книги / Сварка и свариваемые материалы. Свариваемость материалов

21.3.2. Выбор режимов сварки

При сварке плавлением гомогенных сплавов главная проблема

возможное сокращение времени высокотемпературного нагрева, увеличение скорости охлаждения и уменьшение размеров сва­ рочной ванны [8], снижение сварочных напряжений. Указанные требования выполняются при сварке наиболее концентрирован­

Выбор режимов сварки давлением обусловлен более высо­ кой жаропрочностью сплавов и электросопротивлением. По­ этому с увеличением доли легирующих элементов давление на электродах увеличивают, а силу тока снижают. Чтобы умень­ шить перегрев, электроды и изделие помещают в воду или омы­ вают струями воды. Перед сваркой поверхности деталей тща­ тельно зачищают или обезжиривают травлением.

Сплавы с большим содержанием 2(Ti + A l ) > 4 % являются плохосвариваемыми. Такие сплавы рекомендуют соединять диф­ фузионной сваркой и пайкой [4].

Выбор режимов послесварочной термообработки. Для гомо­ генных сплавов рекомендуется аустенитизация сварных узлов при температуре 1050—1200 °С, которая приводит к растворе­ нию избыточных фаз, а также к снятию сварочных напряже­ ний, что повышает работоспособность сварных соединений в коррозионных средах (табл. 21.6.).

При сварке гетерогенных дисперсионно-упрочняемых спла­ вов послесварочная термообработка включает аустенизацию и стабилизирующий отжиг. Более эффективна двукратная обработка, которая формирует глобулярную структуру карбидов и у'-фазы по границам. Последующее двухступенчатое старение при 900 °С, 8 ч и при 850 °С, 15 ч приводит к выделению

21.3.3. Жаропрочность соединений

Качественные сварные соединения жаропрочных никелевых сплавов обнаруживают высокие значения жаропрочности и со­ противляемости термической усталости, мало отличающиеся от таковых для основного металла (табл. 21.6).

Раздел 5 ■5^: ■ ■ ЧУГУНЫ

Г л а в а 22. СЕРЫЕ ЧУГУНЫ (Грецкий Ю. Я., Метлицкий В. А.)

22.1. Состав и свойства

22.1.1. Классификация по составу и свойствам

Согласно диаграмме состояния F e —-С , область чугунов охватывает сплавы, содержащие свыше 2,1 % С. В процессе кристаллизации и последующего охлаждения чугуна избыточный С выделяется в виде включений графита или карбида. Количество графита, форма, размеры и характер распределения его в металлической матрице оказывают существенное влияние на механи­

может достигать 7 %, а в высоколегированном превышает 7— 10 %. Добавки сотых и даже тысячных долей процента Mg, N, В считают легирующими (микролегирование, модифицирование). Классификация чугунов по механи­

По специальным свойствам чугуны подразделяют на износостойкие, ан­ тифрикционные, коррозионностойкие, жаростойкие, немагнитные.

22.1.2. Основные марки>структура и свойства

В соответствии с ГОСТ И 12—85 серые чугуны маркируются буквами СЧ и двухзначными цифрами» обозначающими величину предела прочности ме­ талла при растяжении: £ 410, СЧ15 — СЧ45. Прочность серого чугуна с плас­ тинчатыы графитом, та^им образом, находится в пределах 100—450 МПа.

Структура серого чугуна весьма разнообразна и является главным фактором, определяющий ег0 свойства. В ферритных серых чугунах матрица состоит fi3 зерен а-раст0ОРа5 в перлитных она представляет собой эвтектоидную sjvfecb <*-раствор0 и карбида; в ферритно-перлитных эти составляю­ щие присутствуют в ра2ЛИЧНЫХ соотношениях. Существуют также перлитно­ карбидные, бейнитные, мартенситные и аустенитные чугуны. Устойчивость аустенитд в последних ПРИ комнатной температуре достигается высоким комплексным легированием Ni, Мп, Сг и др. Характеризуя структуру матрицы, следует также указать на фосфидную эвтектику в виде изолиро­

ванных включений или сетки.

