CC BY
46
г
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО Том 68, в. 1 ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА 1951 г.
ХОЛОДНАЯ СВАРКА ЧУГУНА Н. Д. ТЮТЁВА
введение
Цель исследования
Автор поставил себе целью получение высококачественного шва без признаков отбеленной зоны, появление которой является основным осложнением при холодной сварке чугуна. Исследовательская мысль большей части сварщиков, работающих в этой области, была направлена или в сторону применения горячей сварки чугуна, или к стремлению применять дорогостоящие способы сварки остродефицитными электродами.
Если учесть относительную дешевизну материала, который приходится варить, то логичным было бы остановиться на самом дешевом методе сварки. Таким относительно недорогим способом сварки является электродуговая сварка чугуна с применением чугунных электродов с обмазками.
Способ заварки дефектов мелкого чугунного литья и чугунного литья среднего по весу—газовая сварка, с подогревом детали, является наиболее дорогим способом, так как требует применения ацетилена и кислорода и в то же время является Достаточно медленным.
Сравнительно недорогим способом сварки является электродуговая сварка чугуна. Относительная простота электродуговой сварки чугуна являлась причиной, заставившей автора остановить свое внимание именно на этом способе сварки.
Дальнейшие стремления были направлены к изысканию определенного химического состава чугунных электродов и состава обмазок. Химический состав электродов и химический состав обмазок в соединении с определенной методикой работы должны были обеспечить получение достаточно высококачественного шва.
Данная работа излагает результаты, полученные при применении вышеуказанного метода сварки, т. е. электродуговая холодная сварка чугуна или сварка с подогревом 200—300° с применением чугунных обмазанных электродов.'
Необходимо заметить, что мы остановились на применении при сварке чугуна переменного тока.
Методика исследования
До сих пор многие опыты но сварке чугуна велись следующим образом: брали так называемый .серый чугун" любого химического состаёа и пробовали подобрать к нему электрод, варьируя составы электродов и обмазки. Поэтому неудачные опыты по сварке чугуна можно объяснить чрезвычайной сложностью физико-химических основ чугуна, а иногда тем
обстоятельством, что исследователи, занимающиеся сваркой, вели сварку без учета структуры материала.
Для того, чтобы подойти рационально к сварке чугуна, нужно варить не случайные чугуны, а следует взять чугуны, которые имели бы постоянный состав по марганцу и углероду и переменный состав по кремнию.
Рациональнее всего взять синтетические чугуны, что и было сделано автором.
Чугун, как материал для сварки
Общее понятие—„серый чугун"—-объединяет целый ряд сплавов. У сплавов, носящих название серых чугунов, имеются общие признаки по составу и структуре, именно—наличие в разных сочетаниях железа, углерода и кремния. По структуре общим признаком является наличие включений графита. Чугуны, содержащие в микроструктуре одновременно связанный углерод в виде цементита и свободный в виде графита, называют половинчатыми или переходными.
Название белого чугуна сохраняется за чугунами, имеющими в структуре весь углерод только в связанном виде, в виде карбида железа.
Чугуны, имеющие свободный углерод в виде графита в той или иной форме выделения и не имеющие в структуре свободного цементита, носят название серых чугунов.
Микроисследование серых чугунов указывает на наличие в них четырех главных структурных составляющих: графита, перлита, феррита и стэдита (двойная или тройная фосфидная эвтектика). Кроме указанных структурных составляющих, отливки из серого чугуна содержат небольшое количество включений сернистого марганца.
Основная металлическая масса отливки серого чугуна состоит из следующих структурных составляющих в разных сочетаниях: феррит, перлит и стэдит плюс некоторые неметаллические включения в небольшом количестве.
Феррит в свободном виде встречается в чугунах с низким содержанием связанного углерода. В случае крупнозернистой структуры чугуна феррит можно наблюдать в виде оторочки вокруг крупных пластинок графита. При мелкозернистой структуре чугуна мелкие графитовые включения расположены в феррите (в таких случаях мы имеем так называемую графитовую эвтектику).
Серые чугуны с большим количеством феррита относительно мягки и легко поддаются механической обработке, ферритовые серые чугуны за счет пластичности феррита обладают большей вязкостью, нежели чугуны с неферритовой структурой основной металлической массы.
Карбид железа Ке3С в свободном виде не встречается в серых чугунах, входя только в состав перлита.
Неме нти т—метастабильная фаза при определенных температурных условиях разлагается на феррит и графит.
При некоторых условиях охлаждения отливки серого чугуна по структуре могут состоять исключительно из феррита и графита.
Перлит в чугунах, подобно перлиту в сталях, имеет вид пластинчатого звтектоида, причем механические свойства перлита в значительной степени зависят от величины пластинок феррита и цементита в нем.
Так, например, мелкопластинчатый перлит отличается большей прочностью по сравнению с крупнопластинчатым. Образование перлита из аустенита 'эвтектоидного состава в промышленных чугунах происходит при температуре 719—732° с положительным тепловым эффектом и изменением магнитных свойств.
Стэдит. Весь фосфор в чугуне находится в форме стэдита. Стэдит-двойная или тройная эвтектикк состава:
Ре + Ре3Р
или
Ре + Ре3 Р + Ре3С
»
Температура плавления стэдита около 982°.
Графит. В результате исследований рядом авторов [1; 2] установлено, что механические свойства серых литейных чугунов в основном обусловлены количеством, величиной, формой и характером распределения включений графита.
По типу графитовые выделения разделяются так: а) пластинчатые, равномерно распределенные; б) розеточные, кустообразные; в) первичный графит (сверхкрупный); г) дендритообразный; д) дендритообразный с предпочтительной ориентацией.
Графитовые выделения классифицируются также по размерам: а) крупный; б) средний; в) мелкий; г) очень мелкий; д) точечный [3].
При недостатке кремния после охлаждения и кристаллизации чугуна углерод сохраняется в связанном виде в форме цементита.
Присутствие достаточного количества кремния может обеспечить разложение карбида железа на феррит и углерод в форме графита.
Цементит является метастабильной фазой; феррит и графит устойчивы в пределах от комнатной температуры до температуры эвтектоидного превращения. Есть указания на полную графитизацию малоуглеродистой стали с содержанием 0,15% углерода. Эта сталь была взята от трубы перегонного куба крекингзавода и нагревалась до температуры несколько ниже эвтектоидной в течение трех лет.
Основные способы сварки чугуна
Сварка чугуна делится на холодную и горячую. Горячей сваркой принято называть сварку с подогревом свариваемой детали в интервале 500—900°. Холодная сварка проводится совершенно без подогрева свариваемой детали; затем возможен третий вариант—полугорячая сварка спо-догревом 500—700° и так называемая „сварка с подогревом", когда деталь слегка подогревается в пределах 200°. Как в холодной, так и в горячей сварке возможно, в свою очередь, несколько вариантов в зависимости от материала электрода. В применении к сварке чугуна эти варианты могут быть следующими:
1. Материал электрода одинаков по составу со свариваемым чугуном.
2. Материал электрода чугун, но имеет иной химический состав, нежели материал свариваемой детали.
Материал электрода обычно более богат графитообразующим элементом—кремнием и беден элементом, препятствующим графитизацин,— марганцем.
3. Чугун можно сваривать стальным электродом.
4. Сварка медным, нейзильберовым электродами или электродами из монель-металла.
Горячая сварка чугунными электродами—процесс, усложненный необходимостью осуществления равномерного подогрева громоздких деталей до сравнительно высоких температур, порядка 500—900°. Процесс чрезвычайно неприятный и дорогой.
Технологический процесс холодной сварки значительно проще и дешевле, но при холодной сварке скорость остывания шва много больше, нежели скорость остывания детали в процессе ее изготовления отливкой
и, как следствие, можно получить чрезвычайно неприятные структурные изменения в шве—отбеленный шов; последние придают шву значительно пониженные механические свойства (хрупкость). Наличие цементита в шве серого чугуна—явление совершенно недопустимое, так как при ударной нагрузке трещины пойдут прежде всего по включениям цементита, а уже потом по включениям феррита.
В случае малых габаритов детали возможно исправление структур отбеленного шва последующей термической обработкой шва; последнее обстоятельство также говорит за преимущество холодной сварки перед горячей и полугорячей. Применение различных методов сварки чугуна в последние годы имело целью, главным образом, заварку дефектов чугун-него литья и ремонтные работы по чугунным изделиям.
Графитизация сварного шва
Графитизация чугунного шва зависит от совокупности следующих обстоятельств: его состава, условий плавления, условий заливки и скорости охлаждения. В первом приближении возможно провести аналогию между охлаждением шва и отливкой в металлическую постоянную форму (кокиль). Конечно, имеется некоторая разница, именно: между стенкой изложницы и поверхностью отливки существует тесное соприкосновение лишь в первый момент, пока залитый металл еще не затвердевает. Как только образуется корка, так тотчас между поверхностью отливки и стенками кокиля вследствие усадки образуется тонкая, воздушная прослойка и переход тепла в кокиль сильно замедлится. При затвердевании шва до самого последнего момента между швом и материалом детали остается весьма тесное соприкосновение, и передача тепла идет быстрее, нежели при отливке в формы. Но в качестве первого приближения можно воспользоваться опытными данными кокильной отливки для суждения о том, какой состав должен иметь шов, чтобы в процессе остыйания он не отбелился вследствие быстрого отвода тепла в холодную свариваемую деталь.
