鑄鐵件的最(zuì)終性能，主要決定(dìng)于其在凝固過程中形成的組織，例(lì)如：灰鑄鐵的熱(rè)性(xìng)能就受其組織中石墨的形(xíng)态、尺寸和數量的影響，力學性能則取決于初(chū)生奧氏體枝晶(jīng)的數量、石墨的(de)形态和共晶團的尺寸；球墨鑄鐵的力學性能則取決于石墨球的數量、形态，以(yǐ)及基體組織的特(tè)點。
灰鑄鐵(tiě)、球墨鑄鐵的凝固過程包括：初生相（奧(ào)氏(shì)體(tǐ)、石墨）的析出(chū)，共晶轉變和剩餘殘液的凝固。
共晶(jīng)轉變的末期，共晶晶(jīng)粒與共晶晶粒之間、共晶晶粒與初生奧氏體枝晶之間互相銜接(jiē)，剩餘(yú)的低熔點殘液(yè)處于晶粒之間的(de)晶(jīng)界部位，最後凝固。這種殘(cán)液在鑄鐵中所占的體積(jī)分數雖然很小，但(dàn)是，其中富集(jí)了多種偏析元素和(hé)夾雜物，它的凝固狀(zhuàng)态可(kě)以使鑄鐵件中産(chǎn)生多種晶界(jiè)缺陷(xiàn)，如磷共晶、晶(jīng)界碳化物、晶界非(fēi)金屬夾(jiá)雜物、畸形石墨、晶間縮松等，對鑄件質量的影響很大。生産過程中影響剩餘殘液(yè)性質(zhì)的因素也很多，諸如：鑄鐵化學(xué)成分的選定，熔煉用各(gè)種原材料的(de)質量，熔煉過程的控制(zhì)，鐵液的後處理工藝等等。因此(cǐ)，要讨論剩餘(yú)殘液的凝固，決不是一兩個(gè)段落所能(néng)說得清楚的，這裏隻能(néng)暫(zàn)且(qiě)按下不說了。
到目前爲止，我們對鑄鐵凝固過程的認識仍然是不夠充分的，很(hěn)有必(bì)要進一步的探(tàn)索和研究。
鑄鐵凝固過程中的生核
鑄鐵是一種碳含量比較高的(de)Fe-C合金(jīn)，除碳以外，還含有(yǒu)多種其他合金元素。一般低合金鑄鐵中的碳，可以以石墨或Fe3C的形态析出。
高溫的鐵液中(zhōng)，石墨的自由能比Fe3C低得多(duō)，較易于直(zhí)接自鐵液中析出。當然，鑄鐵中的碳也可自固(gù)态的奧氏體中脫溶析出。從熱力學(xué)方面的分析看來，‘Fe-石墨’系二元相圖(tú)是穩定的平衡狀态，所以(yǐ)稱之爲Fe-C合金的(de)穩定系。相對而言，Fe-Fe3C二元相圖就是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(yào)參照Fe-C合金相圖。通常我們看(kàn)到的書籍中，Fe-C二元合金相圖，一般都用虛線表示穩(wěn)定系（Fe-石墨），實線表示(shì)介穩定系（Fe-Fe3C）。近年(nián)來，有人提出：Fe-C合金(jīn)相圖中(zhōng)，用實線表示穩定系(xì)（Fe-石墨）、用虛線表示介穩定系（Fe-Fe3C），可(kě)能更爲貼切。
這篇短文，隻涉及(jí)常用的(de)灰(huī)鑄鐵和(hé)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(zhōng)不析出Fe3C，所以圖(tú)1中以實線表示穩定(dìng)系。
圖1 簡略的Fe-C合金相(xiàng)圖（凝固部分）
均勻的液相中結晶析出固(gù)相（均質生核），晶核的(de)形成需要很大的表面能。對純金(jīn)屬而言(yán)，在金(jīn)屬液中均質生核，一般都需要将其(qí)過冷到其熔點100℃以下。以這種生核方(fāng)式結晶、凝固，在實(shí)驗室中也許能夠做到，在生(shēng)産條件下，不可能實現這(zhè)種結(jié)晶、凝固的機制。
