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Wir haben es alle in der Schule gelernt: Aluminium ist ein chemisches Element mit der Ordnungszahl 13 und dem Elementsymbol Al im Periodensystem. Es gehört zur Gruppe der Erdmetalle und es gibt zahlreiche Aluminiumlegierungen, deren Festigkeiten mit Stahl verglichen werden können, obwohl sie eine weitaus geringere Dichte besitzen. Aluminium ist silbrig-weiß und wir setzen das Material zum Beispiel bei der Herstellung von Schildern und Türklingeln ein. Soweit, so gut. Doch was genau ist Aluminium überhaupt, welche Eigenschaften hat das vielseitig einsetzbare Material und wo überall findet es eigentlich seine Anwendung? Genau diese Fragen wollen wir in unserer Materialkunde Aluminium beantworten und Ihnen das dritthäufigste Material auf unserer Erde und das häufigste in der Erdkruste etwas näherbringen.

Herkunft und Geschichte von Aluminium

Schon der römische Geschichtsscheiber Plinius der Ältere hat in seiner Historica Naturalis den natürlichen Alaunstein, Alumen, erwähnt. Dies ist eine Verbindung aus Aluminium und Schwefel, die wahrscheinlich schon im alten Ägypten, bei den Griechen und eben auch bei den Römern in Farben als Bindemittel verwendet wurde. Die männlichen Leser unter Ihnen kennen den Alaunstein sicherlich als blutstillendes Mittel, welches einem der Vater in die Hand gedrückt hat, wenn man seine ersten Versuche mit dem Rasieren gemacht hat. Bis zum 18. Jahrhundert wurde Alumen auch tatsächlich nur zur Blutstillung, als Gerbmittel und als Bindemittel eingesetzt.

Ein deutscher Chemiker entdeckte die Grundlage des Alauns, die Tonerde in der Mitte des 18. Jahrhunderts. Er erkannte Tonerde als Verbindung zwischen einem noch unbekannten Metall und Sauerstoff. Ein halbes Jahrhundert später, im Jahr 1809, schaffte es der Brite Sir Humphry Davy, für eine extrem kurze Zeit, nur für den Bruchteil einer Sekunde, Aluminium aus Tonerde herauszulösen. Davy gab dem Material auch seinen Namen Aluminum, nach dem englischen Namen für alum für Alaun.

Der Weg zum stabilen Metall im 19. Jahrhundert

Der Weg zum stabilen Aluminium spielte sich vor allem im 19. Jahrhundert ab. Erstmals gelang es dem dänischen Wissenschaftler Hans Christian Oersted, das Metall in seiner reinen Form darzustellen. Er selbst experimentierte aber nicht weiter herum, sondern teilte seine Erkenntnisse über den metallischen Klumpen dem deutschen Chemiker Friedrich Wöhler mit. Wöhler führte die Experimente fort und vermochte im Laufe der Jahre sogar die chemischen und physikalischen Eigenschaften des Metalls zu bestimmen.

Neben Wöhler versuchte sich auch der bekannte Wissenschaftler Robert Wilhelm Bunsen an der Gewinnung von Aluminium und setzte dafür das Verfahren der Elektrolyse aus Natrium-Aluminium-Chlorid ein. Somit konnte er auch die fabrikmässige Herstellung des Metalls einleiten. Auch in Frankreich wurde gleichzeitig, ebenso basierend auf Wöhlers Erkenntnissen, Aluminium hergestellt. Der Chemiker Henri Etienne Sainte-Claire Deville verwendete allerdings ein billigeres Reduktionsmittel, nämlich Natrium anstelle von Kalium. Er präsentierte das Silber aus Lehm, wie er es nannte, 1855 auf der Weltausstellung. Das Material war damals noch teurer als Gold. Da Kaiser Napoleon der Dritte Brustpanzer für seine Soldaten aus dem leichten Material fertigen lassen wollte, wurden mehrere Fabriken zur Herstellung des Metalls errichtet. Das Verfahren wurde im Laufe der Zeit immer weiter verbessert, sodass auch der Preis rapide gesenkt werden konnte.

