鑄鐵件的最終性能，主要決定于其在凝固過(guò)程中形成的組織，例如：灰鑄鐵的熱性能就受其組織中石墨的形態(tài)、尺寸和數(shù)量的影響，力學(xué)性能則取決于初生奧氏體枝晶的數(shù)量、石墨的形態(tài)和共晶團(tuán)的尺寸；球墨鑄鐵的力學(xué)性能則取決于石墨球的數(shù)量、形態(tài)，以及基體組織的特點(diǎn)。
灰鑄鐵、球墨鑄鐵的凝固過(guò)程包括：初生相（奧氏體、石墨）的析出，共晶轉(zhuǎn)變和剩余殘液的凝固。
共晶轉(zhuǎn)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互相銜接，剩余的低熔點(diǎn)殘液處于晶粒之間的晶界部位，最后凝固。這種殘液在鑄鐵中所占的體積分?jǐn)?shù)雖然很小，但是，其中富集了多種偏析元素和夾雜物，它的凝固狀態(tài)可以使鑄鐵件中產(chǎn)生多種晶界缺陷，如磷共晶、晶界碳化物、晶界非金屬夾雜物、畸形石墨、晶間縮松等，對(duì)鑄件質(zhì)量的影響很大。生產(chǎn)過(guò)程中影響剩余殘液性質(zhì)的因素也很多，諸如：鑄鐵化學(xué)成分的選定，熔煉用各種原材料的質(zhì)量，熔煉過(guò)程的控制，鐵液的后處理工藝等等。因此，要討論剩余殘液的凝固，決不是一兩個(gè)段落所能說(shuō)得清楚的，這里只能暫且按下不說(shuō)了。
到目前為止，我們對(duì)鑄鐵凝固過(guò)程的認(rèn)識(shí)仍然是不夠充分的，很有必要進(jìn)一步的探索和研究。
鑄鐵凝固過(guò)程中的生核
鑄鐵是一種碳含量比較高的Fe-C合金，除碳以外，還含有多種其他合金元素。一般低合金鑄鐵中的碳，可以以石墨或Fe3C的形態(tài)析出。
高溫的鐵液中，石墨的自由能比Fe3C低得多，較易于直接自鐵液中析出。當(dāng)然，鑄鐵中的碳也可自固態(tài)的奧氏體中脫溶析出。從熱力學(xué)方面的分析看來(lái)，‘Fe-石墨’系二元相圖是穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，所以稱(chēng)之為Fe-C合金的穩(wěn)定系。相對(duì)而言，F(xiàn)e-Fe3C二元相圖就是Fe-C合金的介穩(wěn)定系。
要了解鑄鐵的凝固過(guò)程，當(dāng)然要參照Fe-C合金相圖。通常我們看到的書(shū)籍中，F(xiàn)e-C二元合金相圖，一般都用虛線表示穩(wěn)定系（Fe-石墨），實(shí)線表示介穩(wěn)定系（Fe-Fe3C）。近年來(lái)，有人提出：Fe-C合金相圖中，用實(shí)線表示穩(wěn)定系（Fe-石墨）、用虛線表示介穩(wěn)定系（Fe-Fe3C），可能更為貼切。
這篇短文，只涉及常用的灰鑄鐵和球墨鑄鐵的凝固，最關(guān)心的是石墨的析出，希望鑄鐵在凝固過(guò)程中不析出Fe3C，所以圖1中以實(shí)線表示穩(wěn)定系。
圖1 簡(jiǎn)略的Fe-C合金相圖（凝固部分）
均勻的液相中結(jié)晶析出固相（均質(zhì)生核），晶核的形成需要很大的表面能。對(duì)純金屬而言，在金屬液中均質(zhì)生核，一般都需要將其過(guò)冷到其熔點(diǎn)100℃以下。以這種生核方式結(jié)晶、凝固，在實(shí)驗(yàn)室中也許能夠做到，在生產(chǎn)條件下，不可能實(shí)現(xiàn)這種結(jié)晶、凝固的機(jī)制。
