Legierung

Sammelbegriff für Gemische, die aus zwei oder mehr Komponenten bestehen, von denen mindestens eine ein Metall ist. Den Hauptbestandteil einer Legierung bezeichnet man als Grundmetall, die Nebenbestandteile als Zusätze. Der bedeutendste Vertreter der kohlenstoffhaltigen Legierungen ist Stahl. Einfacher Carbonstahl enthält beispielsweise etwa 0,5 Prozent Mangan und 0,8 Prozent Kohlenstoff.

Eigenschaften von Legierungen

Eigenschaften wie Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit können bei Legierungen erheblich größer sein als bei irgendeinem einzelnen Metall. Beispielsweise ist gewöhnlicher Stahl (Mischung aus Eisen und Kohlenstoff) fester und härter als Schmiedeeisen (fast reines Eisen). Legierte Stähle, also Mischungen aus Stahl mit Metallen wie Chrom, Mangan, und Vanadium, sind fester, härter und meist auch korrosionsbeständiger als Eisen oder Stahl. Legierungen mit hohem Schmelzpunkt enthalten u.a. hitzebeständige Metalle wie Wolfram, Cobalt und Nickel. Diese verwendet man beispielsweise als Heizleiter. Im Gegensatz dazu nutzt man Schmelzlegierungen (niedriger Schmelzpunkt) für Heizbäder oder in Schmelzsicherungen. So genannte Federlegierungen besitzen elastische Eigenschaften.
Darüber hinaus gibt es eine Vielfalt spezieller Legierungen für unterschiedliche Anwendungen, wie z.B. Niob-Zinn-Legierungen, die man bei extrem niedrigen Temperaturen als Supraleiter einsetzt.

Herstellung von Legierungen

Früher wurden die meisten Legierungen durch das Mischen von Metallschmelzen hergestellt. Seit einiger Zeit spielt die Pulvermetallurgie eine große Rolle. Bei diesem Verfahren werden trockene Pulver der Ausgangsmaterialien unter hohem Druck verdichtet und dann bis knapp unter den Schmelzpunkt erhitzt. Auf diese Weise lässt sich eine feste, homogene Legierung erzeugen. Mit Hilfe der Pulvermetallurgie kann man u. a. auch keramische Materialien gewinnen. Diese Produkte aus Metall und Kohlenstoff (Carbide), Bor (Boride), Sauerstoff (Oxide), Silicium (Silicide) oder Stickstoff (Nitride) verbinden die Vorteile der Festigkeit bei hohen Temperaturen, der Stabilität und der Oxidationsbeständigkeit der keramischen Verbindung mit der Stoßfestigkeit des Metalls. Eine andere Legierungstechnik wurde von einem Verfahren für die Herstellung von Computerchips abgeleitet. Dabei werden ausgewählte Metalle in einer Vakuumkammer mit Ionenstrahlen (z. B. Kohlenstoff- oder Stickstoffionen) behandelt. So entsteht eine feste, dünne Legierungsschicht auf der Metalloberfläche. Damit lässt sich z. B. aus Titan mit Stickstoffionen eine hochwertige Legierung für prothetische Implantate erzeugen.

Sterlingsilber, Weißgold und Platin-Iridium sind Beispiele für Edelmetallegierungen. Legierungen aus Quecksilber und anderen Metallen (z. B. Silber) werden als Amalgame bezeichnet. Klassische Legierungen sind z.B. Messing (Kupfer plus Zink) und Bronze (Kupfer plus Zinn).

Legierung

In der Metallurgie ist eine Legierung ein Gemenge aus zwei oder mehr chemischen Elementen, von denen mindestens eines ein Metall ist, und die einen metallischen Charakter hat.

Um Metalle als Werkstoff besser nutzen zu können, wurden ihnen schon früh von Menschenhand bestimmte Elemente (Legierungselemente) im schmelzflüssigen Zustand zugefügt, die die Werkstoffeigenschaften (Beispiele Härte, Korrosionsbeständigkeit) der „Basismetalle“ auf die gewünschte Weise ändern sollten.
Dem gegenüber stehen die Fremdstoffe.

Basismetall und Legierungselemente werden auch Komponenten einer Legierung genannt.

