Metall

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Metalle sind die chemischen Elemente, welche sich durch ihre Bindung und Position im Periodensystem der Elemente einteilen lassen. Sie befinden sich unterhalb und links von der Linie von Bor nach Astat. Im täglichen Leben spricht man von Metallen bei Stoffen mit einer Reflexionsfähigkeit von Licht, einer hohen elektrischen und thermischen Leitfähigkeit, plastischer Verformbarkeit und in einigen Fällen ferromagnitischer Eigenschaften.


Automatische Kukillengussanlage der Firma KUKA

Definition

Chemische Definition

"Ein Metall ist ein Stoff, in dem mindestens ein Energieband nur teilweise mit Elektronen besetzt ist und dem folglich eine Fermi-Fläche innerhalb des äußersten besetzten Bandes zugeordnet werden kann." [1]. Um diese Definition der Elektronen-Theorie etwas umgänglicher zu beschreiben lässt sie sich wie folgt erklären: Im Zustand der metallischen Bindung besitzen der äußeren Ionen der Atome spezielle Eigenschaften. Aus diesen resultiert die so genannte metallische Bindung. Die Elektronen bewegen sich dabei frei in einer Art Wolke zwischen den Atomen. Durch bestimme Behandlungen lässt sich dieser Zustand stark beeinflussen. Ein Beispiel ist die Wärmebehandlung.

DIN EN-Norm

Einteilung der Stähle nach DIN EN 10027-1

In der verschiedene Normen finden sich nicht nur Einteilungen und Definitionen, sondern auch das aktuelle Kennzeichnungssystem. Durch diese Kurzkennzeichnungen ist gewährleistet, dass EU-weit unter zum Beispiel S235JR Stahl der gleichen Güte und Eigenschaften zu verstehen ist.

  • Stahl: In der DIN EN 10027 sind Stähle (Kohlenstoff-Gehalt unter 2 %) nicht nur durch ihre speziellen Eigenschaften definiert, sondern auch in verschiedene Gruppen eingeteilt. Diese Einteilung orientiert sich stark an der Verwendung der Stähle und dessen Legierungselementen bzw deren Konzentration.
  • Gusseisen: In der DIN EN 1560 werden verschiedene Gusseisen (Kohlenstoff-Gehalt 2-6 %) beschrieben und eingeteilt.
  • Aluminium: In der DIN EN 573 werden Aluminium und Aluminium-Legierungen eingeteilt und zugewiesen.
  • Kupfer: In der DIN EN 1412 werden Kupfer und Kupfer-Legierungen eingeteilt und zugewiesen. In der DIN EN 1173/95 sind noch genauere Zustandsbezeichnungen für Kupfer zu finden.


Eigenschaften von Metall

Für die moderne wirtschaft spielt die Kombination aus technischen und wirtschaftlichen Eigenschaften eine Rolle zur Auswahl des geeigneten Metalles. In der aufgeflammten Debatte über Klimafreundlichkeit und Umwelt- sowie Ressourcenschonung sind auch die ökologischen Aspekte immer wichtiger geworden. Dadurch ist der Leichtbau eine bedeutsame Disziplin der Ingenieurswissenschaften herangewachsen. Durch die Verbesserung und Entwicklung neuer additiver Fertigungsverfahren ist der Leichtbau bereits heute in vielen Bereichen, wie der Luftfahrt und dem Fahrzeugbau, angekommen.

Ein Überblick über wichtige Eigenschaften verschiedener Metalle:

Eigenschaft Eisen Aluminium Titan Kupfer Magnesium
E-Modul (in GPa) 210 72 106 128 44
Dichte (in g/cm³) 7,85 2,7 4,5 8,94 1,7
Schmelzpunkt (in °C) 1538 660 1670 1083 649
Preis (in €/t) ‎*‎ 170 1829 5000 5.223 5434
Kristallgitter ‎**‎ krz oder kfz (je nach Zustand) kfz hdp kfz hdp

‎*‎ Stand: Oktober 2019

‎**‎ krz: kubisch raumzentriert, kfz: kubisch flächenzentriert, hdp: hexagonal dichtestgepackt

