Liste der Metalllegierungen: Familien, ihre Zusammensetzung und ihre industriellen Verwendungen

Metalllegierungen bilden das Rückgrat der modernen Technik und Fertigung. Eine sorgfältig ausgewählte Legierung kann die Festigkeit, die Zähigkeit, die Verschleißfestigkeit, das Korrosionsverhalten, die thermische Stabilität oder die elektrische Leistung im Vergleich zum Grundmetall drastisch verbessern. Für allgemeine technische Anwendungen decken Stähle (Kohlenstoffstähle und legierte Stähle) und gängige Nichteisenlegierungen (Aluminium-, Kupfer-, Nickel- und Titanlegierungen) den Großteil des Bedarfs ab; Hochleistungssektoren sind auf Superlegierungen, Titanlegierungen und spezielle Feuerfest- oder Edelmetalllegierungen angewiesen. Die richtige Legierungsauswahl muss den mechanischen Anforderungen, der Umwelteinwirkung, dem Herstellungsprozess und den gesetzlichen Vorschriften entsprechen.

1. Was ist eine Legierung - Definition und Bezeichnungskonventionen

Eine Legierung ist ein metallischer Werkstoff, der durch die Kombination von zwei oder mehr chemischen Elementen, von denen mindestens eines ein Metall ist, hergestellt wird. Das angestrebte Ergebnis ist ein Werkstoff, der andere Eigenschaften als die reinen Bestandteile aufweist, in der Regel eine verbesserte mechanische oder umweltfreundliche Leistung. Handelsübliche Legierungen werden nach traditionellen Bezeichnungen (Messing, Bronze), nach standardisierten Codes (AISI, SAE, UNS, EN) oder nach geschützten Handelsnamen benannt. Eine klare Spezifikation der Legierungszusammensetzung, des Härtegrads/der Wärmebehandlung und der Produktform ist für eine wiederholbare Leistung unerlässlich.

Gebräuchliche Nomenklatursysteme

• Numerische AISI/SAE-Codes für Stähle und Eisenbasislegierungen (für historische und industrielle Zwecke).

• UNS (Unified Numbering System) für allgemeine Metalle und Legierungen, bei denen ein alphanumerischer Code mit chemischen Bereichen verknüpft ist.

• EN-Nummern (Europäische Norm) und ISO-Bezeichnungen im internationalen Handel.

• Handelsnamen oder geschützte Bezeichnungen für Speziallegierungen (z. B. Inconel, Hastelloy, Monel).

2. Grobe Einteilung: eisenhaltig vs. nicht eisenhaltig

Werkstoffe werden in der Regel in zwei übergeordnete Gruppen unterteilt: Eisenlegierungen (enthalten Eisen als Hauptbestandteil) und Nichteisenlegierungen (enthalten kein Eisen als Hauptmetall). Diese Einteilung ist ausschlaggebend für das magnetische Verhalten, die typischen Eigenschaften und die üblichen Anwendungen. Zu den Eisenlegierungen gehören Kohlenstoffstähle, legierte Stähle, Werkzeugstähle, rostfreie Stähle und Gusseisen. Nichteisenlegierungen umfassen Aluminium, Kupfer, Nickel, Titan, Magnesium, Blei, Edelmetalllegierungen und viele Spezialsysteme.

Die wichtigsten praktischen Auswirkungen:

• Eisenlegierungen haben im Allgemeinen eine höhere Festigkeit und niedrigere Kosten für strukturelle Anwendungen; viele erfordern einen Korrosionsschutz in exponierten Umgebungen.

• Nichteisenlegierungen bieten oft eine bessere Korrosionsbeständigkeit, eine geringere Dichte oder eine höhere elektrische/thermische Leitfähigkeit.

• Viele technische Entscheidungen laufen auf einen Kompromiss zwischen Masse, Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Kosten hinaus.

3. Die wichtigsten Legierungsfamilien - Zusammenfassung, Merkmale und gemeinsame Sorten

3.1 Kohlenstoffstähle und legierte Stähle (eisenhaltig)

• Was sie sind: Eisen-Kohlenstoff-Legierungen mit kontrollierten Mengen anderer Elemente (Mn, Si, Cr, Ni, Mo, V usw.) zur Einstellung von Festigkeit und Zähigkeit.

• Häufige Verwendungen: Bauelemente, Rohrleitungen, Verbindungselemente, Maschinenteile.

