Metallische Alchemie: Die Wirkung der Legierungselemente auf Werkstoffe im Detail

Legierungselemente sind chemische Elemente, die einem Metall hinzugefügt (legiert) werden, um dessen Werkstoffeigenschaften auf die gewünschte Weise zu verbessern[3]. Sie können die mechanischen und chemischen Eigenschaften des Stahls, wie beispielsweise hohe Festigkeit, Zähigkeit, gute Verformungs- und Zerspanungseigenschaften sowie Korrosionsbeständigkeit und Verschleißfestigkeit, beeinflussen[1].

Einfluss von Legierungselementen auf Stahl

Stahl ist eine Eisenlegierung mit einer geringen Menge an Kohlenstoff. Erst wenn ein zusätzliches Legierungselement hinzugefügt wird, spricht man von legierten Stählen. Diese lassen sich wiederum in niedriglegierte und hochlegierte Stähle unterteilen, abhängig davon, ob der Anteil von mindestens einem Legierungselement mehr als 5% des Gesamtmaterials ausmacht[2].

Einige der wichtigsten Legierungselemente in Stahl sind:

• Aluminium (Al)
  Aluminium wirkt stark desoxidierend und denitrierend. Es verbessert die Zunderbeständigkeit und reduziert die Empfindlichkeit gegenüber Korrosion[1].
• Chrom (Cr)
  Chrom erhöht die Zugfestigkeit, Härte und Verschleißfestigkeit durch Mischkristallbildung. Es erhöht auch die Warmfestigkeit und wirkt stabilisierend auf das Austenitgefüge bei austenitischen Stählen[1].
• Titan (Ti)
  Titan wirkt denitrierend, desoxidierend und schwefelbindend. Es erhöht die Korrosionsbeständigkeit[1].
• Mangan (Mn)
  Mangan verbessert den Wärmeausdehnungs-Koeffizienten, während Wärmeleitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit abnehmen. Manganlegierungen bewirken den Anstieg der Zugfestigkeit, Streckgrenze, Warmumformbarkeit sowie Härtbarkeit (Vergütbarkeit) und Nitrierbarkeit[4].
• Molybdän (Mo)
  Molybdän setzt die kritische Abkühlungsgeschwindigkeit herab, wodurch bei richtigem Abkühlvorgehen die Härtbarkeit gesteigert wird. Molybdän verringert weitgehend die Anlasssprödigkeit, also das Nachlassen der Kerbschlagzähigkeit nach Anlassen der Legierung[4].
• Kohlenstoff (C)
  Kohlenstoff erhöht die mechanischen Eigenschaften wie z. B. Festigkeit, Härte und mechanische Beständigkeit. Neben dieser Zunahme nehmen jedoch Verformbarkeit, Duktilität und Zähigkeit ab[7].

Einfluss von Legierungselementen auf andere Metalle

Neben Stahl können Legierungselemente auch in anderen Metallen verwendet werden, um deren Eigenschaften zu verbessern. Zum Beispiel:

• Aluminium in Magnesiumlegierungen
  Aluminium erhöht in Magnesiumlegierungen die Festigkeit[6].
• Zinn (Sn) in Kupferlegierungen
  Als Legierungsbestandteil bis zu 22 % in Bronze erhöht Zinn die Elastizität, Zähigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Gießbarkeit[8].
• Kupfer (Cu) in Goldlegierungen
  Kupfer steigert die Härte und elektrische Leitfähigkeit von Gold. Es macht den Farbton von Gold dunkler und rötlicher. Negativ wirkt sich Kupfer in Gold auf die Korrosionsbeständigkeit aus[6]

Einfluss von Legierungselementen auf Gusseisen

Legierungselemente können die Eigenschaften von Gusseisen erheblich beeinflussen. Sie können das Ferrit-Perlit-Verhältnis in der Grundmasse beeinflussen und die Verfestigung von Ferrit und Perlit beeinflussen. Durch die Zugabe von Legierungselementen kann die Eignung des Gusseisens für bestimmte Anwendungen verbessert werden[22].

Einige spezifische Legierungselemente und ihre Auswirkungen auf Gusseisen sind:

• Silizium
  Silizium kann die Elastizität von Gusseisen stark verbessern, obwohl es die Verschleißfestigkeit verschlechtert[7]. Es ist auch eines der Hauptelemente in Gusseisen neben Eisen und Kohlenstoff[24][25].
• Kupfer
  Kupfer erhöht die Witterungsbeständigkeit von Eisen, senkt jedoch die Festigkeit und Schweißeignung[26]. Es ist auch bekannt, dass es die Gefüge- und mechanischen Eigenschaften von Gusseisen mit Kugelgraphit beeinflusst[24][25].
• Nickel
  Nickel kann die Graphitbildung fördern und hat einen Einfluss auf die Kugelbildung des Graphits[23]. Es beeinflusst auch die Gefüge- und mechanischen Eigenschaften von Gusseisen mit Kugelgraphit[24][25].
• Chrom
  Chrom ist stark carbitisierend und kann bei 0,1 bis 0,3% einen ferritisierenden Effekt haben[23]. Es fördert auch die Ausdehnung der Ferrithöfe und verzögert stark die Austenitumwandlung[23].
• Molybdän
  Molybdän fördert durch Unterdrückung der Perlitbildung bei hohen Mo-Gehalten die Bildung von Bainit und Martensit[23].
• Aluminium und Blei
  Beide Elemente fördern die Graphitentartung, was die Zugfestigkeit und Dehngrenze senkt, und hemmen die Oberflächenbildung des Kugelgraphits[23].
• Cerium
  Cerium wirkt in Eisen als Desoxidationsmittel und erhöht die Zunderbeständigkeit. Es fördert bei Gusseisen mit Kugelgraphit die Bildung von Kugelgraphit[26].

Es ist wichtig zu beachten, dass die Auswirkungen von Legierungselementen komplex sein können und die Verbesserung einer Eigenschaft möglicherweise die Verschlechterung einer anderen zur Folge hat[11]. Daher ist es entscheidend, die richtige Balance und Zusammensetzung der Legierungselemente zu finden, um die gewünschten Eigenschaften zu erreichen.

Schlussfolgerung

Die Wirkung von Legierungselementen auf Metalle ist vielfältig und hängt stark von den spezifischen Anforderungen des Einsatzgebiets ab. Durch die gezielte Auswahl und Kombination von Legierungselementen können Metalleigenschaften optimiert und maßgeschneiderte Werkstoffe für eine Vielzahl von Anwendungen entwickelt werden.

 

Quellen