Χυτοσίδηροςείναι μια ομάδα κραμάτων σιδήρου-άνθρακα με περιεκτικότητα σε άνθρακα μεγαλύτερη από 2%.Η χρησιμότητά του προκύπτει από τη σχετικά χαμηλή θερμοκρασία τήξης του.Τα συστατικά του κράματος επηρεάζουν το χρώμα του όταν σπάει: ο λευκός χυτοσίδηρος έχει ακαθαρσίες καρβιδίου που επιτρέπουν στις ρωγμές να περάσουν ευθεία, ο γκρίζος χυτοσίδηρος έχει νιφάδες γραφίτη που εκτρέπουν μια διερχόμενη ρωγμή και προκαλούν αμέτρητες νέες ρωγμές καθώς σπάει το υλικό και ο όλκιμος χυτοσίδηρος έχει σφαιρικό «οζίδια» γραφίτη που εμποδίζουν την περαιτέρω εξέλιξη της ρωγμής.

Ο άνθρακας (C) που κυμαίνεται από 1,8 έως 4 wt%, και το πυρίτιο (Si) 1-3 wt%, είναι τα κύρια κράματα του χυτοσιδήρου.Τα κράματα σιδήρου με χαμηλότερη περιεκτικότητα σε άνθρακα είναι γνωστά ως χάλυβας.

Ο χυτοσίδηρος τείνει να είναι εύθραυστος, εκτός από τους ελατός σίδηρος.Με το σχετικά χαμηλό σημείο τήξεως, την καλή ρευστότητα, τη δυνατότητα χύτευσης, την εξαιρετική ικανότητα επεξεργασίας, την αντοχή στην παραμόρφωση και την αντοχή στη φθορά, οι χυτοσίδηροι έχουν γίνει ένα υλικό μηχανικής με ευρύ φάσμα εφαρμογών και χρησιμοποιούνται σε σωλήνες, μηχανές και εξαρτήματα της αυτοκινητοβιομηχανίας, όπως οι κύλινδροι κεφαλές, μπλοκ κυλίνδρων και θήκες κιβωτίων ταχυτήτων.Είναι ανθεκτικό στη φθορά από την οξείδωση.

Τα παλαιότερα τεχνουργήματα από χυτοσίδηρο χρονολογούνται στον 5ο αιώνα π.Χ. και ανακαλύφθηκαν από αρχαιολόγους στο σημερινό Jiangsu στην Κίνα.Ο χυτοσίδηρος χρησιμοποιήθηκε στην αρχαία Κίνα για πόλεμο, γεωργία και αρχιτεκτονική.Κατά τη διάρκεια του 15ου αιώνα, ο χυτοσίδηρος χρησιμοποιήθηκε για πυροβόλα στη Βουργουνδία της Γαλλίας και στην Αγγλία κατά τη διάρκεια της Μεταρρύθμισης.Οι ποσότητες χυτοσιδήρου που χρησιμοποιήθηκαν για τα πυροβόλα απαιτούσαν παραγωγή μεγάλης κλίμακας. Η πρώτη γέφυρα από χυτοσίδηρο χτίστηκε κατά τη δεκαετία του 1770 από τον Abraham Darby III και είναι γνωστή ως The Iron Bridge στο Shropshire της Αγγλίας.Ο χυτοσίδηρος χρησιμοποιήθηκε επίσης στην κατασκευή κτιρίων.

