Anwendungstechnologie Aluminium

Frontmatter

1. Einführung

Zusammenfassung

Aluminiumanwendungen findet man auf fast allen Gebieten der Wirtschaft und des modernen Lebens. Sie reichen von der Architektur über Verkehr, Maschinenbau, Elektrotechnik und Verpackung bis hin zu Freizeit und Sport, Unterhaltung und Kommunikation, Kunst und Kultur. Auf den meisten dieser Anwendungsgebiete steht Aluminium in direktem Wettbewerb mit anderen Werkstoffen und muss sich gegenüber technischen und wirtschaftlichen Herausforderungen dieser Konkurrenten behaupten. Gesicherter Erfolg wird nur beschert, wenn ein Anwendernutzen deutlich erkennbar ist. Neben ästhetischen Gründen, Langlebigkeit, Servicefreundlichkeit und wirkungsvoller Recyclingfähigkeit wird der Anwendernutzen vorrangig an der Wirtschaftlichkeit und Zuverlässigkeit der Produkte gemessen. Die Herausforderung besteht deshalb darin, trotz eines gegenüber anderen Werkstoffen höheren Materialpreises zu wettbewerbsfähigen Lösungen zu kommen.

Friedrich Ostermann

2. Märkte und Anwendungen

Zusammenfassung

Analysiert man den Werkstoffbedarf in den verschiedenen heimischen und europäischen Märkten, fällt auf, dass im Transport- und Verkehrssektor, im Bauwesen sowie im Maschinenbau ein hoher Anteil des Aluminiumeinsatzes auf konstruktive, strukturelle Anwendungen entfällt mit entsprechenden hohen Anforderungen an Tragfähigkeit, Sicherheit und Langlebigkeit. Hier sind in besonderem Maße Kenntnisse der Aluminium-Anwendungstechnologie gefordert.

Friedrich Ostermann

3. Legierungsaufbau, Wärmebehandlung, Normen

Zusammenfassung

Das Gefüge eines Werkstoffs besteht aus Elementen, deren Ausdehnungen im Nanometer- (nm) und Mikrometerbereich (µm) liegen und sich somit weitgehend einer äußerlichen, visuellen Beurteilung entziehen. Erst lichtmikroskopische, elektronenmikroskopische und röntgenographische Methoden in Verbindung mit entsprechenden Präparationstechniken bringen die Gefügebausteine zum Vorschein, die für die Verarbeitungs- und Gebrauchseigenschaften des Werkstoffs verantwortlich sind.

Friedrich Ostermann

4. Physikalische Eigenschaften

Zusammenfassung

Die physikalischen Eigenschaften des Aluminiums sind neben der schützenden Oxidschicht die eigentliche Grundlage seiner ungewöhnlich vielfältigen Verwendbarkeit. Wenn aus der Sicht des Konstrukteurs vor allem die geringe Dichte des Werkstoffs heraussteht, so sind – häufig unbewusst – verschiedene weitere physikalische Eigenschaften maßgebend an der Produktqualität oder Funktionsweise beteiligt.

Friedrich Ostermann

5. Korrosion

Zusammenfassung

Wegen der hohen Sauerstoffaffinität bildet sich auf der Aluminiumoberfläche in normaler Luftumgebung spontan eine dichte Oxidschicht, die eine elektrochemische Passivierung und damit einen wirksamen, natürlichen Korrosionsschutz darstellt. Die Auflösung der Schutzschichten durch aggressive Säuren und Basen oder durch elektrochemische Prozesse kann jedoch zu Korrosionsschäden führen. Die Vermeidung solcher Werkstoffschädigung hat neuerdings infolge zunehmender Werkstoffbeanspruchung durch gesteigerte Leichtbauanforderungen besondere Wichtigkeit gewonnen.

Friedrich Ostermann

6. Mechanische Eigenschaften

Zusammenfassung

In Zusammenarbeit mit Dr.-Ing. Johann Georg Blauel, ehem. Fraunhofer Institut für Werkstoffmechanik, Freiburg.

Bei der Wahl der Legierung und der Halbzeugart für den jeweiligen Anwendungsfall sind neben der Beurteilung der Verarbeitungseigenschaften, wie Verformbarkeit, Schweißbarkeit und Zerspanbarkeit, sowie des Korrosionsverhaltens unter den beabsichtigten Einsatzbedingungen vor allem die Kenntnis der Festigkeits- und Duktilitätseigenschaften von Bedeutung. Die letzteren beiden Eigenschaften bestimmen sowohl die Auslegung des Bauteils als auch das Umformverhalten und das Verhalten unter Missbrauch und Crash.

