Metall

„Elektrisch leitfähig“, „hochfest“, „magnetisch“, „Licht reflektierend“, „gieß- und umformbar“, „korrosionsbeständig“: Das Eigenschaftsspektrum metallischer Werkstoffe ist riesig. Metalle haben die zivilisatorische Entwicklung des Menschen durch alle Epochen begleitet. Erste Funde deuten auf die erstmalige Verwendung in Anatolien vor rund 12000 Jahren hin. Die Entdeckung der Vorteile bestimmter Werkstoffe und die Entwicklung von Techniken zu deren Gewinnung gaben ganzen geschichtlichen Zeiträumen einen Namen. „Kupfersteinzeit“, „Bronzezeit“, „Eisenzeit“ so die Verwendungshistorie der Metalle. In der Kupferzeit haben die Menschen zunächst in Vorderasien Verfahren zur Verhüttung von Kupfererzen entwickelt. 1500 Jahre später waren sie imstande, harte Bronzelegierungen, also Mischmetalle aus Kupfer und Zinn, zu erzeugen. Völker, die im 2. Jahrtausend vor Christus die Verarbeitung von Bronze beherrschten, konnten sich gegenüber denen durchsetzen, die noch auf primitive Waffen und Werkzeuge aus Stein oder Kupfer angewiesen waren. Gehärteter Stahl hat das beeindruckende Alter von 3000 Jahren. Die Römer bauten ihre Vormachtstellung im Mittelmeerraum auf Waffen aus Eisen auf, die wesentlich härter waren als die aus Bronze. So folgten die Machtkonstellationen in der Antike der Fertigkeit im Umgang mit den jeweils am weitesten entwickelten metallischen Werkstoffen. Die Verarbeitung von Gold war schon in Troja und bei den Kelten bekannt. Silber wurde von den Römern auf der iberischen Halbinsel abgebaut. Mit dem Untergang des Römischen Reiches gerieten auch einige Erkenntnisse zur Verarbeitung metallischer Werkstoffe in Vergessenheit. Erst im 14. Jahrhundert setzte der mittelalterliche Mensch die Verhüttung von Eisen in Holzkohlehochöfen ein. Mit der Erfindung der Kokshochöfen zur Stahlerzeugung und der Dampfmaschine nahm die industrielle Revolution des 18. und 19. Jahrhunderts ihren Anfang. Eisen und Stahl waren ihre prominentesten Werkstoffe.

Heute haben neben Metallen vor allem auch Kunststoffe und Keramiken eine große Bedeutung für technische Anwendungen. Produkte müssen in den hoch entwickelten Industrienationen kostengünstig herzustellen sein und auf den Anwendungsfall exakt eingestellt werden können. Vor diesem Hintergrund ist die Bedeutung von Kunststoffen in den letzten 50 Jahren enorm gestiegen. Durch die sich verschärfenden ökologischen Anforderungen werden immer häufiger Karosserieelemente im Fahr- und Flugzeugbau durch hochfeste, faserverstärkte Polymerwerkstoffe ersetzt. Der nächste Entwicklungsschub wird insbesondere im Bereich der Verbundmaterialien erwartet, da sich die heutigen komplexen Anforderungsprofile nur noch durch Kombination unterschiedlicher Materialien erreichen lassen. So wird an Metallverbünden mit einer ausgesprochen hohen Härte geforscht, die aber gleichzeitig wenig Gewicht aufweisen sollen. Außerdem sind hochtemperaturbeständige Metalllegierungen für die Luft- und Raumfahrttechnik besonders interessant.

