Obsah uhlíka je jedinou najvplyvnejšou premennou v metalurgii liatiny. Liatina je definovaný obsahom uhlíka 2,0 % až 4,5 % hmotn — vysoko nad rozsahom 0,02 – 2,0 % ocele. V rámci tohto rozsahu môže aj 0,3% posun uhlíka zásadne zmeniť mikroštruktúru odliatku, mechanickú pevnosť, tvrdosť, opracovateľnosť a tepelné správanie. Pochopenie toho, ako uhlík interaguje so železom – a s inými legovacími prvkami – je základom výroby odliatkov, ktaleboé spoľahlivo fungujú v prevádzke.
Na rozdiel od ocele, kde je uhlík udržiavaný na nízkej úrovni, aby sa maximalizovala ťažnosť a húževnatosť, si liatina zámerne zachováva vysoké hladiny uhlíka, aby sa dosiahla vynikajúca zlievateľnosť, tlmenie vibrácií a odolnosť proti opotrebeniu. Kľúčový rozdiel spočíva v tom, akú formu má uhlík v stuhnutej kovovej matrici.
Uhlík v liatine existuje v jednej z dvoch základných foriem: as voľný grafit (elementárny uhlík vyzrážaný pri tuhnutí) alebo ako karbid železa (Fe₃C, tiež nazývaný cementit) . Ktorá forma dominuje, je určená obsahom uhlíka, rýchlosťou ochladzovania a prítomnosťou ďalších prvkov - najmä kremíka. Toto rozlíšenie nie je kozmetické; určuje, či je železo sivé, biele, kujné alebo tvárne – každé s úplne odlišnými mechanickými vlastnosťami.
Rôzne druhy liatiny nie sú svojvoľnými kategóriami – sú výsledkom zámerne kontrolovaných rozsahov uhlíka v kombinácii so špecifickými podmienkami spracovania.
| Typ liatina | Obsah uhlíka (%) | Uhlíková forma | Kľúčové vlastnosti |
|---|---|---|---|
| Šedé železo | 2,5 – 4,0 % | Vločkový grafit | Dobrá opracovateľnosť, vysoké tlmenie, nízka pevnosť v ťahu |
| Biele železo | 1,8 – 3,6 % | Cementit (Fe₃C) | Extrémne tvrdý, krehký, vynikajúca odolnosť proti opotrebeniu |
| Kujné železo | 2,0 – 2,9 % | Temperovaný uhlík (rozety) | Dobrá ťažnosť po žíhaní, odolná proti nárazu |
| Tvárne (nodulárne) železo | 3,2 – 4,2 % | Guľôčkový grafit | Vysoká pevnosť v ťahu, ťažnosť, odolnosť proti únave |
| Lisované grafitové železo | 3,1 – 4,0 % | Vermikulárny (červovitý) grafit | Stredná medzi sivou a tvárnou liatinou |
Uhlík nepôsobí izolovane. Kremík a fosfor tiež prispievajú k efektívnemu "uhlíkovému" správaniu taveniny. Zlievárenskí inžinieri používajú Vzorec uhlíkovej ekvivalencie (CE). zohľadniť tieto interakcie:
CE = %C (%Si %P) / 3
Čisté železo tuhne pri 1 538 °C. Eutektický bod systému železo-uhlík nastáva pri CE = 4,3 % , čo je kompozícia s najnižšou teplotou topenia (~1 150 °C) a najlepšou tekutosťou. Väčšina komerčnej šedej liatiny sa zameriava na CE 3,9 – 4,3 % na vyváženie zlievateľnosti s mechanickým výkonom.
Vzťah medzi obsahom uhlíka a mechanickými vlastnosťami nie je lineárny – silne závisí od toho, ako je uhlík distribuovaný v matrici. Existujú však jasné smerové trendy.
V šedej železe sa všeobecne zvyšuje celkový uhlík znižuje pevnosť v ťahu pretože viac a hrubších grafitových vločiek pôsobí ako koncentrátory napätia. Sivá liatina zvyčajne dosahuje pevnosť v ťahu 150 – 400 MPa , v porovnaní s 400 – 900 MPa pre tvárnu liatinu, kde je rovnaký uhlík prítomný skôr ako guľôčky ako vločky. Na morfológii grafitu záleží viac ako na celkovom percente uhlíka.
Vyšší uhlík vo forme cementitu (biele železo) dramaticky zvyšuje tvrdosť – biele železo zvyčajne dosahuje 400 – 700 HBW , v porovnaní s 150 – 300 HBW pre šedú liatinu. Je to však za cenu takmer nulovej ťažnosti. Pri chladených odliatkoch sa zámerne vytvára povrchová vrstva z tvrdého bieleho železa na opotrebovaných povrchoch, zatiaľ čo objem zostáva sivý.
