铸铁焊接结构应用及焊接性分析

第一章概述铸铁是常用的金属材料，它具有良好的铸造性、耐磨性、切削加工性、吸振性等，所以在机械制造业及其他工业部门中被广泛的应用。

但由于铸铁本身性能和显微组织的特点，很少被用作焊接结构件，然而，在铸铁件使用过程中或铸造过程中，由于种种原因，铸件经常会出现各种缺陷，例如断裂、裂纹、缩孔、未浇满以及在切削加工过程中产生的其他缺陷等。

因此经常会遇到用焊接方法修复铸件的问题。

但铸铁补焊或焊接会形成焊接过程中的激热骤冷，冶金过程的急变，会引起很多焊接问题，对于铸铁的补焊或焊接是一项急待解决的问题。

铸铁的种类很多，用的最广泛的是灰铸铁和球墨铸铁。

为了能顺利地进行各类铸铁件的焊补，必须对各类铸铁的性能、特点有充分的了解。

（详见表1.1 铸铁的分类）表 1.1 铸铁的分类铸铁属于焊接性不良的金属材料，这主要是由于铸铁本身的特殊性决定的。

此外，铸件原来的工作条件、结构的复杂程度及对焊缝及近缝区性能的不同要求，更使铸铁补焊问题复杂化。

例如有的要求焊后能进行切削加工，有的没有此要求；有的要求补焊处颜色和母材相同；有的要求有足够的强度，有的对强度要求不高。

由此可见，铸铁的焊接，不可能以一种方法或一种措施来解决问题。

应对具体情况作具体分析，综合考虑采用焊接方法和相应的措施。

铸铁的特殊性能决定铸铁的焊接方法是多种多样的，在实际的工业生产中应用的铸铁焊接方法有焊条电弧焊、CO2气体保护焊、药芯焊丝电弧焊、气焊、手工电渣焊、火焰钎焊及火焰粉末喷熔（焊）等。

