Сварка прочно заняла место в чугунолитейном производстве, главным образом при ремонте вышедшего из строя оборудования и устранении дефектов чугунных отливок. Однако выполнение сварочных работ связано со значительными трудностями.
К чугунам относятся железоуглеродистые сплавы с содержанием свыше 2% С
(рис. 1). Чугуны делятся на доэвтектические, эвтектические и заэвтектические. При затвердевании доэвтектических чугунов из расплава кристаллизуется структурно свободный аустенит в виде дендритов. Затвердевание заэвтектических чугунов характеризуется выделением в первую очередь высокоуглеродистой фазы — первичного графита или цементита, а затем при более низкой температуре — кристаллизацией эвтектики, состоящей из аустенита и цементита. Такая эвтектика называется ледебуритом.
Рис. 1
Характер затвердевания чугуна определяется его составом и скоростью охлаждения. Замедленное охлаждение способствует образованию графита, ускоренное охлаждение частично или полностью подавляет выделение графита и способствует образованию цементита. С увеличением скорости охлаждения происходит измельчение графитных выделений вплоть до образования точечного графита, при этом понижается и температура кристаллизации жидкого металла. Дальнейшее увеличение скорости охлаждения приводит к образованию в структуре чугуна ледебурита. Подобным образом действует легирование чугуна карбидообра-зующими элементами (хромом, ванадием, молибденом, вольфрамом). Наоборот, повышение содержания элементов-графитизаторов (углерода, кремния, никеля, алюминия, меди и др.) способствует образованию в структуре чугуна графитных включений.
Охлаждение уже затвердевшего чугуна сопровождается сравнительно небольшими структурными изменениями. В серых и белых чугунах избыточный углерод, выделяющийся из аустенита с понижением температуры, наслаивается на включения графита или цементита. При дальнейшем снижении температуры начинается эвтектоидное превращение аустенита. В результате этого превращения в зависимости от состава чугуна и скорости его охлаждения образуется феррит + графит или же феррит + цементит. Эвтектоидное превращение с образованием свободного графита происходит при очень малых скоростях охлаждения, обычно лишь в толстостенных отливках. Поэтому часто даже в тех случаях, когда эвтектическое превращение протекает с образованием аустенита и графита, при эвтектоидном превращении продуктом распада "является перлит.
При охлаждении с повышенной скоростью аустенит может превращаться в сорбит и троостит. Тот же результат может быть достигнут в случае присадки в чугун карбидообразующих элементов. Некоторые элементы (никель, медь) задерживают распад аустенита на графит и феррит и сильно измельчают перлит. Более того, при увеличении содержания никеля удается получить не только сорбитную и трооститную, но и мартенситную струк туру. В нелегированном чугуне это достигает обычно только при его закалке. Легирование чугуна большим количеством сильных аустенитизаторов (никелем, марганцем) приводит к получению аустенитной структуры даже при обычных скоростях охлаждения.
Свойства чугуна, зависящие от структуры, можно изменять в широких пределах.
Классификация чугуна основана на форме и типе включений графита. По этим признакам чугун может быть разделен на четыре группы (табл. 1):
1) серый чугун (пластинчатый графит);
2) высокопрочный или магниевый чугун (шаровидный графит);
3) ковкий чугун (графит хлопьевидной формы);
4) белый чугун (без включений графита).
Все перечисленные выше чугуны обладают плохой свариваемостью. Наиболее широко сварка применяется при ремонте и восстановлении изделий из серого чугуна. Это объясняется как ра¬пространенностью серого чугуна, так и наличием способов его сварки, в том числе и обеспечивающих получение в металле шва чугуна, близкого по свойствам к основному металлу.
Таблица. 1
Ковкий и магниевый чугуны свариваются преимущественно стальными электродами (железо-никелевыми электродами ЦЧ-4) или же дуговой сваркой в защитных газах тонкой электродной проволокой. Однако пока не решена задача получения металла шва, близкого по составу и свойствам к основному металлу. Поскольку сварку ковкого и магниевого чугунов стальными электродами во многих случаях производят на тех же режимах и теми же электродами, что и серого чугуна, особенности сварки этих чугунов изложены совместно.
Некоторые особенности сварки чугуна. Основные затруднения при сварке чугуна связаны с высокой склонностью к образованию ледебурита и мартенсита в металле шва, что значительно ухудшает его обрабатываемость и увеличивает склонность к образованию трещин.
