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Friedrich Ostermann Anwendungstechnologie Aluminium

Friedrich Ostermann Anwendungstechnologie Aluminium · Vorwort zur 2. Auflage Seit dem Erscheinen der 1. Auflage von ANWENDUNGSTECHNOLOGIE ALUMINIUM im Jahre 1998 haben sich zahlreiche

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Friedrich Ostermann

Anwendungstechnologie Aluminium

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Friedrich Ostermann

AnwendungstechnologieAluminium

2., neu bearbeitete und aktualisierte Auflage

Mit 577 Abbildungen und 111 Tabellen

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Dr . Friedrich Ostermann

Aluminium Technologie-Service, Meckenheim

Autor und Verlag danken der TRIMET ALUMINIUM AG, Essen, für die Unterstützung derDrucklegung dieses Buches.

Bibliografische Information der Deutschen NationalbibliothekDie Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie;detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.

ISBN 978-3-540-71196-4 2. Auflage Springer Berlin Heidelberg New YorkISBN 3-540-62706-5 1. Auflage Springer Berlin Heidelberg New York

Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die derÜbersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funk-sendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung inDatenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Ver-vielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzender gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9.September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig.Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes.

Springer ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media

springer.de

© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1998, 2007

Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Buchberechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinneder Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher vonjedermann benutzt werden dürften. Sollte in diesem Werk direkt oder indirekt auf Gesetze, Vorschriftenoder Richtlinien (z. B. DIN, VDI, VDE) Bezug genommen oder aus ihnen zitiert worden sein, so kannder Verlag keine Gewähr für die Richtigkeit, Vollständigkeit oder Aktualität übernehmen. Es empfiehltsich, gegebenenfalls für die eigenen Arbeiten die vollständigen Vorschriften oder Richtlinien in derjeweils gültigen Fassung hinzuzuziehen.

Satz: Marianne Schillinger-Dietrich, BerlinHerstellung: LE-TEX Jelonek, Schmidt & Vöckler GbR, LeipzigEinbandgestaltung: WMXDesign, Heidelberg

Gedruckt auf säurefreiem Papier 68/3180/YL – 5 4 3 2 1 0

Professor .-Ing

[email protected]

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Vorwort zur 2. Auflage

Seit dem Erscheinen der 1. Auflage von ANWENDUNGSTECHNOLOGIE

ALUMINIUM im Jahre 1998 haben sich zahlreiche Entwicklungen in der Aluminiumkunde und Anwendungsforschung, im Einsatz des Werkstoffs und im wirtschaftlichen Umfeld der Hersteller und Verarbeiter vollzogen, denen bei der Neuauflage des Buches Rechnung getragen werden soll. Gleichzeitig bietet der kritische Rückblick auf die damalige Themenaus-wahl die Möglichkeit, die Schwerpunkte an den sichtbar gewordenen Ent-wicklungstrends neu auszurichten.

Einerseits haben sich durch die Forderungen aus der Anwendungspraxis, aber auch durch die Weiterentwicklung von wissenschaftlichen Methoden und theoretischen Erkenntnissen in jüngster Zeit neue Einsichten und Per-spektiven bei den Aushärtungsprozessen ergeben, die als wohl die wich-tigste metallurgische Grundlage für Aluminiumkonstruktionswerkstoffe anzusehen sind, und deren Entdeckung vor genau 100 Jahren von AlfredWilm patentiert wurde. In der Anwendungsforschung werden Konzepte für die Vorhersage des Verhaltens unter Crash-Bedingungen und Schwingbe-anspruchung entwickelt, die zunehmend die metallphysikalischen Basis-prozesse des plastischen Fließens und Bruchs einschließen. Daher wurde den metallkundlichen Prozessen ein breiterer Raum eingeräumt in der Ab-sicht, durch verständliche Beschreibung die z.T. sehr komplexen Vorgänge im Werkstoff für den mit Anwendungsentwicklungen befaßten Werkstoff-ingenieur zugänglich zu machen. Im Vordergrund steht eine möglichst um-fassende Dokumentation der beobachteten Phänomene des Werkstoffver-haltens und weniger dessen rechnerische Simulation, die anderen Werken*

vorbehalten sein mögen. Berechnungskonzepte sind nur dann wirklich zu-verlässig, wenn sie mit den metallphysikalischen Vorgängen in Einklang stehen.

Andererseits ist in den vergangenen Jahren die Akzeptanz des Alumi-niums als Leichtbauwerkstoff für den Fahrzeugbau so weit gestiegen, daß jeder Automobilhersteller heute Teile, Baugruppen oder vollständige Ka-

*) z.B. Hirsch, J. (Hrg.): Virtual Fabrication of Aluminium Products. Microstruc-tural Modeling in Industrial Aluminium Production. Weinheim: Wiley-VCH Verlag, 2006

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VI Vorwort zur 2. Auflage

rosserien aus diesem Werkstoff baut, ohne dessen generelle Tauglichkeit mehr in Frage zu stellen. Die gewonnenen Erfahrungen und das Interesse der Automobilindustrie sind deshalb auch die treibende Kraft für zahlrei-che Entwicklungen und Innovationen in den Verarbeitungstechnologien, eine Rolle, die früher vor allem von der Luft- und Raumfahrtindustrie wahrgenommen wurde. Hinter all diesen Entwicklungen steht die Frage nach der Wirtschaftlichkeit solcher Anwendungen in einem wettbewerbs-orientierten Markt, d.h. die Senkung der Verarbeitungskosten durch intel-ligente Vermeidung unnötiger Verarbeitungsschritte. Auch dieser Lö-sungsweg verlangt nach detaillierten Kenntnissen des Werkstoffverhaltens, das in der Beschreibung technologischer Verarbeitungsprozesse gegenüber der 1. Auflage des Buches stärker betont wird.

Sorge bereitet die Kontinuität innovationsträchtiger Forschungs- und Entwicklungsarbeit. In jüngster Zeit hat sich ein struktureller Wandel in der deutschen Aluminiumindustrie eingestellt mit problematischen Folgen für Forschung und Innovation und damit letztlich für die Zukunft der Alu-miniumindustrie in Deutschland. Mengenmäßig ist der deutsche Alumini-ummarkt der größte in Europa und erreicht technologisch die größte Verar-beitungstiefe. Um so besorgniserregender ist der Umstand, daß die Indu-strie- und Wirtschaftspolitik der vergangenen Jahre bis in die Gegenwart zu einem Ausverkauf der Aluminiumhüttenindustrie geführt hat, die Initia-tor und wichtigster Förderer der Aluminiumforschung und Anwendungs-entwicklung in diesem Lande war. Die Wertschöpfung in der Primärerzeu-gung war immer die wichtigste finanzielle Grundlage für die Alu-miniumforschung. Mit der Übernahme der nationalen Aluminiumkonzerne durch ausländische Konzerne wandert die industriedominierte Aluminium-forschung als Quelle von Innovationen ab oder wird durch ausländische Forschungszentralen fremdgesteuert. Die notwendige Nähe des Forschers zum Anwender schwindet. Die für diesen Industriestandort fatale Ener-giepolitik in Vergangenheit und Gegenwart hat das Schließen zahlreicher Aluminiumhütten zu verantworten. Um so beachtenswerter ist die jüngste Initiative eines Privatunternehmers, eine bereits geschlossene Aluminium-hütte zu übernehmen und weiter zu betreiben.

Die Rolle der Primärhütten kann durch die Sekundärhüttenindustrie nicht aufgefangen werden, die Wertschöpfung ist geringer und die Versor-gungsbasis zu volatil. Ob ohne direkte und kontinuierliche Industriebetei-ligung die Aluminiumforschung an den Hochschulen und anderen For-schungseinrichtungen aufgefangen werden kann, ist zweifelhaft, da die Kontinuität von Wissen und Erfahrung dort nicht gewährleistet werden kann. Ein Ausweg wäre ein ausschließlich der Aluminiumforschung und -lehre gewidmeter Lehrstuhl. Zu denken gibt weiterhin, daß schon heute die aktive Beteiligung von Aluminiumfachleuten an der Steuerung der nationalen Industriellen Gemeinschaftsforschung und der internationalen

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Vorwort zur 2. Auflage VII

nalen Industriellen Gemeinschaftsforschung und der internationalen Nor-mungsarbeit alles andere als lebhaft ist, und dadurch weder die eigenen Er-fahrungen eingebracht noch die eigenen Interessen vertreten werden kön-nen. Es ist zu hoffen, daß die mittelständische Aluminiumindustrie diese Rolle als gemeinschaftliche Aufgabe zur Zukunftssicherung übernimmt.

