Alles über Aluminium für die Fertigung: Ein genauerer Blick auf das Metall, das uns überall umgibt

Es gibt viele Materialien, aber nur wenige sind so wichtig für unser tägliches Leben wie Aluminium. Von der Getränkedose in Ihrer Hand bis zur Karosserie eines Flugzeugs ist dieses erstaunliche Metall überall. Dennoch verstehen viele in der Industrie nicht vollständig den langen Weg, den dieses Material zurücklegt, von einem rotbraunen Gestein zu einem starken, sorgfältig gefertigten Teil. Deshalb habe ich diesen Artikel geschrieben. Wir werden Ihnen die ganze Geschichte von Aluminium für die Fertigung zeigen. Ich werde erklären, wie wir es aus dem Boden holen, den detaillierten chemischen und elektrischen Prozess, der zur Reinigung verwendet wird, und wie wir es in die breite Palette von Produkten verwandeln, die wir jeden Tag verwenden. Wenn Sie die Gründe für eines der hilfreichsten und gebräuchlichsten Materialien im Ingenieurwesen verstehen möchten, ist dies Ihre Zeit wert.

Was ist Aluminium und warum ist es so nützlich?

Meiner Erfahrung nach beginnt man am besten immer mit den Grundlagen. Aluminium ist das häufigste Metall in der äußeren Schicht der Erde und macht etwa 8 % ihres Gesamtgewichts aus. Aber Sie werden niemals ein Stück reines Aluminium auf dem Boden finden. Es ist immer in Mineralien eingeschlossen, meistens in einem Erz namens Bauxit. Was Aluminium für jeden Hersteller und Ingenieur so wertvoll macht, ist seine besondere Mischung von Eigenschaften. Zunächst einmal ist da sein geringes Gewicht. Es wiegt ein Drittel so viel wie Stahl, was ein großer Vorteil ist, wenn man versucht, Dinge herzustellen, die sich bewegen, wie Autos und Flugzeuge. Diese leichte Qualität, kombiniert mit seinem Potenzial für hohe Festigkeit, verleiht ihm ein hervorragendes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht.

Aber die guten Dinge hören hier nicht auf. Eine der erstaunlichsten Eigenschaften von Aluminium ist, wie es auf natürliche Weise Rost bekämpft. Wenn Aluminium der Luft ausgesetzt ist, bildet es schnell eine dünne, starke, klare Schicht aus Aluminiumoxid auf seiner Oberfläche. Diese Oxidschicht wirkt wie ein Schutzschild und verhindert, dass das darunter liegende Metall wie Eisen oder Stahl rostet. Dieser eingebaute Schutz macht Aluminium zu einer langlebigen Wahl für den Außenbau, Fensterrahmen und Anwendungen in Meeresnähe. Außerdem leitet Aluminium Wärme und Elektrizität sehr gut und ist zudem unschädlich und leicht zu recyceln, was nicht nur gut für die Erde, sondern auch gut für die Geldbörse ist. Es wird nur 5 % der Energie benötigt, um Aluminium zu recyceln, als es aus neuen Materialien herzustellen. Diese vielseitige Verwendbarkeit ist der Grund, warum seine Anwendung so verbreitet ist.

Wie gewinnen wir Aluminium? Der erste Schritt im Herstellungsprozess

Der Weg zur Herstellung eines fertigen Aluminiumprodukts beginnt tief in der Erde. Der wichtigste Rohstoff für die Herstellung von Aluminium ist Bauxiterz, ein tonartiges Gestein. Man findet es nicht überall; etwa 90 % des weltweiten Bauxits werden in heißen Teilen der Welt gefunden. Der erste Teil des Herstellungsprozesses ist der Abbau dieses Erzes. Da Bauxit normalerweise nahe der Oberfläche liegt, wird er im Tagebau abgebaut. Das bedeutet, dass das Gelände gerodet und große Maschinen wie Bulldozer und Bagger eingesetzt werden, um den Bauxit auszugraben.

