LXXIII. Ueber Legirungen; von Professor F. Crace Calvert und Richard Johnson in Manchester. Aus dem Philosophical Magazine, October 1855, S. 240. Calvert und Johnson, über Legirungen. Bis jetzt wurden die Legirungen nach Gewohnheit dargestellt; die Verhältnisse, wornach man sie zusammensetzte, waren das Resultat willkürlichen Urtheils, anstatt bestimmter chemischer Proportionen. Da alle chemischen Verbindungen durch Vereinigung ihrer Bestandtheile in stöchiometrischem Verhältniß entstehen, so schien es uns wahrscheinlich, daß dieses auch bei den Metallen der Fall seyn muß, wenn die Umstände ihnen gestatten sich frei zu vereinigen. Daß sich unter gewöhnlichen Umständen Verbindungen in stöchiometrischen Verhältnissen nicht bilden, rührt daher, daß eines oder mehrere von den Metallen, woraus die Legirungen bestehen, in Ueberschuß vorhanden sind, und daß die wirkliche (stöchiometrisch zusammengesetzte) Verbindung in der Masse des im Ueberschuß vorhandenen Metalles erstarrte; gerade so, als wenn man Wismuth oder Schwefel in einem Tiegel schmilzt und hierauf erkalten läßt, wo dann bekanntlich die deutlichen Krystalle von Wismuth oder Schwefel sich in dem Ueberschuß von Wismuth oder Schwefel befinden, welcher nicht krystallisiren konnte. Wir sind daher der Ansicht, daß man mittelst Darstellung von Legirungen welche eine stöchiometrische Zusammensetzung haben, wohlfeilere und bessere Compositionen erhielte, als bisher gebräuchlich waren; denn ohne Zweifel rührt die Unregelmäßigkeit in der Qualität der im Handel vorkommenden Legirungen nicht nur von einem Ueberschuß eines der Metalle her, sondern auch von dem Umstand, daß ein Theil dieses Ueberschusses sich mit einer bestimmten (stöchiometrisch zusammengesetzten) Legirung verbindet und die Zusammensetzung abändert; ist z.B. das in Ueberschuß vorhandene Metall ein sehr schmelzbares, so wird es flüssig bleiben und sich mit dem letzten Antheil der wirklichen Legirung verbinden, also eine Legirung erzeugen, welche eine andere Zusammensetzung hat, als diejenige welche sich anfangs an der Außenseite der Masse bildete; wohingegen, wenn das in Ueberschuß angewandte Metall ein weniger schmelzbares ist, dasselbe früher erstarren wird als die vorherrschende Legirung der Masse, so daß man keinen homogenen Guß erhalten kann. Um diesen ernstlichen Uebelstand zu vermeiden, werden jetzt die bronzenen Kanonen kurz nach dem Gusse abgekühlt, damit die Masse so gleichförmig als möglich bleibt; in Folge hievon fällt jetzt nur beiläufig ein Zehntel der bronzenen Geschütze mangelhaft aus, wogegen es früher ein Drittel war. Während unserer Versuche veröffentlichten die HHrn. Levol, Rieffel und Joule Abhandlungen über einige Legirungen und Amalgame von stöchiometrischer Zusammensetzung. Die Legirungen von Gold und Silber, von Gold und Kupfer, dann von Silber und Blei, welche Levol analysirte, sind sehr interessant, und viele derselben sind gewiß bestimmte Verbindungen, weil das relative Verhältniß ihrer Aequivalente ein niedriges ist; hinsichtlich der von Rieffel analysirten bezweifeln wir dieß aber, da z.B. folgende Verhältnisse vorkommen:   1 Aequivalent Kupfer, 48 Aequivalente Zinn, oder 98 Aequivalente Kupfer,   1 Aequivalent Zinn. Unsere Absicht war nicht, einige besondere Fälle zu