Aluminium als Gebrauchsmetall

Eigenschaften von Aluminium

Aluminium ist ein außergewöhnlich vielseitig verwendbarer Werkstoff und nach Eisen heute das meistgenutzte Gebrauchsmetall. Ursache dafür ist sein außergewöhnliches Eigenschaftsspektrum:

• geringe Dichte (Gewichtseinsparung)
• extrem hohe Festigkeit
• außerordentliche Langlebigkeit
• gute Leitfähigkeit für elektrischen Strom und Wärme
• Korrosions- und Witterungsbeständigkeit
• Undurchlässigkeit für Gase, Flüssigkeiten (woraus eine enorme Beständigkeit gegen Umwelteinflüsse resultiert)
• leichte Bearbeitbarkeit
• hohe Wirtschaftlichkeit in der Herstellung, Montage und Nutzung von Aluminiumprodukten.
• ausgezeichnete Wiederverwertbarkeit ausgedienter Aluminiumprodukte (Sekundäraluminium).

Anwendungsspektrum

Aluminium findet in nahezu allen Gebieten der Technik und des täglichen Lebens Anwendung. Der größte Teil geht in die Märkte Verkehr, Bau und Verpackung.

Eloxalverfahren

Das unedle Metall überzieht sich bereits an der Luft mit einer dünnen durchsichtigen Oxidschicht (bis zu 0,003 mm), die das darunter liegende Metall vor weiterer Korrosion schützt. (Passivierung) Diese Schicht wird technisch durch das elektrolytische Eloxal-Verfahren verstärkt.

$\begin{array}{l}\text{Oxidation:}\\ \text{2 Al}\stackrel{}{\to }{\text{2 Al}}^{\text{3+}}{\text{+ 3e}}^{\text{–}}\\ {\text{2 Al}}^{\text{3+}}{\text{+ 3 H}}_{\text{2}}\text{O}\stackrel{}{\to }{\text{Al}}_{\text{2}}{\text{O}}_{\text{3}}{\text{+ 6 H}}^{\text{+}}\\ \\ \text{Reduktion:}\\ {\text{2 H}}_{\text{3}}{\text{O}}^{\text{+}}{\text{+ 2e}}^{\text{–}}\stackrel{}{\to }{\text{H}}_{\text{2}}{\text{+ 2H}}_{\text{2}}\text{O}\end{array}$

Das Werkstück aus Aluminium wird dazu in einer Elektrolyseapparatur als Anode geschaltet, die Katode besteht aus Blei oder ebenfalls Aluminium. Als Elektrolyt kommt meist Schwefelsäure oder Oxalsäure zum Einsatz. An der Oberfläche des Aluminiums werden dabei ${\text{Al}}^{\text{3+}}\text{–}\text{Ionen}$ gebildet, die durch feine Poren in der natürlichen Oxidschicht in Kontakt mit der Elektrolytlösung gelangen, wo sie dann mit Wasser zu Aluminiumoxid reagieren. Dabei erhöht sich die Dicke der Oxidschicht um den Faktor 10 auf ca. 0,03 mm.

Einfluss des Elektrolyten auf die Oberflächenstruktur

Die Oberflächenstruktur hängt von der Art des Elektrolyten ab.
Verwendet man Schwefelsäure, kommt es durch die starke Säure zur teilweisen Wiederauflösung der gebildeten Oxidschicht, die dann im Verlauf der Elektrolyse immer wieder nachgebildet wird. Dadurch entsteht eine Vielzahl kleiner dicht nebeneinanderliegender Poren und hat daher eine wabenartige Struktur. Das Material bleibt stromdurchlässig.

Verwendet man die schwächere Oxalsäure, als Elektrolyt, kommt es nur in viel geringerem Maße zur Wiederauflösung der gebildeten Oxidschicht. Es entstehen daher dichtere, porenärmere Oxidschichten von großer Härte, die zudem einen hohen elektrischen Widerstand aufweisen.

Mit heißem Wasserdampf kann man vorhandene Poren schließen. Dabei bilden sich Aluminiumhydroxid-Gele und die Oxidschicht wird verdichtet. Da die Schicht durchsichtig ist, bleibt der Glanz der metallischen Oberfläche erhalten und bietet sehr guten Schutz. Selbst aggressive Substanzen wie Schwefeldioxid greifen diese kaum an.

Beim Waschen mit kaltem Wasser bleibt die Porenstruktur weitgehend erhalten. Sie kann daher gut Farbstoffe einlagern. Besonders eignen sich saure Farbstoffe, da das beim Waschen mit kaltem Wasser zum Teil gebildete Aluminiumhydroxid, saure organische Farbstoff unter Komplexbildung gut binden kann.

Der Energiebedarf für das Recycling ist sehr viel geringer als für die Gewinnung von Primäraluminium und beträgt nur 5-10 % dessen. Die Recyclingquoten sind je nach Anwendung sehr unterschiedlich, im Automobilbau liegen sie bei 90 %. Die Recyclingquote von Aluminium aus Bauwesen, Elektrotechnik und Verpackung beträgt in Europa 80-90 %. In Deutschland liegt die Recyclingrate insgesamt für Aluminium bei knapp 70 %. Im Jahr 2008 wurde in der BRD infolge des viel geringeren Energiebedarfs sogar mehr Sekundäraluminium (ca. 700 000 t) als Primärmaterial (ca. 600 000 t) erzeugt.
Ein Problem beim Recycling von gemischten Abfällen besteht in der Stofftrennung. Für aluminiumhaltige Verbundverpackungen (z. B. Saftkartons (Tetrapack)) gibt es noch keine völlig befriedigende Recyclingmethoden.
Insgesamt ist aber der Anteil an Sekundäraluminium am Verbrauch steigend, im Jahr 2008 wurden weltweit ca. 39 Millionen Tonnen Primäraluminium und 8,8 Millionen Tonnen Sekundäraluminium erzeugt. In der deutschen Aluminiumproduktion hat das Sekundärmaterial bereits einen Marktanteil von über 50 % (Bild 6).
Ohne Qualitätsverlust lassen sich aus Sekundäraluminium gleichwertige oder ähnliche Produkte herstellen, wie aus Primäraluminium.