенной влажности.

Дюралюминий — сплав алюминия с медью, цинком, магнием и другими металлами, серебристого цвета. Обладает высокими антикоррозийными свойствами, хорошо обрабатывается. Дюралюминий широко применяют в авиастроении, машиностроении и строительстве, где требуются легкие и прочные конструкции.

 

                     

Основные свойства металлов

Вы знаете, что металлы обладают различными свойствами. Одни из них мягкие, вязкие, другие твердые, упругие или хрупкие. Знать свойства металлов необходимо для того, чтобы правильно определить наиболее подходящий для того или иного изделия материал.

Физические свойства.

К этим свойствам относятся: цвет, удельный вес, теплопроводность, электропроводность, температура плавления.

Цвет металла или сплава является одним из признаков, позволяющих судить о его свойствах.
Металлы различаются по цвету. Например, сталь — сероватого цвета, цинк — синевато-белого, медь — розовато-красного.
При нагреве по цвету поверхности металла можно примерно определить, до какой температуры он нагрет, что особо важно для сварщиков. Однако некоторые металлы (алюминий) при нагреве не меняют цвета.

Поверхность окисленного металла имеет иной цвет, чем не окисленного.

Удельный вес — вес одного кубического сантиметра вещества, выраженный в граммах. Например, углеродистая сталь имеет удельный вес, равный 7,8 г/см3. В авто- и авиастроении вес деталей является одной из важнейших характеристик, поскольку конструкции должны быть не только прочными, но и легкими. Чем больше удельный вес металла, тем более тяжелым (при равном объеме) получается изделие.

Теплопроводность — способность металла проводить тепло — измеряется количеством тепла, которое проходит по металлическому стержню сечением в 1 см2 за 1 мин. Чем больше теплопроводность, тем труднее нагреть кромки свариваемой детали до нужной температуры.

Температура плавления — температура, при которой металл переходит из твердого состояния в жидкое. У стали, например, температура плавления гораздо более высокая, чем у олова.

Чистые металлы плавятся при одной постоянной температуре, а сплавы — в интервале температур.

Механические свойства.

К механическим свойствам металлов и сплавов относятся прочность, твердость, упругость, пластичность, вязкость.
Эти свойства обычно являются решающими показателями, по которым судят о пригодности металла к различным условиям работы.

Прочность — способность металла сопротивляться разрушению при действии на него нагрузки.

Твердость — способность металла сопротивляться внедрению в его поверхность другого более твердого тела. Если ударить молотком по кернеру, поставленному на стальную пластинку, образуется небольшая лунка. Если то же самое сделать с пластинкой из меди, лунка будет больше. Это свидетельствует о том, что сталь тверже меди.

Упругость — свойство металла восстанавливать свою форму и размеры после прекращения действия нагрузки. Высокой упругостью должна обладать, например, рессоры и пружины, поэтому они изготовляются из специальных сплавов. Попробуйте одновременно растянуть и отпустить пружины из стальной и медной проволоки. Вы увидите, что первая вновь сожмется, а вторая останется в том же положении. Значит, сталь более упругий материал, чем медь.

Пластичность — способность металла изменять форму и размеры под действием внешней нагрузки и сохранять новую форму и размеры после прекращения действия сил. Пластичность — свойство, обратное упругости. Чем больше пластичность, тем легче металл куется, штампуется, прокатывается.

Вязкость — способность металла оказывать сопротивление быстро возрастающим (ударным) нагрузкам. Например, если наносить удары по чугунной плите, она разрушится. Чугун — хрупкий металл. Вязкость — свойство, обратное хрупкости. Вязкие металлы применяются в тех случаях, когда детали при работе подвергаются ударной нагрузке (детали вагонов, автомобилей и т. п.).

Цветной и черный металлы

Все металлы и сплавы подразделяются на цветной и черный металл. Черный металл — это сплав железа с углеродом, в который могут быть включены кремний, марганец, фосфор, сера, а также другие химические элементы, добавляемые в процессе плавки для улучшения качества металла. Чтобы придать черному металлу специфические свойства в его состав вводят легирующие добавки — медь, никель, хром, кремний. Цветной металл — это тоже сплав — алюминия, магния, меди, никеля, цинка, олова, свинца. Как видите, цветной и черный металлы отличаются по своему составу: в черном металле есть железо, в цветном металле оно отсутствует.

Цветной и черный металлы различны по своей структуре, которая хорошо видна под микроскопом. Зерна металлов тесно прилегают друг к другу, что особенно заметно на изломе металлического стрежня. И хотя различия, как говорится налицо, порой, даже профессионалу трудно определить принадлежность к группе цветного и черного металлов невооруженным глазом. Цветной и черный металлы потребляются во всем мире, благодаря чему развивается металлургия и промышленность. Продукция — чугун, сталь, кованное железо из черного металла занимает около 90% от общего объема металлопроизводства.

