Legierung in der Metallurgie

In der Metallurgie ist eine Legierung ein makroskopisch homogener, metallischer Werkstoff, der aus mindestens zwei Komponenten besteht. Von diesen zwei Komponenten ist mindestens eine Komponente ein Metall. Zusammen mit der anderen Komponente weist es die Eigenschaft der Metallbindung auf.

Eine Legierung kann auf mikroskopischer Ebene homogen oder heterogen sein. Das ist von der Art der Legierungsbildung abhängig. Legierungen, die ausschließlich Mischkristalle oder intermetallische Verbindungen sind, sind homogen, wie beispielsweise Kupfer-Gold oder Kupfer-Silber. Alle anderen Legierungen, die sich aus mehreren Phasen zusammensetzen, sind heterogen. Eine heterogene Legierung ist beispielsweise ein Gemisch aus Zinn und Blei.

Damit sind Legierungen stets Stoffgemische aus zwei oder mehr Metallen, die andere Eigenschaften aufweisen als die sie bildenden reinen Metalle. Sie entstehen, indem verschiedene Metalle zusammenschmelzen. Das Ziel einer Legierung ist es, die guten Eigenschaften der einzelnen Elemente miteinander zu verbinden. Auf diese Weise soll ein noch besseres Metall entstehen. Dabei können bestimmte Legierungen auch noch als Gussstück – kalt ausgelagert oder erwärmt – ihre mechanischen Eigenschaften verbessern. Sie können so bruchfester, härter oder dehnbarer werden.

Legierungen verfügen über glänzende Oberflächen, gute mechanische Eigenschaften und eine hohe Wärme- und elektrische Leitfähigkeit.

Je nachdem, wie viele Komponenten eine Legierung hat, handelt es sich um eine Zwei-, Drei-, Vier- oder Mehrstofflegierung. Experten sprechen dann von einer binären, ternären, quaternären oder polynären Legierung. Als Komponenten werden jedoch nur die gezählt, die die charakteristischen Eigenschaften der Legierung bestimmen.

Grundsätzlich werden Legierungen in Eisen- und Nichteisen-Legierungen unterteilt. Weitere Einteilungen ergeben sich daraus, wie sich Legierungen gebildet oder welche besonderen Fähigkeiten sie haben. Es gibt heute diese Legierungen:

• Natürliche Legierungen entstehen durch Hitzeeinwirkung oder Aufschmelzen von Elementen. Das passiert zum Beispiel im Inneren von Himmelskörpern. Sie verfügen jedoch über andere Zusammensetzungen und Eigenschaften als von Menschen erzeugte Legierungen.
• Eisenlegierungen kommen als Gusseisen und Stahl vor. Die Unterscheidung richtet sich nach dem Gehalt an Kohlenstoff. Stahl verfügt höchstens über 2,06 % Kohlenstoff, während Gusseisen mindestens 2,06 % Kohlenstoff aufweist.
• Nichteisen-Legierungen sind Legierungen auf der Basis von Nichteisenmetallen wie beispielsweise Bronze, Messing, Weißgold, Rotgold oder Amalgame.
• Diffusionslegierungen entstehen, wenn Atome im Kristallgitter der Basismetalle verteilt werden. Die Legierung tritt beispielsweise beim Aufkohlen von Werkstücken auf, um diese härten zu können.
• Heuslersche Legierungen sind spezielle ferromagnetische Legierungen. Sie enthalten kein Eisen, Kobalt oder Nickel.
• Formgedächtnis-Legierungen sind Metalle, die nach einer Verformung durch Hitze wieder ihre ursprüngliche Form erhalten.
• Gusslegierungen dienen direkter Formgebung.
• Knetlegierungen sind ein Zwischenprodukt, das per Umformung für seinen entsprechenden Zweck weiter angepasst wird.
• Pseudolegierungen sind Werkstücke, die durch Sintern – das Zusammenpressen verschiedener, vermengter Metallpulver bei Hitze – entstehen.

Die Herstellung von Legierungen erfolgt durch:

• Zusammenschmelzen der Komponenten
• Sintern pulverförmiger Komponenten
• Tempern (Diffusion eines Elements z. B. Kohlenstoff) in die Oberfläche eines Werkstücks
• Gemeinsame Elektrolyse von Metallsalzen
• Gemeinsame Reduktion von Metalloxiden
• Amalgamieren

Um eine Legierung zu kennzeichnen, nennt man zuerst das Basismetall. Danach folgen der oder die wichtigsten Bestandteile als Kürzel für das Metall mit angehängter Zahl, die den jeweiligen Prozentanteil anzeigt. Die Legierung CuZn37 besteht dementsprechend aus Kupfer, dem 37 Prozent Zink hinzugefügt wurden. Bei der Eisen-Kohlenstoff-Legierung Stahl macht die Formelbildung eine Ausnahme. Dabei wird das Eisen nicht genannt. So enthält Stahl C37 beispielsweise 0,37 Prozent Kohlenstoff. Der Rest ist Eisen. Formal regelt die DIN 1310 „Zusammensetzung von Mischphasen (Gasgemisch, Lösungen, Mischkristall); Grundbegriffe“ die Angabe der einzelnen Komponenten einer Legierung.