Donnerstag, 14 Juli 2022 17:03

Wofür braucht man die thermische Analyse?

thermische Analyse thermische Analyse pixabay

Mit dem Begriff Thermoanalyse beziehungsweise thermische Analyse wird ein Verfahren bezeichnet, welches dazu dient, die Phasenumwandlungen und die Haltepunkte eines Stoffes anhand seiner Erhitzungs- beziehungsweise seiner Abkühlkurven zu bestimmen.

Genutzt wird die thermische Analyse vor allem, um Zustandsschaubilder zu entwerfen. Daneben wird sie auch eingesetzt, um Legierungen quantitativ zu analysieren oder bestimmte Qualitätsmerkmale von Legierungen im Gießerei- und Schmelzbetrieb zu kontrollieren und zu überprüfen.

Metalle: Knick- und Haltepunkte definieren

Geht es um die thermische Analyse von Metallen, wird der Verlauf der Temperatur bei dem Erhitzen beziehungsweise dem Abkühlen des jeweiligen Werkstoffs aufgezeichnet. Verändert sich der Zustand von flüssig zu fest, findet die Freisetzung von latenter Wärme beziehungsweise Schmelzwärme statt. Über einen kurzen Zeitraum bleibt die angezeigte Erstarrungs- oder Schmelztemperatur bei eutektischen Legierungen und Reinmetallen konstant – so kann ein Haltepunkt ausgemacht werden.

Findet die Erstarrung einer Legierung im Gegensatz dazu in Form eines Temperaturintervalls statt, wird die latenten Wärme gleichmäßig freigegeben, während der Temperaturbereich durchschritten wird. Dadurch lässt sich ein sogenannter Knickpunkt in der Abkühlungskurve feststellen. Im Rahmen des Aufschmelzens der Legierung ist dieser Knickpunkt ebenfalls an gleicher Stelle zu beobachten. Das jeweilige Zustandsschaubild lässt sich so mithilfe der thermischen Analyse von verschiedenen Legierungen, welche das gleiche System aufweisen, erstellen.

Die Anwendung der thermischen Analyse

Darüber hinaus besteht ebenfalls die Möglichkeit, die jeweiligen Gehalte der überprüften Legierungen im Rahmen der Anwendung der thermischen Analyse quantitativ zu bestimmen – dazu muss jedoch das entsprechende Zustandsschaubild im Vorfeld bekannt sein.

In Gießereien dient die thermische Analyse somit vor allem der Qualitäts- und Prozesssicherung. Mit ihr können die Umwandlungs- und Erstarrungsmorphologie sowie die detaillierte Zusammensetzung eines Metalls beurteilt werden. Auf dieser Grundlage ist es dann möglich, die technologischen und mechanischen Eigenschaften der Gussstücke zu definieren.

Im Übrigen ist es mithilfe der thermischen Analyse nicht nur möglich, den Erstarrungsablauf eines Metalls zu beurteilen, sondern ebenfalls im festen Zustand eine Eutektoide Umwandlung. Dazu ist es nötig, die Messung, anstatt bei dem Ende der Erstarrung erst bei einer Temperatur von 650 Grad Celsius zu beenden.

Durch die jeweiligen Kennwerte, die aus der Abkühlkurve zu entnehmen sind, kann man Folgerungen hinsichtlich der technologischen und mechanischen Eigenschaften schließen.

Für die Einschätzung der Eigenschaften sind viele unterschiedliche Werte der Abkühlkurve von Bedeutung, wie beispielsweise die eutektische Temperatur, die Rekaleszenz, die Liquidustemperatur, das Erstarrungsintervall sowie die Wärmetönung und die Temperaturen der Eutektoiden Umwandlung. Daneben ist es möglich, das Kohlenstoffäquivalent und den Sättigungsgrad durch die Liquidustemperatur von grauerstarrenden Proben zu berechnen.

Damit Messfehler hinsichtlich der Temperatur, welche generell nahezu unvermeidlich sind, neutralisiert werden können, wird bevorzugt auf die Verwendung von Differenzgrößen zurückgegriffen, wie beispielsweise das Erstarrungsintervall.

So wird die thermische Analyse durchgeführt

In der Regel werden Einweg-Probentiegel, welche über ein horizontales oder vertikales Thermoelement verfügen, genutzt, um die Abkühlkurven aufzunehmen. Geht es um eine thermische Analyse von Aluminium, werden darüber hinaus häufig auch wiederverwendbare Tiegel und Thermoelemente eingesetzt.

Die Platzierung dieser Tiegel erfolgt auf einem Sockel mit Klemmstellen. Die Klemmstellen weisen eine Verbindung zu dem Temperaturmessgerät in Form einer Ausgleichsleitung auf. Mithilfe verschiedener Datenvernetzungen geschieht die Darstellung und die anschließende Analyse der Abkühlkurve dann durch die Unterstützung eines Rechners.