СВАРКА И СВАРИВАЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ

КОВКИЕ, ВЫСОКОПРОЧНЫЕ и ЛЕГИРОВАННЫЕ ЧУГУНЫ

(Грецкий Ю. Я., Метлицкий В. А.)

23.1. Состав и свойства

23.1.1. Классификация по составу и свойствам

Ковкие чугуны (КЧ), которые получают в результате отжига белого чу­гуна, характеризуются повышенной прочностью, пластичностью и ударной вязкостью вследствие образования прн отжиге хлопьевидного графита. Ос­новные преимущества КЧ заключаются в однородности их свойств по се­чению, практическом отсутствии напряжений в отливках, высоких механиче­ских свойствах и хорошей обрабатываемости.

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

Легированные чугуны обладают специальными свойствами, обеспечива­ющими длительную и надежную работу отливок в разнообразных условиях эксплуатации.

Ковкие чугуиы (ГОСТ 1215—79) получают ферритными или перлит­ными. Содержание основных элементов в КЧ составляет, %: С 2,3—3,0; Si 0,9—1,6; Мп 0,3—0,6 (при ферритной матрице) и до 1,2 (при перлитной матрице). Снижение содержания углерода в указанных пределах увеличи­вает прочность КЧ благодаря уменьшению количества и размеров графита, а также улучшению его формы. Фосфора и серы в КЧ меньше, чем в сером чугуне.

Чугуны с шаровидным графитом (ГОСТ 7293—85) различают на фер- ритиые, перлитио-ферритные, перлитные и бейнитиые. Содержание основных элементов в ЧШГ составляет, %: С 3,2—3,8; Si 1,9—2,9 (в бейнитных— 3,4—3,6); Мп 0,4—0,9; Сг^0,1. Примеси достигают, %: S^0,02; Р^0,1, т. е. значительно ниже, чем в сером чугуне. Содержание магния — сферо- идизатора графита — колеблется от 0,03 до 0,08%.

Легированные хромовые чугуны подразделяются на жаростойкие, кор- розиоииостойкие и износостойкие и содержат до 36 % Сг; с увеличением хрома содержание С, Si, Мп уменьшается. Никелевые имеют в своем со­ставе до 21 % Ni, кремнистые — до 18% Si, марганцевые — до 12% Мп, вы­соколегированные алюминиевые — до 31 % А1. Практически все легированные чугуны могут иметь как пластинчатую, так и шаровидную форму графита.

23.1.2. Основные марки, структура и свойства

Ковкий чугун маркируют буквами КЧ и цифровыми обозначениями в зави­симости от механических свойств. Первые две цифры соответствуют времен­ному сопротивлению, вторые — относительному удлинению (феррнтные — от КЧ 30-6 до КЧ 37-12, перлитные — от КЧ 45-6 до КЧ 63-2). Феррнтные КЧ имеют более высокую пластичность, а высокая твердость перлитного чугуна обеспечивает лучшую стойкость против износа КЧ с зернистым пер­литом используют для изготовления отливок, подверженных знакоперемен­ным (в том числе, ударным) нагрузкам при эксплуатации [1]

Аналогично ковким маркируются высокопрочные чугуны с шаровидным графитом: феррнтные (ВЧ 38-7 и ВЧ 42-12), перлитно-феррнтные (ВЧ 45-5 и ВЧ 50-2), перлитные (от ВЧ 60-2 до ВЧ 80-3), бейннтные (ВЧ 100-4 и ВЧ 120-4). ЧШГ обладают комплексом ценных свойств, значительно превос­ходящих те же характеристики серого чугуна: износостойкостью, жаростой­костью, коррозионной стойкостью и др. Многие свойства дополнительно по­вышаются в результате рационального легирования и термической обра­ботки [1].

Промежуточными по свойствам между КЧ и ЧШГ являются чугуны с вермикулярным графитом, обозначаемые ЧВГ.

Обозначение легированных чугунов разнообразное. Согласно ГОСТ 7769—82 и 11849—76 жаростойкие хромовые чугуны обозначают ЖЧХ, а коррозиониостойкие — ЧХ, после чего ставят цифры, указывающие содер­жание Сг. Износостойкие чугуны обозначают ИЧХ и далее цифры содер­жания Сг и других элементов (как при обозначении сталей, например, ИЧХ13ГЗМ). Пример обозначения никелевого чугуна: ЧН15Д7Х2. Если графит имеет шаровидную форму, добавляется буква Ш. Аналогично обоз'- начение кремнистых чугунов, обладающих окалино-, росто - и коррозионно - стойкостью (ЖЧС5, ЖЧЮ7Х2, ЧС15М4); алюминиевых жаропрочных (ЖЧЮ7Х2) и марганцевых износостойких чугунов (ИЧХ4Г7Д).

Характерными структурными составляющими матрицы легированных чу­гунов являются: феррит, перлит, аустенит, карбиды. Условие образования аустенита в никелевом чугуне (содержащем 2,3—3,6% С и до 2% Si): Ni+2,5 Mn + Cu>18 [1].

23.2. Свариваемость чугунов

23.2.1. Склонность к образованию трещин

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

Свариваемость легированных чугунов (в первую очередь, стойкость против образования трещин) ухудшается с ростом содержания легирующих элементов. Особенно свойственно это хромовым, кремнистым и марганцевым чугунам вследствие уве­личения в их структуре количества карбидов Сг, Si, Мп. Исклю­чение составляют чугуны с аустенитной основой: никелевые, марганцевые и более сложного состава, которые обладают удов­летворительной свариваемостью. С другой стороны, высокони­келевые чугуны, хорошо противостоящие появлению холодных трещин, склонны к образованию ГТ из-за эвтектик, образую­щихся 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-сво­бодного углерода, который при высоких температурах интен­сивно растворяется в аустенитной матрице. Вследствие проте­кающей диффузии углерода от хлопьевидных или шаровидных включений графита в аустенитную матрицу понижается темпе­ратура плавления матрицы в приграничных микрообъемах и происходит ее расплавление в зонах вокруг графитных включе­ний. В условиях последующего быстрого охлаждения эта фаза, обогащенная углеродом, затвердевает с образованием ледебу­рита. Присутствие в ЗТВ игл первичного цементита, ледебурита и мартенсита охрупчивает металл околошовной зоны и облег­чает появление трещин [4].

Увеличение содержания углерода в КЧ и ЧШГ способст­вует более полной графитизации металла шва и ЗТВ, снижению твердости соединения и уменьшению опасности образования тре­щин.

Модифицирующие элементы (Mg, РЗМ, Y и др.), глобуляри - зирующие графитную фазу в ЧШГ, одновременно способствуют переохлаждению и кристаллизации с образованием цементита и ледебурита. Поскольку в условиях сварки это явление усили­вается, всегда существует опасность образования оторочки во­круг шва, содержащей в структуре карбиды и мартенсит и вы­зывающей появление трещин [4].

Сера и фосфор снижают механические свойства сварных со­единений из-за образования в металле шва участков, обогащен­ных 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 Р^0,1. Чистыми по этим элементам должны быть и компо­ненты 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 пер­литные, благодаря запасу пластичности и вязкости, но уровень прочности сварных соединений у них ниже.

23.2.3. Способы сварки и свойства соединений

Дуговая сварка. Все специальные чугуны соединяют ручной ду­говой сваркой с применением электродов со стержнем, однород­ным 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; Cr^0,5; Ni^0,3; S^0,08; Р^0,2 и обеспечивает по­лучение шаровидного графита в металле шва [2]. В компонентах покрытий большое количество графитизаторов: С и Si. Сварку КЧ и ЧШГ производят с предварительным подогревом отливок и деталей до температуры 400—700°С и замедленным охлажде­нием после сварки. Для низколегированных чугунов с пластин­чатым графитом температура подогрева может быть значи­тельно ниже.

