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

твердого чугуна, так и за счет жидкого чугуна — жидкой чугунной прослойки под стальным слоем. В первом случае легирование будет происходить по механизму мо­ лекулярной диффузии, во втором—по механизму конвек­ тивной диффузии. Укажем три основные причины, вызы­ вающие перемещение — диффузию легирующих элемен­ тов от чугуна в сталь: концентрационный потенциал, или градиент концентрации; разная растворимость элемен­ тов в твердом и жидком растворителе; электрический потенциал, или напряженность электрического поля.

Наличие напряженности электрического поля в сва­ рочной дуге способствует перемещению легирующих эле­ ментов, поскольку они могут находиться в жидком ме­ талле в ионной форме. Однако, как показывает расчет [5], таким путем может переместиться очень незначи­ тельное количество вещества, которое можно не прини­

твердом и жидком металле: для кремния потому, что ко­ личество его в чугуне не достигает предела раствори­ мости в твердом металле; для углерода в связи с тем,

без заметного выделения углерода из твердого раство­ р а — аустенита. Таким образом, очевидно, что основной причиной перемещения элементов является концентра­ ционный потенциал. Это и следует учитывать при анали­ зе легирования.

Кинетика легирования при молекулярной диффузии

Для анализа кинетики легирования можно применить второй диффузионный закон Фика, выражаемый уравне­ нием

(64)

Решение этого уравнения для заданных краевых усло­ вий имеет вид

(65)

70

где C(.v, /) — искомая концентрация легирующего эле­ мента па расстоянии л: от границы контактирования за время t, в течение которого протекает диффузия; С0— начальная разность концентраций диффундирующего

элемента.

Чтобы воспользоваться этим уравнением, уточним значения входящих в него величии: х — длина пути, ко­ торый проходит диффундирующий элемент в твердой и

Рис. 18. Схема сварочной ванны п перехода электродного материала

жидкой фазах (отсчет значений х следует вести от гра­ ницы контактирования двух веществ с разной концент­ рацией данного элемента на глубину до установившейся концентрации); t — время диффузии, определяющееся длительностью периода контактирования, который можно установить из анализа положения и перемещения ванны

(рис. 18).

В первый момент существования сварочной ванны образуется жидкая фаза (точка 1), вступающая в кон­ такт с твердой фазой основного металла (чугуна). Этот контакт продолжается по мере продвижения ванны и только около некоторой точки 2 прекращается, так как уже подходит закристаллизовавшийся металл шва, ко­ торый отделяет жидкую фазу ванны от твердой основно­ го металла.

Как видно из схемы ванны, длину участка контактиро­ вания твердой и жидкой фаз можно принять равной по-

71

ловіше длины ванны. Для средних размеров ванны, по­ лучающейся при средних режимах сварки чугуна, длину ванны примем равной 15 мм. При скорости сварки, на­ пример 1 мм/с, время существования ванны будет 15 с. В таком случае время контактирования — время диффу­ зии— для расчетов можно брать 4—6—8 с.

К о э ф ф и ц и е и т д и ф ф у з и и. D—величина пе­ ременная, зависящая как оч температуры среды, в кото­ рой происходит диффузия, так и от концентрации в пен диффундирующего элемента. Данные по величине это­ го коэффициента немногочисленны, поэтому приходится ограничиваться некоторыми усредненными значениями с учетом условий сварки [45]. В последующих расчетах приняты следующие значения коэффициентов диффузии элементов.

ком металле по направлению от границы контакта (от чу­ гуна), обогащая жидкость легирующим элементом; 2) диффузия углерода и кремния происходит в твер­ дом чугуне по направлению к границе контакта, обед­

няя чугун.

При расчете принято, что твердый чугун имеет наибо­ лее благоприятный для легирования состав: углерода (общего) 3,5%, кремния 2%. Жидкая сталь содержит 0,1% углерода и 0,03% кремния. Прослойка жидкого чу­ гуна переменного состава: углерода 3,4; 2,5; 1,5%, крем­ ния 2; 1,5; 1%.

Результаты расчетов глубины диффузионных слоев для указанных случаев представлены иа рис. 19. Полу­ ченные данные позволяют отметить следующее.

1. Диффузия в твердом чугуне происходит очень мед­ ленно из-за малого значения коэффициентов диффузии, что вполне закономерно и совпадает с имеющимися дан­ ными других авторов. Глубина слоев твердого чугуна,

72

которые участвуют в диффузии, измеряется тысячными долями сантиметра. Поэтому для обычных режимов сварки обеднения слоев чугуна практически не происхо­ дит. Следовательно, в металл сварного шва углерод и кремнии попадают только из расплавленной части чугу­ на, что свидетельствует о значении глубины проплавле­ ния чугуна для легирования металла шва.

