Чугун хрупкий: Отличия чугуна и стали

Отличия чугуна и стали

Основой для изготовления чугуна или стали служит железо. В природе это – металл с серебристым отливом, не имеющий достаточной твердости. Такой металл практически не используется в промышленности, а широкое применение получили различные сплавы железа.

Чугун и сталь – это сплавы железа с углеродом, но от содержания этих элементов и примесей будет зависеть качество металла.

Чугун

Чугун – первичный продукт металлургии. В его составе содержится углерода более 2% и значительное количество примесей, влияющих на свойства металла: марганец, фосфор, кремний, сера, легирующие добавки.

Чугун относят к хрупким металлам, его можно легко разбить на осколки при ударе, поэтому он менее практичен в обработке и применении. Вид углерода, содержащегося в чугуне,  влияет на его свойства, поэтому различают несколько видов чугуна:

— серый,  мягкий металл с низкой температурой плавления;

— белый, с повышенной твердостью, но хрупкий;

— ковкий, вторичный продукт белого чугуна;

— высокопрочный.

Плотность чугуна составляет 7000 кг/м3.

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:

— низколегированные;

— среднелегированные.

Также различают по количеству углерода:

— низкоуглеродистые;

— среднеуглеродистые;

— высокоуглеродистые.

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.

• ←
• Украинская сталь в кильватере кризиса. Будущее отрасли определяют темпы модернизации →

Обработка чугуна

Особенности обработки чугуна. Свойства материала, проблемы обработки и пути их решения. 

Один из самых распространенных материалов, который используется в промышленности, является чугун. Ведь у него хорошие технологические свойства, и сам по себе чугун дешевый материал. Из чугунов изготавливаются многие детали, такие как блоки цилиндров двигателей, корпуса насосов и клапанов. Чугун используется там, где нужна деталь сложной формы и достаточной прочности.

Чугун представляет собой многокомпонентный, железоуглеродистый сплав с содержанием углерода выше 2%.

Сплавы, которые содержат менее 2,14% углерода, называются сталью. Также он может содержать некоторое количество марганца (Mn), фосфора (P) и серы (S). В зависимости от того, в каком виде находится графит, чугуны разделяют на серые чугуны, чугуны с шаровидным графитом, ковкий и легированный чугуны. Легирование чугуна никелем, медью, молибденом и хромом, к примеру, повышает его тепло — и коррозионную стойкость, вязкость и прочность. Легирующие элементы делятся на карбидообразующие и графитообразующие. Легирование существенным образом влияет на обрабатываемость чугунов.

Если выделять основные виды чугуна, то это будут:

• Белый чугун. В белом чугуне углерод присутствует преимущественно в связанной форме в виде цементита (Fe3C). Белые чугуны обладают высокой прочностью и хрупкостью, и они очень абразивные, они плохо поддаются механической обработке, поэтому из них получают отливки не требующих обработки и работающих в условиях абразивного износа при сухом трении, также белый чугун используют для получения ковкого чугуна.
  
• Серый чугун. Сплав железа, кремния (1,2-3,5%) и углерода. В сером чугуне углерод присутствует преимущественно в виде графитовых включений различного размера и форм. Серые чугуны обладают хорошими технологичными и прочностными свойствами, поэтому они нашли широкое применение как конструкционный материал. Он более хрупкий, но имеет хорошую теплопроводность, выделяет меньше тепла во время резания, хорошо поглощает вибрацию, поэтому нашел применение в производстве двигателей. 
  
• Высокопрочный чугун. Чугун с шаровидным графитом. Углерод преимущественно или полностью присутствует в свободном состоянии в форме шаровидного графита. Обладает высокой прочностью и удовлетворительной пластичностью, иногда могут использоваться вместо стали. У данного чугуна хорошая жесткость, ударная вязкость, он прочный, не хрупкий. Но не может поглощать вибрации, низкая теплопроводность, как следствие большое выделение тепла. 
  