Sobald es abgebaut ist, ist der rohe Bauxit noch nicht gebrauchsfertig. Er besteht nur zu 30-60 % aus Aluminiumoxid (auch Tonerde genannt), und der Rest ist eine Mischung aus unerwünschten Stoffen wie Eisenoxiden (die Bauxit seine rote Farbe verleihen) und Siliziumdioxid. Um an das gute Aluminium zu gelangen, müssen wir zuerst den Bauxit reinigen, um dieses unerwünschte Material zu entfernen. Das Roherz wird zu einer Aufbereitungsanlage gebracht, wo es gewaschen, zerkleinert und zu einer gleichmäßigeren Form gemahlen wird, um es für den nächsten wichtigen Schritt vorzubereiten. Dieser erste Schritt ist sehr wichtig für die Funktionsweise des nächsten chemischen Prozesses. Ziel ist es, das Aluminiumoxid abzutrennen und ein reines, feines weißes Pulver namens Tonerde herzustellen.

Was ist das Bayer-Verfahren zur Aluminiumraffination?

Nun, hier wird es interessant. Um das reine Aluminiumoxid von den unerwünschten Stoffen im Bauxit zu trennen, verwenden wir eine Methode namens Bayer-Verfahren, die 1888 von Carl Josef Bayer entwickelt wurde. Ich fand diesen Prozess schon immer einen cleveren chemischen Trick. Der zerkleinerte Bauxit wird in großen, unter hohem Druck stehenden Tanks mit einer heißen Flüssigkeit aus Ätznatron (Natriumhydroxid) vermischt. Die Hitze und der Druck bewirken, dass das Natriumhydroxid die Teile auflöst, die Aluminium enthalten, wodurch eine Natriumaluminat-Flüssigkeit entsteht.

Das Wichtige ist, dass sich die anderen Materialien im Bauxit, wie die Eisenoxide und andere unerwünschte Stoffe, nicht im Ätznatron auflösen. Dadurch können wir sie trennen. Die Mischung wird in Absetzbecken geleitet, wo diese übrig gebliebenen Feststoffe – „Rotschlamm“ genannt – zu Boden sinken und mit einem Filter entfernt werden. Nach dem Filtern wird die übrig gebliebene aluminiumreiche Flüssigkeit abgekühlt und in hohe Absetzbecken gepumpt. Hier werden winzige Impfkristalle aus Aluminiumhydroxid hinzugefügt, die dazu beitragen, dass sich das gelöste Aluminiumhydroxid in einen Feststoff verwandelt und als feste Kristalle aus der Flüssigkeit austritt. Schließlich werden diese Kristalle in großen Öfen auf über 960 °C erhitzt, um das Wasser zu entfernen, wodurch ein feines, weißes, sandiges Pulver zurückbleibt – reines Aluminiumoxid oder Tonerde.

Wie erzeugt das Hall-Héroult-Verfahren reines Aluminium?

Sobald wir unser reines Tonerdepulver haben, haben wir noch einen großen Schritt vor uns, bevor wir brauchbares Aluminiummetall haben. Tonerde ist Aluminiumoxid (Al₂O₃), was bedeutet, dass es Sauerstoffatome enthält, die chemisch an das Aluminium gebunden sind. Um reines Aluminium zu erhalten, müssen wir diese starke Verbindung aufbrechen. Dies geschieht mit einer weiteren cleveren Methode, dem Hall-Héroult-Verfahren, das 1886 von zwei verschiedenen Erfindern, Charles Hall und Paul Héroult, entwickelt wurde. Dieses Verfahren ist das einzige großtechnische Verfahren, das heute zur Herstellung von neuem Aluminium verwendet wird.

Bei diesem Verfahren wird die Tonerde in geschmolzenem Kryolith (einem Natriumaluminiumfluorid-Mineral) in einem großen, mit Kohlenstoff ausgekleideten Stahlbehälter, der als Tiegel bezeichnet wird, gelöst. Das geschmolzene Kryolith bewirkt, dass es bei einer niedrigeren Temperatur schmilzt, was dazu beiträgt, dass der Prozess weniger Energie verbraucht. Ein starker elektrischer Strom wird durch diese Flüssigkeit geleitet. Die Kohlenstoffauskleidung des Tiegels dient als negatives Ende (Kathode), während große Kohlenstoffblöcke in der Flüssigkeit als positive Enden (Anoden) dienen. Der starke elektrische Strom startet eine chemische Reaktion, die die Verbindung zwischen dem Aluminium und dem Sauerstoff in der Tonerde aufbricht. Die Sauerstoffatome wandern zu den Kohlenstoffanoden und bilden Kohlendioxid, während das schwerere geschmolzene reine Aluminium auf den Boden des Tiegels sinkt, wo es abgelassen werden kann. Das hergestellte Metall ist etwa 99,8 % rein.

