Технология сварки ковких, высокопрочных и легированных чугунов

Состав и свойства

Классификация по составу и свойствам

Ковкие чугуны (КЧ), которые получают в результате отжига белого чугуна, характеризуются повышенной прочностью, пластичностью и ударной вязкостью вследствие образования при отжиге хлопьевидного графита. Основные преимущества КЧ заключаются в однородности их свойств по сечению, практическом отсутствии напряжений в отливках, высоких механических свойствах и хорошей обрабатываемости.

Отличительной особенностью высокопрочных чугунов с шаровидным графитом (ЧШГ) являются еще более высокие прочностные свойства, обусловленные сферической формой графита, при которой в меньшей степени, чем при других формах графита, ослабляется рабочее сечение матрицы и гораздо ниже концентрация напряжений у графитовых включений.

Легированные чугуны обладают специальными свойствами, обеспечивающими длительную и надежную работу отливок в разнообразных условиях эксплуатации.

Ковкие чугуны (ГОСТ 1215—79) получают ферритными или перлитными. Содержание основных элементов в КЧ составляет, %: С 2,3—3,0; Si 0,9—1,6; Мn 0,3—0,6 (при ферритной матрице) и до 1,2 (при перлитной матрице). Снижение содержания углерода в указанных пределах увеличивает прочность КЧ благодаря уменьшению количества и размеров графита, а также улучшению его формы. Фосфора и серы в КЧ меньше, чем в сером чугуне.

Чугуны с шаровидным графитом (ГОСТ 7293—85) различают на ферритные, перлитно-ферритные, перлитные и бейнитные. Содержание основных элементов в ЧШГ составляет, %: С 3,2—3,8; Si 1,9—2,9 (в бейнитных— 3,4—3,6); Мn 0,4—0,9; Cr≤0,1. Примеси достигают, %: S≤0,02; Р≤0,1, т. е. значительно ниже, чем в сером чугуне. Содержание магния — сферо-идизатора графита — колеблется от 0,03 до 0,08%.

Легированные хромовые чугуны подразделяются на жаростойкие, коррозионностойкие и износостойкие и содержат до 36 % Сг; с увеличением хрома содержание С, Si, Мn уменьшается. Никелевые имеют в своем составе до 21 % Ni, кремнистые — до 18% Si, марганцевые — до 12% Мn, высоколегированные алюминиевые — до 31 % Аl. Практически все легированные чугуны могут иметь как пластинчатую, так и шаровидную форму графита.

Основные марки, структура и свойства

Ковкий чугун маркируют буквами КЧ и цифровыми обозначениями в зависимости от механических свойств. Первые две цифры соответствуют временному сопротивлению, вторые — относительному удлинению (ферритные — от КЧ 30-6 до КЧ 37-12, перлитные —от КЧ 45-6 до КЧ 63-2). Ферритные КЧ имеют более высокую пластичность, а высокая твердость перлитного чугуна обеспечивает лучшую стойкость против износа КЧ с зернистым перлитом используют для изготовления отливок, подверженных знакопеременным (в том числе, ударным) нагрузкам при эксплуатации.

Аналогично ковким маркируются высокопрочные чугуны с шаровидным графитом: ферритные (ВЧ 38-7 и ВЧ 42-12), перлитно-ферритные (ВЧ 45-5 и ВЧ 50-2), перлитные (от ВЧ 60-2 до ВЧ 80-3), бейнитные (ВЧ 100-4 и ВЧ 120-4). ЧШГ обладают комплексом ценных свойств, значительно превосходящих те же характеристики серого чугуна: износостойкостью, жаростойкостью, коррозионной стойкостью и др. Многие свойства дополнительно повышаются в результате рационального легирования и термической обработки.

Промежуточными по свойствам между КЧ и ЧШГ являются чугуны с вермикулярным графитом, обозначаемые ЧВГ.

Обозначение легированных чугунов разнообразное. Согласно ГОСТ 7769—82 и 11849—76 жаростойкие хромовые чугуны обозначают ЖЧХ, а коррозионностойкие — ЧХ, после чего ставят цифры, указывающие содержание Сr. Износостойкие чугуны обозначают ИЧХ и далее цифры содержания Сr и других элементов (как при обозначении сталей, например, ИЧХ13ГЭМ). Пример обозначения никелевого чугуна: ЧН15Д7Х2. Если графит имеет шаровидную форму, добавляется буква Ш. Аналогично обозначение кремнистых чугунов, обладающих окалино-, росто- и коррозионно-стойкостью (ЖЧС5, ЖЧЮ7Х2, ЧС15М4); алюминиевых жаропрочных (ЖЧЮ7Х2) и марганцевых износостойких чугунов (ИЧХ4Г7Д).

