Aluminium/Details: Unterschied zwischen den Versionen

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).

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  

*'''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.

*'''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.

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“

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.  

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Aluminiumrahmen worden in ihren Anfängen geklebt, da man sie noch nicht ohne erhebliche Festigkeitsverluste Schweißen oder Löten konnte. Die Vorteile einer Kelbeverbindung sind:

#Klebsoffe altern

Heute wird auf das Kleben der Aluminiumteile weitestgehend verzichtet eine Ausnahme sind Verbindungen von Kunststoffen mit Aluminium (z.B. bei Gabeln oder Aluminiumrahmen mit Kohlefaserhinterbauten)

Mechanisches Fügen im Fahrradbereich ist meist Niet- oder Schraubverbindungen.  

#Geeignet für großflächige Verbindunge

#Bei zu großer Wärmeeinbringung erfolgt Beeinträchtigung der Grundwerkstoffe

Lange Zeit war die Benetzung der der Aluminiumwerkstoffe aufgrund der passivierenden Oxydschicht ein großes Problem erst die Entwicklung passender Flussmittel machten ein Löten von Aluminium möglich. Doch da gleichzeitig die Schweißtechnik große Fortschritte machte erlange Löten bei Aluminiumrahmen nie die Bedeutung, die es bei den Stahlrahmen hatte. Heute wird Löten bei Aluminiumrahmen höchstens bei der Reparatur von Aluminiumrahmen (z.B. Füllen von Dellen) eingesetzt.

Seiten verschmelzen, da die Oxidschicht in der Wurzel dies verhindert. Beim AC WIG-Schweißen wird durch den Wechselsstrom die Oxydschicht durchbrochen und beide Seiten verschmelzen. Bei der negativen Halbwelle treffen die emittierten Elektronen auf das positiv gepolte Werkstück und generieren eine große Menge Wärme am Kontaktpunkt. Während der positiven Halbwelle findet eine Reinigungswirkung statt und die Wolframelektrode wird schnell erhitzt, wohingegen sie während der negativen Halbwelle abkühlen kann. Infolgedessen werden die Vorteile beider Gleichstrompolaritäten vereint. Da der Lichtbogen bei jeder Durchquerung des Stromnullpunktes ausgeht, wurde er traditionell mit einer Hochfrequenz (150 kHz bei 1500 bis 2000 Ampere) überlagert, um die Wiederzündung des Lichtbogens zu erleichtern (HF-Zündung).