Н. П. Дубинин [4] для определения влияния химического состава чугуна, залитого в чугунные формы, на структуру отливки заливал прямоугольные образцы толщиной от 5 до 40 мм, шириной 70 мм и длиной 210 мм в чугунные, подогретые до 170—200° формы с толщиной стенок 25 мм. Оказалось, что ферритная структура отливки (толщина которой 10 мм) получается при содержании кремния 4,5% и углерода 2,5%. По мере увеличения содержания углерода снижается необходимое содержание кремния; так, при 4,6% углерода кремния необходимо лишь 2,5%. Перлитный чугун можно получить соответственно при 4% кремния и 2,5% углерода и 2% кремния и 4,6% углерода.
Конечно, эти опыты только примерно дают представление о необходимом химическом составе шва с той или иной структурой.
Как уже в свое время было сказано, скорость охлаждения шва значительно больше, нежели скорость охлаждения кокильной отливки.
Н. П. Дубинин [4] дает для отливки толщиной в 5 мм формулу для скорости охлаждения в интервале 1150—100° (по истечении 1 сек.)
V 2,348 /,-0>00255^ t—время охлаждения в секундах.
Наши наблюдения над скоростью охлаждения швов толщиной в 3—5 мм, наплавленных на холодные чугунные плитки толщиной 25 мм, показали, что скорость охлаждения швов по крайней мере в 2—3 раза больше вычисленной по этой формуле. Скорость остывания определялась на поверх-
ности в интервале температур 1000—700° путем наблюдения изменения* температуры оптическим пирометром.
Поэтому и содержание кремния в наших электродах (при среднем содержании углерода в 3%), дающих ферритяые швы при наплавке на фер-ритные пластинки, получилось около 5%, а при наплавке на перлитные чугуны—около 6%.
В последнем случае перлитный чугун детали, смешиваясь с ферритным электродом (при условии, если кремния в смеси будет меньше 5%), может дать, хотя и очень небольшие, но все-таки крайне нежелательные включения ледебуритного цементита. Этим объясняется, почему так трудно сваривать стальным электродом, который в процессе переплавки легируется за счет обмазки кремнием и углеродом. Науглероживание такого электрода с трудом можно довести до 2,5% С, а легирование кремнием— до 3°/0, что при быстром остывании дает перлитно-графитную структуру, в которой при малейшем ускорении охлаждения или изменении состава в сторону снижения содержания кремния и углерода появляется цементит.
Выводы
1. Металл шва имеет более высокую температуру начала затвердевания по сравнению с чугуном обычной отливки.
2. Вследствие более высокой температуры нагрева имеется менее ос нований ожидать большого числа центров кристаллизации в виде зародышей графита.
3. Поэтому можно полагать, что графитизация идет за счет распадения твердой фазы.
4. Науглероживание стального электрода до чугуна идет, вероятно^ за счет действия газовой фазы, а не твердого графита, что и исключает наличие готовых центров кристаллизадии.
Материалы и методика работы Синтетические и серые литейные чугуны
Вопрос холодной электродуговой сварки чугуна ввиду специфически свойств последнего принадлежит к числу наиболее сложных проблем сварочной техники. Отбеливание в процессе охлаждения шва, низкая прочность и вязкость создают предпосылки для образования трещин в швах и зон повышенной твердости.
Нами были поставлены следующие вопросы, которые подвергались изучению:
1. Возможность применения стальных электродов с легирующей обмазкой для холодной сварки чугуна.
2. Возможность применения обмазанных чугунных электродов с различным содержанием главного легирующего элемента (кремния) для холодной сварки чугуна.
Экспериментальная часть работы была начата с изготовления образцов чугуна для последующих опытных наплавок. Были отлиты пластинки из синтетического чугуна размерами 15X70X200 мм.
Для изготовления синтетического чугуна сталь марки У9А плавилась в графитовом тигле емкостью в 5 кг.
При температуре 1500° расплав науглероживался при перемешивании его электродным углем. Сначала растворение угольного стержня в раог плаве шло очень быстро, но затем процесс науглероживания замедлялся; так что перемешивание приходилось вести в течение 1—2 час.
Кроме указанного способа изготовления синтетическою чугуна, последний приготовлялся также из хорошего уральского кровельного железа. Обрезки железа предварительно цементировались до содержания углерода в 1,5°/о. Цементации осуществлялась в карбуразаторе обычного состава из древесного угля и поташа. Цементованные таким образом обрезки железа затем плавились и науглероживались в графитовом тигле так же, как и в предыдущем способе изготовления синтетического чугуна из стали У9А. Как показал анализ, и в том и в другом случае получался белый чугун почти одинакового состава. Несколько плавок, изготовленных описанными выше способами, в свою очередь переплавлялись в большом тигле емкостью 35 кг.
Полученный таким образом синтетический чугун имел следующий химический состав (в процентах).
-общ % МпН 84 РН
3,70 0,52 0,40 0,02 0,04
Отлитый в мелкие чушки чугун являлся исходным материалом для приготовления электродов и пластинок для экспериментальной сварки. Кроме того, мы изготовили электроды и пластинки для сварки из серого литейного (коксового) чугуна марки 0 и 1.
Взяв за основу синтетические чугуны, мы приготовили путем переплавления в малом тигле (емкостью 5 кг) пластинки для сварки следующих размеров: толщина 15—20 мм, ширина и длина—70X200 мм. Такая толщина пластинок была выбрана из тех соображений, что в практике встречаются детали именно такой толщины (обычное машинное литье). Пластинки отливались в вертикальном положении в сырые земляные формы. Для легирования полученных таким образом пластин и электродов применялся ферросилиций.
Химический анализ плавок, отлитых для экспериментальной сварки, тя результаты, приведенные в табл. 1.
Таблица 1
№ II. п. Собщ. 81% Мп %
1 2,80 2,12 0,40
2 2,53 4,23 0,36 0,016 0,006
3 — 0,88 0,07 _ —
4 2,68 1,33 0,31 — _
5 3,35 0,93 0,08 0,030 0,013
6 2,-8 1,76 0,32 _ —
7 7,53 3,00 0,27 _ _
8 2,48 4,53 0,32 _ _
9 3,16 1,82 0,07 _ _
10 2,62 2,89 0,39 — —
Электроды изготовлялись из того же синтетического и коксового серого чугуна марки 0. В качестве легирующих элементов применялся ферросилиций. Электродные стержни отливались в сухую глиняную форму. Размеры стержней ¿=5 мм и длина 250 мм. Вполне возможно, «ак показали опыты, отливать электроды в металлические формы. Анализ электродного материала и описание структур даны в табл. 2.
Таблица 2
Микроструктура
Феррит, немного перлита .
Феррит ........
Феррит ........
Феррит 4- перлит.....
Перлит, немного цементита Перлит, немного феррита Феррит .........
№ плавок
А\Н
N1*
1. 1 4,9 1,0
2 1 8,7 1,5
3 8,0 — —
4 1 4,8
| 4,6 1,8
6 6,2 — 1,3
7 6,7 — —
Для улучшения условий графитизации (получение мелкого завихренного графита) в электродные плавки вводился не только кремний, но иногда алюминий и никель-
Структуры некоторых электродов приведены на фиг. 1, 2.
Фиг. 1
Фиг. 2
Микроструктура материала электрода, изображенного на фиг. 1, представляет собой ферритную основную металлическую массу с включениями крупнопластинчатого графита.
Микроструктура материала электрода, представленного фиг. 2,—феррит с включениями небольшого количества перлита и графит.
Всего было отлито восемь плавок электродов. Химический состав и микроструктура электродов различных плавок приведены в табл. 2.
Благодаря применению сухой формы для отливки электродов их структуры очень мало меняются по сечению, характер выделения графита и основной металлической массы также весьма мало разнятся по сечению. Структура с краю и в средине образца была почти одинакова. Электроды, отлитые в металлические формы, имели по сечению резко переменную структуру. Электроды с малым содержанием кремния при этом слегка отбеливались, но последнее обстоятельство никакого влияния на процесс сварки не оказывало. Имеющийся выбор пластинок различного химического состава и электродов нескольких вариаций по составу и микроструктуре для экспериментальной сварки позволил выяснить возможность и результаты сварки различными сочетаниями комбинаций электродов и основного материала.
Теоретические предпосылки для выбора структуры электрода
Качество шва, результаты сварки и прежде всего провар зависят от характера плавления электрода с одной стороны и от вида дуги—с другой.
