Kohlenstoffpotenziale

Kohlenstoffpotenziale (Kohlenstoffpotenzial) bezeichnen den chemischen Potenzial des Kohlenstoffs in einem System. In der Thermodynamik beschreibt das chemische Potenzial μ_C die Energie pro Mol Kohlenstoff in einer Phase oder Spezies, und es hängt mit der Aktivität a_C zusammen durch μ_C = μ_C^0 + RT ln a_C. Anders ausgedrückt bestimmt das Kohlenstoffpotenzial, wie stark Kohlenstoff zwischen Phasen oder Komponenten transferiert wird und welche Kohlenstoffphasen stabil sind.

In Festkörper- und Phasenfeldern, zum Beispiel Eisen-Kohlenstoff-Systemen, beeinflusst das Kohlenstoffpotenzial die Stabilität von Phasen wie Graphit, Karbiden oder Cementit (Fe3C) und damit die Mikrostruktur von Stählen. Liegt μ_C hoch, neigt das System stärker zur Kohlenstoffanreicherung an der Oberfläche oder zur Bildung kohlenstoffreicher Phasen; bei niedrigem μ_C dominiert decarburisierung oder Bildung kohlenstoffarmer Phasen.

In der Praxis spielt das Kohlenstoffpotenzial eine zentrale Rolle in der Wärmebehandlung von Stahl, insbesondere beim Karburieren und bei der Oberflächenhärtung. Das Kohlenstoffpotenzial der Atmosphäre in einem Schmiede- oder Karburierofen wird durch das Gasgemisch bestimmt (typisch CO, CO2, H2, CH4). Bei gegebener Temperatur lässt sich μ_C der Gasphase über das Verhältnis von CO2 zu CO annähern; ein höheres CO2-/CO-Verhältnis erhöht das Kohlenstoffpotenzial und begünstigt Carburierung, während ein niedrigeres Verhältnis decarburisieren kann. Praktisch wird das Kohlenstoffpotenzial durch Regler, Gasgemische und ggf. Analysatoren gesteuert, um Oberflächenkohlenstoffgehalte gezielt einzustellen.

Zusammenfassend dient das Kohlenstoffpotenzial als thermodynamischer Steuerfaktor für Kohlenstofftransfer und Phasenstabilität in Materialprozessen und Industrieanwendungen.