Lasertechnik für die Fertigung - Grundlagen, Perspektiven und Beispiele für den innovativen Ingenieur

6 Phasenumwandlungen (S. 55-56)

Viele neue Metalllegierungen, Keramiken und Kunststoffe halten Einzug in die Produktion. Dennoch sind Werkstoffe auf Eisenbasis wegen ihrer vielfältigen Eigenschaften nach wie vor eine der gebräuchlichsten. Reines Eisen selbst ist wegen seiner unzureichenden Festigkeit zwar nicht sehr bedeutsam, Eisen-Kohlenstoff- Legierungen erlauben es jedoch, Stähle und Gusseisensorten in einer großenVielfalt von gewünschten Eigenschaften zu erzeugen. Darüber hinaus werden neben den stets durch den Herstellungsprozess enthaltenen Begleitelementen Si, Mn, P und S noch weitere Legierungselemente, wie Cr,Ni, Mo, V,W, etc. bewusst zur Erzielung bestimmter Eigenschaften beigegeben. Berücksichtigt man noch die Möglichkeiten, durch Wärmebehandlung vor allem die mechanischen Eigenschaften in weiten Grenzen zu verändern, so ergibt sich eine reiche Palette von Anwendungsbereichen. Es gibt Eisenwerkstoffe von niedrigen bis höchsten Festigkeiten (340– 2000 N/mm2 Zugfestigkeit), mit ausgezeichneter Korrosionsbeständigkeit, guter Zunderbeständigkeit, erhöhter Warmfestigkeit, gutem Verformungsvermögen auch bei tiefsten Temperaturen, hoherVerschleißbeständigkeit, gutem Gießverhalten, mit Warm- und Kaltverformbarkeit, Schweißbarkeit, usw. Alle diese günstigen Eigenschaften lassen sich nicht in einem einzigen Werkstoff vereinigen, meist sind eine oder einige wenige davon jeweils in einemWerkstoff besonders ausgeprägt. Grundsätzlich ist zu unterscheiden zwischen:

• Stahl oder Stahlguss, das sind ohne Nachbehandlung schmiedbare Fe-CLegierungen mit weniger als 2.06% C.

• Gusseisen, das sind Fe-C-Legierungen mit mehr als 2.06%C, (praktisch zwischen 2.5 und 5% C). Sie können nicht geschmiedet, sondern nur durch Gießen in die gewünschte Form gebracht werden.

6.1 Eisen-Kohlenstoff-Diagramm

6.1.1 Reines Eisen

Eisenatome bilden unterhalb der Schmelztemperatur Kristalle. Allerdings werden im makroskopischen Bereich keine Einkristalle gebildet, sondern kleine Kristallite, die an den Korngrenzen zusammenstoßen. Eisen kann in zwei unterschiedlichen Kristallformationen vorliegen. Unterhalb 911.C bildet Eisen ein kubisch raumzentriertes Gitter (krz-Gitter) (Abb. 6.1). Hierbei be.nden sich an den vier Ecken eines gleichseitigen Kubus Fe-Atome und ein weiteres im Mittelpunkt des Kubus.

Diese Form des Eisens wird α-Eisen oder Ferrit genannt. Unterhalb 769.C, der Curie-Temperatur, ist Eisen ferromagnetisch, oberhalb paramagnetisch, die Kristallstruktur ändert sich an dieser Temperaturgrenze allerdings nicht. Oberhalb 911.C formen sich die Fe-Kistallite zu einem kubisch .ächenzentrierten Gitter (kfz-Gitter) um (Abb. 6.2). Hierbei sitzen außer an den vier Ecken des Kubus je ein Atom auf den acht Flächen des Kubus. Diese Gitterform besitzt eine geringere Dichte als das krz-Gitter und wird γ -Eisen oder Austenit genannt. Bei einer Temperatur von 1392. wird das kfz-Gitter wieder in ein krz-Gitter umgewandelt, dem δ-Eisen oder δ-Ferrit. Der Grund für die Phasenumwandlungen bei 911.C bzw. 1392. ist, dass die jeweilige Gitterform bei der gegebenen Temperatur energetisch günstiger ist. Die Umwandlung durch Änderung der Kristallstruktur wird allotrope Umwandlung genannt (Abb. 6.3). Die Umwandlung erfolgt nicht gleichzeitig im ganzen Material, sondern es liegt im Übergangsbereich ein Gemisch beider Phasen vor. Bei 1536.C lösen sich die Kristallite auf und gehen in die .üssige Phase über.