Emissionskoeffizienten flüssiger Metalle und Legierungen

Die in Projekt P12775-PHY gemessenen Emissivitäten von flüssigen Metallen lassen sich generell in drei Gruppen einteilen - jene wo die Emissivitätswerte am Schmelzbeginn auf ein Minimum sinken und dann für die flüssige Phase konstant bleiben, jene wo die Werte nach dem Schmelzen wieder ansteigen und jene wo die Werte in der flüssigen Phase weiter sinken. Durch das HAGEN-RUBENS Gesetz wird bei Metallen im Infraroten der Emissionskoeffizient mit dem spezifischen elektrischen Widerstand verknüpft. Wenn eine ähnliche Abhängigkeit für Metalle und Legierun-gen im Wellenlängenbereich von 700 nm experimentell gefunden werden kann, wäre der Verlauf des Emissionskoeffizienten aus den Werten des elektrischen Widerstands berechenbar. Dies wäre sehr bedeutend, da der elektrische Widerstand für flüssige Metalle viel einfacher gemessen werden kann als der Emissionskoeffizient. Mit der Einbeziehung des Emissionskoeffizienten in die Tem-peraturmessungen könnten alle temperaturabhängigen thermophysikalischen Eigenschaften von flüssigen Metallen und Legierungen mit viel größerer Genauigkeit als bisher möglich, bestimmt werden. Im ersten Teil dieses Projekts soll die Abhängigkeit des normalen spektralen Emissions-koeffizienten bei 684.5 nm vom elektrischen Widerstand von flüssigen Metallen für industriell relevante Metalle wie Fe, Ni, Co, Cu, Ti, V, Nb, Zr, Pt, Mo, Ta, Re und W bestimmt werden. Die Giessereiindustrie und die metallverarbeitende Industrie benötigen sehr genaue thermo-physikalische Daten von festen flüssigen Metallen und Legierungen z. B. als Eingabeparameter für ihre Rechnungen im Rahmen des "rapid Prototypings" zum simulieren und optimieren von Gießprozessen, wobei es speziell für Legierungen sehr wenig experimentell bestimmte Daten gibt. Im zweiten Teil dieses Projektes soll die Abhängigkeit des Emissionskoeffizienten von der Konzentration der Substituenten beim Legieren von zwei Metallen systematisch untersucht werden, wie z. B. das Fe - Ni oder das W - Re System. Darüber hinaus sollen erste Messungen an ternären Legierungen wie 6AL 4V 90Ti und an rostfreien Stahl durchgeführt werden. Die im Rahmen dieses Projekts erhaltenen thermophysikalischen Daten beinhalten die Temperaturabhängigkeiten von spezifischer Wärmekapazität, elektrischem Widerstand, Dichte, Wärme- und Temperaturleitfähigkeit im Temperaturbereich von 300 K bis in die flüssige Phase 1000 K über den Schmelzpunkt.

Von der Industrie und im Speziellen von metallverarbeitenden Betrieben ist das Interesse an optischen und thermophysikalischen Daten für feste bzw. flüssige Reinmetalle und Legierungen sehr groß. Durch die Notwendigkeit immer mehr Produktionsverfahren mathematisch abzubilden und modellieren zu können um die Fertigungsprozesse zu optimieren, steigt die Nachfrage an zuverlässigen Messdaten. Im Rahmen dieses Projekts konnten thermophysikalische Daten für viele Reinmetalle und auch Legierungen erfolgreich gemessen werden. Mit dem verfügbaren schnellen Pulsaufheizungskreis können thermophysikalische Daten elektrisch leitendender Materialen von 1200 K, der begrenzenden unteren Einsatztemperatur der verwendeten Pyrometer, für die meisten Metallen liegt diese Temperatur noch in der festen Phase, weit in die flüssige Phase hinein bis ca. 5000 K bestimmt werden. Die dabei ermittelten Größen sind die spezifische Enthalpie, der elektrische Widerstand, die spezifische Wärmekapazität sowie Temperatur- und Wärmeleitfähigkeit. Um über so große Temperaturbereiche eine zuverlässige Temperaturmessung sicherzustellen, findet diese auf optischem Weg und auf Basis des Planck`schen Strahlungsgesetzes und der pyrometrischen Messung der Temperaturstrahlung statt. Mit einem schnellen Ellipsometer (s-DOAP) wurde weiters der normale spektrale Emissionsgrad bei der Wellenlänge des Pyrometers gemessen. Diese Ergebnisse sind sehr wichtig, um Unsicherheiten zu vermeiden, welche sich aus einem unbekannten Verlauf des Emissionsgrades bei der Temperaturmessung ergeben würden. Untersuchungen des Emissionsverhaltens pulsaufgeheizter flüssiger Metallproben wurden in diesem Projekt mittels unterschiedlicher Methoden durchgeführt. Ausgangspunkt war die Annahme, dass in der flüssigen Phase ein Zusammenhang zwischen dem Emissionsgrad und dem elektrischen Widerstand existiert. Dem liegt die Hagen- Rubens-Beziehung zugrunde, die einen Zusammenhang für das mittlere Infrarot (> 10 m) basierend auf dem Freien-Elektronen-Modell für Metalle angibt. Mit einem s-Division-Of-Amplitude-Photopolarimeter wurde der normale spektrale Emissionsgrad bei 684.5 nm für Ag, Au, Cu, Fe, Ni, Co, Ti, V, Nb, Zr, Ir, Pt, Pd, Mo, Hf, Ta, Re and W bestimmt. Zur Bestimmung des Emissionsgrades bei weiteren Wellenlängen wurde das Konzept der Mehrwellenlängen-pyrometrie aufgegriffen und zur Ermittlung des Emissionsverlaufes bei 902 nm und 1570 nm für W, Re, Ta, Mo und Nb adaptiert. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass ein Zusammenhang nach Hagen- Rubens im sichtbaren Wellenlängenbereich experimentell nicht bestätigt werden kann. Weiters wurde das Verhalten des normalen spektralen Emissionsgrades von Legierungen bei der Wellenlänge des Photopolarimeters von 684.5 nm in Abhängigkeit des Mischungsverhältnisses untersucht. Es wurden die Legierungssysteme Ag-Cu, Au-Ni, Cu-Ni, Ni-Ti, Fe-Ni, Mo-Re, W-Re, Ti-6Al-4V erforscht. Dabei zeigt sich, dass der Emissionsgrad der Legierungen in nicht vorhersehbarer Weise unter, zwischen oder über den Werten der Reinmetalle liegen kann. Erstmals wird für alle Messgrößen des verwendeten Pulsheizkreises auch eine vollständige Unsicherheitsanalyse nach dem vom Internationalen Komitee für Maß und Gewicht empfohlenen Leitfaden zur Angabe der Unsicherheit beim Messen (GUM) durchgeführt.