1
Быстроплавяицийся электрод, стекающий крупными каплями, как известно, не дает хорошего провара. Недостаточный провар дает также длинная дуга и дуга малой мощности.
При полюсности дуги, не соответствующей характеру ионизации дугового пространства (например, в случае постоянного тока), также возможен непровар.
Учитывая влияние характера плавления электрода на провар, очень важно предварительно выяснить, как должен плавиться чугунный электрод различной структуры.
Теория плавления серого чугуна дана Н. В. Гутовским [5]. Вкратце она сводится к следующему: „В плавлении серого чугуна следует различать три периода:
1. Цементация твердого металла.
2. Образование жидкой фазы путем цементации,
3. Собственно плавление*.
Процесс цементации аустенита графитом в первом периоде обусловливает как раз температуру плавления чугуна, являющуюся переменной для одного и того же чугуна в зависимости от скорости нагревания. Температура конца плавления, очевидно, зависит от хода второго и третьего
периодов и поэтому тоже не является постоянной, а зависит от скорости нагревания и характера структуры.
Чем более мелкозернистый графит, чем он равномернее расположен в основной металлической массе, тем быстрее пройдет, при всех прочих обстоятельствах, цементация, тем ниже будет температура плавления.
Очевидно, при бесконечно быстром нагреве температура плавления перлитного чугуна будет соответствовать температуре плавления именно перлитной стали, а ферритного чугуна—чистого железа. Ферритный чугун при очень быстром нагревании расплавится при 1530°.
Кроме того, возможно всплывание графита в расплавленном чугуне. Это замедлит цементацию и повысит температуру плавления. Опять-таки, чем завихреннее и разветвленнее графит (графитовая эвтектика, фиг. 3), тем труднее ему всплывать, тем больший промежуток времени он будет соприкасаться с нерасплавившимися частями структуры, тем энергичнее будет цементация. По выражению Н. В. Гутовского [5]: „Температуры начала и конца плавления серого чугуна являются зависимыми от количества связанного углерода в чугуне, от скорости нагрева и от неподдающегося учету влияния—образования спели".
Становясь на точку зрения Н. В. Гутовского, необходимо признать, что всего быстрее будут плавиться перлитные электроды и медленнее всего—чисто ферритные. Это подтверждается непосредственным опытом. Мы пробовали варить чугунными электродами различного состава без обмазки. Для возможности горения дуги на переменном токе электроды и место сварки покрывались тонким слоем поташа. Опыт показал, что ферритный электрод плавится примерно процентов на 20 медленнее, чем перлитный, дает капли меньшего размера и более хороший провар.
Из этих соображений можно рекомендовать электроды, имеющие микроструктуру феррит-|-графит.
Электродные покрытия
Проверка на практике оймгзоч электродов, рекомендуемых в литературе
Нами было испробовано несколько вариантов обмазок электродов, рекомендуемых в литературе для сварки чугуна, и обмазок, варианты состава которых предложены нами (табл. 3).
В процессе сварки электродами с данными обмазками мы обращали внимание, с одной стороны, на поведение обмазки при плавлении электрода, а с другой—на результаты наплавки. Нас особо интересовала микроструктура наплавленного металла. Рецепты обмазок, микроструктура применяемых электродов и результаты наплавок сведены нами в одну табл. 3.
Таблица 3
Составы обмазок >лич. т. частей совых Микроструктура электрода Результаты наплавки
^ О О ££ о « о
1. Уголь древесный Графит Ферросилиций Алюминий Мел Полевой шпат Растворимое стекло натриевое с добавкой 10И калиевого. 8 10 15 1 15 Обмазка употреблялась с электродами 1,4 и 5-й плавок 1. Феррит, немного перлита 4. Феррит+перлит 5. Перлит, немного ледебурита Обмазка тугоплавкая, но ра ботать вполне возможно
2. Древесный уголь Бура Мел
Ферросилиций
25 8 12 20
Обмазка употреблялась с электродом 4-й плавки 4. Феррит-|~перлит
Обмазка тугоплавкая Варить нельзя Наплавленный металл но структуре представляет собой серый чугун
3. Древесный уголь Ферросилиций Окалина Алюминий Мел
20 15 б 2 12
4. Графит Карборунд Барий углекислый Мел
40 60
5 5
Обмазка употреблялась с электродом 4-й плавки
4. Феррит+перлит
Обмазка плохо плавится Варить почти нельзя Наплавленный металл по структуре представляет собой серый чугун
Обмазка для стальных электродов Структура—феррит, немного перлита
Структура наплавки содержит 1,7НС, имеются следы графита и ледебурита, наплавка по структуре неудов летворигельная
5. Первый слой обмазки
Уголь древесный Ферросилиций Поверх первого слоя толщиной до 1,0 мм обмотка из железной проволоки (»',6) с промежутками, равными диаметру.
50 50
Результат сварки стальными электродами, обмотанными проволокой, с применением указанной трехслойной обмазки
б. Изв. ТПИ, т. 68, в. 1.
81
Составы обмазок Колич. сост. частей весовых Микроструктура электрода Результаты наплавки
б. Второй слой обмазки Уголь древесный Ферросилиций Мел Растворимое стекло. Третий слой обмазки 5 5 5 Наплавка представляет собой сталь с содержанием углерода 1,7 +6,иногда белосерый чугун с 2/2НС. Микроструктура стального электрода: феррит-¡-незначительное количество перлита. Дуга держалась хорошо
Чистый графит на растворимом стекле
7. Обмазка для электродов, обмотанных проволокой
Первый слой обмазки
Электроды стальные, обмотанные проволокой
Уголь древесный Ферросилиций
Мел
Алюминий
Второй слой обмазки
Уголь древесный Ферросили цин Ллюминий Экалина
Третий слой
Чистый графит на растворимом стекле
90'
Белосерый чугун с 2,0—2,2 углерода. После отжига—серый перлито-ферритный чугун
Обмазка для электродов, обметанных проволокой.
Первый слой обмазки
Уголь древесный Ферросилиций
Мел
Алюминий Окалина
Второй слой обмазки
Уголь древесный Ферросилиций Алюминий Окалина
Третий слой
Чистый графит на растворимом стекле.
Электроды стальные
Обмазка тугоплавкая
Один из наваренных швов дал непровар. Другой шов дал вполне удовлетворительный провар.
В некоторых случаях сварки данными электродами получился белосерый чугун
Выводы по § 1
1. В обмазку 1 мы ввели алюминий, как сильный раскислитель и гра-фитизатор, и частично калиевое стекло для осуществления хорошей ионизации.
Полевой шпат был введен для увеличения . количества шлака (защита шва от охлаждения). В дальнейших обмазках полевой шпат выброшен,, как напрасно уменьшающий концентрацию наиболее важных составных частей обмазки—кремния и углерода.
2 Обмазка с бурой подкупает легкой регулируемостью температуры плавления и возможностью, если надо, снижения ее до 600—700°.
Бура плохо проводит ток, ионизация дуги плохая. Варить с помощью обычного трансформатора нельзя.
3. Обмазки, составленные по типу обмазок Ярхо (6; 7), эффекта не дали*
4. Обмазки с карборундом не дали хороших результатов.
5. В двухслойных обмазках реакции идут в первом слое, второй слой защищает эти реакции от влияния атмосферного кислорода и азота.
Калийное стекло прибавлено в первый слой, где нужна хорошая ионизация. Толщина обмазок первого и второго слоя одинакова. Применять нолевой шпат в обмазках не следует.
6. Трехслойная обмазка.
Чтобы улучшить легирование стали, мы попытались применить трехслойную обмазку, с внутренней обмоткой из стальной 0,5% С проволоки.
Первый слой дает легирование и ионизацию (для ионизации древесный уголь выварен в растворе поташа).
Второй слой—защита и легирование, третий—только защита, как в двухслойной обмазке.
Окончательно мы приняли обмазки для чугунных электродов на основании опытов по выяснению перехода углерода и кремния из обмазки в шов (материал электрода).
Практика смешения составных частей электродных покрытий
Качество электродного покрытия в большой степени зависит от качества изготовления сухой смеси. Все составные части, входящие в состав сухой смеси, раздроблялись и просеивались на соответствующих' ситах. Для ферросплавов (ферросилиция) мела и органических веществ рекомендуется сито с 1200 отверстий на квадратный сантиметр.
После размола составные части перемешивают и затем вливают разведенное в воде жидкое стекло и вся масса еще раз размешивается и рас-тирается в большой фарфоровой ступке.
Обмазка наносилась в два слоя путем окунания. После первого слоя Обмазанный электрод сушился на воздухе до затвердевания обмазки, затем наносился второй слой- и подвергался воздушной сушке в течение 20 часов в лаборатории при + 20°С, после чего электроды прокаливались при температуре 100—120°С в течение 1 часа.
