Titel: Tyler, über das Härten des Stahles.
Autor: Tyler, Rufus
Fundstelle: 1830, Band 38, Nr. XII. (S. 29–33)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj038/ar038012

XII. Bemerkungen über das Härten des Stahles. Von Rufus Tyler, Mechaniker zu Philadelphia.

Aus dem Franklin Journal, im Register of Arts, Junius. 1830. S. 29.

Ich lege dem Institute folgende Bemerkungen über das Härten des Stahles, als die Resultate vieler Erfahrungen in dem regelmäßigen Verlaufe meiner Arbeiten, und als Versuche vor, welche ich, veranlaßt durch einige zufällig bemerkte Sonderbarkeiten, zu meiner eigenen Belehrung angestellt habe. Man wird vielleicht bedauern, daß ich nicht Muße genug fand, sie mit größerer Genauigkeit in ihrem ganzen Detail zu wiederholen; vielleicht wird aber gerade dieser Umstand anderen erwünscht scheinen, indem keine Reihen von Zahlen und Formeln dadurch zum Vorscheine kommen konnten, und daher desto leichter über die Sache gesprochen, und Alles erwogen und verbessert werden kann: denn zu verbessern wird es hier, ungeachtet aller Mühe, die ich angewendet habe, noch Vieles geben.

Die eigene Art von Härtung, deren der Stahl fähig ist, beruht auf zwei Bedingungen: 1) auf einem hinlänglichen Grade von Hize (etwas unter dem tiefsten Roth), welchen man die Härtungshize nennen kann; 2) auf dem plözlichen Abkühlen. Wenn es nur um einige wenige Grade von Hize gefehlt ist, oder wenn es nur um zwei oder drei Secunden zu viel ist; so ist die ganze Arbeit mißrathen.

Das gewöhnliche Verfahren beim Härten des Stahles zu gewöhnlichen Zweken ist dieses, daß man denselben bis auf den gehörigen23) Grad erhizt (je niedriger desto besser, vorausgesezt daß die Hize nicht gar so niedrig ist, daß kein Härten Statt haben könnte), und dann schnell in kaltes Wasser taucht. Wenn es nöthig ist, die Oberfläche gegen die anfressenden Wirkungen der atmosphärischen Luft zu schüzen, wie bei Stahlstichen, bei fein gearbeiteten stählernen Prägestämpeln etc., so muß der Stahl in fein gestoßenes Holzkohlenpulver gelegt werden, das man vorher in einer eisernen Büchse bis zur Rothglühehize erhizte, um alles aus demselben zu verjagen, was sich verdampfen läßt, und wenn der Stahl dann hinlänglich gehizt ist, |30| muß derselbe, so wenig als möglich der Luft ausgesezt, in die Abkühlungsflüssigkeit gebracht werden. Wenn Alles, was in der Büchse ist, zugleich mit dem Stahle so in Oehl geworfen wird, daß alle Luft vollkommen ausgeschlossen bleibt, so behält der Stahl seine Politur und seinen Glanz unverändert.

Alle Stahlarbeiten unterliegen mehr oder weniger dem Werfen, wenn man sie schnell abkühlt, wegen der ungleichen Zusammenziehung ihrer Theile, und manche dieser Arbeiten erfordern die größte Geschiklichkeit und Gewandtheit, wenn man verhüten will, daß sie während der Arbeit in Stüke brechen.

Wo immer also die Natur des Stahlstükes, das man härten will, den Gebrauch des Oehles, als Abkühlungsmittel, erlaubt, wird dasselbe sicherer wirken, als Wasser, indem es in seiner Wirkung langsamer ist. Es ist daher offenbar, daß, da große Stahlmassen selbst im Wasser nur mit der größten Mühe innerhalb der Härtungszeit gehärtet werden können, nur kleine Arbeiten, wie z.B. Federn, dünne Klingen etc. in Oehl gehärtet werden können. Man hat zuweilen behauptet, daß Oehl dem Stahle, der in demselben gehärtet wird, einen gewissen Grad von Zähigkeit ertheilt, so wie es ein Stük Horn oder Leder zäher machen würde, indem es in die Poren desselben eindringt, und ich glaube das berühmte Patent, auf die gepriesenen in Oehl gehärteten Patent-Feder-Bruchbänder gründet sich auf diese Vermuthung.

Die Gefahr des Brechens nimmt mit der Dike des Stükes zu, es mag was immer für eine Form haben; diejenige Form ist dem Brechen am wenigsten ausgesezt, in welcher die größte Freiheit der Bewegung Statt hat, oder in welcher eine gleichzeitige Zusammenziehung aller Theile bewirkt werden kann.

