鑄鐵焊接的相關工藝

鑄鐵是指含碳量2％以上的鐵碳合金。工業(yè)用鑄鐵一般含碳量為2％～4％。碳在鑄鐵中多以石墨形態(tài)存在，有時也以滲碳體形態(tài)存在。除碳外，鑄鐵中還含有1％～3％的硅，以及錳、磷、硫等元素。合金鑄鐵還含有鎳、鉻、鉬、鋁、銅、硼、釩等元素。碳、硅是影響鑄鐵顯微組織和性能的主要元素。  我國各種鑄鐵的年產量現約為800萬噸，有各種鑄造缺陷的鑄件約占鑄鐵年產量的10%~15%，即通常所說的廢品率為10%~15%，若這些鑄件工報廢，以1997年鑄鐵平均價格計算 ，其損失每年高達10億元以上。采用焊接方法修復這些有缺陷的鑄鐵件，由于焊接成本低，不僅可獲得巨大的經濟效益，而且有利于及時完成生產任務。鑄鐵按斷口顏色分為灰鑄鐵、白口鑄鐵、麻口鑄鐵；.按化學成分分為普通鑄鐵、合金鑄鐵；按生產方法和組織性能分為普通灰鑄鐵、孕育鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵、特殊性能鑄鐵。         在相同基體組織情況下，其中以球墨鑄鐵的力學性能（強度、塑性、韌性）為最高，可鍛鑄鐵次之，蠕墨鑄鐵又次之，灰鑄鐵最差。但由于灰鑄鐵成本低廉，并具有鑄造性、可加工性、耐磨性及減震性均優(yōu)良的特點，是工業(yè)中應用最廣泛的一種鑄鐵。        灰鑄鐵抗拉強度及硬度的變化是由于機體組織及石墨大小、數量不同的結果。純鐵素體為基體的灰鑄鐵：強度、硬度最低   純珠光體為基體的灰鑄鐵：強度、硬度較高改變基體中鐵素體及珠光體相對含量，可得不同的抗拉強度及硬度的HT，石墨呈粗片狀的灰鑄鐵，抗拉強度較低，石墨呈細片狀的灰鑄鐵其抗拉強度較高?；诣T鐵中碳的存在狀態(tài)及其基體組織決定于鑄件冷卻速度 ①鐵水以很快速度冷卻時，第一階段石墨化過程（共析溫度以上）及第二階段石墨化過程（共析溫度下）完全被抑止將得到共晶滲碳體+二次滲碳體+珠光體組織，即白口鑄鐵組織。[鐵碳相圖：鐵水當溫度冷卻到液相時，開始從液相析出（γ）。1147共析溫度。L→γ+Fe3C（共晶滲碳體） 溫度下降，A的飽和固溶碳量隨溫度下降而降低，因而析出二次滲碳體，此反應持續(xù)到共析溫度。在共析反應中，A轉變?yōu)橹楣怏w。冷卻到室溫后，組織由共晶滲碳體+二次滲碳體+珠光體組成]。    ②鐵水以很慢的速度冷卻時由于滲C體是不穩(wěn)定相，而石墨是穩(wěn)定相。第一階段和第二階段石墨化過程都進行得很充分，最后得純鐵素體的灰鑄鐵組織。    ③若石墨化的第一階段進行很完全，第二階段石墨化過程進行得不完全，則得珠光體+鐵素體、灰鑄鐵?；诣T鐵在化學成分上的特點是碳高及S、P雜質高，這就增大了焊接接頭對冷卻速度變化的敏感性及冷熱裂紋的敏感性。在力學性能上的特點是強度低，基本無塑性。焊接過程具有冷速快及焊件受熱不均勻而形成焊接應力較大的特殊性。這些因素導致焊接性不良。    以含碳為3%，含硅2.5%的常用灰鑄鐵為例，分析電弧焊焊后在焊接接頭上組織變化的規(guī)律。        焊縫區(qū)    當焊縫成分與灰鑄鐵鑄件成分相同時，則在一般電弧焊情況下，由于焊縫冷卻速度遠遠大于鑄件在砂型中的冷卻速度，焊縫主要為共晶滲碳體+二次滲碳鐵+珠光體，即焊縫基本為白口鑄鐵組織。       防止措施：    焊縫為鑄鐵 ①采用適當的工藝措施來減慢焊逢的冷卻速度。如：增大線能量。②調整焊縫化學成分來增強焊縫的石墨化能力。        異質焊縫：采用異質金屬材料焊接時，必須要設法防止或減弱母材過渡到焊縫中的碳產生高硬度組織的有害作用。思路是：改變C的存在狀態(tài)，使焊縫不出現淬硬組織并具有一定的塑性，例如使焊縫分別成為奧氏體，鐵素體及有色金屬是一些有效的途徑。   2.半熔化區(qū)   特點：該區(qū)被加熱到液相線與共晶轉變下限溫度之間，溫度范圍1150～1250℃。該區(qū)處于液固狀態(tài)，一部分鑄鐵已熔化成為液體，其它未熔部分在高溫作用下已轉變?yōu)閵W氏體。    1）冷卻速度對半熔化區(qū)白口鑄鐵的影響  V冷很快，液態(tài)鑄鐵在共晶轉變溫度區(qū)間轉變成萊氏體，即共晶滲碳體加奧氏體。繼續(xù)冷卻則為C所飽和的奧氏體析出二次滲碳體。在共析轉變溫度區(qū)間，奧氏體轉變?yōu)橹楣怏w。由于該區(qū)冷速很快，在共析轉變溫度區(qū)間，可出現奧氏體→馬氏體的過程，并產生少量殘余奧氏體。  