實際上，各種鑄(zhù)造合金的結晶、凝固(gù)過程，都起始于(yú)異質晶核。一般說來，如果晶核的晶(jīng)格與凝(níng)固體晶格的适配性好，合金液在很小的過冷(lěng)度下(xià)就可以開始結晶、凝固。
1、灰鑄鐵、球墨鑄鐵中矽的(de)作用
單純的Fe-C合金，圖1中涉(shè)及的一些臨界(jiè)點的(de)溫度、碳含量見表1。
在平(píng)衡條件下，穩定系的共晶溫度TEG（1153℃），隻比介穩定(dìng)系的(de)共晶溫度TEC（1147℃）高6℃。鑄鐵的凝固過程中，冷卻速率略高一點、過冷度(dù)略大一點(diǎn)，就會按介穩定(dìng)系轉變。實際生産條件下，鑄鐵凝固時冷卻速率都比較高、過冷度較(jiào)大，如果(guǒ)是單純的Fe-C合金，很容易出現白(bái)口。對于(yú)生(shēng)産灰鑄鐵和球墨鑄鐵鑄(zhù)件而言，凝(níng)固過程中碳不能以Fe3C的形态析出，必(bì)須使其按穩定系轉變，因而，加入合金元素，擴(kuò)大TEG和TEC之間的溫度差，是至關重要的。
Fe-C合金中(zhōng)加入矽，可以(yǐ)提高穩定系的共晶溫度，不過這種作用不(bú)太明顯，但是，矽卻(què)可以使介穩定(dìng)系的共晶溫度顯著降低，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(xī)含(hán)量對共晶溫度的影響
因此，在灰鑄(zhù)鐵和球墨(mò)鑄鐵中，矽都是不可(kě)或缺的重要合金元素，能促使碳以石墨(mò)的形态(tài)析(xī)出，有(yǒu)效地抑制Fe3C的形(xíng)成。
在(zài)實際生産條件(jiàn)下(xià)，還有很多影(yǐng)響鑄鐵凝固過程的因素，如：鑄鐵中含有多種(zhǒng)合金元素，不是單純的Fe-C合金；鑄件的冷卻速率(lǜ)一般都比較高，與平衡狀态差别很大(dà)；鐵液中含有大量(liàng)微細的非金屬夾雜(zá)物，凝固過(guò)程中結晶、生核的條(tiáo)件複雜。爲了确保鑄件的質量，最好是經常研究由熱分析得到冷卻曲(qǔ)線，從而掌握本單位具體條件下鐵液的實際凝固特性(xìng)。
2、單向性生核
金屬-非金屬體系的凝固過程中(zhōng)，非金(jīn)屬物(wù)質可以是金屬凝固的核心，而金屬不可能是非金屬物質凝固(gù)的核心，這就是所謂的單向性生核（One way nucleation）。
鑄鐵的組(zǔ)織，主要是由(yóu)金屬基體和和碳質組分(fèn)（石墨 和/或 碳化(huà)物）構(gòu)成的。除各種白口鑄鐵外，鑄鐵中都含有遊離的石墨。石墨可以是奧氏體析出的核心(xīn)，而奧氏體則不可能是石(shí)墨析出的核心。
同(tóng)樣，Al-Si合金的共晶凝(níng)固過程中， Si可以是Al析出的核心(xīn)，Al不可(kě)能是Si析出的核心(xīn)。
過共晶鑄鐵析出(chū)初生石墨時，亞共晶(jīng)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奧氏體。爲了更好地控制鑄鐵(tiě)的組織，使鐵液中含有大量與石墨晶格匹配度好的晶核是(shì)至關重要的。
3、石墨晶核和異質(zhì)晶核
