Intermetallische Verbindung

Cr₁₁Ge₁₉

Eine intermetallische Verbindung (genauer intermetallische Phase) ist eine homogene chemische Verbindung aus zwei oder mehr Metallen. Sie zeigen im Unterschied zu Legierungen Gitterstrukturen, die sich von denen der konstituierenden Metalle unterscheiden. In ihrem Gitter herrscht eine Mischbindung aus einem metallischen Bindungsanteil und geringeren Atombindungs- bzw. Ionenbindungsanteilen, die in Überstrukturen resultiert.

Schulze definierte 1967 intermetallische Verbindungen als feste Phasen, die zwei oder mehr metallische Elemente mit gegebenenfalls einem oder mehreren nichtmetallischen Elementen enthalten, deren Kristallstruktur sich von der der anderen Bestandteile unterscheidet

Aufbau und Eigenschaften

Es gibt intermetallische Verbindungen mit stöchiometrischer Zusammensetzung gemäß den üblichen Wertigkeiten der Metalle und es gibt intermetallische Phasen, die mehr oder weniger ausgedehnte Homogenitätsbereiche im Phasendiagramm besitzen. Ein Homogenitätsbereich, auch Phasenbreite genannt, gibt dabei die Grenzen an, zwischen denen das Mengenverhältnis der verschiedenen Metalle variieren kann.

Intermetallische Verbindungen sind häufig hart (große Härte, Sprödigkeit, Festigkeit) und auch chemisch recht beständig (Korrosionsbeständigkeit). Sie besitzen in der Regel einen hohen Schmelzpunkt und ihr elektrischer Widerstand ist meist eine Größenordnung höher als der reiner Übergangsmetalle. Es gibt aber auch Verbindungen mit Halbleitereigenschaften und einige Verbindungen zeichnen sich sogar durch besondere magnetische oder Supraleitungseigenschaften aus.

Die besonderen physikalischen und mechanischen Eigenschaften solcher Verbindungen resultieren aus der besonders starken Bindung zwischen den ungleichartigen Atomen, die überwiegend metallisch ist mit mehr oder weniger großen Anteilen anderer Bindungsarten (Ionen-, kovalente Bindung).

Sie nehmen somit eine Zwischenstellung zwischen metallischen Legierungen und Keramiken ein.

Herstellung

Hergestellt werden intermetallische Phasen sowohl durch pulvermetallurgische als auch durch herkömmliche Schmelzverfahren, wobei gerade wegen ihrer mechanischen Eigenschaften die Herstellung und Verarbeitung schwierig sein kann.

Beispiele

Beispiele für intermetallische Phasen sind:

Laves-Phasen
Heusler-Phasen
Zintl-Phasen
Häggs-Phasen (Koordinationsphasen wie Fe₃C - Zementit)
Hume-Rothery-Phasen, die stets feste Valenzelektronenkonzentrationen aufweisen
Nitinol (NiTi) (Formgedächtnislegierung)
Samarium-Cobalt (SmCo₅) (Magnetwerkstoff)
Nb₃Sn (Supraleiter)
Ni₃Al in Nickelbasis-Superlegierungen
NiAl, TiCr₂, TaFeAl (experimentelle Hochtemperaturwerkstoffe)
Magnesiumsilicid (Mg₂Si),
Titanaluminide Ti₃Al und TiAl (experimentelle Hochtemperatur-Leichtbauwerkstoffe)
Eisenaluminide FeAl und Fe₃Al
FeCr, σ-Phase bei hochlegierten Chrom- und Chromnickelstählen, kann zu unerwünschter Versprödung führen und wird daher durch Auswahl der Legierungszusammensetzung vermieden
sogenannte MAX-Schichten, das heißt Materialien der Stöchiometrie M_n+1AX_n, die sich aus einem Übergangsmetall M, einem Hauptgruppenelement (engl. A-group, meist III A oder IV A) und einem Kohlenstoff- oder Stickstoffteil X zusammensetzen, wie TiSiC

Auch höherlegierte Bronze- und Messinglegierungen bestehen aus intermetallischen Phasen, die allerdings hier bei verschiedenen Mischungsverhältnissen in unterschiedlicher Ausprägung entstehen können (beispielsweise Cu₃Sn und Cu₃Sn₅). Wird das passende Mischungsverhältnis nicht exakt erreicht, so bilden sich klassische Legierungen, allerdings aus den verschiedenen intermetallischen Phasen, die dem Mischungsverhältnis am nächsten liegen.

In Lötstellen , in denen Metalle unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung in Kontakt stehen, führt die allmähliche Bildung intermetallischer Verbindungen zur Bildung von Poren, was einer der Gründe für die Schwächung der mechanischen Festigkeit des Kontakts und die Verschlechterung der elektrischen Eigenschaften ist.

Verwendung

Intermetallische Verbindungen besitzen in ihrer Verwendung als hochschmelzende, hochfeste Legierungen, Supraleiter, Dauermagnetwerkstoffe, metallische Gläser u.a.;m. große technische Bedeutung. Außerdem spielen sie bei der Ausscheidungshärtung von Aluminium- und Nickellegierungen sowie Maraging-Stählen eine entscheidende Rolle.

Literatur

Schulze: Metallphysik, Akademie-Verlag, Berlin 1967

Basierend auf einem Artikel in:

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