1.3 Особливості зварювання деталей з чавуну

1.3.1 Властивості чавунів

Чавуном називають сплав заліза з вуглецем, що містить від 2,14 до 6,7% вуглецю. Найчастіше застосовуються чавуни зі змістом від 2,6 до 3,6% вуглецю, до 5% кремнію і до 2% марганцю, далі йдуть домішки сірки і фосфору. У спеціальні чавуни вводять легуючі добавки: нікель, хром, молібден, ванадій, титан. У залежності від стану вуглецю і легуючих добавок у сплаві розрізняють білі, сірі, ковкі і високоміцні чавуни.

Білий чавун має в зламі білий чи ясно-сірий колір; вуглець у ньому знаходиться в хімічно зв'язаному стані у виді карбіду заліза — цементиту Fe3C. Цементит крихкий, має високу твердість (firmness) (800 НВ), тому і білий чавун має високу твердість і крихкість, не піддається механічній обробці й обмежено застосовується як конструкційний матеріал.

Сірий чавун (ДСТ 1412-79) має в зламі сріблистий колір, що пояснюється змістом частини вуглецю у виді пластинчастого графіту і частини вуглецю в хімічно зв'язаному стані у виді перліту.

Ковкий чавун одержують з білого спеціальною термічною обробкою для підвищення пластичних властивостей у порівнянні з властивостями сірого чавуна.

Високоміцний чавун (ДСТ 7293 - 79) містить графіт кулястої форми, одержуваний у результаті додавання в сплав деяких елементів (магній, церій і ін.) і продування через рідкий чавун азоту (azote).

Марки чавунів позначаються: СЧ 10 (сірий чавун з межею міцності при розтяганні 100 МПа і при вигині 280 МПа); КЧ 30 — 6 (ковкий чавун з межею міцності при розтяганні не менш 300 МПа і відносним подовженням не менш 6 %); ВЧ 38-17 (високоміцний чавун з межею міцності при розтяганні не менш 380 МПа і відносним подовженням не менш 17%).

Чавуни менш міцні і більш тендітні, чим стали, не дешевше сталей і краще відливаються у форми. Тому чавуни широко використовують для виготовлення литих виробів.

1.3.2 Зварюваність чавунів

Утруднення при зварюванні чавунів порозуміваються наступними їхніми властивостями.

1. Відсутність площадки плинності чавуна і низька пластичність приводять до появи тріщин при напругах, що досягає величини тимчасового опору розриву. Ці напруги можуть виникати при нерівномірному нагріванні й охолодженні під час чи виливка зварювання деталей і при експлуатації виробу. Тріщини можуть утворитися як в основному металі, так і в металі шва в процесі зварювання і при охолодженні звареного виробу.

2. Схильність чавуна при високих швидкостях охолодження гартуватися з утворенням тендітних структур мартенситу, бейнита і троостита. У загартованих ділянках чавун стає твердим (800 НВ) і не піддається механічній обробці. Гартівні структури шкідливі ще і тому, що їхнє утворення супроводжується появою внутрішніх напружень і утворенням далі тріщин.

3. Здатність чавуна до відбілювання при швидкому охолодженні  місця зварювання звичайно приводить до утворення тонкого вибіленого прошарку на границі звареного шва і металу виробу. Цей вибілений   прошарок   має   низьку   пластичність у порівнянні з іншими ділянками звареного з'єднання і під впливом сили, що розтягує, що утвориться при охолодженні звареного з'єднання, він разом з наплавленим  металом  відколюється від основного чи металу викликає   тріщину   по   границі   вибіленого прошарку з основним металом.

4. Чавуни  не  мають  тістоподібного стану    при    переході    від    рідкого до твердого. Це властивість чавуна утрудняє зварювання його в похилому і вертикальному  положеннях  і   не  дозволяє   вести зварювання в стельовому положенні.

5. Схильність до  утворення  пористості, що порозумівається низькою температурою   плавлення   чавунів   (Тпл   чавуна 1142 °С при змісті  вуглецю 4,3%; промислові   чавуни   звичайно   мають Тпл = 1200 1250 °С) і швидким переходом з рідкого у твердий стан його. Тому гази (в основному CО і  СО2, що утворяться при окисній атмосфері)   не   устигають   виділитися   з   металу.

6.  Різнорідність   чавунних   виробів по    хімічному   складі,    термічній обробці і структурі, що вимагає різноманітної технології і прийомів зварювання. Дрібнозернисті сірі чавуни зварюються    краще,    ніж    грубозернисті. Погано  зварюються  чорні  чавуни,  які в зламі мають грубозерниста будівля темного кольору. Такі чавуни називають графітними, тому що в них весь вуглець знаходиться у виді вільного графіту. При зварюванні чавуна з такою структурою не виходить необхідна якість звареного з'єднання.

Високоміцні і ковкі дрібнозернисті чавуни зварюються краще, ніж сірі.

1.3.3 Зварювання деталей з чавуну

З чавуну різних марок виготовляються блоки циліндрів, паливопроводи системи живлення, картери коробок передач, корпуси насосів, кронштейни і інші деталі. Зваркою і наплавленням в деталях цієї групи усувають такі дефекти як тріщини, облом, пробоїни. Трудність відновлення деталей з чавуну обумовлена його вибілюванням при нагріві і швидкому охолоджуванні, появою пор і тріщин, поганою зварною здатністю.

