Untersuchungen zu Rennfeuererzeugnissen

Transkript

1 Roman Landes, Erbistal 26, Reichling, IGDF Internationale Gesellschaft für Damaszenerstahlforschung e.v Untersuchungen zu Rennfeuererzeugnissen Matthias Zwissler, Roman Landes Rennfeuersymposium in Polle,

2 IGDF Internationale Gesellschaft für Damaszenerstahlforschung e.v Der Kohlenstoff macht Eisen zum Stahl Der Rennfeuerprozess: Der Weg vom Erz zum Renneisen/-Stahl Renneisen/-Stahlerzeugung im Rennofen ohne Erzvorbereitung: 1.Ofenbau: Aufmauern des Ofens mit Ziegeln und Lehm Entscheidend für die Qualität der Ergebnisse sind: Gut isolierendes feuerfestes Material (hier z.b. Lehm) Luftdichtheit der Aufmauerung Ausreichendes Ofenvolumen zur Aufnahme der gewünschten Menge Kohle und Erz Ausreichende Querschnitte zur Isolation und um die Rieselfähigkeit der Rohstoffe zu sichern Ausreichende Bauhöhe und Beschickungsweglängen für den vollständigen Ablauf der Reaktion im Ofen Regelbare Luftzufuhr, sowie genaue Positionierung der Düse in der Reaktionszone 2.Prozessvorbereitung: Anfeuern des Ofens mit Holz und Kohle (Trocknungsbrand) Wurde der Ofen fertig gemauert muss er zunächst gut durchtrocknen um effektiv zu arbeiten. Dazu wird auch nach der Lufttrockung der Ofen mit einem sanft brennendem Feuer ausgeheizt damit er kontrolliert Feuchtigkeit verliert. Auftretende Schwindungsrisse werden wieder mit Lehm verschlossen um die Gasdichtheit des Ofens zu gewährleisten 3.Prozess-Start: Beschicken des Ofens mit Holzkohle und Erzsand Hierbei ist auf gute Rieselfähigkeit der Rohstoffe zu achten sowie auf eine gleichmäßige Beschickung über die gesamte Laufzeit. Mit Berücksichtigung auf die Ofengröße wird für ca.10 Stunden Ofenlaufzeit weiter mit Kohle und Erz beschickt. Wichtig: ständige Kontrolle des Ofenzustandes/ der Prozesstemperatur. 4.Prozessführung: Feuerung mit kontrollierter Luftzufuhr (Temperatur) Die Steuerung des Prozesse läuft, wie im Altertum auch, über die Luftzufuhr. Diese regelt die Prozesstemperatur und hat damit großen Einfluss den Ablauf der chemisch/ physikalischen Reaktion im Ofen. Ziel ist es, den Ofen im Bereich der Sintertemperatur zwischen 1000 C und 1200 C zu betreiben. 6.Prozess-Ende: Öffnen des Ofens und Entnahme der Luppe Der Ofen wird nach Beendigung des Prozesses im heißen Zustand mechanisch geöffnet und die Luppe wird heiß entnommen. Im Idealfall ist die Luppe ein Gemisch aus reduziertem Eisen mit verschieden hohen Anteilen Kohlenstoff im Gefüge. Sie liegt in der festen Form vor und ist porös und mit Schlackestoffen und Holzkohleresten versetzt. 7. Weiterverarbeitung Verdichten In der Regel wird die Luppe unmittelbar aus dem Ofen entnommen und sofort durch vorsichtig gesteigertes überschmieden verdichtet: Auch wird bei großen Luppen gerne eine sofortige Teilung der Luppe in handhabbare Stücke gemacht. 8.Weiterverarbeitung Raffinieren (homogenisieren) oder Frischen Im Anschluss an das Verdichten wird je nach Qualität des Erzeugnisses entweder direkt durch mehrere Feuerschweißvorgänge raffiniert oder es wird durch ein Frischfeuer gezielt auf- oder abgekohlt um anschließend schmiedbares Renneisen/ -Stahl zu bekommen. Prinzipskizze Direktreduktion im Rennofen Eisenerz (rot) Luppe Luftzufuhr (Wind) Theoretische Grundlagen Direktreduktion: Stöchometrische Formeln der chemischen Grundvorgänge bei der Direktreduktion von Erz zu Roh- Eisen/Stahl: 6 Fe 2 O 3 + C => 4 Fe 3 O 4 + CO 2 4 Fe 3 O C => 12 Fe + 8 CO 2 Dieser Vorgang der Stahlerzeugung läuft in der festen Phase des Eisens ab. d.h. ein Eisenerzpartikel (fest) wird zu einem Eisenpartikel (fest). Durch Sintern (Diffusion) wird daraus ein Eisenschwamm. Nun kann das Eisen Kohlenstoff aufnehmen (der Kohlenstoff wird im Eisen gelöst) und wird dadurch zum Stahl. Da dieses Verfahren ohne ein Aufschmelzen des Eisens auskommt nennt man es auch Direktreduktion. Ein Schmelzen würde zu unerwünschtem Gusseisen führen. Die bei dem Prozess entstehende Schlacke, wird großteils flüssig am Boden des Ofens abgeschieden. Der reale Sinterprozess im Detail: Die Mikroskopaufnahme 100fach, zeigt das Anwandern/ Sintern der reduzierten Eisenkörner Fe (von links) an einen Ferrit- Nukleus (rechts). Die Umgebung ist erstarrte Schlacke (schwarz) Holzkohle (schwarz) Aufmauerung (Ziegel, Ton, Lehm) Schlacke (schwarz) Temperatur C ) In der Reduktionszone wird dem Eisenerz (Fe^2 O 3 ) der Sauerstoff (O) entzogen und gleichzeitig Kohlenstoff (C) zugeführt (Diffusion). In der Realität laufen viele Prozesse parallel ab und es entstehen viele verschiedene chemische Verbindungen, unter Anderem Kohlenmonoxid, das für eine Aufkohlung des entstandenen Eisens und somit für die Bildung von Stahl sorgt. Reduktionszone 1) Sinterzone Fe

