Werkstoffkunde: Aluminiumwerkstoffe

Werkstoffkunde: Aluminiumwerkstoffe

• Am 2. Dezember 2024 wird das Thema Aluminiumwerkstoffe behandelt.

Überblick

• Aluminium macht 8,1 % der Erdkruste aus, Schätzungen zufolge variieren die Werte zwischen 7,6 und 8,1 %.
• Bauxit enthält ~15 – 25 % Aluminium.
• Mithilfe des Bayer-Verfahrens wird Aluminiumoxid raffiniert.
• Durch Schmelzflusselektrolyse (Hall-Héroult-Prozess) wird metallisches Aluminium gewonnen.
• Die weltweiten Bauxitreserven werden auf 29 Milliarden Tonnen geschätzt, was für über 100 Jahre ausreicht.

Aluminium-Gewinnung - Bayer-Verfahren

• Aluminiumhydroxide des fein gemahlenen Bauxits lassen sich in Natronlauge bei höherer Temperatur lösen
• mit Natronlauge versetzt (Temperaturen 170 – 180 °C, 7 bar) entsteht Aluminatlauge & Rotschlamm
• Ausfällung von Aluminiumhydroxid durch Verdünnen mit Wasser & impfen mit Kristallisationskeim (78 °C, 1 bar)
• Festes Aluminiumhydroxid kommt in Drehrohröfen und wird gebrannt (1200 – 1300 °C)
• entstandenes Aluminiumoxid Al2O3 kann über Schmelzflusselektrolyse (Hall-Héroult Prozess) zu Primäraluminium reduziert werden

Vergleich: Aluminium und Eisen

• Aluminium hat eine kubisch-flächenzentrierte Kristallstruktur.
• Aluminium hat einen Gitterparameter von 4,05 Å und eine Dichte von 2,70 g/cm³.
• Hohe Verformbarkeit durch die hohe Anzahl von Gleitsystemen (12 Gleitsysteme im kfz-Gitter).
• Aluminium bleibt bei allen Temperaturen bis zum Schmelzpunkt (660 °C) kfz.
• Hohe Duktilität und geringe Härte.
• Eisen hat bei Raumtemperatur eine kubisch-raumzentrierte Kristallstruktur (krz), Ferrit (a-Eisen).
• Eisen hat einen Gitterparameter von 2,87 Å und eine Dichte von 7,87 g/cm³.
• Temperaturabhängige Gitterumwandlungen: Bei ca. 912 °C: Umwandlung von krz (Ferrit) zu kfz (Austenit, y-Eisen); bei ca. 1394 °C: Rückumwandlung von kfz zu krz (8-Eisen).

Vergleich: Aluminium und Eisen (Fortsetzung)

• Gleitsysteme: Aluminium (kfz) hat 12, Eisen (krz → kfz) hat krz: 6, kfz: 12.
• Verformbarkeit: Aluminium ist sehr hoch (duktil), Eisen ist moderat (krz), hoch (kfz).
• Härte: Aluminium ist gering, Eisen ist höher als Aluminium.
• Dichte: Aluminium hat 2,70 g/cm³, Eisen hat 7,87 g/cm³.
• E-Modul: Aluminium hat 70 kN/mm², Eisen hat 210 kN/mm².
• Wärmeausdehnungskoeffizient: Aluminium hat 23,1-10-6/K, Eisen hat 11,8-10-6/K.
• Wärmeleitfähigkeit: Aluminium hat 235 W/m·K, Eisen hat 74 W/m·K.
• Spez. elektr. Widerstand: Aluminium hat 26,5 nΩ·m, Eisen hat 95,0 nΩ·m.
• Schmelztemperatur: Aluminium hat 660 °C, Eisen hat 1536 °C.

Verfestigungsmechanismen bei Aluminium

• Aluminium wird häufig mit Elementen wie Kupfer (Cu), Magnesium (Mg), Silizium (Si) oder Zink (Zn) legiert.
• Mischkristallverfestigung: Diese Elemente erzeugen Gitterspannungen, die die Bewegung von Versetzungen behindern. Sie ist effektiv, aber weniger stark als bei Eisen.
• Kaltverfestigung (Kaltumformung): Durch plastische Verformung werden Versetzungen erzeugt, die die Weiterbewegung anderer Versetzungen blockieren.
• Aluminium lässt sich stark kaltumformen, da es duktil ist, aber der Verfestigungseffekt ist weniger ausgeprägt als bei Stahl.
• Aushärtung (nur für bestimmte Legierungen): Aushärtbare Aluminiumlegierungen (z. B. Al-Cu oder Al-Mg-Si): Durch gezielte Wärmebehandlung entstehen Ausscheidungen, die Versetzungen blockieren.
• Feinkornverfestigung: Aluminium kann durch gezielte Kornfeinung verfestigt werden, ist aber technisch aufwändig.

