Metalle und Legierungen

Weitere metallische Werkstoffe
Einige Metalle sind seit etwa 7000 Jahren bekannt. Um 3 000 v. Chr. sind erste Legierungen nachgewiesen.
Gold wurde zeitlich zuerst verwendet, später Silber und Kupfer. Diese Metalle kamen in der Natur gediegen (als Metall) vor oder waren leicht zu gewinnen. Über Jahrtausende entwickelte man Arbeitstechniken zur Gewinnung der Metalle aus ihren Erzen. Die Herstellung und Bearbeitung bestimmter Metalle prägte ganze Entwicklungsepochen, z. B. die Bronzezeit (ca. 2 000 v. u. Z.) oder die Eisenzeit (ca. 1 000 v. u. Z.).
Heute ist der Alltag ohne Metalle und ihre Legierungen nicht mehr denkbar. Die Vielfalt der Metalle und die Möglichkeiten ihrer Verwendung auf Grund ihrer Eigenschaften sind groß.
Metalle sind Elemente, die elektrisch leitfähig sind, eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzen und einen metallischen Glanz aufweisen. Metalle sind meist gut verformbar und wegen ihrer mechanischen und elektrischen Eigenschafen weit verbreitete Werkstoffe, z. B. im Fahrzeugbau, in der Elektrotechnik und in der Bauindustrie.

Mehr als 75% der chemische Elemente sind Metalle. Die typischen Metalleigenschaften ergeben sich aus dem Bau der Metalle, d. h. der Art der Teilchen und den zwischen den Teilchen wirkenden Kräften. Man bezeichnet diese Form der Bindung als Metallbindung.

Legierungen sind Stoffgemische aus zwei oder mehr elementaren Metallen, z. T. auch Nichtmetallen, wobei die jeweiligen Metallkristalle in der erstarrten Schmelze nebeneinander vorliegen, Mischkristalle ausgebildet werden oder Fremdatome in das Metallgitter eingebaut werden. Ein Beispiel für eine Legierung ist Messing, das aus Kupfer und Zink besteht. Im Stoffgemisch werden die Eigenschaften der einzelnen Komponenten verändert, sodass Legierungen vielfältige Anwendungen finden. Auch Stahl ist eine Legierung verschiedener Metalle (mit einem gewissen Anteil an Kohlenstoff), deren Zusammensetzung man je nach Verwendung (Rohre, Bleche, Maschinenbauteile usw.) variieren kann.

Eisen und Stahl

Eisen und Stahl sind mit rund 95 Gewichtsprozent die mit Abstand bedeutendsten vom Menschen verwendeten metallischen Werkstoffe. Ursache sind die breite Verfügbarkeit, die es zu einem preiswerten Rohstoff machen sowie die Zähigkeit und Festigkeit von Eisenlegierungen. Daher kann es im Auto-, Schiff-, Maschinen- oder Hochbau ebenso eingesetzt werden wie im Alltag für einen Kochtopf oder Besteck.

Eisen ist eines der drei ferromagnetischen Metalle (neben Kobalt und Nickel). Diese Eigenschaft ermöglicht den großtechnischen Einsatz des Elektromagnetismus bei Elektromotoren, Transformatoren und Generatoren.

Weltweit werden ca. 1 Milliarde Tonnen Roheisen pro Jahr erzeugt, von denen etwa 10 % unmittelbar zu Gusseisen weiterverarbeitet werden. Typische Produkte aus Gusseisen sind Rohre, Heizkörper, Maschinenteile oder maßgenaue Formteile. Der überwiegende restliche Anteil des Roheisens (90 %) wird zu Stahl weiterverarbeitet, das Roheisen selbst ist nur ein Zwischenprodukt, ohne bedeutende Anwendungen.

Gusseisen besteht zu 96-98 % aus Eisen. Es hat einen Kohlenstoffgehalt von 2-4 %, ist hart, spröde, gießbar aber nicht schmiedbar. Stahl enthält dagegen nur 0,2 % bis zu 2 % Kohlenstoff. Er ist schmiedbar, lässt sich walzen, pressen und ziehen. Stahl kann durch Wärmebehandlung gehärtet werden und ist zäh.
Man kennt heute nahezu 2000 verschiedene Stahlsorten. Diese werden in die unlegierten und die legierten Stähle unterteilt.

Unlegierte Stähle enthalten neben Eisen und Kohlenstoff nur geringste Restmengen der bei der Produktion gebildeten Begleitmetalle wie Nickel, Kobalt, Kupfer, Mangan, usw. Sie werden für den Bau von Brücken- oder Fahrzeugrahmenkonstruktionen (Bild 2), aber auch für Fahrzeugbleche oder im Stahlbau eingesetzt.

