Stahl [1]

Stahl, 1) (gr. Chalybs), Verbindung des reinen Eisens mit ²/₃ bis 2 Procent Kohlenstoff, so daß er in Bezug auf den Kohlenstoffgehalt zwischen Gußeisen u. Schmiedeisen innesteht. I. Die Eigenschaften des S-s. Er ist fast so leicht schmelzbar (bei 150° Wedgwood), wie das Gußeisen u. fast so leicht schmied- u. schweißbar wie das Schmiedeisen. Das Schweißen des S-s wird schwierig, wenn Schweißhitze u. Schmelzpunkt nahe beisammenliegen. Gewöhnlicher S. ist wenig härter als Schmiedeisen, wird aber sehr hart, spröde u. zerbrechlich, wenn er, glühend, rasch in Wasser abgekühlt wird (Ablöschen, Härten). Löscht man ihn stark erhitzt, aber nicht glühend ab, so wird er vielmehr weicher. Der glühend gehärtete S. heißt glashart, u. muß vor seiner Verwendung etwas weniger hart u. spröde gemacht werden. Dies geschieht durch das Anlassen (Nachlassen, Tempern, Anlaufenlassen, Adouciren), d. b. Erhitzen bis zu einem gewissen Grade u. dann langsames Erkaltenlassen. Wieder bis zum Glühen erhitzt, wird er so weich wie vor dem Härten. Das specifische Gewicht des S-s ist 7,4 bis 8,1, u. wird beim Härten etwas kleiner; die Festigkeit u. Elasticität ist weit größer als die des Schmiedeisens. Verschieden bearbeitete Stahlstäbe mit 1 Quadratzoll Querschnitt zerreißen bei einer Belastung mit 56,000 bis 146,000 Pfund. Beim Härten wird die Festigkeit kleiner. Der Bruch (Textur) des S-s ist stets körnig, sehr dicht u. gleichartig; der gehärtete S. ist feinkörniger als der weiche, durch zu starkes Glühen aber wird er grobkörnig (überhitzter S.) A) Das Härten geschieht so, daß man den S. bis zum Hellrothglühen erhitzt u. in kaltes Wasser (Härtewasser) eintaucht od. (beim Strahlhärten) unter einen Wasserstrahl hält: Zusätze zu dem Wasser wirken nur günstig, insofern sie die Wärmeleitung des Wassers erhöhen od. dasselbe gegen Fäulniß schützen. Durch zu oftes Glühen, bes. unter Einwirkung der Luft, verliert der S. einen Theil seines Kohlenstoffs u. läßt sich nicht mehr hörten (verbrannter S.). Durch Ablöschen in Talg od. Öl wird der S. etwas weicher als in Wasser; die Damascener Säbel sollen nur durch einen Luftzug gehärtet werden. Will man nur einzelne Theile eines Gegenstandes härten, so darf man nur diese glühen u. ablöschen, od. man umkleidet dabei die nicht zu härtenden Theile mit Lehm. Durch ungleiche Erhitzung od. angleiche Abkühlung entsteht oft eine Formveränderung des S-s (Werfen, Ziehen, Verziehen), wohl auch ein Zerreißen (Reißen, Borsten, Härterisse), wobei oft erst später Stücke mit Gewalt wegspringen. Beim Härten bildet der S. Glühspahn; Gegenstände mit sehr empfindlicher Oberfläche schützt man davor, indem man sie vor dem Glühen mit weicher Seife od. mit einem Brei von Mehl u. Kochsalz überzieht, od. indem man sie in Blechkisten von Kohlenpulver umgeben glüht (Einsetzen) u. wie gewöhnlich löscht. B) Das Anlassen benimmt dem S. desto mehr Härte u. Sprödigkeit, je höher er erhitzt wurde. Ein Maßstab für. den Grad der Erhitzung sind die verschiedenen glänzenden Farben (Anlauffarben), welche die auf der Oberfläche des S-s entstehende, durchsichtige, immer dicker werdende Schicht von Eisenoxyd zeigt. Um eine bestimmte Härte zu erreichen, muß man die Erhitzung beim Erscheinen der betreffenden Farbe unterbrechen. Diese Farben sind der Reihe nach: Blaß- bis Goldgelb (für chirurgische Instrumente, Federmesser u. Rasirmesser), Braun (für Scheeren, Meisel für Eisen, Äxte, Taschenmesser), Purpurroth für größere Tischmesser u. Scheeren), Hellblau (für