Gjutjärn - Cast iron

Exempel på gjutjärn

Gjutjärn är en grupp av järn - kol -legeringar med en kolhalt mer än 2%. Dess användbarhet härrör från dess relativt låga smälttemperatur. Legeringskomponenterna påverkar dess färg när de bryts: vitt gjutjärn har hårdmetallföroreningar som gör att sprickor kan passera rakt igenom, grått gjutjärn har grafitflingor som avböjer en passande spricka och initierar otaliga nya sprickor när materialet går sönder och duktilt gjutjärn har sfäriska grafit "knölar" som hindrar sprickan från att gå vidare.

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

Gjutjärn tenderar att vara sprött , förutom formbara gjutjärn . Med sin relativt låga smältpunkt, goda flytbarhet, gjutbarhet , utmärkt bearbetbarhet , deformationsmotstånd och slitstyrka , har gjutjärn blivit ett konstruktionsmaterial med ett brett spektrum av applikationer och används i rör , maskiner och bilindustridelar , såsom cylinder huvuden , cylinderblock och växellådsfodral . Den är resistent mot oxidationsskador men är svår att svetsa .

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

Produktion

Gjutjärn är tillverkat av råjärn , som är produkten av smältande järnmalm i en masugn . Gjutjärn kan tillverkas direkt av det smälta råjärnet eller genom att smälta råjärn , ofta tillsammans med stora mängder järn, stål, kalksten, kol (koks) och vidta olika åtgärder för att avlägsna oönskade föroreningar. Fosfor och svavel kan brännas ut ur det smälta järnet, men detta bränner också ut kolet, som måste bytas ut. Beroende på applikationen justeras kol- och kiselhalten till önskade nivåer, som kan vara mellan 2–3,5% respektive 1-3%. Om så önskas tillsätts sedan andra element till smältan innan den slutliga formen framställs genom gjutning .

Gjutjärn smälts ibland i en speciell typ av masugn som kallas en kupol , men i moderna applikationer smälts det oftare i elektriska induktionsugnar eller ljusbågsugnar. När smältningen är klar hälls det smälta gjutjärnet i en hållugn eller slev.

Typer

Legering element

Meta-stabilt diagram av järn-cementit

Gjutjärnets egenskaper ändras genom att lägga till olika legeringselement eller legeringar . Bredvid kol är kisel den viktigaste legeringen eftersom den tvingar kol ur lösningen. En låg andel kisel tillåter kol att kvarstå i lösning som bildar järnkarbid och produktion av vitt gjutjärn. En hög andel kisel tvingar kol ur lösningsbildande grafit och produktion av grått gjutjärn. Andra legeringsmedel, mangan , krom , molybden , titan och vanadin motverkar kisel, främjar kvarhållning av kol och bildandet av dessa karbider. Nickel och koppar ökar hållfastheten och bearbetbarheten, men ändrar inte mängden grafit som bildas. Kolet i form av grafit resulterar i ett mjukare järn, minskar krympning, sänker hållfastheten och minskar densiteten. Svavel , till stor del en förorening när det förekommer, bildar järnsulfid , vilket förhindrar bildandet av grafit och ökar hårdheten . Problemet med svavel är att det gör smält gjutjärn visköst, 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 grått järn, där upp till 1% mangan ökar styrkan och densiteten.

Nickel är ett av de vanligaste legeringselementen eftersom det förädlar pärlit- och grafitstrukturen, förbättrar segheten och jämnar ut hårdhetsskillnader mellan sektionstjocklekarna. Krom tillsätts i små mängder för att minska fri grafit, producera kyla, och eftersom det är en kraftfull hårdmetallstabilisator ; nickel tillsätts ofta tillsammans. En liten mängd tenn kan tillsättas som ett substitut för 0,5% krom. Koppar tillsätts i sleven eller i ugnen, i storleksordningen 0,5–2,5%, för att minska kyla, förfina grafit och öka fluiditeten. Molybden tillsätts i storleksordningen 0,3–1% för att öka kyla och förfina grafit- och pearlitstrukturen; det tillsätts ofta i kombination med nickel, koppar och krom för att bilda höghållfasta järn. Titan tillsätts som avgasare och avgiftningsmedel, men det ökar också fluiditeten. 0,15–0,5% vanadin tillsätts i gjutjärn för att stabilisera cementit, öka hårdheten och öka motståndskraften mot slitage och värme. 0,1–0,3% zirkonium hjälper till att bilda grafit, deoxiderar och ökar fluiditeten.

