Aluminium: Vorteile ohne Ende

Es ist leicht, fest, recycelbar und das häufigste Metall in der Erdkruste. Aber bei der Verwendung von Aluminium gibt es Vieles zu bedenken.

Aluminium dominiert bereits seit mehr als einem halben Jahrhundert die Luft- und Raumfahrtindustrie. Mittlerweile setzen aber auch andere Industriezweige verstärkt auf dieses Wundermetall.

Vor kurzem brachte Ford eine Neuauflage seiner Pickup-Ikone F-150 auf den Markt, bei dem die Karosserie komplett aus Aluminium gefertigt ist. 2008 stellte Apple seine neuen MacBooks mit einem Gehäuse aus eloxiertem Aluminium vor, die praktisch sofort zu einem Designklassiker wurden, während nur ein Jahr später die Verpackungsbranche in den USA bereits mehr Aluminium verwendete als die Transportindustrie.

Warum ist aluminium so ein besonderes Metall?

David Harris von ALFED, dem Fachverband, der die Interessen der Aluminiumverarbeitenden Industrie in Großbritannien vertritt, erläutert einige der Vorteile dieses Metalls:

„Aluminium ist leicht, fest und kann problemlos zu Profilen und anderen Gussteilen verarbeitet werden. Es besitzt eine gute Korrosionsbeständigkeit und lässt sich durch Schweißen, Kleben und mechanische Methoden verbinden. Es kann eloxiert und lackiert werden, um so eine Vielzahl attraktiver Oberflächen zu erzielen, die nicht nur das äußere Erscheinungsbild, sondern auch die Korrosionsbeständigkeit weiter verbessern. Aluminium ist ein guter elektrischer Leiter, volumenmäßig besser und viermal billiger als Kupfer, und zudem ein guter Wärmeleiter. Ein weiterer entscheidender Faktor ist die Tatsache, dass sich Aluminium nach Ablauf seiner sehr langen Lebensdauer immer und immer wieder ohne Qualitätsverlust recyceln lässt.“

Ungeachtet dieser langen Liste mit Vorteilen geht es in der Automobilindustrie aber vor allem um eines: Aluminium ist leicht. Deutliche Gewichtseinsparungen (Ford gibt an, dass der neue F-150 rund 318 Kilo leichter ist) führen zu einer verbesserten Energieeffizienz und einem ansprechenderen Produkt.

Reines Aluminium wird für industrielle Zwecke nur selten verwendet. Aluminiumlegierungen enthalten Legierungsbestandteile wie etwa Kupfer, Magnesium, Mangan, Silizium und Zink.

Beim Strangpressen wird ein vorgeheizter zylindrischer Aluminiumblock durch eine Stahlmatrize gedrückt. Auf diese Weise entstehen komplexe Profile, die sich einfach ineinander schieben lassen.

„Die Querschnittsform von Strangpressprofilen ist grundsätzlich nur durch die Größe der Strangpresse und letztendlich die Vorstellungskraft des Designers beschränkt“, fügt Harris hinzu.

Als basismetall weist reines Aluminium eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit auf, kann aber in Verbindung mit einem Edelmetall, wie z. B. Gold, Silber oder Kupfer, korrodieren. Sehr stark saure oder alkalische Lösungen (außerhalb eines pH-Bereichs von 3,5 – 8,5) sollten vermieden werden, da ansonsten Korrosionsschutzmaßnahmen erforderlich sind.

„Konkrete Ratschläge sind schwierig, da alles von der Art des verwendeten Aluminiums abhängt“, entgegnet Frida Cullin, Werkstoffwissenschaftlerin und Projektmanagerin bei der Nord-Lock-Gruppe, auf die Frage, welche Schraubengüteklassen für korrosive Umgebungen empfohlen werden.

„Sowohl Stahl-, als auch Edelstahlschrauben können zusammen mit Aluminium verwendet werden, aber klären Sie mit Ihrem Lieferanten ab, welche Art von Aluminium Sie verwenden und lassen Sie sich beraten, wie galvanische Korrosion vermieden werden kann“, fügt sie hinzu.

Geeignete lösungen, um Bauteile aus Aluminium miteinander zu verbinden, umfassen neben Schraubverbindungen auch das Schweißen, Löten, Kleben und Nageln.

