1. Aluminium – Bedeutung und Gewinnung

Produktion und Verbrauch von Aluminium
1. Aluminium – Bedeutung und Gewinnung
1.1 Produktion und Verbrauch von Aluminium
Aluminium ist heute ein mit Selbstverständlichkeit betrachteter, überaus vielfältig
eingesetzter Werkstoff. Es ist das nach Stahl am häufigsten verwendete Metall.
Seine Häufigkeit auf der Erde wird mit 7,5% angegeben. Durch die Vielfalt seiner
Eigenschaften und die Möglichkeit, diese gezielt zu kombinieren, kann es in den
verschiedensten Bereichen eingesetzt werden (Bild 1.1). Seine Entwicklung von
den Anfängen industrieller Herstellung und Nutzung bis zum Massen- und Gebrauchsmetall unserer Tage umfasst nicht einmal den Zeitraum von 100 Jahren.
Noch 1882 war das Metall Aluminium eine bestaunte Rarität, von der in der gesamten Welt gerade 2 t produziert wurden. Die stürmische Entwicklung von Produktion
und Verbrauch dieses jungen Metalls zeigt ein Vergleich mit der Produktionsentwicklung anderer NE-Metalle für den Zeitraum von 1890 bis 2000. Bezogen auf
das Volumen hat Aluminium bereits gegen Ende der 30er Jahre alle anderen
Nichteisenmetalle überflügelt, bezogen auf die Masse im Verlauf der 60er Jahre
(Bild 1.2).
Eisen + Stahl
6%
Verpackung
Haushalt +
7%
Büro
Maschinen4%
bau
Sonstige
9%
10%
Bau
18%
Elektrotechnik
5%
Verkehr
41%
Bild 1.1 Aluminium-Endverbrauch in der Bundesrepublik Deutschland 2001 (GDA)
Die Weltproduktion von Hüttenaluminium betrug im Jahre 1900 rd. 6700 t, woran
nur 5 Länder (USA, Schweiz, Frankreich, Deutschland und Großbritannien) beteiligt
waren. 1916 lag die Produktion bereits bei über 100 000 t, 1939 bei nahezu
700 000 t, um dann im Kriegsjahr 1943 fast 2 Mill. t zu erreichen. Dieser Stand
wurde 1952 erstmals wieder übertroffen. Die 50er und 60er Jahre sahen einen
steilen und ununterbrochenen Produktionszuwachs. 1970 betrug die Erzeugung das
5fache der von 1952. Obwohl sich das Wachstum in den 70er Jahren verlangsamte,
wurde 2001 mit über 20,551 Mill. t zehnmal so viel produziert wie 1952 (IAI – International Aluminium Institute).
1
Weltproduktion in 1000 t
Aluminium – Bedeutung und Gewinnung
Jahr
Bild 1.2
Weltproduktion von Aluminium, Kupfer, Zink und Blei in 1000 t
(Ordinate logarithmisch)
Die wichtigsten E r z e u g e r l ä n d e r befinden sich heute in Nordamerika (2001
Gesamtproduktion 5.222.000 t) mit den USA (2001: 2.636.500 t) und Kanada (2001:
2.585.500 t), in Europa (2001: Westeuropa 3.885.000 t; Ost- und Mitteleuropa
3.728.000 t) mit der Bundesrepublik Deutschland (2001: 651.000 t) und Norwegen
(2001: 1.068.000 t) sowie Russland (2001: 3.300.000 t). Weitere Produktionsschwerpunkte liegen in Lateinamerika (2001: 1.991.000 t) mit dem Haupterzeugerland Brasilien (2001: 1.132.000 t); Ozeanien (2001: 2.122.000 t) mit dem Haupterzeugerland Australien und Asien (2001: 2.234.000 t) mit dem Hauptproduzenten
China.
Zu beobachten ist eine langfristige Verlagerung der Produktionsschwerpunkte. Wie
die Tafeln 1.1 und 1.2 sowie Bild 1.4a zeigen, hat sich in den letzten drei Jahrzehnten vor allem der Anteil der USA an der Weltproduktion vermindert, während gleichzeitig Lateinamerika, Asien, Australien und Afrika ihren Anteil an der Hüttenaluminiumproduktion beträchtlich steigern konnten.
