1. Aluminium Bedeutung und Gewinnung

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1 Produktion und Verbrauch von Aluminium 1. Aluminium Bedeutung und Gewinnung 1.1 Produktion und Verbrauch von Aluminium Aluminium ist heute ein mit Selbstverständlichkeit betrachteter, überaus vielfältig eingesetzter Werkstoff. Es ist das nach Stahl am häufigsten verwendete Metall. Seine Häufigkeit auf der Erde wird mit 7,5% angegeben. Durch die Vielfalt seiner Eigenschaften und die Möglichkeit, diese gezielt zu kombinieren, kann es in den verschiedensten Bereichen eingesetzt werden (Bild 1.1). Seine Entwicklung von den Anfängen industrieller Herstellung und Nutzung bis zum Massen- und Gebrauchsmetall unserer Tage umfasst nicht einmal den Zeitraum von 100 Jahren. Noch 1882 war das Metall Aluminium eine bestaunte Rarität, von der in der gesamten Welt gerade 2 t produziert wurden. Die stürmische Entwicklung von Produktion und Verbrauch dieses jungen Metalls zeigt ein Vergleich mit der Produktionsentwicklung anderer NE-Metalle für den Zeitraum von 1890 bis Bezogen auf das Volumen hat Aluminium bereits gegen Ende der 30er Jahre alle anderen Nichteisenmetalle überflügelt, bezogen auf die Masse im Verlauf der 60er Jahre (Bild 1.2). Maschinenbau 9% Bau 18% Eisen + Stahl Verpackung 6% 7% Haushalt + Büro 4% Sonstige 10% Elektrotechnik 5% Verkehr 41% Bild 1.1 Aluminium-Endverbrauch in der Bundesrepublik Deutschland 2001 (GDA) Die Weltproduktion von Hüttenaluminium betrug im Jahre 1900 rd t, woran nur 5 Länder (USA, Schweiz, Frankreich, Deutschland und Großbritannien) beteiligt waren lag die Produktion bereits bei über t, 1939 bei nahezu t, um dann im Kriegsjahr 1943 fast 2 Mill. t zu erreichen. Dieser Stand wurde 1952 erstmals wieder übertroffen. Die 50er und 60er Jahre sahen einen steilen und ununterbrochenen Produktionszuwachs betrug die Erzeugung das 5fache der von Obwohl sich das Wachstum in den 70er Jahren verlangsamte, wurde 2001 mit über 20,551 Mill. t zehnmal so viel produziert wie 1952 (IAI International Aluminium Institute). 1

2 Aluminium Bedeutung und Gewinnung Weltproduktion in 1000 t Jahr Bild 1.2 Weltproduktion von Aluminium, Kupfer, Zink und Blei in 1000 t (Ordinate logarithmisch) Die wichtigsten E r z e u g e r l ä n d e r befinden sich heute in Nordamerika (2001 Gesamtproduktion t) mit den USA (2001: t) und Kanada (2001: t), in Europa (2001: Westeuropa t; Ost- und Mitteleuropa t) mit der Bundesrepublik Deutschland (2001: t) und Norwegen (2001: t) sowie Russland (2001: t). Weitere Produktionsschwerpunkte liegen in Lateinamerika (2001: t) mit dem Haupterzeugerland Brasilien (2001: t); Ozeanien (2001: t) mit dem Haupterzeugerland Australien und Asien (2001: t) mit dem Hauptproduzenten China. Zu beobachten ist eine langfristige Verlagerung der Produktionsschwerpunkte. Wie die Tafeln 1.1 und 1.2 sowie Bild 1.4a zeigen, hat sich in den letzten drei Jahrzehnten vor allem der Anteil der USA an der Weltproduktion vermindert, während gleichzeitig Lateinamerika, Asien, Australien und Afrika ihren Anteil an der Hüttenaluminiumproduktion beträchtlich steigern konnten. Der Anteil der westeuropäischen Länder stieg in den siebziger Jahren wieder an, u.a. auch durch einen Kapazitätszuwachs in der Bundesrepublik Deutschland bis 1977 (Bild 1.3) führten massive Importe aus den GUS-Staaten zu hohen Lagerbeständen und zu Tiefstnotierungen des Aluminiums. Diese Situation bedeutete das Ende etlicher Produktionsstätten in Westeuropa, auch erkennbar in einem deutlichen Produktionsrückgang in der BRD in den Jahren von 1992 bis Seit 2