untersuchen, oder nur die im Handel vorkommenden Legirungen, sondern zahlreiche neue Legirungen in stöchiometrischen Verhältnissen darzustellen und deren physische und chemische Eigenschaften etc. zu bestimmen. Die erste Classe von Legirungen welche wir beschreiben werden, ist nicht nur ganz neu, sondern auch höchst interessant, denn es sind dieß die ersten Legirungen, welche mit Eisen in stöchiometrischen Verhältnissen dargestellt wurden. Es ist gewiß merkwürdig, daß man bei dem niedrigen Preise des Eisens sich nicht bestrebte dieses nützliche und wohlfeile Metall mit den kostspieligeren Metallen zu legiren, z.B. mit Zinn oder Kupfer, um wohlfeilere Legirungen als die jetzt gebräuchlichen zu erhalten. Unser Hauptzweck bei der Darstellung der Eisenlegirungen war, das Eisen weniger oxydirbar zu machen, indem wir es mit einem Metall legirten, welches mehr elektro-positiv als es selbst ist. Wir gingen nämlich von der Annahme aus, daß mittelst solcher Legirungen des Eisens das Rosten dieses schätzbaren Metalls in Berührung mit der Atmosphäre am sichersten vermieden werden könnte; in dieser Voraussetzung täuschten wir uns jedoch, denn die Verwandtschaft des Eisens zum Sauerstoff ist derart, daß sie nicht vermindert wird, ausgenommen in einem Falle, wenn nämlich das Eisen mit Aluminium verbunden ist. Legirungen von Eisen und Kalium. Unser erster Versuch bestand darin, etwas Weinstein (zweifachweinsteinsaures Kali) und Eisen, gemischt mit überschüssigem Weinstein, einer sehr hohen Temperatur auszusetzen; wir erhielten aber nur eine geschmolzene Masse von kohlensaurem Kali, nebst einem Knopf Gußeisen, ohne Zweifel weil das fein zertheilte Eisen sich zuerst mit Kohlenstoff verband und dann nicht mehr mit Kalium verbinden konnte. Wir machten dann eine Mischung von feiner Eisenfeile und Weinstein in folgendem Verhältniß: 12 Aequiv. Eisen   336 Gran oder 3 Aequiv. Eisen,   8 Aequiv. Weinstein     1504    „    „ 2      „ Kalium. Dieses Gemisch wurde in einem Tiegel einer hohen Temperatur ausgesetzt, wodurch wir einen großen Knopf erhielten, der bei der Analyse folgende Zusammensetzung ergab: Eisen   74,60 Kalium     25,40 –––––– 100,00 welche der Formel entspricht: 4 Aequiv. Eisen 112 =   74,17 1 Aequiv. Kalium     39 =   25,83 ––––––––––– 151 = 100,00 Anstatt also eine Legirung in dem angewandten stöchiometrischen Verhältniß zu erhalten, bekamen wir eine welche viel mehr Eisen enthielt. Diese Legirung hatte ganz das Ansehen von hämmerbarem Eisen, und ließ sich schmieden und schweißen; sonderbarerweise war sie aber außerordentlich hart, so daß bei gewöhnlichen Temperaturen ein schwerer Vorschlaghammer kaum einen Eindruck hervorbrachte und die Feile sie nur wenig angriff. Eben so auffallend ist es, daß in dieser Legirung, obgleich sie von einem der stärksten elektro-positiven Metalle, dem Kalium, 25 Proc. enthielt, doch das Eisen sowohl in der Atmosphäre als unter Wasser sich rasch oxydirte. Wir machten einen andern Versuch mit demselben Verhältniß von Weinstein und Eisen, nur setzten wir ein wenig feingepulverter Holzkohle zu; der Knopf bestand aus: Eisen   81,42 Kalium     18,58 –––––– 100,00 was der Formel entspricht: 6 Aequiv. Eisen 168 oder   81,16 1 Aequiv. Kalium     39   „      18,84 –––––––––––––– 207 oder 100,00 