Структура чугуна И» следовательно, его свойства во многом определя­

ются скоростью охлаждения. С уменьшением скорости охлаждения увели­ чиваются графитные включения» укрупняется зерно металлической основы, понижаются прочность и твердость.

Чугун не подчиняется закону Гука и ведет себя как неупругий мате­ риал. Временное сопротивление серого чугуна на сжатие примерно в 2—4 раза выще, чем на растяжение. Отношение между прочностью на срез и временным сопротивлением на растяжение составляет 0,75— 1,80. Ударная вязкость серого чугуна (на образцах без надреза) из-за пластинчатой формы графита не превышает Ю кДм/м2, однако демпфирующая способность ве­ лика. Усталостная прочность серого чугуна увеличивается с повышением временного сопротивления при растяжении.

22.2. Свариваемость серых чугунов

Чугун обладает небольшой усадкой, примерно в два раза меньшей, чем сталь. Поэтому вероятность образования трещин в случае больших объемов наплавленного металла в виде чу­ гуна уменьшается. Высокое содержание С в сварочной ванне при этом способствует уменьшению количества цементита и ле­ дебурита в зоне сплавления. Отбел наплавленного чугуна ис­ ключается при сварке с нагревом изделия до температуры 600— 700 °С. Последующее охлаждение изделий со скоростью не бо­ лее 50-—100 °С/ч гарантирует отсутствие цементита и мартен­ сита не только в структуре наплавленного чугуна, но и ЗТВ.

Структура металла шва представляет собой чугун с пластин­ чатым графитом и матрицей от ферритной (при медленном ох­ лаждении соединения) до перлитной (при ускоренном охлаж­ дении). Обеспечивается идентичность механических, физических и эксплуатационных свойств соединений, аналогичных свойст­ вам свариваемого чугуна.

Создание сварочных материалов, обеспечивающих получе­ ние работоспособных соединений чугуна при сварке без подо­ грева, идет двумя путями. Один путь предусматривает примене­ ние цветных металлов (Ni, Си) и их сплавов, которые не об­ разуют стойких карбидов, оставаясь пластичными после на­ плавки на чугун.

Железоникелевые сплавы образуют непрерывный ряд твер­ дых растворов. Сплавы, содержащие свыше 30 % Ni, являются аустенитными при комнатной температуре и не имеют а-превра- щения. Расплавленный Ni может растворять значительное ко­ личество С, который выделяется при охлаждении большей частью в виде графита. Присутствие С в тройном сплаве Fe — Ni—С способствует получению аустенитной структуры при мень­ шей концентрации Ni. Никелевый аустенит, растворяющий боль­ шое количество С без образования карбидов, имеет высокую пластичность и низкую твердость. Эти особенности никелевого аустенита обусловливают хорошую обрабатываемость сварных соединений чугуна и стойкость против образования трещин.

Си, как и Ni, не образует карбидов, но в отличие от Ni прак­ тически не растворяет С и Fe. Благодаря высокой пластичности и указанному отношению к С медь используется в качестве электродного или присадочного металла.

Другой путь предусматривает использование электродов на железной основе. Стальной шов легируют сильными карбидо­ образующими элементами (V, Nb, Ti), которые связывают С в мелкие карбиды, равномерно распределенные в металлической низкоуглеродистой матрице. Промышленное применение нашло легирование V до 10 %.

В обоих случаях прочность металла шва превосходит проч­

разнообразных структур как в силу широкого диапазона мак­ симальных температур нагрева, так и по причине большой хи­

сварки охлаждение его идет с большой скоростью— 10—20°С/с и выше. В твердой фазе участка при таких скоростях охлажде­ ния формируются мартенсит и троостит, жидкая фаза кристал­ лизуется с образованием ледебурита.

