Aluminium ist ein Leichtmetall sowie ein beliebter Werkstoff, der Dir nach der Verarbeitung in sehr verschiedenen Gebrauchsgegenständen und sonstigen Objekten den Alltag erleichtert. Das relativ weiche Metall kommt in der Natur meistens in chemischen Verbindungen vor und wird daraus mit unterschiedlichen Verfahren gewonnen. In der heutigen Welt spielt Aluminium eine wichtige Rolle, weil es leicht, umformbar und dennoch belastbar ist. Sobald bei der Herstellung eines modernen Produkts gleichzeitig Stabilität, Beständigkeit gegen Korrosion und Gewichtsersparnis gefragt sind, überzeugt das vielseitige Leichtmetall mit seinen Vorzügen.
Grundlagen zum Aluminium: Chemische Eigenschaften und Besonderheiten
Durch die chemischen Eigenschaften des Aluminiums bildet sich auf dem reinen Metall an der Luft äußerst schnell eine passivierende Oxidschicht. Die Schicht ist mit 0,05 Mikrometern sehr dünn und verleiht dem Leichtmetall die silbergraue Farbe, die Du auf der stumpf wirkenden Oberfläche erkennst. Mit einem schützenden Effekt verhindert die Oxidschicht des Aluminiums in dieser Zusammensetzung, dass das reine Metall im Inneren ebenfalls oxidiert. Für die Korrosionsbeständigkeit ist die Schicht entscheidend.
Es gibt zahlreiche Unterschiede zwischen Aluminium und vielen anderen Metallen. Die folgenden Besonderheiten machen das Leichtmetall im Vergleich außergewöhnlich:
- geringe Dichte des Aluminiums
- relativ weiche Beschaffenheit
- Beständigkeit gegen Rost und Korrosion
- niedriger Schmelzpunkt
- geringes Gewicht
- unter Druck leichter formbar
- gute Strom- und Wärmeleitfähigkeit
Geschichte der Aluminiumgewinnung: Wann wurde Aluminium entdeckt?
Aluminium wurde im 18. Jahrhundert entdeckt und am Anfang des 19. Jahrhunderts als unbekanntes Element identifiziert. Der Chemiker Andreas Sigismund Marggraf gewann 1754 aus einer Alaunlösung eine Sauerstoffverbindung, die erst später als Aluminiumoxid bekannt war. Antoine Laurent de Lavoisier stellte knapp 30 Jahre später erstmals die Theorie auf, dass diese Verbindung das Oxid eines noch unbekannten Elements sein soll. Hans Christian Oersted gelang 1825 die chemische Darstellung des Aluminiums.
Ursprünglich hatte das Leichtmetall einen echten Seltenheitswert und sogar einen höheren Preis als Gold, weil die Ausbeute bei der früheren Aluminiumgewinnung zunächst sehr gering blieb. Daraufhin verfeinerten Friedrich Wöhler und Henri Étienne Sainte-Claire Deville den Prozess für die Gewinnung des reinen Aluminiums. Mit der erhöhten Aluminiumausbeute verringerte sich der Preis erheblich.
Paul Héroult und Charles Martin Hall entwickelten 1886 ein Elektrolyseverfahren, das als Hall-Héroult-Prozess eine effektive Aluminiumherstellung entscheidend vereinfachte. Drei Jahre später erfand Carl Josef Bayer ein Verfahren, das nach ihm benannt ist und die unkomplizierte Isolierung des reinen Aluminiumoxids aus Bauxit ermöglichte. Zusammen legten das Bayer-Verfahren und der Hall-Héroult-Prozess den Grundstein für die heutige Massenproduktion.
Wie wird Aluminium hergestellt?
Für die Herstellung des Aluminiums ist meistens Bauxit der entscheidende Rohstoff. Beim typischen Herstellungsprozess muss aus diesem Aluminiumerz zunächst Aluminiumoxid gewonnen werden. Hierfür trennen Aluminiumraffinerien das Bauxit von Mineralen wie Goethit, Böhmit und Hämatit.
Dabei mahlen die Raffinerien den Rohstoff fein und versetzen das Material bei Temperaturen um rund 180 Grad Celsius mit einer konzentrierten Natronlauge. Anschließend fällen Aluminiumraffinerien mit einer abkühlenden Aluminatlauge reines Aluminiumhydroxid aus. Dieses feste Produkt erhitzen die Raffinerien in einem Drehrohrofen wiederum auf über 1.200 Grad Celsius, um Aluminiumoxid zu erhalten.
