Table Of ContentFORSCHUNGSBERICHTE
DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN
Herausgegeben durch das Kultusministerium
Nr. 958
Prof. Dr.-lng. Dr.-lng. E. h. Hermann Schenck
Prof. Dr.-lng. Eugen Schmidtmann
Dr.-lng. Heinz Müller
Institut für Eisenhüttenwesen der Technischen Hochschule Aachen
Untersuchungen zur Isolierung von Einschlüssen und
Korngrenzensubstanzen in Eisenwerkstoffen nach dem
Dünnschliffverfahren. Innere Oxydation von Eisenlegierungen
Als Manuskript gedruckt
SPRINGER FACHMEDIEN WIESBADEN GMBH
ISBN 978-3-663-03855-9 ISBN 978-3-663-05044-5 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-05044-5
G 1 i e d e r u n g
s.
Einleitung . • • • • • • • • • • 5
I. Isolierung von nichtmetallischen Einschlüssen nach
s.
dem Dünnschliffverfahren 5
s.
1. Isolierung nach dem Brom-Methanol-Verfahren 5
2. Einfluß der Entkohlung s. 10
3. Isolierung nach dem Chlorierungsverfahren s. 15
4. Jodalkoholverfahren bei der Dünnschliffisolierung s. 18
5. Elektrolytische Dünnschliffisolierung s. 20
6. Kritische Untersuchung der Isolierungsverfahren s. 21
II. Die innere Oxydation von Eisenlegierungen ••• s. 23
1. Über den Mechanismus der inneren Oxydation. s. 23
2. Löslichkeit von Sauerstoff im festen Eisen • s. 24
3. Untersuchungen zur inneren Oxydation • s. 27
a) Versuchsapparatur . . . . . ... . s. 29
b) Einfluß der Glühdauer . . . . . . . . . . . . . s. 30
s.
c) Einfluß der Glühatmosphäre 32
. . . . .
d) Einfluß der Glühtemperatur s. 32
.
e) Erörterung der Versuchsergebnisse s. 34
4. Diffusion und Löslichkeit von Sauerstoff im festen
s.
Eisen 37
s.
III. Zusammenfassung • 45
s.
Literaturverzeichnis • 47
Seite 3
Einleitung
Es wird vielfach vermutet, daß die technologischen und physikalischen
Eigenschafter der Eisenwerkstoffe stark von der Art und dem Grad der
Verunreinigung dar metallischen Korngrenzen abhängig sind.
Der Aufbau der Korngrenzen reiner Metalle wird durch die Korngrenzen
modellevon J. BURGERS [1], W.L. BRAGG [2] und N.F. MOTT [3] beschrie-
ben, die rein geometrisch die Lage benachbarter Atome zweier Kristalle
angeben. Die Mitwirkung von Korngrenzenstoffen beim Aufbau der Korn
grenze wird nicht berücksichtigt.
Der Einfluß von Korngrenzenverunreinigungen auf die technologischen
Eigenschaften von Stählen geht jedoch aus einigen Beispielen klar her
vor. So ist bekannt, daß sulfidische Verunreinigungen auf den Korn
grenzen die Warmverformungsfähigkeit stark herabsetzen und den sogenann
ten Rotbruch bewirken. Ebenso scheint die Sprödbruchneigung kohlen
stoffarmer Stähle mit steigender Verunreinigung der Korngrenzen zuzu
nehmen.
Im allgemeinen ist es jedoch schwierig, den Einfluß der Korngrenzen
substanzen auf die Werkstoffeigenschaften nachzuweisen, da diese mit
den normalen mikroskopischen und chemischen Untersuchungsmethoden nicht
sichtbar gemacht werden können. Betrachtet man die Verteilung der nicht
metallischen Einschlüsse über mehrere Körner, so stellt man fest, daß
die Mehrzahl der mikroskopisch sichtbaren Einschlüsse ohne besondere
Berücksichtigung der Korngrenzenanordnung über den Werkstoff verteilt
sind. Bei chemischen Methoden zur Isolierung nichtmetallischer Ein
schlüsse kann im allgemeinen nicht unterschieden werden, welche Anteile
des Isolates auf Korngrenzensubstanzen zurückzuführen sind.
