Legierungselement

Legierungselemente sind chemische Elemente, die einem Metall hinzugefügt (legiert) werden, um dessen Werkstoffeigenschaften auf die gewünschte Weise zu verbessern.

Arten

Legierungselemente können selbst Metalle wie beispielsweise Chrom, Molybdän und Mangan, aber auch Halbmetalle wie Bor und Silicium oder Nichtmetalle wie z. B. Kohlenstoff und Stickstoff sein. Ihr Verhalten innerhalb von Legierungen ist jedoch nicht immer gleich. Verschiedene Elemente haben zwar oft eine ähnliche, allerdings unterschiedlich starke Wirkung auf das Basismetall. Da Legierungselemente sich auch untereinander beeinflussen, lassen sich ihre Eigenschaftsänderungen nicht einfach addieren.

Technisch verwendete Elemente können einerseits ein Legierungselement, andererseits selbst das Basismetall für eine Legierung sein. Die Liste der Legierungselemente gibt Auskunft über die positiven und negativen Wirkungen auf die jeweiligen Basismetalle.

Wirkung

Legierungselemente haben verschiedene Wirkungen auf das Basismaterial. Im Allgemeinen gilt, dass mit steigendem Gehalt an Elementen die Festigkeit und Härte steigen, während die Bruchdehnung abnimmt. Die elektrische Leitfähigkeit und die thermische Leitfähigkeit nehmen meist ebenfalls ab.

Eine wichtige Funktionsweise ist die Mischkristallverfestigung. Wenn die Atome des Legierungselementes nur geringfügig größer oder kleiner sind als diejenigen des Basismetalls, dann bilden sie einen Substitutionsmischkristall, bei dem an Stellen, an denen normalerweise Atome des Basismetalls sich befinden würden durch Atome des Legierungselementes besetzt sind. Wegen der unterschiedlichen Atomgrößen können die Atome sich schlechter gegeneinander verschieben, was für eine dauerhafte Formänderung des Werkstoffes erforderlich ist. Die Festigkeit steigt somit. Wenn die Atome des Legierungselementes aber sehr viel kleiner sind als diejenigen des Basismetalls (z. B. Kohlenstoff im Stahl), dann besetzen sie Zwischenräume zwischen den Atomen des Basismaterials und bilden einen sogenannten Einlagerungsmischkristall, was ebenfalls mit einer Festigkeitssteigerung verbunden ist.

Eine andere Wirkungsweise beruht auf der Bildung weiterer chemischer Verbindungen, häufig aus der Gruppe der intermetallischen Verbindungen die teilweise metallischen und teilweise nichtmetallischen Charakter haben (z. B. elektrisch leitfähig wie Metalle, aber hart und spröde wie Keramiken). Im Stahl bilden viele Legierungselemente Carbide, das heißt Verbindungen mit Kohlenstoff (engl. Carbide). Die häufig zulegierten Elemente Wolfram und Chrom bilden beispielsweise Wolframcarbid und Chromcarbid. Sie liegen meist in Form winziger, sehr harter Partikel vor und verbessern somit die Verschleißfestigkeit. Manche Legierungselemente können auch mit dem Basismaterial Verbindungen bilden. Unter anderem verbindet sich im Stahl Eisen mit Kohlenstoff zu Zementit und in Aluminium-Kupfer-Legierungen bildet sich Al₂Cu, das maßgeblich für die höhere Festigkeit dieser Legierung verantwortlich ist.

Legierungselemente im Stahl

Einer der wichtigsten Konstruktionswerkstoffe ist Stahl, eine Legierung aus Eisen und Kohlenstoff. Die Eigenschaften von Stahl können in vielfältiger Weise auf die jeweiligen Bedürfnisse angepasst werden. Bei den Legierungselementen ist grundsätzlich zu unterscheiden, ob sie Carbid-, Austenit- oder Ferritbildner sind bzw. zu welchem Zweck sie dem Stahl zulegiert werden. Austenit und Ferrit sind die zwei wichtigsten Modifikationen von Eisen.

Das Vorhandensein der Legierungselemente im Stahl ist oft nur die Voraussetzung, um die gewünschten Eigenschaften zu erzielen. Meist sind weitere Verarbeitungsschritte wie z. B. die Wärmebehandlung nötig. Die wichtigsten Legierungselemente sind:<ref>{{#if:|{{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|Vorlage:FormatDate/Wartung/Error}}| |}}}}{{#if:|{{{autor}}}: }}{{#if:|{{#if:Legierungselemente: Einfluss der Legierungen auf Stahl|[{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|archivURL|1={{#invoke:URLutil|getNormalized|1={{{archiv-url}}}}}}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel=Legierungselemente: Einfluss der Legierungen auf Stahl}}]{{#if:PDF| (PDF)}}{{#if:| {{{titelerg}}}{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|Endpunkt|titel={{{titelerg}}}}}}}}}|{{#if:http://www.stahlschluessel.de/de/info/allgemeines.aspx%7C{{#if:{{#invoke:TemplUtl%7Cfaculty%7C}}%7C{{#invoke:Vorlage:Internetquelle%7CTitelFormat%7Ctitel={{#invoke:WLink%7CgetEscapedTitle%7C1=Legierungselemente: Einfluss der Legierungen auf Stahl}}}}|[{{#invoke:URLutil|getNormalized|1=http://www.stahlschluessel.de/de/info/allgemeines.aspx}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel={{#invoke:WLink|getEscapedTitle|1=Legierungselemente: Einfluss der Legierungen auf Stahl}}}}]}}{{#if:PDF| (PDF{{#if:Verlag Stahlschlüssel{{#if: 2014-02-11 | {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}||1}}}}

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Metallische Legierungselemente

Chrom (Cr)
Nickel (Ni)
Molybdän (Mo)
Mangan (Mn)
Vanadium (V)
Wolfram (W)
Aluminium (Al)
Niob (Nb)
Titan (Ti)
Kobalt (Co)
Kupfer (Cu)
Beryllium (Be)
Tantal (Ta)

Wichtige nichtmetallische Legierungselemente sind:

Literatur

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Wilhelm Domke: Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung. Cornelsen Verlag, ISBN 3-590-81220-6.