3 Produktion und Verbrauch von Aluminium 1995 war wieder ein leichter Anstieg zu beobachten (vgl. Bilder 1.3 und 1.8). Seit Mitte 2000 fällt die Produktion wieder, insbesondere in den USA. Hier war es im Rahmen neuer Energiegesetze für Aluminiumhütten lohnender, ihre Stromkontingente zu verkaufen, als Aluminium zu produzieren. Tafel 1.1 Anteil verschiedener Wirtschaftsräume an der Hüttenaluminiumproduktion der Welt (nach IAI) Anteile an der Gesamtproduktion in % Nordamerika 43,8 58,7 36,5 55,6 44,3 35,6 29,5 29,0 28,3 25,4 davon USA 43,8 49,0 23,9 40,4 35,0 29,0 20,9 17,2 17,3 12,8 Lateinamerika 0,4 1,6 5,1 8,9 10,3 9,8 9,6 Brasilien 0,3 0,5 1,6 4,8 6,2 5,8 5,5 Venezuela o.a. 2 ) o.a. o.a. 3,0 3,0 2,9 o.a. Asien (bis ,5 3,5 9,1 9,8 10,4 15,7 17,5 10,9 ohne VR China, Nordkorea 1 ) China ab ,4 7,6 8,6 o.a. Indien o.a. 2,2 2,3 2,5 o.a. Afrika 11,0 1,6 2,7 3,1 3,0 5,0 6,7 Australien/Ozeanien 0,3 2,0 2,9 7,7 8,3 8,0 10,32 Australien o.a. o.a. o.a. 6,4 6,9 6,6 o.a. Europa bis 1990 o. RGW 56,2 41,3 50,1 19,1 19,6 23,4 Deutsches Reich siehe untere Angaben 9,6 9,4 26,1 3,7 3,0 4,5 bzw. BRD Europa total 40,4 33,7 31,4 West- Europäische Union 13,6 11,0 10,7 europa BRD 3,7 2,6 2,8 18,9 Frankreich 1,7 2,1 1,8 Zahlenwerte sind in den Angaben für Spanien Europa und westliche Welt bzw. in 1,8 1,8 1,8 GUS (Ab 1992) denen der RGW-Staaten enthalten 18,3 15,8 o.a. Mittel- Russland o.a. 14,0 13,5 und Ost- Tadschikistan o.a. 1,3 o.a. europa andere Europ. Staaten 8,5 6,9 o.a. 18,1 Norwegen 4,4 4,5 4,5 Westliche Welt (bis 1980) 100,0 100,0 91,1 79,9 78,2 79,5 RGW-Raum, VR China, 8,9 20,1 21,8 20,5 Nordkorea (bis 1980) UdSSR (bis 1991) 7,2 15,5 16,5 15,1 Gesamt 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 Weltproduktion in 1000 t 6,7 27,1 782, ) Nordkorea Primärproduktion nur bis ) o.a. = ohne Angabe 3

4 3. Zustandsdiagramme der Aluminiumlegierungen 3.1 Aluminiumlegierungen Aluminiumlegierungen Die Eigenschaften von Aluminium hängen von einer ganzen Reihe von Faktoren ab; dabei spielen insbesondere absichtlich zugesetzte Legierungselemente oder zufällig vorhandene Verunreinigungen anderer Elemente eine sehr wichtige Rolle. Mit Ausnahme des Reinstaluminiums Al99,99 werden in der Technik nur Aluminiumwerkstoffe verwendet, die weitere Elemente enthalten, sog. Legierungen. Legierungen sind definiert als Stoffe, die mindestens ein metallisches Element enthalten und insgesamt metallisches Verhalten zeigen. So sind streng genommen auch verunreinigte Materialien, wie Reinaluminium, den Legierungen zuzuordnen. Selbst die hier auftretenden geringen Gehalte an Eisen (Fe) und Silicium (Si) können die Eigenschaften von Reinaluminium Al99 bis Al99,9 in nicht unbeträchtlichem Maße beeinflussen. Aluminiumwerkstoffe enthalten meistens mehrere Legierungselemente neben dem Basismetall Aluminium: Hauptlegierungselemente sind Kupfer (Cu), Silicium (Si), Magnesium (Mg), Zink (Zn), Mangan (Mn). In kleineren Mengen sind häufig als V e r u n r e i n i gungen oder Zusätze vorhanden: Eisen (Fe), Chrom (Cr), Titan (Ti). Sonderlegierungen enthalten Zusätze von: Nickel (Ni), Kobalt (Co), Silber (Ag), Lithium (Li) Vanadium (V), Zirkonium (Zr), Zinn (Sn), Blei (Pb), Wismut (Bi). Als wichtige S p u r e n z u s ä t z e können eingesetzt werden: Beryllium (Be), Bor (B), Natrium (Na), Strontium (Sr), Antimon (Sb). Diese Zusätze und Verunreinigungen bestimmen in starkem Maße über die jeweilige Gefügeausbildung die Eigenschaften des Werkstoffes. Nachfolgend wird der Aufbau der wichtigsten Aluminiumwerkstoffe, soweit für das Verständnis der technischen Werkstoffe notwendig, unter Zuhilfenahme der jeweiligen Zustandsdiagramme beschrieben. 3.2 Bedeutung des Zustandsschaubildes Phasengleichgewichtsdiagramme Der Z u s t a n d (flüssig, fest, einphasig, mehrphasig), der sich in einer Legierung in Abhängigkeit von der Zusammensetzung (Konzentration) und der Temperatur bei normalem Druck (sog. Zustandsvariablen) einstellt, wird durch Zustandsschaubilder beschrieben. Diese Z u s t a n d s d i a g r a m m e stellen in Form eines Temperatur-Konzentrations-Diagrammes die Phasenverhältnisse im G l e i c h g e w i c h t dar, d. h. bei u n - endlich langsamer Abkühlung bzw. Aufheizung. Unter diesen Bedingungen können alle notwendigen Atomwanderungsvorgänge (sog. Diffusionsvorgänge) möglichst vollständig ablaufen. Im Schaubild lassen sich unter bestimmten 95