Einteilung der Werkstoffe

Obwohl die Bedeutung metallischer Werkstoffe in den letzten Jahren zugunsten von Kunststoffen und Materialverbünden nachgelassen hat, teilt man in der Wissenschaft traditionell immer noch die Werkstoffe in die Hauptgruppen „Metalle“, „Nichtmetalle“ und „Verbundwerkstoffe“ ein:

Charakteristische Eigenschaften von Metallen

Ein massives Stück Metall erscheint auf den ersten Blick als homogener Stoff. Betrachtet man seine Oberfläche unter dem Mikroskop, zeigt sich eine kristalline Struktur. Dieses Gefüge besteht aus Kristalliten, winzigen Körpern aus regelmäßig angeordneten Atomen. Dem kristallinen Aufbau haben Metalle ihr besonderes Eigenschaftsprofil zu verdanken, die sie zu nahezu universell einsetzbaren Werkstoffen gemacht hat. Kristallgitter bestehen aus positiv geladenen Atomrümpfen und freien, negativ geladenen Teilchen, den Elektronen. Diese sind keinem bestimmten Atom zugeordnet, sondern bewegen sich frei in einer Wolke im Kristallgitter umher und halten die Atomrümpfe fest zusammen. Metalle weisen daher eine hohe Festigkeit auf. Charakteristisch ist die gute Leitfähigkeit für elektrische Ströme, die auf die delokalisierten, frei beweglichen Elektronen im Metallgitter zurückzuführen ist. Auch die gute thermische Leitfähigkeit geht auf das Vorhandensein des Elektronengases zurück. Wärme entsteht und breitet sich aus, wenn sich Elektronen frei bewegen können. Lichtstrahlen hingegen werden durch die Elektronen nahezu vollständig reflektiert, so dass Metalle einen starken Glanz aufweisen, undurchsichtig sind und für die Fertigung von Spiegelflächen genutzt werden können. Die gute Verformbarkeit metallischer Werkstoffe kann mit dem leichten Versetzen ganzer Atomreihen im Kristallgitter erklärt werden. Verharren die Atome in ihrer neuen Position, spricht man von einer plastischen Verformung. Bei elastischer Verformung springen die Atome nach Rücknahme der Belastung jedoch in ihre Ausgangssituation zurück. Auch die hohen Schmelztemperaturen von Metallen kann man mit dem besonderen Bindungscharakter erklären. Durch die frei beweglichen Elektronen lassen sich allseitig ausgerichtete Bindungskräfte ausmachen, was den Zusammenhalt auch bei hohen Temperaturen gewährleistet.

Neben den außerordentlichen physikalischen weisen Metalle in aller Regel auch gute chemische Eigenschaften auf. Besonders Edelmetalle reagieren wenig bis gar nicht auf atmosphärische Einflüsse, Feuchtigkeit oder chemische Substanzen. Gold und Silber oxidiert nicht und erhält den charakteristischen metallischen Glanz, was sie für Schmuckstucke seit jeher besonders beliebt macht. Es existiert aber auch unedle Metalle wie Eisen, die mit der in der Umgebungsluft enthaltenen Feuchtigkeit reagieren, Oxidschichten ausbilden und anlaufen. Bei Eisenwerkstoffen wird die Oxidschicht Rost genannt. Um unedle Metallwerkstoffe vor Korrosion zu schützen, werden sie mit Beschichtungen versehen (z. B. Chrom) oder mit anderen Elementen legiert. Edelstahle enthalten in vielen Fällen Legierungselemente wie Chrom oder Nickel, die dem Werkstoff eine nicht rostende Oberfläche verleihen.

Legierungen

Verbindungen aus mehreren Metallen werden als Legierungen bezeichnet. Schon früh hatte man erkannt, dass sich die Eigenschaften metallischer Werkstoffe durch Zulegieren anderer Bestandteile optimieren lassen. So weisen Legierungen ein in manchen Merkmalen verbessertes oder sogar vollkommen andersartiges Eigenschaftsprofil auf als der Ausgangswerkstoff. Legierungen sind härter als das reine Metall, korrosionsbeständiger oder warmformbeständiger; Eigenschaften also, die für technische Anwendungen besonders benötigt werden. Daher werden heute in der Hauptsache Legierungen verarbeitet. Der reine metallische Werkstoff kommt nur selten zum Einsatz. Für Schmuck wäre zum Beispiel 100 %iges Reingold überhaupt nicht zu verwenden, da es weich und extrem dehnbar ist. Aus diesem Grund wird es mit Kupfer und Silber auflegiert. Die rötlich-gelbe Goldlegierung 333 besteht beispielsweise zur Hälfte aus Kupfer und zu einem Sechstel aus Feinsilber. 935er Silber wird wegen der guten Verarbeitungsqualitäten gerne für Korpuswaren eingesetzt (siehe Foto). Zur Beschreibung der Zusammensetzung einer Legierung sind in der werkstoffwissenschaftlichen Bezeichnung die einzelnen Bestandteile und ihre Anteile in Prozent aufgeführt. So enthält Messing CuZn28 zum Beispiel 72 % Kupfer und 28 % Zink.

