Плазменная резка высокопрочного чугуна с шаровидным графитом

Механизированную плазменную резку производят на машинах термической резки с программным управлением "Кристалл", "Ритм", "Альфа", "Гранит", "Енисей", "Пелла" и др. Причем установки применяют в качестве комплектующих изделий в различных вариантах с использованием как отечественных, таки импортных комплектующих узлов.

Технологически фирма Kjellberg резку на своем оборудовании (рис. 10) разделяет на три области:

-- "HiFocus -- Quality"-- область высочайшего качества, соперничающего с лазерной резкой. Разрезаемые материалы -- стали и алюминий толщиной от 0,5 до 8 мм, рабочий ток от 20 до 50 А, давление плазмообразующего газа 0,5 МПа;

"HiFocus -- Speed" -- область скоростной механизированной резки. Толщина разрезаемых материалов от 4 до 10 мм, рабочий ток от 50 до 100 А, давление плазмообразующего газа возрастает до 0,8 МПа;

"Fine -- Focus" -- область качественной разделительной резки. Толщина разрезаемого ма-

териала от 6 до 30 мм, рабочий ток от 40 до 130 А, давление плазмообразующего газа 0,6 МПа.

Сравнительные характеристики стойкости катодов с гафниевой вставкой свидетельствуют о том, что достигаются существенно лучшие результаты по сравнению с общим уровнем. Так, количество включений в области "HiFocus-- Quality" составляет 2000, а в области "Fine -- Focus" -- 1000, причем обеспечивается повторяемость результатов. Общий уровень по количеству включений не превышает 600-700.

Таким образом, исходя из приведенных характеристик и параметров специализированно_го плазменного оборудования можно сделать вывод о продолжающейся тенденции переориентации сильноточного оборудования на слабо-точное как для ручной, так и механизированной плазменной резки.

ПРЕИМУЩЕСТВА ПЛАЗМЕННОЙ РЕЗКИ

Отличительной особенностью плазменной резки по сравнению с аналогами - газовой, лазерной, вибрационной резкой, электродуговой строжкой, резкой на ножовочных, круглопильных, токарно-отрезных станках и ножницах является:

1-универсальность процесса, т.е. возможность резки на одном и том же оборудовании различных электропроводных материалов;

2-большая скорость резки металлов малых и средних толщин по сравнению с другими термическими способами резки;

3-отличное качество реза. Вертикальный рез практически без грата, дополнительная механическая обработка не требуется.

4-возможна беспроблемная резка загрязненного, окрашенного, гальванизированного и оцинкованного материалов.

5-применение недорогого и недефицитного газа (обычно - сжатого воздуха);

6-значительное уменьшение термических деформаций разрезаемого изделия;

7-мобильность при использовании малогабаритных установок с воздушным охлаждением для ручной плазменной резки;

8-простота в эксплуатации.

Обычная плазменная резка металлов имеет ряд недостатков: выделение аэрозоля, высокочастотный шум в комбинации с ультразвуком, электромагнитное излучение оптического диапазона (ультрафиолетового, видимого и инфракрасного) и ионизация воздуха.

Особую опасность представляет аэрозоль, твердая составляющая которого состоит из соединений обрабатываемых металлов, а газовая - в основном из озона. Для удаления выделяющегося при резке аэрозоля и озона применяют вентиляционные системы.

Вода в качестве плазмообразующей среды позволяет радикально улучшить санитарно - гигиенические характеристики плазменной резки. Рекомбинация продуктов плазменной струи в водяной пар приводит к осаждению аэрозолей с конденсатом воды на поверхностях под обрабатываемой деталью.

Источником шума и ультразвука при плазменной резке является плазменная горелка. Уровень шума зависит от режима резки, давления плазмообразующей среды, и практически не выходит за пределы допустимой нормы, которая составляет 80дВ.

Источником электромагнитного излучения является плазменная дуга, расположенная внутри канала сопла, которая замыкается на наружную его обечайку в форме ярко светящегося ядра (жала).

Излучение имеет максимальную направленность вдоль оси сопла от резчика и закрывается передней частью горелки, что позволяет исключить его вредное влияние на оператора.

В общем случае должны быть выполнены требования по организации и оснащению соответствующих рабочих мест.

Плазменной струей можно сваривать стыковые и угловые швы. Стыковые соединения на металле толщиной до 2 мм можно сваривать с отбортовкой кромок, при толщине свыше 10 мм рекомендуется делать скос кромок. В случае необходимости используют дополнительный металл. Для сварки металла толщиной до 1 мм успешно используют микроплазменную сварку струей косвенного действия, в которой сила сварочного тока равна 0,1... 10 А.

Резка плазменной струей основана на расплавлении металла в месте реза и его выдувании потоком плазмы. Плазменную струю используют для резки металла толщиной от долей до десятков миллиметров. Для резки металла малой толщины используют плазменную струю косвенного действия. При повышенной толщине металла лучшие результаты достигаются при плазменной струе прямого действия. При резке даже углеродистых сталей во многих случаях она более экономична, чем газокислородная, ввиду высокой скорости и лучшего качества реза.

Обычная плазменная резка металлов имеет ряд недостатков: выделение аэрозоля, высокочастотный шум в комбинации с ультразвуком, электромагнитное излучение оптического диапазона (ультрафиолетового, видимого и инфракрасного) и ионизация воздуха.

Особую опасность представляет аэрозоль, твердая составляющая которого состоит из соединений обрабатываемых металлов, а газовая - в основном из озона. Для удаления выделяющегося при резке аэрозоля и озона применяют вентиляционные системы.

