Lijevano željezoje skupina legura željezo-ugljik s udjelom ugljika većim od 2%.Njegova korisnost proizlazi iz njegove relativno niske temperature taljenja.Sastojci legure utječu na njezinu boju kada se lomi: bijeli lijev ima nečistoće karbida koji omogućuju prolaz pukotina, sivi lijev ima grafitne ljuskice koje skreću prolaznu pukotinu i pokreću bezbrojne nove pukotine dok se materijal lomi, a nodularni lijev ima kuglaste grafitne "nodule" koje sprječavaju daljnje napredovanje pukotine.

Ugljik (C) u rasponu od 1,8 do 4 tež. % i silicij (Si) 1-3 tež. % glavni su legirajući elementi lijevanog željeza.Legure željeza s nižim udjelom ugljika poznate su kao čelik.

Lijevano željezo ima tendenciju biti krto, osim temperanog lijeva.Sa svojim relativno niskim talištem, dobrom fluidnošću, sposobnošću lijevanja, izvrsnom obradivošću, otpornošću na deformacije i otpornošću na habanje, lijevano željezo je postalo inženjerski materijal sa širokim rasponom primjene i koristi se u cijevima, strojevima i dijelovima automobilske industrije, kao što su cilindri glave, blokovi cilindra i kućišta mjenjača.Otporan je na oštećenja uslijed oksidacije.

Najraniji predmeti od lijevanog željeza datiraju iz 5. stoljeća prije Krista, a otkrili su ih arheolozi u današnjem Jiangsuu u Kini.Lijevano željezo se u staroj Kini koristilo za ratovanje, poljoprivredu i arhitekturu.Tijekom 15. stoljeća lijevano željezo počelo se koristiti za topove u Burgundiji, Francuskoj, iu Engleskoj tijekom reformacije.Količine lijevanog željeza korištene za topove zahtijevale su proizvodnju velikih razmjera. Prvi most od lijevanog željeza izgradio je tijekom 1770-ih Abraham Darby III, a poznat je kao Željezni most u Shropshireu u Engleskoj.Lijevano željezo također se koristilo u izgradnji zgrada.

Legirajući elementi

Svojstva lijevanog željeza mijenjaju se dodavanjem raznih legirajućih elemenata, odnosno slitina.Uz ugljik, silicij je najvažniji legir jer istiskuje ugljik iz otopine.Nizak postotak silicija omogućuje da ugljik ostane u otopini stvarajući željezni karbid i proizvodnju bijelog lijevanog željeza.Visoki postotak silicija istiskuje ugljik iz otopine stvarajući grafit i proizvodnju sivog lijeva.Ostala legirajuća sredstva, mangan, krom, molibden, titan i vanadij djeluju suprotno siliciju, potiču zadržavanje ugljika i stvaranje tih karbida.Nikal i bakar povećavaju čvrstoću i obradivost, ali ne mijenjaju količinu formiranog grafita.Ugljik u obliku grafita rezultira mekšim željezom, smanjuje skupljanje, smanjuje čvrstoću i smanjuje gustoću.Sumpor, koji je većim dijelom kontaminant, kada je prisutan, stvara željezni sulfid, koji sprječava stvaranje grafita i povećava tvrdoću.Problem sa sumporom je taj što rastaljeno lijevano željezo čini viskoznim, što uzrokuje nedostatke.Kako bi se spriječili učinci sumpora, dodaje se mangan jer se ta dva oblikuju u manganov sulfid umjesto željeznog sulfida.Manganov sulfid je lakši od taline, pa ima tendenciju isplivati ​​iz taline u trosku.Količina mangana potrebna za neutralizaciju sumpora je 1,7 × sadržaj sumpora + 0,3 %.Ako se doda više od ove količine mangana, tada nastaje manganov karbid, koji povećava tvrdoću i hlađenje, osim u sivom željezu, gdje do 1% mangana povećava čvrstoću i gustoću.

Nikal je jedan od najčešćih legirajućih elemenata jer pročišćava strukturu perlita i grafita, poboljšava žilavost i ujednačava razlike u tvrdoći između debljina presjeka.Krom se dodaje u malim količinama kako bi se smanjio slobodni grafit, proizvelo hlađenje i zato što je snažan stabilizator karbida;nikal se često dodaje zajedno.Kao zamjena za 0,5% kroma može se dodati mala količina kositra.Bakar se dodaje u lonac ili u peć, reda veličine 0,5–2,5%, kako bi se smanjilo hlađenje, pročistio grafit i povećala fluidnost.Molibden se dodaje u količini od 0,3–1% za povećanje hladnoće i pročišćavanje strukture grafita i perlita;često se dodaje u kombinaciji s niklom, bakrom i kromom kako bi se dobilo željezo visoke čvrstoće.Titan se dodaje kao degazator i deoksidizator, ali također povećava fluidnost.0,15–0,5% vanadija dodaje se lijevanom željezu da stabilizira cementit, poveća tvrdoću i poveća otpornost na trošenje i toplinu.0,1–0,3% cirkonija pomaže u stvaranju grafita, deoksidaciji i povećanju fluidnosti.