Основными сложностями при обработке чугуна являются абразивный износ и высокая температура. Обрабатываемость чугуна резанием зависит от химического состава, физико-механических свойств и многих других факторов. Обрабатываемость улучшается с увеличением содержания графита, дисперсности и равномерности распределения структурных составляющих. Легирующие элементы как раз и создают такие дисперсные и равномерные структуры, поэтому обрабатываемость легированных чугунов выше, чем обычных чугунов, конечно при условии одинаковой твердости. Так как, например, легирование хромом (Cr) приводит к повышению твердости и ухудшению обрабатываемости.

На значение режимов резания чугуна оказывают влияние такие факторы, как: марка чугуна, жесткость технологической системы, применяемый режущий инструмент и т.д. Поэтому необходимо следовать инструкциям каталога инструментов, внимательно учитывая при этом стойкость, так как в каталогах представлены режимы резания на максимальную производительность и минимальную стойкость, что может не соответствовать вашим целям.

Если подытожить сказанное, то:

• Большинство чугунов, благодаря наличию графита в структуре, легко обрабатываются резанием, так как графит позволяет получить короткую “сыпучую” стружку и улучшает смазывание режущей кромки.
• Для обработки чугунов в основном используется инструмент с отрицательным или небольшим положительным значением переднего угла.
• Инструмент с покрытием имеет большую стойкость из-за преобладания при обработке абразивного износа
• При непрерывном точении необходимо применять СОЖ, для прерывистого точения СОЖ лучше не использовать.
• Основными сложностями при обработке являются неравномерный припуск на отливках, наличие литейной корки и включений песка
• При обработке высокопрочного чугуна расход инструмента в три раза больше, чем при обработке серого чугуна.
• Обработка ковкого чугуна требует в три раза больше времени, т.к. требуется занижать режимы резания. Соответственно увеличивается расход инструмента. В данном чугуне графит в виде хлопьев, окружающих феррит, а также больше кремния (Si), чем в сером, что определяет повышенный износ пластин.

---

   

Используемая информация: рекомендации производителей твердосплавного инструмента Kennametal, Dormer, Pramet, Sandvik.

---

Каталог металлорежущего инструмента на онлайн-выставке Enex: https://enex.market/catalog/Raskhodnye_materialy/metallorezhushchiy_instrument/.

Почему чугунная посуда хрупкая? – 4 причины задуматься

Вы когда-нибудь задавались вопросом, почему чугунная посуда ломкая?

Действительно, одним из преимуществ использования чугуна является его прочность и долговечность.

С другой стороны, чугун хрупкий, то есть может сломаться.

Так что было бы неплохо понять, почему и что вы можете сделать, чтобы этого не произошло.

Позвольте мне объяснить.

Содержание

Есть несколько факторов, объясняющих хрупкость чугуна. Во-первых, это содержание углерода. Чем выше содержание углерода, тем более хрупкой будет посуда. Кроме того, присутствие графитовых чешуек снижает прочность чугуна на растяжение. Думайте о чугуне как о свойствах, подобных стеклу. Оба твердые и оба хрупкие, что делает их уязвимыми при падении.

1. Чугун имеет более высокое содержание углерода

Поскольку этот вопрос относится к физике и химии, я должен полагаться на экспертов, чтобы найти ответ.

Что такое углерод?

• неметаллический элемент, который существует в различных формах: твердая, графитовая, алмазная
• форма графита — это то, что находится в чугуне
• графит — единственный неметаллический элемент, который проводит электричество (что не важно для чугунной посуды)

Научный консультант форума Physics Forums говорит: «Чугун — это старая технология, недорогой материал с содержанием углерода от 2,06% до 6,67%. Углерод вводится из топлива во время плавки. Избыток углерода принимает форму графитовых чешуек, которые ослабляют материал и делают его хрупким.

Углерод необходим, чтобы сделать чугун твердым, потому что само железо не твердое.

2. Присутствие графита в чугуне

Как упоминалось выше, графит представляет собой форму углерода.

Один энтузиаст металлургии на Quora так объясняет присутствие графита: «Серый чугун хрупок из-за чешуек графита, присутствующих в нем. Чешуйки с заостренными концами действуют как антистресс. Эти чешуйки затем ведут себя как трещины, вызывающие хрупкое разрушение при приложении нагрузки».

