Aluminium von innen: das Profil eines modernen Metalles
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Düsseldorf
Aluminium-Verl.
1994
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| adam_text | Titel: Aluminium von innen
Autor: Altenpohl, Dieter G.
Jahr: 1994
Inhaltsverzeichnis
Geleitwort in
Vorwort iv
1. Der Werkstoff Aluminium 1
Die Anfänge 1
Entwicklung der Aluminiumerzeugung und der 2
Verbrauchermärkte
Typische Eigenschaften und resultierende 5
Anwendungsgebiete des Aluminiums
2. Herstellung und Weiterverarbeitung des Aluminiums 9
Gewinnung der Rohstoffe 9
Das Erz Bauxit 9
Das Zwischenprodukt Aluminiumoxid 10
Erzeugung von Primäraluminium 12
Der Elektrolyseprozeß 12
Andere Verfahren zur Herstellung von Aluminium 17
Hüttenaluminium 17
Reinstaluminium 19
Erzeugung von Sekundäraluminium 20
Einsatzstoffe 20
Verfahrenstechniken 20
Verarbeitung des Aluminiums 24
Hütten- und Formgießereien 24
Halbzeugwerke 25
Weiterverarbeitende Betriebe 25
3. Innerer Aufbau des Aluminiums 26
Kausale Zusammenhänge 26
Metallgefüge 27
Makroskopischer Aufbau 27
Mikroskopischer Aufbau 28
Atomistischer Aufbau 28
Gefügeaufbau und Eigenschaften 29
Gefügeunabhängige Eigenschaften 29
Gefügeabhängige Eigenschaften 30
4. Das Gußgefüge 31
Atomistische Betrachtung der Erstarrung von Atuminiumschmeizen 31
Wärmebilanz 32
Entstehung des Gußkornes 33
VII
Sichtbarmachen des Gußgefüges durch Ätzung 37
Gefügeaufbau bei Anwesenheit von Fremdatomen 39
Homogenes Gefüge 39
Heterogenes Gefüge 40
Erstarrungskurven 41
Zustandsdiagramme 43
Kornseigerung 44
Ungleichgewicht bei technischen Legierungen 48
Erstarrung im Gleichgewichtszustand 48
Ungleichgewicht und Zustandsdiagramm 50
Erstarrung von Legierungen mit heterogenem Gefüge 51
Zustandsdiagramm einer heterogenen Legierung 52
Eutektikum als Gefügephase 52
Entstehung von Wasserstoffporen 56
Konstitutionelle Unterkühlung 58
Zellulare und dendritische Erstarrung 59
Zellengefüge bei heterogener Erstarrung 62
5. Die Aluminiumschmelze 64
Qualität der Aluminiumschmelze 64
Zusammensetzung der unbehandelten Schmelze 64
Untersuchung der Schmelze auf nichtmetallische Einschlüsse 66
Oxidhaut und deren Eigenschaften 67
Schmelzevorbereitung und Einfluß auf die Metallqualität 69
Schmelzereinigung 70
Entfernung von Wasserstoff 70
Entfernung von Alkali- und Erdalkalimetallen 73
Entfernung nichtmetallischer Einschlüsse 74
Betriebliche Verfahren zur Überwachung der Metallqualität 76
6, Technische Gießverfahren 77
Stranggießen 77
Kornfeinung und Komgefüge 79
Kornfeinung 79
Komgefüge 80
Qualität der Barrenoberfläche 82
Porosität des Barrens 84
Makroseigerung im Barren 84
Warm- und Kaltrisse 85
Bandgießen 86
Vorgeschichte 86
VIII
Verfahrensmerkmale 86
Breitbandgießverfahren 88
Gefügemerkmale von Gießwalzmaterial 90
Weiterentwicklung des Bandgießens 91
Verfahrensvarianten des Bandgießens 92
Ausblick 93
Formgießen 94
Typen und Eigenschaften von Aluminium-Gußlegierungen 95
Schmelztechnik 99
Metallurgische Maßnahmen zur Sicherung der Schmelzequalität 100
Kornfeinung 100
Veredelung 100
Gießeigenschaften 102
Formfüllung 104
Vermeidung von Wasserstoffaufnahme und Oxideinschlüssen 104
Erstarrungslenkung 106
Rechnergestützte Optimierung der Formfüllung 107
Rechnergestützte Bauteiloptimierung 107
Ausblick 111
Qualitätssicherungsmanagement 111
Integrierte Gießtechnik 111
Prüfung des Gußgefüges 113
Festigkeitsprüfungen 115
Formgießverfahren 115
