WAS IST STAHL? WAS IST STAHL? EINE STAHLKUNDE FOR JEDERMANN VON LEOPOLD SCHEER ELFTE ERWEITERTE AUFLAGE MIT 49 AHBILDUNGEN UND EINER TAFEL SPRINGER-VERLAG BERLIN HEIDELBERG GMBH DAS BUCH WURDE BISHER INS ENGLISCHE, TORKISCHE UND PORTUGIESISCHE OBERSETZT ISBN 978-3-642-53033-3 ISBN 978-3-642-53032-6 (eBook) DOI 10.1007/978-3-642-53032-6 ALLE RECHTE, INSBESONDERE DAS DER UBERSETZUNG IN FREMDE SPRACHEN, VORBEHALTEN. OHNE AUSDRVCKLICHE GENEHMIGUNG DES VERLAGES 18T ES AueR NICHT GESTATTET, DIESES BueR ODER TEILE DARAUS AUF PHOTOMECHANISCHEM WEGE (PHOTOKOPIE, MIKROKOPIE) ZU VERVIELFALTIGEN. @ B Y SPRINGER-VERLAG BERLIN HEIDELBERG 1958 URSPRONGLICHERSCHIENENBEI SPRINGER-VERLAG OHG., BERLIN! GăTTINGEN I HEIDELBERG 1958 Aus dem Vorwort zur ersten Auflage. N eben einem ins Riesenhafte angewachsenen fachwissenschaft lichen Schrifttum auf dem Gebiete des Stahles sind nur wenige beIeh rende Biicher erschienen, die das ZieI verfolgen, den groBen Kreis der an "Stahl und Eisen" interessierten Laien, vor allem auch den Kreis der Stahlverkăufer und der Einkăufer iiber das Wesen des Stahles allgemeinverstăndlich zu unterrichten. Geschrieben wurden auch diese Lehrbiicher von Fachleuten, die gemeiniglich allein fiir berufen befunden wurden, auf ihrem Gebiete AufschluB zu geben. Diese Ansicht ist nicht ganz richtig. Der Fachmann ist zu sehr auf seinesgleichen eingestellt; oft ist er in seinen technischen Gedanken găngen so befangen, daB er sich nicht bewuBt wird, was von den technischen Dingen noch zum "Allgemeinwissen" gehort und was schon zu den "Sonderkenntnissen" zu rechnen ist; er setzt bei seinen nichttechnischen Lesern hăufig zu vieI voraus. Solche Lehrbiicher haben meistens auch nicht ihren Zweck erfiillt. Der willige Leser legt sie oft sehr bald ermiidet aus der Hand und gibt dann sein "Studium" iiberhaupt auf. Ein auch nur oberflăchliches Eindringen in das Wesen des Stahles ist dem Nichtfachmann im allgemeinen ver sagt geblieben. Man frage einmal einen Iăngere J ah re im Stahlfach "selbstăndig" arbeitenden Verkăufer nach den einfachsten Begriffen, die ihm bei seiner Arbeit tăglich in die Quere kommen, und man wird sich davon iiberzeugen, daB ihm jede brauchbare Vorstellung fehlt. Von zehn Stahlverkăufern werden keine zwei auch nur den Unterschied zwischen Normalgliihen und Weichgliihen angeben konnen, wăhrend der jiingste Autoverkăufer bis ins kleinste iiber die technischen Einzelheiten seiner Wagen Bescheid weiB. Der Verfasser des vorliegenden Buches ist Kaufmann, also Nicht fachmann. Er hat sich in langen Jahren durch einen Berg von Fach literatur durchgearbeitet und kennt aus eigener Erfahrung die Schwierigkeiten, die sich dem technisch nicht Vorgebildeten auf diesem interessanten Gebiete entgegenstellen. Er bemiiht sich in dieser Schrift, in leicht verstăndlicher Form und in gedrăngtem, aber aus reichendem MaBe einen Begriff vom Wesen des Stahles zu geben. Die Arbeit kann und sol1 nicht mit der eingangs erwăhnten fach- VI Vorwort zur elften Auflage. wissenschaftlichen Literatur in Wettbewerb treten, sie wendet sich an einen ganz anderen Leserkreis. Das Buch ist hin Nachschlagewerk, das in der Schreibtischlade liegen und zu gelegentlicher Beratung hervorgeholt werden soll. Es ist eine "Einfilhrung" und muB Seite filr Seite gewissenhaft durch gearbeitet werden. Jeder einzelne Abschnitt ist zum Verstăndnis der weiteren Ausfilhrungen notwendig, weshalb auch cler "Vorgeschrit tene" nichts ilberschlagen soJl. D il s s el d o rf, im Februar 1937. Der Verfasser. V orwort zur elften Auflage. In dieser neuen Auflage sind Einteilung und lnhalt dieser "Klei nen Stahlkunde" im wesentlichen unverăndert geblieben. Nur Ab schnitt 9 hat eine N eufassung und - in Anlehnung an die einschlă­ gigen DIN-Normen - eine nicht unbeachtliche Erweiterung erfahren. Vor allem wird jetzt auch auf die Massenstăhle sowie auf die un legierten Vergiltungs- und Einsatzstăhle năher eingegangen. Die Vorarbeiten filr diesen Abschnitt, der jetzt den Namen "Die unlegierten Stăhle" filhrt, wurden von Herrn Dipl.