铸铁
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| 钢、铁、以及其他铁合金 |
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| 铁碳合金中的相与显微组织 |
| 钢（按成分分类） |
| 钢（按应用分类） |
| 其他含铁材料 |
| 锻铁（熟铁、工业纯铁，含碳量≤0.04%） |
铸铁（英语：Cast iron）是含碳量超过2%，含硅量1-3%的铁碳合金的总称[1]。其用途源自于其比较低的熔点，适合用在铸造上。铸铁合金中的元素决定了其中碳存在的型式：白口铸铁（white cast iron）里的碳和铁结合成为渗碳体（Fe3C），硬度很高，但质脆，上面若有裂纹，会沿着渗碳体延伸。灰口铸铁（grey cast iron）其中有石墨片，会使裂纹偏转，在材料破裂时会引发无数的裂纹。球墨铸铁中的石墨成球状，不会让裂纹继续成长。
铸铁中铁以外的主要元素有碳（C）和硅（Si），碳的重量百分比在1.8-4%，硅的的重量百分比在1-3%。若铁碳合金中碳的含量低于1.8%，一般会称为钢。
铸铁具有脆性（但可锻铸铁除外）。铸铁的熔点较低，具有良好的流动性以及可铸性、优良的加工性，形变抵抗性以及耐磨性，因此是许多应用的良好工程材料，用在铸铁管、机械件以及汽车元件，像是汽缸盖、汽缸本体以及变速器齿轮箱外壳。铸铁有抗氧化的特性，但非常难以焊接。
最早的铸铁制品源自公元前五世纪，是考古学家在现今中国的江苏所发现。中国古代将铸铁用在武器、农具以及建筑上[2]。在公元15世纪时，英国和法国已将铸铁用在大炮上。由于大量的大炮铸铁需求，引发了大规模的铸铁制造[3]。第一座铸铁桥是在1770年代是由亚伯拉罕·达比三世所制，位在英格兰施罗普郡，名为“铁桥”（Iron Bridge）。铸铁也可以用在建筑物上。
制造
铸铁是由生铁制成，生铁则是铁矿在高炉中熔解所得的产物。铸铁可以直接从熔化的生铁制成，也可以将生铁再熔化来制造[4]，过程中常会加入一定比例的铁、钢、石灰石、碳（煤焦），并且经过许多步骤，以去除其中不想要的成分。铁里面的磷和硫可能会在铁熔化时烧掉，但同时也会将碳烧掉，因此需要再补充碳。依照用途的不同，会将碳和硅调整到适当的比例，分别约在2–3.5%及1–3%之间。若有需要，可以在铸造之前，在熔化的生铁中加入其他化学元素[来源请求]。
铸铁的熔化有时会用一种称为cupola的高炉，在现代的应用中，多半会用电感应炉或是电弧炉来熔化铸铁[5]。在铸铁完全熔化后，再倒进保持炉（holding furnace）中[来源请求]。
分类
合金元素
在铸铁中加入一些合金元素，可以改变铸铁的性质。硅是仅次于碳的重要合金元素，硅可以让碳不被溶进铸铁溶液中。含硅量较少的铸铁会让碳维持在溶液中，形成渗碳体，使铸铁为白口铸铁。含硅量较少的铸铁会让碳以石墨的形态存在，使铸铁为灰口铸铁。其他的合金元素，像是锰、铬、钼、钛、钒会抵消硅的作用，让碳留在溶液中，形成渗碳体。镍和铜会增加强度以及可加工性，但不会影响所形成的石墨量。铸铁里的石墨让铁比较软，减少冷却时的收缩量，降低强度及密度。铸铁中不希望出现硫，硫会和铁形成硫化亚铁，使石墨无法形成，并且增加硬度。硫会让熔化的铸铁出现粘滞性，增加产品的瑕疵。若要减少硫的影响，可以加入锰，锰和硫会形成硫化锰，减少硫化亚铁的形成。而硫化锰的密度比熔化的铸铁轻，因此会浮在铸铁液上，形成炉渣。为了要中和硫的影响，所加入锰的量的是1.7 × 硫浓度 + 0.3%。若加入的锰超过此量，会形成碳化锰，增加硬度及chilling，但在灰口铸铁中，锰最多可以到1%，可以提高强度及密度[6]。
镍是常见合金元素之一，可以细致化波来铁及石墨组织，提高韧性，消除截面厚度之间的硬度差异。铸铁中加入少量的铬可以减少游离态的石墨，产生chill，是有效的碳化物稳定剂，也常会将镍一起加入。可以加入少量的锡，取代0.5%的铬。会在熔炉中加入约0.5–2.5%的铜，以灭少chill，使石墨组织细致化，增加流动性。钼会加入0.3–1%以增加chill，使石墨及波来铁组织细，常会和镍、铜及铬一起加入，以形成高强度的铁。钛主要是当除气剂以及除氧剂，但也会增流动性。可以加入0.15–0.5%的钒以稳定渗碳体，增加硬度，增加抗磨，抗热的能力。0.1–0.3%的锆可以形成石墨，作为除氧剂，并提高流动性[6]。