Im abschließenden Schritt spielt dann die Elektrolyse für die Aluminiumgewinnung aus dem Oxid die entscheidende Rolle. Beim Hall-Héroult-Prozess erzwingen Raffinerien mit einer Schmelzflusselektrolyse durch elektrischen Strom eine Redoxreaktion. Vor dem Beginn des Elektrolyseverfahrens vermischen Aluminiumraffinerien das Aluminiumoxid mit Kryolith. Somit entsteht ein Gemisch, durch das die Schmelztemperatur im Vergleich mit dem Oxid um mehr als die Hälfte auf knapp unter 1.000 Grad Celsius sinkt. Eine verringerte Arbeitstemperatur ist eine unverzichtbare Voraussetzung für die erfolgreiche Schmelzflusselektrolyse.
Die Elektrolyse erfolgt in einer mit Graphit oder Kohle ausgekleideten Wanne. Durch einen äußerst hohen Stromfluss und eine vergleichsweise geringe Spannung setzt sich am Wannenboden Aluminium in flüssiger Form ab. Daraufhin saugen die Anlagen das Metall schrittweise ab.
Eigenschaften des Leichtmetalls: Wann schmilzt Aluminium?
Aluminium schmilzt, sobald eine Temperatur von rund 660 Grad Celsius erreicht ist. Beim Vergleich mit anderen Metallen fällt Dir auf, dass dieser Schmelzpunkt außergewöhnlich niedrig ist. Im Hinblick auf die physischen und mechanischen Eigenschaften des Aluminiums ist darüber hinaus vor allem das geringe Gewicht des Leichtmetalls bemerkenswert. Die Dichte des leichten Metalls liegt bei rund 2,7 Gramm pro Kubikzentimeter. Diese Eigenschaft des klassischen Leichtmetalls bietet für den Leichtbau entscheidende Vorteile.
Aluminium ist mit sonstigen Metallen als Maßstab zäh und im Hinblick auf die Härte vergleichsweise weich. Die Korrosionsbeständigkeit hängt entscheidend von der passivierenden Oxidschicht des Leichtmetalls ab. Diese Schicht bildet sich an der Luft nach Beschädigungen üblicherweise erneut. Davon profitierst Du nur mit der möglichst unveränderten Form des Aluminiums uneingeschränkt. Zahlreiche Legierungen stören die Bildung der schützenden Schicht erheblich und steigern somit die Korrosionsgefahr. Bevor Du Dich für eine Aluminiumlegierung entscheidest, solltest Du Dich daher über den individuellen Einfluss der kombinierten Legierungselemente im Detail informieren.
Eine allgemeine Witterungsbeständigkeit zählt ebenfalls zu den vorteilhaften Eigenschaften, die Aluminiumwerkstoffe Dir bieten. Das Leichtmetall ist UV-beständig und bleibt somit relativ unempfindlich, wenn Du Objekte ins Sonnenlicht stellst. Wegen der Formbarkeit lässt sich das Metall auf variantenreiche Arten gestalten und veredeln. Dabei ist es hilfreich, dass auch Aluminiumprofile mit einem ziemlich geringen Querschnitt für Stabilität sorgen können.
Insbesondere die folgenden wichtigen Merkmale machen das Aluminium zu einem vielseitigen Material:
- Umformbarkeit
- Gießbarkeit
- Aushärtbarkeit
- Zerspanbarkeit
- Schweißbarkeit
- Lötbarkeit
Verwendungszwecke des Metalls: Was ist eloxiertes Aluminium?
Eloxiertes Aluminium ist ein Werkstoff, der im Vergleich mit der normalen Form des Leichtmetalls eine dickere Oxidschicht erhalten hat und Dir dadurch für besonders variantenreiche Verwendungszwecke interessante Möglichkeiten eröffnet. Durch das Eloxal-Verfahren entsteht auf dem Metall eine Schicht, die mindestens fünf Mikrometer dünn ist. Die Oxidschicht des eloxierten Aluminiums kann sogar den fünffachen Wert erreichen. Mit der dickeren Schicht steigert sich beim Eloxal-Verfahren die Härte der Metalloberfläche ebenso wie die chemische Beständigkeit des Materials.
In der Industrie kommt Aluminium generell vor allem für die folgenden Verwendungszwecke zum Einsatz:
- Maschinenbau
- Elektrotechnik
- Geschirrproduktion
- Fensterherstellung
Im Bauwesen spielt das Leichtmetall für die Betonherstellung eine bedeutende Rolle. Porenbeton wird mit Aluminiumpasten und Aluminiumpulver hergestellt. Zugleich kommt das Metall als Funktions- und Konstruktionswerkstoff im Bauwesen zum Einsatz. Vor allem für Leichtbaukonstruktionen sowie dekorative Bauteile sind die korrosionsbeständigen Eigenschaften des Aluminiums oft vorteilhaft, sobald Du ein Bauvorhaben planst.
Im Bereich Transport bietet Dir das Leichtmetall in Fahrzeugen ebenfalls enorme Vorteile. Durch das geringe Gewicht des Aluminiums sorgt der Werkstoff beim Fahrzeugbau dafür, dass Verkehrsmittel weniger Treibstoff benötigen. Bei der Produktion der Motoren, Getriebe und Fahrwerke sind insbesondere Aluminiumguss-Legierungen sehr beliebt.
