Thermische Analyse – Was genau versteckt sich hinter dem Begriff?

Bei der thermischen Analyse handelt es sich um ein spezielles Verfahren, welches zur Bestimmung der Haltepunkte sowie der Phasenumwandlung eines Stoffes dient. Zu diesem Zweck werden sowohl Abkühlungs- als auch Erhitzungskurven als Messpunkte herangezogen. Die Thermoanalyse ermöglicht letztendlich die Erstellung von sogenannten Zustandsschaubildern. Darüber hinaus findet das Verfahren bei der Qualitätskontrolle von Legierungen in Schmelzbetrieben und Gießereien Anwendung.

So funktioniert die Thermoanalyse

Um Abkühlkurven festzuhalten, wird für die thermische Analyse ein Einweg-Probetiegel genutzt. Dieser verfügt über ein vertikales oder horizontales Thermoelement. Kommt das Verfahren zum Beispiel bei Aluminium zum Einsatz, werden oftmals wiederverwendbare Thermoelemente bzw. Tiegel eingesetzt. Diese werden auf einem Sockel festgeklemmt. Die Klemmstellen sind mit einem Temperaturmessgerät verbunden. Zusätzlich findet eine Vernetzung zu einem Rechner satt, um die ermittelten Werte in Form einer Abkühlkurve grafisch für die anschließende Auswertung darzustellen.

Verwendung im Bereich der Qualitäts- und Prozesssicherung

Durch den Einsatz der thermischen Analyse lässt sich unter anderem überprüfen, welchen Gehalt eine bestimmte Legierung hat. Dabei ist es wichtig, dass für das zu kontrollierende Material im Vorfeld das Zustandsschaubild bekannt ist. Gießereien verwenden das Verfahren in erster Linie zur Prozess- und Qualitätssicherung. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, die Zusammensetzung eines Metalls sowie dessen Umwandlungs- und Erstattungsmorphologie detailliert zu ermitteln. Zu diesem Zweck wird in der Regel ein Wärmeleitfähigkeitsmessgerät verwendet. Gleichzeitig ermöglichen die Ergebnisse, sowohl die mechanischen als auch technologischen Eigenschaften von Gussstücken zu bestimmen.

Phasenumwandlung durch Diffusion

Neben der Feststellung des Erstarrungsverlaufs eines Metalls ermöglich die thermische Analyse die Phasenumwandlung durch Diffusion im festen Zustand (Eutekoide Umwandlung). Hierbei ist es notwendig, dass eine Messung nicht zum Zeitpunkt des vollständigen Erstarrens, sondern erst ab einer Temperatur von 650 Grad beendet wird. Die Werte lassen sich anschließend aus der Abkühlkurve entnehmen, wodurch Schlussfolgerungen auf die mechanischen und technologischen Eigenschaften eines Metalls möglich sind. Um eine adäquate Einschätzung der jeweiligen Eigenschaften vornehmen zu können, müssen aus der Abkühlkurve mitunter die Liquidstemperatur, die Rekaleszenz sowie die Wärmetönung abgelesen werden. Weitere indikatoren zur Präzisierung der gewünschten Ergebnisse lassen sich jederzeit zusätzlich anwenden. Die Daten- und Informationsvielfalt erlaubt es hierbei, verschiedene Legierungen und/oder Metalle auf deren Eigenschaften hin zu analysieren.

Verwendung von Differenzgrößen

Bei der Temperaturmessung sind etwaige Messfehler unvermeidlich und müssen im Rahmen des Verfahrens eine entsprechende Berücksichtigung finden. Um fehlerhafte Werte zu neutralisieren, empfiehlt sich in den allermeisten Fällen die Verwendung von sogenannten Differenzgrößen. Hierfür kann beispielsweise der Erstarrungsintervall bei einem Metall verwendet werden.

Bestimmung des Haltepunkts

Bei der thermischen Analyse von Metallen steht die Aufzeichnung des Temperaturverlaufs im Mittelpunkt. Hierfür spielt vorrangig das Erhitzen beziehungsweise das Abkühlen des Werkstoffes in Verbindung mit der Zeit eine zentrale Rolle. Ändert sich beispielsweise der Zustand des Metalls von flüssig zu fest, wird Schmelzwärme (latente Wärme) freigesetzt. Dabei bleibt bei einer sogenannten eutektischen Legierung sowie bei reinen Metallen die Erstarrungs- oder Schmelztemperatur für eine kurze Zeit konstant. Genau hier kann der Haltepunkt für das jeweilige Metall bestimmt werden.

Feststellung des Knickpunkts

Tritt eine Erstarrung der Legierung hingegen durch einen Temperaturintervall ein, wird Wärme gleichmäßig abgegeben. Hierbei lässt sich mit einem Blick auf die Abkühlungskurve der sogenannte Knickpunkt präzise ermitteln. Die thermische Analyse erlaubt in diesem Zusammenhang auch das Aufschmelzen der Legierung. Bei dieser Vorgehensweise lässt sich Knickpunkt auf der Kurve ebenfalls an der gleichen Stelle vorfinden. Bei dem thermischen Verfahren kann für das jeweilige Metall ein Zustandsschaubild erstellt werden. Diese gibt wiederum einen detaillierten Aufschluss darüber, welche der verschiedenen Legierungen das gleiche System aufweisen.