Obsah uhlíku je jedinou nejvlivnější proměnnou v metalurgii litiny. Litina je definován obsahem uhlíku 2,0 % až 4,5 % hmotnostních — daleko nad rozsahem 0,02–2,0 % oceli. V tomto rozmezí může i 0,3% posun uhlíku zásadně změnit mikrostrukturu odlitku, mechanickou pevnost, tvrdost, obrobitelnost a tepelné chování. Pochopení toho, jak uhlík interaguje se železem – a s dalšími legujícími prvky – je základem výroby odlitků, které spolehlivě fungují v provozu.
Na rozdíl od oceli, kde je uhlík udržován na nízké úrovni, aby se maximalizovala tažnost a houževnatost, si litina záměrně zachovává vysoké hladiny uhlíku, aby bylo dosaženo vynikající slévatelnosti, tlumení vibrací a odolnosti proti opotřebení. Klíčový rozdíl spočívá v tom, jakou fnebomu má uhlík uvnitř ztuhlé kovové matrice.
Uhlík v litině existuje v jedné ze dvou primárních forem: as volný grafit (elementární uhlík vysrážený při tuhnutí) nebo jako karbid železa (Fe₃C, také nazývaný cementit) . Která forma dominuje, je určeno obsahem uhlíku, rychlostí ochlazování a přítomností dalších prvků — zejména křemíku. Toto rozlišení není kosmetické; určuje, zda je železo šedé, bílé, kujné nebo tvárné – každé má zcela odlišné mechanické vlastnosti.
Různé druhy litiny nejsou libovolnými kategoriemi – jsou výsledkem záměrně kontrolovaných rozsahů uhlíku v kombinaci se specifickými podmínkami zpracování.
| Litinový typ | Obsah uhlíku (%) | Uhlíková forma | Klíčové vlastnosti |
|---|---|---|---|
| Šedé železo | 2,5 – 4,0 % | Vločkový grafit | Dobrá obrobitelnost, vysoké tlumení, nízká pevnost v tahu |
| Bílé železo | 1,8 – 3,6 % | Cementit (Fe₃C) | Extrémně tvrdý, křehký, vynikající odolnost proti opotřebení |
| Kujné železo | 2,0 – 2,9 % | Temperovaný uhlík (rozety) | Dobrá tažnost po žíhání, odolná proti nárazu |
| Tvárné (nodulární) železo | 3,2 – 4,2 % | Sférický grafit | Vysoká pevnost v tahu, tažnost, odolnost proti únavě |
| Zhutněná grafitová žehlička | 3,1 – 4,0 % | Vermikulární (červovitý) grafit | Mezistupeň mezi šedou a tvárnou litinou |
Uhlík nepůsobí izolovaně. K účinnému „uhlíkovému“ chování taveniny přispívají také křemík a fosfor. Slévárenští inženýři používají Vzorec uhlíkové ekvivalence (CE). zohlednit tyto interakce:
CE = %C (%Si %P) / 3
Čisté železo tuhne při 1 538 °C. Eutektický bod systému železo-uhlík nastává v CE = 4,3 % , což je složení s nejnižším bodem tání (~1 150 °C) a nejlepší tekutostí. Většina komerční šedé litiny se zaměřuje na CE 3,9–4,3 % vyvážit slévatelnost s mechanickým výkonem.
Vztah mezi obsahem uhlíku a mechanickými vlastnostmi není lineární – silně závisí na tom, jak je uhlík distribuován v matrici. Existují však jasné směrové trendy.
U šedé litiny obecně zvýšení celkového uhlíku snižuje pevnost v tahu protože více a hrubších grafitových vloček působí jako koncentrátory napětí. Šedá litina obvykle dosahuje pevnosti v tahu 150–400 MPa , ve srovnání s 400–900 MPa pro tvárnou litinu, kde je stejný uhlík přítomen spíše ve formě kuliček než vloček. Na morfologii grafitu záleží více než na celkovém procentu uhlíku.
