Aluminium

Der Werkstoff Aluminium ist ein guter elektrischer Leiter, besitzt eine gute Wärmeleitfähigkeit, eine große Dehnbarkeit und ist abhängig vom Reinheitsgrad, korrosionsbeständig.

Die Korrosionsbeständigkeit ist eine Folge von der starken Oxidationsneigung. Die sich bildende Oxidhaut schützt den Werkstoff und bildet sich bei Verletzung sofort neu.

Herstellung

Für die Gewinnung von Aluminiumoxid, dem Ausgangsprodukt der Aluminiumerzeugung durch Elektrolyse, verwendet man Mineralien mit möglichst hohem Aluminiumgehalt, die für den Anschluss am wirtschaftlichsten sind.

Das so gewonnene Aluminium hat drei Reinheitsgrade

• Hütten-Aluminium: Al 99,5 H
• Rein-Aluminium: Al 99,8
• Reinst-Aluminium: Al 99,98 R

Rein-Aluminium

Reinaluminium wird auf Grund seiner geringen Festigkeit von ~ 100 N/mm² nur begrenzt eingesetzt. Anwendungen sind Lebensmittelbehälter, Verpackungsfolien, Zierleisten, Schmuckwaren, Lampenkörper und –Reflektoren, Kochtöpfe und Geschirre. Die geringen Festigkeitswerte lassen sich durch Kaltverformung (z.B. Walzen, Drücken, Ziehen, Pressen) bis auf etwa 200 N/mm² steigern. Dabei verändert sich die Dehnung, Härte usw. ebenfalls.

Aluminium-Legierungen

Um höheren Festigkeitsanforderungen (400-600 N/mm²) zu genügen, wird Aluminium mit bestimmten, u.U. sonst unerwünschten Partnern legiert. Dabei gehen Eigenschaften (z.B. Korrosionsbeständigkeit, geringer Verformungswiderstand) des Rein-Aluminiums verloren.

Die Hauptsächlich vorkommenden Legierungselemente sind Magnesium (Mg), Mangan (Mn), Silizium (Si), Kupfer (Cu), Zink (Zn) und Blei (Pb). Der prozentuale Anteil der jeweiligen Legierungspartner ist meist gering. Trotzdem werden die Festigkeitseigenschaften ganz erheblich gesteigert.

Auf Grund Ihrer unterschiedlichen Zusammensetzung und Eigenschaften gibt es die unterschiedlichsten Aluminiumlegierungen, jeweils abgestimmt auf den Zweck und das Anwendungsgebiet. Nach der Art der Herstellung unterscheidet man Aluminium-Knetlegierungen und Aluminium-Gusslegierungen.

Knetlegierungen sind solche Legierungen, die bei der Herstellung von Halbzeug durch Walzen, Pressen, Schmieden oder Ziehen eine mechanische Umformung zu Halbzeug erhalten. Im Gegensatz zu den Gusslegierungen haben Knetwerkstoffe eine größere Dehnung und Plastizität.

Man unterscheidet dann die beiden Werkstoffgruppen zwischen nicht aushärtbaren uns aushärtbaren Legierungen:

• Nichtaushärtbare Legierungen: Diese Legierungen lassen sich in Ihrer Festigkeit nicht durch eine Wärmebehandlung zu steigern. Die Festigkeit ist nur durch Kaltverformung zu steigern.
• Aushärtbare Legierungen: Diese Legierungen lassen durch eine gezielte Wärmebehandlung in Ihre Festigkeit steigern. Dabei ändern sich die Festigkeitseigenschaften wie Härte, Dehnung usw. zwangsläufig.

Vorraussetzung für die Ausscheidungshärtung von Aluminium-Legierungen ist das Vorhandensein von Mischkristallen, die bei absinkender Temperatur eine abnehmende Löslichkeit besitzen.

Diese wird von folgenden ausscheidungshärtbaren Legierungstypen erfüllt:

• Al-Cu-Mg (AlCuMg 0,5 / AlCuMg 1,0): Bei dieser Legierungsart erfolgt die Ausscheidungshärtung auf Grund der höheren Löslichkeit der Cu-Al-Verbindung bei höheren Temperaturen. Da aber schon geringe Verunreinigungen (besonders durch Fe) die Diffusionsvorgänge des Cu im Aluminium unterdrücken, enthalten Al-Cu-Legierungen meisten 0,5-1,0% Mg, um diesen Einfluss aufzuheben. Daneben beschleunigt Mg die Ausscheidungsvorgänge. Durch den Cu-Gehalt nur bedingt schweißbar, korrosionsempfindlich, daher wird der Werkstoff plattiert.
• Al-Mg-Si (AlMgSi 0,5 / AlMgSi 1,0): Trotz großer Löslichkeit des Mg im Al härtet das System Al-Mg nicht aus. Erst durch den Zusatz von Silizium wird die Legierung Al-Mg-Si kalt- und warm ausscheidungshärtbar. Die Zerspanbarkeit und das Schweißverhalten sind gut.
• Al-Zn-Mg (AlZn, 4, 5 Mg 1): Bei dieser Legierung wird die Ausscheidungshärtbarkeit durch die Löslichkeit der Mg-Zn-Phase erreicht. Der Werkstoff ist kalt- und warm aushärtbar und wird für Schmiedeteile und Schweißkonstruktionen angewendet.

