Kupferlegierungen – Messing, Bronze und Kupfernickel
Kupferlegierungen besitzen hervorragende Materialeigenschaften, die für zahlreiche Anwendungen nüt sind. Reines Kupfer zählt seit über 6000 Jahren zu den bedeutendsten…
Metalle und Fortschritte in den Fertigungsverfahren führten zur Industriellen Revolution. Diese ermöglichte das exponentielle Wachstum der menschlichen Zivilisation und brachte uns an den heutigen Stand. Heutzutage sind verschiedene Metallarten allgegenwärtig – von dem Computer, auf dem diese Informationen lesen, bis hin zu Schellen Ihrer Sanitärinstallation. Über achtzig verschiedene Metalle finden heute Anwendung.
In der Natur sind zahlreiche Metalle verfügbar. Sie lassen sich auf unterschiedliche Weise klassifizieren, abhängig davon, welche Eigenschaften oder Merkmale als Maßstab verwendet werden.
Die gebräuchlichste Art der Klassifizierung erfolgt nach dem Eisengehalt.
Enthält ein Metall Eisen, spricht man von einem Eisenmetall (ferrometallisch). Eisen verleiht dem Material magnetische Eigenschaften und macht es zudem anfällig für Korrosion. Metalle ohne Eisengehalt werden als Nichteisenmetalle bezeichnet Diese besitzen keine magnetischen Eigenschaften. Beispiele hierfür sind unter anderem Aluminium, Blei, Messing, Kupfer und Zink.
Metalle können auch nach ihrer Atomstruktur gemäß dem Periodensystem eingeteilt werden. Je nach Zugehörigkeit spricht man von Alkalimetallen, Erdalkalimetallen oder Übergangsmetallen. Metalle derselben Gruppe verhalten sich bei Reaktionen mit anderen Elementen ähnlich und besitzen daher vergleichbare chemische Eigenschaften.
Eine weitere Möglichkeit zur Unterscheidung von Metallen besteht darin, zu betrachten, wie sie mit Magneten interagieren. So lassen sich Metalle in magnetische und nichtmagnetische unterteilen.
Während ferromagnetische Metalle stark von Magneten angezogen werden, zeigen paramagnetische nur schwache Wechselwirkungen. Schließlich gibt es noch diamagnetische Metalle, die eine sehr schwache Abstoßung gegenüber Magneten aufweisen.
Alle Metalle teilen einige mechanische Eigenschaften. Bei genauerer Betrachtung schneidet jedoch ein Metall in bestimmten Eigenschaften besser ab als ein anderes. Durch das Legieren, also das Mischen reiner Elemente, lassen sich gezielt Eigenschaften beeinflussen.
Bei der Auswahl eines Metalls für eine bestimmte Anwendung müssen verschiedene Faktoren berücksichtigt werden, um die optimale Lösung zu finden. Dazu zählen Schmelzpunkt, Kosten, Bearbeitbarkeit, Sicherheitsfaktor, vorhandener Platz, Temperaturkoeffizient, Wärme- und elektrische Leitfähigkeit, Dichte und mehr. Schauen wir uns einige der beliebtesten Metalle und ihre Anwendungen genauer an.
Es wäre nicht übertrieben, Eisen als Lebensader unserer Zivilisation zu bezeichnen. Rund 5 Prozent der Erdkruste bestehen aus Eisen, sodass dieses Metall besonders leicht verfügbar ist. Reines Eisen ist jedoch ein instabiles Element, das schon bei geringster Gelegenheit mit Sauerstoff aus der Luft zu Eisenoxid reagiert.
Die Gewinnung von Eisen aus seinen Erzen erfolgt im Hochofen. Im ersten Schritt entsteht Roheisen, das anschließend weiterverarbeitet wird, um reines Eisen zu erhalten. Dieses wird häufig in Stahl und andere Legierungen überführt. Fast 90 Prozent aller industriell genutzten Metalle sind Eisenmetalle.
Stahl beispielsweise ist ein Eisenmetall mit vielseitigen Anwendungsmöglichkeiten. Das volle Potenzial von Eisen erschließt sich erst durch das Verständnis von Stahl.
