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erhält. Der Einsatz kann 250-1500 kg und mehr betragen, man macht 12-13 Chargen in 12 Stunden und bringt in einer Hitze aus Luppeneisen 86-90 Proz. aus. Auf 100 kg Eisen [* 2] braucht man bei direkter Feuerung 70-150 kg Steinkohlen, bei Regenerativgasfeuerung weit weniger. Man unterscheidet das ein- oder mehreremal im Schweißofen gewesene geschweißte Eisen von den Rohschienen, welche unmittelbar aus den gezängten Luppen als ein Zwischenprodukt hergestellt werden. Das Eisen wird schweißwarm Hämmern, Walzwerken, seltener Pressen zugeführt, um in Stabeisen, Blech oder Draht [* 3] verwandelt zu werden.
Als die wirksamste Maschine [* 4] hierfür dient das Walzwerk. [* 5] Man teilt das Schmiedeeisen je nach der Form und den Dimensionen, welche es bei der Bearbeitung erhalten hat, zunächst in Stabeisen, von kreis- oder ovalförmigem, quadratischem, oblongem oder polygonalem Querschnitt, und in Façoneisen, von unregelmäßigem, teils symmetrischem, teils unsymmetrischem Querschnitt (Winkeleisen, Fenstereisen, Eisenbahnschienen, Radreifen etc.), dann das Stabeisen nach seinen Querschnittsdimensionen wieder in Grob- und Feineisen (starkes und schwaches Flacheisen oder Bandeisen von oblongem Querschnitt, Quadrateisen etc.). Feineisen zu Nägeln (Nageleisen, Schneideisen) wird häufig durch Zerschneiden eines Flacheisenstabs mittels eines Schneidwerks erhalten, welch letzteres aus einer Anzahl ineinander greifender Ringe besteht, welche nach Art einer Kreisschere wirken.
Endloses Stabeisen, z. B. zu Eisenbahnradreifen (Tyres, Bandagen), zu Verstärkungsringen für Dampfkessel [* 6] etc. verwandt, erfolgt aus Ringen, welche teils durch spiralförmige Aufwickelung eines Eisenstabs um einen Dorn und nachherige Schweißung, teils durch Aufbiegen eines geschlitzten Eisenblocks oder durch Ausstanzen einer vollen Scheibe gebildet werden. Behufs des Ausstreckens durch Walzen in die erforderliche Größe und von dem verlangten Querschnitt muß der Ring über eine derselben geschoben werden.
2) Darstellung von Flußeisen.
Bezüglich der Darstellung von Flußschmiedeeisen kann auf die ganz analoge Darstellung von Flußstahl (s. S. 421 und 422: Bessemer- und Siemens-Martin-Prozeß) verwiesen werden. In beiden Fällen werden genau dieselben Apparate u. die nämlichen Methoden angewandt, und es hängt z. B. nur von der Menge des zum entkohlten, in der Bessemerbirne befindlichen Eisen gesetzten Spiegeleisens (resp. Ferromangans) ab, ob man Flußstahl oder Flußschmiedeeisen erhält.
B. Stahl.
(Hierzu Tafel »Eisen III«.) [* ]
Stahl ist die hinsichtlich ihres Kohlenstoffgehalts zwischen Roheisen und Schmiedeeisen liegende Kohlungsstufe des Eisens, welche mit ersterm die Schmelzbarkeit bei nicht zu hoher Temperatur, mit letzterm die Schmiedbarkeit gemein hat, von beiden aber sich durch die charakteristische Eigenschaft unterscheidet, daß sie, glühend in einer Flüssigkeit abgekühlt, härter wird. Der Übergang vom Schmiedeeisen zum Stahl ist ein ganz allmählicher, so daß man bei Produkten mit 0,45-0,65 Proz. Kohlenstoff zweifelhaft sein kann, ob sie zum Schmiedeeisen oder zum Stahl zu zählen sind. Mit Unrecht werden häufig Produkte als Flußstahl bezeichnet, die hinsichtlich ihres Kohlenstoffgehalts in die Kategorie des Fluß- (Schmiede-) Eisens gehören.
Guter Stahl zeigt bei leicht grauweißer Farbe keinen starken Glanz (nur Schimmer) und ein feines, gleichartiges Korn, bei mehrfachem Ausrecken oder bei einem Wolframgehalt selbst muscheligen Bruch. Die Festigkeit [* 7] von Stahl ist größer als diejenige von Schmiedeeisen; das spezifische Gewicht ist für Flußstahl 7,400-7,825, für Schweißstahl 7,826-8,100 und beträgt durchschnittlich 7,7; das spezifische Gewicht vermindert sich mit zunehmendem Kohlenstoffgehalt und beim Härten.