Der Anteil der westeuropäischen Länder stieg in den siebziger Jahren wieder an,
u.a. auch durch einen Kapazitätszuwachs in der Bundesrepublik Deutschland bis
1977 (Bild 1.3). 1992 führten massive Importe aus den GUS-Staaten zu hohen
Lagerbeständen und zu Tiefstnotierungen des Aluminiums. Diese Situation bedeutete das Ende etlicher Produktionsstätten in Westeuropa, auch erkennbar in einem
deutlichen Produktionsrückgang in der BRD in den Jahren von 1992 bis 1994. Seit
2
Produktion und Verbrauch von Aluminium
1995 war wieder ein leichter Anstieg zu beobachten (vgl. Bilder 1.3 und 1.8). Seit
Mitte 2000 fällt die Produktion wieder, insbesondere in den USA. Hier war es im
Rahmen neuer Energiegesetze für Aluminiumhütten lohnender, ihre Stromkontingente zu verkaufen, als Aluminium zu produzieren.
Tafel 1.1 Anteil verschiedener Wirtschaftsräume an der Hüttenaluminiumproduktion der Welt
(nach IAI)
1900
1920
1940 1960 1970
1980
1990 1994
Anteile an der Gesamtproduktion in %
1996
2001
Nordamerika
davon USA
43,8
43,8
58,7
49,0
36,5
23,9
55,6
40,4
44,3
35,0
35,6
29,0
29,5
20,9
29,0
17,2
28,3
17,3
25,4
12,8
Lateinamerika
Brasilien
Venezuela
–
–
–
–
–
–
–
–
–
0,4
1,6
0,3
0,5
o.A.2) o.A.
5,1
1,6
o.A.
8,9
4,8
3,0
10,3
6,2
3,0
9,8
5,8
2,9
9,6
5,5
o.A.
Asien (bis 1980
ohne VR China,
Nordkorea1)
China ab 1990
Indien
–
–
4,5
3,5
9,1
9,8
10,4
15,7
17,5
10,9
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
o.A.
4,4
2,2
7,6
2,3
8,6
2,5
o.A.
o.A.
Afrika
–
–
–
11,0
1,6
2,7
3,1
3,0
5,0
6,7
Australien/Ozeanien
Australien
–
–
–
–
–
–
0,3
o.A.
2,0
o.A.
2,9
o.A.
7,7
6,4
8,3
6,9
8,0
6,6
10,32
o.A.
Europa bis 1990 o. RGW 56,2
Deutsches Reich
9,6
bzw. BRD
Europa total
Europäische Union
BRD
Frankreich
Spanien
GUS (Ab 1992)
Russland
Tadschikistan
andere Europ. Staaten
Norwegen
41,3
50,1
19,1
19,6
23,4
9,4
26,1
3,7
3,0
4,5
Zahlenwerte sind in den Angaben für
Europa und westliche Welt bzw. in
denen der RGW-Staaten enthalten
siehe untere Angaben
40,4
13,6
3,7
1,7
1,8
18,3
o.A.
o.A.
8,5
4,4
33,7
11,0
2,6
2,1
1,8
15,8
14,0
1,3
6,9
4,5
31,4
10,7
2,8
1,8
1,8
o.A.
13,5
o.A.
o.A.
