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Legierung

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Inhaltsverzeichnis

Definition

Periodensystem der Elemente

Eine Legierung ist eine Verbindung aus zwei oder mehreren Elementen, von denen mindestens eines ein Metall ist. Als Metall wird im täglichen Leben ein Stoff bezeichnet, der folgende Eigenschaften besitzt:

  • Reflexionsfähigkeit für Licht
  • Hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit
  • Plastische Verformbarkeit unter Zug, Druck und tiefer Temperatur
  • In einigen Fällen Ferromagnetismus und Supraleitung


Das Basismaterial und die Legierungselemente werden als Komponenten bezeichnet.

Eine Legierung wird immer einen metallischen Charackter behalten.


Die Schreibweise von Legierungen ist in einer Norm geanu beschrieben. Laut DIN 1310 Zusammensetzung von Mischphasen (Gasgemische, Lösungen, Mischkristalle); Begriffe, Formelzeichen gilt folgende Darstellungsart:

Beipiele:

  • CuZn10 bedeutet, dass Kupfer mit einem Anteil von 10% Zinn legiert wurde
  • CuNi10Fe1Mn enthält 10% Nickel, 1% Eisen und geringe Mangananteile (unter einem Prozent)

Unter einem Prozent wird meistens keine Zahl angegeben, ausser das Element ist in der geringen Menge wichtig, wird es ohne Zahl genannt. Steht zusätzlich "-C" hinter der Bezeichnung, handelt es sich um einen Gusswerkstoff. In der obgenannten Norm werden noch viele weitere Zusätze für die Legierungsformeln erwähnt und erklärt.

Beispiel:

  • CuSn5Zn5Pb5-C ist ein Kupfergusswerkstoff mit je 5% Zinn, Zink und Blei (auch Rotguss genannt)


Man kann Legierungen in zwei Typen einteilen:

  • Knetlegierungen lassen sich gut im kalten und warmen Zustand spanlos verformen.
  • Gußlegierungen sind leicht gießbar und eignen sich gut für Gußteile.


Nichteisenlegierungen werden nach dem Metall mit dem grössten Anteil, dem Grundmetall, und dem Zusatz Guß- oder Knetlegierung bezeichnet; z.B. Aluminium-Gußlegierung oder Nickel-Knetlegierung. Kupferlegierungen werden nach dem Grundmetall und ein oder zwei weiteren Legierungskomponenten benannt; z.B. Kupfer-Zinn-Legierung oder Kupfer-Nickel-Zink-Legierung.

Einführung

Durch bestimmte Behandlungen kann man bestimmte Eigenschaften von Metallen, wie zum Beispiel Härtegrad, Festigkeit, Korrosionsschutz, Leitfähigkeit usw., um viele Größenordnungen ändern. Die wichtigsten Verfahren dafür sind:

  • Legieren (Mischen)
  • Glühen (Wärmebehandlung)
  • Verformen (mechanische Behandlung)
  • Bestrahlung (mit Neutronen)


Die Eigenschaften von Legierungen unterscheiden sich meistens sehr von denen der einzelnen Komponenten. Aus diesem Grund werden öfters Legierungen als reine Metalle benutzt. Man denke zum Beispiel an die verschiedenen Eisenlegierungen: gewöhnlicher Stahl, in seiner einfachsten Form als Gemisch von Eisen und Kohlenstoff, ist härter und fester als Schmiedeeisen (fast reines Eisen). Legierungen haben in der Regel einen niedrigeren Schmelzpunkt als ihre Komponenten.


3D-Oberflächentopografien einer Metalloberfläche der Firma Carl Zeiss AG, um die Oberflächenstruktur bei verschiedenen Bearbeitungsstufen darzustellen:


Um Legierungen besser verstehen zu können, braucht man einen kurzen Einblick über den Aufbau von Metallen. Rein äußerlich erscheinen sie als einheitlich homogener Stoff, mit dem typischen metallischen Glanz der Oberfläche. Betrachtet man aber die geätzte Oberfläche stark vergrößert, z.B. mit einem Elektronenmikroskop, so erkennt man, daß sie einen äußerst komplizerten Aufbau besitzt. Man erkennt größere zusammenhängende Bereiche, die sich wiederum aus einer Vielzahl kleinerer, regelmäßig geformter Körper zusammensetzen. Diesen Feinbau bezeichnet man als kristallinen Aufbau.

Im festen Aggregatzustand besitzen Metalle einen festen Zusammenhalt. Die Ursache dafür ist die Metallbindung, welche die einzelnen Metallteilchen zusammenhält. Diese entsteht bei der Herstellung eines Metalles durch Zusammenlagern einzelner Metallatome. Schwach gebundene Elektronen verlassen den Kern und umgeben den entstandenen Ionenverband in einer Art Elekrtonenwolke. Sie können sich darin frei bewegen, aber diese nicht verlassen, da die Ionen positiv und die Elektronen negativ geladen sind. Dies bewirkt einen sehr starken Zusammenhalt der Metallionen und daher folgt die Festigkeit der Metalle.

Die zusammenhaltenden Kräfte der Elektronenwolke drängen die Metallionen auf möglichst kleinen Raum zusammen. Dadurch entsteht eine regelmäßige Anordnung der Ionen, woraus der typische kristalline Aufbau entsteht. Wenn man die Mittelpunkte der Metallionen miteinander verbindet, so ergeben die Verbindungslinien ein räumliches Gitter, welches als Raum- oder Kristallgitter bezeichnet wird.

Die Metallionen der verschiedenen Metalle können diverse geometrische Anordnungen haben. Am häufigsten sind die kubisch-raumzentrierte, die kubisch-flächenzentrierte und die hexagonale Anordnung. In den nachfolgenden Grafiken sind die Ionen als Kugeln mit einem schematischen Strichmodell dargestellt. Die Elektronenwolke (hier nicht dargestellt) kann man sich wie eine dichte Hülle, die um die Kristalle schwebt, vorstellen.

In der Metallschmelze bewegen sich die Ionen frei und regellos durcheinander. Bei Abkühlung der Schmelze, unter die Erstarrungstemperatur, beginnt die Zusammenlagerung der Metallionen nach dem entsprechenden Kristallgittertyp. Die Stellen, an denen der Kristallwachstum beginnt, nennt man Kristallisationskeime. Von ihnen ausgehend, gliedern sich immer mehr Kristallionen aus der Restschmelze den Kristallen an, so dass die rasch wachsen. Wenn die Schmelze fast aufgebraucht ist, stossen die von den einzelnen Kristallisationskeimen wachsenden Kristalle an ihre Grenzen aneinander. Die dadurch unregelmässig begrenzten Kristalle nennt man Kristallite oder Körner. Die Metallionen im Grenzbereich zwischen den Körnern können nicht in das Kristallgitter eingeordnet werden. Sie bilden zwischen den einzelnen Körnern eine ungeordnete Begrenzungsschicht, die Korngrenze genannt wird. Haben alle Metallionen ihren festen Platz, so ist die Schmelze vollständig erstarrt, das Gefüge des Werkstoffs ist entstanden.