-Ing. Friedrich Ulm geleistet, dem der Verfasser auch an dieser Stelle seinen be sonderen Dank ausspricht. Ebenso gebilhrt Herrn Direktor Dr.-Ing. Hans P o Il a c k Dank filr wertvolle Hinweise. Diisseldorf, im Juai 1958. Der V erfasser. Inhaltsverzeichnis. Seite 1. Einleitung ........................................ . 2. Der Kohlenstoff ................................... 1 3. Kleiner, unbeschwerter Ausflug in die Atomphysik .. , 3 4. Das Raumgitter des Eisens .......................... 4 5. Die Verteilung des Kohlenstoffs im Stahl ........... 6 6. Das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm .................. 7 7. Die Warmebehandlung (Nutzanwendung d. Diagramms) 15 A. Das Gliihen der Stahle .......................... 16 a) Weichgliihen (auf karnigen Zementit gliihen) .,. 16 b) Normalgliihen (Normalisieren) ................ 16 c) Spannungsfreigliihen ......................... 17 B. Das Harten der Stahle ........................... 17 a) Umwandlungshartung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 18 Das Anlassen der geharteten Stahle .......... 20 Abarten der Umwandlungshartung ............ 21 a) Warmbadhartung (Thermalhartung, Stufen- hartung) .................................. 21 (3) Die Einsatzhartung ........................ 22 Y) Die artliche Oberflachenhartung ....... . . . .. 24 b) Die KaIthartung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 25 c) Die Ausscheidungshartung (Aushartung) ...... 26 C. Das Vergiiten der Stahle .................... . . . .. 27 8. Die Legierungen des Stahles ........................ 28 A. Allgemeines .................................... 28 B. Einteilung der Grundstoffe nach ihren Wirkungen 31 a) Grundstoffe, die das Gamma-Gebiet erweitern 31 b) Grundstoffe, die das Gamma-Gebiet verengen .. 31 C. Einteilung der Stahle nach ihrem Gefiige ......... 32 9. Die unlegierten Stahle ............................. 33 A. Allgemeine Baustahle (Massenstahle) ............ 34 B. Unlegierte Vergiitungs- und Einsatzstahle ........ 35 C. Unlegierte Werkzeugstahle ...................... 47 VIII Inhaltsverzeichnis. Seite 10. Manganstăhle ...................................... 50 11. Nickelstăhle .... .................................. 52 12. Chromstăhle ....................................... 53 13. Chrom-Nickelstăhle ................................ 58 14. Chrom·Manganstăhle .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 59 15. Siliziumstăhle ...................................... 60 16. Kobaltstăhle ....................................... 61 17. Wolframstăhle ..................................... 62 18. Molybdănstăhle .................................... 64 19. Vanadinstăhle ...................................... 65 20. Aluminium im Stahl ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 66 21. Kupfer im Stahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 67 22. Der Stickstoff ...................................... 67 23. Der Sauerstoff ..................................... 69 24. Der Schwefel ...................................... 69 25. Der Phosphor .................................... 