铸 铁 焊 接接头组织的观察与分析.doc

铸 铁 焊 接接头组织的观察与分析一、实验目的. 观察和分析铸 铁 焊 接接头组织显微组织。二、实验仪器与实验材料1 铸铁焊接接头2抛光机 3金相显微镜4 4%硝酸酒精溶液三、实验原理 铸铁是含碳量大于2. 06%的铁碳台金。工业应用的铸铁，实际上是以铁、碳、硅为主要元素的多元合金，一般含碳量为2.4 -4.0%。铸铁中的碳主要以游离碳（石墨）、化合碳和固溶碳的形式存在，而化学成分和冷却速度是碳以何种形式存在的决定性因素、石墨的形态取决于成分和过冷度。 灰口铸铁一般是指具有片状石墨的铸铁，它的断口呈灰色，是应用最广的一种铸铁材料、灰口铸铁的组织由片状石墨和金属基体组成。金属基体主要有铁素体、珠光体和铁素体加珠光体三种它的成分(%)一般为：C2. 6-3.6，Si l.2-3.0，Mn 0.4-1.2，P0. 3S0.15。 灰口铸铁是一种焊接性很差的材料，焊接时的主要问题是在焊缝和热影响区中极易发生硬化现象和产生裂纹。而问题的根源主要在于容易出现渗碳体、马氏体，晶间低熔共晶等硬脆组织。 焊接灰口铸铁的方法很多，如手弧焊、气焊、钎焊、气体保护焊、电阻焊等等，最常用的是手工电弧焊，气焊和钎焊。焊接材料可分为两大类：一类是铸铁型焊接材料，它获得铸铁型焊缝，其成分、组织和性能等与母材接近。另一类是非铸铁型焊接材料，它得到的焊缝不是铸铁而是碳钢、合金钢、有色金属等类材料，其成分组织，性能等与母材差异较大， 球墨铸铁的铁水在浇往前加入球化剂，使铸铁中的碳主要以球状石墨存在从而具有比灰口铸铁高得多的强度，塑性和韧性。同时，它仍保持了灰口铸铁的优点，如耐磨、消振，优良的铸造性能和切削性能等。因此，球墨铸铁获得了广泛的应用：球铁的成分f%， 一般为：C 3. 53.9. Si 2.2-3.2，Mn0. 4-0.9, P0.1, S0. 03, Mg0. 03-0.07, Re0.012-005 球墨铸铁的焊接性比灰口铸铁更差。主要原因是： （1） Mg、Ce、Y、Ca等球化剂强烈增加铸铁的过冷倾向，因而使焊缝和半熔化区更容易形成白口。这些元素也增加了奥氏体的稳定性，从而加剧了热影响区形成马氏体的倾向； （2）球铁有相当高的机械性能。抗拉强度可达高强乃至接近超高强钢的水平，延伸率可接近低碳钢的水平。为了保证球铁构件可靠地工作，一般应使焊接接头与母材等强度这就对球铁焊接提出了更高的要求。 焊接球墨铸铁的方法很多，而以手弧焊和气焊为主。焊接材料有两类：一类是球墨铸铁型焊接材料，如钢芯球墨铸铁电焊条，铸芯球墨铸铁电焊条气焊焊条等：另一类是非球墨铸铁型焊接材料，如镍基焊条，高钒钢焊条等。 可锻铸铁是将一定成分的白口铸铁经过适当的热处理而获得的一种强度较高、塑件和韧性较好的铸铁。按热处理状态不同，可锻铸铁分为两类，一类是黑心可锻铸铁，它是由白口毛坯经高温石墨化退火，使渗碳体分解而获得团絮状石墨，基体为铁素体或珠光体：另一类是白心可锻铸铁，它是由白口毛坯氧化脱碳而获得。其正常组织是铁素体。其中黑心铁素体可锻铸铁应用最广，成分(%)一般为：C 2.3-3.0 ， Si l.2-1.8，Mn0.40.7，P0.030.10，S 0. 05-0.15，Cr,0.06。可锻铸铁中碳和硅的含量较低，从而导致存焊缝和半熔化区形成白口的倾向更加强烈。因此，它比灰口铸铁更难焊。生产中，手弧焊，钎悍，气焊工艺常被应用、焊接材料常用镍基焊接材料和黄铜焊料等。 在铸铁铁水中加入适当的蠕化剂，使石墨成为片短而厚，头部圆钝类似蠕虫的形态这种铸铁称为蠕墨铸铁，它是一种新型的铸铁材料。由于它具有比灰口铸铁强度、塑性、韧性高，比球墨铸铁铸造性能好，成品率高，耐热疲劳性能好等优点，从而正逐渐发展和应用蠕墨铸铁+般成分%）范围是：C3.5 -3.9，Si2.2-2.8Mn0.4 -0.8P0.1，S0.06适量的蠕化元素（如稀土、镁等。