Überblick über die wichtigsten Eigenschaften

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1 Zusammenfassung: Aluminium Stand der Technik Diplomand: Frankenhäuser, Markus SS2002 Aluminium ist heute ein mit Selbstverständlichkeit betrachteter, überaus vielfältiger eingesetzter Werkstoff. Es ist heute das nach Stahl am häufigsten verwendete Metall. Seine Entwicklung von den Anfängen industrieller Herstellung und Nutzung bis zum Massengebrauchsmaterial unserer Tage umfaßt noch nicht einmal den Zeitraum von 100 Jahren. Noch 1882 war das Material Aluminium eine bestaunte Rarität, von der in der gesamten Welt 2 t produziert wurden. Die Produktion und der Verbrauch dieses jungen Metalls hat eine stürmische Entwicklung genommen. Bezogen auf das Volumen hat Aluminium bereits gegen Ende der 30ger Jahre alle anderen NE-Metalle überflügelt. Die Weltproduktion von H ü t t e n a l u m i n i u m betrug im Jahre 1900 rd t, woran 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 von Obwohl sich das Wachstum in den 70er Jahren verlangsamte wurde 1980 mit über 16 Mill. t fast achtmal soviel produziert wie Die Anzahl der Aluminium produzierenden Länder hat sich bis Ende der 90er auf 42 erhöht. Die wichtigsten Erzeugerländer sind heute die USA ( t), Rußland (ca t), Kanada ( t), Deutschland ( t) und Norwegen ( t). Überblick über die wichtigsten Eigenschaften Der Werkstoff Aluminium hat wegen einer Reihe von vorteilhaften Eigenschaften eine besondere Bedeutung auf vielen Gebieten der Technik erlangt. Diese Eigenschaften, die Aluminium in vielen Fällen zum geeignesten und wirtschaftlichsten Werkstoff machen, sind vor allem: - Geringe Dichte: Die Dichte beträgt mit 2,6 bis 2,8 g/cm³ (für Reinaluminium 2,7 g/cm³) etwa ein Drittel der Dichte von Stahl. Noch günstiger ist das Verhältnis gegeüber den Schwermetallen. Aus der niedrigen Dichte ergeben sich wesentliche Masseverringerungen bei mobilen Konstruktionen, wie Luft-, Land-, und Wasserfahrzeugen und Fördermitteln sowie bei häufig auszuwechselnden und zu transportierenden Teilen. Die mögliche Herabsetzung von Massenkräften führt zu Energieeinsparungen und zu günstigen Betriebs- und Unterhaltskosten. Bei ruhenden Konstruktionen sind oft zusätzliche Massenverringerungen und damit leichtere Fundamente und Tragkonstruktionen möglich. 1

2 - Günstige Festigkeitseigenschaften: Für die verschiedenartigsten Anwendungen stehen genormte Aluminiumwerkstoffe mit optimalen Festigkeitseigenschaften (Mindestzugfestigkeiten von etwa von 60 bis etwa 530 N/mm²) zur Verfügung. Unter Berücksichtigung der anderen Eigenschaften können für fast alle Anwendungsgebiete optimale Lösungen gefunden werden. - Gute chemische, Witterungs- und Seewasserbeständigkeit Rein- und Reinstaluminium und die kupferfreien Legierungen sind gegen sehr viele Medien beständig. Kupferfreie Aluminiumwerkstoffe werden deshalb in großen Umfang im Bauwesen, in der chemischen Industrie, der Nahrungs- und Genußmittelindustrie, im Fahrzeugbau, im Schiffbau und auf anderen Gebieten verwendet. Überzeugender Beweis für die Witterungsbeständigkeit von Aluminiumwerkstoffen sind Freileitungen und Dachdeckungen aus Reinaluminium oder AlMn, die auch nach Jahrzehnten unter Witterungseinfluß noch völlig intakt sind. Bei Beanspruchung durch Seewasser und Seeluft oder leicht alkalische Medien haben sich dagegen AlMg- und AlMgMn- Werkstoffe hervorragend bewährt. Durch zusätzlichen Oberflächenschutz kann die Beständigkeit weiter verbessert werden. - Gute Umformbarkeit Die vorzügliche Umformbarkeit ermöglicht die Herstellung von Profilen und Rohren mit nahezu beliebig komplizierten Querschnittsformen durch Strangpressen. Aber auch mit fast allen anderen üblichen Verfahren des Kalt- und Warmumformens lassen sich Halbzeug und Formteile aus Aluminiumwerkstoffen herstellen. - Gute Spanbarkeit Aluminiumwerkstoffe sind gut spanbar, besonders die speziellen Automatenwerkstoffe. Wegen der möglichen hohen Schnittgeschwindigkeiten ergeben sich durchweg kurze Bearbeitungszeiten. - Gute Eignung für Verbindungsarbeiten Alle üblichen Verfahren zum Stoffverbinden sind bei Aluminiumwerkstoffen anwendbar. Schmelzschweißen erfolgt meist im Schutzgasschweißverfahren, Kleb- und Klemmverbindungen haben eine große Bedeutung. - Vielseitige Oberflächenbehandelbarkeit Aluminiumwerkstoffe erlauben die Anwendung einer Vielzahl allgemeiner oder werkstoffspezifischer Verfahren zum Erzielen dekorativer Wirkungen, erhöhter Beständigkeit, verbesserter Oberflächenhärte, Abriebfestigkeit, usw. - Funkenfreiheit, Unbrennbarkeit Aluminiumwerkstoffe ergeben normalerweise keine Schlagfunken uns sind unbrennbar, auch ihre Späne brennen nicht. Lediglich feinste Aluminiumteilchen können, wie andere 2

