铸铁异种材料的焊接

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1、铸铁异种材料的焊接铸铁异种材料的焊接铸铁具有成本低、耐磨性和切削加工性能好等优点，在机械制造业中获得了广泛的应用，按质量比统计，在汽车、农机和机床中铸铁用量约占 50%90%。铸铁异种材料的焊接具有巨大的经济效益，已经引起我国科技人员 的高度重视，是我国下一步发展焊接技术的方向之一。铸铁焊接主要应用于以 下三个方面。 铸铁缺陷的焊接修复 我国各种铸铁的年产量约为 800 万吨，有各种铸造缺陷的铸件约占铸铁年产量的 10%15%。采用焊接方法修复这些铸铁件， 可以获得巨大的经济效益。 已损坏的铸铁成品件的焊接修复 由于各种原因，铸铁成品件在使用 过程中会受到损坏，出现裂纹等缺陷。若要更换新的部件

2、，不仅价格昂贵，而 且从订货、运货到安装调试需要很长时间。若用焊接方法及时修复出现的裂纹， 可获得事半功倍的效果。 铸铁零部件的生产 这是指用焊接方法将铸铁件、各种钢件或有色金 属件焊接起来而生产出零部件。我国目前在这方面比较落后，处于刚起步阶段。1.1. 铸铁的种类和性能铸铁的种类和性能铸铁的性能取决于化学成分和金相组织。工业中常用的铸铁含有大于 2%碳、 1%3%硅和少量铝，还含有少量锰及硫、磷等杂质。为了获得某种特殊性能， 可添加一定量的其他合金元素，如铬、钼、铜、镍等。与钢相比，铸铁熔点较 低，通常为 11001250，密度为 6.77.6g/cm3，线膨胀系数约为 10.610-6-

3、1，塑性低，焊接性较差，使其在焊接结构中的应用受到一定的限制。1.11.1 铸铁的分类铸铁的分类 铸铁按碳的存在状态（化合物或游离石墨）及石墨的存在形式（片状、球 状、团絮状等）分为灰口铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、白口铸铁和合金铸铁五 大类，其中灰口铸铁和球墨铸铁应用最广。除了基体组织（铁素体、珠光体或 铁素体+珠光体）之外，铸铁的性能在很大程度上由石墨的形状、大小、分布和 数量等所决定的。 （1）灰口铸铁 灰口铸铁（HT）中的碳全部或大部分以片状石墨形态存在，分布于不同的 基体上，断口呈暗灰色。这类铸铁的生产工艺简单，价格低廉，具有优良的耐 磨性和切削加工性等，在工业上得到了广泛应用。由于基体

4、中的石墨呈片层状 分布，与基体结合力弱。因此灰口铸铁的抗拉强度低、硬度低，塑性几乎为零。 灰口铸铁的化学成分见表 1，灰口铸铁的力学性能、特点及用途见表 2。 表表 1 1 灰口铸铁的化学成分灰口铸铁的化学成分化学成分牌号基体组织CSiMnPSHT100珠光体 30%70%粗片状，铁素 体 70%30%，二元磷 共晶少于 73.43 .92.12 .60.50 .60.30.15HT150珠光体 40%90%中粗片状，铁 素体 10%60%，二元 磷共晶少于 73.23 .52.02.41.92.3 1.82 .20.50.80.50.8 0.60 .90.030.15HT200珠光体 90%

5、中片状， 铁素体少 5%，二元磷 共晶少于 43.23.53.13.4 3.03 .31.62.01.51.8 1.41 .60.70.90.70.9 0.81 .00.30.12HT250珠光体 98%粗片状，二元磷共晶少于23.03.32.93.22.83.11.51.81.41.71.31.60.81.00.91.11.01.20.20.12HT300珠光体多于 98%中细片状，二元磷共晶少于 23.03.32.93.22.83.11.41.71.31.61.21.50.81.00.91.11.01.20.150.12HT350珠光体多于 95%粗片状，二元磷共晶少于 12.83.12.

