Aluminium: Unterschied zwischen den Versionen

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{{Element|Ordnungszahl=13|Symbol=Al|Name=Aluminium|Atommasse=26,981538|EN=1,5|BP=2450 °C|MP=660 °C|Dichte=2,70 g/cm³|Ionenradius=57|Ivolt=577,54|Aradius=143,1|Enthalpie=326.4|IVolt2=1816,69|Wert=3|IVolt3=2744,8|Farbe=silbrig|Flamme=|Elektronenkonfiguration=[Ne] 3s2p1|EK-Wiki=[Ne] 3s<sup>2</sup>p<sup>1</sup>|pre=Magnesium|next=Silicium|Metall=Metall|E-Name=Aluminium|L-Name=|Verwendung=|Wortherkunft=Aluminium hat seinen Namen vom lateinischen Wort alumen (= Alaun).|L-Abk. bzw. redirect=#REDIRECT [[Aluminium]]|radioaktiv=|hoch=Bor|runter=Gallium|Bild-Element=|Bild-Verwendung=|www= wurde 1825 in Dänemark durch Oersted entdeckt.|E-Gruppe=|Sonstiges-kurz=|OZ3=013|WL=Sammlung|Text= == Herstellung von Aluminium ==
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Aluminium ist mit 8% das am häufigsten vorkommende [[Metalle|Metall]] der Erdkruste. 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.
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Die [[Korrosion]]sbeständigkeit ist eine Folge von der starken Oxidationsneigung. Die sich bildende Oxidhaut schützt den Werkstoff und bildet sich bei Verletzung sofort neu.
  
== Allgemeines ==
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=== Herstellung ===
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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
 
Das so gewonnene Aluminium hat drei Reinheitsgrade
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* Reinst-Aluminium: Al 99,98 R
 
* Reinst-Aluminium: Al 99,98 R
  
Der Werkstoff Aluminium hat bei einer [[Dichte]] von 2,7 kg/dm³ einen Schmelzpunkt von etwa 660°C. Er ist ein guter elektrischer Leiter, besitzt eine gute Wärmeleitfähigkeit, eine große Dehnbarkeit und ist abhängig vom Reinheitsgrad, [[korrosion]]sbeständig.
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=== Rein-Aluminium ===
 
 
Die [[Korrosion]]sbeständigkeit ist eine Folge von der starken Oxidationsneigung. Die sich bildende Oxidhaut schützt den Werkstoff und bildet sich bei Verletzung sofort neu.
 
 
 
== 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 [[Festigkeit]]swerte 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.
 
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 [[Festigkeit]]swerte 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]] ==
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=== 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. [[Korrosion]]sbeständigkeit, geringer Verformungswiderstand) des Rein-Aluminiums verloren.
 
Um höheren Festigkeitsanforderungen (400-600 N/mm²) zu genügen, wird Aluminium mit bestimmten, u.U. sonst unerwünschten Partnern legiert. Dabei gehen Eigenschaften (z.B. [[Korrosion]]sbeständigkeit, 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.
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Die Hauptsächlich vorkommenden Legierungs[[elemente]] 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 Aluminium[[legierungen]], jeweils abgestimmt auf den Zweck und das Anwendungsgebiet. Nach der Art der Herstellung unterscheidet man Aluminium-Knetlegierungen und Aluminium-Gusslegierungen.  
 
Auf Grund Ihrer unterschiedlichen Zusammensetzung und Eigenschaften gibt es die unterschiedlichsten Aluminium[[legierungen]], jeweils abgestimmt auf den Zweck und das Anwendungsgebiet. Nach der Art der Herstellung unterscheidet man Aluminium-Knetlegierungen und Aluminium-Gusslegierungen.  
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Man unterscheidet dann die beiden Werkstoffgruppen zwischen nicht aushärtbaren uns aushärtbaren [[Legierungen]]:
 
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.
 
* 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.
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* Aushärtbare [[Legierungen]]: Diese [[Legierungen]] lassen durch eine gezielte Wärmebehandlung in Ihre Festigkeit steigern. Dabei ändern sich die [[Festigkeit]]seigenschaften 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.  
 
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:
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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 [[Diffusion]]svorgänge 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, [[korrosion]]sempfindlich, daher wird der Werkstoff plattiert.
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* [[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 [[Diffusion]]svorgänge 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, [[korrosion]]sempfindlich, 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]]-[[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.  
 