I smältbart järnsmält tillsätts vismut , på skalan 0,002–0,01%, för att öka hur mycket kisel som kan tillsättas. I vitt järn tillsätts bor för att underlätta produktionen av formbart järn; det minskar också vismutens grovare effekt.

Grått gjutjärn

Par engelska firar , 1576. Dessa, med eldstänger , var vanliga tidiga användningar av gjutjärn, eftersom det behövdes lite styrka i metallen.

Grått gjutjärn kännetecknas av dess grafitiska mikrostruktur, vilket gör att frakturer av 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 grafitflingorna som finns i mikrostrukturen och kan karakteriseras enligt de riktlinjer som ges av ASTM .

Vitt gjutjärn

Vitt gjutjärn visar vita sprickytor på grund av närvaron av en järnkarbidfällning som kallas cementit. Med en lägre kiselhalt (grafitisering medel) och snabbare kylningshastighet, kolet i vitt gjutjärn faller ut ur smältan som den metastabila fasen cementit , Fe 3 C, snarare än grafit. Cementiten som fälls ut från smältan bildas som relativt stora partiklar. När järnkarbiden fälls ut drar den ut kol från den ursprungliga smältan och rör blandningen mot en som är närmare eutektisk, och den återstående fasen är den lägre järn-kol- austeniten (som vid kylning kan övergå till martensit ). Dessa eutektiska karbider är alldeles för stora för att ge nytta av det som kallas utfällningshärdning (som i vissa stål, där mycket mindre cementitutfällningar kan hämma [plastisk deformation] genom att hindra rörelser av dislokationer genom ren järnferritmatris). Snarare ökar de gjutjärnets bulkhårdhet helt enkelt på grund av sin egen mycket höga hårdhet och sin väsentliga volymfraktion, så att hårdheten kan approximeras med en regel om blandningar. I alla fall erbjuder de hårdhet på bekostnad av seghet . Eftersom hårdmetall utgör en stor del av materialet kan vitt gjutjärn rimligen klassificeras som en cermet . Vitt järn är för sprött för användning i många konstruktionskomponenter, men med god hårdhet och nötningsbeständighet och relativt låg kostnad, kan det användas i sådana applikationer som slitageytor ( pumphjul och volut ) av uppslamningspumpar , skalfoder och lyftstänger i kulan kvarnar och autogena malverken , kulor och ringar i kolpulveriserare och tänderna på en grävskopa (även om gjutet medelkolt martensitiskt stål är vanligare för denna applikation).

Det är svårt att kyla tjocka gjutgods tillräckligt snabbt för att stelna smältan som vitt gjutjärn hela vägen. Men snabb kylning kan 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 kyld gjutning , har fördelarna med en hård yta med en något tuffare inredning.

Högkromade vita järnlegeringar gör att massiva gjutgods (till exempel en 10-tons pumphjul) kan sandgjutas, eftersom krom minskar kylhastigheten som krävs för att producera karbider genom materialets större tjocklek. Krom producerar också karbider med imponerande nötningsbeständighet. Dessa högkromlegeringar tillskriver sin överlägsna hårdhet till förekomsten av kromkarbider. Den viktigaste formen av dessa karbider är de eutektiska eller primär M 7 C 3 karbider, där "M" representerar järn eller krom och kan variera beroende på legeringens sammansättning. De eutektiska karbiderna bildas som buntar av ihåliga sexkantiga stavar och växer vinkelrätt mot det sexkantiga basplanet. Hårdheten hos dessa karbider ligger inom intervallet 1500-1800HV.

