Чугуны и литейные стали

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, фосфора, а иногда и другие элементы, вводимые как легирующие добавки для придания чугуну определенных свойств. К числу таких легирующих элементов можно отнести никель, хром, магний и др.

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 стоимость, 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. Чугун дешевле стали.

Чугун (кроме белого) отличается от стали наличием в структуре графитовых включений, а между собой чугуны различаются формой этих включений.

В зависимости от структуры чугуны подразделяют на белые и серые. В белых чугунах весь углерод связан в химическое соединение карбид железа Fe₃С - 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.

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.

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 обладать необходимым уровнем механических свойств, плотностью (непроницаемостью) и удовлетворительной обрабатываемостью (обрабатываться режущим инструментом 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, то есть 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 структурные дополнительные 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.

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.

В отдельных участках зоны термического влияния в зависимости от скорости охлаждения возможно возникновение структур закалки, а также в зависимости от количества графитизаторов может быть получен либо белый, либо серый чугун. 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. Сварку с подогревом до температур 300 - 400°С называют полу горячей, 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 других, обладающих высокой пластичностью и имеющих температуру плавления, близкую к температуре плавления чугуна.

Горячая сварка чугуна. 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 элементов:

I - подготовка изделия под сварку;
II - предварительный подогрев деталей;
III - сварка;
IV - последующее охлаждение.

Холодная и полугорячая сварка чугуна, обеспечивающая в металле шва получение серого чугуна. Холодная сварка чугуна электродами, положительных результатов не обеспечивает, так как при больших скоростях охлаждения, соответствующих данным условиям проведения сварки, образуется структура белого чугуна в шве и высокотемпературной области околошовной зоны, а также происходит резкая закалка металлической основы участков зоны термического влияния. Возникающие при этом деформации превышают деформационную способность металла шва и околошовной зоны, в результате чего образуются трещины. Для предупреждения отбеливания необходимо обеспечить такой состав металла шва, для которого в этих условиях будет получаться структура серого чугуна с наиболее благоприятной формой графитных включений. Это может быть достигнуто путем введения в наплавленный металл достаточно большого количества графитизаторов и легирования чугуна элементами, способствующими сфероидизации карбидов (магнием).

Получить в наплавленном металле и металле шва серый чугун можно, применяя специ-альные сварочные материалы, которые обеспечивают легирование через электродное покрытие. Примером таких материалов могут служить электроды, стержень которых изготовлен из низкоуглеродистой проволоки, например, марок Св-08 или Св-08А, а в легирующем покрытии содержится достаточное количество элементов графитизаторов - углерода и кремния. Для холодной и полугорячей сварки чугуна автоматами, и главным образом полуавтоматами, используют специальные порошковые проволоки, обеспечивающие получение в шве серого чугуна.

Холодная сварка чугуна электродами, обеспечивающими получение в наплавленном металле низкоуглеродистой стали. Если выполнить наплавку на чугун электродами, предназначенными для сварки углеродистых или низколегированных конструкционных сталей, то в 1-м слое даже при относительно небольшой доле участия основного металла получится высокоуглеродистая сталь, которая при скоростях охлаждения, имеющих место в условиях сварки без предварительного подогрева изделия, приобретает резкую закалку. В связи со сказанным такие стальные электроды можно применять только для декоративной заварки небольших по размерам дефектов, если к сварному соединению не предъявляются требования обеспечения прочности, плотности и обрабатываемости режущим инструментом.

Холодная сварка чугуна электродами, обеспечивающими получение в металле шва цветных и специальных сплавов. Для получения швов, обладающих достаточно высокой пластичностью в холодном состоянии, применяют электроды, обеспечивающие получение в наплавленном металле сплавов на основе меди и никеля.

Кроме чугунов широкое применение находит также стальное литьё. Это, как правило, качественные углеродистые и легированные стали, в которых для улучшения литейных свойств несколько увеличено количество кремния (до 0,6 - 1%). Свариваемость этих сталей определяется содержанием углерода и легирующих элементов и несколько хуже, чем аналогичных качественных углеродистых сталей. Например: Сталь 25 сваривается без ограничений, Сталь 25Л - ограничено свариваемая, требует подогрева перед сваркой и последующей термообработки.