金屬液的結晶、凝(níng)固難以實現均質生核，從鑄鐵(tiě)液中析出石墨(mò)的情況又是如何呢？考(kǎo)慮到石墨的熔點遠高于鐵，如果鐵液中殘留有微細石墨，實(shí)現均質生核，當然(rán)是十分理想(xiǎng)的，但是，由于以下的原(yuán)因，至今(jīn)還不能認(rèn)同這種方式的可行(háng)性。
碳在鐵液中的溶解度很高，很難控制鐵液中殘留石墨微粒的數量和尺寸，因而也(yě)就難以控制鑄鐵的(de)組織和冶金質(zhì)量。
熔煉灰鑄鐵時，如果鐵液中殘留的微粒石墨的尺寸稍大一些，非常有利于(yú)石墨以其爲依托而析出，就會導緻組織中出現粗大(dà)的‘C型石墨’。感應電爐熔煉灰鑄鐵時，由于沒有沖天(tiān)爐中那樣的(de)高溫過熱帶(dài)，粒度(dù)較大的石墨就不易完全溶入鐵液(yè)，就(jiù)易于導緻組織中出現(xiàn)‘C型石墨’，例如，爐料中配用大量生鐵錠塊（超過(guò)15％），往往就出現這(zhè)種情況。
也有人提出過石墨化生核的設想：液态鐵溶解碳的(de)能力比固态鐵強得多，鐵液凝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(dāng)然非常有利于石墨的析出。但是，許多實驗、研(yán)究工作表明(míng)：鑄鐵中由石墨化自行産生晶核(hé)，大緻需要(yào)250℃的過冷度，遠低(dī)于Fe-C平衡圖中的亞穩定平衡溫度。在這種條件下結晶、凝固，隻(zhī)能産(chǎn)生碳化(huà)物，不可能析出石墨。鑄(zhù)鐵中，石(shí)墨(mò)的生核，也必須借助(zhù)于異質生核。
早期，有人在用于(yú)灰鑄鐵的孕育(yù)劑中(zhōng)配加粉狀晶态石墨，現在采(cǎi)用這種(zhǒng)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(huò)球墨鑄鐵，預處理（Preconditioning）工藝的應用都(dōu)日(rì)益增多，所用的預(yù)處理劑(jì)一般是碳化矽(xī)，也可以是晶态(tài)石墨。關(guān)于晶态石墨作用的機制，尚有待進一步的探(tàn)讨。
鑄鐵(tiě)中的初生奧氏體枝(zhī)晶
出于力(lì)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。在要求鑄鐵具(jù)有特殊性能的情況下(xià)（如要求熱導率高、減震性能好等(děng)），接近(jìn)共晶、過共晶成(chéng)分的灰鑄鐵也有應用，但需求(qiú)量很少。
以往，對于灰鑄鐵凝固(gù)過程的研究，大都着重于(yú)石(shí)墨的形成(chéng)及(jí)其特性、共晶團的(de)數量和共析組織等方面，對初生奧氏體枝晶的作用注意較少。實際上，初生奧氏體枝晶在灰鑄鐵的作用有些像混凝土中(zhōng)的鋼筋，對(duì)鑄鐵力學性能的影響并不小。
球墨鑄鐵大多數是共晶或微過共(gòng)晶成分，按照平衡相圖考慮，是(shì)不(bú)會(huì)有初生奧氏(shì)體的，因而，在球墨鑄鐵的研究方面，多着重于石墨(mò)和基體(tǐ)組織，對初生奧氏體的探讨比(bǐ)灰鑄鐵(tiě)還要少些。但是，在工業生産的條件下，球墨(mò)鑄(zhù)鐵的凝固是在非平衡(héng)條件下進行的，在共晶轉變之前也(yě)都有初生(shēng)奧氏(shì)體枝(zhī)晶析出，其作用也不(bú)可忽視。
1、初生奧(ào)氏體枝晶的析出
