Metalle und Legierungen

Aufbau von Legierungen

Auch Du hast im Alltag viel mit Legierungen zu tun, obwohl Du es vielleicht noch gar nicht weisst. Die meisten Metallgegenstände, die Du benutzt (Essbesteck, Campingstühle oder auch Kochlöffel), bestehen oft aus einer Legierung. Was aber ist das? Legierungen sind makroskopisch homogene Stoffgemische aus mehreren Elementen, von denen mindestens eines ein Metall ist. Das heisst, wenn Du eine Legierung mit blossem Auge anschaust, wirst Du keine unterschiedlichen Teile bemerken, da alles gleichmässig erscheint. Mikroskopisch müssen Legierungen aber nicht homogen sein, sondern können auch heterogen sein und sehr komplexe Strukturen aufweisen. 

Trotzdem weist eine Legierung immer noch die metalltypische Bindung auf. Dadurch besitzt eine Legierung immer noch die typischen Eigenschaften von Metallen und ist mikroskopisch ähnlich aufgebaut wie ein reines Metall. Im unteren Bild kannst Du den Aufbau einer mikroskopisch homogenen Legierung schematisch erkennen. Die roten Kugeln, die Du siehst, stellen dabei kleine Kohlenstoffatome dar. Die grossen blauen Kugeln repräsentieren Eisenatome. Gemeinsam bilden die beiden Elemente die Legierung Stahl.

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Warum brauchen wir Legierungen?

Viele Metalle eignen sich nicht als Werkstoff, wenn sie in reiner Form sind, weil sie zum Beispiel zu weich sind oder zu schnell rosten. So rostet beispielsweise reines Eisen relativ schnell. Aber Edelstahl, welcher hauptsächlich Eisen enthält, rostet kaum. Das liegt daran, dass Edelstahl eine Legierung ist. Oft sind Legierungen härter, fester und korrosionsbeständiger, als die ursprünglichen reinen Metalle, die in ihnen enthalten sind. Korrosionsbeständiger bedeutet dabei, dass ein Material chemisch resistenter ist, also weniger schnell rostet oder verätzt. Aus diesen Gründen werden heutzutage in fast allen technischen Bereichen Legierungen verwendet. Dazu kommt, dass Legierungen auf eine spezifische Anwendung massgeschneidert werden können, denn die Eigenschaften einer Legierung werden nur durch ihre Zusammensetzung bestimmt.

Beispiel: 

• Chromstahl ist eine Legierung, die hauptächlich aus Eisen, ca. 12 % Chrom und zu ca. 1 % aus Kohlenstoff besteht. Durch diese Zusammensetzung wird die Legierung fast immer rostfrei und deshalb oft in Industrie aber auch in Küchen eingesetzt. Ausserdem lässt sich Chromstahl gut schmieden und walzen, aber schlecht giessen.
  
• Gusseisen ist eine Legierung, die sehr ähnlich aufgebaut ist. Auch sie besteht hauptsächlich aus Eisen und besitzt einen Massenanteil von 2% oder mehr Kohlenstoff. Oft ist auch Gusseisen noch mit Chrom oder Nickel versetzt, um es korrosionsbeständiger zu machen. Gusseisen lässt sich perfekt giessen und schmelzen, aber kaum schmieden da es hart und spröde ist.
• Obwohl sich Chromstahl und Gusseisen in ihrer Zusammensetzung nur wenig unterscheiden, sind die Eigenschaften der beiden Materialen und ihre Verarbeitung sehr unterschiedlich. Dieses Beispiel zeigt Dir sehr gut, wie stark Legierungen mithilfe der Zugabe von anderen Elementen massgeschneidert werden können, damit sie genau die Eigenschaften erfüllen, die ein Werkstoff benötigt.