Anorganisches Praktikum 3. Semester FB Chemieingenieurwesen Labor für Anorg. Chemie Angew. Materialwiss. 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 - O 2 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: Peak 1 : Peak 2 : Peak 3 : Peak 4 : Peak 5 : Anfangsauslenkung / o C 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 Temperaturdifferenz 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 BaCl 2 2H 2 O gewählt. Die endothermen Effekte sind Wasserabspaltung und Phasenumwandlung. Im Temperaturbereich 30 o C bis 1000 o C treten 5 Peaks auf: a) 121 o C Wasserabspaltung: BaCl 2 H 2 O + H 2 O b) 188 o C Wasserabspaltung: BaCl 2 + H 2 O c) 574 o C Kristallumwandlung: SiO2( ) SiO2( ) d) 933 o C Kristallumwandlung: BaCl 2 (rhombisch) BaCl 2 (kubisch) e) 963 o C Schmelzen: BaCl 2 (fest) BaCl 2 (flüssig) Als Vergleichsprobe wurde die aktive Vergleichsubstanz Quarz auf der Inertseite eingesetzt. Sie zeigt eine endotherme Reaktion, die exotherm bei 574 o C angezeigt wird.
Die folgende Tabelle zeigt die Thermospannung der verwendeten Nickelchrom-Nickel Thermoelemente: