В последнее время в мировой практике расширяется примене­ние чугунов со специальными свойствами: высокопрочного, ков­кого, аустенитно-никелевого, высоко хромистого и др. Отсюда не­обходимость рассмотрения вопросов их сварки. Так как химиче­ский состав, структура и свойства специальных чугунов резко отличаются, то особенности их сварки необходимо рассмотреть раздельно.

Особенности свариваемости высокопрочного чугуна в значи­тельной мере определяются кинетикой его кристаллизации, за­висящей не только от скорости охлаждения, состояния жидкого металла и его химического состава, но и от процесса модифициро­вания. В качестве модификатора при получении чугуна с шаровид­ным графитом наиболее часто применяют магний. В последнее время наметилась тенденция использования редкоземельных эле­ментов. Магниевые чугуны при одинаковых условиях обладают несколько лучшей жидкотекучестью, чем серые чугуны. Благодаря этому создаются хорошие предпосылки для получения плотного без пор и шлаковых включений наплавленного металла. Однако значительная склонность магниевого чугуна к образованию уса­дочных раковин и рыхлот создает дополнительные трудности при его сварке.

Термический цикл, которому подвергается высокопрочный чугун в процессе сварки плавлением, создает условия для ухудше­ния механических свойств металла в зоне термического влияния. Это происходит из-за наличия структурно-свободного углерода, который при высоких температурах стремится раствориться в аустенитной матрице. Вследствие быстрой диффузии углерода от шаровидных включений графита в аустенитную матрицу пони­жается температура плавления матрицы и происходит ее расплав­ление в зонах вокруг шаровидных включений. В условиях бы­строго охлаждения сварного шва эта фаза, обогащенная углеро - 126 дом, затвердевает с образованием ледебурита, т. е. цементитной эвтектики. Присутствие в структуре зоны термического ВЛИЯНИЯ игл первичного цементита, ледебурита и мартенсита значительно охрупчивает металл околошовной зоны и облегчает появление трещин.

Температура, скорости нагрева и охлаждения отдельных участ­ков зоны термического влияния при сварке не одинаковы, поэтому структурные превращения в каждом участке этой зоны и конеч­ная структура их различны. Связав качественные изменения в ме­талле зоны термического влияния высокопрочного чугуна при сварке плавлением с диаграммой железо—углерод, можно выде­лить три основных участка.

1. Участок неполного расплавления — сравнительно неболь­шой протяженности, нагревается до температуры 1150—1250° С и в процессе сварки находится в твердо-жидком состоянии. В мо­мент сосуществования твердой и жидкой фаз на границе оплавле­ния наблюдается явление гетерофазной диффузии, что увеличи­вает неоднородность состава в основном по углероду, сере и фос­фору. В участках, окружающих шаровидные включения графита, образуется жидкая фаза, которая при медленном охлаждении за­твердевает в виде тонкой оболочки феррита, при ускоренном охла­ждении — цементита и ледебурита. В конечном итоге структура в этой зоне может быть: шаровидный графит, феррит, цементит - f -f - ледебурит, мартенсит и перлит.

2. Участок аустенита — участок, где температура не дости­гала эвтектической, но была выше эвтектоидной. На этом участке структура представляет собой продукты распада аустенита раз­личной дисперсности (троостит, сорбит или перлит). При медлен­ном охлаждении рассматриваемого участка из аустенита выде­ляется избыточный углерод в виде графита, при быстром — в виде цементита.

3. Участок, температура которого не превышала 723° С, имеет структуру основного металла. При более точном подходе в нем можно выделить отдельные узкие зоны (участок перекристалли­зации, участок графитизации и сфероидизации карбидов и участок исходной структуры), однако это не имеет практического зна­чения.

Таким образом, образующаяся при сварке высокопрочного чугуна зона пониженной пластичности значительно усложняет процесс сварки. При сварке высокопрочного чугуна получить сварные соединения, по прочности и пластичности близкие к осно­вному металлу, значительно труднее, чем при сварке серого чу­гуна, тем более, что магний, вводимый в чугун, увеличивает его склонность к образованию структур отбела.

Дефекты, подлежащие исправлению, выявляются как до меха­нической обработки, так и на различных ее стадиях. Дефекты рас­полагаются на поверхностях обрабатываемых, работающих па износ, неподвижных соединений, а также необрабатываемых.

