Das Aufkommen von Bronze um 3300 v. Chr. bis 1200 v. Chr. markierte den Beginn der Verwendung von Legierungen durch den Menschen. Legierungen haben einen langen Entwicklungsprozess durchlaufen, von der antiken Bronze bis hin zu modernen Hochleistungslegierungen.
Der technologische Fortschritt hat in jeder Phase die Leistung und den Anwendungsbereich der Legierungen kontinuierlich verbessert und ihren weitverbreiteten Einsatz in verschiedenen Bereichen gefördert.
Legierungsdefinition
Eine Legierung ist ein metallisches Material, das aus zwei oder mehr Elementen besteht, von denen mindestens eines ein Metall ist. Durch das Mischen dieser Elemente verbessern Legierungen ihre Eigenschaften und verleihen ihnen bessere Eigenschaften als ein einzelnes Metall, wie Festigkeit, Härte, Korrosionsbeständigkeit, Verschleißfestigkeit usw.
Wie werden Legierungen hergestellt?
In der Natur gibt es viele verschiedene Legierungen, die normalerweise durch natürliche geologische und chemische Prozesse entstehen.
Eine der bekanntesten natürlichen Legierungen ist die in Meteoriten vorkommende Eisen-Nickel-Legierung, die normalerweise etwa 90% Eisen und 10% Nickel enthält. Dabei bilden sich verschiedene Mineralphasen, darunter „metallisches Nickel-Eisen“ (Kamazit) und „Nickel-Eisen-Nickel“ (Taenit) in Eisen-Nickel-Legierungen.
In den meisten Fällen kann die Legierungsbildung durch Schmelz- und Synthesetechnologie erreicht werden:
Schmelzmethode
Schmelzmethode: Die gebräuchlichste Methode zur Legierungsherstellung besteht im Schmelzen und Mischen von Legierungselementen bei hohen Temperaturen, normalerweise in einem Ofen.
Mechanisches Legieren: Metallpulver werden durch mechanische Kraft (z. B. Kugelmühlen) gemischt, um physikalische Reaktionen zu bewirken und Legierungen zu bilden. Mit dieser Methode können ultrafeinkörnige Legierungen hergestellt werden.
Chemische Synthese: Durch chemische Reaktionen werden Legierungen in der Gasphase synthetisiert und auf Substraten abgeschieden, um Filme oder Beschichtungen zu bilden, oder Legierungselemente werden durch chemische Reaktionen aus ihren Verbindungen reduziert und zu Legierungen gemischt.
Hierzu zählen auch Pulvermetallurgie, Magnetronsputtern, Kaltbearbeitung und Wärmebehandlung.
Arten von Legierungen
Es gibt viele Arten von Legierungen. Gängige Legierungen können nach ihren Hauptbestandteilen, Anwendungsbereichen und Leistungsmerkmalen klassifiziert werden. Einige gängige Legierungsarten sind Stahllegierungen, Aluminiumlegierungen, Kupferlegierungen, Nickellegierungen, Titanlegierungen und Sonderlegierungen.
