鑄鐵(tiě)件的(de)最終(zhōng)性(xìng)能(néng)，主要決(jué)定于其(qí)在凝固過程中形成的組織，例如：灰鑄鐵的熱(rè)性能(néng)就受其(qí)組(zǔ)織中石墨的形态、尺(chǐ)寸和數量(liàng)的影響，力學性(xìng)能則取決于初(chū)生奧氏體(tǐ)枝晶(jīng)的數量、石墨的形态和共(gòng)晶團的尺寸；球墨鑄(zhù)鐵的力學性能則取(qǔ)決(jué)于石(shí)墨(mò)球的數量(liàng)、形态，以及(jí)基體組織(zhī)的特(tè)點。
灰(huī)鑄鐵(tiě)、球墨(mò)鑄鐵的凝(níng)固過程包括：初(chū)生相（奧氏體、石墨）的(de)析出(chū)，共晶(jīng)轉變(biàn)和剩(shèng)餘殘(cán)液的凝固。
共晶(jīng)轉變(biàn)的末期(qī)，共(gòng)晶晶(jīng)粒與(yǔ)共晶晶粒(lì)之(zhī)間(jiān)、共晶(jīng)晶粒與初生奧氏體枝(zhī)晶之間(jiān)互相銜接(jiē)，剩(shèng)餘的低(dī)熔點(diǎn)殘液(yè)處于晶粒之間的晶界部(bù)位，最(zuì)後(hòu)凝固。這(zhè)種殘(cán)液在鑄鐵中所(suǒ)占的體積(jī)分數(shù)雖然很(hěn)小，但是(shì)，其中富集了多(duō)種(zhǒng)偏析元素和(hé)夾雜物(wù)，它的凝(níng)固狀态可以使(shǐ)鑄鐵件(jiàn)中産生多種晶界缺陷(xiàn)，如磷共晶(jīng)、晶界(jiè)碳化(huà)物、晶界非(fēi)金屬夾雜(zá)物、畸(jī)形石墨、晶(jīng)間縮松等，對鑄件質量的影響很大(dà)。生産過程(chéng)中影響剩(shèng)餘殘(cán)液性(xìng)質的因(yīn)素(sù)也很(hěn)多，諸如：鑄鐵化(huà)學成分的選定(dìng)，熔煉(liàn)用各種(zhǒng)原(yuán)材料的質(zhì)量，熔煉過程(chéng)的(de)控制(zhì)，鐵液(yè)的(de)後處理工藝等等(děng)。因此(cǐ)，要讨(tǎo)論剩餘殘(cán)液的(de)凝固，決不(bú)是一兩個(gè)段落所能(néng)說(shuō)得清楚(chǔ)的(de)，這裏隻能暫(zàn)且按下不說了(le)。
到目前爲(wèi)止，我(wǒ)們對(duì)鑄鐵凝固(gù)過程的認(rèn)識仍然是(shì)不(bú)夠(gòu)充分(fèn)的，很有必要進(jìn)一步的探索和(hé)研究。
鑄鐵凝固(gù)過程(chéng)中的生核(hé)
鑄鐵是一種碳(tàn)含量比較高(gāo)的fe-c合金，除(chú)碳(tàn)以外(wài)，還含有多種其(qí)他合金元(yuán)素。一(yī)般低(dī)合金鑄鐵(tiě)中的碳，可(kě)以以(yǐ)石墨或fe3c的(de)形态(tài)析出。
高溫的鐵液中(zhōng)，石墨的自(zì)由(yóu)能比fe3c低(dī)得多(duō)，較易于直接自(zì)鐵液(yè)中析(xī)出。當(dāng)然，鑄鐵(tiě)中(zhōng)的碳(tàn)也可自固态的奧(ào)氏體中(zhōng)脫溶(róng)析出。從熱力學(xué)方面的(de)分析看(kàn)來，‘fe-石墨’系(xì)二元(yuán)相圖(tú)是(shì)穩定的(de)平衡狀态，所以(yǐ)稱之爲(wèi)fe-c合金的(de)穩定(dìng)系(xì)。相(xiàng)對而(ér)言，fe-fe3c二元相圖就(jiù)是fe-c合(hé)金的介穩定系(xì)。
要了解鑄(zhù)鐵的凝固過程(chéng)，當然(rán)要參(cān)照fe-c合(hé)金相圖。通(tōng)常我(wǒ)們看到的(de)書籍(jí)中(zhōng)，fe-c二(èr)元合金相(xiàng)圖，一(yī)般都用虛(xū)線表示穩定系(xì)（fe-石墨(mò)），實(shí)線(xiàn)表示(shì)介穩(wěn)定(dìng)系（fe-fe3c）。近年(nián)來(lái)，有人(rén)提出：fe-c合(hé)金相(xiàng)圖(tú)中，用實(shí)線表示穩定系(xì)（fe-石墨）、用虛線表示介(jiè)穩定系（fe-fe3c），可能更爲貼切。
這(zhè)篇短文，隻涉及常用的灰(huī)鑄鐵(tiě)和球墨鑄鐵的凝固，最關心的(de)是(shì)石(shí)墨的析出(chū)，希望(wàng)鑄鐵在凝(níng)固過(guò)程(chéng)中(zhōng)不析出fe3c，所以圖(tú)1中以實線表示(shì)穩定系。
圖1 簡略(luè)的fe-c合(hé)金相圖（凝(níng)固部分）
均勻的(de)液相(xiàng)中結晶析出固相（均(jun1)質生核），晶(jīng)核的形(xíng)成需要(yào)很大的表(biǎo)面能(néng)。對純(chún)金屬(shǔ)而言(yán)，在金(jīn)屬液中均(jun1)質生(shēng)核，一般都需要将其過冷(lěng)到其(qí)熔(róng)點100℃以下(xià)。以這種生(shēng)核方式結晶(jīng)、凝(níng)固，在實驗室(shì)中(zhōng)也許能夠做到，在生(shēng)産條件下(xià)，不可(kě)能實(shí)現這(zhè)種結(jié)晶、凝(níng)固的(de)機制。
