Naprawa elementów ze stopów żelaza. Żeliwo na zimno i na gorąco…

Spawanie żeliwa stosowane jest w zasadzie wyłącznie do naprawy elementów  uszkodzonych, choć czasami zmuszeni jesteśmy np. do przyspawania  nieustannie „znikających” kratek drenażowych czy pokryw studzienek.

Żeliwo, zgodnie z podręcznikową definicją, jest to odlewniczy stop żelaza z węglem o zawartości tego drugiego pierwiastka przekraczającej 2%. Stop odlewniczy, tzn. że kształty użytkowe elementów żeliwnych są nadawane w procesie odlewania. Żeliwo, pomimo nie najlepszych właściwości mechanicznych (choć są obecnie wytwarzane gatunki żeliw o wytrzymałości na rozciąganie przekraczającej 1000 MPa – żeliwa ADI), jest uznawane za bardzo wartościowy materiał konstrukcyjny.

Swoją atrakcyjność zawdzięcza takim właściwościom jak: niska cena (żeliwo uzyskujemy często wprost z surówki), niska temperatura topnienia (mała energochłonność wytwarzania gotowych elementów), mały skurcz odlewniczy (doskonale odwzorowuje kształt formy), dobra skrawalność oraz dobre właściwości ślizgowe. Nic więc dziwnego, że w budownictwie, przemyśle maszynowym i energetycznym tak chętnie wykorzystywany jest ten właśnie materiał.

Również w gospodarstwach domowych wiele elementów użytkowych i dekoracyjnych wykonanych jest właśnie z żeliwa, np. palniki retortowe w piecach z podajnikami ślimakowymi, kaloryfery, piece, ruszty piecowe, schody ozdobne, meble ogrodowe, kominki, gajgery, rury, studzienki, kratki drenażowe, kolektory wydechowe itp. Niestety o ile koszt odlewów jest stosunkowo nieduży, o tyle ewentualna naprawa elementów uszkodzonych (pękniętych) jest bardzo trudna, a czasami wręcz niemożliwa i wymaga stosowania specjalnych zabiegów technologicznych.

Dlatego też spawanie żeliwa stosowane jest w zasadzie wyłącznie do naprawy elementów uszkodzonych, choć czasami zmuszeni jesteśmy np. do przyspawania nieustannie „znikających” sprzed naszych podjazdów domowych kratek drenażowych czy pokryw studzienek, oczywiście wyłącznie w przypadkach, kiedy konieczność otwierania drenaży lub studzienek zachodzi niezwykle rzadko.

Przykładowe elementy regenerowane poprzez spawanie - kratka ściekowa.

Rodzaje żeliw

W zależności od postaci, w jakiej występuje węgiel, rozróżnia się żeliwa:

* białe (węgiel jest związany w cementycie) – bardzo twarde, kruche i trudnoobrabialne i z tego względu w zasadzie nie stosowane na części konstrukcyjne;

* szare (węgiel niezwiązany występuje jako grafit) – najpowszechniej stosowany rodzaj żeliw. W zależności od postaci grafitu rozróżnia się żeliwa szare zwykłe (grafit ma postać grubych płatów) i modyfikowane (grafit ma postać drobnych płatków) oraz żeliwa szare sferoidalne (grafit ma postać kulistych wydzieleń);

* połowiczne (występuje cementyt i grafit).

Można przyjąć z prawdopodobieństwem graniczącym z niemal z pewnością, że elementy żeliwne z którymi możemy spotkamy się w naszych gospodarstwach domowych wykonane są z żeliwa szarego. Możemy to również sprawdzić metodą warsztatową. Jeżeli iskry towarzyszące szlifowaniu żeliwa szlifierką kątową będą miały barwę żótawo-pomarańczową, wówczas z pewnością mamy do czynienia z żeliwem szarym. Jeżeli barwa iskier będzie bardzo jasna (biała), wówczas mamy do czynienia z żeliwem białym. Ponadto na palcach naszych dłoni po potarciu powierzchni żeliwa szarego pozostaje „tłustawy” grafit, którego z pewnością nie zobaczymy, pocierając palcem o żeliwo białe.

Metody spawalnicze

Jak już wcześniej wspomniano, żeliwo, ze względu na właściwości fizykochemiczne oraz dużą zawartość węgla, jest materiałem trudno spawalnym lub wręcz niespawalnym, a ewentualnej naprawie podlegają jedynie żeliwa szare. Dodatkowo w przypadku naprawy odlewów, uszkodzonych w wyniku eksploatacji, spawalność żeliwa niejednokrotnie jeszcze się pogarsza ze względu na wewnętrzne utlenienie spowodowane eksploatacją w podwyższonych temperaturach lub w środowisku utleniającym, np. spalin, oraz nasiąkanie olejem lub smarem itp.

