Legierung

Von links nach rechts: drei Legierungen (Berylliumkupfer, Inconel, Stahl) und drei rein Metalle (Titan, Aluminium, Magnesium)

Ein Legierung ist ein Mischung von chemische Elemente von denen mindestens einer ist a Metall. nicht wie Chemische Komponenten Mit metallischen Basen behält eine Legierung alle Eigenschaften eines Metalls im resultierenden Material, wie z. elektrische Leitfähigkeit, Duktilität, Opazität, und Lüster, aber können Eigenschaften haben, die sich von denen der reinen Metalle unterscheiden, wie z. B. erhöhte Festigkeit oder Härte. In einigen Fällen kann eine Legierung die Gesamtkosten des Materials senken und gleichzeitig wichtige Eigenschaften erhalten. In anderen Fällen verleiht das Gemisch den Bestandteilen wie Korrosionsbeständigkeit oder mechanische Festigkeit synergistische Eigenschaften.

Legierungen werden durch a definiert Metallische Bindung Charakter.[1] Die Legierungsbestandteile werden normalerweise anhand des Massenprozentsatzes für praktische Anwendungen und in gemessen Atomfraktion Für Grundlagenwissenschaftsstudien. Legierungen werden normalerweise als substitutionell eingestuft oder Interstitielle Legierungen, abhängig von der Atomanordnung, die die Legierung bildet. Sie können weiter als homogen eingestuft werden (bestehend aus einer Phase) oder heterogen (bestehend aus zwei oder mehr Phasen) oder intermetallisch. Eine Legierung kann eine sein solide Lösung von Metallelementen (eine einzelne Phase, in der alle metallischen Körner (Kristalle) die gleiche Zusammensetzung haben) oder a Mischung von metallischen Phasen (zwei oder mehr Lösungen, die a bilden Mikrostruktur von verschiedenen Kristallen im Metall).

Beispiele für Legierungen umfassen rotes Gold (Gold und Kupfer) Weißes Gold (Gold und Silber-), Sterling Silber (Silber und Kupfer), Stahl oder Siliziumstahl (Eisen mit nichtmetallisch Kohlenstoff oder Silizium beziehungsweise), Lot, Messing, Zinn, Duralumin, Bronze-, und Amalgams.

Legierungen werden in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet, von den Stahllegierungen, von Gebäuden über Automobile bis hin zu chirurgischen Werkzeugen bis hin zu exotisch Titan Legierungen, die in der Luft- und Raumfahrtindustrie verwendet werden, zu Beryllium-Kupper-Legierungen für Nicht-Spark-Werkzeuge.

Eigenschaften

Flüssigkeit Bronze-, während des Gießens in Formen gegossen werden

Eine Legierung ist eine Mischung von chemische Elemente, was eine unreine Substanz (Beimischung) bildet, die die Eigenschaften von a behält Metall. Eine Legierung unterscheidet sich von einem unreinen Metall darin, dass die zusätzlichen Elemente mit einer Legierung gut kontrolliert werden, um wünschenswerte Eigenschaften zu erzeugen, während unreine Metalle wie z. Schmiedeeisen sind weniger kontrolliert, werden aber oft als nützlich angesehen. Legierungen werden durch Mischen von zwei oder mehr Elementen hergestellt, von denen mindestens eines ein Metall ist. Dies wird normalerweise als Primärmetall oder Basismetall bezeichnet, und der Name dieses Metalls kann auch der Name der Legierung sein. Die anderen Bestandteile können Metalle sein oder nicht, aber wenn sie mit der geschmolzenen Basis gemischt werden, werden sie es sein löslich und in die Mischung auflösen. Die mechanischen Eigenschaften von Legierungen unterscheiden sich oft sehr von denen ihrer individuellen Bestandteile. Ein Metall, das normalerweise sehr weich ist (formbar), wie zum Beispiel Aluminium, kann verändert werden, indem es mit einem anderen weichen Metall zu legten, wie z. Kupfer. Obwohl beide Metalle sehr weich sind und dehnbar, das resultierende Aluminiumlegierung wird viel größer haben Stärke. Hinzufügen einer kleinen Menge nicht-metallischer Kohlenstoff zu Eisen handelt seine große Duktilität für die größere Stärke einer genannten Legierung Stahl. Aufgrund seiner sehr hohen Stärke, aber immer noch erheblich Zähigkeitund seine Fähigkeit, stark verändert zu werden von WärmebehandlungStahl ist eine der nützlichsten und häufigsten Legierungen in der modernen Verwendung. Beim Hinzufügen Chrom zu Stahl, sein Widerstand gegen Korrosion kann verbessert werden, erstellen rostfreier Stahl, beim Hinzufügen Silizium wird seine elektrischen Eigenschaften verändern, produzieren Siliziumstahl.

