Metallkunde: Band 1 Aufbau der Metalle und Legierungen [2. Aufl. Reprint 2019] 9783111364292, 9783111007113

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Sammlungo Göschen Band 432

Metallkunde E i n f ü h r e n d e s über Aufbau, E i g e n s c h a f t e n und U n t e r s u c h u n g von Metallen und L e g i e r u n g e n sowie ü b e r G r u n d l a g e n d e s S c h m e l z e n s , des G i e ß e n s , des V e r f o r m e n s , d e r W ä r r a e b e h a n d l u n g , d e r O b e r f l ä c h e n b e h a n d l u n g , der Verbinde- und Trennarbeiten Von

Prof. Dr.-Ing. habil. Heinz Borchors I Aufbau der Metalle und

Legierungen

Mit 2 Tabellen und 90 Abbildungen Zweite

W a l t e r d e

Auflage

G r u y t e r

&

Co

vormals G. J . Göschen'scbe Verlagshandlung • J . Guttentag Verlagsb u c h h a n d l u n g • G e o r g Reimer • K a r l J . T r ü b n e r • Ve>t & C o m p .

Berlin 1950

A l l e R e c h t e , i n s b e s o n d e r e d a s Ü b e r s e t z u n g s r e c h t, von der V e r l a g s h a n d l u n g

vorbehalten

Inhalt der Bände II und III Band II.

Kigenschaften sowie Grundzüge der Form- und Zustandsgebung (Elektrolyse, Sintern, Spritzen, Schmelzen, Gießen, Erstarren, Verformen, Verbinden, Wärmebehandlung einschl. Härtung, Rekristallisation, Oberflächenbehandlung, Verbinde- und Trennarbeiten)'

B a n d I I I . Die metallkundlichen

Untersuchungsmethoden.

S S S " ) E r s a t z f ü r d e n bisherigen B d . Nr. 432. Rüntgenograp Iii sehe Untersuchung. Andere physikalische Untersuchungen wie Dilatometrie, Widerstandsmessung, Wärmeleitfähigkeitsmessung, magnetische Messungen. Hinweis auf mechanisch technische Untersuchungen, Hinweis auf spezielle chemische Untersuchungen und Korrosionsprüfung. Die Bände I u. I I I dienen zugleich als Ersatz für die Bände Nr. 432 und 433 der Metallographie von E . H e y n f u. O. B a u e r f -

Archiv-Nr. 11 0 4 3 2 D r u c k von W a l t e r de G r u y t e r & Co., B e r l i n W 55 Printed in Germany

Inhaltsverzeichnis I. II. III. IV. V.

Aufgaben der Metallkunde Begriff und Bedeutung des Metalls Aufbaustufen des Metalls Einstoffsysteme Zweistoffsysteme A. Im gasförmigen Zustand B. Im flüssigen Zustand

1. Vollkommene Unlöslichkeit 2. Vollkommene Löslichkeit 3. Teilweise Löslichkeit C. Im festen Zustand 1. Vollkommene Löslichkeit 2. Vollkommene Unlöslichkeit 3. Teilweise Löslichkeit 4. Änderungen im festen Zustand a. Ausscheidung b. Aufspaltung c. Umwandlung D. Schematischs Übersicht über die Kapitel B u. C. E. Ausgewählte, technisch wichtige Zweistoffsysteme 1. System Fe-C 2. System Cu-Zn 3. Cu-Zn-ähnliche Systeme 4. Leichtmetallsysteme und ähnl.ch 5. Nichtmetallische Zweistoffsyst me F. Übergangvomflüssigen in den gasförmigen Zustand VI. Dreistoffsysteme VII. Mehrstoffsysteme VIII. Phasenregel IX. Schrifttum Namen und Sachverzeichnis

