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Eisen-Kohlenstoff-Diagramm

Das Zustandsdiagramm Fe-C – das stabile System

Der Begriff „stabil“ deutet darauf hin, dass unter bestimmten Bedingungen die thermodynamisch stabile Phase Graphit (ungebundener Kohlenstoff) gebildet wird. Während eine schnelle Abkühlung, ein niedriger C-Gehalt, vorhandene Karbidbildner und das Element Mangan das metastabile System fördern, wird durch eine langsame Abkühlung, hohem Kohlenstoffgehalt und durch vorhandene karbidzerlegende Elemente die Ausbildung des Stabilen Systems Fe-C begünstigt.

Dargestellt ist es durch die gestrichelten Linien im doppelten Eisen-Kohlenstoff-Diagramm:

Eisen-Kohlenstoff-Diagramm stabil und metastabil mit Phasenbeschriftung. Bild: Eisenbeisser aus der deutschsprachigen Wikipedia Lizenz: CreativeCommons by-sa-3.0-de (Kurzfassung).

Ein Gefüge, das aus einer Eisenmatrix besteht, in die Graphit eingelagert ist, entsteht unter folgenden Bedingungen:

–   Erstarrung der Schmelze nach dem stabilen System des Eisen-Kohlenstoff-Diagramms
–   Einen Kohlenstoffgehalt von mehr als 2,06%
–   Sehr langesame Abkühlgeschwindigkeiten

Für welche technischen Eisen-Kohlenstoff-Legierungen ist das stabile System zutreffend?
Das stabile Eisen-Kohlenstoff-Diagramm ist für die Gusseisen-Werkstoffe, d.h. es sind Eisen-Kohlenstoff-Legierungen mit einem C-Gehalt von über 2,06%, zutreffend. Damit eine Eisen-Kohlenstoffverbindung nach dem stabilen System erstarrt, muss sehr langsam abgekühlt werden oder ein höherer Si- Gehalt in der Schmelze vorliegen.

Welches Legierungselement begünstigt die Graphitausscheidung und ist wesentlicher Legierungsbestandteil verschiedener Gusseisenarten?
Als weiteres wichtiges Legierungselement enthält Gusseisen noch Silizium, und zwar bis zu ungefähr 7%. Silizium verschiebt die eutektische Konzentration zu geringeren Kohlenstoffgehalten hin. Ein Zusatz von Si verringert auch die Löslichkeit der γ-MK für Kohlenstoff und begünstigt die Graphitausscheidung in Eisen-Kohlenstoff-Legierungen. Der Grund dafür besteht darin, dass auf Grund höherer Si-Gehalte das Eisenkarbid leicht in seine Bestandteile (Eisen und Kohlenstoff) zerfällt.

Welche Ausbildungsformen des Graphits werden beobachtet?
In Gusseisen ohne besondere Wärmebehandlungen oder Zugabe von Legierungselementen erstarrt der Graphit meist hexagonal in lamellarer Form. Dabei ordnet sich der Graphit in einer flächigen, blattartigen Form an. Graphit kann aber auch als Temperkohle, Korngrenzengraphit, Rosetten- bzw. Nestergraphit, Unterkühlungsgraphit oder Kugelgraphit vorkommen.

Was bewirken zusätzliche Legierungselemente wie Phosphor und Magnesium?
Die Legierungselemente Phosphor und Magnesium beeinflussen die Anordnung bzw. die Ausscheidung des Graphits. In Gusseisen mit einem höherem P-Gehalt (etwa 1,5%) tritt der Graphit häufig zu Nestern zusammen. Diese sind wahrscheinlich auf Phosphorseigerungen zurückzuführen.

Durch die Zugabe von Magnesium oder Zer kann der Graphit in eine sphärolithische Form  übergeführt werden (Kugelgraphit).