Beim Härten einer Walze, z.B. von zwei drei Zoll im Durchmesser und von derselben Länge, ist das erste Streben des Zusammenziehens ihrer Oberfläche eine Trennung derselben. Da aber die Kraft dieses Strebens über die ganze Oberfläche gleich vertheilt ist, und das Metall sich in einem Zustande von Nachgiebigkeit befindet, so ist, im Allgemeinen, die einzige Wirkung diese, daß die Oberfläche sich über ihre ursprünglichen Gränzen ausdehnt. Die auf diese Weise vergrößerte Oberfläche wird auf ein Mal hart und fest, so daß das darauf folgende Abkühlen des Mittelpunktes den Druk auf die Oberfläche umkehrt, und dieselbe zusammenzudrüken oder zu verkürzen trachtet, und dieß zwar in einem solchen Grade, daß öfters ein Segment mit großer Gewalt weggeschläudert wird, oder, wenn der äußere Theil hinlängliche Stärke hat der zusammenziehenden Kraft des Mittelpunktes zu widerstehen, so strebt dieser Theil wieder sich |31| abzusondern, indem er durch den äußeren Theil (an welchem er anhängt) gehindert ist, in seine ursprüngliche Ausdehnung zurükzukehren. In diesem Falle ist eine Trennung im Mittelpunkte unvermeidlich, außer es bleibt ein Theil der Hize zurük, bis die Oberfläche durch das Anlassen schlaffer wird, worauf man dann abkühlen kann. Wenn ein Sprung im Mittelpunkte anfängt, so trennen die Theile sich gewöhnlich mit einer solchen Kraft, daß die Masse mit einem lauten Klange sich von einander reißt.

Bei dem Springen oder Brechen der Prägestämpel, Walzen etc. (bei welchen das Anlassen vernachlässigt wurde) geschieht es zuweilen, daß diese Wirkung erst nach mehreren Stunden, und selbst Tagen, nach dem Harten Statt hat.

Die Schriftsteller sagen, daß Stahl, wenn man denselben bis auf den Härtungspunkt erhizt, sich um 1/8 Zoll im Fuße ausdehnt, und bei dem Abkühlen sich ungefähr um 2/3 der Länge, um welche er sich ausdehnte, zusammenzieht: vorausgesezt, daß wirklich Härtung Statt hat, denn sonst zieht er sich beinahe auf seine ursprüngliche Länge zusammen. Ich war daher gewohnt, auf diese Ausdehnung, welche gewöhnlich beobachtet wurde, in einem größeren oder geringeren Grade zu rechnen, und war mehrere Jahre lang der Meinung, daß dieß eine nothwendige Folge des Härtens des Stahles ist, daß diese Wirkung Statt haben müsse, und zwar im Verhältnisse zu dem Grade der erzeugten Harte.

Von dieser Theorie weichen jedoch mehrere Thatsachen ab, und ich glaube, daß der oben als Ursache des Brechens angegebene Umstand auch die in Frage stehende Erscheinung auf das Genügendste erklärt, nämlich das Erhärten der äußeren Oberfläche, ehe dieselbe sich so viel möglich bis zur gehörigen Größe zusammenziehen konnte, während die innerhalb enthaltene Masse noch ausgedehnt war.

Ich habe in einer Menge von Fällen bei dünnen hohlen Cylindern oder flachen Ringen, wo das Abkühlen am leichtesten durch und durch, und beinahe augenbliklich, geschehen konnte, wo also der größte Grad von Härtung Statt hatte, gefunden, daß keine Vergrößerung bemerkbar war.

Bei dem Abkühlen muß vorzüglich dafür gesorgt werden, daß an keinem Theile eine Unterbrechung Statt hat, wie dieß so oft dadurch geschieht, daß man das Stük zu schnell in dem Wasser hin und her bewegt, und dadurch die gegenüberstehenden Seiten abwechselnd kühlt, und einem leeren Raume aussezt; denn auf diese Weise kann ein Theil, welcher so behandelt wurde, nachdem man ihn schnell gegen das strömende Wasser bewegt, bis er gehörig gehärtet ist, |32| leicht wieder angelassen oder temperirt werden (let down, wie man sagt), indem die Hize von dem Mittelpunkte gegen die Seite hin führt, welche dem leeren Raume gegen über steht, und keine hinlängliche Wiedererhizung Statt hat, die als Vorbereitung zur Härtung bei der Wiederkehr der Wasserströmung dienen könnte. Auf diese Weise entstehen öfters weiche Stellen, welche man irrig der Ungleichheit des Stahles, dem Mangel an hinlänglicher Hize etc. zuschreibt.

Wenn man das Ende einer kleinen Stange (welche auf mehrere Zoll in der Länge gehizt ist) in Wasser taucht, und ganz ruhig hält, bis es beinahe zur Oberfläche des Wassers, welches sehr kalt seyn muß, gehärtet ist, und dann dieselbe schnell um ein Achtel Zoll oder mehr empor hebt, nach der Länge der Stange; so wird ein Theil des Stükes, welches gehärtet wurde, wieder weich durch den darüber befindlichen erhizten Theil: sobald man dieß wahrnimmt, lasse man die Stange wieder in das Wasser sinken, so weit sie noch in der Härtungshize steht, was vielleicht einen halben Zoll tiefer seyn mag, als vorher; so wird ein anderer Theil von ungefähr 3/8 Zoll auf diese Weise gehärtet werden. Man ziehe nun die Stange wieder um etwas in die Höhe, wie vorher, und wiederhole die vorige Operation, bis endlich in der Stange keine Härtungshize mehr übrig bleibt; auf diese Weise entsteht dann eine Reihe abwechselnder harter und weicher Ringe.