4 4 9 18 22 22 22 23 26 27 30 30 37 48 56 56 57 58 CO 63 63 77 84 85 88 92 92 103 104 107 109

I. Aufgaben der Metallkunde Die Metallkunde behandelt den Aufbau, die Eigenschaften, die Verarbeitung sowie die Untersuchung der Metalle und der Legierungen von Metallen miteinander oder mit Nichtmetallen. Unter Verarbeitung sind Elektrolyse, Spritzen, Sintern, Schmelzen, Gießen, bildsame (spanlose) Formgebung, Verbinden, Trennen, Wärme- und Oberflächenbehandlung zu verstehen. Nicht einbezogen wird die Zerspanungstechnik (spanabhebende Bearbeitung), der die Metallkunde die legierungstechnischen Grundlagen für die Wahl des Werkzeuges und des zu zerspanenden Werkstoffes liefert. Wichtigste Voraussetzung zur Beherrschung und zweckmäßigsten Anwendung der Metallkunde sind gutes chemisches, physikalisches, physikochemisches und das dazu gehörende mathematische Grundwissen sowie die Kenntnis der Forderungen der Technik. Ein gewisses Verständnis für die Metallkunde kann aber auch schon, wenn die genannten Voraussetzungen nicht voll vorhanden sind, gewonnen werden und wertvolle technische Dienste leisten.

II. Begriff und Bedeutung des Metalls Der Begriff des Metalls wird durch mehrere Eigenschaften umrissen, von denen nicht jede allein kennzeichnend ist, wie nebenstehende Übersicht in Tabelle 1 zeigt. Die Grenze zwischen Metallen und Nichtmetallen kann je nach der Gruppe der Eigenschaften, der man die größte Bedeutung beimißt, mit mehr oder weniger Berechtigung gezogen werden. So rechnen viele Metallurgen gerne, aber wie aus Tabelle 1 hervorgeht, mit nicht allzu großer Berechtigung den Walsserstoff wegen seines elektrochemischen Verhaltens und seiner überragenden Löslichkeit zu den Metallen. Elemente wie Zinn, Selen und Arsen kann man wegen ausgesprochen metal-

Begriff und Bedeutung des Metalls

Tabelle 1 Charakteristische Eigenschaften der Metalle Bei 20° fest metallischer Glanz bilden Oxyde bilden Hydroxyde bilden Sulfide bilden Hydride bilden mit Säuren Salze außer in Metall in keinem Mittel ohne chemische Einwirkung löslich, aus dem es wieder auskristallisieren kann bei allotroper Modifikation keine sichtbare Änderung im äußeren Habitus Produkt aus spezif. "Wärme und Atomgewicht Konstante 6,4 legieren sich nicht mit Nichtmetallen zu homogenen Mischungen legieren sich nicht mit Metalloiden, mit denen sie Verbindungen bilden

Ausnahmen bei den als Zutreffend bei einzelnen nicht als Metalle angesehenen Metalle angeseheElementen, soweit nen Elementen *) untersucht Hg, (H 2 ) keine (fester H 2 ) keine keine keine mehrere keine (außer H 2 ) keine (außer Ii 2 )

Gasform

keine

ja

mehrere

ja

Molekel

plastische Formänderungsfähigkeit im festen Zustand

ja

mehrere, aber es verliert sich dann auch der metallische Charakter mehrfach unsicher

keine (außer molekueinatomig larem Wasserstoff) als Ion elektropositiv geladen (daher H 2 oft zu Metallen ge* keine rechnet) gute elektrische und Wärmeleit- keine (außer H,) fähigkeit Temperaturkoeffizient der elekkeine trischen Leitfähigkeit negativ in

ja ja ja nein ja ja nein

keine, soweit in genügender Reinheit untersucht, manche aber schon ziemlich spröde

ja nein (Si?) nein, auch bei Graphit weniger als bei Metallen nur bei reinem Graphit

*) Nicht als Metalle gerechnet: B, C, Si, N, 0 , P, S, F, Cl, Br, J , He, Nc, Ar, Kr, X, Rn.

lischer Zustandsformen1) zu den Metallen zählen, in anderen Zustandsformen sind sie ausgesprochene Nichtmetalle. Den Graphit kann man trotz der durch die ^-Elektronen im Graphit*) Manche Elemente können im festen Zustand in verschiedenen Zustandsformen (Modifikationen) auftreten.

