Sadržaj ugljika je pojedinačna najutjecajnija varijabla u metalurgiji lijevanog željeza. Lijevano željezo je definiran sadržajem ugljika od 2,0% do 4,5% težine — daleko iznad 0,02–2,0% raspona čelika. Unutar ovog raspona, čak i pomak od 0,3% u ugljiku može fundamentalno promijeniti mikrostrukturu odljevka, mehaničku čvrstoću, tvrdoću, obradivost i toplinsko ponašanje. Razumijevanje interakcije ugljika sa željezom — i s drugim legirajućim elementima — temelj je proizvodnje odljevaka koji pouzdano rade u radu.
Za razliku od čelika, gdje je ugljik nizak kako bi se maksimizirala duktilnost i žilavost, lijevano željezo namjerno zadržava visoke razine ugljika kako bi se postigla vrhunska sposobnost lijevanja, prigušivanje vibracija i otpilinost na trošenje. Ključna razlika leži u obliku koji ugljik ima unutar skrutnute metalne matrice.
Ugljik u lijevanom željezu postoji u jednom od dva primarna oblika: kao slobodni grafit (elementarni ugljik istaložen tijekom skrućivanja) ili as željezni karbid (Fe₃C, koji se naziva i cementit) . Koji oblik dominira određuje se sadržajem ugljika, brzinom hlađenja i prisutnošću drugih elemenata - posebice silicija. Ova razlika nije kozmetička; definira je li željezo sivo, bijelo, kovno ili duktilno — svako s duboko različitim mehaničkim svojstvima.
Različite vrste lijevanog željeza nisu proizvoljne kategorije — one su rezultat namjerno kontroliranih raspona ugljika u kombinaciji sa specifičnim uvjetima obrade.
| Vrsta lijevanog željeza | Sadržaj ugljika (%) | Ugljični oblik | Ključne karakteristike |
|---|---|---|---|
| Sivo željezo | 2,5 – 4,0% | Pahuljičasti grafit | Dobra obradivost, visoko prigušenje, niska vlačna čvrstoća |
| Bijelo željezo | 1,8 – 3,6% | Cementit (Fe₃C) | Izuzetno tvrda, krta, izvrsna otpornost na habanje |
| Kovno željezo | 2,0 – 2,9% | Kaljeni karbon (rozete) | Dobra duktilnost nakon žarenja, otporan na udarce |
| Duktilni (nodularni) ljev | 3,2 – 4,2% | Sferoidni grafit | Visoka vlačna čvrstoća, duktilnost, otpornost na zamor |
| Kompaktirano grafitno željezo | 3,1 – 4,0% | Vermikularni (crvoliki) grafit | Srednje između sivog i nodularnog lijeva |
Ugljik ne djeluje izolirano. Silicij i fosfor također doprinose učinkovitom "ugljičnom" ponašanju taline. Inženjeri ljevaonice koriste Formula ekvivalentnosti ugljika (CE). kako bi se uzele u obzir ove interakcije:
CE = %C (%Si %P) / 3
Čisto željezo skrućuje se na 1538°C. Eutektička točka sustava željezo-ugljik javlja se na CE = 4,3% , što je sastav s najnižim talištem (~1,150°C) i najboljom fluidnošću. Većina komercijalnog sivog željeza cilja na CE od 3,9–4,3% uravnotežiti sposobnost lijevanja s mehaničkim učinkom.
Odnos između sadržaja ugljika i mehaničkih svojstava nije linearan — uvelike ovisi o tome kako je ugljik raspoređen unutar matrice. Međutim, postoje jasni trendovi usmjerenja.
U sivom željezu, povećanje ukupnog ugljika općenito smanjuje vlačnu čvrstoću jer više i grublje grafitne ljuskice djeluju kao koncentratori naprezanja. Sivi lijev obično postiže vlačnu čvrstoću od 150–400 MPa , u usporedbi s 400–900 MPa za nodularno željezo gdje je isti ugljik prisutan kao sfere, a ne kao ljuskice. Morfologija grafita važnija je od ukupnog postotka ugljika.
Viši ugljik u obliku cementita (bijelo željezo) dramatično povećava tvrdoću — bijelo željezo obično doseže 400–700 HBW , u usporedbi s 150–300 HBW za sivo željezo. Međutim, to dolazi po cijenu rastezljivosti gotovo nulte. Kod ohlađenih odljevaka namjerno se stvara tvrdi bijeli površinski sloj željeza na habajućim površinama dok glavnina ostaje siva.
