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 ==
* Reinst-Aluminium: Al 99,98 R
Der Werkstoff Aluminium hat bei einer [[Dichte ]] von 2,7 kg/dm3 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[[korrosion]]sbeständig.
Die Korrosionsbeständigkeit [[Korrosion]]sbeständigkeit ist eine Folge von der starken Oxidationsneigung. Die sich bildende Oxydhaut 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 Festigkeitswerte lassen sich durch Kaltverformung (z.B. Walzen, Drücken, Ziehen, Pressen) bis auf etwa 200 N/mm2 mm² steigern. Dabei verändert sich die Dehnung, Härte usw. ebenfalls.
== Aluminium-[[Legierungen ]] ==
Um höheren Festigkeitsanforderungen (400-600 N/mm2mm²) zu genügen, wird Aluminium mit bestimmten, u.U. sonst unerwünschten Partnern legiert. Dabei gehen Eigenschaften (z.B. Korrosionsbeständigkeit[[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.
Auf Grund Ihrer unterschiedlichen Zusammensetzung und Eigenschaften gibt es die unterschiedlichsten AluminiumlegierungenAluminium[[legierungen]], 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.
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[[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 WerksoffenWerkstoffen/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.
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.
== 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.
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.
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.
