Aluminium

Aluminium ist nach Sauerstoff und Silizium als dritthäufigstes Element mit 8% am Aufbau der Erdkruste beteiligt. Wegen seiner starken Affinität zu Sauerstoff kommt Aluminium in der Natur nicht in gediegener Form, sondern nur als Verbindung vor. Der Rohstoff für die Aluminiumerzeugung ist Bauxit, ein Verwitterungsprodukt aus Kalk- und Silikatgestein, dessen hoher Gehalt an Al2O3 (Aluminiumoxid) häufig über 50% beträgt.

Metallurgisch wird Aluminium in zwei Gruppen differenziert: Die naturharten Werkstoffe, die ihre Festigkeit durch Mischkristallbildung erreichen und die aushärtbaren Werkstoffe, deren Festigkeit durch Ausscheidung vormals gelöster Legierungsbestandteile erzeugt wird. Die naturharten Legierungen verwendet man an Stelle von Reinaluminium, wenn eine höhere Festigkeit mit hohen Dehngrenzwerten benötigt wird. Höchste Festigkeitswerte werden bei aushärtbaren Legierungen erreicht, jedoch ist ihre Korrosionsbeständigkeit geringer als die der Naturharten.

Geschichte des Aluminum

Aluminium wurde erst zu Beginn des 19. Jahrhunderts entdeckt. Nach vergeblichen Versuchen des Engländers Humphrey Davy 1807, Tonerde mit Hilfe des elektrischen Stromes zu zerlegen, gelang es erstmals dem dänischen Physiker Hans Christian Oersted 1825, Spuren von Aluminium durch Reduktion von Aluminiumchlorid mit Kaliumamalgam zu erhalten. Der Deutsche Friedrich Wöhler erzeugte 1827 durch Reduktion von Aluminiumchlorid mit Kalium ein graues Pulver, an dem er die chemischen Eigenschaften des Aluminiums ermitteln konnte.Im Jahre 1845 erhielt Wöhler durch Reduktion von Aluminiumchlorid mit Kaliumamalgam geschmolzene, stecknadelkopfgrosse Kügelchen, an denen er die physikalischen Eigenschaften des Aluminiums bestimmen konnte.

In Frankreich gelang es Henry Sainte-Claire Deville mit Unterstützung von Napoleon III., ab 1852 grössere Mengen Aluminium durch Reduktion von Aluminium-Natrium-Doppelchlorid mit Natrium zu erzeugen. An der Pariser Weltausstellung von 1855 war ein Aluminiumblock mit der Bezeichnung "Silber aus Lehm" zu sehen. Bis ca. 1890 wurden rund 200 t Aluminium auf diese Weise gewonnen.

Im Jahre 1886 meldeten Paul Toussaint Heroult in Frankreich und Charles Martin Hall in Amerika unabhängig voneinander Patente auf die elektrolytische Zerlegung von in geschmolzenem Kryolith gelöster Tonerde an, womit der Siegeszug des Aluminiums begann. Grundsätzlich wird auch heute noch auf der ganzen Welt nach dem gleichen Verfahren gearbeitet, wenn es auch seither viele technische Verbesserungen erfahren hat.

Innerhalb von 100 Jahren hat sich Aluminium von einer teuren Rarität zu einem vielseitigen und weitverbreiteten Gebrauchsmetall entwickelt. Die Attraktivität von Aluminium spiegelt sich in der weltweit wachsenden Nachfrage wider: Der Verbrauch hat sich seit 1970 mehr als verdoppelt.

Allgemeine Eigenschaften des Aluminium

Geringe Dichte
Mit 2,7 bis 2,9 g/cm3 besitzt Aluminium nur ein Drittel des spezifischen Gewichtes von Stahl. Gegenüber den Buntmetallen ergibt sich ein noch besseres Verhältnis. Das niedrigere Gewicht ermöglicht massive Energie- und Kosteneinsparungen in Transport, Fertigung, Montage, Wartung und Unterhalt.

