【正文】 的途徑。 半熔化區(qū)特點：該區(qū)被加熱到液相線與共晶轉(zhuǎn)變下限溫度之間，溫度范圍1150～1250℃。該區(qū)處于液固狀態(tài)，一部分鑄鐵已熔化成為液體，其它未熔部分在高溫作用下已轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。1）冷卻速度對半熔化區(qū)白口鑄鐵的影響冷卻很快，液態(tài)鑄鐵在共晶轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間轉(zhuǎn)變成萊氏體，即共晶滲碳體加奧氏體。繼續(xù)冷卻則為C飽和的奧氏體析出二次滲碳體。在共析轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。由于該區(qū)冷速很快，在共析轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間，可出現(xiàn)奧氏體→馬氏體的過程，并產(chǎn)生少量殘余奧氏體。其左側(cè)為亞共晶白口鑄鐵，其中白色條狀物為滲碳體，黑色點、條狀物及較大的黑色物為奧氏體轉(zhuǎn)變后形成的珠光體。右側(cè)為奧氏體快冷轉(zhuǎn)變成的竹葉狀高碳馬氏體，白色為殘余奧氏體。還可看到一些未熔化的片狀石墨。當半熔化區(qū)的液態(tài)金屬以很慢的冷卻速度冷卻時，其共晶轉(zhuǎn)變按穩(wěn)定相圖轉(zhuǎn)變。最后其室溫組織由石墨+鐵素體組織組成。當該區(qū)液態(tài)鑄鐵的冷卻速度介于以上兩種冷卻速度之間時，隨著冷卻速度由快到慢，或為麻口鑄鐵，或為珠光體鑄鐵，或為珠光體加鐵素體鑄鐵。影響半熔化區(qū)冷卻速度的因素有：焊接方法、預(yù)熱溫度、焊接熱輸入、鑄件厚度等因素。例：電渣焊時，渣池對灰鑄鐵焊接熱影響區(qū)先進行預(yù)熱，而且電渣焊熔池體積大，焊接速度較慢，使焊接熱影響區(qū)冷卻緩慢，為防止半熔化區(qū)出現(xiàn)白口鑄鐵焊件預(yù)熱到650～700℃再進行焊接的過程稱熱焊。這種熱焊工藝使焊接熔池與HAZ很緩慢地冷卻，從而為防止焊接接頭白口鑄鐵及高碳馬氏體的產(chǎn)生提供了很好的條件。研究灰鑄鐵試板焊件、熱輸入相同時，隨板厚的增加，半熔化區(qū)冷卻速度加快。白口淬硬傾向增大。2）化學成分對半熔化區(qū)白口鑄鐵的影響鑄鐵焊接半熔化區(qū)的化學成分對其白口組織的形成同樣有重大影響。該區(qū)的化學成分不僅取決于鑄鐵本身的化學成分，而且焊逢的化學成分對該區(qū)也有重大影響。這是因為焊逢區(qū)與半熔化區(qū)緊密相連，且同時處于熔融的高溫狀態(tài)，為該兩區(qū)之間進行元素擴散提供了非常有利的條件。某元素在兩區(qū)之間向哪個方向擴散首先決定于該元素在兩區(qū)之間的含量梯度（含量變化）。元素總是從高含量區(qū)域向低含量區(qū)域擴散，其含量梯度越大，越有利于擴散的進行。提高熔池金屬中促進石墨化元素（C、Si、Ni等）的含量對消除或減弱半熔化區(qū)白口的形成是有利的。用低碳鋼焊條焊鑄鐵時，半熔化區(qū)的白口帶往往較寬。這是因為半熔化區(qū)含C、Si量高于熔池，故半熔化區(qū)的C、Si反而向熔池擴散，使半熔化區(qū)C、Si有所下降，增大了該區(qū)形成較寬白口的傾向。 奧氏體區(qū)該區(qū)被加熱到共晶轉(zhuǎn)變下限溫度與共析轉(zhuǎn)變上限溫度之間。該區(qū)溫度范圍約為820～1150℃，此區(qū)無液相出現(xiàn)該區(qū)在共析溫度區(qū)間以上，其基體已奧氏體化，加熱溫度較高的部分（靠近半熔化區(qū)），由于石墨片中的碳較多地向周圍奧氏體擴散，奧氏體中含碳量較高；加熱較低的部分，由于石墨片中的碳較少向周圍奧氏體擴散，奧氏體中含碳量較低，隨后冷卻時，如果冷速較快，會從奧氏體中析出一些二次滲碳體，其析出量的多少與奧氏體中含碳量成直線關(guān)系。