Abkühlkurven

Sind die beiden Komponenten eines Zweistofflegierungssystems im festen Zustand vollkommen ineinander löslich, so spricht man von einer Mischkristalllegierung. Für diesen Fall bilden die beiden Komponenten ein gemeinsames Kristallgitter, das sich sowohl aus den Atomen des Basisstoffes als auch aus den Legierungselementatomen aufbaut. Das Legierungssystem Kupfer/Nickel weist ein solches Mischkristallverhalten über den gesamten Mischungsbereich auf (lückenlose Mischkristallreihe). Im Folgenden soll deshalb das Legierungssystem Kupfer/Nickel exemplarisch als Beispiel einer Legierung mit vollkommener Löslichkeit der Komponenten im festen Zustand näher erläutert werden.

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Abbildung: Abkühlkurven ausgewählter Kupfer-Nickel-Legierungen

Wie bereits im Kapitel Kristallisationswärme erläutert, erstarrt ein Reinstoff in einem sogenannten Haltepunkt, d.h. die Temperatur bleibt während der Kristallisation konstant. Im Gegensatz hierzu weisen allerdings Stoffgemische im Allgemeinen keinen Haltepunkt während der Erstarrung mehr auf sondern einen sogenannten Knickpunkt. Die Temperaturabnahme wird während der Kristallisation also nicht mehr gänzlich gestoppt sondern lediglich verlangsamt. Dies zeigt sich in den abgeknickten Temperaturverläufen bei den entsprechenden Abkühlkurven der Kupfer-Nickel-Legierungen.

  • Legierungen besitzen keinen Erstarrungspunkt sondern einen Erstarrungsbereich.

Darüber hinaus wird bei Betrachtung der Kupfer-Nickel-Abkühlkurven ersichtlich, dass sich je nach Nickelgehalt der Erstarrungsprozess über unterschiedliche Temperaturbereiche erstreckt. Ausgehend des relativ niedrigen Schmelzpunktes des Kupfers (1085 °C) verschiebt sich der Erstarrungsbereich mit zunehmendem Nickelgehalt hin zu höheren Werten und gipfelt schließlich im Erstarrungspunkt des reinen Nickels (1455 °C). Für einen Nickelgehalt von bspw. 20 % erstarrt die Legierung im Temperaturbereich zwischen ~1190 °C und 1160 °C, während bei einer Nickelkonzentration von 40 % die Erstarrung bereits bei ~1280 °C einsetzt und schon bei ~1230 °C beendet ist. Grund für die unterschiedlichen Erstarrungsbereiche ist, dass sich mit der Anwesenheit der Legierungselementatome auch die chemischen Eigenschaften - wie eben die Erstarrungstemperatur - ändern.

Legierungen können prinzipiell in unzählig vielen Konzentrationsvarianten hergestellt werden, je nachdem wie viel von der Legierungskomponente zum entsprechenden Basisstoff hinzu legiert wird. Dementsprechend ergibt sich auch eine unzählig große Variation an unterschiedlichen Erstarrungsbereichen. Um die Erstarrungbereiche über ein gesamtes Legierungssystem (d.h. für alle erdenklichen Legierungskonzentrationen) hinweg übersichtlich darzustellen, bedingt man sich sogenannter Phasendiagramme. Auf deren Erstellung soll im Folgenden näher eingegangen werden.