Je nach Art der Legierungsbildung kann eine Legierung auf mikroskopischer Ebenehomogen oderheterogen sein. Legierungen, die ausschließlich Mischkristalle oder ausschließlich intermetallische Verbindungen bilden, sind homogen. Alle anderen, die aus mehreren Phasen bestehen, sind heterogen.[2]
Das Verhalten der Elemente in einer Legierung und ihr Einfluss auf deren Eigenschaften sind in der Regel von drei Faktoren abhängig: Art und Anzahl der Legierungspartner, ihremMassenanteil an der Legierung sowie der Temperatur. Diese Faktoren bestimmen die jeweilige Aufnahmefähigkeit, das heißtLöslichkeit des einen Elementes im anderen und ob die LegierungspartnerMischkristalle oder Gemische aus reinenKristallen (auchKristallgemische) der jeweiligen Legierungskomponenten bilden.
Das Zeitwortlegieren stammt ursprünglich vomlateinischenligare und bedeutet ‚zusammenbinden‘, ‚verbinden‘ oder auch ‚vereinigen‘. Im17. Jahrhundert wurde das inzwischen leicht abgewandeltelegare (mit derselben Bedeutung) insDeutsche übernommen.[3]
Eigenschaften
DasLegierungselement kann mit dem Grundelement eine festeLösung bilden (einphasige Legierung) oder es bilden sich mehrerePhasen. 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 derListe der Legierungselemente werden sie und ihre Wirkungen auf die jeweiligen Basismetalle aufgeführt. Mischkristalle weisen eine höhereHärte undZugfestigkeit, jedoch eine geringere Schmelztemperatur als das Basismetall auf. Bei Metallen sinkt zudem dieelektrische Leitfähigkeit. Für die relativ weichen, reinen Metalle ist dieMischkristallverfestigung eine von vier möglichen festigkeitssteigernden Vorgängen, um einen harten Werkstoff herzustellen.
Mit der Erstarrung einer vergossenen Legierung ist die Kristallisation nicht in jedem Fall abgeschlossen. Bestimmte Legierungen können auch noch als Gussstück – kalt ausgelagert, oder erwärmt – („angelassen“) ihre mechanischen Eigenschaften (Bruchfestigkeit, Härte, Dehnung) verbessern. BeiKnetlegierungen ist die das Gefüge verfestigende Umkristallisation durch Kaltauslagerung oder Warmbehandlung sogar Voraussetzung für die Fertigung von Halbzeug.
Bei „künstlich hergestellten Legierungen“ unterscheidet man solche, die bewusst hergestellt wurden, umWerkstoffeigenschaften (BeispieleHärte,Korrosionsbeständigkeit) der „Basismetalle“ auf die gewünschte Weise zu ändern, und solche, die unbeabsichtigt entstehen, weil Fremdstoffe (Metallurgie) bereits durch die Herstellung in die Legierung gelangen und negative Wirkungen auf die Werkstoffeigenschaften ausüben können. Beispiele für Letzteres sind unter anderemBismut und/oder Arsen inMessingen, ebenso Bismut inAlSi-Legierungen, wo es die Gefügeausbildung stark beeinträchtigt.
Geschichte
Kupfer, Zinn und Bronze
Bronzebeile
Kupfer ist eines der ersten von Menschen genutzten Metalle; es wurde wohl vor etwa 6000 bis 10000 Jahren zufällig in unter Luftzufuhr besonders heiß brennenden Holzkohlefeuern entdeckt. Es gab derKupfersteinzeit ihren Namen. Bei einem Schmelzpunkt von 1083 °C kann es aus Kupferadern im Gestein in flüssiger Form austreten. Durch Erhitzung kupferhaltiger, oxidischer Erze kann Kupfer hingegen nur bei reduzierender Feuerung, also in Gegenwart von Holzkohle, gewonnen werden.Zinn (Schmelzpunkt 232 °C) wurde vor ca. 5000 Jahren entdeckt.[4]
Messing ist eine Legierung ausKupfer undZink (CuZn, Schmelzpunkt 420 °C). Zink wurde, meist in Form des Zinkcarbonats „Galmei“ (Smithsonit), seit der Bronzezeit um etwa 3000 v. Chr. inBabylon undAssyrien verwendet, inPalästina etwa 1400 bis 1000 v. Chr.[6] Messing war lange Zeit ein wichtigesMünzmetall bei derMünzprägung. Es wurde und wird wegen seines goldenen Glanzes auch zur Herstellung vonSchmuck und Plastiken verwendet. Je höher der Zinkgehalt ist, desto heller ist sein Farbton.
