Основные аспекты свариваемости конструкционных чугунов (Обзор)

Рассматривается роль химического состава, структуры и механических свойств в чугунных отливках с позиции сварки. Названы главные факторы, определяющие значительные затруднения в получении плотнопрочных и легкообрабатываемых сварных соединений при сварке чугунных изделий без высокого предварительног...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Published in:	Автоматическая сварка
Date:	2006
Main Author:	Грецкий, Ю.Я.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2006
Subjects:	Научно-технический раздел
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/102797
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Основные аспекты свариваемости конструкционных чугунов (Обзор) / Ю.Я. Грецкий // Автоматическая сварка. — 2006. — № 9 (641). — С. 12-21. — Бібліогр.: 45 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1859645706858397696
author	Грецкий, Ю.Я.
author_facet	Грецкий, Ю.Я.
citation_txt	Основные аспекты свариваемости конструкционных чугунов (Обзор) / Ю.Я. Грецкий // Автоматическая сварка. — 2006. — № 9 (641). — С. 12-21. — Бібліогр.: 45 назв. — рос.
collection	DSpace DC
container_title	Автоматическая сварка
description	Рассматривается роль химического состава, структуры и механических свойств в чугунных отливках с позиции сварки. Названы главные факторы, определяющие значительные затруднения в получении плотнопрочных и легкообрабатываемых сварных соединений при сварке чугунных изделий без высокого предварительного подогрева и последующей термической обработки. Отмечено влияние графитной фазы и продуктов окисления металлической основы на принципиальную способность чугуна образовывать сварное соединение. Анализируются условия кристаллизации и формирования структуры в зоне сплавления. Обобщаются результаты исследований влияния термического цикла дуговой сварки на структуру и свойства чугунов в металле ЗТВ. Описаны представления о природе околошовных трещин и принципы предотвращения отрывов и микротрещин в металле ЗТВ. Приведены исходные положения для выбора состава наплавленного металла и соответствующих электродных материалов, меры снижения склонности металла шва на основе никеля к образованию пор. Определяется комплекс требований к качеству дуговой сварки чугунов, обобщаются металлургические и технологические меры обеспечения сплошности, герметичности, прочности и обрабатываемости сварных соединений. Features of the composition, structure and mechanical properties of cast irons in castings are considered from the view point of welding. The main factors are given, which determine considerable difficulties in making the composite and readily workable welded joints in welding cast iron products without high preheating or subsequent heat treatment. The influence of the graphite phase and metal base oxidation products on the basic possibility of cast iron to form a welded joint is considered. Conditions of solidification and structure formation in the fusion zone are analyzed. Results of studying the influence of the thermal cycle of arc welding on the structure and properties of cast irons in the HAZ metal are analyzed. The concepts of the nature of near-weld cracks are presented, the principles of prevention of tears and microcracks in the HAZ metal are set forth. The initial postulates for selection of the composition of the deposited metal and respective electrode consumables, and measures for lowering the susceptibility of nickel-based weld metal to pore formation are presented. A set of requirements to the quality of arc welding of cast irons is determined, and metallurgical and technological measures for ensuring the continuity, tightness, strength and treatability of welded joints are generalized.
first_indexed	2025-12-07T13:27:09Z
format	Article
fulltext	УДК 621.791:669.13 ОСНОВНЫЕ АСПЕКТЫ СВАРИВАЕМОСТИ КОНСТРУКЦИОННЫХ ЧУГУНОВ Ю. Я. ГРЕЦКИЙ, д-р техн. наук (Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины) Рассматривается роль химического состава, структуры и механических свойств в чугунных отливках с позиции сварки. Названы главные факторы, определяющие значительные затруднения в получении плотнопрочных и лег- кообрабатываемых сварных соединений при сварке чугунных изделий без высокого предварительного подогрева и последующей термической обработки. Отмечено влияние графитной фазы и продуктов окисления металлической основы на принципиальную способность чугуна образовывать сварное соединение. Анализируются условия кристаллизации и формирования структуры в зоне сплавления. Обобщаются результаты исследований влияния термического цикла дуговой сварки на структуру и свойства чугунов в металле ЗТВ. Описаны представления о природе околошовных трещин и принципы предотвращения отрывов и микротрещин в металле ЗТВ. Приведены исходные положения для выбора состава наплавленного металла и соответствующих электродных материалов, меры снижения склонности металла шва на основе никеля к образованию пор. Определяется комплекс требований к качеству дуговой сварки чугунов, обобщаются металлургические и технологические меры обеспечения сплошности, герметичности, прочности и обрабатываемости сварных соединений. К л ю ч е в ы е с л о в а : конструкционный чугун, химический состав, структура, механические свойства, свариваемость, дуговая сварка, сварное соединение, зона сплавления, зона термического влияния, металл шва, околошовные трещины, пористость, качество соединений, технология сварки Чугуны относят к числу трудносвариваемых кон- струкционных материалов из-за высокой склон- ности сварных соединений к образованию раз- личных дефектов, трудности получения плотных, равнопрочных основному металлу, а также, как легкообрабатываемых сварных соединений. Вмес- те с тем необходимость применения сварки чу- гунных отливок и деталей машин, постоянное по- вышение качества металла и соответственно