Als ich die Stärke verschiedener Arten von Stahl prüfte, indem ich jede Art wiederholt so lang härtete, bis ein Bruch entstand, fand ich zu meiner Verwunderung, daß kleine Stüke, z.B. von einem Zoll im Gevierte, und 3/8 bis 1/2 Zoll Dike, nach drei- bis viermaligem Harten bedeutend geschwollen waren, und daß jede Härtung ihre Convexität vermehrte, bis endlich in der Mitte einer der Flächen die Oberfläche wirklich barst. Ich wiederholte den Versuch mit einem vollkommen flach zugearbeiteten Stüke, und fand daß die erste, zweite, dritte und vierte Härtung die Oberfläche immer mehr und mehr wölbte: bei der vierten Härtung bekam das Stük einen Sprung.

Ich habe ein dünnes Stük Stahl sehr schön dadurch gehärtet gesehen, daß ich es bei seinem Durchgange durch Strekwalzen erstarren (frieren, chilling) ließ. Dieses Stük zeigte in der Folge auf seinem Bruche ein außerordentlich schönes Korn, wahrscheinlich als Folge seiner Härtung unter einem ungeheueren Druke.

Kleine Bohrer und andere Stüke von geringer Dike, wie z.B. von der Dike einer kleinen Nadel, können dadurch hinlänglich schnell bis zur Erhärtung abgekühlt werden, daß man dieselben in der Luft schnell hin und her bewegt.

Wasser, wenn es bei dem Abkühlen kräftig wirken soll, muß frei |33| von aller Seife seyn. Wenn nur etwas Seife in dem Wasser ist, wird die Abkühlungszeit dadurch weit über die Gränze der Härtung hinausgerükt, vorzüglich wenn das Stük Stahl nicht sehr klein ist.

Das Korn des Stahles, obgleich schöner, wenn der Stahl hart, als wenn er weich ist, wird noch weit schöner, wenn das Anlassen so tief als möglich herabgebracht wird, bis ungefähr auf das Mittel zwischen Hart und Weich, wo dann die Schönheit wieder anfängt abzunehmen.

Gußeisen kann auf dieselbe Weise, wie Stahl, gehärtet werden, diejenige Art ausgenommen, welche bereits bei dem Gusse selbst gehärtet wurde. Diese Art besizt einen ausgezeichneten Grad von Härte, welcher materiell von demjenigen verschieden ist, den man nach der Härtungsweise des Stahles erhält. Das Härten geschieht hier, während das Eisen aus dem Zustande von Flüssigkeit in den festen Zustand übergeht, und solches Gußeisen kann nur durch Umschmelzen wieder weich werden. Sobald es die Zeit erlaubt, werde ich einige Bemerkungen über hartes und weiches Gußeisen mittheilen.

Die genügendste Theorie über das Härten des Stahles, welche sich auch auf Gußeisen anwenden läßt, ist jene von Hrn. Wilh. Mason allhier. Er nimmt an, daß bei der Härtungshize die Bestandtheile des Stahles in einem Zustande von vollkommener chemischer Vereinigung sich befinden, und daß, wenn man bei dem Abkühlen Zeit läßt, diese Vereinigung aufgelöst oder in ein bloß mechanisches Gemenge umgewandelt wird. Er unterstüzt diese Ansicht mit folgendem Versuche. Man schmelze gewisse Mengen von Zink und Queksilber zusammen, und gieße einen Theil des Amalgames in Wasser, den anderen in einen hölzernen oder papiernen Model. Derjenige Theil, welcher in das Wasser gegossen wurde, wird auf der Stelle erstarren, seine chemische Verbindung beibehalten, und die Consistenz eines Teiges bekommen, während der andere sich trennen wird: der Zink wird eine feste zellige Masse bilden, in deren Zwischenräumen das Queksilber in Gestalt kleiner Kügelchen enthalten ist.

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Wir haben so viel vom gehörigen Hizen des Stahles gelesen, gehört und gesehen, daß wir nur so viel wissen, daß der Stahl, wenn er gehörig gehärtet werden soll, gehörig gehizt werden muß; die Temperatur selbst aber haben wir noch nirgendwo an irgend einem Pyrometer in Graden angegeben gefunden. Es wäre zu wünschen, daß man Hrn. Prinsseps Pyrometer bei dieser wichtigen Arbeit versuchen möchte.

A. d. Ue.

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