Besi tuangialah sekumpulan aloi besi-karbon dengan kandungan karbon lebih daripada 2%.Kegunaannya terhasil daripada suhu leburnya yang agak rendah.Konstituen aloi mempengaruhi warnanya apabila patah: besi tuang putih mempunyai kekotoran karbida yang membenarkan retakan menembusi lurus, besi tuang kelabu mempunyai kepingan grafit yang memesongkan retakan yang lalu dan memulakan retakan baru yang tidak terkira banyaknya apabila bahan pecah, dan besi tuang mulur mempunyai sfera "nodul" grafit yang menghalang retakan daripada terus berkembang.

Karbon (C) antara 1.8 hingga 4% berat, dan silikon (Si) 1–3% berat, adalah unsur pengaloian utama besi tuang.Aloi besi dengan kandungan karbon yang lebih rendah dikenali sebagai keluli.

Besi tuang cenderung rapuh, kecuali besi tuang mudah ditempa.Dengan takat lebur yang agak rendah, kecairan yang baik, kebolehtuangan, kebolehmesinan yang sangat baik, rintangan kepada ubah bentuk dan rintangan haus, besi tuang telah menjadi bahan kejuruteraan dengan pelbagai aplikasi dan digunakan dalam paip, mesin dan bahagian industri automotif, seperti silinder kepala, blok silinder dan kotak gear.Ia tahan terhadap kerosakan oleh pengoksidaan.

Artifak besi tuang terawal bertarikh pada abad ke-5 SM, dan ditemui oleh ahli arkeologi di kawasan yang kini dikenali sebagai Jiangsu di China.Besi tuang digunakan di China purba untuk peperangan, pertanian, dan seni bina.Semasa abad ke-15, besi tuang digunakan untuk meriam di Burgundy, Perancis, dan di England semasa Reformasi.Jumlah besi tuang yang digunakan untuk meriam memerlukan pengeluaran berskala besar. Jambatan besi tuang pertama dibina pada tahun 1770-an oleh Abraham Darby III, dan dikenali sebagai Jambatan Besi di Shropshire, England.Besi tuang juga digunakan dalam pembinaan bangunan.

Unsur aloi

Sifat besi tuang diubah dengan menambahkan pelbagai unsur pengaloian, atau aloi.Di sebelah karbon, silikon adalah aloi yang paling penting kerana ia memaksa karbon keluar daripada larutan.Peratusan silikon yang rendah membolehkan karbon kekal dalam larutan membentuk karbida besi dan penghasilan besi tuang putih.Peratusan silikon yang tinggi memaksa karbon keluar daripada larutan membentuk grafit dan penghasilan besi tuang kelabu.Ejen pengaloi lain, mangan, kromium, molibdenum, titanium dan vanadium bertindak balas terhadap silikon, menggalakkan pengekalan karbon, dan pembentukan karbida tersebut.Nikel dan tembaga meningkatkan kekuatan, dan kebolehmesinan, tetapi tidak mengubah jumlah grafit yang terbentuk.Karbon dalam bentuk grafit menghasilkan besi yang lebih lembut, mengurangkan pengecutan, mengurangkan kekuatan, dan mengurangkan ketumpatan.Sulfur, sebahagian besarnya bahan pencemar apabila ada, membentuk sulfida besi, yang menghalang pembentukan grafit dan meningkatkan kekerasan.Masalah dengan sulfur ialah ia menjadikan besi tuang cair likat, yang menyebabkan kecacatan.Untuk mengatasi kesan sulfur, mangan ditambah kerana kedua-duanya membentuk mangan sulfida dan bukannya sulfida besi.Mangan sulfida adalah lebih ringan daripada cair, jadi ia cenderung terapung keluar dari cair dan ke dalam sanga.Jumlah mangan yang diperlukan untuk meneutralkan sulfur ialah 1.7 × kandungan sulfur + 0.3%.Jika lebih daripada jumlah mangan ini ditambah, maka karbida mangan terbentuk, yang meningkatkan kekerasan dan penyejukan, kecuali dalam besi kelabu, di mana sehingga 1% mangan meningkatkan kekuatan dan ketumpatan.

Nikel ialah salah satu unsur pengaloian yang paling biasa kerana ia menapis struktur perlit dan grafit, meningkatkan keliatan, dan meratakan perbezaan kekerasan antara ketebalan bahagian.Kromium ditambah dalam jumlah yang kecil untuk mengurangkan grafit bebas, menghasilkan kesejukan, dan kerana ia adalah penstabil karbida yang berkuasa;nikel sering ditambah bersama.Sebilangan kecil timah boleh ditambah sebagai pengganti 0.5% kromium.Kuprum ditambah dalam senduk atau dalam relau, mengikut urutan 0.5–2.5%, untuk mengurangkan kesejukan, menghaluskan grafit, dan meningkatkan kecairan.Molibdenum ditambah mengikut urutan 0.3–1% untuk meningkatkan kesejukan dan menapis struktur grafit dan perlit;ia sering ditambah bersama-sama dengan nikel, kuprum, dan kromium untuk membentuk besi berkekuatan tinggi.Titanium ditambah sebagai degasser dan deoxidizer, tetapi ia juga meningkatkan kecairan.0.15–0.5% vanadium ditambah kepada besi tuang untuk menstabilkan simentit, meningkatkan kekerasan, dan meningkatkan ketahanan terhadap haus dan haba.Zirkonium 0.1–0.3% membantu membentuk grafit, menyahoksida dan meningkatkan kecairan.

Dalam cair besi mudah tempa, bismut ditambah, pada skala 0.002–0.01%, untuk meningkatkan jumlah silikon yang boleh ditambah.Dalam besi putih, boron ditambah untuk membantu dalam penghasilan besi mudah dibentuk;ia juga mengurangkan kesan kasar bismut.