ужесточение требований к сварным соединениям способствуют развитию работ в этом направлении [1–4]. Согласно стандарту ДСТУ 3761.1–98 [5] «ма- териал считается свариваемым до установленной степени при данном способе и для данной цели, если при соответствующей процедуре сварки дос- тигается сплошность металла, гарантирующая со- ответствие требованиям, предъявляемым к свар- ным соединениям как в отношении их собствен- ных свойств, так и в отношении их влияния на конструкцию, составной частью которой они яв- ляются». В связи с этим целью работы является обоб- щение сложившихся представлений о физико-ме- таллургических особенностях образования соеди- нений конструкционных чугунов и формирования их свойств, формулировка исходных положений по созданию и выбору рациональной технологии сварки. Склонность соединений чугунов к обра- зованию разного рода дефектов в наибольшей сте- пени проявляется в условиях дуговой сварки без подогрева или с невысоким местным подогревом, поэтому названные выше вопросы отнесены толь- ко к таким условиям. Оценка состава, структуры и механических свойств конструкционных чугунов с позиций сварки. Чугун — это поликомпонентный высо- коуглеродистый сплав железа, кристаллизующий- ся с образованием эвтектики, весьма чувствитель- ный к условиям охлаждения и подверженный об- разованию неравновесных структур, которые рез- ко повышают твердость, ухудшают обрабатыва- емость сварных соединений и снижают их тех- нологическую прочность [6–9]. Состав чугунов промышленных марок в машиностроительном литье отличается не только высоким содержанием углерода (2,5…3,8 %), но и достаточно большой концентрацией кремния (1,2…3,8 %), фосфора (до 0,3 %), серы (до 0,15 %). В тонкостенном литье специального назначения содержание фосфора может достигать 0,5…0,7 % [10]. Характерной осо- бенностью структуры конструкционных чугунов яв- ляется наличие графитных включений и большой доли эвтектической составляющей, в том числе и фосфидно-цементитной эвтектики (рис. 1). Особенность кристаллизации чугунов связана с существованием двух высокоуглеродистых фаз: графита (стабильная) и цементита (метастабиль- ная фаза). Непосредственное выделение графита из жидкого раствора вероятно только при очень медленном остывании расплава — до 0,5 °С/с [6]. Ясно, что условия сварки не способствуют фор- мированию аустенитно-графитной эвтектики. Эв- тектоидное, как и эвтектическое, превращение в чугунах, по стабильной системе осуществляется при таких малых скоростях охлаждения в интер- вале температур наименьшей устойчивости аус-© Ю. Я. Грецкий, 2006 12 9/2006 тенита, которые в реальных условиях сварки прак- тически недостижимы. С особенностью химического состава и нали- чием в структуре включений графита и фосфид- но-цементитной эвтектики связана характерная зависимость механических свойств во всем диа- пазоне температур термического цикла сварки [11]. На ветви нагрева (начиная с 400 °С) предел прочности резко снижается и уже к 700…800 °С составляет лишь 15…20 % исходного значения (рис. 2). Изначально низкое относительное удли- нение при температуре выше 900…950 °С прак- тически становится нулевым. Следовательно, нижняя граница ТИХ (950 °С) существенно ниже равновесного солидуса чугуна (1130 °С) и прак- тически совпадает с температурой плавления фос- фидно-цементитной эвтектики (954 °С). Рассматривая особенности чугуна как свари- ваемого материала, необходимо отметить его вы- сокую газонасыщенность. Из простых газов в чу- гунах чаще встречаются водород, кислород и азот, из сложных — различные их соединения CO, CO2, CmHn, нитриды [10]. В составе газовой фазы, вы- деляющейся из чугуна при его плавлении, наиболее высокое содержание водорода: 32 % Н2, 15 % N2, 28 % CO, 14 % CO2 и 11 % CH4 [12]. В серых чугунах водород концентрируется главным обра- зом в графитных включениях и его содержание возрастает с увеличением количества графита [13]. Остаточное содержание малодиффузионных форм водорода в доменных чугунах оценивается значением 30 см3/100 г и более, в серых чугунах ваграночной плавки 0,7…30 см3/100 г, в ковких после отжига 0,6…12 см3/100 г [10]. Концентра- ция кислорода в обычном сером чугуне не пре- вышает 0,01 %, концентрация азота оценивается значением 0,001…0,015 % (в большинстве случаев до 0,008). Принципиальная способность чугуна обра- зовывать сварное соединение. С этой точки зре- ния прежде всего следует выделить влияние гра- фитных включений [14, 15], представляющих со- Рис. 1. Микроструктура чугунов в отливках ( 250): а — серого перлитного с пластинчатым графитом; б — высокопрочного перлитного с шаровидным графитом; в — серого с фосфидно-цементитной эвтектикой Рис. 2. Характер изменения предела прочности (1) и относительного удлинения (2) чугунов в диапазоне температур процесса формирования металла ЗТВ серого с пластинчатым графитом (а) и высокопрочного с шаровидным графитом (б) 9/2006 13 бой, по сути, неплавящуюся составляющую струк- туры основного металла. В связи с очень высокой температурой полного разрушения решетки гра- фита (свыше 4000 °С) и устойчивостью в расплаве его комплексов крупные включения затрудняют проплавление основного металла дугой, а затем ухудшают смачивание оплавленной поверхности металлом сварочной ванны. В своей совокупности графитные включения создают реальный барьер между металлической основой оплавленного чу- гуна и жидким металлом ванны. Важным усло- вием качественного сплавления является интен- сивное очищение оплавленной поверхности от графитных включений путем растворения их ме- таллом ванны. Согласно теоретическим оценкам [16] на первоначальном этапе образования сое- динения чугуна во взаимодействии сварочной ван- ны с графитом у межфазной поверхности лими- тирующим звеном является дисперсность графит- ных включений. За реальное время взаимодейс- твия 1…2 с могут быть растворены все попада- ющие на межфазную поверхность тонкие графит- ные включения