Kandungan karbon adalah pembolehubah tunggal yang paling berpengaruh dalam metalurgi besi tuang. Besi tuang ditakrifkan oleh kandungan karbon 2.0% hingga 4.5% mengikut berat — jauh melebihi julat keluli 0.02–2.0%. Dalam julat ini, walaupun anjakan 0.3% dalam karbon pada asasnya boleh mengubah struktur mikro tuangan, kekuatan mekanikal, kekerasan, kebolehmesinan dan kelakuan terma. Memahami cara karbon berinteraksi dengan besi — dan dengan unsur pengaloian lain — adalah asas untuk menghasilkan tuangan yang berprestasi boleh dipercayai dalam perkhidmatan.
Tidak seperti keluli, di mana karbon dikekalkan rendah untuk memaksimumkan kemuluran dan keliatan, besi tuang sengaja mengekalkan tahap karbon tinggi untuk mencapai kebolehtuangan yang unggul, redaman getaran dan rintangan haus. Perbezaan utama terletak pada bentuk karbon dalam matriks logam pepejal.
Karbon dalam besi tuang wujud dalam salah satu daripada dua bentuk utama: sebagai grafit percuma (karbon unsur dimendakkan semasa pemejalan) atau sebagai karbida besi (Fe₃C, juga dipanggil simentit) . Bentuk mana yang mendominasi ditentukan oleh kandungan karbon, kadar penyejukan, dan kehadiran unsur lain — terutamanya silikon. Perbezaan ini bukan kosmetik; ia mentakrifkan sama ada besi itu kelabu, putih, boleh ditempa atau mulur — masing-masing mempunyai sifat mekanikal yang sangat berbeza.
Gred besi tuang yang berbeza bukanlah kategataui sewenang-wenangnya — ia adalah hasil daripada julat karbon yang dikawal dengan sengaja digabungkan dengan keadaan pemprosesan tertentu.
| Jenis Besi Tuang | Kandungan Karbon (%) | Bentuk Karbon | Ciri-ciri Utama |
|---|---|---|---|
| Besi Kelabu | 2.5 – 4.0% | Serpihan grafit | Kebolehmesinan yang baik, redaman tinggi, kekuatan tegangan rendah |
| Besi Putih | 1.8 – 3.6% | Simentit (Fe₃C) | Sangat keras, rapuh, rintangan haus yang sangat baik |
| Besi Mudah Tempa | 2.0 – 2.9% | Karbon temper (roset) | Kemuluran yang baik selepas penyepuhlindapan, tahan hentaman |
| Besi mulur (Nodular). | 3.2 – 4.2% | Grafit spheroidal | Kekuatan tegangan tinggi, kemuluran, rintangan keletihan |
| Besi Grafit Padat | 3.1 – 4.0% | Vermikular (seperti cacing) grafit | Perantaraan antara besi kelabu dan mulur |
Karbon tidak bertindak secara berasingan. Silikon dan fosforus juga menyumbang kepada tingkah laku "seperti karbon" leburan yang berkesan. Jurutera faundri menggunakan Formula Kesetaraan Karbon (CE). untuk mengambil kira interaksi ini:
CE = %C (%Si %P) / 3
Besi tulen memejal pada 1,538°C. Titik eutektik sistem besi-karbon berlaku pada CE = 4.3% , iaitu komposisi dengan takat lebur terendah (~1,150°C) dan kecairan terbaik. Kebanyakan besi kelabu komersial menyasarkan CE sebanyak 3.9–4.3% untuk mengimbangi kebolehtuangan dengan prestasi mekanikal.
Hubungan antara kandungan karbon dan sifat mekanikal adalah tidak linear — ia banyak bergantung pada cara karbon diagihkan dalam matriks. Walau bagaimanapun, arah aliran yang jelas wujud.
Dalam besi kelabu, meningkatkan jumlah karbon secara amnya mengurangkan kekuatan tegangan kerana kepingan grafit yang lebih dan lebih kasar bertindak sebagai penumpu tegasan. Besi kelabu biasanya mencapai kekuatan tegangan 150–400 MPa , berbanding dengan 400–900 MPa untuk besi mulur di mana karbon yang sama hadir sebagai sfera dan bukannya kepingan. Morfologi grafit lebih penting daripada jumlah peratusan karbon.
Karbon yang lebih tinggi dalam bentuk simentit (besi putih) meningkatkan kekerasan secara mendadak — besi putih biasanya mencapai 400–700 HBW , berbanding dengan 150–300 HBW untuk besi kelabu. Walau bagaimanapun, ini datang pada kos kemuluran hampir sifar. Dalam tuangan sejuk, lapisan permukaan besi putih keras sengaja dicipta pada permukaan haus manakala pukal kekal kelabu.
