STAHL UND EISEN
Z E I T S C H R I F T F Ü R D A S D E U T S C H E E I S E N H Ü T T E N W E S E N
Herausgegeben vom Verein deutscher Eisenhüttenleute Geleitet von Dr.-Ing. Dr. mont. E.h. O. P e te r se n
unter verantwortlicher Mitarbeit von Dr. J. W. Reichert uncl Dr. W. Steinberg für den wirtschaftlichen Teil
HEFT 16 16. APRIL 1936 56. JAHRGANG
Was bringt dem Eisenhüttenmann die neuere Entwicklung in der Technik der Nichteisenmetalle?
Von Georg Masing in Berlin-Siemensstadt*).
(Fortschritte und Forschungsaufgaben in der Industrie der Nichteisenmetalle und Berührungspunkte mit dem Eisenhüttenwesen.
Aluminium: Anwendungsgebiete im Vergleich zu Stahl- und Kupferlegierungen; Schmelzbehandlung, Desoxydation und Legierung des Aluminiums; Rostschutz; Automatenaluminium. Zink: Herstellung von Zink größter Reinheit, Spritzguß.
Kupfer: Desoxydation des Klopfers, Ersparnis an Zinn in Bronzen, aushärtbare Kupferlegierungen. Nickel: Ferromagnetische Legierungen, Rostschutzüberzüge aus Nickel. Ersparnis an Zinn in Rostschutzüberzügen.)
Allgemeines.
D ie gesamte Welt der Metalle und damit die Metall- .technik bildet eine natürliche Einheit. Die scharfe organisatorische Abgrenzung zwischen dem Gebiete des Eisens und dem der N ichteisenm etalle hat vor
wiegend nur wirtschaftliche Begründung in Anlehnung an die Gruppierung der herstellenden und bearbeitenden Industrien.
Vom technischen und noch mehr vom wissenschaftlichen Standpunkt aus ist diese Trennung nie scharf durchgeführt worden, und es ist nur erwünscht, die gegenseitige Anregung und Befruchtung der beiden Gebiete zum Wohle der ge
samten Industrie zu fördern.
Die Technik der N ichteisenm etalle h at vom Stahl und Eisen die reichsten Anregungen erhalten. So ging die Entwicklung der Großtechnik auf dem Gebiete der Metallkunde durchaus vom Eisen aus. Die meisten tech
nischen Verfahren wurden, mit entsprechenden Aenderungen, auf die Nichteisenmetalle übertragen, und weiterhin erhielten die Metallfachleute ihre Ausbildung, die sie dann auf die Technik anderer Metalle übertrugen, besonders in früheren Zeiten, auf dem Gebiete des Stahles.
Aber auch umgekehrt hat in den letzten zwei Jahrzehnten die E isenhüttenkunde Anregungen aus der Technik der anderen M etalle erhalten. Das ist besonders deutlich in einem Falle zu erkennen, der übrigens zugleich auch zeigt, daß diese Anregung wegen nicht genügend reger Fühlung zwischen den Einzelgebieten der Metalltechnik viel später zustande kam, als es eigentlich möglich gewesen wäre. Ich meine die Entw icklung der aushärtbaren L egierun
gen, wie sie für das Gebiet des Eisens, von Nichteisen
metallen ausgehend1), vor allen Dingen durch W. K öster2) gefördert worden ist. Es ist bekannt, daß, als dieses Gebiet aufgegriffen wurde, die Arbeiten alsbald auch reiche Früchte getragen haben, z. B. auf dem Gebiete der Hartmetalle, der Dauermagnete und der Ausscheidungsbekämpfung bei nicht
*) Vortrag auf der Hauptversammlung des Vereins‘deutscher Eisenhüttenleute zu Düsseldorf am 30. November 1935. — Sonder- abdrucke sind vom Verlag Stahleisen m. b. H., Düsseldorf, Post- sehließfach 664, zu beziehen.
!) G. M asing und L. K och: Wiss. Veröff. Siemens-Konz. 6 (1927) S. 202/10; vgl. Stahl u. Eisen 48 (1928) S. 1057.
2) Arch. Eisenhüttenwes. 2 (1928/29) S. 503/22 (W erkstoff - aussch.139); 3 (1929/30) S. 553/58 u. 637/58(Werkstoffaussch. 162).
Z. Metallkde. 22 (1930) S. 289/96.
61 16-58
rostenden Stählen usw., ein sicheres Zeichen dafür, daß die betreffende Fragengruppe überreif war. War es in der Tat nötig, daß diese Arbeiten, die letzten Endes auf der Ent
deckung des Duralumins durch A. W ilm3) im Jahre 1909 fußen, erst im Jahre 1927 in Gang kamen ?
So erscheint es angebracht, dem Eisenhüttenmann im Rahmen einer kurzen Darstellung einen U eberblick über einige offene Fragen der N ichteisenm etalltechnik zu geben, die heute von Bedeutung sind und vorwiegend eine gewisse Verwandtschaft mit den in der Eisenhütten
kunde auftretenden Fragen haben. Bei der großen Mannig
faltigkeit der Nichteisenmetalle und ihrer Legierungen kann es sich hierbei nur um einzelne herausgegriffene Fragen handeln.
Die E isentechnik, etwa beginnend mit dem Gußeisen und endend mit dem lieferfähigen Halbzeug, ist weitgehend durch zwei Vorgänge gekennzeichnet: durch die Schlacken
reaktionen im Schmelzfluß und durch die ya-Umwandlung des Eisens im festen Zustande. Es ist die Stärke und zugleich die Schwäche des Eisens, daß die Schlackenreaktionen hier eine so große Rolle spielen; Stärke, weil auf diese Weise sehr viele Aenderungen der Zusammensetzung und der Eigen
schaften herbeigeführt werden können, und Schwäche, weil nur allzu leicht Ueberreste der Schlacke im Metall ver
bleiben, die dann seine Eigenschaften ungünstig beeinflussen können. Die große M annigfaltigkeit der Schlacken
reaktionen des Eisens und damit die große Wandlungs
fähigkeit des Werkstoffes durch diese Reaktionen ist in erster Linie durch die große Reaktionsfähigkeit des Eisens be
stimmt. Es ist ein unedles Metall, das leicht durch Reaktion mit einer Schlacke in nichtmetallischen Zustand übergeht und Schlackenbestandteile reduziert. Aber viele metallische Bestandteile der Schlacken sind nicht wesentlich edler als das Eisen, und so ergibt sich die Möglichkeit, durch Schlacken
reaktionen sowohl Schlackenbestandteile zu reduzieren und ins Eisen überzuführen als auch umgekehrt Bestandteile der metallischen Schmelze durch Einwirkung der Schlacke zu oxydieren. Alle diese Reaktionen werden fernerhin da
durch entscheidend erleichtert, daß die Oxyde und Sulfide des Eisens und seiner Begleitelemente halbmetallische Eigenschaften haben und infolgedessen im flüssigen Eisen bis zu einem gewissen Grade löslich sind. Entscheidend ist,
3) Metallurgie 8 (1911) S. 225/27.
457
Tem per atu r in °C
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daß der Schmelzpunkt des Eisens hoch ist, so daß die Schlacken bei seiner Schmelztemperatur flüssig sind.
Die Bildung einer neuen K ristallart im festen Zustande mit allen ihren Begleitumständen ist, wie wir heute wissen, im allgemeinen eine Voraussetzung für die Wandlungsfähigkeit eines metallischen Werkstoffes durch Wärmebehandlung, wenn man von der Weichglühung durch Rekristallisation absieht. Die Bildung des a-Eisens aus der y-Form bei der Abkühlung und ihre wichtigste Erscheinungs
form, der eutektoidische Zerfall bei der Perlitreaktion kohlen
stoffhaltiger Eisenwerkstoffe mit ihren zahlreichen Folge
erscheinungen, der martensitischen Härtung, der Bildung fein disperser sorbitischer Gefüge, der Vergütung, mit den mannigfaltigen Abänderungen, die diese Erscheinungen durch Zusätze von Legierungsbildnern erfahren, ist die Ursache dafür, daß es nicht nur einige wenige Stähle, sondern eine ganze Welt von Stählen gibt, und dafür, daß die Stähle im Rahmen der Metalltechnik im ganzen eine berechtigte königliche Stellung einnehmen; denn ein anderes Metall mit einer Umwandlung von ähnlicher Bedeutung gibt es nicht.
