Чугунами называются железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода свыше 2,0 %.

Обычный чугун представляет собой железоуглероди­стокремниевый сплав, содержащий углерода от 2,5 до 4 %, кремния от 1 до 5 % в сочетании с различными коли­чествами марганца, серы и фосфора; иногда при этом имеются один или несколько специальных легирующих элементов вроде никеля, хрома, молибдена, ванадия, титана и пр.

Чугун является дешевым, обладающим хорошими литейными свойствами сплавом, который благодаря еще ряду особых свойств нашел широкое применение в народ­ном хозяйстве, особенно в машиностроении.

В зависимости от состояния углерода в сплаве разли­чают два основных вида чугуна: белый и серый чугун.

Серые чугуны получили большое распространение; со сваркой их приходится встречаться главным образом при исправлении брака чугунного литья и при ремонте.

Структура чугуна, его физические и механические свойства зависят от скорости охлаждения и его химичес­кого состава. При одинаковом химическом составе и про­чих равных условиях высокая скорость охлаждения спо­собствует образованию в чугуне цементита, т. е. полу­чению белого чугуна. Замедленное охлаждение, напро­тив, вызывает выделение углерода в состоянии графита с получением серого чугуна. Промежуточные скорости охлаждения дают различные переходные структуры ме­таллической части: цементитно-перлитную, перлитную, перлитно-ферритную, ферритную.

Все примеси чугуна по своему влиянию на цементит делят на две группы: графитообразующие, способствую­щие образованию графита, и карбидообразующие, задер­живающие выделение графита. Рассмотрим влияние неко­торых примесей.

Кремний является после углерода наиболее важной примесью чугуна и относится к графитизирующим при­месям. При содержании кремния выше 4,5 % практи­чески весь углерод выпадает в виде графита. Сера обра­зует легкоплавкие эвтектики и является активным кар- бидообразователем, что увеличивает хрупкость чугуна. Поэтому содержание серы в чугуне строго ограничивается (не более 0,15 %). Марганец, как и в стали, снижает содержание серы в чугуне; при содержании в чугуне до 0,8 % действует как графитизатор, выше 1 % — как слабый карбидообразователь; дальнейшее увеличение со­держания марганца усиливает его карбидообразующее действие. Фосфор придает расплавленному чугуну жидко - текучесть и образует сложную фосфидную эвтектику, повышающую твердость и хрупкость чугуна.

Твердость является важной характеристикой чугуна; она зависит от структуры, легирующих примесей и раз­мера графитных включений. Наименьшую твердость имеют ферритные чугуны, в которых почти весь углерод нахо­дится в свободном состоянии, перлитный чугун с пла­стинчатым графитом имеет 220—240 НВ, чугун с мартен­ситной металлической основой имеет 400—500 НВ, а струк­тура цементита 750 НВ. Чем больше размеры графитных включений, тем меньше твердость чугуна.

При выборе способа сварки чугуна необходимо учи­тывать следующие особенности:

1) высокая его хрупкость при неравномерном нагреве и охлаждении может привести к появлению трещин в про­цессе сварки;

2) ускоренное охлаждение приводит к образованию отбеленной прослойки в околошовной зоне и затрудняет его дальнейшую механическую обработку;

3) сильное газообразование в жидкой ванне может привести к пористости сварных швов;

4) высокая жидкотекучесть чугуна вызывает необхо­димость в ряде случаев к подформовке.

Чугунные детали, работающие длительное время при высоких температурах, почти не поддаются сварке. Это происходит в результате того, что под действием высоких температур (300—400 °С и выше) углерод и кремний окисляются, и чугун становится очень хрупким. Чугун с окисленным углеродом и кремнием называют горелым.

Также плохо свариваются чугунные детали, работаю­щие длительное время в соприкосновении с маслом и керосином. В таких случаях поверхность чугуна как бы пропитывается маслом и керосином, которые при сварке сгорают и образуют газы, способствующие появлению сплошной пористости в сварном шве.

Различают два способа сварки чугуна. Холодная сварка чугуна — это сварка без предварительного нагрева изде­лия. Горячая сварка чугуна — это такой способ, при ко­тором осуществляется предварительный и сопутствую­щий нагрев изделия до 600—700 °С с последующим мед­ленным охлаждением. Такой процесс уменьшает скорость охлаждения металла сварочной ванны и околошовной зоны, что обеспечивает полную графитизацию металла шва и отсутствие отбела в околошовной зоне, а также исключает возможность появления сварочных напря­жений.