Bei der Bildung von Kristallen kann es auch zu Baufehlern kommen. Wenn z.B. ein Gitterplatz nicht besetzt wird, so nennt man dies eine Lücke. Falls eine ganze lage von Metallionen eingeschoben wird, so spricht man von einer Versetzung. Diese Baufehler führen zu Verzerrungen im Kristallgitter und führen zu zusätzlichen Kräften zwischen den Metallionen. Als Folge kann z.B. eine Steigerung der Festigkeit sein. Diese Wirkung tritt z.B. bei Legierungen auf, wobei Fremdatome in das Kristallgitter des Grundmetalls eingelagert werden.


Die Herstellung von Legierungen erfolgt im flüssigen Zustand, in der sog. Schmelze. Die Legierungselemente werden dem flüssigen Basismetall zugegeben und lösen sich darin auf. Beim Erstarren der Schmelze können sich, je nach Grundmetall und Legierungselementen, unterschiedliche Gefügearten ausbilden.

Mischkristalle

Bei diesem Legierungstyp verteilen sich die Teilchen des Legierungselements beim Erstarren der Schmelze gleichmässig im Kristallgitter des Grundmetalls. Diese Materialien haben ein Schliffbild, das dem reiner Metalle ähnlich ist, da die winzigen, gelösten Legierungselement-Teilchen nicht sichtbar dind.

Die Mischkristall-Legierungen sind fester als die reinen Grundmetalle, bleiben aber gut umformbar. Die Steigerung der Festigkeit beruht auf den Verzerrungen durch die Legierungselement-Teilchen, da die verschiedenen Elemente auch verschieden grosse Atomdurchmesser besitzen. Beispiele dafür sind z.B. Eisen mit Nickel oder Kupfer mit Gold.


Damit eine Legierung in jeder Zusammensetzung Mischkristalle mit vollkommener Löslichkeit im festen Zustand bilden kann, sind folgende Voraussetzungen nötig:

  • Beide Metalle müssen das gleiche Kristallsystem aufweisen.
  • Die Gitterkonstanten dürfen sich um maximal 15 % unterscheiden.
  • Die beiden Metalle müssen eine „gewisse chemische Ähnlichkeit“ haben.
  • Die Elektronegativitätsdifferenz darf „nicht zu groß“ sein.

Kristallgemische

Bei diesem Legierungstyp lagern sich beim Erstarren die Teilchen des Legierungselemts und die des Basismetalls getrennt zu eigenen Kristallen zusammen. Das Gefüge dieser Legierungen besteht aus einem Gemisch verschiedener Körner, die im Schliffbild deutlich zu erkennen sind.

Auch Kristallgemisch-Legierungen haben, gegenüber dem Grundmetall, eine erhöhte Festigkeit. Sie lassen sich aber schwerer umformen, da sich die verschiedenartigen Kristalle bei der Verformung gegenseitig behindern. Beispiele dafür sind z.B. Blei mit Antimon oder Eisen mit Kohlenstoff (Gusseisen).


Man muß zwei Typen von Kristallgemischen unterscheiden:

Vollkommene Unlöslichkeit im festen Zustand:

Legierungen dieser Art sind zwar in der Schmelze ineinander gelöst, entmischen sich jedoch während der Kristallisation vollständig. Es entsteht ein Kristallgemisch der reinen Komponenten.

Begrenzte Löslichkeit im festen Zustand:

Legierungen dieser Art können zwar Mischkristalle bilden, jedoch nicht in jeder Zusammensetzung. Im Gegensatz zu Legierungen mit vollkommener Löslichkeit unterscheiden sich hier die Atomgrößen stärker, was bedeutet, dass die Gitterverzerrungen ab einer gewissen Zusammensetzung unerträglich werden. Auch das Kristallsystem kann ein Hindernis sein, wenn sich die Legierungselemente im Kristallsystem zwar ähnlich, aber nicht gleich sind.

Zum Beispiel kann jede Komponente in der Legierung Blei (kubisch-flächenzentriert) - Zinn (tetragonal-raumzentriert) mit der anderen in begrenztem Maße Austausch-Mischkristalle bilden. Weitere Beispiele sind Aluminium-Magnesium, Kupfer-Aluminium, Kupfer-Zink, Kupfer-Zinn, Zink-Aluminium


Begrenzte Löslichkeit im festen Zustand heißt aber nicht nur, dass die eine Komponente beim Kristallisieren bis zu einem gewissen Prozentsatz Atome der anderen Komponente aufnehmen kann, sondern auch, dass die Löslichkeit bei sinkender Temperatur abnimmt. Da die Bewegungsenergie der Atome geringer wird, schrumpft auch dementsprechend die Gitterkonstante des vorliegenden Kristallsystems und dies bietet Fremdatomen weniger Platz. Die Folge davon ist, dass die Mischkristalle ab der Übergangstemperatur sich zu entmischen beginnen.

Diese Eigenschaft der teilweisen Entmischung der Komponenten, durch abnehmende Löslichkeit bei tieferen Temperaturen, wird beim Härten einer solchen Legierung ausgenutzt. Man spricht hierbei auch von einer Ausscheidungshärtung.

Mischkristalle vs. Kristallgemische

Eigenschaft Mischkristall Kriatallgemisch
Komponenten gleiche Raumgitter verschiedene Raumgitter
Gefüge homogen, eine Kristallart heterogen, mehrere Kristallarten
Löslichkeitkeit vollkommen gar nicht bzw. begrenzt
Gießbarkeit schlecht gut
Knetbarkeit gut schlecht
Zerspanbarkeit schlecht gut
Verwendung Knetlegierung Gußlegierung

Intermediäre Kristalle

Eine weitere Möglichkeit zur Legierungsbildung besteht darin, dass die beteiligten Elemente zwar einen gemeinsamen Kristall bilden, der jedoch keinem Kristallsystem der Basiselemente ähnelt. Es entsteht ein eigenes Kristallsystem, das im Gegensatz zu denen von reinen Metallen sehr kompliziert aufgebaut ist. Solche Verbindungen sind zudem sehr hart und spröde. Außerdem erfordern diese Kristalle ein festes Atomzahlenverhältnis. Eine Legierung mit intermediärer Kristallbildung, deren Legierungselemente ausschließlich Metalle sind, nennt man intermetallische Verbindung oder auch Intermetallische Phase.

Metalle mit starken elektrochemischen Unterschieden bilden in bestimmten Mischungsverhältnissen gemeinsam vom Basismetall abweichende Gitter, in denen neben der vorherrschenden Metallbindung Atom- und Ionenbindung überlagert sind. Diese intermetallischen Phasen sind dadurch härter und spröder und haben z.T. komplizertere Gitter ohne Gitterebenen.

Metalle können mit höheren Anteilen der Nichtmetalle Kohlenstoff, Stickstoff und Bor chemische Verbindungen bilden, wobei ihre Gitter Einlagerungsstrukuren sind, jedoch mit geordneter Verteilung der Nichtmetallatome im Metallgitter. Diese Carbide, Nitride und Boride der Übergangsmetalle zählen heute auch zu den intermetallischen Phasen. Meist sind es Hartstoffe mit hohen Schmelzpunkten, darum im Gefüge von Werkzeug- und warmfesten Stählen enthalten (Sondercarbide) oder sie werden als Verschleißschutzschichen in zähen Baustählen erzeugt (Nitrieren, Borieren) oder durch die Verfahren des Beschichtens angebracht.

