Ang nilalaman ng carbon ay ang nag-iisang pinaka-maimpluwensyang variable sa cast iron metalurgy. Cast iron ay tinukoy ng nilalaman ng carbon na 2.0% hanggang 4.5% ayon sa timbang — malayo sa itaas ng 0.02–2.0% na hanay ng bakal. Sa loob ng saklaw na ito, kahit na ang isang 0.3% na pagbabago sa carbon ay maaaring mabago sa panimula ang microstructure ng casting, lakas ng makina, tigas, kakayahang magamit, at pag-uugali ng thermal. Ang pag-unawa sa kung paano nakikipag-ugnayan ang carbon sa bakal — at sa iba pang mga elemento ng haluang metal — ang pundasyon ng paggawa ng mga casting na gumagana nang mapagkakatiwalaan sa serbisyo.
Hindi tulad ng bakal, kung saan ang carbon ay pinananatiling mababa upang ma-maximize ang ductility at toughness, ang cast iron ay sadyang nagpapanatili ng mataas na antas ng carbon upang makamit ang superio castability, vibration damping, at wear resistance. Ang pangunahing pagkakaiba ay nasa kung anong anyo ang kinuha ng carbon sa loob ng solidified metal matrix.
Ang carbon sa cast iron ay umiiral sa isa sa dalawang pangunahing anyo: bilang libreng grapayt (elemental na carbon na namuo sa panahon ng solidification) o bilang iron carbide (Fe₃C, tinatawag ding cementite) . Aling anyo ang nangingibabaw ay tinutukoy ng nilalaman ng carbon, bilis ng paglamig, at pagkakaroon ng iba pang mga elemento — partikular ang silicon. Ang pagkakaibang ito ay hindi kosmetiko; ito ay tumutukoy kung ang bakal ay kulay abo, puti, malleable, o ductile - bawat isa ay may malalim na magkakaibang mga mekanikal na katangian.
Ang iba't ibang grado ng cast iron ay hindi mga arbitrary na kategorya — ang mga ito ay resulta ng sadyang kinokontrol na mga hanay ng carbon na sinamahan ng mga partikular na kondisyon sa pagproseso.
| Uri ng Cast Iron | Nilalaman ng Carbon (%) | Anyo ng Carbon | Mga Pangunahing Katangian |
|---|---|---|---|
| Gray na bakal | 2.5 – 4.0% | Matuklap na grapayt | Magandang machinability, mataas na pamamasa, mababang lakas ng makunat |
| Puting Bakal | 1.8 – 3.6% | Cementite (Fe₃C) | Lubhang matigas, malutong, mahusay na paglaban sa pagsusuot |
| Mapatunaw na Bakal | 2.0 – 2.9% | Temper carbon (mga rosette) | Magandang ductility pagkatapos ng pagsusubo, lumalaban sa epekto |
| Malagkit (Nodular) Iron | 3.2 – 4.2% | Spheroidal graphite | Mataas na lakas ng makunat, kalagkitan, paglaban sa pagkapagod |
| Compacted Graphite Iron | 3.1 – 4.0% | Vermicular (tulad ng uod) grapayt | Intermediate sa pagitan ng gray at ductile iron |
Ang carbon ay hindi kumikilos sa paghihiwalay. Ang silikon at posporus ay nag-aambag din sa epektibong "tulad ng carbon" na pag-uugali ng matunaw. Ginagamit ng mga inhinyero ng pandayan ang Formula ng Carbon Equivalency (CE). upang isaalang-alang ang mga pakikipag-ugnayang ito:
CE = %C (%Si %P) / 3
Ang purong bakal ay nagpapatigas sa 1,538°C. Ang eutectic point ng iron-carbon system ay nangyayari sa CE = 4.3% , na siyang komposisyon na may pinakamababang punto ng pagkatunaw (~1,150°C) at ang pinakamahusay na pagkalikido. Karamihan sa mga komersyal na kulay abong bakal ay nagta-target ng isang CE ng 3.9–4.3% upang balansehin ang castability sa mekanikal na pagganap.
Ang ugnayan sa pagitan ng nilalaman ng carbon at mga mekanikal na katangian ay hindi linear - ito ay lubos na nakasalalay sa kung paano ipinamamahagi ang carbon sa loob ng matrix. Gayunpaman, umiiral ang malinaw na direksyon ng mga uso.
Sa kulay abong bakal, ang pagtaas ng kabuuang carbon sa pangkalahatan binabawasan ang lakas ng makunat dahil mas marami at mas magaspang na graphite flakes ang nagsisilbing stress concentrators. Karaniwang nakakamit ng gray na bakal ang tensile strengths ng 150–400 MPa , kumpara sa 400–900 MPa para sa ductile iron kung saan ang parehong carbon ay naroroon bilang mga sphere sa halip na mga natuklap. Ang graphite morphology ay mas mahalaga kaysa sa kabuuang porsyento ng carbon.
Ang mas mataas na carbon sa anyo ng cementite (white iron) ay nagpapataas ng katigasan - ang puting bakal ay karaniwang umaabot 400–700 HBW , kumpara sa 150–300 HBW para sa kulay abong bakal. Gayunpaman, ito ay dumating sa halaga ng malapit-zero ductility. Sa mga pinalamig na casting, ang isang matigas na puting bakal na layer ng ibabaw ay sadyang ginawa sa mga ibabaw ng pagsusuot habang ang bulk ay nananatiling kulay abo.