Auf die Eigenarten der Schmelzbehandlung und der Schlackenreaktion bei den Nichteisenmetallen werde ich bei den einzelnen Metallen eingehen. Ueber den festen Zustand sei schon jetzt gesagt, daß, wie erwähnt, kein technisch wichtiges N ichteisenm etall eine Um
wandlung im festen Zustande erleidet. Kupfer, Nickel, Gold, Silber, Aluminium, Magnesium und Zink haben keine Umwandlungen. Damit ist die Wandlungsfähigkeit der Nichteisenmetall-Legierungen im Vergleich zu den Stählen ungleich geringer und die Wärmebehandlungstechnik ein
facher. Bei diesen Legierungen gibt es eigentlich nur eine Möglichkeit, eine Phasenbildung im festen Zustande herbeizuführen, und das ist die Ausscheidung einer zweiten K ristallart aus einer üb ersättig ten festen Lösung, wie sie besteht, wenn die Löslichkeit eines Zusatzme- talles mit fallender Temperatur sinkt und wie sie die Grundlage der bekannten Aus
härtungsbehandlung ist (Abb. 1). Es ist deshalb verständlich, daß die Aushär
tung in der Welt der Nichteisenmetalle eine ganz andere grundsätzliche Bedeu-
700 600 500
300 200
100
Schnle/ze Ai/ \
krissch- 'fa/ie / / '
! / Gemenge /H+/H
3M
02///
5 70 Abbildung 1. Aus
schnitt aus dem Zu
standsschaubild der Aluminium-Magne-
sium-Legierungen.
Magnesiumhonzenfra- eisenmetallen ist sie meistens die einzige fioninGemchtsprozent Grundlage ejner verfeinerten Wärmebe
handlung, beim Stahl wird sie durch die ihrer Natur nach verwandte, ihrer Wirk
samkeit nach aber vielfach wesentlich er
höhte perlitische Reaktion überschattet.
Eine Folge der geringeren M annigfaltigkeit der V eränderungen der N ichteisenm etalle und ihrer Legierungen ist oft die größere Einfachheit der dort stattfindenden Vorgänge. Sie sind durchsichtiger, sie sind mehr geeignet, die Grundlage für planmäßige Untersuchun
gen zu bilden, deren Ergebnisse dann auch für den Stahl verwertet werden können. Ein kennzeichnendes Beispiel hierfür ist die Rekristallisation. Die Frage, ob ein aus der Schmelze erstarrtes Metall, das keinerlei Verformung er
fahren hat, rekristallisationsfähig ist, konnte am Eisen nicht studiert werden, weil hier die a-y-Umwandlung gestört hat.
Bekanntlich hat sich herausgestellt, daß im gewöhnlichen Fall eine Störung durch bildsame Verformung eine Vor
aussetzung für die Rekristallisation ist, und daß eine solche Umwandlung, wie die von y zu a, im Eisen eine ähnliche Störung hervorruft, wodurch es sich erklärt, daß das a-Eisen auch ohne Reckung rekristallisationsfähig ist.
Bevor ich zur Besprechung der einzelnen Nichteisen
metalle übergehe, ist es am Platze, ein paar Worte über die Grenze zwischen der Bezeichnung Stahl- oder Eisen-Legierung einerseits und den N ichteisen
m etall-Legierungen anderseits zu sagen. Im allge
meinen wird man zum Stahl alle Legierungen rechnen, bei denen noch die kennzeichnenden Merkmale der Stahltechnik eine entscheidende Rolle spielen. Das ist vielfach bereits bei geringeren Zusätzen anderer Metalle nicht mehr der Fall.
So beherrscht das Nickel die metallurgische Schmelz
behandlung in der Regel bereits bei Gehalten von 30 bis 40 %. Trotzdem will ich eine schematische Grenze bei 50 % Eisen ziehen und nur die Legierungen mit geringeren Eisen
gehalten als Nichteisenmetalle ansprechen.
Aluminium und seine Legierungen.
Aluminium nebst seinen Legierungen4) beansprucht heute in Deutschland von den Nichteisenmetallen die größte Auf
merksamkeit. Früher kam dieAnwendungdes Aluminiums und seiner Legierungen in erster Linie dort in Frage, wo man ihre eigentümlichen, bei anderen Werkstoffgruppen nicht vorhandenen Eigenschaften, also vor allem das geringe spezifische Gewicht, verwerten wollte. Damit hing es auch zusammen, daß die Legierungen mit den höchsten Festigkeiten, also etwa das Duralumin, die stärkste Beachtung fanden. Gewiß sind heute diese Anwendungsgebiete viel weiter und wichtiger geworden, so daß sie noch die volle Aufmerksamkeit beanspruchen; doch ergab sich darüber hinaus für die Aluminiumlegierungen die weitergehende Aufgabe, als Heimwerkstoff an die Stelle der bisher vielfach verwendeten stärker devisenbelasteten Werkstoffe zu treten.
Es handelt sich hierbei in der Hauptsache um E rsatz des K upfers und seiner Legierungen durch Aluminium, in erster Linie Messing, fernerhin um Legierungen des Nickels (Neusilber). Außer den vielen Anwendungsgebieten für technische Zwecke, wo sie zum Teil schwer zu ersetzen sind (z. B. Kondensatorrohre), werden das Messing und das Neusilber bekanntlich sehr viel für Gegenstände des täg
lichen Gebrauches, für Bestecke, Hausarmaturen aller Art, also für Türklinken, Treppengeländer, Beschläge usw.
gebraucht. Hier werden wesentlich andere Eigenschaften verlangt als z. B. im Flugzeugbau. Der Werkstoff muß sich gut mit spanabhebenden Werkzeugen bearbeiten lassen, er muß gut im Gesenk und in der Strangpresse zu Profilen zu verpressen sein, und er muß genügende Korrosionsbeständig
keit besitzen. Auf die Korrosionsbeständigkeit werde ich später noch zurückkommen. Im Gegensatz zu den früheren Verwendungszwecken sind dahingegen die Anforderungen an die Festigkeitseigenschaften nicht so groß.
Das D uralum in und ähnliche Legierungen haben neben guter Zugfestigkeit bei Raumtemperatur (in der üblichsten Güte etwa 42 bis 45 kg/mm2) eine erhebliche Warmfestigkeit, die ihre Verarbeitung etwa im Gesenk außerordentlich erschwert. Die Forderung nach guter Verar
beitbarkeit hat deshalb heute die besondere Aufmerksam
keit auf einige mäßig legierte A lum inium sorten gelenkt, auf Legierungen, die zwar in der Hauptsache schon früher bekannt, aber weniger beachtet waren. In der Zah
lentafel
1sind einige solche Legierungen genannt, im Ver
gleich mit reinem Aluminium und Duralumin. Diese Legie
rungen lassen sich ganz gut in der Dickschen Strangpresse6) zu Stangen und Profilen verpressen, es ist aber not
4) A. v. Z ee rle d e r: Technologie des Aluminiums und seiner Leichtlegierungen (Leipzig: Akademische Verlagsgesellschaft m .b .H . 1934).
6) Werkstoff-Handbuch Nichteisenmetalle (Berlin: Beuth- Yerlag 1927) B latt G 5, H 5, H 7, H 9; vgl. Aluminium-Taschen- buch, 5. Aufl. (Berlin: Aluminium-Zentrale, Literarisch. Büro, 1935).
16. April 1936. O. Masing: Die neuere Entwicklung in der Technik der Nichteisenmetalle. Stahl und Eisen. 459 Zahlentafel 1. F e s tig k e its e ig e n s c h a f te n u n d c h e m isc h e Z u s a m m e n s e tz u n g e in ig e r A lu m in iu m le g ie ru n g e n .
Chemische Zusammensetzung Zugfestigkeit
kg/mm2
Dehnung
Legierung Si %
% Mn0//o Mg% Fe% Ou% Ti%
Reinalum inium mit
99,5 % Al, h art . . 15 bis 20 8 bis 4
Pantal, vergütet . . 0,5 bis 1,0 0,4 bis 1,4 0,8 bis 2,0 — — 0,3 28 bis 35 20 bis 10 Legal II, h art vergütet 0,9 bis 1,2 0,6 bis 1,0 0,8 bis 1,2 0,2 bis 0,4 — — 30 bis 36 10 bis 5 A nticorodal, h art . . 0,9 bis 1,1 0,6 bis 0,8 0,65 bis 0,75 — — — 32 bis 36 14 bis 10 D uralum in 681 B, ver
gütet ... 0,2 bis 1,0 < 1,2 0,2 bis 2,0 < 5,5 38 bis 42 18 bis 15
W ic h ro m a l... 0,24 — — 0,25 1,38 — — —
wendig, Temperaturen zwischen 450 und 5000 sorgfältig ein
zuhalten, weil sie beim Pressen oberhalb 500° leicht auf
bröckeln. Aehnliches gilt für das Pressen im Gesenk. Eine Temperaturüberwachung aus der Farbe des Glühgutes, wie beim Messing, ist wegen der niedrigen Temperatur nicht mög
lich. Deshalb erfordert das Gesenkpressen von Aluminium und seinen Legierungen gegenüber dem des Messings zusätz
liche Ueberwachungsmaßnahmen, Ausbildung von vervoll- kommneten Anheizöfen und eine Temperaturprüfung mit Meßgeräten an Stelle der unmittelbaren Beobachtung mit dem Auge. Der beim Pressen im Gesenk erforderliche Kraftbedarf ist größer als beim Messing, ebenso die Ab
nutzung der Werkzeuge.
Wenn die Aufgabe der spanlosen Formgebung geeigneter Aluminiumlegierungen zum Gebrauch an Stelle des Messings und ähnlicher Legierungen als im ganzen zufriedenstellend gelöst zu betrachten ist, so gilt das leider keineswegs für die Frage der B earbeitbarkeit m it spanabhebenden W erkzeugen. Die Bedeutung der Spanbildung ist wohl auf dem Gebiete des Eisens und seiner Legierungen dieselbe wie beim Messing, Kupfer und Aluminium. Beim Stahl mag es heute noch zweifelhaft sein, ob der kurze Span des Automatenstahles auf den Gehalt an fein verteilten Sulfiden oder etwa auf den hohen Phosphorgehalt zurückzuführen ist.
