Unbelebtes und undurchsichtiges - Aufnahmen aus der Materialographie

Tim Schubert · April 08, 2013, 01:15:08 VORMITTAG

Hallo Mikroskopiker,

ich möchte hier gerne meine Mikroskopwelt mit euch teilen, alles unbelebt und undurchsichtig.
Auflichtmikroskopie an materialographischen Schliffen.

Es handelt sich hierbei um die Darstellung einer Eisenluppe aus einem Rennofenprozess. Vor der heute bekannten Eisenverhüttung wurde in sog. Rennöfen aus Eisenerz durch Direktreduktion schmiedbares Eisen hergestellt. Die heute noch gebräuchliche Verhüttung ergibt ein nicht direkt verarbeitbares Roheisen welches erst im sog. Frischprozess zu Stahl umgewandelt wird.

Zeiss AxioImager Z2m
EC Epiplan Neofluar HD DIC 10x
Hellfeld
Kontrastierung mit 3%-iger alkoholischer Salpetersäure

Freundliche Grüße von der schwäbischen Ostalb.

Tim

Bastian · April 08, 2013, 07:51:22 VORMITTAG

Guten Morgen Tim.
das ist ein schönes Bild dass Du uns da zeigst und beweist dass Du Deine Präparation gut beherrscht.
Kannst Du uns noch ein wenig mehr erzählen, z.B. wo die Erze herkommen, bzw welche das sind? Wenn Du von der Ostalp bist könnten es ja Bohnerze sein...
In Schliff wäre es gut wenn Du markierst welche Phasen vorhanden sind, und u.U. auch was das zu bedeuten hat?
Eisen wird ja wohl nur die hellste der mindestens vier Phasen sein? Der Rest: Schlacke mit Wüstiteinschlüssen? Woraus besteht die dunklegraue Matrix? Ist das glasig? Das dunkelste wird wohl das Einbettharz sein....

Kannst Du uns/mir noch eine vergrößerte Aufnahme der Schlacke zeigen?
Viele Grüße,
Bastian

olaf.med · April 08, 2013, 08:27:20 VORMITTAG

Hallo Tim und Bastian,

sehr schönes Bild!

Ich kenne mich in der Schlackenmikroskopie fast garnicht aus, aber könnte es sich bei der mittelgrauen Phase nicht auch um Fayalith handeln? Die Verwitterungskruste in der linken unteren Ecke ist ja wohl Goethit/Lepidokrokit.

herzliche Grüße,

Olaf

Tim Schubert · April 08, 2013, 13:47:01 NACHMITTAGS

Hallo zusammen,

jetzt habt ihr mich doch eiskalt erwischt. Als Materialograph/Werkstoffprüfer habe ich keinerlei Erfahrung mit Schlacken/Eisenoxiden bzw. mit deren genauer Bestimmung und Benennung.
Den Rennofen Versuch habe ich selbst gefahren (in einem sehr verkleinerten Modell bei ca. 1kg Erzgabe). Ich weiß leider nicht genau um welches Erz es sich handelt, nur das es aus Brasilien stammt. An die Bohnerzverhüttung habe ich mich nicht herangetraut da viele Quellen bzw. erfahrene Rennofenbauer und -betreiber mir davon abgeraten haben. Das Alberz hat wohl zu wenig Eisenanteil um in meinem gewählten Maßstab zu guten Ergebnissen zu führen.

Direkt benennen kann ich von meiner Seite aus nur die helle bzw. braune Phase und die dunkelste Phase (Einbettmittel). Die helle bis bräunliche Phase ist reiner Ferrit, dieser entsteht bei der Direktreduktion des Erzes da das Eisen durch diese Art der Verhüttung nur sehr wenig Kohlenstoff aufnimmt. Eine glasartige Phase konnte ich nicht beobachten.

Ich habe hier nochmal eine Aufnahme des Erzes angehängt, diese wurde mittels differentiellen Interferenzkontrast aufgenommen, da ihr euch ja scheinbar auskennt hilft euch die Aufnahme vllt. weiter? (Objektiv EC Epiplan Neofluar HD DIC 50x)

Eine vergrößerte Darstellung der Schlacke habe ich (noch) nicht, da es in dem Projekt eher um die Eisenherstellung ging. Bei Gelegenheit kann ich aber nochmal eine Aufnahme machen und euch zur Verfügung stellen.

Gruß
Tim

Bastian · April 08, 2013, 15:44:49 NACHMITTAGS

Hallo Tim,

ZitatDas Alberz hat wohl zu wenig Eisenanteil um in meinem gewählten Maßstab zu guten Ergebnissen zu führen.

