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

Н а п р я ж е н и е н а д у г е. Повышение напряжения несколько снижает глубину проплавления, однако в тех пределах изменения напряжения, которое обычно имеет место при средних режимах сварки чугуна, его можно считать не влияющим ии на /гь ни на Іі\Ці2.

С к о р о с т ь с в а р к и . Увеличение скорости сварки снижает глубину проплавления, однако отношение hi/h2 изменяется незначительно. Это вызвано тем, что с повы­ шением скорости сварки несколько снижается и усиле­ ние валика. По-видимому, можно считать, что в тех пре­ делах изменения скорости сварки, которые имеют место

выполнять при перпендикулярном расположении элек­ трода по отношению к плоскости свариваемого изделия и при расположении углом вперед или углом назад. Сварка углом вперед способствует снижению глубины проплавления, но при этом также снижается и усиление валика; сварка углом назад оказывает противоположное влияние. Поэтому угол наклона может оказывать неко­ торое влияние на величину отношения hi/h2.

Р о д т о к а и п о л я р н о с т ь . Некоторое снижение глубины проплавления наблюдается при сварке на пере­ менном токе и па обратной полярности по сравнению со сваркой на прямой полярности.

С в а р к а п у ч к о м э л е к т р о д о в . Сварка (паплавка) валиков может производиться пучком электро­ дов, например диаметром 4—5 мм по два и три электро­ да в пучке. Пучок можно составить и из четырех-шести прутков диаметром 2 мм и сварку производить при соот­ ветствующих значениях силы тока. Полученные данные показывают, что во всех случаях наблюдается увеличе­ ние глубины проплавления, так же как и отношения /іі//і2, по сравнению с наплавкой одиночным электродом.

С в а р к а по у л о ж е н н о й в шов п р о в о л о к е . В этом случае можно снизить 1і\ и Іі\/Іі2 и тем больше, чем больше диаметр уложенной проволоки приближа­ ется к диаметру электрода. Однако чрезмерное повыше­ ние диаметра уложенной проволоки может привести к непровару, во избежание чего надо увеличивать силу тока. Поэтому, хотя отношение h\/h2 и снижается, глу­ бина проплавления увеличивается.

60

70% не оказывает заметного влияния на /гь хотя hjhz несколько снижается.

П о л у а в т о м а т и ч е с к а я с в а р к а т р е х ф а з ­

фаз проводов. При этом /гі//г2 было также минимальным.

скорость подачи одной и другой проволок, можно изме­ нять Іц в широких пределах при неизменно малом hi/h2.

Не все из перечисленных факторов в равной степени приемлемы для снижения глубины проплавления. Наи­ большего внимания заслуживают снижение силы тока и увеличение вылета проволоки при полуавтоматической сварке. Полуавтоматическая, а также автоматическая сварка двумя проволоками, из которых одна является присадочной, сварка трехфазгюй дугой и другие методы громоздки и малоэффективны.

Влияние металлургических факторов на размеры шва

К числу металлургических факторов относятся такие, которые вызывают физико-химические взаимодействия, влияющие на hj и lii/h2. В первую очередь это связано с химическим составом сварочного и свариваемого мате­ риалов. Так, повышение степени эвтектичности чугуна снижает температуру его плавления, что при данном ре­ жиме сварки будет вызывать большую глубину проплав­ ления. При сварке чугуна сталью металл шва содержит углерода .меньше при сварке перлитных чугунов, чем при сварке ферритных. Поэтому при сварке ферритных чугу­ нов .для сниженяи hi и hi/h2 необходимо использовать технологические факторы.