Beim Erhitzen wird der Stahl weicher, schweißt früher, aber schwieriger als Schmiedeeisen (was beim Verstählen des Eisens zu berücksichtigen ist), schmilzt bei 1300-1800° und absorbiert im Fluß Gase, [* 8] hauptsächlich Stickstoff, Wasserstoff und Kohlenoxydgas, welche bei zu heißem Guß die Gußstücke blasig machen. Läßt man den flüssigen Stahl vor dem Gießen [* 9] sich etwas abkühlen, so entweichen die Gase, bevor derselbe in die Formen gelangt, und die Güsse werden dichter.
Bessemerstahl hält mehr Gase zurück als Martin- und Tiegelstahl, und letztere eignen sich deshalb besser zur Façongießerei. Wird der Stahl in glühendem Zustand in einer Flüssigkeit abgekühlt (abgelöscht), so wird er um so härter, je höher die Erhitzungstemperatur und je kälter und wärmeleitender die Härteflüssigkeit ist. Quecksilber, Salze und Säuren enthaltendes Wasser härten deshalb stärker als Wasser für sich, als Öl, Seife u. dgl. Da man nicht im stande ist, die Glühtemperatur und die Härtefähigkeit der Flüssigkeit hinreichend genau zu taxieren, um ein Produkt von bestimmtem Härtegrad zu erhalten, so macht man den Stahl durch Ablöschen anfangs härter, als er eigentlich sein soll, und führt ihn dann durch Ausglühen (Anlassen) auf den richtigen Härtegrad zurück.
Der Stahl zeigt bei verschiedenen Temperaturen bestimmte Farben (Anlauffarben) infolge der Bildung einer ganz dünnen Schicht von Oxyd. Die Farben sind von einem geübten Auge [* 10] leicht zu erkennen und damit also auch die anzuwendenden Temperaturen gegeben, welche auf die Härte verschieden influieren. Je stärker man einen Stahl nach dem Härten anläßt, um so weicher wird er. Die Anlauffarben treten in nachstehender Reihenfolge auf: bei 220° blaßgelb, zur Härtung chirurgischer Instrumente geeignet;
230° strohgelb, für Rasier- und Federmesser, Grabstichel, Drahtzieheisen;
255° braun, für Scheren [* 11] und härtere Meißel; [* 12]
265° braun mit Purpurflecken, für Äxte, Hobeleisen, Brot- und Taschenmesser;
277° purpurfarbig, für Tischmesser;
288° hellblau, für Säbelklingen und Uhrfedern;
293° dunkel- oder kornblumenblau, für feine Sägen, [* 13] Rapiere, Bohrer, [* 14] Dolche;
316° schwarzblau, für Hand- und Stichsägen.
Die Gegenstände bleiben demnach viel härter, wenn man nur bis blaßgelb, als wenn man bis schwarzblau anlaufen läßt. Das Erhitzen des Stahls vor dem Ablöschen geschieht in einem offenen oder bedeckten Holzkohlenfeuer mit oder ohne Gebläse [* 15] oder in einem Ofen mit durchbrochener Sohle und mit darunter befindlicher Feuerung, bei kleinern Gegenständen auch wohl vor dem Lötrohr [* 16] oder in einem Metallbad. Behufs des Härtens läßt man die Härteflüssigkeit entweder auf den Gegenstand fließen (Strahlhärtung), oder man taucht ihn bei kreisender Bewegung ganz oder teilweise in die Flüssigkeit ein.
Das Erhitzen zum Zweck des Anlassens geschieht auf einem von unten erhitzten Eisenblech, auf einem Sandbad, über Kohlenfeuer, in Substanzen mit bestimmten Schmelzpunkten (Blei, [* 17] Zinn, Legierungen daraus) oder in Flüssigkeiten, deren Temperaturen mittels des Thermometers leicht zu messen sind (Öl, Talg etc.). Zuweilen härtet man eiserne Gegenstände oberflächlich dadurch, daß man sie mit Kohlenstoff abgebenden Substanzen (tierischen Stoffen, wie Haare, [* 18] Horn, Leder etc., Cyanverbindungen) umhüllt und ¶
[* 19] Fig. 17. Zementierofen.
[* 19] Fig. 18-20. Gaszementstahlofen.
[* 19] Fig. 21. Gußstahltiegel.
[* 19] Fig. 22. Siemens' Gußstahlofen mit Regeneratoren.