Ich hoffe, daß das Buch dazu beiträgt, über den fachlichen Diskurs hin-aus die Faszination der Beschäftigung mit diesem Werkstoff auf Lehrende, Lernende und im Beruf stehende Ingenieure auszustrahlen. Das Potential des Werkstoffs ist keineswegs ausgeschöpft, und phantasievolle Kreativi-tät, Nutzung und Fortentwicklung der Aluminium-Anwendungstechnolo-gien werden den Erfolg bei heutigen und künftigen Produkten gewährlei-sten.

Mein herzlicher Dank gilt allen Kolleginnen und Kollegen, die durch In-formationen, Diskussionen und Bildmaterial zu diesem Buch beigetragen haben, Herrn Gerd Bulian für das fachkritische Lesen des Manuskriptes sowie meiner Frau für ihre Geduld, Ermutigung und liebevolle Unter-stützung.

Meckenheim, im Januar 2007 Friedrich Ostermann

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Inhalt

Tabellenverzeichnis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XVII

1 Einführung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1 Der Wettbewerb der Werkstoffe in den Märkten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Innovationsgrundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2 Märkte und Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.1 Aluminium im Automobilbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.1.1 Aluminium im Antriebsbereich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.1.2 Aluminium im Fahrwerksbereich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.1.3 Aluminium im Karosseriebau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.2 Aluminium im Nutzfahrzeugbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.3 Aluminium im Schienenfahrzeugbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

2.3.1 Entwicklung aluminiumgerechter Baukonzepte . . . . . . . . . . . . . . . . 47 2.3.2 Aluminiumwerkstoffe für die Schienenfahrzeugbau . . . . . . . . . . . 51 2.3.3 Schweißverbindungen im Schienenfahrzeugbau . . . . . . . . . . . . . . . 53

2.4 Aluminium im Schiffbau. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 2.5 Aluminium im Flugzeugbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 2.6 Architektur und Ingenieurbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 2.7 Sonstige Anwendungsmärkte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

2.7.1 Maschinen-, Apparate- und Werkzeugbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 2.7.2 Elektrotechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 2.7.3 Verpackung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

3 Legierungsaufbau, Wärmebehandlung, Normen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 3.1 Gefügebausteine der Aluminiumwerkstoffe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

3.1.1 Gefügematrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 3.1.2 Gitterfehler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 3.1.3 Korngrenzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 3.1.4 Mischkristallbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 3.1.5 Primärphasen (Gußphasen) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1003.1.6 Sekundärphasen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1003.1.7 Warmverformungs-, Faser-, Erholungs- und Rekristallisationsgefüge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1103.1.8 Poren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1113.1.9 Oxideinschlüsse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

3.2 Aufbau und Wärmebehandlung der Knetwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

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X Inhalt

3.2.1 Unlegiertes Aluminium .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1133.2.2 AlMn-Legierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1153.2.3 AlMg(Mn)-Legierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1173.2.4 AlCu(Mg,Si)-Legierungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1313.2.5 AlMgSi-Legierungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1383.2.6 AlZnMg(Cu)-Legierungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1573.2.7 Sonstige Knetlegierungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1683.2.8 Durchführung von Wärmebehandlungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170

3.3 Legierungsaufbau und Wärmebehandlung von Gußlegierungen . . . . . 1853.3.1 Schmelze und Schmelzereinigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1863.3.2 Erstarrungsvorgang (Kristallisation) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1893.3.3 Erstarrungsfehler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1963.3.4 Fließ- und Formfüllungsvermögen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2003.3.5 Aluminium-Gußlegierungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2013.3.6 Verarbeitungs- und Anwendungshinweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2073.3.7 Gießgerechte Gestaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209

3.4 Einführung in die Normen über Aluminiumlegierungen . . . . . . . . . . . . . . . 2093.4.1 Einführung in die Bezeichnungssysteme der Aluminium- werkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2103.4.2 Bezeichnungssystem für Knetlegierungen und deren Werkstoffzustände. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2123.4.3 Bezeichnungssystem für Formgußlegierungen, Gießver- fahren und für die Werkstoffzustände von Formgußteilen . . . . 2153.4.4 Halbzeugnormen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2183.4.5 Garantierte und typische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2183.4.6 Legierungsauswahl – frei oder eingeschränkt?. . . . . . . . . . . . . . . . . . 220

4 Physikalische Eigenschaften. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2214.1 Physikalischen Eigenschaften des Aluminiums. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221

4.1.1 Dichte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2224.1.2 Elektrische Leitfähigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2234.1.3 Magnetische Eigenschaften. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2234.1.4 Wärmeleitfähigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2234.1.5 Reflexions- und Emissionseigenschaften. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224

4.2 Physikalische Eigenschaften von Aluminiumoxid. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225

5 Korrosionsverhalten von Aluminium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2275.1 Allgemeine Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227

5.1.1 Einflüsse auf das Korrosionsverhalten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2285.1.2 Korrosionsverhalten von Aluminium in Freibewitterung und Meerwasser. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229

5.2 Oxidschicht und Korrosionsmechanismus des Aluminiums . . . . . . . . . . 2325.2.1 Aufbau und Bedeutung der Oxidschicht. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2325.2.2 Verstärkung der natürlichen Oxidschicht. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2345.2.3 Beständigkeit der Oxidschicht. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2345.2.4 Korrosionsmechanismus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236

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Inhalt XI

5.2.4 Freie und kritische Korrosionspotentiale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2385.2.5 Stromdichte-Potentialkurven . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241

5.3 Einfluß der Legierungselemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2425.3.1 Bedeutung der Gefügestruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2425.3.2 Korrosionsbeständigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243

5.4 Erscheinungsformen der Korrosion bei Aluminium und seinen Legierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246

5.4.1 Lochkorrosion (LK) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2465.4.2 Selektive Korrosion (SK) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2485.4.3 Spannungsrißkorrosion (SpRK). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2525.4.4 Interkristalline Korrosion unter Spannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2555.4.5 Spaltkorrosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2565.4.6 Kontaktkorrosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2585.4.7 Korrosionsermüdung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2635.4.8 Reibkorrosion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2715.4.9 Filiformkorrosion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272

5.5 Beispiele für korrosionsgerechtes Konstruieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272

6 Mechanische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2796.1 Statische mechanische Kennwerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2806.2 Fließkurve, Verfestigung, Anisotropie, Verformbarkeit . . . . . . . . . . . . . . . 2866.3 Bruchvorgang und Bruchverhalten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2986.4 Schwingfestigkeitsverhalten von Aluminiumwerkstoffen . . . . . . . . . . . . . 318

6.4.1 Phänomenologie der Ermüdungsschädigung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3216.4.2 Zyklisches Spannungs-Dehnungsverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3346.4.3 Rißfortschrittsverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3376.4.4 Dehnungs-Wöhlerkurve (ε/N-Kurve). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3446.4.5 Spannungs-Wöhlerkurve (S/N-Kurve) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3506.4.6 Langzeitfestigkeit („Dauerfestigkeit“) von Aluminium- werkstoffen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3536.4.7 Mittelspannungsempfindlichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3556.4.8 Einfluß von Kerben auf die Schwingfestigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . 3596.4.9 Wirkung von Eigenspannungen auf die Schwing- festigkeit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364

6.5 Einfluß hoher Dehngeschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3686.6 Verhalten bei unterschiedlichen Temperaturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376

6.6.1 Elastizitätsmodul bei unterschiedlichen Temperaturen . . . . . . . . 3776.6.2 Mechanische Eigenschaften bei tiefen Temperaturen . . . . . . . . . . 3786.6.3 Mechanische Eigenschaften bei höheren Temperaturen . . . . . . . 3806.6.4 Umformbarkeitseigenschaften bei höheren Temperaturen. . . . . 384

