M1 Erstarrung: Keimbildung und Wachstum

Thema

Wenn geschmolzenes Metall unter seine Gleichgewichtsschmelztemperatur abkühlt, ohne jedoch zu erstarren, entsteht Unterkühlung. Diese Unterkühlung ist die treibende Kraft für die Erstarrung des Metalls. Sie bestimmt die Änderung der freien Energie bei der Keimbildung eines festen Keims in der Schmelze – die Differenz der freien Energie zwischen der Bildung dieses festen Keims und dem Zustand des geschmolzenen Metalls. Eine stärkere Unterkühlung bedeutet, dass diese Änderung der freien Energie durch die Keimbildung die Bildung des festen Keims begünstigt und somit die für die Erstarrung des Metalls verfügbare Triebkraft erhöht.

Diese Änderung der freien Energie durch die Keimbildung kommt jedoch nicht allen festen Keimen gleichermaßen zugute, da sie mit der Oberflächenenergie konkurriert, die zur Bildung der Grenzfläche zwischen dem festen Keim und der umgebenden Schmelze benötigt wird. Aus diesem Wettbewerb ergibt sich ein kritischer Keimradius, die Mindestgröße, die ein fester Keim erreichen muss, damit weiteres Wachstum ab diesem Punkt seine freie Gesamtenergie verringert, anstatt sie zu erhöhen, sowie eine kritische Energiebarriere, die Energie, die der Keim überwinden muss, um denselben kritischen Radius zu erreichen. Stärkere Unterkühlung führt sowohl zu einem kleineren kritischen Keimradius als auch zu einer niedrigeren kritischen Energiebarriere, wodurch es einem festen Keim leichter fällt, diese Barriere zu überwinden und weiter zu wachsen.

Diese kritische Energiebarriere bestimmt zusammen mit der Schmelztemperatur die Keimbildungsrate, mit der neue feste Keime pro Zeit- und Volumeneinheit entstehen. Diese Keimbildungsrate wiederum bestimmt das Mikrogefüge des entstehenden flüssigen Metalls, einschließlich seiner anfänglichen Korngröße und seiner dendritischen Morphologie. Eine höhere Keimbildungsrate führt dazu, dass mehr feste Keime um dasselbe Schmelzvolumen konkurrieren und folglich ein kleineres anfängliches Korngefüge im Gussgefüge entsteht.

Dieses Modell mit seinen anfänglichen Keimbildungs- und Wachstumsmerkmalen fließt daher in ein weiteres Modell innerhalb dieser Gruppe ein – jenes, das die Korngröße dieses Metalls beschreibt, wobei die anfängliche Korngröße des Gussgefüges bereits durch dieselbe Keimbildungsrate bestimmt wurde. Die Tatsache, dass dieselbe Keimbildungsrate zusammen mit der Avrami-Gleichung, die die zeitliche Entwicklung des erstarrten Anteils beschreibt, für einen gleichwertigen Zweck in einem anderen Modell für eine andere Materialgruppe wiederverwendet wird – dem Modell, das die Glasbildung durch Verglasung beschreibt –, bedeutet, dass beide Modelle denselben mathematischen Rahmen nutzen, um zwei gegensätzliche Ergebnisse zu beschreiben: die kontrollierte Kristallisation dieses Metalls und die verhinderte Kristallisation jenes Glases.

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