Eisen- und Nichteisenmetalle: vollständiger Leitfaden für Einsteiger

Eisenmetalle basieren auf Eisen. Nichteisenmetalle basieren auf anderen Metallen, ihre Legierungen können jedoch Eisen als Zusatz oder Verunreinigung enthalten. Die Einteilung allein bestimmt weder Festigkeit noch Korrosionsbeständigkeit oder magnetisches Verhalten.

Beispiele für Eisenmetalle sind:

1. Stahl
2. Nichtrostender Stahl
3. Gusseisen
4. und Schmiedeeisen.

Beispiele für Nichteisenmetalle:

1. Aluminium
2. Kupfer
3. Messing/Bronze
4. Gold, Silber und Platin
5. Titan

Diese Unterscheidung ist wichtig, damit Sie den richtigen Werkstoff für Ihr Projekt auswählen. Ihre Wahl beeinflusst Haltbarkeit, Leistung und Kosten über die gesamte Nutzungsdauer.

Eisen ist das Basismetall eisenhaltiger Werkstoffe. Leiten Sie mechanische oder magnetische Eigenschaften nicht aus einer einzigen Prozentgrenze ab; Legierungszusammensetzung, Gefüge und Zustand sind entscheidend.

Das Wort „ferrous“ stammt vom lateinischen „ferrum“ für Eisen. Deshalb lautet das chemische Symbol für Eisen Fe statt I. Diese lateinische Wurzel begegnet Ihnen in naturwissenschaftlichen und metallurgischen Fachbüchern.

Viele Stähle sind stark magnetisch. Manche Eisenlegierungen, darunter gängige austenitische nichtrostende Stähle, reagieren jedoch nur schwach auf einen Magneten. Eine Magnetprüfung allein identifiziert keine Legierung.

Zu den Eisenwerkstoffen gehören Sorten für Bauwerke und Maschinen. Festigkeit und Haltbarkeit hängen von Sorte, Zustand, Konstruktion und Umgebung ab.

Dichte und Korrosionsverhalten sind legierungsspezifisch. Einige Nichteisenmetalle sind dichter als Stahl. Rostanfälligkeit lässt sich nicht allein durch hohen Kohlenstoffgehalt erklären.

Weiche Baustähle haben üblicherweise niedrige Kohlenstoffgehalte; 0.05-0.25% ist ein ungefährer Bereich, keine allgemeine Spezifikation. Prüfen Sie die konkrete Sorte auf Schweiß-, Umform-, Zerspanungs- und Strukturanforderungen.

Kohlenstoff und Gefüge können die Stahlfestigkeit gegenüber reinem Eisen erhöhen. Kohlenstoff wirkt nicht als Klebstoff zwischen Atomen; die Eigenschaften hängen von Zusammensetzung und Verarbeitung ab.

Kohlenstoffstahl kann in feuchter Umgebung Korrosionsschutz benötigen. Wählen Sie Beschichtungen oder andere Maßnahmen passend zur Umgebung; nicht jedes Öl oder jeder Lack genügt für alle Anwendungen.

Legierungselemente wie Chrom, Nickel und Mangan verändern die Stahleigenschaften. Wählen Sie eine qualifizierte Sorte und Wärmebehandlung für die Anwendung; die Bezeichnung legierter Stahl belegt keine Eignung für ein Strahltriebwerk.

Sorte 4140 enthält Chrom und Molybdän bei einem nominalen Kohlenstoffgehalt von etwa 0.40%. Sie wird beispielsweise für Wellen und Zahnräder eingesetzt, wenn der vorgegebene Zustand die Konstruktionsanforderungen erfüllt.

Sorte 4130 weist einen geringeren nominalen Kohlenstoffgehalt als 4140 auf. Schweißbarkeit und Struktureignung hängen von Querschnitt, Zustand und einem qualifizierten Schweißverfahren ab.

Sorte 4340 ist ein Nickel-Chrom-Molybdän-Stahl, dessen Eigenschaften von der Wärmebehandlung abhängen. Ist 4340 besser als 4140? Vergleichen Sie geforderte Festigkeit, Zähigkeit, Abmessungen und Verarbeitung, statt grundsätzliche Überlegenheit anzunehmen.

Nichtrostender Stahl ist nicht einfach gewöhnliches Eisen. Um ihn „nichtrostend“ zu machen, wird folgender Bestandteil zugesetzt: Chrom.

Nichtrostende Stähle enthalten mindestens 10.5% Chrom. Ihre passive Oberflächenschicht kann sich unter geeigneten Bedingungen neu bilden; Verunreinigungen und aggressive Umgebungen können dennoch Korrosion verursachen.