實(shí)際上，各種鑄造合金的結(jié)晶、凝固過(guò)程，都起始于異質(zhì)晶核。一般說(shuō)來(lái)，如果晶核的晶格與凝固體晶格的適配性好，合金液在很小的過(guò)冷度下就可以開(kāi)始結(jié)晶、凝固。
1、灰鑄鐵、球墨鑄鐵中硅的作用
單純的Fe-C合金，圖1中涉及的一些臨界點(diǎn)的溫度、碳含量見(jiàn)表1。
在平衡條件下，穩(wěn)定系的共晶溫度TEG（1153℃），只比介穩(wěn)定系的共晶溫度TEC（1147℃）高6℃。鑄鐵的凝固過(guò)程中，冷卻速率略高一點(diǎn)、過(guò)冷度略大一點(diǎn)，就會(huì)按介穩(wěn)定系轉(zhuǎn)變。實(shí)際生產(chǎn)條件下，鑄鐵凝固時(shí)冷卻速率都比較高、過(guò)冷度較大，如果是單純的Fe-C合金，很容易出現(xiàn)白口。對(duì)于生產(chǎn)灰鑄鐵和球墨鑄鐵鑄件而言，凝固過(guò)程中碳不能以Fe3C的形態(tài)析出，必須使其按穩(wěn)定系轉(zhuǎn)變，因而，加入合金元素，擴(kuò)大TEG和TEC之間的溫度差，是至關(guān)重要的。
Fe-C合金中加入硅，可以提高穩(wěn)定系的共晶溫度，不過(guò)這種作用不太明顯，但是，硅卻可以使介穩(wěn)定系的共晶溫度顯著降低，從而擴(kuò)大TEG和TEC之間的溫度差。硅的這種作用參見(jiàn)圖2。
圖2 Fe-C合金中硅含量對(duì)共晶溫度的影響
因此，在灰鑄鐵和球墨鑄鐵中，硅都是不可或缺的重要合金元素，能促使碳以石墨的形態(tài)析出，有效地抑制Fe3C的形成。
在實(shí)際生產(chǎn)條件下，還有很多影響鑄鐵凝固過(guò)程的因素，如：鑄鐵中含有多種合金元素，不是單純的Fe-C合金；鑄件的冷卻速率一般都比較高，與平衡狀態(tài)差別很大；鐵液中含有大量微細(xì)的非金屬夾雜物，凝固過(guò)程中結(jié)晶、生核的條件復(fù)雜。為了確保鑄件的質(zhì)量，最好是經(jīng)常研究由熱分析得到冷卻曲線，從而掌握本單位具體條件下鐵液的實(shí)際凝固特性。
2、單向性生核
金屬-非金屬體系的凝固過(guò)程中，非金屬物質(zhì)可以是金屬凝固的核心，而金屬不可能是非金屬物質(zhì)凝固的核心，這就是所謂的單向性生核（One way nucleation）。
鑄鐵的組織，主要是由金屬基體和和碳質(zhì)組分（石墨 和/或 碳化物）構(gòu)成的。除各種白口鑄鐵外，鑄鐵中都含有游離的石墨。石墨可以是奧氏體析出的核心，而奧氏體則不可能是石墨析出的核心。
同樣，Al-Si合金的共晶凝固過(guò)程中， Si可以是Al析出的核心，Al不可能是Si析出的核心。
過(guò)共晶鑄鐵析出初生石墨時(shí)，亞共晶鑄鐵共晶轉(zhuǎn)變時(shí)，都是先析出石墨，然后以石墨為核心析出奧氏體。為了更好地控制鑄鐵的組織，使鐵液中含有大量與石墨晶格匹配度好的晶核是至關(guān)重要的。
3、石墨晶核和異質(zhì)晶核
金屬液的結(jié)晶、凝固難以實(shí)現(xiàn)均質(zhì)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(diǎn)遠(yuǎn)高于鐵，如果鐵液中殘留有微細(xì)石墨，實(shí)現(xiàn)均質(zhì)生核，當(dāng)然是十分理想的，但是，由于以下的原因，至今還不能認(rèn)同這種方式的可行性。