3 Stäube auch, unter bestimmten Voraussetzungen spontan oxidieren und damit explodieren. - Hohe elektrische Leitfähigkeit Alle Aluminiumwerkstoffe weisen eine vergleichsweise hohe elektrische Leitfähigkeit auf. Für elektrische Leiter werden Reinaluminium und AlMgSi-Werkstoffe in großem Umfang verwendet. - Hohe Wärmeleitfähigkeit Die Wärmeleitfähigkeit genormter Aluminiumwerkstoffe liegt im Bereich von 80 bis 230 W/m*K. Die gute Wärmeleitfähigkeit wird z.b. bei Kolben, Zylindern und Zylinderköpfen für Verbrennungsmotoren und Verdichter sowie bei Wärmeaustauschern aller Art für viele Anwendungsgebiete vorteilhaft ausgenutzt. - Gute optische Eigenschaften Hohes Reflexionsvermögen für Licht- und Wärmestrahlung uns entsprechend geringe Absorption kennzeichnen metallblanke Aluminiumoberflächen. Durch geeignete Oberflächenbehandlung können Reflexion und Absorption in weiten Grenzen verändert werden. - Magnetische Neutralität Alle Aluminiumwerkstoffe sind frei von Ferromagnetismus. - Günstiges Verhalten nach radioaktiver Bestrahlung Die Halbwertzeit von Aluminium nach radioaktiver Bestrahlung liegt besonders niedrig. - Gesundheitliche Unbedenklichkeit Das Element Aluminium und alle genormten Aluminiumwerkstoffe sind ungiftig. Aluminiumprodukte sind leicht zu reinigen, sterilisierbar und erfüllen alle hygienischen und antitoxischen Anforderungen. Gewinnung von Aluminium Aluminium wird entweder aus Primäraluminium oder Sekundäraluminium gewonnen. Unter Primäraluminium versteht man die Gewinnung des Aluminiums aus Bauxit, das in der Erdrinde in ausreichender Menge vorkommt. Die bis heute erschlossenen Bauxitvorkommen können den Bedarf mehrerer Jahrhunderte decken. Unter Sekundäraluminium versteht man die Aufarbeitung von Alt- und Abfallmaterial. Daraus gewonnene Sekundärlegierungen decken rund 35 % des Gesamtbedarfs an Aluminium. 3