Для уменьшения опасности появления трещин при применении электродов, дающих наплавленный металл, по составу отличный от чугуна, рекомендуется сварка короткими участками, проковка и другие меры. При сварке чугунными электродами возникают дополнительные трудности, которые обычно связывают с низкой пластичностью шва и большой его склонностью к образованию закалочных структур. Кроме того, на склонность к образованию трещин в сварных швах значительно влияет величина линейной усадки чугуна. Характер и величина линейной усадки в условиях повышенных скоростей охлаждения во многом зависят от химического состава металла. Наименьшую склонность к образованию трещин в одинаковых условиях сварки имеет на¬плавленный металл с высоким содержанием углерода. Именно в таких чугунах величина и интенсивность протекания линейной усадки наименьшие.
Величина линейной усадки может служить важным критерием для оценки склонности чугуна к образованию трещин. При этом определяющее влияние на образование трещин оказывает не абсолютная величина Доперлитной усадки, а алгебраическая сумма доперлитной усадки и расширения при эвтектическом и эвтектоидном превращениях, с одной стороны, и интенсивность протекания усадки на этих этапах, с другой.
Не все чугуны свариваются одинаково. Чугуны с грубой структурой, с большими ферритными зернами и крупными графитными включениями, а также большим количеством фосфидной эвтектики свариваются очень плохо. Легирование никелем, титаном, молибденом и некоторыми другими элементами улучшает свариваемость чугуна. Очень плохо свариваются изделия из чугуна, долгое время находившиеся под воздействием водяного пара или высоких температур. Для их ремонта приходится принимать специальные меры. Лучше всего свариваются неокисленные серые чугуны с мелкими включениями графита, содержащие минимальное количество серы и фосфора.
Особенности структуры металла шва и околошовной зоны. При анализе структурных превращений, протекающих в чугуне при сварке, следует учитывать значительно большую скорость охлаждения металла по сравнению со скоростью охлаждения друпных отливок. В результате этого влияние некоторых элементов на структуру чугуна и степень графитизации может значительно изменяться.
Графитизирующее действие элементов при сварке значительно слабее, чем. при производстве чугунных отливок. Наибольшее графитизирующее действие в .условиях сварки оказывает углерод и в меньшей степени кремний. Для предупреждения образования в шве ледебурита необходимо обеспечить повышенное содержание в нем углерода и кремния по сравнению с их содержанием в обычном литейном чугуне (рис.2). Влияние никеля и меди на графитизацию в условиях больших скоростей охлаждения выражено слабо. Такой карбидообразующий элемент как марганец при содержании его до 1,0—1,2% оказывает специфическое влияние на процесс графитизации.
Рис. 2
Он повышает степень графитизации чугуна при низком содержании углерода и снижает ее при высоком его содержании. Введение в металл шва небольших количеств титана, ванадия и хрома способствует измельчению графита. Дальнейшее увеличение содержания этих элементов вызывает образование в швах ледебурита.
Изменить условия кристаллизации, степень дисперсности структурных составляющих, а следовательно, механические и тенологические свойства металла шва можно путем введения в металл шва модификаторов. Модифицирование можно рассматривать как воздействие на кристаллизацию металла изменений, вносимых в процесс зарождения и роста центров кристаллизации. Основная идея модифицирования чугуна сводится к такому изменению условий эвтектического превращения, при ^которых образуется графитная эвтектика с наиболее благоприятной формой и распределением графита.
Для получения в шве серого чугуна, не склонного к трещинам, необходимо иметь в сварочной ванне достаточное количество таких элементов, как углерод и кремний, способствующих процессу графитизации и уменьшению линейной усадки. Кроме того, необходимо обеспечить такие условия охлаждения металла, при которых процесс графитизации протекает более полно.
Качество сварного соединения, его механические свойства обрабатываемость и т. п. зависят не только от свойств наплавленного металла, но и от структурных превращений, протекающих в околошовной зоне. В связи с непрерывным изменением температуры в околошовной зоне основой металл претерпевает различные структурные превращения. Основными факторами, влияющими на эти превращения, являются структура и химический состав основного металла; скорость нагрева и охлаждения околошовной зоны; химический состав наплавленного металла.
