Aufgaben der Eisenforschung. Entwicklungslinien des deutschen Eisenhüttenwesens. Die wirtschaftliche und technische Bedeutung der Leichtmetalle und ihre Entwicklungsmöglichkeiten PDF
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ARBEITSGEMEINSCHAFT FOR FORSCHUNG DES LANDES NORDRHEIN·WESTFALEN 4. Sitzung am 18. Oktober 1950 in Dusseldorf ARBEITSGEMEINSCHAFT FnR FORSCHUNG DES LANDES NORDRHEIN·WESTFALEN HEFT 4 SPRINGER F ACHMEDIEN WIESBADEN GMBH ISBN 978-3-663-00411-0 ISBN 978-3-663-02324-1 (eBook) DOI 10.1007/978-3-663-02324-1 Copyright 1951 by Springer Fachmedien Wiesbaden Originally pub1ished by Westdeutscher Verlag 1951 INHALT Prof. Dr. phil. Franz Wever, Dusseldorf Aufgaben der EisenforsdlUng 7 Prof. Dr.-Ing. Hermann Schenck, Aamen/BodlUm Entwicldungslinien des deutsmen Eisenhuttenwesens 15 Prof. Dr.-Ing. habil. Max Haas, Rhein.-Westf. Temnisme Homsmule Aamen Die wirtsmaftlime und temnisme Bedeutung der Leimt metalle und ihre Entwicldungsmoglimkeiten 33 Diskussionsbeitriige von Prof. Dr. Abraham Es~u, Prof. Dr. Robert Schwarz, Prof. Dr. Franz Wever, Prof. Dr.-Ing. Hermann Schenck, Prof. Dr.-Ing. Max Haas 51 Aufgahen der Eisenforschung Professor Dr. phil. Franz Wever, Diisseldorf Die Eisenerzeugung hat sim aus J ahrtausende alten Anfiingen rein hand werksmiiBig entwidtelt, im auffiilligen Gegensatz zu der memismen Industrie, an deren Aufbau die Wissensmaft von Anfang an den stiirksten Anteil genom men hat. Sie hat im Lauf dieser Entwidtlung einen gewaItigen Smatz von Er fahrungen angesammelt, fiir die die zeitgenossismen Naturwissensmaften keine oder nur unvollstiindige Erkliirungen abgeben konnten. Darum ist es verstiind lim, daB die auf ihr Konnen und ihr Wissen stolzen Eisenhiittenleute sehr oft in der Geschichte des Eisenhiittenwesens den Standpunkt eingenommen haben, der Weg der ~ein erfahrungsmiBigen 'Weiterentwidtlung sei der allein fiir sie mog lime und gangbare, und es ist bezeimnend, daB gerade unter den Eisenhiitten leuten mit groBem Erfolg die Auffassung vertreten werden konnte, eine stati stisme ErsmlieBung sorgfiiltig gesammelter und ausgewerteter Betriebsauf smreibungen sei in vielen Fillen ein smnellerer und simerer Weg zur Erklirung von Vorkommnissen und Beobamtungen der Praxis als ihre Erforsmung mit den Methoden der experimentellen exakten Naturwissensch.aften im Laboratoriums versuch.. Des sen ungeach.tet hat sim heute die Erkenntnis von der Notwendigkeit einer systematisch. betriebenen Eisenforsch.ung auf der ganzen Linie durch.gesetzt. Aus dieser Erkenntnis heraus hat der Verein Deutsmer Eisenhiittenleute, auEbauend auf dem GemeiIJsmaftssinn, der die deutsch.e Eisen sch.affende Industrie von jeher auszeiclmete, und sim stiitzend auf weitsmauende Minner, wie Friedrim Springorum, Albert Vogler, Krupp v. Bohlen und Halbam, Otto Petersen, im Jahre 1917 ein eigenes Eisenforsch.ungsinstitut gegriindet. Es zeugt weiter fiir diesen Gemeinsmaftssinn, daB die deutsch.e Eisenindustrie seit dies em Jahre durm aIle Sch.wankungen der Wirtsch.aft hindurch. die Mittel fiir das Institut in beamtlich.er GroBziigigkeit aufgebracht hat, bis der Ausgang des zweiten Welt krieges ihr das unmoglich. mamte. Dieses Institut hat von Anfang an auf gemein niitziger Grundlage gearbeitet, seine wissensmaftlime Unabhiingigkeit war