Karboninnhold er den mest innflytelsesrike variabelen i støpejernsmetallurgi. Støpejern er definert ved et karboninnhold på 2,0 til 4,5 vekt%. — langt over stålområdet 0,02–2,0 %. Innenfeller dette området kan til og med et 0,3 % skift i karbon fundamentalt endre et støpegodss mikrostruktur, mekaniske styrke, hardhet, bearbeidbarhet og termiske oppførsel. Å forstå hvordan karbon interagerer med jern - og med andre legeringselementer - er grunnlaget for å produsere støpegods som yter pålitelig i bruk.
I motsetning til stål, hvor karbon holdes lavt for å maksimere duktilitet og seighet, beholder støpejern bevisst høye karbonnivåer for å oppnå overlegen støpeevne, vibrasjonsdemping og slitestyrke. Nøkkelforskjellen ligger i hvilken form karbonet har i den størknede metallmatrisen.
Karbon i støpejern finnes i en av to primære former: som gratis grafitt (elementært karbon utfelt under størkning) eller som jernkarbid (Fe₃C, også kalt sementitt) . Hvilken form som dominerer bestemmes av karboninnhold, kjølehastighet og tilstedeværelsen av andre elementer - spesielt silisium. Denne forskjellen er ikke kosmetisk; den definerer om jernet er grått, hvitt, formbart eller formbart - hver med svært forskjellige mekaniske egenskaper.
Ulike kvaliteter av støpejern er ikke vilkårlige kategorier - de er resultatet av bevisst kontrollerte karbonområder kombinert med spesifikke prosessforhold.
| Type støpejern | Karboninnhold (%) | Karbonform | Nøkkelegenskaper |
|---|---|---|---|
| Grått jern | 2,5 – 4,0 % | Flak grafitt | God bearbeidbarhet, høy demping, lav strekkfasthet |
| Hvitt jern | 1,8 – 3,6 % | Sementitt (Fe₃C) | Ekstremt hard, sprø, utmerket slitestyrke |
| Formbart jern | 2,0 – 2,9 % | Temperert karbon (rosetter) | God duktilitet etter gløding, slagfast |
| Duktilt (nodulært) jern | 3,2 – 4,2 % | Sfæroidal grafitt | Høy strekkfasthet, duktilitet, tretthetsbestandighet |
| Kompakt grafittjern | 3,1 – 4,0 % | Vermicular (orm-lignende) grafitt | Mellom grått og seigjern |
Karbon virker ikke isolert. Silisium og fosfor bidrar også til den effektive "karbonlignende" oppførselen til smelten. Støperiingeniører bruker Formel for karbonekvivalens (CE). for å gjøre rede for disse interaksjonene:
CE = %C (%Si %P) / 3
Rent jern stivner ved 1538°C. Det eutektiske punktet for jern-karbonsystemet inntreffer kl CE = 4,3 % , som er sammensetningen med det laveste smeltepunktet (~1150°C) og den beste fluiditeten. De fleste kommersielle gråjern mål en CE av 3,9–4,3 % for å balansere støpeevne med mekanisk ytelse.
Forholdet mellom karboninnhold og mekaniske egenskaper er ikke lineært - det avhenger sterkt av hvordan karbon er fordelt i matrisen. Det finnes imidlertid klare retningstrender.
I gråjern, økende totalt karbon generelt reduserer strekkfastheten fordi flere og grovere grafittflak fungerer som stresskonsentratorer. Grått jern oppnår typisk strekkstyrker på 150–400 MPa , sammenlignet med 400–900 MPa for duktilt jern der det samme karbonet er tilstede som kuler i stedet for flak. Grafittmorfologien betyr mer enn den totale karbonprosenten.
Høyere karbon i form av sementitt (hvitt jern) øker hardheten dramatisk - hvitt jern når vanligvis 400–700 HBW , sammenlignet med 150–300 HBW for gråjern. Dette kommer imidlertid på bekostning av nær null duktilitet. I kjølt støpegods dannes et hardt, hvitt jernoverflatelag med hensikt på sliteflater mens bulken forblir grå.
