Kleinere Mitteilungen.

Elektrischer Leitungswiderstand bei Stahl und reinem Eisen.

Von Carl Benedicks.

Jern-Kontorets Annaler, 1902, Heft 2 und Ofversigt af Königl. Veteuskaps-Akademiens Förhandlingar. 1902, No. 2, Stockholm.

Zur Härte eines Metalls tragen hauptsächlich die in ihm gelöst enthaltenen fremden Bestandteile bei, ferner ist es wahrscheinlich, dass chemisch äquivalente Mengen, z.B. von Wasserstoff, Kohle, Silicium, Wolfram u.s.w. die gleiche Härtesteigerung verursachen, wenn sie gleichmässig gelöst im Eisen oder anderen Metallen vorkommen.

Es war längst bekannt, namentlich durch die Arbeiten von Barus und Strouhal, dass der elektrische Leitungswiderstand der Metalle mit deren Härtezustand eng verbunden ist und den Veränderungen des letzteren folgt. Es ist deshalb zu erwarten, dass auch der Leitungswiderstand in der Hauptsache eine Funktion der äquivalenten Mengen gelöster Substanzen darin sein wird.

Die im nachstehenden besprochenen Versuche mit 8 verschieden hoch gekohlten Elektro-Stählen von Gysinge, deren Zusammensetzung aus Tabelle I zu ersehen ist, stützen diese Erwartung.

Tabelle I.

No. C% Si% Mn% S% P% Analytiker 1 0,08 0,03 0,13 0,005 0,009 C. G. Särnström 2 0,45 0,65 0,35 0,02 0,015 „ „ 3 0,55 0,86 0,44, 0,02 0,014 „ „ 4 0,90 0,28 0,41 0,015 0,014 Th. Norelius 5 1,20 0,30 0,44 0,01, 0,014 C. G. Särnström 6 1,35 0,26 0,54 0,015 0,014 Th. Norelius 7 1,50 0,12 0,29 0,02 0,013 C. G. Särnström 8 1,70 0,08 0,29 0,03 0,013 „ „

Der Leitungswiderstand σ (Mikrohm pr. cm8) wurde durch Messung der Potentiale zwischen zwei Schneiden in fünf Centimeter Abstand von einander, die an verschiedenen Stellen längs der Probestücke (Cylinder 200 × 8 mm) angebracht sind, während ein konstanter Strom durch dieselben hindurch geführt wird, bestimmt.

Durch Ausglühen wird der Leitungswiderstand der geschmiedeten Probecylinder nicht merkbar verändert. In der Zusammenstellung (Tabelle II) sind die verschiedenen Proben nach dem Leitungswiderstande geordnet. Ein h nach der Ordnungsnummer bedeutet, dass der Probecylinder gehärtet war – bei No. 1 bis 5 geschah dies bei ca. + 8000C, bei No. 6 und 7 bei Gelbglut.

Um den Zusammenhang vom Leitungswiderstand mit der chemischen Zusammensetzung zu ermitteln, wurde von folgenden Gesichtspunkten ausgegangen:

1. Vorzugsweise werden es die im Eisen gelöst befindlichen fremden Stoffe sein, die den Leitungswiderstand beeinflussen.

2. Es ist zu erwarten, dass äquivalente Mengen der darin gelösten fremden Stoffe gleich grosse Einwirkungen auf den Leitungswiderstand ausüben.

3. Soweit bekannt, kommen Si und Mn stets im gelösten Zustande in Eisen vor; bei dem geringfügigen Gehaitc4 daran, der hier in Frage kommt, hat man ausgeschiedene Verbindungen mit diesen Stoffen wenigstens nicht nachzuweisen vermocht.

4. Im gehärteten Stahl kommt Kohle in gelöstem Zustande vor (Martensit).

Tabelle II.

