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

Общую площадь отпечатка F определяем по урав­ нению

F -- JL-D(D — У D- — d1 ),

где D — диаметр шарика; of — диаметр отпечатка, вели­ чина которого приводится в соответствующих таблицах твердости.

Так как цемзнтитиые выделения чаще всего это пластинки или полоски, то представляет интерес их ши­ рина Ьц. Приняв, что полоска цементита расположена по диаметру отпечатка, получим

Тц = bnd,

откуда

£ц_ .

0 ц = d

Чтобы определить величину площадей F, Fn и F4l а также Ьц, примем в качестве исходных данных твердость цементита 750 кГ/мм2, а твердость чугуна 150 кГ/мм2. В таком случае минимальную площадь отпечатка полу­ чим при вдавливании шарика в цементит

F „ 3000 = 4 мм",

750

Рис. 33. Соотношение площадей: 1 — площадь отпечатка шарика; 2 — площадь, занимаемая в ней чугуном; 3 — ширина цементптной полоски при разной твердости чугуна

140

а максимальную — при вдавливании шарика в чугун

3000

Fч 20 мм2.

150

Следовательно, общая площадь отпечатка будет в пределах 4—20 мм2 в зависимости от состава металла зоны сплавления. Принимаем еще, что величина Fn оста­ ется постоянной для любой твердости — для любого значения F, так же как и длина цементитных выделений. Иными словами, допускаем, что увеличение площади отпечатка при снижении твердости происходит в резуль­ тате уменьшения ширины полоски цементита Ьц. Прак­ тически цементитные выделения будут любой формы и размера, но это не меняет соотношений Fn и F4 в общей площади отпечатка при различных твердостях. Резуль­ таты расчета приведены на рис. 33. Пользуясь этими данными, по твердости металла можно составить пред­ ставление о размерах цементитных выделений.

8. СТРУКТУРА МЕТАЛЛА ЗОНЫ ТЕРМИЧЕСКОГО ВЛИЯНИЯ

Зона термического влияния представляет собой часть основного свариваемого чугуна, которая в процессе сварки нагревается теплом сварочного пламени. От­ дельные участки этой зоны нагреваются до разных тем­ ператур — от окружающей температуры до максималь­ ной, но ни один участок зоны не нагревается до расплав­ ления. Непосредственным источником тепла для нагрева металла зоны термического влияния является свароч­ ная ванна — нагретый металл сварного шва. Поэтому температура металла зоны термического влияния неоди­ накова в направлении, перпендикулярном шву. Макси­ мальную температуру нагрева имеют участки, непосред­ ственно соприкасающиеся со сварным швом (ванной), а температура других участков снижается по мере отда­ ления от шва. В связи с этим структура металла зоны термического влияния — это структура свариваемого чу­ гуна, подвергавшегося определенному тепловому воз­ действию — термической обработке.

141

Условия нагрева и охлаждения зоны термического влияния

Структурные превращения в зоне термического влия­ ния чугуна определяются максимальной температурой нагрева и скоростью нагрева и охлаждения каждого участка. Скорость нагрева зависит от скорости сварки, а точнее говоря, — от времени существования сварочной ванны. Расчетные и экспериментальные данные показы­ вают, что скорость нагрева довольно высока — десятки и даже сотни градусов в секунду. Максимальная темпе­ ратура нагрева каждого участка сохраняется очень ко­ роткий промежуток времени, исчисляемый секундами. Оба указанных обстоятельства затрудняют, а часто да­ же исключают возможность прохождения таких струк­ турных превращений, которые должны происходить в чугуне в соответствии с диаграммой состояния сплава Fe—С—Si при медленном нагреве его до таких же температур. Охлаждение металла зоны термического влияния происходит со сравнительно малыми скоростя­ ми, соизмеримыми со скоростями охлаждения металла шва,— десятки градусов в секунду. Для суждения о про­ исходящих структурных превращениях при данной ско­ рости охлаждения можно воспользоваться диаграммой термокинетическпх превращений аустенита чугуна.

Чтобы проанализировать возможные структурные превращения в зоне термического влияния чугуна, надо знать распределение температур по участкам, т. е. ма­ ксимальную температуру, до которой нагревался данный участок зоны термического влияния. Для этого применя­ ют различные расчетные и экспериментальные методы. Можно воспользоваться полуэмпирическим методом рас­

Та— температура плавления чугуна; А и В — коэффици­ енты, вычисляемые экспериментально, причем A = Qm,

142

т. е. это максимальная температура рассматриваемой точки зоны термического влияния, находящейся на рас­ стоянии X от границы сплавления. Коэффициенты А и В находим по уравнениям:

Здесь /о — время существования сварочной ванны; t0— время охлаждения рассматриваемого участка; I — сила тока.

Пользуясь этими уравнениями (или соответствующей номограммой [72]), можно рассчитать температуру в любом участке зоны термического влияния. Это позволя­ ет сделать заключение о вероятных структурных превра­ щениях и конечных структурах каждого участка.

Структура металла зоны термического влияния

Зная распределение температуры в зоне термическо­ го влияния и связав это с диаграммой состояния сплава Fe—С—Si, можно наметить несколько характерных участков этой зоны (рис. 34). Рассматриваемые участки нагревались до разных температур и имели в этот мо­ мент свои характерные структуры в соответствии с ди­ аграммой состояния. Подробный анализ структурных превращений для всех участков зоны термического влия­ ния [72] показал, что наибольшее значение имеют / и II участки, которые при нагреве получают структуру аусте­ нита, а также IV участок графитизации и сфероидизации карбидов и частичной сфероидизации первичного графита. III участок имеет очень малую протяженность

иметаллографически не обнаруживается.

