Aluminium. Silber aus Lehm

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1 Aluminium Silber aus Lehm 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 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. Die erste industrielle Aluminium-Elektrolyseanlage in Europa wurde 1888 mit Hilfe von Heroult in Neuhausen am Rheinfall errichtet. Sie wurde zum Ausgangspunkt der ehemaligen Schweizerischen Aluminium AG (Alusuisse). In Amerika entstand im gleichen Jahre in Pittsburgh, Pa., die Aluminium Company of America (ALCOA), wo also die Erfindung von Hall ausgenutzt wurde. Heute ist die Aluminiumindustrie über die ganze Welt verteilt mit Schwerpunkten in den hoch entwickelten Industriestaaten sowie in Ländern mit grossen Rohstoffvorkommen und solchen mit elektrischer Energie aus Wasserkraft für die Elektrolyse. Schmelzpunkt: Magnetismus: Spezifisches Gewicht: ρ Elastizität: E-Modul Statische Festigkeit: Rm Dynamische Festigkeit: RD Wärmeleitfähigkeit: Elektrischer Widerstand: Bruchdehnung: A5 Spezifische Wärmekapazität: Längenausdehnungskoeff.: α Kerbzähigkeit: 660 C paramagnetisch 2.7 g/cm N/mm2 bis 320 N/mm2 bis 120 N/mm2 bis 2.2 J/cm*s*K min W*mm/m bis 24% 0.9 J/g*K 24*10-6 /K bis 35 J/cm2

2 Eigenschaften des Aluminiums Merke: Die drei wichtigsten Eigenschaften auf denen die Verwendung des Aluminiums beruht sind: Niedrige Dichte (2.7 kg/ dm 3 ) Die hohe mechanische Festigkeit (In Verbindung mit Leg. Best.) Hohe Korrosionsbeständigkeit Andere wertvolle Eigenschaften dieses Metalls sind: Gutes thermisches Leitvermögen Gutes elektrisches Leitvermögen Hohes Reflexionsvermögen Grosse Dehnbarkeit = niedrige Verarbeitungskosten Seine magnetische Neutralität Der hohe Schrottwert Seine Ungiftigkeit In reinem Zustand ist Aluminium ein verhältnismässig weiches Metall und neigt zum Kriechen. Seine Streckgrenze liegt im weichgeglühten Zustand bei nur 30 N/mm 2 Im reinen Zustand besitzt das Metall eine hohe Korrosionsbeständigkeit. Andererseits sind die technisch verwendeten Legierungen, von welchen eine hohe Festigkeit gefordert wird, wesentlich korrosionsanfälliger und fordern besondere Massnahmen zum Korrosionsschutz. Merke: Wie auch bei anderen Legierungen lassen sich die Anforderungen nach höchster mechanischer Festigkeit und guter Korrosionsbeständigkeit, nicht miteinander verbinden. Allgemein gilt also: Hohe Korrosionsbeständigkeit = schlechtere mech. Festigkeit. Hohe mech. Festigkeit = schlechtere Korrosionsbeständigkeit. Die Entwicklung befriedigender Schutzverfahren für mechanisch hochfeste Aluminiumlegierungen ist daher von grosser Bedeutung.

3 Die Aluminiumgewinnung Merke: Aluminium kommt in reiner Form nicht vor. In Verbindungen ist Aluminium das am häufigsten vorkommende Metall der Erde. Vorkommen mit ca. 7 bis 8% der Erdrinde Aluminiumreichstes Metall, aus welchem nach versch. Schritten Reinaluminium gewonnen wird ist Bauxit Frankreich, Italien und Griechenland zeigen die grössten Vorkommen an Bauxit in der EU. Kristallines Aluminiumoxid (Verbindung von Aluminium und Sauerstoff) nennt man Korund Saphir, Rubin, Topas und Amethyst sind besonders reine Formen von Aluminiumoxid. Die zwei Stufen der Aluminiumgewinnung 1Stufe: Aus Bauxit wird reines Aluminiumoxid, sogenannte Tonerde Die Herstellung von Tonerde aus Bauxit erfolgt auch heute noch nach dem Bayer- Verfahren. Das Verfahren nutzt aus, dass sich die Aluminiumhydroxide des fein gemahlenen Bauxits in Natronlauge bei höherer Temperatur leicht lösen lassen. Der grob gemahlene Bauxit wird mit konzentrierter Natronlauge bei ca. 7 bar und etwa 180 C versetzt. Das entstandene feste Aluminiumhydroxid wird in Drehöfen bei einer Temperatur von C gebrannt, wobei Aluminiumoxid (Tonerde) entsteht.

