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Eisen [3]

[263] Eisen (metallurgisch). Alles technisch verwertete Eisen ist legiert mit andern Elementen, und zwar nicht bloß mit Metallen (Mangan, Kupfer, Chrom, Nickel, Wolfram), sondern auch mit Nichtmetallen (Kohlenstoff, Silicium, Phosphor, Schwefel, Titan); vgl. Eisenlegierungen. Für die Eigenschaften der Legierung sind die Nebenbestandteile Kohlenstoff, Silicium, Mangan stets, die andern zuweilen bestimmend. Nach deren Menge, besonders nach dem Kohlenstoffgehalt, unterscheidet man Roheisen (Schmelzpunkt 1050–1250°, nicht schmiedbar) mit 2,3% und mehr Kohlenstoff von schmiedbarem Eisen (Schmelzpunkt 1400° und höher, schmiedbar) mit niedrigeren Gehalten, dieses wieder in Stahl und Eisen. Je nach dem Erzeugungszustande (ob flüssig oder knetbar) trennt man auch in Flußeisen und Schweißeisen.

Man erhält somit nachstehenden Stammbaum:

Reines Eisen.

Läßt man geschmolzenes Platin allmählich erkalten, so erstarrt es bei 1775° unter Freiwerden der Schmelzwärme, wodurch der Verlauf der Abkühlung merklich aufgehalten wird; hiernach verläuft aber die Abkühlung ohne Störung, und zwar, entsprechend der Abnahme des Temperaturgefälles, gleichmäßig verzögert. Werden die zusammengehörigen Temperaturen und Zeiten als Ordinaten und Abszissen aufgetragen, so erhält man eine Linie, die beim Erstarrungspunkt einen deutlichen Knick zeigt, im übrigen aber gleichmäßig verläuft. – Unterwirft man nahezu chemisch reines Eisen der gleichen Behandlung, so zeigt die Linie außer beim Erstarrungspunkte auch bei niedrigeren Temperaturen Unterbrechungen des gleichmäßigen Verlaufes, die auf Wärmeentwicklung zurückgeführt werden müssen. Die in Fig. 1 wiedergegebene, von Osmond [1] aufgenommene Abkühlungskurve eines kohlenstoffarmen Eisens läßt deutlich die beiden Haltepunkte Ar₃ und Ar₂ erkennen. Sie liegen bei 850 und bei 740°, ein dritter Ar₁ bei 640°; andre Unterteilungen ergaben sie bei 895, 765 und 690°. Diese Haltepunkte bezeichnen molekulare Umlagerungen, die Uebergänge aus einer allotropen Form des Eisens in eine andre [2]. Werden die allotropen Formen durch Abschrecken von Temperaturen, die wenig über den Umwandlungspunkten liegen, festgehalten, so ergeben sich beträchtliche Unterschiede[263] in den physikalischen Eigenschaften des Eisens. Die bei gewöhnlicher Temperatur 33 kg/qmm betragende Zerreißfestigkeit langsam gekühlten reinen Eisens wächst im abgeschreckten mit den Abschreckungstemperaturen bis 600° allmählich auf 36 kg/qmm; bei 650μ abgeschrecktes zeigt aber eine plötzliche Festigkeitszunahme auf 40 kg/qmm, bei 780° abgeschrecktes auf 45,7 kg qmm und bei 900° abgeschrecktes auf 51 kg/qmm [3], [4], Die Umwandlungen sind ferner charakterisiert durch Wärmebindung während des Erhitzens bei allen Punkten (Osmond), Verschwinden des Magnetismus bei Ar₂ (Curie) und Aenderungen im elektrischen Leitungsvermögen bei Ar₂ (Le Chatelier) [5]. Während der Leitungswiderstand von gewöhnlicher Temperatur bis Ar₃ ungefähr auf das Zehnfache wächst, ist er oberhalb 900° fast unveränderlich.

Die allotropen Formen des Eisens werden nach dem Vorgange von Osmond als α-Eisen, das ist diejenige Form, die nach langsamer Abkühlung unter Ar₂ auftritt, als, ß-Eisen. die unter gleichen Umständen zwischen Ar₂ und Ar bestehende und als γ-Eisen die oberhalb Ar₃ bezeichnet. – Die Abkühlungskurve Osmonds läßt nicht immer die Haltepunkte scharf hervortreten; das ist in viel höherem Maße der Fall, wenn man anstatt der Temperaturen des Eisenkörpers nach Roberts-Austen [6] die Temperaturunterschiede aufzeichnet, welche infolge der Wärmeentwicklung im Eisenkörper zwischen diesem und einem neben ihm unter ganz gleichen Umständen abkühlenden Platinkörper auftreten (Fig. 2). Bei allmählichem Erhitzen zeigt Eisen die Haltepunkte ebenso wie beim Abkühlen; sie liegen aber sämtlich höher. Die Unterschiede dürften, abgesehen von solchen, die vom verschiedenen Reinheitsgrade des Eisens bedingt sind, nur einer Verzögerung in der Umlagerung der Molekeln gegen den Fortschritt der Temperaturänderung durch äußere Wärmezu- bezw. -abfuhr zuzuschreiben sein. Nur bei unendlich langsamer Abkühlung und Erhitzung werden die Haltepunkte genau zusammenfallen.

