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Das Zustandsschaubild Eisen - Kohlenstoff

Allgemeiner Aufbau

In Bild 1 ist der praktisch wichtige Teil des Zustandsschaubildes Eisen-Kohlenstoff bis 7Massenprozent Kohlenstoff wiedergegeben; es handelt sich also um ein Teildiagramm. ImSystem Eisen-Kohlenstoff kann der Kohlenstoff sowohl in elementarer Form als hexagonalkristallisierender Graphit auftreten, als auch in Form der chemischen Verbindung Fe3C,dem rhombisch kristallisierenden Eisenkarbid oder Zementit. Da entsprechend der Zu-sammensetzung: Fe3C ein Atomverhältnis von 3 : 1 besteht, ergibt sich für 100% Zementitunter Verwendung der Molekularmassen ein C-Gehalt von 6,67%.

Bild 1: Das Zustandsdiagramm Eisen-Fe3C

Es liegt also ein vollständiges Eisen-Eisenkarbid-Diagramm vor. Da Zementit bei langzeiti-ger Glühbehandlung in Fe und Kohlenstoff zerfällt, wird er als instabil bezeichnet.

Er ist aber soweit beständig, dass er bei den meisten Wärmebehandlungen des Stahl er-halten bleibt und als eigene Phase auftritt. Dieses Verhalten bezeichnet man als metasta-bil. Im metastabilen System Eisen-Eisenkarbid tritt der Kohlenstoff als Zementit auf, es

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ist gültig für Stahl, weißes Roheisen und Hartguß. Im stabilen System Eisen-Kohlenstofftritt der Kohlenstoff als Graphit auf, dementsprechend unterscheiden sich beide Systemegeringfügig. Das stabile System ist gültig für graues Roheisen und graphithaltiges Gußei-sen. Bei sehr langsamer Abkühlung bildet sich bevorzugt Graphit, bei höherer Abkühlge-schwindigkeit Zementit. Beim Glühen kohlenstoffreicher Legierungen kann sich unter Ver-ringerung des Zementitgehaltes Graphit bilden, in kohlenstoffärmeren Legierungen ist dieNeigung zur Bildung elementaren Kohlenstoffs allerdings viel geringer. Da der Aufbau derStähle in erster Linie von dem metastabilen Gleichgewicht Eisen-Eisenkarbid bestimmtwird, ist dieses das technisch wichtigere.

In diesem Teildiagramm sind 3 Phasenumsetzungen zu beobachten:

1. bei 1493°C eine peritektische Umsetzung bei Legierungen von 0,1 bis 0,51% C,technisch unbedeutend. Deshalb wird auf die weitere Besprechung an dieser Stelle ver-zichtet.

2. Wichtiger ist die eutektische Umsetzung der Schmelze zwischen 2,06 und 6,67% Cbei einer Temperatur von 1147 °C. Das Eutektikum besteht aus γ-MK und Zementit(nach A. Ledebur als Ledeburit bezeichnet).

3. Von besonderer Bedeutung ist der eutektoide Zerfall des γ-MK in α-MK undZementit. Unter einer eutektoiden Reaktion wird die Umsetzung einer festen Phase nachdem Mechanismus der eutektischen Reaktion verstanden.

Das Eutektoid führt die BezeichnungPerlit, da das Gefüge im Schliff ein perl-muttartiges Aussehen zeigt. Die Um-wandlung erfolgt bei 723°C.

Im folgenden sollen die Erstarrungs-vorgänge für verschiedene Legierungenbesprochen werden.

• 0 - 2,06% C (Stahl): Aus der Schmelzescheiden sich unterhalb der Liquidus-Linie AC die γ-Mischkristalle aus, welchenach Robert Austen als Austenitbezeichnet werden. Sie sind zunächstkohlenstoffarm, bei weiterem Wachstumreichern sie sich mit Kohlenstoff an.Gleichzeitig nimmt der Anteil der Rest-schmelze ab, da sie durch die sich bil-denden Mischkristalle aufgezehrt wird. Bei vollständiger Erstarrung liegt einGefüge aus γ-MK vor. Dieser besteht auskfz γ-Eisen mit eingelagerten C-Atomen(siehe Bild 2). Es handelt sich demnachum einen Einlagerungsmischkristall, inderen Elementarzellen- Würfel C-Atomeeingelagert sind. Da das kfz-Gitter aus zwei einfachen

Würfelsystemen besteht, bei denen die Eckpunkte des einen in denFlächenmittelpunkten des anderen liegen, befinden sich die Kohlenstoffatome aufHalbierungspunkten der Würfelkanten s. Bild 2.Die γ-MK wachsen frei und unbehindert in der Schmelze, sie haben eine langge-streckte Form mit Seitenästen, sog. Tannenbaumkristalle oder Dendriten.