實際(jì)上，各種鑄(zhù)造合金(jīn)的(de)結晶(jīng)、凝固過程(chéng)，都起(qǐ)始于異質(zhì)晶核(hé)。一般說來(lái)，如果(guǒ)晶核的晶格與(yǔ)凝固體晶格的(de)适配性好(hǎo)，合金(jīn)液在很小的過(guò)冷度下(xià)就可以開始結晶(jīng)、凝固(gù)。
1、灰鑄鐵(tiě)、球墨鑄鐵中矽的作用(yòng)
單純(chún)的fe-c合金，圖1中涉及的一些(xiē)臨界(jiè)點的(de)溫度、碳含(hán)量見表1。
在(zài)平衡條件(jiàn)下(xià)，穩定系(xì)的共晶溫(wēn)度teg（1153℃），隻比介(jiè)穩定(dìng)系的(de)共晶溫度(dù)tec（1147℃）高6℃。鑄(zhù)鐵的凝固(gù)過程(chéng)中(zhōng)，冷卻(què)速(sù)率略(luè)高(gāo)一點、過冷度(dù)略(luè)大一點(diǎn)，就會按介(jiè)穩定(dìng)系轉(zhuǎn)變。實際生(shēng)産條件下(xià)，鑄鐵凝固時冷卻速(sù)率都比較高、過(guò)冷度(dù)較大，如果(guǒ)是單純的(de)fe-c合金，很容易出現(xiàn)白(bái)口。對于生産灰鑄鐵(tiě)和球墨鑄鐵鑄(zhù)件而言，凝固過程中(zhōng)碳不(bú)能以(yǐ)fe3c的形(xíng)态析出，必須使其按(àn)穩定系(xì)轉變，因而，加(jiā)入合金元(yuán)素，擴(kuò)大teg和(hé)tec之間(jiān)的溫度差，是至關重(zhòng)要的(de)。
fe-c合金(jīn)中加入矽，可以(yǐ)提高穩定系的共晶(jīng)溫度(dù)，不過(guò)這種作用(yòng)不太(tài)明顯，但是(shì)，矽卻可以(yǐ)使(shǐ)介穩定系的(de)共晶溫度(dù)顯著(zhe)降(jiàng)低，從而(ér)擴大teg和tec之間的(de)溫度差(chà)。矽(xī)的這(zhè)種作(zuò)用(yòng)參見圖(tú)2。
圖2 fe-c合金中矽含(hán)量對共晶(jīng)溫度(dù)的影(yǐng)響(xiǎng)
因此，在灰鑄鐵和球墨(mò)鑄鐵中，矽都是(shì)不可(kě)或缺的重(zhòng)要合金元素，能促使(shǐ)碳以石墨(mò)的形态析出，有(yǒu)效地抑制fe3c的形(xíng)成。
在(zài)實際生産(chǎn)條件下，還有很(hěn)多影響鑄(zhù)鐵凝(níng)固過程的因素(sù)，如：鑄鐵(tiě)中含有多種合金元素(sù)，不是單純的fe-c合(hé)金；鑄件的冷(lěng)卻速率一般(bān)都比(bǐ)較高，與(yǔ)平衡狀(zhuàng)态差别很(hěn)大；鐵(tiě)液中(zhōng)含有大量(liàng)微細的非(fēi)金屬夾雜(zá)物，凝固過(guò)程中(zhōng)結晶、生核的條(tiáo)件複(fú)雜。爲(wèi)了确保鑄(zhù)件的(de)質量(liàng)，最(zuì)好是(shì)經(jīng)常研究由(yóu)熱分(fèn)析得到(dào)冷卻曲(qǔ)線，從而掌(zhǎng)握本(běn)單位具體條件(jiàn)下鐵液(yè)的(de)實(shí)際(jì)凝固(gù)特性(xìng)。
2、單向(xiàng)性生核
金屬-非金屬(shǔ)體(tǐ)系(xì)的凝(níng)固過(guò)程(chéng)中，非金(jīn)屬物(wù)質可以是(shì)金屬(shǔ)凝固(gù)的核(hé)心，而(ér)金屬不可能是非金(jīn)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(zhù)鐵的組織，主要(yào)是由(yóu)金屬基體(tǐ)和和碳質組分(fèn)（石墨 和/或 碳化(huà)物）構成的(de)。除各種白(bái)口(kǒu)鑄鐵外(wài)，鑄鐵中都含有遊離(lí)的(de)石墨。石(shí)墨可以是奧氏(shì)體析出的核心，而奧(ào)氏(shì)體(tǐ)則不可能(néng)是石墨析(xī)出的核心。
同樣，al-si合金的共晶凝(níng)固過程中(zhōng)， si可以是al析出(chū)的核心(xīn)，al不可(kě)能是si析出(chū)的核心。
過共晶(jīng)鑄鐵析(xī)出初生石墨(mò)時，亞共晶(jīng)鑄鐵共(gòng)晶轉變(biàn)時，都(dōu)是先析出(chū)石墨，然後以石(shí)墨爲核心析出(chū)奧氏體。爲了更(gèng)好地(dì)控(kòng)制鑄鐵的組(zǔ)織，使(shǐ)鐵液中含有大量與(yǔ)石墨晶(jīng)格匹配(pèi)度好(hǎo)的(de)晶(jīng)核是(shì)至關重(zhòng)要(yào)的。
3、石(shí)墨晶(jīng)核(hé)和異質(zhì)晶核
金屬液的(de)結晶、凝固難以(yǐ)實現(xiàn)均質生核(hé)，從鑄鐵液中析(xī)出石墨的情況又是(shì)如(rú)何呢？考(kǎo)慮到石墨的熔(róng)點遠(yuǎn)高(gāo)于(yú)鐵，如(rú)果鐵液中殘留(liú)有微細(xì)石墨，實(shí)現均質(zhì)生核，當(dāng)然是十分(fèn)理想(xiǎng)的，但是，由(yóu)于以(yǐ)下的原因，至今(jīn)還不能認同這(zhè)種方(fāng)式的可行(háng)性。