Technologische Eigenschaften

  • Gießbarkeit
  • Verformbarkeit
  • Umformbarkeit
  • Schweißbarkeit
  • Zerspahnbarkeit

Physikalische Eigenschaften

  • Mechanische Eigenschaften
    • Dichte
    • Härte
    • Aggergarzustand
    • Festigkeit
      • Zugfestigkeit
      • Druckfestigkeit
    • Elastitität
    • Plastitität
    • Duktilität
    • Zähigkeit
      • Kriechzähigkeit
      • Risszähigkeit
    • Schmelztemperatur
Halbzeuge aus Kupfer mit besonders hoher elektrischer Leitfähigkeit
  • Elekrtische Eigenschaften
    • Leitfähigkeit
    • Kriechstromfestigkeit
    • Dielektrizitätskonstante
  • Optisch und akkustische Eigenschaften
    • Lichtbrechung
    • Undurchsichtigkeit
    • Trasparenz
    • Lichtreflexion
    • Schallabsorbtion
    • Schallreflexion
  • Tribologische Eigenschaften
    • Reibzahl
    • Verschleißwiderstand
    • Neigung zum Kaltschweißen
  • Thermische Eigenschaften
    • Wärmeausdehnung
    • Wärmeleitfähigkeit
    • Spezifische Wärmekapazität
    • Festigkeit
      • Kaltfestigkeit
      • Warmfestigkeit
  • Sonstige physikalische Eigenschaften
    • Magnetismus

Chemische Eigenschaften

  • Brennbarkeit
  • Korrosionsbetändigkeit
  • Säurebeständigkeit
  • Laugenbeständigkeit
  • Antimikrobielle Wirkung

Ökologische Eigenschaften

  • Recyclingfähigkeit
  • Giftigkeit
  • Herstellungsprozess
    • Emissionen
    • Energieverbrauch
    • Rohstoffverbrauch

Geschichte

Da fast alle Metalle aufgrund unserer sauerstoffreichen Atmosphäre in oxidierter Form vorkommen, hängt die Verwendung von der Reduktion dieser ab. Damit wurde der technische Wissensstand eine bindende Größe für den Gebrauch von Metallen. Archäologen haben bei Ausgrabungen Funde zu Tage gebracht, die älter zu datieren sind als die folgenden Daten. Die Angaben in diesem Text beziehen sich auf die bewusste technische Nutzbarkeit. So war Kupfer zu Anfang als Werkstoff für Werkzeuge noch unbrauchbar. Auch für andere Metalle ist das der Fall. Die ersten Metalloxidationen die sich der Mensch zu nutze machte waren Silber und Gold, aber vor allem das Kupfer um 4000 v.Chr.. Das Kupfer war dabei so wichtig, dass es zur Namensgebung beitrug und diese Epoche Kupferzeit genannt wird. Um 2000 v.Chr. gelang es dann Zinn gezielt zu gewinnen. Es sind zwar Funde von Zinnbronze die deutlich älter sind, aber Historiker sind sich sicher, dass diese erste Bronzen nicht gezielt hergestellt wurden, sondern auf Zinn-Einschlüsse in Kupferoxid. Eisen wurde 1000 v.Chr. für den Gebrauch als Werkstoff nutzbar. Durch die permanente Weiterentwicklung von Schmelzöfen wurde auch die Ausbeute aus den Oxiden immer weiter verbessert. Zink gelang den Menschen erst viel später um 1500 n.Chr. zu gezielt zu gewinnen. Zwar gibt es Messingmünzen aus der Römischen Zeit, allerdings kann auch hier, wie beim Zinn, nicht von einer bewussten Legierung ausgegangen werden. Es existieren Berichte römischer Historiker, dass Erze aus verschiedenen Regionen unterschiedliche Eigenschaften aufweisen, aber der Grund hierfür war unbekannt. Aluminium und Magnesium sind in der Geschichte der Menschheit noch recht neu. Da ihre Gewinnung einen enormen Energiebedarf benötigt, war es erst mit der Erfindung effizienter Generatoren möglich die benötigte Menge an Strom zu produzieren. 1850 gelang dies erstmalig.

