BLOG » Was versteht man unter Aluminium? Materialübersicht und Konstruktion

Was versteht man unter Aluminium? Materialübersicht und Konstruktion

Aluminium (Al) ist eines der gebräuchlichsten Materialien unter den Nichteisenmetallen und weist zahlreiche einzigartige Eigenschaften auf, die Eisenlegierungen nicht aufweisen, was es für verschiedene Anwendungen vielseitig macht. Für die Entwicklung effektiver Produktdesigns ist ein tiefes Verständnis der Materialeigenschaften entscheidend, das die Auswahl geeigneter Legierungen, Verarbeitungsmethoden und Wärmebehandlungen leitet. Heute befassen wir uns mit den Eigenschaften und Arten von Aluminium.

Die wichtigsten Vorteile von Aluminium

Geringes Gewicht:

Mit einem spezifischen Gewicht von etwa 2,7 wiegt Aluminium nur etwa ein Drittel von Stahl. Aufgrund seines geringen Gewichts wird Aluminium unter anderem in Verkehrsmitteln, architektonischen Materialien und mobiler Elektronik eingesetzt.

Festigkeit:

Aluminiumlegierungen, die durch Zugabe anderer Metalle zu reinem Aluminium hergestellt werden, erhöhen die Zugfestigkeit. Vor allem Legierungen, die mit Zink- und Magnesiumzusätzen verstärkt und anschließend wärmebehandelt werden, weisen eine außergewöhnliche Festigkeit auf. Das bekannte A7075 (Ultra-Duraluminium) wird häufig für Bauteile in der Luftfahrt verwendet.

Korrosionsbeständigkeit:

Aluminium reagiert leicht mit Sauerstoff und bildet eine dichte Oxidschicht auf seiner Oberfläche. Diese Oxidschicht wirkt wie eine Schutzbarriere und schützt vor Korrosion. Aufgrund seiner hohen Korrosionsbeständigkeit wird Aluminium in der Schiffsentwicklung, im Schiffbau und in der Architektur eingesetzt. Berichten zufolge kann es sogar bis zu 30 Jahre lang problemlos in Meeresumgebungen eingesetzt werden.

Einfache Verarbeitung:

Aluminium eignet sich für verschiedene Verarbeitungsverfahren. Aufgrund seiner hervorragenden Duktilität eignet es sich für die plastische Umformung, während sein niedriger Schmelzpunkt und seine gute Fließfähigkeit das Gießen begünstigen. Außerdem lässt es sich leicht bearbeiten und schweißen. Die Vielseitigkeit der Aluminiumverarbeitung ermöglicht die Herstellung einer Vielzahl von Formen, von dünnen Blechen (Aluminiumfolie) bis hin zu komplizierten Formen.

Wärmeleitfähigkeit:

Aluminium weist eine Wärmeleitfähigkeit auf, die etwa dreimal so hoch ist wie die von Eisen. Aufgrund dieser Eigenschaft ist es gut für die Wärmeübertragung geeignet und findet Anwendung in Autokühlern, verschiedenen Wärmetauschern und elektronischen Kühlkörpern.

Elektrische Leitfähigkeit:

Im Vergleich zu Kupfer mit demselben Gewicht leitet Aluminium doppelt so viel Strom. Aufgrund des geringen Gewichts und der kosteneffizienten Materialien für Übertragungsleitungen können durch den Ersatz von Kupfer- durch Aluminiumdrähte die Drahtabstände vergrößert und damit die Kosten gesenkt werden.

Widerstandsfähigkeit gegenüber niedrigen Temperaturen:

Selbst bei extrem niedrigen Temperaturen wie flüssigem Stickstoff (-196 °C) oder flüssigem Sauerstoff (-183 °C) behält Aluminium seine Festigkeit bei oder wird sogar noch stärker. Daher wird es in Tieftemperaturanlagen, LNG-Tanks (Flüssigerdgas), in der Weltraumforschung und in der Biotechnologie eingesetzt.

Hauptnachteile von Aluminium

Geringere Festigkeit im Vergleich zu Stahl:

Trotz seines hervorragenden Verhältnisses zwischen Festigkeit und Gewicht weist Aluminium im Allgemeinen eine geringere Festigkeit als Stahl auf. Während es sich gut für Strukturen eignet, die Flexibilität und Elastizität erfordern, wie z. B. Flugzeugflügel, ist es für Bauteile, die eine hohe Festigkeit erfordern, wie z. B. Zahnräder, nicht unbedingt geeignet.

Potential für Korrosion:

Obwohl Aluminium korrosionsbeständig ist, kann es in Umgebungen mit hohem Salzgehalt oder bei Kontakt mit ungleichen Metallen zu Korrosion kommen. Um die Korrosion zu mindern, werden häufig Oberflächenbehandlungen wie Eloxieren eingesetzt.

Hoher linearer Ausdehnungskoeffizient:

Der lineare Ausdehnungskoeffizient von Aluminium ist fast doppelt so hoch wie der von Materialien auf Eisenbasis. Folglich können Bauteile, die wiederholten Erwärmungs- und Abkühlungszyklen ausgesetzt sind, erheblichen thermischen Belastungen ausgesetzt sein, die zu Schäden durch thermische Ermüdung führen können.