Diffusion

Diffusion ist die Durchdringung von Stoffen infolge der Wärmebewegung von Teilchen. Die ist bei Gasen vollkommen, in Flüssigkeiten nach kurzer Zeit erfolgt und bei Festkörpern erschwert. Gitterstörungen, wie Lücken und Versetzungen, gestatten durch Platzwechsel eine Art Wanderung von Atomen im Raumgitter. Die Diffusionsgeschwindigkeit hängt von den Konzentrationsunterschieden als Triebkraft, von der Temperatur als Maß für die Aufweitung des Gitters, vom Gittertyp und vom Atomdurchmesser ab. Als Diffusion sind auch Umkristallisations- uns Ausscheidungsvorgänge bei Legierungen zu werten. Bei niedrigen Temperaturen brauchen sie mehr Zeit, um ablaufen zu können. Durch Diffusion können auch Stoffanhäufungen (Siegerungen) teilweise ausgeglichen werden oder es diffundieren Stoffe von außen in Basiswerkstoffe ein, wie z.B. beim Aufkohlen oder beim Chromieren. Die Diffusionsgeschwindigkeit ist bei konstanter Temperatur zu Beginn am größten. Da sich der Konzentrationsunterschied bei wachsendem Eindiffundieren verringert, sinkt die Diffusionsgeschwindigkeit. Ein vollkommenes Durchdringen fester Stoffe wäre nur bei unendlich langer Glühzeit möglich. Deshalb ist ein Ausgleich von Siegerungen oder die vollkommene Ausscheidung von Sekundärkristallen unmöglich.

In einem abgeschlossenen System bewirkt Diffusion den Abbau von Konzentrationsunterschieden bis hin zur vollständigen Durchmischung. Die Zeit, die dafür benötigt wird, wächst mit dem Quadrat des Abstands. Diffusion ist daher vor allem auf Nano- bis Millimeter-Skalen wirksam; auf größeren Skalen dominiert in Flüssigkeiten und Gasen in der Regel Stofftransport durch Strömung (Konvektion). Diffusion kann auch durch eine poröse Wand oder Membran hindurch erfolgen. Osmose ist die Diffusion von Lösungsmittel durch eine für den gelösten Stoff undurchdringbare (semipermeable) Membran.

Sintern

Sintern ist ein Glühen[1] von gepreßten Metallpulverteilchen, bei dem durch Diffusion und Rekristallisation ein zusammenhängendes Kristallgefüge entsteht. Es gestattet die Herstellung von Halbzeugen[1] und Fertigteilen unter Umgehung der flüssigen Phase (ohne Schmelzen). Jedoch ist Sintern nicht nur ohne flüssige Phase, sondern auch mit flüssiger Phase möglich. Bei der Wärmebehandlung werden die Pulverkörnchen an ihren Berührungsflächen durch Diffusion der Metallatome in eine feste Verbindung gebracht. Bei einphasigen Pulvern, die aus einheitlichem Material bestehen, liegt die Sintertemperatur zwischen 65 und 80% der Solidustemperatur[1]. Bei mehrphasigen Pulvern wird in der Nähe oder oberhalb der Solidustemperatur der am niedrigst schmelzenden Phase gesintert. Die Zwischenräume offenporiger Werkstücke können nach dem Sintern auch durch Tauchen in eine Metallschmelze ausgefüllt werden. Alle Sintermetalle sind porös, wobei Dichtigkeiten bis 99% zu erreichen sind. Eine vollständige Verdichtung erfolgt in einigen Fällen durch Warmwalzen. Nach einer Kalibrierung weisen die Werkstücke hohe Maßgenauigkeit und Oberflächengüte auf.


Die Herstellung der Materialien erfolgt in mehreren Fertigungsstufen:

  1. Pulverherstellung: Ausgangsmaterial für Sinterformteile sind Metallpulver, die durch Verdüsen oder Zerstäuben von Metallschmelzen gewonnen werden. Wegen der großen Abkühlgeschwindigkeit besitzen die Pulverteilchen ein feines und gleichmäßiges Gefüge.
  2. Pulvermischung: Bei Verwendung von Pulvermischungen werden die Pulver in der gewünschten Zusammensetzung gemischt. Um beim anschließenden Pressen das Gleiten zu erleichtern, werden den Pulvern Gleitmittel zugesetzt.
  3. Pressen: In Preßwerkzeugen werden die Pulver unter hohem Druck verdichtet. Dabei vergrößern sich die Berührungeflächen der Pulverkörner, während der Porenraum kleiner wird. Durch Adhäsion und mechanischer Verklammerung erhält das Pulver einen Zusammenhalt. Beim Pressen werden die Pulverteilchen an den Berührungsstellen kaltverfestigt.
  4. Sintern: Die endgültige Festigkeit erhält der Pulverpreßling durch Sintern, einer nach Temperatur und Zeit gesteuerten Temperaturbehandlung. Dabei wandern Atome über die Berührungsstellen hinweg in die jeweils benachbarten Pulverteilchen (Diffusion). Gleichzeitig kommt es an den vorher kaltverfestigten Berührungsflächen zur Kristallneubildung (Rekristallisation).
  5. Kalibrieren: Gesinterte Teile besitzen eine für Werkstücke meist ausreichende Maßgenauigkeit und Oberflächengüte. Wenn an diese Eigenschaften hohe Ansprüche gestellt werden, müssen fertiggesinterte Wekstücke nachgepreßt (kalibriert) werden.

Geschichte

Die Geschichte der Legierungen hängt mit der Geschichte der Metalle zusammen. Die Verwendung der Metalle ist vor allem durch die metallurgischen Schwierigkeiten ihrer Gewinnung verbunden. Da die Metalle in der Natur meist als chemische Verbindungen, vor allem mit Sauerstoff, vorkommen, nehmen die Schwierigkeiten mit der Stärke der Bindung zu. Anfangs wurden nur Metalle verwendet, die in gediegener Form in der Natur vorkommen, vor allem Gold, Silber, Kupfer und Meteoriteneisen. Fast alle technisch interessanten Eigenschaften wurden durch die empirische Methode entdeckt, d.h. durch Zufall oder durch systematisches Probieren.

Verschiedene Gebrauchsgegenstände aus der Bronzezeit


Entdeckte Eigenschaft Epoche/Jahr
Verfestigung durch Kaltverformung 4000 v. Chr.
Legierungshärten von Bronzen 2500 v. Chr.
Stahlhärtung 1000 v. Chr.
Aushärtung von Aluminiumlegierungen 1905
Rostfreier Stahl 1913
Legierungen mit Formgedächtnis 1955
metallische Gläser 1960


Vor etwa 6000 bis 10000 Jahren wurde Kupfer wohl per Zufall entdeckt. Wahrscheinlich trat das Metall bei extrem heissen Kohlefeuern aus dem Gestein aus und ist somit das erste von Menschen genutzte Metall. Dann wurde vor ca. 5000 Jahren auch Zinn entdeckt und nichts stand der ersten Legierung im Weg: Bronze. Dieses Material war so bekannt und wichtig, dass es eine ganze Kulturepoche geprägt hat und ihr sogar den Namen gegeben hat: die Bronzezeit. Auch Zink ist schon seit der Bronzezeit bekannt und wurde 3000 Jahre vor Christi Geburt mit Kupfer zu Messing legiert. Bronze wurde für Gebrauchsgegenstände und Waffen benutzt und Messing für Schmuck und Münzen.


