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Legierungselement
Legierungselemente sind chemische Elemente, die einem Metall hinzugefügt (legiert) werden, um dessen Werkstoffeigenschaften auf die gewünschte Weise zu …
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Grundidee
Legierungselemente sind chemische Elemente, die einem Metall hinzugefügt, also legiert, werden. Ziel ist es, die Werkstoffeigenschaften des Basismetalls gezielt zu verbessern. Ein Basismetall ist das Metall, das den Hauptbestandteil einer Legierung bildet. Durch Legierungselemente können zum Beispiel Festigkeit, Härte oder Verschleißfestigkeit verändert werden.
Wichtig ist: Die Wirkung eines Legierungselements lässt sich nicht immer einfach vorhersagen. Verschiedene Elemente können ähnliche, aber unterschiedlich starke Wirkungen haben. Außerdem beeinflussen sich Legierungselemente gegenseitig. Deshalb können ihre Eigenschaftsänderungen nicht einfach addiert werden.
Arten von Legierungselementen
Legierungselemente können selbst Metalle sein, zum Beispiel Chrom, Molybdän und Mangan. Sie können aber auch Halbmetalle wie Bor und Silicium oder Nichtmetalle wie Kohlenstoff und Stickstoff sein.
Ein technisch verwendetes Element kann je nach Zusammenhang verschiedene Rollen haben: Es kann als Legierungselement zugesetzt werden, aber auch selbst das Basismetall einer Legierung sein. Welche positiven und negativen Wirkungen ein Element hat, hängt daher vom jeweiligen Basismetall und von der Zusammensetzung der Legierung ab.
Allgemeine Wirkung auf Werkstoffe
Legierungselemente verändern die Eigenschaften des Basismaterials auf unterschiedliche Weise. Im Allgemeinen gilt: Mit steigendem Gehalt an Legierungselementen steigen Festigkeit und Härte, während die Bruchdehnung abnimmt. Bruchdehnung bezeichnet, wie stark sich ein Werkstoff vor dem Bruch dauerhaft dehnen kann. Die elektrische Leitfähigkeit und die thermische Leitfähigkeit nehmen meist ebenfalls ab.
Eine wichtige Ursache dafür ist, dass die Atome im Metallgitter durch fremde Atome gestört werden. Dadurch können sie sich schlechter gegeneinander verschieben. Solches Verschieben ist nötig, wenn ein Werkstoff dauerhaft verformt wird. Wird diese Bewegung erschwert, steigt die Festigkeit.
Mischkristallverfestigung
Eine wichtige Wirkungsweise von Legierungselementen ist die Mischkristallverfestigung. Ein Mischkristall ist ein kristalliner Werkstoff, in dem Atome verschiedener Elemente gemeinsam in einem Metallgitter vorkommen.
Wenn die Atome des Legierungselements nur geringfügig größer oder kleiner sind als die Atome des Basismetalls, entsteht ein Substitutionsmischkristall. Dabei besetzen Atome des Legierungselements Plätze, an denen normalerweise Atome des Basismetalls sitzen würden. Wegen der unterschiedlichen Atomgrößen können sich die Atome schlechter gegeneinander verschieben. Dadurch steigt die Festigkeit.
Wenn die Atome des Legierungselements sehr viel kleiner sind als die Atome des Basismetalls, besetzen sie Zwischenräume im Metallgitter. Das wird Einlagerungsmischkristall genannt. Auch dies führt zu einer Festigkeitssteigerung. Ein Beispiel ist Kohlenstoff im Stahl.
Chemische Verbindungen und Carbide
Legierungselemente können auch wirken, indem sie zusätzliche chemische Verbindungen bilden. Häufig gehören diese zu den intermetallischen Verbindungen. Das sind Verbindungen mit teilweise metallischem und teilweise nichtmetallischem Charakter: Sie können zum Beispiel elektrisch leitfähig wie Metalle, aber hart und spröde wie Keramiken sein.
Im Stahl bilden viele Legierungselemente Carbide, also Verbindungen mit Kohlenstoff. Häufig zulegierte Elemente wie Wolfram und Chrom bilden zum Beispiel Wolframcarbid und Chromcarbid. Diese Carbide liegen meist als winzige, sehr harte Partikel vor und verbessern dadurch die Verschleißfestigkeit.
Manche Legierungselemente können auch mit dem Basismaterial selbst Verbindungen bilden. Im Stahl verbindet sich Eisen mit Kohlenstoff zu Zementit. In Aluminium-Kupfer-Legierungen bildet sich Al_{2}Cu, das maßgeblich für die höhere Festigkeit dieser Legierung verantwortlich ist.
Legierungselemente im Stahl
Stahl ist einer der wichtigsten Konstruktionswerkstoffe. Er ist eine Legierung aus Eisen und Kohlenstoff. Seine Eigenschaften können vielfältig an technische Bedürfnisse angepasst werden. Bei Legierungselementen im Stahl unterscheidet man grundsätzlich, ob sie Carbidbildner, Austenitbildner oder Ferritbildner sind oder zu welchem Zweck sie dem Stahl zugesetzt werden. Austenit und Ferrit sind die zwei wichtigsten Modifikationen von Eisen.
Das bloße Vorhandensein eines Legierungselements reicht oft noch nicht aus, um die gewünschten Eigenschaften zu erzielen. Meist sind zusätzliche Verarbeitungsschritte nötig, zum Beispiel eine Wärmebehandlung.
Wichtige metallische Legierungselemente im Stahl sind Chrom (Cr), Nickel (Ni), Molybdän (Mo), Mangan (Mn), Vanadium (V), Wolfram (W), Aluminium (Al), Niob (Nb), Titan (Ti), Kobalt (Co), Kupfer (Cu), Beryllium (Be) und Tantal (Ta). Wichtige nichtmetallische Legierungselemente sind Kohlenstoff (C), Stickstoff (N) und Silicium (Si).
