Излято желязое група желязо-въглеродни сплави със съдържание на въглерод над 2%.Полезността му се дължи на относително ниската му температура на топене.Съставките на сплавта влияят върху цвета й при счупване: белият чугун има карбидни примеси, които позволяват на пукнатините да преминават направо, сивият чугун има графитни люспи, които отклоняват преминаваща пукнатина и инициират безброй нови пукнатини, когато материалът се счупи, а ковкият чугун има сферични графитни "нодули", които спират по-нататъшното развитие на пукнатината.

Въглерод (C), вариращ от 1,8 до 4 тегл.%, и силиций (Si) 1–3 тегл.%, са основните легиращи елементи на чугуна.Желязните сплави с по-ниско съдържание на въглерод са известни като стомана.

Чугунът е склонен да бъде крехък, с изключение на ковките чугуни.Със своята относително ниска точка на топене, добра течливост, способност за леене, отлична обработваемост, устойчивост на деформация и устойчивост на износване, чугуните са се превърнали в инженерен материал с широк спектър от приложения и се използват в тръби, машини и части на автомобилната индустрия, като цилиндър глави, цилиндрови блокове и кутии на скоростни кутии.Устойчив е на увреждане от окисление.

Най-ранните артефакти от чугун датират от 5-ти век пр. н. е. и са открити от археолози в днешния Дзянсу в Китай.Чугунът е бил използван в древен Китай за военни действия, селско стопанство и архитектура.През 15 век чугунът започва да се използва за оръдия в Бургундия, Франция и в Англия по време на Реформацията.Количествата чугун, използвани за оръдия, изискват широкомащабно производство. Първият чугунен мост е построен през 1770-те години от Ейбрахам Дарби III и е известен като Железния мост в Шропшир, Англия.Чугунът се е използвал и при строителството на сгради.

Легиращи елементи

Свойствата на чугуна се променят чрез добавяне на различни легиращи елементи или сплави.След въглерода, силицият е най-важният добавка, тъй като изтласква въглерода от разтвора.Ниският процент на силиций позволява на въглерода да остане в разтвор, образувайки железен карбид и производството на бял чугун.Високият процент на силиций изтласква въглерода от разтвора, образувайки графит и производството на сив чугун.Други легиращи агенти, манган, хром, молибден, титан и ванадий противодействат на силиция, насърчават задържането на въглерод и образуването на тези карбиди.Никелът и медта увеличават якостта и обработваемостта, но не променят количеството образуван графит.Въглеродът под формата на графит води до по-меко желязо, намалява свиването, намалява якостта и намалява плътността.Сярата, до голяма степен замърсител, когато присъства, образува железен сулфид, който предотвратява образуването на графит и увеличава твърдостта.Проблемът със сярата е, че тя прави стопения чугун вискозен, което причинява дефекти.За да се противодейства на ефектите на сярата, се добавя манган, тъй като двете се образуват в манганов сулфид вместо железен сулфид.Мангановият сулфид е по-лек от стопилката, така че има тенденция да изплува от стопилката в шлаката.Количеството манган, необходимо за неутрализиране на сярата, е 1,7 × съдържание на сяра + 0,3%.Ако се добави повече от това количество манган, тогава се образува манганов карбид, който увеличава твърдостта и охлаждането, с изключение на сивия чугун, където до 1% манган увеличава якостта и плътността.

Никелът е един от най-разпространените легиращи елементи, тъй като усъвършенства структурата на перлита и графита, подобрява якостта и изравнява разликите в твърдостта между дебелините на профилите.Хромът се добавя в малки количества, за да се намали свободният графит, да се получи охлаждане и тъй като е мощен карбиден стабилизатор;никел често се добавя във връзка.Може да се добави малко количество калай като заместител на 0,5% хром.Медта се добавя в черпака или в пещта от порядъка на 0,5–2,5%, за да се намали охлаждането, да се рафинира графитът и да се увеличи течливостта.Добавя се молибден от порядъка на 0,3–1% за увеличаване на охлаждането и рафиниране на графитната и перлитната структура;често се добавя във връзка с никел, мед и хром, за да се образуват железа с висока якост.Титанът се добавя като дегазатор и дезоксидант, но също така увеличава течливостта.0,15–0,5% ванадий се добавя към чугуна за стабилизиране на циментита, увеличаване на твърдостта и устойчивост на износване и топлина.0,1–0,3% цирконий спомага за образуването на графит, дезоксидирането и увеличаването на течливостта.

В стопилките на ковък чугун се добавя бисмут по скала от 0,002–0,01%, за да се увеличи количеството силиций, което може да се добави.В бялото желязо се добавя бор, за да подпомогне производството на ковък чугун;също така намалява огрубяващия ефект на бисмута.

