Eisen-Kohlenstoff-Diagramm

Wir danken der Hochschule Bonn-Rhein-Sieg für die große Unterstützung bei der Erstellung dieses Beitrages!

Die Elemente

  • 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 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 Kohlenstoffdioxid, Kohle, Erdöl oder Erdgas. Kohlenstoff ist in vielen organischen und anorganischen Verbindungen zu finden. Wir betrachten hier jedoch nur die Verbindung von Eisen und Kohlenstoff näher.

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 Abkohlen, welches man auch unter dem Begriff „Frischen“ kennt. Hierbei wird der hohe Kohlenstoffgehalt des Roheisens (4%) durch Zugabe von Sauerstoff deutlich verringert. Die Absenkung merzt die negativen Materialeigenschaften wie Sprödigkeit und das schlagartige Aufweichen bei Erhitzung aus. 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.

Gamma-Mischkristall

 

Alpha Mischkristall

Die obere Animation 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.

Die untere Animation 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.

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.

Gefügearten

Betrachtet man nun das EKD, so kann man am Beispiel eines eutektoiden Stahles mit 0,8 % C verdeutlichen, wie das Gefüge entsteht.

Eine gedachte senkrechte Linie im EKD durch den sogenannten eutektoiden Punkt bei 723°C, durchläuft bei der langsamen Abkühlung unterschiedliche Bereiche des EKDs mit den unterschiedlichen Gitterformen. Bei 0,8 % C findet bei der Abkühlung keine Ausscheidung des Kohlenstoffs statt, da der Austenit bis 723°C genügend Zwischengitterplätze besitzt.

Bei 723 °C klappt dieses Gitter in ein kubisch-raumzentriertes Gitter um mit viel geringerem Lösungsvermögen als das kubisch-flächenzentrierte Gitter. Der nun überschüssige Kohlenstoff verbindet sich mit Eisen zu Fe3C, dem Zementit oder auch Eisenkarbit, wobei der benachbarte Teil an Kohlenstoff verarmt und den Ferrit, den Alpha-Mischkristall bildet.

Durch diese sehr schnelle Wechselwirkung entstehen die im Gefüge sichtbaren Lamellen aus Ferrit und Zementit, welches Perlit genannt wird (Bild 2). Je mehr Kohlenstoff im Stahl vorhanden ist, desto mehr Perlit bildet sich im Gefüge aus und wirkt sich dramatisch auf die mechanisch-technologischen Eigenschaften aus.

Untereutektoide Stähle (C Gehalt < 0,8 %) besitzen ein ferritisch-perlitisches Gefüge (Bild 1) und übereutektoide Stähle ein Gefüge aus Perlit und Zementit (Bild 3), der aufgrund der abnehmenden Löslichkeit des Austenits für Kohlenstoff an den Korngrenzen entsteht.

Als Faustformel gilt: Bis 0,2 % Kohlenstoff ist der Stahl gut schweißbar und kalt- und warmformbar, oberhalb 0,2% Kohlenstoff nehmen diese Eigenschaften ab und Festigkeit und Härtbarkeit nehmen zu.

Eisen-Kohlenstoff-Diagramm

Fe-C-TeildiagrammUm 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. Diese sind für unsere Betrachtungen jedoch 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 1147°C zu schmelzen. Der Schmelzpunkt liegt bei 1536°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.