鑄鐵(tiě)件的最終性能，主要(yào)決定于其在凝固過程(chéng)中形成的組織，例(lì)如：灰鑄鐵的熱性能就受其組織中石墨的形态、尺寸和數量(liàng)的影響，力學性能則取決于初生奧氏體枝晶(jīng)的數量、石墨的形态和共晶團的尺(chǐ)寸；球墨鑄(zhù)鐵的力學性能則取決于石墨(mò)球的數量、形态，以及基(jī)體組織的特點。
灰鑄鐵、球墨鑄鐵的凝固過程包括：初生相（奧氏體、石(shí)墨）的析出，共晶轉變和(hé)剩餘殘液的凝固。
共晶(jīng)轉變的末期，共晶晶粒與共晶晶粒之間、共晶晶粒與初生奧氏體枝晶之間(jiān)互相銜接，剩餘的低熔點殘液處于晶粒之間的晶界部位，最(zuì)後凝固。這種殘液在鑄鐵中所占的體積分數雖然很小，但是，其中富集了多種偏析元素和夾雜物，它的凝(níng)固狀态可以使鑄鐵件中産生多種晶界缺陷，如磷共晶、晶界(jiè)碳化物、晶界非(fēi)金屬夾雜(zá)物、畸形(xíng)石墨、晶間縮松等，對鑄件質量的(de)影響很大。生産過(guò)程中影響剩餘殘液性質的因素也很(hěn)多，諸如(rú)：鑄鐵(tiě)化學成分的選定，熔煉用各種原材料的(de)質(zhì)量，熔煉過程的(de)控制，鐵液的後處(chù)理工藝等等。因此，要讨論剩餘殘液的凝固(gù)，決不是一(yī)兩個段落所能說得清楚(chǔ)的，這裏隻能暫且按下不說了。
到目前爲(wèi)止，我們對鑄鐵凝固過程的(de)認識仍然是不夠充分(fèn)的，很(hěn)有必要進一步的探(tàn)索和研究。
鑄鐵凝固過程中的生核(hé)
鑄鐵是(shì)一種碳含量比較高的(de)Fe-C合金(jīn)，除碳以外，還含有(yǒu)多種其他合金元(yuán)素。一般低合金鑄鐵(tiě)中的碳(tàn)，可以以石墨或Fe3C的形态析出。
高溫的鐵液中，石墨的自由能比Fe3C低得多(duō)，較易于直接自鐵液中析出。當然，鑄鐵中的碳(tàn)也可自固态的奧氏(shì)體中脫溶析出。從熱力學方(fāng)面的(de)分析看(kàn)來，‘Fe-石墨’系(xì)二元相圖是穩定的平衡狀态，所以稱之爲Fe-C合金的穩定系。相(xiàng)對而言，Fe-Fe3C二(èr)元相圖就是Fe-C合金的介穩定系。
要了(le)解鑄(zhù)鐵的凝固過(guò)程，當然要參照Fe-C合金相圖。通(tōng)常我們(men)看到的書籍(jí)中，Fe-C二元合金相圖，一般都用虛線表(biǎo)示穩定系（Fe-石墨），實線表(biǎo)示介穩定系（Fe-Fe3C）。近年來，有人提出：Fe-C合(hé)金相圖(tú)中，用實線表示穩定系(xì)（Fe-石墨）、用(yòng)虛線表示介穩定系（Fe-Fe3C），可能更爲貼切。
這篇短文，隻涉及常用的灰鑄鐵和球墨鑄鐵的凝固，最關心的是石墨(mò)的析出，希望鑄鐵(tiě)在凝固過程中不(bú)析(xī)出Fe3C，所以圖1中以實線表示穩定系。
圖1 簡略的Fe-C合金相圖（凝固部分）
均勻的液相中結晶析(xī)出固(gù)相（均質生核），晶核的形成需要很大的表面能。對純金屬而言，在金(jīn)屬液中均質生(shēng)核(hé)，一般都需要将(jiāng)其過冷到其熔點100℃以下。以這(zhè)種生(shēng)核方式結晶(jīng)、凝固，在(zài)實驗室中也許能夠做到，在生産條件下，不可能實現這種結晶、凝固的機制。