In der heutigen Zeit spielt die Weiterentwicklung verschiedener Metalle und Legierungen eine große Rolle. An fast jedem Lehrstuhl für Werkstoffkunde und an zahlreichen freien Forschungseinrichtungen weltweit wird dazu geforscht. Dabei spielt vor allem Eisen bzw Stahl eine enorm wichtige Rolle als bedeutsamster Konstruktionswerkstoff. Weitere Informationen dazu im Kapitel Forschung.


Eisen

Verschiedene Halbzeuge aus S235 (allgm. Baustahl, poliert)

Stahl

Da Eisen in seiner Reinform (Fe) als technischer Werkstoff zu weich und damit unbrauchbar ist kommt er in der Industrie fast nur als Legierung vor. Die häufigste Form ist dabei die Eisen-Kohlenstoff-Legierung Stahl. Der Anteil an Kohlenstoff beträgt dabei unter 2,5 %. Neben Kohlenstoff gibt es zahlreiche andere Legierungsstoffe, wie Silizium, Chrom, Mangan und Molybdän, welche die Eigenschaften des Stahles enorm beeinflussen können. Die DIN EN 10020 teilt Stähle in unlegiert (Fe + C) und legierte Stähle ein. Der allgemeine Baustahl S235 (veraltet: St 32) und S355 (veraltet: St 42) machen im Stahlbau gewichtsmäßig 95 % der Gesamtmasse aus. [2] Unlegiert bedeutet allerdings nicht, dass keine Legierungselemente vorhanden sein dürfen, sondern dass sie die Grenzwerte nach der DIN EN 10020 einhalten müssen. Stahl wird nicht nur für den Maschinen- und Anlagenbau eingesetzt, sondern kommt in fast allen Bereichen des Lebens vor, was ihn zu einem der wichtigsten Werkstoffe unserer Zeit macht. Stahl ist relativ zu anderen Metallen günstig, ist durch seinen hohen Masseanteil auf der Erde fast unbegrenzt verfügbar und lässt sich hervorragend bearbeiten.

Gusseisen

Als Gusseisen bezeichnet man Eisenlegierungen mit einem Masseanteil von 2,5 bis 6 % Kohlenstoff. Gusseisen besitzt sehr unterschiedliche Eigenschaften im Vergleich zu Stahl. Er speichert und leitet sehr gut Wärme, lässt sich kaum schweißen und nicht kalt, sowie nur sehr schlecht warm verformen. Dafür wird Gusseisen vorwiegend eingesetzt, wenn die Endformnähe im Vordergrund steht. Da Stahl nicht so gegossen werden kann wie Gusseisen, ist dies die namensgebende Eigenschaft für Eisenlegierungen mit diesem C-Gehalt. Auch bei der Zerspanbarkeit unterscheidet sich Gusseisen von Stahl. Dabei ist Gusseisen nicht härter als Stahl, bedarf aber anderer Prozessparameter. Das Zeitspanvolumen fällt dabei wesentlich schlechter aus.