可锻铸铁中会加入0.002–0.01%的铋，以增加可以加入硅的量。白口铸铁中可以加入硼，以增加可锻铸铁的产量，也会减少铋的粗化效果[6]。
灰口铸铁
灰口铸铁（简称灰铸铁，英语：Grey cast iron），石墨呈片状，其成本低廉，铸造性、加工性、减震性及金属间摩擦性均优良，时至今日仍然是工业中应用最广泛的铸铁类型。但是，由于片状石墨对基体的严重割裂作用，灰铸铁的塑性差．其拉伸强度和韧性都比钢要低，但其抗压强度接近低碳钢和中碳钢。灰口铸铁的含碳量约在2.5–4.0%，含硅量为1–3%。灰口铸铁的机械特性是由其微结构中片状石墨的大小以及形状所决定，在美国材料和试验协会的指引中有说明其特性[7]。
白口铸铁
白口铸铁（White cast iron）的断口呈白亮色，是因为其中析出的碳化三铁（渗碳体）。若铸铁中的含硅量较低，冷却速率较快时，铸铁中的碳会以准稳态的渗碳体（Fe3C）型式析出。析出的渗碳体会形成相对较大的颗粒。在碳化三铁析出后，会使铸铁液中的碳减少，混合物会较接近共晶状态，剩下的会形成含碳量较低的沃斯田铁（冷却时可能会变成麻田散铁）。共晶的碳化物若颗粒较小，可在肥粒铁基质中抑制差排的移动，抑制塑性变形，此称为析出硬化（precipitation hardening）。但白口铸铁中的渗碳体颗粒太大，无此效果。不过因为渗碳体的高硬度以及其体积比例较大，因此可以提高铸铁的整体硬度（整体硬度可以用个别成分的硬度乘上其比例来近似）。白口铸铁的硬度提高，但其缺点是韧性较低。白口铸铁性质脆硬，不适合用在结构元件中，但因为其硬度，抗磨，而且价值较低，会用在渣浆泵易磨擦的表面（叶轮及涡卷泵）、球磨机以及自磨机的外壳衬板及提料肋板、煤矿粉碎机的balls and rings、铲斗机的齿（不过铸造的中碳麻田散钢更适合此一应用）[来源请求]。
较厚的铸铁材料很难将其整体快速冷却，完全形成白口铸铁的结构。不过可以将大的构件快速冷却，使其表面为较硬的白口铸铁，内层冷却的较慢，仍然是灰口铸铁。这类的铸铁称为冷硬铸铁（chilled casting），外层较硬，内层韧性较强[来源请求]。
若要冷却到白口铸铁的结构，需要够快的冷却速率，而铬元素可以降低形成白口铸铁所需的冷却速率，因此可以针对较厚的元件，仍可以形成渗碳体。高铬元素的白口铸铁可以利用砂铸造来铸造大型元件（例如十吨的叶轮），而使其整体仍维持白口铸铁的的结构。铬也会形成碳化物，耐磨性非常好[8]。高铬合金的硬度较高，其原因就是因为有形成铬的碳物。其碳化物的主要形式是共晶态的，或主要是M7C3的碳化物，其中M是铁、铬或是其他的金属。共晶碳化物形成空心的六角形柱，而共晶碳化物在垂直六角形基面的方向成长。这类碳化物的硬度在1500-1800HV之间[9]。
白口铸铁是制造可锻铸铁的中间品。
可锻铸铁
可锻铸铁（Malleable cast iron）是由一定成分的白口铸铁经石墨化退火（2-9天）获得的，石墨呈团絮状，塑性比灰铸铁高。根据金相组织的不同分为黑心可锻铸铁、珠光体可锻铸铁和白心可锻铸铁。[10]
球墨铸铁
球墨铸铁（Ductile cast iron）是将白口铸铁经过球化和孕育处理后得到的高性能铸铁，析出的石墨呈球状故称为球墨铸铁。球墨铸铁的塑性和韧性相对于普通铸铁都得到了大幅度提高，故而可以在一些范围“以铁代钢”。
蠕墨铸铁
蠕墨铸铁中石墨呈蠕虫状，头部较圆、具有比灰铸铁强度高，比球墨铸铁铸造性能好、耐热疲劳性能好的优点。
合金铸铁
合金铸铁（Alloy cast iron）添加镍、铬、锰、钒、钛等元素，便于热处理时改善组织从而改进强度、耐磨性。
各种铸铁中成分比例列表
| 名称 | 主要成分（以重量百分比表示） | 型式及条件 | 降伏强度（0.2% offset，单位PSI） | 拉伸强度（ksi） | 伸长量（%） | 硬度（布氏硬度） | 用途 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 灰口铸铁（ASTM A48） | C 3.4, Si 1.8, Mn 0.5 | 铸造 | — | 50 | 0.5 | 260 | 内燃机汽缸本体、飞轮、齿轮箱外壳、机床底座 |
| 白口铸铁 | C 3.4, Si 0.7, Mn 0.6 | 铸造 | — | 25 | 0 | 450 | 轴承表面 |
| 可锻铸铁（ASTM A47） | C 2.5, Si 1.0, Mn 0.55 | 铸造（退火） | 33 | 52 | 12 | 130、 | 轴向轴承、履带轮、车辆曲柄轴 |
