Herstellung von Aluminium
Aluminiumlegierungen werden normalerweise als Halbfertigprodukte wie Bleche, Platten, Coils, Profile, Rohre oder Drähte geliefert. Alle Formen können dann unter Verwendung einer breiten Palette von Verfahren leicht zu Fertigprodukten verarbeitet werden.
Ein Spektrum an Schneid- und Vorfertigungsleistungen ist verfügbar, darunter Bandzuschnitt, Zuschnitt auf Länge und Scherschneiden von Blech und Platte, Zuschnitte von Profilen und Rohren, Polieren, Beschichten, Bohren, Schlitzen, Biegen und Schweißnahtvorbereitung von Kanten.
Qualitäten, Gemüter & Umformbarkeit
Bei der Herstellung eines Aluminiumprodukts muss die Wahl der Legierung unter Berücksichtigung nicht nur der Haltbarkeit der Legierung im Gebrauch, sondern auch der leichten Verarbeitbarkeit des Produkts aus diesem Material getroffen werden.
Obwohl die Formbarkeit einer Aluminiumlegierung direkt mit der Art der Legierung zusammenhängt, kann die Behandlung jeder Legierung die Eigenschaften so verändern, dass die gleiche Güte in einer Behandlung perfekt für eine bestimmte Anwendung geeignet ist, in einer anderen jedoch völlig ungeeignet ist.
Die allgemeinen Herstellungseigenschaften der verschiedenen Legierungsserien sind in der nachstehenden Tabelle aufgeführt.
Bei nicht wärmebehandelbaren Legierungen wird die zusätzliche Festigkeit durch Kaltverfestigung erzielt. Die Legierung kann dann durch Erhitzen in einer Glühstufe auf die gewünschten Eigenschaften erweicht werden.
Bei wärmebehandelbaren Legierungen wird die Festigkeit durch Erhitzen, gefolgt von Abschrecken und Auslagern, erzielt. Abschrecken ist ein schneller Abkühlprozess unter Verwendung von Luft oder Wasser.
Legierungen & Eigenschaften
| Legierung | Eigenschaften |
| 1XXX | Hervorragende Formbarkeit, Schweißbarkeit und Korrosionsbeständigkeit. Geringe Festigkeit. |
| 2XXX | Hervorragende Bearbeitbarkeit & hohe Festigkeit. Schlechte Umformbarkeit, Schweißbarkeit & Korrosionsbeständigkeit. |
| 3XXX | Formbar, korrosionsbeständig und schweißbar. Mittlere Festigkeit. |
| 4XXX | Umformbar, schweißbar, korrosionsbeständig. |
| 5XXX | Umformbar, schweißbar, ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit. |
| 7XXX | Bearbeitbar, schlechte Korrosionsbeständigkeit und Schweißbarkeit. Hohe Festigkeit. |
| 8XXX | Hervorragende Umformbarkeit. |
Schneiden
Aluminium kann je nach Form und Aufbau auf unterschiedliche Weise geschnitten werden. Aluminiumplatten werden mit verschiedenen Sägetypen sowie mit Laser, Plasma oder Wasserstrahl bearbeitet, um Fertiggrößen mit komplexen Formen herzustellen. Der Vorteil des Wasserstrahlschneidens besteht darin, dass keine Hitze entsteht und somit die Eigenschaften des Aluminiums keine Veränderung erfahren.
Aluminiumstrangpressprofile und -rohre werden routinemäßig mit Kreissägeblättern mit Hartmetallbestückung geschnitten. Der Schnittvorgang kann durch die Verwendung von Stabwachs auf dem Sägeblatt zur Verbesserung der Schmierung optimiert werden. Weitere Schnittmethoden sind das Bandsägen und das Scherschneiden.
Zw Metal Materia’l liefert standardmäßig Zuschnitte, einschließlich Kreise, Ringe und unregelmäßige Formen.
Feilen und Schleifen
Normale Feilen und Schleifscheiben verstopfen mit Aluminiumspänen. Beim groben Feilen von Aluminium sollte die Feile tief geschwungene Zähne mit nur etwa 4 Zähnen pro Zentimeter haben. Eine lange Schiebestumpffeilfeile mit 6 bis 8 Zähnen pro Zentimeter kann für feinere Arbeiten verwendet werden und sollte mit einer Drahtbürste gereinigt werden. Kreide kann in die Feile eingerieben werden, um Verstopfungen zu reduzieren, und ein Eintauchen in eine 20% Natronlauge-Lösung löst das Aluminium auf und reinigt die Zähne. Zum Schleifen können Spezialscheiben verwendet werden. Zum Grobschleifen Filz-, Leder- oder Gummisegmente mit 60 bis 120er Schleifkorn (Emery oder Korund) und einem Paraffin-Schmiermittel verwenden. Zum Feinschleifen 160 bis 320er Emery-Schleifkorn und geringe Mengen Schmiermittel verwenden.
