Технология горячей сварки чугуна

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

по теме: «Технология горячей сварки чугуна»

2011

Содержание

Введение

1. Основные свойства сварки чугуна

2. Основные сведения о свариваемости и технологические рекомендации

3. Способы сварки

4. Структурные превращения в зоне термического влияния при сварке чугуна

5. Влияние скорости охлаждения на структуру металла шва и околошовной зоны

6. Технология горячей сварки

Выводы

Список используемой литературы

Введение

Чугун получил широкое распространение как конструкционный материал в машиностроительной, металлургической и других отраслях промышленности в связи с рядом преимуществ перед многими материалами, среди которых основные - невысокая стоимость и хорошие литейные свойства. Изделия, изготовленные из него, имеют достаточно высокую прочность и износостойкость при работе на трение и характеризуются меньшей, чем сталь, чувствительностью к концентраторам напряжений. Наряду с перечисленными преимуществами изделия из серого литейного чугуна хорошо обрабатываются режущим инструментом. Последнее вместе с хорошими литейными свойствами позволяет оценить чугун как весьма технологичный материал.

Выбор технологии и способа сварки чугуна определяется тем, какая сварка необходима -- холодная или горячая. Эти два вида сварки различаются тем, что холодная сварка не предполагает предварительного подогрева свариваемых деталей, а горячая сварка требует подогрев (предварительный) деталей до температуры 600-800°С. По указанным причинам холодная сварка нашла более широкое применение на практике, чем горячая.

1. Основные свойства сварки чугуна

Чугунами называют железоуглеродистые сплавы, содержащие углерода свыше 2,0%. Распространенные марки чугунов обычно содержат 2,5-4% углерода, 1-4,5% кремния, 0,2-1,5% марганца, примесь фосфора и серы.

Углерод в чугуне находится либо в химически связанном состоянии (карбиды железа в виде педебурита, первичного и вторичного цементита), либо в свободном состоянии, т.е. в виде графита. Поэтому структура чугуна зависит от количества углерода, находящегося в химически связанном состоянии, и может быть: перлитографитовая; феррито-перлитографитовая; ферритографитовая. Чугуны различают по структуре, способам изготовления, химическому составу и назначению [1, c. 71].

В зависимости от структуры различают следующие виды чугунов: белый и серый.

Белые чугуны содержат большую часть углерода, который находится в виде цементита, а меньшую часть в виде перлита. Эти чугуны очень хрупки, тверды, применяются редко и сварке не подлежат.

Серые чугуны содержат в своем составе углерод в виде структурного свободного графита, а основную металлическую часть чугуна в виде феррита и перлита.

По способу изготовления различают отливки из обычного и отливки из модифицированного чугуна.

По химическому составу чугуны бывают нелегированные и легированные.

В зависимости от формы свободного углерода различают три вида серых чугунов:

серый чугун с пластинчатым графитом, характеризующийся низкой пластичностью и прочностью;

серый чугун с графитом завихренной или глобулярной формы (модифицированный чугун);

ковкий чугун -- чугун, имеющий форму графита в виде хлопьев.

Структура чугуна зависит от скорости охлаждения и от содержания в нем легирующих примесей. На рис. 1,а представлена схема влияния элементов на отбеливаемость чугуна. При низком содержании углерода и кремния получается белый чугун.

Рис. 1. Зависимость структуры чугуна от а - концентрации, б - содержание углерода и кремния, в - толщины стенок (скорости охлаждения) и суммарного содержания в нем углерода и кремния

На рис. 1,б показана зависимость структуры чугуна от содержания углерода и кремния, а на рис. 1,в -- зависимость структуры от скорости охлаждения.

Чугун, основой которого является железо, содержит следующие химические элементы: углерод, кремний, марганец, серу, фосфор, магний и легирующие компоненты в виде хрома, никеля, молибдена и др.