• Repräsentative Noten: A36 (Baustahl), 1018 (kohlenstoffarmer Stahl), 4140 (Chrom-Molybdän-legierter Stahl).

• Anmerkungen: Die Wärmebehandlung (Abschrecken und Anlassen) wird zur Einstellung von Härte und Zähigkeit verwendet.

3.2 Nichtrostende Stähle (eisenhaltig, korrosionsbeständig)

• Was sie sind: Eisen-Chrom(-Nickel, Molybdän, Stickstoff usw.)-Legierungen mit einem Mindestchromgehalt von typischerweise über ~11% zur Bildung eines passiven Oxids. Typische Unterfamilien: austenitische, ferritische, martensitische, Duplex- und ausscheidungshärtende nichtrostende Stähle.

• Repräsentative Noten: 304 (austenitisch für allgemeine Zwecke), 316 (austenitisch mit Molybdän für Meeresbeständigkeit), 430 (ferritisch), 17-4 PH (Ausscheidungshärtung).

• Praktischer Hinweis: Die 300er-Serie enthält Nickel und bietet eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit; die 400er-Serie enthält in der Regel weniger Nickel und mehr Kohlenstoff und weist ein anderes mechanisches/korrosives Verhalten auf.

3.3 Gusseisen (eisenhaltig, kohlenstoffreich)

• Was sie sind: Eisen-Kohlenstoff-Silizium-Legierungen mit höherem Kohlenstoffgehalt (>2%) als Stähle; zu den Typen gehören grauer, duktiler (knollenförmiger), weißer und formbarer Guss.

• Verwendet: Motorblöcke, Rohrformstücke, schwere Maschinensockel; duktiles Gusseisen verbindet Gießbarkeit mit verbesserter Zugfestigkeit und Dehnbarkeit.

3.4 Aluminiumlegierungen (Nichteisenmetalle, leicht)

• Was sie sind: Legierungen auf Al-Basis, die unter anderem mit Mg, Si, Cu, Zn und Mn legiert sind. Weit verbreitete Zustände und Serien sind die Serien 2000, 3000, 4000, 5000, 6000 und 7000.

• Repräsentative Noten6061 (Al-Mg-Si, universell einsetzbar), 7075 (Al-Zn-Mg, hochfest für die Luftfahrt).

• Verwendet: Transport, Luft- und Raumfahrt, Verpackung, Wärmetauscher.

• Normen: Mehrere ASTM-Spezifikationen regeln die chemischen und mechanischen Eigenschaften von Blechen, Platten und Strangpressprofilen.

3.5 Kupferlegierungen (Messing, Bronze, Kupfernickel)

• Was sie sind: Kupferbasis mit Zn (Messing), Sn (Bronze), Ni (Kupfernickel) und anderen Zusätzen zur Abstimmung der Eigenschaften. Gute elektrische/thermische Leitfähigkeit, Korrosionsbeständigkeit in vielen Umgebungen.

• Repräsentative Noten: C11000 (Elektrolytkupfer), C36000 (Automatenmessing), CuNi 90/10 (Marine-Kupfernickel).

3.6 Nickel-Basis-Legierungen und Superlegierungen

• Was sie sind: Nickelhaltige Systeme, legiert mit Cr, Co, Al, Ti, Mo und feuerfesten Elementen. Entwickelt für Hochtemperaturfestigkeit und Oxidationsbeständigkeit.

• Repräsentative Legierungen: Inconel 625, Inconel 718, Hastelloy X, Rene-Legierungen.

• Anwendungen: Strahltriebwerke, Gasturbinen, chemische Hochtemperaturverarbeitung.

3.7 Titan-Legierungen

• Was sie sind: Titan mit Al, V, Mo und anderen Elementen zur Erzielung einer hohen Festigkeit im Verhältnis zum Gewicht und einer ausgezeichneten Korrosionsbeständigkeit; zeichnet sich durch Biokompatibilität aus.

• Repräsentative Noten: Ti-6Al-4V (weit verbreitet in der Luft- und Raumfahrt und in der Medizin).

• Verwendet: Luft- und Raumfahrtstrukturen, medizinische Implantate, korrosive Anwendungen.

3.8 Magnesiumlegierungen

• Was sie sind: Metalle mit sehr geringer Dichte, legiert mit Al, Zn, Mn für leichte strukturelle Anwendungen, bei denen das Gewicht entscheidend ist.

