Neben der gestiegenen Nachfrage nach Aluminium auf dem chinesischen Markt haben auch weltweite Faktoren wie die Zunahme von Elektrofahrzeugen, die verstärkte Produktion von Solarpanelen und die Nachfrage nach verpackten Lebensmitteln den Aluminiumverbrauch in die Höhe schnellen lassen.
Das jüngste Wachstum der Branche wurde jedoch durch die Auswirkungen der COVID-19-Pandemie gebremst. In vielen Sektoren des verarbeitenden Gewerbes hat sich die Produktion aufgrund von Arbeitskräftemangel und rückläufiger Nachfrage in der Automobil- und Luftfahrtindustrie verlangsamt. Das künftige Wachstum dürfte auch durch die Einführung strengerer Umweltvorschriften und strengerer Emissionsnormen gebremst werden.
Nichtsdestotrotz wird die Nachfrage nach Aluminium durch Verpackungsunternehmen und den Automobilsektor voraussichtlich stark bleiben. Jüngsten Branchenberichten zufolge wird der Wert von Aluminium pro Tonne bis 2027 voraussichtlich auf 1894,00 USD steigen, und die weltweite Aluminiumindustrie wird voraussichtlich einen Gesamtwert von 242,44 Milliarden USD erreichen.
Herstellung von Aluminium
Obwohl die Menschen schon in der Antike aluminiumoxidhaltige Tone nutzten, wurde reines Aluminium erst gegen Ende des 19. Jahrhunderts industriell hergestellt. Der dänische Chemiker Hans Christian Ørsted erfand 1825 das erste erfolgreiche Verfahren zur Abtrennung von reinem Aluminium aus Erzen. Dieses Verfahren wurde dann von dem deutschen Chemiker Friedrich Wöhler weiterentwickelt. Mit diesen Methoden konnten jedoch nur geringe Mengen Aluminium gewonnen werden, das 1852 mehr als das Doppelte des Goldpreises kostete.Im Jahr 1886 entwickelten der amerikanische Student Charles Hall und der französische Ingenieur Paul Heroult unabhängig voneinander ein Verfahren zur Gewinnung von Aluminium aus Aluminiumoxid durch Elektrolyse. Mit dieser Methode konnten große Mengen Aluminium hergestellt werden, aber die Produktion war aufgrund des hohen Strombedarfs begrenzt.
Der nächste Durchbruch bei der Industrialisierung der Aluminiumproduktion gelang dem österreichischen Ingenieur Karl Josef Bayer mit der Entwicklung eines chemischen Verfahrens zur Gewinnung von natürlich vorkommendem Aluminiumoxid aus Bauxit. Bayers chemisches Verfahren und das von Hall und Herout entwickelte Elektrolyseverfahren bilden die Grundlage der modernen Aluminiumproduktion.
Der größte Teil des heute produzierten Aluminiums wird aus Bauxiterz gewonnen. Das Erz wird zunächst nach dem chemischen Verfahren von Bayer zu Tonerde (Aluminiumoxid) verarbeitet. Die Tonerde wird dann mit dem von Hall und Heroult entwickelten Elektrolyseverfahren verhüttet. Das Endprodukt ist reines Aluminium. Normalerweise benötigt man etwa fünf Tonnen Bauxit, um zwei Tonnen Tonerde zu gewinnen, die dann zu einer Tonne Aluminium verhüttet werden kann.
Die Aluminiumproduktion ist unglaublich ressourcenintensiv. Für den Abbau von Bauxit und dessen Raffination zu Aluminium werden große Mengen an Strom und Wasser benötigt. Für die Herstellung einer Tonne Aluminium werden etwa 14.000 kWh benötigt. Ohne den Einsatz erneuerbarer Energiequellen kann die Aluminiumproduktion erhebliche negative Auswirkungen auf die Umwelt haben. Aluminium ist jedoch sehr gut recycelbar, was die negativen Auswirkungen der Produktion etwas ausgleicht.
