Aluminium nimmt bei der Auswahl von Konstruktionswerkstoffen eine Stellung ein, mit der nur sehr wenige Metalle mithalten können. Seine Kombination aus geringer Dichte, guten mechanischen Eigenschaften, natürlicher Korrosionsbeständigkeit sowie hoher thermischer und elektrischer Leitfähigkeit macht es in einer Vielzahl von Branchen und Anwendungsbereichen äußerst vielseitig einsetzbar – von Konstruktionen in der Luft- und Raumfahrt über Karosserieteile im Automobilbau bis hin zu Wärmetauschern, elektrischen Leitern und Anlagen für die Lebensmittelverarbeitung. Ein detailliertes Verständnis der Eigenschaften von Aluminium ist die Grundlage dafür, es sinnvoll einzusetzen und zu wissen, wo seine Grenzen liegen.
Die unmittelbar nützlichste Eigenschaft von Aluminium ist seine geringe Dichte. Mit etwa einem Drittel der Dichte von Stahl oder Kupfer gehört es zu den leichtesten handelsüblichen Konstruktionsmetallen. Dies macht es zur ersten Wahl bei allen Anwendungen, bei denen die Minimierung des Gewichts ein vorrangiges Konstruktionsziel ist: Flugzeugstrukturen, Fahrzeugkarosserien, tragbare Geräte und Dachsysteme mit großen Spannweiten nutzen alle diese Eigenschaft.
Eine geringe Dichte allein macht Aluminium jedoch noch nicht zu einem brauchbaren Konstruktionswerkstoff. Was Aluminium gegenüber schwereren Metallen wirklich wettbewerbsfähig macht, ist sein Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht. Reines Aluminium weist zwar nur eine mäßige Zugfestigkeit auf, doch durch die Zugabe von Legierungselementen ändert sich dies erheblich. Mangan, Silizium, Kupfer und Magnesium ergeben in verschiedenen Kombinationen Legierungsfamilien, deren Festigkeit durch die Zusammensetzung und die Wärmebehandlung auf bestimmte Anwendungen zugeschnitten werden kann. Hochfeste Aluminiumlegierungen, die in der Luft- und Raumfahrt zum Einsatz kommen, erreichen Zugfestigkeiten, die mit denen vieler Baustähle vergleichbar sind, bei einem Gewicht von weniger als der Hälfte.
Eine der praktisch wichtigsten Eigenschaften von Aluminium ist seine natürliche Korrosionsbeständigkeit. Wenn Aluminium der Luft ausgesetzt wird, bildet sich fast augenblicklich eine dünne, stabile Oxidschicht auf der Oberfläche. Diese Schicht haftet fest am darunterliegenden Metall und ist selbstheilend: Wird die Oberfläche zerkratzt oder beschädigt, bildet sich das Oxid bei Kontakt mit Sauerstoff sofort wieder neu. Das Ergebnis ist ein Werkstoff, der in atmosphärischen Umgebungen, in Süßwasser und in einer Vielzahl chemischer Medien gute Eigenschaften aufweist, ohne dass Schutzbeschichtungen erforderlich sind.
Aluminium ist gegenüber den meisten Säuren beständig, gegenüber Laugen jedoch weniger beständig; dies sollte bei der Auswahl für chemische Verarbeitungsumgebungen berücksichtigt werden. Wo ein erhöhter Oberflächenschutz erforderlich ist, verdickt das Eloxieren die Oxidschicht erheblich und kann zudem dekorativen Zwecken dienen. Die natürliche Korrosionsbeständigkeit von Aluminium in Verbindung mit seiner Ungiftigkeit ist der Grund dafür, dass es in der Lebensmittelverarbeitung, bei Verpackungen, Kochgeräten und Küchenutensilien so weit verbreitet ist.
Die Wärmeleitfähigkeit von Aluminium ist etwa dreimal so hoch wie die von Stahl, was es zu einem wichtigen Werkstoff macht, wo immer eine effiziente Wärmeübertragung erforderlich ist. Wärmetauscher, Kfz-Kühler, Kühlsysteme für Elektronik sowie Kochgeschirr nutzen diese Eigenschaft direkt. In Anwendungen, bei denen die Steuerung des Wärmeflusses ebenso entscheidend ist wie die Aufnahme von strukturellen Belastungen, bietet Aluminium häufig die effizienteste Lösung sowohl hinsichtlich der thermischen Leistung als auch des Gewichts.