Neben Kupferlegierungen war und ist Eisen wohl das wichtigste Basismetall für Legierungen. Bereits in der Antike kannte man dieses Material, aber nur von Meteoriten, in denen sich häufig eine Eisen-Nickel-Legierung befindet. Da Meteoriten selten gefunden wurden, war das darin enthaltene Metall ziemlich wertvoll, mehr als Gold. Wegen der grösseren Härte gegenüber Kupfer, wurde es für landwirtschaftliche Geräte und Waffen verwendet. 3000 bis 2000 vor Christus kannte man bereits verhüttetes Eisen, d.h. ohne Nickel und dann 1000 v. Chr. entstanden die ersten Stahlhärtungsverfahren und somit die ersten Eisenlegierungen. Dieses Metall und seine Legierungen löste die Bonzezeit durch die Eisenzeit ab.

Arten von Legierungen

  • Eisenlegierungen werden in zwei Gruppen unterteilt: Stahl und Gußeisen. Diese Trennung beruht auf dem Anteil des legierten Kohlenstoffs.
  • Nichteisenlegierungen haben als Basismaterial ein Nichteisenmetall.
  • Natürliche Legierungen sind nicht von Menschanhand geschaffen und entstehen bei großer Hitzeeinwirkung z.B. in Himmelskörpern.
  • Diffusionslegierungen entstehen durch die Diffusion von Atomen ins Kristallgitter der Basismetalle.
  • Heuslersche Legierungen sind ferromagnetische Legierungen, die kein Eisen, Kobalt oder Nickel enthalten, wie z.B. Cu2AlMn.
  • Pseudolegierungen nennt man die durch Sintern entstandenen Materialien. Somit lassen sich auch Elemente mischen, die sich im schmelzflüssigen Zustand nicht ineinander lösen würden.
  • Formgedächtnis-Legierungen (FGL) sind Metalle, die nach einer Verformung durch Hitzeeinwirkung zu ihrer Ursprungsform zurückkehren.
  • Bimetalle sind Schichtverbundwerkstoffe und keine eigentlichen Legierungen, da sie aus zwei verschiedenen Metallen mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehen.

Herstellung von Legierungen

Die Herstellung von Legierungen erfolgt durch die Mischung der verschiedenen Komponenten mit dem Basismaterial. Früher wurde ausschließlich mit Schmelzen gearbeitet, doch in den letzten Jahren kam für gewisse Anwendungen immer mehr die Pulvermetallurgie zum Einsatz, im Speziellen das Sintern. Duktile Materialien (Knetlegieungen) werden durch mechanische und thermische Arbeitsschritte nachbearbeitet, um sie für ihren Einsatz vorzubereiten. Spröde Materialien (Gußlegierungen) werden direkt in ihre Form gegossen, da eine Nachbearbeitung sehr schwer ist. Im Grund genommen, kann man sagen, daß Legierungen durch Zusammenschmelzen und -gießen, durch Pressen oder Sintern, durch Eindiffundieren von Legierungszusätzen in das Grundmetall, seltener auch durch Zersetzung von Metallverbindungen entstehen.

Oft ist es Nötig mit Vorlegierungen zu arbeiten. Diese enthalten neben den Basismetallen wie Aluminium, Eisen, Kupfer, Nickel u.ä. weitere Legierungselemente, welche sich mit dem Basismetall schwer legieren, sei es, weil ihre Schmelzpunkte sehr hoch oder ihre Siedetemperatur niedrig liegen oder sie nur langsam in Lösung gehen bzw. leicht oxydieren. Auf Basis von Eisen sind die Ferrolegierungen wie Ferrochrom (FeCr), Ferromangan (FeMn), Ferrosilicium (FeSi), Ferrosilicium-Magnesium (FeSiMg), Ferrotitan (FeTi), Ferrophosphor (FeP) und weitere die häufig in der Stahl- und Gusseisenherstellung verwendet werden. In der Aluminiumgießerei sind Vorlegierungen vergossene Aluminiumbarren, die zu einem bestimmten, festgelegten Anteil mit anderen Metallen legiert sind, da sich manche Metalle aber nur zu einem niedrigen Anteil mit Aluminium legieren lassen bis sie gesättigt[1] sind. Kupfer ist beispielsweise zu maximal 6% in Aluminium löslich und bildet danach inhomogene Ballungsbereiche von Kupferatomen im erkalteten Metall. So ist es in der Fertigung oft erforderlich, große Mengen dieser Vorlegierungen beim Befüllen des Schmelzofens einzusetzen, um die gewünschte Zusammensetzung der Schmelze zu erhalten.

Die wichtigsten/bekanntesten Legierungen

Legierungen werden grundsätzlich in zwei Kategorien getrennt:

  • Eisenlegierungen
  • Nichteisenlegierungen


Nichteisenlegierungen werden nochmals unterteilt:

  • Schwermetallegierungen - Dichte des Basismaterials > 5g/cm³
  • Leichtmetallegierungen - Dichte des Basismaterials < 5g/cm³


In den folgenden Absätzen sind die wichtigsten Basismetalle für Legierungen angeführt. Zusätzlich zum Eisen sind als Vertreter der Schwermetalle Kupfer und als Vertreter der Leichtmetalle Aluminium angeführt, da diese, im Verhältnis zu anderen Metallen, am häufigsten benutzt werden. Wie man in der Tabelle rechts erkennen kann, sind fast alle Elemente Metalle, die nochmals in Metalle, Alkalimetalle, Erdalkalimetalle, Halbmetalle[1], Übergangsmetalle, Actinoide und Lanthanoide unterteilt werden. Der Rest sind die Nichtmetalle[1], die in Edelgase[1], Halogene[1] und sonstige Nichtmelle unterteilt werden.

Eisenlegierungen

Hochreines Eisen 99,97%

Mit einem Anteil von 4,7% ist Eisen eines der häufigsten Elemente der Erdkruste und ist daher mit 95% Gewichtsanteil der genutzten Metallen das weltweit meistverwendete. In der Praxis wird Eisen nicht rein verwendet, sondern dient als Basismaterial für eine Vielzahl von Legierungen. Die Eigenschaften der Stähle und Eisengußwerkstoffe hängen von den Legierungselementen dund den gewünschten oder auch unerwünschten Begleitelementen ab. So beeinflussen z.B. die Nichtmetalle Stickstoff, Schwefel, Phosphor und Wasserstoff vor allem die unlegierten Stähle. Die Metalle Chrom und Wolfram bilden mit dem Eisen Karbide und dadurch werden Eigenschaften wie z.B. Korrosionsbestandigkeit und Verschleißfestigkeit verbessert.


Eisen wird in den nachfolgend angeführten Formen genutzt:

  • Roheisen[1] enthält 4% bis 5% Prozent Kohlenstoff und Anteile an Schwefel, Phosphor und Silicium.
  • Gußeisen enthält 2,06% bis 6,67% Kohlenstoff und weitere Legierungselemente, wie z.B. Silicium und Mangan.
  • Stahl enthält zwischen 0,06% und 2,06% Kohlenstoff.
  • Unlegierte Stähle[1] mit einem Kohlenstoffgehalt bis 0,8% heißen Baustähle, über 0,8% Werkzeugstähle.