Keine Ermüdungsgrenze:

Im Gegensatz zu eisenbasierten Materialien, die eine Ermüdungsgrenze haben, bei der die Metallermüdung nicht unterhalb einer bestimmten Spannungsschwelle auftritt, gibt es bei Aluminium keine Ermüdungsgrenze. Daher ist es bei der Konstruktion mit Aluminium wichtig, die zu erwartenden schwankenden Spannungen während des Gebrauchs mit SN-Diagrammen zu vergleichen, um sicherzustellen, dass die Rissausbreitung während der erwarteten Produktlebensdauer keine festigkeitsbezogenen Probleme aufwirft.

Herausforderungen beim Schweißen:

Der Schmelzpunkt der Oxidschicht, die sich auf der Oberfläche von Aluminium bildet, liegt bei ca. 2000 °C, so dass diese Oxidschicht vor dem Schweißen entfernt werden muss. Außerdem führen die hohe Wärmeleitfähigkeit und der niedrige Schmelzpunkt von Aluminium dazu, dass sich die Wärme beim Schweißen schnell auf das Grundmaterial überträgt, was das Risiko eines Materialausfalls erhöht. Um dies zu verhindern, muss die Geschwindigkeit des Schweißbrenners schrittweise angepasst werden. Angesichts dieser Herausforderungen ist es ratsam, das Aluminiumschweißen an erfahrene Fachleute auszulagern.

Typen von Aluminium

Da reines Aluminium eine geringe Festigkeit aufweist, wird es normalerweise mit anderen Metallen legiert. Durch die Zugabe von Metallen wie Eisen, Zink, Magnesium und Kupfer zu Aluminium können verschiedene Arten von Legierungen hergestellt werden.

Aluminiumlegierungen für den industriellen Einsatz werden je nach Verwendungszweck grob in Knetlegierungen und Gusslegierungen eingeteilt. Knetlegierungen sind Materialien, die durch plastische Verformung verarbeitet werden, während Gusslegierungen zum Gießen verwendet werden.

Knetlegierungen:

A1050: Eine repräsentative Reinaluminiumlegierung, die für ihre geringe Festigkeit, aber hervorragende Verarbeitbarkeit und Korrosionsbeständigkeit bekannt ist und häufig für Dekorationsartikel und Stromübertragungsleitungen verwendet wird.

A2017: Bekannt als Duralumin, bietet A2017 eine hohe Festigkeit trotz geringerer Korrosionsbeständigkeit und eignet sich daher für Flugzeuge, Automobile und Maschinenbauteile.

A2024: A2024 wird auch als Superduralumin bezeichnet und bietet eine höhere Festigkeit als A2017.

A5052: Eine weit verbreitete Aluminiumlegierung, die für ihre Korrosionsbeständigkeit, Verarbeitbarkeit und Schweißbarkeit geschätzt wird und häufig für Rahmenmaterialien und Bauteile aus Blech verwendet wird.

A6061: A6061 ist eine Aluminiumlegierung, die für ihre hervorragende Korrosionsbeständigkeit bekannt ist und durch eine T6-Wärmebehandlung weiter verbessert wird.

A6063: Mit seiner hervorragenden Korrosionsbeständigkeit und Oberflächenverarbeitbarkeit ist A6063 die am häufigsten verwendete Aluminiumlegierung in stranggepressten Produkten, die in Aluminiumflügeln und elektrischen Materialien verwendet werden.

A7075: A7075 ist als Ultra-Duraluminium bekannt und bietet die höchste Festigkeit unter den Aluminiumlegierungen. Es wurde von Japan vor dem Zweiten Weltkrieg entwickelt und im Zero-Kampfflugzeug verwendet und wird nach wie vor häufig in Materialien für Flugzeuge eingesetzt.

Gusslegierungen:

AC2B: AC2B weist eine ausgezeichnete Gießbarkeit auf und wird häufig als allgemeine Aluminiumgusslegierung für Zylinderköpfe und Ventilgehäuse verwendet.

AC4C: AC4C zeichnet sich durch Korrosionsbeständigkeit, mechanische Eigenschaften und Gießbarkeit aus und eignet sich daher für Einsatzgehäuse und Kompressorgehäuse.

ACD10: ACD10 ist ein geeignetes Material für den Druckguss und zeichnet sich durch seine hervorragende Gießbarkeit, Bearbeitbarkeit und mechanischen Eigenschaften aus, weshalb es häufig für Motorzylinderblöcke verwendet wird.

Fazit

Die Konstruktion von mechanischen Bauteilen aus Aluminium erfordert die sorgfältige Berücksichtigung verschiedener Faktoren, um optimale Leistung und Funktionalität zu gewährleisten. Durch die Einhaltung der oben genannten Designüberlegungen können Ingenieure und Designer die einzigartigen Eigenschaften von Aluminium nutzen, um leichte, langlebige und kostengünstige Bauteile für eine Vielzahl von Anwendungen zu entwickeln. Darüber hinaus ist Aluminium aufgrund seines hervorragenden Verhältnisses von Festigkeit zu Gewicht, seiner Korrosionsbeständigkeit und seiner Vielseitigkeit eines der am häufigsten verwendeten Materialien im Maschinenbau. Durch seine Fähigkeit, leicht bearbeitet, geformt und verbunden zu werden, bietet Aluminium eine unvergleichliche Designflexibilität, die es zu einer bevorzugten Wahl für zahlreiche Branchen macht, darunter die Automobilindustrie, die Luft- und Raumfahrt und die Unterhaltungselektronik. Wenn Ingenieure die wichtigsten Designüberlegungen für Bauteile aus Aluminium verstehen und umsetzen, können sie das volle Potenzial dieses bemerkenswerten Materials ausschöpfen und hervorragende Ergebnisse bei ihren Konstruktionen erzielen.