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Was sind Nichteisenmetalle?

Nichteisenmetalle sind Legierungen oder Metalle, die keine nennenswerten Mengen an Eisen enthalten. Alle reinen Metalle sind Nichteisenmetalle, mit Ausnahme von Eisen (Fe), das auch Ferrit genannt wird, vom lateinischen „ferrum“, was „Eisen“ bedeutet.

Nichteisenmetalle sind in der Regel teurer als Eisenmetalle, werden aber wegen ihrer wünschenswerten Eigenschaften gerne verwendet. Einige Nichteisenmetalle zeichnen sich durch geringes Gewicht (Aluminium), hohe Leitfähigkeit (Kupfer), nicht-magnetische Eigenschaften oder Korrosionsbeständigkeit (Zink) aus. Manche Nichteisenmetalle werden in der Eisen- und Stahlindustrie verwendet, wie z. B. Bauxit, das als Flussmittel in Hochöfen eingesetzt wird. Andere Nichteisenmetalle, darunter Chromit, Pyrolusit und Wolframit, werden zur Herstellung von Eisenlegierungen verwendet. Allerdings haben viele Nichteisenmetalle einen niedrigen Schmelzpunkt, wodurch sie für Anwendungen bei hohen Temperaturen weniger geeignet sind.

Es gibt eine große Anzahl von Nichteisenmetallen, d.h. Metallen und Legierungen, die kein Eisen enthalten. Zu den Nichteisenmetallen gehören Aluminium, Magnesium, Kupfer, Blei, Nickel, Zinn, Titan und Zink, sowie Kupferlegierungen wie Messing und Bronze. Andere seltene oder wertvolle Nichteisenmetalle sind Gold, Silber und Platin, Kobalt, Quecksilber, Wolfram, Beryllium, Wismut, Cer, Cadmium, Niob, Indium, Gallium, Germanium, Lithium, Selen, Tantal, Tellur, Vanadium und Zirkonium.

Nichteisenmetalle werden normalerweise aus Mineralien wie Karbonaten, Silikaten und Sulfiden gewonnen, bevor sie durch Elektrolyse raffiniert werden.

Der Unterschied zwischen Eisen- und Nichteisenmetallen ist, dass Eisenmetalle Eisen enthalten. Eisenhaltige Metalle, wie z. B. Gusseisen oder Kohlenstoffstahl, haben einen hohen Kohlenstoffgehalt, der sie im Allgemeinen anfällig für Rost macht, wenn sie Feuchtigkeit ausgesetzt werden. Dies gilt jedoch nicht für Schmiedeeisen, das aufgrund seiner Reinheit rostfrei ist, und für rostfreien Stahl, der durch die Anwesenheit von Chrom vor Korrosion geschützt ist.

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Nichteisenmetalle in der antiken Geschichte

Nichteisenmetalle waren die ersten Metalle, die von den Menschen für die Metallurgie verwendet wurden. Kupfer, Gold und Silber waren für die frühen Menschen attraktive Materialien, zumal diese Metalle nicht so korrosionsanfällig waren wie Eisenmetalle.

Kupfer war das erste Metall, das bereits in der „Kupferzeit“, d.h. zwischen der Jungsteinzeit und der Bronzezeit geschmiedet und zu Gegenständen geformt wurde. Die Anwendungsmöglichkeiten von Kupfer, Silber und Gold waren denen von Holz und Stein überlegen, da diese Metalle durch Gießen oder Schmieden in eine Vielzahl von Formen gebracht werden konnten. Die Seltenheit dieser Metalle bedeutete allerdings, dass sie oft nur für Luxusgegenstände verwendet wurden. Die Herstellung von Bronze durch die Legierung von Kupfer mit Zinn führte zur „Bronzezeit“, die auf die Kupferzeit folgte.

Nichteisenmetalle und Recycling

Nichteisen-Metallschrotte werden in der Regel recycelt und bilden einen wichtigen Teil des Hüttenwesens, in dem neue Metalle unter anderem aus Schrottmaterialien hergestellt werden. Dies kann das Umschmelzen und Umgießen von Nichteisenmetallen beinhalten. Recycelte Nichteisenmetalle werden aus industriellem Schrott, ausrangierten Teilen (z. B. Kupferkabel) und sogar aus Partikelemissionen gewonnen.

Verwendungen und Eigenschaften

Nichteisenmetalle werden für viele gewerbliche, industrielle und private Anwendungen eingesetzt. Dabei ist oft eine sorgfältige Materialauswahl nach ihren mechanischen Eigenschaften erforderlich, einschließlich der Frage, wie leicht das Metall geformt werden kann und ob seine Eigenschaften dabei z.B. durch Kaltverfestigung verändert werden.

Viele der Eigenschaften von Eisenmetallen finden sich in Nichteisenwerkstoffen wieder, so können Aluminium- oder Titanlegierungen in einigen Fällen Stahl ersetzen, und die magnetischen Eigenschaften von Eisen können durch Kobalt, Nickel oder seltene Erden, die zu deren Legierungen beigemischt wurden, nachgeahmt werden.

