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== Allgemeines == | == Allgemeines == | ||
Aluminium ist eines der häufigsten Elemente der Erdkruste. Es ist ein silbrig glänzendes Metall mit guten Reflexionseigenschaften. Es bildet in Verbindung mit Sauerstoff eine passivierende Oxidschicht, was es korrosionsbeständig macht. Diese Oxidschicht erschwert allerdings das Löten und Schweißen von Aluminium. Mit einer Dichte von 2,7 g/cm³ gehört es zu den Leichtmetallen. Der Schmelzpunkt liegt bei 660°C und die Wärmeleitfähigkeit liegt bei 237 W/mK. Es hat einen E-Modul von 70 GPa und eine Querkontraktionszahl von 0,33. Die Streckgrenze von Reinaluminium liegt bei 40 MPa. Aluminium liegt in einem kubisch flächenzentrierten (kfz) Kristallgitter vor. Hauptrohstoff für die Aluminiumgewinnung ist Bauxit, das nach der Reinigung (Bayer-Verfahren) in einer Kryolithschmelze aufgelöst und elektrolysiert (Schmelzflusselektrolyse, hier Hall-Héroult-Prozess). | Aluminium ist eines der häufigsten Elemente der Erdkruste. Es ist ein silbrig glänzendes Metall mit guten Reflexionseigenschaften. Es bildet in Verbindung mit Sauerstoff eine passivierende Oxidschicht, was es korrosionsbeständig macht. Diese Oxidschicht erschwert allerdings das Löten und Schweißen von Aluminium. Mit einer Dichte von 2,7 g/cm³ gehört es zu den Leichtmetallen. Der Schmelzpunkt liegt bei 660°C und die Wärmeleitfähigkeit liegt bei 237 W/mK. Es hat einen E-Modul von 70 GPa und eine Querkontraktionszahl von 0,33. Die Streckgrenze von Reinaluminium liegt bei 40 MPa. Aluminium liegt in einem kubisch flächenzentrierten (kfz) Kristallgitter vor. Hauptrohstoff für die Aluminiumgewinnung ist Bauxit, das nach der Reinigung (Bayer-Verfahren) in einer Kryolithschmelze aufgelöst und elektrolysiert wird (Schmelzflusselektrolyse, hier Hall-Héroult-Prozess). | ||
== Legierungen == | == Legierungen == | ||
Da Reinaluminium keine guten Festigkeitswerte hat, wurden mit der Zeit | Da Reinaluminium keine guten Festigkeitswerte hat, wurden mit der Zeit verschiedene Legierungen entwickelt, um die Festigkeit zu steigern. Dabei unterscheidet man zwischen Guss- und Knetlegierungen. Zu den Knetwerkstoffen zählen außer Reinaluminium im Wesentlichen die naturharten Legierungen vom Typ AlMn, AlMg und AlMgMn sowie die aushärtbaren Legierungen AlCuMg, AlCuSiMn, AlMgSi, AlZnMg und AlZnMgCu. Diese Legierungen sind in der Regel als Halbzeuge oder Strangpressprofile erhältlich, aus denen sich dann durch Schweißen, Schmieden oder zerspanende Bearbeitung letztlich die Endprodukte erzeugt werden. | ||
Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal sind die Hauptlegierungselemente. Guss- und Knetlegierungen lassen sich anhand der Ziffern unterscheiden. Gusslegierungen haben drei Ziffern, Knetlegierungen vier Ziffern | |||
===Gusslegierungen (nach DIN EN 1780-1):=== | ===Gusslegierungen (nach DIN EN 1780-1):=== | ||
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*'''1xxx''' - nicht wärmebehandelbar - Festigkeiten von 70 bis 190 N/mm² auch Reinaluminium genannt. Schweißbar. Sehr korrosionsbeständig, Verwendung für chemische Tanks und Rohre. Hohe elektrische Leitfähigkeit. | *'''1xxx''' - nicht wärmebehandelbar - Festigkeiten von 70 bis 190 N/mm² auch Reinaluminium genannt. Schweißbar. Sehr korrosionsbeständig, Verwendung für chemische Tanks und Rohre. Hohe elektrische Leitfähigkeit. | ||
*'''2xxx''' - kann wärmebehandelt werden - Festigkeiten von 190 bis 430 N/mm² - Kupferlegiert (0,7 bis 6,8%) - Verwendung in | *'''2xxx''' - kann wärmebehandelt werden - Festigkeiten von 190 bis 430 N/mm² - Kupferlegiert (0,7 bis 6,8%) - Verwendung in Flugzeugbau und Raumfahrt - hohe Festigkeit - großer Temperaturbereich. Manche Legierungen gelten aufgrund der Rissneigung beim Schweißen als nicht schweißbar - Schweißzusatz meistens 2xxx manchmal auch 4xxx. | ||
*'''3xxx''' - nicht wärmebehandelbar - Festigkeiten von 110 bis 280 N/mm² - Aluminium Manganlegierungen mit mittlerer Festigkeit, guter Korrosionsbeständigkeit - gute Formbarkeit - geeignet auch für höhere Temperaturen - Einsatzgebiet von Kochtöpfen über Kühler in Fahrzeugen bis zum Kraftwerksbau. Schweißzusatz 1xxx, 4xxx und 5xxx. | *'''3xxx''' - nicht wärmebehandelbar - Festigkeiten von 110 bis 280 N/mm² - Aluminium Manganlegierungen mit mittlerer Festigkeit, guter Korrosionsbeständigkeit - gute Formbarkeit - geeignet auch für höhere Temperaturen - Einsatzgebiet von Kochtöpfen über Kühler in Fahrzeugen bis zum Kraftwerksbau. Schweißzusatz 1xxx, 4xxx und 5xxx. | ||
*'''4xxx''' - Wärmebehandelbare und nicht wärmebehandelbare Legierungen - Festigkeiten von 170 bis 380 N/mm² - Aluminium Silizium Legierungen (Si 0,6 bis 21,5%) - einzige Serie die Wärmebehandelbare und nicht wärmebehandelbare Legierungen enthält - Silizium reduziert den Schmelzpunkt und macht die Schmelze dünnflüssiger - ideal für Schweiß- und Lötzusätze. | *'''4xxx''' - Wärmebehandelbare und nicht wärmebehandelbare Legierungen - Festigkeiten von 170 bis 380 N/mm² - Aluminium Silizium Legierungen (Si 0,6 bis 21,5%) - einzige Serie, die Wärmebehandelbare und nicht wärmebehandelbare Legierungen enthält - Silizium reduziert den Schmelzpunkt und macht die Schmelze dünnflüssiger - ideal für Schweiß- und Lötzusätze. | ||
*'''5xxx''' - nicht wärmebehandelbar - Festigkeiten von 120 bis 350 N/mm² - Aluminium-Magnesium (Mg 0,2 bis 6,2%) - Höchste Festigkeiten der nicht wärmebehandelbaren Aluminiumsorten - schweißbar - Verwendung im Schiffsbau, Transport, Druckkessel, Brücken und Gebäuden. Schweißzusatz muß nach Magnesiumgehalt bestimmt werden. Aluminium aus dieser Serie mit mehr als 3,0% Mg ist für Temperaturen über 65° nicht geeignet (Spannungsrisskorrosion) - Materialien mit weniger als ca. 2,5% Mg können oft erfolgreich mit 5xxx oder 4xxx Schweißzusätzen geschweißt werden. 5032 wird meist als das Material mit dem höchsten Mg-Gehalt genannt, das gerade noch mit 4xxx schweißbar ist. | *'''5xxx''' - nicht wärmebehandelbar - Festigkeiten von 120 bis 350 N/mm² - Aluminium-Magnesium (Mg 0,2 bis 6,2%) - Höchste Festigkeiten der nicht wärmebehandelbaren Aluminiumsorten - schweißbar - Verwendung im Schiffsbau, Transport, Druckkessel, Brücken und Gebäuden. Schweißzusatz muß nach Magnesiumgehalt bestimmt werden. Aluminium aus dieser Serie mit mehr als 3,0% Mg ist für Temperaturen über 65° nicht geeignet (Spannungsrisskorrosion) - Materialien mit weniger als ca. 2,5% Mg können oft erfolgreich mit 5xxx oder 4xxx Schweißzusätzen geschweißt werden. 5032 wird meist als das Material mit dem höchsten Mg-Gehalt genannt, das gerade noch mit 4xxx schweißbar ist. | ||
