第6章-铸铁焊接

第6章铸铁焊接_6.1铸铁的种类及其焊接方法_6.2铸铁的焊接性分析_6.3铸铁的焊接材料及工艺_纯铁铸铁：wC%2.11%的铁碳合金铸铁：wC%2.11%的铁碳合金，由工业生铁、废钢等钢铁及其合金材料经过高温熔融和铸造成型而得到工业常用铸铁：Fe-C-Si合金同时含有一定量Mn、杂质元素P、S等特点：熔点低、液态下流动性好、结晶收缩率小→便于铸造生产形状复杂的机械零部件成本低，耐磨性、减振性和切削加工性能好等在汽车、农机和机床中获得了广泛应用6.1铸铁的种类及其焊接方法6.1.1铸铁的种类按照碳在铸铁中存在的形式和石墨形态：白口铸铁、灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁及蠕墨铸铁白口铸铁：C绝大部分以渗碳体（Fe3C）的形式存在断口呈白亮色，性质脆硬，极少单独使用是制造可锻铸铁的中间品表层为白口铸铁的冷硬铸铁常用作轧辊灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁及蠕墨铸铁中C基本以石墨形式存在，部分存在于珠光体中石墨形态不同→性能有较大差别力学性能：球墨铸铁可锻铸铁蠕墨铸铁灰铸铁石墨形式：球状团絮状蠕虫状片状球墨铸铁：1947年以球化剂处理高温铁液使石墨球化球状→对基体割裂作用小→力学性能大幅提高应用仅次于灰铸铁灰铸铁：其成本低廉，铸造性、加工性、减振性及金属间摩擦性均优良，工业中应用最广泛片状石墨：对基体严重割裂作用→灰铸铁强度低、塑性差可锻铸铁：由白口铸铁经长时间石墨化退火获得团絮状→塑性比灰铸铁高退火处理时间长，成本高，应用受限制蠕墨铸铁：石墨呈蠕虫状，头部较圆比灰铸铁强度高、比球墨铸铁铸造性能好、耐热疲劳性能好,在工业中属于初期推广应用阶段铸铁基体组织：铁素体F、珠光体P或二者的混合物是在钢的基体上加上石墨石墨强度很低，相当于空洞→钢有效承载面积↘石墨端部尖锐→严重应力集中，易断裂铸铁比相同组织钢：强度低、塑性差Q235钢：σb=375~460MPa，伸长率21~26%灰铸铁：σb=100~350MPa，伸长率0.5%球状铸铁：①铁素体基体：σb=~400MPa，伸长率~18%②珠光体基体：σb=~700MPa，伸长率~2%③奥氏体+贝氏体基体：σb=860~1035MPa，伸长率7~10%1、灰铸铁特点：断面呈灰色、石墨呈片状组织：碳以片状石墨的形式存在于珠光体或铁素体或二者混合基体中石墨：含量高且呈粗片状→抗拉强度低含量低呈细片状→抗拉强度高基体：纯铁素体→抗拉强度和硬度低纯珠光体→抗拉强度和硬度均较高用途：机床床身、齿轮箱、皮带轮、底座、缸体、盖、手轮等受力不大、耐磨、减震零件牌号显微组织抗拉强度/MPa硬度HBW（供参考）特点及用途举例基体石墨HT100铁素体粗片状≥100≤175强度低，用于制造对强度及组织无要求的不重要铸件，如油底壳、盖、镶装导轨的支柱等HT150铁素体+珠光体较粗片状≥150150～200强度中等，用于制造承受中等载荷铸件，如机床底座、工作台等HT200珠光体中等片状≥250170～220强度较高，用于制造承受较高载荷耐磨铸件，如发动机的气缸体、液压泵、阀门壳体、机床机身、气缸盖、中等压力的液压筒等HT250细片状珠光体较细片状≥250190～240HT300细片状珠光体细小片状≥300210～260强度高，基体组织为珠光体，用于承受高载荷的耐磨件，如剪床、压力机的机身、车床卡盘、导板、齿轮、液压筒等HT350细片状珠光体细小片状≥350230～280表6-1灰铸铁牌号、显微组织、力学性能及用途2、球墨铸铁液态铸铁浇铸前进行球化处理可以得到我国常用的球化剂：稀土镁合金细小圆整的石墨球对基体的割裂作用较小，其力学性能是所有铸铁中最高的经球化剂处理后的铁液结晶：具有较大的白口倾向还需进行孕育处理（添加孕育剂）→促进石墨化过程的进行，避免出现莱氏体组织通过球化和孕育处理得到球状石墨2、球墨铸铁应用：用来制造一些受力复杂，强度、韧性和耐磨性要求高的零件具有高强度与高耐磨性的珠光体球墨铸铁，常用来制造拖拉机或柴油机中的曲轴、连杆、凸轮轴、各种齿轮、机床的主轴、蜗杆、蜗轮、轧钢机的轧辊、大齿轮及大型水压机的工作缸、缸套、活塞等；具有高韧性和塑性的铁素体球墨铸铁，常用来制造受压阀门、机器底座、汽车后桥壳等。