Равнопрочное сварное соединение на чугуне с шаровидным графитом можно получить лишь в случае однородности по струк­туре и свойствам основного металла и металла шва, поэтому ос­новными способами исправления дефектов на обрабатываемых рабочих поверхностях можно считать способы, обеспечивающие в наплавленном металле чугун с шаровидным графитом: механи­зированная дуговая сварка порошковой проволокой специаль­ного состава; полуавтоматическая сварка проволокой (сплошной и порошковой) с присадкой керамического стержня; дуговая и га­зовая заварка чугунными электродами и прутками специального состава.

При исправлении дефектов на поверхностях неподвижных со­единений не всегда требуется получение наплавленного металла в виде чугуна с шаровидным графитом, а достаточным считается хорошая обрабатываемость. В этих случаях можно применять ручную и механизированную сварку (с предварительным подо­гревом отливки) с использованием сварочных материалов, приме­няемых для серого чугуна, а также газопорошковую наплавку, низкотемпературную пайко-сварку чугунными прутками и спла­вом ЛОМНА.

В качестве способов сварки, не требующих предварительного подогрева, обеспечивающих возможность механической обработки сварного соединения может быть применена ручная и полуавтома­тическая дуговая сварка электродами (проволоками) на медно­никелевой, медно-стальной, железоникелевой и никелевой осно­вах, а также стальными электродами с карбидообразующим по­крытием. Однако их применение должно строго регламентиро­ваться, исходя из требований к завариваемой поверхности и кон­струкции в целом, так как при этом в наплавленном металле полу­чаются различные сплавы, а не чугун. Для исправления дефектов на необрабатываемых поверхностях применяют стальные элек­троды.

Отливки, предназначенные для гидравлического оборудова­ния, исправляют с учетом их эксплуатационных особенностей. При этом главенствуют способы сварки, обеспечивающие полу­чение в наплавленном металле чугуна с шаровидным графитом.

Характерная черта всех способов сварки, обеспечивающих в наплавленном металле чугун с шаровидным графитом при равной прочности основному металлу, — применение общего предвари­тельного подогрева, как правило, до температуры 500—650° С (при скорости подогрева не более 200° С/ч) и последующей термо­обработки. В отдельных случаях, когда усадка наплавленного металла облегчена, например при заварке отбитых частей, недо­ливов ит. п., а также при заварке дефектов малого объема (до 100—150 см3) на массивных деталях, используют местный подо­грев.

Заваривать следует отливки, прошедшие термообработку (вы­сокий графитизирующий отжиг). Процесс заварки необходимо оканчивать при температуре отливки не ниже 500° С. Если объем дефекта и масса детали не гарантируют окончания заварки при указанной температуре, то применяют сопутствующий подогрев. Непосредственно после заварки дефектов отливки подвергают термо­обработке (отжигу) для разложения метастабильных фаз (цемен­тита, ледебурита, мартенсита) и обеспечения обрабатываемости сварного соединения, а также для снятия внутренних напряжений.

Режим отжига: температура нагрева 750—820° С, выдержка из расчета 1 ч на каждые 30—40 мм толщины отливки, но не менее 2 ч. Охлаждение с печью до температуры 200—250° С. При заварке несложного дефекта в нежестком контуре замедленное охлажде­ние возможно на горне или переносными горелками без последую­щей термообработки или с низким отжигом при температуре 600° С для снятия сварочных напряжений.

Механизированную сварку порошковой проволокой марки ППАНЧ-5 [11] осуществляют валиками или полужидкой ванной. Ток — постоянный, полярность обратная («-Н» на электроде). Ре­жим сварки устанавливают (для проволоки диаметром 3 мм) в за­висимости от способа наплавки (табл. 37).

При больших размерах дефектов заварку их следует выпол­нять отдельными участками. Больших перерывов между наплав­кой отдельных участков делать не следует. Нельзя допускать и значительного перегрева наплавки, так как из-за угара модифи­катора теряется шаровидная форма графита. Во время сварки не­обходим сопутствующий подогрев с тем, чтобы температура детали поддерживалась на уровне 600° С.

Механизированную горячую сварку проволокой марки ППВЧ-1 выполняют преимущественно с образованием жидкой ванны боль­шого объема. Ток — постоянный или выпрямленный, полярность обратная. Процесс заварки дефекта ванным способом протекает сравнительно быстро и теплоты сварочной ванны практически оказывается достаточно для поддержания заданной температуры в зоне сварки.

Шихта порошковой проволоки содержит стойкие модифика­торы МР-1 и МР-2, изготовленные из иттрийсодержащего сырья. Эти модификаторы — комплексные, с высокой графитизирующей активностью и стойким модифицирующим эффектом. Шаровидный графит сохраняется при многократном переплаве (рис. 32), поэтому при сварке порошковой проволокой ППВЧ-1 перегрев сварочной ванны не представляет большой опасности и ее размеры могут быть достаточно велики (до 200 см2 по площади зеркала ванны).

