Blog Ko Buijs - Koolstofstaal en de benamingen van structuren
Als we kijken naar het ijzerkoolstofdiagram, dan zien we dat er verschillende structuren mogelijk zijn in afhankelijkheid van het koolstofgehalte. Namen zoals ferriet, austeniet, martensiet, perliet, bainiet, cementiet, ledeburiet en eutecticum komen dan voorbij. Het lijkt mij zinvol om in het kort hierbij stil te staan om uit te leggen wat deze termen feitelijk inhouden. Het zijn allemaal begrippen die voortkomen uit het ijzerkoolstofdiagram. Onderstaand wordt dit evenwichtsdiagram tussen ijzer en koolstof getoond.
Door Ko Buijs - Innomet Consultancy BV
Het ijzerkoolstofdiagram met benamingen (bron Wikipedia)
Ferriet is een structuur waarbij de ijzeratomen kubisch ruimtelijk gecentreerd zijn. Afgekort wordt deze situatie met de letters KRG aangeduid. Dit noemt men ook wel (α) alfa-ijzer. In afhankelijkheid van de temperatuur, kan in ferriet slechts 0,02% koolstof opgelost worden. Het is ferromagnetisch en dat houdt in dat het materiaal te magnetiseren is. Austeniet daarentegen, heeft een kubisch vlakken gecentreerd rooster. Afgekort wordt deze situatie aangeduid met de letters KVG. Austeniet ontstaat boven 720˚C en het is zeer goed te vervormen dankzij acht glijvlakken in het KVG-rooster. Bij een temperatuur van 1147˚C kan er maar liefst 2% koolstof in austeniet oplossen. Austeniet wordt ook wel (γ) gamma-ijzer genoemd. Austeniet is niet ferromagnetisch en dat betekent dat het niet door een magneet aangetrokken wordt. Op onderstaande afbeelding worden de twee hierboven genoemde structuren schematisch weergegeven.
KRG-gecentreerd – alfa KVG- gecentreerd - gamma
Martensiet is een structuur met hoge hardheid, die vernoemd is naar de ontdekker Adolf Martens. Als koolstofstaal wordt afgeschrikt bij een hoge temperatuur in het austenietgebied, ontstaat deze structuur. Dat afschrikken gebeurt meestal in water. Heel soms kan het plaats vinden in olie of geforceerde lucht. Als voorbeeld kan gedacht worden aan de slagkant van een hamer die plaatselijk is gehard, waardoor op die plek martensiet is ontstaan. Door de hoge snelheid van afkoelen krijgen de koolstofatomen geen tijd om uit de kristalstructuur te ontsnappen om zo cementiet te vormen. Zo ontstaan er een hardheid tot wel 700 Brinell terwijl de hoogst haalbare hardheid van perliet 400 Brinell is. Daarnaast bestaat de term perliet. Dit is de uitgangsstructuur van staal in zachte toestand, bestaande uit ferriet en ijzercarbiden c.q. cementiet. De samenstelling van perliet is 88% ferriet en 12% cementiet. Als austeniet bij hoge temperatuur snel wordt afgeschrikt, tussen 550°C en de temperatuur dat er zich martensiet gaat vormen, ontstaat er bainiet. Bainiet is vernoemd naar de ontdekker Edgar Bain.
Het legeringselement chroom speelt als ferrietvormer een belangrijke rol. Door deze warmtebehandeling ontstaat er geen perliet maar bainiet. Omdat bainiet, net als martensiet metastabiel van aard is, heeft het geen gebied in het ijzerkoolstofdiagram. Cementiet is een chemische verbinding tussen drie ijzeratomen en een koolstofatoom. De chemische formule luidt Fe3C wat in feite ijzercarbide is. Cementiet is bijzonder hard en bros en dus moeilijk te vervormen. Cementiet wordt in de praktijk dan ook nooit puur gebruikt. Zodra er meer dan 6,7% koolstof in staal aanwezig is, ontstaat er naast cementiet vrij koolstof dat ook wel grafiet wordt genoemd. Dat is het geval bij grijs gietijzer. De naam ledeburiet is vernoemd naar de ontdekker Karl Heinrich Ledebur. Ledeburiet vormt bij 4,3% koolstof een zogenaamd eutecticum dat een stolpunt heeft van 1140°C. Dit punt wordt aangeduid met C in het bovenstaande diagram. Een eutecticum heeft een stolpunt en geen stoltraject wat meestal wel het geval is bij legeringen. Feitelijk bestaat ledeburiet uit fijne kristallen met twee verschillende fasen t.w. austeniet en cementiet.
Kristalstructuur van cementiet.
Tenslotte het begrip eutecticum. Als een gesmolten metaallegering gaat stollen, zullen normaal gesproken bepaalde kristallen overheersen, die dan primaire kristallen vormen. Indien echter beide kristalsoorten gelijktijdig gevormd worden, dan zullen ze elkaar hinderen waardoor de vrije groei belemmerd wordt. Er ontstaat een structuur van fijne kristallen dat een eutecticum wordt genoemd. In afhankelijkheid van de kiemneigingen in de smelt kan men allerlei eutectische structuren krijgen. Het hoofdkenmerk van een eutecticum is dat ze geen smelttraject doch een smeltpunt hebben zoals eerder is beschreven. Ook is het smeltpunt van een eutecticum behoorlijk veel lager dan het smeltpunt van de elementen die nodig zijn geweest om dit eutecticum te vormen.
Indien door segregatie een dusdanige verhouding van de metalen komt dat er een eutecticum ontstaat tussen de korrelgrenzen, dan betekent dit dat deze plaatsen een laag smeltpunt hebben. De krimpende kristallen, die omgeven worden door dit eutecticum, geven extra mechanische spanningen op deze laag smeltende gebiedjes. Zodra het eutecticum gaat stollen, bezit het nog maar hele geringe mechanische waarden waardoor deze krimpspanningen snel aanleiding kunnen geven tot kleine breuken in het eutecticum. Dit noemt men per definitie een warmscheur. Wellicht ten overvloede, segregatie is het vooruit drijven van allerlei verontreinigingen voor het stollingsfront uit.
