Чем отличается чугун от стали

В мире металлов, окружающих нас повсеместно — от глобальных небоскрёбов до скромных садовых скамеек — два материала играют абсолютно ключевую роль: чугун и сталь. Для неискушённого наблюдателя они могут казаться похожими, однако на самом деле это fundamentally разные материалы с уникальными свойствами, областями применения и технологиями производства. Понимание различий между чугуном и сталью критически важно для инженеров, конструкторов, металлургов и всех, кто работает с металлопрокатом, ведь от правильного выбора материала напрямую зависят надёжность, долговечность и экономическая эффективность конечного изделия. Данный материал призван дать исчерпывающее представление об этих различиях, опираясь на актуальные ГОСТы, технические условия и данные авторитетных металловедческих исследований.

Основное и самое главное отличие, лежащее в основе всех последующих различий, заключается в содержании углерода в химическом составе сплава. Углерод — это ключевой легирующий элемент, определяющий структуру и, как следствие, механические свойства железоуглеродистого сплава.

• Сталь — это сплав железа с углеродом, где содержание углерода не превышает 2.14% (согласно диаграмме состояния Железо-Углерод). На практике большинство марок сталей содержат от 0.02% до 1.5% углерода. (Этот порог разделяет материалы по их способности к пластической деформации и образованию различных фазовых структур).
• Чугун — это сплав железа с углеродом, где содержание углерода обычно находится в диапазоне от 2.14% до 6.67%. Наиболее распространены чугуны с содержанием углерода 3.0% - 3.7%. (Высокое содержание углерода приводит к тому, что он не успевает полностью раствориться в железе при кристаллизации, образуя отдельные структурные составляющие, в первую очередь — графит).

Именно это количественное различие в百分тах запускает цепную реакцию различий в структуре, свойствах и, ultimately, в сферах применения этих материалов. Более глубокое погружение в металловедческие аспекты позволяет раскрыть всю картину полностью.

Разница в содержании углерода кардинальным образом меняет внутреннее строение сплава, что легко наблюдается под микроскопом и напрямую определяет физико-механические свойства.

Структура стали представляет собой твёрдый раствор углерода в железе (феррит и аустенит), а также химическое соединение цементит (Fe₃C). Углерод находится в связанном состоянии. Благодаря относительно низкому содержанию углерода сталь обладает однородной, плотной структурой без крупных включений. Это позволяет материалу эффективно сопротивляться dynamic и статическим нагрузкам. Состав и свойства сталей регламентируются огромным количеством ГОСТов, например, ГОСТ 380-2005 (Сталь углеродистая обыкновенного качества) и ГОСТ 1050-2013 (Сталь углеродистая качественная конструкционная).

Структура чугуна более сложна и разнообразна. Избыточный углерод, не сумевший раствориться в железе, выделяется в виде включений графита. Форма, размер и распределение этих графитных включений являются классифицирующим признаком и определяют тип чугуна: серый (пластинчатый графит), высокопрочный (шаровидный графит), ковкий (хлопьевидный графит). Основная металлическая масса чугуна — это перлит, феррит или их смесь. Основным стандартом для чугуна является ГОСТ 4832-2021 (Чугун с пластинчатым графитом для отливок).

Интересный факт №1: Высокое содержание кремния в чугуне (1-3%) является технологической необходимостью. Кремний способствует выделению углерода именно в форме графита, а не цементита (белый чугун), который делает материал чрезвычайно твёрдым и хрупким.

Производство как чугуна, так и стали — это многоэтапный процесс, начинающийся с выплавки чугуна из железной руды. Ключевое различие заключается в последующей переработке.

• Производство чугуна происходит в доменной печи. Исходные материалы (руда, кокс, флюсы) загружаются в печь, где при температуре свыше 1900°C происходит восстановление железа из оксидов и его насыщение углеродом. На выходе получается жидкий передельный чугун, который либо направляется на разливку в чушки (чушки передельного чугуна по ГОСТ 805-2021), либо в жидком виде транспортируется в сталеплавильные цехи для дальнейшего передела в сталь. (Чугун является первичным продуктом чёрной металлургии, содержащим все примеси из руды и топлива).
• Производство стали — это процесс рафинирования (очистки) передельного чугуна. Его суть заключается в снижении содержания углерода и вредных примесей (серы, фосфора) путём их окисления. Основные методы: кислородно-конвертерный (продувка жидкого чугуна кислородом), мартеновский (устаревший) и электроплавильный (в дуговых печах). В процессе стали также легируют — добавляют элементы (хром, никель, ванадий и др.) для придания специальных свойств. (Сталь, таким образом, является продуктом глубокой переработки чугуна).