На границе между сварочной ванной и зоной неполного рас­ плавления протекают диффузионные процессы, которые могут значительно изменить характер формирования структуры. Если сварка чугуна производится малоуглеродистой сталью, свароч­ ная ванна отличается от основного металла значительно мень­ шим содержанием С и Si. Поэтому диффузия этих графитизаторов будет протекать из участков неполного расплавления в ванну, и образование в зоне сплавления ледебурита и цемен­ тита неизбежно. В случае сварки чугуна чугуном с повышенным содержанием указанных графитизаторов диффузия последних протекает в сторону зоны сплавления, что снижает вероятность

формирования в ней нежелательной структуры ледебурита. При сварке чугуна никелевыми материалами создаются благоприят­ ные условия для диффузии Ni в последние оплавленные участки основного металла как вследствие возникающего градиента кон­ центрации, так и большого коэффициента диффузии в жидком расплаве этого элемента по сравнению с другими. Если время диффузии достаточно большое, то в зоне сплавления образу­ ется железоникелевый сплав, содержащий С в свободном состоя­ нии. Медь напротив, слабо действует как графитизатор в ус­ ловиях больших скоростей охлаждения, поэтому при сварке чугуна медью в зоне сплавления образуются ледебурит и це­ ментит.

В металле ЗТВ, который нагревается до 1150—850 °С, при охлаждении появляются продукты неравновесного распада ау­ стенита— троостит и мартенсит. На конечную структуру уча­ стка состав электродного материала практически не влияет, поэтому при сварке без подогрева любыми электродами здесь всегда отмечается повышение прочности и твердости, а также снижение пластичности свариваемого чугуна. Стойкость свар­ ного соединения против образования трещин во многом зависит от размеров ЗТВ. Чем она уже, тем большие напряжения мо­ жет выдержать сварное соединение.

22.3. Технология сварки и свойства соединений

22.3.1- Рунная дуговая сварка

Применяемые технологические процессы можно выделить в две большие группы: ручная дуговая сварка и механизированная сварка, в каждой из которых используются материалы, обеспе­ чивающие получение в наплавленном металле чугуна, стали или цветного сплава.

Наиболее высокие механические свойства сварных со­ единений чугуна достигают при сварке однородным металлом. При сварке чугуна чугуном необходимо обеспечить заданный состав наплавленного металла (обычно близкий основному — серому чугуну) и определенную скорость охлаждения, чтобы избежать образование отбела и трещин. Сварку осуществляют с нагревом изделия до температуры 400—700 °С. Последующее охлаждение со скоростью 50—100°С/ч гарантирует отсутствие цементита и ледебурита в структуре наплавленного чугуна и окодошовной зоне.

разработаны штучные электроды двух типов. Первый тип ха­ рактеризуется чугунным стержнем и сравнительно тонким по­ крытием. В электродах второго типа в качестве стержня ис­ пользуют стальную малоуглеродистую проволоку, а в состав покрытия вводят в большом количестве С, Si и другие компо­

ненты с таким расчетом, чтобы наплавленный металл представ­ лял собой синтетический чугун.

Для изготовления электродов первого типа используют ли­ тые прутки из чугуна следующего состава, %: С 3,0—3,6; Si 3;6— 4,8; Мп 0,5—0,6; Ni 0,3—0,5; Cr<0,5; S<0,08, Р 0,2—0,5. По­ крытия выполняют две главные функции: повышение содержа­ ния графитизаторов по сравнению с имеющимися в прутках, а также предохранение их от окисления. Основой покрытия слу­ жат компоненты, содержащие С и Si (графит, ферросилиций, карборунд и др.). Другие компоненты покрытия вводятся для стабилизации сварочной дуги. Масса покрытия подбирается таким образом, чтобы при ванной сварке не возникало большого количества шлаков, которые мешают процессу, покрывая по­ верхность жидкого чугуна. Электроды представляют собой длин­ ные стержни (до 500 мм) большого сечения (до 300 мм2). Сварку такими электродами выполняют непрерывно на токе величиной до 1400 А обратной полярности (возможна сварка и на переменном токе). При этом производительность по наплав­ ленному металлу составляет 10—12 кг/ч.

