材质介绍

铸钢(cast steel)
  用以浇注铸件的钢。铸造合金的一种。铸钢分为铸造碳钢、铸造低 合金钢和铸造特种钢3类。
  ①铸造碳钢。以碳为 主要合金元素并含有少量其他元素的铸钢。含碳小于0.2%的为铸造低碳钢,含碳0.2%~0.5%的为铸造中碳钢,含碳大于0.5%的为铸造高碳钢。随着含碳量的增加,铸造碳钢的强度增大,硬度提高。铸造碳 钢具有较高的强度、塑性和韧性,成本较低,在重型 机械中用于制造承受大负荷的零件,如轧钢机机架、水压机底座等;在铁路 车辆上用于制造受力大又承受冲击的零件如摇枕、侧架、车轮和车钩等。
  ②铸造低合金钢。含有锰 、铬、铜等合金元素的铸钢。合金元 素总量一般小于5%,具有较大的冲击韧性,并能通 过热处理获得更好的机械性能。铸造低 合金钢比碳钢具有较优的使用性能,能减小零件质量,提高使用寿命。
  ③铸造特种钢。为适应 特殊需要而炼制的合金铸钢,品种繁多,通常含 有一种或多种的高量合金元素,以获得某种特殊性能。例如 ,含锰11%~14%的高锰 钢能耐冲击磨损,多用于矿山机械、工程机械的耐磨零件;以铬或 铬镍为主要合金元素的各种不锈钢,用于在有腐蚀或650℃以上高 温条件下工作的零件,如化工用阀体、泵、容器或 大容量电站的汽轮机壳体等。

铸钢钢 冶炼后材质的变化特点
  304 316铸钢是 目前应用最为广泛的不锈钢,
  304,C≤0.08 Ni8.00~10.00 Cr18.00~20.00,Mn<=2.0>
  Si<=1.0><=0.030><=0.035>
  304LC≤0.03其他的元素与304相同
  304 316是奥氏体铸钢,无磁性的,430 403 410 这些是奥氏体-铁素体不锈钢 有磁性。

铸铁 英文名:cast iron
  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。铸铁可分为:①灰口铸铁。含碳量较高(2.7%~4.0%),碳主要 以片状石墨形态存在,断口呈灰色,简称灰铁。熔点低(1145~1250℃),凝固时收缩量小,抗压强 度和硬度接近碳素钢,减震性好。用于制造机床床身、汽缸、箱体等结构件。②白口铸铁。碳、硅含量较低,碳主要 以渗碳体形态存在,断口呈银白色。凝固时收缩大,易产生缩孔、裂纹。硬度高,脆性大,不能承受冲击载荷。多用作 可锻铸铁的坯件和制作耐磨损的零部件。③可锻铸铁。由白口 铸铁退火处理后获得,石墨呈团絮状分布,简称韧铁。其组织性能均匀,耐磨损,有良好的塑性和韧性。用于制造形状复杂、能承受 强动载荷的零件。④球墨铸铁。将灰口 铸铁铁水经球化处理后获得,析出的石墨呈球状,简称球铁。比普通 灰口铸铁有较高强度、较好韧性和塑性。用于制造内燃机、汽车零 部件及农机具等。⑤蠕墨铸铁。将灰口 铸铁铁水经蠕化处理后获得,析出的石墨呈蠕虫状。力学性 能与球墨铸铁相近,铸造性 能介于灰口铸铁与球墨铸铁之间。用于制 造汽车的零部件。⑥合金铸铁。普通铸 铁加入适量合金元素(如硅、锰、磷、镍、铬、钼、铜、铝、硼、钒、锡等)获得。合金元 素使铸铁的基体组织发生变化,从而具有相应的耐热、耐磨、耐蚀、耐低温或无磁等特性。用于制造矿山、化工机械和仪器、仪表等的零部件。

铸铁的分类
  分类方法 分类名称 说明
  1.按断口颜色分

①灰铸铁 这种铸 铁中的碳大部分或全部以自由状态的片状石墨形式存在,其断口呈暗灰色,有一定 的力学性能和良好的被切削性能,普遍应用于工业中
  ②白口铸铁 白口铸 铁是组织中完全没有或几乎完全没有石墨的一种铁碳合金,其断口呈白亮色,硬而脆,不能进行切削加工,很少在 工业上直接用来制作机械零件。由于其 具有很高的表面硬度和耐磨性,又称激 冷铸铁或冷硬铸铁
  ③麻口铸铁 麻口铸 铁是介于白口铸铁和灰铸铁之间的一种铸铁,其断口 呈灰白相间的麻点状,性能不好,极少应用
  2.按化学成分分

