Legierung in der Metallurgie

Was ist eine Legierung?

In der Metallurgie ist eine Legierung ein makroskopisch homogener, metallischer Werkstoff, der aus mindestens zwei Komponenten besteht. Von diesen zwei Komponenten ist mindestens eine Komponente ein Metall. Zusammen mit der anderen Komponente weist es die Eigenschaft der Metallbindung auf.

Eine Legierung kann auf mikroskopischer Ebene homogen oder heterogen sein. Das ist von der Art der Legierungsbildung abhängig. Legierungen, die ausschließlich Mischkristalle oder intermetallische Verbindungen sind, sind homogen, wie beispielsweise Kupfer-Gold oder Kupfer-Silber. Alle anderen Legierungen, die sich aus mehreren Phasen zusammensetzen, sind heterogen. Eine heterogene Legierung ist beispielsweise ein Gemisch aus Zinn und Blei.

Damit sind Legierungen stets Stoffgemische aus zwei oder mehr Metallen, die andere Eigenschaften aufweisen als die sie bildenden reinen Metalle. Sie entstehen, indem verschiedene Metalle zusammenschmelzen. Das Ziel einer Legierung ist es, die guten Eigenschaften der einzelnen Elemente miteinander zu verbinden. Auf diese Weise soll ein noch besseres Metall entstehen. Dabei können bestimmte Legierungen auch noch als Gussstück – kalt ausgelagert oder erwärmt – ihre mechanischen Eigenschaften verbessern. Sie können so bruchfester, härter oder dehnbarer werden.

Legierungen verfügen über glänzende Oberflächen, gute mechanische Eigenschaften und eine hohe Wärme- und elektrische Leitfähigkeit.

Kupfer ist ein weiches, rötliches, dehnbares Schwermetall. Es besitzt eine hohe elektrische Leitfähigkeit. Es lässt sich einfach zu Draht oder hauchdünnen Folien formen. Kupfer ist unter anderem Bestandteil dieser Legierungen:

• Bronze ist eine Legierung, die zu mindestens 60 % Kupfer enthält. Der zweite Hauptbestandteil ist Zinn.
• Aluminiumbronze ist eine Legierung, die aus Kupfer und Aluminium sowie aus Anteilen von Nickel und Eisen bestehen kann.
• Bleibronze ist eine Legierung aus Kupfer, Zinn und Blei.
• Messing ist eine Legierung, die zu mindestens 55 % Kupfer enthält. Der zweite Hauptbestandteil ist Zink.
• Tombak ist ein kupferreiches Messing. Der Kupferanteil liegt daher weit über dem Mindestsatz von 55 %.
• Rotguss ist eine Legierung aus Kupfer, Zinn, Zink und Blei.
• Neusilber (Alpaka, Pakfong) ist eine Legierung aus Kupfer, Nickel und Zink.

Kupfer kommt vor allem bei der Herstellung von Kabeln und Leiterplatten sowie als Baustoff zum Einsatz.

Aluminium ist sehr fest, gleichzeitig jedoch leicht formbar. Die Leitfähigkeit für Wärme und elektrischen Strom ist besonders hoch. Aluminium weist ein niedriges Gewicht auf. In der Regel wird es nicht rein, sondern als Legierung mit Kupfer, Magnesium, Silicium oder Mangan verwendet.

Besonders relevant sind Aluminium-Kupfer-Legierungen:

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

Daneben ist auch die Aluminium-Silicium-Legierung von Bedeutung. Sie kommt vor allem als Gusslegierung vor. Silumin bezeichnet dabei eine Marke für eine Reihe untereutektischer bis eutektischer Aluminium-Silicium-Gusslegierungen.

Aluminium findet insbesondere für Rohre und Bleche im Hochbau und Fahrzeugbau Anwendung. Dort können sein niedrige Gewicht und seine Robustheit Energiekosten reduzieren und Beschleunigungszeiten erhöhen.

Blei ist besonders weich und formbar. Dabei tritt es unter anderem in diesen Legierungen auf:

• Lötzinn bezeichnet eine Legierung aus Blei und Zinn. Mittlerweile kommen auch kupfer- oder silberhaltige Zinnlegierungen zum Einsatz.
• Hartblei besteht aus Blei und Antimon.
• Schrot ist eine Legierung aus Blei, Arsen und Antimon.

Blei kam bereits im alten Ägypten zum Einsatz. Damals nutzte man die Legierung zum Glasieren von Gegenständen für die Herstellung von Statuen. Das römische Reich nutzte Blei, um Dächer und Wasserleitungen herzustellen. Heute wird Blei unter anderem für Dichtungen verwendet.

