Das Nickel als Legierungsmetall. Das Nickel als Legierungsmetall. Dem reinen Nickel werden bekanntlich seine Schmiedbarkeit, seine glänzende Farbe, Verschleißfestigkeit, sein hoher Schmelzpunkt, seine Unveränderlichkeit in Gegenwart chemischer Stoffe, sein Widerstand gegen Oxydation in der Hitze sowie seine magnetischen Eigenschaften nachgerühmt. Dementsprechend sind auch die Verwendungsmöglichkeiten des Rein-Nickels ziemlich groß. Der hohe Preis aber für das Reinmetall hat es mit sich gebracht, daß man für eine große Reihe von Fällen Nickel mit anderen Metallen in mehr oder weniger großen Menge legiert und hierdurch je nach dem Nickelanteil in den betreffenden Metallen Eigenschaften künstlich hervorruft, die diese Metalle allein nicht besitzen. Die Metalle, mit denen Nickel legiert werden kann, sind sowohl Eisen und Stahl als auch Nichteisenmetalle. Eine bevorzugte Stelle nehmen die mit Nickel legierten Stähle, die Sonderstähle, ein. Auf diesem Gebiete wies namentlich der Kraftwagenbau, der ganz besondere Anforderungen an den Werkstoff in bezug auf Härte, Zerreißfestigkeit und Schlagfestigkeit stellte, den einzuschlagenden Weg. Die Fortschritte der Nickel-Legierungstechnik erfolgten daher auch mit der Entwicklung des Automobilwesens. Zunächst legierte man einen Stahl mit 0,10 bis 0,15% Kohlenstoff mit 2 bis 2,5% Nickel für Achsen, Zahnräder, Wellen; auch versuchte man Stähle mit höherem Nickelgehalt, nämlich mit 5 bis 6% Nickel, die eine Zerreißfestigkeit von 50 bis 60 kg/mm2 ergaben, im gehärteten Zustand eine solche von 130 bis 140 kg/mm2. Ein etwas härterer Stahl mit 0,25% Kohlenstoff und 3% Nickel besaß nach dem Härten und Anlassen eine Zerreißfestigkeit von 75 kg/mm2. Aus diesem Stahl wurden Hebel und Bleche für das Wagengestell angefertigt. Die wissenschaftlichen Forschungsarbeiten zeigten aber bald, daß die Wirkung des Nickels auf den Stahl durch Chrom noch verstärkt wird, eine Beobachtung, die vor allem bei den sogenannten selbsthärtenden Stählen gemacht wurde. Es sind dies Stähle, die auf eine verhältnismäßig niedrige Temperatur (850°) erwärmt durch Abkühlung an der Luft nach ihrer Herausnahme aus dem Ofen härten, dann wieder angelassen werden und trotz ihrer Härte bearbeitbar sind. Ein Stahl mit 0,10 bis 0,15% Kohlenstoff, 2 bis 2,25% Nickel und 0,3 bis 0,8% Chrom besitzt nach dem Härten in Wasser oder Oel eine Zerreißfestigkeit von 120 kg/mm2 und eine Dehnung von 9 bis 15%. Dieser Stahl vereinigt eine große Oberflächenhärte mit einer guten Festigkeit der Masse und er wird für konische Zahnräder, Wellen, Kurbelwellen und Schubstangen verwendet. Für die Wagengestelle gibt es eine ausgezeichnete amerikanische Legierung mit 0,2% Kohlenstoff, 1,2 bis 1,6% Nickel und 0,4 bis 0,6% Chrom bei über 63 kg/mm2 Elastizitätsgrenze (gegen 28 beim gewöhnlichen unlegierten Stahl); mit 2,5 bis 3% Nickel und 0,4 bis 0,8% Chrom besitzt der Stahl eine Zerreißfestigkeit von 80 bis 90 kg/mm2 und eine Dehnung von über 12%. Aus ihm werden hergestellt Getriebe für Geschwindigkeitswechsel, Kurbelwellen, Kupplungen, während härtere Stähle mit 0,35 bis 0,5% Kohlenstoff, 2,5 bis 3,5% Nickel und 0,5 bis 0,6% Chrom eine Zerreißfestigkeit von 105 kg/mm2 und eine Dehnung von 10% besitzen. Es gibt dann noch selbsthärtende Stähle mit großen Härteeindringungstiefen, z.B. einen Stahl mit 0,10% Kohlenstoff, 2,5 bis 3,5% Nickel, 1,3 bis 3% Chrom und mit einer Zerreißfestigkeit von 150 kg/mm2, einer Elastizitätsgrenze