工業用(yòng)的各種鑄鐵，由于在(zài)非平衡條件下的凝(níng)固，即使碳(tàn)當量高達(dá)4.7％，鑄造(zào)組織中仍然有(yǒu)一定量的初生奧(ào)氏體，這裏，就(jiù)不同共晶度的鑄鐵作簡單的分析，參見圖3。
圖3 亞共(gòng)晶、過共晶鑄鐵中初生奧氏體的析出
（1）亞共晶鑄鐵
碳當量爲Fe亞的亞(yà)共(gòng)晶鐵液，冷(lěng)卻到液(yè)相線BC以下，就開始析出低碳初生奧氏體枝(zhī)晶，液相中碳當量随之沿BC線逐漸增高。
冷卻到溫度T1，由于已逐漸析出(chū)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，液相(xiàng)中的碳含量(liàng)爲共晶碳含量C，由于并非(fēi)處于平衡狀态(tài)，而且鐵液中沒有石墨作爲共晶奧(ào)氏體析出的依托，不可能在此溫度(dù)下發生共晶轉變。
冷卻到共(gòng)晶溫度TEG以(yǐ)下某一溫度T2時，液相中的碳含量已經沿BC的延長線增高到C2，爲過共晶(jīng)成分，石墨(mò)異質生核、結(jié)晶析出。石(shí)墨析出後，液相中的碳當量(liàng)降低到共(gòng)晶成分附近，奧氏體以石墨爲核心(xīn)結晶析出，發生共(gòng)晶轉變。
（2）過共晶鑄鐵(tiě)
碳當量(liàng)爲F過的過共晶鐵液，冷卻到CD線以下，開始析出(chū)初生石墨，未凝的液相中碳當量沿DC線逐漸降低。
冷(lěng)卻到溫(wēn)度T1時，由(yóu)于已逐漸(jiàn)析出初生石墨，液相中的碳當量降低到(dào)C1＇，在碳當量仍然高于共晶成分C的條件下，不析出奧(ào)氏體。
冷卻(què)到共晶溫度TEG，液(yè)相中的碳當量爲共晶碳(tàn)含量C，由于(yú)并非處于平衡狀态，不析出奧氏體，也不可能發生共晶轉變。
冷卻(què)到共晶溫度TEG以下某一(yī)溫(wēn)度T2時，液相(xiàng)中的碳含量已經沿DC的(de)延長線降低到C2＇，爲(wèi)亞共晶成(chéng)分，析出(chū)初生奧氏體枝晶。由于初生奧(ào)氏體(tǐ)的析出，液相中的碳當量回歸到共晶成分附近，奧氏體以石墨爲核心結晶析出，發生共(gòng)晶轉變。
（3）共晶鑄鐵
在非平衡狀态下(xià)，即使是(shì)碳當(dāng)量爲共晶成分的鐵液，冷卻到共(gòng)晶溫度(dù)TEG，也不可能立即發(fā)生共晶轉變。
冷卻到TEG溫度以下，初生奧氏體枝(zhī)晶生核、析(xī)出。由于鐵液中單向性生核，石墨不可能依托奧氏(shì)體析出。液相中碳當(dāng)量提高後(hòu)，石墨(mò)借助于異質生核結晶析出，液相中的碳當量回歸到共晶成分附近，奧(ào)氏體以石墨爲核心(xīn)結晶析出，發生共晶轉變。
2、初生奧氏體枝晶(jīng)的形态
奧氏(shì)體的晶格是面心正立方，直接自鐵液中生核、成長時，隻有(yǒu)按原子密排面（111）生長，表(biǎo)面(miàn)能最小，形成八面體晶體，析出的奧氏體才穩定。然後(hòu)，因爲晶體的棱角前沿鐵液中溶質(zhì)的濃度梯度大，易于擴散，棱角的成長速度比平面(miàn)大，就形成了一次枝晶，又(yòu)在此基礎上長出二次枝晶，進而長出三次枝(zhī)晶(jīng)，因而，通常都稱之爲奧氏體(tǐ)枝晶。
