Глава XIV. Сварка чугуна, цветных металлов и сплавов, наплавка твердых сплавов

§ 65. Сварка чугуна

Чугунами называют железоуглеродистые сплавы, содержащие углерода свыше 2,0%. Распространенные марки чугунов обычно содержат 2,5-4% углерода, 1-4,5% кремния, 0,2 - 1,5% марганца, примесь фосфора и серы.

Углерод в чугуне находится либо в химически связанном состоянии (карбиды железа в виде ледебурита, первичного и вторичного цементита), либо в свободном состоянии, т. е. в виде графита. Поэтому структура чугуна зависит от количества углерода, находящегося в химически связанном состоянии, и может быть: перлитографитовая; феррито-перлито- графитовая; ферритографитовая. Чугуны различают по структуре, способам изготовления, химическому составу и назначению.

В зависимости от структуры различают следующие виды чугунов: белый и серый.

Белые чугуны содержат большую часть углерода, который находится в виде цементита, а меньшую часть в виде перлита. Эти чугуны очень хрупки, тверды, применяются редко и сварке не подлежат.

Серые чугуны содержат в своем составе углерод в виде структурного свободного графита, а основную металлическую часть чугуна в виде феррита и перлита.

По способу изготовления различают отливки из обычного и отливки из модифицированного чугуна. По химическому составу чугуны бывают нелегированные и легированные.

В зависимости от формы свободного углерода различают три вида серых чугунов: серый чугун с пластинчатым графитом, характеризующийся низкой пластичностью и прочностью; серый чугун с графитом завихренной или глобулярной формы (модифицированный чугун); ковкий чугун - чугун, имеющий форму графита в виде хлопьев.

Структура чугуна зависит от скорости охлаждения и от содержания в нем легирующих примесей. На рис. 92, а представлена схема влияния элементов на отбеливаемость чугуна. При низком содержании углерода и кремния получается белый чугун.

Рис. 92. Зависимость структуры чугуна от: а - концентрации элементов, б - содержания углерода и кремния, в - толщины стенок (скорости охлаждения) и суммарного содержания в нем углерода и кремния

На рис. 92, б показана зависимость структуры чугуна от содержания углерода и кремния, а на рис. 92, в - зависимость структуры от скорости охлаждения.

Чугун, основой которого является железо, содержит следующие химические элементы: углерод, кремний, марганец, серу, фосфор, магний и легирующие компоненты в виде хрома, никеля, молибдена и др.

Повышение содержания углерода в сплаве железо плюс углерод вызывает снижение температуры плавления и повышение его жидкотекучести, что является одной из причин невозможности сварки чугуна во всех пространственных положениях. Углерод в чугуне способствует выделению структурно- свободного графита, что снижает механические свойства чугуна.

Кремний в чистом железе растворяется до 14,3 %. Он уменьшает устойчивость карбидов и способствует выделению свободного графита. Увеличение содержания кремния в чугуне уменьшает усадку чугуна при затвердевании за счет увеличения количества выделяющегося графита. Чем выше содержание кремния, тем выше графитообразование, т. е. кремний способствует графитизации чугуна.

Марганец, молибден, хром, сера, ванадий препятствуют образованию графита.

Марганец с железом образует растворы любой концентрации и обладает большим сродством к сере, углероду и кислороду и находится в виде сульфида марганца (MnS) и железомарганцевого карбида [(Fe⋅Мn)₃⋅С].

Сернистый марганец плохо растворяется в жидком и твердом чугуне. Марганец является стабилизатором карбида. При увеличении содержания марганца увеличивается усадка чугуна и металл приобретает склонность к образованию горячих трещин.

Сера с железом образует сульфид железа (FeS), который представляет собой твердое, хрупкое вещество. Сульфид железа с железом образует эвтектику с температурой плавления 953°С. Эвтектика, затвердевая несколько позже основного металла (чугуна), выделяясь по границам зерен, способствует образованию горячих трещин.