Eisen und Kohlenstoff.

Kohlenstoff löst sich leicht in flüssigem Eisen wie ein Salz in Wasser unter beträchtlicher Wärmebindung. Die Menge des gelösten Kohlenstoffes steigt mit der Temperatur; der Höchstwert ist aber noch nicht festgestellt. Setzt man Eisenkohlenstofflösungen der Erstarrung und allmählichen Abkühlung aus, so zeigen die Kühlungskurven gleichfalls die obenerwähnten Haltepunkte; sie liegen aber bei andern Temperaturen. Durch Zusammentragen der Haltepunkte vieler Legierungen von verschiedenem Kohlenstoffgehalt hat Roberts-Austen [7] das Schaubild Fig. 3 erhalten. Die Linienzüge stimmen vollständig mit den Erstarrungskurven wässeriger Salzlösungen überein, und in der Tat folgen die metallischen Lösungen (Legierungen), insbesondere auch die flüssigen Eisenkohlenstofflösungen, durchaus den Gesetzen, die für jene gelten, d.h. sie scheiden, falls sie nicht eine ganz bestimmte Zusammensetzung haben (95,7% Eisen und 4,3% Kohlenstoff) von dem in größerer Menge vorhandenen Bestandteile (rein oder in Mischkristallen) so viel in Kristallform aus, bis die vorstehende unveränderliche Zusammensetzung der eutektischen Lösung erreicht ist; dann erstarrt auch diese, die Mutterlauge der Kristalle. Die Linien ABC und DBD₁ in Fig. 3 erläutern den Vorgang. – Während reines Eisen bei etwa 1600° erstarrt, sinkt durch Hinzutritt des Kohlenstoffes mit dessen Menge die Temperatur des Erstarrungsbeginnes (entsprechend der Gefrierpunktserniedrigung einer Salzlösung) längs AB bis auf 1130°, die Erstarrungstemperatur der eutektischen Lösung. Von 0–1,2% (nach Roozeboom bis 2%) Kohlenstoff beobachtet man nur einen Erstarrungspunkt, d.h. die Lösung erstarrt unverändert. Daraus muß man schließen, daß die zwischen AB und DB sich ausscheidenden Kristalle nicht reines Eisen, sondern gleichfalls eine Eisenkohlenstofflegierung sind, die den Namen Martensit erhalten hat. In gleicher Weise beginnt entlang BC bei der irgend einem höheren Kohlenstoffgehalt entsprechenden Temperatur die Ausscheidung von Graphitkristallen, die sich während der Abkühlung fortsetzt, bis wieder die Zusammensetzung der eutektischen Lösung und deren Erstarrungspunkt erreicht ist. Während aber die[264] auskristallisierte Eisenkohlenlösung durch die Untersuchungsverfahren zur Aufdeckung des Kleingefüges dem bewaffneten Auge sichtbar gemacht werden kann, ist das mit dem zwischen BC und BD₁ ausgeschiedenen Graphit nicht der Fall, da er infolge seiner geringen Dichte sich von der flüssigen Mutterlauge trennt und als Garschaum an die Oberfläche steigt. Die eutektische Lösung zerfällt beim Erstarren in ein inniges Gemenge der beiden Bestandteile: feste Eisenkohlenstofflösung und Graphit. Da letzterer jetzt gleichzeitig mit dem Lösungsmittel erstarrt, kann er sich nicht mehr von diesem trennen, sondern muß am Entstehungsorte verharren und in der ganzen Eisenmasse (je nach der Menge) in einzelnen Nestern auftreten oder gleichmäßig verteilt sein.

Aus den schmiedbaren Eisensorten, die uns jetzt beschäftigen sollen, kann durch Behandeln mit kalter verdünnter Salz- oder Schwefelsäure unter Luftabschluß die Verbindung Fe₃C, Eisenkarbid, abgeschieden werden. Gekohltes Eisen kann deshalb ebensowohl als Lösung von Kohlenstoff wie als Lösung von Eisenkarbid in Eisen aufgefaßt werden. Im Verlauf der Betrachtung wird sich ergeben, daß letztere Anschauung die größere Wahrscheinlichkeit für sich hat.