Beim Schweißen erfahren alle Legierungen einen Festigkeitsverlust, insbesondere im Bereich der Schweißnaht selbst. Durch eine Wärmebehandlung lassen sich Werkstoffeigenschaften wiederherstellen, aber ein solcher Vorgang birgt die Gefahr einer interkristallinen Korrosion, d. h. das Metall korrodiert von innen nach außen. Die Aluminiumlegierung 5083 zeichnet sich durch eine sehr gute Schweißbarkeit aus, da sie nach dem Schweißen eine höhere Festigkeit als alle anderen Standardlegierungen bietet.

Für Schraubenverbindungen werden im Allgemeinen standardisierte Verbindungselemente aus Stahl verwendet (z. B. Stahlschrauben der Festigkeitsklasse 8.8), da sie eine höhere Festigkeit aufweisen und billiger sind.

„Die Verwendung von Aluminiumschrauben kann dann von Vorteil sein, wenn die Verbindung Temperaturschwankungen ausgesetzt ist. Schrauben, die aus dem gleichen Werkstoff wie die miteinander verbundenen Bauteile bestehen, senken das Risiko einer Spannungszunahme in den Komponenten und eines plötzlichen Abfalls der Klemmkraft aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten“, führt Cullin weiter aus.

Da sich Aluminium leicht verformt und keinen hohen Drücken standhält, ziehen Sie eine Verringerung der Kraft in Betracht, wenn Sie Aluminiumteile durch Verbindungselemente aus Stahl miteinander verbinden. Alternativ kann auch eine Unterlegscheibe unter dem Schraubenkopf dazu beitragen, die Kraft über eine größere Fläche zu verteilen und damit eine höhere Klemmkraft zuzulassen. Eine mögliche Lösung sind SP-Keilsicherungsscheiben von Nord-Lock mit größerem Außendurchmesser.

„Es empfiehlt sich, die SP-Keilsicherungsscheiben in Verbindung mit geflanschten Verbindungselementen einzusetzen, die in den unteren Festigkeitsklassen gängige Praxis sind“, fügt Cullin hinzu.

Bei einer Gewindebohrung in Aluminium ist unbedingt zu beachten, dass die minimale tragende Gewindelänge bei Aluminium länger sein muss als bei Stahl. Um die Festigkeit der Gewindebohrung zu erhöhen, kann ein Gewindeeinsatz erforderlich sein, insbesondere dann, wenn die Verbindung häufig nachgezogen wird. Eine Möglichkeit, zwei oder mehr Aluminiumbleche miteinander oder Aluminium mit anderen Materialien wie z. B. Kunststoff (wenn kein Schweißen möglich ist) zu verbinden, ist das Stanznieten. Die Tatsache, dass dieses Verfahren in hohem Maße automatisiert werden kann, macht es zu einer attraktiven Option für den industriellen Einsatz. Im Jahr 2000 wurden am SIMLab, dem „Centre for Research-based Innovation“ der Technisch-Naturwissenschaftlichen Universität Norwegen, umfangreiche Untersuchungen an Stanznieten durchgeführt.

„Wir haben im Rahmen der Studie schon früh erkannt, dass der Prozess das Verhalten der Verbindung beeinflusst. Der Niet bewirkt, dass sich das Material verformt, was sich später auf die mechanische Reaktion auswirkt“, erklärt Professor Magnus Langseth, Leiter des SIMLab.

„Wir haben numerische Modelle zur Simulation des Nietprozesses entwickelt und validiert. Unser neustes Modell wurde in die LS-DYNA-Simulationssoftware implementiert und im Vergleich mit der experimentellen Datenbank zu Nietverbindungen zwischen Aluminium und Aluminium optimiert. Da außerdem Stahlniete beim Recycling zu einem Problem werden können, wurde am SIMLab ein Forschungsprojekt ins Leben gerufen, um Stahlniete durch Aluminiumniete zu ersetzen. Bis jetzt sind die Ergebnisse vielversprechend.“