Sind alle Arten von Aluminium gleich? Ein Blick auf Legierungen

Während reines Aluminium für einige Dinge nützlich ist, wie z. B. elektrische Drähte oder Alufolie, ist es für die meisten Bauanwendungen normalerweise zu weich. Hier kommt die Idee einer Legierung zum Tragen. In meiner Arbeit ist das Verständnis der kleinen, aber wichtigen Unterschiede zwischen Legierungen sehr wichtig. Eine Aluminiumlegierung ist eine Mischung aus Aluminium mit anderen Elementen, um eine bestimmte Eigenschaft zu verbessern, wie z. B. Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit oder wie leicht sie zu schneiden ist. Die Wahl der hinzugefügten Elemente bestimmt die endgültigen Eigenschaften des Materials.

Es gibt zwei Haupttypen von Aluminiumlegierungen: Gusslegierungen und Knetlegierungen. Gusslegierungen werden hergestellt, um in eine Form gegossen zu werden, um schwierige Formen wie Motorblöcke herzustellen. Knetlegierungen hingegen werden durch Krafteinwirkung in ihre endgültige Form gebracht, z. B. durch Walzen, Pressen oder Schieben. Diese Legierungen werden in Gruppen eingeteilt, die durch eine vierstellige Zahl gekennzeichnet sind. Zum Beispiel:

• 1xxx-Serie: Dies ist reines Aluminium (mindestens 99 % rein) und bekannt für seine hohe Rostbeständigkeit und Fähigkeit, Elektrizität zu leiten.
• 3xxx-Serie: Hier ist Mangan das wichtigste hinzugefügte Element, das die Festigkeit erhöht, aber dennoch leicht zu formen ist. Sie finden es in einer Getränkedose.
• 5xxx-Serie: Magnesium wird hinzugefügt, um eine Legierung mit hoher Zugfestigkeit und hoher Korrosionsbeständigkeit zu erzeugen, insbesondere in Meeresgebieten.
• 6xxx-Serie: Diese Legierungen enthalten sowohl Magnesium als auch Silizium, sodass sie wärmebehandelt werden können, um sie noch stärker zu machen. 6061 ist eine der am häufigsten verwendeten und sehr verbreiteten Legierungen für den Bau und das Reisen.
• 7xxx-Serie: Mit Zink als Hauptelement sind dies die stärksten Aluminiumlegierungen, was sie für Anwendungen mit hohem Druck wie in der Luft- und Raumfahrtindustrie erforderlich macht.

Wie wird die Festigkeit einer Aluminiumlegierung erreicht?

Eine häufige Frage, die ich höre, ist, wie das Hinzufügen einer kleinen Menge eines anderen Metalls die Eigenschaft von Aluminium stark verändern kann. Die Antwort liegt darin, wie sich diese hinzugefügten Elemente mit der winzigen Struktur des Aluminiums vermischen. Reines Aluminium hat eine sehr gleichmäßige, organisierte Kristallstruktur, die es den Atomschichten ermöglicht, leicht aneinander vorbeizugleiten, wodurch das Metall weich und leicht zu biegen ist. Wenn wir Atome eines anderen Elements wie Kupfer oder Magnesium hinzufügen, stören sie diese organisierte Struktur. Diese unterschiedlichen Atome können unterschiedliche Größen haben, wodurch „Verkehrsstaus“ im Kristallmuster entstehen, die es den Atomschichten viel schwerer machen, sich zu bewegen. Diese Bewegungsschwierigkeit empfinden wir als mehr Härte und Festigkeit.

Außerdem können viele Aluminiumlegierungen, insbesondere in den Serien 2xxx, 6xxx und 7xxx, durch einen Prozess namens Wärmebehandlung noch stärker gemacht werden. Dies bedeutet, dass die Legierung auf eine bestimmte Temperatur erhitzt wird, um die hinzugefügten Elemente in das Hauptmetall aufzulösen, und dann schnell abgekühlt (abgeschreckt) wird, um diese Atome an Ort und Stelle zu fixieren. Schließlich wird das Material entweder bei Raumtemperatur oder in einem leicht warmen Ofen gealtert. Während der Alterung gruppieren sich die eingeschlossenen hinzugefügten Atome zu sehr kleinen Stücken, die als starke Hindernisse für die Bewegung im Inneren des Metalls wirken und die Festigkeit des Metalls erheblich erhöhen. Diese Fähigkeit, die Festigkeit anzupassen, macht Aluminium zu einem sehr nützlichen technischen Material.

