Felgen, Dosen und Flugzeuge:Aluminium und Aluminiumguss

Gewinnung, Verarbeitung und Gießen in Gießereien

Die wachsende Beliebtheit von Aluminium

Aluminium ist das dritthäufigste Element der Welt und das am häufigsten vorkommende Metall in der Erdkruste. Aluminium trägt zu mehr als 8 % der Kernmasse der Erde bei. Allerdings ist es im Vergleich zu anderen Metallen wie Eisen schwierig zu veredeln. Aus diesem Grund ist die Verwendung von Aluminium hinter anderen Metallprodukten zurückgeblieben, während effiziente und kostengünstige Methoden entwickelt wurden, um diese Komplexität zu überwinden.

Es gibt viele Gemeinsamkeiten zwischen der Aluminium- und der Stahlindustrie. Beide setzen auf die Gewinnung von Metallen aus an der Erdoberfläche vorkommenden Erzen. Die Herstellungsprozesse beider sind energieintensiv und umfassen das Gießen von flüssigem Metall in Gussteile oder den Einsatz von Stranggussmaschinen. Aluminium und Stahl konkurrieren auch in ähnlichen Märkten für die Automobil- und Luft- und Raumfahrtindustrie. Allerdings gibt es erhebliche Unterschiede in der Verarbeitung und den Eigenschaften dieser Metalle.

Aluminiumverarbeitung

Bauxit ist ein Sedimentgestein mit hohem Aluminiumgehalt; typischerweise etwa 46–60 %. Bauxit ist oft von mehreren Metern Gestein und Lehm bedeckt, die erst entfernt werden müssen, bevor das Bauxit gewonnen werden kann. Das Bauxit durchläuft dann Zerkleinerungs- oder Waschanlagen, bevor es zur Verarbeitung transportiert wird.

Mitte der 1880er Jahre wurden zwei unterschiedliche Verfahren erfunden und in Serie zur Herstellung von Aluminium eingesetzt. Das Bayer-Verfahren verwendet einen chemischen Prozess, um Aluminium aus Bauxit zu extrahieren. Das Hall-Heroult-Verfahren verwendet Elektrolyse, um Aluminium aus dem Aluminiumoxid oder Aluminiumoxid zu extrahieren, das durch das Bayer-Verfahren hergestellt wird.

Bayer-Prozess

Bauxiterz wird zerkleinert und mit Natronlauge gemischt, um eine Aufschlämmung herzustellen, die feine Erzpartikel enthält. Die Aufschlämmung wird bei Temperaturen zwischen 140 °C und 280 °C gehalten, je nach dem zu verarbeitenden Erz. Während dieser Zeit löst sich das Aluminium in der Natronlauge auf. Alle Verunreinigungen setzen sich aus der Lösung in einem Rückstand namens Rotschlamm ab.

Der letzte Verfahrensschritt ist die Zugabe von Impfkristallen zur Natronlauge. An diesen Impfkristallen haftet gelöstes Aluminiumoxid. Das Endprodukt des Bayer-Prozesses ist Aluminiumoxid oder Aluminiumoxid, das wie ein weißes Pulver aussieht.

Hall-Heroult-Prozess

Die Reduktionseinheit einer Aluminiumanlage besteht aus Reduktionstöpfen oder -zellen, die in Reihe geschaltet sind. Jeder Topf besteht aus einer Stahlschale, die mit Kohlenstoff ausgekleidet ist. Geschmolzenes Kryolith (ein Fluoridmineral), das Aluminiumoxid enthält, wird in jeden Topf gegossen und Kohlenstoffelektroden werden von oben in die Lösung eingeführt. Wenn der Strom durch die Kryolithlösung fließt, trennt sich Aluminium von Sauerstoff und bildet Kohlendioxidgas. Am Topfboden sammelt sich flüssiges Aluminium.

