Aluminium - ein Metall mit kurzer Geschichte, aber mit großer Zukunft

Inhaltsverzeichnis

Vorwort

Aluminium – ein Metall mit kurzer Geschichte, aber mit großer Zukunft

Reinaluminium

Aluminiumlegierungen

Summarium

Vom Bauxit zum Aluminium - Ein Resümee nach Anders Ochel
Geschichte des Aluminiums
Allgemeine Informationen zum Aluminium
Gewinnung des reinen Oxids Bayer-Verfahren (Nasser Aufschluss)
Gewinnung des reinen Oxids (Trockener Aufschluss)
Schmelzflusselektrolyse
Verwendung von Aluminium
Umweltaspekte

Literatur

Härteskala nach Mohs

Chronologie zum Aluminiumeinsatz von den Anfängen bis zur Gegenwart

Vita des Autors

Veröffentlichungen des Autors

Abstract

Vorwort.

Unter den Nichteisenmetallen nimmt das silberweiße, relativ weiche Aluminium, das sehr gut dehnbare und verformbare Leichtmetall neben dem Kupfer den bedeutendsten Platz ein.

Aluminium und seine Legierungen sind jedem unentbehrlich. Sie gehören heute zu den wichtigsten Werkstoffen zur Produktion von Profilen, Rohren und Blechen. In der Lebensmittelindustrie ist Aluminiumfolie ein wichtiges Verpackungsmaterial. Das Metall dient aber auch zur Herstellung von Kochgeschirr, Milchkannen, Trinkbechern etc. Es ist ein fester Begriff für alle. Aluminiumbronze wird in Rostschutzfarbe eingesetzt und spielt bei der Herstellung von Feuerwerkskörpern und Sprengstoffen eine Rolle. Reinstes Aluminium wird in elektrischem Leitermaterial eingesetzt, z. B. in Hochspannungsleitungen, auch als Duraluminium ist eine wichtige Aluminiumlegierung für den Fahrzeug- und Maschinenbau und für die Luftfahrt.

Aluminium besitzt auch noch eine weitere Besonderheit, nämlich es wird bei einer Erwärmung über 600°C in seiner Struktur körnig, die sich nach dem Abkühlen in Körner, Grieß oder Pulver (Aluminiumbronze) zerteilen lässt, außerdem ist es durch die Vorteile des niedrigen Schmelzpunktes wie auch seine sehr gute elektrische Leitfähigkeit und gute Wärmeleitfähigkeit gekennzeichnet.

Obwohl es ein relativ unedles Metall ist, ist es gegen Luftfeuchtigkeit und Luftsauerstoff viel unempfindlicher als Eisen. Dies beruht ja bekanntlicherweise auf der dünnen Oxidschicht, die sich bei frisch angeritztem Aluminium innerhalb weniger Sekunden bildet und das darunter liegende Aluminium vor weiterer Korrosion schützt.

Aus dem vorliegenden Exkurs ist auch zu erfahren, daß Aluminium sehr gerne mit Sauerstoff reagiert und sich als Reduktionsmittel eignet, z. B. bei der Herstellung von Roheisen aus Eisenerz nach dem so genannten Thermitverfahren, wobei das Aluminiumpulver dem Metalloxid die Sauerstoffatome entzieht.

Über das Vorkommen ist zu erfahren, daß die wichtigsten Erzvorkommen sich in Australien, Guinea, Brasilien, Jamaika, Indien, Guyana und Indonesien befinden und bezüglich der Herstellung aus Bauxit wird vermittelt, sie erfolgt in zwei Schritten, nämlich das Erz wird zunächst von Verunreinigungen gereinigt, so dass man reine Tonerde, Aluminiumoxid, erhält und anschließend das Metall in der Schmelzflusselektrolyse gewonnen wird.

Am Beispiel des Reinaluminiums und der Aluminiumlegierungen erfährt der Leserkreis vieles über die Einsatzmöglichkeit dieser Materialien als fliegendes Metall und wie die Luftfahrtwerkstoffe eingeteilt werden.

Und nicht zuletzt wird dem Leser neben einer Chronologie zum Aluminiumeinsatz von den Anfängen bis zur Gegenwart näher gebracht, sondern auch das, daß Aluminium ein Metall mit kurzer Geschichte, aber mit großer Zukunft ist und dies mittels eines Resümees von Anders Ochel.

Aluminium – ein Metall mit kurzer Geschichte, aber mit großer Zukunft.

Aluminium als Metall rein darzustellen gelang erst vor 185 Jahren, obwohl die Menschen einige seiner Verbindungen, zum Beispiel Tone, die hauptsächlich aus Al2O3 bestehen, sowie Alaune, eine Gruppe von chemischen Verbindungen, die sich aus Wasser und zwei verschiedenartigen Salzen zusammensetzt, beispielsweise Kaliumalaun mit der chemischen Formel K2SO4·Al2(SO4)3 · 24 H2O bereits seit dem Altertum benutzen.

