Karbon er et kritisk legeringselement i varmebestandige støpte stål. Det påvirker direkte høytemperaturstyrke, krypemotstand, oksidasjonsadferd, støpeevne og mikrostrukturell stabilitet.
Typisk karboninnhold i varmebestandige støpte stål varierer fra ca. 0,07 til 0,75 vektprosent, varierende mye etter kvalitet og bruksområde. Lave karbonnivåer rundt 0,07 til 0,15 prosent brukes i martensittisk stål med høy krom for dampturbinhus som opererer nær 600 grader Celsius, hvor god seighet og sveisbarhet er nødvendig. Mellomområder på 0,2 til 0,5 prosent er vanlige i mange austenittiske varmebestandige kvaliteter for ovnskomponenter, eksosmanifolder og reformerrør. Høye karbonnivåer på opptil 0,75 prosent forekommer i visse nikkel-kromkvaliteter for ekstreme krypbestandige applikasjoner som for eksempel etylen-cracking ovnsrør.
Karbon fungerer først og fremst som en austenittstabilisator og en karbiddanner. Ved høye temperaturer kombineres karbon med krom, niob, wolfram og andre karbiddannende elementer for å skape stabile utfellinger som karbider av typen M23C6 og M7C3. Disse karbidene fester korngrenser, hindrer dislokasjonsbevegelser og gir nedbørsforsterkning, noe som vesentlig forbedrer krypbruddstyrken og høytemperaturstrekkegenskaper.
Imidlertid må karboninnholdet være nøye balansert. Å heve karbon øker hardheten og romtemperatur flytegrensen, men reduserer duktiliteten og slagfastheten. For mye karbon fører til grove karbidnettverk ved korngrensene, som kan sprø materialet og redusere termisk utmattelsesmotstand. I kromrike legeringer binder høyt karbon også krom i karbider, noe som potensielt reduserer tilgjengelig krom for å danne et beskyttende Cr2O3-oksidlag, og dermed redusere oksidasjonsmotstanden. Av denne grunn holder høytemperaturkvaliteter som krever utmerket oksidasjonsmotstand ofte karbon i det moderate området på 0,2 til 0,4 prosent mens det tilsettes sterke karbiddannere som niob for å oppnå styrking uten å forbruke overflødig krom.
Støpbarheten forbedres også med høyere karbon. Karbon øker flyten til det smeltede metallet, reduserer krympeporøsiteten og bidrar til å forhindre varm riving. Dette er spesielt viktig for komplekse støpte former som ovnsruller, riststenger og reformerrør.
Typiske eksempler inkluderer ZG40Cr25Ni20Si2 med omtrent 0,4 prosent karbon for balansert styrke og seighet, og lavkarbon martensittiske kvaliteter som inneholder 0,08 til 0,13 prosent karbon for dampturbinapplikasjoner. I alle tilfeller bestemmes det optimale karboninnholdet av den spesifikke driftstemperaturen, mekaniske belastningsforhold, korrosjonsmiljø og nødvendig komponentlevetid.