Wir vermuthen, daß diese Legirung einen Ueberschuß von Eisen enthielt, denn auf ihrer Oberfläche befand sich eine dünne Schicht Gußeisen; wir feilten dieselbe so sorgfältig als möglich weg, ohne Zweifel war sie aber zum Theil in die Masse eingedrungen. Da diese Legirung alle Eigenschaften der vorhergehenden zeigte, so bemerken wir weiter nichts darüber. In der Absicht, diese Legirung wo möglich auf einem wohlfeileren Wege zu erhalten, setzten wir ein Gemisch von seiner Eisenfeile und kohlensaurem Kali (welches eben so viel Kalium enthielt als der bei den vorhergehenden Versuchen angewandte Weinstein) mehrere Stunden einer sehr starken Hitze aus, jedoch ohne den Zweck zu erreichen. Legirungen von Eisen und Aluminium. Wir stellten zahlreiche Versuche an, um diese neuen Legirungen hervorzubringen, und zwar wegen der merkwürdigen Eigenschaften welche das Aluminium besitzt; es ließ sich nämlich einerseits erwarten, daß diese Legirungen nützliche Eigenschaften besitzen, und andererseits daß sich mittelst derselben das Aluminium wohlfeiler darstellen ließe als bisher. Wir übergehen hier unsere fruchtlosen Versuche und beschränken uns auf diejenigen welche genügende Resultate lieferten. Die erste Legirung von Aluminium und Eisen erhielten wir, indem wir folgendes Gemisch zwei Stunden lang der Weißglühhitze aussetzten:   8 Aequiv. Chloraluminium     1076 40      „      feine Eisenfeile 1120   8      „      Kalk   224 Der Kalk wurde der Mischung zugesetzt um das Chlor aus dem Chloraluminium zu entfernen und so das Metall Aluminium frei zu machen; ziehen wir den Kalt (als Chlorcalcium) von obigen Verhältnissen ab, so hätten wir eine Legirung von folgender Zusammensetzung erhalten sollen: 1 Aequiv. Aluminium     14 =    9,09 5     „       Eisen 140 =   90,91 ––––––––––– 154 = 100,00 Die Legirung welche wir am Boden des Tiegels fanden, bestand hingegen in 100 Theilen aus: Aluminium     12,00 Eisen   88,00 –––––– 100,00 entsprechend der Formel: 1 Aequiv. Aluminium     11,11 4      „      Eisen   88,89 –––––– 100,00 Wie man sieht, hat diese Legirung dieselbe Zusammensetzung wie eine der erwähnten von Kalium und Eisen, war auch, wie letztere, außerordentlich hart und rostete in Berührung mit feuchter Luft; doch konnte sie geschmiedet und geschweißt werden. Wir erhielten eine ähnliche Legirung, als wir obiger Mischung ein wenig sehr fein gepulverter Holzkohle beigaben und das Ganze zwei Stunden lang einer hohen Temperatur in einer Schmiedesse aussetzten. Diese Legirung ergab bei der Analyse folgende Zusammensetzung: Aluminium     87,91 Eisen   12,09 –––––– 100,00 In der Masse von Chlorcalcium und Kohle, welche im Tiegel zurückblieb, befand sich aber eine große Anzahl Kügelchen, von der Größe einer Erbse bis zu derjenigen eines Stecknadelknopfs herab; diese Kügelchen waren silberweiß und außerordentlich hart; was die Legirung (der Kügelchen) besonders interessant macht, ist ihre Eigenschaft, in Berührung mit der feuchten Atmosphäre (und selbst mit Salpetergas) nicht zu rosten; ihre Analyse ergab folgende Zusammensetzung in 100 Theilen: Aluminium     24,55 Eisen   75,45 –––––– 100,00 entsprechend der Formel: 2 Aequiv. Aluminium     28 =   25,00 3     „       Eisen   84 =   75,00 –––––––––––– 112 = 100,00 Diese Legirung hat