Производство чугуна

Магнитная индукция поля зависит от тока, размеров и формы проводника с током и свойств среды, в которой создается магнитное поле. Величиной, характеризующей магнитные свойства среды, является магнитная проницаемость. Магнитная проницаемость черных металлов в 1000 раз больше магнитной проницаемости воздуха.

Магнитное поле изображают магнитными линиями (линиями магнитной индукции). Они проводятся так, чтобы направление касательной в каждой точке линии совпадало с направлением поля.

Магнитные линии можно использовать не только для указания направления поля, но и для характеристики его интенсивности. Для этого условно на квадратный сантиметр поверхности, перпендикулярной к направлению поля, проводят число линий, равное или пропорциональное величине магнитной индукции в данном месте поля.

Направление магнитного поля связано с направлением тока. Эта связь устанавливается правилом буравчика: если поступательное движение буравчика совпадает с направлением тока, то направление вращения рукоятки укажет направление магнитных линий.

Электрическая сварочная дуга может отклоняться от своего нормального положения при действии магнитных полей, неравномерно и несимметрично расположенных вокруг дуги и в свариваемом изделии (рис. 4). Эти поля действуют на движущиеся заряженные частицы и тем самым оказывают воздействие на всю дугу. Такое явление называется магнитным дутьем. Воздействие магнитных полей на дугу прямо пропорционально квадрату силы тока и становится заметным при сварочных токах более 300 А.

Рис. 4. Отклонение дуги постоянного тока под действием магнитного поля

Сварочная дуга - это своего рода проводник с током, имеющий свое магнитное поле. Сварочный ток, проходя по электроду и свариваемому металлу, создает также свое магнитное поле. Пока магнитные поля, окружающие дугу, симметричны по отношение к дуге, отсутствует электромагнитная сила и нет воздействия на дугу. Дуга при этом горит по кратчайшему расстоянию к поверхности свариваемого металла.

Несимметричное магнитное поле, окружающее дугу, вызывает отклонение дуги в сторону меньшей плотности магнитного поля, причем чем длиннее дуга, тем сильнее отклонение. Короткая дуга менее подвержена воздействию магнитного дутья.

Магнитное поле от сварочной дуги, возникающее в свариваемом металле, перемещается вместе с электродом и постоянно меняется, поскольку магнитное поле в основном металле распространяется не концентрически, по кратчайшему расстоянию, а по пути наименьшего сопротивления, обусловленного магнитной проницаемостью. Поэтому в начале и в конце сварного шва интенсивность магнитного поля между краем заготовки и электродом значительно выше.

Асимметрия магнитного поля вызывает магнитное дутье, которое отклоняет дугу вперед в начале сварного шва и назад - в конце сварного шва. В некоторых случаях отклонение дуги может происходить под некоторым углом в бок, как вправо, так и влево. Следует также учитывать, что в начале сварного шва магнитное поле проходит по наплавленному металлу, а с другой стороны электрода должно преодолеть воздушный зазор в корне шва, который имеет малую магнитную проницаемость. Поэтому магнитное дутье наиболее сильно проявляется в начале шва. Изменение полярности или направления сварки при сварке на постоянном токе не оказывают заметного влияния на магнитное дутье.

При сварке на переменном токе магнитное дутье существенно снижается, но тем не менее не устраняется полностью. Уменьшение магнитного дутья происходит в связи с тем, что переменный ток создает переменное магнитное поле в основном металле, что, в свою очередь, приводит к появлению вихревых токов. Магнитное поле вихревых токов, которое всегда направленное в противоположную сторону, стремится нейтрализовать магнитное поле дуги и магнитное поле, создаваемое проходящим в основном металле током, тем самым уменьшая отклонение дуги.

Магнитное дутье чаще всего возникает при сварке покрытыми электродами и при полуавтоматической и автоматической сварке магнитных материалов, таких как сталь, чугун, никель, но может проявляться и при сварке немагнитных материалов. Отклонение дуги от оси вызывает затруднения при сварке, увеличивает разбрызгивание электродного металла и ухудшает качество сварного шва.

