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鑄鐵是由鐵、碳和硅組成的高碳合金，通常用于煉鋼或鑄造。由于其脆性，它不能被鍛壓，但可用于制造各種器物。鑄鐵的含碳量高于在共晶溫度下能保留在奧氏體固溶體中的量。鑄鐵
由鐵、碳和硅組成合金的總稱
基本信息
| 中文名 | 鑄鐵 |
| 拼音 | zhù tiě |
| 釋義 | 由鐵、碳和硅組成的合金的總稱 |
| 外文名 | cast iron;foundry iron;foundry pig |
發(fā)展起源
英文名：cast iron
含碳量在2%以上的鐵碳合金。工業(yè)用鑄鐵一般含碳量為2.5%～3.5%。碳在鑄鐵中多以石墨形態(tài)存在，有時也以滲碳體形態(tài)存在。除碳外，鑄鐵中還含有1%～3%的硅，以及錳、磷、硫等元素。合金鑄鐵還含有鎳、鉻、鉬、鋁、銅、硼、釩等元素。碳、硅是影響鑄鐵顯微組織和性能的主要元素。鑄鐵可分為：
①灰口鑄鐵。含碳量較高（2.7%～4.0%），碳主要以片狀石墨形態(tài)存在，斷口呈灰色，簡稱灰鐵。熔點(diǎn)低（1145～1250℃），凝固時收縮量小，抗壓強(qiáng)度和硬度接近碳素鋼，減震性好。由于片狀石墨存在，故耐磨性好。鑄造性能和切削加工較好。用于制造機(jī)床床身、汽缸、箱體等結(jié)構(gòu)件。其牌號以“HT”后面附兩組數(shù)字。例如：HT20-40（第一數(shù)字表示最低抗拉強(qiáng)度，第二組數(shù)字表示最低抗彎強(qiáng)度）。
③可鍛鑄鐵。由白口鑄鐵退火處理后獲得，石墨呈團(tuán)絮狀分布，簡稱韌鐵。其組織性能均勻，耐磨損，有良好的塑性和韌性。用于制造形狀復(fù)雜、能承受強(qiáng)動載荷的零件。
④球墨鑄鐵。將灰口鑄鐵鐵水經(jīng)球化處理后獲得，析出的石墨呈球狀，簡稱球鐵。碳全部或大部分以自由狀態(tài)的球狀石墨存在，斷口成銀灰色。比普通灰口鑄鐵有較高強(qiáng)度、較好韌性和塑性。其牌號以“QT”后面附兩組數(shù)字表示，例如：QT45-5（第一組數(shù)字表示最低抗拉強(qiáng)度，第二組數(shù)字表示最低延伸率）。用于制造內(nèi)燃機(jī)、汽車零部件及農(nóng)機(jī)具等。
⑥合金鑄鐵件。普通鑄鐵加入適量合金元素（如硅、錳、磷、鎳、鉻、鉬、銅、鋁、硼、釩、錫等）獲得。合金元素使鑄鐵的基體組織發(fā)生變化，從而具有相應(yīng)的耐熱、耐磨、耐蝕、耐低溫或無磁等特性。用于制造礦山、化工機(jī)械和儀器、儀表等的零部件。
結(jié)構(gòu)分類
分類
分類方法 | 分類名稱 | 說明 |
按 斷 口 顏 色 | 該鑄鐵中的碳大部分或全部以自由狀態(tài)的片狀石墨形式存在，其斷口呈暗灰色，有一定的力學(xué)性能和良好的被切削性能。 | |
白口鑄鐵 | 白口鑄鐵是組織中完全沒有或幾乎完全沒有石墨的一種鐵碳合金，其斷口呈白亮色，硬而脆，不能進(jìn)行切削加工，很少在工業(yè)上直接用來制作機(jī)械零件。由于其具有很高的表面硬度和耐磨性，又稱激冷鑄鐵或冷硬鑄鐵 | |
麻口鑄鐵是介于白口鑄鐵和灰鑄鐵之間的一種鑄鐵，其斷口呈灰白相間的麻點(diǎn)狀，性能不好，極少應(yīng)用 | ||
按 化 學(xué) 成 分 | 普通鑄鐵 | 是指不含任何合金元素的鑄鐵，如灰鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵等 |
合金鑄鐵 |
展開表格
灰鑄鐵
灰鑄鐵的組織與性能
Wc=2.5%~3.6%
1、灰鑄鐵的組織
（1）鐵素體灰鑄鐵——石墨化過程充分進(jìn)行；
（3）珠光體灰珠鐵——第一、二階段石墨化過程充分進(jìn)行，第三階段石墨化過程完全沒有進(jìn)行；
2、灰鑄鐵的性能
1）灰鑄鐵的性能主要取決于基體的性能和石墨的數(shù)量、形狀、大小、分布狀況。其中以細(xì)晶粒的珠光體基體和細(xì)片狀石墨組成的灰鑄鐵的性能最優(yōu)，應(yīng)用范圍最廣。
3）灰鑄鐵具有良好的鑄造性能、切削加工性能，而且石墨的存在可以起到減磨、減震作用。
1、變質(zhì)處理：澆注前向鐵液中加入變質(zhì)劑，促進(jìn)晶粒細(xì)化。
2、性能：孕育鑄鐵的強(qiáng)度有很大提高，并且塑性、韌性也有所提高。
灰鑄鐵的熱處理
灰鑄鐵的熱處理僅能改變其基體組織，改變不了石墨形態(tài)，因此，熱處理不能明顯改變灰鑄鐵的力學(xué)性能，并且灰鑄鐵的低塑性又使快速冷卻的熱處理方法難以實(shí)施，所以灰鑄鐵的熱處理受大一定的局限性。其熱處理主要用于消除應(yīng)力和改善切削加工性能等。
1、消除內(nèi)應(yīng)力退火（時效處理）——低溫退火。將鑄件置于100~200℃的爐中，緩慢升溫至500~600℃，保溫4~8h緩冷。
