I. Задача получения наплавлен­ного металла в виде чугуна, качественные показатели которого близки показателям основного металла, решается обычно техно­логией сварочного процесса, в котором в качестве постоянной не изменяющейся составляющей участвует чугунный присадочный металл (прутки, электроды). Поэтому получение чугунных прут­ков и электродов, переплав которых дает металл, обладающий необходимыми физико-химическими свойствами, является пред­метом постоянного изучения и совершенствования.

В практической работе частым явлением оказывается неста­бильность показателей структуры и твердости наплавленного металла, а также пористости губчатого характера, которая перио­дически образуется и не исчезает в процессе газовой сварки, наплавки. При дуговой сварке ванным способом такие неполадки проявляются в значительно меньшей степени.

Изучение природы указанных явлений показало, что металл расплавляемого чугунного прутка, принятый в сварочном техно­логическом процессе как составляющая постоянная и неизменя - ющаяся, в самом деле изменяется в зависимости от шихтовых материалов, способа выплавки и отливки металла прутков. Отсюда вывод: для того чтобы чугунные сварочные материалы отвечали поставленной задаче, необходимо стабилизировать процесс их изготовления.

Серые чугуны представляют собой сложную композицию сплава железа с различными элементами и в первую очередь с углеродом, кремнием и марганцем. В нашем случае такими основными элементами являются углерод и кремний. По своей структуре серые чугуны представляют собой также сложную 38

композицию. При газовой сварке чугуна, которая преимуще­ственно осуществляется общей ванной, как в любом плавильном процессе, протекают сложные физико-химические процессы.

Поры в направленном металле могут быть вызваны в каждом конкретном случае различными причинами, однако механизм возникновения пузырьков в кристаллизующейся сварночной ванне всегда связан с изменением растворимости газов при изменении температуры. Жидкий металл растворяет значительно больше газа, чем твердый. По мере повышения температуры расплавлен­ного металла растворимость газов неодинакова: сначала увели­чивается, проходит через максимум, и при дальнейшем повыше­нии температуры падает; при температуре кипения металла рас­творимость газов равна нулю.

При охлаждении расплавленного металла до температуры затвердевания растворимость газов постепенно уменьшается, но все же остается достаточно высокой. Однако для выделения этого избыточного количества газов и образования пор в наплавленном металле должны быть соответствующие условия. Имеются дан­ные, согласно которым зарождение газовых пузырьков практи­чески невозможно в гомогенном жидком расплаве. Зарождение пузырьков газов в жидком металле всегда происходит на границе раздела фаз: на поверхности раздела шлак—металл, на поверх­ности растущих кристаллов и т. д.

Если принять температуру, близкую к температуре кристал­лизации, постоянной, то на величину этого критического заро­дыша преимущественно будут влиять два фактора: поверхностное натяжение и степень пересыщения жидкого металла растворен­ными газами.

Газы в сварочной ванне возникают в результате реакции рас­творенных газов с плохо раскисленным металлом; высокого давле­ния насыщенного пара отдельных компонентов сплава при темп - ратуре кристаллизации; захвата газов из пламени и окружающей атмосферы; термодиффузионных процессов в основном металле.

Считается, что в чугунах в образовании газовой пористости большое значение имеет окись углерода, которая может попасть из пламени горелки и образоваться в ванне в результате реакции восстановления закиси железа: FeO - f С = Fe -(- СО. Нераство­римая в чугунах окись углерода и образует зародышевые микро­пузыри. В условиях сварки этой реакции может благоприятство­вать интенсивное развитие междендритной ликвации углерода и закиси железа вследствие большой скорости охлаждения металла шва. Местное повышение концентрации окислов железа может быть и как результат застревания в металле шва шлаковых вклю­чений. При температурах 1400° С и ниже, т. е. температурах, наиболее вероятных в сварочной ванне, до момента кристалли­зации раскисляющая способность кремния значительно выше, чем углерода. Практически весь кислород в чугунах находится в связанном виде. В отношении порообразования очень важен

водород, попадающий при газовой сварке прежде всего из пламени, другой источник — влага, которая может содержаться во флюсах.

По данным Д. Сефериана восстановительная зона ацетилено­кислородного пламени имеет следующий состав: 61% СО; 22% Н2; 17% Н. В молекулярном состоянии водород (Н2) образует внутри - кристаллитные заполненные газом полости. В атомарном (Н) или ионизированном (Н+) состояниях водород внедряется в кри­сталлическую решетку, причем он легко диффундирует в кристал­лическую решетку железа. Скорость диффузии и растворимость водорода зависит от аллотропического состояния железа. В част­ности, растворимость водорода в 7-железе намного выше, чем в а - и б-железе. Предельная растворимость водорода в твердом железе при 1530° С составляет 8 см3/100 г или 0,0007%. Переход металла из твердого состояния в жидкое значительно увеличивает растворимость водорода (28 см3/100 г или 0,0025%), что в литей­ном производстве считается недопустимым.

Азот может вступать в реакцию с железом с образованием нитридов, однако эта реакция при непосредственном контакте молекулярного азота и металла идет только при очень высоких температурах, поэтому при газовой сварке наличие нитридов в наплавленном металле не наблюдается.

Для всестороннего анализа причин и условий образования газовой пористости в наплавленном металле при сварке чугуна недостаточно выявить поведение газов в нем. Необходимо также установить природу и условия образования неметаллических включений, которые могут стать центрами порообразования.

Исходя из происхождения неметаллических включений, их можно подразделить на две группы: природные включения, обра­зующиеся в результате реакций, протекающих в жидком или затвердевающем металле, и посторонние включения, вносимые в результате механического примешивания случайно запутав­шихся частиц шлака, огнеупорных материалов и др., но они существенного влияния не оказывают. В первую группу входят: сульфиды,, фосфиды и окислы. Вся сера практически в процессе затвердевания выделяется в виде сульфидов присутствующих элементов, главным образом в виде сульфидов марганца и железа.

Последние чаще всего образуют между собой твердые растворы. Фосфидные включения выделяются в чугунах в виде Fe3P, который входит в тройную или двойную эвтектику вместе с карбидом железа и твердым раствором железа с углеродом и фосфором.

Из окисных включений в чугунах могут присутствовать крем­незем, силикаты железа и марганца, глинозем и алюмосиликаты: 30—70% кремнезема; 20—50% глинозема, окислы кальция и магния; 3—14% закиси железа и до 3,5% закиси марганца. Ка­чественный анализ минералогического состава неметаллических включений выявил наличие кристаллического кварца, кварцевого стекла, силикатных стекол.

Химический состав неметаллических включений показывает, что в них содержится более 50% кремнезема, окись марганца не превышает 2—3% и остальное составляют окислы железа. Га­зовый пузырек преимущественно выделяется на плохо смачива­ющихся поверхностях. Сила прилипания этого пузырька к такой поверхности, а следовательно, и вероятность его сохранения в шве тем больше, чем больше краевой угол смачивания. Наиболее вероятной поверхностью для зарождения газового пузырька яв­ляются неметаллические включения.

Уплотнение металла шва при газовой сварке чугуна должно идти главным образом по пути разработки такого технологиче­ского процесса, при котором обеспечивается наиболее полное раскисление металла и удаление неметаллических включений из сварочной ванны, что может быть получено в результате приме­нения чистых от неметаллических включений присадочных прут­ков и высокоактивных флюсов.

Газовая пористость наплавленного металла при газовой сварке чугуна зависит прежде всего от качества применяемых приса­дочных прутков. Газовая пористость, как правило, отмечается при использовании прутков с поздней дошихтовкой ферросилиция.

Представляют интерес результаты экспериментальных работ ВНИИАВТОГЕНМАШ, завода «Станколит» по выявлению основной причины образования пористости и влияния качества присадоч­ных прутков на процесс плавления и затвердевания. Были отлиты прутки с дошихтовкой металла ферросилицием на жолоб вагранки" и с различной выдержкой этого металла в ковше (режим II). Для сравнения исследованы также прутки с полной дошихтовкой ферросилиция в вагранке и с выдержкой металла в копильнике (режим I) (табл. 7).

Таблица 7. Химический состав * исследуемых прутков, % Режим выплавки с Мп Si Р S I 3,32 0,60 4,40 0,11 0,033 II при выдержке в мин: 3 3,10 0,76 3,92 0,16 0,065 7 3,13 0,78 4,01 0,16 0,065 11 3,22 0,76 3,94 0,16 0,065 14 3,22 0,76 3,96 0,16 0,075 15 3,26 0,74 3,96 0,16 0,098

* 0,07% Сг; Fe — остальное.

Прутки были подвергнуты тщательному исследованию с целью определения в них неметаллических включений. Указанными прутками была выполнена заварка чугуна с последующим опре­делением качества наплавленного металла. При изучении качества прутков исследовалось соответствие их требованиям ГОСТ 2671 —70.

Химический анализ присадочных прутков показал, что вне зависимости от способа их получения они практически имеют одинаковый состав и соответствуют марке Б по ГОСТ 2671—70. Осмотр поверхности и излома прутков, взятых из каждой партии, также не выявил влияния режима их изготовления и показал их полное соответствие требованиям указанного выше ГОСТа. Визуальный осмотр выявил, что поверхность прутков чистая без видимых раковин. В изломе отсутствуют следы отбела, наличия пор, раковин, шлаков.

Газовый анализ также не выявил заметного влияния способа введения ферросилиция в присадочный металл (табл. 8), В прут­ках, в которых ферросилиций введен на жолоб, наблюдается не­которое увеличение кислорода, а следовательно, можно ожидать увеличения и неметаллических включений типа силикатов.

Таблица 8. Газовый анализ исследуемых прутков (среднее из трех образцов), % Режим выплавки Ог нг N2 I 0,0027 0,000786 0,0064 II при выдержке в мин: 2 0,00332 0,001300 0,0053 7 0,01650 0,000624 0,0232 8 0,00378 0,000820 0,0069 13 0,00885 0,006800 0,0130 15 0,00570 0,001010 0,0027

На основании литературных данных определены свойства неметаллических включений в исследуемых чугунах (табл. 9), выявляющиеся при микроисследовании, в частности при иссле­довании в поляризованном свете. В поляризованном свете свечение наблюдается лишь у анизотропных веществ. Вещества с кубиче­ской решеткой, к каким следует отнести сульфиды, не светятся. Некоторые изотропные вещества вследствие своей прозрачности в поляризованном свете также оказываются освещенными на основ­ном темном фоне. Степень их освещенности не изменяется в зави­симости от положения объекта и поэтому эффекта «погасания» не наблюдается. К подобного рода элементам можно отнести силикатное и кварцевое стекло. Согласно данным табл. 10, эти включения в поляризованном свете светятся и имеют характер­ный оптический крест.

На основании вышеприведенных данных определен наиболее вероятный состав неметаллических включений в присадочных

прутках, а Затем и в наплавленном металле. Количество их опре­деляли путем подсчета на единицу площади (1 мм2 или 0,01 мм3) в центральной части прутка и ближе к краю.

Микроисследование шлифов производили при увеличении ХІ00; ХІ500 как в простом, так и в поляризованном свете. Во всех исследуемых прутках выявлены неметаллические включения, количество которых резко изменялось в зависимости от режима получения прутков. Состав неметаллических включений в прут­ках довольно однороден. В основном — это силикатные включе­ния, так как при просмотре в поляризованном свете они светятся, не давая эффекта «погасания» и имеют характерный оптический крест. Такой же эффект могло бы дать и кварцевое стекло. Однако, поскольку оно — постороннее включение, количество его, оче­видно, не может зависеть от способа введения ферросилиция.