Bei den Nichteisenmetallen liegen die Verhältnisse viel einfacher. Dort handelt es sich mit voller Sicherheit um Gehalte an Zusätzen, die im flüssigen Zustand in der Metall
schmelze nur wenig löslich sind, und zwar zunächst beim Automatenmessing um das Blei, das, in Mengen von 1 bis
4 % zugesetzt, be-' reits in der Schmelze zum Teil ausge
schieden ist, in der Hauptsache aber im Verlaufe der Erstar
rung sich in der Restschmelze in Gestalt von Tropfen ausscheidet. Diese Wirkung des Bleies kann sehr bequem im Kupfer, Nickel
Abbildung 2. Löslichkeitsgrenze von
oder Eisen gezeigt
Blei in Zink-Kupfer-Legierungen.
werden (A hi2). Die Zeit beim Bohren von Kupfer oder Nickel läßt sich durch Zusatz von Blei etwa auf ein Sechstel bzw. ein Achtel und beim Eisen etwa auf die Hälfte vermindern. Hierbei besteht noch der bemerkenswerte Zusammenhang, daß die spanlose Formbarkeit bei starker Löslichkeit des Bleies in der Schmelze geringer ist, also beim Kupfer, das etwa 30 % Pb löst, dahin
gegen nur wenig abnimmt, wenn die Löslichkeit gering ist, wie beim Messing. Das Eisen nimmt so wenig Blei im flüssi
gen Zustande auf, daß es schwierig ist, genügende Mengen in Lösung zu bringen, um starke Wirkungen zu erhalten.
Diese Tatsachen sprechen wohl sehr stark dafür, daß die U rsache der guten B earbeitbarkeit des A utom aten
stahles in der Hauptsache ein Gehalt an bereits in der Schmelze wenig löslichen Sulfiden ist6). Es ergibt sich deshalb zunächst eine klare Richtlinie, um ein Automaten
aluminium herzustellen. Man muß Zusätze finden, die sich zwar in der Schmelze gar nicht oder nur wenig mit Aluminium mengen, aber die Neigung haben, in feiner Verteilung zu bleiben. Bisher ist es nicht gelungen, solche Zusätze zu finden. Als Zusatzmetall kommt auch hier Blei in Frage, das sich in geschmolzenem Aluminium nur wenig löst. Der außerordentlich große Unterschied der spezifischen Ge
wichte des Bleies und des Aluminiums bringt es jedoch mit sich, daß das Blei in der Schmelze vor der Erstarrung lebhaft ausseigert. Auch die Hoffnung, nichtmetallische Zusätze zu finden, die eine ähnliche Wirkung haben könnten wie die Sulfide beim Eisen, ist sehr gering. Die Verbindungen des Aluminiums haben fast durchweg salzartigen Charakter, d. h.
sie sind auch mit dem flüssigen Metall überhaupt nicht misch
bar und können, wenn überhaupt, nur zufällig in der Schmelze hängenbleiben. Diese wird dadurch zwar dickflüssig, aber ein spritziger Span wird nicht erreicht. Gewiß gibt es Alumi- niumlegierungen, die einen kürzeren, und andere, die einen längeren Span bilden. Ein eigentliches Automatenaluminium ist jedoch, wie gesagt, noch nicht entwickelt worden.
Die schm elztechnische Behandlung des A lum i
nium s7) wird durch die Tatsache beherrscht, daß es unedler als alle anderen praktisch gebrauchten Metalle mit Ausnahme der Erdalkali- und Alkalimetalle ist. Das äußert sich schon bei der Gewinnung des Aluminiums durch Schmelzfluß
elektrolyse, wobei alle metallischen Verunreinigungen des Elektrolyten, vor allen Dingen die Schwermetalle, sofort in das kathodisch abgeschiedene flüssige Aluminium eingehen.
Das zur Elektrolyse verwendete Oxyd muß daher vorher auf chemischem Wege völlig gereinigt sein, eine spätere Reinigung ist nicht möglich. Auch ist es nicht möglich, aus dem metallischen Aluminium durch metallurgische Maß
nahmen die Schwermetalle wieder zu entfernen. Hierzu ist seine Ueberführung in ein Salz notwendig. Nur die noch unedleren Metalle, praktisch am wichtigsten das Magnesium und das Natrium, werden aus dem flüssigen Aluminium durch Oxydation, also durch eine Frischbehandlung beseitigt.
Die ganze Schmelztechnik des Aluminiums ist durch zwei Gesichtspunkte beherrscht, die Notwendigkeit, das Oxyd und den Wasserstoff fernzuhalten. Der W asserstoff wird vom Aluminium im flüssigen Zustande, wie auch sonst bei Metallen, gelöst und bei der Erstarrung zum größten Teil wieder ausgeschieden. Er ist also eine Quelle der Porigkeit des Gusses. In das Aluminium gelangt er auf mannigfache Weise. Wenn bei der Schmelzflußelektrolyse Wasser in irgendeiner Form Zutritt in die Schmelze findet, wird durch Wasserzersetzung der edlere Wasserstoff schnell in das metallische Aluminium befördert. Dasselbe geschieht später, wenn das Aluminium in der Gießerei geschmolzen wird. Als sehr unedles Metall zersetzt es in der Schmelze jede Spur
6) Vgl. R. V ogel: Z. MetaUkde. 26 (1934) S. 244/47.
7) R. Irm a n n : Aluminiumguß in Sand und Kokille (Leipzig:
Akademische Verlagsgesellschaft 1935).
460 Stahl und Eisen. 0. Masing: Die neuere Entwicklung in der Technik der Nichteisenmetalle. 56. Jahrg. Nr. 16.
von Feuchtigkeit, die mit ihm in Berührung kommt, und belädt sich dabei mit Wasserstoff und mit Oxyd. In den letzten Jahren ist aber weiterhin gefunden worden, daß selbst festes Aluminium bei Raumtemperatur langsam aus der Feuchtigkeit der Luft Wasserstoff aufnimmt8). Daß es trotz aller Vorsichtsmaßnahmen in der Tat nicht gelingt, das Aluminium in der Gießerei wirklich frei von Wasserstoff zu halten, beweist der Umstand, daß die Porigkeit der Hauptfeind des Aluminiumgusses ist. Mit Recht wird darauf hingewiesen, daß der Aluminiumguß nie völlig poren
frei ist.
Die schädliche W irkung des Oxydes äußert sich nicht nur darin, daß das Metall dickflüssig wird und unter Um
ständen Schwierigkeiten bei der späteren spanlosen Form
gebung macht, sondern vielleicht noch viel mehr in einer Wechselwirkung mit dem Wasserstoff. Der Unterschied der spezifischen Gewichte des Aluminiumoxydes und des
Metalles ist nur gering, eine Schwereseigerung ist also so gut wie ausgeschlossen. Fernerhin schmilzt das Aluminium
oxyd bekanntlich sehr hoch bei etwa 2000°. Seine Sinterungs
temperatur liegt auch sehr hoch, oberhalb etwa 1600°.
Es ist deshalb verständlich, daß das Aluminiumoxyd sich in der Schmelze in Form von feinsten Hautfetzen bildet, die nur ein sehr geringes Bestreben haben, sich zu größeren Stücken, die leichter beseitigt werden könnten, zusammen
zuschließen. Dies ist ja dieselbe Eigenschaft, die das Aluminium als Desoxydationsmittel für Stahl trotz seiner sonst ausgezeichneten Eigenschaften in mancher Beziehung unbeliebt macht. Es hat sich nun gezeigt, daß diese im Metall schwebenden wabenförmigen Oxydhäutchen den Wasserstoff und allgemeiner die gelösten Gase am Auf
steigen und Verlassen der Schmelze hindern. Es kommt beim Aluminium sehr häufig vor, daß der Gasgehalt der Schmelze bereits oberhalb der Sättigungsgrenze für das Gas liegt, d. h. daß sich im flüssigen Aluminium Wasserstoff
bläschen abscheiden. Durch das Oxyd wird ihre selb
ständige Beseitigung verhindert oder verlangsamt.
Eine sehr einfache und vielfach geübte M aßnahme, den W asserstoff oder das Oxyd aus dem Alum inium zu beseitigen, besteht zunächst darin, daß man die Schmelze längere Zeit, zuweilen bis 24 h, bei mäßiger Tem
peratur, etwa bei 700°, abstehen läßt (Abb. 3)*). Hierbei steigen die Wasserstoffblasen langsam an die Oberfläche.
8) D. H an so n und J. G. S la te r: J. Inst. Met. 46 (1931) S. 216/37.
9) W. C laus: Z. Metallkde. 21 (1929) S. 271/73.
10) R. S te rn e r-R a in e r: Z. Metallkde. 23 (1931) S. 274/82.
