ברזל יצוקהיא קבוצה של סגסוגות ברזל-פחמן עם תכולת פחמן גדולה מ-2%.התועלת שלו נובעת מטמפרטורת ההיתוך הנמוכה יחסית שלו.מרכיבי הסגסוגת משפיעים על צבעו כאשר הוא נשבר: ברזל יצוק לבן יש זיהומים קרביד המאפשרים סדקים לעבור ישר דרכם, ברזל יצוק אפור יש פתיתי גרפיט שמסיטים סדק חולף ומתחילים אינספור סדקים חדשים כשהחומר נשבר, ולברזל יצוק רקיע יש כדוריות "גבשושיות" גרפיט שעוצרות את התקדמות הסדק.

פחמן (C) הנעים בין 1.8 ל-4% משקל, וסיליקון (Si) 1-3% משקל, הם מרכיבי הסגסוג העיקריים של ברזל יצוק.סגסוגות ברזל עם תכולת פחמן נמוכה יותר ידועות בשם פלדה.

ברזל יצוק נוטה להיות שביר, למעט ברזל יצוק שניתן לעצב.עם נקודת התכה נמוכה יחסית, נזילות טובה, יציקות, יכולת עיבוד מעולה, עמידות בפני דפורמציה ועמידות בפני שחיקה, ברזל יצוק הפך לחומר הנדסי עם מגוון רחב של יישומים ומשמשים בצינורות, מכונות וחלקי תעשיית הרכב, כגון צילינדר. ראשים, בלוקים צילינדרים ותיבת הילוכים.הוא עמיד בפני נזקים על ידי חמצון.

החפצים המוקדמים ביותר מברזל יצוק מתוארכים למאה החמישית לפני הספירה, והתגלו על ידי ארכיאולוגים במה שהוא כיום ג'יאנגסו בסין.ברזל יצוק שימש בסין העתיקה ללוחמה, חקלאות ואדריכלות.במהלך המאה ה-15, ברזל יצוק נעשה שימוש לתותחים בבורגונדי, צרפת, ובאנגליה במהלך הרפורמציה.כמויות הברזל היצוק ששימש לתותח דרשו ייצור בקנה מידה גדול. גשר הברזל היצוק הראשון נבנה במהלך שנות ה-70 על ידי אברהם דרבי השלישי, והוא ידוע בשם גשר הברזל בשרופשייר, אנגליה.ברזל יצוק שימש גם בבניית מבנים.

אלמנטים סגסוגת

תכונותיו של ברזל יצוק משתנות על ידי הוספת אלמנטים סגסוגים שונים, או סגסוגים.לצד הפחמן, הסיליקון הוא הסגסוגת החשובה ביותר מכיוון שהוא מאלץ פחמן לצאת מהתמיסה.אחוז נמוך של סיליקון מאפשר לפחמן להישאר בתמיסה היוצר קרביד ברזל וייצור ברזל יצוק לבן.אחוז גבוה של סיליקון מאלץ פחמן החוצה מהתמיסה ויוצר גרפיט וייצור של ברזל יצוק אפור.סוכני סגסוג אחרים, מנגן, כרום, מוליבדן, טיטניום ונדיום מנוגדים לסיליקון, מעודדים את שימור הפחמן ואת היווצרותם של אותם קרבידים.ניקל ונחושת מגבירים את החוזק ואת יכולת העיבוד, אך אינם משנים את כמות הגרפיט שנוצרת.הפחמן בצורת גרפיט מביא לברזל רך יותר, מפחית כיווץ, מוריד חוזק ומפחית צפיפות.גופרית, במידה רבה מזהם כאשר קיימת, יוצרת גופרית ברזל, המונעת היווצרות של גרפיט ומגבירה את הקשיות.הבעיה עם הגופרית היא שהיא הופכת ברזל יצוק מותך לצמיג, מה שגורם לפגמים.כדי להתמודד עם ההשפעות של גופרית, מנגן מתווסף כי השניים יוצרים מנגן גופרתי במקום גופרית ברזל.המנגן גופרתי קל יותר מההמסה, ולכן הוא נוטה לצוף החוצה מההמסה ולתוך הסיגים.כמות המנגן הנדרשת לנטרול גופרית היא 1.7 × תכולת גופרית + 0.3%.אם מוסיפים יותר מכמות מנגן זו, נוצר קרביד מנגן, מה שמגביר את הקשיות והקירור, למעט בברזל אפור, שבו עד 1% מהמנגן מגביר את החוזק והצפיפות.

