鑄鐵件在不同冷焊工藝下的金相組織分析

韓 強，范成坤，楊恒遠，王曉麗，王文明，顏景濱

（濰柴重機股份有限公司 大缸徑材料成型中心，山東濰坊 261001）

在大型柴油機機體、氣缸蓋等工件的鑄造生產(chǎn)加工過程中，鑄件上會出現(xiàn)許多諸如氣孔、砂眼、夾渣、冷隔、裂紋等缺陷，會影響鑄件可靠性和使用壽命。出于成本的考慮，當缺陷出現(xiàn)在非重要部位時，常對其進行焊補，焊補法應(yīng)用最廣、最可靠。本文主要針對不同材質(zhì)鑄鐵分別在電火花堆焊和激光熔覆兩種冷焊工藝下進行組織分析。

1 電火花堆焊工藝及激光熔覆工藝介紹

1.1 電火花堆焊工藝

電火花堆焊技術(shù)是利用高頻電火花放電原理，將電源存儲的高能量電能，在金屬電極與母材間瞬間高頻釋放，通過電極材料與母材之間的空氣電離，形成通道，在母材表面產(chǎn)生瞬間高溫、高壓微區(qū)，同時離子態(tài)的電極材料在微電場作用下熔滲進母材基體，形成冶金結(jié)合（見圖1）。

電火花堆焊特點：金屬制品工件經(jīng)修補后不變形、不退火、溶接強度高、抗磨，可通過金相、拉伸及硬度測試，同時焊材與基體的冶金結(jié)合保證了焊接的牢固性。

1.2 激光熔覆工藝

激光熔覆亦稱激光熔敷或激光包覆，是一種新的表面改進技術(shù)。它通過在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之與基材表面薄層一起熔凝的方法，在基層表面形成冶金結(jié)合的添料熔覆層（見圖2）。

圖2 激光熔覆

激光熔覆特點：熔覆層稀釋度低但結(jié)合力強，與基體呈冶金結(jié)合，可顯著改善基體材料表面的耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化或電氣特性，從而達到表面改性或修復(fù)的目的，滿足材料表面特定性能要求的同時可節(jié)約大量的材料成本。

2 鑄鐵件冷焊組織分析

2.1 灰鐵基體鑄件冷焊組織分析

由于灰口鑄鐵的塑性接近零，抗拉強度又低，所以在焊接應(yīng)力及鑄件組織應(yīng)力的共同作用下，當局部應(yīng)力大于強度極限時就會產(chǎn)生裂紋，嚴重時會使焊縫金屬和母材剝離。

通過灰鐵基體金相組織分析可以發(fā)現(xiàn)相較于電火花堆焊，在激光熔覆工藝下母材與焊層界面熔合線不明顯，熔合能力較好，其焊補質(zhì)量相較于電火花堆焊較為優(yōu)異，見圖3。

圖3 灰鐵基體冷焊金相組織

2.2 球鐵基體鑄件冷焊組織分析

球墨鑄鐵的強度較高，塑性和韌性比較好，焊接接頭的性能需要與母材相匹配，對焊接接頭的力學(xué)性能要求比灰鑄鐵高。其焊補過程中的主要問題是熔合區(qū)產(chǎn)生白口和焊縫出現(xiàn)裂紋，由于焊補時的冷速大，淬硬組織及硬化相的存在很難保證焊補區(qū)與鑄件基體硬度的一致性，給機加工和使用性能造成不利的影響。因此，焊補時不僅需要選擇合理的焊接方法和焊接材料，還需要制定合理的焊接工藝措施和操作措施。

通過球鐵基體金相組織分析可以發(fā)現(xiàn)，電火花堆焊焊縫處熔合不良，存在空洞類缺陷，相較于電火花堆焊，在激光熔覆工藝下母材與焊層界面熔合線不明顯，熔合能力較好，其焊補質(zhì)量相較于電火花堆焊較為優(yōu)異，見圖4。

圖4 球鐵基體冷焊金相組織100x

2.3 蠕鐵基體鑄件冷焊組織分析

蠕鐵中的石墨全部以不同尺寸的蠕蟲狀形態(tài)分布于基體上，由于石墨形態(tài)介于片狀和球狀之間，所以其強度與球墨鑄鐵接近并具有一定的韌性。

通過蠕鐵基體金相組織分析可以發(fā)現(xiàn)，電火花堆焊工藝下焊縫熔合區(qū)較寬，焊材區(qū)存在較多空洞類缺陷，相較于電火花堆焊，在激光熔覆工藝下母材與焊層界面熔合線不明顯，熔合能力較好，其焊補質(zhì)量相較于電火花堆焊較為優(yōu)異，見圖5。

圖5 蠕鐵基體冷焊金相組織

3 結(jié)論

通過對灰鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵分別在電火花堆焊和激光熔覆的焊補工藝下的組織性能分析，可以得出：（1）電火花堆焊和激光熔覆工藝下的熔合性：灰鑄鐵＞蠕墨鑄鐵＞球墨鑄鐵；（2）同類基體下的鑄鐵件，激光熔覆相較于電火花堆焊，母材與焊材熔合能力較好，焊補質(zhì)量較好。