Makroseigerung

Makroseigerung ist die großflächige, sichtbare Entmischung von Legierungselementen in einem erstarrten Guss. Anders als Mikroseigerung, die auf Körner- und Dendriten-Ebene auftritt, erstreckt sich Makroseigerung über ganze Abschnitte oder Blöcke und erzeugt Bereiche mit deutlich unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung. Sie tritt auf, wenn die Erstarrung ungleichmäßig verläuft und flüssiges Metall vor dem vollständigen Erstarren des Gusses fließen und Elemente umverteilen kann.

Der Mechanismus hängt von Dichteanticn zwischen Fest- und Flüssigphase ab. Während der Abkühlung bilden sich Dendriten und schließen Legierungsatome aus. Die angereicherte Flüssigkeit wird je nach Legierungssystem leichter oder schwerer als das umgebende Metall. In Stahlblöcken fließt die eisenreiche Flüssigphase zu kühleren Bereichen und transportiert gelöste Elemente wie Kohlenstoff und Schwefel mit sich. Große Gussteile erkalten langsam von außen nach innen, wodurch Temperaturgefälle entstehen, die diese konvektive Umverteilung über Stunden oder Tage vorantreiben.

Häufige Muster und Fehler

Es entstehen drei Hauptmuster: Normalseigerung, bei der sich Legierungselemente in der zuletzt erstarrenden Mittezone konzentrieren; Inverse Seigerung, bei der schwere Elemente früh zur Mitte wandern; und Kanalenseigerung, bei der angereicherter Flüssigkeit den Korngrenzen der säuligen Kristalle zum Blockzentrum folgt. Schwere Makroseigerung erzeugt harte, spröde Zonen mit hohem Kohlenstoff- oder Chromgehalt neben weichen, schwachen Bereichen mit verarmter Zusammensetzung. Diese inneren Risse in der Zusammensetzung, manchmal auch als Chevron-Risse im Blockzentrum genannt, können beim nachfolgenden Warmwalzen entstehen und ausbreiten.

Das Problem verschärft sich mit der Gussgröße. Ein kleiner Laborblock im Kilogramm-Bereich zeigt minimale Makroseigerung; ein mehrtonniger Industrieblock zeigt starke Bandbildung. Dicke Querschnitte erkalten langsam genug, damit schwerkraftgesteuerte Flüssigkeitsströmung Elemente über Zentimeter verteilt. Legierungen mit großem Erstarrungsintervall, etwa nickelbasierte Superlegierungen oder Hochkohlenstoffstähle, leiden am stärksten, weil die Flüssigkeit über ein breiteres Temperaturintervall mushy und mobil bleibt.

Gießereien und Blockproduzenten bekämpfen Makroseigerung durch gesteuerte Abkühlung, elektromagnetische Rührung während des Gießens und Hot-Top-Verfahren, die die Blockoberfläche warm halten und verlangsamen. Vakuuminduktionsschmelzen gefolgt von kontrollierter Erstarrung reduziert Makroseigerung, macht sie aber nicht ganz weg. Nachfolgende Homogenisierungswärmebehandlung kann Zusammensetzungsgefälle verringern, falls Zeit und Temperatur ausreichend sind, aber das ist für große Blöcke langsam und energieintensiv. Zu wissen, wo sich Makroseigerung konzentriert, ist entscheidend für die Positionierung von Blöcken im Walzwerk: segregiertes Kernmaterial wird typischerweise vor dem Warmwalzen auf Spezifikation abgeschnitten.