Eisen- und Nichteisenmetalle

 

Nichteisenmetalle (NE-Metalle)	Eisenmetalle
Nichteisenmetalle sind Metalle und Legierungen mit einem Reineisenanteil von unter 50%. Beispiele sind Gold, Kupfer und Aluminium.	Gusseisen und Stahl sind Eisenmetalle, da sie hauptsächlich oder komplett aus Eisen bestehen.

 

NE-Metalle (Nichteisenmetalle) umfassen verschiedene Reinmetalle sowie NE-Legierungen. Reinmetalle können wiederum in folgende Kategorien unterteilt werden:

 
• Leichtmetalle (Aluminium, Lithium, Titan etc.)
• Schwermetalle (Platin, Osmium, Iridium etc.)
• Edelmetalle (Gold, Silber, Palladium etc.)
• Buntmetalle (Kupfer, Nickel, Blei etc.).

 
NE-Legierungen lassen sich zudem in Knetlegierungen (z. B. Kupferknetlegierung) und Gusslegierungen (z. B. Aluminiumgusslegierung) unterteilen.

Eisenmetalle unterscheidet man in Stahl und Gusseisen (auch Eisengusswerkstoffe). Liegt der Kohlenstoffgehalt zwischen 0,002 % und 2,06 %, so handelt es sich um Stahl. Eisenlegierungen mit einem höheren Gehalt von Kohlensoff und Silizium sind Gusseisen.

Je nach Art und Anteil der Legierungselemente lassen sich folgende Stahlsorten unterschieden:

 
• Unlegierter Stahl: Diese Stahlsorten bestehen hauptsächlich aus Eisen und Kohlenstoff. Liegt der Kohlenstoffgehalt über 0,2 %, eignet sich der Stahl zum Härten.
• Niedriglegierter Stahl: Diese Stähle enthalten maximal 5 % Legierungsmetalle. Die Art und der Anteil der Legierungselemente beeinflussen Eigenschaften wie die Härte, Zugfestigkeit und Elastizität.
• Hochlegierter Stahl: Bei diesen Stahlsorten liegt der Legierungsanteil bei bis zu 30 %. Durch die Art und den Anteil der Legierungsmetalle werden Eigenschaften wie die Korrosionsbeständigkeit gezielt verbessert.

 

Eine spezielle Art von legiertem Stahl ist Edelstahl. Wegen seiner Beständigkeit gegen Korrosion, Fleckenbildung und Anlaufen wird er auch rostfreier Stahl genannt. Edelstahl ist ein Eisenmetall und enthält weitere Legierungselemente wie Chrom, Nickel, Wolfram oder Titan, welche die Härte, Zugfestigkeit und das Korrosionsverhalten beeinflussen. Es werden austenitischer Edelstahl, martensitischer Edelstahl (geringerer Kohlenstoffanteil) und ferritischer Edelstahl (minimaler Kohlenstoffanteil) unterschieden.

Gusseisenlegierungen sind ebenfalls Eisenmetalle, die jeweils aufgrund ihrer Zusammensetzung und Eigenschaften für spezifische Anwendungen geeignet sind. Die wichtigsten Gusseisensorten sind Gusseisen mit Lamellengrafit (Grauguss), Gusseisen mit Kugelgrafit (duktiles Gusseisen) und Gusseisen mit Vermikulargrafit.

Eisenmetalle haben einen höheren Kohlenstoffgehalt als Nichteisenmetalle, was sie grundsätzlich anfälliger für Rost macht. Legierungselemente wie Chrom oder Nickel können das verhindern und ermöglichen rostfreie oder wetterfeste Stähle. Im Vergleich zu Nichteisenmetallen weisen Eisenmetalle im Allgemeinen eine höhere Streckgrenze, Zugfestigkeit und Härte auf. Zudem sind Eisenmetalle schwerer als die meisten Nichteisenmetalle. Das liegt an der hohen Dichte von Eisen.

