Erstarrung (Kristallisation)

Die bisherige Betrachtung liess ausser Acht, dass beim Übergang zwischen Festkörper und Schmelze eine Grenzfläche gebildet werden muss, die freie Enthalpie enthält. Die Umwandlungs Schmelze in Festkörper kann also unter Berücksichtung der Grenzfläche nur stattfinden, wenn die Schmelze unterkühlt wird und bei der einsetzenden Umwandlung tatsächlich freie Enthalpie entsteht.

Die bei der Erstarrung frei werdende freie Enthalpie wächst mit dem Volumen des Festkörpers an, da die freie Enthalpie wie alle Energieformen eine additiv d.h massenproportionale Grösse ist.

Die Gesämtänderung der Energie ergibt sich somit aus der Bilanz der freigesetzten Volumenenergie und der verbrauchten Oberflächenenergie.

Solange der Festkörperradius kleiner ist als der kritische Radius nimmt seine freie Gesamtenergie beim Wachsen zu. Daher möchte er sich wieder auflösen und freie Enthalpie abgeben. Er befindet sich noch in dem instabilen Stadium des Embryos (Vorkeim)

Der Kritische Radius ergibt sich aus dg/dr = 0 -> R = -2 * Grenzflächenenergie/ delta gv(T)

wobei die Grenzflächenenergie negativ ist.

Ist die Schmelze unterkühlt, nennt man die Differenz von Gleichgewichtsschmelztemperatur zur vorliegenden Temperatur die Unterkühlung deltaT.

der kritsiche Radius R wird umso kleiner, je grösser die Unterkühlung ist.

In der Schmelze entstehen geordnetet Zusammenballungen von einzlenen Atomen mit einem radius R mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit. Diese Bereiche werden als Kluster bezeichnet, sie dienen als Ausgangsstufe für die Vorkeime.

Unter homogener Keimbildung versteht man die Keimbildung in der reinen Schmelze ohne Beteilgung von Fremtkörperoberflächen. Sie setzt eine ausreichen grosse Unterkühlung voraus. Durch die niedrige Temepratur könnens ich erstens mehr Atome anhäufen und grössere Vorkeime bilden und der kritische Radius R veringert sich in Folge des grösseren energetischen Unterschieds von flüssiger und fester Phase.

Praktisch findet die Keimbildung sehr häufig an Verunreinigungen oder Behälterwänden statt, deren oBERLFÄCHEN HEIRFÜR GÜNSTIGE ENERGETISCHE bEDINGUNGEN BIETEN.

Die Keimbildung erfordert wegen der verringerten Grenzfläche weniger Atome und die notwendige Unterkühlung ist damit geringer.

Viele Keime bedeutet feines Korn, da jeder Keim Ausgangspunkt für die Fernordnung ist. Um ein feines Korn zu erzielen kann man daher die Unterkühlung vergrössern oder aber der Schmelze absichtlich Fremmdpartikel zusetzten. Diesen Vorgang bezeichnet man als Kornfeinen oder Impfen.

Seigern heisst entmischen. Unter Seigerungen versteht man also Konzentrationsunterschiede, die beim Erstarren von Schmelze auftreten können und zu Inhomogenitäten des Gefüges führen. Das Grundphänomen ist die Tatsache, dass gelöste Stoffe in flüssigen Metallen im allgemeinen ine höhrere Löslichkeit haben als in festen Metallen.

Bei der realen Mischristallerstarrung findet ein teilweiser Konzentrationsausgleich durch DIffusion statt, die entsprechende scheinbare Solidusliene liegt also näher an der Gleichgewichtslinie. Die Seigerung von Mischrkistallen ist umso grösser je

grösser die Abkülhungsgeschwindkeit

je kleiner die Diffusionsgeschwindikeit

je breiter das Erstarrungsintervall ist.

Vergiesst man flüssigen Stahl in Kokillen beginnt die Erstarrung von aussen, die Verunreinigeungen Si,Mn,S und P werden nach innen gedrängt. Da Eisen im flüssigen Zustand grosse Mengen Sauerstoff aufnehmen kann, dieser also an der Erstarrungsfront frei wird, zu CO verbrennt und als Blasen aufsteigt, beginnt das Schmelzbad zu kochen. Die aufsteigenden Blasen befördern die Verunreinigungen nach oben und innen.

