книги из ГПНТБ / Елистратов, П. С. Сварка чугуна сталью

чения фактических скоростей охлаждения металла шва экспериментально определяли скорость охлаждения, ру­ ководствуясь общими теоретическими положениями расчетного метода. Для экспериментов были взяты пла­ стины серого чугуна с содержанием (%): общего угле­ рода 3,34, кремния 2,05, марганца 0,78, серы 0,09 и фос­ фора 0,285. Пластины размером 250X200X15 мм после

структура чугуна была ферритоперлитная, с крупными пластинами графита.

Сверху в средней части пластины простругивалась канавка шириной 9 мм и глубиной 5 мм, предназначен­ ная для заварки, что имитировало сварку стыкового шва. Заварка выполнялась электродами марки СЧС-ТЗ про­ изводства Брянского машиностроительного завода диа­

ния скорости охлаждения пластин, кроме изменения ско­ рости сварки, применяли подогрев пластин до 100—200 и 500°С. Замер температуры металла ванны производи­ ли термопарой ПП-1, горячий конец которой погружали в затвердевающую сварочную ванну. Погружение термо­ пары производили в тот момент, когда сварочная ванна находилась на середине шва. Запись температуры про­ изводилась регистрирующим потенциометром при скоро­ сти перемещения ленты 6 мм/с. По полученным данным были рассчитаны скорости охлаждения металла ванны для семи различных интервалов температур, представ­ ляющих наибольший интерес для структуры металла:

в интервале 1200— 1100 °С может происходить обра­ зование первичного графита при затвердевании жидко­ го металла;

винтервале 1200—700 °С металл находится в моди­ фикации y-Fe и скорость охлаждения имеет значение для процессов, происходящих в аустените;

винтервале 900—700 °С происходят эвтектоидные превращения и скорость охлаждения определяет полу­ чающиеся структуры;

в интервале 1200—300 °С происходят практически все структурные превращения и скорость является средней;

130

винтервале 700—300 °С происходят послеперлитные превращения;

винтервале 700—500 °С происходят образование и формирование перлитных структур и верхнего бейнита;

в интервале 500—300 °С образуются нижний бейнит

иигольчатые троостомартенситные структуры. Применяемые режимы сварки и полученные скорости

охлаждения приведены в табл. 9. Из данных таблицы видно, что диапазон изменения скоростей довольно боль­ шой. Скорость сварки и температура пластин имеют су­ щественное значение для скорости охлаждения металла шва. При этом изменение скорости сварки оказывает более существенное влияние на скорость охлаждения, чем соответствующие изменения температуры подогрева пластины.

Скорость охлаждения металла шва зависит от ин­ тервала температур, в котором она замерялась. Причем эта зависимость обратно пропорциональная. Величина скорости зависит также от максимальной температуры, в данном интервале температур наблюдается пропор­ циональная зависимость. На скорость охлаждения вли­ яет и сила тока: чем меньше она, тем больше скорость охлаждения. С учетом изложенного функциональную за-

Т а б л и ц а 9

Р ежимы сварки и скоро сть охлаж д ения металла ш ва в интервалах тем ператур

висимость скорости охлаждения металла шва от пере­ численных факторов выразим в виде соотношения

где ис — скорость сварки; Тп— максимальная темпера­ тура интервала температур, в пределах которого заме­ ряется скорость охлаждения; Т0— минимальная темпе­ ратура этого интервала; I — сила тока. Составленная по этому уравнению номограмма [48] позволяет опреде­ лять скорость охлаждения для принятых параметров.

Особенность кристаллизации металла шва

При охлаждении жидкого металла шва до темпера­ туры затвердевания происходит процесс кристаллизации его. Металл шва представляет собой железоуглероди­ стый сплав, температура плавления которого зависит от содержания углерода. По высоте сварного шва содержа­ ние углерода неодинаково: в верхних слоях оно мини­ мально— 0,1—0,3%, на границе металла шва со свари­

участка будет различной, разница в отдельных случаях составляет 300—350 °С.

