Anwendungstechnologie Aluminium

Frontmatter

1. Einführung: Bedeutung, Märkte, Rohstoffe

Zusammenfassung

Seit den Anfängen der industriellen Produktion von Aluminium vor wenig mehr als 100 Jahren ist dieser Werkstoff nach Stahl zum wichtigsten Gebrauchsmetall in unserer Industriegesellschaft geworden. In der ersten Hälfte des Jahrhunderts wurde die Bedarfsentwicklung dieses Leichtbauwerkstoffs wesentlich durch die strategische Bedeutung für militärische und zivile Luftfahrtanwendungen bestimmt. Längst ist jedoch dieser Verwendungszweck infolge des rapide gewachsenen Bedarfs der zivilen Investitions- und Konsumgüterindustrie, die heute mehr als 99% der gesamten Aluminiumproduktion aufnimmt, unbedeutend geworden. Bild 1.1.1 illustriert das Wachstum der Aluminiumproduktion in der westlichen Welt in den vergangenen 100 Jahren [1.1].

Friedrich Ostermann

2. Erzeugnisformen für die Aluminiumanwendung

Zusammenfassung

Aluminium wird in einer großen Vielfalt von Erzeugnisformen verarbeitet. Gemessen an der jährlich produzierten Menge überwiegen die Walzprodukte, gefolgt von Preß- und Ziehfabrikaten und Erzeugnissen der Formgießereien, s. Bild 2.1.1. Die Verwendungsgebiete für diese Erzeugnisse sind etwa zu gleichen Teilen die vier Bereiche Verkehr, Verpackung, Bauwesen und „Sonstige“ (Elektro- und Maschinenbauindustrie, Druck- und Haushaltsgeräteindustrie und viele andere Anwendungen bei Investitions- und Konsumgütern). Aufgrund der technischen und wirtschaftlichen Merkmale als Industriewerkstoff wird Aluminium vornehmlich in den hochindustrialisierten Regionen dieser Erde verwendet.

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3. Legierungskonstitution und Wärmebehandlung

Zusammenfassung

Unlegiertes Aluminium in verschiedenen Reinheitsgraden von 99 bis über 99,999% wird für zahlreiche Zwecke verwendet, wie z.B. Gas- und Dampfsperren, Korrosionsschutz, Kühler, Kondensatoren, elektrische Leiter und Beschichtungen elektronischer Bauteile. Diese Anwendungen beruhen auf bestimmten chemischen und physikalischen Eigenschaften des Metalls. Für die konstruktive Verwendung von Aluminium zum Zwecke des Leichtbaus reichen die mechanischen Eigenschaften des reinen Metalls nicht aus und müssen durch verschiedene Methoden verbessert werden. Die Methoden zur Festigkeitssteigerung von Metallen beruhen auf der Behinderung von Versetzungsbewegungen im Kristallgitter, d.h. auf der Erhöhung des Widerstandes gegen plastische Verformung. Zur Disposition stehen Verformungsverfestigung, Kornfeinung, Mischkristallverfestigung und Teilchenverfestigung, s. Bild 3.1.1.

Friedrich Ostermann

4. Physikalische und mechanische Eigenschaften

Zusammenfassung

Das Element Al hat die Atomnummer 13, d.h. es besitzt 13 Elektronen in drei Schalen mit drei Valenzelektronen, s. Bild 4.1.1. Seine Kristallstruktur ist kubisch-flächenzentriert (kfz) wie diejenige von Kupfer, Nickel, Blei, Silber oder Gold. Die kfz-Kristallstruktur besitzt jeweils 4 dichtest gepackte {111} -Ebenen, die für den Gleitvorgang bei der plastischen Verformung maßgebend sind und zusammen mit jeweils 3 {110} -Gleitrichtungen 12 mögliche Gleitsysteme bieten. Bei höheren Temperaturen verformt sich Aluminium unter Beibehaltung derselben Gleitrichtungen zusätzlich auf den {111}-Ebenen.

Friedrich Ostermann

5. Korrosionsverhalten von Aluminium

Zusammenfassung

Die chemische Reaktion metallischer Werkstoffe mit ihrer Umgebung nennt man Korrosion, wenn sie meßbare Veränderungen des Werkstoffs (Korrosionserscheinungen) bewirkt, die zu einer Beeinträchtigung der Funktion des Bauteils (Korrosionsschaden) führen können [5.1]. Im allgemeinen handelt es sich dabei um örtliche oder flächenhafte Auflösung der Metalloberfläche in aggressiven wässrigen Medien, denen das Bauteil ständig oder zeitweise ausgesetzt ist.

