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1、 河南机电高等专科学校毕业论文- 1 - 1 -1.1.绪绪 论论工业中应用最早的铸铁就是以片状石墨存在于金属基体中的灰铸铁。由于其成本低廉，并具有铸造性、可加工性、耐磨性及减振性均优良的特点。迄今是工业中应用最广泛的一种铸铁。20 世纪 80 年代初，铸铁材料发展进入了顶峰期，随后，世界的铸铁产量便出现急剧递减，然而铸铁仍是当今金属材料中应用最为广泛的基础材料。灰铸铁在结晶过程中，约有 w（C）为 80%的碳以石墨的形式析出，这就给灰铸铁带来两方面的特点：一方面，由于石墨强度较低（Rm20N/mm2），且以片状的形态存在，割裂了基体的连续性，因此灰铸铁的强度不高，脆性较大。另一方面，由于石墨
2、的存在，灰铸铁具有良好的减震性、耐磨性、切削加工性和缺口敏感性。由于共晶结晶过程中石墨化膨胀，还有减少缩松、缩孔的倾向。同时，灰铸铁还有较高的抗压强度。灰铸铁传统的化学成分中 Si/C 比较低（0.400.55）。适当提高 Si/C 比（0.650.85），是提高铸铁内在质量的重要途径之一。提高 Si/C 比的作用是：可使连续的初析奥氏体枝晶增加，这就像混凝土中的钢筋一样，对灰铸铁起到加固的作用，可扩大稳定系和介稳定系的温度差，增加过冷度T，从而细化石墨，有效地扩大集体组织的利用率；还可降低灰铸铁的白口倾向，减小断面敏感性，提高弹性模量和形变抗力。当然，Si/C 比较高，会使铁素体增加，强度和
3、硬度有所降低。我国各种铸铁的年产量现约为 800 万吨，有各种铸造缺陷的铸件约占铸铁年产量的 10%15%，即通常所说的废品率为 10%15%，若这些铸件工报废,将是极大的浪费。采用焊接方法修复这些有缺陷的铸铁件，由于焊接成本低，不仅可获得巨大的经济效益，而且有利于及时完成生产任务。常用的焊既接方法有气焊、钎焊、电弧焊等,其中手工电弧焊应用最多。但是铸铁件的焊补极易产生白口和裂缝，其中产生白口的主要原因是冷却速度过快和石墨元素不足;而产生裂缝的原因主要是焊接应力。焊接是一种将材料永久性的连接，并成为具有给定功能结构的制造技术。几乎所有的产品，从几十万吨巨轮到不足 1 克的微电子元件，在生产制造
4、中都不同程度地应用到焊接技术。焊接已经渗透到制造业的各个领域，直接影响到产品的质量、可靠性和寿命以及生产的成本、效率和市场反应速度。近年来，焊接已由一个单一的加工工艺发展成为有科学基础有广泛应用范围和前景的焊接工程和焊接产业，在这些产业中，焊接在其中占有重要地位，是决定其产品使用安全的关键。有些直接出焊接产品或在现场装焊接后投入使用，有些是作成主体结构然后在其上安装动力和机电设备后应用，有焊接结构的质量和安全保证在整体结构设计合理的情况下，主要决定与焊接联结部位的结构、材料匹配、工艺设计、先进的焊接制造工艺及设备和准确的无损检测技术，这些都决定了焊接联结部位的的内在河南机电高等专科学校毕业论文
5、- 2 - 2 -和外观质量，形成了分布在各工业和基础设施建设部门各具特色的焊接结构行业，同时也形成了结构焊接需要的焊接设备行业和焊接材料行业。这些行业是互相关联促进的行业。焊接结构已有日新月异的发展:在装备制造业结构中用焊接结构局部或全部代替铸件或锻件结构和由局部铸件或锻件焊接成组合结构是大重型结构发展的方向，可大大节约大型铸锻车间及其设备的基本建设投资和生产过程的能源消费，同时还可缩短生产周期;在各种建筑行业广泛采用钢质焊接结构代替钢筋混凝土结构，可达到大跨度、轻自重、工厂制造、设计优、工程在建周期短、环境污染少，基础费用省，折除后材料可循环使用，因而符合目前绿色制造和资源循环利用建设节约
