Table Of ContentFORSCHUNGSBERICHTE DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN
Nr. 1622
Herausgegeben
im Auftrage des Ministerpräsidenten Dr. Franz Meyers
vom Landesamt für Forschung, Düsseldorf
DK 669.13:543.871 :669.112.228.2
Prof. Dr.-Ing. WiIbelm Patterson
Prof. Dr.-Ing. Hermann Scbenck
Priv.-DoZ' Dr.-Ing. Pranz Neumann
Giejerei-Institut der Rhein.-Westf.-Techn. Hochschu/e Aachen und
Institut für Eisenhüttenwesen der Rhein.-Westf. Techn. Hochschu/e Aachen
EinfluB der Eisenbegleiter auf Kohlenstofflöslichkeit,
Kohlenstoffaktivität und Sättigungsgrad
im GuBeisen
WESTDEUTSCHER VERLAG KÖLN UND OPLADEN 1966
ISBN 978-3-663-06252-3 ISBN 978-3-663-07165-5 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-07165-5
Verlags-Nr. 011622
© 1966 by Westdeutscher Verlag, Köln und Opladen
Gesamtherstellung: Westdeutscher Verlag
Inhalt
1. Das verbesserte Zustandsschaubild Eisen-Kohlenstoff und die Wirkung
der Zusatzelemente auf die Löslichkeit des Kohlenstoffs im flüssigen
Eisen und die damit verbundene Aktivitätsbeeinflussung ............. 7
2. Zusammenhang zwischen dem EinfluB der Zusatzelemente auf die
Kohlenstofflöslichkeit und der Ordnungszahl im periodischen System. . . 16
3. Graphitisierende und karbidstabilisierende Wirkung der Zusatzelemente 19
4. Sättigungsgrad, Kohlenstoffäquivalent und Menge eutektischen Graphits 21
5. Berichtlgter Sättigungsgrad Sr .................................... 24
6. Kohlenstoffäquivalent CE ........................................ 27
7. Zusammenfassung............................................... 28
Literaturverzeichnis ................................................ 29
5
1. Das verbesserte Zustandsschaubild Eisen-Kohlenstoff und
die Wirkung der Zusatzelemente auf die Löslichkeit des
Kohlenstoffs im flüssigen Eisen und die damit verbundene
Aktivitäts beeinflussung
Das System Eisen-Kohlenstoff ist seiner groBen Bedeutung wegen Gegenstand
zahlreicher Untersuchungen gewesen. In jüngster Zeit sind die neueren Unter
suchungsergebnisse verschiedener Forscher zusammenfassend ausgewertet wor
den [1-4] und in Abb. 1 [1] wiedergegeben. Die maximale Kohlenstoffaufnahme
des y-Eisens entsprechend der E' S'-Linie zeigt eine merkliche Verschiebung zu
höheren Kohlenstoffgehalten beim Vergleich mit dem bis her aBgemein verwende
ten Schaubild [5]. Die Punkte E' und E liegen bei 2,01 und 2,03% C. Die hierfür
gültige Toleranz dürfte bei ± 0,05 bis ± 0,1% C liegen. Der Punkt B liegt eben
faBs bei einem höheren Kohlenstoffgehalt von 0,53%, wodurch der bis her ange
nommene Knick im Verlauf der Liquiduslinie ABC abgeschwächt wird. Die
Soliduslinie JE ist nach den neueren Ergebnissen nach oben gekrümmt und nicht
Kohlenstolfgehalt in Atom-%
o 2,5 5,0 ' 7,5 10,0 125, 15,0 17,5 20,0 22,5 25,0 1600
1600
II-Misc1h5k3r9is°t "C Y~!:iAB S1cJh4m9"e9l z0eC +- 3-%MCisc=hkrli,s3t20l+le2 I ,57.1r 0-StI OC r r / D' I ~ D 1500
~ I I?y
11 + y-Mischkris t. N 1400°C ......... Schmelze 1400
1300 "i'... Sch~me\ze / I 1./ ./ 1300
""Z-~schkrist4~", k,;chmelze + . U
1200 ,\E' 11520C ...E. ii FesC bzw. Grllphit I--F12' 00 .°9
y-Mischkristalle IJ E 1145° C C 1 F ~
1100 JJ 1100
1000 ;j j y-MiscJkristalle + FesC bzw.1G rllJhit U.... 1000 ~0 .