durch. Eingliederung in die Kaiser-Wilheim-Gesellsmaft zur Forderung der Wissen sch.aften besonders unterstrimen und gesich.ert. Die Aufwendungen fiir das Eisenforsch.ungsinstitut ais gemeinniitzige For smungseinrichtung der gesamten Eisen sch.affenden Industrie mach.ten jedoch immer nur einen kleinen Teil der Ausgaben aus, die die Industrie, abgesehen von ihren Iaufenden namhaften Betrigen fiir die Forderung der Forsmung an den Hoch.ach.ulen, in ihren eigenen groBeren und kleineren Forsch.ungsinstituten, 8 Franz Wever Verlumsanstaiten und Laboratorien fUr die weitere Entwiddung und zugleim aum fUr die Forderung der wissensmaftlimell Erkenntnis aufbramte. Damit war die Eisenfor8mung in Deutllmland auf breitester Grundlage und in gliidc. limer Arbeitllteilung gesimert, von der vorwiegend auf die Grundlagen gerimte. teD Forsmung der Homllmulinlltitute Uher die ZwismenstelluDg des Eisenfor· smungsinstituts und der Forsmung8institute der Konzerne und Werke bis hin zu den Versumsanstaiten und Laboratorien der Werke, die vorwiegend den Aufgaben dienten, die der Betrieb tiglim stellt. Von dieser stolzen deutsmen Eisenforsmung ist Dam dem Kriege nur Dom ein besmeidener Rest Uhrig geblieben. Die Forsmungseinrimtungen der groBen KODzerne sind vollatindig zersmlagen oder werden nur nom in stark vermin dertem Utnfang weitergefiihrt. Die Werksversud18anstalten sind zum groBen Teil smwet mitgenommen, 80 daB sie, wenn iiberhaupt, nur nom eingesdlrinkt arbeiten konnen. So ruht heute ein wesentlim. groBerer Teil der Verantwortung fiir die Fortfuhrung der FOrlmung auf den Homsmulen und dem Eisenfor Im.ungsinatitut. 'Ober die groBen Sm.wierigkeiten, unter denen die Hom.smul· institute nam dem Kriege ihre Forsmung weiterzufiihren versumen, ilt in die· 8em Kreise smon wiederholt gesprom.en worden, es soil jedom aum in diesem ZUlarnmenhang nom einmal ausdriidclim auf die Notwendigkeit einer gaM we.entlichenVerltarkung der For.c/wng an den Hom.chulen hingewiesen wer· den. Das Eisenforsmungsinltitut kann fur seine Arbeit vorliiufig nur eine stark vermiuderte Laboratoriumleinrimtung in einem immer nom nimt wieder voll· stindig hergestellten, dazu nom in erheblimem Umfang von fremden Stellen eingenommenen Gebiude einsetzen. An dieser Stelle soli nimt unterlalsen werden zu erwilinen, daB die deutsme Eisen smaffende Industrie den Wieder· auEbau des Instituts nam dem Kriege in der groBziigigsten Weise und unter Zuriidcstellung vielfamer anderer Anforderungen unterstiitzt hat. Ebenso muB aum hervorgehoben werden, daB die Max·Planck·Gesellsmaft als Remtsnam· folgerin der Kaiser· Wilhelm·Gesellsmaft aus den ihr von den Liindern zur Ver fiigung gestellten Mitteln namhafte Betriige fUr den WiederauEbau und den laufenden Betrieb des Instituts beisteuert. E. kann aber keiner}ei Zweifel unter· liegen, daB die heute filr die deutsche Eisenforschung zur Verfilgung .tehenden Mittel weit hinter den Erfordernissen zurilckstehen. die sich aus dem Nachhol· bedarf in Deutschland einerseits und dem stilrmischen Fortschreiten der For. schung in den anderen Landem und besonder. in Amerika anderer.eits zwang.