Definition Was sind Leichtmetalle?

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Leichtmetalle und ihre Legierungen haben sich etwa im Maschinenbau, in der Verpackungsindustrie, in der Luft- und Raumfahrt, im Automobilbau und in der Medizintechnik als bevorzugte Konstruktions- und Fertigungswerkstoffe etabliert. Doch was genau sind Leichtmetalle, welche besonderen Eigenschaften besitzen sie?

Als Leichtmetalle werden im Allgemeinen alle Metalle und Legierungen bezeichnet, deren Dichte unter 5,0 g/cm³ liegt. Alle anderen Metalle sind sogenannte Schwermetalle.

Zu den wichtigsten Leichtmetallen zählen:

• Aluminium

• Magnesium

• Titan

• Beryllium

• Lithium

Alle anderen Leichtmetalle spielen technische gesehen eher eine untergeordnete Rolle, da sie zumeist als Zuschlagstoffe für Legierungen verwendet werden und vor allem in der Chemietechnik sowie Elektrotechnik zum Einsatz kommen.

Was sind die wichtigsten Eigenschaften von Leichtmetallen?

Leichtmetalle lassen sich in vielen Industriefeldern ebenso bearbeiten und verarbeiten wir alle anderen Metalle. Dennoch verfügen sie u.a. im Hinblick auf Gewicht, plastische Verformbarkeit und mechanische Festigkeit über einige Besonderheiten, die nachfolgend näher beschrieben werden.

– Aluminium

Die Basis zur Herstellung von Aluminium ist Bauxit, nach Sauerstoff und Silizium das dritthäufigste Element in der Erdkruste. Obwohl der Rohstoff in ausreichendem Maße zur Verfügung steht, lässt sich reines Aluminium nur mit hohem Aufwand durch ein immens energieintensives, elektrolytisches Verfahren gewinnen.

Durch seine geringe Dichte von lediglich 2,7 g/cm³, seiner guten mechanischen Eigenschaften und der Möglichkeit, Aluminium in verschiedensten Verfahren zu verarbeiten, hat sich dieses Leichtmetall in sehr vielen Bereichen durchgesetzt und ist entsprechend häufig zu finden.

Besondere Eigenschaften von Aluminium:

• eine hohe Festigkeit und geringe Dichte und daher im Vergleich zu anderen Bauteilen, etwa aus Stahl, ein geringeres Gewicht

• sehr gut für die Warm- und Kaltumformung geeignet

• für die Herstellung von Bauteilen mit komplexen Formen geeignet da einfach zu gießen

• problemlos zu zerspanen

• gute elektrische Leitfähigkeit

• durch Oxidation auf der Oberfläche sehr korrosions- und witterungsbeständig

In welchen Bereichen wird Aluminium eingesetzt?

Aluminium wird vor allem für den Leichtbau in der Luft- und Raumfahrt, im Fahrzeugbau, in der Bauindustrie, aber auch in der Verpackungsindustrie (z. B. Aluminiumfolien und -beschichtungen von Tetra Paks) eingesetzt. Darüber hinaus findet sich der Werkstoff in einer ganzen Reihe an Halbzeugen, z. B. Bänder, Bleche, Rohre, stranggepresste Profile und Drähten. Aus Aluminium lassen sich zudem Stromleitungen (wenn es im Vergleich zu Kupfer auf ein geringeres Gewicht ankommt), Stromschienen und Kühlkörper herstellen.

Stahl

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– Magnesium

Magnesium hat eine sehr geringe Dichte von 1,74 g/cm³ und gehört zu den leichtesten Gebrauchsmetallen. Reines Magnesium hat in der Industrie kaum Bedeutung und kommt daher häufig in Legierungen vor, aus denen u.a. sehr gut Präzisionsgussteile mit geringer Wandstärke gefertigt werden können.

Besondere Eigenschaften von Magnesium:

• einfach zu gießen

• härtet gut aus

• einfach zu zerspanen

• zu 100% recyclingfähig

Für welche Bereiche eignet sich Magnesium?

Aufgrund seiner guten Verarbeitbarkeit sind Magnesiumlegierungen u.a. ideal für den Flugzeug- und Fahrzeugbau (z. B. Zylinderkopf, Getriebegehäuse, Kolben, Felgen, etc.).

Die wichtigsten Elemente von Magnesiumlegierungen sind u.a. Aluminium und Zink. Die Legierungen werden vor allem als Guss-, Gesenkschmiede- und Drehteile aus stranggepressten Stangen verwendet.

Im Gegensatz zu den meisten Leichtmetallen ist Magnesium jedoch nicht korrosionsbeständig. Außerdem hat es im Vergleich zu Aluminium eine geringere Festigkeit sowie Steifigkeit und lässt sich nur schwer kaltumformen. Beim zerspanen können überdies sehr heiße, brennbare Späne entstehen.

