Залізовуглецеві сплави - Зварювальні роботи
Чисте залізо в промисловості та будівництві майже не застосовується через низьку міцність і твердість. Вуглець, навіть у невеликій кількості присутній у залозі, різко змінює механічні властивості останнього. Однією з суттєвих переваг сплавів заліза з вуглецем є їхня здатність у широких межах змінювати свої властивості. Сплави заліза з вуглецем, що містять до 2% вуглецю, називаються сталлю, а понад 2% - чавуном. Крім вуглецю в сталі та чавуні є шкідливі (сірка та фосфор) та корисні (наприклад, марганець) домішки. Сірка та фосфор надають сталі та чавуну крихкості, сірка при високих фосфорах при низьких температурах. Відповідно до стандартів у сталі не повинно бути більше 0 04—0,08% сірки та фосфору (кожного елемента окремо). Марганець, взаємодіючи з сіркою, частково видаляє її в шлак і відновлює залізо шляхом з'єднання з киснем, тому марганець — корисна домішка.
Легована сталь у своєму складі крім вуглецю має різні легуючі компоненти (хром, нікель, молібден, ванадій та ін), за змістом яких вона ділиться на низько-(до 2,5%), середньо-(від 2,5 до 10%) ) і високолегіро:ванну (понад 10%,).
За призначенням сталь ділиться на конструкційну, інструментальну та з особливими фізичними та хімічними властивостями (жаростійка, нержавіюча, жароміцна, електротехнічна та інша сталь).
У якісному відношенні сталь ділиться на звичайну, якісну та високоякісну. Якість сталі визначається кількістю газів, шлаків і шкідливих домішок, що у її складі, і навіть однорідністю металу. Чим менше шкідливих домішок, тим краща якість сталі. Якість сталі залежить від наявності та кількості спеціальних елементів у ній, оскільки хімічний склад визначає марку сталі, а чи не її якість.
Сталь має певні марки. Вуглецеві та леговані сталі маркуються по-різному.
Сталі звичайної якості, що виготовляються за ГОСТ 380-71 *, діляться на три основні групи, які визначають сфери застосування сталі. Сталі групи А характеризуються механічними властивостями, групи Б - хімічним складом та групи В - механічними властивостями та хімічним складом.
Чавун. Чавун виплавляють у доменних печах із залізняку. Є кілька видів чавуну (білий, сірий). Білий чавун одержують при швидкому його охолодженні та вмісті в ньому марганцю більше 1%. Вуглець у чавуні хімічно пов'язаний із залізом, тому білий чавун дуже твердий і тендітний, погано піддається обробці, але добре чинить опір зносу.
Після повільного охолодження та затвердіння вуглець у чавуні знаходиться у вільному стані у вигляді графіту. Наявність графіту призводить до зниження твердості та поліпшення оброблюваності чавуну. Такий чавун називається сірим, він широко використовується у промисловості.
Велике поширення в автомобіле- та сільгоспмашинобудуванні знайшов спритний чавун, що отримується відпалом з білого чавуну. Ковким називається в'язкий чавун, що добре опирається розриву і ударному навантаженню, у якого в основній структурі зв'язаного вуглецю є пластівеподібні графітові включення.
Високі вимоги до міцності та зносостійкості чавунних виливків зумовили застосування модифікованого чавуну. Модифікація здійснюється шляхом добавок до рідкого сплаву спеціальних присадок — модифікаторів. Використовується також легований чавун, що містить значну кількість спеціальних елементів (нікель, ванадій, марганець, хром, титан, мідь), які покращують структуру чавуну та підвищують ефективність його термічної обробки.
Зкольорових металів найбільшого поширення у будівництві набули алюміній, мідь, титан та їх сплави.
Алюміній та його сплави. Алюміній має невелику щільність (2,7 г/см3), високу електричну провідність (60% електричної провідності міді) і теплопровідність. Однак внаслідок низької міцності та високої пластичності чистий алюміній застосовується у техніці мало. Для будівельних конструкцій переважно використовуються сплави алюмінію. Температура плавлення алюмінію порівняно низька - 658 ° С (93ГК). Однак у рідкому та твердому станах алюміній енергійно з'єднується з киснем, при цьому виходить окис з високою температурою плавлення - 2050 ° С (2323 ° К). Окис алюмінію, що утворився в твердому стані, розташовується на поверхні у вигляді плівки, що добре оберігає метал від корозії. Чим чистіший алюміній, тим краще його опір корозії і вище електрична провідність.
Специфічні властивості алюмінію та його сплавів ускладнюють їх зварювання. Через високу теплопровідність необхідно застосовувати спеціальні технологічні прийоми, а в ряді випадків - попередній підігрів. Наявність поверхні виробів тугоплавкою плівки окису алюмінію перешкоджає з'єднанню частинок металу. Низька температура плавлення алюмінію та висока температура плавлення окисної плівки значно ускладнюють керування процесом зварювання.
