Werkstoffkunde: Metalle, Legierungen und Stähle

INGEMAT 2009 – Teil 3: Allgemeine Werkstoffklassifizierung

Für ihre Studie werden Materialien zusammengefasst:

1. Metalle
2. Keramiken
3. Polymere
4. Verbundwerkstoffe

Jede dieser Gruppen weist allgemeine physikalische und chemische Eigenschaften auf, die sie voneinander unterscheiden und sie mehr oder weniger geeignet für verschiedene technische Anwendungen machen.

Physikalische & Mechanische Eigenschaften von Werkstoffen

Die wichtigsten physikalischen Eigenschaften sind:

• Gewicht (Wirkung der Schwerkraft)
• Masse (Menge der Materie in einem Volumen)
• Volumen (Raumbedarf, den ein Stoff einnimmt)
• Dichte (Masse pro Volumeneinheit)
• Spezifisches Gewicht (Gewicht pro Volumeneinheit)
• Temperaturen: Schmelz-, Verflüssigungs-, Siedepunkt (Zustandsänderungen: fest, flüssig, gasförmig)
• Spezifische Wärme (Wärmemenge pro Temperaturerhöhung)
• Usw.

Die wichtigsten mechanischen Eigenschaften (oder technischen) sind:

• Härte (Widerstand gegen Eindringen)
• Festigkeit (Widerstand gegen Bruch)
• Duktilität (Eigenschaft, zu Fäden gezogen werden zu können)
• Formbarkeit (Eigenschaft, sich formen zu lassen)
• Elastizität (Fähigkeit, sich nach Verformung wieder zurückzubilden)
• Sprödigkeit (Eigenschaft, bei Schlag zu brechen)
• Verformbarkeit (Eigenschaft der Plastizität, Fließvermögen)
• Wärmeleitfähigkeit (Wärmeleitungsfluss)
• Elektrische Leitfähigkeit (Leitung von elektrischem Strom)
• Akustische Leitfähigkeit (Leitung von Schall)
• Magnetische Leitfähigkeit (Leitung magnetischer Kraftlinien)
• Härtbarkeit (durch Wärmebehandlung härtbar)
• Schweißbarkeit (Fähigkeit zur Herstellung von Lichtbogenverbindungen)
• Usw.

Die mechanischen Eigenschaften hängen entscheidend von der inneren Organisation der Materie ab (amorph, kristallin oder körnig). Jede Veränderung oder Änderung der inneren Struktur führt zu Veränderungen in den Eigenschaften der Materie.

Mischungen und Chemische Verbindungen

Die natürlichen Elemente des Periodensystems sind chemisch gebunden (Verbindungen) oder miteinander vermischt (Mischungen), um Moleküle verschiedener Stoffe oder Materialien zu bilden.

In einer chemischen Verbindung werden Moleküle gebildet, wobei derselbe Anteil und die Art der Atome in ihr gewahrt bleiben. Zum Beispiel: Wasser = 2 Atome H + 1 Atom O. Seine Formel ist (H₂O).

Kochsalz = Natriumchlorid = 1 Atom Na + 1 Atom Cl. Seine Formel ist (NaCl).

In chemischen Verbindungen gilt: „Das Gesetz der konstanten Proportionen“.

In einer Mischung können die Komponenten in jedem beliebigen Verhältnis vorliegen.

Beispiel: Betonmischung = Zement + Sand + Kies + Wasser in unterschiedlichen Proportionen. Die größere oder geringere Menge einer bestimmten Komponente der Mischung bestimmt den Charakter der „reichen“ oder „mageren“ Mischung. In einem Beton können Sie zum Beispiel ein Verhältnis von 3 Schaufeln Sand zu 1 Schaufel Zement oder auch 5 Schaufeln Sand zu 1 Schaufel Zement verwenden. Beide bilden einen Beton, der eine ist „zementreicher“ und der andere „zementärmer“. Jeder von ihnen hat unterschiedliche Eigenschaften.

Metalllegierungen

Im besonderen Fall der Mischung von Metallen werden sie als Metalllegierungen bezeichnet.

