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铸铁

鐵碳合金

铸铁（英语：Cast iron）是含碳量超过2%，含矽量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雪明碳铁（Fe3C），硬度很高，但质脆，上面若有裂纹，会沿著雪明碳铁延伸。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（英语：Ductile iron）中的石墨成球状，不会让裂纹继续成长。

铸铁产品的例子

铸铁中铁以外的主要元素有碳（C）和矽（Si），碳的重量百分比在1.8-4%，矽的的重量百分比在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（英语：castability）、优良的加工性（英语：Machinability），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（英语：Cast iron pipe）、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西元前五世纪，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]。在西元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（英语：Abraham Darby III）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（英语：Cast-iron architecture）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份。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，会将碳和矽调整到适当的比例，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（英语：cupola furnace）的高炉，在现代的应用中，多半会用电感应炉（英语：induction furnace）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

 
铁-雪明碳铁 相图

在铸铁中加入一些合金元素，可以改变铸铁的性质。矽是仅次于碳的重要合金元素，矽可以让碳不被溶进铸铁溶液中。含矽量较少的铸铁会让碳维持在溶液中，形成雪明碳铁，使铸铁为白口铸铁。含矽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、钒会抵消矽的作用，让碳留在溶液中，形成雪明碳铁。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（英语：chill (foundry)），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%的钒以稳定雪明碳铁，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，以增加可以加入矽的量。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

主条目：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%，含矽量为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（雪明碳铁）。若铸铁中的含矽量较低，冷却速率较快时，铸铁中的碳会以准稳态的雪明碳铁（Fe3C）型式析出。析出的雪明碳铁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）。但白口铸铁中的雪明碳铁颗粒太大，无此效果。不过因为雪明碳铁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份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（英语：slurry pump）易磨擦的表面（叶轮及涡卷泵（英语：Volute (pump)））、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]。

 
冷硬铸铁辊轮的截面

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，仍可以形成雪明碳铁。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

主条目：可锻铁

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[来源请求]，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

主条目：特种铸铁

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。

各种铸铁中成份比例列表

铸铁的成份比较表[11]
名称 主要成份（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、工具机底座
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

历史

主条目：钢铁冶金学
 
汉朝高炉的模型
 
沧州铁狮子是目前中国现存最大的铸铁制品，是西元953年，后周时制作
 
铸铁的生活供水和排水（英语：drain-waste-vent system）（DWV）管
 
平台钢琴的铸铁零件

早期在冶炼铜矿时，将铁矿作为熔剂，可能因此在无意间制作了铸铁以及熟铁[12]:47–48。

目前最早的铸铁制品可以追溯到西元前第五世纪（中国的战国时期），由考古学家在现今的江苏六合县所发现。这些是依制品微结构的分析为基础[2]。

铸铁相对而言脆性较高，不适合用在需要锐利边缘或是要求可挠性的应用。铸铁可以抵抗压应力，但比较不能抵抗张应力。铸铁是在西元前五世纪在中国所发现的，用来制作犁头、锅及武器[13]。钢的性质比铸铁要好，但铸铁比较便宜，在中国古代常来作为制造工具，而熟铁或是钢则会用来制造武器[2]。中国古代已发展出为铸铁退火的方式，是将热的铸铁件放在氧化气氛下，时间至少一周，目的是让表面的一些碳和氧气反应，避免表面层脆性过高[14]:43。

一千年前，在中非森林的刚果盆地内，铁匠发明了可以耐高温的复杂熔炉。焊接、焊焊或是在坩埚中将铁熔化，倒至模具中制作铸铁件的例子不胜枚举。这类技术可以用来制作复合工具，也可以制作武器，外围是铸铁或钢的刀刃，里面则是软的，可挠的熟铁。也制作了铁丝。早期的欧洲传教士见证了卢巴人将熔融铸铁倒到模具中，制作锄头的例子。这些技术创新都是在没有高炉的条件下完成的，而高炉是欧洲及亚洲发展这些技术的必要前置条件[15]。

铸铁的技术是从中国传到西欧的[16]十三世纪的扎卡利亚‧卡兹维尼（英语：Zakariya al-Qazwini）以及其他的旅行家都有提到在里海南边厄尔布尔士山脉的铁工业，该地点接近丝路，因此源自中国的说法是可信的[16]。铸铁在十五世纪传到西方，用来制作加农炮以及圆形炮弹（英语：round shot）。英国的亨利八世（在位期间1509年–1547年）开始在英国铸造加农炮。很快的，英国的高炉铁工就用此一技术来制作铸铁加农炮，其重量比之前的青铜加农炮要重，但价格便宜很多，让英国以此作为其海军的武力。

