Eisen Nichteisen
Metalle
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Flashcards
Gewinnung von Mg
- Elektrolyse von schmelzflüssigen MgCl2
- thermische Gewinnung aus MgO
- Rohstoffe: Dolomit, Magnesit, Carnallit, im Meerwasser (0,13%)
Schmelzflusselektrolyse von Mg
1. Herstellung von MgCl
- Rohstoffaufbereitung Erz (Carnallit)
- Entwässerung MgCl-hydrat
- evtl. chlorierung von oxidischen Mg-Erzen
2. Elektrolyse bei 700- 800°C mit NaCl oder KCl
- MgCl2→Mg + Cl2
- Mg schwimmt auf elektrolyt kann abgeschöpft werden
- Knallgas wird rezykliert
Thermische Gewinnung Mg
- Reduktion von MgO mit Reduktionsmitteln (Si, CaO)
- ausgehend von Dolomit (MgO-CaO vermeidung Bildung von Mg2SiO4)
- führt zu stark exothermer Reaktion→ Mg wird verdampft und anschließend kondensiert
- wichtige Verfahren: Pigean- Verf., Bolzano-Verf., Magnetherm-Verf.
Kriechverhalten von Mg
Kiechkurve 3 Bereiche Primäres, Sekundäres und Terziäres kriechen→ zeitabhängige Verformung
Mg kricht bereits bei RT
Mg- Li Legierugen
- Mg (hdp) Li (krz) → Mischungslücke
- Li bewirkt deutliche Verringerung der Dichte
- verbessert plastische Eigenschaften durch Gefügemodifizierung
- Li verringert das c/a Achsenverhältnis→ Verbessert Verformbarkeit bei tiefen Temp.
- erleichtert Gleiten (Basisgleitung + Prismengleitung)
- Kerbschlagzähigkeit nimmt mit steigendem Li Gehalt zu
Anwendung von Mg
Automobil: Felgen, Motorgehäuse, Getriebeteile
Gehäuse für PC, Kameras
Pyrotechnik
Mg brennbar unter Wasser
Eigenschaften von Ti Leg.
Vorteile
- Dichte
- Festigkeit
- Korrosionsbeständigkeit
- Biokompatibilität
- Vorkommen
Nachteile:
- e-Modul
- Anisotropie
- Verformungsverhalten
- Oxitationsbeständigkeit
- Preis
Festigkeit und E-Modul sind stark von Gefüge, Konstruktion undLegierungszusammensetzung abhängig
phys. Eigenschaften von Altha Ti
- hdp
- betha übergangstemp. 882°C (krz)
- Dichte 4,5 g/cm³
- Schmelztem. ca. 1900°C
- Emodul: 115 GPa
- bis 882°C (betha- Transus-Temp.) mäßige verformbarkeit, geringe Diffgeschw. nach überschreiten Gitterwechsel in krz gute Verformbarkeit hohe Diffk.
Die alpha Phase
- Tieftemp.phase
- Van Mises-Krit nicht erfüllt (mind. 5 unabhängige Gleitebenen für gute Verformbarkeit)
- Prismen und Basalebenen verfügen über je 3 Gleitsysteme, nur zwei sind unabhängig→ insg. 4 unabhängige
- da c/a Verhältnis kleiner als ideal zunahme der Belegungsdicht auf Prismenebenen→gleitung wird begünstigt
- durch Einbau von interstitiellen Atomen (C,N,O) mit kleinerem Atomradius kann c/A vergößert werden
- Basalebene {0001}, Prismenebene {10-10} Pyramidalebene { 10-11} ; Gleitrichtung <11-20>
Gitterumwandlung in betha ti
- bei Abkühlung aus betha- Gebiet gehen dichest gepackte 110 Gleitebenen in 0001 Basalebene des hexagonalen alphati über
- Bugerorientierungsbeziehung {0001}//{110}; <1120>//<111>
- betha Ti 6Gleitebenen und 2 Gleitrichtungen
- oberhalb von martensitstarttemp. difflose Umwandlung von betha-Phase in alphaPhase→ metastabiles Gefüge mit nadelförmiger oder plattenförmiger Morphologie
Vgl alpha ti mit betha-ti
alpha Ti hat
- dicht gepackte Gitterstruktur
- eine um mehr als zwei Größenordnungen geringere Diffgeschw.
