Entdeckt wurde Aluminium, das in der Natur fast ausschließlich in Form von chemischen Verbindungen vorkommt, im frühen 19. Jahrhundert. Im frühen 20. Jahrhundert setzte die industrielle Massenproduktion ein.
Das Metall ist sehrunedel und reagiert an frisch angeschnittenen Stellen bei Raumtemperatur mit Luft und Wasser zuAluminiumoxid. Dies bildet aber sofort eine dünne, für Luft und Wasser undurchlässige Schicht (Passivierung) und schützt so das Aluminium vorKorrosion. Reines Aluminium weist eine geringe Festigkeit auf; bei Legierungen ist sie deutlich höher. Die elektrische und thermische Leitfähigkeit ist hoch, weshalb Aluminium für leichte Kabel undWärmetauscher verwendet wird.
Eines der bekanntesten Produkte istAlufolie. Weitere sind Bauteile in Fahrzeugen und Maschinen, elektrische Leitungen, Rohre, Dosen und Haushaltsgegenstände. DasAluminiumrecycling erreicht weltweit Raten von etwa 40 %.
Davy, der sich lange Zeit ebenfalls an der Darstellung des neuen Elements versucht hatte, führte ab 1807 die Namensvariantenalumium,aluminum undaluminium ein, von welchen die letzten beiden im Englischen nebeneinander fortbestehen.[22][23]
1827 gelang esFriedrich Wöhler mit der gleichen Methode wie Ørsted, jedoch unter Verwendung metallischen Kaliums als Reduktionsmittel, reineres Aluminium zu gewinnen.Henri Étienne Sainte-Claire Deville verfeinerte denWöhler-Prozess im Jahr 1846 und publizierte ihn 1859 in einem Buch. Durch diesen verbesserten Prozess stieg die Ausbeute bei der Aluminiumgewinnung, und in der Folge fiel der Preis des Aluminiums, der zuvor höher als jener von Gold gewesen war, innerhalb von zehn Jahren auf ein Zehntel.
Seltener wirdAluminiumoxid in Form des MineralsKorund (Al2O3) und seiner VarietätenRubin (rot) undSaphir (farblos, verschiedenfarbig) gefunden. Die Farben dieser Kristalle beruhen auf Beimengungen anderer Metalloxide. Korund hat mit fast 53 % den höchsten Aluminiumanteil einer Verbindung. Einen ähnlich hohen Aluminiumanteil haben die noch selteneren MineraleAkdalait (Al5O7(OH)[25]; etwa 51 %),Diaoyudaoit (NaAl11O17; etwa 50 %).[26] Insgesamt sind bisher 1237 aluminiumhaltige, von der IMA anerkannte Mineralarten bekannt (Stand: 2025).[27]
Das einzige wirtschaftlich wichtige Ausgangsmaterial für die Aluminiumproduktion istBauxit. Vorkommen befinden sich in Südfrankreich (Les Baux), Guinea, Bosnien und Herzegowina, Ungarn, Russland, Indien, Jamaika, Australien, Brasilien und den Vereinigten Staaten. Bauxit enthält ungefähr 60 ProzentAluminiumhydroxid (Al(OH)3 und AlO(OH)), etwa 30 ProzentEisenoxid (Fe2O3) undSiliciumdioxid (SiO2).
Bei der Herstellung unterscheidet manPrimäraluminium, auchHüttenaluminium genannt, das aus Bauxit gewonnen wird, undSekundäraluminium aus Aluminiumschrott. DieWiederverwertung benötigt nur etwa 5 Prozent der Energie der Primärgewinnung.
Aluminium als Mineral
Entdeckung und Mineralanerkennung
Infolge der Affinität zu Sauerstoff kommt Aluminium in der Natur sehr selten elementar (gediegen) vor. Erstmals entdeckt wurde gediegen Aluminium durch B. V. Oleinikov, A. V. Okrugin und N. V. Leskova in Mineralproben aus der BilleekhIntrusion und demDykeOB-255 in der RepublikSacha(Jakutien) im russischen Föderationskreis Ferner Osten. Die Erstbeschreibung wurde 1978 zunächst im russischen FachmagazinДоклады Академии наук СССР (deutschBerichte der Akademie der Wissenschaften der UdSSR) veröffentlicht.[28]
Offiziell anerkannt durch die IMA wurde Aluminium als Mineralart 1980 (interne Eingangsnummer1980-085a[29]).Die Anerkennung wurde im selben Jahr bei der Publikation derNeuen Mineralnamen im FachmagazinAmerican Mineralogist bestätigt.[30]
Typmaterial, das heißt Mineralproben aus derTyplokalität des Minerals, wird im Museum des Jakutischen Instituts für Geowissenschaften, Sibirische Abteilung der Russischen Akademie der Wissenschaften (englischGeological Museum, Yakut Institute of Geosciences, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences; YIGS) inJakutsk in der russischen TeilrepublikSacha (Jakutien) aufbewahrt.[31][32]
Klassifikation
Da gediegen Aluminium erst 1980 als eigenständige Mineralart anerkannt wurde, ist er in der letztmalig 1977 überarbeiteten8. Auflage der Mineralsystematik nach Strunz noch nicht verzeichnet.
Die von der IMA zuletzt 2009 aktualisierte9. Auflage der Strunz’schen Mineralsystematik ordnet Aluminium ebenfalls in die Abteilung „Metalle und intermetallische Verbindungen“ ein. Diese ist weiter unterteilt nach den in der Verbindung vorherrschenden Metallen, die entsprechend ihrer verwandten Eigenschaften in Metallfamilien eingeteilt wurden. Hier ist das Mineral in der Unterabteilung„Kupfer-Cupalit-Familie“ zu finden, wo es zusammen mitBlei,Gold,Kupfer,Nickel undSilber die „Kupfergruppe“ mit der Systemnummer1.AA.05 bildet.[34]
In der vorwiegend im englischen Sprachraum gebräuchlichenSystematik der Minerale nach Dana hat Aluminium die System- und Mineralnummer01.01.01.05. Das entspricht ebenfalls der Klasse und gleichnamigen Abteilung der „Elemente“. Hier findet er sich innerhalb der Unterabteilung „Elemente: Metallische Elemente außer der Platingruppe“ in der„Goldgruppe“, in der auch Gold, Silber, Kupfer und Blei eingeordnet sind.
In der Natur kommt gediegen Aluminium meist in Form körnigerMineral-Aggregate und Mikronuggets vor, kann in seltenen Fällen aber auch tafeligeKristalle bis etwa einen Millimeter Größe entwickeln. Frische Mineralproben sind von metallischglänzender, silberweißer Farbe. An der Luft dunkeln die Oberflächen durch Oxidierung nach und wirken grau. Auf der Strichtafel hinterlässt Aluminium einen dunkelgrauenStrich.[33]
Zeitliche Entwicklung der weltweiten Primäraluminiumproduktion
Etwa zwei Drittel des europäischen Aluminiumbedarfs wird durch Primäraluminium gedeckt. Primäraluminium wird elektrolytisch aus einerAluminiumoxidschmelze hergestellt. Da diese aus den auf der Erde allgegenwärtigen Alumosilicaten nur schwer isoliert werden kann, erfolgt die großtechnische Gewinnung aus dem relativ seltenen, silikatärmerenBauxit. Zur Gewinnung von reinem Aluminiumoxid aus Silikaten gibt es seit langem[37] Vorschläge, deren Anwendung allerdings nicht wirtschaftlich möglich ist.
Das im Erz enthaltene Aluminiumoxid/-hydroxid-Gemisch wird zunächst mitNatronlauge aufgeschlossen (Bayer-Verfahren, Rohrreaktor- oderAutoklaven-Aufschluss), um es von Fremdbestandteilen wie Eisen- und Siliciumoxid zu befreien, und wird dann überwiegend in Wirbelschichtanlagen (aber auch inDrehrohröfen) zuAluminiumoxid (Al2O3) gebrannt.
Der trockene Aufschluss (Deville-Verfahren) hat dagegen keine Bedeutung mehr. Dabei wurde feinstgemahlenes, ungereinigtes Bauxit zusammen mitSoda undKoks in Drehrohröfen bei rund 1200 °Ckalziniert und das entstehendeNatriumaluminat anschließend mit Natronlauge gelöst.
Schema der Schmelzflusselektrolyse
Die Herstellung des Metalls erfolgt inAluminiumhütten durchSchmelzflusselektrolyse von Aluminiumoxid nach dem Kryolith-Tonerde-Verfahren (Hall-Héroult-Prozess). Zur Herabsetzung des Schmelzpunktes wird das Aluminiumoxid zusammen mitKryolith geschmolzen (Eutektikum bei 963 °C).[38] Bei derElektrolyse entsteht an der den Boden des Gefäßes bildendenKathode Aluminium und an derAnode Sauerstoff, der mit demGraphit (Kohlenstoff) der Anode zuKohlenstoffdioxid undKohlenstoffmonoxid reagiert. Die Graphitblöcke, welche die Anode bilden, brennen so langsam ab und werden von Zeit zu Zeit ersetzt. Die Graphitkathode (Gefäßboden) ist gegenüber Aluminiuminert. Das sich am Boden sammelnde flüssige Aluminium wird mit einem Saugrohr abgesaugt.
Alubarren aus dem Werk inGampel im Kanton WallisStranggegossene Rundbarren aus Aluminium
Aufgrund der hohenBindungsenergie durch dieDreiwertigkeit des Aluminiums und der geringen Atommasse ist der Prozess recht energieaufwendig. Pro produziertem Kilogramm Rohaluminium müssen 12,9 bis 17,7 Kilowattstunden anelektrischer Energie eingesetzt werden.[39][40] Eine Reduzierung des Strombedarfs ist nur noch in geringem Ausmaß möglich, weil die Potentiale für energetische Optimierungen weitgehend erschlossen sind.[41] Aluminiumherstellung ist daher nur wirtschaftlich, wenn billige Elektroenergie zur Verfügung steht.