此时的英国，也用高炉来制造铸铁锅。亚伯拉罕·达比一世（英语：Abraham Darby I）在1707年申请了制作锅具（和壶）的新专利，所作的成品比传统方式作的更薄，因此也更便宜。因此他开发的科尔布鲁克代尔（英语：Coalbrookdale）高炉成为锅具中的主要供应者，在1720年代以及1730年代才有少数用焦炭加热的高炉也加入此一行列。

英国在1743年起开始应用蒸汽机为高炉的风箱提供动力（是用蒸汽机将水抽取到高处，再带动水轮产生动力），此应用在1750年代越来越多人采用，这是铸铁产量提升的关键因素，而铸铁产量也在后来的数十年大幅提升。此技术除了克服水力的限制之外，这种以蒸气抽水为动力的高炉其锅炉温度可以提高，因此石灰的比例可以提高，可以将原料中的木炭（当时木材的供应已不够了）变成焦炭[17]:122。

英国Weald的铁器制造商继续生产铸铁，一直到1760年代为止。自从斯图亚特王朝复辟之后，制造武器就是制铁的主要目的之一。

铸铁桥

参见：铁桥

自从1770年代起，就已在建筑结构上使用铸铁，一开始是由亚伯拉罕·达秘三世（英语：Abraham Darby III）建造英国塞文河的铁桥时使用，在之前的建筑已有使用铸铁做短的梁，例如在Coalbrookdale的高炉。后续也有其他的发明，例如托马斯·潘恩所申请的专利。随著第一次工业革命的推动，铸铁桥也渐渐常见。托马斯·特尔福德将此材料用在位在Buildwas（英语：Buildwas）上游的桥，之后也用在Longdon-on-Tern水道（英语：Longdon-on-Tern Aqueduct）, 是在the Shrewsbury运河（英语：Shrewsbury Canal）上，位在Longdon-on-Tern（英语：Longdon-on-Tern）的通航水道（英语：Navigable aqueduct）。之后也有Chirk水道（英语：Chirk Aqueduct）以及庞特卡萨鲁岧水道，后面二个结构已用以下提到的方式修复。

在桥梁结构中，最好使用铸铁的方式是利用拱桥的设计，使所有的材料承受压应力。铸铁和砖石类似，可以承受的压应力很大。而熟铁类似其他的铁（以及大部份的金属），可以承受的拉伸应力很大，在破裂时的韧力也很强。在结构应用上，熟铁和铸铁的关系类似木材和砖石的关系。

早期的铁路上常使用铸铁桥，例如1830年在利物浦和曼彻斯特铁路曼彻斯特站的Water Street桥，但其问题很快就为大众所知，Chester and Holyhead铁路（英语：Chester and Holyhead Railway）有一个新的铸铁桥，通过切斯特的迪河，此桥在1847年5月倒塌，5人因此死亡，距离其启用还不到一年。迪河桥灾难（英语：Dee bridge disaster）的成因是因为一部通过的火车，使梁的中心承受过大的负荷。许多类似的桥需要拆除并且重建（一般会使用熟铁）。这座桥的设计相当不佳，有用熟铁作的桁架，因此被误认为其结构已强化。其梁的中心受力弯曲，梁下的下方承受了拉伸应力。铸铁和砌体结构一样，承受拉伸应力的能力很弱。

不过，在建筑上仍然用不正确的方式使用铸铁，直到1879年的泰铁路桥灾难让人认真的怀疑此材料是否可以用在建筑上。桥上用来固定拉杆和支柱的关键凸耳是和柱子一体铸造的，在此意外的初期就已经失效了。此外，其中的螺栓孔是铸造的，不是钻孔成形的。由于铸件的拔模斜度，螺栓孔和表面不是垂直的，有少许斜度。因此拉杆的张力是由孔的一侧开口所承受，而不是由整个螺栓孔来承重。此桥后来用熟铁及钢来重建。

后来仍持续有桥梁倒塌事故，最严重的是1891年的诺伍德枢纽铁路事故（英语：Norwood Junction rail accident）。后来因为大众普遍对英国铁路的铸铁桥有疑虑，最终在1900年，上千座铁路的铸铁桥已更换为钢桥。

