Dieser Artikel liefert unter anderem Antworten auf die folgenden Fragen:

  • Was versteht man unter polygonalem Keimwachstum?
  • Wodurch zeichnet sich ein Gefüge mit polygonalem Keimwachstum aus?
  • Was versteht man unter dendritischem Keimwachstum?
  • Wodurch zeichnet sich ein Gefüge mit dendritischem Keimwachstum aus?
  • Wie entstehe das 3-Zonen-Gussgefüge eines Gussblocks?
  • Was bezeichnet man als Mikrolunker?
  • Weshalb hat eine Schneeflocke eine verästelte 6-eckige Form?

Einleitung

Im Beitrag homogene Keimbildung bzw. heterogene Keimbildung wurde die Entstehung von Keimen näher erläutert. Geht nun aus der unterkühlten Schmelze ein solch stabiler Keim hervor, dann werden sich unter Energiegewinn (Freisetzung von Kristallisationswärme) weitere Atome aus der Schmelze anlagern. Der Keim beginnt nun zu wachsen und leitet das Stadium des Keimwachstums bzw. Kristallwachstums ein.

Die Anlagerung der Teilchen geschieht durch Diffusionsprozesse durch die Schmelze, wo sie auf die Oberfläche des erstarrten Kristalls stoßen. Die Atome diffundieren dort an energetisch günstige Stellen. Entscheidenden Einfluss auf die Form des wachsenden Kristalls hat dabei die Richtung der Wärmeabfuhr an der Erstarrungsfront.

Je nachdem ob die Kristallisationswärme über den erstarrten Kristall oder die angrenzende Schmelze abgeführt wird, unterscheidet man polygonales Kristallwachstum und dendritisches Kristallwachstum. Auf diese Arten wird im folgenden näher eingegangen.

Polygonales Kristallwachstum

Bildet sich bspw. ein Keim an der Oberfläche einer Kokillenwand, dann wird die freiwerdende Kristallisationswärme an der Wachstumsfront häufig über den erstarrten Kristall und anschließend über die Gefäßwand abgeleitet.

Dies ist der Tatsache geschuldet, dass die Schmelze in der Regel eine höhere Temperatur als die Kokillenwand besitzt und die Wärmeabfuhr schließlich stets in Richtung abnehmender Temperatur erfolgt (positiver Temperaturgradient in Richtung Schmelze).

Dies wird unter anderem auch dann der Fall, wenn die Schmelze nur relativ gering unterkühlt ist. Der Kristall wächst dann in ein Gebiet mit höherer Temperatur als er selbst. Eine sich eventuell bildende (vorauseilende) Verästelung des Kristalls würde dann wieder aufschmelzen. Deshalb bleibt die Erstarrungsfront relativ eben. Man spricht dann auch von einer stabilen Wachstumsfront.

Je nachdem wie stark die Wärmeabfuhr über den Kristall ist, wachsen eher rundliche Kristalle (Globulite) oder längliche Kristalle (Stängelkristalle).

Beim polygonalen (stabilen) Kristallwachstum erfolgt die Abfuhr der Kristallisationswärme über den Kristall selbst.

Polygonales Kristallwachstum (Keimwachstum)
Abbildung: Polygonales Kristallwachstum (Keimwachstum)

Exkurs: Drei-Zonen-Gussgefüge

Das polygonale Kristallwachstum erklärt auch das typische Drei-Zonen-Gussgefüge eines erstarrten Gussblocks (Primärgefüge). In der Nähe der Gefäßwand bildet sich aufgrund der starken isotropen Unterkühlung durch die kühle Gefäßwand ein sehr feinkörniges Gefüge mit rundlichen Körnern (Zone I).

3-Zonen-Gussgefüge
Abbildung: 3-Zonen-Gussgefüge

Anschließend erhält man eine Zone mit länglichen Körnern aufgrund der stark gerichteten (anisotropen) Wärmeabfuhr in Richtung Gefäßwand (transkristalline Zone II). Im Inneren des Gussblocks erhält man durch die relativ geringe (isotrope) Abkühlung bzw. Unterkühlung eine sehr grobkörnige Gefügestruktur (Zone III).

Durch nachträgliche Wärmebehandlung kann dieses heterogene Gefüge in ein homogenes Gefüge mit entsprechend gewünschten Eigenschaften überführt werden (Sekundärgefüge).

Dendritisches Kristallwachstum

Im Falle des dendritischen Kristallwachstums erfolgt die Wärmeabfuhr nicht wie beim polygonalen Kristallwachstum über den Kristall sondern über die Schmelze.

Dies wird dann der Fall sein, wenn die Schmelze stark unterkühlt ist und sich der Keim frei in der Schmelze bildet. Es entsteht dann ein negativer Temperaturgradient in Richtung Schmelze. Der Kristall wächst nun in ein Gebiet mit niedriger Temperatur als er selbst.

Eine sich eventuell bildende (vorauseilende) Verästelung wird sehr schnell weiterwachsen, da die kühlere Schmelze rasch an der Verästelung kristallisiert. Der Kristall bildet Verästelungen aus, die sehr stark an eine tannenbaumartige Struktur erinnert – diese nennt man Dendrite.

Beim dendritischen (instabilen) Kristallwachstum erfolgt die Abfuhr der Kristallisationswärme über die umgebende Schmelze.

Dendritisches Kristallwachstum (Keimwachstum)
Abbildung: Dendritisches Kristallwachstum (Keimwachstum)

Das unten abgebildete Gefügebild zeigt Kupfer mit einem erhöhten Sauerstoffgehalt. Dabei bildete sich während des Erstarrens das bläulich schimmernde Kupfer(I)-oxid Cu2O (auch Kupferoxydul genannt), welches ein dendritisches Wachstum zeigt. Bedingt durch den Gefügeschnitt sind lediglich die in der Ebene geschnittenen Dendritenäste zu sehen. Die Dendrite sind eingebettet in der eutektischen Grundmasse mit fein verteiltem Kupfer und Kupferoxid.

Dendritisches Kristallwachstum in Kupfer(I)-Oxid
Animation: Dendritisches Kristallwachstum in Kupfer(I)-Oxid

Bei dendritischem Kristallwachstum besteht grundsätzlich die Gefahr, dass keine Schmelze in die Zwischenräume der Verästelungen nachfließen kann. Es bilden sich dann kleine mikroskopische Hohlräume, die als Mikrolunker bezeichnet werden.

Exkurs: Schneeflocke

Ein dendritisches Keimwachstum zeigt auch Wasser, wenn dieses an kalten Wintertagen zu einer Schneeflocke kristallisiert. Die hexagonale Gitterstruktur des Eises führt dabei zu den typischen sechs Hauptästen der Schneeflocke, von denen aus dann mehrere kleinere Verästelungen abzweigen.

Schneeflocke
Abbildung: Schneeflocke