Вода в качестве плазмообразующей среды позволяет радикально улучшить санитарно - гигиенические характеристики плазменной резки. Рекомбинация продуктов плазменной струи в водяной пар приводит к осаждению аэрозолей с конденсатом воды на поверхностях под обрабатываемой деталью.

Источником шума и ультразвука при плазменной резке является плазменная горелка. Уровень шума зависит от режима резки, давления плазмообразующей среды, и практически не выходит за пределы допустимой нормы, которая составляет 80дВ.

Источником электромагнитного излучения является плазменная дуга, расположенная внутри канала сопла, которая замыкается на наружную его обечайку в форме ярко светящегося ядра (жала).

Излучение имеет максимальную направленность вдоль оси сопла от резчика и закрывается передней частью горелки, что позволяет исключить его вредное влияние на оператора.

В общем случае должны быть выполнены требования по организации и оснащению соответствующих рабочих мест.

Плазменной струей можно сваривать стыковые и угловые швы. Стыковые соединения на металле толщиной до 2 мм можно сваривать с отбортовкой кромок, при толщине свыше 10 мм рекомендуется делать скос кромок. В случае необходимости используют дополнительный металл. Для сварки металла толщиной до 1 мм успешно используют микроплазменную сварку струей косвенного действия, в которой сила сварочного тока равна 0,1... 10 А.

Резка плазменной струей основана на расплавлении металла в месте реза и его выдувании потоком плазмы. Плазменную струю используют для резки металла толщиной от долей до десятков миллиметров. Для резки металла малой толщины используют плазменную струю косвенного действия. При повышенной толщине металла лучшие результаты достигаются при плазменной струе прямого действия. При резке даже углеродистых сталей во многих случаях она более экономична, чем газокислородная, ввиду высокой скорости и лучшего качества реза.

Таблица 3. Скорость воздушно-плазменной резки в зависимости от толщины металла.

Разрезаемый материал	Сила тока,А	Максимальная скорость резки (м/ч) металла в зависимости от его толщины, мм
		10	20	30	40	50	60	80
Сталь	200	3,6	1,6	1	0,5	0,4	0,2	0,1
	300	6	3	1,8	0,9	0,6	0,4	0,2
	400	7	3,2	2,1	1,2	0,8	0,7	0,4
Медь	200	1,2	0,5	0,3	0,1
	300	3	1,5	0,7	0,5	0,3
	400	4,6	2	1	0,7	0,4	0,2
Алюминий	200	4,5	2	1,2	0,8	0,5
	300	7,5	3,8	2,6	1,8	1,2	0,8	0,4
	400	10,5	5	3,2	2	1,4	1	0,6

1.4 Характеристика, химический состав, механические свойства и оценка свариваемости основного металла

фасонный чугун резка себестоимость

Состав и свойства.

К чугунам относятся сплавы железа с углеродом, содержание которого превышает 2,11% (2,14%). В этих сплавах обычно присутствует также кремний и некоторые количества марганца, серы и фосфора, а иногда и другие элементы, вводимые как легирующие добавки для придания чугуну определенных свойств. К числу таких легирующих элементов можно отнести никель, хром, магнии и др.

В зависимости от структуры чугуны подразделяют на белые и серые. В белых чугунах весь углерод связан в химическое соединение карбид железа Fе₃С - цементит. В серых чугунах значительная часть углерода находится в структурно-свободном состоянии в виде графита. Если серые чугуны хорошо поддаются механической обработке, то белые обладают очень высокой твердостью и режущим инструментом обрабатываться не могут. поэтому белые чугуны для изготовления изделий применяют крайне редко, их используют главным образом в виде полупродукта для получения так называемых ковких чугунов. Получение белого или серого чугуна зависит от его состава и скорости охлаждения.

В зависимости от структуры чугуны классифицируют на высокопрочные (с шаровидным графитом) и ковкие. По степени легирования чугуны подразделяют на простые, низколегированные (до 2,5% легирующих элементов), среднелегированные (2,5_10 % легирующих элементов) и высоколегированные (свыше 10% легирующих элементов). Шире всего используют простые и Низколегированные серые литейные чугуны.

Чугун получил широкое распространение как конструкционный материал в машиностроительной, металлургической и других отраслях промышленности в связи с рядом преимуществ перед другими материалами,среди которых в первую очередь надлежит упомянуть следующие: невысокая стоймость, 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. Главный процесс, формирующий структуру чугуна, -- процесс графитизации (выделение углерода в структурно-свободном виде), так как от него зависит не только количество, форма и распределение графита в структуре, но и вид металлической основы (матрицы) чугуна. В зависимости от степени графитизации матрица может быть перлитно -цементитной (П + Ц), перлитной (П), перлитно-ферритной (П+Ф) и ферритной (Ф). Цементит перлита называют эвтектоидным, остальной цементит - структурно-свободным. Некоторые элементы, вводимые в чугун, способствуют графитизации, другие -- препятствуют. На рис.11 знаком "--" обозначена графитизирующая способность рассматриваемых элементов, знаком "+" задерживающее процесс графитизации действие (отбеливание). Как следует из приведенной схемы, наибольшее графитизирующее действие оказывают углерод и кремний, наименьшее -- кобальт и медь. Наиболее сильно задерживают процесс графитизации (оказывают отбеливающее действие) сера, ванадий, олово. Поэтому в серых литейных чугунах всегда содержится значительное количество кремния. На рис.12 приведена псевдобинарная диаграмма состояний Fe - С - Si стабильной (графитной) системы, отвечающая постоянному содержанию кремния 3,0% Si. Из рис.13 следует, что при данном содержании углерода увеличение содержания кремния при прочих равных условиях способствует графитизации чугуна и уменьшению количества цементита в базовой структуре (П>Ф).

