(1)初生奥氏体析出
灰铸铁大都是亚共晶铸铁,共凝固过程从自
液相中析出初生奥氏体枝晶开始。即使是共晶成分的铸铁,也会产生一些初生奥氏体,因为诱发共晶反应有赖于石墨的生核,石墨生核又需要一定的过冷度,这就有利于析出初生奥氏体。
共晶反应前析出的初生奥氏体枝晶的量愈多,铸铁的强度愈高,初生奥氏体枝晶的多少,取决于铸铁的化学成分。碳含量是决定奥氏体枝晶析出量的主要因素,碳含量比共晶碳含量(4.3%)低得愈多,奥氏体枝晶析出量就愈多。大多数合金元素,都改变铸铁的共晶碳含量,从而改变初生奥氏体枝晶的析出量。使铸铁共晶碳含量降低的元素,通常称为石墨化元素;使共晶碳含量提高的元素,称为渗碳体稳定元素。
硅和磷是作用强的、降低铸铁共晶碳含量的元素,灰铸铁中含有硅和磷时,其共晶碳含量见下式:
共晶碳含量(%)= 4.3%-1/3(%Si %P)
一些常用合金元素的影响见表1。硫降低共晶碳含量的作用大于硅和磷,其在灰铸铁中作用的机制比较复杂,以后会较详细地谈到。铝降低共晶碳含量的作用也很强,但铝主要用于高铝耐热铸铁,一般灰铸铁中都不含铝。
如果灰铸铁的含碳量不变,加入降低共晶碳含量的合金元素,就会使铸铁的碳当量增高,从而会使初生奥氏体枝晶的析出量较少,共晶凝固的
液相较多。
如果保持灰铸铁的碳当量不变,适当地提高含硅量,降低含碳量(即采用较高的硅碳比),却可以稍稍增加奥氏体枝晶量,同时减少石墨析出量。这样,就可以相应提高铸铁的强度和弹性模量。
(2)共晶凝固
随着初生奥氏体枝晶的析出,剩余
液相中的碳当量不断提高,到其值达到4.3%时,即发生共晶转变。
共晶凝固从石墨生核开始。
液相中微细的未熔石墨颗粒和高熔点的非金属夹杂物都可以是石墨结晶的核心。石墨晶核形成后,很快就生长成片状分枝,邻近石墨的
液相中碳含量减少,促使奥氏体在石墨之间析出。奥氏体析出,又使邻近的
液相富碳,促进石墨继续生长。这样相互促进,并向周围
液相不断生长的奥氏体-石墨共生晶粒,我们称之为共晶团。
液相中很多这样的共晶团,各自径向长大,结晶前沿大致接近于球形。每一个共晶团中的石墨片又都是相互连接的。
共晶凝固终了时,各共晶团相互间、共晶团与初生奥氏体枝晶。间互相接触。共晶团晶界上常聚集有较多的夹杂物,一些元素,(如磷、硫)与铁、碳组成的低熔点共晶体也可能析出于共晶团之间。有时,由于合金元素的偏析,还可能导致在共晶团之间析出渗碳体,这种渗碳体称之间晶间渗碳体。
石墨片的形态和尺寸,主要决定于凝固温度,冷却速率和
液相中生核的情况。比较理想的石墨组织是散乱分布的、长度相近的石墨片(即A型石墨)。如铁水中生核状况良好,在略低于平衡共晶温度的适当过冷度下发生共晶反应,就可得到A型石墨。如果铁水中的生核条件不好,在比平衡温度低得多的温度下(过冷度大)凝固,则石墨片的长大速率和分枝速率都很高,则得到分布于枝晶间的细小石墨片,通常称之为过冷石墨(D型石墨)。除在特殊条件下使用的铸铁件外,一般不希望产生这种石墨组织。
增加共晶团数量(即共晶团尺寸减少),可使铸铁的强度较高,所以也是制造高牌号铸铁的目标。孕育处理是增加共晶团数的有效方法,但是,许多研究工作表明,一些偏析于
液相并使固相线温度降低的合金元素,会阻碍共晶团的长大,从而使铸铁的共晶团数增加。现已知道,铸铁中加入钼、钒、铬、磷和铋,都可使共晶团数增加。