Liveno gvoždeje grupa legura gvožđa i ugljenika sa sadržajem ugljenika većim od 2%.Njegova korisnost proizlazi iz relativno niske temperature topljenja.Sastojci legure utiču na njenu boju kada se lomi: belo liveno gvožđe ima nečistoće karbida koje omogućavaju da pukotine prolaze pravo kroz, sivo liveno gvožđe ima grafitne ljuspice koje odbijaju prolaznu pukotinu i iniciraju bezbroj novih pukotina dok se materijal lomi, a nodularni liveni gvožđe ima sferni oblik. grafitne "nodule" koje sprečavaju dalje napredovanje pukotine.

Ugljik (C) u rasponu od 1,8 do 4 tež%, i silicijum (Si) 1-3 tež%, glavni su legirajući elementi livenog gvožđa.Legure željeza sa nižim sadržajem ugljika poznate su kao čelik.

Liveno gvožđe ima tendenciju da bude krto, osim kovanog livenog gvožđa.Sa svojom relativno niskom tačkom topljenja, dobrom fluidnošću, livnošću, odličnom obradivom, otpornošću na deformacije i otpornošću na habanje, liveno gvožđe je postalo inženjerski materijal sa širokim spektrom primene i koristi se u cevima, mašinama i delovima automobilske industrije, kao što su cilindar. glave, blokove cilindara i kućišta mjenjača.Otporan je na oštećenja uslijed oksidacije.

Najraniji artefakti od livenog gvožđa datiraju iz 5. veka pre nove ere, a otkrili su ih arheolozi u današnjem Jiangsuu u Kini.Lijevano željezo se u staroj Kini koristilo za ratovanje, poljoprivredu i arhitekturu.Tokom 15. veka, liveno gvožđe je postalo korišćeno za topove u Burgundiji, Francuskoj, i u Engleskoj tokom reformacije.Količine livenog gvožđa koje se koriste za topove zahtevale su proizvodnju velikih razmera. Prvi most od livenog gvožđa sagradio je tokom 1770-ih Abraham Darby III, a poznat je kao Gvozdeni most u Shropshireu u Engleskoj.Liveno gvožđe se takođe koristilo u izgradnji zgrada.

Legirajući elementi

Svojstva livenog gvožđa se menjaju dodavanjem različitih legirajućih elemenata, ili legure.Pored ugljika, silicijum je najvažnija legura jer tjera ugljik iz otopine.Nizak postotak silicijuma omogućava ugljiku da ostane u otopini stvarajući željezni karbid i proizvodnju bijelog lijevanog željeza.Visok procenat silicijuma tjera ugljik iz otopine stvarajući grafit i proizvodnju sivog lijeva.Drugi legirajući agensi, mangan, hrom, molibden, titan i vanadij suprotstavljaju silicijumu, pospešuju zadržavanje ugljenika i stvaranje tih karbida.Nikl i bakar povećavaju snagu i obradivost, ali ne mijenjaju količinu nastalog grafita.Ugljik u obliku grafita rezultira mekšim željezom, smanjuje skupljanje, smanjuje čvrstoću i smanjuje gustoću.Sumpor, koji je uglavnom zagađivač kada je prisutan, stvara željezni sulfid, koji sprječava stvaranje grafita i povećava tvrdoću.Problem sa sumporom je u tome što rastaljeno liveno gvožđe čini viskoznim, što uzrokuje defekte.Da bi se suprotstavio efektima sumpora, dodaje se mangan jer se ova dva formiraju u mangan sulfid umjesto željeznog sulfida.Mangan sulfid je lakši od taline, tako da ima tendenciju da ispliva iz taline u šljaku.Količina mangana potrebna za neutralizaciju sumpora je 1,7 × sadržaj sumpora + 0,3%.Ako se doda više od ove količine mangana, tada nastaje mangan karbid, koji povećava tvrdoću i hlađenje, osim u sivom gvožđu, gdje do 1% mangana povećava čvrstoću i gustinu.

Nikl je jedan od najčešćih legirajućih elemenata jer rafinira perlitnu i grafitnu strukturu, poboljšava žilavost i ujednačava razlike u tvrdoći između debljina presjeka.Krom se dodaje u malim količinama za smanjenje slobodnog grafita, stvaranje hladnoće i zato što je moćan stabilizator karbida;nikl se često dodaje zajedno.Mala količina kalaja može se dodati kao zamena za 0,5% hroma.Bakar se dodaje u lonac ili u peć, reda veličine 0,5-2,5%, kako bi se smanjila hladnoća, rafinirao grafit i povećala fluidnost.Molibden se dodaje reda veličine 0,3-1% da bi se povećala hlađenje i poboljšala struktura grafita i perlita;često se dodaje u sprezi sa niklom, bakrom i hromom da bi se formirala gvožđa visoke čvrstoće.Titanijum se dodaje kao degazer i deoksidizator, ali takođe povećava fluidnost.0,15–0,5% vanadijuma se dodaje livenom gvožđu da stabilizuje cementit, poveća tvrdoću i poveća otpornost na habanje i toplotu.0,1–0,3% cirkonija pomaže u formiranju grafita, deoksidaciji i povećanju fluidnosti.

U talinama kovanog gvožđa, dodaje se bizmut, na skali od 0,002–0,01%, da bi se povećala količina silicijuma koja se može dodati.U bijelom gvožđu, bor se dodaje kako bi pomogao u proizvodnji kovanog gvožđa;takođe smanjuje efekat grubosti bizmuta.