Biegen
- Aluminium kann mit einer von vielen verschiedenen Techniken gebogen werden. Die Wahl der am besten geeigneten wird durch Faktoren wie die Form und den Zustand der betreffenden Legierung bestimmt.
- Die gebräuchlichste Form von Aluminium, die gebogen wird, ist Rohr. Wenn Rohre gebogen werden sollen, sollten nahtlose Rohre spezifiziert werden, da diese konsistenter und mit engeren Toleranzen gebogen werden können als stranggepresste Rohre.
- Vier Hauptmethoden werden zum Biegen von Aluminium verwendet:
- Drei-Walzen-Biegen
- Drei-Punkt-Biegung
- Abwickel- und Dornbiegen
- Streckformen
Drei-Walzen-Biegen
Drei Rundwalzmaschinen verwenden eine zentrale, bewegliche Walze, die allmählich auf das Werkstück abgesenkt wird, bis der gewünschte Radius erreicht ist.
Drei-Punkt-Biegeversuch
Ähnlich wie beim Dreiwalzenbiegen kann die Dreipunktbiegemaschine eine Last durch einen Schlag oder allmählich anwenden. Sowohl beim Dreiwalzen- als auch beim Dreipunktbiegen werden starke Profile bearbeitet.
Biegen im Hohl- und Dornverfahren
Biege- und Dornbiegemaschinen verwenden Formstücke und Stützwerkzeuge, um Aluminium auf enge Radien zu biegen und gleichzeitig Faltenbildung zu minimieren. Beim Biegen bewegt sich das Formstück um das Profil. Beim Dornbiegen bewegt sich das Profil um das Formstück.
Streckziehen
Streckformen arbeiten mit dem Abschnitt unter Spannung, der um eine Form gewickelt wird. Mit dem Abschnitt unter Spannung wird ein Druckversagen minimiert.
Biegeradien
Um Risse beim Biegen von Aluminium zu vermeiden, muss der Biegeradius berücksichtigt werden.
Mindestzulässige Biegeradien sind Funktionen der Legierung, des Zustands, der Querschnittsabmessungen, der Verwendung eines Dornes und der erforderlichen Oberflächengüte. Daher ist es nicht möglich, für alle Fälle strenge Regeln für die Biegeradien anzugeben. Veröffentlichte Biegeradiustabellen sollten vor dem Biegen konsultiert und praktische Versuche vor dem Biegen des Werkstücks durchgeführt werden.
Beitreten
Die gebräuchlichste Methode, Aluminium zu verbinden, ist das Schweißen. Die meisten Aluminiumlegierungen können leicht geschweißt werden, sobald einige Faktoren berücksichtigt werden.
Die Korrosionsbeständigkeit von Aluminium beruht auf einer zähen Oxidschicht auf der Oberfläche. Diese Oxidschicht hat einen höheren Schmelzpunkt als Aluminium und muss vor dem Schweißen entfernt werden. Sie wird chemisch, mechanisch oder elektrisch entfernt, und ihre erneute Bildung muss verhindert werden, bevor der Schweißvorgang abgeschlossen werden kann.
Aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit von Aluminium muss Wärme viermal so schnell zugeführt werden wie bei Stahl. Sein linearer Wärmeausdehnungskoeffizient ist doppelt so hoch wie bei Stahl, was bei der Schweißung von fixiertem Material berücksichtigt werden muss.
Aluminium hat einen relativ niedrigen Schmelzpunkt und verfärbt sich im Gegensatz zu Stahl beim Annähern an seinen Schmelzpunkt nicht.
Daher muss darauf geachtet werden, dass Aluminium bei Fügeprozessen nicht überhitzt und/oder schmilzt. Schweißen neigt dazu, die mechanischen Eigenschaften von Aluminium in der wärmebeinflussten Zone zu verringern. Dieser Bereich erstreckt sich etwa 25 mm vom Schweißnaht.
Mechanische Gelenke
Von kleinen Aluminiumbooten bis hin zu Flugzeugen wird Nieten immer noch zur Herstellung von Verbindungen eingesetzt. Nieten, Schrauben und Bolzen können hochfeste Verbindungen ohne Verzug oder Festigkeitsverlust herstellen und erfordern weniger Geschick als bei anderen Verbindungsmethoden.
