Aluminiumguss: Von der Felgenproduktion bis zur Luft- und Raumfahrt

Gewinnung, Verarbeitung und Gießen in Gießereien

Die wachsende Beliebtheit von Aluminium

Aluminium ist das dritthäufigste Element der Erde und das häufigste Metall in der Erdkruste. Es macht mehr als 8 % der Erdmasse aus. Dennoch ist die Raffination im Vergleich zu anderen Metallen wie Eisen schwierig. Aus diesem Grund hinkte die Verwendung von Aluminium anderen Metallprodukten hinterher, bis effiziente und kostengünstige Methoden entwickelt wurden, um diese Komplexitäten zu überwinden.

Es gibt viele Parallelen zwischen der Aluminium- und der Stahlindustrie. Beide basieren auf der Gewinnung von Metallen aus Mineralerzen an der Erdoberfläche. Die Herstellungsprozesse beider sind energieintensiv und umfassen das Gießen von flüssigem Metall in Formen oder die Verwendung von Stranggießmaschinen. Aluminium und Stahl konkurrieren auch in ähnlichen Märkten für die Automobil- und Luftfahrtindustrie. Allerdings gibt es signifikante Unterschiede in der Verarbeitung und den Eigenschaften dieser Metalle.

Aluminiumverarbeitung

Bauxit ist ein Sedimentgestein mit hohem Aluminiumgehalt, typischerweise etwa 46–60 %. Bauxit wird oft von mehreren Metern Gestein und Ton bedeckt, die zunächst entfernt werden müssen, bevor der Bauxit gewonnen werden kann. Der Bauxit durchläuft dann Brech- oder Waschanlagen, bevor er zur Verarbeitung transportiert wird.

Mitte der 1880er Jahre wurden zwei unterschiedliche Verfahren erfunden und in Serie angewendet, um Aluminium herzustellen. Das Bayer-Verfahren nutzt einen chemischen Prozess, um Aluminium aus Bauxit zu extrahieren. Das Hall-Héroult-Verfahren verwendet Elektrolyse, um Aluminium aus dem durch das Bayer-Verfahren erzeugten Aluminiumoxid (Tonerde) zu gewinnen.

Bayer-Verfahren

Bauxiterz wird zerkleinert und mit Natronlauge vermischt, um eine Suspension mit feinen Erzpartikeln zu erzeugen. Die Suspension wird bei Temperaturen zwischen 140 °C und 280 °C gehalten, abhängig vom spezifischen Erz. Dabei löst sich das Aluminium in der Natronlauge. Alle Verunreinigungen setzen sich als Rückstand, der als Rotschlamm bezeichnet wird, ab.

Der letzte Schritt ist die Zugabe von Saatkristallen zur Natronlauge. Gelöste Tonerde lagert sich an diesen Saatkristallen an. Das Endprodukt des Bayer-Verfahrens ist Tonerde (Aluminiumoxid), die als weißes Pulver erscheint.

Hall-Héroult-Verfahren

Die Reduktionsanlage eines Aluminiumwerks besteht aus Reduktionskammern oder -zellen, die in Reihe geschaltet sind. Jede Kammer besteht aus einer Stahlschale, die mit Kohlenstoff ausgekleidet ist. Schmelzflüssiges Kryolith (ein Fluoridmineral) mit Aluminiumoxid wird in jede Kammer gegossen und Kohlenstoffelektroden werden von oben in die Lösung eingeführt. Wenn der Strom durch die Kryolithlösung fließt, trennt sich Aluminium vom Sauerstoff und bildet Kohlendioxidgas. Flüssiges Aluminium sammelt sich am Boden der Kammer.

Flüssige Tonerde wird in regelmäßigen Abständen aus den Reduktionskammern in Vakuumeimer abgesaugt. Dies wird in einen Ofen überführt und in Formen zu Blöcken gegossen oder durch eine Stranggießmaschine verarbeitet. Das so erzeugte Aluminium ist 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 in der Nähe von Kraftwerken wie Wasserkraftwerken.

Aluminiumguss

Nach der Gewinnung und Verarbeitung wird das Aluminium in Produktform gegossen. Aluminiumgussteile entstehen, indem geschmolzenes Metall in Formen gegossen wird, die durch ein Modell des gewünschten Endprodukts geformt wurden. Drei gängige Formverfahren werden verwendet: Druckguss, Kokillenguss und Sandguss.