• Чугун — железоуглеродистый сплав, с содержанием углерода более 2,14% — 3,8% используется в промышленности. Он обладает хорошими литейными свойствами, хрупкостью. Но у чугуна плохая свариваемость, а также низкая способность к пластической деформации, чего нельзя не учитывать. Чугунная продукция изготавливается, в основном, литьем, после чего обрабатывается путем резки или прокаткой чугуна. Современные производственные технологии рассчитаны на производство изделий из чугуна любого уровня сложности и модификаций. Это и лифтовые грузы, и шары, и барабаны, и фланцы и т.д.
• Сталь — это сплав железа с содержанием углерода от 0,02 до 2,14%. Обладает твердостью, высокой прочностью, пластичностью, вязкостью, хорошей свариваемостью, что и определило сферу ее использования. Мягкая сталь, углеродистая сталь, нержавеющая сталь незаменимы в машиностроении и производстве, в том числе в строительном. Для улучшения механических, прочностных, физических и химических в расплав стали добавляются хром, молибден, никель, вольфрам, титан или ванадий. Таким образом сталь легируют, после чего обрабатывают — резкой, прессованием и отливкой. Готовая сталь подразделяется на марки, с учетом процента содержания углерода, после чего используются по своему прямому назначению — в производстве металлических конструкций, элементов и деталей, таких как шайбы, прокладки, приборы, змеевики, втулки, шатуны, коленвалы и маховики.
• Кованое железо — это сплав железа, отличающийся гибкостью и долговечностью. Этот вид металла редко используется в структурных и коммерческих отраслях, так у него очень темный внешний вид. Кованое железо используют для заборов, уличных перил и мебели. При использовании вне помещений, продукция из кованного железа окрашивается в черный цвет, что, в общем-то, не только улучшает внешний изделий, но и защищает их от ржавчины.

Цветной и черный металлы самостоятельно сопротивляются окислению. Если вы увидите ржавчину на металле, не сомневайтесь, перед вами черные металлы. Большинство черных металлов отличают магнитные свойства, полезные при создании крупных двигателей и электрических приборов. Черные металлы хорошо перерабатываются, не теряя своих свойств прочности. Из-за прочности на разрыв, благодаря чему становятся устойчивыми даже самые высокие небоскребы и самые длинные мосты в мире, черные металлы стали популярны в разных видах строительства. Сталь успешно зарекомендовала себя в промышленных контейнерах, крупномасштабных трубопроводах, автомобилях, инструментах крепежа. Цветной и черный металлы имеют разный вес. Цветные металлы более легкие, что сделало их незаменимыми в авиационной и консервной промышленности. Как мы уже говорили, цветные металлы не содержат железо, поэтому имеют более высокую устойчивость к коррозии и ржавчине, чем черные металлы. Цветные металлы используются для желобов, водопроводов, кровли и дорожных знаков. Благодаря своей «немагнитности», цветной металл стал идеальным материалом в электронике и электрике.

В своем производстве мы используем черный металл, из которого изготавливаем в собственном цеху легкие металлические конструкции, которые часто называют сокращенно — ЛМК. Быстровозводимые здания и сооружения из ЛМК используются в разных отраслях деятельности, хозяйства и производства. Если вы хотите сэкономить на строительстве, воспользуйтесь нашим коммерческим предложением — услуга «под ключ», о которой можете узнать в рубрике «Спецпредложения». По всем вопросам производства, строительства, проектирования и монтажа звоните по телефону 209-09-40! Будем рады вас слышать! 

В чем разница между чугуном и сталью?

Металлы обладают сочетанием прочности и пластичности, которого нет во многих других материалах. Это полезно знать, но как отличить металлы? Чем отличается чугун от стали?

Содержание углерода в чугуне и стали

Самая заметная разница между сталью и чугуном — это содержание углерода. Чугун имеет содержание углерода более 2%, в то время как сталь имеет содержание углерода менее 2%, а многие стальные сплавы содержат менее 1%.

Отлично, что это значит с точки зрения свойств материала? Читать дальше:

Материальные свойства стали и чугуна

Прежде чем я расскажу вам о свойствах каждого материала, я должен определить 4 материальных термина:

1. Прочность
2. Прочность
3. Пластичность
4. Твердость

Прочность — это способность материала поглощать энергию без разрушения. Резина — прочный материал. Прочность — это сочетание пластичности и прочности (см. Ниже).

Прочность — это мера силы, необходимой для сгибания объекта. Сталь и чугун — прочные материалы.

Пластичность — это мера способности материала претерпевать пластические преобразования без разрушения. Золото — пластичный материал.

Твердость — это способность материала сопротивляться царапинам. Бриллианты — твердые предметы.

Практическое правило: Чугун тверже и прочнее, но он не такой жесткий (он хрупкий).Сталь не такая твердая и прочная, но она прочнее.

Однако , быстрый ответ, который я дал выше, осложняется термообработкой и сплавами.

Термическая обработка — как получить лучшее из обоих миров

Термическая обработка может увеличивать или уменьшать твердость при условии, что в металле достаточно углерода. Некоторые термические обработки позволяют упрочнить части материала, в то время как другие части остаются мягкими (жесткими).

Как правило, для черных металлов (чугуна) твердость достигается за счет прочности.

Существует ряд термических обработок, которые можно проводить с металлом для улучшения его свойств твердости / ударной вязкости.

Термическая обработка для снятия напряжений

К сожалению, термообработка для снятия напряжения — это не курортная процедура, это способ размягчения металла без существенного изменения микроструктуры металла. Эта обработка осуществляется путем нагрева металла всего на ниже его критической точки (превращения), а затем позволяет этому металлу медленно остыть в течение длительного периода времени.