ניקל הוא אחד מיסודות הסגסוג הנפוצים ביותר מכיוון שהוא מעדן את מבנה הפרליט והגרפיט, משפר את הקשיחות ומאזן הבדלי קשיות בין עובי החתך.כרום מתווסף בכמויות קטנות כדי להפחית גרפיט חופשי, לייצר צינון, ובגלל שהוא מייצב קרביד חזק;ניקל מתווסף לעתים קרובות בשילוב.ניתן להוסיף כמות קטנה של פח כתחליף ל-0.5% כרום.נחושת מתווספת במצקת או בכבשן, בסדר גודל של 0.5-2.5%, כדי להפחית את הקור, לעדן את הגרפיט ולהגביר את הנזילות.מוליבדן מתווסף בסדר גודל של 0.3-1% כדי להגביר את הקור ולחדד את מבנה הגרפיט והפרליט;זה מתווסף לעתים קרובות בשילוב עם ניקל, נחושת וכרום כדי ליצור ברזלים בעלי חוזק גבוה.טיטניום מתווסף כמסיר גז ומסיר חמצון, אך הוא גם מגביר את הנזילות.0.15-0.5% ונדיום מתווסף לברזל יצוק כדי לייצב צמנטיט, להגביר את הקשיות ולהגביר את העמידות בפני בלאי וחום.0.1-0.3% זירקוניום עוזר ליצור גרפיט, ניקוי חמצון והגברת הנזילות.

בהמסת ברזל ניתנת לעיבוד, מוסיפים ביסמוט, בסולם של 0.002-0.01%, כדי להגדיל את כמות הסיליקון שניתן להוסיף.בברזל לבן מוסיפים בורון כדי לסייע בייצור ברזל ברזל;זה גם מפחית את ההשפעה המחסלת של ביסמוט.

ברזל יציקה אפור

ברזל יצוק אפור מאופיין במבנה המיקרו הגרפי שלו, הגורם לשברים בחומר למראה אפור.זהו הברזל היצוק הנפוץ ביותר והחומר היצוק הנפוץ ביותר המבוסס על משקל.לרוב הברזל היצוק יש הרכב כימי של 2.5-4.0% פחמן, 1-3% סיליקון, והשאר ברזל.לברזל יצוק אפור יש פחות חוזק מתיחה ועמידות בפני זעזועים מאשר פלדה, אך חוזק הלחיצה שלו דומה לפלדה בעלת פחמן נמוך ובינוני.תכונות מכניות אלו נשלטות על ידי הגודל והצורה של פתיתי הגרפיט הקיימים במבנה המיקרו וניתן לאפיין אותם בהתאם להנחיות הניתנות על ידי ASTM.