Στοιχεία κράματος

Οι ιδιότητες του χυτοσιδήρου αλλάζουν με την προσθήκη διαφόρων στοιχείων κράματος ή κραμάτων.Δίπλα στον άνθρακα, το πυρίτιο είναι το πιο σημαντικό κράμα επειδή αναγκάζει τον άνθρακα να βγει από το διάλυμα.Ένα χαμηλό ποσοστό πυριτίου επιτρέπει στον άνθρακα να παραμείνει στο διάλυμα σχηματίζοντας καρβίδιο σιδήρου και την παραγωγή λευκού χυτοσιδήρου.Ένα υψηλό ποσοστό πυριτίου αναγκάζει τον άνθρακα να βγει από το διάλυμα σχηματίζοντας γραφίτη και την παραγωγή γκρίζου χυτοσιδήρου.Άλλοι κραματικοί παράγοντες, το μαγγάνιο, το χρώμιο, το μολυβδαίνιο, το τιτάνιο και το βανάδιο εξουδετερώνει το πυρίτιο, προάγει τη συγκράτηση του άνθρακα και το σχηματισμό αυτών των καρβιδίων.Το νικέλιο και ο χαλκός αυξάνουν την αντοχή και τη δυνατότητα επεξεργασίας, αλλά δεν αλλάζουν την ποσότητα του γραφίτη που σχηματίζεται.Ο άνθρακας με τη μορφή γραφίτη έχει ως αποτέλεσμα πιο μαλακό σίδηρο, μειώνει τη συρρίκνωση, μειώνει την αντοχή και μειώνει την πυκνότητα.Το θείο, σε μεγάλο βαθμό ένας ρύπος όταν υπάρχει, σχηματίζει θειούχο σίδηρο, το οποίο εμποδίζει το σχηματισμό γραφίτη και αυξάνει τη σκληρότητα.Το πρόβλημα με το θείο είναι ότι κάνει τον λιωμένο χυτοσίδηρο παχύρρευστο, το οποίο προκαλεί ελαττώματα.Για την αντιμετώπιση των επιδράσεων του θείου, προστίθεται μαγγάνιο επειδή τα δύο σχηματίζονται σε θειούχο μαγγάνιο αντί για θειούχο σίδηρο.Το θειούχο μαγγάνιο είναι ελαφρύτερο από το τήγμα, επομένως τείνει να επιπλέει έξω από το τήγμα και μέσα στη σκωρία.Η ποσότητα μαγγανίου που απαιτείται για την εξουδετέρωση του θείου είναι 1,7 × περιεκτικότητα σε θείο + 0,3%.Εάν προστεθεί περισσότερο από αυτή την ποσότητα μαγγανίου, τότε σχηματίζεται καρβίδιο μαγγανίου, το οποίο αυξάνει τη σκληρότητα και την ψύξη, εκτός από τον γκρίζο σίδηρο, όπου έως και 1% μαγγανίου αυξάνει την αντοχή και την πυκνότητα.

Το νικέλιο είναι ένα από τα πιο κοινά στοιχεία κράματος επειδή βελτιώνει τη δομή του περλίτη και του γραφίτη, βελτιώνει την σκληρότητα και εξομαλύνει τις διαφορές σκληρότητας μεταξύ των πάχους των τομών.Το χρώμιο προστίθεται σε μικρές ποσότητες για τη μείωση του ελεύθερου γραφίτη, την παραγωγή ψύχους και επειδή είναι ένας ισχυρός σταθεροποιητής καρβιδίου.Το νικέλιο προστίθεται συχνά σε συνδυασμό.Μια μικρή ποσότητα κασσίτερου μπορεί να προστεθεί ως υποκατάστατο για 0,5% χρώμιο.Ο χαλκός προστίθεται στην κουτάλα ή στον κλίβανο, της τάξης του 0,5-2,5%, για να μειώσει την ψύξη, να βελτιώσει τον γραφίτη και να αυξήσει τη ρευστότητα.Προστίθεται μολυβδαίνιο της τάξης του 0,3-1% για να αυξήσει την ψύχρα και να βελτιώσει τη δομή του γραφίτη και του περλίτη.Συχνά προστίθεται σε συνδυασμό με νικέλιο, χαλκό και χρώμιο για να σχηματίσει σίδερα υψηλής αντοχής.Το τιτάνιο προστίθεται ως απαερωτή και αποοξειδωτή, αλλά αυξάνει επίσης τη ρευστότητα.0,15–0,5% βανάδιο προστίθεται στο χυτοσίδηρο για να σταθεροποιήσει τον τσιμεντίτη, να αυξήσει τη σκληρότητα και να αυξήσει την αντοχή στη φθορά και τη θερμότητα.Το ζιρκόνιο 0,1–0,3% βοηθά στο σχηματισμό γραφίτη, στην αποοξείδωση και στην αύξηση της ρευστότητας.

Σε τήγματα ελατού σιδήρου, προστίθεται βισμούθιο, στην κλίμακα 0,002–0,01%, για να αυξηθεί η ποσότητα του πυριτίου που μπορεί να προστεθεί.Στον λευκό σίδηρο, το βόριο προστίθεται για να βοηθήσει στην παραγωγή ελατού σιδήρου.μειώνει επίσης τη χονδροποιητική επίδραση του βισμούθιου.

