Conținutul de carbon este singura variabilă cea mai influentă în metalurgia fontei. Fontă este definită de un conținut de carbon de 2,0% până la 4,5% în greutate — mult peste intervalul 0,02–2,0% al oțelului. În acest interval, chiar și o schimbare de 0,3% a carbonului poate modifica în mod fundamental microstructura unei turnări, rezistența mecanică, duritatea, prelucrabilitatea și compsautamentul termic. Înțelegerea modului în care carbonul interacționează cu fierul - și cu alte elemente de aliere - este fundamentul producerii de piese turnate care funcționează fiabil în exploatare.
Spre deosebire de oțel, unde carbonul este menținut la un nivel scăzut pentru a maximiza ductilitatea și duritatea, fonta păstrează în mod deliberat niveluri ridicate de carbon pentru a obține o capacitate superioară de turnare, amortizare a vibrațiilor și rezistență la uzură. Distincția cheie constă în ce formă ia carbonul în matricea metalică solidificată.
Carbonul din fontă există în una dintre cele două forme primare: ca grafit liber (carbon elementar precipitat în timpul solidificării) sau ca carbură de fier (Fe₃C, numită și cementită) . Forma dominantă este determinată de conținutul de carbon, viteza de răcire și prezența altor elemente, în special siliciul. Această distincție nu este cosmetică; definește dacă fierul este gri, alb, maleabil sau ductil - fiecare cu proprietăți mecanice profund diferite.
Diferitele grade de fontă nu sunt categorii arbitrare - ele sunt rezultatul unor game de carbon controlate în mod deliberat, combinate cu condiții specifice de procesare.
| Tip Fonta | Conținut de carbon (%) | Forma de carbon | Caracteristici cheie |
|---|---|---|---|
| Fierul Gri | 2,5 – 4,0% | Fulgi de grafit | Prelucrabilitate bună, amortizare ridicată, rezistență scăzută la tracțiune |
| Fier alb | 1,8 – 3,6% | Cementită (Fe₃C) | Extrem de dur, fragil, rezistență excelentă la uzură |
| Fier maleabil | 2,0 – 2,9% | Carbon temperat (rozete) | Ductilitate bună după recoacere, rezistent la impact |
| Fier ductil (nodular). | 3,2 – 4,2% | Grafit sferoidal | Rezistență ridicată la tracțiune, ductilitate, rezistență la oboseală |
| Fier de grafit compactat | 3,1 – 4,0% | Grafit vermicular (asemănător viermilor). | Intermediar între fonta cenușie și ductilă |
Carbonul nu acționează izolat. Siliciul și fosforul contribuie, de asemenea, la comportamentul eficient „asemănător carbonului” al topiturii. Inginerii de turnătorie folosesc Formula de echivalență a carbonului (CE). pentru a lua în considerare aceste interacțiuni:
CE = %C (%Si %P) / 3
Fierul pur se solidifică la 1.538°C. Punctul eutectic al sistemului fier-carbon are loc la CE = 4,3% , care este compoziția cu cel mai scăzut punct de topire (~1.150°C) și cea mai bună fluiditate. Majoritatea fierului gri comercial vizează un CE de 3,9–4,3% pentru a echilibra castabilitate cu performanța mecanică.
Relația dintre conținutul de carbon și proprietățile mecanice nu este liniară - depinde în mare măsură de modul în care este distribuit carbonul în matrice. Cu toate acestea, există tendințe direcționale clare.
În fier cenușiu, creșterea carbonului total în general reduce rezistența la tracțiune deoarece fulgii de grafit mai mulți și mai grosieri acționează ca concentratori de stres. Fierul cenușiu atinge de obicei rezistențe la tracțiune de 150–400 MPa , comparativ cu 400–900 MPa pentru fonta ductilă unde același carbon este prezent ca sfere, mai degrabă decât fulgi. Morfologia grafitului contează mai mult decât procentul total de carbon.
Carbonul mai mare sub formă de cementită (fier alb) crește dramatic duritatea - fierul alb ajunge de obicei 400–700 HBW , comparativ cu 150–300 HBW pentru fier gri. Cu toate acestea, acest lucru vine cu prețul unei ductilități aproape de zero. În turnările răcite, un strat de suprafață de fier alb dur este creat în mod intenționat la suprafețele de uzură, în timp ce volumul rămâne gri.