• Beispiel: Bronze ist eine Legierung aus Kupfer (Cu) in unterschiedlichen Proportionen (50 bis 85 %) mit Zinn (Sn) in Anteilen (15 bis 50 %). Jedes Cu-Sn-Verhältnis bildet eine Bronzeart mit unterschiedlichen Eigenschaften.
• Beispiel: Messing = Cu + Zn-Legierungen
• Beispiel: Stahl = Fe + C Legierungen (C-Anteil variiert von 0,01 bis 2,0 %)
• Beispiel: Duraluminium = Aluminium (Al) + Magnesium (Mg) Legierungen

Klassifizierung der Metalle

1. Eisenmetalle
2. Nichteisenmetalle

Eisenmetalle

Sie bestehen aus Eisen und seinen Legierungen.

Eisen bildet chemische Verbindungen wie:

• Eisenoxid mit Sauerstoff (Fe₂O₃) (Hämatit)
• Eisensulfid mit Schwefel (FeS₂) (Pyrit)
• Eisenkarbid mit Kohlenstoff (Fe₃C) (Zementit)
• Usw.

Eisen bildet Kohlenstofflegierungen, die zu den am häufigsten verwendeten Metallen in der modernen Industrie gehören. Stahl macht 75 % aller weltweit jährlich produzierten Metalle aus.

Eisen-Kohlenstoff-Legierungen

Es sind dies:

1. Stähle
2. Gusseisen
3. Roheisen

Roheisen

Roheisen ist das Produkt eines Hochofens mit einem Kohlenstoffgehalt von 4,5 bis 6,7 %. Es findet keine direkten Anwendungen in der verarbeitenden Industrie, da seine Eigenschaften sehr begrenzt sind. Es ist extrem hart, aber weder duktil noch plastisch verformbar und nicht schmiedbar oder schweißbar. Es ist mit Werkzeugmaschinen bearbeitbar und wird als Ausgangsstoff für die Stahlherstellung verwendet, indem sein Kohlenstoffgehalt (mittels reinem Sauerstoff) auf die erforderlichen Mengen reduziert wird.

In Chile produziert Huachipato Stahl in seinen zwei Hochöfen über 1.000.000 Tonnen Roheisen pro Jahr, das hauptsächlich zu Stahl (kohlenstoffarm) für die Bauindustrie verarbeitet wird.

Ein Hochofen (über 30 Meter hoch) besteht aus einem zylindrischen Rumpf aus 30 bis 50 mm dicken Stahlplatten, der innen mit extrem hitzebeständigen feuerfesten Steinen und Kohlenstoffblöcken im Bereich des Tiegels ausgekleidet ist. Die am stärksten der Hitze ausgesetzte Auskleidung (Gestell) ist durch in die Feuerfestmaterialien eingebettete Kupferplatten geschützt, in denen Kühlwasser zirkuliert.

Der Ofen wird von oben (Gicht) in aufeinanderfolgenden Schichten beladen: Kokskohle (Koks) zur Wärmeerzeugung für den Schmelzprozess im Gestell des Hochofens (HO), Eisenerze (Pellets – vorbehandelte Eisenerze zur Entfernung von Verunreinigungen und Verbesserung der Ofeneffizienz) und Kalksteinerz (Calciumcarbonat) als Flussmittel, das Verunreinigungen aus dem Eisen absorbiert und Schlacke bildet.

Der Koks wird angezündet und durch heiße Luft (900 °C), die durch einen Ring von Blasformen geblasen wird, verbrannt.

Die Verbrennung von Koks erzeugt viel Wärme, bei Temperaturen nahe 2000 °C (Celsius), um das Eisenerz und den Kalkstein zu schmelzen.

Im Inneren des Hochofens treten physikalische Phänomene auf, wie das Schmelzen der Mineralien, der Schwerkraftfall der Beschickung, Konvektionsströmungen von Gasen und das Absetzen von Flüssigkeiten unterschiedlicher Dichte im Tiegel. Es treten auch chemische Reaktionen auf, die die Trennung von Eisenoxiden (Fe) und deren anschließende Verbindung mit Kohlenstoff (C) ermöglichen, wodurch die Eisen-Kohlenstoff-Legierung entsteht.