Γκρι χυτοσίδηρος

Ο γκρίζος χυτοσίδηρος χαρακτηρίζεται από τη γραφιτική μικροδομή του, η οποία προκαλεί ρωγμές του υλικού να έχουν γκρίζα εμφάνιση.Είναι ο πιο συχνά χρησιμοποιούμενος χυτοσίδηρος και το πιο ευρέως χρησιμοποιούμενο χυτοσίδηρο με βάση το βάρος.Οι περισσότεροι χυτοσίδηροι έχουν χημική σύνθεση 2,5–4,0% άνθρακα, 1–3% πυρίτιο και το υπόλοιπο σίδηρο.Ο γκρίζος χυτοσίδηρος έχει μικρότερη αντοχή σε εφελκυσμό και αντοχή σε κραδασμούς από τον χάλυβα, αλλά η αντοχή του στη θλίψη είναι συγκρίσιμη με τον χάλυβα χαμηλού και μεσαίου άνθρακα.Αυτές οι μηχανικές ιδιότητες ελέγχονται από το μέγεθος και το σχήμα των νιφάδων γραφίτη που υπάρχουν στη μικροδομή και μπορούν να χαρακτηριστούν σύμφωνα με τις οδηγίες που δίνονται από το ASTM.

Λευκός χυτοσίδηρος

Ο λευκός χυτοσίδηρος εμφανίζει λευκές σπασμένες επιφάνειες λόγω της παρουσίας ενός ιζήματος καρβιδίου του σιδήρου που ονομάζεται τσιμεντίτης.Με χαμηλότερη περιεκτικότητα σε πυρίτιο (παράγοντας γραφιτοποίησης) και ταχύτερο ρυθμό ψύξης, ο άνθρακας στο λευκό χυτοσίδηρο κατακρημνίζεται από το τήγμα ως ο μετασταθερής φάσης τσιμενίτης Fe₃C, αντί γραφίτη.Ο τσιμεντίτης που κατακρημνίζεται από το τήγμα σχηματίζεται ως σχετικά μεγάλα σωματίδια.Καθώς το καρβίδιο του σιδήρου κατακρημνίζεται, αποσύρει άνθρακα από το αρχικό τήγμα, μετακινώντας το μείγμα προς ένα που είναι πιο κοντά στην ευτηκτική και η υπόλοιπη φάση είναι ο κατώτερος ωστενίτης σιδήρου-άνθρακα (ο οποίος κατά την ψύξη μπορεί να μετατραπεί σε μαρτενσίτη).Αυτά τα ευτηκτικά καρβίδια είναι πολύ μεγάλα για να παρέχουν το πλεονέκτημα αυτού που ονομάζεται σκλήρυνση με καθίζηση (όπως σε ορισμένους χάλυβες, όπου πολύ μικρότερα ιζήματα τσιμενίτη μπορεί να αναστείλουν την [πλαστική παραμόρφωση] εμποδίζοντας την κίνηση των εξαρθρώσεων μέσω της μήτρας καθαρού σιδήρου φερρίτη).Αντίθετα, αυξάνουν τη χύδην σκληρότητα του χυτοσιδήρου απλώς λόγω της δικής τους πολύ υψηλής σκληρότητας και του σημαντικού κλάσματος όγκου τους, έτσι ώστε η χύδην σκληρότητα να μπορεί να προσεγγιστεί με έναν κανόνα μειγμάτων.Σε κάθε περίπτωση, προσφέρουν σκληρότητα σε βάρος της σκληρότητας.Δεδομένου ότι το καρβίδιο αποτελεί ένα μεγάλο μέρος του υλικού, ο λευκός χυτοσίδηρος θα μπορούσε εύλογα να ταξινομηθεί ως κεραμομεταλλικό.Ο λευκός σίδηρος είναι πολύ εύθραυστος για χρήση σε πολλά δομικά εξαρτήματα, αλλά με καλή σκληρότητα και αντοχή στην τριβή και σχετικά χαμηλό κόστος, βρίσκει χρήση σε εφαρμογές όπως οι επιφάνειες φθοράς (πτερωτή και σπειροειδής) αντλιών πολτού, επενδύσεις κελύφους και ράβδους ανύψωσης σε σφαίρα μύλοι και αυτογενείς μύλοι λείανσης, μπάλες και δακτύλιοι σε κονιοποιητές άνθρακα και τα δόντια του κάδου εκσκαφής εκσκαφέας (αν και ο χυτός μαρτενσιτικός χάλυβας μεσαίου άνθρακα είναι πιο συνηθισμένος για αυτήν την εφαρμογή).

