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.
Содержание |
этих вредных примесей ограничено |
стандартами |
в КЧ, %: S |
^0,12 —0,18 и Р<0,12—0,2, а в ЧШГ, |
%; S<0,02 |
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
3,0—3,8; |
Si 2,4—3,6; Мп 0,2—0,5; Y 0,1 <0,4; |
Се 0,03—0,15; Са |
0,03—0,1; |
Сг^0,5; N i^0,3; S^0,08; Р ^ 0 ,2 |
и обеспечивает по |
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
чатым графитом температура подогрева |
может быть значи |
тельно ниже. |
^ |
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
проволоки; |
при диаметре |
проволоки 3 мм он |
составляет: / св= |
= 250—600 |
А; 0 Л= 25—40 |
В; ип.пр=80—350 |
м/ч; ток — посто |
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.