应用最广泛的焊接方法是焊条电弧焊，CO2气体保护焊和药芯焊丝电弧焊应用范围正在逐步扩大。

本书着重介绍焊条电弧焊和CO2气体保护焊。

铸铁焊接在工程中的应用越来越广，本书选取了铸铁焊接在工程应用中的实例来做详细的说明。

第二章常用铸铁的种类、性能和用途从化学成分角度看，铸铁实际上是含碳（质量分数）为1.7%～4.0%的铁-碳-硅三元合金。

此外，还含有少量锰、硫、磷等杂质元素。

某些有特殊性能要求的铸铁，还加入镍、铬、铝、铜等合金元素。

铸铁的力学性能虽然与其化学成分有关，更大程度上与其显微组织有关。

然而，铸铁的显微组织又受其化学成分及熔铸条件、高温时冷却速度等因素的影响而变化。

碳是铸铁中的主要元素，除少量溶解于金属基体中而形成铁素体或珠光体外，大部分是以自由状态的石墨或碳化铁（渗碳体）这种化合物状态存在于金属基体中。

石墨的强度很低，碳化铁则是硬而脆的物质。

因此，铸铁组织中石墨的数量、形态、分布情况对其力学性能有很大的影响。

根据碳在铸铁中的存在情况，可将铸铁分为白口铸铁、灰铸铁、球墨铸铁以及可锻铸铁等数种。

某些有特殊性能要求的铸铁，基本上是在上述铸铁的基础上变化的。

表2.1列出了这些铸铁的名称、代号及国家标准号。

表 2.1 铸铁的名称、代号及牌号表示方法（GB/T 5612-1985）2.1 白口铸铁白口铸铁铸铁中碳以渗碳体形态存在，其断面为灰白色。

是一种良好的抗磨材料，在磨料磨损条件下工作。

白口铸铁包括普通白口铸铁、低合金白口铸铁、中合金白口铸铁、高合金白口铸铁。

普通白口铸铁中国早在春秋时代就制成了抗磨性能良好的白口铸铁，用作一些抗磨零件。

这种铸铁具有高碳低硅的特点，有较高的硬度，但很脆，适用于制造冲击载荷小的零件，一般用在犁铧、磨片、导板等方面。

生产中常采用热处理的方法来改善其性能，扩大它的应用范围。

碳对于普通白口铸铁的耐磨性能起最重要的作用，含碳量愈高，则形成的渗碳体愈多，构成大量的莱氏体，因而硬度愈高，耐磨性也就愈好。

但含碳量高，韧性则下降。

应根据零件的具体工作条件，来选择数量和分布。

通常白口铸铁的硬度与含碳量成直线关系，即HS=16.7C+13（HS-肖氏硬度；C-含碳量百分比）。

2.2 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、灰色长条的片状石墨组成，有时含有少量的磷共晶。

石墨片以不同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。

2.3 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，基体通常为铁素体+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。

第三章铸铁的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。

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，导致铸铁的焊接性较差，表现在焊接接头容易出现白口及淬硬组织，容易产生裂纹。

3.1 灰铸铁的焊接性灰铸铁化学成分的特点是含碳量和S、P杂质均较高，这就决定了其对焊接过程中加热和冷却的敏感性，对焊接冷裂纹和热裂纹的倾向加剧。

灰铸铁的强度低、塑性差、焊接性不良，其主要问题是焊接接头中易形成白口铸铁与高碳马氏体组织，裂纹倾向高。

3.1.1 白口化和高碳马氏体组织的形成灰铸铁熔焊时，在焊缝金属和热影响区金属组织会产生如下不利的变化。

（1）焊缝区当焊缝的化学成分与灰铸铁母材成分相同时，如采用电弧冷焊工艺焊接，则焊缝金属的冷却速度远大于铸件的冷却速度而形成白口铸铁组织，其硬度可达600HBW左右。

当采用低碳钢药皮焊条焊接铸铁时，即使采用较低的焊接电流，母材在焊缝中的混合比也将达到25%～30%，使焊缝中平均碳的质量分数提高0.75%～0.9%。

当焊缝冷却时，则形成高碳马氏体组织，其硬度可达500HBW 左右。

这些高硬度组织不仅恶化了焊接接头的切削性，而且成为引发焊接裂纹的根源。

可以采取以下办法，防止灰铸铁焊接时焊缝组织的白口化和淬硬组织的形成。

其一是采用含足够的石墨化合金元素的焊接材料，采取适当的工艺措施，降低焊缝的冷却速度，使之形成硬度适中的灰铸铁资质；其二是采用异质焊接材料，使焊缝组织为奥氏体、铁素体或塑性较好的有色金属，使焊缝内不再形成淬硬组织，并且有一定的塑性。

（2）半熔化区铸铁焊接接头的半熔化区温度范围为1150～1250℃，即处于液相线及共晶转变下限温度之间。

电弧焊时，此区出去半熔化状态，其中一部分铸铁已熔化成液体，另一部分铸铁，则通过石墨中碳的扩散而形成碳饱和的奥氏体。

由于电弧焊的加热速度非常快，有些石墨片中的碳未能向四周完全扩散而残留细小的石墨片。

在冷却过程中，此区冷却速度最快，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，继续冷却时，从奥氏体析出二次渗碳体。