Formbart gjutjärn

Formbart järn börjar som ett gjutjärn av vitt järn som sedan värmebehandlas under en dag eller två vid cirka 950 ° C (1740 ° F) och kyls sedan över en eller två dagar. Som ett resultat omvandlas kolet i järnkarbid till grafit och ferrit plus kol (austenit). Den långsamma processen gör att ytspänningen kan bilda grafiten till sfäroidiska partiklar snarare än flingor. På grund av deras lägre bildförhållande är sfäroiderna relativt korta och långt ifrån varandra och har ett lägre tvärsnitt gentemot en spridande spricka eller fonon . De har också trubbiga gränser, i motsats till flingor, vilket lindrar stresskoncentrationsproblemen som finns i grått gjutjärn. I allmänhet liknar egenskaperna hos formbart gjutjärn mer av mjukt stål . Det finns en gräns för hur stor del som kan gjutas i formbart järn, eftersom den är gjord av vitt gjutjärn.

Smidigt gjutjärn

Nodulärt eller segbart gjutjärn, som utvecklades 1948, har sin grafit i form av mycket små knölar med grafiten i form av koncentriska lager som bildar knölarna. Som ett resultat är egenskaperna hos duktilt gjutjärn egenskaper hos ett svampigt stål utan de spänningskoncentrationseffekter som flingor av grafit skulle ge. Kolprocenten som är närvarande är 3-4% och andelen kisel är 1,8-2,8%. Små mängder av 0,02 till 0,1% magnesium och endast 0,02 till 0,04% cerium som tillsätts till dessa legeringar bromsar tillväxten av grafitfällningar genom att binda till kanterna av grafitplanen. Tillsammans med noggrann kontroll av andra element och timing gör detta att kolet kan separeras som sfäroida partiklar när materialet stelnar. Egenskaperna liknar formbart järn, men delar kan gjutas med större sektioner.

Tabell över jämförande kvaliteter av gjutjärn

Jämförande egenskaper hos gjutjärn
namn Nominell sammansättning [viktprocent] Form och skick Flytstyrka [ ksi (0,2% offset)] Draghållfasthet [ksi] Förlängning [%] Hårdhet [ Brinell -skala ] Användningsområden
Grått gjutjärn ( ASTM A48) C 3,4, Si 1,8, Mn  0,5 Kasta - 50 0,5 260 Motorcylinderblock , svänghjul , växellådor , verktygsbaser
Vitt gjutjärn C 3,4, Si 0,7, Mn 0,6 Cast (som cast) - 25 0 450 lagerytor
Formbart järn (ASTM A47) C 2,5, Si 1,0, Mn 0,55 Gjuten (glödgad) 33 52 12 130 Axellager , spårhjul, vevaxlar i bilar
Seilt eller nodulärt järn C 3,4, P 0,1, Mn 0,4, Ni  1,0, Mg 0,06 Kasta 53 70 18 170 Växlar, kamaxlar , vevaxlar
Seilt eller nodulärt järn (ASTM A339) - Gjuten (släckt härdat) 108 135 5 310 -
Ni-hård typ 2 C 2,7, Si 0,6, Mn 0,5, Ni 4,5, Cr 2,0 Sandgjuten - 55 - 550 Hög hållfasthet applikationer
Ni-resist typ 2 C 3.0, Si 2.0, Mn 1.0, Ni 20.0, Cr 2.5 Kasta - 27 2 140 Motståndskraft mot värme och korrosion

Historia

Gjutjärnsartefakt från 500-talet f.Kr. som hittades i Jiangsu, Kina
Diorama modell av en Han -dynastiens masugnsfläkt
Den Iron Lion of Cangzhou , den största överlevande gjutjärn konstverk från Kina , 953 e.Kr. Senare Zhou period
Avlopp i gjutjärn, avlopp och ventiler
Gjutjärnsplatta på flygel

Gjutjärn och smidesjärn kan produceras oavsiktligt vid smältning av koppar med järnmalm som flussmedel.

De tidigaste gjutjärnsartefakterna dateras till 500-talet f.Kr., och upptäcktes av arkeologer i det som nu är moderna Luhe County , Jiangsu i Kina under perioden med stridande stater . Detta är baserat på en analys av artefaktens mikrostrukturer.