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32 Ge

28 Ni 29 Cu 30 Zn 31 Ga

5) Schmelzpunkte in °C. abgerundet. g

24 Cr

23 V

fl. = im flüssigen Zustand;

4) Spezifisches Gewicht abgerundet;

ß, y, s |?

sehr unedle

k.fl.

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238,1

173,5 175,0

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22,5 2454» 1774» 1063»

22,5 2500»

21,2

19,1

16,6

3030» 3370» 3167»

13,3

k.r.

2207»

k.r.

70 Yb 71Cp

169.4

162,5 163,5 167,7

66 Dy 67 Ho 68 Ez • 69 Tu

114» — 112»

452»

630»

—71°

5,5 fl.

222,0

80Rn

3,1 fl.

4,9

h. 6,2

rh. 6,7

k. fl.

127,5

121,8

54 X

53 J 126,9 130,2

52 Te

51 Sb

S TT

227

88Ral 89 Ar

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h.

3 g 19,3

195,2 197,2

193,1

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0

h.

77 Ir 1 78 Pt 79Au

76 Os

840»

181,5 184,0 186,3

6,1

810»

coo

1,9

3,7

rh.

710»

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» SIE ® S

28»

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63 Eu 64 Gd

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72 Hf

•am . ai o PH f - i .. 2 »O CT, m 7,7

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132,8 137,4 138,9

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55 Cs 56 Ba 57 La

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< 1950» 1966» 1555» 961»

12,4

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1860»

k. fl.

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102,9 106,7 107,9

101,7 112,4 114,8

45 Rh 46Pd 47 Air 18 Cd 49 In

44 Rn >a ** ji

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k. fl.

40 Zr

87,63' 88,93

S CO II 19

38 Sr| 39 Y

Begriff und Bedeutung des Metalls

7

in 30

1 8 %

.1

* i

8

Begriff und Bedeutung des Metalls

gitter bedingten Eigenschaften nicht zu den Metallen rechnen, da z. B. seine Leitfähigkeit in der Größenordnung noch viel niedriger liegt. Weitergehende Betrachtungen, die man auf Grund der durch die Elektronenanordnung bedingten metallischen Eigenschaften, sowie auf Grund der bevorzugten Gitterformen (kubisch flächenzentriert, kubisch raumzentriert oder hexagonal dichteste Kugelpackung) anstellen könnte, würden hier zu weit führen. Näheres siehe Dehlingen Chemische Physik der Metalle und Legierungen, Akad. Verl. Ges., Leipzig 1939. In Tabelle 2 sind im periodischen System von den 92 Elementen 18 fettgedruckt, die nicht als Metalle angesehen werden können; in dieser Tabelle ist auch der W a s s e r s t o f f n i c h t mehr a l s M e t a l l gekennzeichnet. Mit Rücksicht auf Vorkommen, Herstellungspreis und Eigenschaften können diese 74 Metalle nicht alle allein oder legiert als Werkstoffe Verwendung finden. In reiner Form oder als Hauptbestandteil einer Legierung kommen bisher vorzugsweise nur 19 Metalle zur Anwendung: Die Leichtmetalle 1 ). . . . die niedrigschmelzenden Schwermetalle die hochschmelzenden Schwermetalle . . die sehr hochschmelzenden Schwermetalle

Magnesium, Aluminium; Z i n k , Kadmium, Z i n n , B l e i , Quecksilber; E i s e n , Chrom, Kobalt, N i c k e l , K u p f e r , Silber, Gold, Platin, Palladium ; Wolfram, Tantal, Molybdän.

Gesperrt gedruckt sind die Metalle, die in Mengen von Zehntausenden bis Millionen Tonnen im Jahr in der Welt hergestellt werden. Als Legierungszusätze zu den einzelnen dieser 19 Metalle können die übrigen dieser 19 Metalle sowie die restlichen 55 L ) Einteilung der Metalle nach spezifischem Gewicht, Schmelzpunkt u. a. siehe Tabelle 2 und bei der Besprechung der Eigenschaften in Band II.