No. Karbid-KohleC Bestandteile in Lösung Leitungswiderstand Härte-kohleC CWertin Si CWertin Mn Summeder CWerteΣ C Ge-fundenσ Be-rechnetσ Unter-schied 1 – 0,08 0,013 0,028 0,121 10,5 10,8 – 0,3 1 h – 0,08 0,013 0,028 0,121 10,9 10,8 + 0,1 8 1,43 0,27 0,034 0,063 0,367 17,7 17,4 + 0,3 7 1,23 0,27 0,051 0,063 0,384 17,9 17,9 0,0 4 0,63 0,27 0,118 0,089 0,477 20,2 20,4 – 0,2 5 0,93 0,27 0,127 0,096 0,493 20,9 20,8 + 0,1 6 1,08 0,27 0,110 0,118 0,498 21,6 21,0 + 0,6 2 0,18 0,27 0,274 0,076 0,620 23,9 24,2 – 0,3 3 0,28 0,27 0,363 0,096 0,729 27,6 27,2 + 0,4 2 h – 0,45 0,274 0,076 0,800 29,0 29,0 0,0 3 h – 0,55 0,363 0,096 0,009 34,4 34,6 – 0,2 4 h – 0,90 0,118 0,089 1,107 36,9 37,3 – 0,7 5 h (0,14?) 1,20 0,127 0,096 1,423 (42,1) 45,7 (– 3,6) 6 h – 1,35 0,110 0,118 1,578 49,6 49,9 – 0,3 7 h – 1,50 0,051 0,063 1,614 50,6 50,8 – 0,2

Von S und P, die im vorliegenden Stahle nur in minimaler Und wenig wechselnder Menge vorfindlich sind, dürfte man, Wenigstens vorerst noch gänzlich absehen können.

Um mit der Umrechnung zu beginnen, muss man bei den gehärteten Probestücken den Gehalt an Si und Mn zu entsprechenden Kohlewerten einstellen, d.h. die Zahlen der Analysen werden durch die Atomgewichte der betreffenden Stoffe (28,4 und 55,0) dividiert und mit dem der Kohle (12,0) multipliziert.

Die auf diese Weise ermittelten „Kohlewerte“ von Si und Mn Werden zum Kohlegehalte addiert.

Die erhaltenen Summen sind in Fig. 1 auf der Wagerechten und die zugehörigen Leitungswiderstände senkrecht abzutragen.

Es ergiebt sich, dass die in solcher Weise erhaltenen Beobachtungspunkte in einer geraden Linie liegen; die Abweichungen sind sehr unbedeutend, nahezu geringer, als nach den unvermeidlichen Analysenfehlern zu erwarten ist.

Dass No. 5h einigermassen abweicht, veranlasst ersichtlich der Umstand, dass die dabei zur Anwendung gekommene Härtungstemperatur nicht genügend hoch war, wenigstens nach der Abkühlung um die gesamte Kohlemenge, 1,20 %, im gelösten Zustande zu halten. Als No. 6 bei gleicher Temperatur gehärtet wurde, fiel σ auch zu niedrig aus (= 44,4), aber nach bei höherer Temperatur erfolgter Härtung, fiel σ mit berechnetem Werte zusammen.

Dies lässt zweifellos erkennen, dass die obigen Annahmen mit der Wirklichkeit übereinstimmen.

Textabbildung Bd. 317, S. 643 Fig. 1.

Was sodann die ungehärteten Probestücke angeht, bei denen man vorher annahm, dass Kohle im gelösten Zustande darin nicht vorkomme, sondern ausgeschieden in Form von Karbid, kann man somit im voraus nicht sagen, wie darin die Kohle wirken soll. Si und Mn, welche auch jetzt gelöst vorkommen, müssen dagegen dieselbe Rolle spielen, wie soeben. Versuchsweise wurde deshalb der Gesamtkohlewert dieser Stoffe einfach vertikal, der Leitungswiderstand wie vorher horizontal aufgetragen. Dabei ergab es sich dass die so erhaltenen Punkte in konstantem Abstand von der geraden Linie lagen. Die vertikalen Abstände waren die folgenden:

No. Gesamt-kohlehalt% Vertikaler Abstandvon der der Härte-kohle entsprechendenLinie% 2 0,45 0,26 3 0,55 0,28 4 0,90 0,26 5 1,20 0,27 6 1,35 0,29 7 1,50 0,27 8 1,70 0,20 Durchschnittlich 0,27 %.

Diese unerwartete Konstanz ist nicht auf andere Weise zu erklären, als dass das Eisen im ausgeglühten Zustande, sobald sich ein gewisser Ueberschuss an Karbidkohle darin vorfindet, konstant 0,27 % Kohle als Härtekohle aufnimmt, und dass der überschiessende Kohlehalt – Karbidkohle – keinen merkbaren Einfluss auf den Leitungswiderstand ausübt.

