Eisencarbid

Eisenkarbid, chemisch Fe₃C, ist eine intermetallische Verbindung, die entsteht, wenn Kohlenstoff bei erhöhten Temperaturen in Eisen gelöst wird und sich beim Abkühlen ausscheidet. Auch Zementit genannt, ist es die primäre Härtungsphase in praktisch allen Eisenlegierungen, von Werkzeugstählen bis zu Gusseisen. In reiner Form ist Eisenkarbid extrem hart, aber spröde, mit einer Härte von etwa 1600 bis 1800 HV, abhängig von seiner Kristallstruktur und Gefügeart.

Vorhandensein und Verteilung von Eisenkarbid in einem Stahl oder Gusseisen bestimmen weitgehend sein mechanisches Verhalten. In Perlit, einer lamellaren Struktur, die beim langsamen Abkühlen von Austenit entsteht, wechseln Eisenkarbidschichten mit Ferrit ab. Im Martensit bleiben Eisenkarbidpartikel in einer übersättigten Eisenmatrix erhalten und erzeugen die hohe Härte, die gehärtete Stähle für Schneidwerkzeuge und Matrizen brauchbar macht. Anlassen, das kontrollierte Wiederaufheizen von gehärtetem Stahl, bewirkt, dass Eisenkarbid in feineren Formen ausfällt, was die Sprödigkeit verringert und gleichzeitig nützliche Härte bewahrt.

Gusseisen enthalten deutlich mehr Eisenkarbid als Stähle. In Weißguss bleibt der Kohlenstoff als Eisenkarbid gebunden, anstatt sich als Grafit abzuscheiden, was das Material extrem hart, aber mit konventionellen Werkzeugen unmöglich zu bearbeiten macht. Grauguss enthält Grafitflocken, gemischt mit Eisenkarbid, ein Kompromiss, der Bearbeitbarkeit ermöglicht und gleichzeitig moderate Härte bewahrt. Kugelgraphitguss steuert die Karbidbildung durch Kugelgraphitisierungsmittel, sodass sich Grafit als Kugeln statt als Flocken oder Netzwerke bildet.

Eisenkarbid ist gegenüber bestimmten Umgebungen anfällig. Bei sehr hohen Temperaturen, über etwa 900°C, wird es thermodynamisch instabil und zerfällt zu Eisen und Grafit. In Kontakt mit starken Oxidationsmitteln oder bestimmten Korrosionsmedien oxidiert die Eisenkomponente bevorzugt und hinterlässt einen spröden Rückstand. Unter wiederholten Temperaturwechseln kann die unterschiedliche Wärmeausdehnung zwischen Karbid und Ferrit zu Mikrorissenführen, ein Ausfallmechanismus, der bei Werkzeugen mit unterbrochenen Schnitten oder Temperaturschocks auftritt.

Form und Größe der Eisenkarbidpartikel bestimmen Zähigkeit und Ermüdungsbeständigkeit. Grobe, blockige Karbide machen Material spröde; feine, verteilte Karbide bewahren Festigkeit mit größerer Duktilität. Deshalb werden Werkzeugstähle immer angelassen, nicht im abgeschreckten Zustand verwendet: die Umverteilung von Karbiden aus einer zerbrechlichen martensitischen Form zu einer widerstandsfähigeren Verteilung ist für die Funktion unverzichtbar. Moderne Prozessmetallurgie mit Seltenerd-Kugelgraphitisierungsmitteln und kontrollierten Abkühlungsraten ermöglicht es Ingenieuren, die genaue Karbidmorphologie zu steuern, die für spezifische Anwendungen erforderlich ist.