Vyšší uhlík ve formě cementitu (bílé železo) dramaticky zvyšuje tvrdost — bílé železo obvykle dosahuje 400–700 HBW , ve srovnání s 150–300 HBW pro šedou litinu. To však přichází za cenu téměř nulové tažnosti. U chlazených odlitků se na otěrových površích záměrně vytváří povrchová vrstva tvrdého bílého železa, zatímco objem zůstává šedý.
Šedá litina má v podstatě nulová tažnost (prodloužení <0,5 %) v důsledku grafitových vloček působících jako vnitřní zářezy. Tvárná litina se stejným nebo vyšším uhlíkem, ale v nodulární formě, dosahuje hodnot prodloužení 2–18 % v závislosti na kvalitě – dramatické zlepšení umožněné pouze změnou morfologie grafitu úpravou hořčíkem, nikoli snížením uhlíku.
Volný grafit působí při obrábění jako zabudované mazivo, proto šedá litina je jedním z nejsnáze obrobitelných kovů . Vyšší obsah grafitu (vyšší uhlík v šedé litině) obecně zlepšuje obrobitelnost. Naproti tomu bílé železo je extrémně obtížné obrábět kvůli jeho obsahu cementitu a obvykle se používá pouze v odlévané nebo mleté formě.
Kromě mechanických vlastností má obsah uhlíku přímý vliv na výskyt běžných vad odlitku — některé jsou způsobeny příliš velkým množstvím uhlíku, jiné příliš malým množstvím uhlíku.
Uhlík a křemík podporují oba rozpínání grafitu při tuhnutí . Jak se grafit vysráží, objemově expanduje a částečně působí proti smršťování, ke kterému dochází při ochlazování tekutého kovu. Vyšší obsah uhlíku v šedé litině (CE blízko 4,3 %) vytváří dostatečnou expanzi grafitu téměř nulové čisté smrštění , což snižuje potřebu velkých stoupaček. Šedá litina s nižším obsahem uhlíku (CE ~3,6 %) může vykazovat čisté smrštění 0,5–1,5 % , vyžadující pečlivý návrh stoupačky.
U hypereutektických želez (CE > 4,3 %) se primární grafit před eutektickou reakcí vysráží a může vyplavat na horní povrch odlitku nebo formy. Toto „kish“ grafit vytváří povrchové dutiny, inkluze a kosmetické vady. Kontrola uhlíku pod hypereutektickým prahem zabraňuje tvorbě kish.
Pokud se obsah uhlíku a rychlost ochlazování neshodují – zejména v tenkých úsecích s hraničním CE – dochází vedle oblastí šedé litiny k částečné tvorbě bílého železa. Toto "strakatá" mikrostruktura vytváří nepředvídatelnou a nestejnoměrnou tvrdost, takže obrábění je nekonzistentní a mechanický výkon je nespolehlivý. Považuje se za vadu ve všech provedeních kromě záměrných chlazených odlitků.
Carbon nikdy nepůsobí sám. Křemík je nejvýkonnější grafitizační prvek v litině a pracuje v přímém partnerství s uhlíkem k určení konečné mikrostruktury. Obsah křemíku v komerční litině se obvykle pohybuje od 1,0 % až 3,0 % .
To je důvod, proč je specifikace uhlíku sama o sobě nedostatečná – slévárenští inženýři vždy specifikují uhlík i křemík společně a typicky sledují CE jako kontrolní parametr kompozitu.
Kontrola obsahu uhlíku ve výrobě je jak chemie, tak procesní disciplína. Následující metody jsou standardní praxí v moderních slévárnách:
Obsah uhlíku je hlavní proměnnou metalurgie litiny – ale jeho účinek je vždy vyjádřen jeho interakcí s rychlostí chlazení, obsahem křemíku a podmínkami zpracování. Celkový uhlík určuje, kolik grafitu nebo karbidu se může tvořit; prostředí zpracování určuje, které z nich. Ať už je cílem tlumicí kapacita šedé litiny, odolnost bílé litiny proti opotřebení nebo houževnatost tvárné litiny, dosažení konzistentní kvality odlitků začíná u přesné regulace uhlíku podpořené analýzou taveniny v reálném čase. Pro inženýry sléváren a kupující odlitků není specifikace a ověřování uhlíku – vždy vedle křemíku a CE – volitelné; je to výchozí bod každého kvalitního odlévání.