U talinama temperanog željeza dodaje se bizmut, na skali od 0,002-0,01%, kako bi se povećala količina silicija koja se može dodati.U bijelom željezu, bor se dodaje kao pomoć u proizvodnji temperanog željeza;također smanjuje ogrubljujući učinak bizmuta.

Sivi lijev

Sivi lijev karakterizira njegova grafitna mikrostruktura, zbog čega lomovi materijala imaju sivi izgled.To je najčešće korišteni lijevano željezo i najčešće korišteni lijevani materijal na temelju težine.Većina lijevanog željeza ima kemijski sastav od 2,5-4,0% ugljika, 1-3% silicija, a ostatak željeza.Sivi lijev ima manju vlačnu čvrstoću i otpornost na udarce od čelika, ali je njegova tlačna čvrstoća usporediva s nisko- i srednje ugljičnim čelikom.Ova mehanička svojstva kontroliraju se veličinom i oblikom grafitnih ljuskica prisutnih u mikrostrukturi i mogu se karakterizirati prema smjernicama koje daje ASTM.

Bijelo lijevano željezo

Bijelo lijevano željezo ima bijele izlomljene površine zbog prisutnosti taloga željeznog karbida koji se zove cementit.S nižim sadržajem silicija (agens za grafitizaciju) i bržom brzinom hlađenja, ugljik u bijelom lijevanom željezu taloži se iz taline kao metastabilna faza cementita, Fe₃C, umjesto grafita.Cementit koji se istaloži 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 eutektiku, a preostala faza je niži željezo-ugljik austenit (koji se hlađenjem može pretvoriti u martenzit).Ovi eutektički karbidi su preveliki da bi osigurali prednost onoga što se naziva precipitacijsko otvrdnjavanje (kao u nekim čelicima, gdje mnogo manji precipitati cementita mogu inhibirati [plastičnu deformaciju] ometanjem kretanja dislokacija kroz feritnu matricu čistog željeza).Umjesto toga, oni povećavaju nasipnu tvrdoću lijevanog željeza jednostavno na temelju svoje vrlo visoke tvrdoće i značajnog volumenskog udjela, tako da se nasipna tvrdoća može približno odrediti pravilom mješavina.U svakom slučaju, nude tvrdoću nauštrb žilavosti.Budući da karbid čini veliki dio materijala, bijeli lijev se s razlogom može klasificirati kao kermet.Bijelo željezo je previše krhko za upotrebu u mnogim konstrukcijskim komponentama, ali s dobrom tvrdoćom i otpornošću na abraziju i relativno niskom cijenom, pronalazi primjenu u takvim primjenama kao što su habajuće površine (impeler i spirala) pumpi za gnojnicu, košuljica i poluga podizača u kugli mlinovi i mlinovi za autogeno mljevenje, kugle i prstenovi u raspršivačima ugljena i zubi rovokopača za kopanje (iako je lijevani srednje ugljični martenzitni čelik češći za ovu primjenu).

Teško je ohladiti debele odljevke dovoljno brzo da se talina učvrsti kao bijelo lijevano željezo do kraja.Međutim, brzo hlađenje može se koristiti za skrućivanje ljuske od bijelog lijeva, nakon čega se ostatak sporije hladi kako bi se stvorila jezgra od sivog lijeva.Dobiveni odljevak, nazvan aohlađeni lijev, ima prednosti tvrde površine s nešto čvršćom unutrašnjosti.

Legure bijelog željeza s visokim udjelom kroma dopuštaju da se masivni odljevci (na primjer, rotor od 10 tona) lijevaju u pijesku, budući da krom smanjuje brzinu hlađenja potrebnu za proizvodnju karbida kroz veće debljine materijala.Krom također proizvodi karbide s impresivnom otpornošću na abraziju.Ove legure s visokim udjelom kroma svoju vrhunsku tvrdoću pripisuju prisutnosti kromovih karbida.Glavni oblik ovih karbida je eutektik ili primarni M₇C₃karbidi, gdje "M" predstavlja željezo ili krom i može varirati ovisno o sastavu legure.Eutektički karbidi formiraju se kao snopovi šupljih šesterokutnih šipki i rastu okomito na heksagonalnu bazalnu ravninu.Tvrdoća ovih karbida je u rasponu od 1500-1800HV.

Kovan lijev

Tempirano željezo počinje kao odljevak od bijelog željeza koji se zatim toplinski obrađuje dan ili dva na oko 950 °C (1740 °F), a zatim se hladi dan ili dva.Kao rezultat toga, ugljik u željeznom karbidu prelazi u grafit i ferit plus ugljik (austenit).Spor proces omogućuje površinskoj napetosti da grafit oblikuje u sferoidne čestice umjesto u ljuskice.Zbog nižeg omjera širine i visine, sferoidi su relativno kratki i udaljeni jedan od drugog, te imaju niži presjek u odnosu na pukotinu ili fonone koji se šire.Također imaju tupe granice, za razliku od ljuskica, što ublažava probleme koncentracije naprezanja koji se nalaze u sivom lijevanom željezu.Općenito, svojstva tempiranog lijevanog željeza više su slična onima mekog čelika.Postoji ograničenje veličine dijela koji se može lijevati u temperiranom željezu, budući da se ono izrađuje od bijelog lijevanog željeza.

Duktilni lijev