Darüber hinaus findest Du im Alltag zahlreiche Verpackungen, die das Leichtmetall enthalten. Die Verpackungsindustrie nutzt die Vorzüge des Aluminiums häufig für die Herstellung der Konserven- und Getränkedosen. Außerdem ist Aluminiumfolie ein gefragtes Verpackungsmaterial.
Für moderne Technologien hat Aluminium eine wichtige Bedeutung. Das Material erleichtert die Entwicklung von innovativen Geräten durch die richtige Mischung aus einer umformbaren, festen und steifen Beschaffenheit. Damit gelingt es Entwicklern, Technik sicher, nachhaltig und leicht zu gestalten.
Wenn Du eloxiertes Aluminium selbst gravieren möchtest, profitierst Du vom Mr Beam Lasercutter. Damit hast Du die Chance, variantenreiche Gestaltungsideen umzusetzen. Während Du dem Leichtmetall beispielsweise für ein personalisiertes Geschenk durch eine Gravur mit dem Mr Beam Lasercutter eine eigene Note verleihst, sind der Kreativität kaum Grenzen gesetzt.
Recycling des Aluminiums: Ökologische Vorteile und Statistiken
Die Recyclingfähigkeit des Aluminiums bietet entscheidende ökologische Vorteile. Denn beim Recycling wird viel weniger Energie als im Rahmen der ursprünglichen Aluminiumgewinnung aus Bauxit verbraucht. Im direkten Vergleich mit der Herstellung in der Aluminiumraffinerie erreicht der Energieverbrauch während des Aluminiumrecyclings lediglich fünf Prozent. Das hängt auch damit zusammen, dass sich Altaluminium wegen des niedrigeren Schmelzpunkts viel einfacher als Aluminiumoxid einschmelzen lässt.
Darüber hinaus entstehen während des Aluminiumrecyclings weniger Rückstände, die zugleich im Hinblick auf ökologische Aspekte ein geringeres Problem darstellen. Vor allem die Vermeidung des Rotschlamms als Abfallprodukt der Aluminiumoxid-Gewinnung ist ein entscheidender Vorteil des Recyclings. Falls ökologische Vorteile für Dich entscheidend sind, solltest Du daher Produkte aus wiederverwertetem Altaluminium bevorzugen.
Das International Aluminium Institute präsentierte im Oktober 2020 Statistiken, laut denen die weltweite Aluminiumrecyclingrate bei rund 76 Prozent liegt. In Europa werden demnach sogar rund 81 Prozent des Aluminiumschrotts durch Recycling verwertet. Deutschland hat daran einen großen Anteil, weil die Verwertungsquote für Aluminiumverpackungen laut Statistiken 2020 über 95 Prozent lag.
Zukunft des Aluminiums: Trend zum Fahrzeugbau und interessante Innovationen
Wenn Du Dich für zukünftige Trends und Entwicklungen im Aluminiumsektor interessierst, solltest Du vor allem den Fahrzeugbau im Blick behalten. In dieser Branche gilt Aluminium bei der Autoherstellung genauso wie für die Produktion von Schienenfahrzeugen, Schiffen oder Flugzeugen als Zukunftswerkstoff. Weil der Leichtbau in der Automobilindustrie mit Vorteilen im Hinblick auf den Energie- und Treibstoffverbrauch ein anhaltender Trend bleibt, wird das Leichtmetall in diesem Bereich immer beliebter. Für die Verbesserung der Fahrzeuge entwickeln Autohersteller ständig neue Aluminiumlegierungen, um die Korrosionsbeständigkeit, die Festigkeit und die Umformbarkeit individuell zu optimieren.
Insbesondere die folgenden Konstruktionen aus Aluminium eignen sich mit modernen Fertigungsverfahren für variantenreiche Fahrzeugteile:
- Gusskonstruktionen
- Schmiedekonstruktionen
- Strangpresskonstruktionen
- Blechkonstruktionen
Falls Du Dich über Innovationen im Bereich der Aluminiumverarbeitung informieren willst, ist in erster Linie die Weiterentwicklung der Gussverfahren beachtenswert. Bei diesen Entwicklungen besteht das zentrale Ziel darin, den Energieverbrauch zu reduzieren und Rückstände im Rahmen der Verarbeitung zu minimieren. Bei den Innovationen müssen die Hersteller sicherstellen, dass eine optimierte Energieeffizienz nicht die Qualität der Gussergebnisse beeinträchtigt und sich Bauteile mit allen Details problemlos reproduzieren lassen. Bemerkenswert ist beispielsweise ein automatisch beheiztes Transferrinnensystem für den Guss von Aluminium-Lithium-Legierungen, das diese Ziele erreicht.