Повышение содержания углерода в сплаве железо плюс углерод вызывает снижение температуры плавления и повышение его жидкотекучести, что является одной из причин невозможности сварки чугуна во всех пространственных положениях. Углерод в чугуне способствует выделению структурно-свободного графита, что снижает механические свойства чугуна. Кремний в чистом железе растворяется до 14,3 %. Он уменьшает устойчивость карбидов и способствует выделению свободного графита. Увеличение содержания кремния в чугуне уменьшает усадку чугуна при затвердевании за счет увеличения количества выделяющегося графита. Чем выше содержание кремния, тем выше графитообразование, т. е. кремний способствует графитизации чугуна [2, c. 620].

Марганец, молибден, хром, сера, ванадий препятствуют образованию графита.

Марганец с железом образует растворы любой концентрации и обладает большим сродством к сере, углероду и кислороду и находится в виде сульфида марганца (MnS) и железомарганцевого карбида [(Fe * Мn)3 * С].

Сернистый марганец плохо растворяется в жидком и твердом чугуне. Марганец является стабилизатором карбида. При увеличении содержания марганца увеличивается усадка чугуна, и металл приобретает склонность к образованию горячих трещин. Сера с железом образует сульфид железа (FeS), который представляет собой твердое, хрупкое вещество. Сульфид железа с железом образует эвтектику с температурой плавления 953°С. Эвтектика, затвердевая несколько позже основного металла (чугуна), выделяясь по границам зерен, способствует образованию горячих трещин.

Фосфор в железе растворяется до 0,3 %, но образует тройную эвтектику железа, цементита и фосфористого железа, которая представляет хрупкое вещество с температурой плавления 950 -- 980°С Эвтектика увеличивает жидкотекучесть чугуна. Фосфор не отбеливает и не графитизирует чугун. Увеличение фосфора в чугуне увеличивает его жидкотекучесть.

Магний, являющийся стабилизатором карбидов, способствует отбелу чугуна, но он, добавляемый в жидкий чугун, способствует выделению графита шаровидной формы [3].

В чугуне могут образовываться следующие структурные составляющие:

феррит -- твердый раствор углерода в ?-железе;

цементит - химическое соединение железа с углеродом;

перлит -- смесь феррита с цементитом;

ледебурит -- эвтектическая смесь цементита и перлита,

графит -- особая форма углерода, наиболее мягкая и вместе с тем хрупкая составляющая чугуна.

2. Основные сведения о свариваемости и технологические рекомендации

Сварочный нагрев и последующее охлаждение настолько изменяют структуру и свойства чугуна в зоне расплавления и околошовной зоне, что получить сварные соединения без дефектов с необходимым уровнем свойств оказывается весьма затруднительно. В связи с этим чугун относится к материалам, обладающим плохой технологической свариваемостью. Тем не менее, сварка чугуна имеет очень большое распространение как средство исправления брака чугунного литья, ремонта чугунных изделий, а иногда и при изготовлении конструкций. Качественно выполненное сварное соединение должно, по меньшей мере, обладать необходимым уровнем механических свойств, плотностью (непроницаемостью) и удовлетворительной обрабатываемостью (обрабатываться режущим инструментом). В зависимости от условий работы соединения к нему могут предъявляться и другие требования (например, одноцветность, жаростойкость и др.).

Причины, обусловливающие затруднения в получении качественных сварных соединений, следующие [4]:

1. Высокие скорости охлаждения металла шва и зоны термического влияния, соответствующие термическому циклу сварки, приводят к отбеливанию чугуна, те. появлению участков с выделениями цементита той или иной формы в различном количестве. Высокая твердость отбеленных участков практически лишает возможности обрабатывать чугуны режущим инструментом.

2. Вследствие местного неравномерного нагрева металла возникают сварочные напряжения, которые в связи с очень незначительной пластичностью чугуна приводят к образованию трещин в шве и околошовной зоне. Наличие отбеленных участков, имеющих большую плотность (7,4-7,7 г/см3), чем серый чугун (6,9-7,3 г/см3), создает дополнительные структурные напряжения, способствующие трещинообразованию.

3. Интенсивное газовыделение из сварочной ванны, которое продолжается и на стадии кристаллизации, может приводить к образованию пор в металле шва.

