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重型铸铁脚轮的焊接技术
发表时间:16:06:02
铸铁脚轮是指含碳量2％以上的铁碳合金。工业用铸铁脚轮一般含碳量为2％～4％。碳在铸铁脚轮中多以石墨形态存在，有时也以渗碳体形态存在。除碳外，铸铁脚轮中还含有1％～3％的硅，以及锰、磷、硫等元素。合金铸铁脚轮还含有镍、铬、钼、铝、铜、硼、钒等元素。碳、硅是影响铸铁脚轮显微组织和性能的主要元素。
我国各种铸铁脚轮的年产量现约为800万吨，有各种铸造缺陷的铸件约占铸铁脚轮年产量的10%~15%，即通常所说的废品率为10%~15%，若这些铸件工报废，以1997年铸铁脚轮平均价格计算 ，其损失每年高达10亿元以上。采用焊接方法修复这些有缺陷的铸铁脚轮件，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。
铸铁脚轮按断口颜色分为灰铸铁脚轮、白口铸铁脚轮、麻口铸铁脚轮；.按化学成分分为普通铸铁脚轮、合金铸铁脚轮；按生产方法和组织性能分为普通灰铸铁脚轮、孕育铸铁脚轮、可锻铸铁脚轮、球墨铸铁脚轮、特殊性能铸铁脚轮。
在相同基体组织情况下，其中以球墨铸铁脚轮的力学性能（强度、塑性、韧性）为最高，可锻铸铁脚轮次之，蠕墨铸铁脚轮又次之，灰铸铁脚轮最差。但由于灰铸铁脚轮成本低廉，并具有铸造性、可加工性、耐磨性及减震性均优良的特点，是工业中应用最广泛的一种铸铁脚轮。
灰铸铁脚轮抗拉强度及硬度的变化是由于机体组织及石墨大小、数量不同的结果。
纯铁素体为基体的灰铸铁脚轮：强度、硬度最低
纯珠光体为基体的灰铸铁脚轮：强度、硬度较高
改变基体中铁素体及珠光体相对含量，可得不同的抗拉强度及硬度的ht，石墨呈粗片状的灰铸铁脚轮，抗拉强度较低，石墨呈细片状的灰铸铁脚轮其抗拉强度较高。
灰铸铁脚轮中碳的存在状态及其基体组织决定于铸件冷却速度
①铁水以很快速度冷却时，第一阶段石墨化过程（共析温度以上）及第二阶段石墨化过程（共析温度下）完全被抑止将得到共晶渗碳体 二次渗碳体 珠光体组织，即白口铸铁脚轮组织。[铁碳相图：铁水当温度冷却到液相时，开始从液相析出（γ）。1147共析温度。l→γ fe3c（共晶渗碳体） 温度下降，a的饱和固溶碳量随温度下降而降低，因而析出二次渗碳体，此反应持续到共析温度。在共析反应中，a转变为珠光体。冷却到室温后，组织由共晶渗碳体 二次渗碳体 珠光体组成]。
②铁水以很慢的速度冷却时由于渗c体是不稳定相，而石墨是稳定相。第一阶段和第二阶段石墨化过程都进行得很充分，最后得纯铁素体的灰铸铁脚轮组织。[脚轮原创文章]
③若石墨化的第一阶段进行很完全，第二阶段石墨化过程进行得不完全，则得珠光体 铁素体、灰铸铁脚轮。
灰铸铁脚轮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。
以含碳为3%，含硅2.5%的常用灰铸铁脚轮为例，分析电弧焊焊后在焊接接头上组织变化的规律。
1.焊缝区
当焊缝成分与灰铸铁脚轮铸件成分相同时，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脚轮组织。
防止措施：
焊缝为铸铁脚轮 ①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。②调整焊缝化学成分来增强焊缝的石墨化能力。
异质焊缝：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，使焊缝不出现淬硬组织并具有一定的塑性，例如使焊缝分别成为奥氏体，铁素体及有色金属是一些有效的途径。
2.半熔化区
特点：该区被加热到液相线与共晶转变下限温度之间，温度范围1150～1250℃。该区处于液固状态，一部分铸铁脚轮已熔化成为液体，其它未熔部分在高温作用下已转变为奥氏体。
1）冷却速度对半熔化区白口铸铁脚轮的影响
v冷很快，液态铸铁脚轮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。继续冷却则为c所饱和的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。由于该区冷速很快，在共析转变温度区间，可出现奥氏体→马氏体的过程，并产生少量残余奥氏体。