Klingen, Uhrfedern), indig- bis dunkelblau (für Sägen u. Bohrer). Am sichersten erreicht man diese Farben durch Metallbäder, in denen man den S. bis zum Schmelzen der Legirung liegen läßt; so z.B. für Strohgelb (180° R.) 2 Theile Blei u. 1 Thl. Zinn; für Goldgelb (190° R) 9 Thle Blei u. 4 Thle. Zinn; Purpurroth (200° R.) 3 Thle Blei u. 1 Thl. Zinn; Violett (210° R.) 9 Thle. Blei u. 2 Thle. Zinn; Dunkelblau (258° R.) Blei ohne Zusatz. Die Dunkelvioletthärte erhält man auch durch das Abbrennen, indem man den S. mit Talg od. Öl beschmiert u. über Kohlen erhitzt, bis erstere brennen. Theilweises Anlassen erreicht man wie das theilweise Härten. Dünne Gegenstände, welche beim Härten sich gekrümmt haben, werden nach dem Anlassen heiß gerade gehämmert (Richten). Der Kohlenstoffgehalt des S-s hat auf dessen Härte u. Elasticität großen Einfluß; so ist der S, mit 0,65 Procent noch sehr weich u. geschmeidig u., blau angelassen, äußerst federkräftig (Sensen-, Messer-, Feder-, Sägenstahl); mit 1¹/₂ Procent viel härter, aber weniger elastisch u. zäh, übrigens noch schweißbar (Rasirmesser-, Stempel-, Meiselstahl, auch einige Sorten Gußstahl); mit 1³/₄ Procent schwierig zu schweißen, aber sehr gut zu hörten (bester, unschweißbarer Gußstahl); bei 2 Procent nicht mehr zu schweißen, aber kalt noch hämmerbar; noch etwas darüber hinaus steht das unmittelbar fast nicht verwendbare stahlartige Roheisen (wilder S., Willerstahl). Manche Stahlgegenstände (die Platten für den Stahlstich) müssen weich wie Schmiedeisen gemacht werden, u. dies geschieht durch heftiges Glühen zwischen Schmiedeisenfeilspänen (welche hierbei Kohlenstoff aus dem S. ziehen) unter Ausschluß der Luft (Entkohlen).

II. Fabrikation des S-s. Man kann S. erhalten, wenn man dem Roheisen einen Theil Kohlenstoff entzieht (Roh- od. Schmelzstahl, gefrischter S., Mork) od. indem man dem Schmiedeisen noch Kohlenstoff zuführt (Cement- od. Brennstahl). Der Rohstahl wie der Cementstahl werden gewöhnlich entweder durch wiederholtes Schweißen u. Aus schmieden (Gärbstahl) od. durch Schmelzen (Gußstahl) gleichartiger gemacht. Man kann auch unmittelbar einen Gußstahl erhalten durch Zusammenschmelzen von Guß- u. Schmiedeisen. A) Die Bereitung[669] des Roh- od. Schmelzstahls (Stahlfrischen, Stahlzerrennen) geschieht nach älterer Art in einem Frischherd mittels Holzkohlen, ähnlich wie das Schmiedeisenfrischen (s.u. Eisen III. B) b); die Einwirkung des Windes muß jedoch eher unterbrochen werden. Die gefrischte Masse (Stahlschrei) wird zu Stäben ausgewalzt od. geschmiedet. 100 Pfund Roheisen liefern 66 bis 75 Pfund S.; ein Feuer liefert wöchentlich 25 bis 50 Centner. Nach neuerer Art frischt man den S. in Flammenöfen (Puddelöfen, daher Puddel- od. Puddlingstahl) mittels Steinkohlenfeuerung; doch muß hierbei der Arbeitsgang sehr sorgfältig überwacht werden. Dünne Stäbe Roheisen kann man auch dadurch in S. umwandeln, daß man sie zwischen Metalloxydpulver anhaltend (bis 14 Tage) glüht; so erzeugten S. nennt man Glühstahl. B) Die Bereitung des Cement- od. Brennstahls geschieht durch starkes u. längeres Glühen von Schmiedeisenstäben in einer Umhüllung von Kohle, ohne daß Schmelzung eintritt. Die Stahlbildung (Cementirung) geht zuerst an der Oberfläche vor sich u. dringt allmälig bis in das Innere vor; oft sieht das Innere noch anders aus, als die äußeren Schichten (Rosenstahl). Je länger die Cementirung dauert, desto kohlenstoffreicher wird der S. Man führt sie so aus, daß man 1¹/₂ bis 3 Zoll breite u. ¹/₈ bis ¹/₂ Zoll dicke Eisenstäbe (nur aus mit Holzkohle erzeugtem Eisen) in lange feststehende Kästen aus feuerfestem Thon, Sandstein od. Ziegeln einsetzt u. zwischen die Stäbe das Cementirpulver (Holzkohle mit ¹/₁₀, Holzasche vermengt) streut. Die Kästen befinden sich auf dem Herde eines Flamm- od. Cementirofens (Stahlofen) zu zweien od. dreien u. auf Unterlagen, so daß die Flamme auch unter denselben wegstreichen kann. Ein Ofen mit zwei Kästen (14 Fuß lang, 3¹/₂ Fuß breit u. 3 F. tief) faßt 300 bis 350 Centner Eisen. Einige eingelegte Probestäbe werden während des Processes herausgenommen, um dessen Fortgang zu beurtheilen. 5–12 Tage wird der Ofen im Weißglühen erhalten u. dann 8 Tage lang abkühlen lassen. Die Stäbe erscheinen spröde, rissig u. an der Oberfläche blasig (Blasenstahl). Auch kann man das glühende Schmiedeisen durch Darüberleiten von Leuchtgas (bes. leichtes Kohlenwasserstoffgas) cementiren. Sehr verwandt mit der Brennstahlbereitung ist das Einsetzen, wodurch man kleinere Gegenstände aus Schmiedeisen oberflächlich in S. verwandelt, um sie poliren zu können. Man legt sie in eine Kiste aus Eisenblech, geschichtet mit gepulverter Thierkohle, glüht sie eine Stunde lang in der Esse u. wirft sie dann in Wasser (Einsatzhärten). Zuweilen bestreut man die glühenden Eisenstücke mit gepulvertem trocknem Blutlaugensalz, um sie oberflächlich zu verstählen. Auch durch Eintauchen von schweißwarmem Schmiedeisen in schmelzendes od. gefeiltes Roheisen kann man ersteres oberflächlich zu S. machen. Sowohl Roh- als Cementstahl kann nicht unmittelbar verarbeitet werden wegen seiner Ungleichartigkeit, seiner unganzen Stellen etc., sondern muß durch wiederholtes Ausschmieden u. Schweißen (Gärben, Raffiniren, gegärbter, raffinirter S.) od. durch Umschmelzen gleichartig gemacht werden. C) Über die Bereitung des Gärbstahls s. Gärben des Stahls. Mit weniger Arbeit u. fast ohne Abgang erhält man die durch das gewöhnliche Raffiniren zu erzielende Gleichartigkeit, wenn man die gefrischten od. cementirten Stahlstäbe 2–10 Stunden lang in einem Flammenofen unter einer Eisenschlackendecke in starker Rothglühhitze liegen läßt. D) Der Gußstahl wird aus Rohstahl od. Cementstahl erhalten, wenn man letztere in kleine Stücke zerhaut, 25–40 Pfund in feuerfeste Thontiegel gibt u. unter einer Decke von Glaspulver 3–5 Stunden lang äußerst stark erhitzt. Der S. wird hierauf erst in zweitheilige Formen zu Stäben gegossen u. dann ausgestreckt. Man kann auch den S. in Flammenöfen umschmelzen, deren Sohle aus Graphit u. feuerfestem Thon besteht. Will man Gußstahl direct durch Schmied- u. Gußeisen herstellen, so mischt man etwa 17 Theile weißes Roheisen mit 7 Thln. Schmiedeisen. Je weniger Kohlenstoff der Gußstahl besitzt, desto mehr besitzt er Schweißbarkeit (man unterscheidet daher schweißbaren u. unschweißbaren Gußstahl), desto schwerer schmilzt er u. desto geringere Härte vermag er anzunehmen. Aus Ostindien kommt eine sehr gute u. harte Sorte Gußstahl (Wootz), angeblich durch Zusammenschmelzen von Schmiedeisen u. Kohle bereitet, welche man in Europa nachgeahmt hat. Gußstahl, welcher ¹/₅₀₀, Silber enthält, heißt Silberstahl u. ist von besonderer Güte für seine Schneidwerkzeuge. Einen ebenfalls sehr guten S. liefert ein Zusatz von 1 Procent Nickel, ¹/₄ Proc. Silber u. 6 Proc. Zink (Nickel- od. Meteorstahl). Betragen aber diese Zusätze viel weniger, so haben sie keine Wirkung u. der S. ist nur deshalb vorzüglich, weil er durch Umschmelzen rechtgleichartig geworden ist (Platin-Goldstahl). 