Gussmetall, Gefüge und Prüfverfahren: Eigenschaften & Prozesse

Gussmetall, Gefüge und Dendriten

gemischt Dendriten: Wenn ein reines Metall gleichmäßig abgekühlt wird und die Erstarrungstemperatur erreicht, entstehen Keimkerne, von denen sich Kristalle entlang der Kristallachsen entwickeln und zu bestimmten baumartigen Formen, den Dendriten, heranwachsen. Hubraum. Diffusion von Atomen kann zu Unordnung im Kristallgitter führen, da Atome aus ihrer Gleichgewichtslage zu anderen, nahegelegenen Positionen wandern.

Praktische Dichte versus theoretische Dichte

Die tatsächliche Dichte ist geringer als die theoretische, weil die Materialien nicht perfekt in ihrer atomaren Anordnung sind. Daraus ergibt sich, dass die experimentell gemessene (wahre) Dichte aufgrund dieser Mängel geringer ist als die theoretische Dichte, die gelten würde, wenn die atomare Anordnung perfekt wäre.

Härteprüfungen: Vickers, Rockwell und Brinell

Vickers, Rockwell und Brinell sind gängige Härteprüfverfahren. Beim Rockwell-Test wird als Eindringkörper eine gehärtete Stahlkugel oder ein kegelförmiger Diamant-Eindringkörper mit einem Spitzwinkel von 120° (+/- 30') verwendet; die abgerundete Spitze bildet eine Kalotte mit einem Radius von 0,20 mm. Beim Vickers-Test ist der Eindringkörper eine diamantene Vierkantpyramide (Basenwinkel 136°). Beim Brinell-Test werden Kugeln mit verschiedenen Durchmessern eingesetzt; diese Kugeln können aus gehärtetem Stahl oder Hartmetall bestehen.

Alterung (Aging) und Reifung

Aging bzw. Alterung ist ein Verfahren, bei dem Gussteile für eine bestimmte Zeit bei Raumtemperatur oder unter definierten Bedingungen belassen werden, um Maßhaltigkeit und mechanische Eigenschaften (z. B. Härte und Streckgrenze) durch strukturelle Veränderungen zu verbessern. Dieses Phänomen wird auch als Reifung bezeichnet.

Kovalente Bindungen

Kovalente Bindungen entstehen durch die Reaktion zwischen zwei Nichtmetall-Atomen; dabei werden Elektronenpaare zwischen den Atomen geteilt. Diese Art der Bindung tritt auf, wenn der Elektronegativitätsunterschied nicht groß genug für einen vollständigen Elektronentransfer ist; dann teilen sich die Atome ein oder mehrere Elektronenpaare in gemeinsamen molekularen Orbitalen.

Eutektische Phasen: Esteadita

Esteadita ist eine Art eutektischer Verbindung (bzw. eutektisches Produkt), die hart und spröde ist und eine Schmelztemperatur von etwa 960 °C aufweist. Sie kann in Graugussgefügen auftreten (Gießerei: "grau" angezeigt).

Thermische Eigenschaften und Elastizität

Elastizität

Elastizität: Ein Material zeigt elastische Verformungen, die verschwinden, wenn die einwirkenden äußeren Spannungen (Belastungen) entfernt werden. Elastische Verformungen sind reversibel.

Wärme, innere Energie und spezifische Wärme

Kalorien / thermische Energie / spezifische Wärme: Die Art und Weise, wie ein Festkörper thermische Energie aufnimmt, betrifft die Erhöhung der kinetischen Energie der Teilchen (freie Elektronen bzw. Atomkerne), was zu verstärkten atomaren Schwingungen und ggf. Rotationsbewegungen führt. Die innere Energie ist die Summe der thermischen Energie und aller anderen Energieanteile, die auch beim absoluten Nullpunkt vorhanden sein können. Die spezifische Wärmekapazität ist die Wärmemenge pro Masseneinheit des Stoffes, die erforderlich ist, um die Temperatur um eine bestimmte Einheit zu erhöhen.

Mechanisches Verhalten: Kriechen, Ermüdung und Widerstand

Ermüdungsbruch

Ermüdungsbruch: Materialien können bei zyklischer Beanspruchung unterhalb der statischen Bruchspannung mit der Zeit versagen. Die Ermüdung führt zu Rissbildung und schließlich zum Bruch, auch wenn die Spitzenbelastungen unterhalb der Zug- oder Bruchgrenze liegen.

Kriechen (Creep)

Creep: Wenn ein Material dauerhaft einer äußeren Spannung ausgesetzt ist, zeigt sich zunächst eine lineare Beziehung zwischen Spannung und Dehnung (elastisches Verhalten). Nach Erreichen eines bestimmten Spannungsbereichs beginnt ein Bereich, in dem die Verformungen irreversibel werden; das Material kriecht. Die Streckgrenze (Yield) ist der Wert der Spannung, ab dem bleibende Verformungen auftreten.

Widerstandsfähigkeit (Zähigkeit)

Widerstandsfähigkeit ist eine Größenordnung, die die Energiemenge quantifiziert, die ein Material beim Schlag oder Aufprall pro Bruchfläche absorbieren kann. Sie wird häufig als Zähigkeit bezeichnet und ist wichtig für die Beurteilung von Bruchverhalten bei dynamischer Beanspruchung.