Интересный факт №2: Мировое производство стали более чем в 20 раз превышает производство чугуна. Это связано с тем, что большая часть выплавляемого чугуна не отправляется на литьё, а immediately используется как сырьё для производства стали.

Именно в механических свойствах наиболее ярко проявляются практические последствия структурных различий. Эти свойства диктуют, где будет использоваться материал.

• Прочность и пластичность: Сталь обладает значительно более высокой прочностью на разрыв и, что критически важно, пластичностью. Пластичность — это способность материала к необратимой деформации без разрушения (ковка, штамповка, вытяжка). Чугун же является хрупким материалом: его предел прочности при растяжении значительно ниже, чем у стали, и он практически не обладает пластичностью, разрушаясь при ударе или значительной нагрузке без заметной деформации. (Исключение составляют высокопрочные чугуны с шаровидным графитом, свойства которых приближаются к углеродистым сталям).
• Твёрдость и износостойкость: Благодаря наличию свободного углерода (графита) и перлитной основе многие виды чугуна (особенно отбелённые или легированные) обладают очень высокой твёрдостью и сопротивлением износу. Это делает их идеальными для изготовления деталей, работающих в условиях абразивного износа (тормозные колодки, прокатные валки). Стали для повышения твёрдости требуют специальной термической обработки (закалка).
• Литейные свойства: Чугун, благодаря высокому содержанию углерода и кремния, имеет хорошую жидкотекучесть, малую усадку (1-1.5%) и не склонен к образованию горячих трещин. Он идеален для получения сложных фасонных отливок. Сталь обладает худшей жидкотекучестью и большой усадкой (2-2.5%), что осложняет процесс литья и требует применения сложных технологических мер.
• Обрабатываемость резанием: Серые чугуны с пластинчатым графитом прекрасно обрабатываются резанием, так как стружка легко ломается, а графит сам acts как смазка. Высокоуглеродистые твёрдые стали, напротив, обрабатываются тяжелее, требуя специального инструмента и режимов.

Уникальный набор свойств каждого материала предопределяет его основное применение в промышленности, строительстве и машиностроении.

Применение чугуна:

• Машиностроение: Блоки и головки цилиндров двигателей, станины и порталы станков, корпуса редукторов, маховики, тормозные диски. (Выбор обусловлен великолепными литейными свойствами, способностью поглощать вибрации и износостойкостью).
• Сантехника и коммунальное хозяйство: Радиаторы отопления, канализационные люки и трубы, ванны. (Здесь важны коррозионная стойкость и литьевые возможности для массового производства).
• Строительство: Декоративные элементы ограждений, перила, элементы фасадов. (Архитектурный чугун ценится за возможность создания сложных ажурных отливок и долговечность).

Применение стали:

• Строительство: Арматура (ГОСТ 5781-2021), прокат (двутавры, швеллеры, уголок), листовой прокат, проволока. (Ключевые требования — высокая прочность и пластичность, способность работать на растяжение и изгиб).
• Машиностроение: Валы, шестерни, оси, пружины, рессоры, инструмент, корпуса судов и автомобилей. (Используются как углеродистые, так и легированные стали, часто с термообработкой, для ответственных высоконагруженных деталей).
• Трубопроводы: Трубы для транспортировки нефти, газа, воды, высокого давления. (Требуется сочетание прочности, пластичности и свариваемости).
• Быт: Инструменты, столовые приборы, бытовая техника, автомобильные кузова.

Интересный факт №3: Знаменитая Эйфелева башня в Париже построена не из чугуна, как ошибочно полагают многие, а из кованого железа (материала, близкого по свойствам к современной малоуглеродистой стали). Общий вес металлической конструкции составляет около 7300 тонн.

Способы обработки и соединения деталей из чугуна и стали радикально отличаются, что накладывает существенные ограничения на конструкторские решения.

• Свариваемость: Сталь (особенно низкоуглеродистая) обладает отличной свариваемостью. Существует множество технологий сварки (дуговая, газовая, контактная и др.), позволяющих создавать высокопрочные неразъёмные соединения. Чугун сваривается крайне плохо. Высокое содержание углерода приводит к образованию хрупких структур в зоне сварного шва и появлению трещин из-за неравномерного нагрева и охлаждения. Сварка чугуна возможна, но требует специальных технологий (горячая сварка с предварительным нагревом, специальные присадочные материалы), является дорогой и ненадёжной операцией и применяется в основном для ремонта и заварки дефектов литья.
• Обработка давлением: Сталь прекрасно поддаётся ковке, штамповке, прокатке, волочению при нагреве и, в случае низкоуглеродистых марок, и в холодном состоянии. Это основа для производства всего сортового и листового проката. Чугун из-за своей хрупкости не поддаётся обработке давлением — его нельзя ковать или прокатывать. Единственный способ придания формы — это литьё.
• Термическая обработка: Для стали применяется широчайший спектр видов термообработки: отжиг, нормализация, закалка, отпуск. Это позволяет в широких пределах варьировать её свойства (повышать твёрдость, прочность, пластичность). Чугун подвергается термической обработке в значительно меньшей степени (отжиг для снятия напряжений, нормализация). Объёмная закалка для чугуна не характерна.

