VANADIUM-STAHL UND -EISEN, IHRE EIGENSCHAFTEN UND VERWENDUNG IM MASCHINENBAU. Von Regierungsbaumeister Dierfeld, Berlin. DIERFELD: Vanadium-Stahl und -Eisen, ihre Eigenschaften und Verwendung usw. Inhaltsübersicht. Nach kurzen Bemerkungen über die Entdeckung des Elements, seiner Eigenschaften und die Gefügeänderung von Stahl bei Vanadiumzusatz werden Analysen der heute gefertigten Vanadiumstähle und allgemeine Angaben über ihre Verwendung im Maschinenbau gebracht. Dann folgen eingehendere Erörterungen der besonde en Eigenschaften der gebräuchlichsten Stahltypen und ihrer Anwendung mit Mitteilungen von Versuchsergebnissen; den Beschluß bildet eine kurze Besprechung der Einwirkung von Vanadium auf Gußeisen und schmiedbarem Guß. ––––– Vanadium, eines der siebenzig Elemente, aus denen die Erdrinde besteht, wurde im Jahre 1801 von Del Rio in Mexiko entdeckt und von ihm „Erythronium“ genannt. Dreißig Jahre später fand der Schwede Sefström das Element in den heimatlichen Eisenerzen und taufte es zu Ehren der skandinavischen Gottheit „Vanadium“. Erst nach einigen Jahrzehnten jedoch wurde das Element von Sir Henry Roscoe isoliert; dieser benutzte es dann lediglich zur Herstellung von Anilinfarben und in gewissem Maße zum Glasfärben. Das Element Vanadium ist weit verbreitet, kommt jedoch überall nur in geringen Mengen vor; es wird zum Teil in den Bleivanaditen von Nordspanien und in den schwedischen Eisenerzen, zum Teil zerstreut in den Vanaditsandsteinen der Weststaaten von Nordamerika gefunden. Trotzdem den Metallurgen schon seit längerer Zeit bekannt war, daß die außergewöhnlichen Eigenschaften des schwedischen Eisens wesentlich auf den Gehalt an Vanadium zurückzuführen sei, und daß durch Beifügung von Vanadium in geringen Mengen die Qualität von Stahl und Eisen beträchtlich verbessert werden könne, hätte dieses Element doch nur vorwiegend wissenschaftlichen Wert behalten, wenn nicht vor drei Jahren ein ausgedehntes und ungemein reiches Lager von sehr hochwertigen Vanadiumerzen in den Anden Perus von Ingenieuren der American Vanadium Company entdeckt worden wäre, das den Weltbedarf auf viele Jahre hinaus decken kann. Das reine Vanadium ist von silberweißer Farbe, oxydiert leicht und hat einen sehr hohen Schmelzpunkt. Man beobachtete jedoch, daß eine Verbindung von Eisen und Vanadium, das sog. Ferrovanadium, einen vergleichsweise niedrigen Schmelzpunkt hatte, und daß die Beifügung desselben in geringen Mengen die Festigkeit von Stahl und Eisen erhöht, sie zähe macht und raffiniert. Das Ferrovanadium, ein chemisches Produkt der American Vanadium Co., hat einen so niedrigen Schmelzpunkt, daß es auch Gußeisen beigefügt werden kann; es enthält fast gar keinen Kohlenstoff und besitzt einen Vanadiumgehalt von 30–40 v. H. Die Verbindung ist in beliebigen Mengen und zu vergleichsweise mäßigem Preise käuflich, und ihre Verwendung bei der Stahl- und Gußeisenbereitung nach Vorschrift der amerikanischen Gesellschaft bietet keine Schwierigkeiten. In Deutschland sind die vorzüglichen Eigenschaften von Vanadium-Stahl- und -Gußeisensorten zu wenig bekannt, sonst würden sie weit mehr im Automobil- und Flugmaschinenbau verwandt werden, d.h. überall dort, wo es