Aluminium verfügt über eine ausreichend hohe elektrische Leitfähigkeit, um als praktischer elektrischer Leiter eingesetzt zu werden, wodurch es neben Kupfer eines von nur zwei im Handel erhältlichen Metallen ist, die routinemäßig für diesen Zweck verwendet werden. Zwar ist seine Leitfähigkeit bezogen auf das Volumen geringer als die von Kupfer, doch ist sie bezogen auf das Gewicht deutlich höher. Aus diesem Grund ist Aluminium das bevorzugte Leitermaterial für Hochspannungs-Freileitungen, bei denen es darauf ankommt, das Kabelgewicht so gering wie möglich zu halten. Der Kostenvorteil gegenüber Kupfer ist zudem ein wesentlicher Faktor bei der groß angelegten Strominfrastruktur.
Aluminiumlegierungen weisen im Allgemeinen eine gute Bruchzähigkeit auf, was bedeutet, dass sie Energie absorbieren und der Rissausbreitung unter Belastungsbedingungen widerstehen können, die bei weniger duktilen Werkstoffen zu einem spröden Bruch führen würden. In Verbindung mit einer guten Formbarkeit eignet sich Aluminium daher gut für die Fertigung durch Walzen, Strangpressen, Ziehen, Schmieden und Gießen. Die Leichtigkeit, mit der Aluminium zu komplexen Profilen extrudiert werden kann, wird insbesondere in architektonischen und bautechnischen Anwendungen geschätzt, bei denen maßgeschneiderte Querschnitte erforderlich sind.
Das Erscheinungsbild von Aluminium mit seiner von Natur aus glänzenden, sauberen Oberfläche ist zudem ein funktionaler Vorteil in Anwendungsbereichen, in denen neben der Leistung auch die Ästhetik eine Rolle spielt, wie beispielsweise in der Unterhaltungselektronik, bei Fassadenverkleidungen und in Fahrzeuginnenräumen.
Die folgende Tabelle fasst die wichtigsten physikalischen Eigenschaften von Aluminium und seinen Legierungen für typische technische Güteklassen zusammen. Die Werte variieren je nach Legierungszusammensetzung, Härtezustand und Temperatur; die angegebenen Bereiche entsprechen der üblichen handelsüblichen Praxis.
Tabelle 1. Typische Bereiche der physikalischen und mechanischen Eigenschaften von Aluminiumlegierungen für den Maschinenbau.
Eigenschaft
Typischer Bereich
Dichte
2,6 bis 2,9 g/cm³
Elastizitätsmodul
69 bis 72 GPa
Poisson-Zahl
0,32 bis 0,34
Wärmeleitfähigkeit
120 bis 230 W/mK
Wärmeausdehnungskoeffizient
21 bis 24 × 10⁻⁶/K
Elektrische Leitfähigkeit
16 bis 35 MS/m
Zugfestigkeit (Kaltumformlegierungen)
70 bis 700 MPa
Der Elastizitätsmodul von Aluminium liegt bei etwa 69 bis 72 GPa und beträgt damit etwa ein Drittel des Wertes von Stahl. Dies hat direkte Auswirkungen auf Konstruktionen, bei denen die Steifigkeit eine entscheidende Rolle spielt: Ein Aluminiumbauteil wird sich unter derselben Belastung etwa dreimal so stark durchbiegen wie ein geometrisch identisches Stahlbauteil. In der Praxis wird dies durch die Querschnittsgeometrie ausgeglichen, da durch Strangpressen und Umformen Aluminium in Querschnittsformen eingesetzt werden kann, die das Steifigkeitsdefizit effizient ausgleichen.
Die Eigenschaften eines fertigen Aluminiumprodukts werden durch drei miteinander in Wechselwirkung stehende Variablen bestimmt: Legierungszusammensetzung, Härtegrad und Verarbeitungsverfahren.
Die Legierungszusammensetzung ist die wichtigste Variable. Das bei Aluminiumknetlegierungen verwendete vierstellige Bezeichnungssystem gibt die wichtigsten Legierungselemente an: Legierungen der 2xxx-Reihe basieren auf Kupfer und weisen eine hohe Festigkeit auf; Legierungen der 5xxx-Reihe enthalten Magnesium und zeichnen sich durch gute Korrosionsbeständigkeit und Schweißbarkeit aus; Legierungen der 6xxx-Reihe bieten durch Silizium- und Magnesiumzusätze ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Extrudierbarkeit; Legierungen der 7xxx-Reihe erreichen durch den Einsatz von Zink und Magnesium die höchsten Festigkeiten aller Aluminiumlegierungen und sind die erste Wahl für strukturelle Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt. Das vollständige Klassifizierungssystem finden Sie unter „Aluminiumgüten“.
Die Zustandsbezeichnung definiert den Zustand, in dem die Legierung geliefert wird: im Fertigungszustand, geglüht, kaltverfestigt oder wärmebehandelt. Die Zustandsbezeichnung, die der Legierungsnummer angehängt wird, bestimmt die mechanischen Eigenschaften, die das Produkt tatsächlich aufweist. Die gleiche Legierungszusammensetzung kann sich je nach Temper in Bezug auf Streckgrenze, Zugfestigkeit und Duktilität erheblich unterscheiden.
