XI. Versuch einer Theorie des Hartgusses; von Dr. E. F. Dürre in Berlin. Mit Benutzung englischer Arbeiten, namentlich der Aufsätze Robert Mallet's im Practical Mechanic's Journal ausgeführt. Dürre, Theorie des Hartgusses. Der Hartguß bildet für den Gießereibetrieb die Hauptgelegenheit oder Veranlassung, das halbirte und weiße Roheisen zu verwerthen. Wir wollen dem Nachfolgenden über die Theorie des Hartgusses einige Betrachtungen über die Natur des RoheisensDiese Betrachtungen Mallet's sind allerdings lückenhaft und ignoriren die neueren wissenschaftlichen Bestrebungen der Deutschen und Franzosen vollständig. Man muß sie deßhalb lediglich in usum Delphini, d.h. für den praktischen Leser geschrieben ansehen, welcher einen bloßen Wink darüber erhalten soll, daß das Roheisen kein einfacher, sondern ein sehr complexer Körper sey. A. d. Verf. vorausschicken. Graham hat neuerdings nachgewiesen, daß das Roheisen in seiner Masse vertheilt und wunderbarer Weise eingeschlossen, sein mehrfaches Volum fremder Gase enthalten kann; dazu kommen noch die gewöhnlichen fremden Bestandtheile. Spiegeleisen und graues Roheisen werden häufig als wirkliche Verbindungen (Fe⁴C; Fe⁸C) hingestellt, oder es wird die Lehre der allotropischen Modification des C in seiner Verbindung mit Fe zu Hülfe genommen. Das Spiegeleisen bildet den einen Pol der Eisenreihe; den anderen dagegen das dunkelgraue, mehr oder weniger keeshy genannte Eisen, z.B. schottisches Nr. 1 oder die verschiedenen Sorten aus Süd-Wales. Im flüssigen Zustande muß die Gesammtmenge des Kohlenstoffes in beiden im Verbindungszustand existiren, denn das spec. Gew. des Eisens ist ca. 7,00 + Bruch; das spec. Gew. des Graphits ist 2,35 in Blättern. Wenn diese Tafeln (Blätter) im flüssigen Metall präexistirten, müßten sie alle oben schwimmen und sich dadurch vom Eisen trennen. Sie bilden sich aber aus dem chemisch gebundenen Kohlenstoff durch Absonderung eines Theiles desselben während des Festwerdens des flüssigen Eisens, und im Act der Absonderung nehmen sie die neue allotropische Gestaltung als Graphitschuppen (vermeintlich krystallinische Tafeln) an; diese Absonderung muß in dem Augenblick des Festwerdens erfolgen. Auf andere Weise ließe sich aus bereits dargelegten Gründen keine gleichförmige Vertheilung der Graphitschuppen ableiten. Es mag constatirt werden, daß kein Gußeisen ohne Graphitabsonderung aus dem Zustand der Schmelzung in den festen übergehen kann. Das Verhältniß des als Graphit ausgeschiedenen Kohlenstoffes zum Totalgehalt hängt von vielen und complicirten Umständen ab. Die Gegenwart des Mangans übt einen entscheidenden Einfluß auf die Ausscheidung von Graphit und unterdrückt dieselbe zum größten Theil. Da nun jederzeit ein geschmolzenes und wiedererkaltetes Gußeisen Graphit abscheidet, und da nur ein Theil dieses Graphits bei Wiederholung des Schmelzens wieder an das Eisen gebunden wird, indem der größte Theil in den betreffenden Ofenräumen verbrennt, so ist es klar, daß durch jedes Schmelzen das Gußeisen mehr und mehr Kohlenstoffgehalt verliert. Dieß ist der Vorgang u.a. in den bei Fairbairn's Experimenten angestellten wiederholten Umschmelzungen und bildet die Basis der Feinoperationen, d.h. der Kunst, aus grauem oder dunklerem Eisen weißes Eisen darzustellen. Weißes Roheisen kann erhalten werden: 1) Durch rasches Abkühlen der ganzen Masse einer dünnen Lage von grauem Eisen, welches indeß nur ein bestimmtes Minimum von Graphitgehalt besitzen darf. Der suspendirte Graphit ist durch die Krystallisation des weißen Eisens ausgetrieben und nach der Oberfläche geführt. 