*'''6xxx''' - wärmebehandelbar - Festigkeiten von 120 bis 400 N/mm² - Aluminium/Magnesium-Silizium-Legierungen (Si und Mg um die 1%); sehr beliebt bei Schweißkonstruktionen - Verwendung vorwiegend als Extrusionen, kann gut wärmebehandelt werden, soll nicht ohne Schweißzusatz geschweißt werden (Warmrisse) - Schweißzusätze 4xxx und 5xxx. | *'''6xxx''' - wärmebehandelbar - Festigkeiten von 120 bis 400 N/mm² - Aluminium/Magnesium-Silizium-Legierungen (Si und Mg um die 1%); sehr beliebt bei Schweißkonstruktionen - Verwendung vorwiegend als Extrusionen, kann gut wärmebehandelt werden, soll nicht ohne Schweißzusatz geschweißt werden (Warmrisse) - Schweißzusätze 4xxx und 5xxx. | ||
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== Festigkeit == | == Festigkeit == | ||
Wichtig ist eine Unterscheidung zwischen Festigkeit (Streckgrenze) und Steifigkeit (E-Modul). Nehmen wir an wir hätten zwei Rahmen mit exakt gleicher Geometrie, Rohrdurchmesser und Wandstärke, wie würden sich | Wichtig ist eine Unterscheidung zwischen Festigkeit (Streckgrenze) und Steifigkeit (E-Modul). Nehmen wir an, wir hätten zwei Rahmen mit exakt gleicher Geometrie, Rohrdurchmesser und Wandstärke, wie würden sich diese Rahmen mit den Werkstoffen Reinaluminium, 6xxx Aluminiumlegierung, 7xxx Aluminiumlegierung, und Baustahl „verhalten“ und „anfühlen“ | ||
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Was beim Betrachten der Tabelle auffällt ist die Tatsache das man mittels Zulegieren verschiedener Elemente zwar die Festigkeit erhöhen kann aber nicht die Steifigkeit. Doch warum fühlen sich dann Aluminiumrahmen „steifer“ an? Ok in unserer Annahme oben haben wir gleiche Wandstärke vorausgesetzt. Also verdreifachen wir die Menge des verwendeten Aluminiums, was passiert? Unser Gewicht verdreifacht sich (die beiden Rahmen sind gleich schwer). Der tragende Querschnitt verdreifacht sich unsere Konstruktion wird gleich Steif. In unserer Frage warum sind Aluminiumrahmen steifer sind wir immer noch nicht weiter. | Was beim Betrachten der Tabelle auffällt ist die Tatsache das man mittels Zulegieren verschiedener Elemente zwar die Festigkeit erhöhen kann, aber nicht die Steifigkeit. Doch warum fühlen sich dann Aluminiumrahmen „steifer“ an? Ok in unserer Annahme oben haben wir gleiche Wandstärke vorausgesetzt. Also verdreifachen wir die Menge des verwendeten Aluminiums, was passiert? Unser Gewicht verdreifacht sich (die beiden Rahmen sind gleich schwer). Der tragende Querschnitt verdreifacht sich, unsere Konstruktion wird gleich Steif. In unserer Frage, warum sind Aluminiumrahmen steifer, sind wir immer noch nicht weiter. | ||
Hier ein kurzes Zitat von Hunderten von Konstruktionslehrern „Die Steifigkeit kommt über die Konstruktion!“. Vergleichen wir einen aktuellen Aluminiumrahmen mit | Hier ein kurzes Zitat von Hunderten von Konstruktionslehrern „Die Steifigkeit kommt über die Konstruktion!“. Vergleichen wir einen aktuellen Aluminiumrahmen mit einem klassischen Stahlrahmen, fällt uns eines auf... der Aluminiumrahmen hat dickere Rohre und das macht die Rahmen steifer. Der Grund ist die Biegesteifigkeit, die sich aus E-Modul multipliziert mit dem Flächenträgheitsmoment ergibt; und das Flächenträgheitsmoment für Rohre sieht wir folgt aus: | ||
[[Bild:Aluminium Details 1.png]]. | [[Bild:Aluminium Details 1.png]]. | ||
Doch warum jetzt die Festigkeit eines Werkstoffes erhöhen? Mit höherer Festigkeit kann man verhindern, dass ein Rahmen sich unter Belastung | Doch warum jetzt die Festigkeit eines Werkstoffes erhöhen? Mit höherer Festigkeit kann man verhindern, dass ein Rahmen sich unter Belastung verbiegt, verzieht oder einbeult. Auch wird bei einem [[Chainsuck]] nicht so viel Material abgetragen und der Rahmen nicht so stark beschädigt. Doch welche Verfestigungsmechanismen werden bei Aluminiumlegierungen denn nun verwendet? | ||
Dazu kurz einige Grundlagen. Sellen wir uns unser Aluminium als perfekten Einkristall vor, müssten für eine Verformung ganze Atomebenen | Dazu kurz einige Grundlagen. Sellen wir uns unser Aluminium als perfekten Einkristall vor, müssten für eine Verformung ganze Atomebenen aneinander abgleiten, was Unmengen an Energie benötigen würde. Doch unser Aluminium (immer noch ein Einkristall) ist voller Fehler. Es ist also viel einfacher diese Fehler (Versetzungen genannt) zu bewegen. Dieses Modell wird Versetzungstheorie genannt. Nun besteht unser Aluminium aus vielen Kristallen, die durch Korngrenzen getrennt sind, also können diese Kristallfehler (Versetzungen) nicht beliebig weit wandern. | ||
Alle Mechanismen die einen Werkstoff verfestigen versuchen die Bewegung der Versetzungen zu behindern. | Alle Mechanismen, die einen Werkstoff verfestigen, versuchen die Bewegung der Versetzungen zu behindern. | ||
=== Kaltverfestigung === | === Kaltverfestigung === | ||
Verformt man Aluminium unterhalb der Rekristallisationstemperatur spricht man von Kaltverformung. Es wird zwischen Verformen und Umformen unterschieden. Dabei ist Verformung ungezielt (Unfall) und Umformung mit einem Ziel (z.B. Kaltschmieden einer Fahrradkurbel). Doch was passiert dabei im Werkstoff? Durch die Umformung beginnen die Versetzungen zu wandern und es werden gleichzeitig neue gebildet. Da jede Versetzung ein Spannungsfeld um sich herum hat kommen sich nun diese Spannungsfelder in die Quere und es wird immer mehr Energie benötigt um diese Versetzungen wandern zu lassen. Der Werkstoff wird Kaltverfestigt. Bringt man den Werkstoff nun auf Rekristallisationstemperatur werden diese Versetzungen durch | Verformt man Aluminium unterhalb der Rekristallisationstemperatur, spricht man von Kaltverformung. Es wird zwischen Verformen und Umformen unterschieden. Dabei ist Verformung ungezielt (Unfall) und Umformung mit einem Ziel (z.B. Kaltschmieden einer Fahrradkurbel). Doch was passiert dabei im Werkstoff? Durch die Umformung beginnen die Versetzungen zu wandern und es werden gleichzeitig neue gebildet. Da jede Versetzung ein Spannungsfeld um sich herum hat, kommen sich nun diese Spannungsfelder in die Quere und es wird immer mehr Energie benötigt um diese Versetzungen wandern zu lassen. Der Werkstoff wird Kaltverfestigt. Bringt man den Werkstoff nun auf Rekristallisationstemperatur, werden diese Versetzungen durch Rekistallisation ausheilen und die Härte nimmt wieder ab. Brechen wir jedoch die Rekristallisation rechtzeitig wieder ab, haben wir viele neue und kleine Körner. Dies entspricht den Wärmebehandlungen H und Hxx. | ||