6.7 Einfluß des Spannungszustands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3886.7.1 Fließbedingungen (Fließhypothesen) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3886.7.2 Fließortkurven . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3916.7.3 Grenzformänderung bei ebenem Spannungszustand . . . . . . . . . . . 3946.7.4 Einfluß der Mehrachsigkeit auf die Duktilität . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397

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XII Inhalt

7 Gießverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3997.1 Stranggießverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3997.2 Formgießverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4027.3 Vergleich der Formgießverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 419

8 Walzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4238.1 Walzprozeß. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4238.2 Qualitätsmerkmale von Warm- und Kaltwalzblechen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4258.3 Oberflächenbeschichtete Walzfabrikate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4308.4 Verbundhalbzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432

9 Strangpressen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4359.1 Strangpreßverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4369.2 Grundformen von Profilen und Werkzeugen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4399.3 Strangpreßbarkeit von Aluminiumlegierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4409.4 Prozeßkette im Strangpreßwerk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4449.5 Strangpreßgerechte Profil- und Werkzeuggestaltung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4469.6 Gestalten von Strangpreßprofilen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 450

9.6.1 Funktionalitätsgruppen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4509.6.2 Konstruktionen mittels Profilverbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452

9.7 Sonderverfahren des Strangpressens von Aluminium .. . . . . . . . . . . . . . . . . 4559.7.1 Strangpressen nach dem „Conform“-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . 4559.7.2 Hydrostatisches Strangpressen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4559.7.3 Verbundstrangpressen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4569.7.4 Warmbiegen von Profilen beim Preßvorgang. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 456

10 Schmieden von Aluminium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45910.1 Prozeß des Gesenkschmiedens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46010.2 Schmiedegesenke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46210.3 Stofffluß und Faserverlauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46410.4 Schmiedelegierungen, Vormaterial, Gefüge und Arbeitsablauf . . . . . . 46710.5 Gestalten von Schmiedeteilen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473

11 Kaltfließpressen von Aluminium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47511.1 Charakteristische Merkmale von Kaltfließpreßteilen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47511.2 Aluminium für technische Fließpreßteile. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 477

11.2.1 Vormaterial: Butzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47711.2.2 Aluminiumlegierungen für das Kaltfließpressen. . . . . . . . . . . . . . . . 47911.2.3 Alternative Ausgangszustände für das Kaltfließpressen . . . . . . . 481

11.3 Fließpreßverfahren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48411.3.1 Grundverfahren des Fließpressens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48411.3.2 Werkzeuge für das Kaltfließpressen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48711.3.3 Kraftbedarf beim Kaltfließpressen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 487

12 Aluminiumblechumformung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49112.1 Werkstoffeigenschaften für die Blechumformung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 492

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Inhalt XIII

12.1.1 Werkstoffeigenschaften aus Zugversuchen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49212.1.2 Werkstoffeigenschaften aus technologischen Prüfungen . . . . . . 49312.1.3 Biegefähigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50212.1.4 Rückfederung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50912.1.5 Aluminiumlegierungen für Karosserieanwendungen . . . . . . . . . . 511

12.2 Tribologisches Verhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51612.2.1 Reibungsmechanismus. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51612.2.2 Das Tribosystem Blech-Werkzeug-Schmierstoff . . . . . . . . . . . . . . . 518

12.3 Scherschneiden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52512.3.1 Trennvorgang beim Normalschneiden. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52612.3.2 Genauschneiden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53112.3.3 Feinschneiden. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533

13 Sondergebiete der Umformtechnik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53513.1 Weiterverarbeitung von Profilen und Rohren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 535

13.1.1 Biegen und Biegeverfahren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53613.1.2 Örtliche Querschnittsänderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54213.1.3 Innenhochdruckumformen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 545

13.2 Halbwarmumformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54713.3 Superplastische Umformung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 549

13.3.1 Mechanismen und Werkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54913.3.2 Verfahren der superplastischen Blechumformung. . . . . . . . . . . . . . 552

14 Spanende Formgebung von Aluminium. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55514.1 Spanbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55614.2 Spanformen bei Aluminiumwerkstoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55914.3 Aluminiumwerkstoffe für Zerspanungszwecke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56114.4 Zerspanbarkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56414.5 Werkzeugverschleiß. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56514.6 Schneidwerkstoffe für die Aluminiumzerspanung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56814.7 Kühlschmierstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57014.8 Oberflächen spanend bearbeiteter Al-Werkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57214.9 Funkenerosive Bearbeitung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 573

15 Oberflächenbehandlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57715.1 Reinigungsprozeß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57915.2 Vorbehandlung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58215.3 Beschichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 583

15.3.1 Anodische Oxidation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58315.3.2 Metallische Beschichtungen aus wäßrigen Lösungen . . . . . . . . . . 58615.3.3 Verschleißfeste Oberflächen durch thermisches Spritzen. . . . . . 58815.3.4 Beschichten mit organischen Stoffen (Lackieren) . . . . . . . . . . . . . . 588

16 Schmelzschweißen von Aluminium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59116.1 Schweißeignung der Aluminiumwerkstoffe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59216.2 Eigenschaften von Aluminiumschweißverbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 602

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XIV Inhalt

16.3 Schmelzschweißverfahren für Aluminium .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60716.3.2 Strahlschweißverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 616

16.4 Schweißimperfektionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 621

17 Widerstandsschweißen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62517.1 Widerstandspunktschweißen (WPS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 625

17.1.1 Verfahrensprinzip. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62517.1.2 Übergangswiderstände der Fügeteiloberfläche. . . . . . . . . . . . . . . . . . 62717.1.3 Elektrodenverschleiß und Elektrodenreinigung. . . . . . . . . . . . . . . . . 62917.1.4 Schweißeignung von Legierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63017.1.5 Maschinen und Elektroden. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63017.1.6 Festigkeitsverhalten von Aluminium-WPS-Verbindungen . . . . 634

17.2 Buckelschweißen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 636

18 Mechanisches Fügen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63918.1 Merkmale mechanischer Fügetechniken. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63918.2 Durchsetzfügen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64218.3 Nieten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 646

18.3.1 Vollniete. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64718.3.2 Blindniete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64718.3.3 Schließringbolzen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64818.3.4 Stanzniet. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 649

18.4 Schraubverbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65218.5 Festigkeitseigenschaften mechanisch gefügter Verbindungen. . . . . . . . . 655

19 Sonderverfahren der Fügetechnik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65919.1 Rührreibschweißen (Friction Stir Welding / FSW) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65919.2 Reibschweißen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66419.3 Explosivschweißen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66819.4 Hartlöten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 669

20 Einführung in das Konstruieren mit Aluminium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67720.1 Gestaltungsgrundsätze. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67720.2 Elastizitätsmodul und Leichtbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68020.3 Schweißkonstruktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 686

20.3.1 Grundsätze zur Gestaltung von Schweißverbindungen . . . . . . . . 68620.3.2 Eigenspannungen in Schweißverbindungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69120.3.3 Schwingfestigkeitsnachweis von Schweißverbindungen. . . . . . . 69920.3.4 Nachbehandlung zur Schwingfestigkeitsverbesserung . . . . . . . . . 713

21 Sonderwerkstoffe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71721.1 Aluminiumpulvermetallurgie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 717

21.1.1 Herstellen von Legierungspulvern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71721.1.2 Kompaktieren von Pulvern zu Formteilen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72021.1.3 Sprühkompaktieren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72221.1.4 PM-Legierungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 724

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Inhalt XV

21.2 Aluminiummatrix-Verbundwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72522.2.1 Grundlagen und Eigenschaften. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72521.2.2 Anwendungsbeispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 729

21.3 Aluminiumschaumwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73121.3.1 Metallschaumherstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73221.3.2 Eigenschaftsspektrum metallischer Schäume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73321.3.3 Anwendungsaspekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 734

22 Gewinnung, Recycling, Ökologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73722.1 Primäraluminium .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 737

22.1.1 Vorkommen, Bauxiterze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73722.1.2 Gewinnungsprozeß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 739

22.2 Sekundäraluminium .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74222.2.1 Ressourcen und Verwendung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74322.2.2 Materialkreislauf („Recycling“). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 743