2) Durch abwechselndes Schmelzen und Abkühlen unter gewöhnlichen Verhältnissen. Dieses ist Feinarbeit in unvollkommener Ausführung. 3) Durch Uebersetzen des Hohofenbetriebes. Dahin gehört die Darstellung des weißhalbirten Eisens zum Kanonenguß in Schweden und des westphälischen Eisens etc. in Deutschland. Dieses bildet in der That eine indirecte Methode, den Kohlengehalt bis zu dem Punkt auszubrennen, bei welchem in der gewöhnlichen Art der Abkühlung die Graphitschuppen in einer geringen Quantität sowie in feiner Zertheilung abgesondert wurden. Aus dem Vorhergehenden erhellt das „Rationelle“ d.h. die Theorie des Hartgusses. Flüssiges Gußeisen wird direct in eine Form geleitet, welche in der Regel aus Eisen besteht, indeß auch aus jedem beliebigen Material hergestellt werden kann, welches den zwei Bedingungen entspricht: 1) ein guter Wärmeleiter zu seyn; 2) selbst nicht durch die plötzliche Berührung des Roheisens, sowie die Wärmeaufnahme zerstört zu werden. Der Charakter des Hartgusses besteht darin, daß Roheisen welches in Lehm- oder Masseformen gegossen eine halbirte Structur zeigt, in eisernen Formen diese Structur nur im Inneren, im Aeußeren dagegen bis zu einer gewissen Tiefe eine harte Schale von weißem splitterigen Eisen zeigt. Der Hartguß besteht im Verdrängen der Graphitausscheidung nach der Mitte eines Gußstückes hin und in der Sättigung der Hartschale mit chemisch gebundenem Kohlenstoff, welcher derselben den Charakter des harten Stahles d.h. Härte und Dichtigkeit verleiht. Alle die complicirten Vorgänge werden durch die plötzliche äußere Kühlung hervorgerufen. Als Beleg für den erwähnten Erfolg des Abschreckens wird das Resultat von Analysen in Karsten's Eisenhüttenkunde, Bd. I S. 583 u.s.f. angeführt. Dieses beweist wiederum die Ansichten des Ref., daß während der Schmelzung der gesammte Kohlenstoffgehalt in der ganzen Masse vertheilt ist, und daß die Erscheinung, ob das Gußeisen fortfährt dessen ganze Menge auch nach der Abkühlung in Verbindung zu behalten, oder einen Theil derselben als abgeschiedenen Graphit austreibt, lediglich von dem ursprünglichen Kohlenstoffgehalt im flüssigen Zustande abhängt, weniger direct von den zufälligen Konstituenten des Roheisens(Mn u.s.w.) und von dem Verhältniß der Abkühlung. Das Eisen ist innerhalb der Hartschale stets krystallisirt. Die Hauptsymmetrieachsen der Krystalls sind jedesmal in senkrechter Richtung zu den Oberflächen des Hartgusses geordnet. Da nach Savart diese längeren Krystallachsen stets die Elasticitätsachsen bilden, so ist die Anordnung der Krystalle nach denselben von praktischer Bedeutung. Ein Bohr- oder Drehstahl weist an einem Hartgußstück verschiedene Härtegrade nach, je nachdem er senkrecht oder parallel zu jenen Hauptachsen arbeitet. Der Hauptzweck des Hartgießens im Großen ist die Verbindung der dem grauen Eisen eigenthümlichen Zähigkeit und Weichheit mit der Härte des Stahles auf den Arbeitsflächen (behufs der Anwendung zu Walzen, Rädern, Herzstücken etc.). Die Härte ist so bedeutend, daß man nur mit einer rechtwinkeligen Kante gehärteten Stahles die Oberfläche drehen kann und dabei kurze, scharfe, draht- oder nadelförmige Bohrspäne erhält, welche oft einen starken polaren Magnetismus zeigen. Die Hartschalenbildung ist abhängig: 1) Von der Eigenschaft des verwendeten Metalles, gut abzuschrecken, d.h. von seinem Gehalt an chemisch gebundenem Kohlenstoff und dem Mangel eines Ueberschusses an Graphit. Ein hellgraues hartes und etwas geflecktes Gußeisen von feinkörnigem Bruch gibt guten Hartguß; den besten, wenn es Mangan enthält oder mit manganhaltigem Spiegeleisen vor dem Gießen versetzt wird. Dunkelgraues Eisen, schottisches Nr. 1 (in England keeshy genannt), kann nicht abgeschreckt werden und selbst wenn es einen reichlichen Zusatz von Hartbruch bekommt, erzeugt sich nur eine schwache und oberflächliche Schale. 