Eftersom gjutjärn är relativt sprött är det inte lämpligt för ändamål där det krävs en skarp kant eller flexibilitet. Det är starkt under komprimering, men inte under spänning. Gjutjärn uppfanns i Kina på 500 -talet f.Kr. och hälldes i formar för att göra plogdelar och krukor samt vapen och pagoder. Även om stål var mer önskvärt, var gjutjärn billigare och användes därför vanligare för redskap i det gamla Kina, medan smidesjärn eller stål användes för vapen. Kineserna utvecklade en metod för att glödgöra gjutjärn genom att förvara heta gjutgods i en oxiderande atmosfär i en vecka eller längre för att bränna bort lite kol nära ytan för att förhindra att ytskiktet blir för sprött.

I väst, där den inte blev tillgänglig förrän på 1400 -talet, inkluderade dess tidigaste användning kanoner och skott. Henry VIII inledde gjutningen av kanoner i England. Snart utvecklade engelska järnarbetare som använde masugnar tekniken för att producera gjutjärnskanoner, som, trots att de var tyngre än de rådande bronskanonerna, var mycket billigare och gjorde det möjligt för England att beväpna sin flotta bättre. Gjutjärnstekniken överfördes från Kina. Al-Qazvini på 1200-talet och andra resenärer noterade därefter en järnindustri i Alburzbergen söder om Kaspiska havet . Detta är nära silkesvägen , så att man kan tänka sig att använda teknik från Kina. De iron av Weald fortsatte producera gjutjärn tills 1760-talet, och beväpning var ett av de viktigaste användningsområdena för järn efter restaurering .

Gjutjärnskrukor gjordes vid många engelska masugnar vid den tiden. År 1707 patenterade Abraham Darby en ny metod för att göra krukor (och vattenkokare) tunnare och därmed billigare än de som tillverkats med traditionella metoder. Detta innebar att hans Coalbrookdale -ugnar blev dominerande som leverantörer av krukor, en aktivitet där de förenades på 1720- och 1730 -talen med ett litet antal andra kokseldade masugnar.

Ångmaskinens tillämpning för att driva sprängbälgar (indirekt genom att pumpa vatten till ett vattenhjul) i Storbritannien, som började 1743 och ökade på 1750 -talet, var en nyckelfaktor för att öka produktionen av gjutjärn, som ökade under de följande decennierna. Förutom att överskrida begränsningen av vattenkraft gav den ångpumpade vattendriven sprängningen högre ugnstemperaturer, vilket möjliggjorde användning av högre kalkförhållanden, vilket möjliggjorde omvandling från träkol, tillförsel av trä som var otillräckliga, att koka .

Broar av gjutjärn

Användningen av gjutjärn för strukturella ändamål började i slutet av 1770 -talet, då Abraham Darby III byggde järnbron , även om korta balkar redan hade använts, till exempel i masugnarna vid Coalbrookdale. Andra uppfinningar följde, inklusive en patenterad av Thomas Paine . Broar av gjutjärn blev vanliga när den industriella revolutionen tog fart. Thomas Telford antog materialet för sin bro uppströms vid Buildwas , och sedan för Longdon-on-Tern-akvedukten , en kanal genom akvedukten vid Longdon-on-TernShrewsbury-kanalen . Det följdes av Chirk -akvedukten och Pontcysyllte -akvedukten , som båda återstår i bruk efter de senaste restaureringarna.

Det bästa sättet att använda gjutjärn för brokonstruktion var att använda bågar , så att allt material är i komprimering. Gjutjärn, igen som murverk, är mycket starkt i komprimering. Smidesjärn, liksom de flesta andra typer av järn och faktiskt som de flesta metaller i allmänhet, har stark spänning och är också tålfast mot sprickor. Förhållandet mellan smidesjärn och gjutjärn, för strukturella ändamål, kan ses som analogt med förhållandet mellan trä och sten.