r-G9100C /1 ~ - 900
ex + y-Misch "~koc:V'
kristalle 800 800
p , 1-"-RL.l;:f... . .- 738°C ±- 3-° -I-- -- --I-- -- - K'
ex-Mischkris ~ P'p-I-S 723°C+ ± 2° K 700
ex -MischkristalJe FesC bzw. Graphit
600 Q 600
O,S 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 L 7
Kohlenstolfgchalt in Gew.-%
, I I
o 25 50 75 100
Eisenkarbidgehalt in Gew.-%
oL -0L,1 -0,I 2 0,,3 0,4I 0,, 5 0,I6 0,! 7 0,I 8 0,,9 1,! 0 1,I 1 1,! 2 1!, 3 1I, 4 1,,5
Sättigungsgrad Sc
Abb. 1 Das Zustandsschaubild Eisen-Kohlenstoff, Schrifttum siehe F. NEUMANN,
H. SCHENCK und W. PATTERSON [1]
7
mehr, wie bisher vermutet, nach unten, was einer erhöhten Kohlenstoffaufnahme
des aus der Schmelze ausgeschiedenen y-Mischkristalls gleichkommt.
Die Löslichkeit des Kohlenstoffs im flüssigen Eisen wird durch die C'D '- Linie
gekennzeichnet. lhr Verlauf kann zwischen der eutektischen Temperatur von
1152 und 2000°C mit hinreichender Genauigkeit als linear angenommen werden;
die Kohlenstoffsättigungskonzentration für Gewichtsprozentdarstellung folgt
der Gleichung:
+
%C(max) = 1,30 2,57.10-3 • tOC [1152-2000°C] [1] (1)
In Molenbruchdarste11ung errechnet sich die Sättigungskonzentration nach:
+
log Ne(max) = - 12,7276 0,7266 . log T - 3,0486 [1425-23000K] [4] (2)
T
Für die eutektische Temperatur von 1152°C findet man 4,26% C bei Gewichts
prozentdarste11ung und bei Molenbruchdarste11ung
Ne = % Cf Me = 0,1714
% Cf Me + % FejMFe
(M = Molekulargewicht).
DaB die Kohlenstofflöslichkeit durch Zusatz weiterer Legierungselemente erhöht
oder erniedrigt werden kann, ist allgemein bekannt. In engem Zusammenhang
damit steht der EinfluB von Zusatzelementen auf die physikalisch-chemische
Wirksamkeit, d. h. auf die Aktivität des Kohlenstoffs im Eisen [1]. Die Aktivität
des Kohlenstoffs ae gibt ein quantitatives MaB für die physikalisch-chemische
Wirksamkeit in der entsprechenden Lösung; die Kenntnis dies er GröBe erlaubt
eine Aussage über die Bereitschaft des Kohlenstoffs, mit anderen Stoffen zu reagie
ren, oder sie gibt beispielsweise ein MaB für seine Tendenz, sich bei Abkühlung
graphitisch oder karbidisch auszuscheiden. Dies ist für die GuBeisenherstellung
von Wichtigkeit und sol1 daher im folgenden näher betrachtet werden.
Das GuBgefüge bestimmt im wesentlichen die mechanischen, chemischen und
physikalischen Eigenschaften des GuBstückes. Der GieBer ist aus diesem Grunde
bestrebt, bestimmte Gefüge in den jeweils geforderten GuBsorten zu erzielen.
Das Gefüge ergibt sich aus dem Erstarrungsablauf, der seinerseits von den
Abkühlungs- und Keimbildungsbedingungen sowie der chemischen
Zusammensetzung abhängt. Je nach Abkühlungs- und Keimbildungsbedin
gungen können die Kornfeinheit und die Graphitausbildung in weiten Grenzen
schwanken, worauf hier nicht näher eingegangen werden sol1. Die Änderung der
chemischen Zusammensetzung beeinfluBt auf verschiedene Weise den
Erstarrungsablauf und das Gefüge, einmal durch das Auftreten oder Ausscheiden
neuer Phasen oder durch Verschiebung der Phasengebiete, zum anderen durch
die rein physikalisch-chemische Wirkung der Zusatzelemente auf den Kohlenstoff.