Этот процесс может снимать внутренние структурные напряжения в металле, возникающие в результате холодной обработки, резки или газовой резки.

Термообработка отжигом

В отличие от предыдущей обработки, процесс отжига требует, чтобы металл был нагрет всего на выше его критической точки. После этого он в течение длительного времени охлаждается внутри печи или в другой нагретой среде.

Отжиг — это более мощный процесс, чем снятие напряжений, и он может вызвать изменение кристаллизации микроструктуры металла.Это может значительно улучшить прочность и пластичность (ударную вязкость) металла за счет твердости.

Нормализационная термообработка

Процесс нормализации очень похож на отжиг, основное отличие состоит в том, что заготовке позволяют остыть вне печи при атмосферных температурах. Из-за более высокой скорости охлаждения нормализованный металл тверже, но менее прочен, чем отожженный металл.

Закаливающие средства

Если вы когда-нибудь видели, как кузнец воткнул раскаленный меч в ведро с водой / маслом, вы были свидетелями этого процесса.Подобно процессам размягчения, описанным выше, бульон нагревается до критической температуры.

После нагрева масса закаливается в одном из следующих компонентов: вода, рассол, масло или жидкий азот. Вода / рассол / масло являются обычными для легированных сталей. Для высоколегированных материалов можно использовать жидкий азот или даже струю холодного воздуха.

Важно отметить : эти обработки работают только с металлами с достаточным содержанием углерода. Есть и другие методы для низкоуглеродистых материалов, о которых я расскажу позже.

Поверхностное упрочнение

Ранее я говорил: «Как получить лучшее из обоих миров». Упрочнение поверхности — одна из попыток этого. Основная идея поверхностного упрочнения заключается в том, что вы упрочняете только ту поверхность, которую необходимо упрочнить. Например: вы закаливаете лезвие, чтобы оно не затупилось, а затем оставляете остальную часть ложа в менее твердом и более твердом состоянии.

Закалка пламенем

Как следует из названия, закалка пламенем включает использование ацетиленовой горелки для нагрева части изделия, которую необходимо закалить.Во время нагрева поверхности важно быстро перемещать резак вперед и назад на постоянном расстоянии от поверхности. Это потому, что вы не хотите, чтобы металл закаливался с разной скоростью по всей заготовке.

После нагревания закалите закаленную поверхность, как и раньше.

Индукционная закалка

Этот метод использует высокочастотный электрический индукционный ток для нагрева металла. Закалочная среда следует сразу за индукционной катушкой. Этот метод чрезвычайно точен и эффективен и часто используется в крупномасштабных производственных процессах.

Лазерная закалка

В этом методе используется лазер для быстрого нагрева металла. Эти лазеры невероятно точны, что позволяет контролировать глубину нагрева, а также площадь нагрева. В большинстве процессов, в которых используется лазерная закалка, используется нагрев на небольшой глубине, а это означает, что закалочный материал не требуется, поскольку материал закаливается сам.

Закалка корпуса

Как я упоминал ранее, для низкоуглеродистой стали нельзя использовать методы первичной закалки, поскольку все эти методы являются способами перегруппировки молекул углерода в металле.Если вы работаете с низкоуглеродистой сталью, вы должны использовать другую технику, например науглероживание.

Науглероживание

В этом методе сталь нагревается до температуры чуть выше критической точки, в то время как находится в контакте с материалом, богатым углеродом. Наиболее распространенными агентами, богатыми углеродом, являются: оксид углерода, цианид натрия и карбонат бария или древесный уголь. Некоторые из этих агентов очень токсичны, поэтому будьте очень осторожны, решая, нужны ли они вообще. По возможности выбирайте более безопасные варианты и всегда соблюдайте осторожность при использовании этих материалов.

При этой температуре заготовку выдерживают от 15 м до одного часа, после чего закаливают.

Металл после литья часто требует закалки. Источник изображения

Сплавы

Помимо термообработки, есть еще один фактор, усложняющий мое эмпирическое правило, примененное ранее. В основном, существует также много различных типов стальных сплавов. Сплав — это просто смесь металлов.

Наиболее часто встречающиеся элементы в стальных сплавах: железо, углерод, марганец и кремний.В некоторые сплавы можно добавлять ряд других элементов, таких как медь и свинец.

Сочетание этих элементов позволяет производителю создавать стали с различными свойствами. Поскольку вы можете делать довольно жесткие стальные сплавы, трудно создать общие правила, определяющие разницу между чугуном и сталью.

Существует также ряд нежелательных элементов, которые могут проникнуть внутрь во время производственного процесса, такие как сера и фосфор. Производители также должны следить за оксидами, которые могут образовываться при производстве стали.

Почему термическая обработка и сплавы имеют значение

Итак, почему я потратил время на объяснение всей этой технической информации о термообработке и сплавах?

Итог: Термическая обработка и различные механические свойства сплавов могут сделать мое эмпирическое правило, изложенное выше, немного неуклюжим. Самый простой способ преодолеть это — взглянуть на сравнительные таблицы, в которых измеряются 3 свойства материалов, расположенных бок о бок для каждого сплава / термообработки.