ברזל יצוק לבן

ברזל יצוק לבן מציג משטחים שברים לבנים עקב נוכחות של משקע קרביד ברזל הנקרא צמנטיט.עם תכולת סיליקון נמוכה יותר (חומר גרפיטיזציה) וקצב קירור מהיר יותר, הפחמן בברזל יצוק לבן משקע מתוך ההיתוך כצמנטיט פאזה מט-יציבת, Fe₃C, במקום גרפיט.הצמנטיט שמשקע מההמסה נוצר כחלקיקים גדולים יחסית.כאשר קרביד הברזל נופל החוצה, הוא שואב פחמן מההמסה המקורית, מעביר את התערובת לכיוון אחד הקרוב יותר לאוטקטי, והשלב הנותר הוא האוסטניט התחתון של ברזל-פחמן (אשר בקירור עלול להפוך למרטנזיט).הקרבידים האוטקטיים הללו גדולים מדי מכדי לספק את היתרון של מה שנקרא התקשות משקעים (כמו בפלדות מסוימות, שבהן משקעי צמנטיט קטנים בהרבה עלולים לעכב [דפורמציה פלסטית] על ידי מניעת תנועת נקעים דרך מטריצת הברזל הטהור פריט).במקום זאת, הם מגדילים את הקשיות בתפזורת של הברזל היצוק פשוט בזכות הקשיות הגבוהה מאוד שלהם ושבר הנפח המשמעותי שלהם, כך שניתן להעריך את קשיות התפזורת על ידי כלל של תערובות.בכל מקרה, הם מציעים קשיחות על חשבון קשיחות.מכיוון שקרביד מהווה חלק גדול מהחומר, ברזל יצוק לבן יכול להיות מסווג באופן סביר כצרמט.ברזל לבן שביר מדי לשימוש ברכיבים מבניים רבים, אך עם קשיות טובה ועמידות בפני שחיקה ועלות נמוכה יחסית, הוא מוצא שימוש ביישומים כגון משטחי הבלאי (אימפלר ונדיר) של משאבות תרחיץ, ספינות מעטפת ומוטות הרמה בכדור. טחנות וטחנות טחינה אוטוגניות, כדורים וטבעות בפורצי פחם, ושיניים של דלי חפירה של מחפרון (אם כי פלדה מרטנסיטית בינונית-פחמן יצוקה נפוצה יותר עבור יישום זה).

קשה לקרר יציקות עבות מספיק מהר כדי למצק את ההיתוך כברזל יצוק לבן לאורך כל הדרך.עם זאת, ניתן להשתמש בקירור מהיר כדי להמצק מעטפת של ברזל יצוק לבן, ולאחר מכן השאר מתקרר לאט יותר ליצירת ליבה של ברזל יצוק אפור.הליהוק שנוצר, הנקרא איציקה צוננת, יש את היתרונות של משטח קשיח עם פנים קצת יותר קשיח.

סגסוגות ברזל לבנות עתירות כרום מאפשרות ליציקות מסיביות (לדוגמה, אימפלר של 10 טון) ליציקת חול, שכן הכרום מפחית את קצב הקירור הנדרש לייצור קרבידים דרך עובי החומר הגדול יותר.כרום מייצר גם קרבידים בעלי עמידות בפני שחיקה מרשימה.סגסוגות אלה עתירות כרום מייחסות את הקשיות המעולה שלהן לנוכחות של כרום קרבידים.הצורה העיקרית של הקרבידים הללו היא ה-M eutectic או ראשונית₇C₃קרבידים, כאשר "M" מייצג ברזל או כרום ויכול להשתנות בהתאם להרכב הסגסוגת.הקרבידים האוקטיים נוצרים כצרורות של מוטות משושה חלולים וגדלים בניצב למישור הבסיסי המשושה.הקשיות של קרבידים אלה היא בטווח של 1500-1800HV.

ברזל יצוק ניתן לעיבוד

ברזל ברזל מתחיל כיציקת ברזל לבנה שעבר טיפול בחום למשך יום או יומיים בערך ב-950 מעלות צלזיוס (1,740 מעלות פרנהייט) ולאחר מכן מקורר במשך יום או יומיים.כתוצאה מכך, הפחמן בברזל קרביד הופך לגרפיט ולפריט בתוספת פחמן (אוסטניט).התהליך האיטי מאפשר למתח הפנים ליצור את הגרפיט לחלקיקים כדוריים ולא לפתיתים.בשל יחס הגובה-רוחב הנמוך שלהם, הכדוריות קצרות יחסית ורחוקות אחת מהשנייה, ויש להן חתך נמוך יותר מול סדק מתפשט או פונון.יש להם גם גבולות קהים, בניגוד לפתיתים, מה שמקל על בעיות ריכוז הלחץ שנמצאות בברזל יצוק אפור.באופן כללי, המאפיינים של ברזל יצוק קשיר דומים יותר לאלו של פלדה עדינה.יש גבול לכמה חלק ניתן ליצוק בברזל קשיר, שכן הוא עשוי מברזל יצוק לבן.

ברזל יצוק גמיש