牌号抗拉强度/MPa屈服强度/MPa伸长率（%）硬度HBW（供参考）基体显微组织最小值QT400-1840025018130～180铁素体QT400-1540025015130～180铁素体QT450-1045031010160～210铁素体QT500-75003207170～230铁素体+珠光体QT600-36003703190～270珠光体+铁素体QT700-27004202225～305珠光体QT800-28004802245～335珠光体或回火组织QT900-29006002280～360贝氏体或回火马氏体表6-2球墨铸铁牌号、力学性能及显微组织3、可锻铸铁石墨呈团絮状由一定成分白口铸铁经长时间石墨化退火获得与灰铸铁相比：具有较好强度和塑性耐磨性和减振性优于碳钢应用：管类零件和农机具等4、蠕墨铸铁石墨呈蠕虫状生产方式：与球墨铸铁相似特点：具有比灰铸铁强度高、比球墨铸铁铸造性能好、耐热疲劳性能好的优点；应用：制造大功率柴油机气缸盖、电动机外壳等6.1.2铸铁的凝固特点与石墨化铸铁的成分、组织及性能特点关键在于碳的存在形式碳含量超过在铁中溶解度：铸铁中便有高碳相析出或是渗碳体，或是自由状态的碳-石墨熔融状态的铁液在冷却过程中（化学成分和冷却条件不同）：既可从液相中或高温奥氏体中直接析出渗碳体（介稳状态）也可直接析出石墨（稳定状态）同时，渗碳体加热至高温还可以分解出石墨图6-1铁碳合金双重相图虚线：Fe-C稳定系相图实线：Fe-Fe3C介稳定系相图wC%=4.26%：共晶铸铁共晶反应：L→A+Fe3C或L→A+G共析反应：A→F+Fe3C或A→F+G过共晶：L→Fe3C（Ⅰ）或L→G（Ⅰ）石墨化过程：1）石墨化第一阶段特点：由于温度较高，碳原子扩散能力强，石墨化比较容易实现从过共晶铁液中直接析出的初生（一次）石墨：共晶转变过程中形成的共晶石墨：奥氏体冷却析出二次石墨；一次渗碳体、共晶渗碳体和二次渗碳体高温下分解析出的石墨L→G（Ⅰ）L→A+GA→F+GFe3C→G+F2）石墨化第二阶段专门石墨化退火→使珠光体中共析渗碳体分解→获得基体完全为铁素体的铸铁共析转变过程中形成的共析石墨；共析渗碳体分解析出的石墨若第二阶段石墨化能充分进行，→铸铁基体将完全为铁素体但是由于温度较低，一般难以实现因此铸铁在铸态下多为铁素体+珠光体混合组织渗碳体铁素体珠光体P的显微组织A→F+GFe3C（共析）→G+F影响铸铁石墨化的主要因素：铸铁的化学成分和结晶及冷却过程中的冷却速度1）化学成分促进石墨化元素、阻碍石墨化（促进白口化）元素图6-2合金元素对铸铁石墨化的影响G碳化物2）冷却速度缓慢冷却有利于石墨化冷却速度：与铸模类型、浇注温度、铸件壁厚及铸件尺寸等因素有关如，同一铸件，厚壁处为灰铸铁而薄壁处可能出现白口铸铁图6-3铸件壁厚（冷却速度）和化学成分（碳硅总量）对铸铁组织的影响6.1.3铸铁焊接方法焊条电弧焊、气焊、CO2气保电弧焊、手工电渣焊、气体火焰钎焊以及气体火焰粉末喷焊等近年来，直接将焊接用于零部件的生产在实际工作中的比例越来越大，主要是将球墨铸铁件之间、球墨铸铁与各种钢件或有色金属件之间，采用细丝CO2焊、摩擦焊、激光焊、电子束焊、电阻对焊、扩散焊等方法连接起来铸铁焊接应用：①铸造缺陷的焊补;②已损坏的铸铁成品件的焊补;③零部件的生产(把铸件与钢件焊接起来作成零部件)对铸铁焊接的要求：1）焊后焊接接头是否进行机械加工2）焊缝颜色是否与母材一致3）焊后接头是否承受很大工作应力4）焊缝金属及接头力学性能是否要求与母材一致5）焊接成本根据被修复件的结构刚度以及对焊补后机械加工要求的不同，采用焊条电弧焊或气焊方法：热焊：焊前将被修复铸件整体加热到600~700℃并在此温