Каковы основные технологические особенности сварки чугуна?

Чугуном называется сплав железа с углеродом, содержащий от 2 до 6,67% углерода. Наряду с углеродом в чугуне содержится кремний, марганец, сера и фосфор. Содержание серы и фосфора в чугуне больше, чем в стали. В специальные (легированные) чугуны вводят легирующие добавки: никель, молибден, ванадий, хром и др.

Чугун делят по структуре на белый, серый и по химическому составу - на легированный и нелегированный.

Белый чугун – это такой чугун, в котором большая часть углерода химически соединена с железом в виде цементита (Fе₃C). Цементит имеет светлый цвет, обладает большой твердостью и хрупкостью. Поэтому белый чугун также имеет на изломе светло-серый, почти белый цвет, очень тверд, не поддается механической обработке и сварке, из-за этого ограниченно применяется в качестве конструкционного материала. Белые чугуны используются для получения ковких чугунов.

Серый чугун – это такой чугун, в котором большая часть углерода находится в свободном состоянии в виде графита. Серый чугун мягок, хорошо обрабатывается режущим инструментом, на изломе имеет темно-серый цвет. Температура плавления серого чугуна 1100-1250 ⁰С. Чем больше в чугуне углерода, тем ниже температура его плавления и выше жидкотекучесть.

Кремний уменьшает растворимость углерода в железе, способствует распаду цементита с выделением свободного графита. При сварке происходит окисление кремния. Температура плавления окислов кремния более высокая, чем температура плавления свариваемого металла, что затрудняет процесс сварки.

Марганец связывает углерод и препятствует выделению графита, что способствует отбеливанию чугуна. Марганец образует сернистые соединения, не растворимые в жидком и твердом чугунах и легкоудаляемые из металла в шлак. При содержании марганца более 1,5% свариваемость чугуна ухудшается.

Сера в чугунах является вредной примесью. Она затрудняет сварку, понижает прочность и способствует образованию горячих трещин. Сера соединяется с железом, образуя сернистое железо, препятствует выделению графита и способствует отбеливанию чугуна. Верхний предел содержания серы в чугунах 0,15%. Для ослабления вредного влияния серы в чугунах содержание марганца должно быть больше.

Фосфор увеличивает жидкотекучесть чугуна и улучшает его свариваемость, но одновременно понижает температуру затвердевания, повышает хрупкость и твердость. Содержание фосфора в серых чугунах не должно превышать 0,3%.

По ГОСТ 1412-70 марку серого чугуна обозначают буквами СЧ и двумя числами, первое из которых выражает величину временного сопротивления чугуна при растяжении в МП/м², а второе- то же при изгибе. Механические свойства серых чугунов приведены в таблице (см. табл.12).

Ковкий чугун получают из белого чугуна, длительно выдерживая его при температуре 800-850 ⁰С. При этом углерод в чугуне выделяется в виде хлопьев свободного углерода, располагающихся между кристаллами чистого железа. Изменяя режим термической обработки, получают ковкий чугун ферритной или перлитной структуры.

При нагреве ковких чугунов выше 900 ⁰С графит может распадаться и образовывать химическое соединение с железом – цементит (Fе₃C), что приводит к потере ковкости чугуна. Это затрудняет сварку чугуна, а для восстановления первоначальной структуры ковкого чугуна его приходится после сварки подвергать полному циклу термообработки.

 

 

Механические свойства серых чугунов

Таблица 12          

Марка чугуна	Предел прочности, МН/м^2, при		Твердость по Бринеллю
	Растяжении	Изгибе
СЧ-12-28 СЧ-15-32 СЧ-18-36 СЧ-21-40 СЧ-24-44 СЧ-28-48 СЧ-32-52 СЧ-36-56 СЧ-40-60 СЧ-44-64	120 150 180 210 240 280 320 360 400 440	280 320 360 400 440 480 520 560 600 640	143-229 163-229 170-229 170-241 170-241 170-241 187-255 197-269 207-269 229-289

Ковкий чугун обозначают буквами КЧ и двумя числами: первое указывает временное сопротивление при растяжении в МН/м², второе -относительное удлинение в процентах. Механические свойства ковких чугунов приведены в таблице.