Ang kulay abong bakal ay mayroon mahalagang zero ductility (pagpahaba <0.5%) dahil sa mga graphite flakes na kumikilos bilang mga panloob na bingaw. Ang ductile iron, na may pareho o mas mataas na carbon ngunit nasa nodular form, ay nakakamit ng mga elongation value ng 2–18% depende sa grado — isang dramatikong pagpapabuti na pinagana lamang sa pamamagitan ng pagbabago ng graphite morphology sa pamamagitan ng paggamot sa magnesium, hindi sa pamamagitan ng pagbabawas ng carbon.
Ang libreng grapayt ay gumaganap bilang isang built-in na pampadulas sa panahon ng machining, kaya naman ang kulay abong bakal ay isa sa mga pinakamadaling metal sa makina . Ang mas mataas na graphite content (mas mataas na carbon sa gray iron) ay karaniwang nagpapabuti sa machinability. Ang puting bakal, sa kabilang banda, ay napakahirap i-machine dahil sa nilalaman nitong cementite at kadalasang ginagamit sa as-cast o ground form lamang.
Higit pa sa mga mekanikal na katangian, ang nilalaman ng carbon ay direktang nakakaapekto sa paglitaw ng mga karaniwang depekto sa pag-cast — ang ilan ay dulot ng sobrang dami ng carbon, ang iba ay masyadong maliit.
Parehong nagpo-promote ang carbon at silicon pagpapalawak ng grapayt sa panahon ng solidification . Habang namuo ang grapayt, lumalawak ito nang volumetric, bahagyang sumasalungat sa pag-urong na nangyayari habang lumalamig ang likidong metal. Ang mas mataas na carbon content sa gray iron (CE malapit sa 4.3%) ay gumagawa ng sapat na graphite expansion upang makamit malapit-zero net pag-urong , binabawasan ang pangangailangan para sa malalaking risers. Ang mas mababang carbon grey na bakal (CE ~3.6%) ay maaaring magpakita ng netong pag-urong ng 0.5–1.5% , na nangangailangan ng maingat na disenyo ng riser.
Sa hypereutectic irons (CE > 4.3%), ang pangunahing graphite ay namuo bago ang eutectic reaction at maaaring lumutang sa tuktok na ibabaw ng casting o amag. Ito "kish" grapayt lumilikha ng mga surface voids, inclusions, at cosmetic defects. Ang pagkontrol sa carbon sa ibaba ng hypereutectic threshold ay pumipigil sa pagbuo ng kish.
Kapag hindi tugma ang nilalaman ng carbon at rate ng paglamig — partikular sa manipis na mga seksyon na may borderline na CE — ang bahagyang pagbuo ng puting bakal ay nangyayari sa tabi ng mga rehiyon ng gray na bakal. Ito "may batik-batik" na microstructure gumagawa ng hindi mahuhulaan at hindi pare-parehong katigasan, na ginagawang hindi pantay-pantay ang machining at hindi maaasahan ang pagganap ng makina. Ito ay itinuturing na isang depekto sa lahat maliban sa sinadyang pinalamig na mga disenyo ng paghahagis.
Ang carbon ay hindi kumikilos nang nag-iisa. Ang Silicon ay ang pinakamakapangyarihang elemento ng graphitizing sa cast iron at gumagana sa direktang pakikipagsosyo sa carbon upang matukoy ang panghuling microstructure. Ang nilalaman ng silikon sa komersyal na cast iron ay karaniwang mula sa 1.0% hanggang 3.0% .
Ito ang dahilan kung bakit hindi sapat ang pagtukoy sa carbon lamang - palaging tinutukoy ng mga foundry engineer ang parehong carbon at silicon nang magkasama, at karaniwang sinusubaybayan ang CE bilang ang composite control parameter.
Ang pagkontrol sa nilalaman ng carbon sa produksyon ay parehong kimika at isang disiplina sa proseso. Ang mga sumusunod na pamamaraan ay karaniwang kasanayan sa mga modernong pandayan:
Ang nilalaman ng carbon ay ang pangunahing variable ng metalurhiya ng cast iron — ngunit ang epekto nito ay palaging ipinahayag sa pamamagitan ng pakikipag-ugnayan nito sa bilis ng paglamig, nilalaman ng silikon, at mga kondisyon sa pagproseso. Tinutukoy ng kabuuang carbon kung gaano karaming grapayt o carbide ang maaaring mabuo; tinutukoy ng kapaligiran ng pagpoproseso kung alin ang gagawa. Kung ang layunin ay ang damping capacity ng gray iron, ang wear resistance ng white iron, o ang tigas ng ductile iron, ang pagkamit ng pare-parehong kalidad ng casting ay magsisimula sa tumpak na kontrol sa carbon na sinusuportahan ng real-time na pagsusuri sa pagkatunaw. Para sa mga foundry engineer at casting buyer, ang pagtukoy at pag-verify ng carbon — palaging kasama ng silicon at CE — ay hindi opsyonal; ito ang panimulang punto ng bawat kalidad ng paghahagis.
