Die Wahl des richtigen Metalls ist entscheidend für das Gleichgewicht zwischen Produktionskosten, struktureller Integrität und Langlebigkeit. In der modernen industriellen Fertigung werden Metalle grob in zwei Hauptkategorien unterteilt: Eisenmetalle (auf Eisenbasis) und Nichteisenmetalle (eisenfrei). Dieser umfassende Leitfaden bietet einen Überblick über die 20 wichtigsten Industriemetalle, ihre jeweiligen Eigenschaften und ihre idealen Anwendungsbereiche in der Praxis, um Ihnen eine fundierte Materialauswahl zu ermöglichen.
Drei Arten von Eisenmetallen
Jedes Metall mit hohem Eisengehalt und magnetischen Eigenschaften ist ein Eisenmetall. Die Härte, Haltbarkeit und Zugfestigkeit von Eisenmetallen sind in der Fertigung weit verbreitet.
Ihre Eigenschaften eignen sich gut für Wolkenkratzer, Brücken, Eisenbahnen und Fahrzeuge. Sie kommen sowohl der Industrie als auch der Architektur zugute. Stahl, Gusseisen und Schmiedeeisen sind die drei am weitesten verbreiteten Arten von Eisenmetallen.
Stahl
Stahl ist eine Eisenlegierung, die einen genau festgelegten Kohlenstoffanteil (in der Regel weniger als 2%) enthält, um die Zugfestigkeit und Bruchzähigkeit im Vergleich zu reinem Eisen deutlich zu verbessern. Industriestähle werden im Allgemeinen in vier Hauptkategorien eingeteilt.
Kohlenstoffstahl
Kohlenstoffstahl weist in der Regel eine stumpfe, matte Oberfläche auf und ist unbehandelt sehr korrosionsanfällig. Man unterscheidet drei Arten: kohlenstoffarmer, kohlenstoffhaltiger und hochkohlenstoffhaltiger Stahl, wobei der kohlenstoffarme Stahl etwa 0,30 Prozent Kohlenstoff, der kohlenstoffhaltige 0,60 Prozent und der hochkohlenstoffhaltige 1,5 Prozent enthält.
Legierter Stahl
Bei legiertem Stahl werden mehrere Metalle wie Nickel, Kupfer und Aluminium kombiniert. Legierte Stähle werden bevorzugt für Automobilteile, Rohrleitungen, Schiffsrümpfe und mechanische Projekte verwendet. Sie sind billiger und widerstehen der Korrosion besser. Die Konzentration der Bestandteile bestimmt die Festigkeit dieser Legierungen.
Rostfreier Stahl
Edelstahl ist mit Abstand das beliebteste Material auf dem Markt. Diese Sorte ist glänzend und enthält 10 bis 20% Chrom als Hauptlegierungsbestandteil. Dieser Chromgehalt bildet eine passive Schutzschicht, die die Korrosionsbeständigkeit erheblich verbessert und gleichzeitig eine hervorragende Verformbarkeit für vielfältige Fertigungsprozesse gewährleistet.
Werkzeugstahl
Werkzeugstahl ist bekannt für seine Härte sowie seine Hitze- und Verschleißfestigkeit. Legierungen dieser Kategorie sind für die Herstellung von hochbelastbaren Werkzeugen, Maschinenwerkzeugen und industriellen Schneidgeräten optimiert. Durch die Legierung mit Kobalt, Molybdän und Wolfram weisen Werkzeugstähle unter hohen Belastungen eine außergewöhnliche Warmhärte, thermische Stabilität und Verschleißfestigkeit auf.
Anwendung: Bleche für tiefgezogene Karosserien, Geräte, Bauwesen, Eisenbahnschienen und Drähte.
Gusseisen
Es handelt sich um eine Eisenlegierung, die 2 bis 4% Kohlenstoff, variable Mengen an Silizium und Mangan sowie Spuren von Schwefel und Phosphor enthält. Sie wird in Hochöfen durch chemische Reduktion von Eisenerz hergestellt.
Ideale industrielle Anwendungsbereiche:
Automobilindustrie: Motorblöcke, Zylinderköpfe und Bremsscheiben (aufgrund ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit).