A Messing Lampe

Wie Öl und Wasser kann ein geschmolzenes Metall nicht immer mit einem anderen Element vermischt werden. Zum Beispiel ist reines Eisen fast vollständig unlöslich mit Kupfer. Selbst wenn die Bestandteile löslich sind, hat jeder normalerweise eine Sättigungspunkt, darüber hinaus nicht mehr des Bestandteils hinzugefügt werden. Das Eisen kann beispielsweise maximal 6,67% Kohlenstoff halten. Obwohl die Elemente einer Legierung normalerweise in der löslich sein müssen Flüssigkeit Staat, sie sind möglicherweise nicht immer löslich in der fest Zustand. Wenn die Metalle bei festem löslich bleiben, bildet die Legierung a solide Lösungzu einer homogenen Struktur, die aus identischen Kristallen besteht, genannt a Phase. Wenn die Mischung die Bestandteile unlöslich werden, können sie zwei oder mehr verschiedene Kristallenarten bilden, wodurch ein Heterogen erzeugt wird Mikrostruktur von verschiedenen Phasen, einige mit mehr Bestandteil als das andere. In anderen Legierungen können sich die unlöslichen Elemente jedoch erst nach der Kristallisation trennen. Wenn sie sehr schnell abgekühlt sind, kristallisieren sie sich zuerst als homogene Phase, aber sie sind es übersättigt mit den sekundären Bestandteilen. Mit der Zeit können sich die Atome dieser übersättigten Legierungen vom Kristallgitter trennen, stabiler werden und eine zweite Phase bilden, die dazu dient, die Kristalle intern zu verstärken.

Ein Gateventil, hergestellt aus Inconel

Einige Legierungen, wie z. Elektrum- eine Legierung von Silber- und Gold-kommen natürlich vor. Meteoriten bestehen manchmal aus natürlich vorkommenden Eisenlegierungen und Nickel, sind aber nicht in der Erde beheimatet. Eine der ersten Legierungen, die vom Menschen hergestellt wurden, war Bronze-, was eine Mischung der Metalle ist Zinn und Kupfer. Bronze war eine äußerst nützliche Legierung für die Alten, da sie viel stärker und schwieriger ist als jede seiner Komponenten. Stahl war eine weitere übliche Legierung. In der Antike konnte es jedoch nur als versehentliches Nebenprodukt aus der Erhitze von Eisenerz in Bränden hergestellt werden (BrändeSchmelzen) während der Herstellung von Eisen. Andere alte Legierungen umfassen Zinn, Messing und Roheisen. In der Moderne kann Stahl in vielen Formen erzeugt werden. Kohlenstoffstahl kann hergestellt werden, indem nur der Kohlenstoffgehalt variiert und weiche Legierungen erzeugt werden wie Baustahl oder harte Legierungen mögen Federstahl. Legierte stähle kann durch Hinzufügen anderer Elemente wie z. Chrom, Molybdän, Vanadium oder Nickel, was zu Legierungen wie zum Beispiel führt Hochgeschwindigkeitsstahl oder Werkzeugstahl. Kleine Mengen von Mangan werden normalerweise mit den meisten modernen Stählen legiert, weil sie unerwünschte Verunreinigungen entfernen können, wie Phosphor, Schwefel und Sauerstoff, was nachteilige Auswirkungen auf die Legierung haben kann. Die meisten Legierungen wurden jedoch erst in den 1900er Jahren geschaffen, wie z. B. verschiedene Aluminium. Titan, Nickel, und Magnesiumlegierungen. Einige modern Superalloys, wie zum Beispiel Incoloy, Inconel, und Hastelloy, kann aus einer Vielzahl verschiedener Elemente bestehen.

Eine Legierung ist technisch gesehen ein unreines Metall, aber wenn er sich auf Legierungen bezieht, ist der Begriff Verunreinigungen bezeichnet normalerweise unerwünschte Elemente. Solche Verunreinigungen werden aus den Grundmetallen und Legierungselementen eingeführt, während der Verarbeitung jedoch entfernt. Zum Beispiel ist Schwefel eine häufige Verunreinigung im Stahl. Schwefel kombiniert leicht mit Eisen, um sich zu formen Eisensulfid, was sehr spröde ist und Schwachstellen im Stahl erzeugt.[2] Lithium, Natrium und Kalzium sind häufige Verunreinigungen bei Aluminiumlegierungen, die nachteilige Auswirkungen auf die haben können strukturelle Integrität von Castings. Umgekehrt werden ansonsten reine Metalle, die einfach unerwünschte Verunreinigungen enthalten, oft als "unreine Metalle" bezeichnet und normalerweise nicht als Legierungen bezeichnet. Sauerstoff, der in der Luft vorhanden ist, kombiniert sich leicht mit den meisten Metallen zur Bildung Metalloxide; vor allem bei höheren Temperaturen, die während der Legierung auftreten. Während des Legierungsprozesses wird häufig große Sorgfalt zur Entfernung überschüssiger Verunreinigungen verwendet Flüsse, chemische Zusatzstoffe oder andere Methoden von Rohstoffmetallurgie.[3]