Вы можете надеяться, что я предоставлю такую ​​таблицу, но, к сожалению, эта информация требует высоких затрат на исследования и разработки, поэтому компании, получающие эту информацию, очень защищают ее.Эту информацию можно найти в руководствах ASTM и в очень полезном Справочнике по машинному оборудованию.

Быстрое сравнение

Думаю, было бы полезно сравнить чугун и сталь по ряду различных факторов. Как обсуждалось ранее, это общие рекомендации. Как вы теперь знаете, термическая обработка и сплавы могут сильно изменить характер металла. Всегда проверяйте точные характеристики вашего металла, когда делаете важную коммерческую работу.

✯ = победитель победитель куриный ужин

Качество	Чугун	Литая сталь
Чувствительность надреза	✯
Ударопрочность		✯
Простота обработки	✯
Гашение колебаний	✯
Стоимость	✯
Прочность на сжатие	✯
Износостойкость	✯	✯
Коррозионная стойкость	✯	✯ Нержавеющая сталь

Если бы вы оценивали два материала исключительно на основе приведенной выше таблицы, казалось бы, чугун явный победитель.Однако на самом деле это не так, поскольку для многих реальных приложений требуется жесткий (не хрупкий) материал. Закаленная сталь очень распространена во многих проектах, поскольку хрупкость чугуна является большим недостатком.

Дополнительные преимущества чугуна

• Легче лить
Серый чугун
• дешево производить

Дополнительные недостатки чугуна

• Низкая прочность на разрыв
• Низкое удлинение

---

Дополнительное преимущество стали

• Наибольшая гибкость конструкции
• Хорошая свариваемость
• Срочная доставка

Дополнительные недостатки стали

• Плохое всасывание
• Сложнее забросить

---

Типы чугуна

До сих пор я пытался сравнить разницу между чугуном и сталью на очень высоком уровне.Однако, поскольку «чугун» на самом деле относится к семейству сплавов, мне было трудно быть слишком конкретным. Чтобы улучшить ваше понимание, мне нужно будет более детально изучить вопрос «В чем разница между чугуном и сталью?»

Серый чугун

Это очень распространенная форма чугуна. Он имеет относительно мало усадочных полостей и небольшую пористость. Серый чугун обозначается двухзначным кодом ASTM. Он имеет графитовую микроструктуру и назван в честь серого цвета (графит) образовавшейся трещины.Это наиболее широко используемый чугун в зависимости от веса и высокая теплопроводность, что делает его отличным средством для изготовления посуды.

Этот тип чугуна может иметь 3 различных микроструктуры:

1. Ферритный
2. перлитный
3. Мартенситный

Серый чугун обычно используется при производстве:

• Основания машин
• Блоки двигателя
• Корпуса электродвигателей
• Изнашиваемые поверхности машин
• Трубы
• Тормозные диски и барабаны
• Шестерни

Ковкий чугун (с шаровидным графитом)

Это чугун с высоким содержанием графита, обладающий гораздо большей ударопрочностью и усталостной прочностью.Эти свойства проистекают из формы, которую приобретает встроенный графит. В сером чугуне графит принимает форму чешуек в своей микроструктуре. Между тем, в высокопрочном чугуне графит принимает шаровидную форму. Эта микроструктура узловатой формы затрудняет возникновение трещин.

Ковкий чугун

используется при производстве:

• Коленчатые валы
• Шестерни для тяжелых условий эксплуатации
• Труба
• Высокопрочные детали машин
• Износостойкие детали

Важность износостойкости.Источник изображения

Белый чугун

Это чугун, обеспечивающий невероятную твердость за счет прочности. Эта твердость возникает из-за того, что углерод в материале превращается в цементит, а не в графит.

Белый чугун слишком хрупкий для многих применений, однако он невероятно удобен в качестве износостойкой поверхности и используется при производстве:

• Шары и кольца в угольных измельчителях
• Гильзы и подъемные стержни в шаровых мельницах и мельницах для автоматического измельчения
• Поверхности износа шламовых насосов
• Дробеструйные сопла
• Колодки тормозные для железных дорог
• Дробилки

Ковкий чугун

Ковкий чугун — это отожженный белый чугун.Во время этого процесса цементит распадается на железо и графит и приобретает микроструктуру феррита или перлита. Это преобразование обеспечивает большую пластичность, прочность и ударопрочность, отсюда и название ковкий чугун.
Ковкий чугун используется при производстве:

• Сельскохозяйственная и строительная техника
• Подшипники для тяжелых условий эксплуатации
• Железнодорожный подвижной состав

Утюг с уплотненным графитом

Наконец, у нас есть утюг с уплотненным графитом.Этот материал имеет механические и физические свойства, которые ставят его где-то между серым и высокопрочным чугуном. Этот чугун имеет демпфирующие и термические свойства, аналогичные серому чугуну, а также прочность и жесткость, сопоставимые с ковким чугуном.

Благодаря этой прочности изделия из чугуна с плотным графитом можно делать тоньше и легче. Он лучше обрабатывается, чем ковкий чугун, и его легко отливать. Используется при производстве:

.

• Блоки двигателя
• Головки цилиндров
• Корпус турбины
• Выпускные коллекторы

Микроструктуры

Феррит, перлит, мартинсит, микроструктуры… что?

Я знаю, что просто отбросил термины в статье, не объясняя их, и это раздражает.Если вы потратите время на их подробное объяснение, эта статья будет слишком длинной. А пока просто примите идею о том, что атомы любого материала организуются в формы. Эти формы сильно влияют на свойства данного материала.