Chemische, Witterungs- und Seewasserbeständigkeit
Bei Kontakt mit Luft überzieht sich Aluminium mit einer natürlichen Oxidschutzschicht. Diese Oxidschutzschicht erneuert sich nach jeder Entfernung und führt zu hervorragender Beständigkeit gegenüber atmosphärischer Korrosionsbelastung. Besonders Rein- und Reinstaluminium und die kupferfreien Legierungen sind gegen sehr viele Medien beständig. Sie werden deshalb in grossem Umfang im Bauwesen, der chemischen, der Nahrungs- und Genussmittelindustrie, im Fahrzeugbau oder besonders in Form von AlMg- und AlMgMn-Legierungen im Off-Shore-Bereich verwendet.

Kalt- und Warmverformbarkeit
Aluminium ist prädestiniert für die Herstellung von Profilen und Rohren mit nahezu beliebigem Querschnitt. Aber auch mit fast allen anderen üblichen Verfahren der Kalt- und Warmumformung lassen sich Halbzeuge und Formteile herstellen. Spezielle Automatenlegierungen ermöglichen zudem eine gute Zerspanung mit hohen Schnittgeschwindigkeiten.

Hervorragende Eignung für Verbindungsarbeiten
Alle üblichen Verfahren sind bei Aluminiumwerkstoffen anwendbar. Schmelzschweissen erfolgt meist unter Schutzgasatmosphäre. Darüber hinaus findet bei Verbundwerkstoffen das Heissluftschweissen Verwendung, Kleb- und Klemmverbindungen gewinnen zunehmend an Bedeutung.

Dekorative, dauerhaft färbbare Oberflächen
Aluminium erlaubt die Anwendung einer Vielzahl allgemeiner oder werkstoffspezifischer Verfahren zum Erzielen dekorativer Wirkungen, erhöhter Beständigkeit, verbesserter Oberflächenhärte und Abriebfestigkeit.

Gute Leitfähigkeit für Elektrizität und Wärme
Aluminium weist eine hohe elektrische Leitfähigkeit von 38 bis etwa 34 m/Ohm mm² bei Rein- und Reinstaluminium auf. Für elektrische Leiter werden Reinaluminium und besondere AlMgSi-Werkstoffe verwendet. Die Wärmeleitfähigkeit liegt bei ca. 80 bis 230 W/m • K.

Hohes Reflexionsvermögen
Aluminiumoberflächen sind durch eine geringe Absorbtion für Licht und Wärme gekennzeichnet. Durch geeignete Oberflächenbehandlungen können Reflexion und Absorbtion in weiten Grenzen beeinflusst werden.

Unmagnetisches Verhalten
Alle Aluminiumwerkstoffe sind frei von Ferromagnetismus.

Gesundheitliche Unbedenklichkeit
Aluminium ist ungiftig. Selbstverständlich sind Aluminiumprodukte sterilisierbar, leicht zu reinigen und erfüllen alle hygienischen und antitoxischen Anforderungen.

Recycling
Die Rückführung des Energiespeichers Aluminium in den Materialkreislauf ist eine sinnvolle und effektive Massnahme, Kosten und Umwelt zu schonen. Sekundäraluminium, das durch Einschmelzen von Fertigungs- und Altschrotten gewonnen wird, benötigt - unter Beibehaltung aller positiven Werkstoffeigenschaften - nur 5% des Energiebedarfs, der zur Gewinnung von Primäraluminium benötigt wird. Aluminium ist daher oft die ökologisch bessere Alternative, wenn die Umweltbelastungen über den Lebenszyklus eines fertigen Produktes betrachtet werden. Die hohen Recyclingraten für automobile Anwendungen von 95% belegen dies eindeutig.

Legierungen

Legierungen

Aluminiumwerkstoffe sind meist Legierungen von Reinaluminium mit einem oder mehreren Elementen. Zweck ist eine Verbesserung von Eigenschaften des Grundmetalls, vor allem Festigkeit und der Korrosionsbeständigkeit etc.

