Die Wirkung des Gefügeaufbaues von Messing auf die Eigenschaften und die Verformbarkeit. Von R. Schulze, Berlin-Mariendorf. SCHULZE, Die Wirkung des Gefügeaufbaues. Zur wirtschaftlichen Gestaltung eines Betriebes gehören heute neben den verschiedenen Fragen der Konstruktion und der höchstmöglichen Ausnutzung aller vorhandenen Betriebseinrichtungen auch umfangreiche Materialkenntnisse. In bezug auf Behandlung und Verwendung von Stahl und Eisen herrscht in den allgemeinen Fragen bei allen Fachleuten Klarheit, anders ist es jedoch bei den Nichteisenmetallen, besonders den Kupfer-Zinklegierungen, die für gewisse Zwecke auf allen technischen Gebieten unersetzliche Werkstoffe sind. Textabbildung Bd. 344, S. 173 Abb. 1.Gefüge von α Messing. Bis zur Mitte des neunzehnten Jahrhunderts stellte man diese Legierungen aus Kupfer- und Zinkerzen, insbesondere Galmei durch Zementationsverfahren her. Erst nach dieser Zeit ging man dazu über, metallisches Zink als Zusatzmaterial zu verwenden. Kupfer-Zinklegierungen werden für technische Zwecke in einer Zusammensetzung von 54 ÷ 90 % Kupfer, Rest Zink hergestellt. Die Legierungen mit 54 ÷ 65 % Kupfer bezeichnet man mit Messing und diejenigen mit 65 ÷ 90 % Kupfer mit Tombak. Wie jedes Metall sind auch die Messinge keine homogenen Körper, sondern bestehen (siehe Schliffbilder) in ihrem Innern aus vielen einzelnen Kristallen, die auf Grund des Kohäsionsvermögens einen festen Körper bilden. Die Art und die Eigenschaften der Kristalle sind bei gegossenem Material abhängig von der Zusammensetzung und der Temperatur. Betrachtet man zunächst den Einfluß der ersteren, so findet man, daß die Kupfer-Zinklegierungen mit 65 ÷ 90 % Kupfer, Rest Zink aus einer Kristallart, den sogenannten α-Mischkristallen bestehen. Diese vereinigen Kupfer- und Zinkkristallite gemischt in sich. Alphamischkristalle erstarren direkt aus der flüssigen Schmelze. Erwärmt man also umgekehrt eine derartige Legierung bis unmittelbar unter den Schmelzpunkt, so ändert sich ihr Gefügeaufbau nicht. Infolge des vorherrschenden Kupferanteils ähneln die Alpha-Messinge in ihren Eigenschaften mehr dem reinen Kupfer. Sie sind also gut warm und besonders kalt knetbar und eignen sich vorzüglich für Drück- und Treibarbeiten. Wegen seiner Beständigkeit gegen korrodierende Einflüsse ist Alpha-Messing der gegebene Werkstoff für Teile, die den Angriffen von Luft, Wasser und leichten Säurelösungen ausgesetzt sind. Textabbildung Bd. 344, S. 173 Abb. 2.Gefüge von α+β Messing. Unter 65 ÷ 54 % Kupfer beginnt sich der zunehmende Zinkgehalt im Gefügeaufbau bemerkbar zu machen, indem die Messinge, falls sie normal abgekühlt sind, aus 2 Mischkristallarten Alpha (α) und Beta (β) bestehen. Bei den α+β-Messingen tritt auch der Einfluß der Temperatur in Erscheinung, da sich mit der Veränderung derselben ein und dieselbe Legierung in ihrem Gefüge ändert. Oberhalb 500° ÷ 700° C bestehen z.B. die α+β-Messinge, ähnlich wie die vorbesprochenen α-Messinge aus einer Kristallart, nämlich den zinkreichen β-Mischkristallen. Textabbildung Bd. 344, S. 174 Abb. 3.Profile gepreßter und gezogener Messing-Stangen. Die sogenannte zweite Phase (α) scheidet sich erst bei Temperaturen unterhalb 500° ÷ 700° C aus. Schreckt man also ein Messing aus z.B. 60 % Kupfer, Rest Zink nach dem Erhitzen auf 700° in Wasser ab, so unterbindet man dadurch die Ausscheidung der α-Mischkristalle, und das Gefüge besteht auch bei Zimmertemperatur nur aus β-Mischkristallen. Da die letzteren härter sind, ergibt sich durch das Abschrecken ein Härtevorgang, wie er für Eisen ganz allgemein bekannt ist. Der höheren Härte im kalten Zustande steht die gute Knetbarkeit der β-Mischkristalle in der Wärme gegenüber. Will man ein 60er Messing schmieden oder pressen, so