Abfolge Werkstoff-Workshop IdeenExpo 2011

Schulworkshop Gießereitechnik der TU Clausthal für
naturwissenschaftliche Kurse der Oberstufe an Gymnasien
Im Workshop Gießereitechnik der TU Clausthal an Gymnasien (Dauer 90 – 135 Minuten)
wird im praktischen Teil das Formgebungsverfahren Handformen im Sandguss vorgeführt
oder auch in mehreren Gruppen von den SchülerInnen selbst durchgeführt. Im Mittelpunkt
des theoretischen Teils des Gießerei-Workshops steht eine elementare Einführung in die Welt
der Phasendiagramme. Diese grenzen in Abhängigkeit von der Temperatur und chemischer
Zusammensetzung die Bereiche fester und flüssiger Phase gegeneinander ab und sind die
‚Landkarte’ der Werkstoffeigenschaften des Gießereiingenieurs.1 Alle Experimente dienen
dem Ziel, durch Analogiebeispiele den Schülerinnen und Schülern eine qualitative
Vorstellung davon zu vermitteln, was der Materialwissenschaftler unter einer Phase versteht
und welche Parameter die Phasenübergänge von flüssig nach fest beeinflussen.
Ist der Ausschnitt des Phasendiagramms, dem eine Schmelze zugeordnet werden kann, im
Wesentlichen bekannt, können aus dem Kurvenverlauf der Abkühlung der Schmelze die im
Innern der Schmelze ablaufenden Umwandlungsvorgänge aufgrund der freigesetzten
Kristallbildungswärme erschlossen werden. Je nach System weist die Abkühlungskurve
charakteristische Knick- und Haltepunkte auf. Diese Methode der Untersuchung einer
Schmelze wird Thermische Analyse genannt und kann zur Qualitätskontrolle vor einem
Abguss eingesetzt werden. Auf deren praktische Vorführung steuert der Workshop hin; sie
beschließt den Workshop. Die Vorführung erfolgt anhand einer unter-, einer eutektischen und
einer übereutektischen Al-Si-Schmelze.
Die Phasenumwandlung wird von der Aufnahme innerer Energie (Aufschmelzen) oder
Freisetzen innerer Energie begleitet. Wird (zeitweilig) keine innere Energie mehr freigesetzt,
schreitet die äußere Abkühlung wieder fort. Der ‚Knick- oder Haltepunkt’ ändert seine
Verlauf und nähert sich der Newton’schen Abkühlungskurve: Die vormals flüssige Schmelze
hat einen Phasenübergang vollzogen. Sofern in der festen Phase keine
Kristallumwandlungsprozesse mehr stattfinden, hat das Metall einen neuen thermodynamisch
stabilen Bereich erreicht – ein neues Energieminimum. Mit der Thermischen Analyse, der
Aufzeichnung der Zeit/Temperaturkurve kann der Gießereiingenieur daher beim
Phasenübergang von flüssig nach fest in die Schmelze ‚hineinschauen’.
Um nun bei den Schülerinnen und Schülern eine physikalische Grundvorstellung für die
Bedeutung von stabilen und labilen Gleichgewichtspunkten zu vermitteln, wird zunächst die
Analogie mit dem tiefsten Punkt einer gebogenen Schale gewählt – eine Kugel sitzt im
Potentialminimum der konkaven Halbschale. Das ist ein stabiler Gleichgewichtsbereich. Aus
geringsten Störungen treibt das System ins Potenzialminimum zurück – diese Situation
entspricht dem weiten Temperaturfenster flüssiger oder fester Phasen. Es kann nur eine Phase
stabil vorliegen.
Säße die Kugel aber auf dem Krümmungsbogen einer konvexen Schale, so würde das System
bei kleinsten Störungen aus dem labilen Gleichgewicht umkippen in Richtung neuer,
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Diese Aussage stimmt exakt nur, wenn (mindestens) das ZTU-Diagramm hinzugenommen wird. Durch zeitlich
gesteuerte, definierte Wärmezufuhr und Wärmeentzug im festen Zustand können Kristallumwandlungen
ausgelöst werden, welche die Eigenschaften maßgeblich verändern. Das ZTU-Diagramm steht senkrecht auf
dem, in Abhängigkeit von der Anzahl der Hauptlegierungsbestandteile mehrdimensionalen Phasendiagramm.
Der Workshop wählt immer (plakative) Vereinfachungen.
thermodynamisch stabiler Gleichgewichtslagen. Diese Situation entspricht dem Übergang
über eine Phasengrenze hinweg – von Flüssig nach Fest oder vice versa.