Подогрев чугунного изделия до 250—400 °С для умень­шения сварочных напряжений и скорости охлаждения с целью получения более пластичной структуры метал­лической основы чугуна часто называют полугорячей сваркой.

Способ холодной сварки требует меньших затрат. Кроме того, при нем имеется возможность варьировать в больших пределах химический состав металла шва. Но при наложении валика на холодную поверхность чугуна вследствие быстрого отвода теплоты в околошов­ной зоне образуются отбеленные участки, а металл шва также может получиться твердым и хрупким. Превраще­ния в околошовной зоне при холодной сварке чугуна определяются химическим составом, исходной структурой свариваемого чугуна и распределением температур в по­перечном сечении соединения.

Для рассмотрения структурных превращений в око­лошовной зоне воспользуемся тройной диаграммой со­стояния Fe—С—Si, связав ее с участками зоны терми­ческого влияния свариваемого чугуна посредством кри­вой распределения температуры. На рис. 151 изображена
плоская диаграмма состояния Fe—С—Si, с разрезом в точке, соответствующей 2,5 % кремния. Хотя приве­денная схема справедлива только для одного определен­ного состава чугуна, она дает возможность на этом кон­кретном примере выяснить основные положения по СВЯЗИ температуры и скорости ее изменения со структурой отдельных участков околошовной зоны. Из схемы сле­дует, что вся околошовная зона состоит из пяти основных участков, особенности которых и разберем.

WD

Расплавленный^ металл шва 1‘1Гучасптнммтго^расплавления1200

200

Участок 1-й неполного расплавления ограничивается температурами в пределах 1150—1250 °С. В процессе сварки в нем наряду с жидкой фазой имеется твердая фаза, которая представляет собой аустенит с предель­ным содержанием углерода (1,7—2,0 %). При большой скорости охлаждения на этом участке может иметь место образование белого чугуна.

Участок 2-й аустенита в процессе нагрева и охлажде­ния находится в твердом состоянии и в рассматриваемом случае ограничен эвтектической (1150 °С) и эвтектоидной (800 °С) температурами. Структура участка определяется исходной структурой чугуна и температурой нагрева.

При охлаждении участка аустенита изменения в струк­туре будут происходить в соответствии с изменением температуры и скорости охлаждения. Для того, чтобы на данном участке не получить мартенсита, скорость его охлаждения должна быть небольшой. При заданном со­ставе чугуна это может быть достигнуто изменением погонной энергии дуги или повышением начальной тем­пературы свариваемого изделия подогревом. Структура по ширине участка в связи со значительным интервалом температур в 350 °С также будет меняться.

Участок 3-й перекристаллизации очень узкий, он имеет интервал температур всего 30 °С. Структура этого участка будет промежуточной по сравнению со струк­турами 2-го и 4-го участков.

Участок 4-й графитизации и сфероидизации карбидов характеризуется тем, что нагревается ниже критических температур. На нем наблюдается увеличение количества графита вследствие графитизации карбидов и некоторой их сфероидизации (округления). Этот процесс улучшает структуру и механические свойства металла, он зависит от исходной структуры чугуна и длительности его на­грева.

Участок 5-й исходной структуры нагревается до тем­пературы не выше 400—500 °С; структурных изменений в нем нет.

Склонность к отбелу металла на участке неполного расплавления околошовной зоны тем больше, чем меньше в чугуне углерода и кремния. Чтобы избежать при сварке чугуна отбела в 1-м участке околошовной зоны, необхо­димо, чтобы содержание углерода в нем было не менее 3 %, кремния не менее 2 %, а графита не менее 2,5 %.

Металл шва оказывает существенное влияние на от - бел 1-го участка зоны; наибольшая склонность к отбелу на этом участке возникает тогда, когда сварка чугуна (первого слоя) производится стальными электродами с обычным тонким покрытием, так как при этом вследствие конвективной диффузии углерода из жидкой фазы 1-го участка в металл шва его содержание в 1-м участке око­лошовной зоны заметно снижается. Уменьшение склон­ности к отбелу 1-го участка при сварке чугуна может быть достигнуто введением в металл шва таких графи - тизаторов, как медь, никель, т. е. соответствуюш? им изме­нением химического состава металла шва.

Исключить или уменьшить возможность образования мартенсита во 2-м участке околошовной зоны можно сни­жением скорости охлаждения, что достигается увеличе­нием погонной энергии или подогревом изделия.