Термическая обработка стали

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Опишите метод цианирования стали (нитроцементации). Преимущества метода и недостатки. Область метода цианирования

2. Начертите диаграмму состояния сплавов «железо-цементит». По диаграмме поясните в самой краткой форме структурные превращения, происходящие в стали, содержащей 0,3% углерода, при медленном ее нагревании от tC=+25 до tC=+1100. Определите температуры начал и конца вторичной кристаллизации для этого стали при его охлаждении

3. Подберите марку сплава для изготовления неразъемного вкладыша подшипника скольжения. Дайте краткое обоснование выбора марки стали, расшифровку марки в соответствиис ГОСТ

4. Электродуговая сварка, сущность электрической дуги, сварочное оборудование на постоянном и переменном токе. Область применения

Список литературы



1. Опишите метод цианирования стали (нитроцементации). Преимущества метода и недостатки. Область метода цианирования

Цианирование, целью которого является насыщение поверхностных слоев стали азотом и углеродом, представляет собой одну из разновидностей такой технологической операции, как нитроцементация. По сравнению с обычной цементацией, этот метод обработки стали является более эффективным, так как позволяет придавать стальным изделиям особые механические свойства.

Особенности нитроцементации и цианирования

Хотя нитроцементация и цианирование преследуют одну цель (насыщение поверхностного слоя стали азотом и углеродом), они имеют одно существенное отличие. Заключается оно в том, что нитроцементации изделия подвергаются в газовой среде, а при цианировании такой средой является расплав цианида натрия или других солей.

Таблица 1 Составы ванн и режимы цианирования изделий



Свою эффективность рассматриваемые технологические операции демонстрируют при обработке следующих материалов:

- сталей, относящихся к нержавеющей категории;

- легированных стальных сплавов, а также сталей, не содержащих легирующих добавок и характеризующихся средним содержанием углерода в своем составе;

- конструкционных сталей с низким содержанием углерода.

Цианирование стали, относящейся к одной из вышеперечисленных категорий, как и процесс ее нитроцементации, происходит при определенном температурном режиме (820-950°), который должен строго соблюдаться. В результате квалифицированного применения таких методов обработки удается решить следующие задачи:

- повысить износостойкость поверхности изделия;

- увеличить его поверхностную твердость;

- повысить предел выносливости металла.

Рис. 1 Нитроцементация в различных средах

Существует еще одна разновидность цементации, которая называется мягким азотированием. Такая обработка, которая выполняется при температуре около 590°, нужна среднеуглеродистым сталям для увеличения уровня их износостойкости и предела выносливости. Цианированию также подвергают изделия из быстрорежущих сталей, что позволяет повысить твердость и устойчивость к износу их поверхностного слоя, а также сделать его более устойчивым к воздействию повышенных температур.

В металлургической отрасли также используется такая технологическая операция, как цианирование золотосодержащих руд, которая в корне отличается от всех вышеперечисленных методов обработки сталей. Целью цианирования руды, золото в составе которой может содержаться даже в очень незначительных количествах, является выделение из нее концентрата, характеризующегося высоким содержанием драгоценного металла. Такой концентрат после его дальнейшей обработки может быть использован для производства золотых изделий.

Диффузия азота и углерода в поверхностный слой стали

Насыщение поверхностного слоя изделия из стали азотом и углеродом, что и подразумевают под собой нитроцементация и цианирование, происходит за счет диффузии данных элементов во внутреннюю структуру стального сплава. В поверхностном диффузионном слое стального изделия при повышении температуры во время цианирования снижается количество азота, а количественное содержание углерода, наоборот, увеличивается.

Содержание углерода в диффузионном слое может увеличиваться непрерывно или только до определенного момента, а снижаться оно начинает только на последних этапах выполнения технологической операции. За счет такой особенности процесса диффузии углерода насыщение поверхностного слоя стального изделия данным элементом может фиксироваться при разных температурах выполнения цианирования. На степень насыщения большое влияние оказывают науглероживающие способности среды, в которой выполняется эта технологическая операция.



Рис. 2 Температура цианирования влияет на глубину и состав нанесенного слоя

На параметры процесса совместной диффузии серьезно влияет азот, от которого, в частности, зависят:

- глубина слоя металла, на которую будет происходить диффузия углерода;

- степень насыщения такого слоя углеродом.

Между тем большое содержание азота в среде для цианирования может привести к тому, что диффузия углерода в структуру стали будет протекать недостаточно активно. Объясняется это тем, что азот, когда в рабочей среде для цианирования его содержится слишком много, способствует формированию на поверхности обрабатываемого изделия карбонитридных фаз или образований.