Характерными структурными составляющими матрицы легированных чугунов являются: феррит, перлит, аустенит, карбиды. Условие образования аустенита в никелевом чугуне (содержащем 2,3—3,6% С и до 2% Si): Ni+2,5 Mn + Cu≥18.

Свариваемость чугунов

Склонность к образованию трещин

Склонность сварных соединений к образованию трещин в ЗТВ (зона термического влияния) у ЧШГ значительно выше по сравнению с обычными серыми чугунами при одинаковых содержаниях С, Si и Мn. В то же время требование высокой прочности, предъявляемое к сварным соединениям ЧШГ, является одним из основных при изготовлении и ремонте деталей. Только выполнение сварки с высоким предварительным подогревом всей детали или местным, если позволяет конструкция, способствует исключению трещин, а получение наплавленного металла в виде ЧШГ дает полную равнопрочность сварных соединений с основным металлом.

Свариваемость легированных чугунов (в первую очередь, стойкость против образования трещин) ухудшается с ростом содержания легирующих элементов. Особенно свойственно это хромовым, кремнистым и марганцевым чугунам вследствие увеличения в их структуре количества карбидов Сr, Si, Мn. Исключение составляют чугуны с аустенитной основой: никелевые, марганцевые и более сложного состава, которые обладают удовлетворительной свариваемостью. С другой стороны, высоконикелевые чугуны, хорошо противостоящие появлению холодных трещин, склонны к образованию горячих трещин (ГТ) из-за эвтектик, образующихся в шве и ЗТВ сварного соединения.

Влияние химического состава и структуры

Термический цикл, которому повергаются КЧ и ЧШГ в процессе сварки плавлением, ухудшает механические свойства основного металла в ЗТВ. Это происходит из-за наличия структурно-свободного углерода, который при высоких температурах интенсивно растворяется в аустенитной матрице. Вследствие протекающей диффузии углерода от хлопьевидных или шаровидных включений графита в аустенитную матрицу понижается температура плавления матрицы в приграничных микрообъемах и происходит ее расплавление в зонах вокруг графитных включений. В условиях последующего быстрого охлаждения эта фаза, обогащенная углеродом, затвердевает с образованием ледебурита. Присутствие в ЗТВ игл первичного цементита, ледебурита и мартенсита охрупчивает металл околошовной зоны и облегчает появление трещин.

Увеличение содержания углерода в КЧ и ЧШГ способствует более полной графитизации металла шва и ЗТВ, снижению твердости соединения и уменьшению опасности образования трещин.

Модифицирующие элементы (Mg, РЗМ, Y и др.), глобуляризирующие графитную фазу в ЧШГ, одновременно способствуют переохлаждению и кристаллизации с образованием цементита и ледебурита. Поскольку в условиях сварки это явление усиливается, всегда существует опасность образования оторочки вокруг шва, содержащей в структуре карбиды и мартенсит и вызывающей появление трещин.

Сера и фосфор снижают механические свойства сварных соединений из-за образования в металле шва участков, обогащенных сернистыми и фосфидными эвтектиками на основе железа. Содержание этих вредных примесей ограничено стандартами в КЧ, %: S≤0,12—0,18 и Р≤0,12—0,2, а в ЧШГ, %; S≤0,02 и Р≤0,1. Чистыми по этим элементам должны быть и компоненты электродных материалов.

Структура основы КЧ и ЧШГ оказывает меньшее влияние на свариваемость, чем химический состав. Чугуны с ферритной матрицей более стойкие против образования трещин, чем перлитные, благодаря запасу пластичности и вязкости, но уровень прочности сварных соединений у них ниже.

