Seigerungen

Wird eine flüssige Kupfer-Nickel-Legierung abgekühlt, so stellt man bei einer anschließenden Werkstoffuntersuchung oft fest, dass sich der Nickelgehalt innerhalb eines Korns je nach Ort teilweise stark von anderen Kornbereichen unterscheidet. Während sich die Kornmitte bspw. durch einen relativ hohen Nickelgehalt auszeichnet, sind die Randbereiche des Korn bspw. eher Nickelarm. Solche Konzentrationsunterschiede innerhalb eines Korns nennt man Kristallseigerung oder kurz Seigerungen.

Da die Legierungskonzentration allerdings maßgeblich die Werkstoffeigenschaften bestimmt, zeigt die Kornmitte somit eine andere Eigenschaft (z.B. härter und fester) als der Randbereich (z.B. weicher und zäher). Solche unterschiedlichen Eigenschaften innerhalb eines Korns sind in der Regel unerwünscht, da dies zu unvorhersehbarem Materialversagen führen kann. Die Bildung von Seigerungen kann mit Hilfe der im Abschnitt Phasenzusammensetzung erläuterten Gesetzmäßigkeiten relativ einfach nachvollzogen werden.

Um die Entstehung von Seigerungen zu erläutern, wird an dieser Stelle wieder die CuNi55-Legierung mit 55 % Nickel betrachtet. Aus dem Phasendiagramm wird ersichtlich, dass während der Erstarrung die Nickelkonzentration innerhalb der entstehenden Mischkristalle mit der Zeit abnimmt. So besitzen die ersten entstehenden Mischkristalle unmittelbar bei Einsetzen der Erstarrung zum Zeitpunkt t0 einen Nickelgehalt von rund 66 %.

Seigerungen, Entstehung, Phasendiagramm

Abbildung: Entstehung von Seigerungen

Bei weiterer Abkühlung lagern sich um die bereits entstandenen Mischkristalle weitere Atome aus der Schmelze an. Zu einem späteren Zeitpunkt \(t_1\) hat sich schließlich eine neue Schicht angelagert, die gemäß dem Zustandsdiagramm zu einem mittleren Nickelgehalt im gesamten Korn von nur noch 63,5 % führt. Da es sich dabei um einen Durchschnittswert innerhalb des gesamten Mischkristalls handelt, muss die angelagerte Schicht offensichtlich einen geringeren Nickelgehalt als die zuvor erstarrte Schicht aufweisen. Nur so kann das Sinken des mittleren Nickelgehaltes erklärt werden.

Schließlich führt das Voranschreiten der Erstarrung zu einer weiteren Abnahme des mittleren Nickelgehaltes in den Mischkristallen (\(t_1\)→\(t_2\)→\(t_3\)). Ist der Erstarrungsprozess zum Zeitpunkt \(t_4\) abgeschlossen, so ist der Nickelgehalt schließlich auf 55 % gesunken und liegt nun vollständig im erstarrten Gefüge vor.

In der Realität lagern sich die Atomschichten natürlich nicht schrittweise sondern kontinuierlich um die bereits erstarrten Mischkristalle an. Folglich erhält man auch eine kontinuierliche Abnahme der Nickelkonzentration ausgehend der Kornmitte (Erstarrungsbeginn) bis hin in die entsprechenden Randbereiche (Erstarrungsende). Auf diese Weise lässt sich das Zustandekommen von Seigerungen erklären [fahre hierzu mit der Maus über die Abbildung]. Beachte, dass Seigerungen kein reines Phänomen von Kupfer-Nickel-Legierungen sind, sondern ein prinzipielles Verhalten von Mischkristalllegierungen!

Seigerungen ließen sich grundsätzlich durch eine hinreichend langsame Abkühlung vermeiden, da sich hierdurch die entstehenden Konzentrationsunterschiede durch Diffusionsprozesse stets ausgleichen können. In der Realität können Abkühlprozesse allerdings nicht unendlich langsam erfolgen, sodass sich unweigerlich Konzentrationsunterschiede im Gefüge ergeben. In solchen Fällen können durch eine nachträgliche Wärmebehandlung bei hinreichend hohen Temperaturen (Diffusionsglühen genannt) die entstandenen Konzentrationsunterschiede teilweise wieder ausgeglichen werden.