灰铸铁的焊接性及焊接工艺研究

安徽机电职业技术学院毕业设计灰铸铁的焊接性及焊接工艺研究系别机械工程系专业焊接技术及自动化班级焊接3112班姓名王委托学号12031130482013～2014学年第一学期第一章摘要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，且以片状的形态存在，因此灰铸铁的强度不高，脆性较大。

另一方面，由于石墨的存在，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。

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%，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。

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。

焊接结构已有日新月异的发展，符合目前绿色制造和资源循环利用建设节约型社会的大潮流。

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。

第二章灰铸铁的分类及其性能一、铸铁分类根据碳在铸铁中存在的形态，可将铸铁分为：灰铸铁、白口铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁等。

灰铸铁中的碳全部或大部以片状石墨形态存在，因其断口呈灰色而得名。

它具有一定的力学性能和良好的加工性能，是目前使用得最多的一种铸铁。

白口铸铁简称白口铁，其中碳除极少量溶于铁素体外，其余都以渗碳体（Fe3C）的形态存在，断口呈白亮色，故称“白口”。

这种铸铁的组织为渗碳体和共晶莱氏体，均属脆硬相，不能进行切削加工，故在机械工业中极少用来直接制造及其零部件，主要用作炼钢的原料或作为可锻铸铁件的毛坯。

球墨铸铁简称球铁，其中碳全部或大部以球状石墨的形态存在。

由于石墨呈球状分布，就大大降低了石墨割裂金属基体组织的作用，因此球墨铸铁具有较高的强度和一定的韧性，能通过热处理（如正火、淬火、退火等）显著改善其力学性能，可以用来制造力学性能要求较高的铸件，并可在一定范围内代替碳钢或合金钢来制造某些强度要求较高或形状较为复杂的铸件。

可锻铸铁是因其具有较高的韧性而得名，实际并不可锻。

其中碳大部分以团絮状石墨的形态存在，它是由一定成分的白口铸铁经长时间的石墨化退火而得到的。

因团絮状石墨对金属基体组织破坏作用小，故具有较高的强度和韧性，适于制造形状复杂、受冲击载荷的薄壁铸件。

我国上述各类逐渐的化学成分大致范围见表2-1。

由表2-1中对比可看出：灰铸铁中硫、磷杂质含量最高，碳、硅含量适中，锰含量较高；球墨铸铁中硫、磷含量最低，有较高的碳硅含量和一定的含锰量，并且含有球化元素镁、稀土（RE）等；可锻铸铁中碳、硅、硫、磷等含量均低于灰铸铁。

在相同基体组织情况下，其中以球墨铸铁的力学性能（强度、塑性、韧性）为最高，可锻铸铁次之，蠕墨铸铁又次之，灰铸铁最差。

但由于灰铸铁成本低廉，并具有铸造性、可加工性、耐磨性及减震性均优良的特点，是工业中应用最广泛的一种铸铁。

表2-1 常用铸铁的化学成分二、灰铸铁的性能性能灰铸铁中的碳以片状石墨的形态存在于球光体或铁素体中，或二者按不同比例混合的基体组织中，其断口呈灰色，因此而得名。

石墨的力学能力很低，使金属基本承受负荷的有效截面积减小，而且片状石墨使应力严重集中(影响很大的是石墨片的数量、长短、粗细)，因而使灰铸铁的力学性能不高。

普通灰铸铁的金属基体是由珠光体与铁索体按不同比例组成，珠光体含量越高的灰铸铁，其抗拉强度也越高，其硬度也相应有所提高，常见灰铸铁的力学性能见表 2-2。

表2-2 灰铸铁牌号与力学性能灰铸铁的力学性能与基体的组织和石墨的形态有关。

灰铸铁中的片状石墨对基体的割裂严重，在石墨尖角处易造成应力集中，使灰铸铁的抗拉强度、塑性和韧性远低于钢，但抗压强度与钢相当，也是常用铸铁件中力学性能最差的铸铁。

同时，基体组织对灰铸铁的力学性能也有一定的影响，铁素体基体灰铸铁的石墨片粗大，强度和硬度最低，故应用较少；珠光体基体灰铸铁的石墨片细小，有较高的强度和硬度，主要用来制造较重要铸件；铁素体一珠光体基体灰铸铁的石墨片较珠光体灰铸铁稍粗大，性能不如珠光体灰铸铁。