Die weltweite Aluminiumproduktion hat in den letzten zehn Jahren stetig zugenommen. Jüngste Daten zeigen, dass China nach wie vor der größte Aluminiumproduzent der Welt ist. An zweiter Stelle stehen Indien und Russland, gefolgt von Kanada, den Vereinigten Arabischen Emiraten und Australien als führende Aluminiumproduzenten. Obwohl die Vereinigten Staaten Aluminium als kritisches Metall eingestuft haben, produzieren sie weniger als die Hälfte der Menge an Aluminium, die sie verbrauchen.
Die Eigenschaften von Aluminium
Aluminium ist eines der am häufigsten vorkommenden Metalle auf unserem Planeten und macht bis zu 8 % der Erdkruste aus. Über 300 Verbindungen und Mineralien enthalten Aluminium. Nach Sauerstoff und Silizium ist Aluminium das dritthäufigste chemische Element. Trotz seines großen Vorkommens kommt reines Aluminium in der Natur nur selten vor.Es sind die einzigartigen Eigenschaften von Aluminium, die es zu einem so nützlichen und ständig gefragten Metall machen. Aluminium ist das am zweithäufigsten verformbare und das sechsthäufigste dehnbare Metall. Es ist unglaublich leicht und wiegt nur ein Drittel des Gewichts von Kupfer oder Stahl. Die Dichte von Aluminium beträgt 2,70 g/cm3, gemessen an der Schwerkraft im Vergleich zu Wasser. Im gleichen Vergleich dazu hat Eisen eine Dichte von 7,87 g/cm3.
Reines Aluminium ist für sich genommen nicht besonders fest. Die Zugfestigkeit kann jedoch durch Zugabe von Legierungselementen wie Mangan, Kupfer oder Silizium erhöht werden. Reines Aluminium hat eine Zugfestigkeit von 90 MPa. Durch die Zugabe von Legierungselementen kann diese auf 690 MPa erhöht werden. Die Zugfestigkeit von Aluminium nimmt bei niedrigeren Temperaturen zu, im Gegensatz zu Stahl, der dazu neigt, spröde zu werden, wenn er längere Zeit der Kälte ausgesetzt ist. Wenn Aluminium der Luft ausgesetzt wird, bildet sich eine Schicht aus Aluminiumoxid. Diese Oxidation macht Aluminium sehr korrosionsbeständig. Aluminium ist auch sehr gut gegen die meisten Säuren beständig, aber weniger beständig gegen viele Laugen. Die korrosionsbeständigen Eigenschaften von Aluminium können durch Lackieren oder Eloxieren der Oberfläche verbessert werden. Reines, unlegiertes Aluminium hat einen Schmelzpunkt von 1220 °F und einen Siedepunkt von 4.478 °F. Im Vergleich zu anderen Metallen weist Aluminium eine vorteilhafte Wärmeleitfähigkeit auf, die fast dreimal so hoch ist wie die von Stahl. Aluminium ist außerdem ungiftig und völlig geruchlos. Aufgrund seiner hohen Verformbarkeit und Duktilität kann es unglaublich dünn gepresst und leicht in jede Form gebogen werden. Die hohe elektrische Leitfähigkeit von Aluminium macht es zu einem idealen Leiter. Obwohl die Leitfähigkeit von Aluminium nicht so hoch ist wie die von Kupfer, kann es aufgrund seiner geringen Dichte doppelt so viel Strom pro Gewicht leiten wie Kupfer. Aluminium hat hervorragende Reflexionseigenschaften. Es kann bis zu 80 % des sichtbaren Lichts reflektieren und kann auch zur Reflexion von Strahlung verwendet werden.
Aluminiumeigenschaften im Überblick
- Bis zu 8 % der Erdkruste
- Kommt in über 300 Verbindungen und Mineralien vor
- Das dritthäufigste chemische Element
- Das am zweithäufigsten verformbare Metall
- Das sechsthäufigste dehnbare Metall
- Dichte von 2,70 g/cm3
- Zugfestigkeit von 90 MPa, bis zu 690 MPa bei Legierungen
- Schmelzpunkt von 1220°F
- Siedepunkt von 4.478°F
- Hochgradig korrosionsbeständig
- Gute Wärmeleitfähigkeit
- Hohe elektrische Leitfähigkeit
- Ausgezeichnete Reflexionseigenschaften
- Ungiftig
- Geruchsneutral
- 100% recycelbar
Die Vorteile von Aluminium für den Metallguss
Gussteile aus Aluminiumlegierungen werden häufig mit einer Reihe von Vorteilen in Verbindung gebracht. Die Vielseitigkeit von Aluminium ermöglicht die Herstellung einer breiten Palette von Produkten und Komponenten.
