第一章概述
鑄鐵是常用的金屬材料，它具有良好的鑄造性、耐磨性、切削加工性、吸振性等，所以在機械製造業及其他工業部門中被廣泛的應用。但由於鑄鐵本身效能和顯微組織的特點，很少被用作焊接結構件，然而，在鑄鐵件使用過程中或鑄造過程中，由於種種原因，鑄件經常會出現各種缺陷，例如斷裂、裂紋、縮孔、未澆滿以及在切削加工過程中產生的其他缺陷等。因此經常會遇到用焊接方法修復鑄件的問題。
但鑄鐵補焊或焊接會形成焊接過程中的激熱驟冷，冶金過程的急變，會引起很多焊接問題，對於鑄鐵的補焊或焊接是一項急待解決的問題。
鑄鐵的種類很多，用的最廣泛的是灰鑄鐵和球墨鑄鐵。為了能順利地進行各類鑄鐵件的焊補，必須對各類鑄鐵的效能、特點有充分的了解。（詳見表1.1 鑄鐵的分類）
表 1.1 鑄鐵的分類
鑄鐵屬於焊接性不良的金屬材料，這主要是由於鑄鐵本身的特殊性決定的。此外，鑄件原來的工作條件、結構的複雜程度及對焊縫及近縫區效能的不同要求，更使鑄鐵補焊問題複雜化。例如有的要求焊後能進行切削加工，有的沒有此要求；有的要求補焊處顏色和母材相同；有的要求有足夠的強度，有的對強度要求不高。
由此可見，鑄鐵的焊接，不可能以一種方法或一種措施來解決問題。應對具體情況作具體分析，綜合考慮採用焊接方法和相應的措施。
鑄鐵的特殊效能決定鑄鐵的焊接方法是多種多樣的，在實際的工業生產中應用的鑄鐵焊接方法有焊條電弧焊、co2氣體保護焊、藥芯焊絲電弧焊、氣焊、手工電渣焊、火焰釺焊及火焰粉末噴熔（焊）等。應用最廣泛的焊接方法是焊條電弧焊，co2氣體保護焊和藥芯焊絲電弧焊應用範圍正在逐步擴大。本書著重介紹焊條電弧焊和co2氣體保護焊。
鑄鐵焊接在工程中的應用越來越廣，本書選取了鑄鐵焊接在工程應用中的例項來做詳細的說明。
第二章常用鑄鐵的種類、效能和用途
從化學成分角度看，鑄鐵實際上是含碳（質量分數）為1.7%～4.0%的鐵-碳-矽三元合金。
此外，還含有少量錳、硫、磷等雜質元素。某些有特殊效能要求的鑄鐵，還加入鎳、鉻、鋁、銅等合金元素。
鑄鐵的力學效能雖然與其化學成分有關，更大程度上與其顯微組織有關。然而，鑄鐵的顯微組織又受其化學成分及熔鑄條件、高溫時冷卻速度等因素的影響而變化。
碳是鑄鐵中的主要元素，除少量溶解於金屬基體中而形成鐵素體或珠光體外，大部分是以自由狀態的石墨或碳化鐵（滲碳體）這種化合物狀態存在於金屬基體中。石墨的強度很低，碳化鐵則是硬而脆的物質。因此，鑄鐵組織中石墨的數量、形態、分布情況對其力學效能有很大的影響。
根據碳在鑄鐵中的存在情況，可將鑄鐵分為白口鑄鐵、灰鑄鐵、球墨鑄鐵以及可鍛鑄鐵等數種。某些有特殊效能要求的鑄鐵，基本上是在上述鑄鐵的基礎上變化的。表2.