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(shù)量和尺寸，因而也就難以控制鑄鐵的組織和冶金質(zhì)量。
熔煉灰鑄鐵時(shí)，如果鐵液中殘留的微粒石墨的尺寸稍大一些，非常有利于石墨以其為依托而析出，就會(huì)導(dǎo)致組織中出現(xiàn)粗大的‘C型石墨’。感應(yīng)電爐熔煉灰鑄鐵時(shí)，由于沒(méi)有沖天爐中那樣的高溫過(guò)熱帶，粒度較大的石墨就不易完全溶入鐵液，就易于導(dǎo)致組織中出現(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(xiàn)這種情況。
也有人提出過(guò)石墨化生核的設(shè)想：液態(tài)鐵溶解碳的能力比固態(tài)鐵強(qiáng)得多，鐵液凝固時(shí)會(huì)發(fā)生碳溶解度的驟降，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(shí)驗(yàn)、研究工作表明：鑄鐵中由石墨化自行產(chǎn)生晶核，大致需要250℃的過(guò)冷度，遠(yuǎn)低于Fe-C平衡圖中的亞穩(wěn)定平衡溫度。在這種條件下結(jié)晶、凝固，只能產(chǎn)生碳化物，不可能析出石墨。鑄鐵中，石墨的生核，也必須借助于異質(zhì)生核。
早期，有人在用于灰鑄鐵的孕育劑中配加粉狀晶態(tài)石墨，現(xiàn)在采用這種方式的已經(jīng)很少見(jiàn)到。
為了進(jìn)一步提高冶金質(zhì)量，無(wú)論灰鑄鐵或球墨鑄鐵，預(yù)處理（Preconditioning）工藝的應(yīng)用都日益增多，所用的預(yù)處理劑一般是碳化硅，也可以是晶態(tài)石墨。關(guān)于晶態(tài)石墨作用的機(jī)制，尚有待進(jìn)一步的探討。
鑄鐵中的初生奧氏體枝晶
出于力學(xué)性能方面的考慮，灰鑄鐵一般都是亞共晶成分，凝固組織中當(dāng)然會(huì)有初生奧氏體枝晶。在要求鑄鐵具有特殊性能的情況下（如要求熱導(dǎo)率高、減震性能好等），接近共晶、過(guò)共晶成分的灰鑄鐵也有應(yīng)用，但需求量很少。
以往，對(duì)于灰鑄鐵凝固過(guò)程的研究，大都著重于石墨的形成及其特性、共晶團(tuán)的數(shù)量和共析組織等方面，對(duì)初生奧氏體枝晶的作用注意較少。實(shí)際上，初生奧氏體枝晶在灰鑄鐵的作用有些像混凝土中的鋼筋，對(duì)鑄鐵力學(xué)性能的影響并不小。
球墨鑄鐵大多數(shù)是共晶或微過(guò)共晶成分，按照平衡相圖考慮，是不會(huì)有初生奧氏體的，因而，在球墨鑄鐵的研究方面，多著重于石墨和基體組織，對(duì)初生奧氏體的探討比灰鑄鐵還要少些。但是，在工業(yè)生產(chǎn)的條件下，球墨鑄鐵的凝固是在非平衡條件下進(jìn)行的，在共晶轉(zhuǎn)變之前也都有初生奧氏體枝晶析出，其作用也不可忽視。
1、初生奧氏體枝晶的析出
工業(yè)用的各種鑄鐵，由于在非平衡條件下的凝固，即使碳當(dāng)量高達(dá)4.7％，鑄造組織中仍然有一定量的初生奧氏體，這里，就不同共晶度的鑄鐵作簡(jiǎn)單的分析，參見(jiàn)圖3。
