Støpejernsgryte med lokk. Av /Shutterstock. Begrenset gjenbruk

støpejern

En velkjent konstruksjon i støpejern er Ironbridge i Coalbrookdale i England fra 1779. Den har et spenn på 35 meter.

Artikkelstart

Støpejern er en gruppe jern-karbon-legeringer som inneholder mer enn to vektprosent karbon, og som med ett unntak ikke er smibare. Kommersielle støpejern inneholder vanligvis tre til fire prosent karbon og vekslende mengder silisium, mangan og andre legeringselementer avhengig av de egenskapene man ønsker hos støpegodset.

Støpejern finnes i ulike varianter som kan ha vidt forskjellige bruksområder, særlig avhengig av godsets hardhet og seighet. Typiske gjenstander som lages av støpejern er ovner, vasker, gryter, gategods (kumlokk og annet), valser, kverner, rør, maskinstativ og maskindeler som veivaksler og motorstempler.

Framstilling

Støpejern er tradisjonelt blitt framstilt fra råjern (som har samme høye karboninnhold som støpejern) og skrap av støpejern og stål ved smelting i en koksfyrt kupolovn. Kalkstein blir brukt som flussmiddel for å fjerne forurensninger som fosfor, svovel og ikke-metalliske partikler fra smelten.

Legeringselementer tilsettes enten i kupolovnen eller i en øse før jernet støpes ut i sandformer eller kokiller. I dag har de fleste støperiene gått over til å utføre smeltingen i en elektrisk induksjonsovn eller lysbueovn som gir renere forhold (unngår koks). Støpejern kan også produseres direkte fra råjernsmelte produsert i en masovn uten å størkne smelten først.

Støpejern har lavt smeltepunkt (rundt 1200 °C), lav viskositet og dermed god formfyllingsevne. I tillegg er støpejern vanligvis rimeligere i pris enn stål fordi materialkostnadene er mindre, og produksjonen krever mindre energi og arbeidskraft.

Typer støpejern

Vanligvis inndeles støpejernene i følgende kvaliteter: Hvitt støpejern, grått støpejern, kulegrafittjern, kompaktgrafittjern, aduserjern og høylegerte støpejern.

Hvitt støpejern

Mikrostruktur til hvitt støpejern med 3,4 %C, 0,35 %Si og 0,22 %Mn. Sementitten er lys, og perlitten er mørk. Prøven er etset i nital.
Hvitt støpejern mikrostruktur
Av .

Hvitt støpejern fremmes av lavt karboninnhold, lavt silisiuminnhold og høy avkjølingshastighet under støpingen. I hvitt støpejern foreligger karbonet overveiende som sementitt som er en hard og sprø fase. Mikrostrukturen kan beskrives som et kompleks nettverk av sementittpartikler i en grunnmasse av perlitt. Sementitten gjør hvitt støpejern hardt og slitesterkt, og det benyttes i deler som er utsatt for slitasje, for eksempel knuseverk, valser og kverner. Men det er også sprøtt, og ved brudd vokser en sprekk tvers gjennom de sprø sementittpartiklene og etterlater seg glatte flater som reflekterer lys. En belyst bruddflate får derfor en karakteristisk hvit farge som er opphav til navnet på dette støpejernet. Hvitt støpejern har størst anvendelse som utgangsmateriale for produkter fremstilt ved adusering. Hvitt støpejern produseres ikke i Norge i dag.

Grått støpejern

Mikrostruktur til grått perlittisk støpejern. Flakgrafitten ses som krumme mørke linjer i en grunnmasse av perlitt. Prøven er etset i nital.
Grått perlittisk støpejern mikrostruktur
Av .
Lisens: CC BY NC SA 4.0

Mikrostruktur til ferrittisk kulegrafittjern. Prøveoverflaten er ikke etset, bare polert, og ferrittkorngrensene synes derfor ikke. De største kulene har en diameter på omtrent 40 mikrometer.

Ferritisk kulegrafittjern mikrostruktur
Av .