Sorte 304

Sorte 304 enthält:

• 18% Chrom
• 8% Nickel

Sorte 304 wird in vielen Küchen- und allgemeinen Anwendungen eingesetzt. Prüfen Sie Betriebschemikalien, Temperatur, Oberflächenzustand und Fertigungsanforderungen, statt störungsfreie Leistung vorauszusetzen.

Sorte 316

Sorte 316 enthält Molybdän und kann gegenüber Sorte 304 eine höhere Beständigkeit gegen bestimmte lokale Korrosionsmechanismen bieten. Marine, chemische und medizinische Anwendungen erfordern die passende Spezifikation und eine Einsatzbewertung.

Sorte 316 ist nicht gegen Chloridangriff immun; Sorte 304 kann für manche weniger aggressiven Bedingungen geeignet sein. Berücksichtigen Sie Konzentration, Temperatur, Spalte und Oberfläche; auch Säurebeständigkeit ist mediumspezifisch.

Gusseisen enthält häufig etwa 2-4% Kohlenstoff, doch Grauguss, Sphäroguss und andere Arten unterscheiden sich. Graphitform und Matrixzustand sind entscheidend; nicht jedes Gusseisen ist gleich spröde.

Grauguss enthält Graphitlamellen, die gute Dämpfungseigenschaften verleihen. Dieser Werkstoff wird für Motorblöcke, Werkzeugmaschinenbetten und Schachtabdeckungen verwendet.

Sphäroguss erhält durch eine spezielle Behandlung eine höhere Duktilität. Seine Eigenschaften nähern sich denen von Stahl an, während die Gießbarkeit erhalten bleibt. Er wird für Rohre, Fahrzeugteile und Windenergiekomponenten eingesetzt.

Schmiedeeisen enthält sehr wenig Kohlenstoff, häufig weniger als 0.08%. Es besteht aus nahezu reinem Eisen mit faserförmigen Schlackeneinschlüssen.

Faserförmige Schlacke kann Schmiedeeisen ein maserungsartiges Bruchbild und richtungsabhängige Eigenschaften geben. Nehmen Sie keine bessere Ermüdungsbeständigkeit als bei jedem Stahl an; prüfen Sie Zustand, Fehler und Belastung.

Manche Werkzeugstahlsorten können mehr als 60 HRC nach geeigneter Wärmebehandlung erreichen. Die gewählte Härte ist mit Zähigkeit und Einsatzanforderungen abzustimmen; dies gilt nicht für jeden Werkzeugstahl.

Werkzeugstähle umfassen Sorten für unterschiedliche Härteverfahren und Anwendungen. Kosten, Verzug und Rissrisiko hängen von Sorte, Geometrie und Wärmebehandlung ab.

Schnellarbeitsstähle nutzen unterschiedliche Legierungskombinationen, um bei erhöhten Schnitttemperaturen hart zu bleiben. Nicht jede Sorte enthält dieselben Anteile an Wolfram, Molybdän, Chrom und Vanadium.

Nichteisenwerkstoffe basieren auf einem anderen Metall als Eisen. Manche enthalten gezielte Eisenzusätze oder Resteisen; eine feste Grenze von weniger als 1% ist daher keine allgemeine Definition.

Kupfernutzung und Bronzeherstellung entwickelten sich regional zu unterschiedlichen Zeiten. Archäologische Epochenbezeichnungen sind nicht als ein weltweit einheitlicher Übergangszeitpunkt zu verstehen.

Die Korrosionsbeständigkeit von Nichteisenlegierungen variiert stark mit Legierung und Umgebung. Wählen Sie für Außen- oder Marineeinsatz eine geeignete Sorte und Oberflächenbehandlung.

Nichteisen bedeutet nicht unmagnetisch: Nickel und Kobalt sind bekannte Ausnahmen. Prüfen Sie die magnetischen Eigenschaften, wenn Elektronik- oder Instrumentenanwendungen sie vorgeben.

Aluminium ist wesentlich weniger dicht als Stahl, doch Kupfer, Blei und mehrere andere Nichteisenmetalle sind keine leichten Alternativen. Vergleichen Sie die tatsächliche Legierungsdichte.

Aluminium ist heute das am weitesten verbreitete Nichteisenmetall. Reines Aluminium ist weich, lässt sich aber durch Legieren deutlich verstärken.

Sorte 6061 enthält Magnesium und Silizium. Sie bietet gute Schweißbarkeit, Umformbarkeit und mittlere Festigkeit. Durch Strangpressen lassen sich aus 6061 komplexe Profile herstellen.