Definition

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– Titan

Titan hat eine Dichte von 4,5 g/cm3 und bringt im Vergleich zu allen anderen Leichtmetallen mit das höchste Gewicht auf die Waage. In der Erdkruste kommt es fast ausschließlich chemisch gebunden als Bestandteil von Mineralien vor. Der Werkstoff hat in Bezug zu seiner geringen Dichte eine sehr hohe Festigkeit. Entsprechend ist Titan nur schwer zerspanbar und auch ansonsten schwer zu bearbeiten, was sich auch in den Kosten von Bauteilen und Komponenten aus diesem Material niederschlägt.

Besondere Eigenschaften von Titan:

• Korrosionsbeständigkeit

• Beständigkeit gegenüber Säuren und Laugen

• gute Umformbarkeit, allerdings aufgrund der hohen Zähigkeit schwieriger als Aluminium

• hohe Zugfestigkeit

Wo wird Titan vor allem eingesetzt?

Titan wird nicht nur in der Luft- und Raumfahrt sowie im Fahrzeugbau für den Leichtbau besonders beanspruchter Bauteile, sondern insbesondere auch in der Medizintechnik für Implantate und Prothesen sehr geschätzt.

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– Beryllium

Beryllium verfügt über eine geringe Dichte von 1,85 g/cm³ und eine hohe Steifigkeit. Daher kann Beryllium nur mit speziellen Verfahren umgeformt werden. Der Werkstoff wird in der Medizintechnik zur Herstellung von Röntgenröhren verwendet und dient als Konstruktionswerkstoff in Legierungen mit Aluminium für beanspruchte, aber dennoch sehr leichte Bauteile in der Luft- und Raumfahrtechnik. Beryllium hat eine hohe Wärmekapazität und wurde daher seinerzeit u. a. für die Bremsen des Space Shuttles verwendet. Allerdings ist Beryllium auch sehr giftig, sodass beim Umgang mit diesem Werkstoff spezielle Sicherheitsmaßnahmen erforderlich sind.

Besondere Eigenschaften von Beryllium als Element in Kupfer-Beryllium-Legierungen:

• hohe Festigkeit

• zur Herstellung funkenfreier Werkzeuge geeignet, z. B. für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen

• hohe Härte, Elastizität und Zugfestigkeit, z. B. für Kontakt- und Federwerkstoffe

• nicht ferromagnetisch

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– Lithium

Lithium hat eine Dichte von lediglich 0,53 g/cm³ und ist das leichteste aller festen Elemente. Das aus einem weißen, weichen Leichtmetall bestehende Lithium hat in den letzten Jahren durch Themen wie Elektromobilität sowie Energiewende und den Ausbau erneuerbarer Energien zunehmend an Relevanz gewonnen, da es vor allem in Batterien bzw. Batteriespeichern verwendet wird. Lithium-Ionen-Batterien werden in einer Vielzahl von Geräten wie Mobiltelefonen, Laptops und Tablets sowie in Elektrofahrzeugen eingesetzt und werden zudem zunehmend interessanter für die Photovoltaik und Windenergie, da sie sich durch eine hohe Energiedichte, Langlebigkeit und Speicherkapazität auszeichnen.

In der Metallverarbeitung dient Lithium als Legierungszusatz, um die Festigkeit, Härte und Schmelztemperatur von Metallen wie Aluminium und Magnesium zu verbessern.

Wo und wie wird Lithium gewonnen?

Mit einem Anteil von 0,006 Prozent ist Lithium in der Erdkruste weitaus seltener zu finden als zum Beispiel Zink oder Kupfer. Die Gewinnung von Lithium aus Mineralien ist außerdem extrem aufwendig. Darüber hinaus kommt Lithium in Salzlaugen und Salzseen vor. Zu den größten Abbaugebieten von Lithium gehören u. a. Chile, Argentinien, die USA, China und vor allem Bolivien.

Aufgrund seiner hohen Reaktivität kommt Lithium in der Natur nicht elementar vor, denn als Alkalimetall reagiert es äußerst exotherm mit Wasser, sodass sehr viel Wärme freigesetzt wird. In flüssigem Zustand oder in Staubform kann sich Lithium zudem sehr leicht an der Luft entzünden, sodass es luftdicht gelagert werden muss.

Definition

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Besondere Eigenschaften von Lithium:

• hohe Energiedichte: ideal für leistungsstarke Batteriespeicher auf vergleichsweise kleinem Raum

• geringes Gewicht und geringe Dichte: batteriebetriebene Geräte und Fahrzeuge werden leichter

• hohe Lebensdauer: die Anzahl an Lade- und Entladezyklen erhöht sich

• geringe Selbstentladung: Lithiumbatterien haben eine geringere Selbstentladungsrate im Vergleich zu herkömmlichen Batterien

• schnellere Ladezeiten: Lithiumbatterien lassen sich im Vergleich zu herkömmlichen Akkus schneller aufladen

Lithium wurde bereits vor über 200 Jahren vom schwedischen Chemiker Johan August Arfwedson in einem Mineral entdeckt. In Form von Batteriespeichern spielt dieses Leichtmetall eine zentrale Rolle bei der Integration erneuerbarer Energiequellen in unsere Energieinfrastruktur.

Quellen:
Wikipedia
PBT AG
Maschinenbau-Wissen
Netzkonstrukteur
DR. Ihme
Fraunhofer ISI

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