Aluminium

Silberweißes, niedrigschmelzendes Metall mit hoher Sauerstoffaffinität. An der Luft sowohl im festen als auch im flüssigen Zustand bildet sich sofort eine Oxidhaut (Al2O3), die vor weiterer Oxidation schützt.

SymbolAl
Ordnungszahl13
Atomgewicht26,97
spezifisches Gewicht bei 20 °C2,7 g/cm3
Schmelzpunkt660 °C
Siedepunkt2400 °C
Schmelzwärme396 kJ/kg
spezifische Wärmekapazität bei 20 °C0,90 kJ/(kg·K)
Wärmeleitfähigkeit237 kJ/(m·K)
therm. Längenausdehnungskoeffizient23·10-6/K


Als Rohstoff zur Aluminiumerzeugung dient Bauxit, aus dem durch basischen Aufschluss die Tonerde gewonnen wird. Die Tonerde wird unter Zusatz von Flussmitteln (Kryolith) geschmolzen und bei 950 °C mit Kohleelektroden elektrolysiert. An der Bodenkathode scheidet sich dann das flüssige Aluminium ab.

Aluminium im Stahl
Die Löslichkeit von Aluminium beträgt 1,1 % im γ-Eisen und 36 % im α-Eisen. Im γ-Eisen steigt sie mit zunehmendem Kohlenstoffgehalt. Aluminium bewirkt in fester Lösung eine beträchtliche Steigerung der Härte des Ferrits. Auch im Austenit wird die Härte durch Mischkristallbildung leicht erhöht. Aluminium fördert nicht die Karbidbildung, sondern wirkt im Gegenteil grafitisierend.

Als Desoxidationsmittel findet Aluminium weitgehende Anwendung bei der Stahlherstellung, da es sich mit dem Sauerstoff der gelösten Eisenoxide zu Tonerde verbindet, die oft in fein verteilter Form im Stahl zurückbleibt. Aluminium hat auch zu Stickstoff eine starke Affinität und bildet mit diesem Aluminiumnitrid. Da Aluminium überdies in der Schmelze gelöste Gase austreibt, trägt es dazu bei, Lunker und Seigerungen im Stahl zu verringern.
Von allen Elementen, die zur Beeinflussung der Austenitkorngröße dem Stahl zugesetzt werden, ist Aluminium am wirksamsten. Neuere Überlegungen erklären den Einfluss von Aluminium auf die "arteigene" Korngröße von Stahl damit, dass sich die Aluminiumnitride an den Korngrenzen des Austenitgefüges abscheiden und somit ein Zusammenwachsen der primär gebildeten Austenitkörner verhindern. Mit Aluminium behandelte unlegierte Stähle zeigen erhöhte Beständigkeit gegen mechanische Alterung sowie verbesserte Schlagzähigkeit. Das gleichmäßigere Gefüge hat auch eine bessere Bearbeitbarkeit zur Folge; andererseits nimmt jedoch der Kriechwiderstand manchmal ab. Die Desoxidation mit Aluminium hat erheblichen Einfluss auf die Art, die Größe und die Verteilung sulfidischer Einschlüsse. In einer Untersuchung über den Einfluss von Aluminium auf Stahlguss wurde festgestellt, dass Aluminiumzugaben, die zur vollständigen Desoxidation nicht ausreichten, zur Bildung von kugeligen, unregelmäßig verteilten Sulfideinschlüssen unterschiedlicher Größe führen. Völlig desoxidierte Stähle hingegen weisen Einschlüsse auf, die entweder als sehr kleine Kügelchen kettenförmig oder als eine Art eutektischer Ausscheidung entlang den Primärkorngrenzen angeordnet sind. Wenn der Stahl mit einem Überschuss an Aluminium desoxidiert wird, entstehen grobe Sulfide unregelmäßiger Gestalt und Verteilung.

Aluminium im Gusseisen
Bei Zugabe von festem Aluminium lassen sich bis zu 2 % Al ohne Schwierigkeit in die Gusseisenschmelze einbringen; bei höheren Gehalten ist es jedoch vorteilhaft, die beiden Metalle im schmelzflüssigen Zustand zu mischen. Die zähflüssige Oxidschicht, die die Oberfläche aller aluminiumhaltigen Eisenschmelzen bedeckt, neigt dazu, das Metall zu durchziehen. Dies kann zu Schwierigkeiten beim Gießen und durch Aluminiumoxideinschlüsse zu Gussfehlern und damit zu schlechteren mechanischen Eigenschaften führen.

Aluminiumgehalte bis zu 4 % fördern die Grafitbildung im Gusseisen. Aluminiumgehalte von 4 bis 10 % stabilisieren jedoch die eutektoide Karbidphase, und bei Gehalten zwischen 10 und 18 % Al herrschen Karbide vor. Bei Aluminiumgehalten von 18 bis 24 % kommt es erneut zur Grafitausscheidung, die mit zunehmendem Aluminiumgehalt fortlaufend ansteigt. Bei 24 % Al liegt der gesamte Kohlenstoff als Grafit vor. Bei noch höherem Aluminiumgehalt tritt wiederum Karbidbildung ein, bis bei einem Aluminiumgehalt von 29 % kein Grafit mehr vorhanden ist.
Gusseisensorten mit hohem Aluminiumgehalt haben gute Beständigkeit gegen Wachsen und Zundern. Mit zunehmendem Aluminiumgehalt, besonders über 3 %, nimmt die Zunderbildung mehr und mehr ab. Aluminiumgehalte bis 3 % haben nur geringen Einfluss auf die Wachstumsneigung. Oberhalb dieser Grenze nimmt das Wachsen mit steigendem Aluminiumgehalt stetig ab und erreicht wahrscheinlich zwischen 8 und 20 % Al ein Minimum, wobei wenig oder gar kein Grafit vorhanden ist. Eine unter dem Namen CRALFER bekannte Legierung, die ausgezeichnete Wachstums- und Zunderbeständigkeit bis zu Temperaturen von 1000 °C aufweist, enthält 7 bis 7,5 % Al und 0,75 % Cr.

Gusseisensorten, die nitriert werden, enthalten oft 1 bis 1,5 % Al neben geringen Gehalten an Chrom und Molybdän.

Aluminium kommt auch im Ferrosilizium sowie in anderen siliziumhaltigen Impflegierungen vor.

Bei Temperguss führt ein Zusatz von 0,02 % Al zur Bildung kugelförmiger Grafitteilchen und erleichtert - wahrscheinlich durch die Abbindung des Stickstoffs durch Aluminium - das Tempern.

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