5 Zustandsdiagramme der Aluminiumlegierungen Bedingungen die dann miteinander im Gleichgewicht stehenden Phasen ablesen, weshalb diese Diagramme auch als P h a s e n g l e i c h g e w i c h t s d i a g r a m m e bezeichnet werden. Bei beschleunigter Abkühlung, insbesondere nach rascher Abkühlung von höheren Temperaturen, können sich merkliche Abweichungen vom Zustandsdiagramm ergeben. Die Zeit reicht nicht aus, um alle erforderlichen Diffusionsprozesse ablaufen zu lassen, so dass sich ein Ungleichgewicht ergibt. Zur Beschreibung derartiger Ungleichgewichte können die o.g. Zustandsdiagramme nicht verwendet werden; hierfür werden z.t. gesonderte Diagramme aufgestellt (s. 3.4). Tafel 3.1 Löslichkeit einiger Elemente im Aluminium-Mischkristall (Daten nach Mondolfo und Schumann, Schürmann und Voss) Zu- Temp. des Phase im mit Löslichkeit (Masseanteile in % ) bei Anmerkungen satz Eutektikums (E), Gleichgewicht T E, T P 500 C 400 C 300 C 200 C Peritektikum (P) dem Al- oder T M oder Monotekti- Mischkristall kum (M) C Be 645 (E) -Be 0,08 0,01 0,005 Bi 657 (M) Bi, flüssig ~ 0,05 Bi-reiche Schmelze erstarrt bei 269 C Cd 649 (M) Cd, flüssig ~ 0,4 0,15 0,08 0,04 Cd-reiche Schmelze erstarrt bei 321 C Co 657 (E) Al 9Co 2 < 0,02 Cr 661 (P) Al 7Cr ~ 0,8 0,4 0,35 0,1 Cu 547 (E) Al 2Cu 5,7 4,4 1,6 0,6 0,2 Fe 655 (E) Al 3Fe ~ 0,04 0,005 < 0,001 Li 602 (E) AlLi 4,7 2,8 2,0 1,5 1,0 Mg 450 (E) Al 8Mg 5 17,4 ~ 12,0 12,2 6,6 3,5 Mn 657 (E) Al 6Mn 1,82 0,36 0,17 0,02 Ni 640 (E) Al 3Ni 0,04 0,006 Pb 658 (M) Pb, flüssig ~ 0,17 Pb-reiche Schmelze erstarrt bei 327 C Sb 658 (E) AlSb < 0,1 Si 577 (E) Si 1,65 0,8 0,3 0,07 0,01 Sn 228 (E) Sn, flüssig ~ 0,06 ~ 0,08 Sn-reiche Schmelze erstarrt bei 228 C Ti 665 (P) Al 3Ti 1,3 0,2 V 661 (P) Al 10V ~ 0,37 < 0,2 Zn 275 Zn 31,6 14,5 bei 275 C eutektoide Reaktion Zr 660,5 (P) Al 3Zr 0,28 0,05 Mg 2Si 595 (E) Mg 2Si 1,85 1,10 0,52 0,30 0,20 Quasibinärer Schnitt 96