采用球墨铸铁型电焊条，可获得性能与蠕墨铸铁母材接近的球墨铸铁悍缝组织。此外，用镍基焊条、高钒钢焊条等材料，也能获得良好效果 对于加入不同数量的合金元素以提高铸铁的耐磨、耐蚀、耐热等性能的合金铸铁，由于合金元素的加入，其焊接性比一般铸铁更差很容易产生接头裂纹和组织硬化 尤其是白口类抗磨合金铸铁，其焊接裂纹几乎不可避免。合金元素含量较少的低合金铸铁，其焊接性能和一般铸铁相似：当采用合适的焊接材料和工艺后，可以得到良好的焊接接头（一）、灰口铸铁焊接 1、焊缝 采用铸铁型焊接材料焊接时，如果焊缝的石墨化能力很强，或有足够慢的冷却速度，则无论采用冷焊或热焊工艺，焊缝都可能获得灰口铸铁组织，在电弧冷焊条件下，焊缝由具有高的碳当量和大的过冷度，因而常具有星状墨+呈枝晶分布的点片状石墨（ F型石墨）的特征。而在气焊、电渣焊的工艺条件下，一般为呈枝晶分布的细小片状石墨，石墨长度常小于0. 01 -0.03m m，比母材石墨细小得多。焊缝基体组织一般为铁素体+珠光体，铁素体的含量随焊缝成分和冷却速度的不同而有较大的变化；如果焊缝石墨化能力小足，或接头冷却速度过快则焊缝中将出现大量的渗碳体组织。焊缝可能成为含有石墨相的亚共晶白口铸铁，也可能成为含有渗碳体条块的麻口铸铁组织。渗碳体的存在，将使焊缝硬度提高到HB300 - 400以上，并加剧了接头的脆性，从而导致裂纹产生。 采用非铸铁型焊接材料焊接时，焊缝可以成为多种多样的组织类型。用普通低碳钢焊条（如结506）焊接铸铁，第一、二层焊缝中含碳量可达中、高碳钢的水平（C0.5一1.2%）靠近熔合线处的焊缝含碳量最高随着焊接接头冷却速度的变化，以及多层焊热循环的热处理作用等因素的影响，焊缝组织可以获得珠光体类屈氏体，索氏体）、马氏体及贝氏体等组织。采用常见的镍基焊条（焊丝），高钒钢焊条，铜一钢焊条，铜基钎料钎焊后，焊缝中将获得奥氏体、铁素体、马氏体，-Cu-Cu等多种组织。不同组织规定了铸铁焊接接头有着相差悬殊的抗裂性能，切削加工性能，机械性能，以及其它性能。 2热影响区Fe-C Si三元状态图所表达的组织变化(见图)，为我们提供了热影响区可能获得何种组织的趋势。而实际得到的组织，各区对应的温度间隔，以及各区的宽度，还必须考虑下述 Fe-C一Si-元合金（Si 2-2. 5%）状态图a)稳定状态 b）亚稳状态问题：(1)焊接接头是连续冷却，将引起各区中有多种组织并存；(2)快速加热和快速冷却使固态相变发生严重过热和过冷，从而使各区对应的温度及宽度与平衡状态不同。 1)半熔化区 该区被加热至液相线到共晶温度下限的温度间隔（约1150 1250），处于液一固状态，由于灰口铸铁一般接近共晶成分，因而该区的大部分母材已被重新熔化，残存的固相多分布在靠近母材一侧，常可见到未熔化的石墨片和块状基体。在焊缝是铸铁的情况下当焊缝含有足够的CSi等石墨化元素时，它们将向该区扩散，同时在冷却速度较慢的条件下，半熔化区已熔化的母材在重新结晶时，将析出细小的共晶石墨片，而共晶奥氏体则在原始母材奥氏体上结晶成长，从而使熔台区构成没有明显分界的特征。在这种工.艺条件下其组织是石墨+铁素体+珠光体。但是，如果焊缝石墨化能力不足，或冷却速度较快，则重熔的母材极易形成亚共晶白口组织，而未被熔化的基体常常转变为屈氏体。当焊缝是非铸铁型成分时，由于焊缝中的CSi含量一般较低，这将使重熔部分铸铁中的C、Si向焊缝扩散在采用快速冷却的冷焊工艺时，重熔部分铸铁都将转变为亚共晶白口铁，其中渗碳体具有明显的枝晶分布特征，未熔化部分的铸铁基体已被碳所饱和，将转变成屈氏体或马氏体等组织。这样，半熔化区组织是莱氏体+条块状渗碳体+屈氏体+少量未熔化的石墨片半熔化区硬脆的白口组织是接头裂纹和切削加工性能差的主要原因。由于焊缝成分不同，将使半熔化区白口宽度也不一样。