Werkstofftechnik - Skripte

Der Werkstoff Aluminium gehört zur Gruppe der Leichtmetalle. Aluminium bzw. Aluminiumwerkstoffe besitzen einen hohen Stellenwert im Automobilbau und der Luft- und Raumfahrttechnik, da sie eine geringe Dichte und gute mechanische Eigenschaften aufweisen. Zudem bieten sie die Möglichkeit der Verarbeitung mittels verschiedener Verfahren.

Mechanische Kennwerte von Aluminium und Al-Legierungen

Im Vergleich zu Stahl ist Aluminium zwar deutlich leichter (nur. ca. 1/3 des Gewichts), weißt aber auch geringere mechanische Eigenschaften auf. Für handelsübliches reines Alu gilt eine Zugfestigkeit von 60 bis 95 N/mm² und eine 0,2-%-Dehngrenze von mindestens 20 N/mm². Aluminium-Legierungen können hingegen eine Zugfestigkeit von bis zu 700 MPa erreichen. Der E-Modul von Aluminium liegt bei 70 GPa (70.000 N/mm²) und ist damit ebenso geringer als der von Stahl (210 GPa).

Mechanische Eigenschaften reines Aluminium

• Zugfestigkeit R_m: ca. 60…95 MPa ist abhängig vom Reinheitsgrad (Al-Legierungen: 300 bis 700 MPa)
• Dehngrenze R_p0,2: min. 20 MPa ist abhängig vom Reinheitsgrad
• Bruchdehnung A₅₀: 25 %
• E-Modul: 70000 N/mm² Poissonzahl: 0,34 Mohshärte: 2,75

Mechanische Eigenschaften Al-Legierungen

Wie bereits beschrieben können sich die mechanischen Eigenschaften von Al-Legierungen deutlich von denen des reinen Aluminiums unterscheiden. Vor allem die Zugfestigkeit und Dehngrenze werden durch das Zulegieren von Elementen wie Magnesium, Silizium und Mangan deutlich erhöht.

In der folgenden Tabelle sind mechanische Eigenschaften von Aluminium-Legierungen zu finden:

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Weitere Kennwerte Aluminium

Im Folgenden sind weitere wichtig Kennwerte von Aluminium zu finden:

• Bezeichnung: Aluminium, Al, 13
  Dichte: 2,7 g/cm³
• Schmelzpunkt: 933,47 K (660,32 °C)
• Spezifische Wärmekapazität: 897 J/(kg • K)
• Elektrische Leitfähigkeit: 37,7 • 106 A/(V • m)
• Wärmeleitfähigkeit: 235 W/(m • K)
• Kristallstruktur: kubisch flächenzentriert

Eigenschaften von Aluminiumwerkstoffen

Weitere charakteristische Eigenschaften von Aluminium sind:

• Geringe Dichte
• hervorragend warm- und kaltumformbar
• gut gießbar
• Aushärtbar
• Gute Zerspanbarkeit
• korrosionsbeständig gegenüber zahlreichen wässrigen Medien
• schweißbar
• lötbar

Mit 7,57 Gewichtsprozent ist Aluminium nach Sauerstoff und Silizium das am dritthäufigsten in der Erdkruste vorhandene Element und damit sogar das am häufigsten vorhandene Metall. Somit sind noch immer reichlich Aluminiumvorkommen vorhanden
Aufgrund seines sogenannten unedlen Charakters ist das Element Aluminium jedoch in aller Regel an andere Elemente gebunden. Dabei bildet Aluminium, welches innerhalb von Aluminium-Silikaten vorliegt, den größten Anteil. Die Verbindung wird Bauxit genannt. Dort nimmt es innerhalb der Kristallstruktur den Platz von Silizium innerhalb der Sauerstoff-Tetraeder ein. Häufig finden sich derartige Silikate beispielsweise in Granit, Gneis oder Ton.

Seltenere Vorkommen von Aluminiumoxid existieren in mineralischer Form in Korund. Hierbei gibt es verschiedene, farblich sehr interessante Variationen, wie Rubin (rot) oder Saphir (verschiedene Farben oder farblos). Die Färbung dieser Kristalle wird Beimengungen anderer Metalloxide hervorgerufen. Dabei hat Korund unter allen Mineralien mit beinahe 53 Prozent den höchsten Anteil an Aluminium. Minerale mit ähnlich hohem Anteil, wie etwa Diaoyudaoit oder Akdalait (beide etwa 50 Prozent) sind äußerst selten. Einer Erhebung aus dem Jahr 2010 zufolge, sind bis heute insgesamt 1156 aluminiumhaltige Minerale bekannt.