Sekundäraluminium (Herstellung durch Aluminium-Recycling)
Um Aluminium zu recyceln, werden Aluminiumschrotte und „Krätzen“ in Trommelöfen eingeschmolzen. „Krätze“ ist ein Abfallprodukt bei der Verarbeitung von Aluminium und bei der Herstellung von Sekundäraluminium. Krätze ist ein Gemisch aus Aluminiummetall und feinkörnigen Oxidpartikeln und wird beim Schmelzen von Aluminium bei 800 °C aus dem Aluminiumoxid der normalen Aluminiumkorrosion und als Oxidationsprodukt (Oxidhaut) beim Kontakt von flüssigem Aluminium mit Luftsauerstoff gebildet. Damit beim Aluminiumgießen keine Aluminiumoxidpartikel in das Gussteil gelangen, wird die Krätze durchKratzvorrichtungen von der Oberfläche der Metallschmelze abgezogen.
Um die Bildung von Krätze zu verhindern, wird die Oberfläche der Schmelze mitHalogenidsalzen (rund zwei Drittel NaCl, ein Drittel KCl und geringe Mengen Calciumfluorid CaF2) abgedeckt (siehe dazuAluminiumrecycling). Dabei entsteht als Nebenprodukt Salzschlacke, die noch ca. 10 Prozent Aluminium enthält, die, entsprechend aufbereitet, als Rohstoff für mineralische Glasfasern dient.[45]
Allerdings wird an der Herstellung von Sekundäraluminium kritisiert, dass beim Recycling pro Tonne jeweils 300 bis 500 KilogrammSalzschlacke, verunreinigt mitDioxinen und Metallen, entstehen; deren mögliche Wiederverwertung ist aber Stand der Technik.[46][47]
Leerstellen kommen mit einer Dichte von 1,3 × 10−4 bei 500 °C vor, bei Raumtemperatur sind es nur noch 10−12. DurchAbschrecken können größere Leerstellendichten bei Raumtemperatur vorkommen, was für einige Eigenschaften von Aluminiumwerkstoffen von Bedeutung ist, da die Leerstellen dieDiffusion begünstigen. DurchUmformen bei Raumtemperatur kann die Leerstellendichte auf 10−4 erhöht werden. DieVersetzungsdichte liegt bei 10−7, einem für Metalle typischen Bereich, und führt auch zur guten Umformbarkeit von Aluminium.Stapelfehler konnten bei Aluminium nicht nachgewiesen werden, was mit der hohenStapelfehlerenergie von 103 bis 200 (10−7 J/cm²) erklärt wird. Dies führt dazu, dass dieFestigkeitssteigerung beim Kaltwalzen und -schmieden nur gering ausfällt und manche Aluminiumwerkstoffe sogar anschließend zur Entfestigung neigen.[51]
Dichte
Geätzte Oberfläche eines hochreinen (99,9998 %) Aluminium-Barrens, Größe 55 mm × 37 mmHochreines Aluminium (99,99 %), makrogeätzt
Mit einer Dichte von 2,6989 g/cm³[52] (etwa ein Drittel von Stahl) ist Aluminium ein typischesLeichtmetall, was es als Werkstoff für denLeichtbau interessant macht. Die Dichte der Legierungen weicht meist nur um etwa +3 % bis −2 % ab. Nur spezielleLegierungen mit Lithium haben eine 15 % geringere Dichte. Aluminium zählt somit zu den leichtesten Werkstoffen, übertroffen nur noch vonMagnesium.[53]
Mechanische Eigenschaften
Aluminium ist ein relativ weiches und zähes Metall. Die wichtigsten mechanischen Kennwerte von Reinaluminium sind im Folgenden aufgelistet[52][54][55][56]:
Poissonzahl: 0,35auch Querkontraktionszahl genannt
Die Zugfestigkeit von Reinaluminium ist relativ gering, wobei die Bruchdehnung einen relativ hohen Wert aufweist. Zum Vergleich: Die Zugfestigkeit der Aluminium-Legierungen liegt dagegen bei bis zu 710 N/mm² (Legierung 7068).
Thermische Eigenschaften
DieSchmelztemperatur liegt bei 660,2 °C und dieSiedetemperatur bei 2470 °C. Die Schmelztemperatur ist deutlich niedriger als die von Kupfer (1084,6 °C), Gusseisen (1147 °C) und Eisen (1538 °C), was Aluminium zu einem gutenGusswerkstoff macht.
DieWärmeleitfähigkeit liegt mit 235 W/(K m) relativ hoch. Die Wärmeleitfähigkeit vonKupfer liegt zwar etwa doppelt so hoch, dafür ist die Dichte etwa viermal größer, weshalb Aluminium fürWärmetauscher in Fahrzeugen genutzt wird.[58] DerWärmeausdehnungskoeffizient ist durch den recht niedrigen Schmelzpunkt mit 23,1 µm·m−1·K−1 recht hoch.
Da thermische und elektrische Leitfähigkeit bei Metallen von denselben Mechanismen dominiert werden, ist Aluminium mit auch ein sehr guter elektrischer Leiter. In der Rangfolge der Elemente mit der größtenspezifischen Leitfähigkeit steht Aluminium wie bei der Wärmeleitfähigkeit hinter Silber, Kupfer und Gold an vierter Stelle. Durch die Kombination von hohem spezifischem Leitwert, geringer Dichte, hoher Verfügbarkeit und (im Vergleich zu anderen Materialien) geringen Kosten ist Aluminium in der Elektrotechnik – speziell in der Energietechnik, wo große Leiterquerschnitte benötigt werden – neben Kupfer zum wichtigsten Leitermaterial geworden.[59]
Magnetische Eigenschaften
Aluminium istparamagnetisch, wird also von Magneten angezogen, der Effekt ist jedoch sehr schwach ausgeprägt. DieMagnetische Suszeptibilität liegt bei Raumtemperatur bei 0,62 × 10−9 m³/kg, womit Aluminium praktisch gesehen unmagnetisch ist.[60]
Chemische Eigenschaften
Korrosion von Aluminium abhängig vom pH-Wert der Umgebung (gezeichnet nach Info aus[61])
Das reineLeichtmetall Aluminium hat aufgrund einer sich sehr schnell an derLuft bildenden dünnenOxidschicht ein stumpfes, silbergraues Aussehen. Diesepassivierende Oxidschicht macht reines Aluminium beipH-Werten von 4 bis 8,5korrosionsbeständig (siehe Abbildung). Die Oxidschicht ist etwa 0,05 µm dick.[62]Sie schützt vor weiterer Oxidation, ist aber bei derelektrischen Kontaktierung und beimLöten hinderlich. Durch elektrische Oxidation (Eloxieren) oder auf chemischem Weg kann eine 5 bis 25 µm dicke Schicht zum verbesserten Korrosionsschutz erzeugt werden.
Aluminium geht in neutralerchloridischer Lösung einen sehr stabilen und wasserlöslichenNeutralkomplex ein. Die folgende Reaktionsgleichung veranschaulicht dies:
Dies geschieht vorzugsweise an Stellen, wo die Oxidschicht des Aluminiums bereits geschädigt ist. Es kommt dort zuLochfraßkorrosion: Löcher entstehen.Kann die chloridische Lösung dann an die freie Metalloberfläche treten, so laufen andere Reaktionen ab. Aluminium-Atome können unter Komplexierung oxidiert werden:
Liegen in der Lösung Ionen eines edleren Metalls (→elektrochemische Spannungsreihe) vor, so werden sie reduziert und am Aluminium abgeschieden. Auf diesem Prinzip basiert die Reduktion von Silberionen, die auf der Oberfläche von angelaufenem Silber alsSilbersulfid vorliegen, hin zu Silber.
Aluminium reagiert heftig mit wässrigerNatriumhydroxidlösung (NaOH) (und etwas weniger heftig mit wässrigerNatriumcarbonatlösung) unter Bildung vonWasserstoff.Diese Reaktion wird in chemischenRohrreinigungsmitteln genutzt.Die Reaktion von Aluminium mit NaOH läuft in zwei Schritten ab: der Reaktion mit Wasser und die Komplexierung des Hydroxids zuNatriumaluminat.
In der Regel wird anschließend die Oberfläche getrocknet; dabei wird das Hydroxid in das Oxid umgewandelt:
Dies passiert aber nicht bei der Reaktion von Aluminium in wässrigerNatronlauge.
Nun folgt der 2. Schritt, die Komplexierung des Hydroxids zu Natriumaluminat:
Durch die Komplexierung wird das gallertartige Hydroxid wasserlöslich und kann von der Metalloberfläche abtransportiert werden. Dadurch ist die Aluminiumoberfläche nicht mehr vor dem weiteren Angriff des Wassers geschützt und Schritt 1 läuft wieder ab.
Mit dieser Methode lassen sich – ebenso wie bei der Reaktion von Aluminium mit Säuren – pro zweiMol Aluminium drei Mol Wasserstoffgas herstellen.
Aluminium reagiert bei Zimmertemperatur mitBrom; hierbei entstehen Flammen. Das entstehendeAluminiumbromid reagiert mit Wasser unter Bildung von Aluminiumhydroxid undBromwasserstoffsäure.
Aufhebung der Passivierung von Aluminium durch ca. 1 mg Quecksilber mittelsAmalgam-Bildung (Aufnahme im Zeitraffer)
Quecksilber und Aluminium bildenAluminiumamalgam. Wenn Quecksilber direkt mit Aluminium zusammenkommt, d. h., wenn die Aluminiumoxidschicht an dieser Stelle mechanisch zerstört wird, frisst Quecksilber Löcher in das Aluminium; unter Wasser wächst dann darüber Aluminiumoxid in Gestalt eines kleinen Blumenkohls. Quecksilber wird in der Luftfahrt deshalb alsGefahrgut und „ätzende Flüssigkeit“ gegenüber Aluminiumwerkstoffen eingestuft.[63]
Mit Salzsäure reagiert Aluminium sehr heftig unter Wasserstoffentwicklung. VonSchwefelsäure wird es langsam aufgelöst. InSalpetersäure wird es passiviert.