Um dies zu vermeiden wir dem Stahl Desoxidationsmittel beigemischt, welches eine besonderes starke Affinität zu Sauerstoff hat. Damit unterbleibt das Kochen und die Seigerung. Der Nachteil ist, dass isch wegen der stärkeren Durchmischung und der daraus resultierenen homogeneren Schmleze grössere Temperaturgefälle einstellen, der Kopflunker ist deutlich tiefer als bei unberuhigten Verguss.

Zunäöchst wird der seigerungsfreie Fall betrachtet: Wenn sich die Temperatur der Schmelze oberhalb der Erstarrungstemperatur befindet, können sich an der Wachstumsfront keine Erhebungen ausbilden, die Grenzfläche zur Schmelze verschiebt sich planar.

Bei schwacher Keimbildung unterkühlt sich die Schmelze bevor die Eerstarrung einsetzt. 

Bei unterkühlter Schmelze können Erhebungen auf der Grenzflöche fest/flüssig schnell als Dendriten anwachsen, da sich erhebungen in den Bereich tieferer Temperaturen ausdehenen wo die Erstarrungt schneller abläuft. die latente Erstarrungswärme wird an die Schmelze abgeühft und deren Unterkühlung dadurch vermindert. Dendriten wachsen solange bis die unterkühlte Schmelze sich auf Eerstarrungstemperatur erwämrt hat.

Reine Metalle und Eutektika

dV/dt hängt vom Unterschied der freinen Enthalpie zwischen der Schmelze und dem Kristall ab, der mit zunehmender Unterkühlung zunimmt.

Es muss berücksichtig werden , dass in der Grenzfläche die Schmelzwärme frei wird. Die Eerstarrung kann erst fortschreiten wenn die Wärme abeführt wird. Die Eerstarrungsgeschwindkeit ist daher durch die Geschwindkeit der Wärmeabfuhr begrenzt.

Die Richtung des zur Wärmeabfuhr notwendigen Temperaturgradieneten.

Mit dieser Information kann man im Schliffbild eines Gussstücks erkennen, wie die Abkühlung erfolgte.

Die feinkristalline Zone ist auf einige mm begrenz. Sie entpsrich der ersten Erstarrungsphase, in der durch die schnelle Abkühlung der Schmelze und die Wand selbst viele Keime enstehen. Da diese Zone neben der feinen Kornstruktur gute mechanische Eigenschaften hat und dazu noch besonders rein ist, wird sie als Speckschicht bezeichnet.

Die Stengelkristallisationszone besteht aus stark gestreckten, ins Innere der Blöcke gerichteten Körnern. Zu deren Bildung ist eine ausreichene Abkühlungsgeschwindkeit notwenidig (keine Stengelkristalle bei Sandabgüssen). Der Temepraturgradient weist von aussen nach innen, somit wachsen die Kristalle gerichtet nach innen. Beim Strangguss kann diese Zone bis in den Kern hineinreichen.

Die grobksitalline Zone entspricht der geringeren Abkühlungsgeschwindigkeit im Inneren des Blockes. Da die Wärmearbhur in alle Wànde ergolt, verschidnet der Einfluss der Erstarrungsrichtung.

Das Bedürfnis hierfür entsteht durch Hochtemperaturbeanspruchung, da dort die Verformung massgeblich über Korngrenzengleiten erfolgt. Zur Erhöhung der Kriechfestigkeit gilt es daher, den Anteil an Korngrenzen zu verringern.

Volumenabnahme durch Abkühlung. Man unterscheidet

Schwindung im flüssigen Zustand

Erstarrungsschwindung

Schwindung im festen Zustand

Um bei geschlossenen Gussstücken dafür zu sorgen, dass die Eerstarrungsschwindung und die Schwindung im flüssigen Zustand kompensiert werden, verwendet man in den Gussformen Speiser oder Steiger. Dabei handelt es sich in der Form um kompakte Hohlräume die nicht zur eigentlichen Geometrie des Teils gehören, jedoch mit Schmleze gefüllt sind, lange flüssig beliben und bis zur Erstarrung des letzten Rests an Schmelze in der Geoemetrie  des zu erzeugenden Teils mit diesem Schmelzrest in flüssiger Verbindung stehen. Gelingt dies nicht, bilden sich Lunker (Gaseinschlüsse) und das Gussteil ist ausschuss.

Weiterhin muss die geschlossene Form entgast werden. Dazu ordnet man an Stellen der Gussofrm, in die die Schmelze aufsteigt Luftpfeifen an, durch die die Luft entweichen kann. Luftpeifen die zugleich Speiser sind werden auch Steiger genannt.

