铸铁石墨化机理(mechanism of graphitization cast iron)

铸铁在凝固过程中石墨析出的机制。由于铸铁是…种含碳较高的铁碳合金，其中的碳能以石墨或渗碳体两种独立形式存在，因而其结晶过程按铸铁双重相图进行。

碳存在形式   

(1)以溶解状态存在。碳能有限溶解在铁液和固溶体中，并随温度下降而析出高碳相。

(2)以石墨结晶形式存在。石墨的晶格属六方晶格(图1)，每层基面上碳原子排列成六方形，原子间距为1.421nm，每个原子与相邻三个原子由共价键牢固地连接在一起。铸铁中的石墨并非纯碳而溶有极少量铁和其他元素。铸铁中的石墨是分散度很大的片状结晶。如铁液冷却较慢，铸铁中含促进石墨化元素较多，则铸铁中的碳将会以石墨的形式存在，这样的铸铁叫灰口铸铁。

(3)以渗碳体状态存在。如结晶时冷却速度较快，铸铁中促进石墨化的元素又少，则碳将会与铁化合成间隙化合物渗碳体(Fe3C)，其含碳量为6.67％。渗碳体为白亮色，性极硬而脆，如铸铁中的碳全部形成渗碳体，这种铸铁叫白口铸铁。渗碳体在温度适合的条件下，又可分解析出石墨，Fe3C-3Fe+C石墨。渗碳体分解在铸铁一次结晶和二次结晶时都能发生。铸铁中的碳有时也会与其他合金元素形成一些复杂的碳化物。

灰口铸铁的一次结晶  

铸铁由液态到固态的凝固结晶过程。对于亚共晶铸铁，包括初生奥氏体结晶和共晶结晶两个阶段。对于过共晶铸铁，则包括一次石墨结晶和共晶结晶两个结晶阶段。

(1)过共晶铸铁初生(一次)石墨结晶如图2。过共晶铸铁碳量为Cx，在一定过冷度t2 铁液中的含碳量Cx超过铁液中的平衡碳量Cα则初生石墨开始结晶。石墨的析出就使靠近石墨界面的铁水中碳浓度降低，引起了铁液中碳原子向石墨界面扩散，因而促使石墨继续结晶，直到铁液成分都达到Cα时，初生石墨的结晶才停止。当然在t2还有大量Cα成分铁液存在，要使初生石墨不断析出，必须继续冷却，随着温度下降，初生石墨不断析出，使铁水的含碳量沿D’C’ 线不断变化。当铁液下降到共晶温度t3，并有一定的过冷度时，成分C’ 的剩余铁液即发生共晶转变。

(2)灰口铸铁的共晶结晶如图3。亚共晶铸铁析出初生奥氏体后剩余的铁液和过共晶铸铁析出初生石墨后剩余的铁液，它们的碳量都是C’，属共晶铸铁成分。当铁液过冷到x点时，碳浓度大于石墨一铁液平衡点z的含碳量，铁浓度也高于奥氏体一铁液的平衡点y的含铁量，使铁液的碳和铁同时处于饱和状态，因此，有条件使奥氏体和石墨同时结晶形成共晶团。结晶开始时，一般是石墨结晶核心先出现和成长，由于石墨析出，使石墨周围铁液中碳的浓度降至z点，这样就有可能在附近产生奥氏体晶核。当奥氏体长大时，在其附近铁液的碳浓度将近y点，形成碳浓度差，因而碳原子便会自液/奥界面向液/石墨界面扩散，同时液/石墨界面的铁原子也向液/奥界面扩散，留出空间以便石墨成长。石墨与奥氏体的共晶结晶过程一直进行到铁液完全凝固为止。共晶转变的结果，铸铁中产生大量的石墨一奥氏体共晶团。灰铸铁一次结晶过程随铁液中含碳量不同而变。亚共晶铸铁如图4a的第一阶段是析出初生奥氏体，第二阶段是剩余铁液的共晶结晶。而过共晶成分铸铁图4b的第一阶段是初生石墨，第二阶段结晶是剩余铁液的共晶结晶。共晶铸铁结晶时只析出共晶晶粒。灰口铸铁二次结晶   铸铁凝固后，在固态所发生的相变，它包含析出二次石墨，奥氏体共析转变和渗碳体的分解等相变过程。当铸铁一次结晶完毕后，其结晶组织为奥氏体和石墨。此时奥氏体中的含碳量如相图3中E’点成分，随温度继续下降，其含碳量将沿E’S’ 下降，使奥氏体中的碳呈过饱和状态，若条件许可便从奥氏体中析出二次石墨，二次石墨一般附着在初生石墨上，不能明显改变铸铁的石墨形貌。

铸铁的共析转变也是一个结晶的重要阶段，它决定了铸铁的最终基体组织。当铸铁缓慢冷却到相图3的P’S ’ 线，并有一定过冷度时，即开始共析转变，过饱和的奥氏体析出共析石墨并转变为铁素体，共析石墨附着在初生石墨上。这种按稳定系进行转变的铸铁就是铁素体基体的铸铁。实际上，灰口铸铁中常有部分奥氏体的共析转变，但由于冷却速度较大，碳原子扩散困难，而按介稳系结晶，使部分奥氏体转变为珠光体，部分转变为铁素体，形成铁素体一珠光体的灰铸铁，若冷却速度更快时，使奥氏体全部转变为珠光体，这就是珠光体的灰口铸铁。