книги / Сварка в машиностроении. Т. 2

металлов. При применении проката из биметалла из стали СтЗ и 10ХСНД и алюми­ ниевых сплавов АМгЗ и АМгб соотношение толщин сплава и стали в пакете 1 1 и 1,5 1. Алюминиевый сплав соединяется со сталью при прокатке по подслою из чистого алюминия. Прочность биметалла на срез 7—9 кгс/мм2 и на отрыв 10— 15 кгс/мм2. Прочность сварного соединения зависит от прочности сцепления слоев биметалла и, следовательно, от площади биметаллической вставки (рис. 18). Недостатком рассматриваемых соединений является неконструктивность узлов соединения и отсутствие средств контроля качества сцепления слоев биметалла. Эго часто приводит к тому, что соединение этого типа не обладает герметично­ стью.

Рис. 18. Схемы сварных соединений при использовании проката из биметалли­ ческих вставок:

а — соединение стали с алюминиевым сплавом с помощью биметаллических вставок: / — сталь; 2 — биметалл; 3 — алюминиевый сплав Г20J; б — зависимость прочности свар­

при нагреве в процессе сварки необходимо выдержать рекомендуемый режим

12Х18Н9Т и сплаве АМгб при нагреве по линии соединения выше 450° С. При нагреве до 550° С и выше биметалл расслаивается, поэтому рекомендуется сварку

10.Земзин В. Н. Сварные соединения разнородных сталей. М. — Л ., «Машино­ строение», 1966. 230 с.

11.Земзин В. Н,, Ваграмова Т. И., Титинер 3. К. Исследование высоконикелевых

электродов для заварки дефектов в литых корпусных деталях паровых турбин. Л Д Н ТП , 1974. 22 с.

12.Игнатов В. А., Земзин В. Н., Петров Г. Л . Влияние никеля в аустенитных швах на миграцию углерода в сварных соединениях разнородных сталей. — «Автоматическая сварка», 1967, № 8, с. 1—5.

13.Казаков И. Ф. Диффузионная сварка металлов. М., «Машиностроение», 1976.

200 с.

14.Кудрявцев И. В., Наумченко Н. Б. Усталость сварных конструкций. ДА., «Маши­ ностроение», 1976. 270 с.

15.Лобанов Ю. Н. Точечная сварка алюминия с алитированной сталью. — «Сва­ рочное производство», 1967, Кв 2, с. 32—33.

16.О рациональном проектировании сварных сосудов и труб из разнородных ме­ таллов. — «Сварочное производство», 1973, Кв 9, с. 3—5. Авт.: А. С. Богомолов, О. А. Бакши, В. С. Седых и др.

17.Петранговский А. Н. Сварка меди с молибденом. — «Автоматическая сварка».

А.Е. Вайнерман, М. X. Шоршоров, В. Д. Веселков и др.

19.Рабкин Д. М., Рябов В. Р. Сварка алюминия и его сплавов со сталью и медью. М., «Машиностроение», 1965. 94 с.

20.Раздуй Ф. И., Засуха П. Ф., Рябов В. Р. Сварка сталеалюминиевых конструкций

с помощью биметаллических вставок. — «Сварочное производство», 1966, Кв 1, с. 9 — 11.

21.Рыкалин H. Н., Шоршоров М. X., Красулнн Ю. Л. Физические и химические проблемы соединения разнородных материалов. М., АН СССР, Неорганические мате­ риалы, т. 1, 1965, Кв 1.

22.Сахновская Е. Б., Седых В. С., Трыков Ю. П. Свойства соединений аустенитной

23.Сварка взрывом. — «Сварочное производство», 1962, Кв 5, с. 3—6. Авт.: В. С. Се­ дых, А. А. Дерибас, Е. И. Биченков и др.

24.Сварка титановых сплавов с медью и ее сплавами. — «Сварочное производство». 1965, Кв 8, с. 1—3. Авт.: А. С. Михайлов, Е. В. Слонимский, Ю. М. Сенин и др.

25.Сивов Е. Н., Дьяченко В. В. Влияние термического цикла электронно-лучевой

сварки на формирование шва сварных соединений ниобия со сталью. — «Сварочное про­ изводство», 1973, Кв 4, с. 11 — 13.

26.Справочник по сварке. Т. 4. Под ред. А. И. Акулова. М., «Машиностроение», 1971, с. 194 -211 .

27.Технология электрической сварки металлов и сплавов плавлением. Под ред.

Б.Е. Патона. М., «Машиностроение», 1974. 768 с.

28.Фридлянд Д. А., Зиновьева T. Н., Конев Ю. X. Сварка алюминия с титаном. —

30.Электронно-лучевая сварка ниобия с молибденом. — «Автоматическая сварка». 1973, Кв 8, с. 65—68. Авт.: С. М. Гуревич, Б. А. Задерий, Г. К. Харченко, Ю. II. Гара­ нин и др.