Aluminium - Grundlagenwissen Legierungen

Die wesentlichen Elemente, mit denen Aluminium legiert wird sind:

Magnesium (Mg)
höhere Festigkeit nach Kaltverformung
Silizium (Si)
in Verbindung mit Magnesium höhere Festigkeit
Mangan (Mn)
verbessert die mechanische Eigenschaften, verändert die Tiefziehfähigkeit
Zink (Zn)
vermindert Korrosionsbeständigkeit
Kupfer (Cu)
verbessert die mechanischen Eigenschaften, vermindert Korrosionsbeständigkeit
Eisen (Fe)
erhöht die Festigkeit
Chrom (Cr)
höhere Festigkeit in Verbindung mit Elementen wie Kupfer, Mangan + Magnesium
Titan (Ti)
erhöht die Festigkeit

Magnesium steigert die Festigkeit, verringert jedoch gleichzeitig stark die Umformbarkeit, wohingegen Silizium hier nur geringe Auswirkungen hat. Diese beiden Eigenschaften werden von Mangan nur mässig und von Zink nur gering beeinflusst. Kupfer steigert die Festigkeit stark und ist günstig für die Zähigkeit.

Magnesium steigert in hohem Masse die Korrosionsbeständigkeit, vor allem in Bezug auf Seewasser. Voraussetzung ist hier jedoch die richtige Wärmebehandlung - vor allem bei den hoch legierten Werkstoffen.

Silizium verbessert die Giessbarkeit, weshalb auch die meisten Gusslegierungen stark siliziumhaltig sind. Mangan ist rekristallisationshemmend und bewirkt daher eine gute Verformbarkeit (Duktilität). Kupfer und Zink beeinflussen das Korrosionsverhalten eher negativ. Besonders die kupferhaltigen Legierungen sind stark korrosionsanfällig und müssen in aller Regel vor Korrosionseinfluss geschützt werden.

Gusslegierungen sind in der Regel hoch legiert, befinden sich nahe der eutektischen Zusammensetzung und sind auf gutes Fliessverhalten hin optimiert.

Knetlegierungen sind solche Legierungen, die speziell für bestimmte Formen der Halbzeugherstellung geeignet sind. Solche sind: Strangpressen, Walzen und Schmieden.

Die Legierungsreihe AlMn gehört zu den mittelfesten Legierungen und wird speziell für Bedachungen und Bänder gebraucht.

Die Familien AlMgMn, AlMg und AlMgSi können je nach der Menge der Legierungszusätze recht hohe Festigkeiten erreichen.

Zu den mittel- bis hochfesten Legierungen zählen die AlZnMg-Typen, die gerade in Bezug auf wehrtechnische Anforderungen besondere Eignungen aufweisen.

Die Legierungstypen AlCuMg und AlZnMgCu zählen zu den hochfesten Legierungen und bilden derzeit die Spitze des machbaren in Bezug auf Festigkeitseigenschaften.

Bereits die mittelfesten Aluminium-Werkstoffe sind gut spänend bearbeitbar, jedoch ist oft die lange Spanform nachteilig. Deshalb gibt es von den AlMgSi und den AlCuMg - Werkstoffen Sonderlegierungen mit Blei (Pb), Cadmium (Cd), Bismuth (Bi) und Zinn (Sn)-Zusätzen, welche als Spanbrecher wirken sollen.

AA* Nomenklatur der Aluminiumlegierungen

1xxx 99.00% min. Reinaluminium Folie, Lithographie, Bleche
2xxx Kupfer (Cu) Luftfahrtindustrie
3xxx Mangan (Mn) Lebensmittelverpackung, Bau, Airconditioning
4xxx Silizium (Si) Wärmetauscher, Maschinenbau
5xxx Magnesium (Mg) Lebensmittelverpackung, Automobil, Bau, Transport
6xxx Magnesium (Mg) und Silizium (Si) Automobil, Bau, Transport
7xxx Zink (Zn) Luftfahrtindustrie, Airconditioning
8xxx Andere Elemente Folie (Fe), Luftfahrtindustrie (Li)

Materialzustände

Änderung der Materialzustände

In der DIN 1748 Teil 1 wurden die Werte für die Zugfestigkeit durch eine "F" Kennzahl direkt gekennzeichnet (z.B. F25 bedeutete Rm >= 270 N/mm²) Die Europäische Norm unterscheidet sich von dieser Regelung dahingehend, dass anstatt konkreter Zahlenwerte, Art und Effekt der Wärmebehandlung auf das fertige Halbzeug angegeben werden.

