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