XXX. Ueber die Härte der Metalle und Legirungen; von Prof. F. Crace Calvert und Richard Johnson. Aus dem Philosophical Magazine, Februar 1859, S. 114. Mit Abbildungen. Calvert, über die Härte der Metalle und Legirungen. Bisher hat man zur Bestimmung der Härte verschiedener Körper dieselben an einander gerieben, und jenen, welcher in den anderen einen Einschnitt macht oder ihn ritzt, als den härteren der zwei verglichenen Körper betrachtet; so ergibt sich z.B. die Reihenfolge: Diamant, Topas, Quarz, Stahl, Eisen, Kupfer, Zinn, Blei. Diese Methode ist nicht nur in ihren Resultaten sehr ungenügend, sondern auch zur genauen Bestimmung der verschiedenen Härtegrade von Metallen und deren Legirungen unanwendbar. Wir wandten daher ein Verfahren an, welches die Härte der unter einander zu vergleichenden Metalle und Legirungen durch Zahlen darzustellen gestattet.

Zu diesem Zwecke benutzten wir einen Apparat, welcher der Hauptsache nach aus einem Hebel besteht, mit der wesentlichen Modification, daß der Druck auf dem zu prüfenden Metallstück durch Entfernung eines Gewichtes vom Ende des längeren Hebelarmes vermindert werden kann. Der Apparat besteht aus dem Hebel H mit dem Gegengewichte B und der Platte C, auf welche bei Zunahme der Belastung die Gewichte gelegt werden. Die Stütze L ruht auf einer viereckigen eisernen Stange, welche durch die an dem Träger angebrachten Führungen E, E geht. Die Stange A ist bei a getheilt, und hat an ihrem Ende eine conische Stahlspitze F, welche 7 Millimeter (0,275 engl. Zoll) lang, an der Basis 5 Millimeter (0,197 engl. Zoll) breit und an der Spitze 1,25 Millimeter (0,049 engl. Zoll) breit ist.

Die Spitze ruht auf der Platte Z des Metalles, mit welchem experimentirt wird. Ein Eisenblock G dient dem letzteren als Unterlage; die Stütze oder der Widerstandspunkt W kann durch die Schraube M gesenkt oder gehoben werden, und wenn daher diese Schraube gedreht wird, so wird das ganze Gewicht des Hebels durch den Träger I und die Schraube getragen. Wenn es nothwendig wird, kann durch Drehen der Schraube M die Wirkung des Gegengewichtes auf die Stange wieder hergestellt werden.

Will man den Härtegrad einer Substanz bestimmen, so bringt man sie auf den Block G und notirt, während die Spitze F darauf ruht, den Stand der Scala a an der Stange A, legt auf die Scheibe C stets mehr Gewichte, bis die Stahlspitze F während einer halben Stunde in eine Tiefe von 3,5 Millimeter (0,128 engl. Zoll) eingedrungen ist, und liest dann das Gewicht ab. – Alle Versuche wurden auf diese Art zweimal wiederholt, und es ergaben sich beidesmal Resultate, die nur eine sehr kleine Differenz zeigten. – Die nachfolgende Tabelle gibt die verschiedenen Härtegrade von mehreren der gewöhnlicheren Metalle. Die Untersuchungen wurden auf diese Classe beschränkt, um Resultate zu liefern, welche für Ingenieure und solche, die Metalle verwenden (daher die Härte der verschiedenen Metalle und deren Legirungen kennen müssen), von Nutzen seyn könnten.

Metalle. AngewandtesGewicht.Pfund. Berechnet,Roheisen= 1000 Staffordshire-Roheisen, Grau Nr. 3.     4800 1000 Stahl   4600?    958? Stabeisen24)Dieses Stabeisen war aus dem vorher erwähnten Roheisen dargestellt 4500   948 Platin 1800   375 Kupfer (rein) 1445   301 Aluminium 1300   271 Silber (rein) 1000   208 Zink (rein)   880   183 Gold (rein)   800   167 Cadmium (rein)   520   108 Wismuth (rein)   250     52 Zinn (rein)   130     27 Blei (rein)     75     16

Aus dieser Tabelle geht hervor, daß das Roheisen im Vergleiche zu den anderen Metallen einen bedeutenden Härtegrad besitzt, und wiewohl viele Legierungen eine außerordentliche Härte haben, so kommt dennoch keine dem Roheisen gleich. Die erste Reihe von Legirungen, die untersucht wurden, waren die des Kupfers und Zinkes, die zweite Bronze-Legirungen, die dritte Legirungen von Kupfer und Zink. Legirungen von Kupfer und Zink.

