Превращения в стали при нагреве
Термическая обработка стали состоит в нагреве до определенной температуры, выдержке и охлаждении с определенной скоростью.
При кажущейся простоте этих операций в процессе их выполнения в стали протекают сложные процессы, которые и определяют свойства после термической обработки.
На рисунке 6 Показан фрагмент диаграммы Fe-C, где находятся углеродистые стали. Линии на диаграмме имеют специальные обозначения. Линия А1 (7230) показывает начало образования аустенита при нагреве, линия А3 - конец образования аустенита, линия Асm - конец растворения цементита в аустените.
Рисунок 6 - Фрагмент диаграммы Fe-С с указанием фаз и критических температур (А2, А3, Асm)
После медленного охлаждения, а диаграмма и построена при медленном охлаждении, структуры стали в зависимости от содержания углерода будут различными (таблица 1).
Таблица 1
Структуры стали в зависимости от содержания углерода
| %С | Название | Структура |
| 0-0,02 | Бесперлитные стали | Ф, Ф+Ц |
| 0,02-0,83 | Доэвтектоидные стали | Ф+П |
| 0,83 | Эвтектоидная сталь | П |
| 0,83-1,3 | Заэвтектоидные стали | П+Ц |
Рассмотрим процессы происходящие при нагреве эвтектоидной стали. При нагреве стали выше А1 перлит превращается в аустенит. Этот процесс протекает в 2 этапе.
. Кристаллическая решетка феррита (ОЦК) перестраивается в решетку аустенита (ГЦК)
. Цементит растворяется в аустените
Первый этап протекает достаточно быстро. Второй требует определенного времени (на диффузию атомов углерода из Fe3C в аустенит). Время это тем меньше, чем больше разница между А1 и фактической температурой нагрева.
Например при 7400ºС за 8 мин., при 7800ºС за 2 минуты.
Продолжительность этого этапа зависит и от размера частиц цементита - чем они меньше, тем быстрее они растворяются в аустените.
Процесс превращения перлита в аустенит протекает путем зарождения в перлите многочисленных зерен аустенита и последующего их роста. Процесс заканчивается, когда зерна аустенита полностью заполняют объем исходного перлитного зерна (рисунок 7). Размер образовавшихся аустенитных зерен (начальное зерно аустенита) будет намного меньше исходного перлитного зерна.
Рисунок 7 - Схема образования аустенита при нагреве эвтектоидной стали:
а - исходная перлитная структура (ниже А1);
б - начало образования аустенита (выше А1);
в - конец образования аустенита, так называемое начальное зерно аустенита;
г - рост зерна аустенита при нагреве (много выше А1)
При дальнейшем повышении температуры зерна аустенита растут путем перемещения границ, а число зерен естественно уменьшается.
Склонность к росту зерна аустенита при нагреве у разных сталей различна. Если сталь содержит в своем составе только Si и Mn, то зерно начинает расти уже при сравнительно невысоких температурах 800-900ºС.
Если же сталь содержит сильные карбидо- и нитридообразующие элементы (Al, Y, Ti), то зерно существенно не растет до более высоких температур, а затем при 950-1000ºС резко увеличивает свои размеры. Такие стали называют наследственно мелкозернистыми. Поведение наследственно мелкозернистых сталей при нагреве объясняется тем, что присутствующие в них частички AlN, VN, VC, TiN, TiC препятствуют перемещению границ зерен. Однако, когда, при достижении определенных температур, происходит растворение этих фаз, зерно растет быстро - скачком.
Размер зерен аустенита существенно влияет на размер зерен, которые получаются при охлаждении. Поэтому всегда стремятся, чтобы зерно аустенита при нагреве не успело вырасти. Сильный рост зерна аустенита при нагреве называется перегревом стали. Перегрев можно исправить последующей правильной термообработкой. Если сталь нагревать еще выше, то по границам зерен происходит окисление металла и сталь теряет механическую прочность. Это явление называют пережогом. Пережог - брак неисправимый.
Длительные выдержки при высоких температурах снижают содержание углерода на поверхности стали вплоть до образования чистого феррита. Это явление называют обезуглераживанием. Оно крайне не желательно, так как снижает твердость, износоустойчивость, усталостную прочность. Для предотвращения обезуглераживания используют нагрев в защитных атмосферах (СО, N, инертные газы).
