A széntartalom az öntöttvaskohászat egyik legbefolyásosabb változója. Öntöttvas 2,0-4,5 tömeg% széntartalommal van meghatározva - messze meghaladja az acél 0,02–2,0%-os tartományát. Ezen a tartományon belül a széntartalom 0,3%-os eltolódása is alapvetően megváltoztathatja az öntvény mikroszerkezetét, mechanikai szilárdságát, keménységét, megmunkálhatóságát és termikus viselkedését. Annak megértése, hogy a szén hogyan lép kölcsönhatásba a vassal – és más ötvözőelemekkel – az alapja a megbízhatóan működő öntvények előállításának.
Az acéllal ellentétben, ahol a széntartalmat alacsonyan tartják a rugalmasság és a szívósság maximalizálása érdekében, az öntöttvas szándékosan megtartja a magas széntartalmat, hogy kiváló önthetőséget, rezgéscsillapítást és kopásállóságot érjen el. A fő különbség abban rejlik, hogy a szén milyen fvagymát ölt a megszilárdult fémmátrixban.
Az öntöttvasban lévő szén két elsődleges forma egyikében létezik: mint szabad grafit (megszilárduláskor kicsapódó elemi szén) vagy mint vaskarbid (Fe₃C, más néven cementit) . Azt, hogy melyik forma dominál, a széntartalom, a hűtési sebesség és más elemek – különösen a szilícium – jelenléte határozza meg. Ez a megkülönböztetés nem kozmetikai jellegű; ez határozza meg, hogy a vas szürke, fehér, temperönthető vagy gömbgrafitos - mindegyik alapvetően eltérő mechanikai tulajdonságokkal.
Az öntöttvas különböző minőségei nem önkényes kategóriák – ezek a szándékosan szabályozott szén-tartományok és meghatározott feldolgozási feltételek eredménye.
| Öntöttvas típus | Széntartalom (%) | Szén Forma | Főbb jellemzők |
|---|---|---|---|
| Szürke vas | 2,5–4,0% | Pehelygrafit | Jó megmunkálhatóság, nagy csillapítás, alacsony szakítószilárdság |
| Fehér vas | 1,8–3,6% | Cementit (Fe₃C) | Rendkívül kemény, törékeny, kiváló kopásállóság |
| Temperöntvény | 2,0–2,9% | Temper carbon (rozetta) | Jó hajlékonyság izzítás után, ütésálló |
| Képlékeny (csomós) vas | 3,2–4,2% | Szferoid grafit | Nagy szakítószilárdság, hajlékonyság, fáradtságállóság |
| Tömörített grafitvas | 3,1–4,0% | Vermikuláris (féregszerű) grafit | Köztes a szürke és a gömbgrafitos vas között |
A szén nem működik elszigetelten. A szilícium és a foszfor is hozzájárul az olvadék hatékony „szénszerű” viselkedéséhez. Az öntödei mérnökök a Szén-egyenérték (CE) képlet figyelembe venni ezeket az interakciókat:
CE = %C (%Si %P) / 3
A tiszta vas 1538 °C-on megszilárdul. A vas-szén rendszer eutektikus pontja a CE = 4,3% , amely a legalacsonyabb olvadáspontú (~1150°C) és a legjobb folyékonyságú összetétel. A legtöbb kereskedelemben kapható szürkevas a CE-t célozza meg 3,9–4,3% hogy egyensúlyba hozza az önthetőséget a mechanikai teljesítménnyel.
A széntartalom és a mechanikai tulajdonságok közötti kapcsolat nem lineáris – nagymértékben függ attól, hogy a szén hogyan oszlik el a mátrixon belül. Vannak azonban egyértelmű iránytrendek.
Szürkevasban általában növeli az összes szén-dioxidot csökkenti a szakítószilárdságot mert több és durvább grafitpehely feszültségkoncentrátorként működik. A szürkevas jellemzően eléri a szakítószilárdságát 150-400 MPa , ehhez képest 400-900 MPa gömbgrafitos öntöttvas esetében, ahol ugyanaz a szén van jelen gömbök, nem pedig pelyhek formájában. A grafit morfológiája fontosabb, mint a teljes széntartalom.