Wie dieses ausgewählte Mineral zeigt, kommt das metallische Element in Form von Sauerstoffverbindungen in der Natur vor; wobei es sich um Oxide der Form Al2O3 handelt, wie auch um die Hydroxide Al(OH)3, z. B. Hydrargillit, bzw. AlO(OH), z. B. Diaspor.

Über die Verwendung der Alaune als Feuerschutzanstrich bzw. Beizmittel für die Färberei berichtet schon Plinius der Ältere (23-79) in der von ihm im 1. Jahrhundert unserer Zeitrechnung verfassten „Naturalis historia“. Auch der Name Aluminium kommt von „alumen“ – der lateinischen Bezeichnung für Alaun.

Daß das Metallaluminium dem Menschen (möglicherweise) erst während der industriellen darstellbar und im Zeitraum der sich entwickelnden Fabrikproduktion gewinnbar wurde, beruht auf der Schwierigkeit der Trennung dieses Elements von Sauerstoff. Infolge dieser hohen Affinität zum Sauerstoff kommt Aluminium in der Natur nicht metallisch rein, d. h. gediegen, wie Gold, Silber, vereinzelt Kupfer sowie ab und an Meteoriteneisen, vor.

Nach der Häufigkeit auf der Erde steht Aluminium – das Element mit der Ordnungszahl 13 im vom russischen Chemiker Dimitrij Iwanowitsch Mendelejew (1834-1907) und vom deutschen Chemiker Julius Lothar Mayer (1830-1895) unabhängig 1869 geschaffenen Periodensystem der chemischen Elemente, ein weißes, glänzendes, die Wärme und den elektrischen Strom gut leitendes Leichtmetall – mit 7,57 Prozent hinter Sauerstoff mit 49,5 Prozent und Silizium mit 25,8 Prozent an dritter Stelle, mit ihnen zusammen ist es das wichtigste gesteinsbildende Element, zum Beispiel Granit, Gneis, Porphyr, Basalt, Schiefer enthalten Aluminiumsilikate, wie Feldspate und Glimmer.

Unter den Metallen nimmt Aluminium mit der theoretisch ermittelten Metallvorratsmenge von über 60·1012 Tonnen den Platz Nummer „eins“ ein.

Untersuchungsergebnisse ergaben für dieses Metall unter den jetzigen ökonomisch vertretbaren Abbaubedingungen eine verfügbare Menge von rund 24 bis 30 Milliarden Tonnen. Hinzu kommt noch die Aluminiumreserve aus den Weltmeeren mit etwa 16 Milliarden Tonnen. Alles dies ist eine gute Basis für das Metall mit großer Zukunft, möglicherweise das Hauptmetall des dritten Jahrtausends.

Weltweite Hüttenproduktion von Aluminium in Tausend Tonnen betrug 1900 (7); 1910 (45); 1920 (125); 1930 (272); 1940 (787); 1950 (1.490); 1960 (4.490); 1970 (9.650); 1980 (15.400); 1990 (19.300); 2000 (24.300); 2005 (31.900); 2007 (38.000) [*].

[*]Alle Daten nach United States Geological Survey (USGS): World Production.

Ein Vergleich der relativen Zunahme der Weltproduktion von Aluminium um das 2.740fache und Stahl um das 26fache im Zeitraum ab der vorletzten Jahrhundertwende, setzt eindeutige Zeichen für den Weg dieses Leichmetalls.

Bevor Metallaluminium gewonnen werden konnte und den Menschen mit seinem Komplex wertvoller Eigenschaften begeisterte, waren es jahrtausendelang seine Verbindungen, die nicht nur Rohstoff und Werkstoff waren, sondern auch als Gebrauchsgegenstände sowie Schmuck faszinierten.

Als Aluminiumoxid oder Tonerde, Al2O3, kommt es kristallisiert als Korund (farbloser – edler – bzw. undurchsichtiger, trüber – gemeiner), der nach der von Mohs (1773-1839) im Jahr 1812 geschaffenen Härteskala (Tafel 1, Seite 17) nur von der Härte des Diamants übertroffen wird, vor. Anarten sind der leuchtendrote Rubin, der strahlend blaue Saphir, der grün schimmernde Smaragd – alle drei sind von altersher geschätzte Edelsteine, dazu gehört auch der mattfarbene, nichtdurchsichtige Schmirgel, ein schon immer beliebtes Schleif- und Poliermittel.

Sehr viel häufiger kommt Aluminiumoxid jedoch im Bauxit (benannt nach dem ersten Fundort Les Baux bei Arles in Südfrankreich – bestehend aus 50 bis 63 Prozent Al2O3; bis 28 Prozent Fe2O3; sieben Prozent SiO2; vier Prozent TiO2; zwölf bis 32 Prozent H2O) vor wie auch in den Mineralen Nephelin [(NaK)2O·Al2O3·2SiO2]; Alumit [K2SO4∙Al2(SO4)3∙4Al(OH)3] Kaolinit [Al2O3·2SiO2∙2H2O]. Letztere drei Rohstoffe wurden in den 70er Jahren nur zu rund ein Prozent für die Aluminiumproduktion eingesetzt.