Bauwesen und Schwermaschinen: Stützhalterungen, Maschinenfundamente und Hochleistungsrohre (aufgrund ihrer hohen Dichte und ihrer schwingungsdämpfenden Eigenschaften).
Schmiedeeisen
Schmiedeeisen ist eine hochformbare Eisenlegierung mit einem sehr geringen Kohlenstoffgehalt (weniger als 0,08%). Im Gegensatz zu sprödem Gusseisen enthält Schmiedeeisen mikroskopisch kleine Schlackefasern, die ihm eine einzigartige, holzähnliche ‘Maserung’ verleihen. Diese faserige Struktur macht es außergewöhnlich zäh, korrosionsbeständig und leicht zu schmieden oder zu verschweißen, um komplexe Formen zu erzielen.
Anwendung:
Herstellung von Rohren
Stangen für Stehbolzen
Motorbolzen
Nieten
Platten
Einzigartige Ketten
Kranhaken
Andere Schmiedeanwendungen
Klassifizierung: 17 wichtige Nichteisenmetalle
Nichteisenmetalle sind Metalle oder Legierungen, die in der Metallurgie keine nennenswerten Mengen an Eisen enthalten. Nichteisenlegierungen werden für Anwendungen ausgewählt, bei denen entscheidende Leistungsmerkmale gefragt sind, darunter ein hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, hervorragende elektrische und thermische Leitfähigkeit, Nichtmagnetismus sowie außergewöhnliche Korrosionsbeständigkeit. Sie sind oft teurer als Eisenmetalle.
Aluminium
Aluminium ist ein silbriges Metall, das weich und leicht ist. Es hat die Ordnungszahl 13 und gehört zur Bor-Gruppe des Periodensystems. Aluminium ist das am häufigsten vorkommende Metall in der Erdkruste und nach Sauerstoff und Silizium das dritthäufigste Element. Es macht 8% des Gewichts der festen Oberfläche der Erde aus.
Aluminium ist sowohl ein hervorragender Wärme- als auch ein hervorragender Stromleiter. Es ist ein Leichtmetall, dessen Dichte und Festigkeit nur ein Drittel derjenigen von Stahl betragen. Aufgrund seiner hohen Duktilität und Formbarkeit lässt sich Aluminium hervorragend bearbeiten und kann problemlos zu komplexen Profilen gegossen oder stranggepresst werden.
Anwendung:
Stromleitungen
Hochhäuser
Fensterrahmen
Unterhaltungselektronik
Haushalts- und Industriegeräte
Luftfahrzeugkomponenten
Komponenten des Raumfahrzeugs
Schiffe
Züge
Persönliche Fahrzeuge
Nickel
Es hat eine silberweiße Farbe, eine glänzende Oberfläche und einen goldenen Schimmer. Nickel wird aufgrund seiner Formbarkeit und Korrosionsbeständigkeit als nützlich angesehen. Nickel wird hauptsächlich aus zwei Arten von Lagerstätten gewonnen: magmatischen Sulfiden und Lateriten.
Nickel kann sich mit Stahl, Eisen, Kupfer, Chrom, Aluminium, Blei, Kobalt, Silber, Gold und anderen Metallen verbinden. So entstehen rostfreier Stahl, Gusseisen und andere Legierungen.
Nickel ist ein häufiger Bestandteil bei der Herstellung von Legierungen. Es ist auch wichtig für das Transportwesen, die Luft- und Raumfahrt, die Schifffahrt, die Architektur und Konsumgüter. Es ist nützlich bei der Herstellung von Besteck, Münzen, Magneten und anderen Metallen.
Kupfer
Cu ist ein Übergangsmetall mit der Nummer 29 im Periodensystem. Es hat ein Atomgewicht von 63,55 AMU und 29 Neutronen (atomare Masseneinheiten). Es ist ein dehnbares, verformbares, rötlich-goldenes Metall, das außerdem ein guter Wärme- und Stromleiter ist. Kupfer war das erste Metall, mit dem die Menschen umgingen, und es ist auch heute noch eines der am häufigsten vorkommenden Metalle.
**Anwendungsbereiche:** Kupfer kommt häufig in Drähten, Kühlkörpern, Elektromagneten und Elektromotoren zum Einsatz. Es wird außerdem für Bauteile und Rohre verwendet. Kupfer eignet sich hervorragend für diese Anwendungen, da es an der Luft oxidiert und dabei eine schützende Patina bildet, die tiefgreifende Korrosion verhindert.