4. Повышенная жидкотекучесть чугуна затрудняет удержание расплавленного металла от вытекания и формирование шва.

5. Наличие кремния, а иногда и других элементов в металле сварочной ванны способствует образованию на ее поверхности тугоплавких окислов, приводящих к образованию непроваров.

3. Способы сварки

Сварка чугуна применяется в ремонтных целях и для изготовления сварнолитых конструкций. К сварным соединениям чугунных деталей в зависимости от типа и условий эксплуатации предъявляют требования по механической прочности, плотности (водонепроницаемость, газонепроницаемость) и обрабатываемости режущим инструментом. Обеспечить эти требования при сварке весьма сложно из-за физико-химических особенностей чугуна [5].

Трудности, возникающие при сварке чугуна, обусловлены, как правило, низкой стойкостью металла сварного соединения против образования трещин и плохой его обрабатываемостью на механических станках. сварка чугун металл шов

Низкая стойкость основного металла и металла около шовной зоны против образования трещин характерна для чугуна пониженным запасом деформационной способности (пониженная прочность и пластичность).

Указанные особенности чугуна являются следствием нарушения сплошности его металлической основы включениями графита, а также склонностью его к отбелке и закалке даже при небольших скоростях охлаждения. Эти свойства чугуна определяются высоким содержанием углерода в нем.

Соединение чугунных деталей между собой выполняют газовой сваркой, пайкой, термитной сваркой, литейной сваркой, дуговой сваркой и электрошлаковой. Сварку ведут без подогрева (холодный способ сварки), с местным подогревом и с общим подогревом всего изделия. Для дуговой сварки используют угольные, графитовые, стальные и легированные электроды, а также электроды из цветных металлов. Подготовку мест под сварку выполняют механическим путем или огневым способом. Для удержания расплавленного металла сварочной ванны (чугун жидкотекуч) применяют специальные формовки. Назначение формовки -- удерживать расплавленный металл. Формовочная масса имеет следующий состав: кварцевый песок, замешанный на жидком стекле 40%, формовочная земля 30% и белая глина 30%.

Подготовленная к сварке деталь подвергается общему или местному подогреву до температуры 350-450°С. Иногда для особо сложных деталей подогрев производят до температуры 550~600°С.

Сварку выполняют как на переменном, так и на постоянном токе. Величину тока подбирают из расчета 50-90 А на 1 мм диаметра электрода.

Таким образом, при выборе способа и метода сварки зависит от требований к сварному соединению. При выборе метода сварки учитывают необходимость механической обработки металла шва и околошовной зоны после сварки, необходимость получения однородности изделий, требования к плотности шва, а также нагрузки, при которых должны работать свариваемые детали [1, c. 72].

4. Структурные превращения в зоне термического влияния при сварке чугуна

Для оценки влияния термического цикла сварки на структуру и свойства различных зон сварного соединения рассмотрим псевдобинарную диаграмму состояний Fe - С - Si, связав ее с распределением температур в шве и околошовной зоне (рис. 2). Шов представляет собой металл, полностью расплавлявшийся. В зависимости от скорости охлаждения структура его будет представлять собой белый или серый чугун, с различным количеством структурно-свободного углерода [4].

Рис. 2. Псевдобинарная диаграмма состояний Fe - С - Si

Участок 1 на рис. 2 (неполного расплавления) характеризуется наличием в нем одновременно жидкой и твердой фаз. Твердая фаза представляет собой аустенит с предельным содержанием углерода (до 2,14%). После быстрого охлаждения жидкая фаза образует белый чугун, в аустенитных участках возможно образование мартенсита.

Участок 2 на рис. 2 ограничен эвтектической и эвтектоидной температурами. Структура его в значительной мере зависит от исходной структуры чугуна и может состоять из аустенита и цементита или аустенита и графита (в зависимости от скорости охлаждения и состава чугуна), При быстром охлаждении металлическая основа приобретает структуру закалки.