Grått støpejern (gråjern) fremmes av høyt karboninnhold, høyt silisiuminnhold (for eksempel to prosent) og lav størkningshastighet. Både karbon og silisium er grafittiserende, det vil si at de fremmer vekst av grafitt på bekostning av sementitt. I grått støpejern foreligger derfor karbonet overveiende som grafitt. Denne grafitten har en uryddig bladlignende form (flakgrafitt), og i et lysmikroskopbilde av en polert snittflate framtrer grafittflakene som mørke krumme linjer. Grunnmassen i grått støpejern består enten av ferritt eller av perlitt.

Grått støpejern er mykere og mindre sprøtt enn hvitt støpejern, men duktiliteten er likevel lav (≤ 1 % forlengelse) på grunn av de tallrike grafittflakene som virker bruddanvisende. Grått støpejern kan derfor ikke smis. Perlittisk grunnmasse gir høyest styrke og lavest duktilitet. Under et bruddforløp er grafitten opphav til et utall småsprekker som forplanter seg på mange ulike måter (blant annet langs flakene), og dette gir en svært topografisk bruddflate som gjør at innfallende lys spres i alle retninger. En belyst bruddflate blir derfor grå, og dette er opphav til navnet på dette støpejernet.

Grått støpejern brukes blant annet i ovner, vasker og gategods (kumlokk og annet). På grunn av sine gode vibrasjonsdempende egenskaper (elastiske bølger i grunnmassen overføres ikke til grafitten) blir gråjern også brukt i for eksempel maskinstativ og veivaksler i små motorer. I tillegg kan det nevnes at perlittisk gråjern blir brukt i sylinderforinger fordi grafitt virker smørende og fordi perlitt gir slitasjestyrke.

Kulegrafittjern

Kompaktgrafittjern med en mikrostruktur av vermikulærgrafitt og kulegrafitt i en grunnmasse av perlitt (grå) og ferritt (hvit). De største grafittkulene har en diameter på omtrent 40 mikrometer. Prøven er etset i nital.
Kompaktgrafittjern mikrostruktur
Av .

I kulegrafittjern, også kalt nodulært støpejern, opptrer karbonet som kuler av grafitt, noe som oppnås ved å tilsette små mengder magnesium i smelten. Kulegrafittjern kan derfor betraktes som en type grått støpejern, men klassifiseres vanligvis som en egen gruppe. Det kalles også seigjern eller duktilt støpejern fordi komponenter med grafitten fordelt som kuler tåler mye plastisk deformasjon, i motsetning til annet grått støpejern. Også i kulegrafittjern kan grunnmassen være enten ferrittisk eller perlittisk. Kulegrafittjern brukes i produkter med krav til styrke og stivhet, for eksempel i rør, maskindeler og gategods.

Kompaktgrafittjern

Mikrostruktur til ferrittisk aduserjern, mørk temperkull i en lys ferrittisk grunnmasse. Hvitt støpejern med 2,4 %C-1,1 %Si-1,1 %Mn ble glødet ved 900-950 °C i mange dager og sakte avkjølt. Prøven er etset i nital.
Ferrittisk aduserjern mikrostruktur
Av .

Kompaktgrafittjern er tilsatt noe mindre magnesium enn kulegrafittjern er. Det blir derfor en mellomting mellom grått støpejern og kulegrafittjern; dette gjelder både mikrostruktur og mange egenskaper. Grafitten i kompaktgrafittjern er verken kuler eller flak, men har en orm- eller mark-lignende form. Denne kvaliteten kalles derfor også vermikulærjern (av det tyske ordet Wurm som betyr orm/mark). Egenskaper som styrke, seighet, termisk ledningsevne og vibrasjonsdempende evne ligger mellom tilsvarende egenskaper hos gråjern og kulegrafittjern. Dette er bestemmende for bruksområdene for kompaktgrafittjern, som blant annet brukes i motorblokker og sylindertopper i dieselmotorer.

Aduserjern

Aduserjern (adusergods) blir framstilt ved å mykgløde hvitt støpejern ved en høy temperatur. I løpet av denne prosessen løses sementitten i det hvite støpejernet opp, og det frigjorte karbonet danner uregelmessig formede «kuler» av grafitt (temperkull). Avhengig av blant annet avkjølingsforholdene etter aduseringen blir grunnmassen vanligvis enten ferrittisk eller perlittisk. Aduserjern har derfor likhetstrekk med kulegrafittjern; det er karakterisert ved en høy bruddforlengelse og er smibart.

