1實(shí)驗(yàn)過(guò)程
1.1母材的選擇及制備
將一塊HT200母材切割成60mm×40mm×10mm板若干塊。
HT200的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，）為：2.73.6C，1.02.2Si，0.51.3Mo，P<0.13，S<0.15。
1.2焊條的選擇及制備
焊條是涂有藥皮的供電弧焊用的熔化電極，它由藥皮和焊芯兩部分組成。焊條藥皮是壓涂在焊芯表面上的涂料層。焊芯是焊條中被藥皮包裹的金屬芯。焊條藥皮具有三個(gè)作用：保護(hù)作用、冶金作用和使焊條具有良好的工藝性能。
自制的銅鐵焊條是用銅絲和普通低碳鋼焊條捆綁而成。其方法是：將銅絲均勻地捆綁在直徑為3.2mm的E4303焊條，捆綁銅絲的數(shù)量根據(jù)需要可進(jìn)行調(diào)整，并在焊條頭部把銅絲與焊條金屬點(diǎn)焊上，使其與焊芯具有良好的導(dǎo)電性。國(guó)內(nèi)其他關(guān)于灰鑄鐵焊條的文章[4]也曾提到自制銅基焊條的做法，其中有提到用銅絲均勻纏繞在焊條上的做法，本試驗(yàn)也曾采用這種做法，但在試驗(yàn)幾次的情況下發(fā)現(xiàn)這種纏繞方法所制出的焊條焊接時(shí)焊條電弧燃燒不穩(wěn)定且銅絲隨焊條產(chǎn)生的高溫而向四外彎曲不再緊靠焊條周圍，從而容易造成銅絲與焊條熔化速度不一致或銅絲未熔化而未進(jìn)入焊縫中去。所以本試驗(yàn)采用束裝方式制備銅基焊條。
自制的鎳銅焊條是將銅絲捆在Z308焊條上制成鎳銅合金鑄鐵焊條，其制法與自制銅鐵焊條一樣。
Z308焊條除含Ni外還含有Si、S、Mn、C、Fe等元素。
自制的銅鐵焊條中銅絲含量占總重量的百分比分別為54、66，鎳銅焊條中銅絲含量占總重量的百分比分別為54、66。
1.3實(shí)驗(yàn)設(shè)備和焊接工藝參數(shù)的選擇
采用ZX0-250型弧焊整流器，并用直流反接的焊接方式；試樣的組織分析用XJL-02A立式金相顯微鏡；布氏硬度測(cè)試采用HB-3000布氏硬度機(jī)；用P-2拋光機(jī)進(jìn)纖試樣的拋光處理。
由于使用的焊條直徑為3.2mm，選擇電流的范圍可在90110A范圍內(nèi)調(diào)整。因?yàn)橹绷麟娫措娀∪紵€(wěn)定，采用反接的方式可以使母材熔化比較充分，從而使填充金屬與母材金屬能夠比較充分的混合。
焊接電流的確定如表1所示，焊接速度為4mm/s。
1.4焊接試樣的制備過(guò)程
用制好的不同焊條在切好的鑄鐵板上手工電弧焊。補(bǔ)焊應(yīng)盡量在室內(nèi)進(jìn)行，以防止風(fēng)吹、潮濕等因素對(duì)補(bǔ)焊質(zhì)量的影響。在補(bǔ)焊前對(duì)焊條進(jìn)行相應(yīng)的烘干、保溫等。在補(bǔ)焊過(guò)程中要注意電弧的穩(wěn)定，為減小熱輸入量，施焊時(shí)焊條不做橫向擺動(dòng)。焊后將焊好金屬件空冷后，用DK7732E電火花線切割機(jī)配合手鋸鋸成規(guī)格為50mm×40mm×10mm的試樣。將試樣打磨、拋光、腐蝕并照相，然后做硬度試驗(yàn)。
2實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析
2.1不同填充材料對(duì)焊縫組織的影響