4 2. Stufe: Aus Tonerde wird Reinaluminium Der Tonerde Al 2 O 3 (Aluminiumoxid) wird mittels der Schmelzflusselektrolyse, dem Verfahren nach Hall Héroult, der Sauerstoff entzogen. Vor dem Arbeitsschritt der eigentlichen Elektrolyse wird das Aluminiumoxid (Schmelztemperatur 2045 C) mit Kryolith (Na 3 [AlF 6 ]) vermischt, um die Schmelztemperatur zu senken. Das entstehende Gemisch, welches zu % aus Kryolith besteht, hat eine Schmelztemperatur von nur noch ca. 950 C. Dadurch wird die erforderliche Arbeitstemperatur erheblich verringert, was die Schmelzflusselektrolyse überhaupt erst ermöglicht. Die Reduktion von Aluminiumoxid erfolgt in der Schmelzflusselektrolyse (kurz auch Schmelzelektrolyse). Die Elektrolysezelle besteht aus einer Stahlwanne, die mit Kohlenstoffmaterial (Graphit / Anthrazit) ausgekleidet ist. In dieser Wanne befindet sich der flüssige Elektrolyt (Kryolith mit einem Überschuss an AlF 3 ). In den Elektrolyten tauchen von oben die Anoden (aus Petrolkoks gebrannte Graphit-Blöcke) ein, die an den positiven Pol einer Spannungsquelle angeschlossen sind. Die Kathodenwanne dagegen ist mit dem negativen Pol verbunden. Durch eine Spannung von 4 bis 5 Volt und einer Stromstärke bis zu Ampere (einer Stromdichte von 0,8 Ampere/cm2) wird das Aluminiumoxid (Al 2 O 3 ) zerlegt: Für die Aluminiumherstellung braucht man sehr viel Energie. So ist für die Gewinnung von einer Tonne Aluminium ca kwh bis kwh nötig. Es ist darum nicht verwunderlich, dass die Aluminium- Industrie vor allem in der Nähe von Wasserkraftwerken angesiedelt ist. 4t Bauxit = 2t Tonerde = 1t Aluminium

5 Aluminiumlegierungen Um die mechanischen Eigenschaften des Aluminiums zu verbessern, werden Legierungsbestandteile hinzugefügt. Die wichtigsten Legierungsbestandteile für Aluminium sind: Kupfer Magnesium Silizium Mangan Zink Titan Es kommen zwei Gruppen von Legierungen in Betracht. Gusslegierungen Sie werden unmittelbar in die gewünschte Form vergossen z.b. als: Kokillenguss Druckguss Sandguss Knetlegierungen Sie werden als Barren vergossen und mechanisch weiterbearbeitet z.b. als: Strangpressen Heiss- und Kaltwalzen Ziehen Schmiedestücke kalt gepresste Teile usw. Die Legierungstechnik entwickelt sich stetig. Es gibt heute eine Vielzahl von Legierungen, die den verschiedensten Beanspruchungen und Wünschen angepasst worden sind. Die Knetlegierungen lassen sich weiter unterteilen in 1. Aushärtbare Knetlegierungen 2. Nicht aushärtbare Knetlegierungen 1. Beispiele zu den aushärtbaren Aluminiumlegierungen AlMgSi 0.5 AlMgSi 1.0 AlZnMg AlCuPbBi 2. Beispiele zu den nicht aushärtbaren Aluminiumlegierungen Reinaluminium AlMn AlMg (Mn) Mit den Legierungselementen Kupfer, Silizium und Mangan bilden sich bei etwa 500 C Mischkristalle. Werden solche Legierungen schnell abgekühlt, so bleibt das Mischgefüge auch bei Raumtemperatur erhalten. Die Härtezunahme erfolgt, wenn diese Legierungen eine gewisse Zeit lang lagern (auslagern). Somit sind also Kupfer, Silizium und Mangan für die härtbarkeit des Aluminiums verantwortlich.