Verarbeitung metallischer Werkstoffe

Auf Grund der großen Bedeutung metallischer Werkstoffe wurde in den letzten Jahrhunderten eine Vielzahl industrieller und handwerklicher Techniken zu ihrer Verarbeitung entwickelt.

Formgebung

Die wichtigsten urformenden Verfahren direkt aus der Metallschmelze sind das Sandgießen, das Kokillengießen, das man für die Herstellung von Zinnfiguren aus dem eigenen Hobbykeller kennt, oder das Druckgießen von beispielsweise komplexen Gehäuseelementen (z. B. Kupplungsgehäuse oder Waffeleisen). Das Feingießen findet Anwendung zur Massenherstellung von Kleinteilen mit komplexen Formgeometrien und geringen Wandstärken, wenn insbesondere eine hohe Oberflächenqualität gefordert ist. Es ist für nahezu alle Metalllegierungen geeignet. Stranggießen ist das bevorzugte Verfahren zur Überführung der Schmelze in Halbzeugprofile. Werden großvolumige und rotationssymmetrische Bauteile benötigt, ist das Schleudergießen geeignet. Hier wird das flüssige Metall in eine rotierende Kokille eingebracht und durch die Fliehkraft an den Außenrand gedrückt, wo es schließlich erstarrt. In den letzten Jahren haben sich darüber hinaus einige Techniken entwickelt, die insbesondere für den Gestaltungsbereich von Interesse sein können. Hier sei das Schäumen von Aluminium genannt, das als sehr interessantes Material für Außenfassaden seit einiger Zeit in der Szene kursiert. Auf Grund der Möglichkeit zur freien Formgebung wurden außerdem generative Verfahren wie das Lasersintern, das Lasermelting oder das 3D-Printing zur Verarbeitung von Metallpulvern qualifiziert.

Umformen

Metallische Werkstoffe liegen in aller Regel als Halbzeuge wie Platten, Rohre, Stangen, Bleche oder Bänder vor, die entweder umgeformt oder zerspant werden. Für die spanlose Umformung haben die Techniken Biegen, Tiefziehen, Stauchen und Schmieden eine hohe Bedeutung. Druckumformtechnologien wie Walzen, Schmieden, Fließ- oder Strangpressen dienen insbesondere der Weiterverarbeitung von Bauteilen in großen Stückzahlen. Auch bei den umformenden Verfahren wurden neue Techniken entwickelt, die besondere Potenziale für den Gestaltungsbereich aufweisen. So ist es mittlerweile möglich, metallische Blechteile aufzublasen und somit komplexe Rohrstrukturen sehr effizient herzustellen. Eine andere interessante Technologie ist das Explosionsformen. Die Schockwellen einer Sprengstoffdetonation werden auf ein Bauteil übertragen und verformen selbst hochfeste Werkstoffe in Bruchteilen einer Sekunde. Da die Umformkräfte nicht wie beim Tiefziehen durch die Größe der Presse begrenzt sind, gibt es fast keine Einschränkung bei den maximalen Bauteilabmaßen.

