Titel: Bromeis, über den Kohlengehalt des Eisens und seine Bestimmung.
Autor: Bromeis, Carl
Fundstelle: 1843, Band 87, Nr. XXXVI. (S. 130–137)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj087/ar087036

XXXVI. Ueber den Kohlenstoffgehalt des Eisens und seine Bestimmung; von C. Bromeis.

Aus den Annalen der Chemie und Pharmacie. Septbr. 1842, S. 241.

Es ist wohl in der neueren Zeit keine eben so theoretisch als technisch wichtige Frage von der Wissenschaft in dem Dunkel der Hypothesen dem Wesen nach so unbeantwortet geblieben, als die: welcher stöchiometrische Zusammenhang ist zwischen dem Kohlenstoff und dem Eisen, oder welche Rolle spielt der im Roheisen, Stahl und Stabeisen enthaltene Kohlenstoff?

Hievon ist aber der Grund nicht in der nicht erkannten Wichtigkeit des Gegenstandes, sondern in der Unvollkommenheit der Eisenanalysen zu suchen.

Denn ungeachtet der Bemühungen vieler Chemiker ist es erst in der neuesten Zeit Berzelius geglükt, ein sicheres Verfahren für die Bestimmung des gesammten Kohlengehalts im Eisen anzugeben. Hiedurch war aber dem großen Uebelstand erst halb abgeholfen, indem bis zum gegenwärtigen Augenblik jedes Mittel fehlte, den wichtigsten Theil des Kohlenstoffs, nämlich den wirklich mit dem Eisen chemisch verbundenen Theil, von dem nur mechanisch darin enthaltenen zu trennen und so nicht einmal approximativ bestimmen zu können.

Da ich nun diesen Winter, von der Herzoglich-Bernburgischen Regierung mit der Untersuchung ihrer sämmtlichen Roheisen, Stabeisen, wie einiger Schlakensorten beauftragt war, so sah ich mich demnach veranlaßt, in eben erwähntem Sinne zahlreiche Versuche anzustellen, und von deren Resultaten ich mir erlaube, hier einige kurz mitzutheilen.

Gewährt auch die von Berzelius angegebene Methode: das Eisen in Kupferchlorid aufzulösen, ein herrliches Mittel zur Bestimmung |131| der sämmtlich im Eisen enthaltenen Kohle, so erfordert sie doch zur Ausführung sehr viel Zeit, einen geübten Experimentator und complicirtere Apparate, die sich nicht in jedem Privat-Laboratorium finden möchten.

Ich empfehle daher eine andere Methode, welche im Wesentlichsten schon früher von Regnault vorgeschlagen ist und sich darauf gründet, das Eisen zu verbrennen und den darin enthaltenen Kohlenstoff als Kohlensäure zu bestimmen.

Man mischt nämlich nach Art der organischen Elementaranalyse ungefähr 3 Gramme des entweder mittelst einer guten englischen Feile, oder eines guten Stahlmörsers und eines feinen Siebs sehr vertheilten Eisens, mit 40 bis 50 Gram. chromsaurem Bleioxyd und 6 Gr. gepulvertem, vorher geschmolzen gewesenen chlorsaurem Kali. Alsdann bringt man dieses Gemenge in eine circa einen Fuß lange, an dem einen Ende rund zugeblasene, sehr schwer schmelzbare Verbrennungsröhre, welche man schon 1 1/2 Zoll hoch mit einem Gemenge von chromsaurem Bleioxyd mit chlorsaurem Kali angefüllt hat. Ist dann das, das Eisen enthaltende Gemisch, ebenfalls eingebracht, so füllt man die Röhre bis zum vierten Theil von Oben mit reinem chromsaurem Bleioxyd an. Hierauf bildet man durch horizontales Aufklopfen der Röhre die sogenannte Gasse der Röhre, sezt sie dann durch einen Kork mit einem kleinen Chlorcalciumrohr, wie mit einem mit kaustischer Kalilauge gefüllten Liebig'schen Kaliapparat in Verbindung, und bringt die mit dem Eisengemenge gefüllte Röhre in einen Röhren-, oder den sogenannten Verbrennungsofen. Ist dieses geschehen, so umgibt man, wieder ganz nach Art der organischen Analyse, die Röhre nach und nach mit glühenden Kohlen, wobei doch der hinterste Theil der Röhre, der kein Eisen mehr enthält, vor der Gluth geschüzt werden muß.

