铁神一号净化剂净化孕育处理铸铁的焊接性研究

2011/8/2  浏览 3741 次

铁神一号净化剂净化孕育处理铸铁的焊接性研究 发布日期[ 2005-9-13 16:29:05 ] 西南交通大学焊接研究所（四川成都 610031）王一戎1陈明鸣车小莉 都江堰市钢铁助剂研究所蒋祖滨2 　　【摘要】通过对铁神一号净化剂净化孕育处理铸铁的补焊试验，了解此种铸铁焊接裂纹倾向仍然较大，但其比普通灰口铸铁塑性较好，焊接应力因可以有些变形而减轻，焊接性比普通灰铁有改善。现场补焊实践表明：对某些铸件用低碳钢焊条补焊也能满足要求。 　　由都江堰市金星钢铁助剂研究所开发出的具有复合功能的新型孕育剂——铁神一号净化剂可使浇注出的灰口铸铁晶粒细化，致密度提高，从而使铸件合格率提高15%左右。考虑到铸件浇注或机加工后，有时会发现气孔、砂眼、缩松等缺陷，希望能用简便的材料和工艺补焊，以避免产品报废。为此，对此种铸铁（简称新型铸铁）进行了初步的补焊试验研究。 　　 １.试验材料 1.1用铁神一号净化剂处理过的灰口铸铁板。 1.2市售碳钢焊条（ф3.2的J422、J507）。 　　 ２.试验方法和结果 2.1浇口棒的对接 两断面约40毫米见方的浇口棒，端头用电弧切成X形坡口，再用J422焊条对接。由于用电弧切坡口，浇口棒的温度升高，相当于预热焊，但预热温度并未测定。将焊缝余高磨去、锉平、砂光后观察，肉眼未见裂纹。但磁粉探伤显示出焊缝是有裂纹的，如图1、2所示。 图1锉光后焊缝表面的宏观形貌 用线切割切出横向金相试样，磨光后可见沿熔合线有多处未熔合，可能是层间焊渣 图2 磁粉探伤时磁粉聚集的现象 未清除干净所致。焊缝中的确有裂纹，如图3示。   图3对接焊缝中的裂纹40× 2. 2预热堆焊 使用ф3.2的J422酸性焊条和J507碱性焊条在炉中预热到300℃、400℃的铸铁板上堆焊，每块试板堆焊两层共5道焊缝（3+2）。焊后马上放入炉内，随炉缓冷。堆焊时发现酸性焊条第一层，特别是第一道焊缝气孔较多，弧坑有微小的裂纹。外观检查后，制备金相试样检查有无裂纹及其他缺陷，观察显微组织并测定其硬度。 经过抛光的焊缝横截面试样表面，用肉眼仔细观察，对于预热300℃的，无论是酸性焊条的还是碱性焊条的，都可以看到不少裂纹。在显微镜下不仅很容易找到它们，而且还可以发现它们是沿晶分布的，属结晶裂纹，如图4、5所示。和一般灰铁焊接一样，熔合区有白口组织，见图6。白口组织硬度可高达500HV10, 机械加工困难。焊缝由于铸铁母材的熔入，含碳量提高，相当于高碳钢，硬度比母材150～180HV10的硬度高许多，可在300HV10以上。对裂纹和组织而言，两种焊条没有明显差别。   图4预热300℃的J422焊缝中裂纹40× 图5预热300℃的J507焊缝中裂纹40× 图6 熔合区的白口组织100× 预热400℃堆焊和预热300℃堆焊的差别在于：肉眼很难看到金相试样抛光面上有裂纹；熔合区的白口组织数量减少，白口组织层宽度变窄（抛光腐蚀后的金相试样，肉眼可以看到熔合线上的白线，即白口层）。但是，在显微镜下仍然可以找到细小的显微裂纹，其数量自然随着预热温度的提高而减少了，见图7、8。白口组织虽不能消除，但数量确实减少，并且不那麽连续了。 图7预热400℃的J422焊缝中裂纹40× 图8预热400℃的J507焊缝中裂纹40× 图9 补焊孔的试板孔形 2. 3孔的补焊 为了模拟对铸件上小气孔、砂眼的补焊，在300×100×12mm的铸铁板上分两排，共钻了14个孔，孔的形状如图9。为使热量分散，孔的补焊对称进行。虽然热量的 图9 补焊孔的试板孔形 积累使铁板温度升高，随后补焊可以在较高的温度下进行，但从上述的预热焊结果推断，少许的温度升高对有无裂纹并不起作用。 焊后磨去焊缝余高，倒置，在大孔内滴入煤油，做渗漏试验。结果，14个孔都有渗漏，尽管程度不同 4 反映铸铁塑性的一些现象 2.4.1 能够卷曲的钻屑 和普通灰铁钻孔的粉状铁末不同，新型铸铁钻屑是卷曲的如图10。表明其塑性比普通灰铁好。   