Der Durchbruch im 20. Jahrhundert

Das verbesserte Verfahren, welches schließlich zum Durchbruch des Werkstoffes führte, war die Schmelzflusselektrolyse, bei der das Grundmaterial durch elektrischen Strom zersetzt wird. Voraussetzung für das Verfahren war die von Siemens erfundene Dynamomaschine, die in großem Stil Elektrizität zur Verfügung stellte und das Bayer-Verfahren, benannt nach Karl Joseph Bayer, zur Herstellung von Tonerde aus Bauxit. Industriefähig machte das Metall dann zu Beginn des 20. Jahrhunderts der deutsche Ingenieur Alfred Wilm, der die mechanischen Eigenschaften von Aluminium mit diversen Zusätzen deutlich verbesserte und das Metall zu dem universell einsetzbarem Werkstoff machte, den wir heute kennen. Per Zufall entdeckte Wilm damals, dass das Material erst durch die Aushärtung zu einem ernsthaft zu gebrauchenden Werkstoff wurde. Er entdeckte quasi die erste Legierung, das Duralumin, aus dem dann schon sehr bald die ersten Zeppeline gefertigt wurden.

Gewinnung und Herstellung von Aluminium

Als Aluminium versteht man in der Werkstofftechnik alle Werkstoffe, die auf dem Element Aluminium basieren. Das ist einerseits Reinstaluminium mit einem Anteil von mindestens 99, 7 Prozent Aluminium, Reinaluminium, dessen Al-Anteil noch bei mindestens 99 Prozent liegen muss und die vielen verschiedenen Aluminiumlegierungen. Auch wenn Aluminium das häufigste Metall in der Erdkruste ist, kommt es doch ausschließlich in gebundener Form vor, denn Aluminium ist ein unedles Metall.

In Form von Alumosilikaten in Ton, Granit oder Gneis kommt es am häufigsten vor, doch die einzige wirtschaftliche sinnvolle Möglichkeit der Gewinnung ist die aus dem Ausgangsmaterial Bauxit. Bauxit enthält durchschnittlich 60 Prozent Aluminiumhydroxid, 30 Prozent Eisenoxid und die restlichen Prozente entfallen auf Siliciumdioxid. Aluminiumhydroxide treten in unterschiedlichen Formen, vor allem als Gibbsit, Böhmit und Diaspor auf. Auf Grundlage des Bauxits gewinnt man Hüttenaluminium oder auch Primäraluminium. Es gibt aber noch eine zweite Möglichkeit der Aluminiumgewinnung, die der Wiederverwertung. Das so gewonnene Aluminium nennt man Sekundäraluminium.

Primäraluminium

Pirmäraluminium gewinnt man aus Bauxit (benannt nach seinem Fundort Les Baux in Frankreich). Dieses wird zerkleinert und fein gemahlen. Nun wird durch Natronlauge alles Unerwünschte entfernt und die weiße Tonerde (das Aluminiumoxid) gewonnen. Durch die im Absatz zur Geschichte erwähnte Schmelzflusselektrolyse nach dem Kryolith-Tonerde-Verfahren wird die Tonerde durch Gleichstrom mit Hilfe einer Katode und einer Anode in Aluminium und Sauerstoff aufgespalten.

Sekundäraluminium

Sekundäraluminium stellt man aus recyceltem Aluminium her. Es wird aus dem Schrottkreislauf wiedergewonnen und die Herstellungskosten belaufen sich lediglich auf 5 Prozent derer des Primäraluminiums.

Aluminium Eigenschaften

Im Folgenden wollen wir in angemessener Kürze, ohne auf spezifische physikalische und chemische Formeln einzugehen, die Eigenschaften des Leichtmetalls vorstellen.

smiley_weiss Aluminium Türklingel

Struktur und Dichte von Aluminium

Aluminium ist ein typisches Leichtmetall. Es zählt zu den leichtesten Werkstoffen, die wir kennen. Nur Magnesium ist noch leichter. Das liegt an der geringen Dichte des Elements, die bei 2,6989 g/cm³ liegt. Auch die Dichte der Aluminiumlegierungen weicht nur zwischen +3 und -2 Prozent von dieser Zahl ab.

