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1、第6章 铸铁焊接,铸铁是碳的质量分数大于2.11%的铁碳合金。工业常用的铸铁为铁碳硅合金，其碳的质量分数为3.0%4.5%、含硅量为1.0%3.0%，同时含有一定量的锰及杂质元素磷、硫等。为了提高铸铁的性能，还可以加入合金元素获得合金铸铁。铸铁熔点低，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。还具有成本低，耐磨性、减振性和切削加工性能好等优点，在机械制造业中获得了广泛应用。按质量统计，在汽车、农机和机床中铸铁用量约占50%80%。铸铁焊接主要应用于以下三方面： 铸造缺陷的焊补; 已损坏的铸铁成品件的焊补; 零部件的生产。,6.1 铸铁的种类及其焊接方法,6.1.1 铸铁的
2、种类 按照碳元素在铸铁中存在的形式和石墨形态，可将铸铁分为白口铸铁、灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁及蠕墨铸铁等五大类。 白口铸铁中的碳绝大部分以渗碳体（Fe3C）的形式存在，断口呈白亮色，性质脆硬，极少单独使用。白口铸铁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的碳基本以石墨形式存在，部分存在于珠光体中。这四种铸铁由于石墨形态不同，使得性能有较大差别。最早出现的灰铸铁，石墨呈片状，其成本低廉，铸造性、加工性、减振性及金属间摩擦性均优良，至今仍然是工业中应用最广泛的铸铁类型。,但是，由于片状石墨对基体的严重割裂作用，灰铸铁强度低、塑性差。可锻
3、铸铁是由一定成分的白口铸铁经石墨化退火获得的，石墨呈团絮状，塑性比灰铸铁高。1947年，发明了以球化剂处理高温铁液使石墨球化的方法，得到了球墨铸铁。由于石墨呈球状，对基体的割裂作用小，使铸铁的力学性能大幅度提高。而后出现的蠕墨铸铁，石墨呈蠕虫状，头部较圆，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，在工业中得到了一定的应用。,1灰铸铁 灰铸铁是因断面呈灰色而得名。灰铸铁中的碳以片状石墨的形式存在于珠光体或铁素体或二者混合的基体中。典型灰铸铁的金相组织由白色不规则块状的铁素体，渗碳体与铁素体层状分布的珠光体，端部尖锐、灰色长条状的片状石墨组成，有时含有少量的磷共晶。石墨片以不
4、同的数量和尺寸分布在基体中，对灰铸铁的力学性能产生很大影响。石墨含量高且呈粗片状时灰铸铁抗拉强度低，石墨含量低呈细片状时，其抗拉强度高。基体为纯铁素体时，灰铸铁抗拉强度和硬度低，以纯珠光体为基体的灰铸铁，抗拉强度和硬度均较高。 2球墨铸铁 用球化剂对液态铸铁浇铸前进行球化处理可以得到球墨铸铁，其石墨呈球状。我国常用的球化剂为稀土镁合金。细小圆整的石墨球对钢基体的割裂作用较小，在相同基体的情况下，其力学性能,是所有铸铁中最高的。由于经球化剂处理后的铁液结晶过冷倾向变大，具有较大的白口倾向，所以，还需要进行孕育处理，促进石墨化过程的进行，避免出现莱氏体组织。 在铸造条件下获得的球墨铸铁，基体通常为
5、铁素体加珠光体混合组织，要获得纯铁素体球墨铸铁需经低温石墨化退火，使珠光体分解为铁素体和石墨。如果铸态组织中还有共晶渗碳体，需经高温石墨化和低温石墨化二次退火才能获得铁素体球墨铸铁。牌号中QT表示球墨铸铁，是“球铁”二字汉语拼音的字头。后面第一组三位数字表示抗拉强度，第二组数字表示伸长率。 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。碳含量超过在铁中的溶解度时，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（Graphite，符号为G），,石墨的强度、硬度和塑性都很低。熔融状态的铁液在冷却过程中，由于化学成分和冷却条件的不同，既可从液相中或高温