A cementit (fehérvas) formájában lévő magasabb széntartalom drámaian megnöveli a keménységet – a fehér vas általában eléri 400-700 HBW , ehhez képest 150-300 HBW szürke vashoz. Ennek azonban a nullához közeli rugalmasság az ára. Hűtött öntvényeknél szándékosan kemény, fehér vas felületi réteg jön létre a kopófelületeken, miközben a tömb szürke marad.
Szürkevas van lényegében nulla duktilitás (nyúlás <0,5%) a belső bevágásként működő grafitpelyhek miatt. A gömbgrafitos öntöttvas, azonos vagy magasabb széntartalmú, de csomós formában, nyúlási értékeket ér el 2-18% minőségtől függően – drámai javulás, amelyet kizárólag a grafit morfológiájának magnéziumkezeléssel történő megváltoztatása tesz lehetővé, nem pedig a szén redukálása.
A szabad grafit a megmunkálás során beépített kenőanyagként működik, ezért A szürkevas az egyik legkönnyebben megmunkálható fém . A magasabb grafittartalom (magasabb széntartalom a szürkevasban) általában javítja a megmunkálhatóságot. A fehérvas ezzel szemben cementittartalma miatt rendkívül nehezen megmunkálható, és jellemzően csak öntött vagy őrölt formában használják.
A mechanikai tulajdonságokon túlmenően a széntartalom közvetlenül befolyásolja a gyakori öntési hibák előfordulását – egyeseket a túl sok szén, másokat a túl kevés.
A szén és a szilícium egyaránt elősegíti grafit tágulása a megszilárdulás során . Ahogy a grafit kicsapódik, térfogatilag kitágul, részben ellensúlyozva a folyékony fém lehűlésekor fellépő zsugorodást. A szürkevas magasabb széntartalma (CE közel 4,3%) elegendő grafittágulást eredményez ahhoz, hogy elérjük közel nulla nettó zsugorodás , csökkentve a nagy felszállók szükségességét. Az alacsonyabb szénatomszámú szürkevas (CE ~3,6%) nettó zsugorodást mutathat 0,5–1,5% , amely gondos felszálló kialakítást igényel.
A hipereutektikus vasaknál (CE > 4,3%) az elsődleges grafit az eutektikus reakció előtt kicsapódik, és az öntvény vagy a forma felső felületére úszhat. Ezt "kish" grafit felületi üregeket, zárványokat és esztétikai hibákat hoz létre. A hipereutektikus küszöb alatti szén szabályozása megakadályozza a kish kialakulását.
Ha a széntartalom és a hűtési sebesség nem egyezik – különösen a CE határvonallal rendelkező vékony szakaszokon – a szürkevas régiók mellett részleges fehérvas képződés következik be. Ezt "foltos" mikrostruktúra kiszámíthatatlan és nem egyenletes keménységet ad, ami inkonzisztenssé teszi a megmunkálást és megbízhatatlanná a mechanikai teljesítményt. A szándékos hűtött öntvénytervek kivételével minden hibának számít.
A szén soha nem cselekszik egyedül. A szilícium az öntöttvas legerősebb grafitizáló eleme, és a szénnel közvetlenül együttműködve határozza meg a végső mikroszerkezetet. A kereskedelemben kapható öntöttvas szilíciumtartalma általában a 1,0% és 3,0% között .
Ez az oka annak, hogy a szén meghatározása önmagában nem elegendő – az öntödei mérnökök mindig együtt adják meg a szenet és a szilíciumot, és általában a CE-t figyelik kompozit szabályozási paraméterként.
A széntartalom szabályozása a gyártás során egyszerre kémia és folyamattudomány. A következő módszerek bevett gyakorlatok a modern öntödékben:
A széntartalom az öntöttvaskohászat fő változója – de hatása mindig a hűtési sebességgel, a szilíciumtartalommal és a feldolgozási körülményekkel való kölcsönhatásban fejeződik ki. Az összes szén meghatározza, hogy mennyi grafit vagy karbid képződhet; a feldolgozási környezet határozza meg, hogy melyik. Legyen szó a szürkevas csillapítási képességéről, a fehérvas kopásállóságáról vagy a gömbgrafitos öntöttvas szívósságáról, a konzisztens öntési minőség elérése a precíz szén-dioxid-szabályozással kezdődik, amelyet valós idejű olvadékelemzés támogat. Az öntödei mérnökök és az öntvényvásárlók számára a szén meghatározása és ellenőrzése – mindig a szilícium és a CE mellett – nem kötelező; ez minden minőségi casting kiindulópontja.