在共析轉(zhuǎn)變快時，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w類型組織。冷卻更快時，會產(chǎn)生馬氏體，與殘余奧氏體。該區(qū)硬度比母材有一定提高。熔焊時，采用適當工藝使該區(qū)緩冷，可使A直接析出石墨而避免二次滲碳體析出，同時防止馬氏體形成。 重結(jié)晶區(qū)很窄，加熱溫度范圍780～820℃。由于電弧焊時該區(qū)加熱速度很快，只有母材中的部分原始組織可轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。在隨后冷卻過程中，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w類組織。冷卻很快時也可能出現(xiàn)一些馬氏體。 裂紋是易出現(xiàn)的缺陷 冷裂紋可發(fā)生在焊縫區(qū)或熱影響區(qū)上1）焊縫處冷裂紋產(chǎn)生部位：鑄鐵型焊縫當采用異質(zhì)焊接材料焊接，使焊逢成為奧氏體、鐵素體，銅基焊縫時，由于焊縫金屬具有較好的塑性，焊接金屬不易出現(xiàn)冷裂紋。起裂溫度：一般在400℃以下。原因：一方面是鑄鐵在400℃以上時有一定塑性；另一方面焊縫所承受的拉應(yīng)力是隨其溫度下降而增大。在400℃以上時焊縫所承受的拉應(yīng)力較小。產(chǎn)生原因：焊接過程中由于工件局部不均勻受熱，焊縫在冷卻過程中會產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力，這種拉應(yīng)力隨焊縫溫度的下降而增大。當焊縫全為灰鑄鐵時，石墨呈片狀存在。當片狀石墨方向與外加應(yīng)力方向基本垂直，且兩個片狀石墨的尖端又靠得很近，在外加應(yīng)力增加時，石墨尖端形成較大的應(yīng)力集中。鑄鐵強度低，400℃以下基本無塑性。當應(yīng)力超過此時鑄鐵的強度極限時，即發(fā)生焊縫裂紋。當焊縫中存在白口鑄鐵時，由于白口鑄鐵的收縮率比灰鑄鐵收縮率大，加以其中滲碳體性能更脆，故焊縫更易出現(xiàn)裂紋。影響因素：① 與焊縫基體組織有關(guān)，焊縫中滲碳體越多，焊縫中出現(xiàn)裂紋數(shù)量越多。當焊縫基體全為珠光體與鐵素體組成，而石墨化過程又進行得較充分時，由于石墨化過程伴隨有體積膨脹過程，可以松弛部分焊接應(yīng)力，有利于改善焊縫的抗裂性。② 與焊縫石墨形狀有關(guān)粗而長的片狀石墨容易引起應(yīng)力集中，會減小抗裂性。石墨以細片狀存在時，可改善抗裂性。石墨以團絮狀存在時，焊縫具有較好的抗裂性能。③ 與焊補處剛度與焊補體積的大小及焊縫長短有關(guān)焊補處剛度大，焊補體積大，焊縫越長都將增大應(yīng)力狀態(tài)，促使裂紋產(chǎn)生。防止措施：①對焊補件進行整體預(yù)熱（550～700℃）能降低焊接應(yīng)力。②向鑄鐵型焊縫加入一定量的合金元素（Mn、Ni、Cu等）使焊縫金屬先發(fā)生一定量的貝氏體相變，接著又發(fā)生一定量的馬氏體相變，則利用這二次連續(xù)相變產(chǎn)生的焊縫應(yīng)力松弛效應(yīng)，可較有效地防止焊縫出現(xiàn)冷裂紋。焊縫二次相變產(chǎn)生焊縫應(yīng)力松弛的原因：其一、金屬及合金在相變過程中塑性增加，這種特性稱相變塑性。其二、貝氏體與馬氏體的比容較奧氏體、珠光體及鐵素體都大，相變過程中的體積膨脹也有利于松弛焊縫應(yīng)力。③加入既能改變石墨形態(tài)又能促使石墨化的元素。例如：Ca 電弧冷焊時，發(fā)現(xiàn)焊縫含一定量Ca時，既能促使焊縫石墨化，又能改變焊縫石墨狀態(tài)。