Die erstarrte, aus dem flüssigen Eisen auskristallisierte Eisenkohlenstofflösung, der Martensit, hat mit dem Erstarren seinen Endzustand noch nicht erreicht. Die Umlagerung der Molekeln setzt sich vielmehr auch in der festen Lösung weiter fort, wie an Hand von Fig. 4 die durchaus Fig. 3 ähnelt, erläutert werden soll. Die Kenntnis der überraschenden Tatsachen, die sie darstellt, verdanken wir ebenfalls Osmond (a.a.O.); Fig. 4 ist aber nicht dessen Arbeiten entnommen, sondern bringt die Ergebnisse von Untersuchungen des K. Materialprüfungsamtes in Groß-Lichterfelde, insbesondere solcher von Heyn [8], zur Anschauung. Oberhalb der Linie GSE besteht das erstarrte Eisen ausschließlich aus γ-Eisen (Martensit) mit größerem oder kleinerem Kohlenstoffgehalt, je nach der Zusammensetzung der ursprünglichen Schmelze; Punkt Q ist identisch mit Ar₁ des kohlenstofffreien Eisens. Unterhalb der Linie PSK herrscht der Zustand des α-Eisens; Punkt P ist identisch mit Arx. Innerhalb der Dreiecke GSP und ESK befindet sich das Eisen in gemischten Zuständen; der Martensit ist zerfallen. Innerhalb GSP hat er kohlenstoffarmes oder sogar kohlenstofffreies Eisen (Ferrit) ausgeschieden; er selbst hat sich an Kohlenstoff angereichert. Innnerhalb ESK besteht die Ausscheidung aus Karbid (Zementit); der der Mutterlauge entsprechende Martensitrest ist kohlenstoffärmer geworden. Bei fortschreitender Abkühlung über PSK (die eutektische Linie) abwärts zerfällt der die Ferrit- bezw. Zementitausscheidungen einhüllende Martensit in ein inniges Gemenge der beiden Lösungsbestandteile Ferrit und Zementit. Dieses eutektische Gemenge wird Perlit genannt.

Der in reinem Eisen von Osmond bei 850° aufgefundene, von Roberts-Austen bei 895°, von Heyn bei 910° festgestellte Umwandlungspunkt des γ-Eisens Ar₃ rückt in Eisenkohlenstofflegierungen mit der Zunahme des Kohlenstoff es entlang der Linie GS tiefer, bis er bei 0,95% Kohlenstoff die eutektische Temperatur 700° erreicht. Mit wachsenden Kohlenstoffgehalten bewegt er sich wieder aufwärts entlang SE. Das γ-Eisen hat hiernach die Fähigkeit, Kohlenstoff gelöst zu halten, welche Eigenschaft den andern beiden allotropen Formen nicht zukommt. – Der Umwandlungspunkt Ar₂, der nach Osmond bei 740, nach Roberts-Austen bei 765, nach Heyn bei 790° liegt, bezeichnet den Uebergang aus dem nicht magnetischen Zustand in den magnetischen. Er steht also nicht in Beziehung zur Zusammensetzung der Eisenlegierung und erleidet infolgedessen auch keine Aenderung seiner Lage mit der Zunahme des Kohlenstoffgehalts, sondern folgt der Wagerechten MO. Als selbständiger Haltepunkt ist er nur bis etwa 0,5% Kohlenstoffgehalt nachweisbar. Innerhalb des Dreiecks GOM besteht das Eisen somit aus γ-Eisen (Martensit) und ß-Ferrit, in dem Trapez MOSP aber aus γ-Eisen und α-Ferrit. – Der Haltepunkt Ar₁, von Osmond bei 640° aufgefunden, von Roberts-Austen bei 690° festgestellt, ist von Heyn in sehr kohlenstoffarmem Eisen nicht mehr wahrgenommen worden, sondern erst von etwa 0,17% Kohlenstoff an, tritt dann aber sehr deutlich und mit zunehmendem Kohlenstoffgehalt immer auffälliger hervor. Er liegt nach Heyns Untersuchungen nahezu unverändert (wie das seiner Natur als eutektischer Temperatur entspricht) bei 700°.

Kehren wir jetzt zum Roheisen zurück. Nach dem Obengesagten besteht es unterhalb DBD₁ (Fig. 3) aus dem eutektischen Gemenge von Martensit und Graphit. Letzterer ist vielleicht nicht reiner Kohlenstoff, sondern besteht ebenfalls aus Mischkristallen, also aus einer festen Lösung von Eisen in Kohlenstoff, von der Roozeboom [9] annimmt, daß sie bei 1000° sich in Zementit[265] umwandelt. Nur dann könnte Graphit noch neben Zementit bestehen, wenn der Kohlenstoffgehalt der ursprünglichen Lösung den des Zementits, das ist 6,6%, überschreitet. Roozebooms graphische Darstellung aller dieser Umwandlungen zeigt Fig. 5, in der die flüssige Eisenkohlenstofflösung kurz als Schmelze bezeichnet ist. Während aber die im schmiedbaren Eisen sich vollziehenden Aenderungen durch die mikroikopische Untersuchung durchaus bestätigt werden, da alle erwähnten Gefügebestandteile sich vorfinden, ist das bezüglich des Roheisens bislang nicht der Fall, so daß die Ansichten Roozebooms zurzeit noch als Hypothese angesehen werden müssen. Die Tatsache, daß Graphit im Roheisen, das fast niemals einen dem Zementit entsprechenden Kohlenstoffgehalt erreicht, so ungemein häufig vorkommt, kann jedoch durch Hinzutritt eines weiteren Bestandteils der Legierung, des Siliciums, leicht erklärt werden.