* [[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.  
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=== Kaltauslagern ===  
 
=== Kaltauslagern ===  
  
Die wichtigsten Kaltauslagernden Legierungen gehören zum Typ [[Al]]-[[Cu]]-[[Mg]].
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Die wichtigsten kaltauslagernden [[Legierungen]] gehören zum Typ [[Al]]-[[Cu]]-[[Mg]].
  
 
Beim Kaltauslagern spielen sich folgende Vorgänge ab:
 
Beim Kaltauslagern spielen sich folgende Vorgänge ab:
 
Beim Lösungsglühen (Homogenisieren) bei etwa 500°C soll das [[Kupfer]] im Aluminium gelöst werden.
 
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.
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Danach wird das Werkstück in Wasser abgeschreckt. Dadurch wird die normalerweise bei langsamer Abkühlung erfolgte Ausscheidung des [[Kupfer]]s 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.
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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.
 
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.
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* Lösungsglühen und Abschrecken wie bei [[Al]]-[[Cu]]-[[Mg]]-[[Legierungen]].
 
* 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.
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* 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 [[Festigkeit]]swerte 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, [[Nieten]] schlagen).
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Die Ausscheidungshärtung steht grundsätzlich am Ende der Fertigung. Die Teile können jedoch im Anschluss an das Abschrecken noch verformt werden (z.&nbsp;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.  
 
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 [[elektrochemische Spannungsreihe|elektrochemischen Spannungsreihe]] [[korrosion]]sgefährdet. Um diese [[Korrosion]]sneigung 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. 2-mal Lösungsgeglüht werden.  
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Kupferlegierte Alu-[[Legierungen]] sind wegen des erheblichen Abstandes in der [[elektrochemische Spannungsreihe|elektrochemischen Spannungsreihe]] [[korrosion]]sgefährdet. Um diese [[Korrosion]]sneigung 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!!!
 
ACHTUNG: DAS SCHWEIßEN AN DIESEN BLECHEN IST VERBOTEN!!!
  
== Bezeichnung der Aluminium-Werkstoffe ==
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=== Bezeichnung der Aluminium-Werkstoffe ===
  
 
Bei der Bezeichnung der Aluminium-Werkstoffe und Warmbehandlungszustände wird in der amerikanischen Normung zwischen nichtaushärtbaren und aushärtbaren [[Legierungen]] unterschieden.
 
Bei der Bezeichnung der Aluminium-Werkstoffe und Warmbehandlungszustände wird in der amerikanischen Normung zwischen nichtaushärtbaren und aushärtbaren [[Legierungen]] unterschieden.
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Die gebräuchliche Bezeichnung dieser Werkstoffe wird durch die so genannte A.A.A.-Nummer (auch Alcoa-Nummer) ausgedrückt.
 
Die gebräuchliche Bezeichnung dieser Werkstoffe wird durch die so genannte A.A.A.-Nummer (auch Alcoa-Nummer) ausgedrückt.
  
* A.A.A. = American Aluminium Association
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* A.A.A. = America-n Aluminium Association
* Alcoa = Aluminium Company of America
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* Alcoa = Aluminium Co-mpany o-f America
  
 
== Schweißen von Aluminium ==
 
== Schweißen von Aluminium ==
  
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.  
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Wegen der hochschmelzenden und dichten Oxide (Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> = Tonerde) und wegen der Löslichkeit von [[Wasserstoff ]] [[H]]<sub>2</sub> bringt das Schweißen von Aluminium und seinen [[Legierungen]] einige Schwierigkeiten mit sich.  
Um überhaupt Schweißen zu können, muss die Oxidhaut entfernt werden. Dies geschieht entweder durch mechanische Vorbereitung (Schleifen) oder durch den Lichtbogen des Schweißverfahrens selber.
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Um Schweißen zu können, muss die Oxidhaut entfernt werden. Dies geschieht entweder durch mechanische Vorbereitung (Schleifen) oder durch den Lichtbogen des Schweißverfahrens selber.
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Aluminium reagiert mit [[Wasser]] (2 Al + 3 [[Wasser|H<sub>2</sub>O]] [[Bild:Pfeil.gif]] Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> + H<sub>2</sub>, 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.
  
Aluminium reagiert mit [[Wasserstoff]] (2 Al + 3H2O ==> 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.
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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.
  