Besi tuang kelabu

Besi tuang kelabu dicirikan oleh struktur mikro grafitiknya, yang menyebabkan keretakan bahan mempunyai rupa kelabu.Ia adalah besi tuang yang paling biasa digunakan dan bahan tuang yang paling banyak digunakan berdasarkan berat.Kebanyakan besi tuang mempunyai komposisi kimia 2.5–4.0% karbon, 1–3% silikon, dan selebihnya besi.Besi tuang kelabu mempunyai kekuatan tegangan dan rintangan hentakan yang kurang daripada keluli, tetapi kekuatan mampatannya adalah setanding dengan keluli karbon rendah dan sederhana.Sifat mekanikal ini dikawal oleh saiz dan bentuk kepingan grafit yang terdapat dalam struktur mikro dan boleh dicirikan mengikut garis panduan yang diberikan oleh ASTM.

Besi tuang putih

Besi tuang putih memaparkan permukaan patah putih disebabkan kehadiran mendakan besi karbida yang dipanggil simentit.Dengan kandungan silikon yang lebih rendah (agen grafitisasi) dan kadar penyejukan yang lebih cepat, karbon dalam besi tuang putih memendakan keluar daripada leburan sebagai simentit fasa metastabil, Fe₃C, bukannya grafit.Simentit yang memendakan daripada leburan terbentuk sebagai zarah yang agak besar.Apabila karbida besi memendakan keluar, ia mengeluarkan karbon daripada cair asal, menggerakkan campuran ke arah yang lebih hampir kepada eutektik, dan fasa selebihnya ialah austenit besi-karbon yang lebih rendah (yang apabila disejukkan mungkin berubah menjadi martensit).Karbida eutektik ini terlalu besar untuk memberikan manfaat daripada apa yang dipanggil pengerasan kerpasan (seperti dalam sesetengah keluli, di mana mendakan simentit yang lebih kecil mungkin menghalang [ubah bentuk plastik] dengan menghalang pergerakan kehelan melalui matriks ferit besi tulen).Sebaliknya, ia meningkatkan kekerasan pukal besi tuang hanya berdasarkan kekerasannya yang sangat tinggi dan pecahan isipadunya yang besar, supaya kekerasan pukal boleh dianggarkan dengan peraturan campuran.Walau apa pun, mereka menawarkan kekerasan dengan mengorbankan keliatan.Oleh kerana karbida membentuk sebahagian besar bahan, besi tuang putih boleh diklasifikasikan sebagai cermet.Besi putih terlalu rapuh untuk digunakan dalam banyak komponen struktur, tetapi dengan kekerasan yang baik dan rintangan lelasan dan kos yang agak rendah, ia didapati digunakan dalam aplikasi seperti permukaan haus (pendesak dan volut) pam buburan, pelapik shell dan bar pengangkat dalam bola. kilang dan kilang pengisar autogen, bebola dan gelang dalam penghancur arang batu, dan gigi baldi penggali backhoe (walaupun keluli martensit karbon sederhana tuang adalah lebih biasa untuk aplikasi ini).

Sukar untuk menyejukkan tuangan tebal dengan cukup pantas untuk memejalkan cair sebagai besi tuang putih sepanjang jalan.Walau bagaimanapun, penyejukan pantas boleh digunakan untuk memejalkan cangkerang besi tuang putih, selepas itu selebihnya menyejuk dengan lebih perlahan untuk membentuk teras besi tuang kelabu.Pemutus yang terhasil, dipanggil apemutus sejuk, mempunyai kelebihan permukaan yang keras dengan bahagian dalam yang agak keras.

Aloi besi putih kromium tinggi membenarkan tuangan besar-besaran (contohnya, pendesak 10 tan) menjadi tuangan pasir, kerana kromium mengurangkan kadar penyejukan yang diperlukan untuk menghasilkan karbida melalui ketebalan bahan yang lebih besar.Kromium juga menghasilkan karbida dengan rintangan lelasan yang mengagumkan.Aloi kromium tinggi ini mengaitkan kekerasan unggulnya dengan kehadiran karbida kromium.Bentuk utama karbida ini ialah eutektik atau M primer₇C₃karbida, di mana "M" mewakili besi atau kromium dan boleh berbeza-beza bergantung pada komposisi aloi.Karbida eutektik terbentuk sebagai berkas rod heksagon berongga dan tumbuh berserenjang dengan satah basal heksagon.Kekerasan karbida ini berada dalam julat 1500-1800HV.

Besi tuang mudah dibentuk

Besi mudah tempa bermula sebagai tuangan besi putih yang kemudiannya dipanaskan selama satu atau dua hari pada kira-kira 950 °C (1,740 °F) dan kemudian disejukkan selama satu atau dua hari.Akibatnya, karbon dalam karbida besi berubah menjadi grafit dan ferit ditambah karbon (austenit).Proses perlahan membolehkan tegangan permukaan membentuk grafit menjadi zarah sferoid dan bukannya kepingan.Disebabkan nisbah aspek yang lebih rendah, spheroid adalah agak pendek dan jauh antara satu sama lain, dan mempunyai keratan rentas yang lebih rendah berbanding retak atau fonon yang merambat.Mereka juga mempunyai sempadan yang tumpul, berbanding dengan kepingan, yang mengurangkan masalah kepekatan tekanan yang terdapat dalam besi tuang kelabu.Secara amnya, sifat-sifat besi tuang mudah ditempa adalah lebih seperti keluli lembut.Terdapat had untuk berapa besar bahagian boleh dituang dalam besi boleh ditempa, kerana ia diperbuat daripada besi tuang putih.

Besi tuang mulur