Vergleich der Verfestigungsmöglichkeiten

• Mischkristallverfestigung: Aluminium ist effektiv, aber begrenzt, Eisen (Stahl) ist sehr effektiv durch starke Gitterspannungen.
• Kaltverfestigung: Aluminium ist möglich, aber mäßig ausgeprägt, Eisen ist sehr stark bei krz-Stählen.
• Aushärtung: Nur für aushärtbare Legierungen beim Aluminium, weit verbreitet, z. B. Karbide beim Eisen.
• Feinkornverfestigung: Technisch machbar beim Aluminium, effektiv, besonders bei hochlegierten Stählen beim Eisen.
• Aluminium besitzt weniger starke Verfestigungsmöglichkeiten, ist dafür jedoch duktil und korrosionsbeständiger.
• Eisen bietet durch seine Gitterumwandlungen und stärkeren Mischkristalle eine größere Palette an Verfestigungsmechanismen und erreicht höhere Festigkeiten.

Aluminium vs. Stahl – Energieaufwand und Nachhaltigkeit

• Bauxit, die Hauptquelle für Aluminium, kommt in tropischen Regionen vor. Sein Abbau hat erhebliche Auswirkungen auf lokale Ökosysteme.
• Aluminium ist reichlich vorhanden (~8 % der Erdkruste).
• Stahl: Hauptquelle: Eisenerz, das global in vielen Ländern abgebaut wird. Eisenerz ist ebenfalls reichlich vorhanden (~5 % der Erdkruste).
• Energieaufwand für die Herstellung von Primäraluminium (aus Bauxit): ca. 13-16 kWh/kg. Hoher CO2-Ausstoß (ca. 11-16 kg CO2 pro kg Aluminium).
• Beim Recycling von Aluminium beträgt der Aufwand nur ca. 5 % des Primäraufwands (~0,7 kWh/kg); Elektrostahlverfahren (~1-1,5 kWh/kg).
• Hohe Recyclingquote (~90%) in der Bau- und Automobilindustrie.
• Aluminium kann ohne Qualitätsverluste endlos recycelt werden.

Aluminium vs. Stahl – Nachhaltigkeit: Vor- und Nachteile

• Aluminium-Vorteile: Sehr langlebig, hohe Recyclingquote (~95%). Geringerer Energieaufwand beim Recycling. Nachteile: Hoher Energieverbrauch/CO2-Ausstoß bei der Primärherstellung.
• Stahl-Vorteile: Niedriger Energieverbrauch/CO2-Ausstoß bei der Primärherstellung, gute mechanische Eigenschaften. Nachteile: Höherer Energieaufwand beim Recycling, Korrosionsanfälligkeit.

Aluminium vs. Stahl – Anwendungsorientierte Aspekte

• Aluminiumlegierungen sind ideal für Leichtbau, korrosive Umgebungen und elektrische Anwendungen.
• Eisenlegierungen sind gut für Hochfestigkeitsanwendungen und Hochtemperaturbereiche.
• Stahl dominiert Aluminium in der Masseproduktion, 28:1 - ~1,9 Mrd. t / ~68 Mio. t.
• Aluminium ist beim Recycling energetisch vorteilhafter, aber komplizierter bei Legierungen.
• Stahl dominiert im Bauwesen, während Aluminium im Transportwesen wichtiger wird.

Aluminium vs. Stahl – Erläuterung der Unterschiede

• Aluminium ist fast dreimal leichter als Eisen und daher attraktiv für Leichtbauanwendungen.
• Eisen hat einen viel höheren Schmelzpunkt, was es für Anwendungen bei hohen Temperaturen geeigneter macht.
• Aluminium ist ein besserer Leiter für Wärme und Elektrizität.
• Eisen ist steifer und widerstandsfähiger gegen elastische Verformungen, was es ideal für tragende Strukturen macht.
• Reines Aluminium ist weicher, kann aber durch Legierungen und Aushärtung verbessert werden.
• Aluminium bildet eine schützende Oxidschicht, Eisen korrodiert leicht.
• Aluminium dehnt sich bei Temperaturänderungen stärker aus als Eisen.