2) Von dem Verhältniß der Masse des hartgegossenen Theiles zu dem ganzen Guß. 3) Von der absoluten Masse des ganzen Gußstückes. – Bei sehr bedeutenden Massen kann die entstandene Hartschale von innen heraus wieder getempert oder, wie Ref. sagt, cementirt werden, da der Kern des Gusses die hierzu nothwendige Hitze hergibt. Es bleibt nach den letzten Betrachtungen übrig, die Fragen zu discutiren, welche mit den Bedingungen und dem Gebrauch der Hartgußformen in der Praxis zusammenhängen. In einer früheren AbhandlungMittheilungen über das Vergießen oder Umgießen fertiger Metallgegenstände mit demselben oder anderem Material, im polytechn. Journal Bd. CXCVII S. 220 (erstes Augustheft 1870). wurde ausgeführt, bis zu welcher Tiefe das Abschrecken getrieben werden kann, und außerdem hervorgehoben, daß Güsse aus weißem Eisen keine Hartgüsse sind, eben so wenig wie die Palliser-Geschosse, welche fälschlich Hartgußprojectile heißen. Bezüglich der Stärke des Abschreckens kommt die Größe resp. das Volumen des Stückes in Beziehung zu der abzuschreckenden Oberfläche in Betracht. Ein dünnes Gußstück kann, sobald es eine verhältnißmäßig große Oberfläche dem Abschrecken aussetzt, fast ganz aus Hartguß bestehen, mit Ausnahme vielleicht einer dünnen Linie grauer Flecken in der Mitte des Gusses. Solche Beispiele haben indeß nur ein geringes praktisches Interesse. Anders ist es mit der Darstellung von Hartgüssen in einer allgemeiner gekannten Form, z.B. Kessel- und anderen Blechwalzen, Herzstücken und Weichentheilen für die Eisenbahnen. Bei diesen Stücken, deren Verwendung eine allgemeinere ist, muß der Gießer wissen, bis zu welcher Tiefe des Abschreckens er mit Aufwendung seiner ganzen Routine gelangen kann, um eventuell nichts Unmögliches zu unternehmen, wo die Stärke der Hartschale vorgeschrieben wird, und um dieselbe nur knapp so stark zu machen, als sie verlangt wird. Er muß also den Proceß in der Gewalt haben und jedenfalls bestrebt seyn, eine möglichst große Masse nicht abgeschreckten unveränderten grauen Eisens unter der Hartschale zu behalten, weil das Object dadurch am besten allen Spannungen widersteht; denn der Zweck der Hartschale ist mehr die Härte und der Widerstand gegen Alteration der Arbeitsflächen als die Zähigkeit oder das Widerstreben gegen zerreißende Kräfte, welche sich mit den Spannungen des Inneren combiniren. Für die meisten Zwecke ist ein Zoll Hartschale mehr als genügend, da nach dem Verschwinden derselben die Gegenstände an sich durch die veränderte Größe unbrauchbar werden; in vielen Fällen genügt eine halb so starke Schale. Wo aber die Hartschale einer raschen Abnutzung unterworfen wird, z.B. hei Erzquetschwalzen, und die Oberfläche oft nachgedreht werden muß, da ist die Walze um so viel besser, je dicker die Hartschale ist. Bei Walzen gewöhnlicher Größenverhältnisse ist es indeß immer nothwendig, einen Kern von grauem Eisen zu haben, welcher den Spannungen widerstehen soll. Aus demselben Grunde gießt man wohl die Laufzapfen schwächerer Walzen in dünneren Schalen oder in Lehm- resp. Masseformen, während bei sehr großen Walzen die Masse von weichbleibendem Eisen immer noch groß genug ist, um zu halten. In allen ähnlichen Fällen kann nur das Urtheil und die Erfahrung den Eisengießer leiten; sein Urtheil kann aber nur begründet werden auf klare Begriffe von den Bedingungen welche die Umwandlung des Eisens regeln. Wir wollen ihn im Nachfolgenden zu approximativen Grenzen führen, bevor wir die erwähnten Bedingungen selbst erörtern. Es gibt kein Gußeisen, welches nicht durch praktische Einrichtungen eine wenigstens 1 Zoll starke Schale liefern könnte, wenn das Eisen dem Gebrauch zum Hartguß angepaßt oder dazu eigens dargestellt wird. Es gibt aber manche Marken von Gußeisen, welche noch tiefer abschrecken können, in welchem Falle das Ganzeisen sowohl als die Bruchstücke stets als zähes, hellgraues, fein krystallinisches, halbirtes Eisen bezeichnet werden. Hat der Gießer dieses nicht zur Verfügung, so ist sein einziger Ausweg: weißes Feineisen oder weißes härtestes Brucheisen in passenden Verhältnissen mit seinem eigenen weichen dunkelgrauen Eisen (welches für sich schwerlich einen Hartguß geben würde) zu versetzen. Das beste Material für den Hartguß besitzen nach Mallet die Schweden und Deutschen. Gruson in Magdeburg verwendet (Harzer) Eisen aus der Nachbarschaft, von welchem eine in Masse gegossene Barre von 1 Zoll im Gevierte, auf 3 Fuß von einander entfernte Stützpunkte gelegt, ohne Zerbrechen 12–1400 Pfd. trägt und dabei nur 5/8 bis 7/8 Zoll Einbiegung zeigt, die nach der Entlastung wieder gerade wird. Mit solchem Material und geeigneten Werkzeugen kann ein Eisenbahnherzstück auf 2 Zoll abgeschreckt werden, während in der Praxis nur eine viel schwächere Schale verlangt wird. Ein noch stärkeres Abschrecken beobachteten wir bei einer eisernen Walze aus Schweden, indem bei ihr die Schale 3 1/2 Zoll tief war, radial krystallinisches weißes Eisen zeigte und an dieselbe noch eine 2 Zoll starke Schicht von weißem krystallinischen Eisen (mit mehr oder weniger zerstreuten Flächen von unverändertem halbirten hellfarbigen Eisen) sich anschloß. Diese Walze hat 2 Fuß 9 Zoll Durchmesser und eine Abschmelzung von circa 5 Zoll, wovon jedoch nur circa 3 Zoll zum nachherigen Abdrehen zu gebrauchen waren. Die Zapfen waren durch und durch abgeschreckt und von absolut weißem Eisen. Die Coquille soll 14 Zoll stark gewesen seyn. In Paris sahen wir (i. J. 1867) einen Zapfenbruch aus einem der deutschen Staaten, welcher den auffallendsten Charakter des Hartgusses zeigt. Der Zapfen ist circa 15 Zoll stark und ringsum auf 1/3 seines Durchmessers abgeschreckt. Dieses ist wohl die äußerste Grenze welche in der Praxis eingehalten werden kann, wie aus nachstehenden Erörterungen hervorgeht. Da die Wirkung der Coquille oder abschreckenden Form lediglich in der Abkühlung der Oberflächentheile der rasch eingegossenen flüssigen Roheisenmasse im Verhältniß zu der guten Leitung und großen Wärmecapacität des Materiales der Coquille besteht, so ist die Masse der Coquille wohl einer der Hauptpunkte, welche die Wirkung derselben beim Gusse beherrschen, wenn Form und Gewicht des Gußstückes und daraus die Relation zwischen Masse und Oberfläche desselben gegeben sind. Bestimmter ausgedrückt: Die Kälte in der Coquille muß in Summa so groß seyn, daß sie genügt um die äußere Schicht des Gusses nach dem Füllen der Form in wenigen Minuten in festen Zustand überzuführen, und ein Rest von Kälte muß alsdann noch vorhanden seyn, um das Wiederschmelzen der gebildeten Hartschale durch die vom flüssigen Kern des Gegenstandes ausgehende Hitze zu verhüten, bis sämmtliche Theile des Gusses fest geworden sind. Der Wärmeverlust beim Hartguß vor dem Festwerden der ersten Schicht der abzuschreckenden Oberfläche ist so klein im Verhältniß zu der im flüssigen Eisen entwickelten Hitze, daß er vernachlässigt werden kann. Es sey m das Gewicht der Schale (Coquille), M das Gewicht des Gußstückes, t die Temperatur der Schale beim Eingießen, t₂ die Temperatur des Eisens beim Eingießen, T die gemeinschaftliche Temperatur in dem Moment wo die