=== Feinkkornhärtung === | === Feinkkornhärtung === | ||
Da die Versetzungen nicht über Korngrenzen hinweg gehen können erhöht auch ein | Da die Versetzungen nicht über Korngrenzen hinweg gehen können, erhöht auch ein Verkleinern der Körner die Festigkeit (Hall-Petsch-Beziehung). Da Aluminium zur Grobkornbildung neigt, kann man dies durch Schmieden und Rekristallisieren erreichen. | ||
=== Mischkristallverfestigung === | === Mischkristallverfestigung === | ||
Bei der Mischkristallverfestigung nutzt man die Änderung der mechanischen Eigenschaften von Festkörpern durch | Bei der Mischkristallverfestigung nutzt man die Änderung der mechanischen Eigenschaften von Festkörpern durch Einlagerung von Substitutions- oder Zwischengitteratomen. Die Steigerung der Festigkeit ist eine Folge der Spannungsfelder, die durch die Fehlpassungen der Fremdatome entstehen und ein Wandern der Versetzungen erschweren. Vorraussetzung ist dabei die Löslichkeit der Fremdatome im Gitter. Die Festigkeit nimmt mir der Zahl der Gelösten Atome zu. Auch eine steigende Differenz der Atomradien lässt die Festigkeit ansteigen, allerdings sinkt die Löslichkeit. Probiert man zu viele Atome in den Mischkristall einzubringen, wird sich eine zweite Phase ausscheiden. Ein Mischkristall ist immer einphasig.Dies trifft auf alle nicht wärmebehandelbaren Aluminiumlegierungen zu. | ||
=== Ausscheidungshärtung === | === Ausscheidungshärtung === | ||
Voraussetzung für die Ausscheidungshärtung von Aluminium-Legierungen ist das Vorhandensein von Mischkristallen, die bei absinkender Temperatur eine abnehmende Löslichkeit besitzen. Dabei werden zunächst | Voraussetzung für die Ausscheidungshärtung von Aluminium-Legierungen ist das Vorhandensein von Mischkristallen, die bei absinkender Temperatur eine abnehmende Löslichkeit besitzen. Dabei werden zunächst sämtliche Atome bei hohen Temperaturen in Lösung gebracht. Der Werkstoff wird abgeschreckt und dieser Lösungszustand eingefroren. Jetzt befindet sich der Werkstoff aber in einem instabilen Zustand. Wartet man nun ab (Kaltaushärten) oder erwärmt ihn nochmal (Warmaushärten) werden sich aus dem übersättigten Mischkristall weitere Phasen ausscheiden. Treffen nun Versetzungen beim Wandern auf diese Ausscheidungen, müssen sie diese entweder schneiden oder um sie herum wandern, was zusätzliche Energie benötigt. Die Folge ist ein festerer Werkstoff, der den Wärmebehandlungen Txx entspricht. | ||
'''Kaltauslagern''' | '''Kaltauslagern''' | ||
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Danach wird das Werkstück in Wasser abgeschreckt. Dadurch wird die Ausscheidung des Kupfers unterdrückt. Das gesamte Kupfer befindet sich jetzt in einer übersättigten Lösung. In diesem Zustand kann die Zugfestigkeit schon bis 40% über dem weichgeglühten Zustand liegen. Dabei ist der Werkstoff aber noch gut verformbar. | Danach wird das Werkstück in Wasser abgeschreckt. Dadurch wird die Ausscheidung des Kupfers unterdrückt. Das gesamte Kupfer befindet sich jetzt in einer übersättigten Lösung. In diesem Zustand kann die Zugfestigkeit schon bis 40% über dem weichgeglühten Zustand liegen. Dabei ist der Werkstoff aber noch gut verformbar. | ||
Auf das Abschrecken folgt das Kaltauslagern (bei etwa 20°C). Das Aluminiumgitter beginnt, das in Lösung gehaltene Kupfer in Form von Kupferreichen Mischkristallen auszuscheiden. | Auf das Abschrecken folgt das Kaltauslagern (bei etwa 20°C). Das Aluminiumgitter beginnt, das in Lösung gehaltene Kupfer in Form von Kupferreichen Mischkristallen auszuscheiden. | ||
Dieser Vorgang ist normalerweise nach etwa 5-8 Tagen abgeschlossen. Durch eine Temperaturerhöhung auf ~ 35°C lässt sich der Vorgang beschleunigen, eine | Dieser Vorgang ist normalerweise nach etwa 5-8 Tagen abgeschlossen. Durch eine Temperaturerhöhung auf ~ 35°C lässt sich der Vorgang beschleunigen, eine Abkühlung verzögert ihn. | ||
'''Warmauslagern''' | '''Warmauslagern''' | ||
Beim | Beim Warmauslagern (Bevorzugt bei Al-Mg-Si-Legierungen) geht man folgendermaßen vor: Lösungsglühen und Abschrecken wie bei Al-Cu-Mg-Legierungen. | ||
Anschließend wird für eine Zeit von 4 – 48 Std. bei Temperaturen zwischen 120-175°C ausgelagert. Auch hier stellen sich jetzt Ausscheidungsvorgänge ein. Die Festigkeitswerte fallen nach Erreicherung eines Maximums jedoch wieder ab. Deshalb gewinnt hier die Einhaltung der richtigen Zeit- und Temperaturwerte stark an Bedeutung, um die erwünschte Festigkeit zu erhalten. Die Ausscheidungshärtung steht grundsätzlich am Ende der Fertigung oder | Anschließend wird für eine Zeit von 4 – 48 Std. bei Temperaturen zwischen 120-175°C ausgelagert. Auch hier stellen sich jetzt Ausscheidungsvorgänge ein. Die Festigkeitswerte fallen nach Erreicherung eines Maximums jedoch wieder ab. Deshalb gewinnt hier die Einhaltung der richtigen Zeit- und Temperaturwerte stark an Bedeutung, um die erwünschte Festigkeit zu erhalten. Die Ausscheidungshärtung steht grundsätzlich am Ende der Fertigung oder muss hier wiederhohlt werden. | ||
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Als Fügen (siehe DIN 8580) bezeichnet man das Verbinden von mindestens zwei Bauteilen. Durch das Fügen wird der Zusammenhalt zwischen den zuvor getrennten Werkstücken lokal - d.h. an den Fügestellen - geschaffen und eine Formänderung des neu entstandenen Teils herbeigeführt. Über die Wirkflächen der Verbindung werden die auftretenden Betriebskräfte übertragen. Mögliche Fügeverfahren für Aluminium: | Als Fügen (siehe DIN 8580) bezeichnet man das Verbinden von mindestens zwei Bauteilen. Durch das Fügen wird der Zusammenhalt zwischen den zuvor getrennten Werkstücken lokal - d.h. an den Fügestellen - geschaffen und eine Formänderung des neu entstandenen Teils herbeigeführt. Über die Wirkflächen der Verbindung werden die auftretenden Betriebskräfte übertragen. Mögliche Fügeverfahren für Aluminium: | ||
