ALUMINIUM

Silberglänzendes, leichtes Metall mit guter Wärme- und elektrischer
Leitfähigkeit.

Das im Reinzustand sehr weiche und leicht verformbare Leichtmetall (>
Bruchdehnung bis 80 %) läßt sich erst durch das Zulegieren anderer Metalle (>
Legierungen) konstruktiv im Fahrradbereich verwenden. Hier kommen neben einigen
> Gußlegierungen v.a. > Knetlegierungen zum Einsatz.

Der Anteil von Aluminium am Gesamtgewicht eines Fahrrades liegt heute um und
über 30 % und kann bei Rädern mit > Aluminium-Rahmen sogar 50 % überschreiten.

Sowohl > Dichte (spezifisches Gewicht) als auch > Elastizitätsmodul von
Aluminium liegen bei nur ca. 1/3 der Werte von > Stahl. Ersteres macht Aluminium
interessant hinsichtlich der Leichtbaubestrebungen im Fahrradbau, letzteres
zehrt den Vorteil z.T. wieder auf (vgl. > Aluminium-Rahmen) und muß konstruktiv
ausgeglichen werden (große Rohrquerschnitte).

Konstruktiv ebenfalls berücksichtigt werden muß die erhöhte Kerbempfindlichkeit
von Aluminium (vgl. > Kerbwirkung), die v.a. bei den ausgehärteten
Knetlegierungen auftritt.

        Historisches
Aluminium wurde 1827 erstmals als Flitter hergestellt und war Mitte letzten
Jahrhunderts noch teurer als Gold (2.400 Goldmark/kg bei nur 20 kg
Weltproduktion). Bis zur Jahrhundertwende fiel der Preis durch großtechnische
Herstellung (Elektrolyse, 1884) auf rund 1% o.g. Wertes (1896: 2,60 Goldmark/kg
bei knapp 2 Millionen Kilogramm Weltproduktion).

Der erste Fahrradrahmen aus Aluminium wurde bereits 1895 von dem Pariser
Ingenieur G. Rupalley gefertigt. Angeblich konnte er damit das Gewicht eines
Fahrrades von den damals üblichen 30 kg der Stahlrohrkonstruktionen auf 10 kg
senken.

Die erste Serie von Alu-Rädern (200 Stück) wurde Anfang der 30er Jahre von der
Fa. Diamant (Chemnitz) gefertigt.

Die physikalischen Eigenschaften von Aluminium richten sich nach Legierung und
Verarbeitungsverfahren und werden daher nachfolgend teilweise als Bereich
angegeben:

                  Dichte:

2,7 kg/dm3;
            Schmelzpunkt:

660° C;
           Zugfestigkeit:

40-650 N/mm2 (je nach Herstellung u. Legierung)
            Bruchdehnung:

4-80% (je nach Herstellung und Legierung)
     Elastizitätsmodul:

67.500 - 76.000 N/mm2.

        Herstellung
Aus Bauxit (Erz mit ca. 60% Anteil von Aluminium-Oxyd) wird zunächst mittels
Natronlauge das Metalloxyd gelöst und bei 900° C  im schmelzflüssigen Zustand
per > Elektrolyse in reines Aluminium überführt (BILD 50). Je nach den
gewünschten Eigenschaften von Aluminium erfolgt noch die Zugabe der
entsprechenden Legierungspartner.

Für den Aluminium-Guß wird das Leichtmetall zunächst in Barren abgegossen, für
die Knetlegierungen erfolgt das Abgießen zu zylindrischen Stangen oder
dickwandigen Rohren im sog. Strangguß-Verfahren (BILD 51).

Zur Herstellung einer Tonne Aluminium sind übrigens ca. 18.000 kWh erforderlich
(zum Vergleich > Stahl: ca. 1.000 kWh), ein Grund daß sich besonders Länder mit
billigem Strom aus Wasserkraft auf die Herstellung von Aluminium spezialisiert
haben. Zum Schmelzen des Leichtmetalles werden nur rund 6 % der
Ersterzeugungsenergie verbraucht, weshalb das > Recycling von Aluminium einen
beständig ansteigenden Stellenwert besitzt.

