Aurum-Metallurgie III

GRUNDZÜGE DER METALLURGIE
FÜR GOLDSCHMIEDE - III
DAS ERSTARREN VON METALLSCHMELZEN
VON MARK F. GRIMWADE
Dritter Teil einer Artikelserie, die auf einem Lehrgang über die Grundlagen
der Metallurgie für Goldschmiede, Silberschmiede und Juweliere aufbaut.
Dieser Lehrgang ist Teil der Vorlesungen von M. Grimwade für die Studenten im
zweiten Studienjahr der Abteilung Silberschmiedekunst und Schmuckhandwerk
am Polytechnikum der Stadt London (Sir John Cass College).
Die Keimbildung und das
Entstehen von Dendriten
Im zweiten Teil dieses Artikels
hatten wir uns damit vertraut gemacht,
daß reine Metalle bei einem
gegebenen Temperaturwert und
Legierungen innerhalb eines bestimmten
Temperaturbereichs erstarren.
Von dieser Regel gibt es
nur zwei Ausnahmen: Legierungen
mit eutektischer Zusammensetzung
und einige Zwischenphasen
bestimmter Legierungen — gewöhnlich
als intermetallische Verbindungen
bezeichnet — erstarren
ebenfalls bei einem charakteristichen
Temperaturwert. Wir haben
weiter gesehen, daß das Erstarren,
auch wenn es sich um reine Metalle
handelt, nicht schlagartig, sondern
innerhalb einer gewissen Zeitspanne
vor sich geht. Die Schmelze beginnt
an einigen isolierten Punkten, gewöhnlich
im Bereich von Verunreinigungen
im flüssigen Metall oder
Partikeln, die von den Wandungen
der Gießform oder des
Schmelztiegels stammen, zu erstarren
— ähnlich wie sich eine Eisdecke
auf einem Teich bildet. Dieser
Prozeß wird als Keimbildung
bezeichnet.
Hierbei setzen sich zunächst einige
Metallatome an den Fremdkörpern
oder Verunreinigungen in
der Schmelze selbst oder an den
Wandungen des Behälters an und
bilden so winzige Kristallkeime
oderNuklei. Gelegentlich entstehen
Abb. l — Skizze eines Dendriten, der
vom ursprünglichen Kristallisationskern
aus in drei bevorzugten Richtungen
wächst.
(Nach Higgins,"Engineering Metallurg«/",
The English Universities Press, 1961).
isolierte Keime auch infolge von
thermischen Fluktuationen. Diese
Kristallkerne wachsen, während
sich ständig weitere Atome angliedern,
zu kompletten Kristallen mit
einer bestimmten geometrischen
Gitteranordnung.
Man kann sich diese Kristalle als
kleine Würfel vorstellen, die in der
Schmelze schweben und vorzugsweise
in Richtung ihrer sechs Seitenflächen
wachsen. Hier bilden
sich zunächst sogenannte Primärausläufer,
an die sich bei fortschrei-
tender Erstarrung der Schmelze
sekundäre und tertiäre Äste angliedern.
Auf diese Weise entstehen
tannenbaumartige Kristalle - sogenannte
Dendriten (Abb. 1). Die
meisten Metalle und Legierungen
erstarren auf diese Weise.
Das Gefüge
Sobald die Erstarrungstemperatur
erreicht ist, bildet sich eine Vielzahl
derartiger Nuklei aus. Das
Wachstum der Dendriten hängt jedoch
von der ursprünglichen Orien-
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tierung der einzelnen
Keimkristalle ab. Sobald sich die
einzelnen Dendriten bei weiter
fortschreitender Erstarrung
berühren, entstehen deutlich
ausgeprägte Grenzen, die der
Metallurge als Korngrenzen
bezeichnet. Zu diesem
Zeitpunkt bleibt die
Restschmelze zwischen den
Dendritenästen gefangen. Mit
dem Weiterwachsen dieser Äste
so lange, bis der gesamte
verfügbare Raum mit festem
Metall ausgefüllt ist, endet der
Erstarrungsvorgang.
Die Sequenz Keimbildung,
Dendritenwachstum und
Erstarren der Restschmelze bis
zur Bildung einer
polykristallinen Struktur geht
aus der Abbildung 2 hervor.