Auswirkungen verschiedener Legierungselemente beim Eisen:

Element erhöht erniedrigt
Chrom Härte[1], Korrosionsbeständigkeit, Verschleißfestigkeit, Warmfestigkeit, Zugfestigkeit Dehnung
Cobalt Härte, Schneidehaltigkeit, Warmfestigkeit[1] Kornwachstum bei höheren Temperaturen
Kohlenstoff Härte, Festigkeit[1] (bei maximal 0,9% Kohlenstoffgehalt) Dehnung, Schmelz- und Schmiedbarkeit, Schmelzpunkt
Mangan Durchhärtbarkeit, Zähigkeit[1], Zugfestigkeit Graphitausscheidung bei Grauguß, Kaltformbarkeit, Zerspanbarkeit[1]
Molybdän Durchhärtbarkeit, Schneidehaltigkeit, Warmfestigkeit, Zugfestigkeit Anlaßsprödigkeit, Schmiedbarkeit
Nickel Durchhärtbarkeit, Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Zähigkeit Wärmedehnung
Phosphor Korrosionsbeständigkeit, Warmfestigkeit, Zugfestigkeit Kerbschlagzähigkeit[1], Schweißbarkeit
Schwefel Zerspanbarkeit Kerbschlagzähigkeit, Schweißbarkeit
Silizium Dehnbarkeit, Korrosionsbeständigkeit, Zugfestigkeit Bruchdehnung, Kerbschlagzähigkeit, Tiefziehfähigkeit[1], Schweißbarkeit, Zerspanbarkeit
Stickstoff Versprödung Alterungsbeständigkeit, Tiefziehfähigkeit
Vanadium Sauerfestigkeit, Härte, Warmfestigkeit Empfindlichkeit gegen Überhitzung
Wasserstoff Alterung durch Zersprödung, Zugfestigkeit Kerbschlagzähigkeit
Wolfram Härte, Schneidehaltigkeit, Warmfestigkeit, Zugfestigkeit Dehnung, Zerspanbarkeit

Nichteisenlegierungen: Schwermetalle - Kupfer

Kupfernugget

Kupfer ist das erste vom Menschen benutzte Metall, vor allem in Bronzen. Es ist relativ weich, gut formbar und zäh. Wegen seinen sehr guten Eigenschaften als Wärme- und Elektroleiter ist es weit verbreitet. Weil Kupfer ein schwach reaktives Schwermetall ist, gehört es zu den Edelmetallen[1]. Weiters zählt es zu den sogenannten Münzmetallen[1]. Kupfer kommt in der Natur manchmal als gediegenes (in reiner Form) Element vor und tritt meist als Nugget oder in verzweigten Strukturen und selten auch in kristalliner Form auf. Der Anteil gediegenen Kupfers in der Natur ist allerdings sehr niedrig. Kupfererze kommen dagegen häufig vor.

Kupfer ist der wichtigste Leiterwerkstoff in der Elektrotechnik und wird wegen seiner hervorragenden Wärmeleitfähigkeit für Heiz- und Kühlschlangen in Wärmetauschern benutzt. Im Kunsthandwerk wird Kupferblech getrieben, das heißt durch Hämmern verformt, was aufgrund seiner Weichheit leicht möglich ist. Auch Dächer werden mit Kupferblech gedeckt, worauf sich dann eine beständige grünliche Patina bildet, welche das darunterliegende Metall gut vor weiterer Korrosion schützt, so daß Kupferdächer eine Lebensdauer von mehreren Jahrhunderten haben können. Vor allem wird Kupfer als Basismaterial für eine Vielzahl von Legierungen benutzt.

Kupferlegierungen kann man grob in Bronze (Legierung mit hohem Zinnanteil) und Messing (Legierung mit hohem Zinkanteil) aufteilen. Diese Bezeichnungen sind mit Vorsicht zu genießen, da sie eher eine historische Bedeutung haben. Beim Messing sollte der Kupferanteil mindestens 50% sein und Bronzen (Zinnbronzen) haben einen Kupferanteil von 83-98% und einen Zinnanteil von 2-15% und weitere Elemente in geringen Mengen. Oftmals werden historisch abgeleitete Begriffe oder Handelsnamen benutzt, um bestimmte Werkstoffe zu benennen. Zum Beispiel wird die Kupferlegierung "Rotguß" auch Rotmessing oder Maschinenbronze genannt, wobei eigentlich Bronze und Messing verschieden sein sollten. Weiters läßt sich Kupfer hervorragend mit Blei, Aluminium und Nickel legiern.


Bronzestatue vom Gott Posaidon (5. Jh. v. Chr.)

Bronze ist eine Legierung aus den Metallen Kupfer und Zinn. Je nach Art ihrer Verarbeitung lassen sich Knet- und Gußlegierungen unterscheiden. Knetlegierungen enthalten neben Kupfer bis zu 8,5% Zinn, während Gußlegierungen in der Regel einen Zinnanteil zwischen 9 und 12% aufweisen. Bronzen mit Zinnanteilen von 20-25% sind als Glockenbronze bekannt. Bronze wird im seltensten Fall als reine Zweistofflegierung genutzt, sondern mit weiteren Legierungskomponenten und Zusätzen versehen. Dadurch lassen sich die Werkstoffeigenschaften maßgeschneidert beeinflussen. Bei Knetlegierungen werden vor allem Phosphor und Zink beigemengt, bei Gusslegierungen sind darüber hinaus Blei, Nickel und Eisen von Bedeutung. Derartige Legierungen werden auch als Mehrstoffbronzen bezeichnet. Während reines Kupfer relativ weich ist, weist Bronze durch die Legierungskomponente Zinn eine hohe Festigkeit und Härte auf. Außerdem ist Bronze sehr korrosions- und verschleißfest sowie meerwasserbestädig. Die Leitfähigkeit für Elektrizität und Wärme ist bei niedrigen Zinngehalten gut, wenn auch nicht so hoch wie die von reinem Kupfer. Mit steigendem Zinngehalt sinkt die Leitfähigkeit, während Festigkeit und Härte zunehmen. Bronze bietet zudem gute Feder- und Gleiteigenschaften und verfügt über eine hervorragende Dauerschwingfestigkeit.


Schiffsbarometer aus Messing

Messing ist eine Legierung aus den Metallen Kupfer und Zink. Die gebräuchlichen Verbindungen enthalten einen Zinkanteil von fünf bis 45%. Jenseits dessen entstehen keine brauchbaren Legierungen mehr. Das Farbspektrum reicht von goldrot bei hohem Kupferanteil bis hellgelb bei hohem Zinkanteil. Kupfer und Zink vermischen sich in der Schmelze optimal und bleiben auch beim Erstarren gleichmäßig ineinander verteilt. Messing ist daher ein sehr homogenes Material. Zwar können theoretisch unendlich viele Legierungen zwischen Kupfer und Zink hergestellt werden, doch ist die Zahl der Messingsorten in der Praxis auf einige Dutzend begrenzt. Die neuen Euronormen führen ungefähr 60 Sorten auf. Damit lassen sich weitgehend alle gewünschten physikalischen, chemischen und technologischen Eigenschaften erzeugen. Doch nicht nur die beiden Grundmetalle sind hervorragend ineinander löslich. Es lassen sich zahlreiche weitere Elemente wie Aluminium, Eisen, Mangan, Nickel, Silizium und Zinn der Schmelze hinzufügen und so neue Legierungen mit vorteilhaften Eigenschaften gewinnen. Messinge mit solch gezielten Zusätzen werden als Sondermessing bezeichnet. Diejenigen Messingsorten, die als dritte Komponente zwecks besserer Zerspanbarkeit kleine Anteile von Blei enthalten, werden auch als Automaten oder Zehrspanungsmessinge bezeichnet. Eine der am häufigsten verwendeten Legierungen ist CuZn37.


