ТЕХНОЛОГИЯ И ТЕХНИКА СВАРКИ ЧУГУНА

Цель работы. Ознакомление с технологией и техникой сварки чугуна.

Теоретические сведения

Классификация чугунов

Чугун - широко применяемый конструкционный материал, отличающийся высокими литейными и антифрикционными свойствами, а также хорошей обрабатываемостью. Он относится к материалам, обладающим плохой технологической свариваемостью, однако сварка чугуна применяется очень широ­ко для исправления брака чугунного литья и ремонта чугунных изделий.

Чугунами принято называть железоуглеродистые сплавы с содержа­нием углерода более 2,0 %. Обычный чугун представляет собой железоуглеродистокремниевый сплав, содержащий углерод от 2,5 до 4 % , кремний от I до 5 % в сочетании с различными количествами марган­ца, серы, фосфора. В специальные чугуны вводят леги­рующие добавки - хром, никель, молибден, ванадий, титан и др.

В зависимости от состояния углерода в сплаве различают два основных вида чугуна: белый (углерод в виде цементита) и серый (углерод в виде графита).

Структура чугуна, его физические и механические свойства за­висят от скорости охлаждения и его химического состава. При оди­наковом химическом составе и прочих равных условиях высокая ско­рость охлаждения способствует образованию в чугуне цементита, т.е. получению белого чугуна. Замедленное охлаждение, напротив, вызы­вает выделение углерода в состоянии графита с получением серого ферритного чугуна. Промежуточные скорости охлаждения дают различные переход­ные структуры металлической части: цементитно-перлитную, перлит­ную, перлитно-ферритную (рис. 3.1). Микроструктуры серого чугуна с различными основами приведены на рис. 3.2.

Рис. 3.1. Структурная диаграмма чугуна

I – белый чугун; II – цементитно-перлитный; III – перлитный; IV– перлито-ферритный; V – ферритный

а) б) в)

Рис.3.2. Микроструктура серых чугунов (×150)

а – ферритный; б – феррито-перлитный; в – перлитный

Все легирующие элементы и примеси в чугуне по своему влиянию на состояние углерода делят на две группы: графитизирующие, способствующие образованию графита, и карбидообразующие - задерживающие выделение графита. К элементам-графитизаторам относятся кремний, алюминий, никель, кобальт, медь. Влияние кремния проиллюстрировано на рис. 3.3. К элементам, способствующим отбелу чугуна относятся сера, ванадий, хром, молибден, марганец, олово.

Рис. 3.3 Структурная диаграмма чугуна

(толщина стенки отливки 60 мм)

I – белый чугун; II – серый перлитный; III – серый ферритный

Белые чугуны имеют светло-серый или почти белый цвет в изломе. Это обусловлено тем, что углерод находится в связанном состоянии в виде хрупкого и твердого цементита. Вследствие этого белые чугуны также отличаются высокой твердостью и хрупкостью, не поддаются мехобработке и не подлежат сварке. Они в основном используются для получения ковкого чугуна. В ограниченных количествах белые чугуны используются для изготовления отливок, работающих в условиях абразивного изнашивания.

Серые чугуны в изломе имеют серебристый цвет вследствие наличия в них пластинчатых включений графита. Графит – наиболее мягкая и вместе с тем наиболее хрупкая составляющая чугуна. Он пронизывает металлическую основу чугуна и нарушает его сплошность, действуя как внутренний надрез. Вместе с тем графит сообщает чугуну малую чувствительность к внешнему надрезу, придавая тем самим сплаву высокую сопротивляемость знакопеременным нагрузкам. Эти свойства чугуна (серого), а также высокие литейные свойства, хорошая обрабатываемость его обычным режущим инструментом и износостойкость определяют в первую очередь широкое применение сплава как важного конструкционного материала. Серые чугуны маркируются буквами CЧ и цифрами. Первые две цифры – предел прочности при растяжении, две другие – предел прочности при изгибе (кгс/мм²). Пример: СЧ12-28, СЧ15-32, СЧ38-60.

Высокопрочные чугуны получают при отливке по специальной технологии с применением модифицирующих добавок (магния, редкоземельных элементов и др.). Благодаря этому выделяющийся графит приобретает шаровидную форму и включения его равномерно распределяются в металлической матрице (рис. 3.4а). Шаровидная форма графита придает такому чугуну высокие механические свойства, в частности ограниченную способность к пластической деформации. Высокопрочные чугуны маркируются буквами ВЧ и цифрами, первые две из которых характеризует временное сопротивление чугуна при растя­жении (кгс/мм²), остальные – относительное удлинение (%). Пример: ВЧ60-2, ВЧ40-10.

Ковкие чугуны нашли применение в различных отраслях промышленности и особенно в автотракторном и сельскохозяйственном машиностроении. Графит этих чугунов имеет форму крупных хлопьев или розеток равномерно распределенных в металлической матрице чугуна (Рис. 3.4б). Такая форма графита получается в результате длительного отжига доэвтектического белого чугуна. Для ковких чугунов характерно более низкое содержание углерода по сравнению с серыми и высокопрочными. Ковкие чугуны маркируются буквами КЧ и цифрами, обозначающими временное сопротивление при растяжении ( кгс/мм²) и относи­тельное удлинение (%), Пример: КЧ38-8, КЧ35-10.

