Støbejerner en gruppe af jern-carbon-legeringer med et kulstofindhold på mere end 2%.Dens anvendelighed stammer fra dens relativt lave smeltetemperatur.Legeringsbestanddelene påvirker dens farve, når den brydes: hvidt støbejern har karbidurenheder, som tillader revner at passere lige igennem, gråt støbejern har grafitflager, som afbøjer en passerende revne og initierer utallige nye revner, når materialet går i stykker, og duktilt støbejern har sfæriske grafit "knuder", som forhindrer revnen i at udvikle sig yderligere.

Kulstof (C), der spænder fra 1,8 til 4 vægt%, og silicium (Si) 1-3 vægt%, er de vigtigste legeringselementer i støbejern.Jernlegeringer med lavere kulstofindhold er kendt som stål.

Støbejern har tendens til at være skørt, bortset fra formbare støbejern.Med dets relativt lave smeltepunkt, gode flydighed, støbeevne, fremragende bearbejdelighed, modstandsdygtighed over for deformation og slidstyrke er støbejern blevet et ingeniørmateriale med en bred vifte af anvendelser og bruges i rør, maskiner og dele til bilindustrien, såsom cylinder hoveder, cylinderblokke og gearkassekasser.Det er modstandsdygtigt over for skader ved oxidation.

De tidligste støbejernsgenstande dateres til det 5. århundrede f.Kr., og blev opdaget af arkæologer i det, der nu er Jiangsu i Kina.Støbejern blev brugt i det gamle Kina til krigsførelse, landbrug og arkitektur.I løbet af det 15. århundrede blev støbejern brugt til kanoner i Bourgogne, Frankrig og i England under reformationen.Mængden af ​​støbejern, der blev brugt til kanoner, krævede produktion i stor skala. Den første støbejernsbro blev bygget i 1770'erne af Abraham Darby III og er kendt som The Iron Bridge i Shropshire, England.Støbejern blev også brugt til opførelse af bygninger.

Legeringselementer

Støbejerns egenskaber ændres ved at tilføje forskellige legeringselementer eller legeringsstoffer.Ved siden af ​​kulstof er silicium det vigtigste legeringsmiddel, fordi det tvinger kulstof ud af opløsningen.En lav procentdel af silicium tillader kulstof at forblive i opløsning, der danner jerncarbid og produktion af hvidt støbejern.En høj procentdel af silicium tvinger kulstof ud af opløsning, der danner grafit og produktion af gråt støbejern.Andre legeringsmidler, mangan, krom, molybdæn, titanium og vanadium modvirker silicium, fremmer retentionen af ​​kulstof og dannelsen af ​​disse carbider.Nikkel og kobber øger styrke og bearbejdelighed, men ændrer ikke mængden af ​​dannet grafit.Kulstoffet i form af grafit resulterer i et blødere jern, reducerer krympning, sænker styrke og mindsker densiteten.Svovl, som i vid udstrækning er en forurening, danner jernsulfid, som forhindrer dannelsen af ​​grafit og øger hårdheden.Problemet med svovl er, at det gør smeltet støbejern tyktflydende, hvilket giver defekter.For at imødegå virkningerne af svovl tilsættes mangan, fordi de to dannes til mangansulfid i stedet for jernsulfid.Mangansulfidet er lettere end smelten, så det har en tendens til at flyde ud af smelten og ind i slaggen.Mængden af ​​mangan, der kræves for at neutralisere svovl, er 1,7 × svovlindhold + 0,3%.Hvis der tilsættes mere end denne mængde mangan, dannes der mangancarbid, som øger hårdheden og nedkølingen, undtagen i gråt jern, hvor op til 1 % mangan øger styrke og tæthed.

Nikkel er et af de mest almindelige legeringselementer, fordi det forfiner perlit- og grafitstrukturen, forbedrer sejheden og udligner hårdhedsforskelle mellem snittykkelser.Chrom tilsættes i små mængder for at reducere fri grafit, producere afkøling, og fordi det er en kraftig carbidstabilisator;nikkel tilsættes ofte i forbindelse.En lille mængde tin kan tilsættes som erstatning for 0,5 % krom.Kobber tilsættes i øsen eller i ovnen, i størrelsesordenen 0,5-2,5%, for at mindske afkølingen, forfine grafit og øge fluiditeten.Molybdæn tilsættes i størrelsesordenen 0,3-1% for at øge afkølingen og forfine grafit- og perlitstrukturen;det tilsættes ofte sammen med nikkel, kobber og krom for at danne jern med høj styrke.Titanium tilsættes som afgasser og deoxidationsmiddel, men det øger også flydighed.0,15-0,5% vanadium tilsættes støbejern for at stabilisere cementit, øge hårdheden og øge modstandsdygtigheden over for slid og varme.0,1-0,3 % zirconium hjælper med at danne grafit, deoxidere og øge flydendeheden.