Mechanische Eigenschaften

Aluminium ist recht weich und ein eher zähes Material. Seine Zugfestigkeit liegt bei reinem Aluminium bei 49 MPa, bei den Legierungen zwischen 300 und 700 MPa. Daher ist das Material sehr dehnbar und kann sogar zu einer ganz dünnen Folie ausgewalzt werden. Sicher haben auch Sie die berühmte Alu-Folie im Haus. Der Werkstoff ist leicht umformbar, lässt sich biegen, pressen und auch schmieden. Etwaige Spannungen, die beim Kaltverformen auftreten, kann man durch Weichglühen wieder beseitigen.

Thermische Eigenschaften

Die Schmelztemperatur von Aluminium liegt bei 660,2 Grad Celsius, die Siedetemperatur bei 2470 Grad Celsius. Mit der recht geringen Schmelztemperatur (immerhin niedriger als die von Kupfer, Eisen und Gusseisen) eignet sich das Material hervorragend für Gussverfahren. Zudem ist Aluminium ein guter Wärmeleiter. Zwar leitet es die Wärme nicht so gut wie Kupfer, aber durch die geringe Dichte gleicht das Material dies wieder aus und wird zum Beispiel gern in Wärmetauschern bei Fahrzeugen eingesetzt.

Elektrische Eigenschaften

Die elektrische Leitfähigkeit ist von denselben Mechanismen wie die thermische Leitfähigkeit abhängig. So verwundert es nicht, dass Aluminium auch ein sehr guter elektrischer Leiter ist. Nur Gold, Silber und Kupfer leiten besser. Neben Kupfer ist das Material deswegen und auch im Hinblick auf die Kosten mittlerweile zu einem der wichtigsten Leitermaterialien gewachsen. Allerdings hat Aluminium eine sehr geringe Dichte, sodass es weniger in der Kleinelektronik zum Einsatz kommt, sondern eher dort, wo es besonders auf Leichtigkeit ankommt und nicht auf den Durchmesser des elektrischen Leiters. Aluminium ist im Übrigen nicht magnetisch.

Chemische Eigenschaften

Das stumpfe, silber-graue Aussehen bekommt Aluminium durch die sich schnell bildende feine Oxidschicht, welche das Material extrem korrosionsbeständig macht. Auf chemischen und elektrischem Weg kann man diese Schicht noch verstärken. Ohne diese Schicht ist das Material eigentlich silbrig-weiß und glänzt. Doch Aluminium reagiert natürlich nicht nur mit Sauerstoff, sondern auch mit anderen chemischen Elementen. Eine besonders starke Reaktion geht es mit Natriumhydroxid ein. Wenn Sie einen chemischen Rohrreiniger einsetzen, nutzen Sie genau diese Reaktion, um die Rohre wieder frei zu bekommen.

Verwendung von Aluminium

Aluminium findet in vielen Bereichen seine Anwendung – als Konstruktionswerkstoff, in der Elektrotechnik und Elektronik, in der Optik und Lichttechnik sowie in der Verpackungs- und Behälterindustrie. Wir alle kennen die Getränke- und Konservendosen sowie die oben schon erwähnte Alu-Folie. Aluminium finden wir aber auch in vielen weiteren Einwegartikeln wie Grillschalen, Doggy-Bag-Behältnissen oder Servierplatten. Kochtöpfe fertigt man aus Aluminium, Militärgeschirr ist klassischerweise aus dem Metall. Oftmals schützt noch eine Kunststoffschicht die Behälter aus Aluminium. In der Optik verwendet man Aluminium hauptsächlich als Spiegelbeschichtung von Oberflächenspiegeln. Sie finden das Material in Spiegelreflexkameras, Scannern und in Kfz-Scheinwerfern.