Mikrostruktur: Korngröße, Graphit und Einschlüsse

Einflussfaktoren auf die Korngröße

Einflussfaktoren auf die Korngröße: Die Korngröße in Metallen kann stark variieren, da die Größe und Form der Körner von der Erstarrung und späteren Änderungen (z. B. Wärmebehandlung, Kaltverformung) abhängen. Die Korngröße wird durch Wärmebehandlung, Kaltumformung und Kristallisation beeinflusst.

Graphit-Verbindung und Erscheinungsbild

Graphit-Verbindung: In Gusseisen (Fe–C-System) kann Graphit auftreten. Graphit kristallisiert im hexagonalen System, ist sehr weich, grau und spröde. Beim Bearbeiten bricht Graphit nicht als Späne, sondern neigt eher zu feinem Abrieb oder Staub.

Einschlüsse in Stählen

Einschlüsse in Stählen: Typische unerwünschte Einschlüsse bzw. Legierungs- oder Begleitelemente sind Si, S, Mn, Cr, Mo. Diese Elemente und Verunreinigungen beeinflussen die Eigenschaften des Stahls (z. B. Zähigkeit, Härtbarkeit, Korrosionsverhalten).

Impfung (Nukleierung)

Impfung: Impfung ist das Einbringen einer Zusatzmenge in die Schmelze (sog. Saatgut) mit dem Ziel, die Kristallisation zu fördern bzw. das Korn zu verfeinern. Dies verfeinert die Struktur und kann Gefügeeigenschaften verbessern.

Wärmebehandlungen und Phasentransformationen

Warmbad (Isothermische Behandlung zur Martensitbildung)

Warmbad: Ein Verfahren, bei dem Stahl auf Austenitisierungstemperatur erwärmt und anschließend schnell in ein Salzbad oder heißes Öl bei einer Temperatur knapp über M_s getaucht wird. Die Temperatur bleibt isotherm, um das Baustein-Intervall zu standardisieren (z. B. um bainitische Umwandlung zu stoppen), danach wird weitergekühlt, um 100 % Martensit zu erzeugen. Mit dieser Behandlung tritt Martensit mit reduziertem Verzerrungs- und Bruchrisiko auf.

Umkristallisation

Umkristallisation: Prozess, bei dem ein kaltverfestigtes Metall auf eine ausreichend hohe Temperatur erhitzt wird, sodass in einem bestimmten Heizintervall eine neue, unverzerrte Kornstruktur gebildet werden kann. Nach der Umkristallisation sind die ursprünglichen Verzerrungen durch Kaltverformung beseitigt.

Thermische Messungen: Thermoelemente und Pyrometer

Thermoelemente

Thermoelement: Ein Thermoelement ist ein Messgerät, das aus der Verbindung zweier unterschiedlicher Metalle eine Thermospannung erzeugt (Seebeck-Effekt). Diese Spannung ist eine Funktion des Temperaturunterschieds zwischen dem heißen Punkt (Messstelle, "hot junction") und dem kalten Bezugspunkt (Referenzstelle, "cold junction").

Pyrometer und Klassen

Pyrometer. Ihre Klassen: Pyrometer sind Geräte zur Messung hoher Temperaturen, üblicherweise über ca. 600 °C. Häufig unterschieden werden kontaktlose Infrarot-Pyrometer und thermoelektrische Messsonden; außerdem gibt es spezielle Ausführungen für Hochtemperaturanwendungen. Kunststoff-thermoelektrische Messgeräte sind in bestimmten Anwendungen gebräuchlich, wobei die Materialwahl wichtig für Messbereich und Beständigkeit ist.

Phasengrenzen, Peritektik und kritischer Keimradius

Peritektische Reaktion

Peritektische Reaktion: Eine peritektische Reaktion tritt auf, wenn beim Überschreiten einer bestimmten Zusammensetzung beim Mischen von Flüssigkeit und Feststoff eine neue feste Phase gebildet wird. Dabei kann sich ein neues, oft lamellares oder feinkörniges Gefüge entwickeln.

Kritischer Keimradius und Kristallisation

Beim Erstarren oder Unterkühlen spielt der kritische Radius eine Rolle: Nur Keime, deren Größe den kritischen Radius übersteigen, wachsen zu Kristallen heran. Der kritische Radius hängt von Unterkühlung, Grenzflächenspannung und thermodynamischen Parametern ab. Die Keimbildung und das Wachstum bestimmen letztlich die Größe der Samen und damit das Feingefüge.

Sonstige Hinweise

Die vorstehenden Abschnitte fassen die wichtigsten Begriffe und Prozesse zusammen: Gefügeausbildung (Dendriten, eutektische/ peritektische Phasen), mechanische Prüfungen (Rockwell, Vickers, Brinell), Wärmebehandlung (Warmbad, Martensitbildung, Umkristallisation), thermische Eigenschaften (spezifische Wärme, innere Energie), Messmethoden (Thermoelemente, Pyrometer) sowie mechanisches Verhalten (Kriechen, Ermüdung, Zähigkeit). Viele Fachbegriffe stehen in enger Beziehung zueinander und sind für die Optimierung von Guss- und Stahlprozessen von zentraler Bedeutung.

Hinweis: Terminologie und Schreibweisen wurden zur sprachlichen Klarheit und zur besseren Verständlichkeit korrigiert; inhaltliche Fachbegriffe wurden erhalten und wenn nötig erläutert.