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鐵神一號(hào)凈化劑凈化孕育處理鑄鐵的焊接性研究

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鐵神一號(hào)凈化劑凈化孕育處理鑄鐵的焊接性研究 發(fā)布日期[ 2005-9-13 16:29:05 ] 西南交通大學(xué)焊接研究所（四川成都 610031）王一戎1陳明鳴車(chē)小莉 都江堰市鋼鐵助劑研究所蔣祖濱2 　　【摘要】通過(guò)對(duì)鐵神一號(hào)凈化劑凈化孕育處理鑄鐵的補(bǔ)焊試驗(yàn)，了解此種鑄鐵焊接裂紋傾向仍然較大，但其比普通灰口鑄鐵塑性較好，焊接應(yīng)力因可以有些變形而減輕，焊接性比普通灰鐵有改善。現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)焊實(shí)踐表明：對(duì)某些鑄件用低碳鋼焊條補(bǔ)焊也能滿(mǎn)足要求。 　　由都江堰市金星鋼鐵助劑研究所開(kāi)發(fā)出的具有復(fù)合功能的新型孕育劑——鐵神一號(hào)凈化劑可使?jié)沧⒊龅幕铱阼T鐵晶粒細(xì)化，致密度提高，從而使鑄件合格率提高15%左右�？紤]到鑄件澆注或機(jī)加工后，有時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)氣孔、砂眼、縮松等缺陷，希望能用簡(jiǎn)便的材料和工藝補(bǔ)焊，以避免產(chǎn)品報(bào)廢。為此，對(duì)此種鑄鐵（簡(jiǎn)稱(chēng)新型鑄鐵）進(jìn)行了初步的補(bǔ)焊試驗(yàn)研究。 　　 １.試驗(yàn)材料 1.1用鐵神一號(hào)凈化劑處理過(guò)的灰口鑄鐵板。 1.2市售碳鋼焊條（ф3.2的J422、J507）。 　　 ２.試驗(yàn)方法和結(jié)果 2.1澆口棒的對(duì)接 兩斷面約40毫米見(jiàn)方的澆口棒，端頭用電弧切成X形坡口，再用J422焊條對(duì)接。由于用電弧切坡口，澆口棒的溫度升高，相當(dāng)于預(yù)熱焊，但預(yù)熱溫度并未測(cè)定。將焊縫余高磨去、銼平、砂光后觀察，肉眼未見(jiàn)裂紋。但磁粉探傷顯示出焊縫是有裂紋的，如圖1、2所示。 圖1銼光后焊縫表面的宏觀形貌 用線切割切出橫向金相試樣，磨光后可見(jiàn)沿熔合線有多處未熔合，可能是層間焊渣 圖2 磁粉探傷時(shí)磁粉聚集的現(xiàn)象 未清除干凈所致。焊縫中的確有裂紋，如圖3示。   圖3對(duì)接焊縫中的裂紋40× 2. 2預(yù)熱堆焊 使用ф3.2的J422酸性焊條和J507堿性焊條在爐中預(yù)熱到300℃、400℃的鑄鐵板上堆焊，每塊試板堆焊兩層共5道焊縫（3+2）。焊后馬上放入爐內(nèi)，隨爐緩冷。堆焊時(shí)發(fā)現(xiàn)酸性焊條第一層，特別是第一道焊縫氣孔較多，弧坑有微小的裂紋。外觀檢查后，制備金相試樣檢查有無(wú)裂紋及其他缺陷，觀察顯微組織并測(cè)定其硬度。 經(jīng)過(guò)拋光的焊縫橫截面試樣表面，用肉眼仔細(xì)觀察，對(duì)于預(yù)熱300℃的，無(wú)論是酸性焊條的還是堿性焊條的，都可以看到不少裂紋。在顯微鏡下不僅很容易找到它們，而且還可以發(fā)現(xiàn)它們是沿晶分布的，屬結(jié)晶裂紋，如圖4、5所示。和一般灰鐵焊接一樣，熔合區(qū)有白口組織，見(jiàn)圖6。白口組織硬度可高達(dá)500HV10, 機(jī)械加工困難。焊縫由于鑄鐵母材的熔入，含碳量提高，相當(dāng)于高碳鋼，硬度比母材150～180HV10的硬度高許多，可在300HV10以上。對(duì)裂紋和組織而言，兩種焊條沒(méi)有明顯差別。   