а) б)

Рис.3.4 Улучшенная форма графитных включений(×150)

а – высокопрочный чугун; б – ковкий чугун

Свариваемость чугуна

Чугун относится к материалам, обладающим плохой технологической свариваемостью. Основными причинами являются:

1) Высокие скорости охлаждения металла шва и ОШЗ, соответству­ющие термическому циклу сварки приводят к отбеливанию чугуна - образованию твердого и хрупкого цементита в котором под действием остаточных напряжений за счет неравномерного нагрева, а также за счет разной плотности отбеленных участков (7,4-7,7 г/см³) и участков с серым чугуном (плотность 6,9-7,3 г/см³) могут возникнуть трещины.

Трещины, образующиеся при сварке чугуна, можно отнести к холодным трещинам, так как верхняя граница температурного интервала появления трещин не превышает 250-400°С. Трещи­ны при сварке чугуна образуются, в отличии от холодных трещин при сварке закаливающихся сталей, не при постоянной температуре, а чаще всего в процессе охлаждения, когда внутренние напряжения вследствие усадки шва непрерывно возрастают. Напряжения не могут релаксироваться ввиду ничтожной пластичности серого чугуна, а металлографический анализ показывает, что для образования трещин наличие закалочных структур (цементита, мартенсита) в ЗТВ необя­зательно. В то же время возникновение трещин значительно облегчается, если в околошовной зоне имеется мартенсит, который увеличивает напряжения второго рода.

2).Большая склонность к образованию пор за счет сильного газооб­разования в сварочной ванне.

3).Повышенная жидкотекучесть чугуна затрудняет удержание расплав­ленного металла от вытекания и формирование шва.

4).Наличие кремния, а иногда и других элементов в металле свароч­ной ванны способствует образованию на ее поверхности тугоплавких окислов, приводящих к образованию непроваров.

Чугунные детали, работающие длительное время при высоких темпера­турах, почти не поддаются сварке. Причиной служит охрупчивание чугу­на за счет высокотемпературного окисления углерода и кремния. Его показывают иногда горелым. Также плохо свариваются чугуны, работа­ющие длительное время в соприкосновении с маслом и керосином. В та­ких случаях поверхность чугуна как бы пропитывается маслом и керосином, которые при сварке сгорают и образуют газы, способствующие по­явлению сплошной пористости в сварном шве.

Способы сварки чугуна

Горячая сварка чугуна – при предварительном подогреве до тем­пературы 600-700°С с последующим медленным охлаждением. Такой способ обеспечивает такую скорость охлаждения сварных соединений, при которой происходит полная графитизация металла шва и отсутствует отбел чугуна в околошовной зоне. Резко снижается уровень остаточных напряжений. Горячая сварка чугуна производится обычно чугунным электрода­ми с применением подформовывающих устройств. Сварка ведется на постоянном или переменном токе на повышенном режиме J_св=(50-60)d_э. Однако при горячей сварке чугуна резко ухудшаются условия труда сварщика.

Полугорячая сварка чугуна производится при предварительном подогреве до температуры 250-400°С. Такая температура подогрева обеспечивает снижение уровня остаточных сварочных напряжений и несколько снижает отбел чугуна.

Холодная сварка чугуна – сварка без предварительного по­догрева. При этом способе всегда образуется отбеленный чугун в околошовной зоне и в металле шва, если используется присадочный металл типа чугунов. Поэтому для снижения вероятности образова­ния трещин при холодной сварке чугуна как правило используются высокопластичные присадочные материалы из цветных металлов (медь, никель) или сплавов (медно-никелевых, медно-железных, железо-никелевых). Зона сварки высокопрочного чугуна высоконикелевой проволокой ПАНЧ-11 показана на рис. 3.5. Слева располагается основной металл (ферритный чугун с шаровидным графитом), справа – наплавленный металл (углеродистый никель, почти не травится). Возле линии сплавления появляются участки перлита и ледебурита.

Рис.3.5 Микроструктура зоны сварки

высокопрочного чугуна проволокой ПАНЧ -11(×150)

Оборудование

1) Пост РДС на базе выпрямителя ВД-306.

2) Полуавтомат А-825.

3) Раскройный стенд.

4)Установка для изготовления шлифов.

5) Твердомер ТК-2

6)Муфельная печь.

Материалы

1) Электроды ЦЧ-4.

2) Проволоки ПАНЧ-11и Св08Г2С .

3) Керосин.

4) Мел.

5) Набор шлифовальных бумаг

6) Травитель шлифов (4% спиртовой раствор HNO₃)

7) Пластины из серого чугуна СЧ15-32 толщиной 8¸10 мм.

Поиск по сайту: