В.А. Изосимов
Челябинский агроинженерный университет
Б.А. Кулаков
Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск
Заварка высокопрочного чугуна сопряжена с большими трудностями. Эвтектическое превращение в чугуне, модифицированном для получения шаровидного графита, протекает при значительном переохлаждении. Жесткие термические циклы заварки усиливают тенденцию жидкого чугуна к кристаллизации по мета- стабильной системе, а также способствуют неравновесному рас паду аустенита. В связи с этим всегда существует опасность об разования карбидов и ледебурита в наплавленном металле и зоне сплавления, а также мартенситной сетки в околошовной зоне, что снижает стойкость сварных соединений против образо вания трещин, ухудшает их механические свойства и обрабаты ваемость.
Подбор состава металла шва, предварительный подогрев и другие специальные меры могут улучшить качество металла околошов ной зоны.
Равнопрочное соединение чугуна с шаровидным графитом можно получить лишь при идентичности структуры и свойств ос новного металла и металла шва. Во всех остальных случаях раа- нопрочность не достигается и, кроме того, не получается однородность физических свойств соединения на всех его участках.
Исправление дефектов заваркой производится главным обра зом до термической обработки отливок.
Однако возможна также заварка дефектов, вскрывшихся в процессе или после чистовой механической обработки отливок, когда последующая их термическая обработка уже недопустима.
При исправлении дефектов использовали специально разрабо танные электроды ЭВЧ-1 из чугуна марки ВЧ50. В состав обмазки электродов входили флюсы, легирующие и модифицирующие до бавки. Диаметр электродов - от 4,0 до 8,0 мм, толщина обмазки - от 0,35 до 0,90 мм.
Формами для отливки прутков могут служить металлические или графитовые кокили, при использовании которых достигается наилучшее качество прутков. Отливка в песчаные формы не обеспечивает чистоту поверхности и металла прутков, поэтому не ре комендуется.
Состав покрытий электродов должен обеспечить стабильность горения дуги, равномерность и подвижность шлакового покрова ван ны, компенсацию выгорающих элементов чугуна. В составе покрытия большое количество графитиэаторов. Электроды используются для горячей и холодной ручной дуговой сварки чугуна ванным способом.
Чугуны всех марок обладают большой чувствительностью к резким температурным изменениям. В практической работе встречают ся чугунные отливки и детали несложной конфигурации, подогрев которых не представляет больших трудностей, но для отливок и деталей сложной конструкции при этом возникают определенные труд ности, связанные с возникновением внутренних напряжений, которые могут вызвать появление трещин в различных частях изделий,
Величина линейной усадки чугуна колеблется от -0,5 до +1,2%. В температурном интервале охлаждения между 1200 и 700-аС (до перлитная) она составляет в чугунах около 25% общей усадки и практически а расчет не принимается. На послеперлитную усадку (ниже 700-аС) приходятся остальные 75%, и поэтому она имеет ре шающее значение в практической работе как фактор возникнове ния остаточных напряжений.
Следовательно, при горячей сварке с предварительным подог ревом до температуры 650...700-аС внутренние напряжения в от ливке уменьшаются, и деталь может подвергаться сварке без опасения появления трещин, так как температура наплавленного металла выравнивается с температурой отливки, и при дальнейшем медленном охлаждении они претерпевают совместно послеперлитную усадку.
Термический цикл, которому подвергается высокопрочный чугун в процессе сварки плавлением, создает условия для ухудше ния механических свойств металла в зоне термического влияния (ЗТВ). Это происходит из-за наличия структурно-свободного углерода, который при высоких температурах стремится раствориться в аустенитной матрице.
Вследствие быстрой диффузии углерода от шаровидных включений графита в аустенитную матрицу понижается температура плавления матрицы и происходит ее расплавление в зонах вокруг шаровидных включений. В условиях быстрого охлаждения сварного шва эта фаза, обогащенная углеродом, затвердевает с образованием ледебурита, т.е. цементитной эвтектики.
Присутствие в структуре ЗТВ игл первичного цементита, ледебурита и мартенсита значительно охрупчивает металл околошов ной зоны и облегчает появление трещин.
Температура, скорости нагрева и охлаждения отдельных уча стков ЗТВ при сварке неодинаковы, поэтому структурные превращения в каждом участке этой зоны и конечная структура их раз личны. Связав качественные изменения в металле ЗТВ высокопрочного чугуна при сварке плавлением с диаграммой Fe - C , мож но выделить три основные участка:
1. Участок неполного расплавления - сравнительно небольшой протяженности, нагревается до температуры 115О...125О-аС и в про цессе сварки находится в твердо-жидком состоянии. В участках, окружающих шаровидные включения графита, образуется жидкая фаза, которая при медленном охлаждении затвердевает в виде тонкой оболочки феррита, при ускоренном охлаждении - цементита и леде бурита.
В конечном итоге структура в этой зоне может быть следую щей: шаровидный графит, феррит, цементит + ледебурит, мартенсит и перлит.
2. Участок аустенита, где температура не достигала эвтектиче ской, но была выше эвтектоидной. На этом участке структура представляет собой продукты распада аустенита различной дисперсности (троостит, сорбит или перлит). При медленном охлаждении рассматриваемого участка из аустенита выделяется избыточный углерод в виде графита, при быстром - в виде цементита.
3. Участок, температура которого не превышала 723-аС, имеет структуру основного металла.
Таким образом, образующаяся зона пониженной пластичности значительно усложняет процесс сварки высокопрочного чугуна. Получать сварные соединения, по прочности и пластичности близкие в этом случае к основному металлу, значительно труднее, чем при сварке серого чугуна, тем более, что магний, вводимый в чу гун, увеличивает его склонность к образованию отбела.
Непосредственно после заварки дефектов отливка подвергается термообработке (отжигу) для разложения метастабильных фаз (цементита, ледебурита, мартенсита) и обеспечения обрабатываемости сварочного соединения, а также для снятия внутренних напряжений.
Ручную дуговую сварку специальными электродами - ЭВЧ-1 осуществляют при постоянном токе обратной полярности.
Силу сварочного тока устанавливают в зависимости от диа метра электрода. Технология заварки электродами ЭВЧ-1 аналогична сварке проволокой ПАНЧ11.
Предел прочности сварного соединения близок к прочности основного металла и составляет 400...450 МПа. Ударная вязкость снижается значительно (0,6... 1,5 кгс-м/см2) по сравнению с основным металлом в отожженном состоянии (2,7...3,9 кгс-м/см2), что объясняется охрупчиванием соединения в результате термического цикла сварки, приводящего к заметному повышению твердости в зоне стыка. Предварительный подогрев и последующая термообработка обеспечивают получение ферритно-перлитной структуры без вклю чений цементита. В этом случае изделие хорошо обрабатывается и пригодно для длительной эксплуатации в тяжелых условиях.