Заключение.

В этой статье я постарался дать общие рекомендации, которые помогут вам понять, в чем разница между чугуном и сталью. Однако эти рекомендации являются грубыми, так как чугун и литая сталь — это термины, которые на самом деле относятся к набору разных материалов.

Я попытался представить некоторые детали и дать научное обоснование различий между двумя материалами. К сожалению, я ограничен в том, насколько подробно я могу написать статью в Интернете. Есть целые 300+ страниц учебников по металлургии и производству, которые гораздо глубже, чем я здесь.

Заинтересованы в практическом применении этих знаний? Прочтите мою статью о кузнечных наковальнях, где я расскажу о плюсах и минусах чугунных наковальней по сравнению с наковальнями из литой стали.

В чем разница между кованым и чугунным железом?

Большинство людей часто полагают, что кованое железо и литье — это взаимозаменяемые термины, однако между этими двумя типами металлов есть существенная разница.

Кованое железо — это мягкий материал, произведенный из полуплавленого чистого железа, окруженного шлаком, он содержит менее 0,1 процента углерода и 1-2 процента шлака.

В современном использовании кованое железо — это металл, который «обрабатывают», часто на наковальне.Используя навыки кузнеца, металл нагревается в кузнице и обтачивается для придания формы. Металлист может выковать металл вручную на наковальне или с помощью современного молотка.

Тем не менее, кованое железо относится к декоративным металлическим узлам, которые часто могут представлять собой комбинацию литых и кованых компонентов. Будьте очень осторожны при указании кованого железа, поскольку и дизайнер, и производитель используют одни и те же определения.

Стальные или железные компоненты, которые выкованы в различные формы, классифицируются как «кованое железо».

Кованое железо также является термином, используемым для обозначения сплава, который больше не производится, но который кузнецы предпочитали при ковке.Щелкните здесь, чтобы узнать больше о «настоящем кованом железе».

В то время как настоящее кованое железо недоступно для кузнечных работ, чистое железо является и остается материалом, часто используемым для замены кованого железа при реставрационных работах. В противном случае из старых мостов и сооружений часто утилизируют настоящее кованое железо.

Чугун — это общий термин, обозначающий ряд сплавов железа. Это раствор, содержащий от 2 до 4% углерода и меньшее количество кремния и марганца. Чугун или алюминий — это металлоконструкции, производимые в литейном производстве.На литейном производстве слитки металла плавятся в печах, а расплавленный металл разливается в изложницы. Отливки допускают гораздо больше деталей в элементах, чем вы можете найти в ковке.

Чугуны имеют тенденцию быть хрупкими, за исключением ковкого чугуна. Ковкий чугун — это чугун, который проходит термическую обработку отжигом, что делает его пригодным для сварки, менее хрупким и пластичным. Идеально подходит для перил. Свяжитесь с нами, чтобы получить больше информации.

Чугун и алюминий позволяют конструктору использовать детали с более сложными деталями.

Различия между чугуном и литой сталью

Один из самых популярных способов изготовления долговечных и качественных компонентов — это литье. Литье обеспечивает высокий уровень детализации, что исключает необходимость в дополнительном изготовлении или сборке. Хотя можно лить множество различных материалов, сталь и чугун являются двумя наиболее популярными из-за их превосходных механических свойств для широкого спектра применений.

Чугун обычно означает серый чугун, ковкий чугун и ковкий чугун.Это отливка из чугуна с содержанием углерода более 2%.

Литая сталь обычно относится к обычной углеродистой и легированной стали. Это стальная отливка с содержанием углерода менее 2%.

Следовательно, нет большой разницы по химическому составу и сырью для чугуна и литой стали.

Коррозионная стойкость

Что касается коррозии, железо имеет лучшую коррозионную стойкость, чем сталь. Однако это не означает, что они не подвержены коррозии.При отсутствии защиты оба металла окисляются в присутствии влаги. В конце концов они полностью разложатся. Чтобы предотвратить это, покрытие рекомендуется как для стального, так и для чугунного литья.

Стоимость

Чугун часто дешевле стального литья из-за более низких материальных затрат, энергии и рабочей силы, необходимых для производства конечного продукта. Несмотря на то, что необработанная сталь более дорогая, существуют сборные формы из стали. К ним относятся листы, стержни, стержни, трубы и балки.

Отливка

Чугун относительно легко лить, так как он легко разливается и не дает такой усадки, как сталь. Эта текучесть делает чугун идеальным металлом для архитектурных или декоративных металлических конструкций, таких как заборы и уличная мебель.

Достоинства и недостатки чугуна

Серый чугун обладает хорошими литейными свойствами: хорошее гашение вибрации, хорошая износостойкость, хорошая обрабатываемость и низкая чувствительность к надрезам. Однако его предел прочности на разрыв и относительное удлинение очень низкие.Таким образом, он может производить только некоторые металлические детали с низкими физическими требованиями. Требования, такие как защитная крышка, крышка, масляный поддон, маховики, рама, пол, молоток, малая ручка, основание, рама, ящик, нож, станина, седло подшипника, стол, колеса, крышка, насос, клапан, труба, маховик, моторные блоки и т. д. Что касается более высоких марок, серый чугун может выдерживать большие нагрузки и определенную степень герметичности или коррозионной стойкости. Это позволяет использовать некоторые из наиболее важных отливок, таких как цилиндр, шестерня, основание, маховики, станина, блок цилиндров, гильза цилиндра, поршень, коробка передач, тормозное колесо, соединительная пластина, клапан среднего давления и т. Д.