Понятие температурного интервала обработки металлов давлением принцип его определения по диаграмме состояния железо-углерод. Температурный интервал обработки стали с содержанием углерода 0,5%
При горячей деформации нужно поддерживать необходимую температуру в ходе самого процесса обработки давлением, особенно при производстве изделий небольшого объема и с развитой поверхностью. В этом случае задача усложняется в связи с потерей теплоты при контакте с деформирующим инструментом.
Температура нагрева для горячей деформации зависит в первую очередь от природы деформируемого материала - сталь, медные сплавы, алюминиевые сплавы и другие; его химического состава - углеродистая, низколегированная, аустенитная сталь, а также от толщины заготовки.
Горячая обработка металлов давлением в зоне установленных температур снижает сопротивление деформированию примерно в 10-15 раз по сравнению с обычным холодным состоянием. Таким образом, при обработке давлением необходимо соблюдать определенный температурный интервал, в котором данный металл обладает минимальной прочностью в сочетании с наибольшей пластичностью. Этот интервал зависит в основном от химического состава сплава и устанавливается на основании диаграммы состояния «железо - углерод». Однако в любых случаях температура нагрева должна быть значительно ниже температуры солидуса сплава.
На рисунке 8 представлена диаграмма железо-цементит (Fe-Fe3C), которую используют для определения видов и температурных интервалов при термической обработке стали и при обработки давлением, температуры плавления и заливки сплава и литейных свойств сплава (жидкотекучести, усадки). На рисунке 9 представлен интервал обработки давлением низкоуглеродистых сталей. 
Рисунок 8 - Диаграмма железо - цементит
- жидкий сплав; II - жидкость + аустенит; III - жидкость + цементит; IV - аустенит; V - аустенит + вторичный цементит; VI - вторичный цементит + ледебурит + аустенит; VII - первичный цементит + ледебурит; VIII - феррит + перлит; IX - феррит + перлит; Х - перлит + вторичный цементит; XI - перлит + вторичный цементит + ледебурит; XII - ледебурит + вторичный цементит
Рисунок 9 - Температурный интервал обработки давлением (ОД) низкоуглеродистых сплавов
Рассмотрим температурный интервал ковки и штамповки (рисунок 6). Если отметить на диаграмме состояния сплава железо - углерод температурный интервал ковки-штамповки разных углеродистых сталей, то его верхний предел будет находиться на прямой, проходящей на 150-200°С ниже линии солидуса. Таким образом, при температуре начала ковки весь углерод находится в твёрдом растворе (аустенит). Между указанной прямой и линией солидуса находятся две зоны: вначале перегрева, затем пережога. Нижние пределы температуры ковки для всех углеродистых сталей соответствуют примерно 800°С, т.е. приблизительно на 75° выше линии РSК. Ковка - штамповка при более низкой температуре приводит к упрочнению (наклепу).
Из диаграммы видно, что стали с меньшим содержанием углерода обрабатываются давлением при более высоких температурах, а стали с повышенным содержанием углерода при несколько пониженных температурах. Все примеси, входящие в сталь, ведут к понижению температур обработки давлением. Сталь, содержащая 0,5%С от начала до конца обработки находится в однофазном состоянии (аустенит). Углеродистую сталь с меньшим содержанием углерода заканчивают обрабатывать при наличии в ней двух фаз: аустенита и феррита. При этом получается некоторый наклеп, который легко снимается последующей термической обработке. Углеродистую сталь, содержащую более 1% С, заканчивают обрабатывать также при наличии в ней двух фаз: аустенита и вторичного цементита. Но в данном случае ковка - штамповка, дробя сетку цементита, оказывает только благоприятное влияние на структуру стали.
Контрольное задание № 3
Опишите явления, происходящие в металле при нагреве. Изложите понятие температурного интервала обработки металлов давлением принцип его определения по диаграмме состояния железо-углерод. Ориентировочно определите по диаграмме температурный интервал обработки стали с содержанием углерода 0,5%
Газопламенной сваркой металлов называют процесс, при котором плавление основного и присадочного материалов происходит в пламени открытой горелки. Поддержание пламени горелки осуществляют подачей одного или нескольких горючих газов или жидкостей в смеси с кислородом. И хотя газопламенная сварка не позволяет достичь той же скорости и простоты, как дуговая сварка, многие отдают ей предпочтение из-за больше мобильности и универсальности. При газовой сварке происходит сплавление двух заготовок с образованием сварного шва, который после остывания имеет такую же прочность, как исходный металл. Металл, соприкасаясь с пламенем и окружающими воздухом, подвергается структурным изменениям, характер которых зависит от свойств самого металла и режимов газопламенной обработки. При газопламенной обработке происходит изменение структуры металла, содержания в нем примесей и легирующих добавок, обогащение кислородом и другими газами, что, в свою очередь, может вызывать окислительные процессы.