Die Oxidreduktion erfolgt in den Bereichen Gestell und Schacht:

• Direkte Reduktion (Gestell): Fe₂O₃ + 3C = 2Fe + 3CO
• Indirekte Reduktion (Schacht): Fe₂O₃ + 3CO = 2Fe + 3CO₂

Im unteren Teil des Hochofens befindet sich der Schmelztiegel, in dem sich flüssiges Eisen (Dichte = 7,8) ansammelt und darauf, wie eine Creme, die Schlacke mit geringerer Dichte (Dichte = 2,5) schwimmt. Regelmäßig alle 4, 6, 8 oder mehr Stunden, abhängig von der Größe des Hochofens, wird das Abstichloch geöffnet und Eisen und Schlacke getrennt abgestochen. Das Roheisen ist für einen Sauerstoffkonverter zur Stahlherstellung bestimmt, und die Schlacke wird in Gruben gegossen und anschließend als Ausgangsstoff für die Herstellung von Zement für den Bau verwendet.

Gusseisen

Gusseisen enthält zwischen 2 und 4,5 % Kohlenstoff.

Man unterscheidet:

• Weißes Gusseisen (hart, spröde, schwer zu bearbeiten, nicht dehnbar, etc.)
• Grauguss (leicht zu bearbeiten, nicht elastisch, nicht verformbar, etc.)
• Temperguss (gut bearbeitbar, schwer verformbar, schweißbar)

Gusseisen wird in Kupolöfen gewonnen (ein Prozess ähnlich dem Hochofen, jedoch in kleineren Öfen und Anlagen).

Weißes Gusseisen

Weißes Gusseisen enthält 2 bis 3,5 % Kohlenstoff (C) und einen höheren Mangangehalt (Mn). Mangan (Mn) trägt dazu bei, dass der größte Teil des Kohlenstoffs (C) sich chemisch mit Eisen zu Eisenkarbid (Fe₃C) oder „Zementit“ verbindet, einer sehr harten und spröden Phase.

Weißes Gusseisen ist weder duktil noch verformbar (es kann nicht geschmiedet oder drahtgezogen werden) und seine Lichtbogenschweißbarkeit ist schlecht. Die hohe Härte erschwert die Bearbeitung durch spanabhebende Verfahren (Drehen, Fräsen, Bohren usw.) erheblich. Es wird nicht für technische Kunststoffe verwendet, sondern als Rohmaterial für die Herstellung von Temperguss.

Grauguss

Grauguss (3 bis 4,5 % C) wird in der Industrie, insbesondere für Maschinen- und Maschinenteile, häufig verwendet, da er keine ideale elastische Verformung aufweist, d.h. eine hohe Formsteifigkeit und einfache Bearbeitbarkeit besitzt. Einfaches Lichtbogenschweißen ist nicht möglich (erfordert spezielle Elektroden). Es ist weder duktil noch verformbar, daher kann es nicht geschmiedet, gewalzt oder drahtgezogen werden. Für die Herstellung von Teilen wird die Methode des Formgusses und Gießens verwendet.

Grauguss enthält einen zusätzlichen Anteil an Silizium, der zur Bildung von freiem Kohlenstoff (C), bekannt als Graphit, neigt, der in einer lamellaren Struktur auftritt.

Grauguss wird häufig zur Herstellung von Gussteilen (komplexe Formen) für Maschinen verwendet, die bearbeitet werden müssen. Auch für Gehäuse in Maschinen oder Geräten wie Werkzeugmaschinen, Halterungen, Elektromotorgehäuse, Pumpengehäuse, Getriebegehäuse, Motorblöcke usw.

(Bei Temperguss bildet sich freier Kohlenstoff als kugelförmige Graphitknötchen. Dadurch weist der Guss geringere Werte an Elastizität und Sprödigkeit auf. Er wird in mechanischen Teilen, Ventileinrichtungen, Armaturen und Formstücken verwendet.)

Die chemische Zusammensetzung eines typischen Graugusses ist:

• C = 3 bis 4,2 %
• Si = 1 bis 3 %
• Mn = 0,3 bis 1 %
• P = 0,15 bis 0,8 %
• S = 0,08 bis 0,15 %

Phosphor (P) und Schwefel (S) sind in geringen Mengen in allen Eisen-Kohlenstoff-Legierungen enthalten (es ist sehr schwierig, sie aufgrund ihrer chemischen Affinität vollständig zu entfernen).

Phosphor (P) begünstigt in Gusseisen den Schmelzfluss, was eine bessere Füllung komplexer Formen ermöglicht. Er verleiht dem Metall Kaltbrüchigkeit.

