5. E I S E N. 5.1 Allgemeines. Dichte von Eisen: 7,8 kg/dm 3 Dichte Von Kohlenstoff: 2,0 kg/dm 3 Schmelzpunkt: 1150 C bis 1536 C

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1 5. E I S E N 5.1 Allgemeines Dichte von Eisen: 7,8 kg/dm 3 Dichte Von Kohlenstoff: 2,0 kg/dm 3 Schmelzpunkt: 1150 C bis 1536 C Chemisch reines Eisen wird Ferrit genannt und wird in der Technik nicht verwendet. Eisen und Stahl sind Legierungen (=Gemische) von eisen und Kohlenstoff. Im Eisen befindet sich Kohlenstoff mit bis zu 0,8 Masse Prozent. Im Stahl liegt der Kohlenstoffanteil zwischen 0,8 und 2,06 Masse Prozent. Außerdem können im Stahl noch andere Legierungsbestandteile enthalten sein. Die wichtigsten Legierungspartner sind Chrom und Nickel für nicht rostenden Edelstahl. Bei einem Kohlenstoffgehalt zwischen 2,7 und 4,3 Masseprozent spricht man von Gusseisen. 5.2 Eisenlegierungen Eisen mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,8 Masse Prozent wird Perlit genannt. Perlit hat ein feinkörniges, gleichmäßiges Gefüge. Beim Abkühlen der Schmelze entstehen zahlreiche Kristallisationskeime. An diesen Elementarzellen lagern sich ständig neue Elementarzellen an, so dass schließlich ein Kristall entsteht. Die Kristalle wachsen, bis sie an die Nachbarkristalle anstoßen und schließlich die gesamte Schmelze erstarrt ist. Beim Perlit sind diese Kristalle sehr klein feinkörniges Gefüge. Eisenatome Kohlenstoffatome Bild 1: Kristallaufbau von Perlit Bei Stählen mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,8 bis 2,06 Masse Prozent bestehen alle Gefügekörner aus Perlit. Der über 0,8% liegende Kohlenstoffanteil wird während der Abkühlung an den Korngrenzen als Zementit Fe 3 C abgelagert (Korngrenzenzementit). Bei Raumtemperatur liegt das Eisen in kubisch raumzentrierten Kristallen vor. Bei Erwärmung über 723 C wandeln sich diese kubisch raumzentrierten Kristalle in kubisch flächenzentrierten Kristallen um. Eisen mit kubisch flächenzentrierten Kristallen ist unmagnetisch. Oktober 2012 Seite 1 / 6

2 Der Schmelzpunkt der Eisen Kohlenstoff Legierungen liegt zwischen 1150 C bei einem Kohlenstoffgehalt von 4,3% und 1536 C bei chemisch reinem Eisen. Oberhalb dieser Temperaturen ist die entsprechende Legierung vollkommen flüssig. Kalte Eisen Kohlenstoff Legierungen werden je nach Kohlenstoffgehalt eingeteilt in: a) Baustähle mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,1% bis 0,6% (schweißbar). Verwendung: Allgemeiner Konstruktionswerkstoff b) Werkzeugstähle mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,6% bis 2,06%, nicht oder nur sehr eingeschränkt schweißbar. Diese Stähle haben eine hohe Streckgrenze, sind hoch belastbar, härtbar und werden daher für Werkzeug verwendet. c) Gusseisen mit einem Kohlenstoffgehalt von 2,7% bis 4,3% 5.3 Wärmebehandlung der Stähle Die Wärmebehandlungsverfahren dienen der Verbesserung der Eigenschaften der Stähle: Härte, Festigkeit und Umformbarkeit. Die Ursache der Verbesserungen sind Gefügeveränderungen im Werkstoff Glühen Die Wärmebehandlung Glühen besteht aus langsamem Erwärmen, Halten auf Glühtemperatur und langsamem Abkühlen. Durch Spannungsarmglühen werden innere Spannungen in Bauteilen beseitigt, die durch Schweißen, Schmieden, Biegen oder Walzen entstanden sind. Rekristallisationsglühen wird angewendet, wenn ein durch Walzen oder Biegen stark verfestigter Stahl wieder plastisch formbar gemacht werden soll. Durch Weichglühen werden Werkstücke aus Stahl leichter spanbar gemacht. Das Normalglühen wird angewendet, wenn das Gefüge beim Walzen, Schmieden oder Gießen ein ungleiches oder grobes Korn erhalten hat. Die einzelnen Glüharten unterscheiden sich durch die Glühtemperatur und die Glühdauer. Glühtemperatur: 550 C bis 730 C Glühdauer: Mehrere Stunden Gittervorgänge und Gefügeveränderungen beim Härten Härten ist eine Wärmebehandlung, die Werkstücke hart und verschleißfest macht. Der Härtevorgang besteht aus Erwärmen und Halten auf Glühtemperatur, Abschrecken und Anlassen. Gehärtet werden vor allem Werkzeuge wie Meisel und Bohrer. Oktober 2012 Seite 2 / 6