· laufig ergeben. Die groBe Mannigfaltigkeit der heutigen Eiilenforsmung mamt es ganz unmog· lim, in dem gegebenen Rahmen ein aum nur einigermaBen voll8tindiges Bild von ihrem Umfang und ihrer Bedeutung zu geben. Daher soil hier nur ver· 8umt werden, anband einiger ausgewiihlter Beispiele einen Eindrudc davon zu vermitteln, welmes die Problemstellungen und die zu ibrer Losung entwidcelten Arbeitsweisen der beutigen Eisenforsmung sind. Die metallurgische Aufgabe der Ersmmelzung des Eisens aus seinen Erzen im Homofen erbiIt ibr besonderes Gepriige durm die memisme Eigensmaft del Eisens, nur bei boben Temperaturen und durm starke ReduktiolismitteI, wie Aufgaben der EisenforsdlUng 9 Kohlenstoff, von dem Erzsauerstoff befreit zu werden. Dabei sind die Gehalte des gebildeten Roheisens an erwiinschten und an schiidlichen Begleitelementen wesentlich von der Temperatur und der Zusammensetzung der Schlal:ke abhiin gig, die sich aus der Gangart des Erzes und den Zuschliigen bildet. Ebenso laufen auch die verschiedenen Verfahren der Stahlerzeugung im Siemens-Martino fen und in der Thomasbirne auf Reaktionen zwischen Eisenschmelzen und fliissigen Schlal:ken hinaus. Art und Fiihrung dieser Reaktionen sind bestimmend fiir den erzielten Reinheitsgrad und damit zugleich auch fiir die Gebrauwseigenschaften der erzeugten metallischen Werksloffe. Das Studium der Metall·Schlal:kenreak tionen steht daher seit jeher im Mittelpunkt der Eisenforschung. Es ist seit Einfiihrung der analytischen Chemie in das Hiittenwesen im Grunde klar, daB die Umsetzungen zwischen Metall und Schlal:ke gesetzmiiBig ablaufen, und es hat daher seit dieser Zeit nicht an Bemiihungen gefehlt, diese Gesetze aufzudel:ken. Die groBen Schwierigkeiten der Erzeugung der notwendigen hohen Temperaturen von 16000 und dariiber und deren Messung im Laboratoriums versuch, die Schwierigkeiten der analytischen Bestimmung sehr kleiner Bei mengungen in der GroBenordnung von Tausendsteln Prozent standen jedoch einer Inangriffnahme dieser Aufgabe auf breiterer Grundlage lange Zeit hin dernd im Weg. So ist es zu verstehen, daB die umwiilzenden Erfindungen von Bessemer, Thomas, Siemens-Martin, durch die der heutige Stand der Eisenhiitten technik begriindet wurde, im wesentlichen ohne wissenschaftliche Grundlagen im heutigen Sinne aus mehr gefiihlsmiiBigem Probieren zustande gekommen sind_ Erst sehr viel spiiter, als mit dem Platin/Platin-Rhodium.Thermoelement von Henry Le Chatelier ein Instrument zur Messung hoher Temperaturen geschaffen war, setzten die systematische, physikalism-chemische Untersuchung der Reduk tionsvorgiinge im festen Zustand und die Untersuchungen von Metall·Schlacken. reaktionen durch R. Schenl:k ein. Ihnen schlossen sich dann in schneller Folge Arbeiten von J. Herty, P. Oberhoffer und H. Schenck, F. Korber und W. Oelsen an. Der entscheidende Schritt gelang Mitte der dreiBiger Jahre F. Korber und W. Oelsen, als sie in einem Tiegel aus Quarzsand Metall und Schlacke von vor gegebener Zusammensetzung bei gegebener Temperatur solange erhitzen, bis sich das Gleichgewicht mit der im OberschuB vorhandenen fest en Kieselsiiure eingestellt hatte. Durch eine Analyse von Metall und Schlal:ke nach dem Er starren konnte so die der betreffenden Temperatur entsprechende Zusammen setzung ermittelt werden. Auf diese Weise wurden durch zahllose Versuche die Gleichgewichte fiir die metallurgisch wichtigen Umsetzungen auf saurem Futtel', bei denen feste Kieselsiiure im OberschuB