Materialeigenschaften und Verwendung von Aluminium

Aluminium ist ein Nicht-Eisen-Metall. Das chemische Element mit dem Symbol Al ist das Metall mit dem höchsten Vorkommen in der Erdkruste und das dritthäufigste Element insgesamt. Aluminium wird als Konstruktionswerkstoff, in der Elektrotechnik, in der Verpackungsindustrie sowie im Baubereich eingesetzt. Dabei spielen das im Vergleich zu anderen Metallen geringere Gewicht, die hohe elektrische Leitfähigkeit und das Wärmeverhalten eine Rolle. Die Förderung von Aluminium aus Bauxit erfolgt weltweit. Die größten Produzenten sind Australien, die Volksrepublik China und Brasilien.

Vorkommen

Aluminium ist das häufigste Metall, kommt jedoch überwiegend in gebundener Form vor. Für den wirtschaftlichen Abbau dienen Bauxitvorkommen. Bauxit besteht zu circa 60 Prozent aus Aluminiumhydroxid (Al(OH)3 und AlO(OH)), welches bei der Verhüttung zu Primäraluminium verarbeitet wird. Das Recycling aus Aluminiumschrott ist mit einem Anteil von fünf Prozent am Gesamtvolumen gering.

Förderung

Die Förderung von Primäraluminium erfolgt durch Herstellung aus Mineralien, in der Regel aus Bauxit. Hierzu wird Bauxit in Natronlauge von fremden Verbindungen getrennt, bevor das gereinigte Gemisch in Wirbelschichtanlagen oder Drehrohröfen zu Aluminiumoxid gebrannt wird. Im Anschluss wird das Metall in Aluminiumhütten aus Aluminiumoxid produziert. Dies erfolgt durch Schmelzflusselektrolyse.

Bei diesem Prozess sammelt sich an der Kathode flüssiges Aluminium, welches mit einem Saugrohr abgeführt wird. Der Produktionsprozess von Aluminium ist sehr energieintensiv. Je nach Produktionsverfahren und Hütte werden hierzu je Kilogramm Rohaluminium 12,9 bis 17,7 Kilowattstunden Strom benötigt.

Physikalische Eigenschaften

Im Vergleich zu anderen Metallen ist Aluminium relativ weich, leicht und zäh. Der Schmelzpunkt liegt mit 660,4 °C deutlich unter dem anderer Metalle. Die Dichte von Aluminium beträgt 2,70 2,70 g/cm³. Das ist ein Drittel der Dichte von Stahl und erklärt den Begriff Leichtmetall. Die Zugfestigkeit von Aluminium ist je nach Reinheit unterschiedlich und variiert von 45 N/mm² bei absolut reinem Aluminium bis zu 90 N/mm² bei handelsüblich reinem Aluminium.

Die Wärmeleitfähigkeit beträgt 237 W/(m·K). Damit ist diese höher als bei anderen unedlen Metallen und wird lediglich von Silber, Kupfer und Gold überschritten. Durch die hohe Wärmeleitfähigkeit von Aluminium ist es auch in der Elektrotechnik sehr beliebt. Die physikalischen Eigenschaften machen Aluminium zu einem guten elektrischen Leiter, der häufig in der Energietechnik bei großen Leiterquerschnitten als Alternative zu Kupferleitern eingesetzt wird.

Chemische Eigenschaften

Aluminium bildet an der Luft sehr schnell eine Oxidschicht. Diese gibt dem unbearbeiteten Leichtmetall eine stumpfe und silbergraue Oberfläche. Durch diese 0,05 µm starke Oxidschicht ist Aluminium sehr korrosionsbeständig und vor weiterer Oxidation geschützt.

Bei Kontakt mit Salzsäure reagiert Aluminium sehr intensiv, es entsteht Wasserstoff. Aluminium in Pulverform reagiert mit Wasser zu Aluminiumhydroxid. Bei diesem Prozess entsteht Wasserstoff, der bei Luftkontakt zu explosionsartigen Entzündungen führt.

Aluminiumlegierungen

Die Verwendung von Aluminium kann je nach Anwendungsgebiet in Reinform sowie als Legierung erfolgen. Die Schmelze mit anderen Metallen fördert oder unterdrückt dabei bestimmte Eigenschaften des Leichtmetalls. Je nach Verwendungszweck werden diese Legierungen durch Aluminiumgusslegierungen oder Aluminiumknetlegierungen produziert.

Verwendung

Für die Produktion von Motoren und Getrieben werden Gehäuse aus Aluminiumgusslegierungen genutzt. Diese sind im Vergleich zu anderen Metallen leichter. Typische Legierungen in diesem Bereich bestehen aus Aluminium und Kupfer, Magnesium und Silicium.

Als Konstruktionswerkstoff ist Aluminium durch seine hohe spezifische Festigkeit bei geringem Gewicht vor allem in der Luft- und Raumfahrtindustrie sehr beliebt. Auch im Fahrzeugbau kommt Aluminium an zahlreichen Komponenten wie der Karosserie und den Felgen zum Einsatz.

In der Elektrotechnik wird Aluminium aufgrund seines niedrigen Gewichts gerne als Leiter verwendet. Dies hat sowohl im Flugzeugbau als auch bei Freileitungen Vorteile gegenüber Kupfer als elektrischer Leiter. Die hohe Wärmeleitfähigkeit von Aluminium macht es ideal in der Verwendung als Kühlkörper sowie für die Produktion von leichtem Kochgeschirr. Die Verpackungsindustrie verwendet Aluminium in der Herstellung von Dosen und Folien. Hier spielen das geringe Gewicht und die physische und chemische Barrierewirkung von Aluminium eine Rolle.

In der Bauindustrie werden Pulver und Pasten aus Aluminium in der Produktion von Porenbeton verwendet. Die Raketentechnik im zivilen und militärischen Bereich nutzt die hohe Freisetzung von Energie bei der Verbrennung von Aluminiumpulver in Raketen mit Feststofftreibstoffen.

Produktionsverfahren

Der niedrige Schmelzpunkt von Aluminium wird es in einer Vielzahl von Produktionsverfahren verwendet. Bei diesen entstehen im Druckguss komplex geformte Teile. Die Vorteile von Aluminium sind hier der niedrige Energiebedarf in der Produktion sowie die niedrige thermische Belastung der Formen.

Mechanische Produktionsverfahren machen mit 3/4 den größten Anteil aus. Die Bearbeitung erfolgt durch Strangpressen, walzen und tiefziehen. Bei der Kaltumformung von Aluminium sind große Formänderungen möglich.

Aluminium ist schweißbar. Da beim Schweißen von reinem Aluminium Poren in der Schweißnaht entstehen können, werden hier häufig Legierungen verwendet. Die möglichen Schweißverfahren bei der Bearbeitung von Aluminium sind das MIG-, WIG- und Plasmaschweißen.

Laserschneiden von Aluminium ist bei einer Vielzahl von Legierungen sowie bei Reinaluminium mit CO2- und Festkörperlasern möglich. Die hohe Wärmeleitfähigkeit lässt die Schmelze schnell erstarren.