Um die Wichtigkeit von Kupfer und seinen Legierungen darzustellen, sind hier einige der bekanntesten bzw. wichtigsten Kupferlegierungen angeführt. Es ist unmöglich alle Legierungen aufzulisten, da es für jeden Einsatz und Gebrauch einen maßgeschneiderten Kupferwerkstoff gibt und oftmals unterscheiden sich Legierungen nur im Firmennamen oder in einem minimalen prozentuellen Anteil der verschiedenen Komponenten.


Bronzesorten:

Neuguß einer Bronzeglocke
  • Aluminiumbronze (Kupfer 80-90% und 9-14% Aluminium) ist eine goldgelbe, gieß- und schmiedbare Kupferlegierung. Weitere häufige Legierungselemente sind Eisen, Mangan und Nickel. Die Zehnpfennigmünzen vor 1939 im Deutschen Reich waren aus dieser Legierung gefertigt. Diese Legierung ist besonders verschleißfest, beständig gegen Seewasser, Korrosion, Verzunderung, Erosion und Kavitation. Häufige Anwendungen findet dieser Werkstoff bei Schiffspropeller, Gleitelemente, Lager, Wellen, Schrauben, Muttern, Bolzen, Schneckenräder, Schnecken, Zahnräder und in der Chemische Industrie.
  • Glockenbronze (Kupfer 75-80% und 20–25% Zinn) wurde sowohl für Glocken, Klangschalen als auch für den Bau von Kanonen eingesetzt. Während der beiden Weltkriege wurden unter anderem Patronenhülsen und Führungsringe von Granaten daraus hergestellt.
  • Phosphorbronze (Kupfer 82,5%, Zinn 7% und Phosphor 0,5%) besitzt eine hohe Dichte und Festigkeit und wird hauptsächlich zur Herstellung von zähfesten Maschinenteilen und Achsenlagern eingesetzt.
  • Potin ist eine Bronzelegierung mit hohem Zinngehalt, welche neben Silber und Blei auch Spuren anderer Metalle enthält. Dieser Werkstoff wurde von den Kelten zum Gießen von Potinmünzen benutzt. Diese Münzen wurden nicht geprägt, sondern gegossen.
  • Zinnbronze (Kupfer 60-92% und Zinn bis 40%) ist die gängigste bzw. bekannteste Bronzesorte. Meist werden 8% Zinn legiert. Diese Legierung ist elastisch, zäh und korrosionsbeständig und wirs für Kunstguss, Turbinen- und Zahnräder, Glocken und manchmal auch für Schlagwerke und Schlagzeugbecken eingesetzt.


Messingsorten:

10, 20, 50 Cent Kursmünzen Vatikan 2005 aus Nordischem Gold
  • Deltametall (56% Kupfer, 40% Zink, 2% Blei und je 1% Eisen und Mangan) ist eine ältere, aber immer noch gebräuchliche, Bezeichnung für eine Sonderlegierung des Messings, hat eine goldgelbe Farbe und seine besonderen Eigenschaften sind hohe Festigkeit und Beständigkeit gegenüber Meerwasser und schwachen Säuren. Hochpoliert wird diese Legierung deshalb gerne für Schiffsarmaturen verwendet. Man findet diesen Werkstoff auch unter der Warenbezeichnung Dixigold.
  • Kartuschmessing (70% Kupfer und 30% Zink) ist die umgangssprachliche Bezeichnung für diese Kupferlegierung, welche von allen Messingsorten die beste plastische Verformbarkeit aufweist. Aus ihr wurden wegen der hohen Bruchdehnung in der Vergangenheit häufig Kartuschen für Artilleriegeschosse hergestellt.
  • Neusilber (45–70% Kupfer, 5–30% Nickel, 8–45% Zink und Beimischungen von Blei, Zinn oder Eisen) ist eine gebräuchliche silberweiß glänzende Kupfer-Nickel-Zink-Legierung. Es existieren auch noch die veralteten Namen Alpaka, Argentan, Minargent, die französischen Bezeichnungen Cuivre Blanc und Maillechort, sowie die aus dem Chinesischen stammende Bezeichnung Packfong. Auch die Bezeichnung Hotelsilber wird verwendet. Im Spanischen ist Neusilber auch als Plata Alemana und im Englischen als German Silver bekannt. Galvanisch versilbertes Neusilber wird als Chinasilber bezeichnet. Es zeichnet sich wegen des Nickelgehalts durch besondere Härte und Korrosionsbeständigkeit aus.
  • Nordisches Gold (89% Kupfer, 5% Aluminium, 5% Zink und 1% Zinn) enthält kein Gold, wie man es vom Namen verstehen könnte. Es zählt wegen der Hauptbestandteile Kupfer und Zink zu den Messinglegierungen und ist nicht magnetisierbar. Dieses Material wird zur Herstellung von Euromünzen mit den Nominalen 50, 20 und 10 Eurocent verwendet und war bereits vorher in einigen Ländern als Münzlegierung in Gebrauch. Es wurde ursprünglich für die schwedische 10-Kronen-Münze entwickelt, von der auch der Name stammt.
  • Tafelmessing, Goldmessing oder Tombak hat mehr als 70% Kupferanteil. Tumbaga oder Tambaga ist der malaysischen Namen für Kupfer. Tafelmessing wurde in der Schmuckherstellung als Goldersatz benutzt, fand und findet aber auch Verwendung beim Militär. Helme, Brustpanzer und Dekorationselemente auf den Schabrunken der Kürassiere oder deren Teile waren häufig aus Tafelmessing gefertigt. Heute wird Tafelmessing auf Stahlmantelgeschosse für Gewehre oder Pistolen plattiert, weil sich das weiche Material besser in die gezogenen Läufe pressen lässt und dem Geschoss dadurch den erforderlichen Drall gibt.


Weitere Kupferlegierungen:

