Aluminium

Herstellung von Aluminium

Aluminium ist mit 8% das am häufigsten vorkommende 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.

Allgemeines

Das so gewonnene Aluminium hat drei Reinheitsgrade

• Hütten-Aluminium: Al 99,5 H
• Rein-Aluminium: Al 99,8
• 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, korrosionsbeständig.

Die Korrosionsbeständigkeit ist eine Folge von der starken Oxidationsneigung. Die sich bildende Oxydhaut 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 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, Nieten schlagen).

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

Kupferlegierte Alu-Legierungen sind wegen dem erheblichen Unterschied 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. 2-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. = American Aluminium Association
• Alcoa = Aluminium Company of 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 überhaupt Schweißen zu können, muss die Oxidhaut entfernt werden. Dies geschieht entweder durch mechanische Vorbereitung (Schleifen/Schmirgeln) oder durch den Lichtbogen des Schweißverfahrens selber. Aluminium reagiert mit Wasserstoff (2 Al + 3H2O ==> Al2O3 + H2, die Löslichkeit beträgt 1 cm3 in 100gr. 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.

--Anthony