Erstarrung

Übergang vom flüssigen in den festen Zustand.

Die Erstarrung von technischen Eisengusswerkstoffen ist von außen nach innen gerichtet, da die frei werdende Überhitzungswärme und die Erstarrungswärme nach außen abgeführt werden müssen. Generell beginnt die Erstarrung bei Erreichen der Liquidustemperatur und endet mit Erreichen der Solidustemperatur. Der Bereich zwischen Liquidus- und Solidustemperatur wird als Erstarrungsintervall bezeichnet, welches alle nicht eutektischen Legierungen besitzen. Bei Reinmetallen und eutektische Legierungen ist die Liquidustemperatur gleich der Solidustemperatur. Während der Erstarrung tritt Volumenkontraktion (Erstarrungsschrumpfung) auf, das dadurch entstehend Volumendefizit muss durch Nachspeisung mit noch flüssigem Metall ausgeglichen werden.

Wichtige Einflussgrößen auf die Erstarrung sind demzufolge für das Gießgut Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität, Größe des Erstarrungsintervalls, Höhe der Erstarrungstemperatur und sich einstellende Temperaturdifferenz sowie für den Formstoff Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität.

Gemessen an der sich einstellenden Tiefe des Erstarrungsbereichs sind folgende Aussagen zu treffen:

Hohe Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität des Formstoffs, d. h. Bedingungen, wie sie bei einer Kokille gegeben sind, führen zu einem steileren Temperaturgradienten als Formstoffe mit geringerer Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität, wie es einer Sandform entspricht. Demzufolge ist die Tiefe des Erstarrungsbereichs wesentlich größer als beim Kokillenguss oder beim Einsatz von Kühlelementen an den Wirkungspartien. Die Wärmeleitfähigkeit des Gießguts wirkt sich dann mehr bei einer Metallform aus. Eine höhere Wärmeleitfähigkeit des Gießguts zieht so wegen des flacheren Temperaturgradienten einen größeren Erstarrungsraum nach sich. Aluminium- und Kupferlegierungen weisen darum gegenüber Stahl einen breiteren Erstarrungsraum auf. Diese Wirkung wird dadurch verstärkt, dass die Erstarrungstemperatur von Stahl über der von Aluminium und Kupfer liegt. Ein größeres Erstarrungsintervall, wie es sich aus den für die jeweiligen Abkühlungsbedingungen gültigen Zustandsdiagrammen ergibt, hat ebenfalls einen größeren Erstarrungsraum zur Folge. Diese Aussage ist im Zusammenhang mit dem Verhältnis Schmelzwärme zu spezifischer Wärme zu sehen.

Eine zusätzliche Beeinflussung geschieht durch die Wirkung der Kristallisationsbedingungen infolge von Unterkühlungseffekten (oder durch Veränderung der Kristallisationsgeschwindigkeit). Dabei können sich Spuren- und Zusatzelemente, d. h. auch geringere Änderungen in der chemischen Zusammensetzung bedeutsam bemerkbar machen.

Der Erstarrungsablauf der realen Legierungen entsteht damit aus dem Zusammenwirken der genannten Faktoren. Aus diesem Zusammenhang lassen sich unter dem Gesichtspunkt der positiven Beeinflussung des Erstarrungsablaufs auch geeignete Maßnahmen ableiten. Um die Nachspeisung zu verbessern, ist es sinnvoll, die Tiefe des Erstarrungsbereiches zu verringern, während gleichzeitig eine gerichtete Erstarrung von der zu speisenden Gussteilpartie zum speisenden Gussteilbereich erzielt wird. Als wirksamste Maßnahme kann der Einsatz von Formstoffen höheren Wärmeableitungsvermögens genannt werden, wenn die Anwendung einer Legierung mit kleinerem Erstarrungsintervall oder anderer Erstarrungsmorphologie nicht möglich ist.

Grundsätzlich hat auf den Erstarrungsablauf (Erstarrungstyp) neben der Art der Legierung und ihrer Lage im Zustandsschaubild unter Berücksichtigung des Erstarrungsintervalls der Wärmeentzug einen Haupteinfluss. Die Kristallisationsverhältnisse der Legierung (Keimhaushalt und Kristallwachstumsbedingungen) wirken als Störfaktor.

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