Ручную дуговую сварку электродами марки ЭВЧ-1 осуществ­ляют преимущественно ванным способом. Ток — постоянный, по­лярность обратная. Силу сварочного тока устанавливают в зависи­мости от диаметра электрода:

Диаметр электрода, мм.................................. 8 12 14

Сила сварочного тока, А.... 400—600 800—1000 1100—1300

Технология заварки аналогична сварке проволокой ППВЧ-1, так как электроды ЭВЧ-1 изготовляют на базе литых чугунных прутков, модифицированных комплексными модификаторами МР-1, МР-2, СИИТМИШ-1 и СИИТМИШ-2.

Полуавтоматическую сварку с присадкой керамического стержня СКВЧ-1 осуществляют валиками или полужидкой ванной. Ток — постоянный, полярность обратная. Режим сварки уста­навливают в зависимости от способа наплавки (табл. 38).

При заплавлении дефектов больших объемов наплавку вести на ранее наплавленный металл, поддерживая полужидкое соедине­ние прилегающих слоев наплавки. Нельзя допускать перегрева металла и образования жидкой ванны значительного объема, так как из-за перегрева может произойти утечка жидкого металла. Во время сварки необходим сопутствующий подогрев для поддер­жания температуры детали на уровне 600° С.

Газовую заварку с присадкой прутков марки ПЧС-2 осуще­ствляют с образованием жидкой ванны. Для сварки могут быть применены горючие газы: ацетилен, пропан-бутан, природный газ. При любых сварочных газах можно применять флюс ФПСН-1. Техника сварки та же, что и для серого чугуна. Если не требуется полного совпадения по структуре и свойствам наплавленного ме­талла с основным, можно применять холодные (без предваритель­ного подогрева деталей) способы сварки, а также газопорошковую наплавку.

Легирование высокоуглеродистых сталей (1,0% С и более) ванадием (1—6%) сужает ^-область и приводит к снижению твер­дости при быстром охлаждении. В области высоких температур значительная часть углерода растворена в аустените. В процессе охлаждения он связывается в прочный карбид V4C3, который в виде мелкодисперсных включений равномерно распределяется в фер - ритной матрице. Это свойство использовано при создании электро­дов ЦЧ-4, которые обеспечивают легирование стального шва до 7,5—9%. Электроды предназначены для конструкционной сварки изделий из высокопрочного чугуна и его сочетаний со сталью, а также для сварки поврежденных чугунных деталей и заварки дефектов литья.

Твердость наплавленного металла позволяет вести механи­ческую обработку, однако в переходной зоне при сварке без по­догрева неизбежно образование ледебурита и мартенсита, что по­вышает ее твердость до HV 500—600. Возникает опасность обра­зования трещин. Предварительный подогрев изделий (до 300— 400° С) позволяет снизить твердость переходной зоны до HV 350 и избежать трещин. По мере наплавки слоев содержание углерода в них резко снижается и такое количество ванадия уже не тре­буется. Поэтому электроды ЦЧ-4, как правило, используют лишь

для облицовки кромок разделки или поверхности дефекта, а осталь­ное количество металла наплавляют электродами, предназначен­ными для углеродистых конструкционных сталей. Равнопрочность сварных соединений не достигается, поэтому часто для надеж­ности сварку выполняют со стальными ввертышами.

Сварка тонкой проволокой в углекислом газе может быть ис­пользована для сварки высокопрочного чугуна, поскольку поз­воляет получить небольшой провар свариваемого металла. При­меняя различные режимы и приемы сварки со взаимным перекры­тием, с наложением отжигающих валиков и т. п., можно получить металл шва с различной структурой — от мартенситной до гіер - литно-ферритной.

Лучшие результаты обеспечиваются при сварке электродной проволокой марки Св-08Г2СА диаметром 1 мм на режиме: сила тока не более 100—120 А, напряжение 18—21 В, скорость сварки 10—12 м/ч. При таком режиме удается избежать трещин в слое стали, наплавленном на чугун.

Способ газоэлектрической сварки позволяет сваривать де­тали из высокопрочного чугуна и комбинированные изделия из чугуна с шаровидным графитом со сталью в случаях, когда не требуется последующая механическая обработка сварных соеди­нений.