[* 19] Fig. 23. Siemens' Gußstahlofen mit Regeneratoren.
[* 19] Fig. 24. Bessemerbirne.
[* 19] Fig. 25. Bessemeranlage.
[* 19] Fig. 26. Siemens-Martin-Ofen.
[* 19] Fig. 27. Siemens-Martin-Ofen.
mehr
erhitzt (Oberflächenhärtung). Längere Zeit jedoch wiederholt bei Luftzutritt erhitzt, wird der Stahl verbrannt (überhitzt), kohlenstoffärmer und infolgedessen grobkörnig und mürbe, läßt sich aber durch Glühen mit Kohlenstoff abgebenden Substanzen (z. B. Cyan bildenden Schweißpulvern) wieder regenerieren. Stahl erstarrt weniger leicht als Eisen und löst sich je nach dem Grad seiner Härtung mehr oder weniger leicht in Säuren. Guter Stahl verbindet mit Härte bedeutende Elastizität und Festigkeit ohne Sprödigkeit, welche Eigenschaften modifiziert werden können hauptsächlich durch die Größe des Kohlenstoffgehalts (mit dem Kohlenstoffgehalt nehmen z. B. Härtbarkeit und Schmelzbarkeit zu, Schweißbarkeit aber ab), durch die Darstellungsmethode und die mechanische Bearbeitung, besonders aber durch fremde Beimengungen.
Gegen Rotbruch erzeugenden Schwefel ist Stahl weniger empfindlich als Schmiedeeisen, und zwar verträgt Flußstahl einen höhern Schwefelgehalt als Schweißstahl. Guter Stahl kann bis zu 0,012 Proz. Schwefel enthalten, bei 0,04 Proz. ist aber bereits jeder Stahl unbrauchbar. Gegen Kaltbruch bewirkenden Phosphor ist Stahl empfindlicher als Schmiedeeisen und zwar um so mehr, je reicher der Stahl an Kohlenstoff ist. Außerdem ist der nachteilige Einfluß von Phosphor im Flußstahl erheblicher als im Schweißstahl.
Bei Bessemerschienen setzt man die zulässige Grenze auf 0,1 Proz. Silicium macht den Stahl härter, spröder, schmelzbarer, weniger fest und minder schweißbar und zwar in um so höherm Grad, je höher der Kohlenstoffgehalt ist. In Bessemerstahl kann Silicium den Kohlenstoff zum großen Teil vertreten, ohne daß dadurch ein wesentlicher Nachteil entsteht. Bei Schienenstahl kann das Silicium die Hälfte des Kohlenstoffgehalts, bei Werkzeugstahl sogar noch mehr betragen. Kupfer [* 21] kann z. B. im weichen Bessemerstahl bis zu 0,3 Proz. vorhanden sein, ohne für dessen Qualität schädlich zu werden. Wolfram macht den Stahl härter und erteilt ihm einen muscheligen Bruch sowie die Fähigkeit, den Magnetismus [* 22] länger zu erhalten als gewöhnlicher Stahl (Anwendung von Wolframstahl zu Magnetstäben).
1) Darstellung von Schweißstahl.
a) Die Erzeugung von Stahl durch direkte Reduktion von Eisenerzen, die sogen. Rennarbeit, ist nur noch ganz vereinzelt im Gebrauch, und es kann bezüglich dieser Darstellungsart auf das Schmiedeeisen verwiesen werden.
b) Durch das Herdfrischen und durch das Puddeln wird Stahl ganz in derselben Weise und in denselben Apparaten aus dem Roheisen gewonnen, wie das beim Schmiedeeisen schon beschrieben ist, nur wird bei der Stahlerzeugung die Entkohlung nicht so weit getrieben. Dabei wird als Rohmaterial ein manganreiches Weißeisen besonders hoch geschätzt.
c) Erzeugung von Stahl durch Glühfrischen. Während man beim Herdfrischen und Puddeln die Temperatur bis zum Schmelzen des Roheisens steigert, gelingt die Entkohlung von Weißeisen auch schon in der Glühhitze (Glühfrischen) ohne Änderung des Aggregatzustandes, indem man 2 cm starke Stangen von Weißeisen, in Thonkasten von 5000 kg Inhalt in grobkörnigen Quarzsand eingepackt, 15-35 Tage zum Glühen erhitzt; durch den Sauerstoff der Luft entsteht auf der Oberfläche des Roheisens Eisenoxydoxydul, welches den gebundenen Kohlenstoff in Kohlenoxyd überführt.