Классификация обмазок и требования, предъявляемые к ним
Основным назначением всех обмазок является повышение качества наплавленного металла. Обмазки делятся на тонкие или ионизирующие и толе ые или качественные.
Толстые или качественные обмазки изменяют химический состав, структуру и механические свойства наплавленного металла, причем действие их в полной мере проявляется при некоторой определенной толщине слоя, отчего они и носят название толстых обмазок,
Качественные обмазки должны удовлетворять следующим требованиям
1. Давать шлак, защищающий расплавленный металл от воздействия атмосферного воздуха и замедляющий его остывание. Этому требование практически удовлетворяют все качественные обмазки.
» 2. Давать при плавлении слой газа, необходимый для того, чтобы, с одной стороны, предохранять расплавленный металл от воздействия атмосферного воздуха, а с другой стороны,—увеличивать стабильность дуги; это требование не обеспечивается обмазками, в которых отсутствуют газообразующие компоненты.
3. Температура плавления обмазки должна лежать в пределах, близких к температуре плавления электрода, иначе, при легкоплавкой обмазке возможно оголейие конца электрода и неравномерное распределение шлака на отдельных участках шва, а при слишком тугоплавкой обмазке металл электрода выплавляется, и выступающая часть обмазки образует слишком глубокую чашечку. Это ведет к удлинению дуги и в конечном счете к частым обрывам ее.
4. Обмазка должна обеспечить устойчивое горение дуги при сварке на переменном токе,
5. Обмазка должна плотно прилегать к электроду, покрывая его равномерным слоем, и не трескаться.
Шлак, полученный в результате плавления обмазки, должен удовлетворять следующим требованиям:
1. Растекаясь по наплавленному металлу, покрывать его равномерным слоем; следовательно, шлак не должен быть слишком вязким. Этому требованию практически удовлетворяют все качественные обмазки.
2. Шлак должен покрывать наплавленный металл и этим замедлять скорость его остывания для того, чтобы растворенные в металле газы и неметаллические включения более полно удалялись из него.
3. Шлак должен восстанавливать или поглощать окислы металла, т. е. реагировать с наплавленным металлом, раскисляя его и тем самым улучшая его механические свойства.
4. Застывший шлак должен легко поддаваться удалению с наплавленного металла.
Обмазки, рекомендуемые автором
В качестве связующей составной части для смеси электродного покрытия мы применяем жидкое стекло.
По временным техническим условиям, растворимое стекло, употребляющееся в качестве связующей составной части для электродных покрытий, должно иметь модуль 2,8 (9), а еще лучше, если модуль равен 3,0.
Анализ стекла производился по способу, описанному П. К. Григорьевым.
В качестве легирующей составной части в наши обмазки вводился ферросилиций (80% Как известно, ферросилиций реагирует с избыточным, не связанным с Ыа20, БЮ2. Реакция сопровождается выделением водорода (в присутствии воды)
2№ОН + & —Ыа2 БЮа + Ш2
Данная реакция идет медленно, несколько ускоряясь с повышением температуры; последнее особенно досадно, так как водород, выделяясь при сушке загустевшей обмазки, делает ее пористой. При сушке обмазка увеличивается в объеме на СО—100%. Пузырьки газа при плавлении обмазки увеличиваются в несколько раз, жидкий шлак имеет характер пены и легирование расплавленного металла идет очень слабо. Пористая
■обмазка имеет малую теплопроводность, не успевает нагреваться за счет тепла дуги насквозь, и поэтому часть ее остается нерасплавленной и не участвует в реакциях сварочного фокуса.
Путем пассивирования ферросилиция мы пытались затруднить взаимодействие ферросилиция с жидким стеклом, но эта мера, снизив пористость обмазки, не уничтожила полностью выделения водорода. Пассивирование заключалось в нагревании при доступе воздуха до различных температур готового, мелкого порошка ферросилиция. Как известно, на поверхности отдельных кристалликов ферросплава уже при комнатной температуре образуется весьма быстро (в течение сотых долей секунды) оксидная
пленка толщиной в 20—30°А.
Опыты пассивирования порошка ферросилиция при 600—700° в течение одного часа показали, что выделение водорода в обмазке с пассивированным феррокремнием снижается довольно сильно, хотя полностью и не прекращается. Повышение температуры пассивирования и увеличение продолжительности не снизило активности ферросилиция в той степени, в которой это необходимо для полного уничтожения выделения водорода, и мы вынуждены были итти по другому пути—повышению модуля Na2 Ош Si02.
При пассивировании, повидимому, пленка Si02 увеличивается в толщину весьма незначительно, по крайней мере заметить утолщеяие пленки по увеличению веса порошка после пассивирования не удалось.
Как показали опыты, в случае применения стекла с модулем 2,9—3,2 выделение водорода не наблюдается совершенно. Повышение модуля жидкого стекла в лабораторных условиях осуществлялось следующим образом: из стекла, действием на него соляной кислоты, выделялся гель. После промывки он растворялся в жидком стекле (при нагревании на водяной бане) в необходимом количестве. Так удавалось получить стекло с модулем 3,4—3,6.
С целью повышения ионизации мы применяли в некоторых опытах калийное растворимое стекло (K2Om Si02) путем растворения геля крем-некислоты в растворе едкого калия. Из диаграммы состояния Na20 — Si02 следует, что температура плавления Na20.Si02 равна 1090°, Na302 Si02 874°. Совершенно иная закономерность наблюдается в системе К20—Si02.
K20.Si02 плавится при 980°, а К202 Si02—при 1030°. Но эвтектики Na2 02Si02 -f- Si02 и K20 2Si03 -(- Si02 плавятся при достаточно низких температурах 790 и 570°. Последнее обстоятельство весьма важно, так как обмазка для чугунных электродов должна быть более легкоплавкой, чем для электродов стальных. С другой стороны, это дает возможность при обмазке чугунных электродов ориентироваться на шлак весьма простого состава, так как при окислении части ферросилиция, не перешедшего в расплавленный металл, в жидкой обмазке увеличивается количество Si02 и температура плавления шлака до содержания в нем 84% Si02 (эвтектика Na2 Sia 05 + Si02) понижается, оставаясь низкой еще и при содержании 87% Si02 (880°).
Конечно, в расплавившуюся обмазку переходит кроме того и часть окислившегося железа (из ферросилиция и, вероятно* с электрода), но его влияние на изменение температуры плавления шлака не будет решающим.
В тройной системе Na20.Si02 — Si02 — Fe?03 температура плавления эвтектики из Na20.Si02, эгирита (Na20.Fe203.4Si02) и кварца, отвечающей весовым процентам:
Si02 = 72,9 % Fe203 = 4,2% Na20 — 23,7 %,
равна 760°.
В ферросилиций соотношение между содержанием и Ре 4:1.
Принимая во внимание большую активность кремния по отношению к кислороду, содержание Ре203 вряд ли можно ожидать больше 4—5% (это подтвердилось и анализом шлакр) и следует считать, что железо не повысит сильно температуру плавления шлака, образующегося при плавлении нашей обмазки.
Принимая во внимание вышеизложенное, мы остановились на растворимом натровом стекле с модулем 3,0 для изготовления всех обмазок для стальных и чугунных электродов.
Одной из легирующих составных частей обмазки является ферросилиций, Он легирует стальной электрод кремнием и восполняет убыль выгорающего кремния в чугунном электроде.
Вторым легирующим элементом, выполняющим аналогичную роль, является углерод, который можно взять в виде графита, древесного угля или в виле карборунда. В последнем случае карборунд (ЭКЗ) будет легировать шов одновременно и кремнием. В том и другом случае часть кремния переходит в сплав, часть, сгорая в 5102, растворяется в шлаке. Углерод, сгорая, уходит в атмосферу в виде СО или С02, а другая часть легирует сплав.
В шляк из сгорающего электрода могут переходить окислы марганца, железа, кремния. Но применение толстых обмазок почти исключает какое-либо заметное окисление электрода.
Поэтому, окончательно, шлак наших обмазок состоит из Ыа20, Ре20> и 5Ю2. Это очень хорошо, так как такой шлак легко рассчитать на основании имеющихся экспериментальных данных. В качестве легирующей углеродом составной части обмазки, как указано, можно принять графит или древесный уголь. Графит был бы вполне пригоден для этой цели, но его слабая реакционная способность заставляет в некоторых случаях предпочесть порошок древесного угля. Порошок этот содержит громадные количества адсорбированных газов, которые могут выделяться при сушке и плавлении обмазки и давать те же неприятности, как и водород, о котором уже говорилось. Чтобы лишить угольный порошок до некоторой степени способности поглощать газы, а затем их выделять, мы применили следующую обработку этого порошка: порошок варится в течение 3 часов в 20°/0 растворе поташа (К2С03) в воде. После вываривания порошок переносится на фильтр, а затем сушится в сушильном шкафу при 120° и потом вновь размалывается. Как показал опыт, такой порошок содержит очень мало газов и их почти не поглощает. С другой стороны, оставшийся в порах угля поташ значительно повышает его активность (способность науглероживать).