Dem letztgenannten kommt deshalb so groBe Bedeutung zu, weil Eisen-Kohlen
stoff-Legierungen sowohl nach dem stabilen als auch nach dem metastabilen
8
System erstarren können. Eine Erhöhung der physikalisch-chemischen Wirksam
keit des Kohlenstoffs, d. h. der Kohlenstoffaktivität, geht parallel mit gröBerer
Bereitschaft, sich graphitisch auszuscheiden. Im anderen Fall wirkt das Zusatz
element karbidstabilisierend.
Im folgenden wird der EinfluB der Begleitelemente im GuBeisen auf die Kohlen
stoffaktivität und die daraus folgende graphitisierende oder karbidstabilisierende
Wirkung der Elemente herausgestellt. Parallel mit diesem EinfluB der Begleit
elemente auf Kohlenstoff geht die Wirkung dieser Elemente auf die Kohlen
stofflöslichkeit im Eisen und somit auf die Lage des eutektischen Punktes C'
im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm. Elemente, die wie beispielsweise Silizium eine
Erhöhung der Aktivität des Kohlenstoffes verursachen, steigern auch die Neigung
des Kohlenstoffes, sich graphitisch auszuscheiden und setzen die Kohlenstoff
löslichkeit herab, verschieben somit Punkt C' nach links. Ganz allgemein kann
gesagt werden, daB die Elemente mit gröBerer Tendenz zur Karbidbildung als
Eisen die Kohlenstofflöslichkeit erhöhen, wogegen im anderen FalIe eine Ver
minderung der Kohlenstofflöslichkeit eintritt. Zu den erstgenannten gehören
Chrom, Molybdän, Wolfram, Tantal, Vanadin, Niob, Titan, wogegen die Ele
mente Silizium, Aluminium, Kupfer, Nickel, Kobalt, Zirkon, Phosphor und
Schwefel die Kohlenstofflöslichkeit herabsetzen. An dieser Stelle sei auf die
Arbeit von F. NEUMANN, H. SCHENCK und W. PATTERSON [1] verwiesen, die die
physikalisch-chemischen GesetzmäBigkeiten in Anwendung auf Eisen-Kohlen
stoff-X-Legierungen (X = Zusatzelemente) ausführlich beschreiben.
Die Sättigungskonzentration im Zweistoffsystem Eisen-Kohlenstoff wird mit
N C(max) bei MolenbruchdarsteUung und mit % C(max) bei Gewichtsprozentdar
q!>ax)
stellung, im Dreistoffsystem Eisen-Kohlenstoff-X mit Ng~ax) bzw. %
(X = Zusatzelement) bezeichnet. Für das Zweistoffsystem errechnen sich die
Werte für NC(max) oder % C(max) bei einer bestimmten Temperatur nach Gl. (2)
oder nach Gl. (1).
Die Differenz zwischen der Zwei-und Dreistofflösung ergibt sich demzufolge für
Molenbruchdarstellung zu:
LAJ N(CX ) -_ N(CX()m ax) _ 11V\ TC (max) (3)
und für Gewichtsprozentdarstellung zu:
q!>ax) -
Ll %C <Xl = % %C (max) (4)
LlNg'l bzw. Ll%C<X) sind von der Konzentration des Zusatzelementes Nx
bzw. %X abhängig, aber wie E. T. TURKDOGAN und E. LEAKE [6] schon fest
steUten, nur in geringem MaBe von der Tem p e ra tu r. Die Konzentrations
abhängigkeit läBt sich im Bereich geringer Zusätze durch eine lineare Funktion
entsprechend der Gleichung
LlNg'l=m·Nx (5)
für Molenbruch und
Ll%C<X) = m'· %X (6)
für Gewichtsprozent darstellen.
