Materialien und Legierungen: Eigenschaften, Anwendungen und Kunststoffe

Materialien und ihre Anwendungen

Materialien sind Stoffe, aus denen Dinge hergestellt werden. Jedes Material besitzt physikalische, chemische und mechanische Eigenschaften, die es für einen bestimmten Zweck besonders geeignet machen. Zu den mechanischen Eigenschaften von Materialien zählen Härte, Zähigkeit, Elastizität, Verformbarkeit und Plastizität.

Ihre Eigenschaften machen sie für den jeweiligen Einsatzbereich geeignet. Materialien können leicht und energieeffizient recycelt werden, ohne die Umwelt zu belasten. Ziel ist ein Zero-Waste-Ansatz im Umwandlungsprozess.

Metalle und Legierungen

Was sind Metalle?

Metalle sind chemische Elemente, die sich durch ihre geringe Anzahl an Elektronen in den äußeren Schalen auszeichnen und elektromagnetische Eigenschaften besitzen. Sie sind dehnbar, verformbar, wärme- und elektrisch leitfähig sowie elastisch.

Metalllegierungen

Metalllegierungen entstehen durch die Mischung eines Metalls mit einem oder mehreren anderen Metallen oder Nichtmetallen. Sie verbessern die mechanischen Eigenschaften reiner Metalle. Oft ist der Schmelzpunkt von Legierungen niedriger als der ihrer einzelnen Komponenten.

Sowohl Metalle als auch Legierungen sind gute elektrische Leiter und werden häufig für thermische Anwendungen eingesetzt. Legierungen werden in Eisen- und Nichteisenmetalle eingeteilt, je nachdem, ob Eisen der Hauptbestandteil ist oder andere Metalle.

Eisenmetalle und Eisenlegierungen

Eisenlegierungen gehören zu den am häufigsten verwendeten Materialien, da Eisen leicht zu gewinnen ist und eine Vielzahl von physikalischen, chemischen und mechanischen Eigenschaften ermöglicht. Klassifiziert werden sie als:

Eisen

Reines Eisen enthält weniger als 0,03 % Kohlenstoff. Es hat nur sehr wenige industrielle Anwendungen, da es leicht korrodiert und eine geringe mechanische Festigkeit aufweist.

Stahl

Stahl ist eine Legierung aus Eisen und Kohlenstoff. Der Kohlenstoffanteil liegt zwischen 0,03 % und 1,75 %. Stähle können geschmiedet und wärmebehandelt werden, um ihre mechanischen Eigenschaften zu verändern. Stähle werden nach ihrem Legierungsanteil klassifiziert:

• Kohlenstoffstahl

  Besteht hauptsächlich aus Eisen und Kohlenstoff, kann aber geringe Mengen anderer metallischer oder nichtmetallischer Elemente enthalten.

• Legierter Stahl

  Enthält neben Eisen und Kohlenstoff auch nennenswerte Mengen anderer Metalle wie Nickel, Chrom oder Molybdän.

Gusseisen

Gusseisen sind Eisen-Kohlenstoff-Legierungen, die nicht schmiedbar sind. Sie sind leicht formbar, da ihre Schmelztemperaturen zwischen 1150 und 1300 °C liegen.

Wärmebehandlungen

Dies sind Verfahren, die durch Heiz- und Abkühlvorgänge die mechanischen Eigenschaften von Metallen und Legierungen verändern, ohne ihre chemische Zusammensetzung zu beeinflussen.

Edelstahl

Edelstahl wird im Gesundheitswesen und für Besteck verwendet. Er bietet eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit, da er mit Sauerstoff reagiert und eine schützende Passivschicht bildet.

Nichteisenmetalle und Nichteisenlegierungen

Dies sind Metalle und Legierungen, die kein Eisen enthalten oder nur in geringen Mengen. Nichteisenlegierungen werden nach ihrem Hauptbestandteil klassifiziert und weisen andere Eigenschaften auf als Eisenlegierungen. Sie sind oft leichter und weniger anfällig für Oxidation und Korrosion.

Kupfer und seine Legierungen

Reines Kupfer ist weich, korrosionsbeständig und ein ausgezeichneter elektrischer Leiter. Durch Legieren werden seine mechanische Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit verbessert. Messing ist eine Legierung aus Kupfer und Zink.

Zinklegierungen

Zinklegierungen sind vielseitig einsetzbar.

Nickel- und Kobalt-Superlegierungen

Sie sind beständig gegen hohe Temperaturen und weisen eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit auf.

Leichtmetalllegierungen

Dies sind Legierungen mit geringer Dichte. Ein Beispiel hierfür sind Aluminiumlegierungen. Aufgrund ihres geringen Gewichts und ihrer guten mechanischen Festigkeit werden sie in der Raumfahrt eingesetzt. Aluminiumlegierungen haben eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit und sind gute elektrische Leiter.

Berylliumlegierungen

Sie zeichnen sich durch ein gutes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht und ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit aus.

Titanlegierungen

Ihre Eigenschaften ähneln denen von Berylliumlegierungen. Sie sind biokompatibel, haben einen sehr hohen Schmelzpunkt, sind duktil und schmiedbar.

Magnesiumlegierungen

Dies sind die leichtesten der genannten Legierungen. Sie werden in der Luftfahrt eingesetzt. Ihre Korrosionsbeständigkeit ähnelt der von Aluminiumlegierungen, jedoch zersetzen sie sich in salzhaltigen Umgebungen.

Kunststoffmaterialien (Polymere)

Polymere: Definition und Herkunft

Polymere sind organische Stoffe mit hohem Molekulargewicht, die hauptsächlich aus langen Kohlenstoff- und Wasserstoffketten bestehen.

Rohstoffe für Kunststoffe

Der wichtigste Rohstoff für die Herstellung der meisten Kunststoffe ist Erdöl. Kohlenwasserstoffe sind organische Verbindungen, die hauptsächlich aus Kohlenstoff- und Wasserstoffketten bestehen. Diese Ketten können linear, verzweigt oder sogar geschlossen sein und bilden die Ausgangsmaterialien für die meisten Monomere.

Monomere

Monomere sind einfache Moleküle, die kovalent miteinander verbunden werden können, um lange Molekülketten (Polymere) zu bilden. Sie sind die Grundlage für die Herstellung von Polymeren mit unterschiedlichen Eigenschaften und Anwendungen.