vorhanden ist, bestimmt, damit die Erfahrungen der Praxis in ihrem Wesen gekliirt und die Voraussetzungen fiir eine systematische Fiihrung und Weiterentwicklung dieser Prozesse geschaffen_ Gleichzeitig war damit aber auch nachgewiesen, und das ist grundsiitzlich noch wichtiger, daB die Umsetzungen zwischen Metall und Schlacke bei hohen Tempe raturen sehr hiiufig denselben GesetzmiiBigkeiten gehorchen, wie die verdiinnten wiisserigen Losungell bei Raumtemperatur, dem Massenwirkungsgesetz und dem Nernst'schen Verteilungssatz, und damit der Berechnung aus thermodynamischen Grundwerten in der gleichen Weise zugiinglich sind wie diese. 10 Franz Wever Nam den Arbeiten von Korber, Oelsen und anderen iiber die Metall·Smladten· gleimgewimte der sauren ScDm!llzverfahren bleibt als vordringlime Aufgabe die Untersumung der basismen Gleimgewimte, die den heute an erster Stelle stehenden temnismen Verfahren im basis men Siemens·Martinofen und in der Thomasbirne zugrundeHegen. Hier ist die Forsmung nom erheblim zuriidt, weiI es bisher nimt gelungen ist, die Arbeitsweise von Korber und Oelsen einwand· frei auf basisme Vorgiinge zu iibertragen. Eine andere, ebenso dringlime Auf· gabe folgt aus derErkenntnis, daB weite Bereime der Metall·Smladtenreaktionen nimt nam einfamen physikalism.memismen Gesetzen ablaufen, und daB bei ihnen Vorgiinge der Dissoziation oder der Verbindungsbildung eine Rolle spie· len, die wir nom nimt iibersehen. 1m Ausland werden diese Fragen heute mit groBem . Aufwand bearbeitet; es wiire dringend erwiinsmt, daB die bewahrte deutsme.metallurgisme Forsmung wieder in den Stand gesetzt wiirde, sim dieser Aufgaben mit dem ihnen gebiihrenden Namdrudt anzunehmen. Ein ganz aoderer Weg zur Aufkliirung der Umsetzungen zwismen Metall uDd Smlaeken eroffnet aim aus der Untersumung der im Stahl vorhandenen nimt· metallismen Einsmliisse. Diese in jedem Stahl vorhandenen Beimengungen sind teils Reste der Smlaeken; mit denen der Stahl vor dem VergieBen im· Gleim· gewimt stand, teils aber aum Oxyde, die sim erst wiihrend d~r Abkiihlung «lurm Reaktionen des im Stahl vorhandenen Sauerstoffs mit den leimter oxydierbaren metalliemen B~imengungen, M~ngan, SiIizium und Aluminium, gebiIdet haben. Diese ihrer Menge Dam nur versmwindend geringen Beimengungen konnen der Analyse durm eine elektrolytisme Isolierung zugiinglim gemamt werden. Fiir die Analyse selbst sind mikromemisme Verfahren von hoher Genauigkeit auf spektralanalytism.er Grundlage entwiekelt worden. Fiir die Untersumung der GeBtaltund des KristalIaufhaus der isolierten Einsmliisse wurden mit groBem Erfolg elektronenmikroekopisme und rontgenographisme Verfahren angesetzt. Aus dem wei ten Forsmungsgebiet der mechanischen Eigenschaften meta1lismer Werkstoffe seien hier die Arbeiten zur Erklarung der Ermiidung genannt. Wir verstehen darunter die Ersmeinung, daB die Metalle wemselnde Belastungen, z.B. abwemselnde Zug. und Drudtbelastungen, aum wenn sie vollstiindig im Bereim der elastismen Formiinderungen verlaufen, nur in einer begrenzten An· zahl von Wemseln zu ertragen vermogen. Was gesmieht bei dieser Art von Be· ansprumung im MetalI? Sind dom elastisme Formiinderungen im Sinne der physikaHsmen Begriffsbestimmung reversible V organge, die beliebig oft ertragen werden miiBtE!n, ohne daB eine