鋼芯石墨化鑄鐵焊補(bǔ)灰口鑄鐵冷裂傾向的試驗(yàn)研究

鋼芯石墨化鑄鐵焊補(bǔ)灰口鑄鐵冷裂傾向的試驗(yàn)研究

0擴(kuò)散氫含量對(duì)灰口鑄造焊接接頭裂紋的影響灰口鑄鐵是廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的金屬結(jié)構(gòu)材料，但其化學(xué)成分特點(diǎn)決定了焊接性差。焊接接觸簡(jiǎn)單、拆卸容易發(fā)生裂紋是鑄鐵焊接的主要問題。在灰口鑄鐵焊接方面,有些研究發(fā)現(xiàn),鑄鐵焊接裂紋具有延遲開裂現(xiàn)象,插銷法可以定量評(píng)定擴(kuò)散氫含量對(duì)灰口鑄鐵熱影響區(qū)裂紋的影響。到目前為止,氫對(duì)灰口鑄鐵焊接裂紋影響方面的研究還停留在宏觀,尚未有人從氫的微觀角度研究它,也沒有人橫向地研究比較不同灰口鑄鐵焊接接頭熱影響區(qū)的抗裂性能。為此,本文采用插銷試驗(yàn)法并配合排液測(cè)氫試驗(yàn)對(duì)此進(jìn)行了探討,建立了擴(kuò)散氫含量與臨界應(yīng)力的關(guān)系曲線;并在此基礎(chǔ)上采用顯微鏡下錄像測(cè)氫法觀測(cè)了氫在灰口鑄鐵焊接接頭中的微觀行為。對(duì)此問題的研究將為防止和消除灰口鑄鐵焊接接頭冷裂紋提供科學(xué)依據(jù)。1試驗(yàn)材料、方法和設(shè)備1.1試驗(yàn)條件優(yōu)化為實(shí)現(xiàn)熔敷金屬含氫量不同,選用三種藥皮中石墨含量不同的鋼芯石墨化鑄鐵焊條,分別指定為1#、2#、3#焊條。文獻(xiàn)認(rèn)為氫在白口鑄鐵中的逸出速度比灰口鑄鐵快,為此選擇適當(dāng)降低抗裂性能良好的鑄鐵焊條藥皮中硅含量作為4#焊條,促使其在本試驗(yàn)條件下在熔合線附近形成一層薄白口,加以對(duì)比研究。4種焊條施焊的焊縫熔敷金屬的C、Si含量見表1。4種焊條直徑均為?4mm。插銷試驗(yàn)底板材料為HT150,銷子材料為HT300,其化學(xué)成分及抗拉強(qiáng)度見表2。排液測(cè)氫試驗(yàn)試板及引、熄弧板材料為HT150,尺寸分別為70mm×20mm×10mm,40mm×20mm×10mm。顯微鏡下錄像測(cè)氫試驗(yàn)材料為HT150,尺寸為20mm×10mm×15mm。1.2擴(kuò)散氫含量與臨界應(yīng)力試驗(yàn)采用甘油置換法(GB/T3965—1995)測(cè)定焊接試件中擴(kuò)散氫的含量。選用PY-4型擴(kuò)散氫測(cè)定儀。焊接參數(shù)為I=140A、U=25V、L=100mm、T=30s。試件焊前充分去油銹,并經(jīng)250℃×2h去氫處理。采用插銷試驗(yàn)法研究灰口鑄鐵焊接接頭擴(kuò)散氫含量與臨界應(yīng)力的關(guān)系。插銷試驗(yàn)的程序及參數(shù)的確定參照文獻(xiàn)。選用HCL-2型插銷試驗(yàn)機(jī),輔以NiCr-NiAl熱電耦及LZ-300型函數(shù)記錄儀測(cè)定、記錄焊接熱影響區(qū)的熱循環(huán)曲線。焊機(jī)選用BX3-400型交流弧焊機(jī)。焊接參數(shù)為I=150A、U=25V、L=100mm、v=135mm/min、H=2.2mm。熱電耦測(cè)溫點(diǎn)距底板2.7mm。焊前將底板預(yù)熱,當(dāng)測(cè)溫點(diǎn)處溫度至400℃時(shí)加載,15s內(nèi)加載完畢。根據(jù)插銷的強(qiáng)度極限,載荷的選取由大到小,將24h內(nèi)2根試件均未斷裂的應(yīng)力值確定為臨界應(yīng)力。通過以上試驗(yàn)建立擴(kuò)散氫含量與臨界應(yīng)力的關(guān)系曲線。采用顯微鏡下錄像測(cè)氫法,觀察焊接區(qū)中氫的微觀擴(kuò)散行為及其逸出的動(dòng)態(tài)過程。選用2#、4#焊條施焊的焊接接頭,對(duì)其焊接區(qū)進(jìn)行連續(xù)24h的錄像觀察;然后利用氫氣泡圖像處理軟件計(jì)算不同時(shí)刻氫的逸出量,表達(dá)為擴(kuò)散氫逸出量與時(shí)間的關(guān)系。2試驗(yàn)結(jié)果及分析2.1金相組織分析在插銷試驗(yàn)中四種焊接接頭的焊縫均由D型和F型石墨組成,且焊道1、2、3的F型石墨依次增多。焊縫基體組織均為馬氏體+殘余奧氏體+屈氏體。