Zawartość węgla jest najbardziej wpływową zmienną w metalurgii żeliwa. Żeliwo definiuje się jako zawartość węgla wynoszącą od 2,0% do 4,5% wagowych — znacznie powyżej zakresu 0,02–2,0% stali. W tym zakresie nawet 0,3% przesunięcie węgla może zasadniczo zmienić mikrostrukturę odlewu, wytrzymałość mechaniczną, twardość, skrawalność i zachowanie termiczne. Zrozumienie, w jaki sposób węgiel oddziałuje z żelazem — i innymi pierwiastkami stopowymi — jest podstawą produkcji odlewów, które działają niezawodnie w eksploatacji.
W przeciwieństwie do stali, w której zawartość węgla jest utrzymywana na niskim poziomie, aby zmaksymalizować ciągliwość i wytrzymałość, żeliwo celowo utrzymuje wysoki poziom węgla, aby uzyskać doskonałą lejność, tłumienie drgań i odplubność na zużycie. Kluczowe rozróżnienie polega na formie, jaką przyjmuje węgiel w zestalonej metalowej osnowie.
Węgiel w żeliwie występuje w jednej z dwóch podstawowych postaci: jako darmowy grafit (węgiel pierwiastkowy wytrącony podczas krzepnięcia) lub jako węglik żelaza (Fe₃C, zwany także cementytem) . O tym, która forma dominuje, decyduje zawartość węgla, szybkość chłodzenia i obecność innych pierwiastków – zwłaszcza krzemu. To rozróżnienie nie jest kosmetyczne; określa, czy żelazo jest szare, białe, ciągliwe czy ciągliwe – każde z nich ma zupełnie inne właściwości mechaniczne.
Różne gatunki żeliwa nie są kategoriami arbitralnymi — są wynikiem celowo kontrolowanych zakresów węgla w połączeniu ze specyficznymi warunkami przetwarzania.
| Typ żeliwa | Zawartość węgla (%) | Forma węgla | Kluczowa charakterystyka |
|---|---|---|---|
| Szare żelazo | 2,5 – 4,0% | Grafit płatkowy | Dobra skrawalność, wysokie tłumienie, niska wytrzymałość na rozciąganie |
| Białe żelazo | 1,8 – 3,6% | Cementyt (Fe₃C) | Niezwykle twardy, kruchy, doskonała odporność na zużycie |
| Żelazo ciągliwe | 2,0 – 2,9% | Hartowany węgiel (rozety) | Dobra ciągliwość po wyżarzaniu, odporna na uderzenia |
| Żeliwo sferoidalne (sferyczne). | 3,2 – 4,2% | Grafit sferoidalny | Wysoka wytrzymałość na rozciąganie, ciągliwość, odporność na zmęczenie |
| Zagęszczone żelazo grafitowe | 3,1 – 4,0% | Grafit wermikularny (robakowy). | Produkt pośredni pomiędzy żeliwem szarym i sferoidalnym |
Węgiel nie działa w izolacji. Krzem i fosfor również przyczyniają się do skutecznego „węglowego” zachowania stopu. Inżynierowie odlewni używają Wzór na równoważnik węgla (CE). aby uwzględnić te interakcje:
CE =%C (%Si%P) / 3
Czyste żelazo krzepnie w temperaturze 1538°C. Punkt eutektyczny układu żelazo-węgiel występuje w godz CE = 4,3% , czyli kompozycja o najniższej temperaturze topnienia (~1150°C) i najlepszej płynności. Większość komercyjnego żeliwa szarego ma certyfikat CE wynoszący 3,9–4,3% aby zrównoważyć lejność z wydajnością mechaniczną.
Zależność między zawartością węgla a właściwościami mechanicznymi nie jest liniowa — zależy w dużym stopniu od rozkładu węgla w matrycy. Istnieją jednak wyraźne tendencje kierunkowe.
W przypadku żeliwa szarego ogólne zwiększenie całkowitego węgla zmniejsza wytrzymałość na rozciąganie ponieważ coraz grubsze płatki grafitu pełnią rolę koncentratorów naprężeń. Żeliwo szare zazwyczaj osiąga wytrzymałość na rozciąganie 150–400 MPa , w porównaniu do 400–900 MPa w przypadku żeliwa sferoidalnego, w którym ten sam węgiel występuje w postaci kulek, a nie płatków. Morfologia grafitu ma większe znaczenie niż całkowity procent węgla.
Wyższa zawartość węgla w postaci cementytu (białego żelaza) dramatycznie zwiększa twardość – zwykle osiąga to białe żelazo 400–700 HBW , w porównaniu do 150–300 HBW dla szarego żelaza. Dzieje się to jednak kosztem prawie zerowej plastyczności. W odlewach chłodzonych celowo tworzy się twarda, biała warstwa powierzchniowa żelaza na powierzchniach podlegających zużyciu, podczas gdy większość pozostaje szara.