Das kann man wohl sagen, die meisten Bohnerze die man so findet haben eine zu geringen Eisenanteil. Voe einiger Zeit ist ein Versuch (an welcher Uni verrate ich nicht) spektakulär daneben gegangen, weil die Experimentatoren sich die Messung der Erze erspart haben..

Zur Schlacke: Wenn Du keine produziert hast, dann hast Du wohl sehr sehr reines Eisenerz zur Vefügung gehabt, vielleicht Magnetit(?), den kann man komplett in Eisen umsetzen, ohne das Schlacke entsteht. Dies war aber beim Rennfeuerprozess eher der Ausnhamefall. Immerhin ist ja das herausrennen der Schlacke namensgebend für den Prozess. Erwähnenswert ist wohl noch dass der Rennfeuerprozess über nahezu alle Kulturen und Zeiten DER Eisengewinnungsprozess gewesen ist. Ausnahme ist China. In Europa begann sich der Hochofenprozess ab dem 15. Jahrhundert ausgehend von der Steiermark zu entwickeln. Entschuldige bitte die Lehrmeisterei, ich sehe gerade dass ich hier so langsam in OT abdrifte.

Wenn Du mal Schlacken diskutieren/mikroskopieren willst: Dafür habe ich immer Zeit!

Bastian

olaf.med · April 08, 2013, 16:23:06 NACHMITTAGS

Lieber Tim,

danke für das schöne Bild im DIC, aber für die Diagnose ist dies m.E. unbrauchbar, da es im Wesentlichen Härteunterschiede zeigt und nicht die tatsächlichen Reflektionsverhältnisse. Dafür sieht man aber die Verwachsungseigenschaften vorzüglich.

Bei Deinem ersten Bild liegen aber ganz sicher zwei metallische Phasen vor, einmal die nicht angeätzte rein weiße Phase, bei der ich vermute, dass es sich um Zementit Fe₃C handelt und dann die bräunlich angeätzte Phase - wohl Ferrit.

Herzliche Grüße,

Olaf

Tim Schubert · April 08, 2013, 16:44:06 NACHMITTAGS

An Bastian: Ich gehe schon davon aus, dass ich Schlacke produziert habe. Die Temperaturführung war nur nicht so hoch, dass die Schlacke in's Rinnen gekommen wäre, da der Ofen sich aber nach ein paar Stunden mit einem Zähen Klumpen zugesetzt hat gehe ich schon von Schlackebildung aus.
Da ich keine Ahnung von Schlacken habe bin ich doch froh über deine "Lehrmeisterei", nur so kann man doch etwas lernen ;-)

An Olaf: Ich habe nochmal zwei Bilder angehängt, eines zeigt das Erz mit 10x-Objektiv aufgenommen, das andere zeigt eine vergrößerte Darstellung der Eisenphase. Auf Grund des Auftretens von Tertiärzementit an den Korngrenzen, der laut Fe-C-Diagramm nur an der Linie P-Q entsteht und von Fe3C im Perlit bzw. vom Sekundärzementit verdeckt wird sobald diese auftreten, gehe ich von einem sehr geringen C-Gehalt aus. Daher schiebe ich die zwei Phasen in meiner ersten Aufnahme auf einen Ätzeffekt.

Gruß
Tim

Erz im Hellfeld:

Tertiärzementit in der Eisenphase:

moräne · April 08, 2013, 20:02:00 NACHMITTAGS

Hallo

Könnte es denn sein, das man im ersten Bild den die nach dem Herrn Ledebur benannte Phase vergessen hat?
Ich meine in dem mittelgrauen Layrinth ledeburitähnliches zu erkennen.

Grüße
Gerd

Bastian · April 08, 2013, 21:09:30 NACHMITTAGS

Hallo tim,

Zitat
Die Temperaturführung war nur nicht so hoch, dass die Schlacke in's Rinnen gekommen wäre, da der Ofen sich aber nach ein paar Stunden mit einem Zähen Klumpen zugesetzt hat gehe ich schon von Schlackebildung aus.

Zur Fließschlackenbildung braucht es noch mehr als hohe Temperaturen, nämlich auch die passende Chemie. Wenn Du zähe Schlacke im Ofen hattest kann das natürlich an der Temperatur liegen, keine Frage. Aber ich gehe davon aus, dass Du ein sehr hochwertiges Erz zur Verfügung hattest. Die vermeintliche zähe Schlacke könnte dann einfach vitrifizierte Ofenwandung sein. Das ist natürlich i.d.R. auch ein Bestandteil der Rennofenschlacke, aber eben nur ein Teil. Wenn Du einen Schliff herstellen würdest sollten da eine Menge Spinelle zu sehen sein. Wenn Dein Ofen aud Ton gebaut war, sollten im speziellen eine Menge zonierte Spinnelle vorkommen, vorwiegend solche mit einer helleren Zonierung zum Ende des Kristallwachstums.