Наплавленный металл в виде чугуна можно получить, приме­ няя не только электроды с чугунным, но и со стальным стерж­ нем. Разрабатывают покрытия, состоящие в основном из графита и кремнийсодержащих компонентов. Примером могут служить электроды марки ЦЧ-5. Недостатком электродов со стальным стержнем является структурная неоднородность наплавленного чугуна. В начале сварки расплавленный металл не успевает в достаточной степени насытиться графитизаторами, получается низкоуглеродистый доэвтектический чугун. В структуре первого слоя и особенно в зоне сплавления часто обнаруживается зна­ чительное количество цементита и ледебурита, а в ЗТВ — их сплошная гряда. Зто ведет к образованию трещин; механиче­ ская обработка соединений невозможна. Электроды со сталь­ ным стержнем применяют ограниченно, в основном для декора­ тивной'заварки мелких дефектов на необрабатываемых поверх­ ностях чугунных отливок.

Для значительного снижения твердости наплавленного сталь­ ного слоя и повышения пластичности необходимо получить фер­ ритную либо аустенитную структуру матрицы. Если использо­ вать электроды, в покрытии которых содержатся сильные кар­ бидообразующие элементы (V, Nb, Ti) в количестве, достаточ­ ном для полного связывания всего С, переходящего из основ­ ного металла, то удается получить структуру шва с ф е р р и т н о й матрицей и равномерно распределенными мелкодисперсными

П р и м е ч а н и е . Сварочный ток указан для сварки в нижнем положении. При вер­ тикальной сварке электродами трех последних марок значения тока выбирают на 10— 20 А меньше. Электрод ЦЧ-4 используют для сварки в нижнем положении.

ями железоуглеродистых частиц. Такой характер структуры оп­ ределяется тем, что медь практически не растворяет Fe и С. Свойства швов и их обрабатываемость зависят от соотношения Си и Fe в сплаве. Оптимальной считается композиция сплава из 80—90 % Си и 10—20 % Fe. Требуемое соотношение меди и железа в шве достигают за счет использования в качестве стержня электрода медной проволоки и введения в покрытие соответствующего количества железного порошка. Можно при­ менить и оплетку на стержне в виде жести. Покрытие электрода ОЗЧ-2 (ТУ 32-096-001—78) содержит ферромарганец, карбид кремния, мрамор, плавиковый шпат, маршалит.

Режимы сварки электродом ОЗЧ-2 приведены в таблг 22.1. Сварку медножелезными электродами выполняют на постоянном токе обратной полярности участками длиной 30—50 мм с обя­ зательной тщательной проковкой каждого слоя. Без проковки швов получить качественное соединение часто не удается, по­ этому при сварке в труднодоступных местах, где проковка не­ возможна или затруднена, применение медножелезных элек­ тродов нецелесообразно. v/

У Электроды на основе никеля и его сплавов обеспечивают ка­ чество сварных соединений, которые имеют удовлетворительную прочность и поддаются механической обработке. По составу стержня электроды можно разделить на три группы: а) практи­ чески чистый никель; б) сплавы никеля с железом (30—50 % Fe); в сплавы никеля с медью (25т-35 % Си).

В соответствии с этим электроды обеспечивают различные свойства сварных соединений и имеют разные основные области применения. Шввы, наплавленные никелевыми (ОЗЧ-З, ОЗЧ-4) и никелемедными (МНЧ-2; ТУ 14-4-780—76) электродами, хо­ рошо обрабатываются и легко проковываются. В то же время прочность на разрыв и стойкость швов против образования тре­ щин лучше при сварке железоникелевыми (ОЗЖН-1; ТУ 14-4-

318—73) электродами. Поэтому никелевые электроды исполь­ зуют больше для серого чугуна, особенно для тонкостенных отливок.