Die hohe Formbarkeit von Aluminium ermöglicht die Herstellung von Aluminiumgussteilen, die nahezu formgetreu sind (NNS). Die Hersteller können komplexe Gussteile mit hoher Maßgenauigkeit in einer Vielzahl von geometrischen Formen schmieden.
Aluminiumgussteile sind viel leichter als Gussteile aus anderen Metallen. Trotz des geringen Gewichts sorgt das Legierungsverfahren dafür, dass ein Aluminiumgussstück hart bleibt und ein gutes Verhältnis zwischen Festigkeit und Gewicht aufweist. Viele Aluminiumlegierungen sind fester als Stahl.
Im Vergleich zu allen anderen Legierungen können Gussteile aus Aluminiumlegierungen den höchsten Betriebstemperaturen standhalten. Aluminium leitet die Wärme schnell ab, was die Sicherheit erhöht und die Produktionszeiten verkürzt.
Gussteile aus Aluminiumlegierungen sind besonders korrosionsbeständig. Sie bieten eine hervorragende Abschirmung gegen elektromagnetische Störungen (EMI) und Hochfrequenzstörungen (RFI). Aluminiumgussteile haben außerdem eine hohe elektrische Leitfähigkeit.
Die Reflexionseigenschaften von Aluminium bedeuten, dass Gussstücke aus Aluminiumlegierungen zur Herstellung hochwertiger Produkte mit sauberen Oberflächen verwendet werden können. Die ansprechenden ästhetischen Eigenschaften von Gussstücken aus Aluminiumlegierungen können durch Eloxieren des Produkts oder durch Hinzufügen anderer Beschichtungen oder Oberflächenbehandlungen weiter verbessert werden.
Die Nachteile von Aluminium für den Metallguss
Die Verwendung von Gussstücken aus Aluminiumlegierungen bietet zwar viele Vorteile, hat aber auch einige Nachteile. Aluminium weist einige typische interne Defekte auf, die einen Ingenieur oder Hersteller dazu veranlassen können, zweimal darüber nachzudenken, ob er es für seine Gussverfahren verwenden soll.
Der erste Nachteil bei der Verwendung von Aluminium als Gussmaterial sind seine Kosten. Obwohl es insgesamt ein billiges Metall ist, ist Aluminium in einer Vielzahl von Legierungen erhältlich, von denen jede ihren eigenen Preis hat. Aluminiumlegierungen können oft teurer sein als beispielsweise Kohlenstoffstahl.
Aluminium leitet Wärme schnell ab und hat einen niedrigen Schmelzpunkt. Diese Eigenschaften können als Pluspunkte betrachtet werden, aber auch als Nachteile. Der niedrige Schmelzpunkt bedeutet, dass es beim Aluminiumguss zu Verschüttungen kommen kann, die Geräte beschädigen können. Da Aluminium beim Abkühlen schrumpft, kann es zu Rissen und Brüchen kommen.
Eine weitere Eigenschaft von Aluminium, die sowohl als Vorteil als auch als Nachteil angesehen werden kann, ist sein geringes Gewicht. Wenn ein Aluminiumguss als tragendes Produkt verwendet werden soll, muss er unter Umständen nach der Produktion weiter bearbeitet werden, um sicherzustellen, dass er die Anforderungen erfüllt.
Obwohl festes Aluminium nicht porös ist, kann flüssiges Aluminium große Mengen an Gas aufnehmen. Dies kann dazu führen, dass sich während des Abkühlungsprozesses Blasen im Metall bilden. Diese Gasblasen können die Gesamtfestigkeit und Zuverlässigkeit eines Bauteils oder Produkts beeinträchtigen.
Arten von Aluminiumlegierungen
Im Vergleich zu anderen Metallen weist Aluminium in seiner reinsten Form eine geringere Härte und Festigkeit auf. Dennoch gibt es eine Reihe von Anwendungen für reines Aluminium, doch wird es in der Regel legiert, um seine Gesamtfestigkeit zu erhöhen.