Der erhaltene Stahl (Tunners Glühstahl) wird durch Umschmelzen in Tiegeln oder durch Umschweißen verbessert. Häufig ist es wünschenswert, eine spröde Gußware ohne Änderung der Form in schmiedbares Eisen überzuführen, um die Festigkeit zu erhöhen und die Möglichkeit einer leichtern Bearbeitung herbeizuführen (Temperguß, schmiedbarer Guß, hämmerbares Gußeisen). Man umgibt alsdann die aus reinem, möglichst graphitarmem, lichtgrauem oder halbiertem Roheisen gegossenen Gegenstände mit Roteisenstein (seltener mit andern Eisenerzen oder Braunstein, Zinkoxyd etc.) und glüht die schichtenweise in gußeiserne oder thönerne Kasten eingepackten Gegenstände 4-6 Tage lang in gemauerten Kammern bei Kirschrotglut. Die erfolgenden Gegenstände (z. B. Schlüssel, Pferdegeschirr- und Gewehrteile, Schrauben, [* 23] Knöpfe, Thürbeschläge, Nägel, [* 24] Portemonnaiebügel etc.) lassen sich in der Kälte und bei nicht zu hoher Temperatur schmieden und nehmen stahlartige Politur an, ohne jedoch große Festigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Stöße zu besitzen.
d) Erzeugung von Stahl durch Kohlung von Schmiedeeisen (Zementstahldarstellung). Möglichst reines Schmiedeeisen wird in etwa 50-130 mm breiten und 10-20 mm dicken Stäben in abwechselnden Lagen mit grobem Holzkohlenpulver (Zementierpulver, am besten Laubholzkohle) in Thonkasten A [* 20] (Fig. 17 auf Tafel III) geschichtet, welche vom Feuerungsraum C aus erhitzt werden. Der viereckige Herdraum des Zementstahlofens ist mit einem flachen Gewölbe [* 25] überspannt und dieses mit Zuglöchern versehen.
Die Kisten bleiben meist offen oder werden mit einer Decke [* 26] von Ziegelpflaster, Quarzsand und Thon versehen und binnen 24 Stunden auf Kupferschmelzhitze gebracht und bei dieser Temperatur erhalten. Zeigt die Bruchfläche einer Probestange nach 8-9 Tagen, seltener 6-7 Tagen, ein feinkörniges Gefüge ohne Eisenkern, so läßt man den Ofen bei geschlossenen Öffnungen 3 Tage abkühlen. Man verwendet zum Zementieren auf 100 kg Schmiedeeisen (am besten eignet sich dazu mit Holzkohlen erzeugtes) ca. 27 kg Holzkohle (½-¾ im frischen Zustand); die Gewichtszunahme des erfolgenden Produkts beträgt 0,5-0,75 Proz. Auf der Crescent-Steelhütte zu Pittsburg in Pennsylvanien hat Swindell einen Zementierofen mit Gasfeuerung [* 27] eingerichtet, bei welchem die Wärme [* 28] sehr vollständig ausgenutzt wird [* 20] (Fig. 18-20 auf Tafel III). A offen bleibende Kiste, a Kanal [* 29] zur Gaszuführung, b Luftkanal; Gas und Luft treten an einer Seite, resp. durch die Kanäle c und d unter die Sohle e der Kiste, vereinigen sich hier, die Flamme [* 30] steigt in Zügen f auf, und die Verbrennungsprodukte ziehen durch die Öffnung g in Kanälen h und i durch k und l in den Schornstein m. Bei dem Glühen in Holzkohle erleidet das Schmiedeeisen eine Kohlung, welche um so mehr nach innen fortschreitet, je länger das Zementieren dauert.
Die Kohlung wird begünstigt durch das Entstehen von Cyanverbindungen und durch die aus den frischen Holzkohlen entwickelten gasförmigen Produkte. Es geht dabei die sehnige Textur des Eisens anfangs in eine kristallinisch-schuppige über, das spezifische Gewicht nimmt von 7,76 auf 7,71 ab, die kristallinischen Blättchen werden immer kleiner, und der Prozeß ist beendigt, wenn die Stäbe bei sehr feinkörnigem Gefüge und dunkler Farbe brüchig werden, auch oberflächlich sich mit Blasen überziehen (Blasenstahl, Rohstahl). Dieser Stahl ist wegen seiner Brüchigkeit direkt nicht zu verwenden, sondern muß nach sorgfältigem Sortieren entweder durch Schweißen (Gärbstahl) oder Umschmelzen in Tiegeln (Tiegelgußstahl, s. unten) homogen gemacht werden. Man kann dem Zementstahl, dem Herd- und ¶