图10铸铁板的钻屑 2.4.2 补焊铸铁板的弯曲变形 上述钻孔补焊的铸铁板在14个孔补焊后，发现和钢板类似，产生了弯曲变形，300mm长的板中部挠度约2mm。而普通灰口铸铁因为脆性大，焊缝的收缩不能变形，使内应力增大，以致焊接区常开裂。新型铸铁能够有焊接变形，一方面证明它有一定塑性，另一方面也表明焊接时能够发生一些变形，可以减轻内应力，对降低焊接裂纹倾向是有利的。 分析 金属材料的焊接性从狭义方面讲，主要是焊接时是否容易出裂纹。由于有多种机理不尽相同的焊接裂纹，其产生原因各异，然而仍可以归纳成两方面的原因：冶金方面和力学方面的原因。就铸铁而言，由于含碳、硅和硫、磷杂质元素多；组织上有石墨片和共晶组织，材料本身强度低，脆性大，变形能力极小。在焊接不均匀加热，会产生很大内应力的条件下，在焊接接头的各个区都可能出现裂纹。 在使用低碳钢焊条焊接铸铁的条件下，可能出现的裂纹有： 结晶裂纹焊缝内因为母材的熔入，碳、硫、磷的含量增加，它们都是促使产生结晶裂纹的元素。因结晶裂纹产生是因为在液体金属凝固阶段晶间存在低熔点共晶组成的液态薄膜，不堪焊接拉应力作用而被拉裂所致，是铸铁焊接接头中最先出现的裂纹，也是铸铁焊缝最常见到的裂纹，特别是在第一层焊缝中。 冷裂纹由于铸铁母材的熔入，使第一层焊缝的含碳量大致可到0.7～1.0%，焊接后生成高碳马氏体，非常硬脆，在应力下极易开裂，这些裂纹可以是纵向的，也可以是横向的，后者还可以扩展到母材去。此类裂纹属于冷裂纹。 剥离此种裂纹出现在熔合线上，缘于铸铁冷焊或半热焊时，熔合区或多或少总会产生白口层，非常硬脆；毗邻的奥氏体区如有高碳马氏体也是硬脆组织。碳钢的收缩率大，焊缝层数越多，收缩力就越大。加之，白口组织收缩率比奥氏体区大的多（2.3%对0.9～1.3%）。熔合线处形成很大的切应力，结果沿熔合线开裂。因此，有时可以见到焊缝整个脱落。这种剥离性的裂纹仍属冷裂纹性质。 　 　因此，用低碳钢焊条补焊铸铁效果并不理想，这也是早被实践所证明了的。问题是低碳钢焊条用于新型铸铁，情况是否会有所改善呢？前述试验说明并无根本改观，在冷焊或半热焊条件下，裂纹依然不能避免。 新型铸铁晶粒细化，提高铸件的致密度，产品合格率显著提高。分析认为孕育剂均匀加入，一方面是起到非自发结晶核心的作用，使结晶核心数量增多，细化晶粒。另一方面复合孕育剂中一种或数种成分可能起到精练作用。综合结果改善了铸件性能。但是铸件的化学成分不会发生大的变化，碳、硫、磷含量依然很高。可焊接合金钢性能提高的历史表明：为了改善钢的焊接性是尽力降低钢的碳、硫、磷含量；再微量加入多种合金元素补偿和提高钢的力学性能。既然新型铸铁成分并无明显变化，从冶金因素方面考虑，焊接性也就难以显著改善。但是经验显示，可锻铸铁的焊接裂纹倾向就比灰口铸铁要小，尽管它的碳、硫、磷含量比灰铁稍低，对焊接而言，仍然是很高的了。之所以裂纹倾向小，估计和可锻铸铁的塑性较好有关，例如铁素体可锻铸铁延伸率可到6～12%，珠光体可锻铸铁延伸率也可到2～5%。这样就可使焊接区的收缩因能够变形，而使应力得以松弛。新型铸铁从力性试验和2.4节描述的两个现象都反映出是有一定塑性的，因而从力学因素方面讲，其焊接裂纹倾向应该比普通灰铁小。 一些不要求机加工，不要求致密性的刚度小的灰口铸铁铸件已有用低碳钢焊条补焊的实践经验。那么，对新型铸铁用低碳钢焊条补焊应该更具备可行性。实际上，现场对此种新型铸铁铸件如汽车发动机机体非穿透性的缺陷已经用低碳钢焊条成功补焊。 结论 新型铸铁焊接裂纹倾向仍然较大，即使预热到400℃，亦不能完全避免； 比普通灰口铸铁塑性稍好，有利于减轻焊接应力； 可用低碳钢焊条对一些不要求机加工，不要求致密性的刚度小的铸件进行补焊。现场已有用普通低碳钢焊条补焊此种新型铸铁件的成功经验，其应用范围还可以通过不断的实践，积累经验，逐步扩大 王一戎1936.5西南交通大学教授（已退休），从事焊接教学与研究工作 蒋祖滨1944.2都江堰市金星钢铁助剂研究所所长，铁神一号净化剂配方研究人，05年提出“铁水净化”理论

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