Ein anschauliches Beispiel für
eine derartige Struktur ergibt
sich, wenn man eine
Seifenlösung im Reagenzglas
schüttelt, bis sich auf der Oberfläche
ein dreidimensionales
Netzwerk aus Seifenblasen
gebildet hat. Die Grenzflächen in
dieser Schicht vermitteln einen
Eindruck von den Korngrenzen
in erstarrten Metallen.
Die Metallurgen untersuchen
die Kornstruktur oder das
Gefüge von Metallen anhand
von "Schliffen". Hierbei
handelt es sich um Metallproben,
deren Schnittflächen
zunächst geschliffen und poliert
werden, um die durch den
Schnitt Vorgang gestörte
Kristallschicht zu entfernen.
Diese Oberfläche wird
anschließend mit einem
geeigneten Reagens angeätzt,
das die Kristalle bevorzugt an
den Korngrenzen angreift. Unter
dem Mikroskop enthüllen diese
Schliffe dann das Gefüge des
Werkstoffs (Abb. 3). In reinen
Metallen sind die Dendriten auf
diese Weise nicht erkennbar,
und das Mikroskop zeigt nur
eine Masse aus Kristallen und die
Korngrenzen. Wenn während des
Erstarrungsvorgangs jedoch die
Restschmelze zwischen den
Dendriten dekantiert wird oder
sich Lunker im Gußteil
ausbilden, können auch die
Dendritenausläufer sichtbar
werden (Abb. 4).
Die Korngröße
Im allgemeinen gilt: je geringer
die Korngröße, desto besser die
physikalischen Eigenschaften —
Festigkeit, Duktilität und
Zähigkeit — des Werkstoffs.
Ein Grund hierfür ist in der
Tatsache zu sehen, daß die in
der Schmelze enthaltenen
unlöslichen Verunreinigungen
(etwa Oxyde) oft im noch
flüssigen Rest der Schmelze
eingeschlossen bleiben und
hierbei eine durchge-
hende Schicht brüchigen
Materials an den
Dendritenrändern und in der
Nähe der Korngrenzen bilden.
In genügender Anzahl führen
derartige Störungen dazu, daß
der Werkstoff geschwächt,
brüchig und schlecht bearbeitbar
wird. Man bemüht sich daher,
den Erstarrungsprozeß so zu
gestalten, daß ein möglichst
feines Gefüge entsteht. Da aus
jedem Nukleus ein Kristall
entsteht, richtet sich die
schließliche Korngröße im
erstarrten Werkstoff nach der
Anzahl der
Kristallisationszentren. Bei langsamer
Abkühlung der Schmelze
bilden sich nur einige wenige
Kristallkeime, die folglich
ungehindert wachsen können
und zu einer verhältnismäßig
groben Körnung führen. Bei
schneller Abkühlung der
Schmelze entstehen eine
Vielzahl weiterer Keime, und
wenn die Temperatur der
Schmelze schnell absinkt
(sogar auf einen Wert unterhalb
des Schmelzpunktes), bilden
sich neue Kristalle aus, bevor
die zuerst entstandenen
Dendriten die Möglichkeit
haben, sich zu stark zu
vergrößern. Das Ergebnis ist ein
relativ feines Gefüge.
Das Erstarren von Legierungen
In erstarrten Legierungen sind
Den-

driten — anders als in reinen Metallen
- unter dem Mikroskop verhältnismäßig
einfach zu erkennen,
weil
1) zwischen den Zentren und den
Ästen der Dendriten Unterschiede
in der Besetzung der Kristallgitters
bestehen (die Zusammensetzung
dieser Mischkristalle ändert sich
graduell vom Kristallisationskern in
Richtung der Dendritenäste, die
zuletzt erstarren). Diese Erscheinung
wird als Entmischung bezeichnet);
2) zwei oder mehr unterschiedliche
Kristallphasen vorhanden sind. In
diesem Falle erstarrt häufig eine
Phase in Form von Dendriten, die
von den Kristallen der anderen
Phase einfach zu unterscheiden sind.
Die Abbildung 5 zeigt eine derartige
Struktur.
Vergossene Legierungen weisen
häufig eine entmischte Struktur auf.
