Alles außer Stahl – Was sind Nicht-Eisenmetalle?

Im zweiten Teil zum Thema Metalle beschäftigen wir uns mit den Nicht-Eisenkandidaten. Prinzipiell bedeutet das jedoch nicht, dass in der Legierung gar kein Eisen stecken kann – es darf lediglich nicht das Hauptelement sein. Neben bekannten Namen wie Kupfer und Zinn gehören auch Beryllium oder Palladium zu den technisch relevanten NE-Metallen.

Tobias Meyer, freier Mitarbeiter der KEM Konstruktion

Inhaltsverzeichnis
1. Was sind Nicht-Eisenmetalle?
2. Basismetalle, Technologiemetalle und Begleitmetalle
3. Nicht-Eisenmetalle – Vielseitige Verwendung, kaum Gemeinsamkeiten
4. Hoher Recycling-Anteil
5. Quellen

Was sind Nicht-Eisenmetalle?

Nicht-Eisenmetalle werden je nach Betrachtungsweise unterschiedlich unterteilt: In der Chemie zählt beispielsweise das Kupfer zu den Edelmetallen, ökonomisch gehört es nur zu den Halbedelmetallen.

In industriellem oder technischem Umfeld werden die Metalle im Periodensystem inzwischen häufig nach Basismetallen, Technologiemetallen und Begleitmetallen unterteilt.

Basismetalle, Technologiemetalle und Begleitmetalle

Basismetalle werden in großer Menge produziert und bilden oft den Hauptbestandteil von Legierungen.

Der Vollständigkeit geschuldet muss erwähnt werden, dass auch das Eisen zu den Basismetallen gerechnet wird. Wir haben auf Grund der eigenen Komplexität des Themas Stahl & Co. jeweils einen Beitrag auf Basis der Unterscheidungsform „Eisenmetalle und Nicht-Eisenmetalle“ verfasst. Letztere gliedern sich in drei Untergruppen:

Buntmetalle: Das bekannteste Beispiel ist Kupfer, aber auch Blei, Zinn und Zink sowie Cadmium, Kobalt und Nickel zählen zu den Buntmetallen. Ebenfalls zu dieser Gruppe gehören entsprechende Legierungen wie etwa Messing, Bronze und Rotguss. Die technischen Bezeichnungen werden aus den einzelnen Element-Abkürzungen generiert, der Hauptbestandteil steht an erster Stelle. Danach folgen die weiteren Elemente zusammen mit ihrem Anteil in Prozent. Ein weit verbreitetes Messing ist etwa CuZn37 aus Kupfer mit 37% Zink.
Leichtmetalle: Die häufigste Definition dieser Gruppe ist eine Dichte von unter 5 g/cm³. Am häufigsten industriell genutzt und im Leichtbau angewandt werden Aluminium, Magnesium und Titan, in vergleichsweise geringeren Mengen auch Beryllium und Lithium.
Edelmetalle: Wie auch die Edelgase sind sich diese Metalle zu „edel“ um sich mit anderen Stoffen abzugeben – sie reagieren gar nicht oder sehr träge und oxidieren daher nicht oder nur kaum. Aus technischer Sicht gehören dazu Silber, Gold, Platin und Palladium.

Technologiemetalle werden unter anderem für High-Tech-Anwendungen benötigt, die bekanntesten sind Silizium, Wolfram, Chrom, Kobalt, Indium, Germanium oder Seltene Erden wie Neodym. Manche Experten rechnen auch Gold und Silber zu dieser Gruppe.

Begleitmetalle sind quasi der Metallrest, der nicht in die oben schon angeführten Gruppen passt. Ihren Namen bekamen sie, weil sie teilweise nicht einzeln geschürft oder gefördert werden, sondern als Begleiter in anderen Minen auftreten und aus dem Haupterz entfernt werden müssen. Der bekannteste Kandidat ist Quecksilber, daneben gehören noch Uran, Cadmium sowie Thorium und Thallium zu dieser Gruppe.

Nicht-Eisenmetalle – Vielseitige Verwendung, kaum Gemeinsamkeiten

NE-Metalle werden immer eingesetzt, wenn die günstigeren Eisenmetalle (was quasi Stahl bedeutet) die notwendigen Anforderungen nicht erfüllen können: Gewicht, Leitfähigkeit bzw. Isolation gegenüber Elektrizität, Temperatur oder Strahlung, Fähigkeit zur Verformung oder Zerspanung, Korrosionsbeständigkeit, Kontaktierung oder auch einfach die Farbe. Der einzige gemeinsame Nenner ist jedoch keine dieser Eigenschaften, sondern – wie der Name sagt – lediglich die Abwesenheit von Eisen als Hauptlegierungselement. Darüber hinaus hat jedes NE-Metall seine eigene besondere Eigenschaft, in vielen überschneiden sie sich natürlich auch.