Sivo željezo ima u biti nula duktilnost (istezanje <0,5%) zbog grafitnih ljuskica koje djeluju kao unutarnji zarezi. Nodularni lijev, s istim ili većim udjelom ugljika, ali u nodularnom obliku, postiže vrijednosti istezanja od 2–18% ovisno o stupnju — dramatično poboljšanje omogućeno isključivo promjenom morfologije grafita kroz obradu magnezijem, a ne smanjenjem ugljika.
Slobodni grafit djeluje kao ugrađeno mazivo tijekom strojne obrade, zbog čega sivi ljev je jedan od najlakših metala za strojnu obradu . Veći sadržaj grafita (više ugljika u sivom željezu) općenito poboljšava obradivost. Nasuprot tome, bijelo željezo izuzetno je teško strojno obraditi zbog sadržaja cementita i obično se koristi samo u lijevanom ili mljevenom obliku.
Osim mehaničkih svojstava, sadržaj ugljika izravno utječe na pojavu uobičajenih grešaka u lijevanju — neke uzrokovane previše ugljika, druge premalo.
Ugljik i silicij promoviraju ekspanzija grafita tijekom skrućivanja . Kako se grafit taloži, on se volumenski širi, djelomično sprječavajući skupljanje do kojeg dolazi kada se tekući metal hladi. Veći sadržaj ugljika u sivom željezu (CE blizu 4,3%) proizvodi dovoljnu ekspanziju grafita za postizanje gotovo nulto neto skupljanje , smanjujući potrebu za velikim usponima. Sivo željezo s niskim udjelom ugljika (CE ~3,6%) može pokazivati neto skupljanje od 0,5–1,5% , zahtijevajući pažljiv dizajn uspona.
U hipereutektičkom željezu (CE > 4,3%), primarni grafit se taloži prije eutektičke reakcije i može isplivati na gornju površinu odljevka ili kalupa. Ovo "kiš" grafit stvara površinske šupljine, inkluzije i kozmetičke nedostatke. Kontroliranje ugljika ispod hipereutektičkog praga sprječava stvaranje kiša.
Kada sadržaj ugljika i brzina hlađenja nisu usklađeni - osobito u tankim dijelovima s graničnim CE - javlja se djelomično stvaranje bijelog željeza uz područja sivog željeza. Ovo "šarasta" mikrostruktura proizvodi nepredvidivu i neujednačenu tvrdoću, čineći obradu nedosljednom, a mehaničku izvedbu nepouzdanom. Smatra se nedostatkom u svim dizajnima ohlađenih odljevaka osim u namjernim.
Ugljik nikada ne djeluje sam. Silicij je najsnažniji grafitizirajući element u lijevanom željezu i radi u izravnom partnerstvu s ugljikom kako bi odredio konačnu mikrostrukturu. Sadržaj silicija u komercijalnom lijevanom željezu obično se kreće od 1,0% do 3,0% .
To je razlog zašto specificiranje samo ugljika nije dovoljno — inženjeri ljevaonica uvijek specificiraju i ugljik i silicij zajedno, i obično prate CE kao kompozitni kontrolni parametar.
Kontrola sadržaja ugljika u proizvodnji je i kemijska i procesna disciplina. Sljedeće metode su standardna praksa u modernim ljevaonicama:
Sadržaj ugljika je glavna varijabla metalurgije lijevanog željeza — ali njegov se učinak uvijek izražava kroz interakciju s brzinom hlađenja, sadržajem silicija i uvjetima obrade. Ukupni ugljik određuje koliko grafita ili karbida može nastati; okolina obrade određuje što će učiniti. Bilo da je cilj sposobnost prigušenja sivog željeza, otpornost na habanje bijelog željeza ili žilavost nodularnog željeza, postizanje dosljedne kvalitete lijevanja počinje preciznom kontrolom ugljika potpomognutom analizom taline u stvarnom vremenu. Za inženjere ljevaonica i kupce odljevaka, određivanje i provjera ugljika — uvijek uz silicij i CE — nije izborna; polazna je točka svakog kvalitetnog castinga.
