Zusammenfassung: Aluminium – Stand der Technik

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. 6700 t,
woran 5 Länder (USA, Schweiz, Frankreich, Deutschland und Großbritannien) beteiligt
waren. 1916 lag die Produktion bereits bei über 100 000 t, 1939 bei nahezu 700 000 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. 1970 betrug die Erzeugung das 5fache von
1952. Obwohl sich das Wachstum in den 70er Jahren verlangsamte wurde 1980 mit
über 16 Mill. t fast achtmal soviel produziert wie 1952. Die Anzahl der Aluminium
produzierenden Länder hat sich bis Ende der 90er auf 42 erhöht.
Die wichtigsten Erzeugerländer sind heute die USA (3 353 000 t), Rußland (ca. 2 450
000 t), Kanada (1 095 000 t), Deutschland (743 000 t) und Norwegen (715 000 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:
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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.
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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.
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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 AlMgMnWerkstoffe hervorragend bewährt. Durch zusätzlichen Oberflächenschutz kann die
Beständigkeit weiter verbessert werden.
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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.
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Gute Spanbarkeit
Aluminiumwerkstoffe sind gut spanbar, besonders die speziellen Automatenwerkstoffe.
Wegen der möglichen hohen Schnittgeschwindigkeiten ergeben sich durchweg kurze
Bearbeitungszeiten.
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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.
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Vielseitige Oberflächenbehandelbarkeit
Aluminiumwerkstoffe erlauben die Anwendung einer Vielzahl allgemeiner oder
werkstoffspezifischer Verfahren zum Erzielen
dekorativer Wirkungen, erhöhter
Beständigkeit, verbesserter Oberflächenhärte, Abriebfestigkeit, usw.
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Funkenfreiheit, Unbrennbarkeit
Aluminiumwerkstoffe ergeben normalerweise keine Schlagfunken uns sind unbrennbar,
auch ihre Späne brennen nicht. Lediglich feinste Aluminiumteilchen können, wie andere
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Stäube auch, unter bestimmten Voraussetzungen spontan oxidieren und damit
explodieren.
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Hohe elektrische Leitfähigkeit
Alle Aluminiumwerkstoffe weisen eine vergleichsweise hohe elektrische Leitfähigkeit
auf. Für elektrische Leiter werden Reinaluminium und AlMgSi- Werkstoffe in großem
Umfang verwendet.
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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.
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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.
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Magnetische Neutralität
Alle Aluminiumwerkstoffe sind frei von Ferromagnetismus.
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Günstiges Verhalten nach radioaktiver Bestrahlung
Die Halbwertzeit von Aluminium nach radioaktiver Bestrahlung liegt besonders niedrig.
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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.
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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
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Bild: MABEG Hauptniederlassung, Nicholas Grimshaw, Soest, Deutschland
Bild: Kongreßzentrum, Claude Vasconi, Reims, Frankreich
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Bild: Televisa-Gebäude, TEN Arquitectos, Mexico City, Mexiko
Bild: K-Museum, Makoto Sei Watanabe, Tokio, Japan
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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 50939
bis DIN 50943 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.
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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
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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.
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