31.Электронно-лучевая сварка титанового сплава ОТ4-1 со сталью ВНС-2. — «Сва­ рочное производство», 1974, Кв 10, с. 19—20. Авт.: В. Р. Петренко, Ф. А. Рыжов, А. В. Баштаков и др.

Г л а в а 15 СВАРКА ЧУГУНА

КЛАССИФИКАЦИЯ И СВОЙСТВА ЧУГУНА

В качестве конструкционного материала в промышленности широкое применение находит чугун, что обусловлено простотой и невысокой стоимостью изготозления изделий из чугуна, хорошими литейными свойствами, износостойкостью, надежной работой в условиях знакопеременных нагрузок и повышенных температур и т. д.

Чугун является многокомпонентным железоуглеродистым сплавом, содержа­ щим свыше 2% С, до 5% Si и некоторое количество марганца. Сера и фосфор, как правило, являются примесями. В легированные чугуны, кроме того, вводят хром, никель, молибден и другие элементы, придающие ему особые свойства. Наличие эвтектики в структуре чугуна обусловливает его применение исключительно в ка­ честве литейного сплава.

В зависимости от состава, условий кристаллизации и скорости охлаждения углерод в чугуне может находиться в химически связанном состоянии в виде цементита или в структурно-свободном состоянии в виде графита. Наличие цемен­ тита в сплаве придает излому светлый цвет. Поэтому чугун, в котором углерод находится в виде цементита, называется белым. Графит придает излому серый цвет, и такие чугуны называются серыми.

Графитизаторами в чугунах являются углерод, кремний, алюминий, медь, никель и др. Эти элементы с железом образуют твердые растворы, увеличивающие в его решетке число вакансий и смещений, облегчающих диффузию, уменьшающих энергию активации и ослабляющих связи между атомами углерода и железа и тем самым способствующих графитизации. Степень их влияния различна. Наиболее сильными графитизаторами являются углерод и кремний. Кремний, содержание которого в серых чугунах составляет 1,2—3,5%, влияет на строение чугуна и

впервую очередь на степень его графитизации. Кремний изменяет степень эвтектичности сплава, под которой понимают отношение общего содержания углерода

вчугуне к содержанию его в эвтектике. Используя графитизирующее действие кремния, можно получить эвтектический чугун при введении в него меньшего количества углерода. Регулируя соотношение углерода и кремния в сплаве, можно получить требуемую структуру в чугунной отливке (рис. 1, а).

Процесс графитизации зависит от скорости охлаждения отливки. Чем меньше скорость охлаждения, тем полнее осуществляется процесс графитизации. В усло­ виях производства чем меньше отливка, тем больше скорость охлаждения. В ре­ зультате для обеспечения процессов графитизации с уменьшением толщины стенки отливки необходимо увеличить суммарное содержание в ней углерода кремния (рис. 1, б).

По структуре чугуны разделяют на следующие группы:

1) белые чугуны, в которых весь углерод находится в виде цементита; 2) серые чугуны, в которых углерод содержится главным образом в виде пластинчатого графита; 3) высокопрочный с шаровидны^ графитом; 4) ковкий чугун (графит хлопьевидной формы).

Белые чугуны имеют ограниченную область применения, так как цементит, присутствующий в его структуре в виде вторичного цементита и в составе леде­ бурита, придает ему высокую хрупкость, твердость, и они практически не поддают­ ся обработке резанием. Некоторое применение в промышленности находят отбе­ ленные чугуны, в частности при отливке деталей дробильных и размалывающих

установок и для других деталей, от которых требуется большая поверхностная твердость и износостойкость. В отбеленных чугунах из-за различных условий кристаллизации в поверхностном слое образуется цементитная эвтектика (ИВ 40С—500), а в середине отливки — графитная. Такие условия охлаждения полу­ чаются при отливке чугуна в металлический кокиль или сырую песчаную форму. Для этих целей применяют чугун с пониженным'содержанием кремния.

Серые чугуны (ГОСТ 1412—70) по химическому составу представляют собой сплав Fe—С—Si, содержащий примеси Mn, Р и S. Наибольшее применение в про­ мышленности получили доэвтектические чугуны, содержащие 2,4—3,8% С. Даль­ нейшее повышение углерода вызывает ухудшение механических свойств чугуна. Лучшие литейные свойства обеспечиваются при содержании углерода не менее

С.%

(C+SI), %

6.5

5.5

4.5

Д5 2.5

2,4%. Механические свойства чугуна определяются в первую очередь графитовой составляющей. По структуре чугун можно рассматривать как сталь, пронизанную графитовыми включениями, которые играют роль надрезов, ослабляющих метал­ лическую основу сплава. Поэтому механические свойства чугуна зависят от коли­ чества, величины и характера распределения графитовых включений.

