Støpejerner en gruppe jern-karbon-legeringer med et karboninnhold større enn 2 %.Dens nytte kommer fra dens relativt lave smeltetemperatur.Legeringsbestanddelene påvirker fargen når den brytes: hvitt støpejern har karbidurenheter som lar sprekker passere rett gjennom, grått støpejern har grafittflak som avleder en passerende sprekk og initierer utallige nye sprekker når materialet går i stykker, og duktilt støpejern har sfærisk form. grafitt "knuter" som stopper sprekken fra å utvikle seg videre.

Karbon (C) fra 1,8 til 4 vekt%, og silisium (Si) 1–3 vekt%, er de viktigste legeringselementene i støpejern.Jernlegeringer med lavere karboninnhold er kjent som stål.

Støpejern har en tendens til å være sprøtt, bortsett fra formbare støpejern.Med sitt relativt lave smeltepunkt, gode flytbarhet, støpeevne, utmerkede maskinbearbeidbarhet, motstand mot deformasjon og slitestyrke, har støpejern blitt et ingeniørmateriale med et bredt spekter av bruksområder og brukes i rør, maskiner og bilindustrideler, for eksempel sylinder. hoder, sylinderblokker og girkassekasser.Den er motstandsdyktig mot skade ved oksidasjon.

De tidligste gjenstandene i støpejern dateres til det 5. århundre f.Kr., og ble oppdaget av arkeologer i det som nå er Jiangsu i Kina.Støpejern ble brukt i det gamle Kina til krigføring, jordbruk og arkitektur.I løpet av 1400-tallet ble støpejern brukt til kanoner i Burgund, Frankrike og i England under reformasjonen.Mengden støpejern som ble brukt til kanoner krevde produksjon i stor skala. Den første støpejernsbroen ble bygget på 1770-tallet av Abraham Darby III, og er kjent som The Iron Bridge i Shropshire, England.Støpejern ble også brukt i bygging av bygninger.

Legeringselementer

Støpejerns egenskaper endres ved å tilsette ulike legeringselementer, eller legeringsmidler.Ved siden av karbon er silisium den viktigste legeringen fordi det tvinger karbon ut av løsningen.En lav prosentandel av silisium gjør at karbon forblir i løsning som danner jernkarbid og produksjon av hvitt støpejern.En høy andel silisium tvinger karbon ut av løsningen og danner grafitt og produksjonen av grått støpejern.Andre legeringsmidler, mangan, krom, molybden, titan og vanadium motvirker silisium, fremmer retensjon av karbon og dannelsen av disse karbidene.Nikkel og kobber øker styrke og bearbeidbarhet, men endrer ikke mengden grafitt som dannes.Karbonet i form av grafitt resulterer i et mykere jern, reduserer krymping, reduserer styrke og reduserer tettheten.Svovel, i stor grad en forurensning når det er tilstede, danner jernsulfid, som forhindrer dannelsen av grafitt og øker hardheten.Problemet med svovel er at det gjør smeltet støpejern tyktflytende, noe som forårsaker defekter.For å motvirke effekten av svovel tilsettes mangan fordi de to dannes til mangansulfid i stedet for jernsulfid.Mangansulfidet er lettere enn smelten, så det har en tendens til å flyte ut av smelten og inn i slagget.Mengden mangan som kreves for å nøytralisere svovel er 1,7 × svovelinnhold + 0,3%.Hvis mer enn denne mengden mangan tilsettes, dannes mangankarbid, som øker hardheten og nedkjølingen, bortsett fra i gråjern, hvor opptil 1 % mangan øker styrke og tetthet.

Nikkel er et av de vanligste legeringselementene fordi det foredler perlitt- og grafittstrukturen, forbedrer seigheten og jevner ut hardhetsforskjeller mellom seksjonstykkelser.Krom tilsettes i små mengder for å redusere fri grafitt, produsere kjøling, og fordi det er en kraftig karbidstabilisator;nikkel tilsettes ofte i forbindelse.En liten mengde tinn kan tilsettes som erstatning for 0,5 % krom.Kobber tilsettes i øsen eller i ovnen, i størrelsesorden 0,5–2,5 %, for å redusere avkjøling, foredle grafitt og øke flyten.Molybden tilsettes i størrelsesorden 0,3–1 % for å øke avkjølingen og foredle grafitt- og perlittstrukturen;det tilsettes ofte i forbindelse med nikkel, kobber og krom for å danne jern med høy styrke.Titan tilsettes som avgasser og deoksideringsmiddel, men det øker også flyten.0,15–0,5 % vanadium tilsettes støpejern for å stabilisere sementitt, øke hardheten og øke motstanden mot slitasje og varme.0,1–0,3 % zirkonium bidrar til å danne grafitt, deoksidere og øke flyten.