StöchiometrischeFormel derLegirung. In 100 Theilen derLegirung sind enthalten. AngewandtesGewicht.Pfund. Erhalten,Roheisen= 1000. Berechnet25)Die Härte einer Legirung wird berechnet, indem man die procentische Menge eines jeden Metalles mit der zugehörigen Härte des Metalles multiplicirt, die zwei Resultate addirt und durch 100 dividirt. Der Quotient ist die theoretische Härte.,Roheisen= 1000. Kupfer. Zink. Zn Cu⁵ 82,95 17,05 2050 427,08 280,83 Zn Cu⁴ 79,56 20,44 2250 468,75 276,82 Zn Cu³ 74,48 25,52 2250 468,75 276,04 Zn Cu² 66,06 33,94 2270 472,92 261,04 Zn Cu 49,32 50,68 2900 604,17 243,33 Cu Zn² 32,74 67,26 Zerbrach mit 1500 Pfd., ohne daß die Spitze eindrang. Cu Zn³ 24,64 75,36 Zerbrach mit 1500 Pfd., die Spitze drang einen halben    Millimeter tief ein. Cu Zn⁴ 19,57 80,43 Drang etwas tiefer ein als bei der vorgehenden, brach    mit 2000 Pfd. Cu Zn⁵ 16,30 83,70 Drang 2 Millimeter tief ein bei 1500, zerbrach bei 7000   Pfd.

Diese Resultate zeigen, daß jene Legirungen, die einen Ueberschuß an Kupfer haben, viel härter sind als die in der Legirung enthaltenen Metalle selbst, und, was sehr interessant ist, daß der stärkere Härtegrad von dem Zink herrührt, also vom weicheren der beiden Metalle, die diese Legirung bilden. Jedoch darf die Menge vom Zink 50 Proc. der Legirung nicht überschreiten, weil sonst die Legirung so spröde wird, daß sie gleich auseinanderspringt, wenn die Stahlspitze eindringt. Wir glauben, daß einige dieser Legirungen, mit einem Ueberschuß von Zink, die Aufmerksamkeit der Ingenieure verdienen, obgleich sie wegen ihres weißen Aussehens nicht im Handel vorkommen. Insbesondere lenken wir die Aufmerksamkeit auf eine Legirung dieser Reihe, nämlich die der Formel Cu Zn entsprechende, wo in 100 Theilen derselben 49,32 Theile Kupfer und 50,68 Theile Zink enthalten sind. Obwohl diese Legirung um 20 Proc. mehr Zink enthält, als irgend ein im Handel vorkommendes Messing, hat sie dennoch, falls sie sehr sorgfältig dargestellt wurde, eine viel schönere Farbe, als dieses. Der einzige Grund, warum sie nicht in Gebrauch kam, ist wohl der, daß wenn der Betrag des angewendeten Zinkes 33 Proc. überschreitet, das Messing so weiß wird, daß die Fabrikanten es für rathsam hielten, dieses Verhältniß nicht zu überschreiten. Wenn sie jedoch die Menge des Zinkes bis genau 50,68 Proc. vermehrt und die Metalle gut gemischt hätten, so würden sie eine Legirung mit einer eben so reichen Farbe erhalten haben, wie die 90 Proc. Kupfer enthaltende, und überdieß von einer dreimal so großen Härte, als bei dem letztgenannten Verhältnisse. Damit die Ingenieure eine rechte Meinung von dem Werthe dieser so wohlfeilen Legirung erhalten, folgt eine Tabelle über die verschiedenen im Handel vorkommenden Messingsorten.