I. Isolierung von nichtmetallischen Einschlüssen
nach dem Dünnschliffverfahren
1. Isolierung nach dem Brom-Methanol-Verfahren
Ein kombiniertes chemisches und mikroskopisches Verfahren schien daher
ein gangbarer Weg zur Sichtbarmachung der Korngrenzensubstanzen zu
sein. Über Verfahren, nach welchem dünne Metallschilitte oder -schliffe
von dem metallischen Anteil befreit und der Rückstand mikroskopisch
untersucht wurde, berichten C. BENEDICKS und 0. TENOW [4], E. FOLKHARD
[5] und H.K. GÖRLICH und H. SCHENCK [6].
Seite 5
C. BENEDICKS und 0. TENOW [4J führten Lösungsversuche mit Brom-Methanol
an kaltgewalzten Eisenblechen von 0,020 bis 0,030 mm und an Dünnschnit
ten von 0,020 mm Dicke durch. E. FOLKHARD [4] berichtet über Dünn
schliffversuche an Transformatorenstählen. Das Verfahren soll sich be
sonders für silizium~eiche Stähle eignen, da ein Teil des Siliziums
sich bei der Lösung zu einem Kieselgel umsetzt und dadurch eine gute
Beständigkeit der Rückstände gewährleistet wird. Bei Stählen über
0,20 % C stört der durch Karbidzerfall entstehende Kohlenstoff die mi
kroskopische Beobachtung des Rückstandes. Es ist daher eine Glühung des
Rückstandes bei 600 bis 700°0 erforderlich, um den Kohlenstoff zu ver
brennen. Hierbei geht jedoch häufig die Struktur verloren. Die Ergeb
nisse der Untersuchungen an Stählen mit mehr als 0,20% C werden als
unbefriedigend bezeichnet. Bei den Versuchen von FOLKHARD ist die Dicke
der Korngrenzen auffallend.
H.K. GÖRLICH und H. SCHENCK [6] beschreiben ein Verfahren zur Korn
grenzenisolierung, das auch auf Stähle mit höheren Kohlenstoffgehalten
anwendbar erscheint. Nach diesem Verfahren wird ein Dünnschliff von
etwa 10 bis 20 ~ mechanisch oder durch Schleifen von Hand hergestellt.
Die Lage der Korngrenzen beim Dünnschliff und Lösungsvorgang zeigt
Abbildung 1. Zur Sichtbarmachung der Korng1·enzensubstanzen und der Ein
schlüsse muß das Eisen weggelöst werden. Bei dem Isolierungsvorgang
muß darauf geachtet werden, daß die ursprüngliche Lage und Anordnung der
Korngrenzensubstanzen und Einschlüsse erhalten bleibt.
I<Of'ngrenzen metallische Anteile
A b b i l d u n g 1
Lage der Korngrenzen beim Dünnschliff und Lösungsvorgang.
a) Vorschliffdicke, b1 und b2) mechanische Abtragung,
c) Dünnschliffdicke
Seite 6
Die Isolierung kann über elektrolytische Lösung des Eisens erfolgen oder
durch Lösung in geeigneten chemischen Reagenzien. In jedem Fall muß für
eine erschütterungs- und gasentwicklungsfreie Lösungsreaktion gesorgt
werden, da sonst die ursprüngliche Anordnung verloren geht.