實際上，各種鑄(zhù)造合金的結晶(jīng)、凝固過程，都起始于異質晶核。一般說來，如果晶核的晶格與凝固體晶格的适配性好，合金(jīn)液在很小的過冷(lěng)度下(xià)就可(kě)以開始結晶、凝固。
1、灰鑄鐵、球(qiú)墨鑄鐵中矽的(de)作用
單純的Fe-C合金，圖(tú)1中涉及的一些(xiē)臨界(jiè)點的(de)溫度、碳含量見表1。
在平衡條(tiáo)件下，穩定系(xì)的共晶溫(wēn)度TEG（1153℃），隻比介(jiè)穩定(dìng)系的共晶溫(wēn)度TEC（1147℃）高6℃。鑄鐵的凝固過程(chéng)中，冷卻速率略高一點、過冷度略大一點，就會按介穩定系轉(zhuǎn)變。實際生産條件下，鑄鐵凝固時冷卻速(sù)率都比較高、過冷度較大，如果是單純的Fe-C合金，很容易出現白(bái)口。對于生産灰鑄鐵和球墨鑄鐵鑄件而言，凝固過程中碳不(bú)能以(yǐ)Fe3C的形态析出，必須使其按穩定系轉變，因而，加入合金元素，擴大TEG和TEC之間(jiān)的溫度(dù)差，是至(zhì)關重要的(de)。
Fe-C合金中加入矽，可以提高穩定系的共晶(jīng)溫度，不過這種作用不(bú)太明顯，但是，矽卻可以使介穩定系的共晶溫度顯(xiǎn)著降低，從而(ér)擴大TEG和TEC之間的溫度差。矽的這種作用參見圖2。
圖2 Fe-C合金中矽含量對共晶溫度的影響
因此，在灰鑄鐵和球墨鑄鐵中，矽都是不可或缺的重要合金元素，能促使碳以石墨的形态析(xī)出，有(yǒu)效地抑制Fe3C的形成。
在實際生産條件(jiàn)下，還有很多影響(xiǎng)鑄鐵凝固過程的因素(sù)，如：鑄鐵中含有多種(zhǒng)合金元素(sù)，不是單純的Fe-C合金(jīn)；鑄件的冷卻(què)速率一般都比(bǐ)較高，與(yǔ)平衡狀态差别很大；鐵液中含有大量微細的非金屬夾雜物，凝固過程中結晶、生核的條件複雜。爲了确保鑄件的質量(liàng)，最好是經常研究由(yóu)熱分析得到冷卻曲線，從而掌握本單位具體條件下鐵液的(de)實際凝固特性。
2、單向性生核
金屬-非金屬體(tǐ)系的(de)凝固過程中(zhōng)，非金屬物質可以是金屬凝固的核心，而(ér)金屬不可能是非金屬物質凝固的核心(xīn)，這就是所謂(wèi)的單向性生核（One way nucleation）。
鑄鐵的組織(zhī)，主要是由(yóu)金屬基體和和碳質組分（石墨 和/或 碳化物）構(gòu)成的。除各種白口鑄鐵外，鑄(zhù)鐵中都含有遊離的石墨。石墨可以是奧氏體析(xī)出(chū)的核心，而奧氏體則不可能是石墨析(xī)出的核心。
同樣，Al-Si合金的共晶凝(níng)固過程中， Si可以是Al析(xī)出的核心(xīn)，Al不可能是Si析出的核心。
過共晶鑄鐵析出初生石墨(mò)時，亞(yà)共晶鑄鐵共晶轉變時，都是(shì)先析出石墨，然後以石墨爲核心析出(chū)奧氏體(tǐ)。爲了更好地控制鑄鐵的組織，使鐵液中含有大量與(yǔ)石墨晶格匹配(pèi)度好的晶核是至關重要的。
3、石墨晶核(hé)和異質晶核
金屬液的(de)結晶、凝(níng)固難以實現均質生核，從鑄鐵液中析出石墨的情況又是如何呢？考慮到石墨的熔點遠高于鐵，如果鐵液中殘留(liú)有微細石墨，實現均質生核，當然是(shì)十分理想的(de)，但是，由于以下的原因，至今還不能認(rèn)同這(zhè)種方(fāng)式的可行性。