Typische Anwendungen von Aluminiumwerkstoffen

• Luft- und Raumfahrtindustrie: Aluminiumlegierungen (z. B. 2024, 7075) bieten Festigkeit/Korrosionsschutz.
• Automobilindustrie (Leichtbau): Aluminiumlegierungen (z. B. 5000er, 6000er Serie) reduzieren das Fahrzeuggewicht.
• Bauindustrie (Fassaden und Fensterrahmen): Aluminiumlegierungen (z. B. 6063) sind korrosionsbeständig.
• Verpackungsindustrie (Aluminiumfolie und Dosen): Reines Aluminium (99,5 %) ist flexibel und korrosionsbeständig.
• Elektrische Anwendungen: Aluminiumdrähte und -kabel leiten Strom gut.

Technische Aluminiumlegierungen

• Kupfer (Cu):
• Erhöht die Festigkeit.
• Reduziert die Korrosionsbeständigkeit.
• Magnesium (Mg):
• Erhöht die Festigkeit.
• Erhöht die Korrosionsbeständigkeit.
• Silizium (Si):
• Verbessert die Gießbarkeit.
• Zink (Zn):
• Erhöht die Festigkeit, besonders in 7xxx-Legierungen.
• Mangan (Mn):
• Verbessert die Korrosionsbeständigkeit.
• Erhöht die Festigkeit.

Legierungsbezeichnungen und deren Herkunft

• Die erste Zahl in der Bezeichnung zeigt die Hauptlegierungselemente und die Gruppe der Legierung an.
• Die weiteren Zahlen sind eine spezifische Legierungsnummer, die die genaue Zusammensetzung und spezifische Eigenschaften beschreibt.
• 1xxx: Reines Aluminium.
• 2xxx: Aluminium-Copper-Legierungen.
• 3xxx: Aluminium-Mangan-Legierungen.
• 4xxx: Aluminium-Silicium-Legierungen.
• 5xxx: Aluminium-Magnesium-Legierungen.
• 6xxx: Aluminium-Magnesium-Silicium-Legierungen.
• 7xxx: Aluminium-Zink-Legierungen.
• Zusätzliche Legierungseigenschaften:
• Korrosionsbeständigkeit: Legierungen mit Magnesium und Silizium (5000er, 6000er Serien) bieten hohen Korrosionsschutz.
• Festigkeit: 2000er/7000er Serien bieten Festigkeit, sind aber weniger Korrosionsschutz.
• Schweißbarkeit/Gießbarkeit: Die 4000er Serie eignet sich gut zum Gießen, die 6000er Serie ist gut zum Schweißen.

Die prozentuale Verwendung im Vergleich zu Materialalternativen:

• Luftfahrt: 2000er Serie (ca. 40 %), Stahl (ca. 60 %).
• Automobilindustrie: 5000er/6000er Serie (ca. 30-35 %), Stahl (ca. 65-70 %).
• Bauindustrie: 3000er/6000er Serie (ca. 50-60 %), Stahl (ca. 30-40 %).
• Schiffbau: 5000er Serie (ca. 60 %), Stahl (ca. 40 %).

Entwicklungen bei Aluminiumlegierungen

• Aluminium-Lithium-Legierungen (Al-Li) sind aufgrund ihres geringen Gewichts und ihrer hohen Festigkeit für Anwendungen geeignet, die geringe Dichte und hohe strukturelle Integrität erfordern.
• Scalmalloy-Legierungen, die Aluminium mit Scandium kombinieren, bieten eine außergewöhnliche Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit.
• Nanostrukturierte Aluminiumlegierungen nutzen nanoskalige Partikel oder eine kontrollierte Mikrostruktur, um die Festigkeit und Ermüdungsbeständigkeit signifikant zu erhöhen.
• Aluminium wird zunehmend als Material für Gehäuse und Wärmeableitungssysteme in der Elektronikindustrie verwendet.
• Aluminium ist zu über 90 % recycelbar, daher Fokus auf der Entwicklung von Legierungen, die aus Sekundärmaterial hergestellt werden können.

Weitere Themenfelder rund um Aluminium

• Eloxieren (Anodisieren): Eine Technik zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit und Verschleißfestigkeit von Aluminium.
• Aluminium ist ein 100 % recyclingfähiges Material, und die Recyclingquote liegt weltweit sehr hoch (etwa 75 %).
• Aluminium-Matrix-Verbundwerkstoffe (AMCs) kombinieren Aluminium mit Fasern oder Partikeln für Festigkeit und Temperatur.
• Aluminium wird als Leitermaterial für Stromleitungen und Kabel verwendet, da es leichter als Kupfer ist.
• Hochfeste Aluminiumlegierungen werden in der Luftfahrt verwendet.
• Der 3D-Druck von Aluminium ist auf dem Vormarsch.