鑄鐵石墨化機理

(1)過共晶鑄鐵初生(一次)石墨結晶如圖2。 (2)灰口鑄鐵的共晶結晶如圖3。 共晶轉變的結果，鑄鐵中產生大量的石墨一奧氏體共晶團。

鑄鐵石墨化機理(mechanism of graphitization cast iron)
鑄鐵在凝固過程中石墨析出的機制。由於鑄鐵是…種含碳較高的鐵碳合金，其中的碳能以石墨或滲碳體兩種獨立形式存在，因而其結晶過程按鑄鐵雙重相圖進行。
碳存在形式
(1)以溶解狀態存在。碳能有限溶解在鐵液和固溶體中，並隨溫度下降而析出高碳相。
(2)以石墨結晶形式存在。石墨的晶格屬六方晶格(圖1)，

每層基面上碳原子排列成六方形，原子間距為1．421nm，每個原子與相鄰三個原子由共價鍵牢固地連線在一起。鑄鐵中的石墨並非純碳而溶有極少量鐵和其他元素。鑄鐵中的石墨是分散度很大的片狀結晶。如鐵液冷卻較慢，鑄鐵中含促進石墨化元素較多，則鑄鐵中的碳將會以石墨的形式存在，這樣的鑄鐵叫灰口鑄鐵。
(3)以滲碳體狀態存在。如結晶時冷卻速度較快，鑄鐵中促進石墨化的元素又少，則碳將會與鐵化合成間隙化合物滲碳體(Fe3C)，其含碳量為6．67%。滲碳體為白亮色，性極硬而脆，如鑄鐵中的碳全部形成滲碳體，這種鑄鐵叫白口鑄鐵。滲碳體在溫度適合的條件下，又可分解析出石墨，Fe3C -3Fe+C石墨。滲碳體分解在鑄鐵一次結晶和二次結晶時都能發生。鑄鐵中的碳有時也會與其他合金元素形成一些複雜的碳化物。
灰口鑄鐵的一次結晶 鑄鐵由液態到固態的凝固結晶過程。對於亞共晶鑄鐵，包括初生奧氏體結晶和共晶結晶兩個階段。對於過共晶鑄鐵，則包括一次石墨結晶和共晶結晶兩個結晶階段。
(1)過共晶鑄鐵初生(一次)石墨結晶如圖2。

過共晶鑄鐵碳量為Cx，在一定過冷度t2 鐵液中的含碳量Cx超過鐵液中的平衡碳量Cα則初生石墨開始結晶。石墨的析出就使靠近石墨界面的鐵水中碳濃度降低，引起了鐵液中碳原子向石墨界面擴散，因而促使石墨繼續結晶，直到鐵液成分都達到Cα時，初生石墨的結晶才停止。當然在t2還有大量Cα成分鐵液存在，要使初生石墨不斷析出，必須繼續冷卻，隨著溫度下降，初生石墨不斷析出，使鐵水的含碳量沿DC 線不斷變化。當鐵液下降到共晶溫度t3，並有一定的過冷度時，成分C 的剩餘鐵液即發生共晶轉變。
(2)灰口鑄鐵的共晶結晶如圖3。

亞共晶鑄鐵析出初生奧氏體後剩餘的鐵液和過共晶鑄鐵析出初生石墨後剩餘的鐵液，它們的碳量都是C，屬共晶鑄鐵成分。當鐵液過冷到x點時，碳濃度大於石墨一鐵液平衡點z的含碳量，鐵濃度也高於奧氏體一鐵液的平衡點y的含鐵量，使鐵液的碳和鐵同時處於飽和狀態，因此，有條件使奧氏體和石墨同時結晶形成共晶團。結晶開始時，一般是石墨結晶核心先出現和成長，由於石墨析出，使石墨周圍鐵液中碳的濃度降至z點，這樣就有可能在附近產生奧氏體晶核。
當奧氏體長大時，在其附近鐵液的碳濃度將近y點，形成碳濃度差，因而碳原子便會自液/奧界面向液/石墨界面擴散，同時液/石墨界面的鐵原子也向液/奧界面擴散，留出空間以便石墨成長。石墨與奧氏體的共晶結晶過程一直進行到鐵液完全凝固為止。共晶轉變的結果，鑄鐵中產生大量的石墨一奧氏體共晶團。灰鑄鐵一次結晶過程隨鐵液中含碳量不同而變。亞共晶鑄鐵如圖4a的第一階段是析出初生奧氏體，第二階段是剩餘鐵液的共晶結晶。而過共晶成分鑄鐵圖4b的第一階段是初生石墨，第二階段結晶是剩餘鐵液的共晶結晶。共晶鑄鐵結晶時只析出共晶晶粒。灰口鑄鐵二次結晶 鑄鐵凝固後，在固態所發生的相變，它包含析出二次石墨，奧氏體共析轉變和滲碳體的分解等相變過程。當鑄鐵一次結晶完畢後，其結晶組織為奧氏體和石墨。此時奧氏體中的含碳量如相圖3中E點成分，隨溫度繼續下降，其含碳量將沿ES 下降，使奧氏體中的碳呈過飽和狀態，若條件許可便從奧氏體中析出二次石墨，二次石墨一般附著在初生石墨上，不能明顯改變鑄鐵的石墨形貌。

鑄鐵的共析轉變也是一個結晶的重要階段，它決定了鑄鐵的最終基體組織。當鑄鐵緩慢冷卻到相圖3的PS 線，並有一定過冷度時，即開始共析轉變，過飽和的奧氏體析出共析石墨並轉變為鐵素體，共析石墨附著在初生石墨上。這種按穩定系進行轉變的鑄鐵就是鐵素體基體的鑄鐵。實際上，灰口鑄鐵中常有部分奧氏體的共析轉變，但由於冷卻速度較大，碳原子擴散困難，而按介穩繫結晶，使部分奧氏體轉變為珠光體，部分轉變為鐵素體，形成鐵素體一珠光體的灰鑄鐵，若冷卻速度更快時，使奧氏體全部轉變為珠光體，這就是珠光體的灰口鑄鐵。