Carbid

Metallurgie

Metall-Kohlenstoffverbindung, zum Beispiel Calciumcarbid CaC2 oder Zementit Fe3C (Eisencarbid), häufig als Doppelcarbid (ternäre Verbindung des Kohlenstoffs mit zwei Metallen wie Fe3W3C), als Mischcarbid (einzelne Fe-Atome sind hier durch Atome der Legierungselemente zum Beispiel (Cr, Fe)3C; (Fe,Mn)3C oder (Cr,Fe)7C3 ) oder als Sondercarbide (eutektische und sekundäre Mischcarbide des Typs M7C3) vorliegend. Die häufige Form der Carbidbildung in realen Gussteilen sind die als Kantenhärte in dünnen Querschnitten bekannte Weißerstarrung und die Korngrenzencarbidbildung in dickeren, langsam abkühlenden Wanddickenbereichen. Ein Phänomen ist die umgekehrte Weißerstarrung.

Je nach Entstehungsursache liegen Carbide beispielsweise „faserförmig“ über dem gesamten Querschnitt verteilt (Kantenhärte, Bild  1), als „Zwickel“ in der zuletzt erstarrten Schmelze (Korngrenzencarbid, Bild 2), als „würfel- oder quaderförmige“ Einschlüsse (Titancarbid, Bilder 3 und 4) oder auch als so bezeichnete Chinesenschrift und molybdän- und vanadiumreiche Mischcarbide von Bild 5.

Nicht alle Carbide lassen sich durch eine Wärmebehandlung (Carbidzerfallsglühung) vollständig beseitigen.

Die Schwierigkeiten, die mit der Keimbildung der Graphitphase bestehen, haben jedoch meist eine mehr oder minder ausgeprägte Unterkühlung unter die eutektische Temperatur des stabilen Systems zur Folge. Bei hoher Abkühlungsgeschwindigkeit kann das Eisen bis unter die Temperatur des metastabilen Systems Eisen-Zementit abkühlen, so dass sich Eisencarbid (Fe3C) zu bilden vermag. Dies trifft vor allem in dünnen Querschnitten und Gussstückkanten zu. Wird bei der eutektischen Reaktion viel Wärme frei, kann die Temperatur der Restschmelze wieder über die Temperatur des metastabilen Systems steigen, was die carbidbildende eutektische Reaktion stoppt und damit die Tiefe der Weißerstarrung beziehungsweise Weißeinstrahlung begrenzt. Ein solches Eisen kann dann weiter vollständig innerhalb des Intervalls zwischen beiden eutektischen Temperaturen erstarren, und man erhält ein meliertes, weiß/graues Gefüge, (Eisen-Kohlenstoff-Legierung).

Carbide entstehen aber nicht nur im ersten Stadium des Erstarrungsprozesses, wenn sie zu Weißerstarrung führen, sondern auch im späteren Verlauf des Erstarrungsvorganges. Mit fortschreitender eutektischer Erstarrung wird in der Regel genügend Wärme frei, um die Temperatur anzuheben, aber gegen Ende der Erstarrung nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit ab, und die Temperatur beginnt wieder zu fallen. Sollte die verbleibende Restschmelze unter die eutektische Temperatur des metastabilen Systems abkühlen, können sich Carbide bilden. Solche Carbide entstehen dann natürlich an den Grenzen der bereits gewachsenen eutektischen Körner, es sind die sogenannten Korngrenzencarbide.

Legierungselemente können die Neigung zur Weißerstarrung und Carbidbildung wesentlich beeinflussen. Die meisten Legierungselemente verschieben die eutektische Temperatur des stabilen Systems Eisen-Graphit, verändern dabei auch das Kohlenstoffäquivalent und beeinflussen direkt die Tendenz zur Weißerstarrung. Hinzu kommt, dass Legierungselemente die Gleichgewichts-Solidustemperaturen für das Eisen-Carbid-Eutektikum (metastabiles System) nach Bild 6 verändern.

Da die Legierungselemente beide eutektische Temperaturen beeinflussen, wirken sie sich praktisch auf die Breite des Intervalls zwischen diesen zwei eutektischen Temperaturen und folglich auf die Höhe der Unterkühlung, die zur Vermeidung von Weißerstarrung noch zulässig ist, aus. Dieser Legierungseffekt ist hinsichtlich der Weißerstarrung gleich oder größer als jener auf das Kohlenstoffäquivalent. Graphitisierende Elemente, wie beispielsweise Silizium, Kupfer und Nickel, heben die eutektische Temperatur des stabilen Systems an und senken gleichzeitig jene des metastabilen Systems, sie erweitern also das Intervall zwischen beiden Temperaturen. Carbidbildner, wie beispielsweise Chrom, Titan und Vanadium, senken die Temperatur des Eisen-Graphit-Eutektikums und erhöhen gleichzeitig jene des Eisen-Carbid-Eutektikums, das heißt, sie verengen das Intervall zwischen beiden Temperaturen. Einige Elemente, wie beispielsweise Mangan und Molybdän senken ganz einfach beide eutektische Temperaturen gemeinsam und dürften dadurch die Weißerstarrungsneigung weder vermindern noch erhöhen, eine Tatsache die aber nicht immer zutrifft. In den meisten Fällen ist die Bildung von Korngrenzencarbiden das Ergebnis von Seigerungen. Graphitisierende Elemente seigern gewöhnlich zur festen Phase (Austenit) und Carbidbildner zur flüssigen Phase (Restschmelze). Natürlich können solche Elemente, die nur eine begrenzte Löslichkeit im Austenit haben, wie Kupfer, Phosphor, Zinn, Magnesium oder Tellur auch zur flüssigen Phase ausweichen.

Da sich die flüssige Phase an Carbidbildnern, wie beispielsweise Chrom und Vanadium, anreichert, andererseits die flüssige Phase aber an graphitisierenden Elementen, wie beispielsweise Silizium und Nickel, gleichwohl verarmt, steigt die eutektische Temperatur des Eisen-Carbid-Eutektikums in der verbleibenden Restschmelze mehr und mehr an. Gleichzeitig fällt die Temperatur des Eisen-Graphit-Eutektikums in der Restschmelze, weil letztere an graphitisierenden Elementen infolge Seigerungen, hin zum Austenit, verarmt. Die Folge ist eine Verlangsamung der Erstarrung, so dass die Erstarrungstemperatur fallen muss, wie Bild 7 zeigt.

Zusätze von Legierungselementen, ganz gleich ob graphitisierende Elemente wie Silizium und Nickel oder carbidstabilisierende wie Chrom, begünstigen die Seigerung und schaffen vorgenannte Bedingungen. Hohe Legierungsgehalte verstärken die Neigung zur Bildung von Korngrenzencarbiden. Eine Konzentration dieser Elemente in der zuletzt erstarrten Schmelze zieht häufig eine Carbidbildung nach sich.

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