Технология сварки чугунов.

Свойства и структура чугуна. К чугунам относятся сплавы железа с углеродом, содержание которого превышает 2,11%. В этих сплавах обычно присутствует также кремний и некоторое количество марганца, серы, фосфора, а иногда и другие элементы, вводимые как легирующие добавки для придания чугуну определенных свойств. К числу таких легирующих элементов можно отнести никель, хром, магний и др.

В зависимости от структуры чугуны подразделяют на белые и серые. В белых чугунах весь углерод связан в химическое соединение карбид железа Fе₃С — цементит. В серых чугунах значительная часть углерода находится в структурно-свободном состоянии в виде графита. Если серые чугуны хорошо поддаются механической обработке, то белые обладают очень высокой твердостью и режущим инструментом обрабатываться не могут. Поэтому белые чугуны для изготовления изделий применяют крайне редко, их используют главным образом в виде полупродукта для получения так называемых ковких чугунов. Получение белого или серого чугуна зависит от его состава и скорости охлаждения. В зависимости от структуры чугуны классифицируют на высокопрочные (с шаровидным графитом) и ковкие. По степени легирования чугуны подразделяют на простые, низколегированные (до 2,5% легирующих элементов), среднелегированные (2,5-10% легирующих элементов) и высоколегированные (свыше 10% легирующих элементов). Шире всего используют простые и низколегированные серые литейные чугуны.

Чугун получил широкое распространение как конструкционный материал в машиностроительной, металлургической и других отраслях промышленности в связи с невысокой стоимостью и хорошими литейными свойствами.

Свариваемость чугуна. Сварочный нагрев и последующее охлаждение настолько изменяют структуру и свойства чугуна в зоне расплавления и околошовной зоне, что получить сварные соединения без дефектов с необходимым уровнем свойств оказывается затруднительно. В связи с этим чугун относится к материалам, обладающим плохой технологической свариваемостью. Тем не менее сварка чугуна имеет большое распространение как средство ремонта чугунных изделий, а иногда и при изготовлении конструкций. Качественно выполненное сварное соединение должно обладать необхо­димым уровнем механических свойств, плотностью и удовлетворительной обрабатываемостью.

Причины, затрудняющие получение качественных сварных соединений, следующие:

высокие скорости охлаждения металла шва и зоны термического влияния, соответствующие термическому циклу сварки, приводят к отбеливанию чугуна, т.е. появлению участков с выделениями цементита. Высокая твердость отбеленных участков практически лишает возможности обрабатывать чугуны режущим инструментом;

вследствие местного неравномерного нагрева металла возникают сварочные напряжения, которые в связи с очень незначительной пластичностью чугуна приводят к образованию трещин в шве и околошовной зоне. Наличие отбеленных участков создает дополнительные структурные напряжения, способствующие трещинообразованию;

интенсивное газовыделение из сварочной ванны, которое продолжается и на стадии кристаллизации, может приводить к образованию пор в металле шва;

повышенная жидкотекучесть чугуна затрудняет формирование шва и удержание расплавленного металла от вытекания.

В зависимости от способов преодоления трудностей существуют три технологических направления сварки чугуна:

технология, обеспечивающая получение в металле шва чугуна;

технология, обеспечивающая получение в металле шва низкоуглеродистой стали;

технология, обеспечивающая получение в металле шва сплавов цветных металлов.

Технология сварки, обеспечивающая получение в металле шва чугуна. Наиболее радикальным способом борьбы с образованием отбеленных и закаленных участков и возникновением трещин является предварительный подогрев. Если температура предварительного подогрева находится в пределах 600-650 °С, сварку называют горячей; если Т_пп — 400-450 °С, сварку называют полугорячей. При отсутствии подогрева сварка называется холодной.

Технологический процесс горячей сварки состоит из следующих операций: подготовка изделия под сварку; предварительный подогрев деталей; сварка; последующее охлаждение.

Подготовка под сварку зависит от вида исправляемого дефекта. Однако во всех случаях подготовка дефектного места заключается в тщательной очистке от загрязнений , Для предупреждения вытекания жидкотекучего металла сварочной ванны, а в ряде случаев для придания наплавленному металлу соответствующей формы место сварки формуют. После формовки необходима просушка формы при постепенном подъеме температуры от 60 до 120 °С, затем проводят дальнейший подогрев под сварку со скоростью 120-150 °/ч — в печах или временных нагревательных устройствах. Замедленное охлаждение после сварки достигается при укрывании изделий теплоизолирующим слоем (листами асбеста, засыпкой песком, шлаком и др.) или при охлаждении вместе с печами.

