Nickel in Nichteisen-Metallen. Von Dr. H. Kalpers. KALPERS, Nickel in Nichteisen-Metallen. Die verbessernden Wirkungen des Nickels werden nicht allein in Sonderstählen, Stahlguß und Gußeisen ausgenutzt, sondern es wird auch eine größere Anzahl von Nichteisen-Metallen mit Nickel in mehr oder weniger großen Anteilen zwecks Erhaltung bestimmter Eigenschaften für die jeweiligen Verwendungszwecke legiert. Die wichtigsten Nickellegierungen auf dem Gebiete der Nichteisen-Metalle sind Nickelmessing, Nickel-Sondermessing, Nickel-Bronzen, Nickel-Sonderbronzen, Kupferlegierungen, Nickel in Lagermetallen und Nickel in Leichtmetallen. Nickelmessing. Nickelmessing wird erhalten dadurch, daß man zu den üblichen Kupfer-Zink-Legierungen Nickel in einem Anteil von etwa 10% hinzulegiert. Man hat es durch Bemessung der Anteile an Kupfer, Zink oder Nickel in der Hand, Legierungen mit bestimmten und verschiedenartigen Eigenschaften zu erhalten. Behält man einen konstanten Kupfergehalt bei, so ergibt sich eine zunehmende Dehnung der Legierung bei Ersetzen des Zinks durch Nickel, während das Nickel ohne Einfluß auf die ursprüngliche Festigkeit ist. Wird dagegen das Zink auf etwa 45% konstant gehalten, so erhöht der Nickelzusatz die Festigkeit, beeinflußt aber die Dehnung bis zu einem Nickelgehalt von 12% kaum. Ein Kokillen-Gußstück mit 46,35% Kupfer, 43,30% Zink und 10,35% Nickel besitzt eine Zerreißfestigkeit von 48,8 kg/mm2 und eine Dehnung von 31%. Der Nickelzusatz kommt besonders bei Zinkgehalten zwischen 43 und 45% in bezug auf seine Erhöhung der Festigkeit zum Ausdruck, wenn dafür Kupferanteile durch Nickelanteile ersetzt werden. Von verschiedenen Seiten ist nachgewiesen worden, daß das Nickel das Gefüge von Messing feiner und dichter macht; auf diese Gestaltung des Gefüges dürfte auch der erhöhte Widerstand der Legierung gegen Korrosion zurückzuführen sein, ebenso ihre Beständigkeit bei höheren Temperaturen. Die Farbe des Messings geht von gelb allmählich in weiß über und ist bei 10% Nickel bereits reinweiß. Nickelmessing findet infolge seiner bemerkenswerten Eigenschaften in solchen Fällen vorzugsweise Verwendung, wo hohe Ansprüche an den Werkstoff gestellt werden, z.B. für Ventile und Armaturen, die mit überhitztem Dampf in Berührung kommen. Zu dieser Legierungsgruppe gehört auch das Neusilber, dessen Zusammensetzung zwischen den Gehalten an Kupfer von 50 bis 65%, an Nickel von 10 bis 30% und an Zink von 10 bis 35% schwankt. Die mechanischen Eigenschaften von handelsüblichen Neusilber-Legierungen gehen aus der folgenden Uebersicht hervor: Zusammensetzung Zustand Zerreißfestigkeitkg/mm2 Dehnung% Ni Cu Zn 30 47 23 ungeglüht 91   2 30 47 23 geglüht 51 32 25 55 20 geglüht 49 38 18 64 18 ungeglüht 66      2,5 18 64 18 geglüht 40 33 18 55 27 ungeglüht 75   2 18 55 27 geglüht 48 29 10 62 28 ungeglüht 64   4 10 62 28 geglüht 44 48 Gegenüber dem einfachen Messing weist das Neusilber eine höhere Korrosionsbeständigkeit auf; während z.B. Messing bei einem Angriff durch Milchsäure bei 100° C je Stunde einen Gewichtsverlust von 0,56 mg/cm2 Oberfläche erfuhr, war der Verlust unter sonst gleichen Bedingungen beim Angriff auf Neusilber nur 0,2 mg. Bei Versuchen mit sauren Grubenwässern wurde Messing (80/20) 120 Tage lang diesem Angriff ausgesetzt und verzeichnete in dieser Zeit einen Gewichtsverlust von 2,3 mg/cm2 und Tag, dagegen büßte ein gewalztes Neusilberrohr nur ⅔ dieser Menge ein. Die Schmelz- und Gießtemperaturen von Neusilber liegen zwar höher als die von Messing, doch läßt sich das Neusilber in den mit Kohle, Koks oder Oel gefeuerten Tiegelöfen schmelzen; auch elektrische Oefen kommen für diese Zwecke selbstverständlich in Betracht. Der Schmelzpunkt von Messing mit 72% Kupfer wird durch 10% Nickelzusatz von 960° auf 1010° C erhöht, derjenige von Messing mit 67% Kupfer und 18% Nickel von 920° auf 1060° C. Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, die Schmelzung in dem Sinne doppelt vorzunehmen, daß man die Legierung zuerst in Blockform vergießt und dann die Blöcke nochmals umschmilzt. Als Desoxydationsmittel dienen Mangankupfer mit 30% Mn und Phosphorkupfer. Die Schmelzung geht so vor sich, daß man zunächst Nickel und Kupfer niederschmilzt, mit Mangankupfer desoxydiert und dann, wenn die Schmelze ruhig und gasfrei geworden ist, das Zink kurz vor dem Gießen hinzufügt. Die Bearbeitbarkeit von Guß aus Neusilber wird durch Bleizusatz erleichtert. Handelt es sich um dünnwandigen und verwickelten Guß, so empfiehlt sich auch der Zusatz von Aluminium. Sind die Gußstücke im Betriebe hohen Wasserdrücken ausgesetzt, so unterbleibt der Zusatz von Aluminium. Diese Elemente, Blei und Aluminium, werden, falls ihre Gegenwart in der Legierung gewünscht wird, mit dem Zink kurz vor dem Gießen aufgegeben. Eine Oxydation des Bades wird durch Ueberdecken mit Holzkohle oder mit einem Gemenge von Glas und kalzinierter Soda bzw. kalziniertem Borax verhütet. Die Gußformen in der Neusilbergießerei werden ähnlich wie in der Messinggießerei hergestellt. Nur ist dem Umstand besonders Rechnung zu tragen, daß das Neusilber stärker schwindet als Messing. Dementsprechend sind auch die Steiger und Eingüsse im Interesse der Lunkervermeidung stärker zu bemessen. Bei Neusilber ist mit einer Schwindung von 3% zu rechnen. Die Gußformen können getrocknet, sie können aber auch naß vergossen werden. In manchen Fällen, z.B. bei der Herstellung druckdichter Armaturen wird man sich für getrocknete Formen entscheiden. Das Gelingen des Gusses ist in weitem Maße von der Einhaltung der zweckdienlichen Gießtemperatur abhängig. Beim Gießen ist darauf zu achten, daß die Temperatur beim Gießbeginn wie bei der Gießbeendigung möglichst gleich ist. Die Korrosionsbeständigkeit von Neusilber macht es besonders für Ventilteile, Armaturen, Schiffsbeschläge u. dergl. geeignet; weiter wird es infolge seiner äußeren gefälligen und beständigen Farbe auch gerne für Kraftwagenteile, Musikinstrumente, Schreibmaschinenteile u.a.m. gewählt. Nickel-Sondermessing. Der verbessernde Einfluß des Nickels wird auch in Sondermessing mit Erfolg verwertet; dieser Einfluß macht sich u.a. dann bemerkbar, wenn die Legierung Mangan enthält. Eine solche Legierung zeichnet sich dann durch ihre Beständigkeit in Verbindung mit Säuren aus. Eine derartige Legierung von Nickel-Sondermessing enthält z.B. 63,50% Kupfer, 28,28% Zink,   1,22% Zinn,   0,17% Blei,   1,44% Eisen,   3,24% Mangan,   2,14% Nickel. Diese Legierung besitzt eine Zerreißfestigkeit von 23 kg/mm2 und eine Dehnung von 20% und nähert sich in bezug auf seine Festigkeitseigenschaften mithin denjenigen eines weichen Stahles, während sie die Säurebeständigkeit der Bronze teilt. Nickel-Sondermessing wird auch nur für Sonderzwecke verwendet, wie z.B. für Schiffsschrauben. In diese Gruppe kann man auch die sogenannten Admoslegierungen, die Rechtsschutz genießen, einreihen. Diese auf der Basis Kupfer, Zinn und Zink aufgebauten Legierungen besitzen Nickelanteile von 1 bis 20% und sie zeichnen sich durch sehr hohe mechanische Eigenschaften, Beibehaltung einer guten Festigkeit bei erhöhten Temperaturen, Beständigkeit gegen Heißdampf bis 500° C und durch allgemeine Korrosionsbeständigkeit aus. Nickel-Bronzen. Der Zusatz von Nickel zu Bronzen kommt in der gleichen Weise zum Ausdruck wie