Legierungen

Vom Autoschlüssel bis zur Bratpfanne – Legierungen stecken in unzähligen Alltagsprodukten und machen diese robuster und leistungsfähiger. Doch was genau ist eine Legierung und wie wird sie hergestellt?

Was versteht man unter einer Legierung?

Legierungen entstehen im Prozess der Herstellung einer Metallurgie, bei dem zwei oder mehr chemische Elemente, meist Metalle, miteinander verschmolzen werden, um neue Materialien mit spezifischen Eigenschaften zu schaffen. Dabei wird das Basismetall mit einem oder mehreren Legierungselementen kombiniert, um die physikalischen, chemischen oder mechanischen Eigenschaften des ursprünglichen Metalls gezielt zu verändern. 

Struktur und Phasenbildung bei Legierungen: Homogen vs. Heterogen

Durch das Schmelzen diffundieren die Atome der verschiedenen Elemente in der flüssigen Phase miteinander und bilden eine bestimmte Struktur. Je nach Art der Legierung kann sich eine homogene oder heterogene Struktur entwickeln. Homogene Legierungen bestehen meist aus Mischkristallen oder intermetallischen Verbindungen, wie beispielsweise Kupfer-Gold oder Kupfer-Silber. Heterogene Legierungen hingegen setzen sich aus mehreren Phasen zusammen, wie etwa einem Gemisch aus Zinn und Blei.

Die resultierende Legierung besitzt Eigenschaften, die nicht in einem reinen Metall zu finden sind, wie beispielsweise eine höhere Festigkeit, bessere Korrosionsbeständigkeit oder verbesserte Verarbeitungseigenschaften. Deshalb werden sie in der Industrie oft wegen ihrer besseren Eigenschaften gegenüber reinen Metallen verwendet.

Verschiedene Arten der Legierungsbildung

Experten sprechen von einer binären, ternären, quaternären oder polynären Legierung, also einer Zwei-, Drei-, Vier- oder Mehrstofflegierung, je nachdem, wie viele Komponenten eine Legierung hat. Dabei zählen nur die Komponenten, die die charakteristischen Eigenschaften der Legierung bestimmen. 

Aufgrund der besonderen Bedeutung von Eisen und Stahl unterscheidet man Legierungen grundsätzlich in Eisen- und Nichteisen-Legierungen. Zusätzlich erfolgt eine Einteilung basierend auf der Art und Weise, wie die Legierungen gebildet werden, oder nach deren spezifischen Eigenschaften.

Diffusionslegierungen

Diffusionslegierungen entstehen durch den Prozess der Diffusion, bei dem Atome in das Kristallgitter des Basismetalls eindringen. Diese Legierungen bieten eine erhöhte Härte im Vergleich zum ursprünglichen Material. Diese tritt beispielsweise beim Aufkohlen von Werkstücken auf, um diese härten zu können.

Formgedächtnis-Legierungen

Formgedächtnis-Legierungen sind besondere Metalle, die nach einer Verformung in ihre ursprüngliche Form zurückkehren, wenn sie auf eine bestimmte Temperatur erwärmt werden. 

Heuslersche Legierungen 

Die Heuslersche Legierung ist eine spezielle ferromagnetische Legierung. Sie enthält weder Eisen, Kobalt noch Nickel.

Pseudolegierungen

Das sind Werkstücke, die durch Sintern – das Zusammenpressen verschiedener, vermengter Metallpulver bei Hitze – entstehen.

Welche vier Legierungen gibt es?

Betrachtet man die Basismetalle, bilden Eisen (Fe), Aluminium (Al), Kupfer (Cu) und Zink (Zn) die Grundlage für die wichtigsten Legierungstypen. Diese vier Metalle sind entscheidend für die Entwicklung unterschiedlicher Werkstoffe mit spezifischen mechanischen und chemischen Eigenschaften und bestimmen maßgeblich deren Einsatzgebiete.