Процесс насыщения поверхностного слоя стального изделия азотом и углеродом при выполнении цианирования и нитроцементации протекает в две стадии, которые имеют мало общего, если сравнивать их кинетические показатели. Так, на первой стадии, которая может продолжаться от 60 до 180 минут, поверхностный слой изделия насыщается и азотом, и углеродом. На следующем этапе отдельные атомы азота, уже абсорбированные в структуру стали, могут десорбироваться, то есть перейти обратно в газовую фазу и выйти наружу через поверхность сплава. При протекании второй фазы цианирования наружный слой обрабатываемой стали продолжает насыщаться углеродом.

Преимущества и недостатки технологии

Процесс нитроцементации и цианирования, как уже отмечалось выше, осуществляется при относительно невысоких температурах, что способствует менее интенсивному износу используемого оборудования, а также не приводит к значительным деформациям обрабатываемых деталей. При этом выполнение технологических операций на таких режимах исключает необходимость охлаждать обрабатываемое изделие до низких температур.

После цианирования аустенитная структура стали становится более устойчивой, что улучшает прокаливаемость отдельных участков материала, которые были подвергнуты такой обработке. В частности, именно благодаря таким свойствам цианированного материала низколегированные стали можно закаливать в масле.

Остаточный аустенит, присутствующий в сталях, которые были подвергнуты цианированию, способствует улучшению таких характеристик материала, как:

- прочность на изгиб;

- ударная вязкость;

- пластичность;

- усталостная прочность.

Именно поэтому с помощью цианирования обрабатывают детали, которые в процессе своей эксплуатации подвергаются значительным нагрузкам. Сюда, в частности, относятся валы и шестерни, сердцевина которых должна отличаться не только достаточной прочностью, но и достаточной вязкостью. Формирования именно таких характеристик и добиваются при цианировании.

Между тем выполнение цианирования имеет и ряд недостатков:

Величина поверхностного слоя стали, характеристики которого улучшаются в результате выполнения такой технологической операции, составляет всего семь-восемь десятых миллиметра.

При выполнении цианирования необходимо постоянно контролировать степень азотирования и науглероживания, которой обладает рабочая среда.

2. Начертите диаграмму состояния сплавов «железо-цементит». По диаграмме поясните в самой краткой форме структурные превращения, происходящие в стали, содержащей 0,3% углерода, при медленном ее нагревании от tC=+25 до tC=+1100. Определите температуры начал и конца вторичной кристаллизации для этого стали при ее охлаждении

По химическому составу различают стали углеродистые и легированные. Углеродистые стали по содержанию в них углерода подразделяют на низкоуглеродистые (до 0,25 % С), средне-углеродистые (0,25......0,6 % С) и высокоуглеродистые (более 0,6 % С).

Для железоуглеродистых сплавов могут быть построены две диаграммы состояния: железо --цементит (карбид железа -- химическое соединение железа с углеродом) Fe--FезС и железо -- графит Fe--С. Диаграмма состояния Fe--FезС характеризует фазовый состав и превращения в сплавах от чистого железа до цементита (рис. 3).

По вертикальной оси диаграммы откладывается температура, по горизонтальной оси--содержание (в %) углерода и цементита. Точка А на диаграмме соответствует температуре плавления чистого железа 1539 °С, точка D -- температуре плавления цементита 1550 °С.

Линия ABCD -- линия ликвидуса; она соответствует температурам начала затвердевания сплавов. Выше линии ликвидуса сплавы находятся только в жидком состоянии.

Линия AHJECF -- линия солидуса; она соответствует концу затвердевания сплава. В области между линиями ликвидуса и солидуса находится только смесь из жидкости и твердых кристаллов. Ниже линии солидуса сплав находится в твердом состоянии. Вследствие перехода железа из одной аллотропической формы в другую, в железоуглеродистых сплавах происходят превращения и в твердом состоянии.

Сплавы железа с углеродом разделяют на две группы: стали содержащие до 2,14 % С, и чугуны, в которых более 2,14 % С.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3 Диаграмма состояния железо-углеродистьых сплавов (сплошные линии - система Fe -Fe3C, пунктирные линии система Fe -C)