6、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。可以把表示渗碳体析出规律的Fe-Fe3C相图和表示石墨析出规律的Fe-C (G) 相图叠画在一起，称之为铁碳合金双重相图，如图6-1所示。图中虚线表示Fe-C (G) 稳定系相图，实线表示Fe-Fe3C介稳定系相图。按照稳定系可以将wC=4.26%的铸铁称为共晶铸铁。,图6-1 铁-碳二元相图,对于亚共晶铁碳合金，冷却到液相线以下，首先从液态铁液中析出奥氏体，随着温度下降，析出奥氏体的量增多，其含碳量沿着固相线变化，不断增高，直至E或E点成分；同时，剩余液相不断减少，含碳量沿液相线变化直至
7、C或C点的共晶成分。共晶反应时，液相分解为E或E点成分的奥氏体加共晶渗碳体或共晶石墨（LA+Fe3C或LA+G）。温度继续下降，E或E点成分的先析奥氏体及共晶奥氏体由于含碳量超过了碳的溶解度，奥氏体的含碳量沿着E-S或E-S线变化，排出的碳以二次渗碳体（C）或二次石墨的形式存在。共析反应时，奥氏体分解为铁素体和共析渗碳体或共析石墨。以上各阶段形成的渗碳体在高温下保温时会分解析出石墨。此外，过共晶成分的铸铁可以从高温铁水中直接析出一次渗碳体或一次石墨。,综上分析可见，铸铁组织中石墨的形成过程即石墨化过程可以分为以下两个阶段： 石墨化第一阶段 包括从过共晶铁液中直接析出的初生（一次）石墨；共晶转变
8、过程中形成的共晶石墨；奥氏体冷却析出二次石墨；以及一次渗碳体、共晶渗碳体和二次渗碳体在高温下分解析出的石墨。这一阶段由于温度较高，碳原子扩散能力强，石墨化比较容易实现。 石墨化第二阶段 包括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。如果第二阶段石墨化能充分进行，则铸铁的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加珠光体混合组织。也可以对铸铁进行专门的石墨化退火，使珠光体中的共析渗碳体分解，获得基体,完全为铁素体的铸铁。 影响铸铁石墨化的主要因素是铸铁的化学成分和结晶及冷却过程中的冷却速度。从化学成分对石墨化的影响来看，可以将合金元素分为促进石墨
9、化的元素和阻碍石墨化（促进白口化）的元素，如图6-2所示。可见，C、Si 、Al、Ni、Cu等为促进石墨化的元素，而S、V、Cr、Mo、Mn等为阻碍石墨化的元素。 图6-2 合金元素对铸铁石墨化的影响,从冷却速度对石墨化的影响来看，缓慢冷却有利于石墨化。铸铁的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。例如，同一铸件，厚壁处为灰铸铁，而薄壁处可能出现白口铸铁。综合化学成分和冷却速度对铸铁石墨化和基体组织的影响，可以得到图6-3的结果 。 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 铸铁焊接常用的方法主要有焊条电弧焊、气焊、C
10、O2气体保护电弧焊、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。 6.2 铸铁焊接性分析 铸铁的化学成分特点是碳、硅含量高，硫、磷杂质含量高，灰铸铁力学性能特点是强度低，塑性差。由于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特殊性，铸铁的成分和性能特点使得铸铁的焊接性较差，表现在焊接接头容易出现白口及淬硬组织、容易产生裂纹。,由于灰铸铁应用广泛，因此下面以灰铸铁为例对铸铁焊接性问题
11、进行分析。 6.2.1 焊接接头白口及淬硬组织 以碳的质量分数为3.0%，硅的质量分数为2.5%的常用灰铸铁为例，分析在焊条电弧焊条件下焊接接头各区域的组织变化规律。将Fe-C-Si三元合金相图的高碳部分与铸铁焊接接头各区域按温度区域对比作图，得到图6-5所示的灰铸铁焊接接头组织变化与分区结果。可见，整个焊接接头由焊缝区、热影响区和原始组织区（母材）组成，其中热影响区根据温度范围与组织变化特点又可以分为半熔化区、奥氏体区、部分重结晶区和碳化物石墨化与球化区。,1焊缝区 在焊条电弧焊情况下，由于焊缝金属的冷却速度远远大于铸件在砂型中的冷却速度，当焊缝与灰铸铁铸件成分相同时，焊缝将主要由共晶渗碳体