Druckguss

Beim Druckguss wird flüssiges Aluminium unter Druck in eine Stahlform gepresst. Dieses Verfahren wird häufig für die Massenproduktion von Teilen eingesetzt, die nur minimale Nachbearbeitung und Zerspanung erfordern. Druckguss hat kurze Zykluszeiten, aber hohe Werkzeugkosten. Das unter Druck gegossene System erzeugt eine hochfeste Randschicht, aber ein schwächeres Inneres als der Kokillenguss. Es gibt zwei Arten: Niederdruck- und Hochdruckdruckguss.

DRUCKGUSS

NIEDRIGDRUCK

HOCHDRUCK

Gute Festigkeitswerte

Geringere Festigkeitswerte

Für Automatisierung geeignet

Für Automatisierung geeignet

Einfache Form- und Maschinentechnik

Komplizierte und teure Formen

Langsamere Gusszyklen

Kurze Gusszyklen

Geringere Investitions- und Betriebskosten

Hohe Investitions- und Betriebskosten

Mindestwandstärke ca. 3 mm

Für dünnwandige Bauteile geeignet

Kokillenguss

Beim Kokillenguss werden Stahl- oder andere Metallformen und Kerne verwendet. Durch das Gießen von Aluminium in die Form entstehen hochfeste Gussteile. Kokillen ermöglichen die Herstellung hochwiederholbarer Teile mit Konsistenz. Ihre schnellen Abkühlraten erzeugen ein gleichmäßigeres Gefüge, was die mechanischen Eigenschaften erheblich verbessern kann.

Kokillenguss wird für die Herstellung von Alufelgen verwendet. Aluräder sind leichter als Stahlräder und erfordern weniger Energie zum Drehen. Sie bieten höhere Kraftstoffeffizienz sowie besseres Handling, Beschleunigung und Bremsen. Für schwere industrielle Schienenanwendungen werden jedoch häufiger Stahlräder verwendet. Ihre Haltbarkeit macht sie nahezu unmöglich zu verbiegen oder zu brechen. Auf Schienen sind Stahlräder gegenüber Gleisunregelmäßigkeiten nachsichtiger, was die Sicherheit erhöht.

Sandguss

Sandgussteile werden hergestellt, indem eine feine Sandmischung um ein Modell des gewünschten Produkts verdichtet wird. Das Modell ist etwas größer als das Endprodukt, um das Schwinden des Aluminiums beim Abkühlen auszugleichen. Sandguss ist wirtschaftlich, da der Sand mehrmals wiederverwendet werden kann. Er eignet sich auch für große Formteile oder solche mit detaillierten Designs. Die Anschaffungskosten für Werkzeuge sind gering, aber die Stückkosten höher, wodurch Sandguss für Spezialguss statt Massenproduktion geeignet ist.

Die Kontrolle der Aluminiumschmelze hat direkten Einfluss auf die Gussqualität. Legierungselemente werden der Schmelze zugegeben, um den gewünschten Aluminiumgrad und die Eigenschaften zu erreichen. Kontrollierte Legierungszugabe und -verteilung gewährleisten, dass das Produkt fehlerfrei ist und die erwarteten mechanischen Eigenschaften aufweist.

Aluminium erstarrt mit einer säuligen Kornstruktur. Diese Säulen wachsen bis zum Kontakt mit einem anderen Korn – je mehr Körner, desto feiner die molekulare Struktur. Die Kornverfeinerung nutzt Titan und Bor, um Keimbildungsstellen für diese feine Struktur zu schaffen.

Wasserstoffgas ist eine Verunreinigung, die Poren im erstarrenden Gussstück verursachen kann. Beim Gießen sind Entgasung und Spülgase erforderlich, um die Umgebung frei von Verunreinigungen zu halten, die das Endprodukt negativ beeinflussen könnten.

Gusslegierungen

Eine breite Palette von Gusslegierungen steht für die jeweilige Endanwendung zur Verfügung. Jede Legierung hat eigene Eigenschaften wie Schweißbarkeit, Zerspanbarkeit, Korrosionsbeständigkeit und Wärmebehandlungseigenschaften.