Сив чугун

Сивият чугун се характеризира със своята графитна микроструктура, която кара счупванията на материала да имат сив вид.Това е най-често използваният чугун и най-широко използваният лят материал въз основа на теглото.Повечето чугуни имат химичен състав от 2,5–4,0% въглерод, 1–3% силиций и останалото желязо.Сивият чугун има по-малка якост на опън и устойчивост на удар от стоманата, но неговата якост на натиск е сравнима с ниско- и средно-въглеродната стомана.Тези механични свойства се контролират от размера и формата на графитните люспи, присъстващи в микроструктурата, и могат да бъдат характеризирани съгласно насоките, дадени от ASTM.

Бял чугун

Белият чугун показва бели счупени повърхности поради наличието на утайка от железен карбид, наречена цементит.С по-ниско съдържание на силиций (графитизиращ агент) и по-бърза скорост на охлаждане, въглеродът в белия чугун се утаява от стопилката като метастабилна фаза цементит, Fe₃C, а не графит.Цементитът, който се утаява от стопилката, се образува като относително големи частици.Тъй като железният карбид се утаява, той изтегля въглерода от първоначалната стопилка, премествайки сместа към такава, която е по-близка до евтектиката, а останалата фаза е долният желязо-въглероден аустенит (който при охлаждане може да се трансформира в мартензит).Тези евтектични карбиди са твърде големи, за да осигурят предимството на това, което се нарича преципитационно втвърдяване (както в някои стомани, където много по-малки цементитни утайки могат да инхибират [пластичната деформация] чрез възпрепятстване на движението на дислокации през матрицата от чист железен ферит).По-скоро те увеличават обемната твърдост на чугуна просто по силата на тяхната собствена много висока твърдост и тяхната значителна обемна част, така че обемната твърдост може да бъде приблизително определена чрез правилото на смесите.Във всеки случай те предлагат твърдост за сметка на здравина.Тъй като карбидът представлява голяма част от материала, белият чугун може разумно да се класифицира като металокерамика.Бялото желязо е твърде крехко за използване в много структурни компоненти, но с добра твърдост и устойчивост на абразия и сравнително ниска цена намира приложение в такива приложения като износващите се повърхности (работно колело и спирала) на суспензионни помпи, облицовки на корпуса и повдигащи пръти в топка мелници и мелници за автогенно смилане, топки и пръстени в пулверизаторите на въглища и зъбите на кофата за копаене на багер (въпреки че отлятата средновъглеродна мартензитна стомана е по-често срещана за това приложение).

Трудно е да се охладят дебели отливки достатъчно бързо, за да се втвърди стопилката като бял чугун докрай.Бързото охлаждане обаче може да се използва за втвърдяване на черупка от бял чугун, след което остатъкът се охлажда по-бавно, за да се образува сърцевина от сив чугун.Получената отливка, наречена aохладена отливка, има предимствата на твърда повърхност с малко по-здрава вътрешност.

Сплавите на бяло желязо с високо съдържание на хром позволяват масивни отливки (например 10-тонно работно колело) да бъдат отлети в пясък, тъй като хромът намалява скоростта на охлаждане, необходима за получаване на карбиди през по-голямата дебелина на материала.Хромът също произвежда карбиди с впечатляваща устойчивост на абразия.Тези сплави с високо съдържание на хром приписват превъзходната си твърдост на наличието на хромни карбиди.Основната форма на тези карбиди са евтектични или първични М₇C₃карбиди, където "М" представлява желязо или хром и може да варира в зависимост от състава на сплавта.Евтектичните карбиди се образуват като снопове от кухи шестоъгълни пръти и растат перпендикулярно на шестоъгълната основна равнина.Твърдостта на тези карбиди е в диапазона 1500-1800HV.

Ковък чугун

Ковкият чугун започва като отливка от бял чугун, която след това се обработва топлинно за ден или два при около 950 °C (1740 °F) и след това се охлажда за ден или два.В резултат на това въглеродът в железния карбид се трансформира в графит и ферит плюс въглерод (аустенит).Бавният процес позволява на повърхностното напрежение да образува графита в сфероидни частици, а не в люспи.Поради по-ниското си аспектно съотношение, сфероидите са сравнително къси и далеч един от друг и имат по-ниско напречно сечение спрямо разпространяваща се пукнатина или фонон.Те също имат тъпи граници, за разлика от люспите, което облекчава проблемите с концентрацията на напрежението, открити в сивия чугун.Като цяло свойствата на ковкия чугун са по-скоро като тези на меката стомана.Има ограничение за това колко голяма част може да бъде отлята от ковък чугун, тъй като е направен от бял чугун.

Ковък чугун