3 Erwärmen Abschrecken Anlassen Härteofen ca. 750 C (1100 C) Abschreckbäder Anlassofen 200 C bis 380 C (600 C) Arbeitsgänge beim Härten Temperatur Härtetemperatur Durchwärmen Abschrecken Anlass- temperatur Anlassen Zeit Temperaturverlauf beim Härten Bild 2: Arbeitsgänge und Temperaturverlauf beim Härten Zuerst wird das Werkzeug in einem Härteofen rund 10 Minuten auf Härtetemperatur erwärmt und anschließend sofort in einem Wasserbad abgeschreckt. Dabei erfolgt die Härtung und Versprödung. Nach der Härtung ist der Stahl glashart und bruchempfindlich. Um die Versprödung zu beseitigen, wird das Werkzeug anschließend auf Anlasstemperatur erwärmt und danach langsam abgekühlt Gittervorgänge und Gefügeveränderungen beim Härten Beim Härten verändert sich der kristalline Aufbau des Stahles. Dadurch erhöht sich die Härte und die Verschleißfestigkeit. Beim Erwärmen von ungehärtetem Stahl auf Härtetemperatur wandelt sich das kubisch-raumzentrierte (krz) Kristallgitter des kalten Stahles ins kubisch-flächenzentrierte (kfz) Kristallgitter um. Dadurch wird der Mittelplatz frei, der von einem Kohlenstoffatom besetzt wird. Der Kohlenstoff stammt aus dem Stahlgefügeanteil Streifenzementit (Fe 3 C). Er löst sich durch das Abwandern der Kohlenstoffatome in die Gittermitte auf. Dieser Vorgang ist reversibel, d. h. umkehrbar. Wenn der erwärmte Stahl sehr schnell abgekühlt wird, wie es beim Härten geschieht, dann klappt das kfz-kristallgitter schlagartig in das krz-kristallgitter um. Das Kohlenstoffatom in der Würfelmitte hat keine Zeit aus der Würfelmitte heraus zu wandern und mit Eisenatomen wieder Zementit zu bilden. Es bleibt in der Würfelmitte eingesperrt. Oktober 2012 Seite 3 / 6

4 Durch das Vorhandensein zweier Atome in der Würfelmitte verzerrt sich das Kristallgitter. Die Verzerrung führt zur Bildung des Härtegefüges. Dieses Gefüge ist glashart und verleiht gehärtetem Stahl Härte und Verschleißfestigkeit. Voraussetzung für die Härtbarkeit ist das Vorhandensein von ausreichendem Kohlenstoff. Nur Stahl mit mehr als 0,2% Kohlenstoffgehalt ist härtbar! Eisenatome 9. Eisenatom in Würfelmitte Kohlenstoffatom auf Mittelplatz C-Atom im Zementit krz-kristallgitter kfz-kristallgitter Erwärmen über 730 C Kohlenstoffatom 9. Eisenatom krz-kristallgitter, verzerrt Bild 3: Gittervorgänge beim Härten kohlenstoffhaltigen Eisens Oktober 2012 Seite 4 / 6