пластинчатой формы, свойствен- ные перлитным чугунам. Конструкционные чугуны имеют самую разно- образную структуру, отличаются размерами и ха- рактером распределения графита. Оценочные рас- четы показывают [16], что для универсальности создаваемый или рекомендуемый готовый элек- тродный материал должен обеспечивать значение предельной растворимости углерода сварочной ванной на уровне 3,5…4,5 %. В этом отношении предпочтительны электродные материалы на же- лезоникелевой и никелевой основе [15]. Дополнительно к графиту отрицательное вли- яние на свариваемость оказывают продукты сквоз- ного окисления чугуна в результате его длитель- ной эксплуатации в условиях высоких температур, особенно с частыми теплосменами и с доступом водяного пара. Основная их составляющая — сложное кремнеземсодержащее соединение фая- лит 2FeO⋅SiO2, которое не растворяется сварочной ванной [17]. На основании анализа тройных ок- сидных систем и диаграмм их плавкости [18] мож- но объяснить, почему для улучшения сплавления эффективно присутствие шлака, в составе кото- рого имеется оксид кальция. В результате взаи- модействия такого шлака с продуктами газовой коррозии, покрывающими оплавленную поверх- ность чугуна, в присутствии оксидов железа об- разуется тройная система CaO–FeO–SiO2, имею- щая эвтектику с температурой затвердевания 1030 °С ниже солидуса чугуна. Такая мера спо- собствует процессу очищения матрицы от тугоп- лавких включений фаялита. На этом основании рекомендовано и успешно проверено на практике [1, 17] применение электродных материалов с кар- бидно-флюоритной шлаковой защитой для дуго- вой сварки чугунных изделий после их длитель- ной высокотемпературной газовой коррозии. Особенности условий кристаллизации и формирования структуры металла в зоне сплавления. Зона сплавления состоит из участка частичного расплавления основного металла и участка переменного состава со стороны металла шва [19]. Исходя из этого можем условно считать, что в момент образования собственно соединения зона сплавления находится между изотермами со- лидуса основного металла и металла шва. Соот- ношение температур солидуса металла сварочной ванны и свариваемого материала может сущест- венным образом определять механизм формиро- вания соединения на первоначальных этапах. Сог- ласно сложившимся представлениям при квазис- тационарном процессе дуговой сварки от уста- новившейся границы раздела твердый — жидкий металл начинается затвердевание металла ванны, что справедливо, если температуры кристалли- зации основного металла и металла ванны прак- тически одинаковы. Однако в случае существен- ного превышения солидуса металла ванны над ликвидусом свариваемого металла возможно зат- вердевание первых слоев сварного шва при су- ществовании двухфазного участка околошовной зоны [20, 21]. Такая ситуация весьма вероятна при сварке чу- гунов стальными и железоникелевыми швами из- за существенной разницы температур затверде- вания (таблица). Справедливость этого утвержде- ния применительно к чугунам доказывается в ра- боте [22] с привлечением диаграммы состояния Fe–C. При сварке чугуна сталью в участке пере- менного состава резко снижается концентрация углерода и соответственно столь же резко повы- шается значение ликвидуса. В то же время ин- тервал кристаллизации жидкости расширяется, так как значение температуры затвердевания эв- тектики остается неизменным. В силу этого соз- даются условия для концентрационного переох- лаждения жидкости в зоне переменного состава на некотором удалении от границы раздела ос- новной металл–ванна. Здесь вероятно появление твердой фазы с одновременным возникновением прилегающих к ней со стороны основного металла микроучастков зоны сплавления, в которых зат- вердевание завершится с некоторым запаздыва- нием. Это отрицательно скажется на технологи- ческой прочности основного металла на участке частичного расплавления прежде всего по при- чине низкой его сопротивляемости нарастающим напряжениям в формирующемся соединении. При использовании высоконикелевых элект- родных материалов ситуация в зоне сплавления существенно меняется. Никель — сильный гра- фитизирующий элемент, повышающий темпера- туру стабильного эвтектического превращения в 14 9/2006 чугунах и одновременно снижающий температуру метастабильного превращения. В присутствии ни- келя уменьшается концентрация углерода в эв- тектике вплоть до 2,2 % в системе Ni–C. Коэф- фициент диффузии никеля в чугунах весьма высок и составляет 8,7⋅10–5 см2/с [23], по диффузионной подвижности в железоуглеродистых сплавах он почти идентичен углероду. Поэтому никель дос- таточно глубоко проникает в зону диффузионного перемешивания и тем глубже, чем выше градиент его концентрации. Обеспечивая состав металла шва на основе никеля, можно достичь высокую степень графитизации металла в зоне сплавления (рис. 3) и избежать образования участков замед- ленного затвердевания в околошовной зоне. Формирование структуры в металле ЗТВ. Исходя из общепринятого определения, следовало бы считать, что ЗТВ чугунов образуется в резуль- тате нагрева основного металла вплоть до тем- пературы плавления графитной или аустенитно- цементитной эвтектики (1130…1140 °С). В таком случае чугун в металле ЗТВ оставался бы только в твердом состоянии. Однако из-за наличия гра- фитных включений и рассеянных в металле мик- роучастков фосфидно-цементитной эвтектики в металле ЗТВ (на некотором удалении от видимой границы сплавления) фиксируются не только про- дукты анизотермического распада аустенита мат- рицы, но и закристаллизовавшиеся с отбелом мик- роучастки металла вокруг графитных включений, где происходило контактное плавление матрицы (рис. 4). Обнаруживаются также продукты про- цесса расплавления-кристаллизации включений фосфидно-цементитной эвтектики и сегрегации фосфора на границах зерен вокруг этих включе- ний. Фактически участок частичного расплавле- ния металла ЗТВ очерчивается изотермой 