'Г а б л и ц а 9. Характеристика неметаллических включений по оптическим свойствам Неметаллические Оптические свойства включения в светлом поле в поляризованном свете Г рафит Кремнезем: кварц кварцевое стекло Силикатное стекло Сульфид марганца Глинозем (корунд) Плюмосиликаты Темно-серые пластинки различной формы Темно-серый Темно-серые шарики с блестящей точкой в цен­тре с кольцевым отсветом Серые включения с бле­стящей точкой в центре Серо-голубой Темно-серый с фиолето­вым оттенком Темно-серый Анизотропен, светится То же Изотропно, светится с оптическим крестом Изотропно, светится с оптическим крестом Изотропен, не светится Прозрачен, анизотропен, эффект анизотропии про­является слабо Прозрачны, анизотропны, бесцветны Г! р и м е ч а и и е. Из шести прутков). каждой партии исследовали не менее шести шлифов (из

Кроме того, выявлено незначительное количество светящихся в поляризованном свете включений без оптического креста, по - видимому, MnS, но так как количество MnS очень невелико (в виде единичных включений), их количество в дальнейшем не учиты­вали и оценку загрязненности металла прутков производили только по силикатным включениям.

При просмотре шлифов, вырезанных из прутков, полученных по режиму I, выявлены как в простом, так и поляризованном свете лишь единичные включения силикатов, что свидетельствует о высокой чистоте упомянутых прутков. В простом свете — это серые округлой формы включения, в поляризованном — светя-

щиёся с оптическим крестом. Количество их одинаковое примерно в обоих случаях. Диаметр включений имеет размеры меньше 1 мкм. Количество силикатов на 0,01 мм2 площади колеблется от нуля до пяти штук.

При просмотре шлифов, вырезанных из прутков, полученных по режиму II с выдержкой ферросилиция в ковше 11—15 мин, выявлено большое количество очень мелкодисперсных включений силикатов размером 0,25 мкм. Количество силикатов на 0,01 мм2 10—25 шт.

Как показало микроисследование, прутки, полученные путем введения ферросилиция на жолоб вагранки при выдержке в ковше до заливки в течение 3—7 мин, еще в большей степени загрязнены неметаллическими включениями. Количество силикатов на 0,01 мм2 25—70 шт. Размер включений 0,25—1,5 мкм, причем преобладают более крупные включения (1—1,5 мкм).

На основании полученных данных составлена трехбалльная шкала неметаллических включений типа силикатов в чугунах, видимых в поляризованном свете при увеличении х 1500. Первый балл этой шкалы соответствует единичным включениям, количество которых не превышает 3—5 шт. на 0,01 мм2. Размер включений менее 1 мкм. Второй балл шкалы соответствует количеству вклю­чений 10—25 шт. на 0,01 мм2. Размер включений в среднем 0,25— 0,50 мкм. Третий балл шкалы соответствует количеству включе­ний на площади 0,01 мм2 — 25—70 шт. Размер включений 0,25— 1,5 мкм. Величина пористости наплавленного металла находится в зависимости от степени загрязненности (от номера балла по шкале) присадочных прутков.

Таблица 10. Оценка пористости по трехбалльной системе (средние данные из 6—8 образцов) № партии присадоч­ных прутков Оценка присадоч­ного прутка по за­грязнен­ности силикат­ными включе­ниями, баллы Результаты наблюдения за сварочной ванной Результаты макроисследования сварных темплетов 1 1 Ванна спокойная, единичные газовые пузырьки и шлаки, легко выводимые из ванны при­садочным прутком либо допол­нительным прогревом ванны Только в 25% темпле­тов единичные газовые включения 2 п Ванна кипит, большое коли­чество газовых пузырей по всей глубине ванны. Пузыри не удаляются при перемешива­нии ванны и дополнительном прогреве В 100% темплетов поч­ти сплошная сотовая пористость 3 III То же То же

Прутками каждой группы заварено не менее Шести—десяти одно­типных дефектов с применением порошкового флюса состава: 50% натриевой селитры, 50% буры. Изменялись только присадочные прутки, в остальном режим заварки поддерживали строго постоян­ным. Время подогрева дефекта, выдержка ванны после заварки под горелкой по возможности также сохранялись постоянными.

При заварке дефектов прутками партий № 1—3 выявилась резкая разница в газонасыщенности сварочной ванны (табл. 10). Прутки, оцененные баллом 1, т. е. практически чистые от сили­катных включений, обеспечивают спокойную чистую сварочную ванну и соответственно плотный наплавленный металл.

При сварке прутками, оцененными баллами II и III, свароч­ная ванна кипит, отмечается большое количество газовых пузы­рей, которые практически из ванны не удавалось удалить. При микроисследовании в наплавленном металле выявлена большая загрязненность газовыми пузырьками. Газовые пузыри имеют характерную светлую неокисленную поверхность. Последнее указывает на то, что основным источником газов служит, оче­видно, водород. Во всех образцах, заваренных прутками, загряз­ненность которых оценивалась баллами I—III, наплавленный металл имел аналогичные по форме и характеру распределения графитовых включений. Чугунные прутки по ГОСТ 2671—70 для газовой сварки и изготовления электродов представляют собой чугун эвтектического и заэвтектического состава с углеродным эквивалентом 4,3—4,8%, получаемом при меньшем содержании углерода (3,0—3,5%) (табл. 11).

Таблица 11. Состав чугунных прутков, % Марка прутка с Si Р не более А 3,0—3,5 3,0—3,4 0,2—0,4 Б 3,0—3,5 3,5—4,0 0,3—0,5

Примечание. В прутках марок А и Б содержится: 0,08% S; 0,5—0,8% Мп; 0,05% Сг; 0,3% Ni.

Высокое содержание кремния в металле прутков (до 4,0%) должно создавать повышенные возможности графитизации. Отбел поверхности прутков ГОСТом расценивается как показатель отри­цательный и при слое, равном 1/6 диаметра прутка, служит бра­ковочным признаком.

Кремний как графитизатор действует не односторонне. С уве­личением содержания кремния в чугунных прутках повышается склонность к образованию пористости в наплавленном металле. Увеличенное его содержание приводит к образованию силико - карбидов и глубокому легитрованию феррита, что в условиях газовой сварки, наплавки, особенно при заварке дефектов не* больших и средних размеров, когда расплав образуется и за­твердевает в неравных условиях по всему сечению, нередко при­водит к повышению твердости (до НВ 260). При этом наплавлен­ный металл в основной своей массе имеет дисперсную ферритно - перлитную структуру и поддается механической обработке реза­нием.

При дуговой и газовой наплавке ванным способом, когда жидкая ванна большого объема существует длительное время и затем медленно охлаждается, наплавленный металл имеет твер­дость НВ 170—190 и сохраняет ферритно-перлитную структуру (до 80% феррита). Однако во многих случаях требуется обеспе­чить наплавленный металл в виде перлитного чугуна, и поэтому данные прутки не всегда могут быть использованы. Изыскание оптимального состава чугуна для присадочных прутков и техно­логии выплавки металла для них показало целесообразность уменьшения содержания кремния в прутках и введения в их со­став легирующих добавок. Введение в состав металла прутков до 3,5% Си или не меньше 0,3% Р стабилизировало показатели структуры, твердости и обрабатываемости наплавленного металла. Снизилась также пористость в наплавленном металле.

Беспористый наплавленный металл со структурой и твердостью серого чугуна получен при комплексном легировании никелем, оловом, титаном; никелем, оловом, медью; никелем, титаном, оло­вом, медью. Приведенные в табл. 12 составы прутков 1; 2; 3 имеют преимущество соответственно: 1) при исправлении дефектов, обна­руженных до и после механической обработки; 2) при исправле­нии дефектов, обнаруженных на поверхностях, подвергавшихся поверхностной закалке; 3) при исправлении дефектов на поверх­ностях, подвергаемых шабрению.

Таблица 12. Состав низколегированных прутков, % Марка прутка с Si Ni Sn Си і 3,2—3,6 О rh со" 0,1—0,2 0 со 1 о СП — 2 3,0—3,4 3,0—3,6 0,4-0,6 — 2,0—3,5 3 3,0—3,4 3,0—3,6 0,2—0,5 0,1—0,3 1,0—2,0 П р и м е ч а н и я: 1. Содержание водорода и кислорода во всех случаях не должно превышать 5 см3/Ю0 г (0,00045%) и 0,0065%. 2. В прутках марок 1—3 содержится: 0,4 —0,7% Мп; 0,1—0,2% Ті; не более 0,04% S; 0,15% Р; 0,1 Сг.

Дальнейший поиск был направлен на разработку составов прутков, которые при переплавке давали бы в наплавленном металле чугун с перлитной структурой и чугун с шаровидной формой графита. Введение в чугун присадочных прутков щелочно­земельных элементов в требуемом количестве и обеспечение их перехода в процессе сварки в наплавленный металл практически невозможно из-за низкой температуры их кипения, так как тем­пература сварочной ванны около 1600° С и температура пламени находится в интервале 2800—3100° С. Эти требования в достаточ­ной степени удовлетворяются при введении в чугун иттрия и це­рия, для которых свойственны малая упругость диссоциации окислов, большое сродство к кислороду и высокая температура кипения (Y — 4600° С, Се — 3600° С), намного превышающая температуру сварочной ванны и пламени. Чугунные прутки (табл. 13) позволяют получать наплавленный металл — чугун с перлитной структурой и равномерной твердостью (НВ 180—220), поддающийся поверхностной закалке (ПЧС-1). В несколько ином составе чугунные прутки обеспечивают в наплавленном металле шаровидную форму графита (ПЧС-2).

Таблица 13. Состав чугунных прутков, содержащих редкоземельные металлы, % Марка прутка S1 Y Се Са ПЧС-1 1,2—2,3 0,01—0,02 0,03—0,08 0,01-0,02 ПЧС-2 2,4—3,6 0,1—0,4 0,03—0,15 0,03—0,1

Примечание. В прутках содержится: 3,0—3,8% С; 0,2 —0,5% Мп; не более 0,08% S; 0,2% Р; 0,05% Сг; 0,3% Ni.

Показатели технологичности сварочного процесса могут быть повышены применением чугунных самофлюсующихся сварочных прутков, позволяющих выполнять газовую сварку чугуна без дополнительного введения флюса в сварочную ванну. Для этого в состав прутков вводят бор, что не вызывает особенных затруд­нений. Исследовали чугунные прутки с дополнительным легиро­ванием бором до 0,2% и редкоземельными металлами до 0,7%. Совместное введение в присадочный чугун бора, церия, иттрия при их определенном соотношении способствует повышению качества сварного соединения и обеспечивает свойство самофлю - сования присадочного материала при сварке. Прутки различных диаметров (б—І б мм) отливают в чугунные или графитовые ко - кили, в оболочковые или песчаные формы, что, безусловно, ока­зывает влияние на структуру чугуна в изломе.