圖3 亞共晶、過(guò)共晶鑄鐵中初生奧氏體的析出
（1）亞共晶鑄鐵
碳當(dāng)量為Fe亞的亞共晶鐵液，冷卻到液相線BC以下，就開(kāi)始析出低碳初生奧氏體枝晶，液相中碳當(dāng)量隨之沿BC線逐漸增高。
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，液相中的碳含量為共晶碳含量C，由于并非處于平衡狀態(tài)，而且鐵液中沒(méi)有石墨作為共晶奧氏體析出的依托，不可能在此溫度下發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變。
冷卻到共晶溫度TEG以下某一溫度T2時(shí)，液相中的碳含量已經(jīng)沿BC的延長(zhǎng)線增高到C2，為過(guò)共晶成分，石墨異質(zhì)生核、結(jié)晶析出。石墨析出后，液相中的碳當(dāng)量降低到共晶成分附近，奧氏體以石墨為核心結(jié)晶析出，發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變。
（2）過(guò)共晶鑄鐵
碳當(dāng)量為F過(guò)的過(guò)共晶鐵液，冷卻到CD線以下，開(kāi)始析出初生石墨，未凝的液相中碳當(dāng)量沿DC線逐漸降低。
冷卻到溫度T1時(shí)，由于已逐漸析出初生石墨，液相中的碳當(dāng)量降低到C1＇，在碳當(dāng)量仍然高于共晶成分C的條件下，不析出奧氏體。
冷卻到共晶溫度TEG，液相中的碳當(dāng)量為共晶碳含量C，由于并非處于平衡狀態(tài)，不析出奧氏體，也不可能發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變。
冷卻到共晶溫度TEG以下某一溫度T2時(shí)，液相中的碳含量已經(jīng)沿DC的延長(zhǎng)線降低到C2＇，為亞共晶成分，析出初生奧氏體枝晶。由于初生奧氏體的析出，液相中的碳當(dāng)量回歸到共晶成分附近，奧氏體以石墨為核心結(jié)晶析出，發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變。
（3）共晶鑄鐵
在非平衡狀態(tài)下，即使是碳當(dāng)量為共晶成分的鐵液，冷卻到共晶溫度TEG，也不可能立即發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變。
冷卻到TEG溫度以下，初生奧氏體枝晶生核、析出。由于鐵液中單向性生核，石墨不可能依托奧氏體析出。液相中碳當(dāng)量提高后，石墨借助于異質(zhì)生核結(jié)晶析出，液相中的碳當(dāng)量回歸到共晶成分附近，奧氏體以石墨為核心結(jié)晶析出，發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變。
2、初生奧氏體枝晶的形態(tài)
奧氏體的晶格是面心正立方，直接自鐵液中生核、成長(zhǎng)時(shí)，只有按原子密排面（111）生長(zhǎng)，表面能最小，形成八面體晶體，析出的奧氏體才穩(wěn)定。然后，因?yàn)榫w的棱角前沿鐵液中溶質(zhì)的濃度梯度大，易于擴(kuò)散，棱角的成長(zhǎng)速度比平面大，就形成了一次枝晶，又在此基礎(chǔ)上長(zhǎng)出二次枝晶，進(jìn)而長(zhǎng)出三次枝晶，因而，通常都稱(chēng)之為奧氏體枝晶。