碳在鐵液(yè)中(zhōng)的溶解度很高，很難(nán)控(kòng)制鐵液(yè)中殘(cán)留石墨微(wēi)粒的(de)數量和尺寸，因而也就難(nán)以控制鑄(zhù)鐵的組織(zhī)和(hé)冶金質(zhì)量。
熔煉灰鑄鐵時，如(rú)果鐵液中(zhōng)殘留(liú)的微(wēi)粒石(shí)墨的尺(chǐ)寸稍大(dà)一些，非(fēi)常有利(lì)于石(shí)墨以其爲依托而析出，就(jiù)會導(dǎo)緻組織中(zhōng)出現粗(cū)大的‘c型石墨’。感應電爐熔煉灰鑄(zhù)鐵時(shí)，由于(yú)沒有沖天(tiān)爐中(zhōng)那樣的高(gāo)溫過(guò)熱帶(dài)，粒度(dù)較大的石(shí)墨就(jiù)不易(yì)完(wán)全(quán)溶入(rù)鐵液，就(jiù)易于導(dǎo)緻組織中出現(xiàn)‘c型石墨’，例(lì)如，爐(lú)料中配用大量(liàng)生鐵錠塊(kuài)（超過15％），往往就出現這(zhè)種情況。
也有人提出過(guò)石墨化(huà)生核的(de)設(shè)想：液(yè)态鐵(tiě)溶解碳的能力比固态鐵(tiě)強得多，鐵液(yè)凝(níng)固時會發(fā)生碳溶解(jiě)度(dù)的驟降(jiàng)，如果能自(zì)行析(xī)出石(shí)墨晶核，當(dāng)然非常有利于(yú)石墨的析出。但(dàn)是，許多實(shí)驗、研(yán)究工作表明：鑄(zhù)鐵(tiě)中由(yóu)石墨化(huà)自行産生晶(jīng)核(hé)，大緻需要(yào)250℃的過(guò)冷度，遠(yuǎn)低(dī)于fe-c平(píng)衡圖(tú)中的亞穩(wěn)定平衡溫(wēn)度。在(zài)這種(zhǒng)條件下結晶、凝固，隻能産(chǎn)生碳化(huà)物，不可(kě)能析(xī)出石墨。鑄(zhù)鐵中(zhōng)，石墨(mò)的生(shēng)核，也(yě)必須借助(zhù)于異(yì)質生(shēng)核。
早期，有人在(zài)用于灰鑄鐵(tiě)的孕育劑中配加粉狀(zhuàng)晶态石墨(mò)，現在(zài)采用(yòng)這種(zhǒng)方式的已經很少見到。
爲了進(jìn)一步(bù)提(tí)高冶(yě)金質量，無論灰鑄鐵或(huò)球墨鑄鐵(tiě)，預處(chù)理（preconditioning）工藝(yì)的應用(yòng)都日益增多，所(suǒ)用(yòng)的(de)預處(chù)理劑(jì)一般是碳化矽，也可以是晶态(tài)石墨(mò)。關于(yú)晶态石墨(mò)作用(yòng)的機制，尚有待(dài)進一步的探(tàn)讨。
鑄鐵中的(de)初生(shēng)奧氏(shì)體枝晶(jīng)
出于力(lì)學性能方面的考慮，灰鑄鐵一(yī)般都是亞(yà)共(gòng)晶(jīng)成分，凝固組織(zhī)中當然會有初(chū)生奧(ào)氏體枝晶(jīng)。在要求鑄鐵具(jù)有特(tè)殊性(xìng)能(néng)的(de)情況下（如要求熱導(dǎo)率高、減震(zhèn)性能(néng)好等），接近共晶、過共晶成(chéng)分的灰(huī)鑄鐵也(yě)有應用(yòng)，但需求(qiú)量很少。
以(yǐ)往，對于灰鑄鐵凝固過程的(de)研究，大(dà)都着重于石墨(mò)的形成及其特(tè)性、共晶(jīng)團的數(shù)量和(hé)共析(xī)組織(zhī)等(děng)方面，對(duì)初生(shēng)奧氏體(tǐ)枝(zhī)晶的作用注意(yì)較少(shǎo)。實際上(shàng)，初生奧氏體(tǐ)枝晶在灰(huī)鑄鐵的(de)作用有些像混凝土中(zhōng)的鋼筋，對(duì)鑄鐵力學(xué)性能的影(yǐng)響并不小。
球墨(mò)鑄鐵大多數是(shì)共晶或微(wēi)過共(gòng)晶成分(fèn)，按照平(píng)衡相圖(tú)考(kǎo)慮，是(shì)不會(huì)有初生奧氏體的，因而，在(zài)球墨鑄鐵的(de)研(yán)究方面，多(duō)着重于石(shí)墨(mò)和基體(tǐ)組織(zhī)，對初(chū)生奧(ào)氏體的探讨比(bǐ)灰鑄鐵(tiě)還要少(shǎo)些。但是，在工業生産的(de)條件下(xià)，球墨鑄鐵的凝(níng)固是在非(fēi)平衡條件下進行的，在共晶轉(zhuǎn)變之前也(yě)都有初生(shēng)奧氏體枝(zhī)晶析出(chū)，其作用也不(bú)可忽視。
1、初(chū)生奧氏體枝晶(jīng)的析出
工業用的各(gè)種鑄(zhù)鐵，由于在(zài)非平(píng)衡條(tiáo)件下(xià)的凝(níng)固(gù)，即使(shǐ)碳(tàn)當量高達(dá)4.7％，鑄造組織中(zhōng)仍(réng)然有(yǒu)一定量(liàng)的初生奧氏體，這裏，就(jiù)不同(tóng)共(gòng)晶度的(de)鑄鐵(tiě)作簡單的分析，參見(jiàn)圖3。
圖(tú)3 亞共晶(jīng)、過共晶(jīng)鑄鐵(tiě)中初生奧(ào)氏體的析出
