Erstarrung von Metallen: Mechanismen, Geschwindigkeiten und Gussprozesse

1. Erstarrungsmechanismus

Reine Metalle

Reine Metalle erstarren bei konstanter Temperatur (Erstarrungspunkt). Vor Beginn der Kristallbildung ist eine Unterkühlung nötig, um Keimbildungsenergie aufzubringen. Fremdteilchen oder die Formwand wirken als Keime. Bei hoher Formleitfähigkeit bilden sich an der Formwand feinkörnige, zufällig orientierte Kristalle. Im weiteren Verlauf wachsen Säulenkristalle senkrecht zur Formwand in das Innere – günstig für die Festigkeit.

Legierungen

Legierungen erstarren in einem Temperaturintervall (Liquidus bis Solidus). Die ausscheidenden Festphasen haben unterschiedliche Zusammensetzungen (Segregation). Die Kristallwachstumsrichtung hängt ab von:

1. Konzentrationsgradient in der Schmelze
2. Steigung der Soliduslinie im Phasendiagramm
3. Temperaturgradient in der Form

Beispiel: Ein Festkörper-Legierungssystem (Phasendiagramm Abb. 2.15). Bei Abkühlung scheidet sich arm an B aus, die Schmelze an der Grenzfläche reichert sich an B an. Liegt der Temperaturgradient so, dass die Schmelze vor der Erstarrungsfront unterkühlt ist (konstitutionelle Unterkühlung), beginnt die Kristallisation dort früher → Dendritenwachstum. Bei extremem Gradientengegensatz entstehen zufällig orientierte Kristalle im Inneren (Gefahr von Mittellunker).

Abhilfe: Kälteinsätze (Chills) am Formenende erzeugen großen Temperaturgradienten, unterdrücken konstitutionelle Unterkühlung und fördern planaren Erstarrungsfrontvorschub. Der Centre-Line Feeding Resistance (CFR) quantifiziert die Speiseschwierigkeit einer Legierung.

2. Erstarrungsgeschwindigkeit

Speiser müssen die Schwindung vom Gießtemperatur bis zur Erstarrung kompensieren. Grauguss erstarrt in zwei Stufen (Erstarrungsausdehnung kann Schwindung kompensieren → speiserlos möglich). Zur Speiserauslegung ist die Erstarrzeit des Gussstücks nötig. Wärme fließt durch: flüssiges Metall, erstarrtes Metall, Metall-Form-Grenzfläche, Form, Umgebungsluft. Fünf thermische Widerstände (Abb. 2.19). Vereinfachungen für reine Metalle in praxisrelevanten Fällen:

3. Großes Gussstück in isolierender Form (Sand/Feinguss)

Fast der gesamte thermische Widerstand liegt in der Form (Bereich 2). Annahmen: Ebenes Form-Gussstück-Interface, halbunendliches Formmedium, sofortige Erstarrung an der Wand (T = θ_f). Temperaturfeld durch Fehlerfunktion-Lösung der Wärmeleitungsgleichung. Erstarrzeit tₛ ∝ (Dicke)² / (Thermische Diffusivität der Form).

Geometrieeinfluss:

• Konvexe Grenzfläche (Zylinderaußen): Wärmefluss divergenter → schnellere Erstarrung → Analyse überschätzt Zeit.
• Ebene Fläche: Referenz.
• Konkave Grenzfläche (Zylinderinnen): Wärmefluss konvergenter → langsamere Erstarrung → Analyse unterschätzt Zeit.

Dimensionslose Parameter (Biot-Zahl, Fourier-Zahl) erlauben quantitative Korrektur für Grundformen.

4. Vorwiegender Grenzflächenwiderstand (Kokillenguss, Druckguss)

Bei metallischen Formen (Kokille, Druckguss) dominiert der Wärmeübergangswiderstand an der Grenzfläche (Bereich 3). Idealer Kontakt (Benetzung) → Temperaturdiskontinuität nur in der Form. Erstarrzeit tₛ = (ρ·ΔH·δ) / (h·ΔT) mit Wärmeübergangskoeffizient h. Gilt für dünnwandige, kleine Teile in massiven Metallformen.

Unterschiede Sand- vs. Metallform:

1. Wärmeleitwiderstand des erstarrten Metalls (Bereich 4) wird signifikant → Oberflächentemperatur θ_s < θ_f.
2. Unterkühltes erstarrtes Metall speichert mehr Wärme → Wärmekapazität beeinflusst Erstarrgeschwindigkeit.

5. Konstante Gussstückoberflächentemperatur (Dünne, wassergekühlte Kupferform)

Hohe Formleitfähigkeit, dünne Wand → Hauptwiderstand im erstarrten Metall (Bereich 4). Annahme: θ_s = konstant = θ₀ (Anfangstemperatur). Temperaturprofil linear im festen Bereich. Erstarrzeit tₛ aus δ(tₛ) = h/2 (Plattendicke h). Gilt nach Anfangsphase (0,5–1 cm).

6. Vorwiegender Widerstand in Form und erstarrtem Metall (Dicke, nicht gekühlte Kupferform)

Beide Widerstände (Bereiche 2 und 4) maßgeblich. Grenzflächentemperatur θ_s konstant, aber < θ₀, bestimmt durch thermische Eigenschaften von Form und festem Metall. Temperaturverlauf: Fehlerfunktion in der Form, linear im festen Metall. Kopplung über Wärmeflussstetigkeit an der Grenzfläche führt auf transzendente Gleichung für Erstarrparameter ζ. Lösung grafisch oder iterativ. Machbarkeitsbedingung: θ_s < Schmelzpunkt des Formmaterials.