(WT1-29) – Aluminium – Eigenschaften

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In diesem Kurstext erklären wir dir als angehenden Techniker was Aluminium ist und wodurch es sich auszeichnet.

 

„Dieses Metall ist ein vergleichsweise leichtes Metall, welches ein besonders gutes Kalt- und Warmumformungsvermögen besitzt und in vielen Bereichen als Konstruktionswerkstoff genutzt wird.“

 

 

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Aluminium – Grundlagen


Es zählt ebenfalls zur Gruppe der Nichteisenmetalle. Im Periodensystem findest du es unter dem Elementsymbol Al und der Ordnungszahl 13.

Es steht in der 3. Hauptgruppe, beziehungsweise Gruppe 13, Borgruppe. Die Borgruppe trägt auch den Namen Erdmetalle.

 

Der Name entstammt Wort Alumina abgeleitet von dem lateinischen alumen.

Im Jahr 1807 führte Humphry Davy die Bezeichnung Aluminium ein.

Heute hält man es eher einfach und spricht nicht selten von Alu (Beispiel: Alu-Folie).

 

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Alu...Ahoi...

Die Popularität des Aluminiums als Metall, hat bis Anfang des 20. Jahrhunderts dazu geführt, dass Metallschiffe aus Aluminium den Taufnamen Aluminia erhielten.

 

Es ist ein Metall, dass an den Weltmärkten mit einem Preis von ca. 2000 EUR/t gehandelt wird. Daher ist der Handel mit sowie das Recyclen von diesem Metall ein attraktiver Wirtschaftszweig. Dabei muss aber erwähnt werden, dass es anders als das weitestgehend hochpreisige Kupfer sehr intensive Preisschwankungen in der Vergangenheit erlebt hat.

 

Es ist das dritthäufigste häufigste Element in der Erdkruste und wird nach Stahl als zweitwichtigster metallischer Werkstoff gehandelt. Die Produktionsmenge liegt seit Jahren bei ungefähr 115 Mio. Tonnen pro Jahr weltweit.

 

Der Abbau von Bauxit, also dem Ausgangsmaterial des Metalls, findet vorrangig in Australien, China, Guinea, Brasilien und Indien statt.

 

Die Produktion von reinem Aluminium oder Aluminiumlegierungen führen die Länder China, Indien, Russland sowie Kanada an. China dominiert diese Liste mit 33.000 T pro Jahr vor dem 2. Platz Indien mit 3700 T pro Jahr.

 


Eigenschaften von Aluminium


  • Die Gitterstruktur kfz (kubisch-flächenzentriert) von Aluminium erlaubt eine besonders gute Umformung im kalten wie warmen Zustand.

sowie

  • In Kontakt mit der Umgebungsluft reagiert es mit Sauerstoff und bildet an der Oberfläche eine beständige Oxidschicht aus. Diese Schicht verleiht ihm sein stumpfes, silbernes Aussehen.

sowie

  • Die Dichte beträgt 2,699 \frac{g}{cm^3}. Somit zählt es zu den Leichtmetallen und eignet sich hervorragend für den Leichtbau.

sowie

  • Der Schmelzpunkt liegt bei 660,2 °C und die Siedetemperatur liegt bei 2470 °C

sowie

  • Die elektrische Leitfähigkeit beträgt 37 \cdot 10^6 \frac{S}{m} [S = Siemens, m = Leiterlänge]

sowie

  • Im Vergleich zu Gold, Silber und Kupfer ist die Leitfähigkeit unwesentlich geringer, weshalb es an der 4. Stelle der besten elektrischen Leiter steht.

sowie

  • Die Zugfestigkeit liegt bei reinem Aluminium bei 45 \frac{N}{mm^2}.

sowie

  • Die Streckgrenze weist einen Wert von 17 \frac{N}{mm^2} auf.  Somit ist dieses Metall ein beliebter Gusswerkstoff.

sowie

  • Der E-Modul (Elastizitätsmodul) liegt bei ca. 70 GPa und bei Reinaluminium bei ca. 66,6 GPa.

sowie

  • Auch die Wärmeleitfähigkeit ist mit 235 \frac{W}{Km} vergleichsweise hoch.

sowie

  • Bei einer Sprungtemperatur von 1,2 K verhält sich es sich als Reinmetall supraleitend.

sowie

  • In jüngerer Zeit wird häufig über die Gesundheitsrisiken von des NE-Metalls für die Natur und den menschlichen Organismus diskutiert, weshalb in vielen Alltagprodukten wie Deodorants kein Aluminium mehr eingesetzt wird.

 

Videoclip – Aluminium

Im nächsten Video findest du noch mal eine Zusammenfassung des Kurstextes und zusätzliche Informationen zum Thema. 


Alu 

 


Herstellungsverfahren


Im Grundzustand liegt es chemisch gebunden in Bauxit vor. Um im ersten Schritt Aluminiumoxid gewinnen zu können, nutzt man das Bayerverfahren.

Aluminiumoxid ist zu ca. 50 % in Bauxit enthalten. Die chemische Bezeichnung ist folgende:

 

 \boxed{ Al_2O_3 }

 


Bayerverfahren


Beim Bayerverfahren lässt man das Bauxit in einer heißen Natronlauge reagieren. Im Rahmen der Reaktion lösen sich die Aluminiumbestandteile als Natriumaluminat aus dem Bauxit. Als Nebenprodukt entsteht Eisenoxid.

 \boxed{ Fe_2O_3 }

 

Dieses Eisenoxid setzt sich währen der Reaktion als Rotschlamm ab.

