1.2 Особливості зварювання чавуну

Чавуном називається сплав заліза з вуглецем, що міститьвуглецьвід 2 до 6,67%. Поряд з вуглецем в чавуні міститьсякремній,марганець,сіркаіфосфор. Вміст сірки тафосфорув чавуні більше, ніж у сталі. У спеціальні (леговані)чавунивводять легуючі добавки - нікель,молібден, ванадій,хромі ін.

Вуглець в чавуні знаходиться або в хімічно зв'язаному стані, або у вільному стані, тобто у вигляді графіту. Структура чавуну залежить від кількості вуглецю, що знаходиться в хімічно зв'язаному стані.

Чавуни розрізняють за структурою - на білий, сірий і ковкий; за хімічним складом - на легований і нелегований.

Білий чавун - це такий чавун, в якому більша частина вуглецю хімічно з'єднана із залізому вигляді цементиту. Цементит має світлий колір, має високустійкістьта крихкістю. Тому білий чавун також має в зламісвітло- сірий, майже білий колір, дуже твердий, вкрай погано піддається зварюванню і механічній обробці, тому обмежено використовується в якості конструкційного матеріалу. В основному білічавунизастосовуються для отримання ковких чавунів.

Сірий чавун - це такий чавун, в якому більша частина вуглецю знаходиться у вільному стані, тобто у вигляді графіту. Сірий чавун м'який, добре обробляється різальним інструментом, піддається зварці і термічній обробці. Чим більше в чавуні вуглецю, тим нижче температура його плавлення і вище рідкотекучість.

Кремній зменшує розчинність вуглецю в залізі, сприяє розпаду цементиту з виділенням вільного графіту. При зварюванні відбувається окислення кремнію, оксидикремнію мають температуру плавлення вищу, ніж зварюваний метал, і тим самим ускладнюють процес зварювання.

Марганець пов'язує вуглецьі перешкоджає виділенню графіту. Цим він сприяє відбілюванню чавуну. При вмісті марганцю понад 1,5%зварюваністьчавуну погіршується.

Сірка в чавунах є шкідливою домішкою. Вона утрудняє зварювання, знижує міцність і сприяє відбілюванню чавуну. Верхня межа вмісту сірки в чавунах - 0,15%. Для ослаблення шкідливого впливу сірки вміст марганцю у чавунах повинно бути в три рази більше.

Фосфор у чавуні збільшує рідкотекучість і покращує його зварюваність, але разом з тим знижує температуру його затвердіння, підвищує крихкість і твердість. Вміст фосфору в сірих чавунах не повинно перевищувати 0,3%.

Ковкий чавун одержують з білого чавуну термічноюобробкою- тривалою витримкою при температурі 800 - 850 градусів Цельсія. При цьому вуглець в чавуні виділяється у вигляді пластівців вільного вуглецю, розташованого міжкристаламичистого заліза.

При нагріванні ковких чавунів понад 900 градусів Цельсія графіт може розпадатися і утворювати хімічну сполуку з залізом - цементит, при цьому деталь втрачає властивості ковкого чавуну. Це утрудняє зварювання ковкого чавуну тому для отримання початкової структури ковкого чавуну його доводиться після зварювання піддавати повному циклу термообробки.

Легований чавун має спеціальні домішки хрому, нікелю, молібдену, завдяки яким підвищується його кислотостійкість, міцність при ударних навантаженнях і ін.

Високоміцний чавун одержують з сірого чавуну спеціальною обробкою - введенням в рідкий чавун при температурі не нижче 1400 градусів Цельсія чистого магнію і його сплавів. Графіт в високоміцному чавуні має сферичну форму.

Зварювання чавуна застосовується в основному в ремонтних цілях і для виготовлення званих конструкцій. До зварних з'єднань чавунних деталей залежно від типу і умов її експлуатації звичайно пред'являються наступні основні вимоги: механічна міцність, щільність(водонепроникність і газонепроникність), оброблюваність різальним інструментом. Однак при зварюванні чавуну виникає цілий ряд труднощів, зумовлених його хімічними складом, структурою і механічними властивостями. Головні з них такі:

1) утворення твердих загартованих зон, що ускладнюють подальшу механічну обробку і призводять до утворення тріщин (причиною служить вигоряння кремнію і швидке охолодження);

2) інтенсивне газоутворення в зварювальній ванні, яке триває й на стадії кристалізації, може призвести до утворення пір в металі шва;

3) підвищена рідкотекучість чавуну ускладнює утримання розплавленого металу від витікання і формування шва;

4) наявність кремнію сприяє утворенню на її поверхнітугоплавких оксидів, що призводять до утворення непроварів;

5) високі швидкості охолодження металу і шва і зони термічного впливу призводять до відбілювання чавуну, тобто до появи ділянок з вмістом цементиту в різній кількості. Висока твердість вибілених ділянок практично позбавляє можливості обробляти чавуни ріжучим інструментом.

Вплив швидкості охолодження на структуру металу шва і біляшовній зони може бути охарактеризоване схемою, представленої на рис.1. У випадку низьких швидкостей охолодження в чавунному шві і ділянці біляшовної зони може бути забезпечено збереження структури сірого чавуну.

На схемі позначено W'охл найбільше значення швидкості охолодження, якщо чавун зварювали без попереднього підігріву.

Зварювання чавуна з підігрівом (300-400 градусів Цельсія) зменшує швидкість охолоджування (W''охл на рис.1.1).

Рис. 1.1. Вплив швидкості охолодження на структуру металу шва і біляшовній зони.

При високому підігріві (600-650 градусів Цельсія) швидкість охолодження знижується до W'''охл, при якій відбілювання не відбувається.

Зазначені особливості зварювання чавунає наслідком порушення суцільності його металевої основи включеннями графіту, а також схильністю його до вибілювання (вигорянню графіту), а також схильністю його до гартування навіть при невеликих швидкостях охолодження. Ці властивості чавуну визначаються високим вмістом вуглецю в ньому.

У чавуні можуть утворюватися такі структурні складові:

Ферит (Ф) - твердий розчин вуглецю в залізі.

Цементит (Ц) - хімічна сполука заліза з вуглецем.

Перліт (П) - сумішперліту з цементитом.

Ледебурит (Л) - суміш цементиту та перліту.

Графіт (Г) - особлива форма вуглецю, найбільш м'яка складова чавуну.

Є декілька способів зварювання чавуну, які діляться на дві основні групи: холодна і гаряча зварка. Вибір способу зварювання залежить від вимог, що пред'являються до зварному з'єднанні, а також від типу застосовуваних електродів.