Горячая сварка чугуна позволяет получать сварные соединения, равноценные свариваемому металлу (по механическим характеристикам, плотности, обрабатываемости и др.), однако это трудоемкий и дорогостоящий процесс. Вместе с этим в ряде случаев к сварным соединениям чугуна не предъявляются высокие требования. Часто, например, достаточно обеспечить только равнопрочность или только хорошую обрабатываемость или плотность сварных швов. С помощью различных металлургических и технологических средств можно получить сварные соединения чугуна с теми или иными свойствами при сварке с невысоким подогревом или вовсе без предварительного подогрева (т.е. с помощью полугорячей или холодной сварки).

В этом случае для предупреждения отбеливания необходимо обеспечить такой состав металла шва, для которого в этих условиях будет получаться структура серого чугуна с наиболее благоприятной формой графитных включений. Это может быть достигнуто путем введения в наплавленный металл достаточно большого количества графитизаторов и легирования чугуна элементами, например магнием. Примером таких электродов могут служить электроды марки ЭМЧ, стержень которых представляет собой чугун с повышенным (до 5,2%) содержанием кремния и двухслойное покрытие: первый слой — легирующий, второй — обеспечивает газовую и шлаковую защиту:

1-й слой

Графит 41%

Силикомагний 40%

Железная окалина 14%

Алюминий (порошок) 5%

2-й слой

Мрамор 50%

Плавиковый шпат 50%

Относительная масса каждого слоя 15-20%

Технология сварки, обеспечивающая получение в металле шва низкоуглеродистой стали. Если выполнить наплавку на чугун электродами, предназначенными для сварки углеродистых или низколегированных конструкционных сталей, то в первом слое даже при относительно небольшой доле участия основного металла получится высокоуглеродистая сталь, которая при скоростях охлаждения, имеющих место в условиях сварки без предварительного подогрева изделия, приобретает резкую закалку. Поэтому металл первого слоя будет иметь высокую твердость, низкую деформационную способность и окажется подверженным образованию трещин, а также пористости. Во втором слое доля участия чугуна уменьшится, однако содержание углерода в нем будет находиться еще на высоком уровне, что также приведет к закалке и возможному образованию трещин. В последующих слоях доля участия чугуна окажется незначительной и металл шва будет обладать определенным уровнем пластичности.

В связи со сказанным стальные электроды можно применять только для декоративной заварки небольших по размерам дефектов.

При сварке чугуна низкоуглеродистыми электродами общего назначения наиболее слабое место сварного соединения — околошовная зона у границы сплавления. Хрупкость этой зоны и наличие в ней трещин нередко приводят к отслаиванию шва от основного металла. Для увеличения прочности сварного соединения, когда к нему не предъявляется других требований (например, при ремонте станин, рам), применяют стальные шпильки, которые частично разгружают наиболее слабую часть сварного соединения — линию сплавления.

Однако более рационально применение специальных электродов, позволяющих ввести в металл шва сильный карбидообразователь — ванадий. В этом случае в шве образуются карбиды данного элемента, не растворяющиеся в железе и имеющие форму мелкодисперсных нетвердых включений. Металлическая основа при этом оказывается обезуглероженной и достаточно пластичной. Примером могут служить электроды марки ЦЧ-4 со стержнем из низкоуглеродистой проволоки марки Св08А.

Область применения таких электродов — сварка поврежденных деталей и заварка дефектов в отливках из серого и высокопрочного чугуна. В случае необходимости можно также сваривать соединения серого и высокопрочного чугуна со сталью. Сварные соединения, выполненные этими электродами, имеют удовлетворительную обрабатываемость, плотность и достаточно высокую прочность. К способам, обеспечивающим получение в наплавленном металле низкоуглеродистой стали, можно также отнести механизированную сварку короткими участками электродной проволокой марок Св08ГС или Св08Г2С диаметром 0,8-1 мм в углекислом газе.

Технология сварки, обеспечивающая получение в металле шва сплавов цветных металлов. Для получения швов, обладающих достаточно высокой пластичностью в холодном состоянии, применяют электроды, обеспечивающие получение в наплавленном металле сплавов на основе меди и никеля. Медь и никель не образуют соединений с углеродом, но их наличие в сплаве уменьшает растворимость углерода в железе и способствует графитизации. Поэтому, попадая в зону неполного расплавления, прилегающую к шву, они уменьшают вероятность отбеливания. Кроме того снижается вероятность образования трещин в зоне термического влияния. Для сварки чугуна используют медно-железные, медно-никелевые и железо-никелевые электроды.

Сварку медно-железными электродами всех типов следует выполнять таким образом, чтобы не допускать сильного разогрева свариваемых деталей: на минимально возможных токах, обеспе­чивающих стабильное горение дуги, короткими участками вразброс, с перерывами для охлаждения свариваемых деталей.