Weblinks

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    | {{#if:  || }}Vorlage:Webarchiv/Wartung/Parameter{{#invoke:TemplUtl|failure| Fehler bei Vorlage:Webarchiv: Genau einer der Parameter 'wayback', 'webciteID', 'archive-today', 'archive-is' oder 'archiv-url' muss angegeben werden.|1}}
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    | {{#switch: {{#invoke:Webarchiv|getdomain|{{{archiv-url}}}}}
        | web.archive.org = 
          {{#if:  || }}{{#invoke:TemplUtl|failure| Fehler bei Vorlage:Webarchiv: Im Parameter 'archiv-url' wurde URL von Internet Archive erkannt, bitte Parameter 'wayback' benutzen.|1}} 
        | webcitation.org = 
          {{#if:  || }}{{#invoke:TemplUtl|failure| Fehler bei Vorlage:Webarchiv: Im Parameter 'archiv-url' wurde URL von WebCite erkannt, bitte Parameter 'webciteID' benutzen.|1}} 
        | archive.today |archive.is |archive.ph |archive.fo |archive.li |archive.md |archive.vn = 
          {{#if:  || }}{{#invoke:TemplUtl|failure| Fehler bei Vorlage:Webarchiv: Im Parameter 'archiv-url' wurde URL von archive.today erkannt, bitte Parameter 'archive-today' benutzen.|1}}
      }}{{#if: 
         | {{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|Vorlage:FormatDate/Wartung/Error}}
             | {{#if:  || }}Vorlage:Webarchiv/Wartung/Parameter{{#invoke:TemplUtl|failure| Fehler bei Vorlage:Webarchiv: Der Wert des Parameter 'archiv-datum' ist ungültig oder hat ein ungültiges Format.|1}}
          |  }} 
         | {{#if:  || }}Vorlage:Webarchiv/Wartung/Parameter{{#invoke:TemplUtl|failure| Fehler bei Vorlage:Webarchiv: Der Pflichtparameter 'archiv-datum' wurde nicht angegeben.|1}}
      }}
    | {{#if: 
         | {{#if:  || }}Vorlage:Webarchiv/Wartung/Parameter{{#invoke:TemplUtl|failure| Fehler bei Vorlage:Webarchiv: Der Parameter 'archiv-datum' ist nur in Verbindung mit 'archiv-url' angebbar.|1}}
      }}
  }}{{#if:{{#invoke:URLutil|isHostPathResource|http://www.edelstahl-rostfrei.de/downloads/ISER/Wirkungsweise_wichtiger_Legierungselemente.pdf}}
    || {{#if:  || }} URL/Pfad ungültig.
  }}{{#if: Wirkungsweise wichtiger Legierungselemente in nichtrostenden Stählen (PDF 80 kB)
    | {{#if: {{#invoke:WLink|isBracketedLink|Wirkungsweise wichtiger Legierungselemente in nichtrostenden Stählen (PDF 80 kB)}}
        | {{#if:  || }} Linktext ungültig.
      }}
    | {{#if:  || }}Vorlage:Webarchiv/Wartung/Linktext_fehlt Linktext fehlt.
  }}{{#switch: 
    |addlarchives|addlpages= {{#if:  || }}{{#if: 1 |Vorlage:Webarchiv/Wartung/Parameter}}{{#invoke:TemplUtl|failure| Fehler bei Vorlage:Webarchiv: enWP-Wert im Parameter 'format'.|1}}
  }}{{#ifeq: {{#invoke:Str|find|http://www.edelstahl-rostfrei.de/downloads/ISER/Wirkungsweise_wichtiger_Legierungselemente.pdf%7Carchiv}} |-1
    || {{#ifeq: {{#invoke:Str|find|{{#invoke:Str|cropleft|http://www.edelstahl-rostfrei.de/downloads/ISER/Wirkungsweise_wichtiger_Legierungselemente.pdf%7C4}}%7Chttp}} |-1
         || {{#switch: {{#invoke:Webarchiv|getdomain|http://www.edelstahl-rostfrei.de/downloads/ISER/Wirkungsweise_wichtiger_Legierungselemente.pdf }}
              | abendblatt.de | daserste.ndr.de | inarchive.com | webcitation.org = 
              | #default = {{#if:  || }}{{#if: 1 |Vorlage:Webarchiv/Wartung/URL}}{{#invoke:TemplUtl|failure| Fehler bei Vorlage:Webarchiv: Archiv-URL im Parameter 'url' anstatt URL der Originalquelle. Entferne den vor der Original-URL stehenden Mementobestandteil und setze den Archivierungszeitstempel in den Parameter 'wayback', 'webciteID', 'archive.today' oder 'archive-is' ein, sofern nicht bereits befüllt.|1}}
            }} 
       }}
  }}

Einzelnachweise