von 125 kg/mm2 und einer Dehnung von 8% und einen Stahl mit 0,25% Kohlenstoff, 2,5 bis 3% Nickel, 1,2 bis 1,5% Chrom mit über 170 kg/mm2 Zerreißfestigkeit und über 7% Dehnung. Man verwendet diese Stähle für Zahnräder, Wellen, Kurbelwellen, Geschwindigkeitswechselgetriebe und sie stellen das Höchste dar, das heute erreicht werden kann. Einen geringeren Preis für diese Stähle versucht man durch Verwendung eines härteren Stahles (0,4 bis 0,5% Kohlenstoff) und durch Erniedrigung des Nickel- und Chromgehaltes (auf 0,3 bis 0,5% bzw. 0,3 bis 0,7%) zu erhalten. Die Verwendungszwecke dieses Stahles sind die gleichen wie die der vorgenannten Stähle, nur sind die mechanischen Eigenschaften niedriger. Bei Bemessung höherer Nickel- und Chromanteile erhält man die rostfreien Stähle (5% Nickel, 13% Chrom), die für Pumpen, Benzinbehälter u.a.m. Verwendung finden. Dann gibt es Eisenlegierungen mit noch höheren Nickelgehalten, nämlich mit 35 bis 40% Nickel und 11 bis 12% Chrom, die sich besonders als widerstandsfähig gegen hohe Temperaturen erwiesen haben. Legiert man einen Nickelstahl (0,25 bis 0,30% Kohlenstoff, 6 bis 7% Nickel) mit 0,2 bis 0,4% Vanadium, so ergibt sich ein hervorragender Werkstoff für Wellen und Kurbelwellen. Der Gehalt an Vanadium darf aber 0,5% nicht übersteigen, da sich sonst ein Niederschlag von Vanadiumkarbid bildet, der das Gefüge fehlerhaft und spröde macht. Schon ein geringer Anteil von Vanadium in den Nickelstählen übt einen großen Einfluß euf die Härtung aus, nach welcher sich gute mechanische Festigkeitswerte ergeben, ohne daß der Stähl spröde wird. Ein Nickel-Molybdän-Stahl (0,1% Kohlenstoff, 3% Nickel, 0,5% Molybdän) ist ebenfalls für Kurbelwellen, ferner für Kugellager zu empfehlen, ebenso ein Stahl mit 0,10% Kohlenstoff, 1,5 bis 2% Nickel und 0,25 bis 0,5% Molybdän. Das Legieren von Nickel mit Stahlguß ist trotz der hohen Kosten der Gußstücke vor allem in Amerika stark verbreitet. Ein Stahlguß mit 2% Nickel besitzt eine Zerreißfestigkeit von 50 bis 65 kg/mm2 und eine Dehnung von 23 bis 18%, ein Stahlguß mit 2% Nickel und 1% Chrom Werte von 63 bis 70 kg/mm2 bzw. 18 bis 23%. Dieser Sonderguß wird im Siemens-Martin-Ofen oder im elektrischen Ofen erzeugt und er besitzt ohne Warmbehandlung gekennzeichnete Eigenschaften. Wenn die Entwicklung des Sonderstahlgusses nicht gleichen Schritt mit den oben besprochenen Nickel-Sonderstählen hat halten können, so ist dies in der Eigenart des Gieß- und Formverfahrens für Stahlguß begründet. Erst wenn die Vermeidung von Blasen und Lunkern im Guß gewährleistet werden kann, ist mit einer gesteigerten Verwendung und Erzeugung von nickelhaltigem Sonderstahlguß zu rechnen. Für besonders verschleißfeste Stücke, wie für Teile von Brecheranlagen, Zähne für Bergwerksbohrer, Zähne von Aushöhlschaufeln u.a.m., dann für hohe Temperaturen, Drucken und Stoßbeanspruchungen ausgesetzte Stücke wählt man mit Vorteil einen Sonder Stahlguß mit Nickel- und Chromgehalt. Die Amerikaner nehmen für Loko-motivgleitstangenträger einen Stahlguß mit 0,17% Kohlenstoff und 3% Nickel, der nach dem Glühen eine Zerreißfestigkeit von 53 kg/mm2, eine Elastizitätsgrenze von 35 kg/mm2 und eine Dehnung von 36% besitzt. Mit diesem Sonderguß wurden 66 schwere Lokomotiven der Canadian Pacific Railway Co. ausgerüstet. Ein anderes ausgedehntes Anwendungsgebiet für Nickel-Chrom-Stahlguß bieten die Kreuzungsstücke der Gleise für Eisenbahnen und Straßenbahnen. Gegenüber dem