①普通铸铁 是指不 含任何合金元素的铸铁,如灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁等
  ②合金铸铁 是在普 通铸铁内加入一些合金元素,用以提 高某些特殊性能而配制的一种高级铸铁。如各种耐蚀、耐热、耐磨的特殊性能铸铁

3.按生产 方法和组织性能分

①普通灰铸铁 参见“灰铸铁”

②孕育铸铁 这是在灰铸铁基础上,采用“变质处理”而成,又称变质铸铁。其强度、塑性和 韧性均比一般灰铸铁好得多,组织也较均匀。主要用 于制造力学性能要求较高,而截面 尺寸变化较大的大型铸件

③可锻铸铁 可锻铸 铁是由一定成分的白口铸铁经石墨化退火而成,比灰铸 铁具有较高的韧性,又称韧性铸铁。它并不可以锻造,常用来 制造承受冲击载荷的铸件

④球墨铸铁 简称球铁。它是通 过在浇铸前往铁液中加入一定量的球化剂和墨化剂,以促进 呈球状石墨结晶而获得的。它和钢相比,除塑性、韧性稍低外,其他性能均接近,是兼有 钢和铸铁优点的优良材料,在机械 工程上应用广泛

⑤特殊性能铸铁 这是一 种有某些特性的铸铁,根据用途的不同,可分为耐磨铸铁、耐热铸铁、耐蚀铸铁等。大都属于合金铸铁,在机械 制造上应用较广泛。

铸铁的焊接性
  铸铁含碳量高,塑性差,组织不均匀,焊接性很差,在焊接时,一般容 易出现以下问题:
  1、焊后易产生白口组织
  2、焊后易出现裂纹
  3、焊后易产生气孔
  因此,在生产中,铸铁是 不作为焊接材料的.一般只 用来焊补铸铁件的铸造缺陷以及局部破坏的铸铁件。铸铁的 焊补一般采用气焊或焊条电弧焊。
  铸件焊 补常分为热焊法和冷焊法两种。
  铸铁的焊接
  第一节 铸铁的种类及性能
  一、铸铁焊接的应用
  1、铸造缺陷的焊接修复
  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,以1997年铸铁平均价格计算 ,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。
  2、已损坏 的铸铁成品件的焊接修复。
  由于各种原因,铸铁成 品件在使用过程中会受到损坏,出现裂纹等缺陷,使其报废。若要更换新的,用铸铁 成品件都经过各种机械加工,价格往往较贵。特别是 一些重型铸铁成品件,如锻造 设备的铸铁机座一旦使用不当而出现裂纹,就得停止生产,若要更 换新的锻造设备,不仅价格昂贵,且从订货、运货到 安装调试往往需要很长时间,所要很 长时间处于停产状态。这方面 的损失是巨大的。若能用 焊接方法及时修复出现的裂纹。
  3、零部件的生产
  这是指 用焊接的方法将铸铁(主要是球墨铸铁)件与铸铁件、各种钢 件或有色金属焊接起来而生产出零件。我国目 前在这方面比较落后,处于刚起步阶段。如我国 山东某厂已用高效离心铸造的大直径球墨铸铁管与一般铸造方法生产的变直径球墨铸铁法兰用焊接方法连接而制成产品。制造中 铸铁焊接已成为我国下一步发展铸铁焊接技术的方向。它往往 具有巨大的经济效益。
  二、铸铁分类
  按碳在 铸铁中存在的状态及形式的不同,可将铸铁分为:
  白口铸铁:碳绝大 部分以在铁素体状态存在,断口亮白色,铁素体硬而脆,机制较少应用。
  碳以石墨形式存在
  灰铸铁:石墨片状存在
  可锻铸铁:团絮状
  球墨铸铁:圆球状
  蠕墨铸铁:蠕虫状
  在相同 基体组织情况下,其中以 球墨铸铁的力学性能(强度、塑性、韧性)为最高,可锻铸铁次之,蠕墨铸铁又次之,灰铸铁最差。但由于 灰铸铁成本低廉,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。
  常见灰铸铁化学成分:见P100.
  灰铸铁 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:强度、硬度最低
  纯珠光 体为基体的灰铸铁: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,抗拉强度较低,石墨呈 细片状的灰铸铁其抗拉强度较高。
  灰铸铁 中碳的存在状态及其基体组织决定于铸件冷却速度
  P102 4-1 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 纯铁素体的灰铸铁组织。
  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。
  不同元 素对铸铁石墨化及白口化的影响。P102
  第二节 铸铁焊接性分析
  一、灰铸铁焊接性分析
  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。
  (一)焊接接 头易出现白口及淬硬组织
  见P103,以含碳为3%,含硅2.5%的常用灰铸铁为例,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 基本为白口铸铁组织。
  防止措施:
