冷却速率和粉末特性对球墨铸铁的粉末焊接区的热稳定的影响.doc

1、 1 冷却速率和粉末特性对球墨铸铁的粉末焊接区的热稳定的影响 摘要： 关于 在 大型模具 中 采用球墨铸铁的应用 ，多数的缺陷都是在焊补的位置出现的。冶金方面的相关调查指出，在热影响区微裂纹存在的主要问题，使用的主要的修补方法是氧乙炔粉末焊接的表面修复。还有使用粉末与镍基合金的自熔特性，通过控制冷却条件来进行模拟修复大型模具。结果表明，在焊接预热标准的前提下使用镍基合金粉末焊接的大零件时在一定条件下相对较高的冷却速率的作用下，微裂纹会出现在球墨铸铁的热影响区 (HAZ)。断裂过程显示镍基合金焊接在焊缝的根部由于应力的收缩 效应引起的。该裂纹主要集中在球墨铸铁的石墨和铁素体的分解面，然后经过马氏

2、体。 关键词： 球墨铸铁；裂纹；镍基合金；热影响区；马氏体 1.前言 球墨铸铁是一种应用广泛的材料，可以用于铸造大型、复杂的零部件。球墨铸铁相对较高的强度和韧度以及一些铁的特性，使得球墨铸铁在应用中具有一定的优势。要想使球墨铸铁的表面硬度和显微组织中珠光体的数量增加 1，可以降低球墨铸铁表面的淬火温度。在焊接过程中形成的不同的显微组织，可以使用不同的过冷奥氏体连续冷却曲线（ CCT）图来确定。然而，现在只有一些有牌号的球墨铸铁才有 CCT图 23。 粉末焊接通过专门设计的喷嘴以粉末合金的方式进行焊接，美联储采用计量装置通过测量氧气流 /乙炔流来确定焊接速度。粉末焊接，由于独特的热循环特性以及镍

3、基自熔性堆焊材料的冶金特性，被广泛应用于修复不同铸铁的表面缺陷。氧乙炔火焰，是一个强度相对较低的热源，可以产生如手工电弧焊（ SMAW）这个工艺类似的比较温和的冷却速率。此外，粉末的自熔性焊接中，镍基合金的熔点明显低于铸铁和纯镍，因此峰值温度在明显低于通常铸铁热影响区的温度区间 1400900 4。自熔性合金的类型和以及为了方面的应用程序， 它是用于不同等级的灰铸铁和球墨铸铁的回收及重复利用 5。自熔性成分在熔池表面形成的氧化物的原因的焊料通过金属键和金属连接起来形成的。铸铁焊接容易形成裂纹是一个众所周知的现象。在焊接过程中，铸铁通常被认为是焊接性差。产生这种现象的主要原因是在使用普通的镍基合

4、金作为焊料时，在焊接热影响区冷却时在熔化区（ PMZ）容易产生含碳量比较高的脆硬组织及硬质相 6-10。据记载，在采用电弧焊接铸铁的过程中，在熔合区（ PMZ）容易产生马氏体和莱氏体 11。然而，由于低的冷却速率和氧乙炔工艺和相对较低的峰值温度与自熔性合 金，粉末焊接铸铁的零件，在热影响区相对于其他的焊接方法比较不容易开裂，对于这个结论还没有在文献中明确的提出。 2 在一些汽车生产线上，大型压力机的模具成型的应用中，在维修的过程中发现一些裂纹出现在粉末焊接修补过的位置。模具制造过程中球墨铸铁的等级是 GGG70。疲劳试验和随后的金相调查显示，原因主要是基体金属热影响区的焊补缺陷有关。本次课题研