В зависимости от температуры и содержания углерода сплавы системы железо -- углерод могут иметь следующие структурные составляющие: феррит, перлит, аустенит, цементит, ледебурит и графит. При охлаждении сплавов, содержащих до ~0,7 % С, из жидкого сплава выделяется феррит. На линии HJB при 1499 °С происходит перитектическое превращение, при котором кристаллы феррита взаимодействуют с жидкой фазой и образуют кристаллы аустенита. Левее точки J образуется структура феррита и аустенита, правее -- жидкий сплав и аустенит. Затвердевание сплавов, содержащих до 2,14 % углерода, заканчивается на линии AHJE. Ниже линии NJE сплавы представляют собой аустенит. При охлаждении сплавов, содержащих от ~0,7 до 4,3 % С, по линии ВС выделяются кристаллы аустенита. В сплавах, содержащих от 4,3 до 6,67 % С, по линии CD начинают выделяться кристаллы первичного цементита. Так как цементит выделяется из жидкого сплава, его называют первичным. Линия GS представляет собой температуру (с 911°С до 727 °С) начала выделения феррита из аустенита. Феррит, который выделяется из аустенита при охлаждении, содержит не более 0,02 % С. В зоне GPSсплав состоит из феррита и аустенита. В точке S на линии PSK аустенит переходит в перлит. В результате превращений сплавы, содержащие менее 0,8 % углерода, имеют структуру феррита и перлита. При медленном охлаждении сплава, содержащего 0,8 % С, при температуре 727° С в результате одновременного выпадения из аустенита частиц феррита и цементита образуется эвтектоид (перлит). Сталь, содержащую 0,8 % углерода, называют эвтектоидной, менее 0,8 % углерода -- доэвтектоидной, более 0,8 % углерода -- заэвтектоидной.

Правее линии SE находятся в равновесии две структурные составляющие-- аустенит и цементит (вторичный).

Линия ECF называется эвтектической, так как в любой точке этой линии происходит образование эвтектики.

Сплав (чугун), содержащий 4,3 % углерода, при температуре 1147 °С переходит в твердое кристаллическое состояние с образованием эвтектики (ледебурита -- аустенита + цементита). Этот сплав называют эвтектическим.

Чугун, содержащий менее 4,3 % углерода, называют до эвтектическим, более 4,3 % углерода -- заэвтектическим.

В зоне ниже линии ЕС сплав состоит из аустенита, вторичного цементита и ледебурита, в зоне ниже линии CF -- из первичного цементита и ледебурита.

Линия PSK соответствует температуре 727 °С, при которой завершаются процессы вторичной кристаллизации в сталях и чугунах. Все структурные составляющие, полученные при температурах линии РSK, сохраняются при комнатной температуре, и их можно наблюдать под микроскопом.

Описанные изменения структуры сплавов при охлаждении обратимы, т. е. при нагревании сплава наблюдаются обратные явления. Для выбора температурного режима термической обработки сталей и чугунов наиболее важное значение имеют линииGS, ES, PSK, характеризующие процессы вторичной кристаллизации.

Рассмотрим «стальной» участок диаграммы. В качестве примера рассмотрим наиболее характерные сплавы: доэвтектоидный I, эвтектоидный II и заэвтектоидный III (рис. 4). При нагреве от комнатной температуры до 727 °С в сплаве I фазовых превращений не происходит. При температуре 727 °С перлит превращается в аустенит (точка а). Такую температуру называют нижней критической точкой и обозначают Ac1, а при охлаждении -- Ar1. Буквы с и r указывают, происходят ли превращения при нагреве или охлаждении стали, а цифра 1 означает критическую точку на линии PSK.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4 Стальной участок диаграммы «железо-цементит»



При дальнейшем нагреве в сплаве I зерна феррита растворяются в аустените. Растворение заканчивается в точке a1, лежащей на линии GS, которую называют верхней критической точкой, и обозначают при нагреве Ac3, при охлаждении -- Ar3. При нагреве эвтектоидного сплава II перлит в точке S (линия PSK) при 727 °С превращается в аустенит. Критические точки Ac1и Асз при этом совпадают. При нагреве сплава III в точке b при 727° С перлит превращается в аустенит (точка Ac1). Дальнейший нагрев вызывает растворение цементита в аустените и в точке b1, лежащей на линии SE, этот процесс заканчивается. Эту точку обозначают Acm.

Таким образом, критические точки, образующие линию PSK, обозначаются Ac1 (при нагреве) и Ar1 (при охлаждении), линию GS--Ac3 (при нагреве) и Аrз (при охлаждении), линии SE--Acm (при нагреве) и Arm (при охлаждении).

Рис. 5 Влияние углерода на механические свойства сталей

Таким образом, в интервале температур 775--723° структура стали, содержащей 0,3% углерода, будет состоять из феррита и аустенита, а при температурах ниже 723° -- из феррита и перлита. Эта структура сохраняется без значительных изменений при дальнейшем охлаждении вплоть до комнатной температуры. Аналогичные превращения будут происходить у всех сталей, содержащих менее 0,8% углерода.

3. Подберите марку сплава для изготовления неразъемного вкладыша подшипника скольжения. Дайте краткое обоснование выбора марки стали, расшифровку марки в соответствии с ГОСТ

термическая обработка сталь нитроцементация

Вкладыши подшипников скольжения бывают металлические, металлокерамические и неметаллические. Наибольшее распространение имеют металлические вкладыши, благодаря своей высокой прочности и хорошей теплопроводности. Наиболее часто употребляют следующие сплавы: баббиты - сплавы на основе олова, свинца, сурьмы и др., марки Б83, Б90, Б92, БС; они имеют небольшую твердость (HB 20…35) и мало изнашивают вал.