An den Übergangspunkten – oder in den Übergangsbereichen labiler Gleichgewichtslagen2 bestehen zwei Phasen gleichzeitig. Was dies bedeutet, soll mit einer Analogie verdeutlicht
werden: Unterhalb von minus ein Grad Celsius befindet sich reines, festes Wassereis im
thermodynamisch stabilen Zustand. Bei Null Grad Celsius existieren feste und flüssige Phase
im labilen Gleichgewicht miteinander. Durch die Zugabe von Salz kann nun die Lage dieses
Gleichgewichtspunktes zu tieferen Punkten verschoben werden. Diese Analogie kann mit dem
einfachen Experiment von den SuS nachvollzogen werden – Ablesung der Temperatur an
einem Thermometer bei mehreren, in ihrem Salzgehalt variierenden Wasser/Eisgemischen.
Verbunden mit der praktischen Erfahrung der bekannten herzförmigen Taschenwärmer –
beim Übergang von Flüssig nach Fest wird Kristalllisationswärme freigesetzt - ist, qualitativ
das Verständnis geweckt für die prinzipielle Vorgehensweise der ‚Thermischen Analyse’:
 Dem Salzgehalt beim Wasser ‚entspricht’ bei der metallischen Schmelze die Art und
Menge der zugegebenen Legierungsbestandteile.
 Im einfachen Zweistoffsystem Aluminium/Silizium kann die chemische
Zusammensetzung einer Schmelze einer spezifischen Umwandlungstemperatur von
Flüssig nach Fest zugeordnet werden.
 Aus der Aufzeichnung vieler Abkühlungskurven kann mithilfe der gewonnen Knickund Haltepunkte ein Phasendiagramm erstellt werden. Den einzelnen Phasenbereichen
können sodann durch weitere materialkundliche Untersuchungen die
legierungsspezifischen Werkstoffeigenschaften zugeordnet werden. So wird die
‚Landkarte’ der Gusswerkstoffe vermessen, bzw. in Neuland systematisch
vorgestoßen. Und im Umkehrschluss kann - bei bekanntem System – die Qualität
einer Schmelze überprüft werden.
Dass in einem flüssigen Gemisch verschiedener Elemente diese einzeln, sofern sie nicht
gemeinsame Mischkristallreihen bilden, wiederum unterschiedliche Übergangstemperaturen
für die Umwandlung von Flüssig nach Fest aufweisen, lässt sich am Analogiebeispiel von
Zucker, gelöst in heißem Wasser, und der allmählichen Ausscheidung des festen Zuckers bei
Temperaturabsenkung in das umgebende, noch flüssige Wasser illustrieren, bis auch dieses,
bei noch weiterer Temperaturabsenkung, fest wird und gefriert. 3
Nimmt man nun noch die phänomenologisch überraschende Umkehrung der Phasenabfolge
von Fest nach Flüssig zu Gasförmig bei Wasser durch die Druckabsenkung über einer
Wasseroberfläche hinzu - das Wasser siedet und gefriert sofort danach, dann hat der
Vortragende alle Einflussgrößen der Aggregatszustandsänderungen Druck, Temperatur,
Zusammensetzung an anschaulichen Beispielen vorgeführt:
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Verschiebung des Phasengleichgewichts von Wasser und Eis durch Zugabe von Salz/
in erster Näherung einer Analogie zur Veränderung der Kristallisationstemperaturen
verschiedener Legierungen
Einführung der Latentwärme/Schmelzenergie am Beispiel des
Phasenwechselmediums Taschenwärmer
und den Umgebungsdruck
Temperaturfenster bei Mischkristallbildungen, Temperaturpunkte bei reinen Metallen.
Die reine ‚Zuckerphase wäre dann von reinem Wassereis umgeben. Die Dichteanomalie des Wassers aufgrund
seiner besonderen Kristallstrukturen findet bei den Metallen natürlich nicht statt, ist aber auch für das hier
verlangte Grundverständnis – was kennzeichnet eine Phasenumwandlung? - irrelevant.
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Die Korrelation zwischen der aus dem ‚Chaos’ einer flüssigen Schmelze (alle Atome weisen
nur eine Nahordnung auf) zur entstandenen, weitgehend regelmäßigen, sich räumlichen
wiederholenden Kristallstruktur und den Materialeigenschaften kann in einigen Fällen auch
anschaulich plausibel gemacht, wie im Falle des duktilen kubisch flächenzentrierten reinen
Eisens oder dem hexagonal erstarrenden, nahezu nicht kalt umformbaren Magnesium. Die
vorhandenen oder fehlenden Gleitebenen können an Modellkristallgittern vor Augen geführt
werden.
Wie weit die Palette möglicher Materialeigenschaften reicht, wird in dem Workshop
exemplarisch an zwei Sondermetallen vorgeführt - einer Feder aus einer Nickel-TitanFormgedächtnislegierung und der Clausthaler Entwicklung einer hoch dämpfenden
Legierung, welche die Schallenergie durch das ‚Umklappen’ zweier Kristallgitterzustände in
innere Reibung verzehrt (Maxidamp).
In einem Ausblick kann die Einstellung der Werkstoffeigenschaften durch Abschätzung der
Phasenanteile nach dem Hebelgesetz erläutert werden.
Jochen Brinkmann M.A.
Technische Universität Clausthal
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