Участок 3 на рис. 2 (неполной перекристаллизации) вследствие быстрого нагрева и кратковременности пребывания металла в этом интервале температур феррит - основа структурной составляющей чугуна при комнатной температуре - не успевает полностью раствориться. После охлаждения в этом участке может наблюдаться некоторое измельчение зерна. При быстром охлаждении металлическая основа может приобрести частичную закалку.

Участок 4 на рис. 2 представляет собой ту часть околошовной зоны, которая нагревалась от 500°С до температуры Аc1. При длительном пребывании в этом интервале температур может происходить графитизация за счет частичного распада цементита и сфероидизации карбидов. Однако в условиях сварочного нагрева в этой области заметных структурных изменений не наблюдается.

Участок 5 на рис. 2 характеризуется исходной структурой свариваемого чугуна.

5. Влияние скорости охлаждения на структуру металла шва и околошовной зоны

В случае низких скоростей охлаждения в чугунном шве и участке околошовной зоны может быть обеспечено сохранение структуры серого чугуна при определенном его составе.

При большой скорости охлаждения практически при любом составе чугуна в шве и участке 2 околошовной зоны будет иметь место отбеливание. Сварка чугуна с подогревом. (300-400°С) уменьшает скорость охлаждения. При такой температуре подогрева в шве и на участке 2 околошовной зоны в зависимости от количества графитизаторов может быть получен либо белый, либо серый чугун.

При высоком подогреве (600-650°С) скорость охлаждения при эвтектической температуре становится весьма низкой, отбеливания не происходит. Замедление охлаждения приводит к распаду аустенита с образованием ферритной или перлитно-ферритной металлической основы.

Таким образом, наиболее эффективное средство предотвращения отбеливания металла шва и высокотемпературного участка околошовной зоны, а также резкой закалки на участке околошовной зоны - высокий предварительный или сопутствующий подогрев чугуна до температуры 600-650°С. Сварку с таким подогревом называют горячей сваркой чугуна. Высокий подогрев и замедленное охлаждение способствуют также ликвидации трещин и пористости за счет увеличения времени существования жидкой ванны и лучшей дегазации ее, а также уменьшения температурного градиента, термических напряжений [2, c. 621].

Сварку с подогревом до температур 300-400°С называют полугорячей, а без предварительного подогрева - холодной сваркой чугуна. При полугорячей и холодной сварке чугуна широко используют металлургические и технологические средства воздействия на металл с целью повышения качества сварных соединений. К их числу относятся:

легирование наплавленного металла элементами - графитизаторами, с тем чтобы при данной скорости охлаждения получить в шве структуру серого чугуна;

легирование наплавленного металла такими элементами, которые позволяют получить в шве перлитно-ферритную структуру, характерную для низкоуглеродистой стали, путем связывания избыточного углерода в карбиды, более прочные, чем цементит, и равномерно распределенные в металле;

введение в состав сварочных материалов кислородосодержащих компонентов с целью максимального окисления углерода (выжигания его) и получения в металле шва низкоуглеродистой стали;

применение сварочных материалов, обеспечивающих в наплавленном металле получение различных сплавов цветных металлов: медно-никелевых, медно-железных, железоникелевых и др., обладающих высокой пластичностью и имеющих температуру плавления, близкую к температуре плавления чугуна.

6. Технология горячей сварки

Наиболее радикальным средством борьбы с образованием отбеленных и закаленных участков шва и околошовной зоны и образованием пор и трещин служит подогрев изделия до температуры 600 ... 650 °С и медленное охлаждение его после сварки. Технологический процесс горячей сварки состоит из следующих этапов:

I - подготовка изделия под сварку; I

I - предварительный подогрев деталей;

III - сварка;

IV - последующее охлаждение.