• Verwendet: Automobilindustrie, Luft- und Raumfahrt, Sekundärstrukturen, Elektronikgehäuse.

3.9 Blei, Zinn und niedrigschmelzende Speziallegierungen

• Was sie sind: Weiche oder niedrig schmelzende Legierungen, die für Lager (Babbitt), Lote (Zinn-Blei, bleifrei), Abschirmungen und Strahlungsanwendungen (Bleibasis) verwendet werden.

• Anmerkung zur Umwelt: Viele bleihaltige Legierungen unterliegen gesetzlichen Beschränkungen; bleifreie Lote sind in der Elektronik weit verbreitet.

3.10 Edelmetall- und Münzlegierungen

• Was sie sind: Gold-, Silber- und Platingruppenlegierungen, die für Schmuck, elektronische Kontakte und Katalysatoren verwendet werden. Beispiele sind Sterlingsilber und Kronengold.

4. Typische chemische Zusammensetzungen und Tabellen mit Kurzinformationen zu den Eigenschaften

Nachstehend finden Sie kompakte, praktische Tabellen, die einen schnellen Vergleich ermöglichen. Die Prozentangaben sind Richtwerte; die genauen Spezifikationen hängen von der gewählten Sorte und Norm ab.

Tabelle 1: Vergleich der Legierungsfamilien auf hoher Ebene

(Quellen in Tabelle 1: allgemeine Literatur und Materialdatenblätter).

Tabelle 2: Repräsentative nichtrostende Stahlsorten und chemische Schnellverfahren

Tabelle 3: Gängige Aluminiumlegierungsreihen

Tabelle 4: Typische Kupferbasislegierungen

5. Hochleistungs- und Speziallegierungen

5.1 Superlegierungen

Superlegierungen auf Nickelbasis sind für langfristige Festigkeit bei Kriech- und Oxidationsprozessen bei hohen Temperaturen in Gasturbinen ausgelegt. Zu den kritischen Legierungselementen gehören Co, Cr, Al, Ti und kleinere feuerfeste Elemente. Typische Verarbeitungsverfahren sind das Vakuuminduktionsschmelzen, die gerichtete Erstarrung oder der Einkristallguss, um dem Kriechen zu widerstehen.

5.2 Feuerfeste Legierungen

Legierungen auf der Basis von Molybdän, Wolfram, Niob oder Tantal arbeiten bei extremen Temperaturen. Sie erfordern besondere Verarbeitungs- und Bearbeitungsmethoden und werden in Öfen, Raketendüsen und nuklearen Anwendungen eingesetzt. In den einschlägigen Normen und den Datenblättern der Lieferanten ist der zulässige Gehalt an Verunreinigungen aufgrund ihres Einflusses auf Duktilität und Rekristallisation festgelegt.

5.3 Korrosionsbeständige Nickellegierungen

Hastelloy und ähnliche Zusammensetzungen widerstehen Chlorid, Salpetersäure und sauren Umgebungen in der chemischen Verarbeitung. Bei der Auswahl müssen auch die galvanische Verträglichkeit und die Schweißmetallurgie berücksichtigt werden.

5.4 Titan- und Kobalt-Chrom-Legierungen für die Biomedizin

Ti-6Al-4V- und Kobalt-Chrom-Legierungen (CoCrMo) werden häufig für Implantate verwendet; Biokompatibilität, Ionenfreisetzungsverhalten und Ermüdungsleistung bestimmen die Auswahl. Die Oberflächenbeschaffenheit und die Kompatibilität mit der Sterilisation sind von praktischer Bedeutung.

6. Produktionsmethoden und ihre Auswirkungen auf die Legierungseigenschaften

Die Leistung einer Legierung hängt nicht nur von der Zusammensetzung, sondern auch vom Herstellungsverfahren ab:

• Gießen: Gut geeignet für komplexe Formen und großvolumige Teile; das Mikrogefüge hängt von der Abkühlungsgeschwindigkeit und der Impfung ab. Gusseisen ist ein typisches Beispiel.

• Knetverarbeitung (Walzen, Schmieden, Strangpressen): Erzeugt ein verfeinertes Mikrogefüge und eine gerichtete Festigkeit; wird häufig für Stähle, Aluminium-Strangpressprofile und Kupferprodukte verwendet.