Zerspanen und Schneiden

Die Liste der zerspanenden Trennverfahren ist lang: Drehen, Bohren, Fräsen, Hobeln, Räumen, Sägen, Stanzen und Schleifen sind übliche Techniken. Darüber hinaus finden chemische und elektrochemische Abtragungsverfahren wie das Metallätzen Verwendung. Graviertechniken sind vor allem für die Beschriftung von Blechzuschnitten geeignet. In den letzten Jahren hat sich außerdem der Laserstrahl als sehr flexibles Hilfsmittel für den hochpräzisen Zuschnitt von Bauteilen mit kleinen Stückzahlen als besonders effizient herausgestellt. Schnittfugen von 0,1-0,3 mm sind realisierbar, die sich bei Blechen mit einer Materialstärke von weniger als 1 mm auf einen Wert von etwa 50 Mikrometer reduzieren lassen. Der Laserstrahl hat in manchen Bereichen die traditionellen Gravier- und Ätztechniken ersetzt und eignet sich zudem zum Strukturieren von Bauteiloberflächen.

Fügen

Verbinden lassen sich Teile aus Metall durch Schweißen, Löten, Schrauben oder Nieten. Außerdem wurde die Klebtechnik weiter entwickelt, so dass sie sich als Alternative für viele Fügeverbindungen an temperaturempfindlichen Bauteilen etabliert hat. Derzeit wird zudem an speziellen Klebstoffen mit elektrisch leitenden Eigenschaften geforscht. Eine interessante Technik zum Schweißen von zwei metallischen Bauteilen ist das Vibrationsschweißen. Hier werden die Oberflächen gegeneinander gerieben, bis sie durch die entstehende Reibungswärme erweichen und zähflüssig werden. Die Fügeverbindung entsteht nach Erstarren der Bauteiloberflächen. Es wird kein zusätzliches Material benötigt. Die Eigenschaft metallischer Werkstoffe, sich nach Erwärmung relativ stark ausdehnen, wird häufig für das Einpassen von rotationssymmetrischen Bauteilen in Bohrungen oder für das Aufbringen von Ringen auf Wellen verwendet. Der Ring wird erwärmt, aufgeschoben und bleibt fest auf der Welle sitzen, wenn er sich beim Abkühlen zusammenzieht. Zum Einpassen in eine Bohrung ist es üblich, das Bauteil stark abzukühlen. Es wird dann leicht eingeführt, dehnt sich nach Erwärmung wieder aus und bleibt fest stecken.

Beschichten und Veredeln

Für den Korrosions- und Verschleißschutz oder zur Erzeugung interessanter Oberflächeneffekte werden Metallbauteile beschichtet. Überzüge entstehen beispielsweise beim Galvanisieren (z. B. Verchromen) oder Tauchen in die Metallschmelze (z. B. Feuerverzinken). Nichtmetallische Schichten werden durch Oxidieren, Phosphatieren oder Emaillieren (Glasieren) erzeugt und natürlich auch durch den Auftrag von Lacken oder Farben. Insbesondere der Tampondruck hat sich für das Bedrucken von dreidimensional geformten Bauteiloberflächen bewährt. Metalle lassen sich außerdem auch auf einfache Weise mit einer Polymerschicht überziehen. Hier ist das Wirbelsintern ein geeignetes Verfahren. Das Metallteil wird auf eine Temperatur zwischen 100 °C und 300 °C erwärmt und in einen Behälter gehalten, in dem Kunststoffpulver verblasen wird. Die Partikel bleiben an der aufgrauten Oberfläche haften, schmelzen auf und bilden nach Abkühlung einen festen Kunststofffilm. Ein hervorragendes Verfahren, um Aluminiumbauteile mit einer farbigen Oxidschicht zu versehen, ist das Anodisieren, das auch unter dem Begriff Eloxieren bekannt ist. Die Verarbeitungshinweise zu metallischen Werkstoffen beschränke sich daher auf einfache handwerkliche Verfahren, die ohne aufwändige Ausstattung und teures Werkzeug ausgeführt werden können. Detaillierte Informationen zu allen Verarbeitungstechnologien der metallischen Werkstoffe werden im „Handbuch für technisches Produktdesign“ gegeben.