Was ist Aluminium?
Aluminium ist nach Eisen Werkstoffen das meist genutzte Metall und das obwohl es gerade mal vor 200 Jahren entdeckt wurde. Warum es auch gerne als Metall der Moderne bezeichnet wird, erfahren Sie hier.
Wo kommt Aluminium vor?
Aluminium ist das häufigst vorkommende Metall der Erdkruste. Allerdings kommt es aufgrund seines unedlen Charakters nicht in natürlicher Form, sondern fast ausschließlich als gebundenes Aluminiumerz vor.
Das industriell am meisten genutzte Aluminiumerz namens Bauxit wurde 1821 in dem Namensgebenden Les Baux-de-Provence in Südfrankreich entdeckt. Es besteht zu circa 60% aus Aluminiumhydroxid und zu circa 30% aus Eisen- und Silicium Oxid.
Die geschätzten Bauxitreserven der Erde liegen zwischen 55 und 75 Mrd. Tonnen. Davon befinden sich circa 90% in Äquatornähe. Zu den Hauptfördergebieten zählen Australien, Afrika, die Karibik und Brasilien.
Wann wurde Aluminium entdeckt?
1754 wurde von Herrn Marggraf ein unbekanntes Element entdeckt, welches 1807 Sir Humphry Davy zum ersten Mal als "Aluminium" bezeichnet hat. Der Durchbruch für die großtechnische Aluminiumgewinnung gelang aber erst zum Ende des 19. Jahrhunderts. Zu dieser Zeit beschrieben Charles Martin Hall und Paul Héroult unabhängig voneinander die Grundzüge der heutigen Aluminiumelektrolyse.
Herstellung von Aluminium
Bei der Aluminiumherstellung unterscheidet man Primär- und Sekundäraluminium. Primärlauminium bezeichnet das Aluminium welches frisch aus Bauxit gewonnen wird. Um Aluminium aus dem Erz zu gewinnen, wird zuerst mithilfe des sogenannten Bayer-Prozesses, Aluminiumoxid aus dem Bauxit gelöst. Anschließend wir dieses mit einer Schmelzflusselektrolyse aufgespalten. Vor 50 Jahren lag der Strombedarf für die Herstellung von 1 kg Aluminium noch bei 21 kWh. Trotz der verbesserten Energieeffizienz der heutigen Anlagen, liegt der Energiebedarf immer noch bei 14 kWh. Aus diesem Grund wird heutzutage häufiger auf Sekundäraluminium gesetzt, welches einen wesentliche geringeren Energieaufwand benötigt.
Als Sekundäraluminium bezeichnet man recyceltes Aluminium. Die Besonderheit ist, dass die Güte beim Recycling-Verfahren erhalten bleibt. Ein weiterer Vorteil ist, dass für das Wiedereinschmelzen nur circa 2 bis 4 kWh pro kg Aluminium benötigt wird.
Wie bei Stahl ist es möglich die Eigenschaften von Aluminium anzupassen. Dafür wird bei der Herstellung, die Aluminiumschmelze mit anderen Elementen legiert. Wenn die Schmelze die gewünschten Eigenschaften hat, wird das Aluminium in eine feste Form gegossen. Im Anschluss wird es zu Blechen oder Profilen, sowie sonstigen Halbzeug Arten weiterverarbeitet.
Gängiges Aluminium besitzt eine sehr gute Umformbarkeit, weshalb man es zu dünnster Folie, wie zum Beispiel Alufolie, auswalzen kann. Des Weiteren sind auch sehr komplexe Formen durch Strangpressen möglich. Es sind nicht alle Legierungen gleich gut umformbar. Es sollte also bei der Verarbeitung von Aluminium berücksichtigt werden, dass jede Legierung andere Eigenschaften aufweist.
Eigenschaften von Aluminium zu Stahl
Stahl und Aluminium sind Werkstoffe mit hervorragenden Eigenschaften. Aus diesem Grund zählen diese in der Industrie zu den wichtigsten Metallen. Ein Vergleich der Eigenschaften der Metalle ist sinnvoll:
Schwer- gegen Leichtmetall
Aluminium zählt zu den sogenannten "Leichtmetallen" und hat eine Dichte von 2,7 g/cm3. Eisen hingegen besitzt eine Dichte von 7,85 g/cm3 und zählt zu den Schwermetallen.
Aufgrund dessen eignet sich das leichtere Aluminium gut für den Leichtbau, da die Zugfestigkeit beider Metalle bei bestimmten Aluminiumwerkstoffen vergleichbar ist. Produkte aus Stahl sind bei denselben Maßen dreimal schwerer als Produkte aus Aluminium. Aus diesem Grund eignen sich Alulegierungen nicht für Konstruktionen, die eine große Masse benötigen, wie Beispielsweise für einen Hammer oder eine Dampfwalze.
E-Modul von Aluminium und Stahl
Das Elastizitätsmodul beschreibt den Widerstand eines Werkstoffs gegen Verformung. Mit 70.000 N/mm2 hat Aluminium ein Drittel des Elastizitätsmoduls von Stahl, welcher einen E-Modul von 210.000 N/mm2 aufweist.
Der Vorteil von Aluminium ist, dass Verformungen besser ertragen werden können, da sie elastisch aufgefangen werden. Dafür biegen sich Alu-Werkstücke 3x stärker durch als Stahl bei gleicher Abmessung. Die Durchbiegung ist neben der Geometrie Abhängig von dem E-Modul und nicht von der Festigkeit des Materials.
Aluminium ist der bessere Wärme- & Stromleiter
Aluminium ist ein guter Leiter. Es leitet elektrischen Strom und Wärme besser als Stahl, weshalb es häufig in der Elektroindustrie Verwendung findet. Die Wärmeleitfähigkeit von Aluminium beträgt ca. 235 W/mK und bei Stahl nur 80 W/mK.
Aufgrund der guten Leitfähigkeit kann ein Vorwärmen beim Schweißen erforderlich sein. Aluminium ist entgegen zu Stahl nicht magnetisierbar und reagiert deshalb nicht auf Magneten.
Schmelztemperatur von Alu und Stahl
Aluminium hat eine Schmelztemperatur von circa 600 °C. Im Vergleich dazu kann die Schmelztemperatur von Stahl je nach Legierung bei circa 1500°C liegen.
Durch den geringen Schmelzpunkt kann Aluminium sehr gut vergossen werden, ist aber langfristig nicht für Temperaturen über circa 100 °C geeignet.
Versprödungsneigung
Metalle können bei niedrigen Temperaturen spröde, also brüchig werden. Diese Eigenschaft wird als "Versprödungsneigsung" bezeichnet. Durch die kubisch flächenzentrierten Atomgitter zeigt Aluminium eine geringe Versprödungsneigung bei tiefen Temperaturen auf. Daher ist Aluminium ein geeigneter Werkstoff in der Kryotechnik.
Korrosionsbeständigkeit
Aluminium ist in Medien mit neutralen pH-Werten äußerst beständig. Anfällig ist Aluminium dagegen im sauren bzw. im basischen Bereich.