Flüssiges Aluminium weist mehrere Eigenschaften auf, die kontrolliert werden können, um die Gusseigenschaften zu maximieren. Es neigt dazu, Wasserstoffgas und Oxide in geschmolzenem Zustand aufzunehmen und kann empfindlich auf geringfügige Spurenelemente reagieren. Obwohl einige dekorative oder kommerzielle Gussteile keine zusätzliche Verarbeitung erfordern, ist eine Nachbehandlung oft vorteilhaft. Enge Schmelzkontrolle und spezialisierte Schmelzmetallverarbeitungstechniken können verbesserte mechanische Eigenschaften liefern.

Aluminiumoberflächen und Beschichtungen

Eine ästhetische Eigenschaft von Aluminium ist seine hohe Reflexionsfähigkeit. Diese wurde genutzt, um hochwertige Konsumgüter mit sauberer Oberflächenbeschaffenheit herzustellen. Dies wird durch die natürliche Bildung einer dünnen Oxidschicht auf der Oberfläche weiter verbessert. Diese Schicht kann durch Eloxieren verdickt werden. Die Oxidschicht versiegelt das Aluminium effektiv vor weiterer Oxidation und macht es sehr korrosionsbeständig. Verschiedene Oberflächen und Beschichtungen helfen Aluminium, diese glänzende und dennoch langlebige Qualität zu erreichen.

Oberflächenbehandlungen

Bestimmte Aluminiumlegierungen werden wärmebehandelt, um ihre Eigenschaften für spezifische Anwendungen zu verbessern. Festes Gusaluminium wird auf eine vorgegebene Temperatur erhitzt, wodurch die molekulare Mikrostruktur sich gleichmäßig im Material verteilt. Schnelles Abkühlen bewirkt, dass das Mikrostruktur-Muster an Ort und Stelle bleibt und die idealen Eigenschaften erreicht werden.

Legierungen, die nicht wärmebehandelt werden können, werden durch Kaltumformung, hauptsächlich Walzen, veredelt. Die Metallfestigkeit wird erheblich gesteigert, da Unregelmäßigkeiten in der Mikrostruktur durch dichtes Verdichten der Moleküle minimiert werden.

Beschichtungen

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

PVDF-Beschichtungen

PVDF-Beschichtungen sind lösemittelbasierte Lacke mit sehr hoher Witterungsbeständigkeit. Sie können jedoch zerkratzen. PVDF verblasst nicht durch Sonneneinstrahlung und kann mit metallischem Erscheinungsbild hergestellt werden.

Flüssiglacke

Flüssiglacke sind wirtschaftlicher als PVDF-Beschichtungen, aber ihre Eigenschaften sind weniger wünschenswert. Sie haben eine geringere Oberflächenqualität und die Witterungsbeständigkeit ist nicht so stark.

Pulverbeschichtungen

Pulverbeschichtungen erfüllen die strengsten Haltbarkeitsspezifikationen auf demselben Niveau wie PVDF-Beschichtungen. Sie haben ein hervorragendes Erscheinungsbild und sind in Bauanwendungen für Fenster- und Türrahmen sowie für Stadtmöbel wie Poller und Fahrradständer beliebt. Sie halten mehr Verschleiß stand und werden oft für stark frequentierte Bereiche wie Hotels und Geschäfte spezifiziert.

Eloxieren

Eloxieren dient zur Verdickung der oxidierten Oberflächenschicht und zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit. Die Beschichtung ist hart, langlebig und selbstreparierend, was sie zu einer beliebten Wahl für Architekten macht. Der Eloxierprozess erfolgt durch eine Reihe von Tauchbädern.

Aluminiumeigenschaften

Aluminium ist bekannt für sein geringes Gewicht. Es ist fast dreimal leichter als Eisen, mit einer Dichte von 2.700 kg/m³. Bemerkenswert ist, dass die niedrige Dichte die Festigkeit nicht beeinträchtigt. Aluminiumlegierungen haben ein breites Spektrum an Festigkeitseigenschaften mit Zugfestigkeiten von 70 bis 700 MPa. Bei niedrigen Temperaturen nimmt die Festigkeit von Aluminium zu, bei hohen Temperaturen ab.

Aluminium lässt sich zudem leicht zerspanen, und die erforderliche Leistung ist aufgrund der geringeren Dichte niedrig. Die hohe Formbarkeit ermöglicht einfaches Strangpressen. Dies erlaubt das Biegen und Walzen und ist ein Schlüsselmerkmal bei der Herstellung von Aluminiumfolien.