碳在(zài)鐵(tiě)液中的溶解度(dù)很高(gāo)，很(hěn)難控制鐵液中殘留石墨微粒的數(shù)量和(hé)尺寸，因而也就難以控制鑄鐵的組織和冶(yě)金質(zhì)量。
熔煉灰鑄鐵時，如果鐵液中殘留(liú)的微粒石墨的(de)尺寸稍大一些，非常(cháng)有利于石墨以其爲依托而析出，就會導緻(zhì)組織中出現粗大的‘C型石墨’。感應電爐熔煉灰鑄鐵時，由于沒有(yǒu)沖天爐中那樣的高溫過熱帶，粒度(dù)較大的石墨就不易完全溶入鐵液，就易于導緻組織中出現(xiàn)‘C型石墨(mò)’，例(lì)如，爐料中配用大量生鐵錠塊（超過(guò)15％），往往就出現這種情況。
也有人提出(chū)過石墨化生核的設想：液态鐵(tiě)溶解(jiě)碳的能力比固态鐵強得多，鐵液凝(níng)固時會發生碳溶解度的驟降(jiàng)，如果能自行析出石墨晶核，當然非常有利于石墨的析出。但(dàn)是，許多實驗、研究工作表明：鑄鐵中由石墨化自行産生晶核(hé)，大緻需要250℃的過冷度，遠低于Fe-C平衡(héng)圖中的亞(yà)穩定平衡溫度。在(zài)這種條件下結晶、凝固(gù)，隻(zhī)能産生碳化物，不可能析出石墨。鑄鐵中，石墨(mò)的生核，也必須借助于異質生(shēng)核。
早(zǎo)期，有人在用于灰鑄鐵的孕育劑中配加粉狀晶态石墨，現在采用這種方式的已經很少見到。
爲了進一步(bù)提高冶金質量，無論灰鑄鐵或球墨(mò)鑄鐵，預處理（Preconditioning）工藝的應用都日益增(zēng)多，所用的預處理劑一般是碳化矽，也可以是(shì)晶态石墨。關于晶态石墨作用的機制(zhì)，尚有待進一(yī)步的探讨。
鑄鐵(tiě)中的初生(shēng)奧氏體枝晶
出于力學性能方面的考慮，灰鑄鐵一般都是亞共晶成分，凝固組織(zhī)中當然會有初生奧氏體枝晶。在要求鑄(zhù)鐵具有特殊性能的情況下(xià)（如要求熱導率(lǜ)高、減震性能(néng)好等(děng)），接近(jìn)共晶(jīng)、過共(gòng)晶成分(fèn)的灰鑄鐵也有應用(yòng)，但需求(qiú)量很少。
以往，對于灰鑄鐵凝固過程的研究，大都着重于石(shí)墨的形成及(jí)其特性、共晶團的數(shù)量和共析組織等方面，對初生奧(ào)氏體枝晶的作用注意較少。實際(jì)上，初生奧氏體枝晶在灰鑄鐵的作用有些像混(hùn)凝土中(zhōng)的鋼筋，對鑄鐵力學(xué)性能的影響并不小。
球墨鑄鐵大多數是(shì)共晶或微過共(gòng)晶成分，按照平衡(héng)相圖考慮，是不會有初生奧(ào)氏體的，因而，在球墨鑄鐵的研究方面，多着重于石墨和基體組織，對初生奧(ào)氏體的探讨比灰鑄鐵還要少些(xiē)。但是，在工業(yè)生産(chǎn)的條件下，球墨鑄鐵的凝固是在非(fēi)平衡(héng)條件下進行的，在共晶轉變之前也都有初生奧氏體枝晶析出，其作用也不可忽視(shì)。
1、初生奧氏體枝晶的析出
工業用的各種鑄鐵，由于在(zài)非平衡條件(jiàn)下的凝固，即使碳當量高達(dá)4.7％，鑄造組織中仍然有(yǒu)一定量的(de)初生奧氏體，這裏，就不同共晶度的(de)鑄鐵作簡單的(de)分析，參見圖3。
圖3 亞共晶、過共晶鑄鐵中初生奧氏體的析(xī)出
（1）亞(yà)共晶鑄鐵
