Die Konstruktionsstähle und ihre Wärmebehandlung

380 Pages·1923·12.737 MB·German

by  Dr.-Ing. Rudolf Schäfer (auth.)

Die Konstruktionsstahle
und ihre Warmebehandlung
Von
~r.=Sng. Rudolf Schafer
Mit 205 Textabbildungen
und einer Tafel
Berlin
Verlag von Julius Springer
1923
ISBN-13:97B-3-642-90345-B e-ISBN-13:978-3-642-92202-2
DOl: 10.1007/978-3-642-92202-2
Aile Rechte, Insbesondere das der t1bersetzung
In fremde Sprachen, vorbehalten_
Copyright 1923 by Julius Springer in Berlin.
Softeover reprint of the hardcover 1st edition 1923
VorWOl't.
nEs 1st elgentllch verwnnderlich. was alles
yom Eisen verlangt wird: es soll so weich sein
wie Silber, so elastisch wie.Elfenbein, so hart
wie Diamant, so zah und so fest wie nichts
anderes, so spriide wie G1as nnd dehnbar wie
Gummi. Es soli sieh gie8en' nnd frasen, sebleifen
und polieren, sagen und hammern, scbmieden
und biegen lassen, es soli wetterbestandig,
saurebestandlg und feuerbestandig seln\ ja
welehe Eigenschaften in aller Welt ·sol es
nicht baben und wie oft soli es nicht eine,
sondern gleicb ein paar von Ibnen zur selben
Zeit besitzen I"
Engelbert Leber
(Stahl und Eisen 1915, S. 234).
Eisen und Stahl beherrschen die Welt, sie entscheiden das
Schicksal der Volker .. Dasjenige Land wird im Streit der Krafte
bestehen, das die groBte Eisenindusirie besitzt. Daher zielen aUe
Bemiihungen eines aufstrebenden, von Rohstoffen abhangigen
oder unabhangigen Volkes dahin, seine Eisen- und Stahlindustrie
zu £ordern und zu vervollkommnen.
Der berufene Vertreter in allen diesen Fragen ist der Eisen
hiittenmann. Er wird aber der Mithilfe des Konstrukteurs
nicht entraten konnen, an dessen Schopfungen hinsichtlich des
Materials mitunter nur schwer erfiillbare Anforderungen gestellt
werden. So konnte erreicht werden, daB man im Laufe der
letzten Jahrzehnte zu einem immer besseren Konstruktionsstoff
gelangte, dessen Grenzglieder in "SchweiBeisen" und ,; Qualitats
stahl" ihren Ausdruck finden. Jedes neue auf den M!trkt gebrachte
durch besondere Eigenschaften sich auszeichnende Material wird
anderseits den Konstrukteur zwangslaufig veranlassen, sich Auf
gaben zuzuwenden, denen er vordem keine Beachtung zu schenken
in der Lage war.
Diese Andeutungen kennzeichnen die Berufsauffassung von
Eisenhiittenmann und Konstrllkteur. Beide sind Kulturtrager
im wahrsten Sinna des Wortes, indam auf der einen Seite ein.ziel
bewuBtes Streben nach Zuverlassigkeit des Materials vorherrscht,
auf der anderen Seite die Auswertung der neuen Errungenschaften
fUr das Wohl des Ganzen der Leitgedanke aller Arbeit ist. "Nicht
IV Vorwort.
bloB, weil das Gesetz es verlangt, sondern aus PflichtbewuBtsein
und Menschlichkeit sind doch zuletzt die Normen fiir Kesselbleche,
die Festigkeitsvorschriften und Abnahmebedingungen fur GuBeisen
und Walzeisen entstanden, sind die wissenschaft.lichen mUhevollen
Untersuchungen zu erkHi-ren. Die Tausende von Bergleuten, die
taglich an dunnen Sellen zur Grube fahren, die Maschinisten vor
hochgespannten Dampfkesseln und explosionsgefahrlichen Schw ung
radern und wieder Taueende, die uber kUhn geschwungene Brucken
und Abgriinde schnellen, sie wollen nicht nur alles dies mit Sicher
heit und Seelenruhe tun", sondern sie sollen sich auch an dem Bau
werk erfreuen, das des Menschen Geist schuf. "Denn immer wieder
handelt es eich urn die Qualitatsfrage des Eisens, d. h. urn das Wohl
der Menschen, urn Kultur im hochsten Sinne des Wortes" (Leber).