實(shí)際生產(chǎn)中的鑄鐵，由于鐵液中各部位溫度的差異、成分的偏析以及熱流的影響，初生奧氏體枝晶可以成長(zhǎng)為柱狀晶，也可以是等軸晶。柱狀晶在鑄型壁上生核，向熱流的反方向長(zhǎng)大。等軸晶鐵液中生核，向熱流的方向長(zhǎng)大。
鑄鐵中的奧氏體枝晶還具有不完整、不對(duì)稱(chēng)的特征，各個(gè)枝晶、一個(gè)枝的各部位，生長(zhǎng)的狀況都有差別。此外，也有在熱流作用下破損、缺失的部位。
表述奧氏體枝晶特點(diǎn)的主要參數(shù)是：二次枝晶的間距，枝晶的平均長(zhǎng)度，枝晶的數(shù)量和方向性。
3、初生奧氏體枝晶對(duì)鑄鐵性能的影響
對(duì)于灰鑄鐵，初生奧氏體枝晶的數(shù)量是影響力學(xué)性能的重要因素，鑄鐵組織中枝晶所占的體積分?jǐn)?shù)提高，鑄鐵的強(qiáng)度隨之提高，交錯(cuò)、接搭的枝晶尤為有益。
對(duì)球墨鑄鐵，初生奧氏體枝晶的數(shù)量和枝晶間距，對(duì)石墨球的形態(tài)、尺寸和分布狀況都有重要的影響。例如：枝晶間距大，枝晶間就可以有較大的石墨球；枝晶間距小，就只能產(chǎn)生小石墨球，因?yàn)橐徊糠质蚴窃谥чg的鐵液中析出的。因此，為了更好地控制球墨鑄鐵的質(zhì)量，控制初生奧氏體的數(shù)量和形態(tài)也是很有必要的。
4、對(duì)初生奧氏體枝晶的控制
影響鑄鐵中初生奧氏體枝晶數(shù)量和形態(tài)的因素很多，如：原鐵液的化學(xué)成分、溫度，鐵液在鑄型中的冷卻速度、過(guò)冷度，孕育處理的作用等等。
鑄鐵的碳當(dāng)量是影響初生奧氏體枝晶數(shù)量的重要因素。碳當(dāng)量提高，奧氏體枝晶數(shù)量減少。在碳當(dāng)量相同的條件下，提高硅碳比（提高硅含量、相應(yīng)地降低碳含量），初生奧氏體枝晶的數(shù)量顯著增加。
原鐵液的溫度、鐵液在高溫下保持的時(shí)間、澆注后的冷卻速度、凝固過(guò)程中的過(guò)冷度等工藝因素，都會(huì)影響初生奧氏體的數(shù)量和形態(tài)，但是，在生產(chǎn)條件下，這些參數(shù)往往決定于多種工藝要求，由改變這些參數(shù)來(lái)控制初生奧氏體枝晶的自由度不大。
近十多年來(lái)，對(duì)初生奧氏體枝晶的研究逐漸加強(qiáng)了，孕育處理對(duì)初生奧氏體枝晶的影響也日益受到了關(guān)注。
基于單向性生核的觀點(diǎn)，過(guò)共晶鑄鐵中析出的初生石墨，當(dāng)然可以作為初生奧氏體枝晶析出的異質(zhì)晶核，實(shí)際情況也是如此。亞共晶鑄鐵中，加入晶態(tài)石墨粉，應(yīng)該可以作為奧氏體枝晶析出的異質(zhì)晶核，但是，微細(xì)的石墨粉很容易溶于鐵液，其作用很難控制穩(wěn)定。
加入純鐵粉，作為奧氏體枝晶析出的均質(zhì)晶核，應(yīng)該是最有效的，問(wèn)題是純鐵粉很容易熔入鐵液，難以控制。
日本有研究工作表明，鐵液中加入微細(xì)的粉狀α-石英或α-方石英，初生奧氏體枝晶都易于生核、析出。
目前，鑄造行業(yè)中廣泛應(yīng)用的孕育處理工藝，大都著眼于影響鑄鐵共晶轉(zhuǎn)變時(shí)石墨的生核。如何加以改進(jìn)，使我們通過(guò)孕育處理，既能控制共晶轉(zhuǎn)變，又能控制初生奧氏體的析出，是一項(xiàng)值得認(rèn)真研究的課題。