Bild 2: Löslichkeit für Kohlenstoff in kfz undkrz Gitter

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Das Lösungsvermögen der γ-MK für C-Atome ist begrenzt (Mischungslücke), diemaximale Konzentration der γ-MK mit C-Atomen liegt bei 2,06% (Punkt E).

• 2,06 - 4,3% C (untereutektische Legierungen) scheiden unterhalb der Liquidus-LinieAC γ-MK aus der Schmelze aus. Mit sinkender Temperatur steigt deren C-Gehalt,maximal bis 2,06% C. Mit sinkender Temperatur steigt ebenfalls der C-Gehalt derRestschmelze. Bei der eutektischen Temperatur 1147°C besitzt die Restschmelze die

eutektische Zusammen-setzung von 4,3% C.Unterhalb der Solidus-Linie EC liegen also γ-MK und das Eutektikum(Ledeburit) vor. Beiweiterer Abkühlung er-folgt die Ausscheidungvon Sekundär-Zementitaus den γ-MK unterhalb1147°C entsprechendder Phasengrenzlinie SE.• 4,3 - 6,67% C (über-eutektische Legierungen)verhalten sich bei derAbkühlung wie die Le-gierungen mit vollständi-ger Unlöslichkeit. Esscheidet sich die Kom-ponente aus, die imÜberschuß gegenüberder eutektischen Zusam-mensetzung vorhandenist. Hier sind es die

Eisenkarbid-Kristalle(Zementit). Die Rest-schmelze verarmt anKohlenstoff und nähertsich der eutektischen Zu-sammensetzung, die siebei 1147°C (Solidus-

Linie) erreicht. Dann erstarrt die Restschmelze zum Eutektikum, eingebettet sind diePrimär-Zementit-Kristalle. Der überschüssige Kohlenstoff scheidet sich als Zementitaus. Das Eutektikum besteht aus γ-MK und Zementit in feinkörnigem Gemenge undwird als Ledeburit bezeichnet. Eine vereinfachte Darstellung der bei langsamerAbkühlung entstehenden Gefügearten gibt Bild 3.

Bild 3: Vereinfachtes Eisen-Kohlenstoffdiagramm

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Umwandlung im festen Zustand

Die Analogie der Umwandlungen im festen Zustand im Bereich der sog. Stahlecke desEKD zu einem eutektischen System mit Mischungslücke ist Bild 4 zu entnehmen.

• Legierungen mit 0 - 0,02% C (αααα-Mischkristall-Legierungen) bestehen oberhalb der GS-Linie(A3-Linie) aus Austenit. Fällt die Temperatur unter GS, so beginnt bei einigen Kri-stallen die Umwandlung des γ−ΜΚ in den α−ΜΚ. Im γ−MK ist der Mittelpunkt der Ele-mentarzelle von einem C-Atom besetzt, im α-Würfel, einem kubischraumzentriertenGitter (Ferrit), ist der Mittelpunkt durch ein Eisenatom besetzt. Die Umwandlung des γ-MK erfolgt durch eine als "umklappen" bezeichnete Umorientierung(Bild 5). Dadurchwird das eingelagerte C-Atom verdrängt und diffundiert in die noch vorhandenen γ-MK.

Es scheiden sich also mit sinkenderTemperatur aus den γ-Mischkristallen (Austenit) α-MK (Ferrit) mit sehr geringemKohlenstoffgehalt aus. Unterhalb der Linie GP liegen bis 723°C homogene α-MK vor.

Bild 4: Analogie zwischen einem Kristallisationssystem mit linksseitiger Löslichkeitund rechtsseitiger Unlöslichkeit im festen Zustand (links) zur Umwandlung im festenZustand im Eisenkohlenstoff-Diagramm links in der Stahlecke (rechts)

Bild 5: Durch Umorientierung entsteht aus demkfz-Gitter eine rz-tetragonale Zelle. Durch Ver-längerung der Grundkante und Verkürzung dersenkrechten Kante entsteht das krz-Gitter.

Bild 6: Das Zustandsgebiet des ααααMK

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Der maximale Kohlenstoffgehalt liegt bei 0,02% C. Der restliche Austenit reichert sichentsprechend der Kurve GS an C an, maximal bis zur eutektoiden Zusammensetzungvon 0,8% C. Aus dem Ferrit scheidet sich bei weiterer Abkühlung unter 723°CEisenkarbid (Tertiärzementit) entsprechend der Löslichkeitslinie PQ aus(Bild 6).