Степень графитизации чугуна обусловливает и структуру металлической основы сплава. По мере ее повышения получаются соответственно чугуны с перлит­ ной, перлитно-ферритной и ферритной основой. Чем меньше графитовых включе­ ний и чем они мельче, тем выше прочность чугуна. Мелкие и завихренные включе­ ния графита придают чугуну более высокие механические свойства. Наиболее неблагоприятная форма графитовых включений — в виде крупных прямолиней­ ных выделений. Графитовые включения мало влияют на предел прочности на сжатие и твердость, которые определяются преимущественно структурой металли­ ческой основы чугуна. Разрушающая нагрузка на сжатие в 3—5 раз выше, чем при растяжении. Поэтому чугуны используют для изделий, работающих главным образом на сжатие. Графит повышает износостойкость и антифрикционные свой­ ства чугуна, оказывая «смазывающее» действие. Кроме того, он улучшает обраба­ тываемость резанием, обусловливая получение сыпучей стружки. Нарушая сплош­ ность металлической основы, графит тем самым придает чугуну малую чувствитель­ ность к внешним концентраторам напряжений (дефектам поверхности и т. д.).

По ГОСТ 1412—70 серые чугуны маркируются буквами С — серый и Ч — чугун. После букв следуют цифры. Первые цифры указывают средний предел прочности при растяжении, а вторые — предел прочности при испытании на изгиб. По свойствам и применению серые чугуны можно сгруппировать следующим образом (табл. 1).

Высокопрочный чугун с шаровидным графитом (ГОСТ 7293—70) по составу аналогичен обычному серому, но за счет легирования его малыми добавками щелочных, щелочноземельных и редкоземельных металлов и чаще 0,03—0,07 Mg

графит в нем приобретает шаровидную форму. Металлическая основа может быть перлитная, перлитно-ферритная и ферритная. Графит шаровидной формы значи­ тельно меньше ослабляет металлическую основу чугуна. В отличие от пластин­ чатого графита шаровидный графит не является концентратором напряжений. Эти чугуны, обладая хорошими литейными свойствами, высокой обрабатываемо­ стью резанием и износостойкостью, вместе с тем имеют механические свойства, аналогичные механическим свойствам углеродистых сталей. Высокопрочные чугуны маркируют буквами ВЧ с соответствующими ииф/свыми обозначениями. Отливки из высокопрочнсго чугуна используют в тяжелом, а также в химическом

инефтяном машиностроении.

1.Основные свойства серых чугунов различных групп

Ковкий чугун (ГОСТ 1215—59) получают путем длительного нагрева при высоких температурах (отжиге) отливок из белого чугуна. В результате графит приобретает хлопьевидную форму, которая меньше понижает прочность и плас­ тичность металлической основы чугуна. В промышленности применяют ферритные ковкие чугуны (металлическая основа — феррит) и реже перлитные ковкие чугуны (металлическая основа —- перлит). Ферритные ковкие чугуны более пластичны, чем и объясняется их применение в машиностроении. Чугун имеет пониженное содержание углерода и кремния (2,5—-3% С; 0,7—1,5% Si). Более низкое содер­

жание углерода обусловливает повышенную пластичность сплава, так как умень­ шает количество графита, выделяющегося при отжиге. Пониженное содержание кремния устраняет выделение пластинчатого графита в структуре отливок при охлаждении. Стливки из ковкого чугуна применяют для деталей, работающих при ударных и вибрационных нагрузках. Ковкий чугун маркируют буквами КЧ и соответствующими цифрами (первые две предел прочности при растяжении, вторые две — относительное удлинение).

СВАРИВАЕМОСТЬ ЧУГУНА

Сварку применяют главным образом для устранения дефектов в чугунных отливках, при ремонте вышедшего из строя оборудования и в меньшей степени при получении сварно-литых конструкций. Сварка чугуна сопряжена с трудностями. Все перечисленные выше группы чугунов характеризуются пониженной свари­ ваемостью. Наиболее широко применяются и хорошо разработаны процессы сварки деталей из серых чугунов.