Friedrich Ostermann

7. Gießverfahren

Zusammenfassung

Der Weg von der Schmelze zum Knetmaterial oder Formgussteil basiert auf grundlegend verschiedenen Gießmethoden. Vormaterial für das Walzen, Strangpressen oder Schmieden wird heute überwiegend mit dem halbkontinuierlichen „Wasserguss“-Stranggießverfahren hergestellt. Für die Herstellung von Kaltwalzband und Drahtvormaterial werden zudem kontinuierlich arbeitende Bandgießanlagen verwendet. Aluminiumformgussteile werden dagegen mit zahlreichen unterschiedlichen Gießverfahren hergestellt, die z. T. durch firmenspezifische Varianten noch bereichert werden. Die mit diesen Verfahren herstellbaren Legierungen unterliegen z. T. verfahrensbedingten Einschränkungen. Die Formgießverfahren unterscheiden sich darüber hinaus in Bezug auf Gestaltungsfreiheit, Mindestwanddicke, Gefügequalität, Serientauglichkeit und Wirtschaftlichkeit. Im Folgenden werden die wichtigsten Gießverfahren kurz erläutert und mit einem Verfahrensvergleich abgeschlossen.

Friedrich Ostermann

8. Walzen

Zusammenfassung

Fast alle gewalzten Flachprodukte müssen durch Trenn-, Umform-, Füge- und Oberflächenbehandlungsverfahren bearbeitet werden, um zu einem gebrauchstauglichen Endprodukt zu werden. Dabei spielen die Werkstoffeigenschaften eine herausragende Rolle, die jedoch maßgeblich durch den Walzprozess bestimmt werden. Aus anwendungstechnischer Sicht ist daher ein Grundverständnis für die Walzprozesse notwendig.

Friedrich Ostermann

9. Strangpressen

Zusammenfassung

Neben dem Formgießen ist das Strangpressen das wirtschaftlichste Formgebungsverfahren für Aluminium. Kein anderer Konstruktionswerkstoff kann durch Strangpressen so günstig und in so komplexe Querschnittsformen geformt werden wie Aluminium und seine Legierungen. Die Gestaltungsgrenzen werden jedoch beeinflusst durch

Friedrich Ostermann

10. Schmieden von Aluminium

Zusammenfassung

Gesenkschmiedeteile aus Aluminiumknetlegierungen werden in der Luftfahrt, im Fahrzeugbau und in vielen anderen Gebieten des Maschinenbaus vor allem in solchen Anwendungsfällen verwendet, bei denen ein Höchstmaß an Sicherheit gegen Versagen durch Missbrauch, durch Stoßbelastung und durch schwingende Beanspruchung gewährleistet sein muss. Im Automobilsektor zählen hierzu Fahrwerksteile – wie Räder, Querlenker, Längslenker, Achslager und Naben-, Lenkungs- und Bremsteile. Die hohe Bauteilintegrität wird beim Gesenkschmieden dadurch erzielt, dass durch den Materialfluss im Gesenk ein dichtes Fasergefüge entsteht, das bei richtiger Auslegung des Schmiedeteils, des Gesenks und des Schmiedeprozesses höchste mechanische Eigenschaften in Richtung der Hauptbeanspruchungen besitzt. Festigkeit, Bruchdehnung, Zähigkeit und Schwingfestigkeit sind bei Beanspruchung in der Faserrichtung am höchsten.

Friedrich Ostermann

11. Kaltfließpressen von Aluminium

Zusammenfassung

Das Kaltfließpressen von Aluminium und Aluminiumlegierungen ist aus umformtechnischer und aus anwendungstechnischer Sicht eine hochinteressante Fertigungstechnik mit drei wesentlichen Merkmalen; 1) die große Formenvielfalt, 2) die nahezu endkonturgenaue Fertigung von Funktionsflächen und 3) das hohe Ausbringungsverhältnis (häufig mehr als 85 %) von Einsatzgewicht zu Fertigteilgewicht. Obwohl die Mehrheit der Produktion den Bereich Tuben und Dosen bedient, sind besonders die Herstellmöglichkeiten technischer Fließpressteile für Anwendungen in der Fahrzeug-, Elektro- und Maschinenbautechnik interessant.

Friedrich Ostermann

12. Blechumformung

Zusammenfassung

Im Unterschied zur Massivumformung hat die Blechumformung zum Ziel, aus einem Flachprodukt ein räumliches Gebilde herzustellen, ohne die Blechdicke wesentlich zu verändern. Die Formänderung findet daher primär in der Blechebene unter ebenem Spannungszustand statt.