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Aluminiumqualität und Normen

Aluminiumprodukte werden nach dem verwendeten Legierungselement zertifiziert. Die häufigsten Legierungselemente sind:

• Silizium
• Eisen
• Kupfer
• Magnesium
• Zink

ALUMINIUM IN REIHEN MIT EIGENSCHAFTEN UND ZUSAMMENSETZUNGEN KATEGORISIERT

REIHE

ALUMINIUM %

LEGIERUNG

WÄRMEBEHANDELBAR

EIGENSCHAFTEN

ANWENDUNGEN

1xyz

>99,yz

• Exzellente Korrosionsbeständigkeit und Verformbarkeit
• Hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit

• Getriebe
• Stromleitungen

2xyz

>99,yz

Kupfer

Ja

• Hohe Festigkeit und Zähigkeit
• Geringere Korrosionsbeständigkeit

• Flugzeuge

3xyz

>99,yz

Mangan

Nein

• Mäßige Festigkeit
• Gute Verformbarkeit

• Wärmetauscher
• Kochgeschirr
• Getränkedosen

4xyz

>99,yz

Silizium

Nein

• Niedrigerer Schmelzpunkt ohne Sprödigkeit

• Schweißdrähte
• Lotstäbe

5xyz

>99,yz

Magnesium

Nein

• Mäßige bis hohe Festigkeit
• Beständigkeit gegen Korrosion in Meeresumgebung
• Gute Schweißbarkeit

• Bauwesen
• Lagerbehälter
• Druckbehälter
• Marine Anwendungen

6xyz

>99,yz

Silizium und Magnesium

Ja

• Mäßig hohe Festigkeit
• Exzellente Korrosionsbeständigkeit
• Hohe Schweißbarkeit

• Architektonisch
• Strukturell
• LKW
• Marine Rahmen

7xyz

>99,yz

Zink

Ja

• Sehr hohe Festigkeit

• Flugzeuge
• Apple Watches

Gesundheit und Sicherheit

Beim Hall-Héroult-Verfahren werden große Mengen an Gasen emittiert. Diese werden aufgefangen und behandelt, da die giftigen Fluoridverbindungen vor der Freisetzung in die Atmosphäre entfernt werden müssen. Der Aluminiumproduktionsprozess erzeugt CO₂, was zu einem höheren CO₂-Fußabdruck für Aluminiumprodukte führt. Viele Hersteller errichten Aluminiumhütten daher in der Nähe erneuerbarer Energiequellen wie Wasserkraftwerken, anstatt Strom aus fossilen Brennstoffen zu erzeugen.

In seiner löslichen Form Al³⁺ ist Aluminium für Pflanzen giftig. Saure Böden beschleunigen die Freisetzung von Al³⁺ aus Mineralien und senken die Ernteerträge. Da fast die Hälfte der weltweit landwirtschaftlich nutzbaren Fläche sauer ist, kann die negative Auswirkung von Aluminium auf die Ernteerträge erheblich sein.

Auch der menschliche Körper kann von Aluminium betroffen sein. Gesundheitsauswirkungen einer Aluminiumanreicherung umfassen ein erhöhtes Risiko für Alzheimer und einige Krebsarten, obwohl dies nicht abschließend bewiesen ist. In hohen Konzentrationen wirkt Aluminium als Neurotoxin auf Gehirn und Knochenstruktur. Aluminium findet sich in Backmitteln, Emulgatoren, Farbstoffen und einigen Antazida.

Aluminiumanwendungen

Aluminium ist ein vielseitiges Metall mit glänzender Oberfläche, das einen diversen Markt bedient, einschließlich verschiedener kommerzieller und haushaltsüblicher Güter.

Luft- und Raumfahrt

Fortschritte in der Luft- und Raumfahrt hingen maßgeblich von der Entwicklung von Aluminiumprodukten ab. Ihre Kombination von Eigenschaften, insbesondere geringes Gewicht und Festigkeit, ermöglichte die Entwicklung von Fahrzeugen, die stark und leicht genug sind, um die Erdatmosphäre zu verlassen. Die Gebrüder Wright verwendeten Aluminium für das Motorgehäuse ihres ersten Holz-Doppeldeckers. Moderne Verkehrsflugzeuge bestehen zu 80 % aus Aluminium – hauptsächlich in ihren Rumpfstrukturen, besonders für Rümpfe und Flügel. Aluminium wird in der Raumfahrtindustrie umfangreich für Shuttles und Strukturen auf der Internationalen Raumstation eingesetzt.