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.
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== Aluminothermisches Schweißen ==
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* siehe: [[Aluminothermisches Schweißen|Aluminothermisches Schweißen von Stahl]] mit Aluminium als wesentliche Komponente des Thermit<sup>®</sup>-Pulvers
  
 
--[[Benutzer:Anthony|Anthony]]
 
--[[Benutzer:Anthony|Anthony]]
}}
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== Experimente ==
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{{AL|2|Oberflächenerosion von Aluminiumfolie durch Ultraschall|153}}
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{{AL|33|Schmelzen von Aluminium|197}}
  
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{{Tw|0,2&nbsp;mg/L}}
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=== Bestimmung ===
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{{MQ|10-25-50-100-250 mg/l|100|1.10015.0001|Aurintricarbonsäure}}
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{{Hü|343}}
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* mit [[Alizarin S]] oder [[Morin]]}}
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{{cb|-|171|267}}
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* [http://www.aluinfo.de/index.php/alu-lexikon.html www.aluinfo.de: Alu-Infos vom Gesamtverband der Aluminiumindustrie]
 +
{{UVV|5285|Aluminiumpulver (stabilisiert)}}
 +
{{UVV-C|9991041|Grieß}}
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{{UVV-C|9991045|Späne}}
 +
* [[Media:En-aw-1050a.pdf|Werkstoffdatenblatt Aluminium Al 99,5]]
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{{PM|s}}
  
[[Kategorie:Werkstofftechnik]]
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[[Kategorie:Werkstofftechnik]][[Kategorie:Lerngebiet 12.7: Werkstoffe auswählen und prüfen]]
 
[[Kategorie:Chemie]][[Kategorie:Chemikalien]]
 
[[Kategorie:Chemie]][[Kategorie:Chemikalien]]

Aktuelle Version vom 15. Oktober 2021, 19:09 Uhr

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Elemente - ABC

Actinium
Aluminium
Americium
Antimon
Argon
Arsen
Astat
Barium
Berkelium
Beryllium
Bismut
Blei
Bohrium
Bor
Brom
Cadmium
Caesium
Calcium
Californium
Cer
Chlor
Chrom
Cobalt
Copernicium
Curium
Darmstadtium
Dubnium
Dysprosium
Einsteinium
Eisen
Erbium
Europium
Fermium
Flerovium
Fluor
Francium
Gadolinium
Gallium
Germanium
Gold
Hafnium
Hassium
Helium
Holmium
Indium
Iod
Iridium
Kalium
Kohlenstoff
Krypton
Kupfer
Lanthan
Lawrencium
Lithium
Livermorium
Lutetium
Magnesium
Mangan
Meitnerium
Mendelevium
Molybdän
Moscovium
Natrium
Neodym
Neon
Neptunium
Nickel
Nihonium
Niob
Nobelium
Oganesson
Osmium
Palladium
Phosphor
Platin
Plutonium
Polonium
Praseodym
Promethium
Protactinium
Quecksilber
Radium
Radon
Rhenium
Rhodium
Röntgenium
Rubidium
Ruthenium
Rutherfordium
Samarium
Sauerstoff
Scandium
Schwefel
Seaborgium
Selen
Silber
Silicium
Stickstoff
Strontium
Tantal
Technetium
Tellur
Tenness
Terbium
Thallium
Thorium
Thulium
Titan
Uran
Vanadium
Wasserstoff
Wolfram
Xenon
Ytterbium
Yttrium
Zink
Zinn
Zirconium

        
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Das Element Aluminium

Aluminium ( engl.: Aluminium, Symbol: Al) ist ein chemisches Element. Aluminium ist mit 8% das am häufigsten vorkommende Metall der Erdkruste.
Das silbrige Metall wurde 1825 in Dänemark durch Oersted entdeckt.
Es hat seinen Namen vom lateinischen Wort alumen (= Alaun).

Weitergehende Informationen zu Aluminium

Al.jpg
Quelle: www.webelements.com
Weitere Bilder: [1] [2] [3] und unter den Weblinks
Atombau & Periodensystem
Navigation
Aluminium

Verwendung von 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:

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

Schweißen von Aluminium

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 Pfeil.gif 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.

Aluminothermisches Schweißen

--Anthony

Experimente

Aluminium in Trinkwasser

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

    Aluminium an der BBS Winsen

    Aluminium ist in der Sammlung der BBS Winsen vorhanden und kann für Experimente genutzt werden. Hierbei gilt:

    Achtung.gif Auf allen Chemikalien-Gefäßen, die an der BBS Winsen verwendet werden, 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!

    Weblinks

    Im Chemiebuch ...
    findest Du weitere Informationen
    zum Thema Aluminium:
    Chemie FOS-T

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    -

    Chemie heute

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    171

    Elemente Chemie

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    267