Das richtige Material finden – So lässt sich die thermische Analyse nutzen

Vielleicht ist der Begriff der thermischen Analyse dem ein oder anderen noch aus dem Physikunterricht bekannt. Die thermische Analyse, die auch als Thermoanalyse bezeichnet wird, stellt ein Verfahren dar, mit welchem die Haltepunkte und Phasenumwandlungen eines Stoffs bestimmt werden können. Genutzt werden dafür seine spezifischen Abkühl- und Erhitzungskurven.

In der Industrie spielt die thermische Analyse eine wichtige Rolle. Sie wird beispielsweise für das Entwerfen von Zustandsbildern eingesetzt. Sie dient ebenfalls quantitativen Analysen und der Bestimmung von Qualitätsmerkmalen von Legierungen. Somit ist sie vor allem für Schmelz- und Gießereibetriebe von Bedeutung.

Doch auch Unternehmen, die auf der Suche nach den passenden Materialien für ihre Produkte sind, sollten sich durchaus näher mit der thermischen Analyse beschäftigen. Mit ihrer Hilfe lassen sich die Materialeigenschaften wesentlich besser verstehen und so die Qualität des Endproduktes perfekt auf die individuellen Anforderungen anpassen. Für die Durchführung der Thermoanalyse stehen spezielle Analysegeräte zur Verfügung.

Definition von Halte- und Knickpunkten

Um Metalle einer Thermoanalyse zu unterziehen, findet die Aufzeichnung des Temperaturverlaufes eines Werkstoffes während des Abkühlens beziehungsweise des Erhitzens statt. Sobald der flüssige Zustand sich zu einem festen Zustand verändert, wird latente Wärme, die auch als Schmelzwärme bezeichnet wird, freigesetzt. Die angezeigte Schmelz- oder Erstarrungstemperatur hält sich bei Reinmetallen und eutektischen Legierungen über einen gewissen Zeitraum auf einem konstanten Niveau. Auf diese Weise lässt sich der Haltepunkt bestimmen.

Im Gegensatz dazu ist es jedoch auch möglich, dass eine Legierung innerhalb eines bestimmten Temperaturintervalls erstarrt. In diesem Fall findet die Abgabe von latenter Wärme während des Durchschreitens des jeweiligen Intervalls statt. In der Abkühlungskurve des Materials kann so der Knickpunkt erkannt werden. Wird die Legierung wieder aufgeschmolzen, tritt der Knickpunkt an der gleichen Stelle auf.

Mit Hilfe der thermischen Analyse können so zum Beispiel Zustandsschaubilder von unterschiedlichen Legierungen des gleichen Systems erstellt werden.

Thermoanalyse für Prozess- und Qualitätssicherung

Zudem ist es möglich, die thermische Analyse zu nutzen, um eine quantitative Bestimmung der jeweiligen Anteile von Legierungen zu bestimmen. Die Voraussetzung dafür besteht allerdings darin, dass im Vorfeld das entsprechende Zustandsschaubild bekannt ist.

Gießereien bedienen sich der Thermoanalyse etwa, um eine professionelle Prozess- und Qualitätssicherung zu betreiben. Sie stellt eine große Hilfe dabei dar, die präzise Zusammensetzung von Materialien zu bestimmen sowie ihre Erstarrungs- und Umwandlungsmorphologie zu beurteilen. Diese Erkenntnisse bilden dann die Grundlage für die Definition der mechanischen und technologischen Eigenschaften von Gussstücken.

Allerdings kann nicht nur der Erstarrungsverlauf eines Metalls unter Einsatz der thermischen Analyse bestimmt werden. Im festen Zustand lässt sich auch die Eutektoide Umwandlung analysieren. Die Messung darf dann jedoch nicht bereits nach dem Ende des Erstarrens beendet werden, sondern erst bei einer Temperatur von 650 Grad Celsius. Aus der Abkühlkurve können bestimmte Kennwerte entnommen werden. So lassen sich wiederum Schlussfolgerungen bezüglich der mechanischen und technologischen Eigenschaften ziehen.

Eigenschaften werden durch zahlreiche Werte bestimmt

Entscheidend, um die Eigenschaften verlässlich einschätzen zu können, sind zahlreiche verschiedene Werte der Abkühlkurve.

Zu diesen gehören unter anderem die Rekaleszenz, die eutektische Temperatur, das Erstarrungsintervall, die Liquidustemperatur, die Temperaturen der Eutektoiden Umwandlung und die Wärmetönung. Es besteht zudem die Möglichkeit, eine Berechnung des Sättigungsgrades und des Kohlenstoffäquivalents vorzunehmen. Dazu wird die Liquidustemperatur von grauerstarrenden Proben genutzt.

Wird die Temperatur gemessen, sind geringfügige Fehler jedoch nahezu nicht zu vermeiden. Um diese zu neutralisieren, werden häufig Differenzgrößen genutzt. Eine solche besteht etwa in dem Erstarrungsintervall.

Redaktion: Walter Braun

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