碳當(dāng)量爲Fe亞的亞共(gòng)晶鐵(tiě)液，冷卻到(dào)液相線BC以下，就開始(shǐ)析出低碳初生奧氏體枝晶，液相中碳當量随之(zhī)沿BC線逐(zhú)漸增高。
冷卻到溫度T1，由于已逐漸析出初生奧氏體枝晶，液相中的碳含量增高到C1。
冷卻到共晶溫度TEG，液(yè)相中的碳含量爲共(gòng)晶碳含量C，由于并非處(chù)于平衡狀态，而且鐵液中(zhōng)沒有(yǒu)石墨作爲共晶奧氏體(tǐ)析出的依托，不可能在此溫度(dù)下發生共晶轉變。
冷卻到共晶溫度TEG以下(xià)某一溫度T2時，液相中的碳含量已經沿BC的延長線增(zēng)高到C2，爲過共晶成分，石墨(mò)異質生核、結晶析出。石墨析出後，液相中的(de)碳當量(liàng)降低到(dào)共(gòng)晶成分附近，奧氏體(tǐ)以石墨爲核心結晶析(xī)出(chū)，發生共晶轉變。
（2）過共晶鑄鐵
碳當量(liàng)爲F過的過共晶鐵液，冷卻到CD線以下，開始析出初生石墨，未凝的液相中碳當量沿DC線逐漸降低。
冷卻到溫度T1時，由于已逐漸析出初生石墨(mò)，液相中的碳當量降低到C1＇，在碳(tàn)當量仍然高于共晶(jīng)成分C的條件下，不析出奧(ào)氏體。
冷卻到共晶溫度TEG，液相中的碳當量爲共晶碳含量C，由于并非處于平衡狀态，不析出奧(ào)氏體，也不可能發生共晶轉變。
冷卻到(dào)共晶溫(wēn)度TEG以下某一溫(wēn)度T2時，液相中的碳含量已(yǐ)經沿DC的延長線降低到C2＇，爲亞共晶成分，析出(chū)初生奧氏體枝晶。由于初生奧氏體的析出，液相中的(de)碳當量回歸到共晶成分附近，奧氏體以石墨爲核心結晶析(xī)出，發生共晶轉變。
（3）共晶鑄鐵
在(zài)非平衡狀(zhuàng)态下，即使是碳當(dāng)量(liàng)爲共晶成分的鐵液，冷卻到共(gòng)晶溫度TEG，也不可能立即發生共晶轉變。
冷卻到TEG溫度以下，初生(shēng)奧氏體枝晶生核、析出。由于鐵液中(zhōng)單(dān)向性生核，石墨不可能依托奧氏體析出。液相中碳當(dāng)量提高後，石墨(mò)借助于異質生核結晶析出，液相中的碳當量(liàng)回歸到共晶成分附近(jìn)，奧(ào)氏體以石墨爲(wèi)核心結晶析出，發生(shēng)共晶轉變。
2、初生奧氏(shì)體枝晶的形态(tài)
奧氏體的晶格是面心正(zhèng)立方，直接自鐵(tiě)液中生核、成長時，隻有按(àn)原子密排面（111）生長，表(biǎo)面能最小，形成八面(miàn)體(tǐ)晶體，析出的奧氏體才穩定。然後(hòu)，因爲晶體的(de)棱角(jiǎo)前沿鐵液中溶質(zhì)的濃度梯(tī)度大，易于擴散，棱角的成長(zhǎng)速(sù)度比平面(miàn)大，就形成了一次枝晶，又在此基礎上長出二次枝晶，進(jìn)而長出三次枝(zhī)晶，因而，通常都稱之爲奧氏體枝晶。
實(shí)際生産中的(de)鑄鐵(tiě)，由于鐵液中各部位溫度的(de)差異、成(chéng)分的偏析以及熱(rè)流的影(yǐng)響，初(chū)生奧氏(shì)體枝晶可(kě)以成長爲柱(zhù)狀晶，也可(kě)以是等軸晶。柱狀晶在鑄型壁上生核，向熱流的反方向長大(dà)。等軸晶鐵(tiě)液中生核，向熱流的方向長大。