Flüssige Tonerde wird dann in regelmäßigen Abständen aus den Reduktionstöpfen in Vakuumkübel gesaugt. Dieses wird in einen Ofen überführt und in Formen oder durch eine kontinuierliche Gießmaschine zu Barren gegossen. Durch diesen Prozess hergestelltes Aluminium ist zu etwa 99,8 % rein. Der elektrolytische Prozess zur Aluminiumherstellung ist sehr energieintensiv und erfordert 15 MWh pro Tonne Output. Die meisten Hütten befinden sich daher neben einem Stromerzeuger wie Wasserkraftwerken.

Aluminiumguss

Nachdem das Aluminium gewonnen und verarbeitet wurde, wird es im nächsten Schritt in Produktform gegossen. Aluminiumgussteile werden geformt, indem geschmolzenes Metall in Formen gegossen wird, die nach einem Muster des gewünschten Endprodukts geformt wurden. Zur Herstellung von Gussteilen werden drei gängige Formgebungsverfahren verwendet:Druckguss, Dauerformguss und Sandguss.

Druckguss

Druckguss verwendet Druck, um geschmolzenes Aluminium in eine Stahlform zu drücken. Diese Art des Gießens wird häufig für die Massenproduktion von Teilen verwendet, die ein Minimum an Nachbearbeitung und Bearbeitung erfordern. Druckguss hat kurze Zykluszeiten, aber hohe Werkzeugkosten. Das Druckgusssystem erzeugt eine hochfeste Haut, aber ein schwächeres Inneres als Dauerformguss. Es gibt zwei Arten von Druckguss:Niederdruck- und Hochdruckguss.

DRUCKGUSS

NIEDERDRUCK

HOCHDRUCK

Gute Festigkeitswerte

Niedrigere Festigkeitswerte

Geeignet für die Automatisierung

Einfache Werkzeug- und Maschinentechnik

Komplizierte und teure Matrizen

Langsamere Gießzyklen

Kurze Gießzyklen

Niedrigere Investitions- und Betriebskosten

Hohe Investitions- und Betriebskosten

Minimale Wandstärke von ca. 3 mm

Geeignet für dünnwandige Bauteile

Kokillenguss

Beim Dauerformguss werden Formen und Kerne aus Stahl oder anderen Metallen verwendet. Starke Gussteile werden durch Gießen von Aluminium in die Form gebildet. Dauerformen werden verwendet, um hochgradig wiederholbare Teile mit Konsistenz herzustellen. Ihre schnellen Abkühlraten erzeugen eine gleichmäßigere Mikrostruktur, die die mechanischen Eigenschaften erheblich verbessern kann.

Kokillenguss wird zur Herstellung von Leichtmetallrädern verwendet. Aluminiumräder sind außerdem leichter als Stahlräder und benötigen weniger Energie zum Drehen. Sie bieten eine höhere Kraftstoffeffizienz sowie besseres Handling, Beschleunigung und Bremsen. Für schwere Industrieraupenanwendungen werden jedoch häufiger Stahlräder verwendet. Ihre Haltbarkeit macht es fast unmöglich, sie zu biegen oder zu brechen. Wenn sie auf einer Strecke verwendet werden, verzeihen Stahlräder Streckenunregelmäßigkeiten besser und erhöhen die Sicherheit.

Sandguss

Sandgüsse werden hergestellt, indem eine feine Sandmischung um ein Muster des gewünschten Produkts gepackt wird. Das Muster ist etwas größer als das Endprodukt, um ein Schrumpfen des Aluminiums beim Abkühlen zu ermöglichen. Sandguss ist wirtschaftlich, da der Sand mehrfach wiederverwendet werden kann. Es eignet sich auch zum Erstellen großer Formteile oder solcher mit detaillierten Designs. Die Anschaffungskosten für Werkzeuge sind niedrig, aber die Preise pro Teil sind höher, wodurch der Sandguss für spezialisierte Gussteile gegenüber der Massenproduktion geeignet ist.

Die Kontrolle des geschmolzenen Aluminiums hat einen direkten Einfluss auf die erzielte Gussqualität. Dem geschmolzenen Aluminium werden Legierungselemente zugesetzt, um die gewünschte Aluminiumqualität und die gewünschten Eigenschaften zu erzielen. Die kontrollierte Legierungszugabe und -verteilung im gesamten Aluminium stellt sicher, dass das Produkt intakt ist und die erwarteten mechanischen Eigenschaften aufweist.