Da Nichteisenmetalle jedoch oft teurer sind, werden sie eher wegen ihrer einzigartigen Eigenschaften verwendet, als einfach als Ersatz für Stahl. Zu diesen Attributen gehören ein geringeres Gewicht, Leitfähigkeit, Korrosionsbeständigkeit und nicht-magnetische Eigenschaften. Nichteisenmetalle sind auch weicher und formbarer als Eisenmetalle, was bedeutet, dass sie auch ästhetische Anwendungen bieten können, wie bei Gold und Silber.

Zu den Eigenschaften einiger Nichteisenmetalle gehören:

  • Leichte Verarbeitbarkeit (einschließlich Bearbeitbarkeit, Gießen und Schweißen)
  • Hohe Korrosionsbeständigkeit
  • Gute thermische und elektrische Leitfähigkeit
  • Geringe Dichte
  • Nicht-magnetisch
  • Farbenfroh

Nichteisenmetalle und Guss

In Gießereien kann sowohl aus Nichteisenmetallen als auch aus Eisen entweder ein Gussstück als Fertigteil hergestellt werden oder ein Barren als Zwischenform gegossen werden, bevor dieser extrudiert, geschmiedet, gewalzt, geknetet oder in die gewünschte Form bearbeitet wird. Nichteisenmetalle werden durch diese Prozesse stärker als Eisenwerkstoffe beeinflusst, was bedeutet, dass die Eigenschaften von gegossenen oder gekneteten Formen desselben Metalls oder derselben Legierung unterschiedlich sein können.

Es ist wichtig, das richtige Metall und die dafür geeigneten Produktionsmethoden zu wählen, um ein Gleichgewicht zwischen Eigenschaften und Kosten zu erhalten. Gussteile können aus Nichteisenmetallen, Grauguss oder Stahlguss hergestellt werden, wobei Nichteisenmetalle unter anderem aufgrund ihrer Ästhetik, ihres geringen Gewichts, ihrer Korrosionsbeständigkeit und ihrer nicht-magnetischen Eigenschaften vorteilhaft sind, obwohl sie meist eine geringere Zugfestigkeit als Stahl haben. Materialien wie Bronze oder Messing werden oft aufgrund ihres Aussehens oder ihrer Tradition ausgewählt.

Gängige Nichteisenmetalle und Legierungen

Es gibt viele verschiedene Nichteisenmetalle und -legierungen, da sie aus jedem Metall bestehen können, das kein Eisen enthält. Die Eigenschaften und allgemeinen Verwendungsmöglichkeiten einiger der häufigsten Nichteisenmetalle sind wie folgt:

1. Kupfer

Kupfer wird seit Tausenden von Jahren von den Menschen verwendet und ist in der Industrie immer noch weit verbreitet. Durch die Hinzunahme von Kupferlegierungen, Messing (Kupfer und Zink) und Bronze (Kupfer und Zinn) haben sich die Verwendungsmöglichkeiten dieses Nichteisenmetalls noch erweitert (siehe unten für Details zu diesen Legierungen).

Zu den Eigenschaften von Kupfer und seinen Legierungen gehören hohe Wärmeleitfähigkeit, hohe elektrische Leitfähigkeit, gute Korrosionsbeständigkeit und hohe Duktilität.

Diese Eigenschaften haben dazu geführt, dass Kupfer und seine Legierungen für Wärmetauscher und Heizkessel, als elektrischer Leiter in Kabeln oder Motoren, als Dachmaterial, für Sanitärarmaturen sowie für Töpfe und Statuen verwendet werden.

Kupfer oxidiert im Laufe der Zeit zu einer gelben bis rotbraunen oder schwarzen Farbe oder bildet eine grüne Patina (umgangssprachlich Grünspan).

2. Aluminium

Aluminium ist ein wichtiges Metall, das aufgrund seines geringen Gewichts und seiner leichten Bearbeitbarkeit in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt wird. Obwohl es ein relativ teures Material ist, ist Aluminium auch das Grundmetall für viele Legierungen.

Aluminium ist korrosionsbeständig und ein guter Wärme- und Elektrizitätsleiter (wenn auch weniger gut als Kupfer), außerdem besitzt es eine gute Dehnbarkeit und Verformbarkeit.

Das geringe Gewicht von Aluminium macht es perfekt für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt und im Automobilbau sowie für den Einsatz in Yachten. Aluminium findet sich auch in Fahrradrahmen, Kochtöpfen und Getränkedosen.

3. Blei

Blei wurde im Laufe der Jahrhunderte für eine Reihe von Anwendungen verwendet, unter anderem für Kugeln, in Brennstoffen und sogar in Farben. Es stellte sich jedoch heraus, dass es ungesund ist, wenn es in die Atmosphäre freigesetzt wird, während andere Anwendungen den Benutzern ebenfalls Schaden zufügten.