По ГОСТ 2671—70 излом чугунных прутков должен быть се­рым, допускается отбел прутков на глубину до 70 диаметра. По ТУ ВНИИАВТОГЕНМАШ отбел прутков считается брако­вочным признаком. Однако следует принимать во внимание и раз­мер включений графита. У прутков с грубой структурой чугуна

(темно-серый или серый излом) значительно выше температура в зоне контакта расплава с основным металлом, продолжительность процесса наплавки больше, чем при сварке прутками с отбелом или мелкозернистой структурой (светлый излом).

В процессе наплавки угар углерода и кремния у прутков с грубой структурой значительно превосходит угар их у отбелен­ных прутков или с измельченной структурой. Это объясняется тем, что в период формирования капли большое влияние оказы­вает вязкость жидкого чугуна, которая при прочих равных усло­виях определяется его исходной структурой. Вязкость белого чугуна при температуре 1300° С примерно в 2 раза меньше вязко­сти серого чугуна того же состава. Это связано с наличием не - растворившихся блоков графита в расплаве чугуна с исходной серой структурой. Процесс растворения графита начинается до расплавления чугуна и зависит от скорости диффузии углерода. В свою очередь, диффузия углерода протекает тем интенсивнее, чем неравномернее он расположен в матрице; в связи с этим диффузия более интенсивна в литом белом чугуне, чем в литом ферритном чугуне.

Таким образом, ледебуритная структура обеспечивает лучшие сварочные технологические свойства прутков и получение на­плавленного чугуна с более удовлетворительной структурой и твердостью.

Получение высококачественного наплавленного чугуна и уменьшение опасности появления пор в расплаве и наплавленном металле возможно при минимальном содержании газов в чугуне прутков; уменьшении содержания в чугуне прутков различных неметаллических включений; путем регулирования химического состава чугуна и технологического режима литья.

Изыскание оптимального состава чугуна для присадочных прутков и технологии плавки металла для них позболило полу­чить присадочный металл, обеспечивающий стабильные свойства сварного соединения. Металл для присадочных прутков предпо­чтительнее всего выплавлять в индукционных печах, обеспечива­ющих высокую температуру перегрева с регулировкой выдержки металла в жидком состоянии.

При выплавке чугуна в индукционных печах оптимальная температура перегрева в зависимости от конкретных условий составляет 1400—1580° С при выдержке чугуна в печи перед заливкой в формы в течение не менее 15 мин. Повышение темпе­ратуры перегрева и особенно времени выдержки металла в печи при выплавке чугуна для прутков способствует более полному удалению из него газов и неметаллических включений. В резуль­тате уменьшается пористость наплавленного металла при исправ­лении дефектов отливок. Однако следует учитывать опасность сверхперегрева чугуна.

Исследование микроструктуры наплавленного чугуна вы­явило, что повышение сверхоптимальной температуры перегрева
и времени выдержки связано с опасностью дезактивации зароды­шей графитообразования, чрезмерным измельчением графита и возможным образованием структур переохлаждения при сварке.

В качестве примера приведем один из вариантов состава шихты для выплавки металла в индукционных печах (составляющие компоненты шихты даны в частях): передельный чугун Ml—110; чугунный лом — 70; ферросилиций — 5; ферробор — 1; редко­земельный модификатор — 1; никель — 1; медь — 5. После пол­ного расплавления металл выдерживают при температуре 1400— 1500° С в течение 20—30 мин.

При отсутствии электропечей плавку можно проводить в ва­гранках с открытыми или закрытыми копильниками. В этом случае состав шихты несколько изменяется (в частях): чугун литейный Л КО или ЛК1—200; чугунный лом — 180; ферросилиций — 5,5; ферробор — 1; никель — 0,5; редкоземельный модификатор — 1; медь — 10. Количество кокса (по сравнению с обычной ваграноч­ной плавкой) увеличивается на 20—30%; металл из первой за­валки сливают.

Формами для отливки прутков могут служить металлические или графитовые кокили, при использовании которых достигается наилучшее качество прутков. Прутки диаметром свыше 8 мм отли­вают без предварительного подогрева кокилей. Возможные при этом отбел и измельчение графита в прутках не учитывают.

Отливка в песчаные формы не обеспечивает чистоту поверх­ности и металла прутков, поэтому не рекомендуется.

Чугунные электроды представляют собой литые чугунные прутки, покрытые слоем обмазки, наносимой методом окунания. Электроды используют для горячей ручной дуговой сварки чу­гуна ванным способом. Образование жидкой ванны большого объема и поддерживание ее в процессе наплавки в жидком состоя­нии лучше обеспечивают электроды диаметром 14—16 мм, кото­рые и находят преимущественное применение. В отдельных слу­чаях применяют электроды диаметром 12 мм. Покрытие наносят в один слой окунанием. Толщина слоя покрытия обычно не пре­вышает 1,5—2 мм на сторону. Электрод просушивают на воздухе, после чего прокаливают при температуре 200—250° С.

Составы покрытий электродов должны обеспечивать стабиль­ность горения дуги, равномерность и подвижность шлакового покрова ванны, компенсацию выгорающих элементов чугуна, а также не должны взаимодействовать с огнеупорной формой. В необходимых случаях в состав покрытия вводят специальные легирующие добавки, которые обеспечивают получение наплав­ленного металла заданного химического состава.

49

Существует много рецептов составов покрытий чугунных элек­тродов, предложенных в различное время применительно к хо­лодной, полугорячей и горячей сварке. Например, покрытие, применяемое на заводе Станколит, обеспечивает состав наплав-

4 Б - Г. Иванов
ленного металла, идентичный составу чугунного стержня (табл. 14).

Таблица 14. Состав покрытия чугунных электродов Компоненты покрытия Прутки Наплавленный металл Графит серебристый — 25 3,3—3,5% С 3,3-3,5% С Карбид кремния — 40 (карборунд 3,4—3,7% Si 3,5-4,0% Si зеленый) Плавиковый шпат — 30 0,5—0,7% Мп 0,5—0,7% Мп Алюминиевый порошок — 5 0,12—0,15% Р, 0,10—0,15% Р, 0,04% S 0,05% S Жидкое стекло (натровое) к массе 0,05% Сг, 0,05% Сг, сухой смеси — 60 остальное Fe остальное Fe

В составе покрытия большое количество графитизаторов. Так как процент угара кремния составляет около 20%, он введен в виде карбида кремния, диссоциирующего в зоне высоких тем­ператур с образованием углерода и кремния. Состав электродов изменяют применительно к перлитным и высокопрочным чугунам.

Горячая дуговая сварка чугуна чугунными электродами ван­ным способом классифицируется как ручной процесс с особо тяжелыми и вредными условиями труда. В связи с этим прове­дены работы по механизации процесса горячей дуговой сварки ванным способом с использованием порошковой проволоки.

Порошковые проволоки представляют собой трубчатый элек­трод из свернутой стальной низкоуглеродистой ленты, заполнен­ной порошкообразной шихтой. Проволока характеризуется соста­вом, коэффициентом заполнения (отношение массы шихты к массе проволоки) и конструкцией, изменение которых позволяет регу­лировать состав наплавленного металла и технологию сварочного процесса.

Порошковые проволоки для механизированной сварки чугуна созданы сравнительно недавно. Первыми их представителями были ППЧ-1 [1] для сварки без подогрева чугуна и ППЧ-2 * для сварки без подогрева или с подогревом чугуна. Диаметр проволоки 3 мм. В состав шихты введены графит (аморфный), ферросилиций, ферромарганец, ферротитан, порошок алюминия и железа (табл. 15).

С целью совершенствования - механизированной сварки ван­ным способом исследованы основные металлургические и техноло­гические параметры процесса. Исследовали приведенные выше марки порошковых проволок, рекомендованных к промышленному применению. Оценивали сварочные технологические характери­стики проволок (равномерность расплавления, формирование

металла при сварке, стабильность горения дуги и др.). В процессе исследования установлена непригодность проволоки ППЧ-1 для выполнения горячей сварки чугуна, так как на поверхности ванны образовывались тугоплавкие шлаки и графитовая спель. Структура наплавленного металла представляла феррит с заэвтектическим графитом.

Таблица 15. Состав порошковых проволок, % Марка проволоки с Si ППЧ-1 7,0—7,5 4,0—4,5 ППЧ-2 5,7—6,5 3,3—4,0

Примечание. В проволоках содержится: 0.4 —0,8% Мп; 0.4 —0,6% Ті, 0,6 — 0,9% Л1; Fe — остальное.

капель при плавлении проволоки и в период существования сварочной ванны.

Эксперименты выполняли путем наплавки порошковой про­волокой состава ППЧ-2 на вращающийся медный диск, что позво­ляло отобрать образующиеся капли расплавленного сплава (с медного диска капли сбрасывались в воду) и металла, наплав­ленного в медную форму. Наплавку выполняли на вышеприведен­ных режимах. Металл собранных капель и наплавленный в мед­ную форму подвергали металлографическому и химическому ана­лизу. Микроструктура капель — крупноигольчатый мартенсит.

Как выяснилось, наибольшее количество углерода усваивается в сварочной ванне (—70%). При наплавке в медную форму варьи­ровали время сварки, что позволило установить зависимость усвоения углерода в наплавленном металле от времени существо­вания сварочной ванны (табл. 16).

Таблица 16. Усвоение углерода в зависимости от длительности существования расплава Время наплавки, с Скорость охлажде­ния, °С Время существо­вания сварочной ванны, с Содержа­ние угле­рода в наплав­ленном металле, % Время наплав­ки, с Скорость охлажде­ния, °С Время существо­вания сварочной ванны, с Содержа­ние угле­рода в наплав­ленном металле, % 5 261,0 1,7 2,71 35 27,0 18,1 2,87 10 109,3 4,2 2,71 40 19,1 23,2 3,00 15 64,1 7,3 2,81 50 13,4 28,1 3,05 20 44,4 12,0 2,81 85 6,9 71,3 3,05

Увеличение времени существования сварочной ванны спо­собствует повышению содержания углерода в наплавленном ме­талле, так как увеличивается время контакта жидкого металла с расплавленной шихтой порошковой проволоки, это способствует большей полноте протекания диффузионных процессов. Верхняя часть расплава более длительное время пребывает в жидком состоянии, медленнее охлаждается, что может вызвать неравно­мерность химического состава в массе наплавленного металла. Технология процесса горячей сварки чугуна ванным способом должна учитывать это обстоятельство.

Таким образом, порошковая проволока, предназначенная для сварки ванным способом требует корректировки состава с целью улучшения сварочных технологических свойств, повышения коэффициента наплавки и улучшения стабильности легирова­ния наплавленного металла углеродом, кремнием и марганцем. Получение заданного состава наплавленного металла во многом зависит от легирующих компонентов, применяемых при изготов­лении соответствующих присадочных материалов. При горячей механизированной сварке чугуна это прежде Всего относится к кремне - и углеродосодержащим компонентам.

Совместное введение углерода и кремния в наплавленный металл затруднено, что объясняется высоким сродством к кисло­роду этих элементов и снижением растворимости углерода в жидком металле при высоком содержании кремния, поэтому указанные элементы вводили в состав проволок раздельно.

Поскольку исследуемые составы порошковых проволок не отличались достаточной стабильностью в отношении химического состава наплавленного металла, особенно по углероду, возникла необходимость в изыскании новой углеродосодержащей лигатуры. Исследовали следующие содержащие углерод компоненты: графит кристаллический (серебристый углерод 82%) зер­новой состав 0,16, остаток на сите 40%;

древесный уголь, 57% твердый углерод, зерновой состав 0,16, остаток на сите не более 20%;

порошок карбида кремния (зеленый карборунд марки КЗ-6), 70% Si и 29% С.