Messingarten In 100 Th. sind enthalten: AngewandtesGewicht. Roheisen = 1000: Kupfer. Zinn. Zink. Blei. Pfund. erhalten. berechnet. Large Bearing 82,05 12,82   5,13 – 2700 562 259 Mud plugs 80     10     10     – 3600 750 262 Messing(Yellow Brass) 64     –     36     – 2500 520 258 Pumpenmetall(Pumps and pipes) 80       5       7,5     7,5 1650 343 257

Die Legirung Cu Zn besitzt noch eine andere Eigenthümlichkeit, nämlich die Neigung, prismatische Krystalle zu bilden, und zwar Prismen von 1/2 Zoll Länge und außerordentlicher Biegsamkeit. Es unterliegt keinem Zweifel, daß die genannte Legirung kein Gemenge, sondern eine chemische Verbindung der beiden Metalle ist, wie überhaupt viele Legirungen chemische Verbindungen sind, worüber die von uns ausgeführte Untersuchung über die Wärmeleitungsfähigkeit der Legirungen keinen Zweifel läßt. Bronze-Legirungen.

StöchiometrischeFormel derLegirung. In100 Th. sind enthalten: AngewandtesGewicht.Pfund. Erhalten,Roheisen= 1000. Berechnet,Roheisen= 1000 Kupfer. Zinn. Cu Sn⁵   9,73 90,27   400   83,33 51,67 Cu Sn⁴ 11,86 88,14   460   95,81 59,56 Cu Sn³ 15,21 84,79   500 104,17 68,75 Cu Sn² 21,21 78,79   650 135,42 84,79 Cu Sn 34,98 65,02 Bei 700 Pfd. drang die Spitze 1/2 Millim. ein, und die    Legirung brach. Sn Cu² 48,17 51,83 Bei 800 Pfd. brach die Legirung, ohne daß die Spitze    eindrang. Sn Cu³ 61,79 38,21 Bei 800 Pfd. zerbrach die Legirung in kleine Stückchen. Sn Cu⁴ 68,27 31,73 Bei 1300 Pfd. zersprang die Legirung in zwei Stücke,    ohne daß die Spitze 1 Millim. eingedrungen war. Cu Sn⁵ 72,90 21,10 Dasselbe wie vorher. Sn Cu¹º 84,32 15,68 4400 916,66 257,08 Sn Cu¹⁵ 88,97 11,03 3710 772,92 270,83 Sn Cu²º 91,49   8,51 3070 639,58 277,70 Sn Cu²⁵ 93,17   6,83 2890 602,08 279,16

Die Resultate, welche bei dieser Reihe von Legirungen erhalten wurden, führen zu bemerkenswerthen Schlüssen. – Zuerst zeigt sich die auffallende Weichheit aller jener Legirungen, die einen Ueberschuß an Zinn enthalten; ferner die außergewöhnliche Thatsache, daß eine etwas größere Menge eines so dehnbaren Metalles wie Kupfer eine Legirung plötzlich spröde macht, denn die Legirung nach der Formel Cu Sn², entsprechend 21,21 Theilen Kupfer auf 78,79 Theile Zinn, ist nicht spröde, während die Legirung Cu Sn, entsprechend 34,98 Theilen Kupfer auf 65,02 Theile Zinn, spröde ist. Somit macht der Zusatz von 14 Proc. Kupfer eine Bronze-Legirung spröde. Diese seltsame Thatsache wurde in allen Legirungen, die einen Ueberschuß von Kupfer enthalten, also bei Sn Cu², Sn Cu³, Sn Cu⁴, Sn Cu⁵ beobachtet, bis zu einer Legirung, die einen großen Ueberschuß an Kupfer hat, nämlich die Legirung Sn Cu¹⁰, enthaltend 84,68 Theile Kupfer auf 15,32 Theile Zinn, wo dann diese Sprödigkeit aufhört; seltsamerweise ist aber diese Legirung, welche 4/5 ihres Gewichtes an Kupfer enthält, beinahe so hart wie Eisen. Dieser beachtenswerthe Einfluß des Kupfers in den Bronze-Legirungen ist auch in den folgenden Legirungen bemerkbar: Sn Cu¹⁵ welche 88,97 Theile, Sn Cu²⁰ welche 91,49 Theile und Sn Cu²⁵, welche 93,17 Theile Kupfer enthält. Wenn Kupfer mit Zinn oder Zink legirt wird, so erlangt es einen auffallend größeren Härtegrad; es war daher interessant zu ermitteln, ob die Legirungen von Zinn und Zink ebenfalls einen größeren Härtegrad besitzen als sie nach der Theorie haben sollten. Zum Zweck der Untersuchung wurde eine Reihe von Legirungen in stöchiometrischen Verhältnissen dargestellt und damit folgende Resultate erhalten: Legirungen von Zinn mit Zink.