Wärmeaufnahme seitens der Schale aufhört und das Gleichgewicht zwischen beiden Wärmemengen vorhanden ist, C und C₂ resp. die specifische Wärme der Schale und des flüssigen Eisens bei den Temperaturen t und t₂; dann ist nach bekannten Grundsätzen: 1) (mC + MC₂) T = mCt + MC₂ t₂ und 2) T = (mC + MC₂ t₂)/(mC + MC₂) Die specifische Wärme des Schmiedeeisens ist nach Dulong und Petit: bei   32–212° Fahr. 0,1098 „ 212–662°    „ 0,1255 „„ RothgluthSchmelzhitze 0,14030,3282 zweifelhaft Für Gußeisen sind keine Untersuchungen gemacht worden, daher die obigen Resultate auch für Gußeisen hier angenommen werden. Die Schmelztemperatur t₂ = 2300° Fahr., kann man, weil Hartguß heiß Der heiße Guß hat in Deutschland weniger Anhänger als in England; nur bei sehr grobmelirtem Eisen, z.B. Mischungen von hartem deutschen Eisen und schottischem Gießereieisen läßt sich ein so heißes Gießen rechtfertigen. gegossen wird, – 2500° Fahr. annehmen. C = 0,1098, C₂ = 0,300; wenn die beiden letzten Angaben von Dulong und Petit unrichtig seyn sollten, ist unsere Annahme von 0,300 anstatt 0,3282 immerhin auf Seite der größeren Wahrscheinlichkeit. Die Function der Schale besteht nunmehr darin, die äußerste Gußschicht zum Erstarren d.h. auf beispielsweise 1000° Fahr, zu bringen, oder auf eine hellrothe Gluthhitze bei welcher durch das Kirschrothe hindurch das Roheisen krystallinisch und krümlich wird. Um nun diese Schicht nicht wieder zu schmelzen, muß auch der übrige Guß durch die Schale auf 1000° Fahr, abgekühlt werden können, oder auf 800°, um der höheren Gußtemperatur Rechnung zu tragen. Hiernach ist: (0,1098 mt + 0,3 Mt₂)/(0,1098 m + 0,3 M) = T = 800° Fahr. Wir können für unsere praktischen Zwecke C = C₂ annehmen, somit (mt + Mt₂)/(m + M) = T; für englische Verhältnisse (t = 75°) ist also (75 m + 2500 M)/(m + M) = T = 800° Fahr. M ist gegeben als das Gewicht des Gusses, und m als Minimalgewicht der Coquille berechnet sich hiernach ganz leicht. Doch ist diese Größe insofern nicht ganz verläßlich, als man in der Regel die Coquillen heißer macht als 75°, und dabei bis 300° F. geht. Außerdem wird die Innenseite der Coquille mehr erhitzt als die Außenseite, sobald das Eisen hineingekommen ist. Praktische Erfahrungen haben das Verhältniß m = 3 M als das geeignetste ergeben. Oekonomische Rücksichten verbieten die Anwendung zu starker Schalen für sehr beschäftigte Gießereien. Construirt man Schalen, deren Dicke eine gewisse Grenze überschreitet, so kann man annehmen, daß dieselben entweder gleich nach dem Gusse oder während des Erkaltens zerspringen. Dieß rührt von der ungleichen Erwärmung der Schalen her und kann bei allen Hartgüssen vorkommen, am meisten aber bei starken und großen Schalen. Eine plötzliche Ausdehnung (Volumvergrößerung) im Augenblick des Erstarrens kann, wenn sie angenommen wird, dazu beitragen das Springen zu befördern. Der Verfasser hat sich bemüht, die für die Praxis hochwichtigen Anschauungen Mallet's möglichst ebenso klar, obwohl in anderem Zusammenhang als das englische Original zu geben. In vielen Punkten ist er anderer Ansicht als Mallet, glaubte aber mit der seinigen zurückhalten zu müssen, um so mehr als es bei der Discussion eines so schwierigen Gegenstandes wie der Hartguß darauf ankommt, die divergirenden auf verschiedene Grundlagen sich stützenden Ansichten zunächst treu nebeneinander zu stellen. Um ein Bild der in England vorzugsweise vertretenen Ansichten über den fraglichen Gegenstand zu gewinnen, erschien die Mittheilung der Mallet'schen Anschauungen wichtig. Weitere Arbeiten gestatten dem Verfasser vielleicht den Hartguß, wie er sich in Deutschland entwickelt hat, zu schildern.