度下焊接半热焊：焊前预热到400℃冷焊：焊前不预热焊补后缓冷→防止焊接裂纹并改善焊补区域的机械加工性能铸铁电弧焊的焊缝金属分类Fe基Ni基Cu基铸铁钢球墨铸铁蠕墨铸铁灰铸铁高钒钢低合金钢碳素钢Ni-C奥氏体Ni-Fe-C奥氏体Ni-Cu-C合金Cu-Fe合金Cu-Al合金Cu-Ni-Mn合金图6-4铸铁电弧焊的焊缝金属分类6.2铸铁的焊接性分析_6.2.1焊接接头白口及淬硬组织_1、焊缝区2、半熔化区3、奥氏体区4、部分重结晶区6.2.2焊接裂纹_1、冷裂纹2、热裂纹6.2.3球墨铸铁的焊接性特点_6.2铸铁的焊接性分析铸铁化学成分特点：C、Si含量高，S、P杂质含量高灰铸铁力学性能特点：强度低，塑性差铸铁焊接性：较差表现：焊接接头容易出现白口及淬硬组织容易产生裂纹原因：焊接加工具有冷却速度快，焊件受热不均匀造成较大焊接应力等6.2.1焊接接头白口及淬硬组织灰铸铁：wC%=3.0%，wSi%=2.5%焊条电弧焊Fe-C-Si三元合金：共晶转变和共析转变是在某一温度区间进行的共晶转变温度区间：L→A+Fe3C（介稳态）或L→A+G（稳态）共析转变温度区间：A→F+Fe3C（介稳态）或A→F+G（稳态）冷却速度快时：A→M图6-5灰铸铁焊条电弧焊焊接接头各区域组织变化wSi%=2.5%半熔合区焊缝区热影响区母材半熔合区1、焊缝区焊缝金属冷却速度铸件在砂型中的冷却速度焊缝成分为铸铁，即同质焊缝时：焊缝主要由共晶渗碳体、二次渗碳体及珠光体，即具有莱氏体组织的白口组织白口组织：硬而脆，硬度高达500～800HB将影响整个焊接接头的机械加工性能，同时促进产生裂纹不预热条件下，即使增大焊接热输入，仍然不能完全消除白口同质铸铁焊缝，要求：选择合适的焊接材料，调整焊缝化学成分、增强焊缝金属的石墨化能力，并配合适当的工艺措施使焊缝金属缓冷，促进碳以石墨形式析出采用：热焊或半热焊同质焊条：碳、硅含量高防止白口灰铸铁焊接异质焊缝：①低碳钢焊条焊接灰铸铁，尽量采用小电流，减少母材熔化量，并配合预热等措施减缓冷却速度，防止马氏体相变，以获得珠光体类型组织为主的钢焊缝②或采用镍基奥氏体焊条灰铸铁焊接2、半熔化区高温下：L+高碳γ冷却时：共晶温度区间L→A+共晶Fe3C继续冷却：A析出Fe3C(Ⅱ)共析温度区间：A→F+Fe3C（A→P）最终得到：共晶Fe3C+Fe3C(Ⅱ)+P的白口铸铁快冷：出现A→M（固态相变）温度范围：1150～1250℃，固相线和液相线之间焊接时处于半熔化状态3、奥氏体区温度范围：820～1150℃固相线与共析温度上限之间只有固态相变距离熔合线远近不同，即热循环最高温度不同，奥氏体化的温度不同，使得碳在奥氏体中的含量产生差别奥氏体区温度较高地方：碳较多地向周围奥氏体扩散使含碳量增高，同时奥氏体晶粒长大奥氏体区温度较低地方：碳向周围奥氏体扩散数量较少使含碳量较低，且奥氏体晶粒较小随后冷却过程中：首先A析出Fe3C(Ⅱ)而后共析转变：A→F+Fe3C冷却速度较慢：A→P冷却速度较快：A→M使焊接接头加工性变差4、部分重结晶区温度范围：780～820℃奥氏体与铁素体双相区加热时：母材中P→A铁素体晶粒长大冷却过程：再次发生固态相变，A→P快冷：出现M最终得到：马氏体＋铁素体混合组织铸铁焊接特点：焊缝金属的多样化而与母材成分有较大差异“熔合区”白口：未完全混合区白口（石墨化元素较焊缝少，冷却时易生成白口）和半熔化区连在一起形成较宽的白口带异质焊缝的熔合区物理化学反应更为复杂6.2.2焊接裂纹1、冷裂纹（热应力裂纹）铸铁焊接的常见缺陷铸铁焊接接头出现裂纹：承载能力大大下降整体结构也不能满足致密性要求→导致焊接失败温度：500℃以下出现位置：焊缝及热影响区均有较大冷裂纹敏感性不焊接仅局部加热至高温，冷却后就可能产生裂纹1）冷裂纹产生的原因铸铁型同质焊缝：出现：焊缝较长或焊补部位刚度较大时容易出现即使焊缝没有白口或马氏体组织也可能产生温度：500℃以下伴随：脆性断裂的声音冷裂纹很少在500℃以上产生的原因：一方面是由于铸铁在较高温度下有一定