Theorie

Das Alloying eines Metalls wird durchgeführt, indem es mit einem oder mehreren anderen Elementen kombiniert wird. Der häufigste und älteste Legierungsprozess wird durchgeführt, indem das Grundmetall hinaus erhitzt wird Schmelzpunkt und dann die gelösten Stoffe in die geschmolzene Flüssigkeit auflösen, was auch möglich sein kann, wenn der Schmelzpunkt des gelösten Stoffes weitaus größer ist als die der Basis. Zum Beispiel in seinem flüssigen Zustand, Titan ist ein sehr starkes Lösungsmittel, das die meisten Metalle und Elemente auflösen kann. Darüber hinaus absorbiert es leicht Gase wie Sauerstoff und brennt in Gegenwart von Stickstoff. Dies erhöht die Wahrscheinlichkeit einer Kontamination von jeder Kontaktfläche und muss daher in Vakuuminduktionsheizungen und speziellem, wassergekühltem Kupfer geschmolzen werden Tiegel.[4] Einige Metalle und gelöste Stoffe wie Eisen und Kohlenstoff haben jedoch sehr hohe Schmelzpunkte und waren für die alten Menschen nicht zu schmelzen. Somit kann auch eine Legierung (insbesondere interstitielle Legierung) mit einem oder mehreren Bestandteilen in einem gasförmigen Zustand durchgeführt werden, wie sie in einem gefunden wurden Hochofen Schweineisen machen (Flüssigkeitsgas), Nitriding, Karbonitriding oder andere Formen von Einsatzhärten (solide-gas) oder die Zementierungsprozess verwendet, um zu machen Blasenstahl (Solid-Gas). Es kann auch mit einem, mehr oder allen Bestandteilen des Festkörpers geschehen, wie beispielsweise in alten Methoden gefunden Musterschweißen (Feststoff-Solid), Stahl scheren (solide solide) oder Tiegelstahl Produktion (Festkörper-Flüssigkeit), die Elemente über Festkörper mischen Diffusion.

Durch Hinzufügen eines anderen Elements zu einem Metall erzeugen Unterschiede in der Größe der Atome interne Spannungen im Gitter der metallischen Kristalle; Belastungen, die ihre Eigenschaften oft verbessern. Zum Beispiel erzeugt die Kombination von Kohlenstoff mit Eisen Stahl, was stärker ist als Eisen, sein primäres Element. Das elektrisch und Wärmeleitfähigkeit von Legierungen sind normalerweise niedriger als die der reinen Metalle. Die physikalischen Eigenschaften, wie z. Dichte, Reaktivität, Elastizitätsmodul einer Legierung unterscheiden sich möglicherweise nicht stark von denen ihres Grundelements, sondern technische Eigenschaften wie z. Zugfestigkeit,[5] Duktilität und Schiere Stärke kann sich erheblich von denen der konstituierenden Materialien unterscheiden. Dies ist manchmal ein Ergebnis der Größen der Atome In der Legierung üben größere Atome eine Druckkraft auf benachbarte Atome und kleinere Atome eine Zugkraft auf ihre Nachbarn aus, was der Legierung hilft, der Deformation zu widerstehen. Manchmal können Legierungen ausgeprägte Verhaltensunterschiede aufweisen, selbst wenn kleine Mengen eines Elements vorhanden sind. Zum Beispiel Verunreinigungen bei der Halbleiter ferromagnetisch Legierungen führen zu unterschiedlichen Eigenschaften, wie sie erstmals von White, Hogan, Suhl, Tian Abrie und Nakamura vorhergesagt wurden.[6][7]

Im Gegensatz zu reinen Metallen haben die meisten Legierungen keine einzige Schmelzpunkt, aber ein Schmelzbereich, in dem das Material eine Mischung aus ist fest und Flüssigkeit Phasen (ein Slush). Die Temperatur, bei der das Schmelzen beginnt Solidusund die Temperatur beim Schmelzen wird einfach als die genannt Liquidus. Für viele Legierungen gibt es einen bestimmten Legierungsanteil (in einigen Fällen mehr als eins), der entweder a genannt wird eutektisch Mischung oder peritektische Zusammensetzung, die der Legierung einen einzigartigen und niedrigen Schmelzpunkt und keinen flüssigen/festen Slush -Übergang verleiht.

Wärmebehandlung

Allotropes of iron, (Alpha -Eisen und Gamma -Eisen) Zeigen Sie die Unterschiede in der Atomanordnung
Photomikrographen von Stahl. Top Foto: Geglüht (langsam gekühlt) Stahl bildet eine heterogene lamellare Mikrostruktur genannt Pearlit, bestehend aus den Phasen Zementit (Licht) und Ferrit (dunkel). Grundfoto: Gelöscht (schnell gekühlt) Stahl bildet eine einphasige genannte Phase Martensit, in dem der Kohlenstoff in den Kristallen gefangen bleibt und interne Spannungen erzeugt