Взаимодействие поташа и угля обеспечивает получение атмосферы, содержащей газ, очень хорошо цементирующий железо, в соответствии со следующими реакциями;
1) К2С0^К20 + С02
2) С02 -| СО
3) 2 СО + С ^ С02 + аустенит.
Присутствие К2С03 благоприятно влияет также на ионизацию дугового пространства, так как поташ является очень хорошим ионизатором.
Обмазки, содержащие в своем составе так обработанный древесный уголь, не нуждаются в добавке ионизаторов (мел, мрамор и т. п.). Дуга горит совершенно спокойно и весьма легко зажигается. В случае применения графита, вместо древесного угля, необходимо вводить мрамор в качестве ионизатора. Мрамор лучше мела, так как обмазка с^мрамором
1
менее пориста, чем с мелом. Если есть возможность, то можно рекомендовать часть натронного стекла в обмазке заменять калийным, что обеспечивает чрезвычайно хорошую ионизацию. Одновременно присутствие К>0 в шлаке снижает температуру плавления последнего, что (как мы своевременно отмечали) при сварке чугуна имеет очень большое значение.
Температура плавления чугунного электрода 1200—1300°.
Температура плавления обмазки должна быть несколько ниже (1000е). Довольно трудно сказать, что сильнее реагирует в процессе науглероживания металла—жидкий металл-жидкий шлак или жидкий металл-газовая фаза. Кстати, температура жидкого металла, проходящего вольтовую дугу, не так уже велика; для стальной капли она равна 1600—3 700°.
0 легировании
Легирующие элементы из обмазки переходят в металл электрода. Мы не имеем твердых опытных, а тем более теоретических данных количественной (а иногда даже и качественной) стороне явления.
Основательных, заслуживающих полного доверия исследований по этому вопросу не опубликовано ни в советской, ни в иностранной литературе. Существующие заграничные данные и приводимые составы обмазок неналежны. У отдельных авторов есть кое-какие указания о коэ-фициенте перехода легирующих элементов из обмазок в 'шов, но они несистематичны, случайны и ими пользоваться поэтому крайне затруднительно.
В нашу задачу не входило проводить систематические исследования, определяя коэфициент перехода наиболее важных для нас элементов— кремния и углерода из обмазки в шов, но некоторые теоретические соображения и опытные данные по этому вопросу привести необходимо.
Переход углерода из обмазки в металл плавящегося электрода возможен как из твердой фазы (графит, древесный уголь, сажа), так и из газообразной.
Непосредственное соприкосновение углерода обмазки с жидким металлом расплавленного электрода возможно, но затруднено жидким шлаком, в котором углерод находится в виде более или менее тонкой взвеси. Отдельные частицы углерода при этом, очевидно, изолированы от металла расплавленным шлаком, поэтому много вероятнее переход углерода в шов из газовой фазы.
Углерод имеет высокую температуру кипения (4500° К). Поэтому в ходе доменного процесса при свойственных этому процессу температурах порядка в среднем 1500° упругость паров углерода, насыщающих пространство, ничтожно мала и газообразный углерод никакой существенной роли не играет. Температура некоторых мест в газовой фазе дугового сварочного фокуса доходит до 6000°К, но температура стали, расплавленной и проходящей через газовую фазу в виде капель, не превышает 2100°К и во всяком случае не может превысить температуры кипения железа (3500°К.) Поэтому в случае дуговой сварки никак нельзя игнорировать перенос углерода из обмазки в металл через газовую фазу, в состав которой входят пары углерода.
Кусочки графита, проходя зоны сварочного фокуса, имеющие темпе-ратуру 6000°К, испаряются, и пары углерода конденсируются на наиболее холодных местах сварочного фокуса—каплях расплавленного железа. Правда, углерод обладает весьма значительной теплотой парообразования^ (10800 кал/г), его испарение снизит температуру газовой фазы и вряд' ли можно ожидать большого количества испарившегося углерода, тем более, что при низшей температуре кипения 3500°К и меньшей теплоте парообразования 1320 кал\гр роль паров железа при образовании шва
невелика и стальной шов образуется не за счет конденсации газовой фазы, а за счет переноса железа каплями.
Остается цементация жидкого металла за счет реакции:
2 СО + распл. Ре раствор С в Ре -[- С02
В доменной печи реакция С + С02—СО (п)
устанавливается при работе на древесном угле при 1°~750 — 800е, а при работе на коксе при 900 — 950°.
В поверхностных слоях расплавленной обмазки идет одна реакция:
с + о* —СО,
в глубине другая: С02 + С—>2 СО.
Окись углерода, попадая в газовую фазу, осуществляет науглероживание расплавленного железа.
Графит в сравнении с коксом обладает; меньшей реакционной способностью по отношению к кислороду. Активность (реакционная способность) древесного угля, кокса и графита относятся как: 90 : 20:5 илгс 18:4:1.
За меру активности принимали степень восстановления окислов при 1000° по истечении одного часа [8].
Вследствие пониженной реакционной способности графита реакция (п) будет, вероятно, итти при более высокой, чем 950°, температуре.
Всякое дополнительное введение в сварочный фокус одновременно с углеродом веществ, выделяющих углекислоту (при нагревании), именно поташа, соды, будет способствовать получению дополнительных количеств углекислоты и облегчать процесс науглероживания.
При высоких температурах, если в газовой фазе имеется хотя бы небольшое количество углекислоты, идет реакция:
Ре3С + 4 СО* — 3 Ие 0 + 5 СО.
Кривая равновесия для этой реакции идет параллельно оси температур при нулевом содержании углекислоты в газовой фазе.
Трудно ожидать ста процентов окиси углерода в газовой фазе сварочного фокуса, окруженной со всех сторон кислородом воздуха, а поэтому приходится предполагать, что науглероживание идет не в зоне очень высоких температур, а в самой жидкой ванне шва, при температурах, близ* ких к температуре кристаллизации шва.
Весьма интересен вопрос о переходе кремния из обмазки в шов. Переход кремния, очевидно, возможен главным образом из жидкой фазы (расплавленный ферросилиций). Кремний имеет большое сродство с кислородом и образует с кислородом ¿Ю2 с выделением громадного количества тепла. Опыт показывает, что очень большое количество кремния из. обмазки уходит в шлак в виде БЮ2.
Но, с другой стороны, имеется реакция прямого восстановления кремния:
БЮ, + 2 С — & + 2 СО — 137560.
В доменной печи эта реакция идет слабо, так как слишком низки температуры.
Вычисляя температуру в газовой фазе, при которой эта реакция может итти, получаем:
14912 -4
1гРсо=--— 1,75 ^ Т —9,6610 Т + 3,5, полагая Рсо = 1 атмосфере
Т = 2050°.
При этой температуре начинается реакция восстановления, которая идет тем энергичнее, чем выше температура. Таким образом, можно считать, что переход кремния из обмазки в шов осуществляется непосредственно растворением кристалликов ферросилиция в расплавленной стали, а также из восстановленного углеродом кремнезема обмазки. В последнем случае существенное значение имеет содержание углерода в покрытии и состав газовой фазы в отношении содержания окиси углерода и углекислоты.
Это обстоятельство затрудняет выработку методики определения коэфи-циента перехода углерода и кремния из обмазки в шов, так как^на переход кремния в металл существенное влияние оказывает углерод, его содержание как в расплавленной обмазке, так и в газовой фазе.
Влияет также углерод, растворенный в металле, так как он восстанавливает приходящую с ним в соприкосновение окись кремния. С другой стороны, кремний, поглощая кислород в сварочном фокусе, предохраняет от выгорания углерод.
Коэфициент перехода кремния из обмазки в шов меняется в зависимости от колебания в обмазке содержания углерода, и наоборот, коэфициент перехода углерода зависит от содержания в обмазке кремния.
Все-таки мы сделали попытку определить, как влияет содержание кремния и углерода в обмазке на содержание их же в шве.
Мы приготовили ряд обмазок с меняющимся содержанием ферросилиция при постоянном содержании углерода и с неизменным содержанием углерода и переменным—ферросилиция. Кроме того, была приготовлена обмазка с графитом и такая же почти по составу с вываренным в растворе поташа древесным углем.
В сварочном фокусе дуги, которую дает электрод, покрытый обмазкой с древесным углем, вываренным в растворе поташа, должно иметь место выделение углекислоты за счет распадения поташа.
Последнее обстоятельство приведет к повышению содержания окиси углерода в газовой фазе и лучшему науглероживанию металла электрода.
Данные обмазки, как и все окончательно принятые нами впоследствии обмазки, приготовлялись на натриевом растворимом стекле с модулем 3,0—3,2. В качестве ионизирующей добавки в обмазки вводился мрамор.
Для химического анализа брались верхние слои шва (на глубину 3 мм от поверхности шва). Это делалось с целью исключить влияние материала той чугунной плитки, на которую производилась наплавка.