Aluminiumlegierungen werden durch Hinzufügen anderer Elemente zu reinem Aluminium hergestellt. Die häufigsten Elemente, die zur Herstellung von Aluminiumlegierungen verwendet werden, sind Kupfer, Silizium, Mangan, Magnesium, Zinn und Zink. Diese Elemente können bis zu 15 % des Gewichts der Legierung ausmachen.
Andere Elemente, die Aluminium seltener beigemischt werden, sind Lithium (das in der Luft- und Raumfahrtindustrie verwendet wird) sowie kleinere Mengen von Zirkonium, Chrom, Titan, Bor, Vanadium, Wismut und Blei. Auch Eisen kann in Aluminiumlegierungen vorkommen, oft als Verunreinigung.
Aluminiumlegierungen werden mit einer vierstelligen Nummer bezeichnet. Die erste Zahl steht für die Legierungsklasse, zu der sie gehören. Insgesamt gibt es neun Kategorien von Aluminiumlegierungen, wobei die neunte Klasse derzeit nicht verwendet wird.
Die Bezeichnungsreihen für Aluminiumlegierungen lauten wie folgt:
- 1xxx - Die Serie 1 bezeichnet die reinsten Aluminiumsorten, die 99,99 % Aluminium enthalten.
- 2xxx - Die Serie 2 enthält Kupfer als Hauptlegierungselement. Diese Legierungen sind zwar äußerst stabil, aber nicht so korrosionsbeständig wie andere.
- 3xxx - Die Legierungen der Serie 3 enthalten Mangan in Kombination mit einem geringeren Anteil an Magnesium. Sie sind sehr verformbar und werden häufig für die Herstellung von Dosen oder Kochgeschirr verwendet.
- 4xxx - Silizium ist das Hauptelement der 4er-Serie. Diese Legierungen haben einen niedrigeren Schmelzpunkt und werden zur Herstellung von Schweißdraht und Schweißzusatzwerkstoff verwendet.
- 5xxx - Aufgrund ihrer hohen Zugfestigkeit und guten Korrosionsbeständigkeit werden Legierungen der Serie 5 häufig für den Bau von Brücken und Schiffen verwendet. Das Hauptelement in Legierungen der Serie 5 ist Magnesium.
- 6xxx - Die Serie 6 enthält Silizium und Magnesium, die sich zu Magnesiumsilicid verbinden. Diese Legierungen weisen eine gute Korrosionsbeständigkeit und eine mittlere Festigkeit auf. Sie werden häufig zur Herstellung von Rahmen für die Automobil- und Bauindustrie verwendet.
- 7xxx - Das wichtigste Legierungselement in der 7er-Serie ist Zink. Dadurch entsteht eine Aluminiumlegierung, die außergewöhnlich fest ist und häufig in Sportgeräten und in der Luft- und Raumfahrtindustrie verwendet wird.
- 8xxx - Die 8er-Reihe besteht aus Kombinationen anderer, weniger gebräuchlicher Elemente, wie Eisen und Lithium. Diese Legierungen werden häufig zur Herstellung von Draht oder Aluminiumfolie verwendet.
- 9xxx - Wird derzeit nicht als Bezeichnung verwendet.
In der Regel werden für den industriellen Guss die Aluminiumlegierungen der Serien 3xxx, 5xxx und 6xxx verwendet.
Aluminiumgusstechnologien und -verfahren
Beim Kokillenguss wird die Form nicht wie beim Druckguss am Ende des Prozesses abgebrochen. Stattdessen werden wiederverwendbare Metallformen verwendet. Diese Formen sind in der Regel größer als die beim Druckguss verwendeten Formen. Die Formen werden durch Schwerkraftinjektion mit flüssigem Aluminium gefüllt. Mit diesem Verfahren werden Produkte mit der höchsten Festigkeit hergestellt.