Zu den für Nieten verwendeten Aluminiumlegierungen gehören 2017A, 2024, 5056, 5052, 5754, 6061, 6082 und 7075.
Tiefziehen
Tiefziehen ist ein gängiges Herstellungsverfahren für Aluminium und wird zur Herstellung eines der weltweit häufigsten Aluminiumprodukte verwendet: Aluminiumdosen. Beim Tiefziehen werden extrem hohe Kräfte eingesetzt, um ein Blech oder eine Zuschnitt aus einer relativ weichen Legierung in einen weiblichen Ziehteil zu drücken. Der Prozess umfasst mehrere Stufen und erfordert eine angemessene Schmierung.
Tiefziehen ist ein geschätztes Herstellungsverfahren, da es ein nahtloses Produkt ergibt. Aufgrund des Umformverfahrens haben Produkte, die durch Tiefziehen hergestellt werden, im Wesentlichen eine becherförmige Gestalt. Zu den für das Tiefziehen verwendeten Aluminiumlegierungen gehören 3003, 5005 und 5052.
Bearbeitbarkeit
Obwohl Aluminium leicht bearbeitbar ist, weist es einen hohen Reibungskoeffizienten und einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Dies erfordert einen speziellen Ansatz, einschließlich der Verwendung von polierten Werkzeugen mit anderer Werkzeuggeometrie und guter Schmierung, um thermische Spannungen zu vermeiden. Die Aluminiumlegierung 2011 wird aufgrund ihrer ausgezeichneten Bearbeitungseigenschaften als Automatenlegierung (FMA) bezeichnet. 2011 weist eine schlechte Korrosionsbeständigkeit auf, weshalb 6262 T9 verwendet wird, wenn eine größere Korrosionsbeständigkeit erforderlich ist, die Legierung aber dennoch ausgezeichnete Bearbeitungseigenschaften aufweisen muss.
Sowohl 2011 als auch 6262 werden üblicherweise in Stangenform geliefert. Wenn eine Bearbeitung von Aluminiumplatten erforderlich ist, wird die Sorte 6082 gewählt. Die Legierung 6082 lässt sich sehr gut bearbeiten und produziert enge Späne bei Verwendung von Spannutenbrechern.
Schweißeignung
Schweißen
Aus wirtschaftlichen und qualitativen Gründen sind MIG- und WIG-Schweißen die empfohlenen Verfahren für das Schweißen von Aluminium.
WIG- und MIG-Schweißen
WIG-Schweißen eignet sich zum Verbinden von dünnwandigen Werkstoffen mit Materialstärken von etwa 0,8 bis
12,5 mm. Sie ist auch für das Verbinden von Rohren, Lüftungskanälen und feinen Schweißnähten geeignet. Die Verbindungen können Stumpfnähte, Überlappnähte, Kanten- und Kehlnähte sein.
Das MIG-Schweißen ermöglicht eine hohe Stromdichte mit tiefem Einbrand und höhere Schweißgeschwindigkeiten als beim WIG-Schweißen. Das bedeutet weniger Gesamtwärmeeintrag und geringere Verzugsgefahr. Der Prozess des WIG- und MIG-Schweißens entfernt die Oxidschicht automatisch elektronisch. Während des positiven Zyklus des Wechselstroms werden Aluminiumoxidpartikel aus dem Schmelzbad abgetragen, was im nächsten Zyklus die Verschmelzung von oxidfreiem Metall ermöglicht.
Eine Vorreinigung der Nahtstelle für die Schweißung ist noch erforderlich, um sicherzustellen, dass die Schweißnaht völlig frei von Oxiden ist.
Fülldrähte: Fülldrähte für das MIG- und WIG-Schweißen sind auf reine Aluminium-, Al-Mg- und Al-Si-Legierungen beschränkt.
Widerstandsschweißen
Bei Aluminiumlegierungen sind Punktschweißen, Rollnahtschweißen, Drahtschweißen und Blitzschweißen die gebräuchlichsten Arten des Widerstandsschweißens.
Sie alle ergeben ausgezeichnete Verbindungen, insbesondere bei hochfesten, wärmebehandelbaren Legierungen. Widerstands-schweißen kann wirtschaftlicher sein als Schmelzschweißen, ist aber nicht für alle Anwendungen geeignet.
Reibschweißen
Beim Schmelzschweißen von Aluminium mit ungleichen Metallen entsteht nicht selten eine spröde Zone. Um dieses Problem zu überwinden, kann das Reibschweißen eingesetzt werden. Prozesse wie das Rührreibschweißen haben sich als geeignet für die Verbindung von Aluminiumlegierungen erwiesen.