Dieses Verfahren ist aber nur erfolgreich, wenn der Oxyd
gehalt des Metalles gering ist. Bei höheren Oxydgehalten, wie sie bei Legierungen oder bei Verarbeitung von Abfällen Vorkommen können, ist man auf andere Maßnahmen an
gewiesen, die darauf beruhen, daß man das Oxyd durch Zusatz von Salzen zu verschlacken trachtet10). Als solche Salze haben sich für Aluminium ausschließlich Halogenide bewährt, von diesen am besten Fluoride und Chloride, die man durch geeignete Maßnahmen in die Metall
schmelze einrührt. Oft erreicht man dadurch die sofortige Bildung einer Krätze auf der Oberfläche des Metalles und eine lebhafte Wasserstoffentwicklung. Dieses Verfahren hat sich für alle schwierigen Fälle praktisch eingeführt und wird heute in großem Maßstabe angewendet. Das Einrühren der Salze ist oft nicht leicht und erfordert besondere Maßnahmen.
Zugleich wird die Schmelze in der Regel mit einer Salz
schicht abgedeckt, die die Oxydation durch Luft verhindert.
Nur einer vervollkommneten Durch
bildung dieser Reinigungsverfahren hat man die Entwicklung der neuen Legierungen von Alum inium m it Magnesium, zu denen die bekannte Hydronalium-Handelsmarke gehört, zu verdanken. Man kann dem Alu
minium in fester Lösung bis etwa 9 % Magnesium einverleiben (vgl. Abb. 1).
Solche Legierungen waren bereits vor dem Kriege unter dem Namen Magna- lium bekannt, konnten sich aber nicht einführen, da die starke Oxydation im Schmelzfluß ihre Verarbeitung zu sehr erschwerte. Nachdem man heute, besonders gefördert durch die Erfah
rungen über die Schmelzbehandlung des Magnesiums und Elektrons sowie der Abfälle von Aluminiumlegierun
gen, gelernt hat, die Oxyde fernzuhalten, konnte man diese Schwierigkeiten überwinden. Schreckt man die Legie
rungen mit etwa 7 bis 9 % Mg von Temperaturen ober
halb 400° ab, so kann man sie in Gestalt von homogenen Mischkristallen erhalten, die bereits Zugfestigkeiten über 40 kg/mm2 bei guten Dehnungen aufweisen. Ihre K orro
sionsbeständigkeit ist in diesem Zustande sehr gut, und ihrer Anwendung scheint demnach nichts mehr im Wege zu stehen. Eine Schwierigkeit besteht jedoch darin, daß in den abgeschreckten Magnesium-Aluminium-Legierungen bei der Erhitzung auf mäßige Temperaturen von etwa 100°, im kalt gewalzten Zustand sogar schon bei 60 bis 70° eine Ausscheidung des Magnesiums aus der übersättigten festen Lösung beginnt, die die Korrosionsbeständigkeit erheblich herabsetzt. Bei sehr vielen technischen Anwendungs
zwecken ist es anderseits kaum möglich, solche Temperatur
erhöhungen zu vermeiden. Wenn die Abkühlung im kriti
schen Gebiete, also etwa von 400 bis 300°, langsamer erfolgt, als das vielfach geschieht, so hat das zur Folge, daß ein Teil des Magnesiums bereits bei der Abkühlung in feinster Ver
teilung als Verbindung Mg2Al3 zur Ausscheidung gelangt.
Diese Ausscheidung bewirkt zwar anscheinend keine nennens
werte Steigerung der Festigkeit, beeinflußt aber die Korro
sionsbeständigkeit. Es kann sein, daß hier ähnliche Ver
hältnisse vorliegen wie beim Duralumin, bei dem eine bei ge
wöhnlicher Temperatur erfolgende Aushärtung die Korro
sionsbeständigkeit nicht nur nicht verringert, sondern sogar gegenüber der abgeschreckten festen Lösung die Korro
sionsbeständigkeit erhöht. Das scheint auch beim Hydro- nalium möglich zu sein. Die Art der Ausscheidung wird
Nicht entgast. 45 min bei 680° entgast.
Abbildung 3. Entgasung der Y-Legierung (92 % Al, 8 % Cu) durch Abstehenlassen vor dem Vergießen. (Nach W. Claus.)
16. April 1936. G. Masing: Die neuere Entwicklung in der Technik der Nichteisenmetalle. Stahl und Eisen. 461
naturgemäß durch die Einzelheiten des Abkühlungsvor
ganges stark beeinflußt, und damit hängt es zusammen, daß unter ungünstigen Bedingungen, die nicht immer mit voller Sicherheit vermieden werden können, ein ziemlich ungün
stiges Korrosionsverhalten auftreten kann. An diesen Fragen wird heute lebhaft gearbeitet, und es ist zu hoffen, daß die Schwierigkeiten in kurzer Zeit überwunden werden können.
Erhebliche Schwierigkeiten werden der Aluminium
technik durch die Seigerungserscheinungen bereitet, und zwar handelt es sich in der Regel um die umgekehrte Blockseigerung11), d. h. die Anreicherung an der Restschmelze findet dort statt, wo das Stück zuerst zu erstarren beginnt.
Beim Duralumin reichert sich also das Kupfer in dem äußeren Teil eines Blockes an. Diese Seigerung wird ver
mutlich durch die Gasentbindung bei der Erstarrung stark gefördert, indem die frei werdenden Gase die Restschmelze aus dem Innern durch die noch nicht erstarrten Verästelungen der Kristalle nach außen drücken. Sie ist besonders lästig, weil eine aushärtbare Legierung, wie das Duralumin, ihrem Aufbau nach einen übersättigten Mischkristall darstellt. Der Grad der Uebersättigung, ja überhaupt die Möglichkeit, die Hauptmenge der Zusätze beim Abschrecken in fester Lösung zu halten, muß sich sehr stark mit ihrer Menge ändern. Die ausgeschiedenen Kristallarten, etwa der Ver
bindung CuA12, sind spröde; deshalb sinkt die Bildsamkeit der Legierung stark mit der Menge der Ausscheidungen. Die aushärtbaren Legierungen sind gegen Schwankungen der Zu
sammensetzung und also auch gegen Blockseigerung beson
ders empfindlich. Bei Aluminiumlegierungen bildet die Block
seigerung eine so große Schwierigkeit, daß sie zur Zeit als ernsthafte Anregung dafür betrachtet wird, in manchen Fällen auf die mit dem höher legierten Aluminium erreichbaren Festigkeitswerte zu verzichten und zu mäßig legiertem Aluminium ohne Kupfergehalt überzugehen. Vertreter solcher Legierungen sind z. B. die in der Zahlentafel 1 ange
führten Werkstoffe Legal und Aldrey, die zwar auch auf der Grundlage der Verbindung Mg2Si aushärtbar sind, aber nicht in so störendem Maße zur Blockseigerung neigen.
Als sehr unedles Metall erfordert das Aluminium für viele Verwendungszwecke einen O berflächenschutz. Hier leistet die Eigenschaft seines Oxydes, sich auf dem Metall als beinahe lückenlose zusammenhängende Haut auszubilden, wodurch ja dem unedlen Aluminium überhaupt seine techni
sche Verwendungsfähigkeit ermöglicht wird, ausgezeichnete Dienste. Aehnlich wie das Eisen überzieht sich das Alumi
nium an der Luft sofort mit einer dünnen Oxydhaut. Diese Haut ist zu dünn und mechanisch zu wenig widerstands
fähig, um einen vollständigen Korrosionsschutz zu gewähren.
Man hat jedoch gelernt, diese Oxydhaut durch anodische Behandlung, das sogenannte Eloxieren, wesentlich stärker und mechanisch widerstandsfähiger zu gestalten. Die so hergestellte Haut ist zunächst nicht ganz frei von Poren.
Diese werden nach verschiedenen Verfahren nachgedichtet, und dann gewährt die bis etwa 0,025 mm dicke und in ihrer Härte sich der des Korunds nähernde Schicht einen praktisch vollkommenen Korrosionsschutz. Erst diese Behandlungs
art des Aluminiums und seiner Legierungen eröffnet ihm die Möglichkeit wirklich weitgehender Verwendung als Austauschstoff für Kupferlegierungen und auch im Flug
zeugbau. Die Eloxalschichten lassen sich vor der Abdichtung ähnlich tränken und anfärben wie Stoffe, so daß die Eloxal- schicht in den verschiedensten Farben hergestellt werden kann. Nachdem vor einigen Jahren die angelsächsischen Länder in der Entwicklung und der ersten Anwendung
X1) G. M asing und E. S ch eu er: Z. Metallkde. 25 (1933) S. 173/79.
dieses Verfahrens uns voraus waren, hat die Eloxierung des Aluminiums und seiner Legierungen im letzten Jahr in immer weiter steigender Entwicklung in Deutschland festen Fuß gefaßt und wird anscheinend bereits in viel größerem Maße angewendet als im Auslande, was ja im Zusammen
hang mit der Devisenlage und dem Umstand, daß wir viel mehr auf das Aluminium zurückgreifen müssen, nur zu verständlich ist. Auch scheint es, daß das Eloxalverfahren bei uns in Deutschland der höchsten technischen Vollendung zugeführt und die Technik des Auslandes von hier aus er
neut befruchten wird.