70 26. Andere Grundstoffe im Stahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 70 27. Rost-, săure- und hitzebestăndige Stăhle ............. 70 28. Warmfeste und hochwarmfeste Stăhle ... . . . . . . . . . . . .. 79 29. Die Schnellarbeitsstăhle ............................. 85 30. Die Schneidmetalle ................................ 90 a) Die Stellite ..................................... 91 b) Die Hartmetalle ................................. 92 31. Priifung der Stăhle ................................. 93 32. Ober die Erzeugung von Eisen und Stahl ............ 101 33. SchluBwort ........................................ 110 Namen- und Sachverzeichnis ............................ 113 Bildanhang ............................................ 119 Tafe! (am SchluB des Buches) 1. Einleitung. Ais Sta h 1 bezeimnet man heute alle Eisenlegierungen - mit Aus nahme von GrauguB und HartguB - ohne Riicksimt auf ihre Eigen smaften. Friiher wurde als wesentlimes Merkmal des Stahles die Hartbarkeit angesehen. Es gibt aber eine ganze Reihe von Stahlen. die sim nimt harten lassen, die durm das Absmrecken aus hohen Temperaturen im Gegenteil sogar weimer, zaher werden. E d e 1 sta h 1 e werden vielfam solme Stahle genannt, die auBer mit Kohlenstoff aum nom mit anderen Grundstoffen, z. B. mit Chrom, Nickel, Wolfram, Vanadin usw. legiert sind. Diese Be griffsbestimmung ist jedom nimt ersmopfend und aum anfemtbar. Denn man wird einen reinen Kohlenstoffstahl, der sorgfaltig erzeugt und auf dem ganzen Wege der Herstellung - vom GuB bis zum Versand - immer wieder gewissenhaft gepriift worden ist, zweifel los auch zu den Edelstahlen rechnen miissen. Andererseits enthalten manchmal Massenstahle - aum als unbeabsimtigte Verunreini gungen - gewisse Mengen von Legierungselementen. Das Rimtige wird man treffen, wenn man die bei den groBen Hiittenwerken in groBen Mengen erzeugten billigen Stahle als Massenstahle bezeimnet, die von einem Edelstahlwerk mit Sorgfalt und unter smarfster Kontrolle hergestellten Stahle dagegen als Edelstahle. Die billigen Massenstahle werden meistens nam Festigkeit ver kauft, die Edelstahle dagegen nam dem Verwendungszweck und unter einer Markenbezeimnung. Reines Eisen wird entweder auf elektrismem Wege (Elektrolyse) oder nam einem Sondersmmelzverfahren erzeugt· Am bekanntesten ist das Armco-Eisen (Abkiirzung fiir American Rolling Mill Com pany), das einen Reinheitsgrad von etwa 99,8 % besitzt. 2. Der Kohlenstoff. Das wimtigste Legierungselement im Stahl ist der Kohlenstoff (memismes Zeimen: C). Die Bedeutung dieses Grundstoffes wird klar, wenn man erfahrt, daB die iiblimen Werkzeugstahle in den gewohnten Hartestufen "weim", "zah" , "mittelhart" und "hart" Sd1eer. SlahI. 11. Aufl. 2 Der Kohlenstoff. Kohlenstoffgehalte von 0,65 bis 1,50 % haben, daB also diese groBen Verschiedenheiten in der Hiirte innerhalb einer Spanne von nur etwa 0,8 % Kohlenstoff erscheinen. Nun darf man sich die Sache aber nicht etwa so vorstellen, daB sich der Kohlenstoff als solcher tiber die ganze Eisenmasse gleich miiBig verteilt vornndet. Es wird tiberraschen, daB sich im Stahl - wenigstens in den meisten der hier zu besprechenden Fiille - iiber haupt kein Kohlenstoff im eigentlichen Sinne, d. h. in elementarer Form, findet. Je clermann wird sich von der Schule her erinnern, daB bei einer chemischen Verbindung z\\<eier oder mehrerer Grundstoffe ein vollig neuer Stoff mit ganz anderen Eigenschaften entsteht, der mit den urspriinglichen Grundstoffen aber auch nichts mehr gemein hat. So ist z. B. W'asserstoff (chemisches Zeichen: H) ein leicht brennbares Gas, mit dem man