了解焊接铸钢的特性及修复方法

2023-06-28 理论教育版权反馈

【摘要】：在焊接铸钢时，不论是把铸钢件与其他金属材料的焊接，还是同类铸钢的焊接，或是对铸钢件的缺陷进行修复，都必须对铸钢的特性有所了解。只有很好地理解铸钢的特性，才能顺利地施焊或修复铸造缺陷。铸钢的特性主要如下：收缩量大铸钢的熔点高，冷却时收缩量大，容易产生缩孔、龟裂，这是它的固有特性。随着碳含量增加，铸钢的导热性降低，铸钢件中的铸造应力增大，冷裂倾向增大。

在焊接铸钢时，不论是把铸钢件与其他金属材料的焊接，还是同类铸钢的焊接，或是对铸钢件的缺陷进行修复，都必须对铸钢的特性有所了解。铸钢的特性不仅影响了铸造产品的质量，而且对铸钢件的焊接或缺陷补焊修复也有较大的影响。只有很好地理解铸钢的特性，才能顺利地施焊或修复铸造缺陷。铸钢的特性主要如下：

（1）收缩量大铸钢的熔点高，冷却时收缩量大，容易产生缩孔、龟裂，这是它的固有特性。钢液在铸型内冷凝的过程中，体积要发生三次收缩：第一次是合金液从浇注温度冷却到开始凝固的温度，称为液态收缩；第二次是从开始凝固的温度冷却到金属液全部凝固的温度，称为凝固收缩；第三次是从全部凝固的温度冷却到室温，称为固态收缩。液态收缩的大小与浇注温度有关，浇注温度越高，液态收缩越大。一般情况下，在能保证流动性的前提下，应尽量降低钢液的浇注温度。铸钢件在冷却凝固的过程中，一般液态收缩时可以得到浇包中液态金属的补缩，这个阶段的收缩对铸钢件质量影响不大；固态收缩对形成缩孔、缩松缺陷的影响也不大，但如果在凝固收缩时得不到补缩，就会在铸钢件最后凝固的部位（如温度最高的中心处）形成细小或分散的孔洞，即缩孔、疏松缺陷。

（2）流动性差钢液的流动性体现了充填铸型的能力。它的流动性比其他金属差，铸造时容易产生缺陷。钢液的流动从浇注入铸型开始，直到凝固过程进行一段时间，析出一部分固相为止。析出的固相呈树枝状。这种树枝状的晶体纵横交织，对钢液的流动产生阻力。交织得越多，阻力就越大。实际上，只要有约占总质量20%的钢液凝成固相，钢液即完全停止流动。

钢液的流动性主要受钢液的过热温度、钢液的碳含量、钢液的净化程度及合金元素的影响。

1）钢液过热温度的影响。钢液的过热温度越大，处于完全液态的时间越长，钢液在铸型中的流动距离就越远，表现出流动性就越好。

2）钢液碳含量的影响。不同碳含量的钢，其结晶温度间隔大小以及树状晶的生长程度不同，因而对穿过枝晶间流动性的钢液产生不同的阻力，从而影响到钢液的流动性。

3）钢液中气体和夹杂物的影响。悬浮在钢液中的气体和夹杂物使钢液变得黏稠，降低其流动性。

4）对于铸钢而言，由于合金元素较高，一方面使凝固时结晶温度范围加大，钢液糊状程度加大，造成流动性变差；另一方面，合金元素高，钢液易发生氧化，这些因氧化形成的氧化渣在钢液充型过程中黏附在浇道型壁，使浇道通道变窄，造成钢液充填能力变差，从而使流动性变差。