Kupfer und seine Legierungen.
Die Eigenschaften des Kupfers sind denen des Eisens viel näher als denen des Aluminiums, und seine Technik zeigt mehr verwandte Züge mit der Technik des Eisens.
Wie beim Eisen haben viele Verbindungen des Kupfers m it M etalloiden, vor allen Dingen das Sulfid und das Oxyd, halbmetallische Eigenschaften. Beide lösen sich zu einem erheblichen Teil in der Kupferschmelze auf. Aehnlich verhalten sich manche V erunreinigungen des Kupfers, vor allen Dingen die Eisenmetalle. Die Voraussetzungen für eine Schlackenarbeit sind also grundsätzlich gegeben.
Trotzdem werden beim Kupfer die Legierungszusätze nicht, wie oft beim Eisen, durch Schlackenarbeit in die Stähle hereingebracht, sondern man versucht zunächst, das Kupfer von seinen Verunreinigungen möglichst zu befreien, vergießt es dann in der Regel und legiert es erneut mit anderen Metallen. Der Grund für diese abweichende Technik liegt darin, daß das Kupfer edler ist als die meisten seiner Ver
unreinigungen. Deshalb gelingt es, diese durch Frischen zu beseitigen. Nicht entfernen lassen sich in der Hauptsache auf diese Weise nur die Edelmetalle, Gold und Silber, die aber meistens in äußerst geringen Mengen im Kupfer vor
handen sind. Die letzte Reinigung, wobei auch die Edel
metalle als Anodenschlamm abgeschieden werden, erfährt das Kupfer durch Elektrolyse.
Ich werde auf die Technik der metallurgischen Reinigung des Kupfers nicht eingehen, sondern es in dem Zustande betrachten, in dem es in der Hauptsache von den metalli
schen Begleitelementen befreit ist. Das weitere Verhalten des Kupfers beruht wieder, wie bei Aluminium, vorwiegend auf dem W echselspiel der Einflüsse von Sauerstoff und W asserstoff, jedoch in anderen Zusammenhängen.
Von den Gasen, die das geschmolzene K upfer auf
nim m t, sind vor allen Dingen Schwefeldioxyd, Wasserstoff und wahrscheinlich Wasserdampf12) zu nennen; der Sauer
stoff wird in Form der Verbindung Kupferoxydul aufge
nommen und der Schwefel als Kupfersulfür. Die Gegenwart von Schwefeldioxyd in der Kupferschmelze verursacht porigen Guß, ebenso die von W asserstoff und von W asser
dampf. Ein höherer Sauerstoffgehalt macht das Kupfer brüchig.
Das Ziel der Behandlung des Kupfers zur G ußher
stellung muß daher darin bestehen, Schwefeldioxyd und Sauerstoff zu beseitigen, ohne es mit Wasserstoff anzu
reichern. Das am meisten hierzu benutzte und das wirt
schaftlichste Verfahren besteht im oxydierenden Schmelzen, bei dem sich das Kupfer stark mit Sauerstoff anreichert, gefolgt von dem bekannten Polen, wobei ein feuchter Holz
stamm in das flüssige Kupfer getaucht wird. Die hierbei eintretende Reduktion des Kupferoxyduls durch die aus dem Holz sich bildenden reduzierenden Gase bewirkt eine starke Wasserdampfentwicklung und eine sehr starke Be
12) Vgl. z. B. G. S achs: Praktische Metallkunde, 1. Teil:
Schmelzen und Gießen (Berlin: Julius Springer 1933) S. 51/64
462 Stahl und Eisen. O. Masing: Die neuere Entwicklung in der Technik der Nichteisenmetalle. 56. Jahrg. Nr. 16.
wegung des Kupferbades unter Versprühen. Hierbei ent
weicht das Schwefeldioxyd in genügendem Maße. Das Holz entwickelt in Berührung mit Kupfer neben anderen redu
zierenden Gasen auch Wasserstoff. Die Kunst des Schmelzers besteht jedoch darin, das Polen im richtigen Augenblick abzubrechen, wenn der größte Teil des Sauerstoffs ver
braucht worden ist und noch nicht zu viel Wasserstoff auf
genommen wurde. Wird das so behandelte Kupfer ver
gossen, so enthält es noch 0,005 bis 0,05 % Sauerstoff und ergibt einen bis zu einem gewissen Grade porigen Guß. Für Zwecke der D rahtherstellung wird es in liegende Formen vergossen und soll dabei weder steigen noch fallen, was nur durch eine entsprechende Porigkeit des Gusses erreicht wird.
Beim Verwalzen in der Wärme schließen sich die Poren beinahe vollständig, wenn auch nicht so gut wie beim Eisen.
Man hat lange geglaubt, daß die Quelle der Porigkeit des Kupfers das Schwefeldioxyd und der Wasserstoff seien. In den letzten Jahren haben jedoch N. P. Allen und M. Met13) sowie W .E .Prytherch14) gezeigt, daß diese Porigkeit, wie sie vor allen Dingen beim Formguß auftritt, in der Hauptsache zwar auf Wasserstoff zurückzuführen ist, aber nur in Gegenwart von kleinen Mengen Sauerstoff.
Ohne diesen, durch Wasserstoff allein, wird die Porigkeit geringer. Das legt die Vermutung nahe, daß die wahre Quelle der Porigkeit nicht der in der Schmelze gelöste Wasserstoff, sondern der dort gelöste W a s s e r d a m p f ist. Das Kupfer wird bei seinem Schmelzpunkt von einem Gasgemenge, das etwa gleiche Raummengen Wasserstoff und Wasserdampf ent
hält, noch nicht oxydiert. Man kann deshalb annehmen, daß auch innerhalb der Schmelze der Wasserdampfgehalt nach Molen etwas größer als der Wasserstoffgehalt werden muß, ehe eine erhebliche Oxydation des Kupfers einsetzt.
Gewisse Mengen Kupferoxydul werden sich im gelösten Kupfer bilden müssen. Es herrscht dort das Gleichgewicht:
H2 + Cu20 ^ Cu + H20.
Bei der Erstarrung reichert sich das Kupferoxydul in der Restschmelze an, das Gleichgewicht verschiebt sich also nach rechts, der Wasserstoff wird unter Wasserbildung oxydiert. Der Wasserdampf wird bei der Erstarrung ent
weichen und die Porigkeit des Gusses hervorrufen. Man sieht, daß die Behandlung des Kupfers durch Polen recht roh ist. Sie ist etwa mit der Erzeugung des unberuhigten Gusses in der Stahltechnik zu vergleichen.
Es gibt vor allem zwei Möglichkeiten, die Porigkeit des Kupfers zu beseitigen. Man kann das Kupfer desoxydieren.
Während die Wirkung der Desoxydationsmittel beim Stahl, die dort den beruhigten Guß zu erzeugen gestatten, in den Grundzügen schon seit langer Zeit geklärt ist, war die Ursache der dichtenden Wirkung der Desoxydationsmittel beim Kupfer lange nicht bekannt. In der Tat war es schwer zu verstehen, was für einen Einfluß die Desoxydationsmittel auf den im Kupfer gelösten Wasserstoff haben sollten, der doch eine bekannte Quelle der Porigkeit war. Erst als erkannt wurde, daß dem Wasserstoff diese verhängnisvolle Wirkung nur in Gegenwart von Sauerstoff in Form von Kupferoxydul zukommt, wurde es klar, daß die Bindung des Sauerstoffs an die unedlen D esoxydationsm ittel Phos
phor, Silizium, Magnesium, Beryllium, Schwefel usw. eine Wasserbildung bei der Erstarrung und damit die Porigkeit
verhindern kann. Wie man sieht, sind es zum Teil ähnliche Desoxydationsmittel wie beim Stahl. Sie dürfen im Kupfer nur in sehr geringen Mengen verbleiben, weil sie sonst seine Eigenschaften — seine geschätzte hohe Bildsamkeit
13) J. Inst. Met. 43 (1930) S. 81/124.
14) J . Inst. Met. 43 (1930) S. 73/80.
und vor allem seine elektrische Leitfähigkeit —
herabsetzen.Es ist sehr schwer, das Polen bei einem bestimmten Sauerstoff
gehalt des Kupfers abzubrechen, weil wahrscheinlich noch andere Momente die Güte des Kupfers beeinflussen. Eine Desoxydation des gepolten Kupfers in der Pfanne ist deshalb sehr unsicher. Entweder man gibt zu wenig Desoxydations
mittel zu oder zu viel und erreicht in beiden Fällen nicht das Ziel. Deshalb ist man zur Herstellung des desoxydierten Kupfers in der Regel gezwungen, es im Tiegel zu schmelzen, dort zu desoxydieren und dann zu vergießen, was viel teurer ist als die Herstellung aus dem Raffinierofen. Neuerdings wurde gefunden, daß besonders die D esoxydation des Kupfers m it Lithium ausgezeichnete Leitfähigkeit er
gibt15). Trotzdem hat sich die Verwendung des so des
oxydierten Kupfers aus dem genannten Grund noch nicht in großem Umfange einführen können. Es sei bemerkt, daß für manche rohere Zwecke, für Bauteile, das Kupfer schon früher des öfteren desoxydiert worden ist.
