Was ist eine Metalllegierung?

Wussten Sie, dass die Mehrheit der „Metalle“, die wir verwenden, eigentlich gar keine Metalle sind? Diese Materialien sind keine Metalle, sondern Legierungen, und sie sind überall um uns herum! Von Zahnfüllungen bis hin zu Flugzeugen, Legierungen sind ein großer Teil unseres täglichen Lebens. Was genau eine Legierung ist und wie sie hergestellt wird, erfahren Sie hier.

Was ist Metall?

Ein Metall ist ein reines chemisches Element, wie Sie es im Periodensystem finden würden. 91 der 118 Elemente im Periodensystem sind Metalle – damit gehören sie zu den häufigsten Elementen der Welt.

Im Periodensystem werden alle Elemente in Metalle und Nichtmetalle unterteilt. Was etwas zu einem „Metall“ macht, ist, dass es natürlich in der Natur vorkommt, einen Glanz hat, gute Wärme- und Stromleiter sind und viel dichter sind als Nichtmetalle.

Es gibt 5 Hauptkategorien von Metallen:

• Basismetalle
• Eisenmetalle
• Edelmetalle
• Edelmetalle
• Schwermetalle

Basismetalle

Basismetalle kommen sehr häufig in der Erdkruste vor und sind aufgrund ihrer Menge preiswert. Unedle Metalle unterscheiden sich von den anderen Metallen, weil sie am leichtesten korrodieren oder oxidieren. Sie sind extrem reaktiv und Dinge wie Sauerstoff, Wasser, Säuren und die Nähe zu einem anderen Metall können sie korrodieren lassen. (Erfahren Sie hier mehr darüber, warum Metalle rosten.)

Es gibt ein paar verschiedene Definitionen von „unedlen Metallen“. Im Bergbau und in der Wirtschaft sind die unedlen Metalle die Metalle, die in keine der anderen Kategorien fallen, wie Kupfer, Blei, Zink und Nickel.

Eisenhaltige Metalle

Eisenhaltige Metalle bedeutet, dass das Metall Eisen enthält. Nichteisenmetalle sind in der Regel teurer, da sie ein geringeres Gewicht haben, leitfähiger sind, nicht magnetisch und korrosionsbeständig. Zu den Nichteisenmetallen gehören Aluminium, Kupfer, Blei, Nickel, Zinn und Zink.

Edelmetalle

Edelmetalle sind dafür bekannt, dass sie im Gegensatz zu den unedlen Metallen korrosions- und oxidationsbeständig sind. Sie sind normalerweise seltene oder wertvolle Metalle. Wissenschaftler sind sich nicht über die genaue Kategorisierung jedes Elements im Periodensystem einig, aber die am häufigsten vereinbarten Metalle, die unter die Kategorie „edel“ fallen, sind Gold, Silber, Ruthenium, Rhodium, Palladium, Osmium, Iridium und Platin. Obwohl einige Edelmetalle Edelmetalle sind und Edelmetalle aufgrund ihrer vielfältigen Verwendungsmöglichkeiten (in Kunst, Hochtechnologie, Schmuck) oft teuer sind, sind die Begriffe „Edelmetall“ und „Edelmetall“ nicht synonym.

Edelmetalle

Edelmetalle sind seltene Elemente, die natürlich in der Erdkruste vorkommen. Die bekanntesten sind Gold und Silber, aber andere Edelmetalle sind Ruthenium, Rhodium, Palladium, Osmium, Iridium und Platin. Obwohl Aluminium das dritthäufigste Element der Erde und das am häufigsten vorkommende Metall ist, wurde es eine Zeit lang tatsächlich als Edelmetall angesehen. Das liegt daran, dass es sehr schwierig war, es zuverlässig aus seinen verschiedenen Erzen zu gewinnen.

Die wichtigsten Gäste Napoleons III. erhielten Aluminiumbesteck, während die niederen Besucher mit dürftigem Silberbesteck essen mussten. Nach 1882 sank der Preis deutlich und die Erfindung neuer Verfahren zur kommerziellen Stromerzeugung erleichterte die Gewinnung von Aluminium erheblich.

Schwermetalle

Schwermetalle sind definiert als sehr dicht. Das war’s auch schon. Es wurden genauere Definitionen vorgeschlagen, aber die wissenschaftliche Gemeinschaft hat sich noch nicht auf eine geeinigt. Einige Schwermetalle sind notorisch giftig, während andere sehr wichtig sind, um sie in der Ernährung in Spuren aufzunehmen! Einige der Schwermetalle wie Cadmium, Quecksilber und Blei sind extrem giftig. Metalle wie Eisen, Kobalt und Zink hingegen erfüllen sehr wichtige Funktionen im Körper! Eisen und Zink können Sie sogar als Nahrungsergänzungsmittel im Reformhaus kaufen.

Der Rest der Schwermetalle wie Gallium, Thallium, Ruthenium, Indium und Silber sind ziemlich harmlos. Vor allem Schwermetalle finden Sie überall im Einsatz! Sie werden in Golfschlägern, Autos, Antiseptika, selbstreinigenden Öfen, Kunststoffen, Solarzellen, Mobiltelefonen, Computerchips und sogar in Teilchenbeschleunigern in Kernkraftwerken verwendet!

Was ist eine Metalllegierung?

Legierungen hingegen sind künstlich hergestellte Materialien. Man stellt sie her, indem man ein metallisches Element mit etwas anderem kombiniert. Legierungen können die Kombination eines Metalls mit Metallen, Nicht-Metallen oder beidem beinhalten.