Bekanntlich gibt es neben graphithaltigem grauen Roheisen auch graphitfreies weißes und zwar mit ebenso hohen Kohlenstoffgehalten als jenes. Diese Tatsache ließe sich mit der Lösungstheorie sowie mit der Lehre vom chemischen Gleichgewicht nicht vereinen, wenn nicht noch andre Einflüsse in Betracht kämen. Die bisher geschilderten Vorgänge haben eine außerordentlich langsame Abkühlung zur Voraussetzung, so daß das Gleichgewicht zwischen den einzelnen Bestandteilen sich einstellen kann. Wird aber die Abkühlung beschleunigt, so erfolgt der Durchgang durch die Umwandlungstemperaturen so rasch, daß die Umlagerung der Molekeln mehr oder weniger verhindert wird. Durch plötzliche Abkühlung (Abschrecken in kaltem Wasser oder Eingießen in eiserne Gußschalen) können die Zustände oberhalb der Haltepunkte vollständig erhalten werden. So wird z.B. durch Abschrecken von einer Temperatur oberhalb Ar₁ auf eine darunterliegende der Zerfall des Martensits verhindert; Stahl wird gehärtet. – Rasche Abkühlung einer flüssigen Eisenkohlenstofflösung unter 1130° verhindert die Ausscheidung von Graphit, das Roheisen wird weiß. Roozeboom nimmt an, daß bei rascher Ueberschreitung der Linie DD₁, (Fig. 5) die Martensitbildung in der Schmelze entlang AB sich weiter fortsetze bis B₁, so daß die Erstarrung der eutektischen Lösung erst bei E₁B₁H₁ eintrete und daß nun sofort das eutektische Gemenge Martensit und Zementit entstehe. Tatsächlich liegt auch der Erstarrungspunkt des weißen Roheisens tiefer als der des grauen, bei etwa 1050°, und seine Gefügebestandteile sind Martensit und Zementit.

Nach dem Vorstehenden tritt der Kohlenstoff in mehreren auch chemisch wohl unterschiedenen Formen im Eisen auf:

a) in Vereinigung mit Eisen, und zwar 1. verbunden zu Eisenkarbid = Fe₃C und in dieser Form Karbidkohlenstoff genannt. Das Eisenkarbid löst sich nicht in verdünnten kalten, wohl aber in heißen Säuren; es läßt sich durch vorsichtige Behandlung des Eisens mit Säure in Gestalt kleiner Körnchen und Flitterchen von den übrigen Gefügebestandteilen trennen und erweist sich dann als der härteste von ihnen; 2. im Eisen gelöst oder mit ihm legiert, wegen seines Einflusses auf die Härte des Eisens als Härtungskohlenstoff bezeichnet. Die Legierung löst sich in verdünnter Salz- oder Schwefelsäure unter Entwicklung übelriechender Kohlenwasserstoffe, in verdünnter Salpetersäure unter Braunfärbung der Lösung. Auf die Tiefe der Färbung gründet sich die Eggertzsche Kohlenstoffprobe.

b) frei, und zwar 3. kristallisiert in dünnen Tafeln (Blättchen) als Graphit; 4. amorph, unregelmäßig gestaltet als Temperkohle. Die letztere kommt nur in weißem, anhaltend auf Kirschrotglut erhitztem Roheisen vor, tritt also regelmäßig beim Glühfrischen (Tempern) auf. Graphit und Temperkohle sind beide unlöslich in Säuren und können bisher nicht analytisch nebeneinander bestimmt werden.

Als scharf voneinander zu unterscheidende Gefügebestandteile des Eisens, die sich zum Teil auf chemischem Wege trennen lassen, wie Graphit, Temperkohle und Zementit, zum Teil nur durch Schleifen, Aetzen, Färben oder Anlassen sichtbar gemacht werden, treten im erkalteten Eisen auf:

1. Graphit. Auf den Schliffflächen treten die Blättchen als gerade oder gekrümmte Linien oder als glänzende Rippen auf, oft fallen sie heraus, und es bleiben nur die Spalten sichtbar, in denen sie saßen. Die Härte ist gering, 2–4.

2. Temperkohle, schwarze matte, unregelmäßig gestaltete, meist rundliche Körper.

3. Ferrit (Howe), reines oder nahezu kohlenstofffreies Eisen von körnig-kristallinischem Gefüge. Da die Lage der Kristalliten in jedem Korne eine andre ist, lassen sich die einzelnen Körner unter dem Mikroskop unterscheiden (Fig. 6). Unter starker Vergrößerung lösen sich die einzelnen Körner in ihre Bestandteile auf, wie Fig. 7 zeigt. Härte 3,5.

4. Zementit (Howe), der härteste Bestandteil des Kohlenstoffstahles (Härte 6), magnetisch, läßt sich schon durch bloßes Reliefpolieren sichtbar machen und erscheint unter dem Mikroskop als hervorstehende glänzende silberweise Körner (Fig. 8) oder Rippen (Fig. 9). Letztere treten besonders im Zementstahl auf, woher auch der Name entnommen ist. Der Zementit des Spiegeleisens kristallisiert nach Martens hexagonal. Chemische Zusammensetzung Fe₃C mit 6,6% Kohlenstoff.

5. Martensit (Osmond) tritt nur in gehärtetem Stahl auf, ist nach dem Obengesagten eine Eisenkohlenstofflösung mit wechselndem Kohlenstoffgehalt, hart, aber weniger als[266] Zementit, magnetisch. Das Gefüge ist undeutlich kristallinisch, zeigt Fasern oder Nadeln, die sich unter 60° schneiden und auf tesserale Kristallisation schließen lassen (Fig. 10); in Fig. 11 tritt neben ihm in geringer Menge Ferrit auf.