實(shí)際生産中的鑄鐵(tiě)，由于(yú)鐵液中各部位溫度(dù)的差異、成(chéng)分的偏析以及熱流的影響，初生奧(ào)氏(shì)體枝晶可以成長爲柱(zhù)狀晶，也可以是等軸晶。柱狀晶(jīng)在鑄型壁(bì)上生核，向熱流的反方向長大。等軸晶鐵液中生核(hé)，向熱流(liú)的方向長大。
鑄鐵(tiě)中的(de)奧氏體枝晶(jīng)還具有不完整、不對稱的特征，各個枝晶、一個枝(zhī)的各部位，生(shēng)長的狀況都有差别。此外，也(yě)有在(zài)熱流作用下破損、缺失的部位(wèi)。
表述奧氏體枝晶特點的(de)主要參數是：二次枝晶的間距，枝晶的(de)平均長度，枝晶的數量和方向性。
3、初生奧氏(shì)體枝晶對鑄(zhù)鐵性能的(de)影響(xiǎng)
對于灰鑄鐵，初生奧氏體枝晶的數量是(shì)影響力學性能的重要因素，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(yóu)爲有益。
對球墨(mò)鑄鐵，初(chū)生奧氏體枝晶的數量和枝(zhī)晶間距，對石(shí)墨球(qiú)的形态、尺(chǐ)寸和(hé)分(fèn)布狀況都有重要(yào)的影響。例如：枝(zhī)晶間(jiān)距大，枝晶間就可以有較大的石墨球；枝晶間距小，就隻能産(chǎn)生小石墨球，因爲一部分石墨球是在枝晶間的鐵液中析出(chū)的。因此，爲了更好(hǎo)地控制球墨鑄鐵(tiě)的質量，控制初生奧氏體的數量和(hé)形态也是很有必要的。
4、對初生奧氏體枝晶的控制
影響(xiǎng)鑄(zhù)鐵中初生奧(ào)氏(shì)體枝晶數量和(hé)形态的因素很多，如：原鐵液的化學(xué)成分、溫度，鐵液在(zài)鑄型中的(de)冷卻速度、過(guò)冷度，孕育處理的作用等等。
鑄鐵的碳當量是影響初生奧氏體枝(zhī)晶數量的重要因素。碳當量(liàng)提高，奧氏體枝(zhī)晶數量減少。在碳當(dāng)量相同(tóng)的條件下，提(tí)高矽(xī)碳比（提高矽含量、相應地降低碳含量），初生奧氏體枝晶的數(shù)量顯(xiǎn)著增加。
原鐵液的溫度、鐵液在高溫下保(bǎo)持的時間(jiān)、澆注後的冷卻速度、凝固過程中的過冷度等工(gōng)藝(yì)因素，都會影響初生(shēng)奧氏體的(de)數量和形态，但是，在(zài)生産條件下，這些參數往(wǎng)往決定于多種工藝要求，由改變這(zhè)些參(cān)數來控制初生奧氏體枝晶的自由(yóu)度不大。
近十多年來，對初生奧氏體枝晶的研究逐漸加強了，孕育處理對初生奧氏體枝晶的影響也日益受到了關注。
基于單向性生核的觀點，過共晶鑄鐵中(zhōng)析出(chū)的初生石墨(mò)，當然可以(yǐ)作爲初生奧氏(shì)體枝晶析出的異質晶核，實(shí)際情況也是(shì)如此。亞共晶鑄鐵中，加入晶态石墨粉，應該可以作爲奧氏體枝晶析出的異質晶核，但是，微細的石墨粉很容易溶于鐵液，其作用很(hěn)難控制穩定。
加入純鐵粉，作爲奧氏(shì)體枝晶析出的均質晶核，應該是最有效的，問題是(shì)純鐵粉很容(róng)易熔入鐵液，難以控制(zhì)。
日本有研究工作表明，鐵液中加(jiā)入微細的粉狀α-石(shí)英或α-方石英，初生奧(ào)氏體枝晶都易于生核、析出。
目前，鑄造行業中廣泛應用的孕育處理工(gōng)藝，大都着眼于影響鑄鐵共(gòng)晶轉(zhuǎn)變時石墨的生核(hé)。如何加以改進，使我們通過孕育處理，既(jì)能控制共晶轉變，又能控制初生奧氏體的(de)析出，是一項值得認真研究的課題。