鑄鐵(tiě)中的奧氏體枝晶還具有不完整、不對稱的特(tè)征，各個(gè)枝晶、一個枝的各(gè)部位，生長的狀況都有差(chà)别。此外，也(yě)有在(zài)熱流作用下破(pò)損、缺失的部位。
表述奧氏體枝晶特點的主要參數是：二次枝晶的間(jiān)距，枝晶的(de)平均長(zhǎng)度，枝晶的數量和方向性。
3、初生奧氏(shì)體枝晶對鑄鐵性能的影響
對于灰鑄鐵，初生奧氏體(tǐ)枝晶的(de)數量是(shì)影(yǐng)響力學性能的重要(yào)因素，鑄鐵組織中枝晶所占的體積分數提高，鑄鐵的強度随之提高，交錯、接搭的枝晶尤爲有益。
對球墨鑄鐵，初生奧(ào)氏體枝晶的數量和枝晶間距，對石墨球的形态、尺寸和(hé)分布狀況都有重要的影響(xiǎng)。例如：枝晶間距大，枝晶間就可以有較大的(de)石墨球；枝晶間距小(xiǎo)，就隻能産生小石墨球，因爲一(yī)部分石墨球是在枝(zhī)晶間(jiān)的鐵液中析(xī)出(chū)的。因此(cǐ)，爲了更好地控制球墨(mò)鑄(zhù)鐵(tiě)的質量，控制初生奧氏體的數量和形态也是(shì)很有必(bì)要的。
4、對初生奧氏(shì)體枝晶的控制
影響鑄鐵中初生奧(ào)氏體枝晶(jīng)數量和形态的因素很多(duō)，如：原鐵液的化學(xué)成分、溫度，鐵液在鑄型中的冷卻(què)速度、過冷度，孕育處理的(de)作用等(děng)等。
鑄鐵的碳(tàn)當量是影響初生奧氏體枝晶數量的重要因素。碳當量提高，奧氏體枝晶數量減少。在碳當量相同(tóng)的條件下，提高矽碳比（提高矽含量(liàng)、相應地降低碳含(hán)量），初生奧氏體枝晶(jīng)的數量顯著增(zēng)加。
原鐵液的溫度、鐵液在高溫(wēn)下保持的時間、澆注後的冷卻速度、凝固(gù)過(guò)程中的過冷度等工藝因素，都會影響初生奧氏體的數(shù)量和形态，但是，在生産條件下，這些參數往往決(jué)定于多種工藝要求，由改變這(zhè)些參數來控制初生奧(ào)氏體枝晶的自由(yóu)度不(bú)大。
近十多年來，對初生奧氏體枝晶的研究逐(zhú)漸加強了，孕育處理對初生奧氏體枝晶的影響也(yě)日益受到了關注。
基于單向性生核的觀(guān)點，過共晶鑄鐵中析出的初生石墨，當然可以作爲初生奧氏體枝晶析出的異質晶核(hé)，實際情況也是(shì)如此。亞共晶鑄鐵中，加(jiā)入晶态石墨粉，應該可以作(zuò)爲奧氏體枝晶析出的異質晶核，但是，微細的石墨粉(fěn)很容易溶于鐵液，其作用很難控(kòng)制穩(wěn)定。
加入(rù)純鐵粉，作爲奧氏體枝(zhī)晶析出的均質晶核，應該(gāi)是最有效的，問題是純鐵粉很容易熔入鐵液(yè)，難以控制。
日本有研(yán)究工作(zuò)表明，鐵液中加入微細的粉狀α-石英(yīng)或α-方石英，初生奧(ào)氏體(tǐ)枝(zhī)晶(jīng)都易于生核、析出。
目前，鑄造行業中廣泛應用的孕育處(chù)理工藝，大都着眼于影響(xiǎng)鑄鐵共晶轉(zhuǎn)變時石墨的(de)生核(hé)。如何加以改進，使我們通過孕育處理，既能控制共晶轉變，又(yòu)能控制(zhì)初生奧氏體(tǐ)的析出，是(shì)一項值得認真研究的課題。
到(dào)目前爲止，我們對(duì)初(chū)生奧氏體的認知還很不夠，控制的自由度當然也就不大。對初生奧氏(shì)體(tǐ)研究較(jiào)少的一個原因是：鑄鐵中，初生奧氏體枝晶和共晶奧氏體發生共析轉變後，用常規的金相觀察，不易(yì)分辨。
