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Aus dem Facharchiv: Lernen & Können
Werkstoffkunde – Aluminium - Gewinnung und Verwendung (4)

Im letzten Beitrag wurden Nichteisenmetalle in die Kategorien Schwer- und Leichtmetalle unterschieden sowie die Eigenschaften von Aluminium betrachtet. Die energieträchtige Herstellung von Aluminium sowie dessen Verwendungsmöglichkeiten bilden die Schwerpunkte dieser Ausführungen.

Schmelzflusselektrolyse zur Herstellung von Reinaluminium (schematische Darstellung) , Bild: K.-H. Bleiß/ep

Geschichte

Im Jahre 1782 vermutete der französische Chemiker Lavoisier als erster, dass es sich bei Alaunerde (kristallisiertes, wasserhaltiges, schwefelsaures Doppelsalz von Kalium und Aluminium) um die Sauerstoffverbindung eines bislang unbekannten Elements handle. Dem englischen Chemiker Humphry Davy gelang es erstmals, durch Elektrolyse geschmolzener Pottasche Elemente wie Kalium oder Magnesium darzustellen. Lange Zeit versuchte er auch die Darstellung des „neuen“ Elements. Im Jahre 1807 führte er die Namensvarianten „alumium“, „aluminum“ und „aluminium“ ein, von welchen die letzten beiden im Englischen bis heute nebeneinander fortbestehen. Die Darstellung von Aluminium glückte schließlich 1825 dem Dänen Hans Christian Ørsted durch Reaktion von Aluminiumchlorid (AlCl3) mit Kaliumamalgam, wobei Kalium als Reduktionsmittel diente. 1827 gelang es dem deutschen Chemiker Friedrich Wöhler reineres Aluminium zu gewinnen.

Gewinnung von Primäraluminium

Aluminiummetall wird elektrolytisch aus einer Aluminiumoxidschmelze hergestellt. Da diese aus den auf der Erde überall vorkommenden Alumo-Silikaten nur schwer isoliert werden können, erfolgt die großtechnische Gewinnung aus dem relativ seltenen, silikatärmeren Bauxit.

Vorbereitung

Das im Bauxit enthaltene Aluminiumoxid/-hydroxid-Gemisch wird zunächst mit Natronlauge aufgeschlossen (Bayer-Verfahren, Rohrreaktor- oder Autoklaven-Aufschluss), um es von Fremdbestandteilen wie Eisen- und Siliciumoxid zu befreien. Anschließend wird es überwiegend in Wirbelschichtanlagen zu Aluminiumoxid (Al2o3) gebrannt.

Schmelzflusselektrolyse

Die Herstellung des Metalls erfolgt in Aluminiumhütten durch Schmelzflusselektrolyse (Bild). Der Franzose Paul Louis Toussain Heroult und der Amerikaner Charles Martin Hall hatten unabhängig voneinander entdeckt, dass sich Tonerde in geschmolzenem Kryolith (Na3AIF6) auflöst und elektrolytisch in rohes, geschmolzenes Metall und Nebenprodukte zerlegen lässt (Hall-Heroult-Verfahren). Für diesen Prozess wird zur Herabsetzung des Schmelzpunktes das Aluminiumoxid zusammen mit Kryolith geschmolzen (Eutektikum bei rund 950 °C). Der Zusatz von Kryolith senkt nicht nur die Schmelztemperatur, sondern erhöht auch die Leitfähigkeit und Stromausbeute, dabei wird Kryolith nur sehr gering zersetzt. Die beschriebene Durchführung erfolgt in Stahlblechwannen, in die Stahlschienen zur Stromzuführung eingelagert sind. Die Seitenwände und der Boden sind mit Kohle ausgekleidet und bilden die Kathode. Kurze Kohlenblöcke, die an einem Tragegerüst hängen, wirken als Anode. Während der Elektrolyse entsteht an der Kathode Aluminium:

4 AI3+ + 12 e-→ 4 AI.

An der Anode reagiert Sauerstoff mit dem Graphit (Kohlenstoff) der Anode zu Kohlenstoffdioxid:

3 C + 6 02-→ C02 + 12 e-.

Aus der Gesamtreaktion entsteht flüssiges Aluminium und Elektrolyt-Schmelze. Diese Tonerde-Kryolith-Schmelze leitet ebenso wie die Aluminiumschmelze elektrischen Strom. Da das flüssige Aluminium eine größere Dichte als die Elektrolyt-Schmelze besitzt, sammelt sich das Metall am Boden der Wanne und wird so zur Kathode. Das Aluminium wird durch die Elektrolyt-Schmelze vor einer Oxydation geschützt. Es wird regelmäßig abgesaugt und gelangt in einen Warmhalteofen, in dem sich die letzten Fremdstoffe und Gase lösen. Danach erhält man Aluminium mit einer Reinheit von 99,5 % bis 99,9 %, das als letzten Schritt in Barren gegossen wird.