Der Grund hierfür läßt sich mit
der Betrachtung der Erstarrungssequenz
einer 50 prozentigen
Gold-Silber-Legierung anhand eines
Phasendiagramms (Abb. 6) erläutern.
Sobald die Temperatur der
Schmelze bis zur "Liquidus"-Linie
(etwa 1015 °C, Punkt B) fällt, beginnt
der Erstarrungsvorgang. Die
ersten Kristalle weisen die Zusammensetzung
des Punktes X auf der
"Solidus"-Linie auf: Silbergehalt 36
Prozent. Da die Schmelze insgesamt
50 Prozent Silber enthält, steigt der
Silbergehalt in der Restschmelze
kontinuierlich an. Bei weiter
sinkender Temperatur (z.B. auf
1010 °C) setzen sich Mischkristalle
der Zusammensetzung Y (auf der
Soliduslinie) an den wachsenden
Dendriten an, und die Restschmelze
weist die Silberkonzentration des
Punktes Z auf der Liquiduslinie auf.
Schließlich erreicht die Temperatur
ca.
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1000°C (bei Punkt D), und die
restliche, stark silberhaltige
Schmelze erstarrt zwischen den
Dendriten. Damit entsteht ein
entmischtes Gefüge aus stärker
goldhaltigen Dendriten und einer
stärker silberhaltigen Matrix. Diese
vereinfachte Erklärung der Entmischung
gilt prinzipiell auch für
alle anderen Legierungen.
Falls diese entmischte Struktur
nicht erwünscht ist, läßt sie sich
durch eine langwierige Behandlung
bei relativ hohen Temperaturen ändern,
wobei die einzelnen Metallatome
die Möglichkeit haben, durch
Diffusion ihren Platz im
Kristallgitter zu ändern, bis die Zusammensetzung
der Kristalle im
gesamten Gußteil homogen ist.
Diese Behandlung wird deshalb auch
als Homogenisierung bezeichnet.
Das Erstarren der Schmelze in
der Form
In einer ungeheizten Form erstarrt
die Schmelze von den Wandungen
her nach innen (Abb. 7). Bei einer
kalten Metallform, wie sie für die
Barrenherstellung üblich ist, wird
die Wärme verhältnismäßig schnell
Abb. 3 - Mikrofotografie der Kornstruktur
von reinem Gold in gegossenem 5 Zustand
(100fache Vergrößerung). (Mit freundlicher
Genehmigung von Dr. Ch. Raub)
Abb. 4 Diese mikroskopische Aufnahme
zeigt Dendriten im Saugtrichter eines
gegossenen Kupferbarrens. (Mit
freundlicher Genehmigung von Mark F.
Grimwade)
Abb. 5 — Mikrofotografie des entmischten
Gefüges einer 18karätigen Gelbgoldlegierung
im gegossenen Zustand,
ohne Nachbehandlung. (Mit freundlicher
Genehmigung von Dr. Ch. Raub)
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abgeführt, so daß zunächst eine
Schicht aus kleinen Kristallkeimen
an den Wandungen entsteht. Anschließend
bilden sich
fingerähnliche (oder Säulen-)
Kristalle, die in Richtung des
Zentrums wachsen. Die Abbildung
8 zeigt ein Schema dieses
Vorganges.
Wie weit diese Säulenkristalle
schließlich weiterwachsen, hängt
davon ab, bei welcher Temperatur
die Schmelze in die Form
eingebracht wird. Bei geringen
Temperaturen können sich im
Zentrum der Form Kristallkeime
bilden, bevor die Säulenkristalle
bis hierher vorgestoßen sind (Abb.
8).
Bei der Verwendung einer
Gipsform, wie man sie für das
Wachsausschmelzverfahren
vorzieht, ist die
Abkühlungsgeschwindigkeit geringer,
und im Bereich der gesamten Form
bilden sich achsparallele Kristalle
(Abb. 9).
Gefüge, Korngröße und
schließlich der Erfolg des
Gießvorgangs hängen also in sehr
starkem Maße von der Temperatur
der eingebrachten Schmelze und
der Form selbst ab. Bei zu geringen
Einfülltemperaturen beginnt die
Schmelze zu erstarren, bevor die
Form richtig gefüllt ist — die Folge
sind fehlerhafte Gußstücke mit
schlechter Oberflächenqualität.