Veriinderung in dem Metall eintritt. ZweifelI08 sind diese Veriinderungen· bei der Ermiidung aum gar nimt so sehr groB und von ganz besonderer Art, denn wenn wir z. B. einen Stab aus Stahl. der in einer fiir diesen Zweek entwidc:elten Priifmasmine einer Wemselbelastung von solmer Rohe unterworfen war, daB er bei 10 Millionen Smwingungen gebromen ware, kurz vor dem Brum, etwa bei 9 Millionen Lastwemseln ausbauen, so unter· smeidet er sim in keiner einzigen physikalismen Eigensmaft wesentlim von einem Stab aus dem gleimen Stahl, der iiberhaupt nom nimt belastet wurde. Bauen wir diese beiden Stiibe aber nameinander in die Priifmasmine ein, 80 brimt der erstere Dam 1 Million, der zweite aber erst Dam 10 Millionen Last· Aufgahen der Eisenforschung 11 wechseln; sie unterscheiden sich also sehr deutlich in einer der wichtigsten tech nologischen Eigenschaften. Wir besitzen heute, auBer dem Versuch in der Schwingungspriifmaschine selbst, kein sicheres Verfahren, den Ermiidungszustand eines Metalles festzustellen und so eine Aussage iiber den Zeitpunkt des Bruches bei weiterer gleichbleibender Beanspruchung zu Machen. Es ist versucht worden, mit Hilfe von Rontgenverfahren Licht in die Vorgiinge zu bringen, die sich bei der Ermiidung im Kristallaufbau der Metalle abspielen. Bei der Bestrahlung mit monoduomatischem Rontgenlicht wirken die Atom ebenen der das Metall aufbauenden Kristallite als Spiegel fUr das Rontgenlicht, sofem die Bragg'sche Reflexionsbedingung erfiillt is~; das ist bei feinkornigen Metallen immer fUr eine ausreichend groBe Anzahl von Kristalliten der Fall. Die Scharfe der so erhaltenen Spiegelbilder liefert ein MaB fUr die Giite der reflektierenden Kristallebenen, das ungemein empfindlich auf jede Veranderung des Kristallzustandes anspricht. Auf diese Weise gelang es zu zeigen, daB schon in einem sorgfaltig gegliihten Stahlstab neben Kristalliten mit ungestortem Gitteraufbau, die scharfe Spiegelbilder Hefem, aum einzelne weniger gute Kristallite vorhanden sind, die unscharfe Reflexe geben. Verfolgt man diese Re flexe wiihrend einer Wechselbeanspruchung, so beobachtet man schon bei Be lastungen unterhalb der Ermiidungsgrenze, daB einzelne. plotzlim unscharf wer den. Das bedeutet aber, daB in einzelnen Kristallen plOtz lim Gitterstorungen auftreten konnen, ohne daB dadurm die Festigkeit vermindert wird; den schiidi genden Auswirkungen der Gitterstorungen miissen also ausheilende Vorgange entgegenwirken. Erhoht man die Belastung iiber die Wechselfestigkeit hinaus, so werden sehr viel mehr Reflexe unscharf, die Gitterstorungen erfassen jetzt sehr viel mehr Kristallite, und die schadigenden Wirkungen iiberwiegen die ausheilenden, bis es schlieBlich zum Brum kommt. Mit der Deutung dieser Vor gange aus dem Kristallbau ist die Metallphysik zur Zeit lebhaft beschiiftigt. Es kann heute schon iibersehell werden, daB damit nicht allein theoretisch interes sante, sondern gleichzeitig aum praktisch hochst wichtigel Erkenntnisse an gebahnt sind. Einen breiten Raum nimmt in der Eisenforschung wie in der Metallforsmung allgemein die Untersuchung der Konstitution ein. Man versteht darunter die Bestimmung der Kristallarten, die eine Legierung aufbauen und ihre Verande rung en mit der Temperatur und der Zusammensetzung, als Grundlage fiir eine systematische