графит аморфный 78% С; зерновой состав 0,63 с остатком не более 10%;

сажа газовая (99,8% С);

кокс литейный каменноугольный 83% С; зерновой состав 0,16 с остатком не более 12%;

нефтяной кокс (прокаленный при 1000° С) марки КНПС; 96% С; зерновой состав 0,16 с остатком не более 10%;

кокс сланцевых смол (прокаленный при 1000° С) 99,2% С; зерновой состав 0,16 с остатком не более 10%.

Указанные компоненты вводили в покрытие сварочных элек­тродов из проволоки Св-0,8 диаметром 5 мм. Состав покрытия: 15% мрамора; 79% плавикового шпата; 1% поташа, 5% испытуе­мого углеродосодержащего компонента, жидкое стекло натровое 25% к массе сухой смеси компонентов. Электроды испытывали путем наплавки в медный кокиль ванным способом на постоянном токе силой 160 А при обратной полярности.

Проведение химического анализа наплавленного металла поз­волило определить коэффициенты усвоения углерода (ky) для различных углеродосодержащих компонентов:

Ъ — 1 С |щ

у |С|э+|С|п’

где | С ]ш — аналитическое содержание углерода в наплавленном металле и | С |э—в электродной' проволоке; |С|П — содержание углерода (в пересчете на чистый углерод) в покрытии электродов.

Результаты экспериментов показали (табл. 17), что наибольшее усвоение углерода при дуговой наплавке электродами обеспечи­вают зеленый карборунд, нефтяной кокс и кристаллический гра­фит. Аморфный графит в идентичных условиях сварки отличается самым низким коэффициентом усвоения углерода.

Таблица 17. Усвоение углерода при дуговой сварке т углеродосодержащих компонентов покрытия У глер од осодер ж ащие компоненты Отношение массы покрытия к массе стержня, % Среднее содержание углерода, % Коэффициент усвоения углерода кус в наплав­ленном металле в свароч­ной проволоке Г рафит: кристаллический 25,0 0,37 0,06 0,346 аморфный................... 24,0 0,14 0,05 0,111 Кокс: каменноугольный 24,8 0,15 0,03 0,139 нефтяной................... 24,8 0,44 0,04 0,360 сланцевых смол. . 24,0 0,42 0,05 0,335 Уголь древесный. . . 23,2 0,08 0,02 0,112 Сажа................................... 24,5 0,26 0,09 0,220 Карбид кремния. . . 24,5 0,53 0,08 0,410

Дальнейшая оценка угдеродосодержащих компонентов пока­зала непригодность применения нефтяного кокса в качестве ли­гатуры для дуговой сварки чугуна. Введение его в электродное покрытие и в порошковую проволоку вызывало образование пористости в наплавленном металле, что, по-видимому, связано с высоким содержанием в коксе водорода. Попытка использования карбида кремния (карборунда) в порошковой проволоке не была успешной. Протяжка проволоки затруднялась, так как карбо­рунд — сильный абразив, вызывал интенсивный износ фильер на ступенях обжатия при изготовлении проволоки.

Хорошие результаты получены при применении кристалли­ческого графита, введение которого в состав порошковой прово­локи обеспечивало относительную стабильность легирования наплавленного металла углеродом и хорошую технологичность изготовления проволок. Опробование опытных порошковых про­волок позволило выбрать наиболее оптимальный состав шихты: 26% графита кристаллического; 23% ферросилиция, 4% ферро­марганца; 1 % алюминиевого порошка; 40% железного порошка; 6% окалины железа. Порошковой проволоке указанного состава была присвоена марки ППЧ-3. Высокие значения сварочного тока и скорости подачи проволоки, применяемые при горячей механи­зированной сварке ванным способом, показали необходимость повышения электропроводности проволоки. Такая задача была решена путем армирования внутренней заполненной шихтой по­лости одной — тремя проволоками сплошного сечения (рис. 7). Коэффициент заполнения 20—23%.

Такое усовершенствование позволило уменьшить электро­сопротивление проволоки и, следовательно, повысить удельную плотность сварочного тока в ее сечении; повысить при одних и тех же параметрах сварки (по сравнению с пеармированной про­
волокой) производительность процесса (повысить коэффициент наплавки); улучшить условия легирования наплавленного металла углеродом и кремнием за счет повышения растворения легиру­ющих элементов. Использование армирующих проволок позво­лило исключить из состава шихты железный порошок. Техноло­гичность протяжки порошковой проволоки повысилась в связи с ее значительным упрочнением. Порошковой проволоке (арми­рованной) присвоена марка ППЧ-ЗМ. Наплавленный металл в обоих случаях имел ферритно-перлитную структуру (40—60% феррита).

В дальнейшем были разработаны проволоки с меньшим содер­жанием кремния, дающие возможность получать наплавленный

Рис. 7. Конструкции порошковых про­волок:

а — армированная проволока:

1 — оболочка; 2 — низкоуглеродистая

проволока; 3 — шихта; б — проволока диаметром 5 мм с коэффи­циентом заполнения 10 —12%: 1 —диаметр армирующей проволоки 2 мм, содержание в наплавленном металле 2,8—2,9% С;

2 — диаметр армирующей проволоки 0,8 мм; содержание в наплавленном ме­талле 3—3,2% С; 3 — шихта под внешней оболочкой содержит повышенное количе­ство серебристого графита; содержание п наплавленном металле 3,2—3,4% С

металл, соответствующий чугунам с перлитной структурой и чугунам с шаровидным графитом (см. табл. 7).

С целью повышения эффективности механизированной сварки ванным способом исследовали влияние некоторых электрических и технологических параметров способа (силы тока, скорости подачи проволоки и др.) на производительность и качество сва­рочных работ.

Производительность процесса сварки (Q г/ч) определяется сварочными технологическими параметрами: Q = /а, где/ — сила тока дуги, а — коэффициент наплавки, г/А-ч).

Эксперименты выполняли наплавкой ванным способом искус­ственно созданных дефектов на специальные чугунные образцы порошковыми проволоками ППЧ-3 и ППЧ-ЗМ (простого и слож­ного сечения). В качестве источников тока применяли сварочный выпрямитель ВДМ-1601. Установлена зависимость сварочного тока от скорости подачи порошковой проволоки.

На рис. 8, й, где показана экспериментальная зависимость для проволоки простого профиля, выделены четыре области (зоны), характеризующие стабильность процесса. Зона I — зона неста­бильного горения дуги. Наиболее оптимальные значения режимов
сварки отражает зона II — рабочая зона. При скорости подачи проволоки упр более 320 м/ч (зона III) на поверхности ванны наблюдается выделение дисперсных графитных частиц (графит­ная спель), которые, как показал микроанализ, выделяются в виде колоний и внутри объема наплавленного металла, нарушая его плотность. Дальнейшее повышение скорости подачи прово­локи приводит к короткому замыканию (зона IV).

Аналогичная зависимость при сварке чугуна проволокой слож­ного профиля приведена на рис. 8, б. Сварка армированной порошковой проволокой позволяет применять более высокие значения сварочного тока, что заметно расширило зону II (ра­бочую) и повысило производительность процесса. Однако и в том

и в другом случае производительность процесса составляла 15— 17 кг/ч и соответствовала примерно производительности ручной дуговой сварки ванным способом чугунными электродами диа­метром 14—16 мм.

В дальнейшем способ механизированной сварки усовершен­ствовали введением в зону сварки одновременно трех порошковых проволок. Это потребовало создания специальной конструкции сварочного устройства (подающего механизма) и держателя, рассчитанных на высокие значения сварочного тока. При сварке тремя проволоками возможно значительно увеличить значения сварочного тока (до 1400—1500 А), расширить диапазон подачи порошковых проволок и, следовательно, существенно повысить количество наплавляемого металла до 60 кг/ч (рис. 9). Сварка специально разработанной в последнее время порошковой про­волокой увеличенного диаметра (4,5—5,5 мм) по производитель­ности не уступает сварке тремя проволоками, требующей специаль­ного оборудования для подачи трех проволок. Первое внедрение порошковой проволоки увеличенного диаметра показало целе­сообразность широкого ее внедрения.

Сварочные материалы группы II. В отличие от сварки общей ванной при горячей сварке процессы холодной дуговой сварки чугуна осуществляют преимущественно наплавкой валиками. Длительность существования сварочной ванны в жидком состоя­

нии при укладке валиков исчисляется секундами, т. е. создается быстротечный микрометаллургический процесс. Плавление и за­твердевание протекает с участием (как и в каждом металлурги­ческом процессе) двух жидких несмешивающихся сред — расплава металла и расплава окислов элементов (шлаки). Основной металл в зоне воздействия дуги расплавляется и смешивается с металлом электрода. Металлургические процессы в сварочной ванне завер­шаются кристаллизацией наплавленного металла, протекающей в условиях очень быстрого охлаждения. Прилегающие слои основ­ного металла претерпевают термическое воздействие, образуя зоны температурного влияния, в которых изменяется структура металла и концентрируются сварочные напряжения.

О 200 400 600 800 1000 1200упо, м/ч

/,л '600

Рис. 9. Зависимость сва - 1200 рочного тока от скорости подачи трех порошковых 600 проволок

400

С учетом обрабатываемости, плотности, прочности, цвета наплавленного металла при холодной сварке чугуна, а также стойкости в агрессивных средах и общего товарного вида свар­ного соединения разработаны многочисленные марки электродов. В мировой и отечественной практике в качестве металла электродов используют никель, медь, их сплавы с добавками легирующих компонентов, придающих наплавленному металлу специальные свойства. Находят также применение электроды с высоким содер­жанием железной составляющей.

Общим для всех видов электродов является оценка показателей обрабатываемости наплавленного металла. В оценке ее обычно исходят из внешних признаков, которые выявляются при про­хождении резца. Если стружка снимается плавно и резец не отжимается, преодолевая зону сплавления и наплавленный ме­талл, то это служит признаком хорошей обрабатываемости. Могут быть случаи, когда основной и наплавленный металлы имеют одинаковые показатели обрабатываемости, но в зоне сплавления резец отжимается, образуя порожек, или, проходя по наплавлен­ному металлу, резец оставляет неровный (рваный) след, а обра­ботанная поверхность становится шероховатой с грубыми высту­пами. Это может послужить причиной неудовлетворительной оценки обрабатываемости.

Величину зоны повышенной твердости можно регулировать применением специальных электродов и технологическими прие­мами процесса сварки; многие неполадки, возникающие при обра­ботке резанием, могут быть устранены собственно процессом ре­зания. Никель, цветные металлы, низкоуглеродистая сталь су­щественно отличаются от чугуна по вязкости и другим свойствам. При механической обработке наплавленного слоя из таких ме­таллов резец с профилем заточки для чугуна, т. е. хрупкий ме­талл, увязает в нем и образует задиры. Чем больше толщина снимаемого за один проход металла, тем ощутимее различие в об­рабатываемости основного и наплавленного металлов, не исклю­чается отрыв наплавленного, и, наоборот, чем тоньше снимаемый слой, тем незаметнее становится различие вязкости металла. Толщину слоя 4 мм принято считать максимально допустимой. При толщине снимаемого слоя, измеряемого долями миллиметра, наплавленный металл вообще мало отличается от основного.