Sivá liatina má v podstate nulová ťažnosť (predĺženie < 0,5 %) v dôsledku grafitových vločiek pôsobiacich ako vnútorné zárezy. Tvárna liatina s rovnakým alebo vyšším uhlíkom, ale v nodulárnej forme, dosahuje hodnoty predĺženia 2 – 18 % v závislosti od kvality – dramatické zlepšenie umožnené len zmenou morfológie grafitu úpravou horčíkom, nie redukciou uhlíka.
Voľný grafit pôsobí pri obrábaní ako zabudované mazivo, a preto šedá liatina je jedným z najľahšie obrábateľných kovov . Vyšší obsah grafitu (vyšší obsah uhlíka v sivej liatine) vo všeobecnosti zlepšuje obrobiteľnosť. Naproti tomu biele železo sa mimoriadne ťažko obrába kvôli jeho obsahu cementitu a zvyčajne sa používa len v odlievanej alebo mletej forme.
Okrem mechanických vlastností obsah uhlíka priamo ovplyvňuje výskyt bežných chýb odliatku – niektoré sú spôsobené príliš veľkým množstvom uhlíka, iné príliš malým množstvom uhlíka.
Uhlík aj kremík podporujú expanzia grafitu počas tuhnutia . Keď sa grafit vyzráža, objemovo expanduje, čím čiastočne pôsobí proti zmršťovaniu, ku ktorému dochádza pri ochladzovaní tekutého kovu. Vyšší obsah uhlíka v sivej liatine (CE blízko 4,3 %) vytvára dostatočnú expanziu grafitu takmer nulové čisté zmrštenie , čím sa znižuje potreba veľkých stúpačiek. Šedá liatina s nižším obsahom uhlíka (CE ~3,6 %) môže vykazovať čisté zmrštenie 0,5 – 1,5 % vyžadujúci starostlivý návrh stúpačky.
V hypereutektických žehličkách (CE > 4,3 %) sa primárny grafit pred eutektickou reakciou vyzráža a môže plávať na horný povrch odliatku alebo formy. Toto „kišský“ grafit vytvára povrchové dutiny, inklúzie a kozmetické defekty. Kontrola uhlíka pod hypereutektickým prahom zabraňuje tvorbe kish.
Keď sa obsah uhlíka a rýchlosť ochladzovania nezhodujú – najmä v tenkých rezoch s hraničným CE – dochádza k čiastočnej tvorbe bieleho železa popri oblastiach šedej liatiny. Toto „škvrnitá“ mikroštruktúra produkuje nepredvídateľnú a nerovnomernú tvrdosť, vďaka čomu je obrábanie nekonzistentné a mechanický výkon nespoľahlivý. Považuje sa za chybu vo všetkých dizajnoch odliatkov okrem zámerných chladených odliatkov.
Karbón nikdy nepôsobí sám. Kremík je najsilnejší grafitizačný prvok v liatine a pracuje v priamom partnerstve s uhlíkom na určenie konečnej mikroštruktúry. Obsah kremíka v komerčnej liatine sa zvyčajne pohybuje od 1,0 % až 3,0 % .
To je dôvod, prečo je špecifikácia uhlíka sama o sebe nedostatočná – zlievarenskí inžinieri vždy špecifikujú uhlík aj kremík spolu a zvyčajne monitorujú CE ako parameter kontroly kompozitu.
Kontrola obsahu uhlíka vo výrobe je chémia aj procesná disciplína. Nasledujúce metódy sú štandardnou praxou v moderných zlievarniach:
Obsah uhlíka je hlavnou premennou metalurgie liatiny – ale jeho účinok je vždy vyjadrený jeho interakciou s rýchlosťou chladenia, obsahom kremíka a podmienkami spracovania. Celkový uhlík určuje, koľko grafitu alebo karbidu môže vzniknúť; prostredie spracovania určuje, ktorý z nich robí. Či už je cieľom tlmiaca schopnosť sivej liatiny, odolnosť bielej liatiny proti opotrebeniu alebo húževnatosť tvárnej liatiny, dosiahnutie konzistentnej kvality odlievania začína presnou kontrolou uhlíka podporovanou analýzou taveniny v reálnom čase. Pre zlievarenských inžinierov a zákazníkov odliatkov nie je špecifikácia a overenie uhlíka – vždy spolu s kremíkom a CE – voliteľná; je to východiskový bod každého kvalitného odliatku.
