Свариваемость материалов

чугуна однородным металлом технически мало отличается от сварки стальных деталей. Свариваемые заготовки собирают с обязательным зазором, несколько большим, чем при сварке сталей. В качестве формирующих приспособлений можно исполь­ зовать графитовые пластины.

Для доброкачественной заварки дефектов на массивных чу­ гунных отливках в ряде случаев необходим местный предвари­ тельный подогрев. Чтобы регулировать степень разогрева де­ фектного места, целесообразно использовать в качестве источ­ ника нагрева неплавящиеся электроды, например, графитовые.

охлаждения сварного шва, просто осуществляется местная тер­ мическая обработка для отжига наплавленного металла. В ре­ зультате получают сварное соединение чугуна, легко обрабаты­ ваемое по всему сечению, и металл шва, соответствующий по качеству основному металлу.

Газовую сварку серого чугуна применяют при исправлении литейных дефектов и ремонте деталей небольшой массы, реже — при восстановлении изделий больших габаритных размеров и массы с подогревом. Сварку деталей малой массы производят без предварительного подогрева.

Относительными недостатками газовой сварки являются сравнительно низкая производительность и высокие требования как к сварочным материалам, так и к профессиональному ма­ стерству газосварщика.

В качестве горючего газа используют ацетилен, пропан-бу­ тан и городской газ, сварку выполняют нормальным пламенем. В качестве присадочного материала применяют чугунные прутки по ГОСТ 2671—80, а также используют преимущественно кис­ лые флюсы, состоящие из борсодержащих веществ.

22.3.5. Дефекты и их предотвращение Холодные трещины — наиболее распространенный дефект. Од­

в металлической матрице. Графит играет роль надреза. Под действием растягивающих напряжений у вершин графитных пластинчатых включений создается перенапряжение, которое и может вызвать разрушение. У серого чугуна практически отсут­ ствует запас пластичности, поэтому разрушение происходит хрупко, путем отрыва и в основном по графитовым включениям. Присутствие в чугуне цементита, ледебурита и мартенсита по­ вышает хрупкость и способствует образованию трещин.

Выполнение сварки с предварительным местным подогревом до температуры 150—250 °С, тщательная проковка участков шва, использование в качестве основного металла чугуна с мел­ ким завихренным или компактным графитом, не окисленного и не пропитанного маслами в процессе эксплуатации, способст­ вуют исключению продольных трещин в околощовной зоне.

Горячие трещины. Образованию трещин способствует нали­ чие легкоплавких эвтектик, остающихся жидкими между затвер­ девшими кристаллами. С и S уменьшают стойкость швов про­ тив горячих трещин, особенно при сварке чугуна высоконикеле­ выми сплавами. Углерод создает несплощности, которые ослаб­ ляют формирующийся шов. Это проявляется сильнее, если включении графита имеют пластинчатую форму. При сварке чу­ гуна никелем важно добиться, чтобы в структуре шва включе­ ния графита имели компактные формы, лучше всего шаровид­ ную или точечную.

S не растворяется в Ni, но может образовывать с ним соеди­ нения, например сульфид никеля Ni3S2, который дает с Ni хруп­ кую эвтектику с температурой плавления 644 °С. При содержа­ нии S в Ni свыше 0,01 % в швах, как правило, появляются тре­ щины. Снижение содержания серы в наплавленном металле и связывание ее в тугоплавкие соединения является важной зада­ чей при разработке сварочных материалов для чугуна.

Предварительный подогрев изделия до 150—250 °С благопри­ ятно сказывается на стойкости швов против горячих трещин, по­ скольку снижается темп нарастания деформации при кристал­ лизации шва. Проковка как технологический прием здесь не­ эффективна, так как трещины образуются гораздо раньше, чем Может быть осуществлено деформирование металла шва.

Поры — серьезный дефект сварных соединений чугуна, осо­ бенно для деталей, работающих под давлением. Отдельные'поры в чугуне, наплавленном при заварке крупных дефектов, не пред­ ставляют опасности. Однако при значительной пораженности металла шва сварное соединение не может быть признано удов­ летворительным.

Поры представляют собой не успевшие выделиться до за­ твердевания металла пузырьки Н2, N2, водяного пара, оксида углерода. В наибольшей степени образованию пор в наплавлен­ ном чугуне способствуют N2 и Н2 вследствие скачкообразного изменения их растворимости в период кристаллизации свароч­

ной ванны.

