Legierungen - Grundlagen

Autor: Hans Lohninger

Legierungen kann man grob in drei Klassen einteilen:

• Einphasige Legierungen (feste Lösungen): Eine Legierung, die aus komplett mischbaren Bestandteilen besteht (z.B. Kupfer und Nickel in beliebigen Mischungsverhältnissen) ergibt beim Abkühlen eine feste Lösung der Bestandteile. Es kann also jeder Gitterplatz im festen Metall wahlweise durch eine beliebige Atomsorte der Legierung eingenommen werden.
• Intermetallische Verbindungen: Stöchiometrisch zusammengesetzte Substanzen, deren Bestandteile in einem festen Verhältnis zueinander stehen, z.B. MgZn₂ oder Cu₃Au. Intermetallische Verbindungen scheiden sich beim Abkühlen oft als Teil einer Mehrphasenlegierung ab.
• Mehrphasenlegierungen: Ist die Löslichkeit in der festen Phase beschränkt, so entsteht beim Abkühlen ein mehrphasiger Aufbau des festen Metalls. So entsteht z. B. beim Abkühlen einer flüssigen Mischung von Zink und Kupfer bei einem Zinkanteil größer als 40% ein zweiphasiger fester Stoff der einerseits aus der metallischen Verbindung CuZn und andererseits aus einer Lösung von Zink in Kupfer besteht.

Für die Entstehung einer festen Lösung müssen folgende Kriterien erfüllt sein (Hume-Rothery-Regeln):

• Die Kristallstrukturen der beiden Metalle müssen gleich sein
• Die Atomradien der beteiligten Stoffe dürfen sich nicht mehr als um 15% unterscheiden, damit im Gitter keine zu große Spannung entsteht
• Die Elektronegativitäten sollten in etwa gleich sein, um eine Verbindungsbildung zu verhindern.

Grundsätzlich gilt, dass durch Zulegieren eines zweiten Metalls die Festigkeit des Hauptmetalls steigt. Legiert man also zu Kupfer ein paar Prozent Zinn, so steigt die ursprüngliche Festigkeit von Kupfer mit steigendem Zinngehalt entsprechend an. Weiters gilt, dass die Festigkeit stärker steigt, wenn die Atomradien sich stärker unterscheiden. Messing (eine Cu-Zn-Legierung) ist weicher als Bronze (Cu-Sn-Legierung), da Zink etwa den gleichen Atomradius aufweist wie Kupfer, der Atomradius von Zinn aber erheblich größer als der von Kupfer ist.

Legierungen können aber nicht nur aus zwei Metallen bestehen, sondern auch aus einer größeren Zahl von Elementen bestehen, deren Phasendiagramme meist ziemlich komplex sind. So besteht z.B. V4A-Stahl typischerweise aus 69% Fe, 17% Cr, 12% Ni und 2% Mo.

Intermetallische Verbindungen lassen sich in vier Gruppen unterteilen:

• Hume-Rothery-Phasen: Unter Hume-Rothery-Phasen versteht man Legierungen der d-Block-Elemente (Scandium bis Zink) mit den Elementen der 12., 13. und 14. Gruppe (Zink-, Bor- und Kohlenstoffgruppe) bei denen die Gesamtzahl der Leitungselektronen und die Gesamtzahl der Kationen in einem ganzzahligen Verhältnis stehen. Beispiele für Hume-Rothery-Phasen sind CuZn, CuSn, FeZn₇, Cu₅Sn, oder Co₅Zn₂₁.
• Zintl-Phasen: Zintl-Phasen sind intermetallische Verbindungen mit heteropolaren Bindungen, die sich bevorzugt aus s-Block-Elementen (Alkali- und Erdalkalielemente) mit den (Halb-)Metallen der 13. bis 16. Gruppe bilden. Beispiele dafür sind NaSn, LiAl, oder Ca₂Si.
• Laves-Phasen: Unter Laves-Phasen versteht man jene intermetallischen Verbindungen, bei denen eine Metallbindung auftritt und das Radienverhältnis der beteiligten Atome 1 zu ca. 1.225 ist. Laves-Phasen treten in drei Strukturtypen auf: MgCu₂, MgZn₂ und MgNi₂. Von jedem dieser Strukturtypen sind hunderte Verbindungen bekannt.
• Nickelarsenid-Phasen: Diese beruhen auf der hexagonal-dichten Packung des einen beteiligten Metallpartners und der Belegung aller Oktaederlücken durch den anderen Metallpartner (generell M'M, wobei M' aus der 4. bis 8. Nebengruppe stammt, M aus der 3. bis 6. Haupgruppe) . Verbindungen vom NiAs-Typ sind Halbleiter oder metallische Leiter. Beispiele: AgSn, PtSn, CrSb, der CuSb).

Die folgende Tabelle listet einige wichtige Beispiele von Legierungen auf:

Hauptbestandteil	Zusammensetzung	Eigenschaften	Anwendungen
Berylliumbronze	2-7% Be, Rest Cu	sehr hart, sehr gute elektr. und therm. Leitfähigkeit	Motorteile, Relaiskontakte
Bronze (Zinnbronze)	5-22% Sn, Rest Cu	zäh, korrosionsbeständig	Formguss, Statuen, Glocken
Duralumin	5% Cu, Rest Al	hart, gut bearbeitbar	Flugzeugbau, Ladeflächen für Klein-LKWs
Edelstahl	Fe, Cr, Ni, etc., siehe rostfreier Stahl	-	breites Anwendungsfeld
Invar	36% Ni, Rest Fe	geringe Wärmeausdehnung	Bimetalle, Lochmasken in TV-Geräten, Flüssiggastanks in Schiffen
Konstantan	54% Cu, 45% Ni, 1% Mn	temperaturunabhängiger elektr. Widerstand	elektrische Geräte
Letternmetall	65-67% Pb, 28-29% Sb, 5-6% Sn	niedrig schmelzend	Bleisatz in Druckereien
"Lötzinn"	viele verschiedene Legierungen, siehe Lot	niedrig schmelzend	zum lötenden Verbinden von Metallen
Messing	typ. 37% Zn, 63% Cu	fest, gute elektr. Leitfähigkeit	sehr breites Anwendungsspektrum
Monel	65% Ni, 33% Cu, 2% Fe	hohe Zugfestigkeit, korrosionsbeständig	Druckflasche für Fluor, Teile in Chemieanlagen
Nitinol	50% Ni, 50% Ti	Memoryeffekt, superelastisch	Spezialanwendungen des Memoryeffekts, Federn
Phosphorbronze	92.5% Cu, 7% Sn, 0.5% P	zäh und fest	Achslager
Prestal®	78% Zn, 22% Al	bei 270°C plastisch, bei Raumtemperatur fest wie Stahl
Skleron	3-8% Zn, Rest Al	leicht, sehr fest	Flugzeugbau
Supermalloy	79% Ni, 16% Fe, 5% Mo	weichmagnetisch, hohe Permeabilität	Abschirmung von Magnetfeldern
Vitallium	25-30% Cr, 5-10% Mo, Rest Co	korrosionsbeständig	künstliche Gelenke, Implantate, Gasturbinenschaufeln
Wood'sches Metall	50% Bi, 25% Pb, 12.5% Cd, 12.5% Sn	niedriger Schmelzpunkt (60°C)	Schmelzsicherung, Heizbad im Labor