Aluminium

Aluminium ist ein Leichtmetall mit einer Dichte von 2,7 kg/dm³ und einem E-Modul von 72 GPa. Für die Gewinnung braucht es sehr hohe Mengen an Energie, weshalb die industrielle Herstellung von Aluminium erst zum Ende des 19. Jahrhunderts mit der Erfindung des Dynamos möglich war. Durch den gezielten Einsatz und hohe Recyclingquoten ist Aluminium trotzdem wirtschaftlich wie auch ökologisch vertretbar einsetzbar. Als weißes Gold bekannt geworden spielt Aluminium heute unter anderem im Leichtbau eine wichtige Rolle. Vor allem die Luft- und Raumfahrt findet viele Verwendungsmöglichkeiten für Aluminium. Aber auch in der Verpackungsindustrie, der Optik bzw. Lichttechnik und der Elektrik kommt Aluminium zum Einsatz. Beispielswiese für den Bau von Oberland-Hochspannungsleitungen verwendet man Kabel aus Aluminium. So hat Kupfer zwar eine bessere elektrische Leitfähigkeit, aber auch eine wesentlich höhere Dichte und ist teurer. Es ist das am häufigsten vorkommende Metall in der Erdkruste und sogar auf Platz 3 der am häufigsten vorkommenden Elemente auf der Erde. Nach Stahl ist Aluminium das wichtigste Metall mit einer Jahresproduktion von 115*106 Tonnen (Stand:2016). Aluminium lässt sich hervorragend urformen und bearbeiten. Zwar birgt seine hohe thermische Leitfähigkeit und thermische Dehnung einige Herausforderungen mit sich, welche sich aber mit geeigneten Zusätzen beheben lassen. Es besitzt nur ein drittel der Dichte von Stahl bei gleichen Festigkeiten, aber ist sehr unedel. Das heißt es reagiert in einer Sauerstoffumgebung sehr schnell zu Aluminiumoxid.

Titan

Titan ist ein Leichtmetall mit einer Dichte von 4,5 kg/dm³ und einem Schmelzpunkt von 1670 °C. Mit einem E-Modul von 106 GPa hat Titan bezogen auf die Dichte eine hohe Festigkeit. Aufgrund seiner bioverträgliches Material wird es immer häufiger für Implantate und Prothesen eingesetzt. Mit 38 % des Verbrauches bezogen auf den Weltmarkt machen Chemie & Architektur das größte Einsatzgebiet aus, dicht gefolgt von der Luftfahrt mit 35 %. Das Metall wird mit Hilfe des Kroll-Verfahrens aus Rutil oder Ilmentit gewonnen und wurde 1791 zufällig von einem Pfarrer in Cornwall entdeckt. Für den breiten industriellen Einsatz von Titan bedarf es noch einiger Forschung. So ist die Gewinnung und auch die Ver- bzw. Bearbeitung noch sehr aufwendig und kostenintensiv. Aufgrund dessen wird es heutzutage in Bereichen eingesetzt, in denen es keine oder lediglich bedeutend minderwertigere Alternativen gibt.

Wichtige Legierungselemente für Titan nach Einsatzgebiet sind:

Einsatz Legierungselement
Memory-Werkstoff Nickel
Supraleiter Niob
H2-Speicher Eisen, Mangan
γ-Aluminide Aluminium
Biomaterial Eisen, Aluminium
Konstruktionsmaterial Kupfer, Zinn, Molybdän + Zirkonium, Aluminium + Vanadium
Korrosionsstabilisator Nickel + Molybdän, Palladium

Magnesium

Magnesium ist mit einer Dichte von 1,7 kg/dm³ das leichteste uns bekannte Metall. Für den Menschen und auch für Tiere und Pflanzen ist es ein wichtiger Stoff zum Beispiel für die Bildung von Knochen. Industriell gewonnen wird es aus Carnallit, Magnesit oder Dolomit mittels Elektrolyse und thermischer Reduktion. Da die Prozesse sehr energieaufwedig sind wird es überwiegend in Ländern hergestellt welche über günstige Energiequellen verfügen. Der Einsatz von Sekundärmagnesium (recyceltes Mg) ist zur Zeit noch sehr schwierig, da es fast ausschließlich als Legierung eingesetzt wird und die Trennung sehr aufwendig ist. Aktuell bestehen daher keine Recyclingkreisläufe für Magnesium. Da es durch seine Eigenschaften als reiner Stoff nicht technisch einsetzbar ist wird Magnesium als Legierungselement für andere Metalle eingesetzt. 50 % des jährlich gewonnenen Magnesiums werden alleine schon für Aluminium-Legierungen eingesetzt. Die Gießbarkeit zum Beispiel steigt im Vergleich zum Reinaluminium stark an, genau wie die Festigkeit, Härte und Oberflächenpassivität. 25 % werden als Beigabe für die Gewinnung anderer Metalle verwendet. Versuche und Forschungen zum Verhalten bei Wechselkräften haben ergeben, dass Magnesium keinen Dauerfestigkeitsbereich besitzt. Das bedeutet, dass egal wie gering die Belastung ist die Probe bei dauerhafter Wechselbelastung immer bricht.