Was sind die häufigsten Anwendungen für Aluminium?

Die große Nützlichkeit von Aluminium bedeutet, dass seine Liste der Anwendungen sehr lang ist. In meinen Jahren als Autor habe ich es in fast jeder Branche eingesetzt gesehen. Sein geringes Gewicht und seine Festigkeit machen es zu einem Schlüsselelement der Transportindustrie. Autos verwenden Aluminium für Motorblöcke, Räder und Karosserieteile, um einen besseren Kraftstoffverbrauch zu erzielen. In der Luft- und Raumfahrtindustrie werden Aluminiumlegierungen für den Bau der Karosserie und der Flügel von Flugzeugen benötigt, wo jede Gewichtseinsparung wichtig ist. Die gebräuchliche Verwendung dieses Metalls zeigt, wie hilfreich seine Eigenschaften sind.

Die Bauindustrie verwendet Aluminium für Fenster- und Türrahmen, Dächer und Außenwandpaneele aufgrund seiner Korrosionsbeständigkeit und langen Lebensdauer. In der Verpackungsindustrie wird Aluminium verwendet, um die übliche Getränkedose und flexible Folienverpackungen herzustellen, die Lebensmittel und Medikamente sicher aufbewahren. Seine große Fähigkeit, Wärme zu leiten, macht es perfekt für Töpfe und Pfannen und für Kühlkörper in der Elektronik, während seine große Fähigkeit, Elektrizität zu leiten, der Grund dafür ist, dass es in Stromleitungen verwendet wird. Sogar Dinge im Haushalt, von Leitern bis hin zu Möbeln, sind aufgrund des geringen Gewichts und der sauberen Oberfläche von Aluminium besser. Die Liste der Anwendungen wächst ständig, da neue Legierungen und Herstellungsverfahren entwickelt werden.

Was ist der Prozess zur Herstellung von Aluminiumteilen?

Sobald wir die richtige Aluminiumlegierung in Form eines großen Blocks oder einer Stange haben, müssen wir sie in ein nützliches Produkt formen. Es gibt verschiedene Hauptmethoden zur Herstellung von Aluminiumteilen, die jeweils für unterschiedliche Anwendungen und Formen geeignet sind. Die drei häufigsten sind Extrusion, Walzen und Gießen.

• Extrusion: Dies ist ein sehr gutes Verfahren, bei dem eine erhitzte Aluminiumstange von einer starken Presse durch ein geformtes Loch in einem Stahlwerkzeug gedrückt wird. Stellen Sie sich vor, Sie drücken Zahnpasta aus einer Tube. Diese Methode wird verwendet, um lange Stücke mit der gleichen Form über die gesamte Länge herzustellen, wie z. B. Fensterrahmen, Türschienen und Träger.
• Walzen: Um flache Dinge wie Bleche, Platten und Folien herzustellen, wird ein Aluminiumblock immer wieder durch Paare schwerer Walzen geschickt, die das Metall jedes Mal dünner und länger machen. So erhalten wir das dünne Blech für eine Autokarosserie oder die sehr dünne Folie für Ihre Küche.
• Gießen: Für schwierige 3D-Formen ist das Gießen die beste Methode. Dies bedeutet, dass geschmolzene Aluminiumlegierung in eine Form gegossen wird. Es gibt verschiedene Methoden, darunter das Druckgießen, bei dem das geschmolzene Metall mit hohem Druck in ein Stahlwerkzeug gepresst wird, wodurch sehr detaillierte und genaue Aluminiumteile wie Autoteile entstehen. Sandguss ist eine weitere Form, bei der eine Sandform verwendet wird, um die gewünschte Form zu erzeugen.

Wie können wir Aluminiumprodukte veredeln und schützen?

Obwohl Aluminium einen hervorragenden natürlichen Schutz vor Rost bietet, gibt es viele Anwendungen, bei denen seine Oberfläche verbessert werden muss, um länger zu halten, besser auszusehen oder eine spezielle Aufgabe zu erfüllen. Hier kommen Veredelungsschritte zum Einsatz. Ein Hersteller kann aus verschiedenen Optionen wählen, um das gewünschte Aussehen und die gewünschte Qualität zu erzielen.