圖4預(yù)熱300℃的J422焊縫中裂紋40× 圖5預(yù)熱300℃的J507焊縫中裂紋40× 圖6 熔合區(qū)的白口組織100× 預(yù)熱400℃堆焊和預(yù)熱300℃堆焊的差別在于：肉眼很難看到金相試樣拋光面上有裂紋；熔合區(qū)的白口組織數(shù)量減少，白口組織層寬度變窄（拋光腐蝕后的金相試樣，肉眼可以看到熔合線上的白線，即白口層）。但是，在顯微鏡下仍然可以找到細(xì)小的顯微裂紋，其數(shù)量自然隨著預(yù)熱溫度的提高而減少了，見(jiàn)圖7、8。白口組織雖不能消除，但數(shù)量確實(shí)減少，并且不那麼連續(xù)了。 圖7預(yù)熱400℃的J422焊縫中裂紋40× 圖8預(yù)熱400℃的J507焊縫中裂紋40× 圖9 補(bǔ)焊孔的試板孔形 2. 3孔的補(bǔ)焊 為了模擬對(duì)鑄件上小氣孔、砂眼的補(bǔ)焊，在300×100×12mm的鑄鐵板上分兩排，共鉆了14個(gè)孔，孔的形狀如圖9。為使熱量分散，孔的補(bǔ)焊對(duì)稱(chēng)進(jìn)行。雖然熱量的 圖9 補(bǔ)焊孔的試板孔形 積累使鐵板溫度升高，隨后補(bǔ)焊可以在較高的溫度下進(jìn)行，但從上述的預(yù)熱焊結(jié)果推斷，少許的溫度升高對(duì)有無(wú)裂紋并不起作用。 焊后磨去焊縫余高，倒置，在大孔內(nèi)滴入煤油，做滲漏試驗(yàn)。結(jié)果，14個(gè)孔都有滲漏，盡管程度不同 4 反映鑄鐵塑性的一些現(xiàn)象 2.4.1 能夠卷曲的鉆屑 和普通灰鐵鉆孔的粉狀鐵末不同，新型鑄鐵鉆屑是卷曲的如圖10。表明其塑性比普通灰鐵好。   圖10鑄鐵板的鉆屑 2.4.2 補(bǔ)焊鑄鐵板的彎曲變形 上述鉆孔補(bǔ)焊的鑄鐵板在14個(gè)孔補(bǔ)焊后，發(fā)現(xiàn)和鋼板類(lèi)似，產(chǎn)生了彎曲變形，300mm長(zhǎng)的板中部撓度約2mm。而普通灰口鑄鐵因?yàn)榇嘈源�，焊縫的收縮不能變形，使內(nèi)應(yīng)力增大，以致焊接區(qū)常開(kāi)裂。新型鑄鐵能夠有焊接變形，一方面證明它有一定塑性，另一方面也表明焊接時(shí)能夠發(fā)生一些變形，可以減輕內(nèi)應(yīng)力，對(duì)降低焊接裂紋傾向是有利的。 分析 金屬材料的焊接性從狹義方面講，主要是焊接時(shí)是否容易出裂紋。由于有多種機(jī)理不盡相同的焊接裂紋，其產(chǎn)生原因各異，然而仍可以歸納成兩方面的原因：冶金方面和力學(xué)方面的原因。就鑄鐵而言，由于含碳、硅和硫、磷雜質(zhì)元素多；組織上有石墨片和共晶組織，材料本身強(qiáng)度低，脆性大，變形能力極小。在焊接不均勻加熱，會(huì)產(chǎn)生很大內(nèi)應(yīng)力的條件下，在焊接接頭的各個(gè)區(qū)都可能出現(xiàn)裂紋。 在使用低碳鋼焊條焊接鑄鐵的條件下，可能出現(xiàn)的裂紋有： 結(jié)晶裂紋焊縫內(nèi)因?yàn)槟覆牡娜廴�，碳、硫、磷的含量增加，它們都是促使產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的元素。因結(jié)晶裂紋產(chǎn)生是因?yàn)樵谝后w金屬凝固階段晶間存在低熔點(diǎn)共晶組成的液態(tài)薄膜，不堪焊接拉應(yīng)力作用而被拉裂所致，是鑄鐵焊接接頭中最先出現(xiàn)的裂紋，也是鑄鐵焊縫最常見(jiàn)到的裂紋，特別是在第一層焊縫中。 冷裂紋由于鑄鐵母材的熔入，使第一層焊縫的含碳量大致可到0.7～1.0%，焊接后生成高碳馬氏體，非常硬脆，在應(yīng)力下極易開(kāi)裂，這些裂紋可以是縱向的，也可以是橫向的，后者還可以擴(kuò)展到母材去。此類(lèi)裂紋屬于冷裂紋。 