also dieselbe Zusammensetzung wie die Thonerde, indem das Eisen die Stelle des Sauerstoffs in der letztern einnimmt. Wir behandelten diese Kügelchen mit schwacher Schwefelsäure, welche das Eisen auszog und die Aluminium-Kügelchen zurückließ; diese hatten genau dieselbe Form wie vor dem Auflösen des Eisens, und das so gewonnene Aluminium besaß alle Eigenschaften des auf dem bisherigen Wege dargestellten. Wir haben noch Versuche mit folgender Mischung angestellt: Kaolin oder Thonerde-Silicat   1750 Theile Kochsalz 1200     „ Eisen   875     „ Diese Mischung lieferte eine metallische Masse und Kügelchen; die Resultate genügen uns aber noch nicht, und wir behalten uns vor, in einer zweiten Abhandlung darauf zurückzukommen. Legirungen von Aluminium und Kupfer. Um diese Legirungen zu erhalten, benutzten wir dieselbe chemische Reaction wie zur Darstellung der Eisenlegirungen; wir wendeten nämlich an: 20 Aequiv. Kupfer   640   8     „      Chloraluminium   1076 10     „      Kalk   280 Wir mischten diese Substanzen innig mit einander, und nachdem wir sie eine Stunde lang einer hohen Temperatur ausgesetzt hatten, fanden wir am Boden des Tiegels eine mit Chlorkupfer bedeckte geschmolzene Masse, und in dieser Masse Kügelchen, welche bei der Analyse folgende Zusammensetzung ergaben: Kupfer   91,53 Aluminium       8,47 –––––– 100,00 entsprechend der Formel: 5 Aequiv. Kupfer 160 =   91,96 1     „      Aluminium     14 =     8,14 –––––––––––– 174 = 100,00 Wir machten dann wieder eine Mischung von Chloraluminium und Kupfer in obigem Verhältniß ließen aber den Kalk weg; dadurch erhielten wir eine Legirung, welche folgende Zusammensetzung ergab: Kupfer   87,18 Aluminium     12,82 –––––– 100,00 entsprechend der Formel: 3 Aequiv. Kupfer   96 =   87,27 1     „      Aluminium     14 =   12,73 –––––––––––– 110 = 100,00 Legirungen von Eisen und Zink. Wir analysirten auch einen Niederschlag der sich beständig am Boden eines Metallbades bildet, welches aus geschmolzenem Zink und Zinn besteht und zum Galvanisiren des Eisens angewendet wird. Dieser Niederschlag ergab folgende Zusammensetzung: Eisen       6,06 Zink   93,94 –––––– 100,00 entsprechend der Formel:   1 Aequiv. Eisen   28 =     6,79 12      „      Zink 384 =   93,21 ––––––––––––           100,00 Diese Legirung hatte nicht das blätterige Ansehen des Zinks, aber ein krystallinisches; sie war außerordentlich hart und kaum schmelzbar. Wir kamen auf die Vermuthung, daß das Bad mit Eisen gesättigt war, welches sich mit dem Zink verbunden und allmählich abgesetzt hatte; wir nahmen daher an verschiedenen Stellen des Bades Proben der geschmolzenen Legirung von Zink und Zinn, und untersuchten dieselben, fanden aber nur Spuren von Eisen darin. Es ist gewiß merkwürdig, daß in dem Metallbad, welches beständig in geschmolzenem Zustande erhalten wird, das Eisen nicht vertheilt bleibt, sondern mit dem Zink eine krystallinische Verbindung bildet, welche sich bei einer Temperatur von wenigstens 800° F. (426° C.) absetzt. Diese Thatsache veranlaßte uns die Zusammensetzung des Metallbades zu untersuchen; da dasselbe sehr groß ist, so benutzten wir diese Gelegenheit, um über eine sehr interessante Frage ins Reine zu kommen, nämlich ob bei Anwendung eines aus Zink und Zinn in bestimmtem Verhältniß