2、改善切削性能的退火——高溫退火，降低硬度將鑄件加熱至850~900℃，保溫2~5h，緩冷至400~500℃出爐空冷。
3、表面淬火——提高硬度和耐磨性
灰鑄鐵的牌號及用途
鑄鐵
1、化學(xué)成分：Wc=2.4%~2.8%
2、制造方法：可鍛鑄鐵是一定成分的白口鑄鐵經(jīng)長時間石墨化退火而得到的具有團(tuán)絮狀結(jié)果的石墨的鑄鐵。
3、石墨化退火工藝：900~1000℃保溫15 h后隨爐緩慢冷卻至650℃以下出爐空冷，可得到F基體的可鍛鑄鐵。
球墨鑄鐵
球墨鑄鐵的主要成分
——與灰鑄鐵相比，主要特點(diǎn)是高C、高Si、低S。
球墨鑄鐵的顯微組織
——基體+球狀石墨?；w有F、P、F+P、B下四種。
球墨鑄鐵組織示意圖，如圖所示：
球墨鑄鐵的生產(chǎn)方法
——對鐵液進(jìn)行球化處理和孕育處理而得到。
球墨鑄鐵的性能
——球狀石墨對基體的割裂作用影響最小，因而具有很高的強(qiáng)度、良好的韌性、塑性和切削加工性。
球墨鑄鐵牌號的表示方法
如圖所示：
球墨鑄鐵的熱處理
（2）正火——目的是為了獲得P或P+F基體，細(xì)化組織、提高強(qiáng)度和耐磨性；
（3）調(diào)質(zhì)——為了得到良好的綜合力學(xué)性能；
（4）等溫淬火——為了獲得B下基體的球墨鑄鐵。
可鍛鑄鐵
化學(xué)成分
Wc=2.4%~2.8%
制造方法
石墨化退火工藝
900~1000℃保溫15 h后隨爐緩冷至650℃以下出爐空冷，可得到F基體的可鍛鑄鐵。
可鍛鑄鐵的種類
2）珠光體可鍛鑄鐵——較高強(qiáng)度、硬度和耐磨性。
可鍛鑄鐵的性能
團(tuán)絮狀石墨大大減輕了石墨對基體金屬的割裂作用及應(yīng)力集中現(xiàn)象，所以可鍛鑄鐵的強(qiáng)度比灰鑄鐵高，塑性韌性也有很大提高。
應(yīng)用范圍
但由于退火周期長，工藝復(fù)雜，成本高，只適 用于大批量生產(chǎn)薄壁零件。
可鍛鑄鐵牌號表示方法
見圖所示：
可鍛鑄鐵組織示意圖如圖所示：
用途應(yīng)用
熱處理
鑄鐵平臺
1.消除鑄件白口的高溫石墨化退火
鑄件冷卻時，表層及薄截面處，往往產(chǎn)生白口。白口組織硬而脆、加工性能差、易剝落。因此必須采用退火（或正火）的方法消除白口組織。退火工藝為：加熱到550－950℃保溫2～5 h，隨后爐冷到500-550℃再出爐空冷。在高溫保溫期間，游離滲碳體和共晶滲二次滲碳體和共析滲碳體也分解，發(fā)生石墨化過程。由于滲碳體提高鑄件的機(jī)械性能。有時正火也是球鐵表面淬火在組織上的準(zhǔn)備、正 火分高溫正火和低溫正火。高溫正火溫度一般不超過950～980℃，低溫正火一般加熱到共折溫度區(qū)間820～860℃。正火之后一般還需進(jìn)行回火處理，以消除正火時產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，以達(dá)到鑄件白口的高溫石漠化退火。
為了提高球鐵的機(jī)械性能，一般鑄件加熱到Afc1以上30～50℃（Afc1代表加熱時A形成終了溫度），保溫后淬入油中，得到馬氏體組織。為了適當(dāng)降低淬火后的殘余應(yīng)力，一般淬火后應(yīng)進(jìn)行回火，低溫回火組織為回火馬氏作加殘留貝氏體再加球狀石墨。這種組織耐磨性好，用于要求高耐磨性，高強(qiáng)度的零件。中溫回火溫度為350-500℃回火后組織為回火屈氏體加球狀石墨，適用于要求耐磨性好、具有一定效穩(wěn)定性和彈性的厚件。高溫 回火溫度為500-60D℃，回火后組織為回火索氏作加球狀石墨，具有韌性和強(qiáng)度結(jié)合良好的綜合性能，因此在生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。
3.球鐵的等溫淬火
球鐵經(jīng)等溫淬火后可以獲得高強(qiáng)度，同時兼有較好的塑性和韌性。多溫淬火加熱溫度的選擇主要考慮使原始組織全部A化、不殘留F，同時也避免A晶粒長大。加熱溫度一般采用Afc1以上30～50℃，等溫處理溫度為0～350℃以保證獲得具有綜合機(jī)械性能的下貝氏體組織。稀土鎂鋁球鐵等 溫淬火后σb=1200～1400MPa，αk=3～3.6J/cm2，HRC=47～51。但應(yīng)注意等溫淬火后再加一道回火工序。
4.表面淬火
5.化學(xué)熱處理
石墨化
一、鑄鐵的石墨化過程
鑄鐵中石墨的形成過程稱為石墨化過程。鑄鐵組織形成的基本過程就是鑄鐵中石墨的形成過程。因此，了解石墨化過程的條件與影響因素對掌握鑄鐵材料的組織與性能是十分重要的。
根據(jù)Fe-C合金雙重狀態(tài)圖，鑄鐵的石墨化過程可分為三個階段：
第一階段，即液相亞共晶結(jié)晶階段。包括，從過共晶成分的液相中直接結(jié)晶出一次石墨，從共晶成分的液相中結(jié)晶出奧氏體加石墨，由一次滲碳體和共晶滲碳體在高溫退火時分解形成的石墨。