Eisenguss ist ein gutes Beispiel für eine Nicht-Metall-Legierung (was ein wenig irreführend ist, denn alle Legierungen haben „Metall“ – es bezieht sich auf den zweiten oder hinzugefügten Bestandteil). Das Eisen ist eine Mischung aus Eisen und Kohlenstoff. Es kann etwa 2-3% Kohlenstoff enthalten. (Erfahren Sie hier mehr über Gusseisen und Schmiedeeisen!)

Legierungen bekommen manchmal auch lustige Namen! Wie Alnico, eine Legierung aus Eisen, Aluminium, Nickel, Kobalt, Kupfer und/oder Titan. Manche ihrer Namen sind eine Verschmelzung der Namen der Legierungsbestandteile. Andere Male werden sie einfach so populär, dass sie ihren eigenen „alltäglicheren“ Namen bekommen, wie z.B. Schmiedeeisen.

Sie können wirklich überall Legierungen finden. Sie sind sogar häufiger anzutreffen als ihre reinen „metallischen“ Verwandten.

Sie finden sie in Zahnfüllungen (Amalgam), Gitarrentonabnehmern (Alnico), als Musikinstrumente oder Türklinken (Messing), als Schmuck (Weißgold), als Kunstwerke (Bronzestatuen), in Autos und Flugzeugen (Duralumin), an Waffen (Rotguss), in der Elektronik (Lot), in Kernkraftwerken (Magnox), in Gebäuden (Stahl) und sogar auf Ihrem Esstisch (Zinn)!

Es gibt mehr als 160 verschiedene bekannte Legierungen!

Strukturen von Metalllegierungen

Wenn Metall durch ein Elektronenmikroskop vergrößert wird, erscheinen die Atome in einer kristallinen Gitterstruktur. In dieser Struktur befinden sich auch Legierungsbestandteile. Typischerweise gibt es zwei Arten von Legierungsstrukturen: Substitutionslegierungen und Zwischengitterlegierungen. Substitutionslegierungen entstehen, wenn die Atome eines Legierungsmittels die Atome eines Hauptmetalls ersetzen. Interstitielle Legierungen hingegen entstehen, wenn die Legierungsbestandteile kleiner als das Hauptmetall sind.

Wie werden Metalllegierungen hergestellt?

Es gibt 3 Hauptmethoden zur Herstellung von Metalllegierungen:

• Erhitzen und Schmelzen
• Pulvermetallurgie
• Ionenimplantation

Erhitzen und Schmelzen

Erhitzen und Schmelzen ist eine der am häufigsten verwendeten Methoden zur Herstellung von Legierungen. Es ist wirklich nicht viel anders als Kochen!

Das Grundmetall (das höchstprozentige Metall in der Legierung) wird eingeschmolzen, und alle anderen Metalle werden geschmolzen, bis sie flüssig werden. Dann werden sie ineinander gegossen und vermischt, und man lässt sie zu etwas abkühlen, das man „Mischkristall“ nennt. Eine Art Äquivalent zum Mischen von Salz in Wasser, bis es sich auflöst.

Pulvermetallurgie

Pulvermetallurgie ist sehr cool, es ist wahrscheinlich das, was der Alchemie am nächsten kommt, die wir heute haben.

Zuerst müssen das Grundmetall und die Legierungsmittel in Pulver verwandelt werden! Dafür gibt es einige Hauptmethoden:

Das Eisenschwammverfahren ist die älteste der Pulverisierungstechniken. Das Erz wird mit etwas gemischt, das man Koksgrus nennt (das ist das, was von der Kohle übrig bleibt, nachdem man sie verbrannt hat), und mit Kalk, um einen speziellen Schwefel herzustellen, der eine Verunreinigung mit dem pulverisierten Grundmetall vermeidet.

Das Koks- und Kalkgemisch (nicht wie Cocktails!) und das Erz werden dann in eine spezielle Trommel gegeben, wobei der Koks und der Kalk das Erz dazwischen einschließen.

Dann wird die Trommel in einem Ofen überhitzt. Die Zutaten hinterlassen einen „Biskuit“ aussehenden Gegenstand und eine Schlacke. In den folgenden Schritten wird das eventuelle Pulver von der Schlacke getrennt und in eine gleichmäßigere „Pulver“-Form zerkleinert.

Das Pulver wird dann erhitzt und zu einer Legierung superverdichtet!

Eine andere Möglichkeit, das Ausgangsmetall in ein Pulver zu verwandeln, ist die Zerstäubung (fast wie in Kernkraftwerken), bei der geschmolzenes Metall durch ein sehr enges Rohr gepresst wird – wodurch es unter hohem Druck steht. Ein Gas wird in den Strom des kochenden Metalls genau dann injiziert, wenn es aus dieser Röhre herauskommt. Die Kombination aus Druck, Temperatur und den Gasmolekülen trennt die Atome des Metalls.

Die Pulver werden dann gemischt und zu einer „festen Lösung“ zusammengeschmolzen!

Das mit dem Eisenschwammverfahren erzeugte Eisenpulver ist das billigste auf dem Weltmarkt!

Ionen-Implementierung

Die letzte gängige Methode zur Erzeugung von Legierungen ist die Ionenimplantation.

„Ionen“ kommen aus Elektrizität, daher beinhaltet die Ionenimplantationsmethode eine „Ionenquelle“ (die im Grunde nur Elektrizität erzeugt), einen Beschleuniger, in dem die Ionen wirklich sehr schnell beschleunigt werden (Reibung und schnelle Drehung erzeugt Wärme, die die Moleküle beschleunigt), und eine Zielkammer, in die die Ionen geworfen werden, nachdem sie fertig sind.

Die Ionen-Implantations-Methode ist wirklich am besten geeignet, um sehr kleine Metallstücke zu erzeugen. Dies ist die gängigste Methode zur Erzeugung von Halbleitern auf Computerchips.

Hier ist eine Animation dieses Prozesses:

Metal Supplies and Services at Tampa Steel and Supply

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