Fierul gri are ductilitate în esență zero (alungire <0,5%) datorită fulgilor de grafit care acționează ca crestături interne. Fonta ductilă, cu același carbon sau mai mare, dar sub formă nodulară, atinge valori de alungire de 2–18% în funcție de grad - o îmbunătățire dramatică posibilă numai prin schimbarea morfologiei grafitului prin tratamentul cu magneziu, nu prin reducerea carbonului.
Grafitul liber acționează ca un lubrifiant încorporat în timpul prelucrării, motiv pentru care fierul gri este unul dintre cele mai ușor de prelucrat . Conținutul mai mare de grafit (carbon mai mare în fierul gri) îmbunătățește, în general, prelucrabilitatea. Fierul alb, dimpotrivă, este extrem de dificil de prelucrat datorită conținutului său de cementită și este utilizat în mod obișnuit numai în formă turnată sau măcinată.
Dincolo de proprietățile mecanice, conținutul de carbon afectează direct apariția defectelor comune de turnare - unele cauzate de prea mult carbon, altele de prea puțin.
Carbonul și siliciul promovează ambele expansiunea grafitului în timpul solidificării . Pe măsură ce grafitul precipită, acesta se extinde volumetric, contracarând parțial contracția care apare pe măsură ce metalul lichid se răcește. Conținutul mai mare de carbon în fierul cenușiu (CE aproape de 4,3%) produce o expansiune suficientă a grafitului pentru a fi realizată contracție netă aproape de zero , reducând nevoia de ridicări mari. Fierul cenușiu carbon mai scăzut (CE ~ 3,6%) poate prezenta o contracție netă a 0,5–1,5% , necesitând o proiectare atentă a montantului.
În fierurile hipereutectice (CE > 4,3%), grafitul primar precipită înainte de reacția eutectică și poate pluti pe suprafața superioară a turnării sau matriței. Aceasta grafit „kish”. creează goluri de suprafață, incluziuni și defecte cosmetice. Controlul carbonului sub pragul hipereutectic previne formarea kish.
Când conținutul de carbon și viteza de răcire sunt nepotrivite - în special în secțiunile subțiri cu CE limită - formarea parțială de fier alb are loc alături de regiunile de fier gri. Aceasta microstructură „pestrită”. produce o duritate imprevizibilă și neuniformă, făcând prelucrarea inconsistentă și performanța mecanică nesigură. Este considerat un defect în toate modelele de turnare refrigerată, cu excepția celor intenționate.
Carbonul nu acționează niciodată singur. Siliciul este cel mai puternic element de grafitizare din fontă și funcționează în parteneriat direct cu carbonul pentru a determina microstructura finală. Conținutul de siliciu din fonta comercială variază de obicei de la 1,0% până la 3,0% .
Acesta este motivul pentru care specificarea doar a carbonului este insuficientă - inginerii de turnătorie specifică întotdeauna atât carbonul, cât și siliciul împreună și, de obicei, monitorizează CE ca parametru de control al compozitului.
Controlul conținutului de carbon în producție este atât o disciplină chimică, cât și o disciplină de proces. Următoarele metode sunt o practică standard în turnătoriile moderne:
Conținutul de carbon este variabila principală a metalurgiei fontei - dar efectul său este întotdeauna exprimat prin interacțiunea cu viteza de răcire, conținutul de siliciu și condițiile de procesare. Carbonul total determină cât de mult grafit sau carbură se poate forma; mediul de procesare determină pe care o face. Indiferent dacă scopul este capacitatea de amortizare a fierului cenușiu, rezistența la uzură a fierului alb sau duritatea fontei ductile, obținerea unei calități consistente a turnării începe cu un control precis al carbonului susținut de analiza topiturii în timp real. Pentru inginerii de turnătorie și cumpărătorii de turnare deopotrivă, specificarea și verificarea carbonului - întotdeauna alături de siliciu și CE - nu este opțională; este punctul de plecare al oricărei turnări de calitate.