到目前為止，我們對(duì)初生奧氏體的認(rèn)知還很不夠，控制的自由度當(dāng)然也就不大。對(duì)初生奧氏體研究較少的一個(gè)原因是：鑄鐵中，初生奧氏體枝晶和共晶奧氏體發(fā)生共析轉(zhuǎn)變后，用常規(guī)的金相觀察，不易分辨。
了解初始凝固的組織，早期采用較廣的方法是液淬，近年來(lái)多采用在試樣凝固后自高溫直接等溫淬火的方法。但是，生產(chǎn)企業(yè)所進(jìn)行的工藝研究工作，大都不便采用這兩種方法。大連理工大學(xué)周繼揚(yáng)教授提出的“彩色金相技術(shù)”，可以用常規(guī)的金相手段顯示鑄鐵的凝固組織，對(duì)于研究初生奧氏體枝晶，可能是非常適用的。
鑄鐵的共晶轉(zhuǎn)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(guò)程中最重要的環(huán)節(jié)。
雖然亞共晶鑄鐵、共晶鑄鐵和過(guò)共晶鑄鐵中都有初生奧氏體析出，但是，共晶轉(zhuǎn)變時(shí)并不依托奧氏體生核、結(jié)晶，而是在初生奧氏體枝晶間具有共晶成分的鐵液中單獨(dú)由石墨生核開(kāi)始。
灰鑄鐵和球墨鑄鐵，共晶轉(zhuǎn)變形成的組織，都是由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(jìn)鑄鐵中石墨的析出，基本上都借助于異質(zhì)生核的方式。析出石墨所依托的異質(zhì)晶核，基本組成物質(zhì)是多種氧化物、多種硫化物和多種硅酸鹽等非金屬夾雜物。由于各種鑄鐵的成分不同，經(jīng)歷的處理方式也不一樣，石墨晶核的實(shí)際構(gòu)成當(dāng)然也不盡相同。
根據(jù)近年來(lái)一些工業(yè)國(guó)家在這方面所作的大量研究工作，目前已經(jīng)形成的共識(shí)大致是這樣：
1、灰鑄鐵的共晶轉(zhuǎn)變
通常所謂的‘共晶轉(zhuǎn)變’，所指的是：一定成分的液態(tài)合金，在一定的溫度下，結(jié)晶出兩種（二元合金）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存的特點(diǎn)。
就Fe-C合金的穩(wěn)定系而言，共晶轉(zhuǎn)變時(shí)析出石墨和奧氏體兩種固相，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(zhuǎn)變結(jié)束。
灰鑄鐵共晶轉(zhuǎn)變的領(lǐng)先相是石墨，石墨析出后，奧氏體在石墨的分枝間析出，然后二者共同長(zhǎng)大，形成一個(gè)有點(diǎn)近于球形的協(xié)同結(jié)晶、長(zhǎng)大的共生晶體。共生晶體與液相接觸的前沿是參差不齊的，石墨片的尖端始終都突出在共生晶體的外面，伸向液相中，保持領(lǐng)先在液相中生長(zhǎng)、分枝的態(tài)勢(shì)，共晶轉(zhuǎn)變的過(guò)程參見(jiàn)圖4。
圖4 灰鑄鐵共晶轉(zhuǎn)變過(guò)程的示意圖
灰鑄鐵共晶轉(zhuǎn)變過(guò)程中，石墨和奧氏體是共生的，而且有石墨、奧氏體和液相三相共存的特點(diǎn)，具有共晶轉(zhuǎn)變的特征。即使如此，由于轉(zhuǎn)變過(guò)程中石墨處于領(lǐng)先的地位，石墨和奧氏體的協(xié)同生長(zhǎng)不那么緊密，共生晶體的界面參差不齊，也有人認(rèn)為灰鑄鐵的共晶轉(zhuǎn)變應(yīng)該算是‘非正常的共晶轉(zhuǎn)變’。