Legierungselemente werden zu einem Grundmetall hinzugefügt, um zu induzieren Härte, Zähigkeit, Duktilitätoder andere gewünschte Eigenschaften. Die meisten Metalle und Legierungen können sein hart arbeiten Durch Erstellen von Mängel in ihrer Kristallstruktur. Diese Mängel werden während Plastische Verformung durch Hämmern, Biegen, Extrudieren und Cetera und sind dauerhaft, es sei denn, das Metall ist rekristallisiert. Andernfalls können einige Legierungen auch ihre Eigenschaften ändern lassen Wärmebehandlung. Fast alle Metalle können von erhoben werden Glühen, was die Legierung umkristallisiert und die Mängel repariert, aber nicht so viele können durch kontrolliertes Erhitzen und Abkühlen gehärtet werden. Viele Legierungen von Aluminium, Kupfer, Magnesium, Titan, und Nickel kann bis zu einem gewissen Grad durch eine Methode zur Wärmebehandlung gestärkt werden, aber nur wenige reagieren auf das gleiche Maße wie der Stahl.[8]

Das Basismetalleisen der Eisen-Kohlenstoff-Legierung, bekannt als Stahl, unterliegt einer Änderung der Anordnung (Anordnung (Allotropie) der Atome seiner Kristallmatrix bei einer bestimmten Temperatur (normalerweise zwischen 820 ° C und 1.600 ° F (870 ° C), abhängig vom Kohlenstoffgehalt). Dadurch können die kleineren Kohlenstoffatome in die Zwischenräume des Eisenkristalls eintreten. Wenn das Diffusion passiert, die Kohlenstoffatome sollen sich befinden Lösung im Eisen bilden eine bestimmte einzelne, homogene, kristalline Phase genannt Austenit. Wenn der Stahl langsam abgekühlt wird, kann der Kohlenstoff aus dem Eisen diffundieren und schrittweise zu seinem Allotrop mit niedriger Temperatur zurückgekehrt. Während der langsamen Abkühlung werden die Kohlenstoffatome nicht mehr so ​​sein löslich mit dem Eisen und wird gezwungen sein Präzipitat aus Lösung, Keimung in eine konzentriertere Form von Eisencarbid (Fe3C) in den Räumen zwischen den reinen Eisenkristallen. Der Stahl wird dann heterogen, da er aus zwei Phasen gebildet wird, die Eisen-Kohlenstoff-Phase genannt Zementit (oder Carbid) und reines Eisen Ferrit. Eine solche Wärmebehandlung erzeugt einen Stahl, der ziemlich weich ist. Wenn der Stahl jedoch schnell abgekühlt wird, haben die Kohlenstoffatome keine Zeit, um als Carbid zu diffundieren und auszurüsten, sondern in den Eisenkristallen gefangen. Wenn schnell abgekühlt ist, a diffusionslose (Martensit) Transformation tritt auf, bei denen die Kohlenstoffatome in Lösung eingeschlossen werden. Dies führt dazu, dass die Eisenkristalle sich verformen, wenn die Kristallstruktur versucht, sich in ihren niedrigen Temperaturzustand zu ändern, und diese Kristalle sehr hart, aber viel weniger duktiler (spröder).

Während die hohe Stärke des Stahls bei der Verhinderung von Diffusion und Niederschlag (Martensit) entsteht, sind die meisten Wärmebehandlungslegierungen Niederschlagshärtung Legierungen, die von der Verbreitung von Legierungselementen abhängen, um ihre Stärke zu erreichen. Wenn diese Legierungen während der diffusionslosen Transformation viel weicher als normal sind, werden diese Legierungen erhitzt, um eine Lösung zu bilden und dann schnell abzukühlen, härten dann aber mit zunehmendem Alter aus. Die gelösten Stoffe in diesen Legierungen werden im Laufe der Zeit ausfallen und sich bilden intermetallisch Phasen, die schwer aus dem Grundmetall zu erkennen sind. Im Gegensatz zu Stahl, bei dem sich die feste Lösung in verschiedene Kristallphasen (Carbid und Ferrit) unterscheidet, bilden Niederschlagshärtungslegierungen unterschiedliche Phasen innerhalb desselben Kristalls. Diese intermetallischen Legierungen scheinen in Kristallstruktur homogen zu sein, neigen jedoch dazu, sich heterogen zu verhalten und hart und etwas spröde zu werden.[8]

Im Jahr 1906, Niederschlagshärtung Legierungen wurden von entdeckt von Alfred Wilm. Niederschlagshärtungslegierungen wie bestimmte Legierungen von Aluminium, Titanund Kupfer sind hitzebehandelbare Legierungen, die weicher werden, wenn gelöscht (schnell abgekühlt) und dann mit der Zeit härten. Wilm hatte nach einer Möglichkeit gesucht, Aluminiumlegierungen für die Verwendung in Machine-Gun-Patronenfällen zu härten. Als Wilm wusste, dass Aluminium-Kupper-Legierungen bis zu einem gewissen Grad hitzebehandelt wurden, versuchte sie, eine ternäre Legierung aus Aluminium, Kupfer und Zugabe von zu löschen Magnesium, war aber anfangs von den Ergebnissen enttäuscht. Als Wilm es jedoch am nächsten Tag erneut testete, stellte er fest, dass die Legierung in der Härte zunahm, wenn er bei Raumtemperatur alterte, und übertraf seine Erwartungen weit. Obwohl eine Erklärung für das Phänomen erst 1919 bereitgestellt wurde, Duralumin war eine der ersten "Altershärtung" -Legierungen, die zum ersten für das erste Baumaterial wurde Zeppelinsund folgte bald von vielen anderen.[9] Da sie oft eine Kombination aus hoher Festigkeit und niedrigem Gewicht aufweisen, wurden diese Legierungen in vielen Industrieformen weit verbreitet, einschließlich der Konstruktion von Moderne Flugzeug.[10]