Металлические вкладыши выполняют из бронзы, алюминиевых сплавов и антифрикционных чугунов. Наилучшими антифрикционными свойствами обладают оловянистые бронзы Бр010Ф1, Бр04Ц4С17 и др. Алюминиевые (БрА9Ж3Л и др.) и свинцовые (БрС30) бронзы применяют с закаленными цапфами. Вкладыши с баббитовой заливкой применяют для ответственных подшипников при тяжелых и средних режимах работы (компрессоры, дизели и др.). Баббит-сплав на основе олова и свинца является одним из лучших антифрикционных материалов. Его заливают тонким слоем на рабочую поверхность втулки. В малоответственных тихоходных механизмах используются чугунные вкладыши (АЧС-1 и др.).

Основными подшипниковыми металлическими сплавами являются баббиты, алюминиевые и цинковые антифрикционные сплавы.

Баббиты - мягкие антифрикционные сплавы на оловянной или свинцовой основе. Маркируются баббиты буквой Б. В соответствии с ГОСТ 1320-74* к сплавам на оловянной основе относятся Б83, Б83С, Б88; на свинцовой основе - Б16, БС6 и БН. Цифры, стоящие после буквы Б, показывают содержание олова. Остальное в сплавах на оловянной основе составляют сурьма и медь, а в сплавах на свинцовой основе - олово, сурьма и медь.

Баббит (Б83) -- сплав, состоящий из следующих элементов: Sn (83 %); Sb (11 %); Cu (6 %) -- для подшипников, работающих при средних нагрузках. Допустимое рабочее давление [Pm]: 10--15 МПа.

ГОСТ 1209-90 предусматривает марки БКА и БК2 - баббиты кальцевые на свинцовой основе.

Примеры расшифровки марок: Б83С - баббит на оловянной основе, содержащий 83% олова, 10% сурьмы, 6% меди, 1-1,5% свинца; Б88 - баббит на оловянной основе, содержащий сурьмы 7,3-7,8%, меди 2,5-3,5%, кадмия 0,8-1,2%, никеля 0,15-0,25%, остальное - олово; БН - баббит на свинцовой основе, содержащий 10% олова, 14% сурьмы, 2% меди, до 1% никеля, до 1% кадмия, остальное - свинец; БК2 - баббит свинцово - кальцевый, содержащий олова 1,5 - 2,1%, кальция 0,30 - 0,55%, натрия 0,2 - 0,4%, магния 0,01 - 0,05%, остальное (около 97%) - свинец.

Цинковые антифрикционные сплавы делятся на деформируемые и литейные. Марки сплавов по ГОСТ 21437-95: ЦАМ9-1,5, ЦАМ10-5 - деформируемые, ЦАМ9-1,5Л, ЦАМ10-5Л - литейные.

Буква Ц указывает, что сплав является цинковым антифрикционным. Легирующими компонентами являются алюминий (А) и медь (М). Буква Л указывает, что сплав литейный. Например, ЦАМ9-1,5Л - цинковый (Ц) антифрикционный литейный (Л) сплав, содержащий алюминия 9-11%, меди 1,0-2,0 %, остальное - цинк.

4. Электродуговая сварка, сущность электрической дуги, сварочное оборудование на постоянном и переменном токе. Область применения

Электродуговая сварка -- наиболее распространенный способ соединения металлических деталей, использующий тепло электрической?дуги. Электрическая дуга представляет непрерывный поток электронов и ионов, образующихся между двумя электродами в той или иной?среде как постоянным, так и переменным токами.

Для создания и поддержания дуги необходимо ионизировать воздушный промежуток или специально созданную газообразную среду. Непрерывная ионизация воздуха или газа обеспечивается электронами, вылетающими с поверхности отрицательно заряженного?электрода. Эти электроны сталкиваются с атомами или молекулами?газообразных веществ, находящихся в пространстве между электродами, возбуждают или ионизируют их.

В дуговом разряде выбрасывание (эмиссия) электронов с катода?происходит под влиянием двух факторов: высокой температуры (термоэлектронная эмиссия) и напряженности электрического поля (автоэлектронная эмиссия).

Отрицательно заряженные частицы бомбардируют анод, а положительно заряженные -- катод. Взаимная бомбардировка ионов при?соответствующем напряжении дуги превращает кинетическую энергию этих частиц в тепловую и световую; электроны превращаются?в электроны проводимости, а ионы нейтрализуются.

Тепловая и световая энергия в сварочной дуге выделяется неравномерно. На аноде выделяется около 43% тепла за счет бомбардировки?его электронами, имеющими более высокую кинетическую энергию,?чем ионы, бомбардирующие катод; на катоде выделяется около 36%?общего количества тепла сварочной дуги. Остальное тепло (~21%)?образуется в столбе дуги.