Рис. 11. Влияние различных легирующих элементов на процесс графитизации углерода в чугунах



Рис.12. Псевдобинарная диаграмма состояний Fе--C--Si сплавов стабильной (графитной) системы: Ж-- жидкость; б и г--феррит и аустенит; Г -- графит

Рис. 13. Совместное влияние углерода и кремния на структуру чугуна: П - перлит; Ф- феррит; Ц - цементит ;Г - графит

Чугун маркируется буквами СЧ и цифрами, первая из которым характеризует предел прочности чугуна данной марки при растяжении, вторая - при изгибе (кг/мм²). Наибольшее распространение получили чугуны марок: СЧ 12-28; СЧ 15-32;С^н118-36; СЧ 21-40; СЧ 24-44; СЧ 28-48; СЧ 32- 52; СЧ 38-60,причем первые пять марок имеют перлитно-ферритную металлическую основу, последние три - перлитную. Прочность серых чугунов всех марок при сжатии значительно превышает прочность при растяжении. Например, для чугуна марки СЧ 24-44, имеющего предел прочности при растяжении 24 кгс/мм², предел прочности при сжатии составляет 85 кгс/мм². Для увеличения прочности чугуна графитовым включением придают шарообразную форму путем введения магния в ковш перед разливкой. При этом чугун приобретает и некоторую пластичность. Высокопрочные чугуны маркируют буквами ВЧ и цифрами, первая из которым характеризует временное сопротивление чугуна при растяжении (кгс/ мм²), вторая - относительное удлинение (%). Например, ВЧ 60-2 или ВЧ 40-10. Ковкие чугуны маркируют буквами КЧ и цифрами, обозначающими временные сопротивления при растяжении (кгс/мм²) и относительное удлинение (%). Примерами марок ковких чугунов могут служить КЧ 38-8;КЧ 35-10; КЧ 37-12; KЧ 30-6 с ферритной металлической основой и КЧ 45-6; КЧ 50-4 и КЧ 60-3, имеющие ферритно-перлитную основу.

При данном составе структура чугуна в большей степени зависит от скорости охлаждения. На рис. 14 приведена схема, характеризующая зависимость структурного состояния чугуна от толщины стенки песчаной формы, с увеличением которой замедляется скорость охлаждения после заливки. При данном составе чугуна, например при постоянстве суммарного содержания углерода и кремния, а также других элементов, входящих в его состав, можно получить цементитный, перлтитный также перлитно-ферритный чугун.

Рис. 14. Влияние толщины стенки формы (скорости охлаждения) на структуру чугуна: I-чугун цементитный; II- чугун перлитный; III - чугун перлитно-ферритный; П + Ф, П+Ц -промежуточные структуры.

Высокопрочный чугун с шаровидным графитом (или просто высокопрочный чугун) был открыт 7 мая 1948 года. До этого момента в распоряжении конструкторов и архитекторов было лишь всего два вида чугуна. Первый вид - "серый" чугун с пластинчатым графитом и нулевой пластичностью, второй вид - ковкий чугун с графитом хлопьевидной формы, получающейся из "белого" чугуна (очень хрупкое и твердое химическое соединение железа и углерода) посредством длительного и энергоёмкого высокотемпературного отжига. Поэтому до 1948 года единственным конструкционным материалом для крупных литых деталей, от которых требуются высокие показатели прочности и вязкости, была литая сталь.

Этот материал содержит графит, имеющий сферическую форму, а не пластинчатую, как в серых чугунах. Причиной хрупкости и низкой прочности на разрыв серых чугунов является не само наличие графита, а его пластинчатая структура, в то время как многие полезные свойства, обусловленные наличием графита, не очень сильно зависят, отчего структуры и проявляются в ВПЧ. Так ВПЧ обладает хорошим диапазоном предела текучести, пластичностью, прочностью, и способностью к горячей обработке, а так же прекрасной жидкотекучестью, хорошими литейными свойствами, легко подвергается обработке резанием и износостоек. Он сочетает хорошую обрабатываемость серого чугуна с техническими преимуществами стали. В результате, с тех пор, как он появился в конце 1940 годов, ВПЧ нашел все расширяющуюся область применения, особенно в автомобильной, железнодорожно и сельскохозяйственной промышленности.

ВПЧ имеет химический состав подобный составу серых чугунов с более высоким содержанием углерода, но содержит меньше серы и фосфора. Пластинчатая форма графита в сером чугуне объясняется тем, что вредные примеси, особенно сера и кислород, пагубно влияют на рост графита в жидком чугуне. Обычно графит при росте приобретает сферическую форму, но это вредное влияние примесей подавляет рост кристаллов графита в определенных плоскостях и они вынуждены вырастать в виде пластин. Для получения ВПЧ не только поддерживается низкое содержание примесей, но так же непосредственно перед разливкой в жидкий чугун добавляются небольшие количества магния или церия. Эти элементы связывают серу и кислород в жидком чугуне и предотвращают их пагубное влияние на рост графита. В результате графит формируется, приобретая сферическую (шаровидную) структуру. Количество затравки (обычно никель-магниевого сплава), обуславлевующего шаровидную форму кристалл графита, которая добавляется в жидкий чугун, тщательно контролируется. Желательно, чтобы в жидкий чугун было введено небольшое количество остаточного магния сверх требуемого для того, чтобы связать всю серу. Количество магниевой затравки для кристаллизации графита определяется как

Mg добавляемый = 0,75 Sn+Mg остаточный/Ю, где

Sn - первоначальный уровень содержания серы, а Ю - фракционное восстановление магния в используемом процессе затравки. Оптимальное количество остаточного магния, необходимое для формирования сферического графита, составляет 0,03-0,05%, при этом точное количество зависит от скорости охлаждения (при больших высоких скоростях охлаждения требуется меньшее количество). Если содержание остаточного магния слишком низкое, то графит приобретает недостаточно шаровидную форму, и в результате механические свойства ухудшаются. С другой стороны, слишком большое количество остаточного магния способствует образованию карбида, который также является вредным.

