Titel: Williams, zur Theorie des Stahles.
Autor: Williams, W. Mathieu
Fundstelle: 1878, Band 228 (S. 543–545)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj228/ar228176

Zur Theorie des Stahles; von W. Mattieu Williams.

Ein Material, welches den höchsten erreichbaren Härtegrad anzunehmen im Stande ist, dem mit Leichtigkeit jede beliebige Form und Gröſse beigebracht werden kann, und welches sich selbst ritzt, ist im Dienste der Menschheit von unschätzbarer Wichtigkeit. Ein solches Material besitzen wir im Stahl. Die auffälligste Eigenschaft dieses Fabrikates ist indessen diejenige, daſs es sich „tempern“ läſst, d.h. daſs man den Stahl je nach dem Temperaturgrad, dem es ausgesetzt wird, und je nach der Länge der Zeit, die man ihm zur Abkühlung gewährt, jeden beliebigen Grad von Härte oder Weichheit geben kann.

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Wir wissen, daſs Stahl der Hauptsache nach eine Verbindung von Eisen mit ungefähr 1 Proc. Kohlenstoff ist, und ersehen sowohl aus seinen äuſseren als aus seinen inneren Eigenschaften, daſs diese Verbindung weder eine rein chemische, noch eine rein mechanische sein kann. Ersterer Fall ist schon dadurch ausgeschlossen, daſs wir im Stahl alle möglichen Kohlenstoffverhältnisse zwischen ¼ und 3 Proc. finden; der Annahme einer rein mechanischen Mischung steht die Fähigkeit des Härtens entgegen, welche weder dem Eisen noch dem Kohlenstoff an und für sich eigen ist. Hieraus folgt ganz von selbst, daſs wir versucht werden, den Stahl als eine Verbindung von metallischem Eisen mit Kohleneisen anzusehen, welche in jedem beliebigen Verhältniſs vor sich gehen kann. Dieses Kohleneisen ist eine chemische Verbindung von feststehender Zusammensetzung, welche durch die Formel Fe4C ausgedrückt wird. Daſs diese Verbindung existirt und in unseren besten Spiegeleisensorten sogar allein auftritt, ist durch unsere berühmtesten Metallurgen sattsam erwiesen. Nach der Berechnung enthält dieselbe 5,36 Proc. Kohlenstoff. Dem Verfasser wurde häufig Gelegenheit geboten, die verschiedensten Spiegeleisensorten zu analysiren, und er fand dabei stets, daſs die im Spiegeleisen vorkommenden, dünnen, hochkantigen Lamellen, welche den höchsten Grad von Krystallisation zeigen, fast genau nach der Formel Fe4C zusammengesetzt sind. Unter Anwendung der Annahme, daſs Stahl lediglich ein Gemisch dieser Verbindung mit Eisen ist, wird die Erklärung der Hartbarkeit des ersteren auſserordentlich erleichtert. Wir wissen, daſs Eisen um so leichter schmelzbar ist, je mehr Kohlenstoff es enthält. An der Grenze der Schwerschmelzbarkeit steht in dieser Beziehung das reinste Stabeisen und ihm gegenüber das hochgekohlte Spiegeleisen. Noch leichtflüssiger als letzteres ist nach dieser Theorie die Verbindung Fe4C. Es steht nun aber der Annahme nichts entgegen, daſs das schwer schmelzbare Schmiedeisen, bis zu einem gewissen Grade, in einem Bade von geschmolzenem Fe4C löslich ist. Die neuere Darstellung von homogenem Stahl führt uns direct zu dieser Anschauung, insofern derselbe dadurch erzeugt wird, daſs man Abfälle von Schmiedeisen in einem Bade von geschmolzenem Spiegeleisen löst.

Die bis heute noch nicht ganz aufgeklärte Theorie der Cementstahlfabrikation, deren hier besondere Erwähnung geschieht, weil sie von der Herstellung des Stahles im Allgemeinen wesentlich abweicht, findet ihr Analogon in vielen Fabrikationszweigen, wo die Oberfläche eines schwerer schmelzbaren Metalles mit flüssigem, leichter schmelzbarem bis zu einer gewissen Tiefe durchdrungen wird. So geschieht es bei der Galvanisirung des Eisens, bei der Verzinnung des Kupfers, bei der Amalgamation der verschiedenen Metalle mit Quecksilber u.s.w. Nehmen wir nun an, daſs beim Einpacken von Schmiedeisen in kohlehaltigen Substanzen und darauf folgendem Glühen sich zunächst an der Oberfläche Fe4C in mindestens teigigem Zustand bildet, welches in dem Maſse, wie es entsteht, von dem festen rothglühenden Eisen absorbirt wird, so ist damit die Darstellung des Cementstahles erklärt.