Уменьшение пористости наплавленного чугуна достигают тщательной очисткой основного металла от ржавчины и органи­ ческих загрязнений (борьба с водородом), связыванием водо­ рода в соединения (HF, ОН), нерастворимые в жидком металле Благодаря способности N2 образовывать стойкие нитриды титана, алюминия, циркония исключают его вредное влияние пу­

тем легирования сварочной ванны этими элементами. Чтобы предотвратить образование газовых пузырьков водяного пара и оксида углерода, сварочную ванну жидкого чугуна раскисляют Ti, Al, Si. Вероятность образования пор снижается с уменьше­ нием скорости кристаллизации жидкого чугуна. Поэтому при больших объемах ванны, характерных для сварки с предвари­ тельным подогревом, успевает пройти дегазация и поры не об­ разуются.

Глава 23. КОВКИЕ, ВЫСОКОПРОЧНЫЕ и ЛЕГИРОВАННЫЕ ЧУГУНЫ

(Грецкий Ю. Я., Метлицкий В. А.)

23.1. Состав и свойства

23.1.1. Классификация по составу и свойствам

Ковкие ч угун ы (КЧ), которые получают в результате отжига белого чу­ гуна, характеризуются повышенной прочностью, пластичностью и ударной вязкостью вследствие образования при отжиге хлопьевидного графита. Ос­ новные преимущества КЧ заключаются в однородности их свойств по се­ чению, практическом отсутствии напряжений в отливках, высоких механиче­ ских свойствах н хорошей обрабатываемости.

Отличительной особенностью высокопрочных чугунов с шаровидным графитом (ЧШГ) являются еще более высокие прочностные свойства, обус­ ловленные сферической формой графита, при которой в меньшей степени, чем при других формах графита, ослабляется рабочее сечение матрицы и гораздо ниже концентрация напряжений у графитовых включений.

Л еги рован н ы е ч угун ы обладают специальными свойствами, обеспечива­ ющими длительную и надежную работу отливок в разнообразных условиях

матрице). Снижение содержания углерода в указанных пределах увеличи­

вает прочность КЧ благодаря уменьшению количества и размеров графита, а также улучшению его формы. Фосфора и серы в КЧ меньше, чем в сером

чугуне.

Ч уеуны с ш аровидны м графитом (ГОСТ 7293—85) различают на фер­ ритные, перлитно-ферритные, перлитные и бейнитные. Содержание основных

хрома содержание С, Si, Мп уменьшается. Никелевые имеют в своем со­ ставе до 21 % N1, кремнистые — до 18% Si, марганцевые — до 12% Мп, вы­ соколегированные алюминиевые — до 31 % Д1. Практически все легированные чугун** могут иметь как пластинчатую, так и шаровидную форму графита.

К овки й ч угун маркируют буквами КЧ и цифровыми обозначениями в зави­ симости от механических свойств. Первые две цифры соответствуют времен­

КЧ имеют более высокую пластичность, а высокая твердость перлитного чугуна обеспечивает лучшую стойкость против износа. КЧ с зернистым пер­ литом используют для изготовления отливок, подверженных знакоперемен­ ным (в том числе, ударным) нагрузкам при эксплуатации [1].

ВЧ 120-4). ЧШГ обладают комплексом ценных свойств, значительно превос­ ходящих те же характеристики серого чугуна: износостойкостью, жаростой­ костью, коррозионной стойкостью и др. Многие свойства дополнительно по­

жание Сг. Износостойкие чугуны обозначают ИЧХ и далее цифры содер­ жания Сг и других элементов (как при обозначении сталей, например, ИЧХ13ГЗМ). Пример обозначения никелевого чугуна: ЧН15Д7Х2. Если графит имеет шаровидную форму, добавляется буква Ш. Аналогично обоз­ начение кремнистых чугунов, обладающих окалино-, росто- и коррозионностойкостью (ЖЧС5, ЖЧЮ7Х2, ЧС15М4); алюминиевых жаропрочных (ЖЧЮ7Х2) и марганцевых износостойких чугунов (ИЧХ4Г7Д).

23.2. Свариваемость чугунов

23.2.1. Склонность к образованию трещин

Склонность сварных соединений к образованию трещин в ЗТВ у ЧШГ значительно выше по сравнению с обычными серыми чугунами при одинаковых содержаниях С, Si и Мп. В то же время требование высокой прочности, предъявляемое к сварным соединениям ЧШГ, является одним из основных при и зго т о в л е ­ нии и ремонте деталей. Только выполнение сварки с высоким предварительным подогревом всей детали или местным, если позволяет конструкция, способствует исключению трещин, а по­ лучение наплавленного металла в виде#ЧШГ дает полную равнопрочность сварных соединений с основным металлом.

