Keimarten

Wie im Kapitel Erstarrungsbedingungen erläutert, ist das Vorhandensein von Keimen eine Grundvoraussetzung damit Schmelzen erstarren können. Dabei können sich Keime prinzipiell auf zweierlei Arten bilden. Dienen Fremdteilchen als Keime - also Teilchen aus einem anderen Stoff als die Teilchen der Schmelze selbst - so spricht man auch von Fremdkeime. Fremdkeime können durch Verunreinigungen in der Schmelze zustande kommen. Aber auch die Gefäßwände innerhalb deren die Schmelze gehalten wird, dienen mit ihren fremdartigen Teilchen als Keime. Solche Fremdteilchen sind im Alltag der häufigste Grund, weshalb man unterkühlte Flüssigkeiten in der Regel nicht beobachtet und man vorschnell den Schluss ziehen könnte, dass für einen Erstarrungsvorgang lediglich die Bedingung der Unterschreitung der Erstarrungstemperatur erforderlich wäre.

Keimarten, heterogene, homogene Keimbildung, Fremdteilchen, Eigenteilchen, Eigenkeime, Fremdkeime

Abbildung: Keimarten

Aber nicht nur Fremdteilchen sondern auch die eigenen Teilchen des Stoffes können als Keime dienen. Dies ist zum Beispiel dann der Fall, wenn sich die Atome zufällig in Form einer Elementarzelle bzw. Gitterstruktur anordnen (oder wie im Fall des erläuterten Handwärmers aus noch ungeschmolzenen Resten - in Metallschmelzen allerdings eher unwahrscheinlich). Man spricht in diesem Zusammenhang auch von Eigenkeime. Aufgrund der Vielzahl an Teilchen in einer Schmelze ist die Bildung von Eigenkeimen nicht so unwahrscheinlich, wie es im ersten Moment vielleicht klingen mag.

Da die Wahrscheinlichkeit einer zufälligen Anordnung von Eigenteilchen in Form einer Gitterstruktur homogen über die gesamte Schmelze verteilt ist (es gibt also keine bevorzugten Stellen, an denen die Teilchen zusammenkommen), bezeichnet man diese Art der Keimbildung auch als homogene Keimbildung. Die Keimbildung an Fremdteilchen hingegen findet natürlich bevorzugt an jenen Stellen statt wo sich die Fremdteilchen befinden (z.B. an der Gefäßwand). Die Wahrscheinlichkeit für eine Keimbildung ist somit nicht mehr homogen über die Schmelze verteilt sondern konzentriert sich auf die verunreinigten Stellen. Man bezeichnet die Keimbildung an Fremdteilchen deshalb auch als heterogene Keimbildung.

Mit dem Wissen um die notwendigen Voraussetzungen für den Erstarrungsprozess kann die Gefügebildung nun gezielt gesteuert werden. So steigt mit steigender Unterkühlung bis zu einem gewissen Grad auch die Wahrscheinlichkeit, dass die Schmelze Eigenkeime bildet. Schließlich bedeutet eine starke Unterkühlung eine größere Trägheit der Teilchen und somit sinkt die Wahrscheinlichkeit, dass sich gebildeten Eigenkeime wieder auflösen. Eine große Unterkühlung führt also in der Regel zu einer vermehrten Eigenkeimbildung. Die Schmelze beginnt dann an vielen Keimen gleichzeitig zu erstarren. Es entsteht hierdurch ein sehr feinkörniges Gefüge mit vielen Korngrenzen, welches sich durch eine sehr gute Festigkeit auszeichnet (siehe hierzu auch die Animation im Kapitel Gefüge).

  • Je stärker also die Unterkühlung, desto mehr Keime bilden sich in der Schmelze und umso feinkörniger ist das Gefüge nach der Kristallisation!

Video:Kristallisationsprozess

Eine weitere Möglichkeit ein feinkörniges Gefüge zu erzielen, besteht in der gezielten Beimischung von Fremdteilchen, die dann als Fremdkeime dienen. Dieser Vorgang wird als Impfen bezeichnet. Für das Impfen von Kugelgraphitguss wird bspw. häufig eine Verbindung aus Eisen und Silizium verwendet. Da die zugesetzten Fremdteilchen allerdings dazu neigen sich nach einiger Zeit in der Schmelze aufzulösen, sollte der Impfprozess unmittelbar vor der Erstarrung bzw. während dem Abgießen des Metalls erfolgen.

  • Durch Impfen der Schmelze mit gezielt zugesetzten Fremdteilchen kann ebenfalls ein feinkörniges und damit festes Gefüge erzielt werden.

Die Entstehung des Gefüges kann grundsätzlich in die zwei Phasen Keimbildung und Keimwachstum eingeteilt werden. Sowohl die Phase der Keimbildung als auch die Phase des Keimwachstums können gezielt beeinflusst werden, um das Gefüge nach den später gewünschten Eigenschaften zu gestalten. Aufgrund der Komplexität wird auf diese Phasen in separaten Abschnitten detaillierter eingegangen.