22.3 Versorgungslage in Deutschland . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74522.4 Ökologische Betrachtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 746

22.4.1 Ökobilanzen (Life Cycle Assessment) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74622.4.2 Energiefragen der Aluminiumgewinnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 749

Anhang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 753

Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 803

Sachverzeichnis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 871

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Tabellenverzeichnis

Tabelle 1.1 Einige vorteilhafte Gebrauchseigenschaften von Aluminium .. . . . 2

Tabelle 2.1 Endverbrauch von Aluminiumhalbzeugen, Formguß, Folieund Pulver im Jahr 2004 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

Tabelle 2.1.1 Eigenschaften von Aluminium-Kolbenlegierungen. . . . . . . . . . . . . . 15

Tabelle 2.1.2 Aluminiumlegierungen für Zylinderköpfe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

Tabelle 2.1.3 Aluminiumlegierungen für Motorblöcke. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

Tabelle 2.1.4 Legierungen von Halbzeugen und Hartloten für Wärmetauscher 21

Tabelle 2.1.5 Karosserieblechlegierungen für Motorhauben. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

Tabelle 2.1.6 Strangpreßlegierungen für Stoßfänger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

Tabelle 2.1.7 Merkmale der Audi Modelle A8 und A2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

Tabelle 2.1.8 Aluminiumlegierungen für Beplankungs- und Strukturteile . . . . 37

Tabelle 2.1.9 Karosserieblechlegierungen ausländischer Provenienz . . . . . . . . . . 38

Tabelle 2.1.10 Fertigungsschema von Blechkarosserieteilen aus Stahlund Aluminium.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

Tabelle 2.2.1 Aluminiumlegierungen für Bordwandprofilsysteme. . . . . . . . . . . . . 43

Tabelle 2.2.2 Äquivalente Mindestwanddicken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

Tabelle 2.2.3 Mindestwanddicke für Tankkörper nach DIN EN 13094 . . . . . . . 45

Tabelle 2.2.4 Für den Tankbehälterbau geeignete Aluminiumlegierungen . . . . 46

Tabelle 2.3.1 Aluminiumlegierungen für den Schienenfahrzeugbau. . . . . . . . . . . 52

Tabelle 2.3.2 Mindesteigenschaften von Schweißverbindungen fürden Schienenfahrzeugbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

Tabelle 2.4.1 Aluminium-Knetlegierungen für Anwendungen in tragendenKonstruktionen (n. Germanischer Lloyd, 2005) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

Tabelle 2.4.2 Gußlegierungen, die dem Seewasserklima ausgesetzt werdenkönnen (n. Germanischer Lloyd, 2005) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

Tabelle 2.5.1 Ausgewählte Luftfahrtlegierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

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XVIII Tabellenverzeichnis

Tabelle 2.5.2 Zusammensetzung neuerer Flugzeugbaulegierungen . . . . . . . . . . . 65

Tabelle 2.5.3 Eigenschaften von Luftfahrtplattenwerkstoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

Tabelle 2.6.1 Aluminiumlegierungen für rollgeformte Trapezprofile . . . . . . . . . 69

Tabelle 2.6.2 Konstruktionslegierungen nach DIN 4113-1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

Tabelle 2.7.1 Knetlegierungen für den Formenbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

Tabelle 3.1.1 Gefügebausteine der Aluminiumlegierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

Tabelle 3.1.2 Übersicht über Art und Zahl der aktivierbaren Gleitsysteme. . . . 82

Tabelle 3.1.3 Stapelfehlerenergie von Aluminium.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

Tabelle 3.1.4 Hall-Petch-Konstanten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

Tabelle 3.1.5 Thermophysikalische Eigenschaften von Legierungselementen 96

Tabelle 3.2.1 Zuordnung von AlMn-Legierungen zu Anwendungsbereichen . 116

Tabelle 3.2.2 AlSi-Knetlegierungen und ihre Anwendungsbereiche . . . . . . . . . . . 169

Tabelle 3.2.3 Kritische Abschreckgeschwindigkeit für Legierungen . . . . . . . . . . 178

Tabelle 3.2.4 Wärmebehandlung aushärtbarer Konstruktionslegierungen. . . . . 183

Tabelle 3.3.1 Typische Aluminiumgußlegierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202

Tabelle 4.1.1 Physikalische Eigenschaften von Reinaluminium . . . . . . . . . . . . . . . 221

Tabelle 4.2.1 Physikalische Eigenschaften von Aluminiumoxid . . . . . . . . . . . . . . . 226

Tabelle 5.2.1 Typische Oxidschichtdicken von Aluminium .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233

Tabelle 5.2.2 Lochfraß-Potentialwerte von Aluminiumlegierungen . . . . . . . . . . . 240

Tabelle 5.3.1 Elektrochemische Potentialwerte intermetallischer Phasen . . . . . 243

Tabelle 5.3.2 Wirkung wichtiger Legierungselemente aufdie Korrosionsbeständigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243

Tabelle 5.3.3 Korrosionsbeständigkeit von Aluminiumlegierungen . . . . . . . . . . . 245

Tabelle 5.4.1 Spannungsreihe ausgewählter Metalle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259

Tabelle 5.4.2 Kontaktkorrosionsgefahr in verschiedenen Korrosions- umgebungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261

Tabelle 6.1.1 Wahre Bruchdehnung im Zug- und Torsionsversuch . . . . . . . . . . . 286

Tabelle 6.2.1 Koeffizienten der Fließkurvenextrapolationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291

Tabelle 6.4.1 Kennwerte für die zyklische Spannungs-Dehnungskurve . . . . . . 348

Tabelle 6.4.2 Mikrostützwirkungskonstante s nach Neuber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362

Tabelle 6.4.3 Ersatzstrukturlängen für einige Konstruktionswerkstoffe . . . . . . . 362

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Tabellenverzeichnis XIX

Tabelle 6.7.1 Streckgrenze und „wahre“ Bruchdehnung ermitteltan Zugproben mit verschiedenen Kerbgeometrien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398

Tabelle 7.2.1 Übersicht über Formgießverfahren für Aluminium .. . . . . . . . . . . . . 403

Tabelle 7.3.1 Vergleich der verschiedenen Gießverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 420

Tabelle 9.3.1 Herstellbare Mindestwanddicken von Profilen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441

Tabelle 9.3.2 Strangpreßbarkeit der Aluminiumwerkstoffe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444

Tabelle 10.4.1 Schmiedelegierungen und ihre Verwendungszwecke . . . . . . . . . . 468

Tabelle 10.4.2 Schmiedelegierungen der Klasse B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 469

Tabelle 10.4.3 Schmiede- und Schmelztemperaturbereiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 472

Tabelle 11.2.1 Fließpreßbarkeit von Legierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 479

Tabelle 11.2.2 Festigkeitseigenschaften von kaltfließgepreßten Teilen . . . . . . . 480

Tabelle 12.1.1 Aluminiumblechlegierungen für den Karosseriebau . . . . . . . . . . . 513

Tabelle 12.1.2 Zusammensetzung von Aluminiumkarosserieblech- legierungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514

Tabelle 12.1.3 Eigenschaften von Aluminiumkarosserieblechlegierungen . . . . 514

Tabelle 12.3.1 Versuchsergebnisse des Genauschneidverfahrens . . . . . . . . . . . . . . 532

Tabelle 12.3.2 Feinschneidbarkeit von Aluminiumlegierungen . . . . . . . . . . . . . . . 534

Tabelle 13.1.1 Richtwerte für Biegefaktoren von Strangpreßlegierungen . . . . . 538

Tabelle 13.3.1 Superplastisch umformbare Aluminiumlegierungen . . . . . . . . . . . 552

Tabelle 14.3.1 Plattenwerkstoffe für Zerspanungszwecke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 562

Tabelle 14.3.2 Eigenschaften von Pb-freien Automatenlegierungen. . . . . . . . . . . 563

Tabelle 14.4.1 Überblick über die verschiedenen Zerspanbarkeitsgruppen . . . 565

Tabelle 15.1 Oberflächenbehandlungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 578

Tabelle 15.3.1 Typische Dimensionen von anodischen Oxidschichten . . . . . . . . 584

Tabelle 16.1.1 Relevante Faktoren für das Schweißen von Aluminium .. . . . . . 592