Большое значение имеет состав сварочного материа­ ла. Так как при сварке чугуна сталью сварочная проволока~должна содержать минимум углерода и кремния,

61

Глава II

МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ОБРАЗОВАНИИ СВАРНОГО ШВА

4. ЛЕГИРОВАНИЕ МЕТАЛЛА ШВА

При сварке чугуна сталью металл сварочной ванны состоит из двух частей: электродного (стального) н ос­ новного чугуна. Более высокое содержание углерода и кремния в чугуне определяет процесс легирования сталь­ ной части этими элементами. Выше были приведены средние значения содержания углерода и кремния в ме­ талле шва для разных условий расплавления. Более точные данные о распределении углерода п кремния в металле шва можно получить, определив физико-хими­ ческое взаимодействие углерода и кремния с металлом шва (с железом как основной составляющей), а также проанализировав механизм и кинетику легирования в ус­ ловиях сварочного процесса.

Углерод и кремний в металле шва

цементита БезС; в виде ионного раствора, когда катион углерода (С3+ или С4+) находится в общей электронной массе вместе с катионами железа (Fe2+).

В настоящее время нет единых представлений о фор­ ме существования углерода в железе, так как существо­ вание каждой из перечисленных форм доказывается не­ достаточно убедительно. Так, Маршалл и Чипмен [32], рассматривая равновесие окиси углерода с жидким же­

G4

Есина и П. В. Гсльда [37]: остается поэтому неясным, находится ли углерод в ионном пли атомном состоянии или же он образует с частицами металла молекулы типа

Fe,С.

Количество углерода, которое может находиться в растворе с железом, определяется диаграммой состоя­ ния, увеличиваясь с повышением температуры. Соглас­ но данным Риста и Чипмеиа [38], в области заэвтектических сплавов растворимость углерода в зависимости от температуры описывается уравнением

смеси газов С0 + С 02 с углеродистым расплавом, Рист и Чипмеп получили уравнение для расчета концентрации атомной доли растворенного углерода в железе

Выражая концентрацию в весовых процентах, получаем

значение энтальпии свидетельствует о том, что процесс растворения графита в железе слегка эндотермнчеи, поэтому раствор углерода в железе не является идеаль­ ным. При рассмотрении процесса растворения, следова­ тельно, необходимо учитывать коэффициент активности углерода ус, который зависит от температуры и кон­ центрации углерода. Даркен и Гурри [39], рассматри­ вая активность углерода, заметили, что достоверных данных о связи активности с составом Fe—С пет. Они рекомендуют следующее уравнение для определения ко­

где Nс и jVfc— соответствующие доли (атомные) угле­ рода и железа в расплаве; а — коэффициент, который

6G

не зависит от состава, но зависит от температуры. Для обычных температур сварочного процесса величина этого коэффициента лежит в пределах 2—3. Имеется ряд дру­ гих уравнений [40—42] для расчета коэффициента ак­ тивности углерода с той или иной степенью точности. Обычно исследователи полагают, что при концентрации углерода в растворе [С]]>1% раствор можно считать идеальным и активность углерода равна его концентра­ ции, т. е. ус= 1; при более высоких концентрациях угле­

рода ус >1.

Кремний может находиться в металле шва или в виде атомов, или в виде катионов Si4+. Ионная форма крем­ ния в металле вероятна хотя бы вследствие того, что, находясь в IV группе периодической системы Менделе­ ева, кремний, как и углерод, во многом сходен с ним. Ион углерода С4+ и ион кремния Si/,+ могут образовывать с железом раствор внедрения. Радиус иона кремния ра­ вен 0,39 Â. Отношение радиусов ионов кремния и железа 0,39/0,82 = 0,47 позволяет предполагать в о з і м о ж н о с т ь

раствора внедрения и образование металлической связи с растворителем. Однако присутствие в металле ионов кремния экспериментально не обнаружено, а присутствие атомов кремния подтверждается. В таком случае процесс

личина которого, по данным разных авторов, лежит в пределах 19 600—28 500 кал/г-ат кремния. Во всех слу­ чаях максимальная теплота смешения жидких железа и кремния имеет место при 50 ат.% или 33 вес.% кремния. Поэтому можно полагать, что кремний образует с желе­ зом химическое соединение Fe—Si (силицид железа), что подтверждается экспериментально. Принято счи­ тать, что подавляющая часть кремния в растворе с же­ лезом находится в форме силицида железа.