Температура электрической дуги зависит от материала электродов;?при угольных электродах она составляет на катоде около 3200 °С,?на аноде -- около 3900 °С; при металлических электродах -- соответственно 2400 и 2600 °С. В центре дуги, по ее оси, температура достигает 6000--7000 °С.

При электродуговой сварке на нагревание и расплавление металла?используется 60--70% тепла. Остальное его количество (30--40%)?рассеивается в окружающем пространстве.

На рисунке 6 изображена схема ручной дуговой сварки. Дуга возникает при пропускании тока между металлическим (проволочным)?электродом 4 и основным металлом 1. Дуговой разряд (пламя дуги)?имеет форму расширяющегося к поверхности изделия столба, у основания которого в толще изделия образуется кратер дуги или сварочная ванна 3. Для зажигания (возбуждения) дуги электрод под током?соприкасают с изделием. Вследствие высокой плотности тока в месте?контакта конец электрода и соприкасающийся с ним участок изделия сильно нагреваются. Эго обеспечивает образование дугового разряда?в момент отвода электрода от поверхности изделия.

Рис. 6 Схема ручной дуговой сварки (стрелкой показано перемещение электрода)

Под влиянием автотермоэлектронной эмиссии конец электрода?и находящийся под ним участок изделия расплавляются, па изделии?возникает сварочная ванна, в которую по каплям стекает расплавленный металл 6 с электрода 4. Пространство между оплавляющимся?торцом электрода и поверхностью сварочной ванны заполняется раскаленной средой, представляющей смесь частично ионизированного воздуха, паров металла и обмазки 5, которые образуются при высоких?температурах в процессе взаимодействия материала электрода и его?обмазки 5 с воздухом. Электрод, перемещаясь в направлении стрелки,?оставляет слой наплавленного металла 2. Устойчивое горение, необходимое для высокого качества сварки,?достигается при длине дуги a=3 -- 5 мм. Величину проплавления?свариваемого металла называют глубиной сварки.

Обычно в сварочную ванну с электрода в виде капель стекает до 90% всего металла плавящегося электрода; остальной металл не достигает сварочной ванны вследствие частичного разбрызгивания, испарения и окисления и уходит в окружающую среду.

При любом способе сварки и положения шва в пространстве металл?всегда переходит с электрода на изделие в виде капель (рисунок 7).?Капли 1 жидкого металла переносятся от электрода 3 к сварочной?ванне 5 в результате совместного действия силы тяжести, сил поверхностного натяжения, давления образующихся в металле газов и?сжимающего действия электромагнитных сил 2 на металл (пинч--эффект), способствующих образованию шейки 4.

Рис.7. Деформация капли металла



Силы поверхностного натяжения придают каплям сферическую?форму, доводя их размер перед отрывом до критической величины.?Это облегчает стекание капель в ванночку.

Поверхностное натяжение способствует переносу металла с электрода на изделие. Сила давления газов, возникающих при плавлении?электрода, также помогает процессу переноса капли с электрода на деталь. Это очень важно при потолочной сварке. Электрический ток,?проходящий по электроду, создает вокруг электрода магнитное силовое поле, которое, как указано, образует шейку при его расплавлении. Электромагнитные силы способствуют переносу капли металла?при всех положениях шва в пространстве с электрода на изделие.

Для зажигания электрической дуги необходима сравнительно небольшая разность потенциалов на электродах: обычно для металлических электродов она составляет около 40--60 В при постоянном?токе и около 50 -- 70 В при переменном. После возбуждения дуги?напряжение уменьшается. Дуга между металлическим электродом и?свариваемым металлом устойчиво горит при напряжении 15 -- 30 В, а?между угольным или графитовым электродами и металлом -- при?напряжении 30 -- 35 В. Напряжение, необходимое для поддержания?горения дуги, зависит от длины дуги, химического состава электродного стержня, его покрытия, давления газов в окружающей среде.

При работе на постоянном токе свариваемое изделие обычно присоединяют к положительному полюсу (аноду), а электрод -- к отрицательному полюсу (катоду). Такое соединение называют включением на?прямую полярность. Иногда (особенно при малых сечениях изделия)?во избежание прожога изделие присоединяют к катоду, а электрод -- к аноду. Такое соединение называют включением на обратную полярность.

Горение дуги при переменном токе менее устойчиво, чем при постоянном. Устойчивость дуги увеличивается с повышением напряжения,?с увеличением частоты переменного тока или созданием специальной?Газовой среды путем обмазки электродов.

В практике применяют два способа дуговой электросварки: неплавящимся электродом и плавящимся металлическим электродом.