Фосфор в железе растворяется до 0,3 %, но образует тройную эвтектику железа, цементита и фосфористого железа, которая представляет хрупкое вещество с температурой плавления 950 - 980°С. Эвтектика увеличивает жидкотекучесть чугуна. Фосфор не отбеливает и не графитизирует чугун. Увеличение фосфора в чугуне увеличивает его жидкотекучесть.

Магний, являющийся стабилизатором карбидов, способствует отбелу чугуна, но он, добавляемый в жидкий чугун, способствует выделению графита шаровидной формы.

В чугуне могут образовываться следующие структурные составляющие:

феррит - твердый раствор углерода в α-железе;

цементит - химическое соединение железа с углеродом;

перлит - смесь феррита с цементитом;

ледебурит - эвтектическая смесь цементита и перлита,

графит - особая форма углерода, наиболее мягкая и вместе с тем хрупкая составляющая чугуна.

Способы сварки

Сварка чугуна применяется в ремонтных целях и для изготовления сварнолитых конструкций. К сварным соединениям чугунных деталей в зависимости от типа и условий эксплуатации предъявляют требования по механической прочности, плотности (водонепроницаемость, газонепроницаемость) и обрабатываемости режущим инструментом. Обеспечить эти требования при сварке весьма сложно из-за физико-химических особенностей чугуна.

Трудности, возникающие при сварке чугуна, обусловлены, как правило, низкой стойкостью металла сварного соединения против образования трещин и плохой его обрабатываемостью на механических станках.

Низкая стойкость основного металла и металла около- шовной зоны против образования трещин характерна для чугуна пониженным запасом деформационной способности (пониженная прочность и пластичность).

Указанные особенности чугуна являются следствием нарушения сплошности его металлической основы включениями графита, а также склонностью его к отбелке и закалке даже при небольших скоростях охлаждения. Эти свойства чугуна определяются высоким содержанием углерода в нем.

Соединение чугунных деталей между собой выполняют газовой сваркой, пайкой, термитной сваркой, литейной сваркой, дуговой сваркой и электрошлаковой. Сварку ведут без подогрева (холодный способ сварки), с местным подогревом и с общим подогревом всего изделия. Для дуговой сварки используют угольные, графитовые, стальные и легированные электроды, а также электроды из цветных металлов. Подготовку мест под сварку выполняют механическим путем или огневым спосебом. Для удержания расплавленного металла сварочной ванны (чугун жидко текуч) применяют специальные формовки. Назначение формовки - удерживать расплавленный металл. Формовочная масса имеет следующий состав: кварцевый песок, замешанный на жидком стекле 40%, формовочная земля 30% и белая глина 30%.

Подготовленная к сварке деталь подвергается общему или местному подогреву до температуры 350 -450°С. Иногда для особо сложных деталей подогрев производят до температуры 550 -600°С.

Сварку выполняют как на переменном, так и на постоянном токе. Величину тока подбирают из расчета 50 - 90 А на 1 мм диаметра электрода.

Техника и технология сварки

Дуговая сварка угольным электродом. При дуговой сварке угольным электродом применяют в качестве электродов угольные или графитовые стержни. Присадочным материалом служат прутки чугуна, а для защиты и раскисления ванны применяют флюс, состоящий из технической безводной буры (Na₂B₄O₇), прокаленной при температуре около 400° и растертой в порошок. Иногда в качестве флюса применяют смесь, состоящую из 23% технической буры, 27% соды (Са₂СO₃) и 50% азотнокислого Натрия (NaNO₃).

Дуговая сварка чугунным электродом. В качестве электродов применяют литые стержни диаметром 8-12 мм. На стержни наносят специальные графитизирующие покрытия. Сварку производят на постоянном токе при обратной полярности как в горячем, так и в холодном состоянии. В состав покрытия входит графит, ферросилиций, термит, мрамор, алюминий (порошок), титановая руда и жидкое стекло.

Наплавка и сварка по способу Ростовского института инженеров транспорта. По этому способу наплавку производят чугунным электродом диаметром 7-8 мм по слою гранулированной шихты.

