Węgiel jest kluczowym pierwiastkiem stopowym w staliwach żaroodpornych. Ma to bezpośredni wpływ na wytrzymałość w wysokiej temperaturze, odporność na pełzanie, zachowanie podczas utleniania, lejność i stabilność mikrostrukturalną.
Typowa zawartość węgla w staliwach żaroodpornych waha się od około 0,07 do 0,75 procent wagowych i różni się znacznie w zależności od gatunku i zastosowania. W stalach martenzytycznych o wysokiej zawartości chromu na obudowy turbin parowych pracujących w temperaturach bliskich 600 stopni Celsjusza, gdzie wymagana jest dobra wytrzymałość i spawalność, stosuje się niską zawartość węgla, wynoszącą około 0,07 do 0,15 procent. Pośrednie zakresy od 0,2 do 0,5 procent są powszechne w wielu austenitycznych gatunkach żaroodpornych na elementy pieców, kolektory wydechowe i rury do reformingu. Wysoka zawartość węgla, do 0,75 procent, występuje w niektórych gatunkach niklowo-chromowych do zastosowań ekstremalnie odpornych na pełzanie, takich jak rury pieców do krakingu etylenu.
Węgiel pełni przede wszystkim funkcję stabilizatora austenitu i substancji tworzącej węglik. W wysokich temperaturach węgiel łączy się z chromem, niobem, wolframem i innymi pierwiastkami tworzącymi węgliki, tworząc stabilne osady, takie jak węgliki typu M23C6 i M7C3. Węgliki te ustalają granice ziaren, utrudniają ruch dyslokacyjny i zapewniają wzmocnienie wydzieleniowe, co znacznie poprawia wytrzymałość na pełzanie i właściwości rozciągające w wysokich temperaturach.
Jednakże zawartość węgla musi być starannie zbilansowana. Podwyższenie poziomu węgla zwiększa twardość i granicę plastyczności w temperaturze pokojowej, ale zmniejsza ciągliwość i udarność. Nadmiar węgla prowadzi do tworzenia się grubych sieci węglików na granicach ziaren, co może powodować kruchość materiału i zmniejszać odporność na zmęczenie cieplne. W stopach bogatych w chrom wysoka zawartość węgla wiąże również chrom w węglikach, potencjalnie zmniejszając ilość dostępnego chromu i tworząc ochronną warstwę tlenku Cr2O3, zmniejszając w ten sposób odporność na utlenianie. Z tego powodu gatunki wysokotemperaturowe wymagające doskonałej odporności na utlenianie często utrzymują zawartość węgla w umiarkowanym zakresie od 0,2 do 0,4 procent, dodając jednocześnie silne substancje tworzące węgliki, takie jak niob, aby uzyskać wzmocnienie bez zużywania nadmiaru chromu.
Lejność poprawia się również przy wyższej zawartości węgla. Węgiel zwiększa płynność roztopionego metalu, zmniejsza porowatość skurczową i pomaga zapobiegać rozdarciom na gorąco. Jest to szczególnie ważne w przypadku złożonych kształtów odlewanych, takich jak walce pieca, pręty rusztowe i rury reformera.
Typowe przykłady obejmują ZG40Cr25Ni20Si2 zawierający około 0,4% węgla w celu zapewnienia zrównoważonej wytrzymałości i wiązkości oraz niskowęglowe gatunki martenzytyczne zawierające 0,08 do 0,13% węgla do zastosowań w turbinach parowych. We wszystkich przypadkach optymalna zawartość węgla zależy od konkretnej temperatury pracy, warunków obciążenia mechanicznego, środowiska korozyjnego i wymaganej żywotności komponentów.