Um die Produktionsgeschwindigkeit zu erhöhen und die Produktqualität zu verbessern, werden ständig neue Gusstechnologien entwickelt. Das Grundprinzip des Verfahrens bleibt zwar dasselbe, aber die Ingenieure entwickeln neue Methoden zum Einspritzen von Aluminium und verbessern bestehende Gießtechniken. Formen, die es ermöglichen, computergesteuerte Geräte während des Schmiedeprozesses zu implantieren, werden jetzt in großem Umfang eingesetzt. Hybride Guss- und Faserintegrationsverfahren ermöglichen nun die Kombination von Faserverbundwerkstoffen mit Produkten aus Aluminiumlegierungen während der Herstellung.
Zu den weiteren zu erwartenden Fortschritten in der Gießerei- und Gießereitechnologie gehört der verstärkte Einsatz von autonomen Systemen und digitalisierten Maschinen. 3D-Metalldruckverfahren wie das Direkte Metall-Lasersintern (DMLS) haben noch keinen nennenswerten Marktanteil, werden aber ebenfalls immer beliebter. Markierungen auf Metallgussteilen wurden traditionell mit Barcodes oder Data-Matrix-Codes (DMC) vorgenommen. Inzwischen geht der Trend zur berührungslosen, elektronischen Radiofrequenz-ID (RFID)-Technologie. Es werden auch umweltbewusstere Betriebsmethoden entwickelt, wie z. B. die Verwendung von Batterien zur Energiespeicherung und effizientere Formen, die den Materialabfall reduzieren.
Nachbearbeitungsmethoden für Aluminiumgussteile
Es gibt eine Vielzahl von Nachbehandlungsverfahren, die zur Verbesserung der Eigenschaften von Aluminiumgussteilen eingesetzt werden. Diese Behandlungen können eingesetzt werden, um Fehler zu beseitigen, die Oberfläche des Produkts zu verbessern oder innere Eigenschaften zu schaffen, die das unbehandelte Produkt nicht hat. Es gibt vier Hauptkategorien von Nachbehandlungen:
- Entgraten
- Wärmebehandlung
- Vakuumbehandlung
- Oberflächenbehandlung
Entgraten
Grate sind kleine Unregelmäßigkeiten, die durch den Gießprozess verursacht werden. Wenn die Grate bei der Nachbearbeitung nicht entfernt werden, hat das Endprodukt keine glatte Oberfläche. Es gibt viele Methoden zum Entgraten von Aluminium. Beim manuellen oder künstlichen Entgraten werden handgeführte Werkzeuge verwendet, um Grate zu entfernen. Beim Schleifentgraten werden Vibrationen oder Schleifpapier verwendet. Grate können durch extreme Hitze oder durch Einfrieren des Metalls entfernt werden. Es gibt auch chemische Entgratungsmethoden, Hochdruckwasserverfahren, magnetisches Entgraten, Ultraschallentgraten und den Einsatz von Elektrolyse. Die gebräuchlichste Entgratungsmethode für Aluminium ist das Gesenkentgraten, bei dem eine spezielle Produktionsmatrize in Verbindung mit einem Stempelwerkzeug verwendet wird.
Wärmebehandlung
Die Wärmebehandlung wird eingesetzt, um Aluminiumlegierungen zu härten oder sie für die weitere Bearbeitung formbarer zu machen. Beim Glühen wird ein Produkt fast bis zum Schmelzpunkt erhitzt und dann langsam abgekühlt, um es geschmeidiger und weniger spröde zu machen. In ähnlicher Weise wird bei der Lösungsglühung ein schneller Abkühlungsprozess eingesetzt, um Aluminium geschmeidiger zu machen. Um Aluminiumprodukte zu härten, verwenden Ingenieure Techniken wie Abschrecken und natürliches oder künstliches Aushärten. Um Spannungsrisse in der fertigen Struktur zu vermeiden, wenden Ingenieure häufig die Methode des Spannungsabbaus an, bei der ein Produkt bei niedrigeren Temperaturen erhitzt und dann langsam abgekühlt wird.
Vakuumbehandlung
Die Vakuumbehandlung wird eingesetzt, um Gasansammlungen in einem Aluminiumgussstück zu vermeiden. Das Gussprodukt wird in eine Vakuumimprägnierkammer gelegt, wo die Luft durch ein tiefes Vakuum entfernt wird. Der durch das Vakuum entstandene Weg wird dann versiegelt, unerwünschte Dichtungsmasse wird entfernt, und das fertige Produkt wird ausgehärtet.
