Сведения о строении и свойствах чугунов. В соответствии с диаграммой состояния Fe — С (рис. 210) к чугунам условно отно­сят сплавы железа с углеродом, содержащие более 2,14% С. В таких сплавах присутствует также некоторое количество SI, Mn, S и Р. В специальных чугунах могут, кроме того, быть такие элементы, как Сг, Ni, Си. Mg и др.

Широкое применение чугуна как конструкционного материала объясняется его относительно невысокой стоимостью и хорошими литейными свойствами, позволяющими получать отливки любой, даже очень сложной, формы (блоки цилиндров автомобильных и
тракторных двигателей, станины станков и прессов, детали метал­лургического оборудования и т. п.).

В зависимости от того, в каком виде находится в сплаве углерод, различают два основных типа чугуиов: серые чугуны, в которых угле­род находится главным образом в виде структурно-свободного гра­фита, и белые чугуны, куда углерод входит преимущественно в хими­чески связанном состоянии: в виде цементита — карбида железа FeHC. Серые чугуны хорошо поддаются механической обработке, а белые обладают очень высокой твердостью и обычной механиче­ской обработке не поддаются. По этой причине белые чугуны мало

распространены в отливках и чаще ис - пину)1 ^ чугуна ^по П' К" Бу" пользуются как полупродукт для полу­чения промежуточных ковких чугунов.

Чем сильнее перегрет жидкий чугун и медленнее протекает ох­лаждение, тем вероятнее, что большая часть углерода выделится в виде графита. При больших скоростях охлаждения металла, ко­торые препятствуют выделению графита, углерод оказывается в свя­занном состоянии (цементит).

Весьма значительно и своеобразно влияние химического состава на структурную форму углерода в чугуне. С этой точки зрения эле­менты, входящие в состав чугуна, можно разделить на две группы: 1) графитизаторы — элементы, способствующие сохранению угле­рода в свободном виде; 2) препятствующие развитию графитизации элементы. К графитизаторам относятся (рис. 211): С, Si, Al, N і, Со, Си. Наиболее сильные графитизаторы — С и Si. К элементам, пре­пятствующим развитию графитизации, принадлежат S, V, Cr, Sn, Мо, Мп, представленные в порядке уменьшения отбеливающей спо­собности. В эту группу веществ входят также В, Mg и газы— Н2, 02 и N2.

Совместное влияние С и Si на структуру чугуна можно устано­вить с помощью структурной диаграммы чугунов (рис. 212). Как видим, в условиях одинакового охлаждения при низком содержа­нии С и Si получается белый, а при более высоком— серый чугун.

Химический состав некоторых марок серых чугунов приведен в табл. 47.

Серые чугуны, близкие по составу, могут очень отличаться друг от друга структурой, а следовательно, и свойствами.

На свойства чугуна значительно влияют форма, расположение и величина выделений графита, а также характер металличес­кой основы чугуна. Вообще на­личие в чугуне графита как мяг­кой, непрочной и хрупкой струк­турной составляющей приводит к снижению его прочности и пластичности.

По форме различают графитные выделения двух основных групп: пластинчатые и шаровидные. В обычных серых чугунах наблюда­ется пластинчатый графит прямолинейной и искривленной (завихрен­ной) формы. Графитные включения бывают равномерно рассеян­ными, залегающими отдельными гнездами или в виде эвтектик; в од­них случаях они отделены друг от друга, а в других — соприкасаются и пересекаются.

Таблица 47

Структуры чугунов могут сильно отличаться и размерами гра­фитных включений. Чем больше количество пластинчатого графита и размеры его включений, тем ниже прочность и пластические свой­ства серого чугуна, так как удлиненные графитные пластины выполняют в металле роль своеобразных надрезов.

При модифицировании серого чугуна изменяется форма включе­ний графита, а также его количество. Так, в случае модифицирова­ния магнием (< 1 %) частицы графита становятся шаровидными, измельченными и разобщенными друг от друга. Это приводит к улуч­шению механических свойств чугуна, который наряду с повышен­ной прочностью приобретает и некоторую пластичность (ов =

=? 50 - f - 70 кГ/мміш, 6 = 5-5- 10%). Такие чугуны относят к высо­копрочным, Модифицирование кальцием, алюминием и другими элементами способствует также образованию включений графита круглой формы — розеточной, крабовидной и др.,что благоприятно сказывается на механических свойствах чугуна.