Είναι δύσκολο να ψύχονται τα παχιά προϊόντα χύτευσης αρκετά γρήγορα για να στερεοποιηθεί το τήγμα ως λευκός χυτοσίδηρος σε όλη τη διαδρομή.Ωστόσο, η ταχεία ψύξη μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη στερεοποίηση ενός κελύφους από λευκό χυτοσίδηρο, μετά την οποία το υπόλοιπο ψύχεται πιο αργά για να σχηματίσει έναν πυρήνα από γκρίζο χυτοσίδηρο.Η χύτευση που προκύπτει, που ονομάζεται ακρύο χύτευση, έχει τα πλεονεκτήματα μιας σκληρής επιφάνειας με ένα κάπως πιο σκληρό εσωτερικό.

Τα κράματα λευκού σιδήρου με υψηλή περιεκτικότητα σε χρώμιο επιτρέπουν τη χύτευση με άμμο μαζικών χυτών (για παράδειγμα, πτερωτή 10 τόνων), καθώς το χρώμιο μειώνει τον ρυθμό ψύξης που απαιτείται για την παραγωγή καρβιδίων μέσω του μεγαλύτερου πάχους υλικού.Το χρώμιο παράγει επίσης καρβίδια με εντυπωσιακή αντοχή στην τριβή.Αυτά τα κράματα υψηλής περιεκτικότητας σε χρώμιο αποδίδουν την ανώτερη σκληρότητά τους στην παρουσία καρβιδίων χρωμίου.Η κύρια μορφή αυτών των καρβιδίων είναι το ευτηκτικό ή πρωτογενές Μ₇C₃καρβίδια, όπου το "Μ" αντιπροσωπεύει σίδηρο ή χρώμιο και μπορεί να ποικίλλει ανάλογα με τη σύνθεση του κράματος.Τα ευτηκτικά καρβίδια σχηματίζονται ως δέσμες κοίλων εξαγωνικών ράβδων και αναπτύσσονται κάθετα στο εξαγωνικό βασικό επίπεδο.Η σκληρότητα αυτών των καρβιδίων είναι εντός της περιοχής 1500-1800 HV.

Ελατός χυτοσίδηρος

Ο ελατός σίδηρος ξεκινά ως χύτευση λευκού σιδήρου που στη συνέχεια υποβάλλεται σε θερμική επεξεργασία για μία ή δύο ημέρες στους περίπου 950 °C (1.740 °F) και στη συνέχεια ψύχεται για μία ή δύο ημέρες.Ως αποτέλεσμα, ο άνθρακας στο καρβίδιο του σιδήρου μετατρέπεται σε γραφίτη και φερρίτη συν άνθρακα (ωστενίτη).Η αργή διαδικασία επιτρέπει στην επιφανειακή τάση να σχηματίσει τον γραφίτη σε σφαιροειδή σωματίδια και όχι σε νιφάδες.Λόγω της χαμηλότερης αναλογίας διαστάσεων τους, τα σφαιροειδή είναι σχετικά κοντά και μακριά το ένα από το άλλο, και έχουν χαμηλότερη διατομή σε σχέση με μια ρωγμή ή φωνόνιο που διαδίδεται.Έχουν επίσης αμβλεία όρια, σε αντίθεση με τις νιφάδες, που μειώνουν τα προβλήματα συγκέντρωσης στρες που βρίσκονται στον γκρίζο χυτοσίδηρο.Γενικά, οι ιδιότητες του εύπλαστου χυτοσιδήρου μοιάζουν περισσότερο με αυτές του μαλακού χάλυβα.Υπάρχει όριο στο πόσο μεγάλο μέρος μπορεί να χυτευτεί σε ελατό σίδηρο, καθώς είναι κατασκευασμένο από λευκό χυτοσίδηρο.

Εόλκιμος χυτοσίδηρος