Blei ist das schwerste gängige Metall und ist korrosionsbeständig. Es reagiert auch nicht mit vielen Chemikalien und ist weich und verformbar.

Obwohl viele seiner früheren Verwendungen nicht mehr erlaubt sind, wird Blei immer noch häufig für Batterien, Stromkabel und Säuretanks verwendet.

4. Zink

Zink wird seit Jahrhunderten als Legierungselement verwendet, insbesondere zur Legierung von Stahl für eine Reihe von Zwecken sowie zur Legierung von Kupfer zur Herstellung von Messing.

Die Verzinkung von Materialien mit Legierungselementen verleiht ihnen eine höhere Rostbeständigkeit, so dass es für Maschendrahtzäune, Geländer, Hängebrücken, Laternenpfähle, Metalldächer, Wärmetauscher und Autokarosserien verwendet wird. Zink wird auch als Opferanode beim kathodischen Schutz (CP) und als Anodenmaterial für Batterien verwendet. Zinkoxid wird auch als Weißpigment in Farben und zur Wärmeableitung bei der Gummiherstellung verwendet.

5. Silber

Silber wird seit Jahrhunderten als Edelmetall verwendet. Mit der höchsten elektrischen Leitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit und Reflektivität aller Metalle ist Silber auch beim Erhitzen weich und formbar und weist eine hohe Korrosionsbeständigkeit auf.

Neben der Verwendung als Schmuck und Zahlungsmittel findet man Silber auch in Solarzellen, in der Wasserfiltration, in elektrischen Kontakten und Leitern sowie in der Glasmalerei und sogar in speziellen Süßwaren.

6. Gold

Gold ist ein weiteres Edelmetall, das für Schmuck und Münzen verwendet wird. Gold ist das formbarste aller Metalle und außerdem dehnbar und resistent gegen Korrosion und viele andere chemische Reaktionen.

Aufgrund seiner elektrischen Leitfähigkeit wird Gold in Computergeräten sowie zur Infrarotabschirmung, zur Herstellung von Farbglas, für Blattgold und auch zur Zahnrestauration verwendet.

7. Titan

Titan wurde erstmals 1791 entdeckt und bietet eine gute Korrosionsbeständigkeit und das höchste Verhältnis von Festigkeit zu Dichte aller metallischen Elemente. Im unlegierten Zustand ist es so fest wie einige Stähle, hat aber eine geringere Dichte.

Es kann mit Metallen wie Eisen und Aluminium legiert werden, um starke und dennoch leichte Legierungen für die Luft- und Raumfahrt, den Automobilbau, die Landwirtschaft, das Militär, die Medizin und den Sport sowie für Schmuck und Mobiltelefone herzustellen.

Legierungen

Legierungen mischen ein Metall mit einem Element, um die Eigenschaften oder die Ästhetik zu verbessern, wie z. B. bei Messing, das eine Mischung aus Kupfer und Zink ist. Legierungen können sowohl eisenhaltig als auch nichteisenhaltig sein, obwohl Nichteisenmetalle eine Oberflächenbehandlung zum Schutz oder zur Verbesserung des Aussehens eines legierten Produkts erfordern können.

Häufige Nichteisenlegierungen sind Bronze und Messing, die seit der Bronzezeit gegossen werden. Diese Legierungen schmelzen bei niedrigeren Temperaturen als Eisenwerkstoffe und lassen sich gut gießen, was sie ideal für dekorative Anwendungen macht. Obwohl sie weicher sind als Stahl, sind Bronze und Messing korrosionsbeständig, selbst in Gegenwart von Salz, und werden daher häufig für Beschläge auf Booten verwendet. Messing ist auch resistent gegen „Aufreiben“, wenn das Metall gegen sich selbst verschleißt. Das bedeutet, dass Messing auch für mechanische Teile verwendet werden kann und zu Gegenständen wie Schlössern, Lagern und Reißverschlüssen verarbeitet werden kann. Bronze ist härter als Messing, obwohl beide ziemlich teuer sind, da sie auf Kupfer basieren. Messing wird als Legierung aus Kupfer und Zink hergestellt, während Bronze eine Legierung aus Kupfer mit Aluminium und/oder Nickel ist.

Fazit

Seit Tausenden von Jahren verwenden die Menschen verschiedene Nichteisenmetalle für unterschiedliche Zwecke. Die Anwendungen für diese vielseitigen Materialien reichen von dekorativen Zwecken bis hin zu Elektronik, Luft- und Raumfahrt und darüber hinaus.

Nichteisenmetalle sind zwar in der Lage, die Eigenschaften einiger Eisenmetalle zu imitieren, werden aber in der Regel aufgrund ihrer eigenen einzigartigen Eigenschaften ausgewählt. Zu diesen Eigenschaften gehören geringes Gewicht, nicht-magnetische Eigenschaften und Korrosionsbeständigkeit. Sie sind in der Regel leichter umformbar als Eisenmetalle als Eisenmetalle, so dass sie für dekorative Zwecke, wie z. B. Schmuck oder Statuen, verwendet werden können.

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