Table Of ContentFORSCHUNGSBERICHTE DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN
Nr. 1580
Herausgegeben
im Auftrage des Ministerpräsidenten Dr. Franz Meyers
vom Landesamt für Forschung, Düsseldorf
DK 669.111/.112: 669.15'24'25-194
Prof Dr.-Ing. Hcrmann Schcnck
Priv.-DoZ' Dr.-Ing. Pranz Ncumann
Institut fiir Eisenhiittenwesen und Giejferei-Institut
der Rhein.-Westf. Techn. Hochschule Aachen
Über den EinfluB von Z usatze1ementen
auf das Verhalten des Kohlenstoffes
in flüssigen Eisenlegierungen und die Beziehung
zu ihrer Stellung im Periodischen System
WESTDEUTSCHER VERLAG KÖLN UND OPLADEN 1966
ISBN 978-3-663-06426-8 ISBN 978-3-663-07339-0 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-07339-0
Verlags-Nr. 011580
© 1966 by Westdeutscher Verlag, Köln und Opladen
Gesamtherstcllung: Westdeutscher Verlag
Inhalt
Einleitung ........................................................ 7
Kohlenstofflöslichkeit .............................................. 8
Wirkungsparameter und Wirkungskoeffizienten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 22
Zusammenfassung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 27
Literaturverzeichnis ................................................ 29
5
Einleitung
In vorangegangenen Arbeiten [1] bis [4] haben F. NEUMANN, H. SCHENCK und
W. PATTERSON einen zusammenfassenden überblick über die Thermodynamik der
Eisen-Kohlenstoff-Legierungen gegeben. Mit Hilfe einer umfangreichen Aus
wertung des Schrifttums wurden die Phasengrenzen des binären Systems neu fest
gelegt, der EinfluB dritter Elemente auf das physikalisch-chemische Verhalten des
Kohlenstoffs in Eisen-Kohlenstoff-Lösungen untersucht und weiterhin ihre Wir
kung mit dem Aufbau des Periodischen Systems in Beziehung gebracht.
7
Kohlenstofflöslichkeit
Die verdrängende oder löslichkeitserhöhende Wirkung der Zusatzelemente wird
durch die Differenzbeträge zwischen der Zwei- und Dreistofflösung 11N~?) für
Molenbruch und L1 %e eX) für Gewichtsprozentkonzentrationen ausgedrückt. Tm
Bereich geringer Gehalte der Zusatzelemente C'% x = 0 bis etwa 5(10) und bei
einigen Elementen auch bis zu höheren Konzentrationen kann die Löslichkeitsän
derung des Kohlenstoffs durch die linearen, im allgemeinen temperaturunabhän
gigen Beziehungen :
L1 N~X) = Ijl . N x für Molenbruch (1)
L1 %e eX) = m' . % X für Gewichtsprozent (1 a)
dargestellt werden. Die Faktoren m und m' lassen sich - wie gezeigt wurde [3] -
mit folgender Gleichung ineinander umrechnen:
, % Cmax ' (m· MFe - JlJ' Me + MFc - Mx) + 100· Me' m
JlJ= ~
100· Mx
M = Atomgewicht
Diese Gleichung, die für den Fall der Kohlenstoffsättigung abgeleitet wurde, lä13t
sich auf jeden anderen Fal! konstanter Aktivität anwenclen iJl. Sie bleibt im all
gemeinen auf den Bereich solcher X-Konzentrationen beschränkt, in dem eine
lineare Zuordnung von Gewid:tsprozent und Molenbruch statthaft ist. Setzt man
c:
für die untersuchten Systeme ei ne mittlere Temperatur von rd. 1440° an, so
wird der Sättigungsgehalt des Kohlenstoffs im binären System % Cmaxcc 5,0 [3].
Die G 1. (2) vereinfacht sich somit zu:
1420,2· m - 5· Mx -[ 279,25
(3)
100· Mx
die mit hinreichender Genauigkeit die gegenseitige Umrechnung von m' und m
etlaubt.