В результате плавления металла под воздействием пламени образуется жидкая сварочная ванна, внутри которой происходят сложные физические и химические процессы. Одним из таких процессов является образование оксида железа (FeO), который реагирует с примесями, содержащимися в металле и в первую очередь с кремнием и марганцем. При этом вредные примеси, содержащиеся в сварочной ванне, частично выводятся в сварочный шлак, а частично испаряются в атмосферу в виде газов. Для защиты сварочной ванны от атмосферного воздействия применяют те же методы, что и при дуговой сварке в первую очередь флюсы. Расплавленные флюсы вместе с вредными примесями образуют на поверхности сварочной ванны пленку, которая предохраняет жидкий металл от контакта с атмосферным воздухом и газами, содержащимися в пламени горелки, а остывая, превращается в корку шлака.
Газопламенная обработка металла, выполняемая при газовой сварке, способствует повышению температуры основного и присадочного материалов, достаточной для плавления металлов в пределах границ раздела со сварочной ванной. В результате этого в сварочной ванне присутствуют два вида металлов (основной и присадочный), которые перемешиваются между собой, а под действием флюсов и газов, содержащихся в пламени и атмосферном воздухе, взаимодействуют с ними, изменяя свои свойства и состав. По мере удаления от эпицентра пламени температура металла снижается и возникают процессы кристаллизации, образуя сварочный шов. При этом структура металла шва имеет вытянутые укрупненные и направленные к центру кристаллы. Рассмотрим же более подробно процессы, происходящие в зоне действия открытого пламени горелки.
Технология сварки
Сварочное пламя
Сварочное пламя образуется в результате сгорания горючих газов или паров горючих жидкостей в смеси с техническим кислородом. При этом пламя имеет сложную структуру и строение, которое показано на рис.1. Качество газовой сварки во многом зависит от правильности регулировки пламени, которое сварщик выставляет «на глаз» по форме и цвету. Поэтому очень важно знать строение и структуру пламени газовой горелки, чтобы учитывать это в повседневной работе. Форму, цвет и структуру пламени горелки меняют соотношением ацетилена и кислорода, подаваемых в зону горения. В качестве примера рассмотрим ацетилено-кислородное пламя.
Ядро пламени имеет форму цилиндра с заостренным концом, вокруг которого расположена ярко светящаяся оболочка. Длина ядра пламени регулируется скоростью подачи газовой смеси и ее качественным составом. Диаметр ядра зависит от размеров мундштука и расхода горючей смеси.
Строение пламени меняется при изменении соотношения смеси и может быть: нормальным, науглероженным и окислительным (рис.2).
Нормальное пламя получается, когда на один объем горючего газа подается один объем кислорода. Если в качестве горючего газа принят ацетилен, то процесс его нормального сгорания можно записать в следующем виде: С2Н2 -Ю2 = 2СО+ Н2.
 |  |
| Рис. 1. Составляющие ацетилено-кислородного пламени: 1 — ядро; 2 — восстановительная зона; 3 — факел пламени | Рис. 2. Разновидности ацетилено-кислородного пламени: А — нормальное; Б — науглераживающее; В — окислительное |
При этом продукты неполного сгорания догорают за счет кислорода, присутствующего в атмосферном воздухе, по следующей реакции: 2СО +Н, + 1,50., = 2С02 + Н70. Так как абсолютно чистых веществ в природе не бывает и кислород содержит в себе некоторое количество примесей, то нормальное пламя получается при некотором его повышенном значении, то есть при соотношении ацетилена и кислорода, равном 1,1 -1,2. Ядро нормального пламени светлое со слегка затемненной восстановительной зоной и факелом. По форме ядро пламени напоминает цилиндр с четкими очертаниями и закругленным концом. Диаметр цилиндра зависит от размера мундштука сварочной горелки, а длина - определяется скоростью истечения газовой смеси. Вокруг ядра пламени размещается светлая оболочка, в которой происходит сгорание раскаленных частиц углерода. При высокой скорости подачи газа пламя способствует сгоранию металла и выдуванию его из сварочной ванны. Малая скорость подачи газов чревата обратными ударами и хлопками.
Восстановительная зона пламени имеет более темный цвет и располагается в пространстве в пределах 20 мм от конца ядра. Температура пламени в этой зоне может достигать 3150°С (при сгорании ацетилена). Размер восстановительной зоны зависит от номера сварочного мундштука. При помощи этой зоны пламени нагревают метал, плавят его и ведут сварку. Остальная часть пламени, расположенная за восстановительной зоной, состоящая из углекислого газа, паров воды и азота, имеет значительно меньшую температуру.
