普通白口铸铁的共晶结晶

白口铸铁的共晶结晶是以析出渗碳体+奥氏体共晶体(共晶团)为基础的结晶过程。按共晶结晶原理，在领先相晶体上产生另一相，以及它们分枝后的共同制约生长是共晶团形成的关键。

依据共晶体中渗碳体、奥氏体的形态，Rickard将普通白口铸铁的共晶组织分为两种类型：蜂房状莱氏体及板状渗碳体型共晶体。

1．蜂房状共晶体(常称莱氏体)蜂房状莱氏体是由许多奥氏体棒沿[001]方向垂直插入以(001)面为基础的渗碳体片(或块)中所组成的共晶团。共晶团呈板片状，长度和宽度远比厚度大。因此，金相观察时，只看到被切到的奥氏体棒横截面，蚀显后显示出在白色衬底(即渗碳体)上分布不少黑色圆点。蜂房状莱氏体的二维金相形态如图1所示。

a)                                                                                                            b)

图1  蜂房状莱氏体的二维结构。

a)横截面  b)纵截面

莱氏体的形成过程如图2所示：

a)                                                                                         b)

图2  蜂房状莱氏体的形成过程。

a)生长过程  b)生长方向的转变

(1)共晶开始，渗碳体作为领先相首先成核。对于亚共晶铸铁，共晶渗碳体的核心基片非常小，难以发现。过共晶铸铁的初生渗碳体碎片或延续部分都是共晶渗碳体很好的核心。Fe₃C雏晶具有明显的各向异性，Fe₃C片容易沿边缘向着热流方向生长，基片很快长成平板状。由于渗碳体与奥氏体在某些晶面上存在对应的位相关系，(104)_Fe3C//(101)_γ以及(010)_Fe3C//(310)_γ，使奥氏体容易紧贴在板状Fe₃C相应位置上以平板枝晶方式生长，形成最先的片层结构。

(2)奥氏体平板枝晶间的铁液发生杂质不均匀吸附、成分过冷以及碳量富集，使此处的Fe₃C不稳定。促进Fe₃C有机会在奥氏体枝晶间将原来a轴方向转向c轴，进行侧向生长。

(3)奥氏体平板枝晶也垂直a轴向侧向分叉生长。首先伸向渗碳体的侧枝间隙，因为那里含碳量低。于是，侧向分叉的奥氏体与侧向生长的渗碳体发生共生。

侧向生长的奥氏体最初按片状方式分枝，逐渐长成棒状。由片状分枝变成棒状的转化机理，布宁认为与共晶前缘集聚杂质有关，形成的成分过冷也进一步促进奥氏体凸出部分的长大。据Park的研究，侧向生长的奥氏体之所以呈棒状是受硅量影响的结果。Si促进枝晶分叉，能提供更多的晶间沟槽。当Si的质量分数增加到1%以上时，奥氏体开始从片状分枝转为棒状。普通白口铸铁中硅的质量分数大多超过1%，故共晶组织多为蜂房状莱氏体。

Fe₃C和奥氏体的边缘生长以及垂直于Fe₃C的奥氏体棒的侧向生长构成了伪规则结构的共晶组织。由于边缘生长比侧向生长快，所以莱氏体共晶团的形状与灰铸铁(或蠕墨铸铁)中的石墨一奥氏体共晶团不同，它不具有团球外形，而是长度比厚度大的板片结构。只有当过冷度十分大的条件下(如冷却速度为10⁴～10⁵K/s)，铸铁才能形成球状莱氏体共晶团。莱氏体内两相的分枝程度随冷却速度增大而加剧，见图3所示。其中，奥氏体分枝增加后引起密布小芯棒形成；领先相渗碳体分枝增多则使共晶团变小。B–Fe处理可细化初生奥氏体枝晶，同时也使共晶奥氏体分枝加剧，从而使共晶团中蜂房(即奥氏体芯棒截面)直径变小，同时也使共晶团颗粒增多。

a)

b)

图3  冷却速度对蜂房状莱氏体粗细的影响

a)ø10mm试棒(冷却速度大)  b)ø30mm试棒(冷却速度小)

如果初生奥氏体十分发达，枝晶间隙很窄的情况下，间隙中的共晶液容易按离异共晶结晶。这时，共晶渗碳体单独以薄片形式析出，见图4所示。于是，在枝晶间便看不到蜂房状形态的共晶组织。

图4  奥氏体枝晶间的离异共晶组织

2．板状渗碳体型共晶体  Rickard等人在低硅w(Si)=0.1%的亚共晶白口铸铁中首次观察到板片状渗碳体型共晶体，这种共晶体的形态特点是：渗碳体呈厚的短板片状交错分布于初生奥氏体枝晶间隙，共晶奥氏体常生长在初生奥氏体上，彼此不好区分，奥氏体与渗碳体似乎是一种分离共晶组织。这种共晶体与蜂房状莱氏体不同，共晶奥氏体在侧面没有发生棒状分枝，渗碳体主要沿a向生长。但a向生长速度大大降低，并发生侧向长厚过程。两种共晶体的金相组织对比见图5所示。

a)                                                                               b)

图5  蜂房状共晶体与板状渗碳体型共晶对比

a)蜂房状共晶体(莱氏体)  b)板状渗碳体型共晶体

尽管形成板片状渗碳体的详细原因尚未完全清楚，但已认识到它们的生成与熔液过冷及铸铁成分有关。Rickard发现在低碳当量的铁液中加入Te、Sb，并在过热情况下可得到这种共晶组织。成分中含硅量对共晶体中两相的生长有重要影响，低的含硅量可减小渗碳体侧向棒状分枝倾向。磷使奥氏体和渗碳体按离异共晶的方式转变，使渗碳体在液相中独立生长成网块状。磷在铸铁中的固溶度很小，易在渗碳体生长前沿的液相中富集，减缓Fe、C原子向渗碳体的扩散速度，降低渗碳体的长大。另外，磷的表面活性作用降低渗碳体和液相的界面张力，阻碍渗碳体与奥氏体共生共晶，故有利于板片状渗碳体型共晶结晶。当Mn的质量分数达5%时，发现蜂房状莱氏体减少，板片状渗碳体增加。

共晶体类型对白口铸铁性能影响的研究指出：由于板片渗碳体型共晶体中的奥氏体连成一体，渗碳体变为断续孤立分布，而莱氏体中的渗碳体却呈连续网状，故比蜂房状莱氏体有更高的强度。然而，在另方面，蜂房状莱氏体的补缩性能比前者好，故不易产生缩裂缺陷。