稀有金属 2003,(04),459-463 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2003.04.010
稀土金属对纯镍铸铁焊条抗热裂性影响的研究
湘潭大学机械工程学院 湖南湘潭411105
摘 要：
采用HRL 1型热裂纹试验机测试焊缝临界变形速度的方法 , 研究了常用稀土金属镧、铈、镨、钇及钕在纯镍铸铁焊条冷焊时 , 对焊缝临界变形速度VBL、焊缝微观组织以及热裂敏感性的影响规律。试验结果表明 :焊缝中加入适量的稀土镧、铈、钇和镨 , 有脱硫、脱磷、去除晶界杂质的作用 , 每种稀土金属 , 偏离该最佳值都会使焊缝抗热裂性降低。纯镍铸铁焊条中加入稀土钕会增加焊缝热裂敏感性。稀土镧、铈、钇和镨能在一定范围内显著提高焊缝临界变形速度VBL, 改善纯镍铸铁焊缝抗热裂性能。
关键词：
纯镍铸铁焊条 ;冷焊 ;稀土金属 ;临界变形速度 ;抗热裂性 ;
中图分类号： TG422.1
收稿日期： 2002-06-26
基金： 湖南省青年骨干教师培养经费;
Study on Influence of Rare Earth Metals on Hot Cracking Susceptibility of Pure Nickel Electrode for Welding of Cast Iron
Abstract：
Using the HRL 1 type hot cracking tester and the critical deformation velocity method, the principle and influence of La, Ce, Pr, Y and Nd on weld line critical deformation velocity V BL and microstructure and hot cracking susceptibility of the pure nickel electrode used for cold welding of cast iron was studied. Experiments show that there are uses of desulphurization, dephosphorus and removal impurities from the grain boundaries for the optimum value content of rare earth metal lanthanum, cerium, yttrium, praseodymium in weld metal and the deviate from this value led in a deterioration in hot cracking resistance properties. Neodymium can increase weld metal hot cracking susceptibility of the pure nickel electrode used for cold welding of cast iron. It is concluded that lanthanum, cerium, yttrium and praseodymium increase weld line critical deformation velocity V BL and improve the hot cracking resistance properties of the pure nickel electrode for welding cast iron to some extent.
Keyword：
pure nickel cast electrode; cold welding; rare earth metals; critical strain speed; hot cracking resistance properties;
Received： 2002-06-26
在常规的铸铁异质电弧冷焊焊条中, 以纯镍铸铁焊条的加工性最好, 是铸铁加工面焊接的首选材料。 其冷焊时存在的主要问题是接头抗热裂性不高
[1 ]
。 目前, 关于稀土金属在钢中的影响效果研究得较多, 普遍认为稀土金属的加入可以起到去气、 脱硫、 脱磷、 净化金属的作用
[2 ]
。 而在铸铁中的效果则研究得较少。 有必要系统的研究稀土元素对纯镍铸铁焊条的抗裂性的影响规律, 以期得到最佳的合金系统。
1 试验方法
试验采用HRL-1型变形速度连续改变式热裂纹试验机。 二块铸铁试板互相垂直放置在裂纹试验机上, 形成T型接头。 试验时, 立板固定不动, 水平的底板随试验机的底盘以某一预定的角速度ω 绕纵轴OZ 旋转。 由试板一端向O 点进行单层施焊, 在焊接过程中, 熔池后方形成的脆性区随着熔池向轴O 运动, 如图1所示。 由于底板的旋转, 使加在脆性区上的变形速度V =ω ×R 是一个连续减小的变量。 所以电弧越接近旋转中心O , 焊缝上的脆性区所承受的变形速度越小。 当电弧运动到某一位置R L R L V BL =ω ×R L V BL 值作为评价抗裂性的指标。 为保证测试结果的准确, 以3套试板为一组, 取3个V BL 的平均值作为V BL 测试结果。 铸铁试板的化学成分, 试板规格为: 200 mm×100 mm×10 mm。 在以直径为Φ3.2 mm的纯镍焊芯上, 涂以含普通造渣剂、 造气剂、 石墨化剂和球化剂等成分的基础配方 (大理石 6%, 萤石 25.5%, 碳酸钡 4%, 石墨 28%, 硅铁 23%, 铝粉 5.5%, 木粉 2%) 中, 加入不同数量的稀土元素。 根据焊缝中该合金元素含量的化学分析结果与热裂纹敏感性试验结果。 做出焊缝中某稀土金属含量与V BL 值的关系曲线, 以此得出该合金元素对抗热裂性的影响规律。
2 结果及讨论
图1 热裂纹试验方法示意图
Fig.1 Hot cracking test
2.1 镧对纯镍铸铁焊缝抗热裂性的影响