Eine der häufigsten Methoden ist das Eloxieren. Dies ist ein Verfahren, bei dem mithilfe von Elektrizität und Chemikalien die natürliche Oxidschicht auf der Aluminiumoberfläche gezielt verdickt wird. Dadurch wird die Oberfläche viel härter, langlebiger und widerstandsfähiger gegen Korrosion. Die schwammartige Struktur der eloxierten Schicht kann auch gefärbt werden, um eine farbenfrohe Oberfläche zu erzielen, die lange hält. Eine weitere beliebte Wahl ist die Pulverbeschichtung, bei der eine trockene, pulverförmige Farbe mithilfe von statischer Elektrizität auf das Aluminiumteil aufgetragen und dann mit Wärme gehärtet wird. Dadurch entsteht eine starke, gut aussehende Oberfläche, die sehr schwer abzusplittern oder zu verblassen ist. Für andere Anwendungen können physikalische Oberflächenbehandlungen wie Schleifen, Polieren oder Strahlen mit kleinen Kügelchen verwendet werden, um unterschiedliche Optiken zu erzielen, von einem sanften Glanz bis hin zu einer Spiegeloberfläche.

Warum ist die Anwendung von Aluminium in der Luft- und Raumfahrtindustrie so wichtig?

Ich möchte einen abschließenden Gedanken zum Luft- und Raumfahrtsektor äußern, da er vielleicht das beste Beispiel dafür ist, was Aluminium leisten kann. In einer Branche, in der ein geringes Gewicht in direktem Zusammenhang mit der Funktionsweise steht, ist Aluminium die beste Wahl. Bis zu 80 % des Rahmens eines modernen Flugzeugs bestehen aus hochfesten Aluminiumlegierungen. Der Grund für die häufige Verwendung ist einfach: Kein anderes Material bietet eine so gute Mischung aus Steifigkeit, Fähigkeit zur Schadensbewältigung und geringem Gewicht zu einem guten Preis.

Die Legierungen der Serien 2xxx und 7xxx sind besonders wichtig. Legierungen wie 2024 werden für die Hauptkarosserie von Flugzeugen verwendet, da sie sehr widerstandsfähig gegen Verschleiß durch wiederholte Belastung sind, während hochfeste Legierungen wie 7075 für wichtige Teile wie die äußere Schicht der Flügel und Träger verwendet werden. Der Herstellungsprozess für diese Luft- und Raumfahrtteile ist sehr genau und erfordert perfekte Qualitätskontrollen. Die Fähigkeit, große, leichte und starke Aluminiumteile durch Extrusion und Walzen herzustellen, ermöglicht es Ingenieuren, Flugzeuge zu entwerfen, die effizient und sicher sind. Neue Verbesserungen in der Entwicklung von Aluminiumlegierungen sind ein wichtiger Grund für Verbesserungen in der Luft- und Raumfahrtindustrie, die es ermöglichen, leichtere, schnellere Flugzeuge zu haben, die weniger Treibstoff verbrauchen. Die gebräuchliche Anwendung von Aluminium ist es wirklich, die moderne Flugzeuge möglich macht.

Dinge, die man sich merken sollte

• Aluminium beginnt als Bauxit Erz, das abgebaut und dann gereinigt werden muss.
• Das Bayer- Prozess verwendet eine chemische Flüssigkeit und Wärme um zu reinigen Bauxit und es in Tonerde umwandeln (Aluminiumoxid).
• Das Hall-Héroult- Prozess verwendet Elektrizität, um zu trennen reines Aluminium von der Sauerstoff in Tonerde.
• Reines Aluminium wird oft mit anderen Elementen gemischt, um erstellen ein Legierung mit einer besonderen Eigenschaft, wie z. B. mehr Stärke oder bessere Rostbeständigkeit.
• Die besonderen Merkmale von Aluminium–geringes Gewicht, Stärkeund Korrosion Widerstandsfähigkeit – machen es zu einem hilfreichen Material das in vielen Bereichen eingesetzt werden kann, von Flugzeugen über Gebäude bis hin zu Verpackungen.
• Aluminium kann in eine endgültige Produkt mit Methoden wie Extrusion, Walzen und Gießen.
• Veredelungsschritte wie Eloxieren und Pulverbeschichten können verwendet werden, um die Lebensdauer und das Aussehen zu verbessern.