| 球墨铸铁或延性铸铁 | C 3.4, P 0.1, Mn 0.4, Ni 1.0, Mg 0.06 | 铸造 | 53 | 70 | 18 | 170 | 齿轮、凸轮轴、曲柄轴 |
| 球墨铸铁或延性铸铁（ASTM A339） | — | 铸造（急冷回火） | 108 | 135 | 5 | 310 | — |
| Ni-hard 2 | C 2.7, Si 0.6, Mn 0.5, Ni 4.5, Cr 2.0 | 砂铸造 | — | 55 | — | 550 | 高强度应用 |
| Ni-resist 2 | C 3.0, Si 2.0, Mn 1.0, Ni 20.0, Cr 2.5 | 铸造 | — | 27 | 2 | 140 | 耐热及耐磨的应用 |
参见
参考文献
- ^ Campbell, F.C. Elements of Metallurgy and Engineering Alloys
. Materials Park, Ohio: ASM International. 2008: 453. ISBN 978-0-87170-867-0.
- ^ Wagner, Donald B. Iron and Steel in Ancient China. BRILL. 1993: 335–340. ISBN 978-90-04-09632-5.
- ^ Krause, Keith. Arms and the State: Patterns of Military Production and Trade. Cambridge University Press. August 1995: 40. ISBN 978-0-521-55866-2.
- ^ Electrical Record and Buyer's Reference. Buyers' Reference Company. 1917 （英语）.
- ^ Harry Chandler. Metallurgy for the Non-Metallurgist illustrated. ASM International. 1998: 54. ISBN 978-0-87170-652-2. Extract of page 54
- ^ 6.0 6.1 6.2 Gillespie, LaRoux K. Troubleshooting manufacturing processes 4th. SME. 1988: 4–4. ISBN 978-0-87263-326-1.
- ^ Committee, A04. Test Method for Evaluating the Microstructure of Graphite in Iron Castings. doi:10.1520/a0247-10.
- ^ Kobernik; Pankratov. "Chromium Carbides in Abrasion-Resistant Coatings". Russian Engineering Research. 11 March 2021, 40 (12): 1013–1016 [29 September 2022]. S2CID 234545510. doi:10.3103/S1068798X20120084.
- ^ Zeytin, Havva. Effect of Boron and Heat Treatment on Mechanical Properties of White Cast Iron for Mining Application. Journal of Iron and Steel Research, International. 2011, 18 (11): 31–39. S2CID 137453839. doi:10.1016/S1006-706X(11)60114-3.
- ^ 安继儒. 中外常用金属材料手册. 陕西科学技术出版社. 1998: 1. ISBN 9787536928930.
- ^ Lyons, William C. and Plisga, Gary J. (eds.) Standard Handbook of Petroleum & Natural Gas Engineering, Elsevier, 2006
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