Nichteisenmetalle weisen viele Eigenschaften von Eisenmetallen auf. Beispielsweise können Titanlegierungen Stahl ersetzen. Zudem können Kobalt oder Nickel die magnetischen Eigenschaften von Eisen nachahmen. Da Nichteisenmetalle teurer sind als Eisenmetalle, ist der bloße Ersatz von Stahl aber ein seltener Einsatzzweck.
 
Nichteisenmetalle werden aufgrund ihrer individuellen Eigenschaften genutzt. Aluminium bietet beispielsweise ein geringes Gewicht, Zink eine hohe Korrosionsbeständigkeit und Kupfer eine hohe Leitfähigkeit. Weiter Pluspunkte sind eine geringe Dichte, eine hohe Rost- und Verschleißbeständigkeit sowie eine facettenreiche Farbauswahl und eine leichte Verarbeitbarkeit. Aus diesen Gründen werden Nichteisenmetalle gerne zur Schmuckherstellung verwendet.
 
Eine gute thermische und elektrische Leitfähigkeit sowie nicht-magnetische Eigenschaften machen Nichteisenmetalle zudem interessant für die Elektroindustrie. Durch ihren niedrigen Schmelzpunkt eignen sich Nichteisenmetalle allerdings nicht für die Anwendung bei hohen Temperaturen.

Nichteisenmetalle werden sowohl für private als auch für gewerbliche und industrielle Anwendungen eingesetzt. Die individuellen Eigenschaften des Materials entscheiden über den Verwendungszweck. Zum Beispiel spielt bei der Schmuckherstellung eine gute Kaltumformbarkeit eine Rolle. Typische Einsatzgebiete für Nichteisenmetalle sind:

 

• Schmuckherstellung
• Gussteile und Sinterteile
• Korrosionsbeständige Komponenten (z. B. zur Dachdeckung)
• Leichtbauteile
• Elektrisch leitende Bauteile 
• Gieß- und Schweißtechnik (z. B. Kokillen oder Schweißdüsen)
• Medizintechnik (z. B. MRT) 
• Hygienische Komponenten (z. B. Trinkwasserrohre, Lebensmittelbehälter)

 

Kupfer	Kupfer ist ein weit verbreitetes Nichteisenmetall und tritt beispielsweise in Kupferlegierungen wie Messing oder Bronze auf. Eine hohe elektrische und Wärmeleitfähigkeit sowie eine hohe Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit zeichnen dieses Nichteisenmetall aus. Mit der Zeit oxidiert Kupfer zu einer gelblichen bis rotbraunen oder sogar schwarzen Farbe. Zudem bildet es eine grünliche Patina – den Grünspan. Kupfer wird zum Beispiel für Kabel, Motoren, Dächer, Armaturen oder auch für Statuen und Kochtöpfe eingesetzt.
Aluminium	Aluminium ist ein beliebtes Material für viele Legierungen. Durch sein geringes Gewicht eignet es sich beispielsweise hervorragend für die Luft- und Raumfahrtindustrie. Aber auch im Alltag finden wir Aluminium von der praktischen Folie bis zur Getränkedose. Zu den vielen Vorteilen von Aluminium zählen seine Korrosionsbeständigkeit, die Verformbarkeit sowie die elektrischen Eigenschaften und die Wärmeleitfähigkeit.
Blei	Blei zählt als das schwerste übliche Metall. Es ist weich, gut verformbar, sehr korrosionsbeständig und resistent gegenüber vielen Chemikalien. Bis bekannt wurde, dass Blei in der Luft gesundheitsschädlich ist, wurde es auch in Farben eingesetzt. Heute wird Blei beispielsweise in Batterien und Kabeln oder auch für Säuretanks verwendet.
Zink	Zink ist sehr rostbeständig und wird deswegen gerne als Legierungselement in Kombination mit Stahl oder Kupfer (Messing) genutzt. Dadurch ergeben sich vielseitige Anwendungsfälle wie zum Beispiel Maschendrahtzäune, Wärmetauscher, Geländer oder Autokarosserien und Anoden in Batterien.
Titan	Von allen Metallen bietet Titan das beste Verhältnis einer hohen Festigkeit zu geringer Dichte. Zudem kann es eine gute Korrosionsbeständigkeit aufweisen. In Kombination mit Metallen wie Aluminium oder Eisen bildet es feste Legierungen mit geringem Gewicht. Deshalb eignet sich dieses Nichteisenmetall ideal für die Automobilindustrie sowie für Luft- und Raumfahrt, Medizin und Sport.
Silber	Neben Schmuck und Münzen wird Silber zum Beispiel auch in der Medizin für Implantate oder in der Elektroindustrie für Solarzellen verwendet. Es weist die beste elektrische Leitfähigkeit sowie die höchste Reflektivität und Wärmeleitfähigkeit aller Metalle auf. Zudem ist es gut verformbar und sehr korrosionsbeständig.
Gold	Gold gilt als das am besten formbare Metall. Es ist sehr korrosionsbeständig und resistent gegen viele chemische Einflüsse. Deswegen wird es gerne in Schmuck oder beispielsweise in der Zahnmedizin eingesetzt. Dank seiner elektrischen Leitfähigkeit eignet es sich aber auch für Elektrokomponenten wie etwa Leiterplatten.
Legierungen	Legierungen sind Mischungen aus zwei oder mehr metallischen Elementen. Das Ziel sind Materialien mit verbesserten oder modifizierten Eigenschaften. Die metallischen Elemente können in unterschiedlichen Verhältnissen miteinander kombiniert werden, um die gewünschten physikalischen, mechanischen oder chemischen Eigenschaften zu erreichen. Legierungen sind in vielen Bereichen der Industrie von großer Bedeutung, da sie eine breite Palette von Anwendungen ermöglichen. Bronze und Messing sind häufige Nichteisenlegierungen. Sie schmelzen bei geringeren Temperaturen als Eisenmetalle und weisen ein optimales Gießverhalten auf – ideal für dekorative Zwecke. Bronze besteht aus Kupfer, Aluminium und/oder Nickel. Messing setzt sich aus Kupfer und Zink zusammen. Die Beständigkeit gegen Salzwasser macht sie beispielsweise für den Schiffsbau interessant.