Mechanismen

Verschiedene atomare Mechanismen der Legierungsbildung, die reines Metall, Substitution, interstitiell und eine Kombination der beiden zeigen

Wenn ein geschmolzenes Metall mit einer anderen Substanz gemischt wird, gibt es zwei Mechanismen, die eine Legierung bilden können, genannt Atomaustausch und die Interstitialmechanismus. Die relative Größe jedes Elements in der Mischung spielt eine primäre Rolle bei der Bestimmung, welcher Mechanismus auftreten wird. Wenn die Atome relativ ähnlich sind, tritt die Atomaustauschmethode normalerweise auf, wobei einige der Atome, aus denen die metallischen Kristalle bestehen, durch Atome des anderen Bestandteils ersetzt werden. Dies wird a genannt Substitutionallegierung. Beispiele für Ersatzlegierungen sind Bronze und Messing, in denen einige der Kupferatome entweder durch Zinn- oder Zinkatome ersetzt werden.

Im Fall des interstitiellen Mechanismus ist ein Atom normalerweise viel kleiner als das andere und kann die andere Atomart in den Kristallen des Basismetalls nicht erfolgreich ersetzen. Stattdessen werden die kleineren Atome in den Räumen zwischen den Atomen der Kristallmatrix gefangen, die als die genannt Zwischenräume. Dies wird als als bezeichnet Interstitielle Legierung. Stahl ist ein Beispiel für eine interstitielle Legierung, da die sehr kleinen Kohlenstoffatome in Zwischenräume der Eisenmatrix passen.

Rostfreier Stahl ist ein Beispiel für eine Kombination von interstitiellen und substitutionellen Legierungen, da die Kohlenstoffatome in die Zwischenräume passen, aber einige der Eisenatome werden durch Nickel- und Chromatome ersetzt.[8]

Anamnese und Beispiele

A Meteorit und ein Beil, das geschmiedet wurde meteorisches Eisen

Meteorisches Eisen

Die Verwendung von Legierungen durch Menschen begann mit dem Einsatz von meteorisches Eisen, eine natürlich vorkommende Legierung von Nickel und Eisen. Es ist der Hauptbestandteil von Eisenmeteoriten. Da keine metallurgischen Prozesse verwendet wurden, um Eisen von Nickel zu trennen, wurde die Legierung so wie es war.[11] Meteorisches Eisen könnte aus einer roten Hitze geschmiedet werden, um Gegenstände wie Werkzeuge, Waffen und Nägel herzustellen. In vielen Kulturen wurde es durch kaltes Hämmern in Messer und Pfeilspitzen geprägt. Sie wurden oft als Ambossen verwendet. Meteorisches Eisen war sehr selten und wertvoll und für die alten Menschen schwierig Arbeit.[12]

Bronze und Messing

Bronze AX 1100 v. Chr
A Bronze- Türklopfer

Eisen wird normalerweise als gefunden als Eisenerz auf Erden, außer einer Ablagerung von einheimisches Eisen in Grönland, was von der verwendet wurde Inuit.[13] Einheimisch Kupferwurde jedoch weltweit zusammen mit gefunden Silber-, Gold, und Platin, mit denen auch Werkzeuge, Schmuck und andere Objekte seit neolithischen Zeiten hergestellt wurden. Kupfer war das schwierigste dieser Metalle und das am weitesten verbreitete. Es wurde eines der wichtigsten Metalle für die Alten. Vor ungefähr 10.000 Jahren im Hochland von Anatolien (Türkei), Menschen lernten dazu Stint Metalle wie Kupfer und Zinn aus Erz. Ungefähr 2500 v. Chr. Begannen die Leute, die beiden Metalle zu bilden, um zu bilden Bronze-, was viel schwieriger war als seine Zutaten. Zinn war jedoch selten und wurde hauptsächlich in Großbritannien gefunden. Im Nahen Osten begannen die Menschen, Kupfer mit zu legten Zink Formen Messing.[14] Alte Zivilisationen berücksichtigten die Mischung und die verschiedenen Eigenschaften, die sie produzierte, wie z. Härte, Zähigkeit und Schmelzpunktunter verschiedenen Bedingungen von Temperatur und Härtung arbeiten, Entwicklung eines Großteils der in der Moderne enthaltenen Informationen Legierungsphasendiagramme.[15] Zum Beispiel Pfeilspitzen von den Chinesen Qin-Dynastie (ca. 200 v. Chr.) wurden oft mit einem harten Bronzekopf konstruiert, aber einem weicheren Bronze-Tang, das die Legierungen kombiniert, um sowohl Stumpf und Brechen während des Gebrauchs zu verhindern.[16]