Другими словами, графит способствует тому, что чугун становится хрупким

3. Чугун имеет меньшую прочность на растяжение

Прочность на растяжение связана с сопротивлением материала разрушению под действием напряжения.

Сравните это с прочностью на сжатие, которая представляет собой сопротивление материала разрушению при сжатии.

По данным Reliance Foundry, чугун «нельзя сгибать, растягивать или придавать ему форму молотком, поскольку его слабая прочность на растяжение означает, что он сломается до того, как согнется или деформируется. Однако он обладает хорошей прочностью на сжатие».

4. Чугун имеет свойства, подобные стеклу

Чугунная посуда обычно изготавливается из серого чугуна (в отличие от белого, пластичного или ковкого).

Свойства связаны с его твердостью, ударной вязкостью и пластичностью.

Каждый тип чугуна имеет разные свойства, а серый обладает свойствами, наиболее близкими к стеклу в том смысле, что он твердый, но может разбиться.

Вы уже видели различные причины хрупкости чугуна, но есть причина, по которой серый чугун по-прежнему используется чаще всего.

Еще раз процитирую Reliance Foundry: «Серый чугун не такой пластичный, как другие формы чугуна, и его прочность на растяжение также ниже. Однако он является лучшим теплопроводником и имеет более высокий уровень гашения вибрации. Его демпфирующая способность в 20–25 раз выше, чем у стали, и выше, чем у всех других чугунов. Серый чугун также легче обрабатывать, чем другие чугуны, а его износостойкие свойства делают его одним из самых объемных изделий из чугуна.

Демонстрация испытаний на кручение: чугун и углеродистая сталь

Как чугунная посуда может сломаться

По правде говоря, многое из того, что я написал, имеет мало общего с самой чугунной посудой, потому что она сделана толстой и не ломается.

Я имею в виду, что никто намеренно не пытается разбить свою чугунную сковороду и не думает, что уронить ее — это нормально.

Забавно, но если вы хотите узнать, как разбить сковороду, см. Как разбить чугунную сковороду – 3 шага были тоньше.

Однако это не означает, что он не может сломаться (или деформироваться, или треснуть).

Поэтому полезно знать, как это может произойти, чтобы избежать подобных действий.

1. Если вы храните кастрюлю в верхнем шкафу и она случайно падает, когда вы ее вынимаете, вероятность того, что она разобьется, выше, чем если бы она упала с меньшего расстояния. Но бросать его никогда не бывает хорошей идеей!
2. Чугун может сломаться еще при транспортировке или перевозке. Если вы не упаковываете посуду должным образом, я видел фотографии отломанных ручек.
3. Высокая температура, скорее всего, вызовет деформацию, но известно, что она также может привести к растрескиванию или поломке.
4. Внезапное изменение температуры, например, погружение горячей сковороды в холодную воду, обязательно окажет неблагоприятное воздействие на чугунную сковороду.

СВЯЗАННЫЕ > > > > > Как перевезти чугунную сковороду – 3 способа рассмотреть

При этом бывают случаи, когда вам может понадобиться разбить чугун. Возможно, это будет не ваша посуда, но, как известно, из чугуна делают и многое другое.

Например, на видео ниже этому человеку нужно было разобрать несколько радиаторов, чтобы сдать их на металлолом.

Как разбить старый чугун

Заключительные мысли

Вот и все, что у меня есть.

И поскольку я не являюсь экспертом по свойствам чугунной посуды, надеюсь, вам было интересно услышать мнение некоторых из них.

Почему чугунная посуда ломкая?

Потому что углерод превращается в графит и влияет на прочность на растяжение в процессе плавки.

Но то, что она хрупкая, не делает ее плохой посудой.

По словам одного из пользователей Quora, чугун — это «уникальный и замечательный материал со свойствами, которых нет ни у одного другого металла».

Вы когда-нибудь ломали чугунную сковороду? Если да, то как это произошло?

В чем разница между литым и кованым железом?