Стальной электрод имел толщину 4 мм, слой обмазки наносился в два приема и имел в толщину 1 мм на сторону. Сила переменного тока при сварке держалась около 180 Л.
Чугунный электрод имел диаметр 5 мм, слой обмазки был толщиной 1,2 мм на сторону. Сила переменного тока колебалась около 200 Л.
Во время опыта следили, чтобы дуга была постоянной длины и скорость сварки не менялась.
Химический состав стального электрода
сн Si% Мп%
0,11 Физический 0,08 состав чугун 0,45 ного электрода
СН Si4 МпН
3,2 6,7 —
При изменении содержания одной из составных частей покрытия (скажем углерода) меняется и содержание другой (кремния). Действие же их проявляется совместно.
Правильнее было бы, не меняя содержания углерода, изменять содержание кремния, а обший баланс поддерживать введением инертных добавок. Но тогда по закону действующих масс легирующее действие добавки, имеющейся в постоянном количестве, будет все-таки переменным. А самое главное, активность обоих действующих легирующих элементов будет искусственно снижена вследствие уменьшения их концентрации по сравнению с нормальной обмазкой.
Осббенно это скажется в нашем случае, когда в обычной, принятой нами обмазке содержание ферросилиция и графита составляет в сумме около 70—80% от веса сухого покрытия. Чтобы не уменьшать активность обмазок в наших опытах, мы в некоторых случаях вынуждены были менять и содержание второго исследуемого компонента покрытия. Результаты опытов даны в табл. 5 и на фиг. 4, 5, 6, 7.
После ряда предварительных опытов, когда выяснилось, что карборунд менее активен, нежели ферросилиций, и выяснилось, что порошок древесного угля, обработанного карбонатом, активнее графита, было изготовлено девять обмазок различного состава. Три из них представляют собой различные варианты в соотношениях между древесным углем и ферросилицием; три между графитом и ферросилицием; три между карборундом и графитом (табл. 4).
Таблица 4
Варианты составов обмазок (в процентах)
Графит 50 Графит 20 Уголь 50
3 Ферросилиций 40 4 Карборунд 70 7 Ферросилиций 45
Мрамор 10 Мрамор 10 Мрамор 5
Графит 30 Графит ,10 Уголь 30
о Ферросилиции 60 5 Карборунд 80 8 Ферросилиций 65
Мрамор ш Мрамор 10 Мрамор 5
Графит 60 Графит 30 Уголь 70
з Ферросилиций 30 6 Карборунд 60 9 Ферросилиций 25
Мрамор 10 | Мрамор 10 Мрамор 5
Кроме этих двух составных частей, во все девять обмазок вводился мрамор в количестве 10 и 5%. Ъ% мрамора вводилось в обмазки с древесным углем, обработанным по нашему способу карбонатом калия. Так обработанный древесный уголь являлся дополнительным ионизатором, и поэтому количество мрамора в некоторых обмазках уменьшено вдвое.
В ходе опытов выяснилось, что обмазка с ферросилицием и древесным углем давала хорошие результаты как защищающая и частично легирующая чугунные электроды и как легирующая для стальных.
Количество растворимого стекла в обмазках 25% от веса сухого покрытия. В процессе сварки рекомендуется держать короткую дугу. Толщина слоя обмазки 1,2 мм на сторону для чугунного электрода диаметром 5 мм и 1 мм на сторону для стального электрода диаметром 4 мм.
70% угля 50
25% ферросилиция 45
30
85
Фиг. 4
707о угля
25% ферросилиция
)
60% {ре/росшицш 40 зо
Наплавки, которые делались специально для химического анализа, были трехслойными, причем для анализа пробы брались из третьего слоя. Несколько контрольных образцов было наварено на медных пластинах для того, чтобы получить достаточно чистую наплавку и исключить влияние основного материала.
В табл. 5 приведены данные химического анализа наплавок, которые осуществлялись в случае применения обмазки того или другого варианта состава.
Т а б л и ц а 5
Обмазка
Шов
А Ферросилиций Графит % СаС03И СИ
' 1 60 30 10 6,5 3,3
2 40 50 10 6,7 3,3
3 30 60 10 6,1 2,9
Б Карборунд % Г рафит И СаСОд'* Б! И С ™
1 60 30 10 5,5
2 70 20 10 6,7 3,2
3 80 10 10 6,8
В Ферросилиций Уголь % | СаС03* 1 1 | С°/о 1
1 25 I ! 70 5 5,0 3,5
2 45 50 5 6,7 3,2
3 65 | 30 5 6,8 2.3
Три варианта обмазок (1, 2, 3), состоящих из ферросилиция, графита и мрамора, объединены под литерой А.
Три варианта обмазок из карборунда, графита и мрамора объединены под литерой Б.
Три варианта из древесного угля, ферросилиция и мрамора—под литерой В.
Обмазка состава: графит, карборунд, мрамор в трех указанных в табл. 5 вариантах составных частей применялась при сварке чугунными электродами.
По данным состава обмазок и результатам химического анализа наплавок, соответствующих этим обмазкам, были построены кривые, представленные на фиг. 4, 5, 6, 7.
1. Кривые, фиг. 4, характеризуют переход основных легирующих элементов—углерода и кремния—из обмазки состава: угля древесного 70°/0, ферросилиция 25%, мрамора 5°/0 в шов при сварке чугунными электродами, состава 6,7% и 3,2% С.
2. Кривые, фиг. 5, характеризуют переход углерода и кремния из обмазки того же состава: угля древесного 70%, ферросилиция 25%, мрамора 5% в шов, но только уже при сварке стальными электродами состава: С-=0,10%, 51=0,08%.
3. Кривые, фиг. 6, показывают переход углерода и кремния из обмазки состава: графита 30%, ферросилиция 60°/0, мрамора Ю°/0 в шов при сварке чугунными электродами указанного выше состава (чугунные электроды во всех трех случаях имели один и тот же химический состав).
4. Кривые, фиг.. 7, соответствуют переходу углерода и кремния из обмазки состава: карборунда 60%> графита 30%, мрамора 10% в шов при сварке чугунными электродами.
На основе построения этих кривых, мы нашли оптимум для состава обмазок» во всех четырех случаях взяв в качестве характеристики состава той или иной обмазки абсциссу точки пересечения кривых, характеризующих изменение содержания углерода и кремния в шве.
Так, для третьего случая, фиг. 6, оптимальный состав обмазки: графита 55%, ферросилиция 36°/0, мрамора 9%.
Из кривых, представленных фиг. 4, оптимальный состав обмазки соответственно будет: угля древесного 53%, ферросилиция 42%, мрамора 5%.
В результате анализа кривых фиг. 7 получается оптимальный состав обмазки следующего состава: графита 22%, карборунда 67%, мрамора 11%.
В результате анализа кривых фиг. 5 оптимальный состав обмазки для стальных электродов тот же, что и для чугуна: угля древесного 53%, ферросилиция 42%, мрамора 5%.
Результаты металлографического исследования швов, наплавленных чугунным электродом состава—6,7% и 3,2% С на основной материал химического состава:
с% Б1Н Мп°/о
2,80 2,12 0,40
Микроструктура основного материала: перлитная металлическая масса плюс включения пластинчатого графита.
1. Наварка осуществлялась чугунным электродом с применением обмазки лшеры А.
Микроструктура наплавленного металла: ферритная основная металлическая масса и включения крупнопластинчатого графита.
2. Шов наплавлен чугунным электродом с применением обмазки литеры Б.
Микроструктура наплавленного металла феррит-(-небольшое количество перлнта-{-графит пластинчатого строения.
3. Результат наплавки чугунным электродом, покрытым обмазкой литеры В.
Микроструктура наплавленного металла представляет собой ферритную основную металлическую массу дендритного строения, очертания феррит--йых депдритов заметны за счет включений эвтектического графита,
4. Результат наплавки стальным электродом с обмазкой литеры В,
Микроструктура наплавленного металла перлит+ледебуритный цементит (шов отбеленный).
Выводы
Если взять высококремнистый чугунный электрод, то весьма вероятна возможность сварки таким электродом без обмазки, так как выгорающий кремний дает достаточно большое количество (7 калорий на грамм) тепла. Если позаботиться об ионизации, то сварка голым электродом вполне возможна. Мы пришли к выводу, что обмазки для сварки чугуна чугунным же электродом должны предохранять от выгорания основные эле-
-менты (кремний и углерод), ионизировать дугу и при достаточной легкоплавкости давать шлак, защищающий до некоторой степени шов от потери тепла. Но последнее обстоятельство (защищающее от охлаждения действие шлака) нельзя и не стоит переоценивать.
Основой шлака, получающегося в результате сгорания обмазки, является окись натрия и окись кремния.
Учитывая это обстоятельство и ряд других моментов, мы пришли к изложенной ниже рецептуре обмазок.
Для облегчения лучшей защиты от проникновения водорода рекомендуется вводить в состав обмазок органические вещества (крахмал, декстрин, слегка обугленные древесные опилки).