Do spawania żeliwa stosuje się dwie technologie spawania: na gorąco – z podgrzewaniem wstępnym do wysokiej temperatury i na zimno – bez podgrzewania wstępnego. Możliwe jest również łączenie elementów żeliwnych między sobą oraz elementów żeliwnych ze stalą za pomocą lutospawania, który to proces opisywano w artykule, który ukazał się w „Magazynie Instalatora” 9/2012 („Parowanie i spawanie” – przyp. red.).

Przed spawaniem żeliwa na gorąco należy zdemontować wszystkie elementy (uszczelki, zaślepki, śruby itp.), gdyż podczas spawania mogą ulec uszkodzeniu lub zniszczeniu. Odlew należy oczyścić, odtłuścić, zlokalizować pęknięcie i je zukosować, tak aby można je było łatwo przetopić podczas spawania. Przed ukosowaniem na końcach pęknięcia należy wywiercić otwory zabezpieczające przed dalszym jego propagowaniem.Spawanie odlewu żeliwnego płomieniem tlenowo-acetylenowym

Spawanie żeliwa na gorąco polega na spawaniu odlewu podgrzanego do temperatury 700°C, przy czym nagrzewanie do tej temperatury musi odbywać się bardzo wolno i równomiernie (prędkość nagrzewania maks 100°C/min) w piecu, a jedynie małe elementy można nagrzewać nieco szybciej palnikami. Podczas spawania stosuje się wyłącznie spoiwo żeliwne (pałeczki żeliwne) i topnik do spawania żeliwa na gorąco.

Temperatura odlewu podczas spawania nie może obniżyć się do mniej niż 600°C. Gdy tak się stanie, cały odlew należy ponownie dogrzać do temperatury 700°C. Po spawaniu odlew musi być chłodzony jeszcze wolniej, niż był nagrzewany. Żeliwo na gorąco przeważnie spawa się gazowo płomieniem tlenowo-acetylenowym.

Spawanie żeliwa na zimno wykonuje się bez wstępnego podgrzewania i tylko metodami łukowymi (elektroda otulona, MIG/MAG, TIG). Przy tej metodzie spawania należy: spawać możliwie małymi parametrami prądowymi, układać krótkie spoiny, aby odlew lokalnie nie nagrzał się powyżej 60-70°C – długość jednego odcinka spoiny nie powinna przekraczać 20-30 mm. Pierwszy odcinek spoiny ułożyć na środku pęknięcia, następne na obu końcach pęknięcia itd. na przemian aż do wykonania całego ściegu.

Po ułożeniu każdego odcinka spoiny należy przerwać spawanie, a spoinę natychmiast lekko przekuwać młotkiem wzdłuż całego odcinka. Otwory wykonane na obu końcach pęknięcia spawać należy na końcu. Do spawania żeliwa na zimno stosuje się drogie spoiwa niklowe, żelazowo-niklowe, niklowo-miedziane (monelowe). Czasami stosowane jest spoiwo stalowe (elektroda otulona zasadowa), na które można dodatkowo nawinąć drut miedziany o niewielkiej średnicy, który zmniejsza nieco uwrażliwienie na pękanie wykonanej spoiny.

Spawanie na gorąco wymaga czasochłonnego podgrzewania przed spawaniem, ale spoiny wykonane tą metodą nie różnią się kolorem od materiału podstawowego, są łatwo obrabialne i wolne od pęknięć przy zachowaniu odpowiednich warunków procesu. Ponadto materiały dodatkowe do spawania na gorąco są bardzo tanie. Przy spawaniu na zimno eliminujemy pracochłonne podgrzewanie wstępne i często nie jest wymagany demontaż wszystkich części z naprawianego odlewu, ale materiały dodatkowe są bardzo drogie, spoiny różnią się znacznie barwą od barwy żeliwa, są przeważnie bardzo twarde i kruche, a w spoinach często występują pęknięcia.

Wspomniano również o możliwości lutospawania żeliwa. Proces polega na wykonywaniu połączenia spoiwem na osnowie miedzi o temperaturze topnienia (ok. 900 – 1100°C) zawsze niższej od temperatury topnienia żeliwa, z zastosowaniem nagrzewania palnikiem tlenowo-acetylenowym i techniki wykonywania połączenia jak przy spawaniu gazowym lub spawaniu łukowym (MAG, TIG). Podczas lutospawania żeliwo nie ulega nadtopieniu (spoiwo zwilża ścianki rowka).

