Aluminium und Magnesium

Aluminium ist das sechsthäufigste Element in der Erdkruste. Es ist in einer extrem stabilen oxidischen Verbindung, dem Al2O3, gebunden, das nur mit sehr hohem Energieaufwand aufgelöst werden kann. Dies gelang erstmalig 1824. Durch den hohen Energieverbrauch bei der Herstellung war Aluminium über fünf Jahrzehnte teurer als Gold. Erst mit der Erfindung der Dynamomaschine stand ausreichend elektrische Energie für die elektrolytische Reduktion des Aluminiums zur Verfügung. Trotz aller Fortschritte sind aber immer noch je Kilogramm Aluminium 12 bis 14 kWh elektrischer Energie erforderlich. Aluminium trägt daher auch den Beinamen „gepackte Elektrizität“.

Aluminium und Aluminiumlegierungen sind beliebig wieder verwertbar. Außer bei der Legierungszusammensetzung bestehen keine Einschränkungen, d. h. aus Aluminiumschrott erschmolzene Legierungen unterscheiden sich nicht von neu erschmolzenen Legierungen. Die Wiederverwertung von Aluminium ist wirtschaftlich sehr effektiv, da durch den niedrigen Schmelzpunkt von 660 °C nur etwa 0,6 bis 0,7 kWh je Kilogramm wiedererschmolzenem Aluminium erforderlich sind.

Reinaluminium hat nur sehr niedrige Festigkeitswerte, die für technische Anwendungen nicht ausreichen. Festigkeitssteigerungen sind möglich durch Herstellen von Legierungen und durch Kaltverfestigung.

Naturharte Aluminiumlegierungen: Legierungselemente sind Magnesium und in geringen Mengen Mangan. Damit sind Zugfestigkeitswerte bis 300 MPa erreichbar. Durch Walzen oder Ziehen bei Raumtemperatur (Kaltverfestigen) kann die Festigkeit weiter gesteigert werden.

Aushärtbare Aluminiumlegierungen: Legierungselemente sind Magnesium, Silizium, Zink und Kupfer in wechselnden Kombinationen und Zusammensetzungen. Der Aushärteprozess besteht aus den drei Schritten Lösungsglühen (500 bis 550 °C), Abschrecken und Auslagern. Während des letzten Arbeitsschrittes bilden sich feinstverteilte, submikroskopisch kleine intermediäre Phasen im Gefüge, durch die die plastische Verformbarkeit verringert und die Festigkeit gesteigert wird. Die Dauer des Aushärteprozess ist temperaturabhängig: Bei Raumtemperatur kann er bis zu 14 Tagen erfordern, durch Temperaturen bis 150 °C kann er auf wenige Stunden verkürzt werden. Ausgehärtete Aluminiumlegierungen können Zugfestigkeiten bis 700 MPa erreichen.

Aluminium und Aluminiumlegierungen zeichnen sich durch folgende besondere Be- und Verarbeitungseigenschaften aus:

– Aluminium ist sehr gut kalt- und warmumformbar (350 und 550 °C). Häufig eingesetzte Verfahren sind das Strangpressen von Profilen und alle Arten von Walz- und Schmiedeprozessen. Beim Kaltwalzen werden durch Kaltverfestigung höherfeste Bleche und Profile erzeugt. Reinaluminium kann auf Foliendicken bis zu 0,005 Millimeter gewalzt werden, z.B. für Haushaltsfolie.

– Die spanende Bearbeitung von Aluminium ist uneingeschränkt möglich. Sie erfordert aber speziell angepasste Werkzeuggeometrien. Bei Aluminium wurde ab etwa 1975 systematisch die Hochgeschwindigkeitszerspanung eingesetzt. Dabei werden Schnittgeschwindigkeiten bis 5500 Meter pro Minute und Vorschübe bis 45 Meter pro Minute erreicht.

– Reinaluminium kann höchstglanzpoliert werden. Es eignet sich daher sehr gut für die Spiegelherstellung. Häufig werden andere Grundwerkstoffe mit Reinaluminium bedampft und anschließend poliert.

– Aluminium ist nicht einfach schweißbar. Wegen seiner hohen Affinität zu Sauerstoff reagiert die Schmelze sofort mit dem Sauerstoff der Luft. Für eine gute Nahtqualität muss deshalb unter Schutzgas (Helium, Argon) geschweißt werden. Es wird ausschließlich das Elektroschweißverfahren eingesetzt, da wegen der hohen Wärmeleitfähigkeit eine hohe Energiedichte bereitgestellt werden muss.

– Aluminium kann hartgelötet werden. Die Lote enthalten etwa 70 bis 95 Prozent Aluminium und sehr aggressive Flussmittel (Oxidschichten!). Die Lötstellen erreichen nicht ganz die Festigkeit des Grundwerkstoffes. Weichlöten ist nur mit Reaktionsloten oder Aluminiumreibloten an metallisch blanken Flächen möglich. Diese Lötstellen sind mechanisch nicht belastbar und nicht korrosionsfest.