Способы сварки и свойства соединений

Дуговая сварка. Все специальные чугуны соединяют ручной дуговой сваркой с применением электродов со стержнем, однородным основному металлу. Так, например, пруток марки ПЧС-2 (стержень электрода ЭВЧ-2) для сварки ЧШГ содержит, %: С 3,0—3,8; Si 2,4—3,6; Мт 0,2—0,5; Y 0,1 ≤0,4; Се 0,03—0,15; Са 0,03—0,1; Cr≤0,5; Ni≤0,3; S≤0,08; P≤0,2 и обеспечивает получение шаровидного графита в металле шва. В компонентах покрытий большое количество графитизаторов: С и Si. Сварку КЧ и ЧШГ производят с предварительным подогревом отливок и деталей до температуры 400—700°С и замедленным охлаждением после сварки. Для низколегированных чугунов с пластинчатым графитом температура подогрева может быть значительно ниже.

При сварке без подогрева требуемое качество соединений достигают при использовании электродов на никелевой и железоникелевой основе: ОЗЧ-3, ОЗЧ-4, ОЗЖН-1. Металл шва (наплавленный металл) имеет аустенитную структуру с включениями междендритного графита. В зависимости от доли никеля структура шва, кроме аустенита, может содержать и продукты его распада, снижающие прочность и пластичность.

Механические свойства наплавленного металла при использовании электрода ОЗЖН-1 (со стержнем, содержащим 50 % Ni) близки к свойствам ЧШГ: δ_в = 400—600 МПа; δ_т = 300—470 МПа; δ = 6—13%; НВ 180—200. Однако сварные соединения, выполненные железоникелевыми электродами, в состоянии после сварки имеют прочность на 20—40 % ниже прочности основного металла и при испытании на растяжение разрушаются хрупко. Улучшить механические свойства удается только с помощью термической обработки. Для надежного исключения трещин по зоне сплавления при сварке ЧШГ и КЧ электродами ОЗЖН-1 применяют предварительный подогрев деталей до температуры 200—350 °С.

Электроды марки ЦЧ-4 со стальным стержнем и феррованадием в покрытии ограниченно применяют для сварки КЧ и ЧШГ. Твердость наплавленного металла, который представляет собой ванадиевую сталь с мелкодисперсными карбидами V, позволяет вести механическую обработку, однако в ЗТВ при сварке без подогрева неизбежно образование ледебурита и мартенсита, что повышает ее твердость до HV 500—600. Возникает опасность образования трещин, соединение не обрабатывается режущим инструментом. Равнопрочность соединений основному металлу не достигается, поэтому часто для надежности сварку выполняют со стальными ввертышами. Медно-стальные электроды (ОЗЧ-2, ОЗЧ-6) и электроды для сварки конструкционных сталей применяют лишь для декоративной заварки мелких литейных дефектов.

Механизированная дуговая сварка наиболее перспективна для применения порошковых проволок. При сварке КЧ, ЧШГ и легированных чугунов с шаровидным графитом структура металла шва должна характеризоваться компактной или глобулярной формой графита, а также подобной матрицей, чтобы сохранить в соединении ценные свойства основного металла. Сферо-идизации графитной фазы достигают введением в состав порошковых проволок Mg, Са, Y, РЗМ. Так, проволока ПП-АНЧ-5 содержит комплекс модифицирующих элементов: Mg, Са, РЗМ, которые вводят в шихту в виде лигатуры на основе кремния.

Сварку порошковой проволокой ПП-АНЧ-5 выполняют с предварительным нагревом отливок и деталей до температуры 400—600°С. Диапазон режимов определяется скоростью подачи проволоки; при диаметре проволоки 3 мм он составляет: I_св = = 250—600 А; U_д = 25—40 В; v_п.пр = 80—350 м/ч; ток — постоянный прямой полярности. Заваренные отливки, как правило, подвергают термической обработке. Сварные соединения равнопрочны ЧШГ ферритного (ВЧ 42-12) и перлитно-ферритного (ВЧ 45-5, ВЧ 50-2) класса.

Шихта порошковой проволоки ППВЧ-1 содержит модификаторы МР-1 или МР-2, изготовленные из иттирий содержащего сырья. Сварку можно осуществлять с перегревом сварочной ванны без опасности потери шаровидной формы графита в шве. Порошковая проволока ППСВ-7 содержит большое количество силикокальция (Са — глобуляризатор графита).