Tabelle 16.1.2 Gruppeneinteilung der Knetlegierungen bezüglich ihrerSchweißeignung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 595

Tabelle 16.1.3 Gruppeneinteilung der Gußlegierungen bezüglich ihrerSchweißeignung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 595

Tabelle 16.1.4 Gruppeneinteilung für Schweißzusatzwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . 598

Tabelle 16.1.5 Auswahl von Schweißzusatzwerkstoffen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 599

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XX Tabellenverzeichnis

Tabelle 16.1.6 Einfluß der Legierungsgehalte auf die Schweißriß- empfindlichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 600

Tabelle 16.2.1 Mindestfestigkeitswerte von Schweißverbindungender Legierung EN AW-7020-T5 nach 3 Monaten RT-Auslagerung . . . . . . . . . . . 603

Tabelle 16.3.1 Vergleich zwischen gebräuchlichen Schweißverfahren . . . . . . . 615

Tabelle 16.4.1 Gruppeneinteilung der Schweißimperfektionen. . . . . . . . . . . . . . . . . 622

Tabelle 19.1.1 Statische Festigkeitseigenschaften von FSW-Stumpfstoß- verbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 663

Tabelle 19.2.1 Reibschweißeignung von Aluminium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 666

Tabelle 19.4.1 Legierungen und Schmelzdaten für Aluminium-Hartlote . . . . . . 670

Tabelle 19.4.2 Beispiele für Knetlegierungen mit Angabe zur Lötbarkeit . . . . . 671

Tabelle 19.4.3 Eigenschaften von hartgelöteten Legierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 672

Tabelle 19.4.4 Flußmittel für das Hartlöten von Aluminium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 674

Tabelle 20.2.1 Vergleich typischer Konstruktionswerkstoffe bezüglichDehngrenze und Elastizitätsmodul. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 680

Tabelle 20.2.2a Massenverhältnis Aluminium/Stahl von dünnwandigenHohlstrukturen unter Torsionsbeanspruchung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 682

Tabelle 20.2.2b Massenverhältnis Aluminium/Stahl von vollwandigenHohlstrukturen unter Torsionsbeanspruchung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 682

Tabelle 21.1.1 Löslichkeitsgrenzen von Legierungselementen durchrasche Erstarrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 719

Tabelle 22.1.1 Elementare Zusammensetzung der Erdkruste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 737

Tabelle 22.1.2 Zusammensetzung des Bauxits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 738

Tabelle 22.1.3 Prozeßdaten für die Aluminiumelektrolyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 741

Tabelle 22.4.1 Europäisches Energieressourcenmodell für Aluminium .. . . . . . 750

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1 Einführung

1.1 Der Wettbewerb der Werkstoffe in den Märkten

Aluminiumanwendungen findet man auf fast allen Gebieten der Wirtschaft und des modernen Lebens. Sie reichen von der Architektur über Verkehr, Maschinenbau, Elektrotechnik und Verpackung bis hin zu Freizeit und Sport, Unterhaltung und Kommunikation, Kunst und Kultur. Auf den mei-sten dieser Anwendungsgebiete steht Aluminium in direktem Wettbewerb mit anderen Werkstoffen und muß sich gegenüber technischen und wirt-schaftlichen Herausforderungen dieser Konkurrenten behaupten. Gesi-cherter Erfolg wird nur beschert, wenn ein Anwendernutzen deutlich er-kennbar ist. Neben ästhetischen Gründen, Langlebigkeit, Servicefreund-lichkeit und wirkungsvoller Recyclingfähigkeit wird der Anwendernutzen vorrangig an der Wirtschaftlichkeit und Zuverlässigkeit der Produkte ge-messen. Die Herausforderung besteht deshalb darin, angesichts eines ge-genüber anderen Werkstoffen höheren Materialpreises dennoch zu wett-bewerbsfähigen Lösungen zu kommen.

Daß dies gelingen kann, belegt offensichtlich die weltweite mengenmä-ßige Entwicklung der Aluminiumproduktion seit dem historischen Beginn der industriellen Aluminiumproduktion Ende des 19. Jahrhunderts, die in Bild 1.1 dargestellt ist und die jährlichen Erzeugungsmengen von Primär-aluminium („Hüttenaluminium“) enthält. Der wesentliche Anteil der Alu-miniumproduktion betrifft die sog. „westliche Welt“, die nicht nur Europa, Nord- und Südamerika, Australien und afrikanische Länder, sondern auch die GUS-Staaten, Japan und Südkorea umfaßt. Im letzten Jahrzehnt haben darüber hinaus rasante Entwicklungen in den sog. „östlichen Ländern“ be-gonnen, allen voran in China, wo die Produktion, Verarbeitung und Ver-wendung auf der Grundlage modernster „westlicher“ Technologien aufge-baut wird. Hinzuzurechnen ist noch ein erheblicher Anteil (2004: 7.800.000 t) von „Sekundäraluminium“ aus Recyclingkreisläufen, der in Deutschland und Europa bereits über 30% des Gesamtbedarfs abdeckt, s. unten und Kap. 21.

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2 1 Einführung

Bild 1.1 Entwicklung der Weltaluminiumproduktion

Der offensichtliche Grund für die rasante Verbrauchsentwicklung sind die vielseitigen Gebrauchs- und Verarbeitungseigenschaften, durch die sich Aluminium gegenüber anderen Gebrauchsmetallen auszeichnet. Hier-zu zählen die Eigenschaften in Tabelle 1.1.

Tabelle 1.1 Einige vorteilhafte Gebrauchseigenschaften von Aluminium

• Geringes spezifisches Gewicht: 1/3 so hoch wie Stahl • Vielfältige Herstellungs- Gießen, Walzen bis zu 5 µm Dicke, möglichkeiten: Strangpressen, Schmieden, Kaltfließpressen, Ziehen• Vielseitige Formgebungs- Spanen, Tiefziehen, Streckziehen, möglichkeiten: Biegen, Stanzen u.a.• Gute Korrosionsbeständigkeit: durch Anodisieren und Beschichten

noch zu verbessern • Großes Festigkeitsspektrum: von 70 bis 800 N/mm² • Ungiftig: verwendbar als Verpackungsstoff für Lebensmittel • Hohe elektrische Leitfähigkeit: 2x so hoch wie Kupfer, wenn bezogen

auf das gleiche Gewicht • Hohe Wärmeleitfähigkeit: 3x so hoch wie Stahl

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1.2 Innovationsgrundlagen 3

So wurde Aluminium nach Stahl zum wichtigsten Gebrauchsmetall. Die Zunahme des Aluminiumverbrauchs wurde getragen von der gesamtwelt-wirtschaftlichen Entwicklung nach dem Ende des 2. Weltkriegs, aber auch durch Substitution anderer Werkstoffe durch Ausschöpfung seines beson-deren Eigenschaftsspektrums. Die herausragenden Eigenschaften – gerin-ges Gewicht, hohe Korrosionsbeständigkeit und Lebensmittelverträglich-keit – sind die Grundlage für die Eroberung der Märkte Transport und Verkehr, Bauwesen und Verpackung, die zusammen mehr als 2/3 des Ge-samtaluminiumbedarfs darstellen.1 Detailliertere Ausführungen zu anwen-dungstechnischen Entwicklungen in diesen Märkten enthält Kap. 2.

Ohne Zweifel geht es auf allen Märkten – aber besonders auf dem be-deutenden Automobilsektor – um die Wahrung der Position der einzelnen Werkstoffgruppen, so daß weitere Substitutionen gegen äußerste Wider-stände erkämpft werden müssen. Hierbei spielen immer neue Innovationen und die gezielte Weiterentwicklung und Beherrschung des „gewußt-wie?“ eine entscheidende Rolle.

Allerdings gibt es auch nur wenige Anwendungsgebiete, in denen durch weitere Entwicklungen bei anderen Werkstoffen – z.B. bei den hochfesten Stählen, Magnesium sowie glas- und carbonfaserverstärkten Kunststoffen – Aluminiumanwendungen nicht resubstitutiert werden können. Damit dies nicht geschieht und die positiven Wachstumstrends andauern, sind In-novationen bei den Werkstoff- und Verarbeitungstechnologien unabding-bar. Darüber hinaus ist Kreativität bei den konstruktiven Konzepten gefor-dert, die sich zu einem harmonischen Dreiklang mit den Werkstoff- undVerarbeitungstechnologien gesellen müssen.