Recycling spielt im Hüttenwesen eine wichtige Rolle und Nichteisenmetalle lassen sich sehr gut recyceln. Zunächst müssen die Nichteisenmetalle vom Industrieschrott getrennt und sortiert werden, um später eingeschmolzen und weiterverarbeitet zu werden. Typisch ist zum Beispiel die Rückgewinnung von Kupfer aus verschrotteten Kabeln.

Die Eigenschaften von Metallen lassen sich durch chemische und physikalische Prozesse anpassen. Vor allem Wärmebehandlungen spielen eine wichtige Rolle beim Erzielen gewünschter Eigenschaften, da hierbei die Dichte des Werkstoffs beeinflusst werden kann. Die notwendigen Temperaturen und weitere Behandlungsparameter sind abhängig vom eingesetzten Metallwerkstoff und dessen chemischer Zusammensetzung.
 
Zu den Wärmebehandlungen von Metall gehören:
 

• Härten: Das Härten ist eine Wärmebehandlung zur Steigerung der Härte und Verschließfestigkeit von Metallen. Dazu wird der Werkstoff auf eine individuelle
  Temperatur erhitzt und anschließend schnell mit in einem geeigneten
  Abschreckmedium (Wasser, Öl oder Luft bz. Gas) auf Raumtemperatur abgekühlt.
• Glühen: Beim Glühen werden Spannungen aus vorangegangenen Bearbeitungsschritten abgebaut. Zudem wird die Härte verringert und die Biegsamkeit erhöht. Dazu wird der Werkstoff gleichmäßig erhitzt. Ziel ist eine bessere Verarbeitbarkeit des Bauteils. Für Sonderlegierungen bietet sich das Lösungsglühen mit anschließendem Auslagern an.
• Anlassen: Ziel beim Anlassen ist der Abbau von Spannungen im Metall, um die Zähigkeit zu erhöhen und die Gefahr der Rissbildung zu senken. Auch dazu ist eine Wärmebehandlung notwendig. Die Temperaturen sind aber geringer als beim Härten und Glühen. Die Haltdauer ist abhängig vom Material und beträgt mindestens eine Stunde.