Sandgießen 115
Niederdruck-Sandgießen 116
Kokillengießen 118
Schwerkraft-Kokillengießen 118
Niederdruck-Kokillengießen 118
Gegendruck-Kokillengießen 118
Gießpressen (Squeeze Casting) 118
Druckgießen 121
Vakuum-Druckgießen 122
Porefree-Diecasting 123
Thixogießen 123
Feingießen 125
Vollformgießen 126
Ausblick 128
Eigenschaften des Aluminiums bei mechanischer 129
Beanspruchung und Verformung
Elastische und plastische Verformung 129
Werkstoffkennwerte aus Zugversuch bei Raumtemperatur 130
Elastische Dehnung im Bereich der »Hookeschen Geraden« 131
Plastische Dehnung nach Überschreiten der »Dehngrenze« 131
Zugfestigkeit, Gleichmaß- und Bruchdehnung, Brucheinschnürung 132
Härte 134
Kerbschlagbiegefestigkeit 135
Werkstoffkennwerte aus Sonderprüfverfahren 136
Festigkeitseigenschaften bei tiefen Temperaturen 137
Festigkeitseigenschaften bei erhöhten Temperaturen 138
Zeitstandfestigkeit und Kriechen 139
Dauerfestigkeit 141
Bruchzähigkeit 143
Werkstoffkennwerte bei »Crash«-Belastung 144
Unterschiedliche elastische Verformung von Stahl und Aluminium 145
Verhältnisse bei gegebener Belastung 146
Verhältnisse bei gegebenem Verformungsgrad 150
Werkstoffkennwerte des Aluminiums als Grundlage für den Konstrukteur 151
8. Elementarvorgänge bei Verformung und Kaltverfestigung 153
Auswirkungen der Kaltverformung auf die Festigkeit 153
Elastische Verformung 155
Plastische Verformung 156
Auftreten von Gleitlinien und Gleitstufen 156
Verhalten eines Einkristalles bei plastischer Verformung 156
Verformungsverfestigung von Vielkristallen 158
Aufrauhung bei der Blechumformung 159
Parabelbildung als Folge gleicher Orientierung benachbarter Kristalle 160
Zipfelbildung als Folge von Texturen 160
Quantitative Texturbestimmung 163
Gitterbaufehler 163
Leerstellen 164
Fremdatome 165
Versetzungen 166
9. Technische Umformverfahren 169
Warmumformung 170
Thermische Behandlung vor der Warmumformung 170
Löslichkeit im festen Zustand 170
Homogenisierung durch Barrenhochglühung oder Lösungsglühung 172
Heterogenisierung 172
Hochglühung 173
Eigenschaften des warmverformten Gefüges 175
Maßnahmen bei der Warmumformung und Auswirkungen 177
Warmwalzen 179
Strangpressen 181
Verfahrensmerkmale 181
Direktes Pressen 185
Indirektes Pressen 186
X
Praxis des Strangpressens 187
Gefügeumlagerung beim Hochglühen und Strangpressen 187
Schmieden 192
Freiformschmieden 192
Gesenkschmieden 193
Gefüge 194
Typische Endprodukte 195
Legierungen 196
Ausblick 196
Kaltumformung 196
Kaltwalzen 196
Weitere Verfahren der Kalt-Massivumformung 197
Blechumformung 199
10. Beseitigung der Verformungsverfestigung durch 201
Wärmebehandlung
Besonderheiten des kaltverformten Gefüges 201
Herstellung des Zustandes »weich« durch Rekristallisation 202
Beseitigung der Gitterverzerrungen durch Entfestigung 207
Herstellung von halbhartem Material 209
Entfestigung und Rekristallisation bei atomistischer Betrachtung 211
Entstehung von Subkörnem 212
Einfluß von Fremdatomen auf Erholung und Rekristallisation 214
Auftreten von Rekristallisation und Entfestigung 214
während der Warmverformung
Ursachen für streifiges oder streifenfreies Gefüge nach Verformung 217
Anlagen zur thermischen Behandlung von Aluminium 218
11. Legierungsverfestigung 220
Nichtaushärtbare Legierungen 220
Aushärtbare Legierungen 222
Legierungen vom Typ AlMgSi 225
Legierungen vom Typ AICuMg 226
Legierungen vom Typ AlZnMg oder AlZnMgCu 226
