灰铸铁手工电弧焊工艺分析

河南机电高等专科学校毕业论文-1--1-1.绪论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（Rm﹤20N/mm2），且以片状的形态存在，割裂了基体的连续性，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（0.40～0.55）。适当提高Si/C比（0.65～0.85），是提高铸铁内在质量的重要途径之一。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%，即通常所说的废品率为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。常用的焊既接方法有气焊、钎焊、电弧焊等,其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。焊接是一种将材料永久性的连接，并成为具有给定功能结构的制造技术。几乎所有的产品，从几十万吨巨轮到不足1克的微电子元件，在生产制造中都不同程度地应用到焊接技术。焊接已经渗透到制造业的各个领域，直接影响到产品的质量、可靠性和寿命以及生产的成本、效率和市场反应速度。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，在这些产业中，焊接在其中占有重要地位，是决定其产品使用安全的关键。有些直接出焊接产品或在现场装焊接后投入使用，有些是作成主体结构然后在其上安装动力和机电设备后应用，有焊接结构的质量和安全保证在整体结构设计合理的情况下，主要决定与焊接联结部位的结构、材料匹配、工艺设计、先进的焊接制造工艺及设备和准确的无损检测技术，这些都决定了焊接联结部位的的内在和外观质量，河南机电高等专科学校毕业论文-2--2-形成了分布在各工业和基础设施建设部门各具特色的焊接结构行业，同时也形成了结构焊接需要的焊接设备行业和焊接材料行业。这些行业是互相关联促进的行业。焊接结构已有日新月异的发展:在装备制造业结构中用焊接结构局部或全部代替铸件或锻件结构和由局部铸件或锻件焊接成组合结构是大重型结构发展的方向，可大大节约大型铸锻车间及其设备的基本建设投资和生产过程的能源消费，同时还可缩短生产周期;在各种建筑行业广泛采用钢质焊接结构代替钢筋混凝土结构，可达到大跨度、轻自重、工厂制造、设计优、工程在建周期短、环境污染少，基础费用省，折除后材料可循环使用，因而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。河南机电高等专科学校毕业论文-3--3-2.灰铸铁铸铁是含碳量在2％以上的铁碳合金。工业用铸铁一般含碳量为2％～4％。碳在铸铁中多以石墨形态存在，有时也以渗碳体形态存在。除碳外，铸铁中还含有1％～3％的硅，以及锰、磷、硫等元素。合金铸铁还含有镍、铬、钼、铝、铜、硼、钒等元素。碳、硅是影响铸铁显微组织和性能的主要元素。在铸铁焊接中，应用得最多的是灰铸铁的焊接，球墨铸铁次之，可锻铸铁最少。2.1.灰铸铁的化学成分灰铸铁以片状石墨的形态存在于珠光体、铁素体或二者按不同比例混合的基体组织中。其断口呈灰色，且因此得名。石墨的力学性能比较低，使金属基体承受负荷的有效截面积减少，而且片状石墨使应力集中严重，因而使灰铸铁的力学性能不高，灰铸铁的石墨形式是以不同的数量、长短及粗细分布于基体中，因而对灰铸铁的力学性能产生很大的影响。灰铸铁分≥HT250与≤HT220，其密度分别为7.35g/cm;与7.2g/m灰铸铁按其组织可看成是碳钢的基体加片状石墨。按基体组织的不同灰铸铁分为三类：铁素体基体灰铸铁、铁素体—珠光体基体灰铸铁、珠光体基体灰铸铁（F基体灰铸铁、F+P基灰铸铁、P基体灰铸铁）。常用灰铸铁的化学成分为C2.6%～3.8%，Si1.2%～3.0%，Mn0.4%～1.2%，P≤0.4%，S≤0.15%。同一牌号的灰铸铁，薄壁件（壁厚10mm）的C,Si量高于厚壁件。2.2灰铸铁的物理性能、力学性能灰铸铁的牌号是由“HT”（“灰铁”两字汉语拼音字首）和最小抗拉强度σb值（用φ30mm试棒的搞拉强度）表示。例如牌号HT250表示φ30mm试棒的最小抗拉强度值为250MPa的灰铸铁。设计铸件时，应根据铸件受力处的主要壁厚或平均壁厚选择铸铁牌号。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。灰铸铁几乎无塑性及韧性。表2-1灰铸铁单铸试棒的抗拉强度（摘自GB/T9439－1988）河南机电高等专科学校毕业论文-4--4-牌号铸件壁厚/mm≥MPa(kgf/m㎡＞≤HT1002.510203010203050130(13.3)100(10.2)90(9.2)80(8.2)HT1502.510203010203050175(17.8)145(14.8)130(13.3)120(12.2)HT2002.510203010203050220(22.4)195(19.9)170(17.3)160(16.3)HT2504.010203010203050270(27.5)240(24.5)220(22.4)200(20.4)HT300102030203050290(29.6)250(25.5)230(23.5)HT350102030203050340（24.7）290（29.6）260（26.5）注1：硬度分级是规定位置的平均值。2：H235和H255所预计的硬度值相当于质量＜200Kg，且壁厚＜20mm的铸件硬度2.3灰铸铁的使用性能及其所对应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.优良的铸造性能河南机电高等专科学校毕业论文-5--5-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2-2所示：表2-2灰铸铁的牌号所对应的特性及应用条件牌号特性工作条件应用举例HT1001.减振性优良2.铸造性能好3.无需热实效1.小载荷2.不要求耐磨形状简单，不需要零件，如手柄、手轮、盖、油盘、底板、支架等，不加工或简单加工HT1501.有一定强度2.减振性良好3.铸造性能好4.铸造应力小，无需热实效1.中等载荷2.摩擦面的压力《490kPa3.较弱腐蚀介质1.一般机械零件，如支柱、轴承座容器等2.发动机的进、排气管、机油壳等3.较轻的薄壁零件，工作压力不大的管件4.圆周速度6-12m／s的带轮HT200HT2501.强度、耐磨性、耐热性良好1.较大载荷2.摩擦压力1.较重要机械零件，如气缸，衬套，齿轮，棘轮、链轮、飞轮，机床床身，河南机电高等专科学校毕业论文-6--6-2.减振性良好3.铸造性能较好4.一般需热实效/490kPa3.要求韧性、抗胀性4.要求较高气密性5.较弱腐蚀介质泵壳，容器。2.发动机缸体、缸盖、活塞、活塞环、齿轮、齿轮室盖等3.汽车、拖拉机的离合器壳、左右半轴壳、刹车毂等4.中压油缸、阀体、泵体等5圆周速度12-15m／s的带轮HT300HT350(HT400)1.强度高，耐磨2.铸造性能差。3.白口倾向大，需热时效。1.高拉力和高弯曲力2.摩擦面压力1960KPa，或需表面淬火3.要求高气密性1.重要机械零件，如齿轮、凸轮、衬套等2.机床导轨，冲床、剪床、压力机、车床和重型机床的床身、机座、主轴箱、卡盘等3.大型发动机缸体、缸盖、缸套等4.高压油缸、水缸、泵体、阀体等5.圆周速度20-25m／s的带轮河南机电高等专科学校毕业论文-7--7-3.灰铸铁的焊接性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，基本无塑性。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。3.1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。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。3.1.1焊缝区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，由于焊缝冷却速度远远大于铸件在砂型中的冷却速度，焊缝主要为共晶渗碳体+二次渗碳铁+珠光体，即焊缝基本为白口铸铁组织。焊缝为铸铁时我们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。若采用低碳钢焊条（即异质焊缝中）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