鐵的基體組織可以是鐵素體、珠光體、貝氏體、馬氏體或奧氏體，但鑄鐵中尚有石墨相，石墨受高溫作用后，碳會(huì)向其附近基體迅速擴(kuò)散，使基體含碳量迅速上升。由于以上原因，鑄鐵的熱影響區(qū)的組織與性能變化就有其自身的特點(diǎn)從而影響其焊接性。灰鑄鐵基體是由珠光體加鐵素體組成的，其硬度都在240HBS以下，具有良好的加工性。焊補(bǔ)灰鑄鐵時(shí)，在接頭的熔合區(qū)往往會(huì)產(chǎn)生一層白口組織，這種現(xiàn)象稱為鑄鐵的白口化。白口產(chǎn)生的原因，主要是由于冷卻速度快和石墨化不足，白口鑄鐵硬而脆，難以進(jìn)行機(jī)加工，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生裂紋。
灰口鑄鐵的焊接接頭大致可以分成六個(gè)區(qū)域，即：焊縫區(qū)、熔合區(qū)、奧氏體區(qū)、重結(jié)晶區(qū)、碳化物石墨區(qū)、球化區(qū)和原始母材區(qū)。
（1）焊縫區(qū)灰口鑄鐵HT200中C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3～3.3。如果采用普通低碳鋼焊條施焊，熔合比約為1/3～1/4，其焊縫區(qū)C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.7～1。屬于高碳鋼。這種高碳鋼焊縫在快冷后將出現(xiàn)很多淬硬的馬氏體，純馬氏體硬度可高達(dá)500HB左右。如果采用銅絲纏繞普通低碳鋼焊條施焊，銅絲不斷地熔入熔池，鐵水的化學(xué)成分發(fā)生了變化，已不是原來(lái)意義上的鑄鐵，這時(shí)石墨的析出量會(huì)大量增加，滲碳體的析出量會(huì)有所減少。因?yàn)樵诶鋮s速度一定的條件下，熔池中鐵水的化學(xué)成分對(duì)析出石墨和滲碳體的多少有很大的影響。
S是強(qiáng)烈阻礙石墨化的元素，熔池中的Cu會(huì)與S生成硫化銅，從而抵消S的有害作用，促進(jìn)石墨(用石墨爐檢測(cè)塑料中鉛和鎘)化的完成；Mn既是阻礙石墨化的元素，又促進(jìn)滲碳體的形成，熔池中的Mn再與Cu形成銅錳合金，削弱Mn的這種作用，也就減少了滲碳體的形成，增加了石墨的析出量。正是由于Cu的這些作用，才使得焊縫區(qū)的白口化趨勢(shì)大大減弱，硬度也有所下降。當(dāng)然在飽和銅的熔池里，同樣進(jìn)行激烈的冶金反應(yīng)，過(guò)量的Cu被燒損。
（2）熔合區(qū)灰口鑄鐵焊接時(shí)，該區(qū)的溫度在1150～1250℃范圍內(nèi)，熔融的Cu也會(huì)擴(kuò)散到這一區(qū)域。熔合區(qū)中靠近熔池的一側(cè)有Cu參與的冶金反應(yīng)；靠近母材的一側(cè)會(huì)受到片狀石墨中C的擴(kuò)散作用，形成飽和碳的奧氏體，使這里的碳含量比焊縫區(qū)相對(duì)高一些。隨著溫度的降低，F(xiàn)e原子和Cu原子在爭(zhēng)奪晶格位置時(shí)相互取代，形成金屬固溶體，從而削弱了鐵碳之間的親合力，飽和碳的奧氏體便可以石墨形式析出一定量的C，滲碳體和二次滲碳體也會(huì)有所減少，塑性有所提高。
（3）奧氏體區(qū)該區(qū)處于固相線與共晶線之間，加熱溫度范圍約為8201150℃，此區(qū)無(wú)液相出現(xiàn)。
