Kornfeinung

Metallurgy
Maßnahmen zur Erzielung eines relativ feinen Korns im Gefüge von Metallen und Legierungen. Bei einer Schmelzebehandlung mit gefügebeeinflussender Wirkung ist zu unterscheiden zwischen:

Kornfeinung (Feinung des Grundgefüges, α-Mischkristall), Phosphorbehandlung (Umwandlung des „lamellaren“ Siliziums in eine feinkörnige Form, Feinung des Primärsiliziums bei übereutektischen AlSi-Legierungen) und Veredelung (Feinung des Eutektikums).

Die Kornfeinung erfolgt durch Zusätze von Gefügebeeinflussungsmitteln (Kornfeinungsmitteln), welche die Anzahl der wirksamen Kristallisationskeime erhöhen (Bild 1), ferner durch Senkung der Gießtemperatur und Erhöhung der Abkühlgeschwindigkeit bei der Erstarrung der Schmelze. Zu hohe Überhitzung und zu hohe Gießtemperatur bewirken Kornvergröberung, und dies gilt auch für Schmelzen, die bereits korngefeint sind (Bild 2).

Metallische Werkstoffe erreichen die jeweils besten Festigkeitseigenschaften, wenn das Gefüge feinkörnig ist und die Gefügebestandteile in homogener Verteilung vorliegen. Dieser Gefügezustand stellt sich normalerweise dann ein, wenn die Abkühlung nach dem Gießen rasch und gleichmäßig erfolgt. Im Gegensatz dazu führt eine längere Wärmeeinwirkung im Zuge einer relativ langsamen Abkühlung nach dem Gießen zu grobkörnigem Gefüge und möglicherweise zu Entmischungserscheinungen. Die als optimal erkannten Abkühlungsbedingungen lassen sich jedoch in der Praxis oft nicht einhalten oder erzwingen, vor allem beim Gießen in Formstoffen von geringer Wärmeleitfähigkeit, zum Beispiel Sandguss; hinzu kommen die durch die Gussstückwanddicke bedingten Einflüsse auf den Erstarrungsverlauf (dünnwandige Querschnitte kühlen schneller ab als dickwandige). In solchen Fällen werden daher Kornfeinungsmaßnahmen vorgesehen, wobei in erster Linie Kornfeinungsmittel dem flüssigen Metall zugesetzt werden.

Die Wirkung einer kornfeinenden Schmelzebehandlung ist nicht bei allen Aluminium-Gusslegierungen gleich. Besonders empfindlich sprechen alle Legierungen mit einem hohen Mischkristallanteil, wie AlMg- und AlCu-Werkstoffe, an. Schwierig ist eine Feinung reiner AlSi-Legierungen. Mit steigendem Si-Gehalt verringert sich hierbei der Anteil an Primäraluminium zugunsten von AlSi-Eutektikum. Eine Kornfeinung spricht jedoch nur den Primäraluminium-Anteil an. Relativ „kornfeinungs-unempfindlich“ sind Legierungen vom Typ AlSiCu, zum Beispiel 226(G-AlSi9Cu3). Ihre relativ hohen Anteile zulässiger Beimengungen enthalten offensichtlich gleichzeitig kornfeinungswirksame Keime, so dass hierbei eine Kornfeinungsbehandlung nicht so ausgeprägt wie zum Beispiel bei G-AlMg3 notwendig ist.

Bei der Erstarrung übereutektischer AlSi-Legierungen kristallisiert das Primärsilizium in einer Form, die im Schliffbild in Form dünner Platten und Spieße erkennbar ist. Infolge ihrer kerbwirksamen Ausscheidungsform haben diese Kristalle ungünstigen Einfluss auf die Festigkeit und sollten deshalb in eine feinkörnige Form überführt werden. Dies ist durch vorschriftsmäßige Kornfeinungsbehandlung mittels Phosphor oder eines Phosphor abgebenden Präparates möglich.

Bild 1: Kokillengussgefüge der Aluminiumlegierung GK-AlSi5Mg im Gusszustand, (geätzt, V = 20 : 1) 
a) ungefeint (Zugfestigkeit 150 N/mm, Dehnung 2 %), 
b) korngefeint mit Titan + Bor (Zugfestigkeit 190 N/mm, Dehnung 4 %)© GIESSEREI LEXIKON
Bild 2: Korngröße von Schöpfproben korngefeinter Schmelzen der Aluminiumlegierung G-AlMg3© GIESSEREI LEXIKON

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