Ковкий чугун и ковкий чугун обладают высокой прочностью, пластичностью, термостойкостью и вязкостью.Таким образом, в некоторых случаях более широкое применение может заменить углеродистую сталь. Однако технология его производства высока. Производственный процесс более сложный. Это делает стоимость производства выше, чем у обычного серого чугуна и литой стали. Следовательно, у высокопрочного чугуна больше дефектов литья. Ковкий чугун используется во многих областях, таких как напорные трубы и фитинги, автомобильная промышленность, сельское хозяйство, дорожное и строительство, а также общее машиностроение.

Поворотный обратный клапан из чугуна

Достоинства и недостатки литой стали

Главное преимущество литой стали — гибкость конструкции.Дизайнер отливки имеет максимальную свободу выбора дизайна. Это позволяет создавать детали сложной формы и полые детали поперечного сечения.

Литая сталь

отличается гибкостью производства металлургии и высочайшей вариабельностью. Можно выбрать другой химический состав и контроль, адаптированный к различным требованиям различных проектов. Это предлагает различные варианты термообработки в более широком контексте механических свойств и рабочих характеристик. Также обеспечивает хорошую свариваемость и обрабатываемость.

Сталь

является своего рода изотропным материалом, из которого можно изготовить стальные отливки общей конструкционной прочности. Это повышает надежность проекта. В сочетании с дизайном и весом преимущества коротких сроков поставки, цены и экономии дают стальному литью конкурентное преимущество.

Весовой диапазон стальных отливок шире. Небольшой вес могут составлять всего несколько десятков граммов расплавленных прецизионных отливок. Вес крупных стальных отливок достигает нескольких тонн, десятков или сотен тонн.

Стальные отливки можно использовать в различных рабочих условиях. По своим механическим свойствам он превосходит любые другие литейные сплавы, а также различные высоколегированные стали специального назначения. Чтобы выдерживать высокое растягивающее напряжение или динамическую нагрузку на компоненты, важно учитывать отливки сосудов под давлением. При низких или высоких температурах, больших и важных ключевых деталях с частичной нагрузкой приоритет должен отдаваться стальному литью.

Однако у литой стали сравнительно плохая всасывающая способность, износостойкость и подвижность.Характеристики литья по сравнению с чугуном плохие. Также стоимость выше обычного чугуна.

Таким образом, у чугуна и литой стали есть свои преимущества и недостатки. Любой из них следует выбирать в зависимости от области применения и их физических свойств.

Дисковый затвор из литой стали

Разница между чугуном и сталью

Основное различие — чугун против стали

Чугун и сталь — это формы сплавов, содержащих железо и углерод.Сплав — это чистая смесь металлов или смесь металлов и других элементов. Чугун и сталь доказали свою промышленную ценность и, следовательно, используются в качестве обычных строительных материалов. Однако они различаются по своему составу. Основное различие между чугуном и сталью заключается в том, что количество углерода, присутствующего в чугуне, очень велико, тогда как количество углерода, присутствующего в составе стали, находится под контролем. Из-за этой разницы в составе они имеют очень разные свойства друг от друга.

Что такое чугун

Чугун — это сплав железа; он содержит железо в качестве основного металла вместе с процентным содержанием углерода более 2%. Обычно количество присутствующего углерода варьируется от 2 до 4%. Кремний также является еще одним легирующим элементом в чугуне с грубым процентным содержанием около 1-3% по весу. Наличие этих различных элементов влияет на цвет и качество производимого чугуна. Некоторые другие примеси, такие как карбид и графит, также могут влиять на возникновение трещин в металле.

Чугун имеет более низкую температуру плавления, чем железный элемент. Это потому, что железо содержит другие материалы в виде примесей. Поэтому его легко отлить в формы. Литье — это технология производства, при которой жидкий материал разливают в формы и оставляют для застывания. Затвердевший материал называется «отливкой», и после завершения затвердевания материал можно удалить из формы. Чугун — хрупкий материал, который часто стоит дешево. Он также имеет более высокий уровень термостойкости с высокой теплоемкостью.Однако электрическая и теплопроводность относительно низкие.

Что такое сталь

Сталь

состоит из железа в качестве основного легирующего металла и углерода в качестве второго основного компонента с массовым процентным содержанием около 2,1%. Включение таких элементов, как хром, позволяет производить стали более высокого качества, например нержавеющую сталь. Как следует из названия, нержавеющая сталь устойчива к коррозии. Это связано с тем, что хром имеет более высокий окислительный потенциал, который, в свою очередь, защищает железо от окисления при воздействии воздуха и влаги.

Сталь

обладает несколькими желательными свойствами, которые делают ее подходящим строительным материалом. Сталь имеет относительно высокую вязкость и ее трудно разливать, поскольку ее температура плавления выше, чем у чугуна. Он также мягче чугуна. В отличие от чугуна, сталь нелегко ломается. Вместо этого он образует стружку при измельчении и является пластичным. Сталь имеет большую прочность на разрыв, чем чугун. Однако прочность каждого материала различается в зависимости от условий использования. Сталь в основном используется для строительства, изготовления балок, а также для производства посуды.