В твердом состоянии встречаются и другие формы кремния согласно диаграмме состояния сплавов Fe—Si. Эта же диаграмма определяет и количество кремния, на­ ходящегося в растворе. Так, до концентрации 14,5% Si образуется «-твердый раствор кремния в железе, при повышении содержания кремния образуются более слож­ ные структуры. Так как в условиях сварки чугуна кон­ центрации кремния сравнительно низки (не более 4—

6%), то, следовательно, особый интерес представляет a -твердый раствор кремния в железе.

Активность кремния в растворе с жидким железом имеет отрицательное отклонение от величин соответству­ ющих идеальных растворов. При концентрациях кремния до 5—6% значение коэффициента активности, по дан­ ным Чипмена п Гокена [43], можно принять равным

Ysi = 0,0077.

Введение в железоуглеродистый расплав кремния со­ провождается рядом изменений в расплаве. Прежде всего изме­ няется растворимость углерода (рпс. 17) [35]. Снижение раст­ воримости углерода в железе

Рис. 17. Растворимость углерода в же­

лезе при соответствующем содержании кремния: / — 0%; 2 — 0,5; 3 — 1;

4 — 2\ 5 — 2,9; 6 — 3,7; 7 — 5%

то 1300 1500 тог,°с

при наличии кремния связано с тем, что связь атомов углерода с железом более слабая, чем связь атомов крем­ ния. Поэтому, присутствующий кремний вытесняет углерод из расплава, способствуя графитизацин — выделению сво­ бодного углерода в виде графита. Точно так же в присут­ ствии кремния температура мало влияет на растворимость углерода [44]

Присутствие кремния повышает температуру эвтектоидного превращения (точка 5' на диаграмме Fe—С) на 100—200°, при этом содержание углерода в эвтектонде снижается до 0,60—0,45%. Это значит, что кремний, спо­ собствуя выделению графита в период затвердевания, содействует увеличению количества перлита в структуре чугуна. Вследствие такого влияния кремния диаграмма состояния сплава Fe—С изменяется. Для ■правильного анализа сплава надо пользоваться тройной диаграммой сплава Fe—С—Si.

Механизм легирования

Легирование металла шва углеродом и кремнием происходит за счет основного свариваемого чугуна. В ле­ гировании участвуют твердый чугун, прилегающий к зо­

бе

пе сплавления, жидкий расплавленный чугун и жидкий наплавленный электродный металл. При этом легирую­ щие элементы перемещаются в твердом и жидком ме­ талле в направлении, обратном теплоотводу, т. е. в бо­ лее нагретую зону.

Жидкий металл сварочной ванны в общем случае со­ стоит из двух слоев: верхнего — стального и нижнего — чугунного. Наличие двух слоев определяется, во-первых, тем, что температура плавления чугуна (1150—1200 °С) ниже температуры плавления стали (1450—1480 °С) на величину около 300 °С. Поэтому под слоем стали, кото­ рая обычно нагрета выше температуры плавления, будет находиться слой чугуна. При условии неподвижности этих слоев можно определить толщину чугунного слоя, воспользовавшись данными Н. Н. Рыкалина [1] по опре­ делению максимальной температуры, создаваемой в металле движущимся точечным источником тепла. Рас­ считаем радиус изотермы с максимальной температурой

стали гс= 0,92 см, для чугуна гч= 1,025 см. В таком слу­ чае толщина слоя чугуна будет составлять 1,025—0,92 = = 0,105 см.

Характер расплавления чугуна сварочным пламенем также способствует образованию двух слоев. Действи­ тельно, при расплавлении чугуна сварочным пламенем в передней части ванны образуется жидкий чугун, который силой дутья дуги сдувается к задней стенке. Сверху на него наплавляется стальной слой в виде падающих ка­ пель, также сдуваемый к задней стенке и располагаю­ щийся над слоем чугуна. Это силовое воздействие сва­ рочного пламени, увлекая жидкий чугун, уменьшает толщину чугунного слоя в нижней части ванны.

Рассматривая схему сварочной ванны, видим, что ле­ гирование стального металла происходит как за счет

69