Amalgams

Quecksilber wurde von geschmolzen von geschmolzen Zinnober Seit tausenden von Jahren. Quecksilber löst viele Metalle wie Gold, Silber und Zinn auf, um sich zu formen Amalgams (Eine Legierung in einer weichen Paste oder flüssigen Form bei Umgebungstemperatur). Amalgamen werden seit 200 v. Chr. In China für verwendet Vergoldung Objekte wie Rüstung und Spiegel mit kostbaren Metallen. Die alten Römer verwendeten oft Quecksilber-Tin-Amalgams, um ihre Rüstung zu vergoldeten. Das Amalgam wurde als Paste aufgetragen und dann erhitzt, bis das Quecksilber verdampfte und das Gold, das Silber oder die Dose hinter sich ließ.[17] Quecksilber wurde oft im Bergbau verwendet, um Edelmetalle wie Gold und Silber aus ihren Erzen zu extrahieren.[18]

Edelmetalle

ElektrumEine natürliche Legierung von Silber und Gold wurde oft zum Herstellen von Münzen verwendet

Viele alte Zivilisationen legten Metalle für rein ästhetische Zwecke. Im Alten Ägypten und MykeneGold wurde oft mit Kupfer legiert, um Rotgold zu produzieren, oder Eisen, um ein helles Burgundergold zu produzieren. Gold wurde oft mit Silber oder anderen Metallen gelegelt, um verschiedene Arten von zu produzieren farbiges Gold. Diese Metalle wurden auch verwendet, um sich gegenseitig für praktischere Zwecke zu stärken. Kupfer wurde oft zu Silber hinzugefügt, um sie zu machen Sterling SilberErhöhung seiner Kraft für Gerichte, Silberwaren und andere praktische Gegenstände. Sehr oft wurden kostbare Metalle mit weniger wertvollen Substanzen legiert, um Käufer zu täuschen.[19] Ungefähr 250 v. Chr., Archimedes wurde vom König von in Auftrag gegeben Syrakus Um einen Weg zu finden, um die Reinheit des Goldes in einer Krone zu überprüfen, was zum berühmten Badehaus führte, das "Eureka" schreit! nach der Entdeckung von Archimedes Prinzip.[20]

Zinn

Der Begriff Zinn deckt eine Vielzahl von Legierungen ab, die hauptsächlich aus Zinn bestehen. Als reines Metall ist Zinn für die meisten praktischen Zwecke viel zu weich, um sie zu verwenden. Jedoch während der Bronzezeit, Zinn war in vielen Teilen Europas und im Mittelmeer ein seltenes Metall, so dass es oft höher als Gold geschätzt wurde. Um Schmuck, Besteck oder andere Gegenstände aus Zinn herzustellen, legten die Arbeiter ihn normalerweise mit anderen Metallen zu, um Kraft und Härte zu erhöhen. Diese Metalle waren normalerweise führen, Antimon, Wismut oder Kupfer. Diese gelösten gelösten gelösten wurden manchmal einzeln in unterschiedlichen Mengen hinzugefügt oder zusammengefügt, wobei eine Vielzahl von Objekten hergestellt wurde, die von praktischen Gegenständen wie Gerichten, chirurgischen Werkzeugen, Kerzenlisten oder Trichter bis hin zu dekorativen Gegenständen wie Ohrringen und Haarklammern reichen.

Die frühesten Beispiele von Zinn stammen um 1450 v. Chr. Aus dem alten Ägypten. Die Verwendung von Zinn war in ganz Europa weit verbreitet, von Frankreich bis Norwegen und Großbritannien (wo der größte Teil des alten Zinns abgebaut wurde) nach Osten.[21] Die Legierung wurde auch in China und im Fernen Osten eingesetzt und kam um 800 n. Chr. In Japan an, wo sie zum Herstellen von Gegenständen wie zeremoniellen Gefäßen, Teekanistern oder Kelchen verwendet wurde Schintoismus Schreine.[22]

Eisen

Pfützen in China, ca. 1637. Gegenüber den meisten Legierungsprozessen wird flüssiges Schweineisen aus einem Hochofen in einen Behälter gegossen und gerührt, um Kohlenstoff zu entfernen, der in die Luft bildet, die Kohlendioxid bildet, wodurch ein zurückgelassen wird Baustahl Schmiedeeisen