muß man es ebenfalls über 700° C hinaus erwärmen, da bei tieferen Temperaturen die weniger gut warm knetbaren a-Mischkristalle bereits ausgeschieden sind. Man hat also einen Werkstoff vorliegen, der zwei verschieden geeignete Bestandteile in sich vereinigt, wodurch Spannungen entstehen, die den Bruch herbeiführen. In den Abbildungen 1 und 2 sind Schliffbilder von α- und α+β-Messinggefügen gegenüber gestellt. Der Unterschied zwischen den kupferreichen α-Mischkristallen (hell) und den zinkreichen β-Mischkristallen (dunkel) tritt deutlich in Erscheinung. Neben den beschriebenen Faktoren spielt bei gewalztem und gezogenem Messing noch die Art und Größe des Verformungsgrades, sowie die Glühbehandlung eine wesentliche Rolle. Alpha-Messinge verarbeitet man entsprechend ihren beschriebenen Eigenschaften hauptsächlich zu Blechen. Der Arbeitsgang ist dabei folgender: Gußplatten von 35 ÷ 70 mm Dicke werden im warmen Zustande bei 700° C in Duowalzwerken zunächst auf 12 mm Dicke vorgewalzt und danach im kalten Zustande unter Einschaltung von Zwischenglühungen auf das gewünschte Endmaß gebracht. Die Abnahme bei jeder Walzung beträgt ca. 30 %, bezogen auf die vorliegende Blechstärke. Der jeweils gewünschte Materialzustand, d.h. ob das Blech schwarzweich, gebeiztweich, halbhart, hart oder federhart sein soll, wird bei der Schlußwalzung bzw. Schlußglühung erreicht. Schwarzweiches Blech ist der geeignete Werkstoff für Drückarbeiten, weil die aufgewalzte Oxydschicht schmierend wirkt, was bei stärkerer Beanspruchung zur Vermeidung des Bruches beiträgt. Gebeiztweiches Blech verwendet man zweckmäßig für die Herstellung von Hohlkörpern, die möglichst in einer Operation in der Ziehbank erzeugt werden. Materialfehler sind bei weichen Messingblechen, sofern sie nicht als sogenannte Schieferstellen ihren Ursprung in Gußblasen haben, meist auf unsachgemäße Wärmebehandlung zurückzuführen. Wird nämlich das Blech bei der letzten Glühung im Metallwerk oder bei der Drückverarbeitung überhitzt auf 850° C, so wachsen die Kristalle über das normale Maß hinaus und es entsteht grobes Gefüge. Dieses ist spröde und führt zu Bruch oder aber gibt fertigen Hohlkörpern ein narbiges, unschönes Aussehen. Bei der Herstellung eines zylindrischen Gefäßes von 25 mm Durchmesser aus einem Rondell von 750 mm Durchmesser in 8 Zügen soll die Verringerung des jeweils vorliegenden Durchmessers nach der Erfahrung in folgenden Stufen vor sich gehen: 1. Zug 66 %, 2. Zug 77 %, 3. Zug 75 %, 4. Zug 73 %, 5. Zug 65 %, 6. Zug 60 %, 7. Zug 58 %, 8. Zug 54 %. Die Beanspruchung ist also nach dem ersten Glühen am geringsten zu wählen und bei den nachfolgenden Zügen bis zum Schluß der Verarbeitung zu steigern. Bei harten Messingblechen zeigen sich mitunter auf der Oberfläche rote Flecke und Streifen. Diese entstehen, wenn durch starke Erhitzung örtliche Entzinkungen eintreten. Beim nachfolgenden Beizen schlägt sich an diesen Stellen Kupfer nieder. Die gute Korrosionsbeständigkeit der α-Messinge ist ferner Veranlassung zu ihrer Verarbeitung zu Kondensatorrohren, die aus 30 % Zink und 70 % Kupfer bestehen oder aber nach dem Vorschriften der Reichsmarine aus 1 % Zinn, 29 % Zink, 70 % Kupfer. Diese Rohre werden entweder auf hydraulischen Vertikalpressen aus kurzen Abschnitten im warmen Zustande gepreßt oder aber auf sehr langweilige Weise direkt aus dem Gußblock gezogen. Zu diesem Zweck wird der letzere mit einem Kanonenbohrer längs durchbohrt und im kalten Zustande in Langziehbänken heruntergearbeitet. Das Schrägwalzen nach dem Mannesmannverfahren läßt sich bei den Kondensatorrohrlegierungen nicht anwenden, da ihre geringe Warmknetbarkeit über den ganzen Temperaturbereich von 325° aufwärts eine derartig starke Deformation nicht zuläßt. Bei Ms 90 