Diese Schwierig- x
200keiten hat man in Amerika dadurch zu vermeiden versucht, daß man das Kup
fer in Abwesenheit des Sauerstoffs und anscheinend unter R eduktion m it Kohlenoxyd ein
schmelzt. Einzelhei
ten des Verfahrens werden geheimge
halten. Auf alle Fälle wird auf diese Weise praktisch völlig sau
erstofffreies Kupfer erzielt, das nicht
durch Desoxydationsmittel verunreinigt ist. Dieses Kupfer zeichnet sich durch bessere Bildsamkeit als das gewöhnliche und durch weitgehende, aber anscheinend nicht vollkommene Unempfindlichkeit gegen Wasserstoffkrankheit aus.
Das technische durch Polen gereinigte Kupfer enthält also in der Regel eine gewisse Menge von Kupferoxydul.
Ein kennzeichnendes Gefüge des technischen Kupfers zeigt Abb. 4, in der die Kupferoxyduleinschlüsse zu erkennen sind. Kommt ein solches Kupfer im festen Zustand, aber bei Temperaturen oberhalb etwa 5000 in Berührung mit Wasser
stoff, so diffundiert dieser in das Kupfer und reduziert das Kupferoxydul16). Die Diffusionsgeschwindigkeit des Wasser
dampfes beträgt im festen Kupfer ein Sechzehntel der des Wasserstoffs. Das führt dazu, daß das Kupfer unter Poren
bildung aufgetrieben und dadurch spröde und mürbe wird.
Das Kupfer wird w asserstoffkrank. Es ist offensicht
lich dieselbe Erscheinung, die gelegentlich bei stählernen Hochdruckbehältern der chemischen Industrie, die bei hohen Temperaturen mit Wasserstoff in Berührung stehen, beob
achtet worden ist. Im Gegensatz zum Kupfer verläuft die W irkung des W asserstoffs auf Stahl sehr viel lang
samer. Das ist durchaus verständlich, da der gewöhnliche Stahl nur verhältnismäßig unedle Schlackenreste enthält, die vomWasserstoff wohl nicht unmittelbar zum betreffenden Metall (etwa dem Mangan), sondern nur zum Mischkristall dieses Metalles im Eisen reduziert werden können. Der Vorgang der Reduktion kann also nur fortschreiten, wenn
16) G. S achs: Praktische Metallkunde, 1. Teil: Schmelzen und Gießen, S. 91.
le) Vgl. W erkstoff-Handbuch Nichteisenmetalle, B latt D 9 Abbildung 4. Gefüge von technischem Kupfer (0,05 % 0 2) m it Kupferoxydul
einschlüssen.
16. April 1936. G. Masing: Die neuere Entwicklung in der Technik der Nichteisenmetalle. Stahl und Eisen. 463 Zahlentafel 2. F e s tig k e its e ig e n s c h a f te n u n d c h e m isc h e Z u s a m m e n s e tz u n g
e in ig e r K u p fe rle g ie r u n g e n .
Legierung Chemische Zusammensetzung Zugfestigkeit
kg/mma
nungDeh
Si %
% Mn% Ni% Be% Zn%
Cuprodur ... 0,5 bis 1,0 _ 1 _ 75,0 11,0
Kupfer-Beryllium . . — -—. — 2 — 87,2 4,0
Kupfer-Beryllium . . — — — 2,5 — 135,0 0,8
Kupfer-Beryllium . . — — — 3 — 150,3 1,0
E v e r d u r ... 4,5 1 — . .—. _ 66,7 15,0
E yerdur, federhart . . 4,5 1 _ _ _ 91,8 _
Tom basil (Sandguß) . 4,8 _ — — 15 50,0 10,0
Tom basil (gepreßt) 4,8 - — — 15 60 bis 65 30,0
das betreffende reduzierte Me
tall in das Eisen diffundiert.
Dieser Vorgang verläuft aber wegen des geringen Konzentra
tionsgefälles sehr langsam.
Nach dieser Darstellung kann nur sauerstoff- oder, richtiger gesagt, kupferoxydulhaltiges Kupfer wasserstoffkrank wer
den. Ist der Sauerstoff durch ein Desoxydationsmittel ge
bunden , so ist das Kupfer gegen
Wasserstoff unempfindlich. Aehnlich ist es auch gelungen, durch Herstellung von Sonderstählen, die geeignete stark wirkende Desoxydationsmittel enthalten, und durch metallur
gische Maßnahmen zur Verschlackung des Sauerstoffs gegen Wasserstoff unempfindliche Stähle zu erzeugen.
Nun noch einige Worte über das „sauerstofffreie“
am erikanische Kupfer. An und für sich muß es natür
lich wasserstoffunempfindlich sein. Es wird jedoch vielfach behauptet, daß es nach dem Heißwalzen wieder sauerstoff
empfindlich wird. Die Ursache dieser Erscheinung ist ver
ständlich. Beim Heißwalzen wird das Kupfer an der Ober
fläche oxydiert, und das Oxydul gelangt teils durch Oxyda
tion längs der Komgrenzen, teils mechanisch in das Innere des Metalles. Die Folge davon ist, daß die Oberflächen
schicht des Stückes sauerstoffhaltig und damit empfindlich gegen Wasserstoff wird. Es ist aber auch verständlich, daß das von mancher anderen Seite bestritten wird. In der Tat muß das geschilderte Eindringen in das Kupfer beim Heiß
walzen weitgehend von den Arbeitsbedingungen abhängen, die von Fall zu Fall verschieden sein können. Eine ein
gehende Erprobung in Deutschland hat gezeigt, daß die mit dem desoxydierten Kupfer etwa verbundenen Vorteile seinen Mehrpreis nicht rechtfertigen. In Deutschland wird es meines Wissens nicht verwendet.
Dieneuere Entwicklung derLegierungendesK upfers ist durch eine langsam steigende Verwendung von aushärt
baren Werkstoffen gekennzeichnet. Abgesehen von den Beryllium-Kupfer-Legierungen, die die höchsten Zugfestig
keiten, etwa 135 kg/mm2, zu erreichen gestatten, aber ver
hältnismäßig teuer sind, möchte ich hier nur einige Le
gierungsgruppen erwähnen, deren Zusammensetzung und mechanische Eigenschaften in Zahlentafel 2 angegeben sind.
Die Corsonlegierungen enthalten neben Silizium noch Kobalt, Chrom oder Nickel. Die Festigkeitswerte sind in ihrer Höhe viel weniger durch die vorhergehende praktische Verformung bedingt als bei Zinn- oder Aluminiumbronze, die nur durch Kaltreckung härtbar sind, und deshalb bei größeren Stücken beliebiger Form leichter erreichbar. Dem Messing gegenüber zeichnen sie sich dadurch aus, daß sie, übrigens wie auch die Zinnbronzen, nicht zum A ufreißen durch innere Spannungen neigen. Diese inneren Spannungen sind eine unvermeidliche Folge einer spanlosen Formung in der Kälte und in der Regel auch der Aushärtung wegen der sie begleitenden Volumenänderungen. Gefährlich werden sie dann, wenn auf der Oberfläche durch Korrosion Kerbe geöffnet werden, die zum Aufreißen des ganzen Stückes führen können. Solche Erscheinungen treten be
kanntlich auch bei manchen Stählen auf, so bei Nickelstählen und bei säurebeständigen Stählen, wenn sie karbidhaltig sind. Sie sind auch bei einigen aushärtbaren Aluminium
legierungen ähnlich dem Konstruktal (Aluminium-Zink- Magnesium) beobachtet worden, die trotz ausgezeichneter Festigkeitseigenschaften wegen dieses Fehlers keinen Ein
gang in die Praxis gefunden haben. Worin die Neigung zum
Aufreißen begründet ist, kann im einzelnen oft nicht ange
geben werden. Die Aluminiumbronzen mit etwa 8 % Al und 92 % Cu neigen bis zu einem gewissen Grade dazu, wenn auch weniger als das Messing.
Eine zweite Entwicklung, die besonders in Deutschland zu beobachten ist, betrifft eine Verschiebung des V er
brauches an verschiedenen Legierungen. So ist seit längerer Zeit eine Entwicklung im Gange, die zum Ziel hat, die Zinnbronze durch die Aluminiumbronze zu ersetzen.
Man spart hierbei das devisenbelastete Metall nicht ganz, da beide Bronzen über 90 % Kupfer enthalten, man spart aber den Zusatz von 8 % Zinn.
Die Festigkeitseigenschaften der Alum inium bronze sind ausgezeichnet und stehen denen der Zinnbronze nicht nach, ja sind ihr zum Teil überlegen. Die Ursache, warum sie in geringerem Umfange verwendet wurde als Zinnbronze, liegt in den durch das Aluminium bedingten Gußfehlem, die nur durch eine große Kunst des Gießers vermieden werden können. Es handelt sich, wie immer bei Aluminium, um die Bildung von Oxydhäuten, die den Guß ungesund machen.