In Pulverform (Partikelgröße kleiner 500 µm) ist Aluminium vor allem dann, wenn es nichtphlegmatisiert ist, wegen seiner großen Oberfläche sehr reaktiv. Aluminium reagiert dann mit Wasser unter Abgabe vonWasserstoff zuAluminiumhydroxid. Feinstes, nicht phlegmatisiertes Aluminiumpulver wird auch als Pyroschliff bezeichnet. Nicht phlegmatisierter Aluminiumstaub ist explosionsgefährdet und größere Mengen können sich bei Luftkontaktselbst entzünden.[64] DieVerbrennungsenthalpie beträgt dabei 823,95 kJ·mol−1.[65]
Zum Löschen von brennendem Aluminiumstaub darf kein Wasser (Knallgasbildung), Kohlendioxid, Stickstoff und keine Löschpulver derBrandklassen A, B oder C eingesetzt werden.GeeigneteFeuerlöschmittel sindLöschpulver der Brandklasse D, trockener Sand und Zement, trockene Abdecksalze, trockene rostfreie Graugussspäne und porösesHohlglasgranulat wie Pyrobubbles.[66]
Isotope
In der Natur kommt ausschließlich dasIsotop27Al vor; Aluminium gehört damit zu denReinelementen. Dieses Isotop, das stabil ist und im Kern 14Neutronen und 13Protonen enthält, absorbiert keine Neutronen, weshalb Aluminium inKernreaktoren genutzt wird. Alle anderen Isotope werden künstlich erzeugt und sindradioaktiv. Das stabilste dieser Isotope ist26Al mit einerHalbwertszeit von 717.000 Jahren. DurchElektroneneinfang oderBeta-Zerfall entsteht daraus26Mg, durch Einfangen eines Neutrons und anschließendenGamma-Zerfall27Al. Die Isotope24Al bis29Al (außer26Al und27Al) haben Halbwertszeiten zwischen wenigen Sekunden und einigen hundert Sekunden.23Al zerfällt mit einer Halbwertszeit von nur 0,13 Sekunden.[67]
Beim Zerfall von26Aluminium entstehen außerdemGammastrahlung undRöntgenstrahlung. Wegen seiner Radioaktivität wird es üblicherweise hinter mindestens 5 cm dicken Bleischichten gelagert.
Verwendung
26Aluminium wird bei der Altersberechnung vonMeteoriten undKometen verwendet. Es entsteht neben10Beryllium auf außerirdischen Objekten in beträchtlichen Mengen bei dernuklearen Spallation vonSilicium. Nach dem Sturz auf dieErde endet die Produktion von26Al und seine relative Häufigkeit im Verhältnis zu anderenkosmogenen Nukliden nimmt deshalb ab.26Aluminium kann auf der Erde selbst nicht entstehen, weil dieErdatmosphäre die Interaktion von Silicium mitkosmischer Strahlung auf der Erdoberfläche und in der unterenTroposphäre verhindert. Infolgedessen kann der26Al-Anteil in einer Gesteinsprobe eines Meteoriten zur Berechnung des Datums, wann dieser auf die Erde stürzte, benützt werden.[68]
Das Isotop entsteht hauptsächlich inSupernovae, wobei zahlreiche radioaktive Nukliden in dasinterstellare Medium hinausgeschleudert werden. Es wird angenommen, dass das Isotop kleinen planetarischen Körpern genügend Wärme liefert, um ihr Inneres zu verändern, wie es in den Frühgeschichten der AsteroidenCeres undVesta der Fall gewesen sein soll.[70][71][72]
Reinaluminium als Werkstoff
Unlegiertes Aluminium wird in unterschiedlichenReinheitsgraden hergestellt[73]:
Reinaluminium mit einem Aluminiumgehalt von 99 % bis 99,9 %
Reinstaluminium mit einem Aluminiumgehalt von mindestens 99,99 %
Beim Reinaluminium ist der Typ mit 99,5 % Al (Werkstoffbezeichnung EN AW-1050A oder Al99,5) am gebräuchlichsten. Hieraus lassen sich Tafeln, Stangen, Bleche, Rohre und Folien herstellen. Als Einsatzgebiete sind u. a. der Behälter- undApparatebau insbesondere für die chemische Industrie und die Nahrungsmittelindustrie, Komponenten für die Elektrotechnik,Reflektoren für die Lichttechnik und Verpackungen zu nennen.
Für Reinstaluminium werden Fremdelemente wie Eisen und Silicium durchRaffination entfernt[74], wodurch vergleichsweise höhere Kosten entstehen. Die Bezeichnung ergibt sich aus dem Reinheitsgrad und einem zusätzlichen „R“, also „Al99,99R“ für 99,99 % reines Aluminium. Es sind Feinstdrähte,Beschichtungstargets und Folien im Handel, die oftmals zur Herstellung hochwertiger Oberflächen oder für Halbleiterkomponenten wie Kondensatorfolien und Stromkollektoren verwendet werden. Allgemein gilt, dass mit steigendem Reinheitsgrad die elektrische Leitfähigkeit, die Korrosionsbeständigkeit und das optischeReflexionsvermögen zunehmen, die Festigkeit hingegen abnimmt.
Aluminiumlegierungen sindLegierungen, die überwiegend aus Aluminium bestehen. Für andere Legierungen, die Aluminium enthalten, siehe Abschnitt#Weitere Anwendungen.
Aluminium kann mit zahlreichen Metallen legiert werden, um bestimmte Eigenschaften wie die Festigkeit zu steigern oder andere, ungewünschte Eigenschaften zu unterdrücken. Bei einigen hochfesten Legierungen ist die Bildung der schützenden Oxidschicht (Passivierung) stark gestört, wodurch die daraus gefertigten Bauteile teilskorrosionsgefährdet sind, was eine zusätzliche Oberflächenbehandlung notwendig macht.
Im Allgemeinen werden Aluminiumlegierungen in die zwei großen Gruppen der Knet- und Gusslegierungen eingeteilt:[52][76]
Aluminiumgusslegierungen enthalten typischSilicium als Hauptlegierungselement (AlSi), teilweise auch Kupfer oder Magnesium.[52][77]
Aluminiumknetlegierungen haben einen Anteil von etwa 75 % und werden weiter unterteilt nach dem Hauptlegierungselement(en) in
Aluminium-Kupfer-Legierungen (AlCu): Sie haben mittlere bis hohe Festigkeit, sind aushärtbar, aber korrosionsanfällig und schlecht schweißbar. Sie können Zusätze von Magnesium oder Mangan enthalten.[52][78]
Aluminium-Magnesium-Legierungen (AlMg, ohne AlMgSi): Sie haben mittlere Festigkeiten, sind nicht aushärtbar, korrosionsbeständig, gut umformbar und schweißbar. Die meisten Sorten enthalten zusätzlich noch Mangan (AlMg(Mn)).[52][80]
Aluminium-Magnesium-Silicium-Legierungen (AlMgSi): Sie haben mittlere bis hohe Festigkeiten, sind gut zu bearbeiten durch Schweißen und Strangpressen, aushärtbar und korrosionsbeständig.[52][81]
Aluminium-Zink-Magnesium-Legierungen (AlZnMg): Kupferfreie Sorten haben mittlere bis hohe Festigkeiten und sind gut schweißbar. Kupferhaltige Sorten (AlZnMg(Cu)) haben hohe Festigkeiten – im Falle 7075 über 500MPa – sind nicht durchSchmelzschweißen, jedoch gut durchZerspanen (Fräsen, Bohren) zu bearbeiten.[52][82]
Aushärtbare Knetlegierungen – Festigkeitssteigerung durchAusscheidungshärtung von Legierungselementen bei einer zusätzlichen Alterungsglühung bei 150 bis 190 °C. Typische aushärtbare Aluminiumknetlegierungen sind: AlMgSi, AlCuMg, AlZnMg. Die erste hochfeste, aushärtbare Aluminiumlegierung AlCuMg bekam 1907 dieHandelsbezeichnungDuraluminium, kurz „Dural“ genannt.
Wirtschaftliche Bedeutung
Aluminium ist nachStahl der zweitwichtigste metallische Werkstoff. 2016 wurden weltweit 115 Mio. Tonnen produziert.[84]
Der Aluminiumpreis im Vergleich zum Kupferpreis
Aluminium
Kupfer
Der Aluminiumpreis bewegte sich am Weltmarkt seit 1980 um den Wert von 2000 Dollar pro Tonne (Reinheit von 99,7 %). Er ist jedoch relativvolatil, 2016 fiel er auf um die 1500 Dollar pro Tonne, während er 2017 wieder bei annähernd 2000 Dollar lag.[85]
Im August 2020 verhängte die USA (Kabinett Trump I) 10 %Einfuhrzoll auf Aluminium aus Kanada, um die inländische Produktion zu schützen.[86]
Infolge vonSanktionen im Ukraine-Krieg übersprang die Notierung [Ende März 2022] „zum zweiten Mal seit Ausbruch des Kriegs die Marke von 3.500 Dollar pro Tonne.“[87]
Verwendung
Konstruktionswerkstoff allgemein
Typisches Druckguss-Teil aus einer Aluminiumlegierung (Teil eines Staubsaugergebläses)
Aluminiumlegierungen besitzen eine hohespezifische Festigkeit (d. h. Festigkeit bezogen auf die Dichte). Verglichen mit konventionellen Stählen sind Bauteile aus Aluminiumlegierungen bei gleicher Festigkeit etwa halb so schwer, weisen jedoch ein größeres Volumen auf.[88] Deshalb wird es gern imLeichtbau verwendet, also dort, wo es auf geringe Masse ankommt, die zum Beispiel beiTransportmitteln zum geringeren Treibstoffverbrauch beiträgt, vor allem in derLuft- undRaumfahrt. Im Kraftfahrzeugbau gewann es aus diesem Grund an Bedeutung; hier standen früher der hohe Materialpreis, die schlechtereSchweißbarkeit sowie die problematischeDauerbruchfestigkeit und die Verformungseigenschaften bei Unfällen (geringes Energieaufnahmevermögen in der sogenanntenKnautschzone) im Wege. Die Haube desWashington-Denkmals, ein 3 kg schweres Gussstück, galt bis 1884 als eines der größten Aluminiumwerkstücke.[89] Beim Bau von kleinen und mittlerenSchiffen und Booten wird die Korrosionsbeständigkeit von Aluminium gegenüberSalzwasser geschätzt.[90] Der Fahrzeugbau (inklusive Schiffen, Flugzeugen und Schienenfahrzeugen) machte 2010 mit ca. 35 Prozent den größten Anteil an der weltweiten Verwendung von Aluminium aus.[91]
Mit einigenAluminiumlegierungen werden Festigkeiten erreicht, die denen vonStahl nur wenig nachstehen. Daher ist die Verwendung von Aluminiumlegierungen zur Gewichtsreduzierung überall dort angebracht, wo Materialkosten eine untergeordnete Rolle spielen. Insbesondere im Flugzeugbau und in der Weltraumtechnik sind sie weit verbreitet. Der größte Teil der Struktur heutiger Verkehrsflugzeuge wird aus Aluminiumblechen verschiedener Stärken und Legierungengenietet oder inzwischen auch verschweißt.