        Weiter-
        verarbeitung
Die Weiterverabeitung erfolgt je nach Verfahren durch Gießen, bei
Knetlegierungen durch > Schmieden (BILD 52: > Ausfallende), > Strangpressen,
Walzen oder Ziehen. Zur Fertigstellung von Fahrradbauteilen schließen sich daran
unter Umständen noch spanabhebende Arbeitsprozesse an.

Während Schmieden, Walzen und Ziehen allgemeinübliche Verfahren zur
Weiterverarbeitung von Metallen sind, gibt es für Aluminium zusätzlich zwei
weitere Spezialverfahren:

                Druckguß
In speziellen Gießereien werden die Aluminium-Barren samt Legierungszusätzen
wieder aufgeschmolzen und zu den späteren Fahrradbauteilen abgegossen.

Rationellstes Gießverfahren ist hierbei der sog. > Druckguß (BILD 53). Dabei
besteht die Gußform i.d.R. aus Stahl, das flüssige Aluminium wird unter sehr
hohem Druck (1000 bar und mehr) eingespritzt. Dieses Verfahren gestattet bei
gekühlten Formen bis zu 100 Füllungen pro Form und Stunde.

Durch den hohen Einspritzdruck wird eine hohe Maßgenauigkeit und Oberflächengüte
erreicht, die spätere Nachbearbeitung größtenteils erübrigt - sogar Bohrungen
und Gewinde können gleich in das Bauteil mit eingegossen werden.

Die so hergestellten Bauteile sind kurzfristig hoch belastbar, es mangelt ihnen
jedoch an > Dauerschwingfestigkeit: Bei Einspritzen des flüssigen Metalls bilden
sich auf den Aluminiumtropfen hauchdünne Oxidfilme, die sich als sog.

Flitterteilchen gleichmäßig in der Schmelze verteilen.

Wird das so hergestellte Bauteil > Dauerschwingbelastungen ausgesetzt, so
avancieren die Oxidflitter zu Bruchkeimen, von denen erste Microrisse ausgehen,
die zum späteren Bruch führen können. Abhilfemaßnahmen hierzu: Bauteile
überdimensionieren, auf guten > Kraftfluß achten.

                Strangpressen
Rohre sowie Stangen mit komplizierten Querschnitten wie z.B. Felgenfrofile
werden durch > Strangpressen hergestellt (BILD 54). Hierbei wird der gegossene
Aluminiumblock auf > Lösungstemperatur erwärmt und unter hohem Druck auf eine
Stahlscheibe gepreßt, in die der gewünschte Querschnitt eingearbeitet wurde. Der
bei dieser Temperatur weniger feste Werkstoff "fließt" durch die Scheibenöffnung
und bildet dabei gleich den erwünschten Querschnitt. Die Stangenlängen werden
dabei je nach Verwendung und Transportmittel um 4 - 10 m  gehalten.

        Knetlegierungen
Bevor die gegossenen Aluminiumblöcke per Schmieden, Walzen und Ziehen
weiterverarbeitet werden können, ist zunächst eine spezielle Vorbehandlung
erforderlich:

Beim Abkühlen des geschmolzenen Aluminiums bilden sich gleichmäßig in der
Schmelze verteilt kleine Kristalle, die mit zunehmender Erstarrung des
Werkstoffes wachsen, bis sie auf ihre jeweiligen Nachbarkristalle stoßen. An den
Stoßstellen scheiden sich bevorzugt die zulegierten Metalle sowie
Verunreinigungen ab, die auf diese Weise ein hartes, sprödes Gerüst von sog. >
Korngrenzen bilden.

Da eine nachfolgende > Kaltverformung unweigerlich zu Rissen im Metallgefüge
führen würde, muß zunächst ein "Aufbrechen" der spröden Bereiche erfolgen. Das
geschieht durch Erwärmung bis kurz unter den Schmelzpunkt und nachfolgendem
Schmieden, Walzen oder > Strangpressen.