Messing
Messing ist ein rotfarbenes Nichteisenmetall, das aus Kupfer-Zink-Legierungen hergestellt wird. Durch Variieren des Kupfer-Zink-Verhältnisses lassen sich die Eigenschaften des Materials verändern und seine mechanischen sowie elektrischen Eigenschaften gezielt anpassen. Als Substitutionslegierung können die Atome beider Bestandteile denselben Platz im Kristallgitter einnehmen.
Anwendungen: Messing lässt sich gut gießen und ist robust und attraktiv. Aufgrund seines hohen Kupfergehalts hat es außerdem antibakterielle Eigenschaften. Messing ist ein beliebtes Material für Musikinstrumente, dekorative Verzierungen, Verschlüsse, Geschosshülsen und vieles mehr.
Bronze
Bronze ist eine Metalllegierung, die hauptsächlich aus Kupfer besteht und 12% Zinn enthält. Daneben haben Aluminium, Arsen, Mangan, Phosphor und Silizium besondere Eigenschaften.
Zu den wichtigsten Arten von Bronzelegierungen gehören:
Verbleite Bronze
Phosphor Bronze
Aluminium-Bronze
Silizium-Bronze
Mangan-Bronze
Bronze hat viele besondere Eigenschaften, die sie für verschiedene Verwendungszwecke ideal machen, von der Kunst bis zur Computertechnik. Bronze hat einen rötlich-braunen Farbton, ist komplex und spröde und hat eine Schmelztemperatur von 950 Grad Celsius.
Anwendungen: Aufgrund seiner Eigenschaften eignet sich Bronze sowohl für praktische als auch für ästhetische Zwecke, z. B. in der Schifffahrt und Fischerei. Werften entscheiden sich bei vielen Booten und Schiffen für Beschläge und Propeller aus Bronze. Das liegt daran, dass Bronze eine hohe Korrosionsbeständigkeit aufweist.
Einige Bronzelegierungen eignen sich hervorragend für elektrische Anwendungen, da sie Strom gut leiten. Das Material hat eine geringe Metall-Metall-Reibung, was für hochbelastete Anwendungen wie Buchsen und Lager ideal ist. Dies gilt auch für die Verwendung in Buchsen und Lagern.
Zink
Zink (Zn) ist ein vielseitiges Element, das sowohl in der Industrie als auch in der Biologie weit verbreitet ist. Bei Raumtemperatur ist es spröde und bläulich-weiß, zeigt jedoch nach dem Polieren eine glänzende metallische Oberfläche.
Zink ist ein Primärmetall, das hauptsächlich zum Verzinken von Stahl verwendet wird, um diesen vor Korrosion zu schützen. Zinklegierungen wie Messing werden in vielen Bereichen verwendet. Sie eignen sich hervorragend für korrosionsbeständige Schiffsteile und auch für Musikinstrumente.
Anwendungen: Verzinkter Stahl wird für Autokarosserien, Straßenbeleuchtungsmasten, Sicherheitsbarrieren und Hängebrücken verwendet.
Druckgussteile sind für die Automobil-, Elektro- und Eisenwarenindustrie von entscheidender Bedeutung. Sie benötigen eine Menge Zink. Messing, Neusilber und Aluminiumlot sind allesamt Legierungen, die Zink enthalten.
Zinkoxid ist in vielen Produkten enthalten. Dazu gehören Farben, Gummi, Kosmetika, Medikamente und Kunststoffe. Man findet es auch in Tinten, Seifen, Batterien, Textilien und elektrischen Geräten. In Leuchtfarben, Leuchtstoffröhren und Röntgenschirmen wird Zinksulfid verwendet.
Silber
Ag ist ein glänzendes weißes Metall mit guter elektrischer Leitfähigkeit und ästhetischer Ausstrahlung. Es gehört zusammen mit Gold und den Platingruppenmetallen zu den sogenannten Edelmetallen.