Fahrzeugbau
Bei Fahrzeugen spielt deren Masse eine Rolle: Je leichter ein Fahrzeug ist, desto geringer ist der Treibstoffverbrauch. In Deutschland werden knapp 50 % des Aluminiums im Fahrzeugbau verwendet (Stand: 2015).[92]
Personenkraftwagen
Bei PKWs werden Aluminiumwerkstoffe verwendet für verschiedeneMotorkomponenten – darunter derMotorblock, dieZylinderkolben für die spezielleKolbenlegierungen existieren, dieZylinderköpfe – wo vor allem die geringe Wärmeausdehnung und Korrosionsanfäligkeit sowie die hohe Warmfestigkeit ausschlaggebend sind; zusammen mit der gutenGießbarkeit, da diese Komponenten üblicherweise gegossen werden. Weitere Anwendungen bei Fahrzeugen sind fürGehäuse vonGetrieben, als Wärmeabschirmung und alsWärmetauscher – bei den letzten beiden in Form von Reinaluminium. ImFahrwerk wird Aluminium genutzt als Schmiedeteile fürHinterachsen,Achsträger,Querlenker und Räder. In der Karosserie wird Aluminium verwendet für Türen,Motorhauben,Stoßfänger undKotflügel, sowie in der Rohbaustruktur.[93]
BeiSchienenfahrzeugen wird ebenfalls Aluminium verwendet. Voraussetzung waren dafür zwei wichtige andere Entwicklungen: Bestimmte Schweißverfahren die für Aluminiumwerkstoffe geeignet sind (WIG-Schweißen /MIG-Schweißen) in den 1950ern und dasStrangpressen von Großprofilen. Die Verwendung von Aluminiumlegierungen hat die gesamte Bauweise von Schienenfahrzeugen verändert. Bis etwa 1970 waren Konstruktionen aus Stahlrohren üblich, danach vermehrt verschweißte Profile aus Aluminiumlegierungen.[94]
Flugzeuge
Bereits in der Anfangsphase der Luftfahrt wurden Aluminiumwerkstoffe genutzt, 1903 beispielsweiseMagnalium für dieBeschläge eines Flugzeuges, das noch größtenteils aus Holz, Draht und Tuch bestand. Das erste flugfähigeGanzmetallflugzeug stammt aus dem Jahre 1915, bestand allerdings aus Stahlblechen in Schalenbauweise. Die entscheidende Entwicklung zur Verwendung von Aluminium im Flugzeugbau stammt von 1906 vonAlfred Wilm, der mit demDuraluminium eine aushärtbareAluminium-Kupfer-Legierung fand, die sehr hohe Festigkeiten aufweist und sich daher ausgezeichnet für den Leichtbau eignet. Genutzt werden für Flugzeuge AlCu und AlZnMg. Die Gesamtmasse von Flugzeugen geht zu 60 % auf Aluminium zurück. Die Verbindung der aus Blechen gestanzten, geschnittenen odergetriebenen, aus dem Vollen gefrästen oder aus Profilen bestehenden Werkstücke erfolgt meist durchNieten, zum Teil inzwischen auch durch Schweißen.[95]
Fahrräder
Bei Sport- und Alltagsrädern, hat Aluminium bei vielen Bauteilen Stahl abgelöst. Bei Felgen gab es im Rennsport auch Holzfelgen, bevor sich Alufelgen durchsetzten – diese sind griffiger für Bremsbacken, verschleißen jedoch dabei. Alurahmenrohre wurden zuerst – um 1970 – mit Epoxidkleber gefügt, später geschweißt. Bei Gepäckträgern und Seitenständern kommt Alu als Draht, Guss und Rohr vor. Lenker, Vorbau, Bremsgriffe, Kurbeln und Ketten-Schaltwerk sind seit langem typisch aus Alu. Schutzbleche sind häufig aus kunststoffumhülltem Alu.
Elektrotechnik
Elektrische Leitungen
Aluminium-Umguss amKäfigläufer-Blechpaket (zylindrisches Teil in der Mitte) einesSpaltpolmotors. Die Aluminium-Käfigstäbe verlaufen im Inneren. An den Stirnseiten sind zusätzlich Lüfterflügel mitgegossen. Obere Wicklung und Lagerschalen des Motors sind entfernt.
Aluminium ist ein guterelektrischer Leiter. Es weist nach Silber,Kupfer und Gold die vierthöchsteelektrische Leitfähigkeit aller Metalle auf. Ein Leiter aus Aluminium hat bei gegebenemelektrischen Widerstand eine kleinere Masse, aber ein größeresVolumen als ein Leiter aus Kupfer. Daher wird meistens dann Kupfer als elektrischer Leiter verwendet, wenn das Volumen eine dominante Rolle spielt, wie bei den Wicklungen inTransformatoren. Aluminium hat dann als elektrischer Leiter Vorteile, wenn das Gewicht eine wesentliche Rolle spielt, beispielsweise bei denLeiterseilen vonFreileitungen.[96] Aufgrund der Gewichtsreduktion werden in Flugzeugen Aluminiumkabel verwendet.
Aluminium wird unter anderem zuStromschienen inUmspannwerken und zu stromführenden Gussteilen verarbeitet. FürElektroinstallationen gibt eskupferkaschierte Aluminiumkabel, der Kupferüberzug ist zur Verbesserung der Kontaktgabe. In diesen Anwendungsbereichen sind primär Rohstoffpreise entscheidend, da Aluminium preisgünstiger als Kupfer ist. FürOberleitungen bei elektrischen Bahnen ist es dagegen aufgrund seiner schlechten Kontakt- und Gleiteigenschaften ungeeignet, in diesem Bereich wird trotz des höheren Gewichts primär Kupfer eingesetzt.
Beim Kontaktieren unter Druck ist Aluminium problematisch, da es zumKriechen neigt. Außerdem überzieht es sich an Luft mit einer Oxidschicht. Nach längerer Lagerung oder Kontakt mit Wasser ist diese isolierende Schicht so dick, dass sie vor der Kontaktierung beseitigt werden muss. Vor allem im Kontakt mit Kupfer kommt es zuBimetallkorrosion. Bei ungeeigneten Kontaktierungen inKlemmen kann es bei Aluminiumleitern in Folge zu Ausfällen undKabelbränden aufgrund sich lösender Kontakte kommen.Crimpverbindungen mit passenden Hülsen und Werkzeugen sind jedoch sicher. Als Zwischenlage zwischen Kupfer und Aluminium können Verbindungsstücke ausCupal die Kontaktprobleme vermeiden.
Hervorzuheben ist das geringe Absinken der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit von Aluminium bei Zusatz von Legierungsbestandteilen, wohingegen Kupfer bei Verunreinigungen eine deutliche Verringerung der Leitfähigkeit zeigt.
Inintegrierten Schaltkreisen wurde bis in die 2000er Jahre ausschließlich Aluminium alsLeiterbahnmaterial eingesetzt. Bis in die 1980er Jahre wurde es als Material für dieSteuerelektrode (Gate) vonFeldeffekttransistoren mitMetall-Isolator-Halbleiter-Struktur (MOSFET beziehungsweise MOS-FET) verwendet.[97] Neben dem geringen spezifischen Widerstand sind für die Verwendung die gute Haftung auf und geringe Diffusion in Siliciumoxiden (Isolationsmaterial zwischen den Leiterbahnen) sowie die einfache Strukturierbarkeit mithilfe vonTrockenätzen ausschlaggebend. Seit Anfang der 2000er Jahre wird Aluminium jedoch zunehmend durch Kupfer als Leiterbahnmaterial ersetzt, auch wenn dafür aufwendigere Strukturierungsverfahren (vgl.Damascene- undDual-Damascene-Prozess) und Diffusionsbarrieren notwendig sind.[98] Der höhere Fertigungsaufwand wird durch den geringeren spezifischen Widerstand, der im Fall von kleinen Strukturen bei Aluminium viel früher signifikant ansteigt[99] und anderen Eigenschaften (Elektromigrationverhalten) überwogen und die Aluminium-Prozesse konnte die gestiegenen Anforderungen (Taktfrequenz,Verlustleistung) in mit hohen Frequenzen arbeitenden Schaltkreisen nicht mehr genügen.
Aluminium wird jedoch weiterhin in mikroelektronischen Produkten verwendet, so wird es wegen seiner guten Kontaktierbarkeit durch andere Metalle in den letzten Leiterbahnebenen eingesetzt, um den elektrischen Kontakt zu den bei derFlip-Chip-Montage eingesetzten Lotkügelchen herzustellen. Ähnlich verhält es sich bei Leistungshalbleitern, bei denen in der Regel alle Leiterbahnebenen aus Aluminium bestehen. Allgemein und insbesondere beiLeistungshalbleitern wird das Material fürBonddrähte (Verbindungsdrähte zwischen Chip und Gehäuseanschluss) verwendet.
Mit der Einführung derHigh-k+Metal-Gate-Technik hat Aluminium nach gut 25 Jahren Abwesenheit im Bereich des Gates an Bedeutung gewonnen und wird neben anderen als Material zur Einstellung derAustrittsarbeit eingesetzt.