根据加入不同数量稀土金属镧的焊缝热裂纹实验结果, 得到焊缝含La量与V BL 值之间的关系见图2所示。 由该图可知, 随焊缝含La量的增加, V BL 值逐渐增大。 含La量为0.017%时, V BL 达最大值, 随后又逐渐减小。 由焊缝化学成分分析及电子探针定点定量分析结果表明: 当焊缝含La为0.017%时, S, P, Si和C在晶界的偏析程度明显减小 (见图3) , V BL 值较高。 而焊缝含La量过高时, 晶界的S, P偏析增加, 且会与Ni, Fe, Mn形成低熔点共晶
[4 ,5 ]
, 造成焊缝抗热裂性下降。
图2 稀土镧对VBL值的影响
Fig.2 Effect of La on V BL value
图3 焊缝不同含镧量时电子探针分析结果
Fig.3 Electronic prober analysis for welding seam La amount
G—晶粒内部; B—晶界; —О—0.002%La; —□—0.017%La; —*—0.13%La
2.2 铈Ce对纯镍铸铁焊缝热裂敏感性的影响
焊缝中稀土金属Ce含量与临界变形速度V BL 的关系曲线见图4。 由该图可知, 随Ce含量的变化, 曲线有极值。 当焊缝含Ce量为0.026%时, V BL 最高。 晶界S, P, Si, C数量及偏析程度均比较少 (见图5) 。 这主要是因为适量的Ce与S, P形成高熔点共晶, 起到脱硫、 脱磷、 净化晶界的作用。 而过量的Ce使焊缝晶界S, P, Si, C含量增大, 偏析加剧, 焊缝偏离共晶成分, 导致V BL 降低。 表现为:
图4 焊缝含Ce量与VBL关系曲线
Fig.4 Relationship between Ce and V BL in welding
当焊缝含Ce量超过0.026%后, 随焊缝Ce含量的增加, V BL 值逐渐下降。
2.3 镨对焊缝热裂敏感性的影响
由焊缝含Pr量与V BL 值的关系曲线可知 (图6) : 当焊缝含Pr量很少时, 可以略微提高V BL 值。 随焊缝含Pr量增加, V BL 逐渐减小。 对3组含Pr量不同的焊缝进行电子探针分析结果表明: 当焊缝含Pr量较多时, 晶间偏析的S, P, Si含量随Pr的增加而增加, 尤其是晶间C含量及偏析程度大大增加。 并且分布也逐渐恶化, 必然使焊缝金属偏离共晶成分, 增大脆性温度区, 使V BL 值逐渐降低。
2.4 钇对纯镍铸铁焊缝热裂敏感性的影响
焊缝Y含量与V BL 值之间的关系如图7所示。 根据焊缝抗热裂性试验结果, 随焊缝含Y量增加, V BL 逐渐增加, 当焊缝Y含量为0.052%时 (Y 4 ) , V BL 达最大值。 对含Y量分别为0.014% (Y 2 ) 、 0.052% (Y 4 ) 和0.28% (Y 6 ) 的焊缝进行电子探针分析的结果 (图8) 表明: 当焊缝Y含量为0.052%时, 焊缝中S, P, Si及石墨量较少, 偏析程度明显降低。 随Y含量的增加, 杂质含量增加, 分布恶化, 形成低熔点的硫化物和磷化物, 且过量的Y与Ni, Fe, Mn等形成硬而脆的低熔共晶, 降低V BL 值。 可见Y对焊缝脱硫、 脱磷、 固碳、 细化晶粒和净化焊缝起重要作用。
图5 焊缝金属中不同含Ce量的电子探针分析结果
Fig.5 Electronic prober analysis for welding seam Ce amount
—О—0.007%Ce (C1) ; —?—0.026%Ce (C3) —*—0.22%Ce (C6)
图6 焊缝金属中Pr含量对VBL的影响
Fig.6 Effect of Pr on V BL value
2.5 钕对焊缝热裂敏感性的影响
在焊条药皮中加入不同数量的稀土金属Nd的氧化物, 进行热裂敏感性试验, 结果见图9。 由该图可以看出: 随着焊缝Nd含量的增加, V BL 值逐渐下降。 为了进一步分析出现这种结果的原因, 对焊缝含Nd量分别为: 0.001% (N1) , 0.074% (N4) 和0.34% (N6) 的焊缝进行电子探针分析, 其结果示于图10。 可见随Nd含量的增加, S, P, Si等杂质含量增加, 晶界偏析加剧, C的分布逐渐恶化, 使得V BL 值随焊缝含Nd量的增加而逐渐下降。
3 结 论
1.焊缝中适量的稀土镧能提高焊缝抗热裂性能。
当焊缝含La量为0.017%时, V BL 达最大值, 抗热裂性能最好。 过量的La使焊缝抗热裂性逐渐下降。
2.合适的稀土铈能提高焊缝抗热裂性能。
当焊缝Ce含量为0.026%时, V BL 达最大值。 随焊缝含Ce量进一步增加, V BL 逐渐减小。
3.微量的镨可以提高焊缝抗热裂性能, 但影响较小。
过量的Pr使焊缝抗热裂性逐渐下降。
4.焊缝中适量的稀土钇能很大程度的提高焊缝抗热裂性能。
当焊缝含Y量为0.052%时, V BL 达最大值, 抗热裂性能最好。 随焊缝含Y量进一步增加, V BL 逐渐减小。
5.稀土钕使纯镍铸铁焊条的热裂敏感性增加。
图7 焊缝Y含量与VBL值的关系曲线
Fig.7 Relationship of Y amount and V BL
图9 焊缝含Nd量与VBL值的关系曲线
Fig.9 Relationship between Nd amount and V BL
图8 焊缝金属中不同含Y量的电子探针分析结果
Fig.8 Electronic prober analysis for welding seam of defference Y amount
—О—0.003%Y (Y1) ; —?—0.052%Y (Y4) ; —*—0.28%Y (Y6)
图10 焊缝金属中不同含Nd量的电子探针分析结果
Fig.10 Electronic prober analysis for welding seam of defference Nd amount
—О—0.001%Nd (N1) ; —?—0.013%Nd (N3) ; —*—0.34%Nd (N6)
参考文献
[1] 周振丰. 国外铸铁研究及应用现状[J].焊接, 1982, (2) :l.
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[4] 佟世华. 稀土[M].北京:冶金工业出版社, 1978.132.
[5] 稀有金属应用编写组. 稀有金属应用[M].北京:冶金工业出版社, 1984.10.