При первом способе, разработанном русским инженером Н. Н.?Бенардосом (1842--1905), сварку обычно производят угольным или?вольфрамовым электродом по схеме, приведенной на рисунке 8, а,?постоянным током. Неплавящийся электрод обычно присоединяют к?отрицательному полюсу генератора, изделие -- к положительному?полюсу. При сварке с обратной полярностью дуга получается менее?устойчивой.

Второй способ сварки (плавящимся электродом) был разработан?в 1801 г. Н. Г. Славяновым (рисунок 8.б).

При сварке металлов электрическая дуга может быть зависимой и?независимой. Сварка дугой прямого действия (зависимой) происходит?при ее горении между электродом и металлом. Независимая дуга горит?между двумя угольными электродами вблизи свариваемых деталей;?металл нагревается за счет косвенного действия дуги.

Различают три вида сварочной дуги -- закрытую,?защищенную и открытую. Наиболее эффективна защита металла от воздействия окружающей среды при закрытой дуге погружением ее в жидкость, газовую среду?или в гранулированные стекловидные флюсы.



Рис. 8. Схема дуговой электросварки:

1 - держатель; 2 - электрод; 3 - электрическая дуга; 4 - присадочный металл; 5 -- свариваемая деталь; 6 - гибкий провод

Широкое применение получил способ защищенной электрической?дуги; в нем металл защищен от воздействия окружающей среды слоем?шлака или оболочкой газа. Шлак образуется вокруг дуги за счет?применения обмазанных электродов, слой покрытия которого плавится при нагревании. Иногда в зону сварки подают активные или?инертные газы, изолирующие дугу от внешней среды. Неответственные изделия обычно сваривают открытой дугой без защиты от воздействия воздуха. Дуговую электрическую сварку, как уже отмечалось, можно осуществлять на постоянном и переменном токе. Достоинство?сварки на постоянном токе -- повышенная устойчивость дуги и возможность использования прямой и обратной полярности для регулирования степени нагрева свариваемого изделия. Более широко все же применяют сварку на переменном?токе; оборудование здесь значительно дешевле, меньшей массы и?габаритов, проще в эксплуатации. Кроме того, коэффициент полезного действия сварочных трансформаторов переменного тока составляет 0,8 -- 0,85, а агрегатов постоянного тока 0,3 -- 0,6.

При сварке переменным током расход электроэнергии на 1 кг?наплавленного металла достигает 11--14 МДж (3 -- 4 кВт•ч), а при?сварке постоянным током -- 22 -- 36 МДж (6 -- 10 кВт•ч).

Недостатками сварки на переменном токе являются сравнительно?низкий соsц сварочного поста при сварке электродом с тонкой обмазкой (обычно 0,3 --0,4) и меньшая устойчивость сварочной дуги.

Электроды. Неплавящиеся электроды бывают угольными, графитовыми и вольфрамовыми. Угольные и графитовые электроды применяют только при сварке на постоянном токе. Вольфрамовые электроды применяют при сварке постоянным и переменным током.

Плавящиеся электроды, в зависимости от назначения?и химического состава свариваемого металла, могут быть изготовлены?из различных материалов: стали, чугуна, меди, латуни, бронзы, алюминия и твердых сплавов. Применяют их при сварке без покрытия (обмазки) или со слоем тонкого либо толстого покрытия (обмазки).

Стальные электроды изготовляют из стальной сварочной проволоки ГОСТ 2246 -- 60 диаметром от 0,3 до 12 мм;

Электроды для ручной дуговой сварки представляют металлические стержни диаметром 1,6 -- 12 мм, длиной от?350 до 450 мм. Для сварки углеродистой стали электроды изготовляют из мягкой стальной проволоки, содержащей 0,08 -- 0,12% С; содержание фосфора и серы допускается в пределах до 0,04%. При сварке легированной стали электроды изготовляют из низколегированной?стальной проволоки, содержащей до 0,22% С. При автоматических?и полуавтоматических процессах сварки применяют только электродную проволоку без покрытия.

Электроды разделяют на три группы: углеродистая (Св. 08, Св. 10ГС и т. д.), легированная (Св. 18ХМ9, Св. 1ОХ5М, Св. 20ХГС) и?высоколегированная (Св. 07Х18Н9Т, Св. 07Х25Н20 и т. д.).

Качественные электроды (т. е. электроды с разнообразными толстыми покрытиями) делят на типы по их назначению и механическим?свойствам сварного шва. Толщина такого стабилизирующего покрытия электродов составляет 0,1 -- 0,3 мм на сторону, а толстого -- 0,5 -- 3 мм на сторону. Тонкие покрытия (обмазки) повышают устойчивость горения дуги, поэтому их называют ионизирующими покрытиями. Они состоят из мела или?поташа, калиевой селитры, углекислого бария, титанового концентрата, силиката калия, полевого шпата и др. Электроды с тонкими?обмазками применяют для сварки малоответственных конструкций,?так как сварные швы, выполняемые этими электродами, обладают пониженными механическими свойствами вследствие влияния атмосферы на?расплавленный металл.