Verpackung und Behälter
Eine klassische italienischeEspressokanne aus Aluminium
In der Verpackungsindustrie wird Aluminium zuGetränke- undKonservendosen sowie zuAluminiumfolie verarbeitet. Dabei macht man sich die Eigenschaft der absoluten Barrierewirkung gegenüber Sauerstoff, Licht und anderen Umwelteinflüssen zunutze. Ausschlaggebend für die Verwendung von Aluminium als Verpackung ist nicht die geringe Dichte, sondern die gute Verarbeitbarkeit durchWalzen und die Ungiftigkeit.[100] Dünne Folien werden in Stärken von sechs Mikrometern hergestellt und dann zumeist in Verbundsystemen eingesetzt, beispielsweise inTetra Paks. Kunststofffolien können durch Bedampfen mit Aluminium mit einer dünnen Schicht versehen werden, welche dann eine hohe (aber nicht vollständige) Barrierefunktion aufweist. Grund dieser Barrierewirkung ist nicht das reine Aluminium, sondern diePassivschicht ausBöhmit. Wird diese verletzt, so kann Gas ungehindert durch den Werkstoff Aluminium strömen.[101][102] Genutzt werden meist Reinaluminium,AlMn (Legierungen mit Mangan) undAlMg (Legierungen mit Magnesium).[103]
Aus Aluminium werden Kochtöpfe und andere Küchengeräte, wie die klassische italienischeEspressokanne, sowie Reise- undMilitär-Geschirr hergestellt. Aluminium wird für eine Vielzahl von Behältern und Gehäusen verarbeitet, da es sich gut durch Umformen bearbeiten lässt. Gegenstände aus Aluminium werden häufig durch eineEloxalschicht vor Oxidation und Abrieb geschützt.
Druckgasflaschen aus Aluminium sind eher selten, denn Taucher brauchen Ballast und im Bereich Feuerwehr wurden Leichtstahlflaschen durch solche aus Faserverbund ersetzt, zunehmend ohne Alu-Liner.
Getränkedose
2017 entfielen 17 % der europäischen Aluminiumverwendung auf Verpackungen.[104]
Optik und Lichttechnik
Reflexionsgrad von Aluminium (blau, Al) im Vergleich zu Gold (rot, Au) und Silber (grau, Ag)
Aluminium wird aufgrund seines hohenReflexionsgrades als Spiegelbeschichtung von Oberflächenspiegeln, unter anderem inScannern, Kraftfahrzeug-Scheinwerfern undSpiegelreflexkameras aber auch in der Infrarotmesstechnik eingesetzt. Es reflektiert im Gegensatz zuSilberUltraviolettstrahlung. Aluminium-Spiegelschichten werden meist durch eine Schutzschicht vor Korrosion und Kratzern geschützt.
Aluminium wird als Konstruktionswerkstoff insbesondere fürLeichtbaukonstruktionen und alsFunktionswerkstoff zur Fertigung von dekorativen und korrosionsbeständigen Bauteilen verwendet. Neben der Witterungsbeständigkeit ist vor allem die einfache Verarbeitbarkeit von Vorteil, insbesondere bei handwerklicher Fertigung.
Das Baugewerbe ist der Hauptabnehmer für Aluminiumprofile. Genutzt wird Aluminium hauptsächlich fürFensterrahmen, Türen und Tragstruktur sowie Verkleidung vonVorhangfassaden. Bekannt ist die Fassade desImperial War Museums in Manchester. Für Außenanwendungen werden oft korrosionsbeständigeAluminium-Mangan-Legierungen eingesetzt.
Aluminiumheizkörper werden auch zur Gebäudebeheizung verwendet, da Aluminium ein geringes Gewicht hat und in Feucht-Räumen nicht rostet. Zu beachten ist, dass Heizungswasser laut VDI 2035[107] bereits einenpH-Wert von mindestens 8,2 haben soll. Wenn eine zusätzliche Eigen-Alkalisierung auftritt[108] ist der Einsatz von Aluminium-Heizkörpern nicht unkritisch, da pH-Werte über 8,5[109] zur Korrosion von Aluminium führen können.
Im konstruktiven Ingenieurbau werden Legierungen mit höherer Festigkeit genutzt, darunterAlMg undAlSi.[110] Selten wird Aluminium auch imBrückenbau eingesetzt, wo sonst derStahlbau vorherrscht.
Bleche undVerbundplatten aus Aluminiumlegierungen werden im Brandschutz als 'nicht brennbar' (Brandschutzklassen A1/A2 nach EN13501) bis 'normal entflammbar' (Brandschutzklasse B2 nach DIN4102; D, E, F nach EN13501) eingestuft.[111] Ein Wohnungsbrand entwickelt im Zustand desVollbrands 1000 °C. Bereits zwischen 600 °C und 660 °C schmelzen Aluminiumlegierungen.[14][112]
Das Imperial War Museum von Außen
Dachkonstruktion aus Aluminium beim Imperial War Museum
Aluminiumblech, punktuell über 600 °C erhitzt.
Weitere Anwendungen
In der Raketentechnik enthält der Treibstoff vonFeststoffraketen bis zu 30 Prozent Aluminiumpulver, das bei der Verbrennung viel Energie freisetzt.[113] Aluminium wird inFeuerwerken (s. a.Pyrotechnik) verwendet, wo es je nach Körnung und Mischung für farbige Effekte sorgt. Auch in Knallsätzen findet es oft Verwendung.[114]
Bei derAluminothermie wird Aluminium zur Gewinnung anderer Metalle und Halbmetalle verwendet, indem das Aluminium zur Reduktion der Oxide genutzt wird. Ein wichtiges Verfahren der Aluminothermie ist dieThermitreaktion, bei der Aluminium mit Eisen(III)-oxid umgesetzt wird. Bei dieser stark exothermen Reaktion bildet sich bei Temperaturen von bis zu 2500 °C flüssiges Eisen, das zum aluminothermischen Schweißen genutzt wird, beispielsweise zumFügen vonBahngleisen. Für Laborzwecke wird auch die Reduktionswirkung vonAluminiumamalgam eingesetzt.
Aluminium dient alsPigment für Silber- und Goldbronze. Farbigeloxiert ist es Bestandteil vieler Dekorationsmaterialien wie Flitter, Geschenkbänder und Lametta. Zur Beschichtung von Oberflächen wird es beimAluminieren verwendet.
Bevor es gelang, Zinkblech durch Titanzusatz als so genanntesTitanzink verarbeitbar zu machen, wurde vielfach Aluminiumblech für Dachelemente wie Dachrinnen eingesetzt. Auch Fassadenpaneele, Dachschindeln undWellblech werden aus Aluminium gefertigt. SieheLeichtdach.
Wegen seiner hohen Wärmeleitfähigkeit wird Aluminium als Werkstoff für stranggepressteKühlkörper und wärmeableitende Grundplatten verwendet.Aluminium-Elektrolytkondensatoren verbauen Aluminium als Elektrodenmaterial und Gehäusewerkstoff, weiters wird es zur Herstellung vonAntennen undHohlleitern verwendet.
Aluminium kommt in einigen Legierungen vor. Neben denAluminiumlegierungen die überwiegend aus Aluminium bestehen, kommt es noch vor in den KupferlegierungenAluminiumbronze,Aluminiummessing,Isabellin, zu etwa gleichen Teilen Al und Kupfer in derDevardaschen Legierung, als Hauptlegierungselement fürMagnesiumlegierungen sowie inAlnico undSendust, zwei Eisenlegierungen mit besonderen magnetischen Eigenschaften. In vielenTitanlegierungen kommt ebenfalls Aluminium vor, insbesondere inTi-6Al-4V, der Sorte, die etwa 50 % aller Titanlegierungen ausmacht.[115] Dort ist Aluminium mit sechs Massenprozent enthalten.
Gusslegierungen werden in Gießereien verarbeitet und in Formen gegossen, die schon vollständig oder weitgehend der Form der Endprodukte entsprechen. Danach erfolgt eine Endbearbeitung durch Schleifen. Gusslegierungen werden häufig aus Schrott erschmolzen.
Knetlegierungen werden in den Hüttenwerken zu Barren vergossen und anschließend dort gewalzt, um Platten, Bleche, Stangen und Folien herzustellen. Aus dicken Platten und anderen massiven Rohteilen werden durch Zerspanen (Fräsen, Bohren und Drehen) Einzelteile hergestellt. Andere massive Rohteile können durch Schmieden zu Einzelstücken verarbeitet werden oder durch Strangpressen zu Profilen. Letzteres kommt bei Aluminium besonders häufig vor. Bleche werden durch Stanzen, Biegen undTiefziehen verarbeitet.
Danach werden die Einzelteile durch Schweißen, Nieten, Löten und ähnliche Verfahren verbunden.
Gießen
Gießen von Aluminium
DasGießen von Aluminium wird alsAluminiumguss bezeichnet. Es gehört aufgrund seines vergleichsweise geringen Schmelzpunktes von 660 °C (Gusseisen etwa 1150 °C,Stahl 1400 °C bis 1500 °C) und seiner gutenGießbarkeit zu den häufig in derGießerei verwendeten Werkstoffen.AlSi, spezielle Gusslegierungen mit Silicium, haben sogar Schmelzpunkte um 577 °C.[116] Der Massenanteil von Aluminium aller in Gießereien erzeugten Produkte beträgt etwa 11 % (Gusseisen 76 %, Stahlguss 9 %) und ist damit in der Gießerei das mit Abstand wichtigsteNichteisenmetall (NE-Metalle) noch vor Kupfer mit 1,5 %.[117] Der Anteil am NE-Metallguss von Aluminium beträgt etwa 87 %. In Deutschland wurden 2011 etwa 840.000 Tonnen Aluminium in Gießereien verarbeitet; etwa 76 % des Nichteisenmetall-Gusses wird von der Automobilbranche abgenommen.[118]
Aus dem niedrigen Schmelzpunkt folgt ein geringer Energieeinsatz beim Schmelzvorgang sowie eine geringere Temperaturbelastung der Formen.[119] Aluminium eignet sich grundsätzlich für alleGussverfahren, insbesondere fürDruckguss beziehungsweiseAluminiumdruckguss, mit denen kompliziert geformte Teile gefertigt werden können. In der Gießerei werden besondereAluminiumgusslegierungen verarbeitet, größtenteils dieAluminium-Silicium-Legierungen. In den Hüttenwerken werden dagegen meistKnetlegierungen erzeugt, die zur Weiterbearbeitung durchWalzen,Schmieden undFließpressen gedacht sind. Diese werden in den Hüttenwerken zuBarren (Blockguss) oder zu Rundbarren vergossen, die theoretisch endlos sein können (Strangguss). Seit den 1930er Jahren kommt der Strangguss vermehrt zum Einsatz. Dafür gibt es spezielle Anlagen, die bis zu 96 Rundbarren gleichzeitig herstellen können, mit Gießlängen zwischen 3 und 7 Metern teils bis zu 10 Metern. Die Durchmesser liegen bei 75 bis 700 mm. Bleche werden manchmal durch Gießen direkt auf eine Walze hergestellt, die die Schmelze kühlt. Das Rohblech wird danach direkt kaltgewalzt ohneWarmwalzen, was Kosten von bis zu 60 % spart.[120]
Ein Mischverfahren aus Gießen und Schmieden istCobapress, welches speziell für Aluminium ausgelegt ist und häufig in der Automobilbranche genutzt wird.