• Pulvermetallurgie und additive Fertigung: Ermöglicht endkonturnahe Formen, maßgeschneiderte Mikrostrukturen und komplexe chemische Prozesse; die Kontrolle der Porosität und der Wärmebehandlung ist entscheidend.

• Wärmebehandlung: Glühen, Normalisieren, Vergüten, Lösungsglühen und Altern verändern die Phasenverteilung und die Ausscheidungsstruktur, wodurch Festigkeit/Dehnbarkeit und Korrosionsbeständigkeit eingestellt werden.

Verarbeitungshinweise:

• Beim Schweißen kommen thermische Zyklen hinzu; die Wahl des Schweißzusatzes und die Wärmebehandlung nach dem Schweißen sind für die Korrosionsbeständigkeit und die Festigkeit entscheidend.

• Bearbeitungshärte und Verfestigungsverhalten beeinflussen die Wahl des Werkzeugs.

7. Wichtige Normen, Prüfungen und Rückverfolgbarkeit

Normen definieren chemische Zusammensetzungsbereiche, mechanische Prüfverfahren und Akzeptanzkriterien. Um die Zuverlässigkeit und die Einhaltung von Vorschriften zu gewährleisten, sollten die Beschaffungsspezifikationen auf Konsensnormen (ASTM, EN, ISO, SAE, UNS) verweisen:

• ASTM bietet Hunderte von Metallnormen, die chemische und mechanische Eigenschaften für Produktformen und Anwendungen festlegen.

• NIST unterhält thermophysikalische Daten und geprüfte Eigenschaftsdatensätze, die für Konstruktionsberechnungen und Simulationen nützlich sind. NIST

• ASM International und vergleichbare technische Gesellschaften veröffentlichen Datenblätter zu Legierungen, Leistungsübersichten und konstruktionsorientierte Anleitungen.

Bewährte Praktiken der Rückverfolgbarkeit:

• Fordern Sie bei jeder Hitze/Charge Werksprüfberichte (MTR) oder Konformitätsbescheinigungen an.

• Für kritische Bauteile sind unabhängige Materialanalysen (spektrochemische Tests) und mechanische Prüfergebnisse für die Abnahme anzugeben.

8. Praktische Checkliste zur Legierungsauswahl

Bei der Auswahl einer Legierung für ein neues Bauteil sollten Sie diese Punkte durcharbeiten und in der Spezifikation dokumentieren.

1. Funktionale Anforderungen: erforderliche Festigkeit, Ermüdungsfestigkeit, Steifigkeit, Leitfähigkeit.

2. UmweltTemperaturbereich, Vorhandensein von Chloriden, Säuren, Abrieb, UV-Einwirkung.

3. Massebeschränkung: Ist die Gewichtsreduzierung eine Priorität (Aluminium, Titan, Magnesium)?

4. HerstellungsverfahrenGuss, maschinell bearbeitet, geschweißt, additiv; dies wirkt sich auf die zulässigen chemischen Eigenschaften und Temperaturen aus.

5. Oberflächenbehandlung: Wird eine Beschichtung, Eloxierung oder ein Überzug verwendet? Einige Legierungen lassen sich besser beschichten als andere.

6. Kosten und AngebotVerfügbarkeit und Kostenvolatilität (die Nickel- und Kobaltpreise können schwanken).

7. Normen und Zertifizierung: behördliche Auflagen, vorgeschriebene MTRs oder spezielle Abnahmeprüfungen.

8. Lebenszyklus und WiederverwertbarkeitEntsorgung, Umweltauflagen (Beschränkungen für Blei und Kadmium).

9. Kompatibilität: Galvanisches Potential im Verhältnis zu den zu verbindenden Materialien, um Korrosion zu vermeiden.

10. Prüfplan: spezifizieren Sie Zug-, Schlag-, Bruchzähigkeits- und Korrosionstests nach Bedarf.

9. Vergleichstabellen - schnelles Nachschlagen für Ingenieure

Tabelle 5: Schnelle Vergleiche der physikalischen Eigenschaften (typische Bereiche)

Tabelle 6: Schweißtechnische Überlegungen (allgemein)

10. Häufig gestellte Fragen

F1: Wie kann man am einfachsten zwischen Stahl und Aluminium für ein Bauteil entscheiden?
A1: Vergleichen Sie das erforderliche Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, Korrosionsbelastung und Kosten. Wenn das Gewicht kritisch ist und eine mäßige Festigkeit ausreicht, ist Aluminium oft der Gewinner. Bei schweren Belastungen und kostensensiblen Großstrukturen wird in der Regel Kohlenstoffstahl oder legierter Stahl bevorzugt. Prüfen Sie auch die Verbindungsmethoden und das Ermüdungsverhalten.

