Чугун — самый распространенный литейный сплав железа с углеродом (углерода по массе более 2,1 %). Он имеет ряд поло­жительных свойств, основными из которых являются: хорошие литейные свойства, малая чувствительность к концентраторам на­пряжений, способность гасить вибрацию и хорошая обрабатыва­емость. Чугуны имеют удовлетворительную коррозионную стой­кость во многих агрессивных средах и жаростойкость, а также не подвержены значительному короблению в условиях повышенного нагрева.

Избыточный углерод, содержащийся в чугуне, существует в виде включений графита или химического соединения. Количес­тво графита, форма, размеры и характер распределения его в металлической матрице оказывают превалирующее влияние на механические свойства чугунов. По степени графитизации чугуны подразделяют на белый, серый, высокопрочный и ковкий.

Свойства чугуна улучшают путем введения в него легирующих элементов, оказывающих благоприятное влияние не только на ме­таллическую основу, но и на форму, размеры графитных вклю­чений, способствующих значительному измельчению структуры чугуна.

Нелегированным считают чугун, содержащий до 3,5-4,0 крем­ния, до 1,5—2,0 марганца, до 0,3 фосфора, до 0,25 серы и до 0,1 % хрома, никеля или меди (отдельно). В низколегированном чугуне суммарная массовая доля легирующих элементов (хрома, никеля, меди) не превышает 1,0-1,5 %, в среднелегированном она может достигать 7 %, а в высоколегированном превышает 7-10 %. До­бавки сотых долей процента магния, натрия, бора считают леги­рующими.

Белый чугун. Белыми называют чугуны, в которых весь угле­род находится в связанном состоянии с железом в виде цементита (БезС). Он имеет высокую твердость и хрупкость и трудно под­дается обработке режущим инструментом. Как правило, эти чу­гуны перерабатывают в сталь, поэтому их называют передель­ными.

Серый чугун. Серые чугуны маркируют буквами СЧ и цифрой (СЧ 10, СЧ 15-СЧ 45), которая обозначает предел прочности при растяжении ав. Согласно ГОСТ 1412-85 в них нормируют также твердость (143-298 НВ) и химический состав с указанием массо­вой доли таких элементов, как углерод (2,9-3,7 %), кремний (1,0- 2,6 %), марганец (0,5-1,1 %), сера (0,12-0,15 %) и фосфор (0,2— 0,3 %). Чем выше цифра в обозначении марки чугуна, тем выше предел прочности на растяжение и ниже массовая доля углерода, серы и фосфора в нем. В сером чугуне углерод находится в сво­бодном состоянии в виде графита пластинчатой формы, который располагается в ферритной, перлитной или ферритно-перлитной матрице. Структура чугуна, а следовательно, и его свойства во многом определяются скоростью охлаждения: с ее уменьшением увеличиваются графитные включения, укрупняется зерно ме­таллической основы, снижаются прочность и твердость. Марки серых чугунов и детали, изготавливаемые из них, приведены в приложении (см. табл. П10). ■.< <■■■;

Высокопрочный чугун. Высокопрочный чугун получают путем легирования его магнием, церием и другими модификаторами. Под влиянием модификаторов в чугуне образуется шаровидный графит, что способствует повышению его механических свойств.

В зависимости от состава и термической обработки чугуны с шаровидным графитом (ЧШГ) бывают ферритными (ВЧ 38-17 и ВЧ 42-12), перлитно-ферритными (ВЧ 45-5 и ВЧ 50-2), пер­литными (от ВЧ 60-2 до ВЧ 80-3) и бейнитными (ВЧ 100-4 и ВЧ 120-4) (ГОСТ 7293-85). Массовая доля в ЧШГ легирующих элементов следующая, %: 3,2-3,8 С; 1,9-2,9 Si; в бейнитных 3,4— 3,6 Si; 0,4-0,9 Мп; до 0,1 Сг. Массовая доля магния составляет 0,03-0,08 %. Содержание примесей ограничено: до 0,02 % S и до 0,1 % Р. ЧШГ превосходят серые чугуны по износостойкости, жаростойкости, коррозионной стойкости и другим показателям. Из этих чугунов изготавливают многие детали, в том числе фасон­ные, которые ранее получали из стали (корпусы и станины стан­ков, крупные планшайбы, гильзы, каретки, цилиндры, кронштей­ны, зубчатые колеса, накладные направляющие станков, детали с поверхностной закалкой и др.).

Ковкий чугун. Если белый чугун подвергнуть длительному отжигу (60-100 ч), то цементит распадается, а графит приобретает хлопьевидную форму. Г1о сравнению с серым чугуном ковкий чугун (КЧ) обладает более высокой прочностью, пластичностью и вязкостью. В зависимости от условий и режима отжига структура чугуна может иметь ферритную, перлитную или ферритно-перлит­ную металлическую основу. Наибольшее распространение полу­чил ферритный КЧ, твердость которого достигает 320НВ. Ковкие чугуны (ГОСТ 1215-79) маркируют буквами КЧ и цифрами: ферритные от КЧ 30-6 до КЧ 37-12, а перлитные — от КЧ 45-6 до КЧ 63-2, Первые цифры указывают предел прочности при растяжении, а последующие — относительное удлинение. Мас­совая доля легирующих элементов в КЧ следующая, %: 2,3-3,0 С; 0,9-І,6 Si; от 0,3-0,6 (при ферритной матрице) и до 1,2 Мп (при перлитной матрице). Снижение содержания углерода увеличивает прочность КЧ. Содержание фосфора и серы в КЧ меньше, чем в сером чугуне.

