Carbon là nguyên tố hợp kim quan trọng trong thép đúc chịu nhiệt. Nó ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền nhiệt độ cao, khả năng chống rão, hành vi oxy hóa, khả năng đúc và độ ổn định cấu trúc vi mô.
Hàm lượng carbon điển hình trong thép đúc chịu nhiệt dao động từ khoảng 0,07 đến 0,75% trọng lượng, rất khác nhau tùy theo loại và ứng dụng. Hàm lượng carbon thấp khoảng 0,07 đến 0,15 phần trăm được sử dụng trong thép martensitic có hàm lượng crom cao dùng làm vỏ tuabin hơi hoạt động ở nhiệt độ gần 600 độ C, nơi cần có độ dẻo dai và khả năng hàn tốt. Phạm vi trung gian từ 0,2 đến 0,5 phần trăm là phổ biến trong nhiều loại chịu nhiệt austenit cho các bộ phận lò, ống xả và ống cải cách. Hàm lượng carbon cao lên tới 0,75 phần trăm xuất hiện trong một số loại crom niken nhất định dành cho các ứng dụng có khả năng chống rão cực cao chẳng hạn như ống lò nứt bằng ethylene.
Carbon hoạt động chủ yếu như một chất ổn định austenit và một chất tạo cacbua. Ở nhiệt độ cao, carbon kết hợp với crom, niobi, vonfram và các nguyên tố tạo thành cacbua khác để tạo ra các kết tủa ổn định như cacbua loại M23C6 và M7C3. Các cacbua này ghim các ranh giới hạt, cản trở chuyển động trật khớp và cung cấp khả năng tăng cường lượng mưa, giúp cải thiện đáng kể độ bền đứt của dây leo và đặc tính kéo ở nhiệt độ cao.
Tuy nhiên, hàm lượng carbon phải được cân bằng cẩn thận. Tăng lượng carbon làm tăng độ cứng và cường độ năng suất ở nhiệt độ phòng nhưng làm giảm độ dẻo và độ bền va đập. Quá nhiều carbon dẫn đến mạng lưới cacbua thô ở ranh giới hạt, có thể làm giòn vật liệu và giảm khả năng chống mỏi nhiệt. Trong các hợp kim giàu crom, cacbon cao cũng liên kết crom trong cacbua, có khả năng làm giảm lượng crom có sẵn để tạo thành lớp oxit Cr2O3 bảo vệ, do đó làm giảm khả năng chống oxy hóa. Vì lý do này, các loại nhiệt độ cao yêu cầu khả năng chống oxy hóa tuyệt vời thường giữ cacbon ở mức vừa phải từ 0,2 đến 0,4% trong khi bổ sung các chất tạo cacbua mạnh như niobi để đạt được độ bền mà không tiêu tốn quá nhiều crom.
Khả năng đúc cũng được cải thiện với lượng carbon cao hơn. Carbon làm tăng tính lưu động của kim loại nóng chảy, giảm độ xốp co ngót và giúp ngăn ngừa hiện tượng rách nóng. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các hình dạng đúc phức tạp như cuộn lò, thanh ghi và ống cải cách.
Các ví dụ điển hình bao gồm ZG40Cr25Ni20Si2 với khoảng 0,4% cacbon cho độ bền và độ dẻo dai cân bằng, và các loại martensitic cacbon thấp chứa 0,08 đến 0,13% cacbon cho các ứng dụng tua bin hơi nước. Trong mọi trường hợp, hàm lượng cacbon tối ưu được xác định bởi nhiệt độ sử dụng cụ thể, điều kiện tải cơ học, môi trường ăn mòn và tuổi thọ linh kiện cần thiết.