– Fügeverfahren wie Kleben, Schrauben und Nieten können eingesetzt werden.

Aufgrund ihrer besonderen Werkstoffeigenschaften sind Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen nach den Stählen und Gusseisensorten die wichtigsten metallischen Werkstoffe. Hervorzuheben sind:

– Aluminium hat mit 2,7 kg/dm³ nur etwa ein Drittel des spezifischen Gewichts von Stahl. Das sehr günstige Verhältnis von Festigkeit zu Dichte hat Aluminium zu einem bevorzugten Werkstoff im gesamten Fahrzeug- und Flugzeugbau werden lassen. Es wird aber auch in Bereichen eingesetzt, in denen die begrenzte menschliche Muskelkraft die bestimmende Größe ist, z. B. bei Fahrrädern, Campingausrüstungen, Sportartikeln. Beim Einsatz von Aluminium ist aber immer zu beachten, dass der Elastizitätsmodul mit 70 000 MPa nur bei einem Drittel des Wertes von Stahl liegt. Um die gleiche Steifigkeit wie ein Stahlbauteil zu erreichen, muss ein Aluminiumbauteil daher einen größeren Querschnitt haben. Dementsprechend sind mechanisch hoch beanspruchte Aluminiumbauteile nur etwa 50 Prozent leichter als vergleichbare Stahlbauteile.

– Bezogen auf die Dichte hat Aluminium die höchste elektrische Leitfähigkeit aller Metalle. Daher wird Aluminium als elektrischer Leiter eingesetzt, wenn hohe Leitfähigkeit und niedriges Gewicht gefordert sind, z.B. im Freileitungsbau.

– Aluminium ist ein hervorragender Wärmeleiter. Es wird deshalb sehr häufig in Wärmetauschern, aber auch für Kochgeschirre verwendet.

– Aluminium ist eigentlich ein sehr unedles Metall. Seine trotzdem hohe Korrosionsbeständigkeit beruht auf der Bildung einer sehr dichten Oxidschicht, die das Metall spontan mit dem Luftsauerstoff oder in wässrigen, sauerstoffhaltigen Lösungen bildet. Verletzungen durch Kratzer werden unmittelbar nach dem Entstehen selbsttätig ausgeheilt. Die Schicht ist 0,01 µm dick, kann jedoch durch anodische Oxidation auf ca. 30 µm verstärkt werden. Da diese Schichten glasklar sind, bleibt die darunter liegende Oberflächenstruktur sichtbar. Durch Zugabe von Farbpigmenten in den Elektrolyten können die Oxidschichten massiv eingefärbt werden (Tür- bzw. Fensterrahmenprofile). Durch die dichten Schichten sind Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen beständig in stark oxidierenden Säuren, dagegen weniger beständig in Laugen (frischer Kalk- oder Zementmörtel) oder stark reduzierenden Säuren (HCl).

– Aluminium ist physiologisch unbedenklich und kann daher uneingeschränkt mit Lebensmitteln in Berührung kommen.

Die Grundsätze der Bezeichnungen für Aluminium und Aluminiumlegierungen sind in den Normen DIN EN 573-1 und DIN EN 573-2 (Aluminium-Knetlegierungen) bzw. DIN EN 1780-1 und DIN EN 1780-2 (Vorlegierungen und Gussstücke für die Luft- und Raumfahrt) festgeschrieben. Zu beachten ist, dass die numerischen Bezeichnungen, also die „Werkstoffnummern“, immer Vorrang haben vor den Bezeichnungen mit chemischen Symbolen, den Werkstoffkurznamen. Diese Vorgabe erschwert in der Regel die Identifikation eines Werkstoffs. Die Festlegungen in unterschiedlichen Normen führen auch dazu, dass gleiche Legierungen unterschiedliche Bezeichnungen haben, je nachdem, ob es sich um eine Knet- oder eine Gusslegierung handelt. Wegen des sehr komplizierten Aufbaus der insgesamt vier verschiedenen Bezeichnungssysteme werden die Einzelheiten hier nicht dargestellt.

Magnesium kommt in der Natur nur chemisch gebunden als Carbonat, Silikat, Oxid oder Chlorid vor. Die bekanntesten Carbonate sind Dolomit und Magnesit. Meerwasser enthält ca. 1,3 Kilogramm Magnesium je Kubikmeter. Das Rohstoffvorkommen kann dementsprechend als unerschöpflich bezeichnet werden. Zur Magnesiumgewinnung werden entweder thermische Reduktionsverfahren oder Elektrolyseverfahren eingesetzt. Bei beiden Verfahren ist ein hoher Energieeinsatz erforderlich. Auch für Magnesium gilt, dass es ohne Einschränkungen wiederverwertet werden kann.

