Table Of ContentFORSCHUNGSBERICHTE DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN
Nr.1495
Herausgegeben
im Auftrage des Ministerpräsidenten Dr. Franz Meyers
von Staatssekretär Professor Dr. h. c. Dr. E. h. Leo Brandt
DK 669.017: 669.4
548.313.2
532.133
Prof. Dr.-Ing. Wilhelm Patterson
Dr.-Ing. Helmut Brand
Dipl.-Ing. Heinrich TraßI
Gießerei-Institut der Rhein.-Wesif. Techn. Hochschule Aachen
Das Viskositätsverhalten flüssiger Bleilegierungen
im Konzentrationsbereich der festen Löslichkeit
Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH
ISBN 978-3-663-06025-3 ISBN 978-3-663-06938-6 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-06938-6
Verlags-Nr.011495
© 196 5 b y Springer Fachmedien Wiesbaden
Ursprunglich erschienen bei Westdeutscher Verlag 1965
Gesamtherstellung : Westdeutscher Verlag·
Inhalt
Schrifttums übersicht ............................................... 7
Versuchsdurchführung 9
Versuchsergebnisse ................................................ 11
Diskussion der Versuchsergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 14
Zusammenfassung ................................................. 17
Literaturverzeichnis ................................................ 19
5
Sehrifttumsü bersieht
Die Viskosität oder innere Reibung bezeichnet eine Kraft, die zwischen zwei
Flüssigkeitsschichten auftritt, zwischen denen ein Geschwindigkeitsgefälle be
steht. Diese Kraft ist dem Viskositätskoeffizienten 1), der Berührungsfläche Fund
dem Geschwindigkeitsgefälle dv/dz direkt proportional, wenn z den Abstand der
beiden Schichten bedeutet:
K = 1) • F· dv/dz (1 )
Die Viskosität metallischer Schmelzen ist eng mit ihrer Struktur verbunden
[1,2], daher können durch Messung dieser Größe Rückschlüsse auf die Struktur
gezogen werden.
Für die Abhängigkeit der Viskosität vom Zustands schaubild lassen sich Gesetz
mäßigkeiten aufstellen [3]. Danach zeichnen sich reine Metalle und eutektische
Legierungen im allgemeinen durch eine verhältnismäßig niedrige Viskosität aus,
während intermetallische Verbindungen die höchste Viskosität aufweisen. Auch
bei Legierungen, deren Konzentration der maximalen festen Löslichkeit entspricht,
werden in einigen Fällen relative Maxima der Viskosität gefunden. In Systemen
mit vollständiger Löslichkeit im festen und flüssigen Zustand folgt die Viskosität
annähernd der Mischungsregel. Einige Eigenschaften des festen Zustandes, wie
die Verbindungs- und Mischkristallbildung, scheinen im flüssigen Zustand noch
wirksam zu sein. So konnte mit Hilfe von magnetischen Messungen nachgewiesen
werden [4], daß eine Reihe intermetallischer Verbindungen noch bis weit in den
flüssigen Zustand, wenn auch dissoziiert, besteht, und die Eigenschaften des
flüssigen Zustandes beeinflußt; vgl. auch [14]. In Systemen mit begrenzter fester
Löslichkeit zeigte sich ein Zusammenhang zwischen der Änderung der Viskosität
mit zunehmendem Anteil der zweiten Komponente und dem Betrag der maxi
malen festen Löslichkeit [5, 6]. Die Abb. 1 und 2 geben die Versuchsergebnisse
von E. GEBHARDT und Mitarbeitern [5] sowie von W. R. D. JONES und W. L.
BARTLETT [6] für einige Legierungen des Aluminiums wieder. Sie zeigen, daß
der Viskositätsanstieg um so steiler ist, je geringer die maximale feste Löslichkeit
ist. Die Kurven für Magnesium und Silizium in Abb. 2 scheinen dieser Tendenz
zu widersprechen. Die Abweichung der Magnesiumkurve dürfte jedoch auf
Meßungenauigkeiten zurückzuführen sein, da sich Magnesium in Abb. 1 in die
Reihenfolge einordnet. Die Abweichung des Halbmetalles Silizium ist möglicher
weise auf andersgeartete atomare Bindungskräfte zurückzuführen.