I smidbare jernsmelter tilsettes vismut, i skalaen 0,002–0,01 %, for å øke hvor mye silisium som kan tilsettes.I hvitt jern tilsettes bor for å hjelpe til med produksjonen av smidbart jern;det reduserer også den grove effekten av vismut.

Grått støpejern

Grått støpejern kjennetegnes ved sin grafittiske mikrostruktur, som gjør at brudd i materialet får et grått utseende.Det er det mest brukte støpejernet og det mest brukte støpematerialet basert på vekt.De fleste støpejern har en kjemisk sammensetning på 2,5–4,0 % karbon, 1–3 % silisium, og resten jern.Grått støpejern har mindre strekkfasthet og støtmotstand enn stål, men trykkstyrken er sammenlignbar med lav- og middels karbonstål.Disse mekaniske egenskapene styres av størrelsen og formen på grafittflakene som finnes i mikrostrukturen og kan karakteriseres i henhold til retningslinjene gitt av ASTM.

Hvitt støpejern

Hvitt støpejern viser hvite sprukne overflater på grunn av tilstedeværelsen av et jernkarbidutfelling kalt sementitt.Med et lavere silisiuminnhold (grafitiseringsmiddel) og raskere avkjølingshastighet, feller karbonet i hvitt støpejern ut av smelten som den metastabile fasesementitten, Fe₃C, i stedet for grafitt.Sementitten som utfelles fra smelten dannes som relativt store partikler.Når jernkarbidet feller ut, trekker det karbon fra den opprinnelige smelten, og beveger blandingen mot en som er nærmere eutektisk, og den gjenværende fasen er den lavere jernkarbonaustenitten (som ved avkjøling kan forvandles til martensitt).Disse eutektiske karbidene er altfor store til å gi fordelen med det som kalles nedbørsherding (som i noen stål, der mye mindre sementittutfellinger kan hemme [plastisk deformasjon] ved å hindre bevegelsen av dislokasjoner gjennom den rene jernferrittmatrisen).Snarere øker de bulkhardheten til støpejernet ganske enkelt på grunn av deres egen meget høye hardhet og deres betydelige volumfraksjon, slik at bulkhardheten kan tilnærmes ved en blandingsregel.I alle fall tilbyr de hardhet på bekostning av seighet.Siden karbid utgjør en stor del av materialet, kan hvitt støpejern med rimelighet klassifiseres som en cermet.Hvitt jern er for sprøtt for bruk i mange konstruksjonskomponenter, men med god hardhet og slitestyrke og relativt lave kostnader, finner det bruk i slike applikasjoner som sliteflatene (impeller og volutt) til slurrypumper, skallforinger og løftestenger i kule møller og autogene slipemøller, kuler og ringer i kullpulverisatorer, og tennene på en graveskuffe (selv om støpt middels karbon martensittisk stål er mer vanlig for denne applikasjonen).

Det er vanskelig å avkjøle tykke støpegods raskt nok til å størkne smelten som hvitt støpejern hele veien gjennom.Imidlertid kan rask avkjøling brukes til å størkne et skall av hvitt støpejern, hvoretter resten avkjøles langsommere for å danne en kjerne av grått støpejern.Den resulterende støpingen, kalt akjølt støping, har fordelene med en hard overflate med et noe tøffere interiør.

Hvite jernlegeringer med høyt krom tillater at massive støpegods (for eksempel en 10-tonns impeller) kan sandstøpes, ettersom kromet reduserer kjølehastigheten som kreves for å produsere karbider gjennom de større tykkelsene på materialet.Krom produserer også karbider med imponerende slitestyrke.Disse høykromlegeringene tilskriver sin overlegne hardhet tilstedeværelsen av kromkarbider.Hovedformen for disse karbidene er den eutektiske eller primære M₇C₃karbider, hvor "M" representerer jern eller krom og kan variere avhengig av legeringens sammensetning.De eutektiske karbidene dannes som bunter av hule sekskantede stenger og vokser vinkelrett på det sekskantede basalplanet.Hardheten til disse karbidene er innenfor området 1500-1800HV.

Formbart støpejern

Smidbart jern starter som et hvitt jernstøpegods som deretter varmebehandles i en dag eller to ved omtrent 950 °C (1740 °F) og deretter avkjøles over en dag eller to.Som et resultat omdannes karbonet i jernkarbid til grafitt og ferritt pluss karbon (austenitt).Den langsomme prosessen gjør at overflatespenningen kan danne grafitten til kuleformede partikler i stedet for flak.På grunn av deres lavere sideforhold er sfæroidene relativt korte og langt fra hverandre, og har et lavere tverrsnitt i forhold til en forplantende sprekk eller fonon.De har også butte grenser, i motsetning til flak, som lindrer stresskonsentrasjonsproblemene som finnes i grått støpejern.Generelt er egenskapene til formbart støpejern mer som de til bløtt stål.Det er begrenset hvor stor del som kan støpes i smidbart jern, da det er laget av hvitt støpejern.

Duktilt støpejern