Bild 7: Lamellarer Perlit: schematische Darstellung der Wachstumsfront

• 0,02 - 0,8% C (untereutektoide Legierungen) scheiden unterhalb der Linie GS (A3) α-MK aus den γ−MK aus. Die α-MK lagern sich bevorzugt auf den Korngrenzen ab. Mitsinkender Temperatur erreichen sie bei 723°C die Sättigung an Kohlenstoff bei 0,02%C. Mit sinkender Temperatur steigt auch der C-Gehalt der γ-MK; die nicht mehr im α-Gitter zu haltenden C-Atome sind in die γ-MK eindiffundiert. Hat die Legierung dieTemperatur 723°C erreicht, so besteht sie immer aus einem bestimmten Ferritanteilund einem entsprechenden Austenitanteil, der stets den C-Gehalt von 0,8% C besitzt.Es erfolgt eine eutektoide Umwandlung in α-MK und Fe3C. Das Eutektoid trägt die Be-zeichnung Perlit. Die Umwandlung der γ-MK in Perlit beginnt an den Korngrenzen derα-Mk und γ-MK und wächst büschelförmig in das γ Korn hinein. Daher erscheinen dievorher vorhandenen α-MK im Perlitgefüge mehr oder weniger netzförmig verteilt. Beider Perlitbildung entstehen durch Diffusion von C-Atomen schichtweise angeordnetelamellare Bereiche. Eine Lamelle ist soweit an C verarmt, daß sie nur noch 0,02% Centhält und in das α-Gitter umklappen kann. Die nächste (dünnere) Lamelle entstehtdurch Umbildung zu Zementit (Fe3C), da eine Anreicherung an Kohlenstoff auf 6,67%C erreicht war. Das Austenitkorn wird so im steten Wechsel schichtweise in den Perlitumgebaut (siehe Bild 7). Der Mechanismus der Perlitbildung ist von wesentlicherBedeutung für die Wärmebehandlung der Stähle. Bei weiterer Abkühlung müssen die α-MK entsprechend der Linie PQ C-Atome abge-ben. Es bildet sich Zementit (Teritär-Zementit). Er tritt nicht als besonderer Gefügebe-standteil auf, weil er an den als Keim wirkenden Zementit des Perlits ankristallisiert,sh. Bild 8.

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Bild 8: Umwandlungsvorgänge für untereutektoide Stähle bei langsamerAbkühlung

0,01% C: Reineisen,Tiefziehbleche,Stanzteile, Nägel, Niete

0,2% C: Baustähle,Profile, schweißgeeigneteStähle, Stähle fürEinsatzhärtung

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• Legierung bei 0,8% C (eutektoide Legierung = Perlit). Der Austenit zerfällt wie bereitsoben beschrieben bei 723°C eutektoid in zwei neue Kristallarten, den α-MK und denZementit Fe3C. (Bild 9a)

• Legierungen mit 0,8 - 2,06% C (übereutektoide Legierungen). Das Lösungsvermögendes Austenits für die eingelagerten C-Atome beträgt maximal 2,06% C bei 1147°C. Ander Ausscheidungslinie E-S wird der nicht mehr in Lösung zu haltende Kohlenstoff inForm von Zementitkristallen ausgeschieden. Dieser Zementit wird Sekundärzementitgenannt.

Die Zementitausscheidung erfolgt während der Abkühlung auf 723°C so lange, bis derverbleibende Austenit seinen C-Gehalt auf 0,8% C erniedrigt hat. Es erfolgt die Eutek-toidbildung, d.h. die Perlit-Bindung als Kristallgemisch aus Ferrit und Zementit. Der vor-her bei der Ausscheidung aus dem Austenit entstandene Sekundärzementit hat sichschalenförmig um die Austenit-Körner gelegt.

Bild 9: Umwandlungsvorgänge für übereutektoide Stähle bei langsamer Abkühlung

0,8% C: Werkzeugstähle, Gesenkezum Kaltpressen

1,5% C: obere Grenze für Werkzeug-stähle. Maschinenteile für hohe Ver-schleißbeanspruchung

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Beim eutektoiden Zerfall entsteht aus dem Austenitkorn ein Perlitkorn. Die Legierung be-steht demnach aus Perlit (α-MK + Fe3C), der mit einem Netz von Sekundär-Zementit(Schalenzementit) durchsetzt ist. Im festen Zustand ausgeschiedener Zementit ist feinerals der direkt aus der Schmelze gewachsene Primär-Zementit.