Свариваемость легированных чугунов (в первую очередь, стойкость против образования трещин) ухудшается, с ростом содержания легирующих элементов. Особенно свойственно это хромовым, кремнистым и марганцевым чугунам вследствие уве-

личения в их структуре количества карбидов Сг, Si, Мп. Исклю­ чение составляют чугуны с аустенитной основой: никелевые, марганцевые и более сложного состава, которые обладают удов­ летворительной свариваемостью. С другой стороны, высокони­ келевые чугуны, хорошо противостоящие появлению холодных трещин, склонны к образованию ГТ из-за эвтектик, образую­ щихся в шве и ЗТВ сварного соединения.

23.2.2. Влияние химического состава и структуры

Термический цикл, которому повергаются КЧ и ЧШГ в процессе сварки плавлением, ухудшает механические свойства основного металла в ЗТВ. Это происходит из-за наличия структурно-сво­ бодного углерода, который при высоких температурах интен­ сивно растворяется в аустенитной матрице. Вследствие проте­ кающей диффузии углерода от хлопьевидных или шаровидных включений графита в аустенитную матрицу понижается темпе­ ратура плавления матрицы в приграничных микрообъемах и происходит ее расплавление в зонах вокруг графитных включе­ ний. В условиях последующего быстрого охлаждения эта фаза, обогащенная углеродом, затвердевает с образованием ледебу­ рита. Присутствие в ЗТВ игл первичного цементита, ледебурита и мартенсита охрупчивает металл околошовной зоны и облег­ чает появление трещин [4].

Увеличение содержания углерода в КЧ и ЧШГ способст­ вует более полной графитизации металла шва и ЗТВ, снижению твердости соединения и уменьшению опасности образования тре­ щин.

Модифицирующие элементы (Mg, РЗМ, Y и др.), глобуляризирующие графитную фазу в ЧШГ, одновременно способствуют переохлаждению и кристаллизации с образованием цементита й ледебурита. Поскольку в условиях сварки это явление усили­ вается, всегда существует опасность образования оторочки во­ круг шва, содержащей в структуре карбиды и мартенсит и вы­ зывающей появление трещин [4].

Сера и фосфор снижают механические свойства сварных со­ единений из-за образования в металле шва участков, обогащен­ ных сернистыми и фосфидными эвтектиками на основе железа.

и Ps^O.l. Чистыми по этим элементам должны быть и компо­ ненты электродных материалов.

Структура основы КЧ и ЧШГ оказывает меньшее влияние на свариваемость, чем химический состав. Чугуны с ферритной матрицей более стойкие против образования трещин, чем пер­ литные, благодаря запасу пластичности и вязкости, но уровень прочности сварных соединений у них ниже.

Дуговая сварка. Все специальные чугуны соединяют ручной ду­ говой сваркой с применением электродов со стержнем, однород­ ным основному металлу. Так, например, пруток марки ПЧС-2 (стержень электрода ЭВЧ-2) для сварки ЧШГ содержит, %: С

лучение шаровидного графита в металле шва [2]. В компонентах покрытий большое количество графитнзаторов: С и Si.y Сварку КЧ и ЧШГ производят с предварительным подогревом отливок и деталей до температуры 400—700 °С и замедленным охлажде­ нием после сварки. Для низколегированных чугунов с пластин­

При сварке без подогрева требуемое качество соединений достигают при использовании электродов на никелевой и желе­ зоникелевойоснове: ОЗЧ-З, ОЗЧ-4, ОЗЖН-1. Металл шва (на­ плавленный металл?) имеет аустенитную структуру с включени­ ями междендритного графита. В зависимости от доли никеля структура шва, кроме аустенита, может содержать и продукты его распада, снижающие прочность и пластичность.