5、究涉及较少的研究范围在粉末焊接球墨铸铁在热影响区产生裂纹的可能性及了解产生这种现象的机制 12。 球墨铸铁的基体化学成分 2、实验过程 等级为 GGG70 的 球墨铸铁是最基本的一种铸铁。这种铸铁的屈服强度在 430MPa 极限强度在 690MPa。试样通常的尺寸为 60*60*20mm3。 在焊接前，试样表面的污秽物如油脂和油必须清理干净。基体的化学成分列于表 1，这两种粉末的化学成分和应用数据列于表 2。 采用堆焊技术焊接样品。设置 10 升 /分钟，模式为氧气和乙炔的流量，火焰呈中性。建议采用粉末焊接焊接球墨铸铁。粉末沉积后，试样采用三种不同的冷却方式冷却。一部分样品使用大铜板接触冷却，

6、放在水中的样品（ CR1）冷却速率最高。第一组实验的冷却速率被设计呈模拟在实践过程中板厚大 于一毫米局部预热 300的焊接。一些样品在空气中冷却（ CR2）用来模拟预热 300并且焊缝有足够的长度。最后，寻找最优的设计条件，一部分样品在后期加热到 400500。通过对温度与焊缝及邻近的地方采用热电偶传感器与剖面测量冷却速率如图 1所示。值得一提的是，实验经过精心设计，基于四组不同的条件不是六组，把可以预料的因素都集中起来，提高实验效率。后期的结果表明，实验的充分性。 3、实验结果与实验讨论 母材的微观组织结构如图 2a 所示。金属基体是有珠光体的基体上弥散分布球状石墨。矩阵可以看作是共析钢 0

7、.8%碳 含量。可以看出，石墨结节分散的颗粒组成的细珠光体层一起在晶粒边界存在三结更多的铁素体（图 2b）。对于焊缝的化学分析表明，正如预期的那样与以前的报告相吻合，该样本稀释度低，即在 15%范围之间。焊接热影响区的样品 A1 在焊缝区的显微组织结构图 3a。该样品的冷却速率最高（ CR1）而且可以看出整个热影响区为马氏体。显微硬度测试结果如图 4 所示。焊接热影响区硬度高的宽度约为3mm。在 A1 中开裂的主要原因是针状马氏体大和硬度高所引起的。 在图 3b显示的是样品 A2 的针状马氏体的分布，实验条件是只在空气中冷却得到的粉末焊 缝的热影响区。在显微组织结构中，出现了些贫碳和富碳的区域

8、。这个观察的结果和以前的报道是一直的，奥氏体在转化之前可以迁移。贫碳区域转化为贝氏体而富碳区3 域转化为马氏体。在这些形成马氏体的地方可以表明，峰值温度超过了奥氏体的相变温度。整个热影响区由贝氏体、马氏体和残余奥氏体组成。根据显微硬度测量如图 4所示，焊接热影响区大致相同的样品 A1 但是他们的硬度更小，是因为它们对应的组织是下贝氏体和残余奥氏体。现在样品 B1和 B2 的焊接高硬度粉末被认为是。金相研究表明，在焊接热影响区的组织和硬度分布样品 B1，类似样品 A1，整个 组织主要有马氏体组成，热影响区的宽度硬度很高如图 4所示，然而不像样品 A1，有些裂缝在 B1 试样 HAZ 发现，参见图

9、 5a和 b。 可以从图 5a 和 5b 中看到，裂缝是非常尖锐的，在倾斜形式上，使他们有了独特的个性。裂纹特征的细节在作者以前的工作中描述过。样品的热影响区组织 B2如图 3C 看到显示，由于冷却速度慢，渗碳体的渗碳层有合并成为球面的趋势。这些都在图 3C 一些狭长的区域中表现出来。图 4 样品 B2 硬度分布表明，热影响区的硬度接近母材的。这也表明了 B2 基体的珠光体区域远离焊缝渗碳区域。这也显示了由于焊后加热温度高，有球 化和层变浓的趋势。 粉末的化学成分和沉积性能（表 2） 参考表 1 显示粉末 P2 比粉末 P1 更硬。用 P2 粉焊接时，有更高的硬度，导致样品 B1开裂。 很明显