Schwefel (S) kann zu „Heißbrüchigkeit“ führen, was den Formfüllfluss beeinträchtigt und zu unvollständig gefüllten Teilen mit Fehlern führt. Er verleiht Kaltbrüchigkeit. Seine Wirkung ist bereits in sehr geringen Mengen (0,0x %) vorhanden.

Stähle

Stähle enthalten maximal zwischen 0,02 und 2 % Kohlenstoff.

Sie werden unterteilt in:

• Kohlenstoffstähle und
• Legierte Stähle

Kohlenstoffstähle

Kohlenstoffstähle sind solche, deren Eigenschaften entscheidend vom prozentualen Kohlenstoffanteil (%) abhängen. Sie enthalten andere chemische Elemente wie Silizium, Mangan, Phosphor und Schwefel, jedoch in geringeren Mengen, die die Stahleigenschaften nicht direkt beeinflussen.

Legierte Stähle

Legierte Stähle sind solche, denen andere Elemente zugesetzt werden, wie:

Chrom, Nickel, Molybdän, Mangan, Silizium, Titan, Aluminium usw. in mittleren bis hohen Prozentanteilen, um Änderungen oder Verbesserungen bestimmter Eigenschaften zu erzielen oder neue Eigenschaften im Stahl zu erzeugen.

Beispiel: Die Zugabe von Chrom und/oder Nickel zu Kohlenstoffstahl, der stark oxidiert, führte zur neuen Eigenschaft: Edelstahl.

Übersicht Eisen-Kohlenstoff-Legierungen & Stahlherstellung

Stahl (Eisen-Kohlenstoff-Legierung mit niedrigem C-Gehalt) wird technisch durch Raffination von Roheisen in einem Konverter, auch Sauerstoffkonverter genannt, gewonnen. Dabei wird der hohe Kohlenstoffgehalt des Roheisens durch Oxidation mit Sauerstoff und die Zugabe von kohlenstoffarmem Stahlschrott reduziert.

Sauerstoffkonverter

In den Jahrzehnten zwischen 1940 und 1950 erfolgte die Umwandlung von Roheisen zu Stahl in sogenannten „Bessemer-Birnen“ (früher in Huachipato), die atmosphärische Luft (O + N) zur Kohlenstoffreduktion einbliesen. Später, in den 60er und 70er Jahren, wurden diese durch Siemens-Martin-Öfen ersetzt. Beide Systeme hatten eine geringe und langsame Produktionskapazität, weshalb heute Sauerstoffkonverter mit höherer Kapazität und Produktionsgeschwindigkeit eingesetzt werden.

Umwandlungsprozess: Dieser Prozess, in Huachipato ConOx genannt, basiert auf der Reduktion des Kohlenstoffs durch Oxidation des flüssigen Roheisens mittels Injektion von reinem Sauerstoff in das flüssige Eisen.

Chemisch gesehen ist die Oxidation:

• O + C = CO (Kohlenmonoxid-Gasmolekül)
• O + 2C = CO₂ (Kohlendioxid-Gasmolekül)

Während des Prozesses reagiert der injizierte reine Sauerstoff mit dem Kohlenstoff im Eisen und bildet CO- und CO₂-Gasmoleküle, die als Reduktionsmittel den Kohlenstoffgehalt des Roheisens im Konverter reduzieren.

Diese Oxidationsreaktion ist exotherm und erzeugt Wärme, die die Temperatur des flüssigen Eisens auf ein für die feuerfesten Auskleidungen des Konverters gefährliches Niveau (2000 °C) erhöht. Um die Temperatur des Roheisens zu kontrollieren, wird kohlenstoffarmer Stahlschrott (0,1 bis 0,2 % C) (Blechabfälle) kalt in den Konverter gegeben. Dieser kalte Schrott absorbiert beim Schmelzen Wärme und senkt die Temperatur des Eisens, während gleichzeitig der Kohlenstoffanteil im Roheisen reduziert wird.

Der Konverter ist ein großer zylindrischer Metallbehälter mit halbkugelförmigem Oberteil und kegelstumpfförmigem Unterteil, gefertigt aus 40 bis 50 mm dicken Stahlplatten und innen mit hitzebeständigen feuerfesten Steinen ausgekleidet.