6、型社会的大潮流。目前我国微电子及 IT 行业中的发展，高强有色金属、光钎、超导和复合材料及高分子材料的应用，都对焊接工艺、设备和材料提出了很多新的要求，因而得到了相应发展。河南机电高等专科学校毕业论文- 3 - 3 -2.2.灰铸铁灰铸铁铸铁是含碳量在 2以上的铁碳合金。工业用铸铁一般含碳量为24。碳在铸铁中多以石墨形态存在，有时也以渗碳体形态存在。除碳外，铸铁中还含有13的硅，以及锰、磷、硫等元素。合金铸铁还含有镍、铬、钼、铝、铜、硼、钒等元素。碳、硅是影响铸铁显微组织和性能的主要元素。在铸铁焊接中，应用得最多的是灰铸铁的焊接，球墨铸铁次之，可锻铸铁最少。2.1.2.1.灰铸铁的化学成分灰铸
7、铁的化学成分灰铸铁以片状石墨的形态存在于珠光体、铁素体或二者按不同比例混合的基体组织中。其断口呈灰色，且因此得名。石墨的力学性能比较低，使金属基体承受负荷的有效截面积减少，而且片状石墨使应力集中严重，因而使灰铸铁的力学性能不高，灰铸铁的石墨形式是以不同的数量、长短及粗细分布于基体中，因而对灰铸铁的力学性能产生很大的影响。灰铸铁分HT250 与HT220，其密度分别为 7.35g/cm;与 7.2g/m灰铸铁按其组织可看成是碳钢的基体加片状石墨。按基体组织的不同灰铸铁分为三类：铁素体基体灰铸铁、铁素体珠光体基体灰铸铁、珠光体基体灰铸铁（F 基体灰铸铁、F+P 基灰铸铁、P 基体灰铸铁）。常用灰铸
8、铁的化学成分为C2.6%3.8%，Si1.2%3.0%，Mn0.4%1.2%，P0.4%，S0.15%。同一牌号的灰铸铁，薄壁件（壁厚1960KPa，或需表面淬火3. 要求高气密性1. 重要机械零件，如齿轮、凸轮、衬套等2.机床导轨，冲床、剪床、压力机、车床和重型机床的床身、机座、主轴箱、卡盘等3.大型发动机缸体、缸盖、缸套等4. 高压油缸、水缸、泵体、阀体等5. 圆周速度 20-25ms 的带轮河南机电高等专科学校毕业论文- 7 - 7 -3.3.灰铸铁的焊接性灰铸铁的焊接性铸铁焊接中灰铸铁的焊接最为常见。灰铸铁在化学成分上的特点是碳高及 S、P 杂质高，这就增大了焊接接头对冷却速度变化的敏
9、感性及冷热裂纹的敏感性。在力学性能上的特点是强度低，基本无塑性。焊接过程具有冷速快及焊件受热不均匀而形成焊接应力较大的特殊性。这些因素导致焊接性不良。主要问题两方面：一方面是焊接接头易出现白口及淬硬组织。另一方面焊接接头易出现裂纹。3.13.1 焊接接头的白口组织焊接接头的白口组织灰铸铁焊接时，由于熔池体积小，存在时间短，加之铸铁内部的热传导作用，使得焊缝及近缝区的冷却速度远远大于铸件在砂型中的冷却速度。因此，在焊接接头的焊缝及半熔化区将会产生大量的渗碳体，形成白口铸铁组织。焊接接头中产生白口组织的区域主要是焊缝区、半熔化区和奥氏体区。现在分别予以讨论。3.1.13.1.1 焊缝区焊缝区当焊缝
10、成分与灰铸铁铸件（即同质焊缝）成分相同时，则在一般电弧焊情况下，由于焊缝冷却速度远远大于铸件在砂型中的冷却速度，焊缝主要为共晶渗碳体+二次渗碳铁+珠光体，即焊缝基本为白口铸铁组织。焊缝为铸铁时我们一般采用适当的工艺措施来减慢焊逢的冷却速度（如：增大线能量）或调整焊缝化学成分来增强焊缝的石墨化能力。若采用低碳钢焊条（即异质焊缝中）进行焊接，常用铸铁含碳为 3%左右，就是采用较小焊接电流，母材在第一层焊缝中所占百分比也将为 1314，其焊缝平均含碳量将为 0.7%1.0%,属于高碳钢（C0.6%）。这种高碳钢焊缝在快冷却后将出现很多脆硬的马氏体。采用异质金属材料焊接时，必须要设法防止或减弱母材过渡
11、到焊缝中的碳产生高硬度组织的有害作用。思路是：改变 C 的存在状态，使焊缝不出现淬硬组织并具有一定的塑性，例如使焊缝分别成为奥氏体，铁素体及有色金属是一些有效的途径。3.1.23.1.2 半熔化区半熔化区半熔化区的特点是该区被加热到液相线与共晶转变下限温度之间，温度范围11501250。该区处于液固状态，一部分铸铁已熔化成为液体，其它未熔部分在高温作用下已转变为奥氏体。其在半熔化区对白口铸铁有影响的有：冷却速度及化学成分对半熔化区白口铸铁的影响河南机电高等专科学校毕业论文- 8 - 8 -冷却很快，液态铸铁在共晶转变温度区间转变成莱氏体，即共晶渗碳体加奥氏体。继续冷却则为碳所饱和的奥氏体析出二
