Реферат: Термитная сварка

1.1 ПРИНЦИП СВАРКИ

Термитами называются порошкообразные горючие смеси метал­лов с окислами металлов, способные сгорать с выделением зна­чительного количества тепла и развивать при этом весьма высо­кую температуру. Термиты изобретены в конце позапрошлого столетия. Они применяются для производства некоторых металлов и сплавов.

Важной областью применения термитов является сварка ме­таллов. Горючими металлами в термитных смесях могут служить металлы с большой теплотой образования окислов, например алю­миний, магний, кремний (в особенности аморфный). Источником кислорода в термитных смесях являются окислы металлов со сравнительно небольшой теплотой образования, например, оки­слы железа, марганца, никеля, меди и т. п. В качестве источника кислорода в сварочных термитах обычно применяется железная окалина, примерно отвечающая по составу магнитной окиси-за­киси железа Fe₃ 0₄ , содержащей 27,6% кислорода и 72,4% железа.

Наиболее важным для сварки является алюминиевый термит, который состоит из металлического алюминия в форме грубозер­нистого порошка или крупы, обычно с величиной зерна около 1 мм, и из железной окалины примерно с той же величиной зерна. По внешнему виду алюминиевый термит представляет собой сыпучую грубозернистую смесь из белых зерен (алюминий) и черных зерен (железная окалина). Для зажигания термита его необходимо нагреть хотя бы в одной точке до температуры порядка 1000° С. Начавшееся горение протекает весьма бурно, быстро распростра­няется на весь объем термитной смеси и проходит по реакции:

3Fe₂ О₄ + 8Al = 4Al₂ О₃ +9Fe (1)

Термит сгорает полностью за 20—30 сек. Время горения зави­сит от грануляции, т. е. размеров зерен смеси: чем мельче зерно, тем быстрее заканчивается процесс горения. Экзотермическая реакция сгорания 1 кг алюминиевой термитной смеси развивает около 750 ккал.

Из приведенной выше реакции сгорания термита легко рас­считать, что на 1 кг термитной смеси необходимо 237 г алюминия и 763 г железной окалины. Этот расчет относится к химически чи­стым компонентам. В действительности термитную смесь изготов­ляют из возможно более дешевых материалов: из технического алюминия низших марок или алюминиевого лома с содержанием алюминия 88—98%. Железную окалину берут обычно из цехов горячей прокатки стали, в которых она является отбросом про­изводства. Такая окалина может содержать различное количе­ство кислорода. Поэтому действительный состав термитных сме­сей может меняться в довольно широких пределах в зависимости от химического состава применяемых материалов, который сле­дует проверять химическим анализом. Наиболее распространен­ный состав термитной смеси для материалов среднего качества: 23% алюминия и 77% железной окалины.

Несмотря на то, что алюминиевый термит выделяет сравни­тельно небольшое количество тепла, в среднем 750 ккал на 1 кг смеси (1 кг хорошего каменного угля дает 7000 ккал), термитная смесь развивает при сгорании весьма высокую температуру. Это объясняется тем, что сгорание термита идет исключительно за счет вещества самой смеси и 1 кг термита при сгорании дает столько же, т. е. 1 кг продуктов сгорания. Уголь же сгорает за счет кислорода воздуха, и при сжигании 1 кг угля в воздухе получается около 14 кг продуктов сгорания. По теоретическому расчету реакции сгорания термита с учетом теплоемкости про­дуктов сгорания обеспечивается температура ~ 3000°С; такую же температуру показывают и непосредственные измерения. Поэтому продукты сгорания термита — железо (температура плав­ления около 1500°С) и окись алюминия А1₂ O₃ (температура плав­ления 2050°С) получаются в расплавленном, жидком и сильно перегретом виде.

Если сжечь термит в огнеупорном тигле, то по окончании реакции горения продукты реакции — жидкая сталь и шлак, состоящий главным образом из окиси алюминия, быстро разде­лятся на два слоя: металл — шлак в соответствии с удельным весом продуктов реакции; из 1 кг термитной смеси образуется 550 г расплавленной стали и 450 г шлака — расплавленной окиси алюминия. В сварочные термитные смеси, помимо алюминия и железной окалины, обычно вносят различные добавки с целью улучшить состав и повысить прочность термитного металла, увеличить общий выход металла при сжигании смеси, несколько понизить температуру термитной реакции.

Для раскисления термитного металла, улучшения его химиче­ского состава и повышения механической прочности в термитные смеси обычно вводят ферросплавы, главным образом ферроси­лиций и ферромарганец. Меняя количество этих присадок, можно изменять в широких пределах химический состав и механические свойства термитного металла, например предел прочности можно изменять от 40 до 75 кг/мм² . Для увеличения выхода термитного металла и некоторого снижения температуры термитной реакции в термитную смесь для сварки обычно добавляют технически чистое железо в мелких кусочках в количестве 10—15% веса термитной смеси. Для этой цели чаще всего применяют обсечку — отход при производстве проволочных гвоздей. Окончательный состав тер­митной сварочной смеси определяют расчетом в зависимости от характера работы и состава металла, подлежащего сварке.

