Лабораторные исследования чугунных банных печей "Сибирь"

Лабораторные исследования чугунных банных печей "Сибирь"

Что же такое чугун и почему он так востребован в печном деле?

Если уходить в теоретические аспекты производства чугуна для изготовления банных печей «Сибирь», то об этом можно сказать следующее.Процентное содержание углерода в чугуне составляет более 2,14 %, содержится он как в виде графитовых включений в свободном состоянии, так и в виде цементита.Чугун производят в специальных доменных печах. Основное сырье для получения чугуна – это железная руда. Технологический процесс заключается в восстановлении оксидов железа руды и получении на выходе другого материала – чугуна. Для изготовления чугуна используются следующее топливо: кокс, природный газ. Железоуглеродистые сплавы затвердевают с образованием эвтектики. Эвтектика – нонвариантная точка в системе из n компонентов, в которой находятся в равновесии n твердых фаз и жидкая фаза.

В зависимости от формы графитовых включений различают:

·        белый (углерод в виде карбидов);

·        высокопрочный (шаровидный);

·        ковкий (хлопьевидный);

·        серый чугун (пластинчатый).

Последний вид чугуна и используется при производстве топочной камеры банной печи «Сибирь». В таком виде графит присутствует в обычном чугуне. Этот чугун обладает повышенными свойствами пластичности.

К достоинствам серого чугуна относятся:

√ Может достаточно долго сохранять температуру, при нагреве тепло равномерно распределяется по материалу и остается в нем длительное время;

√ Является чистым экологичным материалом, не наносит вреда организму;

√ Отличается достаточно долгим сроком службы;

√ Отличные литейные свойства;

√ Отличная прочность и износостойкость. 

Первоначальный признак, благодаря которому серый чугун получил своё название – серый цвет, однако его можно наблюдать и у ковкого чугуна. Серый цвет чугуна зависит от количества свободного графита, а не от формы графитных включений в чугуне.

В классификации и названиях чугунов существует историческая путаница, которая особенно сильно наблюдается и мешает при работе с иностранными источниками научно-технической информации.

Существует несколько марок серого чугуна: СЧ 10, СЧ 15, СЧ 20, СЧ 25, СЧ 30, СЧ 35 (цифры в марке серого чугуна – значение предела прочности).

Структура серого чугуна

По строению металлической основы серые чугуны разделяют на перлитные, феррито-перлитные, ферритные.

Для обозначения компонентов структуры серого чугуна применяют условные обозначения по ГОСТ 3443-87.

Структура чугуна имеет первостепенное значение для получения заданных свойств отливки, поэтому требуется соблюдение технологических режимов плавки и заливки. Получить заданную структуру серого чугуна, избавиться от дефектов помогает операция модифицирования.

Фосфидная эвтектика

Это эвтектическая смесь фосфида железа, твердого раствора железа и цементита или графита.

Фосфидная эвтектика - твёрдая и хрупкая структурная составляющая чугуна. Количество фосфидной эвтектики в чугуне зависит от содержания в нём фосфора.

Фосфор в чугуне является полезной примесью, так как он улучшает жидкотекучесть чугуна - одно из главных свойств литейных сплавов. Объясняется это образованием в чугуне относительно легкоплавкой тройной (фосфидной) эвтектики. В момент затвердевания тройная фосфидная эвтектика состоит из аустенита, обогащённого фосфором, цементита и фосфида железа Fe₃P.

Переходим к практической части – делаем химический анализ чугунной топочной камеры банных печей «Сибирь».

Структурные исследования материалов.

Согласно найденному химическому составу образца, наблюдается пониженное содержание С, однако достаточное чтобы утверждать, что данный образец является чугуном (более 2,14 % С). Различие может быть обусловлено неоднородностью содержания углерода по всему объему заготовки, а также его содержания не только в свободном виде (графитных включений), но и в виде соединения Fe₃C, поскольку исследуемый чугун относится к перлитному (смесь фаз феррита и цементита). Такой вывод можно сделать, опираясь на изображение, приведенное на рисунке 8.

Таблица 1 – Химический состав в % пробы образца согласно испытаниям.