Aluminium

Aluminium ist leicht, jedoch zugleich fest und besitzt außerdem eine gute Verarbeitbarkeit. Seine Leitfähigkeit für Wärme und Strom ist besonders hoch und findet daher, insbesondere für Rohre und Bleche im Baubereich und Fahrzeugbau, Anwendung. Durch das niedrige Gewicht und Robustheit können zudem Energiekosten reduziert werden. Meistens wird es als Legierung mit Kupfer, Magnesium (Mg), Silicium(Si) oder Mangan (Mn) verwendet.

Klassifizierung von Aluminiumknetlegierungen nach Legierungsgruppen

Aluminiumknetlegierungen werden in der Regel statt mit ihrer Werkstoffnummer mit einem von der Aluminum Association erstellten vierstelligen Zahlensystem bezeichnet. Die erste Ziffer zeigt das Hauptlegierungselement und damit die Legierungsgruppe an. Die restlichen Ziffern sind Zählnummern, die chronologisch oder in Anlehnung an bereits bestehende Legierungen vergeben werden. Aluminium-Kupfer-Legierungen (AlCu-Legierungen), zugehörig der 2xxx-Reihe, sind wegen ihrer erhöhten Festigkeit nach dem Aushärten besonders relevant, wie z. B.:

• Duraluminium (Knetlegierung aus Aluminium, Kupfer, Mangan, Magnesium und Silicium)
• Partinium (Alu-Legierung aus Aluminium, Kupfer, Zink, Silicium und Eisen)

Weitere Modifikationsmöglichkeit von Aluminium: Eloxieren

Das gezielte Manipulieren von Aluminium ist nicht nur auf das Legieren begrenzt. Die Eigenschaften dieses Metalls lassen sich noch weiterhin beeinflussen und verbessern, wie beispielsweise durch Eloxieren. Durch diese Oberflächenbehandlung werden die Aluminiumteile vor Korrosion und Verschleiß geschützt und gleichzeitig mit einer dekorativen Oberfläche versehen. 

Eisen

Eisen ist einer der wichtigsten metallischen Werkstoffe, weil er neben seiner guten Verfügbarkeit auch preiswert ist und zusätzlich eine hohe Festigkeit aufweist. Er wird hauptsächlich in einer Eisen-Kohlenstoff-Legierung verarbeitet und in Form von Stahl oder Gusseisen verwendet.

• Stahl
• Edelstahllegierung (Eisen, Nickel und Kohlenstoff Legierung)
• Gusseisen 

Anwendungen von Eisenlegierungen: Stahl und Gusseisen

Stahl ist schmiedbar, kann gewälzt, gepresst und gezogen und durch Wärme gehärtet werden. Durch diese Eigenschaften ist es bis heute der Standardwerkstoff im Auto-, Schiffs-, Hoch- und Maschinenbau. Er wird für die unterschiedlichsten Maschinen verwendet, wie beispielsweise für Pumpen, Kräne, Stahlseile, Werkzeuge oder Schienen. Gusseisen dagegen ist gießbar, jedoch nicht schmiedbar und wird für Rohre, Heizungen und Maschinenbauteile angewendet.

Kupfer

Kupfer (Cu) ist ein rotbraunes, weiches und gut dehnbares Metall, das für seine hervorragende elektrische und thermische Leitfähigkeit bekannt ist. Es wird häufig in Elektronik, Kabeln und Rohrleitungen eingesetzt. Kupfer bildet auch Legierungen wie:

• Bronze (Gusslegierung mit Zinn) enthält mindestens 60 % Kupfer 
• Messing (Knetlegierung mit Zink) enthält mindestens 55 % Kupfer

Beide Kupferlegierungen werden für ihre Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit geschätzt. 

Zink

Zink ist ein sprödes, bläulich-weißes Schwermetall, das bei Raumtemperatur gut gießbar ist und über eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit verfügt. Es wird häufig als Schutzschicht in Form von Verzinkung auf Stahl aufgetragen, um diesen vor Rost zu schützen, z. B. bei Dachrinnen, Geländern oder Schrauben.