erstreckt sich der Sprödigkeitsbereich von 450 ÷ 550° C. Beide Legierungen lassen sich also innerhalb dieser Grenzen auch nicht warm schmieden oder warm scharf biegen. Alpha- + Beta-Messinge werden auf Grund ihrer guten Warmknetbarkeit bei 750° C mittels Strangpressen zu Rund- und Profilstangen und diese wieder zu Messingpreßteilen verarbeitet. Die Vorprodukte für diese Erzeugnisse sind runde Barren von 70 ÷ 160 kg Stückgewicht. Auch bei der Herstellung von Messingstangen ist die Temperaturfrage von großer Bedeutung, weil durch Ueberhitzung ebenfalls grobes, sprödes Korn entsteht, was bei der Bearbeitung auf Automaten oder anderen schnellaufenden Werkzeugmaschinen die Fabrikation stark beeinträchtigen kann. Bei zu niedriger Temperatur bildet sich das bereits beschriebene körnige Gefüge, was in bezug auf Verarbeitung mit spanabhebenden Werkzeugen dieselben ungünstigen Eigenschaften besitzt. Messing-Preßstangen werden mit einer Genauigkeit von ±÷0,3 mm hergestellt, ist größere Genauigkeit erforderlich (±÷0,05), so wird das Material nachträglich in Langziehbänken gezogen. In derselben Weise werden Messingdrähte hergestellt, die man bis zur Stärcke von 7 mm Durchmesser ebenfalls in dicken Barren preßt und bis auf die geforderten Endmaße in Rundziehbänken herunterarbeitet. Abb. 3 zeigt eine Zusammenstellung gepreßter und gezogener Messingprofile für Fensterrahmen, Treppenschienen, sowie zur Herstellung von Zahnrädern und anderen Spezialerzeugnissen, die in Massenfabrikation direkt von der Stange gearbeitet werden. Profilstangen, die als Platinen-Ober- oder -Unterstücke in der Textilmaschinenindustrie zur Verwendung kommen, werden mitunter durch gleitende Teile einseitig beansprucht. Bei diesen hat man das beschriebene Verfahren der Messinghärtung durch Erlangung reinen Betagefüges, infolge Abschreckens in Wasser nach dem Erwärmen auf 700° C, auszunutzen versucht. Die Härte konnte dadurch innerhalb eines Stückes von 90 auf 105 kg/mm2 gesteigert werden. Die an sich großen Querschnittsunterschiede der betreffenden Stangen hatten jedoch ein Verziehen zur Folge. Bei einfachen Teilen dürfte es nach den Erfahrungen aber grundsätzlich möglich sein, entsprechend der verschiedenen Beanspruchung zweckmäßige Härteunterschiede zu erzeugen. Die Steigerung der mechanischen Eigenschaften durch thermische Vergütung ist besonders in neuerer Zeit auch auf die Sondermessinge ausgedehnt worden, die bekanntlich durch Zusatz eines oder mehrerer Metalle zu den reinen Kupfer-Zinklegierungen entstehen. Die bis heute erforschten wichtigsten Zusatzmetalle sind Blei, Mangan, Nickel, Zinn, Eisen und Aluminium. Neuere Versuche mit Cadmium haben ebenfalls gute Ergebnisse erbracht. Durch Zusatz von 1,5 % Cadmium läßt sich die Festigkeit eines 58er Messings von 40 auf 53 kg/mm2, die Härte von 95 auf 125 kg/mm2 steigern. Die Dehnung fällt jedoch zu gleicher Zeit von 25 auf 10 % ab. Die Vergütung der Sondermessinge erfolgt meist durch Abschrecken in Wasser nach dem Erhitzen auf 700 bis 750° C und nachträgliches mehrstündiges Anlassen bei 400 bis 500° C. Danach tritt entweder eine Kornverfeinerung ein, die bessere mechanische Eigenschaften und Korrosionsbeständigkeit bedingt oder, wenn z.B. das Sondermessing als Material für Lagerschalen verwendet werden soll, wird die Ausscheidung eines härteren Bestandteiles bewirkt, der in einer weichen Grundmasse eingebettet ist. Ein derartiger Gefügezustand ist für Lagermetalle charakteristisch. In der nachfolgenden Tabelle sind die mechanischen Eigenschaften einiger Messinge und Sondermessinge, sowie deren Verwendungszweck angegeben. Werkstoff Kurz-zeichen Farbton(poliert) Festigkeitkg/mm2weich hart Debnung%weich hart Verwendungs-zweck Schraubenmsg. Ms. 58 ockergelb 40   50 25   15 