Вторым важным фактором, определяющим свойства серого чу­гуна, является его металлическая основа. В зависимости от степени графитизации и полноты распада цементитных выделений можно получить различную металлическую основу чугуна: перлитную, перлито-ферритную, ферритную. Наиболее часто встречаются серые чугуны с перлито-ферритной основой.

Плотность чугунов разного типа лежит в пределах 7—7,3 ekM*. С ростом температуры она уменьшается и при температуре плавле­ния составляет 6,6—6,9 г/см[21]. Теплоемкость чугуна равна 0,12— 0,13 кал/(г • °С). Теплопроводность его0,12—0,14 калкм - сек • °С, при этом она уменьшается с повышением температуры. Литейная усадка чугуна в зависимости от марки различна (табл. 48). Как ви­дим, наибольшая литейная усадка характерна для белого чугуна. У серых чугунов эта величина значительно меньше, чем у углеро­дистых и аустенитных сталей. Чугуны в жидком состоянии отли­чаются повышенной жидкотекучестью.

Таблица 48

Свариваемость серого чугуна. Сварку чугуна используют глав­ным образом как средство ремонта. При этом исправляемые сваркой дефекты могут быть двух групп: дефекты литья (раковины, недо­ливы, рыхлоты, трещины) и дефекты, возникшие в процессе эксплу­атации (трещины, поломки деталей и др.).

В общем случае качественно выполненное сварное соединение из чугуна должно удовлетворять по меньшей мере трем основным требованиям: обладать механической прочностью, плотностью и легко обрабатываться обычным режущим инструментом. В зависимости от типа конструкции и условий эксплуатации требования к сварному соединению увеличиваются (ростоустойчивость, жаростойкость и т. п.). Однако особенности строения и физико-химических СВОЙСТВ чугуна чрезвычайно усложняют выполнение перечисленных требо­ваний.

, Чугун относится к трудносвариваемым металлам, что обуслов­лено такими причинами:

«й

1. При высоких скоростях охлаждения, характерных для боль­шинства способов сварки, в металле шва или в околошовной зоне появляются участки отбеленного чугуна, т. е. цементитные выде­ления той или иной формы в различном количестве. Высокая твер­дость этих участков (НВ > 500) очень затрудняет их механическую обработку.

2. В условиях местного неравномерного нагрева металла появле­ние значительных собственных напряжений вызывает образование трещин в металле шва и околошовной зоны, что связано с малой прочностью и пластичностью чугунов гообще.

т:с 3 [22]

Участок 1 (неполною расплавления) характеризуется одновре­менным присутствием жидкой и твердой (аустенит с предельным содержанием углерода 1,7—2,0%) фаз. При быстром охлаждении жидкая фаза затвердевает, образуя белый чугун; в твердой же фазе (аустенит) могут возникнуть закалочные структуры (мартенсит).

Участок 2 (аустенита) ограничен эвтектической и эвтектоидной температурами (в рассматриваемом случае 800—1150 °С). Его струк­тура в значительной степени зависит от исходной структуры чугуна и может состоять из аустенита и графита, аустенита и цементита

или одновременно ИЗ ЕСЄХ трех составляющих. Однако при быстром охлаждении вблизи первого участка из аустенита, в наибольшей степени насыщенного угле­родом, может выделиться цементит, а затем, в резуль­тате переохлаждения аус­тенита,— и мартенсит.

На участке 3 (непол­ной перекристаллизации), нагреваемом в узком интер­вале температур, вслед­ствие быстрого нагрева ме­талла и кратковременности пребывания его в соответ­ствующей температурной об­ласти феррит не успевает Рис. 214. Микроструктура участков 1 а 2 ПОЛНОСТЬЮ перейти В околошовной зоны на чугуне. аустенит. Поэтому при

охлаждении следует ожидать некоторого измельчения зерна за счет частичной перекристаллизации.

На участке 4 (графитизации и сфероидизации карбидов) наблю­дается увеличение количества графита при распаде цементита, а также округление, или сфероидизация, оставшихся карбидов.

Итак, появление цементитных выделений и закалочных струк­тур возможно на первых двух участках околошовной зоны, и по­этому здесь обычно металл обладает наибольшей твердостью и хруп­костью. Образование белого чугуна, или отбел, имеет место лишь на участке /.

