鑄鐵件的最終性能，主要決定于其在凝固過程中形成的組織，例如：灰鑄鐵的熱性能就受其組織中石墨的形態、尺寸和數量的影響，力學性能則取決于初生奧氏體枝晶的數量、石墨的形態和共晶團的尺寸；球墨鑄鐵的力學性能則取決于石墨球的數量、形態，以及基體組織的特點。

　　灰鑄鐵、球墨鑄鐵的凝固過程包括：初生相（奧氏體、石墨）的析出，共晶轉變和剩余殘液的凝固。

　　共晶轉變的末期，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互相銜接，剩余的低熔點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，它的凝固狀態可以使鑄鐵件中產生多種晶界缺陷，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，對鑄件質量的影響很大。生產過程中影響剩余殘液性質的因素也很多，諸如：鑄鐵化學成分的選定，熔煉用各種原材料的質量，熔煉過程的控制，鐵液的后處理工藝等等。因此，要討論剩余殘液的凝固，決不是一兩個段落所能說得清楚的，這里只能暫且按下不說了。

　　到目前為止，我們對鑄鐵凝固過程的認識仍然是不夠充分的，很有必要進一步的探索和研究。

　　一、鑄鐵凝固過程中的生核

　　

　　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。當然，鑄鐵中的碳也可自固態的奧氏體中脫溶析出。從熱力學方面的分析看來，‘Fe-石墨’系二元相圖是穩定的平衡狀態，所以稱之為Fe-C合金的穩定系。相對而言，Fe-Fe3C二元相圖就是Fe-C合金的介穩定系。

　　要了解鑄鐵的凝固過程，當然要參照Fe-C合金相圖。通常我們看到的書籍中，Fe-C二元合金相圖，一般都用虛線表示穩定系（Fe-石墨），實線表示介穩定系（Fe-Fe3C）。近年來，有人提出：Fe-C合金相圖中，用實線表示穩定系（Fe-石墨）、用虛線表示介穩定系（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，最關心的是石墨的析出，希望鑄鐵在凝固過程中不析出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出固相（均質生核），晶核的形成需要很大的表面能。對純金屬而言，在金屬液中均質生核，一般都需要將其過冷到其熔點100℃以下。以這種生核方式結晶、凝固，在實驗室中也許能夠做到，在生產條件下，不可能實現這種結晶、凝固的機制。

　　實際上，各種鑄造合金的結晶、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適配性好，合金液在很小的過冷度下就可以開始結晶、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的溫度、碳含量見表1。    

　在平衡條件下，穩定系的共晶溫度TEG（1153℃），只比介穩定系的共晶溫度TEC（1147℃）高6℃。鑄鐵的凝固過程中，冷卻速率略高一點、過冷度略大一點，就會按介穩定系轉變。實際生產條件下，鑄鐵凝固時冷卻速率都比較高、過冷度較大，如果是單純的Fe-C合金，很容易出現白口。對于生產灰鑄鐵和球墨鑄鐵鑄件而言，凝固過程中碳不能以Fe3C的形態析出，必須使其按穩定系轉變，因而，加入合金元素，擴大TEG和TEC之間的溫度差，是至關重要的。

　　Fe-C合金中加入硅，可以提高穩定系的共晶溫度，不過這種作用不太明顯，但是，硅卻可以使介穩定系的共晶溫度顯著降低，從而擴大TEG和TEC之間的溫度差。硅的這種作用參見圖2。

　圖2   Fe-C合金中硅含量對共晶溫度的影響

　　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析出，有效地抑制Fe3C的形成。

在實際生產條件下，還有很多影響鑄鐵凝固過程的因素，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，與平衡狀態差別很大；鐵液中含有大量微細的非金屬夾雜物，凝固過程中結晶、生核的條件復雜。為了確保鑄件的質量，最好是經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際凝固特性。

　　2、單向性生核

金屬-非金屬體系的凝固過程中，非金屬物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組分（石墨 和/或 碳化物）構成的。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合金的共晶凝固過程中， Si可以是Al析出的核心，Al不可能是Si析出的核心。

　　過共晶鑄鐵析出初生石墨時，亞共晶鑄鐵共晶轉變時，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重要的。

　　3、石墨晶核和異質晶核

　　金屬液的結晶、凝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，如果鐵液中殘留有微細石墨，實現均質生核，當然是十分理想的，但是，由于以下的原因，至今還不能認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量和尺寸，因而也就難以控制鑄鐵的組織和冶金質量；

　　? 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，非常有利于石墨以其為依托而析出，就會導致組織中出現粗大的‘C型石墨’。感應電爐熔煉灰鑄鐵時，由于沒有沖天爐中那樣的高溫過熱帶，粒度較大的石墨就不易完全溶入鐵液，就易于導致組織中出現‘C型石墨’，例如，爐料中配用大量生鐵錠塊（超過15％），往往就出現這種情況。

　　也有人提出過石墨化生核的設想：液態鐵溶解碳的能力比固態鐵強得多，鐵液凝固時會發生碳溶解度的驟降，如果能自行析出石墨晶核，當然非常有利于石墨的析出。但是，許多實驗、研究工作表明：鑄鐵中由石墨化自行產生晶核，大致需要250℃的過冷度，遠低于Fe-C平衡圖中的亞穩定平衡溫度。在這種條件下結晶、凝固，只能產生碳化物，不可能析出石墨。鑄鐵中，石墨的生核，也必須借助于異質生核。

　　早期，有人在用于灰鑄鐵的孕育劑中配加粉狀晶態石墨，現在采用這種方式的已經很少見到。

　　為了進一步提高冶金質量，無論灰鑄鐵或球墨鑄鐵，預處理（Preconditioning）工藝的應用都日益增多，所用的預處理劑一般是碳化硅，也可以是晶態石墨。關于晶態石墨作用的機制，尚有待進一步的探討。