Mit Silber werden gedruckte elektrische Schaltungen hergestellt und elektronische Leiter durch Aufdampfen beschichtet. Der Grund dafür ist, dass Silber von allen Metallen die höchste elektrische und thermische Leitfähigkeit hat. Es kann auch eine Legierung mit Nickel oder Palladium zur Verwendung in elektrischen Verbindungen aufweisen.
Anwendungen: Silber wird seit langem für die Herstellung von Münzen, Dekorationen und Schmuck verwendet. Die Menschen verwenden Silber als Katalysator. Es kann Ethylen mit hoher Effizienz in Ethylenoxid umwandeln. Diese Verbindung ist ein wichtiger Baustein für viele Chemikalien.
Gold
Au ist ein reichhaltiges, leuchtend gelbes Edelmetall, das zur Gruppe 11 (Ib) der Periode 6 gehört. Es hat mehrere Eigenschaften, die es im Laufe der Geschichte sehr wertvoll gemacht haben. Es hat eine schöne Farbe und einen hohen Glanz. Es ist nahezu unzerstörbar und sehr flexibel. In der Natur ist es meist in reiner Form zu finden. Gold hat eine Geschichte wie kein anderes Metall, da es seit Anbeginn der Zeit als wertvoll angesehen wird.
Anwendungen: Gold ist vor allem für die Herstellung von Geld, Dekorationen, Schmuck und Vergoldung bekannt. Grüngold ist eine beliebte Wahl für Schmuck. Es ist eine Legierung aus Gold, Silber und Kupfer mit Karatwerten zwischen 14 und 18 Karat.
Gold ist auch in der Textilbranche beliebt. In Elektronenröhren werden vergoldete Gitterdrähte verwendet. Diese Konstruktion erhöht die Leitfähigkeit und verringert die Sekundäremissionen.
Blei
Blei (Pb) ist ein Schwermetall, das eine höhere Dichte als die meisten anderen Metalle hat. Es ist weich und biegsam und hat einen niedrigen Schmelzpunkt. Blei ist silbrig mit einem Hauch von Blau, wenn es frisch geschnitten ist; es läuft zu einer grauen Farbe an, wenn es der Luft ausgesetzt wird.
Anwendungen: Wir verwenden Blei in:
Autobatterien
Pigmente
Munition
Kabelummantelung
Gewichte heben
Gewichtsgürtel für Taucher
Bleikristallglas
Strahlenschutz
Blei eignet sich für die Lagerung ätzender Flüssigkeiten. Der Architekt verwendet Blei in Glasfenstern und für Dächer.
Kobalt
Es ist ein wenig bekanntes Metall mit vielen Verwendungsmöglichkeiten, interessanten Fakten und einzigartigen Merkmalen. Es ist eines der Elemente des d-Blocks oder der Übergangsmetalle im Periodensystem.
Wie viele andere Übergangsmetalle kommt auch Kobalt in der Regel in Form einer Legierung vor. Kobalt wird in der Regel im Bergbau gewonnen. Der Kongo und Sambia auf dem afrikanischen Kontinent sind berühmt für den Kobaltabbau.
Anwendung: Da Kobalt, ebenso wie Eisen, magnetisch sein kann, ist die Herstellung von Magneten ein Beispiel für die Verwendung von Kobalt. Aber eine Legierung mit Aluminium und Nickel ergibt starke Magnete.
Hochtemperaturanwendungen wie Düsenturbinen und Gasturbinengeneratoren gehören ebenfalls zu den Einsatzgebieten von Kobalt. Sein attraktives Aussehen, seine Härte und seine Korrosionsbeständigkeit machen es zu einem beliebten Material für die Galvanotechnik.
Seit Jahrtausenden verwenden die Menschen Kobaltsalze in Farben, Porzellan, Glas, Töpferwaren und Emaillen, um schöne blaue Farben zu erzeugen. Einige Länder verwenden Kobalt-60, ein radioaktives Isotop, um Krebs zu heilen und Lebensmittel zu bestrahlen, um sie haltbar zu machen.
Platin
Platin ist ein nicht reaktives Metall, das in der Natur in geringen Mengen vorkommt. Es ist ein Edelmetall wegen seiner hervorragenden Korrosionsbeständigkeit, auch bei hohen Temperaturen. Mit einer durchschnittlichen Häufigkeit von etwa 5 μg/kg ist es eines der seltensten Elemente in der Erdkruste.
