生產(chǎn)高牌號孕育灰鑄鐵件，進行有效的孕育處理，是至關(guān)重要的，但是，正確地確定化學(xué)成分，必要時配加少量合金元素，也是不可忽視的條件。如處理得當(dāng)，合理選定化學(xué)成分和孕育處理方法可以有效的提高灰鑄鐵各個方面機械性能及其鑄造成熟度。
這里，我們要討論有關(guān)控制灰鑄鐵化學(xué)成分，及孕育處理的一些問題。 一．灰鑄鐵的組織和合金元素的影響
灰鑄鐵的強度和綜合質(zhì)量，取決于其終的顯微組織，生產(chǎn)高牌號灰鑄鐵件，控制其顯微組織的目標，大致有以下幾方面：
★ 少量游離滲碳體和晶間滲碳體； ★ 石墨形態(tài)為A型； ★石長3——4 級。
★ 基體組織95%以上為珠光體，游離鐵素體不多于5%； ★ 晶粒細小均勻。 上述5項目標中，前3項要在鑄鐵共晶轉(zhuǎn)變過程中建立基礎(chǔ)，后2項則要通過控制鑄鐵共析轉(zhuǎn)變來達到。只有合理控制化學(xué)成分，有效地強化孕育才能滿足上述五項條件。 1．鑄鐵的共晶過程
要分析鑄鐵的共晶過程，不能不回顧一下鐵-碳合金的相圖。鐵-碳合金的相圖是雙重的，有穩(wěn)定的鐵-石墨系和介穩(wěn)定的鐵-滲碳體系。制成高性能的灰鐵件，當(dāng)然不希望出現(xiàn)游離的滲碳體，所以要使鑄鐵按穩(wěn)定的鐵-石墨系凝固。
圖1（借用李傳栻的圖）中簡略地表示了鐵-碳合金相圖的共晶部分，并表示了一些合金元素對鐵-石墨系和鐵-滲碳體系共晶溫度的影響。
圖1 合金元素對鐵-石墨系和鐵-滲碳體系平衡共晶溫度的影響
鐵-石墨系的共晶溫度高于鐵-滲碳體系的共晶溫度，如果共晶成分的鐵水冷卻到鐵-石墨共晶溫度以下，同時又在鐵-滲碳體的共晶溫度以上，此時，對鐵-石墨系而言鐵水已經(jīng)有了過冷度，可以進行石墨加奧氏體（γ）的共晶結(jié)晶，對鐵-滲碳體系而言，則系統(tǒng)的自由能仍較高，沒有進行滲碳體加奧氏體共晶結(jié)晶的可能。這樣，得到的是沒有游離滲碳體的灰鑄鐵。
但是，對于只含碳而不含其他合金元素的鑄鐵，鐵-石墨共晶結(jié)晶溫度與鐵-滲碳體共晶溫度之間的間隔只有6℃，要實現(xiàn)上述凝固條件，實際上幾乎是不可能的。在鐵-碳合金中加入硅，可以使鐵-石墨共晶溫度與鐵-滲碳體共晶溫度之間的間隔顯著擴大，見圖2。含硅量為2%時，此間隔大于30℃，要制得不含游離滲碳體的鑄鐵，就非常方便了。所以，所有的灰鑄鐵中都含有大量的硅，硅是灰鑄鐵中必不可少的，為重要的合金元素。如果沒有硅的存在即使碳很高也很
圖2 硅對鐵碳合金平衡共晶溫度的影響
難獲得游離體的鑄鐵組織。在灰鑄鐵中Si是強烈促進石墨化的元素，鐵中只有C沒有Si石墨化是很難完成的。Si元素含量低時，鑄鐵易出現(xiàn)白口組織，力學(xué)性能和鑄造性能都較低：含量過高時，石墨片過多且粗大，甚至?xí)霈F(xiàn)過飽和碳，嚴重降低鑄鐵的機械性能和質(zhì)量。因此工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)鑄件對材質(zhì)的要求和鑄件的壁厚合理控制C、Si含量。
各種常用的合金元素，共晶溫度范圍的影響，概略地在圖1中表示了。一些有數(shù)據(jù)可供參考的合金元素的作用見表1。
① 對于鐵-石墨系共晶成分，將表列數(shù)據(jù)乘以元素含量的百分數(shù)。
② 在穩(wěn)定條件下凝固時，固、液界面處合金元素在固相中的含量與其在液相中的含量的比。