Die Faktoren m und JJJ', die dem Anstieg der Kurven im linearen Bereich ent
sprechen, stellen spezifische Faktoren für die Wirkung der betreffenden Elemente
X auf die Kohlcnstofflöslichkeit dar. Nach den angeführten neueren Unter
suchungen [1] bis [4] besteht ein einfacher und übersichtlicher Zusammenhang
dieser GröGen mit dem Aufbau des Periodischen Systems, worauf in den voran
gegangenen Arbeiten ausführlich eingegangen wurde. Dieser Zusammenhang
führte zur Aufstellung eines Netzdiagramms, dem die EinfluGfaktoren JJJ und ril' al
ler Elemente entnommen werden können, auch wenn keine experimentellen Werte
vorliegen. Diese Beziehungen waren allerclings experimentelI noch nicht hin
reichencl gesichert. Aus diesem Grunde sind weitere Versuche durchgeführt WOf-
8
den, urn das im Entwurf wiedergegebene System zu überprüfen. Dazu wurden die
Untersuchungen auf solche Elemente ausgedehnt, die besonderen AufschluB über
die Lage der Netzpunkte geben.
In den Abb. 1-13 und in Tab. 1 sind die experimentellen Ergebnisse für die unter
suchten Elemente Germanium, Arsen, Vanadium, Niob, Tantal, Titan, Uran,
Gold, Platin, Tellur, Ruthenium, Osmium und Wolfram zusammengestellt. Es
fäUt auf, daB der lineare Verlauf bei den meisten Elementen auch bis zu höheren
Konzentrationen der Zusatzelemente erhalten bleibt. Ein klarer Temperatur
einfluB ist in dem untersuchten Bereich von 1300 bis 1650°C nur bei Vanadium
und Tantal zu erkennen (Abb. 3 und 5); mv steigt von 0,32 bei 1320° C auf 0,40 bei
1490°C an undmTa vonO,44 bei 1465°Cauf 0,52 bei 1650°C. Die in Abb. 3 mit
eingezeichneten Werte von T. FUWA und J. CHIPMAN [5] für 1550°C ordnen sich
gut in das Gesamtbild ein, was aus der mit eingezeichnetcn Temperaturabhängig
keit von m in Abb. 3 zu erkennen ist.
Für Tellur liegen nur wenige Werte vor, die zudem nicht über (1 % Te) hinaus
gehen. Weiterhin konnten während einer Schmelze, besonders bei höheren Kon
zentrationen, Verdampfungsverluste an Tellur beobachtet werden, so daB die
Einstellung des Gleichgewichtes nicht gewährleistet ist. Der ermittelte Betrag für
m von -0,85 (Abb. 10) scheint somit experimentell nicht genügend gesichert. Er
stimmt allerdings gut mit mSyst = -0,88 nach Abb. 14a überein.
Die graphische Darstellung für Gewichtprozent liefert für die Elemente Ger
manium, Arsen, Vanadium, Niob, Titan, Gold, Platin, Tellur ähnliche Abhängig
keiten, wie sie in den entsprechenden Bildern für Molenbruch wiedergegeben
sind, so daB hierauf verzichtet werden kannl.
Dies trifft nicht für die ruthenium-, osmium-, tantal-, wolfram- und uranhaltigen
Schmelzen zu, so daB hierauf gesondert eingegangen wird.
0,20 Fe -C- Ge 0,20,..---,.- ----..,----,
" • 1290° C, m = -O,65} . Fe-C-As
'tJ'Ê '_. o'13600C, m = -0,71 Mme!: m = -0,67
~u ~~'14000C, m = - 0,65 (mSl'St. = -0,66)
~ 0,18
I ~• ~°
I ..... ,
30,16 0,161----r--""""~~-+_----t
.~ ~ "
::: ~ë
""
~g 0,14 Î'Z ~zU 0 ,141---+---t---+_--I
] ~ o13200C, m = -O,71} Mittcl: m = -0,73
.c ~ .1405° C, m = -0,75 (msyst. = -0,77)
~
0,12 O,121---II----f---+- ---I
~
o 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 o 0,02 0,04
Ge NA.
Molenbruch des Zusatzclemcntes X
Abb. 1 und 2 Einflufi von Germanium und Arsen
auf die Sättigung des flüssigen Eisens an Kohlenstoff
1 Die nach Gl. (3) aus den m-Werten errechneten Beträge für ,,/ stimmen mit den aus den
Analysen mathematisch ermittelten überein.
9
/
Fe-C-V
//'6'
0,24 1---.
0// //
c .... / .....