（1）亞(yà)共晶(jīng)鑄(zhù)鐵(tiě)
碳當(dāng)量爲fe亞的(de)亞共(gòng)晶鐵液，冷(lěng)卻到液相(xiàng)線bc以下，就(jiù)開始析出(chū)低(dī)碳初生奧氏體枝(zhī)晶，液相(xiàng)中碳當(dāng)量随(suí)之沿bc線逐漸增(zēng)高。
冷(lěng)卻到(dào)溫度t1，由于(yú)已逐漸析出(chū)初(chū)生奧氏體枝晶，液相(xiàng)中的(de)碳(tàn)含(hán)量增(zēng)高到c1。
冷卻到共(gòng)晶溫度teg，液相中(zhōng)的碳含量(liàng)爲共(gòng)晶碳含(hán)量c，由于(yú)并非(fēi)處于平衡(héng)狀态，而且鐵液(yè)中沒有石(shí)墨作(zuò)爲共晶奧(ào)氏體析出的依(yī)托，不(bú)可能(néng)在此溫度下(xià)發生共晶轉(zhuǎn)變。
冷卻(què)到(dào)共(gòng)晶(jīng)溫度teg以下某一(yī)溫度t2時，液相中(zhōng)的碳(tàn)含量已經(jīng)沿bc的延長線增(zēng)高到(dào)c2，爲過共晶(jīng)成分，石墨異質(zhì)生核(hé)、結(jié)晶析出。石墨(mò)析出後，液相中(zhōng)的碳當量(liàng)降低到共晶成分附近，奧(ào)氏體(tǐ)以石(shí)墨(mò)爲(wèi)核心(xīn)結晶(jīng)析出，發生(shēng)共晶轉變。
（2）過共(gòng)晶鑄鐵
碳當量(liàng)爲f過的(de)過(guò)共晶(jīng)鐵液，冷卻到cd線(xiàn)以下，開始析出初生石墨，未凝(níng)的液相中(zhōng)碳當(dāng)量沿(yán)dc線逐(zhú)漸降(jiàng)低。
冷(lěng)卻(què)到(dào)溫度(dù)t1時，由(yóu)于已逐漸析出初生石墨(mò)，液相中的碳當量降低到(dào)c1＇，在碳(tàn)當量(liàng)仍然(rán)高于(yú)共晶(jīng)成分c的條件(jiàn)下，不析出奧(ào)氏體。
冷卻(què)到(dào)共(gòng)晶溫度teg，液相中(zhōng)的碳當(dāng)量爲共(gòng)晶碳(tàn)含量c，由于(yú)并非處于平衡(héng)狀态(tài)，不(bú)析出(chū)奧(ào)氏體，也(yě)不可能(néng)發生共(gòng)晶轉變(biàn)。
冷卻(què)到共晶溫(wēn)度teg以下某一溫(wēn)度t2時，液相中的(de)碳含量已經沿dc的延長線(xiàn)降低到c2＇，爲(wèi)亞共晶成(chéng)分(fèn)，析出初(chū)生奧(ào)氏體枝晶(jīng)。由(yóu)于(yú)初生(shēng)奧氏體的析出，液相中的碳當(dāng)量回歸到共晶(jīng)成分附近(jìn)，奧氏體(tǐ)以(yǐ)石墨(mò)爲核心結晶析出，發(fā)生共(gòng)晶轉(zhuǎn)變。
（3）共(gòng)晶(jīng)鑄(zhù)鐵
在(zài)非(fēi)平衡狀态下(xià)，即使(shǐ)是碳當(dāng)量(liàng)爲共晶(jīng)成分的鐵液，冷(lěng)卻到共晶溫(wēn)度(dù)teg，也不可(kě)能立即發生共(gòng)晶轉(zhuǎn)變。
冷卻(què)到teg溫度(dù)以下(xià)，初生(shēng)奧氏體(tǐ)枝(zhī)晶生(shēng)核、析(xī)出。由(yóu)于鐵(tiě)液中單向性生(shēng)核，石墨不可能(néng)依托奧氏(shì)體析出。液相中碳當(dāng)量提高後(hòu)，石墨借助于(yú)異質生(shēng)核結晶析出，液(yè)相中的(de)碳當量(liàng)回歸到共晶成(chéng)分附近(jìn)，奧氏體以石墨(mò)爲(wèi)核心(xīn)結晶(jīng)析出，發生共晶轉變(biàn)。
2、初生(shēng)奧氏(shì)體枝(zhī)晶的形态
奧氏體的(de)晶格是(shì)面心正(zhèng)立方，直接自鐵(tiě)液中(zhōng)生核(hé)、成長(zhǎng)時，隻(zhī)有(yǒu)按(àn)原子密排面(miàn)（111）生長，表(biǎo)面(miàn)能最小，形成(chéng)八面(miàn)體晶體，析出的(de)奧氏(shì)體才穩定。然(rán)後，因爲(wèi)晶體(tǐ)的(de)棱角前(qián)沿鐵液中溶質(zhì)的濃度梯(tī)度大(dà)，易于擴散，棱角(jiǎo)的成(chéng)長速(sù)度比平面(miàn)大，就形成(chéng)了(le)一次枝晶，又(yòu)在此基(jī)礎(chǔ)上長(zhǎng)出二次枝晶，進而長出三次枝(zhī)晶，因(yīn)而(ér)，通(tōng)常都稱之(zhī)爲奧氏體(tǐ)枝晶。
實際(jì)生産中的(de)鑄(zhù)鐵(tiě)，由于(yú)鐵液中各部位溫度(dù)的差(chà)異、成(chéng)分(fèn)的偏析(xī)以及(jí)熱流(liú)的影響，初(chū)生奧氏體枝晶(jīng)可以成長爲柱(zhù)狀晶(jīng)，也可(kě)以是(shì)等(děng)軸晶。柱狀晶(jīng)在鑄型壁(bì)上生核，向熱流的反(fǎn)方向長大。等軸(zhóu)晶鐵液中生核(hé)，向(xiàng)熱流的(de)方向(xiàng)長大(dà)。