# '''Schweißen''' umfasst WIG-Schweißen, MIG-Schweißen, Laserstrahlschweißen, Plasmaschweißen, Plasma-MIG-Schweißen, Bolzenschweißen, Buckelschweißen, Widerstandspunktschweißen und Reibrührschweißen. | # '''Schweißen''' umfasst [[WIG-Schweißen]], MIG-Schweißen, Laserstrahlschweißen, Plasmaschweißen, Plasma-MIG-Schweißen, Bolzenschweißen, Buckelschweißen, Widerstandspunktschweißen und Reibrührschweißen. | ||
# '''Löten / Hartlöten''' ist ein thermisches Verfahren zum sicheren Verbinden oder Beschichten metallischer Werkstoffe mit Hilfe einer geschmolzenen (Hart)lotlegierung / eines Zusatzwerkstoffs (Schmelz(hart)löten) oder Diffusion im Grenzbereich (Diffusionshartlöten). | # '''Löten / Hartlöten''' ist ein thermisches Verfahren zum sicheren Verbinden oder Beschichten metallischer Werkstoffe mit Hilfe einer geschmolzenen (Hart)lotlegierung / eines Zusatzwerkstoffs (Schmelz(hart)löten) oder Diffusion im Grenzbereich (Diffusionshartlöten). | ||
#'''Mechanische Fügetechniken''' basieren auf zwei Prinzipien: Formschlüssiges oder reibschlüssiges Verbinden. Die meisten mechanischen Fügetechniken sind punktförmig. sie könne aber auch flächig sein (z.B.das Schrumpfen einer Nabe auf einer Welle). | #'''Mechanische Fügetechniken''' basieren auf zwei Prinzipien: Formschlüssiges oder reibschlüssiges Verbinden. Die meisten mechanischen Fügetechniken sind punktförmig. sie könne aber auch flächig sein (z.B.das Schrumpfen einer Nabe auf einer Welle). | ||
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=== Kleben === | === Kleben === | ||
Aluminiumrahmen | Aluminiumrahmen wurden in ihren Anfängen geklebt, da man sie noch nicht ohne erhebliche Festigkeitsverluste schweißen oder löten konnte. Die Vorteile einer Klebeverbindung sind: | ||
#Keine Gefüge- oder Formänderung infolge einer Wärmeeinwirkung (kaltes Verbindungsverfahren) | #Keine Gefüge- oder Formänderung infolge einer Wärmeeinwirkung (kaltes Verbindungsverfahren) | ||
#Kleben ermöglicht das Zusammenfügen unterschiedlicher Werkstofftypen (z. B. Metall mit Kunststoff). | #Kleben ermöglicht das Zusammenfügen unterschiedlicher Werkstofftypen (z. B. Metall mit Kunststoff). | ||
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#Geringe Wärmebelastbarkeit (z.B. beim Pulverbeschiehten) | #Geringe Wärmebelastbarkeit (z.B. beim Pulverbeschiehten) | ||
#Für hohe Kraftübertragung ist eine große Überlappung der zu fügenden Teile notwendig (Schwerer als Schweißverbindung) | #Für hohe Kraftübertragung ist eine große Überlappung der zu fügenden Teile notwendig (Schwerer als Schweißverbindung) | ||
# | #Klebstoffe altern | ||
Heute wird auf das Kleben der Aluminiumteile weitestgehend verzichtet eine Ausnahme sind Verbindungen von Kunststoffen mit Aluminium (z.B. bei Gabeln oder Aluminiumrahmen mit Kohlefaserhinterbauten) | Heute wird auf das Kleben der Aluminiumteile weitestgehend, verzichtet eine Ausnahme sind Verbindungen von Kunststoffen mit Aluminium (z.B. bei Gabeln oder Aluminiumrahmen mit Kohlefaserhinterbauten) | ||
=== Mechanisches Fügen === | === Mechanisches Fügen === | ||
Mechanisches Fügen im Fahrradbereich | Mechanisches Fügen im Fahrradbereich entsteht meist mittels Niet- oder Schraubverbindungen. | ||
=== Löten === | === Löten === | ||
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#Geeignet zum Verbinden von dünnwandigen Teilen | #Geeignet zum Verbinden von dünnwandigen Teilen | ||
#Geeignet für kompakte Bauteile mit vielen Verbindungsstellen pro Flächeneinheit | #Geeignet für kompakte Bauteile mit vielen Verbindungsstellen pro Flächeneinheit | ||
#Geeignet für großflächige | #Geeignet für großflächige Verbindungen | ||
#Geeignet zum Verbinden mit geringer Verformung und ohne örtliche Überhitzung; die Integrität des Grundwerkstoffs wird erhalten | #Geeignet zum Verbinden mit geringer Verformung und ohne örtliche Überhitzung; die Integrität des Grundwerkstoffs wird erhalten | ||
#Geeignet für Konstruktionen und Werkstoffe, bei denen der Schmelzpunkt des Grundwerkstoffs nicht erreicht werden darf | #Geeignet für Konstruktionen und Werkstoffe, bei denen der Schmelzpunkt des Grundwerkstoffs nicht erreicht werden darf | ||
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#Kontrollierter Zusammenbau schwierig (Aufheizung, Lötspalt, Ausdehnung, Verzug) | #Kontrollierter Zusammenbau schwierig (Aufheizung, Lötspalt, Ausdehnung, Verzug) | ||
#Flussmittelrückstände müssen nach dem Hartlöten entfernt werden | #Flussmittelrückstände müssen nach dem Hartlöten entfernt werden | ||
#Bei zu großer Wärmeeinbringung erfolgt Beeinträchtigung | #Bei zu großer Wärmeeinbringung erfolgt Beeinträchtigung des Grundwerkstoffes | ||
Lange Zeit war die Benetzung | Lange Zeit war die Benetzung der Aluminiumwerkstoffe aufgrund der passivierenden Oxydschicht ein großes Problem, erst die Entwicklung passender Flussmittel machten ein Löten von Aluminium möglich. Doch da gleichzeitig die Schweißtechnik große Fortschritte machte, erlange Löten bei Aluminiumrahmen nie die Bedeutung, die es bei den Stahlrahmen hatte. Heute wird Löten bei Aluminiumrahmen höchstens bei der Reparatur von Aluminiumrahmen (z.B. Füllen von Dellen) eingesetzt. | ||
'''Lot-Eignung von Al-Legierungen''' | '''Lot-Eignung von Al-Legierungen''' | ||
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Der Schweißstrom fließt durch eine im Schweißbrenner eingespannte Wolframelektrode. Ein Lichtbogen wird zwischen der Wolframelektrode und dem Werkstück erzeugt; der Grundwerkstoff verschmilzt und dadurch wird der Zusatzwerkstoff geschmolzen. Ein inertes Schutzgas strömt aus dem Schweißbrenner heraus und schirmt die glühende Wolframelektrode und das Schweißbad von der Umgebungsluft ab. DC WIG-Schweißen von Aluminium mit Argon-Schutzgas ist unmöglich, weil der Schmelzpunkt der Oxidschicht zu hoch ist, so daß die Energie des Lichtbogens nicht ausreicht, um die Oxidschicht aufzubrechen.Dadurch kann das Grundmaterial zwar aufschmelzen, aber nicht beide | Der Schweißstrom fließt durch eine im Schweißbrenner eingespannte Wolframelektrode. Ein Lichtbogen wird zwischen der Wolframelektrode und dem Werkstück erzeugt; der Grundwerkstoff verschmilzt und dadurch wird der Zusatzwerkstoff geschmolzen. Ein inertes Schutzgas strömt aus dem Schweißbrenner heraus und schirmt die glühende Wolframelektrode und das Schweißbad von der Umgebungsluft ab. DC WIG-Schweißen von Aluminium mit Argon-Schutzgas ist unmöglich, weil der Schmelzpunkt der Oxidschicht zu hoch ist, so daß die Energie des Lichtbogens nicht ausreicht, um die Oxidschicht aufzubrechen.Dadurch kann das Grundmaterial zwar aufschmelzen, aber nicht beide | ||