Reines Eisen ist zwar stärker als viele andere Metalle, bleibt aber in einigen Punkten hinter den Erwartungen zurück. Zum einen ist reines Eisen nicht korrosionsbeständig, was zu hohen Kosten und Energieaufwand für den Schutz führt. Zum anderen ist Eisen aufgrund seiner hohen Dichte sehr schwer, was Konstruktionen erschwert und deren Wartung aufwendig gestaltet.
Durch Zugabe von Kohlenstoff werden diese Schwächen teilweise behoben. Diese Mischung aus Eisen und Kohlenstoff bis zu bestimmten Grenzwerten wird als Kohlenstoffstahl bezeichnet. Der Zusatz von Kohlenstoff macht Eisen deutlich fester und verleiht ihm weitere positive Eigenschaften.
Auch andere Elemente werden in kleinen Mengen beigemischt, um gezielt Eigenschaften zu verbessern. Sehen wir uns an, wie Stahl kategorisiert wird und welche Möglichkeiten er bietet.
Stahl ist aufgrund seiner hervorragenden Eigenschaften ein beliebter Baustoff. Heute existieren über 3500 Stahlgüten. Stahl weist eine hohe Zugfestigkeit und ein gutes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht auf. Das bedeutet, dass auch kleine Bauteile aus Stahl sehr stabil sein können.
Stahl ist zudem äußerst langlebig. Das ermöglicht eine lange Lebensdauer von Stahlkonstruktionen und eine bessere Widerstandsfähigkeit gegenüber äußeren Einflüssen im Vergleich zu Alternativen. Stahl ist außerdem duktil und lässt sich in verschiedene Formen bringen, ohne dass seine Eigenschaften verloren gehen. Abhängig vom Eisengehalt wird Stahl in drei Hauptkategorien eingeteilt.
Obwohl die genannten Stähle als Kohlenstoffstähle bezeichnet werden, enthalten sie meist weitere Elemente zur Verbesserung spezifischer Eigenschaften, wie Chrom für Korrosionsbeständigkeit oder Mangan zur Erhöhung der Härtbarkeit und Zugfestigkeit.
Diese Metallart enthält mehrere Elemente, um verschiedene Eigenschaften zu optimieren. Mangan, Titan, Kupfer, Nickel und Aluminium sind gängige Legierungselemente – ebenso wie Silizium, ein Metalloid, das Festigkeit und magnetische Eigenschaften verbessert.
Legierungselemente verbessern die Härtbarkeit, Schweißbarkeit, Korrosionsbeständigkeit, Duktilität und Formbarkeit von Stahl. Typische Anwendungen legierter Stähle sind Elektromotoren, Lager, Heizelemente, Federn, Zahnräder und Rohrleitungen.
Schlagfester Werkzeugstahl im Einsatz
Werkzeugstahl wird zudem für die Fertigung von Schienen, Drähten, Rohren, Wellen und Ventilen verwendet. Hauptabnehmerbranchen sind die Automobil-, Schiffbau-, Bau- und Verpackungsindustrie.
Neben Eisenmetallen gibt es eine Vielzahl an Nichteisenmetallen, die jeweils spezifische Eigenschaften für unterschiedliche Branchen bieten.
Aluminium wird hauptsächlich aus Bauxit gewonnen. Es ist leicht, stabil und vielseitig einsetzbar. Aluminium ist das am weitesten verbreitete Metall der Erde und findet in nahezu allen Bereichen Verwendung.
Grund dafür sind Eigenschaften wie Langlebigkeit, geringes Gewicht, Korrosionsbeständigkeit (mehr zu den verschiedenen Arten der Aluminiumkorrosion), elektrische Leitfähigkeit und die Fähigkeit, mit den meisten Metallen Legierungen zu bilden. Es ist zudem nicht magnetisch und gut zu bearbeiten.