Inhaltsverzeichnis

•1 Etymologie
•2 Geschichte
•3 Einteilung
•4 Legierungsformel
•5 Zustandsschaubild (Zustandsdiagramm, Phasendiagramm)
o5.1 Zweistoffsysteme mit vollständiger Löslichkeit im festen Zustand
o5.2 Zweistoffsysteme mit begrenzter Löslichkeit im festen Zustand

Etymologie

Das Verb legieren stammt ursprünglich aus dem lateinischen ligare und bedeutet zusammen - binden, verbinden oder auch vereinigen. Im 17. Jahrhundert wurde das inzwischen leicht abgewandelte legare (von gleicher Bedeutung) ins Deutsche übernommen.

Geschichte

Kupfer ist eines der ersten vom Menschen genutzten Metalle; es wurde wohl vor etwa 6000 - 10000 Jahren per Zufall in besonders heiß brennenden Holzkohlefeuern entdeckt, wo es in reiner Form aus kupferhaltigen Gesteinen austreten kann. Auch Zinn wurde früh entdeckt, vor ca. 5000 Jahren. Von der Entdeckung dieser beiden Metalle bis zur Herstellung erster Legierungen (CuSn = Bronze) daraus war es dann nur noch ein kurzer Weg, was einer ganzen Kulturepoche (Bronzezeit) ihren Namen gab. Waffen, Gebrauchsgegenstände und Schmuck wurden aus Bronze hergestellt. Viele Plastiken werden bis heute aus Bronze gegossen.

Zink (als Erz: Zinkcarbonat, ein Zinksalz), ebenfalls seit der Bronzezeit bekannt, wurde in der Antike mit Kupfer zu Messing (CuZn) legiert. Bereits etwa 3000 vor Christus wurde es in Babylon und Assyrien verwendet, in Palästina etwa 1400 - 1000 vor Christus. Messing wurde schnell ein wichtiges Münzmetall bei der Münzprägung, wurde aber wegen seines schönen, goldenen Glanzes auch gern zur Herstellung von Schmuck und Plastiken verwendet.

Eisen-Legierungen wurden bereits in der Antike verwendet, allerdings nur aus Meteoriten, in denen sich häufig die Legierung Eisen-Nickel (Fe-Ni) befindet. Da Meteoriten selten gefunden wurden, waren Gegenstände aus Eisen entsprechend wertvoll. Die Sumerer nannten es „Himmelsmetall“, die Ägypter „schwarzes Kupfer vom Himmel“. Verhüttetes Eisen (Erkennung durch Fehlen von Nickel) wurde in Mesopotamien, Anatolien und Ägypten gefunden und ist etwa 3000 bis 2000 vor Christus entstanden. Es war wertvoller als Gold und wurde vor allem für zeremonielle Zwecke verwendet.

Einteilung

Je nach Anzahl der Komponenten in der Legierung spricht man von einer Zwei-, Drei-, Vier- oder Mehrstofflegierung, wobei nur diejenigen Komponenten gezählt werden, die die charakteristischen Eigenschaften bestimmen.

•Eisenlegierungen werden in Gusseisen und Stahl unterteilt. Die Unterscheidung beruht auf dem Gehalt an Kohlenstoff. Siehe Hauptartikel Eisen-Kohlenstoff-Diagramm.
•Nichteisen-Legierungen (NE-Legierungen; Beispiel Bronze, Messing, Amalgame, Weißgold, Rotgold) sind Legierungen auf der Basis von Nichteisenmetallen.
•Diffusionslegierungen entstehen durch die Diffusion von Atomen ins Kristallgitter der Basismetalle. Besonders die ersten Elemente im Periodensystem sind wegen der Kleinheit ihrer Atome gegenüber dem Basismetall in der Lage, in dessen Kristallgitter einzuwandern. Das beste Beispiel für eine Diffusionslegierung ist das Aufkohlen von Werkstücken, um sie härten zu können.
•Heuslersche Legierungen sind magnetische Legierungen, die kein Eisen, Kobalt oder Nickel enthalten (Beispiel Ni2MnGa, Cu2AlMn).
•Pseudolegierungen nennt man die durch Sintern (Zusammenpressen verschiedener, innig vermengter Metallpulver) entstandenen Werkstücke. Mit diesem Verfahren lassen sich auch Elemente mischen, die sich im schmelzflüssigen Zustand nicht ineinander lösen würden. Viele Wolfram-Legierungen werden z. B. so hergestellt.

