Legierungen: Aufbau, Eigenschaften und Beispiele erklärt

Reine Metalle wie Kupfer, Eisen oder Aluminium sind im Alltag oft ungeeignet. Kupfer ist zu weich für ein Werkzeug, reines Eisen rostet schnell, und reines Gold ist so weich, dass sich ein Ring verbiegen würde. Deshalb mischt man Metalle. Eine solche Mischung heißt Legierung.

Zur Herstellung schmilzt man die Bestandteile zusammen und lässt die Schmelze erstarren. Beim Abkühlen entsteht ein festes Material, in dem die Atome der Zusatzstoffe im Metallgitter sitzen. Eine Legierung ist also ein Gemisch und keine chemische Verbindung: Die Bestandteile behalten ihre Eigenschaften, und das Mengenverhältnis lässt sich beliebig verändern.

Häufig besteht eine Legierung aus mehreren Metallen, wie bei Messing aus Kupfer und Zink. Es gibt aber auch Zusätze, die keine Metalle sind: Stahl ist Eisen mit einem kleinen Anteil Kohlenstoff. Auch dieses Material zählt zu den Legierungen, weil die Metalleigenschaften erhalten bleiben.

In einem reinen Metall liegen gleich große Atome in regelmäßigen Schichten. Die Valenzelektronen bilden ein bewegliches Elektronengas, das die positiven Atomrümpfe zusammenhält, das ist die Metallbindung. Weil die Schichten leicht übereinander gleiten können, lässt sich das Metall verformen und schmieden. Diese Verformbarkeit ist nützlich, macht reine Metalle aber weich.

Baut man Fremdatome ein, die größer oder kleiner sind als die Atome des Grundmetalls, wird das Gitter an diesen Stellen gestört. Die Schichten verhaken sich und lassen sich schwerer gegeneinander verschieben. Das Material wird härter und fester, aber oft auch weniger dehnbar.

Auch andere Eigenschaften ändern sich. Der Schmelzpunkt liegt bei vielen Legierungen unter dem der Einzelmetalle, was zum Beispiel beim Löten nützlich ist. Die elektrische Leitfähigkeit sinkt meist, weil die Fremdatome die Bewegung der Elektronen stören. Mit den Anteilen kannst du Härte, Farbe und Korrosionsbeständigkeit gezielt einstellen.

Messing besteht aus Kupfer und Zink, meist mit etwa 60 bis 70 Prozent Kupfer. Es ist goldgelb, lässt sich gut bearbeiten und wird für Armaturen, Schrauben und Blasinstrumente verwendet. Bronze ist eine Legierung aus Kupfer und Zinn, hart und widerstandsfähig, aber gut gießbar. Sie wird für Glocken, Lager und Statuen benutzt, und die Bronzezeit trägt ihren Namen nach ihr.

Stahl ist Eisen mit weniger als etwa 2 Prozent Kohlenstoff und das wichtigste Baumaterial der Technik. Edelstahl enthält zusätzlich mindestens etwa 10,5 Prozent Chrom, oft auch Nickel. Duraluminium ist eine Aluminiumlegierung mit Kupfer und Magnesium und ist fast so fest wie Stahl, aber viel leichter. Lötzinn ist eine Zinnlegierung, die bei niedriger Temperatur schmilzt und elektrische Bauteile verbindet.

Auch Schmuck besteht aus Legierungen. Gold mit 750 von 1000 Teilen heißt 18 Karat, der Rest sind Silber oder Kupfer, die das weiche Gold härten und färben. Sterlingsilber enthält 925 Teile Silber und 75 Teile Kupfer.

Die Herstellung folgt einem festen Ablauf. Zuerst wiegt man die Bestandteile nach dem gewünschten Mengenverhältnis ab, denn davon hängen die Eigenschaften ab. Dann schmilzt man das Metall mit dem höheren Schmelzpunkt und gibt die anderen Bestandteile zu.

Beim Mischen löst sich ein Bestandteil im anderen, so wie sich Zucker in Tee löst, nur dass beides flüssiges Metall ist. Danach gießt man die Schmelze in Formen und lässt sie langsam abkühlen. Die Abkühlgeschwindigkeit beeinflusst, wie fein die Kristalle werden und damit auch die Härte.

Manche Legierungen werden nachbehandelt, zum Beispiel durch Erhitzen und rasches Abkühlen oder durch Walzen und Schmieden. Beim Gießen von Messing muss man außerdem beachten, dass Zink schon bei etwa 907 °C siedet, also deutlich unterhalb des Schmelzpunkts von Kupfer bei etwa 1085 °C. Man gibt das Zink deshalb in die bereits flüssige Kupferschmelze.

Der häufigste Fehler ist die Verwechslung mit einer chemischen Verbindung. Bei einer Legierung findet keine Reaktion statt, die Metalle werden nur gemischt. Deshalb gibt es keine feste Formel und das Mischungsverhältnis ist veränderbar, während eine Verbindung wie Wasser immer dasselbe Atomverhältnis hat.

Ein zweiter Fehler ist die Gleichsetzung von Stahl und Eisen oder von Messing und Bronze. Stahl enthält Kohlenstoff, Eisen nicht. Messing besteht aus Kupfer und Zink, Bronze aus Kupfer und Zinn. Beide sehen ähnlich aus, haben aber verschiedene Zutaten und Eigenschaften.

Dazu kommt der Irrtum, eine Legierung sei immer besser als das reine Metall. Sie ist häufig härter, aber leitet den Strom schlechter. Für elektrische Leitungen nimmt man deshalb reines Kupfer. Und nicht jede Legierung besteht nur aus Metallen: Auch Kohlenstoff in Stahl zählt als Zusatz, den man trotzdem mitdenken muss.

Fast kein Metallgegenstand um dich herum ist rein. Die Karosserie eines Autos besteht aus Stahl, der Motorblock oft aus Aluminiumlegierungen, die Wasserhähne aus Messing. Im Handy stecken Lötverbindungen aus Zinnlegierungen. Kirchenglocken aus Bronze klingen besonders klar.

Auch Zahnärzte verwenden Legierungen, etwa für Kronen und Füllungen. Dort kommt es auf Verträglichkeit und Haltbarkeit an. Im Flugzeugbau sorgen Aluminiumlegierungen dafür, dass Maschinen fest und trotzdem leicht sind.

Weil man mit dem Mischungsverhältnis Eigenschaften einstellen kann, entwickeln Werkstoffforscher ständig neue Legierungen. Für jede Aufgabe lässt sich das Material finden, das Härte, Gewicht, Preis und Haltbarkeit am besten verbindet.