Diesem Gedanken zu dienen, war der Leitstern bei der Abfassung
des vorliegenden Werkes. Es galt, aus der ubergroBen Fulle des
vorhandenen Schrifttums das "Kornchen Wahrheit" zu finden,
es in ein leichtfaBliches Gewand zu kleiden, urn nicht nur den
Konstrukteur, sondern auch aIle die, die mit der Technik in
mittelbarer oder unmittelbarer Beziehung stehen, den Kaufmann
und Gewerbetreibenden uber die Eigenheiten des wichtigsten Bau
stoffes, das Eisen, aufzuklaren. Nicht zuletzt aber wird auch
der Eisenhuttenmann selbst an einer scharf umrissenen Abhand
lung uber die GesetzmaBigkeiten und Eigentumlichkeiten seiner
Erzeugnisse "InteresEe haben. So ergiht sich die Einteilung des
Stoffes, die in ahnlicher Weise vorgenommen wurde, wie sie sich
in dem Werke von Brearley -Schafer: "Die Werkzeugstahle
und ihre Warmebehandlung" bewahrt zu haben scheint. Eigene
Erfahrungen undBeobachtungen des Verfassers aus einer lang
jahrigen Tatigkeit imGroBbetriebe geben dem vorliegenden Werke
eine personliche Note.
Der Koristrukteur wird sich bei der Auswahl seiner Werkstoffe
leicht durch hochklingende Namen beeinflussen lassen und glaubt
ein erstklassiges Erzeugnis vor sich zu haben, das die angepriesenen
Eigenschaften in vollem MaBe besitzt. Der verlangte hohe Preis
stort ihn nicht. Vielfach wird er aber zu spat erfahren, daB ein
Material vorliegt, das er mit niedrigeren Kosten uberall erhalten
konnte. Dies schlieBt natiirlich nicht aus, daB er auch teuere
hochwertige Stahlebenutzen muB, wenn sein Bauwerk hierdurch
im Vergleich zu gewohnlichen FluBeisensorten leichter und gefalliger
ersteht, also trotzdem cine groBere Wirtschaftlichkeit crziclt wird.
Vorwort. v
Daher ist ihm anzuraten, vor Beginn seiner Arbeit erst Festigkeits
versuche vornehmen zu lassen und auch sonst das Material nach
alleri Richtungen hin zu prUfen. Der Beschreibung des ZerreiB
versuches, der wichtigsten mechanischen Prufung, wurde daher in
diesem Buche ein breiterer Raum gewidmet. Da man auch heute
noch eigenartigen Anschauungenuber Eisen und Stahl begegnet,
so erschien es von besonderem Wert, uber die Einteilung und Be
nennung dieser bedeutendsten Baustoffe ausfiihrlich zu berichten.
Hinsichtlich der Preise seiner Werkstoffe, die zumeist von der
Zusammensetzung und der huttenmannischen Gewinnung und
Verarbeitung abhangen,sind dem Konstrukteur alier anderer
seits wieder vielfach Grenzen gezogen. Mitunter muB er auf ein
vorzugliches Material verzichten und sich mit einem geringwertigenin
begnugen, seine Berechnungen und Ubedegungen also so einstellen,
daB sein Bauwerk oder seine Maschine mit den zur Verfiigung
stehenden Mitteln noch eben auszufiihren ist. Daher ist ihm nicht
immer damit .gedient, Tatsachen hinzunehmen, ihm sozusagen
nFaustformeln" zu bieten, er will wissen, welche Zusammenhange
bestehen oderbestanden haben, um die vorhandenen Mittet so
gestalten zu konnen, daB seine Konstruktionsteile auch dem be
absichtigten Zweck genugen. Infolgedessen muBten uber manche
Punkte eingehendere Darlegungen gebracht werden, die den aus
ubenden Ingenieur, aber auch Konstrukteur und Techniker zum
Nachdenken zwingen.