Szare żelazo ma zasadniczo zerowa ciągliwość (wydłużenie <0,5%) dzięki płatkom grafitu pełniącym rolę wewnętrznych nacięć. Żeliwo sferoidalne o tej samej lub większej zawartości węgla, ale w postaci sferoidalnej, osiąga wartości wydłużenia wynoszące 2–18% w zależności od gatunku — radykalna poprawa możliwa wyłącznie dzięki zmianie morfologii grafitu poprzez obróbkę magnezem, a nie poprzez redukcję węgla.
Wolny grafit działa jak wbudowany smar podczas obróbki i dlatego Żeliwo szare jest jednym z metali najłatwiejszych w obróbce . Wyższa zawartość grafitu (wyższa zawartość węgla w żeliwie szarym) ogólnie poprawia skrawalność. Z kolei żelazo białe jest niezwykle trudne w obróbce ze względu na zawartość cementytu i zwykle stosuje się je wyłącznie w postaci odlanej lub zmielonej.
Poza właściwościami mechanicznymi, zawartość węgla ma bezpośredni wpływ na występowanie typowych defektów odlewniczych — niektóre spowodowane są zbyt dużą ilością węgla, inne zaś jego zbyt małą ilością.
Promują zarówno węgiel, jak i krzem ekspansja grafitu podczas krzepnięcia . W miarę wytrącania się grafitu rozszerza się objętościowo, częściowo przeciwdziałając skurczowi występującemu podczas ochładzania ciekłego metalu. Wyższa zawartość węgla w żeliwie szarym (CE blisko 4,3%) powoduje wystarczającą do osiągnięcia ekspansję grafitu skurcz netto bliski zeru , zmniejszając potrzebę stosowania dużych pionów. Żelazo szare o niższej zawartości węgla (CE ~3,6%) może wykazywać skurcz netto 0,5–1,5% , wymagające starannego zaprojektowania pionu.
W żelazie nadeutektycznym (CE > 4,3%) grafit pierwotny wytrąca się przed reakcją eutektyczną i może unosić się na górnej powierzchni odlewu lub formy. To „kisz” grafit tworzy powierzchniowe puste przestrzenie, wtrącenia i defekty kosmetyczne. Kontrolowanie węgla poniżej progu nadeutektycznego zapobiega tworzeniu się kish.
Kiedy zawartość węgla i szybkość chłodzenia są niedopasowane – szczególnie w cienkich przekrojach o granicznej wartości CE – wzdłuż obszarów żeliwa szarego następuje częściowe tworzenie się żelaza białego. To „cętkowana” mikrostruktura wytwarza nieprzewidywalną i niejednolitą twardość, przez co obróbka jest niespójna, a wydajność mechaniczna zawodna. Jest to uważane za wadę we wszystkich projektach odlewów chłodzonych z wyjątkiem zamierzonych.
Węgiel nigdy nie działa sam. Krzem jest najsilniejszym pierwiastkiem grafityzującym w żeliwie i współpracuje bezpośrednio z węglem w celu określenia ostatecznej mikrostruktury. Zawartość krzemu w żeliwie dostępnym na rynku zazwyczaj waha się od 1,0% do 3,0% .
Właśnie dlatego określenie samego węgla jest niewystarczające — inżynierowie odlewnicy zawsze określają węgiel i krzem razem i zazwyczaj monitorują CE jako złożony parametr kontrolny.
Kontrolowanie zawartości węgla w produkcji jest zarówno dziedziną chemii, jak i procesem. Następujące metody są standardową praktyką w nowoczesnych odlewniach:
Zawartość węgla jest główną zmienną w metalurgii żeliwa, ale jej wpływ zawsze wyraża się poprzez interakcję z szybkością chłodzenia, zawartością krzemu i warunkami przetwarzania. Całkowity węgiel określa, ile może powstać grafitu lub węglika; środowisko przetwarzania określa, który z nich to zrobi. Niezależnie od tego, czy celem jest zdolność tłumienia żeliwa szarego, odporność na zużycie żeliwa białego czy wytrzymałość żeliwa sferoidalnego, osiągnięcie stałej jakości odlewu zaczyna się od precyzyjnej kontroli zawartości węgla wspartej analizą stopu w czasie rzeczywistym. Zarówno dla inżynierów odlewników, jak i nabywców odlewów specyfikacja i weryfikacja węgla – zawsze obok krzemu i oznakowania CE – nie jest opcjonalna; to jest punkt wyjścia każdego dobrego castingu.