  焊缝为铸铁 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:若采用 低碳钢焊条进行焊接,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的影响
  V冷很快,液态铸 铁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。
  该区金相组织见P104 图4-5
  其左侧 为亚共晶白口铸铁,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,或为珠光体铸铁,或为珠 光体加铁素体铸铁。
  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。
  例:电渣焊时,渣池对 灰铸铁焊接热影响区先进行预热,而且电 渣焊熔池体积大,焊接速度较慢,使焊接 热影响区冷却缓慢,为防止 半熔化区出现白口铸铁焊件预热到650~700℃再进行 焊接的过程称热焊。这种热 焊工艺使焊接熔池与HAZ很缓慢地冷却,从而为 防止焊接接头白口铸铁及高碳马氏体的产生提供了很好的条件。
  研究灰铸铁试板焊件、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的影响
  铸铁焊 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。
  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
  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。
  (二)裂纹是易出现的缺陷
  1. 冷裂纹 可发生 在烛焊缝或热影响区上,
  1)焊缝处冷裂纹
  产生部位:铸铁型焊缝
  当采用 异质焊接材料焊接,使焊逢成为奥氏体、铁素体,铜基焊缝时,由于焊 缝金属具有较好的塑性,焊接金 属不易出现冷裂纹。
  启裂温度:一般在400℃以下。原因:一方面是铸铁在400℃以上时有一定塑性;另一方 面焊缝所承受的拉应力是随其温度下降而增大。在400℃以上时 焊缝所承受的拉应力较小。
  产生原因:焊接过 程中由于工件局部不均匀受热,焊缝在 冷却过程中会产生很大的拉应力,这种拉 应力随焊缝温度的下降而增大。当焊缝全为灰铸铁时,石墨呈片状存在。当片状 石墨方向与外加应力方向基本垂直,且两个 片状石墨的尖端又靠得很近,在外加应力增加时,石墨尖 端形成较大的应力集中。铸铁强度低,400℃以下基本无塑性。当应力 超过此时铸铁的强度极限时,即发生焊缝裂纹。
  当焊缝 中存在白口铸铁时,由于白 口铸铁的收缩率比灰铸铁收缩率大,加以其 中渗碳体性能更脆,故焊缝更易出现裂纹。
  影响因素:
  ① 与焊缝基体组织有关,焊缝中渗碳体越多,焊缝中 出现裂纹数量越多。当焊缝 基体全为珠光体与铁素体组成,而石墨 化过程又进行得较充分时,由于石 墨化过程伴随有体积膨胀过程,可以松 弛部分焊接应力,有利于 改善焊缝的抗裂性。
  ② 与焊缝石墨形状有关
  粗而长 的片状石墨容易引起应力集中,会减小抗裂性。
  石墨以细片状存在时,可改善抗裂性。
  石墨以团絮状存在时,焊缝具 有较好的抗裂性能。
  ③ 与焊补 处刚度与焊补体积的大小及焊缝长短有关
  焊补处刚度大,焊补体积大,焊缝越 长都将增大应力状态,促使裂纹产生。
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铸铁的补焊
  铸铁在 制造和使用中容易出现各种缺陷和损坏。铸铁补 焊是对有缺陷铸铁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。
  (一)铸铁的焊接性
  铸铁的含碳量高,脆性大,焊接性很差,在焊接 过程中易产生白口组织和裂纹。
  白口组 织是由于在铸铁补焊时,碳、硅等促 进石墨化元素大量烧损,且补焊区冷速快,在焊缝 区石墨化过程来不及进行而产生的。白口铸铁硬而脆,切削加工性能很差。采用含碳、硅量高 的铸铁焊接材料或镍基合金、铜镍合金、高钒钢 等非铸铁焊接材料,或补焊 时进行预热缓冷使石墨充分析出,或采用钎焊,可避免出现白口组织,。
  裂纹通 常发生在焊缝和热影响区,产生的 原因是铸铁的抗拉强度低,塑性很差(400℃以下基本无塑性),而焊接应力较大,且接头 存在白口组织时,由于白 口组织的收缩率更大,裂纹倾向更加严重,甚至可 使整条焊缝沿熔合线从母材上剥离下来。防止裂 纹的主要措施有:采用纯镍或铜镍焊条、焊丝,以增加 焊缝金属的塑性;加热减 应区以减小焊缝上的拉应力;采取预热、缓冷、小电流、分散焊 等措施减小焊件的温度差。
  (二)铸铁补焊方法及工艺

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。

②冷焊 采用非铸铁型焊条,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。

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