В общем случае ВПЧ имеет более тонкую микроструктуру и из-за более высокого содержания углерода, более высокую плотность, чем серы и чугуны. Состав ВПЧ не изменяется в широких пределах: содержание углерода колеблется от 3,6% до 3,9%, а кремния от 2% до 2,8%. Механические свойства в первую очередь определяется микроструктурой основного состава (матрица), которая в свою очередь,

Зависит от термической обработки. Многие отливки ВПЧ подвергаются тому или иному виду тепловой обработки: либо термообработки для снятия остаточных напряжений, отжигу для образования ферритной структуры, нормализации и отпуску для образования перлитной или феррито-перлитной структуры, либо закалки в масле с последующим отпуском. Возможно также образование мартенсита и аустенита, как, например, при поверхностной закалке, включая индукционную, пламенную и лазерную закалку.

Коррозионная стойкость труб из ВЧШГ в 4-5 раз превышает стойкость стальных труб, локальная коррозия у этих труб полностью отсутствует. Они не подвержены электрической коррозии, поскольку их электрическое сопротивление в 3.6-4.8 раза больше чем у стальных труб, а стыки уплотнены резиновыми манжетами;

Трубы ВЧШГ и трубопроводы из них могут испытывать большие диаметральные прогибы при эксплуатации, сохраняя все функциональные характеристики, что позволяет им выдерживать большую толщину почвенного покрытия и большие дорожные нагрузки.

Механические свойства металла труб, фланцев, стопоров и болтов из ВЧШГ, определяемые при испытании образцов на растяжение, должны быть не менее величин, указанных в таблице.

Таблица 4. Механические свойства металла труб, фланцев, стопоров и болтов из ВЧШГ

Наименование показателей	Показатели
1. Временное сопротивление ув, не менее МПа (кгс/мм2)	420 (20)
2. Условный предел текучести ут, не менее МПа (кгс/мм2)	300 (30)
3. Относительное удлинение д, не менее %10,0	10,0
4. Твердость металла	Не более 230HB (для труб) Не более 250HB (для фланцев, болтов, стопоров)



Рис.15.Микротуктура ВЧШГ.

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:

1. Высокие скорости охлаждения металла шва и зоны термического влияния, соответствующие термическому циклу сварки, приводят к отбеливанию чугуна, т.е, 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/см^з), чем серый чугун (6,9-7,7 г/см^з), 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. Для оценки влияния термического цикла сварки на структуру и свойства различных зон сварного соединения рассмотрим псевдобинарную диаграмму состояний Fе - С - Si, связав ее с распределением температур в шве и околошовной зоне (рис. 16), 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.

Участок 1 (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 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.

Рис. 16. Структурные превращения в зоне термического влияния при сварке чугуна.

Участок 3 (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 представляет собой ту часть околошовной зоны, которая нагревалась от 500° С до температуры АС1. При длительном пребывании в этом интервале температур может происходить графитизация за счет частичного распада цементита в сфероидизации карбидов. Однако в условиях сварочного нагрева в этот области заметных структурных изменений не наблюдается.

Участок 5 характеризуется исходной структурой свариваемого чугуна. Влияние скорости охлаждения на структуру металла шва и околошевнои зоны может охарактеризовано схемой, представленной на рис.17. В случае низких скоростей охлаждения в чугунном шве и участке околошевной зоны может быть обеспечено сохранение структуры серого чугуна при определенном его составе (w"_охл >w`_охл). На схеме рис.17 обозначено наибольшее значение скорости охлаждения металла шва и высокотемпературного участка зоны термического влияния (участок 2, рис. 16) при эвтектической температуре, если чугун сваривали без предварительного подогрева. 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 (w"_охл на рис. 14). При такой скорости охлаждения в шве и на участке 2 околошовной зоны в зависимости от количества графитизаторов может быть получен либо белый, либо серый чугун.

Рис.17.Влияние скорости охлаждения на структуру металла шва и ОШЗ.

При высоком подогреве (600-650° С) скорость охлаждения при эвтектической температуре снижается до w"_охл, При которой отбеливания не происходит. Замедление охлаждения приводит к распаду аустенита с образованием ферритной или перлитноферритной металлической основы. Таким образом, наиболее эффективное средство предотвращения отбеливания металла шва и высокотемпературного участка околошовнои зоны, а также резкой закалки на участке околошошовнои зоны, нагревавшейся выше температуты Ас_з, -- 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 напряжении.

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 цветным металлов: медно-никелевых, медно-железных, железоникелевых и др., обладающих высокой пластичностью и имеющих температуру плавления, близкую к температуре плавления чугуна.

Особенности свариваемости высокопрочного чугуна в значительной мере определяются кинетикой его кристаллизации, зависящей не только от скорости охлаждения, но и от процесса модифицирования. В качестве модификатора при получении чугуна с шаровидным графитом наиболее часто применяют магний. Магниевые чугуны при одинаковых условиях обладают несколько лучшей жидкотекучестью, чем серые чугуны. Благодаря этому создаются хорошие предпосылки для получения плотного, без пор и шлаковых включений, наплавленного металла. Однако значительная склонность магниевого чугуна к образованию усадочных раковин создаёт дополнительные трудности при его сварке.