Diese 0,27 % Härtekohle, auf welche alsbald zurückgekommen werden wird, entsprechen also der Löslichkeit der Kohle im Eisen bei gewöhnlicher Temperatur. Wird in Gemässheit hiermit angenommen, dass zu den äquivalenten Si- und Mn-Gehalten der ungehärteten Probezylinder 0,27 % Härtekohle hinzutreten müssen, dann kommen sämtliche Stahlproben – gehärtete wie ungehärtete – längs einer und derselben geraden Linie zu fallen. Der Leitungswiderstand im Stahl kann mithin als eine lineare Funktion der Summe (∑ C) der Kohlenwerte der gelöst vorhandenen Stoffe in Prozenten nach der Formel

σ = 7,6 + 26,8 ∑ C Mikrohm cm3

ausgedrückt werden.

Mit dieser Formel sind die berechneten Werte in der vorletzten Spalte der weiter oben gegebenen Aufstellung (Tabelle II) gefunden worden. Da die Differenz der berechneten und der gefundenen Werte sehr unbedeutend ist, so folgt, dass die aufgestellte Formel die Veränderungen im Leitungswiderstände genau wiedergiebt. Andernfalls kann man natürlich durch Bestimmung des Leitungswiderstands (im gehärteten und ungehärteten Zustande) genau, sowohl den Kohlehalt, wie die Summe dieses und der äquivalenten Si- und Mnhalte, berechnen.

Wird in der angegebenen Formel ∑C = 0 gesetzt, d.h. das Eisen als absolut rein angenommen, dann ergiebt sich als Leitungswiderstand im absolut reinen Eisen bei + 16° Cels. σ = 7,6. Dieser Wert liegt um weniges tiefer, als der bis jetzt erhaltene tiefste für reines Eisen: σ = 9.

Kohlrausch, Prakt. Physik, 9. Aufl., S. 545.

Um inzwischen diese Abweichung zu erklären, braucht man nur anzunehmen, dass in dem Eisen, welches diesen Wert ergab, nicht mehr als 0,05 % „Gesamtkohlenwert“ oder, da dasselbe vermutlich elektrolytisch hergestelltes gewesen, nicht mehr als 0,004 % Wasserstoff enthalten war: somit war dasselbe ein „ausserordentlich reines“ Eisen.

Dieses Verfahren, den Leitungswiderstand für absolut reine Metalle durch Extrapolierung zu bestimmen, dürfte häufige Anwendung finden können, da wohl kaum anzunehmen ist, dass das vorher gefundene Gesetz: „äquivalente Mengen verschiedener gelöster Stoffe erhöhen den Leitungswiderstand mit demselben Belaufe“ nur für Eisen Giltigkeit besitzen sollte.

Die voraufgegangenen Bestimmungen des Leitungswiderstandes ergeben, dass im ausgeglühten Zustande sich 0,27 % Kohle als Härtekohle wenigstens beim Vorhandensein eines gewissen Karbidüberschusses finden. Dieses Resultat widerstreitet dem, was man bisher annnahm, es wird zu stützen gesucht durch Sammeln eines Teils rein chemischer metallurgischer Angaben. Diese weisen darauf hin, dass es im ausgeglühten kohlereichen Stahle 0,22–0,34, im Mittel 0,29 % Kohle in anderem Zustande geben muss wie als Karbidkohle und Graphit und zwar höchst wahrscheinlich als Härtekohle. Auch stehen die Werte, welche Mannesmann für die Löslichkeit der Kohle im Eisen bei verschiedenen Temperaturen fand, in guter Uebereinstimmung mit dem Werte 0,27 % bei gewöhnlicher Temperatur (s. Fig. 2).

Textabbildung Bd. 317, S. 644 Fig. 2.

Es scheinen mehrere Gründe dafür zu sprechen, dass diese Lösung mit 0,27 % C identisch ist mit dem von Osmond entdeckten Strukturbestandteile im ausgeglühten Stahle, der „Sorbit“ genannt wird, und dass „Perlit“ in solchem kohlereichen Stahle nicht, wie man gewöhnlich annimmt, aus Lamellen von Karbid (Cementit) und reinem Eisen (Ferrit), sondern aus Cementit und Sorbit besteht.

Die Lösung mit 0,27 % C ist jedoch nicht beständig, sofern nicht ein gewisser Ueberschuss an Kohle vorfindlich ist. Auch bei niedrigem Kohlehalte (z.B. 0,2 %) kann man mikroskopisch ausgeschiedene kohlereichere Substanz (Cementit) wahrnehmen; die Grundmasse muss deshalb in solchem Falle aus einem mehr oder minder reinem Eisen bestehen. Gemäss dem, was man bei Prüfung der Bestimmungen vom Leitungswiderstande findet, welche Wedding mitteilt, hält dieses nicht mehr als höchstens 0,06–0,07 % C in Lösung.