Механические свойства ковких чугунов

Таблица 13            

Марка чугуна	Предел прочности, МН/м^2	Относительное удлинение, %	Твердость по Бринеллю
КЧ-30-6 КЧ-33-8 КЧ-35-10 КЧ-37-10 КЧ-45-6 КЧ-50-4 КЧ-60-3	300 330 350 370 450 500 600	6 8 10 12 6 4 3	163 163 163 163 241 241 260

Легированные чугуны имеют специальные принеси хрома, никеля, молибдена, благодаря которым повышаются их кислотостойкость, прочность при ударных нагрузках и др.

Высокопрочный чугун получают из серого чугуна специальной обработкой: введением в жидкий чугун при температуре ниже 1400 ⁰С чистого магния или его сплавов. Графит в высокопрочном чугуне имеет сфероидальную форму.

Чугун является трудносвариваемым сплавом. При сварке чугуна необходимо учитывать следующие его свойства:

1) чугун более жидкотекучий сплав, чем сталь, поэтому сварка его выполняется только в нижнем положении;

2) малая пластичность чугуна, приводящая в процессе сварки к значительным внутренним напряжениям и закалочным структурам, которые часто способствуют образованию трещин;

3) интенсивное выгорание углерода, в результате чего образуются поры в сварном шве;

4) в расплавленном состоянии чугун окисляется с образованием тугоплавких окислов, температура плавления которых выше, чем у чугуна.

Сварка чугуна применяется в основном для исправления литейных дефектов, при ремонте изношенных и поврежденных деталей и при изготовлении сварно-литых конструкций.

Горячая сварка чугуна

Горячая газовая сварка чугуна широко применяется при исправлении дефектов литья, а также при ремонте небольших чугунных деталей, она наиболее надежна и обеспечивает хорошее качество сварного соединения.

Процесс горячей газовой сварки состоит из целого ряда отдельных операций, от тщательного выполнения которых зависит качество сварного соединения. К этим операциям относятся: подготовка деталей под сварку; предварительный подогрев деталей; сварка деталей; охлаждение деталей после сварки.

Подготовка к сварке зависит от вида дефекта отливки или характера поломки детали. Чтобы предотвратить распространение трещин, концы их перед сваркой засверливают. Раковины, трещины и другие поверхностные дефекты разделывают под сварку, вырубают или обрабатывают другим механическим способом.

Свариваемое изделие собирают и прихватывают по кромкам. Диаметр прихваток не должен превышать 5 - 6 мм. Без подготовки кромок сваривают детали толщиной до 4 мм. Кромки деталей толщиной более 5 мм разделывают под углом 70-90⁰, тщательно очищают от грязи, ржавчины, масла металлической щеткой или пламенем сварочной горелки.

Детали, подготовленные под горячую сварку, нагревают до 500-700 ⁰С. Температура общего предварительного подогрева зависит от размеров деталей, толщины стенок, жесткости конструкции, объема наплавляемого металла и структуры чугуна. Общий подогрев свариваемых деталей осуществляется в электрических и газовых печах, а при единичных ремонтных работах – в специальных термических печах, ямах и горнах.

Если нет специальных печей, на месте сварки сооружают временные печи. При пользовании временными печами деталь обкладывают древесным углем и закрывают асбестом. Для поступления воздуха снизу делают отверстие или оборудуют специальную систему поддува. После того как свариваемая деталь нагревается до необходимой температуры, ее извлекают из печи и подают на рабочее место сварщика. Чтобы свариваемая деталь во время сварки не охлаждалась, ее закрывают листовым асбестом, оставляют открытым только место сварки. После сварки изделие медленно охлаждают в яме или вместе с горном. Равномерное и медленное охлаждение предотвращает коробление, образование трещин и структур отбела.