StöchiometrischeFormel der In100 Th. sind enthalten: AngewandtesGewicht. Erhalten,Roheisen Berechnet,Roheisen Legirung. Zink. Zinn. Pfund. = 1000 = 1000 Zn Sn² 21,65 78,35 300   64,50   60,83 Zn Sn 35,60 64,40 330   68,75   82,70 Zn Sn² 55,61 47,49 400   83,33 110,00 Zn Sn³ 22,43 37,57 450   93,70 124,58 Zn Sn⁴ 68,86 31,14 505 105,20 131,22 Zn Sn⁵ 73,43 26,57 600 125,00 142,08 Zn Sn¹⁰ 84,68 15,32 580 120,83 158,33

Diese Resultate zeigen, daß die beiden Metalle keine Wirkung aufeinander ausüben, wie denn auch die Zahlen, die ihre Härtegrade anzeigen, beinahe kleiner sind, als nach der Theorie erfordert wird. – Unsere Untersuchungen über die Wärmeleitungsfähigkeit der drei vorstehend besprochenen Reihen von Legirungen verbreiten einiges Licht über die große Differenz zwischen den Bronze-Legirungen und denen aus Zinn und Zink, denn letztere leiten die Wärme wie ein bloßes Gemisch von Metallen, während die ersteren die Wärme wie chemische Verbindungen leiten. Zum Schlusse folgen noch zwei Reihen von Legirungen, solche, bestehend aus Zinn und Antimon, und solche aus Blei und Zinn. Wir finden daß bei den Legirungen aus Zinn und Blei, das Zinn auch die Härte des Bleies vergrößert, doch nicht in demselben Grade, wie diejenige des Kupfers. Legirungen von Blei mit Antimon.

StöchiometrischeFormel der In100 Th. sind enthalten: AngewandtesGewicht. Legirung. Blei. Antimon. Pfund. Pb Sb⁵ 24,31 75,69 . . . . . . . Drang 2,5 Millimeter ein bei 800 Pfd., dann zerbrach es. Pb Sb⁴ 28,64 71,36 . . . . . . . Drang 2,7 Millimeter ein bei 800 Pfd., brach bei 900 Pfd. Pb Sb³ 24,86 65,14 875 Pb Sb² 44,53 55,47 . . . . . . . Drang 2,5 Millimeter ein bei 500 Pfd., brach bei 600 Pfd. Pb Sb¹ 61,61 38,39 500 Sb Pb² 76,32 23,68 385 Sb Pb³ 82,80 17,20 310 Sb Pb⁴ 86,52 13,48 300 Sb Pb⁵ 88,92 11,07 295

Legirungen von Blei mit Zinn.

StöchiometrischeFormel der In100 Th. sind enthalten: AngewandtesGewicht. Erhalten,Roheisen Berechnet,Roheisen Legirung. Blei. Zinn. Pfund. = 1000. = 1000. Pb Sn⁵ 26,03 73,97 200 41,67 23,96 Pb Sn⁴ 30,57 69,43 105 60,62 23,58 Pb Sn³ 36,99 63,01 160 32,33 22,83 Pb Sn² 46,82 53,18 125 26,04 20,09 Pb Sn 63,78 36,22 100 20,83 19,77 Pb² Sn 77,89 22,11 125 26,04 18,12 Pb³ Sn 84,09 15,91 135 28,12 17,23 Pb⁴ Sn 87,57 12,43 125 26,04 17,08 Pb⁵ Sn 89,80 10,20 110 22,92 16,77