Χυτοσίδηρος

Ο χυτοσίδηρος (κοινώς μαντέμι) είναι κράμα σιδήρου με άνθρακα σε περιεκτικότητα μεγαλύτερη από 2,1% κατά βάρος. Στην πραγματικότητα με τον όρο «χυτοσίδηρος» εννοείται μία οικογένεια κραμάτων τα οποία εκτός από άνθρακα, μπορεί να περιέχουν και άλλα στοιχεία όπως πυρίτιο, κ.λπ. Οι χυτοσίδηροι είναι εύθραυστοι σε σύγκριση με τον χάλυβα, αλλά παρουσιάζουν πιο καλή αντίσταση στην τριβή και την διάβρωση.

 Ο πρωτογενής χυτοσίδηρος παράγεται με αναγωγή σιδηρομεταλλευμάτων σε υψικάμινο και χύνεται στην μορφή μικρών πλινθωμάτων, που αποκαλούνται «χελώνες» (αγγλ., pig iron). Με την ανάτηξη πρωτογενούς χυτοσιδήρου και την προσθήκη κραματικών στοιχείων παράγονται διάφορες ποιότητες χυτοσιδήρου που προορίζονται για διαφορετικές χρήσεις. Οι δευτερογενείς χυτοσίδηροι διακρίνονται συνήθως σε φαιούς (γκρίζους) και λευκούς, ανάλογα με το χρώμα που παρουσιάζουν οι επιφάνειες θραύσης τους και ανάλογα με την μορφή του άνθρακα που περιέχουν. Η περιεκτικότητα του χυτοσιδήρου σε άνθρακα μπορεί να φτάσει και το 6,67% (σημείο δημιουργίας καθαρού σεμεντίτη: Fe3C), αλλά σπανίως ξεπερνά το 4,3% (ευτηκτικό σημείο του διαγράμματος φάσεων Fe–C). Εκτός από άνθρακα, οι κοινοί χυτοσίδηροι περιέχουν πυρίτιο (1–3%) και μαγγάνιο (~0,5%), ενώ υπάρχουν και ισχυρά κραματωμένοι χυτοσίδηροι με υψηλή περιεκτικότητα σε νικέλιο (4–20%) και χρώμιο (~3%). Γενικά, οι χυτοσίδηροι παρουσιάζουν τα εξής χαρακτηριστικά: χαμηλό κόστος παραγωγής, χαμηλό σημείο τήξης (1140–1200°C), ευκολία χύτευσης σε συγκεκριμένες διαστάσεις, ευκολία μηχανουργικής κατεργασίας, σχετικά καλή αντίσταση στην μηχανική φθορά και την διάβρωση, υψηλή ικανότητα απορρόφησης κραδασμών, και σχετικά καλή μηχανική αντοχή (108–340 MPa). Ο φαιός ή γκρίζος χυτοσίδηρος (αγγλ., grey cast iron) παράγεται με την ανάτηξη πρωτογενούς χυτοσιδήρου, την προσθήκη πυριτίου και την αργή ψύξη του τήγματος. Η προσθήκη πυριτίου και η αργή ψύξη του τήγματος ευνοούν τον σχηματισμό γραφίτη, που είναι και η πλέον σταθερή φάση στο διάγραμμα Fe–C. Ένα άλλο κραματικό στοιχείο που ευνοεί τον σχηματισμό γραφίτη είναι το δημήτριο. Ο γραφίτης παίρνει την μορφή φύλλων μεταξύ των κόκκων του ευτηκτοειδούς περλίτη (εναλλασσόμενα φύλλα ή «λαμέλες» φερρίτη (α-Fe) – σεμεντίτη (Fe3C)). Όταν ο γραφίτης σπάει ,τρίβεται και γίνεται στερεό λιπαντικό. Για αυτόν τον λόγο λέγεται αυτολιπαινόμενος χυτοσίδηρος. Επιπλέον, το πυρίτιο και ο φώσφορος ταπεινώνουν το σημείο τήξης του χυτοσιδήρου και γι' αυτό συνυπολογίζονται στο λεγόμενο περιεχόμενο ισοδύναμου άνθρακα. Ο γραφίτης κάνει τον χυτοσίδηρο πιο εύθραυστο, αλλά ταυτοχρόνως αυξάνει την ευκολία μηχανικής κατεργασίας (δρα ως λιπαντικό), την αντίσταση στην διάβρωση και την ικανότητα απορρόφησης κραδασμών. Οι φαιοί χυτοσίδηροι παρουσιάζουν επίσης υψηλή θερμική αγωγιμότητα και γι' αυτό χρησιμοποιούνται για την κατασκευή σκευών κουζίνας και φρένων. Μια ειδική κατηγορία φαιού χυτοσιδήρου είναι ο όλκιμος χυτοσίδηρος ή χυτοσίδηρος σφαιροειδούς γραφίτη (αγγλ., ductile cast iron ή nodular iron), ο οποίος παράγεται με την προσθήκη μαγνησίου (στην μορφή σιδηρομαγνησίου) σε τήγμα πρωτογενούς χυτοσιδήρου. Το μαγνήσιο εμποδίζει την ανάπτυξη των φύλλων γραφίτη ο οποίος με την παρουσία του μαγνησίου σχηματίζει σφαιρίδια. Ο σφαιροειδής γραφίτης προσδίδει στον χυτοσίδηρο πιο υψηλή μηχανική αντοχή (> 400 MPa) και πιο υψηλή αντοχή στην διάβρωση. Γι' αυτό οι όλκιμοι χυτοσίδηροι χρησιμοποιούνται σε ένα μεγάλο φάσμα εφαρμογών: σωληνώσεις αποχετεύσεων, εξαρτήματα μηχανών, εξαρτήματα ανεμογεννητριών, κ.