10、，有裂缝的形成和转换完成后的冷裂纹的性质。 已知的三大因素促成了冷裂纹的形成。它们是氢、脆硬组织和应力。为了转移和降低氢在粉末焊接时热影响区的含量。首先，火焰温度不要超过 3000，这是一个比较典型的焊接电弧的温度导致焊缝的氢减少的例子。第二，焊缝如果具有面心立方结构，焊缝中的氢将不容易扩散到焊缝基体中去。正如先前提到的，有些裂纹出现在试样 B1 的热影响区。然而， 样品 A1经历了相同的冷却速率， B1 和 HAZ 具有相同的显微组织和硬度，没有发现裂缝。因此，具有相同的结构，在这两种情况下容易出现裂纹。综合上述推理，焊接的应力状态为焊缝开裂的主导因素。 因此 ，裂纹的样品 B1 发生的类型

11、可能是不受氢的情况下，但更依赖于组合的 HAZ 的显微组织和残余应力。众所周知，材料的残余应力限制了材料的屈服强度。因此，用相对较软的 P1 粉焊接，残余应力的峰值应当低于用 P2 粉焊接时的值。裂缝不仅受幅度的影响还受残余应力形式的影响。拉伸应力将更容易使裂缝开裂。拉伸应力是一定存在材料内部的，即拉伸应力会和横截面的压应力相抵消。一个有趣的事情就是主要的残余应 4 焊接条件和样品名称（表 3） 图 1 冷却图根据样品的实际情况测量 图 2。球墨铸铁的基体组织，（一）在低倍镜下显示矩阵和石墨，（ b）在高倍镜下表示珠光体基体的层状结构 5 力可以通过一个简化的模型来实现。 图 6意性的表示焊缝

12、的沉淀物和凝固后基体金属粉末焊缝金属 的收缩。 假设一个恒定的热膨胀系数和弹性模量 ，焊接时基体金属冷却到室温后，残余应力可以用： 1 和 2 分别代表焊缝的膨胀系数和焊缝基体沉淀物。 Tm 是焊缝的熔化温度， Tr 是空间温度。 E1 和 E2分别代表焊缝基体的弹性模量和焊缝的沉淀量。 图 3。在矩阵中用的焊接 HAZ 的组织鉴定三种不同的冷却制度（一）最高的冷却速率的“ M”，（ b）中冷却率是 + B， RA”，（ C）的最低冷却速度的显示烧结渗碳 arrows”。M：紧凑型马氏体， M + B：贝氏体、马氏体，残余奥氏体 RA。 图 4 在熔合区和热影响区硬度型材焊接样品 6 参照焊粉

13、制造商的数据，并且通过比较两种粉末的热膨胀系数，它们分别是 17 和12ummm-1k-1，球墨铸铁的热膨胀系数 D1=14.5ummm-1k-1，通过比较 p1和 D1，可以推断出在热影响区去的残余应力是收缩的。另一方面， P2 焊粉的拉伸残余应力可以被推断出来。 因此残余应力在 P2焊粉的热影响区的危害更大相对于焊粉 P1 而言。值得注意的是马氏体伴随着残余应力的扩张，但是这种扩张只降低了总的残余应力的一部分。此外，焊接裂纹形成时，在裂纹周围的残余应力得到了松弛。 通过比较样品 B1 和 A1的开裂可以理解残余应力的意义。虽然两个样品都是马氏体的热影响区，样品 A1 无裂纹。焊粉 P1 产

14、生压应力 14，由于其热膨胀系数比球墨铸铁高，焊粉 P2 施加的拉伸应力，是由于其热膨胀系数比球墨铸铁低。 因此， 焊缝金属的基体金属的热膨胀系数之间的兼容性 是 预防开裂的主要因素 。根据获得的结 果，可以预计即使高硬度的焊粉，焊缝开裂的倾向将可以降低如果焊缝与母材的热膨胀系数相近的话。 通过比较样品 B1 和 B2 可以有助于理解焊缝热影响区的裂纹的意义。当焊缝冷却根据奥氏体转变为珠光体的时间和焊缝冷却到 Ms 线以下的时间是不够的。这就导致了马氏体在热影响区的形成。这种情况有可能真是发生在大型模具的焊接过程中。然而，根据 CR3 的冷却速率，它的焊接过程在 500保持 10min，导致了