Наиболее заметные структурные превращения претерпевает так называемый участок неполного расплавления (двухфазная область твердый — жидкий металл). При сварке чугуна без подогрева при скоростях охлаждения более 5° С/с в интервале 300— 500° С у границы сплавления образуются прослойки ледебурита и мартенсита. На образование прослойки ледебурита влияет химический состав сварочной ванны. Применение электродов и сварочной проволоки, содержащих в своем составе никель или такие графитизаторы, как углерод и кремний, способствует уменьшению размера ледебуритной прослойки и в определенных условиях (при соответствующей концентрации этих элементов и режиме сварки) — полному ее устранению. Наличие мартенсита в околошовной зоне и ширина мартенситной прослойки не зависят от химического состава электродного металла, а определяются главным образом режимом сварки, т. е. скоростью охлаждения в интервале наименьшей устойчивости аустенита. Одной из наиболее действенных мер, способствующих предупреждению образования в околошовной зоне ледебурита и мартенсита, является применение предварительного подогрева чугуна перед сваркой.
Способы сварки серого чугуна. При сварке чугуна, ремонте и восстановлении отливок и чугунных деталей к качеству соединения могут предъявляться самые разнообразные требования — от декоративной заварки наружных дефектов до получения сварных соединений, равнопрочных с основным металлом. Для серого чугуна, материала с плохой свариваемостью, естественно, невозможно найти универсальный способ сварки, дающий во всех случаях хорошие результаты. Это и обусловило появление большого количества электродов и способов сварки чугуна. Достижения в области сварки чугуна достаточно широко освещены как в советской, так и в зарубежной литературе.
В зависимости от применяемых сварочных материалов различают:
1) способы сварки, обеспечивающие получение в наплавленном металле чугуна;
2) способы сварки, обеспечивающие получение в наплавленном металле стали или железных сплавов с высоким содержанием цветных металлов (меди, никеля и др.). Способы сварки, входящие в каждую из указанных групп, могут быть классифицированы и по другим признакам, например ручная сварка и сварка механизированная; сварка с высоким предварительным подогревом (горячая сварка), с небольшим подогревом (не выше 300—400° С) и без предварительного подогрева (холодная сварка).
Способы сварки, обеспечивающие получение в наплавленном металле стали или железного сплава с высоким содержанием цветных металлов. На протяжении ряда лет ведутся работы по изысканию составов электродов, позволяющих значительно снизить или устранить предварительный подогрев чугунных изделий перед сваркой. Стремятся получить весьма пластичный наплавленный металл, который к тому же не подвергался бы закалке при любых свойственных сварке скоростях охлаждения. Это достигается, с одной стороны, подбором электродного металла с низкой вели¬чиной временного сопротивления и, с другой стороны, уменьшением доли основного металла в шве. Особенно важно с точки зрения уменьшения склонности швов к закалке снижение содержания углерода в наплавленном металле. Поскольку очень трудно избежать расплавления основного металла, в качестве электродного металла чаще всего применяют металлы или сплавы, не раство¬ряющие углерод (электроды на основе меди), растворяющие его без образования карбидов (электроды на основе никеля) или же связывающие углерод в трудно растворимые в твердом металле карбиды (электроды с сильными карбидообразующими элементами).
Для уменьшения доли основного металла в металле шва и снижения величины сварочных остаточных напряжений процесс сварки ведут на очень малых режимах (сила тока 90—120 А при диаметре электрода 3 мм), короткими валиками (40—50 мм), с охлаждением детали после наложения каждого валика до температуры 60—70° С. Часто валики проковывают непосредственно после обрыва дуги. Такая техника сварки обусловливает низкую производительность процесса.
Существует очень много марок электродов, обеспечивающих получение в наплавке стали или сплава железа с цветными металлами. Рассмотрим наиболее характерные группы таких электродов. На практике часто используют электроды не одной группы, а комбинации электродов нескольких групп, что позволяет улучшить результаты сварки.
Стальные электроды без специального покрытия. Это обычные электроды для сварки низкоуглеродистой стали марок УОНИ-13/45, ОММ-5 и др. Сварку указанными электродами производят в тех случаях, когда не требуется последующая механическая обработка, не оговаривается прочность сварного соединения и т. д. В случае ремонта ответственных изделий с целью получения соединения с высокой механической прочностью применяют добавочное крепление стальными ввертышами. При сварке чугуна стальными электродами без специального покрытия требуется особо тщательное соблюдение техники сварки. Процесс сварки стальными электродами трудоемкий, имеет низкую про¬изводительность и требует высокой квалификации сварщика. Возможности способа сварки низкоутлеродистыми электродами значительно расширяются в случае применения отжигающих валиков. Стальные электроды с карбидообразующими элементами в покрытии. К наиболее характерным представителям этой группы относятся электроды ЦЧ-4 и СЧС-ТЗ, содержащие в покрытии титан и ванадий. Поступающий в шов из основного металла углерод связывается титаном или ванадием в труднорастворимые в металле мелкодисперсные карбиды и поэтому в дальнейшем не участвует в фазовых превращениях. Если карбидообразующие элементы находятся в избытке по отношению к углероду, структура шва получается ферритной с включениями мелкодисперсных карбидов. Обрабатываемость наплавок в этом случае вполне удовлетворительная, хотя практически очень трудно избежать зоны повышенной твердости по границе сплавления.