Прибавкой в обмазку СаС03 (или что то же СаО, так как при 940° идет реакция СаСО;; —► СаО + С02) не следует злоупотреблять. Лучше применять какой-либо другой ионизатор. Дело в том, что из диаграммы Ыа20 — СаО — БЮ2 следует, что лишь до содержания 5% СаО температура плавления шлака лежит в нужных пределах (не выше 900°). И лишь при большом содержании БЮ2 (свыше 80°/0) добавка СаО не повышает сильно температуры плавления.
Принимая во внимание приведенные данные, можно дать следующие соображения о составлении обмазок для чугунных электродов.
Основой шлака лучше всего выбрать систему—окись натрия—окись кремния. При возможности достать (или приготовить) калийное растворимое стекло следует прибавить его к натриевому стеклу в количестве 10—2О°/0 с целью снижения температуры плавления шлака и лучшей ионизации. Прибавка в качестве ионизатора СаС03 при отсутствии калийного стекла не вызывает вообще возражений, но лучше применять мрамор, нежели мел. Мрамор делает обмазку (по сравнению с мелом) более плотной и шлак менее пузыристым.
Таким образом, необходимо базироваться на тройной системе: №20 — СаО — БЮ2. при проектировании обмазки.
Неизбежнее присутствие РеО (или Ее208) большого влияния на свойства шлака не окажет. Как показывает анализ, в шлаке бывает не более 1—3°/0 железа.
2. Для легирования шва кремнием лучше применять обычный ферросилиций. Его (в окончательно просеянном порошке) следует пассивировать нагреванием при 500—600° в течение 1 часа.
Карборунд легирует шов кремнием и углеродом слабее, как показали опыты других авторов с электродами из стальной проволоки, но вместе с тем и слабее реагирует с ШОН. Поэтому его применение можно рекомендовать в том случае, когда мы не располагаем высокомодульным стеклом и приходится довольствоваться стеклом, обычно применяемым для изготовления обмазок (с модулем 2,8).
3. Для легирования шва углеродом лучше всего применять приготовленный по нашему способу древесный уголь.
Благодаря содержанию К2С03 такой уголь очень хорошо науглероживает шов и прекрасно ионизирует дугу без дополнительного введения СаСОз в качестве ионизатора.
Графит, обычно применяемый в подобных обмазках, не обладает этими преимуществами, но обмазки с графитом также достаточно удовлетворительны.
4. Особой необходимости защищать чугунный шов от азота в случае применения электрода с толстой обмазкой нет. но для целей профилактики можно прибавлять в обмазку 1—2% крахмала или декстрина.
5. Легирование шва никелем при помощи введения в обмазку никеля возможно, но рациональнее вводить никель в состав электродов, так как в последнем случае угар никеля будет много меньше.
6. На основании серии опытов мы можем рекомендовать следующие обмазки для чугунных электродов:
Обмазка №1
Графит.........6 весовых частей
Ферросилиций.....4 весовых части
Мрамор ........1 весовая часть
Обмазка разводится на стекле с модулем 3,0.
Обмазка №2
Графит.........2 весовых части
Карборундум......6 весовых частей
Мрамор.........1 весовая часть
Обмазка разводится на стекле с модулем 2,8.
Обмазка № 3
Древесный уголь .... 10 весовых частей (уголь, обработанный по нашему способу)
Ферросилиций......8 весовых частей
Мрамор.........1 весовая часть
Обмазка разводится на стекле с модулем 3,0.
Некоторые результаты экспериментальных наплавок
С целью избежать излишней громоздкости данной главы заесь помещены описания только некоторых наплавок.
Режим и технология сварки
Сварка чугунными электродами, покрытыми обмазками составов, указанных в предыдущей главе, производилась на сварочном трансформаторе.
Оптимальная сила тока была подобрана для данного электрода и данной обмазки опытным путем и соответствовала в среднем 200 Л.
При отливке электродов в земляные формы их толщина по длине менялась в пределах от 5,0 до 5,5 мм. Но в процессе сварки это мало сказывалось на той средней силе тока, которая была выбрана.
Применяемые нами обмазки обладали достаточно хорошим стабилизирующим влиянием на дугу. Вследствие этого зажигание дуги происходило без всяких затруднений и даже неопытный сварщик мог расплазить целый электрод без перерыва. Особенно хорошо держалась дуга при употреблении в обмазке частично калийного растворимого стекла или порошка древесного угля, вываренного в поташе.
Отлитые для экспериментальной сварки пластинки были простроганы на токарном станке. Толщина пластинок 15—20 мм. Для наплавки прострагивались V и ¿/-образные канавки глубиной 12 мм.
Описание экспериментальных наплавок
Эксперимент 1-й. Основной материал—серый чугун следующего химического состава.
СоГиц. ('/о 31«/о Мп°/о 5%
2,80 2,12 0,40 | — —
Микроструктура основного материала (фиг, 8) представляет собой перлитную основную металлическую массу с включениями графита крупнопластинчатого строения и островками изолированных включений леде-буритного цементита.
Наварка осуществлялась электродом состава:
С = 2,9% = 6,7°/0
Микроструктура материала электрода представляет собой феррит пластинчатый графит (фиг. 1).
Фиг. 8 Фиг. 9
Электрод покрывался обмазкой следующего состава:
1. Древесного угля 5 частей (предварительно обработанного К2С03).
2. Ферросилиция 5
3. Мела 1 *
4. Жидкого стекла 3 „ (сухой остаток).
Фиг. 10
Фиг. 11
Применяемое для изготовления данной обмазки жидкое стекло имело модуль 3,0. Микроструктура наплавленного металла—феррит плюс эвтектический |рафит (фиг. 9, 10, 11, 12).
В месте перехода одного слоя в другой, охлаждавшийся более ускоренно по сравнению с первым, наряду с эвтектическим графитом, имеется обычный пластинчатый графит.
7. Изв. ТПИ, т. 68, в. 1.
97
При малом увеличении (фиг. 13) в структуре наплавки хорошо заметны ясно выраженные ферритные дендриты, между осями которых вкраплен эвтектический графит. В месте перехода слоя наплавки в слой основного чугуна (зона провара) заметны включения ледебуритного цементита, которого в этом месте меньше, чем в структуре основного чугуна (фиг. 14,15).
Фиг. 12 Фиг. 13
Микроструктура переходной зоны (при увеличении 25) представлена на фиг. 16.
На основании структурного анализа можно сделать заключение, что наплавленный металл и металл переходной зоны обладают более высоки-
Фнг. 14 Фиг. 15
ми механическими свойствами, нежели основной чугун, в котором, кзк было описано выше, имеются включения ледебуритного цементита. Микроструктура переходной зоны представлена фиг. 13, 17. На фиг. 18 изображена та же структура при увеличении в 25 раз. Здесь можно различить более светлую часть —феррцтную няплавку и темную— основной материал. Фиг. 19 представляет одновременно основной и наплавленный металл. В наплавке видны следы ферритных дендритов.
Наварка производилась переменным током при силе тока 250 А и д
плотности тока 9,9-,
мм2
Дуга горела ровно, без обрывов, при достаточно легком зажигании. Анализ наварки показал следующее:
1) плотное соединение основного металла с наплавленным;
2) наплавленный металл плртный, с незначительным количеством шлаковых включений, без газовых пузырей;
Фиг. 16 Фиг. 17
3) место наварки при хорошо выполненной наплавке по своим качествам (пластичности) безусловно превосходит качество основного металла. Результаты определения твердости:
Фиг. 18 Фиг. 19
основной материал Нв =150 — 180 наплавка Нв —120.
Эксперимент 2-й. Основной материал —серый чугун следующего химического состава:
С% Si<V« Мпо/о S% Р0/,
2,53 4,23 0,36 0,01 0,006
Г" Микроструктура основного материала—феррит и крупнопластинчатый графит, причем длина отдельных графитовых пластинок доходит до 1—2 мм (фиг. 20).
Наварка осуществлялась электродом состава:
Собщ % ит . А1°/о
3,70 6,2 .,3 ■ 0,5
Микроструктура электрода представляет собой феррит с небольшим количеством перлита и графит (фиг. 2).
Повышенное содержание N1 в электроде почти совершенно не сказалось на структуре наплавки.
Повидимому, при достаточно большом содержании кремния нет никакого смысла добавлять никель; его благотворное влияние сказывается
лишь при умеренном содержании кремния, когда графитизация чугуна идет за счет кремния и за счет никеля. В нашем же случае графитизация идет за счет кремния, и никель не оказал практически влияния на структуру наплавки. Наплавленный металл (фиг. 3) структурно представлнет собой ферритграфит-)- эвтектический графит-|-пластинчатый графит-4-гнезда графита.
На фиг. 3 изображена структура наплавленного металла при увеличении 600.