Мідь та її сплави. Мідь - це в'язкий, червонувато-рожевого кольору метал. За електричною провідністю мідь посідає серед металів друге місце після срібла. Крім того, мідь характеризується високою теплопровідністю (в 6 разів більше, ніж у сталі та заліза) та корозійною стійкістю. Температура плавлення міді - 1083 ° С (1356 ° К), щільність - 8,9 г/см3.
Внаслідок здатності міді легко окислюватися, великої теплопровідності танаявності домішок (кисень, свинець, сірка, фосфор, вісмут, миш'як, сурма) вона важко піддається дуговому зварюванню. Особливо на зварюваність міді негативно впливають вісмут та кисень.
Велике застосування у народному господарстві знайшли сплави міді (латунь та бронза).
Основними факторами, що ускладнюють зварювання латуні, є випаровування та чад цинку. Виділення цинку веде до пористості металу шва та насичення повітря, що оточує зварювальника, парами цинку, шкідливими для здоров'я.
Бронзи задовільно зварюються дуговим зварюванням. Основна складність полягає в окисленні олова, алюмінію, кремнію, фосфору в процесі зварювання з утворенням сполук, що ускладнюють зварювання та повідомляють зварному шву крихкість.
Титан та його сплави. Титан і його сплави з кожним роком набувають все більшого поширення в народному господарстві. Титан — це сріблясто-білий легкий метал із щільністю 4,5 г/смз і температурою плавлення 1650—1670°С. Щільність титану на 40% менше, ніж сталі та на 70% більше, ніж алюмінію.
110 міцності та корозійної стійкості титан та його сплави у ряді випадків перевершують нержавіючу сталь Х18Н19. Титан хімічно стійкий, має в 4 рази менший коефіцієнт теплопровідності та в 5 разів більш високий електричний опір у порівнянні зі сталлю, тому для його зварювання витрачається менше електричної енергії, ніж для сталі та алюмінію. Однак висока температура плавлення вимагає при зварюванні застосовувати концентровані джерела тепла. Титан маломагнітний, тому при зварюванні відсутнє магнітне дуття.
Великою скрутою при зварюванні титану та його сплавів є висока активність до кисню, азоту, водню та вуглецю в розплавленому та твердому станах при температурах вище 600 °С. Для отримання при зварюванні плавленнямз'єднання хорошої якості необхідно повністю захищати метали, що зварюються, від взаємодії з повітрям і шкідливими домішками зварювальної ванни і нагрітих вище 600 ° С металів основного і шва.
Титан та його сплави маркують умовно (ВТ1-1, ВТ1-2, ОТ4-1, ОТ-4, ВТ-6), літери та цифри в марці не відображають ні хімічного складу, ні властивостей титану. Порівняно висока питома міцність, жорсткість і стійкість до зовнішнього середовища при невеликій питомій масі порівняно зі сталями дадуть змогу розширити сферу застосування титану.
Мал. 1. Діаграма стану сплавів заліза із вуглецем
Введення в сталь легуючих елементів змінює їх властивості та значною мірою впливає на умови зварювання та властивості зварних з'єднань. Легуючі елементи по-різному взаємодіють із залізом та вуглецем-основними компонентами сталі. Із залізом легуючі елементи дають розчини заміщення. Взаємодія їх із вуглецем складніше. З одного боку багато легючих елементів або безпосередньо утворюють з вуглецем карбід легуючого елемента або замінюють частину атомів заліза в карбіді заліза. З іншого боку, утворюючи розчини заміщення і замінюючи в кристалічній решітці частину атомів заліза, елементи, що легують, змінюють енергетичні умови взаємодії з решіткою внутрішніх атомів вуглецю. Отже, легуючи ферит і змінюючи рівень енергетичних зв'язків, легуючі елементи змінюють температуру поліморфних перетворень, що особливо важливо при нагріванні, що швидкопротікає, стали при зварюванні, а при охолодженні впливають на процес розпаду аустеніту.
Сталь має певні марки. Вуглецеві та леговані сталі маркуються по-різному.
Сталі групи В характеризуються механічними властивостями, відповідними сталям групи А, та хімічним.складом, що відповідає сталям групи Б.
Через ускладнення умов експлуатації трубопроводів, металоконструкцій та обладнання, масового будівництва промислових підприємств в умовах Сибіру та Півночі, технологічних труднощів зварювання товстолистового металу та необхідності економії металу широке застосування знайшли низьколеговані сталі, міцнісні характеристики яких, а також температура переходу в крихкий стан більш сприятливі порівняно з найкращими низьковуглецевими сталями.
Під зварюваністю стали розуміють можливість отримання зварного з'єднання з властивостями, які не поступаються основному металу, без різних дефектів.