該區(qū)中基體已奧氏體化，碳在奧氏體中的濃度是不一樣的，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（離半熔化區(qū)較遠(yuǎn)），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(shí)，如果冷速較快（如電弧冷焊），會(huì)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。轉(zhuǎn)變快時(shí)，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w類型組織。冷卻更快時(shí)，會(huì)產(chǎn)生馬氏體與殘余奧氏體。由于以上原因，該區(qū)硬度比母材有一定提高。熔焊時(shí)，采用適當(dāng)工藝措施使該區(qū)緩冷，可使奧氏體直接析出石墨，而避免二次滲碳體析出，同時(shí)防止馬氏體的形成。
（4）重結(jié)晶區(qū)該區(qū)很窄，其加熱溫度范圍約為780820℃。由于電弧焊時(shí)該區(qū)加熱速度快，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(guò)程中，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w類型組織。冷卻很快時(shí)，也可能出現(xiàn)一些馬氏體。
其他加熱溫度更低的區(qū)域，焊后組織變化不明顯或無(wú)變化。
由于采用了異質(zhì)焊縫的焊條，焊縫金屬與母材金屬不能同時(shí)腐蝕。照片中呈黑白相間的條紋狀區(qū)域是半熔化區(qū)，這個(gè)區(qū)域組織即為亞共晶白口組織，主要由滲碳體、珠光體和高碳馬氏體組成，這一區(qū)域的硬度最高。從幾張照片比較來(lái)看，自制銅鐵焊條的白口寬度與比制鎳銅焊條的白口寬度略寬。
2.2不同填充材料對(duì)焊縫性能的影響
灰鑄鐵接頭的加工性常用布氏硬度值來(lái)衡量。
對(duì)于灰鑄鐵電弧冷焊接頭來(lái)說(shuō)，要完全消除接頭的白口和淬硬組織是很難的。因此，要降低接頭布氏硬度值，改善加工性，除了要減少接頭的白口及淬硬組織外，要盡可能減小白口及淬硬組織分布的寬度。也就是說(shuō)，接頭加工性必須由白口及淬硬區(qū)的硬度值，以及它的寬度兩個(gè)指標(biāo)共同來(lái)評(píng)定，由硬度曲線可以看出，越靠近焊縫的地方硬度越高，且硬度最大值因焊條的不同而變化。鎳銅焊條的硬度要比銅鐵焊條的硬度低。采用銅鐵焊條所焊的焊接接頭，其半熔化區(qū)硬度高，且白口寬度大，接頭最高硬度值達(dá)到350HB，用鎳銅焊條所焊接頭最高硬度值也達(dá)297HB。一般認(rèn)為焊接接頭的硬度在300HBS以下，進(jìn)行機(jī)械加工是可以的，但要順利加工，最好在270HBS以下。就加工性比較而言，含銅量為54和66的自制鎳銅焊條的焊接接頭的硬度也能符合要求。從價(jià)格上考慮，且銅對(duì)焊縫的影響也是起降低硬度的作用，所以對(duì)于一些非加工面或加工面要求不高的焊補(bǔ)，可以采用含銅量為66的銅鐵焊條。
3結(jié)論
（1）電弧冷焊灰鑄鐵時(shí)，白口和淬硬組織是不可避免的。用銅鐵焊條和鎳銅焊條焊接時(shí)白口傾向得到了減弱。
（2）接頭加工性由白口寬度和最高硬度共同決定，白口寬度越小、硬度越低，則加工性越好。鎳銅焊條接頭加工性好，而用E4303焊條捆綁銅絲的自制銅鐵焊條接頭硬度較大。
（3）從經(jīng)濟(jì)性角度考慮，可在一些非加工面或加工面要求不高的焊補(bǔ)的情況下，用銅鐵焊條替代鎳銅焊條。
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