Технология газовой сварки чугуна

Характеристика и классификация чугунов

Чугуном называется сплав железа с углеродом, со­держащий углерод от 2 до 6,67%. Наряду с углеродом в чугуне содержится кремний, марганец, сера и фосфор. Содержание серы и фосфора в чугуне больше, чем в стали. Чугун делится по структуре — на белый, серый и ковкий; но химическому составу — на легированный и нелегированный.

Белый чугун — это такой чугун, в котором боль­шая часть углерода химически соединена с железом в виде цементита (Fe₃C), Цементит имеет светлый цвет, обладает большой твердостью и хрупкостью. Поэтому белый чугун также имеет в изломе светло-серый, почти белый цвет, очень тверд, не поддается механической об­работке и сварке, поэтому 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, в изломе имеет темно-серый цвет. Температура плавления серого чугуна — 1100— 1250° С. 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, окислы кремния имеют температуру плавления более высокую, чем свариваемый металл, и тем самым затрудняют процесс сварки.

Марганец связывает углерод и препятствует выделе­нию графита. Этим самым он способствует отбеливанию чугуна. Марганец образует сернистые соединения (MnS), не растворимые в жидком и твердом чугунах и легко-удаляемые 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 образует с железом химическое соединение — 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 в три ра­за больше.

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

Наиболее прочен серый чугун марки СЧ 44-64, твер­дость по Бринеллю составляет от 229 до 289.

Ковкий чугун получают из белого чугуна терми­ческой обработкой — длительной выдержкой при тем­пературе 800—850° С. При этом углерод в чугуне выде­ляется в виде хлопьев свободного углерода, располагаю­щихся между кристаллами чистого железа. В зависимо­сти от режима термической обработки получают ковкий чугун ферритной или перлитной структуры.

При нагреве ковких чугунов свыше 900° С графит может распадаться и образовывать химическое соедине­ние с железом — цементит (Fe₃C), при этом деталь те­ряет свойства ковкого чугуна. Это затрудняет сварку ковкого чугуна, так как для получения первоначальной структуры ковкого чугуна его приходится после сварки подвергать полному циклу термообработки.

Ковкий чугун обозначают буквами КЧ и двумя чис­лами: первое указывает временное сопротивление при растяжении кгс/мм², второе — относительное удлинение

Легированные чугуны имеют специальные примеси хрома, никеля, молибдена, благодаря которым повышается его кислотостойкость, прочность при удар­ных нагрузках и др.

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

 

Свариваемость чугуна.

Чугун является трудносвариваемым сплавом. Трудности при сварке чугуна обуслов­лены его химическим составом, структурой и механиче­скими свойствами, поэтому при сварке чугуна необходи­мо учитывать следующие его свойства:

чугун более жидкотекучий сплав, чем сталь, поэтому сварка его производится только в нижнем положении;

малая пластичность чугуна, характеризующаяся воз­никновением в процессе сварки значительных внутренних напряжений и закалочных структур, которые часто приводят к образованию трещин;

интенсивное выгорание углерода, что приводит к по­ристости сварного шва;

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

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

 

Горячая сварка чугуна

Горячая газовая сварка чугуна нашла широкое при­менение при исправлении дефектов литья, а также ре­монте небольших чугунных деталей.

Способ горячей сварки чугуна является наиболее на­дежным способом, обеспечивающим лучшее качество сварного соединения. Выбор способа сварки определяется составом чугуна, конструкцией детали, характером дефекта и условиями работы. Процесс горячей газовой сварки разбивается на целый ряд отдельных опе­раций, от 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 определяется видом дефекта отливки или характером поломки детали. Для предотвращения распространения трещин концы их перед свар­кой рекомендуется засверливать. Раковины, трещины и другие поверхностные дефекты подготавливаются раз­делкой места заварки. Разделка ведется вырубкой или другими механическими способами.

Свариваемое изделие перед сваркой собирают и при­хватывают по кромкам. Диаметр прихваток не должен превышать 5—6 мм. Без подготовки кромок свариваются детали толщиной до 4 мм. На деталях толщиной свыше 5 мм производится разделка кромок под углом 70—90°. Свариваемые кромки тщательно очищают от грязи, ржавчины, масла или других загрязнений металлической щеткой или пламенем сварочной горелки.

 

Рис. 1 Коксовый горн:

1 — рама, 2 — чугунная опока, 3 — колосниковая решетка

 

Детали, подготовленные под горячую сварку, подвер­гаются нагреву до 500—700° С. Температура общего предварительного подогрева определяется размером де­талей, толщиной стенок, жесткостью конструкции, объемом наплавляемого металла и структурой чугуна. Об­щий подогрев свариваемых деталей ведется в электриче- ских и газовых печах, а при единичных ремонтных ра­ботах — в специальных термических печах, ямах и гор­цах.

Для общего нагрева, а также последующей термиче­ской обработки сваренных деталей, используются горны и печи различного типа. На рис. 1 представлен горн, состоящий из металлического каркаса и чугунной опоки с колосниковой решеткой.

г\л

Естественная тяга через колосниковую решетку обеспечивает такую

Рис. 2 Печи: а — камерная, б — с выдвижным подом

скорость сго­рания кокса, которая необходима для постепенного на­грева деталей. При сварке чугуна используют также ка­мерные печи (рис. 2, а) и печи с выдвижным подом (рис. 2, б).

Сварка чугуна выполняется нормальным пламенем или пламенем с небольшим избытком ацетилена. В на­чале сварки пламя горелки устанавливается почти верти­кально, по мере сварки устанавливают необходимый угол в зависимости от толщины свариваемого металла. Ядро пламени должно находиться па расстоянии 2— 3мм от поверхности свариваемого металла. Наконечник горелки выбирается из расчета расхода ацетилена 120 дм³/ч на 1 мм толщины свариваемого металла.

В качестве присадки согласно ГОСТ 2671—70 для горячей газовой сварки применяются чугунные прутки марки А диаметром 4, 6, 8 и 12 мм, длиной 250—450 мм. Чугунные прутки марки А имеют следующий химический состав; углерода 3,0—3,5%, кремния 3,0—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%, Чугунные прутки марки А с торца маркируют белой краской. Прутки должны храниться 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 облегчения выделения газа сварочную ванну необходимо непрерывно помешивать присадочным прутком.

При горячей газовой сварке чугуна применяется флюс, способствующий улучшению процесса сварки и удаления образовавшихся окислов. В качестве флюса используются прокаленная бура или смесь 56% прока­ленной буры, 22% углекислого натрия и 22% углекисло­го калия. Кроме того, при сварке чугуна можно приме­нить газообразный флюс БМ-l (ТУП-42-64).

Для получения сварного соединения, свойства кото­рого равноценны свойствам основного металла, необхо­димо после сварки 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 рекомендуется сва­ренные детали подвергать вторичному нагреву до темпе­ратуры 600—750° С и охлаждать вместе с печью.