Aufbaustufen des Metalls

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Metalle in Frage kommen, außerdem von den Nichtmetallen vor allem Kohlenstoff und Silizium. Berücksichtigt man, daß nicht nur Legierungen aus zwei, drei und mehr Stoffen, sondern diese auch in verschiedensten Konzentrationen und Zuständen hergestellt werden können, so ergibt sich, daß die Legierungsmöglichkeiten unerschöpflich sind und ihre unübersehbare Zahl Milliarden übersteigen kann. Zu den h e r v o r s t e c h e n d s t e n E i g e n s c h a f t e n der Metalle gehören die plastische (bildsame) Verformbarkeit und die elektrische Leitfähigkeit durch Elektronen. Was unter der bildsamen Verformbarkeit genauer zu verstehen ist, werden wir in den einschlägigen Kapiteln in Bd. Ilkennenlernen. Es sei vorweg erwähnt, daß diese über die elastische Formänderungsmöglichkeit im festen Zustand hinausgehende Eigenschaft maßgebend für die weitgehende Verformbarkeit durch Schmieden, Pressen, Walzen, Ziehen und für das günstige Verhalten bei mechanischer Beanspruchung ist. Ein Gefühl für diese Eigenschaft wird durch den Hinweis gegeben, daß sie allen anderen Werkstoffen wie Holz, Stein, Glas, Gummi und Kunstmassen fehlt. Dem günstigen mechanischen Verhalten der metallischen Werkstoffe und weiterhin der elektrischen Leitfähigkeit verdanken wir bekanntlich den hohen Stand unserer technischen Entwicklung. Ohne Metalle sind unser Maschinenbau, unsere Elektrotechnik, unsere schnellen Verkehrsmittel, sogar unsere einfachsten Hilfsmittel des täglichen Bedarfs wie Messer und Nadel undenkbar. Welche Rolle das Erscheinen der Metalle als Werkstoffe in der Geschichte der Menschheit gespielt hat und spielt, geht schon daraus hervor, daß die der primitiven Steinzeit folgenden Epochen als Bronze- und Eisenzeit bezeichnet wurden und daß unser heutiger technischer Fortschitt untrennbar von Stahl, Leichtmetall und vielen andern metallischen Werkstoffen ist. Die erfolgreiche Entwicklung hochwertiger metallischer Werkstoffe ist nicht einem zufälligen oder planlosen Experimentieren zu verdanken, sondern sie ist fast ausschließlich vorgetrieben durch planvolle Arbeit von wissenschaftlich exakt geschulten Männern aus den Forschungsstätten und aus den praktischen Betrieben.

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Aufbaustufen des Metalls

III. Auibaustufen des Metalls Bei der Erstarrung einer Metallschmelze bilden sich an einzelnen Stellen Wachstumszentren aus, von denen Kristalle in Form verschiedenartiger Gebilde mit bestimmter Orientierung 1 ) wachsen, bis sie durch Zusammentreffen ihre Begrenzung finden. Diese Begrenzungen entsprechen nicht den natürlichen Grenzen völlig frei gewachsener Kristalle. Man bezeichnet die durch das Zusammentreffen begrenzten Körper als Kristallite oder Körner und ihre auf Schliffen sichtbar gemachten Begrenzungslinien als Korngrenzen.

Beginn: Fortschreiten: Ende: Erste Keime Wachstum und Begrenzung z. T. gewachsen neue Keime nach Zusammenstoßen Verschiedene Schraffur deutet verschiedene Orientierung (Lage der Kristallaehsen) der Körner an. Abb. 1. Schema des Erslarrungsvorgangs und der Korngrenzenbildung (stark vergrößert).

Die Kornbildung beim Erstarrungsvorgang können wir uns schematisch so veranschaulichen, wie es Abb. 1 zeigt. Die einzelnen Körner weisen je nach der Lage der zuerst gebildeten Kristallkeime auch in ihrem weiteren Aufbau eine bestimmte Orientierung auf. Je nach der Richtung der Kristallachsen sind die Eigenschaften der einzelnen Körner verschieden (anisotrop). Es handelt sich nicht um einen sieh nach allen Richtungen gleichverhaltenden (isotropen) Aufbau, wie ihn Schmelzen oder Gläser zeigen. Die Anisotropie kann leicht nachgewiesen werden. Wenn man einen Schnitt durch ein Metallstück legt und die Schnittflächen zwecks Beobachtung bei hohen Vergrößerungen schleift und poliert, so werden in 1

) d . h . Lage der K r i s t a l l a c h s e n .