Wenn Du eine Fließschlacke vorliegen hast (das kann ich aber in Deinem Bild nicht entdecken) sollte da Fayalit (Fe2SiO4) vorkommen, der der Hauptbestandteil der Rennofenschlicken ist und durch seine relativ geringe Bildunstemperatur von etwa 1150ºC verantwortlich für fast alle Fließschlacken der frühen Metallurgie ist.

Viele Grüße,
Bastian

olaf.med · April 09, 2013, 09:58:48 VORMITTAG

Lieber Tim,

leider fehlt mir die Erfahrung in der Auflichtmikroskopie, die ich zuletzt vor ca. 30 Jahren etwas intensiver betrieben habe. Daher kann ich nur Vermutungen abgeben. Könnte es sein, dass es sich bei Deinem Eisenerz um Magnetit-Hämatit-Verwachsungen handelt. Stellenweise erkenne ich leistenförmige Querschnitte, die tafelige Hämatitkristalle sein könnten. Bei gekreuzen Polarisatoren sollte man dann Anisotropie und leuchtend rote Innenreflexe erkennen. Magnetit ließe sich durch staken Magnetismus nachweisen. Völlig rätselhaft ist mir die braune Phase. Es gibt Titanspinelle die so aussehen (Ulvit Fe₂TiO₄), aber die sind eher selten. Ansonsten ist Bornit so braun, aber dann wäre es ja ein Kupfererz.

Mit Ätzen habe ich noch weniger Erfahrung, aber bei den scharfen Grenzen zwischen den reinweißen Partien und den braunen Flächen in Deinem ersten Bild fällt es mir schwer an einen Ätzeffekt zu glauben.

Herzliche Grüße,

Olaf

Tim Schubert · April 09, 2013, 19:26:30 NACHMITTAGS

Zitat von: moräne in April 08, 2013, 20:02:00 NACHMITTAGS
Könnte es denn sein, das man im ersten Bild den die nach dem Herrn Ledebur benannte Phase vergessen hat?
Ich meine in dem mittelgrauen Layrinth ledeburitähnliches zu erkennen.

Ledeburit entsteht nach meinem Wissen doch erst jenseits der 2,06% Kohlenstoff oder? Da Tertiärzementit in der Probe auftritt und ich nicht glaube bei meiner Ofenreise in die Nähe des Fe-Schmelzpunktes gekommen zu sein (um so etwas wie Roheisen mit viel Kohlenstoff erzeugen zu können), würde ich Ledeburit ausschließen. Das Reflexionsvermögen der mittelgrauen Phase würde ich auch nicht als metallisch beschreiben, hier gehe ich eher von einem der vielen möglichen Oxyde aus (bitte korrigiert mich!)

Zitat von: Bastian in April 08, 2013, 21:09:30 NACHMITTAGS

Zur Fließschlackenbildung braucht es noch mehr als hohe Temperaturen, nämlich auch die passende Chemie. Wenn Du zähe Schlacke im Ofen hattest kann das natürlich an der Temperatur liegen, keine Frage. Aber ich gehe davon aus, dass Du ein sehr hochwertiges Erz zur Verfügung hattest. Die vermeintliche zähe Schlacke könnte dann einfach vitrifizierte Ofenwandung sein. Das ist natürlich i.d.R. auch ein Bestandteil der Rennofenschlacke, aber eben nur ein Teil. Wenn Du einen Schliff herstellen würdest sollten da eine Menge Spinelle zu sehen sein. Wenn Dein Ofen aud Ton gebaut war, sollten im speziellen eine Menge zonierte Spinnelle vorkommen, vorwiegend solche mit einer helleren Zonierung zum Ende des Kristallwachstums.

Wenn Du eine Fließschlacke vorliegen hast (das kann ich aber in Deinem Bild nicht entdecken) sollte da Fayalit (Fe2SiO4) vorkommen, der der Hauptbestandteil der Rennofenschlicken ist und durch seine relativ geringe Bildunstemperatur von etwa 1150ºC verantwortlich für fast alle Fließschlacken der frühen Metallurgie ist.