Er wird von oben mit flüssigem Eisen (1300 °C) aus dem Hochofen und kaltem Schrott beschickt. Während des Prozesses wird reiner Sauerstoff über eine Lanze (wassergekühltes Rohr) aus einer Flüssigsauerstoffanlage injiziert. Am Ende des Konverterprozesses wird der Konverter um 90 Grad oder mehr auf einer horizontalen Achse gekippt, um das flüssige Metall in „Thermotöpfe“ zu entleeren, die es zur nächsten Phase, dem Stranggießen von Brammen und Knüppeln, transportieren.

Die Sauerstoffeinwirkung ist sehr schnell: In 15 bis 20 Minuten werden 100 Tonnen Roheisen in kohlenstoffarmen Stahl (0,05 bis 0,5 % C) umgewandelt.

Sauerstoffkonverter werden in der Stahlindustrie hauptsächlich zur Herstellung von kohlenstoffarmem Stahl (0,08 bis 0,3 % C) verwendet, insbesondere für die Herstellung von Strukturelementen (Bewehrungsstahl, Strukturprofile, Flach- und Wellbleche usw.). Spezielle Kohlenstoffstähle mit mehr als 0,8 % C und legierte Stähle (Edelstahl und andere) werden in Elektroöfen oder Tiegeln hergestellt.

Eigenschaften von Kohlenstoffstählen

Im Allgemeinen sind die Eigenschaften von Kohlenstoffstählen vom Kohlenstoffgehalt abhängig:

• Formbarkeit: Eigenschaft, die die einfache Herstellung von Stahlblechen (dünn und dick) durch Walzprozesse (Kalt- und Warmwalzen), Schmieden und Pressen (kalt und warm) ermöglicht. Je geringer der C-Gehalt, desto höher die Plastizität.
• Duktilität: Eigenschaft, die die Herstellung von Metallstäben und Drähten durch Ziehprozesse (Drahtziehen) ermöglicht. Wie die Formbarkeit ist die Duktilität größer, wenn der C-Gehalt niedrig ist (normaler Bereich von 0,01 bis 0,25 % C).
• Härte: Sie ist der Widerstand gegen das Eindringen von Material bei Prozessen wie Bohren, Drehen, Fräsen und anderen spanabhebenden Verfahren. Der Härtewert nimmt mit steigendem C-Gehalt im Stahl zu und wird in Einheiten wie Brinell, Rockwell, Vickers usw. gemessen.
• Zugfestigkeit: Widerstand gegen Bruch unter Zugkräften. (Gemessen in kgf/mm² oder N/mm²). Ihr Wert steigt direkt mit zunehmendem C-Gehalt.
• Härtbarkeit: Fähigkeit einiger Kohlenstoffstähle, durch Wärmebehandlung (Härten) eine höhere Härte zu erreichen. Ihre Ergebnisse werden in gemessenen Härtewerten (Brinell, Rockwell, Vickers usw.) ausgedrückt. Die Härtbarkeit nimmt mit steigendem C-Gehalt zu. Diese Eigenschaft ist für die Herstellung von Werkzeugen und einigen mechanischen Teilen erforderlich. Die Erhöhung der Härte durch Abschrecken geht mit einer erhöhten Anfälligkeit für Bruch durch Schläge oder Stöße einher. Darüber hinaus ist die Versprödung der Schweißnaht durch Härten und Anlassen ein limitierender Faktor, wenn Stähle mit mehr als 0,3 % C geschweißt werden. Stähle mit sehr geringem Kohlenstoffgehalt (weniger als 0,20 % C) zeigen praktisch keine Härtbarkeit und werden als „Weicheisen“ bezeichnet.
• Schweißbarkeit: Leichte Herstellung von „garantierten“ Verbindungen durch Lichtbogenschmelzen. Diese Eigenschaft ist wesentlich für die Herstellung und Montage von Stahlkonstruktionen wie geschweißten Trägern und Stützen für Gebäude, Kräne, Brücken usw. Die Schweißbarkeit von Stählen ist besser, je niedriger der Kohlenstoffgehalt ist (< 0,3 % C). Stähle mit 0,2 bis 0,3 % C (SAE 1020 bis 1030), die sehr häufig in Stahlkonstruktionen verwendet werden, weisen eine sehr gute Schweißbarkeit und eine minimale Härtbarkeit in den Verbindungen auf.

Stähle werden als „garantiert schweißbar“ definiert, wenn sie eine Lichtbogenschweißverbindung ermöglichen und diese Verbindung (Schweißnaht) nach der Herstellung fehlerfrei eine Reihe von standardisierten und vordefinierten mechanischen Prüfungen und Tests besteht.

Um dies zu erreichen, ist es technisch notwendig, Folgendes zu beachten:

• Eine korrekte Auswahl der zu verwendenden Elektroden,
• Eine gute Vorbereitung der Fugenflanken (Design und Größe),
• Die korrekte Stromstärke (Maschine in gutem Zustand verwenden),
• Angemessene Methoden und Techniken für die Ausführung der Schweißnähte,
• Die Arbeit muss von einem qualifizierten Schweißer (gemäß Standard) und unter normalen Umgebungsbedingungen (ohne kühlende Luftströmungen) ausgeführt werden.

Für diese Fälle sind die am häufigsten angewandten Qualitätskontrollmethoden:

• Biegeversuch der Schweißnaht auf einem bestimmten Radius, bei dem in der Regel keine Risse auf der Außenseite der Biegung auftreten dürfen.
• Gamma-Test, Ultraschall oder Röntgenprüfung zur Erkennung von Fehlern innerhalb der Schweißnaht wie Schlackeeinschlüsse, Porosität, mangelnde Durchdringung, Risse und Fehler an der Schweißnahtwurzel der Verbindung.

Technische Daten von Kohlenstoffstahl

Die Spezifikationen, die die Bestimmung und Auswahl von Industriematerialien regeln, sind sowohl national (Länder) als auch international (in vielen Ländern) standardisiert. In Chile ist das Nationale Institut für Normung (INN) für die Entwicklung der chilenischen Normen (NCh N°____ Of.______) verantwortlich und reguliert auch internationale Standards (SAE, ASTM usw.), die im Land angewendet werden können.

Die Normen für Stähle werden in zwei Typen unterteilt: Diejenigen, die:

1. Die physikalischen und mechanischen Eigenschaften der Materialien und die für ihre Verwendung geeigneten Anwendungen betreffen, und
2. Den Gehalt (%) der chemischen Elemente betreffen, aus denen der Stahl besteht.

Im ersten Fall sind die Normen ASTM (American Society of Testing Materials) und die chilenischen Normen (NCh-Of) relevant. Zum Beispiel:

Nach der chilenischen Norm bedeutet bei einem bestimmten Stahl A 42 - 27 E S:

• A = Stahl
• 42 = 42 kgf/mm² Zugfestigkeit
• 27 = 27 kgf/mm² Mindeststreckgrenze
• E = Empfohlene Verwendung: Strukturstahl
• S = Garantierte Schweißbarkeit

Im zweiten Fall sind die internationalen Standards SAE (Society of Automotive Engineers) (die auch in Chile verwendet werden) und AISI (American Iron and Steel Institute) relevant.

SAE-Standards geben den prozentualen Anteil der wichtigsten chemischen Komponenten von Stahl an.

Es wird eine 4-stellige Spezifikationsnummer verwendet, deren erste Ziffer die allgemeine Art der Stahlgruppe (Kohlenstoff- oder Legierungsstahl) angibt. Die erste Ziffer 1 entspricht Kohlenstoffstahl, die folgenden Ziffern spezifizieren den Stahl weiter. Beispiele:

Kristallographie von Kohlenstoffstählen

Reines Eisen (Fe) ist ein Metall mit guten Eigenschaften wie Zähigkeit, Dehnbarkeit und Weichheit. Seine Festigkeit und Zugfestigkeit sind jedoch begrenzt (nicht mehr als 25 bis 30 kgf/mm²) und es ist sehr anfällig für Oxidation. Aufgrund der genannten Eigenschaften ist die Verwendung von reinem Eisen in der Industrie nahezu null. Doch seine Legierungen mit Kohlenstoff (C) bilden den Stahl, ein Metall mit heute exzellenten industriellen Eigenschaften, das am häufigsten verwendete Metall der Welt.

Ferrit

In der Metallographie wird chemisch reines Eisen (Fe) als Ferrit bezeichnet, und seine grundlegende Kristallstruktur ist kubisch.