Wir wissen, daſs in jedem Körper ein geringerer oder groſserer Grad von Molecularanziehung vorhanden ist, welcher sich bei festen Körpern bis zur Sprödigkeit steigern kann. Wenn nun auch Schmiedeisen in geschmolzenem Fe4C löslich ist, so wird doch bei abnehmender Temperatur ein Zeitpunkt eintreten, bei welchem ersteres erstarrt, während letzteres sich noch in halb flüssigem oder plastischem Zustand befindet. Da nun Flüssigkeiten sich während der Abkühlung stärker zusammenziehen als feste Substanzen, so muſs eine so heterogene Masse, wie Schmiedeisen und Fe4C, unter gleichen Umständen eine heftige Molecularanziehung erzeugen, durch den Widerstand, welchen das erstarrte Eisen der gröſseren Zusammenziehung des halbflüssigen Kohleneisens entgegensetzt. Und hierin ist die Erklärung für das Härten des Stahles gegeben.

Flüssige Substanzen ziehen sich bei einer Temperatur Verminderung nicht nur stärker zusammen als feste, sondern es findet auch ein gewisses Verhältniſs zwischen der Ausdehnung und Zusammenziehung der festen Substanzen selbst statt. Im Allgemeinen haben leichtflüssige Körper einen gröſseren Ausdehnungscoefficienten als schwerschmelzbare. So dehnt sich Stahl stärker |545| aus als Schmiedeisen und Guſseisen mehr als Stahl, unter den Roheisensorten aber Spiegeleisen am stärksten. Es ist nun leicht begreiflich, daſs bei langsamer Abkühlung einer Mischung von Schmiedeisen mit Fe4C das erstere während der Zusammenziehung durch letzteres allmälig in solche Formen und Dimensionen zusammengequetscht oder ausgezogen wird, welche seinen Molecularverhältnissen besser entsprechen, als wenn die Abkühlung plötzlich erfolgt, und so erhalten wir die Erklärung von der Eigenschaft des Stahles, bei langsamer Abkühlung weich zu werden. Nach obiger Auseinandersetzung muſs gehärteter Stahl ein geringeres specifisches Gewicht haben als ungehärteter, was wir auch überall bestätigt finden. Gmelin gibt das specifische Gewicht von gehärtetem Guſsstahl zu 7,6578 an und von nicht gehärtetem zu 7,9288; ebenso ist es bekannt, daſs weicher Stahldraht noch durch ein Loch gesteckt werden kann, welches er nach dem Härten nicht mehr zu passiren im Stande ist.

Wenn die Theorie der Molecularanziehung des Stahles richtig ist, so müssen ähnliche Anziehungskräfte auch bei anderen Metallmischungen wirksam sein, und in der That ist dies so allgemein der Fall, daſs man es als ein physikalisches Gesetz aufstellen darf: Wenn zwei Metalle von verschiedener Schmelzbarkeit mit einander vermischt werden, so ist der Härtegrad der Legirung gröſser, als die mittlere Härte beider Mischungstheile, gewöhnlich sogar gröſser als derjenige des härteren von beiden. Dies finden wir in der Praxis beim Spiegelmetall, Kanonenmetall, Glockenmetall, bei der Bronze und anderen Verbindungen von Kupfer mit Zinn und Zink u.s.w.

Noch bessere Analogien bieten die Verbindung des Eisens mit anderen Metalloiden. Schwefel und Eisen bilden verschiedene chemische Verbindungen, unter denen uns namentlich das Einfachschwefel eisen durch seine Eigenschaft, das Eisen rothbrüchig zu machen, bekannt ist. Phosphor verbindet sich mit dem Eisen in allen Verhältnissen und liefert ein sehr hartes, leichtschmelziges Product, so daſs man lange Zeit geglaubt hat, durch Verschmelzung beider Körper Stahl erzeugen zu können; doch ist dasselbe so brüchig, daſs es den Stöſsen und Erschütterungen, welchen Werkzeuge ausgesetzt zu sein pflegen, nicht widersteht. Die Eigenschaften, welche Silicium dem Eisen verleiht, sind den durch Kohlenstoff bewirkten so ähnlich, daſs man sogar zeitweise Siliciumstahl erzeugt und zu Werkzeugen verarbeitet hat; derselbe enthält ebenso viel Silicium als Kohlenstoff.

Sehr groſse Aehnlichkeit mit den Eigenschaften des Stahles und der übrigen eben beschriebenen Verbindungen zeigt das Glas; letzteres besteht bekanntlich aus verschiedenen Alkalien, Erden, Metallen und Kieselsäure, je nach dem Zwecke, welchem es dient, und die verschiedenen Grade der Schmelzbarkeit seiner Bestandtheile bedingen die Eigenschaft, daſs es je nach der Behandlung hart oder weich erscheint. Jedenfalls trägt die Eigenschaft sowohl des Stahles als des Glases, beim Uebergang aus dem festen in den flüssigen Zustand ein Stadium der Plasticität zu durchlaufen, dazu bei, diese Eigenthümlichkeit zu erzeugen. Wenn der leichter schmelzbare Stoff plötzlich aus dem flüssigen in den festen Zustand übergeht, wie dies mit den Schwefel- und Phosphorverbindungen des Eisens der Fall ist, so kann die Molecularanziehung oder Brüchigkeit durch allmälige Abkühlung nicht gemäſsigt werden. (Nach der Metallurgical Review, 1877 Bd. 1 S. 197.)

r.

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