Gjutjärnär en grupp av järn-kol-legeringar med en kolhalt större än 2 %.Dess användbarhet härrör från dess relativt låga smälttemperatur.Legeringsbeståndsdelarna påverkar dess färg när de spricker: vitt gjutjärn har karbidföroreningar som låter sprickor passera rakt igenom, grått gjutjärn har grafitflingor som avleder en passerande spricka och initierar otaliga nya sprickor när materialet går sönder, och segjärn har sfäriska grafit "knölar" som hindrar sprickan från att utvecklas ytterligare.

Kol (C) som sträcker sig från 1,8 till 4 viktprocent och kisel (Si) 1–3 viktprocent, är de viktigaste legeringselementen i gjutjärn.Järnlegeringar med lägre kolhalt kallas stål.

Gjutjärn tenderar att vara sprött, förutom formbara gjutjärn.Med sin relativt låga smältpunkt, goda flytbarhet, gjutbarhet, utmärkta bearbetningsförmåga, motståndskraft mot deformation och slitstyrka, har gjutjärn blivit ett ingenjörsmaterial med ett brett spektrum av applikationer och används i rör, maskiner och bilindustridelar, såsom cylinder. huvuden, cylinderblock och växellådor.Det är resistent mot skador genom oxidation.

De tidigaste gjutjärnsföremålen dateras till 500-talet f.Kr., och upptäcktes av arkeologer i det som nu är Jiangsu i Kina.Gjutjärn användes i det antika Kina för krigföring, jordbruk och arkitektur.Under 1400-talet användes gjutjärn för kanoner i Bourgogne, Frankrike och i England under reformationen.Mängden gjutjärn som användes för kanoner krävde storskalig produktion. Den första gjutjärnsbron byggdes på 1770-talet av Abraham Darby III och är känd som The Iron Bridge i Shropshire, England.Gjutjärn användes också vid uppförande av byggnader.

Legeringselement

Gjutjärns egenskaper förändras genom att tillsätta olika legeringselement, eller legeringar.Vid sidan av kol är kisel den viktigaste legeringen eftersom det tvingar ut kol ur lösningen.En låg andel kisel tillåter kol att stanna kvar i lösningen och bildar järnkarbid och produktion av vitt gjutjärn.En hög andel kisel tvingar ut kol ur lösning som bildar grafit och produktion av grått gjutjärn.Andra legeringsmedel, mangan, krom, molybden, titan och vanadin motverkar kisel, främjar retentionen av kol och bildningen av dessa karbider.Nickel och koppar ökar styrkan och bearbetbarheten, men ändrar inte mängden grafit som bildas.Kolet i form av grafit ger ett mjukare järn, minskar krympning, minskar hållfastheten och minskar densiteten.Svavel, till stor del en förorening när det finns närvarande, bildar järnsulfid, vilket förhindrar bildandet av grafit och ökar hårdheten.Problemet med svavel är att det gör smält gjutjärn trögflytande, vilket orsakar defekter.För att motverka effekterna av svavel tillsätts mangan eftersom de två bildas till mangansulfid istället för järnsulfid.Mangansulfiden är lättare än smältan, så den tenderar att flyta ut ur smältan och in i slaggen.Mängden mangan som krävs för att neutralisera svavel är 1,7 × svavelhalt + 0,3%.Om mer än denna mängd mangan tillsätts bildas mangankarbid, vilket ökar hårdheten och kylningen, förutom i gråjärn, där upp till 1 % mangan ökar styrkan och densiteten.

Nickel är ett av de vanligaste legeringselementen eftersom det förfinar perlit- och grafitstrukturen, förbättrar segheten och jämnar ut hårdhetsskillnader mellan sektionstjocklekar.Krom tillsätts i små mängder för att minska fri grafit, producera kyla och för att det är en kraftfull karbidstabilisator;nickel tillsätts ofta i samband.En liten mängd tenn kan tillsättas som ersättning för 0,5 % krom.Koppar tillsätts i skänken eller i ugnen, i storleksordningen 0,5–2,5 %, för att minska kyla, förfina grafit och öka flytbarheten.Molybden tillsätts i storleksordningen 0,3–1 % för att öka kyla och förfina grafit- och perlitstrukturen;det tillsätts ofta tillsammans med nickel, koppar och krom för att bilda höghållfasta järn.Titan tillsätts som avgasare och deoxidationsmedel, men det ökar också flytbarheten.0,15–0,5 % vanadin tillsätts gjutjärn för att stabilisera cementit, öka hårdheten och öka motståndskraften mot slitage och värme.0,1–0,3 % zirkonium hjälper till att bilda grafit, deoxidera och öka flytbarheten.

I smältjärnssmältor tillsätts vismut, på skalan 0,002–0,01 %, för att öka hur mycket kisel som kan tillsättas.I vitt järn tillsätts bor för att hjälpa till vid produktionen av smidbart järn;det minskar också den förgrovande effekten av vismut.