950 °С, соответствующей температуре плавления фосфид- но-цементитной эвтектики. В ИЭС им. Е. О. Патона изучены особенности анизотермического распада аустенита матрицы чугунов с пластинчатым и шаровидным графитом [24–27]. Имитировались условия нагрева и охлаж- дения образцов по термическому циклу одноп- роходной сварки тонких пластин без подогрева с помощью быстродействующего дилатометра конструкции ИЭС им. Е. О. Патона. Анализ пос- троенных термокинетических диаграмм (рис. 5) показал, что в диапазоне реальных скоростей ох- лаждения 2…50 °С/с при T < Ac3 распад аустенита в чугуне происходит в перлитной и мартенситной областях. Применительно к условиям сварки кри- тические скорости охлаждения в интервале наи- меньшей устойчивости аустенита имеют очень ма- лые значения — для серых чугунов 9…10, для высокопрочных 2…3 °С/с. Оценивая эти данные применительно к условиям сварки, можно конс- татировать, что формирование мартенсита в ме- талле ЗТВ неизбежно. Мартенситное превращение начинается при относительно низких температу- рах (190…220 °С) и не заканчивается с охлажде- нием до комнатной температуры. С повышением скоростей нагрева и охлаждения уменьшается Значения равновесного солидуса и ликвидуса конструкционных чугунов и металла однопроходного шва на железной и железоникелевой основе [22] Материал Среднее содержание, мас. % Температура, °С Fe C Si Ni Прочие солидус ликвидус Чугуны: СЧ 20 Основа 3,2 1,7 0,12 0,11 Cr 1125 1185 ВЧ 45-5 » » 3,1 1,8 0,40 0,07 Mg 1095 1170 Металл шва, сваренный электродом: УОНИИ-13/45 » » 1,2 0,7 — — 1365 1480 ЦЧ-4 » » 1,0 0,6 — 8 V 1345 1435 ОЗЖН-1 60 0,8 — 35 — 1240 1350 Castolin 2240 20 1,2 0,5 осн. — 1230 1295 Рис. 3. Микроструктура металла зоны сплавления без ледебу- рита в сварном соединении, выполненном высоконикелевым электродом без подогрева и последующей термообработки, 250 9/2006 15 полнота структурных изменений в металле ЗТВ, возрастает количество остаточного аустенита и снижается доля структурных составляющих, воз- никающих в результате контактного плавления матрицы у графитных включений [27]. В этом смысле увеличение жесткости термических цик- лов сварки следует рассматривать как положи- тельный фактор. Основными технологическими приемами для выполнения этого условия явля- ются концентрация энергии источника нагрева и снижение погонной энергии сварки за счет всех ее составляющих: тока сварки, напряжения дуги, коэффициента полезного действия и скорости сварки. Благодаря такому комплексу мер дости- гается также высокий градиент температур в око- лошовной зоне, что необходимо для уменьшения ширины ЗТВ. Природа и принципы предотвращения око- лошовных трещин. Следует различать трещины в металле зоны сплавления и ЗТВ. Первые, как правило, являются продольными и приводят к от- рывам (рис. 6). Вторые представляют собой мик- родефекты, имеющие разнообразную ориентацию. Отрывы обнаруживаются сразу после сварки в пе- риод выравнивания температуры в соединении. Их образование происходит без звукового эффек- та. Металлографические исследования соедине- ний с дефектами свидетельствуют, что макро- и микротрещины в зоне сплавления проходят по участкам с эвтектикой. Из рассмотрения особен- ностей образования соединений чугунов при более высоком значении температуры кристалли- зации металла сварочной ванны следует, что в зоне сплавления в этих условиях полное затвер- девание металла может завершаться в последнюю очередь [22]. Изучение температурной зависимос- ти характеристик прочности и пластичности кон- струкционных чугунов показало, что нижняя гра- Рис. 4. Типичная микроструктура ( 250) чугуна в ЗТВ с продуктами кристаллизации жидкой фазы после контактного плавления матрицы серого перлитного с пластинчатым (а), высокопрочного перлитного с шаровидным графитом (б) и высоколегированного аустенитного с графитными включениями компактной формы (в) Рис. 5. Термокинетические диаграммы превращения аустенита матрицы перлитных чугунов с пластинчатым (а) и шаровидным (б) графитом после нагрева до температуры 1100 °С 16 9/2006 ница ТИХ находится в районе 950 °С [27], что на 300…400 °С меньше солидуса металла свароч- ной ванны на железной и железоникелевой основе. Указанные факты позволяют отнести трещины в зоне сплавления к горячим. Экспериментальные данные о структуре, свойствах и характере раз- рушения позволили сформулировать представле- ние о природе трещин этого типа [28]. Зона сплав- ления в период формирования сварного соедине- ния оказывается участком с самой низкой проч- ностью. Нарастающие напряжения могут быстро исчерпать слабую деформационную способность металла зоны сплавления, который находится в ТИХ. Зарождение трещин облегчается наличием последних порций жидкой фазы. Из-за относи- тельно малого значения нижней границы ТИХ чу- гуна разрушение может развиваться и при под- солидусных температурах. Такая ситуация наи- более вероятна при высоких значениях погонной энергии, когда в деформационный процесс вов- лекаются значительные площади околошовного металла. Следовательно, для предотвращения отрывов шва необходимо обеспечить, по крайней мере, од- новременность двух процессов — выхода металла зоны сплавления в определенном сечении из сос- тояния с очень низкими его прочностными ха- рактеристиками и завершения кристаллизации ме- талла шва в этом же сечении. Серия эксперимен- тов с технологической пробой Лихайского уни- верситета дала представление об области опти- мальных значений погонной энергии сварки (0,5…0,8 МДж/м) [28, 29]. При сварке наиболее подверженных отрывам тонкостенных чугунных деталей (4…6 мм) это условие удовлетворяется лишь при механизированной сварке проволокой малого диаметра (до 1,2 мм) в узкую разделку. Таким образом, подходами, на которых дол- жны базироваться работы по созданию эфектив- ных технологических процессов, являются повы- шение температуры кристаллизации эвтектики в зоне переменного состава (за счет диффузионного