Einiges über den Einfluss der Wärmebehandlung auf die Festigkeitseigenschalten von weissem Eisen. Von A. Kessner, Charlottenburg. Einiges über den Einfluss der Wärmebehandlung auf die Festigkeitseigenschaften von weissem Eisen. In den Werken von Whitney and Sons in Philadelphia bemerkte man im Jahre 1882 bei der Herstellung von Eisenbahnrädern in Hartguss, dass die in einer Charge gegossenen Räder wesentliche Verschiedenheiten unter einander zeigten.The Foundry. März 1903. Man untersuchte zuerst die Veränderungen, die mit den einzelnen Gusstücken beim Glühen in Ausgleichgruben vorgegangen waren. Die Härte der abgeschreckten Lauffläche des Rades wurde wie gewöhnlich dadurch geprüft, dass man mit einem Kaltmeissel das Rad an denjenigen Stellen zu bearbeiten versuchte, wo die Lauffläche in den Spurkranz übergeht. Hierbei fand man eine Anzahl Güsse, bei denen das Material des Kranzes stellenweise über die ganze Breite der Lauffläche hinweg weich war, während an anderen Stellen das abgeschreckte Metall so hart war, dass der Meissel darüber hinweg glitt, ohne einzuschneiden. Um diese eigenartige Erscheinung näher zu untersuchen, wurden die Räder an den weichen Stellen gebrochen. Die Bruchflächen liessen erkennen, dass das weisse Eisen vollständig in graues übergegangen war. Diese Veränderung trat nicht in allen Gusstücken gleichmässig deutlich hervor und die weichen Stellen waren abwechselnd grösser oder kleiner. In allen Fällen war jedoch die Begrenzung zwischen Weiss- und Graueisen scharf gekennzeichnet. Die Entstehungsursache der Fehlgüsse wurde nun in folgendem gefunden: In dem Werke, wo diese Räder gegossen waren, wurden die Ausgleichgruben mittels Steinkohlenfeuer bis kurz vor dem Einsetzen der Gusstücke leicht vorgewärmt.Durch irgend ein Versehen war hierbei die Klappe, welche den Zutritt der Heizgase nach der Grube absperren sollte, nicht dicht geschlossen worden, so dass die soeben eingebrachten, noch rotwarmen Räder an einigen Stellen nochmals eine Temperatursteigerung erfuhren, wodurch das weisse Eisen in graues umgewandelt wurde. Nun wurden für die Analyse Bohrspähne, sowohl von den weichen, als auch von den anderen Teilen der abgeschreckten Lauffläche genommen, und zwar möglichst von allen Rädern, die in einer Charge gegossen waren. Ebenso untersuchte man einige Proben aus dem Giesslöffel. Die Analysen ergaben, dass das Eisen von normaler Zusammensetzung war, und dass die einzige Veränderung, die das Metall an den weichgewordenen Stellen erfahren hatte, in der Form des Kohlenstoffs lag. Dieser war vom „gebundenen“ Zustand in den „freien“ übergegangen, und man konnte annehmen, dass der Kohlenstoff im vorliegenden Falle sich nicht in dem gleichen Zustand befand, wie sonst unter gewöhnlichen Umständen im grauen Eisen. Bestimmungen des spezifischen Gewichtes zeigten, dass das graue Gusseisen, welches von der zufälligen Glühung des Weisseisens herrührte, in der Dichtheit wesentlich von dem normalen Graueisen, das sich an den nicht abgeschreckten Teilen desselben Gusstücks vorfand, verschieden war. Das spezifische Gewicht des ersteren betrug etwa 7,8, während man für normales Graueisen etwa 7,2 annehmen kann. Ferner war der Bruch, des durch Glühen grau gewordenen Eisens, viel feinkörniger als beim normalen Graueisen und die Bohrspähne des ersteren unterschieden sich in Gestalt und Aussehen stark von den Spähnen des mit demselben Bohrer bearbeiteten normalen Graueisens. Obgleich diese zufällige Entdeckung vom Tempern des Weisseisens an den Laufflächen der Eisenbahnräder zu jener Zeit wohl als eine interessante Neuheit angesehen wurde, schenkte man ihr dennoch keine weitere Beachtung. Man war im Gegenteil