Für die Wirtschaft gibt es jedoch bezüglich der Aluminiumproduktion nur ein einziges wichtiges Ausgangsmaterial, das Bauxit. Die größten Vorkommen an Bauxit befinden sich derzeit in den Vereinigten Staaten, Südfrankreich, Ungarn, Russland, Guinea, Australien, Bosnien, Herzegowina und Jamaika. In Bauxit finden sich circa 60 Prozent Aluminiumhydroxid und etwa 30 Prozent Eisenoxid. Der Rest ist Siliziumoxid. Bezüglich des Herstellungsprozesses wird unterschieden in:

• Primäraluminium: dieses Aluminium wir ausschließlich aus Bauxit-Vorkommen hergestellt. Experten bezeichnen es oft auch als Hütten-Aluminium.
• Sekundäraluminium: Dieses Aluminium wird aus Schrott gewonnen (Recycling)

Zum Vergleich: Recyceltes Aluminium benötigt lediglich 5 Prozent der Energie, welche bei der Primärgewinnung erforderlich ist.

Obwohl Aluminium grundsätzlich einen unedlen Charakter hat, gibt es zuweilen doch elementare Vorkommen. Es finden sich hierbei zumeist körnige, tafelig oder massig erscheinende Kristalle von bis zu einem Zentimeter Größe. Mit Stand von 2010 sind international allerdings lediglich nur zehn solcher Fundorte sogenannten "gediegenen" Aluminiums bekannt. Diese Aluminiumvorkommen befinden sich unter anderem in der Volksrepublik China, Italien, Russland, Usbekistan und in Bulgarien. Mit Bekanntwerden dieser Vorkommen erkannte die International Mineralogical Association (kurz: IMA) gediegenes Aluminium unter einer neuen Systemnummer als Mineral an. Elementare Aluminiumvorkommen haben Wissenschaftler auch auf dem Mond entdeckt. Insgesamt ist ungebundenes Aluminium jedoch derart selten, dass es keine wirtschaftliche Bedeutung hat.

Gewinnung von Aluminium

Aufgrund der vorherrschenden Bindungsverhältnisse lässt sich Aluminium nicht ohne Weiteres aus Alumosilikaten isolieren. Die einzige wirtschaftlich sinnvolle Gewinnungsmethode, die großtechnisch derzeit überhaupt möglich ist, stellt die Erzeugung von Aluminium aus Bauxit dar. Dabei wird das in diesem Erz enthaltene Aluminiumoxid-Aluminiumhydroxid-Gemisch zunächst mittels Natronlauge abgespalten und von möglichen Fremdbestandteilen, wie Eisen- und Siliziumoxid getrennt. Dies geschieht überwiegend in sogenannten Wirbelschichtanlagen, eher seltener auch in Drehöfen. Anschließen wird es zu Aluminiumoxid gebrannt. Das dazu notwendige Produktionsverfahren heißt Bayer-Verfahren.

Verfahren zur Herstellung von Aluminium-Werkstoffen

Das früher verwendete, sogenannte trockene Aufschlussverfahren, vielen Technikern auch als Deville-Verfahren bekannt, hat dagegen aktuell keine wirtschaftliche Bedeutung mehr. Dabei wurde zuvor nicht gereinigtes und sehr fein gemahlenes Bauxit zusammen mit Koks und Soda im Drehrohrofen kalziniert. Das bei circa 1200 °C entstehende Natrium-Aluminat musste dann anschließend noch mittels Natronlauge gelöst werden.

Bei der an das Bayer-Verfahren sich anschließenden Elektrolyse entsteht auf dem Boden eines Gefäßes (Kathode) Aluminium, während sich an einer Anode aus Grafit der Sauerstoff in Form von Kohlenmonoxid und Kohlendioxid absetzt. Das bedeutet, dass sich an der Anode regelrechte Grafitblöcke bilden, die infolge des ebenfalls im Prozess entstehenden Sauerstoffs abbrennen. Die Anoden müssen deshalb nach einer gewissen Zeit ersetzt werden. Reines Aluminium, welches sich am Behälterboden absetzt, ist flüssig und kann über ein Saugrohr problemlos abgesaugt werden.

Zur Herstellung von reinem Aluminium bedient man sich heute ausschließlich der Schmelzflusselektrolyse. Dabei wird das Aluminiumoxid mit Kryolith zusammengebracht und verschmolzen, wobei Kryolith dazu dient, den Schmelzpunkt auf 963 °C herabzusetzen. Das dazu notwendige Produktionsverfahren heißt Hall-Héroult-Prozess, wird jedoch oft auch als Kryolith-Tonerde-Verfahren bezeichnet.