Науглероженное пламя получается, когда соотношение ацетилена и кислорода превышает указанное соотношение, то есть становится больше значения 1,1. Теоретически науглероженное пламя получается, когда в горелку подается 0,95 объема кислорода и менее. В этом случае ядро пламени увеличивается в объеме и теряет свои очертания. Недостаток кислорода в таком пламени приводит к неполному его сгоранию, и оно начинает коптить. Избыток ацетилена в науглероженном пламени приводит к его разложению на углерод и водород. Углерод из пламени переходит в металл, науглераживая его. Обычно науглероженное пламя применяют для сварки алюминия и наплавке твердых сплавов.
Восстановительная зона науглероженного пламени светлая и практически сливается с ядром. Температура такого пламени ниже, поэтому работать с ним более тяжело. Для перевода пламени в нормальное состояние увеличивают подачу кислорода или снижают подачу ацетилена.
Окислительное пламя получается при недостатке ацетилена, то есть соотношение ацетилен: кислород становится меньше 1,1. Практически окислительное пламя получается при объеме кислорода, превышающем в 1,3 объем ацетилена. Ядро такого пламени укорачивается и заостряется, а его края становятся расплывчатыми, цвет бледнеет. Температура такого пламени выше температуры нормального. Избыточный кислород окисляет железо и примеси, находящиеся в стали, что в конечном итоге приводит к хрупкости сварочного шва, пористости его структуры, обедненной марганцем и кремнием. Поэтому при сварке сталей окислительным пламенем пользуются присадочной проволокой с повышенным содержанием этих элементов, являющихся раскислителями. Самая высокая температура нормального пламени достигается в восстановительной зоне.
Примерный химический состав нормального ацетилено-кислородного пламени приведен в таблице 1. Нужно отметить, что ацетилено-кислородная смесь дает самую высокую температуру пламени. Изменение горючих газов несколько снижает температуру пламени и распределение ее по объему. Графическая зависимость изменения температур метан-кислородного и пропан-бутан-кислородного пламени представлена на рис.3.
Таблица 1. Химический состав нормального ацетилено-кислородного пламени
| Часть пламени | Содержание по сбьёму% | ||||||
| СО | Н2 | CО2 | Н2О | N2 | О2 | Прочие газы | |
| Вблизи конца ядра | - | - | - | ||||
| В конце восстановительной зоны | - | ||||||
| Всредней части факела | 3,7 | 2,5 | 2,6 | 3,2 | |||
| Вблизи конца факела | - | - | 2,2 | 0,8 |
 |
| Рис. 3. Динамика роста температур метан-кислородного (А) и пропан-бутан-кислородного пламени (Б): 1 — ядро; 2 — восстановительная зона; 3 — факел; 4 — свариваемый металл; L — длина ядра |
Значительный объем тепла, сконцентрированного в пламени газовой горелки, рассеивается в окружающую среду, поэтому его коэффициент полезного действия (К.П.Д.) низок и практически не превышает 7%.
Металлургические процессы в сварочной ванне при ее газопламенной обработке, а также в прилегающей к ней зоне имеют довольно сложный характер и несколько отличаются от металлургических процессов, происходящих при дуговой сварке. Это обусловлено тем, что расплавленный металл при его газопламенной обработке взаимодействует с газами, поддерживающими процесс горения. В зависимости от характера пламени, который меняет соотношение газов, изменяются и металлургические процессы.
При сварке нормальным пламенем, когда количество поступающих в зону сварки газов регламентировано, происходят в основном восстановительные реакции:
FeO + СО = Fe + СО2, и FeO + Н2 = Fe + Н2О
Кроме восстановительных реакций оксидов железа аналогичные процессы происходят и с другими оксидами, находящимися в сварочной ванне.
При сварке окислительным пламенем происходят реакции окисления железа и других элементов, присутствующих в сварочной ванне, а образующиеся при этом оксиды железа могут окислять углерод, кремний и марганец.
Сварка науглероженным пламенем способствует насыщению металла углеродом, что влечет за собой увеличение прочностных характеристик сварочного шва со снижением его пластических свойств.