При сварке без подогрева требуемое качество соединений достигают при использовании электродов на никелевой и желе­зоникелевой основе: ОЗЧ-З, ОЗЧ-4, ОЗЖН-1. Металл шва (на­плавленный металл) имеет аустенитную структуру с включени­ями 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 исполь­зовании электрода ОЗЖН-1 (со стержнем, содержащим 50 % Ni) близки к свойствам ЧШГ; бв = 400—600 МПа; 6Т = 300—470 МПа; 6 = 6—13%; НВ 180—200. Однако сварные соединения, выпол­ненные железоникелевыми электродами, в состоянии после сварки имеют прочность на 20—40 % ниже прочности основ­ного металла и при испытании на растяжение разрушаются хрупко. Улучшить механические свойства удается только с по­мощью термической обработки. Для надежного исключения тре­щин по зоне сплавления при сварке ЧШГ и КЧ электродами ОЗЖН-1 применяют предварительный подогрев деталей до тем­пературы 200—350 °С.

Электроды марки ЦЧ-4 со стальным стержнем и феррова­надием 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 мар­тенсита, что повышает ее твердость до ЯУ 500—600. Возникает опасность образования трещин, соединение не обрабатывается режущим инструментом. Равнопрочность соединений основному металлу не достигается, поэтому часто для надежности сварку выполняют со стальными ввертышами. Медно-стальные элек­троды (ОЗЧ-2, ОЗЧ-6) и электроды для сварки конструкцион­ных 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 ме­талла шва должна характеризоваться компактной или глобуляр­ной формой графита, а также подобной матрицей, чтобы сохра­нить в соединении ценные свойства основного металла. Сферо - идизации графитной фазы достигают введением в состав порош­ковых проволок Mg, Са, Y, РЗМ. Так, проволока ПП-АНЧ-5 со­держит 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; 0Д = 25—40 В; ип. пр = 80—350 м/ч; ток — посто­янный прямой полярности. Заваренные отливки, как правило, подвергают термической обработке. Сварные соединения равно­прочны ЧШГ ферритного (ВЧ 42-12) и перлитно-ферритного (ВЧ 45-5, ВЧ 50-2) класса [4].

Шихта порошковой прбволоки ППВЧ-1 содержит модифика­торы 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 количе­ство 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 мелкодисперс­ные карбиды, твердость составляет HRC 25— 30. Прочность сварных соединений ферритного ЧШГ достигает 80—90 % проч­ности основного металла.

Сварку ЧШГ стальной проволокой осуществляют также с присадкой керамических стержней. Введение в их состав ред­коземельных 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 — ос­тальное.

Ремонтную сварку поврежденных деталей из КЧ, ЧШГ и легированных (особенно, никелевых) чугунов выполняют само - защитной 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 сварки специальных чугунов, главным образом, для заварки мел­ких литейных дефектов.

Электрошлаковая сварка ЧШГ осложнена тем, что из-за дли­тельного пребывания сварочной ванны в 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 порош­ковых 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 го­рючие газы. Флюс ФПСН-1 можно применять при сварке лю­бым 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 хо­рошо 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 рекомен­дуется режим: частота вращения 3600 об/мин; давление на ста­дии нагрева 40—90 МПа; давление проковки 90 МПа, время нагрева 20—80 с. При давлении нагрева 70 МПа и времени на­грева 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. Темпера­тура 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 сво­бодных карбидов в структуре. Термическую обработку (отжиг или более сложную) желательно выполнить до и после прове­дения сварки.

Мерой повышения стойкости металла шва против образова­ния горячих трещин является модифицирование его структуры. Так, проволока ПАНЧ-11 содержит в своем составе редкоземель­ные металлы, которые придают глобулярную форму неметалли­ческим включениям, нейтрализуют вредное действие серы.

Для исключения пор в высоконикелевых швах предупреж­дают попадание в них Нг и Ог. Действенными мерами являются: удаление, влаги, ржавчины, следов масла, краски со сваривае­мых деталей, максимальное снижение параметров режима /св ия, сварка короткой дугой, применение защитных газов, подо­грев до температуры 200—300 °С.