Сварка высокопрочного чугуна значительно сложнее; во-первых, трудно обеспечить высокие механические свойства сварного соединения, и, во-вторых, эти чугуны обладают повышенной склонностью к закаливанию и отбеливанию.

Затруднения при сварке чугунов объясняются следующими их свойствами:

1. Отсутствие площадки текучести чугуна и низкая пластичность приводит к появлению трещин при напряжениях, достигающих временного сопротивления. Эти напряжения могут быть внутренними, возникающими при неравномерном нагреве и охлаждении во время отливки или сварки деталей, и внешними - от перегрузок при эксплуатации изделия.

2. Склонность чугуна при высоких скоростях охлаждения закаливаться с образованием закалочных структур (мартенсита, бейнита, троостита). В закаленных участках чугун становится твердым (800 HB) и не поддается механической обработке.

Закалочные структуры вредны еще и потому, что их образование сопровождается появлением закалочных напряжений и образованием трещин.

3. Способность чугуна к отбеливанию при быстром охлаждении места сварки обычно приводит к образованию тонкой отбеленной прослойки на границе сварного шва и металла изделия. Эта отбеленная прослойка имеет низкую пластичность по сравнению с другими участками сварного соединения, и под влиянием растягивающей силы образующейся при охлаждении сварного соединения, она вместе с наплавленным металлом откалывается от основного металла или вызывает трещину по границе отбеленной прослойки с основным металлом.

4. Чугуны не имеют тестообразного состояния при переходе от жидкого к твердому. Это свойство чугуна затрудняет сварку его в наклонном и вертикальном положениях и не позволяет вести сварку в потолочном положении.

5. Склонность к образованию пористости,что объясняется низкой температурой плавления (Т_пл чугуна равна 1142 С при содержании углерода 4,3% (масс.); промышленные чугуны обычно имеют Т_пл = 1200 - 1250 С) и быстрым переходом из жидкого в твердое. Поэтому газы (в основном СО и СО₂), образующиеся при окислительной атмосфере) не успевают выделиться из металла, что приводит к образованию пор и других дефектов в сварном шве.

6. Разнородность чугунных изделий по химическому со ставу, термической обработке и структуре, что требует разнообразной технологии и приемов сварки.



Рис.18. Структура металла в зоне плазменной резки, 300

Основными дефектами, ограничивающими возможность получения качественных сварных соединений чугунов, являются трещины и поры. В частности, трещины в наплавленном чугуне возникают, как правило, при недостаточной степени графитизации наплавленного чугуна. Они образуются при температурах ниже 400 С и поэтому считаются холодными. Предварительный, а иногда и сопутствующий подогрев изделия или отливки и последующее замедленное охлаждение являются основными приёмами их предотвращения. При этом подразумевается, что состав электродного материала должен быть подобран таким образом, чтобы содержание графитизирующих и модифицирующих элементов в сварочной ванне было оптимальным. Имеется в виду, что, с одной стороны, должен предотвращаться отбел наплавленного чугуна, с другой - обеспечиваться достаточно высокий уровень прочности, кроме того желательно исключить кристаллизацию ледебурита. Меры для этого известны - повышение прежде всего содержания углерода и кремния в сварочных материалах и замедление скорости охлаждения предварительным подогревом.

Более эффективна металлургическая мера - введение в состав сварочной ванны значительного количества карбидообразующих элементов, главным образом ванадия, с целью получения ферритной пластичной матрицы.

Как правило, при исключении возможности возникновения этих дефектов усиливается склонность соединений к образованию продольных трещин - отрывов, проходящих по границе шва с основным металлом.

Трещины в швах на основе никеля возникают как в шве, так и в зоне сплавления. Данные трещины являются горячими и образуются либо в период кристаллизации сварочной ванны, либо при температурах несколько ниже конечной температуры затвердевания. Образованию горячих трещин в богатых никелем сварных швах способствуют повышенная концентрация углерода, а также вредных примесей (главным образом, серы) за счёт их перехода в сварочную ванну в результате проплавления основного металла.

Для предотвращения возникновения горячих трещин в швах на никелевой основе применяются главным образом металлургические меры. Они сводятся к введению в состав электродных материалов (стержень, покрытие, проволоку) элементов, которые придают шаровидную форму графитным включениям с равномерным их распределением и нейтрализуют вредное влияние серы, связывая её в тугоплавкие химические соединения.

Кроме горячих трещин непосредственно в сварных швах на никелевой основе довольно распространённым дефектом являются трещины на границе металла шва и основного металла, приводящие к отрывам. Отрывы обнаруживаются сразу после сварки, когда в районе шва происходит выравнивание температуры. Их развитие протекает без звукового эффекта. Металлографические исследования показывают, что макро- и микротрещины, образовавшиеся между швом и основным металлом, часто пролегают в зоне сплавления на участке с эвтектической составляющей; разрушение имеет межкристаллитный характер.

Для предотвращения образования горячих трещин в зоне сплавления рекомендуется применить технологические и металлургические меры, сводящиеся к следующему:

1) уменьшение погонной энергии сварки путём снижения эффективной мощности дугового процесса и увеличения скорости сварки;

2) снижение температуры плавления электродного материала и соответственно сварочной ванны;

3) применение сварочных проволок, обеспечивающих в составе однопроходных швов высокое (более 50 %) содержание никеля, который повышает температуру кристаллизации эвтектики в чугуне;

4) модифицирование металла ванны элементами, например РЗМ, способствующими формированию структуры с глобулярным графитом.

