Aluminium

Aluminium ist in der vergleichsweise kurzen Zeit seiner Verwendung zum zweitwichtigsten Metall der Technik nach Stahl geworden. Aluminiumwerkstoffe eröffnen fast unbegrenzte Möglichkeiten in der Formgebung: sie können gegossen, gewalzt, geschmiedet und gepresst werden. Ein nahezu vollständiges Aluminiumrecycling trägt wesentlich zur Nachhaltigkeit des Metalls bei.

Aluminium gehört zu den leichten Werkstoffen und wird vor allem dort verwendet, wo das Gewicht eine entscheidende Rolle spielt, insbesondere für Flug- und Fahrzeuge. Das in der Erdkruste oft vorkommende Metall wird erst seit Anfang des 20. Jahrhunderts genutzt. Begründet ist dies in der großen Affinität von Aluminium zu Sauerstoff und den damit verbundenen Schwierigkeiten es wirtschaftlich herzustellen. Wichtige physikalische und mechanische Kennwerte des reinen Aluminiums sind in Tab. 1 aufgelistet.

Tab. 1 Kennwerte von reinem Aluminium
(bei RT, Angaben zu mechanischen Eigenschaften sind Orientierungswerte)

Kenngröße Wert
 Ordnungszahl  13
 Dichte  2,7 g/cm3
 Schmelztemperatur    660 °C (933 K)
 Elektrische Leitfähigkeit  37,7·106 S/m
 Wärmeleitfähigkeit  235 W/m·K
 E-Modul  70.000 MPa
 Zugfestigkeit  50 MPa
 Bruchdehnung  40 %
 Härte   20 HB
 Normalpotential -1,66 V 

Bedingt durch die niedrige Dichte hat Aluminium eine gute spezifische Festigkeit. Von besonderer technischer Bedeutung sind die hohe elektrische Leitfähigkeit und das unter den Metallen beste Verhältnis der elektrischen Leitfähigkeit zur Dichte. Daher werden Hochspannungskabel, die im Freien hängen, aus Aluminium und nicht aus dem leitfähigen Kupfer gemacht. Auch die Wärmeleitfähigkeit von Aluminium ist sehr gut. Aluminium ist paramagnetisch. Die Anwendung von Aluminium als Konstruktionswerkstoff schränkt sein niedriger E-Modul ein.

Aluminium kristallisiert im kubisch-flächenzentrierten Gitter und hat keine allotropen Modifikationen. Das kubisch-flächenzentrierte Gitter bewirkt eine gute Umformbarkeit von Aluminium. Aluminium lässt sich sehr gut bearbeiten, fast alle Fertigungsverfahren sind einsetzbar.

Das Normalpotential von Aluminium hat einen sehr negativen Wert. Das Metall ist - elektrochemisch gesehen - unedel. Trotzdem ist es witterungsbeständig und korrosionsbeständig in sauren und schwach alkalischen Medien. Die Ursache für seine Korrosionsbeständigkeit ist Passivierung. Aluminium bildet eine schützende Oxidschicht aus Aluminiumoxid (Al2O3) mit einer Dicke von etwa 0,01 Mikrometer. In der Praxis wird die Passivschicht durch eine elektrochemische Oberflächenbehandlung (Eloxieren) verstärkt. Beim Schweißen von Aluminiumwerkstoffen muss diese Schicht wiederum entfernt werden, deswegen wird das Schutzgasschweißen angewandt. Die Schutzwirkung der Oxidschicht ist allgemein gut jedoch nicht in allen Medien. Insbesondere Chlorid-Ionen können die Schicht angreifen und Lochkorrosion verursachen. Bei vielen Anwendungen (z.B. bei Alu-Felgen im Winter) muss deshalb noch eine weitere Schutzschicht aufgetragen werden.

         

            Abb. 1 Anwendungsbeispiele für Aluminium: a) Folien, b) Getränkedosen

Wir verwenden vor allem Aluminiumwerkstoffe. Wenn wir z. B. über Alu-Felgen sprechen, sollen wir nicht denken, dass sie aus reinem Aluminium bestehen. Nein, es ist ein geeigneter Aluminiumgusswerkstoff i.d.R. aus der Gruppe Aluminium-Silizium-Legierungen. Findet reines Aluminium überhaupt eine Verwendung? Ja, da Aluminium korrosionsbeständig und physiologisch unbedenklich ist, wird es in der Lebensmittelindustrie sowie als Verpackungsmaterial verwendet. Ein Paradebeispiel ist Alu-Folie (Abb. 1a) die fast jeder in der Küche hat. Die Aluminiumfolie ist hochwertig, eignet sich zum Braten, Einwickeln und Abdecken von Speisen. Dazu ist sie gut isolierend, gas- und lichtdicht. Da sie auch weich und biegsam ist, lässt sie sich leicht abrollen. Sie ist in sehr verschiedenen Bereichen zu finden: beim Grillen als Schutz vom Verkohlen oder auch beim Friseur als Hilfsmittel beim Einfärben einzelner Haarsträhnen. Ein weiteres Anwendungsbeispiel sind Getränkedosen (Abb. 1b), die neben Weißblech auch aus Aluminium hergestellt werden.

Kurz gefasst:

  • Aluminium ist leicht, weich und gut verformbar.
  • Es besitzt eine gute elektrische und thermische Leitfähigkeit.
  • Die Korrosionsbeständigkeit von Aluminium beruht auf der Bildung einer Passivschicht.

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