Gusslegierung

Eine Legierung ist ein Mischkristall mit metallischem Charakter. Das Verb legieren stammt ursprünglich aus dem lateinischen ligare und bedeutet zusammenbinden, verbinden oder auch vereinigen. Im 17. Jahrhundert wurde das inzwischen leicht abgewandelte legare (von gleicher Bedeutung) ins Deutsche übernommen.

Eigenschaften

Das Legierungselement kann mit dem Grundelement eine feste Lösung bilden (einphasige Legierung) oder es bilden sich mehrere Phasen. Während bei einphasigen Legierungen die Eigenschaften im Wesentlichen durch die chemische Zusammensetzung bestimmt werden, werden diese bei mehrphasigen Legierungen zusätzlich maßgeblich durch die Verteilung der Phasen (Gefüge) beeinflusst. Basismetall und Legierungselemente werden auch Komponenten einer Legierung genannt. In der Liste der Legierungselemente werden selbige und ihre Wirkungen auf die jeweiligen Basismetalle aufgeführt. Mischkristalle weisen eine höhere Härte und Zugfestigkeit auf, und eine geringere Schmelztemperatur als der reine Stoff. Bei Metallen sinkt zudem die elektrische Leitfähigkeit. Für die relativ weichen, reinen Metalle ist die Mischkristallverfestigung eine von 4 möglichen festigkeitssteigernden Methoden um einen harten Werkstoff herzustellen.

Beispiele für natürliche Legierungen sind Elektrum, eine Gold-Silber-Legierung, und Stibarsen, eine Antimon-Arsen-Legierung.

Bei künstlich hergestellten Legierungen unterscheidet man solche, die bewusst hergestellt wurden, um Werkstoffeigenschaften (Beispiele Härte, Korrosionsbeständigkeit) der „Basismetalle“ auf die gewünschte Weise zu ändern, und solche, die unbeabsichtigt entstehen, weil Fremdstoffe bereits durch die Herstellung in die Legierung gelangen, an der Legierungsbildung nicht beteiligt sind und überwiegend negative Wirkungen auf die Werkstoffeigenschaften ausüben.

Geschichte

Bronzebeile

Kupfer ist eines der ersten von Menschen genutzten Metalle; es wurde wohl vor etwa 6000 bis 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.^[1] 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.^[2] Viele Plastiken werden bis heute aus Bronze gegossen.

Messing-Figur

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 bis 1000 vor Christus.^[3] 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.

Eisensichel

Eisen-Legierungen wurden bereits in der Antike verwendet, allerdings nur aus Meteoriten, in denen sich häufig die Legierung Eisen-Nickel (FeNi) befindet. Da Meteoriten selten gefunden wurden, waren Gegenstände aus Eisen entsprechend wertvoll. Die Sumerer nannten es „Himmelsmetall“, die alten Ägypter „schwarzes Kupfer vom Himmel“.^[4] 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. Eisen bot und bietet jedoch viele Vorteile, der wichtigste war die größere Härte gegenüber der Bronze und dem Kupfer. Verbesserungen in der Gewinnung und Verarbeitung ließen die Menschen dazu übergehen, zunächst Waffen und dann Werkzeuge wie Pflüge aus Eisen zu fertigen. Die Bronzezeit wurde damit von der Eisenzeit abgelöst.

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. Da Eisen und Stahl in der Technik von besonderer Bedeutung sind, werden Legierungen in Eisen- und Nichteisen-Legierungen unterteilt. Weitere Einteilungen ergeben sich durch die Art der Legierungsbildung, da diese nicht nur durch Zusammenschmelzen der Komponenten entstehen oder auch durch besondere Fähigkeiten von Legierungen.