Сварку под керамическим флюсом подобно описанному спо­собу газоэлектрической сварки можно применить для соединения чугунных деталей и чугуна со сталью. Автоматическую сварку низкоуглеродистой стальной проволокой под керамическим флю­сом разработали Д. М. Кушнерев и В. Г. Свецинский. Для по­вышения пластичности наплавленного металла его легируют через флюс марганцем и хромом, благодаря чему добиваются аустенит­ной структуры с небольшим количеством феррита и включениями карбидов. Металл шва имеет твердость HRC 25—30. В зоне терми­ческого влияния имеются включения цементита и ледебурита на троосто-сорбитном поле. При сварке с колебаниями и специальной разделке можно достичь прочности сварного соединения, состав­ляющей 80—90% прочности чугуна с шаровидным графитом.

Наплавку слоя стали ленточным электродом под флюсом можно применять для облицовки деталей из магниевого чугуна с целью создания комбинированной конструкции из чугуна и стали. Слой служит для увеличения поверхности сплавления чугуна и стали и тем самым обеспечивает необходимую прочность соединения стальных деталей, привариваемых к высокопрочному чугуну. Наплавку выполняют низкоуглеродистой лентой толщиной 0,8— 1 мм под флюсом АН60. Наплавка в два слоя обеспечивает получе­ние углеродистой стали с 0,3—0,5% С, легко сваривающейся, а также улучшающей структуру околошовной зоны. Комбиниро­ванные детали, изготовленные из чугуна и стали, имеют достаточно высокую прочность при статическом нагружении и в условиях вибрации.

Сварка сплавами никеля электродами с различным содержа­нием никеля (до 50—55%) известна и распространена во всех ведущих странах мира. Предварительный подогрев чугуна до тем­пературы 300—350° С при сварке железоникелевыми электро­дами надежно устраняет возможность образования трещин по линии сплавления. Наплавленный металл имеет аустенитную структуру с выделениями междентритного графита. В зависимости от содержания никеля в наплавленном металле структура шва кроме аустенита может содержать и продукты ее распада, снижаю­щие прочность и пластичность.

Механические свойства наплавленного металла близки к свой­ствам основного металла (высокопрочного чугуна): ов = 40-f - -4-59 кгс/мм2, сгт = 30-4-47 кгс/мм2, 6 = 6—ь-13%, НВ 180—200; однако сварные соединения, выполненные железоникелевыми элек­тродами, в состоянии после сварки имеют общую прочность на 30—50% ниже прочности основного металла. Только с помощью длительной термообработки удается улучшить механические свой­ства сварных соединений.

Кроме ручной сварки в ремонтном деле может также приме­няться никелевая самофлюсующая проволока (ПАНЧ-11) [1]. Использование проволоки малого диаметра (1—1,2 мм) на низких режимах (I = 100-f-140 A, £/д = 14—18 В) способствует малому тепловложению в основной металл и очень неглубокому проплав­лению. В зоне сплавления имеются включения цементита, но они носят прерывистый характер. Поэтому твердость сварного соеди­нения составляет HV 160—180.

Газопорошковую наплавку можно применять для исправления небольших дефектов на окончательно обработанных поверхностях деталей, где не предъявляется высоких требований к прочности. Технология наплавки аналогична как и для серого чугуна.

При производстве сварно-литых изделий из высокопрочного чугуна может успешно применяться контактная стыковая сварка [9]. При правильно подобранных режимах сварки стык имеет лишь отдельные участки цементита и ледебуритной эвтектики, а околостыковая зона — небольшое количество мартенсита.

Барабан из чугуна ВЧ 45-5 сваривали на машине К-315 (табл. 39). Процесс оплавления начинали при повышенном вторич­ном напряжении, затем по мере разогрева торцов его понижали. В конечной стадии оплавления, когда его скорость растет наиболее интенсивно, вторичное напряжение вновь повышали до 11,2 В с тем, чтобы исключить короткое замыкание перед осадкой.

Сварочный ток составлял: в начальный период ({/ад =11,2 В) 24 000 А; при пониженном напряжении (U20 = 9,4В) 15 500 А* в конечный период (£/ао = 11,2) 22 000—2700 А; при осадке под током около 50 000 А.

Предел прочности сварного соединения близок к прочности основного металла и составляет 40—45 кгс/мм2. Ударная вязкость снижается значительно (0,6—1,5 кгс-м/см2) по сравнению с основ­ным металлом в отожженном состоянии (2,7—3,9 кгс-м/см3), что объясняется охрупчиванием соединения в результате термиче­ского цикла сварки, приводящего к заметному повышению твер­дости в зоне стыка. Предварительный подогрев и последующая термообработка обеспечивают получение феРРитно_пеРлитиюй структуры без включений цементита. В этом случае сварное соеди­нение хорошо обрабатывается и изделие в целом пригодно для длительной эксплуатации в тяжелых условиях.