Bei der Auswertung konstruktiver Besonderheiten sind daher
genugende Materialkenntnisse unumganglich notig. Der Kon
strukteur darf nicht nach dein Gefiihl urteilen, da er sonst leicht
Trugschlussen anheimfallt, er muB auch imstande sein, das ihm
zur Verfugung stehende Material in seinem Innenleb en zu verstehen,
wenn er seine Arbeit fruchtbringend gestalten will. Dieses Innen
leben von Eisen und Stahl, das sich in wunderbaren Formen nach
natiirlichen GesetzmaBigkeiten vollzieht, steht in unmittelbarem
Zusammenhang mit dem Gefiigeaufbau und wird durch jede
Warmebehandlung beeinfluBt, uber die der Konstrukteur im ge
gebenen Fane selbst Anweisungen zu treffen in der Lage sein muB.
Die entsprechenden Ausfiihrungen in dem vorliegenden Werke
konnten zumeist nur kurz und biindig gegeben werden, da weit
ausholende wissenschaftliche Erklarungen seiner Eigenart nicht
entsprochen hatten. Zudem durfte der Umfang des Buches nicht
uber ein begrenztes MaB hinausgehen.
VI Vorwort.
Der Konstrukteur, der sein Material richtig berechnet und
womoglich noch ~ine vielfache Sicherheit vorgesehen hat, vermutet
nicht, daB dieses trotzdem den Anforderungen nicht entspricht,
daB es zuweilen nach kurzem Gebrauche versagt. Man kann
fiiglich behaupten, daB viele Ungliicksfalle zum gro6ten Teil auf
Materialfehler zuriickzufiihren sind und die Kenntnis gerade der
im Eisen und Stahl vorkommenden Mangel muB dem Konstrukteur
gelaufig sein, urn diese bei seinen Berechnungen in .E rwagung
ziehen zu konnen. Materialmangel lassen sich aber vielfach auf
ihren Ursprung zuriickfiihren und daher ist die Wechselbeziehung
zwischen Material und Konstruktion ein Erfordernis des Tages,
urn groBte Leistungen .zu vollbringen. 1st doch jeder technische
Fortschritt schlieBlich nur eine Materialfrage.
Der Abschnitt iiber "Einsatzhartung" wurde der zweiten Auf
lage der "Werkzeugstahle" von Brearley -Schafer entnommen,
der in der dritten Auflage wegfiel. Hierdurch wurde der vor
liegenden Arbeit eine abgerundete Gestalt gegehen. Diese beiden
Werke, die "Werkzeugstahle" und die "Konstruktions
sta.hle", jedes fur sich das betreffende Sondergehiet behandelnd,
geben mithin ein abgeschlossenes Bild uber das Gesamtgebiet der
Stahle.
Krieg und Nachkriegszeit mit ihren umwalzenden Gescheh
nissen haben dem eingeengten und bedrangten Vaterlande ge
zwungenermaBen den Ansporn zu grundlegenden Arbeiten iiber
die Verbesserung bekannter und vorhandener sowie zur Erprobung
neuer Konstruktionsstahle gegeben. Die Erfolge der Rustungs
industrie, des Kraftwagen- und Flugzeugbaues legen beredtes
Zeugnis iiber deutschen Forschungsgeist abo Namen wie Heyn,
Bauer, Goerens, Oberhoffer, Mars u. R., den hinlang
lich bekannten ausgezeichneten deutschen Vertretern auf dem
Gebiete der Erforschung von Eisen und Stahl in diesem Werke
ein Denkmal zu setzen, erschien dem Verfasser pflichtgemaB und
ehrenvoll.
