HET IJZER-KOOLSTOF DIAGRAM
Tijdens het geven van trainingen, heb ik door de jaren heen ervaren dat het ijzer-koolstofdiagram een van de meest ‘gehate’ diagrammen is die er bestaan. Toch is dit diagram heel belangrijk voor een ‘metaalman’ omdat op een eenvoudige wijze bepaald kan worden wat voor een structuur men kan verwachten van het staal, bij een bepaald koolstofgehalte en temperatuur. Het lijkt een ingewikkeld diagram maar dat is feitelijk niet het geval. Onderstaand is een vereenvoudigd ijzer-koolstofdiagram weergegeven, dat ook wel het systeem ijzer-koolstof wordt genoemd. Feitelijk is dit diagram een verzameling van punten, waardoor er lijnen ontstaan die aangeven dat een bepaalde structuur overgaat naar een andere fase.
Als we starten met zuiver ijzer, dan is het koolstofgehalte dus 0%. Dat betekent dat we alleen met de verticale lijn van doen hebben die zich geheel links van het diagram bevindt. Bij 1539 ⁰C stolt het ijzer en dan heeft het een austenitische structuur. Deze structuur blijft gehandhaafd totdat de temperatuur wordt bereikt van ongeveer 900 ⁰C. Vanaf dat moment heeft men een fase die bestaat uit ferriet plus austeniet. Onder circa 720 ⁰C wordt het ijzer geheel ferritisch van aard. Bij de aanwezigheid van 0,2% koolstof, is goed te zien dat de austenietfase iets lager begint te stollen dan in het geval van zuiver ijzer. Ook blijft dit materiaal tijdens het afkoelen langer austenitisch want die temperatuur is dan ongeveer 820 ⁰C. Bij circa 720 ⁰C wordt het ook weer geheel ferritisch. Zodra het koolstofgehalte verder toeneemt, dan is in de grafiek duidelijk de invloed hiervan te zien, hoe het austenietgebied zich dan ontwikkelt. Samenvattend kan het volgende gesteld worden:
- Het gebied 08 bestaat uit de smelt en austeniet kristallen;
- Het gebied 05 bestaat uit austeniet;
- Het gebied 01 bestaat uit ferriet;
- Het gebied 04 bestaat uit ferriet en austeniet.
Ferriet heeft een kubisch ruimtelijk gecentreerde atomaire opbouw. Dat kan voorgesteld worden door een denkbeeldige kubus waar op de hoekpunten een atoom aanwezig is en ook in het midden ervan. De afkorting is KRG en dat staat voor kubisch ruimtelijk gecentreerd. Dit wordt verder duidelijk gemaakt op onderstaande afbeelding. Als de atomen op deze wijze zijn geconfigureerd c.q. geordend, dan is het materiaal te magnetiseren en heeft het over het algemeen betere mechanische eigenschappen dan een structuur met een kubisch vlakken gecentreerd rooster (KVG). In dat laatstgenoemde geval zitten de atomen ook op de hoeken van een denkbeeldige kubus maar ook op de vlakken van die kubus. Dat wordt per definitie austeniet genoemd. Bij koolstofstaal treedt deze toestand op bij hoge temperaturen, zoals dat te zien is op het ijzer-koolstof diagram. Austeniet is niet te magnetiseren en dat is controleerbaar met een magneet. Austeniet heeft meer glijvlakken dan ferriet waardoor het beduidend gemakkelijker te vervormen is. Daarom gaat een smid zijn staal graag verhitten in het austenietgebied, want dan kan hij nagenoeg probleemloos de mooiste vormen smeden. In dit verband kan gedacht worden aan een mooi gesmeed sierhek.
Een metaal heeft een smeltpunt maar een legering heeft meestal een smelttraject. Dat laatste betekent dat tijdens het stollen het materiaal een bepaalde tijd afkoelt totdat het geheel gestold is. In het ijzer-koolstof diagram zijn dat de gebieden 08 en 09. En goed voorbeeld hiervan is een nikkel/koperlegering met 60% nikkel en de rest koper. Deze legering begint te stollen op ongeveer 1280 ⁰C en het is volledig gestold bij een temperatuur van 1200 ⁰C. Het stollingstraject en ook het smelttraject is dan 80 ⁰C. Toch kunnen diverse legeringen bij een bepaalde verhouding een smeltpunt hebben i.p.v. een smelttraject en dat wordt dan een eutecticum genoemd. Dat punt doet zich voor op punt 07 in het bovenstaande ijzer-koolstof diagram. Dat betekent in dit geval dat ijzer met 4,3% koolstof een smelttemperatuur heeft van circa 1150 ⁰C. Ook bij 0,8% koolstof is er een directe structuuromslag van austeniet naar ferriet zonder een overgangsfase, zoals bij 0,2% koolstof wel het geval is.
Er is uiteraard nog veel meer te zeggen over dit diagram en er zijn zelfs boekwerken over vol geschreven. Deze blog wil juist een inzicht geven over de grote invloed van relatief weinig koolstof op het gedrag van ijzer aan de hand van dit ijzer-koolstof diagram.
Vind hier ook mijn blogs welke geschreven zijn voor AluRVS Staal: https://www.alurvs.nl/staal/blog/