3 Theile Gußstahl u. 1 Thl. Kupfer gibt den sogen. gelben S. Besonderen Ruf hat der Wolframstahl, welchen man erhält, wenn man 1 Theil Wolframmetall (durch Reduciren von Wolframerz mit Kohle erhalten) u. 4 Theile Spiegeleisen zusammenschmelzt u. von dieser Legirung 45–315 Pfund auf 1 Tonne Gußstahl setzt. Der Wolframstahl ist zwar von außerordentlicher Härte, deshalb bes. gut zu Feilen, Drehstählen, Hartmeiseln, aber er bekommt beim Härten leicht Sprünge (Härterisse). Der Gußstahl wurde 1740 von Benjamin Huntsman (Huntsmanstahl) in Handsworth bei Sheffield erfunden; in neuester Zeit haben Beßemer in Schweden (Beßemerstahl) u. Uchatius in Österreich (Uchatiusstahl) neue Methoden der Stahlfabrikation erfunden. Der Beßemergußstahl wird so dargestellt, daß man schwefel- u. phosphorfreies Roheisen in Cylindrischen Öfen schmelzt u. durch eine Reihe excentrisch gestellter Formen atmosphärische Luft in das Eisen bläst, bis eine genommene Probe befriedigend ist. Der Sauerstoff oxydirt den Kohlenstoff des Gußeisens, wobei sich die nöthige Verbrennungswärme immer wieder von selbst erzeugt u. ein sehr lebhaftes Kochen stattfindet. Der Abgang an Eisen (Eisenoxyd) beträgt 20 Procent; in 2¹/₂ Stunden (eine Blasung) verarbeitet man 2500 Pfund Eisen. In England wird das Roheisen in kugelförmige Gefäße (Retorten), welche um zwei Zapfen drehbar u. aus Schmiedeisen sind, gegossen u. erst hier der von oben eintretenden Luft ausgesetzt. Durch längeres Einblasen erhält man ein stahlartiges Schmiedeisen (Halbstahl), bes. zu Eisenbahnschienen geeignet. Die Festigkeit des Beßemerstahls ist 123,165 Pfund für 1 Quadratzoll. Der Uchatinsgußstahl wird so erhalten, daß man das geschmolzene Roheisen durch Eingießen in Wasser, welches durch ein Schaufelrad bewegt wird, granulirt, u. die Granalien, mit 20 Procent geröstetem, pulverisirtem [670] Spatheisenstein u. 4 Procent Thou (Entkohlungspulver) gemischt, in Graphittiegeln 2–3 Stunden äußerst stark erhitzt. Man erhält im Ganzen 106–115 Procent Gußstahl; das Eisenoxyd des Entkohlungspulvers verwandelt nämlich einen Theil des Kohlenstoffes im Roheisen in Kohlenoxyd, indem es seinen Sauerstoff an denselben abgibt, wodurch zugleich das Roheisen in S. übergeht, während sich das reducirte reine Eisen mit einem anderen Theil Roheisen auch zu S. umbildet. Der Gußstahl, welcher jetzt in der größten Menge dargestellt wird, wird zu Werkzeugen aller Art, auch zu Kanonen, Glocken, Triebachsen, Krummzapfen, Ankern, Eisenbahnwagenrädern, Wagen, federn, Förderseilen (als Stahldraht), Dampfkesseln (als Stahlblech) verarbeitet (vgl. Stahlwaaren). Der Damascener od. damascirte S. ist kein besonderer S., sondern ein in bestimmter Art hergestelltes Gemenge von innig mit einander verschweißten Stahl- u. Eisentheilen, s.u. Damasciren 1). 2) Ein Werkzeug, Messerklingen daran zu wetzen, besteht aus einem walzenförmigen Stücke sehr harten S-s, mit einem bequemen Griffe versehen; 3) so v.w. Feuerstahl; 4) so v.w. Plattstahl; 5) Dreheisen für Knochen, Metall u.a. harte Gegenstände; 6) die eisernen Bolzen od. das Eisenstück, welche zur Erhitzung der Platteisen, Glockeisen u. hohler metallener Cylinder gebraucht werden; 7) ein kleiner Theil, welcher als Probe von der Güte des Ganzen gebraucht wird; daher einen S. abziehen, der S. steigt, der S. fällt etc. s.u. Indigfärberei A) a); 8) das gestempelte Stück Blei an einem Stück Tuch, welches die Güte desselben, vorzüglich die Echtheit der Farbe verbürgen soll 9) so v.w. Deichanker.