Bei der Betrachtung verschiedener Metallarten darf Kupfer und seine Legierungen nicht fehlen. Kupfer blickt auf eine lange Geschichte zurück, da es sich leicht bearbeiten lässt. Auch heute ist es ein bedeutendes Industriemetall. In der Natur kommt Kupfer nicht in reiner Form vor, weshalb es stets verhüttet und aus Erzen extrahiert werden muss.
Metalle sind allgemein gute Leiter, aber Kupfer sticht besonders heraus. Dank seiner exzellenten elektrischen Leitfähigkeit wird es als Leiter in Stromkreisen eingesetzt – nur Silber leitet besser. Auch die Wärmeleitfähigkeit ist hervorragend, weshalb viele Kochutensilien aus Kupfer gefertigt werden.
Die Korrosion von Kupfer führt zur charakteristischen blau-grünen Patina, die nicht nur das Aussehen verändert, sondern auch als Schutzschicht gegen weitere Korrosion dient.
Messing ist eine Legierung aus Kupfer und Zink. Der Anteil der Metalle variiert je nach gewünschten elektrischen und mechanischen Eigenschaften. Zudem sind oft geringe Mengen anderer Metalle wie Aluminium, Blei und Mangan enthalten. Messing eignet sich hervorragend für Anwendungen mit geringer Reibung wie Schlösser, Lager, Sanitärinstallationen, Musikinstrumente, Werkzeuge und Armaturen. In explosionsgefährdeten Bereichen ist Messing unentbehrlich, da es keine Funken schlägt und somit den Einsatz in brennbaren Umgebungen ermöglicht.
Auch Bronze ist eine Kupferlegierung, enthält allerdings Zinn statt Zink. Durch Zugabe weiterer Elemente wie Phosphor, Mangan, Silizium und Aluminium lassen sich die Eigenschaften und die Eignung für spezielle Anwendungen weiter verbessern. Bronze ist spröde, hart und widerstandsfähig gegen Ermüdung. Sie verfügt zudem über gute elektrische und thermische Leitfähigkeit sowie Korrosionsbeständigkeit. Bronze wird zur Herstellung von Spiegeln und Reflektoren sowie elektrischen Steckverbindern verwendet. Dank ihrer Korrosionsbeständigkeit findet sie zudem Einsatz in Schiffsbeschlägen und unter Wasser.
Titan ist ein bedeutendes Konstruktionsmetall, da es sowohl sehr fest als auch leicht ist. Es besitzt eine hohe thermische Stabilität, sogar bei Temperaturen bis zu 480 Grad Celsius. Aus diesen Gründen kommt Titan vor allem in der Luft- und Raumfahrt zum Einsatz. Auch militärische Ausrüstung profitiert von den Eigenschaften dieses Metalls. Da Titan zudem korrosionsbeständig ist, wird es ebenso für medizinische Anwendungen genutzt. Darüber hinaus findet es Verwendung in der chemischen Industrie und im Sportgerätebau.
Verzinkter Stahl
Zink ist ein weit verbreitetes Metall mit vielfältigen Anwendungen in der Medizin und Industrie. Hauptsächlich wird es zur Verzinkung von Stahl eingesetzt, was diesen vor Korrosion schützt. Darüber hinaus dient Zink zur Herstellung von Druckgussteilen für die Elektro-, Hardware- und Automobilindustrie. Aufgrund seines niedrigen elektrochemischen Potenzials wird Zink im maritimen Bereich genutzt, um andere Metalle durch kathodischen Schutz vor Korrosion zu bewahren. Opferanoden aus Zink schützen beispielsweise Ventile, Rohrleitungen und Tanks.
Blei ist ein sehr gut bearbeitbares, korrosionsbeständiges Metall. Typische Anwendungen sind Rohrleitungen und Anstriche. Früher wurde Blei als Antiklopfmittel in Benzin eingesetzt. Später stellte sich heraus, dass die Rückstände dieses Bleis zu ernsthaften Gesundheitsproblemen führen. Dennoch wird Blei weiterhin in Munition, Autobatterien, Strahlenschutz, Gegengewichten, Kabelummantelungen und mehr verwendet.