Es entwikelt sich nun reichlich Sauerstoffgas und die ganze Masse schmilzt innig zusammen, wobei die oben freiliegenden Eisentheilchen mit dem größten Glanze zu Eisenoxyd und Kohlensäure verbrennen. Entwikelt sich kein Gas mehr, so sezt man auch den hintern Theil der Röhre der Hize aus, es beginnt noch einmal eine reichliche Sauerstoffentwikelung, wodurch jeder Rükstand noch vollständig verbrennt und alle rükständige Kohlensäure im Apparat ausgetrieben wird, so daß hiedurch das spätere Luftdurchsaugen erspart ist, welches doch nur sehr selten gelingt, indem die Masse beim lezten kräftigen Feuer sich sehr aufblähet und beim Erkalten dann die Röhre besonders an dem hintern dünn ausgezogenen Ende fest verstopft, wodurch zugleich die in der Rohre zurükbleibende Kohlensäure einen namhaften Verlust herbeiführen würde.

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Auf diese Weise erhielt ich als Mittelresultate von einigen dreißig beziehungsweise sehr gut übereinstimmenden Analysen folgende auf 100 berechnete Zahlen:

a) beim Gußeisen:

I. II. III. IV V.
graues
Roheisen.
ordinäres
weißes R.
grelles
weißes R.
gahres
weißes R.
vollkommenes
Spiegeleisen.
3,270 2,554 3,018 3,458 3,820 Kohlenstoff;

b) beim Stabeisen:

Textabbildung Bd. 87, S. 132

c) beim Stahl:

I. II. III.
weicher Cementstahl
von Elberfeld.
rheinländischer
Gußstahl.
bester Gußstahl
von Sheffield.
0,496 1,267 1,70 Kohlenstoff.

Wichtiger als das eben mitgetheilte Verfahren scheint mir nachfolgendes, zur Bestimmung des nur mechanisch oder chemisch mit dem Eisen Verbundenen Kohlengehalts.

Von der Thatsache und der Voraussezung ausgehend, daß beim Auflösen von Eisen in verdünnten Wasserstoffsäuren, der mit dem Eisen wirklich chemisch gebundene Kohlenstoff an der Zersezung des Eisens theilnehmen müsse und sich im status nascens mit dem ihm dargebotenen Wasserstoff verbinden werde, dagegen die im Eisen nur mechanisch enthaltene Kohle keine Aenderung erleiden, sondern ganz unangefochten zurükbleiben würde, behandelte ich verschiedene Mengen der verschiedensten Eisensorten mit verdünnter warmer Salzsäure. Hiebei entwikelt sich neben dem Wasserstoff eine reichliche Quantität Kohlenwasserstoffes, wie eine geringe Menge eines sehr stinkenden flüssigen Kohlenwasserstoffs, der nach dem Auflösen zum Theil mit der, dem Eisen mechanisch beigemengt gewesenen, abgeschiedenen Kohle innig gemengt, aber nicht, wie Berzelius vermuthete, damit chemisch verbunden zurükbleibt, denn man kann ihn ungeachtet seiner Schwerflüchtigkeit, doch durch mehrtägiges Erhizen des Rükstandes, mit der überschüssigen Salzsäure so austreiben, daß die Lösung nur kaum noch darnach riecht. Die Kohle wird hiebei durchaus nicht angegriffen, so daß man sie mittelst eines möglichst kleinen, gewogenen Filters leicht sammeln und bestimmen kann.

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Auf diese Weise erhielt ich selbst beim Stahl und beim Stabeisen ziemlich gut stimmende Resultate, während bei den Roheisensorten, namentlich bei dem grauen Roheisen, eine Genauigkeit erreicht wird, die gar nichts zu wünschen übrig läßt.