第三階段，即共析轉(zhuǎn)變階段。包括共析轉(zhuǎn)變時，形成的共析石墨和共析滲碳體退火時分解形成的石墨。
二、影響鑄鐵石墨化的因素
鑄鐵的組織取決于石墨化進(jìn)行的程度，為了獲得所需要的組織，關(guān)鍵在于控制石墨化進(jìn)行的程度。實(shí)踐證明，鑄鐵化學(xué)成分、鑄鐵結(jié)晶的冷卻速度及鐵水的過熱和靜置等諸多因素都影響石墨化和鑄鐵的顯微組織。
1.化學(xué)成分的影響
鑄鐵中常見的C，Si、Mn、P、S中，C，Si是強(qiáng)烈促進(jìn)石墨化的元素，S是強(qiáng)烈阻礙石墨化的元素。實(shí)際上各元素對鑄鐵的石墨化能力的影響極為復(fù)雜。其影響與各元素本身的含量以及是否與其它元素發(fā)生作用有關(guān)，如Ti、Zr、B、Ce、Mg等都阻礙石墨化，但若其含量極低(如B、Ce<0.01%，Ti<0.08%)時，它們又表現(xiàn)出有促進(jìn)石墨化的作用。
2.冷卻速度的影響
一般來說，鑄件冷卻速度趨緩慢，就越有利于按照Fe-G穩(wěn)定系狀態(tài)圖進(jìn)行結(jié)晶與轉(zhuǎn)變，充分進(jìn)行石墨化；反之則有利于按照 Fe-Fe3C亞穩(wěn)定系狀態(tài)圖進(jìn)行結(jié)晶與轉(zhuǎn)變，最終獲得 白口鐵。尤其是在共析階段的石墨化，由于溫度較低，冷卻速度增大，原子擴(kuò)散困難，所以通常情況下，共析階段的石墨化難以充分進(jìn)行。
鑄鐵的冷卻速度是一個綜合的因素，它與澆注溫度、傳型材料的導(dǎo)熱能力以及鑄件的壁厚等因素有關(guān)。而且通常這些因素對兩個階段的影響基本相同。
提高澆注溫度能夠延緩鑄件的冷卻速度，這樣既促進(jìn)了第一階段的石墨化，也促進(jìn)了第二階段的石墨化。因此，提高澆注溫度在一定程度上能使石墨粉化，也可增加共析轉(zhuǎn)變。
3.鑄鐵的過熱和高溫靜置的影響
焊接性
鑄鐵含碳量高，塑性差，組織不均勻，焊接性很差，在焊接時，一般容易出現(xiàn)以下問題：
1、焊后易產(chǎn)生白口組織
2、焊后易出現(xiàn)裂紋
3、焊后易產(chǎn)生氣孔
因此，在生產(chǎn)中，鑄鐵是不作為焊接材料的。一般只用來焊補(bǔ)鑄鐵件的鑄造缺陷以及局部破壞的鑄鐵件。鑄鐵的焊補(bǔ)一般采用氣焊或焊條電弧焊。
鑄件焊補(bǔ)常分為熱焊法和冷焊法兩種。
種類及性能
鑄鐵焊接的應(yīng)用
1、鑄造缺陷的焊接修復(fù)
中國各種鑄鐵的年產(chǎn)量現(xiàn)約為800萬噸，有各種鑄造缺陷的鑄件約占鑄鐵年產(chǎn)量的10%~15%，即通常所說的廢品率為10%~15%，若這些鑄件工報廢，以1997年鑄鐵平均價格計算，其損失每年高達(dá)10億元以上。采用焊接方法修復(fù)這些有缺陷的鑄鐵件，由于焊接成本低，不僅可獲得巨大的經(jīng)濟(jì)效益，而且有利于及時完成生產(chǎn)任務(wù)。
2、已損壞的鑄鐵成品件的焊接修復(fù)。
由于各種原因，鑄鐵成品件在使用過程中會受到損壞，出現(xiàn)裂紋等缺陷，使其報廢。若要更換新的，用鑄鐵成品件都經(jīng)過各種機(jī)械加工，價格往往較貴。特別是一些重型鑄鐵成品件，如鍛造設(shè)備的鑄鐵機(jī)座一旦使用不當(dāng)而出現(xiàn)裂紋，就得停止生產(chǎn)，若要更換新的鍛造設(shè)備，不僅價格昂貴，且從訂貨、運(yùn)貨到安裝調(diào)試往往需要很長時間，所要很長時間處于停產(chǎn)狀態(tài)。這方面的損失是巨大的。若能用焊接方法及時修復(fù)出現(xiàn)的裂紋。
3、零部件的生產(chǎn)
這是指用焊接的方法將鑄鐵（主要是球墨鑄鐵）件與鑄鐵件、各種鋼件或有色金屬焊接起來而生產(chǎn)出零件。現(xiàn)今中國在這方面比較落后，處于剛起步階段。如中國山東某廠已用高效離心鑄造的大直徑球墨鑄鐵管與一般鑄造方法生產(chǎn)的變直徑球墨鑄鐵法蘭用焊接方法連接而制成產(chǎn)品。制造中鑄鐵焊接已成為中國下一步發(fā)展鑄鐵焊接技術(shù)的方向。它往往具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益。
鑄鐵分類
按碳在鑄鐵中存在的狀態(tài)及形式的不同，可將鑄鐵分為：
白口鑄鐵：碳絕大部分以在滲碳體狀態(tài)存在，斷口亮白色，滲碳體硬而脆，機(jī)械中較少應(yīng)用。
灰鑄鐵：石墨片狀存在
可鍛鑄鐵：團(tuán)絮狀
球墨鑄鐵：圓球狀
蠕墨鑄鐵：蠕蟲狀
在相同基體組織情況下，其中以球墨鑄鐵的力學(xué)性能（強(qiáng)度、塑性、韌性）為最高，可鍛鑄鐵次之，蠕墨鑄鐵又次之，灰鑄鐵最差。但由于灰鑄鐵成本低廉，并具有鑄造性、可加工性、耐磨性及減震性均優(yōu)良的特點(diǎn)，是工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種鑄鐵。