проникновения никеля и снижения солидуса ме- талла сварочной ванны). Склонность чугунов к образованию трещин в металле ЗТВ зависит от исходной структуры мат- рицы, формы графитной фазы и строения эвтек- тики. Это исключает возможность описания при- роды трещин в металле ЗТВ по единому меха- низму, относя их, например, к горячим или хо- лодным. Очагами разрушения являются границы зерен между вершинами близкорасположенных пластин графита и в местах скопления графитных глобулей, эвтектические розетки, участки с меж- дендритным графитом, включения фосфидно-це- ментитной эвтектики (рис. 7). Из-за неоднород- ности структуры механизмы образования трещин отличаются на различных микроучастках. Вместе с тем главный из них, связанный с особенностями состава и структуры чугуна данного типа, опре- деляет процесс зарождения и развития локального разрушения. В серых чугунах пластинчатые включения вы- полняют роль концентраторов напряжений. Если около их вершин исчерпывается деформационная способность металлической основы, в погранич- ных микроучастках начинается образование тре- щины. Шаровидный графит не оказывает столь сильного ослабляющего действия, поэтому глав- ный механизм разрушения высокопрочных чугу- нов иной. К описанию природы трещин в металле ЗТВ в общем применимы сложившиеся воззрения на процесс замедленного разрушения закаливаю- щихся сталей, только в чугунах с шаровидным графитом разрушение наступает значительно раньше. Оно может случиться еще в период вы- равнивания температуры в сварном соединении. Аустенитным чугунам также присуще межкрис- таллитное разрушение, природа которого связана в основном с сегрегацией вредных примесей. Чем позже начинает деформироваться металл в ЗТВ при остывании сварного соединения, тем меньше вероятность образования очагов разруше- ния и развития трещин. Снижение температуры плавления металла шва — эффективная мера уменьшения как темпа нарастания напряжений, так и их уровня. В этом отношении очевидно пре- имущество аустенитного высоконикелевого ме- талла шва по сравнению с ферритным. Исходные положения по выбору основы сос- тава металла шва. Исходя из приведенных выше принципов управления структурой и свойствами металла околошовной зоны и мер предотвращения в нем трещин, радикальное решение проблемы получения высококачественных соединений при дуговой сварке без общего высокого предвари- тельного нагрева изделий должно базироваться на создании и применении электродных материалов на основе никеля. Содержание никеля в одноп- Рис. 6. Фрагмент микроструктуры зоны сплавления сварного соединения серого чугуна с продольной трещиной (отрывом), 150 9/2006 17 роходных швах на тонкостенных изделиях или в многослойных швах при сварке массивных отли- вок должно быть не ниже 50 % [30]. При этом для снижения температуры плавления сварочных материалов целесообразно дополнительное их ле- гирование марганцем и медью. Без специального модифицирования графитная фаза в швах на никелево-железной основе сос- редотачивается на границах зерен в виде тонких прослоек, снижая пластичность металла шва. Эф- фективное модифицирование обеспечивается вве- дением редкоземельных элементов. Остаточное содержание РЗМ 0,05…0,12 % является оптималь- ным — обеспечивается равномерное распределе- ние графитных включений, которые при этом име- ют вид только точечных и шаровидных [31]. Ме- талл шва с такой формой графита не подвержен образованию горячих трещин. Выбор электродных материалов на никелевой основе зависит от уровня прочности свариваемого чугуна. Для изделий из сравнительно низкопроч- ных серых чугунов, особенно тонкостенных, более пригодны никелевые электроды и проволоки (до 98 % Ni). При их использовании металл шва дос- таточно прочен (σв = 250…300 МПа) при хороших показателях его пластичности (δ = 25…30 %) и твердости (НВ 160…180) и легко проковывается. Для чугунов повышенной и высокой прочности (σв ≤ 500 МПа) и их сочетаний со сталью в боль- шей степени подходят электродные материалы на никелево-железной основе (50…70 % Ni). В этом случае обеспечивается прочность металла шва на уровне 350…500 МПа при приемлемых значениях относительного удлинения (15…20 %) и твердос- ти (до НВ 210 МПа). Такой металл поддается про- ковке, необходимой для снижения уровня оста- точных напряжений. Предотвращение пористости в высоконике- левых швах и зоне сплавления. Высокая газо- насыщенность чугунов, скачкообразное уменьше- ние растворимости водорода и других простых газов при затвердевании металла, протекание ме- таллургических реакций с обильным выделением оксидов углерода и паров воды, малая продол- жительность существования сварочной ванны — факторы, способствующие нарушению плотности металла шва и зоны сплавления сварных соеди- нений чугунов. Подробно их роль рассматрива- ется в работе [32]. Известна высокая склонность швов на нике- левой основе к образованию пор [33, 34]. Для их предотвращения при сварке чугуна необходимо ослабление вредного влияния реакции восстанов- ления оксида никеля водородом с образованием Н2О в период кристаллизации сварочной ванны. Полезное металлургическое воздействие на рас- плавленный металл обеспечивается при введении в сварочную ванну сильных раскислителей (рис. 8) — алюминия, титана и особенно РЗМ, которые во всем диапазоне температур сварочного процесса имеют большее сродство к кислороду, чем остальные компоненты расплава [35, 36]. К тому же в этих условиях оксиды названных эле- ментов не являются газообразными соединения- ми. Введение в электродную проволоку на нике- левой основе в определенных количествах РЗМ позволяет даже отказаться от защитного газа, вы- полняя сварку открытой дугой швов на тонкос- тенных чугунных деталях за один проход или в несколько проходов на массивных отливках при узкой разделке кромок [37]. Рис. 7. Микроструктура соединений ( 150) чугунов в металле ЗТВ с очагами разрушения а–в — границы зерен между графитными