Phasenumwandlung während der Erstarrung

Im vorherigen Abschnitt wurden die Phasenumwandlungen von reinem Eisen näher betrachtet. Stähle bestehen neben Eisen jedoch noch aus Kohlenstoff. Letzterer sorgt für die notwendige Härte und Festigkeit, da reines Eisen für viele Konstruktionen im Maschinenbau viel zu weich wäre. Dies führt allerdings dazu, dass sich die erläuterten Phasenumwandlungen des Eisens verschieben! Auf welche Weise der Kohlenstoff dabei die Zustandsänderungen beeinflusst kann am besten durch das entsprechende Phasendiagramm erläutert werden.

Das Zustandsdiagramm des Eisen-Kohlenstoff-Systems wird auch als Eisen-Kohlenstoff-Diagramm (EKD) bezeichnet. Aufgrund der Komplexität soll an dieser Stelle die Herleitung des Phasendiagrammes anhand ausgewählter Abkühlkurven nicht durchgeführt werden. Darüber hinaus wird das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm in den folgenden Kapiteln zunächst nur bis zu einem Kohlenstoffgehalt von rund 2 % betrachtet, da nur dieser Bereich für Stähle relevant ist. Dieser Bereich im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm wird deshalb auch als Stahlecke bezeichnet. Auf höhere Kohlenstoffkonzentrationen wird in separaten Abschnitten näher eingegangen.

Der Kohlenstoff beeinflusst die Erstarrung des Stahls zunächst wie eine Mischkristalllegierung. Die Stahlecke weist deshalb den typisch linsenförmigen Bereich während der Erstarrung auf. Der Erstarrungsbeginn wird wiederum durch die Liquiduslinie und das Erstarrungsende durch die Soliduslinie beschrieben (Knickpunkt in den entsprechenden Abkühlkurven). Aus dem Phasendiagramm wird offensichtlich, dass sich der Erstarrungsbereich mit zunehmendem Kohlenstoffgehalt zu niedrigeren Temperaturen hin verschiebt. 

phasendiagramm austenit 01

Abbildung: Phasendiagramm für Stähle (unvollständig)

Darüber hinaus führt der Kohlenstoff bereits in geringen Mengen (> 0,1%) dazu, dass die kubisch-raumzentrierte \(\delta\)-Phase vollständig unterdrückt wird. Der Stahl kristallisiert dann sofort in der kubisch-flächenzentrierten Gitterstruktur des \(\gamma\)-Eisens. Da die \(\delta\)-Phase ohnehin keinerlei technische Bedeutung hat, wird das Zustandsdiagramm sehr häufig in vereinfachter Form ohne diesen Phasenbereich dargestellt [fahre zur vereinfachten Darstellung des Zustandsdiagramms mit der Maus über die Abbildung].

  • Stähle verhalten sich während der Erstarrung wie Mischkristalllegierungen, bei denen das Legierungselement Kohlenstoff vollständig im Basisstoff Eisen löslich ist.

Die gute Löslichkeit des Kohlenstoffs ist dabei der kubisch-flächenzentrierten Gitterstruktur des \(\gamma\)-Eisens zu verdanken. Die relativ kleinen Kohlenstoffatome finden dabei in den freien Würfelmitten der kubisch-flächenzentrierten Elementarzellen des Eisens Platz. Da das Kohlenstoffatom in dieser freien Lücke von 6 Eisenatomen umgeben ist, die die Eckpunkte eines Oktaeders beschreiben, wird diese Lücke in der Würfelmitte auch also Oktaederlücke bezeichnet. Es handelt sich also um einen Einlagerungsmischkristall, bei dem das Kohlenstoffatom auf den Zwischengitterplätzen des Eisens eingelagert ist. Dieses aus der Schmelze heraus entstandene kubisch-flächenzentrierte Eisengefüge mit den darin eingelagerten Kohlenstoffatomen wird auch als Austenit bezeichnet.

Austenit, d-Eisen, Oktaederlücke, Kohlenstoff-Atom, kubisch-flächenzentriert

Abbildung: Austenit

Dementsprechend enthält das Zweiphasengebiet zwischen der Liquidus- und der Soliduslinie die Phasen Schmelze (Sm) und Austenit (Au). Im Zweiphasengebiet können die jeweiligen Kohlenstoffkonzentrationen der beiden Phasen wie üblich über das Fällen des Lotes auf die Konzentrationsachse ermittelt werden. Die Phasenanteile bestimmen sich dabei wiederum mithilfe des Hebelgesetzes (siehe Kapitel Mischkristalllegierungen).

Es finden bei der Erstarrung von Stählen also dieselben Mechanismen wie bei einer Mischkristalllegierung Anwendung. Dies gilt allerdings nur solange wie die Temperaturen ausreichend hoch sind und das Eisen somit im kubisch-flächenzentriertem Zustand vorliegt. Denn nur dann ist der Kohlenstoff vollständig im Eisengitter löslich und die Legierung kann als Mischkristalllegierung angesehen werden.

Allerdings ändert Eisen bedingt durch seine Allotropie bei Absenken der Temperatur irgendwann die kubisch-flächenzentrierte Struktur und geht schließlich in das kubisch-raumzentrierte \(\alpha\)-Eisen über. Mit sinkender Temperatur ist also eine weitere Phasenumwandlung verbunden, die nunmehr allerdings im bereits erstarrten Gefüge stattfindet! Auf diese Umwandlung wird im nächsten Kapitel näher eingegangen werden.