6. Perlit (Howe), das eutektische Gemenge, das man als aus Ferrit und Zementit bestehend annimmt, zeigt bei schiefer Beleuchtung perlmutterartiges Irisieren (woher der Name rührt), falls die weichen, leicht angreifbaren Schichten tief genug ausgeschliffen sind. Kohlenstoffreiche (1% C), langsam gekühlte Stahle bestehen fast ganz aus Perlit (Fig. 12), kohlenstoffärmere aus Ferrit und Perlit (Fig. 13). Das Verhalten des Perlites beim Aetzschleifen läßt jedoch vermuten, daß die Härteunterschiede der einzelnen Lagen nicht dem zwischen Zementit und Ferrit entsprechen. Osmond nimmt deshalb einen weiteren Gefügebestandteil an, der lieh durch Färbung bei Behandlung mit Jod von Zementit und Ferrit unterscheidet; er nennt ihn Sorbit. Nach ihm können die abwechselnden Lagen des Perlites aus Zementit und Sorbit, aus Sorbit und Ferrit, aus zwei verschieden gefärbten Sorbiten oder endlich aus Zementit und Ferrit mit oder ohne zwischengelagerten Sorbit bestehen. – Beim Aetzschleifen mittelharten abgeschreckten Stahles treten zwischen den harten Martensitkernen und den vertieften Ferritkörpern schnurförmige Zwischenlagen mittlerer Härte auf (Fig. 11), die sich weniger rasch färben als Sorbit, amorphes, leicht gekörntes und warziges Gefüge zeigen. Sie bilden einen Uebergang zwischen weichem Eisen und gehärtetem Stahl und sind von Osmond Troostit genannt worden. Sorbit und Troostit sind chemisch nicht bestimmt, sondern bislang nur mittels des Mikroskopes erkenn- und unterscheidbar. – Die Fig. 6–13 sind einer Veröffentlichung Osmonds [1] entnommen.

Einfluß des Kohlenstoffs auf die Eigenschaften des Eisens. Es ist zu erwarten, daß ein den ganzen molekularen Aufbau des Eisens so tief beeinflussender Stoff auch auf die physikalischen, mechanischen und Arbeitseigenschaften einwirken werde. In der Tat ist dies in hohem Maße der Fall. Daß Kohlenstoff die Erstarrungstemperatur herabsetzt, ist ohne weiteres einleuchtend und im vorgehenden bereits erörtert; die Gefrierpunktserniedrigung beträgt für die eutektische Legierung mit 4,3% Kohlenstoff 1600–1130 = 470°, für weißes Roheisen, eutektische Legierung mit etwa 5,4% Kohlenstoff, sogar 540°. In gleicher Weise verändert er auch die Lage der andern Haltepunkte (vgl. Fig. 3–5). Die Dichte sinkt mit zunehmendem Kohlenstoffgehalt, ist aber auch abhängig von den Abkühlungsverhältnissen; gehärteter[267] Stahl hat geringere Dichte als langsam gekühlter. Die Ausdehnung durch die Wärme ist unterhalb der Umwandlungstemperatur in Perlit (unter 700°) für alle Eisen- und Stahlsorten gleichgroß; innerhalb der Umwandlungszone, also zwischen 700 und 1000° findet Zusammenziehung statt; bei höheren Temperaturen wächst aber der Ausdehnungskoeffizient mit dem Kohlenstoffgehalt. Auch die spezifische Wärme nimmt mit wachsendem Kohlenstoffgehalt zu; die Leitfähigkeit für Wärme und Elektrizität verhält sich umgekehrt. Daß Eisen bei Ar₂ unmagnetisch wird, ist oben erwähnt; die Umwandlungstemperatur sinkt mit steigendem Kohlenstoffgehalt. Die Reißfestigkeit wächst mit dem Kohlenstoffgehalt und erreicht bei 0,8–1,0% einen Höchstwert. Howe [10] teilt folgende Reihe mit:

Diese Reihe wird von Kerpley [11] mit folgenden Angaben bestätigt:

Die Zähigkeit wird durch die Dehnung beim Bruche und durch die Querschnittsverminderung, ausgedrückt in Prozenten der ursprünglichen Abmessungen (Länge und Querschnitt), gemessen. Beide nehmen mit wachsendem Kohlenstoffgehalt ab. Es fanden Howe [10] und Kerpely [11]:

Querschnittsverminderung nach v. Jüptner [12]:

Ueber den Zusammenhang zwischen Elastizität und Kohlenstoffgehalt ist noch kein Qefetz aufgefunden worden.

Die Härte sowohl als die Härtbarkeit werden stark durch den Kohlenstoffgehalt beeinflußt und steigen mit ihm. Die zahlenmäßige Feststellung der Härte ist schwierig; von den zahlreichen Verfahren hat sich, wie es scheint, das von Brinell [13] am besten bewährt. Er treibt eine gehärtete Stahlkugel von 10 mm Durchmesser mittels Druckes in den zu prüfenden Gegenstand ein, mißt den Durchmesser und berechnet die Fläche der erzeugten Vertiefung in Quadratmillimetern. Den angewendeten Druck dividiert er durch diese Fläche und benutzt den so erhaltenen Quotienten, die Härtezahl, als Maß. Ueber den Einfluß des Kohlenstoffs auf die Härte von Stahl teilt er folgende Versuchsergebnisse mit:

Die Unregelmäßigkeit der Härtezunahme dürfte auf die Anwesenheit andrer Elemente (Si, Mn) zurückzuführen sein. Durch Abschrecken glühenden Stahles wächst die Härte bekanntlich; der Stahl wird gehärtet. Die Größe der Härtezunahme, die Härtbarkeit, mißt Brinell durch den Unterschied der Härtezahlen ausgeglühten, langsam gekühlten und gehärteten Metalls. Die Härtbarkeit scheint bei der Zusammensetzung der festen eutektischen Legierung ihren Höchstwert zu haben.