Электроды с толстыми (защитными) обмазками повышают устойчивость горения дуги и защищают расплавленный металл от окисления и насыщения азотом. Наличие в покрытии раскислителей FeMn,?FeSi, FеТi позволяет восстанавливать окислы металла на кромках?изделия. При необходимости в обмазку добавляют легирующие элементы, обеспечивая получение соединения с определенными физикомеханическими свойствами.

Сварочные машины и аппараты. При сварке постоянным током?электрическая дуга питается от сварочных машин, имеющих в качестве источника тока сварочные генераторы, или выпрямители, а при?переменном токе от сварочных трансформаторов.

Сварочная машина для дуговой сварки на постоянном токе в качестве источника имеет сварочный генератор и электродвигатель, приводящий генератор во вращение, а также регулятор тока и другие механизмы. В ряде случаев генератор?приводится во вращение двигателем внутреннего сгорания.

Сварочные генераторы по устройству и характеристикам отличаются от обычных генераторов, применяемых для силовых установок и?освещения. Сварочный генератор должен обладать хорошими динамическими свойствами, т. е. обеспечивать получение крутопадающей характеристики (см. кривые 1 и 2, рисунок 9). Такая форма внешней характеристики генератора обеспечивает взаимосвязь со статической?характеристикой дуги (кривая 3, рисунок 9). Кривая 2 в двух точках пересекает характеристику электрической дуги (кривая 3); в точке А?происходит возбуждение дуги, а в?точке А₁ обеспечивается устойчивое?горение дуги.

Длина дуги в процессе сварки непостоянна; постоянство силы тока?обеспечивается источником с крутопадающей характеристикой. При изменении длины дуги с l₁ до?l₂ сила тока изменяется на величину ?I₁, при характеристике 2 и на??I₂>?I₁ при падающей характеристике 4. Следовательно, устойчивость?дуги будет меньше.

Рис. 9. Внешняя характеристика генераторов и электрической дуги:

1 - генератора обычного тока; 2 - сварочного генератора; 3 - электрической дуги статическая; 4 - электрической дуги падающая

Большое распространение получили однопостовые сварочные генераторы с внешней падающей характеристикой. Наилучшими свойствами обладают генераторы с самовозбуждением, имеющие намагничивающую параллельную и размагничивающую последовательную обмотки.

Принципиальная схема генератора приведена на рисунке 10. В этом?генераторе магнитный поток создается за счет двух обмоток возбуждения, из которых намагничивающая обмотка питается от главной и вспомогательной щеток генератора, а размагничивающая включена?последовательно в сварочную цепь. Генератор можно включать на?малые (120 -- 350 А) и большие (320 -- 600 А) токи.

Сварочный преобразователь ПС--500 состоит из сварочного генератора постоянного тока и трехфазного асинхронного электродвигателя?А--72/4, соединенных между собой эластичной муфтой. Мощность?генератора 28 кВт, величина тока 500 А, рабочее напряжение 40 В.?Агрегат предназначен для питания одной дуги. При выполнении?сварочных работ на новостройках,?при монтаже или в полевых условиях, где нет электроэнергии, применяют передвижные сварочные?агрегаты, состоящие из сварочного генератора постоянного тока?и двигателя внутреннего сгорания. Генератор и двигатель устанавливают на общей раме и соединяют эластичной муфтой (рисунок 10.б).

Рисунок 10. Схема (а) и общий вид (б) сварочного генератора:

1 - корпус агрегата, 2 - пусковая кнопка, 3 - якорь, 4 - шейки, 5 - коллектор, 6 - рукоятка, 7 - башмак, 8 - подача тока во внешнюю цепь

В больших сварочных цехах?применяют централизованную многопостовую систему питания?электрическим током.

При сварке переменным током в качестве сварочной машины применяют сварочные трансформаторы. Для регулирования сварочного тока и улучшения устойчивости горения дуги в цепь?последовательно включают индуктивное сопротивление, называемое регулятором, реактивной катушкой или дросселем. Главное назначение регулятора -- обеспечить получение падающей внешней характеристики сварочного аппарата и возможность регулировки силы сварочного тока.

В настоящее время выпускают сварочные аппараты переменного?тока различных типов.

Аппараты типа СТЭ--34 (рисунок 11) состоят из понижающего?трансформатора и отдельного регулятора тока. Первичная обмотка?трансформатора включается в сеть переменного тока (220, 380 и 500 В),?а во вторичной обмотке индуктируется ток напряжением 55 -- 60 В.?Регулятор тока представляет собой катушку самоиндукции с железным сердечником, состоящим из неподвижной и подвижной частей. Обмотка включена последовательно в сварочную цепь. Между подвижными частями сердечника имеется воздушный зазор, который устанавливается вращением рукоятки регулятора.

