Химический состав и его влияние на структуру и свойства СЧ 20

Химический состав и его влияние на структуру и свойства СЧ 20

Химический состав СЧ 20 по ГОСТ 1412-85

Химический состав приведен в таблице 1.

                                                                                                               Таблица 1   

Углерод	Кремний	Марганец	Фосфор	Сера
3,3-3,5 %	1,4 - 2,4 %	0,7 - 1,0 %	< 0,2 %	< 0,15 %

Влияние химического состава на структуру и свойства СЧ 20

Кремний. Уменьшает растворимость углерода в жидком и твердом растворах, способствует графитообразованию. Поэтому с увеличением содержания кремния механические свойства высокоуглеродистых чугунов понижаются. Каждый процент кремния уменьшает содержание углерода примерно на 0,3 %, то есть изменяет степень эвтектичности чугуна.

Углерод и кремний. Оказывают количественное влияние не только на структуру чугуна, но также и на дисперсность структурных составляющих. При повышении углеродного эквивалента С, увеличивается графита Г, снижается количество перлита П и одновременно укрупняются включения графита и уменьшается дисперсность перлита П. Поэтому для повышения прочности чугуна необходимо снижать содержание углерода и кремния (только до определенного предела из-за возможного появления структурно-свободного цементита и ухудшения механических свойств), что приводит к получения дисперсного перлита, уменьшению содержания феррита и графита, а также измельчению последнего.

Марганец. Образует с углеродом карбиды Mn₃C и Mn₃C₄ и ряд твердых растворов, с серой сульфид марганца, который почти не растворяется в железе. Марганец растворяется в феррите и соединяется с углеродом, образуя прочные карбиды, что повышает прочность чугуна и несколько снижает вязкость. Таким образом, марганец в чугуне нейтрализует вредное влияние серы. Марганец является раскислителем и десульфуратором, он уменьшает количество закиси железа и серы в чугуне, которые препятствуют графитизации. Марганец снижает температуру превращения γ—α, расширяет область γ-раствора и способствует стабилизации и повышению дисперсности перлита.

Сера. Соединяется с железом, образуя легкоплавкую эвтектику Fe+FeS с температурой  плавления 985 °С. В жидком чугуне сера может растворяться в неограниченном количестве, а в твердом - незначительно. Сера, присутствующая в виде сульфидов, богатых железом или в виде эвтектики, сильно тормозит графитизацию в низкомарганцовистых чугунах, снижает механические свойства из-за образования на границах зерен хрупкой эвтектики. Сульфидные соединения увеличивают вязкость чугуна, ухудшают жидкотекучесть и механические свойства и увеличивают количество цементита и перлита в структуре чугуна – появляется отбел в тонких сечениях отливок. Отбел получается вследствие того, что сульфиды железа, имея низкую температуру плавления, кристаллизуются по границам зерен и препятствуют растворимости углерода, кремния в железе и распаду цементита.

Фосфор. Уменьшает растворимость углерода в чугуне и температуру эвтектического превращения. Фосфор при содержании до 0,3 % полностью растворяется в чугуне, а свыше 0,3 % образует фосфидную эвтектику, плавящуюся при 950 ° С. При содержании свыше 0,6-0,7 % фосфора, фосфидная эвтектика выделяется в виде сплошной сетки, расположенной по границам кристаллов. Поэтому в чугуне для ответственных отливок должно быть не более 0,15-0,20 % фосфора. Он повышает жидкотекусть, на графитизацию влияет незначительно.

Свойства сплава

Модифицирование СЧ 20

Цель модифицирования серого чугуна – это получение в отливках однородной перлитной структуры с мелкопластинчатым графитом. В качестве модификаторов используют силикокальций (0,3-0,8 % массы жидкого чугуна), ферросилиций (0,3-0,8 %) и графит в виде порошка (0,06-0,1 %). Модификаторы перед вводом в жидкий чугун рекомендуется прокаливать при 300-400° С. Модифицирование увеличивает прочность серого чугуна и его износостойкость, улучшает плотность, теплостойкость, и обрабатываемость. Хорошие результаты дает модифицирование с легированием.