鑄鐵中的(de)奧氏體枝(zhī)晶還(hái)具有(yǒu)不(bú)完整、不對稱的特征，各(gè)個枝晶、一(yī)個枝(zhī)的各部位，生長(zhǎng)的狀況都(dōu)有差(chà)别。此外(wài)，也有在熱流(liú)作用下破(pò)損、缺失的部位(wèi)。
表述奧氏體枝(zhī)晶特(tè)點(diǎn)的(de)主要(yào)參數(shù)是：二次枝(zhī)晶的間距(jù)，枝晶(jīng)的平均長度，枝(zhī)晶的數量(liàng)和(hé)方向性(xìng)。
3、初生(shēng)奧氏(shì)體枝晶對(duì)鑄鐵(tiě)性能的影響
對于灰鑄鐵，初生奧氏(shì)體枝晶的(de)數量是影響力學性(xìng)能(néng)的重要因素，鑄鐵(tiě)組織(zhī)中枝(zhī)晶所(suǒ)占的(de)體積(jī)分數(shù)提高，鑄鐵(tiě)的強(qiáng)度随(suí)之提高，交錯、接搭的(de)枝晶尤爲(wèi)有益。
對球(qiú)墨鑄(zhù)鐵，初(chū)生奧氏體(tǐ)枝晶的數量和(hé)枝晶間(jiān)距，對石(shí)墨球的形(xíng)态、尺寸和(hé)分布(bù)狀況(kuàng)都有重(zhòng)要的影(yǐng)響。例如(rú)：枝(zhī)晶間(jiān)距大，枝晶間就(jiù)可以(yǐ)有較(jiào)大的石墨球；枝(zhī)晶間(jiān)距小，就隻能産生小石墨球，因爲一(yī)部分石墨(mò)球是在枝(zhī)晶間的鐵(tiě)液中析出(chū)的。因(yīn)此(cǐ)，爲了(le)更(gèng)好地控制球墨(mò)鑄鐵的(de)質量，控制初(chū)生奧(ào)氏體(tǐ)的(de)數量和(hé)形态(tài)也是(shì)很有必要(yào)的。
4、對(duì)初生(shēng)奧氏體枝晶(jīng)的控制(zhì)
影響鑄鐵(tiě)中初(chū)生奧(ào)氏體(tǐ)枝晶(jīng)數量和(hé)形(xíng)态的因素(sù)很多(duō)，如：原(yuán)鐵液的化(huà)學成(chéng)分、溫度，鐵液在(zài)鑄型中的冷卻(què)速度(dù)、過冷度，孕(yùn)育處理的(de)作用等等(děng)。
鑄鐵的碳當量(liàng)是影響初生(shēng)奧(ào)氏體枝晶(jīng)數量的重(zhòng)要因(yīn)素。碳(tàn)當量(liàng)提高(gāo)，奧氏體枝晶數量減(jiǎn)少(shǎo)。在碳當(dāng)量相同的條件(jiàn)下，提(tí)高(gāo)矽碳比（提高矽含(hán)量、相(xiàng)應地降(jiàng)低碳含(hán)量），初(chū)生奧氏體(tǐ)枝晶的數量顯(xiǎn)著增加。
原(yuán)鐵(tiě)液的溫(wēn)度(dù)、鐵液在高溫下保(bǎo)持的(de)時間(jiān)、澆注後的(de)冷卻速(sù)度、凝固(gù)過程中的過冷(lěng)度等工(gōng)藝因素(sù)，都會(huì)影響初生(shēng)奧氏體的數量(liàng)和(hé)形(xíng)态(tài)，但是，在(zài)生産條件下，這些參數(shù)往(wǎng)往決(jué)定于多種工藝(yì)要求，由改變這(zhè)些(xiē)參數來(lái)控制(zhì)初生奧氏(shì)體(tǐ)枝(zhī)晶的自由度不(bú)大。
近(jìn)十多年來，對初(chū)生奧氏體(tǐ)枝晶的研(yán)究逐(zhú)漸加強了，孕育處理對初生奧(ào)氏體枝晶(jīng)的影(yǐng)響也(yě)日益受到(dào)了關注。
基(jī)于單向性生核的觀(guān)點，過共晶(jīng)鑄鐵中析(xī)出的初生(shēng)石墨，當然可以(yǐ)作爲(wèi)初生奧氏(shì)體枝晶析出的(de)異質晶核，實際情況也是(shì)如此。亞共晶鑄鐵中(zhōng)，加入晶态石墨(mò)粉，應該可以作(zuò)爲奧(ào)氏(shì)體(tǐ)枝晶(jīng)析出的異(yì)質晶(jīng)核，但(dàn)是，微(wēi)細的(de)石墨粉很容易(yì)溶于鐵液，其作(zuò)用很難控制穩(wěn)定。
加入(rù)純(chún)鐵粉(fěn)，作爲(wèi)奧氏體枝(zhī)晶(jīng)析出(chū)的(de)均質(zhì)晶核，應該是最(zuì)有效(xiào)的，問(wèn)題是(shì)純鐵粉(fěn)很容易(yì)熔入鐵液，難以(yǐ)控制。
日本有研(yán)究工作表明，鐵液中(zhōng)加入微細(xì)的粉狀(zhuàng)α-石英或α-方石(shí)英，初生奧(ào)氏體枝晶(jīng)都易(yì)于生(shēng)核、析(xī)出。
目(mù)前，鑄造行業中(zhōng)廣泛應用的孕(yùn)育處理工(gōng)藝，大(dà)都着眼于影響(xiǎng)鑄鐵共晶(jīng)轉變時石(shí)墨的(de)生核(hé)。如何加以(yǐ)改進，使我(wǒ)們通過孕育處理，既(jì)能控(kòng)制共晶(jīng)轉變(biàn)，又(yòu)能控制初(chū)生奧(ào)氏體的析出，是(shì)一項(xiàng)值得(dé)認真研究(jiū)的課題。