Grått jern har i hovedsak null duktilitet (forlengelse <0,5%) på grunn av grafittflak som fungerer som innvendige hakk. Duktilt jern, med samme eller høyere karbon, men i nodulær form, oppnår forlengelsesverdier på 2–18 % avhengig av karakter - en dramatisk forbedring muliggjort utelukkende ved å endre grafittmorfologi gjennom magnesiumbehandling, ikke ved å redusere karbon.
Fri grafitt fungerer som et innebygd smøremiddel under maskinering, og det er derfor gråjern er et av de enkleste metallene å bearbeide . Høyere grafittinnhold (høyere karbon i gråjern) forbedrer generelt bearbeidbarheten. Hvitt jern er derimot ekstremt vanskelig å bearbeide på grunn av sementittinnholdet og brukes vanligvis kun i støpt eller slipt form.
Utover mekaniske egenskaper påvirker karboninnholdet direkte forekomsten av vanlige støpefeil - noen forårsaket av for mye karbon, andre av for lite.
Både karbon og silisium fremmer grafittekspansjon under størkning . Når grafitt utfelles, utvider det seg volumetrisk, og motvirker delvis krympingen som oppstår når flytende metall avkjøles. Høyere karboninnhold i gråjern (CE nær 4,3%) gir tilstrekkelig grafittekspansjon for å oppnå nesten null netto krymping , noe som reduserer behovet for store stigerør. Gråjern med lavere karbon (CE ~3,6%) kan vise netto krymping av 0,5–1,5 % , som krever nøye stigerørdesign.
I hypereutektiske jern (CE > 4,3%) utfelles primær grafitt før den eutektiske reaksjonen og kan flyte til den øvre overflaten av støpegodset eller formen. Dette "kish" grafitt skaper hulrom i overflaten, inneslutninger og kosmetiske defekter. Kontroll av karbon under den hypereutektiske terskelen forhindrer kish-dannelse.
Når karboninnhold og kjølehastighet ikke stemmer overens - spesielt i tynne seksjoner med grenselinje CE - skjer delvis dannelse av hvitt jern langs gråjernsregioner. Dette "flekkete" mikrostruktur produserer uforutsigbar og ujevn hardhet, noe som gjør maskinering inkonsekvent og mekanisk ytelse upålitelig. Det anses som en defekt i alle unntatt tilsiktede kjølte støpekonstruksjoner.
Karbon opptrer aldri alene. Silisium er det kraftigste grafitiseringselementet i støpejern og arbeider i direkte samarbeid med karbon for å bestemme den endelige mikrostrukturen. Silisiuminnholdet i kommersielt støpejern varierer vanligvis fra 1,0 % til 3,0 % .
Dette er grunnen til at spesifisering av karbon alene er utilstrekkelig - støperiingeniører spesifiserer alltid både karbon og silisium sammen, og overvåker vanligvis CE som komposittkontrollparameter.
Å kontrollere karboninnholdet i produksjonen er både en kjemi- og en prosessdisiplin. Følgende metoder er standard praksis i moderne støperier:
Karboninnhold er hovedvariabelen for støpejernsmetallurgi - men effekten kommer alltid til uttrykk gjennom dens interaksjon med kjølehastighet, silisiuminnhold og prosessforhold. Totalt karbon bestemmer hvor mye grafitt eller karbid som kan dannes; behandlingsmiljøet avgjør hvilken som gjør det. Enten målet er dempingskapasiteten til gråjern, slitestyrken til hvitt jern, eller seigheten til duktilt jern, begynner å oppnå konsistent støpekvalitet med presis karbonkontroll støttet av sanntidssmelteanalyse. For både støperiingeniører og støpekjøpere er det ikke valgfritt å spesifisere og verifisere karbon – alltid sammen med silisium og CE; det er utgangspunktet for hver kvalitetscasting.