При кристаллизации в первую очередь образуются кристаллы наиболее тугоплавкой фазы — в нашем слу­ чае сталь / участка. Металл IV участка будет кристал­ лизоваться в последнюю очередь, находясь под уже за­ твердевшим слоем металла верхних участков. Однако наклон сварочной ванны, подвод тепла сверху и отвод его снизу вносят изменения в нормальную схему кри­ сталлизации. Вследствие этого кристаллизация начнет­ ся с нижней части кристаллизующегося металла, как это показано на схеме сварочной ванны (см. рис. 18). Причем нижняя часть ванны, где располагается III уча­

132

сток шва, непосредственно соприкасается с твердым и более холодным металлом, а верхняя часть / участка — с более нагретым металлом. Это обеспечивает довольно равномерную кристаллизацию по всей поверхности со­ прикасания жидкого металла с твердым и снижает эф­ фект влияния содержания углерода на температуру плавления.

Рис. 29. Схема распределения углерода и температуры плавления по участкам металла шва: а — участки; б — распределение (/ — темпе­ ратура плавления; 2 — содержание углерода)

В пределах каждого кристаллизующегося слоя ме­ талла главные оси дендритов будут иметь направление от стенки ванны к центру ее. Вторичные ветви дендритов более интенсивно растут у основания главных осей — вблизи холодных стенок ванны. Это резко затормажи­ вает конвективную диффузию и препятствует выравни­ ванию химического состава, который происходит по механизму молекулярной диффузии. Поэтому образую­ щийся диффузионный слой при кристаллизации оста­

133

ется неизменным. Вследствие этого можно считать, что процесс кристаллизации не вносит изменения в распре­ деление легирующих элементов в сварочной ванне.

Структура металла шва

Структура металла шва определяется тем, что ме­ талл представляет собой железоуглеродистый сплав, ох­ лаждаемый с той или иной скоростью. Мы не учитываем при этом кремний, марганец и другие элементы, посколь­ ку их в сплаве содержится мало и существенного влияния на структуру они не оказывают. Так как ме­ талл шва характеризуется неравномерным распределе­ нием углерода по высоте шва (в нижней части его боль­ ше, а в верхней меньше), то это определяет неравномер­ ность структуры по высоте шва. Преобладающими структурными составляющими металла шва являются феррит и цементит. При этом в наибольших количествах феррит наблюдается в верхней части шва, а цементит — в нижней. Иногда наблюдаются и троостомартенситные выделения. Форма выделений феррита и цементита раз­ нообразная: чаще всего они выделяются в виде сетки разной толщины вокруг зерен перлита, иногда образуют самостоятельные включения — дендриты тех или иных размеров. Наиболее характерными являются структуры валика металла, наплавляемого на чугун. Краткая ха­ рактеристика этих структур по трем участкам, согласно рис. 29, приведена в табл. 10.

I участок шва (верх наплавленного валика). В этом участке чаще всего выделяются феррит и перлит в раз­ личных соотношениях, но иногда образуются и другие структурные составляющие. При наложении валика с малой скоростью больше наплавляется электродного металла и высота валика преобладает над глубиной про­ плавления, что снижает содержание углерода в металле валика. Это способствует выделению феррита в преобла­ дающем количестве. Малая скорость сварки замедляет скорость охлаждения наплавленного металла, способ­ ствуя выделению феррита при эвтектоидном превраще­ нии. Однако благоприятное соотношение Лі//г2 имеет большее значение, чем скорость охлаждения. Напри­ мер, если сравнить структуру металла, полученного при режимах №1 и 11, скорость охлаждения в интервале

134

Т а б л и ц а 10

Краткая характеристика структур металла валика, наплавленного по режимам, приведенным в табл. 9

С труктура металла по участкам

П р и м е ч а н и е . Ф—феррит; П—перлит; Ц—цементит; М—мар­

а структуры получены разные. При наплавке по режиму № 11 в структуре преобладал перлит из-за большой ско­ рости наплавки — меньшей высоты валика. Поэтому для получения более мягкого металла шва предпочтение на­ до отдавать сварке на малых скоростях и при малой си­ ле тока.

Форма структурных выделений разнообразна. Может образовываться грубый феррит с включениями перлита (рис. 30, а). Иногда феррит образует сетку вокруг зерен перлита. При большей скорости сварки может образо­

скорости охлаждения и скорости сварки образовывается троостомартенситная структура (рис. 30, г). Такая структура получилась при наплавке валика по режиму № 3, когда в области мартенситных превращений ско­ рость охлаждения была 70 °С/с.