Friedrich Ostermann

6. Umformtechnische Grundlagen

bearbeitet auf der Grundlage von [6.1]

Zusammenfassung

Unter dem Begriff Umformung verstehen wir die Formgebung unter Beibehaltung der Masse und unter Nutzung der plastischen Verformbarkeit des Werkstückwerkstoffs. Dabei wird das zu formende Werkstück mit Hilfe einer Umformkraft in die formgebende Kontur eines Werkzeugs gedrückt, gezogen oder gebogen. Der Werkstückwerkstoff wird dabei im allgemeinen mehrachsig beansprucht und zu elastisch/plastischem Fließen gezwungen.

Friedrich Ostermann

7. Walzen von Aluminium

Zusammenfassung

Fast alle gewalzten Flachprodukte müssen durch Trenn-, Umform-, Füge- und Oberflächenbehandlungsverfahren bearbeitet werden, um zu einem gebrauchstauglichen Endprodukt zu gelangen. Die Werkstückeigenschaften werden jedoch maßgeblich durch den Walzprozeß bestimmt. Aus anwendungstechnischer Sicht ist daher ein Grundverständnis für den Walzprozeß und die damit erzeugten verschiedenen Walzhalbzeuge notwendig.

Friedrich Ostermann

8. Strangpressen von Aluminium

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 bestimmt durch

• die Wahl der Legierung,
• die verfügbare Preßkraft und Auslegung der Strangpresse,
• werkzeugtechnische Gesichtspunkte,
• wirtschaftliche Überlegungen.

Friedrich Ostermann

9. Schmieden von Aluminium

Zusammenfassung

Gesenkschmiedeteile aus Aluminiumknetlegierungen werden seit langem in der Luftfahrt, im Fahrzeugbau und in vielen anderen Gebieten des Maschinenbaus verwendet, d.h. vor allem in solchen Anwendungsfällen, 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. Beipiele für derartige Anwendungen finden sich in folgenden Bildern.

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10. Kaltfließpressen von Aluminium

Zusammenfassung

Das Kaltfließpressen von Aluminium und Aluminiumlegierungen ist aus umformtechnischer und ganz besonders aus anwendungstechnischer Sicht eine hochinteressante Fertigungstechnik. Die folgende Darstellung der werkstoffund fertigungstechnischen Grundlagen befaßt sich vorrangig mit der Herstellung technischer Fließpreßteile aus Aluminiumlegierungen für Anwendungen in der Fahrzeug-, Elektro- und Maschinenbautechnik.

Friedrich Ostermann

11. Formgießen von Aluminiumlegierungen

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Für die Herstellung von Aluminiumgußteilen werden zahlreiche unterschiedliche Gießverfahren eingesetzt, die z.T. durch firmenspezifische Varianten noch bereichert werden. Gemeinsames Ziel aller dieser Entwicklungen sind die Verbesserung der Prozeßsicherheit und der Gußteileigenschaften und die Erweiterung der Einsatzbereiche unter Berücksichtigung der Mindestseriengröße und der Herstellkosten. „Rapid Prototyping“ — also die schnelle serienausführungsähnliche Herstellung von Einzelstücken — ist eine weitere Motivation für die Entwicklung der Gießverfahren.

Friedrich Ostermann

12. Aluminiumblechumformung

Zusammenfassung

Die Blechumformung unterscheidet sich von der Massivumformung dadurch, daß ausgehend von einem gewalzten Flachprodukt ein dreidimensionales Bauteil entsteht, dessen Wanddicke weitgehend gleich ist. Dabei handelt es sich keineswegs um eine „einfache“ Formgebung im Sinne der werkstofflichen Beanspruchung, obwohl die Umformgrade meistens geringer sind als bei der Massivumformung. Die folgenden Beispiele aus dem Verpackungssektor und dem Karosseriebausektor mögen dies belegen.

