Fontăeste un grup de aliaje fier-carbon cu un conținut de carbon mai mare de 2%.Utilitatea sa derivă din temperatura de topire relativ scăzută.Componentele aliajului îi afectează culoarea atunci când se fracturează: fonta albă are impurități de carbură care permit fisurilor să treacă direct, fonta cenușie are fulgi de grafit care deviază o fisură care trece și inițiază nenumărate fisuri noi pe măsură ce materialul se rupe, iar fonta ductilă are sferă. „noduli” de grafit care împiedică progresarea în continuare a fisurii.

Carbonul (C) cuprins între 1,8 și 4% în greutate și siliciul (Si) 1-3% în greutate sunt principalele elemente de aliere ale fontei.Aliajele de fier cu conținut mai scăzut de carbon sunt cunoscute sub numele de oțel.

Fonta tinde să fie fragilă, cu excepția fontelor maleabile.Cu punct de topire relativ scăzut, fluiditate bună, turnabilitate, prelucrabilitate excelentă, rezistență la deformare și rezistență la uzură, fontele au devenit un material de inginerie cu o gamă largă de aplicații și sunt utilizate în țevi, mașini și piese din industria auto, cum ar fi cilindrul. capete, blocuri de cilindri și cutii de viteze.Este rezistent la deteriorarea prin oxidare.

Cele mai vechi artefacte din fontă datează din secolul al V-lea î.Hr. și au fost descoperite de arheologi în ceea ce este acum Jiangsu din China.Fonta a fost folosită în China antică pentru război, agricultură și arhitectură.În secolul al XV-lea, fonta a fost folosită pentru tunuri în Burgundia, Franța și în Anglia în timpul Reformei.Cantitățile de fontă folosite pentru tun au necesitat producție pe scară largă. Primul pod din fontă a fost construit în anii 1770 de Abraham Darby III și este cunoscut sub numele de Podul de Fier din Shropshire, Anglia.Fonta a fost folosită și la construcția clădirilor.

Elemente de aliere

Proprietățile fontei sunt modificate prin adăugarea diferitelor elemente de aliere sau aliaje.Alături de carbon, siliciul este cel mai important aliaj, deoarece forțează carbonul să iasă din soluție.Un procent mic de siliciu permite carbonului să rămână în soluție formând carbură de fier și producția de fontă albă.Un procent mare de siliciu forțează carbonul din soluție formând grafit și producția de fontă gri.Alți agenți de aliere, manganul, cromul, molibdenul, titanul și vanadiul contracarează siliciul, promovează reținerea carbonului și formarea acelor carburi.Nichelul și cuprul măresc rezistența și prelucrabilitatea, dar nu modifică cantitatea de grafit formată.Carbonul sub formă de grafit are ca rezultat un fier mai moale, reduce contracția, scade rezistența și scade densitatea.Sulful, în mare parte un contaminant atunci când este prezent, formează sulfură de fier, care previne formarea grafitului și crește duritatea.Problema cu sulful este că face fonta topită vâscoasă, ceea ce provoacă defecte.Pentru a contracara efectele sulfului, se adaugă mangan, deoarece cei doi se formează în sulfură de mangan în loc de sulfură de fier.Sulfura de mangan este mai ușoară decât topitura, așa că tinde să plutească din topitură și în zgură.Cantitatea de mangan necesară pentru neutralizarea sulfului este de 1,7 × conținut de sulf + 0,3%.Dacă se adaugă mai mult de această cantitate de mangan, atunci se formează carbură de mangan, ceea ce crește duritatea și răcirea, cu excepția fierului cenușiu, unde până la 1% din mangan crește rezistența și densitatea.

Nichelul este unul dintre cele mai comune elemente de aliere, deoarece rafinează structura perlita și grafit, îmbunătățește duritatea și uniformizează diferențele de duritate între grosimile secțiunilor.Cromul este adăugat în cantități mici pentru a reduce grafitul liber, pentru a produce frig și pentru că este un stabilizator puternic de carbură;nichelul este adesea adăugat împreună.O cantitate mică de staniu poate fi adăugată ca înlocuitor pentru 0,5% crom.Cuprul este adăugat în oală sau în cuptor, de ordinul a 0,5–2,5%, pentru a reduce frigul, a rafina grafitul și a crește fluiditatea.Molibdenul este adăugat de ordinul a 0,3–1% pentru a crește frigul și a rafina structura de grafit și perlit;este adesea adăugat împreună cu nichel, cupru și crom pentru a forma fieruri de înaltă rezistență.Titanul este adăugat ca degazant și dezoxidant, dar crește și fluiditatea.La fontă se adaugă 0,15–0,5% vanadiu pentru a stabiliza cementitul, a crește duritatea și a crește rezistența la uzură și căldură.0,1–0,3% zirconiu ajută la formarea grafitului, la dezoxidare și la creșterea fluidității.

În topiturile de fier maleabil se adaugă bismut, pe o scară de 0,002–0,01%, pentru a crește cât de mult siliciu poate fi adăugat.În fierul alb, borul este adăugat pentru a ajuta la producerea fierului maleabil;reduce, de asemenea, efectul de grosier al bismutului.