Stahllegierungen
| Stahllegierungen | Hauptkomponenten | Eigenschaften | Anwendungen | Gemeinsame Güteklassen (ASTM) |
| Kohlenstoffstahl | Eisen + Kohlenstoff | Hohe Festigkeit, Härte, kostengünstig | Baustrukturen, Maschinenbau, Automobilbau | ASTM A36, ASTM A106, ASTM A500 |
| Legierter Stahl | Eisen + Kohlenstoff + Legierungselemente (z. B. Chrom, Nickel) | Ausgezeichnete Festigkeit, Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit | Werkzeuge, mechanische Komponenten, Autoteile | ASTM A514, ASTM A572 |
| Edelstahl | Eisen + Chrom (mindestens 10,5%) + Nickel | Hervorragende Korrosionsbeständigkeit und Hochtemperaturleistung | Haushaltsgeräte, chemische Geräte, medizinische Instrumente | ASTM A240 (304, 316), ASTM A276 (410, 430) |
Aluminiumlegierungen
| Aluminiumlegierungen | Hauptkomponenten | Eigenschaften | Anwendungen | Gemeinsame Güteklassen (ASTM) |
| Reines Aluminium | Aluminium | Leicht, korrosionsbeständig, aber geringere Festigkeit | Luft- und Raumfahrt, Automobilindustrie, Baustoffe | ASTM B209 (1100, 1050) |
| Aluminium-Kupfer-Legierung | Aluminium + Kupfer | Hohe Festigkeit, hervorragende mechanische Eigenschaften | Flugzeuge, Autoteile, Strukturmaterialien | ASTM B209 (2024), ASTM B211 (2011) |
| Aluminium-Zink-Legierung | Aluminium + Zink | Ausgezeichnete Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit | Baustoffe, Automobilkomponenten | ASTM B209 (7075), ASTM B211 (7050) |
Kupferlegierungen
| Kupferlegierungen | Hauptkomponenten | Eigenschaften | Anwendungen | Gemeinsame Güteklassen (ASTM) |
| Messing | Kupfer + Zink | Gute Bearbeitbarkeit und Korrosionsbeständigkeit | Pfeifenbeschläge, Musikinstrumente, Dekorationen | ASTM B36 (C26000), ASTM B124 (C36000) |
| Bronze | Kupfer + Zinn | Gute Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit | Artefakte, Statuen, mechanische Komponenten | ASTM B505 (C93200), ASTM B150 (C95400) |
| Kupfer-Nickel-Legierung | Kupfer + Nickel | Ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit | Meeresumweltausrüstung, Münzen, medizinische Instrumente | ASTM B122 (CuNi 90/10, CuNi 70/30) |
Nickellegierungen
| Nickelbasierte Legierung | Nickel + Legierungselemente (zB Chrom, Molybdän) | Hervorragende Hochtemperaturleistung und Korrosionsbeständigkeit | Luft- und Raumfahrt, chemische Industrie, Energieerzeugungsanlagen | ASTM B443 (Inconel 625), ASTM B637 (Inconel 718) |
| Nickel-Eisen-Legierung | Nickel + Eisen | Gute magnetische Eigenschaften und Korrosionsbeständigkeit | Magnetische Materialien, elektrische Geräte | ASTM A353 (Invar 36), ASTM A753 (Mu-Metall) |
Titanlegierungen
| Titanlegierungen | Hauptkomponenten | Eigenschaften | Anwendungen | Gemeinsame Güteklassen (ASTM) |
| Alpha-Legierung | Titan + Aluminium + Zinn | Hohe Festigkeit, gute Korrosionsbeständigkeit | Luft- und Raumfahrt, medizinische Implantate | ASTM B348 (Klasse 5), ASTM F136 (Ti-6Al-4V) |
| Beta-Legierung | Titan + Legierungselemente (zB Molybdän, Chrom) | Hohe Festigkeit, hoher Elastizitätsmodul | Flugzeuge, Sportgeräte | ASTM B348 (Klasse 19), ASTM F2063 (Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al) |
Hochtemperaturlegierungen
| Hochtemperaturlegierungen | Hauptkomponenten | Eigenschaften | Anwendungen | Gemeinsame Güteklassen (ASTM) |
| Hochtemperaturlegierung auf Nickelbasis | Nickel + Legierungselemente (zB Chrom, Molybdän) | Ausgezeichnete Hochtemperaturfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit | Triebwerkskomponenten, Gasturbinen | ASTM B637 (Inconel 718), ASTM B408 (Hastelloy X) |
| Hochtemperaturlegierung auf Kobaltbasis | Kobalt + Legierungselemente (z. B. Chrom, Aluminium) | Ausgezeichnete Oxidationsbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit | Triebwerke, Turbinenschaufeln | ASTM F90 (Haynes 188), ASTM B815 (L-605) |
Sonderlegierungen
| Sonderlegierungen | Hauptkomponenten | Eigenschaften | Anwendungen | Gemeinsame Güteklassen (ASTM) |
| Formgedächtnislegierung | Nickel + Titan | Kann bei bestimmten Temperaturen seine ursprüngliche Form wiedererlangen | Medizinische Geräte, Automatisierungsausrüstung | ASTM F2063 (Nitinol) |
| Supraleitende Legierung | Blei, Aluminium, Wolfram | Weist bei niedrigen Temperaturen keinen elektrischen Widerstand auf | Supraleitende Magnete, medizinische Bildgebungsgeräte | ASTM B714 (Nb3Sn), ASTM B335 (NbTi) |
Vor- und Nachteile von Legierungen
Da die Vor- und Nachteile von Legierungen je nach Zusammensetzung und Verwendungszweck unterschiedlich sind, müssen bei der Auswahl und Verwendung von Legierungen, um die Anforderungen bestimmter Anwendungen zu erfüllen, verschiedene Leistungsmerkmale abgewogen werden.
