摘要：鑄造生產的困擾是因任何鑄件的具體質量問題與缺陷表征及其原因是多種多樣又彼此關聯甚至相互對立。當生產高強度（HT300和HT350級）灰鑄鐵件時更為突出，較難處理的兩對主要矛盾是：提高金屬強度將引起石墨形態惡化；而材質性能的升高將加大鑄件產生縮松的傾向并降低鐵水流動性。本文擬就此進行分析并相應地探討一些調解措施，寄期能有助于擬訂調試工藝方案和分析問題時參考。 關鍵詞：冶金因素 凝固與結晶 形核能力 過冷和過冷組織 縮松
　　1．問題的由來
　　考察機械制造的動態可知，機械——尤其是行走機械，其研發重點內容之一是提高金屬強度以減輕自重和提高使用壽命。灰鑄鐵件生產較易、價格低廉且耐磨、抗壓性好，故迄今仍占各類鑄件重量的首位（約占50~55%）。至于在汽車制造業，灰鑄鐵也是重量居第一位的鑄造合金。
　　灰鑄鐵之所以仍具有競爭力，在于克服其固有的最大弱點——強度相對較低導致工件較重這方面不斷地取得進展的緣故。例如,有的高強度灰鑄鐵轎車缸體自重己降至40公斤以下，最薄斷面壁厚不及3毫米。
　　如果孤立地僅就金屬強度而言，要提高灰鑄鐵強度并非難事，因為只要降低灰鑄鐵的碳硅量，即可減少所形成的片狀石墨（相對于金屬而言，石墨的硬度和強度可以視為零），同時加入合金元素強化基體，就能達到這一目的。
　　但是，碳量（碳當量）的降低將加劇兩大質量問題，一是石墨形態的惡化，二是鑄件易于產生縮松缺陷。可見，為生產高強度灰鑄鐵件需要解決好這些突出矛盾，而這將涉及一系列理論和實踐方面的問題。
　　2．影響灰鐵性能的因素
　　先前的一致認識是：灰鐵材質性能取決于它的化學成份及冷卻速率。對于給定形狀、重量和壁厚的鑄件，如果鑄型介質和澆注溫度不變，冷卻速率也是不變的，因而影響到金屬性能的將主要是化學成份，對于灰鑄鐵來說，基本成份中的錳、磷、硫三元素對性能的影響較小且可供調控和實際變化的范圍又很窄，顯然，決定灰鐵材質性能的最重要因素是碳和硅的含量（合金元素影響作為另類問題對待），如果找出該兩元素含量（還可以將兩元素合二為一地用碳當量代表）與表征灰鐵材質性能的強度和硬度之間的數學關系，這不僅給試驗研究帶來便捷同時也將對生產者具有實用價值。此外，還有一個問題一直引起人們的關注——內燃發動機，它的大部分工件是灰鐵件，其主要部件如缸體不僅加工量大、工序繁多，且多用專用設備和刀具，而專用刀具都是單件制作，因此，即使在歐美國家，在發動機廠生產費用中，刀具損耗的費用占居第一。按傳統觀點，灰鐵的硬度與強度呈直線正比關系，可否在一定范圍內生產出強度提高而硬度不變或稍許上升的灰鐵？！
　　循著這一思路，鑄鐵學者派特生進行系統性充分試驗，并對大量數據加以處理[1]，得出灰鐵硬度和強度與共晶度（或稱碳飽和度，為便于運算與建立簡明的數學公式，將鑄鐵共晶點的碳當量4.26換稱共晶度為1）之間的數值關系。這一成果得到各國業界的廣泛認同，其硬度與強度間關系的計算原則，已納入國標GB9439-88《灰鑄鐵件》之內。
　　借助于該研究結果（公式），可以定量地、明確無誤地反映所生產的鑄鐵及其工藝技術的優劣。任何灰鐵生產車間可將所生產鐵水的碳飽和度按公式得出它的“計算硬度”和“計算強度”，以之與所澆注試棒得到的“實測硬度”，和“實測強度”兩兩對比，分別得出“相對硬度”和“相對強度”，再將“相對強度”比“相對硬度”，所得值稱為“正常度”（或稱“質量指標”）。如果正常度等于1表示該車間的“熔鑄狀態”處于正常合理；若大于1則為優良，反映該車間在給定的鑄鐵成份下獲得較高的強度與較低的硬度；如果小于1顯然說明生產狀態不佳，因為若要提高材質強度勢必要靠降低碳飽和度（碳硅含量）的辦法來達到，這必將對金屬組織及鑄件缺陷不利。