135

11 участок шва (низ наплавленного валика). В ниж­ ней части этот участок граничит с зоной сплавления, по­ этому содержание углерода в металле участка больше и он более чувствителен к скорости охлаждения. Из структурных составляющих здесь преобладает перлит в сетке избыточного цементита — это уже заэвтектоидпая сталь. Иногда появляются мартенсит и даже аустенит.

Рис. 30. Структур« металла / участка шва (верх наплавленного валика)

Структура почти чистого перлита приведена на рис. 31, а, а на рис. 31, б — структура перлита с прожилками цементита, которые иногда бывают более густыми (рис. 31, в), и даже наблюдается выделение аустенита (рис. 31, г). Такие структуры характерны для металла, на­ плавленного по режимам № 3 п 6, когда при большой скорости сварки создаются высокие скорости охлажде­ ния при малой высоте валика.

136

Ill участок шва (зона сплавления). Этот участок непосредственно граничит с твердым чугуном, поэтому содержание углерода в нем максимальное, если процесс окисления происходил недостаточно эффективно. В та­ ком случае металл участка будет представлять собой чугун с малым содержанием углерода. При обычных скоростях охлаждения процесс графптпзацип полностью

Рис. 31. Структура металла II участка шва (низ наплавленного металла)

пройти не успевает, здесь образуется ледебурит в виде полоски, окаймляющей твердую фазу исходного чугуна. При неблагоприятных условиях это широкая полоска, плотно заполненная цементитом (рис. 32, а, тип А). Иногда полоска очень узкая (рис. 32Д тип Б), иногда рваная, состоящая из тонких прожилок цементита (рис. 32, в, тип В). В том случае, когда окисление углерода расплавленного металла прошло полностью и сталь ме­ талла шва непосредственно соприкасается с твердым чу-

137

тип Г). Такая безледебуритная структура участка сплав­ ления образуется в двух случаях: или при очень боль­ шой скорости охлаждения малого объема металла (ре­ жим № 3), или при малой скорости охлаждения в ин­ тервале температур интенсивной графмтизацни 1200—

1000°С, когда чугун участка сплавления успевает графитизироваться (режимы № Ю и И).

Обычно структура участка сплавления характеризу­ ется некоторыми промежуточными типами структур. При оптимальных режимах сварки чаще всего образу­ ется структура типа В — ледебурит присутствует в не­ больших количествах, ширина полоски — сотые доли миллиметра.

С увеличением числа слоев при многослойных швах содержание углерода в металле снижается. Это соответ­

138

ственно сказывается и на структуре металла — выявля­ ется преобладание ферритной составляющей, начиная со второго слоя, третий-четвертый слои имеют структу­ ру почти чистого феррита. При этом структура первого (нижнего) слоя претерпевает некоторые превращения в сторону более мягких составляющих.

Зона сплавления — наиболее ответственный участок сварного соединения. Здесь наблюдаются непровары, шлаковые включения, газовые раковины, снижающие прочность сварного соединения, а также самые разно­ образные (в пределах данного химического состава) структурные составляющие, что влияет на свойства сварного соединения. При этом особое значение имеет наличие цементита (ледебурита) в структуре металла, так как эта очень твердая и хрупкая составляющая вли­ яет на механические (снижение пластичности) и техно­ логические (затруднение обрабатываемости режущим инструментом) свойства сварного соединения. О нали­ чии цементита в зоне сплавления можно судить не толь­ ко по данным металлографического анализа, но и по твердости: чем выше она, тем больше цементита (леде­ бурита). Однако величина твердости позволяет судить не только о наличии цементита, но и о размерах цементитных выделений.

Следует указать, что общую твердость металла зоны сплавления правильнее находить, применяя шарик диа­ метром 10 мм. В этом случае под шариком оказывается весь комплекс структур, определяющий общую твер­ дость металла. При таких испытаниях приложенная на­ грузка Р и площадь сферического отпечатка шарика F определяют собой твердость металла:

Я = -у- кГ/мм2,

или

Р = HF.

Площадь отпечатка F, полученная в зоне сплавления, состоит из части площади, занимаемой цементитом Fn, и из другой части, занимаемой более мягкими составляю­ щими — чугуном F4:

F = Fn + F4.

139