Die Anwendungen von FerromanganNach einem Vortrag im Iron and Steel Institute durch Engineering, März 1876 S. 253.; von F. Gautier in Paris. Gautier, über die Anwendungen von Ferromangan. Ein bedeutender Fortschritt im Bessemerproceß war die Anwendung von Spiegeleisen. Anfangs schrieb man dessen günstige Einwirkung nur seinem hohen Kohlenstoffgehalt zu, ohne Rücksicht auf den Einfluß des Mangans zu nehmen, und der Zusatz von Spiegeleisen bezweckte nur den durch das Blasen vollständig eliminirten Kohlenstoff theilweise dem Eisen zurückzuführen. Obgleich auch andere Roheisensorten diesem Zwecke vollkommen entsprachen, so erkannte man doch erst später, daß das Mangan des Spiegeleisens als wesentlicher Desoxydationsfactor auftritt. Im J. 1866 wies Valton, der bekannte Betriebsführer der Eisenhütten zu Terre Noire, in dem Bulletin de l'industrie minérale de St. Etienne nach, daß wegen der hohen Temperatur beim Bessemerproceß das oxydirte Eisen in Form von Eisenoxydoxydul und nicht von Eisenoxyd vorhanden, und das auf diese Weise erblasene Eisen wegen seines Gehaltes an dieser Eisensauerstoffverbindung warmbrüchig und zum Walzen nicht geeignet ist, da das Eisenoxydoxydul ebenso schwer wie das Eisenoxyd in die Schlacke übergeht. Durch einen Zusatz von metallischem Mangan in Form von Spiegeleisen wird das Eisenoxydoxydul wegen der großen Verwandtschaft des Mangans zum Sauerstoff in Eisenoxydul übergeführt, welches letztere mit dem gebildeten Manganoxydul sofort von der Schlacke aufgenommen wird (Fe₃O₄ + Mn = MnO + 3 FeO). Die neuesten Erfahrungen auf dem Gebiete der Stahlfabrikation nach Bessemer und nach Siemens-Martin haben erwiesen, daß in dem ausgebrachten Product fast immer ein Mangangehalt vorhanden, welcher zuweilen sehr bedeutend ist. Sollte etwa diese Legirung von Eisen und Mangan die Qualität des Stahls erhöhen; oder muß überhaupt, damit die Reaction eine vollständige ist, ein Ueberschuß an Mangan vorhanden sein? Immerhin läßt sich die vortheilhafte Einwirkung des Mangans auf die Qualität des Productes nicht ableugnen, und Versuche von Henderson in Glasgow (vgl. 1870 198 209) führten zur Darstellung von sogen. Ferromangan, dessen Mangangehalt jedoch nicht 25 Proc. überstieg. Erst als das Verfahren in England aufgegeben worden, gelang es den Stahlwerken von Terre Noire (Frankreich) den Mangangehalt obiger Legirung bis zu 75 Proc. zu steigern, und erwähnen wir in der Folge die hauptsächlichsten Anwendungen, welche diese kohlenstoffhaltige Legirung in der modernen Eisenhüttentechnik findet. 1) Fabrikation von weichem Stahl. Bei der Darstellung von Qualitätsstahl nach Bessemer's oder Siemens-Martin's Methode ist ein Zusatz von 1 bis 10 Proc. Mangan in Gestalt von Spiegeleisen in allen Stahlhütten gebräuchlich. Wegen des hohen Kohlenstoffgehaltes des Spiegeleisens (5 Proc.) ist auf diese Weise die Fabrikation von weichem Stahl wenn auch nicht unmöglich, doch mit großen Schwierigkeiten verbunden. Bessemer (1870 198 208) wies zuerst nach, daß durch Zusatz einer geringen Menge Ferromangan nicht allein eine zur Reduction der etwa gebildeten Eisenoxyde genügende Menge Mangan eingeführt, sondern daß auch die Menge des zugesetzten Kohlenstoffes bedeutend verringert wird. Da ein vorheriges Schmelzen des Ferromangans nicht nothwendig befunden, resp. ein Manganverlust durch Umschmelzen, wie solches beim Zusatz von Spiegeleisen der Fall ist, nicht stattfindet, so dürfte der Manganzusatz weniger als 1 Proc. betragen; jedoch