Переход основного металла в наплавку (фиг. 22) ясно показывает разницу в структуре основного металла и наплавки. При их принципиальной схожести (и в том и в другом случае мы имеем ферритный чугун) распределение и форма выделения графита различны.
Лева:я часть фиг. 21 изображает основной металл, правая—наплавленный. Заметен плавный переход одной структуры в другую (та же фигура),,
Фиг. 20
Фиг. 21
Фиг. 22
Фиг. 23 изображает основной материал при увеличении 25. Фиг. 24 соответствует переходной зоне, сфотографированной при малом (25) увеличении.
Сварка осуществлялась переменным током* Сила тока 225 А, при плот иости тока 8 А1мм2.
Электрод покрывался обмазкой состава:
древесного угля 5 частей
ферросилиция 5 „
мела 1 „
жидкого стекла (сухого) 3 я
Анализ наварки показал следующее: 1- Достаточно плотное соединение основного металла с наплавленным.
Фиг. 23 Фиг. 24
2. Наплавленный металл плотный. Количество шлаковых включений •чрезвычайно ограничено. Газовые включения отсутствуют.
Результаты определения твердости: твердость основного металла Нв~ 137, твердость наплавки Нв— 150.
Экс перимент 3-й. Основной металл — серый чугун химического состава:
' Собщ°/о МпН
2,62 2,89 0,39
Микроструктура основного материала (фиг. 25) представляет собой феррит крупнопластинчатый графитперлит, причем длина отдельных графитовых пластинок достигает 0,8—1,6 мм.
На фиг. 26 представлена структура основного металла при малом увеличении (25).
На пластинку чугуна указанного состава было наплавлено два валика электродами, различающимися по химическому составу, но покрытым одинаковой обмазкой. Одна из канавок пластинки, имеющей I) - образную разделку, была заварена электродом состава: Б1 = 4,6°/0 и N1 = 1,8.
Микроструктура электрода — перлит, графит и небольшое количество включений ледебурита. При содержании кремния в материале электрода в количестве 4,6у/0, добавление никеля заметно благотворно влияет на
структуру в направлении измельчения графитных выделений, более полного распадения связанного цементита, с образованием ферритной основы.
Наплавленный металл (фиг. И) структурно представляет собой графитовую эвтектику с ферпитной основной металлической массой.
Фиг. 25 Фиг. 26
Вблизи зоны влияния, кроме эвтектического графита, имеют место выделения графита в пластинчатой форме (фиг. 27).
На фиг. 28 мы одновременно имеем возможность видеть сразу три зоны:
1. Зону основного металла,
2. Зону влияния.
3. Зону наплавленного металла.
Вторая и - образная канавка чугунной пластинки заваривалась электродом состава 4,8% без никеля.
Фиг. 27 Фиг. 28
Микроструктура электрода: перлит -(- феррит графит пласти н^атой формы.
Наплавленный металл структурно представляет дендритообразную форму выделения трех структурных составляющих: перлита, графита и феррита (фиг. 29, 30). Переходная зона представлена микрофотографией фиг. 31 и микрофотографией фиг. 32 при увеличении 25.
На фиг. 32 изображена структура наплавки, представляющая собой перлит и феррит (дендритного строения) и включения шарообразного графита.
Как в первом, так и во втором случае электроды покрывались обмаз-кой состава:
Древесного угля 5 частей Ферросилиция 5 „
Мела
Сварка осуществлялась переменным током при силе тока 240 А и плотности тока 8,7 А/мм2.
Фиг. 29 Фиг. 30
Дуга горела ровно, при достаточно легком зажигании. Плавление и стекание обмазки с электрода равномерное. Провар вполне удовлетворительный.
Анализ заварки показал следующее:
1. Плотное соединение основного металла с наплавленным.
2. Наплавленный металл достаточно плотный.
Фиг. 31 Фиг. 32
Шлаковых включений—незначительное количество при полном отсутствии газовых включений.
Эксперимент 4-й. Основной материал — серый чугун следующего химического состава:
О>/0 51% Мп%
2,48 1,53 0,32
Микроструктура основного материала — перлит и крупнопластинчатый графит.
По микроструктуре основной материал является перлито-графитаым чугуном.
Наварка осуществлялась электродами состава:
Со0/0 А1°/о
3,70 4,9 1,0
Фиг. 33
Микроструктура электрона представляет феррит с небольшим количеством перлита и графит в пластинчатой форме выделения.
Электрод покрывался обмазкой следующего состава:
Древесного угля 5 частей Ферросилиция 4 части Мела 1 „
Применяемое для данной обмазки жидкое стекло имело модуль 3,8. Микроструктура наплавленного металла — перлит, графит и некоторое количество цементита.
Фиг. 34
4 , > г
Фиг. 35
Переходная зона представле а на фиг. 33, 34, 35.
Заключение и выводы
1. В результате данной работы можно рекомендовать сваривать перлитные и перлитно-ферритные чугуны электродом с большим содержанием кремния (5%). Ферритные чугуны возможно сваривать ферритно-перлит-ным электродом с меньшим содержанием кремния (не менее 4°/0), при этом получается отсутствие цементита в переходной зоне и плавный переход структур.
2. Сварку стальным электродом с карборундовой обмазкой рекомендовать нельзя.
3. Возможно рекомендовать сваривать ферритный чугун стальным электродом с обмазкой из ферросилиция, древесного угля, обработанного по нашему способу карбонатом калия.
4. Чугуны ферритно-перлитные и перлитные сваривать стальным электродом возможно, но это зависит от искусства сварщика и не всегда дает положительные результаты.
5. Применение стальных электродов с тонкой проволочной обмоткой и трехслойной обмазкой ожидаемого эффекта не дало.
6. При употреблении обмазок с ферросилицием и отчасти с карборундом необходимо обращать внимание на модуль жидкого стекла. Рекомендуем в среднем модуль 3,0—3,2.
При употреблении пассивированного ферросилиция возможен модуль 2,8 —ЗД
7. В результате применения электродов, покрытых обмазками, состав которых мы рекомендуем» получается шлак, который достаточно легко вычисляется, причем необходимо иметь в виду, что состав шлака для стали и чугуна вследствие различных металлургических и физико-хими-ческих основ стали и чугуна должен быть различным.
8. Графитизация в металле шва вследствие высокой температуры расплавленной капли (~1800°) не зависит от наличия центров кристаллизации графита, в жидком металле, как это имеет место в обычном чугуне, где перегрев порядка 1400—1500° считается значительным.
9. Науглероживание стального электрода до чугуна проходит, вероятно, за счет действия газовой фазы, в виде СО и частично в виде паров углерода, но не в виде твердого графита, что и исключает готовые центры коисталлизации графита.
10. Коэфициент перехода легирующих элементов (углерода и кремния) из обмазки в шов неизвестен и систематических опытов в этом направлении не велось. Возможно определить коэфициент перехода углерода и кремния по отдельности, но когда углерод и кремний вводятся вместе, то картина будет иная в соответствии с законом действия масс.
П. Определены количественные данные при переходе некоторых легирующих составных частей обмазки (кремния и углерода) в шов для стальных и чугунных электродов.
На основании этих данных рекомендуем следующие рецепты обмазок:
1. Графита 55%
Ферросилиция 36°/0 Мрамора 9% .
для чугунных электродов
Графита 22%
Карборунда 67% } для чугунных электродов. Мрамора 11% )
Угля древесного 53% Ферросилиция 42% Мрамора 5%
для стальных и чугунных электродов.
Во всех обмазках количество растворимого стекла (сухого) 25% от веса сухого покрытия.
12. Применение термита в обмазках для сварки чугуна никакого эффекта не дало.
13. Если в структуре шва появились включения ледебуритного цементита, то в случае если это возможно, мы рекомендуем применять терми-
ческую обработку шва, заключающуюся в отжиге с температуры 900° для полной графитизации.
14. Сварка чугуна с подогревом в 200—300° способствует более полной графитизации шва и получению в наплавке микроструктуры—феррита ы графита.
ЛИТЕРАТУРА
1. Е. Пивоварский. Высококачественный чугун и физикометаллургически« основы его изготовления, ОНТИ, 1932.
2. К. А. Еремин. Образование графита в чугуне, 1938.
3. Н. Ф. Болзовитинов. Металловеде >ие и терь*ическая обрлботка, Машгиз, 1**47.
4. Н. П. Д у б и ни н. Отливка чугунных изделий ширпотреба в постоянных формах, Гизместп[ ом, 1У40.
5. Н. В. Г у т овс к и й. К теории системы железо-углерод, часть 1, 1914.
6. В. И. Я р х о. Холодная сварка чугуна чугунными электродами, Машгиз, 1940»
7. В. И. Я р х о. Холодная сварка чугуна по методу Ярхо, „Автогенное дело*1, № 7, 1936.
8. И. А. Павло в. Металлургия чугуна, вып. 2, 1940.
9. К. К. Хренов и В. И. Я р х о. Технология дуговой сварки, Машгиз, 1940.