Рис. 19. Глубина диффузии углерода и кремния: а — а твердом чу­ гуне; б — в жидком металле ванны при разных исходных концентра­ циях этих элементов и времени диффузии (4, 6 и 8 с). Исходный состав металла: 1, 1'— 1,97% Si, 3,4% С; 2, 2'— 1,5% Si, 2,5% С; 3, 3' — 1,0% Si, 1,5% С

2. Диффузия в жидком металле значительна. Для наиболее благоприятных условий легирования (макси­ мальная начальная концентрация С и Si и наибольшая

ницы сплавления. Повышенное содержание углерода до 0,4—0,5% в стали наблюдается на глубине 0,05—0,06 лш.

73

концентрация С и Si поддерживается более устойчиво. Это способствует высокому легированию стали углеродом

икремнием.

4.Пользуясь первым диффузионным законом Фика, определим количество легирующего элемента, перехо­ дящего из чугуна в сталь:

чество углерода, переходящего из чугуна в сталь. Приня­ то: D = 70-10_6 см2/с, F—1 см2, С = 3%, t = 8 с. Для слоев,

расположенных на разной глубине, получены следующие количества С: при глубине слоя 10, 20, 30, 40, 50, 60-10—3 см количество С соответственно равно 16,8; 8,4; 5,6; 4,2; 3,3; 2,8-10-3%.

Как видим, количество перешедшего углерода очень мало и не может значительно повысить общее содержа­ ние углерода в металле шва. По-видимому, возможность диффундировать па большую глубину реализуется не всеми молекулами углерода, а толко незначительной частью их. В таком случае можно отметить, что в усло­ виях сварки только за счет молекулярной диффузии нельзя ожидать значительного изменения концентрации элементов в металле шва.

Кинетика легирования при конвективной диффузии

Металл расплавляемого электрода располагается на расплавленном слое чугуна, подвергаясь бомбардировке падающих капель. Силой давления дуги расплавленный металл отбрасывается к задней стенке ванны со ско­ ростью, соизмеримой со скоростью перемещения ванны (скоростью сварки). Отбрасываемые порции жидких чу­ гуна и стали при движении перемешиваются между со­ бой. Движение жидкости по отношению неподвижного дна и боковых стенок ванны неравномерно: сверху про­ исходит с максимальной скоростью, а внизу, в области контакта с твердым чугуном, скорость почти равна нулю. Затухание скорости происходит не мгновенно, а в слое

74

некоторой толщины 6. Этот слой называется погранич­ ным. Наличие этого слоя установил Мернет, а затем Прандтль. Изучению его посвящено много работ. Толщи­ на этого слоя невелика — доли миллиметра, но для про­ цесса легирования он имеет особое значение, так как в пределах его во всех случаях движения жидкости леги­ рование происходит по режиму молекулярной диффузии.

Таким образом, особенностью легирования в потоке жидкости является проявление двух различных механиз­ мов легирования. В. Г. Левин [46], рассматривая кон­ вективную диффузию, получил уравнение для расчета легирования в объеме потока, движущегося со ско­ ростью ѵ:

или

(v grad) с = DAc.

Эти уравнения конвективной диффузии сходны с уравне­ нием гидродинамики Навье — Стокса. Поэтому при ана­ лизе конвективной диффузии можно принять те же ме­ тоды решения, что и в гидродинамике, как это установил Д. Я- Франк-Каменецкий [13]. По порядку величины от­ ношение

(у grad) с ~ Ре,

DAc

где Ре — критерий Пекле. Он имеет и другое выражение:

ѴІ

Ре

~D

где V— скорость перемещения жидкости; і —• характер­ ный линейный размер; D—коэффициент диффузии. При­ няв и= ѵс—0,3 см/с, в качестве характерного линейного размера — гидравлический радиус сварочной ванны R = = 2 см и D = 0,7 ■ІО-4 см/с, получим

Ре = °’3'0,2 104= 860.

0,7

Это значение числа Пекле (довольно большое) показы­ вает, что в потоке преобладает конвективная, а не моле-

75

кулярпая диффузия. Поток ламннарсп, так как число Рейнольдса невелико:

0,3-0,2 = 1 2

V0,005

Всвязи с этим представляет интерес диффузионное число Праидтля, разное для рассматриваемого случая

Для чисел Праидтля это довольно большое значение, свидетельствующее о том, что в потоке конвективная диффузия преобладает над молекулярной. Поэтому мож­ но считать, что в основной массе металла легирование осуществляется перемешиванием двух жидкостей — чу­ гуна и стали. Этому в значительной степени способству­ ют падающие капли электродного материала, механи­ ческое взаимодействие которых с жидким металлом ван­ ны очень велико.

Однако следует помнить, что не вся жидкость ванны участвует в движении и, следовательно, конвективная диффузия охватывает не весь объем ванны: в нижней части ее образуется неподвижный слой жидкого чугуна толщиной б. С точки зрения гидродинамики наличие это­ го слоя определяется чрезмерно возросшей вязкостью жидкости вблизи неподвижной стенки. В условиях свар­ ки возрастание вязкости у стенок ванны связано также с падением температуры жидкого металла. С диффузион­ ной точки зрения пограничный слой характеризуется тем, что в нем происходит молекулярная диффузия. Для оп­ ределения порядка величины по толщине этого слоя вос­ пользуемся следующим приближенным уравнением [46]:

где у — расстояние точки слоя от переднего края ванны. Подставив в это уравнение средние значения входя­

щих величин, получим

б = У 0,7 • 10“4-0,005 ' / 0,3/0,3 = 0,031 см.

