In einem Lichtbogenofen werden die einzelnen Metalle bei Temperaturen bis zu 3000 °C zu einer glasartigen Legierung zusammengeschmolzen.
Uwe Bellhäuser
Metallschmelzen, die beim Abkühlen nicht kristallisieren, sondern zu metallischem Glas erstarren, sind hart wie Stahl, zugleich aber formbar und hoch elastisch wie Kunststoff. An der Universität des Saarlandes erforschen Werkstoffwissenschaftler um Professor Ralf Busch diese Legierungen aus unterschiedlichen Metallen. Sie möchten so Werkstoffe mit idealen Eigenschaften entwickeln. Denkbarer Einsatz wäre als Zahnrad in Getrieben.
"Glas ist nichts anderes als gefrorene Flüssigkeit", erläutert Ralf Busch, Professor für metallische Werkstoffe. Schon vor über 3000 Jahren haben die Menschen auf diesen Werkstoff gesetzt. Das Verfahren, das bereits damals zum Einsatz kam, ist nach wie vor aktuell: Beim Abkühlen wird die Schmelze aus Quarz (Siliziumoxid) und anderen Zusätzen immer zähflüssiger. Dies nutzen etwa Glasbläser, um aus dieser Masse Flaschen zu formen. Kühlt die Schmelze jedoch weiter ab, "gefriert" sie zu Quarzglas. "Hierbei liegen die Atome amorph, also ungeordnet, vor. Bei sehr langsamer Abkühlung wird die Schmelze dagegen zu Quarzkristall, in dem sich die Bausteine zu einem regelmäßigen Gitter angeordnet haben", erklärt Busch.
Aber nicht nur aus Quarz lässt sich Glas herstellen, sondern auch aus Metallen. Diese Metallschmelzen sind das Spezialgebiet von Busch. "Seit über 50 Jahren sind metallische Gläser bekannt. Um sie herzustellen, wurden die Schmelzen allerdings sehr hohen Abkühlraten von bis zu einer Million Grad pro Sekunde unterzogen", erklärt Busch. "Aus ihnen konnte man nur dünne Folien herstellen, wie man sie etwa in Kaufhäusern für Magnetstreifen in Diebstahlsicherungen verwendet."
Optimale Zusammensetzung der Metallmischungen erforschen
In der Zwischenzeit haben Forscher herausgefunden, dass Mischungen aus großen und kleinen Metallatomen für die Glasbildung besser geeignet sind. Sie sind zähflüssig und kristallisieren viel langsamer, erklären die Spezialisten weiter. "Die Schmelze muss nicht mehr so lange abkühlen, um metallische Gläser zu bilden“, berichtet Busch weiter. "Auf diese Weise lassen sich massive Gläser herstellen, die als Konstruktionswerkstoff bestens geeignet sind. Sie sind fest wie Stahl, gleichzeitig aber elastisch." Verarbeitet werden könne das Material genauso wie Silikatschmelzen und Kunststoff. Es könne direkt in Endformen gegossen werden, ohne dass eine Nachbearbeitung notwendig ist.
Die Saarbrücker Wissenschaftler erforschen die optimale Zusammensetzung dieser Metallmischungen. Sie entstehen aus drei bis fünf Elementen des Periodensystems, etwa Titan, Kupfer und Nickel. Gemeinsam mit seinem ehemaligen Doktoranden Jochen Heinrich hat Busch in den vergangenen Jahren eine Zirkon-Niob-Legierung entwickelt, die auch Aluminium und Kupfer enthält. "Im Vergleich zu vielen anderen Mischungen enthält diese kein Allergie auslösendes Nickel oder giftiges Beryllium", ergänzt der Professor. Zum Einsatz kommen könnten sie laut Forscher etwa in Bauteilen von Smartphones oder Tablets, als mechanische Feder oder als Zahnrad in Getrieben.
Die Patentverwertungsagentur der saarländischen Hochschulen (PVA) hat diese Verbindung in mehreren Ländern zum Patent angemeldet. Der hessische Konzern Heraeus hat nun die Lizenz erworben. Der weltweit agierende Konzern fertigt Produkte aus Edel- und Sondermetallen an. Für die Legierung hat das Europäische Patentamt ein Patent mit der Veröffentlichungsnummer EP2597166 erteilt.