常見灰鑄鐵化學(xué)成分：見P100.
灰鑄鐵抗拉強(qiáng)度及硬度的變化是由于機(jī)體組織及石墨大小、數(shù)量不同的結(jié)果。
純鐵素體為基體的灰鑄鐵：強(qiáng)度、硬度最低
純珠光體為基體的灰鑄鐵：強(qiáng)度、硬度較高
改變基體中鐵素體及珠光體相對含量，可得不同的抗拉強(qiáng)度及硬度的HT，石墨呈粗片狀的灰鑄鐵，抗拉強(qiáng)度較低，石墨呈細(xì)片狀的灰鑄鐵其抗拉強(qiáng)度較高。
灰鑄鐵中碳的存在狀態(tài)及其基體組織決定于鑄件冷卻速度
P102 4-1 ①鐵水以很快速度冷卻時，第一階段石墨化過程（共析溫度以上）及第二階段石墨化過程（共析溫度下）完全被抑止將得到共晶滲碳體+二次滲碳體+珠光體組織，即白口鑄鐵組織。[鐵碳相圖：鐵水當(dāng)溫度冷卻到液相時，開始從液相析出（γ）。1147共析溫度。L→γ+Fe3C（共晶滲碳體）溫度下降，A的飽和固溶碳量隨溫度下降而降低，因而析出二次滲碳體，此反應(yīng)持續(xù)到共析溫度。在共析反應(yīng)中，A轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。冷卻到室溫后，組織由共晶滲碳體+二次滲碳體+珠光體組成]。
②鐵水以很慢的速度冷卻時由于滲C體是不穩(wěn)定相，而石墨是穩(wěn)定相。第一階段和第二階段石墨化過程都進(jìn)行得很充分，最后得純鐵素體的灰鑄鐵組織。
③若石墨化的第一階段進(jìn)行很完全，第二階段石墨化過程進(jìn)行得不完全，則得珠光體+鐵素體、灰鑄鐵。
不同元素對鑄鐵石墨化及白口化的影響。P102
焊接性分析
灰鑄鐵焊接性分析
灰鑄鐵在化學(xué)成分上的特點(diǎn)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(xué)性能上的特點(diǎn)是強(qiáng)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。這些因素導(dǎo)致焊接性不良。
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。
(一）焊接接頭易出現(xiàn)白口及淬硬組織
見P103，以含碳為3%，含硅2.5%的常用灰鑄鐵為例，分析電弧焊焊后在焊接接頭上組織變化的規(guī)律。
1.焊縫區(qū)
當(dāng)焊縫成分與灰鑄鐵鑄件成分相同時，則在一般電弧焊情況下，由于焊縫冷卻速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鑄件在砂型中的冷卻速度，焊縫主要為共晶滲碳體+二次滲碳鐵+珠光體，即焊縫基本為白口鑄鐵組織。
防止措施：
焊縫為鑄鐵 ①采用適當(dāng)?shù)墓に嚧胧﹣頊p慢焊逢的冷卻速度。如：增大線能量。②調(diào)整焊縫化學(xué)成分來增強(qiáng)焊縫的石墨化能力。
異質(zhì)焊縫：若采用低碳鋼焊條進(jìn)行焊接，常用鑄鐵含碳為3%左右，就是采用較小焊接電流，母材在第一層焊縫中所占百分比也將為1/3～1/4，其焊縫平均含碳量將為0.7%～1.0%,屬于高碳鋼（C>0.6%）。這種高碳鋼焊縫在快冷卻后將出現(xiàn)很多脆硬的馬氏體。
采用異質(zhì)金屬材料焊接時，必須要設(shè)法防止或減弱母材過渡到焊縫中的碳產(chǎn)生高硬度組織的有害作用。思路是：改變C的存在狀態(tài)，使焊縫不出現(xiàn)淬硬組織并具有一定的塑性，例如使焊縫分別成為奧氏體，鐵素體及有色金屬是一些有效的途徑。
1.半熔化區(qū)
特點(diǎn)：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
V冷很快，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所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(diǎn)、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(dāng)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(dāng)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?yàn)槁榭阼T鐵，或?yàn)?/span>珠光體鑄鐵，或?yàn)橹楣怏w加鐵素體鑄鐵。