bei Messing; auch hier findet eine Erhöhung der Säurebeständigkeit und der mechanischen Eigenschaften, besonders der Dehnung und Zähigkeit statt. Die Eigenschaften einiger bekannter Nickel-Bronzen sind folgende: Zusammensetzung Zerreißfestigkeitkg/mm2 Dehnung% Brinellhärte Ni Cu Sn Zn 0 88,0   9,85 2,15 36,5 19 – 1,05 87,0 11,00 1,95 39,4 25 82 0 88,1   9,70 2,20 35,0   7 89 0 88,0 10,00 2,00 36,6 10 89 1,15 86,9   9,90 2,05 37,5 13 93 0 88,0 10,00 2,00 35,0 18 – 1,00 87,0 10,00 2,00 39,6 20 – Diese Aufstellung bringt vor allem die Unterschiede zwischen nickelhaltigen und nickelfreien Bronzen zum Ausdruck und zeigt die Möglichkeit der Erhaltung einer höheren Dehnung und gleichzeitig auch einer höheren Zerreißfestigkeit schon durch Zusatz von rund 1% Nickel. Es wurde schon in der Gruppe Messing darauf hingewiesen, daß das Nickel das Gefüge dichter macht; dieser Einfluß trifft auch bei Bronzen zu. Es ist daher verständlich, wenn man sich der Nickel-Bronzen für druckdichte Armaturen bedient. Derartige Legierungen für Hochdruckarmaturen sind z.B.: Kupfer Nickel Zinn Zink Blei       84,5 0,75–1,0        2,5 7 5 87–89 1,0 6,5–7 1,5–3 1,5 Aus der letztgenannten Legierung wurde ein Gußstück von 1½ t Gewicht hergestellt, das einen Wasserdruck von 20 atü auszuhalten hatte. Die Zerreißfestigkeit dieser Legierung ist 29,9 kg/mm2, ihre Dehnung etwa 28%. In Dampf- und Ventilbronzen läßt man Nickelgehalte von 1 bis 10% zu. Auch hier trägt das Nickel zu einer Gefügeverfeinerung und infolgedessen zu einer Erhöhung der Festigkeitseigenschaften, besonders der Kerbzähigkeit bei. Vergleicht man beispielsweise eine nickelhaltige Bronze, bestehend aus 82% Kupfer, 10% Zinn, 3,5% Nickel und 4% Zink mit einem Geschützmetall (88/10/2), so muß man feststellen, daß die nickelhaltige Legierung eine weit höhere Beständigkeit bei höheren Temperaturen aufweist. Beide Legierungen besitzen bei Umgebungstemperatur annähernd die gleiche Zugfestigkeit von rund 25 kg/mm2. Bis etwa 240° C ist beim Geschützmetall sogar eine kleine Steigerung der Festigkeit wahrzunehmen, die aber von da ab ganz schroff fällt, um bei 430° weniger als 10 kg/mm2 zu betragen. Die nickelhaltige Legierung fällt dagegen bei Temperaturen oberhalb der Umgebungstemperatur langsam und allmählich und beträgt bei 400° noch rund 17 kg/mm2, und bei 500° C noch fast 15 kg/mm2. Dazu kommt noch der Vorteil in gießtechnischer Beziehung hinzu, der darin besteht, daß das Nickel die für die Erhaltung gesunder Gußstücke zulässigen Grenzen der Gießtemperatur wesentlich erweitert. Hierdurch wird auch die Ausschußgefahr vermindert. Für Zahnräderbronzen hat man die Legierung: 88,5% Kupfer, 10% Zink, 1,0°/o Nickel, 0,25% Phosphor entwickelt. Diese Legierung als Gußmetall besitzt eine Zerreißfestigkeit von 34 kg/mm2, eine Streckgrenze von 23 kg/mm2 und eine Dehnung von 9,5%. Der Widerstand dieser Legierung gegen Abnutzung und mithin ihre Lebensdauer ist im Vergleich zu den gewöhnlichen Bronzen erheblich höher. Nickel-Sonderbronzen. Zu den Nickel-Sonderbronzen gehören die nickelhaltigen Bleibronzen und Aluminiumbronzen. Beim Vergießen von Bronzen mit hohen Bleigehalten stößt man insofern bekanntlich auf Schwierigkeiten, als das Gießen unsicher ist und Steigerungen wegen der geringen Lösungsfähigkeit des Kupfers für Blei entstehen können. Dem Nickel kommt nun die günstige Eigenschaft zu, daß es den Aufbau von Kupfer-Bleilegierungen gleichmäßiger gestaltet. Abgesehen davon aber werden die Betriebseigenschaften von nickelhaltigen Bleibronzen, besonders ihre Druckfestigkeit, so erhöht, daß sie sich auch für hochbeanspruchte Zwecke einwandfrei eignen und dort mit