A b b i l d u n g 2
Korngrenzen-Zwischenstoff eines unlegierten Stahles mit
0 , 1 8 % C , 0 , 2 3 % Si , 0 , 2 8 % Mn , und < 0 , 0 5 % P + S
A b b i l d u n g 3
Korngrenzenisolat eines unlegierten Stahles mit 0,53% C,
0,32% Si, 0,67% Mn, O,'o26% P und 0,025% S
7
Seite
H.K. GÖRLICH und H. SCHENCK [6] berichten über Lösungsversuche in Brom
Methanol-Lösungen. Nach ihren Versuchen erwies sich eine Brom-Methanol
lösung mit 2,5% Brom als besonders vorteilhaft. Der mechanisch herge
stellte Dünnschliff wird zunächst auf ein Präparatglas gebracht und
mit einem geeigneten Lack befestigt. Der Objektträger wird in eine Glas
schale gelegt und mit der Brom-Methanollösung übergossen. Der Lösungs
vorgang kann mikroskopisch verfolgt werden. Das Reaktionsende ist aber
auch mit bloßem Auge gut zu erkennen. Nach Lösungsende wird das Lösungs
mittel vorsichtig abgesaugt und das Isolat zur Entfernung von Bromrück
ständen mehrmals mit reinem Methanol gespült. Eine erste Untersuchung
des Isolates kann mikroskopisch erfolgen. Abbildung 2 und 3 zeigen die
Isolate von zwei unlegierten Kohlenstoffstählen. Die Rückstände werden
in der Arbeit von H.K. GÖRLICH und H. SCHENCK als Korngrenzenisolate
angesprochen.
A b b i 1 d u n g 4a
750:1
HN0 -Ätzung
3
Auf den störenden Einfluß des Zementits bei dem Lösungsvorgang wurde
oben bereits hingewiesen. Der durch Karbidzerfall entstandene Kohlenstoff
bedeckt die eigentlichen nichtmetallischen Einschlüsse. Von GÖRLICH
wurde vorgeschlagen, die Dünnschliffe kohlenstoffhaltiger Werkstoffe
vor der Isolierung zu entkohlen. Die Entkohlung wurde unter feuchtem
Wasserstoff bei Glühtemperaturen zwischen 670 und 700° C vorgenommen.
Die Isolate nach vorangegangener Entkohlung hatten gegenüber den nicht-
Seite 8
A b b i l d u n g 4b
750:1
Durchlicht
A b b i l d u n g 5
15000:1
Korngrenzenisolat eines unlegierten Stahles
mit 0,39% C, 0,27% Si, 0,79% Mn, 0,09% P und 0,046% S
entkohlten Präparaten ein völlig anderes Aussehen. Abbildung 4a und 4b
zeigen den Anschliff und das Korngrenzenisolat eines unlegierten Stah
les mit 0,39% C nach einer entkohlenden Glühung. Der Rückstand nach
der Lösung in Brom-Methanol zeigt eine korngrenzenartige Netzstruktur.
Nimmt man die Lösung auf Edelmetallblenden vor, so kann das Isolat im
Elektronenmikroskop untersucht werden. Abbildung 5 und 6 zeigen Lösungs
rückstände bei hoher Vergrößerung.
Seite 9
A b b i l d u n g 6
2700: 1
Korngrenzenisolat eines unlegierten Stahles
mit 0,39% C, 0,27% Si, 0,79% Mn, 0,09% P und 0,046% S
2. Einfluß der Entkohlung
Die angeführten Arbeiten gaben Anlaß zu weiteren Untersuchungen [7]. Bei
der Anwendung des Verfahrens mit Entkohlung wurde zunächst eine schlech
te Wiederholbarkeit festgestellt. Die Stärke und Beständigkeit des Korn
grenzenisolates erwiesen sich als abhängig von der Entkohlungsdauer.
Außerdem fiel auf, daß solche Stähle, die von Natur aus einen höheren
Reinheitsgrad haben, sehr häufig nach der Isolation ein sehr starkes
Korngrenzennetz ergaben. Stark verunreinigte Stähle mit geringem Koh
lenstoffgehalt, bei denen eine Entkohlung nicht erforderlich war, zeig
ten jedoch keine netzartigen Rückstände im Isolat. Daher wurde beson
ders der Entkohlungsvorgang einer kritischen Prüfung unterzogen. Eine
Entkohlung in der angegebenen Form ist nur zulässig, wenn sichergestellt
ist, daß bei der Entkohlung das Gasgemisch über folgende Reaktionen
reagiert:
( 1 )
(2)
Die Reaktionen dürfen nur an der Probenoberfläche ablaufen, da sonst
Veränderungen der Korngrenzenstoffe eintreten können. Nach SCHENCK und
GÖRLICH verläuft auch bei der Entkohlung mit feuchtem Wasserstoff die
Reaktion über Gleichung (1). Weitere Versuche ergaben jedoch, daß die
Seite 10