1.2 ГРАНИЦИ И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

Рассмотрим применение и области использования термитной сварки на примере сварки рельсового стыка — самом обычном применении термитной сварки. При сварке давлением жидкие продукты выливают через край тигля (рисунок 1, а); при этом место сварки сначала заливается жидким шлаком, смачивающим металл и дающим на его поверх­ности тонкую пленку, препятствующую прилипанию термитного металла к основному. Жидкий металл поступает в форму вслед за шлаком, но не сваривается с основным металлом и может быть удален по окончании сварки. Жидкий металл используется лишь как носитель тепла для разогрева места сварки. После того как жидкая смесь выпущена в форму и стык достаточно разогрет, приступают к осадке. Для этой цели применяют стяжные прессы, приводимые вручную рычажными ключами. При повороте ключей приходят в действие винтовые стяжки, создающие давление и производящие осадку разогретых деталей. Стяжной пресс (рисунок 2) надевают на место сварки до выпуска расплавленной смеси.

Поверхность сварного стыка должна быть защищена от попа­дания термитного шлака, для чего соединяемые поверхности тщательно пригоняют, отшлифовывают и перед сваркой стягивают со значительным давлением посредством стяжного пресса. Так как рельсовая сталь обладает ограниченной свариваемостью в пласти­ческом состоянии, то в стык перед сваркой закладывают пластинку по профилю рельса из мягкой низкоуглеродистой стали с тщательно зачищенными и отшлифованными поверхностями. При разогреве стыка термитом усиливают давление, поворачивая стяжные гайки пресса, и производят осадку.

Способ термитной сварки давлением в том виде, как он описан выше, в настоящее время почти не применяется, так как этот способ сложен, кропотлив, требует очень тщательной пригонки свариваемых поверхностей и дает значительный разброс резуль­татов в отношении прочности стыка. Также трудоемка операция осадки и установки стяжного процесса.

Значительно дешевле и удобнее сварка плавлением, так назы­ваемый способ промежуточного литья (рисунок 1, б). В этом случае рельсы заформовывают со значительным зазором (10—12 мм) в стыке, поэтому особенно тщательной пригонки и шлифования соединяемых поверхностей не требуется. Расплавленную смесь выпускают через дно тигля. Поступающий в форму перегретый расплавленный металл оплавляет основной металл у сварного стыка и сплавляется с ним в одно целое. Термитный шлак, посту­пающий в форму вслед за металлом, служит лишь для дополни­тельного подогрева сварного стыка и замедления его охлаждения по окончании сварки. Осадочного давления и применения стяж­ного пресса не требуется, рельсы остаются неподвижными в про­цессе сварки. Поэтому возможно, например, сваривать рельсы, уложенные в пути, без расшивки, что позволяет сваривать плети неограниченной длины, вваривать куски рельсов в местах вырезки поврежденных стыков и т. п.

а — давлением; б — плавлением (промежуточное литье); в — комбинированный

способ

Рисунок 1. - Схемы термитной сварки рельсового стыка

Недостатки способа промежуточного литья: 1) несколько увеличенный расход термита; 2) образование литой структуры ме­талла в сварном стыке, не уплотняемого осадоч­ным давлением и поэто­му склонного к образо­ванию пор и раковин; 3) все сечение стыка для надлежащего разогрева получает значительный облив, удаление которо­го вызывает известные затруднения. Приходит­ся обрубать и шлифовать поверхность катания и боковые грани головки рельса.

При комбинирован­ном способе металл вы­пускают через дно тигля, заливку жидким металлом ведут лишь до нижней грани головки рельса (рисунок 1, в ), а отшлифованные торцы головок собирают со вкладной пластинкой низкоуглероди­стой стали. При выпуске жидкой смеси головку заливают шлаком и сваривают давлением при последующей осадке стяжным прес­сом, в то время как шейка и подошва рельса оказываются сварен­ными плавлением по способу промежуточного литья. Комбиниро­ванный способ является наилучшим и в настоящее время находит преобладающее применение. Результаты термитной сварки рельсовых стыков достаточно удовлетворительны. Сварку легко вести в полевых условиях. Несмотря на это, термитная сварка рельсовых стыков на желез­ных дорогах применяется в ограниченных размерах и в настоящее время почти вытеснена контактной сваркой. Причиной служит довольно высокая стоимость термитной смеси, дефицитность ме­таллического алюминия, низкая производительность термитной сварки. Этот вид сварки сохранил свое значение для рельсовых стыков трамвайных путей, так как в условиях города другие методы сварки рельсовых стыков трудноприменимы.

1 — стяжная штанга; 2 — стяжная гайка; 3 — за­жимная гайка; 4 — термитный тигель; 5 — крышка тигля

Рисунок 2. - Стяжной пресс для рельсового стыка

Термитную сварку можно использовать для ремонта крупных стальных и чугунных деталей. При сварке чугуна применяют специальный термит со значительным содержанием ферросилиция. Посредством термитной сварки можно приливать отломанные части стальных деталей, например зубья крупных шестерен, наплавлять поверхности и т. п. Термитная сварка позволяет изготовлять стальные отливки, на месте в любых, даже полевых условиях, что в ряде случаев может представлять практический интерес.

1.3 Выбор основных и присадочных материалов

Для группы материалов (сталей с С_э < 1,2%, стального литья, серого чугуна и алюминия) химический состав присадочных материалов определяют в зависи­мости от химического состава основного материала.

Присадочный материал состоит из порошкообразного окисла металла и порошкообразного алюминия и расплавляется в тигле. Термитную смесь леги­руют присадкой ферросплавов, карбидов, окислов и чистых элементов) Их 20%-ная добавка к шихте снижает температуру разливаемого металла и по­вышает выход присадочного материала до 50%; остальные 50% — шлак.

Присадочные материалы выбирают в зависимости от технологического ва­рианта сварки и от характера износа поверхности при наплавке.

Изготовитель: EfektrocnemischesWerk, Алимендорф, ГДР.

Количество присадочного материала, кг:

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--