Применение большого тока, графитизаторов и защитного слоя шихты приводит к тому, что наплавленный металл получается мягким и обрабатывается обычным режущим инструментом. Отсутствие закалки в металле шва и в переходных зонах основного металла объясняется значительным разогревом основного металла и замедленным охлаждением. Этот способ занимает промежуточное положение между горячим и холодным способами сварки чугуна. Шихта состоит из чугунной стружки 30% ферросилиция 20%, алюминия 30 % и силикокальция 12 %. Основой служит жидкое стекло.

Холодная сварка чугуна. Холодная сварка чугуна - это такой способ сварки, когда местный или общий подогрев изделия отсутствует. Холодную сварку чугуна производят стальными электродами, электродами из цветных металлов и электродами из аустенитного чугуна.

Сварка стальными электродами. При сварке стальными электродами с целью образования прочного наплавленного металла в чугунное изделие завертывают шпильки, которые впоследствии обваривают. Такой способ применяют при ремонте тяжелых и громоздких чугунных деталей. При сварке чугуна стальными электродами металл шва обычно содержит повышенное количество углерода, вследствие чего имеет высокую твердость и подвержен образованию кристаллизационных и холодных трещин. Для снижения твердости металла шва при сварке стальными электродами применяют два способа.

Первым способом снижают в металле шва содержание углерода путем уменьшения глубины проплавления основного металла или процесс сварки ведут по слою окислительного флюса, содержащего до 30% окалины, где флюс выполняет функцию окислителя углерода.

Вторым способом получают химический состав и структуру металла шва, близкую по химическому составу и структуре серого чугуна, это достигается путем нанесения на стержень из углеродистой стали толстого графитизирующего покрытия, содержащего 30% ферросилиция и 30% графита.

Сварка медножелезными электродами. Для сварки чугуна применяют также и медножелезные электроды. Покрытие этих электродов состоит из основного типа, содержащего железный порошок. В качестве стержней применяют медь марки М2, М3 или ее сплавы.

Наиболее распространенными типами электродов являются электроды марки ОЗЧ-1 и МНЧ-1. Наплавленный металл этих электродов хорошо обрабатывается. Сварное соединение чугуна, выполненное этими электродами, представляет собой механическую смесь меди и железоуглеродистого сплава, соединенного с основным металлом общими кристаллами стали, а также путем частичной диффузии меди в микропоры чугуна.

Сварка железоникелевымн электродами. Электроды марки ЦЧ-3 и ЦН-ЗА изготавливают из железоникелевой проволоки с покрытием фтористо-карбонатного типа и применяют для сварки высокопрочных и серых чугунов.

Дуговая сварка электродами из аустенитного чугуна с токоподводящим покрытием. Эти электроды предназначены для заварки дефектов литья и ремонтной сварки. Сварку этими электродами ведут постоянным током при прямой полярности. Покрытие этих электродов имеет хорошую электропроводность, и поэтому дуга горит попеременно между металлическим стержнем и изделием, а также между покрытием и изделием.

Механизированные способы сварки чугуна. Чугун иногда сваривают полуавтоматической и электрошлаковой сваркой. Полуавтоматическая сварка выполняется с применением порошковой проволоки и дает достаточно хорошие результаты. Электрошлаковая сварка также обеспечивает удовлетворительные свойства сварного соединения из серого чугуна. При этом способе сварки применяют в качестве электродов литые чугунные пластины. Правильный подбор электродов при электрошлаковой сварке и применение фторидных обессеривающих и неокислительных флюсов, а также замедленное остывание шва и околошовной зоны, что характерно только для электрошлаковой сварки, позволяют получить сварные швы без отбеленных участков, трещин, пор и других дефектов, влияющих на качество сварного соединения.

Вопросы для самопроверки

1. Как влияет углерод и кремний на структуру и свойства чугуна?
2. Какие способы сварки чугуна существуют?
3. Какие электроды применяют для дуговой сварки чугуна?