Серый чугун СЧ20

Автор: Волков Семён

Дата публикации: 25 Августа 2024

Характеристики электрошлаковой сварки для чугунов и серого чугуна СЧ20: чугун является относительно недорогим конструкционным материалом. Он получил обширное применение почти во всех сферах машиностроения благодаря своим ценным литейным и технологическим свойствам. Из серого чугуна производят станины, ползуны прессов, корпуса редукторов, маховики, шестерни и многое другое. Использование высокопрочных и ковких чугунов делает возможной замену стального литья.

При производстве крупногабаритных конструкций часто требуется применение сварочных процессов для соединения отдельных литых элементов и устранения дефектов литья.

Большое количество углерода значительно уменьшает пластичность чугуна, затрудняя применение сварки и требуя разработки специфических методов. Например, при дуговой сварке деталей или устранении дефектов литья необходимо предварительно и в процессе сварки нагревать металл до 600-650℃, чтобы избежать возникновения трещин из-за прокаливания околошовной зоны. В случае холодной сварки чугуна важно обеспечить необходимую степень графитизации металла шва и околошовной зоны при быстром охлаждении.

Теплофизические характеристики и технические параметры электрошлакового процесса дали возможность успешно применять его при сварке чугунных деталей значительного сечения в процессе создания и ремонта конструкций. Благодаря широким возможностям регулировки термического цикла при ЭШС удалось значительно снизить вероятность отбеливания металла шва и прилегающей зоны. В ИЭС имени Е. О. Патона впервые осуществили сварку образцов из серого чугуна толщиной 30-100 мм. Электрошлаковая сварка выполняется с использованием флюса АНФ-6 и электродов большого сечения, совпадающих по составу с основным металлом, с регулируемым сварочным током в пределах 600-900 А, при напряжении в шлаковой ванне 36-38 В и зазоре между кромками 40-43 мм. Проведённые исследования химического состава, структуры и механических свойств сварного соединения показали, что они соответствуют требуемым нормам и являются вполне удовлетворительными.

Модифицированный магнием высокопрочный чугун сложнее сваривать, чем стандартный серый чугун. Параметры ЭШС металла толщиной 100 мм с использованием пластинчатых электродов сечением 18 x 100 мм представлены в таблице ниже.

В процессе ЭШС магниевого чугуна главная цель заключается в формировании ферритно-перлитной структуры с округлым ферритом без отбеленных зон. Это способствует достижению высоких механических характеристик сварного соединения. В таблице 9.56 показан химический состав (%) металла шва, который практически не зависит от режима.

Увеличение удельной энергии сварки приводит к отбеливанию металла шва из-за высокой скорости охлаждения сварочной ванны и наличия магния. При низком уровне магния графит проявляется в шаровидной форме, а с увеличением удельной энергии в шве формируется пластинчатый графит, что вызывает образование трещин. Устранить зоны с пластинчатым графитом можно путем повышения содержания магния и увеличения количества графитизаторов. В зоне термообработки отбела не обнаруживается.

Для обеспечения стабильных механических характеристик сварного соединения рекомендуется использовать флюсы, уменьшающие содержание фосфора в металле шва.

При устранении дефектов литья с помощью ЭШС (прохладные и непрохладные крупные раковины, трещины и прочее), а также изломов и трещин, возникающих за время использования, необходимо удалять поврежденные участки и подготавливать кромки для сварки механическим способом. На рисунке ниже приведены примеры подготовки дефектных мест для электрошлаковой сварки.

Техника ЭШС чугуна с использованием электродов большого сечения в автоматическом режиме или стержней в полуавтоматическом способе практически идентична сварке стальных заготовок и арматуры. Минимально допустимая площадь поперечного сечения дефекта должна составлять 9-10 см². В случае если площадь дефекта превышает 80-90 см², его необходимо разбить на участки с помощью графитовых или чугунных пластин-проставок и произвести сварку поочередно.

Дефекты сечением более 30 см² рекомендуется заваривать с использованием сварочного автомата. Предварительный подогрев осуществляется шлаковым методом с применением неплавящихся электродов. В отдельных ситуациях можно использовать заварку всего сечения неплавящимся электродом, периодически добавляя небольшие порции шихты в шлаковую ванну, чтобы избежать опасности переохлаждения. Результаты механических испытаний образцов, изготовленных из сварного соединения, приведены в таблице ниже.

Стоит отметить исследования по электрошлаковой сварке (ЭШС) чугуна с использованием стальных электродов марок Ст3 или Ст4 под флюсом АН-348-А. Введение в шлак мела (2-3%) увеличивает его активность в связывании серы и фосфора. В ходе изучения свойств сварочного шва были получены отличные результаты.