Люди могут подумать, что термин «чугун» относится ко всем ранним изделиям из железа, или что ранние изделия из железа всегда были «коваными», или что и то, и другое может быть правдой. Они были бы неправы. На самом деле, основное различие между ними простое:

Чугун — это расплавленное железо, залитое в форму и остывшее.

Кованое железо — это железо, которое было нагрето, а затем обработано инструментами. На самом деле термин «обрабатывал» происходит от причастия прошедшего времени слова «работал».

Но давайте углубимся в детали.

Чугун

«Чугун» — это общий термин, который относится к ряду сплавов железа, но обычно ассоциируется с наиболее распространенным серым чугуном. Хотя чугун может звучать как литая форма чистого железа, на самом деле это сплав, содержащий от 2 до 4% углерода, а также небольшое количество кремния и марганца. Другие примеси, такие как сера и фосфор, также распространены.

Чугун получают плавлением железной руды или переплавкой чугуна (продукт добычи железной руды) и смешиванием с металлическим ломом и другими сплавами. Жидкую смесь разливают по формам и дают остыть и затвердеть. Из-за более высокого содержания углерода чугун затвердевает как гетерогенный сплав, поэтому в его микроструктуре содержится несколько материалов в разных фазах, что влияет на его физические свойства.

Например, в микроструктуре чугуна есть частицы углерода, которые при охлаждении металла образуют удлиненные графитовые чешуйки. Графит имеет низкую плотность и твердость, но обладает высокой смазывающей способностью. Таким образом, он предлагает мало структурных преимуществ, но он ставит под угрозу окружающую железную матрицу, создавая внутренние точки напряжения, которые могут привести к трещинам.

По сравнению с кованым железом или сталью чугун является хрупким, твердым и не податливым. Его нельзя согнуть, растянуть или придать форму. Его слабая прочность на растяжение означает, что он сломается до того, как согнется или деформируется. Однако он обладает хорошей прочностью на сжатие и широко использовался в строительстве зданий до появления сталелитейной промышленности в начале 20 века.

По сравнению со сталью чугун имеет более низкую температуру плавления, более текучий и менее вступающий в реакцию с материалами формы, что делает его подходящим для литья. Это значительно менее трудоемкий процесс, чем изготовление изделий из кованого железа, поэтому он был важной формой производства на протяжении 18 и 19 веков. й века. Чугун в значительной степени был заменен сталью в строительной отрасли, но он по-прежнему используется во многих промышленных целях.

Кованое железо

Кованое железо состоит в основном из железа с добавлением от 1 до 2% шлака, побочного продукта плавки железной руды, обычно смеси оксидов кремния, серы, фосфора и алюминия. Во время производства железо снимается с огня и обрабатывается молотком, пока оно еще горячее, чтобы придать ему намеченную окончательную форму.

Кованое железо часто имеет волокнистый внешний вид, но оно также мягче и пластичнее чугуна. Кованое железо очень пластично, а это означает, что его можно нагревать и повторно нагревать, а также придавать ему различные формы. На самом деле, он становится сильнее, чем больше он работает.
Кованое железо имеет гораздо более высокую прочность на растяжение, чем чугун, что делает его более подходящим для изготовления горизонтальных балок в строительстве. В общем, сильно сопротивляется усталости. Он безотказно деформируется, если только не перегружен сверх своих возможностей или не деформируется от воздействия сильного тепла (например, от огня).

Он широко использовался в строительстве зданий в 19 веке, но в 20 веке его заменила сталь. Сегодня кованое железо используется в основном для декоративных целей.

Коррозия

Литое и кованое железо подвержены коррозии, когда открытые поверхности подвергаются воздействию кислорода в присутствии влаги. В отличие от других металлов, образующих защитное окислительное покрытие, железо со временем полностью ржавеет и отслаивается. Это может быть сложной задачей для наружной среды, где воздействие осадков и влажности может быть постоянным.

Чтобы предотвратить ржавчину, изделия из железа должны быть покрыты для предотвращения воздействия. Краска обычно используется для защиты голого металла. Порошковые покрытия — еще один метод, который хорошо подходит для уличной мебели, подверженной износу в местах с интенсивным движением.