hat die Erfahrung gelehrt, daß ein normaler Zusatz von 1 Proc. nur vortheilhaft einwirkt. Ein Zusatz von 1 Proc. Mangan in Form von 10proc. Spiegeleisen bewirkt eine Zunahme von 0,5 Proc. Kohlenstoff, während nur 0,1 Proc. Kohlenstoff aufgenommen werden, wenn 1 Proc. Mangan in Form von 2 Proc. Ferromangan, dessen Mangangehalt 50 Proc. beträgt, zugesetzt wird. Versuche haben zur Genüge erwiesen, daß je reicher die Legirung an Mangan, um so ärmer das Product an Kohlenstoff ist, und ein 75proc. Ferromangan würde sich also zur Darstellung des weichsten Stahls am meisten empfehlen. Wir geben im Folgenden die Resultate, wie solche bei Festigkeitsproben zweier verschiedenen Stahlsorten erhalten wurden, welche aus der nämlichen Roheisenmarke unter Zusatz einerseits von Spiegeleisen, anderseits von Ferromangan erblasen wurden: MitSpiegeleisen MitFerromangan     k     k Elasticitätsgrenze 34,6 pro 1qmm 25,2 pro 1qmm Festigkeitscoefficient 59,8       „ 44,1       „ Verlängerung (über 200mm gemessen)   8 Proc. 25 Proc. Die Abnahme des Festigkeitscoefficienten bei der gleichzeitigen Zunahme der Elongation ist ein entschiedener Vortheil in den Fällen, wo keine besondere Härte erfordert wird. Solches Metall, welches bei einem kleinen Verlängerungsverhältnisse einen großen Festigkeitscoefficienten besitzt, verursacht größere Schwierigkeiten beim Formgeben, was selbst dann hervortritt, wenn man ein solches Metall im warmen Zustande verarbeitet. Bei unregelmäßig geformten Stücken treten leicht Spannungen auf, welche in dem kalt gewordenen Theile Risse verursachen, und gerade diesem schwankenden Gleichgewichte der einzelnen Molecüle im harten Stahle ist der Grund zuzuschreiben, weshalb dieser Stahl fast nur zu Schienen und Bandagen verwendet werden kann. Soll dagegen ein Stahl in der Fabrikation von Platten, Schmiede- und sonstigen Maschinentheilen Anwendung finden, so muß er möglichst weich sein, und zu diesem Zwecke dürfen die Consumenten keinen Stahl begehren, der eine möglichst große Festigkeit besitzt. Wie Mallet schon längst nachgewiesen, ist zu Constructionszwecken nicht der Festigkeitscoefficient allein maßgebend, sondern das Product aus diesem Festigkeitscoefficienten mit der schließlichen Ausdehnung. Bei Berücksichtigung dieser Momente auf obige Stahlsorten und auf gewöhnliches Eisen ergibt sich für gewöhnlichen harten Stahl die Zahl 305, für weichen Stahl 700 und für gewöhnliches Eisen 105. Praktische Versuche in Frankreich haben ergeben, daß eine gegen einen durch ⊤-Schienen aus weichem Stahl gehaltenen Wall geschossene Kanonenkugel nur den dritten Theil der Zerstörung verursacht, welche bei Anwendung von gewöhnlichem ⊤-Eisen eintritt; es würde dieser Erfolg bei Anwendung von hartem Stahl nicht erzielt werden. Dies ist ein sehr schlagender Beweis für die Widerstandsfähigkeit des weichen Stahls gegen Stöße. Umsomehr dürfte man die Dimensionen der aus weichem Stahl hergestellten Constructionstheile unbeschadet ihrer Widerstandsfähigkeit bedeutend verringern, als die Elasticitätsgrenze von weichem Stahl verglichen mit der von gewöhnlichem Eisen sich wie 16 zu 9 verhält. Es würde in gewissen Fällen eine Ersparniß im Gewichte des Materials bis zu 40 Proc. eintreten, wodurch die Herstellungskosten bedeutend vermindert würden, insbesondere da in der Folge die Preise von Stahl und Eisen nicht so bedeutend von einander differiren werden, als es augenblicklich der Fall ist. Es treten diese Vortheile des weichen Stahls noch mehr