Ferrit – Grundlegende Eigenschaften und Bedeutung in der Metallurgie
Definition und Einordnung
Ferrit ist eine wichtige kristalline Phase im Gefüge von Eisen und Stahl, die aus einer kubisch-raumzentrierten (krz) Anordnung der Eisenatome besteht. Als Reinstoff wird Ferrit auch als α-Eisen bezeichnet und bildet eine der grundlegenden Strukturen, die für die vielfältigen Eigenschaften von Eisenwerkstoffen verantwortlich sind. Der Name leitet sich vom lateinischen „ferrum“ (Eisen) ab.
Chemische Zusammensetzung und Kristallstruktur
Ferrit besteht hauptsächlich aus Eisen mit einem geringen Anteil an gelöstem Kohlenstoff. Die maximale Löslichkeit von Kohlenstoff in Ferrit beträgt:
- Bei Raumtemperatur: ca. 0,008%
- Bei 723°C (eutektoide Temperatur): ca. 0,02%
Die kubisch-raumzentrierte Kristallstruktur des Ferrits unterscheidet sich grundlegend von der kubisch-flächenzentrierten (kfz) Struktur des Austenits und ist verantwortlich für seine spezifischen Eigenschaften wie höhere Zähigkeit und geringere Festigkeit im Vergleich zu anderen Eisenphasen.
Bildung und Vorkommen
Ferrit entsteht im Eisen-Kohlenstoff-System unter folgenden Bedingungen:
- Beim Abkühlen von reinem Eisen aus der Schmelze unterhalb von 1538°C
- Bei der eutektoiden Umwandlung von Austenit unterhalb der A1-Temperatur (723°C)
- Durch Ausscheidung aus dem Austenit bei Abkühlung zwischen A3- und A1-Temperatur
Im Stahlgefüge tritt Ferrit in verschiedenen Morphologien auf:
- Als Primärferrit in untereutektoiden Stählen
- Als Bestandteil von Perlit in Form von Ferritlamellen
- Als Widmanstätten-Ferrit in Form nadelförmiger Strukturen
- Als körniger Ferrit nach speziellen Wärmebehandlungen
Physikalische und mechanische Eigenschaften
Ferrit weist folgende charakteristische Eigenschaften auf:
- Hohe elektrische Leitfähigkeit
- Ferromagnetismus unterhalb der Curie-Temperatur (768°C)
- Relative Weichheit und hohe Zähigkeit
- Gute Verformbarkeit
- Mittlere Zugfestigkeit von ca. 280 N/mm²
- Hohe Wärmeleitfähigkeit
Diese Eigenschaften machen Ferrit zu einem wichtigen Gefügebestandteil für zahlreiche technische Anwendungen, besonders wenn Duktilität und Zähigkeit gefordert sind.
Ferrit in verschiedenen Stahlsorten
Der Ferritanteil bestimmt maßgeblich die Eigenschaften verschiedener Stahlsorten:
- Ferritische Stähle:
- Enthalten überwiegend Ferrit im Gefüge
- Typischerweise chromlegierte Stähle mit 12-30% Chrom
- Zeichnen sich durch gute Korrosionsbeständigkeit und moderate Festigkeit aus
- Beispiele: 1.4016 (X6Cr17), 1.4521 (X2CrMoTi18-2)
- Ferritisch-perlitische Stähle:
- Enthalten sowohl Ferrit als auch Perlit
- Bieten eine ausgewogene Kombination aus Festigkeit und Zähigkeit
- Weit verbreitet als Baustähle und niedrig legierte Stähle
- Beispiele: S235JR, C45
- Dualphasenstähle:
- Bestehen aus Ferrit und Martensit
- Kombinieren gute Umformbarkeit mit hoher Festigkeit
- Werden häufig in der Automobilindustrie verwendet
Einfluss von Legierungselementen auf Ferrit
Verschiedene Legierungselemente beeinflussen die Bildung und Eigenschaften von Ferrit:
- Ferritbildner: Chrom, Silizium, Molybdän, Titan und Niob erweitern das Ferritgebiet und fördern die Ferritbildung
- Austenitbildner: Kohlenstoff, Stickstoff, Nickel und Mangan verkleinern das Ferritgebiet und begünstigen die Austenitbildung
Durch gezielte Legierung können die Eigenschaften des Ferrits modifiziert werden, was zu einer Verbesserung der Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit oder anderer funktionaler Eigenschaften führt.
Wärmebehandlung und Gefügebeeinflussung
Durch verschiedene Wärmebehandlungsverfahren kann der Ferritanteil im Stahlgefüge gesteuert werden:
- Ferritisieren: Wärmebehandlung zur Erhöhung des Ferritanteils
- Glühen: Führt zu einer Vergröberung des ferritischen Gefüges und verbessert die Zähigkeit
- Normalglühen: Erzeugt ein feinkörniges ferritisch-perlitisches Gefüge
- Rekristallisationsglühen: Bildet nach Kaltverformung neue, verformungsfreie Ferritkörner
Bedeutung in der Gießereitechnik
In Gusswerkstoffen spielt Ferrit eine wichtige Rolle:
- Gusseisen mit Kugelgraphit (GJS):
- Ferritisches GJS bietet hohe Dehnung und gute Zähigkeit
- Perlitisch-ferritisches GJS kombiniert höhere Festigkeit mit moderater Zähigkeit
- Gusseisen mit Lamellengraphit (GJL):
- Der Ferritanteil beeinflusst die Bearbeitbarkeit und mechanischen Eigenschaften
- Ferritisches GJL zeigt verbesserte Dämpfungseigenschaften
Moderne Anwendungen und Forschung
Die Forschung an ferritischen Stählen und deren Anwendungen entwickelt sich kontinuierlich weiter:
- Entwicklung hochfester ferritischer Stähle für den Leichtbau
- Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit für Anwendungen in aggressiven Umgebungen
- Optimierung der magnetischen Eigenschaften für elektrotechnische Anwendungen
- Nutzung in nanostrukturierten Werkstoffen mit verbesserten Eigenschaften
Prüfung und Analyse
Zur Bestimmung des Ferritgehalts und der Gefügestruktur kommen verschiedene Methoden zum Einsatz:
- Metallographische Untersuchungen mittels Lichtmikroskopie nach geeigneter Ätzung
- Elektronenmikroskopische Verfahren für detaillierte Gefügeanalysen
- Magnetische Messverfahren zur zerstörungsfreien Bestimmung des Ferritanteils
- Röntgenografische und spektroskopische Analysemethoden
Zusammenfassung
Ferrit ist ein fundamentaler Gefügebestandteil in Eisenwerkstoffen, der durch seine charakteristische Kristallstruktur und Eigenschaften maßgeblich das Verhalten von Stählen und Gusseisen bestimmt. Durch gezielte Beeinflussung des Ferritanteils und seiner Morphologie können Werkstoffeigenschaften wie Festigkeit, Zähigkeit, Korrosionsbeständigkeit und magnetisches Verhalten präzise eingestellt werden. Dies macht Ferrit zu einem Schlüsselelement in der modernen Werkstofftechnik mit Anwendungen vom Automobilbau bis zur Elektrotechnik.