1列出了這些鑄鐵的名稱、代號及國家標準號。
表 2.1 鑄鐵的名稱、代號及牌號表示方法（gb/t 5612-1985）
2.1 白口鑄鐵
白口鑄鐵鑄鐵中碳以滲碳體形態存在，其斷面為灰白色。是一種良好的抗磨材料，在磨料磨損條件下工作。白口鑄鐵包括普通白口鑄鐵、低合金白口鑄鐵、中合金白口鑄鐵、高合金白口鑄鐵。
普通白口鑄鐵中國早在春秋時代就製成了抗磨性能良好的白口鑄鐵，用作一些抗磨零件。這種鑄鐵具有高碳低矽的特點，有較高的硬度，但很脆，適用於製造衝擊載荷小的零件，一般用在犁鏵、磨片、導板等方面。生產中常採用熱處理的方法來改善其效能，擴大它的應用範圍。
碳對於普通白口鑄鐵的耐磨效能起最重要的作用，含碳量愈高，則形成的滲碳體愈多，構成大量的萊氏體，因而硬度愈高，耐磨性也就愈好。但含碳量高，韌性則下降。應根據零件的具體工作條件，來選擇數量和分布。
通常白口鑄鐵的硬度與含碳量成直線關係，即hs=16.7c+13（hs-肖氏硬度；c-含碳量百分比）。
2.2 灰鑄鐵
灰鑄鐵是因斷面呈灰色而得名。灰鑄鐵中的碳以片狀石墨的形式存在於珠光體或鐵素體或二者混合的基體中。典型灰鑄鐵的金相組織由白色不規則塊狀的鐵素體，滲碳體與鐵素體層狀分布的珠光體，端部尖銳、灰色長條的片狀石墨組成，有時含有少量的磷共晶。
石墨片以不同數量和尺寸分布在基體中，對灰鑄鐵的力學效能產生很大影響。石墨含量高且呈粗片狀時灰鑄鐵抗拉強度低，石墨含量低呈細片狀時，其抗拉強度高。基體為純鐵素體時，灰鑄鐵抗拉強度和硬度低，以純珠光體為基體的灰鑄鐵，抗拉強度和硬度均較高。
2.3 球墨鑄鐵
用球化劑對液態鑄鐵澆鑄前進行球化處理可以得到球墨鑄鐵，其石墨呈球狀。我國常用的球化劑為稀土鎂合金。細小圓整的石墨球對鋼基體的割裂作用較小，在相同基體的情況下，其力學效能是所有鑄鐵中最高的。
由於經球化劑處理後的鐵液結晶過冷傾向變大，具有較大的白口傾向，所以，還需要進行孕育處理，促進石墨化過程的進行，避免出現萊氏體組織。
在鑄造條件下獲得的球墨鑄鐵，基體通常為鐵素體+珠光體混合組織，要獲得純鐵素體球墨鑄鐵需經低溫石墨化退火，使珠光體分解為鐵素體和石墨。如果鑄態組織中還有共晶滲碳體，需經高溫石墨化和低溫石墨化二次退火才能獲得鐵素體球墨鑄鐵。
第三章鑄鐵的焊接性分析
鑄鐵的化學成分特點是碳、矽含量高，硫、磷雜質含量高。由於焊接加工具有冷卻速度快，焊件受熱不均勻造成較大焊接應力等特殊性，導致鑄鐵的焊接性較差，表現在焊接接頭容易出現白口及淬硬組織，容易產生裂紋。
3.1 灰鑄鐵的焊接性
灰鑄鐵化學成分的特點是含碳量和s、p雜質均較高，這就決定了其對焊接過程中加熱和冷卻的敏感性，對焊接冷裂紋和熱裂紋的傾向加劇。灰鑄鐵的強度低、塑性差、焊接性不良，其主要問題是焊接接頭中易形成白口鑄鐵與高碳馬氏體組織，裂紋傾向高。
3.1.1 白口化和高碳馬氏體組織的形成
灰鑄鐵熔焊時，在焊縫金屬和熱影響區金屬組織會產生如下不利的變化。
（1） 焊縫區
當焊縫的化學成分與灰鑄鐵母材成分相同時，如採用電弧冷焊工藝焊接，則焊縫金屬的冷卻速度遠大於鑄件的冷卻速度而形成白口鑄鐵組織，其硬度可達600hbw左右。當採用低碳鋼藥皮焊條焊接鑄鐵時，即使採用較低的焊接電流，母材在焊縫中的混合比也將達到25%～30%，使焊縫中平均碳的質量分數提高0.75%～0.