剝離此種裂紋出現(xiàn)在熔合線上，緣于鑄鐵冷焊或半熱焊時(shí)，熔合區(qū)或多或少總會(huì)產(chǎn)生白口層，非常硬脆；毗鄰的奧氏體區(qū)如有高碳馬氏體也是硬脆組織。碳鋼的收縮率大，焊縫層數(shù)越多，收縮力就越大。加之，白口組織收縮率比奧氏體區(qū)大的多（2.3%對(duì)0.9～1.3%）。熔合線處形成很大的切應(yīng)力，結(jié)果沿熔合線開(kāi)裂。因此，有時(shí)可以見(jiàn)到焊縫整個(gè)脫落。這種剝離性的裂紋仍屬冷裂紋性質(zhì)。 　 　因此，用低碳鋼焊條補(bǔ)焊鑄鐵效果并不理想，這也是早被實(shí)踐所證明了的。問(wèn)題是低碳鋼焊條用于新型鑄鐵，情況是否會(huì)有所改善呢？前述試驗(yàn)說(shuō)明并無(wú)根本改觀，在冷焊或半熱焊條件下，裂紋依然不能避免。 新型鑄鐵晶粒細(xì)化，提高鑄件的致密度，產(chǎn)品合格率顯著提高。分析認(rèn)為孕育劑均勻加入，一方面是起到非自發(fā)結(jié)晶核心的作用，使結(jié)晶核心數(shù)量增多，細(xì)化晶粒。另一方面復(fù)合孕育劑中一種或數(shù)種成分可能起到精練作用。綜合結(jié)果改善了鑄件性能。但是鑄件的化學(xué)成分不會(huì)發(fā)生大的變化，碳、硫、磷含量依然很高�？珊附雍辖痄撔阅芴岣叩臍v史表明：為了改善鋼的焊接性是盡力降低鋼的碳、硫、磷含量；再微量加入多種合金元素補(bǔ)償和提高鋼的力學(xué)性能。既然新型鑄鐵成分并無(wú)明顯變化，從冶金因素方面考慮，焊接性也就難以顯著改善。但是經(jīng)驗(yàn)顯示，可鍛鑄鐵的焊接裂紋傾向就比灰口鑄鐵要小，盡管它的碳、硫、磷含量比灰鐵稍低，對(duì)焊接而言，仍然是很高的了。之所以裂紋傾向小，估計(jì)和可鍛鑄鐵的塑性較好有關(guān)，例如鐵素體可鍛鑄鐵延伸率可到6～12%，珠光體可鍛鑄鐵延伸率也可到2～5%。這樣就可使焊接區(qū)的收縮因能夠變形，而使應(yīng)力得以松弛。新型鑄鐵從力性試驗(yàn)和2.4節(jié)描述的兩個(gè)現(xiàn)象都反映出是有一定塑性的，因而從力學(xué)因素方面講，其焊接裂紋傾向應(yīng)該比普通灰鐵小。 一些不要求機(jī)加工，不要求致密性的剛度小的灰口鑄鐵鑄件已有用低碳鋼焊條補(bǔ)焊的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。那么，對(duì)新型鑄鐵用低碳鋼焊條補(bǔ)焊應(yīng)該更具備可行性。實(shí)際上，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)此種新型鑄鐵鑄件如汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體非穿透性的缺陷已經(jīng)用低碳鋼焊條成功補(bǔ)焊。 結(jié)論 新型鑄鐵焊接裂紋傾向仍然較大，即使預(yù)熱到400℃，亦不能完全避免； 比普通灰口鑄鐵塑性稍好，有利于減輕焊接應(yīng)力； 可用低碳鋼焊條對(duì)一些不要求機(jī)加工，不要求致密性的剛度小的鑄件進(jìn)行補(bǔ)焊。現(xiàn)場(chǎng)已有用普通低碳鋼焊條補(bǔ)焊此種新型鑄鐵件的成功經(jīng)驗(yàn)，其應(yīng)用范圍還可以通過(guò)不斷的實(shí)踐，積累經(jīng)驗(yàn)，逐步擴(kuò)大 王一戎1936.5西南交通大學(xué)教授（已退休），從事焊接教學(xué)與研究工作 蔣祖濱1944.2都江堰市金星鋼鐵助劑研究所所長(zhǎng)，鐵神一號(hào)凈化劑配方研究人，05年提出“鐵水凈化”理論

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