Erfolg Verwendung finden können, wo andere Werkstoffe nicht standhalten, z.B. für Lagerzwecke. In diesen Fällen bleibt trotz dieser hohen Beanspruchungen der Legierung das Gefüge noch genügend elastisch, um diesen Anforderungen gerecht zu werden. Die nickelhaltigen Aluminiumbronzen wurden aus den Aluminiumbronzen entwickelt. Schon diese letzteren, also ohne Nickelzusatz, zeichnen sich durch ihre hervorragenden Eigenschaften aus, die aber durch Zusatz von Nickel noch weiter verbessert werden. Die Eigenschaften derartiger Legierungen mit und ohne Nickel sind: Zusammensetzung Zerreißfestigkeitkg/mm2 Dehnung% Kupfer Nickel Aluminium 98,94 – 10,06 40   9 87,66 2,46   9,88 50 12 85,11 4,95   9,94 54 16 82,82 7,49   9,70 61 13 94,98 –   5,02 34 82 93,96 0,94   5,10 35 94 92,68 2,38   4,94 36 90 89,84 4,84   5,32 40 70 87,48 7,31   5,21 61 25 Diese Angaben entstammen den Arbeiten von Read und Greaves (vergl. J. Inst. Met. 1914/11/169 und 1921/26/57). Mit 7% Nickel und 10% Aluminium wurde eine Zerreißfestigkeit von sogar 66 kg/mm2 erzielt. Die durch die Kornverfeinerung sich ergebende Verdichtung des Gefüges in nickelhaltigen Aluminiumbronzen hat auch eine erhöhte Widerstandsfähigkeit gegen hydraulische Drücke zur Folge. Von ebenso großem Interesse ist das Verhalten dieses Werkstoffes gegen Korrosion. Die folgende Zahlentafel zeigt den Einfluß von Seewasser auf Kupfer-Aluminium-Legierungen mit und ohne Nickel, die gewalzt und geglüht waren: Zusammensetzung Gewichtsverlust je Monat in kg/qm × 105 Kupfer Aluminium Nickel Seewasser Frischwasser 89,94 10,06 – 444,3 43,94 89,55   9,48   0,97 107,4 29,29 85,15   9,91   4,94   58,59 53,70 80,13   9,81   9,98   43,94 43,94 94,98   5,02 – 151,36 29,29 94,04   5,04   0,92 151,36 39,06 90,09   5,01   4,90   58,59 34,18 85,08   4,85 10,07     9,76 58,59 Als weitere beachtenswerte Eigenschaften dieser Legierungen ist ihre Vergütbarkeit zu erwähnen, wobei man in der Lage ist, durch Warmbehandlung aus ein und dem gleichen Werkstoff entweder außerordentlich dehnbare als auch harte Legierungen zu erzeugen. Die Herstellung dieser Legierungen im Schmelzfluß ist mit dem Vorteil verbunden, daß die Einhaltung bestimmter Temperaturen beim Gießen nicht von solcher Bedeutung ist wie bei manchen anderen Legierungen, d.h. das Gießen kann innerhalb erheblicher Temperaturgrenzen erfolgen, ohne daß dies einen großen Einfluß auf die Eigenschaften des Gußstückes ausübt. Die günstigsten Eigenschaften dürften sich dann ergeben, wenn die Gießtemperatur noch gerade ausreicht, daß das Metall die Form vollständig ausfüllen kann. Auch die Schmelzung selbst sollte bei möglichst niedriger Temperatur vorgenommen werden. Nickel-Kupferlegierungen. Wenn auch Nickelmessing anzuerkennende Eigenschaften aufweist, so genügt dieser Werkstoff doch nicht den höchsten Ansprüchen. In diesem Falle greift man auf die Nickel-Kupferlegierungen zurück, die lediglich Nickel und Kupfer ohne Zink und ohne Zinn enthalten und die für Heißdampf-Armaturen wie für Ventil- und Turbinenteile erfolgreich Verwendung finden können. Je höher der Nickelgehalt, um so besser wird die Säurebeständigkeit. Sind die Beanspruchungen noch nicht besonders groß, so wählt man Legierungen mit 20 bis 30% Nickel, für höhere Beanspruchungen Legierungen, die bis zu 70% Nickel enthalten können. Zu diesen Legierungen gehört auch das bekannte Monel-Metall, das in der Hauptsache aus Nickel (68%) und Kupfer (28%) besteht. Das Schmelzen der Legierungen mit hohen Nickelgehalten erfolgt zweckmäßigerweise nur in solchen Oefen, die sowohl ein schnelles Schmelzen als auch die Erzielung genügend hoher Temperaturen in kurzer Zeit