了解初始凝固的組織，早期采用較廣的方法是液淬，近(jìn)年來多采用在(zài)試樣(yàng)凝固(gù)後自高溫直接等溫淬火的方法。但(dàn)是，生産企業所進行(háng)的工藝研究工作，大(dà)都不便采用這(zhè)兩種方法。大連(lián)理工大學周繼揚教授提出的(de)“彩色(sè)金相技術”，可以用(yòng)常規的金相手段(duàn)顯示鑄鐵的凝固組織，對于研究初生奧氏體枝晶，可能是非常适用的。
鑄鐵的共晶轉變和生核
灰鑄鐵和球墨鑄鐵都是共晶型Fe-C合金，共晶轉(zhuǎn)變是凝固過程中最重要的環節。
雖然亞共晶鑄鐵、共晶鑄鐵和過共晶鑄鐵中都(dōu)有初生奧(ào)氏體析出，但是(shì)，共晶轉變時并(bìng)不依托奧氏體(tǐ)生核、結晶，而是(shì)在初生奧氏體枝晶間具有共(gòng)晶成分的鐵(tiě)液中單獨由石墨(mò)生核開始。
灰鑄鐵和球墨鑄鐵(tiě)，共晶(jīng)轉變形成的組織，都是由石墨(mò)和奧氏體共同形成的共(gòng)生晶體，但形成(chéng)的方式有(yǒu)所不同。
促進(jìn)鑄鐵中石墨(mò)的析出，基(jī)本上都借助于異質(zhì)生核(hé)的方式。析出石墨所依托的異質晶(jīng)核，基本組成物質(zhì)是多種氧化物、多種硫化物和多種矽酸鹽等非金屬夾雜物。由于各種鑄鐵的成(chéng)分不同，經曆的處理方式也不一(yī)樣，石墨晶核的實際構成當然(rán)也不盡相同。
根據近年來一些工業國家(jiā)在這方面(miàn)所作的大量研究工作，目前已(yǐ)經形成的共識大緻是這樣：
1、灰鑄鐵的共(gòng)晶轉變
通常所謂的‘共晶轉變’，所指的是：一定成分(fèn)的液态合(hé)金，在一定的溫度下，結晶出兩(liǎng)種（二元合(hé)金）或兩種以上（多元合(hé)金）固相，而且還具(jù)有液相與(yǔ)析出的各種固相共(gòng)存的(de)特點。
就Fe-C合金(jīn)的穩(wěn)定系而言，共晶轉變時析出石墨和(hé)奧氏體兩種固相，石墨和奧氏體共生，而且，在轉(zhuǎn)變過(guò)程中石墨、奧氏體和液相三相共存，直至共晶轉變結(jié)束。
灰鑄鐵共晶轉(zhuǎn)變的領先相是石墨，石墨析出後，奧氏體在石墨的分(fèn)枝間析出，然後二者共(gòng)同長大，形成一個有點近于球形的協同結晶、長大的共生晶體。共生晶體與液相(xiàng)接觸的前沿是參差不齊的，石墨(mò)片的尖端始終都突出(chū)在共生晶體的外面，伸向液相中，保(bǎo)持領先在液相中生長、分枝的态勢，共晶轉變的過程參(cān)見圖4。
圖4 灰鑄鐵(tiě)共晶轉變(biàn)過程的示意圖
灰鑄鐵共晶轉變過程中，石(shí)墨和奧(ào)氏體是共(gòng)生的，而且有石墨、奧氏體和液相三相共存的(de)特點，具有共晶轉變的特征(zhēng)。即使如此，由于轉變過程中石墨(mò)處于領先的(de)地位，石(shí)墨和奧氏體的協同生長不那(nà)麽緊密，共生晶體的界面參差(chà)不齊，也有人認(rèn)爲灰鑄鐵的共晶轉變應(yīng)該算是‘非正(zhèng)常的共(gòng)晶轉變’。