Seiten verschmelzen, da die Oxidschicht in der Wurzel dies verhindert. Beim AC WIG-Schweißen wird durch den | Seiten verschmelzen, da die Oxidschicht in der Wurzel dies verhindert. Beim AC WIG-Schweißen wird durch den Wechselstrom die Oxydschicht durchbrochen und beide Seiten verschmelzen. Bei der negativen Halbwelle treffen die emittierten Elektronen auf das positiv gepolte Werkstück und generieren eine große Menge Wärme am Kontaktpunkt. Während der positiven Halbwelle findet eine Reinigungswirkung statt und die Wolframelektrode wird schnell erhitzt, wohingegen sie während der negativen Halbwelle abkühlen kann. Infolgedessen werden die Vorteile beider Gleichstrompolaritäten vereint. Da der Lichtbogen bei jeder Durchquerung des Stromnullpunktes ausgeht, wurde er traditionell mit einer Hochfrequenz (150 kHz bei 1500 bis 2000 Ampere) überlagert, um die Wiederzündung des Lichtbogens zu erleichtern (HF-Zündung). | ||
Vorteile: | Vorteile: | ||
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#Niedrigere Produktivität als beim MIG- bzw. MAG-Schweißen | #Niedrigere Produktivität als beim MIG- bzw. MAG-Schweißen | ||
#Empfindlichkeit für Verunreinigungen (Rost, Öl, Feuchtigkeit, Farbe usw.) | #Empfindlichkeit für Verunreinigungen ([[Rost]], [[Öl]], Feuchtigkeit, Farbe usw.) | ||
#Schweißtechnik ist anspruchsvoller als bei MMA oder MIG bzw. MAG | #Schweißtechnik ist anspruchsvoller als bei MMA oder MIG bzw. MAG | ||
#Komponenten des WIG-Brenners unterscheiden sich je nach Bedarf | #Komponenten des WIG-Brenners unterscheiden sich je nach Bedarf | ||
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WIG-Schweißen ist das am meisten verwendete Fügeverfahren bei Aluminiumrahmen. Auch bei Hochwertigen Stahlrahmen, die nicht gelötet werden, kommt es zum Einsatz. | WIG-Schweißen ist das am meisten verwendete Fügeverfahren bei Aluminiumrahmen. Auch bei Hochwertigen Stahlrahmen, die nicht gelötet werden, kommt es zum Einsatz. | ||
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Aktuelle Version vom 14. November 2019, 20:35 Uhr
Allgemeines
Aluminium ist eines der häufigsten Elemente der Erdkruste. Es ist ein silbrig glänzendes Metall mit guten Reflexionseigenschaften. Es bildet in Verbindung mit Sauerstoff eine passivierende Oxidschicht, was es korrosionsbeständig macht. Diese Oxidschicht erschwert allerdings das Löten und Schweißen von Aluminium. Mit einer Dichte von 2,7 g/cm³ gehört es zu den Leichtmetallen. Der Schmelzpunkt liegt bei 660°C und die Wärmeleitfähigkeit liegt bei 237 W/mK. Es hat einen E-Modul von 70 GPa und eine Querkontraktionszahl von 0,33. Die Streckgrenze von Reinaluminium liegt bei 40 MPa. Aluminium liegt in einem kubisch flächenzentrierten (kfz) Kristallgitter vor. Hauptrohstoff für die Aluminiumgewinnung ist Bauxit, das nach der Reinigung (Bayer-Verfahren) in einer Kryolithschmelze aufgelöst und elektrolysiert wird (Schmelzflusselektrolyse, hier Hall-Héroult-Prozess).
Legierungen
Da Reinaluminium keine guten Festigkeitswerte hat, wurden mit der Zeit verschiedene Legierungen entwickelt, um die Festigkeit zu steigern. Dabei unterscheidet man zwischen Guss- und Knetlegierungen. Zu den Knetwerkstoffen zählen außer Reinaluminium im Wesentlichen die naturharten Legierungen vom Typ AlMn, AlMg und AlMgMn sowie die aushärtbaren Legierungen AlCuMg, AlCuSiMn, AlMgSi, AlZnMg und AlZnMgCu. Diese Legierungen sind in der Regel als Halbzeuge oder Strangpressprofile erhältlich, aus denen sich dann durch Schweißen, Schmieden oder zerspanende Bearbeitung letztlich die Endprodukte erzeugt werden.
Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal sind die Hauptlegierungselemente. Guss- und Knetlegierungen lassen sich anhand der Ziffern unterscheiden. Gusslegierungen haben drei Ziffern, Knetlegierungen vier Ziffern
Gusslegierungen (nach DIN EN 1780-1):
- 1xx: Reinaluminiumqualitäten
- 2xx: Kupfer
- 3xx: Silizium-Kupfer/Magnesium
- 4xx: Silizium
- 5xx: Magnesium
- 7xx: Magnesium-Zink
- 8xx: Zinn
Knetlegierungen (nach DIN EN DIN EN 573-3 und DIN EN 573-4):
- 1xxx - nicht wärmebehandelbar - Festigkeiten von 70 bis 190 N/mm² auch Reinaluminium genannt. Schweißbar. Sehr korrosionsbeständig, Verwendung für chemische Tanks und Rohre. Hohe elektrische Leitfähigkeit.
- 2xxx - kann wärmebehandelt werden - Festigkeiten von 190 bis 430 N/mm² - Kupferlegiert (0,7 bis 6,8%) - Verwendung in Flugzeugbau und Raumfahrt - hohe Festigkeit - großer Temperaturbereich. Manche Legierungen gelten aufgrund der Rissneigung beim Schweißen als nicht schweißbar - Schweißzusatz meistens 2xxx manchmal auch 4xxx.
- 3xxx - nicht wärmebehandelbar - Festigkeiten von 110 bis 280 N/mm² - Aluminium Manganlegierungen mit mittlerer Festigkeit, guter Korrosionsbeständigkeit - gute Formbarkeit - geeignet auch für höhere Temperaturen - Einsatzgebiet von Kochtöpfen über Kühler in Fahrzeugen bis zum Kraftwerksbau. Schweißzusatz 1xxx, 4xxx und 5xxx.
- 4xxx - Wärmebehandelbare und nicht wärmebehandelbare Legierungen - Festigkeiten von 170 bis 380 N/mm² - Aluminium Silizium Legierungen (Si 0,6 bis 21,5%) - einzige Serie, die Wärmebehandelbare und nicht wärmebehandelbare Legierungen enthält - Silizium reduziert den Schmelzpunkt und macht die Schmelze dünnflüssiger - ideal für Schweiß- und Lötzusätze.
- 5xxx - nicht wärmebehandelbar - Festigkeiten von 120 bis 350 N/mm² - Aluminium-Magnesium (Mg 0,2 bis 6,2%) - Höchste Festigkeiten der nicht wärmebehandelbaren Aluminiumsorten - schweißbar - Verwendung im Schiffsbau, Transport, Druckkessel, Brücken und Gebäuden. Schweißzusatz muß nach Magnesiumgehalt bestimmt werden. Aluminium aus dieser Serie mit mehr als 3,0% Mg ist für Temperaturen über 65° nicht geeignet (Spannungsrisskorrosion) - Materialien mit weniger als ca. 2,5% Mg können oft erfolgreich mit 5xxx oder 4xxx Schweißzusätzen geschweißt werden. 5032 wird meist als das Material mit dem höchsten Mg-Gehalt genannt, das gerade noch mit 4xxx schweißbar ist.