4,5
Westliche Welt (bis 1980) 100,0 100,0 91,1
79,9
78,2
79,5
–
–
–
RGW-Raum, VR China,
Nordkorea (bis 1980)
–
–
8,9
20,1
21,8
20,5
–
–
–
UdSSR (bis 1991)
–
–
7,2
15,5
16,5
15,1
–
–
–
Gesamt
100,0 100,0 100,0 100,0 100,0
Weltproduktion in 1000 t 6,7
1)
2)
27,1
782,9 4543
10302
Westeuropa
18,9
Mittelund Osteuropa
18,1
100,0
100,0 100,0 100,0
16045
19295 19129 20670 20551
Nordkorea Primärproduktion nur bis 1989
o.A. = ohne Angabe
3
Aluminiumlegierungen
3. Zustandsdiagramme der Aluminiumlegierungen
3.1 Aluminiumlegierungen
Die Eigenschaften von Aluminium hängen von einer ganzen Reihe von Faktoren ab;
dabei spielen insbesondere absichtlich zugesetzte Legierungselemente oder zufällig vorhandene Verunreinigungen anderer Elemente eine sehr wichtige Rolle. Mit
Ausnahme des Reinstaluminiums Al99,99 werden in der Technik nur Aluminiumwerkstoffe verwendet, die weitere Elemente enthalten, sog. Legierungen.
L e g i e r u n g e n sind definiert als Stoffe, die mindestens ein metallisches Element
enthalten und insgesamt metallisches Verhalten zeigen. So sind streng genommen
auch verunreinigte Materialien, wie Reinaluminium, den Legierungen zuzuordnen.
Selbst die hier auftretenden geringen Gehalte an Eisen (Fe) und Silicium (Si) können die Eigenschaften von Reinaluminium Al99 bis Al99,9 in nicht unbeträchtlichem
Maße beeinflussen.
Aluminiumwerkstoffe enthalten meistens mehrere L e g i e r u n g s e l e m e n t e
neben dem Basismetall Aluminium:
–
–
–
–
H a u p t l e g i e r u n g s e l e m e n t e sind Kupfer (Cu), Silicium (Si), Magnesium (Mg), Zink (Zn), Mangan (Mn).
In kleineren Mengen sind häufig als V e r u n r e i n i g u n g e n oder Z u s ä t z e
vorhanden: Eisen (Fe), Chrom (Cr), Titan (Ti).
Sonderlegierungen enthalten Zusätze von: Nickel (Ni), Kobalt (Co), Silber (Ag),
Lithium (Li) Vanadium (V), Zirkonium (Zr), Zinn (Sn), Blei (Pb), Wismut (Bi).
Als wichtige S p u r e n z u s ä t z e können eingesetzt werden: Beryllium (Be),
Bor (B), Natrium (Na), Strontium (Sr), Antimon (Sb).
Diese Zusätze und Verunreinigungen bestimmen in starkem Maße über die jeweilige G e f ü g e a u s b i l d u n g die E i g e n s c h a f t e n des Werkstoffes. Nachfolgend wird der Aufbau der wichtigsten Aluminiumwerkstoffe, soweit für das Verständnis der technischen Werkstoffe notwendig, unter Zuhilfenahme der jeweiligen
Zustandsdiagramme beschrieben.
3.2 Bedeutung des Zustandsschaubildes
Phasengleichgewichtsdiagramme
Der Z u s t a n d (flüssig, fest, einphasig, mehrphasig), der sich in einer Legierung in
Abhängigkeit von der Zusammensetzung (Konzentration) und der Temperatur bei
normalem Druck (sog. Zu s t a n d s v a r i a b l e n ) einstellt, wird durch Zustandsschaubilder beschrieben.
Diese Z u s t a n d s d i a g r a m m e stellen in Form eines Temperatur-Konzentrations-Diagrammes die Phasenverhältnisse im G l e i c h g e w i c h t dar, d. h. bei u n e n d l i c h l a n g s a m e r A b k ü h l u n g bzw. Aufheizung. Unter diesen Bedingungen können alle notwendigen Atomwanderungsvorgänge (sog. Diffusionsvorgänge) möglichst vollständig ablaufen. Im Schaubild lassen sich unter bestimmten
95
Zustandsdiagramme der Aluminiumlegierungen
Bedingungen die dann miteinander im Gleichgewicht stehenden Phasen ablesen,
weshalb diese Diagramme auch als P h a s e n g l e i c h g e w i c h t s d i a g r a m m e
bezeichnet werden.