Механические свойства наплавленного металла при исполь­ зовании электрода ОЗЖН-1 (со стержнем, содержащим 50 % Ni) близки к свойствам ЧШГ: бв = 400—600 МПа; бт= 300—470 МПа; 6= 6—13%; НВ 180—200Д/Однако сварные соединения, выпол­ ненные железоникелевыми электродами, в состоянии после сварки имеют прочность на 20—40 % ниже прочности основ­ ного металла и при испытании на растяжение разрушаются хрупко. Улучшить механические свойства удается только с по­ мощью термической обработки. Для надежного исключения тре­ щин по зоне сплавления при сварке ЧШГ и КЧ электродами ОЗЖН-1 применяют предварительный подогрев деталей до тем­ пературы 200—350 °С. \

Электроды марки ЦЧ-4 со стальным стержнем и феррова­ надием в покрытии ограниченно применяют для сварки КЧ и ЧШГ. Твердость наплавленного металла, который представляет собой ванадиевую сталь с мелкодисперсными карбидами V, позволяет вести механическую обработку, однако в ЗТВ при сварке без подогрева неизбежно образование ледебурита и мар­ тенсита, что повышает ее твердость до HV 500—600. Возникает опасность образования трещин, соединение не обрабатывается режущим инструментом. Равнопрочность соединений основному металлу не достигается, поэтому часто для надежности свар к у выполняют со стальными ввертышамиу Медно-стальные элек­ троды (ОЗЧ-2, ОЗЧ-6) и электроды для сварки конструкцион­

ных сталей применяют лишь для декоративной заварки мелких литейных дефектов.

Механизированная дуговая сварка наиболее перспективна для применения порошковых проволок. При сварке КЧ, ЧШГ и легированных чугунов с шаровидным графитом структура ме­ талла шва должна характеризоваться компактной или глобуляр­ ной формой графита, а также подобной матрицей, чтобы сохра­ нить в соединении ценные свойства основного металла. Сфероидизации графитной фазы достигают введением в состав порош­ ковых проволок Mg, Са, Y, РЗМ. Так, проволока ПП-АНЧ-5 со­ держит комплекс модифицирующих элементов: Mg, Са, РЗМ, которые вводят в шихту в виде лигатуры на основе кремния.

Сварку порошковой проволокой ПП-АНЧ-5 выполняют с предварительным нагревом отливок и деталей до температуры 400—600 °С. Диапазон режимов определяется скоростью подачи

янный прямой полярности. Заваренные отливки, как правило, подвергают термической обработке. Сварные соединения равно­ прочны ЧШГ ферритного (ВЧ 42-12) и перлитно-ферритного (ВЧ 45-5, ВЧ 50-2) класса [4].

Шихта порошковой прбволоки ППВЧ-1 содержит модифика­ торы МР-1 или МР-2, изготовленные из иттирий содержащего сырья. Сварку можно осуществлять с перегревом сварочной ванны без опасности потери шаровидной формы графита в шве [2]. Порошковая проволока ППСВ-7 содержит большое количе­ ство силикокальция (Са — глобуляризатор графита).

Автоматическую сварку ЧШГ низкоуглеродистой стальной проволокой производят под керамическим флюсом, содержащим Сг и Мп. Аустенитную структуру металла шва достигают при содержании в нем 20—26 % Мп и 9—12 % Сг. Кроме аустенита, в матрице есть небольшое количество феррита и мелкодисперс­ ные карбиды, твердость составляет HRC 25— 30. Прочность сварных соединений ферритного ЧШГ достигает 80—90 % проч­ ности основного металла.

Сварку ЧШГ стальной проволокой осуществляют также с присадкой керамических стержней. Введение в их состав ред­ коземельных металлов обеспечивает получение в металле шва чугуна с шаровидным графитом и перлитной основой. Состав керамического стержня СКВЧ-1 для сварки ЧШГ % (по массе): графит 10—15; чугунный порошок 5—15; карбид кремния 10— 20; лигатура с РЗМ 5—10; алюмомагниевый порошок 8—12; криолит 12—22; альгинат натрия 1—3; плавиковый шпат — ос­

тальное.

Ремонтную сварку поврежденных деталей из КЧ, ЧШГ и легированных (особенно, никелевых) чугунов выполняют самозащитной проволокой сплошного) сечения из сплава на основе

Ni. Проволока ПАНЧ-11 (ТУ 48-21-593—82) обеспечивает малое тепловложение в основной металли и неглубокое проплавление. Особенности сварки проволокой ПАНЧ-11 подробно отражены в п.22.2.2.

Проволоки на основе меди ограниченно применяют для сйарки специальных чугунов, главным образом, для заварки мел­ ких литейных дефектов.