Рис. 11. Схема сварочных трансформаторов типа СТЭ--34:

1 - первичная обмотка, 2 - магнитопровод трансформатора, 3 - вторичная обмотка, 4 - регулируемый зазор, 5 - ярмо, 6 - обмотка дросселя, 7 - магнитопровод дросселя, 8 - электрическая дуга

Трансформаторы тина СТН со встроенными регуляторами состоят из общего магнитопровода с тремя обмотками: первичной, вторичной и реактивной. Взаимодействием обмоток создается основной?магнитный поток. Магнитный поток, создаваемый реактивной обмоткой,?имеет противоположное основному потоку направление, вследствие?чего при сварке напряжение на дуге представляет собой разность напряжений вторичной обмотки трансформатора и реактивной катушки.?Сварочный ток регулируется перемещением пакета, набранного?из листового железа.

Трансформаторы типа СТН применяют для тока 500, 1000, 2000 А?и используют для питания дуги при ручной или автоматической сварке. Трансформаторы со встроенными регуляторами применяют только?как однопостовые электросварочные машины. В качестве многопостовых сварочных трансформаторов обычно используют трехфазные?трансформаторы с вторичным фазовым напряжением при соединении?вторичной обмотки звездой на 65 -- 70 В. В этом случае каждый сварочный пост снабжают отдельным регулятором силы тока.

Мощность трансформатора должна соответствовать суммарной мощности сварочных постов с учетом коэффициента одновременности их?работы.

Области применения электродуговой сварки предусматривают:

- Соединение деталей плоских каркасов и сеток из арматуры для создания блоков пространственного типа.

- Соединения блоков непосредственно при монтаже для создания блоковых изделий.

- Создание прочных каркасов и сеток из отдельных, предварительно подготовленных стержней из арматуры.

- Соединение закладных элементов и стержней из арматуры в процессе установки сборных конструкций из железобетона.

- Подготовка арматуры в профильных организациях при отсутствии стыковочной контактной аппаратуры и устройств.

- Соединение стержней с диаметром более десяти миллиметров. Для создания стержневых каркасов с диаметром заготовок до восьми миллиметров технология электродуговой сварки не используется из-за риска пережигания стержней и повышенной сложности технологии.

К областям применения электродуговой сварки относятся и стройплощадки, на которых подобная методика совместно с контактной сварочной технологией, используется для соединения стержней из арматуры.

В процессе использования электродуговой сварочной технологии сварщикам необходимо придерживаться следующих правил безопасности:

- Использовать затемняющие щиты поляризационного типа, защищающие веки, лицо и глаза от возникновения ожогов при дуговых сварочных вспышках.

- Осуществлять работы в специальных перчатках из плотной резины на диэлектрическом слое, которые предотвращают прохождение заряда через тело сварщика и замыкание типа «поверхность сварки-баласник».

- Соблюдать осторожность при оплавлении и нагревании сварочных поверхностей.

- Не допускать попадания на электрические провода и кабели снега или воды, во избежание возникновения короткого замыкания.

Электродуговая сварка, как и другие сварочные методики, обладает рядом достоинств и недостатков. К плюсам подобной сварочной технологии можно отнести:

- Возможность проведения сварочных работ в различных пространственных положениях, в зависимости от навыков работника.

- Возможность соединения любых разновидностей стали.

- Быстрое переключение с одного металла на другой в процессе сварки с целью образования электродами наплавок и стяжек.

- Простота в обслуживании и использовании, высокие показатели эффективности.

К недостаткам методики относятся:

- Прямая зависимость конечного результата от навыков сварщика.

- Электромагнитное излучение сварщика в процессе работы.

- Низкие показатели коэффициента полезного действия в сравнении с автоматизированной сварочной методикой.



Список литературы

1. Гольдштейн М.И. Специальные стали / М.И. Гольдштейн, С.В. Грачев, Ю.Г. Векслер. М.: МИСиС, 1999. 408 с.

2. Гуляев А.П. Металловедение: учебник / А.П. Гуляев М.: Металлургия, 1986. 644 с.

3. Марочник сталей и сплавов. 2-е изд., доп. и испр. / А.С. Зубченко, М.М. Колосков, Ю.В. Каширский и др. Под общей ред. А.С. Зубченко - М.: Машиностроение, 2003.

4. Материаловедение / под ред. Б.Н. Арзамасова. М.: Изд-во. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. 648 с.

5. Никифоров В.М. Технология металлов и других конструкционных материалов / В. М. Никифоров. - Изд. 10-е, стер. - Санкт-Петербург Политехника, 2010. - 381 с.

6. Самохоцкий А.И. Технология термической обработки металлов, М., Машгиз, 1962.

Размещено на Allbest.ru

...