在共析转变温度区间，奥氏体转变为珠光体，形成白口铸铁。

紧靠半熔化区的原固态奥氏体则转变为马氏体。

防止该区白口化和马氏体形成的主要办法是采取必要的工艺措施，最大限度地降低接头的冷却速度。

另一种办法是采用石墨化元素较多的焊接材料，也有利于消除白口化。

（3）奥氏体区此区的加热温度范围为820～1150℃，处于共晶转变下限温度和共析转变上限温度之间，其组织为奥氏体加石墨。

加热温度较高的部分，由于石墨中的碳向周围奥氏体扩散较多，奥氏体中碳含量较高，加热温度较低的部分，碳向周围奥氏体扩散较少，则奥氏体中含碳量较低。

接头冷却过程，如果冷却速度较慢，则从奥氏体中析出二次渗碳体，渗碳体的数量与奥氏体中的碳含量成直线关系。

奥氏体转变为托氏体或珠光体。

如冷却速度较快，则转变成高碳马氏体组织。

奥氏体含碳量越高，则马氏体的硬度越高。

如采取适当的工艺措施，将接头的冷却速度降低到足够低，可使奥氏体组织内直接析出石墨，避免二次渗碳体的析出，防止马氏体的形成。

（4）重结晶区该区的加热温度范围在共析转变上、下限温度之间，即在780～820℃区间。

其原始组织将部分转变为奥氏体。

当接头缓慢冷却时，奥氏体转变为珠光体，快速冷却时，则可能转变为马氏体。

3.1.2 焊接裂纹的产生铸铁焊接接头中可能产生两种形式的裂纹——冷裂纹和热裂纹。

（1）冷裂纹铸铁熔焊时，可能在焊缝及热影响区内产生冷裂纹。

当采用铸铁型焊接材料焊接时，由于焊接区加热不均匀，冷却过程中会产生相当大的收缩拉应力。

冷却到500℃以下温度时，由于铸铁强度低，塑性也相当低，如焊接应力超过这种状态下的铸铁抗拉强度，即在焊缝金属中产生冷裂纹。

当焊缝内存在白口铸铁时，更容易产生冷裂纹。

如焊缝金属的基体为灰铸铁，则石墨形态对焊缝的抗裂性有较大的影响，粗而长的片状石墨会引起应力集中，降低焊缝的抗裂性，石墨以细片状或球状存在时，则可提高抗裂性。

防止灰铸铁型焊缝最有效的办法是，将焊件进行整体预热到600～700℃，降低温度差，减弱焊接收缩应力。

也可采用加热减应力区法，降低焊接区的应力，防止裂纹的产生。

另一种办法是采用异质焊接材料焊接灰铸铁，使焊缝金属成为奥氏体、铁素体组织或铜基合金，由于这些材料的塑性较好，如采取合理的焊接工艺，则可避免焊缝金属内出现冷裂纹。

灰铸铁焊接接头热影响区的冷裂纹大多发生在马氏体组织较多的区域，但在某些焊接条件下，裂纹也可能发生在离融合线稍远，但加热温度高于600℃的热影响区内，特别是焊接薄壁铸件时，更容易产生这种热影响区冷裂纹。

防止这种裂纹的办法是，采取高温预热，可降低焊接收缩应力，避免焊接热影响区内马氏体的形成。

（2）热裂纹当采用镍基合金焊接材料以及低碳钢药皮焊条焊接铸铁时，可能在焊缝金属内出现热裂纹。

采用镍基合金焊材焊接铸铁时，焊缝金属热裂纹形成原因，在于铸铁中较高含量的S和P混入高镍焊缝中，而形成Ni3S2硫化镍，Ni- Ni3S2共晶温度很低（644℃），镍与磷化合成Ni3P,Ni-Ni3P共晶温度也较低（880℃），这两种共晶体都促使焊缝金属的高温强度急剧下降，加之单相奥氏体焊缝晶粒粗大，低熔点共晶体易于在晶界富集，最终在焊接应力的作用下，导致焊缝金属产生热裂纹。

当采用普通低碳钢焊条焊接铸铁时，也会由于从铸铁基体中混入较多的C、S和P杂质而提高焊缝热裂纹的敏感性。

为消除镍基合金焊缝金属中的热裂纹，首先应调整焊缝金属化学成分，缩小其高温脆性温度区间，加入稀土元素，以增强焊缝金属的脱硫和脱磷冶金反应。

另外加入适量的细化晶粒的元素，有利于提高镍基焊缝金属的抗热裂性。

从焊接工艺上采取措施，采用直流正接极和较小的焊接电流，减少焊缝熔深，最大限度地降低母材的有害杂质混入焊缝金属。