9
e
e für di gkeits-eich ---< 1,0 - --- ---< 2,0 < 5,5 < 3,0 < 0,4 - ----
n Wert %X Gültiber %B % Al % Si %P %S
e
elt m'· I
nd b ermitt Ll%C(X) = _1_ m'syst. + 0,325 + 0,648 -0,004 -0,276 -0,462 -0,622 -0,712 -0,781 -0,792 + 0,088 -0,034 -0,134 -0,215 -0,294 -0,349 -0,414 -0,447 + 0,020 + 0,301 + 0,253 + 0,185
bb. 3a u nl expo ---0,539 0,610 --- --- 0,220 0,310 9,331 0,405 - ----
A -- ----
es e.
gen Eisen NetzdiagrammZusatzelement x Gültigkeits-bereich -- -< 0,04 NB ---- ---< N0,05 Al < N0,07 Si < 0,048 Np < N0,004 s - ----
Kohlenstofflöslichkeit im flüssientell und an Hand des nd (6)] der verschiedenen LlNg'") m' N= mSyst. mexp. -0,17 -0,0 -0,17 ---0,34 -0,575 -0,51 -0,68 -0,67 --0,85 -1,02 ---1,19 -0,0 -0,17 - -0,34 - -0,52 -0,51 -0,68 -0,71 -0,81 -0,85 -1,00 -1,02 --1,19 -0,0 + -0,77 + -0,66 + -0,55
e mu
u] diperi(5) X
mente ader ex[8. Gl. Zusatz-ement H He Li Be B C N 0 F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc
1 b. Einfluj der ZusatzeleZusammenstellung Faktoren und m m' Stellung des Zusatzelementes im periodischen System elOrdnungs-Periode zahl 1 I 2 3 4 5 II 6 7 8 9 10 11 12 13 III 14 15 16 17 18 19 20 21
a
T
Ö
6 0 0 0 0 0 8 0 0 0 0 5 5 0 5
1,1,0,5, 0,8,3, 4,0, 9,2, 1, 4,5,1,
112 4 11 1
< < < < -< < < --< < -- -----< < -< - ----< < < -
Ti V Cr Mn Co Ni Cu Ge As Nb Mo Ru Sn Sb Te
% %% % % % % % % % % % % % %
8 7 2 9 9 5 0 2 2 1 9 3 1 7 0 9 9 9 0 2 1 3 8 3 7 1 4 4 7 6 8
130906020 258024579 1110806040301023568901213
+ 0,+ 0,+ 0,+ 0,0,-0,0-0,0-0,0-0,1-0,1-0,1-0,1-0,1-0,1 -0,0+ 0,+ 0,+ 0,+ 0,+ 0,+ 0,-0,0-0,0-0,0-0,0-0,0-0,0-0,0-0,1-0,1-0,1-0,
9 5 4 8 7 1 6 4 1 8 4 0 0 9 2
0,150,100,060,020,0 ,02,05,07 --,140,15 -- -----0,050,01-,02 -----,11,11,12-
+ + + + -0-0-0 -0- + + -0 -0-0-0
013 1 13 30 20 10 02 1 07 045 14 008 02 05 005
0,0,0,0, 0,0,0, 0,0, 0,0, 0, 0,0,0,
< < < < -< < < --< < -- -----< < -< --- --< < < -
Ti v cr Mn co Ni cu Ge As Nb Mo Ru Sn Sb Te
NNNN NNN NN NN N NNN
+0,44 + 0,33 + 0,22 + 0,11 0,0 -0,11 -0,22 -0,33 -0,44 -0,55 -0,66 -0,77 -0,88 -0,99 0,0 + 0,77 + 0,66 + 0,55 + 0,44 + 0,33 + 0,22 + 0,11 0,0 -0,11 -0,22 -0,33 -0,44 -0,55 -0,66 -0,77 -0,88 -0,99
+ 0,508 + 0,359 + 0,215 + 0,105 0,0 -0,10 -0,20 -0,313 -- -0,677 -0,734 -- -----+ 0,51 + 0,24 -0,0 -- --- -0,70 -0,79 -0,85 -
Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zu Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te J
2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3
22222222333333 333344444444445555
--~
V V
I
-
..... .....