Bei beschleunigter Abkühlung, insbesondere nach rascher Abkühlung von höheren
Temperaturen, können sich merkliche Abweichungen vom Zustandsdiagramm
ergeben. Die Zeit reicht nicht aus, um alle erforderlichen Diffusionsprozesse ablaufen zu lassen, so dass sich ein Ungleichgewicht ergibt. Zur Beschreibung derartiger
Ungleichgewichte können die o.g. Zustandsdiagramme nicht verwendet werden;
hierfür werden z.T. gesonderte Diagramme aufgestellt (s. 3.4).
Tafel 3.1
Löslichkeit einiger Elemente im Aluminium-Mischkristall (Daten nach Mondolfo
und Schumann, Schürmann und Voss)
Zusatz
Temp. des
Eutektikums (E),
Peritektikum (P)
oder Monotektikum (M) °C
Phase im mit
Gleichgewicht
dem AlMischkristall
Löslichkeit (Masseanteile in % ) bei
Anmerkungen
500 °C
400 °C
300 °C 200 °C
TE, TP
oder TM
Be
645 (E)
-Be
Bi
657 (M)
Bi, flüssig
~ 0,05
Cd
649 (M)
Cd, flüssig
~ 0,4
Co
657 (E)
Al9Co2
< 0,02
Cr
661 (P)
Al7Cr
Cu
547 (E)
Fe
655 (E)
Li
602 (E)
AlLi
Mg
450 (E)
Al8Mg5
Mn
657 (E)
Al6Mn
1,82
0,36
Ni
640 (E)
Al3Ni
0,04
0,006
Pb
658 (M)
Pb, flüssig
~ 0,17
Sb
658 (E)
AlSb
< 0,1
Si
577 (E)
Si
Sn
228 (E)
Sn, flüssig
Ti
665 (P)
0,08
Bi-reiche Schmelze
erstarrt bei 269 °C
0,08
0,04
~ 0,8
0,4
0,35
0,1
Al2Cu
5,7
4,4
1,6
0,6
0,2
Al3Fe
~ 0,04
0,005
Cd-reiche Schmelze
erstarrt bei 321 °C
< 0,001
4,7
2,8
2,0
1,5
1,0
17,4
~ 12,0
12,2
6,6
3,5
1,65
0,8
~ 0,08
Al3Ti
1,3
0,2
661 (P)
Al10V
~ 0,37
275
Zn
31,6
Zr
660,5 (P)
Al3Zr
0,28
Mg2Si
1,85
0,17
0,02
Pb-reiche Schmelze
erstarrt bei 327 °C
~ 0,06
V
96
0,005
0,15
Zn
Mg2Si 595 (E)
0,01
0,3
0,07
0,01
Sn-reiche Schmelze
erstarrt bei 228 °C
< 0,2
14,5
bei 275 °C
eutektoide Reaktion
0,05
1,10
0,52
0,30
0,20
Quasibinärer Schnitt
Bild 3.1 Die binären Zustandsdiagramme des Aluminiums (Zusammenstellung nach Hornbogen et al.)
Bedeutung des Zustandsschaubildes
97
Werkstoffbezeichnungen
9.
Werkstoffbezeichnungen nach
Legierungszusammensetzungen
und mechanischen Kennwerten
Die mechanischen, technologischen und physikalischen Eigenschaften von Aluminium können durch Legierungszusätze, Kaltverfestigung und Wärmebehandlungen,
wie z.B. die Ausscheidungshärtung oder Rekristallisationsglühungen, gezielt verändert werden. Dabei wird in Kauf genommen, dass durch Verbesserung einer bestimmten Eigenschaft eine oder mehrere andere Eigenschaften verschlechtert werden können (s. Kap. 2, 5, 6, 8). Die richtige Werkstoffauswahl für einen bestimmten
Einsatzzweck ist deshalb eine O p t i m i e r u n g s a u f g a b e .
