Сварка и резка чугуна

Раздел ГРНТИ: Сварка
Иванов Б. Г., Журавицкий Ю. И., Левченков В. И.
Машиностроение, 1977 г.

Ссылка доступна только зарегистрированным пользователям.
Сварка и резка чугуна

СВАРОЧНЫЕ  СВОЙСТВА ЧУГУНА.
 
Способность металлов образовы­вать неразъемное соединение с заданными свойствами оценивается понятием свариваемость. Свариваемость — изменяемая характе­ристика и зависит не только от свойств свариваемых металлов (химического состава, структуры и т. д.), но и от способа и режи­мов сварки, состава присадочных материалов, флюсов и пр.
 
Протекание физико-химических процессов (диффузия в жидком и твердых состояниях, способность образовывать жидкие и твер­дые растворы, кристаллизация наплавленного металла), которые приводят к образованию неразъемного соединения, называют фи­зической (принципиальной) свариваемостью. Способностью сва­риваться обладают все однородные металлы, образующие рас­творы и смеси эвтектического или неэвтектического состава. Не соединяются сваркой плавлением металлы и сплавы, не обладаю­щие взаимной растворимостью в жидком состоянии и образующие хрупкие химические соединения.
Чугун с точки зрения физической свариваемости относится к группе хорошо свариваемых металлов, так как обладает неогра­ниченной растворимостью основного и присадочного металла в жидком состоянии (за исключением меди и некоторых других металлов), возможностью диффузии в твердом и жидком состоя­ниях и образованием твердых растворов.
Способность металла свариваться еще не определяет возмож­ность получения сварного соединения, отвечающего предъявляе­мым к нему требованиям (работоспособность, экономичность и т. д.). Металл шва и околошовной зоны обычно по многим пока­зателям заметно отличается от основного металла. Эти отличия, даже при хорошей физической свариваемости, могут приводить к низким свойствам сварного соединения в целом.
Поэтому принято способность основного металла при данной технологии образовывать сварное соединение без нарушения сплошности, искажения форм и снижения его качества характе­ризовать технологической свариваемостью. Это понятие зависит от состояния технологических процессов, по мере совершенство­вания которых ранее трудносвариваемые материалы становятся хорошо свариваемыми. Состояние современной сварочной техники показывает, что все материалы, обладающие физической свари­ваемостью, могут образовывать удовлетворительные сварные сое­динения. При этом трудносвариваемые материалы требуют при­менения более сложной технологии сварки. С точки зрения тех­нологической свариваемости чугун относится к трудносвариваемым металлам.
Получение углерода в связанном или структурно-свободном состоянии зависит от химического состава чугуна, условий кри­сталлизации и остывания сплава, а также режима последующей термообработки. Получение серых чугунов требует замедленного охлаждения сплава. По мере повышения скорости охлаждения увеличивается вероятность получения белых чугунов.
Углерод, кремний, алюминий, никель, кобальт, медь способ­ствует графитизации чугунов. Сера, ванадий, хром, молибден, марганец, оказывают обратное действие, т. е. препятствуют рас­паду карбидов железа и выделению свободного углерода.
Углерод снижает температуру плавления сплава и повышает его жидкотекучесть. С повышением содержания углерода в сплаве увеличивается количество и размеры графитовых включений, что снижает вероятность отбела, но в то же время ухудшает механи­ческие свойства чугуна.
Кремний  уменьшает растворимость углерода в железе, так как межатомные силы связи с железом у него большие, чем у угле­рода. В то же время кремний является наиболее сильным графитизирующим элементом. Это действие особенно заметно при со­держании его —3%, дальнейшее увеличение сказывается менее заметно, поэтому в присадочных прутках для создания в шве благоприятных условий графитизации содержание кремния со­ставляет несколько более 3%. Большое влияние на структуру чу­гуна оказывает суммарное соотношение концентрации углерода и кремния. При сварке применяют присадочные прутки, как пра­вило, эвтектического состава.
Марганец стабилизирует карбиды, т. е. способствует отбелу чугуна. Однако это его свойство проявляется наиболее сильно при содержании в сплаве более 1,5% Μη. При меньших количе­ствах он оказывает даже положительное влияние на процесс гра­фитизации и, кроме того, устраняет отрицательное влияние серы, образуя с ней сернистый марганец (MnS), плохо растворимый в жидком и твердом чугуне и сравнительно легко удаляемый из металла в шлак.
Сера в чугунах является вредной примесью. Она не только вы­зывает отбел чугуна, но образуя по границам зерен сравнительно легкоплавкую эвтектику (FeFeS), способствует образованию горячих трещин. Верхний предел содержания серы в чугунах 0,10%.
Фосфор в сплаве увеличивает жидкотекучесть и понижает тем­пературу затвердевания чугуна, способствует его графитизации. Вместе с тем фосфор  увеличивает склонность чугуна к образова­нию трещин. Содержание его в чугунах обычно не превы­шает 0,2%.
Повышенное содержание хрома, молибдена и других элемен­тов, увеличивающих прокаливаемость металла, приводит к повы­шению твердости в зоне термического влияния.
Чугунам свойственна склонность к образованию в сварном соединении структур отбела и закалки, трещин и пор. Структура наплавленного металла определяется условиями и кинетикой его кристаллизации, которая в значительной мере зависит от усло­вий сварки: скорости охлаждения, состояния жидкого металла и химического состава. Достаточно хорошо изучена роль этих фак­торов при изготовлении отливок. При сварке, когда получение жидкого металла протекает в совершенно иных условиях (ско­рости охлаждения сварочной ванны и наплавленного металла весьма велики), данные вопросы требуют специального рассмотре­ния.
При всех способах сварки плавлением для локального расплав­ления металла применяются мощные источники тепловой энер­гии, позволяющие вводить в ограниченный объем большое коли­чество теплоты, создавать значительное местное повышение тем­пературы. Это приводит, как правило, к значительному перегреву расплавляемого при сварке металла.
Сварочная ванна образуется путем смешивания наплавляемого металла с расплавляемым основным. При дуговой сварке темпе­ратура капель достигает 2100—2500° С при средней температуре ванны около 2000° С [13]. Таким образом, при сварке перегрев металла значительный. В литейной практике считается, что чу­гун значительно перегрет, когда его температура достигает 1500°С. Перегрев чугуна изменяет его химический состав (в том числе содержание газов), оказывает влияние на вязкость, поверхност­ное натяжение, переохлаждение при кристаллизации.
 
Состояние жидкого чугуна обусловливается не только нагре­вом, но и выдержкой при этой температуре, модифицированием и другими методами обработки в процессе кристаллизации, исход­ными шихтовыми материалами и режимом плавки (сварки). Мо­дифицирование, продувка газами и другие методы обработки жид­кого чугуна воздействуют на степень графитизации, форму, раз­меры и распределение графита. Подготовка шихтовых материалов также оказывает влияние на процессы кристаллизации и структурообразование чугуна. Высокий перегрев металла, вызываемый процессом горения дуги; выдержка жидкой ванны, регулируемая температурой предварительного подогрева и техникой сварки (ско­рость перемещения электрода, сварка валиками или ванным спосо­бом и т. п.); подготовка сварочных материалов и введение в состав покрытия электрода, в порошковую проволоку или керамический стержень модифицирующих добавок — все эти вопросы тре­буют глубокого изучениями учета при разработке технологии сварки.