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

пой геометрической фигурой. Так, по расчетам распреде­ ления изотерм в спариваемом металле при точечном ис­ точнике тепла Н. Н. Рыкалин получил проплавление в виде полуокружности. Тогда

2

В. Н. Дятлов [47] па основе расчетных и эксперимен­ тальных данных принял проплавление в форме полуэл­ липса. В таком случае

F = — nbh.

2

Исследование проплавления при автоматической сварке показало, что очертания его зоны достаточно хо­ рошо описываются кривой нормального распределения вероятностей. Тогда

где k — коэффициент, характеризующий форму кривой нормального распределения.

Во всех рассмотренных случаях площадь F является прямой функцией глубины проплавления /г. Поэтому можем принять любую из этих зависимостей, чтобы свя­ зать степень легирования с глубиной проплавления. Учитывая специфичность формы сварного шва чугуна, выражающуюся в малой глубине проплавления и высоте валика, примем в первом приближении, что наплавляе­ мый валик имеет симметричную фигуру, например эллип­ са. В таком случае Fn и Fp являются полуэллипсами, оп­ ределяемыми по уравнениям

(71)

Подставив эти значения площадей в уравнение (70), по­ лучим

(72а)

80

или

ленном II расплавленном металлах, по и геометрически­ ми размерами шва. Эти уравнения позволяют рассчитать общее содержание легирующего элемента в шве по его размерам п исходным концентрациям элемента. Такие расчеты среднего содержания в металле шва углерода и кремния при наплавке стали на чугун были произведены с учетом, что на чугун с содержанием 3,5% углерода и 2% кремния производится наплавка металла стальной проволокой марок СВ-08 и СВ-08ГС при разных значени­ ях Лр и Ііи. Расчетные данные по распределению углеро­ да представлены па рис. 21, о, а по распределению кремния —- на рис. 21, б.

Полученные данные показывают, что количество ле­ гирующего элемента в шве зависит от содержания его в свариваемом чугуне и сварочной проволоке, от соотно­ шения Лр и /гп II от порядкового номера слоя. В нижних слоях концентрация легирующего элемента изменяется более резко, чем в верхних. Малая глубина проплавле­ ния вызывает интенсивное изменение концентрации леги­ рующего элемента, а для углерода послойная концент­ рация изменяется резче, чем для кремния.

Данные послойного распределения углерода показы­ вают, что по среднему содержанию углерода металл шва в виде чугуна в первом слое получается при Лр/Лц^ 1, что очень важно с точки зрения устранения отбела. Однако практически равномерное распределение элемента по вы­ соте слоя отсутствует, поэтому отбел возможен и при меньших соотношениях liv/h„. Второй слой н особенно третий при Лр/Лц^І имеют сравнительно низкое содер­ жание углерода, что очень валено для структуры и обра­ батываемости их режущим инструментом.

Распределение кремния по слоям существенно зави­ сит от содерлеания его в проволоке. При повышенных концентрациях послойное изменение содерлеания крем­ ния происходит медленнее, и для одинаковых порядко­ вых слоев содерлеание его более высокое. При наплавне

проволокой СВ-08 первые слои почти во всех случаях имеют повышенное содержание кремния и тольк вторые или даже третьи — низкое содержание его. В слу­ чае применения кремнистой проволоки СВ-08ГС (сред­ нее содержание кремния составляет 0,8%) всегда сле­ дует учитывать повышенное содержание кремния в ме­ талле шва.

Рис. 21. Распределение: а — углерода; б — кремния по слоям N наплавленного металла на чугун с содержанием 3,5% С н 2% Si

82

5. ОКИ СЛЕН ИЕ МЕТАЛЛА ШВА

Необходимость окисления

При сварке чугуна сталью металл шва легируется уг­ леродом и кремнием. Как видно из изложенного выше, легирование тем сильнее, чем больше в чугуне углерода и кремния, чем больше глубина проплавления чугуна и слой шва ближе расположен к чугуну. Поэтому в нижних

и др., тем интенсивнее идет графитизация);

холодная механическая обработка (наклеп и пла­ стическая деформация в значительной степени ускоряют графнтизацию);

термическая обработка (отжиг при 930—950 °С с c o ­ o t ,ветствующеі'і выдержкой пли многократный переход

через точку/1і диаграммы сплава графитнзируют металл). Очевидно, первые два фактора не могут применяться в условиях сварки. Последующая термическая обработ­

ка сварного шва — очень эффективный метод, который может быть использован всегда. Однако это уже допол­ нительная технологическая операция, которая к тому же довольно громоздкая.

2. К а р б и д о о б р а з о в а и и е. Так же как и графитизация, карбндообразование позволяет получать мягкую основную металлическую массу ферритоперлитііой структуры. Для этого в металл шва надо вводить сильные карбидообразующие элементы, такие, как воль­ фрам, ванадий, молибден, хром и др. Из них наиболее стойкие карбиды образует ванадий. Поэтому он иногда применяется при изготовлении стальных электродов для сварки чугуна. Однако этот метод имеет ряд особенно­ стей, ограничивающих его практическое применение: образующиеся карбиды располагаются внутри металли­ ческой массы металла шва (как и графит), нарушая сплошность металла, что снижает механические свойст­ ва его; ванадий — очень дорогой и дефицитный металл, и с народнохозяйственной точки зрения применение его не­ целесообразно.