 Примеси.

Марганец ухудшает литейные и технологические свойства, но повышает прочность и твердость. Добавление серы позволяет существенно уменьшить жидко-текучесть и снизить тугоплавкость. Добавление фосфора одновременно дает возможность создать изделие сложной формы, но не дает ему повышенной прочности. Примесь в виде кремния делает температуру плавления не такой высокой и значительно улучшает свойства литья

Оптическая металлография

На подготовленных шлифах проводились металлографические исследования с использованием полуавтоматического микроскопа «Axio Observer Z1m» фирмы «Carl Zeiss». Далее приведены фотографии микроструктуры при различных увеличениях.

На изображениях 1-4 приведен снимок структуры нетравленого шлифа при различных увеличениях.

На рисунке 1 приведена структура при минимальном увеличении. Здесь мы можем наблюдать ярко выраженную дендритную структуру, характерную для отливок, что связано с особенностями кристаллизации расплава.

Рисунок 1 – Дендритная структура.

По следующему рисунку мы можем сделать вывод, что данный чугун является серым, графит находится в пластинчатой форме. Серый чугун обладает хорошими литейными свойствами (жидко-текучесть, малая объёмная усадка и т.п.) и применяется для изготовления отливок.

 Рисунок 2 – Структура

На следующем изображении мы можем наблюдать светлые участки, которые предположительно могут являться как фазой цементита, так и фосфидной эвтектикой. Также имеются темные участки, которые предположительно являются порами, но для определения их природы нужны дополнительные исследования.  

Рисунок 3

На последнем изображении наблюдается область пригара по краю шлифа. Пригар представляет собой плотно приставший к отливке неметаллический слой, состоящий из зерен песка, сцементированных чаще всего силикатным расплавом или металлом, относится к группе дефектов поверхности, предотвращается с помощью комплекса мер при процессе литья.

Рисунок 4 – Пригар.

Травление образца проводилось раствором азотной кислоты (HNO₃) путем смазывания образца. Структура образца после травления наблюдается на рисунке 5.

Рисунок 5

На рисунке 6 также отлично видна пластинчатая форма графита, а также области фазы, которая после травления осталась светлой.

Рисунок 6

По рисунку 7 видно, что данная структура является перлитной, эта структура хорошо просматривается после травления, однако и до травления ее можно было наблюдать. Перлитный серый чугун обладает достаточно высокими прочностными свойствами.

Рисунок 7

Рисунок 8

Рисунок 9

При максимальном увеличении было установлено, что светлые области являются фазой фосфидной эвтектики. Она является очень твердой, но хрупкой составляющей чугуна, повышает общую изностойкость детали. Вывод основывается также на сопоставлении с изображением, приведенным в металлографическом атласе.   

Рисунок 10

Оценка механических свойств исследуемых материалов

Определение предела прочности материала с помощью определения твердости, возможно, однако является косвенным, лишь для приблизительного определения значения.

Наиболее распространенным и простым является проба твердости по Бринелю (НВ), схема испытания приведена на рисунке 11. Определяется диаметром отпечатка при вдавливании в материал твердого шарика, диаметр отпечатка находится с помощью лупы, расчёт производится по специальной формуле. 

Рисунок 11 - Метод Бринелля: D - диаметр индентора; d - диаметр отпечатка; Р – нагрузка.

Согласно произведенным измерениям диаметры отпечатков равны: d₁=3,6 мм и d₂=3,8, таким образом значения НВ₁=285, НВ₂=255. Таким образом, среднее значение твердости по Бринелю будет составлять 270 НВ. Подставим это значение в формулу для расчета предела прочности:

σ_В=0,36*НВ= 97,2

Определение предела прочности металла таким способом дает погрешность в пределах ±7 %, что приемлемо для практических целей. Теоритическое значение предела прочности для СЧ 10 составляет 100 МПа, таким образом можно сделать вывод, что образец чугуна, используемый в исследованиях, принадлежал именно к этой марке.

По результатам лабораторных исследований можно сделать вывод о том, что топочная камера чугунных банных печей марки «Сибирь» отливается из серого чугуна марки СЧ-10.