Технология сварки
Материалы для газопламенной сварки
Кислород
Пламя, обладающее высокой температурой, необходимое для газопламенной сварки, образуется при сгорании горючих газов или паров в смеси с техническим кислородом. При нормальных условиях кислород представляет собой газ без цвета, запаха и вкуса. Но при низких температурах газообразный кислород может перейти в жидкое состояние и даже превратиться в твердое вещество. Сам кислород не токсичен, не горит, но активно поддерживает горение других веществ, при котором выделяется большое количество тепла.
Соединения кислорода с горючими веществами в большой концентрации может привести к воспламенению и даже взрыву при наличии открытого огня или искры, а в сжатом состоянии при контакте с парами масел, жиров и других горючих веществ — к самовоспламенению. Получают технический кислород из атмосферного воздуха или электролизом воды. Основные физические свойства кислорода приведены в таблице 1.
Хранение и транспортировка жидкого кислорода производится в специальных транспортных резервуарах, имеющих хорошую тепловую изоляцию. К потребителю кислород поступает в баллонах под давлением, создаваемым при помощи компрессоров. Согласно ГОСТ 949-73 давление кислорода в баллонах должно быть 15±0,5 МПа или 20±0,1 МПа. При температуре от -50 до +30°С давление в баллонах должно соответствовать величинам, приведенным в таблице 2.
Хранение и транспортировка баллонов с жидким кислородом при температурах выше +60°С недопустимо.
Примечание: критическая температура — это наивысшая температура превращения газа в жидкость. Необходимое для этого давление называется также критическим.
Таблица 2. Величины давления в баллонах при температурах от -50 до +30°С
| Температура газа, °С | Давление в баллоне при первоначальном давлении 15Мпа ±0, 5 при20°С | Давление в баллоне при первоначальном давлении 20Мпа ±0,1 при20°С |
| -50 | 9,3 | 12,3 |
| -40 | 10,2 | 13,5 |
| -30 | 11,1 | 14,6 |
| -20 | 11,9 | 15,8 |
| -10 | 12,7 | 16,9 |
| 13,5 | 17,9 | |
| +10 | 14,3 | 19,0 |
| +20 | 15,0 | 20,0 |
| +30 | 15,7 | 21,0 |
Ацетилен
Ацетилен (С2Н2) - химическое соединение углерода и водорода, в нормальном состоянии представляющее собой бесцветный горючий газ с резким запахом. Ацетилен легче воздуха и при температуре 20°С один его м³ имеет массу 1,09 кг. Низкая температура ацетилена (240 - 630°С) делает этот газ взрывоопасным в соединении с кислородом. Так, при атмосферном давлении смесь ацетилена с воздухом становится взрывоопасной при содержании ацетилена 2,2%. Ацетилен токсичен и при вдыхании его вызывает головокружение, тошноту и даже отравление.
Сгорание ацетилена в смеси с техническим кислородом сопровождается высокой температурой, достигающей 3200°С. Основные физические свойства ацетилена приведены в таблице 3.
Технический ацетилен получают двумя способами:
Из карбида кальция действием на него водой в специальных ацетиленовых генераторах.
Из углеводородных продуктов, содержащихся в природных газах, нефти и торфосланцах.
В сварочных работах, выполняемых на строительных площадках, в условиях мелких мастерских и т.д. большее распространение получил первый способ. Однако в промышленном производстве все большее распространение получает второй способ, как более прогрессивный и рентабельный.
Газообразный ацетилен может растворяться в таких жидкостях, как вода, бензол, бензин, но чаще всего его растворяют в ацетоне.
Поэтому растворенным называют ацетилен, находящийся в баллоне, заполненном пористой массой, пропитанной ацетоном. При наполнении такие баллоны искусственно охлаждают. При открывании вентиля на баллоне ацетилен начинает выделяться из ацетона в виде газа. Растворение ацетилена применяют для его длительного хранения и транспортировки, так как в жидком и твердом состоянии он взрывоопасен.
Карбид кальция
Карбид кальция - кристаллическое вещество (СаС2) темно-серого или темно-коричневого цвета с удельным весом от 2,3 до 2,53 г/см³. При взаимодействии с парами воды, находящимися в атмосферном воздухе, имеет характерный (чесночный) запах. При взаимодействии с водой карбид кальция разлагается с образованием ацетилена и гашеной извести. Из 1 кг химически чистого карбида кальция теоретически можно получить 372 дм³ ацетилена, однако наличие примесей снижает этот показатель до 280 дм³. Процесс разложения карбида кальция в воде происходит по следующей реакции:
СаС2 + Н2О = С2Н2 + Са(ОН)
Карбидная пыль при смачивании водой разлагается почти мгновенно, поэтому применять ее в ацетиленовых генераторах невозможно. Для этого используют кусковый карбид кальция, загружая им ацетиленовый аппарат. В зависимости от размеров кусков и сортности карбида кальция получают фактический выход ацетилена, отраженный в таблице 4.