Исходя из сказанного, необходимо излишек наплавленного металла на обрабатываемых поверхностях снимать заподлицо с основным или занижать его. На обработанных поверхностях финишные операции обработки выполняют после выравнивания наплавленного металла под щуп 0,05 мм.

Электроды на никелевой основе широко распространены, а положительное влияние никеля на структуру наплавленного металла общеизвестно. Никель растворяется в основной металличе­ской массе чугуна и его влияние - объясняется главным образом воздействием на металлическую матрицу.

Обладая графитизирующей способностью, никель влияет на распад цементита с образованием графитовой эвтектики и вызы­вает образование аустенитной структуры в металле шва. При этом степень метастабильности структуры сварного соединения пони­жается с повышением содержания в металле шва никеля. По ука­занным причинам никель оказывает благоприятное влияние на уменьшение отбел а в зоне сплавления. Со стороны основного металла наблюдаются небольшие прослойки ледебуритных выде­лений, размеры которых можно свести до минимума путем ис­пользования электродов с малой проплавляющей способностью и соблюдением при сварке определенных технологических приемов.

Никель расширяет область 7-фазы, увеличивает устойчивость аустенита тем сильнее, чем в большем количестве он находится в чугуне. При значительных количествах никеля устойчивость аустенита увеличивается, и при относительно малых скоростях охлаждения структура основной металлической массы чугуна становится аустенитной, и, следовательно, образования ферритно - карбидной смеси не происходит.

В условиях высокой скорости охлаждения в присутствии значительного количества никеля сплав переводится в заэвтекти - ческий и образование графита при эвтектическом превращении происходит с большими скоростями с повышенным количеством центров графитизации и степени дисперсности графита. При зна­чительном количестве никель, как и кремний, является элемен­том, компенсирующим скорость охлаждения, ни прямым, ни косвенным путем не вызывающим карбидообразование. При боль­ших скоростях охлаждения графит преимущественно распола­гается в междендритном пространстве.

При сварке основной металл в зоне действия дуги расплав­ляется на глубину 0,5—1,5 мм. Расплав электродного металла, содержащий большое количество никеля, взаимодействует с рас­плавленным чугуном. Наплавленный металл — вязкий, легко поддающийся механической обработке, и лишь зона сплавления отличается повышенной твердостью. Чем больше доля расплав­ленного основного металла, тем ощутимее зона сплавления, и, наоборот, при незначительном расплавлении основного металла можно получить настолько малую полоску зоны сплавления, что она не скажется на обрабатываемости. Использование специальных покрытий электродов обеспечивает высокую плотность наплав­ленного металла.

Никелевые электроды на чисто никелевой проволоке или с не­большими легирующими добавками приобретают все большую популярность при сварке чугуна. Они распространены за рубе­жом и широко рекламируются фирмами Кастолин (Швейцария), УТП (ФРГ) и др.

Задача уменьшения зоны взаимодействия электродного и основного металлов решается путем создания специальных элек­тродов, обладающих малой проплавляющей способностью (элек­троды марок ОЗЧ-З и ОЗЧ-4). Малое расплавление основного металла достигается так же уменьшением эффективной мощности источника плавления и увеличением скорости сварки, т. е. сни­жением погонной энергии q. Применяют электроды малых диа­метров (2; 2,5; 3 мм) и минимальные силы тока ^45 А.

Изучая возможности дальнейшего снижения теплопередачи в основной металл Ю. Я - Грецкий установил, что определенными возможностями для этого располагает механизированная сварка открытой дугой тонкой проволокой (диаметром 1—1,2 мм). Устой­чивый процесс обеспечивается примерно при тех же значениях q (1200—1400 Дж/с), что и штучными электродами, но имеется возможность значительно (в 2—3 раза) снизить погонную энергию и получить жесткий термический цикл за счет увеличения ско­рости сварки. Им разработана электродная самозащитная нике­левая проволока ПАНЧ-11, которая обеспечивает пластичный, без горячих трещин и пор металл шва, а в зоне сплавления — отсутствие ледебурита. В зоне термического влияния, как всегда при сварке чугуна без подогрева, имеются продукты неравновес­ного распада аустенита — троостит, мартенсит, что несколько повышает твердость. Однако ширина такой зоны незначительна (50—100 мкм).

К числу положительных факторов следует отнести также стой­кость наплавленного металла против кристаллизационных тре­щин, что достигается путем нейтрализации вредных примесей, поступающих в сварочную ванну из основного металла, исключе­ние грубых прослоек по границам зерен и придание неметалличе­ским включениям компактной формы. Сварку выполняют на по­стоянном токе прямой полярности («—» на электроде), проволо­кой диаметром 1,2 мм; /св = 100-г-140 A; U = 14-4-18 A; vCB = = 0,15-4-0,25 см/с. В качестве источников питания используют ВС-200, ВС-300 или преобразователь с жесткой характеристикой, полуавтоматы А-547, А-547у, А-825.

Железоникелевые электроды марки ОЗЖН-1 на проволоке Св-08Н50 диаметрами 3; 4; 5 мм производят централизованно. Наплавленный металл плотный, обладает повышенной пластич­ностью, цвет близок к цвету чугуна. На границе с железонике­левой наплавкой в основном металле наблюдается троостит, местами в троостите имеются дисперсные включения ледебурита глубиной не более 0,014 мм; далее сорбитообразный перлит с вклю­чениями троосто-мартенсита глубиной до 0,4 мм. Наплавленный металл имеет аустенитную структуру, что положительно сказы­вается на его пластических свойствах. По цвету слой мало отли­чается от цвета материала отливки. Твердость наплавленного металла НВ 170—200, переходной зоны НВ 180—240.

Медноникелевые электроды марки МНЧ-2 на проволоке МНЖМц 28-2,5-1,5 со специальным покрытием диаметрами 3; 4; 5 и 6 мм производят централизованно. При сварке чугуна элек­троды обладают необходимыми показателями технологичности — зажигание дуги легкое, с одного прикосновения, горение дуги стабильное, почти без разбрызгивания, шлаки легкие, подвижные, не мешающие визуальному контролю за процессом наплавки. Отделяемость шлака хорошая, валик имеет форму полусферы без образования подрезов. Электроды позволяют выполнять сварку на малых токах, обеспечивают малое проплавление основного металла. В то же время сварное соединение обладает высокими показателями прочности, плотности и пластичности. Стоек в агрес­сивных средах, водных растворах солей, щелочей, органических соединений, пара и горячих газов.

Расход электродов МНЧ-2 в различных отраслях промышлен­ности велик и потребность в их централизованных поставках удовлетворяется не полностью, поэтому не теряет актуальности производство литых прутков на местах, а также использование проволок из сплавов на медно-никелевой основе.

Соотношение меди и никеля в электродах может изменяться в больших пределах, внося некоторые изменения в показатели качественных характеристик наплавленного металла. Сравни­вали три вида сплавов составов: монель-металл, мельхиор (двух­компонентный), типа мельхиор с различными добавками (табл. 18, 19).

Сплав	Ni	Си	Fe	Мп	Si	Mg
Монель-металл	67-69	27-29	2,5	1,5	0,2	0,2
Мельхиор.... Сплав (экспери­	20	80				—■
ментальный) . .	20	76	1.5	1,0	0,2	0,2

Таблица 19. Физико-механические свойства сплавов на медно-никелевой основе

Показатель	Монель- металл	Мельхиор	Сплав (эксперимен­ тальный)
Температура, °С:
заливки..............................................	1500	1300	1300
плавления..........................................	1350	1190	1200
Коэффициент линейного расширения
при 20° С..................................................	14.10"8	16-10-6	15.10-6
Удельное омическое сопротивление,
Ом*мм2/м...................................................	0,425	0,287	0,300
Предел прочности на разрыв, кгс/мм2:
кованых образцов..............................	45-50	39—40	40—41
литых образцов.................................	35	28	30
Относительное удлинение, %:
кованых образцов..............................	22	26	25
литых образцов.................................	15	20	18
Твердость наплавленного металла, НВ	135	70	75

Примечания: I. Предел прочности при растяжении сварных соединений СЧ 28-40 24 — 26 кгс/мм2. 2. Обрабатываемость сварных соединений (электроды диаметром 6 мм) удовлетво­рительная.

Приведенные данные показывают возможность изготовления электродов на базе литых прутков и проволок из медно-никеле­вых сплавов. Отливаемые прутки имеют диаметр 6—8 мм, для применения которых требуется соответственно повышенная сила тока.

Медно-стальные электроды марки ОЗЧ-2 с покрытием на базе гематита с железным порошком диаметром 3; 4, 5 мм производят централизованно. Оптимальным соотношением меди и железа в электроде принято 88—90% Си и 10—12% Fe. Компоненты покрытия создают шлаковый покров с кислой основой. Образу­ющиеся сварочные шлаки подвижны и легко отслаиваются, на­плавленный металл плотный, вязкий и прочный. Предел проч­ности сварных соединений 24—26 кгс/мм2. Наплавленный ме­талл имеет характерный красный оттенок.

При плавлении медно-стального электрода и перемешивания его с основным металлом в сплаве образуется выгодное сочетание: медь не образует соединений с углеродом и обусловливает вязкость и пластические свойства шва; железная составляющая электрода претерпевает значительное науглероживание. При этом пласти­ческие свойства шва снижаются, но в то же время увеличивается прочность и твердость.

При сварке медно-стальными электродами структура наплав­ленного металла представляет собой микромеханическую смесь двух составляющих — высокоуглеродистой стали, легированной медью (с содержанием до 1 % Си), н меди (избыточной). Стальная составляющая в медной основе распределяется неравномерно в виде мелких шаровидных включений и в виде отдельных гнезд крупных скоплений, располагающихся ближе к границе рас­плавления.

Из рассмотрения диаграммы бинарного сплава Си—Fe, кото­рую можно использовать для изучения температур плавления медной и железной составляющих, следует что область температур, приближающихся к температуре плавления и интервалу кристал­лизации чугуна, соответствует содержанию 90—95% Си и 10—5% Fe. Содержание 5—6% Fe практически определяет образование твердого раствора. Следовательно, для системы Си—Fe опти­мальным сплавом нужно считать сплав меди и железа, содержа­щий примерно 8—12% Fe.

Исследования, проведенные К. К. Хреновым и Ф. С. Воль - фовской, с целью определения соотношения меди и железа в элек­троде, которое обеспечивает. получение однородной структуры наплавленного металла, показали, что при содержании железа в электроде 2,5; 3,4; 9,7; 18,2; 23,2% от общей массы стержня во всех шлифах в зоне сплавления наблюдалась прослойка отбе­ленного чугуна.

В металле, наплавленном электродами с содержанием железа 23,2; 18,2; 9,7%, стальная фаза залегала в меди в виде слоев или больших и мелких капель со структурой мартенсита или троостита. Шов, наплавленный электродом с содержанием 3,42% Fe, состоял из твердого раствора стали в меди с избыточной стальной фазой, содержащейся в наплавке в виде мелких капель. Электроды с содержанием 2,5% Fe образовывали в наплавленном металле однородную структуру без избыточной стальной фазы. Металл, наплавленный этими электродами, хорошо поддавался обработке резанием.