6 Bedeutung des Zustandsschaubildes Bild 3.1 Die binären Zustandsdiagramme des Aluminiums (Zusammenstellung nach Hornbogen et al.) 97

7 Werkstoffbezeichnungen 9. Werkstoffbezeichnungen nach Legierungszusammensetzungen und mechanischen Kennwerten Die mechanischen, technologischen und physikalischen Eigenschaften von Aluminium können durch Legierungszusätze, Kaltverfestigung und Wärmebehandlungen, wie z.b. die Ausscheidungshärtung oder Rekristallisationsglühungen, gezielt verändert werden. Dabei wird in Kauf genommen, dass durch Verbesserung einer bestimmten Eigenschaft eine oder mehrere andere Eigenschaften verschlechtert werden können (s. Kap. 2, 5, 6, 8). Die richtige Werkstoffauswahl für einen bestimmten Einsatzzweck ist deshalb eine O p t i m i e r u n g s a u f g a b e. Im vorliegenden Kapitel werden im wesentlichen genormte Mindestwerte der mechanischen Eigenschaften von Aluminium, Aluminium-Knetlegierungen und Aluminium-Gusslegierungen, abhängig vom Werkstoffzustand dargestellt. Tafeln mit Angaben über Zusammensetzungen von Aluminiumwerkstoffen sind im Anhang zusammengestellt. Angaben über Eigenschaften von Sonderwerkstoffen finden sich, auch in den Bänden 2 und 3 des Aluminium-Taschenbuches, beim jeweiligen Anwendungsgebiet. Die Angaben beziehen sich in der Regel auf das deutsche DIN-System. Dabei ist zu beachten, dass kürzlich die Umstellung auf das Europäische Normensystem (EN A Europäische Norm Aluminium) erfolgte. Europäische Normen bestehen aus in einem in allen am CEN 1 ) angeschlossenen Ländern inhaltlich und sachlich gleichem Sachteil und ggf. einem nationalen Anhang. Sie sind in der jeweiligen Landessprache abgefaßt. Die Normnummer ist in allen Ländern gleich; die der Normnummer vorangestellten Kennbuchstaben geben an, aus welchem Land die Norm stammt. So bedeuten beispielsweise: DIN EN Deutschland BS EN Großbritannien NF EN Frankreich UNI EN Italien Mit den Europäischen Normen ist die Pflicht verbunden, entgegenstehende nationale Normen zurückzuziehen. Häufig ist aber das Gebiet, das eine Europäische Norm abdeckt, nicht identisch mit dem Gebiet, das die entsprechende DIN beschrieben hat. So kam es nach der Zurückziehung der DIN dazu, dass unabgedeckte Felder übrigblieben. Das bedeutet: N i e wurde eine DIN wertgleich durch eine DIN EN ersetzt! Dementsprechend sind die im Kapitel 9 enthaltenen Hinweise auf neue Normen zu werten. Nach Abschluss haben die bisherigen deutschen Normen keine offizielle Gültigkeit mehr. Um jedoch auch dann noch ältere Veröffentlichungen, Zeichnungen und Bestellungen bearbeiten zu können, ist die Kenntnis der alten Bezeichnungen oft noch notwendig. Daher wird in diesem Buch mitunter auf alte und neue Normnummern verwiesen. 1 ) Comité Européen de Normalisation (Europäisches Komitee für Normung) 507