12、、二次渗碳体及珠光体组成，即焊缝为具有莱氏体组织的白口铸铁。白口铸铁硬而脆，硬度高达500800HB，将影响整个焊接接头的机械加工性能，同时促进产生裂纹。在不预热条件下，即使增大焊接热输入，仍然不能完全消除白口。因此，对于同质铸铁焊缝，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。为了达到上述目的，焊接灰铸铁时可以采用热焊或半热焊，由于热焊时的冷却速度仍然高于铸铁铁液在砂型中的冷却速度，为了保证焊缝石墨化，要求同质焊条的碳、硅含量高，使得焊缝中的碳、硅含量稍高于灰铸铁母材，以防止白口。,2半熔化区 此区温度范围较窄
13、，处于固相线和液相线之间，约为11501250，焊接时处于半熔化状态，故称之为半熔化区。高温下半熔化区中铸铁母材部分熔化变为液体，一部分固态母材成为高碳奥氏体。冷却时，上述液相铸铁金属将在共晶温度区间转变为高温莱氏体，即共晶渗碳体奥氏体。继续冷却过程中，奥氏体因碳的溶解度下降而析出二次渗碳体，在共析温度区间奥氏体转变为珠光体，最终得到共晶渗碳体+二次渗碳体+珠光体的白口铸铁。在快冷条件下，还会出现奥氏体转变为马氏体的固态相变。 3奥氏体区 该区处于母材固相线与共析温度上限之间，加热温度范围约为8201150，不会出现液相，只有固态相变。由于加热温度高，铸铁的钢基体,被完全奥氏体化，但距离熔合线
14、远近不同，即热循环的最高温度不同，奥氏体化的温度不同，使得碳在奥氏体中的含量产生差别。灰铸铁中的片状石墨作为碳库，可以向周围的基体组织提供碳。在奥氏体区温度较高的地方，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；在奥氏体区温度较低的地方，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。在随后的冷却过程中，首先从奥氏体中析出二次渗碳体，而后进行共析转变。若冷却速度较慢时奥氏体转变为珠光体类型组织；若冷却速度较快时，奥氏体直接转变为马氏体，将使焊接接头的加工性变差。,4部分重结晶区 部分重结晶区很窄，加热温度范围约为780820，从铁-碳二元相图来看，该区处于奥氏体与铁素体
15、双相区。在电弧焊条件下，母材中的珠光体加热时转变为奥氏体，铁素体晶粒长大。冷却过程中，再次发生固态相变，奥氏体又转变回珠光体类型组织，快冷时会出现马氏体，最终得到马氏体铁素体混合组织。 上述分区是依据相图同一成分不同温度时的状态进行分析的，未考虑焊缝与母材成分不同时焊缝底部复杂的物理化学冶金反应，而铸铁焊接的特点恰恰是焊缝金属的多样化而与母材成分有较大差异。对于铸铁同质焊缝而言，为了避免焊缝产生白口总是提高C、Si等强石墨化元素含量，但焊缝底部母材熔化区的成分不可能产生突变，而是从母材半熔化区向焊缝的成分过渡。,因此，在焊缝底部存在一个成分主要受母材控制的“未完全混合区”，其物理化学冶金特性与
16、焊缝并不相同，更接近于半熔化区。通常将未完全混合区与半熔化区合称为“熔合区”。由于未完全混合区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，可称为“熔合区”白口。异质焊缝的熔合区物理化学反应更为复杂，各种元素与碳的化学亲和力不同，有的可能在浓度梯度推动下发生溶质均匀化过程，如钢焊缝和镍合金焊缝的情况；当焊缝含有较多碳化物元素时，因与碳有结合的倾向，会在化学位、活度梯度推动下发生碳及碳化物元素的扩散转移现象，在熔合区形成较多碳化物，例如高钒钢焊缝的情况。,6.2.2 焊接裂纹 铸铁焊接时，裂纹是很容易出现的一种焊接缺陷。与钢类似，铸铁焊接裂纹也可以分为冷裂纹和热裂纹两类，但产生的原因及影响因素有很大差异。铸铁焊接接头一旦出现裂纹，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。因此，对铸铁焊接裂纹的研究具有重要意义。 1冷裂纹 由于产生裂纹的温度在500以下，不是热裂纹，故而称之。从出现位置来看，焊缝及热影响区均有较大的冷裂纹敏感性，不焊接仅局部加热至高温，冷却后就可能产生裂