Zwischen 0 °C und 910 °C ist die Struktur des Ferrits ein kubisch-raumzentriertes Gitter, d.h., dass neben den Atomen an den Ecken des Würfels ein weiteres zentrales Atom im Inneren vorhanden ist. Es wird als Alpha-Eisen oder Alpha-Ferrit (α-Ferrit) bezeichnet und hat Eigenschaften wie: Es absorbiert chemisch keinen Kohlenstoff und ist physikalisch magnetisch.

Bei etwa 910 °C ändert Ferrit seine Kristallstruktur von kubisch-raumzentriert zu kubisch-flächenzentriert, d.h., zusätzlich zu den Atomen an den Ecken des Würfels befindet sich ein Atom in jeder Würfelfläche (kein zentrales Atom). Dies wird als Gamma-Eisen oder Gamma-Ferrit (γ-Ferrit) bezeichnet und ändert seine Eigenschaften: Es absorbiert chemisch Kohlenstoff und ist physikalisch nicht magnetisch.

Bei etwa 1400 °C nimmt der Ferrit wieder vollständig seine kubisch-raumzentrierte Kristallstruktur an. Er wird als Delta-Ferrit oder Delta-Eisen (δ-Ferrit) bezeichnet.

Schließlich ändert Ferrit bei 1538 °C seinen Zustand und wird zu einer Flüssigkeit ohne innere Struktur, d.h. amorph.

In der Stahlmetallurgie ist der Wechsel von Alpha-Ferrit zu Gamma-Ferrit von Interesse wegen seiner chemischen Auswirkungen auf Kohlenstoff und bildet die Grundlage für die meisten „Wärmebehandlungen“ von Stahl.

Eisen-Kohlenstoff-Diagramm

Wenn Kohlenstoff in Ferrit gelöst wird, bildet sich die Metalllegierung namens Stahl.

Auswirkungen von Kohlenstoff auf Ferrit:

Wenn Ferrit eine kleine Menge Kohlenstoff (z.B. 0,1 %) enthält und diese Legierung erhitzt wird, scheint es, dass die Wirkung von (C) den Umwandlungspunkt von Alpha-Ferrit zu Gamma-Ferrit auf eine niedrigere Temperatur (< 910 °C) verschiebt. Die Erhöhung des C-Gehalts verschiebt den Umwandlungspunkt Alpha-Gamma weiter nach unten, bis er bei Zugabe von 0,85 % C den tiefsten Punkt bei 710 °C erreicht. Dieser niedrigste Umwandlungspunkt wird als eutektoider Punkt bezeichnet.

Durch weitere Zugabe von Kohlenstoff über 0,85 % steigt der Umwandlungspunkt wieder an und erreicht etwa 1150 °C bei einem C-Gehalt von ca. 1,6 %.

Kristalline Gefügebestandteile von Kohlenstoffstahl

Durch Zugabe von Kohlenstoff zu Ferrit bildet sich zunächst die chemische Verbindung Eisenkarbid (Fe₃C) in Form sehr harter Kristalle, die in der Metallurgie als Zementit bekannt sind und 6,67 % Kohlenstoff enthalten.

Wenn der Kohlenstoffgehalt weniger als 0,85 % beträgt (hypoeutektoide Stähle), bildet sich eine geringe Menge Zementit (aufgrund des C-Gehalts) und ein Überschuss an reinem Ferrit. Gemäß den Naturgesetzen ordnen sich die Komponenten Ferrit und Zementit zu einer neuen Gruppe von aufeinanderfolgenden Schichten aus Ferrit und Zementit an, die sich schrittweise weiterbilden, bis diese Gruppierung insgesamt 0,85 % Kohlenstoff enthält. (Die Ferritschicht enthält keinen Kohlenstoff, während Zementit 6,67 % enthält). Diese neue Gruppierung ist als Perlit bekannt und bildet sich weiter, bis Ferrit oder Zementit erschöpft sind, je nachdem, ob es sich um einen hypoeutektoiden oder hypereutektoiden Stahl handelt.

Hypoeutektoide Stähle (weniger als 0,85 % C) enthalten eine geringe Menge Zementit und somit eine geringe Menge Perlit. Bei Temperaturen unter 710 °C haben sie eine Struktur, die aus einem Anteil Perlit und überschüssigem Ferrit besteht.

Stähle mit 0,85 % C (eutektoid) bilden eine vollständige Perlitstruktur ohne überschüssigen Ferrit oder Zementit. Sie werden als perlitische Stähle bezeichnet.