Aluminium erstarrt mit einer säulenförmigen Kornstruktur. Diese Säulen wachsen bis zum Kontaktpunkt mit einem anderen Korn – je mehr Körner, desto feiner die Molekularstruktur. Bei der Kornverfeinerung werden Titan und Bor verwendet, um Kornkernstellen zu schaffen, um diese feine Struktur zu erreichen.

Wasserstoffgas ist eine Verunreinigung, die Defekte im Aluminiumguss verursachen kann, indem sie beim Erstarren des Produkts Poren erzeugt. Während des Gießens sind Entgasungs- und Spülgase erforderlich, um die Umgebung frei von Verunreinigungen zu halten, die sich negativ auf das Endprodukt auswirken könnten.

Gusslegierungen

Eine große Auswahl an Gusslegierungen ist verfügbar, um der endgültigen Anwendung gerecht zu werden. Jede dieser Gusslegierungen hat ihre eigenen Eigenschaften wie Schweißbarkeit, Bearbeitbarkeit, Korrosionsbeständigkeit und Wärmebehandlungseigenschaften.

Geschmolzenes Aluminium hat mehrere Eigenschaften, die kontrolliert werden können, um die Gießeigenschaften zu maximieren. Geschmolzenes Aluminium neigt dazu, im geschmolzenen Zustand Wasserstoffgas und Oxide aufzunehmen, und kann gegenüber geringfügigen Spurenelementen empfindlich sein. Obwohl einige dekorative oder kommerzielle Gussteile keine zusätzliche Bearbeitung erfordern, ist eine weitere Endbearbeitung oft vorteilhaft. Eine strenge Schmelzkontrolle und spezialisierte Verarbeitungstechniken für geschmolzenes Metall können verbesserte mechanische Eigenschaften bieten.

Aluminiumoberflächen und -beschichtungen

Einer der ästhetischen Reize von Aluminium ist sein hohes Reflexionsvermögen. Diese Eigenschaft wurde ausgenutzt, um High-End-Verbraucherprodukte mit einer sauberen Oberflächenbeschaffenheit herzustellen. Dies wird durch die natürliche Bildung einer dünnen Oxidschicht auf der Oberfläche noch verstärkt. Diese Schicht kann durch Eloxieren des Produkts dicker gemacht werden. Das Vorhandensein der Oxidschicht dichtet das Aluminium wirksam gegen weitere Oxidation ab, wodurch es sehr korrosionsbeständig wird. Verschiedene Oberflächen und Beschichtungen können dazu beitragen, dass Aluminium diese glänzende und dennoch dauerhafte Qualität erreicht.

Abschlüsse

Bestimmte Aluminiumlegierungen werden wärmebehandelt, um ihre Eigenschaften für bestimmte Anwendungen zu verbessern. Massives gegossenes Aluminium wird auf eine vorgegebene Temperatur erhitzt, wodurch sich die molekulare Mikrostruktur gleichmäßig im gesamten Material verteilt. Durch schnelles Abkühlen bleibt das Gefügemuster erhalten und die idealen Eigenschaften werden erreicht.

Legierungen, die nicht wärmebehandelt werden können, werden durch Kaltverformung, hauptsächlich Walzen, fertiggestellt. Die Metallfestigkeit wird stark verbessert, da Unvollkommenheiten in der Mikrostruktur minimiert werden, indem Moleküle eng zusammengepresst werden.

Beschichtungen

Aluminium hat eine hochwertige Oberflächenbeschaffenheit, die bereits ästhetisch ansprechend ist. Unterschiedliche Beschichtungen können dem Finish jedoch weitere Vorteile bieten.

PVDF-Beschichtungen

PVDF-Lacke sind lösemittelhaltige Lacke mit sehr hoher Witterungsbeständigkeit. Sie können jedoch zerkratzt werden. PVDF verblasst nicht durch Sonneneinstrahlung und kann mit einem metallischen Aussehen hergestellt werden.