例：電渣焊時，渣池對灰鑄鐵焊接熱影響區(qū)先進(jìn)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(jìn)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(xué)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(xué)成分對其白口組織的形成同樣有重大影響。該區(qū)的化學(xué)成分不僅取決于鑄鐵本身的化學(xué)成分，而且焊逢的化學(xué)成分對該區(qū)也有重大影響。這是因?yàn)楹阜陞^(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(jìn)行元素擴(kuò)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(kuò)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(kuò)散，其含量梯度越大，越有利于擴(kuò)散的進(jìn)行。
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?yàn)榘肴刍瘏^(qū)含C、Si量高于熔池，故半熔化區(qū)的C、Si反而向熔池擴(kuò)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。
1.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(kuò)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(kuò)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(dāng)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。
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。
（二）裂紋是易出現(xiàn)的缺陷
1）焊縫處冷裂紋
產(chǎn)生部位：鑄鐵型焊縫
當(dāng)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。
啟裂溫度：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(dāng)焊縫全為灰鑄鐵時，石墨呈片狀存在。當(dāng)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(qiáng)度低，400℃以下基本無塑性。當(dāng)應(yīng)力超過此時鑄鐵的強(qiáng)度極限時，即發(fā)生焊縫裂紋。
當(dāng)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(dāng)焊縫基體全為珠光體與鐵素體組成，而石墨化過程又進(jìn)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(xì)片狀存在時，可改善抗裂性。
石墨以團(tuán)絮狀存在時，焊縫具有較好的抗裂性能。
③ 與焊補(bǔ)處剛度與焊補(bǔ)體積的大小及焊縫長短有關(guān)
焊補(bǔ)處剛度大，焊補(bǔ)體積大，焊縫越長都將增大應(yīng)力狀態(tài)，促使裂紋產(chǎn)生。
補(bǔ)焊
鑄鐵在制造和使用中容易出現(xiàn)各種缺陷和損壞。鑄鐵補(bǔ)焊是對有缺陷鑄鐵件進(jìn)行修復(fù)的重要手段，在實(shí)際生產(chǎn)中具有很大的經(jīng)濟(jì)意義。
（一）鑄鐵的焊接性
鑄鐵的含碳量高，脆性大，焊接性很差，在焊接過程中易產(chǎn)生白口組織和裂紋。
白口組織是由于在鑄鐵補(bǔ)焊時，碳、硅等促進(jìn)石墨化元素大量燒損，且補(bǔ)焊區(qū)冷速快，在焊縫區(qū)石墨化過程來不及進(jìn)行而產(chǎn)生的。白口鑄鐵硬而脆，切削加工性能很差。采用含碳、硅量高的鑄鐵焊接材料或鎳基合金、銅鎳合金、高釩鋼等非鑄鐵焊接材料，或補(bǔ)焊時進(jìn)行預(yù)熱緩冷使石墨充分析出，或采用釬焊，可避免出現(xiàn)白口組織，。
裂紋通常發(fā)生在焊縫和熱影響區(qū)，產(chǎn)生的原因是鑄鐵的抗拉強(qiáng)度低，塑性很差（400℃以下基本無塑性），而焊接應(yīng)力較大，且接頭存在白口組織時，由于白口組織的收縮率更大，裂紋傾向更加嚴(yán)重，甚至可使整條焊縫沿熔合線從母材上剝離下來。防止裂紋的主要措施有：采用純鎳或銅鎳焊條、焊絲，以增加焊縫金屬的塑性；加熱減應(yīng)區(qū)以減小焊縫上的拉應(yīng)力；采取預(yù)熱、緩冷、小電流、分散焊等措施減小焊件的溫度差。
（二）鑄鐵補(bǔ)焊方法及工藝
鑄鐵
表3-9 鑄鐵的補(bǔ)焊方法
表3-10常用鑄鐵焊條
鑄鐵
