Eisen-Kohlenstoff-Zustandsschaubild

Gleichgewichtsschaubild für das binäre System Eisen-Kohlenstoff (Fe-C).

Allgemeiner Aufbau

In diesem Doppeldiagramm in dem das stabile System Eisen-Grafit (gestrichelte Linien) und das metastabile System Eisen-Karbid (ausgezogene Linien) gemeinsam dargestellt sind, lässt sich in Abhängigkeit der Temperatur und des Kohlenstoffgehaltes die Phasenzusammensetzung ablesen (Bild 1).

Die nahe benachbarte Lage der einander entsprechenden Gleichgewichtslinien weist darauf hin, dass der Stabilitätsunterschied zwischen Karbid und Grafit in den Legierungen nicht groß ist. Demzufolge kann der Kohlenstoff nach der Erstarrung im Eisen gelöst sein oder sich aber in Form von Grafit ausscheiden. Außerdem kann er auch in gebundener Form als Eisenkarbid (Fe3C) im Gefüge auftreten und ist in beiden Systemen im α- und γ-Mischkristall gelöst. Die eutektische Temperatur der Eisen-Grafit-Reaktion liegt um einiges höher als die der Eisen-Zementit-Reaktion (Bild 2).

Bei langsamer Abkühlung bildet sich bevorzugt Grafit, bei beschleunigter Wärmeableitung dagegen Zementit. Beim Glühen kann sich unter Verringerung des Zementitgehaltes Grafit bilden. Die Neigung zur Bildung von Grafit aus Zementit zeigt an, dass Eisen oder eisenreiche Mischkristalle nur mit freiem Kohlenstoff (Grafit) ein stabiles Gleichgewicht bilden.

Beim reinen Eisen treten während der Erwärmung und Abkühlung im festen Zustand mehrere Umwandlungen ein. Es hat sich eingebürgert, die den Umwandlungen entsprechenden Haltepunkte (s. ZTU-Schaubild) mit A zu bezeichnen und durch Zahlenindizes zu unterscheiden (s. A1, A2, A3, A4).

Die in den verschiedenen Temperaturbereichen beständigen Kristallarten werden mit griechischen Buchstaben benannt. Auf Abkühlungskurven findet man die Haltepunkte im Allgemeinen bei tieferer Temperatur als auf Erhitzungskurven; die Haltepunkte auf der Abkühlungskurve werden als Ar-Punkte (r = refroidissement), die auf der Erhitzungskurve als Ac-Punkte (c = chauffage) bezeichnet. Der Temperaturunterschied zwischen den beim Erwärmen und Abkühlen gefundenen Temperaturen der Haltepunkte, die so genannte Hysteresis, ist umso größer, je schneller sich die Temperatur ändert wird. Bei sehr langsamer Abkühlung nähert sich die Lage der Haltepunkte entsprechend den im Folgenden als Gleichgewichtstemperatur angegebenen Werten:

Das kubisch-flächenzentrierte γ-Gitter kann als dichte Kugelpackung beschrieben werden, das raumzentrierte Gitter des δ- und α-Eisens ist weniger dicht gepackt (s. Delta-Eisen). Dementsprechend verkleinert sich das Volumen des Eisens bei der Umwandlung α → γ also beim Erhitzen am A3-Punkt, es vergrößert sich jedoch wieder sprunghaft bei der Umwandlung γ → δ, also beim Erhitzen am A4-Punkt.

Das Lösungsvermögen des Eisens für Kohlenstoff hängt von der Gitterform und der Temperatur ab. Das flächenzentrierte γ-Eisen hat ein weit größeres Lösungsvermögen als das raumzentrierte α-Eisen.

Das System Eisen-Eisenkarbid (Eisen-Zementit)

Eisenkarbid (Zementit, Fe3C) ist bei allen Temperaturen instabil. Durch Glühen kann er, je nach Temperatur, zum Zerfall in Austenit oder Ferrit einerseits und Grafit andererseits gebracht werden (Austenit = γ-Mischkristall; Ferrit = α-Mischkristall).

Dies ist die Grundlage zur Herstellung von schwarzem Temperguss und des Weich- bzw. Ferritisierungsglühens. Bei Raumtemperatur ist der Zementit außerordentlich beständig. Die eutektische Temperatur des metastabilen Systems beträgt 1147 °C und die eutektische Zusammensetzung 4,26 % C oder 64 % Fe3C. Dieses Eutektikum wird auch als Ledeburit bezeichnet; es besteht aus einem festen Gemenge von Zementit und Austenit (Bild 3).

Bei weiterer Abkühlung scheidet sich aus dem Austenit dann Sekundär-Zementit aus, der sich an den schon vorhandenen Zementit anlagert und im Schliffbild kaum zu unterscheiden ist. Die eutektoide Umwandlung des Austenits in Perlit erfolgt bei 723 °C. Demzufolge besteht der Perlit aus α-Mischkristall (Ferrit) und Zementit (Bild 4 bis 7).