hervor, wenn man einen Vergleich mit den besten Eisensorten (Low-Moor, Bowling u.a.) aufstellt. Es läßt sich auch mit Sicherheit behaupten, daß die Anwendung des weichen Stahls analog wie die der stählernen Eisenbahnschienen eine große Verbreitung finden wird, da schon jetzt in Frankreich und England nach dem Vorgange von Barnaby auf den Staatsschiffwersten nur Platten aus weichem Stahl zur Anwendung gelangen, wodurch nicht allein eine Gewichtsverringerung des Schiffskörpers, sondern auch eine Vergrößerung des Tonnengehaltes erzielt wird. Es läßt sich am meisten empfehlen, zur Erleichterung des chemischen Processes und um ein Verspritzen zu umgehen, welches beim Zusammentreffen eines kalten Körpers mit flüssigem Stahl leicht eintritt, das Ferromangan nur im rothglühenden Zustande einzuführen. Beim Siemens-Martin'schen Proceß läßt sich dieses vorherige Erhitzen in den bei diesem Proceß gebräuchlichen Oefen leicht ausführen, während beim Bessemerproceß die Legirung, deren Gewicht wegen des bedeutenden Mangangehaltes ein niedriges ist, in einem eisernen Behälter vor dem Munde des Converters aufgehängt und nach vollendetem Blasen in das flüssige Bad umgekippt werden kann. Die Reaction ist alsdann eine vollständige und die Mischung durch das nachherige Eingießen in Formen eine vollkommene. Vergleichen wir nun obiges Princip mit andern Herstellungsmethoden von weichem Stahl, so ergibt sich von vornherein, daß in allen Fällen eine Verminderung des Spiegeleisenzusatzes erstrebt wurde, um den Kohlenstoffgehalt des fertigen Productes möglichst zu verringern, wodurch jedoch in vielen Fällen ein rothbrüchiger, zum Walzen fast untauglicher Stahl erzielt wurde. Bei Ausführung des Bessemerprocesses ist es fast unmöglich, die Grenze einzuhalten, bis zu welcher die Bildung von Eisenoxyd im geschmolzenen Metalle eintritt. Beim Zusatz von Spiegeleisen tritt eine heftige Reaction zwischen dem gebildeten Eisenoxyd und dem Kohlenstoff des Spiegeleisens auf, wodurch ein Verspritzen eines Theiles des Converterinhaltes verursacht wird. Der auf diese Weise erhaltene Stahl ist zwar weich, aber der Proceß ist ein unsicherer, kostspieliger und gefährlicher. In den letzten Jahren wurde bei Anwendung eines Roheisens mit 3 bis 4 Proc. Mangangehalt eine weiche Stahlsorte ohne Spiegeleisenzusatz erhalten. Das Eisenoxyd wirkt auf alle oxydirbare, im Roheisen enthaltene Substanzen ein, zuerst auf das Silicium, dann auf den Kohlenstoff und zuletzt auf das Mangan. Ist nach Entfernung des Siliciums und des Kohlenstoffes noch so viel Mangan vorhanden, daß das gebildete Eisenoxydoxydul durch denselben vollständig zu Eisenoxydul reducirt wird, so ist der erblasene Stahl ein sehr weicher. Es ist dies jedoch ein schwieriger, unsicherer Proceß und muß hierbei der Mangangehalt des Roheisens unbedingt 3 bis 4 Proc. betragen; dieser Proceß erfordert eine große Geschicklichkeit seitens des Betriebsführers, da das Spectroskop von keinem Nutzen ist und von Zeit zu Zeit nach Abstellung des Windes Schlackenproben gezogen werden müssen, welche beim Eintritt der schwarzen Färbung das Ende des Processes anzeigen. Die Qualität des Productes ist variabel, und trotz des geringen Kohlenstoffgehaltes ist die Structur desselben wegen der hohen Temperatur eine krystallinische, wie solche öfters beim Bessemerproceß erhalten wird, wenn die angewendete Roheisenmarke viel Silicium enthält. Insbesondere ist dies des Fall in einigen Gegenden Deutschlands und Oesterreichs, und