Metallische Werkstoffe

Zwei Drittel aller in der Natur vorkommenden Elemente sind Metalle. Sie weisen besondere mechanische Eigenschaften auf, verfügen über glänzende Oberflächen, einen hohen Wärmeleitkoeffizienten und sind elektrisch leitfähig. Aufgrund ihrer Vielfalt ist die exakte Definition des Begriffes „metallischer Werkstoff“ nicht einfach. Metalle besitzen die Fähigkeit, sich untereinander und mit anderen Stoffen zu Legierungen zu verbinden. Aufgrund ihrer technischen Bedeutung unterteilen Anwender metallische Werkstoffe in Eisenmetalle und Nichteisenmetalle. Das Fachgebiet, welches die Herstellung und Weiterverarbeitung von Metallen und Metalllegierungen beschreibt, ist die Metallurgie. Das wissenschaftliche Fach heißt Metallkunde.

In der Werkstoffwissenschaft erfolgt die Unterteilung metallischer Werkstoffe entweder anhand des Basismetalls, der Materialeigenschaften oder des Verwendungszwecks:

• Eisenwerkstoffe wie Stahl oder Gusseisen bestehen überwiegend aus Eisen plus einer definierten Menge an Kohlenstoff.
• Nichteisenmetalle: z. B. Aluminium, Kupfer, Titan, Magnesium und deren Legierungen
• Hartmetalle
• Weichmetalle

Die Unterteilung in Hartmetalle und Weichmetalle ist in der Literatur nicht einheitlich definiert. Zumeist zählen die Autoren alle Metalle, die weicher als Eisen und Stahl sind unter die Kategorie der Weichmetalle.

Die Kategorie der Eisenwerkstoffe beschäftigt sich mit dem Zweistoffsystem Eisen und Kohlenstoff, speziell mit Eisen-Kohlenstofflegierungen. Grundsätzlich unterscheidet Werkstofftechniker die Eisenwerkstoffe in Stähle (Kohlenstoffgehalt kleiner als 2,06 %) und Eisengusswerkstoffe (Kohlenstoffgehalt größer als 2,06 %). Weitere Begleitelemente entscheiden über die Zusammensetzung der einzelnen Eisen- und Stahlsorten sowie deren spezifische Eigenschaften. Demnach ergeben sich folgende Einteilungsmöglichkeiten:

• nach dem Kohlenstoffgehalt
• nach der exakten chemischen Zusammensetzung
• nach der Güteklasse gemäß praktischen Gebrauchsanforderungen

Stähle und Gusseisen sind Eisen-Kohlenstoffverbindungen, die sich bezüglich des Kohlenstoffgehaltes und damit ihrer plastischen Verformbarkeit unterscheiden. Stähle enthalten bis maximal 2 % Kohlenstoff und sind sogenannte Knetlegierungen. Dies bedeutet, dass sie plastisch verformbar sind. Deshalb sind Stahlwerkstoffe für die Herstellung von Halbzeugen und technischen Formteilen sehr gut geeignet.

Technisches Gusseisen und Gusseisenlegierungen enthalten bis zu 3,5 % Kohlenstoff. Da der erhöhte Kohlenstoffgehalt eine vergleichsweise feste Legierung hervorbringt, ist die Hauptfertigungsform von Eisen-Gusswerkstoffen das Gießen.

Der Anteil des Kohlenstoffs in einer Eisenlegierung nimmt folglich entscheidend Einfluss auf die Werkstoffeigenschaften. Bereits kleine Änderungen in der Kohlenstoffkonzentration können große Auswirkungen haben. Ein wichtiges Instrument zur Veranschaulichung der unterschiedlichen Verhaltensweisen von Stahl und Gusseisen in Abhängigkeit des Kohlenstoffanteils ist das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm.

Nicht nur durch die Höhe des Kohlenstoffgehalts, auch das Beimengen verschiedener Legierungselemente beeinflussen die Eigenschaften der Eisenwerkstoffe, insbesondere von Stahl. Chemische Elemente, die dem Eisen-Kohlenstoffgemisch zugegeben werden können, sind Schwermetalle wie z. B. Blei und Kadmium, Leichtmetalle wie Aluminium und Kupfer sowie Nichtmetalle wie beispielsweise Silicium. Je nach Legierungsanteil werden folgende Stähle unterschieden:

• unlegierte Stähle mit weniger als 1 % Legierungsanteil
• Legierte Stähle ab 1 % bis 5 % Legierungsanteil
• Hochlegierte Stähle mit mehr als 5 % Legierungsanteil

Abhängig davon, welche Gebrauchseigenschaften (z. B. Verformbarkeit, Schweißbarkeit, Härte) gefordert sind, erfolgt die Einteilung der Stähle nach ihrer Güte in Grundstähle, Qualitätsstähle und Edelstähle. Während beispielsweise Grundstähle bei der Herstellung keine besonderen Maßnahmen erfordern, sind die chemische Zusammensetzung, der Reinheitsgrad sowie die Erzeugung von Edelstählen eng toleriert.