В условиях сварки медно-стальными электродами медь не проявляет себя как активный графитизатор; этим можно объяс­нить высокую твердость металла в зоне сплавления. Уменьшение содержания железа в электроде до 5% не избавляет от образова­ния твердой прослойки в зоне сплавления. Победитовый резец при обработке в зоне сварки отжимается и на этих местах обра­зуется порожек по всей длине шва.

Обрабатываемость сварного соединения, выполненного медно­стальными электродами, при исправлении литейных дефектов неудовлетворительна. С добавкой к медно-стальному электроду даже незначительного количества никеля сварное соединение приобретает удовлетворительную обрабатываемость. Изменение содержания железа и меди в электродах оказывает влияние на вязкость и прочность сварного соединения. С увеличением со­держания железа в электроде уменьшается вязкость наплавлен­ного металла, но увеличивается его прочность. При 10—12%AFe вязкость наплавленного металла и прочность сварного соединения оказываются достаточными, чтобы противостоять возникающим в процессе сварки напряжениям или пластически деформироваться. Сварку можно выполнять в жестком контуре, когда усадка шва не может компенсироваться за счет перемещения свариваемых частей. При 30% Fe пластические свойства шва снижаются на­столько, что в случае жесткого соединения в шве могут образо­ваться трещины.

При испытании на разрыв образцы разрушались по основному металлу, вблизи зоны термического влияния, с показателями на 15—20% ниже прочностных показателей основного металла. Ударная вязкость превосходила ударную вязкость основного металла.

. Высокая надежность сварных соединений привлекает внимание производственников к медно-стальным электродам. При недо­статочном обеспечении электродами ОЗЧ-2 возникает кустарное производство медно-стальных электродов, как-то: медных стерж­ней с оплеткой из мягкой жести; стального стержня с медной оболочкой в виде медной оплетки или медной трубки; спаренных медных и стальных стержней; пучка медных и стальных стержней. Ориентировочное соотношение основных составляющих электрода: 10—20% Fe, 90—80% Си.

В качестве железной составляющей при кустарном изготовле­нии электродов применяют низкоуглеродистую сталь, а в качестве медной составляющей — медь любых марок (М2, М3 и др.). Выбор той или иной разновидности электродов при различного рода работах определяется не преимуществами одной разновидности перед другой, а прежде всего наличием на предприятии исходных материалов.

Учитывая, что электроды кустарного изготовления не могут в полной мере обеспечить качество и надежность сварного соеди­нения, их использование следует всемерно сокращать за счет увеличения использования электродов промышленного изготов­ления.

Вызывает интерес самофлюсующая медная проволока диа­метром 1,5—2 мм, разработанная для полуавтоматической сварки чугуна в углекислом газе. При сварке используют режимы, обес­печивающие минимальное тепловложение в основной металл. Наплавленный металл плотный. Свариваемость хорошая.

Стальные электроды АН-1 на проволоке Св-08 с тонким покры­тием состава: 87% титанового концентрата; 10% марганцевой руды; 3% калиевой селитры, выпускают диаметром 3; 4; 5; 6 мм и применяют для декоративной заварки, т. е. заварки дефектов на необрабатываемых поверхностях отливок, когда к наплавлен­ному металлу не предъявляется условие обрабатываемости реза­нием. Наплавленный металл науглероживается за счет углерода расплавленного чугуна. Слои науглероживаются неравномерно. Полученные стали с различным содержанием углерода имеют раз­личные усадочные характеристики и структуру, что в условиях высоких скоростей охлаждения обусловливает образование микро­трещин, высокую твердость; наплавленный металл затачивают наждачным кругом.

Для целей декоративного исправления дефектов пригодны тонкопокрытые электроды различных марок, выпускаемых про­мышленностью или изготовляемых предприятиями для собствен­ного потребления, например электроды на низкоуглеродистой проволоке с покрытием: 79% мрамора (мела); 10% ферромар­ганца; 10% плавикового шпата; 1% двухромовокислого калия. Не рекомендуется применять стальные толстопокрытые (каче­ственные) электроды, работа которыми сопряжена с более значи­тельной глубиной проплавления основного металла и образова­нием толстого слоя шлакового покрытия, что противопоказано при холодной сварке чугуна.

Стальные электроды ЦЧ-4 на проволоке Св-08 со специальным покрытием выпускают диаметром 3; 4; 5; 6 мм. Введенный в состав покрытия ванадий взаимодействует с углеродом расплавленного чугуна и легирует металлическую основу. Карбиды ванадия при­сутствуют в чугуне в виде дисперсных включений.

При сварке электродами ЦЧ-4 серого чугуна с пластинчатым графитом в переходной зоне наблюдается преимущественно то­чечный графит. Микроструктура переходной зоны при этом сле­дующая: на границе с наплавленным слоем — ледебурит глуби­ной 0,06—0,24 мм; игольчатый мартенсит + остаточный ауста - нит + троостит + графит глубиной 0,6—1 мм; сорбитообразный перлит глубиной до 1,4 мм. Сварное соединение плотное, но отли­чается неудовлетворительной обрабатываемостью.

Стальные электроды ЦЧ-5 на проволоке Св-08 со специальным покрытием состава: 8% мрамора; 14% плавикового шпата; 20% графита серебристого; 40% зеленого карборунда; 10% чугунного порошка; 7 % алюминиевого магниевого порошка; 1 % поташа; 30% жидкого стекла (от массы 100). Отношение массы покрытия к массе стержня (диаметром 3—6 мм) 21—23%. Электроды раз­работаны для получения наплавленного металла в виде чугуна и могут успешно заменять электроды с чугунным стержнем при заварке мелких дефектов. В условиях наплавки ванным способом на горячую деталь удается получать стабильные результаты по структуре, твердости и плотности металла.

Имеются многочисленные рекомендации электродов со спе* циальными графитизирующими покрытиями для холодной сварки чугуна. Не подкрепленные практической целесообразностью раз­работки не обновили технологические процессы сварки чугуна. При исправлении дефектов в отливках и деталях на обрабатывае­мых поверхностях они не находят применения из-за непостоян­ства качественных показателей наплавленного металла.

Электроды ЦЧ-5 разработаны с учетом наплавки на подо­гретый чугун. Их используют при разработке керамических стержней для механизированной сварки чугуна, они прошли серьезные практические испытания и конкурентноспособы в полу­чении высоких качественных показателей с механизированной сваркой порошковой проволокой или проволокой сплошного сечения с присадкой керамических стержней.

Заслуживают внимания работы, проведенные П. С. Елистра - товым, по разработке электродов типа СЧС для сварки чугуна с получением наплавленного металла в виде мягкой стали. Элек­троды СЧС на проволоке Св-08 с покрытием, в состав которого входят компоненты, содержат большое количество кислорода, легко выделяющегося в зоне сварочной дуги (оптимальный со­став: 50% мрамора; 50% гематита, относительная масса покры­тия 40%). В условиях высокотемпературной фазы, особенно в мо­мент диссоциации компонентов, сродство кислорода к углероду больше, чем к основному элементу. Окисленный углерод удаляется в виде газа; термическая диссоциация с выделением избыточного кислорода протекает также и в области технологических темпе­ратур.

Большая толщина покрытия и высокие значения сварочного тока, применяемого для сварки электродами СЧС, не позволяли установить оптимальные пределы технологичности электродов, поэтому рациональная область их использования — предмет даль­нейших исследований.

А. И. Зеленов предложил для холодной сварки чугуна чугун­ными электродами по слою флюса составы гранулированной шихты, например 45% чугунной стружки и 20% ферросилиция. Используя шихту и чугунные электроды, удавалось получить наплавленный металл в виде чугуна. Однако характеристика полученного чугуна и рациональная область использования шихты не установлены. Имеются и другие рекомендации, однако они практического применения пока не нашли, так как в условиях холодной сварки чугуна оказались нетехнологичными. Слой шихты или флюса удерживает теплоту, сообщаемую изделию в процессе сварки, интенсифицирует местный перегрев металла. Создаются условия накапливания напряжений и образования трещин. При этом не гарантируется постоянство качественных показателей наплавленного металла.

В материалах для газопорошковой наплавки за основу был взят никель. Никелевые сплавы имеют высокую устойчивость против окисления и при легировании, например, бором и крем­нием, обладают самофлюсующими свойствами, а также имеют тем­пературу плавления, близкую к температуре плавления чугуна, и по цвету совпадают с последним.

К порошкам предъявляются следующие требования: они должны обладать самофлюсующими свойствами за счет специаль­ных легирующих добавок; при наплавке они должны обеспечи­вать наплавленный металл по твердости, близкой к твердости серого чугуна (НВ 170—240), и иметь цвет, близкий к цвету чу­гуна.

Для придания наплавочным порошком самофлюсующих свойств в них вводят элементы-раскислители с сильным химиче­ским сродством к кислороду. Эти элементы должны обладать до­статочно высокой температурой кипения и высокой поверхност­ной активностью. Элементы, придающие порошковым сплавам самофлюсующие свойства, должны восстанавливать окислы (МепОот), имеющиеся на основном металле, образуя более легко­плавкие окислы (ниже рабочей температуры наплавки) по реак­ции

MertO/n - f RC = яМе - f CROtn.

Жидкие окислы должны иметь меньшую плотность, чем на­плавляемый металл, что необходимо для защиты последнего от окисления. В качестве флюсующих добавок используют кремний и бор. Бор — энергичный раскислитель, уступающий по своей активности только барию, магнию, алюминию и бериллию. Окись бора В203 имеет низкую температуру плавления (450° С). Окись кремния имеет очень высокую температуру плавления (1713° С).

Выбор оптимального содержания в сплаве кремния и бора осложнен тем, что в расплаве, кроме этих окислов, имеются окислы основного и наплавляемого металла. Сложный состав получаемой шлаковой системы потребовал выбора оптимального содержания кремния и бора экспериментально. В результате исследований созданы порошковые самофлюсующие сплавы для наплавки чу­гуна (табл. 20). Сплавы НПЧ-1 и НПЧ-3 предназначены для ис­правления дефектов на поверхностях, не подвергающихся по­верхностной закалке; НПЧ-2 — для закаленных поверхностей.

Таблица 20. Состав самофлюсующих порошковых сплавов, %

Марка сплава	Si	в	Fe	Си	с	Ni
НПЧ-1 НПЧ-2 НПЧ-3 *	1.3— 1,5 2.4— 2,7 0,2— 0,95	1.2— 1,5 2.2— 2,7 0,7-1,1	0,1—0,7 0,1—1,0 0,1—0,7	4-5 4-5 Остальное	0,1—0,3 0,1—0,3 0,2	Остальное » 41—60

* 0,1—0,7% редкоземельных металлов

В сплаве НПЧ-3 значительно уменьшено содержание кремния и бора за счет введения редкоземельных металлов и увеличено содержание меди. Увеличение содержания меди позволило по­низить температуру плавления сплава до 960° С (вместо 1200° С для сплавов НПЧ-1 и НПЧ-2) и улучшить его пластические свой­ства. Сочетание меди и никеля в сплаве обеспечивает цвет на­плавки, идентичный цвету основного металла (чугуна).