Разница между чугуном и сталью

Определение

Чугун — это сплав, состоящий из железа и углерода с массовой долей около 2-4% вместе с примесями кремния и карбидов.

Сталь в основном состоит из легирования железа с контролируемым содержанием углерода примерно 2%.

Возможность сотворения

Чугун легко разливать, поскольку он имеет более низкую температуру плавления.

Сталь труднее лить.

Стоимость

Чугун дешевле.

Сталь стоит дороже и часто бывает разных марок.

Хрупкость

Чугун легко ломается и трескается из-за примесей.

Сталь не так легко ломается и податлива.

Прочность

Чугун имеет более высокую прочность на сжатие.

Сталь имеет более высокую прочность на разрыв.

Изображение предоставлено:

«Steel_wire_rope.png», производная работа Йоханнеса Хеммерлейна: Materialscientist — Steel_wire_rope.png (CC BY-SA 3.0) через Commons Wikimedia

«Центральный зал Музея естественной истории в Лондоне» Минн Понгпайбул — собственная работа, (GFDL) через Commons Wikimedia

Разница в свойствах чугуна и низкоуглеродистой стали

Выбирая изделия из металла, важно понимать свойства металла, из которого изготовлено изделие.Без понимания свойств металла, необходимого для вашего продукта или других применений, вы не сможете выбрать наиболее подходящий для ваших конкретных нужд. Чугун и низкоуглеродистая сталь — обычно используемые металлы. Однако в том, что касается их приложений, их нельзя поменять местами.

Давайте посмотрим на разницу в свойствах чугуна и мягкой стали, чтобы лучше понять их характеристики.

Состав

Чугун — это сплав железа с содержанием углерода более 2.11% считается чугуном (в то время как в сталях количество углерода ниже 2,11%). Содержание углерода в чугуне обычно составляет от 2% до 4%. Самое примечательное в его структуре то, что чугун имеет включения графита на микроуровне. Мягкая сталь — это железоуглеродистый сплав, содержащий менее 0,25 процента углерода, что делает ее более пластичной и менее твердой, что делает ее непригодной для строительных работ.

Точка плавления

Чугун имеет более низкую температуру плавления (1200 ⁰ ° C) по сравнению с температурой плавления низкоуглеродистой стали, которая находится в диапазоне 1300 ⁰ ° C и 1400 ⁰ ° C.

Отливка

С чугунным чугуном легче отливать формы из материала. Из-за дополнительного количества углерода, присутствующего в чугуне, его расплавленная форма более текучая, что упрощает отливку материала сложной формы. Это очень удобно для литья больших и тяжелых предметов. С мягкой сталью также легко работать, но чугун обладает более высокой литейной способностью.

Твердость

Чугун твердый, его можно закалить при нагревании и резком охлаждении.Это делает его довольно прочным. Низкоуглеродистую сталь можно закалить и отпустить с помощью соответствующих процессов.

Прочность

Прочность на сжатие чугуна 6,3 — 7,1 т / кв. См. Предел прочности на разрыв составляет 1,26 — 1,57 т / кв. См. Прочность на сжатие мягкой стали составляет 4,75 — 25,2 т / кв. См. Предел прочности на разрыв 5,51 — 11,02 т / кв. См. Это ясно показывает, что мягкая сталь — лучший вариант, чем чугун, когда дело доходит до предела прочности на разрыв.Однако чугун имеет лучшую прочность на сжатие, чем низкоуглеродистая сталь. Благодаря этому он будет иметь большее сопротивление разрыву при сжатии. Это также делает его довольно прочным и идеальным для использования в тяжелых условиях. На нем не будет легко обнаруживаться следов износа, и вы можете рассчитывать на долгосрочную работу от чугуна.

Обрабатываемость

Пластичные материалы, такие как низкоуглеродистая сталь, трудно обрабатывать, поскольку они пластически деформируются за пределами предела текучести и имеют тенденцию к образованию непрерывной стружки, которая пытается прилипнуть к образцу, тем самым снижая режущую способность.Хрупкий материал, такой как чугун, почти эластичен до предела прочности на разрыв и дает прерывистую стружку, которая легко отрывается от образца. Это помогает улучшить режущую способность. По этой причине чугун является предпочтительным материалом с точки зрения обрабатываемости и прочности.

Вибрация

Чугун обладает хорошими демпфирующими свойствами, поглощающими вибрации. Следовательно, они используются для изготовления станины для машин. Рассматривайте чугун как композит с перлитом в качестве матрицы и графитом в качестве дисперсной фазы.Именно эта дисперсная фаза вызывает ряд отражений колебаний и в конечном итоге приводит к их исчезновению. Это то, что делает чугун лучшим материалом для струбцин, поддонов для поддонов, угловых пластин и столов для поверхностей.

Как отличить чугун от литой стали

И чугун, и стальное литье в основном сделаны из чугуна и поэтому могут быть почти неотличимы по внешнему виду. Однако они отличаются своими физическими свойствами, например, чугун более уязвим к коррозии.