So gab z.B. ein und dasselbe graue Roheisen bei drei Analysen folgende Zahlen:

I. 0,5 Gram. Eisen gaben 0,0385 Gram. = 7,70 Proc. Rükstand.
Hievon waren 2,340 – Graphit.
II. 4 Gram. Eisen gaben 0,3094 Gram. = 7,740 Procent Rükstand.22)
III. 1 Gram. Eisen gab 0,0738 Gram. = 7,380 Proc. Rükstand
Hievon waren 2,360 – Graphit.

Durch die Combination des gesammten Kohlengehalts mit der Bestimmung des nur mechanisch mit dem Eisen gemengten Theils, ergeben sich nun für die hier betrachteten Eisensorten, in Bezug ihres Kohlengehalts, folgende quantitative Verhältnisse:

a) beim Gußeisen:

I. II. III. IV. V.
graues
Roheisen.
ordinäres
weißes R.
grelles
weiß. R.
gahres
weiß. R.
vollkommenes
Spiegeleisen.
chem. gebundene K. 0,930 1,514 2,518 2,908 3,100 Proc.
mech. eingemengte K. 2,340 1,040 0,500 0,550 0,720 –

b) beim Stabeisen:

I. II. III. IV. V. VI.
nach schwäbischer Methode
aus weißem Roheisen gefrischt.
nach Mägdesprunger Methode aus
verschiedenen Roheisensorten
gefrischt.
chem. gebundene K. 0,238 0,354 0,380 0,104 0,237 0,660 Proc.
mech. eingemengte K. 0,080 Spur 0,020 0,220 0,260 Spur.

c) beim Stahl:

I. II. III.
weicher Cementstahl
von Elberfeld.
rheinländischer
Gußstahl.
bester Gußstahl
von Sheffield.
chem. gebundene K. 0,416 1,157 0,950 Proc
mech. eingemengte K. 0,080 0,110 0,220 –

Betrachtet man nun die von mir bei diesen zahlreichen Analysen erhaltenen Resultate, so glaubt man in ihnen Andeutung zur Entscheidung einiger viel besprochener Fragen zu finden, wovon ich doch hier zum Schluß nur zwei hervorheben will, nämlich:

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1) Ob das Gußeisen wirklich ein Polycarburet sey, oder den Kohlenstoff als Polycarburet enthalte, und ob dann das vollkommene Spiegeleisen diese Verbindung in dem für am reinsten bekannten Zustand sey?

2) Welcher Unterschied ist zwischen Gußeisen, Stahl und Stabeisen, und warum scheidet der Stahl beim Schmelzen und langsamen Erkalten keine Kohle aus, welches doch das Gußeisen so leicht thut?

Man findet in den meisten Lehrbüchern allgemein angegeben, daß das krystallisirte Spiegeleisen den höchsten Kohlengehalt besize, der gewöhnlich 5,3 Proc. betrage, doch könne er merkwürdiger Weise bis zu 4,2 Proc. abnehmen, ohne dieser krystallinischen Beschaffenheit Eintrag zu thun, welche Differenz doch bei andern krystallisirten Verbindungen nicht vorkomme. Ich habe nun in den allervollkommensten Spiegeleisensorten als Mittel mehrerer Analysen nie mehr als 3,8 Proc. Kohle erhalten, welches Resultat durch zahlreiche und zuverlässige Analysen von Berthier unterstüzt wird. Dieser fand im Durchschnitt in Spiegeleisen von den verschiedensten Orten 3,6 Proc. Kohle.

Beruht nun obiger hohe Kohlengehalt bei der frühern Unvollkommenheit der Analyse nicht auf einem Irrthum, so scheinen auch andere Körper diese krystallinische Beschaffenheit dem Eisen ertheilen zu können, wenigstens dürfte die Kohle nicht als alleinige Bedingung dieser Eigenschaft angesehen werden. Sucht man nun in allen diesen Analysen nach einem Ersazmittel, so findet man es nur in dem außerordentlich hohen Mangangehalt, welcher in dem von mir untersuchten Spiegeleisen sogar 7 Proc. betrug.

Nach vielen andern weniger zuverlässigen Angaben wird der Kohlengehalt im Spiegeleisen auf die widersprechendste Weise theils höher, theils niedriger als 4 Proc. angegeben, so daß wenn man ihnen auch nur entfernt trauen darf, sie doch alle zu beweisen scheinen, daß das Spiegeleisen und noch weniger das dichte Gußeisen kein stöchiometrisch zusammengeseztes Polycarburet sey.