wegen seines gering:m spezinschen Gewichtes Luftballone ftillt. Sauerstoff (chemisches Zeichen: O) ist ein Gas, ohne das es kein Feuer gibt, ja das Verbrennen ist iiberhaupt nichts anderes als ein fortlaufendes Entstehen einer chemischen Verbindung des Sauerstoffes mit dem betreffenden brennbaren Stoff. Vereinigt sich nun Sauerstoff mit W'asserstoff zu einer solchen chemischen Verbindung, dann entsteht - Wasser (H 0). Mit Wasser kann 2 man natiirlich keine Luftballone mehr fiiIlen, man kann sie aber damit loschen, wenn sie Feuer gefangen haben, denn der neue Stoff ist ja selbst unverbrennbar. Dieses einfache Beispiel solI nur in Erinnerung bringen, wie g r u n d 1 e gen d die Eigenschaften zweier Elemente veriindert werden, wenn sie sich zu einer chemi schen Verbindung, also zu einem neuen (zusammengesetzten) Stoff vereinigen. Genauso verhiilt es sich mit dem Kohlenstoff (C) im Stahl. Auch er ist nicht einfach mit dem Eisen (Fe) gemischt, sondern diese beiden Elemente Kohlenstoff und Eisen sind eine chemische Ver binclung eingegangen und haben einen ganz neuen Stoff mit ganz anderen Eigenschaften gebildet, niimlich das Eisenkarbid, auch Zementit genannt, das die chemische Formel Fe3C hat. Diese Formel besagt, daB an drr Verbindung immer im gleichen Verhiiltnis 3 Teile Eisen (Fe) und 1 Teil Kohlenstoff (C) beteiligt sind. In den meisten der fiir uns wichtigen Fiille ist es nun nicht der freie Kohlenstoff, sondern das Eisenkarbid, das im Stahl verteilt ist. Dennoch wird aber bei der Angabe der Zusammensetzung eines Kleiner, unbeschwerter Ausflug in die Atomphysik. 3 Stahles nicht der Gehalt an diesem neuen Stoff, dem Eisenkarbid, angefiihrt, sondern der entspremende Gehalt an Kohlenstoff, der das Karbid bildet. Wăhrend das reine Eisen weich und bildsam - fast wie Kupfer - ist, zeichnet sich das Eisenkarbid durch groBe Hărte und Sprodig keit aus. Es ist daher zu erwarten und trifft auch zu, daB ein Stahl um so hărter ist, je mehr von diesem harten Karbid in die Masse des reinen Eisens verteilt ist. Die Verteilung des vorhandenen Eisenkarbids ist nicht regellos und zufăllig, sondern unterliegt strenger GesetzmăBigkeit, wie wir noch sehen werden. 3. Kleiner, unbeschwerter Ausflug in die Atomphysik. Wollen wir die spăter zu besprechenden Vorgănge und Verănde­ rungen im Stahl Iichtig verstehen, dann miissen wir uns zuerst ein mal mit der Frage beschăftigen, wIe eigentlich die Materie auf gebaut ist. Wie jeder weiB, sind die Stoffe aus Atomen zusammengesetzt. Die Natur baut aber nach anderen Grundsătzen und in anderen Formen als unsere biederen Maurermeister. Der Unterschied beginnt schon bei cler Gestalt der Bausteine: Die Atome sind nicht ziegel- oder quaderformig, sondern haben nach unserer Vorstellung Kugelgestalt. Ziegelsteine lassen sich ohne Zwischenrăume schon aneinander schichten, viele Abwechslungsmoglichkeiten in cler Anordnung sind dabei jedoch n.icht gegeben. Es wird einfach Ziegel an Ziegel gereiht und Stein 'auf Stein gesetzt. Das Ergebnis ist der sta r r e Mauer korper. Kugelige Bausteine, wie WiT uns die Atome vorstellen, konnen dagegen auch bei ganz regelmăBiger Anordnung die verschiedensten Stellungen zueinander einnehmen. Ein Beispiel ist in Abb. 11 (s. Bildanhang) dargestellt. Die Natur macht von diesen Moglich keiten beim Bauen mit den Atomkugeln ausgiebig Gebrauch: j e d e r S t o ff h a t e i n e n a n d ere n A tom a u f bau. Mit Hilfe der Rontgenstrahlen kann man ihn ohne Schwierigkeiten studieren 1 Von Herrn Prof. W e v e r, Eisenforschungsinstitut, Diisseldorf, freund lichst zur Verfiigung gestellt.