Aufbaustufen des Metalls

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einzelnen Fällen direkt, meist allerdings erst nach einer Anätzung die geschnittenen Körner mit ihren Umgrenzungen sichtbar. Ätzt man nun einen solchen Schliff länger, so kann man feststellen, daß die Körner, auch wenn sie untereinander vollkommen gleiche chemische Zusammensetzungen aufweisen, verschieden schnell angegriffen werden. Die chemische Angreifbarkeit der angeschnittenen Kornflächen ist also je nach der Richtung, die die einzelnen Körner bei ihrer Bildung eingenommen hatten, verschieden. Abb. 2a zeigt die durch mäßige Ätzung zunächst entwickelten Korngrenzen. Abb. 2 b

t. a Abb. 2. Korngrenzen- u n d K o r n f l ä c h e n - Ä t z u n g .

läßt den infolge stärkerer Ätzung erfolgten verschiedenartigen Angriff der Kornflächen erkennen. Die dunkel erscheinenden Flächen sind durch starken Angriff mehr aufgerauht und haben senkrecht auffallendes Licht bei der Aufnahme schwächer zurückgeworfen. Nicht nur die chemischen, sondern auch die meisten anderen Eigenschaften zeigen je nach der Kornrichtung ein Verschiedenartiges Verhalten. Bei großgezüchteten Einkristallen kommt diese Anisotropie sehr stark zum Ausdruck, bei den üblichen metallischen Gegenständen wird sie aber äußerlich durch die verschiedene Lage, Vielzahl und Feinheit der Körner, aus denen • sie aufgebaut sind, verwischt. Die Korngrößen der gebräuchlichen metallischen Werkstoffe schwanken etwa in der Größenordnung von 0,01 mm bis 10 mm. Das ein-

12

Aufbaustufen des Metalls

zelne Korn ist meist mit bloßem Auge nicht zu sehen. Die Vielzahl der an sich verschieden gerichteten Körner verleiht den meisten Metallstücken den Eindruck eines nach allen Richtungen sich gleich verhaltenden Stoffes (quasiisotrop). Wir haben nun gesehen, daß ein Metall aus Körnern aufgebaut ist, deren Begrenzungen durch zufälliges Aneinanderstoßen entstanden sind. Ich wiederhole noch einmal, daß diese Begrenzungen nicht etwa wohl definierten Kristallgrenzen ungestört gewachsener Kristalle entsprechen, wie wir sie bei frei

Al:b. 3.

Metall t i e f g e ä t z t . Vergrößerung (iOOOmal, elektronemnikroskupisclie A u f n a h m e (v. H . Mahl u. F . P a w l e k ) .

gewachsenen Kristallen aus der Mineralogie oder aus vielen Kristallisationsvorgängen aus Flüssigkeiten kennen. Nur wenn wir während der Erstarrung in einem Augenblick, in dem erst eine gewisse Menge von Kristallen frei in die Schmelze hineingewachsen ist, plötzlich die Restschmelze ausgießen, so können wir auch ungestört entwickelte, metallische Kristallgebilde zur Beobachtung bringen. Auch an freien Oberflächen erstarrter Metallstücke ist oft die Ausbildung wenig gestörter Kristallisation zu sehen. Innerhalb der Körner läßt sich auch noch häufig ein bevorzugtes Wachsen in verschiedenen Richtungen während ihres Aufbaus an dem Auftreten der sogenannten Tannenbäumchen oder Dendriten erkennen. E s muß uns interessieren, woraus die einzelnen Körner bestehen. B e i kräftigem Ätzen sieht man, daß jedes Korn aus einer großen Zahl gleich orientierter Kristallbausteine besteht,

