Werkstoffe: Aluminium, Polymere und Keramiken – Eigenschaften & Anwendungen

Aluminium: Eigenschaften, Herstellung und Legierungen

Aluminium findet vielfältige Anwendungen, beispielsweise in Teleskopen und als Pulverlack für den Metallschutz. Es ist ein Schlüsselmaterial für die Herstellung von Legierungen.

Aluminiumlegierungen

Aluminium wird mit anderen Metallen legiert, um spezifische Eigenschaften zu erzielen. Duraluminium, eine sehr leichte Legierung mit hoher Festigkeit, wird häufig in der Luftfahrt eingesetzt.

Aluminothermie

Die Aluminothermie ist ein Verfahren zur Metallgewinnung, bei dem Metalloxide durch Aluminiumpulver reduziert werden. Metalle wie Chrom, Mangan und Molybdän werden auf diese Weise gewonnen.

Aluminiumsalze

Wichtige industrielle Salze des Aluminiums sind die sogenannten Alaune (Doppelsalze).

Vorkommen und Gewinnung von Aluminium

In der Erdkruste kommt Aluminium nicht in freier Form vor, sondern hauptsächlich in Verbindungen wie:

• Aluminiumoxid
• Aluminiumhydroxid
• Silikate

Gewinnung von Aluminium

Die Gewinnung erfolgt durch das elektrolytische Verfahren. Dabei werden Bauxit und Kryolith in einem Ofen geschmolzen. Ein Anodenstrom zersetzt das Bauxit, wobei Sauerstoff freigesetzt wird und sich reines Aluminium am Boden der Elektrolysezelle sammelt.

Physikalische und chemische Eigenschaften

Aluminium ist ein weißes Metall mit einem Schmelzpunkt von 660 °C. Es ist:

• Dehnbar
• Formbar
• Ein guter elektrischer und thermischer Leiter
• Korrosionsbeständig

Spezielle Aluminium- und Kupferlegierungen

Aluminiumbronze

Eine Kupferlegierung, die für Bauteile verwendet wird, die hohen mechanischen Belastungen, Zähigkeit, Stößen oder Ermüdung standhalten müssen.

Beryllium-Kupfer-Legierungen

Diese Legierungen zeichnen sich durch verbesserte Eigenschaften nach thermischer Behandlung (Alterung) aus und widerstehen hoher Ermüdung. Die Alterung führt zu erhöhter Härte und Widerstandsfähigkeit gegen Verformung.

Messing (Kupfer-Zink-Legierungen)

Die wichtigsten Messingtypen sind Alpha-, Gamma- und Beta-Messing. Messing ist formbar und widerstandsfähig gegen Zugkräfte. Alpha-Messing und Alpha-Beta-Messing bieten hohe mechanische Beständigkeit und Duktilität.

Muntz-Metall ist eine spezielle Messinglegierung mit einem Zinkanteil von 30 bis 49 %.

Aluminium-Gusslegierungen

Die physikalisch-chemischen Eigenschaften dieser Legierungen variieren je nach Gießverfahren. Sie können Nachteile beim Schweißen aufweisen.

Aluminium-Knetlegierungen

Durch Glühen verlieren diese Legierungen an Härte und werden gut bearbeitbar.

Wichtige Aluminiumlegierungen

Zu den wichtigsten Aluminiumlegierungen gehören Magnesium-Legierungen sowie die am häufigsten verwendeten Al-Zn-Mg-Legierungen. Weitere Beispiele sind Mg-Mn, Mg-Al, Al-Mg-Ag und Mg-Al-Cd.

Beryllium-Legierungen

Diese werden durch Elektrolyse gewonnen. Verunreinigungen können zu Sprödigkeit führen. Sie zeichnen sich durch einen hohen Elastizitätsmodul aus, ihre Anwendung ist jedoch oft auf befristete Einsätze beschränkt.

Kupferlegierungen

Kupferlegierungen finden Anwendung in Blechen, Rohren, Stäben und Drähten und widerstehen Zugkräften von 12 bis 14 kg/mm². Es gibt verschiedene Bronze-Varianten.

Kupfer-Zinn-Legierungen

Diese Legierungen werden für Münzen und Waffenmetalle verwendet. Eine Münzlegierung kann beispielsweise 96 % Kupfer und 8 % Nickel enthalten. Die Zusammensetzung für Waffenmetalle variiert typischerweise zwischen 88 % und 92 % Kupfer.

Polymere: Aufbau, Klassifizierung und Anwendungen

Polymere sind Referenzmaterialien wie Kunststoffe, Gummi und Klebstoffe. Sie bestehen aus riesigen Ketten organischer Moleküle.

Polymerisation

Die Polymerisation ist der Prozess, bei dem kleine Moleküle (Monomere) miteinander verbunden werden, um riesige Makromoleküle zu bilden.

Anwendungsbereiche von Polymeren

Polymere finden breite Anwendung in:

• Spielzeug
• Haushaltsartikeln
• Lacken und Farben
• Klebstoffen und Bindemitteln
• Schaumstoffen

Klassifizierung von Polymeren

Thermoplaste

Thermoplaste bestehen aus langen Ketten, die durch die Kombination kleiner Moleküle entstehen. Sie verhalten sich plastisch und dehnbar und sind leicht zu recyceln.

Duroplaste (Thermostabile Polymere)

Duroplaste sind langkettige Verbindungen mit molekularen Querverbindungen, die dreidimensionale Netzwerke bilden. Sie sind widerstandsfähiger als Thermoplaste, aber auch spröder und schwieriger zu verarbeiten, da die Querverbindungen nicht reversibel sind.

Elastomere

Elastomere besitzen die Fähigkeit, sich elastisch zu verformen, ohne eine dauerhafte Veränderung zu erleiden. Sie werden beispielsweise für Schläuche und elektrische Isolationen verwendet.

Zusatzstoffe für Polymere

Füllstoffe

Füllstoffe erhöhen die Widerstandsfähigkeit und Abriebfestigkeit der Polymere.

Pigmente

Pigmente werden verwendet, um Polymeren Farben und optische Effekte zu verleihen.

Stabilisatoren

Stabilisatoren verhindern den Abbau von Polymeren durch Umwelteinflüsse. Dazu gehören:

• Flammschutzmittel
• Weichmacher (Plastifizierer)
• Verstärkungsmittel

Keramiken: Zusammensetzung, Eigenschaften und Anwendungen

Keramiken sind chemische Verbindungen, die metallische und nichtmetallische Elemente enthalten.

Anwendungsbereiche von Keramiken

Keramiken finden breite Anwendung in:

• Töpferwaren und Geschirr
• Ziegeln und Fliesen
• Magneten
• Elektrischen Geräten

Eigenschaften von Keramiken

Keramische Materialien sind typischerweise:

• Hart
• Spröde
• Haben einen hohen Schmelzpunkt
• Besitzen eine niedrige elektrische und thermische Leitfähigkeit
• Widerstehen hoher Kompression
• Haben im Vergleich zu einigen Nichtmetallen höhere Bruchzähigkeitswerte
• Bieten eine ausgezeichnete elektrische Isolierung

Ihre Verwendung in Anwendungen, die eine hohe Zugfestigkeit erfordern, ist jedoch sehr begrenzt.