Подготовка под сварку зависит от вида исправляемого дефекта. Однако во всех случаях подготовка дефектного места заключается в тщательной очистке от загрязнений и в разделке для образования полостей, обеспечивающих доступность для манипулирования электродом и воздействия сварочной дуги. Для предупреждения вытекания жидкотекучего металла сварочной ванны, а в ряде случаев для придания наплавленному металлу соответствующей формы, место сварки формуют. Формовку выполняют в зависимости от размеров и местоположения исправляемого дефекта с помощью графитовых пластинок, скрепляемых формовочной массой, состоящей из кварцевого песка, замешенного на жидком стекле, или другими формовочными материалами, а также в опоках формовочными материалами, применяемыми в литейном производстве (рис. 3) [3].

После формовки необходима просушка формы при постепенном подъеме температуры от 60 до 120°С, затем проводят дальнейший нагрев под сварку со скоростью 120 ... 150°С в час в печах, горнах или временных нагревательных устройствах. Замедленное охлаждение после сварки достигается при укрывании изделий теплоизолирующим слоем (листами асбеста и засыпкой песком, шлаком и др.) или при охлаждении вместе с печами, горнами.

Рис. 3 Формовка места сварки для горячей сварки чугуна:

а - несквозной раковины; б - недолива кромки детали, с облицовкой заплавляемой полости графитовыми пластинами; в - общий вид заформованного дефекта; 1 - деталь; 2 - формовка; 3 - графитовые пластины

Способы нагрева и нагревательные устройства применяют в зависимости от характера производства (устранение литейных дефектов, ремонтная сварка и т.д.). Например, при массовом производстве в литейных цехах автомобильных и тракторных заводов целесообразно использовать конвейерные печи; для ремонтных работ удобен нагрев в муфельных печах или в горнах с открытым кожухом; для разовых ремонтных работ крупногабаритных изделий изготовляют временные нагревательные устройства из огнеупорного кирпича, в том числе печи-ямы в земляном полу цеха [3].

Механизмы зажатия заготовок и давления механического или гидравлического типа служат для закрепления свариваемых заготовок и их сдавливания после нагрева. По виду получаемого соединения контактную сварку подразделяют на стыковую, точечную и шовную.

Стыковую контактную сварку применяют для соединения встык деталей типа стержней, толстостенных труб, рельсов и т.п. Свариваемые заготовки плотно зажимают в неподвижном и подвижном токоподводах, подключенных к вторичной обмотке сварочного трансформатора.

Для обеспечения плотного электрического контакта свариваемые поверхности приводят в соприкосновение и сжимают. Затем включается ток. Общее количество теплоты, выделяемое при прохождении тока по вторичной цепи, определяется законом Джоуля - Ленца: Q = I Rt. Здесь I - сила сварочного тока, А; R - полное сопротивление цепи, Ом; R = 2R = R - R , где R - cопротивление контакта токоподвод-заготовка; R - сопротивление заготовок; R - сопротивление контакта между заготовками; t - время протекания тока, с. Так как R значительно превосходит сопротивление любого другого участка, то и максимальный нагрев будет именно в месте контакта между заготовками. При достижении необходимой температуры сварочный ток отключается, и производится сдавливание заготовок - осадка.

В зависимости от качества подготовки свариваемых поверхностей время нагревания до необходимой температуры может быть различным. Современные автоматизированные системы предусматривают отключение тока и сдавливание заготовок при достижении в стыке необходимой температуры [6, c. 111].

Остывание в зависимости от веса и формы детали длится от нескольких часов до нескольких суток. Для сварки используют плавящиеся электроды со стержнями из чугуна марок А или Б (табл. 1). Стержни получают отливкой в кокиль и другими способами.

В состав покрытия, наносимого на литые прутки, диаметром 5...20 мм, входят стабилизирующие и легирующие материалы. В качестве последних обычно используют графит, карборунд, ферросилиций, силикокальций, силикомагний и другие элементы-графитизаторы. Горячую сварку чугуна выполняют на больших токах без перерывов до окончательной заварки дефекта. При больших объемах завариваемого дефекта два сварщика, работающие поочередно.

