Gietijzeris een groep ijzer-koolstoflegeringen met een koolstofgehalte van meer dan 2%.Het nut ervan vloeit voort uit de relatief lage smelttemperatuur.De legeringsbestanddelen beïnvloeden de kleur wanneer deze gebroken wordt: wit gietijzer heeft carbide-onzuiverheden waardoor scheuren er recht doorheen kunnen gaan, grijs gietijzer heeft grafietvlokken die een passerende scheur afbuigen en talloze nieuwe scheuren veroorzaken als het materiaal breekt, en nodulair gietijzer heeft bolvormige grafiet "knobbeltjes" die voorkomen dat de scheur zich verder ontwikkelt.

Koolstof (C) variërend van 1,8 tot 4 gew.%, en silicium (Si) 1–3 gew.%, zijn de belangrijkste legeringselementen van gietijzer.IJzerlegeringen met een lager koolstofgehalte staan ​​bekend als staal.

Gietijzer heeft de neiging bros te zijn, behalve smeedbaar gietijzer.Met zijn relatief lage smeltpunt, goede vloeibaarheid, gietbaarheid, uitstekende bewerkbaarheid, weerstand tegen vervorming en slijtvastheid, is gietijzer een technisch materiaal geworden met een breed scala aan toepassingen en wordt het gebruikt in pijpen, machines en onderdelen uit de auto-industrie, zoals cilinders. koppen, cilinderblokken en versnellingsbakken.Het is bestand tegen schade door oxidatie.

De vroegste gietijzeren artefacten dateren uit de 5e eeuw voor Christus en werden ontdekt door archeologen in wat nu Jiangsu in China is.Gietijzer werd in het oude China gebruikt voor oorlogsvoering, landbouw en architectuur.Tijdens de 15e eeuw werd gietijzer gebruikt voor kanonnen in Bourgondië, Frankrijk en in Engeland tijdens de Reformatie.De hoeveelheden gietijzer die voor de kanonnen werden gebruikt, vereisten grootschalige productie. De eerste gietijzeren brug werd in de jaren 1770 gebouwd door Abraham Darby III en staat bekend als The Iron Bridge in Shropshire, Engeland.Gietijzer werd ook gebruikt bij de constructie van gebouwen.

Legeringselementen

De eigenschappen van gietijzer worden veranderd door verschillende legeringselementen of legeringen toe te voegen.Naast koolstof is silicium het belangrijkste legeringsmiddel omdat het koolstof uit de oplossing dwingt.Een laag siliciumpercentage zorgt ervoor dat koolstof in de oplossing blijft, waardoor ijzercarbide ontstaat en wit gietijzer wordt geproduceerd.Een hoog percentage silicium verdrijft koolstof uit de oplossing en vormt grafiet en de productie van grijs gietijzer.Andere legeringsmiddelen, mangaan, chroom, molybdeen, titanium en vanadium, gaan silicium tegen, bevorderen het vasthouden van koolstof en de vorming van die carbiden.Nikkel en koper vergroten de sterkte en de bewerkbaarheid, maar veranderen niets aan de hoeveelheid gevormd grafiet.De koolstof in de vorm van grafiet resulteert in een zachter ijzer, vermindert de krimp, verlaagt de sterkte en verlaagt de dichtheid.Zwavel, indien aanwezig grotendeels een verontreiniging, vormt ijzersulfide, dat de vorming van grafiet voorkomt en de hardheid verhoogt.Het probleem met zwavel is dat het gesmolten gietijzer stroperig maakt, wat defecten veroorzaakt.Om de effecten van zwavel tegen te gaan, wordt mangaan toegevoegd omdat de twee zich vormen tot mangaansulfide in plaats van ijzersulfide.Het mangaansulfide is lichter dan de smelt en heeft daarom de neiging uit de smelt in de slak te drijven.De hoeveelheid mangaan die nodig is om zwavel te neutraliseren is 1,7 x zwavelgehalte + 0,3%.Als er meer dan deze hoeveelheid mangaan wordt toegevoegd, ontstaat er mangaancarbide, dat de hardheid en afkoeling verhoogt, behalve in grijs ijzer, waar tot 1% mangaan de sterkte en dichtheid verhoogt.

Nikkel is een van de meest voorkomende legeringselementen omdat het de perliet- en grafietstructuur verfijnt, de taaiheid verbetert en hardheidsverschillen tussen sectiediktes egaliseert.Chroom wordt in kleine hoeveelheden toegevoegd om het vrije grafiet te verminderen, koude te veroorzaken en omdat het een krachtige carbidestabilisator is;nikkel wordt vaak in combinatie toegevoegd.Ter vervanging van 0,5% chroom kan een kleine hoeveelheid tin worden toegevoegd.Koper wordt in de gietpan of in de oven toegevoegd, in de orde van grootte van 0,5-2,5%, om de kou te verminderen, het grafiet te verfijnen en de vloeibaarheid te vergroten.Molybdeen wordt toegevoegd in de orde van grootte van 0,3–1% om de kou te vergroten en de grafiet- en perlietstructuur te verfijnen;het wordt vaak toegevoegd in combinatie met nikkel, koper en chroom om ijzers met hoge sterkte te vormen.Titanium wordt toegevoegd als ontgasser en deoxidator, maar verhoogt ook de vloeibaarheid.Aan gietijzer wordt 0,15–0,5% vanadium toegevoegd om cementiet te stabiliseren, de hardheid te vergroten en de weerstand tegen slijtage en hitte te vergroten.0,1–0,3% zirkonium helpt bij het vormen van grafiet, deoxideren en verhogen de vloeibaarheid.