  • Berylliumkupfer, auch Berylliumbronze oder Kupferberylliumbronze (Kupfer 98-99, 0,4-2% Beryllium und minimale Anteile an Cobalt) ist eine sehr kupferhaltige Legierung, welche auch unter dem Handelsnamen BERYLCO bekannt ist. Dieser Werkstoff kann geglüht werden und wird weich und kann dann in die gewünschte Form geschmiedet werden. Ein erneutes Erhitzen auf 300 C° lässt die Legierung wieder stahlhart werden. Durch Kalthämmern lässt sich die Härte weiter steigern. Trotz der Härte schlägt ein Hammer mit einem Kopf aus Berylliumbronze keine Funken, weshalb Werkzeuge aus diesem Material überall dort verwendet werden, wo in explosionsgefährdeten Bereichen gearbeitet wird, wie z.B. Bohrinseln, Gaswerke und Raffinerien. Weiters ist diese Bronze ist außerordentlich elastisch und wird oft für Federn benutzt, welche vielfach mehr Biegungen aus als die beste Stahlfeder aushalten. Die elektrische Leitfähigkeit dieses Materials ist die Höchste einer Legierung und es ist auch chemisch sehr widerstandsfähig. Deswegen wird Beryllimbronze außer für Federn in Uhrwerken und Maschinen, Kontaktfedern in Relais, elektrischen Berührungskontakten und funkenfreie Werkzeuge hauptsächlich für Oberleitungen von Straßen- und Eisenbahnen verwendet.
  • Leitbronze (Magnesium, Cadmium und Zink gesamt 3%) hat elektrische Eigenschaften, die dem Kupfer stark ähneln, ist jedoch bedeutend zugfester. Das Haupteinsatzgebiet dieser Legierung sind Freileitungen und Starkstromanlagen.
Armaturen aus Rotguß
  • Rotguss, auch Rotmessing oder Maschinenbronze (81–90% Kupfer, 1,5–11% Zinn, 1–9% Zink und 1–8% Blei) ist eine Kupferlegierung, die sich im Laufe der Zeit verändert hat und für eine Vielzahl von Werkstoffen steht. Die Gußlegierung Kanonenbronze (90% Kupfer mit 10% Zinn) machte den Anfang für die Evolution. Am Ende des 19. Jahrhunderts entwickelten die Engländer das Material weiter und gaben 1,5% Zink hinzu und nannten es Gun Metal, da es wie ersteres für die Herstellung von Kanonen genutzt wurde. Den Vorteil einer Zinnbronze etwas Zink zuzulegieren hatte das verbesserte Gunmetal bereits bewiesen. Um die Bearbeitbarkeit zu erleichtern, wurde nun zusätzlich noch Blei legiert. Diese neuen Legierungen nannte man zeitgemäß Maschinenbronzen, obwohl es sich um keine Bronzen, sondern metallurgisch korrekt um niedriglegierte, kupferreiche Messinge handelte. Der Bleizusatz ist es, der die Rotgusslegierungen von den farblich ähnlichen, aber als einziges Legierungselement des Kupfers Zink enthaltenden Tombaken unterscheidet. Nicht richtig ist die Gleichsetzung von Gun Metal mit Rotguss. Korrekter ist dagegen die Benennung von Rotguss im Englischen als leaded red brass (Rotmessing mit Bleizusatz), im Französischen als bronce d'étain au zinc (Zinnbronze mit Zinkzusatz) oder im Italienischen als ottone rosso (Rotmessing). Eine klare Unterscheidung im thematischen Sinne findet sich erst bei höheren Zinkzusätzen zur Kupferbasis, weil hier die Grenze zwischen einer Mehrstoffbronze und einer Messinglegierung durch Zinkgehalte der Legierung zwischen 42% und 37% bestimmt wird, man ausnahmslos von Armaturenmessing, Druckgussmessing und Messingknetlegierungen spricht. Das korrekt bezeichnete englische naval brass (Marine-Bronze) ist als Legierung aus 62 Teilen Kupfer, 37 Zink und je 0,5 Teilen Zinn und Blei nicht nur den Vierstofflegierungen zuzuordnen, sondern vor allem ist es eine Messinglegierung und keine Bronze. Man erkannte, dass die Mehrstofflegierungen auf Kupferbasis mit Zusätzen von Zinn, Zink und Blei gut gieß- und bearbeitbar waren und zudem noch ausgezeichnete Gleit- und Notlaufeigenschaften aufwiesen, was sie als erstes zum gesuchten Werkstoff für Gleitlager und Buchsen machte. Mit einem Nickelzusatz bis zu 2,5% wurde zudem nicht nur die Zähigkeit verbessert, die damit verbundene Erhöhung der Festigkeit erlaubte eine Reduzierung der Wandstärken und nicht zuletzt wurde die Kavitationsbeständigkeit gegenüber Seewasser erhöht. Der Begriff Machinenbronze wurde weitläufig vom Handelsnamen Rotguß ersetzt.

Nichteisenlegierungen: Leichtmetalle - Aluminium

Hochreines Aluminium geätzt mit deutlich sichtbaren Kristalliten

Aluminium ist mit einem Anteil von 7,57 Gewichtsprozent, nach Sauerstoff und Silicium, das dritthäufigste Element der Erdkruste und damit das häufigste Metall. Das reine Metall hat aufgrund einer sich sehr schnell an der Luft bildenden dünnen Oxidschicht ein stumpfes, silbergraues Aussehen. Diese undurchdringliche Oxidschicht macht reines Aluminium sehr korrosionsbeständig und schützt auch vor weiterer Oxidation, ist aber bei der elektrischen Kontaktierung und beim Schweißen hinderlich. Die Aushärtung[1] von Aluminiumlegierungen ist nicht immer gegeben und es lassen sich folgende Legierungen einteilen:

  • Aushärtbare Aluminium-Knetlegierungen haben hohe Festigkeiten und sind gut spanbar.
  • Nicht aushärtbare Aluminium-Knetlegierungen sind besonders gegen Seewasser beständig.
  • Aushärtbare Aluminium-Gußlegierungen sind korrosionsbeständig, gut schweißbar und sehr verschleißfest.
  • Nicht aushärtbare Aluminium-Gußlegierungen sind sehr gut gießbar, korrosionsbeständig und gut spanend bearbeitbar.


Auswirkungen verschiedener Legierungselemente beim Aluminium:

Element Festigkeit KorrosionsbeständigkeitGießbarkeit Spanbarkeit
Blei kein Einfluß kein Einfluß kein Einfluß sehr positiver Einfluß
Kupfer sehr positiver Einfluß negativer Einfluß kein Einfluß kein Einfluß
Magnesium sehr positiver Einfluß sehr positiver Einfluß positiver Einfluß positiver Einfluß
Mangan positiver Einfluß sehr positiver Einfluß kein Einfluß negativer Einfluß
Silizium positiver Einfluß sehr positiver Einfluß sehr positiver Einflußnegativer Einfluß
Zink sehr positiver Einfluß negativer Einfluß sehr positiver Einflußpositiver Einfluß


Aluminium und seine Legierungen lassen sich besonders gut kaltumformen. Die Rückfederung beim Biegen ist etwa dreimal so groß wie beim Stahl. Durch Kaltverfestigung (Walzen, Ziehen, Drücken, Hämmern) kann die Festigkeit des Reinaluminiums von ca. 80 N/mm² auf über 200 N/mm² erhöht werden. Aluminium ist gesundheitlich unbedenklich. 33% werden durch Recycling wiedergewonnen, da beim Umschmelzen die Werkstoffeigenschaften erhalten bleiben.


Aluminium steht im Einsatz als metallischer Werkstoff an zweiter Stelle nach dem Stahl. Da Aluminium und seine Legierungen vielseitige günstige Eigenschaften haben, sind die Verwendungsmöglichkeiten groß. Die Werte in der folgenden Tabelle sind nicht mehr ganz aktuell, da immer mehr Recycling betrieben wird und auch die Lebensdauer von Aluminiumwerkstoffen sich konstant erhöht:

WirtschaftszweigAnteil am Verbrauch in %Lebensdauer in JahreWiederverwertung in %
Verkehr 25-30 10 50-75
Bauwesen 18-22 10-30 50-70
Verpackung 10-12 1 3-20
Elektrotechnik 8-10 10-30 60-70
Haushaltswaren 6-9 4-12 25-30
Machinenbau 6-9 10 50-70

Legierungen in der Praxis

Legierungen werden im täglichen Leben in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, so daß wir uns ein Leben ohne diese Stoffe gar nicht meht vorstellen können. Man denke an die Konstruktionen und Bauwerke, an alle elektronischen Geräte, an Fortbewegungsmittel (motorisiert und auch nicht), an Flug- und Raumfahrt, an Medizin und vieles andere.