Friedrich Ostermann

13. Sondergebiete der Umformtechnik

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Als Sondergebiete der Weiterverarbeitung von Aluminium und seinen Legierungen werden im Folgenden einerseits die Bearbeitung von Profilen und Rohren zu räumlich geformten Bauteilen und andererseits solche Verfahren behandelt, die durch die speziellen Umformbedingungen besonders hohe Umformgrade ermöglichen. Hierzu gehören die Halbwarmumformung und die superplastische Umformung. Die unter der Bezeichnung „Severe Plastic Deformation – SPD“ in jüngster Zeit bekannt gewordenen Prozesse eröffnen zwar ein Potential an neuartigen Gefügedimensionen, s. Abschn. 3.1.3, sind aber für praktische Anwendungen noch nicht genügend entwickelt und daher nicht Gegenstand der folgenden Betrachtungen.

Friedrich Ostermann

14. Spanende Formgebung von Aluminium

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Aluminiumwerkstoffe haben eine ausgezeichnete Zerspanbarkeit:

• vergleichsweise geringe Schnittkräfte (400–700 N/mm² im Vergleich zu 1500–2500 N/mm² für Stahlwerkstoffe),
• hohe Werkzeugstandzeiten,
• hohe Produktivität durch hohe Schnittgeschwindigkeiten.

Die Entwicklung der Hochgeschwindigkeitszerspanung (HSC, HPC, HSM)¹ hat gerade für die Aluminiumbearbeitung eine große wirtschaftliche Bedeutung erlangt, z. B. im Flugzeugbau, im Formen- und Werkzeugbau, in der Bearbeitung von Formgussteilen im Motoren- und Getriebebau sowie im Maschinenbau. Beispiele s. Abb. 2.40, 2.46, und 14.1. Im Folgenden werden die Besonderheiten bei der Zerspanung von Knet- und Gusswerkstoffen betrachtet, die für die spanende Formgebung zu berücksichtigen sind.

Friedrich Ostermann

15. Oberflächenbehandlungen

Zusammenfassung

Der Begriff Oberflächenbehandlung umfasst Techniken und Verfahren zur Reinigung und zur Veränderung der mechanischen, chemischen und physikalischen Oberflächeneigenschaften des Grundwerkstoffs von Bauteilen und Konstruktionen. Durch gezielte Veränderungen der Oberflächeneigenschaften kann das Anwendungsspektrum erheblich erweitert werden. Auch werden die Betriebssicherheit und Lebensdauer von tragenden Bauteilen durch Oberflächenbehandlungen verbessert, wenn Verschleiß und Ermüdung als Versagensursachen eine Rolle spielen können. Eine detaillierte Darstellung dieses umfangreichen Themenbereichs würde den Umfang dieses Buches sprengen. Sinn dieses Kapitels ist daher eher, eine knappe, übersichtliche Einführung in die Möglichkeiten der Oberflächenveränderung aus anwendungstechnischer Sicht zu geben. Für eine detailliertere Behandlung einzelner Aspekte wird deshalb auf einschlägige Fachliteratur verwiesen.

Friedrich Ostermann

16. Schmelzschweißen

Zusammenfassung

Das Schmelzschweißen von Aluminiumbauteilen gehört zu den Schlüsseltechnologien der Fertigungstechnik. Der Einsatz des Lichtbogenschweißens von Aluminium unter Schutzgas begann in Deutschland vor sechzig Jahren und hat heute das ältere Gasschmelzschweißen in der industriellen Fertigung aus Qualitäts- und Produktivitätsgründen vollständig verdrängt. Die Entwicklung der mechanisierten Lichtbogenschweißtechnik für Aluminium hat in Verbindung mit der Strangpressprofilbauweise den Durchbruch der modernen Aluminiumleichtbauweise bei Nahverkehrs- und Hochgeschwindigkeits-Schienenfahrzeugen möglich gemacht. Die gleiche große Bedeutung hat die Aluminiumschweißtechnik aktuell für den Leichtbau von Personenkraftwagen, Nutzfahrzeugen und schnellen Katamaranschiffen, sowie für die Offshore-Technik erlangt und wird künftig auch im Flugzeugbau eingesetzt. Insbesondere der in den vergangenen Jahrzehnten erheblich gewachsene Einsatz von Aluminium in Strukturkomponenten des früher stahldominierten PKW-Baus hat der Entwicklung der Aluminiumschweißtechnik entscheidende Impulse gegeben. Die dadurch ausgelöste Weiterentwicklung der Schutzgas-Lichtbogenschweißverfahren, Laserstrahl- und Elektronenstrahlverfahren sowie die Kombination von verschiedenartigen Schweißverfahren zu Hybridverfahren haben in neuerer Zeit die Einsatzbereiche, Verbindungsqualität und Wirtschaftlichkeit des Schmelzschweißens von Aluminiumknet- und Gusslegierungen erweitert und verbessert.