%時[焊縫中C=%、Si=%]，焊縫部分球化，另有部分蠕蟲狀石墨及少量片狀石墨，焊縫中無白口鑄鐵組織。在焊條中加入一定量Ca能改善抗冷裂性能。2）發(fā)生在焊縫熱影響區(qū)的冷裂紋發(fā)生部位：含有較多滲碳體及馬氏體的HAZ，也可能發(fā)生在離熔合線稍遠的HAZ。原因：①在電弧冷焊情況下，在半熔化區(qū)及奧氏體區(qū)產(chǎn)生鐵素體及馬氏體等脆硬組織（～，馬氏體鑄鐵的抗拉強度也不超過147Mpa）。當焊接拉應(yīng)力超過某區(qū)的強度時，就會在該區(qū)發(fā)生裂紋。②半熔化區(qū)上白口鑄鐵的收縮率（%～%）比其相應(yīng)的奧氏體的收縮率（%～%）大得多。在該二區(qū)間產(chǎn)生一定的切應(yīng)力。③在焊接薄壁鑄鐵件（5～10mm）導熱程度比厚壁鑄件差的多，加劇了焊接接頭的拉應(yīng)力。使冷裂紋可能發(fā)生在離熔合線稍遠的熱影響區(qū)上。防止措施：① 采取工藝措施來減弱焊接接頭的應(yīng)力及防止焊接接頭出現(xiàn)滲碳體及馬氏體。如采用預(yù)熱焊。② 采用屈服點較低而且有良好塑性的焊接材料焊接，通過焊縫的塑性變形松弛焊接接頭的部分應(yīng)力。③ 在修復厚大件的裂紋缺陷時，可在坡口兩側(cè)進行栽絲法焊接（坡口大、焊層多、積累焊接應(yīng)力大。為防止HAZ冷裂發(fā)展成剝離性裂紋。） 熱裂紋產(chǎn)生材質(zhì)：采用低碳鋼焊條與鎳基鑄鐵焊條冷焊時，焊縫較易出現(xiàn)屬于熱裂紋的結(jié)晶裂紋。鑄鐵型焊縫對熱裂不敏感，高溫時石墨析出過程中有體積增加，有助于減低應(yīng)力。產(chǎn)生原因：當用低碳鋼焊條焊鑄鐵時，即使采用小電流，第一層焊縫中的熔合比也在1／3～1／4，～%，鑄鐵含S、P量高，焊縫平均含S、P也較高，焊接表層含C及S、P較低，越靠近熔合線，焊縫含C及S、P越高。C與S、P是促使碳鋼發(fā)生結(jié)晶裂紋的有害元素，故用低碳鋼焊條焊接鑄鐵時，第一層焊縫容易發(fā)生熱裂紋。這種熱裂紋往往隱藏在焊縫下部，從焊縫表面不易發(fā)覺。利用鎳基鑄鐵焊條焊接鑄鐵時，由于鑄鐵中含有較多的S、P，焊縫易生成低熔點共晶，如NiNi3S2,644℃,NiNi3P,880℃,故焊縫對熱裂紋有較大的敏感性。解決措施：① 冶金方面：調(diào)整焊縫化學成分，使其脆性溫度區(qū)間縮小，加入稀土元素，增強脫S、P反應(yīng)，使晶粒細化，以提高抗熱裂性能。采用正確的冷焊工藝，使焊接應(yīng)力減低，以及使母材是的有害雜質(zhì)較少熔入焊縫。 小結(jié)灰鑄鐵在化學成分上的特點是碳高及S、P雜質(zhì)高，這就增大了焊接接頭對冷卻速度變化的敏感性及冷熱裂紋的敏感性。在力學性能上的特點是強度低，基本無塑性。焊接過程具有冷速快及焊件受熱不均勻而形成焊接應(yīng)力較大的特殊性。主要問題兩方面：一方面是焊接接頭易出現(xiàn)白口及淬硬組織。另一方面焊接接頭易出現(xiàn)裂紋。焊接接頭如：焊縫區(qū)、半融化區(qū)、奧氏體區(qū)、重結(jié)晶區(qū)易出現(xiàn)白口及淬硬組織。焊縫是易出現(xiàn)的缺陷，如可發(fā)生在焊縫區(qū)或熱影響區(qū)上的冷裂紋和熱裂紋。第四章 灰鑄鐵同質(zhì)（鑄鐵型）焊縫的熔焊 電弧熱焊從有關(guān)焊接歷史文獻中可以知道，金屬極電弧焊發(fā)時后，首先是應(yīng)用于鑄鐵件的焊補。當時焊接冶金還未開始系統(tǒng)研究，人們就用與灰鑄鐵件成分基相同的鑄鐵圓棒（沒有藥皮）作為焊接材料進行鑄鐵件缺陷的焊補嘗試，發(fā)現(xiàn)焊后焊縫易出現(xiàn)裂紋，焊縫白口嚴重，為了解決上述問題，于是人們采取了對工件進行整體預(yù)熱焊接的嘗試，發(fā)現(xiàn)這樣做有助于問題的解決，所以熱焊是鑄鐵焊接應(yīng)用最早的一種工藝，以后焊接工作者又不斷地完善熱焊工藝。