Kupfer

Reinkupfer

Kupfer ist das erste Gebrauchsmetall der Menschheitsgeschichte. Mit einer Dichte von 8,94 kg/dm³ ist es relativ schwer und besitzt trotzdem nur ein E-Modul von 128 GPa und ist als Reinmetall sehr leicht. Für knapp 5000 Jahre war es das einzige Metall, welches sich die Frühmenschen zu Nutze machten. Besonders wichtig ist Kupfer in der Elektronik und Elektrik als Metall mit guter elektrischer Leitfähigkeit (59,8·106 S/m) und im Vergleich zu Silber wirtschaftlich sinnvoller. Auch die sehr gute thermische Leitfähigkeit macht man sich in vielen Bereichen zu Nutze. So kommen Kupferkessel und -töpfe auch heute noch oft zum Einsatz, wie zum Beispiel beim Bier brauen oder für Gleitlagerbuchsen. Die elektrische und thermische Leitfähigkeit hängt dabei zum großen Teil mit der Reinheit zusammen. Deswegen wird der Reinheitsgehalt von Kupfer auch oft mit der elektrischen Leitfähigkeit angegeben.

Legierungen

Kupferlegierungen wie Messing, Bronze und Neusilber besitzen gute Korossionseigenschaften. Die farblichen Eigenschaften von oxidiertem Kupfer werden in der Kunst wie in der Architektur gerne als stilistisches Mittel eingesetzt. Bei vielen Währungen kommen Kupferlegierungen oder eines seiner Legierungen bei Münzgeld zum Einsatz. Da historisch betrachtet vor allem in Nord- und Mitteleuropa Kupfer-basierte Münzen geprägt wurden nennt man das Metall auch norisches Gold. Man unterscheidet Kupferlegierungen in Knet- (Messing und Neusilber) und Gusslegierungen(Rotguss, Bronzen). Knetlegierungen lassen sich hervorragend kalt umformen.

Forschung

TU Dortmund

Der Lehrstuhl für Werkstofftechnologie (LWT) der TU Dortmund beschäftigt sich mit vielen Aspekten der Metallographie. So sind Fachbereiche zertörungsfreie Prüfverfahren, die Entwicklung neuer Werkstoffe, in diesem Fall neuer Legierungen, und pulvermetallurgische Fertigungsverfahren.

RUB

Der Lehrstuhl Werkstofftechnik der Ruhr-Universität-Bochum beschäftigt sich mit der Weiterentwicklung von hochlegierten Stählen, Gusseisenverbindungen, Hartlegierungen auf Eisen-, Nickel- und Kobalt-Basis, sowie mit sogenannte Nickel-Superlegierungen.

KIT

Das Institut für Angewandte Materialien - Werkstoffkunde des Karlsruher Instituts für Technologie befasst sich mit physikalischer Metallkunde, Gitterbaufehlern in Metallen und Dauerschwingfestigkeiten.

TU Dresden

Das Institut für Werkstoffwissenschaften der TU Dresden forscht mit metallischen und intermetallischen Leichtbauwerkstoffen, Gefüge-Eigenschaftsbeziehungen metallischer Werkstoffe und Schichtsysteme und Werkstoffprüfung und –charakterisierung.

Einzelnachweise

  1. E. Hornbogen und H. Warlimont in Metalle Struktur und Eigenschaften der Metalle und Legierungen; Seite 1 (Zitat)
  2. Manuel Krahwinkel und Rolf Kindmann: Stahl- und Verbundkonstruktionen; Seite 1

Nachweise und Literatur

  • Aluminium Taschenbuch Band 1-3, Aluminiumverlag, 1995
  • Anwendungstechnologie Aluminium, Springer Verlag, 1998
  • Wassermann, C.; Grewen, J.: Texturen metallischer Werkstoffe, 1962
  • Schatt, W.; Worch, H.: Werkstoffwissenschaft, 1996

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