Verwendung

In den meisten Fällen wird Aluminium nicht in reiner Form eingesetzt. Je nach Anwendungsgebiet kommt es in verschiedenen Legierungen vor, was vorwiegend die mechanischen Eigenschaften beeinflusst. Wegen seiner hohen Wärmeleitfähigkeit wird Aluminium als Werkstoff für stranggepresste Kühlkörper und wärmeableitende Grundplatten verwendet. Aluminium-Elektrolytkondensatoren verbauen Aluminium als Elektrodenmaterial und Gehäusewerkstoff, des Weiteren wird es zur Herstellung von Antennen und Hohlleitern verwendet.

Elektronik

Die Elektronikindustrie setzte bis in die 2000er-Jahre Aluminium in integrierten Schaltkreisen als Leiterbahnmaterial ein. Neben dem geringen spezifischen Widerstand waren für die Verwendung die gute Haftung auf dem Isolationsmaterial zwischen den Leiterbahnen sowie die einfache Strukturierbarkeit mithilfe von Trockenätzen ausschlaggebend. Aluminium wird heute in mikroelektronischen Produkten verwendet. Wegen seiner guten Kontaktierbarkeit durch andere Metalle wird es in den letzten Leiterbahnebenen eingesetzt. Ähnlich verhält es sich bei Leistungshalbleitern, bei denen üblicherweise alle Leiterbahnebenen aus Aluminium bestehen. Bei Leistungshalbleitern wird das Material für Bonddrähte (Verbindungsdrähte zwischen Chip und Gehäuseanschluss) verwendet.

Elektrischer Leiter

Nach Silber, Kupfer und Gold weist Aluminium die vierthöchste elektrische Leitfähigkeit aller Metalle auf. Ein Leiter aus Aluminium hat bei gegebenem elektrischem Widerstand eine kleinere Masse, aber ein größeres Volumen als ein Leiter aus Kupfer. Aluminium hat dann als elektrischer Leiter Vorteile, wenn das Gewicht eine wesentliche Rolle spielt, z. B. bei den Leiterseilen von Freileitungen (aus z. B. Aldrey, einer Alulegierung mit Magnesium und Silicium) oder dem Flugzeugbau. Aluminium wird u. a. zu Stromschienen in Umspannwerken und zu stromführenden Gussteilen verarbeitet. Für Oberleitungen bei elektrischen Bahnen ist es dagegen aufgrund seiner schlechten Kontakt- und Gleiteigenschaften ungeeignet. Für Elektroinstallationen gibt es kupfer-kaschierte Aluminiumkabel, der Kupferüberzug ist zur Verbesserung der Kontaktgabe. In diesen Anwendungsbereichen sind primär Rohstoffpreise entscheidend, da Aluminium preisgünstiger als Kupfer ist. Zurzeit kostet das Kilogramm Aluminium weniger als die Hälfte gegenüber einem Kilogramm Kupfer. Entscheidend für die Vergleichsmassen sind jedoch der Leiterquerschnitt und das damit eingesetzte Volumen eines Leiters. Heute muss man etwa 6 Euro für 1 dm3 (Liter) Aluminium bezahlen, wohingegen für 1 dm3 Kupfer etwa 50 bis 60 Euro berechnet werden. Verglichen mit einer Aluminiumleitung liegen die Kosten für eine Kupferleitung mit gleichem Leitwert beim Faktor 7 – trotz der besseren Leitfähigkeit des Kupfers. Hervorzuheben ist auch das geringe Absinken der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit von Aluminium bei Zusatz gebräuchlicher Legierungsbestandteile, wohingegen Kupfer bei Verunreinigungen eine deutliche Verringerung der Leitfähigkeit zeigt.

Verarbeitung

Beim Kontaktieren unter Druck ist Aluminium problematisch, da es zum Fließen neigt. Außerdem überzieht es sich an Luft mit einer Oxidschicht. Nach längerer Lagerung oder Kontakt mit Wasser ist diese isolierende Schicht so dick, dass sie vor der Kontaktierung beseitigt werden muss. Vor allem im Kontakt mit Kupfer kommt es zu Bimetallkorrosion. Bei ungeeigneten Kontaktierungen in Klemmen kann es bei Aluminiumleitern in Folge zu Ausfällen und Kabelbränden kommen. Grund dafür sind bei sich lösenden Kontakten erhöhte Kontaktwiderstände. Crimpverbindungen mit passenden Hülsen und Werkzeugen sind jedoch sicher. Als Zwischenlage zwischen Kupfer und Aluminium können Verbindungsstücke aus Cupal die Kontaktprobleme vermeiden. Aluminium verbindet sich beim Schweißen oder Löten in der Regel mit dem Luftsauerstoff. Dieses Phänomen lässt sich unter Verwendung von Schutzgas (Inertgas) verhindern.

Autor: K.-H. Bleiß
Der Beitrag ist in unserem Facharchiv nachzulesen.

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