Bei der Einteilung nach Anwendung unterscheiden Werkstoffexperten die Stahlwerkstoffe in Bau-, Konstruktions- und Werkzeugstähle. Gusseisen wird je nach Herstellart und Eigenschaften in Grauguss, Stahlguss, Temperguss und Hartguss unterschieden.

Alle in der Natur vorkommenden Metalle sowie Legierungen, die kein Eisen oder Eisenlegierungen sind, bezeichnen Werkstoffwissenschaftler als Nichteisenmetalle. Eine weitere Klassifizierung der Nichteisenmetalle erfolgt bezüglich deren Dichte in Schwermetalle und Leichtmetalle. Auch eine Einteilung in Buntmetalle (z. B. Kupfer, Aluminium, Kobalt, Nickel, Zink) und Edelmetalle (Silber, Gold, Platin) ist üblich.

Da die Materialklasse „Nichteisenmetalle“ eine Vielzahl an Werkstoffen umfasst, ist eine generelle Aussage bezüglich allgemeiner Eigenschaften nicht möglich. Je nach Metall sind positive oder in der Praxis weniger erwünschte Charakteristiken unterschiedlich stark ausgeprägt. Einige Nichteisenmetalle haben ein besonders niedriges Gewicht, andere eine besondere Optik, wieder andere besitzen eine hohe elektrische Leitfähigkeit oder sind magnetisch. Folgende Eigenschaften treffen auf nahezu alle Nichteisenmetalle zu:

• Korrosionsbeständigkeit
• Verschleißfestigkeit
• Gießfähigkeit
• gute Legierbarkeit
• hohe Leitfähigkeit
• mechanisch gut bearbeitbar

Technisch interessante Nichteisenmetalle sind oft kostspieliger als Eisenmetalle. Aufgrund ihrer besonderen Charakteristiken werden sie jedoch für bestimmte technische Anwendungen zwingend benötigt oder aus anderen Gründen lieber verwendet.

NE-Metalle werden in folgenden Branchen verarbeitet:

• Elektrotechnik, Elektronik
• Maschinen- und Anlagenbau
• Automobilbau
• Luft- und Raumfahrt, Schiffsbau
• Formenbau, Vorrichtungs- und Werkzeugbau
• Nahrungsmittelindustrie
• Verpackungsindustrie
• Optik und Lichttechnik
• Kunstgewerbe und Schmuck

Unter dem Sammelbegriff NE-Metalle (Nichteisenmetalle) sind alle Reinmetalle sowie metallische Legierungen zusammengefasst, bei denen der größte Anteil nicht aus Eisen besteht. Je nach Dichte werden die technisch verwendeten Nichteisenmetalle in Leichtmetalle und Schwermetalle unterschieden. Zu den Leichtmetallen zählen beispielsweise Magnesium, Titan und Aluminium. Letzteres findet vor allem in Form von Legierungen in der Industrie und Technik am häufigsten Verwendung. Zu den technisch bedeutendsten Schwermetallen zählen Zink, Zinn, Kupfer und deren Legierungen wie Bronze, Rotguss und Messing.

Hartmetalle gehören zu den Verbundwerkstoffen. Sie bestehen zu 90 bis 94 % aus Wolframcarbid und zu bis zu 10 % aus Cobalt. Das besondere Kennzeichen von Hartmetallen ist deren hohe Verschleißfestigkeit und Härte, insbesondere die exzellente Warmhärte. Daher eignen sie sich hervorragend zur Herstellung von Werkzeugen sowie von Teilen, die überdurchschnittlich Reibungskräften ausgesetzt sind.

Klassische Anwendungsfälle von Hartmetallen sind Sägeblätter, Bohrer, Fräs- und Drehwerkzeuge zur spanenden Bearbeitung unterschiedlichster Werkstücke. Auch Messer zu industriellen Einsätzen, Werkzeuge in Mühlen und Bergwerken werden häufig aus speziellen Hartmetallen gefertigt.

In Abhängigkeit vom Herstellungsprozess unterscheiden Experten

• gegossene Hartmetalle und
• gesinterte Hartmetalle

Je nach Verwendungszweck werden Hartmetalle in die Gruppen P, M und K unterteilt. Die Kennzeichnung der Sorten erfolgt über eine Kennzahl, welche die Zähigkeit sowie das Verschleißverhalten des Werkstoffes beschreibt.

Der Begriff „Weichmetall“ ist seitens der Werkstoffwissenschaft nicht eindeutig beschrieben. Prinzipiell zählen zu dieser Produktgruppe alle Metalle, die weicher als Eisen und Eisenlegierungen sind wie beispielsweise Aluminium, Gold, Silber, Platin, Zinn, Zink und Kupfer.