включениями соответственно в серых, высокопрочных и аустенитных чугунах (показано стрелками); г — эвтектические розетки; д — междендритный графит; е — фосфидно-цементитная эвтектика 18 9/2006 Комплекс мер обеспечения качества соеди- нений при дуговой сварке без предваритель- ного подогрева и последующей термической об- работки. Высокое качество сварных соединений конструкционных чугунов возможно при выпол- нении следующих условий: предел прочности соединений при испытании на растяжение должен быть не ниже 80% задан- ного минимального предела прочности сварива- емого чугуна [38]; соединения, выполненные с жестким закреп- лением элементов или непосредственно на кор- пусной детали, должны быть непроницаемыми при их испытании керосиновой пробой или гид- равлическим давлением соответственно назначе- нию изделия; обработка соединений режущим инструментом не должна вызывать существенных затруднений. При дуговой сварке без высокого предвари- тельного подогрева изделия и последующей тер- мической обработки названный комплекс условий достижим только путем использования высоко- никелевых электродных материалов, осуществляя сварку на предельно низких режимах и не до- пуская даже локальных разрушений в зоне сплав- ления. Решая в основном металлургические воп- росы, способ ручной сварки высоконикелевыми штучными электродами исчерпал свои возмож- ности для снижения тепловложения и уменьшения объемов металла шва. Что касается нежелатель- ного высокого уровня погонной энергии сварки (3,2…3,8 МДж/м), то этот недостаток частично компенсируют путем особой техники выполнения протяженных швов, которую можно отождествить с осуществлением множества коротких прихваток с немедленной последующей их проковкой. В от- ношении радикального (в 4…5 раз) снижения по- гонной энергии очевидны преимущества механи- зированной сварки тонкой проволокой. Рис. 8. Изменение энергии Гиббса с температурой для основ- ных элементов состава сварочной ванны при сварке чугуна электродными материалами на основе никеля Рис. 9. Меры повышения качества и производительности дуговой сварки чугунных изделий без высокого предварительного подогрева и последующей термообработки по сравнению с ручной сваркой покрытыми электродами на основе цветных металлов 9/2006 19 Обобщая изложенные выше основные положе- ния, вытекающие из них практические рекомен- дации и накопленный опыт [38–40], комплекс мер обеспечения указанного выше сложного уровня требований к качеству соединений можно пред- ставить схемой, приведенной на рис. 9. Метал- лургические меры обеспечиваются в основном путем выбора состава электродного материала, технологические — выбором оптимальных пара- метров режима сварки и специальной подготовкой к сварке мест повреждения. В настоящее время способом дуговой сварки без подогрева или с не- высоким (до 200 °С) местным подогревом, во многом отвечающим позициям приведенной схе- мы, является механизированная сварка высокони- келевой тонкой проволокой в защитном газе или открытой дугой. Для этой цели Институт элект- росварки им. Е. О. Патона разработал проволоку марки ПАНЧ-11 ТУ 48-21-593–77 сплошного се- чения из никелевого сплава специального состава [41, 42]. Соотношение содержания никеля и ле- гирующих добавок обеспечивает пониженную температуру плавления электродной проволоки, высокую стойкость швов против горячих трещин и достаточную степень графитизации наплавлен- ного металла. Введение в состав сплава оптималь- ного количества РЗМ гарантирует высокую устойчивость горения дуги и позволяет выполнять сварку без использования защитного газа. Широкое внедрение в промышленность способа механизи- рованной сварки чугуна открытой дугой, без по- догрева и без последующей термической обработки позволило радикально решить проблему качествен- ного массового ремонта корпусных чугунных де- талей машин и механизмов во всех республиках бывшего Советского Союза [37, 43–45]. 1. Стеренбоген Ю. А., Хорунов В. Ф., Грецкий Ю. Я. Сварка и наплавка чугуна. — Киев: Наук. думка, 1966. — 215 с. 2. Иванов Б. Г., Журавицкий Ю. И., Левченков В. И. Сварка и резка чугуна. — М.: Машиностроение, 1977. — 208 с. 3. Cottrell C. L. M. Welding cast irons. — Abington, Cambrid- ge, The Welding Inst., 1985. — 22 p. 4. American Welding Society: welding of cast iron / A selection of papers. — Miami, Florida: AWS, 1985. — 358 p. 5. ДСТУ 3761.–98. Зварювання та споріднені процеси. — Ч. 1. Зварність. Визначення. — К.: Держстандарт Ук- раїни, 1999. — С. 5–10. 6. Богачев И. Н. Металлография чугуна. — Свердловск: Металлургиздат, 1962. — 392 с. 7. Гиршович Н. Г. Кристаллизация и свойства чугуна в от- ливках. — М.; Л.: Машиностроение, 1966. — 562 с. 8. Бунин К. П., Малиночка Я.Н., Таран Ю. Н. Основы ме- таллографии чугуна. — М.: Металлургия, 1969. — 416 с. 9. Металлография сварных соединений чугуна / В. Ф. Гра- бин, Ю. Я. Грецкий, Г. М. Крошина и др. — Киев: Наук. думка, 1987. — 192 с. 10. Справочник по чугунному литью / Под ред. Н. Г. Гиршо- вича. — Л.: Машиностроение, 1978. — 758 с. 11. Грецкий Ю. Я., Крошина Г. М., Шекера В. М. Механи- ческие свойства околошовной зоны после сварки конс- трукционных чугунов // Автомат. сварка. — 1980. — № 1. — С. 71–72. 12. Елистратов П. С. Сварочные свойства чугуна. — М.: Машгиз, 1959. — 148 с. 13. Леви Л. И., Александрова А. Н. Склонность чугунов к поглощению и выделению водорода // Основы образова- ния литейных сплавов: Тр. XIV совещ. по теории литей- ных процессов. — М.: Наука, 1970. — С. 213–216. 14. Грецкий Ю. Я. Образование соединения при дуговой сварке конструкционных чугунов. Сообщ. I. Роль гра- фитной фазы основного металла // Автомат. сварка. — 1980. — № 6. — С. 1–4. 15. Грецкий Ю. Я. Образование соединения при дуговой сварке конструкционных чугунов. Сообщ. II. Условия качественного сплавления // Там же. — 1980. — № 8. — С. 27–29. 16. Грецкий Ю. Я., Демченко В. Ф. Взаимодействие металла сварочной ванны с графитом у границы сплавления при дуговой сварке чугунов // Там же. — 1986. — № 5. — С. 30–32. 