Während des Kalzinierungsprozesses ist der mikroskopische Mechanismus, durch den „Überbrennen“ zu einer Abnahme der wahren Dichte führt, in erster Linie auf die Oxidation oder das Schmelzen von Korngrenzen, abnormales Kornwachstum und strukturelle Schäden zurückzuführen, wie im Folgenden detailliert analysiert wird:
- Korngrenzenoxidation oder -schmelzen: Verlust der intergranularen Bindungsstärke
Bildung niedrigschmelzender eutektischer Phasen: Übersteigt die Kalzinierungstemperatur den Schmelzpunkt niedrigschmelzender Eutektika im Material, schmilzt die eutektische Struktur an den Korngrenzen bevorzugt und bildet eine flüssige Phase. Beispielsweise können sich in Aluminiumlegierungen wiederaufgeschmolzene Kugeln oder dreieckige Wiederaufschmelzzonen bilden, während in Kohlenstoffstählen Korngrenzenoxidation oder lokales Schmelzen auftreten kann.
Eindringen oxidierender Gase: Bei hohen Temperaturen diffundieren oxidierende Gase (wie Sauerstoff) zu den Korngrenzen und reagieren mit Elementen im Material, wodurch Oxide entstehen. Diese Oxide schwächen die intergranulare Bindungsstärke zusätzlich und führen so zur Korntrennung.
Strukturelle Schäden: Nach dem Aufschmelzen oder der Oxidation von Korngrenzen nimmt die intergranulare Bindungsstärke deutlich ab, was zur Bildung von Mikrorissen oder Poren im Material führt. Dadurch verringert sich die effektive Masse pro Volumeneinheit, was wiederum eine Abnahme der Reindichte zur Folge hat. - Abnormes Kornwachstum: Zunahme innerer Defekte
Kornvergröberung durch Überhitzung: Überhitzung geht häufig mit übermäßigem Brennen einher, wobei zu hohe Heiztemperaturen oder zu lange Haltezeiten ein schnelles Wachstum der Austenitkörner verursachen. So können beispielsweise Kohlenstoffstähle nach Überhitzung Widmanstätten-Gefüge entwickeln, während Werkzeugstähle fischgrätenartige Ledeburitstrukturen bilden können.
Zunahme innerer Defekte: Grobe Körner können mehr Defekte wie Versetzungen und Leerstellen aufweisen, was die Materialdichte verringert. Zusätzlich können sich während des Kornwachstums Gaseinschlüsse oder Mikrorisse bilden, wodurch die Masse pro Volumeneinheit weiter reduziert wird.
Verringerung der effektiven Masse: Anomales Kornwachstum führt zu einer lockeren inneren Struktur im Material, wodurch die effektive Masse pro Volumeneinheit sinkt und somit die wahre Dichte abnimmt. - Mikrostrukturelle Schädigung: Verschlechterung der Materialeigenschaften
Wiederaufgeschmolzene Kugeln und dreieckige Wiederaufschmelzzonen: In Aluminiumlegierungen und anderen Werkstoffen kann Überhitzung zur Bildung wiederaufgeschmolzener Kugeln oder dreieckiger Wiederaufschmelzzonen an den Korngrenzen führen. Das Vorhandensein dieser Bereiche beeinträchtigt die Materialkontinuität und erhöht die Porosität.
Korngrenzenverbreiterung und Mikrorisse: Nach Überhitzung können sich die Korngrenzen durch Oxidation oder Schmelzen erweitern, begleitet von der Bildung von Mikrorissen. Diese Mikrorisse können das Material durchdringen und zu einer Verringerung der Reindichte führen.
Unumkehrbarkeit der Eigenschaften: Die durch Überhitzung verursachten mikrostrukturellen Schäden sind typischerweise unumkehrbar, und selbst eine nachfolgende Wärmebehandlung kann die ursprüngliche Dichte des Materials möglicherweise nicht vollständig wiederherstellen.
Beispiele und Überprüfung
Überhitzung von Aluminiumlegierungen: Überschreitet die Erhitzungstemperatur von Aluminiumlegierungen deren eutektische Schmelztemperatur, vergröbern sich die Korngrenzen oder schmelzen sogar auf, wodurch wiederaufgeschmolzene Kugeln oder dreieckige Zonen entstehen. Das Vorhandensein dieser Bereiche reduziert die Reindichte des Materials erheblich und führt zu einem starken Abfall der mechanischen Eigenschaften.
Überhitzung von Kohlenstoffstählen: Nach einer Überhitzung können sich in Kohlenstoffstählen Einschlüsse wie Eisenoxid oder Mangansulfid an den Korngrenzen bilden. Diese schwächen die interkristalline Bindung und führen zur Korntrennung. Darüber hinaus kann eine Überhitzung die Bildung von Widmanstätten-Gefügen auslösen und so die Materialdichte weiter verringern.
Veröffentlichungsdatum: 27. April 2026