- erschwerte Kaltverformbarkei
- geringe Duktilität
- höheren Kriechwiderstand
- anisotrope mech. und phys. Eigenschaften
Legierungselemente in bezug auf alpha und betha Ti
- neutral: Sn, Zr
- alpha Stab, wird zu hohen Temperaturen verschoben: Al, O, N, C Aufspaltung der Temp.linie in einen Bereich→ 2Phasengebiet
- betha stabilisierend:
- isomorph. bethaphase zu niedrigeren Temp. verschoben Mo, V, Ta, Nb
- eutektisch: Fe, Mn, Co, Cr, Ni, Cu, Si, H
Klassifizierung der Ti-Leg
- alpha- Legierungen
ReinTi
Legierungen die neutrale oder alphastab. LE enthalte
- near alpha Legierungen
enthalten geringe Mengen an bethastab. Elementen
- alpha+ betha Legierungen
Enthalten bei RT 5-40 Vol% bethaPhase
- betha Legierungen
Einfluss der LE auf die Eigenschaften von Ti
- nicht mehr als 9gew. % gesamtmenge
- Si, Sn, Zr, O härten alpha Phase
- Si segregiert an Versetzungen, erhindert Klettern,
- Mo, V, Nb, geringe Mk- Bildung bethaphase
- Nb verbessert Oxidationsbeständigkeit
- Pd verbessert Korrbeständigkeit
Gewinnung von Ti
- aus Ti- haltigen Eisenwerkstoffen (Ilmenit)
- Kroll-Prozess TiCl4→ Ti-Schwamm
- in Vakuum-Lichtbogenöfen zu Ti-Blöcken
- Vakuum arc Remelting
- anschließend Schmieden ( Freiform, Walzen (Stäbe), Brammen
Gefüge bei Ti-Legierungen
- mech. eigenschaften stark von Konstitution (Phasenverteilung) und Gefüge beeinflusst
- tech. wichtige Legierunge 2phasig (alpha und betha)
- Lamellares Gefüge: entstehen durch Abkühlung aus betha gebiet
- Globulare Gefüge entstehen in folge von Rekristallisationsprozessen
- Bimodale Gefüge: bestehn aus Lamellaren und globularen Gefügeanteilen und werden durch thermomesch. Behandlung erzeugt
- die Feinheit der Gefüge hängt von den Parametern der thermomech. Behandlung ab
Thermomech. Behandlung von Ti legierungen
- alles unterhal betha- Transus temp.
- Verormung:Temp., Verformungsgrad, Verformungsmodus, Abkühlrate
- Lösungsglühen: Zeit, Temp, Abkühlrate
- Auslagern bei Ti- Leg. weggelassen
- für lamellares Gefüge: oberhalb betha-Transus, rasches Abkühlen
- für globulitische Gefüge: weit unterhalb betha-Transus mit anschließender Rekristallisation
- für bimodale Gefüge: kurz Unterhalb betha-Transus (gute Gebrauchseigenschaften)
martensitische betha/alpha Umwandlung
- mart. Umwandlung unterhalb Ms temp.
- hohe Abkühlgeschw. → Zwangslösung→ keine Diff mgl
- Ms kann durch betha stbilisierende Elemente zu niedrigeren Temp. verschoben werden, erzeugung metastab. betha leg.
Texturen bei Ti Legierungen
- starke Richtungsausprägung der Gefügebestandteile innerhalb eines Werkstoffes bei Ti
- Walztextur bestimmt durch Umformgrad, Temp., Umformmodus
- Textur führt zu starken anisotropen Eigenschaften, geziehte Eigenschaftseinstellung
beta ti legierung Eigenschaften
Vorteile:
- vielseitige Anwendung
- höchste spez. Festigkeit
- gute kombi zw. Festigkeit, Ermüdungsbeständigkeit und Zähigkeit
Nachteile
- rel. niedriger E-Modul
- rel. hohe Dichte
- schlechte HT eigenschaften
Herstellung von beta Ti. Leg.