Legierungsformel

Um eine Legierung zu beschreiben, gibt man üblicherweise die prozentualen Massenanteile ihrer Komponenten an. Die Legierung CuZn 37 (frühere Bezeichnung Messing 63) besteht zum Beispiel aus 37% Zink und 63% Kupfer, d.h. in 100 kg CuZn 37 sind 37 kg Zink und 63 kg Kupfer enthalten.

Die Angabe von Legierungsanteilen ist unter anderem durch die DIN 1310 Zusammensetzung von Mischphasen (Gasgemisch, Lösungen, Mischkristall); Grundbegriffe geregelt.

Zustandsschaubild (Zustandsdiagramm, Phasendiagramm)

Wie sich Legierungselemente innerhalb einer Legierung verhalten, hängt von mehreren Faktoren ab:

•Kristallsystem von Basismetall und Legierungselement
•Anzahl und Massenanteil der Legierungselemente
•Temperatur.

Durch Kristallisations-Versuchsreihen mit verschiedenen Legierungen unterschiedlicher Zusammensetzung bei der Thermischen Analyse werden die Kristallisations- bzw. Kristallumwandlungspunkte aufgezeichnet und in ein Temperatur-Zusammensetzungs-Diagramm eingetragen, wobei die Temperatur in Abhängigkeit zur Legierungszusammensetzung steht.

Für Zweistoffsysteme haben sich dabei vor allem in Hinsicht auf das Kristallsystem drei typische Formen von Zustandsschaubildern ergeben:

Zweistoffsysteme mit vollständiger Löslichkeit im festen Zustand
Es gibt zwei Möglichkeiten der Mischkristallbildung (MK), Einlagerungs- und Substitutionsmischkristall.
Typische Substitutions-MK-Bildner sind die Legierungen Eisen-Chrom, Eisen-Nickel, Gold-Kupfer, Gold-Silber und Kupfer-Nickel.
Ein wichtiger Einlagerungs-MK-Bildner ist Austenit (γ-Eisen-Kohlenstoff).
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 (beispielsweise kubisch).
•Die Gitterkonstanten dürfen sich um maximal etwa 15% unterscheiden.
•Die beiden Metalle müssen eine „gewisse chemische Ähnlichkeit“ haben.
•Die Elektronegativitätsdifferenz darf „nicht zu groß“ sein.

Durch die Mischkristallbildung wird auch bei noch so großer Ähnlichkeit der Legierungselemente immer das Kristallgitter verzerrt, da die verschiedenen Elemente auch verschiedene Atomdurchmesser besitzen. Dadurch entstehen Spannungen; die Gleitebenen der Kristallite werden dabei behindert, Verformungen nachzugeben. Die Gitterverzerrung erhöht also die Härte.

Ein beliebtes Beispiel für eine Legierung mit vollkommener Löslichkeit im festen Zustand ist das Zweistoffsystem Cu-Ni.
Die Legierungen erstarren im Gegensatz zu den Basismetallen nicht bei einer festen Temperatur, sondern in einem Haltebereich. Die Temperatur bleibt also nicht konstant, sondern sinkt langsam. Die Haltebereiche verschiedener Zusammensetzungen einer Legierung liegen jedoch immer zwischen den jeweiligen Erstarrungstemperaturen ihrer reinen Komponenten.
Ursache dafür ist die „Behinderung“ der Kristallisation in einer Legierung durch Komponente A, die, wenn sie könnte, bei noch tieferer Temperatur erstarren würde. Komponente B dagegen „drängt“ auf Erstarrung, die eigentlich schon eher hätte beginnen müssen. Diese Tatsache ist auch der Grund dafür, dass die während der Erstarrung entstehenden Kristalle ihr Mischungsverhältnis ändern und erst bei genügend langsamer Abkühlung (Thermisches Gleichgewicht) bis zum Ende der Erstarrung das gewünschte Mischungsverhältnis durch Diffusion erreicht wird.

Zweistoffsysteme mit begrenzter Löslichkeit im festen Zustand
Legierungen dieser Art können, wie der Titel schon andeutet, 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.
So kann zum Beispiel jede Komponente in der Legierung Blei (kubisch-flächenzentriert) - Zinn (tetragonal-raumzentriert) mit der anderen in begrenztem Maße Austausch-Mischkristalle bilden.
Typische MK-Bildner begrenzter Löslichkeit: Aluminium-Magnesium, Blei-Zinn, Kupfer-Aluminium, Kupfer-Zink, Kupfer-Zinn, Zink-Aluminium