Jede technische Schwierigkeit, auch wenn sie durch erhöhte Sorgfalt überwunden ist, bedeutet immer noch eine Ver
teuerung und eine gewisse Unsicherheit; und deshalb ist es verständlich, daß die Anwendung von Aluminiumbronze an Stelle von Zinnbronze erst in den letzten zwei Jahren schnellere Fortschritte gemacht hat. Ihre früheren An
wendungsgebiete waren in der Hauptsache durch ihre Korrosionsbeständigkeit gegen Säuren bestimmt.
Zink.
In der heutigen Zeit der Rohstoffknappheit gewinnt das Zink, das in großen Mengen im Inlande gewonnen werden kann, erheblich an Bedeutung. Wichtig in diesem Zusam
menhang ist, daß es in der neueren Zeit gelungen ist, seine H erstellung wesentlich zu vervollkommnen, und zwar auf Grund von zwei Verfahren. Auf die Z inkelektrolyse braucht man heute in diesem Kreise nicht einzugehen, sie ist ein seit einer Reihe von Jahren bewährtes und im größten Umfang geübtes Verfahren. In den letzten Jahren ist aber außerdem ein sehr beachtliches D estillationsverfahren zur Herstellung von reinstem Zink ausgebildet worden, dessen Grundgedanke so einfach ist, daß es zunächst nicht einzusehen ist, warum es nicht schon viel früher eingeführt wurde17). Das Zink wird bekanntlich gewöhnlich in Muffeln aus Oxyd mit Kohle reduziert und abdestilliert. Bei der Reaktionstemperatur von etwa 1000° verflüchtigen sich außer anderen V erunreinigungen auch Eisen und Blei und bilden damit in Mengen von zusammen etwa 1 bis 2 % die Hauptverunreinigungen des gewöhnlichen Handels
zinks. Außer diesen Verunreinigungen, die bedeutend schwerer sieden als das Zink, enthält es noch in der Regel Kadmium, das leichter siedet und natürlich mit in das Destillat übergeht. In Amerika gibt es kadm ium freie
17) M a tth ie s: Chem. Fabrik 8 (1935) S. 429.
464 Stahl und Eisen. 0. Masing: Die neuere Entwicklung in der Technik der Nichteisenmetalle. 56. Jahrg. Nr. 16.
Abbildung 5.
Deflegmator zur Zinkdestillation.
Erze, und für diese ist nun zunächst das neue Verfahren ent
wickelt worden. In der chemischen Technik versteht man seit langer Zeit, Flüssigkeiten praktisch vollständig zu trennen, auch wenn ihre Siedepunkte nahe beieinander liegen. Man bedient sich hierzu des soge
nannten Deflegmators, also einer Vor
richtung, bei der die durch Erhitzung des ursprünglichen Gemisches erzeugten Dämpfe sich teilweise wieder kondensie
ren, indem sie durch Gefäße (Rohre) von tieferer Temperatur durchgeführt werden, wo immer wieder eine Kondensation eines Teiles stattfindet und schließlich der leichter siedende Bestandteil in sehr rei
ner Form übrigbleibt. Ein solcher De
flegmator für Zink ist in Abb. 5 dar
gestellt. Eine Hauptschwierigkeit bei der Durchbildung des Verfahrens scheint in der Auffindung eines geeigneten Gefäß
werkstoffes mit genügender Wärmeleit
fähigkeit bestanden zu haben. Heute be
nutzt man für das Gefäß Karborundum.
Das Rohzink wird in das untere Gefäß eingeführt und dort zur Destillation ge
bracht. Es kondensiert sich teilweise wieder in den Gängen des Deflegmators, während sehr reines Zink oben die Destil
lationsanlage verläßt.
Eine Weiterentwicklung dieses Verfahrens, die in Deutschland stattgefunden hat, bezweckt die Befreiung des Zinks von Kadmium. Die Aufgabe ist hier eine umgekehrte wie bei der Beseitigung des Bleies und des Eisens. Blei und Eisen verbleiben im Rückstand, das Destillat ist das reine Zink. Das Kadmium geht aber bei seiner größeren Flüchtigkeit dem Zink gegenüber zuerst in das Destillat über. Hier wird also die Verunreinigung ab
destilliert, das in den Gängen gebildete Kondensat ist das gereinigte Zink. In der Praxis wird so verfahren, daß man einfach zwei Anlagen hintereinander beschickt, wobei in der ersten die Beseitigung des Eisens und des Bleies und in der zweiten die Beseitigung des Kadmiums erfolgt. Ob dieses Reinigungsverfahren mit dem elektrolytischen auf die Dauer wettbewerbsfähig sein wird, muß die Erfahrung lehren. Abgesehen von der Frage der Wirtschaftlichkeit, die oft von Kleinigkeiten abhängt, wird es auch technische Schwierigkeiten haben, die man in ihrer vollen Bedeutung erst nach einer langen Erprobung in großem Umfange wird erkennen können.
Reinstes Zink ist vor allen Dingen von großer Bedeutung für den Zinkspritzguß. Der Zinkspritzguß, bei dem man in bekannter Weise das flüssige Metall in genaue Formen preßt, um es dort erstarren zu lassen, hat sich in den ersten Jahren nach dem Kriege entwickelt. Es zeigte sich aber bei den Spritzgußlegierungen bald, daß sie beim Lagern an der Luft ihre Form änderten. Zunächst handelt es sich hierbei um die Zink-Aluminium-Legierungen. Das Zustands
schaubild dieser Legierungen ist in Abb.
6gegeben. Die Verbindung Al2Zn3, die zuerst bei der Erstarrung entsteht, ist unterkühlungsfähig und zerfällt. Dieser langsam fort
schreitende Zerfall der Verbindung ist die eine Ursache für den Mangel an Formbeständigkeit der zinkreichen Zink- Aluminium-Legierungen. Die zweite Ursache ist die Korro
sion, die weniger eine unmittelbare Zerstörung als eine Volumenzunahme des Gegenstandes zur Folge hat. Für den Spritzguß werden seit langer Zeit in der Hauptsache zwei Legierungen verwendet, die Zink-K upfer-Zinn-Le-
gierungund
die Z i n k - K u p f e r -Alum inium -Legierung.
Die letzte hat größere Festigkeit, aber auch eine größere Neigung zu Formänderungen. Es hat sich nun gezeigt, daß die Korrosion weitgehend unterbunden werden kann, wenn das Zink sehr rein und vor allen Dingen frei von Blei und Kadmium ist. Der Zerfall der Verbindung Al2Zn3 kann durch Zusatz von Magnesium sehr stark aufgehalten werden, wie W. Fraenkelund J.,.Spanner18) gefunden haben. Sehr eingehende Untersuchungen der Formbeständigkeit, die vor allen Dingen in Amerika bei der Bell Telephone Company durchgeführt worden sind, haben gezeigt, daß durch Verwendung des reinsten Zinks, wie es durch Elektro
lyse oder nach dem neuen thermischen Verfahren gewonnen werden kann, bei geeigneten Legierungen die Formänderung im Spritzguß sich beinahe völlig vermeiden läßt.
700r
70 SO 30 ¥0 SO SO 70 SO
/t/ummiumhonzenfration in Gewichtsprozent
Abbildung 6. Zustandsschaubild der Aluminium-Zink- Legierungen. [Nach D. H a n so n und M. L. V. G ay le r:
Engineering 113 (1922) S. 538/40 u. 666/67.]
Ferromagnetische Legierungen.
Die ferromagnetischen Legierungen haben seit dem Kriege eine sehr beachtliche E ntw icklung genommen19).
Hierbei will ich nicht auf die harten magnetischen Le
gierungen für Dauermagnete eingehen. Ueber diese hat in den letzten Jahren in Ihrem Kreise wiederholt W. Kö
ster20) vorgetragen. Ich möchte mich vielmehr auf die m agnetisch weichen W erkstoffe beschränken, also solche, die sich sehr leicht magnetisieren lassen und bei wiederholten Magnetisierungen geringen Energieverbrauch (geringe Wattverluste) aufweisen, während der Dauermagnet nur durch starke magnetische Felder, also schwer zu magne
tisieren ist, dann aber den magnetischen Zustand auch nach Beseitigung des magnetisierenden Feldes behält. Soweit man heute weiß, sind es zwei Momente, die die Weichheit einer magnetischen Legierung schädigen können: Ver
unreinigungen und V erspannungen. Die Wirkung der Verunreinigungen ist als solche noch lange nicht aufgeklärt, in der Regel nimmt man an, daß sie auch innere Verspan
nungen bewirken, wie, weiß man jedoch nicht im einzelnen.
Die meisten magnetischen Legierungen zeigen eine ge
wisse M agnetostriktion, d. h. wenn ein Kristallit in einer bestimmten Richtung magnetisiert wird, erleidet er Ver
längerungen oder Verkürzungen in bestimmten Richtungen.
Dadurch entstehen im Werkstoff Verspannungen, und diese Verspannungen erschweren die Magnetisierung. Innerhalb des Legierungssystem s Eisen-N ickel ändert sich die Magnetostriktion und geht in der Nähe der Zusammen
setzung der bekannten Legierung Perm alloy mit 78,5 % Ni und 21,5 % Fe durch einen Mindestwert. Hier ergibt sich
18) Z. Metallkde. 19 (1927) S. 58.