• Natürliche Legierungen entstehen durch Hitzeeinwirkung und Aufschmelzen von Elementen zum Beispiel im Inneren von Himmelskörpern. Da diese Legierungen nicht von Menschen gesteuert wurden, unterliegen sie auch nicht deren definierten Zusammensetzungen und Eigenschaften.
• Eisenlegierungen werden in Gusseisen und Stahl unterteilt. Die Unterscheidung beruht auf dem Gehalt an Kohlenstoff. Siehe Hauptartikel Eisen-Kohlenstoff-Diagramm. Besondere Bedeutung haben die Edelstähle: Eisenlegierungen mit Chrom und Nickel.
• 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 ferromagnetische Legierungen, die kein Eisen, Kobalt oder Nickel enthalten (Beispiel Cu₂AlMn).
• Formgedächtnis-Legierungen sind Metalle, die nach einer Verformung durch Hitzeeinwirkung zu ihrer Ursprungsform zurückkehren.
• Gusslegierungen sind direkt verwendbar, während Knetlegierungen zunächst umgeformt werden.
• Pseudolegierungen nennt man die durch Sintern (Zusammenpressen verschiedener, innig vermengter Metallpulver bei hoher Temperatur) 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

Bei vollständiger Löslichkeit im festen Zustand bilden sich in jeder Zusammensetzung Mischkristalle. 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:

1. Beide Metalle müssen das gleiche Kristallsystem aufweisen (beispielsweise kubisch).
2. Die Gitterkonstanten dürfen sich um maximal etwa 15 % unterscheiden.
3. Die beiden Metalle müssen eine „gewisse chemische Ähnlichkeit“ haben.
4. 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.

Abkühlkurven und Zustandsschaubild einer Legierung verschiedener Zusammensetzung mit Mischkristallbildung

Die Legierungen (Kurven 2-5) erstarren im Gegensatz zu den Basismetallen (Kurven 1,6) 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 (Kurve 1), 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.

Ablesen lassen sich diese Zusammensetzungen am Zustandsschaubild, indem man durch jeden beliebigen Punkt an der ausgewählten Legierung (Bild W_L) eine Waagerechte bis zur Soliduslinie zieht. Bei der Liquidustemperatur T_Li (Beginn der Erstarrung) besitzen die ersten Kristalle also eine Zusammensetzung von W_MLi. Auch die jeweilige Zusammensetzung der Restschmelze lässt sich auf diese Weise ermitteln, indem man zum Beispiel bei T_m die Waagerechte bis zur Liquiduslinie durchzieht. Die Schmelze hätte also an diesem Punkt die Zusammensetzung W_Sm und die Mischkristalle die Zusammensetzung W_Mm.

Mit Hilfe des Zustandsschaubildes lässt sich auch berechnen, wie hoch bei jeder Zwischentemperatur der Anteil an Schmelze bzw. der Anteil an Mischkristallen ist:

$M_\mathrm{S} \cdot W_\mathrm{Sm} + M_\mathrm{MK} \cdot W_\mathrm{Mm} = 1 \cdot W_\mathrm{L}$ $M_\mathrm{S} + M_\mathrm{MK} = 1\$ $M_\mathrm{MK} = \frac{W_\mathrm{L} - W_\mathrm{Sm}}{W_\mathrm{Mm} - W_\mathrm{Sm}}$ $M_\mathrm{S} = \frac{W_\mathrm{Mm} - W_\mathrm{L}}{W_\mathrm{Mm} - W_\mathrm{Sm}}$

MS = Anteil Schmelze WSm = Zusammensetzung Schmelze (bei Tm) MMK = Anteil Mischkristalle WMm = Zusammensetzung Mischkristalle (bei Tm) WL = Zusammensetzung Legierung

Zweistoffsysteme mit vollständiger 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. (siehe Gefügeschliffbilder-Eutektikum)

Abkühlkurven und Zustandsschaubild einer Legierung verschiedener Zusammensetzung bei getrennter Kristallbildung

Auch bei getrennter Kristallbildung erstarren die Legierungen 2, 4 und 5 zunächst in einem Haltebereich. Gegen Ende der Erstarrung beschreiben die Temperaturkurven allerdings einen Haltepunkt ähnlich dem eines reinen Metalls. Legierung 3 erstarrt sogar ausschließlich in einem Haltepunkt.