8 Werkstoffbezeichnungen nach Legierungszusammensetzungen und mech. Kennwerten 9.1 Werkstoffbezeichnungen Begriff»Aluminium«Die Bezeichnung»Aluminium«gilt in der Regel als Oberbegriff für alle Werkstoffe auf Basis Aluminium, d.h. für Reinstaluminium, Reinaluminium- und Aluminiumlegierungen; die internationale Normung unterscheidet dagegen meist zwischen unlegierten Metallen und den Metallegierungen. Die Bezeichnung»L e i chtmetall«wurde früher ausschließlich für die»leichten«metalle Aluminium und Magnesium benutzt. Er ist heute ein Sammelname für Gebrauchsmetalle mit einer Dichte unter 4,5 g/cm 3 und schließt Beryllium und Titan ein. Neben dem Oberbegriff Aluminium sind noch weitere besondere Bezeichnungen für eine eindeutige Verständigung erforderlich. Die wichtigsten Begriffe werden nachfolgend erläutert Bezeichnung nach Herkunft oder Reinheit Zur Kennzeichnung der Herkunft und damit der Reinheit sind folgende Bezeichnungen üblich 1 ): Hüttenaluminium: in Aluminiumhütten durch Schmelzflusselektrolyse oder andere Verfahren gewonnenes Aluminium (Primäraluminium) in Form von Masseln, Granalien oder Grieß Reinstaluminium: unmittelbar aus Hüttenaluminium oder aus Rücklaufaluminium nach besonderen Raffinationsverfahren gewonnenes Aluminium mit einem Reinheitsgrad von mindestens 99,99% für Masseln und 99,98% für Halbzeug Reinaluminium: nicht legiertes Aluminium mit Reinheitsgraden von 99% bis 99,9%. Sekundäraluminium: in Schmelzwerken (Schmelzhütten) aus Abfällen und Schrott hergestellte Legierungen, auch als Standardlegierungen 2 ), Blockmetall oder Umschmelzlegierungen bezeichnet. 1 ) s. auch DIN EN 23134: Leichtmetalle und deren Legierungen, Begriffe und Definitionen T.1: Werkstoffe: Festgelegt sind die Grundbegriffe und Definitionen für Aluminium, Magnesium und Legierungen auf Basis dieser Metalle. Ferner die Einteilung von Aluminium und Aluminiumlegierungen sowie werkstoffspezifische Begriffe und Definitionen (Primär-/Sekundärmetall, Reinstaluminium). 2 ) Der Ausdruck»Standard«(in Standardlegierungen) entspricht nicht dem Begriff»Norm«(Die meisten Sekundär-Gusslegierungen sind in DIN EN 1706 genormt). 508

9 Werkstoffbezeichnungen Bezeichnungen nach Verarbeitung oder Lieferform Knetwerkstoffe Knetlegierungen werden durch Kneten (Walzen, Strangpressen, Ziehen, Schmieden) zu Halbzeug verarbeitet. Hierzu gehören Reinstaluminium, Reinaluminium und Aluminiumlegierungen. Die Lieferung erfolgt in Stranggussformaten an Halbzeugwerke, von dort in Halbzeugform an den Weiterverarbeiter. Nach der neuen EN-Normung EN AW (DIN EN 573) werden sie mit dem Kennbuchstaben W (Wrought alloys/knetlegierungen) gekennzeichnet (vgl. Tafeln 9.1 und A2). Tafel 9.1 Kennbuchstaben zur Bezeichnung von Aluminiumlegierungen in der EN-Normung EN A Europäische Norm Aluminium EN AB DIN EN 576 Blockmetall EN AC DIN EN 1706 Casting alloys/gusslegierungen EN AM DIN EN 575 Master alloys/vorlegierungen EN AW DIN EN 573 Wrought alloys/knetlegierungen Knetwerkstoffe erhalten z.t. Vorsatzbuchstaben als Hinweis auf besondere Verwendung. Diese werden durch einen Bindestrich mit dem eigentlichen Kurzzeichen verbunden. Hierbei bedeuten: E- = Leitwerkstoff für die Elektrotechnik S- = Schweißzusatzwerkstoff L- = Lot Sd- = Flamm-Spritzdraht, LSd- = Lichtbogen-Spritzdraht Beispiele: E-AlMgSi0,5, S-AlMg5, L-AlSi12, Sd-AlMg3. (Normung s. Tafel 9.7; Zusammensetzungen s. Tafeln im Anhang) Bei Leitaluminium, das mit einem Aluminiumgehalt von 99,5% geliefert wird, fällt die Angabe der Reinheit weg, üblich ist die Angabe E-Al Gusswerkstoffe Gusslegierungen werden durch Gießen (Sand-, Kokillen- oder Druckguss) zu Formgussstücken verarbeitet; die Lieferung erfolgt meist in Form von Masseln. Gekennzeichnet werden sie nach DIN EN 1706, mit dem Kennbuchstaben C (Castings/Gussstücke, s. Tafeln 9.1 und A3). 509

10 Anhang Tafel A.25f Umrechnung von F in C bzw. C in F Tafel A.26 Englische und amerikanische Blech- und Drahtlehren 736

11 Anhang Tafel A.27 Prüfsiebreihen für Drahtgewebe und Lochbleche nach verschiedenen Standards 737

12 Anhang Tafel A.27 Prüfsiebreihen für Drahtgewebe und Lochbleche nach verschiedenen Standards, Fortsetzung Tafel A.27a Ermittlung flächen- und längenbezogener Massen 738