Кроме горячих и холодных трещин другим наиболее распространённым дефектом сварных соединений из чугуна являются поры.

Как уже отмечалось выше, поры в сварных соединениях могут образовываться из-за высокой газонасыщенности основного металла, а также наличия в нём микропустот и даже рыхлот, в которых концентрируются газы.

Среди факторов, повышающих склонность наплавленного чугуна к образованию пор, следует выделить такие :

1) скачкообразное уменьшение растворимости некоторых газов (водорода, азота, кислорода) при переходе их из жидкого состояния в твёрдое;

2) протекание металлургических реакций, связанных с интенсивным выделением газов (О, Н₂О и др.);

3) малая продолжительность существования сварочной ванны, при которой металл не успевает полностью дегазироваться;

4) высокая газонасыщенность основного металла.

Склонность к образованию пор при получении сварных соединений чугуна с однотипным металлом шва проявляется гораздо меньше, чем, например, у стали. Это объясняется высоким содержанием раскислителей, препятствующих протеканию реакций образования СО и Н2О, а также уменьшением суммарного содержания газов в железоуглеродистом сплаве при содержании углерода.

Пористость металла шва, вызванная азотом и водородом, объясняется скачкообразным уменьшением растворимости этих элементов при переходе наплавленного металла на основе железа из жидкого состояния в твёрдое, в результате чего наступает его пересыщение. При выполнении сварки с минимальным тепловложением в основной металл (использование тонких электродных проволок), когда продолжительность существования ванны мала, вероятность образования пор возрастает. В этом случае особое внимание следует уделить металлургическим приёмам, направленным на подавление реакций, сопровождающихся интенсивным газообразованием. Наиболее эффективной мерой при этом является раскисление наплавленного металла.

Основной причиной пористости при аргонодуговой сварке никеля является азот, растворённый в металле шва. В период кристаллизации жидкой ванны азот интенсивно выделяется из пересыщенного им металла, образуя поры в швах.

Благоприятно на графитизацию и пористость высокопрочного чугуна влияет алюминий. Он в твёрдом растворе чугуна оказывает благоприятное влияние на его пластичность и вязкость, благодаря частичной замене связей Fe-Si на Fe-Al, имеющую выраженный металлический характер. Повышенная коррозионная и кавитационная стойкость и особенности структурного состояния алюминиевых чугунов придают деталям высокую стойкость в условиях гидроабразивного изнашивания. Феррит в структуре матрицы появляется при содержании Al>1%,при 2% Al содержание феррита достигает 20-25%.С повышением количества алюминия от 0,5 до1,5% глубина отбела при отливке в кокиль уменьшается с 2мм до 0мм. Жидкотекучесть чугуна при 1450-1550°С снижается при повышении количества алюминия более 1%. Также он благоприятно влияет на снижение пор в ВЧШГ. За счет высокого сродства с азотом, алюминий позволяет связывать нам азот в нитриды, что должно значительно снизить количество пор в сварном соединении.

2. Разработка технологии плазменной резки заготовок под сварку ФСЧ

2.1 Обоснование выбора способа резки

В настоящее время существует множество способов резки. К ним относят механические (станочные и абразивные) и газопламенные. Для обоснования выбора способа резки рассмотрим некоторые из них.

Кислородная резка.

Кислородная резка основана на сгорании металла в струе технически чистого кислорода. Металл при резке нагревают пламенем, которое образуется при сгорании какого-либо горючего газа в кислороде. Кислород, сжигающий нагретый металл, называют режущим. В процессе резки струю режущего кислорода подают к месту реза отдельно от кислорода, идущего на образование горючей смеси для подогрева металла. Процесс сгорания разрезаемого металла распространяется на всю толщину, образующиеся окислы выдуваются из места реза струёй режущего кислорода. Металл, подвергаемый резке кислородом, должен удовлетворять следующим требованиям: температура воспламенения металла в кислороде должна быть ниже температуры его плавления; окислы металла должны иметь температуру плавления ниже, чем температура плавления самого металла, и обладать хорошей жидкотекучестью; металл не должен иметь высокой теплопроводности. Хорошо поддаются резке низкоуглеродистые стали.

Рис. 19 Схема процесса газокислородной резки: 1 - режущий мундштук; 2- режущий кислород; 3- разрезаемый металл; 4 - подогревательный мундштук; 5 - подогревательное пламя; 6 - шлаки

Для кислородной резки пригодны горючие газы и пары горючих жидкостей, дающие температуру пламени при сгорании в смеси с кислородом не менее 1800 гр. Цельсия. Особенно важную роль при резке имеет чистота кислорода. Для резки необходимо применять кислород с чистотой 98,5 - 99,5 %. С понижением чистоты кислорода очень сильно снижается производительность резки и увеличивается расход кислорода. Так при снижении чистоты с 99,5 до 97,5 % (т.е. на 2 %) - производительность снижается на 31 %, а расход кислорода увеличивается на 68,1 %.