Der Grund für dieses Verhalten liegt in der starken, gegenseitigen Behinderung der beiden Komponenten, die sich während der Kristallisation entmischen, um Kristalle der eigenen Art bilden zu können. Das Maximum an gegenseitiger Störung liegt demnach bei Legierung 3, bei der sich im Erstarrungspunkt gleichzeitig Kristalle der Komponenten A und B bilden. Bedingt durch die anhaltende, gegenseitige Behinderung beim Entmischen und der tiefen Temperatur sind die Wege der Atome allerdings sehr klein und das Kristallgemisch daher sehr feinkörnig.

Dieser Besonderheit wegen erhält Legierung 3 den Namen Eutektische Legierung (= Das Feine ; Das Wohlgebaute). Die allen Legierungen gemeinsame Soliduslinie wird entsprechend Eutektikale genannt und die dazu gehörige Temperatur eutektische Temperatur (T_Eu).

Ein herausragendes Beispiel für eine eutektische Legierung mit besonders tiefem Schmelzpunkt ist die Wood'sche Legierung, deren Schmelzpunkt bei 70 °C liegt.

Bei Legierungen, die entweder links (= untereutektisch) oder rechts (= übereutektisch) vom Eutektikum liegen, erstarren zunächst Primärkristalle der Komponente A bzw. Primärkristalle der Komponente B. Der Anteil an Primärkristallen in einer Legierung lässt sich mithilfe des Zustandsschaubildes errechnen. Die Berechnung setzt dabei am Punkt T_Eu an, also an der Stelle, an der die Restschmelze gerade eben die eutektische Zusammensetzung erreicht:

$M_{Eu} = \frac{W_L - W_{Pr}}{W_{Eu} - W_{Pr}}$ $M_{Pr} = \frac{W_{Eu} - W_L}{W_{Eu} - W_{Pr}}$

MEu = Anteil Restschmelze eutektischer Zusammensetzung = Anteil des Eutektikums MPr = Anteil Primärkristalle WL = Zusammensetzung Legierung WPr = Zusammensetzung der Primärkristalle WEu = Zusammensetzung des Eutektikums

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

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 natürlich auch entsprechend die Gitterkonstante des vorliegenden Kristallsystems, und es bietet Fremdatomen weniger Platz. Die Folge davon ist, dass die Mischkristalle ab der Übergangstemperatur T_Ü beginnen, sich zu entmischen.

Genau diese Eigenschaft – teilweise Entmischung der Komponenten durch abnehmende Löslichkeit bei tieferen Temperaturen - wird beim Härten einer solchen Legierung ausgenutzt. Man spricht hierbei auch von der Ausscheidungshärtung.

Abkühlkurven und Zustandsschaubild einer Legierung verschiedener Zusammensetzung mit Mischkristallbildung begrenzter Löslichkeit im festen Zustand

Legierung 1 erstarrt somit von T_{Li 1} bis T_{Sol 1} zu Mischkristallen mit dem Kristallsystem von A, genannt α-Kristalle. Bis T_Ü bleibt der homogene Zustand erhalten. Die Mischkristalle sind gesättigt, was bedeutet, dass Komponente A bis zur, für diese Legierung, maximalen Löslichkeit die Komponente B aufgenommen hat.

Bei T_Ü wandern die Atome von B entsprechend der maximalen Löslichkeit für diese Temperatur zu den Korngrenzen und bilden dort Sekundär-Mischkristalle mit dem Kristallsystem von B, genannt β-Mischkristalle. Zum Ausgleich diffundieren entsprechend A-Atome ins Korninnere.

Der Anteil der Sekundär-Mischkristalle lässt sich nach folgender Formel berechnen:

$M_{S\beta} = \frac{W_{S\alpha} - W_L}{W_{S\alpha} - W_{S\beta}}$ $\left(M_{S\alpha} = \frac{W_L - W_{S\beta}}{W_{S\alpha} - W_{S\beta}}\right)$

MSβ = Anteil Sekundär-β-Mischkristalle WL = Zusammensetzung Legierung WSβ = Zusammensetzung Sekundär-β-Mischkristalle WSα = Zusammensetzung Sekundär-α-Mischkristalle MSα = Anteil Sekundär-α-Mischkristalle WSα und WSβ entsprechen bei Raumtemperatur WSGα und WSGβ (SG = Sättigungsgrenze)

Legierung 2 kristallisiert zunächst genau wie Legierung 1. Bei Erreichen der Eutektikalen erstarrt die Restschmelze jedoch in einem Haltepunkt und es bildet sich ein feinkörniges Gemisch aus α- und β-Mischkristallen, welches, wie bei getrennter Kristallbildung, Eutektikum genannt wird. Die zuvor entstandenen α-Mischkristalle entsprechen den Primärkristallen.