Микроструктура участков 1 и 2 приведена на рис. 214. В верх­ней части зоны, ближе к наплавке, располагаются ледебуритные выделения, а ниже, на участке 2,— мелкоигольчатый мартенсит. В последнем случае сварочные напряжения создадут опасность возникновения холодных трещин. Появлению трещин способствует также наличие грубого пластинчатого графита. Модифицированный чугун, особенно с шаровидным графитом, более стоек к образованию трещин.

Наиболее эффективно предотвращают появление отбеленных и закаленных участков металла, трещин, а также пористости чу­гуна подогрев и замедленное охлаждение после сварки. Уменьше­ние температурного градиента, термических напряжений и скорости охлаждения металла в этом случае приводит к значительному улуч­шению структуры металла, более полному распаду цементитных выделений (горячая сварка чугуна).

В многочисленных способах холодной сварки чугуна широко используются металлургические и технологические средства воздей­ствия на металл для повышения качества соединений. К металлурги­ческим средствам можно отнести следующие:

1) получение в наплавке феррито-перлитной структуры, характерной для малоуглеродистой стали, путем связывания избыточного углерода в дисперсные и более прочные, чем цементит, кар­биды, равномерно распределенные в металле, максимального окисления избыточного углеро­да, или его «выжигания», при помощи кислород­содержащих компонентов сварочных материа­лов;

2) создание в наплавке структуры серого чугуна путем насыщения металла углеродом и другими графитизирующими элементами;

3) образование в наплавке различных спла­

вов железа с цветными металлами, отличающих­ся высокой пластичностью: медно-железных;

медно-никелевых; железоникелевых.

Железо с медью образует раствор, в котором предельная раство­римость железа в меди при температуре плавления последней со­ставляет около 3% (рис. 215). Но только при содержании в меди 10—15% железа можно получить сплав с температурой плавления 1330—1370 °С, близкой к температуре плавления чугунов. В этом случае обеспечивается смешиваемость составляющих самого рас­плава с чугуном. Однако после затвердевания наплавка представ­ляет собой мягкую медную основу с различными по форме и вели­чине вкраплениями очень твердой стальной составляющей. Эти включения и затрудняют механическую обработку металла. Час­тично диффундируя в основной металл, медь проявляет себя как графитизатор, поэтому на участке 1 околошовной зоны отбел прояв­ляется слабо.

Никель образует с медью непрерывный ряд твердых растворов (рис. 216), в которых при содержании 30—65% N і температура плав­ления близка к температуре плавления чугунов. Интервал кристал­лизации растворов 80 °С. Хорошее смешивание и сплавление чугуна с медно-никелевым сплавом, которому присуща высокая пластич­ность, позволяет получать достаточно однородный, весьма пла­стичный и плотный, хорошо обрабатываемый наплавленный ме­талл. Недостатками сварки чугуна медно-никелевыми сплавами

являются пониженная прочность металла шва и малая стойкость к образованию трещин. На участке 1 околошовной зоны отбеленных прослоек нет, что объясняется графитизирующей ролью никеля и меди, диффундирующих из наплавки.

Сплавы Fe — Ni с 45—55% Ni имеют пониженную температуру плавления (около 1400 °С), близкую к температуре плавления чу- гунов. Для таких сплавов характерна стойкая аустенитная струк> тура, отличающаяся повышенной прочностью и высокой деформаци­онной способностью. Наплавленный ме­талл и околошовная зона обладают от­носительно низкой твердостью и подда­ются механической обработке обычным режущим инструментом. При этом ме­талл наплавки по цвету сходен с чу­гуном.

Электроды из цветных металлов при­меняют преимущественно для заварки небольших дефектов на чугуне.

Нужно помнить, что разница между коэффициентами линейного расширения наплавки из стали или цветных метал­лов и основного металла (чугуна) не позволяет эксплуатировать сварные сое­динения при повышенных температурах (> 100—400 °С), так как возникающие напряжения могут привести к разру­шению металла.

В заключение следует подчеркнуть, что свариваемость чугунов значительно зависит от их структурного состава: чугуны с мелкозернистым строением и мелкими графитными включениями, с незначительным количеством фосфидной эвтекти­ки обладают лучшей свариваемостью.