Wusstest Du, dass es über 3500 verschiedene Arten der Eisenlegierung Stahl gibt? Du lernst nun den chemischen Aufbau, die Eigenschaften und die Verwendung von Legierungen kennen. Weiter unten findest du eine Tabelle mit Beispielen.
Legierung – Definition
Legierungen (von lateinisch ligare = "binden, vereinen") sind feste Gemische aus zwei oder mehr chemischen Elementen, von denen mindestens eines ein Metall ist.
Es gibt auch Legierungen, die ausschließlich aus Metallen aufgebaut sind. Wenn Metalle legiert werden, verändern sich ihre Eigenschaften wie zum Beispiel die Härte oder die Farbe.
Die meisten Metalle und Legierungen haben vier charakteristische Eigenschaften: elektrische Leitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit, Verformbarkeit und metallischen Glanz.
Legierungen chemisch betrachtet
Eine Legierung ist aus einem Basismetall und einer oder mehreren Legierungskomponenten zusammengesetzt. In einer homogenen Legierung sind die Atome aller Komponenten gleichmäßig verteilt. In einer heterogenen Legierung sind die Komponenten nicht gleichmäßig verteilt, sodass unterschiedliche Bereiche oder Phasen vorliegen.
Physikalisch betrachtet ist eine Legierung die Lösung der Legierungskomponenten im Basismetall.
Atomarer Aufbau einer Legierung
In einer Legierung sind die Atome der verschiedenen Komponenten wie die Atome in einem reinen Metall angeordnet. Die positiv geladenen Atomkerne beziehungsweise Atomrümpfe sitzen auf festen Positionen und bilden das Metallgitter. In diesem Gitter sind die äußeren Elektronen frei beweglich und bilden das Elektronengas.
Es gibt zwei unterschiedliche Arten, wie die Atome der Legierungskomponenten im Metallgitter des Basismetalls untergebracht werden. Die grobe Anordnung der Atome kannst du in den Abbildungen erkennen.
In einer Substitutionslegierung (von lateinisch substituere = "ersetzen") ersetzen die Atome des gelösten Stoffes einen Teil der Atome des Basismetalls und sitzen auf deren Gitterpositionen im Metallgitter.
In einer Einlagerungslegierung bleibt das ursprüngliche Metallgitter des Basismetalls erhalten und die Atome der Legierungskomponente besetzen die Zwischenpositionen oder "Löcher" im Gitter.
Es ist nicht dem Zufall überlassen, welcher der beiden Typen sich bildet. Sind die Atome der Mischungspartner ungefähr gleich groß, so bildet sich eine Substitutionslegierung. Ab einem Größenunterschied der Atome von ca. 15 % können keine Substitutionslegierungen mehr aufgebaut werden.
Besonders kleine Atome werden ausschließlich in die Zwischenpositionen des Metallgitters eingelagert und man erhält eine Einlagerungslegierung. Neben der Atomgröße spielen auch die Elektronegativitäten der beteiligten Atome eine Rolle bei der Bildung von Legierungen.
Legierung – Herstellung
Für die Herstellung von Legierungen werden die Metalle im gewünschten Verhältnis bei hohen Temperaturen zusammengeschmolzen, vermischt und gegebenenfalls nichtmetallische oder halbmetallische Komponenten zugegeben. Anschließend kühlt die Mischung ab, die Atome bilden ein gemeinsames Metallgitter aus und die Legierung erstarrt.
Häufig verwendete Nichtmetalle und Halbmetalle sind zum Beispiel Kohlenstoff, Bor, Stickstoff oder Silicium.
Neben der Zusammensetzung hat auch die Abkühlungsgeschwindigkeit (etwa an der Luft oder in kaltem Wasser) einen großen Einfluss auf die Eigenschaften der erhaltenen Legierung. Die Bildung einer Legierung ist im klassischen Sinne keine chemische Reaktion sondern lediglich eine Art Mischungsvorgang, bei dem die Atome im Gitter neu angeordnet werden. Es werden keine Atombindungen gebrochen oder neu gebildet, sondern lediglich Metallbindungen.
Es ist technisch möglich, ein Metall mit einer Legierung zu beschichten. Hierbei wird zunächst ein Metall mit einer dünnen Schicht eines anderen Metalls überzogen. Als nächstes wird die Oberfläche erhitzt, wodurch die Atome der Beschichtung in das Basismetall eindringen bzw. diffundieren. Nach dem Abkühlen ist das Basismetall mit einer dünnen Schicht der entsprechenden Legierung überzogen.