auf größte Festigkeit der Bauteile bei geringstem Gewicht ankommt. Auch im Lokomotivbau eröffnet sich ein weites Anwendungsgebiet. Deshalb erscheint es angebracht, die Wirkung des Vanadiums auf Stahl und Gußeisen, sowie die Eigenschaften und Verwendbarkeit solcher Vanadiumlegierungen kurz zu besprechen, wobei ich Material und Versuchsprotokolle benutze, die mir von der American Vanadium Co. in Pittsburg freundlichst zur Verfügung gestellt wurden. Bevor auf die Einwirkung von Vanadium auf die Festigkeit von Stahl und Gußeisen eingegangen wird, soll kurz die Beeinflussung des Gefüges von gewöhnlichem Stahl durch Vanadiumzusatz und verschiedene Wärmebehandlung erörtert werden. Gewöhnlicher Konstruktionsstahl besteht hauptsächlich aus Eisen mit mehr oder weniger Kohlenstoff und geringem Gehalt an Schwefel Phosphor, Mangan und Kieselsäure. Der in diesem Stahl enthaltene Kohlenstoff ist chemisch mit einer bestimmten Menge Eisen verbunden, bildet das sog. Perlit und verteilt sich in Klumpen oder auch in netzförmigen Adern über die Hauptmasse des kohlenstoffreien Eisens, das Ferrit. Das Auftreten des Perlits hinsichtlich Größe, Plättchenform, regelmäßiger und unregelmäßiger Verteilung usw. hängt im wesentlichen von der Art der Wärmebehandlung des Stahles, der Abkühlung usw. ab. Textabbildung Bd. 326, S. 482 Im allgemeinen ist das Perlit in ungeglühtem Kohlenstoffstahl verteilt, wie in dem Mikrophotogramm Fig. 1 schwarz hervortritt. Die weiße Fläche bedeutet das kohlenstofffreie Eisen oder Ferrit. Alle Mikrophotogramme Fig. 1 bis 8 sind von geätzten Querschnitten mit Vertikalbeleuchtung und 360facher Vergrößerung hergestellt. Glüht man den Stahl der Fig. 1 aus, so werden die schwarzen Perlitflächen gesprengt und in kleinen Kolonien zerstreut, wie aus Fig. 2 zu ersehen ist. Den Einfluß des Vanadiumzusatzes läßt Fig. 3 deutlich erkennen; eine ausgeprägte Kolonisierung des Perlits ist nicht mehr vorhanden, da Perlit- und Ferritflächen mehr ineinander übergehen. Infolgedessen ist die Zähigkeit und Ausdauer dieses Stahles bedeutend erhöht. Schreckt man Chrom-Vanadiumstahl Type A in einem Oelbad bei 900° C ab, so nimmt er eine Struktur an, wie in Fig. 4. Textabbildung Bd. 326, S. 482 Tabelle 1. Analyse Prozeß Tiegel Anwendungsgebiet Sauer Martin Basisch Martin Type A, normalKohlenstoff v. H.Mangan         „Chrom           „Vanadium      „ 0,230,401,000,16 0,270,451,000,16 0,210,401,000,16 Achsen für Automobile, Kolben und Kolbenstangen fürDampfhämmer, Kurbelrollen und -Zapfen, alle Teile, diehohe statische und dynamische Festigkeit mit großer Zähig-keit verbinden soll. Schieberstangen, Transmissionsteileund Bolzen    Type A, mildKohlenstoff v. H.Mangan         „Chrom           „Vanadium      „ 0,200,350,900,14 0,230,400,900,14 0,180,350,900,14 Einsatzgehärtete Teile wie Zahnräder, Zapfen, Steuernocken,Differentialwellen usw., Gaszylinder, nahtlose Rohre, Luft-kessel, Behälter für komprimierte Kohlensäure, Sauerstoffund Wasserstoff. Dynamowellen.     