Unterkühlung

Ausgangspunkt der Gefügebildung ist in der Regel der flüssige Zustand. Ausgehend hiervon wird das Metall abgegossen und erstarrt anschließend. Während diesem Vorgang bildet sich schließlich das Gefüge. Die dabei ablaufenden Prozesse werden im Folgenden näher betrachtet.

Im flüssigen Zustand sind die Metallatome zunächst völlig regellos verteilt. Aufgrund der hohen Temperatur haben die Teilchen eine relativ hohe Bewegungsenergie. Die Anziehungskraft zwischen den Atomen reicht in diesem Zustand nicht aus, um diese permanent aneinander zu binden. Durch die heftigen Stoßprozesse mit anderen Atomen werden eventuell kurzeitig bestehende Bindungen sofort wieder aufgebrochen.

Erstarrungsbedingungen, Unterkühlung, Keime, Abkühlkurve

Abbildung: Erstarrungsbedingungen

Wird die Schmelze nun allmählich abgekühlt, so verringert sich mit dem Absinken der Temperatur auch die Bewegungsenergie der Teilchen. Unterschreitet die Temperatur dabei einen kritischen Wert, so gewinnt die gegenseitige Anziehungskraft zwischen den Teilchen die Oberhand. Bindungen zwischen den Atomen können nun dauerhaft wirksam werden. Die Erstarrungstemperatur ist damit unterschritten und das Gefüge bildet sich. Aufgrund der wirksam werdenden Anziehungskräfte führen dazu, dass sich mehr und mehr Teilchen aus der Schmelze an die bereits erstarrte Gitterstruktur anlagern. Dieser Vorgang vollzieht sich solange bis sich schließlich alle Teilchen an das Metallgitter angelagert haben. Da sich bei diesem Erstarrungsvorgang die Kristallstruktur des Metalls bildet, bezeichnet man dies auch als Kristallisationsvorgang.

Eine erste Voraussetzung für die Gefügebildung lässt sich bereits festhalten: Die Temperatur der Schmelze muss unterhalb der Erstarrungstemperatur des Werkstoffes liegen, damit feste Bindungen dauerhaft Bestand haben. Die Differenz zwischen lokaler Temperatur der Schmelze und der Erstarrungstemperatur wird auch als Unterkühlung bezeichnet. Eine Unterkühlung ist zwingend notwendig um den Erstarrungsprozess auszulösen, ein bloßes Erreichen der Erstarrungstemperatur reicht nicht aus.

  • Um  ein Erstarrungsprozess auszulösen, muss die Schmelze unterkühlt werden!

Eine Unterkühlung ist zwar eine notwendige Bedingung für den Erstarrungsvorgang, sie alleine reicht jedoch noch nicht aus, um eine Schmelze zum Erstarren zu bewegen! Im nachfolgenden Abschnitt wird auf die zweite notwendige Voraussetzung näher eingegangen.