Manganstahl gewährt der Nickel-Stahlguß den Vorteil, daß er schweißbar, bearbeitbar und dreimal so widerstandsfähig gegen Stöße ist. Stahlguß mit 25% Nickel wird wegen seiner Korrosionsbeständigkeit für Pumpenteile und in chemischen Anlagen herangezogen. Günstige Aussichten für den nickelhaltigen Stahlguß gewähren der Kraftwagen- und Flugzeugbau, wo der Sicherheitsfaktor eine vorherrschende Rolle spielt. Seit einigen Jahren ist auch der Einfluß des Nickels auf Gußeisen mehr und mehr verwertet worden. Nickel neigt dazu, den Graphit in feinen Lamellen niederzuschlagen, wodurch sich ein viel feineres Gefüge und demnach bessere mechanische Eigenschaften ergeben. Dann geht Nickel zum Teil selbst mit dem Eisen eine feste Lösung ein, erhöht hierdurch ebenfalls die Zerreißfestigkeit und Elastizitätsgrenze und begünstigt die Bildung von Sorbit anstatt von Perlit. Die Gegenwart von Nickel im Gußeisen ermöglicht die vorteilhafte Verminderung des Siliziumgehaltes. Nickel verleiht dem Gußeisen eine höhere Biegefestigkeit und Verschleißfestigkeit;. die letzte Eigenschaft erfährt durch einen niedrigen Chromgehalt (⅓ bis ½ des Nickelanteils) noch eine Erhöhung. Die bei Nickelzusatz erhaltenen harten Gußstücke mit 250 Brinellhärte sind noch gut bearbeitbar. Nickel wird mit dem Eisen im Kupolofen legiert in Form von Nickelbarren oder nickelhaltigem Stahlschrott. Auch kann sein Gehalt noch dadurch geregelt werden, daß man Körner aus 90% Nickel und 6% Silizium auf die Abstichrinne oder in die Pfanne bringt. Lokomotivzylinder aus Gußeisen kann man mit 0,75 bis 3% Nickel herstellen. Die General Electric Co. in Amerika gießt Dampfturbinengehäuse mit 1,25% Nickel, die Worthington Pump Co. Ammoniakkompressoren mit 1% Nickel. Für Teile von Brecherwerken wird eine Legierung mit 5 bis 6% Nickel und 2% Chrom verwendet. Einen hochwertigen Nickel-Eisenguß kann man durch schnelles Einschmelzen von 70 bis 95% Stahlschrott im Kupolofen erzeugen, wobei man Ferro-Silizium und die einzuführende Nickelmenge in der Pfanne zusetzt. Der Guß besitzt dann 2,5 bis 3,5% Kohlenstoff, 1 bis 2% Silizium, 1,5 bis 2% Nickel, eine Zerreißfestigkeit von 38 bis 47 kg/mm2, eine Dehnung von 3 bis 8% und eine Brinellhärte von 120 bis 160. Von den Verbindungen des Nickels mit den Nichteisenmetallen sind bekannt die Nickel-Chrom-, die Nickel-Mangan und vor allem die Nickel-Kupfer-Legierungen. Allgemein wird durch den Nickelzusatz in den Nichteisenmetallen bzw. -legierungen ihre mechanische Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Gleichmäßigkeit und ihre Dichte erhöht. Die Nickel-Chrom-Legierungen verdienen ein besonderes Interesse wegen ihrer physikalischen und mechanischen Eigenschaften. Sie sind beständig gegen die Atmosphäre, gegen Säuren (namentlich gegen Schwefelsäure), gegen Alkalien, gegen Temperaturwechsel und gegen Oxydation und diese Eigenschaften machen sie zu dem gegebenen Werkstoff für Einrichtungen für Temperaturmessungen, Zementationsanlagen, Dampfarmaturen, Ventile an den warmen Stellen von Motoren u.a.m. Vom Nickel-Mangan ist bekannt, daß diese Legierungen Alkalien und der feuchten Luft gut widersteht. Eine besondere große Verbreitung haben die Nickel-Kupfer-Legierungen gefunden. Mit dem Kupfer geht das Nickel eine feste Lösung ein und die Nickel-Kupfer-Legierungen besitzen bei 45% Nickel die höchste Härte und bei 55% Nickel die geringste elektrische Leitfähigkeit, ferner von 15% Nickel ab eine gleichmäßig steigende