Резка может осуществляться вручную или машинным способом, выполняемым на полуавтоматах и автоматах. Схема процесса разделительной газокислородной резки представлена на рис. 19 Смесь кислорода с горючим газом выходит из подогревательного мундштука резака и сгорает, образуя подогревательное пламя. Этим пламенем металл нагревается до температуры начала его горения. После этого по осевому каналу режущего мундштука подается струя режущего кислорода. Кислород попадает на нагретый металл и зажигает его. При его горении выделяется значительное количество теплоты, которое совместно с теплотой, выделяемой подогревательным пламенем, передается нижележащим слоям металла, которые также сгорают. Образующиеся при этом шлаки (оксиды железа и т.д.) выдуваются струей режущего кислорода из зазора между кромками реза. Для проведения кислородной резки металл должен удовлетворять следующим требованиям:

1. Температура горения металла должна быть ниже температуры его плавления, т.е. металл должен гореть в твердом состоянии. В противном случае расплавленный металл трудно удалять из полости реза.

2. Температура плавления образующихся при резке оксидов должна быть ниже температуры плавления самого металла. В этом случае оксиды легко выдуваются из полости реза.

3. Тепловой эффект образования оксидов должен быть высоким.

При резке стали основное количество теплоты (70... 95 %) образуется при окислении металла. Этим условиям удовлетворяют низкоуглеродистые и низколегированные стали, титановые сплавы. Чугун не режется кислородом вследствие низкой температуры плавления и высокой температуры горения; медь - из-за высокой температуры плавления и малой теплоты сгорания; алюминий - из-за высокой тугоплавкости образующихся оксидов. Высоколегированные стали (хромистые, хромоникелевые и т.д.) не режутся ввиду образования тугоплавких, вязких шлаков.

Поверхность разрезаемого металла должна быть очищена от ржавчины и других загрязнений. Металл устанавливается в положение, лучше всего в нижнее, но так, чтобы был свободный выход режущей струи с обратной стороны. Операция резки начинается с предварительного подогрева в месте реза при температуре горения металла (1200... 1350 °С). Устанавливаемая мощность подогревающего пламени зависит от рода горючего газа, толщины и состава разрезаемого металла.

Начинают резку обычно с кромки металла. При толщинах до 80... 100 мм можно прорезать отверстие в любом месте листа. Ядро подогревающего пламени находится на расстоянии 2... 3 мм от поверхности металла. Когда температура подогреваемого металла достигнет необходимой величины, пускают струю режущего кислорода. Чем выше чистота режущего кислорода, тем выше качество и производительность резки. По мере углубления режущей струи в толщу реза уменьшается скорость и мощность струи режущего кислорода. Поэтому наблюдается ее искривление (рис. 20), для уменьшения которого дается наклон режущей струи. При резке толстого металла ширина реза увеличивается к нижней кромке из-за расширения струи режущего кислорода. На кромках с их нижней стороны остается некоторое количество шлака.



Рис. 20 Отставание режущей струи (а); резак, наклоненный для уменьшения отставания струи (б)

В металле, на поверхности реза, повышается содержание углерода. Причина этого в том, что при горении углерода образуется окись углерода СО, при взаимодействии которой с железом в нем и повышается содержание углерода. Возможна и диффузия углерода к кромке реза из близ расположенных участков металла.

Если производится последующая сварка для предупреждения повышения углерода в металле шва (образование закаленных структур), следует производить механическую обработку или зачистку поверхности реза. В процессе реза происходит термообработка металла кромок реза, соответствующая закалке. Ширина зоны термического влияния (до 6 мм) зависит от химического состава и возрастает с увеличением толщины разрезаемого металла.

Низкоуглеродистая сталь закалке практически не поддается. Происходит только укрупнение зерна и появление в структуре наряду с перлитом участков сорбита. При резке сталей с повышенным содержанием углерода или легирующих примесей в структуре металла может появиться троостит, и даже мартенсит. Неравномерный нагрев кромок создает напряжения в металле и деформирует его. Кромки реза несколько укорачиваются, а в прилегающем слое возникают растягивающие напряжения, которые могут привести к образованию трещин.

Своеобразным способом является резка кислородным копьем (прожигание отверстий). Для этого используются длинные толстостенные трубки диаметром 8... 10 мм из низкоуглеродистой стали. До начала резки рабочий конец трубки нагревают сварочным пламенем или угольной электрической дугой до температуры воспламенения металла в кислороде. При включении режущего кислорода конец трубки воспламеняется. Затем рабочий конец трубки слегка прижимают к металлу и углубляют в него, выжигая отверстие. Образующийся шлак выдувается из отверстия наружу избыточным кислородом и образующимися газами. При значительной глубине прожигаемого отверстия изделие нужно ставить в положение, облегчающее вытекание шлаков.

Многие легированные стали плохо поддаются обычной кислородной резке. Например, все стали со значительным содержанием хрома (при резке образуется тугоплавкий окисел хрома), чугун, цветные металлы. Однако они поддаются кислородно-флюсовой резке. При этом способе в зону резки режущим кислородом вдувается порошкообразный флюс. Он состоит, главным образом, из порошка металлического железа. Сгорая в струе кислорода, порошок дает дополнительное количество тепла, а образующиеся оксиды, смешиваясь с оксидами разрезаемого металла, разжижают их. В зависимости от состава разрезаемого металла во флюс могут добавляться и другие добавки, например, кварцевый песок, порошок алюминия и др.

Газовая резка с водородно-кислородным или бензинокислородным подогревающим пламенем применяется при работах под водой. При электрокислородной резке используются стальные или графитовые трубки, через которые подается режущий кислород. Подогрев металла осуществляется сварочной дугой.

Кислородно-флюсовая резка.

Условия протекания процесса газокислородной резки.

Кислородная резка представляет собой процесс интенсивного местного окисления металла, нагретого до температуры воспламенения, струей кислорода и удаления этой струей образующихся продуктов сгорания (окислов металла).

