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Erstarrung und Gussgefüge

Gleichgewichtsverteilungskoeffizient und Seigerung, konstitutionelle Unterkühlung mit Zellen und Dendriten, Dendritenarmabstand und Abkühlgeschwindigkeit, Scheil-Gleichung, eutektisches Wachstum und Veredelung sowie Kornfeinung von Gussgefügen und Erstarrungsschwindung mit Multiple-Choice-Fragen prüfen.

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Erstarrung und Gussgefüge: das Wichtigste

Erstarrt eine Legierung, unterscheidet sich die Konzentration des gelösten Elements, die der Festkörper aufnimmt, von der in der Schmelze; ihr Verhältnis heißt Gleichgewichtsverteilungskoeffizient k. Ein gelöstes Element mit k < 1 wird in die Schmelze vor der Grenzfläche abgegeben und senkt dort die Liquidustemperatur; bei kleinem Temperaturgradienten tritt daher konstitutionelle Unterkühlung auf, und eine ebene Grenzfläche geht in Zellen oder Dendriten über. Die Form der Grenzfläche bestimmt das Verhältnis von Temperaturgradient zu Wachstumsgeschwindigkeit G/V, die Feinheit des Gefüges die Abkühlgeschwindigkeit G×V.

Bei der realen Erstarrung mit langsamer Diffusion im Festkörper reichert sich das gelöste Element, wie die Scheil-Gleichung zeigt, zwischen den Dendriten an, und selbst in Legierungen innerhalb der Löslichkeitsgrenze entsteht Nichtgleichgewichtseutektikum. Diese Mikroseigerung lässt sich durch Homogenisierungsglühen verringern, die Makroseigerung im Maßstab des Blocks verschwindet jedoch nicht. Den Anteil von Stängelkristallen und Globuliten im Gussgefüge kann man über Überhitzung, Kornfeinungsmittel und Rühren verändern, und Erstarrungsschwindung und Erstarrungszeit sind die Grundlage der Speiserauslegung.

Alle Fragen zum Thema „Erstarrung und Gussgefüge“ (15)
  1. Bei der Erstarrung von Legierungen heißt das Verhältnis k = Cs/CL der Konzentrationen des gelösten Elements in fester und flüssiger Phase an der Phasengrenze fest–flüssig Gleichgewichtsverteilungskoeffizient. Welche Aussage trifft für einen Fall wie Al-Cu-Legierungen zu, bei dem k etwa 0,17 beträgt?
  2. Die meisten reinen Metalle wachsen mit einer glatten, abgerundeten Phasengrenze fest–flüssig, Si und Bi dagegen bevorzugt von ebenen Kristallflächen (Facetten) begrenzt. Welche Faustregel erklärt diesen Unterschied richtig?
  3. Welche Aussage über die konstitutionelle Unterkühlung, die bei der gerichteten Erstarrung einer Legierung eine anfangs ebene Phasengrenze fest–flüssig uneben werden lässt, ist richtig? Betrachtet wird eine Legierung mit k < 1.
  4. Die Bedingung für eine Erstarrung mit ebener Grenzfläche ohne konstitutionelle Unterkühlung lautet G/V ≥ ΔT₀/D_L (G ist der Temperaturgradient in der Schmelze an der Grenzfläche, V die Wachstumsgeschwindigkeit, D_L der Diffusionskoeffizient des gelösten Elements in der Schmelze und ΔT₀ = mC₀(1 − k)/k das Erstarrungsintervall). Eine Al-2,0 wt% Cu-Legierung (Betrag der Liquidussteigung m = 3,4 K/wt%, k = 0,17, D_L = 3,0×10⁻⁹ m²/s) wächst mit V = 1,0×10⁻⁵ m/s. Welcher Wert liegt dem kleinsten Temperaturgradienten, der die Grenzfläche eben hält, am nächsten?
  5. Welche Aussage darüber, wie sich die Form der Phasengrenze fest–flüssig und die Feinheit des Gefüges bei der Erstarrung von Legierungen mit dem Temperaturgradienten G und der Wachstumsgeschwindigkeit V ändern, ist richtig?
  6. Welche Aussage über die Kristallrichtung, in der Stämme und Äste von Dendriten in kubischen Metallen (kfz oder krz) wachsen, und über ihre Wirkung auf die Stängelkristalle eines Gussstücks ist richtig?
  7. Für den sekundären Dendritenarmabstand λ₂ eines Gussstücks aus einer Aluminiumlegierung gelte mit der Abkühlgeschwindigkeit Ṫ die Beziehung λ₂ = A·Ṫ^(−1/3). In einem Bereich mit 1,0 K/s beträgt λ₂ = 50 µm. Welcher Wert liegt λ₂ in einem Bereich mit 125 K/s am nächsten?
  8. Seigerungen in Gussstücken und Blöcken umfassen die Mikroseigerung im Maßstab der Abstände zwischen Dendritenästen und die Makroseigerung im Maßstab des ganzen Blocks. Welche Aussage über ihren Unterschied ist richtig?
  9. Es gelte die Chvorinov-Regel t = B(V/A)² (t ist die Erstarrungszeit, V das Volumen, A die Oberfläche, B eine Konstante). Unter gleichen Formbedingungen erstarrte ein würfelförmiges Gussstück eines bestimmten Volumens in 10 Minuten. Welcher Wert liegt der Erstarrungszeit eines kugelförmigen Gussstücks gleichen Volumens am nächsten?
  10. Welche Annahme liegt der Scheil-Gleichung Cs = kC₀(1 − fs)^(k−1) (fs ist der Festphasenanteil) zugrunde, die die Zusammensetzung des während der Erstarrung entstehenden Festkörpers angibt?
  11. Eine Al-4,0 wt% Cu-Legierung erstarrt. Es gelte die Scheil-Gleichung (Gleichgewichtsverteilungskoeffizient k = 0,17, konstant), die Konzentration der Restschmelze steige also gemäß CL = C₀(1 − fs)^(k−1). Welcher Wert liegt dem Anteil der Restschmelze am nächsten, wenn diese die eutektische Zusammensetzung von 33,2 wt% Cu erreicht (dieser Anteil wird zu Nichtgleichgewichtseutektikum)? Im Gleichgewichtszustandsdiagramm liegt diese Zusammensetzung innerhalb der maximalen Löslichkeit der α-Phase (5,65 wt%).
  12. Welche Zuordnung von Zusätzen zu einer untereutektischen Al-Si-Gusslegierung und ihrer Hauptwirkung ist richtig?
  13. Bei gerichteter Erstarrung eines regelmäßigen lamellaren Eutektikums gilt zwischen Lamellenabstand λ und Wachstumsgeschwindigkeit V die Beziehung λ²V = konstant. Bei 10 µm/s beträgt λ = 2,0 µm. Welcher Wert liegt λ am nächsten, wenn die Wachstumsgeschwindigkeit auf 160 µm/s erhöht wird?
  14. Die Dichte von reinem Aluminium am Schmelzpunkt (660 °C) betrage für die Schmelze 2,375 g/cm³ und für den Festkörper 2,55 g/cm³. Welcher Wert liegt der Volumenabnahme bezogen auf das Schmelzvolumen (Erstarrungsschwindung) am nächsten, wenn die Schmelze am Schmelzpunkt vollständig erstarrt?
  15. Welche Kombination von Maßnahmen verkleinert die Stängelkristallzone eines Blocks, verbreitert die zentrale Globulitzone und verfeinert so das Korn?

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