Umformende Verfahren
Etwa 74 Prozent des Aluminiums wird durchUmformen bearbeitet.[121] Hierzu zählt unter anderem das Walzen, Schmieden, Strangpressen und Biegen.
Rein- und Reinstaluminium lässt sich wegen der niedrigen Festigkeit gut umformen und verfestigt sich beiKaltumformung, wobei große Formänderungen möglich sind. DieVerfestigung lässt sich durchRekristallisationsglühen beseitigen. Knetlegierungen mitAlMg undAlMn erreichen ihre höhere Festigkeit durch die Legierungselemente und durch Kaltverformung. Die aushärtbaren Legierungen AlMgSi, AlZnMg, AlCuMg und AlZnMgCu scheiden bei Umformung festigkeitssteigerndePhasen aus; sie lassen sich relativ schwierig umformen.[122]
Walzen
Gegossene Barren werden häufig durchWalzen weiterverarbeitet, entweder zu dicken Platten die anschließend durch Fräsen zu Endprodukten werden, zuBlechen, die durch Stanzen und Biegen weiterverarbeitet werden, oder zu Folien. Beim Walzen ändert sich die Mikrostruktur der Werkstoffe: Kleine kugelförmige Bestandteile die häufig nach dem Gießen vorliegen, werden plattgedrückt und in die Länge gezogen. Das Gefüge wird dadurch einerseits feiner und gleichmäßiger, andererseits aber auchrichtungsabhängig. Die Kapazität einer Aluminium-Warmwalzanlage liegt bei etwa 800.000 Tonnen pro Jahr. Verarbeitet werden Barren mit bis zu 30 Tonnen Masse. Sie haben Abmessungen von bis zu 8,7 Metern Länge, 2,2 Metern Breite und 60 cm Dicke. Noch größere Barren können technisch verarbeitet werden, die Gefügequalität nimmt dann aber ab. Nach demWarmwalzen liegt der Werkstoff meist mit Dicken von etwa 20 bis 30 mm vor. Anschließend folgt dasKaltwalzen auf Enddicke. Kaltwalzwerke haben Kapazitäten von 300.000 bis 400.000 Jahrestonnen.Verbundwerkstoffe können durchWalzplattieren hergestellt werden. Dabei wird ein- oder zweiseitig eine Schicht aus einem anderen Werkstoff aufgebracht. Häufig wird auf korrosionsanfälliges Kernmaterial eine Schicht aus korrosionsbeständigem Reinaluminium aufgebracht.[123]
Strangpressen
Aluminium lässt sich durchStrangpressen in komplizierteKonstruktionsprofile formen; hierin liegt ein großer Vorteil bei der Fertigung von Hohlprofilen (für Fensterrahmen, Stäbe, Balken),Kühlkörperprofilen oder in der Antennentechnik. Die Herstellung vonHalbzeug oder Bauteilen geschieht aus Vormaterial wieWalzbarren, Blech oderZylindern. Aluminiumlegierungen lassen sich deutlich besser strangpressen als andere Werkstoffe, weshalb ein großer Teil des Aluminiums mit diesem Verfahren verarbeitet wird. Dabei wird das Ausgangsmaterial durch ein hohles Werkzeug gepresst. Es entsteht Endlosmaterial, das in der gewünschten Länge abgesägt wird. Es können auch komplizierte Querschnitte hergestellt werden, beispielsweise Hohlprofile oder welche mit Hinterschneidungen. Der Querschnitt ist allerdings über die Länge konstant. Mit hochfesten Legierungen sind große Mindestwanddicken erforderlich und das Pressen dauert lange, weshalb eher die mittelfesten, aushärtbaren Legierungen bevorzugt werden. Die Aushärtung wird meist direkt im Anschluss durchgeführt. Beim Strangpressen wird der Werkstoff auf Temperaturen von etwa 450 bis 500 °C erwärmt um die Umformbarkeit zu erhöhen, was gleichzeitig zumLösungsglühen genutzt wird. Direkt nach dem Strangpressen wird das Werkstück durch Luft oder Wasser stark abgekühlt und soabgeschreckt, was zu höheren Festigkeiten führt.[124]
ZumZerspanen zählt dasDrehen,Bohren undFräsen. Aluminiumwerkstoffe sind gut spanbar.[125] Ihre genauen Eigenschaften hängen jedoch von der Legierung und Gefügezustand ab. Zu beachten ist, dass die bei der Bearbeitung auftretenden Temperaturen schnell im Bereich des Schmelzpunktes liegen können. Bei gleichen Schnittparametern wie bei Stahl resultiert bei Aluminium allerdings eine geringere mechanische und thermische Belastung. AlsSchneidstoff wird oftHartmetall füruntereutektische oder Diamant für die stark verschleißenden übereutektischen Legierungen verwendet.[126] AuchEloxalschichten erhöhen den Werkzeug-Verschleiß durch ihre Härte.
Die beim Schleifen und Polieren von Aluminium entstehendenStäube sind brennbar und stellen unter Umständen ein Explosionsrisiko dar.[64]Wenn Aluminiumstaub mit Wasser in Berührung kommt, bildet sichWasserstoff, der in schlecht belüfteten Räumen ebenfalls explosionsfähige Gemische mit Luft bilden kann.[127]
Grundsätzlich sind alle Aluminium-Werkstoffe zum Schweißen geeignet, wobei jedoch reines Aluminium zu Poren in der Schweißnaht neigt.[128] Außerdem neigt die Aluminiumschmelze zu Reaktionen mit der Atmosphäre, weshalb fast immer unterSchutzgas geschweißt wird. Gut geeignet sind dasMIG- undPlasmaschweißen sowie dasWIG-Schweißen. Bei Letzterem wird bei Nutzung vonWechselstrom das EdelgasArgon als Schutzgas verwendet, und beiGleichstromHelium.
Für dasLaserschweißen eignen sich sowohl Kohlendioxid- als auch Festkörperlaser, allerdings nicht für alle Legierungen. Wegen der hohen Wärmeleitfähigkeit erstarrt die Schmelze sehr schnell, sodass die Schweißnaht zu Poren und Rissen neigt. DasWiderstandspunktschweißen erfordert, verglichen mit Stahl, höhere elektrische Ströme und kürzere Schweißzeiten sowie teilweise spezielle Geräte, da die handelsüblichen Schweißgeräte für Stahl nicht dafür geeignet sind. Für dasElektronenstrahlschweißen eignen sich alle Legierungen, jedoch neigen Magnesium und Zink zum Verdampfen während des Schweißvorgangs.[129]Lichtbogenhandschweißen wird nur noch selten verwendet, meist zur Gussnachbesserung. Löten gestaltet sich wegen der sich bildenden Oxidschicht an Luft schwierig. Genutzt werden sowohlHart- als auchWeichlöten mit speziellenFlussmitteln. Alternativ kann Aluminium ohne Flussmittel mitUltraschall gelötet werden, dabei wird die Oxidschicht mechanisch während des Lötvorganges aufgebrochen.
Aluminium in Natur und Organismen
Aluminium im menschlichen Körper
Aluminium gelangt durch die Nahrung und durch das Atmen in den menschlichen Körper, aber auch entsprechende kosmetische Produkte und Arzneimittel wieAntazida tragen zur Aufnahme bei. In der Luft sind etwa 0,005–0,18 µg Al pro Kubikmeter (µg/m3) enthalten, in Städten und Industriegebieten ist die Konzentration erhöht (0,4–8,0 µg/m3).[130] InTrinkwasser kommen etwa 0,1 mg Al pro Liter (mg/l) vor, dieser Wert wird vereinzelt in manchen Städten auch überschritten (bis zu 1 mg/l). Aluminium ist kein essentiellesSpurenelement und gilt für die menschliche Ernährung als entbehrlich.[131] Im menschlichen Körper befinden sich durchschnittlich etwa 50 bis 150 Milligramm Aluminium.[132] Diese verteilen sich zu ungefähr 50 Prozent auf das Lungengewebe, zu 25 Prozent auf dieWeichteile und zu weiteren 25 Prozent auf die Knochen. Infolgedessen ist Aluminium ein normaler Bestandteil des menschlichen Körpers.
99 bis 99,9 Prozent der üblicherweise in Lebensmitteln aufgenommenen Menge von Aluminium (10 bis 40 mg pro Tag) werden unresorbiert über den Kot wieder ausgeschieden.Chelatbildner(Komplexbildner) wieCitronensäure können dieResorption auf 2 bis 3 Prozent steigern. Die Aufnahme von Aluminiumsalzen über denMagen-Darm-Trakt ist gering; sie variiert aber in Abhängigkeit von der chemischen Verbindung und ihrer Löslichkeit, dem pH-Wert und der Anwesenheit von Komplexbildnern. Man schätzt, dass 1 ‰ beziehungsweise 3 ‰ des in der Nahrung beziehungsweise im Trinkwasser erhaltenen Aluminiums im Magen-Darm-Trakt absorbiert werden.[133]
Von dort gelangt es in zahlreiche Gewebe und ins Blut. Im Blut ist Al3+ überwiegend (zu etwa 80 %) anTransferrin gebunden. 16 Prozent liegen als [Al(PO4)(OH)]−, 1,9 Prozent alsCitrat-Komplex, 0,8 Prozent als Al(OH)3 und 0,6 Prozent als [Al(OH)4]− vor.[134] Das Blut Neugeborener enthält bereits Aluminiumionen, die aus dem maternalen Kreislauf stammen.[135] Die Serumkonzentrationen von etwa 6–10 μg/l entspricht in etwa der von Erwachsenen. Durch das Blut gelangen wasserlösliche Aluminiumsalze auch in das Gehirn: Die Passage an derBlut-Hirn-Schranke geschieht durchEndozytose mittels Transferrin-Rezeptor und durch aktiven,ATP-abhängigen Transport des Citrates.[136] Dies wurde tierexperimentell mittels radioaktiv markierten Aluminiums desIsotops26Al, das in der Natur nicht vorkommt, nachgewiesen.
