Kohlenstoff ist ein entscheidendes Legierungselement in hitzebeständigen Gussstählen. Es beeinflusst direkt die Hochtemperaturfestigkeit, die Kriechfestigkeit, das Oxidationsverhalten, die Gießbarkeit und die mikrostrukturelle Stabilität.
Der typische Kohlenstoffgehalt in hitzebeständigen Gussstählen liegt zwischen etwa 0,07 und 0,75 Gewichtsprozent und variiert stark je nach Sorte und Anwendung. Niedrige Kohlenstoffgehalte von etwa 0,07 bis 0,15 Prozent werden in martensitischen Stählen mit hohem Chromgehalt für Dampfturbinengehäuse verwendet, die bei etwa 600 Grad Celsius betrieben werden und eine gute Zähigkeit und Schweißbarkeit erfordern. Bei vielen austenitischen hitzebeständigen Sorten für Ofenkomponenten, Abgaskrümmer und Reformerrohre sind Zwischenbereiche von 0,2 bis 0,5 Prozent üblich. Hohe Kohlenstoffgehalte von bis zu 0,75 Prozent treten in bestimmten Nickel-Chrom-Qualitäten für extrem kriechbeständige Anwendungen wie Rohre von Ethylen-Spaltöfen auf.
Kohlenstoff fungiert hauptsächlich als Austenitstabilisator und Karbidbildner. Bei hohen Temperaturen verbindet sich Kohlenstoff mit Chrom, Niob, Wolfram und anderen karbidbildenden Elementen, um stabile Ausscheidungen wie Karbide vom Typ M23C6 und M7C3 zu erzeugen. Diese Karbide fixieren Korngrenzen, behindern die Versetzungsbewegung und sorgen für eine Ausscheidungsverfestigung, die die Zeitstandfestigkeit und die Zugeigenschaften bei hohen Temperaturen erheblich verbessert.
Allerdings muss der Kohlenstoffgehalt sorgfältig ausgewogen sein. Die Erhöhung des Kohlenstoffgehalts erhöht die Härte und die Streckgrenze bei Raumtemperatur, verringert jedoch die Duktilität und Schlagzähigkeit. Zu viel Kohlenstoff führt zu groben Karbidnetzwerken an den Korngrenzen, die das Material verspröden und die thermische Ermüdungsbeständigkeit verringern können. In chromreichen Legierungen bindet ein hoher Kohlenstoffgehalt auch Chrom in Karbiden, wodurch möglicherweise das verfügbare Chrom reduziert wird, um eine schützende Cr2O3-Oxidschicht zu bilden, wodurch die Oxidationsbeständigkeit verringert wird. Aus diesem Grund halten Hochtemperatursorten, die eine hervorragende Oxidationsbeständigkeit erfordern, den Kohlenstoffgehalt oft im moderaten Bereich von 0,2 bis 0,4 Prozent und fügen gleichzeitig starke Karbidbildner wie Niob hinzu, um eine Verfestigung zu erreichen, ohne überschüssiges Chrom zu verbrauchen.
Mit höherem Kohlenstoffgehalt verbessert sich auch die Gießbarkeit. Kohlenstoff erhöht die Fließfähigkeit des geschmolzenen Metalls, verringert die Schrumpfporosität und hilft, Heißrisse zu verhindern. Dies ist besonders wichtig für komplexe Gussformen wie Ofenrollen, Roststäbe und Reformerrohre.
Typische Beispiele sind ZG40Cr25Ni20Si2 mit etwa 0,4 Prozent Kohlenstoff für ausgewogene Festigkeit und Zähigkeit sowie martensitische Sorten mit niedrigem Kohlenstoffgehalt und 0,08 bis 0,13 Prozent Kohlenstoff für Dampfturbinenanwendungen. In allen Fällen wird der optimale Kohlenstoffgehalt durch die spezifische Betriebstemperatur, die mechanischen Belastungsbedingungen, die Korrosionsumgebung und die erforderliche Lebensdauer der Komponenten bestimmt.
