FB Chemieingenieurwesen

Labor für Anorg. ChemieAngew. Materialwiss.

Anorganisches Praktikum

3. Semester

Versuch V2 Version 12/2012

Legierungsbildung

und

Differential-Thermo-Analyse

Herstellung von Bronze

Allgemein

Vor ca. 4000 Jahren trat der Werkstoff Bronze erstmals in Erscheinung, das Bronzezeitalter

war angebrochen. Mit einfachen Mitteln wurden Arbeitsgeräte, Kultgegenstände, Schmuck

und Waffen aus einer Legierung mit 90% Cu und 10% Sn hergestellt.

Heute ist Bronze ein wichtiger Werkstoff, der durch seine guten Gleiteigenschaften

vorwiegend im Maschinenbau eingesetzt wird. Die bekannteste Bronze ist die Zinnbronze mit

bis zu 20% Zinn in der Technik.

Die Herstellung der Legierungen erfolgt z.B. durch Zusammenschmelzen der Komponenten,

durch Sintern pulverförmiger Bestandteile oder durch Tempern (Diffusion eines Elements in

die Oberfläche eines Werkstoffes). Der häufigste Typ ist die Metall - Metall Legierung.(z.B.

Messing, Bronze, Lötzinn). Als Beispiel einer Metall - Nichtmetall Legierung sollte noch der

Grauguß (Fe + C) erwähnt werden.

Herstellung der Legierung

Jede Arbeitsgruppe erhält eine andere Cu-Sn Zusammensetzung.

Es werden ca. 1 g Cu-Sn Mischung in den Schmelztiegel eingewogen und vermischt. Danach

wird mit einigen kleinen Stücken Holzkohle überschichtet, um eine reduzierende CO-

Atmosphäre im Ofen zu erzeugen.. Mit Hilfe des Gas - O2 Brenners wird langsam die

Temperatur bis auf milde Weißglut erhöht. (Kontrolle mit Spiegel, da bei zu hohen Temp. der

Tiegel schmilzt!). Die Verweilzeit im Schmelzofen beträgt ca. 30 Minuten. Nach einer

Abkühlzeit von ca. 15 Min. kann der Tiegel aus dem Schmelzofen entfernt werden.

Analytik

Die erhaltene Legierung wird mit Hilfe des Auflicht- Mikroskops und der DTA

charakterisiert.

Der Bronzeklumpen wird unter dem Mikroskop auf Homogenität geprüft. Dazu wird zuvor

mit 400er Schmirgelpapier ein Querschliff angefertigt.

Mit Hilfe einer Zange werden kleine Teile der Metalllegierung abgetrennt und in den DTA

Tiegel überführt (Tiegel sollte zu 75% gefüllt sein). Die DTA wird im Bereich 0 °C – 1000 °C

(Schreiberempfindlichkeit = 200mV) gefahren.

Für die Auswertung wird die Temperatur der Phasenübergänge ermittelt und zugeordnet. Aus

den Einzelmessungen mehrerer Praktikumsgruppen ergeben sich Teile des Phasendiagramms

Cu - Sn!

Phasendiagramm Cu - Sn (Bronze)

Differential-Thermo-Analyse (DTA)

Aufgabe ist die Untersuchung und Charakterisierung der Bronzelegierung mit

der DTA.

Messprotokoll

Versuchsbedingungen

Apparatur:

Messsystem:

Probe:

Inertsubstanz:

Atmosphäre:

Messbereich T:

Messbereich T:

Papiervorschub:

Starttemperatur:

Endtemperatur:

Heizrate:

Haltezeit:

Auswertung:

Anfangsauslenkung / o C

Peak 1 :

Peak 2 :

Peak 3 :

Peak 4 :

Peak 5 :

Deutung der Peaks und Vergleich mit den Literaturwerten!

Prinzip der DTA

Bei der Untersuchung temperaturabhängiger Stoffeigenschaften besitzt die DTA ein weites

Anwendungsgebiet. Die DTA ist hervorragend geeignet, den Wärmeumsatz bei

physikalischen Umwandlungen und chemischen Reaktionen zu bestimmen:

Modifikationsumwandlungen

Phasenumwandlungen

Schmelzen

Verdampfen

Sublimation

Absorption

Desorption

Kristallisation

Chemisorption

Desolvation

Zersetzung

Oxidation

Festkörperreaktionen

Reaktion in Schmelzen

Reaktion mit der Gasphase

Bei der DTA wird eine Probe neben einer Vergleichsprobe einem Aufheiz-/Abkühlvorgang

unterworfen. Der Temperaturanstieg im Ofen erfolgt dabei möglichst linear. Innerhalb der

Probe und der Inertsubstanz befinden sich Thermoelemente. Diese Thermoelemente sind so

gegeneinander geschaltet, daß die Differenz ihrer Spannungen, und damit die Temperatur-

differenz T von Probe- und Inertsubstanz gemessen wird und gleichzeitig mit der

Temperatur T aufgezeichnet werden kann.

Solange in der Probensubstanz keine wärmeverbrauchende oder erzeugende Reaktion abläuft,

haben Probe und Inertsubstanz die gleiche Temperatur. Wenn in der Probe eine endotherme

Reaktion abläuft, bleibt die Temperatur der Probe hinter der Inertsubstanz zurück und das

Meßinstrument zeigt eine Temperaturdifferenz entsprechend der Thermospannung an.

Umgekehrt ist bei einer exothermen Reaktion die Temperatur der Probe höher. Durch die

Richtung der Auslenkung sind also endotherme und exotherme Vorgänge auf dem Diagramm

zu unterscheiden.

Beispiel

Als Beispiel wurde BaCl22H2O gewählt. Die endothermen Effekte sind Wasserabspaltung

und Phasenumwandlung. Im Temperaturbereich 30oC bis 1000

oC treten 5 Peaks auf:

a) 121oC Wasserabspaltung: BaCl2H2O + H2O

b) 188oC Wasserabspaltung: BaCl2 + H2O

c) 574oC Kristallumwandlung: SiO2()SiO2()

d) 933oC Kristallumwandlung: BaCl2(rhombisch) BaCl2(kubisch)

e) 963oC Schmelzen: BaCl2(fest) BaCl2(flüssig)

Als Vergleichsprobe wurde die aktive Vergleichsubstanz Quarz auf der Inertseite eingesetzt.

Sie zeigt eine endotherme Reaktion, die exotherm bei 574oC angezeigt wird.

Die folgende Tabelle zeigt die Thermospannung der verwendeten Nickelchrom-Nickel

Thermoelemente: