实施铸铁的基础知识

基础知识

一、铸铁简介

含碳量大于2.11%、小于6.69%的铁碳合金称为铸铁。铸铁中除了含铁和碳以外，还含有硅、锰、磷、硫等元素，为获得某些特殊性能，还分别加入铜、镁、镍、钼或铝等元素，形成合金铸铁。

铸铁是一系列主要由铁、碳和硅组成的合金的总称。铸铁的分类方法较多，按铸铁的断口特征可分为：灰口铸铁（灰铸铁）、白口铸铁、麻口铸铁。其中灰铸铁中的碳全部或大部分以片状石墨形态存在，其断口呈灰色，可以铸造形状复杂的机械零件，至今仍是工业上应用最广泛的一种铸铁，如图9-12所示。

图9-12  铸铁件

二、铸铁的焊接性

1.焊接接头的白口组织及淬硬组织

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，形成白口组织。

（1）产生原因 产生白口组织主要是由于冷却速度快和石墨化元素不足造成的。在一般的焊接条件下，焊补区的冷却速度比铸铁在铸造时快得多，特别是在熔合线附近，是整个焊缝冷却速度最快的地方，而且其化学成分又和基本金属相接近，所以该处最易形成白口组织。另外，焊接材料选用不当，使焊缝中石墨化元素不足，也会产生白口组织。

（2）防止措施

①改变焊缝的化学成分，主要是增加焊缝的石墨化元素含量或使之成为非铸铁组织。例如，在焊芯或药皮中加入石墨化元素碳、硅等，使其含量高于母材，以促进焊缝石墨化；或者选用异质焊接材料，如镍基合金、镍铜等焊条，使焊缝形成奥氏体、铁素体或非铁金属等非铸铁组织。这样可改变焊缝中碳的存在形式，使焊缝不出现淬硬组织并具有一定的塑性。该方法虽可解决焊缝的白口组织问题，但对消除熔合区的白口层效果不大。

②减慢焊接冷却速度，可延长熔合区处于红热状态的时间，有利于石墨的充分析出，故可实现熔合区的石墨化过程。通常采用的措施是焊前预热和焊后保温缓冷。为了确保接头的充分石墨化，焊接时的预热温度较高，一般为400℃～700℃，同时还要保温缓冷。

2.焊接接头产生裂纹

（1）产生裂纹的原因 由于灰铸铁的强度较低，塑性极差，而焊接时的局部快速加热和冷却 ，又造成较大的内应力，故易产生裂纹。

（2）防止产生裂纹的方法

①焊前预热和焊后缓冷。焊前将焊件整体或局部预热和焊后缓冷，不能减少焊缝的白口倾向，而且能减小焊接应力和防止开裂。

②采用电弧冷焊减小焊接应力。选用塑性较好的焊接材料，形成塑性较好的非铸铁组织焊缝，使焊缝金属可通过塑性变形来松弛应力，防止裂纹；用细直径焊条、小电流、断续焊或分散焊的方法，可减少焊缝处和基本金属温度差，从而减小焊接应力，防止裂纹。

图9-13  载丝焊示意图

③其他措施。如采用载丝焊，在基本金属坡口内攻入螺纹后，把螺钉拧在坡口上，如图9-13所示，然后进行焊补。这样使熔合区附近的应力主要由螺钉承受，从而防止焊缝处裂纹。

任务实施

铸铁的焊接性差，不宜作为焊接结构材料，可对铸铁件进行焊补修复。所以铸铁的焊接性一般应用在以下方面：

（1）铸造缺陷的焊补；

（2）已损坏的铸铁成品件的焊补；

（3）零件的生产——即把铸铁件（主要为球墨铸铁件）与钢件或其他金属件焊接成零部件。

铸铁焊补方法主要应根据铸件大小、焊补处情况、刚度大小及焊后要求来选择。铸铁件的焊补方法通常采用气焊和手工电弧焊，要求不高时也可采用钎焊，按焊前工件是否预热，分为热焊法、半热焊和冷焊法。

一、热焊法

即将工件整体或局部预热到600℃～700℃，然后进行焊接，并在焊接过程中保持一定温度，焊后缓慢冷却或进行去应力退火的方法。

1.焊接方法

常采用气焊和手工电弧焊，其中气焊较方便。

2.焊接材料

手工电弧焊时，采用铸铁芯铸铁焊条（如Z248）或钢芯石墨化铸铁焊条（如Z208）；气焊时，采用铸铁焊丝（高硅）和气剂201或硼砂熔剂（去除氧化物）。

3.焊接工艺

（1）预热 对结构复杂的铸件（如柴油机缸盖），由于焊补区刚性大，焊缝无自由膨胀收缩的余地，故宜采用整体预热；而结构简单的铸件，焊补处刚性小、焊缝有一定膨胀收缩的余地，例如铸件边缘的缺陷及小块断裂，则可采用局部预热。