建筑

建筑中的铸铁柱是在磨坊建筑中开始使用，此材质让建筑师可以建造多层的建筑，不需要考虑砖石建筑所需要特别厚的墙。铸铁柱也增加了工厂的可用楼板面积，让教堂以及礼堂的视野可以开阔。在十九世纪中级，在仓库以及工业建筑中常见铸铁的柱子，梁则是用熟铁或是铸铁的材质，最终引发钢骨摩天大楼的发展。有些建筑也会用铸铁作建筑的装饰立面，在美国比较常见，在纽约苏豪区有许多这类的例子。偶尔也会将铸铁用在完全预制建筑，例如纽约州瓦特弗利特的 Iron Building（英语：Iron Building (Watervliet Arsenal)）[来源请求]。

棉纺厂

棉纺厂建筑也是铸铁的重要用途之一，棉纺厂的空气中会有棉花、火麻以及绵的可燃性纤维飘散，因此棉纺厂有容易失火的风险。处理此问题的方案就是用不可燃的建材来重建棉纺厂，人们发现可以用铁制建筑框架（大部份是铸铁）代替可燃的木质建材。第一个铸铁建筑的棉纺厂是在英国施洛普郡什鲁斯伯里的Ditherington（英语：Ditherington）[18] 。另外也有许多的仓库也是用铸铁材质的梁和柱来建造，不过有些建筑因为设计错误、梁的缺陷或是过载而出现结构失效或是倒塌[来源请求]。

在工业革命时，广泛使用铸铁作机械的框架以及其他的固定件，其中也包括棉纺厂的纺纱机和后来的织布机。铸铁的使用越来越广，许多的村庄都有生产工业以及农业用机械零件的铸造厂[来源请求]

参见

 
铸铁松饼烤盘

参考文献

  1. ^ Campbell, F.C. Elements of Metallurgy and Engineering Alloys . Materials Park, Ohio: ASM International. 2008: 453. ISBN 978-0-87170-867-0. 
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 Wagner, Donald B. Iron and Steel in Ancient China. BRILL. 1993: 335–340. ISBN 978-90-04-09632-5. 
  3. ^ Krause, Keith. Arms and the State: Patterns of Military Production and Trade. Cambridge University Press. August 1995: 40. ISBN 978-0-521-55866-2. 
  4. ^ Electrical Record and Buyer's Reference. Buyers' Reference Company. 1917 （英语）. 
  5. ^ Harry Chandler. Metallurgy for the Non-Metallurgist illustrated. ASM International. 1998: 54. ISBN 978-0-87170-652-2.  Extract of page 54
  6. ^ 6.0 6.1 6.2 Gillespie, LaRoux K. Troubleshooting manufacturing processes 4th. SME. 1988: 4–4. ISBN 978-0-87263-326-1. 
  7. ^ Committee, A04. Test Method for Evaluating the Microstructure of Graphite in Iron Castings. doi:10.1520/a0247-10. 
  8. ^ 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. 
  9. ^ 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. 
  10. ^ 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. 
  11. ^ Lyons, William C. and Plisga, Gary J. (eds.) Standard Handbook of Petroleum & Natural Gas Engineering, Elsevier, 2006
  12. ^ Tylecote, R. F. A History of Metallurgy, Second Edition. London: Maney Publishing, for the Institute of Materials. 1992. ISBN 978-0901462886. 
  13. ^ Wagner, Donald B. Science and Civilisation in China: Volume 5, Chemistry and Chemical Technology, Part 11, Ferrous Metallurgy. Cambridge University Press. May 2008: 159–169. ISBN 978-0-521-87566-0. 
  14. ^ Temple, Robert. The Genius of China: 3000 years of science, discovery and invention. New York: Simon and Schuster. 1986.  Based on the works of Joseph Needham>
  15. ^ Bocoum, Hamady (编), The Origins of Iron Metallurgy in Africa (PDF), Paris: UNESCO Publishing: 130–131, 2004, ISBN 92-3-103807-9 
  16. ^ 16.0 16.1 Wagner, Donald B. (2008). Science and Civilisation in China: 5. Chemistry and Chemical Technology: part 11 Ferrous Metallurgy. Cambridge University Press, pp. 349–51.
  17. ^ Tylecote, R. F. A History of Metallurgy, Second Edition. London: Maney Publishing, for the Institute of Materials. 1992. ISBN 978-0901462886. 
  18. ^ Ditherington Flax Mill: Spinning Mill, Shrewsbury – 1270576. Historic England. [2020-06-29]. 
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