Интересный факт №4: Существует метод упрочнения поверхности чугунных деталей, называемый «отбеливание». Деталь быстро охлаждается с поверхности, в результате чего углерод в поверхностном слое остаётся в виде цементита, а не графита, создавая очень твёрдый и износостойкий слой, в то время как сердцевина детали остаётся вязкой.

Системы обозначения марок чугуна и стали также различаются, отражая их специфику.

Маркировка сталей сложна и разнообразна. Для конструкционных углеродистых сталей (ГОСТ 1050) марки состоят из цифр, указывающих на среднее содержание углерода в сотых долях процента (сталь 45 — 0.45% С). Для сталей обыкновенного качества (ГОСТ 380) используются обозначения типа Ст3кп, где «Ст» — сталь, цифра — условный номер марки, а буквосочетание («кп» — кипящая, «пс» — полуспокойная, «сп» — спокойная) указывает на степень раскисления. Легированные стали (ГОСТ 4543, ГОСТ 5632-2014) маркируются цифрами и буквами: цифры после буквы указывают примерное содержание элемента (Х18Н10Т — 18% хрома, 10% никеля, до 1.5% титана).

Маркировка чугунов более проста. Серый чугун обозначается буквами «СЧ» и цифрой, указывающей предел прочности на растяжение в кгс/мм² (СЧ25 — σв ≈ 250 МПа). Высокопрочный чугун с шаровидным графитом — «ВЧ» и цифрой, также указывающей на прочность (ВЧ60 — σв ≈ 600 МПа). Ковкий чугун маркируется «КЧ» и двумя цифрами: первая — предел прочности на растяжение в кгс/мм², вторая — относительное удлинение в % (КЧ 35-10 — σв ≈ 350 МПа, δ = 10%).

Вопрос цены часто является решающим при выборе между чугуном и сталью для конкретной задачи.

• Чугун, как правило, дешевле стали на единицу массы. Это связано с более простой технологией производства (литейный цех проще и дешевле, чем прокатный или кузнечно-прессовый) и использованием более дешёвого сырья (в шихту можно добавлять лом и другие отходы). Однако при сравнении по критерию «стоимость на единицу прочности» картина может меняться. (Для ненагруженных или сжимающих нагрузок чугун часто выигрывает, для деталей, работающих на растяжение или изгиб, — сталь).
• Сталь имеет более высокую стоимость производства, но её высокая прочность и возможность создания лёгких тонкостенных конструкций (за счёт пластичности) часто делают её более экономически выгодной в итоговом изделии. Кроме того, стоимость обработки (сварка, механическая обработка) для стали часто ниже. (Выбор материала — это всегда компромисс между функциональностью, технологичностью изготовления и итоговой себестоимостью).

Интересный факт №5: Существует экономический парадокс: хотя чугун дешевле стали, художественное литье из чугуна (например, ажурные решётки или скульптуры) может стоить дороже аналогичных стальных изделий, изготовленных сваркой. Высокая стоимость обусловлена уникальностью литейной формы (оснастки), которая создаётся для каждого такого изделия.

Оба материала подвержены коррозии, но по-разному. Чугун в атмосферных условиях и во многих средах (например, в концентрированной серной кислоте) часто проявляет несколько лучшую коррозионную стойкость, чем углеродистая сталь. Это связано с образованием на его поверхности защитной плёнки продуктов коррозии и наличием графита. Однако в электролитах может проявляться явление графитизации: железо вымывается, а поверхность превращается в рыхлую массу графита, что приводит к потере прочности при сохранении внешней формы детали. Для борьбы с коррозией как чугунные, так и стальные изделия покрывают красками, грунтами, наносят гальванические покрытия (оцинковка, хромирование). Кардинально вопрос решает использование легированных сталей (нержавеющих, например, по ГОСТ 5632-2014), в состав которых входит хром (12-20% и более), никель и другие элементы, обеспечивающие пассивность поверхности и устойчивость к коррозии в агрессивных средах.