Im vorliegenden Kapitel werden im wesentlichen genormte Mindestwerte der
mechanischen Eigenschaften von Aluminium, Aluminium-Knetlegierungen und
Aluminium-Gusslegierungen, abhängig vom Werkstoffzustand dargestellt. Tafeln
mit Angaben über Zusammensetzungen von Aluminiumwerkstoffen sind im Anhang
zusammengestellt. Angaben über Eigenschaften von Sonderwerkstoffen finden
sich, auch in den Bänden 2 und 3 des Aluminium-Taschenbuches, beim jeweiligen
Anwendungsgebiet.
Die Angaben beziehen sich in der Regel auf das deutsche DIN-System. Dabei ist zu
beachten, dass kürzlich die Umstellung auf das Europäische Normensystem (EN A
Europäische Norm Aluminium) erfolgte. Europäische Normen bestehen aus in
einem in allen am CEN1) angeschlossenen Ländern inhaltlich und sachlich gleichem
Sachteil und ggf. einem nationalen Anhang. Sie sind in der jeweiligen Landessprache abgefaßt. Die Normnummer ist in allen Ländern gleich; die der Normnummer vorangestellten Kennbuchstaben geben an, aus welchem Land die Norm
stammt. So bedeuten beispielsweise:
DIN EN
BS EN
NF EN
UNI EN
–
–
–
–
Deutschland
Großbritannien
Frankreich
Italien
Mit den Europäischen Normen ist die Pflicht verbunden, entgegenstehende nationale Normen zurückzuziehen. Häufig ist aber das Gebiet, das eine Europäische
Norm abdeckt, nicht identisch mit dem Gebiet, das die entsprechende DIN beschrieben hat. So kam es nach der Zurückziehung der DIN dazu, dass unabgedeckte
Felder übrigblieben. Das bedeutet: N i e w u r d e e i n e D I N w e r t g l e i c h
d u r c h e i n e D I N E N e r s e t z t ! Dementsprechend sind die im Kapitel 9 enthaltenen Hinweise auf neue Normen zu werten.
Nach Abschluss haben die bisherigen deutschen Normen keine offizielle Gültigkeit
mehr. Um jedoch auch dann noch ältere Veröffentlichungen, Zeichnungen und Bestellungen bearbeiten zu können, ist die Kenntnis der alten Bezeichnungen oft noch
notwendig. Daher wird in diesem Buch mitunter auf alte und neue Normnummern
verwiesen.
1)
Comité Européen de Normalisation (Europäisches Komitee für Normung)
507
Werkstoffbezeichnungen nach Legierungszusammensetzungen und mech. Kennwerten
9.1 Werkstoffbezeichnungen
9.1.1 Begriff »Aluminium«
Die Bezeichnung »A l u m i n i u m « gilt in der Regel als Oberbegriff für alle Werkstoffe auf Basis Aluminium, d.h. für Reinstaluminium, Reinaluminium- und
Aluminiumlegierungen; die internationale Normung unterscheidet dagegen meist
zwischen unlegierten Metallen und den Metallegierungen.
Die Bezeichnung »L e i c h t m e t a l l « wurde früher ausschließlich für die »leichten«Metalle Aluminium und Magnesium benutzt. Er ist heute ein Sammelname für
Gebrauchsmetalle mit einer Dichte unter 4,5 g/cm3 und schließt Beryllium und Titan
ein.
Neben dem Oberbegriff Aluminium sind noch weitere besondere Bezeichnungen für
eine eindeutige Verständigung erforderlich. Die wichtigsten Begriffe werden nachfolgend erläutert.
9.1.2 Bezeichnung nach Herkunft oder Reinheit
Zur Kennzeichnung der Herkunft und damit der Reinheit sind folgende Bezeichnungen üblich1):
Hüttenaluminium:
in Aluminiumhütten durch Schmelzflusselektrolyse
oder andere Verfahren gewonnenes Aluminium (Primäraluminium) in Form von Masseln, Granalien oder
Grieß
Reinstaluminium:
unmittelbar aus Hüttenaluminium oder aus Rücklaufaluminium nach besonderen Raffinationsverfahren
gewonnenes Aluminium mit einem Reinheitsgrad von
mindestens 99,99% für Masseln und 99,98% für
Halbzeug
Reinaluminium:
nicht legiertes Aluminium mit Reinheitsgraden von 99%
bis 99,9%.