Zink ist auch ein wichtiger Bestandteil vieler Legierungen:

• Messing (Kupfer Zink Legierung)
• Neusilber (Metalllegierung aus Zink, Kupfer und Nickel)
• Zamak (Gusslegierung aus Zink, Aluminium, Magnesium und Kupfer)

Vorteile von Zinklegierungen in der Industrie

Zinklegierungen zeichnen ihre hohe Formgenauigkeit, gute Festigkeit und glatte Oberfläche aus. Wegen ihrer Leichtigkeit bieten sie außerdem eine gute Alternative zu Aluminium und Magnesium und werden daher häufig für Bauteile in der Automobil-, Elektro- und Möbelindustrie verwendet.

Warum gibt es Legierungen?

Legierungen werden hergestellt, um die Werkstoffeigenschaften von Metallen gezielt zu modifizieren. Durch das Mischen von Metallen untereinander oder mit Nichtmetallen entstehen Zusammensetzungen, die gegenüber den reinen Basismetallen verbesserte mechanische, chemische und physikalische Eigenschaften aufweisen. Dazu zählen insbesondere eine erhöhte Härte, Festigkeit, Elastizität sowie eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit.

Vorteile von Legierungen

Ein typisches Beispiel ist Stahl, der im Vergleich zu reinem Eisen eine deutlich höhere Witterungsbeständigkeit und Verarbeitbarkeit besitzt. Auch wirtschaftliche Aspekte beeinflussen die Legierungsbildung, etwa bei Münzen, bei denen ein Eisenkern mit einer Kupferbeschichtung kombiniert wird, um Materialkosten zu senken.

Anpassung von Eigenschaften durch Legierungsprozesse

Zusätzlich können durch Legierungsprozesse Schmelzpunkte herabgesetzt und elektrische Leitfähigkeiten gezielt angepasst werden, wodurch Legierungen in nahezu allen technischen und industriellen Bereichen eine zentrale Rolle einnehmen.

Legitimierungsformel

Zur Kennzeichnung einer Legierung gibt man üblicherweise das Basismetall zuerst an. Dahinter folgen der oder die wichtigsten Bestandteile als Kürzel für das Metall, mit angehängter Zahl, die den prozentualen Massenanteil ihres Anteils anzeigt. 

Die Legierung CuZn37 besteht dementsprechend aus Kupfer, dem 37 Prozent Zink beigefügt wurden. Eine Ausnahme der Formelbildung besteht bei Stahl, denn das Metall wird nicht genannt, sondern der Kohlenstoffgehalt. Daraus ergibt sich bei Stahl C37 die Zusammensetzung aus 0,37 % Kohlenstoff und der Rest ist Eisen.

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

Herstellung von Legierungen 

In der Regel werden die Metalle zusammengeschmolzen, wofür hohe Temperaturen erforderlich sind. Nach dem Erstarren bleibt die Mischung stabil und entmischt sich nicht wieder. Die Herstellungsmethoden von Legierungen unterscheiden sich durch unterschiedliche physikalische und chemische Prozesse.

• Schmelzen und Mischen der Komponenten
• Sintern von Metallpulvern
• Diffusionsprozesse an Werkstückoberflächen
• Elektrolyse gemeinsamer Metallsalze
• Reduktion von Metalloxiden
• Amalgamieren mit Quecksilber

Zusammenfassung

Legierungen sind Stoffgemische, die aus mindestens zwei Werkstoffen bestehen, wobei mindestens eines ein Metall ist. Sie werden hergestellt, um die physikalischen, chemischen oder mechanischen Eigenschaften von Metallen gezielt zu verändern, wie etwa durch erhöhte Festigkeit oder bessere Korrosionsbeständigkeit. Bekannte Legierungen sind Stahl, Bronze und Messing, die durch das Schmelzen und Mischen von Metallen oder durch Verfahren wie Sintern und Diffusion entstehen. Die Herstellungsmethoden variieren je nach Legierungstyp und beinhalten Prozesse wie Schmelzen, Elektrolyse und Amalgamieren.