Magnesium ist mit einem spezifischen Gewicht von 1,74 kg/dm³ das leichteste Gebrauchsmetall. Es ist ein sehr weiches Metall, das als Konstruktionswerkstoff ungeeignet ist. Um Magnesium die für Konstruktionswerkstoffe erforderlichen Eigenschaften zu verleihen, wird es mit Aluminium, Zink, Mangan und Silizium legiert. Die Zugfestigkeiten liegen dann zwischen 200 bis 310 MPa.

Bei der Verarbeitung von Magnesium und Magnesiumlegierungen ist die hohe Affinität zu Sauerstoff zu beachten: Es reagiert mit Sauerstoff stark exotherm, was zu explosionsartigen Verpuffungen führen kann. Beim Gießen muss daher immer ein Schwefeldioxidschleier über der Schmelze liegen oder Schwefelpulver auf die Schmelzoberfläche gestreut werden. Beim Zerspanen muss für ausreichende Absaugung gesorgt werden, da ab einem Staubgehalt von 30 mg je Liter Luft akute Explosionsgefahr herrscht.

Ansonsten gelten für die Verarbeitung von Magnesium und seinen Legierungen folgende Hinweise:

– Als Gießverfahren werden der Sand- und der Kokillenguss für größere Bauteile, der Druckguss für kleinere Massenteile eingesetzt. Beim Sand- und Kokillenguss neigen die Legierungen zu schlechter Formfüllung und zur Lunkerbildung. Beim Druckguss ist diese Gefahr erheblich geringer. Außerdem sind durch die schnellere Formfüllung und die schnellere Abkühlung in der Stahlform kürzere Taktzeiten möglich. Druckgussteile können sehr dünnwandig und filigran gestaltet werden.

– Magnesium ist aufgrund seiner hexagonalen Kristallgitterstruktur nur sehr begrenzt plastisch verformbar. Es sind daher keine Walz- oder Schmiedeteile herstellbar.

– Es sind alle Zerspanungsverfahren anwendbar. Schnittgeschwindigkeiten bis 1500 m/min sind möglich. Magnesium und seine Legierungen können mit den gleichen Werkzeugen wie Holz spanend bearbeitet werden.

– Magnesium kann nur unter Schutzgas oder mit Flussmitteln geschweißt werden.

Die Werkstoffeigenschaften können wie folgt gekennzeichnet werden:

– Teile aus Magnesium-Druckguss sind etwa 30 Prozent leichter als Teile mit gleichen Abmessungen und etwa gleicher Festigkeit aus Aluminium-Druckguss.

– Magnesium bildet mit Sauerstoff Magnesiumoxidschichten (MgO). Diese Schichten sind mattgrau und unansehnlich und werden von aggressiven Medien, z.B. Seeluft, angegriffen. Durch Beizen in einer Salpetersäure-Kaliumbichromatlösung wird eine bronzefarbige, festhaftende, oxidische Schutzschicht aufgebaut, die unter normalen Bedingungen beständig ist. In aggressiven Medien ist ein zusätzlicher Anstrich erforderlich. In alkalischen Medien wird Reinmagnesium nicht angegriffen.

– Wegen seiner hohen Affinität zu Sauerstoff verbrennt Magnesium mit einer hell leuchtenden Flamme. Magnesiumpulver ist daher in jedem Feuerwerkskörper enthalten.

Wegen der einfachen Herstellung im Druckgussverfahren waren Magnesiumteile insbesondere in der Automobilindustrie der 1950er Jahre sehr verbreitet. In einem VW-Käfer, Baujahr 1955 waren ca. 25 Kilogramm Magnesium verbaut. Viele dieser Teile wurden dann aber mehr und mehr durch Aluminiumdruckguss- oder Kunststoffspritzgussteile abgelöst. In den letzten Jahren erlebt Magnesium im Automobilbau eine Renaissance, weil es aufgrund seines deutlich höheren Elastizitätsmoduls von 44 000 MPa die Forderungen des Leichtbaus wesentlich besser erfüllen kann als viele Kunststoffe.

Der größte Teil der Magnesiumproduktion wird aber als Legierungselement in Aluminiumlegierungen verwendet. Als Zugabe zu Gusseisenschmelzen fördert es die Bildung von Kugelgraphit, in Stahlschmelzen wird es zur Entschwefelung eingesetzt. Metalle wie Titan, Uran, Thorium u. a. werden durch Reduktion mit Magnesium hergestellt.

Das Bezeichnungssystem für Magnesium und Magnesiumlegierungen ist in der DIN EN 1754 festgelegt. Es lehnt sich weitestgehend an das System der Aluminiumlegierungen an. Prof. Dr. Wolfgang Magin

Prof. Dr. Wolfgang Magin ist Professor für Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung sowie Prodekan im Fachbereich Informatik und Ingenieurwissenschaften der Fachhochschule Frankfurt am Main, University of Applied Sciences