Таблица 4. Выход ацетилена и карбида кальция
| Размеры куска, мм | Условное обозначение размеров куска | Выход ацетилена (не менее), л/кг | |
| 1 сорт | 2 сорт | ||
| 2-8 | 2/8 | ||
| 8-15 | 8/15 | ||
| 15-25 | 15/25 | ||
| 25-80 | 25/80 | ||
| Смешанных размеров | - |
Продолжительность разложения карбида кальция зависит от его грануляции и температуры, при которой происходит разложение. Для охлаждения ацетилена при разложении карбида кальция берут от 5 до 20 дм3 воды на 1 кг карбида кальция. Кроме того, иногда применяют «сухой» способ разложения , когда на 1 кг мелко раздробленного карбида кальция в генератор подают 0,2 — 1 дм³ воды.
Барабаны с карбидом кальция должны сохраняться в помещениях, которые отвечают следующим условиям:
помещение должно быть закрытым, сухим, построенным из негорючих материалов, защищенным от попадания влаги, хорошо проветриваться и иметь легкую кровлю, которую периодически проверяют на целостность.
в помещении не должно быть водопровода, канализации, а также водяного и парового отопления;
уровень пола в помещении должен быть на 0,2 м выше отметки наружной планировки;
помещение должно оборудоваться средствами противопожарной защиты.
Барабаны с карбидом кальция могут складироваться как в горизонтальном, так и в вертикальном положении. Помещения, где складируется карбид кальция, должны оборудоваться средствами механизации. Пустая тара из-под карбида кальция должна сохраняться в специальных местах вне производственных помещений.
Запрещается складировать карбид кальция в подвалах и местах, где существует угроза затопления, нельзя сохранять открытые или поврежденные барабаны с карбидом кальция. Открывать барабаны с карбидом кальция следует латунным зубилом и молотком, а запаянные барабаны - специальным режущим приспособлением. Место реза должно предварительно смазываться жировой смазкой слоем от 3 до 5 мм, что предотвращает появление искр. Открывать барабаны, развешивать карбид кальция, отсеивать мелкие фракции и пыль нужно в отдельных специальных помещениях. Просыпанный карбид кальция следует тщательно убрать.
Открытые или не полностью использованные барабаны с карбидом кальция закрывают водонепроницаемыми крышками. Открытым может быть только один барабан. В случае возникновения пожара в помещении, где хранится карбид кальция, нельзя пользоваться для тушения огня водой.
Пропан-бутановые смеси
Пропан-бутановые смеси состоят из пропана (C3H8) с примесью бутана (С4Н10) в количестве от 5 до 30%. Их получают при переработке нефти или добыче природного газа. Для сварочных работ эти смеси поставляется в баллонах в сжиженном состоянии. Из сжиженного состояния пропан-бутановая смесь переходит в газообразное при температуре -40°С при нормальном атмосферном давлении или при нормальной температуре, но при пониженном давлении. Условия перехода пропана и бутана в жидкое состояние отражены в таблице 5.
Таблица 5. Переход пропана и бутана в жидкое состояние
| Температра, °С | Давление, при котором газ переходит в жидкое состояние, кг/см2 | |
| Пропан | Бутан | |
| -20 | 2,7 | 0,45 |
| 3,7 | 0,68 | |
| 4,8 | 0,96 | |
| +10 | 6,4 | 1,5 |
| +20 | 8,5 | 2,1 |
| +40 | 14,3 | 3,9 |
Испарение 1 кг пропан-бутановой смеси освобождает до 0, 535 м³ паров, которые в смеси с кислородом образуют сварочное пламя. При работе с пропан-бутановыми смесями следует учитывать, что этот состав тяжелее воздуха, поэтому при утечках скапливается в низменных местах и углублениях.
При большой концентрации такой смеси в атмосферном воздухе она становится взрывоопасной. Для своевременного обнаружения таких скоплений в смесь добавляют специальное вещество, имеющее неприятный специфический запах. Баллоны, предназначенные для хранения и транспортировки пропан-бутановой смеси заполняют не полностью, так как, испаряясь, смесь создает большое давление, что может привести к разрушению баллона и взрыву.
