Aluminium/Details
Allgemeines
Aluminium ist eines der häufigsten Elemente der Erdkruste. Es ist eine silbrig glänzendes Metall mit gute Reflexionseigenschaften. Es bildet mit Sauestoff eine passivierende Oxidschicht, was es korrosionsbeständig macht. Diese Oxidschicht erschwert allerdings das Löten und Schweißen von Aluminium. Mit einer Dichten von 2,7g/cm^2 gehört es zu dem Leichtmetallen. Der Schmelzpunkt liegt bei 660°C und die Wärmeleitfähigkeit liegt bei 237 W/mK. Es hat einen E-Modul von 70 GPa und eine Querkontraktion von 0,33. Die Streckgrenze con Reinaluminium liegt bei 40 Mpa. Aluminium liegt in einem kubisch flächenzentrierten (kfz) Kristallgitter vor. Haupt Rohstoff für die Aluminium Gewinnung ist Bauxit, das nach der Reinigung (Bayer-Verfahren) in einer Kryolithschmelze aufgelöst und elektrolysiert (Schmelzflusselektrolyse hier Hall-Héroult-Prozess).
Legierungen
Da Reinaluminium keine guten Festigkeitswerte hat, wurden mit der Zeit verschieden Legierungen entwickelt um die Festigkeit zu steigern. Dabei unterscheidet man zwischen Guss- und Knetlegierungen. Zu den Knetwerkstoffen zählen außer Reinaluminium im Wesentlichen die naturharten Legierungen vom Typ AlMn, AlMg und AlMgMn sowie die aushärtbaren Legierungen AlCuMg, AlCuSiMn, AlMgSi, AlZnMg und AlZnMgCu. Diese Legierungen sind in der Regel als Halbzeuge oder Strangpressprofile erhältlich, aus denen sich dann durch Schweißen, Schmieden oder zerspanende Bearbeitung dann letztlich die Endprodukte erzeugt werden.
Eine weiteres Unterscheidungsmerkmal sind die Hauptlegierungselemente. Guss – und Knetlegierungen lassen sich anhand der Ziffern unterscheiden. Gusslegierungen haben 3 Ziffern Knetlegierungen 4 Ziffern
Gußlegierungen (nach DIN EN 1780-1):
1xx: Reinaluminiumqualitäten
2xx: Kupfer
3xx: Silicium-Kupfer/Magnesium
4xx: Silicium
5xx: Magnesium
7xx: Magnesium-Zink
8xx: Zinn
Knetlegierungen (nach DIN EN DIN EN 573-3 und DIN EN 573-4):
1xxx - nicht wärmebehandelbar - Festigkeiten von 70 bis 190 N/mm² auch Reinaluminium genannt. Schweißbar. Sehr korrosionsbeständig, Verwendung für chemische Tanks und Rohre. Hohe elektrische Leitfähigkeit.
2xxx - kann wärmebehandelt werden - Festigkeiten von 190 bis 430 N/mm² - Kupferlegiert (0,7 bis 6,8%) - Verwendung in Flugzeug und Raumfahrt - hohe Festigkeit - großer Temperaturbereich. Manche Legierungen gelten aufgrund der Rißneigung beim Schweißen als nicht schweißbar - Schweißzusatz meistens 2xxx manchmal auch 4xxx.
3xxx - nicht wärmebehandelbar - Festigkeiten von 110 bis 280 N/mm² - Aluminium Manganlegierungen mit mittlerer Festigkeit, guter Korrosionsbeständigkeit - gute Formbarkeit - geeignet auch für höhere Temperaturen - Einsatzgebiet von Kochtöpfen über Kühler in Fahrzeugen bis zum Kraftwerksbau. Schweißzusatz 1xxx, 4xxx und 5xxx
4xxx - Wärmebehandelbare und nicht wärmebehandelbare Legierungen - Festigkeiten von 170 bis 380 N/mm² - Aluminium Silizium Legierungen (Si 0,6 bis 21,5%) - einzige Serie die Wärmebehandelbare und nicht wärmebehandelbare Legierungen enthält - Silizium reduziert den Schmelzpunkt und macht die Schmelze dünnflüssiger - ideal für Schweiß- und Lötzusätze
5xxx - nicht wärmebehandelbar - Festigkeiten von 120 bis 350 N/mm² - Aluminium Magnesium (Mg 0,2 bis 6,2%) - Höchste Festigkeiten der nicht wärmebehandelbaren Aluminiumsorten - schweißbar - Verwendung im Schiffsbau, Transport, Druckkessel, Brücken und Gebäuden. Schweißzusatz muß nach Magnesiumgehalt bestimmt werden. Aluminium aus dieser Serie mit mehr als 3,0% Mg ist für Temperaturen über 65° nicht geeignet (Spannungsrißkorrosion) - Materialien mit weniger als ca. 2,5% Mg können oft erfolgreich mit 5xxx oder 4xxx Schweißzusätzen geschweißt werden. 5032 wird meist als das Material mit dem höchsten Mg-Gehalt genannt, das gerade noch mit 4xxx schweißbar ist.