- ausreichend Gehalt an beta stab. Elementen( mo, Nb, V, Fe, Cr) >10%
- martensitbildung unterdrücken→ betha Phase bleibt 100% erhalten
- gefügeeinstellung durch thermomech Behandlung (TMB)
- beeinflussung Korngröße,
-Einstellen Form, Größe, Volumenanteil der alpha Phase
- Auftreten von KG alphaPhase vermeiden
- Umformtemp. abhängig von Stabilisatorgehalt
- niedriger Gehalt: Umformen im alpha-beta Gebiet, unterhalb beta-Transus
- hoher Gehalt: umformen im beta-gebiet oberalb beta- Transus
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Bruchzähigkeit bei ti beta leg
- Bruchzähigkeit beschreibt Schadenstoleranz eines Werkstoffes bei statischer Belasung
- wird durch Kostitution, Gefüge, Herstellungsverf., LE beeinflüsst
- starke Verringerung durch Aushärtung
Ermüdungsverhalten von Ti- Legierungen
- Mikrorisse durch Korngrenzen behindert
- Makrorissausbreitung durch grokörniges Material behindert
- Einflussgräßen bei alphaTi: Korngröße, Sauerstoffgehalt, Kaltverformung
- Einflussgrößen bei betaTi: Korrngröße, Aushärtungsgrad, KG alphaPhase, primärer Volumenanteil alphaPhase + Korngröße
- Einflussgrößen altha+betaTi: Lamellenbreite, alphaKorngröße
- beeinflussung durch OF-Behandlung: mikrostruktur an OF unterdrückt Rissbildung
Hochtemperaturkriechen TiLeg
- Ausscheidungen von Siliciden behindern therm. Kletterprozesse von Versetzungen
- Zahl und größe der Si-Ausscheidung entscheidend
- zw. 01 und 0,35% Si
- near alpha Ti.Leg.
- feine dispersoide verbessern Kriechverhalten
- lamellar besser als bimodal
Oxidationsverhalten von Ti Leg.
- einsatz bei hohem T behindert durch schlechte Oxidationsbeständigkeit
- kann beeinflusst werden durch: günstig: Al, Nb, Mo, W, Si, ungünstig: V, Cr, Mn, Pd,Pt, Cu
- Schutzschichten: Haftfestigkeit, Langzeitbeständigkeit, Verschlechterung mech. Eigenschaften
- 2 Mechanismen:
-Bildung schnellwachsender Oxidschichten
- Lösung von Nichtmetallenn in der Werkstoffoberfläche: Versprödung
Anwendungsbespiele Ti Legierung
- Luft- und Raumfahrt: Triebwerksteile, Fahrwerksteile, Rohrleitungen
- Energietechnik: Dampfturbinenschaufeln
- Automobilindustrie: Abgasanlage, Federn, Ventil
- Off-Shore-Technik: Gehäseteile, Rohrleitungen
- Medizin: Implantate, Befestigungselemente, Herklappen
- Sport, Freizeit: Kletter, treckingzubehör, Fahrräder
Eigenschaften von Ni legierungen
- hohe Festigkeit
- hohe Zähigkeit
- hohe Korrosionsbeständigkeit in Säuren und Laugen, Oxidationsbeständig bis 1200°C
- hohe Warmfestigkeit
- gute Tieftemperatureigenschaften
- Nachteil: hohe Dichte
- einige Legierungen: mag. Eigenschaften, elek. Eigenschaften: widerstandslegierungen, Heizleiterlegierungen
phys. Eigenschaften von Ni
- dichte: 8,9 g/cm³
- Schmelztemp.: 1453°C
- EModul: 210 GPa
- Zugfestigkeit: 370..7000 MPa (Legierung)
- Druchdehnung: 2... 60% (Legierung)
Vorteile von NiLeg.
- kfz-Gitter bis Ts
- keine Gitterstab. Elemente notwendig
- niedriger Diffgeschw.
- hohe Festigkeit im HT- Bereich durch Leg. besonders bei Teilchenhärtung
- hohe Cr, AL Gehalte for Korrschutz bis sehr hohen Temp.
