Углерод является важнейшим легирующим элементом жаропрочных литейных сталей. Он напрямую влияет на жаропрочность, сопротивление ползучести, поведение при окислении, литейные качества и микроструктурную стабильность.
Типичное содержание углерода в жаропрочных литых сталях колеблется от 0,07 до 0,75 процентов по весу и сильно варьируется в зависимости от марки и применения. Низкие уровни углерода (от 0,07 до 0,15 процента) используются в мартенситных сталях с высоким содержанием хрома для корпусов паровых турбин, работающих при температуре около 600 градусов Цельсия, где требуются хорошая ударная вязкость и свариваемость. Промежуточные диапазоны от 0,2 до 0,5 процента характерны для многих аустенитных жаропрочных марок, используемых в компонентах печей, выпускных коллекторах и трубах риформинга. Высокие уровни углерода (до 0,75 процента) наблюдаются в некоторых никель-хромовых марках для применений с чрезвычайно высокой стойкостью к ползучести, таких как трубы печей крекинга этилена.
Углерод действует главным образом как стабилизатор аустенита и карбидообразователь. При высоких температурах углерод соединяется с хромом, ниобием, вольфрамом и другими карбидообразующими элементами, образуя стабильные выделения, такие как карбиды типов M23C6 и M7C3. Эти карбиды закрепляют границы зерен, препятствуют движению дислокаций и обеспечивают дисперсионное упрочнение, что существенно улучшает сопротивление ползучести и свойства высокотемпературного растяжения.
Однако содержание углерода должно быть тщательно сбалансировано. Увеличение содержания углерода увеличивает твердость и предел текучести при комнатной температуре, но снижает пластичность и ударную вязкость. Избыточный углерод приводит к образованию крупных карбидных сеток на границах зерен, что может сделать материал хрупким и снизить сопротивление термической усталости. В сплавах с высоким содержанием хрома высокое содержание углерода также связывает хром в карбидах, потенциально уменьшая количество хрома, доступного для образования защитного оксидного слоя Cr2O3, тем самым уменьшая стойкость к окислению. По этой причине жаропрочные марки, требующие превосходной стойкости к окислению, часто сохраняют содержание углерода в умеренном диапазоне от 0,2 до 0,4 процента при добавлении сильных карбидообразователей, таких как ниобий, для достижения упрочнения без потребления избыточного хрома.
Литейные качества также улучшаются при повышении содержания углерода. Углерод увеличивает текучесть расплавленного металла, уменьшает усадочную пористость и помогает предотвратить образование горячих разрывов. Это особенно важно для отливок сложной формы, таких как печные валки, колосники и трубы риформинга.
Типичные примеры включают ZG40Cr25Ni20Si2 с содержанием углерода примерно 0,4 процента для сбалансированной прочности и ударной вязкости, а также низкоуглеродистые мартенситные марки, содержащие от 0,08 до 0,13 процента углерода, для применения в паровых турбинах. Во всех случаях оптимальное содержание углерода определяется конкретной рабочей температурой, условиями механической нагрузки, коррозионной средой и требуемым сроком службы компонентов.
