Legeringar – Definition, tillverkning, typer och egenskaper

En legering är en enhetlig blandning. Den består av två eller flera kemiska grundämnen, varav minst ett är en metall. En legering har andra egenskaper än de metaller som den består av.

De flesta legeringar tillverkas genom att smälta metallerna, blanda dem medan de är flytande för att bilda en lösning och sedan låta dem svalna och bli fasta igen.

Vad är en legering och varför legerar man metaller?

En legering är inte bara en enkel blandning utan ofta en kontrollerad kombination där andelen ingående ämnen och tillverkningsprocessen bestämmer slutmaterialets egenskaper. Syftet med legering är vanligen att förbättra eller anpassa egenskaper som:

Hållfasthet och hårdhet
Korrosionsbeständighet
Seghet och duktilitet
Elektrisk och termisk ledningsförmåga
Smältpunkt och värmetålighet
Magnetiska egenskaper

Grundläggande typer av legeringar

Substitutionslegeringar — där atomsorten i ett metallgitter byts ut mot annan atomsort (t.ex. koppar-zink i mässing).
Interstitiella legeringar — där små atomer (t.ex. kol) placerar sig i mellanrummen i metallgittret (t.ex. stål, där kol i järn ger högre styrka).
Fast lösning — homogent uttalad blandning i fast tillstånd.
Intermetalliska föreningar — beståndsdelar bildar särskilda kemiska föreningar med egen kristallstruktur och ofta hög hårdhet men lägre duktilitet.
Kompositlegeringar — legeringar förstärkta med partiklar eller fibrer för speciella egenskaper.

Hur legeringar tillverkas

Utöver klassisk smältning finns flera framställningsmetoder:

Smältning och gjutning — de vanligaste metoderna: ingredienser smälts, blandas och gjuts i formar eller kontinuerligt gjuts som balkar eller stänger.
Termomekanisk bearbetning — varm- och kallbearbetning (valsning, dragning, smidning) för att forma och förbättra mekaniska egenskaper.
Pulvermetallurgi — metallpulver pressas och sintras; ger möjligheter till komplexa sammansättningar och fin kornstruktur.
Mekanisk legering (mechanical alloying) — högenergikulning som blandar fasta partiklar för att bilda metastabila eller amorfa legeringar.
Ytbehandling och diffusion — exempelvis nitrering eller karburering där ytlagret får nya egenskaper genom inlagring av atomslag.
Additiv tillverkning (3D-utskrift) — pulverbäddssmältning och selektiv lasersmältning möjliggör komplexa geometrier och lokala legeringssammansättningar.

Bearbetning och värmebehandling

Efter tillverkning påverkas legeringens egenskaper starkt av värme- och mekanisk bearbetning. Vanliga processer:

Glödgning (annealing) — mjukar materialet och minskar inre spänningar.
Kvänkning och anlöpning (quench and temper) — snabb avkylning för att låsa in en hård struktur, följt av uppvärmning för att öka segheten.
Utsållningshärdning (precipitation hardening) — för legeringar som aluminium- och titanlegeringar: små partiklar fälls ut för att öka styrkan.

Egenskaper som påverkas av legering

Genom legering kan man påverka, kombinera och ibland avväga egenskaper:

Styrka vs. formbarhet: högre styrka innebär ofta lägre duktilitet; värmebehandling kan balansera detta.
Hårdhet: ökar ofta med soltänger (kolförstärkning, härdning) eller med närvaro av hårda intermetalliska faser.
Korrosionsbeständighet: t.ex. rostfritt stål (krom) och aluminiumlegeringar med god oxidbildande förmåga.
Elektrisk och termisk ledningsförmåga: legering sänker ofta ledningsförmågan jämfört med rena metaller, men kan förbättra mekaniska egenskaper.
Tålighet vid höga temperaturer: superlegeringar (baserade på nickel, kobolt eller järn) används i turbiner och motorer.

Vanliga legeringar och exempel

Stål — järn-kollegering; kolhalten och tillsatser (krom, nickel, molybden) bestämmer egenskaper; rostfritt stål innehåller hög andel krom för korrosionsskydd.
Mässing — koppar-zink; god formbarhet och korrosionsbeständighet, används i beslag och rör.
Bronser — traditionellt koppar-tenn; bra slitstyrka och korrosionsmotstånd, används i lager och konstföremål.
Aluminiumlegeringar — lätta och korrosionsbeständiga; vanliga i fordons- och flygindustrin (t.ex. 2xxx, 6xxx, 7xxx-serier).
Titanlegeringar — hög styrka i förhållande till densitet, utmärkt korrosionsbeständighet; vanliga i flyg- och medicinteknik.
Nickelbaserade superlegeringar — används i gasturbiner och andra högtemperaturapplikationer.

Struktur, fasdiagram och mikroskopi

Fasdiagram visar vilka faser som bildas vid olika temperaturer och sammansättningar — ett viktigt verktyg för att designa legeringar. Mikrostruktur (kornstorlek, faser, utfällningar) bestämmer i praktiken mekaniska egenskaper. Metallografiska metoder såsom mikroskopi och röntgendiffraktion används för att karakterisera materialet.