Плохая свариваемость чугуна определяется повышенной склонностью сплава к образованию трещин, что обусловлено его низкой прочностью и пластичностью, а также образованию при сварке как в металле шва, так и в околошовной зоне при повышенных скоростях охлаждения хрупких структур в результате отбели­ вания. Наличие этих структур (ледебурита) ухудшает обрабатываемость чугунов. Трещины в металле шва и в основном металле в зоне термического влияния могут возникнуть от неравномерного нагрева и охлаждения, которые характерны для термического цикла сварки, литейной усадки металла шва, жесткости свариваемых изделий. По данным ИЭС им. Е. О. Патона, на образование трещин влияет не абсолютная доперлитная усадка, а алгебраическая сумма доперлитной усадки и расширения при эвтектическом и эвтектоидных превращениях, с одной стороны, и интенсивность протекания усадки на этих этапах, с другой стороны. По этим данным, при прочих равных условиях, с повышением содержания углерода в спла­ ве уменьшается литейная усадка и соответственно снижается склонность чугуна к образованию трещин. Трещины при сварке чугуна могут возникать и на других участках детали, в которых вследствие дополнительной деформации, вызываемой сваркой или локальным предварительным подогревом, появляются напряжения, превышающие предел прочности чугуна при растяжении. Холодные трещины развиваются мгновенно. Трещины могут возникать в начале ейарки, когда местный нагрев вызывает напряжения сжатия, в процессе сварки, а также при остывании, когда возникают напряжения растяжения.

Для устранения трещин, хрупких и твердых структур в металле шва, т. ё. для обеспечения в нем структуры'серого чугуна, необходимо обеспечить такой химический состав его и условия охлаждения, при которых наиболее полно осу­ ществляется процесс графитизации. При выборе состава металла шва необходимо учитывать, что графитизирующее действие элементов в условиях сварки проявля­ ется значительно слабей, чем в условиях получения отливок. По сравнению с чу­ гунными отливками в сварном шве для устранения структуры ледебурита необ­ ходимо более высокое содержание углерода и кремния. В условиях сварки более сильным графитизатором является углерод. Марганец, относящийся к карбидо­ образующим элементам, при наличии в шве до 1,0—1,2% и сравнительно низкохМ содержании углерода проявляет себя как графитизатор. Небольшое количество ванадия, хрома и титана способствует измельчению графита и тем самым улучшает механические свойства шва. Графитизирующее действие никеля и меди проявля­ ется слабо. Механические свойства металла шва улучшают модификаторы. По­ этому модификаторы вводят в состав присадочных металлов.

На образование структур отбеливания и трещин в околошовной зоне влияет как термический цикл сварки, так и химический состав и структура свариваемого чугуна. Плохо свариваются чугуны с грубой структурой, с крупными графитными включениями и ферритными зернами. Менее склонны к образованию трещин

мелкозернистые перлитные чугуны с мелкими графитовыми включениями. Улуч- - шают свариваемость чугуна никель и титан, чю связано с измельчением под влия­ нием этих элементов металлической основы сплава и графитовых включений. Плохо свариваются чугуны, долгое время находившиеся под воздействием высоких температур и водяного пара. Для их сварки требуются особые сложные приемы.

При рассмотрении структурных превращений в околошовной зоне при сварке серого чугуна может быть использована тройная диаграмма состояния Fe—С—Si (рис. 2). Наиболее опасным применительно к образованию твердых структур и трещин является участок У, примыкающий к сварочной ванне и находящийся в твердо-жидком состоянии. При сварке чугуна без подогрева (при скоростях охлаждения более 5 °С/с) образуется прослойка ледебурита и мартенсита. На обра­ зование ледебуритной прослойки в этом участке влияет состав сварочной ванны,

Рис. 2. Диаграмма состояния Fe—С—Si и структур­ ные участки околошовной зоны при сварке чугуна (по'данным П. С. Елистратова)

так как в результате диффузионного процесса возможно перераспределение эле­ ментов из наплавленного в основной металл и обратно. Эта прослойка может быть полностью устранена при использовании электродов, содержащих повышенное количество графитизаторов или никеля, и при соответствующих режимах сварки. Мартенситная прослойка определяется главным образом режимом сварки, т. е. скоростью охлаждения в интервале наименьшей устойчивости аустенита. На участ­ ке 2 металл находится в твердом состоянии и нагрет до высоких температур. При больших скоростях охлаждения в процессе перекристаллизации на этом участке возможно выделение цементита, мартенсита и других структур закалки. На участ­ ке 3 неполной перекристаллизации наблюдается измельчение металлической осно­ вы. Участок 4 характеризуется увеличением количества графита вследствие распада карбидов. На участке 5 металл нагрет до температуры, не превышающей 400—500° С, и имеет исходную структуру.

Наиболее радикальным средством для устранения отбеливания и закалки, а также трещин в шве и околошовной зоне является предварительный нагрев детали (горячая сварка) с замедленным охлаждением. Благоприятные условия создаются и при процессах, которые осуществляются без расплавления основного металла (пайка, пайкосварка). Для снижения вероятности образования трещин применяют электроды, обеспечивающие получение наплавленного металла, от­ личного от чугуна.

Классификация способов сварки чугуна по технологическим признакам и свойствам наплавленного металла дана на рис. 3. Многообразие методов вызвано специфическими свойствами чугуна, определяющими его свариваемость, и требо­ ваниями, предъявляемыми к сварному соединению и т. д.