Durch dieses "Kneten" (daher der Name "Knetlegierung") des Werkstoffes erreicht
man eine Streckung des Metallgefüges, bei dem sich die Bruchstücke der alten
Korngrenzen gleichmäßig im Metallgefüge verteilen.

Das ursprüngliche Gußgefüge wird mit diesem Verfahren zu einem Zeilengefüge
(vgl. Skizze) umgewandelt, wird zäher und gestattet erst jetzt eine weitere
Verarbeitung durch Kaltverformung.

        Legierungen
Geringfügige Zusätze anderer Metalle erhöhen die > Zugfestigkeit von Aluminium
erheblich. Neben sog. intermetallischen Verbindungen, die Aluminium
beispielsweise mit Kupfer, Magnesium oder Mangan eingeht (Al2Cu, Al3Mg2, Al6Mn),
bewirkt v.a. die > Aushärtung eine drastische Festigkeitssteigerung.

        Aushärten
Ein bei einigen Aluminium-Legierungen möglicher Prozeß, bei dem die innere
Metallstruktur von Aluminium "verspannt" wird und die sog. Gitter- und
Gleitebenen blockiert werden. Das Verfahren hierzu beginnt mit dem
Lösungsglühen.

                Lösungsglühen
Die Legierung wird zunächst auf Lösungstemperatur erwärmt, wobei sich das
Atomgitter von Aluminium aufweitet. Die Fremdatome gehen "in Lösung", verteilen
sich statistisch regelmäßig im Grundmetall (sog. Mischkristall-Bildung). BILD
55: links Fremdatom auf Gitterplatz, rechts auf Zwischengitterplatz.

                Abschreckung
Durch anschließende Abschreckung (Volumenreduktion) geraten die Fremdatome unter
Diffusionsdruck, der sie nach und nach an die Gitter- und Gleitebenen sowie die
> Korngrenzen des > Gefüges herausdrängt. Das bewirkt einerseits die oben
benannte Verspannung der Metallstruktur, andererseits verhindern die an den
Korngrenzen diffundierten Fremdatome dort das Abgleiten/Verschieben der
einzelnen Kristalle gegeneinander - Blockieren der Gitter- und Gleitebenen. Die
Zunahme der Festigkeit geht mit einer Abnahme der Bruchdehnung einher (BILD 56).

Dieser Diffusionsprozeß verläuft beim kalt aushärtbaren Aluminium bereits bei
Raumtemperatur selbstständig ab und benötigt etwa 4-7 Tage. Bei den warm
aushärtbaren Legierungen muß mit einer Auslagerungstemperatur von 120 - 180° C
"nachgeholfen" werden, der Diffusionsvorgang ist dann jedoch bereits nach
einigen Stunden bis 2 Tagen abgeschlossen.

        Einfluß der
        Legierungspartner
Aufgrund moderner metallurgischer Erkenntnisse läßt sich der Werkstoff Aluminium
in einem weiten Bereich durh Zulegieren ane3rer Metalle oder Element exakt auf
seine spätere Verwendung hin abstimmen. Im folgenden sind die wirksamsten
Legierungspartner aufgeführt:

                Silizium
Macht die Aluminiumschmelze dünnflüssiger und senkt die Schmelztemperatur.

Bewirkt bereits bei 0,3 % Anteil die Aushärtbarkeit von AlMg-Legierungen
(Legierungscode s.u.).

                Kupfer
Bewirkt die Aushärtbarkeit von Aluminium-Legierungen, geht mit Aluminium die
intermatallische Verbindung Al2Cu ein, macht die Aluminium-Legierungen
korrosionsanfälliger.

                Magnesium
Beschleunigt die Aushärtprozesse durch Aufweiten des Al-Gitters, unterdrückt den
diffusionsblockierenden Einfluß von Eisenverunreinigungen, erhöht die
Korrosionsbeständigkeit.

                Mangan
Erhöht bei nicht aushärtbaren Legierungen die Zugfestigkeit, geht mit Aluminium
die intermetalische Verbindung Al6Mn ein.