Friedrich Ostermann

17. Widerstandsschweißen

Zusammenfassung

Das Widerstandsschweißen gehört zu den stoffschlüssigen Fügeverfahren, bei denen der Stoffschluss an den Verbindungsstellen durch einen örtlichen Schmelz- und Erstarrungsvorgang unter Krafteinfluss erzeugt wird. Das Widerstandsschweißen wird daher den Pressverbindungsschweißverfahren zugeordnet. Zu den bei Aluminium und seinen Legierungen praktizierten Widerstandsschweißverfahren zählen Punktschweißen, Buckelschweißen, Rollennahtschweißen, Pressstumpf- und Abbrennstumpfschweißen. Von den Widerstandsschweißverfahren ist das Punktschweißen das für die Blechverarbeitung wichtigste Verfahren und steht im Mittelpunkt der folgenden Betrachtungen. Seine Bedeutung im Karosseriebau war durch einen verstärkten Einsatz der mechanischen Fügetechnik in der Vergangenheit zurückgegangen, insbesondere wegen unzureichender Elektrodenstandmengen. Neuere Entwicklungen (Stromquellen, Steuerungen, Elektrodenbearbeitungsgeräte) werden aber zukünftig dem Punktschweißen von Al-Legierungen wieder eine größere Bedeutung verschaffen.

Friedrich Ostermann

18. Mechanisches Fügen

Zusammenfassung

Die mechanischen Fügetechniken – besonders in Symbiose mit der Klebtechnik – haben für den Aluminiumleichtbau von Automobilen eine große Bedeutung erlangt und das traditionelle Punkt- und Schmelzschweißen weitgehend ersetzt. Mechanische Fügeverfahren eignen sich auch besonders für Mischbauweisen. Die nachfolgende Darstellung gibt eine knappe Übersicht über den Stand der Technik mit einem Ausblick auf laufende Entwicklungen.

Friedrich Ostermann

19. Sonderverfahren der Fügetechnik

Zusammenfassung

Außer den für strukturelle Verbindungsaufgaben wichtigen Schmelz- und Widerstandsschweißverfahren, der mechanischen Fügetechnik – vielfach kombiniert mit der Klebtechnik – wird nachfolgend eine Reihe von Verfahren beschrieben, die für den Werkstoff Aluminium Bedeutung erlangt haben, auch z. T. Im Hinblick auf werkstoffliche Mischbauweisen:

Friedrich Ostermann

20. Konstruieren mit Aluminium (Einführung)

Zusammenfassung

Nachfolgend werden einige Hinweise auf die Besonderheiten des Aluminiums gegeben, die bei der Gestaltung und beim Auslegen einer Leichtbaukonstruktion berücksichtigt werden sollten. Dabei wird die Beherrschung der allgemeinen Instrumentarien der Konstruktion und Berechnung im Maschinenbau bzw. im konstruktiven Ingenieurbau (Stahlbau) vorausgesetzt. Diese Instrumentarien beruhen jedoch weitgehend auf den Erfahrungen mit Stahlwerkstoffen und deshalb führt ihre Anwendung ohne die Berücksichtigung der speziellen Besonderheiten des Aluminiums eher zu einer Stahlkonstruktion aus Aluminium als zu einer eigenständigen Aluminiumkonstruktion.

Friedrich Ostermann

21. Sonderwerkstoffe

Zusammenfassung

Die nachfolgend betrachteten Sonderwerkstoffe sind in ihrer wirtschaftlichen Bedeutung heute noch nicht mit den Knet- und Gusswerkstoffen zu vergleichen. Sie werden hier mit einführenden Informationen behandelt, um werkstoffliche Perspektiven aufzuzeigen, die Aluminium auch für besondere Herausforderungen – höhere Festigkeiten, höchste Warmfestigkeiten, geringeres Gewicht und verbesserte Aufprallenergieabsorption – geeignet erscheinen lassen und die unter Umständen sogar eine wirtschaftlichere Leichtbaulösung ermöglichen.

Friedrich Ostermann

22. Gewinnung, Recycling, Ökologie

Zusammenfassung

In diesem Kapitel werden die wichtigsten Fakten zu den Ressourcen der Rohstoffe für die Aluminiumerzeugung, zum Prozess der Primäraluminiumgewinnung, zum Materialkreislauf zusammengestellt und mit einer Betrachtung der ökologischen Faktenlage abgeschlossen.

Friedrich Ostermann

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