Gefüge
Erstarrung ; Dendriten und Seigerungen
Folgende Darstellung und Erklärung wird am Beispiel
eines 1.5535 - 22MnB4 gemacht.
Strangguss - elektromagnetisch gerührt - warmgewalzt
auf 13,00 mm rund - keine Wärmebehandlung.
Erstarrung heißt der Übergang vom flüssigen in den festen Zustand. Erstarrungsvorgänge verlaufen unter Freisetzung von Wärme ab (exothermer Vorgang). Die bei der Erstarrung freigesetzte Wärme kann entweder über die Schmelze oder über den erstarrten und wachsenden Kristall abgeführt werden. Bei der Erstarrung von Stahl (z.B. beim Stranggießen) bilden sich verschiedene Gefügezonen aus. In der Regel führen die üblichen Gießbedingungen zur Ausbildung eines Primärgefüges, das aus drei Zonen besteht: einer fein-globularen Randzone, einem transkristallinen Bereich (dendritische Zone) und der grob-globularen Kernzone. Im allgemeinen erstarren Stähle fast ausschließlich dendritisch. Aus diesem Grund sind sie mikroskopisch betrachtet als inhomogen zu bezeichnen. Nahe der Erstarrungsfront weist die Schmelze keine konstante chemische Zusammensetzung auf. Die zuerst erstarrenden Bereiche sind ärmer an Kohlenstoff und anderen Legierungselementen. Die interdendritischen Zwischenräume sind mit Kohlenstoff und Legierungselementen angereichert. Die sich dadurch ergebenden leichten Konzentrationsunterschiede werden als Primärseigerung / Kristallseigerung / Mikroseigerung bezeichnet. Die Mikroseigerungen sind bei der Erstarrung der Stahlschmelze nicht zu vermeiden, stellen aber für das spätere Werkstoffverhalten keine gravierenden Probleme dar. Im Inneren des Erstarrungsquerschnitts kann es zu stärkerer Anreicherung von Legierungselementen und Verunreinigungen kommen. Diese Kernseigerungen / Makroseigerungen sind allgemein als ungünstig zu bewerten. In diesen inhomogenen Bereichen stellen sich andere Umwandlungsparameter ein, die sich nachteilig bei der weiteren Verarbeitung (z.B. durch höhere Kernfestigkeiten) und Wärmebehandlung (z.B. beim Härten durch abweichende Ac1 und Ac3 Punkte) auswirken können.
Beim Auftreffen der flüssigen Schmelze auf
die gekühlte Kokillenwand kühlt diese auf Temperaturen unterhalb der Schmelztemperatur
ab. An der Formwand werden unzählige Keime gebildet, die im weiteren Verlauf zu
einer feinkristallinen, globulitischen Randzone heranwachsen. Bei diesem Vorgang handelt
es sich um heterogene Keimbildung (durch Fremdkeime bzw. Kristallisatoren ausgelöst).
Die Temperatur im Kristall ist niedriger als in der Schmelze. Die Wärme wird über
den Kristall abgeführt und die Erstarrungsfront bleibt eben (glattwandige Erstarrung).
Wenn ein Kristall an der Erstarrungsfront hinaus in die Restschmelze wächst, so
bildet er sich aufgrund der höheren Umgebungstemperatur wieder zurück. Punkt 1 im Bild
Durch die weitere Abkühlung werden nach einiger
Zeit Bedingungen erreicht, die eine dendritische Erstarrung ermöglichen. Dendriten
bilden sich nur in einer unterkühlten Schmelze. Die Ünterkühlung kann
auf zwei Arten erfolgen. Die erste Möglichkeit ist thermischer Art (thermische
Unterkühlung) und im anderen Fall wird die Unterkühlung durch Konzentrationsanreicherung
vor der Erstarrungsfront (konstitutionelle Unterkühlung) erreicht. Man unterscheidet
zwischen gerichteten, orientierten und ungerichteten Dendriten. Die jeweilige Ausbildungsform
und Anordnung im Erstarrungsgefüge ist von den Abkühlbedingungen (Bedingungen
des Wärmetransports) abhängig. Die Wärmeleitung in der festen und der
flüssigen Phase spielt eine wesentliche Rolle bei der Entstehung von Dendriten
und deren Wachstum. Die Temperatur in der Schmelze ist niedriger als im Kristall. Die
Wärme wird über die Schmelze abgeleitet und die Erstarrungsfront ist uneben
(dendritische Erstarrung). Wenn ein Kristall über die Erstarrungsfront hinaus
in die Restschmelze wächst, so kristallisiert an ihm die kalte Schmelze und er
kann schnell, oft unter Verzweigung in alle Richtungen, weiter wachsen. Die dendritischen
Kristalle bestehen aus primären, sekundären und tertiären Armen. Eine
gerichtet dendritische Erstarrung tritt auf wenn eine Schmelze überhitzt ist.
Bei Unterkühlung der Schmelze wird eine ungerichtete Erstarrung ermöglicht.
Punkt 2 - 4 im Bild
Mit zunehmendem Abbau der Überhitzung in der Restschmelze
werden die Dendriten immer länger. Durch die mechanische Instabilität der
langen Dendritenarme brechen Teile davon ab und bilden den Grundstein für die
globulitische Kristallbildung. Die Fragmente der abgebrochenen Dendriten dienen als
Keime für die Globuliten. Durch elektromagnetisches Rühren ist man in der
Lage diesen Zeitpunkt vorzuverlegen. Der Wärmetransport an der Erstarrungsfront
und in der Restschmelze wird begünstigt und führt zu einem schnelleren Überhitzungsabbau.
Gleichzeitig wird durch das Rühren verhindert dass die neugebildeten Globulite
wieder einschmelzen. Punkt 5 im Bild
Im Mittenbereich kann sich dann noch unter ungünstigen
Bedingungen durch starke Anreicherung von Legierungsbestandteilen eine Makroseigerung
ausbilden. Punkt 6 im Bild
1 = fein globulitisch erstarrte Oberfläche
2 = gerichtet dendritisch erstarrter Randbereich
3 = orientiert dendritisch erstarrter Übergangsbereich
4 = ungerichtet dendritisch erstarrter Übergangsbereich
5 = grober globulitisch erstarrter Kernbereich
6 = Kernseigerung
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