До технологічних заходів, направлених проти появи вибілювання і тріщин, можна віднести такі: правильний вибір способу зварки; попередження перегріву зони зварки; зниження внутрішньої напруги в металі деталі за рахунок зменшення об'єму наплавленого металу; вибір температурних режимів зварки і охолоджування; проковування швів в гарячому стані.

Зварка деталей з чавуну може проводитися без підігріву, з місцевим і із загальним підігрівом. Оптимальна температура попереднього підігріву деталей знаходиться в межах 600-650°С. Нагрівання вище 750°С призводить до необоротного зростання кристалів чавуну. При низьких температурах (менше 400°С) відбувається швидке охолоджування металу шва.

Для відновлення деталей з чавуну використовується газова і електродуга зварка плавким і неплавким електродом. Якість зварки регламентується показниками міцності і щільності (герметичності) зварних з’єднань.

Газова зварка деталей з чавуну проводиться ацетиленокисневим полум’ям з попереднім місцевим або загальним підігрівом. Зварка ведеться нейтральним або відновним полум’ям. Потужність пальника Q вибирається виходячи з товщини зварюваного матеріалу. Як присадний матеріал використовуються чавунні стрижні мазкий А і Б діаметром 4, 6 і 8 мм (ГОСТ 2671-70). Стрижні марки А застосовуються при зварці масивних деталей, а Б - дрібних. Видалення із зварювальної ванни оксидів здійснюється флюсами складу: технічна бура - 56%, вуглекислий натрій - 22%, вуглекислий калій 22%; газоподібним флюсом БМ-1; технічною бурою (ГОСТ 8469-69). При товщині матеріалу до 5 мм тріщини не обробляються. Поверхня в зоні тріщини очищається від масла, бруду і корозії.

Якщо товщина зварюваного матеріалу більше 5 мм, тріщини обробляються з кутом розкриття 90° і притупленням 3 мм.

При зварці деталей з чавуну як присадний матеріал можуть використовуватися дротики з латуні Л62 або стрижні марки НЧ-1 і НЧ-2. Потужність пальника при цьому приймається рівною Q = (60-75) h л/ч.

Для дротиків НЧ-1 застосовують флюс ФСЧ-1, для НЧ-2 - флюс ФСЧ-2, для латуні Л62 - суміш бури - 70%, хлористого натрію - 20%, борної кислоти - 10%.

Добрі результати при зварці латунню і стрижнями НЧ дає застосування пропан-бутан-кисневого полум’я.

Зварку рекомендується вести з можливо більшою швидкістю без затримки полум’я на одному місці і відведення його від шва. Пруток занурюють в зварювальну ванну тільки після нагріву його кінця до світло-червоного кольору, оскільки холодний пруток може викликати місцеве вибілювання чавуну.

Холодна електродугова зварка  деталей з чавуну проводиться на постійному струмі зворотної полярності, короткими ділянками, зворотно-ступінчастим методом. Деталь при зварці не повинна нагріватися більше 80-100°С.

При зварці товстостінних деталей (більше 10 мм) тріщини обробляють V-образним скосом, кінці тріщин насвердлюють свердлом діаметром 3- 6 мм. Після закінчення зварки шви проковують.

Для холодної зварки деталей з сірого чавуну застосовують електроди 03Ч-1, МНЧ-2, ЦЧ-4, УЗТМЧ-74, МСТ, ЦНІІВТ, біметалічні, пучок з міді і заліза, порошковий дріт ПП-4-1; для деталей з ковкого чавуну - латунь Л62, монель-метал, 034-1, ЛОК-59-1-03.

Найбільше розповсюдження для зварки чавунних деталей на ремонтних підприємствах отримали електроди 03Ч-1, МНЧ-2, ЦЧ-4.

Електроди 03Ч-1 і 03Ч-1П є мідним дротом з фтористо-кальцієвим покриттям, що містить залізний порошок. Метал шва містить 89% міді і 11% залоза. Електроди 03Ч-1 рекомендується застосовувати для зварки в нижньому, вертикальному і напівстельовому положеннях на постійному струмі зворотної полярності, електроди 03Ч-1П - на змінному і постійному струмі.

При підвищених вимогах до якості обробки і щільності зварного                з’єднання електроди 03Ч-1 рекомендується застосовувати в комбінації з електродами МНЧ-2 (перший шар - 03Ч-1; верхній шар МНЧ-2).

Електроди МНЧ-2 і МНЧ-2П є дротом із сплаву Нмжмц 28-2 (монель) або Мнмц - 40-1,5 (константан) з фтористо-кальцієвим покриттям. Електроди МНЧ-2 застосовують для зварки в нижньому, вертикальному і напівстельовому положеннях на постійному струмі зворотної полярності, а МНЧ-2П - на змінному і постійному струмі. Наплавлений метал від електродів МНЧ є залізо-нікель-мідним сплавом, твердість якого рівна 135 НВ, а перехідної зони - 160 НВ.

Електроди ЦЧ-4 є дротом Св-08 (Св-08А) з фтористо-кальцієвим покриттям, що містить ванадій (у металі до 9,5%).

Для напівавтоматичної зварки чавуну застосовується дріт діаметром 1- 1,2 мм марки МНЖКТ 5-1-02-02. Зварка ведеться в середовищі аргону марки А (ГОСТ 10157-62). Наплавлений метал піддається механічній обробці.