到(dào)目前爲止(zhǐ)，我們對初(chū)生奧氏體(tǐ)的認(rèn)知還(hái)很不(bú)夠，控(kòng)制的(de)自由度(dù)當(dāng)然也(yě)就不(bú)大。對(duì)初生奧(ào)氏(shì)體研究較(jiào)少的一個(gè)原(yuán)因是：鑄鐵中，初生奧氏(shì)體枝晶和共晶(jīng)奧氏體發生共(gòng)析轉變後，用常(cháng)規的金相觀察(chá)，不易(yì)分辨。
了解初(chū)始凝(níng)固(gù)的組(zǔ)織，早期采用較(jiào)廣的方法(fǎ)是液(yè)淬，近年(nián)來多采用在試(shì)樣凝固後(hòu)自高溫直接(jiē)等溫淬火(huǒ)的方(fāng)法。但是(shì)，生産企(qǐ)業所進行(háng)的工藝研(yán)究工作，大(dà)都(dōu)不(bú)便采用這(zhè)兩種方法。大連理工(gōng)大學(xué)周繼(jì)揚教授(shòu)提出的(de)“彩色金相技術”，可(kě)以用常規的(de)金相手段(duàn)顯示(shì)鑄鐵的凝(níng)固組(zǔ)織，對于研究初生奧氏體枝晶，可能是非(fēi)常适(shì)用的(de)。
鑄鐵的(de)共晶轉變和(hé)生核(hé)
灰鑄(zhù)鐵(tiě)和球墨(mò)鑄鐵都(dōu)是(shì)共晶型fe-c合金(jīn)，共晶轉(zhuǎn)變是凝固(gù)過程中最(zuì)重要的環(huán)節。
雖(suī)然亞(yà)共晶(jīng)鑄鐵(tiě)、共(gòng)晶(jīng)鑄鐵和過(guò)共晶鑄鐵(tiě)中都(dōu)有初生奧(ào)氏體(tǐ)析(xī)出(chū)，但是(shì)，共晶轉變(biàn)時并(bìng)不依(yī)托奧氏體(tǐ)生核、結(jié)晶，而是(shì)在初生奧氏體枝晶(jīng)間具(jù)有共(gòng)晶成分的鐵液中單(dān)獨由石墨生核開始。
灰鑄(zhù)鐵和(hé)球墨鑄鐵，共晶轉變(biàn)形成的組織(zhī)，都是由石墨和奧(ào)氏體(tǐ)共同形成的共(gòng)生晶(jīng)體，但(dàn)形成的方式(shì)有(yǒu)所不(bú)同。
促進鑄鐵中石墨的(de)析出，基(jī)本(běn)上(shàng)都借(jiè)助于異質生核的方(fāng)式。析出石墨所(suǒ)依托的異質晶(jīng)核，基本組(zǔ)成物(wù)質是(shì)多(duō)種氧化(huà)物、多種硫化物(wù)和多(duō)種矽(xī)酸鹽(yán)等非金(jīn)屬(shǔ)夾雜(zá)物。由于(yú)各種鑄(zhù)鐵的成分(fèn)不同(tóng)，經曆的處理方(fāng)式也(yě)不一樣，石(shí)墨晶(jīng)核的實際構成(chéng)當然也不(bú)盡相同。
根據近(jìn)年來一些(xiē)工(gōng)業(yè)國家(jiā)在(zài)這(zhè)方面(miàn)所作的大量研究工作(zuò)，目(mù)前已(yǐ)經形成的(de)共識(shí)大緻是這樣(yàng)：
1、灰(huī)鑄鐵的(de)共晶轉(zhuǎn)變
通常(cháng)所謂的(de)‘共晶轉變’，所指(zhǐ)的(de)是(shì)：一定成分(fèn)的液态合金，在(zài)一定(dìng)的溫度下(xià)，結晶出兩(liǎng)種（二(èr)元合(hé)金）或兩種(zhǒng)以上（多(duō)元(yuán)合金(jīn)）固相，而且還具(jù)有液相與(yǔ)析出(chū)的各(gè)種固相共存的(de)特點。
就fe-c合(hé)金的(de)穩定(dìng)系而(ér)言，共晶(jīng)轉(zhuǎn)變時析出(chū)石墨(mò)和奧(ào)氏體兩種(zhǒng)固相(xiàng)，石墨和奧氏體(tǐ)共(gòng)生，而且，在轉(zhuǎn)變過程中石墨(mò)、奧氏(shì)體和(hé)液相(xiàng)三相(xiàng)共(gòng)存，直至(zhì)共晶(jīng)轉變結束。
灰鑄鐵共(gòng)晶轉(zhuǎn)變的領(lǐng)先(xiān)相是(shì)石墨(mò)，石墨(mò)析出(chū)後，奧氏體(tǐ)在石墨的(de)分(fèn)枝間析(xī)出，然後二者共(gòng)同長大，形(xíng)成一(yī)個有點近(jìn)于球形的協(xié)同結晶(jīng)、長大(dà)的(de)共(gòng)生晶體。共生(shēng)晶(jīng)體與(yǔ)液相接觸(chù)的前(qián)沿是(shì)參差不齊(qí)的，石墨(mò)片(piàn)的尖(jiān)端始(shǐ)終(zhōng)都突出在共生晶(jīng)體的(de)外面，伸(shēn)向液(yè)相(xiàng)中，保持(chí)領(lǐng)先在(zài)液相(xiàng)中(zhōng)生長、分(fèn)枝的态勢，共晶(jīng)轉變的過(guò)程參(cān)見圖4。
圖4 灰鑄鐵(tiě)共晶轉變過程的示意圖(tú)
灰鑄(zhù)鐵共晶(jīng)轉變過(guò)程中，石墨和奧(ào)氏體是共生的，而且(qiě)有石(shí)墨、奧(ào)氏體和液相三(sān)相共存的特點(diǎn)，具有(yǒu)共晶轉變(biàn)的特征。即(jí)使如此，由(yóu)于轉變過(guò)程中石(shí)墨處于(yú)領先(xiān)的地位，石(shí)墨和奧氏(shì)體的(de)協同(tóng)生長不那(nà)麽緊(jǐn)密(mì)，共生晶體的(de)界面(miàn)參差不齊(qí)，也(yě)有人認爲灰鑄鐵(tiě)的共(gòng)晶轉變(biàn)應該算是‘非正常的共(gòng)晶轉變’。