Schweißen unterschiedlicher Metalle
Große Unterschiede in Eigenschaften wie Schmelzpunkt, Wärmeleitfähigkeit und Wärmeausdehnung erschweren das Schweißen von Aluminium mit unähnlichen Metallen wie Stahl erheblich und machen es in extremen Umgebungen wie der Schiffsreparatur und auf Offshore-Ölplattformen oft unmöglich. In diesen Fällen werden explosionsgeschweißte Übergangsverbindungen verwendet. Strukturübergangsverbindungen (STJ) sind bimetallische Materialstreifen mit einem Querschnitt, der auf der einen Seite eine geeignete Aluminiumlegierung und auf der anderen Seite ein unähnliches Material wie Stahl aufweist. Die STJ werden verwendet, um eine Füllbrücke zwischen den unähnlichen Metallen zu bilden, wobei jedes Metall direkt mit dem entsprechenden Metall auf der STJ verschweißt wird.
Löten & Hartlöten
Löten
Die Oxidschicht auf Aluminium und seine hohe Wärmeleitfähigkeit erschweren das Löten. Je größer das zu lötende Teil ist, desto deutlicher wird dies. Ein kleines Teil kann auf Löttemperatur gehalten werden, aber ein großes Teil kann sich verziehen, da ein Teil heiß sein kann, während ein anderer kalt bleibt.
Flussmittel zur Entfernung der Oxidschicht können ätzend sein und müssen nach dem Löten entfernt werden. Um ohne Flussmittel zu löten, muss die Oberfläche mit flüssigem Flussmittel bedeckt und die Oberfläche unterhalb des flüssigen Flussmittels abgetragen werden, bevor die beiden Oberflächen verbunden werden.
Löten
Aluminium kann beim Hartlöten im Flammen-, Tauch- oder Ofenverfahren angelötet werden, solange eine genaue Temperaturkontrolle eingehalten wird.
Klebverbindung
Da Schweißen dazu neigt, die Eigenschaften in der Wärmeeinflusszone zu reduzieren, werden Aluminiumteile zunehmend mit Klebstoffen verbunden. Klebstoffe werden heute für die Verbindung von Aluminium in strukturellen Anwendungen wie Flugzeugböden, Karosserieteilen von Fahrzeugen und sogar zur Befestigung von Straßenlaternenpfosten an ihren Sockeln verwendet.
Die Klebverbindung von Aluminium hat seit den 1930er Jahren, als beobachtet wurde, dass heißhärtende Holzleime auch auf den Oberflächen einiger Metalle äußerst gut funktionierten, an Bedeutung gewonnen. Neue Technologien im Bereich synthetischer Klebstoffe versprechen, die Bedeutung der Klebverbindung für Aluminium weiter zu erhöhen.
Wenn Aluminium klebtechnisch verbunden wird, stellt man generell fest, dass keine Verbindung zwischen dem Klebstoff und dem Aluminiummetall stattfindet. Vielmehr haftet der Klebstoff an der Aluminiumoxidschicht. Säureätzen kann zur Oberflächenvorbereitung verwendet werden, um eine direkte Verbindung zum Aluminium herzustellen. Die Oberflächenvorbereitung hängt vom verwendeten Klebstofftyp ab und sollte gemäß den Empfehlungen des Herstellers erfolgen.
Es ist auch nicht ausreichend, einfach Klebstoff auf eine Verbindung aufzubringen, die sonst geschweißt oder mechanisch befestigt würde. Das Nahtdesign für die Klebeverbindung sollte einen maximalen Oberflächenkontakt zwischen dem Klebstoff und dem Aluminium ermöglichen. Das Nahtdesign sollte auch die Belastungskräfte berücksichtigen, denen die Naht standhalten wird. Klebeverbindungen erzielen die besten Ergebnisse, wenn die Kräfte überwiegend reine Scher-, Zug- oder Druckkräfte sind. Die Verwendung von Überlappverbindungen ist üblich, da sie eine große Verbindungsfläche aufweisen, überwiegend unter Zug belastet werden und Abscher- oder Abziehkraft vermeiden.
Fertigstellung
Aluminium kann mechanisch, chemisch, anodisch und organisch bearbeitet werden. Zh Metal Materia’l verfügt über umfangreiche Poliereinrichtungen, um eine Reihe von Oberflächenbehandlungen für jede Anwendung anzubieten.