Flüssigfarben

Flüssigfarben sind wirtschaftlicher als PVDF-Beschichtungen, aber ihre Eigenschaften sind auch weniger wünschenswert. Sie haben ein minderwertiges Finish und eine geringere Witterungsbeständigkeit.

Pulverbeschichtungen

Pulverbeschichtungen erfüllen die strengsten Haltbarkeitsspezifikationen auf dem gleichen Niveau wie PVDF-Beschichtungen. Sie haben ein hervorragendes Aussehen und sind beliebt in Bauanwendungen für Fenster- und Türrahmen sowie für Stadtmobiliar wie Poller und Fahrradständer. Sie sind stärker beansprucht und werden häufig in stark frequentierten Bereichen wie Hotels und Geschäften eingesetzt.

Eloxieren

Eloxieren wird verwendet, um die oxidierte Oberflächenschicht zu verdicken und die Korrosionsbeständigkeit des Produkts zu verbessern. Die Beschichtung ist hart, langlebig und selbstreparierend, was sie zu einer beliebten Wahl für Architekten macht. Der Eloxalprozess wird mit einer Folge von Tauchbecken durchgeführt.

Aluminiumeigenschaften

Aluminium ist bekannt dafür, leicht zu sein. Tatsächlich ist es mit einer Dichte von 2.700 kg/m³ fast dreimal leichter als Eisen . Bemerkenswerterweise wirkt sich die geringe Dichte von Aluminium nicht auf seine Festigkeit aus. Aluminiumlegierungen haben ein breites Spektrum an Festigkeitseigenschaften mit Zugfestigkeiten von 70 bis 700 MPa. Bei niedrigen Temperaturen nimmt die Festigkeit von Aluminium zu, während sie bei hohen Temperaturen abnimmt.

Auch Aluminium lässt sich gut bearbeiten, und die benötigte Leistung ist aufgrund der geringeren Dichte gering. Die hohe Verformbarkeit von Aluminium verleiht ihm die Fähigkeit, leicht extrudiert zu werden. Dies ermöglicht das Biegen und Rollen des Produkts und ist ein Schlüsselmerkmal bei der Herstellung von Aluminiumfolien.

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Aluminiumqualität und -standards

Aluminiumprodukte sind nach dem im Produkt verwendeten Legierungsmaterial zertifiziert. Zu den häufigsten Legierungselementen gehören:

Silizium
Eisen
Kupfer
Magnesium
Zink

ALUMINIUM KATEGORISIERT IN REIHEN MIT EIGENSCHAFTEN UND ZUSAMMENSETZUNGEN

SERIE

ALUMINIUM %

LEGIERUNG

WÄRMEBEHANDLBAR

Immobilien

ANWENDUNGEN

1xyz

>99.yz

Ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit und Bearbeitbarkeit
Hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit

Übertragungen
Stromnetzlinien

2xyz

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Kupfer

Hohe Festigkeit und Zähigkeit
Geringere Korrosionsbeständigkeit

Flugzeuge

3xyz

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Mangan

Nein

Mäßige Stärke
Gute Verarbeitbarkeit

Wärmetauscher
Kochutensilien
Getränkedosen

4xyz

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Silizium

Nein

Niedriger Schmelzpunkt ohne Sprödigkeit

Schweißdrähte
Lötstäbe

5xyz

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Magnesium

Nein

Mäßige bis hohe Festigkeit
Korrosionsbeständigkeit in Meeresumgebung
Gute Schweißbarkeit

Gebäude und Konstruktion
Lagertanks
Druckbehälter
Marineanwendungen

6xyz

>99.yz

Silizium und Magnesium

Mäßige hohe Festigkeit
Ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit
Hohe Schweißbarkeit

Architektur
Strukturell
Lkw
Marinerahmen

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>99.yz

Zink

Sehr hohe Festigkeit

Flugzeuge
Apple-Uhren

SERIE

ALUMINIUM %

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SERIE

LEGIERUNG

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Kupfer

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Silizium

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Magnesium

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Silizium und Magnesium

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Zink

SERIE

WÄRMEBEHANDLBAR

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Nein

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Hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit

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Geringere Korrosionsbeständigkeit

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Gute Verarbeitbarkeit

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Niedriger Schmelzpunkt ohne Sprödigkeit

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Mäßige bis hohe Festigkeit
Korrosionsbeständigkeit in Meeresumgebung
Gute Schweißbarkeit

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Mäßige hohe Festigkeit
Ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit
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SERIE

ANWENDUNGEN

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Kochutensilien
Getränkedosen

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Schweißdrähte
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Gebäude und Konstruktion
Lagertanks
Druckbehälter
Marineanwendungen

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Architektur
Strukturell
Lkw
Marinerahmen

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Flugzeuge
Apple-Uhren

Gesundheit und Sicherheit

Während des Hall-Heroult-Prozesses werden große Mengen an Gasen emittiert. Diese Gase werden aufgefangen und behandelt, da die giftigen Fluoridverbindungen entfernt werden müssen, bevor sie in die Atmosphäre freigesetzt werden. Der Aluminiumherstellungsprozess erzeugt CO₂ , was zu einem höheren CO2-Fußabdruck für Aluminiumprodukte führt. Viele Hersteller platzieren die Aluminiumhütten neben erneuerbaren Energiequellen wie Wasserkraftwerken, anstatt den Strom aus fossilen Brennstoffen zu erzeugen.

In seiner löslichen Form Al³⁺ , Aluminium ist für Pflanzen giftig. Saure Böden neigen dazu, die Freisetzung von Al³⁺ zu beschleunigen aus seinen Mineralien und verringern die Produkterträge aus diesen Feldern. Da fast die Hälfte des Ackerlandes weltweit sauer ist, können die negativen Auswirkungen von Aluminium auf die Ernteerträge schwerwiegend sein.

Auch der menschliche Körper kann durch Aluminium angegriffen werden. Die gesundheitlichen Auswirkungen einer Ansammlung von Aluminium umfassen ein erhöhtes Risiko für die Alzheimer-Krankheit und einige Krebsarten, obwohl dies nicht schlüssig bewiesen ist. In hohen Konzentrationen ist Aluminium ein Neurotoxin, das auf die Gehirn- und Knochenstruktur einwirkt. Aluminium ist in Sauerteig, Emulgatoren und Farbstoffen sowie in einigen Antazidum-Produkten enthalten.

Aluminiumanwendungen

Aluminium ist ein abgerundetes Metall mit einer leuchtenden Oberfläche, das einen vielfältigen Markt bedient, darunter verschiedene Handels- und Haushaltswaren.

Luft- und Raumfahrt

Fortschritte in der Luft- und Raumfahrtindustrie waren wesentlich von der Entwicklung von Aluminiumprodukten abhängig. Ihre Kombination von Eigenschaften, insbesondere ihr geringes Gewicht und ihre Stärke, haben es der Menschheit ermöglicht, Fahrzeuge zu entwickeln, die stark und leicht genug sind, um der Erdatmosphäre zu entkommen. Die Gebrüder Wright verwendeten Aluminium für das Motorkurbelgehäuse ihres ersten Doppeldeckers mit Holzrahmen. Moderne Verkehrsflugzeuge bestehen zu 80 % aus Aluminium, das hauptsächlich in ihren Flugzeugzellen zu finden ist, insbesondere für Rümpfe und Tragflächen. Aluminium wird in der Raumfahrtindustrie in großem Umfang für Shuttles und Strukturen auf der internationalen Raumstation verwendet.

Bau und Architektur

Stromnetze und elektrische Übertragungsleitungen sind auf Aluminium statt auf Kupfer als Basis umgestiegen. Dies liegt an der hervorragenden Leitfähigkeit und dem geringen Gewicht für lange Kabelwege. Aluminiumlegierungen werden auch in der Konstruktion verwendet, um starke Rahmen bereitzustellen, die das erhebliche Gewicht großer Glasscheiben tragen können. Architekten nutzen diese Eigenschaften ausgiebig in Flughäfen und Hochhäusern.