darauf bedacht, eine Wiederholung dieser Veränderung in den Ausgleichgruben nach Möglichkeit zu verhindern. Erst nach Verlauf einiger Jahre versuchte man diese Erscheinung wissenschaftlich zu erklären und übersandte zu diesem Zweck Herrn A. E. Outerbridge in Philadelphia eine Anzahl Aexte, und andere schneidende Werkzeuge, welche in Weisseisen gegossen waren, aber ein Material zeigten, das viele Eigenschaften mit Stahl gemeinsam hatte. Outerbridge glühte das Weisseisen in einer Muffel, die mit einer „chemischen Verbindung“ beschickt war, (gewöhnliches Kochsalz und Salzsäure waren zwei Bestandteile dieses Zusatzes), von der er annahm, dass sie die Umwandlung des Gusseisens in Stahl bewirken sollte. Die Aehnlichkeit zwischen dem hierbei und bei der zufälligen Ueberhitzung der Eisenbahnräder, von denen eingangs die Rede war, erhaltenen Material, führten zu der Annahme, dass die zugesetzte chemische Verbindung wahrscheinlich überflüssig sei und dass das Geheimnis der ganzen Umwandlung nur allein in der Wärmebehandlung zu suchen sei. Die Umwandlung des Weisseisens in dichtes Graueisen von hoher Festigkeit die derjenigen gewisser Stahlsorten annähernd gleichkommt, wurde dann schnell allgemein bekannt. Die Gussstücke liessen sich härten und nahmen eine scharfe Schneide an. Man konnte sie nicht zu den Stahlgüssen zählen, obgleich sie verschiedentlich unter diesem Namen in den Handel gelangten und ebenso wenig sind sie als schmiedbares Eisen zu betrachten; sie bilden vielmehr eine eigenartige Mittelstufe zwischen Gusseisen und Stahlguss. Schon bei seinen ersten Versuchen fand Outerbridge grosse Verschiedenheiten im Verhalten des Weisseisens. Einige Stücke blieben weiss und hart, trotzdem sie mehrere Tage in den Ausgleichgruben bis zu den höchsten Temperaturen, kurz vor dem Schmelzpunkt, geglüht wurden, während andere Stücke von denselben Abmessungen innerhalb weniger Stunden bei verhältnismässig niedrigen Temperaturen vollständig in graues Gusseisen umgewandelt wurden. Der Grund hierfür ist lediglich in dem Siliziumgehalt zu suchen. Diejenigen Gusstücke, welche nur Bruchteile von 1 v. H. Silizium enthielten, konnten nicht mit Erfolg der Wärmebehandlung ausgesetzt werden, denn bei ihnen fand selbst durch lang anhaltendes Glühen bei sehr hohen Hitzegraden nur eine ganz geringe Umwandlung des gebundenen Kohlenstoffs in freien Kohlenstoff statt. Zwei Weisseisenstangen von etwa 50 mm Durchmesser und 300 mm Länge wurden in derselben Glühgrube acht Stunden lang erhitzt. Die eine Stange mit etwa 0,15 v. H. Silizium war in Sand gegossen, die ändere hingegen mit 1,25 v. H. Silizium musste, um weisses Eisen zu erhalten, in der Kokille gegossen werden. Beide fangen waren vor dem Glühen gleichmässig hart und spröde, und zeigten vollständig weissen Bruch; ein leichter Schlag mit dem Handhammer genügte, um sie zu zerbrechen. Nach achtsündigem Glühen bei hoher Temperatur und darauffolgendem Abkühlen in der Luft zeigte der Stab mit 0,15 v. H. Silizium ein unverändertes Bruchaussehen, während der Stab mit 1,25 v. H. Silizium fast grau geworden war. Letzterer war weich und so dehnbar, dass ein Stück davon unter dem Dampfhammer kalt gestreckt werden konnte. Die Stangen wurden dann wieder den Glühofen gebracht, hier sechs Stunden lang einer weiteren Wärmebehandlung ausgesetzt und abgekühlt wie vordem. An dem Stab mit 0,15 v. H. Silizium zeigte sich keine merkliche Veränderung, während der andere vollständig in Graueisen mit gleichmässigem, feinkörnigem Bruch von dunkelgrauer Farbe gewandelt war. Dieser Stab wurde auf einen Durchmesser von etwa 29 mm abgedreht und zeigte nur. eine Zugfestigkeit von 33,6 kg/qmm. – Die Dehnung wurde