1.2 Innovationsgrundlagen

Grundlage für die Entwicklung der Werkstoffeigenschaften ist die Kon-trolle und gezielte Veränderung des Makro- und Mikrogefüges. Die Wahl des geeigneten Ausgangszustands sowie die bewußte Veränderung des Ge-füges in der Verarbeitungsprozeßkette sind die Voraussetzung für bere-

1 Aktuelle statistische Zahlen findet man online in folgenden Datenbanken: Gesamtverband der dt. Al.-Industrie (GDA) www.aluinfo.de

European Aluminium Association (EAA) www.eaa.net The Aluminum Association (AA) www.aluminum.org Australian Aluminium Council www.aluminium.org.au Aluminium Federation of South Africa www.afsa.co.za Associação Brasileira do Alumínio (ABAL) www.abal.org.br World Bureau of Metal Statistics (WBMS) www.world-bureau.com International Aluminium Institute (IAI) www.world-aluminium.org.

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4 1 Einführung

chenbares Verhalten im Einsatz. Die Vielfalt der Veränderungsmöglich-keiten und ihre Nutzung für die Optimierung von Prozessen, Kosten und Bauteilverhalten sind Ressourcen für Innovationen. Neben der mechani-schen ist vor allem die thermische Gefügebeeinflussung von Interesse. Aufgrund des relativ geringen Schmelzpunktes des Aluminiums kann das Gefüge bereits bei Temperaturen bis 250 °C starken Veränderungen un-terworfen werden. Solche thermischen Prozesse lassen sich in geschlos-sene oder teilweise geschlossene Prozeßketten integrieren und damit wei-tere Freiheitsgrade für die Ausnutzung des Werkstoffpotentials gewinnen. Andererseits können durch notwendige thermische Prozeßstufen wie dem Aushärten von Klebstoffen oder organischen Beschichtungen Gefügever-änderungen verursacht werden, die auch zur Festigkeitssteigerung genutzt werden können, vorausgesetzt, der Werkstoff liegt zuvor in einem geeig-neten Werkstoffzustand vor.

Aus konstruktiver Sicht ist es weiterhin wünschenswert, das Verhalten während der Verarbeitung und vor allem während der Einsatzdauer vor-herzusagen. Die Einsatzbedingungen stellen dabei häufig Anforderungen, die durch die üblichen Werkstoffkenndaten nicht befriedigt werden kön-nen, wie z.B. das Crash-Verhalten. Entscheidend dabei ist das Bruchver-halten, welches sensibel auf Gefügezustand und -veränderungen reagiert. Die Kenntnis des Bruchverhaltens – sei es unter statischer, dynamischer, schwingender oder korrosiver Beanspruchung – und seine Abhängigkeit von Gefügezuständen und Spannungszuständen ist eine wesentliche Grundlage für die verläßliche Vorhersage, Modellierung oder Simulation. Schwachstellen im Werkstoff oder Bauteil – wie Schweißverbindungen – stellen besonders hohe Anforderungen an Detailkenntnisse der Gefügever-änderungen, die durch den Schweißprozeß hervorgerufen wurden. Der Schwerpunkt der Anwendungstechnologie im Rahmen dieses Buches liegt daher auf einer verständlichen Darstellung des aktuellen Wissensstandes über z.T. sehr komplexe metallkundliche Vorgänge bei der Verarbeitung und beim Produkteinsatz. Die Kap. 3–6 sollen dieses Grundwissen vermit-teln.

Das Spektrum der Herstellungsverfahren für Aluminiumhalbzeuge und Formgußteile wird in den Kap. 7–11 erläutert. Dabei beschränken sich die Ausführungen auf diejenigen Aspekte, die für die Anwendung wichtig sind. Die Gestaltungsmöglichkeiten der Halbzeugformen und Formguß-teile hängen entscheidend mit den Verfahrensprinzipien und ihren Grenzen zusammen. Berücksichtigung der verfahrensbedingten Freiheitsgrade in der Gestaltung von Vor- und Endformen bringt wirtschaftliche Vorteile.

Die spanlosen und spangebenden Formgebungsverfahren in der Weiter-verarbeitung von Halbzeugen sind in den Kap. 12–14 beschrieben. Sie ge-hören zu den Schlüsseltechnologien der Anwendungstechnik wie auch die

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1.2 Innovationsgrundlagen 5

Fügeverfahren. Die Anwendbarkeit von Fügeverfahren dominiert die Werkstoffwahl, wirkt auf das Bauteilverhalten und entscheidet über die Wettbewerbsfähigkeit der Produktlösung. Eine kurze Einführung in die Oberflächenbehandlung enthält Kap. 15. Die für Aluminium geeigneten Fügeverfahren werden in den Kap. 16–19 beschrieben.

Kapitel 20 befaßt sich mit konstruktiven Aspekten der Aluminiuman-wendung, die einen möglichst hohen Gewinn an wirtschaftlichem Leicht-baugrad, aber gleichzeitig an Steifigkeit, Sicherheit und Zuverlässigkeit gewährleisten sollen. Es wird deutlich, daß der Erfolg einer konstruktiven Lösung nur durch Anwendung aluminiumgerechter Rahmenbedingungen gewährleistet ist, die in der Gestaltung und Fertigung notwendige Frei-heitsgrade einräumen. In der Vergangenheit war die werkstofftechnische Ingenieuraufgabe meistens beschränkt auf eine „Insellösung“, d.h. in der arbeitsteiligen Wirtschaft wurde jeweils für eine bestimmte Teilaufgabe oder -funktion eine Lösung gesucht. Das Ziel solcher Arbeitsweise war er-reicht, wenn die Lösung anforderungsgerecht und zu wettbewerbsfähigen Kosten produziert werden konnte. Dabei wurden vielfach die Erfahrungen mit anderen Werkstoffen zugrunde gelegt und auf die Aluminiumkon-struktion und -verarbeitung übertragen. Viele Aluminiumanwendungen scheiterten an starren räumlichen Vorgaben oder an bereits vorhandenen Fertigungseinrichtungen, die für die Aluminiumverarbeitung nicht geeig-net waren. Für viele erfolgreiche Aluminiumanwendungen waren eine ganzheitliche werkstoffspezifische Arbeitsweise und in der Tat eine eigen-ständige Fertigung der Schlüssel zum Erfolg.

Auf einen wirtschaftlichen Aspekt konstruktiv-konzeptioneller Arbeits-weise sei hier hingewiesen. Daß die Gesamtkosten eines Produktes die Summe aller Einzelkosten sind, ist eine triviale Aussage. Daß aber die Op-timierung der Gesamtkosten nicht gleichbedeutend sein muß mit der Mi-nimierung aller Einzelkosten, ist nicht immer einsichtig. So können höhere Kosten im Einzelfall dennoch zu einem wirtschaftlicheren Gesamtergebnis führen, wenn durch Synergieeffekte sich in anderen Bereichen Kostenein-sparungen ergeben. Da das Rohmetall Aluminium, d.h. das unverarbeitete Material, üblicherweise teurer ist als andere Rohmaterialien, ist das syste-matische Nachdenken über Synergieeffekte eine Grundvoraussetzung in der Aluminium-Anwendungstechnik. Die Aufgabe heißt also: werkstoffge-recht planen, konstruieren und fertigen.

Die Konstruktions- und Fertigungspotentiale des Werkstoffs Aluminium sind in der Tat größer als bei anderen Werkstoffen. Die ausgezeichneten Gieß-, Strangpreß-, Schmiede- und Fließpreßeigenschaften des Werkstoffs ermöglichen Einsparungen von Fertigungsschritten durch endkonturnahe Vorformen, die nur noch geringer Nacharbeit bedürfen. Um das „near net shape“ Potential zu nutzen, sollte man sich immer über das unbedingt ein-

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zuhaltende Toleranzspektrum Rechenschaft ablegen. Unnötige hohe Tole-ranzforderungen sollten möglichst konstruktiv vermieden werden. Eine be-sondere Faszination stellt weiterhin die formgebende Weiterverarbeitung von stranggepreßten Profilen dar. Traditionell werden Profile mit einheitli-chen Querschnitten und möglichst engen Toleranzen über der geraden Pro-fillänge verwendet. Dreidimensionale Querschnittsänderungen durch Kalt-umformverfahren wie Biegen, hydromechanisches Umformen und lokales Fließpressen aber öffnen erst das ganze Spektrum der Formgebungsmög-lichkeiten gerade in der Massenfertigung.

