Eutektikum

Eigenschaften

Am eutektischen Punkt berühren sich Solidus- und Liquiduslinie. Dort sind alle drei Phasen des Systems – Schmelze, Phase A und B – im Gleichgewicht und bei eutektischen Legierungen wechseln alle Stoffe gleichzeitig die Phase von fest auf flüssig. Das bedeutet, eine eutektische Legierung hat einen eindeutig bestimmbaren Schmelzpunkt, den sogenannten eutektischen Punkt Die Erstarrungstemperatur ist zudem die niedrigste aller Mischungen aus den gleichen Bestandteilen.^[5]

Weil bei Eutektika alle Bestandteile gleichzeitig erstarren und dies bei einer viel niedrigeren Temperatur geschieht, als es bei den reinen Komponenten der Fall wäre, entsteht ein feines und gleichmäßiges Gefüge, das eine in der Regel charakteristische lamellare Struktur aufweist. Ursache dafür ist die bei dieser Temperatur niedrige Bewegungsenergie der Atome, die nur kurze Wege und damit nur die Bildung sehr kleiner Kristalle (auch Kristallite genannt) zulässt.

Die Gibbssche Phasenregel für Feststoffe bei konstantem Druck lautet ${\displaystyle f=N-P+1}$. Daraus erhält man für eutektische Legierungen mit zwei Komponenten und drei Phasen (Schmelze, Phase A, Phase B) den Wert ${\displaystyle f=2-3+1=0}$, das heißt, die vollkommene Erstarrung des Eutektikums ist nur in einem Punkt möglich.

Verfestigungsmechanismen

Der primäre Verfestigungsmechanismus der eutektischen Struktur in Metallen ist die Verbundwerkstoffverfestigung (siehe Verfestigungsmechanismen von Werkstoffen). Dieser Verformungsmechanismus funktioniert durch Lastübertragung zwischen den beiden konstituierenden Phasen, wobei die nachgiebigere Phase Spannung auf die steifere Phase überträgt.^[6] Durch Ausnutzung der Festigkeit der steifen Phase und der Duktilität der nachgiebigen Phase erhöht sich die Gesamtzähigkeit des Materials. Wenn die Zusammensetzung zu untereutektischen oder übereutektischen Formationen variiert wird, wird der Mechanismus der Lastübertragung komplexer, da es nun sowohl eine Lastübertragung zwischen der eutektischen Phase und der sekundären Phase als auch eine Lastübertragung innerhalb der eutektischen Phase selbst gibt.

Ein zweiter einstellbarer Verfestigungsmechanismus eutektischer Strukturen ist der Abstand der Sekundärphase. Durch die Verringerung des Abstands der eutektischen Phase und die Schaffung einer feinen eutektischen Struktur wird mehr Oberfläche zwischen den beiden konstituierenden Phasen geteilt, was zu einer effektiveren Lastübertragung führt.^[7] Auf der Mikroskala wirkt die zusätzliche Grenzfläche als Barriere für Versetzungen, wodurch das Material weiter verfestigt wird. Infolge dieses Verfestigungsmechanismus sind grobe eutektische Strukturen tendenziell weniger steif, aber duktiler, während feine eutektische Strukturen steifer, aber spröder sind.^[7] Der Abstand der eutektischen Phase kann während der Verarbeitung gesteuert werden, da er direkt mit der Abkühlungsgeschwindigkeit während der Erstarrung der eutektischen Struktur zusammenhängt. Für eine einfache lamellare eutektische Struktur beträgt der minimale Lamellenabstand ${\displaystyle \lambda ^{*}}$ beispielsweise:^[8]

${\displaystyle \lambda ^{*}={\frac {2\gamma V_{m}T_{E}}{\Delta H*\Delta T}}}$

Dabei sind:

• ${\displaystyle \gamma }$ die Oberflächenenergie der Zweiphasengrenze,
• ${\displaystyle V_{m}}$ das Molvolumen der eutektischen Phase,
• ${\displaystyle T_{E}}$ die Erstarrungstemperatur der eutektischen Phase,
• ${\displaystyle \Delta H}$ die Bildungsenthalpie der eutektischen Phase und
• ${\displaystyle \Delta T}$ die Unterkühlung der eutektischen Phase.

Durch Änderung der Unterkühlung und damit der Abkühlungsgeschwindigkeit wird also der minimal erreichbare Abstand der sekundären Phase gesteuert.

Um Verformungen bei hohen Temperaturen (Kriechverformung) zu verringern, muss beachtet werden, dass sich der primäre Verformungsmechanismus in Abhängigkeit von der Höhe der angelegten Spannung ändert. Bei hohen Temperaturen, bei denen die Verformung durch Versetzungsbewegungen dominiert wird, bleiben die Verstärkung durch Lastübertragung und sekundäre Phasenabstände bestehen, da sie der Versetzungsbewegung weiterhin widerstehen. Bei niedrigeren Spannungen, bei denen das Nabarro-Herring-Kriechen dominiert, spielen Form und Größe der eutektischen Phasenstruktur eine wichtige Rolle, da sie die verfügbare Grenzfläche für die Leerstellendiffusion beeinflussen.^[9]

Eisenmetallurgie

Ein technisch häufig genutztes Eutektikum ist z. B. der Ledeburit des Eisen-Kohlenstoff-Systems (4,3 % Kohlenstoff, Schmelzpunkt 1147 °C), das zum Gießen von Temperguss genutzt wird.