Производственный процесс

Процесс производства чугуна начинается с плавления железной руды или переработанного железа в печи при температуре от 2600 до 2800 градусов по Фаренгейту. После расплавления чугун разливают в специально разработанные формы. Процесс литья стали включает удаление углерода из выплавленного чугуна. Углерод заменяется такими элементами, как кремний и марганец, что приводит к сплаву с содержанием углерода менее 1 процента. В результате получается сплав с высокой прочностью на растяжение и сжатие.

Физические свойства

Когда чугун впервые производится, он обычно имеет защитную пленку или накипь, защищающую его от коррозии. Он также часто содержит дефекты, такие как загрязнения, воздушные отверстия или небольшие трещины. Эти недостатки могут привести к разрушению конструкции; поэтому чугун считается относительно хрупким. Литую сталь можно изготавливать с помощью различных процессов и составов, каждый из которых имеет различные свойства твердости, прочности, пластичности и сопротивления усталости.Например, твердость стали в основном определяется содержанием углерода и термообработкой.

Использует

Поскольку чугун дешев, долговечен и легко принимает множество форм, его используют для изготовления лестниц, заборов, инструментов, посуды, печей, трубопроводов и многого другого. Литую сталь можно использовать для изготовления многих из одних и тех же продуктов, но ее часто выбирают, когда требуется более прочный или долговечный вариант, так как его состав может быть соответствующим образом скорректирован. Кроме того, из стали можно получить еще более прочный материал.Кованая сталь использовалась для изготовления мечей.

Проблемы

Когда чугун должным образом защищен от воздействия и порчи, он может оказаться очень полезным и прочным материалом. Однако воздействие влаги и воздуха вызовет ржавчину. В присутствии кислотных дождей или морской воды чугун может пройти процесс, называемый графитизацией, при котором железо удаляется из чугуна, но углерод остается на месте. Это приводит к более слабой фигуре. По сравнению с чугуном сталь имеет меньшую износостойкость и подвижность.К тому же это дороже в изготовлении.

Чугун — обзор

3.28.2 Металл и подготовка металла

Для получения бездефектной отделки важно, чтобы основной металл имел правильный состав и был должным образом очищен.

3.28.2.1 Чугун

Для эмалирования чугуна предпочтительнее так называемый серый чугун. Его состав несколько варьируется в зависимости от типа и толщины отливки, но находится в следующих пределах: 3,25–3,60% общего C, 2.80–3,20% графита C, 2,25–3,00% Si, 0,45–0,65% Mn, 0,60–0,95% P и 0,05–0,10% S.

Стандартный метод очистки чугуна от эмалирования — дробеструйная или дробеструйная очистка. которому может предшествовать операция отжига.

3.28.2.2 Сталь

В настоящее время используются два основных типа листовой стали: , а именно . холоднокатаная низкоуглеродистая и обезуглероженная сталь. Типичный анализ для холоднокатаной стали составляет 0,1% C, 0,5% Mn и 0,04% S. Он может быть получен в сплавах обычной, глубокой или сверхглубокой вытяжки.Этот тип стали обычно используется с грунтовочным покрытием, включающим кобальт и никель, как показано в Таблица 1 .

Обезуглероженная сталь — это низкоуглеродистая сталь, прошедшая термообработку в контролируемой атмосфере для снижения содержания углерода примерно до 0,005%. Затем можно наносить белую или цветную эмаль непосредственно на этот тип стали без необходимости нанесения грунтовочного слоя.

Листовая сталь обычно готовится к нанесению эмали с помощью последовательности операций, включая тщательное обезжиривание, травление кислотой и нейтрализацию.Стадия окунания никеля часто используется для нанесения тонкого пористого слоя никеля, наносимого плотностью около 1 г / м ^-2 , особенно когда не используется обычное грунтовочное покрытие.

3.28.2.3 Склеивание эмали

Для эффективного действия эмаль должна быть прочно связана с основным металлом, и это соединение должно сохраняться во время использования. Связь образуется расплавленной эмалью, стекающей в «ямки» в металле, то есть механической адгезией, и растворением металла в стекле, то есть химической адгезией.Коэффициент теплового расширения эмали относительно чугуна или листовой стали и температура схватывания эмали определяют напряжение, возникающее в покрытии. Поскольку эмаль, как и стекло, наиболее прочна при сжатии, ее тепловое расширение должно быть немного меньше, чем у металла.

3.28.2.4 Нанесение эмали и сплавление

Стекловидная эмаль обычно наносится на подготовленный металл или поверх грунтовочного покрытия путем распыления или погружения. Используются альтернативные мокрые методы, наиболее распространенным из которых является электростатическое мокрое напыление.Электрофоретическое осаждение из суспензии оказалось очень подходящим для некоторых компонентов.

На листовом чугуне обычно используется грунтовочное покрытие, включающее кобальт и никель, но для массового производства (например, кухонных плит) чаще используется декарбонизированная сталь и прямое нанесение цветов. Это предполагает более сложную предварительную обработку стали.

После высыхания нанесенной суспензии эмаль наплавляется на листовую сталь при температуре около 800–850 ° C в течение примерно 4–5 минут. Для чугуна нормальным является более длительное время и более низкая температура.

Старое сухое эмалирование чугуна (ванн и т. Д.) Больше не имеет широкого применения.