Nickel- und Kupfererze haben bestimmte Mengen. Der größte Teil des weltweiten Angebots, etwa 80%, stammt aus einheimischen Lagerstätten in Südafrika.
Anwendungen: Platin ist in der Schmuckindustrie weit verbreitet. Es wird vor allem in Katalysatoren für Autos, Lastkraftwagen und Busse verwendet. In der chemischen Industrie wird Platin als Katalysator für Salpetersäure, Silikon und Benzol verwendet. Auch Brennstoffzellen verwenden Platin als Katalysator, um ihre Effizienz zu steigern.
Platin wird auch häufig in der Elektronikbranche für Computerfestplatten und Thermoelemente verwendet. Optische Fasern und LCDs, Turbinenschaufeln, Zündkerzen, Herzschrittmacher und Zahnfüllungen werden alle aus Platin hergestellt.
Platinverbindungen sind für die Krebsbehandlung von entscheidender Bedeutung. Forscher verwenden sie sowohl in der Industrie als auch in der Biologie.
Zinn
Es ist ein korrosionsbeständiges, silbriges, weiches und verformbares Metall. Es bindet sich an eine Vielzahl von chemischen Molekülen. Cassiterit und Stannin sind die wichtigsten Zinnminerale. Man findet sie in Malaysia, Thailand, Zaire, Indonesien und Bolivien. Durch Reduktion von Kohle wird reines Zinn gewonnen. Dieses Datenblatt befasst sich mit den Eigenschaften und Verwendungsmöglichkeiten von Zinn.
Anwendungen: Um Korrosion zu verhindern, muss es hochglanzpoliert werden und beschichtet andere Metalle, wie z. B. Zinndosen, die mit Zinn beschichteten Stahl haben. Zinnlegierungen, wie Weichlot, Zinn, Bronze und Phosphorbronze, werden ebenfalls für Zinn verwendet. Supraleitende Magnete müssen ebenfalls eine Niob-Zinn-Legierung enthalten.
Um eine ebene Oberfläche zu schaffen, stellen die Hersteller das meiste Fensterglas her, indem sie geschmolzenes Glas über geschmolzenem Zinn schweben lassen. Ein Sprühnebel aus Zinnsalzen bildet Beschichtungen auf der Glasoberfläche, die Strom leiten.
Wolfram
Es ist ein Übergangsmetall, das im Periodensystem in derselben Spalte wie Chrom und Molybdän steht. Das schwerste Mitglied dieser Gruppe ist Wolfram, das eine Atommasse von 183 Gramm pro Mol hat.
Wolfram hat den höchsten Schmelzpunkt aller Metalle und verstärkt andere Metalle. In der Metallverarbeitung, im Bergbau und in der Erdölindustrie wird Wolframkarbid eingesetzt, weil es sehr hart ist. Durch Erhitzen von Wolfram- und Kohlenstoffpulver auf 2200 °C und deren Kombination entsteht das Material.
In der Vergangenheit wurde Wolfram häufig für Glühfäden in Glühlampen verwendet; diese wurden jedoch weltweit aufgrund ihrer geringen Lichtausbeute und der übermäßigen Wärmeabgabe weitgehend aus dem Verkehr gezogen.
Wolfram und seine Legierungen werden in vielen Hochtemperaturanwendungen eingesetzt. Dazu gehören Lichtbogenschweißelektroden und Teile für Hochtemperaturöfen.
Schneid- und Bohrwerkzeuge aus Wolframkarbid sind außergewöhnlich. Dazu gehört ein neuer "schmerzfreier" Zahnbohrer, der sich mit sehr hoher Geschwindigkeit dreht. Für Leuchtstoffröhren werden häufig Kalzium- und Magnesiumwolframate verwendet.
Titan
Es ist ein leichtes, hochfestes, korrosionsarmes Strukturmetall, das als Legierung in Hochgeschwindigkeits-Luftfahrtkomponenten verwendet wird.
Es ist reichlich vorhanden und macht 0,44 Prozent der Erdkruste aus. Fast alle Gesteine, Sand, Ton und andere Böden enthalten das Metall in irgendeiner Form. Es kann auch in Pflanzen, Tieren, natürlichen Gewässern, Tiefseeaushub, Meteoriten und Sternen vorhanden sein.