Gesichtspunkte bei der Auswahl einer aushärtbaren Legierung 226
Metallkundliche Grundlagen der Aushärtung 227
Gefügezustände bei Aushärtung 228
Löslichkeit und Diffusion von Fremdatomen im Mischkristallgitter 230
Entmischung im festen Zustand 230
Bildung von kohärenten Teilchen (»Zonen«) 231
Ausscheidung von inkohärenten Teilchen 231
Ablauf von Ausscheidungsvorgängen 232
Verfestigung durch ausgeschiedene Fremdatome 235
Mitwirkung von Leerstellen bei Ausscheidungsvorgängen 236
Mögliche Fehler bei der Wärmebehandlung einer 237
aushärtbaren Legierung
Vorgänge beim Weichglühen einer aushärtbaren Legierung 239
Umformen von aushärtbaren Legierungen 239
Einfluß des Schweißens auf Gefüge und Eigenschaften des Werkstoffs 240
Temperaturverlauf in der Wärmeeinflußzone von Schmelz- 240
Schweißverbindungen
Verhalten der verschiedenen Legierungstypen beim Wärmeeintrag 241
Ursachen der Porenbildung im Schweißgut 243
Rißneigung beim Schweißen von Aluminiumlegierungen 245
Ausblick auf neue Entwicklungen 246
12. Korrosionsverhalten des Aluminiums und 247
Oberflächenschutz
Elementare Zusammenhänge 247
Korrosionsresistenz in verschiedenen Klimata und Wässern 249
Korrosionsresistenz bei Einwirkung von Chemikalien 250
Lochkorrosion (Lochfraß) 251
Interkristalline Korrosion 252
Schichtkorrosion 254
Spannungsrißkorrosion 255
Kontaktkorrosion (Galvanische Korrosion) 257
Korrosion durch Abscheidung edlerer Metalle auf einer 257
Aluminiumoberfläche
Voraussetzungen für das Auftreten der Kontaktkorrosion 257
Maßnahmen gegen die Kontaktkorrosion 258
Korrosionsprüfung 259
Natürlicher Oberflächenschutz 260
Wirkung von Legierungselementen 260
Wirkung der natürlichen Oxidhaut 261
Künstlicher Oberflächenschutz 263
Erzeugung eines definierten Oberflächenschutzzustandes als 264
Oberflächenvorbereitung
Verstärkung der natürlichen Oxidschicht durch chemische
Reaktionen 264
Verstärkung der natürlichen Oxidschicht durch anodische Oxidation 265
Einfluß der Werkstoffzusammensetzung und des Gefügezustandes 267
auf das Aussehen der anodischen Oxidschicht
Verfahren zur Herstellung farbiger Oxidschichten 267
Anorganische Schutzschichten 271
Organische Schutzschichten 271
XIS
Sperrschichten 272
Chromatierschichten 272
Schichten nach dem No-Rinse-Verfahren 273
Chromfreie Konversionsschichten 273
Primer-Schichten 274
Beschichtungsverfahren 274
Stückbeschichtung 274
Bandbeschichtung 276
13. Weiterentwicklung von Aluminiumwerkstoffen und 278
werkstoffspezifischen Verfahren
Das Wissensgebäude von Aluminium 278
Werkstoffentwicklung 282
Konventionelle Legierungen 282
Neuentwicklungen 282
Lithiumhaltige hochfeste Legierungen 282
Superlegierungen 282
Aluminiumwerkstoffe für höchste Temperaturen 284
Superplastische Aluminiumwerkstoffe, Verfahren und Anwendung 286
Superplastische Werkstoffe 286
Umformverfahren 287
Anwendung 290
Aluminium-Werkstoffverbunde und Verbundwerkstoffe 291
Werkstoffverbunde aus Aluminiumwerkstoffen 291
Werkstoffverbunde aus Aluminium und anderen Metallen 293
Werkstoffverbunde aus Aluminium und nichtmetallischem Material 295
Verbundwerkstoffe mit Aluminium 297
Anwendbarkeit neuer Legierungs- oder Werkstoffverbundsysteme 298
14. Aluminium im Wettbewerb der Werkstoffe 299
Magnesium 300
Anwendung 301
Verarbeitung 304
Titan 305
Werkstoffe 306
Verarbeitung 307
Anwendung 307
Luft- und Raumfahrt 307
Automobil 308
Energieerzeugung und Energiespeicherung 308
Chemische Industrie 309
Medizintechnik 309
XI!
