Wärmebehandlung von Stahl (2) 03.09.2010, 13:53

Im Maschinenbau besitzen der Stahl und in geringerem Maß das Eisen eine herausragende Bedeutung. Höchst interessant sind die beiden Werkstoffe, wenn man sie wärmebehandelt. Dieses Thema ist bis in kleinste Einzelheiten wissenschaftlich erforscht, muss im technischen Unterricht aber auf die Verständnisebene der Schüler reduziert werden.

Fortsetzung von »Wärmebehandlung von Stahl (1)«

3. Alpha-Eisen und Gamma-Eisen

Aus dem Beitrag »Wärmebehandlung von Stahl (1)« geht hervor, dass alle Metalle einen kristallähnlichen Aufbau besitzen. Diesen wollen wir bei Fe etwas genauer ansehen. Unsere Darstellungen wurden, um sie verständlich zu machen, vereinfacht.

In einem Stück Eisen von Raumtemperatur bilden die Atome unzählig viele Würfel. Wie man im linken Bild (α-Eisen) erkennt, sitzen die Atome an den Würfelecken und in der Würfelmitte. Jeder Würfel besteht demnach aus 9 Atomen. Die Metallurgen haben dem Gebilde einen komplizierten Namen gegeben: Kubisch-raumzentriertes Eisen (Kubus = Würfel; zentriert = in der Mitte befindlich). Ein anderer, einfacherer Name dafür ist α-Eisen = alpha-Eisen. Erwärmt man dieses Eisen, dann findet bei 911 °C, also bei Rotglut, ein Gefügeumbau statt. Die Würfel lösen sich auf und formieren sich neu. Es entstehen Würfel, wie sie im rechten Bild dargestellt sind: Außer den Eckenatomen haben sie noch ein Atom in jeder Fläche. Jetzt sprechen wir von einem kubisch-flächenzentrierten Eisen oder γ -Eisen. Ein γ-Eisen-Würfel besteht aus 14 Atomen. Der Haltepunkt bei 911 °C lässt sich so erklären: Um α-Eisen in γ -Eisen umzuformen, wird Wärmeenergie verbraucht. Erst wenn dieser Umwandlungsvorgang abgeschlossen ist, bewirkt die Energiezufuhr eine weitere Temperatursteigerung. Die beiden Würfel besitzen unterschiedliche Kantenlängen.

4. Gefügeveränderungen im Stahl

Die zum Eisen gemachten Erläuterungen sollen uns helfen, die in Wirklichkeit sehr komplizierten Gefügeveränderungen im Stahl besser zu verstehen. Stahl ist eine Fe-C-Legierung, die maximal 2,06 % Kohlenstoff enthält; bei mehr als 2,06 % C liegt Gusseisen vor.
Kühlt man flüssigen Stahl ab, dann findet man wie bei Eisen Haltepunkte, die aber wegen des Kohlenstoffs nach unten verschoben sind. Je mehr Kohlenstoff ein Stahl enthält, desto weiter wandern die Punkte nach unten. So rutscht der bei Eisen beschriebene 911 °C-Punkt bei Stahl auf 723 °C ab. Auch der Schmelzpunkt wird durch den zunehmenden C-Gehalt verringert. Der Kohlenstoff bewirkt auch, dass die Umwandlungsvorgänge sich teilweise nicht mehr bei scharf begrenzten Temperaturen abspielen. Dieses Phänomen gibt es in ähnlicher Weise bei den Kraftstoffen Benzin und Dieselkraftstoff, die ebenfalls Mischungen (aus verschiedenen Kohlenwasserstoffen) sind.

Wird mit dem Beitrag »Wärmebehandlung von Stahl (3)« fortgesetzt