9%。當焊縫冷卻時，則形成高碳馬氏體組織，其硬度可達500hbw左右。這些高硬度組織不僅惡化了焊接接頭的切削性，而且成為引發焊接裂紋的根源。
可以採取以下辦法，防止灰鑄鐵焊接時焊縫組織的白口化和淬硬組織的形成。其一是採用含足夠的石墨化合金元素的焊接材料，採取適當的工藝措施，降低焊縫的冷卻速度，使之形成硬度適中的灰鑄鐵資質；其二是採用異質焊接材料，使焊縫組織為奧氏體、鐵素體或塑性較好的有色金屬，使焊縫內不再形成淬硬組織，並且有一定的塑性。
（2）半熔化區
鑄鐵焊接接頭的半熔化區溫度範圍為1150～1250℃，即處於液相線及共晶轉變下限溫度之間。電弧焊時，此區出去半熔化狀態，其中一部分鑄鐵已熔化成液體，另一部分鑄鐵，則通過石墨中碳的擴散而形成碳飽和的奧氏體。由於電弧焊的加熱速度非常快，有些石墨片中的碳未能向四周完全擴散而殘留細小的石墨片。
在冷卻過程中，此區冷卻速度最快，液態鑄鐵在共晶轉變溫度區間轉變成萊氏體，即共晶滲碳體加奧氏體，繼續冷卻時，從奧氏體析出二次滲碳體。在共析轉變溫度區間，奧氏體轉變為珠光體，形成白口鑄鐵。緊靠半熔化區的原固態奧氏體則轉變為馬氏體。
防止該區白口化和馬氏體形成的主要辦法是採取必要的工藝措施，最大限度地降低接頭的冷卻速度。另一種辦法是採用石墨化元素較多的焊接材料，也有利於消除白口化。
（3）奧氏體區
此區的加熱溫度範圍為820～1150℃，處於共晶轉變下限溫度和共析轉變上限溫度之間，其組織為奧氏體加石墨。加熱溫度較高的部分，由於石墨中的碳向周圍奧氏體擴散較多，奧氏體中碳含量較高，加熱溫度較低的部分，碳向周圍奧氏體擴散較少，則奧氏體中含碳量較低。接頭冷卻過程，如果冷卻速度較慢，則從奧氏體中析出二次滲碳體，滲碳體的數量與奧氏體中的碳含量成直線關係。
奧氏體轉變為托氏體或珠光體。如冷卻速度較快，則轉變成高碳馬氏體組織。奧氏體含碳量越高，則馬氏體的硬度越高。
如採取適當的工藝措施，將接頭的冷卻速度降低到足夠低，可使奧氏體組織內直接析出石墨，避免二次滲碳體的析出，防止馬氏體的形成。
（4）重結晶區
該區的加熱溫度範圍在共析轉變上、下限溫度之間，即在780～820℃區間。其原始組織將部分轉變為奧氏體。當接頭緩慢冷卻時，奧氏體轉變為珠光體，快速冷卻時，則可能轉變為馬氏體。
3.1.2 焊接裂紋的產生
鑄鐵焊接接頭中可能產生兩種形式的裂紋——冷裂紋和熱裂紋。
（1）冷裂紋
鑄鐵熔焊時，可能在焊縫及熱影響區內產生冷裂紋。當採用鑄鐵型焊接材料焊接時，由於焊接區加熱不均勻，冷卻過程中會產生相當大的收縮拉應力。冷卻到500℃以下溫度時，由於鑄鐵強度低，塑性也相當低，如焊接應力超過這種狀態下的鑄鐵抗拉強度，即在焊縫金屬中產生冷裂紋。
當焊縫內存在白口鑄鐵時，更容易產生冷裂紋。如焊縫金屬的基體為灰鑄鐵，則石墨形態對焊縫的抗裂性有較大的影響，粗而長的片狀石墨會引起應力集中，降低焊縫的抗裂性，石墨以細片狀或球狀存在時，則可提高抗裂性。
防止灰鑄鐵型焊縫最有效的辦法是，將焊件進行整體預熱到600～700℃，降低溫度差，減弱焊接收縮應力。也可採用加熱減應力區法，降低焊接區的應力，防止裂紋的產生。
另一種辦法是採用異質焊接材料焊接灰鑄鐵，使焊縫金屬成為奧氏體、鐵素體組織或銅基合金，由於這些材料的塑性較好，如採取合理的焊接工藝，則可避免焊縫金屬內出現冷裂紋。
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