Anwendungen: Viele Branchen verwenden Titanlegierungen. Sie schätzen sie wegen ihrer geringen Dichte und ihrer Fähigkeit, extremen Temperaturen zu widerstehen. Man findet sie in Flugzeugen, Raumfahrzeugen und Raketen. Auch Golfschläger, Laptops, Fahrräder und Krücken enthalten Titan.
In Kraftwerkskondensatoren wird Titan wegen seiner Korrosionsbeständigkeit verwendet. Es unterstützt auch Entsalzungsanlagen. Außerdem schützt es die Rümpfe von Schiffen, U-Booten und anderen Salzwasserstrukturen. Dies ist auf seine hohe Korrosionsbeständigkeit im Meerwasser zurückzuführen.
Das Metall Titan verbindet sich gut mit dem Knochen. Daher wird bei chirurgischen Eingriffen häufig Titan verwendet. Dazu gehören Gelenkersatz, insbesondere Hüftgelenke, und Zahnimplantate.
Titan wird am häufigsten in Form von Titan(IV)-oxid verwendet. Es ist in einer Vielzahl von Produkten enthalten, z. B. in Anstrichmitteln, Künstlerfarben, Kunststoffen, Emaille und Papier. Da es die UV-Strahlung daran hindert, die Haut zu erreichen, enthalten auch Sonnenschutzmittel Titan.
Palladium
Als eines der vier wichtigsten Edelmetalle ist Palladium ein äußerst volatiler Rohstoff, dessen Preisentwicklung maßgeblich von der Nachfrage nach Katalysatoren für Kraftfahrzeuge und der Angebotsdynamik in der Industrie bestimmt wird. Es ist nach wie vor ein wesentlicher Bestandteil von Abgasreinigungssystemen für Pkw und Lkw.
In Autoabgaskatalysatoren wird Palladium mehr als jedes andere Material verwendet. Bestimmte Zahnfüllungen und -kronen sowie Schmuck. Laptops und Handys enthalten Keramikkondensatoren. Sie stellen eine Möglichkeit dar, Palladium in der Elektronik zu verwenden. Die Hersteller stellen sie aus Palladiumschichten her, die zwischen Keramikschichten eingebettet sind.
Uran
Es ist ein Schwermetall, das seit mehr als 60 Jahren als konzentrierte Energiequelle beliebt ist. Es ist in den meisten Gesteinen in Mengen von 2 bis 4 Teilen pro Million vorhanden und kommt in der Erdkruste ebenso häufig vor wie Zinn, Wolfram und Molybdän.
Anwendungen: Kernkraftwerke nutzen Uran zur Energieerzeugung als Kernbrennstoff. Wissenschaftler konzentrieren sich auf die Herstellung anderer synthetischer Transuranelemente aus dieser Substanz. Auch das Militär verwendet es für den Antrieb von Atom-U-Booten und Waffen.
Bismut
Das metallischste und am wenigsten häufig vorkommende Element der Stickstoffgruppe ist Bismut (Bi). Bismut ist ein hartes, sprödes, glänzendes Metall mit einer groben Kristallstruktur. Seine Farbe - grau-weiß mit rötlichem Schimmer - unterscheidet es von allen anderen Metallen.
Anwendungen: In Feuermeldern und Feuerlöschern sowie in elektrischen Sicherungen und Lötmitteln wird Wismut verwendet.
Zusammenfassung
Die moderne Materialwissenschaft erforscht und entwickelt weiterhin neuartige Metalllegierungen und Verbundwerkstoffe, um den sich wandelnden Anforderungen der Industrie gerecht zu werden. Die Zukunft der Fertigung hängt von diesen neuartigen Werkstoffen ab, die in allen Branchen weltweit für höhere Effizienz, extreme Temperaturbeständigkeit und mehr Nachhaltigkeit sorgen.
Der heutige Artikel konzentriert sich jedoch auf die zwanzig Metalle, die die Menschen weltweit am häufigsten verwenden. Wir haben sie in eisenhaltige und nicht eisenhaltige Gruppen eingeteilt. Außerdem haben wir die Anwendungen für jedes dieser Metalle aufgezeigt.