Табл. 1 Состав чугунных стержней для сварки чугуна

Для горячей сварки чугуна можно использовать дуговую сварку угольным электродом. По возможности изменения теплового воздействия на свариваемый металл сварка угольным электродом занимает промежуточное положение между газовой сваркой и сваркой плавящимся электродом. Сваривают на постоянном токе, прямой полярности угольными электродами диаметром 8 ... 20 мм. Диаметр электрода и силу сварочного тока выбирают в зависимости от толщины свариваемого металла (табл. 2).

 В качестве присадочного материала используют прутки марок А и Б. Для перевода тугоплавких окислов в легкоплавкие соединения применяют флюсы на борной основе, чаще всего техническую безводную (прокаленную) буру.

Табл. 2 Режимы сварки угольным электродом

Горячая сварка чугуна ручным способом, особенно массивных изделий - тяжелый труд. Весьма прогрессивный способ, облегчающий труд и повышающий производительность, - механизированная сварка порошковой проволокой. В состав шихты вводят компоненты, которые позволяют получать состав металла шва, представляющий собой чугун. Состав порошковой проволоки марки ППЧ-3 для горячей сварки чугуна приведен в табл. 3.

Табл. 3 Состав порошковой проволоки ППЧ-3 и наплавленного металла*, %

Горячая сварка чугуна позволяет получать сварные соединения, равноценные свариваемому металлу (по механическим характеристикам, плотности, обрабатываемости и др.), однако это трудоемкий и дорогостоящий процесс. Вместе с этим в ряде случаев к сварным соединениям из чугуна не предъявляется таких требований. Часто, например, достаточно обеспечить только равнопрочность или только хорошую обрабатываемость, или плотность сварных швов. С помощью различных металлургических и технологических средств можно получить сварные соединения из чугуна с теми или иными свойствами при сварке с невысоким подогревом или вовсе без предварительного подогрева (т.е. с помощью полугорячей или холодной сварки) [3].

Таким образом, основными недостатками горячей сварки чугуна являются большая трудоемкость процесса и тяжелые условия труда сварщиков. Однако высокое качество металла делает этот способ в ряде случаев единственно возможным при исправлении дефектов.

Выводы

Технологический процесс горячей сварки состоит из подготовки изделия под сварку, предварительного подогрева деталей, сварки и последующего охлаждение.

Технология горячей сварки включает в себя очистку деталей, формовку свариваемых деталей, предварительного подогрева до температуры 600-800°С, сварки и последующего медленного охлаждения.

Подготовка под сварку дефектного места заключается в тщательной очистке от загрязнений и в разделе для образования полостей, обеспечивающих доступность для манипулирования электродом.

Во время сварки следует непрерывно поддерживать значительный объем расплавленного металла в сварочной ванне и тщательно перемешивать металл концом электрода или присадочного стержня. Для замедленного охлаждения заваренные детали засыпают мелким древесным углем или сухим песком. Остывание массивных деталей может длиться 3-5 суток.

Основными недостатками горячей сварки чугуна являются большая трудоемкость процесса и тяжелые условия труда сварщиков. Однако высокое качество металла делает этот способ в ряде случаев единственно возможным при исправлении дефектов.

Список використаної літератури

1. Чернышов Г.Г., Мордынский В.Б. Справочник молодового электросварщика по ручной сварке: Справ. пособие для средниз ПТУ. - М. Машиностроение, 1987. - 112 с.

2. Технология электрической сварки металлов и сплавов плавлением / Под ред. Б. Е. Патона. - М.: Машиностроение, 1974. - 768 с.

3. Основные сведения о свариваемости и технологические рекомендации. // Вся сварка для Вас. http://websvarka.ru

4. Способы сварки. // Сайт ТК «ТЕХНОКОМ»: http://www.techno-sv.ru/svarchugun.html

5. Технологии сварки чугуна. // Сайт Шторм. Передовые технологии сварки и резки: http://www.shtorm-its.ru/rus/info/svartech/

6. Никитенко В. М. Технологические процессы в машиностроении: текст лекций / В.М. Никитенко, Ю. А. Курганова. - Ульяновск: УлГТУ, 2008. - 212 с.

Размещено на Allbest.ru