Eisenlegierungen
Eisensichel
Eisen-Legierungen wurden bereits inprähistorischer Zeit verwendet, allerdings nur ausMeteoriten, in denen sich häufig die Legierung Eisen-Nickel (FeNi) befindet. Da Meteoriten selten gefunden wurden, waren Gegenstände aus Eisen entsprechend wertvoll. DieSumerer nannten es „Himmelsmetall“, diealten Ägypter „schwarzes Kupfer vom Himmel“.[7]Verhüttetes Eisen (Erkennung durch Fehlen von Nickel) wurde inMesopotamien,Anatolien undÄgypten gefunden und ist etwa 3000 bis 2000 v. Chr. entstanden. Es war wertvoller alsGold und wurde vor allem für zeremonielle Zwecke verwendet. Eisen isthärter als Bronze und Kupfer, was in vielen Anwendungsfällen wichtig war und ist.Verbesserungen in derEisengewinnung und -verarbeitung ließen die Menschen dazu übergehen,Waffen und Werkzeuge wiePflüge aus Eisen zu fertigen (siehe auchGeschichte der Produktionstechnik).Die Bronzezeit ging zu Ende und dieEisenzeit begann.
Einteilung
Je nach Anzahl der Komponenten in der Legierung spricht man von einer Zwei-, Drei-, Vier- oder Mehrstofflegierung (binäre, ternäre, quaternäre oder polynäre Legierung), wobei nur diejenigen Komponenten gezählt werden, die die charakteristischen Eigenschaften bestimmen. Da Eisen und Stahl in derTechnik 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 vonHimmelskörpern. Da diese Legierungen nicht von Menschen gesteuert wurden, unterliegen sie auch nicht deren definierten Zusammensetzungen und Eigenschaften.
Diffusionslegierungen entstehen durch dieDiffusion von Atomen ins Kristallgitter der Basismetalle. Besonders die ersten Elemente imPeriodensystem sind wegen der Kleinheit ihrer Atome gegenüber dem Basismetall in der Lage, in dessenKristallgitter einzuwandern. Das beste Beispiel für eine Diffusionslegierung ist dasAufkohlen von Werkstücken, um sie härten zu können (s.Tempern).
Knetlegierungen sind als „Halbzeug“ ein Zwischenprodukt, das zu weiterer walzender, pressender oder ziehender Umformung bestimmt ist.
Pseudolegierungen nennt man die durchSintern (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. VieleWolfram-Legierungen werden z. B. so hergestellt.
Legierungsformel
Zur Kennzeichnung einer Legierung wird meist zuerst das Basismetall genannt, dahinter folgen der oder die wichtigsten Bestandteile als Kürzel für das Metall mit angehängter Zahl, die den jeweiligen Prozentanteil (Massenprozent) wiedergibt. Eine Legierung CuZn37 (frühere BezeichnungMessing 63) besteht aus der Kupferbasis, der 37 %Zink zugefügt wurden.
Stahl ist grundsätzlich eine Eisen-Kohlenstoff-Legierung mit zumeist weiteren Legierungselementen. Für diese gilt eine Nomenklatur, die von dem vorgenannten Schema abweicht. Das Eisen als Grundmetall wird hierbei grundsätzlich nicht genannt. Bei legierten Stählen entfällt zudem auch das C zur Bezeichnung des Kohlenstoffes, der in der Formel stets zuerst genannt wird. Mit einem vorangestellten X wird zudem angegeben, dass es sich um einen rostfreien Stahl mit anderen Faktoren handelt.
Da im Stahl die Konzentrationen der einzelnen Legierungselemente oft einen einstelligen Promillebereich nicht übersteigen, werden sie bei Stählen entsprechend nachfolgender Tabelle stets mit einem Faktor angegeben, der vom Legierungselement abhängt.[8]
Faktoren für Legierungselemente
Legierungselemente
Faktor
nicht korr.- beständig
korrosions- beständig
Co, Cr, Mn, Ni, Si, W
0004
0001
Al, Be, Cu, Mo, Nb, Pb, Ta, Ti, V
0010
C, N, P, S
0100
0100
B
1000
Allerdings sind diese Werte nur (historische) Anhaltswerte, die zulässige Zusammensetzung wird in Normen definiert (siehe EN 10020/10025/10083/10088/10269, EN ISO 4957, AISI/SAE J403, ASTM, UNS):
Beispiele für Legierungsformeln von Stahllegierungen
Durch Kristallisations-Versuchsreihen mit verschiedenen Legierungen unterschiedlicher Zusammensetzung bei derthermischen Analyse werden die Kristallisations- bzw. Kristallumwandlungspunkte aufgezeichnet und in ein Temperatur-Zusammensetzungs-Diagramm eingetragen, wobei die Temperatur in Abhängigkeit zur Legierungszusammensetzung steht.
FürZweistoffsysteme 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- undSubstitutionsmischkristall.TypischeSubstitutions-MK-Bildner sind die Legierungen Eisen-Chrom, Eisen-Nickel, Gold-Kupfer, Gold-Silber und Kupfer-Nickel. Ein wichtigerEinlagerungs-MK-Bildner istAustenit (γ-Eisen-Kohlenstoff).