灰鑄鐵中，石墨和奧氏(shì)體構成的共生晶(jīng)體通(tōng)常稱之爲“共晶團”。共晶團與共晶團(tuán)以及共晶團(tuán)與初生奧氏體，共同長大到互相銜接、液(yè)相消失，共晶轉變的過程即告結束。
2、灰鑄(zhù)鐵中石墨的晶核
灰鑄鐵中析出石(shí)墨所依托的異質晶核，其生核的過程可分爲兩個階(jiē)段。
第一階段： 一些強脫氧元素在鐵液中形成微細氧(yǎng)化(huà)物，其中以Al和Si爲主，還包括Mn、Ti、Zr等(děng)，作爲晶核的核心。
第(dì)二階段：在微細氧化物上(shàng)形成（Mn、x）S 系(xì)硫化物(wù)的外層，這(zhè)才是石墨析出的異質晶核，其尺寸＜5μm,一般爲0.4～2.0μm。
鑄鐵不進行孕育處理時(shí)，（Mn、x）S中的 x主要是Fe，硫化物中(zhōng)含有的Ca、Al、Ti等(děng)元素很少，這種（Mn、x）S與石墨晶格的适配度不太好，促進(jìn)石墨析出的作用較差(chà)。
鑄(zhù)鐵經孕育(yù)處理後，x包括Ca、Al、Ti、Sr和RE等元素，這種硫化物與石墨晶格的适配度較好，顆粒也較小，比較适合于石墨生核(hé)。如(rú)果孕育處理得當，還可以在（Mn、x）S硫(liú)化物(wù)表面(miàn)上形成形成一薄層複合的(de)矽酸鹽(yán)，進一步(bù)改(gǎi)善其與石墨晶(jīng)格的适配度。
由此可見，爲了(le)是孕育(yù)處理的效果良好，灰鑄鐵原鐵液(yè)中應保(bǎo)有一定的氧、硫(liú)含量(liàng)。一般說來(lái)，硫含量不宜低于0.06％；氧含量宜在0，003％左右(yòu)。
通常都認爲，Al在灰鑄鐵中沒有孕育(yù)的作用。而且，如果灰鑄鐵中的(de)Al含量在0.02％以(yǐ)上，鐵液的表面張力降低(dī)，采用粘土濕砂型鑄造工藝時，鑄件(jiàn)易于産生針孔缺陷，這(zhè)已經是(shì)鑄造行業(yè)的共(gòng)識。因此，通常都希望鑄鐵中的Al含量低一些，或者對(duì)Al含量不很在意。
實際上，在灰鑄鐵中，Al對石墨的析(xī)出和成長有重要的(de)作用，可以使共晶(jīng)轉變的(de)過冷度降低，共晶團(tuán)數增加，且有利于A型石墨的形成。通常，宜将Al含量控制在0.005～0.01％之間。保持這樣(yàng)的(de)Al含量，既可以有上述(shù)正面(miàn)作用，又不至于誘(yòu)發針孔缺陷。
因此，孕育劑中有一(yī)定的(de)Ca、Al含量，是至關重要的。
3、球墨鑄鐵(tiě)的共晶轉(zhuǎn)變
球墨鑄鐵的共晶(jīng)轉變(biàn)，雖然也是先析(xī)出(chū)石墨，随即(jí)析出(chū)奧氏體，但是，石墨在(zài)共(gòng)晶凝固過程中的主導作用不如灰鑄鐵(tiě)中那樣明(míng)顯，石墨球(qiú)與奧氏體也不像灰鑄鐵中那樣，在共同與液相接觸(chù)的條件(jiàn)下共生、共長。
球墨鑄鐵的共晶轉變(biàn)過程中，石墨球自接近共(gòng)晶成分的液(yè)相中生核，而且有(yǒu)一個(gè)長大的過程。石墨球長大到(dào)一定的尺寸，周圍的液相中的碳當量很低，從而奧氏體在石墨的表面上生核、長大，逐漸(jiàn)形成一個包圍石(shí)墨球的‘暈圈’，阻斷(duàn)了石墨與液相的接觸。石墨的長大隻能(néng)由石墨-奧氏體(tǐ)界面處鐵原子(zǐ)向外擴散、碳原子通過奧氏體暈圈向石墨擴(kuò)散，長大的速度比灰鑄鐵(tiě)中的(de)石墨片低得多。