Die Wahl des geeigneten „near net shape“ Ausgangsmaterials (im Sinne von Formguß oder Halbzeugformen) ist abhängig von der Legierungswahl und den Legierungseigenschaften sowie von den weiteren Formgebungs- und Bearbeitungsprozessen. Bei Bauteilen aus hochfesten Legierungen kann manchmal aufgrund der ausgezeichneten Zerspanbarkeit und der Ein-sparung von Fügeoperationen die spangebende Formgebung aus einer massiven Walzplatte günstiger sein als aus konturnahen Strangpreßprofi-len. Das Spektrum der werkstofflichen Möglichkeiten wird darüber hinaus durch zahlreiche Sonderwerkstofformen erweitert, die durch Pulvermetal-lurgie, Metallmatrix-Faser- und -Partikelverbunde, sowie durch Alumini-umschaumstoffe angeboten werden. Hierüber wird in Kap. 21 ein kurzer Überblick gegeben. Die Aluminiumwerkstoffwahl bei der Bauteilent-wicklung ist eine anspruchsvolle Optimierungsaufgabe.

Betrachtungen über Ressourcen, Gewinnung, Recycling und Ökologie in Kap. 22 schließen den Inhalt des Buches ab. Für ein Gebrauchsmetall mit hohem Einsatzvolumen sind diese Aspekte für langfristige Perspekti-ven wichtig. Tatsache ist, daß die Aluminiumgewinnung nach heutigen Technologiestandards einen hohen Energieeinsatz erfordert. Es ist aber auch unbestritten, daß das Recycling von Altschrotten aus ausgedienten Aluminiumprodukten eine wirtschaftlich attraktive industrielle Spartentä-tigkeit ist, und die Wiedergewinnung von „sekundärem“ Aluminium eine hohe Energieeinsparung ermöglicht. Zudem kann das wirtschaftliche Re-cycling von Aluminium auf eine über 100-jährige Tradition zurückgreifen, wie durch den Ausschnitt aus der Familienzeitschrift „Die Gartenlaube“ aus dem Jahr 1893 belegt ist, der in Bild 1.2.1 wiedergegeben ist. Damals ging es um die Markteinführung von Aluminium-Küchengeschirr, die das gängige Kupfer- und Messinggeschirr ersetzen sollten. Heute geht es um die Eroberung des Automobilsektors, und der Recyclingprozeß spielt dabei eine ähnlich wichtige Rolle zur Wahrung der Ressourcen. Bereits heute deckt rezykliertes Aluminium mehr als 30% des Metallbedarfs in Deutsch-land und Europa.

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1.2 Innovationsgrundlagen 7

Bild 1.2.1 Ausschnitt aus einem Artikel in der Familienzeitschrift „Die Garten-laube“ aus dem Juli-Heft des Jahres 1893, in dem auf das wirtschaftliche Recyc-ling von Altaluminium hingewiesen wird

Für vertiefendes Studium ist die im Text erwähnte Literatur in einer ak-tuellen, nach Kap. geordneten Literatursammlung am Ende des Buches zu-sammengestellt. Darüber hinaus sei auf eine Reihe von frei zugänglichen Internetdatenbanken hingewiesen2, die zum Inhalt dieses Buches ergän-zende Informationen über metallkundliche und anwendungstechnische As-pekte bieten.

Der Anhang enthält tabellarische Übersichten über ausgewählte Alumi-niumlegierungen und deren physikalische und typische mechanisch-tech-nologischen Eigenschaften sowie eine Normenübersicht. Bei der Angabe von Eigenschaften wurde weitgehend darauf verzichtet, genormte Eigen-schaften wiederzugeben, da diese Änderungen unterworfen sind und sich der Konstrukteur verbindlich auf die jeweils gültigen genormten Werk-

2 Das Ausbildungsprojekt AluMatter: www.aluminium.matter.org.uk, und das anwendungsorientierte Aluminium Automotive Manual: www.eaa.net/aam.

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stoffangaben und garantierten Mindesteigenschaften beziehen muß. Typi-sche Werkstoffangaben dagegen sind für den Entwicklungsprozeß sinn-voller; sie geben das wirkliche Werkstoffverhalten – die gegenseitige Ab-hängigkeit von Festigkeit und Duktilität – richtiger wieder.

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2 Märkte und Anwendungen

Die wichtigen Märkte in Deutschland und Europa mit ihren Mengenantei-len am Aluminiumverbrauch1 gehen aus Tabelle 2.1. hervor. Analysiert man den Werkstoffeinsatz in diesen Märkten, fällt auf, daß im Transport- und Verkehrssektor, im Bauwesen sowie im Maschinenbau ein hoher An-teil des Aluminiumeinsatzes auf konstruktive, strukturelle Anwendungen entfällt mit entsprechenden hohen Anforderungen an Tragfähigkeit, Si-cherheit und Langlebigkeit. Hier sind in besonderem Maße Kenntnisse der Aluminium-Anwendungstechnologie gefordert.

Tabelle 2.1 Endverbrauch (in %) von Aluminiumhalbzeugen, Formguß, Folie und Pulver in verschiedenen Marktsegmenten in Deutschland und Europe im Jahr 2004 (Quelle: EAA, GDA)

Marktsegment Europa, in % Deutschland, in % Transport und Verkehr 36 43Bauwesen 26 15Verpackung 17 10 Maschinenbau, Elektrotechnik 14 14Sonstige Märkte 7 18Endverbrauch 2004 absolut 8,9 Mio. t 3,1 Mio. t

Die technologisch interessantesten Anwendungsmärkte für Aluminium aus der Sicht der Konstrukteure, Fertigungsingenieure und Werkstoffach-leute sind heute zweifellos der Transport- und Verkehrssektor. Wie auf kaum einem anderen Gebiet spielt hier jedoch der Wettbewerbsstreit der Werkstoffe um Marktanteile, – und dieser Streit fördert Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen in allen technischen Disziplinen. Die neueren Entwicklungen hoch- und höchstfester Stahlwerkstoffe sind ein Beispiel

1 Der in volkswirtschaftlichen Statistiken verwendete Begriff „Verbrauch“ ist für Aluminium insofern irreführend, als der Werkstoff sich nicht verbraucht, son-dern zu hohen Prozentsätzen durch Recyclingprozesse wieder gebrauchstauglich gemacht wird, s. Kap. 22.

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10 2 Märkte und Anwendungen

für die Herausforderungen in diesem Werkstoffwettbewerb. Substitution und Resubstitution sind das wechselvolle Spiel. Energieeinsparung als treibende Kraft für den Einsatz von Leichtbauwerkstoffen war in der Ver-gangenheit und wird auch in Zukunft eine wichtige Motivation sein. Längst aber scheint der Wettbewerb um wirtschaftlichste Lösungen des Leichtbaus die dominierende Rolle übernommen zu haben.

Die Vielfältigkeit der Aluminiumanwendungen in den in Tabelle 2.1 ge-nannten Marktsektoren macht es notwendig, Beispiele auszuwählen, die typisch für den Stand der Technik sind. Zudem erfordern die verschiede-nen Bereiche des Verkehrssektors unterschiedliche Lösungsansätze be-züglich Werkstoffauswahl und Anwendungstechnologien. Aus diesem Grunde werden die nachfolgenden Betrachtungen für die einzelnen Ver-kehrsbereiche – Automobilbau, Nutzfahrzeugbau, Schienenfahrzeug- und Schiffsbau sowie Flugzeugbau – getrennt herausgestellt. Einige Betrach-tungen zum Bauwesen und weiteren Anwendungsmärkten schließen dieses Kapitel ab.

Die dargestellten Beispiele sollen das Interesse wecken, sich mit den werkstofflichen, gestalterischen und fertigungstechnischen Grundlagen zu befassen, die den Hauptteil dieses Buches ausmachen.