Grått gjutjärn

Grått gjutjärn kännetecknas av sin grafitiska mikrostruktur, vilket gör att sprickor i materialet får ett grått utseende.Det är det mest använda gjutjärnet och det mest använda gjutmaterialet baserat på vikt.De flesta gjutjärn har en kemisk sammansättning av 2,5–4,0 % kol, 1–3 % kisel och resten järn.Grått gjutjärn har mindre draghållfasthet och stöttålighet än stål, men dess tryckhållfasthet är jämförbar med låg- och medelkolstål.Dessa mekaniska egenskaper styrs av storleken och formen på de grafitflingor som finns i mikrostrukturen och kan karakteriseras enligt riktlinjerna från ASTM.

Vitt gjutjärn

Vitt gjutjärn uppvisar vita spruckna ytor på grund av närvaron av en järnkarbidfällning som kallas cementit.Med en lägre kiselhalt (grafitiseringsmedel) och snabbare kylningshastighet faller kolet i vitt gjutjärn ut ur smältan som den metastabila fasen cementit, Fe₃C, snarare än grafit.Cementiten som faller ut från smältan bildas som relativt stora partiklar.När järnkarbiden fälls ut, drar den bort kol från den ursprungliga smältan och flyttar blandningen mot en som är närmare eutektisk, och den återstående fasen är austeniten med lägre järn-kol (som vid kylning kan omvandlas till martensit).Dessa eutektiska karbider är alldeles för stora för att ge fördelen med vad som kallas utfällningshärdning (som i vissa stål, där mycket mindre cementitutfällningar kan hämma [plastisk deformation] genom att hindra rörelsen av dislokationer genom den rena järnferritmatrisen).Snarare ökar de bulkhårdheten hos gjutjärnet helt enkelt på grund av sin egen mycket höga hårdhet och sin betydande volymfraktion, så att bulkhårdheten kan approximeras genom en regel av blandningar.I alla fall erbjuder de hårdhet på bekostnad av seghet.Eftersom hårdmetall utgör en stor del av materialet, skulle vitt gjutjärn rimligen kunna klassas som en cermet.Vitt järn är för sprött för användning i många konstruktionskomponenter, men med god hårdhet och nötningsbeständighet och relativt låg kostnad, finner det användning i sådana applikationer som slitytor (hjul och volut) på slurrypumpar, skalfoder och lyftstång i kula kvarnar och autogena kvarnar, kulor och ringar i kolpulveriserare och tänderna på en grävskopa (även om gjutet martensitiskt stål med medelhög kolhalt är vanligare för denna applikation).

Det är svårt att kyla tjocka gjutgods tillräckligt snabbt för att stelna smältan som vitt gjutjärn hela vägen igenom.Snabb kylning kan dock användas för att stelna ett skal av vitt gjutjärn, varefter resten svalnar långsammare för att bilda en kärna av grått gjutjärn.Den resulterande gjutningen, kallad akyld gjutning, har fördelarna med en hård yta med en något tuffare inredning.

Vita järnlegeringar med hög krom gör att massiva gjutgods (till exempel en 10-tons pumphjul) kan sandgjutas, eftersom krom minskar kylningshastigheten som krävs för att producera karbider genom de större tjocklekarna av material.Krom producerar även karbider med imponerande nötningsbeständighet.Dessa högkromlegeringar tillskriver sin överlägsna hårdhet närvaron av kromkarbider.Huvudformen av dessa karbider är den eutektiska eller primära M₇C₃karbider, där "M" representerar järn eller krom och kan variera beroende på legeringens sammansättning.De eutektiska karbiderna bildas som knippen av ihåliga hexagonala stavar och växer vinkelrätt mot det hexagonala basalplanet.Hårdheten hos dessa karbider ligger inom intervallet 1500-1800HV.

Formbart gjutjärn

Smidbart järn börjar som ett vitt järngjutgods som sedan värmebehandlas under en eller två dagar vid cirka 950 °C (1 740 °F) och sedan kyls över en dag eller två.Som ett resultat omvandlas kolet i järnkarbid till grafit och ferrit plus kol (austenit).Den långsamma processen tillåter ytspänningen att forma grafiten till sfäroidala partiklar snarare än flingor.På grund av deras lägre sidförhållande är sfäroiderna relativt korta och långt ifrån varandra och har ett lägre tvärsnitt i förhållande till en fortplantande spricka eller fonon.De har också trubbiga gränser, till skillnad från flingor, vilket lindrar stresskoncentrationsproblemen som finns i grått gjutjärn.Generellt sett liknar egenskaperna hos aducerat gjutjärn mer de hos mjukt stål.Det finns en gräns för hur stor del som kan gjutas i smidbart järn, eftersom den är gjord av vitt gjutjärn.

Duktilt gjutjärn