Zur weitern Entscheidung dieser Frage möchten genaue Messungen der verschiedenen Spiegeleisen von der größten Wichtigkeit seyn.

Diese Ansicht findet noch eine fernere Beantwortung und Stüze in der Entscheidung der zweiten Frage.

Betrachtet man nämlich die Erscheinungen, welche das Roheisen beim langsamen Erkalten, bei der Ausscheidung von Graphit oder bei der Umwandlung von weißem Roheisen in graues darbietet, so finden wir genau alle Erscheinungen, wie sie sich bei jeder Lösung |135| oder Legirung zeigen, aber nie die der wirklich chemischen stöchiometrischen Verbindungen.

Denn hat sich das Eisen unter bedeutendem Druk und viel höherer Temperatur als die seines Erstarrungspunktes mit Kohle vollkommen gesättigt, so wird sie diese wie jede andere Lösung zum Theil beim Erkalten, wenn die Masse nicht zu zähe ist, wieder ausscheiden, und zwar wird sich, wie es die Erfahrung auch lehrt, um so mehr Kohle ausscheiden, je langsamer das Erkalten geschieht; doch wird diese nie eine bestimmte Gränze überschreiten, ja sie selbst nicht einmal erreichen; denn wegen der zähen Beschaffenheit des Gußeisens vor dem vollkommenen Erstarren wird es noch mehr Kohle enthalten, als in dieser Beziehung der Temperatur und der Sättigungscapacität des Eisens entspricht.

Diese Behauptungen werden nun auch ganz durch die oben angeführten Analysen bestätigt. Ich fand nämlich in einem grellen weißen Roheisen nur 0,5 Proc. ausgeschiedene oder mechanisch eingemengte Kohle, dagegen in einem ordinären weißen Roheisen schon 1 Proc., und endlich in einem langsam erkalteten grauen Roheisen 2,3 Proc., während der noch darin chemisch gebundene Antheil der Kohle nur 0,9 Proc. betrug. Dieser geringe Antheil muß aber mit der Gesammtmasse des Eisens verbunden seyn, indem jeder Grund fehlt, ihn, wie es noch die neuesten Lehrbücher thun, in künstlicher Verbindung mit einer kleinen Menge Eisen, und diese dann in der übrigen Masse reinem Eisen aufgelöst zu sehen. Ja, es erscheint nach dieser herrschenden Ansicht unbegreiflich, warum nicht das eine Eisentheilchen dieselbe Verwandtschaft zur Kohle, wie sein nebenliegendes besizen soll, da ihm doch hinreichend Kohle dargeboten ist, indem es von derselben sogar über 2/3 Theile ausgeschieden hat.

Auch ist es mir nie gelungen, eine bestimmte Verbindung von Kohle und Eisen beim Auflösen von Eisen auszuscheiden, und erhielt ich wirtlich eine noch eisenhaltige Kohle, so war die Auflösung entweder nicht vollkommen gewesen, oder durch zu viel umliegende reine Kohle unmöglich gemacht. Daß aber selbst der mit ziemlich starken Säuren gekochte und lange digerirte kohlige Rükstand noch Eisen enthält, rührt nicht daher, daß es mit Kohle, sondern daß es mit Kieselerde, Schwefel und Phosphor verbunden ist, dem dann oft auch noch eine reichliche Menge ganz unlösliches Kieselmangan sich beigesellt findet.