Nicht :mletzt aber ist es auch Pflicht des Unterzeichneten,
dem Verlage zu danken, der trotz der Ungunst del' Zeit die Heraus
gabe dieses Werkes vollbrachte.
Berlin, im Januar 1923.
Schiifer.
Inhaltsiibersicht.
Seite
1. Einkilung und Benennung des gewerblichen Eisens . 1
II. Der Gefiigeaufbau von Eisen und Stahl . . . . . . 13
III. Veranderungen im Eisen und Stahl bei der Erhitzung und
Abkiihlung . . . . . . . . . . . . . . . 36
IV. Die Festigkeit von Eisen und Stahl. . . . 47
V. Die Nebenbestandteile im Eisen und Stahl 75
VI. Das Warmrecken: Schmieden . 108
VII. Das SchweiJ3en . . . . . . . . . . . 124
VIII. Das Kaltrecken: Zichen . . . . . . . 131
IX. Das Ausgliihen, Uberhitzen, Verbrennen 156
X. Das Harten und Anlassen des Stahls 174
XI. Die Einsatzhartung . . . . . . . . . 176
XII. Das Vergiiten . . . . . . . . . . . . 197
XIII. StahlguJ3, SohweiJ3eisen, Elektrolyteisen 211
XIV. Die Siliziumstahle . . . . . . 259
XV. Die Manganstahle . . . . . . 277
XVI. Die Chrom- und Wolframstahle 292
XVII. Die Molybdan. und Titanstahle 306
XVIII. Die Vanadin- und Aluminiumstahle 310
XIX. Die Nickel· und Nickelcbromstahle (Chromnickelstahle) 314
Sachverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
Eisenerz. Koks, ZU8chlag I Hochofen I I Roheisenl Nlcbt Bcbmledbar, BprOde. Belm Erbltzen p16tzlich schmelzend. Gehalt an Kohlensto:lf 1,9 v.H. minde8ten~ Graues Roheisen Wei8es Roheisen (Halbiertea Roheisen) Ferrolegierungen (Ferromangan, Ferrosilizium) (Graueisen, Gie6ereiroheisen) Der KohleDsto:1f ist chemiscb .@:ebunden. als Teil des Kohlenstoifs wird belm Erkalten Ein Farbe der Bruchflii,che weill, hirter Graphit ausgeschieden. Farbe der BruchfiiLche uod sproder ala grauas Roheisen. Schmelzpunkt etwa C grall. Schmelzpunkt etwa 12001100C 0 0 Schachtofen (Kupolofen), Fla.mmofen Thomasroheisen Bessemerroheisen Martinroheisen (Stahleisen) Puddelroheisen II I I I I GraugoB Thomasbirne Bessemerbirne Siemens-Martlnofan Pndrl, ~lofen (Gu6eisen. Eisengu6, Eisenformgu6) (baBiBeb) (sauer) (basisch oder sauer) I I Schmiedbares Eisen I. F I (Ferroc.:i..~~,ei~er~F:'~ Schmiedbar in gewohnUcher Temperatur weniger sprode als Roheisen. usw.) und Erhitzen allmii.hlich bis zum Schmelzen erweichend. Gehalt an Beim Kohlenstofi' weniger als v.H. 1,'1 Schachtofen, FJammofen, Tiegelofen Elektrostahl HartgoB FloBeisen und FloBstahl Schwei8eisen Schwei.stahl und (KohlenBto1f gebunden) 1m fliissigen Zustande erzeugt. Schlackenarm bis ! I SCbl!:k:~g:m~SS!~~n, a~~g~~fr~~c::.ta:i~~eebtze:ft~tan_ ~chlackenrrei (g~tempert) denen, zusammengeschwei.6ten Eisenkornern bestehend geglilht KOhlenstO:ffa.r~er~ ~rgu8 Tem weniger KOhlenstO:1freloher (0,5 v.H. Kohlensto:ffreicher v.H. (0,5 fe~t~:~~~~~e~h:rr,n~~:~ (SChmie~barer fest und weniger Dart, aoer Kohlenstoff Ulld dariiber). und dariiber). Kohlenstoff GuB, hart. zaber und geschmeidiger Fest nnd Hiirtbar zaher nnd geschmeidiger Fest und hart. Hirtbar schmiedbarer Eisengu6) als Schwei6stahl. Nicht .Is Flullstahl. Nlcht hiirtbar hirtbar Puddeleisen, Puddelstahl, Ramnierstahl (Garbstabl Thomasstahl (-flnlleisen). Bessemerstahl (-fiuBeisen). [Zementstahl]). 