Barren

Ein Gussblock ist ein Stück relativ reinen Materials, üblicherweise Metall , das in eine für die Weiterverarbeitung geeignete Form gegossen wird. ^{[ 1 ]} In der Stahlherstellung ist er der erste Schritt bei der Herstellung von Halbzeugen . Gussblöcke erfordern üblicherweise einen zweiten Formgebungsprozess, wie z. B. Kalt-/Warmumformung, Schneiden oder Fräsen, um ein brauchbares Endprodukt zu erhalten. Nichtmetallische und Halbleiterwerkstoffe, die in Blockform hergestellt werden, können ebenfalls als Gussblöcke bezeichnet werden, insbesondere wenn sie im Formgussverfahren hergestellt werden. ^{[ 2 ]} Edelmetallbarren können als Zahlungsmittel (mit oder ohne Weiterverarbeitung) oder als Währungsreserve, wie beispielsweise Goldbarren , verwendet werden .

Barren bestehen im Allgemeinen aus Metall, entweder aus reinem Metall oder einer Legierung, das über seinen Schmelzpunkt hinaus erhitzt und anschließend mithilfe eines Formkühlverfahrens zu einem Stab oder Block gegossen wird.

Einen Sonderfall bilden polykristalline oder einkristalline Barren, die durch Ziehen aus einer Schmelze hergestellt werden.

Einkristalline Barren (sogenannte Boules ) aus Materialien werden durch Kristallzüchtung unter Verwendung von Methoden wie dem Czochralski-Verfahren oder der Bridgman-Technik hergestellt .

Bei den Boules kann es sich entweder um Halbleiter (z. B. elektronische Chip-Wafer , Photovoltaikzellen ) oder um nichtleitende anorganische Verbindungen für industrielle Zwecke und Schmuckherstellung (z. B. synthetischer Rubin, Saphir) handeln.

Einkristalline Metallbarren werden ähnlich wie hochreine Halbleiter-Ingots hergestellt ^{[ 3 ]} , d. h. durch Vakuuminduktionsraffination. Einkristalline technische Metalle sind aufgrund ihrer sehr hohen Festigkeit, die auf das Fehlen von Korngrenzen zurückzuführen ist, von Interesse . Die Herstellung erfolgt über dendritische Einkristallisation und nicht durch einfaches Gießen. Mögliche Anwendungen sind beispielsweise Turbinenschaufeln .

In den Vereinigten Staaten begann die Herstellung von Messing- und Bronzebarren im frühen 19. Jahrhundert. Die US-amerikanische Messingindustrie entwickelte sich bis in die 1850er Jahre zum führenden Produzenten. ^{[ 4 ]} Während der Kolonialzeit existierte die Messing- und Bronzeindustrie praktisch nicht, da die Briten verlangten, dass das gesamte Kupfererz zur Verarbeitung nach Großbritannien transportiert werden musste. ^{[ 5 ]} Kupferbasierte Legierungsbarren wogen etwa 20 Pfund (9,1 kg). ^{[ 6 ] [ 7 ]}

Gussblöcke werden durch Abkühlen einer geschmolzenen Flüssigkeit (der sogenannten Schmelze) in einer Form hergestellt. Die Herstellung von Gussblöcken verfolgt mehrere Ziele.

Erstens ist die Form so konstruiert, dass sie vollständig erstarrt und eine geeignete Kornstruktur bildet , die für die spätere Weiterverarbeitung erforderlich ist, da die durch die Abkühlung der Schmelze entstehende Struktur die physikalischen Eigenschaften des Materials bestimmt.

Zweitens ist die Form und Größe der Gussform so ausgelegt, dass die Handhabung der Gussblöcke und die Weiterverarbeitung erleichtert werden. Schließlich ist die Gussform so konstruiert, dass Schmelzverluste minimiert und das Auswerfen der Gussblöcke erleichtert wird, da der Verlust von Schmelze oder Gussblöcken die Herstellungskosten der Endprodukte erhöht.