Die Eliminierung von in den Organismus gelangten wasserlöslichen Aluminiumsalzen erfolgt innerhalb weniger Tage vorwiegend durch die Nieren über den Urin, weniger über den Kot. Die Halbwertszeit im Blut beträgt hierbei 8 Stunden.[136] BeiDialysepatienten mit einereingeschränkten Nierenfunktion besteht daher ein erhöhtes Risiko einerAkkumulation im Körper (Gehirn, Knochen)[136] mit toxischen Effekten, etwa Knochenerweichungen und Schäden desZentralnervensystems; zusätzlich sind Dialysepatienten aufgrund für sie notwendiger pharmazeutischer Produkte (Phosphatbinder) einer höheren Aluminiumzufuhr ausgesetzt.[132] Aluminium, das nicht über die Nieren ausgeschieden wird, gelangt in die Knochen.[133] Dort wird es vergleichsweise sehr langsam eliminiert (Halbwertszeit mehrere Jahre)[136], so dass man durch Modellschätzungen annimmt, dass etwa 1–2 % der resorbierten Dosis sich im Körper anhäufen.[135] In einem Leben häufen sich etwa 35 bis 50 mg Aluminium im Körper an.[135][136]
Pflanzen
Aluminium in Form verschiedener Salze (Phosphate, Silikate) ist Bestandteil vieler Pflanzen und Früchte, denn gelöste Al-Verbindungen werden durch Regen aus den Böden von den Pflanzen aufgenommen, bei Säurebelastung der Böden infolgesauren Regens[137] ist dies vermehrt der Fall (siehe dazuWaldschäden).
Ein großer Teil des Bodens auf der Welt istchemisch sauer. Liegt derpH-Wert unter 5,0, werden Al3+-Ionen von denWurzeln der Pflanzen aufgenommen. Dies ist bei der Hälfte des bebaubaren Lands auf der Welt der Fall. Die Ionen schädigen insbesondere das Wurzelwachstum derFeinwurzeln. Wenn die Pflanze nicht Aluminium-tolerant ist, steht sie dann unterStress. ZahlreicheEnzyme undsignalübertragende Proteine sind betroffen; die Folgen der Vergiftung sind noch nicht vollständig bekannt. In sauren metallhaltigen Böden ist Al3+ das Ion mit dem größten Potenzial zur Schädigung. Von der ModellpflanzeArabidopsis sindTransgene bekannt, die deren Aluminium-Toleranz heraufsetzen und auch beiKulturpflanzen sind tolerante Sorten bekannt.[138][139][140][141]
Der saure Regen hat beispielsweise in Schweden in den 1960er Jahren die Seen übersäuert, wodurch mehr Al3+-Ionen in Lösung gingen und empfindliche Fische verendeten.[134] In Norwegen wurde dieser Zusammenhang bei einem Forschungsprojekt in den 1970er Jahren festgestellt.[142]
Bei pH-Werten über 5,0 ist Aluminium als polymeresHydroxykation an der Oberfläche vonSilicaten gebunden. Bei pH-Werten von 4,2 bis 5 steigt Anteil von mobilenKationen.
Die meisten Lebensmittel enthalten Aluminium in Spurenmengen. Unverarbeitete pflanzliche Lebensmittel enthalten durchschnittlich weniger als 5 mg/kg in der Frischmasse. Dabei streuen die Werte aufgrund unterschiedlicher Sorten, Anbaubedingungen und Herkunft in erheblichem Maße.[145] So weisen beispielsweise Salat undKakao deutlich höhere Durchschnittswerte auf. Zwischen 5 und 10 mg/kg finden sich in Brot, Kuchen, Backwaren, einer Vielzahl von mehlhaltigen Speisen, einigen Gemüsearten oder Würsten.[144] Schwarzer Tee kann Gehalte von bis zu 1042 mg/kg in der Trockenmasse aufweisen.[146] Jedoch ist dort das Aluminium an schlecht absorbierbarenPolyphenolen gebunden, so dass eine Aufnahme im Magen-Darm-Trakt erschwert wird.[144] Einen hohen Aluminiumgehalt weisen Kräuter und Gewürze auf, beispielsweiseThymianblätter. Im europäischen Vergleich zeigen sich Schwankungen, was vermutlich auf eine unterschiedlich hohe Aluminiumgrundbelastung und Verwendung von aluminiumhaltigen Zusatzstoffen zurückzuführen ist.[144]
Beim Kochen oder Aufbewahren in Aluminiumgeschirr oder inAlufolie kann es (außer bei sauren Lebensmitteln) nach einer Schätzung zu einer maximalen zusätzlichen Aufnahme von 3,5 mg/Tag/Person kommen. Bei sauren Lebensmitteln wieSauerkraut oder Tomaten können aufgrund der Säurelöslichkeit wesentlich höhere Werte erreicht werden.[147] DasBundesinstitut für Risikobewertung (BfR) rät von der Zubereitung und Lagerung von insbesondere sauren und salzigen Lebensmitteln in unbeschichteten Aluminiumgefäßen oder Alufolie ab.[148] Hohe Belastungen fallen beispielsweise dann an, wenn Fisch oder Fleischgerichten mit Zitrone oder anderen sauren Zutaten in Aluminiumschalen oder -folien angerichtet und über längere Zeit hoch erhitzt werden.[149]
Trink- und Mineralwässer weisen mit durchschnittlich 0,2–0,4 mg/l im Gegensatz zur Nahrung geringe Gehalte auf und leisten somit einen kleinen Beitrag zur täglichen Aluminium-Aufnahme.[145][147] Ein LiterTrinkwasser darf in Deutschland[150], Österreich und der Schweiz nicht mehr als 0,2 mg Aluminium enthalten.
Nach einer Schätzung nimmt der erwachsene Europäer im Durchschnitt zwischen 1,6 und 13 mg Aluminium pro Tag über die Nahrung auf.[133] Dies entspricht einer wöchentlichen Aufnahme von 0,2 bis 1,5 mg Aluminium pro kg Körpergewicht bei einem 60 kg schweren Erwachsenen.[144] Die großen Unsicherheiten beruhen auf den unterschiedlichen Ernährungsgewohnheiten und der variablen Gehalte an Aluminium in den Lebensmitteln,[145] auch innerhalb eines Landes aufgrund verschiedener Erhebungen.[133] Falls Säuglinge mit Fertignahrung ernährt werden, kann die Aluminiumkonzentration im Blut bei 15 μg/l liegen.[135] Eine mögliche gesundheitliche Schädigung ist nicht bekannt.
DieEuropäische Behörde für Lebensmittelsicherheit (Efsa) nennt eine tolerierbare wöchentliche Aufnahme (TWI) von 1 mg Aluminium pro kg Körpergewicht[145][144]. Vor 2008 nannte sie einen TWI von 7 mg Al je kg Körpergewicht. Wegen der möglichen Akkumulation im Körper zieht die Efsa als Maß den TWI der tolerierbaren täglichen Aufnahme (TDI) vor.
Aluminium ist alsLebensmittelzusatzstoff unter der BezeichnungE 173[151] ausschließlich als Farbmittel für Überzüge vonZuckerwaren und als Dekoration von Kuchen und Keksen erlaubt. Weiterhin ist Aluminium zum Färben von Arzneimitteln und Kosmetika zugelassen.[152] Bei der Untersuchung vonLaugengebäck (Brezeln, Stangen, Brötchen) aus Bäckereien wurde Aluminium nachgewiesen, das in das Lebensmittel gelangt, wenn bei der Herstellung von Laugengebäck Aluminiumbleche verwendet werden.[153]
WährendBier in Aluminiumfässern transportiert wird, hat sich für denWeintransport der Werkstoff Aluminium nicht durchgesetzt. Ein kurzfristiger Kontakt schadet nicht, doch können nach längerem Kontakt Weinfehler in Geruch und Geschmack oder als Trübung auftreten, vor allem beim offenen Stehen an der Luft.[154]
Toxizität
Aluminium gehört nicht zu den essentiellen Spurenelementen, bei derToxizität kommt es im Wesentlichen auf die Menge an: 10 μg/l Aluminium im Blut gilt als Normalwert, Werte über 60 μg/l sprechen für übermäßige Belastung und Werte über 200 μg/l im Blut gelten beim Menschen als toxisch.[155] Tierexperimentelle Studien mittels26Al zeigen, dass sich die Serumkonzentration von Aluminium durch eineadjuvierte Impfung nur um wenige Promille erhöht (von etwa 5,00 μg/l auf 5,04 μg/l).[156] Bei Hauskatzen, bei denen Aluminiumhydroxid häufig alsPhosphatbinder bei derchronischen Nierenerkrankung eingesetzt wird, sind Blutkonzentrationen von 86 ng/ml toxisch.[157]
Bei eingeschränkter Nierenfunktion und beiDialyse-Patienten führt die Aufnahme von Aluminium zu progressiverEnzephalopathie (Gedächtnis- und Sprachstörungen, Antriebslosigkeit und Aggressivität) durch Untergang von Hirnzellen und zu fortschreitender Demenz, zuOsteoporose (Arthritis) mit Knochenbrüchen und zuAnämie[158] (weil Aluminium dieselben Speichereiweiße wie Eisen besetzt). Dies wurde in den 1970er Jahren bei langjährigen Hämodialysepatienten durch starke Aluminiumzufuhr beobachtet(„Dialysis Encephalopathy Syndrome“).[135]
Speziell im Hinblick auf die Verwendung inDeodorants bzw.Antitranspirantien und Lebensmittel-Zusatzstoffen werden die gesundheitlichen Auswirkungen von Aluminium untersucht.