Gewicht: Hier überzeugen natürlich die Leichtmetalle, allen voran der auf Bauxit basierende Klassiker Aluminium. Muss es noch leichter sein, kommt Magnesium in Frage, was jedoch teurer ist. Titan schließlich ist zwar hinsichtlich seiner Dichte wesentlich schwerer als Aluminium, aber so fest, dass für das gleiche Bauteil wesentlich weniger davon benötigt wird und so das Gesamtgewicht des Bauteils dem des Aluminiums ähnlich ist.

Geschickt konstruiert kann so aber kompakter gebaut werden. Außerdem kann so auch Stahl ersetzt werden, denn wenn es auf die Festigkeit ankommt, müssten vergleichbare Aluminium-Teile wesentlich größer ausgelegt werden. Titan kann Stahl in der gleichen Größe ersetzen, ist dabei aber viel leichter. Das nutzten Rennsportingenieure bereits in den 60ern, etwa in Form von Titan-Pleuel und -Achsen bei Porsche. Heute werden auch hochwertige Fahrradrahmen aus Titan angeboten, die weniger stark verschleißen als die Alu-Varianten, ähnlich stabil sind wie Stahl und weniger steif als Carbon.

Leitfähigkeit: Der Klassiker ist natürlich Kupfer. Es wird in Sachen elektrischer Leitfähigkeit nur noch von Silber übertroffen. Häufig werden in der Elektronik zudem Kontaktflächen mit einer Beschichtung versehen, beispielsweise aus Gold. Denn dieses oxidiert quasi nicht. Andere Materialien erzeugen nach kurzer Zeit eine Oxidschicht an der Oberfläche, wodurch die Leitfähigkeit z.B. innerhalb eines Schalters oder Steckverbinders schlechter werden kann. Vergoldete Kontakte verhindern das, auf Silber kommt dafür auch Palladium zum Einsatz.

Isolation: Geht es darum, möglichst viel radioaktive Strahlung abzuschirmen, kommt noch immer das aufgrund seiner Gefahr für die Gesundheit in Verruf geratene Blei zum Einsatz. Außerdem steckt es in den günstig zu produzierenden Blei-Säure-Batterien. Im Bauhandwerk wird es dagegen nicht mehr verwendet.

Verarbeitung: Als leicht verformbare und gleichzeitig relativ korrosionsbeständiges Blech wird inzwischen Kupfer im Bauhandwerk genutzt. Mengt man dem roten Metall noch Zink bei, erhält man die Legierung Messing, welche leicht zerspanbar und dennoch korrosionsbeständig ist. Daher wird sie etwa in Armaturen gerne eingesetzt. Auch im additiven Fertigungsverfahren (3D-Druck) können immer mehr NE-Metalle in Form gebracht werden, darunter auch Aluminium, Kupfer oder Titan. Darüber hinaus wird die Schmiedbarkeit von Leichtmetallen wie Aluminium und Magnesium immer weiter entwickelt, da sich so neue Anwendungsgebiete erschließen lassen.

Weitere Eigenschaften: Beryllium-Bronze auf Kupferbasis wird für Werkzeuge verwendet, die keine Funken reißen dürfen, etwa um damit Fässer zu öffnen, die brennbare Stoffe enthalten. Aus Aluminium-Bronze dagegen werden auf Grund ihrer Eigenschaften bezüglich Kavitation und Seewasserbeständigkeit z.B. Schiffsschrauben gefertigt. Rotguss – auch Maschinenbronze genannt – hat dagegen gute Gleiteigenschaften und wird daher unter anderem in Lagern eingesetzt. Wolfram hat den höchsten Schmelzpunkt aller Metalle, die bekannteste Anwendung ist der Glühfaden Leuchtmitteln.

3D-Druck erreicht die Serienfertigung

Hoher Recycling-Anteil

Die NE-Metalle werden entweder aus Primärstoffen wie Erzen und Konzentraten oder aus Sekundärstoffen wie Schrott gewonnen: Da die NE-Metalle für einen vergleichsweise hohen Marktpreis gehandelt werden, lohnt sich das Recycling auch für Galvanikschlämme oder Filterstäube. Bei Aluminium liegt der Recyclinganteil bei über 50 % (Deutschland, 2020), ähnlich bei Blei und Zink. Jedoch war der Anteil an Rohstoffen aus der Wiederverwertung vor zehn Jahren noch einige Prozentpunkte höher. Das liege laut der Wirtschaftsvereinigung Metalle daran, dass Sekundäraluminium häufig von der Automotive-Industrie in Blech- und Gussteilen eingesetzt wird. Da diese Branche in den letzten Jahren ihre Kapazitäten in Deutschland zurückgefahren hat, sank die Nachfrage danach. Daher wurde wieder mehr aus Erz produziert, was unter anderem auch energieintensiver ist.