Montag, 09.01.2012 - 09.22 Uhr

Dendriten bestimmen Materialeigenschaften

Jede Gießerei ist bestrebt, den Gießvorgang so zu optimieren, dass fehlerfreie Gusserzeugnisse entstehen. Entscheidend für die Qualität des Stückes ist der Erstarrungsvorgang der Schmelze. Dabei spielen baumartige Mikrostrukturen des erstarrenden Metalls eine wichtige Rolle – sogenannte Dendriten.

Die Herstellung eines Gussteiles ist ein komplexer Prozess mit vielen Einflüssen. Gemeinsam bestimmen sie die Eigenschaften und die Qualität des fertigen Teiles. Besonders kritisch ist der Zeitraum, in dem das heiße flüssige Metall langsam abkühlt und zu erstarren beginnt.
Dieser Vorgang läuft jedoch zeitlich und räumlich nicht gleichmäßig ab. Während sich der Großteil der Schmelze noch in der flüssigen Phase befindet, entwickeln sich an einigen Stellen erste Keime erstarrenden Materials, die sich zu baumartigen Gebilden, den Dendriten auswachsen. Der Begriff leitet sich aus dem griechischen „dendron“ (deutsch: Baum) ab. Die fein verästelten Strukturen lassen sich beim Schnitt durch das fertige Gussstück leicht im Mikroskop betrachten und sind in ähnlicher Form auch bei Schnee- und Eiskristallen zu finden.


Der Forscher begutachtet das schwebende Kügelchen eines flüssigen Metalls auf dem Bildschirm und… …kann das Experiment steuern.

Mikrostrukturen entscheiden
Wenngleich sie anfangs nur wenig kristallisiertes Metall bilden, sind die Dendriten von entscheidender Bedeutung für die mechanischen Eigenschaften des späteren Werkstückes. Je feiner und dichter die Kristallformationen sind, desto höher ist die Festigkeit des fertigen Produktes. „Aufbau und Form der Mikrostrukturen entscheiden bei einem Gussstück nicht nur über die mechanischen Eigenschaften wie Härte, Bruchfestigkeit und Biegsamkeit, sondern auch über seine thermische und elektrische Leitfähigkeit sowie seine Korrosionsbeständigkeit“, erklärt Prof. Lorenz Ratke vom DLR-Institut für Materialphysik im Weltraum die Bedeutung der Dendriten.


Bildung von Kristallstrukturen (Dendriten) während
der Erstarrungsphase (Röntgenaufnahme)

Auf der Suche nach einer Theorie
Obwohl seit langem bekannt, stellenMikrostrukturen die Wissenschaftler immer noch vor Herausforderungen. Seit nunmehr fünf Jahrzehnten suchensie schon nach einer umfassenden theoretischen Beschreibung der Entstehungsvorgänge. Ideale Daten der Vorgänge, gemessen unter Schwerelosigkeit, sollen nun zum Ergebnis führen. Größe und Form der Mikrostrukturen variieren stark. Sie sind, soviel weiß man inzwischen, von der Abkühlgeschwindigkeit abhängig. Ihre Lage und Dichte vorherzusagen ist um Klassen schwieriger. Geschmolzene Metalllegierungen sind hochreaktiv. Das führt sofort zu chemischen Reaktionen mit Verunreinigungen oder dem Tiegelmaterial - mit Folgen für den Kristallaufbau. Auch kleinste Veränderungen der Temperatur oder der mechanischen Fließkräfte beeinflussen die Kristallbildung und damit den Aufbau der Dendriten.
Um den komplexen Zusammenhängenauf die Spur zu kommen, reichen Forschungen in irdischen Labors nicht aus. Die permanent vorhandene Schwerkraft beeinflusst die Erstarrungsvorgänge in der Schmelze. Die Wissenschaftler setzen daher auf Forschungen in Schwerelosigkeit, um den Einfluss anderer Parameter studieren zu können. Da die Schmelz- und Erstarrungsphasen meist viele Stunden dauern, bietet sich die Untersuchung auf der ISS an. Dort steht für solche Aufgaben das Materials Science Laboratory (MSL) bereit.

Autor: Magazin für industrielle Forschung in der Schwerelosigkeit