gestatten. Dieses schnelle Schmelzen ist im Interesse der Erhaltung eines gesunden Gusses, der möglichst gasfrei sein soll, notwendig. Man bedient sich dabei entweder eines Schachtofens mit natürlichem Zug oder eines ölgefeuerten mit Ton und Schamotte ausgefütterten Flammofens oder eines basischen elektrischen Lichtbogenofens. Es ist zu beachten, daß die Nickellegierungen dazu neigen, Schwefel während des Schmelzens aufzunehmen. Man muß daher dafür Vorsorge treffen, daß der Brennstoff möglichst wenig Schwefel enthält. Der Schwefelgehalt von Oel darf 1% nicht übersteigen. Ferner ist das Bad während des Schmelzens entweder durch eine Schicht Schlacke oder Holzkohle zu überdecken, damit es vor dem Luftsauerstoff geschützt ist; auch muß der Tiegel noch mit einem Deckel versehen sein. Das Desoxydieren wird mit 200 g Magnesium auf 100 kg Monel-Metall vorgenommen, das mit Hilfe einer Stange auf den Tiegelboden gebracht wird. Steht ein Temperaturmeßgerät nicht zur Verfügung, so kann man auf Grund des Aussehens des Bades annähernd auf die richtige Gießtemperatur insofern schließen, als der Badspiegel dann eine strahlenförmige Aderung zeigt. Das Monel-Metall kann in getrocknete oder in ungetrocknete Formen vergossen werden. Seine Schwindung beträgt 2%. Nickel in Leichtmetallen. Wohl eine der wichtigsten Aluminium-Legierungen ist die sogenannte Y-Legierung, die besteht aus: 92,5% Aluminium,   4,0% Kupfer,   2,0% Nickel und   1,5% Magnesium. Diese Legierung zeichnet sich dadurch aus, daß das Nickel ihre Festigkeit und Härte erhöht und ferner auch ihre Gießbarkeit und Bearbeitbarkeit begünstigt. Der Einfluß des Nickels kommt dabei bei erhöhten Temperaturen besonders zum Ausdruck. Besitzt sie beispielsweise bei gewöhnlicher Temperatur eine Zerreißfestigkeit von 21 kg/mm2, so ist diese bei 100° C noch 20 kg/mm2, bei 200° C 18,5 kg/mm2 und bei 300° C 13 kg/mm2. Diese günstigen wärmebeständigen Eigenschaften erklären es auch, warum die Y-Legierung Verwendung als Werkstoff für Verbrennungskraftmaschinen gefunden hat. Dazu kommt noch sein leichtes Gewicht infolge des hohen Aluminium-Gehaltes hinzu, das ebenfalls von großer Bedeutung ist. Es gehört allerdings Erfahrung dazu, gesunde Gußstücke aus dieser Legierung zu erhalten, da diese zur Rißbildung und zum Verziehen neigen. Um dieser Gefahr vorzubeugen, muß man genügend große Eingüsse und Steiger vorsehen und durch starke Kokillenwände eine schnelle Abkühlung fördern. Werden die Gußstücke durch Kokillen abgekühlt, so müssen sie später noch geglüht werden. Das in der Legierung vorhandene Magnesium kann zuweilen die Ursache für Schwierigkeiten beim Gießen bieten, da es sich leicht mit Sauerstoff verbindet und das im Gußstück etwa vorhandene Magnesiumoxyd das Stück unsauber macht. Es ist daher notwendig, daß man versucht, das Eindringen von Magnesiumoxyd in die Gußform zu vermeiden. Zu empfehlen ist daher das unmittelbare Gießen aus dem Schmelztiegel in die Form ohne Uebertragung des Bades in Pfannen. Ferner muß das Metall so in die Form fließen, daß das Füllen der Form so ruhig wie möglich erfolgt. Man gießt die Legierung sowohl in Kokillen als auch in Bandformen. Die Kokillen werden trocken und handwarm gehalten, während die Naßgußformen bis zum Gießen offen zu halten sind. Auch die Y-Legierung läßt sich vergüten, und zwar besteht diese Warmbehandlung darin, daß man erst während 6 Stunden bei 510 bis 520° C glüht, dann in kochendem Wasser abschreckt, während 5 Tage bei etwa 100° C erwärmt oder statt dessen eine Stunde lang in kochendem Wasser behandelt. Diese Arbeit ist allerdings insofern empfindlich, als die Temperaturen genau einzuhalten sind.