灰(huī)鑄鐵中，石(shí)墨(mò)和奧氏體構成(chéng)的共生(shēng)晶體通常稱之(zhī)爲“共晶團(tuán)”。共晶(jīng)團與共晶(jīng)團以(yǐ)及共晶團與初(chū)生(shēng)奧(ào)氏體(tǐ)，共同(tóng)長大到互相銜接、液相(xiàng)消失，共晶轉變的過程(chéng)即告(gào)結束。
2、灰鑄(zhù)鐵中石墨的晶核
灰鑄鐵中析(xī)出石墨所依托的異質(zhì)晶(jīng)核，其(qí)生核(hé)的過程可(kě)分(fèn)爲兩個階段(duàn)。
第一階段(duàn)： 一些強脫(tuō)氧元素在(zài)鐵液中形成微(wēi)細氧化物，其中(zhōng)以al和(hé)si爲(wèi)主，還包(bāo)括mn、ti、zr等(děng)，作爲晶核的核心。
第二階段：在(zài)微細(xì)氧化(huà)物上(shàng)形成(chéng)（mn、x）s 系硫(liú)化物的外層，這(zhè)才是(shì)石(shí)墨(mò)析出的異(yì)質(zhì)晶核，其(qí)尺寸＜5μm,一(yī)般爲0.4～2.0μm。
鑄鐵不(bú)進行孕育(yù)處(chù)理時，（mn、x）s中(zhōng)的 x主(zhǔ)要是(shì)fe，硫化物中(zhōng)含有的(de)ca、al、ti等(děng)元素(sù)很少，這(zhè)種（mn、x）s與石(shí)墨晶格(gé)的适配(pèi)度不太好(hǎo)，促進(jìn)石墨析出的(de)作(zuò)用較(jiào)差。
鑄鐵經孕育(yù)處理後，x包(bāo)括ca、al、ti、sr和(hé)re等(děng)元素，這(zhè)種硫化物與石墨晶(jīng)格(gé)的(de)适配(pèi)度較好，顆(kē)粒也(yě)較小，比較适合(hé)于石(shí)墨(mò)生核。如(rú)果孕(yùn)育處理得(dé)當，還可以在（mn、x）s硫(liú)化物表面上形(xíng)成形成一薄層複合(hé)的(de)矽酸鹽(yán)，進一(yī)步改善其(qí)與石(shí)墨(mò)晶格(gé)的(de)适配度。
由(yóu)此可(kě)見，爲(wèi)了是(shì)孕育(yù)處理(lǐ)的(de)效(xiào)果良(liáng)好，灰鑄鐵原鐵(tiě)液中應(yīng)保有一(yī)定的氧、硫(liú)含量(liàng)。一般說來(lái)，硫含(hán)量不(bú)宜低于0.06％；氧(yǎng)含量宜在(zài)0，003％左右(yòu)。
通常(cháng)都(dōu)認爲，al在灰鑄鐵中(zhōng)沒有孕育的(de)作用。而(ér)且，如(rú)果灰鑄鐵(tiě)中的al含量在0.02％以(yǐ)上，鐵液的(de)表面張力降(jiàng)低(dī)，采用(yòng)粘土濕(shī)砂型鑄造工(gōng)藝(yì)時，鑄件(jiàn)易(yì)于(yú)産生(shēng)針孔(kǒng)缺陷，這已經是(shì)鑄造行(háng)業的共識。因此，通(tōng)常都(dōu)希望(wàng)鑄鐵(tiě)中的(de)al含量低一些，或(huò)者對(duì)al含(hán)量不很在意(yì)。
實際(jì)上，在(zài)灰鑄鐵中，al對石墨的(de)析出(chū)和成(chéng)長有重要的作(zuò)用，可以使(shǐ)共晶(jīng)轉變的過(guò)冷度(dù)降低(dī)，共(gòng)晶團數(shù)增加(jiā)，且有(yǒu)利于a型石墨(mò)的形成(chéng)。通常(cháng)，宜将(jiāng)al含量控制在0.005～0.01％之間。保(bǎo)持這樣(yàng)的(de)al含量(liàng)，既可(kě)以有上述(shù)正面作用，又不(bú)至于誘發(fā)針孔(kǒng)缺陷。
因此(cǐ)，孕育劑中(zhōng)有(yǒu)一定的(de)ca、al含量，是至關重要的(de)。
3、球墨鑄鐵(tiě)的共晶轉變
球墨鑄鐵的共晶(jīng)轉變，雖(suī)然也是先析出石(shí)墨，随(suí)即(jí)析出(chū)奧氏體(tǐ)，但是(shì)，石墨在共(gòng)晶凝固過程中的主導作用不(bú)如灰(huī)鑄鐵中那樣明(míng)顯(xiǎn)，石墨球(qiú)與奧氏(shì)體也不(bú)像灰(huī)鑄鐵(tiě)中那樣，在共同與液(yè)相接(jiē)觸的條件(jiàn)下共生、共長。
球(qiú)墨鑄鐵的共晶(jīng)轉變過程中，石(shí)墨球自(zì)接(jiē)近共(gòng)晶成(chéng)分的(de)液相中(zhōng)生(shēng)核，而且有(yǒu)一個(gè)長(zhǎng)大(dà)的過程。石墨球長大到一(yī)定(dìng)的尺寸，周圍(wéi)的液(yè)相中(zhōng)的碳當量(liàng)很低(dī)，從而奧氏體在(zài)石墨的表(biǎo)面上(shàng)生核、長大，逐漸(jiàn)形成一個(gè)包圍石墨(mò)球的‘暈圈(quān)’，阻斷了石墨與液相(xiàng)的接觸。石(shí)墨的長大隻能(néng)由石(shí)墨-奧(ào)氏體(tǐ)界面處鐵(tiě)原子(zǐ)向外(wài)擴(kuò)散、碳(tàn)原(yuán)子通過(guò)奧氏體(tǐ)暈圈向石墨擴(kuò)散，長大(dà)的速度(dù)比灰(huī)鑄鐵(tiě)中的(de)石墨片低(dī)得多。
