Горячая сварка серого чугуна: что происходит с металлом и почему шов — только половина работы

Почему серый чугун так сложно сваривать

Серый чугун отлично работает в корпусах, станинах, блоках и втулках.

Но при сварке его преимущества превращаются в проблему.
Дело не только в высоком содержании углерода.

В сером чугуне значительная его часть находится в форме пластинчатого графита.

Во время сварки рядом существуют расплавленный металл, сильно нагретая зона и сравнительно холодный массив отливки.
Возникают температурные и усадочные напряжения.

А быстрое охлаждение способно привести к появлению твёрдых и хрупких структур — прежде всего цементита и ледебурита.
Особенно важна узкая область непосредственно около границы сплавления.
Именно поэтому красивый сварной валик ещё не доказывает, что ремонт получился качественным.

Главные проблемы могут находиться не в самом шве, а рядом с ним.

 

 

Зачем чугун нагревали до 500–550 °C

Один из классических способов управления сварочным циклом — предварительный нагрев.
В исследовании использовали серый перлитный чугун СЧ25.

Образцы вырезали не из условной лабораторной заготовки, а из втулки цилиндра судового двигателя ДКРН 50/110-2.
Перед сваркой металл нагревали примерно до 500–550 °C.
Смысл такого нагрева — уменьшить температурный перепад между сварочной ванной и массивом детали, замедлить отвод тепла и изменить условия кристаллизации и последующего охлаждения.
Но здесь появляется первый важный нюанс.
Даже нагрев до 500–550 °C не гарантировал полного исчезновения цементита и ледебурита.

Металлография обнаружила их в отдельных областях соединения.
Значит, предварительный нагрев — не страховка от всех проблем.

Это инструмент управления металлургией процесса.

 

 

Два способа сварки — два разных тепловых сценария

Авторы сравнивали электродуговую и газовую сварку.
Для дугового процесса использовали чугунные прутки сечением 8 × 8 мм.

Их состав включал 3,1 % C, 1,9 % Si, 1,0 % Mn, 0,25 % Cr, 0,6 % Ni и другие компоненты.
На прутки вручную наносили специальное покрытие, после чего электроды сушили и прокаливали при 200 °C.

Сварку выполняли постоянным током обратной полярности при 280–300 А, а для формирования ванны применяли графитовые пластины.
Газовую сварку проводили после нагрева до 525 ± 20 °C с присадкой СЧ25.

Применяли флюс из 70 % плавленой буры, 10 % борной кислоты и 20 % хлорида натрия.
Здесь важны не только присадки.

Дуга и газовое пламя по-разному передают тепло металлу.

А значит, даже при одной исходной отливке формируется разный тепловой цикл.

 

 

Что обнаружили внутри сварного соединения

Самая интересная часть исследования начинается под микроскопом.
До сварки основной металл представлял собой перлитный серый чугун с пластинчатым графитом и фосфидной эвтектикой.

Графит занимал в среднем около 13,3 % площади исследованного шлифа.
После газовой сварки в наплавленном металле авторы наблюдали ледебурит, троостит и графит.

В зоне неполного расплавления присутствовали также вторичный цементит и фосфидная эвтектика.
При электродуговой сварке в наплавленном металле обнаружили графит, троостит, вторичный цементит и отдельные участки ледебурита.
Получается своеобразная металлургическая карта: на очень небольшом расстоянии свойства металла способны существенно меняться.
И это объясняет одну из главных трудностей ремонта чугуна: сварное соединение нельзя рассматривать как один однородный кусок металла.

 

 

Самое твёрдое место оказалось рядом со швом

Измерение микротвёрдости дало особенно показательный результат.
Наибольшие значения обнаружили в зоне неполного расплавления чугуна.

При электродуговой сварке область повышенной микротвёрдости оказалась шире.
Для практики это принципиально.
Валик можно осмотреть, зачистить и обработать.

Но непосредственно рядом с ним существует узкая область металла, которая пережила совершенно другой температурный цикл.

Снаружи её практически не видно.
Именно там могут сочетаться высокая твёрдость, структурная неоднородность и низкая способность чугуна пластически воспринимать возникающие напряжения.
Поэтому профессиональная сварка чугуна — это контроль не только того металла, который положили в разделку, но и того, который остался вокруг неё.

 

 

Прочность проверили не только растяжением

Образцы испытывали на статическое растяжение по ГОСТ 6996-66.

Микроструктуру исследовали на поперечных шлифах при увеличении 50–200 раз.
При исследованных режимах статическая прочность сварного соединения достигала уровня основного металла.
Но для детали судового двигателя этого недостаточно.

Она испытывает тысячи и миллионы повторных нагрузок.
Поэтому отдельно исследовали усталостную прочность.

Образцы испытывали при изгибе с вращением со скоростью 3000 мин⁻¹.

Использовали и образцы с кольцевой выточкой — концентратором напряжений.
В методике фигурировала база до 10⁷ циклов.
Это важный инженерный нюанс: соединение может выдерживать серьёзную статическую нагрузку, но его реальный ресурс определит совсем другой процесс — зарождение и медленное развитие усталостной трещины.

 

 

Зачем после сварки применяли чеканку

На этом эксперимент не закончился.
Авторы исследовали поверхностное пластическое деформирование методом чеканки.

Для испытаний использовали удельную энергию удара 1,4–1,5 Дж/мм, скорость обработки 1 м/мин и два прохода.
Цель такой обработки — изменить состояние поверхностного слоя и остаточные напряжения, влияющие на зарождение усталостных трещин.
Результат оказался заметным: в конкретной серии испытаний предел выносливости контрольных образцов после чеканки увеличился на 76,5 %, а сварных — примерно на 40 %.
Эти цифры нельзя переносить на любую чугунную деталь как готовый коэффициент.
Но сам эксперимент показывает важную вещь: ресурс восстановленной детали определяется не только тем, как её сварили.

Значение имеет и то, что сделали с соединением после сварки.

 

 

Главный вывод: хороший шов ещё не означает хороший ремонт

Газовая и электродуговая сварка в исследовании позволили получить требуемую статическую прочность, но результаты не были одинаковыми.
После газовой сварки отмечалась пористость и неоднородность твёрдости, способная проявляться при механической обработке.
Электродуговая сварка выигрывала в производительности, поэтому авторы считали её предпочтительной при заварке крупных по объёму дефектов.
Но главный урок исследования глубже.
После сварки существует не просто «шов». Есть наплавленный металл, зона сплавления и частичного расплавления, зона термического влияния и основной чугун.

На небольшом расстоянии меняются структура, твёрдость и реакция материала на нагрузку.
Поэтому качественная горячая сварка чугуна — это целая технологическая цепочка:
подготовка → предварительный нагрев → сварка → контролируемое охлаждение → оценка соединения → при необходимости последующая обработка.
Именно управление всей этой цепочкой отличает восстановление ответственной чугунной детали от ситуации, когда дефект просто закрыли металлом.

 

 

Основа материала

Статья подготовлена на основе исходного научно-технического материала о горячей сварке серого перлитного чугуна СЧ25 и его экспериментальных данных.