Mechanische Oberflächenbearbeitung
Die mechanische Oberflächenbearbeitung umfasst am häufigsten Schleifen und Polieren.
Beim Schleifen wird ein Schleifrad an einer rotierenden Schleifmaschine verwendet. Die bevorzugte Methode ist das Schleifen mit niedriger Geschwindigkeit und Aluminiumoxid, um eine Überhitzung der Oberfläche zu vermeiden. Beim Polieren werden Räder oder Bänder mit daran gebundenen Schleifmitteln verwendet. Eine Polierphase kann hinzugefügt werden, um Schleifspuren zu entfernen. Polierscheiben bestehen normalerweise aus miteinander vernähten Musselinscheiben.
Chemische Ausrüstung
Chemische Oberflächenbehandlungen reagieren mit der Metalloberfläche, um deren Eigenschaften zu verändern. Sie umfassen Konversionsschichten und Ätzverfahren. Konversionsschichten verdicken die natürliche Oxidschicht und ermöglichen eine bessere Haftung von Farben, Lacken und anderen Beschichtungen. Chemische Konversionsschichten sind dünner und kostengünstiger als anodisch erzeugte Schichten.
Beim Ätzen greift eine Chemikalie die Metalloberfläche an und raut sie auf. Ätzmittel können sauer oder alkalisch sein. Alkalische Ätzmittel sind billiger und einfacher zu handhaben und daher gebräuchlicher. Am weitesten verbreitet ist eine Natronlauge in Wasser. Da beim Ätzen die schützende Oxidschicht entfernt wird, ist ein weiterer Schritt erforderlich, um sie wiederherzustellen.
Da das chemische Finish das Entfernen von Metall zur Erzeugung eines Musters oder einer Politur beinhaltet, führt es zu einer geringfügigen Gesamtreduktion der Metallstärke.
Eloxieren
Eloxieren ist ein elektrolytisches Verfahren, das zur Erhöhung der Dicke von Oberflächenoxidschichten auf Aluminium eingesetzt wird. Die entstehenden Schichten sind hart, langlebig und inert und weisen im Vergleich zu chemisch erzeugten Oberflächenbehandlungen eine bessere Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit auf. Die anodischen Schichten sind normalerweise zwischen 5 und 25 Mikrometer dick, abhängig vom Verwendungszweck, insbesondere von der Aggressivität der Umgebungsbedingungen. Anodische Schichten können auch als Basis für Farbstoffe jeder Farbe verwendet werden.
Chromat-Konversionsschichten
Die Chromat-Konversionsbeschichtung, auch Chromatieren genannt, ist ein Verfahren, bei dem Aluminium mit einer extrem dünnen chemischen Beschichtung überzogen wird. Diese Beschichtung kann verwendet werden, um dem Aluminiumsubstrat eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit, Leitfähigkeit und Haftfähigkeit zu verleihen.
Beim Chromatieren wird eine wässrige Lösung, die Chromate und bestimmte Aktivatorionen enthält, verwendet, um etwas von dem Grundmetall aufzulösen. Dieses Metall gelangt als Metallionen in die Lösung, wo es sich mit den Chromationenen verbindet und sich auf der Metalloberfläche als haftende Schicht neu bildet.
Der Vorteil der Chromatierung gegenüber der Anodisierung ist, dass sie kein elektrischer Prozess ist. Das bedeutet, dass kein elektrischer Kontakt mit dem Teil hergestellt werden muss und die Beschichtung in großen Mengen erfolgen kann. Dies macht die Chromatierung generell schneller, einfacher und somit kostengünstiger.
Es werden zwei Kategorien von Chromaten für Aluminium verwendet:
- Chromphosphate werden hauptsächlich auf architektonischen Aluminiumprofilen als haftvermittelnde Schicht für Anstriche verwendet.
- Chromoxide werden auf fast allen Aluminiumarten eingesetzt, darunter Bleche, Coils, Gussteile und Stanzteile. Sie werden zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit und zur Verbesserung der Lackhaftung verwendet.
Organische Beschichtungen
Organische Beschichtungen umfassen Farbsysteme wie Alkyd-, Acryl-, Vinyl- und Epoxidbeschichtungen.
Organische Beschichtungen werden häufig auf Aluminium für Fassadenverkleidungen, Markisen und Getränkedosen eingesetzt. Sie werden typischerweise in kontinuierlichen Verfahren aufgetragen, solange das Aluminiumblech noch als Rolle vorliegt. Solche Beschichtungen können auf einer oder beiden Seiten aufgebracht werden und pro Seite können mehrere Schichten aufgetragen werden.