Aduserjern blir brukt i deler som både trenger høy styrke og evne til å deformeres uten å knekke. Typiske anvendelser er rør og rørdeler, bildeler, maskindeler, landbruksutstyr og håndverktøy. I Norge lages det ikke lenger produkter av aduserjern.

Høylegerte støpejern

  • Ved å tilsette elementer som nikkel (14–18 prosent), kobber og mangan, som alle stabiliserer høytemperaturfasen austenitt, kan grått støpejern og kulegrafittjern med en austenittisk grunnmasse fremstilles. Austenittiske støpejern har god motstand mot korrosjon og oksidasjon, spesielle kvaliteter kan brukes opp til 800 °C i et oksiderende miljø.
  • Silisiumrike støpejern med 14–18 prosent silisium har meget god motstand mot høytemperatur-oksidasjon og mot korrosjon i sterke syrer, for eksempel svovelsyre. Denne kvaliteten blir derfor blant annet brukt i pumper for pumping av svovelsyre. Grunnmassen i disse støpejernene inneholder forbindelsen Fe3Si som er svært kjemisk resistent. Nesten alt karbonet foreligger som grafitt.
  • Kromrike støpejern med 11–30 prosent krom er en type hvitt støpejern. De har god motstand mot korrosjon og høytemperatur oksidasjon, og på grunn av sin høye hardhet er de meget motstandige mot abrasiv slitasje. De brukes blant annet i slampumper og i utstyr for blåsing med stålsand.

Historie

Støpejern ble først fremstilt av kineserne. Jordbruksredskaper og våpen i støpejern var utbredt i Kina allerede på firehundretallet før vår tidsregning., så allerede på den tiden må de ha hatt enkle masovner til fremstilling av råjern fra smeltet jernmalm. I Europa ble masovnen (som var en forutsetning for støpejernproduksjon) introdusert mye senere. Sverige var det første landet i Europa som hadde masovn, allerede på 1100–1200-tallet. I løpet av de neste 200–300 årene ble masovnen utbredt i Europa, og på 1400-tallet startet produksjonen av støpejern i Europa. Det eldste eksempelet på europeisk støpejern er et støpt vannrør fra 1455 i Dillenberg slott i Tyskland. I Nord-Amerika ble det første jernstøperiet etablert i 1642.

Norge før og i dag

Støpingen av elementer til sentralvarmekjeler hos Jøtul AS, cirka 1942–1943

I Norge kom den første masovnen i drift ved Bærum Jernverk i 1622, og etter hvert begynte flere av de gamle jernverkene å støpe jern. Disse jernstøperiene spilte en viktig rolle i norsk industrireising. I løpet av 1700- og 1800-tallet ble det etablert en rekke jernstøperier i Norge, men de fleste av disse er nå nedlagt.

I Norge produseres det i dag støpejerngods ved Jøtul AS, Ulefos Jernværk AS, Furnes Jernstøperi AS og Mandal Castings AS. Alle disse benytter induksjonsovner til smeltingen. Råmaterialet varierer, men generelt benyttes det resirkulert støpejern, overskudd fra egen støpejernproduksjon og stålskrap. Mandal Castings benytter i tillegg importert råjern. Jøtul produserer vedovner og peiser/peisinnsatser i grått støpejern; Ulefos Jernværk produserer gategods i seigjern (deres gråjernproduksjon av for eksempel ovner opphørte i 2020); hovedproduktet til Furnes Jernstøperi er gategods i gråjern og seigjern, og som Mandal Castings produserer de en lang rekke komponenter i gråjern og seigjern til industriell virksomhet innen anlegg og transport, verkstedindustri, skipsindustri og landbruk med mer. Mandal Castings er det eneste norske støperiet som produserer kompaktgrafittjern (til sylindertopper for skipsdieselmotorer).

Les mer i Store norske leksikon

Kommentarer

Kommentaren din publiseres her. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan.

Du må være logget inn for å kommentere.

eller registrer deg