Oberflächenbehandlung
Die Oberflächenbehandlung kann die Korrosionsbeständigkeit von Aluminium verbessern und wird auch eingesetzt, um die Ästhetik, das Reflexionsvermögen und die Verschleißfestigkeit des Materials zu erhöhen. Zu den üblichen Oberflächenbehandlungen gehören elektrochemische Verfahren wie das Eloxieren und chemische Behandlungen wie Entfetten oder Ätzen. Häufig werden auch Lacke oder Pulverbeschichtungen zum Schutz vor Witterungseinflüssen oder zur Verbesserung des Aussehens des fertigen Produkts verwendet.
Aluminium-Gussanwendungen
Aluminium wird in fast allen Industriezweigen der Welt verwendet. Seit den 1940er Jahren gibt es eine kontinuierlich hohe Nachfrage nach Aluminium aus verschiedenen Endverbraucherbereichen wie der Bauindustrie, der Pharmaindustrie, der Rüstungsindustrie, der Automobilindustrie, den Herstellern von Bauteilen und Verpackungen sowie den Energieerzeugern, dem Schiffbau, dem Maschinenbau und der Luft- und Raumfahrtindustrie.
Mehr als die Hälfte der in den heutigen Automobilen verwendeten Komponenten werden aus Aluminiumguss hergestellt. Auch für den Bau von Teilen für Züge, Flugzeuge und Schiffe wird Aluminium häufig verwendet. Autos und Flugzeuge können durch die Verwendung von Aluminiumkomponenten ihren Treibstoffverbrauch und ihre Kohlenstoffemissionen reduzieren. Da Aluminium leicht ist, Strahlung reflektiert und eine hohe Zugfestigkeit unter Druck aufweist, verwendet die NASA in ihren Raumfahrzeugen überall Aluminiumkomponenten.
Die Bauindustrie ist ein wichtiger Abnehmer von Aluminiumgussprodukten. Die Bauindustrie verwendet Aluminium für den Bau von Häusern, Büros, Industriegebäuden, Sportanlagen und Wolkenkratzern. Aluminium wird auch für die Herstellung von Fensterrahmen, Türen, Rohrleitungen und Armaturen verwendet.
Aluminium wird zur Herstellung einer breiten Palette von Konsumgütern und Industriemaschinen verwendet, von Kochgeschirr über Küchengeräte, Kühlschränke, Trockner, Handwerkzeuge und Rasenmäher bis hin zu Produktionsanlagen.
Aufgrund seiner hohen elektrischen Leitfähigkeit, seines geringen Gewichts und seiner Abschirmungseigenschaften wird Aluminium in großem Umfang in der Computerbranche sowie von Stromerzeugern und -lieferanten verwendet. Aluminium wird für Hochspannungsleitungen, Telekommunikationskabel, Transformatoren, unterirdische Kabel sowie für Computerbauteile und -gehäuse verwendet. Die Branche der erneuerbaren Energien ist auf Aluminium für Solarzellenkomponenten angewiesen.
Aluminium-Recycling
Aluminium ist eines der umweltfreundlichsten Materialien, die heute in der Industrie verwendet werden. Es ist zu 100 % recycelbar und behält seine inhärenten Eigenschaften dauerhaft bei. Die Aluminiumbranche ist stolz darauf, dass mehr als 75 % des in den USA produzierten Aluminiums heute noch verwendet wird. Tatsächlich werden über 90 % des in der Bau- und Automobilindustrie verwendeten Aluminiums recycelt.
Bei einem geschlossenen Recyclingkreislauf wird ein Produkt recycelt, um dasselbe Produkt erneut herzustellen, wobei die ursprünglichen Eigenschaften des Materials erhalten bleiben. Bei der offenen Kreislaufwirtschaft werden die recycelten Materialien in Rohstoffe umgewandelt, die in anderen Produkten verwendet werden, für die das Produkt ursprünglich hergestellt wurde. Das Recycling in offenen Kreisläufen erfordert einen höheren Verarbeitungsaufwand als das Recycling in geschlossenen Kreisläufen. Aluminium kann sowohl in offenen als auch in geschlossenen Kreisläufen recycelt werden.