Friedrich Ostermann

13. Sondergebiete der Umformtechnik des Aluminiums

Zusammenfassung

Zu den spanlos formgebenden Verfahren, die speziell für die Verarbeitung von Aluminium und seinen Legierungen Bedeutung haben, sind solche Verfahren zu zählen, die einerseits aufgrund der herrschenden Spannungszustände und andererseits durch die speziellen Umformbedingungen besonders hohe Umformgrade ermöglichen. Hierzu gehören als Sonderverfahren der Blechumformung die Halbwarmumformung und die superplastische Umformung. Von besonderem Interesse für Aluminium sind aber auch solche Verfahren, die es erlauben, ausgehend von stranggepreßten Vorprodukten, d.h. von Rohren, Stangen, Profilen, Formgebungen quer zur Strangachse vorzunehmen. Ein solches Verfahren ist das Innenhochdruckumformen (IHU).

Friedrich Ostermann

14. Spanende Formgebung von Aluminium

Zusammenfassung

Die spanenden Fertigungsverfahren gehören nach der DIN 8580 zur Fertigungsverfahrensgruppe Trennen. Die Hauptgruppe Trennen gliedert sich in 7 Untergruppen, von denen Spanen mit geometrisch bestimmten Schneiden (Drehen, Fräsen, Bohren, Räumen, Sägen ...), Spanen mit geometrisch unbestimmten Schneiden (Schleifen, Honen), Abtragen (Erodieren, Lasertrennen, elektrochemisches und chemisches Abtragen) und Zerlegen (Scheren und Schneiden) in der Aluminiumbearbeitung besonders wichtig sind. Wegen der guten Zerspanbarkeit des Aluminiums hat die spanende Formgebung mit geometrisch bestimmten Schneiden für Dreh- und Frästeile, für die Endbearbeitung von Guß- und Knetformteilen und für den Formen- und Werkzeugbau eine herausragende industrielle Bedeutung. Aus diesem Grunde wird diese Fertigungstechnik im folgenden eingehender behandelt.

Friedrich Ostermann

15. Schweißen von Aluminiumwerkstoffen

bearbeitet auf der Grundlage von [15.1–15.4]

Zusammenfassung

Das schmelzflüssige Verbinden von Aluminiumbauteilen mit Hilfe der verschiedenen Verfahren der Schutzgasschweißtechnik gehört zu den Schlüsseltechnologien der Fertigungstechnik. Erst die Entwicklung der mechanisierten Schutzgasschweißtechnik für Aluminium hat in Verbindung mit der Strangpreßprofilbauweise den Durchbruch der modernen Aluminiumleichtbauweise von Nahverkehrs- und Hochgeschwindigkeits-Schienenfahrzeugen möglich gemacht. Ähnliche Bedeutung hat die Aluminiumschweißtechnik für den Leichtbau schneller Katamaranschiffe, für den Pkw-Bau, für die Offshore-Technik und künftig auch im Bereich des Flugzeugbaus.

Friedrich Ostermann

16. Widerstandsschweißen von Aluminiumwerkstoffen

bearbeitet auf der Grundlage von [16.1, 16.2]

Zusammenfassung

Das Widerstandsschweißen gehört zu den stoffschlüssigen Verbindungsverfahren, bei denen der Stoffschluß an den Verbindungsstellen durch einen örtlichen Schmelz- und Erstarrungsvorgang erzeugt wird. Zu den bei Aluminium und seinen Legierungen praktizierten Widerstandsschweißverfahren zählen Punktschweißen, Buckelschweißen, Rollennahtschweißen und Abbrennstumpfschweißen. Nachfolgend wird auf das am häufigsten eingesetzte Punktschweißen sowie auf das artverwandte Buckelschweißen ausführlich eingegangen.

Friedrich Ostermann

17. Mechanisches Fügen von Aluminium

Zusammenfassung

Mechanisches Fügen von Bauteilen gehört sicherlich zu den ältesten Verbindungstechniken in der handwerklichen und industriellen Fertigungstechnik. In den vergangenen 20 Jahren haben allerdings eben diese Fügetechniken eine erstaunliche Entwicklung durchgemacht. Sie wurden zunehmend interessant dadurch, daß die thermischen, stoffschlüssigen Fügeverfahren (Lichtbogen-schweißen, Widerstandsschweißen, Löten, Kleben) bezüglich der hohen Ansprüche an Wirtschaftlichkeit und Prozeßsicherheit bei neuen Werkstoffen in der Großserienfertigung Probleme bereiteten und beschichtete Materialien sowie Mischmetallverbindungen an Interesse gewannen. Auch stellte sich heraus, daß mechanische Verbindungen häufig bezüglich der Schwingfestigkeitseigenschaften den stoffschlüssigen Verbindungen überlegen sind, selbst wenn die statischen Festigkeitseigenschaften geringer sind. Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der mechanischen Fügetechnik haben das Angebot an Verfahren und Verfahrensvarianten erheblich verbreitert und die Prozeßtechnik soweit verfeinert, daß eine Reihe von mechanischen Fügemethoden als prozeßsichere Fertigungstechnik einen festen Platz in der mechanisierten Großserienfertigung, aber auch in der handwerklichen Einzel- bzw. Kleinserienfertigung erobern konnte.