Введение редкоземельных металлов целесообразно ввиду того, что они наиболее активны в сравнении с бором и кремнием, имеют большое сродство к кислороду и способствуют понижению по­верхностного натяжения, повышают смачиваемость и растекае - мость сплава по чугуну. Обладая достаточно сильной графити - зирующей способностью, снижают вероятность возникновения структур закалки в зоне температурного влияния и позволяют стабильно получать необходимую твердость {НВ 180—200).

При наплавке образцов установлено, что сплав достаточно легкоплавкий, обладает хорошей смачиваемостью и растекае - мостью по поверхности. Шлаки подвижны, жидкотекучи и не ме­шают ведению процесса. Этот сплав пригоден не только для ра­боты на осушенном (баллонном) ацетилене, но и для работы от газогенераторов среднего давления (т. е. на увлажненном ацети­лене). Надежность защиты наплавленного металла от воздейст­вия окружающей среды обеспечивается полностью, что под­тверждается результатами газового анализа наплавленного ме­талла (табл. 21).

Таблица 21. Содержание газов в наплавленном металле Ацетилен Количество газа на 100 г металла, см3 Содержание в наплавленном металле, % со n2 н2 о2 n2 н2 Осушенный 207,46 32,54 14,2 0,148 0,041 0,0013 (НПЧ-1) 187,64 25,73 8,4 0,134 0,032 0,0008 Увлажненный 182,88 8,71 6,3 0,131 0,011 0,0006 ((НПЧ-3) 209,76 7,23 9,0 0,150 0,009 0,0008

Наплавленный металл в процессе механической обработки обрабатывается легко, сколов не обнаружено. Металл наплавки плотный. Твердость во всех случаях НВ 180—207. Предел проч­ности сварных соединений при растяжении — 24,3 кгс/мм2. Металл, наплавленный с использованием ранее разработанных и экспериментальных порошковых сплавов подвергали испыта­нию на износостойкость на специальном станке путем трения образца, совершающего возвратно-поступательные движения 5* 67

в смазке, содержащей твердые, загрязняющие ее частицы. Износ наплавленных образцов соответствовал износостойкости чугуна СЧ 21-40.

Порошковые самофлюсующие сплавы выпускаются централи­зованно.

Основные трудности, возникающие при пайко-сварке чугуна, связаны с плохой его смачиваемостью припоями из-за наличия большого количества графитных включений. Для удаления гра­фита с поверхности металлической основы, растворения окислов, защиты от окисления, уменьшения поверхностного натяжения, улучшения смачиваемости и растекания припоя служат флюсы.

Применительно к чугунам лучшими показателями технологич­ности, безусловно, обладали бы технологические материалы (при­пои и флюсы), позволяющие вести процесс пайки при пониженных температурах, т. е. ниже точки AcL на 100—150° С. Припои должны хорошо растворять основной металл, смачивать его, растекаясь по поверхности, быть дешевыми и недефицитными. Однако в на­стоящее время при исправлении дефектов чугунных деталей при­меняют присадочные материалы, представляющие собой сплавы различных цветных металлов сложного состава с использованием газового, индукционного, печного и других способов иагрева; пайку осуществляют при нагреве чугуна до температуры, близ­кой к температуре ликвидуса припоев. Приведем наиболее при­меняемые припои.

Сплав ЛОМНА 49-05-10-4-04 состава: 48—50% Си, 0,9—1% Sn;

9,5— 10,5% Мп; 3,5—4,5% Ni; 0,15—0,6% А1. Температура плав­ления 835° С, твердость наплавленного металла НВ 170—200, цвет — белый. В припое ЛОМНА белый цвет достигается сов­местным действием марганца и никеля. Белый сплав, легирован­ный только марганцем, после механической обработки и окисле­ния на воздухе приобретает красноватый цвет окислов марганца. Для устранения этого недостатка сплав легирован алюминием, имеющим большее сродство к кислороду, чем марганец. При пайко-сварке сплавом ЛОМНА с содержанием алюминия на верх­нем пределе (0,6%) в расплавленном металле образуются трудно­устранимые тугоплавкие шлаки, содержащие А1203. Для отшлако­вания этих окислов необходимо использовать флюсы ФПСН-2 или МАФ-1, выпускаемые промышленностью.

Сплав ЛОК 59-1-03 состава: 58—60% Си; 0,2—0,4% Si; 0,7— 1,1% Sn; Zn—остальное. Температура плавления 905° С, твер­дость ИВ 80—100; цвет — желтый. Основное его назначение для пайки меди, стали и др.

Наличие в этом припое в среднем 0,3% Si обусловливает «без­дымный» процесс его плавления, т. е. в результате защитного действия кремния процесс пайко-сварки не сопровождается за­метным испарением цинка. Угар цинка в этом случае составляет менее 1% против 5% у медно-ципковых сплавов, не содержащих кремний. Однако наряду с положительными свойствами крем - ннй способствует образованию хрупкой диффузионной прослойки на границе сплавления. Прослойка представляет собой упорядо­ченный а-раствор на основе соединения толщиной до 40 мкм, име­ющая высокую твердость. Учитывая также различие в цвете напла­вленного и основного металлов и малую твердость ЛОК 59-1-03 рекомендуется для исправления дефектов изделий, к которым не предъявляются особые требования по товарному виду и допус­кается низкая твердость. В качестве флюсов рекомендуются АН-ШТ2 и МАФ-1.

Латунные сплавы Л62, ЛК62, Л63 также могут быть исполь­зованы в качестве припоев для чугуна. В практической работе для устранения диффузионной прослойки первый, облуживаю - щий, слой выполняют простой латунью.

В условиях газопламенных процессов, когда ванна окружена хорошо растворимыми газами, испарение цинка не только ухуд­шает санитарно-гигиенические условия работы, но и способствует образованию газовой пористости. Для получения последующих плотных слоев применяют кремнистую латунь типа Л К 62-05. У бескремнистон латуни скорость образования диффузионной прослойки есть функция температуры и времени контакта жид­кой латуни с твердой фазой. В интервале температур 650—750° С, характерных для низкотемпературной пайко-сварки, прослойка обычно не превышает 3 мкм и слабо влияет на прочность соедине­ния. Предел прочности паяно-сварных соединений при растяже­нии в среднем составляет 24 кгс/мм2. Твердость наплавленного металла не превышает НВ 100, т. е. значительно ниже твердости чугуна. В отдельных случаях при ремонтных работах находят применение припои ПОС-ЗО, ПОС-40 и припой Ц.

Припои Ц представляет собой сплав состава: 92—94% Zn,

5,5— 7,5% Sn и до 0,5 РЬ. Выплавляется в тиглях при темпера­туре 530—540° С. Поверхность расплава для защиты от угара покрывают слоем угля или графита. Прутки диаметром 8—12 мм, длиной 300—400 мм отливают в корковые формы или кокили.

Сварочные материалы группы III. Для полуавтоматической сварки чугуна проволокой Св-08 с использованием керамических стержней в первом исполнении были разработаны керамические стержни марки ЦСКЧ-2 состава: 14% мрамора; 33% плавикового шпата; 10% графита серебристого (кристаллического); 22% кар­борунда зеленого; 6% порошка алюминиевого; 12% порошка чу­гунного; 3% целлюлозы электродной; 30% стекла жидкого натро­вого к массе сухой шихты.

Исследование электрических и технологических параметров полуавтоматической сварки чугуна с использованием керами­ческих стержней выявило некоторые их недостатки, связанные главным образом с образованием тугоплавких шлаков на поверх­ности сварочной ванны. Это потребовало некоторого изменения шлаковой системы стержней и соответствующей корректировки их состава.

Предварительно были рассмотрены некоторые тройные диа­граммы плавкости окислов, которые могут быть введены в со­став шлака. Это системы:

СаО—А1203—Si02;

МпО—А1203—Si02;

MnO—Ті02—А12Оэ;

FeO—А1203—Si02;

MgO—А1203—S і О 2;

Ti02—Si02—А1203;

СаО—ТЮ2—Si02.

Наибольший интерес для дальнейшего рассмотрения пред­ставляли первая и предпоследняя системы, поскольку они ближе других соответствуют составу шлаков, образующихся при рас­плавлении фтористо-кальциевых стержней с высоким содержанием кремния. Действительно, СаО и Si02 постоянно присутствуют в шлаке (разложение СаС03 и окисление Si), а ТЮ2 и А1203 легко могут быть получены в его составе за счет введения в керами­ческую массу ферротитана и алюминия, которые служат полез­ными добавками с точки зрения повышения стабильности легиро­вания наплавленного металла углеродом и кремнием.

Особого внимания на этих диаграммах заслуживали тройные смеси: СаО -2Si02 - ТЮ2 и Ca0-Al203-2Si02, поскольку они имели минимальную для обеих систем температуру плавления (соответственно 1200 и 1270° С). Состав опытных керамических стержней подбирали, учитывая что в реальных условиях образуе­мые при плавлении этих стержней шлаки будут иметь более слож­ный состав окислов, в связи с чем их свойства (температура плавления, вязкость и др.) будут лишь приближенно соответство­вать свойствам рассматриваемых тройных систем.

Варианты нескольких составов опытных керамических стерж­ней приведены в табл. 22 (стержни армированы проволокой Св-08 диаметром 3 мм).

Опробование этих стержней при сварке показало, что титано­содержащие стержни отличаются меньшей технологичностью, снижающейся по мере повышения содержания ферротитана в ке­рамической массе. Это следует объяснить высокой электропроводи­мостью титаносодержащих шлаков, которая приводит к неста­бильному горению дуги из-за периодического возбуждения элек- трошлакового процесса. В случае наплавки чугуна с использо­ванием алюминийсодержащих стержней процесс протекал до­статочно стабильно, однако по мере накопления шлака, несмотря на его легкоплавкость и хорошую жидкотекучесть, также проис­ходили нарушения горения дуги.

В дальнейшем делали попытку уменьшить количество шлака при плавлении стержней за счет снижения содержания в них 70 шлакообразующих компонентов и главным образом плавикового шпата. Стержни опробовали путем полуавтоматической наплавки по режиму: / = 320н-350 А, £/д-= 38+40 В; vnp =3 м/мин.

Таблица 22. Составы опытных керамических стержней Компоненты стержней Содержание, % 4-І 4-2 Мрамор..................................................... 15 15 Плавиковый шпат...................................... 41 41 Графит кристаллический.......................... 12 12 Порошок алюминиевый........................... 0 5 Ферротитан.............................................. 5 0 Карборунд зеленый................................. 24 24 Целлюлоза электродная........................... 3 3 Сода.......................................................... 2 2 Раствор КМЦ в воде (КМЦ — карбо- ксилметилцеллюлоза) .............................. 0,5% к массе сухой смеси компонентов Стекло жидкое натровое (плотность 1,49—1,5)................................................. 25—30% к массе сухой смеси ком- понентов

Наблюдение за процессом позволило сделать вывод, что умень­шение количества шлакообразующих и введение в состав керами­ческой массы алюминиевого порошка заметно уменьшает коли­чество шлака на поверхности ванны. При этом шлаки с более высоким содержанием окислов алюминия имеют большую жидко- текучесть. Однако на основе металлографического и химического анализов наплавленного металла сделано заключение об ограни­чении введения алюминия в состав стержней до 10%. При боль­шем содержании алюминия в стержне заметно повышается твер­дость металла шва {НВ 360). Последнее объясняется высоким со­держанием алюминия в наплавленном металле, о чем свидетель­ствуют результаты химического анализа, приведенные в табл. 23.