Stähle mit mehr als 0,85 % C (hypereutektoid) enthalten überschüssigen Zementit. Bei Temperaturen unter 710 °C haben sie eine Struktur aus Perlit + überschüssigem Zementit.

Härten von Kohlenstoffstahl

Perlit, ein Gefügebestandteil von Stahl bei niedrigen Temperaturen (< 710 °C), besteht aus einzelnen Schichten von Ferrit (Alpha-Ferrit) und Zementit mit einem Gesamtgehalt von 0,85 % Kohlenstoff. Die Schichten von Ferrit und Zementit haben unterschiedliche Eigenschaften. So ist Zementit hart und enthält Kohlenstoff, während Ferrit weich ist und keinen Kohlenstoff enthält. Diese Bedingung erfordert die Klassifizierung von Perlit als heterogenes Material, d.h. seine Eigenschaften unterscheiden sich je nach Messpunkt (ob auf Ferrit oder Zementit). Dies schränkt die Qualität von Stählen ein.

Wenn Perlit auf 710 °C erhitzt wird, ändert sich die Ferritschicht von Alpha zu Gamma und beginnt, Kohlenstoff aus dem Zementit homogen in der gesamten Perlitmasse aufzunehmen. Diese neue, homogene, kristalline Struktur wird als Austenit bezeichnet.

Austenit ist ein Gefügebestandteil von Stahl, der aus kleinen, homogen verteilten, feinen Kristallnadeln besteht, die die Eigenschaften von Stahl verbessern. In Kohlenstoffstählen bildet er sich jedoch nur über 710 °C, was seine Anwendungen begrenzt.

Der Prozess der Umwandlung von Perlit zu Austenit ist reversibel, d.h., wenn hochtemperatur-Austenit langsam abgekühlt wird (damit die Atome Zeit für die innere Verschiebung haben), beginnt bei Erreichen von 710 °C die Wiederherstellung des ursprünglichen Perlits, und bei Raumtemperatur ist der gesamte Perlit wiederhergestellt und es bleibt kein Austenit übrig.

Wird Austenit hingegen sehr schnell (heftig) abgekühlt, ohne den Atomen Zeit für die innere Verschiebung zu geben, wird die vollständige Rückbildung von Perlit verhindert und es entsteht eine neue kristalline Struktur namens Martensit.

Dieser schnelle Abkühlungsprozess wird als „Wärmebehandlung“ des Härtens bezeichnet.

Martensit ist ein typischer Bestandteil von gehärtetem Stahl und liegt als verzerrte, kristalline Struktur mit gleichmäßig verteilten Nadeln vor, die dem Stahl hohe Härte, aber auch Sprödigkeit verleiht.

Beim Härten von Stahl entstehen innere Spannungen (Kräfte) infolge der heftigen Kontraktionen des abkühlenden Stahls. Diese Spannungen sind umso größer, je schneller die Abkühlung erfolgt. Das Werkstück kann während der Behandlung brechen, wenn es Schwachstellen oder Spannungskonzentrationen (Kerben) aufgrund schlechter Konstruktion oder mangelhafter technischer Entwicklung der Teile aufweist.

Die Reduzierung der Abkühlgeschwindigkeit beim Härten (in Wasser, Öl oder Druckluft) verringert die inneren Spannungen. In anderen Fällen wird zur Reduzierung oder Beseitigung innerer Spannungen in einem wärmebehandelten, gehärteten Werkstück das Anlassen angewendet. Dabei wird das Teil auf Temperaturen von nicht mehr als 300 °C erhitzt (um Gefügeänderungen zu vermeiden) und den Atomen die Möglichkeit zur Umlagerung gegeben, wodurch Spannungen abgebaut werden. Anschließend erfolgt eine kontrollierte Abkühlung.

Stahlhersteller entfernen innere Spannungen aus ihren Produkten, die durch Warmwalzprozesse entstehen, mittels einer Standardbehandlung.

Das Abschrecken von Stahl erzeugt auch gefährliche innere Spannungen, Verformungen in Bezug auf geometrische Ebenheit, Geradheit und Zylindrizität sowie Abkühlungskontraktionen, die zu Mikrorissen an der Oberfläche der Werkstücke führen können. Diese müssen (z.B. durch Honen) beseitigt werden, um die Ermüdungsbeständigkeit der Teile zu verbessern.