Diese Versuchsergebnisse lassen einen Zusammenhang zwischen dem Viskositäts
verlauf und der maximalen festen Löslichkeit vermuten; die vorliegende Arbeit
soll einen Beitrag zur Klärung dieser Frage liefern.
7
1,25~--------~-----------r----------~--------~
® Ti (rn.x. feste Löslichkeit: 0,18 At-%)
® Fe (rn.x. feste Löslichkeit: 0,5 At-%)
• Cu (rnax. feste Löslichkeit: 2,5 At-%)
o Mg (rnax. feste Löslichkeit: 16,4 At-%)
& Zn (rnax. feste Löslichkeit: 66,6 At-%)
1
1,20
Ti
1,100L--------'L...-----..J2-----!3------.J4
--At-%--+-
o Mg (rn.x. feste Löslichkeit: 16,4 At-%)
6,5 0 Ni (rnax. feste Löslichkeit: 0,48 At-%) _____, --___. ,
I) Si (rnax. feste Löslichkeit: 1,55 At-%)
• Cu (rnax. feste Löslichkeit: 2,5 At-%)
es> Zn (rnax. feste Löslichkeit: 66,6 At-%)
Zn
3,5LO-------L------~2~------3~------~4------~5
___ At-%_
Abb.1 und 2 Anderung der Viskosität von Aluminium bei Zugabe verschiedener
Legierungselemente
8
Versuchsdurchführung
Zur Messung der Viskosität in den Bleisystemen wurde das Schwingungstiegel
verfahren in der von T. P. YAO [1] angegebenen Apparatur angewandt. Die unter
*
suchten Legierungen sind in Tab. 1 zusammengestellt. Liquidustemperaturen
und Schmelz diagramme wurden dem Metals Reference-Book [7], den Werken
von W. HOFMANN [8] und M. HAKsEN [9], Dichtewerte den Physikalisch-Chemi
schen Tabellen von LANDoLT-BöRNSTEIN [10] entnommen. Zwischenwerte wur
den durch Inter- und Extrapolation erhalten.
Die einzelnen Legierungen wurden aus reinen Metallen in einem Widerstands
ofen erschmolzen, zu Rundproben vergossen und durch Abdrehen auf 32 mm
Dmr. gebracht. Das Einsatzgewicht entsprach einem Probenvolumen von 44 cm3
am Schmelzpunkt. Die in den Versuchen verwendeten Tiegel bestanden aus
Graphit, sie hatten einen Innendurchmesser von 36 mm und eine Höhe von
60 mm. Die Abkühlungsgeschwindigkeit betrug 0,5-1 ° Cfmin. Die Messungen
wurden in Abständen von 5° C, in der Nähe der Erstarrungstemperatur von 1 ° C
durchgeführt. Während der Versuche wurde zur Verhinderung der Oxydbildung
Argon unter geringem Überdruck in die Versuchsapparatur eingeleitet.
Die Schmelzen wurden bis jeweils 550-600°C aufgeheizt; gemessen wurde
während der Abkühlung von etwa 560° C bis zur Erstarrung. Für jeden Meßpunkt
wurden die Amplituden von zehn aufeinanderfolgenden Schwingungen abge
lesen und der Mittelwert der logarithmischen Dekremente gebildet. Die Schwin
gungsdauer des Schwingungssystems betrug bei Temperaturen weit über dem
Schmelzpunkt etwa 2,3, bei Annäherung an die Erstarrungstemperatur stieg sie
über 3 sjSchwingung.
Aus den logarithmischen Dekrementen wurden die Viskositätswerte nach der
von T. P. YAO [1,3] angegebenen Gleichung
pt V1)·
(ß - ßo) - = K· Pt·"' (2)
pts
berechnet. In der Formel bedeuten:
ß das gemessene Dekrement der Amplituden,
ßo das logarithmische Dekrement, das auf die Luftreibung des Tiegels und
die innere Reibung der Torsionsdrähte zurückzuführen ist,
Pt die Dichte der Schmelze bei Meßtemperatur,
Pts die Dichte der Schmelze am Schmelzpunkt,
*
Die Tabellen befinden sich am Schluß der Arbeit.
