Keime

Die im vorangegenangenen Kapitel erläuterte Unterkühlung ist zwar eine notwendige Bedingung für den Erstarrungsvorgang, sie alleine reicht jedoch noch nicht aus, um eine Schmelze zum Erstarren zu bewegen! Dies mag zunächst etwas sonderbar klingen; an einem einfachen Alltagsbeispiel soll dies im Folgenden anschaulich verdeutlicht werden.

Anhand eines Handwärmers wird sehr schnell deutlich, dass eine bloße Unterkühlung einer Schmelze (Flüssigkeit) alleine nicht ausreicht um einen Erstarrungsprozess auszulösen! Bei der verwendeten Flüssigkeit in Handwärmern handelt es sich häufig um Natriumacetat-Trihydrat, dessen Erstarrungstemperatur bei rund 58 °C liegt. Jedoch selbst bei Temperaturen von bspw. 8 °C oder darunter hält sich dieser flüssige Zustand des Natriumacetat-Trihydrats. In diesem Fall ist die Schmelze sogar selbst mit einer Unterkühlung von 50 °C und mehr offensichtlich nicht zum Erstarren zu bewegen. Dieser Zustand wird auch als unterkühlte Schmelze bzw. unterkühlte Flüssigkeit bezeichnet. Offensichtlich muss neben der Unterkühlung also noch eine weitere notwendige Voraussetzung erfüllt sein, damit eine Schmelze erstarrt.

Diese weitere Bedingung zeigt sich ebenfalls sehr anschaulich anhand des Handwärmers. Wird nämlich ein darin befindliches Metallplättchen gedrückt, so beginnt der Erstarrungsprozess plötzlich einzusetzen. Der Grund für das Auslösen der Erstarrung sind winzige ungeschmolzene Reste des Natriumacetat-Trihydrats, welche sich in den feinen Rillen des Metallplättchens festgesetzt haben. Erst durch das Drücken des Plättchens kommt die Schmelze in Kontakt mit den ungeschmolzenen Resten. Diese wirken als sogenannte Keime, an denen die Erstarrung beginnen kann. (Anmerkung: Bis heute ist nicht genau geklärt, ob exakt dieses Prinzip tatsächlich bei einem Handwärmer die Erstarrung auslöst. Fest steht jedoch, dass eine Erstarrung zwingend Keime erforderlich macht, um daran einen Kristallisationsprozess auszulösen.). Das Vorhandensein von Keimen ist somit eine weitere zu erfüllende Bedingung, wenn es um die Auslösung eines Erstarrungsvorganges geht.

  • Es müssen Keime in der Schmelze vorhanden sein, um ein Kristallisationsvorgang auszulösen!

Erstarrungsbedingungen, Unterkühlung, Keime, Abkühlkurve

Abbildung: Erstarrungsbedingungen

Zusammenfassend lässt sich also festhalten, dass selbst bei Vorhandensein von Keimen es nicht zu einer Erstarrung kommt, solange keine Unterkühlung vorliegt. Das Metallplättchen eines Handwärmers kann in diesem Zustand oberhalb der Schmelztemperatur noch so oft gedrückt werden - die Schmelze bleibt flüssig. Umgekehrt wird der Erstarrungsprozess auch dann nicht ausgelöst, wenn trotz Unterkühlung keine Keime in der Schmelze vorhanden sind. Der Handwärmer bleibt dabei trotz starker Unterkühlung flüssig, solange kein Keim in der Schmelze vorhanden ist.

Anmerkung: Im Übrigen kann auch Wasser in einen unterkühlten Zustand von deutlich unter -10 °C versetzt werden und dabei noch flüssig sein! Dies erfordert allerdings hochreines Wasser ohne jegliche Verunreinigungen, die als Erstarrungskeime dienen könnten. Natürlich muss dabei auch das Gefäß innerhalb dessen sich das Wasser befindet frei von Verunreinigungen sein. Sobald das Wasser allerdings in Kontakt mit anderen Teilchen kommt - zum Beispiel beim Ausgießen auf einen Tisch - wird daran die Keimbildung ausgelöst und das Wasser beginnt sofort zu erstarren. Auch bereits kleinste Erschütterungen können den Erstarrungsprozess auslösen.

Beachte, dass die ausgewiesenen Erstarrungstemperaturen letztlich theoretische Werte sind, oberhalb dessen sich eventuell gebildete Eigenkeime sofort wieder auflösen. Der Erstarrungsvorgang wird deshalb in solchen Fällen nicht ausgelöst. Übertragen auf die Gefügebildung von Metallen sind also Unterkühlung und Keime stets Voraussetzung für das Erstarren. Bei Keimen muss es sich jedoch nicht immer um ungeschmolzene Reste der Flüssigkeit handeln wie im Falle des Handwärmers. Vor allem in Metallschmelzen entstehen Keime in der Regel auf andere Weise. Im nachfolgenden Abschnitt wird hierauf näher eingegangen.

Die Bildung eines Korns kann mit dem bereits beschrieben Handwärmer anschaulich nachvollzogen werden. Ausgehend des Keims lagern sich immer mehr Teilchen aus der Schmelze um diesen Keim an und die Kristallisation schreitet allmählich fort. Ist die Schmelze aufgezehrt stößt der Kristallit an die umgebende Hülle, so wie das Korn in einem Metall nach der Erstarrung an seine benachbarten Körner stößt.