Mobiliar

Obwohl die meisten Einrichtungsgegenstände (Bänke, Abfallbehälter, Fahrradständer und dergleichen) an Ort und Stelle befestigt sind, sind abnehmbare Poller eine Verkehrsleitvorrichtung, die angebracht werden kann, um den Zugang von Fahrzeugen zu verhindern, oder entfernt werden kann, um dies zu ermöglichen. Aluminium wird aufgrund der Leichtigkeit des Metalls häufig für abnehmbare Polleranwendungen verwendet; es ist für Veranstaltungsmitarbeiter viel einfacher, an Ort und Stelle ein- oder auszuziehen.

Essen und Trinken

Konserven und Getränke sind ein weiterer Markt, auf dem Aluminium dominiert hat. Aluminiumdosen kühlen schnell ab und bieten eine gut bedruckbare Oberfläche. Auch die hohe Recyclingfähigkeit macht Aluminium für diese Branche attraktiv. Sie schützen auch den Geschmack und die Unversehrtheit des darin versiegelten Inhalts aufgrund ihres Schutzes vor Sauerstoff, Licht und anderen Verunreinigungen.

Gerät und Technologie

Auch Haushaltsgeräte haben von den Eigenschaften des Aluminiums profitiert. Seine thermischen Eigenschaften machen es ideal für Kühlanwendungen, während das geringe Gewicht ein einfaches Bewegen und Transportieren von Geräten ermöglicht. Mit der Entwicklung der Oberfläche „brushed aluminium“ können hochästhetische Produkte für den High-End-Markt geschaffen werden. Das Technologieunternehmen Apple ist führend bei der Entwicklung von Aluminium-Laptops, die aus einem einzigen Aluminiumblock bestehen. Auch Flachbildfernseher profitieren von der leichten Eigenschaft von Aluminium; ein gleichwertiges Stahlprodukt wäre zu schwer, um es an der Wand aufzuhängen.

Automobil

Autohersteller stehen unter größerem Druck, den CO2-Fußabdruck ihrer Fahrzeuge zu reduzieren. Leichte Aluminiumrahmen, Karosseriebleche und Motoren tragen dazu bei, indem sie den Kraftstoffverbrauch senken. Es gibt auch andere Vorteile für die Umwelt, da fast 90 % des Aluminiumschrotts aus der Automobilindustrie zum Recycling gesammelt werden.

Aluminiumrecycling

Das meiste Aluminium kann recycelt werden. Getränkedosen und Autoteile sind Branchen mit hohem Einzugsgebiet, in denen Material effektiv gesammelt und recycelt wird. Nach der Sammlung wird gebrauchtes Aluminium zu einer Aufbereitungsanlage gebracht, wo es in verschiedene Qualitäten sortiert und gereinigt wird. Das Metall wird dann eingeschmolzen, um die Beschichtungen, Tinten und andere Verunreinigungen zu entfernen. Während dieser Phase können nach Bedarf Legierungen hinzugefügt werden, wonach es zu Barren gegossen wird. Diese Barren können an Gießereien geliefert werden, wo sie zum Gießen verwendet werden, oder zur weiteren Verarbeitung an andere Hersteller verbracht werden. Recyceltes Aluminium kann in nur sechs Wochen als neues Produkt wieder auf den Markt gebracht werden.

Aluminiumreinigung und -wartung

Die meisten Aluminiumprodukte können mit klarem Wasser oder einer milden Seife oder einem Reinigungsmittel sauber gehalten werden. Bei hartnäckigeren Flecken kann Terpentin oder ein nicht ätzender chemischer Reiniger verwendet werden. Für mehr Reinigungskraft können Polituren auf Wachsbasis, Scheuerwachse oder Scheuermittel verwendet werden. Es ist wichtig, Aluminiumprodukte nach der Reinigung zu trocknen, um Streifenbildung zu vermeiden, und Reinigungsrückstände müssen von Kanten und Fugen entfernt werden.

Für weitere Informationen zu Aluminium oder um ein Angebot für ein kundenspezifisches Projekt anzufordern, kontaktieren Sie uns bitte.

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