Aluminium wurde kontrovers als Faktor im Zusammenhang mit derAlzheimer-Krankheit in Verbindung gebracht. Es ist jedoch unklar, ob die Aluminium-Akkumulation eine der Folgen der Alzheimer-Krankheit ist, oder ob Aluminium in ursächlichem Zusammenhang mit der Alzheimer-Krankheit zu sehen ist. So wäre es auch möglich, dass sich Aluminium erst nach der Entstehung von Alzheimer in den erkrankten Gehirnregionen ansammelt.[159] DasBundesinstituts für Risikobewertung (BfR) hat mehrmals, zuletzt 2020, die Einschätzung abgegeben, dass eine kausale Verbindung zwischen Aluminium und der Alzheimer-Krankheit nicht belegt ist.[159][160] Bei der Risikobewertung von Aluminium ist es jedoch grundsätzlich wichtig, die Gesamtaufnahme über die verschiedenen Eintragspfade wie Lebensmittel oder aluminiumhaltige Produkte für den Lebensmittelkontakt zu betrachten.[160][148]
Mittlerweile sieht man bei Aluminium keine oder nur eine zu vernachlässigende Rolle bei der Entstehung der Alzheimer-Krankheit.[159]
Brustkrebs
Ebenfalls kontrovers wurde die Rolle aluminumhaltigerDeodorants bzw. Antitranspirantien auf Basis vonAluminiumchlorohydrat bei der Entstehung vonBrustkrebs diskutiert[161][159], dieser Verdacht wurde aber nicht bestätigt.[162][163][164][165][166] Wie viel Aluminiumsalz tatsächlich in den Körper gelangen kann, hängt von mehreren Faktoren wie den Aluminiumsalzgehalt in Deos (Menge variiert von 0,2 bis 5,8 Prozent) oder die Häufigkeit der Verwendung ab.[159] DerWissenschaftliche Ausschuss Verbrauchersicherheit derEuropäischen Kommission schloss 2020 aufgrund neuer Daten, dass die Verwendung von nicht zu sprühenden Deodorants und Transpirantien mit bis zu 6,25 % Aluminiumanteil sowie Sprüh-Deodorants und -Transpirentien mit bis zu 10,60 % sicher sind.[167] Das BfR teilte diese Einschätzung, basierend auf drei Studien aus 2016 und 2019: Gesundheitliche Beeinträchtigungen durch den regelmäßigen Gebrauch von Aluminiumchlorohydrat-haltigen Antitranspirantien sind nach gegenwärtigem wissenschaftlichen Kenntnisstand unwahrscheinlich.[168]
So liegt die Bioverfügbarkeit des aufgetragenen Aluminiums bei 0,00192 %, deutlich geringer als bei den bisher angenommenen 0,014 %.[169]
Durch den Abbau des ErzesBauxit werden große Flächen in Anspruch genommen, die erst nach einerRekultivierung wieder nutzbar werden. Um eine Tonne Aluminium herzustellen, werden fünf bis sieben Tonnen Bauxit benötigt. Zudem werden ca. drei Tonnen taubes Gestein mitgefördert.[170][171] Zusätzlich entstehen bei der Herstellung des Aluminiumoxids nach demBayer-Verfahren ca. drei Tonnen von eisenreichem alkalischenRotschlamm,[172] der kaum wiederverwertet wird und dessen Deponierung oder sonstige „Entsorgung“ große Umweltprobleme aufwirft (siehe entsprechende Abschnitte unterRotschlamm undBauxitbergbau in Australien).
Herstellung
Die Herstellung von Aluminium ist sehrenergieaufwendig. Allein für dieSchmelzflusselektrolyse zur Gewinnung eines Kilogramms Aluminium werden je nach Errichtungsdatum und Modernität der Anlage zwischen 12,9 und 17,7 kWhelektrischeEnergie benötigt.[40] Nach Angaben derInternationalen Energieagentur verursachte die Aluminiumproduktion im Jahr 2022 weltweit fast 270 Millionen Tonnen direkte CO2-Emissionen.[173]
Bei der Stromerzeugung für die Produktion von einem Kilogramm Aluminium werden im deutschen Kraftwerkspark 8,4 kg CO2 freigesetzt, im weltweiten Durchschnitt etwa 10 kg.
Wenn auf CO2-emissionsarmeWasserkraft zurückgegriffen werden kann, ist die Bilanz wesentlich günstiger. Hierzu zählen Länder wieBrasilien,Kanada,Venezuela oderIsland.[174] Auf Island besteht zudem die Möglichkeit, neben der Wasserkraft auch aufErdwärme als Energiequelle zuzugreifen. Allerdings ist auch bei Verwendung von Elektrizität aus vollständig regenerativen Energien die Produktion von Aluminium nicht CO2-frei, da der bei der Schmelzflusselektrolyse entstehende Sauerstoff mit dem Kohlenstoff der Elektroden zu CO2 reagiert. Die Verbrauchswerte für Roh-Aluminium erhöhen sich durch Transport- und Verarbeitungsanteile für das Wiederaufschmelzen, Gießen, Schleifen, Bohren sowie Polieren auf 16,5 kg CO2 pro kg Aluminium-Konsumgut.[175]
Recycling
Die europaweiteRecyclingrate von Aluminium liegt bei 67 Prozent. In Österreich gelangen (laut einer Studie aus dem Jahr 2000)[176] 16.000 Tonnen Aluminium pro Jahrüber Verpackungen in den Konsum. Ebenso enden 16.000 Tonnen Aluminium imHausmüll ohne wiederverwendet zu werden. Dabei sind u. a. auchAluminiumhaushaltsfolien enthalten, die ansonsten nicht als „Verpackung“ gelten. Aluminium liegt nach der Müllverbrennung in der Asche noch metallisch vor und macht in Europa durchschnittlich 2,3 Prozent der Asche aus.[177] In der EU werden durchschnittlich 70 Prozent des in der Bodenasche enthaltenen Aluminiums zurückgewonnen.[178]
Aluminium ist gut wiederzuverwenden, wenn die Reststoffe strenggetrennt erfasst und gereinigt werden (Aluminiumrecycling,Recycling-Code-41 (ALU)). Aluminium ist besser rezyklierbar alsKunststoffe, aufgrund desDowncycling-Effekts bei nicht sortenreiner Erfassung jedoch etwas schlechter wiederverwertbar alsStahl. Beim Aluminiumrecycling wird nur 5 Prozent der Energiemenge der Primärproduktion benötigt.[179]
Aluminiumsalze weist man durch Glühen mit verdünnterKobaltnitratlösung (Co(NO3)2) auf derMagnesia-Rinne nach. Dabei entsteht das PigmentThénards Blau, ein Cobaltaluminiumspinell mit der Formel CoAl2O4. Es wird auch Kobaltblau oder Cobaltblau, Dumonts Blau, Coelestinblau, Cobaltaluminat oder – nach dem Entdecker des Pigments,Josef Leithner – Leithners Blau genannt.
Nachweis mittels Kryolithprobe
Die Probelösung wird alkalisch gemacht, um Aluminium alsAluminiumhydroxid Al(OH)3 zufällen. Der Niederschlag wird abfiltriert und mit einigen TropfenPhenolphthalein versetzt, dann gewaschen, bis keine Rotfärbung durch Phenolphthalein mehr vorhanden ist. Wenn anschließend festesNatriumfluorid (NaF) auf den Niederschlag gestreut wird, verursachenHydroxidionen, die bei der Bildung vonKryolith Na3[AlF6] freigesetzt werden, eine erneute Rotfärbung des Phenolphthaleins.
Nachweis als fluoreszierender Morinfarblack
Strukturformel der Al(III)-Morin-Reaktion
Die Probe wird mitSalzsäure (HCl) versetzt und eventuell vorhandenes Aluminium somit gelöst. Anschließend wird die Probelösung mitKaliumhydroxid (KOH) stark alkalisch gemacht. Gibt man nun einige Tropfen der Probelösung zusammen mit der gleichen MengeMorin-Lösung auf eine Tüpfelplatte und säuert anschließend mit konzentrierterEssigsäure (Eisessig, CH3COOH) an, so ist unterUV-Strahlung (λ = 366 nm) eine grüneFluoreszenz beobachtbar. Der Nachweis ist dann sicher, wenn diese Fluoreszenz bei Zugabe von Salzsäure wieder verschwindet.[180]
Grund hierfür ist, dass Al(III) in neutralen sowie essigsauren Lösungen in Verbindung mit Morin eine fluoreszierende kolloidale Suspension bildet.
Aluminiumoxid Al2O3 (englischalumina), auch als Tonerde oderKorund bekannt, liegt als weißes Pulver oder in Form sehr harterKristalle vor. Es ist das Endprodukt desBayer-Verfahrens und dient in erster Linie als Ausgangsmaterial für die Aluminiumgewinnung (Schmelzflusselektrolyse). Es wird darüber hinaus als Schleif- oderPoliermittel und für Uhrensteine, Ziehsteine und Düsen verwendet. Inkeramischer Form dient es als Isolierstoff, Konstruktionskeramik, als Substratmaterial fürDickschichtschaltkreise, als Grundplatte von Leistungshalbleitern und in transparenter Form als Entladungsgefäß vonNatriumdampf-Hochdrucklampen.
Aluminiumhydroxid Al(OH)3 wird ebenfalls nach dem Bayer-Verfahren gewonnen und ist das wichtigste Ausgangsmaterial zur Erzeugung anderer Al-Verbindungen, vor allem fürAluminate. Als reines Produkt wird es als Füllstoff und zum Brandschutz in Kunststoffen und Beschichtungen eingesetzt.
Aluminiumnitrid ist ein Konstruktions- und Isolationswerkstoff und zeichnet sich durch sehr hohe Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur aus. Außerdem könnte die hohe Bandlücke die Anwendung alsWide-Bandgap-Halbleiter ermöglichen.
Phosphate: Aluminiumphosphate sind Aluminiumsalze derPhosphorsäure. Aufgrund der Eigenschaft der Phosphorsäure beziehungsweise desPhosphat-Anions (PO43−), unter bestimmten BedingungenWasser abzuspalten und infolgedessen zupolymerisieren, sind verschiedene Aluminiumphosphate bekannt:
In der Natur treten Aluminiumphosphate meist in Form von Doppelsalzen auf. Beispiele hierfür sind etwa derWavellit (Al3(PO4)2(F, OH)3 · 5H2O) oder derTürkis, ein Mischphosphat aus Kupfer und Aluminium/Eisen: Cu(Al,Fe)6(PO4)4(OH)8 · 4 H2O. Unter besonderen Bedingungen tritt Aluminium einwertig auf. Diese Verbindungen werden zur Gewinnung von hochreinem Aluminium genutzt (Subhalogeniddestillation).
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