Aufbaustufen des Metalls

13

wie es schon bis zu einem gewissen Grad bei Abb. 1 dargestellt worden war. Eine Tiefätzung zeigt Abb. 3. Sie läßt deutlich erkennen, daß die Körner aus einer großen Zahl in diesem Fall würfeliger (kubischer) Bauelemente bestehen. Sie sind innerhalb jedes Kornes gleichartig angeordnet (orientiert). Die Richtung ist aber beim Vergleich verschiedener Körner untereinander verschieden. Diese durch die Tiefätzung entwickelten Bauelemente des Kornes lassen schon gewisse Schlüsse auf das Kristallsystem der Bauelemente zu. Die hier sichtbar gemachten Bausteine sind aber wieder aus immer feiner werdenden gleichartigen Bausteinen aufgebaut, die weit unter die Größe heruntergehen, die man mittels Mikroskop und mittels der kürzesten Wellenlänge des Lichtes im sichtbaren Gebiet von 0,65 • 10~ 3 bis 0 , 4 5 - 1 0 ~ 3 m m auflösen kann. Das Auflösungsvermögen erfaßt noch Abstände von etwa — — mm. Hierbei muß man voraussetzen, daß unser Auge 8 10000 auf 25 cm (konventionelle Sehlänge) noch zwei um Y 1 5 m m voneinander entfernte Punkte unterscheidet, daß außerdem ein hochwertiges Objektiv mit einer numerischen Apertur von 1,3 und blaues Licht mit einer Wellenlänge von 0,45 • 10 mm

') Siehe Band I I I .

14

A u f b a u s t u f e n des Metalls

Steigerung der Vergrößerung um das 10- bis lOOfache ermöglicht. Die Bausteine gehen bis zu einer Größenordnung von etwa 1 bis 5 • 10~ 7 mm, d. i. 1 bis 5 Ä ) herunter. Ihr Nachweis ist nur mit einer entsprechenden Wellenlänge,

(nach Bragg).

liegt folgende Überlegung zugrunde. Die kleinsten Kristallteile sind aufgebaut aus Atomen, die in Abständen von etwa 10 ~ 7 mm in einer bestimmten Stellung zueinander angeordnet sind, wie es etwa die umstehende Abb. 4 darstellt. Der Übersichtlichkeit halber sind nur die Mittelpunkte der Atome angedeutet. Wollte man die Größe der Atome bzw. ihren Einwirkungsbereich wiedergeben, so müßten in das Gitter sich fast berührende Kreise bzw. Kugeln gezeichnet werden. Man spricht von einem gitterförmigen Aufbau und von Gitterebenen, die von Atomen besetzt sind. Läßt man nun unter einem bestimmten Winkel auf die Gitterebenen eine Strahlung bestimmter Wellenlänge auftreffen, so kann man aus der bewirkten Reflexion, nach dem Braggschen Reflexionsgesetz, die wichtigsten Daten über Abstand der Atome und ihre Anordnungherleiten (Abb. 5). Es hat sich ergeben, daß die Materie nach den in Abb. 6 dargestellten Kristallsystemen aufgebaut ist. Die Metalle bevorzugen die kubische und hexagonale Form. ') 1 A = 1 Angström = 0,000 000 1 mm = 10"* mm = 10"' cm. r ) Die Wellenlänge der Röntgenstrahlen liegt ungefähr in der Größenordnung der Atomabstände im Gitter.

Aufbaustufen des Metalls

15

HanoXimti *mt &nMch*s ¿/ifa&tj Tthomtofchti & menoJi/t*4$5s* Me/r%6. Sifir Vns.f/& ffcLcheiZintr X*jLsc/m Sifor ^¿¡jb/^cha frfor-

iZ.

«0 Ii Abb. 6. Gitteraufbau.

Aus. der physikalischen Grundlagenforschung wissen wir nun weiter, daß die Atome auch nicht mehr kleinste unteilbare Massenteilchen sind, sondern daß sie wieder eine Welt für sich darstellen. Sie sind nach den bisherigen, aber bei weitem noch nicht abge^ schlossenen Feststellungen ( ( Msi? aufgebaut aus dem Atomkern, bestehend aus elek*«