Einschränkung für Ni als HT Werkstoff
- relativ niedrige Ts, wird durch LE weiter herabgesenkt
- T> 1150°C Längzeitig nicht überschreitbar
- geringe Temp- Leitfähigkeit
- therm. Ausdehnungskoeff. hoch
Legierungselemente für Ni
- bis zu 15 LE mgl, summe 50%, bis 70% Ausscheidungsgehärtet
- Mk- Bildung: Fe, Cr, Co, Mo, W, Nb, Ta, Re
- Ausscheidung- Teilchenhärtung: Al, Ti, Nb, Y2O3
-Carbidbildner: Cr, Mo, W, Ta, Ti
- steigern der Korr. best.: Cr, Al, Y, Hf, Si, Pt
Beimengungen:
- O2 macht kaltbrüchig
- S kalt- und rotbrüchig
- C, Si: reduziert stark Solidustemp.
-Bor, Zirconium: korngrenzenwirksame Elemente verhindern Bildung von Carbidfilemen, nur in Spuren
Metallurgie hochwarmfester Ni-werkstoffe
- Vermeidung von Einschlüssen, Ausscheidungen, Poren
- Herstellung eines dichten, seigerungsarmen, gut verformbaren Blocks→ Vakuumschmelzen, Elektroschlackeumschmelzung
Metallurgie Ni- Werkstoffe
- Vermeidung von Inhomogenitäten
Freckles: dunkle Flecken, meist Carbidanreicherungen
erhöhter Anteil von Elementen die Zeitstandfestigkeit negativ beeinflussen
- begünstigt durch: hohe Umschmelzgeschw, tiefer Schmelzsumpf, starke Gasausbrüche
White Spots: helle Flecken→ legierungsarm/ Entmischung, grobkörnig, weich
- begünstigt durch: niedrige Umschmelzgeschw., flacher, kalter Sumpf, feste Teile der Elektrode
Baumringseigerungen: durch geringfügig wechselnde Erstarrungsgeschw.
Hochwarmfeste Ni. Leg
- System Ni- Al
MK bildung mit Aussscheidungen von Ni3Al, bilden sich bei Erstarrung oder WB
Vorraussetzung für Festigkeitssteigerung: feine Ausscheidung, dicht verteilt
mit zunehmender Menge steigt Festigkeit, sinkt Verformbarkeit
Begrenzunf einsatztemp. Teilchenwachstum, Teilchenauflösung
harte Korngerenzen durch Carbide→ erschwertes KG-Gleiten, erhöhung Sprödbruchneigung
Kg- Verfestigung durch Spurenelemente: Zr, B, Mg
warum Wärmebehandlung von Ni- Basisleg?
- Bildung von gamma' Ausscheidungen
- harte Teilchen an KG aussscheiden
- Gusseigerungen reduzieren, LE homogen verteilen
- be Knetlegierungen Korngröße durch Rekristallisation einstellen
- innere Hohlräume beseitigen bei überlagertem Druck
T> 1000°C, Hochvakkum oder Schutzgas, Abkühlung durch Gasspülung
Ausscheidungshärtung
- unterschiedliche Behandlung entsprechend LEzusammensetzung
- teilweise mehrstufiges Lösungsglühen
- teilweise zweistufige Aushärtung
Verwendung von Ni- Superlegierungen
- Triebwerk: Verdichterscheiben, Turbinenscheiben,- räder, Brennkammer
meist verwendet IN 718
Einkristallwerkstoffe (Schaufeln) Ni
- fehlen von GroßwinkelKg
-kohärente oder inkohärente Härtungsphasen
- Kleinwinkelkorngrenzen
- in geringen Umfang: Carbide, Eutektika, Porosität
Eigenschaften: höchste Zeitstandfestigkeit, Thermoermüdung, Oxidationsbeständigkeit, Temp bis 1100°C
Bedeutung der Eisenwerkstoffe
- wichtigeste Werkstoffgruppe
- vor allem Maschienen und Anlagenbau
- Verfügbarkeit: Vorlage in Form von Eisenerz
- relativ hohe Festigkeit kombiniert mit hoher Zähigkeit
- Anwendungsfelder weit gefächert: Energieversorgung, Verkehrswesen, chem. Industrie, Bauwesen, Werkzeuge usw.
Einteilung Eisenwerkstoffe in 2 Hautgruppen
Stahl: Massenanteil Fe größer als aller anderen Elemente, C- Gehalt < 2masse%
Gusseisen: Eisenbasisleg mit C- Gehalt > 2 masse%
