Wissenschaft

Eigenschaften, Zusammensetzung und Herstellung von Metalllegierungen

Legierungen sind metallische Verbindungen, die aus einem Metall und einem oder mehreren Metall- oder Nichtmetallelementen bestehen.

Beispiele für gängige Legierungen:

  • Stahl: Eine Kombination aus  Eisen  (Metall) und Kohlenstoff (Nichtmetall)
  • Bronze: Eine Kombination aus  Kupfer  (Metall) und  Zinn  (Metall)
  • Messing: Eine Mischung aus Kupfer (Metall) und Zink (Metall)

 

Eigenschaften

Einzelne reine Metalle können nützliche Eigenschaften wie gute  elektrische Leitfähigkeit. hohe Festigkeit und Härte oder Wärme- und  Korrosionsbeständigkeit besitzen  . Kommerzielle Metalllegierungen versuchen, diese vorteilhaften Eigenschaften zu kombinieren, um Metalle zu erzeugen, die für bestimmte Anwendungen nützlicher sind als jedes ihrer Komponentenelemente.

Stahl erfordert beispielsweise die richtige Kombination von Kohlenstoff und Eisen (etwa 99% Eisen und 1% Kohlenstoff), um ein Metall herzustellen, das fester, leichter und verarbeitbarer als reines Eisen ist.

Die genauen Eigenschaften neuer Legierungen sind schwer zu berechnen, da sich Elemente nicht nur zu einer Summe der Teile verbinden. Sie entstehen durch chemische Wechselwirkungen, die von Bestandteilen und spezifischen Produktionsmethoden abhängen. Infolgedessen sind bei der Entwicklung neuer Metalllegierungen viele Tests erforderlich.

Die Schmelztemperatur ist ein Schlüsselfaktor beim Legieren von Metallen. Galinstan. eine niedrigschmelzende Legierung, die  Gallium. Zinn und Indium enthält, ist bei Temperaturen über -19 ° C flüssig, was bedeutet, dass ihr Schmelzpunkt 50 ° C niedriger ist als reines Gallium und mehr als 100 ° C unter Indium und Zinn.

Galinstan® und Wood’s Metal sind Beispiele für eutektische Legierungen – Legierungen mit dem niedrigsten Schmelzpunkt aller Legierungskombinationen, die dieselben Elemente enthalten.

 

Komposition

Tausende von Legierungszusammensetzungen werden regelmäßig hergestellt, und jedes Jahr werden neue Zusammensetzungen entwickelt.

Akzeptierte Standardzusammensetzungen umfassen die Reinheitsgrade der Bestandteile (basierend auf dem Gewichtsgehalt). Das Make-up sowie die mechanischen und physikalischen Eigenschaften gängiger Legierungen werden von internationalen Organisationen wie der Internationalen Organisation für Normung (ISO), SAE International und ASTM International standardisiert.

 

Produktion

Einige Metalllegierungen kommen auf natürliche Weise vor und erfordern nur wenig Verarbeitung, um in industrielle Materialien umgewandelt zu werden. Ferrolegierungen wie beispielsweise Ferrochrom und Ferrosilicium werden durch Schmelzen von gemischten Erzen hergestellt und zur Herstellung verschiedener Stähle verwendet. Man könnte sich jedoch irren, wenn man glaubt, dass das Legieren von Metallen ein einfacher Prozess ist. Wenn man zum Beispiel einfach geschmolzenes Aluminium  mit geschmolzenem  Blei mischen  würde, würde man feststellen, dass sich die beiden in Schichten trennen würden, ähnlich wie Öl und Wasser.

Handels- und Handelslegierungen erfordern im Allgemeinen eine stärkere Verarbeitung und werden meistens durch Mischen von geschmolzenen Metallen in einer kontrollierten Umgebung gebildet. Das Verfahren zum Kombinieren von geschmolzenen Metallen oder zum Mischen von Metallen mit Nichtmetallen variiert stark in Abhängigkeit von den Eigenschaften der verwendeten Elemente.

Da Metallelemente große Unterschiede in ihrer Toleranz gegenüber Wärme und Gasen aufweisen, sind Faktoren wie Schmelztemperaturen von Metallkomponenten, Verunreinigungsgrade, Mischumgebung und Legierungsverfahren zentrale Überlegungen für einen erfolgreichen Legierungsprozess.

Während Elemente wie die  feuerfesten Metalle  bei hohen Temperaturen stabil sind, beginnen andere mit ihrer Umgebung zu interagieren, was den Reinheitsgrad und letztendlich die Legierungsqualität beeinflussen kann. In solchen Fällen müssen häufig Zwischenlegierungen hergestellt werden, um die Elemente zur Kombination zu bewegen.

Beispielsweise wird eine Legierung aus 95,5% Aluminium und 4,5% Kupfer hergestellt, indem zuerst eine 50% ige Mischung der beiden Elemente hergestellt wird. Diese Mischung hat einen niedrigeren Schmelzpunkt als entweder reines Aluminium oder reines Kupfer und wirkt als „Härterlegierung“. Dies wird dann mit einer Geschwindigkeit in geschmolzenes Aluminium eingeführt, die die richtige Legierungsmischung erzeugt.

Quellen: Straße, Arthur. & Alexander, WO 1944.  Metalle im Dienst des Menschen . 11. Auflage (1998).

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