- 6xxx - wärmebehandelbar - Festigkeiten von 120 bis 400 N/mm² - Aluminium/Magnesium-Silizium-Legierungen (Si und Mg um die 1%); sehr beliebt bei Schweißkonstruktionen - Verwendung vorwiegend als Extrusionen, kann gut wärmebehandelt werden, soll nicht ohne Schweißzusatz geschweißt werden (Warmrisse) - Schweißzusätze 4xxx und 5xxx.
- 7xxx - wärmebehandelbar - Festigkeiten von 220 bis 600 N/mm² - Aluminium-Zink (Zn 0,8 bis 12,0%). Verwendung in Flugzeugbau, Raumfahrt, Sportgeräten. Manche Legierungen sind nicht mit Lichtbogen schweißbar. Die meistgenutzten Legierungen, 7005 und 7020, sind gut mit 5xxx Schweißzusätzen schweißbar.
- 8xxx - andere Elemente - z.B. Aluminium-Lithium-Legierungen
Einige Beispiele von Aluminiumlegierungen, die im Fahrradbau eingesetzt werden:
| Bezeichnung nach DIN | Bezeichnung nach DIN-EN | Verwendung |
|---|---|---|
| AlCuSiMn | EN AW-2014 | Schmiede- und Extrusionsbauteile wie zB. Kurbeln, Lenker, hochfest, nicht schweißbar |
| AlMg4,5Mn | EN AW-5083 | Rahmen, keine Wärmebehandlung möglich,da kaltverfestigend (Mischkristallhärtung), schweißbar |
| AlMg1SiCu | EN AW-6061 | Rahmen - benötigt Wärmebehandlung mit Lösungsglühen (T6), sehr gut schweißbar |
| AlZn4,5Mg1,5Mn | EN AW-7005 | Rahmen - benötigt drei Monate Auslagerung bei RT oder Wärmebehandlung (kalthärtend), sehr gute Schweißbarkeit |
| AlZn4,5Mg1 | EN AW-7020 | Rahmen - benötigt drei Monate Auslagerung bei RT oder Wärmebehandlung (kalthärtend), sehr gute Schweißbarkeit |
| AlZn5,5MgCu | EN AW-7075 | Frästeile, hochfest, nicht schweißbar |
Festigkeit
Wichtig ist eine Unterscheidung zwischen Festigkeit (Streckgrenze) und Steifigkeit (E-Modul). Nehmen wir an, wir hätten zwei Rahmen mit exakt gleicher Geometrie, Rohrdurchmesser und Wandstärke, wie würden sich diese Rahmen mit den Werkstoffen Reinaluminium, 6xxx Aluminiumlegierung, 7xxx Aluminiumlegierung, und Baustahl „verhalten“ und „anfühlen“
| Werkstoff | Dichte [g/cm³] | E-Modul [Gpa] | Streckgrenze [MPa] | Rahmengewicht | Fahrgefühl | Einbringen bleibender Verformungen |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Reinalu | 2,7 | 70 | 40 | Leicht | Weich | Leicht |
| 6xxx | 2,6 | 70 | 120-400 | Leicht | Weich | Mittel |
| 7xxx | 2,7 | 70 | 220-600 | Leicht | Weich | Schwer |
| Baustahl | 7,8 | 206 | 185-355 | Schwer | Härter | Mittel |
Was beim Betrachten der Tabelle auffällt ist die Tatsache das man mittels Zulegieren verschiedener Elemente zwar die Festigkeit erhöhen kann, aber nicht die Steifigkeit. Doch warum fühlen sich dann Aluminiumrahmen „steifer“ an? Ok in unserer Annahme oben haben wir gleiche Wandstärke vorausgesetzt. Also verdreifachen wir die Menge des verwendeten Aluminiums, was passiert? Unser Gewicht verdreifacht sich (die beiden Rahmen sind gleich schwer). Der tragende Querschnitt verdreifacht sich, unsere Konstruktion wird gleich Steif. In unserer Frage, warum sind Aluminiumrahmen steifer, sind wir immer noch nicht weiter.
Hier ein kurzes Zitat von Hunderten von Konstruktionslehrern „Die Steifigkeit kommt über die Konstruktion!“. Vergleichen wir einen aktuellen Aluminiumrahmen mit einem klassischen Stahlrahmen, fällt uns eines auf... der Aluminiumrahmen hat dickere Rohre und das macht die Rahmen steifer. Der Grund ist die Biegesteifigkeit, die sich aus E-Modul multipliziert mit dem Flächenträgheitsmoment ergibt; und das Flächenträgheitsmoment für Rohre sieht wir folgt aus:
.
Doch warum jetzt die Festigkeit eines Werkstoffes erhöhen? Mit höherer Festigkeit kann man verhindern, dass ein Rahmen sich unter Belastung verbiegt, verzieht oder einbeult. Auch wird bei einem Chainsuck nicht so viel Material abgetragen und der Rahmen nicht so stark beschädigt. Doch welche Verfestigungsmechanismen werden bei Aluminiumlegierungen denn nun verwendet?
Dazu kurz einige Grundlagen. Sellen wir uns unser Aluminium als perfekten Einkristall vor, müssten für eine Verformung ganze Atomebenen aneinander abgleiten, was Unmengen an Energie benötigen würde. Doch unser Aluminium (immer noch ein Einkristall) ist voller Fehler. Es ist also viel einfacher diese Fehler (Versetzungen genannt) zu bewegen. Dieses Modell wird Versetzungstheorie genannt. Nun besteht unser Aluminium aus vielen Kristallen, die durch Korngrenzen getrennt sind, also können diese Kristallfehler (Versetzungen) nicht beliebig weit wandern.
Alle Mechanismen, die einen Werkstoff verfestigen, versuchen die Bewegung der Versetzungen zu behindern.
Kaltverfestigung
Verformt man Aluminium unterhalb der Rekristallisationstemperatur, spricht man von Kaltverformung. Es wird zwischen Verformen und Umformen unterschieden. Dabei ist Verformung ungezielt (Unfall) und Umformung mit einem Ziel (z.B. Kaltschmieden einer Fahrradkurbel). Doch was passiert dabei im Werkstoff? Durch die Umformung beginnen die Versetzungen zu wandern und es werden gleichzeitig neue gebildet. Da jede Versetzung ein Spannungsfeld um sich herum hat, kommen sich nun diese Spannungsfelder in die Quere und es wird immer mehr Energie benötigt um diese Versetzungen wandern zu lassen. Der Werkstoff wird Kaltverfestigt. Bringt man den Werkstoff nun auf Rekristallisationstemperatur, werden diese Versetzungen durch Rekistallisation ausheilen und die Härte nimmt wieder ab. Brechen wir jedoch die Rekristallisation rechtzeitig wieder ab, haben wir viele neue und kleine Körner. Dies entspricht den Wärmebehandlungen H und Hxx.
Feinkkornhärtung
Da die Versetzungen nicht über Korngrenzen hinweg gehen können, erhöht auch ein Verkleinern der Körner die Festigkeit (Hall-Petsch-Beziehung). Da Aluminium zur Grobkornbildung neigt, kann man dies durch Schmieden und Rekristallisieren erreichen.
Mischkristallverfestigung
Bei der Mischkristallverfestigung nutzt man die Änderung der mechanischen Eigenschaften von Festkörpern durch Einlagerung von Substitutions- oder Zwischengitteratomen. Die Steigerung der Festigkeit ist eine Folge der Spannungsfelder, die durch die Fehlpassungen der Fremdatome entstehen und ein Wandern der Versetzungen erschweren. Vorraussetzung ist dabei die Löslichkeit der Fremdatome im Gitter. Die Festigkeit nimmt mir der Zahl der Gelösten Atome zu. Auch eine steigende Differenz der Atomradien lässt die Festigkeit ansteigen, allerdings sinkt die Löslichkeit. Probiert man zu viele Atome in den Mischkristall einzubringen, wird sich eine zweite Phase ausscheiden. Ein Mischkristall ist immer einphasig.Dies trifft auf alle nicht wärmebehandelbaren Aluminiumlegierungen zu.