15、较软的珠光体降温时降到了 Ms 点以下的温度。在升高温度时奥氏体转变的体积变化，预计低于低温的变化。此外，在高温下发生奥氏体转变时 ，周围材料的屈服点和韧性都比较低。（残余应力的限制） 15，所以硬的焊粉能够形成奥氏体和珠光体这样的比较好的焊缝组织。 如图 3C 看到，样品 B2 的热影响区的显微镜像组织只要是珠光体和铁素体。这个组织由于 P2 的硬的焊粉导致了比较高的残余应力，但是还没有导致破裂。 现在观察一下样片 A2，它的石墨的界面没有裂纹。样品 B2，在较低的冷却速度下，在石墨界面上有一定的裂纹。在 A1 和 B1 的样品中， 可以看出，残余应力（即焊缝硬度）是裂纹萌生的主要因素。另外

16、，焊接热影响区的球墨铸铁显微组织对裂纹扩展的决定因素 。 因为它表面，裂纹主要是有应力，它可以提出一种裂纹形式叫做“应力诱导”。观察还表明，有无裂纹的焊接。首先，焊粉太硬不应该使用，其次，就是焊后焊缝应该加热。 图 5 典型的裂纹在一个最高的冷却速率和硬粉焊接热影响区所观察到的形态，（一）的裂纹在马氏体基体上的清晰度，（ b）相对于熔合线在规定方向裂纹扩展趋势。 7 图 6 示意图显示在设想与具有较低的热膨胀系数比基体金属粉末堆焊残余应力领域的发展情况 图 7 SEM 扫描电镜图像显示石墨与基体之间的马氏过 程。 a 图是与周围石墨边界的。 b图是裂纹随机出现在石墨边界处。 在图 6 中标记的

17、区域是至关重要的，因为这些区域存在较高的残余应力。因此，它的假设是合理的，裂纹大多数是从这些区域开始的，对样品 B1 的研究验证了上面的观点。作者研究了焊缝的余高对焊缝应力场的影响。如果焊缝的余高增加，焊缝裂纹的开裂程度将会增加。大多数组织的裂纹，是通过石墨开裂的，而且有趣的是，基体开裂一般都是从石墨开始的。在调查中显示，裂纹主要是在基体和石墨节点的边界处，而且此处大多数为马氏体组织。然而，目前的一些调查研究也验证了上述命题。 8 通过对样品 B1 的石墨界面的随机裂纹的观察，如图 7。一部分可见的裂纹实际上是石墨。在图 7b 中，裂纹是有基体和石墨界面开始的。相邻的基体和石墨出现裂纹，然后这

18、些进行传播。 通过样品 B1 的裂缝的观察，可以看出这些裂缝可以通过一定的检测手段检测出来。 4.结论 在一定条件下， 镍基自熔性合金球墨铸铁的焊接采用氧乙炔火焰粉末表面沉积可在球墨铸铁热 的 影响区产生裂纹 。开裂的机理主要是有占主导地位的残余应力的大小和发展情况所决定的。在热影响区的石墨节点，较高的焊缝余高有可能到导致较高的残余应力。焊缝金属 的基体金属的热膨胀系数之间的兼容性 是 预防开裂 主要因素。对裂纹存在的条件是马氏体存于热影响区的矩阵中。即使在氧乙炔的工艺中，当采用镍基合金粉末焊接对大型零件进行焊接时，容易产生较高的冷却速率，因此在热影响区容易产生马氏体。 9 参考文献 1 Am

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