到(dào)目前爲止，我們對初生奧(ào)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)研究較少的一個(gè)原因是：鑄(zhù)鐵中，初(chū)生奧氏體枝晶和共晶奧氏(shì)體發生共析轉變(biàn)後，用常規的金相觀察，不易分辨。
了解初始(shǐ)凝固(gù)的組織，早期(qī)采用較廣的方法(fǎ)是液淬，近年(nián)來多采用在試樣凝固後自高溫直接等溫淬火的方法。但(dàn)是，生(shēng)産企業所進行的工藝研究工作，大(dà)都不便采用這兩種方法。大連理工大學周繼揚教授提(tí)出的“彩色金相技術”，可以(yǐ)用(yòng)常規的(de)金相手段顯示鑄鐵的凝固組(zǔ)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(hé)生核
灰鑄鐵和球墨鑄鐵(tiě)都(dōu)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(tiě)、共晶鑄鐵和過共晶(jīng)鑄鐵中都有初生奧(ào)氏體析出，但是，共晶轉變時并不依托奧氏體生核(hé)、結晶，而是在初生(shēng)奧氏體枝晶間具(jù)有共晶成分的鐵液中單(dān)獨(dú)由石墨(mò)生核開始(shǐ)。
灰鑄(zhù)鐵和球墨鑄(zhù)鐵(tiě)，共晶轉變形成的組織(zhī)，都是由(yóu)石墨和奧氏體共同形成的共生晶體，但形成的方式有所不同。
促進鑄鐵中石墨的析出，基本上都借助于異質(zhì)生核的方(fāng)式。析出石墨所依(yī)托的異質晶核，基本組成物質是多種氧化物、多種硫化物和多種矽酸鹽等非金屬夾雜物。由于各種鑄鐵的成分不同，經曆的處理方(fāng)式也(yě)不一樣，石墨晶核的實際構成當然也不盡相同。
根據近(jìn)年來一些工業國家在這方(fāng)面(miàn)所作的大量研究工(gōng)作，目前已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(de)‘共晶(jīng)轉變’，所指的是：一定成分的液态合金，在一定(dìng)的溫度下，結晶出(chū)兩(liǎng)種（二元合(hé)金）或兩種以上（多元合金）固相，而且還具有液相與析出的各種固相共(gòng)存的特點。
就Fe-C合金的穩定系而言，共晶轉變時析出石墨和奧氏體兩種固相(xiàng)，石墨和奧氏體(tǐ)共生，而且，在轉變過程中石墨、奧氏體(tǐ)和液相三相共存，直至共晶轉變結束。
灰鑄鐵共晶轉變的領先相是石墨，石墨析出後，奧(ào)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(diǎn)近于球形的協同結晶、長大的共生晶體。共生晶體與液相接觸的(de)前沿是參差不齊(qí)的，石墨片的尖端始終都突出(chū)在共生晶體的外面(miàn)，伸向液相中，保持領先在液相中生長、分(fèn)枝的态勢，共晶轉變的(de)過程參(cān)見圖4。
圖4 灰(huī)鑄鐵(tiě)共晶轉變過程的示意圖
灰鑄鐵共(gòng)晶轉變過程中，石墨和奧氏體是共(gòng)生的，而且有石(shí)墨(mò)、奧氏體和液相三(sān)相共(gòng)存的特點，具有共晶轉變(biàn)的特征。即使如此，由于(yú)轉(zhuǎn)變過程中石墨處于領先的(de)地位，石(shí)墨和奧氏(shì)體的協同生長不那麽緊密，共(gòng)生晶體的界面參差不齊，也有人認(rèn)爲灰鑄鐵的共(gòng)晶轉變應該算是‘非正常的共晶轉變’。