Herstellung Aluminium im Verfahren der Schmelzflusselektrolyse

Nachteile der Herstellungsverfahren für Aluminium 

Der gesamte Herstellungsprozess von Aluminium ist sehr energieintensiv. Das liegt vor allem in der hohen Bindungsenergie von Aluminium und seiner Dreiwertigkeit begründet. Der Energieeinsatz für ein Kilogramm Roh-Aluminium beträgt demnach 12,9 bis 17,7 kWh. Die Herstellung von Aluminium ist deshalb ausschließlich in Reichweite von preiswert zur Verfügung stehenden Elektroenergieressourcen wirtschaftlich.

Eine Reduzierung des erforderlichen Energieeinsatzes ist technisch kaum mehr möglich. Aktuell gelten hier die wissenschaftlich-technischen Potenziale als ausgeschöpft. Deshalb ist es wichtig, die Verwendung von Recyclingmaterial möglichst immer weiter zu erhöhen. Dazu bedarf es immer besserer Verwertungsmethoden. Auch Einsparungen bei der eigentlichen Stromerzeugung könnten dazu beitragen, die Energiebilanz zu verbessern.

Die Vorteile von Aluminium sind in der Praxis sehr vielseitig und sind dabei auf diverse Eigenschaften des Leichtmetalls zurückzuführen. Als Leichtmetall wird es deshalb bezeichnet, da es mit einer Dichte von ungefähr 2,6 bis 2,8 Gramm pro cm³ lediglich über rund 30% der Dichte von Stahl verfügt. Obwohl Aluminium also ein sogenanntes Leichtmetall ist, besitzt es dennoch eine ausgesprochen hohe Festigkeit - ein weiterer Vorteil zu Gunsten des Metalls.

Einfache Verarbeitung

Das Leichtmetall lässt sich sehr leicht verarbeiten und verformen. Gängige Methoden hierzu, vom Schweißen des Metalls bis hin zu klassischen Formverfahren, können bei Aluminium bedenkenlos angewandt werden. Sie können teilweise sogar unkomplizierter, schneller und mit einfacheren Utensilien durchgeführt werden. Hier ergeben sich weitere wirtschaftliche Vorteile.

Fest und Schlagunempfindlich

Aluminium kann nur schwer bis gar nicht durchschlagen werden. Der Druck des Aufpralls wird durch die Verformbarkeit so kompensiert, dass sich im Regelfall lediglich eine Verbeulung des Metalls ergibt. Durchgeschlagen wird es daher nur von spitzen Utensilien.

Eigenschutz gegen Korrosionsverhalten

Ein weiterer Vorteil ist der hohe Eigenschutz gegen Korrosion. In direktem Kontakt mit Sauerstoff überzieht sich das Leichtmetall mit einer Oxidschicht, die sich bei Durchdringen sofort wieder erneuert. Daher ist Aluminium gegen Korrosion nicht anfällig. Durch Eloxierung kann dieser Eigenschutz künstlich verstärkt werden.

Kann recycelt werden

Aluminium kann in vollem Umfang und ohne Qualitätsverlust recycelt werden. Bei dem Recyclingverfahren werden lediglich 5 Prozent der Energie genutzt, dafür kann es ganz unkompliziert eingeschmolzen werden. Das macht Sinn, da die Gewinnung des Leichtmetalls mit einem hohen Energieaufwand verbunden ist. Das recyclierte Aluminium wird auch als Sekundäraluminium bezeichnet.

Ignoriert Temperaturveränderungen

Die Eigenschaften von Aluminium bleiben auch bei einem Wechsel der Temperatur konstant. Das Spektrum von -80 Grad Celsius bis hin zu + 150 Grad Celsius kann problemlos durch die Vorteile des Materials kompensiert werden. Bei starker Hitze verhärtet sich das Material sogar noch zusätzlich.

Undurchlässigkeit gegenüber Dampf

Behälter aus Aluminium sind wasserdampfdicht. Das ergibt bei der Lagerung einen wichtigen Vorteil: Güter werden vor Luftfeuchte und Spritzwasser abgesichert.

UV-Resistenz

Aluminium zeigt keine negative (oder positive) Wirkung bei starker UV-Strahlung. Das Material reagiert nicht.

Hygienisches Leichtmetall

Aufgrund der glatten Oberfläche kann Aluminium einfach gereinigt werden. Es ist außerdem geruchsneutral und wird gern in sterilen Umgebungen eingesetzt.

Elektrische Leitfähigkeit und magnetische Neutralität

Ein Vorteil, vorwiegend in Laboren, ist die Freiheit von Ferromagnetismus. Das Leichtmetall besitzt also keine magnetische Eigenanziehung. Dafür ist es ein sehr guter elektrischer Leiter, weshalb es gern bei Stromleitungen und elektronischen Bauteilen genutzt wird.