[268] Die Arbeitseigenschaften werden durch den Kohlenstoff ungünstig beeinflußt: Schmiedbarkeit und Schweißbarkeit, Biegsamkeit und Widerstand gegen Stoß nehmen mit wachsendem Kohlenstoff ab.

Eisen und Silicium.

Silicium, das in sehr hoher Temperatur und besonders in Gegenwart von Eisen durch Kohlenstoff aus der Kieselsäure der Schlacke reduziert wird, legiert sich in beliebigen Mengen (im elektrischen Ofen hat man Eisen mit 50% Si hergestellt) [14] und nach Troost und Hautefeuille [15] unter Wärmeentwicklung. Siliciumlegierungen sind weiß von Farbe. Freies Silicium (wie Graphit) hat bisher im Eisen nicht nachgewiesen werden können. Die bemerkenswerteste Wirkung des Siliciums besteht in der Verminderung des. Lösungsvermögens von Kohlenstoff in Eisen und demgemäß Graphitbildung. Die Lage der Umwandlungspunkte wird durch höheren Siliciumgehalt nach oben gerückt. In siliciumreichen Stahlen nähert sich Ar₃ der Lage des Punktes in reinem Eisen und fällt mit ihm zusammen, wenn der Siliciumgehalt auf 2% steigt. Die Lage von Ar₂ wird nicht merklich beeinflußt, aber Ar₁ nähert sich ihm, bis beide zusammenfallen, wenn der Siliciumgehalt von 0,2 auf 4,0% wächst.

Eisen und Mangan.

Die Legierungsfähigkeit von Eisen und Mangan ist unbeschränkt; da Mangan mehr Kohlenstoff zu lösen vermag als Eisen, so ist manganreiches Eisen kohlenstoffreicher als manganarmes. Die Wirkung des Mangans ist in dieser Richtung der des Siliciums entgegengesetzt, erschwert somit die Bildung grauen Roheisens. Mangan ändert die Kristallisation des Eisens aus tesseraler in rhombische oder monokline um und begünstigt die Lösung von Gasen im flüssigen Eisen in hohem Maße. Die Reduktion des Mangans erfolgt nur in geringer Menge und gleichzeitig mit Eisen durch Kohlenoxyd, in der Hauptsache erst durch festen Kohlenstoff in sehr hoher Temperatur. Osmonds Versuche zeigen, daß wachsender Mangangehalt die Lage der Haltepunkte sowohl in kohlenstoffarmen als in kohlenstoffreichen Eisen merklich herabsetzt, und zwar Ar₂ bedeutend mehr als Ar₁, so daß sich beide einander immer mehr nähern, bis sie bei etwa 400° zusammenfallen. Bei mehr als 3,5% Mangan tritt nur noch ein einziger Umwandlungspunkt auf, und zwar unter 400°. Da Ar₂ die magnetische Umwandlung bezeichnet, so sind langsam erkaltete Manganstähle magnetisch, solange der Umwandlungspunkt oberhalb der gewöhnlichen Temperatur liegt, was noch bei annähernd 7% Mangangehalt der Fall ist; bei 12% Mangan zeigt der Stahl keinen Umwandlungspunkt mehr; er muß weit unter – 100° liegen. Der Stahl ist unmagnetisch.

Auf die physikalischen Eigenschaften der Eisensorten üben die vorgenannten wichtigsten Nebenbestandteile (außer Kohlenstoff, s. oben) folgende Einflüsse aus: Die Schmelztemperatur sinkt mit zunehmendem Siliciumgehalt, steigt aber etwas mit dem Mangangehalt. Die Härte wächst unbedeutend durch Silicium, sprungweise durch Mangan. Nach Hadfield [16] steigt die Härte eines Eisens mit weniger als 1% Kohlenstoff (Stahl) bei 6% Mangan bis zur Unangreifbarkeit durch Werkzeuge, sinkt bis zu 10% Mangan und ist wieder sehr beträchtlich bei 22% Mangan.

