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(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，對鑄件質(zhì)量的影響很大。生產(chǎn)過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(rèn)識仍然是不夠充分的，很有必要進(jìn)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(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，‘Fe-石墨’系二元相圖是穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，所以稱之為Fe-C合金的穩(wěn)定系。相對而言，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程，當(dāng)然要參照Fe-C合金相圖。通常我們看到的書籍中，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，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，希望鑄鐵在凝固過程中不析出Fe3C，所以圖1中以實(shí)線表示穩(wěn)定系。

圖1 簡略的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。對純金屬而言，在金屬液中均質(zhì)生核，一般都需要將其過冷到其熔點(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、凝固過程，都起始于異質(zhì)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(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℃。鑄鐵的凝固過程中，冷卻速率略高一點(diǎn)、過冷度略大一點(diǎn)，就會按介穩(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、過冷度較大，如果是單純的Fe-C合金，很容易出現(xiàn)白口。對于生產(chǎn)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(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