Das erste bekannte Schmelzen von Eisen begann in Anatolienca. 1800 v. Chr. Genannt Bloomery -Prozess, es produzierte sehr weich aber dehnbar Schmiedeeisen. Um 800 v. Chr. Bahnte sich die Eisenbauertechnologie in Europa aus und kam um 700 n. Chr. In Japan. Roheisen, eine sehr harte, aber spröde Legierung von Eisen und Kohlenstoffwurde in produziert in China Bereits 1200 v. Chr. Ankam jedoch erst im Mittelalter in Europa. Schweineisen hat einen niedrigeren Schmelzpunkt als Eisen und wurde zum Herstellen verwendet Gusseisen. Diese Metalle fanden jedoch nur wenig praktische Verwendung bis zur Einführung von Tiegelstahl ca. 300 v. Chr. Diese Stähle waren von schlechter Qualität und die Einführung von MusterschweißenUm das 1. Jahrhundert n. Chr. versuchte es, die extremen Eigenschaften der Legierungen durch Laminieren zu balancieren, um ein härteres Metall zu schaffen. Ungefähr 700 n. Chr. Begannen die Japaner, Bloomery-Stahl und Gusseisen in abwechselnden Schichten zu falten, um die Stärke ihrer Schwerter zu erhöhen, wobei Tonflüsse verwendet werden, um zu entfernen Schlacke und Verunreinigungen. Diese Methode von Japanisches Schwert produzierte einen der reinsten Stahlwelden der Antike.[15]

Während die Verwendung von Eisen um 1200 v. Chr. Weit verbreitet wurde, hauptsächlich aufgrund von Unterbrechungen der Handelsrouten für Zinn, war das Metall viel weicher als die Bronze. Jedoch sehr kleine Mengen von Stahl, (eine Legierung aus Eisen und etwa 1% Kohlenstoff) war immer ein Nebenprodukt des Bloomery -Prozesses. Die Fähigkeit, die Härte von Stahl durch zu verändern Wärmebehandlung war seit 1100 v. Chr. bekannt, und das seltene Material wurde für die Herstellung von Werkzeugen und Waffen bewertet. Da die Alten keine Temperaturen produzieren konnten, die hoch genug sind, um Eisen vollständig zu schmelzen, trat die Herstellung von Stahl in angemessenen Mengen erst auf Blasenstahl Im Mittelalter. Diese Methode führte Kohlenstoff durch, indem Schmiedeeisen für längere Zeiträume in Holzkohle erhoben wurde, aber die Absorption von Kohlenstoff auf diese Weise ist extrem langsam, daher war die Penetration nicht sehr tief, so dass die Legierung nicht homogen war. 1740, Benjamin Huntsman begann, Blasenstahl in einem Schmelz zu schmelzen, um den Kohlenstoffgehalt auszugleichen, und erstellte den ersten Prozess für die Massenproduktion von Werkzeugstahl. Der Prozess von Huntsman wurde bis zum frühen 20. Jahrhundert für das Herstellungstoolstahl verwendet.[23]

Die Einführung des Hochofens nach Europa im Mittelalter bedeutete, dass Menschen produzieren konnten Roheisen in viel höheren Bänden als Schmiedeeisen. Da Schweineisen geschmolzen werden konnten, begannen die Menschen, Prozesse zu entwickeln, um Kohlenstoff zu reduzieren Flüssigkeit Schweineisen, um Stahl zu erzeugen. Pfützen war seit dem ersten Jahrhundert in China verwendet und in den 1700er Jahren in Europa eingeführt, wo geschmolzenes Schweineisen gerührt wurde, während er der Luft ausgesetzt war, um den Kohlenstoff durch zu entfernen Oxidation. Im Jahr 1858, Henry Bessemer entwickelte einen Prozess der Stahlherstellung, indem heißes Luft durch flüssiges Schweineisen geblasen wurde, um den Kohlenstoffgehalt zu verringern. Das Bessemer -Prozess führte zur ersten großen Herstellung von Stahl.[23]

Stahl ist eine Legierung von Eisen und Kohlenstoff, aber der Begriff legierter Stahl Normalerweise bezieht sich nur auf Stähle, die andere Elemente enthalten - wie Vanadium, Molybdän, oder Kobalt- In den Mengen ausreichend, um die Eigenschaften des Grundstahls zu verändern. Da die Antike, als Stahl hauptsächlich für Werkzeuge und Waffen verwendet wurde, wurden die Methoden zur Herstellung und Arbeiten des Metalls oft eng bewachte Geheimnisse. Sogar lange nach dem Zeitalter der VernunftDie Stahlindustrie war sehr wettbewerbsfähig und die Hersteller haben große Anstrengungen unternommen, um ihre Prozesse vertraulich zu halten, und widersetzte sich jeglichen Versuchen, das Material aus Angst wissenschaftlich zu analysieren, dass sie ihre Methoden offenbaren würde. Zum Beispiel die Menschen von SheffieldEin Zentrum der Stahlproduktion in England war bekannt dafür Industriespionage. Daher gab es bis 1860 fast keine metallurgischen Informationen über Stahl. Aufgrund dieses Mangels an Verständnis wurde Stahl bis zu den Jahrzehnten zwischen 1930 und 1970 im Allgemeinen nicht als Legierung angesehen William Chandler Roberts-Austen, Adolf Martens, und Edgar Bain), also wurde "Legierungstahl" zum beliebten Begriff für ternäre und quaternäre Stahlwaltern.[24][25]