Danke für die ausführlichen Infos, jetzt bin ich dann doch ziemlich neugierig was ich denn da so alles produziert habe. In meinem Projekt ging es vorrangig um die materialographische Präparation verschiedener Werkstoffe und ich habe mir als Oberthema die Eisenverhüttung ausgesucht. Es wurde daher eher Wert auf die metallischen Phasen gelegt und hier auch eher auf die lichtmikroskopische Darstellung. Eine EDX Analyse der einzelnen Phasen wurde ebenfalls nicht durchgeführt.
Von welchem Teil aus dem Ofen meinst du denn einen Schliff? Von der Schlacke direkt?

Zitat von: olaf.med in April 09, 2013, 09:58:48 VORMITTAG
Könnte es sein, dass es sich bei Deinem Eisenerz um Magnetit-Hämatit-Verwachsungen handelt. Stellenweise erkenne ich leistenförmige Querschnitte, die tafelige Hämatitkristalle sein könnten. Bei gekreuzen Polarisatoren sollte man dann Anisotropie und leuchtend rote Innenreflexe erkennen. Magnetit ließe sich durch staken Magnetismus nachweisen. Völlig rätselhaft ist mir die braune Phase. Es gibt Titanspinelle die so aussehen (Ulvit Fe₂TiO₄), aber die sind eher selten. Ansonsten ist Bornit so braun, aber dann wäre es ja ein Kupfererz.

Wie gesagt habe ich leider keine Informationen zu dem Erz. Funktioniert deine vorgeschlagene Polmikroskopie im Durchlicht oder auch im Auflicht?

Zitat
Mit Ätzen habe ich noch weniger Erfahrung, aber bei den scharfen Grenzen zwischen den reinweißen Partien und den braunen Flächen in Deinem ersten Bild fällt es mir schwer an einen Ätzeffekt zu glauben.

Von der Seite betrachtet gebe ich dir wirklich Recht, auf Grund der verschiedensten Quellen über Rennofenprozesse bin ich immer davon ausgegangen das sich kein hoher Kohlenstoffgehalt einschleicht bei dieser Art der Eisengewinnung, vllt. hat mich dieses Wissen etwas zu sehr blockiert.

Wie schon gesagt macht ihr mich echt neugierig und ich bin begeistert über soviel Interesse! Im ersten Ansatz wollte ich einfach nur ein paar nette Gefügebilder zeigen, aber jetzt überlege ich wann ich die Schliffe nochmal aufnehmen könnte und auch einmal ins REM mitnehmen könnte um eine EDX Analyse der einzelnen Phasen zu machen.
Da ich diese Messungen nur neben der Arbeit und neben dem Studium machen kann (schließlich muss ein Student auch was essen UND es gibt jedes Semester ähnlich gediehene Projekte für uns) wird das Ganze wohl etwas dauern, aber ich werde mich nochmal damit auseinandersetzen.

Daher nochmal gebündelt meine Fragen:
Gerd: Du sprichst von der mittelgrauen Phase die sehr nach Gussgefüge aussieht?
-> Hier werde ich dann nochmals höher vergrößerte Aufnahmen machen und eine EDX Analyse
Bastian: Höher vergrößerte Aufnahmen der Schlacke und EDX Analyse?
Olaf: Pol-Mikroskopie der Erzprobe und einmal mit EDX die brune Phase anpieksen?

Das sollte ich an einem Sonntag doch alles mal hinbekommen ;-)

Gruß
Tim

Bastian · April 09, 2013, 20:11:41 NACHMITTAGS

Tim,

ZitatEine EDX Analyse der einzelnen Phasen wurde ebenfalls nicht durchgeführt.

Das ist auch garnicht zwingend notwendig, außerdem versgat die EDX Messung ohnehin bei den verschiedenen Oxidstufen des Eisens. Da ist die EDX überfordert. Ich habe das während meiner Diss ausgiebig getestet, obwohl man mir das auch schon gesagt hatte. Kohlenstoff kann man mit ner EDX ohnehin nicht messen. Mich persönlich würden Auflichtaufnahmen im Hellfeld und mit gekreuzten Polfiltern interessieren.

Ich würde als erstes einen Magneten an das Erz halten, bei Magnetit bleibt er dran kleben. Magnetit (daher könnte der Name kommen

) ist wirklich sehr magnetisch. Dann weißt Du schon mehr. Hämatit ist nicht magnetisch.

ZitatVon welchem Teil aus dem Ofen meinst du denn einen Schliff? Von der Schlacke direkt?

Ist beides spannend. Aber unbedingt von der Schlacke selber, denn an der Schlacke kann man ablesen wie gut Du Deinen Prozess beherrscht./ Schlacken sind "Fahrtenschreiber, die man auslesen kann. Das meiste kann man mit Erfahrung am Auflicht-Polmikroskp machen, Durchlicht an Schliffen kann das ganze abrunden ist aber m.E. nicht so informativ. Bei Bedarf können wir auch per PM weiter machen.