würde daselbst die Anwendung von Ferromangan von wesentlichem Vortheile sein, welche Legirung außerdem den Vortheil besitzt, daß sie ebenso gut beim Martinisiren als beim Bessemern Anwendung finden kann. 2) Anwendung von Materialien geringerer Qualität in der Stahlfabrikation. Die Erfahrung hat schon längst gelehrt, daß bei der Fabrikation von weichem Gußstahl, wofern man Sorge trägt, den Kohlenstoff aus demselben möglichst auszuscheiden, der Gehalt an Phosphor bis zu 0,4, an Schwefel bis zu 0,2, an Silicium bis zu 1 und an Mangan bis zu 2 bis 3 Proc. steigen kann, ohne daß das erhaltene Product zum Auswalzen untauglich würde. So ließ sich in einem speciellen Falle eine Legirung von Silicium und Eisen, aus welcher aller Kohlenstoff entfernt war, und deren Siliciumgehalt 7,5 Proc. betrug, vollkommen ausschmieden. Es ist also entweder die Einwirkung des Kohlenstoffes in Gegenwart der übrigen Körper eine schädliche, oder der Kohlenstoffgehalt an und für sich übt einen nachtheiligen Einfluß beim Auswalzen aus. Beide Ursachen scheinen gleichzeitig aufzutreten. Die Einwirkung des Siliciums ist insofern von keinem wesentlichen Einflusse, als dasselbe seltener und nur dann auftritt, wo man es mit Absicht in den Stahl überführt. Desgleichen läßt sich ein Schwefelgehalt bis zu 1 Proc. beim Hohofenbetrieb durch einen starken Kalk- resp. Manganzusatz ziemlich vollständig entfernen. Anders verhält es sich dagegen mit dem Phosphor, und darf in den gewöhnlichen Stahlsorten, deren Kohlenstoffgehalt 0,5 Proc. beträgt, der Gehalt an Phosphor nicht bis zu 0,05 Proc. steigen, soll das Product zum Auswalzen überhaupt geeignet sein. Dies ist ein Uebelstand, welchen man durch ein dem Auswalzen vorhergehendes Hämmern etwas mildern kann, welche Manipulation jedoch nicht weniger kostspielig als zeitraubend ist. Wie schon hervorgehoben, wirkt ein Phosphorgehalt bis zu 0,4 Proc. nicht schädlich beim Auswalzen des Eisens ein, wofern nur Spuren von Kohlenstoff in Stahl enthalten sind. In letzterer Beziehung ermöglicht die Verwendung von Ferromangan die praktische Durchführung der Fabrikation von weichem Stahl aus Materialien, deren Phosphorgehalt ein mehr oder weniger großer ist. Nachstehende Versuchsproben mit Eisenbahnschienen der französischen Nordbahn (der laufende Meter wiegt 30k,2), welche theils aus Bessemerstahl, theils aus Phosphorstahl hergestellt sind, ergeben zur Genüge das Verhalten beider Stahlsorten zu einander. Biegungsproben; lichte Entfernung der Auflager 1m. Durchschnitt von 25 Chargen. Belastung. Bessemerstahl. Phosphorstahl. k mm mm mm mm 12500     2,5 –     2,2 – 17490     3,0 –     2,7 – 19930     3,5 –     3,3 – 25000     4,2     1,6     4,2     1,2 30120     7,6     3,9   23,8   18,5 32820   15,3   10,2   38,0   31,5 Bruchbelastung 46210 bis 49830k 43940 bis 48920k Analyse: Kohlenstoff 0,45 bis 0,55 Proc. 0,15 bis 0,20 Proc.              Mangan 0,15  „  0,25    „ 0,25   „  0,35    „              Phosphor             0,04    „ 0,27   „  0,32    „ Aus diesen Versuchen ergibt sich, daß bis zur Elasticitätsgrenze hin Phosphorstahl sich fast ebenso verhält als Stahl von gewöhnlicher Qualität; über diesen Punkt hinaus ist die permanente Einbiegung (2. Spalte) bei Phosphorstahl eine größere, und tritt auch der Bruch etwas früher auf als bei reinem Stahl, welche Resultate durch Versuche über die Zugfestigkeit derselben Materialien bekräftigt werden, von denen nachstehend einige folgen. Elasticitätsgrenze. Festigkeitscoefficient. Verlängerung. Bessemerstahl.     