Электроды со стержнем из монель-металла предназначены для заварки небольших пороков отливок, которые обнаружива­ ются на рабочих поверхностях в процессе механической обра­ ботки. Хорошая обрабатываемость соединений достигается главным образом благодаря тому, что никелевая основа обес­ печивает отсутствие карбидов в швах и зоне сплавления. Пони­ женная температура плавления стержня способствует уменьше­ нию ширины околошовной зоны, что также благоприятно ска­ зывается на обрабатываемости мест заварки.

Электроды со стержнем из железоникелевого сплава обла­ дают удовлетворительной стойкостью против образования го­ рячих трещин и достаточной прочностью по отношению к чу­ гуну с шаровидным графитом. Железоникелевые электроды ре­ комендуется применять для сварки ответственных нагруженных деталей.

22.3.2. Механизированная сварка

Широко регулировать состав наплавленного металла и механи­ зировать процесс сварки при достаточно высокой производи­ тельности позволяет применение порошковой проволоки. В со­ став проволок для сварки чугуна, кроме железа, вводят не­ обходимое количество элементов-графитизаторов (С, Si), благодаря чему наплавленный металл получается однотипным с основным металлом. Нужную форму графита обеспечивают со­ ответствующим модифицированием сварочной ванны. Для сварки серого чугуна с пластинчатым графитом используют по­ рошковые проволоки марок ПП-АНЧ-1, ГТП-АНЧ-2, ПП-АНЧ-3, ППЧ-ЗМ, ППЧ-9, ППСВ-7 и другие.

Диапазон возможных режимов сварки проволокой диамет­ ром 3 мм составляет: /св = 250-f-600 A; £/д=ЗО-МО В; оп.пр = = 100-т-300 м/ч; ток постоянный прямой полярности.

Сварку и наплавку чугуна порошковой проволокой произ­ водят, как правило, открытой дугой. В отдельных случаях при плохом качестве основного металла целесообразно создавать до­ полнительную защиту углекислым газом с расходом 600— 900 л/ч. При сварке с высоким подогревом ванным способом га­ зовую защиту не применяют.

Структура металлической основы, а также форма и размеры графитных включений в наплавленном чугуне зависят от со­ става проволоки и условий охлаждения после сварки (табл

22.2) .

При сварке чугуна самозащитной проволокой марки ПАНЧ-11 (ТУ 48-21-593—82) в отличие от ручной при идентич

Т А Б Л И Ц А 22 2

СТРУКТУРА И СВОЙСТВА МЕТАЛЛА. НАПЛАВЛЕННОГО ПОРОШКОВЫМИ ПРОВОЛОКАМИ [7]

ном составе металла шва успешно решается задача получения прочноплотных сварных соединений,, стойких против образова­ ния трещин в шве и ЗТВ. Состав проволоки разработан для сварки чугуна открытой дугой и без предварительного подо­ грева. При этом обеспечивается получение шва с аустенитной структурой матрицы. Свойства сварного соединения определя­ ются свариваемым чугуном, поскольку при испытании на рас­ тяжение сварные образцы разрушаются по основному металлу. Ширина зоны с повышенной твердостью (до HV 350) состав­ ляет 100—200 мкм, поэтому последующая термическая обра­ ботка не требуется и соединение легко обрабатывается режу­ щим инструментом.

Технологию механизированной сварки проволокой ПАНЧ-11 применяют при массовом ремонте чугунных деталей трактор­ ных, комбайновых и автомобильных Двигателей. Заваривают трещины различной конфигурации и протяженности на рубаш­ ках охлаждения и в масляных каналах, в перемычках между ци­ линдрами и клапанными гнездами, приваривают отбитые части.

22.3.3. Электрошлаковая сварка

Этот вид сварки имеет ряд характерных особенностей, которые используют при сварке чугуна и в первую очередь более мягкий, чем при дуговой сварке, термический цикл вследствие примене­ ния больших токов (до 3000 А и выше) и малых скоростей сварки (0,3—1,0 м/ч).

При ЭШС серого чугуна можно получить равнопрочное, хо­ рошо обрабатываемое сварное соединение без предварительного подогрева деталей за счет тепла шлаковой ванны. ЭШС серого