6、83.12.83.01.31.61.21.51.11.41.01.31.01.31.11.40.150.10处理方法为孕育。 表表 2 2 常见的灰口铸铁的力学性能、特点及用途常见的灰口铸铁的力学性能、特点及用途牌号金相组织抗拉强度/MPa弯曲强度/MPa硬 度/HBS特点及用途举例HT100铁素体100260175强度低，用于制造对强度及组织无要求的不重要铸件，如油盘、盖、镶装导轨的支柱等HT150铁素体+珠光体150330150200强度中等，用于制造承受较高载荷的耐磨铸件，如机床底座、工作台等HT200珠光体200400170220强度较高，用于制造承受较高载荷的耐磨铸件，如发动机的汽缸

7、体、液压泵、阀门壳体、机床机身、汽缸、HT250珠光体250470190240中等压力的液压筒等HT300孕育铸铁300540210260HT350孕育铸铁350610230280HT400孕育铸铁400680207269强度高，组织为珠光体基体，用于承受高载荷的耐磨件，如剪床、压力机的机身、车床卡盘、导轨、齿轮、液压筒等注：灰口铸铁的牌号采用“HT+数字”表示，其中数字表示最低抗拉强度。（2）球墨铸铁 灰口铸铁在浇注前，进行石墨球化处理即可得到球墨铸铁。球墨铸铁 （QT）基体中石墨呈球状，对基体的割裂最小，大大降低应力集中，所以具有 较高的强度和韧性，而且能通过热处理来改善力学性能。主要应用

8、于制造承受 较大动载荷的重要零件，如柴油机的曲轴、连杆、汽缸盖、汽缸套和齿轮等； 还可以在一定范围内代替铸铁件用来制造受压阀门、机器底座和汽车后桥壳等。 球墨铸铁的主要化学成分见表 3。 表表 3 3 球墨铸铁的主要化学成分球墨铸铁的主要化学成分CSiMnPS34230.41.00.10.04表表 4 4 常用球墨铸铁的牌号及力学性能常用球墨铸铁的牌号及力学性能牌 号抗拉强度b/MPa屈服强度s/MPa伸长率/%硬 度HBS金相组织QT400-1840025018130180铁素体QT400-1540025015130180铁素体QT450-1045031010160210铁素体QT500-7

9、5003207170230铁素体+珠光体QT600-36003703190270珠光体+铁素体QT700-27004202225305珠光体QT800-28004802245335珠光体或回火组织QT900-29006002280360贝氏体或回火组织注：球墨铸铁的牌号采用“QT 数字数字”表示，第一组数字表示最低抗 拉强度，第二组数字表示伸长率。（3）可锻铸铁 可锻铸铁（KT）又称展性铸铁，白口铸铁毛坯经 9001000长时间（几 十小时）退火，使渗碳体在固态下分解，形成团絮状石墨，得到强度和塑性都 比一般灰口铸铁高的可锻铸铁。根据化学成分和组织不同，可锻铸铁可分为铁 素体可锻铸铁和珠光体可

10、锻铸铁两类。其主要化学成分见表 5，常用可锻铸铁 的牌号及力学性能见表 6。表表 5 5 常用可锻铸铁的主要化学成分常用可锻铸铁的主要化学成分材料CSiMnPS铁素体可锻铸铁2.22.61.01.30.30.40.120.18珠光体可锻铸铁2.83.20.61.10.450.100.15表表 6 6 常用可锻铸铁的牌号及力学性能常用可锻铸铁的牌号及力学性能牌 号抗拉强度b/MPa屈服强度s/MPa伸长率/%硬 度HBSKTH300-063006120163KTH330-083308120163KTH350-1035020010120163KTH370-1237012120163KTZ450-0

11、54502705150200KTZ550-045503404180230KTZ650-026504302210260KTZ700-027005302240290注：可锻铸铁的牌号采用“KT 数字数字”表示，第一组数字表示最低抗 拉强度，第二组数字表示伸长率。KTH 表示铁素体可锻铸铁，KTZ 表示珠光体可 锻铸铁。（4）蠕墨铸铁 蠕墨铸铁（简称蠕体，RT），力学性能介于基体组织相同的灰口铸铁与球 墨铸铁之间。蠕铁的抗拉强度为 300500MPa，伸长率为 16。蠕墨铸铁 的金相组织由蠕虫状石墨和基体组成，有三种类型：铁素体蠕墨铸铁、铁素体+ 珠光体蠕墨铸铁、珠光体蠕墨铸铁。由于蠕化剂中含有球化