Как видим, этот слой довольно тонок. Толщина погранич­ ного слоя жидкости, определяемая только гидродинами­ ческими причинами, иная. Ее можно определить, согласно

76

данным Левина, по следующему приближенному урав­ нению:

краев из-за более низкой температуры. Поэтому можно ожидать, что наибольшей толщины диффузионный слой будет достигать у краев и задней стенки ванны, а наи­ меньшей — в средней части ее. При этом еще надо иметь в виду, что концентрация легирующих элементов неоди­ накова как по высоте (глубине), так и по длине (по на­ правлению потока). Объясняется это изменением кон­ центрации легирующего элемента в слое во времени: слой обедняется легирующими элементами из-за диффу­ зии в ванну, и это не восполняется диффузией из твердо­ го чугуна, так как молекулярная диффузия очень мед­ ленна. Такое обеднение слоя легирующими элементами тем больше, чем длительнее время существования жид­ кой ванны и меньше скорость сварки.

Далее из уравнения (67) видно, что

т. е. чем больше скорость сварки, тем меньше диффузи­ онный слой. Следовательно, скоростью сварки можно ре­ гулировать толщину диффузионного слоя. Наличие диф­ фузионного слоя в общем нежелательно, так как содер­ жание углерода и кремния в нем меньше, чем в твердом чугуне, из-за отдачи их стальному слою. При большой скорости охлаждения металла шва это может привести (и часто приводит) к получению неблагоприятных струк­ тур, в том числе и отбела.

С учетом изложенного можно представить пример­ ное распределение легирующих элементов в жидком металле ванны, приняв для средних режимов сварки длину ванны 15 мм и время существования ее 15 с. Со­

77

гласно (67), толщина диффузионного слоя при расстоя­ нии от начала ванны, равном 3, 6, 9, 12, 15 мм, соответ­ ственно составляет 0,31; 0,43; 0,54; 0,62; 0,68 мм.

Распределение легирующих элементов в диффузион­ ном слое следует производить с учетом данных расчета по молекулярной диффузии, а распределение элементов в пределах ванны можно сделать приближенно с учетом перемешивания металла. Полученные результаты расче-

Рііс. 20. Распределение: а — углерода; б — кремния (1 — в диффу­ зионном слое; 2 — в сварочной ванне; 3 — на поверхности ванны)

в зависимости от расстояния от начала ванны I

тов представлены на рис. 20. Концентрация легирующих элементов по длине ванны очень неравномерна, а в диф­ фузионном слое она меняется и по толщине слоя.

Легирование металла шва при многослойной сварке

При рассмотрении процессов легирования имелся в виду однослойный шов, когда наплавленный валик на­ кладывался непосредственно на чугун. Практически встречаются и многослойные швы, когда на первый слой, наплавленный непосредственно на чугун, наплавляется второй, на него — третий, четвертый и т. д. Наибольшая концентрация легирующих элементов будет в первом слое, во втором меньше, в третьем еще меньше и т. д. Очевидно, что механизм и кинетика легирования в каж­ дом слое будут одинаковы, так как при одних и тех же режимах сварки силовое воздействие сварочного пламе­ ни на ванну одинаково и физико-химические взаимодей­ ствия элементов те же. При многослойной сварке пред­ ставляют интерес средние концентрации легирующих элементов в каждом слое, что можно рассчитать следую­ щим образом.

78

Количество легирующего элемента в шве при данных условиях сварки определяется соотношением между количеством наплавленного (например, стали) и рас­ плавленного (например, чугуна) металлов. Количество

где F» и Fр — площади поперечного сечения части валика соответственно наплавленного и расплавленного метал­ лов; /ш — длина валика; ун и ур — соответствующие удель­ ные веса металлов; % Эп и % Эр — содержание легирую­ щего элемента в соответствующих частях валика, вес. %.

Общее количество легирующего элемента в валике равно

Л = Ли -I- Лр г,

или

о/0л = — • 100 вес. %,

В

где В = Вп+Вр— общий вес металла валика, состоящий из веса наплавленного В„ и расплавленного Вр металлов.

Уравнение можно упростить, если учесть, что величина іш одинакова во всех случаях. Также можно принять Yii = Yp = Y- В таком случае

Величины Fu и Fv определяются разными факторами и в общем случае не равны между собой. Надо отметить, что F„ и Кр не поддаются точному математическому рас­ чету практически для любых методов сварки с расплав­ лением. Объясняется это тем, что эти площади, особенно форма очертания их, не являются какой-либо определен-

7 9