Elastizitätsgrenze, eine sich wenig ändernde Zerreißfestigkeit und in der Hitze eine doppelt so große Viskosität wie weicher Stahl. Wegen ihrer Neigung Verunreinigungen aufzunehmen und wegen ihrer Veerbungseigenschaften lassen sich diese Legierungen nur mit Sorgfalt herstellen. Sauerstoff ist nicht so schädlich wie Schwefel und Kohlenstoff. Bei ihrer Zubereitung wird man daher von in dieser Hinsicht sehr reinen Rohmetallen (unter 0,01% Schwefel) ausgehen, den schädlichen Einfluß der Verbrennungsgase berücksichtigen und eine neutrale Atmosphäre anstreben. Die Schmelzung erfolgt am besten im ölbeheizten Ofen oder im elektrischen Ofen. Zur Desoxydierung verwendet man Cupro-Mangan, zur Entschwefelung Cupro-Magnesium. Die fertige Legierung wird nach dem Gießen einer warm- und einer mechanischen Behandlung unterzogen. So kann man z.B. die Legierung mit 45% Nickel bei 1175 bis 1200° warm walzen und dann bei 700 bis 900° wieder glühen. Mit Erfolg hat man Nickel zu Messing legiert und hierdurch ein Sondermessing erhalten. Ein gewöhnliches Messing mit 58% Kupfer und 42% Zink besitzt eine Zerreißfestigkeit von 40 kg/mm2, eine Elastizitätsgrenze von 12 kg/mm2 und eine Dehnung von 25%, nach Einführung von 2,5% Nickel dagegen 45,5 kg/mm2 bzw. 14,2 kg/mm2 bzw. 33%. Nickel-Messing weist in der Regel ein dichtes Gefüge, gute mechanische Eigenschaften in der Hitze, dann eine genügende Korrosionsbeständigkeit auf, es ist von weißer Farbe und läßt sich härten. Einige industrielle Zusammensetzungen von Nickel-Messing sind: Zusammensetzung Zustand Zerreiß-festigkeitkg/mm3 Dehnung% Härte Elastizitäts-grenzekg/mm2 50,3 Cu,   6,7% Ni gegossengewalzt u. geglüht 44,250,6 31  46,5 109118   16,6  17,6 46,3 Cu, 10,3% Ni gegossengewalzt u. geglühtgezogen 48,356,671,6 314522 128137207   18,9  25,814 40,4 Cu, 14,4% Ni gegossengewalzt u. geglüht 64,560,8   7  18,5 190170 40   31,1 Fügt man zum Nickel-Messing noch Mangan hinzu, so erhält man ein hochwiderstandsfähiges Sondermessing, das der Bronze überlegen und dazu billiger ist. Ein Messing aus 59% Kupfer und 41% Zink ergibt bei Einführung von 5% Nickel und 3% Mangan im gegossenen Zustand eine Zerreißfestigkeit von 47 kg/mm2, eine Elastizitätsgrenze von 23 kg/mm2 und eine Dehnung von 27%, im geschmiedeten Zustand Werte von 50 kg/mm2 bzw. 27 kg/mm2 bzw. 39%, während die bekannten Marinebronzen (10% Zinn, 1% Zink) nur 29 kg/mm2 bzw. 16 kg/mm2 bzw. 29% besitzen. Auch die Bronze wird durch Nickel verbessert. Einige amerikanische Legierungen sind folgendermaßen zusammengestellt: Kupfer Zinn Zink Nickel Blei 1 89   4 3 4 – 2 88   5 2 5 – 3 87   7 3 1    1,5 4    84,5   7    2,5 1 5 5 82 10 4    3,5 – Die Legierungen 1 und 2 haben eine Zerreißfestigkeit von 28 kg/mm2, eine Elastizitätsgrenze von 9 kg/mm2 und eine Dehnung von 32%, die Legierungen 3 und 4 (hauptsächlich für Stücke mit starkem Innendruck) 30 kg/mm2 bzw. 14 kg/mm2 bzw. 25%, die Legierung 5 25 bis 17 kg/mm2 bzw. 19 bis 12 kg/mm2 bzw. 25 bis 8%. Eine Legierung mit 80% Kupfer, 10% Zinn und 10% Nickel bewährt sich besonders in überhitztem Dampf als widerstandsfähig. In den Reibungsbronzen ruft ein Nickel-Zusatz einen dichten Guß hervor. Geeignete Zusammensetzungen sind: Kupfer Zinn Blei Nickel 64 5 30 1   78,5 8 10    3,5 70 5 20 5 68    8½ 20    3½ 60 5 30 5 Die Kupfer-Alumnium-Legierungen erfahren durch den Nickelzusatz, namentlich wenn sie geschmiedet werden, eine Verbesserung. So ergibt eine Legierung aus 