Legeringer: Styrken i Blandingen

I metallernes verden er de rene grundstoffer sjældent alene om at opfylde alle vores behov. Ofte er det nødvendigt at kombinere dem med andre grundstoffer for at opnå materialer med specifikke, forbedrede egenskaber. Disse kombinationer kaldes legeringer. En legering defineres som et stof med metalliske egenskaber, der er sammensat af to eller flere grundstoffer, hvoraf mindst ét skal være et metal. Tænk på velkendte materialer som bronze, messing og stål – de er alle eksempler på legeringer, der har formet vores historie og teknologi.

Mens nogle vigtige legeringer har gamle, velkendte navne som bronze (kobber og tin), messing (kobber og zink) og stål (jern og kulstof), betegnes de fleste ved deres handelsnavne, deres præcise procentuelle sammensætning eller simpelthen ved deres primære bestanddel. Tag for eksempel en almindelig sølvske. Den består typisk af omkring 93 % sølv og 7 % kobber. En aluminiumdåse er primært aluminium (99 %) med en lille tilsætning af mangan (1 %). Disse eksempler illustrerer, hvordan selv små mængder af et andet grundstof kan skabe et nyt materiale med andre karakteristika.

Hvorfor Lave Legeringer? Forbedrede Egenskaber

En af de primære årsager til at fremstille legeringer er at forbedre de rene metallers egenskaber. En legering har typisk større hårdhed og styrke end det rene metal, den er baseret på. Det er forbløffende, hvor stor effekt selv små tilsætninger kan have. For eksempel omdannes smedejern til hærdbart stål blot ved at legeres med 0,6 % kulstof. Austenitisk rustfrit stål, som er kendt for sin korrosionsbestandighed, får sin flydespænding øget med hele 50 % ved legering med kun 0,4 % kvælstof.

Men det er ikke kun de mekaniske egenskaber som hårdhed, styrke og massefylde, der ændres. De kemiske, elektriske og termiske egenskaber påvirkes også markant. Rent kobber er en fremragende leder af både elektricitet og varme, men dets ledningsevne reduceres betydeligt ved legering. En tilsætning af blot 0,01 % fosfor til kobber kan sænke den elektriske ledningsevne med hele 15 %. Grundstoffer, der selv i små mængder ændrer legeringens egenskaber på en uønsket måde, kaldes urenheder. Kontrol over tilsætninger er altså afgørende for at opnå de ønskede resultater.

Klassificering af Legeringer

Legeringer kan klassificeres efter antallet af grundstoffer, de består af:

• Binære legeringer: Består af to grundstoffer. Messing (kobber og zink) er et klassisk eksempel.
• Ternære legeringer: Består af tre grundstoffer. Typemetal (bly, antimon og tin), der tidligere blev brugt meget i trykkeribranchen, er et eksempel.
• Kvaternære legeringer: Består af fire grundstoffer. Rødgods (kobber, zink, tin og bly), ofte brugt til ventiler og fittings, er et eksempel.

Mange moderne legeringer indeholder endnu flere grundstoffer. Som nævnt tidligere indeholder rustfrit stål typisk seks hovedbestanddele: jern, chrom, nikkel, kulstof, mangan og silicium, udover eventuelle spormængder af andre elementer.

Fremstilling af Legeringer

Legeringer fremstilles typisk ved at blande de forskellige komponenter. Den mest almindelige metode er smeltning, hvor grundstofferne opvarmes til deres smeltepunkter og blandes i flydende form. Når blandingen afkøles, størkner den til den færdige legering.

Ved fremstilling i en digel (en varmebestandig beholder) nedsmeltes den komponent, der har det højeste smeltepunkt, først. Derefter tilsættes de andre stoffer gradvist. For at lette processen og sikre en mere homogen blanding anvendes ofte forlegeringer, som er legeringer med en kendt sammensætning, der kan smeltes ved lavere temperaturer eller er lettere at blande med hovedkomponenten.

Udover smeltning findes der andre metoder til fremstilling af legeringer. Pulvermetallurgi involverer blanding af pulveriserede metaller og andre stoffer, der derefter komprimeres og sintres (opvarmes til lige under smeltepunktet), så partiklerne binder sig sammen. Elektrolytisk udfældning er en proces, hvor metaller og andre grundstoffer udfældes fra en elektrolytisk opløsning på en overflade, og derved danner en legering.

Forstå Legeringer med Tilstandsdiagrammer

For at forudsige og forstå, hvordan forskellige grundstoffer blander sig, og hvilke faser der opstår ved forskellige temperaturer og sammensætninger, benytter man tilstandsdiagrammer. Disse diagrammer afbilder de optrædende faser i ligevægt ved et bestemt tryk (typisk 1 atm atmosfærisk tryk).

Nogle få grundstoffer, som kobber og nikkel, eller guld og sølv, kan blandes i næsten ethvert forhold i fast tilstand. Dette resulterer i dannelsen af homogene, enfasede legeringer, også kaldet faste opløsninger. Betingelserne for, at to grundstoffer kan opnå fuldstændig blandbarhed i fast tilstand, er ret specifikke:

1. De to grundstoffer skal have samme krystalstruktur.
2. Atomdiametrene af de to grundstoffer må ikke afvige mere end cirka 15 % fra hinanden.
3. De skal stå tæt på hinanden i det periodiske system, hvilket indikerer lignende kemiske egenskaber.