12、次渗碳体。在共析转变温度区间，奥氏体转变为珠光体。由于该区冷速很快，在共析转变温度区间，可出现奥氏体马氏体的过程，并产生少量残余奥氏体。当半熔化区的液态金属以很慢的冷却速度冷却时，其共晶转变按稳定相图转变。最后其室温组织由石墨+铁素体组织组成。当该区液态铸铁的冷却速度介于以上两种冷却速度之间时，随着冷却速度由快到慢，或为麻口铸铁，或为珠光体铸铁，或为珠光体加铁素体铸铁。影响半熔化区冷却速度的因素有：焊接方法、预热温度、焊接热输入、铸件厚度等因素。铸铁焊接半熔化区的化学成分对其白口组织的形成同样有重大影响。该区的化学成分不仅取决于铸铁本身的化学成分，而且焊逢的化学成分对该区也有重大影响。这是因为
13、焊逢区与半熔化区紧密相连，且同时处于熔融的高温状态，为该两区之间进行元素扩散提供了非常有利的条件。某元素在两区之间向哪个方向扩散首先决定于该元素在两区之间的含量梯度（含量变化）。元素总是从高含量区域向低含量区域扩散，其含量梯度越大，越有利于扩散的进行。提高熔池金属中促进石墨化元素（C、Si、Ni 等）的含量对消除或减弱半熔化区白口的形成是有利的。用低碳钢焊条焊铸铁时，半熔化区的白口带往往较宽。这是因为半熔化区含 C、Si量高于熔池，故半熔化区的 C、Si 反而向熔池扩散，使半熔化区 C、Si 有所下降，增大了该区形成较宽白口的倾向。3.1.33.1.3 奥氏体区奥氏体区奥氏体区被加热到共晶转变
14、下限温度与共析转变上限温度之间。该区温度范围约为 8201150，此区无液相出现该区在共析温度区间以上，其基体已奥氏体化，加热温度较高的部分（靠近半熔化区），由于石墨片中的碳较多地向周围奥氏体扩散，奥氏体中含碳量较高；加热较低的部分，由于石墨片中的碳较少向周围奥氏体扩散，奥氏体中含碳量较低，随后冷却时，如果冷速较快，会从奥氏体中析出一些二次渗碳体，其析出量的多少与奥氏体中含碳量成直线关系。在共析转变快时，奥氏体转变为珠光体类型组织。冷却更快时，会产生马氏体，与残余奥氏体。该区硬度比母材有一定提高。熔焊时，采用适当工艺使该区缓冷，可使奥氏体直接析出石墨而避免二次渗碳体析出，同时防止马氏体形成。3
15、.23.2 焊接接头裂纹焊接接头裂纹河南机电高等专科学校毕业论文- 9 - 9 -灰铸铁属脆性金属，抗裂性能差，在焊接应力的作用焊接接头很容易开裂。灰铸铁在焊补时，接头所产生的裂纹多为低温裂纹，属冷裂纹范畴；而在某些焊接条件下也能产生热裂纹，下面分别予以分析。可发生在焊缝或热影响区上，其分为焊缝处冷裂纹、发生在 HAZ 的冷裂纹。3.2.13.2.1 冷裂纹冷裂纹 焊缝处冷裂纹一般产生部位铸铁型焊缝当采用异质焊接材料焊接，使焊逢成为奥氏体、铁素体，铜基焊缝时，由于焊缝金属具有较好的塑性，焊接金属不易出现冷裂纹。启裂温度一般在 400以下。原因有两方面，一方面是铸铁在 400以上时有一定塑性；另
16、一方面焊缝所承受的拉应力是随其温度下降而增大。在 400以上时焊缝所承受的拉应力较小。由于焊接过程中由于工件局部不均匀受热，焊缝在冷却过程中会产生很大的拉应力，这种拉应力随焊缝温度的下降而增大。当焊缝全为灰铸铁时，石墨呈片状存在。当片状石墨方向与外加应力方向基本垂直，且两个片状石墨的尖端又靠得很近，在外加应力增加时，石墨尖端形成较大的应力集中。铸铁强度低，400以下基本无塑性。当应力超过此时铸铁的强度极限时，即发生焊缝裂纹。当焊缝中存在白口铸铁时，由于白口铸铁的收缩率比灰铸铁收缩率大，加以其中渗碳体性能更脆，故焊缝更易出现裂纹。其影响因素主要与焊缝基体组织、石墨形状或焊补处刚度、体积大小及其长短有关。焊缝中渗碳体越多，焊缝中出现裂纹数量越多。当焊缝基体全为珠光体与铁素体组成，而石墨化过程又进行得较充分时，由于石墨化过程伴随有体积膨胀过程，可以松弛部分焊接应力，有利于改善焊缝的抗裂性。粗而长的片状石墨容易引起应力集中，会减小抗裂性。石墨以细片状存在时，可改善抗裂性。石墨以团絮状存在时，焊