Nachdem Benjamin Huntsman seine entwickelt hatte Tiegelstahl 1740 begann er mit der Zugabe von Elementen wie zu experimentieren Mangan (in Form eines hochmanganischen Schweineis-Eisen genannt Spiegeleisen), die dazu beitrugen, Verunreinigungen wie Phosphor und Sauerstoff zu entfernen; Ein von Bessemer übernommenes Verfahren und immer noch in modernen Stählen verwendet (wenn auch in Konzentrationen, die niedrig genug sind, um noch als Kohlenstoffstahl angesehen zu werden).[26] Danach experimentierten viele Menschen ohne viel Erfolg mit verschiedenen Stahllegierungen. 1882 jedoch, Robert HadfieldAls Pionier in Stahlmetallurgie interessierte er sich und produzierte eine Stahllegierung mit rund 12% Mangan. Genannt MangalloyEs zeigte extreme Härte und Zähigkeit und wurde das erste kommerziell lebensfähige Legierungsstahl.[27] Danach schuf er SiliziumstahlStart der Suche nach anderen möglichen Stahllegierungen.[28]

Robert Forester Mushet fand das durch Hinzufügen Wolfram Für Stahl könnte es eine sehr harte Kante erzeugen, die widerstehen würde, seine Härte bei hohen Temperaturen zu verlieren. "R. Mushets Special Steel" (RMS) wurde der erste Hochgeschwindigkeitsstahl.[29] Mushets Stahl wurde schnell durch ersetzt Wolfram -Carbid Stahl, entwickelt von Taylor und White im Jahr 1900, in dem sie den Wolframgehalt verdoppelten und kleine Mengen Chrom und Vanadium hinzufügten und einen überlegenen Stahl zur Verwendung in Dreh- und Bearbeitungswerkzeugen erzeugten. 1903 die Wright Brothers benutzte einen Chrom-Nickel-Stahl, um die Kurbelwelle für ihren Flugzeugmotor zu machen, während 1908 Henry Ford begann Vanadiumstähle für Teile wie Kurbelwellen und Ventile in seinem Modell T Ford, aufgrund ihrer höheren Festigkeit und ihrer Beständigkeit gegen hohe Temperaturen.[30] Im Jahr 1912 entwickelten die Krupp Ironworks in Deutschland einen rostresistenten Stahl durch Zugabe von 21% Chrom und 7% Nickeldie erste produzieren rostfreier Stahl.[31]

Andere

Aufgrund ihrer hohen Reaktivität wurden die meisten Metalle erst im 19. Jahrhundert entdeckt. Eine Methode zum Extrahieren von Aluminium aus Bauxit wurde vorgeschlagen von Humphry Davy im Jahr 1807 mit einem elektrischer Bogen. Obwohl seine Versuche erfolglos waren, erreichte der erste Verkauf von reinem Aluminium 1855 den Markt. Allerdings da Rohstoffmetallurgie In den Kinderschuhen stand die meisten Aluminium-Extraktionsprozesse, die unbeabsichtigte Legierungen produzierten, die mit anderen im Erz gefundenen Elementen kontaminiert sind. Der am häufigsten vorkommende Kupfer. Diese Aluminium-Kupper-Legierungen (zu der Zeit, die als "Aluminiumbronze" bezeichnet wurde) gingen dem reinen Aluminium vor, was eine größere Festigkeit und Härte über dem weichen, reinem Metall lieferte und in geringem Maße hitzebehandelbar war.[32] Aufgrund ihrer Weichheit und begrenzten Härtbarkeit fanden diese Legierungen jedoch wenig praktische Verwendung und waren eher eine Neuheit, bis die Wright Brothers verwendete eine Aluminiumlegierung, um 1903 den ersten Flugzeugmotor zu bauen.[30] Während der Zeit zwischen 1865 und 1910 wurden Prozesse zum Extrahieren vieler anderer Metalle entdeckt, wie Chrom, Vanadium, Wolfram, und Iridium, Kobalt, und Molybdänund verschiedene Legierungen wurden entwickelt.[33]

Vor 1910 bestand die Forschung hauptsächlich aus Privatpersonen, die in ihren eigenen Labors bastelten. Als die Flugzeuge und die Automobilindustrie zunahm, wurden die Forschungen zu Legierungen in den Jahren nach 1910 als neu zu einer industriellen Anstrengung Magnesiumlegierungen wurden für Kolben entwickelt und Räder in Autos und Topf Metall für Hebel und Knöpfe und Aluminiumlegierungen, die für entwickelt wurden Flugzeugzellen und Flugzeughäute wurden in Gebrauch gebracht.[30]

Siehe auch

Verweise

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Literaturverzeichnis

  • Buchwald, Vagn Fabritius (2005). Eisen und Stahl in der Antike.Det Kongelige Danske Videnskabernes Selskab. ISBN 978-87-7304-308-0.

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