Место подключения обратного провода имеет второстепенное значение, но может оказать воздействие на общую величину магнитного дутья. Наилучшие результаты дает подсоединение обратного провода к началу сварного шва. Иногда, для достижения наилучших результатов, обратный провод подсоединяют в конце сварного шва. Оптимальный вариант - подсоединение к обоим концам шва.

Для уменьшения магнитного дутья можно:

                    изменять направление магнитного потока, проходящего через сварное соединение, установив в начале и конце шва выводные планки, или применить обратноступенчатую сварку, или выполнять прерывистый шов;

                    создать внешнее магнитное поле, оборачивая заготовку сварочным кабелем, подводящим ток к электрододержателю;

                    при сварке покрытыми электродами произвести позиционирование электрода;

                    уменьшить сварочный ток;

                    оборачивать заготовку обратным проводом так, чтобы создаваемое им магнитное поле компенсировало действие магнитного поля, вызывающего отклонение дуги;

                    производить сварку на переменном токе, но это может потребовать изменения технологии сварки и замены электродов.

Особую трудность представляет сварка металла с остаточным намагничиванием, которое возникает, например, при подъеме заготовки электромагнитом. В некоторых случаях намагниченность заготовки может достигать такой величины, что делает сварку практически невозможной. Металл с остаточным намагничиванием перед сваркой необходимо размагнитить. Иногда удается компенсировать намагниченность металла, обматывая заготовку сварочным кабелем.

При использовании переменного тока анодное и катодное пятна меняются местами с частотой, равной частоте тока. Напряжение U и ток I периодически изменяются от нулевого значения до наибольшего. При переходе значения тока через нуль и перемене полярности в начале и в конце каждого полупериода дуга гаснет, температура активных пятен и дугового промежутка снижается. Вследствие этого происходит деионизация газов и уменьшается электропроводность столба дуги. Интенсивнее падает температура активного пятна, расположенного на поверхности сварочной ванны, в связи с отводом теплоты в массу основного металла.

Повторное зажигание дуги в начале каждого полупериода возможно только при повышенном напряжении, называемом пиком зажигания. При этом установлено, что пик зажигания несколько выше, когда катодное пятно находится на основном металле. Для снижения пика зажигания, для облегчения повторного зажигания дуги и повышения устойчивости ее горения применяются меры, снижающие эффективный потенциал ионизации газов в дуге. При этом электропроводность искрового промежутка (зоны дуги) после угасания дуги сохраняется дольше, пик зажигания снижается, дуга легче возбуждается и горит устойчивее.

К этим мерам относится применение различных стабилизирующих элементов (калий, натрий, кальций и т. п.), вводимых в зону дуги в виде электродных покрытий или в виде флюсов.

Важное значение имеет сдвиг фаз между напряжением и током: необходимо, чтобы при переходе тока через нулевое значение напряжение было достаточным для возбуждения дуги.

Типы сварочных дуг

В зависимости от схемы подвода тока, рода тока, числа электродов и других признаков различают сварочные дуги прямого действия, косвенного действия, многоэлектродные и сжатые.

Дугой прямого действия (рис. 5а) называется дуговой разряд между электродом и заготовкой. Используется:

                    при дуговой сварке покрытыми электродами;

                    при сварке неплавящимся электродом в защитных газах;

                    при сварке плавящимся электродом под флюсом или в защитных газах.

В случае применения неплавящегося электрода соединение выполняют расплавлением основного и присадочного металлов. При использовании плавящегося электрода сварочная ванна заполняется металлом электрода.

Рис. 5. Типы дуг: а - прямого действия; б - косвенного действия; в - сжатая; 1,4 - свариваемое изделие; 2 - дуга; 3 - электрод; 5 - сопло плазмотрона

Дуга косвенного действия (рис. 5б) представляет собой дуговой разряд между двумя неплавящимися или плавящимися электродами, а свариваемый металл не включен в электрическую цепь. Используется при специальных видах сварки и атомно-водородной сварке и наплавке.

