Чугун против кованого железа: различия объяснены

Разница в природе

1. Чугун

Чугун - это первичный промежуточный продукт в черной металлургии, обычно содержащий большое количество углерода - от 2% до 6,69% по весу. Такое высокое содержание углерода отличает его от стали, которая обычно содержит менее 2% углерода.

Хотя в просторечии его часто называют чугуном, на самом деле чугун - это сырье, из которого производят чугун. Термин "чугун" происходит от традиционного метода литья, при котором расплавленный чугун заливался в формы, расположенные на песчаных подушках, напоминающих молочных поросят.

Помимо углерода, чугун содержит еще несколько элементов, которые влияют на его свойства:

• Кремний (0,5-3%): Способствует графитизации и улучшает текучесть
• Марганец (0,5-1,5%): Повышает прочность и твердость
• Сера (0,02-0,08%): Обычно считается примесью, контролируется до низкого уровня
• Фосфор (0,05-0,2%): Может улучшить текучесть, но часто ограничивается из-за эффекта охрупчивания

Благодаря высокому содержанию углерода и наличию легирующих элементов чугун обладает ярко выраженными характеристиками:

1. Высокая прочность на сжатие, но низкая прочность на растяжение
2. Отличная литейная способность, что позволяет использовать его для изготовления сложных форм
3. Хорошая износостойкость и демпфирующие свойства
4. Ограниченная пластичность и ковкость

Хотя чугун можно легко отливать в различные формы, его нельзя ковать или прокатывать в отлитом состоянии из-за его хрупкости. Это отличает его от более пластичных черных материалов, таких как кованое железо или низкоуглеродистые стали.

Чугун служит важнейшим сырьем для сталеплавильного производства, где он рафинируется для снижения содержания углерода и корректировки состава для получения различных марок стали. Он также используется непосредственно при производстве чугунных изделий, требующих высокой прочности на сжатие, износостойкости и демпфирования вибраций.

2. Кованое железо

Кованое железо, исторически известное как относительно чистое железо, - это низкоуглеродистый сплав железа, получаемый из чугуна, обычно содержащий менее 0,08% углерода по весу. Его определяющей характеристикой является наличие шлаковых включений, которые придают ему волокнистую структуру и уникальные свойства.

Производство кованого железа состоит из двух этапов:

1. Рафинирование: Чугун расплавляют и окисляют в печи, чтобы удалить примеси.
2. Консолидация: Полученное железо многократно нагревается и оббивается молотом для удаления шлака и создания однородной структуры.

Основные характеристики кованого железа включают:

• Содержание углерода: Как правило, ниже 0,08%, а высококачественное кованое железо содержит менее 0,04%.
• Содержание шлака: 1-3% по весу, что способствует его коррозионной стойкости и свариваемости.
• Микроструктура: Волокнистая, благодаря удлиненным шлаковым включениям, повышающим ее пластичность и вязкость.

Свойства кованого железа позволяют использовать его в определенных областях:

• Отличная коррозионная стойкость, особенно в морской среде
• Высокая пластичность и ковкость, идеально подходит для изготовления декоративных изделий из железа
• Хорошая свариваемость и способность к ковке

Однако производство кованого железа трудоемко и дорого по сравнению с современными сталелитейными процессами, что обуславливает его ограниченное применение в современном производстве.

Различие между чугуном, кованым железом и сталью заключается прежде всего в содержании углерода и способах производства:

• Чугун: >2% углерода, производится непосредственно из железной руды в доменных печах
• Кованое железо: <0,08% углерода, рафинированный из чугуна путем пудлингования и обработки
• Сталь: 0,05-2% углерода, производится различными методами, включая основное кислородное сталеплавильное производство и электродуговые печи

Современные изделия из кованого железа часто изготавливаются из низкоуглеродистой стали, чтобы имитировать внешний вид традиционного кованого железа, поскольку настоящее кованое железо сегодня редко производится в промышленных масштабах.

Разница в производительности

1. Свойства кованого железа

Кованое железо, часто называемое коммерчески чистым железом, обладает отличительными свойствами, которые выделяют его среди других материалов из черных металлов. Отличаясь низким содержанием углерода (обычно менее 0,08%), кованое железо обладает волокнистой микроструктурой, которая способствует уникальному сочетанию его свойств.

Одной из наиболее заметных особенностей кованого железа является его исключительная ковкость и пластичность. Эти свойства обусловлены его высокой пластичностью, позволяющей материалу подвергаться значительным деформациям без разрушения. Эта характеристика делает кованое железо особенно подходящим для применения в областях, требующих сложного формообразования или волочения проволоки.