Автоматическую сварку ЧШГ низкоуглеродистой стальной проволокой производят под керамическим флюсом, содержащим Сr и Мn. Аустенитную структуру металла шва достигают при содержании в нем 20—26 % Мn и 9—12 % Cr. Кроме аустенита, в матрице есть небольшое количество феррита и мелкодисперсные карбиды, твердость составляет HRC 25— 30. Прочность сварных соединений ферритного ЧШГ достигает 80—90 % прочности основного металла.

Сварку ЧШГ стальной проволокой осуществляют также с присадкой керамических стержней. Введение в их состав редкоземельных металлов обеспечивает получение в металле шва чугуна с шаровидным графитом и перлитной основой. Состав керамического стержня СКВЧ-1 для сварки ЧШГ % (по массе): графит 10—15; чугунный порошок 5—15; карбид кремния 10— 20; лигатура с РЗМ 5—10; алюмомагниевый порошок 8—12; криолит 12—22; альгинат натрия 1—3; плавиковый шпат — остальное.

Ремонтную сварку поврежденных деталей из КЧ, ЧШГ и легированных (особенно, никелевых) чугунов выполняют самозащитной проволокой сплошного сечения из сплава на основе Ni. Проволока ПАНЧ-11 (ТУ 48-21-593—82) обеспечивает малое тепловложение в основной металл и неглубокое проплавление.

Проволоки на основе меди ограниченно применяют для сварки специальных чугунов, главным образом, для заварки мелких литейных дефектов.

Электрошлаковая сварка ЧШГ осложнена тем, что из-за длительного пребывания сварочной ванны в жидком состоянии трудно обеспечить стабильное получение в металле шва графита шаровидной формы. Для надежного модифицирования металла шва необходимо применять флюсы, содержащие элементы — глобуляризаторы графита. Другой путь — использование порошковых проволок, лент или присыпок с модификаторами.

Электрошлаковую технологию перспективно использовать для наплавки слоев чугуна с заданными составом и свойствами, в частности высокохромовых и высококремнистых чугунов. При этом достигают большой производительности процесса.

Газовую сварку ЧШГ осуществляют с присадкой прутков марки ПЧС-2. Используют ацетилен, пропан-бутан и другие горючие газы. Флюс ФПСН-1 можно применять при сварке любым газом. Техника сварки та же, что и для серого чугуна.

Контактную сварку применяют в производстве лито-сварных изделий из ЧШГ. Предварительный подогрев и последующая термообработка обеспечивают получение ферритно-перлитной структуры стыка без включений цементита. Предел прочности сварного соединения близок к прочности основного металла (ВЧ 45-5) и составляет 400—450 МПа. Контактной сварке хорошо поддаются КЧ и многие марки легированных чугунов.

Сварка трением. При компактной форме графита в чугуне удается получить соединения чугунных деталей между собой или со сталью. Для сварки КЧ с углеродистой сталью рекомендуется режим: частота вращения 3600 об/мин; давление на стадии нагрева 40—90 МПа; давление проковки 90 МПа, время нагрева 20—80 с. При давлении нагрева 70 МПа и времени нагрева 40 с получают соединение, равнопрочное чугуну.

Предупреждение пор и трещины

При сварке КЧ и ЧШГ с получением однородного металла шва основной мерой предотвращения холодных трещин является предварительный (иногда и сопутствующий) подогрев отливок или деталей и замедленное охлаждение после сварки. Температура подогрева варьируется в зависимости от марки чугуна, толщины стенки отливки, сложности выполняемых сварочных работ и составляет 300—700°С. Резко возрастает опасность образования трещин, если сварку производят на отливках из КЧ или ЧШГ до графитизирующего отжига при наличии свободных карбидов в структуре. Термическую обработку (отжиг или более сложную) желательно выполнить до и после проведения сварки.

Мерой повышения стойкости металла шва против образования горячих трещин является модифицирование его структуры. Так, проволока ПАНЧ-11 содержит в своем составе редкоземельные металлы, которые придают глобулярную форму неметаллическим включениям, нейтрализуют вредное действие серы.

Для исключения пор в высоконикелевых швах предупреждают попадание в них Н₂ и О₂. Действенными мерами являются: удаление, влаги, ржавчины, следов масла, краски со свариваемых деталей, максимальное снижение параметров режима I_св U_д, сварка короткой дугой, применение защитных газов, подогрев до температуры 200—300 °С.