• Legierungen mit 2,06 - 4,3% C (untereutektische Legierungen). Sie enthalten nachder Erstarrung gesättigte γ-MK mit 2,06% C. Mit fortschreitender Abkühlung erfolgen diebeschriebenen Ausscheidungen von Sekundär-Zementit an den Korngrenzen der γ-MKentsprechend der Segregatlinie ES.Bei 723°C haben sie ebenfalls eine Zusammensetzung von 0,8% C erreicht, dann er-folgt die Perlitbildung. Bei Raumtemperatur bestehen die Legierungen aus dem Eutek-tikum Ledeburit mit eingebettetem Perlit, der selbst noch Korngrenzen-Zementit(Sekundär-Zementit) besitzt.

• Legierungen mit 4,3 - 6,67% C (übereutektische Legierungen). Da diese Legierungenkeine "selbständigen" γ-MK enthalten sondern dieses nur im Ledeburit vorliegt, er-scheint auch kein Perlit-Gefüge.

Zusammenfassende Übersicht über die Gefügebestandteile im Fe-Fe3C-Dia-gramm

Austenit:γ-Mischkristall,kfz-Gitter mit gelöstem C. Max. Löslichkeit bei 1147°C → 2,06% C,unmagnetisch,Wärmeausdehnungskoeffizient größer als der des Ferrits,Wärmeleitzahl kleiner als der des Ferrits.

Ferrit:1. α-Eisen2. α-Mischkristall, krz-Gitter mit wenig gelösten C.Max. Löslichkeit bei 723°C → 0,02% C, bei 20°C <0,001% C,magnetisch

Zementit:Intermetallische Verbindung Fe3C (6,67% C),rhomboedrisches Gitter,wenig verformungsfähig

Perlit:Eutektoid bestehend aus Ferrit und Zementit in feiner streifiger bzw. flächenhafterVerteilung. Die Lamellenbreite nimmt mit zunehmender Abkühlgeschwindigkeit ab.

Ledeburit:Eutektikum bestehend zunächst aus Austenit und Zementit,nach Erreichen von PSK (723°C) wandelt sich der Austenit in Perlit um.

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Bild 10: Übersicht über die entstehenden Gefüge (vereinfacht schematisch)

Eigenschaften in Abhängigkeit vom C-Gehalt

Mit steigendem Kohlenstoffgehalt:

1. erscheint mehr und mehr Perlit im Gefüge

2. bei 0,8%C besteht das Gefüge nur aus Perlit

3. bei höherem C-Gehalt ist als neuer Gefügebestandteil Sekundär-Zementit

zu erkennen, der das Perlit-Gefüge als Netz durchsetzt

4. bei den Legierungen mit über 2,06% C erscheint als weiterer Gefüge-

bestandteil der Ledeburit

5. mit steigendem C-Gehalt überwiegt Ledeburit immer mehr, Perlit und

Sekundär-Zementit nehmen ab

6. bei 4,3%C besteht das Gefüge nur aus Ledeburit

7. noch höhere C-Gehalte lassen dann Primär-Zementit erscheinen, bis bei

6,67% C das Gefüge aus reinem Zementit besteht.

Beeinflussung mechanischer Eigenschaften

Mit steigendem Anteil des harten Zementits steigt Härte des Gefüges fast gradlinig. DieZugfestigkeit steigt zunächst bis 0,8% C, der dann erscheinende Korngrenzenzementitzwischen den Körnern verringert sie wieder.

Bruchdehnung und Brucheinschnürung sind am höchsten bei reinem Ferritgefüge, derspröde Zementit mindert diese Eigenschaft, so dass sie ebenso wie die Kerbschlagzähig-keit absinken.

Beeinflussung technologischer Eigenschaften:

Die Warmformbarkeit sinkt mit steigendem C-Gehalt, die Grenze der Schmiedbarkeitliegt bei 2% C.

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Die Kaltformbarkeit wird durch den, harten, spröden Zementit verringert, die Grenze liegtbei etwa 0,8% C. Je höher der C-Gehalt, umso größere Kräfte sind für die Umformungerforderlich.

Die Schweißeignung ist stark mit dem Kohlenstoffgehalt verknüpft. Die Schweißeignungist am besten bei C-armen Stählen, bis 0,22% C sind Stähle gut schweißbar. Bei höherenC-Gehalten ist eine Schweißung nur unter besonderen Bedingungen möglich(Vorwärmung, besondere Zusatzwerkstoffe, besondere Schweißverfahren).Die Zerspanbarkeit hängt eng mit der Zugfestigkeit und der Härte zusammen, so daß zu-nehmender C-Gehalt die Zerspanbarkeit verbessert; tritt dagegen der Kohlenstoff als Gra-phit auf, so wird durch seine Schmierwirkung die Zerspanbarkeit wieder verschlechtert.

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