3 Beispiele für erzeugtes Eisen aus den Rennfeuern in Greven Ergebnisse aus den Rennfeuer versuchen aus Greven 08/2004 Bullermann Gussstahl Greven Bullermann Versuche von Greven mit Alfred Bullermann Erste Diskussion der Ergebnisse Luppe Alfred Bullermann

4 Viele Gesichter des Werkstoffes Stahl nach einer Erzeugung im Rennfeuer Ergebnisse aus den Rennfeuer versuchen aus Greven 08/2004 Bullermann Gußstahl Greven Bullermann Gussstruktur 50fach Wiedmanstättische Erstarrungsstrukturen Gussstruktur 500fach Ferrithöfe in (blau) mit eutektischem Karbid (Perlit) Umgebung Fe3C (weiß) Gussstruktur 500fach Ferrithöfe in (blau) mit eutektischem Karbid (Perlit) Umgebung Fe3C (weiß) Gussstruktur 500fach Ferrithöfe in (blau) mit eutektischem Karbid (Perlit) Umgebung Fe3C (weiß) Gussstruktur 500fach Ferrithöfe in (blau) mit eutektischem Karbid (Perlit) Umgebung Fe3C (weiß) Gussstruktur 1000fach Ferrithöfe in (blau) mit eutektischem Karbid (Perlit) Umgebung Stand: Fe3C (weiß)

5 Einfache Erzeugung von Roheisen/ Stahl im Rennfeuer Ergebnisse aus dem Rennfeuer versuchen aus Greven 08/2004 Zwissler/ Landes Greven Zwissler/ Landes Öffnen des Ofens Matthias Zwissler Hier kommt die Luppe aus dem Ofen Luppe fertig zum Verdichten

6 Momentaufnahme des Sinterprozesses im Rennfeuer Ergebnisse aus dem Rennfeuer versuchen aus Greven 08/2004 Zwissler/ Landes, Renneisen Greven Zwissler/ Landes Sinterstruktur 50fach Sinterstruktur Ferrit 5000fach Anwandern der reduzierten Eisenkörner (von links) an einen Nukleus (rechts). Umgebung erstarrte Schlacke in schwarz Sinterstruktur 100 fach Sinterstruktur 200fach Sinterstruktur 500fach

7 Erzeugung von Renneisen/ Stahl auf hohem Niveau in Japan Ergebnisse aus dem Rennfeuer versuchen aus Japan Ichiro Matshuba Tamahagane Stahl Tamahagnae Ichiro Matshuba Sinterstruktur 50fach FE3C(weiß) +Perlit (weiß) +Ferrit (bunt) Lunker schwarz Sinterstruktur 50fach FE3C(weiß) +Perlit (weiß) +Ferrit (bunt) Lunker schwarz Sinterstruktur 50fachFE3C(weiß) +Perlit (weiß) +Ferrit (bunt) Lunker schwarz und Risse FE3C(weiß) +Perlit (weiß) +Ferrit (bunt) Sinterstruktur 200fach Fe3C Eisenkarbid/Perlit (weiß) mit Rissen Sinterstruktur 500fach