（2）焊前清理 在进行电弧热焊之前，首先应对铸件的待焊部位进行清理，并制好坡口。铸件缺陷处如有油污，一般可用氧乙炔火焰除净，然后根据缺陷的情况，可采用手砂轮、扁铲、风铲等工具进行加工（铲、磨）。

（3）造型 对于边角部位及穿透缺陷，为防止熔化金属流失，保证一定的焊缝成形，焊前还应在待焊部位造型，其形状尺寸如图9-14所示。

图9-14  热焊焊补区造型示意图

（4）焊接 焊接时，为了保持预热温度，缩短高温工作时间，要求在最短的时间内焊完，故宜采用大电流、长弧、连续焊。

（5）焊后缓冷 焊后要采取缓冷措施，常用保温材料（如石棉灰等）覆盖，最好随炉冷却。电弧热焊工艺，焊缝为铸铁型，力学性能基本与母材相同，颜色与母材一样，具有良好的切削加工性，焊后残余应力小，接头质量高。

二、冷焊法

即焊前不预热，焊接过程也不辅助加热的方法。

1.焊接方法

对于小型薄壁铸件常用气焊，对于大型厚壁铸件，一般采用手工电弧焊。

2.焊接材料及焊接工艺

（1）焊接材料 冷焊焊条分为两大类：一类为同质型焊条，即焊缝金属为铸铁型，如Z208、Z248；另一类为异质型焊条，即焊缝金属为非铸铁型，如镍基铸铁焊条（Z308、Z408）、高钒铸铁焊条（Z116、Z117）及铜基铸铁焊条（Z607）等。

（2）焊接工艺 采用同质型焊条焊补时，工艺上要求采用大电流、连续焊，控制焊后冷却速度，焊补处可得铸铁组织。采用异质型焊条焊补时，工艺要求采用小电流、短弧焊、断续焊、分散焊，焊后立即锤击焊缝，以松弛焊接应力。

（3）选择合理的焊接方向和焊接顺序 合理的焊接方向和顺序对焊接应力具有重要的意义。例如：对于裂纹的焊补，合理的焊接方向应是从裂纹两端向裂纹中心交替分段焊接。焊接顺序也是如此，图9-15所示为三种不同的焊接顺序。

图9-15  厚壁铸铁件缺陷补焊

（4）采用载丝焊等特殊工艺 对于受力较大的厚件（厚度大于20 mm）开坡口焊接时，可配合采用载丝焊，即在基本金属坡口内攻螺纹，然后拧入钢质螺钉，最后焊满坡口。这样，使熔合区附近的焊接应力主要由螺钉承受，从而防止剥离裂纹的产生。多用于小型铸铁件、小缺陷的焊补。

冷焊法操作简便，劳动条件好，生产率高，但焊补质量不如热焊法，焊接切削加工性较差（但用镍基铸铁焊条焊补，焊后可进行机械加工）。冷焊法主要用于焊补要求不高的铸件及非加工表面和怕高温预热引起变形的工件。

拓展提高

灰铸铁气焊工艺

气焊前要对铸件进行清理，其焊前清理和准备工作基本与焊条电弧焊相同。制备坡口一般可采用机械方法。当铸件断面很小或不能用机械方法开坡口时，也可用氧气切割直接开出坡口。

气焊时，应根据铸件厚度适当选用较大焊码的焊炬及焊嘴，以提高火焰能率，增大加热速度。气焊火焰一般应选用中性焰或弱碳化焰，不能用氧化焰。因为，氧化气氛会使熔池中的碳、硅等元素烧损增加，影响焊缝的石墨化过程。为防止熔池金属流失，在焊接中应尽量保持水平位置。

铸件焊后可自然冷却，但注意不要放在空气流通的地方加速冷却，否则会促使白口及裂纹产生。

一般较小的铸件气焊时，凡是缺陷位于边角和刚度较小的地方，可用冷焊方法。其特点是不用单独预热，仅依靠焊炬的火焰在坡口周围进行预热后即可熔化施焊，焊后自然缓冷一般就可得到无裂纹缺陷的接头。但是，当缺陷位于铸铁中央，接头刚度较大或铸件形状较复杂时，采用冷焊的效果往往不好，应采用预热温度为600℃～700℃的热焊法，或者是“加热减应区”法焊接。