Sekundäraluminium:
in Schmelzwerken (Schmelzhütten) aus Abfällen und
Schrott hergestellte Legierungen, auch als Standardlegierungen2), Blockmetall oder Umschmelzlegierungen
bezeichnet.
1)
s. auch DIN EN 23134: Leichtmetalle und deren Legierungen, Begriffe und Definitionen – T.1:
Werkstoffe: Festgelegt sind die Grundbegriffe und Definitionen für Aluminium, Magnesium und Legierungen auf Basis dieser Metalle. Ferner die Einteilung von Aluminium und Aluminiumlegierungen
sowie werkstoffspezifische Begriffe und Definitionen (Primär-/Sekundärmetall, Reinstaluminium).
2) Der Ausdruck »Standard« (in Standardlegierungen) entspricht nicht dem Begriff »Norm« (Die meisten
Sekundär-Gusslegierungen sind in DIN EN 1706 genormt).
508
Werkstoffbezeichnungen
9.1.3 Bezeichnungen nach Verarbeitung oder Lieferform
9.1.3.1 Knetwerkstoffe
Knetlegierungen werden durch Kneten (Walzen, Strangpressen, Ziehen, Schmieden) zu Halbzeug verarbeitet. Hierzu gehören Reinstaluminium, Reinaluminium und
Aluminiumlegierungen. Die Lieferung erfolgt in Stranggussformaten an Halbzeugwerke, von dort in Halbzeugform an den Weiterverarbeiter.
Nach der neuen EN-Normung EN AW (DIN EN 573) werden sie mit dem
Kennbuchstaben W (Wrought alloys/Knetlegierungen) gekennzeichnet (vgl. Tafeln
9.1 und A2).
Tafel 9.1
Kennbuchstaben zur Bezeichnung von Aluminiumlegierungen in der
EN-Normung
EN A Europäische Norm Aluminium
EN AB
DIN EN 576
Blockmetall
EN AC
DIN EN 1706
Casting alloys/Gusslegierungen
EN AM
DIN EN 575
Master alloys/Vorlegierungen
EN AW
DIN EN 573
Wrought alloys/Knetlegierungen
Knetwerkstoffe erhalten z.T. Vorsatzbuchstaben als Hinweis auf besondere Verwendung. Diese werden durch einen Bindestrich mit dem eigentlichen Kurzzeichen
verbunden. Hierbei bedeuten:
ESLSdLSd-
=
=
=
=
=
Leitwerkstoff für die Elektrotechnik
Schweißzusatzwerkstoff
Lot
Flamm-Spritzdraht,
Lichtbogen-Spritzdraht
Beispiele: E-AlMgSi0,5, S-AlMg5, L-AlSi12, Sd-AlMg3.
(Normung s. Tafel 9.7; Zusammensetzungen s. Tafeln im Anhang)
Bei Leitaluminium, das mit einem Aluminiumgehalt von 99,5% geliefert
wird, fällt die Angabe der Reinheit weg, üblich ist die Angabe E-Al.
9.1.3.2 Gusswerkstoffe
Gusslegierungen werden durch Gießen (Sand-, Kokillen- oder Druckguss) zu
Formgussstücken verarbeitet; die Lieferung erfolgt meist in Form von Masseln.
Gekennzeichnet werden sie nach DIN EN 1706, mit dem Kennbuchstaben C
(Castings/Gussstücke, s. Tafeln 9.1 und A3).
509
Anhang
Tafel A.25f Umrechnung von °F in °C bzw. °C in °F
Tafel A.26 Englische und amerikanische Blech- und Drahtlehren
736
Anhang
Tafel A.27 Prüfsiebreihen für Drahtgewebe und Lochbleche nach verschiedenen
Standards
737
Anhang
Tafel A.27 Prüfsiebreihen für Drahtgewebe und Lochbleche nach verschiedenen
Standards, Fortsetzung
Tafel A.27a Ermittlung flächen- und längenbezogener Massen
738