由于石墨球脫(tuō)離了與液相的接觸(chù)，不具備與奧氏體協同生長的條(tiáo)件，不能是說是正常的共晶(jīng)轉變，而球墨鑄鐵又(yòu)是在共晶溫度附近由液相析出石墨和奧氏體(tǐ)，所以，通常都将其稱之爲“離(lí)異共晶（Divorced eutectic）”，其共晶轉變的過程參見圖5。
圖5 球墨鑄鐵共晶轉變過程的示意(yì)圖
大連理工大學的周繼揚教授，用彩色金相技(jì)術(shù)，對球墨鑄鐵的離異共晶進行過系統的研究，提出了另(lìng)一種觀點，認爲：石墨(mò)和奧氏體可(kě)以自液相中(zhōng)于不同的位置、在不同的(de)時間分别析出，因而(ér)，球墨鑄鐵的共晶轉變可能有多(duō)種形态。
共晶轉變時，奧氏體可以在石墨球界面上生核、長大，也可以(yǐ)在石墨球的界面外(wài)依(yī)托其它(tā)的異質晶(jīng)核生(shēng)核(hé)、長大。
有一個石墨球(qiú)和奧氏體組成的共晶晶粒，也有包圍幾個石墨球的奧氏體晶粒。
更多的(de)是(shì)，共晶石(shí)墨球的外圍有多個奧氏體晶粒生(shēng)核、長大，最後形成(chéng)包圍(wéi)石墨球的‘暈圈’，這種情況如圖6所示。
圖6 石(shí)墨球外圍奧氏體暈圈的形成過程
a）石墨球生核、長大；
b）石墨(mò)球外圍的貧碳區；
c）奧氏體在石墨球表面或外方生核；
d）奧氏體長成枝晶；
e）形(xíng)成封閉的暈圈
4、球墨鑄鐵中(zhōng)石墨的晶核
球墨(mò)鑄鐵的處理方式不同于灰鑄鐵，其中，析出石墨所依(yī)托的異質晶核也就不同于灰鑄鐵(tiě)。
經球化處(chù)理的鐵(tiě)液純淨度高，其中的硫、氧含量顯著降低。從(cóng)熱力學能(néng)位的角度看來，一些(xiē)元素的硫化物比氧化物穩定(dìng)，因而先形成MgS、CaS和MnS等硫化物，作爲晶核的核心。
然後，在微細的硫化物上形成多種氧化物，這些氧化物又與SiO2作用，形(xíng)成複合的矽酸鹽外層，與石墨晶(jīng)格的匹(pǐ)配度較好(hǎo)，這就是球狀石墨析(xī)出的異質晶核(hé)。
關于球墨鑄鐵(tiě)的石墨化生核(hé)，應(yīng)該注意以下幾點：
由于(yú)經強烈的(de)處理(lǐ)後鐵(tiě)液的(de)純淨度高，異質晶核的數(shù)量減少，所需孕育劑的用(yòng)量比灰鑄鐵多；
一般都要求原鐵液中的硫含(hán)量盡量地低，但是，從石墨化生核方面(miàn)考慮，不宜太低，尤其不宜時高、時低，最好保(bǎo)持在0.005～0.015％之間；
原(yuán)鐵液仍然應該有(yǒu)一定的氧(yǎng)含量。
基于這樣的認識，就會想到：如果原鐵液經球化處理後用含硫、氧的孕育劑進行孕育處理，應該有很好的效果。這種設想，已在十多年前由歐洲同行的研究(jiū)工作确認，采用含硫(liú)、氧的孕育劑，可(kě)以使球化率提高、石墨球數量增多(duō)、石墨球尺(chǐ)寸減小，因而可以從(cóng)多方面提高球墨鑄鐵件的質(zhì)量。
------------------------------摘自《微信公衆号：鑄造工業網》
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