Legierung – Eigenschaften
Durch das Legieren, also "Mischen" von Metallen lassen sich viele ihrer Eigenschaften verändern:
- Härte
- Elastizität
- Dichte
- Farbe
- Wärmeleitfähigkeit
- elektrische Leitfähigkeit
- Schmelzpunkt
- Magnetismus
- Korrosionsbeständigkeit (Stabilität gegen Chemikalien wie z.B. Säuren)
Im Allgemeinen sind Legierungen umso härter, desto mehr verschiedene Elemente sie beinhalten. Das heißt auch, dass Legierungen härter sind, als ihre reinen Ausgangsmetalle. Durch die unterschiedlichen Atomgrößen der Atome im Gitter einer Legierung können diese unter Druckauswirkung untereinander verzahnen und lassen sich nicht so leicht gegeneinander verschieben, wie die Atome eines reinen Metalls.
Stahl ist eine sehr wichtige Legierung, die in den verschiedensten Bereichen benötigt wird. Dabei lassen sich die Eigenschaften gezielt durch verschiedene Legierungskomponenten beeinflussen:
- Nickel verhindert, dass der Stahl rostet.
- Geringe Mengen an Schwefel sorgen dafür, dass der Stahl leichter gebohrt oder gefräst werden kann.
- Chrom oder Molybdän machen Stahl härter.
- Silizium macht geschmolzenen Stahl flüssiger, sodass er sich besser in Formen gießen lässt.
- Aluminium verringert die magnetischen Eigenschaften des Stahls.
Verwendung von Legierungen
Die Möglichkeit, Eigenschaften von Metallen gezielt verändern zu können, gibt Legierungen vielfältige Einsatzgebiete.
Tatsächlich sind die Metalle, denen du in deinem Alltag begegnest, in den seltensten Fällen reine Metalle, sondern Legierungen. Geldmünzen aus reinem Kupfer wären etwa viel zu weich, um viele Jahre im Umlauf unbeschädigt zu überstehen. Neben den Eigenschaften des erhaltenen Materials, spielt bei der Auswahl der Legierungszusammensetzung auch der Preis der Rohmaterialien eine Rolle.
Goldschmuck hat einen Goldgehalt zwischen 33 % und 99 %, der Rest ist Kupfer und Silber. So können beispielsweise zwei optisch gleiche Goldringe einen unterschiedlichen Wert haben. Den Goldgehalt kann man anhand einer kleinen Prägung des Herstellers auf dem Schmuckstück ablesen.
Legierungen – Beispiele
Hier siehst du ein paar interessante Legierungen. Die Tabelle ist nicht vollständig, da es unzählige Möglichkeiten gibt, Metalle untereinander zu mischen.
| Name der Legierung | Basismetall | Hauptlegierungselemente | Verwendung | Besonderheit |
| Messing | Kupfer | Zink | Elektronische oder mechanische Bauteile, Modeschmuck (goldene Farbe) | Türgriffe aus Messing oder mit Messingbeschichtung sind antibakteriell |
| Bronze | Kupfer | Zinn | Kunstgegenstände | seit 4.000 Jahren bekannt |
| Stahl | Eisen | Kohlenstoff | Maschinen und Industrieanlagen, Autos, Schienen | es gibt über 3.500 verschiedene Stähle |
| Lötzinn | Zinn | Blei | Lötdraht | aufgrund der Giftigkeit von Blei werden heutzutage meist bleifreie Legierungen verwendet |
| Dur-Aluminium | Aluminium | Kupfer, Magnesium | Flugzeugbau | kann so hart wie Stahl sein, bei nur einem Viertel der Dichte |
| Elektrum | Gold | Silber | antike Münzen | kommt in der Natur als Nuggets vor |
| Zahn-Amalgam | Quecksilber | Silber, Kupfer, Zinn | Zahnfüllungen | Legierungen, die Quecksilber enthalten werden allgemein als Amalgame bezeichnet |
Du kannst verschiedene Legierungen in Deinem Alltag ganz einfach am Beispiel verschiedener Geldmünzen kennenlernen.
Abbildung 4: Geldmünzen verschiedener LegierungenQuelle: wiktionary.org
Legierung - Das Wichtigste
- Eine Legierung ist ein Stoffgemisch aus mindestens zwei Elementen, von denen mindestens eins ein Metall ist.
- In einer homogenen Legierung sind alle Atome gleichmäßig im Gitter verteilt.
- In einer heterogenen Legierung sind die Komponenten nicht gleichmäßig verteilt und es gibt unterschiedliche Bereiche.
- Zu Herstellung von einer Legierung werden die verschiedenen Komponenten geschmolzen, vermischt und anschließend abgekühlt.
- Legierungen haben metallische Eigenschaften: Elektrische Leitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit, Metallischer Glanz, Verformbarkeit.
- Durch das Legieren von Metallen lassen sich ihre Eigenschaften verändern. Sie werden z.B. härter oder beständiger gegen Chemikalien.
- Es gibt unzählige verschiedene Legierungen. Viele von ihnen werden technisch genutzt (z.B. Geldmünzen, Zahnfüllungen, Flugzeuge und Autos).
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