　　更為有意義的是，根據對眾多鑄鐵車間的考核統計，發現有的車間正常度可達1.2，而另一些車間則低至0.8。換句話說，同一成份的灰鐵，狀態最好的車間，其金屬性能較狀態最差的車間要高出1/2，或者說后者低于前者1/3。
　　透過這一事實還表明灰鐵的材質性能不僅取決于它的化學成份和冷卻速率，必然還有其他更深層次原因在發揮著明顯的作用。它們被統稱為“冶金因素”。研試表明，冶金因素是一系列狀態內涵和工藝技術的泛稱，它包括原材料、爐料組成、熔化爐、爐襯材料、熔化工藝操作、溫度控制、鐵水中氣體與微量元素的量、爐前處理、澆注溫度等。
　　現舉兩實例以證實冶金因素的影響：一家鑄造工廠為降低成本在中頻爐熔化時不用生鐵，改用廢鋼增碳（高度石墨化的滲增劑）工藝后，鑄鐵性能全面提升。采用含少量合金元素的復合孕育劑，所得鑄鐵的性能優于等量合金單獨加入鐵水的結果。
　　再從另一方面看，近期鑄鐵學者都不遺余力地進行研試寄期改變或控制某些冶金因素以達到不主要依賴于降低碳飽和度與加入合金求得鑄鐵強度的提高（其回旋空間很大）。這從國內外期刊和各級學會發表的文章動態可明確地感知。 3．凝固與結晶和過冷度與過冷組織
　　眾所周知，液體金屬轉變為固體金屬時，只能也必然是以結晶形式凝固（完成）的，就物理學的原理而論，凝固和結晶是兩個不同范疇的概念。凝固指物質從液相變為固相，而結晶是說物質原子以一定形式排列構成晶體，它可以出現在液固相轉換之際，但也可在固相時發生轉變。
　　任何相圖（例如鐵—碳平衡圖）所表示的給定成份的合金都有一凝固結晶點，但這是在理論上金屬液在極其緩慢的冷速下構建的。而在現實生產中不論冷卻如何緩慢，實際的凝固結晶溫度都一定（必然）是低于理論溫度點的（“過冷現象”）。這一相差的溫度度數，被稱為“過冷度”。
　　產生過冷現象并出現過冷度的原因是因為存在結晶必須先有晶核且在其達到一定數量時才能形成結晶體這一自然規律。因此，液態金屬的實際凝固結晶溫度點必然將滯后于它的理論值。因此可以認為，“過冷”（過冷度）是金屬由液相至固相轉變時使“凝固”與“結晶”同時發生的“緩沖器”或“調節器”。
　　至于過冷度的大小取決于金屬產生晶核的能力和冷速的快慢。晶核的來源有二，一是金屬冷凝時自然產核的本質，稱為”自發晶核“，它與金屬成份有關，對鑄鐵來說，碳飽和度越高，石墨結晶的形核能力也越強。二是所謂的“非自發晶核”，包括鐵水中保有的石墨殘核以及晶體結構十分接近石墨的其他物質微觀質點以及孕育處理所引入的核心。
　　金屬液澆入鑄型后隨冷速的不同過冷度為之改變。顯然，澆注溫度增高，過冷度減小。鑄型介質導熱性愈佳和（或）比熱愈大，過冷度加大。鑄件壁厚越大，過冷度越小。 過冷度與灰鐵組織間的關系參見附錄。 4．灰鑄鐵強度的提高 4.1石墨的影響 4.1.1石墨數量
　　前已提及，石墨的強度可以作為零對待，因此灰鐵的總（含）碳量愈高，石墨的量（體積）也愈大（全珠光體的化合碳為0.8%），強度的下降也愈明顯。
　　4.1.2石墨形態（見附錄） 4.2基體的影響
　　4.2.1珠光體數量與彌散度及珠光體的性質
　　正常的灰鑄鐵金相組織中只有珠光體（或允許有少量鐵素體存在），這是出于對強度和耐磨性方面的考慮。因為中等晶粒度的鐵素體硬度在HB80左右，拉力強度約250Mpa；而中等彌散度的純碳共析體（全珠光體）則分別為HB240和800Mpa左右。 珠光體的彌散度（片間距）對其硬度和強度的影響不亞于數量的效應（參見下表1），但這一點往往被人們所忽視。