灰鑄鐵中，石墨和奧氏體構(gòu)成的共生晶體通常稱(chēng)之為“共晶團(tuán)”。共晶團(tuán)與共晶團(tuán)以及共晶團(tuán)與初生奧氏體，共同長(zhǎng)大到互相銜接、液相消失，共晶轉(zhuǎn)變的過(guò)程即告結(jié)束。
2、灰鑄鐵中石墨的晶核
灰鑄鐵中析出石墨所依托的異質(zhì)晶核，其生核的過(guò)程可分為兩個(gè)階段。
第一階段： 一些強(qiáng)脫氧元素在鐵液中形成微細(xì)氧化物，其中以Al和Si為主，還包括Mn、Ti、Zr等，作為晶核的核心。
第二階段：在微細(xì)氧化物上形成（Mn、x）S 系硫化物的外層，這才是石墨析出的異質(zhì)晶核，其尺寸＜5μm,一般為0.4～2.0μm。
鑄鐵不進(jìn)行孕育處理時(shí)，（Mn、x）S中的 x主要是Fe，硫化物中含有的Ca、Al、Ti等元素很少，這種（Mn、x）S與石墨晶格的適配度不太好，促進(jìn)石墨析出的作用較差。
鑄鐵經(jīng)孕育處理后，x包括Ca、Al、Ti、Sr和RE等元素，這種硫化物與石墨晶格的適配度較好，顆粒也較小，比較適合于石墨生核。如果孕育處理得當(dāng)，還可以在（Mn、x）S硫化物表面上形成形成一薄層復(fù)合的硅酸鹽，進(jìn)一步改善其與石墨晶格的適配度。
由此可見(jiàn)，為了是孕育處理的效果良好，灰鑄鐵原鐵液中應(yīng)保有一定的氧、硫含量。一般說(shuō)來(lái)，硫含量不宜低于0.06％；氧含量宜在0，003％左右。
通常都認(rèn)為，Al在灰鑄鐵中沒(méi)有孕育的作用。而且，如果灰鑄鐵中的Al含量在0.02％以上，鐵液的表面張力降低，采用粘土濕砂型鑄造工藝時(shí)，鑄件易于產(chǎn)生針孔缺陷，這已經(jīng)是鑄造行業(yè)的共識(shí)。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(shí)際上，在灰鑄鐵中，Al對(duì)石墨的析出和成長(zhǎng)有重要的作用，可以使共晶轉(zhuǎn)變的過(guò)冷度降低，共晶團(tuán)數(shù)增加，且有利于A型石墨的形成。通常，宜將Al含量控制在0.005～0.01％之間。保持這樣的Al含量，既可以有上述正面作用，又不至于誘發(fā)針孔缺陷。
因此，孕育劑中有一定的Ca、Al含量，是至關(guān)重要的。
3、球墨鑄鐵的共晶轉(zhuǎn)變
球墨鑄鐵的共晶轉(zhuǎn)變，雖然也是先析出石墨，隨即析出奧氏體，但是，石墨在共晶凝固過(guò)程中的主導(dǎo)作用不如灰鑄鐵中那樣明顯，石墨球與奧氏體也不像灰鑄鐵中那樣，在共同與液相接觸的條件下共生、共長(zhǎng)。
球墨鑄鐵的共晶轉(zhuǎn)變過(guò)程中，石墨球自接近共晶成分的液相中生核，而且有一個(gè)長(zhǎng)大的過(guò)程。石墨球長(zhǎng)大到一定的尺寸，周?chē)囊合嘀械奶籍?dāng)量很低，從而奧氏體在石墨的表面上生核、長(zhǎng)大，逐漸形成一個(gè)包圍石墨球的‘暈圈’，阻斷了石墨與液相的接觸。石墨的長(zhǎng)大只能由石墨-奧氏體界面處鐵原子向外擴(kuò)散、碳原子通過(guò)奧氏體暈圈向石墨擴(kuò)散，長(zhǎng)大的速度比灰鑄鐵中的石墨片低得多。