Vorangehender Behauptung zufolge dürfte also keine Eisensorte, der nicht auf künstlichem Wege der Kohlenstoff entzogen ist, sondern im Gegentheil Gelegenheit gegeben war, sich mit Kohle zu sättigen, und die etwa überschüssig aufgenommene wieder abzuscheiden, eine, |136| von dem im grauen Roheisen chemisch enthaltenen Kohlengehalt, sehr abweichende Menge Kohlenstoffs besizen. Diese räthselhafte Eigenschaft legen aber ältere Analysen dem Gußstahl bei, indem sie ihm einen Kohlengehalt von 2,3 bis 3 Proc. andichten. Sollten diese Gußstahlsorten nicht reineres Roheisen gewesen seyn, so weiß ich für obige Zahlen keine Erklärung, da im Vergleich mit nachfolgenden Angaben die Differenz selbst die größten Fehlergränzen jeder Analyse übersteigt. Ich begnüge mich daher mit der Mittheilung der von mir erhaltenen Resultate, die zum Glük durch zahlreiche Analysen von Berthier, Gay-Lussac und Wilson vollkommen unterstüzt werden. Karsten fand nämlich als Mittel von fünf Analysen den chemisch gebundenen Theil des Kohlenstoffs im grauen Roheisen zu 0,84 Proc., ich zu 0,93. Gay-Lussac und Wilson fanden den höchsten Kohlengehalt im Gußstahl zu 0,93, ich zu 0,95, während ihn Berthier zu 1,50 Proc. angibt.

Diese innige Relation zwischen dem grauen Roheisen und dem Gußstahl, welche die eben angeführten so sehr übereinstimmenden Zahlen vollends beurkunden, läßt sich selbst noch bis zu einer gewissen Gränze in ihren Eigenschaften verfolgen.

Denn außerdem, daß beide beim nochmaligen Schmelzen keine Kohle mehr ausscheiden, stimmen sie auch darin überein, daß sie in dem weichen Zustande sich gleich leicht und vollkommen in verdünnten Säuren lösen, welches nur schwierig nach dem Härten geschieht. Dann erlangen beide durch Glühen und Ablöschen in Wasser einen gleich hohen Grad von Härte, indem das graue Roheisen in diesem Zustand nicht mehr von der besten englischen Feile angegriffen wird, und leicht Glas rizt u.s.w.

Sollten nun auch einige Gußstahlsorten einen ein Procent übersteigenden Kohlengehalt zeigen, so findet dieses seine Erklärung vollkommen darin, daß erstens jeder Stahl noch eine nicht unbeträchtliche Menge mechanisch eingeschlossener Kohle enthält. Zweitens kann aber auch bei dem geschmolzenen Stahl eine Ausscheidung der Kohle nie so vollkommen, als bei dem viel leichter schmelzbaren Gußeisen stattfinden, indem der Stahl in diesem Zustand viel zäher als Gußeisen ist, wie auch bei einer bedeutend höhern Temperatur als lezteres erstarrt.

Vorhergehendem Raisonnement zufolge, kann man das graue Roheisen als ein Gemenge von höchst unreinem Gußstahl mit Graphitkörnern ansehen. Das weiße Roheisen aber als ein höchst unreines, für seine Erstarrungstemperatur sehr mit Kohle übersättigtes Eisen betrachten. Der Gußstahl aber würde die reinste und natürlichste Verbindung von Kohle und Eisen darstellen, indem er ein für |137| die Temperatur seines Erstarrungspunktes gerade mit Kohlenstoff gesättigtes, möglichst reines Eisen ist, und welcher Sättigung circa ein Procent chemisch gebundenen Kohlenstoffs entspricht. Stabeisen würde man nach wissenschaftlichen Principien eigentlich nur reines Eisen mit möglichst kleinem Kohlengehalt nennen können, dagegen jede reinere Verbindung von Kohle und Eisen mit dem Namen Stahl belegen müssen. Zieht man aber eine künstliche Gränze zwischen Stahl und Stabeisen, so möchte dieses am zwekmäßigsten bei einem chemisch gebundenen Kohlengehalt von 0,5 Proc. geschehen, indem die weichern, aber ganz brauchbaren Cementstahlsorten diesen Kohlengehalt im Durchschnitt enthalten.

Müssen auch noch zahlreiche und zuverlässige Analysen, die ich im Augenblik verhindert bin auszuführen, die Wahrheit obiger Behauptungen bestätigen, so war doch die Uebereinstimmung der angeführten Resultate zu schlagend, als daß ich sie hätte hier ganz unbeachtet lassen sollen. Der Hauptzwek vorliegender Notizen war, bei ähnlicher Untersuchung auf die Wichtigkeit der Unterscheidung beider Kohlengehalte im Eisen aufmerksam gemacht zu haben.

|133|

Die Quantität des Graphits war zu groß, um sie vollständig über der Lampe im Platintiegel verbrennen zu können.

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