Für Gussformen gibt es verschiedene Ausführungen, die an die physikalischen Eigenschaften der Schmelze und den Erstarrungsprozess angepasst werden können. Gussformen können von oben, horizontal oder von unten nach oben gegossen werden und geriffelt oder glattwandig sein. Riffelungen verbessern die Wärmeübertragung durch eine größere Kontaktfläche. Je nach Wärmeübertragungsanforderungen können Gussformen massiv, sandgegossen (z. B. für Roheisen) oder wassergekühlt sein. Gussformen für Gussblöcke sind konisch geformt, um Risse durch ungleichmäßige Abkühlung zu vermeiden. Risse oder Hohlräume entstehen, da der Übergang von flüssig zu fest bei gleichbleibender Materialmasse mit einer Volumenänderung einhergeht. Solche Gussfehler können den Gussblock unbrauchbar machen, sodass er erneut eingeschmolzen, recycelt oder entsorgt werden muss.

Die physikalische Struktur eines kristallinen Materials wird maßgeblich durch die Art der Abkühlung und Ausfällung des geschmolzenen Metalls bestimmt. Beim Gießvorgang kühlt das Metall, das mit den Wänden des Gussblocks in Kontakt kommt, schnell ab und bildet je nach Art der zu kühlenden Schmelze und der Abkühlgeschwindigkeit der Form entweder eine Säulenstruktur oder möglicherweise eine „Kühlzone“ aus gleichachsigen Dendriten . ^{[ 8 ]}

Bei einem von oben gegossenen Gussblock führt die Abkühlung der Schmelze in der Kokille aufgrund unterschiedlicher Volumenanteile dazu, dass sich die Schmelze an der Oberseite zurückzieht. Dadurch entsteht eine gekrümmte Oberfläche am Kokillenrand, die gegebenenfalls später vom Gussblock abgetragen werden muss. Die Abkühlung in der Kokille erzeugt eine fortschreitende Erstarrungsfront mit mehreren zugehörigen Zonen. Wandnah befindet sich eine feste Zone, die der erstarrenden Schmelze Wärme entzieht. Bei Legierungen kann zusätzlich eine „breiige“ Zone auftreten, die durch Fest-Flüssig-Gleichgewichtsbereiche im Phasendiagramm der Legierung bedingt ist , sowie eine flüssige Zone. Die Geschwindigkeit des Frontfortschritts bestimmt die Zeit, die Dendriten oder Keime zur Bildung im Erstarrungsbereich haben. Die Breite der breiigen Zone in einer Legierung kann durch die Anpassung der Wärmeleitfähigkeit der Kokille oder durch die Änderung der Zusammensetzung der Schmelze beeinflusst werden.

Es gibt auch Stranggießverfahren für die Blockverarbeitung, bei denen durch das kontinuierliche Abziehen des abgekühlten Feststoffs und die Zugabe einer Schmelze zum Gießprozess eine stationäre Erstarrungsfront gebildet wird. ^{[ 9 ]}

In den USA werden etwa 70 Prozent der Aluminiumbarren im Direktkokillengussverfahren hergestellt , wodurch die Rissbildung reduziert wird. Insgesamt müssen 5 Prozent der Barren aufgrund von spannungsbedingten Rissen und Verformungen an den Stumpfenden verschrottet werden. ^{[ 10 ]}

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  Antiker Kupferbarren aus Ochsenhaut von Zakros, Kreta . Der Barren hat die Form einer Tierhaut, eine typische Form für Kupferbarren aus dieser Zeit.
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  Gussformen für chinesische Sycee , eine Form von Silber- oder Goldbarren, die im Kaiserreich als Währung verwendet wurden .
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  Bleibarren aus dem römischen Britannien sind im Wells and Mendip Museum ausgestellt .
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  Roheisenbarren aus Norrhyttan, Dalarna , Schweden .

Planokonvexe Barren sind weit verbreitete archäologische Fundstücke, die untersucht werden, um Informationen über die Geschichte der Metallurgie zu gewinnen .

• Stangenmaterial (Rohling)
• Goldbarren
• Goldbarren
• Ochsenhautbarren
• Sycee , traditionelle chinesische Barren
• Zinnbarren
• Wafer-Ätzung

• Chalmers, Bruce (1977). Grundlagen der Erstarrung . Huntington, New York: Robert E. Krieger Publishing Company. ISBN 0-88275-446-7Die
• Schlenker, BR (1974). Einführung in Materialien . Jacaranda Press.

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