Eisen-Kohlenstoff-Diagramm

In verarbeitetem Eisen (das sind Stahl und Gusseisen) ist stets eine gewisse Menge Kohlenstoff enthalten, dessen Anteil die Qualitätseigenschaften des Stahls und des Gusseisens bestimmt. Das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm (EKD) ist ein Gleichgewichtsschaubild für das binäre System Eisen-Kohlenstoff, aus dem sich in Abhängigkeit vom Kohlenstoffgehalt und der Temperatur die Phasenzusammensetzung ablesen lässt.

Ist die zeitliche Gefügeentwicklung bei unterschiedlich schneller Abkühlung von Interesse, werden so genannte Zeit-Temperatur-Umwandlungsschaubilder verwendet.

Der Kohlenstoff ist der wichtigste Legierungsbestandteil des Eisens, bereits kleinste Veränderungen des Kohlenstoffgehaltes haben große Auswirkungen auf die Eigenschaften des Werkstoffes. Die Aussagefähigkeit des Eisen-Kohlenstoff-Diagramms wird jedoch geringer, je schneller abgekühlt oder erwärmt wird oder je größer der Gehalt an anderen Legierungselementen ist. Das EKD wird in zwei Formen dargestellt: dem metastabilen System (Fe-Fe₃C), in dem der Kohlenstoff in gebundener Form vorkommt und dem stabilen System (Fe-C) mit elementarem Kohlenstoff in Form von Graphit. Die beiden Systeme werden meist in einem Diagramm abgebildet und entsprechend gekennzeichnet. In der Praxis wird aber hauptsächlich das metastabile Fe-Fe₃C System verwendet.

Darstellung der Phasen im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm

Auf der x-Achse werden die Gewichtsprozente des Kohlenstoffes aufgetragen, auf der y-Achse die Temperatur. Das Diagramm stellt nur den technisch interessanten Kohlenstoffgehalt von 0 bis 6,67 % dar (nur wenige Vorlegierungen haben höhere Kohlenstoffgehalte), das entspricht einem Zementitgehalt von 100 %.

Die Linien stellen die zu anderen Temperaturen verschobenen Haltepunkte bzw. Knickpunkte dar und grenzen die einzelnen Phasenfelder voneinander ab. Die signifikanten Punkte werden mit Buchstaben gekennzeichnet, bei einigen Darstellungen wird oft der Punkt I mit Punkt J gekennzeichnet.

Der Linienzug ABCD stellt die Liquiduslinie dar, oberhalb dieser ist die Legierung flüssig, der Linienzug AHIECF entspricht der Soliduslinie, unterhalb der die Legierung komplett erstarrt ist. In dem Temperaturintervall zwischen der Liquidus- und Solidustemperatur hat die Legierung eine breiige Konsistenz und besteht aus Restschmelze, δ-Eisen, γ-Eisen und Zementit (Fe₃C) in wechselnden Konzentrationen und Mengenverhältnissen. Wird bei der Abkühlung der Legierung die Liquiduslinie unterschritten, so beginnt die Primärkristallisation aus der Schmelze.

Aufgrund der verschiedenen allotropen Modifikationen des Eisens bilden sich je nach Kohlenstoffgehalt verschiedene Phasen. Das Eisen bildet verschiedene Einlagerungsmischkristalle α-, γ- und δ-Mischkristalle mit verschiedenen Löslichkeiten für Kohlenstoff. Die Gründe für das unterschiedliche Lösungsvermögen der einzelnen Mischkristalle sind die verschiedenen Raumgitter und Gitterkonstanten. Die metallografischen Bezeichnungen der Mischkristalle lauten δ-Ferrit oder Austenit für γ-Mischkristalle und Ferrit für α-Mischkristalle.

Schmelze bezeichnet die flüssige Eisen-Kohlenstoff-Legierung. Oberhalb der Liquiduslinie ist die gesamte Legierung flüssig, zwischen Liquidus- und Soliduslinie nur ein Teil.
δ-Ferrit (Delta-Ferrit): kubisch raumzentrierte Kristallstruktur
Austenit (γ-Mischkristalle): kubisch flächenzentrierte Kristallstruktur
α-Ferrit (Alpha-Ferrit): kubisch raumzentrierte Kristallstruktur
Graphit (stabiles System) oder Zementit (Fe₃C; metastabiles System)

Bei Perlit und Ledeburit handelt es sich nicht um Phasen, sondern um besondere Phasengemische (Gefüge). Diese entstehen nur im stabilen oder metastabilen System, also bei langsamer Abkühlung.

Mit Hilfe des Eisen-Kohlenstoff-Diagrammes lassen sich beispielsweise einige Fragen zum unterschiedlichen Verhalten von Stahl (< 2,06 % C) und Gusseisen (> 2,06 % C) klären:

Stahl lässt sich schmieden, weil er im weiten, homogenen Austenitbereich gut verformbar ist. Bei Gusseisen tritt dieses Verhalten nicht ein, weil die größeren Anteile von Kohlenstoff in Form von Graphit oder Ledeburit die Verformbarkeit erschweren und der Übergang in die Schmelze schroff ist.
Die Schmelztemperatur des reinen Eisens liegt bei 1536 °C, die Temperaturen der vollständigen Erstarrung (bzw. Beginn des Aufschmelzens) von Stahl (Linie A-H-I-E) und Gusseisen (Linie E-C-F bei 1147 °C) sind ebenfals) von Stahl (Linie A-H-I-E) und Gusseisen (Linie E-C-F bei 1147 °C) sind ebenfalls ablesbar. Der niedrigere Schmelzpunkt des Gusseisens ist eine der Ursachen, warum dieses besser und einfacher gießbar ist als Stahl.

Alle diese Eigenschaften machen das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm zu einem wichtigen Werkzeug für die Beurteilung eines der am meisten verwendeten Werkstoffe.

Basierend auf einem Artikel in Wikipedia.de