9
Keine Apparaturkonstante, die durch Eichung mit Metallen bekannter
Viskosität und Dichte bestimmt wird,
7) den Viskositätskoeffizienten und
die Schwingungsdauer.
T
In der vorliegenden Arbeit wurden Eichmessungen mit Zinn und Blei durchge
führt, deren Viskositäts- und Dichteverlauf hinreichend bekannt sind. Die Vis
kositätswerte wurden der Arbeit von T. P. YAO [1] entnommen. Dabei ergab
sich bei Verwendung eines Graphit-Innentiegels eine Apparaturkonstante von
0,06456, für einen Tonerdetiegel eine solche von 0,05159.
10
Versuchsergebnisse
Die Anderung des logarithmischen Dekrements und der Viskosität mit der Tem
peratur zeigen bei allen Legierungen die gleiche Tendenz. Mit sinkender Tempe
ratur steigen beide gleichmäßig an. In Tab. 2 sind die Versuchsergebnisse aller
untersuchten Schmelzen zusammengefaßt. Die Abb. 3 zeigt die Abhängigkeit
3,5;-----r-----.----,------r-----,
.J.-----I--.('l~ Sn
2,o0 ':---2 --7--4- --'--6- --~--8- ~---~10
--At-%_
Abb. 3 Anstieg der Viskosität von Blei bei Zugabe verschiedener Legierungselemente
der Viskosität von der Zusammensetzung für die Legierungen. Die Viskosität
Temperatur-Kurven zeigen einen mehr oder weniger steilen Anstieg der Vis
kosität des Bleis bei Zugabe eines Legierungselementes. Um den Einfluß der
verschiedenen Legierungselemente auf die Anderung der Viskosität vergleichen
zu können, wurde die Steigung der bei Reinblei an die 1l/T-Kurve gelegten Tan
gente ermittelt. Dadurch ist ein zahlenmäßiger Vergleich möglich. Die Steigung
der Tangente d1J/dc wurde mit D bezeichnet. In Tab. 3 sind die D-Werte der ein
zelnen Systeme mit dem Betrag der maximalen festen Löslichkeit zusammen
gestellt.
Die Abb. 4 zeigt die graphische Darstellung der D-Werte in Abhängigkeit von
der maximalen festen Löslichkeit. Aus der Abbildung geht hervor, daß mit sin
kendem Betrag der maximalen Löslichkeit die D-Werte schwach ansteigen. Unter
halb einer Löslichkeit von 5 At.-% wird der Kurvenverlauf merklich steiler. Die
gestrichelten Kurven verbinden Elemente, die der gleichen Gruppe im periodi
schen System angehören.
11
Eine ähnliche Tendenz ist aus den entsprechenden Darstellungen der Ergebnisse
aus dem Schrifttum [5, 6] in Abb. 5 zu erkennen. Hier findet der Steilanstieg
unterhalb etwa 3 At.-% statt. Nach E. N. DA C. ANDRADE [11] folgt die Tempe
raturabhängigkeit dem Exponentialgesetz
.~ = A . exp. E/RT (3)
In der Gleichung bedeuten: 1) den Viskositäts koeffizienten, A eine Konstante,
E die Aktivierungsenergie, R die allgemeine Gaskonstante und T die absolute
Temperatur.
4
~\zn
\
3
\\
~\
(As) \
-\ \
\~\
\ \ Mg~d- - .. (Hg) Bi S0 n
Sb\~F -+
-0
o 6 12 18 24 30
Maximale Löslichkeit in At-%
Abb.4 Zusammenhang zwischen der maximalen festen Löslichkeit und dem Anstieg
der Viskosität in Bleisystemen
0,8
oMg
Ni
o nach W. R. D. JONES und W. L. BARTLETT [6]
• nach E. GEBHARDT und Mitarbeitern [5]
Cu
•
Tl
Zn
°Si
0,2
Fe
~i.u-
.-
•M g Zn
o 15 30 45 60 75
Maximale Löslichkeit in At-%
Abb. 5 Zusammenhang zwischen der maximalen festen Löslichkeit und dem Anstieg
der Viskosität in Aluminiumsystemen
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