k     k Ueber200mm Ueber100mm Probestücke von dem    Schienenkopfe 38,9 pro 1qmm 78,2 pro 1qmm   7,0 Proc.   8,5 Proc. Probestücke von dem    Schienenfuße 40,9 75,7   7,0    „   8,5    „ Probestücke, in Platten    ausgewalzt 36,8 71,8   9,5    „ 11,2    „ Phosphorstahl. Probestücke von dem    Schienenkopfe 38,1 52,2   9,5    „ 11,2    „ Probestücke von dem    Schienenfuße 40,1 55,9 10,2    „ 12,7    „ Probestücke, in Platten    ausgewalzt 33,7 57,4 17,7    „ 21,3    „ Das Auswalzen in Platten ist von keiner besondern Einwirkung auf die Härte des gewöhnlichen Stahls, während Phosphorstahl durch diese Manipulation bedeutend weicher wird. Es ist möglich, daß bei diesem Auswalzen zu einer geringen Stärke ein Theil des Kohlenstoffes verbrannt wird; wahrscheinlicher jedoch ist, daß der krystallinische Zustand des Metalles durch die mechanische Einwirkung vollständig aufgehoben wird. Das anfänglich körnige Metall besitzt eine Neigung zum Uebergang in den faserigen Zustand. Es ist diese Molecularveränderung um so bemerkenswerther, als dadurch die Widerstandsfähigkeit des Metalles gegen Stöße erhöht wird. Eine Folge hiervon ist, daß beim Auswalzen eines Ingots von größerm Querschnitt in zwei oder drei Schienenlängen der Phosphorgehalt um so größer sein kann, während umgekehrt bei gleichem Phosphorgehalt die Widerstandsfähigkeit gegen Stöße von solchen aus größern Ingots hergestellten Schienen vermehrt wird. In Frankreich, wo diese Widerstandsfähigkeit nur durch einen 300k schweren Fallblock bei einer Fallhöhe von 2m geprüft wird, hält Phosphorstahl diese Proben gut aus, wie aus nachstehenden Versuchen erhellt. (Die Schienen sind die nämlichen wie in den obigen Versuchen. Lichte Entfernung der Auflager 1m,10.) Fallhöhe. Bessemerstahl. Phosphorstahl. m   mm   mm 0,456   0,7 Einbiegung   1,7 Einbiegung 0,761   1,5   3,2 0,914   2,6   7,8 1,523   7,6 11,8 1,980 12,6 23,0 2,438 22,8 33,5 3,047 33,0 45,7. Werden die Schienen einer strengern Prüfung unterzogen, z.B. mit einem Fallblocke von 1015k, so muß die Zusammensetzung etwas verändert werden, und eben in diesem Falle ist die Einwirkung des Mangans von besonderer Tragweite. Es ist schon oben hervorgehoben worden, daß bei der Fabrikation von weichem Stahl der Gehalt an Kohlenstoff um so geringer wird, je größer der Mangangehalt der Eisen-Mangan-Legirung ist. Auch kann bei genügendem Zusatz von reichem Ferromangan das ausgebrachte Product bis zu 1 Proc. Mangan enthalten. Das Auswalzen einer solchen Stahlsorte ist in keiner Weise durch den Mangangehalt beeinträchtigt, es geht eher leichter. Besonders bemerkenswerth ist, daß ein solcher Phosphor und Mangan haltiger Stahl eine größere Widerstandsfähigkeit gegen Stöße besitzt. Es scheint hier die Einwirkung des Phosphors durch das Mangan neutralisirt zu sein. Zum Belege hierfür dienen u.a. die Versuche der Grande Société des Chemins de fer Russes in St. Petersburg, alte englische Eisenbahnschienen in Stahl zu verwandeln. Es sind diese Eigenschaften des weichen Stahls bei einem Phosphorgehalte von 0,3 bis 0,5 Proc. von besonderer Tragweite in Anbetracht des seltenen Vorkommens und der hohen Preise reiner Eisenerze. Nicht allein wird eine Preisverminderung der fertigen Eisenbahnschienen und eine größere Productionsfähigkeit der einzelnen Werke, sondern auch eine praktische Verwerthung der abgenützten Materialien in großem Maßstabe ermöglicht. In letzterer Hinsicht dürfte der Siemens-Martinproceß gegenüber dem Bessemerproceß in Bezug auf die Herstellungskosten leicht die Oberhand behalten. 