Der Wirkungsmechanismus eines Aufkohlungsmittels ist im Wesentlichen ein Stoffübergangsprozess, der durch physikalische Auflösung und chemische Reaktionen Kohlenstoff vom Aufkohlungsmittel auf die Eisenschmelze überträgt.
Dieser Prozess ist in drei Hauptphasen unterteilt: Flotation und Verteilung → Auflösung und Diffusion → Absorption und Homogenisierung.
Stufe 1: Schweben und Verteilen - Phase des physischen Kontakts
Wenn das Aufkohlungsmittel der Eisenschmelze zugesetzt wird (normalerweise in der Pfanne während der späteren Schmelzphasen oder beim Abstich), schwimmt es aufgrund seiner geringeren Dichte auf der Oberfläche der Eisenschmelze.
Kernpunkt: Der Aufkohler erfordert eine ausreichend große Kontaktfläche und eine ausreichend lange Kontaktzeit mit der Eisenschmelze.
Einflussfaktoren:
Zugabemethode: Direkt auf die Oberfläche des geschmolzenen Eisens streuen oder mithilfe der Drahtvorschubtechnologie tief in das geschmolzene Eisen eindringen.
Letzteres ist effizienter und reduziert Burnout.
Mischeisenrührung: Durch mechanisches, elektromagnetisches oder manuelles Rühren können die Aufkohlungspartikel aufgebrochen, ihre Kontaktfläche mit der Eisenschmelze vergrößert, eine Agglomeration oder Brückenbildung verhindert und eine schnelle Verteilung im gesamten Eisenschmelzbad ermöglicht werden.
Temperatur des flüssigen Eisens: Je höher die Temperatur, desto besser ist die Fließfähigkeit des flüssigen Eisens, was die Benetzung und Diffusion des Aufkohlungsmittels erleichtert.
Stufe 2: Auflösung und Diffusion - Kernstoffübertragungsstufe
Nachdem die Aufkohlungspartikel benetzt und vom flüssigen Eisen umgeben sind, beginnen die physikalischen und chemischen Prozesse im Kern.
1. Grenzflächenauflösung:
Der Hauptbestandteil des Aufkohlungsmittels ist fester Kohlenstoff (z. B. Graphitkohlenstoff).
Bei hohen Temperaturen lösen sich an der Grenzfläche zwischen dem flüssigen Eisen (hauptsächlich bestehend aus Fe) und den festen Kohlenstoffpartikeln Kohlenstoffatome aus dem Graphitgitter und lösen sich direkt im flüssigen Eisen auf.
Dieser Prozess kann wie folgt vereinfacht werden: C(s) → [C] (fester Kohlenstoff löst sich in im Eisen gelösten Kohlenstoff auf).
An diesem Punkt bildet sich um die Kohlenstoffpartikel herum eine lokale Zone mit hoher Kohlenstoffkonzentration.
2. Konvektion und Diffusion:
Da die Kohlenstoffkonzentration im flüssigen Eisen um die Kohlenstoffpartikel herum hoch ist, während die Kohlenstoffkonzentration im flüssigen Eisen außerhalb der Kohlenstoffpartikel niedrig ist, entsteht ein Konzentrationsgradient.
Kohlenstoffatome diffundieren von der Zone hoher --Konzentration in die Zone niedriger --Konzentration (molekulare Diffusion).
Gleichzeitig wird durch die Strömung des geschmolzenen Eisens (Konvektion) kontinuierlich Eisen mit hoher Kohlenstoffkonzentration entfernt und durch Eisen mit niedriger Kohlenstoffkonzentration ergänzt, wodurch die Kohlenstoffübertragung erheblich beschleunigt wird. Dieser Vorgang wird als konvektiver Stofftransport bezeichnet.
Stufe 3: Absorption und Homogenisierung - Die letzte Zielstufe
Die gelösten und diffundierten Kohlenstoffatome werden von der gesamten Eisenschmelze absorbiert, wodurch letztendlich eine gleichmäßige Zusammensetzung erreicht wird.
Kohlenstoffabsorption: Gelöste Kohlenstoffatome verbinden sich mit Eisenatomen zu Fe-C-Legierungen und erhöhen dadurch den Gesamtkohlenstoffgehalt der Eisenschmelze.
Homogenisierung: Durch kontinuierliches Rühren und natürliche Konvektion bei hohen Temperaturen verringern sich die Kohlenstoffkonzentrationsunterschiede zwischen verschiedenen Teilen der Eisenschmelze allmählich, wodurch letztendlich eine einheitliche Zusammensetzung erreicht wird.
Eine unzureichende Homogenisierung kann zu ungleichmäßigen Eigenschaften in verschiedenen Teilen des Gussteils und sogar zu Kohlenstoffseigerungsfehlern führen.
Zusammenfassend lässt sich sagen: Der Wirkungsmechanismus eines Aufkohlungsmittels ist ein komplexer physikalischer und chemischer Prozess, bei dem die Übertragung von Kohlenstoffatomen von der festen Phase in die flüssige Eisenschmelze durch Auflösung und Diffusion im Mittelpunkt steht.
Um hohe Absorptionsraten zu erreichen, ist es notwendig, gute physikalische Kontaktbedingungen (Rühren und Dispergieren) und geeignete thermodynamische Bedingungen (Temperatur) zu schaffen und aufrechtzuerhalten und gleichzeitig den chemischen Ausbrand (Oxidation) zu minimieren. Hochwertiges Aufkohlungsmittel und eine korrekte Prozessführung sind die Garantie für eine effiziente und stabile Aufkohlung.