Die folgenden Beispiele sollen nur einen kurzen Einblick in verschiedene Anwendungsbeispiele von Legierungen im Alltag geben:

  • Cerrosafe ist eine der vielen Bismutlegieungen der Firma Cerro Metal Products Company, welche einen extrem niedrigen Schmelzpunkt haben. Cerrosafe schmilzt bei knapp über 70°C und wird z.B. für Sprinkler oder zur Herstellung von Matritzen verwendet, da man die Legierung mit einem Heißluftfön zum Schmelzen bringen kann. Eine weitere Eigenschaft dieser Materialien ist die geringe Ausdehnung nach dem Erstarren. Deshalb eignen sie sich äußerst gut als Abdruck, um Formen und Werkstücke auszumessen.
  • Duraluminium, auch Dural oder Ergal genannt, ist eine Aluminiumlegierung, die eine besonders hohe Festigkeit hat. Es besteht aus etwa 93-95% reinem Aluminium mit Zusätzen von 3,5-5,5% Kupfer sowie geringen Beigaben von Magnesium, Mangan und Silizium. Die Legierung wird auch heute noch fast unverändert in der Luftfahrt verwendet. Gegenüber reinem Aluminium hat Duraluminium eine geringfügig größere Dichte, die Zugfestigkeit beträgt jedoch etwa das fünffache von reinem Aluminium. Durch das Aushärten erreicht Duraluminium also fast die Festigkeit von Stahl.
  • Rostfreier Stahl, auch Edelstahl rostfrei, stainless steel oder einfach nur INOX zeichnet sich durch einen Anteil von etwa 13% Chrom aus, wodurch sich eine schützende und dichte Passivschicht aus Chromoxid an der Werkstoffoberfläche ausbildet. Weitere Legierungsbestandteile wie Nickel, Molybdän, Mangan und Niob führen zu einer noch besseren Korrosionsbeständigkeit oder günstigeren mechanischen Eigenschaften. Da Chrom als Legierungselement allgemein günstiger ist als Nickel, wird ein höherer Chromanteil bei kleinerem Nickelanteil (gleiche Korrosionsbeständigkeit vorausgesetzt) bevorzugt.
  • Silberamalgam (Amalgam = Legierung des Quecksilbers) wird ab 1820 massenhaft als Füllungsmaterial verwendet. Zahnärztliches Amalgam entsteht durch das Vermischen von jeweils etwa 50% reinem Quecksilber und einer Feilungsmischung verschiedener Metalle zu einer plastischen Masse, die nach kurzer Zeit (ca. 3-5 Minuten) erhärtet. Die Feilungsmischung setzt sich heute aus mindestens 40% Silber, maximal 32% Zinn, maximal 30% Kupfer, maximal 5% Indium, maximal 3% Quecksilber und maximal 2% Zink zusammen. Heute wird es aus gesundheitsbedenklichen Gründen immer weniger benutzt und von Keramikmischungen ersetzt.
  • Widia (abgeleitet von Wie Diamant) ist ein eingetragener Markenname der Firma Krupp für ein extrem hartes Hartmetall, einen Sinterwerkstoff. Die chemische Formel ist WC für Wolframcarbid. Die Wolframcarbide werden in den Werkstoff Cobalt eingebettet: Wolframcarbid mit Cobalt-Bindung. Wolframcarbid und Cobalt werden gemeinsam vermahlen und das Pulver wird in Pressen zu sogenannten Grünlingen verpresst und dann gesintert und mittels Diamant geschliffen und danach noch beschichtet. Aus dieser Legierung werden hauptsächlich Werkzeuge und Beschichtungen für extreme Einsätze gemacht, wie z.B. Spezialbohrer, Fräsen und spezielle Schneiden. Früher wurden auch Spikes aus Widia hergestellt.

Anwendungen im Bauwesen

In der Vergangenheit kamen Legierungen im Bauwesen nur sporadisch zum Einsatz, da für Konstruktionen Stein, Lehm und Holz bevorzugt wurden. In den Hohlräumen der Säulen der griechischen Tempel wurden Eisenstangen mit Blei eingegossen, um die Stabilität zu erhöhen. Wenn man davon ausgeht, daß reines Eisen so gut wie nie verwendet wird und wurde und Blei in der Natur ziemlich selten in gediegener Form vorkommt, könnte man wagen zu behaupten, daß in den Säulen Legierungen benutzt wurden, aber nicht mit Absicht. Eisenlegierungen kamen vor allem bei Schmiedearbeiten zum Einsatz, wie z.B. Handläufe, Scharniere, Eisengitter und als Verkliedung/Verstärkung von Toren. Sehr selten wurden auch Säulen und Türen bzw. Tore aus Bronze gegossen. Kupferlegierungen wurden als Dachbeläge benutzt.

Erst in der näheren Vergangenheit bzw. in der Gegenwart, genauer gesagt in der Zeit der industriellen Revolution, war das Wissen und die Technik so fortgeschritten, um den Einsatz von Metallen, oder besser deren Legierungen, zu forcieren. Man denke an die Gußeisen- und Stahlkonstruktionen, im speziellen an die Evolution der Wolkenkratzer. Die Nutzung von Leichtmetalllegierungen ermöglicht gewaltige Konstruktionen. Nun werden Metalle bzw. Legierungen nicht nur als konstruktives Skelett genutzt, sondern auch zur Gestaltung der Fassaden und Innenräume. Wenn man an die Formgedächtnis-Legieungen denkt, kann man sich sicher sein, daß die Zukunft noch weitere technische Errungenschaften verbirgt, in denen diese Materialien noch eine wichtige Rolle spielen werden.

Prinzipiell kann man alle Legierungen bzw. Metalle miteinander fügen. Es müssen aber gewisse Eigenschaften beachtet werden. So sind nur Stoffe mit sehr ähnlichen Zusammensetzungen schweissbar. Bei anderen Fügeverfahren ist die unterschiedliche Wärmeausdehnung der jeweiligen Legierung zu berücksichtigen. Die Position in der Spannungsreihe gibt Aufschluss über die Edelkeit der Legierung. Zwei zu verbindende Bauteile sollten keine zu grosse Spannungsdifferenz aufweisen, da es sonst zur Bildung eines galvanischen Elementes und somit zur Korrosion[1] des unedleren Werkstoffes kommt. Dem kann man durch verschiedene Schutzmassnahmen (Fremdstromanode, Anstriche, Opferanoden usw.) vorbeugen.

Referenzobjekte


Links

Quellen

  • Erhard Hornbogen - Hans Warlimont, Metallkunde, Springer Verlag, 3. Auflage, 1996, ISBN 3-540-60306-9
  • Alfred Böge, Das Techniker Handbuch, Vieweg Verlag, 15. Auflage, 1999, ISBN 3-528-34053-3
  • Fachkunde Metall, Europa-Lehrmittel Verlag, 51. Auflage, 1992, ISBN 3-8085-1151-6

Fachbegriffserklärungen

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