Der Werkstoff Aluminium
Das Metall der Gegenwart und Zukunft
Obwohl bereits in der Antike in verschiedener Weise nutzbar gemacht – in der Wundheilung, zum Beizen und Färben – ist Aluminium als chemisches Element doch überhaupt erst seit dem frühen 19. Jahrhundert identifiziert. Heute zählt Aluminium neben Stahl zu den am weitesten verbreiteten Industriemetallen für die verschiedensten technischen Anwendungen.
Als das dritthäufigste Element bzw. das am weitesten verbreitete Metall in der Erdkruste kommt Aluminium in der Natur fast ausschließlich als Verbindung vor, insbesondere in Silikatform, sehr viel seltener z. B. auch als Rubine oder Saphire.
Bevor der technische Fortschritt eine Herstellung im industriellen Maßstab ermöglichte, war reines Aluminium für kurze Zeit teurer als Gold. Für die industrielle Herstellung wird heute das in Australien, China, Brasilien, Guinea, Jamaika, Indien und – in geringerem Maße –
anderswo vorkommende Bauxit als Ausgangsmaterial genutzt (sog. Primär- bzw. Hüttenaluminium), wobei der Anteil von Recyclingmaterial auch unter Umweltschutz- und Nachhaltigkeitsgesichtspunkten stetig an Bedeutung gewinnt (sog. Sekundäraluminium). In letzterem Falle können dabei über 95 % an Energie ggü. der Primäraluminiumgewinnung eingespart werden.
Aluminium überzeugt – mit seiner Vielfalt an genormten Legierungen für die verschiedenartigsten Anwendungsbereiche – als industrieller Werkstoff durch seine mechanischen Werte (zunehmend auch als Alternative zu Stahl), gute Strom- und Wärmeleitfähigkeit, bestechende Bearbeit- und Verformbarkeit und seine sich an der Luft rasch ausbildende Oxidschutzschicht mit einer daraus resultierenden hohen Korrosions- bzw. Witterungsbeständigkeit. Spezielle Al-Legierungen sind auf Seewasserbeständigkeit optimiert.
Zunehmend tritt auch die Eigenschaft des Aluminiums als – im Übrigen unbrennbares – Leichtmetall (je nach Al-Legierung beläuft sich das spezifische Gewicht auf lediglich ein Drittel dessen von Stahl) immer mehr in den Vordergrund, d. h. die Verwendung von Aluminium trägt in einer beständig wachsenden Zahl von Anwendungsfeldern zu Gewichtsreduzierungen und infolgedessen – speziell bei mobilen Konstruktionen in der Luft- und Raumfahrt, im Automotive-Bereich und bei maritimen Plattformen – zu Treibstoff-/Energieeinsparungen und damit schließlich zur Schonung natürlicher Ressourcen und zu Kostenreduzierungen bei. Gesundheitliche Unbedenklichkeit und eine ansprechende Optik runden ein modernes, zukunftsweisendes Image mit allgemein positiver Anmutung ab.
Herstellung und Recycling
Bei der Herstellung von Aluminium und den daraus gefertigten Erzeugnissen unterscheidet man drei große Bereiche:
Upstream definiert die Produktion von Primäraluminium (auch Hüttenaluminium genannt) in den Bereichen Bauxit, Tonerde und Verhüttung.
Downstream bezeichnet dagegen die Aktivitäten mit Mehrwert, also die Weiterverarbeitung des gewonnen Aluminiums zu Halbzeugen, wie Walz- oder Strangpressprodukten. Recycling ist die energiesparende und umweltschonende Möglichkeit, dem Downstream- Bereich zusätzliches Vormaterial aus aufbereiteten Aluminiumschrotten in Form von Sekundäraluminium zuzuführen.
FÖRDERUNG UND VERHÜTTUNG
Aluminium ist nach Sauerstoff und Silicium das dritthäufigste Element in der Erdkruste, damit aber das häufigste Metall. Allerdings kommt es – wie alle unedlen Metalle – dort nicht in reiner, sondern praktisch ausschließlich in gebundener Form vor.
Wichtigstes industriell nutzbares Aluminium-Erz ist Bauxit. Es enthält ungefähr 60% Aluminiumhydroxid[Al(OH)3 und AlO(OH)], etwa 30% Eisenoxid (Fe2O3) und Siliciumdioxid (SiO2).
WEITERVERARBEITUNG ZUM HALBZEUG
Zur weiteren Verarbeitung wird das Aluminium häufig mit weiteren Metallen in genau definierten Verhältnissen eingeschmolzen und legiert.
Je nach Anwendungszweck sind viele unterschiedliche Legierungen verfügbar, die jeweils besondere Eigenschaften in Punkto Stabilität, Festigkeit, Dehnbarkeit, Biegefähigkeit, Korrosionsbeständigkeit etc. aufweisen. Anschließend wird das Aluminium der weiteren Verarbeitung
zugeführt:
Walzen
In der Gießerei wird das noch flüssige Aluminium in dicke Walzbarren gegossen, die später mit Hilfe einer Warmwalze entweder zu fertigen Walzplatten oder zu dünneren Vorwalzbändern gewalzt werden. Letztere dienen anschließend einer Kaltwalze als Vormaterial, um aus ihnen wiederum noch dünnere Bänder oder Bleche zu fertigen. Alternativ kann das Vorwalzband auch über einen Caster als Gießband hergestellt und somit der aufwändige Warmwalzprozess umgangen werden. Dies bietet zwar erhebliche Kostenvorteile, ist technisch aber nicht für alle Legierungen bzw. Anwendungszwecke zu empfehlen.
Strangpressen
Das legierte Aluminium wird in der Gießerei zu langen Stranggussrohlingen gegossen, die nach einer Oberflächenbehandlung in kürzere Stücke gesägt werden. Dieser zuvor erwärmte Pressbolzen wird dann mit hohem Druck im direkten oder indirekten Strangpressverfahren durch Hohlräume einer Stahlmatrize gepresst. Das Ergebnis sind präzise Profile oder Stangen mit feinen Oberflächen und hoher Maßgenauigkeit.
Gießen
Das flüssige Aluminium wird im Sandguss-, Kokillenguss- oder Druckgussverfahren in Formen gegossen. Das Ergebnis sind nahtlose und teilweise hochkomplexe Fertigteile, die aus „einem Guss“ hergestellt worden sind. Mit diesen Verfahren sind sehr gute mechanische Eigenschaften bei gleichzeitig großen Stückzahlen (besonders beim Druckguss) zu erzielen.
Schmieden
Als Vormaterial für Schmiedeteile dienen Strangguss- oder Strangpressrohlinge. Diese werden erwärmt und zwischen zwei Werkzeugen mit Schlagkräften von teilweise mehreren tausend Tonnen plötzlich umgeformt. Die Schmiedeteile weisen extrem hohe Festigkeitswerte bei gleichzeitiger feiner Oberfläche auf. Auf diese Weise können auch komplexe Bauteile sehr kostengünstig produziert werden.
