Сравнительные показатели чугунов и сталей

№	Наименование показателей	Чугун	Сталь
1	Содержание углерода, %	> 2 %	< 2 %
2	Содержание S, P, Mn, Si	много *	меньше
3	Структура	ледебурит,….	аустенит, феррит,…
4	Хрупкость	более хрупкий *
5	Твердость		более твердая *
6	Прочность		выше *
7	Ковкость		выше *
8	Литейные свойства	выше
9	Изготовляемые детали	станины, корпуса,	валы, шестерни,…
10	Технология изготовления	литье и механ. обраб.	прокатка и механ. обраб.
11	Свариваемость	хуже

· - чаще всего.

Основа у чугуна и стали одна — железо. Главное отличие заключается в том, что чугун имеет повышенное содержание углерода (свыше 2 % в чугунах и до 2 % в сталях). Граница между этими сплавами проходит по содержанию углерода (2 %) в сплаве Fe - С. Во многих чугунах значительно больше, чем в сталях марганца, серы, фосфора и кремния.

Стали чаще всего более твердые, прочные и износостойкие. Чугуны же более хрупкие, но обладают хорошими литейными свойствами. Сталь является производной от чугуна, т.к. ее производство в основном двух стадийное: из железных руд сначала получают чугун, далее из чугуна и стального лома получают сталь.

Современное производство чугуна и сталей выполняется по схеме, представленной на рис. 3.4. Чугун выплавляется в домнах. Это сложное инженерное сооружение, работающее непрерывно в течение 5..10 лет. Печь работает по принципу противотока. Сверху загружается руда, флюсы и кокс, а снизу подается воздух. Кокс служит для нагревания и расплавления руды, а также участвует в восстановлении железа из окислов руды. В коксе должно быть минимум серы и фосфора. Флюсы (известняки, кремнеземы и др.) необходимы для получения шлаков. При сгорании топлива образуется окись углерода, которая и является главным восстановителем железа. Восстановление железа происходит от высших окислов к низшим и, в конечном итоге, к металлу Fe

Fe₂ O₃ ® Fe₃ O₄ ® Fe O ® Fe

окисью углерода СО и твердым углеродом С. Восстановление марганца, кремния и других элементов выполняется также коксом.

Чтобы получить сталь из чугуна надо уменьшить в нем количество углерода, марганца, серы и фосфора. Сталь получают в кислородных конверторах, мартеновских печах и электропечах.

Конвертор (рис. 3.5) —это сосуд грушевидной формы, футерованный внутри огнеупорным кирпичом и подвешенный на двух кронштейнах.

Жидкий чугун (1250…1400 °С), полученный в домне, с помощью ковша заливают в конвертор. Для получения шлака добавляют в конвертор железную руду и известь, боксит и плавиковый шпат. В конвертор снизу подается воздух, или сверху – кислород. Процесс получения стали проходит быстро (12…15 мин).

Мартеновское производство менее производительное, чем конверторное, но лучше регулируется процесс, используются чугунные чушки и металлолом. Мартен это регенеративная пламенная печь. Газ сгорает над плавильным пространством, где создается температура до 1750… 1800 °С.

Сталь высокого качества выплавляют в дуговых и индукционных электропечах. Процесс примерно такой же, как и в мартеновской печи, но температура выше, поэтому можно получать в электропечах тугоплавкую сталь, содержащую хром, вольфрам и др.

 При выплавке электростали происходят два последовательных периода: 1 - окислительный (выгорают Si, Mn, C, Fe) за счет кислорода, воздуха и оксидов шихты; 2 - восстановительный — раскисление стали, удаление серы. Для этого в печь вводят флюс, состоящий из извести и плавикового шпата.

Индукционная плавка  применяется обычно для переплавки сталей и получения высоколегированных и специальных сталей в условиях вакуума или специальной регулируемой атмосферы.

С увеличением содержания углерода (рис.3.6) повышаются твердость и прочность, снижается пластичность, улучшается обработка резанием, повышается закаливаемость, но ухудшается свариваемость стали. Твердость и прочность тем выше, чем выше дисперсность (мелкозернистость) феррита и цементита.

  Вредными примесями для стали являются S, P, O, H, N.

Сера S  ухудшает пластичность и вязкость; сталь становится хрупкой при высоких температурах (красноломкость), поэтому серы должно быть в сталях менее 0,05%. При наличии серы в сплаве по краям зерен создается эвтектика FeS, которая при температурах выше 985 °С плавится, поэтому по границам зерен образуются трещины и металл разрушается.

Наличие фосфора Р в стали приводит к хладноломкости (возникают трещины уже при комнатной температуре и, особенно, интенсивно при отрицательных температурах), ухудшаются пластичность и вязкость сплава. В высококачественных сталях должно быть фосфора менее  0,03%.

Марганец Mn раскисляет сталь и нейтрализует вредное влияние серы S,. повышает прочность и износостойкость стали.

Кремний Si повышает упругость и прочность стали, увеличивает предел текучести, что снижает возможности холодной штамповки и высадки металла.

Чугуны

  Микроструктура чугунов (табл. 3.4) зависит от скорости охлаждения металла: при быстром охлаждении будет белый чугун (углерод находится в химически связанном состоянии  в виде цементита и ледебурита), а при медленном охлаждении будет серый чугун (углерод находится в виде графита).

Таблица 3.4

Марки и механические характеристики чугунов

Группы чугунов	Марки чугунов	sb, МПа	НВ	d, %
Серые	СЧ 10	100	120…150
	СЧ 15	150	130…241
	………	………	……..
	СЧ 35	350	179…290
Высокопрочные	ВЧ 35	350	140…170	22
	ВЧ 40	400	140…202	15
	………	……….	……..	………
	ВЧ 100	1000	270…360	2
Ковкие	КЧ 30-6	300	163	6
	КЧ 33-8	330	163	8
	КЧ 37-12	370	163	12
	…….	…….		……
	КЧ 63-2	630	269	2

Серые чугуны делятся на модифицированные, высокопрочные и ковкие (табл. 3.4.). В серых чугунах графит имеет пластинчатую форму, в высокопрочных - шаровидную, а в ковких - хлопьевидную.  

Примеры обозначения чугунов: СЧ25 ГОСТ 1412-85, ВЧ 50 ГОСТ 7293-85.