其左側為亞共晶白口鑄鐵，其中白色條狀物為滲碳體，黑色點、條狀物及較大的黑色物為奧氏體轉變后形成的珠光體。右側為奧氏體快冷轉變成的竹葉狀高碳馬氏體，白色為殘余奧氏體。還可看到一些未熔化的片狀石墨。    當半熔化區(qū)的液態(tài)金屬以很慢的冷卻速度冷卻時，其共晶轉變按穩(wěn)定相圖轉變。最后其室溫組織由石墨+鐵素體組織組成。    當該區(qū)液態(tài)鑄鐵的冷卻速度介于以上兩種冷卻速度之間時，隨著冷卻速度由快到慢，或為麻口鑄鐵，或為珠光體鑄鐵，或為珠光體加鐵素體鑄鐵。    影響半熔化區(qū)冷卻速度的因素有：焊接方法、預熱溫度、焊接熱輸入、鑄件厚度等因素。    研究灰鑄鐵試板焊件、熱輸入相同時，隨板厚的增加，半熔化區(qū)冷卻速度加快。白口淬硬傾向增大。    2）化學成分對半熔化區(qū)白口鑄鐵的影響    鑄鐵焊接半熔化區(qū)的化學成分對其白口組織的形成同樣有重大影響。該區(qū)的化學成分不僅取決于鑄鐵本身的化學成分，而且焊逢的化學成分對該區(qū)也有重大影響。這是因為焊逢區(qū)與半熔化區(qū)緊密相連，且同時處于熔融的高溫狀態(tài)，為該兩區(qū)之間進行元素擴散提供了非常有利的條件。某元素在兩區(qū)之間向哪個方向擴散首先決定于該元素在兩區(qū)之間的含量梯度（含量變化）。元素總是從高含量區(qū)域向低含量區(qū)域擴散，其含量梯度越大，越有利于擴散的進行。    提高熔池金屬中促進石墨化元素（C、Si、Ni等）的含量對消除或減弱半熔化區(qū)白口的形成是有利的。    用低碳鋼焊條焊鑄鐵時，半熔化區(qū)的白口帶往往較寬。這是因為半熔化區(qū)含C、Si量高于熔池，故半熔化區(qū)的C、Si反而向熔池擴散，使半熔化區(qū)C、Si有所下降，增大了該區(qū)形成較寬白口的傾向。   3.奧氏體區(qū)    該區(qū)被加熱到共晶轉變下限溫度與共析轉變上限溫度之間。該區(qū)溫度范圍約為820～1150℃，此區(qū)無液相出現該區(qū)在共析溫度區(qū)間以上，其基體已奧氏體化，加熱溫度較高的部分（靠近半熔化區(qū)），由于石墨片中的碳較多地向周圍奧氏體擴散，奧氏體中含碳量較高；加熱較低的部分，由于石墨片中的碳較少向周圍奧氏體擴散，奧氏體中含碳量較低，隨后冷卻時，如果冷速較快，會從奧氏體中析出一些二次滲碳體，其析出量的多少與奧氏體中含碳量成直線關系。在共析轉變快時，奧氏體轉變?yōu)橹楣怏w類型組織。冷卻更快時，會產生馬氏體，與殘余奧氏體。該區(qū)硬度比母材有一定提高。       熔焊時，采用適當工藝使該區(qū)緩冷，可使A直接析出石墨而避免二次滲碳體析出，同時防止馬氏體形成。   4.重結晶區(qū)    很窄，加熱溫度范圍780～820℃。由于電弧焊時該區(qū)加熱速度很快，只有母材中的部分原始組織可轉變?yōu)閵W氏體。在隨后冷卻過程中，奧氏體轉變?yōu)橹楣怏w類組織。冷卻很快時也可能出現一些馬氏體。        對于鑄鐵在制造和使用中出現的各種缺陷和損壞，可采用補焊的方法進行補救。鑄鐵補焊是對有缺陷鑄鐵件進行修復的重要手段，在實際生產中具有很大的經濟意義。     補焊方法主要根據對焊后的要求（如焊縫的強度、顏色、致密性，焊后是否進行機加工等）、鑄件的結構情況（大小、壁厚、復雜程度、剛度等）及缺陷情況來選擇。等離子粉末堆焊和冷焊是最常用的鑄鐵補焊方法。   等離子粉末堆焊的方法有：    （1）熱焊及半熱焊 焊前將焊件預熱到一定溫度（400℃以上），采用同質焊粉，選擇大電流連續(xù)補焊，焊后緩冷。其特點是焊接質量好，生產率低，成本高，勞動條件差。  （2）冷焊 采用非鑄鐵型焊絲，焊前不預熱，焊接時采用小電流、分散焊，減小焊件應力。焊縫的強度、顏色與母材不同，加工性能較差，但焊后變形小，勞動條件好，成本低。    為使金屬工件具有所需要的力學性能、物理性能和化學性能，除合理選用材料和各種成形工藝外，熱處理工藝往往是必不可少的。鋼鐵是機械工業(yè)中應用最廣的材料，鋼鐵顯微組織復雜，可以通過熱處理予以控制，所以鋼鐵的熱處理是金屬熱處理的主要內容。另外，鋁、銅、鎂、鈦等及其合金也都可以通過熱處理改變其力學、物理和化學性能，以獲得不同的使用性能。    我國是鋼鐵工業(yè)大國，每年生產的鋼鐵峰值高達6億噸。鋼鐵的焊接工藝好壞直接影響著我國鋼鐵的有效利用率，對于我國國民經濟有著重要的影響，我國的機械生產部門，應努力提高各自的焊接水平，充分利用每一份鋼鐵資源。