Ausblick 309
Eisenwerkstoffe 310
Kunststoffe 312
Eigenschaften und Verarbeitung 313
Aluminium und Kunststoff im Verbund 315
Kunststoffe im Fahrzeugbau 315
Entsorgung und Wiederverwendung 317
Versuch einer ganzheitlichen Bilanzierung 318
Fazit: Aluminium im Wettbewerb der Werkstoffe 319
15. Wichtige Aluminiumanwendungen 320
Aluminium als Konstruktionswerkstoff 320
Maschinenbau 322
Bauwesen, Architektur 323
Bedachungen 325
Wintergärten 325
Fensterkonstruktionen 326
Fassaden 327
Aktive Energiefassaden 327
Wiederverwertung, Ökobilanz 330
Ausblick 330
Ingenieurbau 330
Flugzeugbau 335
AICuMg-Werkstoffe 335
AlZnMgCu-Werkstoffe 337
AlLi-Werkstoffe 338
Wettbewerb mit anderen Werkstoffen 339
Ausblick 341
Schiffbau 341
Passagierschiffe 341
Schnelle und unkonventionelle Wasserfahrzeuge 342
Ausblick 343
Schienenfahrzeugbau 343
Bewegliche Bauteile an Güterwagen 343
Güterwagen für den Massenguttransport 345
Wagenkästen für Personenwagen 346
Ausblick 348
Nutzfahrzeugbau 348
Pritschenbordwände 349
Pritschen-Plattformen 349
XIV
Kippaufbauen 350
Geschlossene Aufbauten 350
Chassis 353
Wirtschaftlichkeitsberechnung für einen Aluminium-Lastkraftwagen 353
Ausblick 354
Personenkraftfahrzeugbau 355
Gegossene Bauteile 356
Karosseriebleche 357
Technisch-ökonomische Kriterien 357
Legierungen und Eigenschaften 357
Umformbarkeit 358
Fügetechnik 360
Korrosionsverhalten 360
Schlußfolgerung 361
Weitere Bauteile aus Knetwerkstoffen 361
Auf dem Wege zum Ganzaluminiumauto 361
Frühere Entwicklungen 361
Status Quo 362
Das Spaceframe-Konzept für den Pkw-Bau 363
Automobilleichtbau 365
Kriterien 365
Maßnahmen zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit 366
Kreislauftauglichkeit 367
Aluminium im Automobil als »Metallbank« 368
Ausblick 370
Energietechnik 370
Vormaterial und Sektorleiter 371
Freileitungsseile 371
Leitermaterial aus AlZr-Legierung (TAL) 372
Aluminiumbeschichtete Stahldrähte (Stalum/ACS) 372
»Heiße« Seile 374
Lichtwellenleiter-Erdseile 374
Sonderentwicklungen 375
Verpackungen 375
Eigenschaften von Aluminiumpackstoffen 375
Packmittel 376
Getränkedosen 376
Lebensmitteldosen 376
Dosierspender 378
Flaschenverschlüsse 378
Leichtbehälter 379
Tuben 380
Beutelpackungen 380
XV
Arzneimittelverpackungen 380
Spezialpackmittel 381
Verwertung von Verpackungsabfall 381
Entwicklungstendenzen 382
Ausblick 384
16. Aluminium ökologisch betrachtet 385
Das Problemdreieck 385
Rohstoffsituation der Aluminiumindustrie 386
Energieverbrauch bei der Aluminiumherstellung 391
Umweltbelastung durch Oxidwerke und Aluminiumhütten 393
Rationelle Energienutzung »REN« 393
»REN« bei der Herstellung des Aluminiums 394
Das 4M-Konzept zur betrieblichen Energieeinsparung 395
Aluminium - eine »Energiebank« 396
»REN« bei der Anwendung des Aluminiums 397
Rezyklieren des Aluminiums 398
Aluminium - ein Kind der ersten und zweiten Industriellen Revolution 400
Energieverbrauch und Umweltbelastung: Ein zentrales Thema 401
Energie- und umweltintensive Industrien und Produkte im Wandel 401
Der gesellschaftlich-soziale Aspekt 406
Aspekte des Gesundheits- und Umweltschutzes 407
Biologische Fakten 407
Aluminium und Natur 408
Gesundheitsrisiken am Arbeitsplatz 408
Begriffserweiterung: Umweltschutz 409
Ausblick 409
17. Aluminium im Wandel 410
Vom Produkt zum System 410
Die Rolle struktureller Eigenschaften 411
Die Rolle »intelligenter« Technologien 412
Die Rolle »maßgeschneiderter« Werkstoffe 414
Systemische Funktion von Bauteilen 418
Herausforderungen der Zukunft 419
Paradigmenwechsel 419
Aluminium auf dem Weg zum »Sustainable Development« 423
Fazit 424
Anhang
Physikalische Eigenschaften von Aluminium 426
Zusammensetzung wichtiger Aluminiumwerkstoffe 428
Stichwortverzeichnis 429
XVI
|
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