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

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 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?

Dazu kurz einige Grundlagen. Sellen wir uns unser Aluminium als perfekten Einkristall vor, müssten für eine Verformung ganze Atomebenen an einander abgleiten, was Unmengen an Energie benötigen würde. Doch unser Aluminium (immer noch ein Einkristall) ist voller Fehler. Es ist also viel einfacher diese Fehler (Versetzungen genannt) zu bewegen. Dieses Modell wird Versetzungstheorie genannt. Nun besteht unser Aluminium aus vielen Kristallen, die durch Korngrenzen getrennt sind also können diese Kristallfehler (Versetzungen) nicht beliebig weit wandern. Alle Mechanismen die einen Werkstoff verfestigen versuchen die Bewegung der Versetzungen zu behindern.

Kaltverfestigung

Verformt man Aluminium unterhalb der Rekristallisationstemperatur spricht man von Kaltverformung. Es wird zwischen Verformen und Umformen unterschieden. Dabei ist Verformung ungezielt (Unfall) und Umformung mit einem Ziel (z.B. Kaltschmieden einer Fahrradkurbel). Doch was passiert dabei im Werkstoff? Durch die Umformung beginnen die Versetzungen zu wandern und es werden gleichzeitig neue gebildet. Da jede Versetzung ein Spannungsfeld um sich herum hat kommen sich nun diese Spannungsfelder in die Quere und es wird immer mehr Energie benötigt um diese Versetzungen wandern zu lassen. Der Werkstoff wird Kaltverfestigt. Bringt man den Werkstoff nun auf Rekristallisationstemperatur werden diese Versetzungen durch Rekistalisation ausheilen und die Härte nimmt wieder ab. Brechen wir jedoch die Rekristallisation rechtzeitig wieder ab haben wir viele neue und kleine Körner. Dies entspricht den Wärmebehandlungen H und Hxx.

Feinkkornhärtung

Da die Versetzungen nicht über Korngrenzen hinweg gehen können erhöht auch ein verkleinern der Körner um die Festigkeit zu erhöhen (Hall-Petsch-Beziehung). Da Aluminium zur Grobkornbildung neigt kann man dies durch Schmieden und Rekristallisieren erreichen.

Mischkristallverfestigung

Bei der Mischkristallverfestigung nutzt man die Änderung der mechanischen Eigenschaften von Festkörpern durch einlagerung von Substitutions- oder Zwischengitteratomen. Die Steigerung der Festigkeit ist eine Folge der Spannungsfelder, die durch die Fehlpassungen der Fremdatome entstehen und ein wander nder Versetzungen erschweren. Vorraussetzung ist dabei die Löslichkeit der Fremdatome im Gitter. Die Festigkeit nimmt mir der Zahl der Gelösten Atome zu. Auch eine steigende Differenz der Atomradien lässt die Festigkeit ansteigen, allerdings sinkt die Löslichkeit. Probiert man zu viele Atome in den Mischkristall einzubringen wird sich eine zweite Phase ausscheiden. Ein Mischkristall immer einphasig.Dies trifft auf alle nicht wärmebehandelbaren Aluminiumlegierungen zu.

Ausscheidungshärtung

Voraussetzung für die Ausscheidungshärtung von Aluminium-Legierungen ist das Vorhandensein von Mischkristallen, die bei absinkender Temperatur eine abnehmende Löslichkeit besitzen. Dabei werden zunächst sämtlich Atome bei hohen Temperaturen in Lösung gebracht. Der Werkstoff wird abgeschreckt und dieser Lösungszustand eingefroren. Jetzt befindet sich der Werkstoff aber in einem instabilen Zustand. Wartet man nun ab (Kaltaushärten) oder erwärmt ihn nochmal (Warmaushärten) werdwn sich aus dem übersättigten Mischkristall weitere Phasen ausscheiden. Treffen nun Versetzungen beim wandern auf diese Ausscheidungen müssen sie diese entweder schneiden oder um sie herum wandern was zusätzliche Energie benötigt. Die Folge ist ein festerer Werkstoff und entspricht den Wärmebehandlungen Txx.

Kaltauslagern

Die wichtigsten kaltauslagernden Legierungen gehören zum Typ Al-Cu-Mg. Beim Kaltauslagern geht man folgendermaßen vor: Beim Lösungsglühen (Homogenisieren) bei etwa 500°C wird das Kupfer im Aluminium in Lösung gebracht. Danach wird das Werkstück in Wasser abgeschreckt. Dadurch wird die Ausscheidung des Kupfers unterdrückt. Das gesamte Kupfer befindet sich jetzt in einer übersättigten Lösung. In diesem Zustand kann die Zugfestigkeit schon bis 40% über dem weichgeglühten Zustand liegen. Dabei ist der Werkstoff aber noch gut verformbar. Auf das Abschrecken folgt das Kaltauslagern (bei etwa 20°C). Das Aluminiumgitter beginnt, das in Lösung gehaltene Kupfer in Form von Kupferreichen Mischkristallen auszuscheiden. Dieser Vorgang ist normalerweise nach etwa 5-8 Tagen abgeschlossen. Durch eine Temperaturerhöhung auf ~ 35°C lässt sich der Vorgang beschleunigen, eine Temperaturerniedrigung verzögert ihn.

Warmauslagern

Beim Warmauslagerung (Bevorzugt bei Al-Mg-Si-Legierungen) man folgendermaßen vor: Lösungsglühen und Abschrecken wie bei Al-Cu-Mg-Legierungen. Anschließend wird für eine Zeit von 4 – 48 Std. bei Temperaturen zwischen 120-175°C ausgelagert. Auch hier stellen sich jetzt Ausscheidungsvorgänge ein. Die Festigkeitswerte fallen nach Erreicherung eines Maximums jedoch wieder ab. Deshalb gewinnt hier die Einhaltung der richtigen Zeit- und Temperaturwerte stark an Bedeutung, um die erwünschte Festigkeit zu erhalten. Die Ausscheidungshärtung steht grundsätzlich am Ende der Fertigung oder müssen hier wiederhohlt werden.

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