17. Грецкий Ю. Я., Стеренбоген Ю. А. Свариваемость чугу- на после высокотемпературной газовой коррозии // Там же. — 1967. — № 9. — С. 35–38. 18. Вольский А. Н., Сергиевская Е. М. Теория металлурги- ческих процессов. — М.: Металлургия, 1968. — 344 с. 19. Петров Г. Л. Сварочные материалы. — Л.: Машиност- роение, 1972. — 280 с. 20. Никитин В. М. Особенности кристаллизации металла шва при сварке плавлением разнородных материалов // Свароч. пр-во. — 1973. — № 5. — С. 53–54. 21. Макаров Э. Л. Холодные трещины при сварке легиро- ванных сталей. — М.: Машиностроение, 1981. — 247 с. 22. Грецкий Ю. Я. Влияние состава сварочной ванны на ус- ловия кристаллизации металла у границы сплавления при дуговой сварке чугуна // Автомат. сварка. — 1980. — № 12. — С. 18’23. 23. Эллиот Д. Ф., Глейзер М., Рамакришна В. Термохимия сталеплавильных процессов. — М.: Металлургия, 1969. — 252 с. 24. Грецкий Ю. Я., Васильев В. Г., Крошина Г. М. Формиро- вание структуры околошовной зоны при сварке серого перлитного чугуна // Автомат. сварка. — 1979. — № 12. — С. 22–25. 25. Грецкий Ю. Я., Крошина Г. М., Васильев В. Г. Влияние термического цикла дуговой сварки на структуру и ме- ханические свойства высокопрочных чугунов // Там же. — 1981. — № 6. — С. 9–12. 26. Влияние термического цикла сварки на структуру и ме- ханические свойства низколегированного высокопроч- ного ферритного чугуна / Ю. Я. Грецкий, Г. М. Кроши- на, В. Г. Васильев и др. // Там же. — 1988. — № 8. — С. 6–8, 18. 27. Грецкий Ю. Я., Новикова Д. П., Крошина Г. М. Проч- ность и пластичность перлитных чугунов при температу- рах, характерных для ЗТВ при сварке // Там же. — 1986. — № 3. — С. 15–17, 20. 28. Грецкий Ю. Я. Механизм образования трещин в зоне сплавления при сварке чугуна сталью и железоникелевы- ми сплавами // Там же. — 1981. — № 4. — С. 19–22. 29. Грецкий Ю. Я., Новикова Д. П., Крошина Г. М. Влияние термического цикла на стойкость чугунов против обра- зования трещин при сварке без подогрева // Там же. — 1986. — № 4. — С. 1–4, 13. 30. Грецкий Ю. Я., Тихоновская Л. Д. Выбор рационального содержания никеля в швах сварных соединений чугуна // Там же. — 1979. — № 7. — С. 35–38. 31. Грецкий Ю. Я., Тихоновская Л. Д. Модифицирование ме- талла высокоуглеродистых железоникелевых швов свар- ных соединений чугуна // Там же. — 1980. — № 3. — С. 16–18. 32. Грецкий Ю. Я., Борисов А. И. Металлургические особен- ности дуговой сварки конструкционных чугунов // Там же. — 1991. — № 5. — С. 7–13. 33. Медовар Б. И., Латаш Ю. В. Влияние водорода и кис- лорода на образование пор при сварке стабильноаусте- нитных сталей и никеля // Там же. — 1974. — № 10. — С. 5–6. 20 9/2006 34. Багрянский К. В., Кузьмин Г. С. Сварка никеля и его сплавов. — М.: Машгиз, 1963. — 164 с. 35. Аверин В. В., Лопухов Г. А. Направления исследований в металлургии. — М.: ВИНИТИ, 1981. — С. 6–98. — (Ито- ги науки и техники. Сер. Теория металлургических про- цессов; Т. 4). 36. Даркен Л. С., Гурри Р. В. Физическая химия металлов. — М.: Металлургиздат, 1960. — 584 с. 37. Грецкий Ю. Я. Механизированная сварка чугуна самоза- щитной проволокой ПАНЧ-11 без подогрева // Свароч. пр-во. — 1976. — № 11. — С. 12–13. 38. Guide for welding iron castings: An American National Standard ANSI / AWS D11.2-89. — Miami, Florida: AWS, 1989. — 110 p. 39. Аснис А. Е., Грецкий Ю. Я. Состояние и перспективы сварки чугуна // Автомат. сварка. — 1978. — № 8. — С. 39–42. 40. Грецкий Ю. Я. Исходные положения при разработке вы- сокоэффективной технологии дуговой сварки чугуна без подогрева // Там же. — 1978. — № 11. — С. 41–45. 41. А. с. 492394 СССР. Сварочная проволока / А. Е. Аснис, Ю. Я. Грецкий, Е. П. Кузнецов и др. — Опубл. 1975, Бюл. № 43; (пат. 390253 США, опубл. 30.09.1975; пат. 742635 Франция, опубл. 18.12.1975; пат. 2434122 ФРГ, опубл. 12.04.1976; пат. 893724 Япония, опубл. 27.08.1977). 42. Аснис А. Е., Грецкий Ю. Я., Мельниченко И. М. Самоза- щитная проволока ПАНЧ-11 для механизированной сварки чугуна // Автомат. сварка. — 1976. — № 2. — С. 69. 43. Грецкий Ю. Я., Демченко Ю. В. Восстановление чугун- ных базисных деталей двигателей механизированной сваркой проволокой ПАНЧ-11 // Сварщик. — 1998. — № 4. — С. 11. 44. Грецкий Ю. Я., Демченко Ю. В. Восстановление чугун- ных деталей механизированной сваркой проволокой ПАНЧ-11 // Тяж. машиностроение. — 2000. — № 2. — С. 23–24. 45. Грецкий Ю. Я. Современные возможности для качест- венного восстановления сваркой литых чугунных и стальных деталей железнодорожного транспорта // Залізн. транспорт України. — 2005. — № 3. — С. 285– 288. Features of the composition, structure and mechanical properties of cast irons in castings are considered from the view point of welding. The main factors are given, which determine considerable difficulties in making the composite and readily workable welded joints in welding cast iron products without high preheating or subsequent heat treatment. The influence of the graphite phase and metal base oxidation products on the basic possibility of cast iron to form a welded joint is considered. Conditions of solidification and structure formation in the fusion zone are analyzed. Results of studying the influence of the thermal cycle of arc welding on the structure and properties of cast irons in the HAZ metal are analyzed. The concepts of the nature of near-weld cracks are presented, the principles of prevention of tears and microcracks in the HAZ metal are set forth. The initial postulates for selection of the composition of the deposited metal and respective electrode consumables, and measures for lowering the susceptibility of nickel-based weld metal to pore formation are presented. A set of requirements to the quality of arc welding of cast irons is determined, and metallurgical and technological measures for ensuring the continuity, tightness, strength