1 термітного зварювання
1.1 ПРИНЦИП ЗВАРЮВАННЯ
термітів називаються порошкоподібні горючі суміші металів з окислами металів, здатні згоряти з виділенням значної кількості тепла і розвивати при цьому вельми високу температуру. Терміти винайдені в кінці позаминулого сторіччя. Вони застосовуються для виробництва деяких металів і сплавів.
Важливою областю застосування термітів є зварювання металів. Горючими металами в термітних сумішах можуть служити метали з великою теплотою утворення окислів, наприклад алюміній, магній, кремній (в особливості аморфний). Джерелом кисню в термітних сумішах є окисли металів з порівняно невеликою теплотою освіти, наприклад, оксиди заліза, марганцю, нікелю, міді і т. п. В якості джерела кисню в зварювальних термітів зазвичай застосовується залізна окалина, приблизно відповідає за складом магнітного окислу-закису заліза Fe 3 0 4 , що містить 27,6% кисню і 72,4% заліза.
Найбільш важливим для зварки є алюмінієвий терміт, який складається з металевого алюмінію у формі грубозернистого порошку або крупи, зазвичай з величиною зерна близько 1 мм, і з залізної окалини приблизно з тією ж величиною зерна. За зовнішнім виглядом алюмінієвий терміт являє собою сипку грубозернисті суміш з білих зерен (алюміній) і чорних зерен (залізна окалина). Для запалювання терміту його необхідно нагріти хоча б в одній точці до температури порядку 1000 В° С. Започаткували горіння протікає досить бурхливо, швидко поширюється на весь об'єм термітного суміші і проходить по реакції:
3Fe 2 Про 4 + 8Al = 4Al 2 Про 3 +9 Fe (1)
Терміт згорає повністю за 20-30 сек. Час горіння залежить від грануляції, т. тобто розмірів зерен суміші: чим дрібніше зерно, тим швидше закінчується процес горіння. Екзотермічна реакція згоряння 1 кг алюмінієвої термітного суміші розвиває близько 750 ккал.
З наведеної вище реакції згоряння терміта легко розрахувати, що на 1 кг термітного суміші необхідно 237 г алюмінію і 763 г залізної окалини. Цей розрахунок відноситься до хімічно чистим компонентам. В дійсності термітного суміш виготовляють з можливо більш дешевих матеріалів: з технічного алюмінію нижчих марок або алюмінієвого брухту з вмістом алюмінію 88-98%. Залізну окалину беруть зазвичай з цехів гарячої прокатки сталі, в яких вона є покидьки виробництва. Така окалина може містити різну кількість кисню. Тому дійсний склад термітних сумішей може змінюватися в досить широких межах залежно від хімічного складу застосовуваних матеріалів, який слід перевіряти хімічним аналізом. Найбільш Найпоширеніший склад термітного суміші для матеріалів середньої якості: 23% алюмінію і 77% залізної окалини.
Незважаючи на те, що алюмінієвий терміт виділяє порівняно невелика кількість тепла, в середньому 750 ккал на 1 кг суміші (1 кг хорошого кам'яного вугілля дає 7000 ккал), термитная суміш розвиває при згорянні вельми високу температуру. Це пояснюється тим, що згоряння терміта йде виключно за рахунок речовини самої суміші і 1 кг терміта при згоранні дає стільки ж, тобто 1 кг продуктів згоряння. Вугілля ж згорає за рахунок кисню повітря, і при спалюванні 1 кг вугілля в повітрі виходить близько 14 кг продуктів згоряння. По теоретичному розрахунку реакції згоряння терміта з урахуванням теплоємності продуктів згоряння забезпечується температура ~ 3000 В° С; таку ж температуру показують і безпосередні вимірювання. Тому продукти згоряння терміта - залізо (температура плавлення близько 1500 В° С) і окис алюмінію А1 2 O 3 (температура плавлення 2050 В° С) виходять в розплавленому, рідкому і сильно перегрітому вигляді.