СЧ 20 – это перлито-ферритный серый чугун, состоит из перлита, феррита, графита, после модифицирования магнием – из перлита, феррита и шаровидного графита. Он менее прочен по сравнению с перлитным, так как пластинки графита в нем крупнее. СЧ 20 более мягкий и легче подвергается механической обработке.

 

Рисунок 1 – Структура СЧ 20

 

Рисунок 2 – Структура перлито-ферритного чугуна:

а) до модифицирования б) после модифицирования

Принцип действия печи

Индукционная печь работает по принципу трансформаторной передачи энергии индукцией от первичной цепи к вторичной. Подводимая к первичной цепи энергия переменного тока превращается в электромагнитную, а затем во вторичной цепи вновь превращается в электрическую, а затем и в тепловую. Индукционные тигельные печи также называют печами без сердечников. Печи представляют собой плавильный тигель, выполненный из огнеупорного материала, как правило, цилиндрической формы, помещенный внутрь катушки индуктора, подключенного к переменному току. Металлическая шихта загружается в тигель и подвергается нагреву, за счет своего внутреннего электросопротивления. Таким образом, первичной обмоткой трансформатора служит индуктор, а вторичной обмоткой и одновременно нагрузкой - расплавленный металл. Магнитный поток от индуктора в той или иной степени проходит по шихте, поэтому для работы печи важное значение имеют магнитные свойства расплавляемого металла, а также размеры и формы кусков шихты. Когда в тигель загружают ферромагнитные материалы до момента достижения температуры точки Кюри (700-720°С) их магнитная проницаемость остается неизменной, а затем резко начинает падать. Другими словами, в первый период плавки металлическая шихта выступает в роли незамкнутого сердечника, а ее нагрев осуществляется не только за счет прохождения вихревых токов, но и за счет потерь перемагничивания. Мощность, а, следовательно, и тепло, выделяемое вихревыми токами, зависят от частоты электромагнитного поля. При промышленной частоте концентрация тепловой энергии не превышает несколько Вт/см², поэтому чаще всего применяются печи повышенной, высокой и сверхвысокой частоты, которые достигаются установкой специальных генераторов частоты. На выбор частоты печи существенно влияют два фактора: 1) емкость тигля; 2) размеры кусков шихты.

Конструкция

Индуктор и футеровка, основной частью которых является тигель, располагается в корпусе печи. Конструктивные детали располагаются вне индуктора на небольшом расстоянии от него, то есть находится в области, пронизываемой магнитным потоком, поэтому в металлических деталях могут возникать вихревые токи, вызывающие нагрев. В некоторых случаях для некрупных печей корпус выполняют из непроводящих материалов. У печей значительной емкости узлы несущей конструкции защищают от внешнего поля индуктора. Это может быть магнитопровод в виде вертикальных пакетов трансформаторной стали, располагающихся вокруг индуктора, или экран между индуктором и корпусными деталями в виде сплошного кожуха из листового материала с низким электросопротивлением.

Выбор огнеупорной футеровки

Материал футеровки, наряду с огнеупорностью, должен быть устойчивым по отношению к химическому и физическому действию металла, шлака и газов в печах. В наибольшей степени таким требованиям удовлетворяют кислая футеровка – кварцитовая (96-99% SiO₂), из кварцевых песков, динасовая, шамотная, основная – магнезитовая (88-97% MgО), доломитовая, магнезитохромовая, нейтральная футеровка – силлиманитовая (45-70% Al₂O₃, 40-20% SiO₂), муллитовая, корундовая, цирконовая.

Для выплавки СЧ 20 выбираем кислую динасовую футеровку. Они стойкие и более дешевые. Кислую футеровку изготавливают из кремнеземистых огнеупорных материалов (в нашем случае кварцита) с содержанием окиси кремния не менее 93-98%.

В качестве связующего (упрочняющего) материала применяют сульфидно-целлюлозный экстракт, а в качестве минерализатора добавляют 1-1,5% борной кислоты.