Сварку чугуна выполняют нормальным пламенем или пламенем с небольшим избытком ацетилена. В начале сварки пламя грелки устанавливают почти вертикально, а по мере сварки образуют необходимый угол, величина которого зависит от толщины свариваемого металла. Ядро пламени должно находиться на расстоянии 2-3 мм от поверхности свариваемого металла. Наконечник горелки выбирают из расчета расхода ацетилена 120 дм²/ч на 1 мм толщины свариваемого металла.

В качестве присадки согласно ГОСТ 21449-75 для горячей газовой сварки применяют чугунные прутки марки «А» диаметром 4, 6, 8 и 12 мм, длиной 250-450 мм. Чугунные прутки марки «А» имеют следующий химический состав: углерода – 3-3,5%, кремния – 3 - 3,4%, марганца – 0,5-0,8%, серы - не более 0,08%, фосфора – 0,2-0,4%, хрома – не более 0,05%, никеля – 0,3%. Торцы чугунных прутков марки «А» маркируют белой краской. Хранят прутки в сухом месте в ящиках или на стеллажах.

При горячей сварке чугуна необходимо учитывать резкий переход из жидкого состояния в твердое и образование окисной пленки на поверхности жидкой ванны, что затрудняет выделение газа из жидкого металла. Для лучшего выделения газа сварочную ванну непрерывно помешивают присадочным прутком.

При горячей газовой сварке чугуна применяют флюс, способствующий улучшению процесса сварки и удалению образовавшихся окислов. В качестве флюса используют прокаленную буру или смесь: 56% прокаленной буры, 22%углекислого натрия, 22% углекислого калия. Пригоден также газообразный флюс БМ-1 (ТУП-42-64).

В процессе сварки необходимо следить за тем, чтобы в наплавленном металле не осталось шлака и расплавленный присадочный металл хорошо сплавлялся с основным металлом.

Для получения сварного соединения, равноценного по свойствам основному металлу, после сварки необходимо уменьшить скорость охлаждения. Для этого пламя сварочной горелки отводят от поверхности свариваемого металла на 50-60 мм, а наплавленный металл подогревают пламенем в течение

1–1,5 мин.

Для уменьшения внутренних напряжений в массивных деталях сложной конфигурации сваренные детали рекомендуется вторично нагреть до температуры 600-750 ⁰С и охладить вместе с печью.

Ручная электродуговая сварка выполняется чугунными электродами марок «А» и «Б» (ГОСТ 21449-75).

Электроды марки «А» применяют при дуговой горячей сварке и газовой сварке. Электроды марки «Б» предназначены для горячей, полугорячей и холодной дуговой сварки. Стержни электродов имеют диаметры 4, 6, 8, 10, 12, 16 мм. На стержень наносят обычное меловое стабилизирующее покрытие ОМЧ-1, состоящее из 25% мела, 25% полевого штата, 41% графита и 9% ферромарганца. Толщина покрытия 0,2-0,3 мм. Применяют также специальные графитизирующие покрытия, содержащие графит, ферросилиций, мрамор титанановую  руду, замешенные на жидком стекле. В такое покрытие вводят термит, что замедляет остывание металла шва. Толщина покрытия 2 мм. Покрытие наносят на стержень методом окунания.

Сварку выполняют на постоянном токе прямой полярности, однако можно работать и на переменном токе.

При толщине металла до 20 мм сварку выполняют электродами диаметром 8 мм, а при толщине более 40 мм рекомендуются электроды диаметром

10 мм. Величина сварочного тока определяется из расчета 50-60А на 1 мм диаметра электрода.

Сварку можно выполнить угольными электродами диаметром от 6 до

12 мм. Диаметр электрода зависит от толщины свариваемой детали. Величина сварочного тока составляет 200-450 А. Присадочным материалом служат стержни А и Б, а флюсом – бура или смесь буры (50%) и соды (50%). Сварку производят постоянным током прямой полярности или переменным током.

Холодная сварка чугуна

Холодной сваркой чугуна принято называть сварку без предварительного нагрева. Ее применяют в тех случаях, когда предварительный подогрев труден или экономически нецелесообразен.