Якщо спалити терміт у вогнетривкому тиглі, то по закінченні реакції горіння продукти реакції - рідка сталь і шлак, що складається головним чином з окису алюмінію, швидко розділяться на два шари: метал - шлак у відповідності з питомою вагою продуктів реакції; із 1 кг термітного суміші утворюється 550 г розплавленої сталі і 450 г шлаку - розплавленої окису алюмінію. В зварювальні термітні суміші, крім алюмінію і залізної окалини, зазвичай вносять різні добавки з метою поліпшити склад і підвищити міцність термітного металу, збільшити загальний вихід металу при спалюванні суміші, кілька знизити температуру термітної реакції.
Для розкислення термітного металу, поліпшення його хімічного складу і підвищення механічної міцності в термітні суміші зазвичай вводять феросплави, головним чином феросиліцій і феромарганець. Міняючи кількість цих присадок, можна змінювати в широких межах хімічний склад і механічні властивості термітного металу, наприклад межа міцності можна змінювати від 40 до 75 кг/мм 2 . Для збільшення виходу термітного металу і деякого зниження температури термітної реакції в термітні суміш для зварювання зазвичай додають технічно чисте залізо у дрібних шматочках в кількості 10-15% ваги термітного суміші. Для цієї мети найчастіше застосовують обсечку - відхід при виробництві дротяних цвяхів. Остаточний склад термітного зварювальної суміші визначають розрахунком у Залежно від характеру роботи та складу металу, що підлягає зварюванню.
1.2 кордону І ОБЛАСТІ ЗАСТОСУВАННЯ
Розглянемо застосування і області використання термітного зварювання на прикладі зварювання рейкового стику - самому звичайному застосуванні термітного зварювання. При зварюванні тиском рідкі продукти виливають через край тигля (малюнок 1, а); при цьому місце зварювання спочатку заливається рідким шлаком, змочують метал і дає на його поверхні тонку плівку, що перешкоджає прилипанню термітного металу до основного. Рідкий метал надходить у форму слідом за шлаком, але не зварюється з основним металом і може бути вилучений після закінчення зварювання. Рідкий метал використовується лише як носій тепла для розігріву місця зварювання. Після того як рідка суміш випущена в форму і стик досить розігрітий, приступають до осаді. Для цієї мети застосовують стяжні преси, що наводяться вручну важільними ключами. При повороті ключів приходять в дію гвинтові стяжки, що створюють тиск і виробляють осадку розігрітих деталей. Стяжний прес (малюнок 2) надягають на місце зварювання до випуску розплавленої суміші.
Поверхня зварного стику повинна бути захищена від попадання термітного шлаку, для чого сполучаються поверхні ретельно припасовують, відшліфовують і перед зварюванням стягують зі значним тиском за допомогою стяжного преса. Так як рейкова сталь володіє обмеженою зварюваністю в пластичному стані, то в стик перед зварюванням закладають пластинку за профілем рейки з м'якої низьковуглецевої сталі з ретельно зачищеними і відшліфованими поверхнями. При розігріві стику термітом посилюють тиск, повертаючи стяжні гайки преса, і виробляють осадку.
Спосіб термітного зварювання тиском в тому вигляді, як він описаний вище, в даний час майже не застосовується, так як цей спосіб складний, копіткий, вимагає дуже ретельної пригону зварюваних поверхонь і дає значний розкид результатів у відносно міцності стику. Також трудомістка операція опади і установки стяжного процесу.
Значно дешевше і зручніше зварювання плавленням, так званий спосіб проміжного лиття (рисунок 1, б). У цьому випадку рейки заформовивалі зі значним зазором (10-12 мм) в стику, тому особливо ретельної пригону і шліфування з'єднуються поверхонь не потрібно. Розплавлену суміш випускають через дно тигля. Вступник в форму перегрітий розплавлений метал оплавляє основний метал у зварного стику і сплавляється з ним в одне ціле. Термітний шлак, що надходить у форму слідом за металом, служить лише для додаткового підігріву зварного стику і уповільнен...