Das Fliessvermögen macht eine AUssage darüber wie gut ein Material möglichst weit in enge Kanäle hineinfliessen kann.

Durch die Bildung von Dendriten wird diese Fähigkeit gemidnert, weshalb man naheutektische Werkstoffe bevorzugt.

Wird die Form beim Ausformen zerstört spricht man von einer verlorenen Form, ansonsten von einer Dauerform. Wenn denn das Verfahren mit einer verlorenen Form arbetiet lösst sich eine Unterscheidung treffen, ob das Modell, von dem die Gussform abgeformt wird, bei dem Abformverfahren zerstört wird oder für weitere Gussformen zur Verfügung steht. Wird es zerstört spricht man von einem verlorenen Modell ansonsten von einem Dauermodell

Die letzte Unterteilung unterscheidet nach der Zuführung der schmelze.

Beim Schwerkraftverfahren wird die Schmelze durch die Schwerkraft aus dem Einfülltrichter in die Form gebracht (z.B Sandgiessen, Feingiessen, Vollformgiessen,Kokillengiessen)

Geometrie des Teils wird mittels Formsand von einem Modell abgeformt.

Ddabei werden Modelle aus Wachs hergestellt und eingeformt. Nachdem Aushärten der Form wird das Wachs herausgeschmolzen. Es entstehten sehr genaue Gussteile vor allem ohne Formhälftenversatzt und Grat. Da die Gussform aus feinkörnigen Keramik erzeugt wird entsteht auch eine sehr glatte Oberfläche.

Das Vollformgiessen benötigt ein Modell aus Schaumstoff, welches zum Vergiessen in der Form verbleibt. Beim Eingiessen der Schmelze verdampt das Modell rückstandsfrei, die Gase entweichen durch die Luftpfeifen, während sich die Form mit Metall füllt.

Der Kokillenguss verwendet eine Dauerform welche aus Gusseisen oder Stahl besteht. Die Kokille selbst ist ein Verschleissteil, deren Belastung durchd ie heisse und reaktive Schmelze und deren Löslichkeit für das Kokillenmaterial hervorerufen wird.

Niederdruckverfahren füllen die Kokille durch einen geringen Überdruck von unten, so dass die Gase nach oben entweichen können. (Alufelgen)

Eine eigene Gattung Gussverfahren ist das Druckgiessen, bei dem die Schmelze unter hohem Druck (70 bis 1000bar) und mit sehr hoher Geschwindigkeit aus einem Dosierzylinder (der Druckkammer) mittels eines Kolbens in die Form gepresst wird. je nach Gusstückgrösse liegt die Füllzeit zwischen 0.2 und 3s.

Da beim Druckgussverfahren immer eine Dauerform benötigt wird, muss die Form geteilt werden und die Entformung durch Öffnen der beiden Formhälften zu ermöglichen. Zur Schonung der Werkzeuge wird die Überhitzung der Schmelze so klein wie möglich gehalten.

Beim Warmkammerverfahren ist der Tiegel mit Schmelze und der Warmhalteofen direkt mit der Druckgiessmaschine verbunden, die Druckkammer hat Schmelztemperatur. Damit sind auf solchen Maschinen hohe Schussfolgen möglich. Wegen der thermischen Belsastung der Druckkammer und Kolgen können allerdings nur niedrigschmelzende Werkstoffe und solche mit geringe Affinität zum Eisen haben verwendet werden. Verwendet werden Zinkdruckgusslegiereungen sowie Zinn und Bleilegierungen.

Bei dem Kaltkammerverfahren ist die Druckkammer kalt, kurz vor dem Schuss wird diese mit Schmelze befüllt. Das Kaltkammerverfahren eignet sich daher auch für Aluminium und Magnetsiumdruckgusslegierungen.

Beim Schleuderguss wird die Schmelze in eine rotierende, zumeist rotationssymmetrische Form gefüllt und infolge von Fliehkraft an die Formwandung geprasst, so dass beidseitig offene Hohlkörper entstehen.

Das Strandgussverfahren erzeugt endlose Halbzeuge in einer nach unten offenen Kokille, wobei der untere Abschluss der Form der Strang selbst (d,h das erstarrte Material ist, welches sich so langsam nach unten bewegt, dass die Erstarrungsfront sich relativ zur Kokille nicht verschiebt)