Verwendung als Konstruktionswerkstoff

Vor allem wegen seiner geringen Dichte und damit verbundenen Leichtigkeit verwendet man Alu gern dort, wo Masse reduziert werden soll. In der Luft- und Raumfahrt ist es ein beliebtes Material, aber auch als Werkstoff in der Schiffsfertigung erweist sich Aluminium als besonders geeignet und spart eine Menge Kraftstoff ein. Im Fahrzeugbau tritt das Material seinen Siegeszug gerade erst an, nachdem man jahrelang auf Karbon gesetzt hatte. Durch seine besonders gute Verformbarkeit genießt das Metall, vor allem in seinen Legierungen, in der Fertigung von Hohlprofilen in der Messe- und Automatisierungstechnik einen guten Ruf. Das sind nur einige ausgewählte Beispiele. Wir vom Türklingelshop verwenden Aluminium außerordentlich gern für Klingelplatten, Hinweisschilder oder auch Briefkästen, denn es verbindet sich in diesem Material die besonders elegante Optik, die dem Edelstahl sehr nahe kommt, mit den praktischen Materialeigenschaften der Korrosionsbeständigkeit und Haltbarkeit.

Verwendung in der Elektrotechnik und Elektronik

Durch seine extrem guten Leitereigenschaften findet das Metall auch in der Elektrotechnik vielseitige Anwendung. Stromschienen und Erdkabel sind aus dem Metall, Überlandleitungen im Stromnetz sind aus Alu, vor allem weil sie durch die geringe Dichte ein wesentlich geringeres Gewicht als Kupferkabel dieses Durchmessers haben. In der elektronischen Industrie verwendet man das Material gern als Verbindungsdrähte zwischen Chip und Gehäuseanschluss, als Leiterbahnen in integrierten Schaltkreisen und Leistungshalbleitern. Es eignet sich aufgrund seiner ausgezeichneten wärmeleitenden Fähigkeiten hervorragend für wärmeübertragende Systeme wie Kühler oder ableitende Grundplatten. Aluminium wird außerdem zur Herstellung von Antennen und Hohlleitern verwendet.

Aluminium Schrott gepresst zur Wiedervertung

Aluminium und die Umwelt

Die Herstellung von Aluminium ist äußerst aufwendig, kosten- und energieintensiv. Dafür hält das Material dann aber auch ewig. Allerdings verbraucht man nicht nur enorm viel Strom dabei, sondern beim Abbau des Bauxits entsteht auch noch giftiger Rotschlamm. Auf eine Tonne gewonnenes Aluminium kommen anderthalb Tonnen Rotschlamm. Das ist zunächst einmal keine gute Ökobilanz für das vielseitige Material. Allerdings kann man es leicht wiederverwerten. Die Recycling-Rate für das Metall liegt weltweit bei fast 70 Prozent und steigt immer weiter an. Durch die Wiederverwertung, bei der nur ein Bruchteil der Herstellungskosten des Primäraluminiums entstehen, verbessert sich die Ökobilanz für das Material deutlich. Und so können Sie auch als verantwortungsvoller und umweltbewusster Mensch ohne schlechtes Gewissen, Aluminiumprodukte nutzen oder sich in unserem Shop nach einer lang haltbaren und attraktiven neuen Türklingel aus Aluminium oder einem Schild umsehen.

Aluminiumlegierungen

Aluminiumlegierungen haben deutlich bessere mechanische Eigenschaften als Rein- oder Reinstaluminium, weswegen sie wesentlich häufiger als die reinen Elemente eingesetzt werden. Am besten zur Herstellung von Aluminiumlegierungen sind Nickel, Magnesium, Kupfer und Silizium geeignet. Magnesium und Kupfer verwendet man, um Aluminiumknetlegierungen herzustellen, die besonders gut gewalzt, geschmiedet, gezogen und gepresst werden können. Aluminiumlegierungen mit Silizium verbessern die Fließfähigkeit und das Formfüllungsvermögen. Man setzt diese also vorzugsweise beim Umformen durch Giessen ein. Mittlerweile ist in der metallverarbeitenden Industrie das Erzeugen von leichten Alu-Legierungen deutlich verbreiteter als die Stahlerzeugung.

 

Aluminium – Eigenschaften und Verwendung
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