Erstarrungsprozess der Schmelze

Um das Verhalten einer Legierung darzustellen werden Zustandsdiagramme ver-wendet. Aus einem solchem Diagramm können die benötigte Gießtemperatur, der Erstarrungsbereich, Phasen und Gefüge bei Gießtemperatur, sowie deren Umwand-lungen entnommen werden. Zustandsdiagramme basieren auf umfangreichen Ab-kühlversuchen. In Abbildung 2.13 sind exemplarisch eine Abkühl- sowie eine Auf-heizkurve für ein reines Metall zu sehen [106].

Temperatur

Zeit Haltepunkt

(a)

Haltepunkt

Zeit

Temperatur

(b)

Abbildung 2.13: a) Abkühlkurve b) Aufheizkurve für ein reines Metall. In der Mitte ist jeweils ein Haltepunkt zu sehen.

Es ergibt sich jeweils ein Haltepunkt während der Erstarrung bzw. des Schmel-zens. Dies ist bedingt durch die Erstarrungswärme, die bei der Umwandlung von flüssig nach fest frei wird, bzw. der zum Schmelzen benötigten Schmelzwärme. Als Beispiel hierfür kann Zink, mit einem Haltepunkt bei 419 C^◦, genannt werden. Die Temperaturen bei den Haltewerten sind nur dann gleich, wenn die Änderungen ex-trem langsam verlaufen. Weiterhin ist der Prozess nur dann reversibel, falls sich das System stets im Gleichgewicht befindet. Diese Umkehrbarkeit bedeutet, dass 1 K Temperaturänderung über die Schmelztemperatur hinaus zu einer vollständigen Verflüssigung führt. Liegt die Temperatur 1 K unter der Schmelzgrenze befindet sich das Material in einem festen Aggregatzustand. Abbildung 2.14 zeigt schema-tisch die Abkühlkurve einer beliebigen Legierung aus zwei Komponenten. Im Ge-gensatz zu Abbildung 2.13 ergibt sich hier kein Haltepunkt, sondern es ergeben sich zwei Knickpunkte. Oberhalb der Liquidustemperatur befindet sich das Stoffgemisch in einem flüssigem und unterhalb der Solidustemperatur in einem festen Zustand.

Der Bereich dazwischen wird Erstarrungsbereich∆υgenannt. Die Höhe dieses Be-reichs hängt von den Konzentrationen der Legierungspartner ab und schon wenige Zehntel-% Abweichung kann eine immense Verschiebung der Liquidus- oder So-lidustemperatur bewirken. Zur Erstellung von Zustandsdiagrammen dienen Halte-und Knickpunkte erstarrender Metalle Halte-und Legierungen als Messpunkte. Auf der Abszisse eines Zustandsdiagramms ist die Verteilung der Konzentrationen aufgetra-gen. Wird von einem Zweistoffsystem mit den Komponenten A und B ausgegangen, dann befindet sich links der Punkt mit 100 % - Gehalt A und 0 % - Gehalt B. Der rechte äußere Punkt beschreibt die gegenteilige Situation. Auf der Ordinate werden die entsprechenden Temperaturen aufgetragen [107].

Temperatur

Zeit

Liquidustemperatur

Solidustemperatur Erstarrungsbereich ∆𝜗

Abbildung 2.14: Abkühlkurve einer Legierung. Im Vergleich zu reinem Metall er-gibt sich bei Legierungen kein Haltepunkt, sondern einen Erstarrungsbereich.

Die Einteilung der Zustandsdiagramme in verschiedene Grundtypen basiert auf der Löslichkeit der Legierungselemente im Grundmetall. Abbildung 2.15 zeigt die schematische Darstellung für zwei Elemente A und B, die statt einer homogenen Lösung ein Kristallgemisch nach der Erstarrung bilden. Es sind in der Abbildung drei Punkte eingezeichnet, die für folgende Betrachtungen als Ausgangspunkte ge-nutzt werden. Bei Punkt 1 besteht die Schmelze aus 80% A und 20% B. Das Ge-misch kühlt bis zur Liquidustemperatur ab und es entstehen erste Kristalle aus rei-nem A. Durch eine weitere Abkühlung entstehen immer mehr Kristalle aus reirei-nem A, wodurch sich das Verhältnis der Schmelze stetig verändert und der Zustand des Systems bewegt sich entlang der Liquiduslinie hin zu dem Punkt E. Hier sind alle Atome von B enthalten, deren prozentualer Anteil der Schmelze nun 40% beträgt.