Damit eine Legierung in jeder Zusammensetzung Mischkristalle mit vollkommener Löslichkeit im festen Zustand bilden kann, sind folgende Voraussetzungen nötig:
Durch die Mischkristallbildung wird auch bei noch so großer Ähnlichkeit der Legierungselemente immer dasKristallgitter verzerrt, da die verschiedenen Elemente auch verschiedene Atomdurchmesser besitzen. Dadurch entstehen Spannungen; dieGleitebenen derKristallite 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 WL) eine Waagerechte bis zurSoliduslinie zieht. Bei derLiquidustemperatur TLi (Beginn der Erstarrung) besitzen die ersten Kristalle also eine Zusammensetzung von WMLi.Auch die jeweilige Zusammensetzung der Restschmelze lässt sich auf diese Weise ermitteln, indem man zum Beispiel bei Tm die Waagerechte bis zur Liquiduslinie durchzieht. Die Schmelze hätte also an diesem Punkt die Zusammensetzung WSm und die Mischkristalle die Zusammensetzung WMm.
Mit Hilfe des Zustandsschaubildes und des Hebelgesetzes lässt sich auch berechnen, wie hoch bei jeder Zwischentemperatur der Anteil an Schmelze bzw. der Anteil an Mischkristallen ist:
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 einKristallgemisch der reinen Komponenten (sieheGefügeschliffbilder-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 NamenEutektische Legierung (=Das Feine;Das Wohlgebaute). Die allen Legierungen gemeinsame Soliduslinie wird entsprechendEutektikale genannt und die dazugehörige Temperatureutektische Temperatur (TEu).
Ein herausragendes Beispiel für eine eutektische Legierung mit besonders tiefem Schmelzpunkt ist dieWood’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 TEu an, also an der Stelle, an der die Restschmelze gerade eben die eutektische Zusammensetzung erreicht:
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 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.
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 dieGitterkonstante des vorliegenden Kristallsystems, und es bietet Fremdatomen weniger Platz. Die Folge davon ist, dass die Mischkristalle ab der Übergangstemperatur TÜ beginnen, sich zu entmischen.
Genau diese Eigenschaft – teilweise Entmischung der Komponenten durch abnehmende Löslichkeit bei tieferen Temperaturen – wird beimHärten einer solchen Legierung ausgenutzt. Man spricht hierbei auch von derAusscheidungshärtung.
Abkühlkurven und Zustandsschaubild einer Legierung verschiedener Zusammensetzung mit Mischkristallbildung begrenzter Löslichkeit im festen Zustand
Legierung 1 erstarrt somit von TLi 1 bis TSol 1 zu Mischkristallen mit dem Kristallsystem von A, genannt α-Kristalle. Bis TÜ 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 TÜ 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:
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:
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 imGefügeschliffbild 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 keinemKristallsystem der Basiselemente ähnelt. Es entsteht ein eigenes Kristallsystem, das im Gegensatz zu denen von reinen Metallen sehr kompliziert aufgebaut sein kann. Solche Verbindungen sind zudem sehr hart und spröde. Außerdem erfordern diese Kristalle ein festes Atomzahlenverhältnis. Eine Legierung mitintermediärer Kristallbildung, deren Legierungselemente ausschließlich Metalle sind, nennt manIntermetallische Phase (mit Löslichkeit für die konstituierenden Elemente) oder auchintermetallische Verbindung (bei stöchiometrischer Zusammensetzung). Tritt eine solche Phase auf, lässt sich im Schmelzdiagramm einDystektikum beobachten.
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 andereVerbindungsart aufweisen.
Legierungen sind in der Regel kolloide, also sehr feindisperse Feststoffe, können jedoch auch Lösungen darstellen, wenn alle Legierungselemente in gleichförmiger Weise in Metallgitter-Strukturen eingebunden sind und in der Legierung keine abweichenden Metallgitter-Strukturen vorhanden sind. Ein Beispiel mag hierStahl sein. Dieser besteht in der Regel aus einem mehr oder weniger feinen Gefüge unterschiedlicher Metallgitter-Strukturen. ReinerAustenit stellt als Stahl hingegen eine homogene Lösung von Kohlenstoff in Eisen dar.
Stephan Hasse:Gießerei-Lexikon. Schiele&Schön, Berlin 1997,ISBN 3-7949-0606-3 (Anhang ab S. 1430 mit zahlreichen Zustandsschaubildern binärer und ternäre Legierungssysteme).
Erhard Hornbogen:Werkstoffe. Springer, Berlin, Heidelberg, New York 2006,ISBN 3-540-30723-0.
Dieter Kohtz:Einführung in die Werkstoffkunde für Metallschweißer. In:Der Praktiker: das Magazin für Schweißtechnik und mehr. 9/1982 bis 1/1985. DVS-Verlag,ISSN0554-9965.
↑Dieter Kohtz:Einführung in die Werkstoffkunde für Metallschweißer – Was ist eine Legierung. In:Der Praktiker: das Magazin für Schweißtechnik und mehr.Band1. DVS-Verlag, 1984,ISSN0554-9965,S.4.
↑Helmut Föll: Geschichte des Stahls. In: Einführung in die Materialwissenschaft I. Abgerufen am 2. April 2009.
↑Max Heinzler, Roland Kilgus, Friedrich Näher, Heinz Paetzold, Werner Röhrer, Karl Schilling:Tabellenbuch Metall (= Europa-Fachbuchreihe für Metallberufe). 37. neubearbeitete Auflage. Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten 1990,ISBN 3-8085-1077-3,S.99.
