Кованый железо против чугуна: ключевые отличия и применение

В чем разница? Узнайте и научитесь их применять

Часто полагают, что чугун и кованый железо — взаимозаменяемые термины для ранних железных изделий, но разница колоссальна.

Кованый железо — железо, нагретное и затем обработанное инструментами.

Чугун — железо, расплавленное, отлитое в форму и затвердевшее.

Фундаментальное различие — в способе производства. Различия заложены в названиях: «кованый» — причастие прошедшего времени от «ковать» («обработанное железо»), а «чугун» описывает всё, сформированное процессом литья.

Разные методы производства создают металлы с разными сильных и слабых сторон, поэтому вы редко увидите чугунный забор или кованый сковородку.

Что такое кованый железо?

Кованый железо состоит преимущественно из элементарного железа с небольшими количествами (1–2%) шлака (побочного продукта плавки железной руды, обычно смеси кремния, серы, фосфора и оксидов алюминия). Кованый железо получают многократным нагревом материала и обработкой инструментами для деформации.

Кованый железо высокопластичен, позволяя нагревать, перегревать и выковывать в различные формы — кованый железо становится прочнее с каждой обработкой и характеризуется волокнистой структурой. В кованом железе меньше углерода, чем в чугуне, что делает его мягче и вязче. Он также высокоустойчив к усталости: при больших нагрузках испытывает большую деформацию до отказа.

Термин «кованый железо» часто используется неверно сегодня; он описывает дизайны, похожие на исторические кованые изделия — независимо от металла. Мягкая сталь, гибнутая в холодном состоянии на станке, или чугунные/стальные литья, покрашенные в черный, регулярно ошибочно называют коваными изделиями. Чтобы по-настоящему считаться кованым железом, изделие должно быть выковано кузнецом, нагревающим и молотящим его в форму.

Кованый железо использовали еще в 2000 г. до н.э. на Анатолийском полуострове (ныне Турция), и широко применяли в строительстве на протяжении 19-го века. Прогресс металлургии в 20 веке сделал станочную обработку и сварку проще и дешевле. Дороговизна и трудоемкость кузнечного дела привели к концу крупномасштабного коммерческого производства в середине 1970-х. Это значит, что большинство настоящих кованых изделий сегодня — либо антиквариат, либо специальные изделия, выкованные местными мастерами.

Что такое чугун?

Чугун может относиться к ряду железных сплавов, но чаще всего ассоциируется с серым чугуном. Несмотря на название, это не чистое элементарное железо (Fe) — это сплав, содержащий 2–4% углерода, плюс небольшие количества кремния и марганца. Другие примеси, такие как сера и фосфор, также распространены.

Чугун получают плавкой железной руды или расплавом чугуна (промежуточного продукта добычи железа) с добавлением лома и других сплавов. Жидкую смесь льют в формы и дают остыть и затвердеть.

Результат — прочный, но хрупкий. Из-за более высокого содержания углерода чугун затвердевает как гетерогенный сплав, то есть содержит несколько компонентов, или материалов в разных фазах, в своей микроструктуре.

Эта смешанная микроструктура придает чугуну его уникальные физические свойства. Внутренние частицы углерода создают внутренние точки напряжения, способствующие разрушению. Чугун тверже, хрупче и менее пластичен, чем кованый железо. Его нельзя гнуть, растягивать или ковать в форму, так как низкое предел прочности на растяжение означает, что он разрушится до изгиба или искажения. Однако он обладает хорошей прочностью на сжатие.

Литье значительно менее трудоемко, чем производство кованого железа, и было основной формой производства на протяжении 18-го и 19-го веков. Появление стали и автоматизированных технологий обработки сократило роль литья в некоторых отраслях, но оно остается экономичным и широко используемым процессом во многих других. Хотя сталь почти полностью вытеснила чугун в строительстве, чугун остается популярным для изделий со сложными формами, которые легче отлить, чем обработать на станке. Чугун менее реагирует с материалами форм, чем сталь, и имеет более низкую точку плавления, что делает его более текучим.

Высокопрочный чугун: прочность и универсальность

Высокопрочный чугун (덕тайл), также известный как нодулярный чугун — современная уникальная форма чугуна, разработанная исследователями в 1940-х. Они обнаружили, что добавлением выборочных сплавов — изначально магниевомедного сплава, позже церия — могут манипулировать атомами углерода для формирования иной микроструктуры, чем в обычном чугуне. Микроструктура высокопрочного чугуна предотвращает образование трещин, давая металл с преимуществами чугуна без хрупкости.

Высокопрочный чугун можно производить в различных марках для достижения высокой вязкости и предельного прочности на растяжение. Аустемперированный высокопрочный чугун, произведенный с дополнительной термической обработкой, имеет еще лучшие механические свойства и износостойкость.

Высокопрочный чугун также демонстрирует относительно малую усадку при остывании, что делает его идеальным для точного литья. Его часто используют «как отлитое» (as-cast), то есть без термической обработки. Это может снизить производственные затраты, особенно в долгосрочной перспективе.

Коррозионные соображения

И чугун, и кованый железо подвержены коррозии, когда голые поверхности контактируют с кислородом во влаге. Это проблематично для уличных сред с почти постоянным воздействием осадков и влажности. В отличие от других металлов, формирующих защитный оксидный слой, железо со временем ржавеет и полностью сходит чешуей.

Для предотвращения ржавчины железные изделия должны покрываться для изоляции. Краска — распространенное покрытие для защиты голого металла. Порошковое покрытие — другой метод, идеальный для уличной мебели, более подверженной износу в зонах высокого трафика. Порошковые покрытия высокодолговечны и не выгорают, не сколятся и не трескаются длительное время.

Историческое сохранение

От Линкольна, Массачусетс до Линкольна, Небраска до Линкольна, Онтарио — Северная Америка богата историей. У каждого города есть история, и здания в этих городах сыграли не меньшую роль в формировании прошлого, чем люди.

При восстановлении исторических зданий с архитектурным железом и металлоработами качество и аутентичность критичны. Крупные наружные элементы — облиматели, ворота, заборы, фонарные столбы, парковые скамейки — играют значительную роль в создании атмосферы, верной историческим временам. Современные литейные цеха могут воспроизводить ранние металлоработы, беря дизайн из исторических чертежей или самих оригинальных конструкций.

За дополнительной информацией о чугуне или запросом котировки на индивидуальный проект — свяжитесь с нами.

Источники

• Encyclopedia Britannica. «Cast iron».
• Encyclopedia Britannica. «Wrought iron».
• Engineer's Handbook. «Cast Iron».
• Ductile Iron Society. «Ductile Iron Data for Design Engineers».