Анализ характеристик ЭШС чугуна показывает, что использование данного метода, отличающегося высокой степенью механизации и производительности, при изготовлении сварно-литых конструкций и устранении дефектов предоставляет значительные преимущества как в плане качества сварных соединений, так и с точки зрения механизации процесса.

Одним из важных аспектов при работе с чугунами является контроль за температурным режимом, особенно при сварке и литье. Острые колебания температуры могут вызвать термические напряжения и деформации, что особенно опасно для крупных литых изделий. Поэтому правильная термообработка и использование соответствующих технологий нагрева и охлаждения критичны для обеспечения качества и долговечности конечных продуктов.

Сложные формы и крупные размеры изделий из серого чугуна требуют особого подхода в проектировании литейных форм. Необходимо учитывать особенности усадки чугуна и расположение литниковых систем, чтобы минимизировать риск появления дефектов и обеспечить равномерное заполнение формы расплавленным металлом.

Хотя серый чугун содержит значительное количество углерода, что снижает его пластичность, он также характеризуется хорошей теплоемкостью и устойчивостью к коррозионному воздействию. Это делает СЧ20 подходящим материалом для изготовления различных компонентов, работающих в условиях повышенных температур и агрессивных сред.

Использование современных методов контроля качества, таких как ультразвуковая дефектоскопия и рентгеновская проверка, позволяют своевременно выявлять возможные дефекты в готовых изделиях из серого чугуна и принимать необходимые меры для их устранения или предупреждения.

Технологические особенности производства СЧ20

Производство серого чугуна марки СЧ20 характеризуется рядом специфических технологических этапов, которые обеспечивают получение материала с требуемыми свойствами. Основные технологические процессы включают:

• Подготовка шихты
• Плавка чугуна
• Формовка и заливка
• Охлаждение и выбивание
• Термическая обработка

Подготовка шихты

Шихта для производства СЧ20 включает в себя смесь рудных и топливных материалов, а также добавки, которые улучшают свойства конечного продукта. В её состав входят:

• Чугунных лом
• Стальной лом
• Коксовый уголь
• Флюсы (известь, доломит, и т.д.)

Все составляющие тщательно перемешиваются и распределяются для равномерного плавления в доменной печи.

Плавка чугуна

Процесс плавки осуществляется в доменной или индукционной печи. Во время плавления выполняются следующие операции:

1. Шихта загружается в печь слоями.
2. Происходит нагрев до температур 1200-1300°C.
3. Проводится продувка кислородом для удаления примесей и регулирования содержания углерода.
4. Добавляются легирующие элементы для улучшения свойств.

Результат плавки – расплавленный металл, готовый к дальнейшей обработке.

Формовка и заливка

Для придания изделиям нужной формы используется технология формовки. Основные этапы включают:

• Изготовление песчаных форм или металлических кокилей.
• Подготовка формы – чистка, смазка.
• Заливка расплавленного металла в подготовленные формы.

Охлаждение и выбивание

После заливки формы остаются в покое до полного затвердения металла. Охлаждение может происходить как естественным образом, так и ускорено, например, путем обдува потоками воздуха. Затем выполняются:

• Выбивание отливок из форм
• Обрубка литников и заливочных систем
• Очищение поверхности изделий от остатков формовочной смеси

Термическая обработка

Заключительный этап производства СЧ20 включает в себя термическую обработку, которая повышает механические свойства материала. Основные методы:

• Закалка
• Отжиг
• Нормализация

Эти методы позволяют улучшить структуру материала, увеличить его прочность и износостойкость.

Таким образом, технологический процесс производства серого чугуна марки СЧ20 представляет собой сложную последовательность операций, которые обеспечивают высокое качество конечного продукта.

Преимущества и недостатки СЧ20

СЧ20 представляет собой марку серого чугуна, который имеет широкий спектр применения благодаря своим физическим и механическим характеристикам. Однако, как и у любого материала, у СЧ20 есть свои плюсы и минусы. Рассмотрим их более подробно.

• Преимущества СЧ20:

  • Высокая прочность. СЧ20 характеризуется хорошей механической прочностью, что делает его подходящим для изготовления деталей, работающих под значительными нагрузками.
  • Отличные литейные свойства. Легкость в обработке и отливке позволяет получать изделия сложной формы с минимальными затратами.
  • Износостойкость. Благодаря высокой износостойкости СЧ20 часто используется для деталей, подвергающихся трению.
  • Низкая стоимость. Производство СЧ20 является экономически выгодным, что делает этот материал доступным для разнообразных промышленных применений.
  • Хорошая обрабатываемость. СЧ20 легко поддается механической обработке, что ускоряет процесс производства конечных изделий.