Unterhalb der Eutektikalen scheiden auch bei dieser Legierung aus den Primär-α-Mischkristallen B-Atome aus. Um hier den Anteil der Sekundär-β-Mischkristalle aus den Primär-Kristallen berechnen zu können, muss zuerst der Anteil an Primärkristallen an der Gesamtlegierung berechnet werden. Die Berechnung entspricht derjenigen bei getrennter Kristallisation. Anschließend wird der Anteil Sekundär-β-Mischkristalle aus den Primärkristallen berechnet und mit dem Anteil der Primärkristalle multipliziert :

1) $M_{Pr} = \frac{W_{Eu} - W_L}{W_{Eu} - W_{Pr}}$ $\left(M_{Eu} = \frac{W_L - W_{Pr}}{W_{Eu} - W_{Pr}}\right)$ 2) $M_{S\beta} = \frac{W_{S\alpha} - W_\alpha}{W_{S\alpha} - W_{S\beta}}$ 3) $M_{LS\beta} = M_{S\beta} \cdot M_{Pr}$

MPr = Anteil Primärkristalle in % WEu = Zusammensetzung des Eutektikums WL = Zusammensetzung Legierung WPr = WMLα = Zusammensetzung Primärkristalle (ML= Mischungslücke) MSβ = Anteil Sekundär-β-Mischkristalle (nicht in %) WSα = Zusammensetzung Sekundär-α-Mischkristalle Wα = Zusammensetzung Primär-α-Mischkristalle WSβ = Zusammensetzung Sekundär-β-Mischkristalle MLSβ = Anteil Sekundär-β-Mischkristalle an der Legierung

Die Anteile der Sekundär-Kristalle im Eutektikum zu berechnen ist nicht sinnvoll, da sie hier keine neue Phase bilden. Es werden lediglich Atome, unter Erhaltung des Kristallsystems, umgruppiert. Weder im Gefügeschliffbild noch in den technischen Eigenschaften lassen sich deshalb Unterschiede feststellen.

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.

Beispiele für intermediäre Kristallisation sind Al₂Cu, Mg₂Si, Cu₄Sn, Fe₃C (Zementit) und WC (Wolframcarbid).

Die Kristallisationsformel gleicht der Formel für chemische Verbindungen, welche aber im Gegensatz zu Legierungen eine völlig andere Verbindungsart aufweisen.

Siehe auch

• Liste der Legierungen
• Liste der Legierungselemente
• Vorlegierung

Literatur

• Arnold Fr. Holleman, Egon Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. de Gruyter, Berlin 1995, ISBN 3-11-012641-9.
• Alfred Böge: Das Techniker Handbuch, Vieweg Verlag, ISBN 3-528-14053-4.
• Erhard Hornbogen: Werkstoffe. Springer Verlag, 2006, ISBN 3-540-30723-0.
• Erwin Riedel: Anorganische Chemie. de Gruyter, Berlin 2002, ISBN 3-11-017439-1.
• Ulrich Müller: Anorganische Strukturchemie. B.G. Teubner, Stuttgart 2004, ISBN 3-519-33512-3.
• Wilhelm Domke: Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung. Cornelsen Verlag, ISBN 3-590-81220-6.

Einzelnachweise

1. ↑ Friedrich Baumann: Geschichte des Zinngießens. Abgerufen am 2. Apr. 2009.
2. ↑ Kupfer-Institut: Kupfer
3. ↑ Marianne Schönnenbeck, Frank Neumann: Geschichte des Zink. Rheinzink. Abgerufen am 2. Apr. 2009.
4. ↑ Helmut Föll: Geschichte des Stahls. In: Einführung in die Materialwissenschaft I. Abgerufen am 2. Apr. 2009.

Weblinks