Werkstoffkunde – Aluminium - Gewinnung und Verwendung (4)

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.