Технические науки/Металлургия

К.т.н. Жигуц Ю.Ю., Крайняй І.І., Шквара С.М.

Ужгородський національний університет, Україна

 

МЕТОД ТЕРМІТНОГО ЗВАРЮВАННЯ СТАЛЕЙ І ЧАВУНІВ

 

Вступ. У першій половині ХХ століття було запропоновано метод отримання рідкої сталі в результаті горіння термітної суміші [1], а вже через п’ятдесят років впроваджено у промислову практику термітне зварювання сталі [2, 3]. Існуючі технології термітного зварювання використовують насипне розміщення металотермічної суміші, яке має характерні і суттєві недоліки:

1) необхідність ущільнення суміші; 2) неможливість точного її розміщення на нахилених і вертикальних поверхнях; 3) при встановленні значних об’ємів суміші виникає потреба у застосуванні спеціальних обмежувальних футерувальних пластин і екранів [4].

Поставлена проблема. Аналіз способів отримання заготовок з різних сплавів виявив проблему, яка полягала у необхідності організації способу зварювання, який би дозволяв легко, економічно і швидко наносити металотермічну суміш на нахилені і бокові поверхні, які підлягають зварюванню з наступним отриманням надійного і якісного з’єднання деталей.

Матеріали і методика проведення експерименту. Для визначення маси металевого зливка з шихти на першому етапі дослідження були проведені мікроплавлення при масі шихти 250–300 г з різним процентним співвідношенням компонентів у суміші. Ініціювання процесу горіння проводили спеціальним термітним сірником. Використані матеріали: сажа ацетиленова (технічний вуглець ТУ 14-7-24-80), порошок алюмінієвий ПА-3–ПА-4 ГОСТ 6058-73, просіяне мливо алюмінієвої стружки, силікатний клей, розчин 2% латексу у бензині та ін. Порошкову шихту просушували, перемішували, розміщували у спеціальному шприці і після цього видавлювали у місце зварювання, підсушували і підпалювали. Реакція за кілька секунд поширювалася на весь об'єм металотермічного шлікера. Температура реакції досягала 3000оС. У наступному поверхню виробу очищали від шлаку механічно за допомогою спеціальних щіток і проводили промивання.

Головною умовою такого металотермічного процесу є необхідність мати реальну температуру горіння шихти вище температури плавлення шлаку [2–4], яка для  дорівнює 2400 K.

Для використання методу екзотермічного зварювання розроблено склад спеціальної пасти з метою нанесення її на поверхню і наступним займанням. В її склад вводили крім терміта додатково присадки i флюси, а для отримання пастоподібної консистенції вводили до 3% нітроцелюльозного клею (для зв'язки сумiшi i присадок), який швидко сохне або 2%-ний розчин латексу у бензині. У наступному металотермічну пасту вводили у зазор між поверхнями з сталі марки 10 і 20 і підсушували на повітрі, утворюючи шар товщиною 80, 200 або 500 мкм. Всі присадки мають високі технологічні властивості i малу вартість. Отримання належного хімічного складу розплаву проводилося при додаванні до термітної суміші легуючих елементів – мангану, кремнію, хрому та ін. Для зварювання крупних заготовок на їх торцях встановлювали вогнетривку форму. Між торцями залишали щілину, величина якої залежала від розмірів перерізу зварюваних виробів. Потім з металотермічного шприца крізь отвір у кришці видавлювали пастоподібну суміш у зазор або у скіс двох кромок. Після ініціювання реакції місце зварювання заповнювалось розплавленими продуктами реакції. Термітний шлак, маючи меншу питому масу, збирався у верхній частині шва, а розплавлений термітний сплав заповнював зазор. Оскільки сплав дуже перегрітий, то він оплавляв поверхні торців зварюваних виробів i після остигання утворював з ними одне ціле.

Експериментальна частина. Проведені експериментальні роботи дали можливість розробити технологію зварювання термітних вуглецевих і високолегованих сталей, які при економії легуючих елементів дозволяють отримувати якісний зварний шов. Запропоновано також склад металотермічної суміші в якій додатково введено пластифікуючі домішки. Карбіди [2] синтезуються у шарі екзотермічної пасти і дозволяють замість високорідкотекучого розплавленого шару на оброблюваному сплаві (який легко зливається, особливо з нахилених поверхонь) отримувати густі шлікери, що вміщують ~50% (за об'ємом) твердої фази (Fe,Cr)3C. Коли за основу використовувався чавун товщина зміцненого шару збільшувалася до 500 мкм.

Проведені відповідні термохімічні розрахунки із врахуванням коефіцієнтів засвоєння компонентів шихти дозволили розробити наступний склад екзотермічної суміші, яка складається із залізоалюмінієвого терміту, легуючих домішків, алюмінієвого порошку, порошку вуглецю і пластифікатора [4]. Механічні властивості отриманих термітних швів зі сталей не гірші за аналоги виготовлені промисловими способами.

Висновок. 1. В результаті виконаних робіт отримано термітним способом отримано якісний шов між пластинами сталі марки 10 і 20. Таким же способом можна проводити наплавлення сталевих виробів з утворенням шарів товщиною 80, 200 або 500 мкм. 2. Досліджено властивості зварюваного шва з термітної сталі. 3. Запропонована технологія дозволяє проводити зварювання високолегованих сталевих заготовок із отриманням міцного зварного шву, крім цього вона придатна і для синтезу високолегованих сталей термітним способом при отриманні виливків.

Література:

1. Фасонное литье из термитной стали/Золковер М.З., Гридунов А.С., Быльницкий-Бируля С.О. и др. − М.: Дориздат. 1950. − 48 с.

2. Жигуц Ю.Ю. Сплави, синтезовані металотермією і СВС-процесами. Ужгород: Ґражда, 2008. − 276 с.

3. Zhiguts Yu., Kurytnik I. Special thermite cast irons//Archives of foundry engineering. Polish Academy of Sciences. 2008. N 2. Vol. 8. P. 162-166.

4. Патент України на корисну модель № 27948 МПК: В22P15/00 Спосіб металотермічного приварювання інструментальної пластини із швидкорізальної сталі до основи інструменту / Ю.Ю. Жигуц, Ю.Ю. Скиба. Опубл. 26.11.2007.; − Бюл. №19.