19) W. S. M esskin und A .K u ß m an n : Die ferromagnetischen Legierungen (Berlin: Julius Springer 1932).
i 20) Zuletzt Stahl u. Eisen 53 (1933) S. 849/56 (Werkstoff- aussch. 225).
16. April 1936. O. Masing: Die neuere Entwicklung in der Technik der Nichteisenmetalle. Stahl und Eisen. 465
für die Erreichung höchster Weichheit die Regel, daß man Werkstoffe mit der geringsten Magnetostriktion wählen muß. Diese Regel hat sich besonders bei einem anderen von H. N eum ann21) entwickelten Werkstoff als fruchtbar er
wiesen, wo Anfangspermeabilitäten von 50000 Gauß/Oersted gegenüber einer solchen von etwa 9000 beim technischen Permalloy und 1000 beim besten silizierten Eisen erreicht werden konnten. Die Magnetostriktion ist eine stru k turunabhängige Größe. Sie ist eine Eigenschaft des betreffenden Werkstoffes und ändert sich nicht durch technische Behandlung wie Walzen, Ziehen, Rekristallisa
tion, auch nur wenig durch geringe Zusätze. Der Weg der Erzeugung der Höchstwerte ferromagnetischer Eigen
schaften durch Herabsetzung der Magnetostriktion ist also dort gangbar, wo man die Zusammensetzung der Werk
stoffe uneingeschränkt verändern kann. Das ist im Gebiet der Eisen-Nickel-Legierungen mit verschiedenen weiteren Zusätzen der Fall.
Ganz anders liegen jedoch die Verhältnisse bei den eisen
reichen Legierungen. Hier haben sich bekanntlich als m agnetisch weich die Eisen-Silizium -Legierungen durchgesetzt. Die Magnetostriktion in der Nähe des Eisens ist groß, und eine sehr wesentliche Herabsetzung ist sehr unwahrscheinlich, solange man sich in der Nähe des Eisens befindet. Hier bietet sich grundsätzlich zur Verbesserung der ferromagnetischen Eigenschaften nur der andere Weg der Beseitigung der letzten Verunreinigungen, also eine Verbesse
rung der Herstellungsverfahren. Nur durch Reinigungsbe
handlung sind beim reinen Eisen bekanntlich bereits außer
ordentliche magnetische Eigenschaften erreicht worden22).
Metallische Ueberzüge.
Die m etallischen Ueberzüge des Eisens23) werden vor allem aus Nickel, Chrom, Zinn, Zink, Kadmium, Alumi
nium und Kupfer hergestellt.
Nickel ist ein ausgesprochenes Sparmetall. Für die Herstellung galvanischer Ueberzüge werden nach wider
sprechenden Angaben 5 bis 20 % des deutschen Nickel
bedarfs verbraucht; es lohnt sich also schon, hier auf Er
sparnisse zu sinnen. Anderseits bedeutet ja ein schützender Ueberzug gerade ein Sparverfahren, indem er gestattet, den Grundstoff aus einem billigen inländischen Metall herzu
stellen. Es ist also anzunehmen und entspricht auch den Tatsachen, daß die Herstellung der galvanischen Ueber
züge durch die Umstellung auf die devisensparenden metalli
schen Werkstoffe an Bedeutung und Umfang zugenommen hat. Bei der Behandlung der Devisenersparnisse auf dem Gebiet der galvanischen Ueberzüge muß man also beson
ders behutsam vorgehen, und dessen sind sich auch alle beteiligten Stellen bewußt.
Es ist oft vorgeschlagen worden, an Stelle des Nickel
überzuges den K adm ium überzug zu benutzen. Es ist klar, daß dieser Vorschlag nur in wenigen Fällen durch
führbar ist. Kadmium ist viel weniger edel als Nickel, und auch als Grundlage für die Verchromung ist es weniger geeignet. Aussichtsreicher ist dahingegen der andere Weg, den die Fortentwicklung der Vernicklungs verfahren in der letzten Zeit gestattet, nämlich die Herstellung von Glanz
nickelüberzügen, die nicht mehr poliert zu werden brauchen, wie das bisher der Fall war. Mit dem Polieren ist immer ein
21) Metallwirtsch. 14 (1935) S. 778/79.
22) T. D. Y ensen: Amer. Inst. Min. Metallurg. Engr., Techn.
Publ. Nr. 185 (1929) S. 16. T. D. Y en sen und N. A. Z ie g le r:
Trans. Amer. Soc. Met. 23 (1935) S. 556/76: vgl. Stahl u. Eisen 55 (1935) S. 1514/15.
23) J. B illite r: Prinzipien der Galvanotechnik (Wien:
Julius Springer 1934).
Metallverlust verbunden. Die Ersparnis an Nickel, die sich auf diese Weise erzielen läßt, kann man wohl auf 50 % schätzen.
Ganz anders liegen die Verhältnisse beim Zinn. Hier bietet die Herstellung elektrolytischer Ueberzüge die Mög
lichkeit von erheblichen Ersparnissen. Die Versuche, Zinn auf Eisen galvanisch niederzuschlagen, sind schon recht alt. Erst in neuerer Zeit ist es jedoch gelungen, genügend dichte und vor allen Dingen genügend glänzende Nieder
schläge zu erzielen. Hierbei wird bei einer Zinnauflage, die etwa die Hälfte bis ein Drittel der durch Tauchen in flüssiges Zinn aufgetragenen Zinnauflage entspricht, bereits eine bessere Korrosionsbeständigkeit erreicht. Ob dieser Weg, die Zinnauflage in ihrer Dicke weiter herabzusetzen, in der Tech
nik wirklich gangbar sein wird, ist jedoch noch nicht klar, wird vor allen Dingen auch vom Anwendungszweck abhän- gen. Es unterliegt nämlich wohl keinem Zweifel, daß bei der nachträglichen Verarbeitung der verzinnten Bleche durch Tiefziehen usw. Verletzungen des Zinnüberzuges herbeige
führt werden, die viel schlimmer sind als die kleinen Fehler frischer Verzinnungen und die mit abnehmender Dicke des Zinnüberzuges wahrscheinlich gefährlicher werden. Diese Frage muß noch untersucht werden.
Die Frage der A lum inium überzüge ist in der letzten Zeit besonders häufig erörtert worden. Die Versuche der Herstellung elektrolytischer Ueberzüge aus Aluminium sind als hoffnungslos zu betrachten. Aus wäßrigen Lösungen läßt sich Aluminium nicht niederschlagen, darum wurde vorgeschlagen, metallorganische Verbindungen in nicht
wäßrigen Lösungen hierfür zu verwenden24). Dieser Weg scheint schon aus dem Grund aussichtslos zu sein, da diese organischen Verbindungen durch Spuren von Feuchtigkeit zersetzt werden. Es ist also nicht recht ersichtlich, wie ein solcher Vorgang in technischem Maßstabe mit erträglichem Kostenaufwand durchgeführt werden könnte. Die Her
stellung der Ueberzüge durch Schmelzflußelektrolyse stößt auf große Schwierigkeiten, solange die Elektrolyse unterhalb des Schmelzpunktes des Aluminiums durchgeführt wird.
Sie ist für Kupferdrähte durchgebildet worden, jedoch ist das Verfahren für Herstellung von Ueberzügen auf Eisen in größerem Umfange viel zu teuer. Beim Arbeiten oberhalb des Schmelzpunktes besteht die Gefahr der Bildung von spröden Eisen-Aluminium-Verbindungen. Hier bestehen aber auch noch andere Schwierigkeiten. Die Salze, aus denen Aluminium niedergeschlagen wird, also Natrium-Aluminium- Fluorid mit darin gelöstem Aluminiumoxyd, sind in Wasser unlöslich. Es ist nicht zu vermeiden, daß sie an den metalli
schen Gegenständen nach der Elektrolyse haftenbleiben.
Ihre Beseitigung, die mit Säuren erfolgen muß, bietet dann die größten Schwierigkeiten, da hier auch das Metall ange
griffen wird. Vor kurzem hörte man in den Tageszeitungen viel von einem Verfahren von C. G. Fink25), bei dem der Eisengegenstand nach einer Vorreinigung in einem geschmol
zenen Salzgemisch in flüssiges Aluminium getaucht wird. Es erscheint heute noch nicht sicher, ob man auf diesem Wege bessere Ergebnisse wird erzielen können als bei den bisherigen Versuchen, in der Schmelze Eisen mit Aluminium zu über
ziehen. Die Gefahr der Bildung von intermetallischen Ver
bindungen wird wohl auch hier bestehen bleiben, so daß zunächst als einzige technisch und wirtschaftlich brauch
bare Möglichkeit der Herstellung von Aluminiumüber
zügen auf Eisen die mechanische Plattierung übrigbleibt, wie sie heute schon ausgeübt wird.
24) D. B. K ey es, S. S w ann, W. K la b u n d e und T. S c h ic k ta n z : Met. Ind., London, 33 (1928) II, S. 606.
25) Vgl. auch Aluminium 17 (1935) S. 483/87.
16-56 62