Die folgenden Materialzustände sind in der EN 755 Teil 2 (ebenfalls EN 515) genormt:

Nicht aushärtbare Werkstoffe

F - Herstellungszustand
Erzeugnisse aller Umformverfahren, bei denen die thermischen Bedingungen, oder die Kaltverfestigung keiner speziellen Kontrolle unterliegen. Keine Festlegung der Grenzwerte der mechanischen Eigenschaften.

O - Weichgeglüht
Gilt nur für Erzeugnisse, die zur Erzielung eines Zustandes mit möglichst geringer Festigkeit geglüht werden.

H
Gilt für Erzeugnisse, die zur Sicherstellung der festgelegten mechanischen Eigenschaften nach dem Weichglühen oder dem Warmumformen einer Kaltumformung (mit oder ohne Erholungsglühung) unterliegen.

An den Buchstaben "H" schliessen sich immer mindestens 2 Ziffern an.

1. Art der thermischen Behandlung

H1x kaltverfestigt ohne thermische Behandlung
H2x kaltverfestigt und rückgeglüht
H3x kaltverfestigt und stabilisiert
H4x kaltverfestigt und einbrennlackiert

2. Grad der Kaltverfestigung

Hx0 weich
Hx1
Hx2 viertelhart
Hx3
Hx4 halbhart
Hx5
Hx6 3/4 hart
Hx7
Hx8 hart
Hx9 > 10 Mpa +8

3. Besondere Behandlungsverfahren

z.B. H 112
Gilt für Erzeugnisse, die durch Warmumformung oder ein begrenztes Mass an Kaltumformung eine bestimmte Festigkeit erlangen können und für welche Grenzwerte der mechanischen Eigenschaften vorliegen

z.B. H 111
Gilt für Erzeugnisse, die nach dem Fertigglühen soweit kaltverfestigt werden, dass sie nicht mehr als weichgeglüht eingestuft werden können, jedoch nicht so stark und so gleichmässig kaltverfestigt sind, um eine bestimmte Mindestfestigkeit zu erreichen.

Aushärtbare Werkstoffe

T -
Wärmebehandelt auf andere Zustände als F-, O- oder H-Bezeichnung gilt für Erzeugnisse, die zur Erzielung stabiler Zustände mit oder ohne zusätzliche Kaltverformung wärmebehandelt werden. An das T schliessen sich immer eine oder mehrere Ziffern an, die eine spezifische Reihenfolge der Behandlung zeigen.

Erste Ziffer
Gilt nur für Erzeugnisse, die zur Erzielung eines Zustandes mit möglichst geringer Festigkeit geglüht werden.

z.B. T4 Lösungsgeglüht und kaltausgelagert
z.B. T5 Abgeschreckt und warmausgelagert
z.B. T6 Lösungsgeglüht und warmausgelagert
z.B. T64 wie T6, anderer Grad der Wärmeintensität
z.B. T66 wie T6, anderer Grad der Wärmeintensität
z.B. T7 Lösungsgeglüht und überhärtet / stabilisiert zur Erzielung:

* optimale Resistenz gegen Spannungsrisskorrosion
* optimale Bruchzähigkeit
* optimale Resistenz gegen Schichtkorrosion

Zweite und dritte Ziffer

Tx51 oder Txx51 Entspannt durch Recken
Tx510 oder Txx510 Entspannt durch Recken
Tx511 oder Txx511 Entspannt durch Recken, mit Nachrichtung
Tx52 oder Txx52 Entspannt durch bleibende Stauchung
Tx54 oder Txx54 Entspannt durch kombiniertes Recken und Stauchen

* optimale Resistenz gegen Spannungsrisskorrosion
* optimale Bruchzähigkeit
* optimale Resistenz gegen Schichtkorrosion

Bedeutung der Überhärtung

Rm T79 > T76 > T74 > T73
Spannungsrisskorrosion T79 < T76 < T74 < T73
Bruchzähigkeit T79 < T76 < T74 < T73
Schichtkorrosion T79 < T76 < T74 < T73