In smeltbare ijzersmelten wordt bismut toegevoegd, op een schaal van 0,002–0,01%, om de hoeveelheid silicium te vergroten die kan worden toegevoegd.In wit ijzer wordt boor toegevoegd om te helpen bij de productie van smeedbaar ijzer;het vermindert ook het verruwingseffect van bismut.

Grijs gietijzer

Grijs gietijzer wordt gekenmerkt door zijn grafietachtige microstructuur, waardoor breuken van het materiaal een grijs uiterlijk krijgen.Het is het meest gebruikte gietijzer en qua gewicht het meest gebruikte gietmateriaal.De meeste gietijzers hebben een chemische samenstelling van 2,5–4,0% koolstof, 1–3% silicium en de rest ijzer.Grijs gietijzer heeft minder treksterkte en schokbestendigheid dan staal, maar de druksterkte is vergelijkbaar met staal met een laag en middelmatig koolstofgehalte.Deze mechanische eigenschappen worden bepaald door de grootte en vorm van de grafietvlokken die in de microstructuur aanwezig zijn en kunnen worden gekarakteriseerd volgens de richtlijnen van de ASTM.

Wit gietijzer

Wit gietijzer vertoont witte gebroken oppervlakken als gevolg van de aanwezigheid van een ijzercarbideprecipitaat dat cementiet wordt genoemd.Met een lager siliciumgehalte (grafietmiddel) en een snellere afkoelsnelheid slaat de koolstof in wit gietijzer uit de smelt neer als de metastabiele fase cementiet, Fe₃C, in plaats van grafiet.Het cementiet dat uit de smelt neerslaat, vormt zich als relatief grote deeltjes.Terwijl het ijzercarbide neerslaat, onttrekt het koolstof aan de oorspronkelijke smelt, waardoor het mengsel naar een mengsel beweegt dat dichter bij eutectisch is, en de resterende fase is het lagere ijzer-koolstof-austeniet (dat bij afkoeling zou kunnen transformeren in martensiet).Deze eutectische carbiden zijn veel te groot om het voordeel te bieden van wat precipitatieharding wordt genoemd (zoals bij sommige staalsoorten, waar veel kleinere cementietprecipitaten de plastische vervorming zouden kunnen remmen door de beweging van dislocaties door de zuivere ijzerferrietmatrix te belemmeren).In plaats daarvan vergroten zij de bulkhardheid van het gietijzer eenvoudigweg op grond van hun eigen zeer hoge hardheid en hun aanzienlijke volumefractie, zodat de bulkhardheid kan worden benaderd door een regel van mengsels.In ieder geval bieden ze hardheid ten koste van taaiheid.Omdat carbide een groot deel van het materiaal uitmaakt, kan wit gietijzer redelijkerwijs als cermet worden geclassificeerd.Wit ijzer is te broos voor gebruik in veel structurele componenten, maar met een goede hardheid en slijtvastheid en relatief lage kosten wordt het gebruikt in toepassingen als de slijtoppervlakken (waaier en slakkenhuis) van slurrypompen, mantelvoeringen en hefstangen in kogels. molens en autogene maalmolens, kogels en ringen in kolenvergruizers, en de tanden van de graafbak van een graafmachine (hoewel gegoten martensitisch staal met middelmatige koolstof voor deze toepassing gebruikelijker is).

Het is moeilijk om dikke gietstukken snel genoeg af te koelen om de smelt helemaal als wit gietijzer te laten stollen.Door middel van snelle afkoeling kan echter een omhulsel van wit gietijzer hard worden, waarna het restant langzamer afkoelt tot een kern van grijs gietijzer.Het resulterende gietstuk, genaamd agekoeld gieten, heeft de voordelen van een harde ondergrond met een wat hardere binnenkant.

Witijzerlegeringen met een hoog chroomgehalte maken het mogelijk om massieve gietstukken (bijvoorbeeld een waaier van 10 ton) te zandgieten, omdat het chroom de koelsnelheid vermindert die nodig is om carbiden te produceren door de grotere materiaaldiktes.Chroom produceert ook carbiden met een indrukwekkende slijtvastheid.Deze legeringen met een hoog chroomgehalte schrijven hun superieure hardheid toe aan de aanwezigheid van chroomcarbiden.De belangrijkste vorm van deze carbiden zijn de eutectische of primaire M₇C₃carbiden, waarbij "M" staat voor ijzer of chroom en kan variëren afhankelijk van de samenstelling van de legering.De eutectische carbiden vormen zich als bundels holle zeshoekige staven en groeien loodrecht op het zeshoekige basisvlak.De hardheid van deze carbiden ligt binnen het bereik van 1500-1800HV.

Smeedbaar gietijzer

Smeedbaar ijzer begint als een wit ijzeren gietstuk dat vervolgens een dag of twee met warmte wordt behandeld bij ongeveer 950 ° C (1740 ° F) en vervolgens gedurende een dag of twee wordt afgekoeld.Als gevolg hiervan wordt de koolstof in ijzercarbide omgezet in grafiet en ferriet plus koolstof (austeniet).Door het langzame proces kan de oppervlaktespanning het grafiet vormen tot bolvormige deeltjes in plaats van tot vlokken.Vanwege hun lagere aspectverhouding zijn de sferoïden relatief kort en ver van elkaar verwijderd, en hebben ze een lagere doorsnede vergeleken met een zich voortplantende scheur of fonon.Ze hebben ook stompe grenzen, in tegenstelling tot vlokken, wat de spanningsconcentratieproblemen bij grijs gietijzer verlicht.Over het algemeen lijken de eigenschappen van smeedbaar gietijzer meer op die van zacht staal.Er is een grens aan hoe groot een onderdeel in smeedbaar ijzer kan worden gegoten, aangezien het is gemaakt van wit gietijzer.

Nodulair gietijzer