Type A, vollKohlenstoff v. H.Mangan         „Chrom           „Vanadium      „ 0,260,481,000,18 0,300,501,000,18 0,240,481,000,18 Lokomotivachsen, Schub-, Kuppel- und Kolbenstangen,Kurbelwellen und -Zapfen, Exzenterbügel, Güterwagenachsen. Analyse Prozeß Tiegel Anwendungsgebiet Sauer Martin Basisch Martin Type BKohlenstoff v. H.Mangan         „Chrom           „Vanadium      „ 0,150,270,500,12 0,180,300,500,12 0,130,250,500,12 Bolzen, Deck-Rumpfbleche für Schiffe, Kesselbleche, Fahrrad-und Ueberhitzerrohre, hohle Wellen, Kondensator- undSchiffskeselrohre, Nieten, gewalzte Träger, Säulen.    Type CKohlenstoff v. H.Mangan         „Chrom           „Vanadium      „ 0,170,350,800,16 0,200,400,800,16 0,150,350,800,16 Bolzen, Schiffsbleche, Yachtbleche, Fahrradrohre, Nieten,gewalzte Träger und Säulen.     Type D, normalKohlenstoff v. H.Mangan         „Chrom           „Vanadium      „ 0,410,801,100,18 0,470,901,250,18 0,380,801,100,18 Kleine Federn aller Art, Steuerungsteilefür Lokomotiven.Federn für Automobile, Lokomotiven, Eisenbahnwagen.Eisenbahnwagenräder. Type D, mildKohlenstoff v. H.Mangan         „Chrom           „Vanadium      „ 0,350,751,000,16 0,400,801,100,16 0,330,751,000,16 Zahnräder, die ständig in Eingriff stehen. Lokomotiv-schmiedeteile, die mild getempert werden.    Type EKohlenstoff v. H.Mangan         „Chrom           „Vanadium      „ 0,090,200,300,12 0,130,250,300,12 –––– Automobilschmiedestücke, Feuerbuchsbleche, besonders Ein-satzhärtestahl, Kammwellen, Zahnräder für Wechselgetriebeder Motorwagen. Kugellagerringe.     Type FKohlenstoff v. H.Mangan         „Vanadium      „ ––– 0,090,200,12 ––– Anker, Stehbolzen, Kessel- und Feuerbuchsbleche. Type GKohlenstoff v. H.Mangan         „Chrom           „Vanadium      „ 0,550,601,000,18 0,600,651,100,18 –––– Bandagen für Lokomotiv- und Wagenradreifen sowie fürMühlenwalzen.    Type HKohlenstoff v. H.Mangan         „Chrom           „Vanadium      „ –––– –––– 0,850,451,000,25 Aexte, Maißel, Sägenstahl, Scheerenblätterstahl, Kugellager-ringe, Kugelmühlenbleche, rotierende Gesteinbohrer, Werk-zeugstahl und Werkzeuge bes. Fräsköpfe.     Type J (Stahlguß)Kohlenstoff v. H.Mangan         „Chrom           „Vanadium      „ 0,25–0,300,250,50–0,600,20 –––– –––– Automobilgußstücke, Lokomotivgußstücke aller Art, Loko-motivkreuzköpfe und Führungen. Kupplungen. Type KKohlenstoff v. H.Mangan         „Chrom           „Vanadium      „ –––– –––– 0,450,301,000,20 Spindeln, Kluppen, Kluppenringe, Stanzen, Rohrschneide-werkzeuge. Werkzeugstahl und Werkzeuge. Spezialstahl Artilleriebleche und -Platten, Deckschutzbleche, Panzer-platten, Geschosse, Kassenschränke, Schnienen, Weichen undKreuzungen, hydraulische Zylinder. Geschützschilder, Magnet-stahl, Torpedorohre. Textabbildung Bd. 326, S. 484 Tabelle 2. Nr.; Stahl; Wärme-Behandlun; Angenäherte chemische Analyse; Statische Zahlen; Dynam. Zahl: Wechselzahl; Qualitätszahl; Bemerkungen; Elastizitätsgrenze 2000–4000 kg/qcm; 1 Milder Vanadiumstahl; geglüht; Martin; 2 Altes Kesselblech; roh; nach Benutzung; 3 Milder Kohlenstoffstahl; ölgetemp. 900/425; Wellenstahl; 5 Kohlenstoff-Schmiedestahl; besonders ausgesucht; ölgetemp. 