12、元素 Mg、稀土等，蠕虫状石墨总是与球状石墨共存。与片状石墨相比，蠕虫状石墨较短而厚，头 部较圆，对基体的切割作用减小，应力集中减小，故蠕墨铸铁的抗拉强度、塑 性、疲劳强度等均优于灰口铸铁，而接近铁素体基体的球墨铸铁。此外，蠕墨 铸铁的导热性、铸造性、可切削加工性均优于球墨铸铁，而与灰口铸铁相近。 （5）白口铸铁 白口铸铁（BT）中的碳几乎全部以渗碳体（Fe3C）状态存在，断口呈白色， 硬而脆，不易机加工，在冶金、矿山、橡胶塑料等轧制机械中获得越来越广泛 地应用。常用白口铸铁的主要化学成分为 C2.1%3.8%，Si1.2%。有时添加 Mo、Cr、W 等合金元素以提高力学性能。1.21.2 影

13、响铸铁性能的因素影响铸铁性能的因素 铸铁的性能主要取决于铸铁的组织。铸铁的基体组织有铁素体、珠光体及 铁素体+珠光体三大类，相当于钢的组织。铸铁的组织特点可以看成是在钢的基体上分布有不同形状的石墨。化学成分和冷却速度，对铸铁组织性能的影响最 为显著。 （1）化学成分的影响 合金元素会影响铸铁结晶时的石墨化程度、石墨的形态及基体的组织。根 据化学元素对铸铁结晶时石墨化程度的影响，把合金元素分为促进石墨化元素， 如 C、Si、Al、Ni、Cu 等；另一类是阻止石墨化（促进白口化）的元素，如 S、V、Cr、Mo、Mn 等。合金元素对铸铁性能的影响结果见表 7。 表表 7 7 合金元素对铸铁性能的影响

14、合金元素对铸铁性能的影响合金元素影 响 结 果C、Si强烈的石墨元素，能改变石墨析出的数量、形态和大小，随着碳、硅含量的增加，促使石墨的聚集和粗大S强烈阻碍石墨化的元素，是铸铁中的有害元素，易形成熔点很低的 FeS。与Fe3C 形成共晶时，易造成偏析，降低晶界强度，使高温铸件开裂Mn阻碍石墨化的元素，促进形成 Fe3C；可与硫形成高熔点的 MnS，从而减弱了硫的有害作用；锰同时可促进珠光体基体形成，从而提高铸铁的强度；但锰量过高会阻碍第二阶段石墨化，有二次渗碳体沿晶界析出，使铸铁强度降低，脆性增加P磷在固溶体中的溶解度很低，且随含碳量的增加而降低。当磷含量超过溶解度极限时，会生成 Fe3P 以

15、磷共晶形式存在，磷共晶硬而脆，沿晶界分布，增加铸铁的脆性，易在铸件冷却过程中产生裂纹，故磷是铸铁中的有害元素，一般控制在 0.3%以下NI、Cu促进石墨化，同时促进生成和细化珠光体，对壁厚悬殊的铸件有良好的作用。可促进壁薄处组织石墨化，防止产生白口；对壁厚处，可使奥氏体稳定而获得细密的珠光体，使铸件组织均匀化Cr、Mo、W、V与碳生成合金碳化物，强烈地阻碍石墨化，同时可强化铸铁基体，提高铸铁的强度和耐磨性（2）冷却速度的影响 冷却速度的变化既影响铸铁的石墨化程度，又影响铸铁基体组织。在 （C+Si）量一定时，不同的冷却速度可产生不同的铸铁组织。当液态铸铁冷却速度很快时，形成由珠光体和渗碳体构成的白口铸铁；冷却速度足够慢时，形 成由铁素体和石墨构成的灰口铸铁；当冷却速度介于上述两者之间时，形成珠 光体灰口铸铁或珠光体+铁素体灰口铸铁。 （3）基体组织对铸铁性能的影响 铸铁基体中铁素体相越多，铸铁塑性越好；基体中珠光体数量越多，则铸 铁的抗拉强度和硬度越高。但普通灰口铸铁由于粗片状石墨对基体的强烈割裂 作用，即使得到全部铁素体基体组织，塑性和韧性仍然很低。因此，只有当石 墨为团絮状、蠕虫状和球状时，改变金相组织才能显示出对性能的影响。 （4）石墨对铸铁性能的影