8 Ingenieurwissenschaftliche Untersuchungen an Raffinierstahlklingen aus dem Rennofen Einleitung Zusammenfassung Ausgangssituation: Eine geschmiedete und feuergeschweißte Klinge aus Raffinierstahl die bei der Härtung durch Risse zerstört wurde wird mittels metallografischer Analytik untersucht. Untersuchungsziel: Klärung der Rissbildung. Herausstellen metallografischer Besonderheiten einer Raffinierstahlklinge. Angewandte Methoden: Trennen einbetten und Querschliff der Probe. Ätzen der Proben mit Beraha 1 und anschließende lichtmikroskopische Beurteilung de Probe. Spitze der Klinge geschmiedet Helmut Müller Österreich 2004

9 Klassische Untersuchungsmethoden ergeben Rückschlüsse auf die Qualität der erzielten Ergebnisse Untersuchungssektoren Schnitt A-A A Probenlage A A Gerissene Klinge bei der Wärmebehandlung Schnittlagen A-A Fe3C Nichtmetallische Einschlüsse A Schnitt A-A Nichtmetallische Einschlüsse

10 Roman Landes, Erbistal Reichling, IGDF Internationale Gesellschaft für Damaszenerstahlforschung e.v Nichtmetallische Einschlüsse bestimmen einen Teil der mechanischen Eigenschaften Ergebnisse an der Schneidenspitze Schneidenspitze Nichtmetallische Einschlüsse Nichtmetallische Einschlüsse

11 Hinweise auf Behandlungspotentiale in der Weiterverarbeitung Ergebnisse Klinegenkörper Randenkohlung Nichtmetallische Einschlüsse Martensit Mittel- bis grobnadlig

12 Besonderheiten im Bereich des Klingenkörpers Ergebnisse Klingenkörper Zementit Fe3C Zwischenstufengefüge mit Anteilen an Zementit Fe3C und Perlit

13 Ein verbesserungspotential aus technischer Sicht ist gegeben Grundlegende Erkenntnisse: Die Metallografie des Klingenstückes belegt einen hohen Austenitisierungszustand einer übereutektoiden Klingengrundmasse mit einer großen Anzahl eingeformter nichtmetallischer Einschlüsse und Karbidseigerungen im Klingenkörper. Weiterhin sind entkohlte bereiche der Randschicht festzustellen. Der hohe Austenitisierungsgrad ist mit großer Wahrscheinlichkeit die Hauptursache für das Zerreißen des Werkstückes. Hervorgerufen wurde dieser durch eine Kombination aus zu hoher und zu lange einwirkender Temperatur auf das Werkstück in Zusammenhang mit einem auf die Schneide hin zulaufenden abnehmenden Materialquerschnitt. Vorhandene nichtmetallische Einschlüsse können dabei als Ausgangsbasis für die Rissbildung unterstützt haben.

14 Die Beherrschung der Grundprozesse ist der Schlüsse zum Erfolg Methodische Behebung von Behandlungsfehlern Zusammenfassung Es ist bei zukünftigen Werkstücken darauf zu achten, Nicht zu geringe Materialquerschnitte, an der Schneide bedeutet eine Bearbeitungszugabe von ca. 0,5mm Homogenes Erhitzen im Medium Homogenes Abschrecken im Medium Ggf. milderes Abschreckmedium Erhöhter Raffinationsgrad des Grundmaterials gezieltes Diffusions- und Weichglühen und Normalisieren vor der WB Schutz der Oberfläche vor Entkohlung durch geeignete Mittel.

15 Gestern und Heute im Vergleich Rennfeuerstahl und moderner Werkzeugstahl in gleicher Vergrößerung Nichtmetallische Einschlüsse Karbid weiß Martensit blaugrau angelassen mit braunen Anteilen unangelassen Martensit blauschwarz Angelassen Moderner Stahl (C105 W1) Nichtmetallische Einschlüsse Auch ohne spezielle chemische Analyse lässt die Gefügestruktur beider Stähle auf eine recht ähnliche Chemische Zusammensetzung schließen (Gefügeanteile und Funkenprobe) Das Rennfeuererzeugnis besteht aus groben Martensit mit nichtmetallischen Einschlüssen (Fehlerstellen) Der Moderne Stahl besteht aus feinnadligen Martensit und fein verteilten Karbiden (Zementit Fe3C)