Legierte Stähle enthalten neben Eisen und Kohlenstoff noch weitere Elemente. Die wichtigsten Legierungsbestandteile sind Cobalt, Chrom, Mangan, Molybdän, Nickel, Silicium, Aluminium, Titan, Vanadium und Wolfram. Die Legierungsbestandteile haben großen Einfluss auf die Eigenschaften des Stahls, da sie im Eisen-/Kohlenstoffkristallgefüge eingelagert werden (s.u. Legierungen).

Kupfer

Kupfer ist ein weiches, rötliches, sehr dehnbares, gut schmiedbares Schwermetall. Es lässt sich zu hauchdünnen Folien und zu Draht formen und besitzt eine hohe elektrische Leitfähigkeit.
Reines, elektrolytisch erzeugtes Kupfer wird als elektrischer Leiter für die Herstellung von Kabeln ebenso eingesetzt wie für die Produktion von Leiterplatten. Auch als Baustoff ist das sehr beständige Metall verbreitet.

An feuchter Luft oxidiert es recht langsam über das dunkelrote Kupfer(I)-oxid zum schwarzen Kupfer(II)-oxid. Den Vorgang kann man an neuen Kupferdächern oder Dachrinnen gut beobachten. Unter Einwirkung von Kohlenstoffdioxid und/oder Schwefeldioxid sowie Wasserdampf auf das oxidierte Kupfer bildet sich eine graugrünliche Patina aus basischem Kupfercarbonat ${\text{(CuCO}}_{\text{3}}•\text{Cu}{\left(\text{OH}\right)}_{\text{2}})$ bzw. Kupfersulfat ${\text{(CuSO}}_{\text{4}}•\text{Cu}{\left(\text{OH}\right)}_{\text{2}})$, die das darunterliegende Metall schützt.

Aluminium

Aluminium weist ein geringes spezifisches Gewicht auf, ist sehr fest und dennoch leicht formbar. Es besitzt eine hohe Leitfähigkeit für Wärme und elektrischen Strom. An der Luft überzieht sich das unedle Metall mit einer dünnen, durchsichtigen Oxidschicht, die das darunter liegende Metall vor weiterer Korrosion schützt.

Bedeutung haben Profile, Rohre und Bleche aus Aluminium bzw. seinen Legierungen im Hochbau und im Fahrzeugbau.
Gewichtseinsparung trotz hoher Beanspruchbarkeit reduziert die Energiekosten und erhöht die Beschleunigungszeiten. Der Airbus oder der ICE sind Beispiele. Im Baubereich dienen dünne Folien als Dampfsperre, Profile für Fenster- oder Metallkonstruktionen (z. B. Wintergarten). In der Elektroindustrie findet man Aluminium in Motoren, Schaltschränken, Kabeln oder Stromschienen. Aluminium ist ein weitverbreitetes Verpackungsmaterial (leicht, korrosionsbeständig, gas- und wasserundurchlässig sowie hygienisch unbedenklich). Das Spektrum reicht von der Getränkedose bis zur Medikamentenverpackung, vom Flaschenverschluss bis zur Folie.

Blei

Im alten Ägypten verwendete man Blei zum Glasieren von Gegenständen und stellte Statuen daraus her. Im römischen Reich stellte man aus Blei Dächer und Wasserleitungen her. Später fertigte man aus dem so gut zu verarbeitenden Stoff Letter für den Buchdruck und auch Wasserleitungen.
Auch heute noch wird Blei in vielfältiger Weise verwendet. So werden aus dem sehr weichen, formbaren Metall Dichtungen hergestellt. Blei ist so weich, dass es sogar einen grauen Abrieb auf Papier hinterlässt.
Da Blei Röntgenstrahlung absorbiert, wird es in Form von Bleiplatten beim Röntgen zum Schutz vor der Strahlung eingesetzt.
Durch seine hohe Dichte von 11,35 g/cm³ wird es zu den Schwermetallen gezählt. Dieser Eigenschaft und seiner leichten Verformbarkeit ist es zu verdanken, dass es als Gardinenband oder Senkblei beim Angeln gut geeignet ist.

Metall-Legierungen

Viele Metalle sind aufgrund ihres Baus in der Lage Legierungen zu bilden. Es handelt sich dabei um Gemische aus mindestens zwei Komponenten, von denen wenigstens eine ein Metall ist. Nach der Anzahl (2, 3, usw.) der an der Bildung der Legierung beteiligten Elemente unterscheidet man zwischen binären, tertiären usw. Legierungen. Das Metall, welches die Hauptmasse bildet, nennt man das Grundmetall, die übrigen Komponenten sind die Zusätze.
Durch das Legieren werden die Eigenschaften der Komponenten, insbesondere die des Grundmetalls verändert und so den verschiedensten Beanspruchungen angepasst. Meist sind Legierungen härter als ihre Einzelbestandteile. Legiert man beispielsweise Aluminium mit Kupfer, bewirken die größeren Aluminiumatome eine Verzahnung der Gitterebenen des Kupfergitters, sodass eine Verschiebung der Gitterebenen erschwert wird. Im Gegensatz dazu kann durch geeignete Partner die Gleitfähigkeit eines Grundmetalls erhöht werden, was die entstandene Legierung als Lagerwerkstoff prädestiniert.
Die bekannteste und am weitesten verbreiteten Legierung ist Stahl (s.o.), ein Stoffgemisch aus Eisen als Grundmetall und verschiedenen Legierungsmetallen. Die Vielzahl der Legierungsmöglichkeiten mit Chrom, Mangan, Silizium, Vanadium, u. v. a. m. führt dazu, dass über 1.000 Stahlsorten existieren, deren Eigenschaften mit der Zusammensetzung variieren.
Ebenfalls als Gebrauchsmetall weit verbreitet ist Messing, eine Legierung aus Kupfer und Zink.

Herstellung von Legierungen

• durch Zusammenschmelzen der Komponenten
• Sintern pulverförmiger Komponenten
• Tempern (Diffusion eines Elementes z. B. Kohlenstoff) in die Oberfläche eines Werkstücks,
• gemeinsame Elektrolyse von Metallsalzen,
• gemeinsame Reduktion von Metalloxiden.
• Amalgamieren usw.

Ausgewählte Legierungen

Unter einer Memory-Legierung bzw. einem Memory-Metall versteht man Metall-Legierungen (z. B. Nickel-Titan-Basis), die ihre ursprüngliche Form „speichern“ können. Werden Bauteile aus solchen Legierungen nun bei niedrigen Temperaturen verformt, erfolgt nur scheinbar eine plastische Verformung. Wiederum über eine kritische Temperatur erwärmt, nehmen sie ihre frühere Form wieder an. Anwendungsbeispiele sind Ver- und Entriegelungen, Schalter etc.

Große Bedeutung haben Amalgame in der Zahnmedizin. Jeder kennt das Problem der Zahnfüllung durch Amalgam. Seit 150 Jahren werden kariöse Zähne mit Plomben aus Amalgam versorgt. Diese Legierung gilt als preisgünstiger, verhältnismäßig einfach zu verarbeitender und dauerhafter Füllwerkstoff. Durch mechanische Beanspruchung und elektrochemische Vorgänge kann Quecksilber austreten. Daher ist dieses Material in der Diskussion, die Legierungen in der Zahnmedizin sehr umstritten.
Trotzdem existieren viele unterschiedliche Amalgame in der zahnärztlichen Praxis! Konventionelles Amalgam enthält 53 Masseprozent metallisches, flüssiges Quecksilber und etwa 47% Legierungspulver. Das Legierungspulver selbst besteht aus:

Die gesundheitsbeeinflussenden Eigenschaften des Amalgams haben dazu geführt, dass heute fast ausschließlich andere Metall-Legierungen in der Zahnheilkunde zum Einsatz kommen. Dabei spielt Gold eine besondere Rolle Es muss aufgrund seiner Weichheit legiert werden, z. B. kann die Zusammensetzung wie folgt sein.

Der hohe Edelmetallanteil sorgt wegen der ausgeprägten Reaktionsträgheit für eine lange Lebensdauer der eingesetzten Materialien.

Die Legierungsbildung von Quecksilber mit Gold (Goldamalgam) erfolgt sehr leicht. Goldamalgam kann auf Gegenstände gut aufgetragen werden. Durch Erhitzen verdampft das Quecksilber und eine dünne Goldschicht verbleibt auf dem Gegenstand. Früher wurden durch dieses Feuervergolden Kuppeln und Dächer mit einer Goldschicht bedeckt. Da Quecksilberdämpfe aber giftig sind, ist dieses Verfahren außerordentlich gesundheitsschädlich und findet heute keinen Einsatz mehr. In der Schmuckindustrie wird es jedoch auch heute noch angewendet. Das Verfahren hat eine lange Tradition. Diese Art des Vergoldens von Schmuckgegenständen war schon den Etruskern bekannt.
Die Legierungsbildung mit Gold wird, vor allem in Südamerika und Asien, aber auch in Europa, zur Goldgewinnung genutzt. Fluss-Sand oder zerkleinertes goldhaltiges Gestein wird über versilberte Kupferplatten geleitet, die mit Quecksilber überzogen sind. Selbst kleinste Mengen des Goldes lösen sich im Quecksilber. Anschließend wird die Legierung auf 360°C erhitzt, wobei das Quecksilber verdampft. Aufgrund der giftigen Quecksilberdämpfe, darf das Erhitzen nur in geschlossenen Anlagen erfolgen. Nur äußerst strenge Arbeitsschutz- und Sicherheitsmaßnahmen lassen solche Produktionsabläufe nicht zu einer ökologischen Katastrophe werden.