Tillämpningar

Legeringar används i praktiskt taget alla tekniska tillämpningar:

Bygg och infrastruktur (stålbalkar, armering)
Transport (bilkarosser, flygplansdelar)
Energiproduktion (turbiner, värmeväxlare)
Elektronik (kopparlegeringar, lödmaterial)
Medicinteknik (biokompatibla titanlegeringar, implantat)

Miljö, ekonomi och återvinning

Legeringars sammansättning påverkar möjligheten till återvinning. Vissa höglegerade material är dyra och svåra att separera, vilket ökar kostnader och miljöbelastning. Samtidigt kan lättare och mer korrosionsbeständiga legeringar bidra till energieffektivitet och lägre underhållskostnader i ett livscykelperspektiv.

Sammanfattning

Legeringar är skräddarsydda material där kombinationen av två eller flera grundämnen ger egenskaper som inte finns i de rena metallerna. Genom val av sammansättning, tillverkningsmetod och värmebehandling kan man optimera materialet för specifika krav inom industrin, tekniken och vardagsprodukterna.

Astrolabb av mässingslegering (koppar och zink).

Teori

En ren metall som kombineras med en eller flera andra metaller eller icke-metaller blir ofta bättre. Stål är till exempel en legering av järn, men det är starkare än järn. Fysiska egenskaper som densitet, reaktivitet och elektrisk och termisk (värme) ledningsförmåga skiljer sig kanske inte så mycket från de element (ämnen) som ingår i legeringen. Men egenskaper som styrka kan vara mycket olika.

Den första legeringen som upptäcktes var brons. Brons tillverkas av koppar och tenn. Brons upptäcktes för mycket länge sedan under den förhistoriska perioden. Då användes brons för att tillverka verktyg och vapen. Denna period var känd som bronsåldern. Men senare upptäcktes bättre legeringar som ersatte brons för att tillverka verktyg och vapen. Nu används brons för att tillverka prydnadsföremål, statyer och klockor. Mässing är en annan legering av koppar och zink.

Smältpunkten är den temperatur vid vilken ett fast ämne övergår till vätska. De flesta legeringar har inte en enda smältpunkt. De har ett smältområde där legeringen är en blandning av fasta och flytande stadier. Den temperatur vid vilken smältningen precis börjar kallas solidus och den temperatur vid vilken smältningen precis är avslutad kallas liquidus.

Termer relaterade till legeringar

Med legering avses en blandning av atomer där huvudämnet eller den primära beståndsdelen är en metall. Denna primära metall kallas bas eller matris.

Om en legering har endast två typer av atomer, som koppar-nickel-legering, kallas den binära legeringen. Om en legering har tre typer av atomer, som järn, nickel och krom, kallas den för en ternär legering. En legering med fyra typer av atomer kallas en kvartär legering och en legering med fem typer av atomer kallas en binär legering.

Olika sorters eller former av legeringar kan tillverkas av samma beståndsdelar (ämnen som legeringen bildas av). Dessa olika former eller sorter kan bildas genom att använda olika mängder av beståndsdelarna. Hela spektrumet av möjliga varianter av en legering kallas ett system. Alla former av legeringar med endast två beståndsdelar kallas ett binärt system. Alla former av en legering som har tre beståndsdelar kallas ett ternärt system.

Några vanliga legeringar

Det finns några vanliga legeringar:

Mässing består av 35 % zink och 65 % koppar och används till musikinstrument, smycken, kranar och dekorativa beslag.
Rostfritt stål består till största delen av järn, plus mer än 11 % krom och olika mängder nickel och kol och används till bords- och köksredskap samt kirurgiska verktyg.
Stål består av 99 % järn och 1 % kol och används till verktyg, bilkarosserier, maskiner, balkar och skenor.
Brons består mestadels av koppar och lite tenn och används för båtbeslag, skruvar och grillarbeten.
Alnico är en blandning av aluminium, nickel och kobolt och används för att tillverka permanentmagneter.

Frågor och svar

F: Vad är en legering?

S: En legering är en enhetlig blandning som består av två eller flera kemiska grundämnen, varav minst ett är en metall.

F: Varför har legeringar andra egenskaper än de metaller de är gjorda av?

S: Legeringar har olika egenskaper eftersom de består av en blandning av olika metaller och ibland icke-metaller, vilket kan förbättra eller förändra deras egenskaper.

F: Hur tillverkas de flesta legeringar?

S: De flesta legeringar tillverkas genom att man smälter metallerna, blandar dem medan de är flytande för att bilda en lösning och sedan låter dem svalna och bli fasta igen.

F: Vad är syftet med att tillverka legeringar?

S: Syftet med att göra legeringar kan vara att förbättra eller förändra metallers egenskaper, t.ex. styrka, hårdhet, hållbarhet eller korrosionsbeständighet.

F: Kan legeringar även innehålla icke-metaller?

S: Ja, legeringar kan förutom metaller även innehålla icke-metaller.

F: Tillverkas alla legeringar genom att smälta metaller och blanda dem?

S: Ja, de flesta legeringar tillverkas genom att man smälter metaller och blandar dem, även om det finns vissa undantag, t.ex. metalliska glas i bulk.

F: Hur kan egenskaperna hos legeringar skilja sig från de metaller de är gjorda av?

S: Legeringars egenskaper kan skilja sig från de metaller de är gjorda av eftersom blandning av två eller flera metaller kan ändra deras kristallstruktur, elektronarrangemang eller storleken på deras atomer, vilket leder till olika fysiska, mekaniska eller kemiska egenskaper.