Чугунами называют железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода свыше 2,0%. Обычный чугун представляет собой железоуглеродистокремниевый сплав, содержащий углерода от 2,5 до 4%, кремния от 1 до5% в сочетании с различными количествами марганца, серы и фосфора. Иногда при этом имеются один или несколько специальных легирующих элементов вроде никеля, хрома, молибдена, ванадия, титана и прочих.
Чугун является дешевым, обладающим хорошими литейными свойствами сплавом, который, благодаря ряду других особых свойств, нашел широкое применение в народном хозяйстве, особенно в машиностроении. В зависимости от состояния углерода в сплаве различают два основных вида чугуна: белый и серый чугун.
Серые чугуны получили большое распространение. С их сваркой приходится встречаться, главным образом, при исправлении брака чугунного литья и при ремонте.
Структура чугуна, его физические и механические свойства зависят от скорости охлаждения и химического состава чугуна. При одинаковом химическом составе и прочих равных условия высокая скорость охлаждения способствует образованию в чугуне цемента, то есть получению белого чугуна. Замедленное охлаждение, напротив, вызывает выделение углерода в состоянии графита с получением серого чугуна. Промежуточные скорости охлаждения дают различные переходные структуры металлической части: цементно-перлитную, перлитную, перлито-ферритную, ферритную.
Все смеси чугуна по своему влиянию на цементит делят на две группы: графитообразующие, способствующие образованию графита, и карбидообразующие, задерживающие образование графита. Рассмотрим влияние некоторых примесей.
Кремний является после углерода наиболее важной примесью чугуна и относится к графитообразующим примесям. При содержании кремния выше 4,5%, практически, весь углерод выпадает в виде графита. Сера образует легкоплавкие эвтектики и является активным карбидообразователем, что увеличивает хрупкость чугуна. Поэтому содержание серы в чугуне строго ограничивается (не более 0,15%). Марганец, как и в стали, снижает содержание серы в чугуне. При содержании в чугуне до 0,8% действует, как графитизатор, выше 1% - как слабый карбидообразователь, дальнейшее увеличение содержания марганца усиливает его карбидообразующее действие. Фосфор придает расплавленному чугуну жидкотекучесть и образует сложную фосфидную эвтектику, повышающую твердость и хрупкость чугуна.
Твердость является важной характеристикой чугуна. Она зависит от структуры, легирующих примесей и размера графитных включений.
Наименьшую твердость имеют ферритные чугуны, в которых почти весь углерод находится в свободном состоянии. Перлитный чугун с пластинчатым графитом имеет 220*240 НВ, а структура цементита 750 НА. Чем больше размеры графитных включений, тем меньше твердость чугуна.
При выборе способа сварки чугуна необходимо учитывать, что:
- высокая его хрупкость при неравномерном нагреве и охлаждении может привести к появлению трещин в процессе сварки;
- ускоренное охлаждение приводит к образованию отбеленной прослойки в околошовной зоне и затрудняет его дальнейшую механическую обработку;
- сильное газообразование в жидкой ванне может привести к пористости сварных швов;
- высокая жидкотекучесть чугуна вызывает необходимость в ряде случаев к подформовке.
Чугунные детали, работающие длительное время при высоких температурах, почти не поддаются сварке. Это происходит в результате того, что под действием высоких температур (300-400°С и выше) углерод и кремний окисляются, и чугун становится очень хрупким. Чугун с окисленным углеродом и кремнием называют горелым.
Так же плохо свариваются чугунные детали, работающие длительное время в соприкосновении с маслом и керосином. В таких Случаях поверхность чугуна как бы пропитывается маслом и керосином, которые при сварке сгорают и образуют газы, способствующие появлению сплошной пористости в сварном шве. Различают два способа сварки чугуна. Холодная сварка чугуна – это сварка без предварительного нагрева изделия. Горячая сварка чугуна - это такой способ, при котором осуществляется предварительный и сопутствующий нагрев изделия до 600-700°С с последующим медленным охлаждением. Такой процесс уменьшает скорость охлаждения металла сварочной ванны и околошовной зоны, что обеспечивает полную графитизацию металла шва и отсутствие отбела в околошовной зоне, а также исключает возможность появления сварочных напряжений.
Подогрев чугунного изделия до 250-400°С для уменьшения сварочных напряжений и скорости охлаждения с целью получения более пластичной структуры металлической основы чугуна часто называют полугорячей сваркой.
Способ холодной сварки требует меньше затрат. Кроме того, при нем имеется возможность варьировать в больших пределах химический состав металла шва. Но при наложении валика на холодную поверхность чугуна вследствие быстрого отвода теплоты в околошовной зоне образуются отбеленные участки, а металл шва также может получиться твердым и хрупким. Превращения в околошовной зоне при холодной сварке чугуна определяются химическим составом, исходной структурой свариваемого чугуна и распределением температур в поперечном сечении соединения.