將工件整體或有缺陷的局部位置預(yù)熱到600～700℃（暗紅色），然后進行焊補，焊后并進行緩冷的鑄鐵焊補工藝，人們稱“熱焊”。預(yù)熱的選擇：對結(jié)構(gòu)復雜（如缸體）且焊補處拘束度很大的焊件，宜采用整體預(yù)熱，采用局部預(yù)熱焊，會在焊補處產(chǎn)生高拉應(yīng)力，而不再出現(xiàn)裂紋。對結(jié)構(gòu)簡單而焊補的地方拘束度較小的焊件，可采用局部預(yù)熱拘束度大，是指焊縫處于高拉應(yīng)力狀態(tài)中，故易裂，拘束度小，是指焊補的地方有一定的自由膨脹及收縮的余地，焊縫受應(yīng)力小。預(yù)熱溫度不能超過共析溫度下限，否則焊后焊件因相變的結(jié)果，會引起焊件基體組織的變化，從而引起焊件力學性能的變化。電弧熱焊的優(yōu)點：①有效地減少了焊接接頭上的溫差，而且鑄鐵由常溫完全無塑性改變?yōu)橛幸欢ㄋ苄?，灰鑄鐵在600～700℃時，伸長率可達2～3%，再加以焊后緩慢冷卻，焊接應(yīng)力狀態(tài)大為改善。②600～700℃預(yù)熱，石墨化過程進行比較充分，焊接接頭有完全防止白口及淬硬組織的產(chǎn)生，從而有效地防止了裂紋。缺點：①預(yù)熱溫度高，勞動條件很壞，焊補時焊工胸前高溫烤，背后涼風吹（電扇），身體前后溫差很大，工人容易得病。②將焊件加熱到600～700℃需消耗很多燃料，焊補成本高，工藝復雜，生產(chǎn)率低。預(yù)熱方法：一些大型拖拉機廠，汽車廠生產(chǎn)鑄件多，焊補量大，焊補要求高，常裝備有專門進行鑄鐵熱焊的連續(xù)式煤氣加熱爐。鑄鐵焊補前，進入裝有傳送帶的煤氣加熱爐，依次經(jīng)過低溫（200～350℃）、中溫（350～600℃）及高溫（600～700℃）加熱，使焊件升溫緩慢而均勻，然后出爐焊補，焊補后再把焊件送入另一傳送帶，反過來由高溫區(qū)到低溫區(qū)出爐，以消除焊接應(yīng)力。一般中，小型鑄造車間及修配廠常采用地爐或磚砌的明爐加熱，燃料常用焦炭、木炭，也可用煤氣火焰及氧乙炔焰加熱。焊接材料：鑄鐵熱焊時雖采取了預(yù)熱緩冷的措施，但焊縫一般還是快于鑄鐵鐵液在砂型中的冷卻速度，為了保證焊縫石墨化，不產(chǎn)生白口組織且硬度合適，焊縫中總的C、Si含量還應(yīng)稍大于母材。經(jīng)研究認為電弧熱焊時焊縫中W（C）=3%～%，W（Si）=3%～%,W(C+Si)=6%～%為宜。我國目前采用的電弧熱焊焊條有兩種：① 采用鑄鐵芯加石墨型藥皮，鑄248，直徑6mm以上。② 采用低碳鋼芯加石墨型藥皮，鑄208，直徑5mm以下。新國際標準這兩種焊條均屬E2C型焊條。熱焊時采用大直徑鑄鐵芯焊條，配合采用大電流，可加快焊補速度，縮短焊工從事熱焊的時間，熱焊時工人愿意采用大直徑鑄鐵芯焊條。電弧熱焊主要適用于厚度大于10mm以上工件缺陷的焊補，若對10mm以下薄件的焊補，則易發(fā)生燒穿等問題。適用于鑄鐵焊接電弧焊用的藥芯焊絲。外皮由低碳鋼帶制成，內(nèi)裝有石墨、硅鐵、鋁粉等石墨化劑。優(yōu)點：可以用較大焊接電流，熔敷率達5～19kg/h，15mm以上大中厚型缺陷焊接修復。 氣焊應(yīng)用：氧乙炔火焰溫度（3400℃）比電弧溫度（6000～8000℃）低很多，而且熱量不集中，很適于薄壁鑄件的焊補。優(yōu)點：氣焊時需用較長時間才能將焊補處加熱到焊補溫度，而且其加熱面積又較大，實際上相當于焊補處先局部預(yù)熱再進行焊接的過程。在采用適當成分的鑄鐵焊芯對薄壁件的缺陷進行氣焊焊補時，由于冷速較慢，有利于石墨化過程的進行。焊縫易得到灰鑄鐵組織，而HAZ也不易產(chǎn)生白口或其他淬硬組織。缺點：工件受熱面積大，焊接熱應(yīng)力較大，焊補剛度較大的缺陷時比熱焊更生冷裂紋。 焊縫為鑄鐵型的電弧冷焊電弧冷焊優(yōu)點：焊前