zusammengesetzten Bades die geschmolzene Masse eine gleichförmige oder je nach ihrer Tiefe verschiedene Zusammensetzung hat. Das von uns angewandte Bad war 2 1/2 Fuß breit, 10 Fuß lang und 3 1/2 Fuß tief; es enthielt von geschmolzenem Zink und Zinn 14 Tonnen (280 engl. Cntr.). Da die erwähnte Verbindung von Eisen und Zink in großer Menge am Boden des Metallbades vorhanden war, so ließen wir zum Herausnehmen der Proben eine schmiedeiserne Röhre von zweierlei Querschnitten anfertigen, mit Flanschen auf ihrer ganzen Länge, welche durch Schrauben mit einander verbunden und in dichte Berührung gebracht wurden. Diese, am obern Ende mit einem luftdichtschließenden Hahn versehene Röhre wurde in das geschmolzene Metallbad getaucht, und nachdem sie eine gewisse Tiefe erreicht hatte, ließen wir ein wenig Legirung eindringen, indem wir den Hahn schwach öffneten und dann schlossen. Auf diese Weise erhielten wir folgende Proben; eine am obern Ende, eine in 21 bis 24 Zoll Tiefe, und eine am Boden, welche folgende Zusammensetzung ergaben:   Oben.   21 bis 24 Zoll.   Boden. Zink     81,48      87,72   90,04 Zinn   13,60      10,03     8,64 Blei     4,92        2,25     1,32 –––––––––––––––––––––––––– 100,00    100,00 100,00 Diese Zahlen zeigen klar, daß das Metallbad von Zink und Zinn (denn das Blei ist als eine Unreinheit des Zinks zu betrachten) in verschiedenen Tiefen eine verschiedene Zusammensetzung hatte, und daß die chemische Verwandtschaft nicht stark genug war, um in der ganzen Masse eine gleichförmige Zusammensetzung zu unterhalten. Es ist auch merkwürdig, daß die schwersten Metalle, nämlich Zinn und Blei, am obern Theil des Bades in größerm Verhältniß vorhanden sind, als am Boden. Bis wir weitere Daten haben, wollen wir keine Erklärung dieser Thatsache aufstellen. Bemerkenswerth ist ferner, daß wenn man bei den analysirten Proben das Blei unberücksichtigt läßt und bloß das Zink und Zinn auf Procente berechnet, sich Legirungen von stöchiometrischer Zusammensetzung ergeben, nämlich: Gefunden.   Berechnet.   Formel. Oben: Zinn    14,30    13,89   1 Sn. Zink    85,70    86,11 11 Zn. Mitte: Zinn    10,26      9,98   1 Sn. Zink    89,74    90,02 16 Zn. Boden: Zinn      8,76      8,54   1 Sn. Zink    91,24    91,46 19 Sn. Obgleich die analytischen Resultate so nahe mit den berechneten übereinstimmen, bezweifeln wir doch, daß die Metalle in dem Bad in stöchiometrischem Verhältniß verbunden sind, um so mehr, da das Aequivalent des Zinks so hoch im Vergleich mit demjenigen des Zinnes ist. Legirungen mit vorherrschendem Zink. In der Absicht, wohlfeilere Legirungen zu erhalten, als die jetzt unter dem Namen Messing und Bronze gebräuchlichen, in welchen das Kupfer vorherrscht, stellten wir mehrere Legirungen in stöchiometrischen Verhältnissen dar, worin der Zink vorherrscht. Um diese Legirungen zu erhalten, schmolzen wir Zinn, setzten ihm allmählich den Zink, oder den Zink und das Blei zu, und gossen dann diese Mischung in geschmolzenes Kupfer; wir rührten hierauf die Mischung gut um und gossen das Ganze in Barren. Auf diese Weise erhielten wir folgende Legirungen:    Nr. 1.   Gefunden.   Berechnet.   6 Aequiv. Zink   68,32   68,55   1     „ Zinn   20,62   20,34   1     „ Kupfer   11,06   11,11 ––––––––––––––––– 100,00 100,00   Nr. 2.   