Переход из жидкого состояния в газообразное происходит самопроизвольно в верхней части баллона. Температура пламени, образованного пропан-бутановой смесью с кислородом, ниже температуры ацетиленового пламени, поэтому для сварки сталей такая смесь используется редко. Большей частью такие смеси применяют при газовой резке и пайке или при сварке металлов с низкой температурой плавления.
Водород
Водород — представляет собой газ без цвета и запаха. Его получают в специальных генераторах воздействуя серной кислотой на железную стружку и цинк. Этот горючий газ в смеси с кислородом образует взрывчатую смесь, называемую гремучим газом. Хранят и транспортируют водород в сжиженном состоянии, в которое он переходит при температуре -253°С. Водород в газообразном состоянии легко проникает через любые неплотности, поэтому баллоны, трубопроводы и запорная арматура должны отвечать высоким требованиям герметичности. При сгорании водорода пламя практически не светится и не имеет четких границ.
Бензин и керосин
Бензин и керосин - представляют собой жидкости, получаемые при переработке нефти. При нормальной температуре и атмосферном давлении они легко испаряются и в газопламенной обработке металлов используются в виде паров. Для испарения бензина или керосинка горелки снабжают специальными испарителями или распылителями. Чаще всего эти жидкости используют для резки металлов, заменяя ацетилен. При этом вместо 1 м³ ацетилена расходуется 1,3 кг керосина.
Кроме этого для газопламенной обработки могут применять природный газ, нефтяной газ, окись углерода и т.д. Все эти газы в смеси с кислородом или атмосферным воздухом при определенном их соотношении образуют взрывоопасные смеси, что следует учитывать в процессе работы. Пределы взрываемости газов и паров горючих газов и жидкостей в смеси с воздухом и кислородом приведены в таблице 6.
| Наименование газа | Пределы взрываемости, выраженные в % объёме горючего газа | |
| С воздухом | С кислородом | |
| Ацетилен | 2,2-81,0 | 2,8-93,0 |
| Водород | 3,3-81,5 | 4,65-93,9 |
| Окись углерода | 11,4-77,5 | 15,5-93,9 |
| Метан | 4,8-16,7 | 5,0-59,2 |
| Пропан | 2,17-9,5 | 2,0-48,0 |
| Бутан | 1,55-8,4 | 1,3-47,0 |
| Городской газ | 3,8-24,8 | 10,0-73,6 |
| Коксовый газ | 7,0-21,0 | - |
| Природньй газ | 4,8-14,0 | 5,0-59,2 |
| Нефтяной газ | 3,5-16,3 | - |
| Пары бензина | 0,7-6,0 | 2,1-28,4 |
| Пары керосина | 1,4-5,5 | - |
Таблица 6. Пределы взрываемости газов, паров и жидкостей
Сварочная проволока и другие присадочные материалы
В качестве присадочных материалов при газопламенной сварке применяют сварочную проволоку или литые прутки, которые по своему химическому составу должны быть близкими к основному материалу. Нельзя в качестве присадочных материалов применять случайную проволоку, так как это скажется на качестве сварного соединения. Присадочные материалы должны отвечать следующим требованиям:
- температура их плавления должна быть несколько меньше температуры плавления основного материала
- химический состав должен соответствовать химическому составу основного материала
- поверхность должна быть ровной и чистой, без окалины, ржавчины, масла и жировых отложений
- плавление должно происходить ровно, без разбрызгиваний и испарений
- после кристаллизации наплавленный металл должен обладать хорошей плотностью без раковин, пор, шлаковых включений и т.д.
Применение в качестве присадочного металла различных полосок недопустимо, так как это влечет за собой неравномерную ширину сварочного шва и его неоднородность, что сказывается на качестве сварного соединения. Вместо сварочной проволоки допускается применение пруткового материала, прошедшего калибровку. При газовой сварке цветных металлов и нержавеющих сталей в виде исключения допускается применение полосок, своим химическим составом сходных с основным металлом.
Стальная проволока, предназначенная для сварки, поставляется в бухтах с обязательной маркировкой в виде бирок, на которых указаны: марка провода, ее диаметр, покрытие и т.д. Низкоуглеродистая и легированная проволока может иметь омедненную поверхность, предназначенную для защиты от атмосферного воздействия. Размеры и масса мотков проволоки приведены в таблице 7.