Der Verarbeitungsablauf, einschließlich Walzreduktion, Strangpressbedingungen und Wärmebehandlungsparameter, bestimmt die endgültige Mikrostruktur und damit die spezifischen Eigenschaftswerte innerhalb des Bereichs, den die Zusammensetzung und der Härtegrad zulassen.
Dieser Artikel befasst sich mit den Eigenschaften, die das Verhalten von Aluminium im Einsatz bestimmen. Die anderen Leitfäden der Reihe „Aluminium“ behandeln die Frage, woher diese Eigenschaften stammen und wie sie definiert werden. Der Leitfaden „Aluminiumgüten“ erläutert, wie Legierungen in Serien gegliedert sind, die jeweils ein unterschiedliches Gleichgewicht der hier beschriebenen Eigenschaften aufweisen. „Aluminium-Spezifikationen“ behandelt das Bezeichnungs- und Zustandssystem, das die genaue Zusammensetzung und den Zustand eines Werkstoffs festlegt, während „Aluminium-Normen“ die Rahmenbedingungen erläutert, die diese Bezeichnungen regeln.
Die Eigenschaften, die Aluminium im Ingenieurwesen besonders nützlich machen, sind seine geringe Dichte, das gute Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, die natürliche Korrosionsbeständigkeit, die hohe Wärmeleitfähigkeit und die elektrische Leitfähigkeit. Welche dieser Eigenschaften am wichtigsten ist, hängt von der jeweiligen Anwendung ab: In der Luft- und Raumfahrt sowie im Transportwesen steht das Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht im Vordergrund; bei Anwendungen zur Wärmeübertragung ist die Wärmeleitfähigkeit entscheidend; in der elektrischen Infrastruktur ist die Leitfähigkeit pro Gewichtseinheit von Bedeutung; in der Lebensmittel- und chemischen Verarbeitung stehen Korrosionsbeständigkeit und Ungiftigkeit im Vordergrund.
Wenn Aluminium der Luft ausgesetzt wird, bildet sich fast sofort eine dünne Aluminiumoxidschicht auf der Oberfläche. Diese Schicht ist stabil, selbstregenerierend und haftet fest am Metall, wodurch Aluminium in den meisten Umgebungen von Natur aus korrosionsbeständig ist, ohne dass eine Schutzbeschichtung erforderlich ist. Die Oxidschicht kann durch Eloxieren gezielt verdickt werden, wenn Anwendungen einen erhöhten Schutz oder eine bestimmte Oberflächenbeschaffenheit erfordern. Aluminium verhält sich in atmosphärischen Umgebungen und in Süßwasser gut, ist jedoch weniger beständig gegenüber Laugen und bestimmten chemischen Medien.
Während Kupfer eine höhere elektrische Leitfähigkeit pro Volumeneinheit aufweist, verfügt Aluminium über eine deutlich höhere elektrische Leitfähigkeit pro Gewichtseinheit. Bei Freileitungen, bei denen das Kabel große Entfernungen überbrücken und sein eigenes Gewicht tragen muss, ist die Gewichtsersparnis durch den Einsatz von Aluminium der entscheidende Faktor. Aluminium ist zudem wesentlich kostengünstiger als Kupfer, was bei der Hochspannungsübertragungsinfrastruktur eine wichtige Rolle spielt.
Der Elastizitätsmodul von Aluminium beträgt etwa 69 bis 72 GPa, was in etwa einem Drittel des Wertes von Stahl entspricht. Das bedeutet, dass sich ein Aluminiumbauteil unter derselben Belastung etwa dreimal so stark durchbiegt wie ein geometrisch identisches Stahlbauteil. Bei Konstruktionen, bei denen die Steifigkeit entscheidend ist, muss dies durch die Querschnittsgeometrie ausgeglichen werden, typischerweise durch die Verwendung größerer oder effizienterer Querschnitte. Die gute Nachricht ist, dass sich dank der guten Extrudierbarkeit von Aluminium problemlos Querschnitte konstruieren lassen, die diesen Steifigkeitsverlust ausgleichen und dabei insgesamt leichter sind als das entsprechende Stahlbauteil.
Reines Aluminium weist eine relativ geringe Zugfestigkeit auf. Durch die Zugabe von Legierungselementen wie Kupfer, Magnesium, Mangan, Silizium und Zink entstehen Legierungsfamilien, deren Festigkeit deutlich höher sein kann als die von reinem Aluminium und die durch Wärmebehandlung noch weiter gesteigert werden kann. Die Legierungen der 7xxx-Serie, in denen Zink und Magnesium zum Einsatz kommen, erreichen die höchsten Festigkeiten mit Zugfestigkeiten im Bereich von 500 bis 700 MPa in ausgehärteten Zuständen.