Das System Eisen-Grafit

Der gesamte Kohlenstoff wird bei der Erstarrung als Grafit ausgeschieden, wobei hier wird das Eutektikum als Grafiteutektikum bezeichnet wird. Bei weiterer Abkühlung scheidet sich Sekundärgrafit aus dem Austenit aus, der sich an die Grafitlamellen des Eutektikums anlagert und von diesen nicht zu unterscheiden ist. Der Austenit unterliegt auch hier einem eutektoiden Zerfall, und zwar in Ferrit und Grafit. Bei ferritischem Gusseisen besteht das Gefüge aus rein ferritischer Grundmasse mit eingebettetem Grafit.

Generell lässt sich bei Gusseisen eine Grauerstarrung nach dem stabilen System erzwingen. Eine eutektoide Umwandlung ausschließlich in Ferrit und Grafit ist dagegen schon schwieriger, da mit fortschreitender Abkühlung die Trägheit der Grafitkristallisation erheblich zunimmt. Somit schlägt der eutektoide Zerfall des Austenits rasch in das metastabile System um, wobei Perlit gebildet wird was sich dann in einer perlitischen Grundmasse mit Lamellengrafit umgeben von Ferritsäumen widerspiegelt. Durch und perlitstabilisierende Zusätze zum Gusseisen lässt sich ein rein perlitisches Gefüge erzielen (s. ferritisches Gusseisen, Ferrithof).

Die Umwandlungen bei der Abkühlung

Die eben beschriebenen Umwandlungen des Austenits unter Gleichgewichtsbedingungen stellen sich nur bei langsamer Abkühlung ein. Durch erhöhte Abkühlungsgeschwindigkeit werden die Umwandlungen zu tieferer Temperatur verschoben. Sie treten dann infolge der Unterkühlung vielfach in Temperaturgebieten auf, in denen die für die Einstellung des Gleichgewichtes erforderlichen Diffusionsvorgänge nur unvollständig oder überhaupt nicht mehr ablaufen können. Die Umwandlung verläuft dann über metastabile Zwischenzustände d. h. Zustände, die nicht dem Gleichgewicht entsprechen und die nur bei niedrigen Temperaturen eine mehr oder weniger große Beständigkeit haben. Dabei ergeben sich sehr beträchtliche Änderungen im Ablauf der Umwandlung und in der Ausbildung der entstehenden Gefüge.

Mit zunehmender Abkühlungsgeschwindigkeit wird die Schmelze immer stärker unterkühlt und bei Überschreiten einer bestimmten kritischen Abkühlungsgeschwindigkeit schlägt das stabile System in das metastabile um und es tritt bei Gusseisen eine Weißerstarrung auf (Bilder 8 und 9). Die eutektische Erstarrung einer Gusseisenschmelze stellt ebenso wie die Austenitumwandlung eine Entmischung einer homogenen Phase in zwei Phasen dar: in Austenit + Grafit oder Zementit. Die Weißerstarrung beginnt in dem Augenblick, wenn in einem Temperaturbereich die Kristallisationsgeschwindigkeit des Eutektikums Austenit-Grafit geringer ist als jene des Eutektikums Austenit-Zementit.

Die Weißerstarrung lässt sich in erster Linie durch gezielten Zusatz von Keimen für den Grafit vermeiden, so insbesondere durch Zugabe von Silizium (s. Impfen) Durch die Anwesenheit von Silizium wird so die Erstarrung nach dem stabilen System (Austenit/Grafit) begünstigt, weil die Gleichgewichtstemperatur für das metastabile System herabgesetzt wird.

Die Grauerstarrung nach dem stabilen System kann durch langsame Abkühlung und durch grafitisierend wirkende Zusätze zur Gusseisenschmelze gefördert werden, die den Temperaturbereich zwischen der stabilen und der metastabilen eutektischen Erstarrung erweitern und die Kohlenstofflöslichkeit vermindern (Silizium Si, Aluminium Al, Kupfer Cu, Nickel Ni). Karbidbildende Elemente, wie Mangan Mn, Chrom Cr, Molybdän Mo, Wolfram W, Tantal Ta, Vanadium V und Niob Nb, erhöhen dagegen die Löslichkeit des Kohlenstoffes und vermehren die Neigung zur Weißerstarrung, wobei gleichzeitig die Zahl der eutektischen Körner abnimmt (s. Eutektisches Korn, Eutektische Kornzahl). Außerdem gibt es aber auch solche Schmelzzusätze, die zwar bei der Erstarrung grafitisierend wirken, bei der Austenitumwandlung aber entgegengesetzt, also perlitisierend, wie beispielsweise Kupfer und Nickel (Bild 10).

Bei gegebener Gussstückwanddicke (konstante Abkühlungsgeschwindigkeit) kann man durch eine geeignete Wahl der Zusammensetzung und Schmelzebehandlung ein weißes, meliertes oder grau erstarrtes Gusseisen mit ferritischem oder perlitischem Grundgefüge erhalten (s. Metallische Grundmasse von Gusseisen). Der Erstarrungsverlauf des Gusseisens ist darüber hinaus von der Zahl der Keime in der Schmelze und von der Wachstumsgeschwindigkeit der eutektischen Körner abhängig (s. Keimhaushalt)




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