Bauwesen und Architektur

Stromnetze und elektrische Leitungen haben von Kupfer auf Aluminium als Basis umgestellt. Dies liegt an der hervorragenden Leitfähigkeit und dem geringen Gewicht für lange Kabelstrecken. Aluminiumlegierungen werden im Bauwesen verwendet, um starke Rahmen zu schaffen, die das erhebliche Gewicht großer Glasscheiben tragen können. Architekten nutzen diese Eigenschaften ausgiebig in Flughäfen und Hochhäusern.

Stadtmöbel

Obwohl die meisten Stadtmöbel (Bänke, Abfallbehälter, Fahrradständer etc.) fest installiert sind, sind herausnehmbare Poller Verkehrslenkungselemente, die platziert werden können, um Fahrzeugzufahrt zu verhindern, oder entfernt werden, um sie zu erlauben. Aluminium wird häufig für herausnehmbare Poller verwendet, da das Metall leicht ist und vom Veranstaltungspersonal einfacher bewegt werden kann.

Lebensmittel und Getränke

Konserven und Getränkedosen sind ein weiterer Markt, den Aluminium dominiert. Aluminiumdosen kühlen schnell und bieten eine hochbedruckbare Oberfläche. Die hohe Recycelbarkeit macht Aluminium für diese Branche attraktiv. Sie schützen auch Geschmack und Integrität des Inhalts durch Schutz vor Sauerstoff, Licht und anderen Verunreinigungen.

Haushaltsgeräte und Technologie

Haushaltsgeräte profitieren ebenfalls von den Eigenschaften von Aluminium. Seine thermischen Eigenschaften machen es ideal für Kühlanwendungen, während das geringe Gewicht Geräte leicht beweglich und transportierbar macht. Mit der Entwicklung der "gebürsteten Aluminium"-Oberfläche können hochästhetische Produkte für den Premiummarkt geschaffen werden. Der Technologiekonzern Apple hat den Weg für Aluminium-Laptops geebnet, die aus einem einzigen Aluminiumblock gefertigt werden. Flachbildfernseher profitieren ebenfalls vom geringen Gewicht; ein äquivalentes Stahlprodukt wäre zu schwer für die Wandmontage.

Automobilindustrie

Autohersteller stehen unter zunehmendem Druck, den CO₂-Fußabdruck ihrer Fahrzeuge zu reduzieren. Leichte Aluminiumrahmen, Karosserieteile und Motoren tragen dazu bei, die Kraftstoffeffizienz zu verbessern. Es gibt auch weitere Umweltvorteile, da fast 90 % des automobilen Aluminiumschrotts zum Recycling gesammelt werden.

Aluminiumrecycling

Der größte Teil von Aluminium kann recycelt werden. Getränkedosen und Autoteile sind Branchen mit hoher Sammelquote, in denen Material effektiv gesammelt und recycelt wird. Gesammeltes Aluminium wird in eine Aufbereitungsanlage gebracht, wo es in verschiedene Qualitäten sortiert und gereinigt wird. Das Metall wird dann eingeschmolzen, um Beschichtungen, Druckfarben und andere Verunreinigungen zu entfernen. In dieser Phase können Legierungen nach Bedarf hinzugefügt werden, wonach es zu Blöcken gegossen wird. Diese Blöcke können an Gießereien geliefert werden, wo sie für den Guss verwendet werden, oder an andere Hersteller für weitere Verarbeitung. Recyceltes Aluminium kann in nur sechs Wochen als neue Produkte auf den Markt zurückkehren.

Aluminiumreinigung und -wartung

Die meisten Aluminiumprodukte lassen sich mit klarem Wasser oder milder Seife bzw. Spülmittel reinigen. Bei hartnäckigeren Flecken können Terpentin oder ein nicht ätzender chemischer Reiniger verwendet werden. Für stärkere Reinigungswirkung eignen sich wachshaltige Polituren, Schleifwachse oder Scheuermittel. Wichtig ist, Aluminiumprodukte nach der Reinigung zu trocknen, um Streifen zu vermeiden, und Reinigungsrückstände von Kanten und Fugen zu entfernen.

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