Ausscheidungshärtung
Voraussetzung für die Ausscheidungshärtung von Aluminium-Legierungen ist das Vorhandensein von Mischkristallen, die bei absinkender Temperatur eine abnehmende Löslichkeit besitzen. Dabei werden zunächst sämtliche Atome bei hohen Temperaturen in Lösung gebracht. Der Werkstoff wird abgeschreckt und dieser Lösungszustand eingefroren. Jetzt befindet sich der Werkstoff aber in einem instabilen Zustand. Wartet man nun ab (Kaltaushärten) oder erwärmt ihn nochmal (Warmaushärten) werden sich aus dem übersättigten Mischkristall weitere Phasen ausscheiden. Treffen nun Versetzungen beim Wandern auf diese Ausscheidungen, müssen sie diese entweder schneiden oder um sie herum wandern, was zusätzliche Energie benötigt. Die Folge ist ein festerer Werkstoff, der den Wärmebehandlungen Txx entspricht.
Kaltauslagern
Die wichtigsten kaltauslagernden Legierungen gehören zum Typ Al-Cu-Mg. Beim Kaltauslagern geht man folgendermaßen vor: Beim Lösungsglühen (Homogenisieren) bei etwa 500°C wird das Kupfer im Aluminium in Lösung gebracht. Danach wird das Werkstück in Wasser abgeschreckt. Dadurch wird die Ausscheidung des Kupfers unterdrückt. Das gesamte Kupfer befindet sich jetzt in einer übersättigten Lösung. In diesem Zustand kann die Zugfestigkeit schon bis 40% über dem weichgeglühten Zustand liegen. Dabei ist der Werkstoff aber noch gut verformbar. Auf das Abschrecken folgt das Kaltauslagern (bei etwa 20°C). Das Aluminiumgitter beginnt, das in Lösung gehaltene Kupfer in Form von Kupferreichen Mischkristallen auszuscheiden. Dieser Vorgang ist normalerweise nach etwa 5-8 Tagen abgeschlossen. Durch eine Temperaturerhöhung auf ~ 35°C lässt sich der Vorgang beschleunigen, eine Abkühlung verzögert ihn.
Warmauslagern
Beim Warmauslagern (Bevorzugt bei Al-Mg-Si-Legierungen) geht man folgendermaßen vor: Lösungsglühen und Abschrecken wie bei Al-Cu-Mg-Legierungen. Anschließend wird für eine Zeit von 4 – 48 Std. bei Temperaturen zwischen 120-175°C ausgelagert. Auch hier stellen sich jetzt Ausscheidungsvorgänge ein. Die Festigkeitswerte fallen nach Erreicherung eines Maximums jedoch wieder ab. Deshalb gewinnt hier die Einhaltung der richtigen Zeit- und Temperaturwerte stark an Bedeutung, um die erwünschte Festigkeit zu erhalten. Die Ausscheidungshärtung steht grundsätzlich am Ende der Fertigung oder muss hier wiederhohlt werden.
Wärmebehandlung
Schlüssel für die Wärmebehandlung (nach DIN EN 515)
| Zustand | Bedeutung |
|---|---|
| F | Herstellungszustand (keine Grenzwerte für mech. Eigenschaften festgelegt) |
| O | Weichgeglüht (geringste Festigkeit und größte Verformbarkeit) |
| H | Kaltverfestigt |
| W | Lösungsgeglüht (instabiler Zustand) |
| H12 | Kaltverfestigt - 1/4 hart |
| H14 | Kaltverfestigt - 1/2 hart |
| H16 | Kaltverfestigt - 3/4 hart |
| H18 | Kaltverfestigt - 4/4 hart |
| H19 | Kaltverfestigt – extrahart |
| H22 | Kaltverfestigt und rückgeglüht - 1/4 hart |
| H24 | Kaltverfestigt und rückgeglüht - 1/2 hart |
| H26 | Kaltverfestigt und rückgeglüht - 3/4 hart |
| H28 | Kaltverfestigt und rückgeglüht - 4/4 hart |
| H32 | Kaltverfestigt und stabilisiert - 1/4 hart |
| H34 | Kaltverfestigt und stabilisiert - 1/2 hart |
| H36 | Kaltverfestigt und stabilisiert - 3/4 hart |
| H38 | Kaltverfestigt und stabilisiert - 4/4 hart |
| T1 | Abgeschreckt aus der Warmumformungstemperatur und kaltausgelagert |
| T2 | Abgeschreckt aus der Warmumformungstemperatur, kaltumgeformt und kaltausgelagert |
| T3 | Lösungsgeglüht, kaltumgeformt und kaltausgelagert |
| T4 | Lösungsgeglügt und kaltausgelagert |
| T5 | Abgeschreckt aus der Warmumformungstemperatur und warmausgelagert |
| T6 | Lösungsgeglüht und warmausgelagert |
| T7 | Lösungsgeglüht und überhärtet (warmausgelagert) |
| T8 | Lösungsgeglüht, kaltumgeformt und warmausgelagert |
| T9 | Lösungsgeglüht, warmausgelagert und kaltumgeformt |
Fügen
Als Fügen (siehe DIN 8580) bezeichnet man das Verbinden von mindestens zwei Bauteilen. Durch das Fügen wird der Zusammenhalt zwischen den zuvor getrennten Werkstücken lokal - d.h. an den Fügestellen - geschaffen und eine Formänderung des neu entstandenen Teils herbeigeführt. Über die Wirkflächen der Verbindung werden die auftretenden Betriebskräfte übertragen. Mögliche Fügeverfahren für Aluminium:
- Schweißen umfasst WIG-Schweißen, MIG-Schweißen, Laserstrahlschweißen, Plasmaschweißen, Plasma-MIG-Schweißen, Bolzenschweißen, Buckelschweißen, Widerstandspunktschweißen und Reibrührschweißen.
- Löten / Hartlöten ist ein thermisches Verfahren zum sicheren Verbinden oder Beschichten metallischer Werkstoffe mit Hilfe einer geschmolzenen (Hart)lotlegierung / eines Zusatzwerkstoffs (Schmelz(hart)löten) oder Diffusion im Grenzbereich (Diffusionshartlöten).
- Mechanische Fügetechniken basieren auf zwei Prinzipien: Formschlüssiges oder reibschlüssiges Verbinden. Die meisten mechanischen Fügetechniken sind punktförmig. sie könne aber auch flächig sein (z.B.das Schrumpfen einer Nabe auf einer Welle).
- Kleben basiert auf einer Stoffvereinigung, die mit Hilfe einer dritten „klebenden“ Komponente erzeugt wird. Die Qualität hängt vom Haftvermögen des Klebstoffs, von der Oberfläche des Werkstücks sowie von der Trennfestigkeit dieses Klebstoffs ab. Diese beiden wichtigen Kennwerte der Klebeschicht sind von ihrem Haftvermögen im atomaren Bereich abhängig.
Im weiteren werden die in der Fahrradfertigung verwendeten und für Aluminum geeigneten Fügetechniken genauer betrachtet.
Kleben
Aluminiumrahmen wurden in ihren Anfängen geklebt, da man sie noch nicht ohne erhebliche Festigkeitsverluste schweißen oder löten konnte. Die Vorteile einer Klebeverbindung sind:
- Keine Gefüge- oder Formänderung infolge einer Wärmeeinwirkung (kaltes Verbindungsverfahren)
- Kleben ermöglicht das Zusammenfügen unterschiedlicher Werkstofftypen (z. B. Metall mit Kunststoff).