由于石(shí)墨(mò)球脫離了與(yǔ)液相的(de)接觸，不具備與(yǔ)奧氏(shì)體協同生長的條件，不能(néng)是說是正常的(de)共晶(jīng)轉變，而球(qiú)墨鑄鐵又是在共晶溫度附近(jìn)由液相析出石墨和奧氏體，所(suǒ)以，通常都将其(qí)稱之(zhī)爲“離異共(gòng)晶（divorced eutectic）”，其共晶(jīng)轉變(biàn)的過程參見(jiàn)圖5。
圖5 球(qiú)墨鑄鐵共晶轉變過程的(de)示意圖
大(dà)連理工大學的周繼(jì)揚教授，用彩色金相技術(shù)，對球(qiú)墨鑄鐵(tiě)的離異(yì)共晶進(jìn)行過系(xì)統的(de)研究(jiū)，提出(chū)了另一種觀(guān)點(diǎn)，認爲：石墨(mò)和奧氏體可以自液(yè)相中于不同的(de)位(wèi)置(zhì)、在不同的(de)時間分别析出(chū)，因而，球墨鑄鐵(tiě)的共晶(jīng)轉變可(kě)能有多種形态。
共晶轉變時，奧(ào)氏體(tǐ)可以在石墨球界面(miàn)上生(shēng)核、長大(dà)，也可以(yǐ)在石(shí)墨球的界面外依(yī)托其它(tā)的異(yì)質晶(jīng)核(hé)生(shēng)核、長(zhǎng)大。
有一個(gè)石墨球(qiú)和(hé)奧氏體組成的共晶晶粒，也有包圍(wéi)幾個石墨(mò)球的奧氏體(tǐ)晶粒。
更(gèng)多的(de)是(shì)，共(gòng)晶石(shí)墨球的外(wài)圍有多個(gè)奧氏體晶(jīng)粒生(shēng)核、長大，最後形(xíng)成(chéng)包(bāo)圍石(shí)墨球的‘暈(yūn)圈’，這(zhè)種情(qíng)況如(rú)圖6所示。
圖6 石墨球外圍奧氏體暈圈(quān)的形成過程
a）石(shí)墨球生核、長大(dà)；
b）石墨球外圍的貧碳(tàn)區；
c）奧(ào)氏體(tǐ)在石墨球表面(miàn)或外(wài)方(fāng)生核；
d）奧(ào)氏體長成(chéng)枝晶(jīng)；
e）形成封(fēng)閉(bì)的暈圈
4、球墨鑄鐵中(zhōng)石墨(mò)的晶(jīng)核
球(qiú)墨鑄鐵的處理方式不同于灰(huī)鑄鐵，其中(zhōng)，析出石(shí)墨所依托的(de)異質晶(jīng)核(hé)也就不同于灰鑄鐵(tiě)。
經球化處理的(de)鐵液純淨度高，其中(zhōng)的(de)硫(liú)、氧含(hán)量顯著降低。從(cóng)熱力(lì)學能位的角度看(kàn)來，一些元素的硫(liú)化物比氧(yǎng)化物穩定(dìng)，因而先形成(chéng)mgs、cas和mns等硫化物，作爲(wèi)晶核的核(hé)心。
然(rán)後，在微(wēi)細的硫(liú)化(huà)物(wù)上形(xíng)成多(duō)種氧化物，這些(xiē)氧化物(wù)又(yòu)與sio2作(zuò)用，形成複(fú)合的矽酸(suān)鹽外層，與(yǔ)石墨(mò)晶格的匹(pǐ)配度較好，這(zhè)就是球狀(zhuàng)石墨析(xī)出的(de)異(yì)質(zhì)晶核。
關于(yú)球墨鑄鐵(tiě)的(de)石墨化生核，應該(gāi)注意以下(xià)幾點(diǎn)：
由(yóu)于(yú)經強烈的處(chù)理後鐵(tiě)液的純淨度高(gāo)，異質(zhì)晶核的數(shù)量減少，所需孕(yùn)育劑的用量比(bǐ)灰鑄鐵多；
一般(bān)都要(yào)求原(yuán)鐵液(yè)中的硫含量盡量地低，但是，從(cóng)石墨化生核方(fāng)面考慮，不宜太(tài)低，尤其不(bú)宜時(shí)高、時(shí)低，最(zuì)好保(bǎo)持在0.005～0.015％之間；
原(yuán)鐵(tiě)液仍然(rán)應(yīng)該有(yǒu)一定(dìng)的(de)氧(yǎng)含量(liàng)。
基于這樣的認(rèn)識，就會想(xiǎng)到：如(rú)果原鐵液(yè)經球(qiú)化處理(lǐ)後用含硫、氧的孕育劑進行孕育(yù)處理，應該有很好的(de)效果。這種設想(xiǎng)，已在(zài)十多年前由歐(ōu)洲(zhōu)同行的研究(jiū)工作确認(rèn)，采用含(hán)硫、氧的(de)孕育劑，可(kě)以(yǐ)使球化(huà)率(lǜ)提(tí)高、石(shí)墨球數(shù)量增多(duō)、石墨(mò)球尺寸減(jiǎn)小，因(yīn)而可以從(cóng)多方面(miàn)提(tí)高球(qiú)墨鑄鐵件(jiàn)的質(zhì)量。
------------------------------摘自《微(wēi)信公(gōng)衆号(hào)：鑄造工業(yè)網》
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