4 Produkte aus Aluminium Anwendungen Fertigerzeugnisse aus Aluminium umfassen ein breites Band von der Haushaltsfolie über Motorenteile bis zum Schienenfahrzeug. Die meisten zeichnen sich dank der Korrosionsbeständigkeit durch lange Nutzungsdauer aus, auch die Recyclingraten sind allgemein hoch. Im Unterschied zu Halbzeug (Produkten zwischen Rohstoff und Fertigerzeugnis) versteht man unter Aluminium-Produkten solche Erzeugnisse oder Teile, die keiner weiteren Bearbeitung mehr bedürfen. Sie sind in allen Bereichen der Technik und des täglichen Lebens anzutreffen. Man kann sie unter eine Vielzahl von Bereichen der Aluminium-Anwendung einreihen: Aluminium-Verpackungen, Büroausstattung, Druckplatten, Haushaltsgeräte, Elektronik, Elektrotechnik, Hochbau, Klimatechnik, Ingenieurbau, Maschinenbau, Stahlerzeugung, Flugzeugbau, Raumfahrt, Schiffsbau, Schienenfahrzeugen, Seilbahnen, Straßenfahrzeugen, Aluminiumfarben, Sportgeräte. Nachfolgend einige bekannte Beispiele, die die Verwendung des Aluminiums im Bereich Hochbau verdeutlichen: Bild: Renault Prototyp-Entwicklungszentrum Le Proto, Jean-Paul Hamonic, Guyancourt, Frankreich 4

5 Bild: MABEG Hauptniederlassung, Nicholas Grimshaw, Soest, Deutschland Bild: Kongreßzentrum, Claude Vasconi, Reims, Frankreich 5

6 Bild: Televisa-Gebäude, TEN Arquitectos, Mexico City, Mexiko Bild: K-Museum, Makoto Sei Watanabe, Tokio, Japan 6

7 Oberflächenbehandlung von Aluminium Hier wird zwischen der mechanischen und chemischen Oberflächenbehandlung unterschieden. Die mechanische Oberflächenbehandlung wird zur Beseitigung von Unebenheiten, Fehlstellen und anderen Unregelmäßigkeiten der Oberfläche von Halbzeug und Gußstücken sowie deren Glättung angewendet. Sie stellt häufig eine Vorstufe für eine folgende chemische oder elektrolytische Behandlung dar, kann aber auch eine Endbehandlung sein. Die Verfahren zur chemischen Oberflächenbehandlung unterscheiden sich hinsichtlich ihres Zieles: Entfetten, Oberflächenabtragende Behandlung (Beizen, Ätzen, Glänzen, usw.), Korrosionsschutz und Haftgrundvermittlung (Chromatieren, Phosphatieren). Alle Aluminiumprodukte oder teile, die beschichtet oder eloxiert werden sollen, benötigen eine entsprechende Vorbehandlung, deren verschiedene Stufen in DIN bis DIN geregelt sind. Diese Vorbehandlungen prägen insbesondere im Eloxalverfahren entscheidend das Aussehen der Oberfläche. Sie tragen die Bezeichnungen E 0 bis E 6, von rein technischen Oberflächen, bei denen Preßriefen und Kratzer zu sehen sind, bis hin zu geschliffenem, gebürstetem oder poliertem Finish. Anodische Oxidation (Eloxieren) Bei der anodischen Oxidation von Aluminium auch Eloxalverfahren genannt wird in einem elektrochemischen Vorgang die Oberfläche des Aluminiumwerkstücks in eine Oxidschicht umgewandelt. Diese Oxidschicht ist gegenüber der natürlichen gebildeten Oxidschicht um über das Hundertfache verstärkt. Sie ist in ihrer Dicke definierbar und macht die so behandelten Produkte verschleißfest und korrosionsbeständig; zudem läßt sie die Möglichkeit der farblichen Gestaltung zu. Zunächst wird eine farblose Eloxalschicht erzeugt, die dann wiederum entweder organisch oder elektrolytisch eingefärbt werden kann, wobei jedoch immer das charakteristische metallische Aussehen der Oberfläche erhalten bleibt. Beschichten von Aluminium Als Verfahren zur Oberflächenveredelung von Aluminium hat sich die Technologie der Kunststoffbeschichtung durchgesetzt, wobei hier zwischen Naßlack- und Pulverbeschichtung zu unterscheiden ist. Dabei wird im Gegensatz zur anodischen Oxidation der Aluminiumoberfläche ein Naßlack oder ein Pulver manuell oder automatisch, mit oder ohne Elektrostatik aufgebracht. Zum Einsatz kommen je nach Anwendungsbereich und gewünschten Produkteigenschaften verschiedene Beschichtungssysteme mit unterschiedlichen Bindemittelbasen; zum Beispiel Polyester-, Epoxy-, Epoxy-Polyester-, PUR-, und PVDF-Lacke. Für den Designer und Farbgestalter bleiben hier keine Wünsche offen. RAL-Farbtöne oder Metallicbeschichtungen, NCS-Farbsystem oder Sonderfarben, ob glänzend oder matt; alles ist möglich. 7