1m Rennfeuer: Renn'tah] S.·III.-Stabl (·fluBei.en) FormeI' gegossen In Tieral StahlguB (StsblformgnJl) Tiegelstabl Qualitatastahle Stsblgu6 Flu8eisenguB (Edel.tahle) (FluBeisenformgu6) (Tie".lllUBst.hl, GuB,tahl) ~------------------------------------~ Konstruktionsstli.hle Werkzeugstli.hle legiert unlegiert legiert unlegiert art hart sehr hart niedrig mittel boch mittel niedrig mittel hoch weich hart I Legierungsstiihle (Sonderstiihle, Spezialstihle) Legiel1lngsstahle (Sonderstahle, Spezialstiihle) r Quatern&rltiihle KompJexe StihJe Blnantilble Temintilhle Komplexe Stihle Quatemiirstii.hle Tern'nthle Blniratlihle I I I I Elnfach~ elnfache Chronistahle, ChromJolfram-Chromwolfram-Chromnickel Chromnickelstii.hle, Nickelstii.hle. Stilhle stahle (Schnell-vanadinstihle (gew6hnliche) vanadinstihle Wolfram· Nickelmolybdii.n ManlJanstallle. B. z. filr Werkzeug stlible drehstahle) usw. stahle naw. SilizlUmstiiltle Einsatzhartung stlihle usw. Qualltiitsstiihle (Edel,table) QualitatsBtlihle (Edelstlihle) Verlag von Julius Springer Berlin. in Die Einteilung des gewerbliehen Eisens.
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In Kokillen gegossen KOki1len~ (BlockgnJl) ROhb16Ck~ (Blilcke) Fertigfabrikate Halbfabrikate (Qu~drat-, Stabeisen Rund-, Blocke (mit Juadratiscbem Querschnitt) prOftl~~a::-(T~::~:.i8~~hienen, Brammen (mit mehr recht Bleche, DriLhte, Rohren) eckigem Querschnitt) Platinen (Flachstabe mit gro.6er Breite) Knl1ppel (Stucke mit quadra. tischem Querschnitt) S chit fe r. Xonstruktlonsstii.hle.
I. Einteilung und Benennung des
gewerblichen Eisens.
Wenn der Konstrukteur fiir irgendein Bauwerk Eisen oder
Stahl vorsieht, so schweben ihm zunachst immer bestimmte
mechanische Eigenschaften dieser Werkstoffe vor, die er seinen
Erwagungen und Berechnungen zugrunde legt. Hier sind es in
erster Linie die Festigkeitseigenschaften, denen er sein ganz be
sonderes Augenmerk zuwendet. Die Art des Eisens oder Stahls
ist ihm gewohnlich gleichgiiltig, wenn nur der beabsichtigte
Zweck, den sein Bauwerk erfiillen solI, mit diesen Stoffen erreicht
wird. Daher kommt es, daJ3 der Konstrukteur oder Ingenieur,
iiberhaupt jeder, der in einem eisenverarbeitenden Betriebe mit
Eisen und Stahl umgeht, sofern er sich nicht von Hause aus mit
der Natur dieser wichtigen Baustoffe befaJ3t hat, meist im un
klaren tiber das gr~.lle Gebiet des technisch verwerteten Eisens
ist, wenn hier zunachst an dessen Einteilung und genaue Bezeich
nung und Begriffsbestimmung gedacht wird. Da aber diese Kennt
nis fiir den Konstrukteur ungemein wichtig ist, wenn er ein klares
Bild tiber seinen bedeutendsten Werkstoff erhalten will, so muJ3
er zunachst die genaue Bezeichnungsweise und den Sinn aller
Eisensorten kennen, mit denen er taglich zu tun hat.