Wird die bei E vorliegende Temperatur unterschritten, erstarrt die restliche Schmel-ze mit der Zusammensetzung, die bei Punkt E vorherrscht, dem Eutektikum. Das erstarrte Gemisch besteht zum einem aus dem Kristallgemisch aus A und und zum anderen aus dem Eutektikum. Dabei handelt es sich um ein feines Korngemisch aus den beiden Stoffen und deren Zusammensetzung ist im gesamten Legierungssys-tem gleich. Beginnt der Abkühlprozess bei Punkt 2, so hat die Schmelze die exakte eutektische Zusammensetzung und die Legierung wird als eutektisch bezeichnet.

Beginnend bei Punkt 3 ergibt sich umgekehrtes Verhalten zu 1. Bei Systemen mit völliger Löslichkeit lösen sich die Fremdatome in allen Konzentrationsbereichen [107]. Somit löst sich Element B in Grundmetall A völlig und bei umgekehrter

Konzentration ebenso.

Abbildung 2.15: Zustandsdiagramm bei völliger Unlöslichkeit der Elemente A und B [106].

Als letztes werden Systeme mit teilweiser Löslichkeit im festen Zustand betrach-tet, was in Abbildung 2.16 zu sehen ist. In Zusatz zu Abbildung 2.15 gibt es hier im linken und rechten einen zusätzlichen Bereich. Wird die Situation bei einer Kon-zentration von 100 % A untersucht, so gibt es laut Abbildung die zwei Haltepunkte T_S und T_E, was aber für ein reines Material nicht zutreffen kann. Dieser Zustand kann jedoch ausgeschlossen werden, da immer eine geringe Löslichkeit von Frem-datomen vorhanden sein muss. Das Verhalten der Schmelze wird wie zuvor mittels dreier Anfangspunkte beschrieben. Bei der ersten Variante handelt es sich um eine eutektische Legierung. Diese kühlt bis zur TemperaturT_E ab und erstarrt zum Eu-tektikum, einem feinem Korngemisch aus Mischkristallen α undβ. Verteilen sich Fremdatome mit passendem Durchmesser und entsprechender Elektronenkonfigu-ration gleichmäßig im Gitter eines Grundmetalls, lösen sie sich darin auf und es ergibt sich eine feste Lösung. Mischkristalle sind Kristalle mit gelösten Fremdato-men und können in Austauschmischkristalle und Einlagerungskristalle unterschie-den werunterschie-den [106]. Die α-Mischkristalle enthalten das Grundmetall A und Frem-datome B. Bei β-Mischkristallen ist das Verhältnis genau umgekehrt. Ist die Le-gierung zusammengesetzt wie in Punkt 2, dann kühlt die Schmelze zunächst bis zur Liquiduslinie ab und es werden erste Kristalle fest. Deren Zusammensetzung

entspricht der Konzentration, die sich ergibt, wenn vom Schnittpunkt mit der Liqui-duslinie horizontal zur SoliLiqui-duslinie gegangen wird. Somit handelt es sich hierbei um α-Mischkristalle. Kühlt die restliche Schmelze weiter ab, so erhöht sich die Konzentration der Mischkristalle. Da die Mischkristalle einen geringen Anteil an Fremdatomen von B haben, nimmt deren Anteil in der Schmelze zu. Bei der Tem-peratur T_E - der Solidustemperatur - erstarrt die restliche eutektische Masse. Das Gefüge besteht bei Raumtemperatur ausα-Mischkristallen, umgeben von dem Eu-tektikum.

Abbildung 2.16: Zustandsdiagramm mit teilweiser Löslichkeit der Fremdatome in A und B.α- undβ-Mischkristalle bilden das Eutektikum [106].

Wird bei dem Verhältnis in Punkt 3 gestartet, kühlt die Masse zunächst ab, be-sitzt bei der Erstarrung jedoch kein eutektisches Gefüge. In dem Bereich links des Punkts P kann kein Eutektikum auftreten. Die Umwandlungskennlinie PQ wird bei der Temperatur T₃ erreicht und ab hier beginnt auf Grund von Diffusion die Um-wandlung in den festen Zustand. Die UmUm-wandlungskennlinie bestimmt die Grenze für die Löslichkeit von Atomen in A. Deswegen werden bei Unterschreitung B-Atome ausgeschieden, was in Form von winzigerβ-Mischkristalle geschieht. Letzt-endlich besteht das Gefüge ausα-Mischkristallen und feinen, gleichmäßig verteil-tenβ-Mischkristallen, die manchmal auf Korngrenzen ausgeschieden werden. Für das Ausscheidungshärten ist die Bildung der β-Phase im festen Korngefüge von großer Bedeutung.