Чугун и литая сталь относятся к железоуглеродистым сплавам, а детали из них можно получать заливкой расплава в форму. На этом сходство заканчивается. Разное содержание углерода и разная микроструктура определяют поведение материала при ударе, растяжении, сжатии, сварке, обработке и вибрации.
Важно понимать терминологию: «литая сталь» — не отдельный химический вид стали, а сталь, из которой изготовили отливку. Ее свойства зависят от марки и термообработки. Точно так же характеристики чугуна зависят от того, серый он, высокопрочный, ковкий или белый. Утверждения вроде «чугун всегда хрупкий» и «сталь всегда прочнее» без указания типа материала слишком упрощают сравнение.
Условная металлургическая граница между сталью и чугуном проходит примерно у 2,1 % углерода по массе. Большинство сталей содержит меньше, а типичные чугуны — около 2–4 % углерода и заметное количество кремния. Точный состав зависит от марки.
В стали углерод в основном связан со структурными составляющими железоуглеродистой системы. В чугуне он может присутствовать не только в связанном состоянии, но и в виде графита. Форма графита принципиальна:
Пластинчатый графит облегчает обработку и хорошо гасит колебания, но одновременно создает концентраторы напряжений. Шаровидный графит значительно меньше ослабляет металлическую основу, поэтому высокопрочный чугун пластичнее и лучше переносит удар, чем серый.
| Характеристика | Чугун | Литая сталь |
| Углерод | Обычно более 2 %, часто около 2–4 % | Обычно менее примерно 2,1 % |
| Внутренняя структура | Может содержать графит разной формы или карбиды | Свободный графит для обычной стали нехарактерен |
| Пластичность | От очень низкой до умеренной; зависит от вида | Обычно выше |
| Ударная вязкость | Низкая у серого и белого чугуна, выше у высокопрочного | Как правило, выше при сопоставимых условиях |
| Работа на растяжение | Серый чугун чувствителен к трещинам и ударам | Обычно лучше переносит растяжение и динамическую нагрузку |
| Работа на сжатие | Особенно выгодна для серого чугуна | Также выдерживает сжатие, но это не его единственное преимущество |
| Гашение вибраций | Высокое у серого чугуна | Обычно ниже |
| Заполнение сложной формы | Чугун обладает хорошими литейными свойствами | Стальное литье требует более высокой температуры и строгого контроля |
| Усадка при литье | Обычно ниже | Обычно выше |
| Сварка | Технологически сложна, высок риск трещин | В большинстве случаев проще, но зависит от марки и углеродного эквивалента |
Сравнивать следует конкретные марки. Высокопрочный чугун может быть гораздо вязче серого, а высокоуглеродистая или неправильно термообработанная стальная отливка — хрупкой.
На изломе обычно имеет серый цвет из-за графита. Хорошо обрабатывается резанием, эффективно поглощает вибрации и подходит для массивных корпусных деталей. Типичные примеры — станины станков, корпуса редукторов, блоки и тормозные диски. Его слабое место — растягивающие и резкие ударные нагрузки.
Шаровидный графит позволяет сочетать литейные преимущества чугуна с более высокой прочностью и пластичностью. Из него делают нагруженные трубы, ступицы, коленчатые валы и детали подвески. По поведению он ближе к стали, чем серый чугун, поэтому определять материал только по слову «чугун» нельзя.
Его получают длительным отжигом отливок из белого чугуна. Материал используют для сравнительно небольших деталей, которым нужна большая сопротивляемость удару и деформации, чем у серого чугуна.
Углерод в нем преимущественно связан в карбидах. Он твердый, износостойкий и трудный в механической обработке, но хрупкий. Такой материал применяют в деталях, работающих при абразивном износе, либо как исходное состояние для получения ковкого чугуна.
Сталь заливают в форму так же, как чугун, но температура расплава выше, текучесть обычно хуже, а усадка заметнее. Технологу приходится точнее рассчитывать литниковую систему, питание отливки и режим охлаждения, иначе возникают усадочные раковины, пористость и внутренние напряжения.
Преимущество стальной отливки проявляется в эксплуатации. Она лучше подходит для деталей, которые испытывают растяжение, изгиб, переменные и ударные нагрузки. После нормализации, закалки с отпуском или другой термообработки можно изменить прочность и вязкость под конкретную задачу.
В обозначениях литейных сталей часто используется буква «Л», например 20Л или 35Л. У чугунов встречаются обозначения СЧ для серого и ВЧ для высокопрочного. Но отсутствие читаемой маркировки не позволяет определить материал по внешнему виду на сто процентов.
Серый чугун хорошо работает в массивных основаниях и корпусах, где преобладает сжатие. Графитовая структура не мешает ему воспринимать такую нагрузку так сильно, как растяжение. Это одна из причин применения чугуна в станинах и опорах.
Пластичная сталь способна заметно деформироваться до разрушения и предупреждает о перегрузке. Серый чугун может разрушиться почти без видимой пластической деформации. Для рычагов, крюков, ответственных зубьев и деталей с ударной нагрузкой литая сталь обычно безопаснее. Однако высокопрочный чугун в ряде конструкций успешно заменяет сталь.
Пластинки графита в сером чугуне рассеивают энергию колебаний. Поэтому чугунная станина снижает вибрацию инструмента и помогает сохранять точность обработки. Стальная конструкция при равной геометрии обычно звенит и передает колебания сильнее.
Серый чугун хорошо режется, а его стружка обычно короткая и ломкая. Графит действует как твердая смазка, но образует мелкую пыль, которую необходимо удалять. Белый чугун, напротив, крайне труден в обработке из-за высокой твердости карбидов.
Свариваемость чугуна ограничена. Быстрый нагрев и охлаждение создают твердые зоны и внутренние напряжения, поэтому без подогрева, правильных электродов и контролируемого охлаждения возможны трещины. Стальные отливки чаще ремонтируют сваркой, но технология все равно зависит от состава и состояния детали.
Искровая проба на шлифовальном круге требует опыта и средств защиты. На картину искр влияют углерод, кремний, легирующие элементы и режим шлифования, поэтому для неподготовленного пользователя это небезопасный и неточный способ.
Ручной рентгенофлуоресцентный анализатор хорошо определяет кремний, марганец, хром, никель и другие легирующие элементы, но большинство таких приборов не измеряет углерод. Поэтому одного XRF-измерения недостаточно, если решение зависит именно от границы между сталью и чугуном.
Для определения углерода применяют оптико-эмиссионную спектрометрию с искровым возбуждением, LIBS-анализаторы подходящего класса или лабораторное сжигание образца. Структуру графита подтверждают металлографией. В ответственных случаях проверяют и химический состав, и микроструктуру.
Материал выбирают не по общему рейтингу «прочнее — слабее», а по виду нагрузки, форме отливки, условиям ремонта, температуре и требуемому ресурсу.