Friedrich Ostermann

18. Sonderverfahren der Aluminiumfügetechnik

Zusammenfassung

Reibschweißen ist ein Fügeverfahren, mit dem eine stoffschlüssige Verbindung im festen Zustand hergestellt werden kann. Reibschweißverbindungen entstehen durch Reibwärme und Anpreßdruck eines rotierenden Fügeteils gegen ein feststehendes Teil. Reibschweißen eignet sich daher vorzugsweise für solche Bauteile, bei denen mindestens ein Fügepartner eine massive oder hohle zylindrische Form hat. Hierzu zählen rohrförmige Komponenten, wie beispielsweise Gelenkwellen, bei denen der Rohrkörper mit entsprechenden, geschmiedeten oder fließgepreßten Gelenken verschweißt wird.

Friedrich Ostermann

19. Oberflächenbehandlung

Zusammenfassung

Unter dem Begriff Oberflächenbehandlung faßt man allgemein Techniken und Verfahren zur Reinigung und zur Veränderung der mechanischen, chemischen und physikalischen Oberflächeneigenschaften des Grundwerkstoffs gegenüber dem Herstellungszustand (Halbzeug, Guß) zusammen. Es gibt drei Beweggründe für Oberflächenbehandlungen von Aluminium:

1.

Dekorative Ansprüche, verringerter Wartungs- und Pflegeaufwand und Korrosionsschutz in kritischen Anwendungsbereichen sind überwiegend die Gründe für eine Oberflächenbehandlung von Aluminiumbauteilen in der industriellen Verarbeitung, obwohl in vielen Anwendungsbereichen Halbzeug- und Formgußprodukte aus Aluminium und bestimmten Aluminiumlegierungen wegen der Schutzwirkung der natürlichen Oxidschicht ohne einen zusätzlichen Oberflächenschutz verwendet werden können, s. a. Kap. 5, Tabelle 5.4.2.

 

2.

Die stoffschlüssigen Verbindungstechniken (z.B. Schmelzschweißen, Widerstandspunktschweißen, Löten, Kleben, Diffusionsschweißen) erfordern in der Regel eine reinigende Vorbehandlung der Verbindungszonen sowie eine Beseitigung der Oxidschicht im Anlieferungszustand. Örtliche Nachbehandlungen der Fügestellen (z.B. Schleifen zur Entfernung der Nahtüberhöhung von Schmelzschweißnähten oder von Schweißspritzern) verändern ebenfalls die Oberflächeneigenschaften in den betroffenen Bereichen und sind daher auch zu den Oberflächenbehandlungen zu zählen.

 

3.

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.

 

Friedrich Ostermann

20. Einführung in das Konstruieren mit Aluminium

Zusammenfassung

Ziel dieses Kapitels ist es, dem Konstrukteur und Fertigungsingenieur Hinweise auf die Besonderheiten des Aluminiums zu geben, die bei der Gestaltung und Auslegung einer Leichtbaukonstruktion berücksichtigt werden sollten. Dabei werden Kenntnisse 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 wirklichen Aluminiumkonstruktion.

Friedrich Ostermann

21. Aluminiumpulvermetallurgie

Zusammenfassung

Die Pulvermetallurgie bietet eine Chance, durch neuartige Legierungen die Anwendungsgrenzen von schmelzmetallurgischen Aluminiumlegierungen entscheidend zu verändern und in neue Anwendungsgebiete vorzustoßen. Diese Feststellung gilt insbesondere für solche Einsatzfälle, die bei geringem Gewicht hohe Forderungen an Temperaturbeständigkeit, Warmfestigkeit und Verschleiß stellen. Im Vordergrund des Interesses steht deshalb sicherlich die Motorentechnik; sie könnte der weiteren Entwicklung der Pulvermetallurgie in Zukunft die notwendigen Impulse geben.