nicht gemessen; siewar nur sehr klein. Viele ähnliche Versuche lieferten mit Stäben von verschiedenen Querschnitten durchschnittlich Zugfestigkeiten von 28 bis 35 kg/qmm. Andere interessante Versuche ähnlicher Art veröffentlichte Ch. James in der Sektion Bergbau- und Hüttenkunde des Kongresses des Franklin Institutes 1897. Er benutzte weisses Eisen mit etwa 2,4 v. H. gebundenen Kohlenstoff und 0,4 v. H. Temperkohle. Die Gusstücke wurden in einem kräftigem Oxydationsmittel 5 bis 6 Stunden lang bei einer bis dicht an den Schmelzpunkt heranreichenden Temperatur geglüht. Das so erhaltene Material liess sich schmieden und härten und zeigte nach dem Glühen eine bedeutende Zunahme der Festigkeit. Der Gesamtkohlenstoffgehalt schien derselbe geblieben zu sein wie in dem nicht geglühten Material, jedoch war der gebundene Kohlenstoff der Hauptsache nach in einen fein verteilten graphitischen übergegangen. Eine Erklärung dieser Aenderung der Kohlenstofform und der Eigenschaften des Materials ist dann von LedeburLedebur, Handbuch der Eisen- und Stahlgiesserei. gefunden worden. Er erkannte ebenfalls, dass der Kohlenstoffgehalt des weissen Roheisens durch anhaltendes Glühen in Temperkohle, das ist eine dem Graphit ähnliche Kohlenstofform, umgewandelt wurde. Das Eisen verliert dabei an Härte, wird leichter bearbeitbar, aber ohne weiteres noch nicht schmiedbar. Findet jedoch während des Glühens eine Berührung mit sauerstoffabgebenden Körpern statt, so verbrennt die entstandene Temperkohle zu Kohlenoxyd, welches entweicht, und das Eisen wird kohlenstoffärmer, schliesslich schmiedbar. Ob nun auch die ursprünglichen Kohlenstofformen, Härtungs- und Karbidkohle, unmittelbar verbrennen können, oder ob sie stets zuvor in Temperkohle umgewandelt werden müssen, ist bisher noch nicht mit Sicherheit ermittelt, jedoch hat die letztere Annahme hierfür die grösste Wahrscheinlichkeit.Ledebur, Eisenhüttenkunde. 3. Aufl. S. 1014. Die Tatsache nun, dass Gusstücke durch die einfache Oberflächenberührung mit dem Oxydationsmittel bei langer Glühdauer auch in den inneren Teilen ihres Querschnitts entkohlt werden können, findet ihre Erklärung in einer Kohlenstoffwanderung.Ledebur, Eisenhüttenkunde. 3. Aufl. S. 1027. Sobald an der Oberfläche Kohlenstoff verbrennt, fliesst von innen her Kohlenstoff nach, der von Molekül zu Molekül fortwandert, um den Ausgleich herzustellen. Die erforderliche Zeitdauer für die Entkohlung wächst folglich mit der Dicke des Querschnitts. Diese Entkohlung des Roheisens, unter Anwendung vom Oxydationsmitteln, nennt man „Glühfrischen“. Häufig ist es früher mit dem einfachen Weichmachen des Roheisens, besonders des durch rasche Abkühlung hart gewordenen Roheisens, durch Ausglühen ohne Entkohlung verwechselt worden, und daher wird die hierfür seit altersher übliche Benennung Tempern mitunter auch fälschlicherweise für das entkohlende Glühen bei der Darstellung schmiedbaren Gusses benutzt. Ferner veröffentlichte JamesJournal of the Franklin Institute, Sept. 1900. wenige Jahre später seine längere Zeit in der Praxis gesammelten Erfahrungen über diese Glühprozesse, die wohl von allgemeinem Interesse sein dürften. Er benutzte für die Wärmebehandlung ein Material von folgender Zusammensetzung: Gebundener Kohlenstoff. Temperkohle. Si. Mn. P. S. Weisseisen: 3,50 0,50 0,50 0,20 0,08 0,08 Graueisen: 0,50 3,50 1,30 0,30 0,03 0,02 Die Gattierung wurde so gewählt, dass der Siliziumgehalt der einzelnen Sätze 0,90 bis 1,2 v. H. betrug. Die durchschnittliche Zusammensetzung einer solchen Charge war. Kohlenstoff 3,40 – 3,80 v. H. Silizium 0,90 – 1,20 „ „ Mangan 0,35 – 0,20 „ „ Phosphor 0,04 – 0,03 „ „ Schwefel 0,05 – 0,04 „ „ Das Einschmelzen