Il carbonio è un elemento legante fondamentale negli acciai fusi resistenti al calore. Influenza direttamente la resistenza alle alte temperature, la resistenza al creep, il comportamento all'ossidazione, la colabilità e la stabilità microstrutturale.
Il contenuto tipico di carbonio negli acciai fusi resistenti al calore varia da circa 0,07 a 0,75% in peso, variando ampiamente in base al grado e all'applicazione. Bassi livelli di carbonio, compresi tra lo 0,07 e lo 0,15%, vengono utilizzati negli acciai martensitici ad alto contenuto di cromo per involucri di turbine a vapore che operano a temperature prossime a 600 gradi Celsius, dove sono richieste buona tenacità e saldabilità. Intervalli intermedi compresi tra 0,2 e 0,5% sono comuni in molti gradi austenitici resistenti al calore per componenti di forni, collettori di scarico e tubi di reforming. Livelli elevati di carbonio, fino allo 0,75%, sono presenti in alcuni gradi di nichel-cromo per applicazioni estremamente resistenti al creep, come i tubi dei forni per il cracking dell'etilene.
Il carbonio funziona principalmente come stabilizzante dell'austenite e come formatore di carburo. Ad alte temperature, il carbonio si combina con cromo, niobio, tungsteno e altri elementi che formano carburi per creare precipitati stabili come i carburi di tipo M23C6 e M7C3. Questi carburi fissano i confini dei grani, ostacolano il movimento delle dislocazioni e forniscono un rafforzamento delle precipitazioni, che migliora sostanzialmente la resistenza alla rottura per scorrimento viscoso e le proprietà di trazione alle alte temperature.
Tuttavia, il contenuto di carbonio deve essere attentamente bilanciato. L’aumento del carbonio aumenta la durezza e il carico di snervamento a temperatura ambiente, ma riduce la duttilità e la resistenza agli urti. Un eccesso di carbonio porta a reti grossolane di carburo ai bordi dei grani, che possono indebolire il materiale e ridurre la resistenza alla fatica termica. Nelle leghe ricche di cromo, l'alto contenuto di carbonio lega anche il cromo presente nei carburi, riducendo potenzialmente il cromo disponibile per formare uno strato protettivo di ossido Cr2O3, diminuendo così la resistenza all'ossidazione. Per questo motivo, i gradi ad alta temperatura che richiedono un'eccellente resistenza all'ossidazione spesso mantengono il carbonio nell'intervallo moderato compreso tra 0,2 e 0,4% aggiungendo al contempo forti formatori di carburo come il niobio per ottenere un rafforzamento senza consumare cromo in eccesso.
Anche la colabilità migliora con un contenuto di carbonio più elevato. Il carbonio aumenta la fluidità del metallo fuso, riduce la porosità da ritiro e aiuta a prevenire la lacerazione a caldo. Ciò è particolarmente importante per forme di fusione complesse come rulli di forni, barre di griglia e tubi di reforming.
Esempi tipici includono ZG40Cr25Ni20Si2 con circa lo 0,4% di carbonio per resistenza e tenacità bilanciate e gradi martensitici a basso contenuto di carbonio contenenti dallo 0,08 allo 0,13% di carbonio per applicazioni su turbine a vapore. In tutti i casi, il contenuto ottimale di carbonio è determinato dalla temperatura di servizio specifica, dalle condizioni di carico meccanico, dall'ambiente di corrosione e dalla durata richiesta dei componenti.