| Диаметр проволоки, м | Внутренний диаметр мотка, мм | Масса мотка проволоки (неменее), кг | ||
| Из углеродистой стали | Из легировнной стали | Из высокорелегированной стали | ||
| 0,3-0,8 | 150-350 | 1,5 | ||
| 1,0-1,2 | 250-400 | |||
| 1,4-2,0 | 250-600 | |||
| 2,5-3,0 | 400-700 | |||
| 4,0-6,0 | 500-700 | |||
| 6,5-8,8 | 500-700 |
Таблица 7. Размеры и масса сварочной проволоки
Для сварки цветных металлов промышленность выпускает сварочную проволоку с соответствующим химическим составом. Так, проволока для сварки алюминия и его сплавов выпускается диаметром от 0,8 до 12,0 мм. Она может быть тянутой или прессованной. Поставляется в бухтах, которые упаковываются во влагонепроницаемые пакеты. К каждой бухте крепится бирка, на которой указывают изготовителя, номер упаковки, условное обозначение проволоки, масса мотка и предупреждение: «Боится сырости и ударов». Химический состав проволоки должен соответствовать свариваемому сплаву.
Проволока на медной основе выпускается в бухтах и прутками. Она может быть в отожженном (мягком) и в твердом состояниях. Предусматривается следующая маркировка проволоки на медной основе:
- Ml — проволока для сварки неответственных конструкций на основе меди;
- М1р, МЗр — проволока для газовой сварки медных конструкций общего назначения;
- MCpl — для сварки ответственных электротехнических конструкций;
- JI63 — для газофлюсовой сварки латуни;
- JIO60-1 — для газофлюсовой сварки латуни, легированной оловом;
- ЛКБО62-0,2-0,04-0,5 — для газовой сварки и пайки меди и латуни без применения флюса;
- ЛМц58-2, ЛЖМц59-1-1, ЛОК59-1-0,3 — для сварки латуни, пайки меди и меди с латунью.
Флюсы
Флюсы - в газопламенной сварке и пайке используют для раскисления расплавленного металла и удаления из сварочной ванны образующихся окислов и неметаллических включений. Под действием высоких температур флюсы связывают оксиды химическим путем с образованием легкоплавких соединений или растворяют их в сварочной ванне, а образующиеся при этом шлаки всплывают. Образовавшаяся на поверхности сварочной ванны шлаковая пленка защищает металл от окисления при контакте с атмосферным кислородом.
Состав флюсов подбирают в зависимости от химических реакций, преобладающих в сварочной ванне. Так, если в сварочной ванне преобладают основные оксиды, то используют кислые флюсы. Если же реакция сварочной ванны кислая (SiO, и др.), то флюс должен быть основным. Физические свойства наиболее часто применяемых флюсов приведены в таблице 8.
Флюсы вводят в сварочную ванну рукой, ложкой, составляют в виде паст, которые наносят на свариваемые кромки в виде газов, вводимых непосредственно в сварочное пламя и т.д.
Таблица 8. Физические свойства флюсов
| Свойства | Вид флюса | ||||||||
| В2О3 | Na2B4O2 | LiF | KF | NaF | CaF2<.sub> | LiCl | KC1 | NaCl | |
| Темтература плавления °С | |||||||||
| Температура кипения °С | - | - | - | ||||||
| Теплота образования, ккал/маль | - | 144,7 | 105, G | 97,7 | |||||
| Плотность, г/см3 | 1,8 | - | 2,6 | 2,4 | 2,7 | 3,16 | 2,1 | 2,8 | 2,2 |
Задание № 4
Приведите схемы обработки поверхностей 1, 2, 3 детали, чертеж которой дан на рис. 6. Для каждой схемы укажите название станка, инструмента и зажимных приспособлений. Приведите эскизы инструмента для обработки поверхности 3 и приспособления для закрепления заготовки при обработке поверхности 1.
Обработка поверхности 1 производится на токарном станке с использованием резцов. Обработка поверхности 2 производится на фрезерном станке при помощи фрез.
Обработка поверхности 3 производится на сверлильном станке при помощи сверл.
Удержание заготовки производиться при помощи цапф, и тисков.
Сверлильный станок.
Список литературы
1. Богоявленский К.Н., Жолобов В.В., Лаидихов А.Д., Постников Н.Н. Обработка цветных металлов и сплавов давлением. – М.: Металлургия, 1973. – 471с.
2. Кнорозов Б.В., Усова Л.Ф., Третьяков А.В. и др. Технология металлов. – М.: Металлургия, 1979. – 904с.
3. Коликов Н.П., Полухин П.И., Крупин А.В. и др. Технология и оборудование для обработки тугоплавких металлов.– М.: Металлургия, 1982. – 328с.
4. Линц В.П., Максимов Л.Ю. Кузнечно – прессовое оборудование и его наладка. – М.: Металлургия, 1988. – 286с.