（1）熱焊及半熱焊 焊前將焊件預(yù)熱到一定溫度（400℃以上），采用同質(zhì)焊條，選擇大電流連續(xù)補(bǔ)焊，焊后緩冷。其特點(diǎn)是焊接質(zhì)量好，生產(chǎn)率低，成本高，勞動條件差。
（2）冷焊 采用非鑄鐵型焊條，焊前不預(yù)熱，焊接時采用小電流、分散焊，減小焊件應(yīng)力。焊縫的強(qiáng)度、顏色與母材不同，加工性能較差，但焊后變形小，勞動條件好，成本低。
（3）也可以采用高分子材料冷焊，這種修補(bǔ)只需要把被修表面清理干凈就可以了，手工直接操作。
（4）冷焊材料的使用方法：首先要處理好被修表面，千萬不可以有銹和油，否則就會造成膠層脫落，進(jìn)行粗化處理是最好，這樣可以增加分子間的結(jié)合力，大大增強(qiáng)修補(bǔ)后的產(chǎn)品使用壽命。還要記住要選擇鑄件本身材料相對應(yīng)的專用冷焊材料
常見焊條
進(jìn)口焊條牌號 | 標(biāo)準(zhǔn)型號 GB/T5117 A5.1 | 主要用途及特點(diǎn) | 熔敷金屬化學(xué)成分（%) 及力學(xué)性能 | |
GMT-422CuCrNi | E4303 | 耐候鋼專用焊條，用于09CrP、09CuPRe 09CuCrNi等耐候鋼焊接，具有良好的耐大氣腐蝕性能 | C≤0.12 Mn 0.40 Si 0.20 S≤0.035 P≤0.040 Cr≤0.60 Cu 0.40 Ni≤0.5 | σb≥420MPa σs≥330MPa δ5≥22% AKV≥27J(0℃） |
GMT-423 | E4301 | 可焊接較重要的低碳鋼結(jié)構(gòu) | C≤0.12 Mn 0.40 Si 0.16 S≤0.035 P≤0.040 | σb≥420MPa σs≥330MPa δ5≥22% AKV≥47J(0℃） |
GMT-425 | E4311 | 用于低碳鋼薄板結(jié)構(gòu)的立向下焊專用焊條 | C≤0.20 Mn 0.40 Si 0.25 S≤0.03 P≤0.040 | σb≥420MPa σs≥330MPa δ5≥22% AKV≥27J(-30℃） |
GMT-426 | E4316 | 用于重要的低碳鋼和低合金鋼的結(jié)構(gòu)焊接，如09Mn2等?？山恢绷鲀捎?/span> | C≤0.12 Mn 1.25 Si≤0.90 S≤0.035 P≤0.040 | σb≥420MPa σs≥330MPa δ5≥22% AKV≥47J(-30℃） |
GMT-427 | E4315 | 用于重要的低碳鋼和低合金鋼的結(jié)構(gòu)焊接，如09Mn2等，僅限用直流施焊 | C≤0.12 Mn≤1.25 Si≤0.90 S≤0.035 P≤0.040 | σb≥420MPa σs≥330MPa δ5≥22% AKV≥47J(-30℃） |
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進(jìn)口焊條牌號 | 標(biāo)準(zhǔn)型號 GB/T5117 A5.1 | 主要用途及特點(diǎn) | 熔敷金屬化學(xué)成分（%) 及力學(xué)性能 | |
純鐵焊條 | -- | C≤0.04 Mn+Si≤1.0 S≤0.03 P≤0.03 | ? | |
GMT-350/GMT-357 | -- | C≤0.04 Mn 0.20/0.50 Si 0.20/0.50 Al≤0.05 S≤0.015 P≤0.015 | σb≥340MPa δ5≥22% AKV≥80J(常溫） | |
GMT-421 | E4313 E6013 | C≤0.07 Mn≤0.40 Si≤0.20 S≤0.035 P≤0.040 | σb≥420MPa σs≥330MPa δ5≥17% AKV≥75J(常溫） | |
GMT-421X | E4313 E6013 | 適用于薄板立向下焊及間斷焊。 | C≤0.08 Mn≤0.50 Si 0.25 S≤0.035 P≤0.040 | σb≥420MPa σs≥330MPa δ5≥17% AKV≥70J(0℃） |
GMT-421Fel6 | E4324 E6024 | C≤0.12 Mn 0.40 Si 0.20 S≤0.035 P≤0.040 | σb≥420MPa σs≥330MPa δ5≥17% AKV≥60J(常溫） | |
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進(jìn)口焊條牌號 | 標(biāo)準(zhǔn)型號 GB/T983 A5.4 | 主要用途及特點(diǎn) | 熔敷金屬化學(xué)成分（%) 及力學(xué)性能 |
GMT-G202 | E410-16 | C≤0.12 Mn 1.0 Si≤0.9 Cr 13 Ni 0.5 | |