Ungeachtet der ziemlich grossen Anzahl von Forschern, die sich mit dem Leitungswiderstande in Eisen und Stahl beschäftigt haben, ist es nur geglückt, eine ziemlich kleine Zahl von Bestimmungen zu finden, die sich auf analysiertet Material stützen. Dergleichen findet sich nur bei W. H. Johnson, H. Wedding und H. Le Chatelier und bestätigt inzwischen das weiter oben gewonnene Resultat in völlig zufriedenstellender Weise. Durch die von Wedding veröffentlichten Bestimmungen findet man, dass auch Phosphor sich verhält wie Härtekohle, Silicium und Mangan, was bei untersuchtem schwedischen Materiale nicht hervorging. Le Chatelier fand bereits, dass ein Atom Silicium den Leitungswiderstand um ebensoviel verstärkt als ein Atom Härtekohle. Der Belauf, um den der Leitungswiderstand vergrössert wird durch ein Atom in Lösung auf 100 Atome derselben, erreicht nach Le Chatelier 5–7 Mikrohm /cm3, im Durchschnitt 6,3, und dies kommt der Zahl 5,9 die aus den obigen Bestimmungen berechnet ist, ganz nahe. In dem von diesen Forschern untersuchten Stahle scheint Karbidkohle den Leitungswiderstand zu verstärken, wenn auch nur in schwachem Masse. Es ist jedoch nicht undenkbar, dass verschiedene Stahlsorten in dieser Hinsicht, möglicherweise in etwas verschieden sein können. Anscheinend steigt der Leitungswiderstand oft genug mit der Karbidkohle, weil in der Regel Si und Mn mit dem Kohlegehalte sich mehren.

Schlussfolgerungen.

1. Aequivalente Mengen verschiedener Stoffe, gelöst im Eisen, erhöhen den Leitungswiderstand darin mit dem gleichen Belaufe. Direkt ist dies bewiesen für C, Si, Mn wie auch durch Weddings Bestimmungen für P. Dass dasselbe auch für Al gilt, geht besonders deutlich hervor aus Berechnung einiger Angaben, welche E. Gumlich in einem neuerlich herausgekommenen Hefte der elektrotechnischen Zeitschrift (23, pag. 101) erwähnt. Auch aus einigen Angaben Hopkinson's und Le Chatelier's geht dies hervor. Dass Ni, Wo und (obgleich weniger sicher) Cr sich vollkommen ebenso verhalten, sobald der Stahl, in welchem sie vorkommen, bei genügend hoher Temperatur gehärtet wurde und ihre Gesamtmenge in Lösung übergeht.

2. Im Eisen ausgeschie enes Karbid übt kaum merkbaren Einfluss auf den Leitungswiderstand. Dies gilt in Bezug auf den untersuchten Gysinge-Elektro-Stahl. Möglicherweise verhalten sich verschiedene Stahlsorten einigermassen verschieden in dieser Beziehung.

3. Ungehärteter Stahl mit 0,45–1,70 % C enthält 0,27 % C in Lösung (Härtekohle); in solchem Stahle findet sich daher Perlit nicht, wie gewöhnlich angenommen wird vom Karbid (Cementit) und reinem Eisen (Ferrit), letzteres muss 0,27 % Härtekohle enthalten.

4. Die Lösung mit 0,27 % C, für deren Existenz verschiedene chemische Gründe vorliegen, ist jedoch nicht beständig, solange nicht ein gewisser Ueberschuss an Karbid vorfindlich ist. Bei niedrigem Kohlehalte kommen kaum mehr als etwa 0,06–0,07 % C gelöst im Eisen vor.

5. Lösungen mit 0,27 % C sind wahrscheinlich identisch mit Osmond's „Sorbit“.

6. Der Leitungswiderstand in absolut reinem Eisen beträgt nahezu 7,6 Mikrohm /cm3.

7. Der Leitungswiderstand im Stahl wird genau ausgedrückt durch die Formel σ = 7,6 + 26,8 ∑C, worin ∑C die Summe der Härtekohle und der übrigen im Eisen gelösten Stoffe in Gewichtsprozenten bedeutet.

Dr. Leo.