and treatability of welded joints are generalized. Поступила в редакцию 09.02.2006 СВАРКА И РЕМОНТ МЕДНЫХ КРИСТАЛЛИЗАТОРОВ В ИЭС им. Е. О. Патона НАН Украины разработаны высокоэффективные технологические процессы автоматизированной, механизированной и ручной сварок меди больших (свыше 25 мм) и средних (10…25 мм) толщин для изготовления и ремонта кристаллизаторов печей электрош- лакового и вакуумно-дугового переплавов. В зависимости от свариваемой толщины металла и конструктивных особенностей кристаллизаторов применяются следующие способы сварки: автоматизированная: под слоем флюса, плазмен- но-дуговая, плавящимся электродом в среде защитных газов; механизированная: плавящимся электродом в среде защитных газов; ручная: неплавящимся электродом в среде защитных газов, покрытыми электродами. Для обеспечения требуемого качества швов, ваку- умной плотности, высоких тепло- и электропроводности созданы специальные сварочные материалы (флюсы, электродные и присадочные проволоки, покрытые электроды и др.). Применение оптимальных режимов и специальных методов выполнения процессов обеспечивает однопроходную сварку меди указанных толщин без предварительного и сопутствующего подог- ревов (плазменно-дуговая сварка и сварка под флюсом) или с невысоким подогревом (многоп- роходная сварка в среде защитных газов и сварка покрытыми электродами). Контакты: Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко, 11, ИЭС им. Е. О. Патона НАНУ, Тел.: (044) 287 24 66 9/2006 21
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-102797
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	0005-111X
language	Russian
last_indexed	2025-12-07T13:27:09Z
publishDate	2006
publisher	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
record_format	dspace
spelling	Грецкий, Ю.Я. 2016-06-12T15:31:52Z 2016-06-12T15:31:52Z 2006 Основные аспекты свариваемости конструкционных чугунов (Обзор) / Ю.Я. Грецкий // Автоматическая сварка. — 2006. — № 9 (641). — С. 12-21. — Бібліогр.: 45 назв. — рос. 0005-111X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/102797 621.791:669.13 Рассматривается роль химического состава, структуры и механических свойств в чугунных отливках с позиции сварки. Названы главные факторы, определяющие значительные затруднения в получении плотнопрочных и легкообрабатываемых сварных соединений при сварке чугунных изделий без высокого предварительного подогрева и последующей термической обработки. Отмечено влияние графитной фазы и продуктов окисления металлической основы на принципиальную способность чугуна образовывать сварное соединение. Анализируются условия кристаллизации и формирования структуры в зоне сплавления. Обобщаются результаты исследований влияния термического цикла дуговой сварки на структуру и свойства чугунов в металле ЗТВ. Описаны представления о природе околошовных трещин и принципы предотвращения отрывов и микротрещин в металле ЗТВ. Приведены исходные положения для выбора состава наплавленного металла и соответствующих электродных материалов, меры снижения склонности металла шва на основе никеля к образованию пор. Определяется комплекс требований к качеству дуговой сварки чугунов, обобщаются металлургические и технологические меры обеспечения сплошности, герметичности, прочности и обрабатываемости сварных соединений. Features of the composition, structure and mechanical properties of cast irons in castings are considered from the view point of welding. The main factors are given, which determine considerable difficulties in making the composite and readily workable welded joints in welding cast iron products without high preheating or subsequent heat treatment. The influence of the graphite phase and metal base oxidation products on the basic possibility of cast iron to form a welded joint is considered. Conditions of solidification and structure formation in the fusion zone are analyzed. Results of studying the influence of the thermal cycle of arc welding on the structure and properties of cast irons in the HAZ metal are analyzed. The concepts of the nature of near-weld cracks are presented, the principles of prevention of tears and microcracks in the HAZ metal are set forth. The initial postulates for selection of the composition of the deposited metal and respective electrode consumables, and measures for lowering the susceptibility of nickel-based weld metal to pore formation are presented. A set of requirements to the quality of arc welding of cast irons is determined, and metallurgical and technological measures for ensuring the continuity, tightness, strength and treatability of welded joints are generalized. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Автоматическая сварка Научно-технический раздел Основные аспекты свариваемости конструкционных чугунов (Обзор) Main aspects of weldability of structural cast irons (Review) Article published earlier
spellingShingle	Основные аспекты свариваемости конструкционных чугунов (Обзор) Грецкий, Ю.Я. Научно-технический раздел
title	Основные аспекты свариваемости конструкционных чугунов (Обзор)
title_alt	Main aspects of weldability of structural cast irons (Review)
title_full	Основные аспекты свариваемости конструкционных чугунов (Обзор)
title_fullStr	Основные аспекты свариваемости конструкционных чугунов (Обзор)
title_full_unstemmed	Основные аспекты свариваемости конструкционных чугунов (Обзор)
title_short	Основные аспекты свариваемости конструкционных чугунов (Обзор)
title_sort	основные аспекты свариваемости конструкционных чугунов (обзор)
topic	Научно-технический раздел
topic_facet	Научно-технический раздел
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/102797
work_keys_str_mv	AT greckiiûâ osnovnyeaspektysvarivaemostikonstrukcionnyhčugunovobzor AT greckiiûâ mainaspectsofweldabilityofstructuralcastironsreview

Основные аспекты свариваемости конструкционных чугунов (Обзор)

Institution

Similar Items