Keimarten

Dieser Artikel liefert unter anderem Antworten auf die folgenden Fragen:

  • Was sind Fremdkeime?
  • Wie können Eigenkeime in der Schmelze entstehen?
  • Was versteht man unter homogener und heterogener Keimbildung?
  • Welche Art der Keimbildung ist beim Erstarren wahrscheinlicher?
  • Durch welche Maßnahmen kann der Erstarrungsprozess beeinflusst werden, sodass ein möglichst feinkörniges Gefüge entsteht?
  • Was versteht man unter Impfen einer Schmelze?

Einleitung

Wie im Kapitel Erstarrungsbedingungen erläutert, ist das Vorhandensein von Keimen eine Grundvoraussetzung damit Flüssigkeiten erstarren können. Dabei können sich Keime prinzipiell auf zweierlei Arten bilden. Entweder als Fremdkeime (heterogene Keimbildung) oder als Eigenkeime (homogene Keimbildung).

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Abbildung: Heterogene und homogene Keimbildung

Fremdkeime

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.

Fremdteilchen in der Schmelze können als sogenannte Fremdkeime den Kristallisationsvorgang auslösen!

Solche Fremdteilchen sind im Alltag der häufigste Grund, weshalb man unterkühlte Flüssigkeiten in der Regel nicht beobachtet und man deshalb vorschnell den Schluss ziehen könnte, dass für einen Erstarrungsvorgang lediglich die Bedingung der Unterschreitung der Erstarrungstemperatur erforderlich wäre.

Die Fremdkeimbildung 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 homogen über die Schmelze verteilt sondern konzentriert sich auf die verunreinigten Stellen. Aus diesem Grund bezeichnet man die Fremdkeimbildung auch als heterogene Keimbildung.

Die Keimbildung durch Fremdteilchen wird auch als heterogene Keimbildung bezeichnet!

Eigenkeime

Aber nicht nur Fremdteilchen sondern auch die eigenen Teilchen des Stoffes können als Keime dienen. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von Eigenkeime.

Eigenkeime können zum Beispiel dadurch gebildet werden, dass sich die Atome in der Schmelze zufällig in Form einer Elementarzelle bzw. Gitterstruktur anordnen. Aufgrund der Vielzahl an Teilchen in einer Schmelze ist die Bildung solcher Eigenkeime nicht so unwahrscheinlich, wie dies im ersten Moment vielleicht klingen mag. Eigenkeime können auch durch ungeschmolzene Reste zustande kommen, was in Metallschmelzen jedoch eher unwahrscheinlich ist.

Bei der Eigenkeimbildung dienen die eigenen Teilchen einer Schmelze als Keime!

Die Wahrscheinlichkeit einer zufälligen Anordnung von Eigenteilchen in Form einer Gitterstruktur ist homogen über die gesamte Schmelze verteilt. Es gibt also keine bevorzugten Stellen, an denen die Teilchen zusammenkommen. Aus diesem Grund wird die Eigenkeimbildung auch als homogene Keimbildung bezeichnet.

Die Keimbildung durch Eigenteilchen wird auch als homogene Keimbildung bezeichnet!

Beeinflussung der Keimbildung

Mit dem Wissen um die notwendigen Voraussetzungen für den Erstarrungsprozess kann die Gefügebildung nun auch 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 und Zähigkeit auszeichnet.

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

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 des Abgießens des Metalls erfolgen.

Durch Impfen der Schmelze mit gezielt zugesetzten Fremdteilchen kann ebenfalls ein feinkörniges 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.