82,2% Kupfer, 2,5% Aluminium und 15% Nickel eine Zerreißfestigkeit von 58,6 kg/mm2, eine Dehnung von 5% und eine Härte von 191, nach dem Schmieden und Anlassen 77,8 kg/mm2 bzw. 11% bzw. 250. Gute Erfolge erhält man mit den Abstufungen 79 bis 82% Kupfer, 2,5 bis 11% Aluminium und 5 bis 14,5% Nickel. Andererseits sind auch die Legierungen mit hohem Aluminiumgehalt mit Nickelzusatz von Interesse, wie z.B. die Legierungen 90% Aluminium, 4% Kupfer, 4% Nickel, 2% Zink und 92,5% Aluminium, 4% Kupfer, 2% Nickel, 1,5% Zink. Verbreitet sind besonders die unter den Bezeichnungen Neusilber, Alpakka, Christofle bekannten Legierungen mit 50 bis 65% Kupfer, 7 bis 30% Nickel, 10 bis 35% Zink, die von 15% Nickel ab weiß, schmiedbar sind und kalt bearbeitet werden müssen. Aus ihnen werden Eßbestecke, Münzen und elektrische Rheostate hergestellt. In den letzten Jahren ist dann das Monel-Metall sehr bekannt geworden, das zuerst bei der Verhüttung von Nickelerzen in Sudbury (Canada) von der International Nickel Co. als wertvolles Nebenerzeugnis gewonnen wurde und aus 28 bis 30% Kupfer, 66 bis 67% Nickel und 3,35% Eisen mit etwas Mangan und Silizium besteht. Seine Eigenschaften sind: Zustand Zerreiß-festigkeitkg/mm2 Dehnung% Härte gegossen 36 15 130 warm gewalzt 48 30 155 in Blöcken 64 43 190 Bei der Zubereitung dieser Legierung muß man vorsichtig zu Werke gehen, und zwar ist schnell zu erwärmen und schnell zu gießen. Die Schmelzung ist durch Bestimmung des Mangan-, Silizium- und Kohlenstoffgehaltes – der letztere muß unter 0,25% liegen – zu überwachen. Dann besteht eine weitere Schwierigkeit in der Schwindung der Legierung (21 mm je m). Das Monel-Metall läßt sich bei 1000 bis 1100° schmieden. Die Einwirkung von Schwefel aus den Gasen muß vermieden werden. Die Legierung besitzt hervorragende mechanische Eigenschaften, widersteht hohen Temperaturen und der Korrosion und wird für Schiffsschrauben verwendet, dann für Dampfkesselzubehörteile und für Federn in Wärmeanlagen. Aus dem Manganin (70 bis 85% Kupfer, 2 bis 5% Nickel, 12 bis 15% Mangan) werden elektrische Widerstände hergestellt. Die Einführung von Nickel in Antimon-Lagermetalle (68% Blei, 15% Nickel, 15% Antimon, 2% Kupfer) erhöht die Druckfestigkeit. Schließlich wird die Festigkeit der sich schnell abnutzenden Silbermünzen durch Nickel verbessert und der Preis gleichzeitig gesenkt, während eine Goldlegierung aus 75 bis 80% Gold, 10 bis 15% Nickel, Rest Kupfer und Zink einen Ersatz für Platin in Juwelen darstellt. Wenn auch das Nickel bisher mit anderen Metallen legiert und hierdurch neuartige Stoffe hergestellt werden konnten, so ist doch noch ein großes Feld dieses Gebietes unerforscht. Man darf daher die berechtigte Hoffnung hegen, daß mit Hilfe der in allen Ländern technischen Geistes angestellten Forschungen dem Nickel noch weitere Gebiete erschlossen und weitere hochwertige Werkstoffe sowohl von Eisen und Stahl als auch von den anderen Metallen in Verbindung mit Nickel ausfindig gemacht werden. Ein Gebiet für sich ist das der Vernickelung von Metallen, das aber nicht in den Rahmen dieser Ausführungen hineinpaßt, da es sich in diesem Fall nicht um eine Legierung handelt, sondern um ein Ueberziehen eines Metalles mit Nickel. Aber auch dieses weite Verwendungsgebiet von Nickel beweist, eine wie große Bedeutung heute dem Nickel zusteht, wenn es darauf ankommt, anderen Metallen im Verein mit Nickel eine möglichst vollkommene Wirkung zu verleihen. (L'Usine.)