Festigkeitseigenschaften. Silicium steigert die Festigkeit etwas, bis zu welchem Gehalt ist noch nicht festgestellt; ebenso wirkt Mangan; die größte Fertigkeit scheint bei ca. 1% Mangan neben 0,5–0,6% Kohlenstoff zu liegen. Die Zähigkeit, Dehnbarkeit nimmt ab mit der Zunahme beider Nebenbestandteile; manganreiche Eisen sind so spröde, daß sie sich im Mörser pulvern lassen. Von vielen Seiten ist versucht worden, die Fertigkeit aus der chemischen Zusammensetzung abzuleiten; da aber die thermische und die mechanische Behandlung ebenfalls von erheblichem Einflüsse sind, so können die Formeln nur für gleichartig behandeltes Eisen Gültigkeit haben, desgleichen nur für Sorten gewöhnlicher, nicht für solche stark abweichender Zusammensetzung. v. Jüptner (Beziehungen zwischen Zerreißfestigkeit und chemischer Zusammensetzung von Eisen und Stahl, Leipzig 1895, »Stahl und Eisen« 1898, Nr. 5 und 6) gibt folgende, auf die durch Erfahrung bestätigte Annahme, daß die Anwesenheit einer gleichen Atomenzahl der Nebenbestandteile die Fettigkeit um gleichviel beeinflusse, gegründete Gleichung:

A ist für gleiche Erzeugungsbedingungen und gleiche thermische Bearbeitung bekannt, z.B. für geschmiedeten naturharten Stahl von Neuberg = 25. Die Uebereinstimmung zwischen berechneten und durch Versuch gefundenen Fertigkeitswerten ist für die Praxis ausreichend, so daß die Formel auf einigen deutschen und französischen Eisenwerken täglich statt der mechanischen Prüfung mit Erfolg angewendet wird. Von andern Seiten ist die Formel auch noch auf den Einfluß der sonstigen Nebenbestandteile ausgedehnt worden, z.B. auf Phosphor, Schwefel und Kupfer, aber die Ergebnisse sind nur für ersteren befriedigend. Phosphor ist stets als schädlich zu betrachten, da er die Zähigkeit bei gewöhnlicher und niedriger Temperatur stark vermindert (Kaltbruch), teils durch Hervorrufen grobkristallinischen Gefüges (Grobkorneisen), teils durch Summation seiner Wirkung mit der gleichartigen des Kohlenstoffs. Phosphorhaltiges Eisen (0,1–0,2%) soll deshalb immer arm sein an legiertem, an Härtungskohlenstoff. Die Schmelztemperatur wird durch Phosphor wesentlich herabgesetzt, die Dünnflüssigkeit und die Schweißbarkeit sehr befördert, die Härte mäßig erhöht. – Schwefel, der wahrscheinlich als Eisensulfür im Metalle verteilt ist, wirkt ähnlich wie Mangan auf Bindung des Kohlenstoffs, der Graphitbildung entgegen und erzeugt ausgeprägten Rotbruch, d.i. Sprödigkeit in mäßiger Rotglut, wodurch die Verarbeitung des schmiedbaren Eisens wesentlich erschwert wird. Seine große Neigung zur Bildung von Mangan- und Calciumsulfür gibt Mittel an die Hand, ihn unschädlich zu machen (s. Roheisen, Flußeisen). Bei längerem Stehen flüssigen Eisens scheidet sich Schwefelmangan als Schlacke oder sogenannte Wanzen, das sind schorfähnliche [269] Absonderungen, an der Oberfläche ab. Bei niedrigem Mangangehalte genügen schon wenige Zehntausendstel Schwefel zur Hervorrufung von Rotbruch. Der geringen im Eisen auftretenden Mengen wegen kann Schwefel die Schmelztemperatur und die Fertigkeit nicht merklich beeinflussen. – Arsen, Antimon und Zinn, die aus den Rohstoffen (Erz, Blechabfälle) ins Eisen gelangen können, wirken ungünstig, Kalt- und Rotbruch erzeugend; die ersten beiden sind in den Erzen nicht häufig in bestimmbarer Menge enthalten; letzteres kann durch geeignete Auswahl der Abfälle ferngehalten werden. – Kupfer legiert sich leicht mit Eisen und findet sich infolge geringen Kupfergehaltes vieler Erze in zahlreichen Eisensorten bis zu etwa ¹/₂%, ohne doch von merklichem Einflusse zu sein. Die ihm früher allgemein zugeschriebene Wirkung auf Rotbruch ist gleichzeitig anwesendem Schwefel, also allenfalls dem aus beiden bestehenden Kupfersulfür zur Last zu legen (s. auch Eisenlegierungen). – Nickel und Kobalt gelangen gleichfalls aus manchen Erzen (z.B. Siegener Spateisenstein) in geringen Mengen in das Eisen, aus dem sie sich der geringen Oxydationsfähigkeit wegen ebensowenig wie Kupfer wieder entfernen lassen. Ihr Einfluß ist ohne Belang (s.a. Eisenlegierungen). – Chrom und Wolfram, s. Eisenlegierungen. – Aluminium spielt als Bestandteil des Eisens, in dem es nur durch Zufuhr in metallischem Zustande vorkommen kann, da es im Hochofen nicht reduziert wird, eine untergeordnete und nicht vorteilhafte Rolle. Es steigert unter Verminderung der Zähigkeit die Fertigkeit etwas, erniedrigt die Schmelztemperatur nur wenig, verringert aber merklich die Dünnflüssigkeit und die Schmiedbarkeit. Die Graphitbildung wird durch Aluminium begünstigt. – Sauerstoff kann im Eisen nur als Eisenoxydul gelöst sein, da alle höheren Oxydationsstufen in Berührung mit flüssigem Eisen reduziert werden. Die Menge des gelösten Eisenoxyduls beträgt nach Ledebur [17] ungefähr 1,1%. entsprechend 0,25%, nach Bender bis 0,34% Sauerstoff. Schon 0,1% Sauerstoff genügt, das Eisen rotbrüchig zu machen, weswegen die Zerstörung des Oxyduls durch Zusetzen reduzierender Stoffe zu flüssigem Eisen (Mangan, Silicium, Aluminium) zu den wichtigsten Vorgängen der Eisendarstellung gehört. In Roheisen und Stahl kann deshalb auch Sauerstoff nicht auftreten. Wird kohlenstoffarmes Eisen längere Zeit sehr hoher Temperatur ausgesetzt, so dringt schmelzendes Oxyduloyxd von der Oberfläche in das Metall ein, wird dort reduziert zu Oxydul und erzeugt Rotbruch; das Eisen verbrennt. Eine ähnliche Wirkung hat die ebenfalls in anhaltender hoher Temperatur stattfindende Umbildung des feinkörnigen in grobkristallinisches Gefüge, die man daher ebenfalls als »Verbrennen« bezeichnet. Oberflächlich hat der Sauerstoff in Glühhitze eine Oxydation zu Oxydoxydul, die Bildung einer Glühspan- oder Hammerschlagschicht zur Folge, die bereits bei 200° beginnt und sich durch Anlaufen äußert; die Anlauffarben sind bei 220–330° hellgelb, 240° dunkelgelb, 255° bräunlichgelb, 265° braunrot, 275° purpurrot, 285° violett, 295° kornblumenblau, 315° hellblau, 330° grau. Bei weiterem Erhitzen wiederholen sich die Farben noch mehrmals, folgen aber immer rascher aufeinander und gehen schließlich in die Glühfarbe über. – An Gasen absorbiert das Eisen Stickstoff, Kohlenoxyd und Wasserstoff, von denen jedoch die beiden ersteren beim Erstarren unter Blasenbildung vollständig, letzterer zum Teil wieder ausgeschieden werden. Ein andrer nicht unerheblicher Teil des Wasserstoffes findet sich noch im erstarrten und erkalteten Eisen; er ist mit ihm legiert [18]–[20]. Nach Cailletet [21] enthält auch unter gewissen Umständen galvanisch gefälltes Eisen, nach Johnson, Hughes, Bädecker und Ledebur [22]–[25] mit verdünnter Schwefelsäure oder Chlorwasserstoffsäure behandeltes ebenfalls Wasserstoff. Silicium und Aluminium hindern die Gasentwicklung aus dem flüssigen Eisen und bilden somit wichtige Mittel zur Erzielung dichter Güsse.