Aluminiumherstellung

Auch bei der Herstellung von Aluminium mittels Schmelzflusselektrolyse wird ein eutektisches Gemisch verwendet. Hier wird aus 10,5 % Massenanteil Aluminiumoxid (Al₂O₃, Schmelzpunkt 2058 °C) und 89,5 % Kryolith (Na₃[AlF₆], Schmelzpunkt 1012 °C) ein Gemisch mit dem Schmelzpunkt 950 °C hergestellt.^[10]

Lötmaterial

Da der Schmelzpunkt einer eutektischen Legierung deutlich unter dem der reinen Metalle liegt, werden solche Legierungen bevorzugt zum Löten verwendet. Dies hat den Vorteil, dass man relativ wenig Wärme einbringen muss und bei der Wahl des Lotes die Materialverwandtschaft von Lot und Fügepartner nutzen kann.

Aluminium-Wolfram

Bringt man Aluminium (Schmelzpunkt 660 °C) und Wolfram (Schmelzpunkt 3422 °C) zusammen, entstehen erst intermetallische Phasen/Verbindungen aus Wolfram und Aluminium. Je nach Stöchiometrie entstehen Al₁₂W, Al₅W, Al₄W oder Al₂W. Zwischen diesen entstehen mehrere Legierungen mit einem sehr komplexen Phasendiagramm. Es gibt dabei nur ein lokales Minimum bei 1652,5 °C, bei dem die Schmelze aus Al₄W, Al₂W und W besteht. Der molare Anteil an Aluminium liegt bei 10,23 %.^[11][12]

Diese Bildung von intermetallischen Verbindungen oder gar chemischen Verbindungen ist die Ursache dafür, dass für das Herstellen von Eutektika mit niedriger Schmelztemperatur es nicht ausreicht, beliebige niedrigschmelzende Stoffe zusammenzukippen. Bilden diese Verbindungen, kommt es so gut wie immer zu einer Erhöhung der Schmelztemperatur. Nur Stoffe mit ähnlichen Eigenschaften lassen sich häufig zu Eutektika verarbeiten.

Weitere Beispiele für diesen Verhalten:

• Messing (CuZn_x)^[13]
• Nickel-Aluminium^[14]
• Eisen-Aluminium^[15]
• Titan-Aluminium^[16]

Beispiele von intermetallischen Verbindungen mit eutektischen Punkten:

• Bismut-Indium^[17]
• Silber-Indium^[18]
• Natrium-Kalium

Zwischenprodukt für die Produktion von Legierungen

Weiterhin nutzt man den herabgesetzten Schmelzpunkt zum Erstellen von Legierungen, bei denen die Schmelzpunkte der beiden Komponenten weit auseinanderliegen.

Kältemischungen

Im chemischen Labor macht man sich die Bildung niedrigschmelzender Eutektika zunutze, um Kältemischungen herzustellen.

Thermometer

Einen besonders niedrigen Schmelzpunkt weist die als Galinstan bekannte eutektische Legierung aus 68 bis 69 % Gallium, 21 bis 22 % Indium und 9,5 bis 10,5 % Zinn auf, die erst bei −19,5 °C kristallisiert und in quecksilberfreien, analogen Fieberthermometern verwendet wird.

Eher von historischer Relevanz ist Thallium-Amalgam Hg_91,5Tl_8,5, dessen Schmelzpunkt mit −58 °C unterhalb dem von reinem Quecksilber liegt, was historisch genutzt wurde, um besonders tiefe Temperaturen mit analogen Thermometern zu messen. Aufgrund der Giftigkeit sowohl von Thallium als auch von Quecksilber und der Verfügbarkeit anderer Messmethoden werden derartige Thermometer kaum noch verwendet.

Nukleartechnik

Sowohl in Forschungsreaktoren als auch in Reaktoren, deren Hauptzweck die Erzeugung elektrischer Energie oder von Prozesswärme ist, kommen Eutektika als Kühlmittel zum Einsatz.

Der Hauptvorteil flüssiger Metalle als Kühlmittel gegenüber üblichen Leichtwasserreaktoren sind die höheren erzielbaren Betriebstemperaturen. Darüber hinaus sind die meisten Metalle nicht oder nur begrenzt als Neutronenmoderator wirksam, weswegen ein schneller Brüter nicht mit Wasser im Primärkreislauf gekühlt werden kann. Vorteil gegenüber gasgekühlten Reaktoren ist die höhere Dichte und der damit größere Wärmetransportfähigkeit bei gegebenem Volumen.^[19]

Übliche Eutektika, welche für entsprechende Reaktoren eingesetzt oder vorgeschlagen werden, sind Blei-Bismut (Schmelztemperatur 123,5 °C) und NaK (Schmelztemperatur −11 °C, siehe weiter unten).^[20] Das Forschungsprojekt MYRRHA soll mit Blei-Bismut gekühlt werden.^[21]

Bei Bismut bestehen gewisse Probleme mit Neutronenaktivierung (aus Bi-209 entsteht Po-210, zerfällt mit einer HWZ von 4½ Monaten in stabiles Pb-206).

Weniger bei Natrium (aus Na-23 entsteht Na-24, zerfällt mit einer HWZ von 14 Stunden in stabiles Mg-24), dafür ist NaK korrosiv, brennbar und reagiert explosiv mit Wasser.

In für Flüssigsalzreaktoren vorgeschlagenen Salzschmelzen, wie z. B. LiF·BeF₂ (Schmelzpunkt nach neueren Quellen 460 °C)^[22] oder LiF·NaF·KF (Schmelzpunkt 454 °C), stellen üblicherweise Eutektika dar.^[23]