Дефекты в отливках из ковкого чугуна можно исправлять в исходном его состоянии (в виде белого чугуна) до отжига и после отжига. В зависимости от метода отжига структура ковкого чу­гуна различна. При графитизирующем отжиге, когда отливки из белого чугуна отжигаются при температуре 850—1000° С в" ней­тральной среде, в закрытых коробках, шамоте или песке, проис­ходит разложение первичного и вторичного цементита с последую­щим распадом аустенита и выделением углерода отжига. Метал­лическая основа имеет ферритную структуру. В этом случае ков­кий чугун на поверхности имеет оторочку белого цвета и темный бархатистый излом. Темный цвет излому придает выделившийся углерод отжига. Ферритный ковкий чугун обладает умеренной прочностью, пластичностью, пониженной твердостью.

При окислительном отжиге, когда отливки из белого чугуна нагреваются в коробках, засыпанных рудой или окалиной, про­исходит обезуглероживание поверхности за счет кислорода руды или окалины, а сердцевина приобретает перлитную структуру. Такой ковкий (перлитный) чугун отличается уменьшенным содер­жанием углерода и неравномерным его распределением. В резуль­тате структура и твердость у этого чугуна непостоянны. Включе­ния феррита и углерода отжига встречаются в малом количестве. Пластические свойства перлитного ковкого чугуна ниже феррит - ного, но износостойкость его значительно выше.

Ферритный ковкий чугун с большим количеством углерода отжига обладает более низкой свариваемостью, чем перлитный чугун с весьма ограниченным количеством углерода отжига. Слож­ность сварки ферритного ковкого чугуна в значительной степени объясняется наличием в нем компактных или глобулярных вклю­чений графита, равномерно распределенных по всему сечению от­ливки. При воздействии на чугун теплоты сварочной дуги эти включения графита растворяются в сварочной ванне и частично выгорают, образуя газ, который не успевает полностью удалиться и создает пористость в металле шва.

На заводах дефекты в отливках из ковкого чугуна в основном исправляют в исходном его состоянии в виде белого чугуна (до отжига). В этом случае заварку осуществляют присадочными чу­гунными материалами: газовую — чугунными прутками, ручную дуговую — электродами на основе чугунных прутков, механи­зированную — порошковой проволокой и т. д. Техника сварки та же, что и для высокопрочного чугуна, но предварительный по­догрев детали достаточен до температуры 250—400° С. После за­варки отливка подается на отжиг (томление).

Часть дефектов выявляется при механической обработке. Кроме того, значительное количество деталей выходит из строя в процессе эксплуатации. Возникает необходимость их ремонта. В этом случае применяют сварку без предварительного подогрева электродами на медно-никелевой, железоникелевой, медно-сталь - пой и никелевой основе. На некоторых заводах применяется сварка в углекислом газе стальной проволокой малого диаметра. Свароч­ные материалы, обеспечивающие чугун в наплавке, можно исполь­зовать те же, что и для высокопрочного чугуна. Наличие модифи­каторов в них обеспечивает получение металла шва и зоны сплав­ления из чугуна, допускающего любую механическую обработку.

В сельском хозяйстве широко применяют сварку стальными электродами, но при этом наплавленный металл отличается пори­стостью, низкой пластичностью и повышенной твердостью. Обра­батывать такое соединение можно только абразивом.

Аустенитно-никелевые чугуны обладают неплохой сваривае­мостью. Однако к применяемым сварочным материалам предъяв­ляются повышенные требования: они должны обеспечивать аусте- нитную структуру в наплавленном металле и переходной зоне, особенно на поверхностях, контактирующих с агрессивными сре­дами. Наиболее простые, мобильные способы — газовая сварка чу­гунными прутками с содержанием 20—25% Ni и ручная дуговая сварка электродами на основе этих же чугунных прутков. Для исправления дефектов на нерабочих поверхностях и поверхност­ных неразъемных соединений можно применять электроды на ни­келевой, медно-никелевой, медно-стальной и железоникелевой ос­новах (МНЧ-2, ОЗЖН-1, ОЗЧ-2, ОЗЧ-З и др.).

Хромистые высоколегированные чугуны относятся к трудно - свариваемым чугунам. Их теплофизические и фпзико-механиче - ские свойства таковы, что практически их сварка возможна только с общим подогревом до температуры 600—700° С присадочными материалами, обеспечивающими в наплавленном металле содержа­ние 5—12% Сг и 2—4% Мо. На нерабочих поверхностях (не под­верженных интенсивному абразивному износу) может применяться ручная дуговая сварка теми же электродами и по той же техно­логии, что и для серых чугунов.