Broar av gjutjärnsstrålar användes i stor utsträckning av de tidiga järnvägarna, som Water Street Bridge 1830 vid Manchester- terminalen i Liverpool och Manchester Railway , men problem med användningen blev alltför uppenbara när en ny bro som bär Chester och Holyhead Järnvägen över floden Dee i Chester kollapsade och dödade fem personer i maj 1847, mindre än ett år efter att den öppnades. Den Dee bro katastrof orsakades av överdriven belastning vid centrum av strålen genom ett passerande tåg, och många liknande broar måste rivas och byggas upp, ofta i smidesjärn . Broen hade varit dåligt utformad och var försedd med takband av smidesjärn, som felaktigt trodde att förstärka strukturen. Balkarnas centrum placerades i böjning, med nedre kanten i spänning, där gjutjärn, som murverk , är mycket svagt.

Ändå fortsatte gjutjärn att användas på olämpliga strukturella sätt, tills Tay Rail Bridge -katastrofen 1879 väckte allvarlig tvekan om användningen av materialet. Viktiga klackar för att hålla dragstänger och fjäderben i Tay -bron hade gjutits integrerat med pelarna, och de misslyckades i de tidiga stadierna av olyckan. Dessutom gjutits även bulthålen och borrades inte. På grund av gjutets dragvinkel placerades således spänningen från dragstängerna på hålets kant istället för att spridas över hålets längd. Ersättningsbron byggdes i smidesjärn och stål.

Ytterligare brokollaps inträffade dock som kulminerade i Norwood Junction-järnvägsolyckan 1891. Tusentals järnvägsbroar av gjutjärn ersattes så småningom av stålekvivalenter år 1900 på grund av den utbredda oron för gjutjärn under broar på järnvägsnätet i Storbritannien.

Byggnader

Gjutjärnskolonner , pionjärer i Mill byggnader, möjlig arkitekter för att bygga flervåningshus utan enormt tjocka väggar krävs för murade byggnader valfri höjd. De öppnade också golvytor i fabriker och siktlinjer i kyrkor och aula. Vid mitten av 1800-talet var gjutjärnspelare vanliga i lager- och industribyggnader, i kombination med balkar i smide eller gjutjärn, vilket så småningom ledde till utvecklingen av stålramade skyskrapor. Gjutjärn användes också ibland för dekorativa fasader, särskilt i USA, och Soho -distriktet i New York har många exempel. Det användes också ibland för kompletta prefabricerade byggnader, till exempel den historiska järnbyggnaden i Watervliet, New York .

Textilbruk

En annan viktig användning var i textilfabriker . Luften i kvarnen innehöll brandfarliga fibrer från bomull, hampa eller ull som centrifugerades. Som ett resultat hade textilfabrikerna en alarmerande benägenhet att brinna ner. Lösningen var att bygga dem helt av obrännbart material, och det befanns sig lämpligt att förse byggnaden med en järnram, till stor del av gjutjärn, som ersätter brandfarligt trä. Den första byggnaden var i Ditherington i Shrewsbury , Shropshire. Många andra lager byggdes med hjälp av pelare och balkar av gjutjärn, även om felaktiga konstruktioner, felaktiga balkar eller överbelastning ibland orsakade byggnadskollaps och strukturella fel.

Under den industriella revolutionen användes gjutjärn också i stor utsträckning för ramar och andra fasta delar av maskiner, inklusive spinnmaskiner och senare vävmaskiner i textilbruk. Gjutjärn blev mycket använd, och många städer hade gjuterier som tillverkade industri- och jordbruksmaskiner.

Se även

Våffeljärn i gjutjärn, ett exempel på köksredskap i gjutjärn

Referenser

Vidare läsning

  • Harold T. Angus, Cast Iron: Physical and Engineering Properties , Butterworths, London (1976) ISBN  0408706880
  • John Gloag och Derek Bridgwater, A History of Cast Iron in Architecture , Allen and Unwin, London (1948)
  • Peter R Lewis, Vackra järnvägsbro i Silvery Tay: Återundersökning av Tay Bridge-katastrofen 1879 , Tempus (2004) ISBN  0-7524-3160-9
  • Peter R Lewis, Disaster on the Dee: Robert Stephensons Nemesis från 1847 , Tempus (2007) ISBN  978-0-7524-4266-2
  • George Laird, Richard Gundlach och Klaus Röhrig, Slitstark gjutjärnshandbok , ASM International (2000) ISBN  0-87433-224-9

externa länkar