Eisen ist neben Stahl der wichtigste metallische Werkstoff. Das liegt daran, dass er zäh, fest, einfach verfügbar und preiswert ist. Besonders relevant ist die Eisen-Kohlenstoff-Legierung. Sie tritt in Form von Stahl und Gusseisen auf:

• Stahl ist ein Sammelbegriff für plastisch verformbare Eisen-Kohlenstoff-Legierungen, die zwischen 0,2 % und maximal 2,06 % Kohlenstoff enthalten. Stahl ist schmiedbar, lässt sich walzen, pressen und ziehen. Über Wärme kann Stahl gehärtet werden.
• Gusseisen ist ein Sammelbegriff für nicht plastisch verformbare Eisen-Kohlenstoff-Legierungen, die mindestens 2,06 % Kohlenstoff enthalten (meist um 4 % Prozent). Es ist hart, spröde und gießbar. Es ist nicht schmiedbar. Gängige Produkte aus Gusseisen sind Rohre, Heizungen und Maschinenbauteile.

Eisen findet vor allem im Auto-, Schiff-, Hoch- und Maschinenbau Anwendung. Daneben kommt es im Haushalt in Form von Kochtöpfen und Besteck vor.

Eine vollständige Liste aller Legierungen samt Eigenschaften und Verwendung findet sich auf Wikipedia.

Je nachdem, wie viele Komponenten eine Legierung hat, handelt es sich um eine Zwei-, Drei-, Vier- oder Mehrstofflegierung. Experten sprechen dann von einer binären, ternären, quaternären oder polynären Legierung. Als Komponenten werden jedoch nur die gezählt, die die charakteristischen Eigenschaften der Legierung bestimmen.

Grundsätzlich werden Legierungen in Eisen- und Nichteisen-Legierungen unterteilt. Weitere Einteilungen ergeben sich daraus, wie sich Legierungen gebildet oder welche besonderen Fähigkeiten sie haben. Es gibt heute diese Legierungen:

• Natürliche Legierungen entstehen durch Hitzeeinwirkung oder Aufschmelzen von Elementen. Das passiert zum Beispiel im Inneren von Himmelskörpern. Sie verfügen jedoch über andere Zusammensetzungen und Eigenschaften als von Menschen erzeugte Legierungen.
• Eisenlegierungen kommen als Gusseisen und Stahl vor. Die Unterscheidung richtet sich nach dem Gehalt an Kohlenstoff. Stahl verfügt höchstens über 2,06 % Kohlenstoff, während Gusseisen mindestens 2,06 % Kohlenstoff aufweist.
• Nichteisen-Legierungen sind Legierungen auf der Basis von Nichteisenmetallen wie beispielsweise Bronze, Messing, Weißgold, Rotgold oder Amalgame.
• Diffusionslegierungen entstehen, wenn Atome im Kristallgitter der Basismetalle verteilt werden. Die Legierung tritt beispielsweise beim Aufkohlen von Werkstücken auf, um diese härten zu können.
• Heuslersche Legierungen sind spezielle ferromagnetische Legierungen. Sie enthalten kein Eisen, Kobalt oder Nickel.
• Formgedächtnis-Legierungen sind Metalle, die nach einer Verformung durch Hitze wieder ihre ursprüngliche Form erhalten.
• Gusslegierungen dienen direkter Formgebung.
• Knetlegierungen sind ein Zwischenprodukt, das per Umformung für seinen entsprechenden Zweck weiter angepasst wird.
• Pseudolegierungen sind Werkstücke, die durch Sintern – das Zusammenpressen verschiedener, vermengter Metallpulver bei Hitze – entstehen.

• Zusammenschmelzen der Komponenten
• Sintern pulverförmiger Komponenten
• Tempern (Diffusion eines Elements z. B. Kohlenstoff) in die Oberfläche eines Werkstücks
• Gemeinsame Elektrolyse von Metallsalzen
• Gemeinsame Reduktion von Metalloxiden
• Amalgamieren

Um eine Legierung zu kennzeichnen, nennt man zuerst das Basismetall. Danach folgen der oder die wichtigsten Bestandteile als Kürzel für das Metall mit angehängter Zahl, die den jeweiligen Prozentanteil anzeigt. Die Legierung CuZn37 besteht dementsprechend aus Kupfer, dem 37 Prozent Zink hinzugefügt wurden. Bei der Eisen-Kohlenstoff-Legierung Stahl macht die Formelbildung eine Ausnahme. Dabei wird das Eisen nicht genannt. So enthält Stahl C37 beispielsweise 0,37 Prozent Kohlenstoff. Der Rest ist Eisen. Formal regelt die DIN 1310 „Zusammensetzung von Mischphasen (Gasgemisch, Lösungen, Mischkristall); Grundbegriffe“ die Angabe der einzelnen Komponenten einer Legierung.