灰鑄鐵中，石墨和奧氏體構成的共生晶體通(tōng)常稱之爲“共晶團(tuán)”。共晶團與共晶(jīng)團以及共晶(jīng)團與初生奧氏體，共同(tóng)長大到互相銜接、液相消失，共(gòng)晶轉變(biàn)的過程即告結束。
2、灰鑄鐵中石墨的晶核
灰鑄鐵中析(xī)出石墨所依托的異質晶核，其生核的過程可分爲兩個階段。
第一階段(duàn)： 一些強脫氧元素(sù)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，作爲晶核的核心。
第二階段(duàn)：在(zài)微細氧化物上形成（Mn、x）S 系硫化物的外層，這(zhè)才是石墨析出(chū)的(de)異(yì)質晶核，其尺寸＜5μm,一般爲0.4～2.0μm。
鑄鐵不進行(háng)孕育處理時，（Mn、x）S中(zhōng)的 x主要是Fe，硫化物中含有的Ca、Al、Ti等元素(sù)很少，這種（Mn、x）S與石(shí)墨晶格的适配度不太好，促進石(shí)墨析(xī)出的作用較差。
鑄鐵經孕育(yù)處理後(hòu)，x包(bāo)括Ca、Al、Ti、Sr和(hé)RE等元素，這種硫化物與石墨晶格的适配(pèi)度較好，顆(kē)粒也較小，比(bǐ)較适合于石墨生核。如果孕育處理得(dé)當，還可(kě)以在（Mn、x）S硫(liú)化物表面上形成形成一薄層複合的矽酸鹽，進一步改善其與石墨晶格的适配度。
由(yóu)此可見，爲了是孕育處理的效果良好，灰(huī)鑄鐵原鐵液(yè)中應保有一定的氧、硫含量。一般說來，硫含量不(bú)宜低于0.06％；氧含量宜在0，003％左右。
通常都認爲，Al在(zài)灰鑄鐵中沒有孕育的作用。而且，如(rú)果(guǒ)灰鑄鐵中的Al含量在0.02％以上，鐵液的表面張力降低，采用粘土濕砂型鑄(zhù)造(zào)工(gōng)藝時，鑄件易于産生針孔缺陷，這已經是鑄造行業的共(gòng)識。因此，通常都(dōu)希望鑄(zhù)鐵中的Al含量低一些，或者對Al含量不很在意(yì)。
實際上，在灰鑄鐵(tiě)中，Al對石墨的析出和成長有重要的作用，可以使共晶(jīng)轉變的過冷度降低，共晶團數增加，且有利于A型石墨的形成。通常，宜将(jiāng)Al含量控制在0.005～0.01％之間。保持(chí)這樣的Al含量(liàng)，既可以有上述(shù)正面作用，又不至于(yú)誘發針孔(kǒng)缺陷。
因(yīn)此，孕育劑中有一(yī)定的(de)Ca、Al含量，是至(zhì)關重要的。
3、球墨鑄鐵的共晶轉變
球墨(mò)鑄鐵的共晶(jīng)轉變，雖然也是先析(xī)出石墨，随即析出奧氏體，但是，石墨在共晶凝固過程中的主導作用不如灰(huī)鑄鐵中那(nà)樣明顯，石墨球與奧氏體也不像灰(huī)鑄鐵(tiě)中那(nà)樣，在共同與液相接觸的條(tiáo)件下共生、共長。
球(qiú)墨鑄鐵的共晶(jīng)轉變(biàn)過程(chéng)中，石墨球自接近共(gòng)晶成分的液相中生核，而且有(yǒu)一個長大的過程。石墨球長大到一定的尺寸，周圍(wéi)的液相中的碳(tàn)當量很低，從而奧氏體在石墨的表(biǎo)面(miàn)上生核、長大，逐漸形成一(yī)個包圍石墨球的‘暈圈(quān)’，阻斷了石墨與液(yè)相(xiàng)的接觸。石(shí)墨的長大(dà)隻能由石墨-奧氏體界面處鐵原子(zǐ)向外擴(kuò)散、碳原子通過奧氏體暈圈向石墨擴散，長大的速度比灰鑄鐵(tiě)中的石墨片低得(dé)多。