10 Aequiv. Zink   62,64   62,85   1       „ Zinn   11,32   11,18   1       „ Blei   19,94   19,86   1       „ Kupfer     6,10     6,11 ––––––––––––––––– 100,00 100,00   Nr. 3. 20 Aequiv. Zink   69,56   69,77   2     „ Zinn   12,58   12,41   1     „ Blei   11,06   11,04   2     „ Kupfer     6,80     6,78 ––––––––––––––––– 100,00 100,00 Legirungen mit vorherrschendem Kupfer. Wir stellten auch eine Reihe von Legirungen dar, worin das Kupfer vorherrscht, indem wir dasselbe Verfahren befolgten wie bei den vorhergehenden; die Analyse derselben ergab folgende Zusammensetzung:   Nr. 1.   Gefunden.   Berechnet.   4 Aequiv. Kupfer   56,25   56,45   3     „ Zink   43,75   43,55 ––––––––––––––––– 100,00 100,00   Nr. 2.   Gefunden.   Berechnet. 10 Aequiv. Kupfer   87,05   86,29   1      „ Zink     5,07     4,93   1      „ Zinn     7,88     8,78 ––––––––––––––––– 100,00 100,00   Nr. 3. 10 Aequiv. Kupfer   77,45   77,77   3     „ Zink   14,39   14,23   1     „ Zinn     8,16     8,00 ––––––––––––––––– 100,00 100,00 Die Legirung Nr. 1 dieser Reihe, oder eine sich ihr annähernde, kommt bereits im Handel vor und wurde von Hrn. Rieffel analysirt. Die Legirung Nr. 2 kam kürzlich in den Handel, und wird wegen ihrer außerordentlichen Härte besonders beim Locomotivenbau verwendet. Die Legirung Nr. 3 kommt noch nicht im Handel vor, wir glauben aber, daß sie wegen ihrer physischen Eigenschaften die Legirung Nr. 2 bei vielen ihrer Hauptanwendungen ersetzen kann, während sie viel wohlfeiler ist. Wir haben auch die Wirkung verschiedener Säuren auf obige Legirungen ermittelt; denn wenn dieselben bloß Gemische von Metallen wären, so ist kein Grund vorhanden, weßhalb ihre Bestandtheile von den Säuren nicht gerade so angegriffen werden sollten, als wenn sie in freiem Zustande vorhanden wären; wogegen, wenn die Metalle chemisch mit einander verbunden sind, die Wirkung der Säuren eine andere seyn muß. Salzsäure von 1,24 spec. Gewicht, welche bekanntlich auf das Kupfer schwach, hingegen auf den Zink und das Zinn heftig wirkt, löste in zwei Stunden von 100 Theilen der Legirung Nr. 1 nur 0,2, von Nr. 2 nur 0,18 und von Nr. 3 bloß 0,12 auf. Diese Legirungen werden also viel weniger angegriffen als die Metalle woraus sie bestehen; interessant ist, daß die Legirung Nr. 1, welche nahezu 50 Proc. Zink enthält, von Salzsäure so schwach angegriffen wird. Schwefelsäure von 1,50 spec. Gewicht, welche bekanntlich auf das Zinn und das Kupfer schwach, auf den Zink aber heftig wirkt, löste in zwei Stunden von den drei Legirungen gar nichts auf. Salpetersäure von 1,100 spec. Gewicht, welche auf die dreierlei Metalle sehr heftig wirkt, löste in zwei Stunden von 100 Theilen der Legirung Nr. 1 nur 0,03, von Nr. 2 nur 0,02, und von Nr. 3 bloß 0,06 auf. Diese Resultate bestätigen vollständig unsere Ansicht, daß Legirungen von stöchiometrischer Zusammensetzung gegen die Einwirkung der Säuren einen außerordentlichen Widerstand darbieten. Wir beabsichtigen in der Folge nicht nur die relative Zähigkeit, Härte etc. gewisser Legirungen im Vergleich mit den Metallen, woraus sie bestehen, zu ermitteln, sondern auch den Einfluß, welchen eines, zwei oder drei Aequivalente eines Bestandtheils der Legirung auf deren physische und chemische Eigenschaften haben.