5）铸造低合金钢中的合金元素Cr、Mo、V、Ti、Al等降低钢液流动性，当它们含量较高时，容易使铸钢件表面质量变坏，甚至出现皱皮和冷隔等缺陷。

（3）热裂倾向热裂是铸钢件中常见的缺陷。铸钢件高温时抗拉强度低，因此在收缩时，由于砂型的阻碍或冷却速度的不同而产生内部应力，致使冷却较慢的部分或者在冷却不同的位置上容易形成热裂纹。这是因为铸钢件在凝固的后期，固相骨架已经形成并开始线收缩，由于收缩受阻，铸钢件中产生应力和应变。当应力和变形超过合金在该温度下的强度极限和变形能力时，铸钢件便产生裂纹。对铸造合金高温力学性能的研究表明，在固相线附近铸造合金的强度和断裂应变都很低，合金呈脆性断裂。

铸钢中的C、S、P、Mn等元素对热裂影响较大。碳含量很低的钢和高碳钢比较容易产生热裂，而碳含量在0.2%（质量分数）左右的钢则不容易形成热裂。S和P都是促使钢产生热裂的元素，在碳钢中Mn对于防止热裂具有良好的作用。

在实际生产中，由于铸钢件结构特点或其他因素造成铸钢件各部分冷却速度不一致，致使铸钢件凝固过程中各部分的温度不同，抗变形能力也就不同。铸钢件的温度分布越不均匀，集中变形越严重，产生热裂的倾向性就越大。铸件上的热节处、内浇口引入处和冒口的根部积蓄的热量多，长时间处于未凝固状态，很容易在这些部位产生热裂。

（4）组织致密性差铸钢件晶粒粗大，冒口下杂质多，成分偏析，金属组织致密性差，容易造成冒口部位的母材抗拉强度低。由于冒口是铸钢件最后凝固的地方，凝固时间长导致冒口下组织晶粒粗大。晶粒粗大、组织致密性差，造成该部位的材料抗拉强度低。铸钢件在自然状态下的重力凝固，是非平衡凝固，在凝固过程中会存在溶质分配造成化学成分不均匀产生偏析，加之凝固时间长，由于偏析使得低熔点物质容易集中在晶粒边界，降低铸钢件的塑性和抗拉强度。

（5）表皮或接近表皮部分质量好铸钢件表皮或接近表皮部分的质量好，金属比较致密。液态金属浇注到温度较低的铸型中，在型壁附近的熔液中产生较大的过冷度而大量生核，这些晶核迅速长大并互相接触，从而形成无规则排列的表面细等轴晶。由于细晶粒区的存在，铸钢件表皮尽管有脱碳层，但在近表面的地方并没有缩孔，该部分金属比较致密，所以就是在机械加工前进行热处理，也不易产生裂纹。因此，根据铸钢表面层金属进行设计和直接在表面层上施焊都是比较理想的。

（6）冷裂倾向冷裂是铸钢件冷却到700℃以下时，由于铸造内应力（热应力和收缩应力之和）过大而引起的，冷裂时往往发出响声，裂纹的内表面洁净、颜色光亮，这说明是在较低温度下开裂的。铸钢件上的冷裂纹一般呈直而光滑的形状。影响铸钢件产生冷裂的因素有以下三方面：

1）化学成分的影响。铸钢件的化学成分和钢液的熔炼质量对冷裂倾向影响很大。随着碳含量增加，铸钢的导热性降低，铸钢件中的铸造应力增大，冷裂倾向增大。磷增大钢的冷脆性，促使铸钢件产生冷裂。

2）钢液的脱氧程度的影响。脱氧不良时，凝固后的钢中存在有较多的氧化铁夹杂物，从而降低了钢的强度和塑性，使钢容易产生冷裂。

3）工艺因素的影响。结构上各部分壁厚不均、形状复杂的大型铸钢件容易产生冷裂。因为在铸钢件凝固后的冷却过程中，厚壁部分与薄壁部分的收缩时间不一致，会产生较大的内应力，促使铸钢件开裂。开箱过早，使铸钢件暴露在空气中，冷却速度快而产生大的内应力，因而容易开裂。此外，切割高碳钢或低合金钢等铸钢件冒口时，铸钢件局部受到强烈的加热，而临近的部分仍然温度很低，这种情况下也很容易开裂。

了解焊接铸钢的特性及修复方法

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