Armaturen, Pro-file, geschnitteneSchraube Mechanikermsg. Ms. 59 „ 40   50 20   12 Stanzteile für dieFeinmechanik u.Uhrenind Schmiedemsg. Ms. 60 „ 35   50 30   15 Beschläge, Vor-wärmerrohre Druckmsg Ms. 64 rotlichgelb 30   45 35   15 Metallwaren,PatronenhülsenTiefziehteile Halbtombak Ms. 67 grünlichgelb 30   45 35   15 Holzschrauben,Messinglotdraht,Ziehteile Goldtombak Ms. 72 „ 25   40 40   15 Turbinenschau-feln, Füllstücke,Rollschrauben Mittelrottombak Ms. 85 goldgelb 25   40 40   10 Metallwaren,Kunstgewerbe-teile Rottombak Ms. 90 goldrot 25   40 40     5 InstrumentenbauApparateteile Spreemetall Mn./Ms. I, 4 braungelb 45    – 25    – Seewasser undwitterungsbe-ständige Press-teile, Schiffbau-teile Manganmessing Mn,/Ms. 3 „ 45   55 25   10 Schnecken- undZahnräder, Lauf-buxen, Preßteile Nickelmessing Ni./Ms. 10 gelblichw. 40   50 35   25 Turbinenschau–fein für Naß-dampfstufe Sondermessing 1 So./Ms. 1 ockergelb 40   60 30   12 Drehteile hoherFestigkeit Sondermessing 2 So./Ms. 2 goldgelb 45   60 20   10 LagerbuxenTeile für Tex-tilmaschinen Sondermessing 3 So./Ms. 3 ockergelb 65   70 15   10 Preßteile, Schiff-bauteile, Loko-motivarmaturen Das angeführte Mangan-Sondermessing Mn/Ms 1,4 läßt sich im kalten Zustande durch Ziehen oder Prägen schlecht verarbeiten, außerdem ist seine Oberfläche von einem braunen Oxydbelag überzogen, der nur durch Beizen entfernt werden kann. Schon geringe Zusätze anderer Metalle heben diese unerwünschte Wirkung auf (z.B. bei So/Ms2), machen das Material kalt knetbar und geben ihm ein glänzendes, goldgelbes Aussehen, wodurch in vielen Fällen, auch für besondere Zwecke, eine Verarbeitung ohne nachträgliches Polieren möglich ist. Textabbildung Bd. 344, S. 176 Abb. 4.Infolge innerer Spannungen gerissene im Vergleich zu angelassenen Messingschrauben. Kalt gerecktes Messing steht in jedem Fall unter dem Einfluß innerer Spannungen, die sich im Laufe der Zeit beim Lagern an der Luft auslösen können. Demzufolge kommt es vor, daß gedrückte Hohlkörper, Schrauben, Schienen, Preßteile und Rohre plötzlich aufreißen. Den Nachweis dieser Spannungen kann man bei jedem kalt gereckten Material bereits vor der Verarbeitung durch Tauchen eines kleinen Probestückes in Quecksilber erbringen. Das letztere dringt in das Messing ein und bewirkt das Aufreißen schon in einigen Minuten. Durch Anlassen, ½ Stunde bei 325° C, lassen sich die inneren Spannungen bereits vorher auslösen, ohne daß das betreffende Material sich in irgendeiner Weise verändert. Abb. 4 zeigt zwei Schrauben (Nr. 1 u. 2), die man künstlich mittels der kleinen sichtbaren Vorrichtung durch Anziehen der Muttern noch besonders gespannt hatte. Beim Tauchen in Quecksilber rissen die Schraubenköpfe ab. Derselbe Versuch mit den angelassenen Schrauben 3 und 4 erbrachte den Beweis der Entspannung, da an diesen der Bruch nicht eintrat. Bei der Verwendung im Betriebe wären also die Schrauben Nr. 1 und 2 nach einer gewissen Zeit ebenfalls gerissen. Da ein derartiger Materialbruch oft recht unangenehme Folgen haben kann, ist ein Anlassen, ½ Stunde bei 325-350° C, für alle kalt gereckten oder gebogenen Messingteile zu empfehlen und wird bereits in verschiedenen Großbetrieben fabrikationsmäßig durchgeführt. Viel verwendet wird Mesing als Ms 63 und Ms 67 zur Herstellung von Formgußteilen für alle technischen Gebiete. Wegen der hohen Herstellungskosten, bedingt durch die Sandformen, geht man jedoch nach Möglichkeit dazu über, derartige Stücke auf dem Wege des Warmpreß- oder Spritzgußverfahrens zu erzeugen. Besonders in neuerer Zeit ist auch das letztere sehr entwickelt worden. Weitere Vervollkommnungen hängen jedoch mit der Werkzeugfrage zusammen, da die erforderlichen Gießformen aus hochwertigsten Stählen hergestellt werden müssen.