Bronze, Messing und Stahl sind gewöhnliche Metalle, denkst du? Stimmt, wir begegnen ihnen häufig in unserem Leben und Alltag. Das Besondere an diesen Metallen ist allerdings, dass sie keine reinen Metalle, wie Eisen, Aluminium und Gold, sind. Bronze, Messing und Stahl sind Stoffgemische aus unterschiedlichen Metallen (Abb. 1.1-1.3). Wir nennen sie Legierungen. Das Verb ligieren kommt von dem lateinischen Wort ligare und bedeutet zusammenbinden, verbinden und vereinigen.
Lerne in diesem Artikel kennen, warum wir unterschiedliche Metalle mischen, um Legierungen zu erhalten, und welche Eigenschaften die Legierungen haben.
Was wir unter Legierungen verstehen
Eine Legierung ist ein Stoff, der aus mindestens zwei unterschiedlichen Elementen zusammengesetzt ist. Ein Element muss dabei ein Metall sein. Bronze und Messing bestehen zum Beispiel aus einem Stoffgemisch aus reinen Metallen. Stahl besteht dahingegen aus einen Stoffgemisch aus Eisen und dem Nichtmetall Kohlenstoff.
- Bronze besteht aus mindestens 60 % Kupfer und zum Rest aus Zinn.
- Messing besteht aus über 55 % Kupfer und Zink.
- Stahl besteht aus Eisen mit einem Kohlenstoffanteil von maximal 1,6 %.
Aus dem Themenbereich zu den Stoffgemischen weißt du, dass es homogene und heterogene Stoffgemische gibt. So ist das auch bei den Legierungen als Stoffgemische.
Bei homogenen Legierungen sind die unterschiedlichen Elemente auf der Teilchenebene so vermischt, dass du weder mit dem bloßen Auge, noch mit einem Mikroskop die einzelnen Bestandteile erkennen kannst. Die Legierung verhält sich wie ein Stoff mit eigenen Eigenschaften. Homogene Legierungen bilden Elemente, die einen ähnlichen Atomradius, eine vergleichbare Elektronegativität haben und gleiche Gittertypten bilden. Bei Bronze und Messing verteilen sich die Atome der Elemente gleichmäßig. Beim Stahl füllen die Kohlenstoff-Atome die Zwischenräume zwischen den Eisen-Atomen.
Bei heterogenen Legierungen kannst du entweder mit dem Auge oder unter einem Mikroskop die unterschiedlichen Stoffe, aus denen die Legierung besteht, erkennen. Wir sagen auch, dass unterschiedliche Phasen zu erkennen sind. Lötzinn ist eine heterogene Legierung aus Zinn und Blei und besteht im Kern aus einem Flussmittel. Durch das Flussmittel werden der Stoff, der gelötet werden soll, und der Lötzinn besser miteinander verbunden. Unsere kupferfarbenen Cent-Münzen bestehen aus einem Stahlkern mit einem Überzug aus Kupfer. Schneidest du eine Cent-Münze durch, würdest du die unterschiedlichen Phasen bzw. Metalle erkennen.
Warum wir Metalle mischen, um Legierungen zu erhalten
Wir mischen Metalle zu Legierungen, um Stoffe mit einer höheren Härte, Festigkeit und Elastizität zu bekommen. Die Legierungen sind robuster im Gegensatz zu ihren Basismetallen. Zudem sind Legierungen korrosionsbeständiger als ihre Basismetalle. Während Eisen draußen schnell anfängt Rost zu bilden, weil an der Oberfläche Oxide entstehen, ist Stahl als Legierung des Eisens robuster und wetterbeständig. Würden die Cent-Münzen nur aus ihrem Eisenkern ohne Kupfermantel bestehen, würde sich ebenfalls direkt Rost bzw. Eisenoxid bilden. Würden sie allerdings nur aus Kupfer bestehen, wäre das Material Kupfer weitaus wertvoller als die Münze selber. Deshalb bestehen die Kupfermünzen im Kern aus Eisen, welches ein viel günstigeres Metall als Kupfer ist.
Zudem ist bei Legierungen die Schmelztemperatur geringer als bei den Basismetallen und die elektrische Leitfähigkeit nimmt auch ab.
Arten von Legierungen
Knet-Legierungen ...
… werden durch Pressen, Schmieden und Walzen hergestellt, haben eine gute Festigkeit und sind verformbar.
Guss-Legierungen ...
… werden im Druckguss hergestellt, sind schlecht verformbar, aber gut bearbeitbar, sodass sie auch für dünne Bauteile verwendet werden können.
Diffusions-Legierungen ...
… entstehen durch Diffusion, was bedeutet, dass Atome in das Kristallgitter der Basismetalle einwandern. Die Legierung hat eine höhere Härte als das Basismetall.
Formgedächtnis-Legierungen …
… sind Metalle, die du verformen kannst und wenn du sie dann erwärmst, gehen sie in ihre Ursprungsform zurück. Mit solchen Metallen kannst du auch tolle Zaubertricks machen (Abb. 3).
Abb. 3 Formgedächtnislegierung