                Zink
Macht die AlMg-Legierung aushärtbar, geht innerhalb der Aluminium-Legierung mit
Magnesium eine intermetallische Verbindung ein (MgZn2). Wird in hohem Anteil den
hochfesten Legierungen beigemischt (> Titanal: 7,2 %).

                Titan/Zirkon
Bewirken bereits in geringen Mengen weit unter 0,1% eine deutliche
Kornverfeinerung und damit höhere Bruchdehnung der Aluminium-Legierungen.

        Legierungscode
Verschiedene Hersteller lassen sich Aluminium-Legierungen durch einen Markenname
schützen. Beispiele hierfür sind "Duraluminium", "Ergal", "Titanal".

Für einige Legierungen existieren daher mehrere Bezeichnungen. Zur Vermeidung
von Mißverständnissen ist es daher sinnvoll, die Legierungen entweder durch
DIN-Kurzzeichen oder per Werkstoffnummer anzugeben.

                DIN-
                Kurzzeichen
Nichteisen-Metallegierungen werden als DIN-Kurzzeichen angegeben. Dabei ist das
chemische Symbol des Grundmateriales vorangestellt. Ohne Zwischenraum folgen die
Legierungspartner, z.T. gleich mit ihrem in Gewichtsprozent angegebenen Anteil.

Beispiele: AlMg3Si, AlZnMgCu1,5.

Davor und mittels Bindestrich getrennt können noch Kennbuchstaben für Verwendung
und Herstellung gestellt werden. Beispiel: GD-AlSi6Cu3 für Druckguß.

Durch einen Zwischenraum getrennt können ferner noch besondere Eigenschaften der
Legierung gekennzeichnet werden. Beispiele: AlMgSi1 a F 32. "a" steht für
ausgehärtet, "F 32" für eine Mindest-Zugfestigkeit von 320 N/mm2.

                Werkstoff-
                nummern
Werkstoffnummern beschreiben weder Eigenschaften noch Zusammensetzung der
Legierung und sind von Land zu Land unterschiedlich. Durch werbende Maßnamen der
Hersteller sind allerdings die in den USA, Großbritannien und Frankreich
üblichen Werkstoffnummern für Knetlegierungen z.T. bekannter als die
DIN-Kurzbezeichnungen. Beispiele: 5005 A für AlMg1; 6061 für AlMg1SiCu; 7075 für
AlZnMgCu1,5.

Die wichtigsten im Fahrradbau verwendeten Aluminium-Legierungen sind in der
nebenstehenden Tabelle aufgeführt:

        Gußlegierungen
LEKTOR/SETZER: siehe Beiblatt kommt von Chr. mit Bildern
        Knetlegierungen
LEKTOR/SETZER: siehe Beiblatt
        Korrosion
Aluminium rostet nicht, unterliegt jedoch  Korrosionseinflüssen. Auf der
Oberfläche von reinem Aluminium bildet sich an der Luft schnell eine Oxidschicht
(BILD 57), die das Metall vor weiteren Korrosionseinflüssen recht gut schützt.

Gleiches gilt für Aluminium-Legierungen mit Magnesium- und Manganzusätzen.

Bei Legierungen mit Kupfer und Zinkanteilen kommt es durch elektrochemische
Reaktionenen (näheres s. > Korrosion) v.a. bei Vorhandensein von Wasser und Salz
(Straßensalz; Schweiß) zu tiefer reichenden Korrosionserscheinungen, die sogar
zum > Bruch von Bauteilen führen können.

Als Korrosionschutz haben sich bei Aluminium-Bauteilen v.a. das > Eloxieren und
> Lackieren bewährt. Bereits eine Hochglanzpolitur mit regelmäßiger Wachspflege
(> Sprühwachs) schützt hinlänglich gegen die zerstörerischen Einflüsse.

Weitere Informationen s. bei den anderen Aluminium-Stichwörtern.

Copyright und redaktionelle Inhalte:
Dipl.Ing.FH Christian Smolik 18.05.2000
technische Umsetzung:
Dipl.Ing.FH Jörg Bucher zuletzt am 18.05.2000