5 5.4 Ferromagnetische Werkstoffe Ferromagnetische Werkstoffe sind Eisen, Nickel, Kobalt und ihre Legierungen Magnetische Felder Das magnetische Feld ist der Raum in dem magnetische Kräfte wirken z. B. die Umgebung eines Stabmagneten. N S Feldlinien Bild 4: Magnetfeld eines Stabmagneten N Nordpol; S Südpol Das magnetische Feld wird durch Feldlinien dargestellt. Außerhalb des Stabmagneten verlaufen die Feldlinien vom Nordpol zum Südpol, innerhalb des Stabmagneten vom Südpol zum Nordpol. Magnetische Feldlinien sind in sich geschlossen! Definition: Am Nordpol treten die Feldlinien aus dem Stabmagneten aus und am Südpol treten die Feldlinien in den Stabmagneten wieder ein. Gleichartige Pole stoßen einander ab, ungleichartige Pole ziehen einander an Magnetisierung ferromagnetischer Werkstoffe In ferromagnetischen Werkstoffen sind kleine Kristallbereiche in gleicher Richtung magnetisiert. Diese Kristallbereiche kann man sich als kleine Stabmagneten vorstellen. Die in gleicher Richtung magnetisierten Kristallbereiche werden Weiss`sche Bezirke (nach Pierre Weiss, französischer Physiker, ) genannt. Die Weiss`schen Bezirke werden durch Blochwände (nach dem amerikanischen Physiker Bloch benannt) begrenzt. Oktober 2012 Seite 5 / 6

6 Im unmagnetischen Zustand sind die Weiss`schen Bezirke in ferromagnetischen Werkstoffen nicht ausgerichtet, d. h. ungeordnet. Dadurch heben sich die Wirkungen der Weiss`schen Bezirke auf und nach außen wirkt das Werkstück nicht magnetisiert. Blochwände Weiss`sche Bezirke Richtung der Magnetisierung Bild 5: Weiss`sche Bezirke mit uneinheitlich ausgerichteter Magnetisierung Durch ein äußeres Magnetfeld z. B. das Magnetfeld einer Spule, können die Weiss`schen Bezirke geordnet werden. Dabei verschieben sich die Blochwände im Kristall. Die Weiss`schen Bezirke mit ausgerichteter Magnetisierung vergrößern sich, die Blochwände wandern, bis ein Bezirk mit einheitlicher Magnetisierung entstanden ist. Bei vollständiger magnetischer Ausrichtung bildet jeder Kristall einen einheitlichen Weiss`schen Bezirk. Es sind dann im Kristall keine Blochwände mehr vorhanden. Bezirk 1 Bezirk 2 Blochwand Äußeres Magnetfeld Kein äußeres Magnetfeld Schwaches äußeres Magnetfeld Bild 6: Blochwandverschiebung beim Anlegen eines äußeren Magnetfeldes Starkes äußeres Magnetfeld Wenn alle Weiss`schen Bezirke durch ein äußeres Magnetfeld ausgerichtet sind, spricht man von magnetischer Sättigung. Magnetwerkstoffe verstärken äußere Magnetfelder. Magnetisch weiche Werkstoffe wie z. B. Weicheisen, Dynamobleche können mit geringem Energieaufwand magnetisiert und entmagnetisiert werden. Verwendung im Elektromaschinenbau (Transformatoren, Generatoren und Motoren). Magnetisch harte Werkstoffe benötigen einen großen Energieaufwand zur Magnetisierung und Entmagnetisierung. Magnetisch harte Werkstoffe werden für Dauermagnete verwendet. Oktober 2012 Seite 6 / 6