3) Fabrikation von Manganstahl. In den letzten Jahren ist vielfach versucht worden, gewisse Legirungen als Stahl zu betrachten, in welchen der Kohlenstoff durch einfache Körper, als Wolfram, Chrom, Silicium, Bor, Mangan u.s.w. ersetzt ist, welche Auffassung durch die Erfahrung jedoch nicht als richtig befunden wurde. Betrachtet man jedoch die Schmelzbarkeit, Dehnbarkeit und die Fähigkeit der Härtung als die wesentlichsten Eigenschaften des Stahls, so ist der Ausdruck Manganstahl ein vollkommen berechtigter. Die Analyse eines solchen Stahls ergab: Kohlenstoff             0,38 Mangan     1,38 Eisen   98,24 –––––– 100,00. Dieser Stahl zeigt einen feinkörnigen, hellgrauen, glänzenden Bruch. In kaltem Zustande ausgehämmert läßt er sich ausziehen, zeigt jedoch Risse an den Kanten, während er bei Weißglut sich leicht schmieden und schweißen läßt. Beim Härten desselben in Wasser bei einer starken Rothglut bildet sich Eisensinter auf der Oberfläche. Der gehärtete Stahl ist so hart wie Quarz und spröde, während der Bruch desselben ein glänzendes, nahezu weißes Aussehen erhält, ohne Spuren eines blauen Schimmers – alles Eigenschaften eines richtigen Stahls. Wäre kein Mangan in dem Stahl enthalten, so würde er wegen seines geringen Gehaltes an Kohlenstoff unter die weichsten Sorten zählen, welche durch einen Zusatz von Spiegeleisen nicht erhalten werden können, und dürfte also dieser neue Körper in der Zukunft eine gewisse Rolle in der Metallurgie spielen. Es läßt sich dieser Stahl leicht durch Bessemern oder im Siemens-Martin-Proceß darstellen. Bei einem Zusatz von 1,5 Proc. Mangan in Form von Ferromangan zu 60 bis 75 Proc. hält das Metall nicht Weniger als 1 Proc. Mangan und nicht mehr als 0,2 Proc. Kohlenstoff zurück, da erfahrungsmäßig zur Reduction des etwa gebildeten Eisenoxydoxyduls 0,5 Proc. Mangan ausreichen. Nachfolgend die Resultate einiger Festigkeitsproben, wie sie mit diesem Metall, dessen Mangangehalt 1 Proc. betrug, aus vier verschiedenen Schmelzungen erhalten wurden: A. B. C.    D. Elasticitätsgrenze 29,1 28,6 29,7 34k,1 pro 1qm Bruchbelastung 55,2 54,4 53,5 58k,4    „   „ Verlängerung über 200mm 20,0 21,0 20,0 21,77 Proc.          „            „    100mm 25,25 25,3 25,0 28,80   „ Das nämliche Metall, bei Kirschrothglut in Wasser getaucht, hat einen Festigkeitscoefficienten von 75,7 bis 78k,7 pro 1qmm bei einer Verlängerung von 4 Proc., letztere über eine Länge von 200mm gemessen. Es ist hauptsächlich charakterisirt durch seine Widerstandsfähigkeit gegen Stöße. Es müssen z.B. 100mm starke Achsen bis zu 125mm ohne dauernde Deformation sich einbiegen lassen können, und Achsen aus Manganstahl, wie der vorhin beschriebene, vertragen diese strenge Probe zu wiederholten Malen. Obgleich die Eigenschaften obiger Stahlsorte noch nicht vollständig bekannt sind, so ist es doch hinreichend festgestellt, daß die Qualität derselben eine vorzügliche ist. Die Zukunft wird entscheiden, in wiefern eine verständige Behandlung und richtige Verbindung der einzelnen Elemente auf die Qualität des Productes einwirken wird; augenblicklich steht diese Frage noch offen. Ohne Zweifel spielt unter diesen Elementen das Mangan eine Hauptrolle. In den besten Stahlsorten wird heute Mangan gefunden, und für die Districte, wo Manganerze vollständig fehlen, wird die Anwendung von Ferromangan von wesentlichen Vortheilen begleitet sein. P. M.