灰鑄鐵和球墨鑄鐵都是共晶型Fe-C合金，共晶轉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有初生奧氏體析出，但是，共晶轉變時并不依托奧氏體生核、結晶，而是在初生奧氏體枝晶間具有共晶成分的鐵液中單獨由石墨生核開始。

灰鑄鐵和球墨鑄鐵，共晶轉變形成的組織，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。

　　促進鑄鐵中石墨的析出，基本上都借助于異質生核的方式。析出石墨所依托的異質晶核，基本組成物質是多種氧化物、多種硫化物和多種硅酸鹽等非金屬夾雜物。由于各種鑄鐵的成分不同，經歷的處理方式也不一樣，石墨晶核的實際構成當然也不盡相同。

　　根據近年來一些工業國家在這方面所作的大量研究工作，目前已經形成的共識大致是這樣：

　　1、灰鑄鐵的共晶轉變

　　通常所謂的‘共晶轉變’，所指的是：一定成分的液態合金，在一定的溫度下，結晶出兩種（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。

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，石墨和奧氏體共生，而且，在轉變過程中石墨、奧氏體和液相三相共存，直至共晶轉變結束。

　　灰鑄鐵共晶轉變的領先相是石墨，石墨析出后，奧氏體在石墨的分枝間析出，然后二者共同長大，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，保持領先在液相中生長、分枝的態勢，共晶轉變的過程參見圖4。

圖4   灰鑄鐵共晶轉變過程的示意圖

　　灰鑄鐵共晶轉變過程中，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，具有共晶轉變的特征。即使如此，由于轉變過程中石墨處于領先的地位，石墨和奧氏體的協同生長不那么緊密，共生晶體的界面參差不齊，也有人認為灰鑄鐵的共晶轉變應該算是‘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常稱之為“共晶團”。共晶團與共晶團以及共晶團與初生奧氏體，共同長大到互相銜接、液相消失，共晶轉變的過程即告結束。

　　2、灰鑄鐵中石墨的晶核

　　灰鑄鐵中析出石墨所依托的異質晶核，其生核的過程可分為兩個階段。

　　第一階段： 一些強脫氧元素在鐵液中形成微細氧化物，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晶核，其尺寸＜5μm,一般為0.4～2.0μm。

　　鑄鐵不進行孕育處理時，（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，促進石墨析出的作用較差。

　　鑄鐵經孕育處理后，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，還可以在（Mn、x）S硫化物表面上形成形成一薄層復合的硅酸鹽，進一步改善其與石墨晶格的適配度。

　　由此可見，為了是孕育處理的效果良好，灰鑄鐵原鐵液中應保有一定的氧、硫含量。一般說來，硫含量不宜低于0.06％；氧含量宜在0，003％左右。

　　通常都認為，Al在灰鑄鐵中沒有孕育的作用。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，鑄件易于產生針孔缺陷，這已經是鑄造行業的共識。因此，通常都希望鑄鐵中的Al含量低一些，或者對Al含量不很在意。

　　實際上，在灰鑄鐵中，Al對石墨的析出和成長有重要的作用，可以使共晶轉變的過冷度降低，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，又不至于誘發針孔缺陷。

　　因此，孕育劑中有一定的Ca、Al含量，是至關重要的。

　　3、球墨鑄鐵的共晶轉變

　　球墨鑄鐵的共晶轉變，雖然也是先析出石墨，隨即析出奧氏體，但是，石墨在共晶凝固過程中的主導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。

　　球墨鑄鐵的共晶轉變過程中，石墨球自接近共晶成分的液相中生核，而且有一個長大的過程。石墨球長大到一定的尺寸，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，逐漸形成一個包圍石墨球的‘暈圈’，阻斷了石墨與液相的接觸。石墨的長大只能由石墨-奧氏體界面處鐵原子向外擴散、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，不具備與奧氏體協同生長的條件，不能是說是正常的共晶轉變，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，通常都將其稱之為“離異共晶（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圖

　　大連理工大學的周繼揚教授，用彩色金相技術，對球墨鑄鐵的離異共晶進行過系統的研究，提出了另一種觀點，認為：石墨和奧氏體可以自液相中于不同的位置、在不同的時間分別析出，因而，球墨鑄鐵的共晶轉變可能有多種形態。

　　共晶轉變時，奧氏體可以在石墨球界面上生核、長大，也可以在石墨球的界面外依托其它的異質晶核生核、長大。

　　有一個石墨球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。

　　更多的是，共晶石墨球的外圍有多個奧氏體晶粒生核、長大，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程

a）石墨球生核、長大；b）石墨球外圍的貧碳區；

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晶核也就不同于灰鑄鐵。

　　經球化處理的鐵液純凈度高，其中的硫、氧含量顯著降低。從熱力學能位的角度看來，一些元素的硫化物比氧化物穩定，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晶核。

　　關于球墨鑄鐵的石墨化生核，應該注意以下幾點：

　　? 由于經強烈的處理后鐵液的純凈度高，異質晶核的數量減少，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氧含量。

　　基于這樣的認識，就會想到：如果原鐵液經球化處理后用含硫、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工作確認，采用含硫、氧的孕育劑，可以使球化率提高、石墨球數量增多、石墨球尺寸減小，因而可以從多方面提高球墨鑄鐵件的質量。