λπ. Ένας τυπικός όλκιμος χυτοσίδηρος περιέχει περίπου 3,3% C, 2,5% Si, 0,3% Mn και 0,03–0,05% Mg. Εκτός από τους απλούς όλκιμους χυτοσιδήρους, υπάρχουν και οι κραματωμένοι όλκιμοι χυτοσίδηροι, που περιέχουν υψηλά ποσοστά άλλων κραματικών στοιχείων όπως Ni, Cr, κ.ά.. Οι κραματωμένοι όλκιμοι χυτοσίδηροι υπόκεινται σε θερμική κατεργασία και διακρίνονται ανάλογα με την κύρια φάση τους (ωστενιτικοί, μπαινιτικοί, κ.λπ.). Ορισμένοι κραματωμένοι όλκιμοι χυτοσίδηροι παρουσιάζουν πολύ υψηλή εφελκυστική αντοχή που φτάνει και τα 1600 MPa (π.χ. ωστενιτικός όλκιμος χυτοσίδηρος ASTM A897 Grade 1600/1300/-). Ο λευκός χυτοσίδηρος (αγγλ., white cast iron) παράγεται με την ανάτηξη πρωτογενούς χυτοσιδήρου και την γρήγορη ψύξη του τήγματος. Η ταχεία ψύξη του τήγματος προκαλεί τον σχηματισμό μετασταθούς σεμεντίτη (Fe3C) στα όρια των κόκκων περλίτη. Η προσθήκη χρωμίου ευνοεί επίσης τον σχηματισμό μετασταθούς σεμεντίτη. Ο σεμεντίτης, που είναι λευκός, σπάζει εύκολα και γι' αυτό ο λευκός χυτοσίδηρος είναι πολύ ψαθουρός. Ωστόσο, εξαιτίας του σεμεντίτη, ο λευκός χυτοσίδηρος είναι πιο σκληρός σε σύγκριση με τον φαιό χυτοσίδηρο. Ο λευκός χυτοσίδηρος χρησιμοποιείται σε εφαρμογές που απαιτούν φθηνό και σκληρό υλικό, όπως π.χ. στην κατασκευή εξαρτημάτων για αντλίες, στην κατασκευή σφαιρών για σφαιρόμυλους λειοτρίβησης υλικών, κ.λπ. Λευκοί χυτοσίδηροι κραματωμένοι με χρώμιο χρησιμοποιούνται για την χύτευση αντικειμένων πολύ μεγάλων διαστάσεων, όπως π.χ. γιγαντιαίες προπέλες βάρους 10 τόνων. Η ταχεία ψύξη τήγματος πρωτογενούς χυτοσιδήρου είναι δύσκολη όταν το καλούπι έχει μεγάλες διαστάσεις. Έτσι, συμβαίνει ορισμένα αντικείμενα φτιαγμένα από χυτοσίδηρο να έχουν σκληρή επιφάνεια από λευκό χυτοσίδηρο και εσωτερικό από πιο μαλακό φαιό χυτοσίδηρο. Μια ειδική κατηγορία λευκού χυτοσιδήρου είναι ο ελατός ή μαλακτός χυτοσίδηρος (αγγλ., malleable iron), ο οποίος παράγεται με ανόπτηση κοινού λευκού χυτοσιδήρου στους 900°C. Κατά την διάρκεια της ανόπτησης, ο σεμεντίτης διασπάται σε γραφίτη, που σχηματίζει σφαιρίδια. Σε σύγκριση με τους όλκιμους χυτοσιδήρους, τα σφαιρίδια γραφίτη στον ελατό χυτοσίδηρο είναι πιο μικρά και πιο διάσπαρτα. Ο ελατός χυτοσίδηρος βρίσκει εφαρμογές στην παραγωγή μικρών χυτών αντικειμένων. Χάλυβας Σιδηροκράματα Ανοξείδωτος χάλυβας Γ. Χ. Βοσνιάκος, «Οι χυτοσίδηροι» — Σημειώσεις μεταπτυχιακών μαθημάτων, Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Αθήνα 2007 (;). M, A. Yescas-Gonzalez and H. K. D. H. Bhadeshia, "Cast irons" Αρχειοθετήθηκε 2006-09-24 στο Wayback Machine. — Η μεταλλογνωσία των χυτοσιδήρων, από το Πανεπιστήμιο του Καίμπριτζ (Αγγλικά)