// ............... ~
//
]~ 022 1-- ço --7--' -'<:> :'''- ~1320.C.m ~O.32)M' 1 036
MCOc:ll ) , ~/-6:"..-... . 10______ -• 11449100°0CC,, mm == 00,,3470 Cmm'YBet:.. m == 0,,3 3
•zC:: ::>:l ) V ' .. ............... 0 15500C, m = 0,45 nachT.FuWA,).C.UPMAN
t,E:;; 0'2 0 ..........:. . ..... , ~ ::~~-j:
~
::0O2:l .......... fj~ I
o
~ 0,18
13°°1 1400 1500 1600
Temj)eratur in °C
o
0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12
Molenbruch des Vanadiums Nv
Abb.3 EinfluB des Vanadiums auf die Sättigung des flüssigen Eisens an Kohlensto/f
Ruthenium und Osmium üben bis zu Konzentrationen von N = 0,009
RlI
und Nos = 0,01 (für Molenbruch) (Abb. 11 und 12 a) keinen EinfluB auf die
Löslichkeit des Kohlenstoffs im flüssigen Eisen aus (m = 0). Erst bei höheren Ge
halten tritt eine kohlenstoffverdrängende Wirkung auf.
Trägt man die entsprechenden Ergebnisse in Gewichtsprozent auf, wie es in
Abb. 12b z. B. für die osmiumhaltigen Schmelzen durchgeführt wurde (ein ähn
liches Bild ergibt sich bei Rutheniumzusätzen), so tri tt auch schon bei geringen
Gehalten an Ruthenium und Osmium eine kohlenstoffverdrängende \Virkung auf
(IJl ist negativ). Dies steht in Einklang mit den nach Gl. (3) berechneten Werten
für m' (s. Tab. 2) und wird im folgenden noch näher erläutert.
Für die tantal-, uran-und wolframhaltigen Schmelzen tritt bei Verwendung
von Gewichtsprozent als KonzentrationsmaB sogar eine Umkehrung ein, d. h.,
die löslichkeitserhöhende Wirkung bei Molenbruchkonzentration (m ist positiv;
mTa = +0,49, mu = +0,53 und mw = +0,256) kehrt sich in eine kohlenstoff
verdrängende Wirkung bei Gewichtsprozentkonzentration (m' ist negativ) urn.
Dieses gilt insbesonders für Wolframzusätze (m'w = -0,015; vgl. Abb. 13a und b)
während m' bei Tantal- oder Uranzusatz praktisch gleich Null ist. Hierauf wurde
in den vorangegangenen Arbeiten bereits hingewiesen. Damals lagen zwar noch
keine experimentellen Unterlagen vor, ab er die Berechnung von m' aus den vor
liegen den m-Werten mit Hilfe der Gl. (3) führte zum gleichen Ergebnis, was nun
experimentell bestätigt wird. Der mathematische Zusammenhang wurde von
H. SCHENCK, M. G. FROHBERG und E. STEINMETZ [6] gegeben. In Abb. 13 sind
gleichzeitig Werte von T. MORl und Mitarbeitern [7] eingezeichnet; bis zu Kon
zentrationen von 5% W stimmen sie gut überein, fallen zu höheren Gehalten aber
etwas stärker ab.
Die bei Gewichtsprozent- und Molenbruchdarstellung auftretenden Unterschiede
für die angeführten Systeme werden bei Betrachtung der beiden folgenden Netz
diagramme verständlich, so daB hierauf näher eingegangen wird.