GMT-G207 | E410-15 | 0Cr13、1Cr13不銹鋼結(jié)構(gòu)焊接、也可用于耐磨耐蝕堆焊，可全位置焊接 | C≤0.12 Mn 1.0 Si≤0.9 Cr 13 Ni 0.5 |
GMT-A002 | E308L-16 | 用于超低碳Cr19Ni10不銹鋼結(jié)構(gòu)焊接，如00Cr19Ni10、0Cr19Ni11Ti等 | C≤0.04 Mn 1.2 Si≤0.9 Cr 19 Ni 9 Mo≤0.75 |
GMT-A022 | E316L-16 | C≤0.04 Mn 1.2 Si≤0.9 Cr 19 Ni 11 Mo 2.5 | |
GMT-A062 | E309L-16 | 用于超低碳00Cr23Ni13不銹鋼及異種鋼的焊接 | C≤0.04 Mn 1.2 Si≤0.9 Cr 23 Ni 13 Mo≤0.75 |
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進(jìn)口焊條牌號 | 標(biāo)準(zhǔn)型號 GB/T983 A5.4 | 主要用途及特點(diǎn) | 熔敷金屬化學(xué)成分（%) 及力學(xué)性能 |
GMT-A201 | E316-16 | C≤0.08 Mn 1.2 Si≤0.9 Cr 19 Ni 11 Mo 2.5 | |
GMT-A202 | E316-16 | 純氧化性酸介質(zhì)的0Cr18Ni12Mo2不銹鋼結(jié)構(gòu)或作異種鋼的焊接 | C≤0.08 Mn 1.2 Si≤0.9 Cr 19 Ni 11 Mo 2.5 |
GMT-A212 | E318-16 | 用于重要的0Cr18Ni12Mo、00Cr17Ni14M02等不銹鋼的焊接 | C≤0.08 Mn 1.2 Si≤0.9 Cr 18 Ni 11 Nb 0.7 |
GMT-A232 | E318-16 | 用于一般耐熱耐腐蝕的0Cr19Ni10及0Cr18Ni12Mo不銹鋼結(jié)構(gòu)的焊接 | C≤0.08 Mn 1.2 Si 0.9 Cr 18 Ni 12 Mo 2 |
GMT-A302 | E309-16 | C≤0.15 Mn 1.2 Si≤0.9 Cr 24 Ni 13 |
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注意問題
預(yù)防措施
冷裂紋
冷裂紋形成示意圖
當(dāng)焊縫為鑄鐵型時，易于出現(xiàn)焊縫冷裂紋。裂紋發(fā)生時常伴隨著可聽見的較響的脆性斷裂聲音，焊縫較長時或焊補(bǔ)剛性較大的缺陷時，常發(fā)生這種裂紋。其產(chǎn)生的原因是：焊接過程中由于焊件局部不均勻受熱，焊縫在冷卻過程中受到很大的拉應(yīng)力，由于鑄鐵強(qiáng)度低，400℃以下基本無塑性，當(dāng)拉應(yīng)力超過此時鑄鐵的抗拉強(qiáng)度時，即發(fā)生焊縫冷裂紋。當(dāng)焊縫中存在白口鑄鐵時，由于白口鑄鐵的收縮率（2.3%)比灰鑄鐵的收縮率（1.26%)大，故焊縫更易出現(xiàn)冷裂紋，特別是當(dāng)焊縫強(qiáng)大大于母材時，冷卻過程中母材牽制不住焊縫的收縮，結(jié)果在結(jié)合處母材被撕裂，這種現(xiàn)象稱為“剝離”。
當(dāng)焊接接頭剛性大、焊補(bǔ)層數(shù)多，焊補(bǔ)金屬體積大，使焊接接頭處于高應(yīng)力狀態(tài)時，如焊縫金屬的屈服點(diǎn)又較高，難于通過其塑性變形來松弛焊接接頭的高應(yīng)力，則焊接裂紋易于在熱影響區(qū)的白口區(qū)或馬氏體區(qū)產(chǎn)生，形成熱影響區(qū)冷裂紋。
防止冷裂紋最有效的方法是對焊補(bǔ)件進(jìn)行550~700℃的整體預(yù)熱，其次是采用異質(zhì)焊縫的焊接材料。
熱裂紋產(chǎn)生原因
熔煉方法
沖天爐熔煉法
沖天爐結(jié)構(gòu)圖
沖天爐的基本構(gòu)造示如圖1。爐身、風(fēng)箱及煙道等用鋼板焊成。爐身內(nèi)部通常砌以耐火磚層，以便抵御焦碳燃燒產(chǎn)生的高溫作用。為了儲存鐵液，多數(shù)沖天爐都配有前爐。
（2）沖天爐熔煉原理
在熔煉過程中，爐身的下部裝滿焦碳，稱為底焦。在底焦的上面交替裝有一批批的鐵料（生鐵、廢鋼、回爐料、鐵合金等）、焦碳及熔劑（石灰石、螢石等）。通過鼓風(fēng)，使底焦強(qiáng)烈燃燒，產(chǎn)生的高溫爐氣沿爐身高度方向上升，使其上面一層鐵料熔化。
（3）沖天爐熔煉的優(yōu)缺點(diǎn)及其應(yīng)用
沖天爐是最普遍應(yīng)用的鑄鐵熔煉設(shè)備。它用焦炭作燃料，焦炭燃燒產(chǎn)生的熱量直接用來熔化爐料和提高鐵液溫度，在能量消耗方面比電孤爐和其它熔爐節(jié)省。而且設(shè)備比較簡單，大小工廠皆可采用。但沖天爐也存在一定的缺點(diǎn)，主要是由于鐵液直接與焦炭接觸，故在熔煉過程中會發(fā)生鐵液增碳和增硫的過程。