Do lutospawania gazowego stosuje się spoiwa mosiężne, niekiedy z dodatkiem krzemu, niklu, manganu, srebra itp. oraz topniki typu boraksowego – jak do lutowania twardego stali niestopowych spoiwami mosiężnymi. Do lutospawania łukowego MAG stosuje się spoiwa brązowe, np. typu Cu-Si, Cu-Al lub Cu-Sn, a jako gaz osłonowy stosuje się mieszanki argonu z niewielkim dodatkiem O2 i CO2 odpowiednio do 1 i 3%. Z praktyki wiemy, że również zastosowanie powszechnie używanej mieszanki 82% Ar + 18% CO2 daje dobre wyniki.

dr inż. Maciej Różański

Fot. 1. Przykładowe elementy regenerowane poprzez spawanie – kratka ściekowa.
Fot. 2. Spawanie odlewu żeliwnego płomieniem tlenowo-acetylenowym.

2 myśli na temat “Naprawa elementów ze stopów żelaza. Żeliwo na zimno i na gorąco…

  • 9 stycznia 2017 o 15:46
    Permalink

    Witam mam pytanie , czy można metodą TIG wykonać napawanie żeliwnego detalu , konkretnie korpusu?

    Odpowiedz
    • 12 stycznia 2017 o 09:01
      Permalink

      Oczywiście jest możliwe zastosowanie metody TIG do spawania odlewów żeliwnych. Pamiętajmy, że łuk elektryczny lub płomień
      spalanego gazu (w przypadku spawania gazowego) są tylko źródłami ciepła niezbędnymi do nadtopienia krawędzi materiału podstawowego i stopienia spoiwa.
      Przy wyborze metody spawania musimy jednak pamiętać o kilku rzeczach. Mianowicie podczas spawania żeliwa metodą „na zimno” stosujemy materiał dodatkowy o odmiennym składzie chemicznym od żeliwa. Bardzo
      dobre rezultaty daje zastosowanie jako spoiwa czystego niklu lub stopów wysokoniklowych. Dobre rezultaty daje również zastosowanie spoiwa miedzianego lub monelowego
      (stop miedzi z niklem). Niestety są to spoiwa drogie i dostępne przeważnie w postaci prętów idealnych do spawania metodą TIG. Ostatecznie można zastosować spoiwo o składzie chemicznym zbliżonym do składu chemicznego stali wysokostopowej nierdzewnej również łatwo dostępne w postaci elektrod otulonych drutów elektrodowych do spawania metodą MAG itd. (np. spoiwo typu 18-8-6 – 18% chromu, 9 % niklu, 6% manganu). Niestety niebezpieczeństwo powstania pęknięć już w trakcie spawania z użyciem spoiw stalowych jest bardzo duże. Podczas spawania żeliwa na gorąco stosujemy spoiwa żeliwne… i tutaj nic innego nie możemy stosować…. spoiwa żeliwne występują w postaci prętów, które możemy topić podczas spawania zarówno łukiem elektrycznym metody TIG jak i płomieniem tlenowo-acetylenowym. Podczas spawania żeliwa na gorąco zastosowanie metody TIG jest jednak o tyle niewygodne, że odlew jest nagrzany do temperatury ok 700 st. C , a więc trzymając, przeważnie niewielkich rozmiarów uchwyt TIG, jesteśmy narażeni na częste dotykanie ręką samego odlewu. Dlatego też, ucinając dyskusję dotyczącą tego czy metoda TIG jest dobra do spawania żeliwa odpowiadam; do spania żeliwa na zimno jest to metoda jak najbardziej odpowiednia a do spawania żeliwa na gorąco, ze względu na możliwość poparzenia, przepalenia przewodu itd. już nie bardzo. Dużo korzystniej do spawania żeliwa na gorąco zastosować spawanie gazowe lub spawanie elektrodą otuloną żeliwną.
      z poważaniem
      dr inż. Maciej Różański

      Odpowiedz

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Ta strona korzysta z ciasteczek (cookies) Więcej informacji

Ustawienia plików cookie na tej stronie są włączone na "zezwalaj na pliki cookie", aby umożliwić najlepszy z możliwych sposób przeglądania. Jeśli w dalszym ciągu chcesz korzystać z tej strony, bez zmiany ustawienia plików cookie lub kliknięciu przycisku "Akceptuję", a następnie użytkownik wyraża zgodę na to.

Zamknij