geschah gewöhnlich in einem Flammofen, bisweilen auch in einem Kupolofen. Die meisten Gusstücke zeigten dann etwa folgende Zusammensetzung: Gebundener Kohlenstoff. Temperkohle. Si Mn. P. S. 3,02 0,47 0,78 0,12 0,04 0,05 Die Temperatur, bei welcher die Kohlenstoffveränderung in den Ausgleichgruben stattfand, lag zwischen dem Schmelzpunkt des Silbers und Kupfers und betrug etwa 1000° Celsius. Die Kohlenstoffveränderung selbst hatte in den Gusstücken, welche dem Glühprozess unterworfen waren, zwar allmählich aber doch vollkommen gleichmässig stattgefunden, wie Bruchstücke deutlich erkennen liessen. Kein harter Kern, etwa Weisseisen, welches von weichem Metall umgeben wäre, ist je in den Probestücken bemerkt worden. Diese vollkommene Uebereinstimmung der Beobachtungen von James mit denen von Outerbridge bilden gewiss eine interessante und wichtige Tatsache. Folgende Analysen von James, die vor und nach dem Glüh-Prozess angestellt wurden, zeigen ebenfalls deutlich, dass die Kohlenstoffveränderung nur eine Folge der Wärmebehandlung sein kann. Gebundener Kohlenstoff. Temperkohle Si. Mn. P. S. Vor dem Glühen 2,60 0,72 0,71 0,110 0,39 0,45 Nach dem Glühen 0,82 2,75 0,73 0,108 0,39 0,40 Allerdings spielt dabei die Gegenwart des Siliziums eine bedeutende Rolle. Ist das Eisen arm an Silizium, so ist es sehr schwierig, in vielen Fällen sogar, auch bei noch so langer Dauer des Glühprozesses, durchaus unmöglich, eine Kohlenstoffveränderung zu erzielen. An dieser Stelle möge auch ein Fall aus der Praxis Erwähnung finden, der sich besonders bei der Verwendung der Hartgussräder oft wiederholt. Es ist wohl bekannt, dass Räder, welche annähernd dieselbe Tiefe der Abschreckung an ihren Laufflächen zeigen, sich trotzdem beim Gebrauch sehr verschieden abnutzen. Einige behalten ihre harte Oberfläche, bis dass der weisse Kranz rings herum abgenutzt ist, während andere sehr schnell weiche Stellen zeigen; wodurch eine Ausserbetriebsetzungdieser oft noch neuen Räder veranlasst wird. Die Tatsache lässt sich folgendermaassen erklären. Durch das Bremsen werden die Laufflächen der Räder stark erwärmt, und es ist nach den vorhergehenden Betrachtungen nicht unwahrscheinlich, dass dadurch eine nachträgliche Glühung des abgeschreckten weissen Eisens am Kranze bewirkt wird, vorausgesetzt, dass der Siliziumgehalt grösser als 0,7 v. H. ist. Durch diese Wärmebehandlung wird die Form des Kohlenstoffs wieder bis zu einem gewissen Grade geändert und die abgeschreckten Laufflächen werden dadurch oft viel weicher, als wenn das Eisen anfänglich weniger Silizium enthalten hätte. Von Charpy und Grevet sind nun folgende Schlussfolgerungen, die tatsächlich als Gesetz gelten können, aufgestellt worden: 1. Die Temperatur, bei welcher der Graphit sich auszuscheiden beginnt, liegt um so niedriger, je höher der Siliziumgehalt des Eisen ist. 2. Nachdem die Ausscheidung von Graphit einmal begonnen hat, setzt sie sich auch fort bei Temperaturen, die unterhalb der Temperatur liegt, die zur Einleitung der Reaktion nötig war. 3. Bei gleichbleibender Hitze geht die Ausscheidung von Graphit um so langsamer von statten, je niedriger die Temperatur und je geringer der Siliziumgehalt ist. 3. Die Menge des gebundenen Kohlenstoffs, welche bei einer bestimmten Temperatur dem Gleichgewichtszustand entspricht, vermindert sich, wenn der Siliziumgehalt wächst. Die Wärmebehandlung veranlasst nun – bei richtiger Zusammensetzung des Materials – ausser der Aenderung der Kohlenstofform, auch eine erhebliche Aenderung des Gefüges. Durch das Ausglühen erhält das Gusstück ein gleichmässig feinkörniges Gefüge und sowohl seine Festigkeit als auch Zähigkeit werden wesentlich erhöht.