900/550; 7 Vanadiumstahl, Einsatz gehärtet; Zahnrad-Stahl; 8 Chrom-Nickelstahl; Tiegel; 9 Kohlenstoff-Stahlguß; Sauer Martin; 10 Vanadium-Stahlguß; für Waggonräder; 11 Chrom-Vanadium-Stahlguß; Basisch Martin Kohlenstoffreich; Elastizitätsgrenze 4000–7000 kg/qcm; 12 Nickel-Schmiedestahl; 14 Chrom-Vanadium-Schmiedestahl; bez. als Type „A“; 15 Kohlenstoff-Federstahl; Martin; 16 Chrom-Vanadium-Federstahl; Tiegel bez. als Type „D“; 17 Chrom-Nickel-Vanadium-Federstahl; Auto-Stahl; 18 Nickel-Vanadiumstahl; temper.; 20 Chrom-Nickel-Vanadiumstahl; Elastizitätsgrenze 7000 kg/qcm und darüber; Martin Feder temper.; Kurbelwelle temp.; Type „A“ dargestellt. Glüht man diesen abgeschreckten Stahl aus, so wird sein Gefüge zersetzt; das Ferrit verbreitet sich fein zerteilt, wie Fig. 5 (ausgeglüht bei 550° C und 15 Min. Zeitdauer) zeigt. Wird die Ausglühtemperatur gesteigert, so fangen die Perlite an, sich zu sammeln mit einer Geschwindigkeit, die viel schneller als die Ausglühhitze zunimmt. Fig. 6 zeigt die Ansammlung der Perlite bei erhöhter Ausglühtemperatur. Der Stahl ist derselbe wie in Fig. 4 und 5, mit dem Unterschied, daß das Ausglühen bis 630° C fortgesetzt wurde. Durch diese Ansammlung der Perlite wird die Festigkeit des Stahles ungünstig beeinträchtigt; es ist nicht empfehlenswert, die Ausglühhitze über einen gewissen Grad zu steigern. Bemerkenswert ist auch der Einfluß des Einsatzhärtens auf das Gefüge von Vanadiumstahl. Der besonders für diesen Prozeß geeignete Chrom-Vanadiumstahl Type E hat im Ruhezustande ein Gefüge, wie durch Fig. 7, ein ausgesprochen mildes Material darstellend, wiedergegeben ist, während die Struktur eines Kernstückes, das von einem aus solchem Stahl im Einsatz gehärteten Gegenstande abgeschnitten wurde, in Fig. 8 ersichtlich wird. Die große Aehnlichkeit der Gefüge in Fig. 5 und 8 zeigt, daß man durch diesen Prozeß bei dem E-Stahl fast genau dasselbe physikalische Ergebnis erzielt wie bei leicht übertempertem A-Stahl. In Tabelle 1 sind Analysen (Annäherungswerte) und Verwendungsgebiete der gebräuchlichsten Vanadiumstahle aufgeführt. Die Stahle sollten möglichst frei von Schwefel und Phosphor sein; der in der Tabelle angegebene Vanadiumgehalt bezeichnet den im fertigen Stahl enthaltenen Prozentsatz. Hierzu muß noch zur Reinigung des Stahles (Entfernung von Stickstoff und Sauerstoff) eine weitere Menge Vanadium beigegeben werden, welche mit diesen Elementen in die Schlacke übergeht. Unter normal günstigen Schmelzbedingungen kann man annehmen, daß dieser „Verlust im Zusatz“ etwa 0,07 bis 0,10 v. H. des Stahlgewichtes beträgt. Die Einwirkung von Vanadium auf die Festigkeit und Widerstandsfähigkeit des Stahles gegen „Ermüden“ ist in Tabelle 2 vergleichsweise dargestellt. In dieser Tafel sind unter der Rubrik „Wechselzahl“ dynamische Zahlen gegeben, welche mittels wechselnden Stoffes auf einer Turner-Landgraf -Wechselschlagmaschine unter normalen Bedingungen ermittelt wurden. Die statischen Versuche wurden an Stäben von 12,5 mm und 50 mm Länge vorgenommen. Die Ergebnisse für die einzelnen Stahle sind in der sog. „Qualitätszahl“ zusammengefaßt, welche das Produkt aus Elastizitätsgrenze × Querschnittsverminderung × Wechselzahl, geteilt durch 106, ist. Näheres über die Eigenschaften der gebräuchlichsten Stahltypen und ihre Anwendung im Maschinenbau ist im folgenden angegeben; soweit möglich, wurden zugleich interessante Versuchsergebnisse behandelt. (Fortsetzung folgt.)