Der Vorgang der Ausscheidungshärtung soll am Beispiel Al-Cu verdeutlicht werden. Die Maßnahmen zur Erzielung der Ausscheidungshärtung bestehen im Lösungsglühen, Abschrecken und Auslagern. Je nach Eignung der Legierung findet die Auslagerung bei Raumtemperatur (Kaltauslagern) oder bei Temperaturen um 150°C (Warmauslagern) statt.

Kaltauslagern

Die wichtigsten kaltauslagernden Legierungen gehören zum Typ Al-Cu-Mg.

Beim Kaltauslagern spielen sich folgende Vorgänge ab: Beim Lösungsglühen (Homogenisieren) bei etwa 500°C soll das Kupfer im Aluminium gelöst werden.

Danach wird das Werkstück in Wasser abgeschreckt. Dadurch wird die normalerweise bei langsamer Abkühlung erfolgte Ausscheidung des Kupfers unterdrückt. Das gesamte Kupfer befindet sich jetzt in einer übersättigten Lösung. In diesem Zustand kann die Zugfestigkeit schon bis 40% über dem weichgeglühten Zustand liegen. Dabei ist der Werkstoff aber noch gut verformbar.

An das Abschrecken schließt sich das Kaltauslagern (bei etwa 20°C) an. Nach wenigen Minuten beginnt sich die Ausscheidungshärtung durch den Anstieg von Härte, Zugfestigkeit und Streckgrenze ohne nennenswerten Abfall der Bruchdehnung sowie durch Änderung physikalischer Eigenschaften (z. B. elektrische Leitfähigkeit) bemerkbar zu machen. Diese Vorgänge beruhen darauf, dass das Aluminiumgitter versucht, das in Lösung gehaltene Kupfer auszuscheiden. Dadurch kommt es zu Cu-reicheren Zonen, welche Gleitebene des Gefüges stärker blockieren.

Dieser Vorgang ist normalerweise nach etwa 5-8 Tagen abgeschlossen. Durch eine Temperaturerhöhung auf ~ 35°C lässt sich der Vorgang beschleunigen, eine Temperaturerniedrigung verzögert ihn.

Warmauslagern

Die Warmauslagerung (Bevorzugt bei Al-Mg-Si-Legierungen) läuft wie folgt ab:

• Lösungsglühen und Abschrecken wie bei Al-Cu-Mg-Legierungen.
• Anschließend wird für eine Zeit von 4 – 48 Std. bei Temperaturen zwischen 120-175°C ausgelagert. Auch hier stellen sich jetzt Ausscheidungsvorgänge ein, die das Gleiten der Gitterebenen behindern. Dabei steigen Härte, Zugfestigkeit und Streckgrenze erheblich an. Der Abfall der Bruchdehnung ist dabei wesentlich größer als bei der Kaltauslagerung. Die Festigkeitswerte fallen nach Erreicherung eines Maximums jedoch wieder ab. Deshalb gewinnt hier die Einhaltung der richtigen Zeit- und Temperaturwerte stark an Bedeutung, um die erwünschten Werkstoffwerte zu erhalten.

Die Ausscheidungshärtung steht grundsätzlich am Ende der Fertigung. Die Teile können jedoch im Anschluss an das Abschrecken noch verformt werden (z. B. Bleche richten, Niete schlagen).

Da eine Glühung die Ausscheidungshärte beseitigt, dürfen ausscheidungsgehärtete Bauteile weder geschweißt noch gelötet werden. Vorsicht ist ebenfalls geboten, wenn bei Schweißarbeiten an anderen Werkstoffen/Bauteilen Aluminiumbauteile in der Nähe sind, da unkontrollierte Warmbehandlungsvorgänge ablaufen können.

Kupferlegierte Alu-Legierungen sind wegen des erheblichen Abstandes in der elektrochemischen Spannungsreihe korrosionsgefährdet. Um diese Korrosionsneigung zu reduzieren, werden Al-Cu-Bleche plattiert, d.h. es werden auf das Al-Cu-Blech beidseitig Reinaluminiumfolien von etwa 0,05 bis 0,1mm Dicke aufgewalzt. Diese Bleche dürfen max. zwei mal lösungsgeglüht werden.

ACHTUNG: DAS SCHWEIßEN AN DIESEN BLECHEN IST VERBOTEN!!!