Свариваемость чугунов. Трудности сварки серых чугунов обус­ловлены высоким содержанием углерода в составе основного ме­талла, склонностью к образованию цементита и ледебурита при кристаллизации и в случае ускоренного охлаждения малой пластичностью основного металла и ЗТВ, относительно низким значением температуры кристаллизации металла сварочной ванны на железной или железоникелевой основе, высокой газонасыщен - ностью, а также наличием в чугуне микропустот и рыхлот, в ко­торых концентрируются газы. Дополнительные трудности могут возникнуть при сварке деталей с измененной структурой и свой­ствами, которые сформировались под воздействием условий эк­сплуатации изделия («горелый» или пропитанный маслом чугун).

При сварке чугуна низкоуглеродистыми электродными мате­риалами на основе железа наблюдается глубокое проплавление основного металла, который, поступая в металл сварочной ванны, насыщает ее углеродом. При этом в стальных швах формируются метастабильные структуры, выделяется цементит по границам зерен и образуется мартенсит (структура закаленной доэвтек - тоидной стали). При этом повышается твердость, снижается плас­тичность металла шва, возрастает склонность сварных соединений к образованию трещин. Наиболее четко эта тенденция наблюда­ется при сварке деталей без подогрева.

Учитывая, что чугун имеет низкую пластичность во всем диапа­зоне температур термического цикла сварки, он не выдерживает значительных сварочных напряжений в околошовной зоне. Раз­рушению соединений в процессе сварки способствует также обра­зование неравновесных фаз (цементита, ледебурита и мартенсита) в металле ЗТВ.

Вредные примеси (фосфор и сера) ухудшают свариваемость чугуна. Так, содержание в чугуне более 0,06-0,07 % серы вызы­вает образование пор в швах и повышение твердости соединения, так как способствует формированию структур с ледебуритом.

Существенное влияние на свариваемость чугуна оказывает гра­фитная фаза. Если включения графита крупные и образуют сетку, то в зоне сплавления возникает большое количество микропустот, которые снижают прочность сварного соединения.

Существенно ухудшается свариваемость деталей из чугуна, ко­торые эксплуатировались в условиях воздействия высоких темпе­ратур, частых теплосмен и в агрессивных средах. Металлическая матрица таких чугунов сильно окислена и зачастую их сварка практически невозможна.

Пропитка чугуна маслами и продуктами их сгорания также усложняет сварку, особенно в случае требования герметичности шва. Плохо свариваются чугуны, поверхность которых контакти­ровала с продуктами сгорания топлива — выхлопными газами.

Все перечисленные выше случаи требуют дополнительных мер, направленных на подготовку деталей под сварку (удаление «го­релого» слоя, выжигание масла со свариваемых поверхностей, кипячение в щелочных ваннах и т. д.).

Существенные трудности возникают при сварке специальных чугунов, прежде всего КЧ и ЧШГ. В этих случаях трудно получить соединения, равнопрочные и идентичные по свойствам основному металлу. Склонность сварных соединений к образованию у ЧШГ трещин в ЗТВ значительно выше, чем у обычных серых чугунов при одинаковом содержании углерода, кремния и марганца. Свар­ку таких изделий осуществляют только при предварительном вы-' сокотемпературном подогреве всей металлоконструкции.

Поскольку у чугунов меньшая усадка, чем у сталей (примерно1 в 2 раза), это позволяет заваривать крупные дефекты литья без' образования трещин. Для предотвращения образования структур ; отбела в металле шва и ЗТВ необходим предварительный подогрев до температуры 600-700 °С с последующим охлаждением изделия' со скоростью 50-100 °С/ч.

Для сварки чугуна без предварительного подогрева «холодной сварки» используют сварочные материалы на железной основе. Стальной шов легируют сильными карбидобразующими элемен­тами (ванадием, ниобием, титаном), которые связывают углерод в мелкие карбиды, распределяющиеся в низкоуглеродистой ме­таллической матрице. Этот способ реализуется при использовании покрытых электродов марки ЦЧ-4, содержащих в своем составе до 10 % ванадия.

Для холодной сварки чугуна применяют также электродные материалы из цветных металлов (меди и никеля) и их сплавов. При этом в металле шва не образуются стойкие карбиды и он остается пластичным после наплавки на чугун.

Железоникелевые сплавы с массовой долей никеля более 30 % являются аустенитными при нормальной температуре. Никелевый аустенит, растворяющий большое количество углерода без обра­зования карбидов, имеет высокую пластичность и низкую твер­дость. Эти особенности никелевого аустенита обеспечивают высо­кую стойкость сварных соединений чугунов против образования трещин и их хорошую обрабатываемость.

Медь так же, как и никель, не образует карбидов, но в отличие от него практически не растворяет углерод и железо. Имея высо­кую пластичность и указанное выше отношение к углероду и же­лезу, медь используют в качестве электродного или присадочного материала при сварке чугуна.

Металл ЗТВ при сварке чугунов имеет разнообразные струк­туры. Это связано с тем, что температура в ЗТВ под воздействием сварочного цикла колеблется в широком диапазоне, а химические и физические характеристики чугунов характеризуются большой неоднородностью. В процессе нагрева до температуры 1150— 1250 °С чугун в ЗТВ находится в жидкотвердом состоянии. Ох­лаждение происходит при высоких скоростях 10-20 °С/с и выше, при которых в металле ЗТВ формируются продукты неполного распада аустенита — мартенсит и троостит, а жидкая фаза крис­таллизируется с образованием ледебурита. На конечную структу­ру этого участка состав электродного металла практически не влияет, поэтому при сварке без подогрева в этой зоне наблюдаются повышение прочности и твердости, а также снижение пластич­ности свариваемого чугуна. Стойкость сварных соединений против образования трещин во многом зависит от размеров ЗТВ — чем она уже, тем меньше вероятность образования трещин.