Die Aluminiumlauge wird anschließend gekühlt und dabei verdünnt, um mit Hilfe der Ausfällung reines Aluminiumhydroxid zu gewinnen.

 

Die Langwierigkeit dieses Verfahren hat dazu geführt, dass Forscher das ursprüngliche Verfahren weiterentwickelt haben. Heute werden der Lauge für eine höhere Reaktionsgeschwindigkeit Katalysatoren in Form von Fremdkeimen beigegeben.

 \boxed{ Al (OH_3) }

Denn bei einer Prozesstemperatur von mehr als 1300 °C wird es entwässert und chemische umgewandelt zu Aluminiumoxid umgewandelt.

 \boxed{ Al_2O_3 }

Diesen Beschleunigungsvorgang bezeichnet der Techniker als Calcinieren.

 


Elektrolyse


Durch die Elektrolyse wird das Aluminiumoxid weiter reduziert. Die Prozesstemperatur liegt bei ca. 1000 °C und hält alles im schmelzflüssigen Zustand.

Hierbei wird dem Elektrolyt aus

 \boxed{ Na_3[AlF_6] }

ergänzend

 \boxed{ Al_2O_3 }

als Pulver in geringen Mengen zugeführt. Der Anteil des Pulvers liegt bei ca. 10-15 %.

 

Übersicht der Herstellung

Auf dem Bild siehst du das Schema einer Elektrolysezelle wie sie für die Gewinnung von reinem Metall genutzt wird. Auf dem Bild danach siehst du die Elektrolysezelle in Real.

 

Aluminium - Elektrolysezelle (Schema)
Aluminium – Elektrolysezelle (Schema)
Elektrolysezelle (real)
Elektrolysezelle (real)

 

Die Wichtigsten Elemente sind die Stecker (Stäbe) und der Wannenboden. Beide bestehen aus Kohlenstoff und fungieren als Anode und Kathode. Es wird dabei zwischen beiden ein elektrisches Potential mit einer Spannung von ca. 6 V (Volt) erzeugt.

Nun die eigentliche Reaktion:

Durch den Potentialunterschied sammelt sich das Alu am Wannenboden und gleichzeitig reichert sich der im Aluminiumoxid gebundene Sauerstoff an der Anode an.

Der Sauerstoff bewegt sich im Verlauf der Reaktion durch das Elektrolyt und sorgt dabei für eine ausreichende Durchmischung, die gleichzeitig die Geschwindigkeit der gesamten Reaktion beschleunigt.

An der Oberfläche des Elektrolyts bildet sich eine Oxidschicht aus, die zwischenzeitlich mit einem wärmebeständigen Rohr durchstoßen wird. Dieses Rohr wird dann genutzt, um das am Wannenboden befindliche Reinaluminium wie bei einem Trinkpäckchen abzusaugen.

 

Merk's dir!
Merk's dir!

Die Reinheit des Metalls liegt jetzt bei 99,99 %.

 

Videoclip 2 – Aluminium 

Im nächsten Video findest du noch mal eine Zusammenfassung des Kurstextes und zusätzliche Informationen zum Thema. 


Alu 

 


Verwendung – Nutzungsmöglichkeiten


Alu wird in sehr vielen Bereiche der Industrie verwendet. Dabei unterscheidet man zwischen Aluminiumlegierungen und der Reinform.

 

Alu - vielseitiger Werkstoff
Alu – vielseitiger Werkstoff

 


Aluminiumlegierungen


Als Legierungselement kann es maßgeblich Einfluss auf die Eigenschaften von anderen Metallen nehmen indem es bestimmt Eigenschaften verstärkt und störende Eigenschaften unterdrückt.

 

Man unterteilt die Legierungen in Knet- und Gusslegierungen.

  • Knetlegierungen eignen sich gut zur Umformung durch Walzen, Schmieden und Strangpressen.

sowie

  • Gusslegierungen werden hingegen in Gießereien für eine Weiterverarbeitung verwendet.

 

Nennenswerte Legierungen sind:

  • Aluminium-Kupfer-Legierungen (AlCu): Hohe Festigkeit, schlecht schweißbar

sowie

  • Aluminium-Mangan-Legierungen (AlMn): Mittlere Festigkeit, gut weiter verarbeitbar

sowie

  • Aluminium-Magnesium-Legierungen (AlMg): Mittlere Festigkeit, gut umformbar.

 


Reinaluminium


Produkte aus Alu sind im Vergleich mit Stahl nur halb so schwer und besitzen ein größeres Volumen. Eine ideale Voraussetzung für die Verwendung im Leichtbau.

 

undefiniert
Beispiel: Verwendung

Die Hauptanwendung findet das Metall im

  • Fahrzeugbau (ca. 50 % des verwendeten Aluminiums gehen hier ein.)

sowie

  • Autobau (Teile: Motorblock, Zylinderkolben, Wärmetauscher, Hinterachsen, Querlenker, Karosserie)

sowie

  • Schiffsbau (Teile: Motor, Verkleidungen, Rumpfteile)

sowie

  • Flugzeugbau (Teile: Tragflächen, Flugzeugrumpf)

sowie

  • Maschinenbau/Elektrotechnik (Teile: Leiter, Transformatoren, Freileitungen, Klemmen)

sowie

  • Bauwesen (Teile: Verbindungselemente, Innenausbau, Schienen)

sowie

  • Verpackungsindustrie/Behälterindustrie (Teile: Besteck, Folien, Espressokocher, Reise-Geschirr)

 

wie gehts weiter?
Im kommenden Kurstext stellen wir dir ausführlich das Nichteisenmetall Zink vor.

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