其左侧为亚共晶白口铸铁脚轮，其中白色条状物为渗碳体，黑色点、条状物及较大的黑色物为奥氏体转变后形成的珠光体。右侧为奥氏体快冷转变成的竹叶状高碳马氏体，白色为残余奥氏体。还可看到一些未熔化的片状石墨。
当半熔化区的液态金属以很慢的冷却速度冷却时，其共晶转变按稳定相图转变。最后其室温组织由石墨 铁素体组织组成。
当该区液态铸铁脚轮的冷却速度介于以上两种冷却速度之间时，随着冷却速度由快到慢，或为麻口铸铁脚轮，或为珠光体铸铁脚轮，或为珠光体加铁素体铸铁脚轮。
影响半熔化区冷却速度的因素有：焊接方法、预热温度、焊接热输入、铸件厚度等因素。
研究灰铸铁脚轮试板焊件、热输入相同时，随板厚的增加，半熔化区冷却速度加快。白口淬硬倾向增大。
2）化学成分对半熔化区白口铸铁脚轮的影响
铸铁脚轮焊接半熔化区的化学成分对其白口组织的形成同样有重大影响。该区的化学成分不仅取决于铸铁脚轮本身的化学成分，而且焊逢的化学成分对该区也有重大影响。这是因为焊逢区与半熔化区紧密相连，且同时处于熔融的高温状态，为该两区之间进行元素扩散提供了非常有利的条件。某元素在两区之间向哪个方向扩散首先决定于该元素在两区之间的含量梯度（含量变化）。元素总是从高含量区域向低含量区域扩散，其含量梯度越大，越有利于扩散的进行。脚轮原创文章]
提高熔池金属中促进石墨化元素（c、si、ni等）的含量对消除或减弱半熔化区白口的形成是有利的。
用低碳钢焊条焊铸铁脚轮时，半熔化区的白口带往往较宽。这是因为半熔化区含c、si量高于熔池，故半熔化区的c、si反而向熔池扩散，使半熔化区c、si有所下降，增大了该区形成较宽白口的倾向。
3.奥氏体区脚轮原创文章]
该区被加热到共晶转变下限温度与共析转变上限温度之间。该区温度范围约为820～1150℃，此区无液相出现该区在共析温度区间以上，其基体已奥氏体化，加热温度较高的部分（靠近半熔化区），由于石墨片中的碳较多地向周围奥氏体扩散，奥氏体中含碳量较高；加热较低的部分，由于石墨片中的碳较少向周围奥氏体扩散，奥氏体中含碳量较低，随后冷却时，如果冷速较快，会从奥氏体中析出一些二次渗碳体，其析出量的多少与奥氏体中含碳量成直线关系。在共析转变快时，奥氏体转变为珠光体类型组织。冷却更快时，会产生马氏体，与残余奥氏体。该区硬度比母材有一定提高。
熔焊时，采用适当工艺使该区缓冷，可使a直接析出石墨而避免二次渗碳体析出，同时防止马氏体形成。
4.重结晶区
很窄，加热温度范围780～820℃。由于电弧焊时该区加热速度很快，只有母材中的部分原始组织可转变为奥氏体。在随后冷却过程中，奥氏体转变为珠光体类组织。冷却很快时也可能出现一些马氏体。
对于铸铁脚轮在制造和使用中出现的各种缺陷和损坏，可采用补焊的方法进行补救。铸铁脚轮补焊是对有缺陷铸铁脚轮件进行修复的重要手段，在实际生产中具有很大的经济意义。
补焊方法主要根据对焊后的要求（如焊缝的强度、颜色、致密性，焊后是否进行机加工等）、铸件的结构情况（大小、壁厚、复杂程度、刚度等）及缺陷情况来选择。手工电弧焊和气焊是最常用的铸铁脚轮补焊方法。
手工电弧焊补焊的方法有：
（1）热焊及半热焊 焊前将焊件预热到一定温度（400℃以上），采用同质焊条，选择大电流连续补焊，焊后缓冷。其特点是焊接质量好，生产率低，成本高，劳动条件差。脚轮原创文章]
（2）冷焊 采用非铸铁脚轮型焊条，焊前不预热，焊接时采用小电流、分散焊，减小焊件应力。焊缝的强度、颜色与母材不同，加工性能较差，但焊后变形小，劳动条件好，成本低。
为使金属工件具有所需要的力学性能、物理性能和化学性能，除合理选用材料和各种成形工艺外，热处理工艺往往是必不可少的。钢铁是机械工业中应用最广的材料，钢铁显微组织复杂，可以通过热处理予以控制，所以钢铁的热处理是金属热处理的主要内容。另外，铝、铜、镁、钛等及其合金也都可以通过热处理改变其力学、物理和化学性能，以获得不同的使用性能。
我国是钢铁工业大国，每年生产的钢铁峰值高达6亿吨。钢铁的焊接工艺好坏直接影响着我国钢铁的有效利用率，对于我国国民经济有着重要的影响，我国的机械生产部门，应努力提高各自的焊接水平，充分利用每一份钢铁资源。