Зерновой состав огнеупорной массы следующий: 5% зерен 3-2 мм; 50% зерен 2-0,5 мм и 45% зерен менее 0,5 мм. Кислая футеровка выдерживает, как правило, 80-100 плавок.

 

 

Выбор шихтовых материалов

Основными материалами, входящими в состав металлической шихты при плавке чугуна, являются доменный чушковый чугун, лом чугунный и стальной, брикетированная чугунная и стальная стружка, возврат собственного производства (литники, скрап, бракованные отливки). В качестве добавок в зависимости от марки выплавляемого чугуна используют ферросплавы: ферросилиций, силикокальций, ферромарганец.

Для плавки СЧ 20 в качестве металлической шихты выбираем передельный чугун, стальной лом Ст 20, возврат собственного производства, ферросилиций и ферромарганец.

Передельный чугун отличается от литейного чугуна меньшим содержанием кремния и, следовательно, большим содержанием углерода. Этот чугун обладает меньшей склонностью к выделению спели, содержит в меньшем количестве неметаллические включения, поэтому он при прочих равных условиях характеризуется большей жидкотекучестью. Передельный чугун имеет пониженное содержание марганца. При применении передельного чугуна, взамен литейного, для получения жидкого металла с требуемым содержанием кремния, необходима добавка последнего в шихту в виде доменного ферросилиция или электропечного ферросилиция. Недостающее количество марганца легко восполняется ферромарганцем. Применение в составе шихты чугуноплавильных печей передельного чугуна, взамен литейного доменного (даже с учетом стоимости ферросплавов) приводит к удешевлению стоимости этой шихты.

Также в шихту вводим стальной лом (40-50%) для уменьшения содержания углерода в чугуне. К стальному лому относятся обрезки листового и сортового железа, рельсы, болты, стальные детали и т.д.

Ферросплавы вводят в качестве раскислителей и в качестве модификаторов при плавке чугуна. Для СЧ 20 вводится ферросилиций и ферромарганец.

Расчет шихты на компьютере

Исходные данные для расчета

 Таблица 5 – Химический состав чугуна СЧ 20

 

Основные компоненты, %				Примеси, %, не более
Железо (Fe)	Углерод (C)	Кремний (Si)	Марганец (Mn)	Сера (S)	Фосфор (P)
Основа	3,3…3,5	1,4…2,4	0,7…1,0	< 0,15	< 0,2

Таблица 6 – Шихтовые материалы

№	Наименование компонентов	Хим. состав, %						Сумма всех элементов	Цена за 1 кг, руб	% шихтового материала без учета угара
		С	Si	Mn	S	P	Fe
1	Возврат чугун СЧ 20	0,36	0,27	0,65	0,045	0,04	98,635	100	10	30
2	Ст. лом Ст20	0,2	0,3	0,45	0,05	0,02	98,98	100	6	24,8
3	Передельный чугун	0,36	0,27	0,65	0,045	0,04	98,635	100	15	45,09
4	Ферросилиций ФС75	0,1	80	0,5	0,03	0,05	19,32	100	100	0,01
5	Ферромарганец ФМн90	0,2	2,0	85	0,03	0,03	12,74001	100	130	0,1

 

Рисунок 3- Расчет шихты

Плавка в ИЧТ

В начале плавки 5-10 мин печь работает до прекращения скачков тока генератора на пониженной мощности, затем мощность доводят до максимальной. Плавку ведут при закрытом тигле. Когда шихта частично расплавится, твердые куски осаживают ломиком, предварительно выключив ток, затем печь догружают оставшейся более мелкой шихтой, предварительно подогретой. Стальной лом присаживают обычно в жидкую ванну, ферросплавы – в хорошо разогретую ванну до 1430-1450 °С.

Список используемой литературы

1. Титов Н.Д., Степанов Ю.А. Технология литейного производства. М., «Машиностроение», 1974, 472 с.

2. Могилев В.К., Лев О.И. Справочник литейщика: Справочник для профессионального обучения рабочих на производстве. – М.: Машиностроение, 1988. – 272 с.: ил.

 

Химический состав и его влияние на структуру и свойства СЧ 20