由于石墨球脫離了與液相的接觸，不具備與奧氏體協(xié)同生長(zhǎng)的條件，不能是說(shuō)是正常的共晶轉(zhuǎn)變，而球墨鑄鐵又是在共晶溫度附近由液相析出石墨和奧氏體，所以，通常都將其稱(chēng)之為“離異共晶（Divorced eutectic）”，其共晶轉(zhuǎn)變的過(guò)程參見(jiàn)圖5。
圖5 球墨鑄鐵共晶轉(zhuǎn)變過(guò)程的示意圖
大連理工大學(xué)的周繼揚(yáng)教授，用彩色金相技術(shù)，對(duì)球墨鑄鐵的離異共晶進(jìn)行過(guò)系統(tǒng)的研究，提出了另一種觀點(diǎn)，認(rèn)為：石墨和奧氏體可以自液相中于不同的位置、在不同的時(shí)間分別析出，因而，球墨鑄鐵的共晶轉(zhuǎn)變可能有多種形態(tài)。
共晶轉(zhuǎn)變時(shí)，奧氏體可以在石墨球界面上生核、長(zhǎng)大，也可以在石墨球的界面外依托其它的異質(zhì)晶核生核、長(zhǎng)大。
有一個(gè)石墨球和奧氏體組成的共晶晶粒，也有包圍幾個(gè)石墨球的奧氏體晶粒。
更多的是，共晶石墨球的外圍有多個(gè)奧氏體晶粒生核、長(zhǎng)大，最后形成包圍石墨球的‘暈圈’，這種情況如圖6所示。
圖6 石墨球外圍奧氏體暈圈的形成過(guò)程
a）石墨球生核、長(zhǎng)大；
b）石墨球外圍的貧碳區(qū)；
c）奧氏體在石墨球表面或外方生核；
d）奧氏體長(zhǎng)成枝晶；
e）形成封閉的暈圈
4、球墨鑄鐵中石墨的晶核
球墨鑄鐵的處理方式不同于灰鑄鐵，其中，析出石墨所依托的異質(zhì)晶核也就不同于灰鑄鐵。
經(jīng)球化處理的鐵液純凈度高，其中的硫、氧含量顯著降低。從熱力學(xué)能位的角度看來(lái)，一些元素的硫化物比氧化物穩(wěn)定，因而先形成MgS、CaS和MnS等硫化物，作為晶核的核心。
然后，在微細(xì)的硫化物上形成多種氧化物，這些氧化物又與SiO2作用，形成復(fù)合的硅酸鹽外層，與石墨晶格的匹配度較好，這就是球狀石墨析出的異質(zhì)晶核。
關(guān)于球墨鑄鐵的石墨化生核，應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)：
由于經(jīng)強(qiáng)烈的處理后鐵液的純凈度高，異質(zhì)晶核的數(shù)量減少，所需孕育劑的用量比灰鑄鐵多；
一般都要求原鐵液中的硫含量盡量地低，但是，從石墨化生核方面考慮，不宜太低，尤其不宜時(shí)高、時(shí)低，最好保持在0.005～0.015％之間；
原鐵液仍然應(yīng)該有一定的氧含量。
基于這樣的認(rèn)識(shí)，就會(huì)想到：如果原鐵液經(jīng)球化處理后用含硫、氧的孕育劑進(jìn)行孕育處理，應(yīng)該有很好的效果。這種設(shè)想，已在十多年前由歐洲同行的研究工作確認(rèn)，采用含硫、氧的孕育劑，可以使球化率提高、石墨球數(shù)量增多、石墨球尺寸減小，因而可以從多方面提高球墨鑄鐵件的質(zhì)量。
------------------------------摘自《微信公眾號(hào)：鑄造工業(yè)網(wǎng)》
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