* — 尚缺可用的數(shù)據(jù)。 （1） 初生奧氏體析出 ；
共晶凝固過程從自液相中析出初生奧氏體枝晶開始。即使是共晶成分的鑄鐵（只有亞共晶狀態(tài)才會析出初生奧氏體），也會產(chǎn)生一些初生奧氏體，因為誘發(fā)共晶反應(yīng)有賴于石墨的生核，石墨生核又需要一定的過冷度，這就有利于析出初生奧氏體。
共晶反應(yīng)前析出的初生奧氏體枝晶的量愈多，鑄鐵的強度愈高，初生奧氏體枝晶的多少，取決于鑄鐵的化學(xué)成分。碳含量是決定奧氏體枝晶析出量的主要因素，碳含量比共晶碳含量4.26%低得愈多，奧氏體枝晶析出量就愈多。
大多數(shù)合金元素，都改變鑄鐵的共晶碳含量，從而改變初生奧氏體枝晶的析出量。使鑄鐵化合碳含量降低的元素，通常稱為促進石墨化元素；使化合碳含量提高的元素，稱為阻礙石墨化元素。
硅和磷是作用強的、降低鑄鐵化合碳含量的元素，灰鑄鐵中含有硅和磷時，其共晶碳含量見下式： 共晶碳含量（%）=4.26%-1/3（%Si+%P）
一些常用合金元素的影響見表1。硫其在灰鑄鐵中作用的機制比較復(fù)雜，它在共晶轉(zhuǎn)變時起微弱的促進石墨化的作用，而在共析轉(zhuǎn)變過程中它有強烈阻礙石墨化的作用。鋁降低化合碳含量的作用也很強，但鋁主要用于高鋁耐熱鑄鐵，一般灰鑄鐵中都不含鋁。
如果灰鑄鐵的含碳量不變，加入降低化合碳含量的合金元素，就會使鑄鐵的碳當(dāng)量增高，從而會使初生奧氏體枝晶的析出量較少，共晶凝固的液相較多。液相高，鐵水的流動性就好，金屬液的流動性好其自補縮性能就好，鑄造性能相對也就好（現(xiàn)在稱為鑄造成熟度）。 （2）共晶凝固
隨著初生奧氏體枝晶的析出，剩余液相中的碳當(dāng)量不斷提高，其值達到4.26%時，即發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變。
共晶凝固從石墨生核開始。液相中微細的未熔石墨顆粒和高熔點的非金屬夾雜物都可以是石墨結(jié)晶的核心。石墨晶核形成后，很快就生長成片狀分枝，鄰近石墨的液相中碳含量減少，促使奧氏體在石墨之間析出。奧氏體（奧氏體為面心立方體，其原子密排面為111面，晶體外形為八面體）析出，又使鄰近的液相富碳，促進石墨繼續(xù)生長。這樣相互促進，并向周圍液相不斷生長的奧氏體-石墨共生晶粒，我們稱之為共晶團。液相中很多這樣的共晶團，各自徑向長大，結(jié)晶前沿大致接近于球形。每一個共晶團中的石墨片又都是相互連接的。
共晶凝固終了時，各共晶團相互間、共晶團與初生奧氏體枝晶。間互相接觸。共晶團晶界上常聚集有較多的夾雜物，一些元素，（如磷、硫）與鐵、碳組成的低熔點共晶體也可能析出于共晶團之間。有時，由于合金元素的偏析，還可能導(dǎo)致在共晶團之間析出滲碳體，這種滲碳體稱之晶間滲碳體（碳化物）。
石墨片的形態(tài)和尺寸，主要決定于凝固溫度，冷卻速率和液相中生核的情況。比較理想的石墨組織是散亂分布的、長度相近的石墨片（即A型石墨）。如鐵水中生核狀況良好，在略低于平衡共晶溫度的適當(dāng)過冷度下發(fā)生共晶反應(yīng)，就可得到A型石墨。如果鐵水中的生核條件不好，在比平衡溫度低得多的溫度下（過冷度大）凝固，則石墨片的長大速率和分枝速率都很高，則得到分布于枝晶間的小塊狀石墨，通常稱之為過冷石墨（D型石墨）。除在特殊條件下使用的鑄鐵件外，一般不希望產(chǎn)生這種石墨組織。
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