Eisenkarbid

Eisenkarbid, chemisch Fe₃C, ist eine harte intermetallische Verbindung, die entsteht, wenn Kohlenstoff bei hoher Temperatur in Eisen gelöst wird und dann beim Abkühlen ausfällt. Es ist die Haupthärtungsphase in den meisten Kohlenstoff- und Legierungsstählen und bildet sich als diskrete Partikel in der Mikrostruktur. Vorhandensein und Verteilung der Eisenkarbidpartikel bestimmen unmittelbar die Härte, Festigkeit und Sprödigkeit des fertiggestellten Stahls.

Eisenkarbid erscheint in Stahlmikrostrukturen in verschiedenen Formen. In normalisiertem oder langsam abgekühltem Stahl segregiert es an den Korngrenzen als ein Netzwerk von Zementit (die kristalline Form von Fe₃C), was die Härte erhöht, aber die Zähigkeit verringert. Im angelassenen Martensit stärken äußerst feine verteilte Karbidpartikel die Matrix, ohne die Sprödigkeit durchgehender Korngrenzschichten. Werkzeugstähle, Formstähle und Wälzlagerstähle setzen alle auf spezifische Karbidverteilung, um das erforderliche Gleichgewicht zwischen Härte und Verschleißwiderstand zu erreichen.

Karbidmorphologie und Wärmebehandlung

Die Kontrolle von Größe und Lage des Eisenkarbids ist der ganze Zweck von Härtungs- und Anlasszyklen. Das Abschrecken konserviert Kohlenstoff in fester Lösung als Martensit, dann gibt das Anlassen ihn kontrolliert in feiner verteilter Form frei. Zu hohe Temperaturen oder lange Erhitzung führen dazu, dass Karbide zusammenwachsen (sphäroidisieren), was den Stahl weicher macht. Zu niedrige Temperaturen lassen zu viel Kohlenstoff in hartem, aber sprödem Martensit gebunden. Das Gleichgewicht zwischen diesen Zuständen bestimmt die Lebensdauer in Schneidwerkzeugen, Stempeln, Zahnrädern und Lagern.

Eisenkarbid ist härter als die Eisenmatrix (ungefähr 1200 bis 1400 Vickers-Härte für das Zementit selbst), was hochkohlenstoffhaltige Stähle hart macht, aber auch anfällig für Abplatzungen und Risse, wenn sie zu schnell abgekühlt oder stoßartig belastet werden. Legierungszusätze wie Chrom, Molybdän und Vanadium bilden ihre eigenen Karbide (Cr₂₃C₆, MoC, VC), die noch härter und stabiler sind und es Werkzeugstählen ermöglichen, die Härte bei erhöhten Temperaturen zu bewahren, bei denen Eisenkarbid erweichen würde.

Der Begriff Karbid in der Stahlbearbeitung bezieht sich auf jede Eisen-Kohlenstoff- oder Eisen-Legierungselement-Kohlenstoff-Phase; Eisenkarbid bezeichnet speziell die reine Eisenverbindung. Das Verständnis seiner Bildung, Verteilung und des Verhaltens unter thermischer und mechanischer Belastung ist grundlegend für die Stahlspezifikation und Qualitätskontrolle in Wärmbehandlung, Schmieden und Präzisionsfertigung.