Die Herstellung von Primäraluminium weltweit beläuft sich derzeit auf etwa 45 Millionen Tonnen pro Jahr, was einer Menge entspricht, die größer ist als die aller anderen Nichteisenmetalle zusammen. Branchenanalysten prognostizieren für die weltweite Fertigung von Aluminiumfelgen eine durchschnittliche jährliche Wachstumsrate von 8,48 % für den Zeitraum von 2012 bis 2016, wobei ein Großteil des Wachstums in China stattfinden wird. Dieses Wachstum spiegelt eine interessante globale Verschiebung der Rohstoffproduktion wider, wie David Harris von ALFED erläutert:

„In den letzten zehn Jahren ist die Rohstoffproduktion in China mit einer phänomenalen Geschwindigkeit gestiegen und macht heute etwa die Hälfte der weltweiten Gesamtmenge aus. Gleichzeitig sinkt in Europa die Rohstoffproduktion, was auf den Bedarf nach bezahlbaren, langfristigen Formen der Energieversorgung, den Einfluss der EU-Gesetzgebung auf Emissionen und Besteuerung sowie auf niedrige Primärmetallpreise zurückzuführen ist.“

Aluminium ist dafür bekannt, dass es sich praktisch unbegrenzt recyceln lässt, aber die dafür nötigen Prozesse sind energieintensiv und verfügen über ein hohes Emissionspotenzial. Während sich der Fokus immer mehr auf die Umweltverträglichkeit richtet, stellt sich die Frage, ob Aluminiumrecycling so gut ist, wie es sein könnte.

Jonathan Cullen von der Universität Cambridge ist Mitverfasser einer Studie mit dem Titel „Mapping the Global Flow of Aluminum: From Liquid Aluminum to End-Use Goods“ (z. Dtsch. etwa: „Eine Kartografie des weltweiten Aluminiumflusses: Vom flüssigen Aluminium zu Endverbrauchsgütern“).

Seiner Meinung nach gibt es zwei wesentliche Probleme:

„Zum einen wird aus etwa der Hälfte des in einem Jahr produzierten flüssigen Aluminiums nie ein Endprodukt“, sagt Cullen. Grund dafür sind hauptsächlich Verluste durch Schlacke, Aluminiumoxid und Umlaufschrott.

„Zum anderen erfordert ein Recyceln von Aluminium, das die hohen Energiekosten und Emissionen der Elektrolyse vermeidet, eine signifikante „Verdünnung“ und „Kaskaden”-Ströme von höherwertigem Aluminium, um abnehmende Schrottmengen auszugleichen und die gewünschten Legierungszusammensetzungen zu erzielen, wodurch der Energieaufwand für das Recycling zunimmt.“

Cullen glaubt, dass eine Begrenzung der Anzahl verschiedener Legierungen in heutigen Produkten dazu beiträgt, die künftige Trennung und Wiedergewinnung bestimmter Legierungen zu erleichtern.

„Die Industrie sollte außerdem Möglichkeiten zur besseren Wiederverwendung von Abfallprodukten untersuchen, damit auf ein Recycling komplett verzichtet werden kann.“

Nutzung von Aluminium in der Industrie

• Transport – Durch sein geringes Gewicht senkt Aluminium das Gesamtgewicht und damit auch den Kraftstoffverbrauch von Pkw, Lkw und Schienenfahrzeugen. Insbesondere in der Luft- und Raumfahrtindustrie von Bedeutung.
• Mechanik – Eine Vielzahl von Anwendungsbereichen dank der hohen Festigkeit und leichten Zerspanbarkeit.
• Konstruktion – Breiter Einsatzbereich für Fenster, Fassaden und Dächer; niedrige Wartungskosten durch gute Korrosionsbeständigkeit.
• Elektronik – Ähnliche elektrische Leitfähigkeit wie Kupfer, aber leichter.
• Verpackungen – Sowohl flexible Konstruktionen wie z. B. Menüschalen, Lebensmittelbehälter und Folie, als auch starre Konstruktionen wie etwa Lebensmittel-, Getränke- und Sprühdosen.
• Sportgeräte – Geringes Gewicht, leicht formbar.

Wussten Sie schon …

.. dass es zwei Varianten für den Namen des Metalls gibt? In Europa, Australien und von der International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) wird die Schreibweise „Aluminium“ bevorzugt. In den Vereinigten Staaten und Kanada dagegen wird meist „Aluminum“ verwendet und auch die IUPAC betrachtet dies als akzeptable Variante.