Fontă cenușie

Fonta cenușie se caracterizează prin microstructura sa grafitică, care face ca fracturile materialului să aibă un aspect gri.Este cea mai utilizată fontă și cel mai utilizat material turnat în funcție de greutate.Majoritatea fontelor au o compoziție chimică de 2,5–4,0% carbon, 1–3% siliciu, iar restul fier.Fonta cenușie are o rezistență la tracțiune și rezistență la șocuri mai puține decât oțelul, dar rezistența sa la compresiune este comparabilă cu oțelul cu carbon scăzut și mediu.Aceste proprietăți mecanice sunt controlate de mărimea și forma fulgilor de grafit prezenți în microstructură și pot fi caracterizate conform liniilor directoare date de ASTM.

Fontă albă

Fonta albă prezintă suprafețe albe fracturate din cauza prezenței unui precipitat de carbură de fier numit cementită.Cu un conținut mai mic de siliciu (agent de grafitizare) și o viteză de răcire mai rapidă, carbonul din fonta albă precipită din topitură ca cementită în fază metastabilă, Fe₃C, mai degrabă decât grafit.Cementitul care precipită din topitură se formează ca particule relativ mari.Pe măsură ce carbura de fier precipită, retrage carbonul din topitura inițială, mișcând amestecul către unul care este mai aproape de eutectic, iar faza rămasă este austenita inferioară fier-carbon (care la răcire s-ar putea transforma în martensită).Aceste carburi eutectice sunt mult prea mari pentru a oferi beneficiul a ceea ce se numește întărire prin precipitare (ca în unele oțeluri, unde precipitate de cementită mult mai mici ar putea inhiba [deformarea plastică] prin împiedicarea mișcării dislocațiilor prin matricea de ferită pură).Mai degrabă, ele măresc duritatea în vrac a fontei pur și simplu în virtutea propriei lor durități foarte mari și a fracției lor volumice substanțiale, astfel încât duritatea în vrac poate fi aproximată printr-o regulă a amestecurilor.În orice caz, oferă duritate în detrimentul durității.Deoarece carbura reprezintă o mare parte din material, fonta albă ar putea fi clasificată în mod rezonabil ca cermet.Fierul alb este prea fragil pentru a fi utilizat în multe componente structurale, dar cu o duritate bună și rezistență la abraziune și un cost relativ scăzut, își găsește utilizare în astfel de aplicații, cum ar fi suprafețele de uzură (rotor și volute) ale pompelor de șlam, căptușeli și bare de ridicare în bile. mori și mori de măcinat autogen, bile și inele în pulverizatoarele de cărbune și dinții găleții de săpat a unui buldoexcavator (deși oțelul martensitic cu carbon mediu turnat este mai comun pentru această aplicație).

Este dificil să se răcească piese turnate groase suficient de repede pentru a solidifica topitura ca fontă albă pe tot parcursul.Cu toate acestea, răcirea rapidă poate fi folosită pentru a solidifica o carcasă de fontă albă, după care restul se răcește mai lent pentru a forma un miez de fontă cenușie.Turnarea rezultată, numită aturnare la rece, are beneficiile unei suprafețe dure cu un interior ceva mai dur.

Aliajele de fier alb cu un conținut ridicat de crom permit turnarea în nisip a piesei turnate masive (de exemplu, un rotor de 10 tone), deoarece cromul reduce viteza de răcire necesară pentru a produce carburi prin grosimi mai mari de material.De asemenea, cromul produce carburi cu rezistență impresionantă la abraziune.Aceste aliaje bogate în crom atribuie duritatea lor superioară prezenței carburilor de crom.Forma principală a acestor carburi este eutectica sau primară M₇C₃carburi, unde „M” reprezintă fier sau crom și pot varia în funcție de compoziția aliajului.Carburele eutectice se formează ca mănunchiuri de tije hexagonale goale și cresc perpendicular pe planul bazal hexagonal.Duritatea acestor carburi este în intervalul 1500-1800HV.

Fontă maleabilă

Fonta maleabilă începe ca o turnare de fier alb care este apoi tratată termic timp de o zi sau două la aproximativ 950 ° C (1.740 ° F) și apoi răcită timp de o zi sau două.Ca urmare, carbonul din carbura de fier se transformă în grafit și ferită plus carbon (austenită).Procesul lent permite tensiunii superficiale să formeze grafitul în particule sferoidale, mai degrabă decât în ​​fulgi.Datorită raportului lor de aspect mai scăzut, sferoizii sunt relativ scurti și departe unul de celălalt și au o secțiune transversală mai mică față de o fisură sau fonon care se propagă.De asemenea, au granițe tocite, spre deosebire de fulgi, ceea ce atenuează problemele de concentrare a stresului întâlnite în fonta cenușie.În general, proprietățile fontei maleabile se aseamănă mai mult cu cele ale oțelului moale.Există o limită la cât de mare poate fi turnată o piesă în fontă maleabilă, deoarece este realizată din fontă albă.

Fontă ductilă