Сварка и резка чугуна

Иванов Б. Г., Журавицкий Ю. И., Левченков В. И.

Машиностроение, 1977 г.

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 (Fe—FeS), 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.