3. У д а л е н и е у г л е р о д а . Этот метод является наиболее радикальным, так как при применении его уст­ раняется основная причина снижения качества металла шва. Практически наиболее просто удаление углерода осуществить окислением его в сварочной ванне. Такой метод давно и успешно применяется при бессемеровском производстве стали: жидкий чугун продувается кислоро­ дом, который окисляет избыточный углерод (и другие элементы) до заданной концентрации. Именно этот ме­ тод наиболее целесообразен и в условиях сварки чугу­ на. Он прост, доступен, не связан с большими затратами и с усложнением сварочного процесса. Кроме того, вме­ сте с углеродом будет окисляться и кремний, повышен­ ное содержание которого в металле шва нежелательно из-за его отрицательного злияния на качество металла.

84

Количество кислорода для окисления

Необходимое количество кислорода определяется ко­ личеством тех элементов, которые необходимо окислить. Примем самый неблагоприятный случаи: сварка чугуна марки СЧ12-24 выполняется проволокой марки СВ-08. Химический состав этого металла примем следующий.

Пользуясь уравнением (72), рассчитаем среднее со­ держание элементов в металле шва для первого слоя шва, накладываемого па чугун при разном отношении Лц/Лр.

Из приведенных данных видно, что наиболее сильно изменяется содержание углерода и кремния (почти в 4 раза), меньше — содержание серы и фосфора (почтив 2 раза) и совсем не изменяется содержание марганца. Так как в рассматриваемом случае большое значение имеет углерод и отчасти кремнии, то в первую очередь определим количество кислорода, необходимое для их окисления. При этом будут окисляться и другие элемен­ ты, что надо иметь в виду при уточнении общего коли­ чества кислорода.

Количество кислорода, необходимое для окисления, определим, приняв, что окисление элементов описывает­ ся уравнениями:

85

Согласно этим уравнениям, па 1 г-моль углерода тре­ буется половина г-моля кислорода и на 1 г-моль крем­ ния—1 г-моль кислорода. Переход от молярных долей к весовым процентам производится по уравнению

элемента, вес. %; Мо, и уИэ — соответствующие нм моле­ кулярные веса; п — молярная доля кислорода. Применив

расплавленного металла, учитывая, что количество эле­

Здесь Вр — вес металла, расплавляемого в минуту, рав­ ный 14 г/мин.

Количество кислорода, которое надо затратить на окисление элемента, определяется по уравнению

В0г = п Вэ,

где п — необходимое число молей кислорода. Чтобы от молярных перейти к объемным единицам расхода ки­ слорода, следует учесть, что при нормальных условиях

86

1 г-моль газа занимает объем 22,4 л. Пользуясь изло­ женными данными, можно рассчитать расход кислорода для окисления углерода и кремния металла шва. При этом надо брать определенное количество этих элемен­ тов в чугуне. Например, принимая содержание углерода

Из данных таблицы видно, что расход кислорода не очень велик. Интересно отметить, что при продувке бес­ семеровской ванны кислородом расход его составляет около 50—60 см3/г, что выше приведенного в расчете да> же при окислении наибольшего количества элементов. Такое расхождение объясняется тем, что в бессемере имеют место потери кислорода •— неполное использова­ ние его, кроме того, окисляется не только углерод, но и другие элементы, что не учтено расчетом.

87

Источники кислорода при сварке

Для окисления избыточного количества элементов металла шва при сварке чугуна сталью в зону сварочной дуги (сварочную ванну) надо вводить кислород. Его можно подавать или в чистом виде, или в виде соедине­ нии, как газообразных, так и конденсированных. Газо­ образные соединения кислорода наиболее удобны для применения при автоматической или полуавтоматической сварке, а твердые — в качестве кнслородосодсржащнх компонентов электродного покрытия при ручной сварке. Выбор кпслородосодержащих материалов определяется рядом технических и экономических соображений. Важ­ нейшие требования, которые предъявляются к кнслородосодержащим материалам, следующие:

1)кислородосодержащпй материал должен выделять

взоне сворочиого пламени наибольшее количество сво­ бодного кислорода пли образовывать кислородные сое­ динения, которые можно было бы использовать для ре­ акции окисления избыточных углерода и кремния метал­ ла шва;

2)кислородосодержащпй материал должен быть до­ ступен, недефнцитен, дешев, удобен для применения и не оказывать вредного влияния на обслуживающий персо­ нал и на металл.

Из многочисленного количества различных кислородо­ содержащих материалов рассмотрим те, которые имеют наибольший практический интерес. Разделим эти мате­ риалы на группы.

МеСОд-> МеО -| - СО.,.

Затем может произойти также и диссоциация образую­ щегося углекислого газа с выделением свободного кисло­ рода:

СО*-»-СО + -^ -0 2.

88

Реакции диссоциации указанных карбонатов изучали А. А. Банков и А. С. Тумарев [48] и др. С. Т. Ростовцев [49], использовав теоретические разработки О. Л. Есипл к П. В. Гельда [50], предложил уравнения для расчета изобарных потенциалов и упругости диссоциации этих реакций. Воспользовавшись этими данными, кратко от­ метим особенности применения их в условиях сварки.

Для реакции углекислого кальция

изобарный потенциал выражается уравнением

упругость диссоциации

Расчет по этим уравнениям показывает, что AZ0 ~ 0 и Лзо. = 1 при температуре около 910 °С, т. е. при этой тем, пературе начинается диссоциация углекислого кальция что подтверждается и экспериментальными данными.

Для реакции углекислого магния

СаС03 4' MgC03 — CaMg (С03)2.

Диссоциация доломита происходит двумя ступенями:

89