Процесс резки начинается с нагрева изделия в начальной точке реза до температуры, достаточной для воспламенения (начала интенсивного окисления) данного металла в кислороде. Нагрев производится подогревающим пламенем, образуемым при сгорании горючего газа в кислороде. Когда температура зоны нагрева достигает требуемой величины, пускается струя технически чистого (98 - 99%-ного) кислорода. Направленный на нагретый участок режущий кислород вызывает интенсивное окисление верхних слоев металла, которые, сгорая, выделяют значительное количество теплоты и нагревают до воспламенения в кислороде нижележащие слои. Таким образом, процесс горения металла в кислороде распространяется по всей толщине разрезаемой заготовки. Образующиеся при сгорании окислы, будучи в расплавленном состоянии, увлекаются струей режущего кислорода и выдуваются из зоны реакции.

Для успешного протекания процесса резки должно соблюдаться несколько условий:

1.Температура плавления металла должна быть выше температуры его воспламенения в кислороде, под которой понимается температура, при которой начинает происходить интенсивное окисление металла;

2.Температура плавления окислов должна быть ниже температуры плавления самого металла и температуры, которая развивается в процессе резки;

3.Количества теплоты, выделяющейся при сгорании металла в кислородной струе, должно быть достаточно для поддержания непрерывного процесса резки;

4.Теплопроводность должна быть не выше того предела, при котором вся теплота, сообщаемая подогревающим пламенем и выделяемая в процессе резки, отводится от места резки;

5.Образующиеся окислы должны быть достаточно жидкотекучими для их свободного выдувания кислородной струей.

Согласно данных разных исследователей температура воспламенения низкоуглеродистой стали колеблется в широких пределах, верхняя граница которых равна 1350°С. По утверждению И.А.Антонова за температуру воспламенения железа следует принимать температуру плавления закиси железа FeO (вюстита), которая начинает интенсивно образовываться при температурах свыше 6800С и составляет от 90% до 95% всех окислов железа. Твердая фаза окислов препятствует дальнейшему протеканию реакции, поэтому бурное развитие реакция получает только с началом расплавления закиси железа, т. е. в диапазоне температур - 1300єС…1350єС. Низкоуглеродистая сталь, имеющая температуру плавления около 1500є С, удовлетворяет первому условию и поддается процессу кислородной резки без ограничений.[2]

При увеличении содержания углерода температура плавления стали уменьшается. Содержание углерода выше 0,7% приводит к тому, что плавление начинается при температурах более низких, чем температура воспламенения, а процесс резки превращается в процесс расплавления стали и удалении этого расплава из зоны реакции кислородной струей.

Наличие легирующих элементов в сплавах оказывает влияние на температуру плавления как самого металла, так и его окислов. Если легирующие элементы снижают температуру плавления стали, то тугоплавкость окислов легирующих элементов в ряде случаев оказываются значительно выше температуры плавления стали. Например, наличие в металле хрома приводит к образованию на поверхности реза окисла Cr2O3 c температурой плавления 1990єС, сплавы алюминия образуют окисел алюминия Al2O3 c температурой плавления около 2050 є С. Металлы с повышенным содержанием этих элементов обычному процессу газовой резки не поддаются.

В процессе горения железа выделяемое тепло идет на нагрев слоя, непосредственно прилегающего к зоне реакции, чем обеспечивается непрерывность процесса резки. По некоторым данным при резке низкоуглеродистой стали 70% общего количества теплоты, вводимой в металл, составляет теплота, выделяющаяся при сгорании железа и его примесей. Остальное тепло вводится подогревающим пламенем резака. При этом важно, чтобы скорость теплоотвода не превышала скорости тепловложения, т.е. теплопроводность металла должна быть ограниченной. Для резки металла с высокой теплопроводностью, например меди, интенсивность тепловложения должна быть достаточно высокой, чтобы обеспечить нагрев зоны реза до температуры воспламенения. Поскольку обычными методами обеспечить это условие при резке меди удается далеко не всегда, зачастую прибегают к предварительному или сопутствующему подогреву.

Важным параметром, влияющим на процесс резки, является жидкотекучесть расплавленных окислов. При большой вязкости выдуваемость шлака кислородной струей из зоны реза затруднена, что значительно тормозит процесс резки. Например, окисел кремния SiO2, обладая значительной тугоплавкостью, имеет, кроме того, большой температурный интервал изменения вязкости. Поэтому у чугуна, содержание кремния в котором довольно высокое, удаление шлака в процессе резки вызывает значительные трудности.

Процесс кислородно-флюсовой резки.

Процесс кислородно-флюсовой резки мало отличается от обычного процесса газокислородной резки, поэтому резчику обычно достаточно несколько дней, чтобы освоить технику резки и обслуживание установки КФР.

Сущность процесса заключается в следующем. В зону реза струей кислорода (режущего или дополнительной), сжатого воздуха либо другого газа, например азота, вдувается порошкообразный флюс на основе железного порошка, который выделяет при сгорании дополнительное количество теплоты, снижает концентрацию легирующих элементов в металле и разжижает шлак. Кроме того, образующиеся при его сгорании окислы железа производят флюсование образующегося при резке шлака.

Кислородно-флюсовая резка с позиции техники ее выполнения отличается от обычного процесса газовой резки тем, что расстояние от поверхности разрезаемого металла до торца мундштука в первом случае должно быть больше, чем во втором, так как воспламенение флюса начинается над поверхностью разрезаемого металла, а полное сгорание происходит в полости реза. На практике это расстояние выбирается в зависимости от разрезаемого материала и колеблется в пределах от 15 до 50 мм.