| Aspekt | Vorteile | Nachteile |
| Festigkeit und Härte | Legierungen weisen typischerweise eine höhere Festigkeit und Härte auf als die Metalle, aus denen sie bestehen (Stahl ist beispielsweise fester als reines Eisen). | Einige Legierungen können unter bestimmten Bedingungen spröde werden, was ihre Verwendung in bestimmten Umgebungen einschränkt. |
| Korrosionsbeständigkeit | Eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit ist ein wichtiges Merkmal vieler Legierungen, beispielsweise von Edelstahl mit Chrom und Nickel. | Die Herstellung korrosionsbeständiger Legierungen kann teuer sein und die Gesamtmaterialkosten erhöhen. |
| Leitfähigkeit | Einige Legierungen, wie etwa Kupferlegierungen, bieten eine ausgezeichnete elektrische und thermische Leitfähigkeit, die für die Elektronik von entscheidender Bedeutung ist. | Die Legierungsherstellung erfordert eine genaue Kontrolle der Zusammensetzung und des Prozesses, was zu Komplexität führen kann. |
| Verschleißfestigkeit | Legierungen mit Elementen wie Chrom, Wolfram oder Molybdän sind äußerst verschleißfest und eignen sich für Anwendungen mit hoher Reibung. | Eine hohe Verschleißfestigkeit kann mit einer verringerten Duktilität einhergehen, wodurch die Vielseitigkeit des Materials bei Umformungsprozessen eingeschränkt wird. |
| Bearbeitbarkeit | Durch die Anpassung der Legierungszusammensetzungen kann die Bearbeitbarkeit verbessert und so der Fertigungsaufwand und die Kosten reduziert werden. | Bestimmte hochfeste Legierungen können schwierig zu bearbeiten sein und erfordern spezielle Werkzeuge oder Verfahren. |
| Hitzebeständigkeit | Legierungen wie Superlegierungen auf Nickelbasis behalten ihre Festigkeit und Stabilität auch bei hohen Temperaturen und sind daher ideal für die Luft- und Raumfahrtbranche sowie die Energiebranche. | Hitzebeständige Legierungen sind häufig teuer und erfordern möglicherweise eine spezielle Handhabung und Verarbeitung. |
| Kosten | Verbesserte Eigenschaften rechtfertigen höhere Kosten bei kritischen Anwendungen, bei denen die Leistung die Kosten überwiegt. | Die Gesamtkosten für die Herstellung und Verwendung von Legierungen können im Vergleich zu reinen Metallen erheblich höher sein. |
| Umwelt- und Gesundheitsrisiken | Einige Legierungen enthalten giftige Elemente wie Cadmium oder Beryllium, die ein Risiko für die Umwelt und die Gesundheit darstellen. | Die Entsorgung und Handhabung giftiger Legierungsbestandteile erfordert sorgfältige Überlegung und kann zusätzliche Kosten verursachen. |
| Magnetismus | Die magnetischen Eigenschaften einiger Legierungen, beispielsweise bestimmter rostfreier Stähle, sind für bestimmte Anwendungen von Vorteil. | Unerwünschter Magnetismus in Legierungen kann die Leistung in elektronischen oder magnetempfindlichen Anwendungen beeinträchtigen. |
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