Zitat
Von der Seite betrachtet gebe ich dir wirklich Recht, auf Grund der verschiedensten Quellen über Rennofenprozesse bin ich immer davon ausgegangen das sich kein hoher Kohlenstoffgehalt einschleicht bei dieser Art der Eisengewinnung, vllt. hat mich dieses Wissen etwas zu sehr blockiert.

Bei der Einsicht kann ich Dir nur beipflichten. In sehr vielen Quellen wird das, was im Ofen passiert nur stiefmütterlich behandelt. Selbstverständlich sind beim Rennfeuerprozess eine Unzahl von Eisen-Kohlenstoffphasen vorhanden. Im Mittel ist es aber in der Luppe nur sehr sehr wenig Kohlenstoff. Während der Ofenreise laufen aber eine Unmenge von Prozessen ab. Denke nur an die Partien, an denen die Luft eintritt. Hier brennt die Holzkohle viel, viel heißer als nur ein paar Zentimeter daneben. Möglicherweise entsteht dort lokal SEHR begrenzt auch höher kohlenstoffhaltiges Eisen.. Aber ich merke schon, ich komme schon wieder ins Plaudern. Das hier ist ja ein Mikroskopie Forum....

Schönen Abend noch,
Bastian

PS: Ich werde sicher auch noch mal ein paar Fragen zur Materialographie von Eisenwerkstoffen an Dich herantragen, da ich fast nur Schlacke und Buntmetalle betrachte...

moräne · April 09, 2013, 21:41:16 NACHMITTAGS

Hallo Tim
Ich hielt die " mittelgraue Phase" deswegen für Ledeburit, weil in dem Buch von Heinz Klemm -Die Gefüge des Eisen- Kohlenstoff Systems- welches in meinem Bücheregal steht, 3 Bilder auf Seite 16, Ledeburit mit Perlit und Zementit zeigen. Und ich finde diese sehr ähnlich zu dem obigen.
Von Rennprozessen und deren Kohlenstoffghehalt habe ich allerdings keine Ahnung...
Grüße
Gerd

Tim Schubert · April 09, 2013, 22:09:57 NACHMITTAGS

Danke Bastian nochmals für die ausführlichen Antworten, hätte ich mich mal hier VOR meinem Projekt angemeldet. Wer weiß wie effektiv mein Prozess geworden wäre

Gerne können wir uns per PM weiter austauschen bzgl. erneuter Aufnahmen, ich habe wie gesagt nuz. Zt. begrenzten Zusatzspielraum am Mikroskop.
Habe gerade mal den Schnelltest am Erz gemacht, selbst mit einem von den neuen high sophisticated NdFeB-Magneten keine Reaktion am Erz...

Gerne versuche ich dir natürlich weiter zu helfen wenn es um Eisenwerkstoffe geht, mit nach Stand der Technik hergestellten Werkstoffen kenne ich mich glaube ich auch besser aus

An Gerd: Das Buch kenne ich nicht, wäre aber mal interessant. Ich konnte hier nur das wiedergeben was ich zu Ledeburit weiß, da ging es immer um hoch C-haltige Geschichten und ein eutektisches Gefüge aus Perlit und Zementit bzw. bei schneller Abkühlung aus Bainit oder Martensit und Zementit. Weiteres habe ich von Herrn Ledebur noch nicht gelesen, vllt. gibt es da noch andere Gefügebestandteile die er entdeckt hat. Wäre auf jeden Fall interessant, vllt. kannst du mal ein Bild dazu posten?

Freundliche Grüße von der Alb und einen schönen Abend
Tim

moräne · April 10, 2013, 08:43:15 VORMITTAG

Morgen Timm

Das habe ich dazu gefunden:
[PDF]
Heinz Klemm – Ein begnadeter Metallograph
also man muß Heinz Klemm -Metallographie -googeln, dann kriegt man die

Ich hatte gestern beim Wiley Verlag, der die Rechte des VEB Verlag für Deutsche Grundstoffindustrie - von dem Klemm´s Buch herausgegeben wurde - gekauft hat, um Posterlaubniss nachgefragt, und als Antwort erhalten, die Rechte für dieses Buch hätte man nicht. Da ich nicht weiß wer sie sonst hat - das "Volkseigentum" wurde ein paar mal hin und hergeschachert -
laß ich das posten lieber.
Wenn Du aber Deine Emailadresse zur Verfügung stellst, würde ich die Bilder einscannen und Dir zu Studienzwecken zusenden, ich denke so was wäre gestattet?

Grüße
Gerd