8 Korrosionsverhalten von Aluminium Durch Korrosion wollen die Metalle zurück zur Natur. Der Ausdruck Korrosion leitet sich von dem lateinischen Wort corrodere, d. h. benagen, ab. Als Korrosion bezeichnet man die große Gruppe der verschiedenen Anfressungs- und Auflösungsvorgänge, denen ein Metall im Laufe der Zeit unterliegen kann. Das Aluminium muß als ein ausgesprochen korrosionsbeständiges Gebrauchsmetall gelten, da es sich in vielen Fällen ohne jeden Schutzanstrich oder sonstigen Oberflächenschutz verwenden läßt. Das ungeschützte Aluminium ist bei Bewitterung, im Süßwasser, im Meerwasser sowie gegenüber vielen Lebensmitteln und Chemikalien durchaus beständig, solange die richtigen Werkstoffe und thermische n Behandlungen sowie geeignete Verbindungsverfahren angewendet werden. Es gibt viele Beispiele für die lange Lebensdauer des Aluminiums, z. B. das Dach der St.-Joachims-Kirche in Rom, das sich ohne Oberflächenschutz seit 1897 in gutem Zustand befindet. (kleine Pittings von weniger als 0,1 mm Tiefe, Werkstoff: Reinaluminium mit 0,5% Fe und 0,9% Si als Verunreinigung). Gerade wegen der umfangreichen Anwendung ungeschützten Aluminiums ist es daher sehr wünschenswert, die Ursachen zu kennen, welche eine Korrosion des Aluminiums hervorrufen können. Siehe aber hierzu weiterführende Literartur. Schweißen und Löten von Aluminiumwerkstoffen Hier soll nur ein kurzer Überblick über die verschiedenen Schweiß- und Lötverfahren gegeben werden. Eine der besonderen Eigenschaften des Aluminiums ist seine große Neigung zur Verbindung mit Sauerstoff. So wertvoll diese Neigung hinsichtlich der Erhöhung der chemischen Beständigkeit infolge der Ausbildung einer sehr zähen und dichten Oxidschicht sein kann, so hinderlich ist diese Eigenschaft beim Schweißen. Aus diesem Grunde sind einige der in DIN 1910 Teil 2 genormten Schweißverfahren für Aluminium weniger gut bzw. gar nicht geeignet. In dieser Norm ist das Schweißen von Metallen nach dem Verfahrensablauf in Schmelz- und Preßschweißen eingeteilt. Nach DIN 1910 Teil 2 ist zwischen folgenden Hauptgruppen zu unterscheiden: Schweißen von Metallen Preßschweißen Schmelzschweißen Lötverfahren Im Gegensatz zum Schweißen handelt es sich beim Löten um ein Verbinden metallischer Werkstoffe mit Hilfe eines geschmolzenen Lotes, dessen Schmelztemperatur tiefer als die des Grundwerkstoffes (Lötflächen) durch das flüssige Lot benetzt werden, ohne selbst abzuschmelzen. Nach der bisher noch allgemein vertretenen Theorie wird die Benetzung des Grundwerkstoffes durch die auf den 8

9 Werkstückoberflächen stets vorhandenen Oxidhäute verhindert. Diese müssen daher im Bereich der Lötflächen, meist durch Einsatz von Flußmitteln, beseitigt werden. Hier wird zwischen Weich- und Hartlöten unterschieden. Fazit Meiner Meinung nach ist Aluminium ist ein sehr vorteilhafter Werkstoff. Er hat gute mechanische und chemische Eigenschaften, ist leichter als Stahl, läßt sich relativ einfach und schnell verbinden und der Korrosionsschutz ist leicht und schnell aufzubringen. Der größte Vorteil meiner Meinung nach ist, dass das Aluminium in ausreichender Menge als Rohstoff (Bauxit) in der Natur vorkommt. Obwohl man es in unserem Alltag kaum wahrnimmt, ist Aluminium aufgrund seiner vielfältigen Verwendung aus der heutigen Zeit kaum mehr wegzudenken. Es wird auch in Zukunft immer mehr Verwendung für Aluminium (z. B. im Fahrzeugbau) geben und seine Bedeutung in der Industrie wird noch zunehmen. 9