Auf der anderen Seite können bei
zu hohen Fülltemperaturen exzessive
Oxydation, Gaseinschlüsse und eine
grobe Körnung entstehen. Diese
Erscheinungen führen zu brüchigen
Gußstücken und erschweren
Abb. 6 — Anhand dieses Zustandsdiagramms
für das Gold-Silber-System läßt
sich für jede Zusammensetzung die
Erstarrungssequenz ablesen (eingezeichnet
die Vertikale für Au-50 Ag). Unter
normalen Abkühlungsbedingungen erstarrt
zuletzt eine stärker silberhaltige Schmelze
zwischen den stärker goldhaltigen
Dendriten (Entmischung).
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die anschließende Bearbeitung des
Werkstücks.
Die empfohlenen Formenfülltemperaturen
für Goldlegierungen
liegen beim Barrengießen gewöhnlich
um 75 bis 100 °C über der jeweiligen
Liquidustemperatur.
Die Schwindung
Metalle und Legierungen unterliegen
beim Erstarren einer starken
Schwindung (Abb. 10). So nimmt
z.B. reines Gold im festen Zustand
ein um 5,1 Prozent geringeres Volumen
ein als im flüssigen Zustand.
Die praktische Auswirkung dieser
Erscheinung wird aus der Abbildung
8 ersichtlich. Da die Schmelze
von den Wandungen der Form her
Abb. 7 — Die Erstarrung schreitet von den
Formenwandungen her in Richtung
Zentrum fort.
Abb. 8 — Die Kristallstrukturen zweier
Barren, die bei unterschiedlichen Einfülltemperaturen
der Schmelze entstanden
sind :
A : Relative hohe Fülltemperatur B :
Geringere Temperatur der Schmelze
nach innen erstarrt, bildet sich eine
trichterförmige Vertiefung (primärer
Saugtrichter) auf der Barrenoberseite.
Beim Gießen ist daher
oberhalb des Werkstücks ein "Reservoir"
für die Schmelze derart
vorzusehen, daß der
Schwindvorgang keinen Einfluß
auf das gegossene Teil hat.
Gelegentlich erstarrt die
Oberfläche des Metalls vor der
restlichen Schmelze. Das noch
flüssige Metall unterliegt natürlich
auch einer Schwindung, so daß
sich im Innern des Gußteils ein
Hohlraum ausbildet, der als
sekundärer Saugtrichter bezeichnet
wird.
Auf ähnliche Weise kann ge-
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schmolzenes Metall zwischen den
Ästen der wachsenden Dendriten
eingeschlossen bleiben, und es ist
sehr wichtig, weitere Schmelze in
die betreffende Zone nachzuführen,
um etwaige Hohlräume zu füllen und
die Bildung von Lunkern zu
verhindern. Entsprechende Maßnahmen
sind bei Legierungen mit
großem Erstarrungsbereich und
kompliziert gestalteten Formen
häufig nicht einfach. Unzureichendes
Beschicken der Form führt zu
Fehlern, die man als interdendritische
Porosität oder Schwindungsporosität
bezeichnet. Damit vermindert
sich natürlich die mechanische
Festigkeit des Gußteils erheblich
(Abb. 11).
Abb. 9 — Das Gefüge eines Barrens, der in
einer Gips- oder Feingießform hergestellt
wurde.
Abb. 10- Diese Kennlinie zeigt die
temperaturbedingte Volumenabnahme
von Metallen (Schwindung)
A : Schwinden der Schmelze
B : Schwinden infolge des Erstarrens
bei reinen Metallen
C : Schwinden infolge des Erstarrens
bei Legierungen
D : Schwinden des erstarrten Metall s bei
fortschreitender Abkühlung
Abb. 11 — Die Bruchfläche eines Rings aus
einer Qkarätigen Goldlegierung unter dem
Röntgenelektronenmikroskop. Deutlich
sichtbar die freien Räume zwischen den
einzelnen Dendriten. (Mit freundlicher
Genehmigung von R.M. Jackson)
Mark Grimwade, BSC, MTech, MIM,
CEng, ist Lehrer für technische Metallurgie
in der Abteilung für Metallurgie
am Polytechnikum der Stadt London.
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