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Erstarrung und Gussgefüge

Welche Kombination von Maßnahmen verkleinert die Stängelkristallzone eines Blocks, verbreitert die zentrale Globulitzone und verfeinert so das Korn?

  1. AGießtemperatur senken, um die Überhitzung zu verringern, ein Kornfeinungsmittel zusetzen und die Schmelze während der Erstarrung elektromagnetisch rühren
  2. BGießtemperatur erhöhen, um die Überhitzung zu vergrößern, den Temperaturgradienten mit einer wassergekühlten Kupferkokille steigern und die Schmelze ruhig halten
  3. CLegierungselemente verringern, um die Reinheit zu erhöhen, das Erstarrungsintervall verengen und die Wärme gerichtet über die Formwand abführen
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Lösung: A. Gießtemperatur senken, um die Überhitzung zu verringern, ein Kornfeinungsmittel zusetzen und die Schmelze während der Erstarrung elektromagnetisch rühren

Die Globulitzone breitet sich aus, wenn in der Schmelze vor den Stängelkristallen Kristalle entstehen und wachsen und deren Wachstum blockieren. Eine geringe Überhitzung lässt an der Formwand entstandene oder nicht aufgeschmolzene Kristalle in der Schmelze leichter überleben. Kornfeinungsmittel schaffen zusätzliche Orte für heterogene Keimbildung, und Rühren bricht Dendritenäste ab und verteilt sie, sodass mehr Keime für neue Kristalle entstehen. Umgekehrt ist bei großer Überhitzung und steilem Temperaturgradienten die Schmelze vor der Front kaum unterkühlt, und die Keime schmelzen wieder auf; die Stängelkristalle wachsen daher leicht bis zur Mitte, was die gerichtete Erstarrung ausnutzt. Weniger gelöstes Element und ein engeres Erstarrungsintervall verringern die konstitutionelle Unterkühlung und begünstigen ebenfalls das Wachstum von Stängelkristallen.

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  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?