一般以镍基焊条焊后的白口宽度最窄，纯镍芯焊条的白口宽度约()05mm而高钒钢焊条和普通碳钢焊条的白口宽度约O. l -0. 2mm。 采用钎焊工芝，由于母材不熔化，所以在正常情况下，半熔化区是不存在的 2）奥氏体区 该区被加热至共析温度上限和共晶温度下限的高温区间(约800-1150)。此时，基体已完全奥氏体化，石墨表层的碳已溶入奥氏体，在温度升高的方向，溶入奥氏体的碳量逐渐增高。在随后的冷却过程中，如果冷却速度不太快（如连续多层焊、预热悍），则奥氏体在晶界析出二次渗碳体，并转变成屈氏体等珠光体类型的组织；如果冷却速度较快（如冷焊）则该区组织为石墨+马氏体+残余奥氏体+屈氏体或石墨+马氏体十残余奥氏体，靠近半熔化区处于高碳和品粒严重长大的奥氏体，将形成粗针马氏体和较多的残余奥氏体而处于正常重结晶和含碳量少些的奥氏体区，马氏体针很细同时残余奥氏体也少得多铸铁接头在奥氏体区经常产生硬脆的马氏体组织，这是引起接头裂皱和硬化的重要原因之一。 3、不完全重结晶区 该区被加热至共析温度下限和上限之间(约750800)。在铸铁的共析转变温度范围内，铁素体、奥氏体和石墨三相共存。这里只有部分铁素体向奥氏体转变 如果母材原始组织是铁素体+石墨，在接头冷却速度不太快的条件下，奥氏体向珠光休转变，从而得到石墨+铁素体+珠光体组织。珠光体主要分布在石墨周围。在接头冷却较快时，奥氏体将转变成马氏体组织，这样，该区就将由石墨十铁素体+细针马氏体+残余奥氏体组成，如果原始母材是珠光体基体，则上述组织中的铁体体要被珠光体所取代。 被加热至共析温度下限以下的母材，如果在此温度停留时间较长，将会发生共析渗碳体的粒化和石墨化过程。但由于焊接时冷却相当快，因而很难有充分时间使碳原子和铁原子扩散以完成这一过程。这样，这一区域的母材组织没有明显的变化。 （二）球墨铸铁焊接 1焊缝 在球墨铸铁型焊接材料中，加入足够数量的球化剂，即能获得球墨铸铁的焊缝组织为了减少焊缝和半熔化区的白口倾向，必须加入相当数量的石墨化元素孕育焊缝，井限制反石墨化正素的含量。在采用比较合理的焊缝成分和焊接工艺后，冷焊焊缝可以得到没有或仅有少量渗碳体的球状石墨+珠光体+铁素体组织。采用650- 700的预热焊工艺可完全消除焊缝渗碳体。焊态焊缝经完全退火后，可获得球状石墨+铁素体组织，与铁素体球墨铸铁母材相匹配。为获得高强度球墨铸铁焊缝，应采用Sn、Cu，Ni等元素使焊缝合金化，在经过相应的正火或不完令正火热处理后，一使焊缝基体获得珠光体或铁素体一珠光体组织，可保证抗拉强度达到588- 784 N / mm2及其它相应性能指标。将接头进行等温淬火处理，则焊缝可得到贝氏体基的球墨铸铁以满足更高强度球墨铸铁的性能要求。 为保证接头有足够的机械性能，应注意防止焊缝球化不良，石墨集聚和球化衰退等缺陷采用钇基重稀土作球化剂，比采用轻稀十有更强的抗球化衰退能力。 非球墨铸铁型焊接材料中，镍铁芯电焊条和高钒钢电焊条比较常用。它们的焊缝分别得到点，球状石墨+奥氏体+晶界共晶体及铁素体+粒状碳化钒组织。有较低的硬度和良好的抗裂性能。 2热影响区 如果焊缝成分合理焊接工艺适当，球墨铸铁型焊接材料焊后半熔化区中渗碳体较少或没有。由于这类焊条都采用线能量较大的焊接丁芝，因此，在奥氏体区一般没有马氏体产生，常常是球状石墨+屈氏体+少量铁素体组织。对于非球墨铸铁型焊缝，焊态半熔化区白口是难以消除的，仅仅因焊接材料和工艺不同而使白口的宽度不一样罢了由于常采用线能量小的冷焊工艺，所以奥氏体区的马氏体组织也是很难避免的。无论是哪一类焊接材料施焊的接头，经退火、正火、不完全正火等温淬火等热处理后，半熔化区的白口以及奥氏体区的马氏体组织均将消除，从而得到与母材一致的组织状态。 三，其它铸铁焊接 由于可锻铸铁中含碳量和含硅量比其它铸铁低得多，使液一固相的温度间隔较大，从而增加了半熔化区的宽度同时，半熔化的固相