Sorte 7075 ist eine hochfeste, zinkhaltige Aluminiumlegierung. Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Umformbarkeit hängen von Zustand und Produktspezifikation ab.

Aluminium bildet eine Oxidschicht, kann aber weiterhin korrodieren. Geeignetes Anodisieren kann den Schutz verbessern; wählen Sie die Behandlung nach Legierung und Belastung.

Kupfer besitzt eine hohe elektrische Leitfähigkeit. Die Referenz 100% IACS bedeutet nicht, dass jedes Reinkupferprodukt oder jede Kupferlegierung genau diesen Wert hat; Zustand und Temperatur sind relevant.

Kupfer wirkt häufig rötlich und kann an der Atmosphäre eine Patina entwickeln. Die Oberflächenfarbe allein identifiziert eine Legierung nicht zuverlässig; das Korrosionsverhalten hängt von der Umgebung ab.

Kupfer ist sehr duktil und gut verformbar. Es eignet sich für Umformen, Biegen und Ziehen.

Messinge sind Kupfer-Zink-Legierungen unterschiedlicher Zusammensetzung. Die Bereiche 60-70% Kupfer und 30-40% Zink beschreiben einige verbreitete Zusammensetzungen, nicht die gesamte Familie.

Der Zusatz von Zink erhöht die Festigkeit und senkt die Kosten gegenüber reinem Kupfer.

Einige Messingsorten lassen sich gut zerspanen, doch Zerspanbarkeit und Oberflächengüte hängen von Zusammensetzung, Zustand, Werkzeugen und Schnittdaten ab.

Ist Bronze dasselbe wie Messing? Nein: Messing gehört zur Kupfer-Zink-Familie, während Bronze Zinnbronzen und weitere Kupferlegierungsfamilien umfasst. Vergleichen Sie konkrete Sorten, statt jede Bronze als härter oder korrosionsbeständiger anzusehen.

Blei unterscheidet sich deutlich von vielen anderen Metallen. Es ist sehr weich, dicht und schwer und besitzt einen sehr niedrigen Schmelzpunkt.

Die Dichte von Blei ist für manche Strahlenschutzkonstruktionen nützlich. Erforderliche Dicke und Wirksamkeit hängen von Strahlungsenergie und Gesamtsystem ab.

Blei schmilzt bereits bei 621°F. Dadurch lässt es sich mit einfacher Ausrüstung in Formen gießen. Es ist wesentlich leichter zu schmelzen als Stahl oder Kupfer.

Zink wird vor allem als Schutzschicht eingesetzt. Beim Eintauchen von Stahl in ein Bad aus flüssigem Zink entsteht eine anhaftende Schicht zum Schutz vor Rost.

Zink hat einen niedrigen Schmelzpunkt von etwa 787°F. Zinkdruckguss ermöglicht daher die wirtschaftliche Herstellung komplexer Formen, etwa von Vergasern oder kleinen Spielzeugen.

Zinn wird für ausgewählte Beschichtungs- und Legierungsanwendungen verwendet. Die Eignung ist anhand der tatsächlichen Zusammensetzung und des vorgesehenen Einsatzes festzustellen.

Verzinnter Stahl wird für Lebensmittelverpackungen eingesetzt. Schichtintegrität, gegebenenfalls vorgeschriebener Innenlack, Lebensmittelchemie und Verpackungsanforderungen bestimmen die Eignung.

Titan und seine Legierungen bieten für ausgewählte technische Anwendungen nützliche Kombinationen aus Festigkeit, Dichte und Korrosionsbeständigkeit.

Titan bildet eine schützende Oxidschicht. Seine Beständigkeit hängt von der Umgebung ab und ist nicht grundsätzlich höher als bei jedem nichtrostenden Stahl.

Titan ist jedoch deutlich teurer als Stahl oder Aluminium. Seine Gewinnung ist aufwendig, und auch die Zerspanung ist anspruchsvoll.

Nickel dient als Basismetall und Legierungselement. Es trägt zu vielen nichtrostenden und korrosionsbeständigen Legierungen bei, doch Chrom ist für die Passivität nichtrostender Stähle zentral; die Leistung hängt von der gesamten Zusammensetzung ab.

Nickellegierungen umfassen Sorten für anspruchsvolle Temperatur- und Korrosionsbedingungen. Inconel ist eine Familie unterschiedlicher Zusammensetzungen; wählen Sie die spezifizierte Legierung, statt den Namen als einzelnen Werkstoff zu behandeln. Auch Nickelbeschichtungen erfordern geeignete Auslegung und Anwendung.