Jo større afvigelse fra disse regler, jo vanskeligere bliver det at opnå enfasede legeringer. I stedet begynder der at optræde nye faser eller endda kemiske forbindelser mellem grundstofferne. For eksempel viser kobber-zink-tilstandsdiagrammet, at der kan eksistere hele fem forskellige faste faser afhængigt af sammensætning og temperatur. Jern-kulstof-diagrammet, som er fundamentalt for forståelsen af stål, viser tre faste faser (ferrit, austenit, perlit/bainit/martensit) og en kemisk forbindelse, cementit (Fe₃C).

Mange tilstandsdiagrammer indeholder et eutektikum. Et eutektikum er en specifik sammensætning af en legering, hvor to (eller flere) komponenter mødes, og som har et lavere smeltepunkt end nogen af de rene komponenter eller andre legeringer med samme grundstoffer. Ved eutektisk temperatur størkner legeringen som en homogen blanding af to faste faser direkte fra den flydende fase.

Ikke alle legeringer er homogene i fast tilstand. Et eksempel på en heterogen legering er sterlingsølv, som er en legering af sølv og kobber. De to metaller er meget lidt opløselige i hinanden i fast tilstand. De legeringer, der normalt anvendes (f.eks. 92,5 % sølv, 7,5 % kobber), består derfor af de to krystallinske metaller tæt sammenblandede, men stadig som separate korn eller domæner.

Anvendelse og Variationer

Legeringer finder anvendelse i utallige produkter og industrier. I smykker og mønter kan man variere legeringens sammensætning for at opnå forskellige egenskaber som lødighed (renhed), farve og slidstyrke. For eksempel kan 18 karat guldsmykker, som indeholder 75 % guld, have en grøngul farve, hvis de resterende 25 % primært er sølv. Er de resterende 25 % derimod primært kobber, får guldet en varmere, rødlig farve.

Sølvbestik, der ofte er lavet af sterlingsølv, opnår en varmere rød nuance og ikke mindst større hårdhed og slidstyrke ved at være legeret med kobber, sammenlignet med bestik lavet af rent sølv, som ville være for blødt til daglig brug.

Intermetalliske Forbindelser

I forbindelse med legeringer støder man også på begrebet intermetalliske forbindelser. Disse er karakteristiske ved at have veldefinerede krystalstrukturer, som er forskellige fra krystalstrukturerne af de rene komponenter. De har en specifik, ofte stechiometrisk, sammensætning. For eksempel danner kobber og zink inden for et bestemt interval (typisk 48-50 % zink) den intermetalliske forbindelse β-messing, der har en omtrentlig sammensætning CuZn. I daglig tale og i mange anvendelser skelnes der dog ikke skarpt mellem begreberne intermetallisk forbindelse og legering; intermetalliske forbindelser betragtes ofte som en speciel type fase, der kan optræde i legeringer.

Sammenfattende er legeringer uundværlige materialer, der muliggør skabelsen af produkter med egenskaber, som de rene metaller alene ikke kan tilbyde. Fra bygningskonstruktioner til højteknologisk elektronik er legeringer fundamentet for moderne samfund.

Sammenligning af Nogle Almindelige Legeringer

Ofte Stillede Spørgsmål om Legeringer

Hvad er forskellen på et rent metal og en legering?
Et rent metal består kun af ét grundstof (f.eks. rent jern, rent kobber). En legering er en blanding af to eller flere grundstoffer, hvoraf mindst ét er et metal. Legeringer har typisk andre, ofte forbedrede, egenskaber sammenlignet med de rene metaller.

Hvorfor bruger man legeringer i stedet for rene metaller?
Legeringer bruges, fordi de kan have egenskaber, som rene metaller mangler, f.eks. større styrke, hårdhed, korrosionsbestandighed, lavere smeltepunkt eller specifikke elektriske eller termiske egenskaber. Dette gør dem mere velegnede til mange tekniske og industrielle anvendelser.

Hvordan laves legeringer typisk?
Den mest almindelige metode er at smelte de forskellige komponenter sammen i en beholder og derefter lade blandingen størkne. Andre metoder inkluderer pulvermetallurgi og elektrolytisk udfældning.

Hvad betyder det, at en legering er binær, ternær eller kvaternær?
Det refererer til antallet af grundstoffer, legeringen består af. Binær = 2 grundstoffer, Ternær = 3 grundstoffer, Kvaternær = 4 grundstoffer.

Hvad bruges tilstandsdiagrammer til inden for legeringer?
Tilstandsdiagrammer er grafiske værktøjer, der viser, hvilke faser (faste, flydende) der eksisterer i en legering ved forskellige temperaturer og sammensætninger under ligevægtsforhold. De er afgørende for at forstå legeringers opførsel under fremstilling og brug.

Hvis du vil læse andre artikler, der ligner Legeringer: Styrken i Blandingen, kan du besøge kategorien Opskrifter.