ErkIarung der Eigenschaften und deren Abhiingigkeit von Tempe. ratur und Zusammensetzung. Die wichtigsten Hilfsmittel der Konstitutionsfor smung sind die thermische Analyse und das Metallmikroskop; daneben gewinnt die Kristallstrukturanalyse mit Rontgenstrahlen und das Elektronenmikroskop in neuerer Zeit immer mehr an Bedeutung. Die Konstitution der Legierungen, in den en das Eisen als das iiberwiegende Element auf tritt, die Stahle, erhalten ihr besonderes Gepriige durch die Tatsame, daB das Eisen selbst je nach der Temperatur verschiedene Kristallformen zu biIden vermag und daB sich diese Kristallformen dem praktisch in allen tech nischen Eisenlegierungen vorhandenen wimtigsten Legierungselement, dem Kohleustoff cegeuiiber sehr versmieden verhalten. Als Beispiel fiir eiDe 12 Franz Wever thermiacDe Analyae zeigt Bild 1 die Abkiihlungskurve des reinen Eisens aus dem Ichmelzfliia8igeD Zustand bis auf etwa 600°, die mit Hilfe eines Platin-Platin rhodium-Thermoelementes aufgenommen wurde_ Man erkennt auBer einem 'e sehr deutlimen Haltepunkt bei 1:: f51l 1526 0, der die Erstarrung aD- t. \00- , zeigt, nom zwei smwachere ~v \ Unstetigkeiten bei 1401 und - - 906 ° und einen nimt sehr aus 'w gepriigten Knick bei 768°. Bei \ 1401 ° wandelt sim das bei der 1[. W Erstarrung gebildete c)-Eisen \ in das y-Eisen um, und bei 906 ° :.?a7 geht dieses y-Eisen in das 1\ a-Eisen iiber; der Knick bei \ 768° gibt den Curiepunkt an, 11 1l1l , bei dem das Eisen aus dem ~ paramagnetismen in den ferro b'1lIl 1\ magnetismen Zustand iiber geht. Bei der weiteren Abkiih .91l1l ~ lung tritt keine Veriinderung 1'\ mehr ein. Man hat sim lange &Ill I' Zeit erbittert tiber die Natur dieser Umwandlungspunkte ge JOI! c-.... stritten, ohne deren Wesen 't-.. r-- naher zu kommen. Erst die dill! - Strukturanalyse hat gezeigt, daB sim bei 14010 eine ku Bild 1: Abkiihlungskurve des Eisen8. bism-raumzentrierte C)-Modifi katioD iD eine kubism dimt gepackte, fliimenzentrierte y-Modifikation um wandelt, die ibrerseits bei 9060 wieder in eine kubism-raumzentrierte a·Kristallform iibergeht. Dagegen ist der Verlust der Magnetisierbarkeit bei 768 nimt mit einer Anderung des Kristallbaues verbunden. BUd 4 0 zeigt die entsprechenden Raumgittermodelle. Damit war zugleim eine eiDleuchtende Erklarung fiir das unterschiedliche Verhalten der Eisenmodifi kationen .dem Kohlenstoff gegeniiher auf atomistischer Grundlage gegeben. Das Kohlenstoffatom ist soviel kleiner als das Eisenatom, daB es nimt die Stelle eines Eisenatoms im Kristallgitter des Eisens einnehmen kann. 1m Raumgitter dea a· und dea C)·Eiaena sind aher Zwiamenriiume von ausreichender GroBe zur Aufnahme eines Kohlenstoffatoms nim"t vorhanden; so ist es zu verstehen, daB dieae Eiaenmodifikaionen kein Loaungsvermogen fUr den Kohlenstoff hesitzen. Dagegen hat das Gitter des r-Eiscns so groBe Zwismenriiume, z. B. in der Wiirfel· mitte, da8 dort ein Kohlenstoffatom Platz finden kann; das y-Eisen lost den Kohlenstoff nach Art eines Einlagerungsmismkristalles. Das Verhalten des Eisens in seinen Legierungen mit anderen Metallen wird ehenso wie in den Eisen-Kohlenstofflegierungen wesentlich durch seinen Poly morphiamul bestimmt. Ea konnte gezeigt werden, da8 die Legierungsmetalle in
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