10
0.23r--.------,-,..---,--..,---,--"""'..,..c=.----,_.--r---,
~gO.22r--t--~~~~~~~~~-;--4-~--~--~-+--+-~
Zu • 1430·C. m = 0.51}
Z 0,211>-.1"'f=---+=. ....- "F--+--+--+----1. 1510·C. m = 0,55 Mine!: m = 0.51
• 14oo'C, Im = 0' 4 8 (m"". =, 0 .33)
1-::j;:::o--I""""T--t--t--t--t--l.A 116528O0'·CC noch T. FUWA, J. CHIPMAN
0.008 0.016 0.032 0.040 0.048 0.056
0.24
0,23 _ o. 11655500.·CC.. mm = 00.,5520 } Mm' e I : m = 0•4 9
'"1465·C. m 0.44 (m"". I 0,33)
-;;-gO.22 . _. -
tu
Z 0.21 " " .- 0.60
..... r--'
tm
0,20
0,50 ...... , I •
0.19 - Fe-C-Ta o 4P,1,.. ...... Temperatur in 'C
I I • 450 1550 1650
0.180 0,004 0.008 0.012 .. 0.016 0,020 0.024 0.028
NTa
0,23 Fc-C-Ti - .;..... °1680'C. m = 0,505 1 Mietel: m= 0.51
~E" '":~l 0.22 - I . - °155I0 ·C.i m =I 0.526I I( m""I. I = 0,44)
~U~ÜO.2
1 I I I II I I
] 0.200 0.004 0.008 0.012 0.016 0.020 0.024 0.028
~ NT' I
~ 0,21 Fc- C-U • 1330·C. m = 0.57 fine!: m = 0.53
g, 1:0.20t--t---r::::±!:::::F'"' ...- 1"---+- " 1415·C. m = 0.49 (m'f.t. = 0,55)
Ol: _8
J~l Z~u 0.19c=J:::=-+-""'"1'=F-I--+--t--+--t--t---t--I--+ -If--t
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o 0,20 o m- I
~ Fe- C-Au 1290·C. -0.36 :Mittd: m =-0.33
1 I= -0.331
" ~0.19 , " ~8~~C'1,= 0•3: ~m'T
~~ I-
Z 0,18 I I I I I I I I
0.170 0.004 0.008 0.012 0.016 0.020 0,024 0,028
NA ..
."gO.20 r-- Fe-Ç-Pt o 1380'C, m = - 0,25 1M itte!: m = - 0,22
ezUO,19 I i '1400·C, m = -0.17 (m. ..! . =-0.22)
I I T I I I I I I I
0.18
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tUO,18 --"_ ..
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-;-~ 0.201
E:'u .
Z 0.190
0.004 0,008 0.012 0.016
NR.'
Molenbruch des Zusatzelementes Nx
Abb.4--11 Einflufi verschiedener Zusatzelemente
(Niob, Tantal, Titan, Uran, Gold, Platin, Tellur, Rhutenium)
auf die Sättigung des flüssigen Eisens an Kohlenstoff
1
Fe-C-Os
î
O,22~ I 1 I I 0l ~ln~~S Y·~1
1 1
1~30,21~ua)1 0 ~
°
~ O,20~__ __ ~.~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
é 0,002 0,004 0,006 0,008 0,010 0,012 0,014 0,016 0,018 0,020 0,022 0,024
" Molenbruch des Osmiums Nos
·Ë
5,6
I:;.2E1C8O::!: 55,,54 to-r-o-~ 1---12- ~ r--::: ro- -m16r' ~=5- 0C- 0I ,035 (m'Syst.I = - I0 ,035)
g~ 5,3 r--...
0-6
::.:: U 5,2
~ 5,1 b) ~ t'-...
5,0 ° ....
4,9 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Osmiumgehalt in Gewichtsprozent % Os
Abb. 12 EinAufi von Osmium auf die Sättigung des Aüssigen Eisens an Kohlenstoff
Gegenüberstellung von a) Molenbruch und
b) Gewichtsprozentkonzcntration
Fe-C-W -
0,22 l----" e-
~ËK -.1-- -" ~ .
~zU ~ f-x- )......--G-hr-~. -- -- -- ---
... --.-
.. 0,2 I •
~
~
.<: o 1560oC, m = 0,231 ) Mitte!: m = 0,256
t~h 0,20 • I610oC, m = 0,282 (mSYst. = 0,22)
c: a) • 1550oC, m = 0,23 noch T . fORI u. l\1.itarb.
.~
0,01 0,02 0,Q3 0,04 0,05 0,06
>'"!! 0
Molenbruch des Wolframs Nw
:B"ëal 5,6 . . o 1560oC, m' = - 0,017 ) Mitte!: m' = - 0,015
~ 5,4 ~.. . ~ ... . ,,1610oC, m,' = - 0,013 (m' sysL = - 0,018)
1-><' . ---..: e1550oc, m 0,017 noch T. MORI u. Mimrb.
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4,8
bJ
4,6
° 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Wolframgchalt in Gew.-%
Abb. 13 Einflufi des Wolframs auf die Sättigung des flüssigen Eisens an Kohlenstoff.
Gegenüberstellung a) von Molenbruch und
b) Gewichtsprozentkonzentrationen
12