Взависимости от скорости охлаждения структура ферритоперлитных чугунов в зоне термического влияния

будет различной. При малых скоростях охлаждения — около десятка °С/с — структура получается феррито­ перлитная, иногда перлитоферритная с пластинчатым графитом (рис. 35, а). При наличии в исходном чугуне более мелкого графита и в меньшем количестве струк-

143

Рис. 34. Структурные участки в зоне термического влияния чугуна

тура почти перлитная и графит частично сфероидизируется (рис. 35, б). При очень больших скоростях охлаж­ дения может появиться мартенсит (рис. 35, в), который заметен па фоне крупных пластин графита. Подобные структуры получаются и при торцовой пробе чугуна [72], только не обнаруживается сфероиднзация графита. По-видимому, это связано с воздействием при сварке на чугун высокотемпературного источника тепла, а при торцовой пробе нагрев производится в печи.

9. УЛУЧШ ЕНИЕ СТРУКТУРЫ М ЕТАЛЛА ЗО Н Ы СПЛАВЛЕНИЯ

В зоне сплавления часто образуются неблагоприят­ ные структуры металла, главным образом цементитные выделения в большом количестве. Так как цементит — твердая и хрупкая составляющая, то наличие его в свар­ ном шве ухудшает качество сварного соединения. Нали­ чие цементита связано с присутствием углерода. Если металл зоны сплавления — сталь, то наличие цементита вызвано повышенным содержанием углерода: образо­ вывается высокоуглеродистая заэвтектоидиая сталь, и

144

цементит выделяется в виде грубой сетки вокруг зерен перлита. Если металл зоны сплавления — чугун, то нали­

гун, цементит которого не успел графнтизнроваться изза малой графптнзирующеп способности такого чугуна. В этом случае избыточный цементит образует ледебурит (отбел). Именно такая форма выделения избыточного цементита чаще всего п наблюдается в зоне сплавления. Поэтому улучшение структуры металла зоны сплавления сводится к устранению ледебурита в этой зоне.

Как видно из табл. 10, наиболее неблагоприятная форма выделений ледебурита наблюдается при больших скоростях охлаждения металла в интервале графитизацнн 1200— 1000 °С. На это указывает И. Н. Богачев [73], отмечая при этом значение кремния. Однако при изуче­ нии процесса графнтнзацип при непрерывном охлажде­ нии [74] было найдено, что в доэвтектическом чугуне (скорость охлаждения 7,1—К град/с) появляется иголь­ чатый ледебурит, пронизанный иголками цементита.

При этом колонии точечного графита вкраплены в ле­ дебурит отдельными островками. При дальнейшем уве­ личении скорости охлаждения до 12 град/с ледебурит полностью исчезает и все поле шлифа оказывается за­ полненным точечным и частично завихренным графитом.

При непрерывном охлаждении заэвтектического чу­ гуна не обнаружены образования ледебурита в широком диапазоне скоростей охлаждения. Основными структур­ ными составляющими были дендриты аустенита и гра­ фит в той или иной форме. Это подтверждает, что обра­ зование ледебурита связано как со скоростью охлажде­ ния, так и с химическим составом чугуна.

В. Ф. Зубарев [75] отмечает большое влияние приме­ сей на графитизацию цементита, внутренних напряже­ ний и пор. Температура заливки жидкого чугуна оказы­ вает влияние на размер образующихся дендритов: снижение температуры заливки размельчает зерно. Пе­ регрев влияет и на размер графитовых выделений [76]: разрушаются ассоциации атомов углерода, способных при переохлаждении играть роль зародышей графита, что затрудняет графитизацию. Это дает основание пола­ гать, что высокая температура нагрева жидкого металла при сварке не способствует графитизации, создавая бла­ гоприятные условия для образования ледебурита. Так как вопросы образования ледебурита представляют большой интерес при сварке чугуна сталью, а в литера­ туре достаточно полных данных, освещающих условия образования и распада его, нет, были проведены экспе­ рименты для изучения этого процесса.

Нагрев чугунного стержня в жидком металле

Из пластины серого чугуна марки СЧ 18-36 вырезали образцы диаметром 10 мм и длиной 100 мм. Один конец образца погружался в медную ванну с температурой 1250 °С на глубину 10—15 мм, выдерживался заданное время, погружался в воду, а затем из него готовили шлиф для металлографических исследований. Так как отдельные участки погруженного конца стержня нагре­ вались до разных температур, то структура их была раз­ личной. Для характеристики их было принято четыре типа структур (табл. 11). Распределение этих типовых

146

туры

4Очень мелкие, точечные, Мелкие густые дендриты аусте­ разбросанные, не более 2—3 нита, троостомартенсит в меж­

дендритных областях

структур на образцах схематично показано на рис. 36. Следует отметить, что протяженность (ширина) отдель­ ных участков различна и не всегда все намеченные типы структур обнаруживались на шлифе.

Замеряя протяженность каждого участка на шлифе и зная время выдержки образца в ванне, можно рассчи­ тать температуру Тн и скорость нагрева его. Зная длину графитных выделений в исходном чугуне, размер и ко­ личество остающегося графита в каждом участке, опре­ деляем среднюю скорость растворения графита для каж­ дого участка образца (табл. 12).

Принятая методика нагрева образцов имитировала нагрев металла зоны термического влияния, находяще-

Рис. 36. Схематическое распределение принятых типов структуры па конце прутка при разной длительности нагрева