由于石墨球脫離了與液相的接觸，不具備與奧氏體協同生長的條件，不能(néng)是說是正常的共晶(jīng)轉變，而球(qiú)墨(mò)鑄鐵又是在共晶溫度附近由液相析出石墨和奧氏體，所以，通常(cháng)都将其稱之爲“離異共(gòng)晶（Divorced eutectic）”，其共晶轉變(biàn)的過(guò)程參見圖(tú)5。
圖5 球墨鑄(zhù)鐵共晶轉(zhuǎn)變過程的(de)示意圖
大連理工大學的周繼揚教授，用彩色金相技(jì)術，對球墨鑄鐵的離異(yì)共晶(jīng)進行過系統的研究，提出了另一種觀點(diǎn)，認爲：石墨和奧氏體可以自液(yè)相中于不同(tóng)的位置、在不同的時間分别析出，因而，球墨鑄鐵的共(gòng)晶轉變可能有(yǒu)多種形态。
共晶轉變(biàn)時，奧氏體可以在(zài)石墨球界面上生核、長大，也可以在石墨球的(de)界面外依托其它的異質晶核生(shēng)核、長大。
有一個石墨球和奧氏(shì)體(tǐ)組成的共晶(jīng)晶粒，也有包圍幾個石墨球的奧氏(shì)體晶粒。
更(gèng)多的是(shì)，共晶石墨球的外圍有多個奧氏體晶粒生(shēng)核、長大，最後形成包圍(wéi)石墨球的‘暈圈’，這種情況如圖6所示。
圖6 石墨球外圍奧氏體(tǐ)暈圈(quān)的(de)形成過程
a）石墨球生核、長大；
b）石墨球外圍的(de)貧碳區；
c）奧氏體在石墨球表面或外方生核；
d）奧(ào)氏體長成(chéng)枝晶；
e）形成封閉的暈圈
4、球墨鑄鐵(tiě)中石墨的晶核
球(qiú)墨鑄鐵的處理(lǐ)方式不同于灰(huī)鑄鐵，其(qí)中，析出石墨所(suǒ)依托的異質晶核也就不同于灰鑄鐵。
經球化處理的鐵液(yè)純淨度高，其中的硫、氧含量顯著降低。從熱力學能(néng)位的角度看來，一些元素的硫化物比氧化物穩定，因(yīn)而先形成MgS、CaS和MnS等硫化物，作爲晶核的核心。
然後，在(zài)微細(xì)的硫化物上形成多種(zhǒng)氧化物，這些氧化物又與SiO2作用，形成複合的矽酸鹽外層，與(yǔ)石墨晶(jīng)格的匹配度較好(hǎo)，這就是球狀石墨析出的異質晶核。
關于球墨鑄鐵的石墨化生核(hé)，應該(gāi)注意以下幾點：
由于經強烈的處理後鐵液的純淨度高，異質晶(jīng)核的數(shù)量減少，所(suǒ)需孕育劑的用(yòng)量比(bǐ)灰鑄鐵多；
一般都要求原鐵液中的硫含(hán)量盡(jìn)量地低，但是，從石墨化生核方面考慮，不宜太低(dī)，尤(yóu)其不宜時高、時低，最好保持在0.005～0.015％之間；
原鐵液仍然應該有一定的(de)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(de)效果。這種設想，已在十多年前由歐洲同行的研究(jiū)工(gōng)作确認(rèn)，采用含硫、氧的孕育劑，可以使球化率提高(gāo)、石墨球數量增多(duō)、石墨(mò)球尺寸減小，因而可以從多方面提高球墨鑄鐵(tiě)件的質量。
------------------------------摘自(zì)《微信公衆号：鑄造工業網(wǎng)》
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