Электрошлаковая сварка ЧШГ осложнена тем, что из-за дли­ тельного пребывания сварочной ванны 0 жидком состоянии трудно обеспечить стабильное получение в металле шва графита шаровидной формы. Для надежного модифицирования металла шва необходимо применять флюсы, содержащие элементы — глобуляризаторы графита. Другой путь — использование порош­ ковых проволок, лент или присыпок с модификаторами.

Электрошлаковую технологию перспективно использовать для наплавки слоев чугуна с заданными составом и свойствами, в частности высокохромовых и высококремнистых чугунов. При этом достигают большой производительности процесса.

Газовую сварку ЧШГ осуществляют с присадкой прутков марки ПЧС-2. Используют ацетилен, пропан-бутан и другие го­ рючие газы. Флюс ФПСН-1 можно применять при сварке лю­ бым газом. Техника сварки та же, что и для серого чугуна.

Контактную сварку применяют в производстве лито-сварных изделий из ЧШГ. Предварительный подогрев и последующая термообработка обеспечивают получение ферритно-перлитной структуры стыка без включений цементита. Предел прочности сварного соединения близок к прочности основного металла (ВЧ 45-5) и составляет 400—450 МПа. Контактной сварке хо­ рошо поддаются КЧ и многие марки легированных чугунов.

Сварка трением. При компактной форме графита в чугуне удается получить соединения чугунных деталей между собой или со сталью. Для сварки КЧ с углеродистой сталью рекомен­ дуется режим: частота вращения 3600 об/мин; давление на ста­ дии нагрева 40—90 МПа; давление проковки 90 МПа, время нагрева 20—80 с. При давлении нагрева 70 МПа и времени на­ грева 40 с получают соединение, равнопрочное чугуну.

23.2.4. Предупреждение пор и трещины

При сварке КЧ и ЧШГ с получением однородного металла шва основной мерой предотвращения холодных трещин является предварительный (иногда и сопутствующий) подогрев отливок или деталей и замедленное охлаждение после сварки. Темпера­ тура подогрева варьируется в зависимости от марки Чугуна, толщины стенки отливки, сложности выполняемых сварочных работ и составляет 300—700°С. Резко возрастает опасность образования трещин, если сварку производят на отливках из

КЧ или ЧШГ до графитизирующего отжига при наличии сво­ бодных карбидов в структуре. Термическую обработку (отжиг или более сложную) желательно выполнить до и после прове­ дения сварки.

Мерой повышения стойкости металла шва против образова­ ния горячих трещин является модифицирование его структуры. Так, проволока ПАНЧ-11 содержит в своем составе редкоземель­ ные металлы, которые придают глобулярную форму неметалли­ ческим включениям, нейтрализуют вредное действие серы.

Для исключения пор в высоконикелевых швах предупреж­ дают Попадание в них Нг и Ог. Действенными мерами являются: удаление, влаги, ржавчины, следов масла, краски со сваривае­ мых Деталей, максимальное снижение параметров режима /св Uд, сварка короткой дугой, применение защитных газов, подо­ грев до температуры 200—300 °С.

Раздел 6 ЛЕГКИЕ ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ

ИСПЛАВЫ

Глава 24. АЛЮМИНИИ, МАГНИИ И ИХ СПЛАВЫ (Арбузов Ю. П., Лукин В. И.)

24.1. Основные марки сплавов и их свойства

Все алюминиевые и магниевые сплавы разделяются на две большие группы: деформируемые и литейные. Среди деформируемых алюминиевых сплавов следует выделить сплавы, которые по своему назначению относятся к ко­ вочным сплавам. Деформируемые алюминиевые и магниевые сплавы в свою очередь подразделяются на сплавы, не упрочняемые и сплавы упрочняемые термической обработкой (табл. 24.1). Большинство литейных сплавов отно­ сятся к группе сплавов, упрочняемой термической обработкой. Механиче­ ские свойства различных полуфабрикатов представлены в табл. 24.2.

24.2. Свариваемость алюминиевых и магниевых сплавов

Свариваемость — совокупность определенных свойств материала, позволяющих при рациональном технологическом процессе по­ лучать качественные сварные соединения. Часто свариваемость оценивается сопоставлением свойств сварных соединений с ана­ логичными свойствами основного металла. Принято рассмат­ ривать склонность материала к образованию дефектов при сварке (трещин, пор, оксидных плен и другие дефекты), свой­ ства' при статических, повторно статических, высокочастотных и ударных нагрузках, коррозионную стойкость с учетом условий эксплуатации изделий.