Файл: Елистратов, П. С. Сварка чугуна сталью.pdf

для роста FeО

К = 5,75е-10 500-,рг с,и2/с,

для роста Fea0.i

К = 1,05е-40 500/яг СМ2/С>

для роста РсгОз

К = 5,4е-40 50°/рг см2/с.

Отсюда видно, что скорость роста закиси железа превы­ шает скорость роста других окислов, чему способствует и высокая температура шлака. Для рассматриваемых условии сварки эта схема будет несколько изменена, так как в шлаке наряду с окислами железа присутствуют и другие окислы. Кроме того, кратковременность процесса затрудняет образование четкого разграничения слоев, связанное с диффузией ионов. Этот процесс диффузии в нашем случае имеет особое значение, так как это единст­ венный способ передачи кислорода от шлака в металл. Однако коэффициент диффузии кислорода очень мал, что объясняется большой величиной иона кислорода: по Паулингу, радиус нона Fe2H равен 0,83 А, а радиус иона О2--—1,32 А. Точных данных о коэффициенте диффузии иона кислорода нет, но О. Кубашевский и Б. Гопкппе [53] указывают цифру 10~и см2/с. Расчет по уравнению Эйнштейна — Стокса дает величину ІО-7 см2/с, а иссле­ дования диффузии кислорода в силикатном шлаке [70] показали порядок ІО-5, хотя объяснения не приводятся.

Анализ изложенного выше позволяет отметить, что, несмотря на то что термодинамические условия позволя­ ют использовать кислород шлака для значительного окисления металла, полностью реализовать эти возмож­ ности не удается из-за медленной диффузии кислорода к металлу. Поэтому целесообразно предположить, что окисление металла шлаком происходит только в первый момент соприкасания их и в металл переходит только определенная часть атомов (ионов) кислорода погра­ ничного, возможно, мономолекулярного слоя шлака.

В таком случае шлак может передать не очень боль­ шое количество кислорода. Так, при ручной сварке шлака образуется около 20% от веса металла, что для средних режимов сварки составляет 0,83-0,2 = 0,163 г/с. Можно принять, что шлак переходит мелкими каплями диамет­ ром около 1 мм, поверхность ее будет 0,0314 см2 п масса

119

при Ѵш = 3 г/см3—0,00165 г. На поверхности такой капли может быть расположено (с учетом площади, занимаемой одной молекулой, 10 Â2) 0,0314/10-10~3= 3 ,14 • 10е моле­ кул разных окислов. При содержании в шлаке 60% FeO на поверхности частицы его будет находиться 1,9-10° мо­ лекул закиси железа. Для 1600 °С Кербер [71] на осно­ ве своих исследований дает такое соотношение по рас­ пределению закиси железа:

[%FeO] = - (°/oFe0). .

ду образуется 0,163/0,00165=100 шт., а за время суще­

=1,5-10~14%. Конечно, это не очень большая величина,

иона меньше при сварке в окислительной атмосфере, когда шлака образуется еще меньше.

Подводя итог изложенному, отметим, что наиболее эффективно окисление осуществляется кислородом, раст­ воренным в металле, и кислородом, который в виде окис­ лов переходит в сварочную ванну. Количество кислоро­ да, которое оказывается в металле, превышает равно­ весную концентрацию и предел растворимости его в жидком металле. Следовательно, таким путем кислорода подается в избытке, и этот путь не лимитирует процесс окисления. При этом надо иметь в виду трудности насы­ щения металла кислородом выше предела растворимо­ сти. Поэтому предпочтение следует отдавать таким ре­ жимам сварки, когда глубина проплавления сваривае­ мого чугуна не превышает высоту наплавленного вали­ ка. В этом случае для окисления избыточных углерода и кремния требуется около 3% кислорода.

6.ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ МЕТАЛЛА ШВА

Химический состав металла шва определяется соста­ вом свариваемого чугуна и наплавляемого металла, а также отношением hjh2. Чтобы при данных условиях

120

сварки снизить содержание углерода и кремния в метал­ ле шва, необходимо в сварочном материале иметь ми­ нимальное количество углерода и кремния при должном содержании кислорода. В связи с этим представляет ин­ терес состав сварочного материала, который при сварке чугуна сталыо должен удовлетворять основному требо­ ванию — минимальное содержание углерода и кремния при максимальном содержании кислорода.

Сварочный материал при ручной сварке

При ручной сварке в качестве прутков применяют низкоуглеродистую сталь марок СВ-08 или СВ-08А, ко­ торая содержит минимум углерода (около 0,1%) и крем­ ния (менее 0,03%). Электродное покрытие изготовляют с применением кислородосодержащих компонентов. Существует много различных марок электродов для сварки чугуна сталыо, хотя не все они в достаточной сте­ пени отвечают своему назначению [6].

В табл. 6 приведено несколько марок электродов для сварки чугуна с кислородосодержащими компонентами электродного покрытия. В качестве связующего в ука­ занных электродах применяется жидкое стекло, добав­ ляемое обычно около 25% от веса сухой смеси покрытия. По назначению применяемые компоненты электродного покрытия можно разделить на три группы.

снабжать зону сварки кислородом и создавать шлаковый покров на сварном шве.

2. Кислородосодержащие и растворяющиеся — ге­ матит, марганцевая руда, титановый концентрат, рутил. Они не только снабжают зону сварки кислородом и со­ здают шлаковый покров, но и способствуют лучшему хи­ мическому взаимодействию железа с кислородом, раст­

Применяемый железный порошок должен содержать уг­ лерода не более 0,1%.

121

122

В табл. 6 приведено также среднее содержание расчетного количества кислорода в электроде по отноше­ нию к металлу прутка без учета кислорода жидкого стекла и влаги (покрытия). Как видно из данных табл. 4, при самых неблагоприятных условиях сварки чугуна сталыо, когда соотношение /іі/Ло= 0,2/0,8, максимальное количество требуемого кислорода равно 5,1 %• В таком случае все электроды, состав которых приведен в табл. 6, могут окислять избыточное количество углерода и кремния металла шва. При этом большое значение име­ ют растворяющиеся компоненты, способствующие луч­ шему использованию кислорода компонентов.

Сварочный материал при автоматической и полуавтоматической сварке

В этом случае сварку выполняют проволоками марок СВ-08 или СВ-08А. Проволоки марок СВ-08ГС, СВ-10Г2,

углерода, кремния и марганца, и для получения лучших результатов при сварке ими чугуна надо увеличивать расход кислородосодержащего газа.

В качестве кислородосодержащего газа могут приме­ няться кислород или углекислый газ, но расход угле­ кислого газа должен быть в 2 раза больше расхода кис­ лорода. Это не только увеличивает расход по оплате га­ за, но и связано с увеличением расхода энергии на нагрев газа, что видно из следующих расчетов. Теплоем­

лого газа в 2 раза больше расхода кислорода. Поэтому на нагрев углекислого газа надо затратить тепла почти в 3 раза больше: 10,8/7,2 = 3,08 раза. Расчеты показы­ вают, что при нагреве газов, например, до 3000 °С для

123