Ueber die Prüfung des Eisens s. Biegeprobe, Schlagversuch, Zerreißversuch u.a. Für Roheisen genügt vielfach die chemische Analyse.

Literatur: [1] Baumaterialienkunde, 2. Jahrg., S. 72. – [2] Osmond und Werth, Theorie cellulaire de l'acier, Ann. des mines, 8. Reihe, Bd. 8, S. 5. – [3] Arnold, Engineering, 9. Juli 1897. – [4] Sauveur, Eng. and min. Journ., 64, S. 489. – [5] Revue generale des sciences 1897, S. 1; The Metallographist, I, 52. – [6] Stansfield, in Philos. Magazine 1898, Juli, S. 59. – [7] Inst. Mech. Eng. Proceeding, Febr. 1899, Fifth Rapport of the Alloy Research Committee. – [8] Die Metallographie im Dienste der Hüttenkunde, Freiberg 1903; Verhandl. d. Ver. z. Beförd. d. Gewerben., 1904, S. 371. – [9] Backhuis-Roozeboom, Eisen und Stahl vom Standpunkte der Phasenlehre, Zeitschr. f. phys. Chemie, Bd. 7, 34, S. 437; Journ. of the Iron and Steel Inst., 1900, II. – [10] Eng. and Mining Journ. 1887, I, S. 241. – [11] Eisen und Stahl auf der Weltausstellung zu Paris 1878. – [12] Beziehungen zwischen chemischer Zusammensetzung und physikalischen Eigenschaften von Eisen und Stahl. – [13] Baumaterialienkunde 1900, Nr. 18–26. – [14] »Stahl und Eisen« 1899, S. 796. – [15] Ann. de chimie et de physique 1879, IX, S. 56. – [16] Transact. of the Amer. Inst, of Min. Eng., XIII, 233; XV, 461. – [17] Ledebur, Handbuch der Eisenhüttenkunde, 4. Aufl., Leipzig 1903, S. 286. – [18] Müller, Zeitschr. des Vereins deutscher Ing. 1879, S. 494. – [19] Berichte der Deutschen Chem. Gesellsch., 1881, S. 6. – [20] »Stahl und Eisen« 1882, S. 442, 531. – [21] Compt. rend., LXXX, S. 319. – [22] Proceed. Royal Soc, XXIII, S. 168. – [23] Scientific American, XLII, S. 362. – [24] Zeitschr. des Vereins deutscher Ing. 1888, S. 186. – [25] »Stahl und Eisen« 1887, S. 681; 1889, S. 745.

Bechert.

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Fig. 2.

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