6 Aushärten von Aluminiumlegierungen Es sind nur die aushärtbaren Legierungen härtbar. Eine Übersicht über die aushärtbaren Aluminiumlegierungen gibt das Tabellenbuch und das Handbuch für das Carrosseriegewerbe. Die zwei wesentlichen Schritte beim Aushärten von Aluminiumlegierungen sind: Abschrecken Auslagern

7 Legierungsbezeichnungen von Aluminium- Legierungen Man findet oft in der Literatur bei Aluminium-Legierungen, die Legierungsbezeichnung in Form einer 4-Stelligen Nummer und/oder in Form einer Kurzbezeichnung. Beispiel: Legierungsgruppe Aluminium- Knetlegierungen aushärtbar und nicht aushärtbar Aluminium- Gusslegierungen EN AW-3102 EN AW-2014 EN AW-5754 EN AC EN AC Nummer Legierungsbezeichnung Kurzzeichen EN AW-AlMn1 EN AW-AlCu4SiMg EN AW-AlMg 3 EN AC-AlSi11 EN AC-AlSi9Cu3(Fe) Es wird selbstverständlich nicht verlangt sämtliche Kurzzeichen auswendig zu kennen. Benutzen Sie dazu Ihr Tabellenbuch, setzen Sie sich vor der Prüfung mit Ihrem Tabellenbuch auseinander. Nachfolgende Erklärung sollten Sie auch ohne Tabellenbuch abgeben können. Aluminium Knetlegierungen beinhalten in der Codierung das Kürzel AW. Aluminium Gusslegierungen beinhalten in der Codierung das Kürzel AC. Aluminiumlegierungen können mit der Werkstoffnummer (4-, 5-Stellig), mit den Kurzzeichen, oder mit beidem gekennzeichnet sein. Erläuterung zu den vierstelligen Werkstoffnummern Die erste Ziffer gibt das Hauptlegierungselement an. Die restlichen Ziffern sind mehr oder weniger Zählnummern, die chronologisch oder in Anlehnung an bereits bestehende Legierungen vergeben werden. Gruppe Hauptelement Härtbarkeit Bemerkungen 1xxx mind. 99% Aluminium naturhart 2xxx Kupfer aushärtbar 3xxx Mangan naturhart 4xxx Silizium aushärtbare und naturharte Legierungen auch Reinaluminium genannt; schweißbar; sehr korrosionsbeständig; Verwendung für Aluminiumfolie, chemische Tanks und Rohre; hohe elektrische Leitfähigkeit. 0,7 bis 6,8 % Cu - Verwendung in Flugzeug und Raumfahrt - hohe Festigkeit - großer Temperaturbereich. Manche Legierungen gelten aufgrund der Rissneigung beim Schweißen als nicht schweißbar - Schweißzusatz meistens 2xxx, manchmal auch 4xxx. hohe Korrosionsbeständigkeit - gute Formbarkeit - geeignet auch für höhere Temperaturen - Einsatzgebiet von Kochtöpfen über Kühler in Fahrzeugen (hier oft mit 4xxx plattiert) bis zum Kraftwerksbau. Schweißzusatz 1xxx, 4xxx und 5xxx. 0,6 bis 21,5 % Si - einzige Serie, die aushärtbare und nicht aushärtbare Legierungen enthält - für die Aushärtung ist zusätzlich die Anwesenheit von Magnesium erforderlich. Silicium reduziert den Schmelzpunkt und macht die Schmelze dünnflüssiger - ideal für Schweiß- und Lötzusätze.

8 5xxx Magnesium naturhart 6xxx Magnesium und Silizium aushärtbar 7xxx Zink aushärtbar 8xxx andere Elemente unterschiedlich 0,2 bis 6,2 % Mg - höchste Festigkeiten unter den nicht aushärtbaren Aluminiumlegierungen - schweißbar - Verwendung im Schiffbau, Transport, Druckkessel, Brücken und Gebäuden. Schweißzusatz muss nach Magnesiumgehalt bestimmt werden. Aluminium aus dieser Serie mit mehr als 3,0 % Mg ist für Temperaturen über 65 nicht geeignet (Spannungsrisskorrosion) - Materialien mit weniger als ca. 2,5 % Mg können oft erfolgreich mit 5xxx oder 4xxx Schweißzusätzen geschweißt werden wird meist als das Material mit dem höchsten Mg-Gehalt genannt, das gerade noch mit 4xxx schweißbar ist. Si und Mg um die 1 % - sehr beliebt bei Schweißkonstruktionen - Verwendung vorwiegend als Strangpressprofile - kann gut wärmebehandelt werden - sollte nicht ohne Schweißzusatz geschweißt werden (Warmrisse) - Schweißzusätze 4xxx und 5xxx. 0,8 bis 12,0 % Zn - Verwendung in Flugzeugbau, Raumfahrt, Sportgeräte; manche Legierungen sind nicht mit Lichtbogen schweißbar; Legierungen 7005 und 7020 sind gut mit 5xxx-Schweißzusätzen schweißbar, da diese beiden Legierungen kein Kupfer enthalten; z.b. Aluminium-Lithium-Legierungen der ersten Generation.

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