Sivi liv

Sivi liveni gvožđe karakteriše njegova grafitna mikrostruktura, zbog čega lomovi materijala imaju siv izgled.To je najčešće korišćeno liveno gvožđe i najšire korišćeni liveni materijal na osnovu težine.Većina livenog gvožđa ima hemijski sastav od 2,5–4,0% ugljenika, 1–3% silicijuma, a ostatak gvožđa.Sivi liveni gvožđe ima manju vlačnu čvrstoću i otpornost na udare od čelika, ali je njegova čvrstoća na pritisak uporediva sa čelikom sa niskim i srednjim ugljikom.Ova mehanička svojstva kontrolišu se veličinom i oblikom grafitnih pahuljica prisutnih u mikrostrukturi i mogu se okarakterisati u skladu sa smernicama ASTM.

Bijelo liveno gvožđe

Bijelo liveno gvožđe ima bele izlomljene površine zbog prisustva taloga karbida gvožđa koji se zove cementit.Sa nižim sadržajem silicijuma (sredstvo za grafitizaciju) i bržom brzinom hlađenja, ugljenik u belom livenom gvožđu precipitira iz taline kao metastabilna faza cementita, Fe₃C, a ne grafit.Cementit koji se taloži iz taline formira se kao relativno velike čestice.Kako se željezni karbid taloži, on povlači ugljik iz izvorne taline, pomičući smjesu prema onoj koja je bliža eutektičkoj, a preostala faza je niži austenit željezo-ugljik (koji se hlađenjem može transformirati u martenzit).Ovi eutektički karbidi su preveliki da bi pružili korist od onoga što se naziva precipitacijsko stvrdnjavanje (kao u nekim čelicima, gdje bi mnogo manji precipitati cementita mogli inhibirati [plastičnu deformaciju] ometajući kretanje dislokacija kroz čistu željeznu feritnu matricu).Umjesto toga, oni povećavaju zapreminsku tvrdoću livenog gvožđa jednostavno zbog svoje sopstvene veoma visoke tvrdoće i svog značajnog zapreminskog udela, tako da se zapreminska tvrdoća može aproksimirati pravilom mešavina.U svakom slučaju, nude tvrdoću na račun žilavosti.Budući da karbid čini veliki dio materijala, bijeli ljevak bi se razumno mogao klasificirati kao kermet.Bijelo gvožđe je previše krto za upotrebu u mnogim strukturnim komponentama, ali sa dobrom tvrdoćom i otpornošću na habanje i relativno niskom cijenom, nalazi se primjena u aplikacijama kao što su habajuće površine (propeler i spirala) pumpi za gnojenje, košuljice i šipke za podizanje u kugli. mlinovi i mlinovi za autogeno mljevenje, kuglice i prstenovi u drobilicama za ugalj i zupci korpe rovokopača (iako je lijevani srednjeugljični martenzitni čelik češći za ovu primjenu).

Teško je ohladiti debele odljevke dovoljno brzo da očvrsnu rastop kao bijelo ljeveno željezo do kraja.Međutim, brzo hlađenje se može koristiti za učvršćivanje ljuske od bijelog lijeva, nakon čega se ostatak sporije hladi kako bi se formirala jezgra od sivog lijeva.Dobiveni odljevak, nazvan arashlađeni livenje, ima prednosti tvrde podloge sa nešto čvršćom unutrašnjosti.

Legure bijelog gvožđa sa visokim sadržajem hroma omogućavaju livenje u pesku masivnih odlivaka (na primer, impeler od 10 tona), jer hrom smanjuje brzinu hlađenja potrebnu za proizvodnju karbida kroz veće debljine materijala.Krom također proizvodi karbide sa impresivnom otpornošću na habanje.Ove legure sa visokim sadržajem hroma svoju superiornu tvrdoću pripisuju prisustvu hrom karbida.Glavni oblik ovih karbida su eutektički ili primarni M₇C₃karbidi, gdje "M" predstavlja željezo ili hrom i može varirati u zavisnosti od sastava legure.Eutektički karbidi formiraju se kao snopovi šupljih šesterokutnih šipki i rastu okomito na heksagonalnu bazalnu ravan.Tvrdoća ovih karbida je u rasponu od 1500-1800HV.

Kovno gvožđe

Kovno gvožđe počinje kao odliv od belog gvožđa koji se zatim termički obrađuje dan ili dva na oko 950 °C (1.740 °F), a zatim se hladi dan ili dva.Kao rezultat toga, ugljik u željeznom karbidu pretvara se u grafit i ferit plus ugljik (austenit).Spor proces omogućava površinskoj napetosti da formira grafit u sferoidne čestice, a ne u ljuspice.Zbog nižeg omjera širine i visine, sferoidi su relativno kratki i udaljeni jedan od drugog, te imaju niži poprečni presjek u odnosu na pukotinu ili fononu koja se širi.Takođe imaju tupe granice, za razliku od ljuspica, što ublažava probleme koncentracije napona koji se nalaze u sivom livenom gvožđu.Općenito, svojstva kovanog lijevanog željeza više su nalik onima od mekog čelika.Postoji ograničenje koliko veliki dio može biti izliven od kovanog gvožđa, jer je napravljen od bijelog livenog gvožđa.

Nodularno liveno gvožđe