采用了沖天爐一電孤爐雙聯(lián)熔煉法或沖天爐一感應(yīng)電爐雙聯(lián)熔煉法，以充分利用沖天爐熔化效率較高、電孤爐和感應(yīng)電爐對鐵液過熱能力強(qiáng)及化學(xué)成分控制容易的優(yōu)點(diǎn)。
感應(yīng)電爐熔煉
感應(yīng)電爐
感應(yīng)電爐是利用電流感應(yīng)產(chǎn)生熱量來加熱和熔化鐵料的熔爐。爐子的構(gòu)造分為有芯式（圖2）和無芯式兩種，在無芯式感應(yīng)電爐中，坩堝內(nèi)的鐵料在交變磁場的作用下產(chǎn)生感應(yīng)電流，并因此產(chǎn)生熱量，而將其自身熔化和使鐵液過程熱。在有芯式感應(yīng)電爐中，需要加入用其它熔爐（如沖天爐）熔化的鐵液，在環(huán)形鐵芯內(nèi)產(chǎn)生的交變磁場使溝槽內(nèi)的鐵液過程，并利用溝槽中鐵液與其上面熔池中的鐵液循環(huán)作用而加熱全部鐵液。無芯式感應(yīng)電爐具有熔化固體爐料的能力，而有芯感應(yīng)電爐只能過熱已熔化的鐵液，但在過熱鐵液的電能消耗方面，則以有芯感應(yīng)電爐更為節(jié)省。
（2）感應(yīng)電爐熔煉的優(yōu)缺點(diǎn)及其應(yīng)用
與沖天爐熔煉相比，感應(yīng)電爐熔煉的優(yōu)點(diǎn)是熔煉過程中不會有增碳和增硫現(xiàn)象，而且熔煉過程可以造渣覆蓋鐵液，在一定程度上能防止鐵液中硅、錳及合金元素的氧化，并減少鐵液從爐氣中吸收氣體，從而使鐵液比較純凈。這種熔煉方法的缺點(diǎn)是電能耗費(fèi)大。
感應(yīng)電爐適用于熔煉高質(zhì)量灰鑄鐵、合金鑄鐵、球墨鑄鐵及蠕墨鑄鐵等。無芯感應(yīng)電爐能夠直接熔化固體爐料，而且開爐及停爐比較方便，適合于間斷性生產(chǎn)條件。有芯感應(yīng)電爐開爐及停爐不便，適合于連續(xù)性生產(chǎn)。這種爐子熔化固體爐料的熱效率低，而對過熱鐵液的熱效率高，故適于與沖天爐配合使用。如今這兩種形式的感應(yīng)電爐在鑄鐵生產(chǎn)上都得到應(yīng)用。
電弧爐熔煉
電弧爐
電弧爐熔煉是利用石墨電極與鐵料（鐵液）之間產(chǎn)生電弧所發(fā)生的熱量來熔化鐵料和使鐵液進(jìn)行過熱的。生產(chǎn)上普遍使用的是三相電弧爐，其爐體部分的構(gòu)造示于圖3。在電弧爐熔煉過程中，當(dāng)鐵料熔清后，進(jìn)一步地提高溫度及調(diào)整化學(xué)成分的冶煉操作是在熔渣覆蓋鐵液的條件下進(jìn)行。電弧爐依照爐渣和爐襯耐火材料的性質(zhì)而分為酸性和堿性兩種。堿性電弧爐具有脫硫和脫磷的能力。
（2）弧爐熔煉的優(yōu)缺點(diǎn)及其應(yīng)用
電弧爐熔煉的優(yōu)點(diǎn)是熔化固體爐料的能力強(qiáng)，而且鐵液是在熔渣覆蓋條件下進(jìn)行過熱和調(diào)整化學(xué)成分的，故在一定程度上能避免鐵液吸氣和元素的氧化。這為熔煉低碳鑄鐵和合金鑄鐵創(chuàng)造了良好的條件。電弧爐的缺點(diǎn)是耗電能多，從熔化的角度看不如沖天爐經(jīng)濟(jì)，故鑄鐵生產(chǎn)上常采用沖天一電弧爐雙聯(lián)法熔煉。由于堿性電弧爐襯耐急冷急熱性差，在間歇式熔煉條件下，爐襯壽命短，導(dǎo)致熔煉成本高，故多采用酸性電弧爐與沖天爐相配合。
鑄鐵裂紋的修復(fù)
鑄鐵件性脆且鑄造過程中易產(chǎn)生氣孔，在長期的震動和沖擊下，易造成應(yīng)力集中，導(dǎo)致殼體開裂。由于鑄鐵的焊接性較差，加上液壓設(shè)備的密封性要求較高，傳統(tǒng)的焊補(bǔ)工藝根本無法實(shí)現(xiàn)修復(fù)。而現(xiàn)場一般沒有此類設(shè)備的備品備件，購買更換需要大量的停機(jī)時間。此類問題現(xiàn)在多采用高分子復(fù)合材料進(jìn)行修復(fù)，高分子金屬修復(fù)材料優(yōu)良的機(jī)械性能及良好的粘接力、耐壓性，使得該問題得以有效解決。修復(fù)過程：根據(jù)現(xiàn)場情況，建議企業(yè)先用電焊把裂紋上下連接，焊接幾個點(diǎn)用于加強(qiáng)殼體結(jié)構(gòu)力。找到裂紋的終點(diǎn)位置，在終點(diǎn)處打4.2mm止裂孔防止裂紋的進(jìn)一步延伸。用磨光機(jī)沿裂紋打磨干凈，向兩邊擴(kuò)展75px打磨。用無水乙醇清洗干凈后調(diào)和高分子金屬修復(fù)材料配合加強(qiáng)帶對裂紋進(jìn)行修復(fù)治理。
參考資料
[1]
中國社會科學(xué)院語言研究所詞典編輯室 . 現(xiàn)代漢語詞典（第7版） : 商務(wù)印書館 ，2016-9
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