焊道1、2、3半熔化區(qū)僅在邊角處有少量的白口,而焊道4半熔化區(qū)有一層薄白口;焊道2、4半熔化區(qū)金相組織見圖1、圖2。奧氏體區(qū)均為奧氏體上鑲嵌著針狀馬氏體,焊道2奧氏體區(qū)金相組織見圖3。測(cè)氫試驗(yàn)的試件焊接接頭的金相組織及石墨形態(tài)與插銷試驗(yàn)相同。2.2高溫和高溫時(shí)對(duì)氫在鐵合金的溶解度的影響4種焊條施焊的焊道中擴(kuò)散氫含量見表3,可以看出焊接接頭的含氫量隨著焊縫中含碳量的增加而減少。這是由于高溫時(shí)氫在鐵合金中的溶解度隨著含碳量的增加而降低,焊道1、2、3在高溫時(shí)溶入的氫依次減少。當(dāng)焊縫凝固時(shí),由于熔池中的結(jié)晶速度很快,氫來不及逸出而被固留在焊縫中。在低溫下,處于過飽和狀態(tài)的氫要極力擴(kuò)散或逸出焊縫。由于3種焊接接頭的組織結(jié)構(gòu)相近,可以認(rèn)為此時(shí)氫在這3種焊接接頭中的溶解度近似相等,因而焊道1、2、3釋放出的擴(kuò)散氫是依次減少的。焊道4熔敷金屬與焊道2相比,含硅量較少。在高溫時(shí),硅對(duì)氫在鐵合金中的溶解度的影響規(guī)律與碳相同,但影響程度較小。因此,焊道4的擴(kuò)散氫含量高于焊道2,而低于焊道1。2.3擴(kuò)散氫含量對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響在插銷試驗(yàn)中,所有的銷子斷點(diǎn)均處于有馬氏體的奧氏體區(qū)。插銷試驗(yàn)結(jié)果見表4及圖4。由試驗(yàn)結(jié)果看出,銷子發(fā)生斷裂的時(shí)間隨預(yù)加載荷的降低而增加,具有延遲開裂現(xiàn)象,且臨界應(yīng)力值明顯低于銷子母材的抗拉強(qiáng)度。在高于臨界應(yīng)力值的一定范圍內(nèi),預(yù)加載荷與發(fā)生斷裂的時(shí)間存在線性關(guān)系。綜合以上試驗(yàn)結(jié)果建立臨界應(yīng)力值與含氫量的關(guān)系見表5及圖5。從圖中可看出灰口鑄鐵焊接接頭的臨界應(yīng)力值隨擴(kuò)散氫含量的增加而減小,即氫對(duì)灰口鑄鐵焊接裂紋有影響。低合金高強(qiáng)鋼焊接接頭臨界應(yīng)力值與擴(kuò)散氫含量的關(guān)系見表6。比較表5和表6可看出,灰口鑄鐵焊接接頭擴(kuò)散氫含量的變化對(duì)臨界應(yīng)力值的影響較高強(qiáng)鋼小,即灰口鑄鐵對(duì)氫致裂紋不甚敏感。這是由于灰口鑄鐵中的片狀石墨與基體間的結(jié)合力較弱,在焊接熱應(yīng)力、組織應(yīng)力和拘束應(yīng)力的共同作用下,石墨所占的空間迅速增加,為氫的存在提供場(chǎng)所,使氫在各缺陷中的濃度降低。正是由于氫有足夠的空間存在,所以當(dāng)氫結(jié)合為分子時(shí),缺陷內(nèi)部的壓力不大。此時(shí)由氫引起的應(yīng)力集中遠(yuǎn)低于大量片狀石墨所引起的應(yīng)力集中,氫對(duì)裂紋的產(chǎn)生不起主導(dǎo)作用。所以,盡管灰口鑄鐵焊接接頭擴(kuò)散氫含量增加較多,而臨界應(yīng)力還是降低較少。2.4熔合線處的氫對(duì)樣品的吸附在顯微鏡下觀測(cè)到無白口的焊接接頭中氣泡大多數(shù)從石墨片的周邊析出(圖6)。證實(shí)了灰口鑄鐵中石墨與基體之間的狹小空間是氫吸附的良好場(chǎng)所。在顯微鏡下觀測(cè)在熔合線處有一層薄白口的4#焊接接頭,發(fā)現(xiàn)其中氫的微觀行為與無白口的焊接接頭中氫的行為類似,只是在白口層與熱影響區(qū)的交界處氫氣泡析出稍多些。這是由于氫在白口鑄鐵中的擴(kuò)散系數(shù)高于灰口鑄鐵,焊縫中的氫向熱影響區(qū)擴(kuò)散時(shí)順利的通過白口層后又受到片狀石墨的吸附作用,不能順利進(jìn)入奧氏體區(qū),而在兩者的交界處發(fā)生堆積。3擴(kuò)散氫對(duì)鑄造裂紋的影響(1)在排液測(cè)氫試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)焊縫中擴(kuò)散氫含量隨焊縫中含碳量的增加而減少。(2)在插銷試驗(yàn)中證實(shí),氫對(duì)灰口鑄鐵焊接裂紋有影響,其規(guī)律與鋼近似,擴(kuò)散氫含量越高,臨界應(yīng)力越低,裂紋傾向越大。與鋼相比,氫對(duì)灰口