铸铁件的最终性能，主要决定于其在凝固过程中形成的组织，例如：灰铸铁的热性能就受其组织中石墨的形态、尺寸和数量的影响，力学性能则取决于初生奥氏体枝晶的数量、石墨的形态和共晶团的尺寸；球墨铸铁的力学性能则取决于石墨球的数量、形态，以及基体组织的特点。

灰铸铁、球墨铸铁的凝固过程包括：初生相（奥氏体、石墨）的析出，共晶转变和剩余残液的凝固。

共晶转变的末期，共晶晶粒与共晶晶粒之间、共晶晶粒与初生奥氏体枝晶之间互相衔接，剩余的低熔点残液处于晶粒之间的晶界部位，最后凝固。这种残液在铸铁中所占的体积分数虽然很小，但是，其中富集了多种偏析元素和夹杂物，它的凝固状态可以使铸铁件中产生多种晶界缺陷，如磷共晶、晶界碳化物、晶界非金属夹杂物、畸形石墨、晶间缩松等，对铸件质量的影响很大。生产过程中影响剩余残液性质的因素也很多，诸如：铸铁化学成分的选定，熔炼用各种原材料的质量，熔炼过程的控制，铁液的后处理工艺等等。因此，要讨论剩余残液的凝固，决不是一两个段落所能说得清楚的，这里只能暂且按下不说了。

到目前为止，我们对铸铁凝固过程的认识仍然是不够充分的，很有必要进一步的探索和研究。

一、铸铁凝固过程中的生核

铸铁是一种碳含量比较高的Fe-C合金，除碳以外，还含有多种其他合金元素。一般低合金铸铁中的碳，可以以石墨或Fe3C的形态析出。

高温的铁液中，石墨的自由能比Fe3C低得多，较易于直接自铁液中析出。当然，铸铁中的碳也可自固态的奥氏体中脱溶析出。从热力学方面的分析看来，‘Fe-石墨’系二元相图是稳定的平衡状态，所以称之为Fe-C合金的稳定系。相对而言，Fe-Fe3C二元相图就是Fe-C合金的介稳定系。

要了解铸铁的凝固过程，当然要参照Fe-C合金相图。通常我们看到的书籍中，Fe-C二元合金相图，一般都用虚线表示稳定系（Fe-石墨），实线表示介稳定系（Fe-Fe3C）。近年来，有人提出：Fe-C合金相图中，用实线表示稳定系（Fe-石墨）、用虚线表示介稳定系（Fe-Fe3C），可能更为贴切。

这篇短文，只涉及常用的灰铸铁和球墨铸铁的凝固，最关心的是石墨的析出，希望铸铁在凝固过程中不析出Fe3C，所以图1中以实线表示稳定系。

图1 简略的Fe-C合金相图（凝固部分）

均匀的液相中结晶析出固相（均质生核），晶核的形成需要很大的表面能。对纯金属而言，在金属液中均质生核，一般都需要将其过冷到其熔点100℃以下。以这种生核方式结晶、凝固，在实验室中也许能够做到，在生产条件下，不可能实现这种结晶、凝固的机制。

实际上，各种铸造合金的结晶、凝固过程，都起始于异质晶核。一般说来，如果晶核的晶格与凝固体晶格的适配性好，合金液在很小的过冷度下就可以开始结晶、凝固。

1、灰铸铁、球墨铸铁中硅的作用

单纯的Fe-C合金，图1中涉及的一些临界点的温度、碳含量见表1。

在平衡条件下，稳定系的共晶温度TEG（1153℃），只比介稳定系的共晶温度TEC（1147℃）高6℃。铸铁的凝固过程中，冷却速率略高一点、过冷度略大一点，就会按介稳定系转变。实际生产条件下，铸铁凝固时冷却速率都比较高、过冷度较大，如果是单纯的Fe-C合金，很容易出现白口。对于生产灰铸铁和球墨铸铁铸件而言，凝固过程中碳不能以Fe3C的形态析出，必须使其按稳定系转变，因而，加入合金元素，扩大TEG和TEC之间的温度差，是至关重要的。

Fe-C合金中加入硅，可以提高稳定系的共晶温度，不过这种作用不太明显，但是，硅却可以使介稳定系的共晶温度显著降低，从而扩大TEG和TEC之间的温度差。硅的这种作用参见