• Недостатки СЧ20:

  • Хрупкость. Несмотря на свою прочность, СЧ20 является достаточно хрупким материалом и склонен к разрушению при ударных нагрузках.
  • Плохая пластичность. Низкий уровень пластичности ограничивает использование СЧ20 в компонентах, требующих значительных деформаций.
  • Коррозионная активность. Серый чугун СЧ20 подвержен коррозии, что может ограничить его применение в агрессивных средах.
  • Ограниченная термостойкость. При высоких температурах материал может терять свои механические свойства, что также сужает область его применения.

Понимание преимуществ и недостатков СЧ20 позволяет более осознанно подходить к выбору этого материала в зависимости от предъявляемых требований и условий эксплуатации. Таким образом, можно максимально эффективно использовать его свойства и минимизировать возможные риски и недостатки.

Сравнение СЧ20 с другими марками серого чугуна

СЧ15 отличается относительно низкой твердостью и прочностью, что ограничивает его использование в деталях, которые не подвержены сильным механическим нагрузкам. Тем не менее, его высокая теплопроводность делает его пригодным для использования в теплообменниках и других деталях, для которых важно эффективное рассеивание тепла.

СЧ20 является более универсальной маркой серого чугуна. Благодаря микроструктуре, включающей хлопьевидный графит, он обладает сбалансированными характеристиками твердости, прочности и хорошей обрабатываемостью. Это делает его популярным выбором для изготовления корпуса двигателей, цилиндров, коленчатых валов и других машинных деталей.

СЧ25 и СЧ30 имеют более высокую прочность и твердость по сравнению с СЧ20. Эти марки чугуна обычно используются в тех случаях, когда требуется повышенная износостойкость и прочность при растяжении. Однако за это приходится платить снижением теплопроводности и повышенной стоимостью материалов.

Таким образом, выбор марки серого чугуна зависит от конкретных требований к конечному изделию. СЧ20 представляет собой компромисс между механическими свойствами, теплопроводностью и экономической целесообразностью, что делает его востребованным материалом в широком спектре приложений.

Сравнение СЧ20 с другими марками серого чугуна

СЧ20 представляет собой одну из наиболее используемых марок серого чугуна, благодаря своим уникальным характеристикам и сбалансированному химическому составу. Для более полного понимания его места среди других марок, рассмотрим ключевые различия и сходства.

Во-первых, СЧ20 имеет сравнительно высокую твердость и прочность благодаря стабильному содержанию углерода (3.2-3.4%) и кремния (1.8-2.2%). Это делает его подходящим для изготовления деталей, которые подвержены умеренным механическим нагрузкам. В то время как СЧ15 имеет более низкое содержание кремния, что снижает его твердость и делает его более подходящим для менее нагруженных деталей.

Во-вторых, улучшенная обрабатываемость СЧ20 за счет более мягкой структуры позволяет использовать его в производстве сложных форм и деталей с точными геометрическими параметрами. На фоне СЧ25, отличающегося повышенным содержанием углерода (до 3.5%) и большей твердостью, СЧ20 является более гибким и менее подверженным образованию трещин при механической обработке.

Третий аспект, на который следует обратить внимание, это теплопроводность. СЧ20 имеет хорошие теплопроводные свойства, что делает его востребованным в производстве теплообменной аппаратуры и радиаторов. По сравнению с СЧ18, который имеет несколько лучшие теплопроводные свойства, СЧ20 все же удерживает разумный баланс между прочностью и теплопроводностью.

Кроме того, СЧ20 обеспечивает оптимальное соотношение цена-производительность. В сравнении с более высокими марками, такими как СЧ30, стоимость производства СЧ20 получается ниже, что выгодно для массового производства деталей и конструкций.

Однако стоит учитывать и такие факторы, как износостойкость и долговечность. Например, СЧ28 обладает высокой износостойкостью, что делает его предпочтительным для деталей, подвергающихся интенсивному трению. СЧ20 в этом аспекте занимает среднее положение, что следует учитывать при выборе материала в зависимости от условий эксплуатации.

Таким образом, СЧ20 является универсальной маркой серого чугуна, обладающей хорошим балансом между твердостью, обрабатываемостью и стоимостью. Он может быть эффективным выбором для широкого спектра приложений, если внимательно учесть требования конкретного применения и сравнить его характеристики с другими марками серого чугуна.