Friedrich Ostermann

22. Aluminiummatrix-Verbundwerkstoffe

Zusammenfassung

Die Entwicklung von Metall-Matrix-Verbundwerkstoffen (engl.: metal matrix composites — MMC) beschäftigt die Metallurgen seit vielen Jahrzehnten. Das Ziel ist die Veränderung von Gebrauchseigenschaften über die Grenzen hinaus, die durch die Schmelz- und Pulvermetallurgie gesetzt sind, indem durch stoffschlüssige Verbindung von eingelagerten Fremdstoffen bestimmte Eigenschaften auf den Grundwerkstoff — die Matrix — übertragen werden. Die Faserverbundwerkstoffe standen zunächst im Vordergrund der Entwicklungen. Gegenüber der Festigkeit monolithischer Metalle beruht die wesentlich höhere Festigkeit von Fasern darauf, daß die defektfreie Länge des Kristallgitters mit abnehmendem Querschnitt wesentlich größer wird. Diese Beobachtung ist das sogenannte „Faserparadoxon“ von Griffith aus dem Jahre 1920 [22.1]. Durch Einbetten solcher Fasern in die Metall- (oder auch Kunststoff-) Matrix kann man die Festigkeit des Verbundes deutlich erhöhen, wenn die Übertragbarkeit der Schubspannungen von der Faser auf die Matrix durch eine ausreichende Bindung zwischen beiden gewährleistet ist.

Friedrich Ostermann

23. Ökologische Betrachtungen

Zusammenfassung

Es ist ein Wesensmerkmal von Industriewerkstoffen, daß sie durch eine Serie von Prozeßstufen aus minderwertigen Roh- oder Vorstoffen gewonnen und zu höherwertigen Gebrauchswerkstoffen verarbeitet werden. Die natürlich existierenden Ressourcen dieser Rohstoffe sind begrenzt, sie wachsen nicht nach. Der Abbau der Lagerstätten und der notwendige Transport greifen in die natürliche Umwelt ein, und die Gewinnungsprozesse emittieren flüchtige, wasserlösliche und feste Reststoffe und Abfälle, deren Weiterverwendung und Weiterverwertung unter heutigen Kostengesichtspunkten meistens nicht wirtschaftlich sind. Auch die für den industriellen Gewinnungsprozeß erforderliche Energie ist ein wichtiges Kriterium bei der Abwägung zwischen Nutzen-, Ressourcen- und Umweltfaktoren. Diese Gesichtspunkte gelten insbesondere dann, wenn es sich beim betrachteten Werkstoff um ein mengenmäßig wichtiges Gebrauchsmaterial handelt, dessen Produktion, Verarbeitung und Entsorgung Auswirkungen haben können, die für die Umwelt nicht mehr nur lokales, sondern globales Ausmaß haben.

Friedrich Ostermann

24. Fallbeispiel Schienenfahrzeugbau

Zusammenfassung

Als in den zwanziger und dreißiger Jahren die Stahl-Holz-Bauweise durch die Blech-Gerippebauweise abgelöst wurde, wurde neben Stahl bereits Aluminium als Beplankungsblech eingesetzt. Beispiele für die Blech-Gerippe-Bauweise in Stahl und Aluminium enthält Bild 24.1.1.

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25. Fallbeispiel Automobilbau

Zusammenfassung

Unter den mengenmäßig bedeutenden Absatzmärkten für Aluminiumwerkstoffe gilt der Automobilsektor als derjenige mit dem größten Entwicklungspotential. Jahrzehntelang war der Einsatz von Aluminium im Automobil weitgehend beschränkt auf Formgußanwendungen im Motor- und Aggregatebereich sowie bei den Rädern. Zwei Drittel der gesamten Aluminiumgießereiproduktion wurden und werden in diesen Markt geliefert. Diese Tatsachen belegen die statistischen Zahlen in Bild 25.1.1. Der Automobilsektor ist damit der wichtigste Auftraggeber für die gesamte Aluminiumgießereiindustrie. Dagegen waren Knethalbzeuganwendungen im Automobil mit nur ca. 5% der Gesamtproduktion mengenmäßig von untergeordneter Bedeutung. Der Grund für den bevorzugten Einsatz von Formguß liegt in der Wirtschaftlichkeit der Formgußverfahren, wobei insbesondere der traditionelle Druckguß im Vordergrund steht. Im Durchschnitt enthält heute ein PKW ca. 60 bis 65 kg Aluminium, wovon ca. 85% Formgußanwendungen sind.

Friedrich Ostermann

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