Eisen-Kohlenstoff-Diagramm
Um die Gefügezustände von Metall in Abhängigkeit von Temperatur (y-Achse) und Kohlenstoffgehalt (x-Achse) grafisch darzustellen, wurde das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm entwickelt. In dem hier dargestellten Teildiagramm betrachten wir nur den Bereich des Stahls mit einem Kohlenstoffgehalt bis maximal 2%. Metalle mit einem höheren Gehalt an Kohlenstoff zählt man zu Gusseisen.
Eisen
Eisen ist ein Element im Periodensystem mit dem Symbol Fe (ferrum) und zählt zu den Übergangsmetallen. In der Industrie oder auch Metallverarbeitung versteht man unter der Bezeichnung Eisen den Werkstoff Gusseisen, welcher nicht schmiedbar ist. Der schmiedbare Stahl, wird als Eisenmetall bezeichnet.
Kohlenstoff
Kohlenstoff ist ebenfalls ein Element im Periodensystem und trägt das Symbol C (carbō). Die reine Form finden wir in der Natur als Diamanten und die Gebundene, z.B. als Kohlendioxid, Kohle, Erdöl oder Erdgas. Kohlenstoff ist in vielen organischen und anorganischen Verbindungen zu finden.
Kristallgitter
Da, wie bereits erwähnt, Gusseisen nicht geschmiedet werden kann, ist es zwingend notwendig den Werkstoff schmiedbar zu machen, damit eine Weiterverarbeitung stattfinden kann. Dieses geschieht durch Frischen. Der so entstehende Stahl kann nun geschmiedet werden und ist somit leichter weiter zu verarbeiten.
Ist das Metall geschmolzen, also in einem flüssigen Zustand, gibt es keine gitterartigen Strukturen. Die Atome sind in allen Richtungen frei beweglich. Um die gewünschten Kristallstrukturen zu erreichen ist es notwendig, dass das Metall bei Raumtemperatur langsam und vollständig abkühlt. Zwischenzeitliche Wärmebehandlungen wirken sich positiv auf die Entstehung der Kristallstrukturen aus. Eisen bildet ein kubisches Raumgitter. An den Eckpunkten dieses Gitters befinden sich die Eisenatome.
In geringen Konzentrationen bildet Kohlenstoff mit Eisen keine feste chemische Verbindung, sondern lagert sich in den Gitterlücken des Eisenkristallgitters ein. Die Menge des Kohlenstoffs, der sich im Eisen lösen kann, ist von der Modifikation des Eisens abhängig, da die verschiedenen Kristallgitterformen des Eisens ( z.B. kubisch-raumzentriert und kubisch-flächenzentriert) unterschiedlich große Zwischengitterplätze aufweisen.
Eine untergeordnete Rolle spielt der Delta-Mischkristall, welcher über raumzentrierte Atome verfügt, jedoch nur bei hochlegierten Stählen eine Rolle spielen kann. Diese Kristalle bilden sich im Temperaturbereich von 1.536°C (Schmelzpunkt von reinem Eisen) bis 1.392°C.
Alpha-Mischkristall
Die Abbildung zeigt den sogenannten Alpha-Mischkristall, bei dem sich ein Atom in der Mitte des Würfels oder des Kubus befindet. Hierbei spricht man von einem kubisch-raumzentrierten Gitter. Bis zu einer Temperatur von 911 °C bilden sich in reinem Eisen diese Strukturen aus.
Gamma-Mischkristall
Die Abbildung zeigt einen Gamma-Mischkristall. Hierbei sind die Eisenatome flächenzentriert, also in der Mitte einer jeden Würfelfläche angeordnet. Diese Kristalle bilden sich bei Temperaturen von 1.392°C bis 911°C bei reinem Eisen.
Wie schon erwähnt, besitzen die oben beschriebenen temperaturabhängigen Kristallgitter unterschiedliches Lösungsvermögen für Kohlenstoff in Abhängigkeit von der Temperatur. Der Kohlenstoff lagert sich in den Zwischengitterplätzen des Kristallgitters an, wobei das kubisch-flächenzentrierte Gitter, auch Austenit genannt, im Maximum eine hundertfach höhere Löslichkeit als das Alpha-Mischkristall, Ferrit, besitzt.
Kühlt man Stahl extrem langsam ab, so können je nach Temperatur und Kohlenstoffgehalt ganz unterschiedliche Gefügekonstellationen auftreten. Das wird im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm verdeutlicht.
Das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm
Gusseisen ist für unsere Betrachtungen uninteressant. Auf der senkrechten Achse des Eisen-Kohlenstoff-Diagrammes findet man die Temperatur in °C. Die Metalle sind hier von festem bis verflüssigtem Zustand eingezeichnet. Reines Eisen beginnt bei 1.147°C zu schmelzen. Der Schmelzpunkt liegt bei 1.536°C. Auf der horizontalen Achse finden wir die prozentuale Angabe des Gehaltes an Kohlenstoff im Metall bzw. Gefüge.
Die eingezeichneten Linien markieren die Umwandlung des Metalls. Zwischen diesen Umwandlungslinien liegen Abschnitte, in denen das Metall sich in einem bestimmten Zustand befindet. Beispielsweise ist die Wandlung vom festen in den flüssigen Zustand eingetragen. Aber auch die Neuordnung der Atome ist ablesbar. Im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm erkennt man die Abschnitte, in denen das Metall nur eine bestimmte Beschaffenheit besitzt. Diese sind Schmelze, Ferrit oder Austenit. Andere Bereiche zeichnen sich durch Kombinationen von Beschaffenheiten aus. Diese sind z.B. Schmelze und Austenit, Austenit und Ferrit, Ferrit und Perlit.
Die Kennzeichnung der Schnittpunkte mit Großbuchstaben auf den Umwandlungslinien ist zum besseren Verständnis gedacht. Diese markieren den Übergang in einen anderen Zustand bzw. Beschaffenheit.
Das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm geht von einer gleichbleibenden Abkühlung der Metalle aus. Kühlt man das Metall langsam ab entsteht Grobkorn. Bei schneller Abkühlung erhält man feinkörniges Metall. Die Art des Metallkorns entscheidet über die Festigkeitseigenschaften. Grobkorn besitzt eine niedrigere Festigkeit, kann aber durch Wärmebehandlungen oder Umformungen feinkörniger und damit fester werden. Das Feinkörnige Metall besitzt bereits eine hohe Festigkeitsstufe.
Wir danken der Hochschule Bonn-Rhein-Sieg für die große Unterstützung bei der Erstellung dieses Beitrages!
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