故工业上较多使用的是珠光体基体的灰铸铁。

三、灰铸铁的用途灰铸铁的使用性能与其化学成分和组织有密切的联系。

其主要有分为以下几种：1.优良的铸造性能由于灰铸铁的化学成分接近共晶点，所以铁水流动性好，可以铸造非常复杂的零件。

另外，由于石墨比容较大，使铸件凝固时的收缩量减少，可简化工艺，减轻铸件的应力并可得到致密的组织。

2.优良的耐磨性和消震性石墨本身具有润滑作用，石墨掉落后的空洞能吸附和储存润滑油，使铸件有良好的耐磨性。

此外，由于铸件中带有硬度很高的磷共晶，又能使抗磨能力进一步提高，这对于制备活塞环、气缸套等受摩擦零件具有重要意义。

石墨可以阻止后动的传播，灰铸铁的消夸大能力是钢的10倍，常用来制作承受振动的机床底座。

3.较低的缺口敏感性和良好的切削加工性能灰铸铁中由于石墨的存在，相当于存在很多小的缺口时表面的缺陷、缺口等几乎没有敏感性，因此，表面的缺陷对铸铁的疲劳强度影响较小，但其疲劳强度比钢要低。

由于铸铁中的石墨可以起断屑作用和对刀具的润滑起减障作用，所以其可切削加工性能是优良的。

4.灰铸铁的机械性能灰铸铁的抗拉强度、塑性、韧性及弹性模量都低于碳素钢，如表所示。

灰铸铁的抗压强度和硬度主要取决于基体组织。

灰铸铁的抗压强度一般比抗拉强度高出三四倍，这是灰铸铁的一种特性。

因此，与其把灰铸铁用作抗拉零件还不如做耐压零件更适合。

这就是广泛用作机床床身和支柱受耐压零件的原因。

灰铸铁的牌号所对应的特性及应用条件如下表表2-3所示：表2-3 灰铸铁的牌号所对应的特性及应用条件第三章灰铸铁的焊接性及焊接工艺特点一、铸铁焊接性分析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感性及冷热裂纹的敏感性。

在力学性能上的特点是强度低，塑性差。

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。

二、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。

ωc为3.0%、ωsi为2.5%的灰铸铁在电弧焊后其接头的组织变化情况如图3-1所示。

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。

1.焊缝区该区域在加热过程中处于液相温度以上。

当焊缝成分与灰铸铁铸件（即同质焊缝）成分相同时，则在一般电弧焊情况下，由于焊缝冷却速度很大，形成的焊缝组织为共晶渗碳体加二次渗碳铁加珠光体，基本上为白口组织。

防止措施：焊缝为铸铁：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。

铸铁中的元素按其对石墨化的影响程度排列如下：异质焊缝：若采用低碳钢焊条进行焊接，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1／3～1／4，其焊缝平均含碳量将为0.7%～1.0%,属于高碳钢（C＞0.6%）。

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。

2.半熔化区特点：该区域很窄，温度处于液相线和固相线之间，其范围为1150～1250℃，是固相奥氏体与部分液相并存的区域。

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。

（1）冷却速度对半熔化区白口铸铁的影响当按界稳定系转变时，在共晶温度区间（约1150℃）开始共晶转变，析出共晶渗碳体；因共晶区间很窄，转变很快完毕，得到莱氏体组织(即共晶渗碳体加奥氏体组织)。

随着温度继续降低，奥氏体会析出二次渗碳体，并在共析转变温度区间形成珠光体。

这样，在熔化区得到的基本组织是，共晶渗碳体加二次渗碳体加珠光体。

碳在铸铁中将全部以渗碳体的形式存在，为白口组织，若冷却速度更快时，奥氏体还会转变成为马氏体的可能性，其塑性将会更差。

其左侧为亚共晶白口铸铁，其中白色条状物为渗碳体，黑色点、条状物及较大的黑色物为奥氏体转变后形成的珠光体。

右侧为奥氏体快冷转变成的竹叶状高碳马氏体，白色为残余奥氏体。

还可看到一些未熔化的片状石墨。

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。

（2）化学成分对半熔化区白口铸铁的影响半熔化区与焊缝紧密相连，焊缝的化学成分对其白口层宽度也有一定的影响。

高温时，半熔化区与焊接熔池中的原子之间相互都能进行一定程度的扩散。

焊缝中含有促进石墨化元素较多时，相互间原子的扩散，将有利于减少或消除半熔化区白口层；反之，当焊缝中含有促进石墨化元素较少（或阻碍石墨化元素较多）时，由于扩散将会加剧半熔化区中白口组织的形成，使半熔化区的白口层增宽。