F2: Wie korrosionsbeständig ist rostfreier Stahl?
A2: Nichtrostende Stähle bilden auf der Oberfläche eine dünne, chromreiche Oxidschicht, die die weitere Oxidation begrenzt. Diese Passivschicht bildet sich bei Beschädigung wieder zurück, sofern die Legierung ausreichend Chrom enthält und die Umgebungsbedingungen sie nicht aggressiv angreifen.

F3: Sind Aluminiumlegierungen magnetisch?
A3: Nein. Aluminium und seine üblichen Legierungen sind nicht magnetisch. Dies ist vorteilhaft für Elektronikgehäuse und einige Spezialanwendungen.

F4: Was sind Superlegierungen und wann müssen sie verwendet werden?
A4: Superlegierungen sind spezielle Legierungen auf Nickel- oder Kobaltbasis, die für Hochtemperaturfestigkeit und Oxidationsbeständigkeit ausgelegt sind. Sie werden in Turbinenmotoren, Abgasanlagen und chemischen Hochtemperaturreaktoren eingesetzt, wo gewöhnliche Stähle und herkömmliche Legierungen versagen.

F5: Warum haben manche Legierungen viele Handelsnamen?
A5: Proprietäre Verarbeitung, exakte chemische Anpassungen und das Branding der Lieferanten führen zu vielen Handelsnamen. Bei technischen Fragen sollten Sie sich immer auf die Standardnummer oder die vollständige chemische Spezifikation beziehen und nicht nur auf Handelsnamen.

F6: Wie sollte ich einen Mühlenprüfbericht (MTR) lesen?
A6: Überprüfen Sie die Schmelzzahl, die chemische Zusammensetzung im Vergleich zur angegebenen Norm, die mechanischen Prüfwerte (Streckgrenze, Zugfestigkeit, Dehnung) und die Produktform. Bestätigen Sie die Angaben zu speziellen Wärmebehandlungen und zur Oberflächenbeschaffenheit.

F7: Leiten alle Kupferlegierungen den Strom gleichermaßen?
A7: Nein. Reines Kupfer hat die beste elektrische Leitfähigkeit; Legierungen verringern die Leitfähigkeit. Verwenden Sie hochreines Kupfer für Leiter; verwenden Sie Messing oder Bronze, wenn mechanische oder korrosive Eigenschaften wichtiger sind.

F8: Auf welche Normen sollte ich mich bei Aluminium-Strangpressprofilen beziehen?
A8: ASTM B221 für stranggepresste Aluminiumstangen, -profile und -rohre sowie andere ASTM/EN-Spezifikationen je nach Anwendung und Legierungswahl. Geben Sie bei Bestellungen immer die Legierung, den Härtegrad und die Norm an.

F9: Wie helfen Phasendiagramme bei der Auswahl von Legierungen?
A9: Phasendiagramme zeigen die Phasenstabilität in Abhängigkeit von Temperatur und Zusammensetzung und liefern Informationen über Wärmebehandlungsfenster, Solvuslinien für Ausscheidungen und Schmelz- bzw. Erstarrungsbereiche. Sie sind von entscheidender Bedeutung für die Gestaltung von Wärmebehandlungen und die Kontrolle des Mikrogefüges.

Q10: Welche Prüfungen werden für ein kritisches Sicherheitsbauteil empfohlen?
A10: Kombinieren Sie mechanische Prüfungen (Zug, Kerbschlag, Bruchzähigkeit), zerstörungsfreie Prüfungen (Ultraschall, Radiographie), Metallographie und chemische Analyse. Bei extremen Umgebungsbedingungen sind Korrosionsprüfungen und Kriechversuche hinzuzufügen, wenn der Einsatz bei hohen Temperaturen erfolgt.

11. Maßgebliche Referenzen

• Legierung - Wikipedia
• NIST-Legierungsdaten (NIST Thermophysical Research Center)
• ASTM-Normen für Metalle - ASTM International
• Alloy Digest - ASM Digitale Bibliothek (ASM International)
• Zusammensetzungen von legierten Stählen - Nickel Institute (technisches Datenblatt)