Bezeichnung der Aluminium-Werkstoffe

Bei der Bezeichnung der Aluminium-Werkstoffe und Warmbehandlungszustände wird in der amerikanischen Normung zwischen nichtaushärtbaren und aushärtbaren Legierungen unterschieden.

Die gebräuchliche Bezeichnung dieser Werkstoffe wird durch die so genannte A.A.A.-Nummer (auch Alcoa-Nummer) ausgedrückt.

• A.A.A. = America-n Aluminium Association
• Alcoa = Aluminium Co-mpany o-f America

Wegen der hochschmelzenden und dichten Oxide (Al₂O₃ = Tonerde) und wegen der Löslichkeit von Wasserstoff H₂ bringt das Schweißen von Aluminium und seinen Legierungen einige Schwierigkeiten mit sich.

Um Schweißen zu können, muss die Oxidhaut entfernt werden. Dies geschieht entweder durch mechanische Vorbereitung (Schleifen) oder durch den Lichtbogen des Schweißverfahrens selber.

Aluminium reagiert mit Wasser (2 Al + 3 H₂O Al₂O₃ + H₂, die Löslichkeit beträgt 1 cm³ in 100 g Aluminium (schmelzflüssig). Im festen Zustand beträgt diese Löslichkeit nur noch 1/20-1/100. Daher scheidet sich Wasserstoff-Gas bei der Erstarrung aus und bildet Poren! Aus diesem Grund muss das Schutzgas absolut trocken sein und Feuchtigkeit sowie Verunreinigungen auf der Werkstückoberfläche entfernt werden.

Geschweißt wird Alu- und seine Legierungen mittels Wechselstrom und Hochfrequenzüberlagerung: Die Oxidhaut wird aufgerissen, wenn die positive Halbwelle an der Elektrode anliegt. Die Hochfrequenz wird überlagert, um den Nulldurchgang der Halbwelle zu überbrücken und den Lichtbogen zu stabilisieren. Außerdem ermöglicht die Hochfrequenzzündung ein berührungsfreies Zünden. Bei der Wechselstromschweißung wird die Elektrode stumpf gehalten, es kommt beim Schweißen zur Ausbildung einer Kugelkalotte.

• siehe: Aluminothermisches Schweißen von Stahl mit Aluminium als wesentliche Komponente des Thermit^®-Pulvers

--Anthony

• Oberflächenerosion von Aluminiumfolie durch Ultraschall, in: Ultraschall und Mikrowellenstrahlung, Versuch 2, Seite 153
• Schmelzen von Aluminium, in: Ultraschall und Mikrowellenstrahlung, Versuch 33, Seite 197

Gemäß Trinkwasserverordnung beträgt der Grenzwert für Aluminium in Trinkwasser 0,2 mg/L.

Bestimmung

• Aluminium-Schnelltest mit Merckoquant-Teststäbchen
  Abstufung	Testanzahl	Hersteller-Info, Bezugsquelle	Methode
  10-25-50-100-250 mg/l	100	Merck, Häberle	Aurintricarbonsäure

• Leonhard A. Hütter: Wasser und Wasseruntersuchung. Methodik, Theorie und Praxis chemischer, chemisch-physikalischer und bakteriologischer Untersuchungsverfahren. 6. Auflage 1994. S. 343
• mit Alizarin S oder Morin

Bei der Verwendung von Aluminium beim Experimentieren gilt:

Auf Chemikalien-Gefäßen finden sich codierte Hinweise auf Gefährdungen und entsprechende Vorsorgemaßnahmen beim Umgang mit dieser Chemikalie. Diese sogenannten H- & P-Sätze hängen gemeinsam mit den Arbeitsregeln für Schülerexperimente als Betriebsanweisung im Chemieraum aus und müssen in jedem Fall beachtet werden!

• Aluminium als Google-Suchbegriff
• Aluminium in der Wikipedia
• Aluminium hier in bs-wiki.de mit Google
• Aluminium als Youtube-Video
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• Aluminium bei chemie-master.de
• Aluminium bei seilnacht.com
• www.periodensystem.info

Im Chemiebuch ...
findest Du weitere Informationen zum Thema Aluminium:
Chemie FOS-T     auf Seite -	Chemie heute     auf Seite 171	Elemente Chemie     auf Seite 267

• www.aluinfo.de: Alu-Infos vom Gesamtverband der Aluminiumindustrie
• Sicherheitsdatenblatt und Produktseite von Aluminium (Aluminiumpulver (stabilisiert)) unseres Lieferanten Carl Roth
• Sicherheitsdatenblatt von Aluminium (Grieß) unseres Lieferanten Conatex
• Sicherheitsdatenblatt von Aluminium (Späne) unseres Lieferanten Conatex
• Werkstoffdatenblatt Aluminium Al 99,5
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