Gold wird wegen seiner Korrosionsbeständigkeit in ausgewählten Schmuck- und Elektronikanwendungen geschätzt. Das Verhalten von Goldlegierungen und beschichteten Bauteilen hängt von Zusammensetzung und Schichtqualität ab.

Silber besitzt eine sehr hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit. Die Kontaktleistung hängt auch von Oberfläche, Verschleiß, Temperatur und Konstruktion ab.

Platin wird in katalytischen, Labor- und ausgewählten medizinischen Anwendungen verwendet. Prüfen Sie Spezifikation und aktuelle Kosten; es ist nicht immer teurer als Gold.

Zerspanbarkeit hängt von Legierung, Zustand und Bearbeitung ab, nicht allein von der Einteilung als Eisenmetall. Mögliche Werkzeuge sind geeignete Hartmetall-Zerspanungswerkzeuge wie ein Hartmetall-Schaftfräser und Hartmetallbohrer; auch andere Schneidstoffe können geeignet sein.

Bleihaltige Automatenmessinge können gut zerspanbar sein, doch keine Sorte ist für jede Bearbeitung optimal. Prüfen Sie Zusammensetzungsbeschränkungen und qualifizieren Sie die Schnittdaten für das Bauteil.

Aluminiumlegierungen unterscheiden sich in der Zerspanbarkeit. Stimmen Sie Schneidstoff, Schneidengeometrie und Schmierung auf die Legierung ab, einschließlich abrasiver Bestandteile und Anhaftungsneigung.

Diamantwerkzeuge, darunter PCD-Schaftfräser, PCD-Bohrer und PCD-Reibahlen, können zu ausgewählten Nichteisenanwendungen passen. Verträglichkeit, Geometrie und Wirtschaftlichkeit sind für den tatsächlichen Werkstoff und die Bearbeitung zu prüfen.

Das Schweißen von Stahl ist ein gut etabliertes Verfahren. Zur Auswahl stehen unter anderem Lichtbogenhandschweißen, MIG, TIG und Fülldrahtschweißen. Mit geeigneter Technik lässt sich Stahl mit diesen Verfahren verbinden.

Wählen Sie beim Aluminiumschweißen qualifizierte Verfahren, Reinigung, Schutz und Zusatzwerkstoff passend zu Legierung und Verbindung. TIG und MIG sind verbreitet, doch es gibt keinen festen Wärmeeinbringungsvergleich für jede Stahl- und Aluminiumverbindung.

Beim Schweißen nichtrostender Stähle ist auf Chromverarmung zu achten. Ungeeignete Verfahren können Sensibilisierung und geringere Korrosionsbeständigkeit verursachen. Passende Zusatzwerkstoffe und kontrollierte Wärmeeinbringung helfen, die Eigenschaften der Schweißzone zu erhalten.

Baustahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt lässt sich bei mäßigen Biegeradien kalt umformen. Bleche können gestanzt, gewalzt und abgekantet werden. Die Kaltverfestigung erhöht dabei die Festigkeit in umgeformten Bereichen.

Die Umformbarkeit von Aluminium hängt von Legierung und Zustand ab. Vergleichen Sie 3003, 5052 und 7075 in ihren spezifizierten Zuständen; starkes Biegen rechtfertigt kein unqualifiziertes Erwärmen und garantiert keine Rissfreiheit.

Kupfer- und Messingsorten unterscheiden sich beim Kaltumformen. Wählen Sie Zustand, Biegeradius und Zwischenbehandlung nach erforderlicher Verformung; hohe Duktilität schließt Risse nicht aus.

Wählen Sie Legierung und Zustand nach Anforderungen an Festigkeit, Korrosion, Masse, Fertigung und Kosten. Eisen- und Nichteisenmetalle sind grobe Kategorien, keine vollständigen Auswahlregeln; das Aussehen allein identifiziert nicht jedes Metall.

1. Aluminium
2. Kupfer
3. Blei
4. Nickel
5. Zinn, Titan und Zink

Die folgenden Beobachtungen können eine Vorprüfung unbekannter Metalle unterstützen, ersetzen aber weder ein Werkstoffzeugnis noch eine geeignete Zusammensetzungsanalyse. Nutzen Sie ein passendes, kontrolliertes Identifikationsverfahren.

1. Magnetprüfung. Sie ist die schnellste Methode
2. Sichtprüfung
3. Funkenprobe
4. Gewicht und Klang