Таблица 23. Состав опытных вариантов керамических стержней, % Стержни с Si Мп А1 S р T вердость наплав­ленного металла, НВ 4-56 • 2,59 5,14 0,61 0,25 0,004 0,017 198—210 ЧОП 2,69 5,92 0,78 0,90 0,005 0,022 210—219 20П 2,61 6,61 0,91 1,25 0,005 0,035 341—369

В результате корректировки был принят окончательный ва­риант состава стержней, которым присвоено обозначение СКЧ-3: 15% мрамора; 27% плавикового шпата; 12% чугунного порошка;

7% алюминиевого порошка; 24% карборунда зеленого; 1% соды; 11% кристаллического графита; 3% целлюлозы электродной; 0,5% водного раствора КМЦ к массе сухой смеси компонентов; 25—30% стекла жидкого натриевого плотностью 1,49—1,50 к массе сухой смеси компонентов.

Введение в состав керамических стержней редкоземельных металлов в виде специальной комплексной лигатуры типа МР-1, МР-2 и других значительно улучшает технологические свойства стержней, положительно сказывается на структуре наплавлен­ного металла. В результате были созданы керамические стержни, обеспечивающие перлитную структуру наплавленного металла, а также стержни для сварки высокопрочного чугуна.

Процессы газовой сварки и пайко-сварки чугуна осуществ­ляют с применением флюсов, раздельно для сварки и пайко - сварки чугуном и латунными сплавами. Флюсы, попадая в ре­акционное пространство, предотвращают окисление кромок твер­дого металла, удаляют из жидкого металла окислы и неметалли­ческие включения и образуют покров, предохраняющий расплав­ленный металл от воздействия газов, поступающих из пламени горелки и воздуха. Флюсы улучшают процесс смачивания по­верхности твердого металла жидким присадочным металлом. При нагреве на кромках свариваемых деталей, а также в самой сварочной ванне образуются окислы различного характера: FeO, Fe203> MnOa, Si02, P203 и др.

Флюсы взаимодействуют с окислами путем растворения или связывания их в легкоплавкие соединения с малой плотностью. Они участвуют также наряду с пламенем горелки в удалении с поверхности разделки плохо смачиваемых металлом включений графита, без чего невозможно осуществление связей основного и присадочного металлов при низкотемпературных процессах пайко-сварки, протекающих без расплавления основного металла.

С этой целью во флюсы вводят вещества, выделяющие в ре­зультате диссоциации свободный кислород, например азотно­кислый натрий NaNOs. Эта соль при нагреве диссоциирует с вы­делением свободного кислорода, окисляющего графит. Освобо­дившиеся окислы натрия, соединяясь с Si02, образуют легко­плавкое соединение. Атомарный кислород обладает высокой активностью и, находясь на границе раздела металл—флюс, энергично окисляет микровыступы графитовых включений и тем самым улучшает процесс смачивания поверхности чугуна жидким металлом. Образующиеся при этом газообразные соединения СО и С02 легко удаляются из расплавленной ванны. Легирование металла путем введении в состав флюса соответствующих лига­тур не практикуется, так как объем вводимого флюса и темпера­тура сварочной ванны сравнительно невелики.

При сварке чугуна применяют преимущественно кислые флюсы, состоящие главным образом из борсодержащих веществ. Вводить в состав флюса кремниевые соединения, в том числе 72

и Si02, нецелесообразно, так как эго соединение образуется за счет окисления кремния чугуна; одна из основных задач флюса — перевод этого соединения в более легкоплавкое, на­пример Na20-Si02. Именно в связи с этим при выборе состава флюса из бористых соединений предпочтение отдают буре Na2B407, которая диссоциирует с выделением Na20 и В203. Отшлакование Si02 возможно также и в помощью углекислых солей натрия или калия. Реакция взаимодействия при этом опи­сывается следующим уравнением:

2К2С03 Si02 = (К20) Si02 - f 2СОо.

Выделяющийся по указанной реакции углекислый газ, осо­бенно при больших объемах сварочной ванны, может вызвать пористость в наплавленном металле. Это явление менее заметно при малых объемах сварочной ванны. Условиям газовой сварки соответствуют флюсы марки ФСЧ-1.

Все порошковые флюсы, применяемые для газовой сварки, обладают некоторыми технологическими недостатками. Под дей­ствием струи газов, выходящих из горелки под давлением, флюс раздувается и частично безвозвратно удаляется из зоны сварки. Подача флюса в ванну в большинстве случаев неравномерная. Обычно флюс подается путем окунания нагретого конца приса­дочного прутка в порошкообразный флюс или вносится вручную в расплавленную ванну. Эти способы не могут обеспечить равно­мерность подачи флюса и уменьшают производительность про­цесса сварки, так как в момент введения флюса сварщик вынуж­ден на какое-то время прекратить нормальный процесс нагрева ванны и плавления присадочного прутка, что может способство­вать образованию пористости.

На заводе Станколит нашел применение способ нанесения флюса в виде электродного покрытия на чугунные прутки, пред­назначенные для заварки чугунных отливок из модифицированных чугунов, а также дефектов на механически обработанных поверх­ностях. К сухой смеси флюса добавляют в частях: глицерина 5; воды 15—20. Доводят до кипения, затем наносят на пруток ме­тодом окунания или окраски. Слой флюсового покрытия состав­ляет 0,5—1 мм на сторону. Обмазанные прутки сушатся на воз­духе и в сушильном шкафу 10—12 ч. Лучшие результаты полу­чены при использовании флюса марки МАФ-1 с добавлением по 5 частей закиси кобальта и окиси меди. Сварку ведут обычными приемами. Флюс-покрытие обеспечивает полное удаление всех неметаллических включений и образует равномерный и плотный шлаковый покров на поверхности сварочной ванны. Особенность нового флюса — повышение смачивающих свойств прутков.

В целях повышения эффекта обработки расплава флюсом Г. А. Асиновская провела работу по использованию газообразного флюса, который в виде легкоиспаряющейся жидкости БМ-І (ТУ 6-02-707-72) состава: 70—75% метилбората В (СН,0)3 и

матанола (СН3ОН) остальное вводили непосредственно в газо­вую смесь горелки. Эта жидкость кипит при температуре +54° С. Пары флюса вместе с горючим газом ацетиленом или пропан­бутаном посредством установки КГФ-3-71 подают в пламя горелки. Флюс, сгорая в пламени, образует борный ангидрид—В203 в активной газообразной форме. Наиболее вероятная реакция сгорания флюса:

2В(СН30)3 + 90з = 2Н3В03 + 6С02 + Н30;

2Н3В03 = ЗН20 + В203; СН3ОН + 202 = С02 + 2Н20.

С этим флюсом при газофлюсовой сварке чугуна создается эффективная защита ванны от попадания в нее газов. Однако при использовании газообразного флюса встречается ряд неудобств, существенно ограничивающих область его применения, а именно: необходимость в специализированном оборудовании; токсичность жидкого флюса, требующая организации специализированного склада с вентиляцией и строгого соблюдения специальных пра­вил техники безопасности при разливе флюса; возможность при­менения флюса только с сухим ацетиленом, т. е. от баллона с осу­шителем, или при использовании сжиженной пропан-бутановой смеси; отсутствие окислов основного характера в шлаковом по­крове, требующее повышенной внимательности сварщика при очистке поверхности расплавляемого металла от неметаллических включений, так как образование комплексных легкоплавких соединений затруднено.

При низкотемпературной пайко-сварке присадочный металл, расплавляясь, не образует ванны жидкого металла большого объема и существование расплава ограничено во времени. Увели­чение температуры пайко-сварки приводит к интенсификации диффузионных процессов и к увеличению микротвердости зон паяного соединения. В связи с этим приемлемым могут быть те композиции составов флюсов, которые наряду с раскисляющим и защитным действием устраняют свободный графит, имеющийся на поверхности чугуна, обеспечивают смачивание и образование металлических связей на границе чугун—припой в интервале рабочей температуры для присадочных материалов: чугунных 850—950° С; латунных 650—750° С. Флюс служит также индика­тором температуры начала процесса, для чего температура плав­ления флюса должна быть 600—650° С, т. е. близкой к рабочей температуре пайко-сварки.

Этим требованиям отвечает при пайко-сварке чугунными при­садочными материалами флюс марки ФСЧ-2. Под действием газо­пламенной обработки и окислов азота, выделяющихся при разложе­нии флюсов, графит, имеющийся на поверхности чугуна, частично окисляется, образуя капилляры, в которые затекает расплавлен­ный присадочный металл. Раскисленные капли расплавленного присадочного чугуна равномерным слоем заполняют разделку дефекта, образуя прочное соединение с основным металлом. 74

По своим технологическим приемам пайко-сварка латунными припоями близка к процессу пайко-сварки чугунными прутками. Требованиям, отвечающим пайко-сварке латунными припоями, соответствуют флюсы ФПСН-І (для бескремнистых) и ФПСН-2 (для кремнистых), в основу которых заложена тройная смесь U2C03 + Na2C03 + Н3В03, взятые в соотношении 1:1:2. Конечные продукты при взаимодействии указанных компонен­тов

LiCO-j - f Na2C03 -f 4Н3В03 7^

П 2LiB02 + 2NaB02 - f 6НаО + 2СОа.

При взаимодействии указанных выше компонентов образуется смесь, близкая к эвтектической, отвечающая содержанию LiB02 — 50% + NaB02 — 50% с температурой плавления 630— 650° С. В отличие от флюса ФПСН-1 флюс ФПСН-2 содержит 10% галлоидосодержащей добавки, представляющей собой сплав со­става 72,5% NaCl и 27,5% NaF.

Флюс марки МАФ-1 (межфазно-активный) разработан приме­нительно к пайко-сварки чугунной присадкой и оказался при­годным также для пайко-сварки припоями на медной основе (табл. 24).

Т а б л и ц а 24. Флюсы для сварки и пайко-сварки чугуна Составляющие компоненты, % ФСЧ-1 ФСЧ-2 ФПСН-1 ФПСН-2 МЛФ-1 Литий углекислый.... 0,5 25,0 22,5 _ Кальций углекислый. . . 30,0 26,5 25,0 22,5 12,0 Кислота борная...................... — — 50,0 45,0 — Бура обезвоженная.... 50,0 23,0 ■—■ — 33,0 Натрий азотнокислый. . 20,0 50,0 — — 27,0 Окись кобальта....................... — — — — 7,0 Натрий фтористый.... -г- — — — 12,5 Фторцирконат калия. . . —- — — — 8,5 Лигатура солевая.... —■ — — 10,0 —

Приведенные в табл. 24 флюсы выпускаются промышленностью. Имеются рекомендации по применению флюсов марки АН-ШТ2; № 209, которые обладают высокой активностью при пайко-сварке чугуна припоями на медной основе.

Для пайки сплавом Ц применяют флюс следующего состава: 39—42% цинка хлористого; 30—43% алюминия хлористого; 8—10% олова двухлористого; 4—6% бария хлористого; 9—11% хлорной меди. После приготовления флюс помещают в гермети­чески закрывающуюся тару, где его содержат до приобретения им зеленоватого цвета, после чего он готов к употреблению. Перед употреблением его измельчают. Присутствие во флюсе значитель­ного количества хлористых соединений требует хорошей вентиля­ции на сварочных участках.