Besi kelabu mempunyai pada asasnya kemuluran sifar (pemanjangan <0.5%) disebabkan oleh kepingan grafit yang bertindak sebagai takuk dalaman. Besi mulur, dengan karbon yang sama atau lebih tinggi tetapi dalam bentuk nodular, mencapai nilai pemanjangan 2–18% bergantung pada gred — peningkatan dramatik didayakan semata-mata dengan menukar morfologi grafit melalui rawatan magnesium, bukan dengan mengurangkan karbon.
Grafit percuma bertindak sebagai pelincir terbina dalam semasa pemesinan, itulah sebabnya besi kelabu adalah salah satu logam yang paling mudah untuk dimesin . Kandungan grafit yang lebih tinggi (karbon yang lebih tinggi dalam besi kelabu) secara amnya meningkatkan kebolehmesinan. Besi putih, sebaliknya, amat sukar untuk dimesin kerana kandungan simentitnya dan biasanya digunakan dalam bentuk as-cast atau tanah sahaja.
Di luar sifat mekanikal, kandungan karbon secara langsung mempengaruhi berlakunya kecacatan tuangan biasa — sesetengahnya disebabkan oleh terlalu banyak karbon, yang lain disebabkan oleh terlalu sedikit.
Karbon dan silikon kedua-duanya menggalakkan pengembangan grafit semasa pemejalan . Apabila grafit memendakan, ia mengembang secara isipadu, sebahagiannya mengimbangi pengecutan yang berlaku apabila logam cecair menyejuk. Kandungan karbon yang lebih tinggi dalam besi kelabu (CE hampir 4.3%) menghasilkan pengembangan grafit yang mencukupi untuk dicapai pengecutan bersih hampir sifar , mengurangkan keperluan untuk riser besar. Besi kelabu karbon rendah (CE ~3.6%) mungkin menunjukkan pengecutan bersih 0.5–1.5% , memerlukan reka bentuk riser yang teliti.
Dalam besi hipereutektik (CE > 4.3%), grafit primer memendakan sebelum tindak balas eutektik dan boleh terapung ke permukaan atas tuangan atau acuan. ini "kish" grafit mewujudkan lompang permukaan, kemasukan, dan kecacatan kosmetik. Mengawal karbon di bawah ambang hipereutektik menghalang pembentukan kish.
Apabila kandungan karbon dan kadar penyejukan tidak sepadan — terutamanya dalam bahagian nipis dengan garis sempadan CE — pembentukan separa besi putih berlaku bersama kawasan besi kelabu. ini struktur mikro "berbintik-bintik". menghasilkan kekerasan yang tidak dapat diramalkan dan tidak seragam, menjadikan pemesinan tidak konsisten dan prestasi mekanikal tidak boleh dipercayai. Ia dianggap sebagai kecacatan dalam semua reka bentuk tuangan sejuk yang disengajakan.
Karbon tidak pernah bertindak sendirian. Silikon ialah unsur grafit yang paling berkuasa dalam besi tuang dan berfungsi secara perkongsian langsung dengan karbon untuk menentukan struktur mikro akhir. Kandungan silikon dalam besi tuang komersial biasanya berkisar dari 1.0% hingga 3.0% .
Inilah sebabnya mengapa menentukan karbon sahaja tidak mencukupi - jurutera faundri sentiasa menentukan kedua-dua karbon dan silikon bersama-sama, dan biasanya memantau CE sebagai parameter kawalan komposit.
Mengawal kandungan karbon dalam pengeluaran adalah kedua-dua kimia dan disiplin proses. Kaedah-kaedah berikut adalah amalan standard dalam pengecoran moden:
Kandungan karbon ialah pembolehubah induk metalurgi besi tuang — tetapi kesannya sentiasa dinyatakan melalui interaksinya dengan kadar penyejukan, kandungan silikon dan keadaan pemprosesan. Jumlah karbon menentukan berapa banyak grafit atau karbida boleh terbentuk; persekitaran pemprosesan menentukan yang mana satu melakukannya. Sama ada matlamatnya ialah kapasiti redaman besi kelabu, rintangan haus besi putih, atau keliatan besi mulur, mencapai kualiti tuangan yang konsisten bermula dengan kawalan karbon tepat yang disokong oleh analisis cair masa nyata. Untuk jurutera faundri dan pembeli tuangan, menyatakan dan mengesahkan karbon — sentiasa bersama silikon dan CE — bukan pilihan; ia adalah titik permulaan setiap pemutus kualiti.