Для связывания углерода предпочтительнее использование ванадия, так как титан энергично соединяется с кислородом и азотом и шов сильно загрязняется неметаллическими включениями. Поэтому большее распространение получили электроды ЦЧ-4, имеющие в покрытии феррованадий. Они в основном применяются для сварки высокопрочного чугуна, а также для ремонта небольших дефектов в отливках из серого чугуна площадью не более 100 см2. Сварку электродами ЦЧ-4 нужно производить так, чтобы ванадий в шве был в избытке по отношению к углероду. В противном случае твердость металла шва превышает твердость мартенсита даже при наличии в структуре ванадиевого перлита. Это влечет за собой снижение обрабатываемости и появление трещин.
Электроды на основе никеля. Такие электроды очень широко распространены и в некоторых случаях не имеют равноценного заменителя.
Никель неограниченно растворим в железе, а никелевый аустеНиТ может содержать много углерода без образования карбидов и имеет высокую пластичность и низкую твердость. Эти особенности никелевого аустенита обусловливают хорошую обрабатываемость сварных соединений чугуна и высокую стойкость швов против образования трещин. Наименьшую склонность к трещи¬нам имеет металл, наплавленный электродами из железо-никелевого сплава, что объясняется его сравнительно низким пределом прочности по сравнению с прочностью чугуна. Все же для полного устранения трещин рекомендуется предварительный подогрев свариваемых изделий до температуры 150—300° С.
При сварке железо-никелевыми электродами близкие к свойствам основного металла механические свойства обеспечиваются только при температуре предварительного подогрева выше 300° С. При меньшем подогреве механические свойства хуже, чем у основного металла. Широкое применение за рубежом получили нике¬левые электроды с содержанием свыше 90% Ni. Успешно применяются как в СНГ, так и за рубежом медно-никелевые электроды, обычно изготовляемые из монель-металла. Существенным недостатком электродов на основе никеля является их высокая стоимость.
Электроды на основе меди. Медь, как и никель, не образует химических соединений с углеродом. Она практически не растворима в железе. Поэтому при сварке чугуна медными электродами шов получается неоднородным. В медной основе расположены включения высокоуглеродистой железной фазы, часто имеющей мартенситную структуру. Кроме того, по границе сплавления создается зона повышенной твердости вследствие образования ледебурита. Поэтому обрабатываемость сварных соединений затруднена. К числу других недостатков следует отнести повышен¬ную склонность к образованию пор, низкую производительность и довольно высокую стоимость электродов.
Медно-стальные электроды различной конструкции получили довольно широкое распространение в основном для ремонта отливок или дефицитных деталей с трещинами. Известны медно-стальные электроды, в которых вместо низкоуглеродистой применена легированная сталь. Примером могут служить аустенитно-медные электроды, изготовляемые из стальной проволоки 0Х18Н9 и медной оболочки. Металл, наплавленный этими электродами, обладает меньшей склонностью к образованию пор и трещин, имеет лучшую обрабатываемость.
Как видно из изложенного, в настоящее время имеется большое количество электродов, правильное использование которых в каждом конкретном случае позволяет решать многие выдвигаемые практикой задачи.
Механизированная сварка. К способам механизированной сварки и наплавки чугуна относятся дуговая сварка тонкой стальной проволокой в углекислом газе, автоматическая сварка высокопрочного чугуна под керамическим флюсом и некоторые другие. Наиболее широко применяется дуговая сварка в углекис лом газе, поскольку позволяет получать небольшой провар основного металла. Состав металла шва, структура и свойства сварных соединений зависят от режима и техники сварки, состава электродной проволоки, размеров изделий и т. д. Применяя различные режимы и приемы сварки, можно получить наплавленный металл с требуемой структурой от мартенситной до перлитно-ферритной. Лучшие результаты обеспечиваются при сварке проволокой 09Г2СА диаметром 1 мм на режиме: сила тока не более 100—120 А, напряжение дуги 18—21 В, скорость сварки до 12 м/ч. Способ нашел применение для соединения труб из серого чугуна (в сантехнике), при ремонте автомобильных и тракторных деталей, не требующих дальнейшей механической обработки, при сварке высокопрочного чугуна и чугуна со сталью.