I smeltejern tilsættes vismut på skalaen 0,002-0,01 % for at øge hvor meget silicium der kan tilsættes.I hvidt jern tilsættes bor for at hjælpe med produktionen af ​​støbejern;det reducerer også vismuts forgrovningseffekt.

Grå støbejern

Grått støbejern er kendetegnet ved dets grafitiske mikrostruktur, som bevirker, at brud på materialet får et gråt udseende.Det er det mest brugte støbejern og det mest brugte støbemateriale baseret på vægt.De fleste støbejern har en kemisk sammensætning på 2,5-4,0% kulstof, 1-3% silicium og resten jern.Grått støbejern har mindre trækstyrke og stødmodstand end stål, men dets trykstyrke kan sammenlignes med lav- og mellemkulstofstål.Disse mekaniske egenskaber styres af størrelsen og formen af ​​de grafitflager, der er til stede i mikrostrukturen, og kan karakteriseres i henhold til retningslinjerne givet af ASTM.

Hvidt støbejern

Hvidt støbejern viser hvide brækkede overflader på grund af tilstedeværelsen af ​​et jerncarbidudfældning kaldet cementit.Med et lavere siliciumindhold (grafitiseringsmiddel) og hurtigere afkølingshastighed udfælder kulstoffet i hvidt støbejern ud af smelten som den metastabile fase cementit, Fe₃C, i stedet for grafit.Cementitten, der udfældes fra smelten, dannes som relativt store partikler.Efterhånden som jerncarbidet bundfældes ud, trækker det kulstof fra den oprindelige smelte og bevæger blandingen mod en, der er tættere på eutektisk, og den resterende fase er den lavere jern-carbon-austenit (som ved afkøling kan omdannes til martensit).Disse eutektiske carbider er alt for store til at give fordelene ved det, der kaldes udfældningshærdning (som i nogle stål, hvor meget mindre cementitudfældninger kan hæmme [plastisk deformation] ved at hæmme bevægelsen af ​​dislokationer gennem den rene jernferritmatrix).De øger snarere støbejernets bulkhårdhed simpelthen i kraft af deres egen meget høje hårdhed og deres betydelige volumenfraktion, således at bulkhårdheden kan tilnærmes ved en blandingsregel.Under alle omstændigheder tilbyder de hårdhed på bekostning af sejhed.Da karbid udgør en stor del af materialet, kunne hvidt støbejern med rimelighed klassificeres som en cermet.Hvidt jern er for skørt til brug i mange strukturelle komponenter, men med god hårdhed og slidstyrke og relativt lave omkostninger finder det anvendelse i sådanne applikationer som slidflader (løbehjul og spiral) af gyllepumper, skalforinger og løftestænger i kugle. møller og autogene slibemøller, kugler og ringe i kulknusere og tænderne på en rendegravers graveskovl (selvom støbt martensitisk stål med medium kulstof er mere almindeligt til denne applikation).

Det er svært at køle tykke støbegods hurtigt nok til at størkne smelten som hvidt støbejern hele vejen igennem.Hurtig afkøling kan dog bruges til at størkne en skal af hvidt støbejern, hvorefter resten afkøles langsommere for at danne en kerne af gråt støbejern.Den resulterende støbning, kaldet enkølet støbning, har fordelene ved en hård overflade med et noget hårdere interiør.

Hvide jernlegeringer med højt krom tillader massive støbegods (f.eks. et 10-tons skovlhjul) at blive sandstøbt, da krom reducerer den kølehastighed, der kræves for at producere karbider gennem de større materialetykkelser.Chrom producerer også karbider med imponerende slidstyrke.Disse højchromlegeringer tilskriver deres overlegne hårdhed tilstedeværelsen af ​​chromcarbider.Hovedformen af ​​disse carbider er den eutektiske eller primære M₇C₃karbider, hvor "M" repræsenterer jern eller krom og kan variere afhængigt af legeringens sammensætning.De eutektiske karbider dannes som bundter af hule sekskantede stænger og vokser vinkelret på det sekskantede basalplan.Hårdheden af ​​disse karbider ligger inden for området 1500-1800HV.

Formbart støbejern

Smidbart jern starter som et hvidt jernstøbning, der derefter varmebehandles i en dag eller to ved omkring 950 °C (1.740 °F) og derefter afkøles over en dag eller to.Som et resultat omdannes kulstoffet i jerncarbid til grafit og ferrit plus kulstof (austenit).Den langsomme proces gør det muligt for overfladespændingen at danne grafitten til sfæroide partikler i stedet for flager.På grund af deres lavere billedformat er sfæroiderne relativt korte og langt fra hinanden og har et lavere tværsnit i forhold til en udbredt crack eller fonon.De har også stumpe grænser, i modsætning til flager, hvilket afhjælper de stresskoncentrationsproblemer, der findes i gråt støbejern.Generelt er egenskaberne af formbart støbejern mere som dem af blødt stål.Der er en grænse for hvor stor en del der kan støbes i støbejern, da det er lavet af hvidt støbejern.

Duktilt støbejern