AIle in der Industrie verwendeten Eisensorten sind Legierungen
des Eisens mit einer mehr oder weniger begrenzten Anzahl von
gewollten oder nicht gewollten Metallen oder Nichtmetallen. Von
den Nichtmetallen nimmt besonders der Kohlenstoff die erste
Stelle ein, denn die Eigenschaften des Eisens werden sowohl in
physikalischer als auch chemischer Beziehung unmittelbar und
einschneidend durch den Kohlenstoff beeinfluJ3t.
Samtliche Eisensorten enthalten daher als bevorzugten Be
standteil Kohlenstoff, sie sind mithin in erster Linie Eisen
kohlenstofflegierungen, in denen aber fast immer noch
gewisse Anteile von Mangan, Silizium, Schwefel und Phosphor
Schafer, Konstruktionsstahle. I
2 Einteilung und Benennung des gewerblichen Eisens.
vorhanden sind. Es soIl hier gleich bemerkt werden, da.B Schwefel
und Phosphor ganz unerwiinschte Begleiter sind, da sie auf die
Eigenschaften des Eisens und Stahls schadlich einwirken. Bei
der Erzeugung von Eisen und Stahl ist daher der Eisenhiitten
mann ganz besonders bestrebt, diese Bestandteile auszuschalten
oder auf das geringste Ma.B herabzudriicken.
Die Eisenkohlenstofflegierungen verhalten sich genau so wie
aIle iibrigen Metallegierungen, indem ihre Eigenschaften durch
den gegenseitigen Hundertsatz der legierten Elemente bestinunt
werden. Die Wesensart des handelsiiblichen Eisens wird also
durch die .Art der Eisenkohlenstofflegierung umgrenzt, wenn die
in der Regel vorhandenen Beimengungen, namentlich Phosphor
und Schwefel, jene Grenze nicht iiberschreiten, die die praktische
Verwendbarkeit des technischen Eisens ausschlie.Ben.
Solange das Eisen nur in Form von Eisenkohlenstofflegierungen
gewonnen wurde, beschrankte man sich vielfach darauf, die ein
zelnen Sorten nach ihrer Verarbeitungsfahigkeit in Roheisen,
Stahl und Schmiedeeisen einzuteilen und verband mit diesen
Ausdriicken ganz bestimmte Eigenscha£ten. Diese Namen haben
viele Jahre hindurch sowohl fiir den Hersteller als auch Ver
braucher geniigt, bis durch die gro.Bartige Entwicklung der
Eisenindustrie in den letzten Jahrzehnten schlie.Blich Eisenlegie
rungen auf den Markt kamen, die sich in jene alte Einteilung
der verschiedenen Eisenkohlenstofflegierungen nicht mehr ein
fiigen lie.Ben.
Uber die Einteilung des Eisens nach den verschiedensten Ge
sichtspunkten ist von unseren bedeutendsten Hiittenleuten wieder
holt berichtet worden. Abe;r auch auf eisenhiittenmannischen
Versammlungen wurde der Namengebung des Eisens gedacht.
Insbesondere hat der "Internationale Verband fiir die Material
priifungen der Technik" Ersprie.Bliches auf diesem Gebiete ge
leistet.
Wahrend bei den meisten anderen Metallegierungen, wie z. B.
bei denen des Kupfers und Nickels fiir jede Abweichung in der
Zusalnlnensetzung ein neuer Name erfunden wurde und man
bei diesen Legierungen erst in neuerer Zeit seit dem Aufschwunge
der Metallographie mehr planma.Bige Bezeichnungen einzu
f\ihren beginnt, hat man den verschiedenen Eisenkohlenstoff
legierungen auller dem oben erwahnten Namen "Stahl" keine
abweichenden Namen gegeben. Da man aber gezwungen war, die