Однако те же факторы, которые обусловливают его пластичность, также приводят к относительно низкой прочности и твердости по сравнению со стальными сплавами. Твердость кованого железа по Бринеллю обычно составляет от 100 до 140 HB, а прочность на разрыв - от 240 до 350 МПа. Эти механические свойства ограничивают его применение в конструкциях, подвергающихся высоким нагрузкам, но делают его идеальным для ковки и сварки.

С точки зрения металлургии, высокая чистота кованого железа и низкое содержание углерода способствуют его превосходной коррозионной стойкости, особенно по сравнению с низкоуглеродистыми сталями. Это свойство в сочетании с уникальной эстетической привлекательностью при выветривании исторически сделало его предпочтительным материалом для изготовления архитектурных и морских изделий.

В современной промышленности чистое железо находит специализированное применение, прежде всего, в электрических и магнитных компонентах. Высокая магнитная проницаемость (обычно от 200 до 5000 мк) делает его отличным выбором для сердечников трансформаторов, электромагнитов и других электромагнитных устройств, где очень важна эффективная проводимость магнитного потока.

Кроме того, железо высокой чистоты служит важнейшим сырьем для производства высококачественных легированных сталей, особенно тех, которые требуют точного контроля содержания микроэлементов. В научных исследованиях и разработках его часто используют в качестве базового материала для изучения влияния легирующих элементов на системы на основе железа.

Несмотря на то, что в качестве основного конструкционного материала кованое железо в значительной степени вытеснено различными сортами стали, оно продолжает играть нишевую роль в исторических реставрационных проектах, кустарной металлообработке и специфических промышленных применениях, где его уникальные свойства являются преимуществом.

2. Свойства и классификация чугуна

Чугун характеризуется высоким содержанием углерода, обычно от 3,5% до 4,5%. Такой состав обеспечивает значительную твердость и износостойкость, а также отличную литейную способность. Однако за эти свойства приходится платить хрупкостью и незначительной пластичностью, что делает чугун непригодным для процессов ковки.

Классификация чугуна основывается главным образом на морфологии углерода, присутствующего в его микроструктуре, что позволяет выделить три различных типа:

(1) Сталеплавильный чугун (белый чугун):
В этом варианте углерод присутствует преимущественно в виде карбида железа (Fe3C), что приводит к появлению белого цвета на поверхности излома. Наличие карбидов обусловливает высокую твердость и хрупкость. Сталеплавильный чугун служит основным сырьем для производства стали, особенно в основных кислородных и электродуговых печах.

(2) Литой чугун (серый чугун):
Чугун содержит углерод в виде чешуйчатого графита, придающего его поверхности излома характерный серый цвет. Хлопья графита действуют как естественная смазка, повышая обрабатываемость, износостойкость и литейные свойства. Однако эти хлопья также создают разрывы в железной матрице, что приводит к снижению прочности на разрыв и пластичности. Хотя серый чугун не подходит для ковки или прокатки, он отлично подходит для применения в областях, требующих демпфирования вибраций и теплопроводности, таких как станины станков, блоки двигателей и трубопроводные системы.

(3) Узловатый чугун (ковкий чугун):
В нодулярном чугуне углерод проявляется в виде шаровидных графитовых узелков. Эта уникальная микроструктура сочетает в себе литейные свойства серого чугуна с механическими свойствами, приближающимися к свойствам стали. Узловой чугун демонстрирует более высокую прочность на растяжение, пластичность и ударную вязкость по сравнению с серым чугуном, сохраняя при этом отличную износостойкость и обрабатываемость. Эти качества делают его идеальным для высокопроизводительного литья в ответственных областях применения, включая коленчатые валы, шестерни, поршни и различные несущие компоненты автомобильного и промышленного оборудования.

(4) Легированный чугун:
Специализированная категория чугуна, легированный чугун, намеренно производится с повышенным содержанием определенных легирующих элементов, таких как кремний, марганец, никель или хром. Обычными примерами являются ферросилиций (FeSi) и ферромарганец (FeMn). Эти легированные чугуны служат важнейшими добавками при выплавке стали, позволяя точно контролировать конечный состав стали. Введение легированного чугуна в процессе производства стали способствует достижению желаемых механических свойств, коррозионной стойкости или специфических металлургических характеристик готового стального продукта.