- Hohe Ausnutzung der Werkstoffeigenschaften wegen der oberflächenabhängigen Kraftübertragung
Nachteile:
- Geringe Wärmebelastbarkeit (z.B. beim Pulverbeschiehten)
- Für hohe Kraftübertragung ist eine große Überlappung der zu fügenden Teile notwendig (Schwerer als Schweißverbindung)
- Klebstoffe altern
Heute wird auf das Kleben der Aluminiumteile weitestgehend, verzichtet eine Ausnahme sind Verbindungen von Kunststoffen mit Aluminium (z.B. bei Gabeln oder Aluminiumrahmen mit Kohlefaserhinterbauten)
Mechanisches Fügen
Mechanisches Fügen im Fahrradbereich entsteht meist mittels Niet- oder Schraubverbindungen.
Löten
(Hart)löten ist ein thermisches Verfahren zum sicheren Verbinden und Beschichten von Werkstoffen, indem eine flüssige Phase durch Schmelzen eines (Hart)lots /Zusatzwerkstoffs (Schmelz(hart)löten) oder Diffusion an Grenzflächen (Diffusionshartlöten) erzeugt wird. Die Solidustemperatur des Grundwerkstoffs wird nicht erreicht (DIN/ISO 8505, Teil 1). Das flüssige Hartlot wird dann in den Spalt zwischen den eng anliegenden Oberflächen der Verbindung durch Kapillarkräfte gesaugt.
Vorteile:
- Geeignet zum Verbinden von dünnwandigen Teilen
- Geeignet für kompakte Bauteile mit vielen Verbindungsstellen pro Flächeneinheit
- Geeignet für großflächige Verbindungen
- Geeignet zum Verbinden mit geringer Verformung und ohne örtliche Überhitzung; die Integrität des Grundwerkstoffs wird erhalten
- Geeignet für Konstruktionen und Werkstoffe, bei denen der Schmelzpunkt des Grundwerkstoffs nicht erreicht werden darf
- Einfaches Verbinden von unterschiedlichen Metallen: Al-Stahl, Al-Ti, Al-Mg...
- Optimale Wärmeleitung
Nachteile
- Wegen der Wichtigkeit des Benetzens und der Kapillarkräfte sind die Oberflächen der zu verbindenden Teile äußerst wichtig
- Geringer Abstand zwischen den zu verbindenden Teilen (kleiner als 0,2 mm)
- Kontrollierter Zusammenbau schwierig (Aufheizung, Lötspalt, Ausdehnung, Verzug)
- Flussmittelrückstände müssen nach dem Hartlöten entfernt werden
- Bei zu großer Wärmeeinbringung erfolgt Beeinträchtigung des Grundwerkstoffes
Lange Zeit war die Benetzung der Aluminiumwerkstoffe aufgrund der passivierenden Oxydschicht ein großes Problem, erst die Entwicklung passender Flussmittel machten ein Löten von Aluminium möglich. Doch da gleichzeitig die Schweißtechnik große Fortschritte machte, erlange Löten bei Aluminiumrahmen nie die Bedeutung, die es bei den Stahlrahmen hatte. Heute wird Löten bei Aluminiumrahmen höchstens bei der Reparatur von Aluminiumrahmen (z.B. Füllen von Dellen) eingesetzt.
Lot-Eignung von Al-Legierungen
| Werkstofftyp | Hartlöten | Weichlöten | Bemerkung |
|---|---|---|---|
| Geschmiedete Werkstoffe; reines und hochreines Aluminium | geeignet | geeignet | |
| AlMn | geeignet | geeignet | |
| AlMg | bedingt geeignet | geeignet | Bei Mg-Konzentrationen > 0,6 % ist das Benetzen schwieriger. |
| AlMgSi | geeignet | geeignet | Festigkeitsverlust, nach dem Hartlöten ist Aushärten möglich. |
| AlCuMg; AlZnMg; AlZnMgCu | nicht geeignet | möglich | Hartlöten führt zu nicht umkehrbaren Werkstoffschäden, Weichlöten verursacht einen erheblichen Festigkeitsverlust. |
WIG Schweißen
Namen:
- TIG: T = Tungsten I = Inert G = Gas ( Allgemeine Bezeichnung)
- WIG: W = Wolfram I = Inert G = Gas ( Deutschland)
- GTAW: G = Gas T = Tungsten A = Arc W = Welding ( USA )
Namenszusätze
- AC = Wechselstrom, wird zum Aufreißen der Oxidschicht von der Oberfläche des Aluminiums und des Zusatzwerkstoffes benötigt
- DC = Gleichstrom, Stromquelle mit Konstantstromeigenschaften (direct current )
- HF = Hochfrequenzzündung des Lichtbogens
Der Schweißstrom fließt durch eine im Schweißbrenner eingespannte Wolframelektrode. Ein Lichtbogen wird zwischen der Wolframelektrode und dem Werkstück erzeugt; der Grundwerkstoff verschmilzt und dadurch wird der Zusatzwerkstoff geschmolzen. Ein inertes Schutzgas strömt aus dem Schweißbrenner heraus und schirmt die glühende Wolframelektrode und das Schweißbad von der Umgebungsluft ab. DC WIG-Schweißen von Aluminium mit Argon-Schutzgas ist unmöglich, weil der Schmelzpunkt der Oxidschicht zu hoch ist, so daß die Energie des Lichtbogens nicht ausreicht, um die Oxidschicht aufzubrechen.Dadurch kann das Grundmaterial zwar aufschmelzen, aber nicht beide Seiten verschmelzen, da die Oxidschicht in der Wurzel dies verhindert. Beim AC WIG-Schweißen wird durch den Wechselstrom die Oxydschicht durchbrochen und beide Seiten verschmelzen. Bei der negativen Halbwelle treffen die emittierten Elektronen auf das positiv gepolte Werkstück und generieren eine große Menge Wärme am Kontaktpunkt. Während der positiven Halbwelle findet eine Reinigungswirkung statt und die Wolframelektrode wird schnell erhitzt, wohingegen sie während der negativen Halbwelle abkühlen kann. Infolgedessen werden die Vorteile beider Gleichstrompolaritäten vereint. Da der Lichtbogen bei jeder Durchquerung des Stromnullpunktes ausgeht, wurde er traditionell mit einer Hochfrequenz (150 kHz bei 1500 bis 2000 Ampere) überlagert, um die Wiederzündung des Lichtbogens zu erleichtern (HF-Zündung).
Vorteile:
- Gute Sichtbarkeit des Schweißbads ohne Rauch oder Schweißschlacke
- Flexibel, ,,alle” Materialien können geschweißt werden
- Hohe Schweißqualität, sauberes Schweißergebnis, keine Spritzer
- Schweißen von dünnen Materialien, minimaler Strom 10 A
- Schweißen ohne Zusatzmaterial ist möglich
- Energie und Menge des Zusatzmaterials hängen nicht zusammen
- WIG kann für schweißbare Aluminium-Legierungen verwendet werden
- Reparaturschweißen an allen Arten von Legierungen aus Aluminium
Nachteile
- Niedrigere Produktivität als beim MIG- bzw. MAG-Schweißen
- Empfindlichkeit für Verunreinigungen (Rost, Öl, Feuchtigkeit, Farbe usw.)
- Schweißtechnik ist anspruchsvoller als bei MMA oder MIG bzw. MAG
- Komponenten des WIG-Brenners unterscheiden sich je nach Bedarf
- Manueller Vorschub des Zusatzmaterials
WIG-Schweißen ist das am meisten verwendete Fügeverfahren bei Aluminiumrahmen. Auch bei Hochwertigen Stahlrahmen, die nicht gelötet werden, kommt es zum Einsatz.
Quelle
Der Inhalt dieses Artikels stammt von Rennofen
