Aluminium/Details
Allgemeines
Aluminium ist eines der häufigsten Elemente der Erdkruste. Es ist ein silbrig glänzendes Metall mit guten Reflexionseigenschaften. Es bildet in Verbindung mit Sauerstoff eine passivierende Oxidschicht, was es korrosionsbeständig macht. Diese Oxidschicht erschwert allerdings das Löten und Schweißen von Aluminium. Mit einer Dichte von 2,7 g/cm³ gehört es zu den 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 Querkontraktionszahl von 0,33. Die Streckgrenze von Reinaluminium liegt bei 40 MPa. Aluminium liegt in einem kubisch flächenzentrierten (kfz) Kristallgitter vor. Hauptrohstoff für die Aluminiumgewinnung 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 drei Ziffern, Knetlegierungen vier Ziffern
Gusslegierungen (nach DIN EN 1780-1):
- 1xx: Reinaluminiumqualitäten
- 2xx: Kupfer
- 3xx: Silizium-Kupfer/Magnesium
- 4xx: Silizium
- 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, Sportgeräten. Manche Legierungen sind nicht mit Lichtbogen schweißbar. Die meistgenutzten Legierungen, 7005 und 7020, sind 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 Beispiele von Aluminiumlegierungen, die im Fahrradbau eingesetzt werden:
| Bezeichnung nach DIN | Bezeichnung nach DIN-EN | Verwendung |
|---|---|---|
| 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 drei Monate Auslagerung bei RT oder Wärmebehandlung (kalthärtend), sehr gute Schweißbarkeit |
| AlZn4,5Mg1 | EN AW-7020 | Rahmen - benötigt drei Monate Auslagerung bei RT oder Wärmebehandlung (kalthärtend), sehr gute Schweißbarkeit |
| AlZn5,5MgCu | EN AW-7075 | Frästeile, hochfest, nicht schweißbar |
Festigkeit
Wichtig ist eine Unterscheidung zwischen Festigkeit (Streckgrenze) und Steifigkeit (E-Modul). Nehmen wir an wir hätten zwei Rahmen mit exakt gleicher Geometrie, Rohrdurchmesser und Wandstärke, wie würden sich dieser Rahmen mit den Werkstoffen Reinaluminium, 6xxx Aluminiumlegierung, 7xxx Aluminiumlegierung, und Baustahl „verhalten“ und „anfühlen“
| Werkstoff | Dichte [g/cm³] | E-Modul [Gpa] | Streckgrenze [MPa] | Rahmengewicht | Fahrgefühl | Einbringen bleibender Verformungen |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Reinalu | 2,7 | 70 | 40 | Leicht | Weich | Leicht |
| 6xxx | 2,6 | 70 | 120-400 | Leicht | Weich | Mittel |
| 7xxx | 2,7 | 70 | 220-600 | Leicht | Weich | Schwer |
| Baustahl | 7,8 | 206 | 185-355 | Schwer | Härter | Mittel |
Was beim Betrachten der Tabelle auffällt ist die Tatsache das man mittels Zulegieren verschiedener Elemente zwar die Festigkeit erhöhen kann aber nicht die Steifigkeit. Doch warum fühlen sich dann Aluminiumrahmen „steifer“ an? Ok in unserer Annahme oben haben wir gleiche Wandstärke vorausgesetzt. Also verdreifachen wir die Menge des verwendeten Aluminiums, was passiert? Unser Gewicht verdreifacht sich (die beiden Rahmen sind gleich schwer). Der tragende Querschnitt verdreifacht sich unsere Konstruktion wird gleich Steif. In unserer Frage warum sind Aluminiumrahmen steifer sind wir immer noch nicht weiter.
Hier ein kurzes Zitat von Hunderten von Konstruktionslehrern „Die Steifigkeit kommt über die Konstruktion!“. Vergleichen wir einen aktuellen Aluminiumrahmen mit ein klassischen Stahlrahmen fällt uns eines auf... der Aluminiumrahmen hat dickere Rohre und das macht die Rahmen steifer. Der Grund ist die Biegesteifigkeit die sich aus E-Modul multipliziert mit dem Flächenträgheitsmoment ergibt (EI) und das Flächenträgheitsmoment für Rohre sieht wir folgt aus:
.
Doch warum jetzt die Festigkeit eines Werkstoffes erhöhen? Mit höherer Festigkeit kann man verhindern, dass ein Rahmen sich unter Belastung Verbiegt, Verzieht oder Einbeult. Auch wird bei einem Chainsuck nicht so viel Material abgetragen und der Rahmen nicht so stark beschädigt. Doch welche Verfestigungsmechanismen werden bei Aluminiumlegierungen denn nun verwendet?