6xxx - wärmebehandelbar - Festigkeiten von 120 bis 400 N/mm² - Aluminium / Magnesium - Silizium Legierungen (Si und Mg um die 1%) sehr beliebt bei Schweißkonstruktionen - Verwendung vorwiegend als Extrusionen - kann gut wärmebehandelt werden - soll nicht ohne Schweißzusatz geschweißt werden (Warmrisse) - Schweißzusätze 4xxx und 5xxx
7xxx - wärmebehandelbar - Festigkeiten von 220 bis 600 N/mm² - Aluminium - Zink (Zn 0,8 bis 12,0%) - Verwendung in Flugzeugbau, Raumfahrt, Sportgeräte. Manche Legierungen sind nicht mit Lichtbogen schweißbar. Die am meisten genutzte Legierung 7005 und 7020 ist gut mit 5xxx Schweißzusätzen schweißbar.
8xxx - andere Elemente - z.B. Aluminium-Lithium-Legierungen
Wärmebehandlung:
Schlüssel für die Wärmebehandlung (nach DIN EN 515)
Zustand | Bedeutung |
---|---|
F | Herstellungszustand (keine Grenzwerte für mech. Eigenschaften festgelegt) |
O | Weichgeglüht (geringste Festigkeit und größte Verformbarkeit) |
H | Kaltverfestigt |
W | Lösungsgeglüht (instabiler Zustand) |
H12 | Kaltverfestigt - 1/4 hart |
H14 | Kaltverfestigt - 1/2 hart |
H16 | Kaltverfestigt - 3/4 hart |
H18 | Kaltverfestigt - 4/4 hart |
H19 | Kaltverfestigt – extrahart |
H22 | Kaltverfestigt und rückgeglüht - 1/4 hart |
H24 | Kaltverfestigt und rückgeglüht - 1/2 hart |
H26 | Kaltverfestigt und rückgeglüht - 3/4 hart |
H28 | Kaltverfestigt und rückgeglüht - 4/4 hart |
H32 | Kaltverfestigt und stabilisiert - 1/4 hart |
H34 | Kaltverfestigt und stabilisiert - 1/2 hart |
H36 | Kaltverfestigt und stabilisiert - 3/4 hart |
H38 | Kaltverfestigt und stabilisiert - 4/4 hart |
T1 | Abgeschreckt aus der Warmumformungstemperatur und kaltausgelagert |
T2 | Abgeschreckt aus der Warmumformungstemperatur, kaltumgeformt und kaltausgelagert |
T3 | Lösungsgeglüht, kaltumgeformt und kaltausgelagert |
T4 | Lösungsgeglügt und kaltausgelagert |
T5 | Abgeschreckt aus der Warmumformungstemperatur und warmausgelagert |
T6 | Lösungsgeglüht und warmausgelagert |
T7 | Lösungsgeglüht und überhärtet (warmausgelagert) |
T8 | Lösungsgeglüht, kaltumgeformt und warmausgelagert |
T9 | Lösungsgeglüht, warmausgelagert und kaltumgeformt |
Einige Beispeiele von Aluminiumlegierungen, die im Fahrradbau eigesetzt werden:
Bezeichnung nach DIN | Bezeichnung nach DIN-EN | Verwendung |
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AlCuSiMn | EN AW-2014 | Schmiede- und Extrusionsbauteile wie zB. Kurbeln, Lenker, hochfest, nicht schweißbar |
AlMg4,5Mn | EN AW-5083 | Rahmen, keine Wärmebehandlung möglich,da Kaltverfestigend (Mischkristallhärtung), schweißbar |
AlMg1SiCu | EN AW-6061 | Rahmen - benötigt Wärmebehandlung mit Lösungsglühen (T6), sehr gut schweißbar |
AlZn4,5Mg1,5Mn | EN AW-7005 | Rahmen - benötigt 3 Monate Auslagerung bei RT oder Wärmebehandlung (Kalthärtend), sehr gute Schweißbarkeit |
AlZn4,5Mg1 | EN AW-7020 | Rahmen - benötigt 3 Monate Auslagerung bei RT oder Wärmebehandlung (Kalthärtend), sehr gute Schweißbarkeit |
AlZn5,5MgCu | EN AW-7075 | Frästeile, hochfest, nicht schweißbar |