2.1 Aluminium im Automobilbau

Unter den mengenmäßig bedeutenden Absatzmärkten für Aluminium-werkstoffe gilt der Automobilsektor als derjenige mit dem größten Ent-wicklungspotential hinsichtlich Werkstoffbedarf und -technologien. Als Leichtbauwerkstoff für Motorkomponenten, Fahrwerk und Karosserie wurde Aluminium bereits über fast ein Jahrhundert in verschiedenen Fahr-zeugmodellen serienmäßig2 verwendet, um anfänglich den Reifenabrieb zu verringern, später die Fahreigenschaften bei noch mangelhafter Motoren-technik und schließlich – seit den Ölkrisen der 70-ger Jahre und dem ge-stiegenen Umweltbewußtsein – den Energiebedarf und die Umweltbela-stung zu reduzieren. Großserienproduktionen von Voll-Aluminium-Fahr-zeugen waren jedoch vorübergehende Ausnahmeerscheinungen. Ein Bei-spiel ist der Dyna Panhard 1954, der bereits Werkstofftechniken verwen-dete, die auch heute noch z.T. Grundlagen des Aluminium-Karosseriebaus sind, s. Bild 2.1.1. Das Gewicht der 6-sitzigen, 4-türigen Limousine: 650 kg. Motorisierung: luftgekühlter 2-Zylinder-Motor mit 850 cm³. Maximale Geschwindigkeit: 140 km/h, Autobahndauergeschwindigkeit: 120 km/h.

2 Die Seriengrößen in der ersten Hälfte des vergangenen Jahrhunderts waren je-doch verglichen mit den heute üblichen relativ bescheiden.

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2.1 Aluminium im Automobilbau 11

Karosserieblechwerkstoffe waren die Legierungen AlMg3, AlMg4 und AlMg5, z.T. in fließfigurenarmer Qualität. Fügetechnik der Karosserie: Punktschweißen. Dichtschweißen des Tanks aus 1,2 mm AlMg3 erfolgte mit Rollennahtschweißen (Baron 1954).

Bild 2.1.1 Dyna Panhard 1954 mit selbsttragender Blechkarosserie aus Alumi-nium

Während in den 70-, 80-er und auch noch in den 90-er Jahren die Moto-rentechnik erhebliche Fortschritte bei der Treibstoffbedarfsminderung machte und dadurch der Leichtbau, der gewöhnlich mit höheren Kosten verbunden ist, immer wieder nachrangig wurde, haben die zunehmenden Treibstoffpreise, die Gewichtszunahme der Fahrzeuge im vergangenen Jahrzehnt und die Emissionsgesetzgebungen in Europa und den USA den Leichtbau in den Vordergrund gerückt. Vor allem Sicherheits-, Qualitäts- und Komfortverbesserungen der Fahrzeuge haben eine Gewichtsspirale ausgelöst, die beispielhaft für den VW-Golf in Bild 2.1.2 dargestellt ist. Ähnliche Verhältnisse gelten für alle Fahrzeugtypen und -klassen interna-tionaler Hersteller.

Gleichzeitig hat sich die Automobilindustrie im Jahr 1998 verpflichtet, den CO2-Ausstoß bis zu den Jahren 2008 und 2012 von derzeit ca. 180 bis 200 g/km auf 140 bzw. 120 g/km zu reduzieren, s. Bild 2.1.3. Dieses Ziel ist nach dem gegenwärtigen Stand der Technik nur durch erhebliche Ge-wichtsreduzierung der Fahrzeuge erreichbar. Änderungen der Antriebs-technik mit geringeren CO2-Emissionen, wie Hybrid- und Gasantriebe, Wasserstoffantrieb bzw. Brennstoffzellen, sind teilweise noch Zukunftsvi-sionen, führen in der Regel aber ebenfalls zu höheren Fahrzeuggewichten mit entsprechenden Einschränkungen der Fahrdynamik oder erfordern stärkere Motorisierung. Die Notwendigkeit des Leichtbaus wird durch die-se Entwicklungen nicht überflüssig.

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12 2 Märkte und Anwendungen

Bild 2.1.2 Gewichtsentwicklung des VW-Golf zwischen 1975 und 2003 auf Basis einheitlicher Motorleistung (Quelle: v. Zengen, EAA)

Bild 2.1.3 Selbstverpflichtung der Automobilindustrie aus dem Jahr 1998 zur Re-duzierung des CO2-Ausstoßes (CEC: Europäische Kommission, ACEA: Dach-verband der Europäischen Automobilhersteller) (Quelle: IKA, RWTH Aachen)

Jahrzehntelang war der Einsatz von Aluminium im Automobil weitge-hend beschränkt auf Formgußanwendungen bei Kolben und Aggregatege-häusen im Antriebsbereich sowie bei Rädern. Zwei Drittel der gesamten Aluminiumgießereiproduktion wurden und werden in diesen Markt gelie-fert. Im (west-)deutschen Automobilbau wurden 1955 knapp 14.000 t

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2.1 Aluminium im Automobilbau 13

Leichtmetall eingesetzt, was etwa einem durchschnittlichen Aluminium-anteil von 2 % pro Fahrzeug (Gesamtproduktion an Fahrzeugen 1955: 718.400) entsprach (Annon. 1956). Im Jahre 2004 hat sich die Liefermen-ge an deutsche Automobilwerke auf etwa 750.000 t Aluminium erhöht, wovon Gußmaterial einen Anteil von etwa 75 % ausmacht. Bei einer Ge-samtproduktion von 5,6 Mio. Fahrzeugen und unter Berücksichtigung von Fertigungsverschnitt entspricht dies einem durchschnittlichen Anteil von fast 10 % oder 110–120 kg/Fahrzeug. Nach amerikanischen Angaben be-trägt im Jahr 2005 der durchschnittliche Aluminiumanteil pro Neufahrzeug 144,8 kg, eine Zunahme um 16 % seit 2002. In den vergangenen zehn Jah-ren hat sich der Aluminiumanteil am Fahrzeuggewicht daher annähernd verdoppelt. Dieser gewaltige Anstieg bedeutet eine deutliche Durchdrin-gung des Motorenbaus (Zylinderkopf, Motorgehäuse und sonstige An-triebsaggregate), aber auch eine erheblich stärkere Verwendung von Alu-minium in Fahrwerk und Karosserie. Angesichts des politischen Umfelds wird mit weiteren Steigerungen gerechnet, sofern die wachsenden Roh-stoffpreise nicht nachteilige Auswirkungen haben.

2.1.1 Aluminium im Antriebsbereich

In den vergangenen 50 Jahren hat sich Aluminium als Leichtbauwerkstoff im gesamten Antriebsstrang – im Motor und Getriebegehäuse, Wärmetau-scher, Wärmeabschirmung, bei Flüssigkeitsleitungen sowie gelegentlich bei der Kardanwelle – etabliert. Kolben und Zylinderköpfe von Otto- und Dieselmotoren, Wärmetauscher und Wärmeabschirmbleche bestehen heute aus Aluminium, wie auch bereits etwa 50% der Zylinderblöcke. Neben dem geringen spezifischen Gewicht war die hohe Wärmeleitfähigkeit, Gießbarkeit und Korrosionsbeständigkeit des Werkstoffs in Verbindung mit werkstofftechnischen Entwicklungen der Warmfestigkeit, Wärmeaus-dehnung, Tribologie sowie der Gießtechnologie maßgebend für den Er-folg. Für eine ausführliche Darstellung des Entwicklungsstandes wird auf das Aluminium Automotive Manual (www.eaa.net/aam) verwiesen.

Kolben

Kolben in Benzin- und Dieselmotoren sind extremen thermischen Bela-stungen ausgesetzt, die durch Spitzentemperaturen des Gases im Brenn-raum von 1800 bis 2600 °C und beim Auslaß von 500–800 °C gekenn-zeichnet sind. Sie müssen einem Gasdruck bis zu 75 bar in Benzinmotoren und bis zu 180 bar und mehr in turbogeladenen Dieselmotoren widerste-hen. Die Wärmelast wird durch die Kolbenringe und durch die Öl-Spritz-