Сжатая дуга (рис. 5в) - это дуга прямого или косвенного действия с неплавящимся вольфрамовым электродом, сжатая кольцевой струей газа. Сжатую дугу получают в специальных горелках - плазмотронах и применяют для резки и сварки металлов, в том числе и тугоплавких.

Сварка плавящимся электродом с использованием дуги прямого действия на постоянном или переменном токе получила наибольшее распространение в ремонтной практике. В качестве плавящегося электрода применяют металлический стержень необходимого химического состава, подаваемый в зону дуги по мере его расплавления. Наплавленный шов образуется из частично расплавленного основного металла и металла электрода.

Сварку неплавящимся электродом с использованием дуги прямого и, значительно реже, косвенного действия применяют при сварке тонколистового металла, а также при ремонте и изготовлении кузовов автомобилей. Наплавленный (сварочный) шов образуется за счет расплавления основного металла или основного и присадочного металла, вводимого в зону дуги. Сварку неплавящимся электродом, чтобы избежать перегрева электрода, ведут, как правило, постоянным током прямой полярности, т. е. электрод подключают к катоду.

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА №2

Вопрос 27

Опишите, чем отличается строение кристаллической решетки твердого раствора замещения от твердого раствора внедрения. Ответ проиллюстрируйте необходимыми рисунками.

Твердыми растворами называют фазы, в которые один из компонентов сплава сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы других (или другого) компонентов располагаются в решетке первого компонента (растворителя), изменяя ее размеры (периоды). Таким образом, твердый раствор, состоящий из двух или нескольких компонентов, имеет один тип решетки и представляет собой одну фазу.

Твердый раствор существует в интервале концентраций компонентов.

Различают твердые растворы замещения и твердые растворы внедрения (рис.1).

Рисунок 1. Схемы твердых растворов: а – чистый металл; б – твердый раствор замещения; в - твердый раствор внедрения

Эти растворы присущи железоуглеродистым сплавам: сталям, чугунам.

При образовании твердого раствора замещения атомов растворенного компонента замещают часть атомов растворителя в его кристаллической решетке. Замещаться могут любые атомы.

При образовании твердого раствора внедрения атомов растворенного компонента располагаются в междоузлиях (пустотах) кристаллической решетки растворителя (при этом пустоты должны обладать определенным пространством). Большие поры 0,74–0,41 R, маленькие поры 0,68–0,291R.

В ГЦК – решетке атомы располагаются в октаэдрической поре (центры решеток). В этой поре может поместиться сфера радиусом 0,41R, где R – радиус атомов в узлах решетки.

В ОЦК – решетке атомы располагаются в тетраэдрическом междоузлии, размер поры (0,291 R).

Атомы растворителя и растворенного компонента различны по размерам, поэтому при образовании твердого раствора кристаллическая решетка всегда искажается, и периоды ее изменяются.

При образовании твердого раствора замещения период решетки может увеличиваться или уменьшаться. При образовании твердого раствора внедрения период решетки растворителя всегда возрастает (рис.2).

Рисунок 2. Искажение кристаллической решетки при образовании твердого раствора замещения и внедрения

Вопрос 41

Укажите, какое влияние на механические свойства стали оказывает углерод. Как влияют на свойства стали марганец, кремний, сера и фосфор?

Постоянные (технологические) примеси являются обязательными компонентами сталей и сплавов, что объясняется трудностью их удаления как при выплавке (Р, S), так и в процессе раскисления (Si, Mn) или из шихты - легированного металлического лома (Ni, Сг и др.).

К постоянным примесям относят углерод, марганец, кремний, серу, фосфор, а также кислород, водород и азот.

Постоянные примеси могут присутствовать в виде твердых и газообразных фаз. Однако они не оказывают существенного влияния на положение критических точек диаграммы Fe - Fе3С.

Характер влияния этих примесей на свойства сталей и сплавов определяется их возможностью образовывать самостоятельные фазы с основным компонентом, железом, а также местом возникновения этих фаз.