Neben der Verarbeitung bei Juwelieren haben besondere Rubine als Rubinlaser aber auch Saphiren als Saphirfenster in Tokamakanlagen für thermonukleare Prozesse seit Anfang der achtziger Jahre des 20. Jahrhunderts eine besondere technische Bedeutung erhalten.

Obwohl schon 1754 der deutsche Chemiker Andreas Sigismund Marggraf (1709-1782) – der Entdecker des Zuckergehaltes der Runkelrübe (1747) – den Aluminiumrohstoff (Al2O3) im Alaun entdeckte und es ihm dazu auch noch gelang, diesen aus verschiedenen Tonen sowie bestimmten Schiefersorten zu gewinnen, mussten bedingt vom Stand der chemischen Kenntnisse sowie der noch nicht vorhandenen Elektrochemie und Elektrotechnik, genau noch 100 Jahre vergehen, bis es zum ersten Verfahren zur industriellen Aluminiumgewinnung kam.

Erste Versuche zur Isolierung des Radikals der Tonerde nahm Humphry Davy (1778-1829) im Anschluss an seine elektrochemischen Arbeiten zur Herstellung von Natrium und Kalium (1807) sowie der Erdalkalimetalle Magnesium, Calcium, Strontium und Barium (1808) vor. Er versuchte dabei auch das Aluminium durch Einwirkung der Voltaschen Säule auf ein schmelzendes Gemisch von Tonerde und Kali abzuscheiden. Es gelang ihm aber nicht, das sich bildende Aluminium aus dem Reaktionsgemisch abzutrennen.

Erfolgreicher war dann der dänische Physiker Hans Christian Ørsted [Oerstedt (1777-1851)], dem, als er Aluminiumchlorid, AlCl3, mit Kaliumamalgam behandelte, die erste Darstellung von Aluminium im Jahre 1825 gelang, aber noch nicht die Bedeutung des metallischen Rückstandes erkannte. So verzichtete er auf weitere Versuche; seine Ergebnisse teilte er dem deutschen Chemiker Friedrich Wöhler (1800-1882) – Mitbegründer der organischen Chemie – mit, der nun mit dessen Zustimmung sich der Abscheidung von Aluminium annahm. Im Jahre 1827 gelang es ihm auch experimentell kleine Mengen Aluminiumpulver zu gewinnen.

Nach übersiebzehnjährigem Bemühen folgte dann durch ihn auch die erste Reindarstellung des Aluminiums, von geschmolzenen, stecknadelkopfgroßen Aluminiumkugeln, an denen er auch die wichtigsten physikalischen Eigenschaften dieses Metalls ermittelt hat.

Wöhler übertrug die Weiterführung seiner Arbeiten an einen seiner begabtesten Schüler, Henri Etienne Sainte-Claire Deville (1818-1881), der im Jahre 1854 dann auch das erste industrielle Verfahren zur Aluminiumherstellung auf chemischer Basis schuf. Es war eine groß angelegte Experimentalfabrik, die Deville nur, dank der finanziellen Unterstützung Napoleons III., Kaiser der Franzosen von 1852 bis 1870, genannt Louis Napoléon, eigentlich Charles Louis Napoléon Bonaparte (1808-1873), bauen konnte.

Im ersten Jahr seiner Nutzung wurden rund 25 Kilogramm Aluminium gewonnen, wovon er etwa ein Kilogramm in Form von daumendicken Barren, zum Preis von 2.000 Francs (1.000 Goldmark), auf der zweiten Weltausstellung 1855 in Paris am Stand der Kaiserlichen Porzellanmanufaktur zu Sévres, unter der Bezeichnung „Silber aus Lehm“, zeigte, womit er auch beträchtliches Aufsehen erregte. Aufwandsbedingt wurden nach seinem Verfahren in der Zeit bis 1890, also in 35 Jahren, nur 200 Tonnen Aluminium erzeugt.

Daß regulinisches Aluminium auch dann entsteht, wenn das von ihm zur chemischen Darstellung von metallischem Aluminium verwendete Aluminiumchlorid elektrolytisch zersetzt wird, fanden, unabhängig voneinander, sowohl Deville als auch vom deutschen Chemiker Robert Wilhelm Bunsen (1811-1899) noch im Jahre 1854 heraus.

Aluminium durch Elektrolyse eines Gemisches von Natriumaluminiumchlorid, Na(AlCl)4, und Kryolith, Na3AlF6, zu gewinnen, ist ebenfalls ein Vorschlag von Deville, den er bereits im Jahre 1859 unterbreitete.

Eine technische Aluminiumgewinnung mit Hilfe des in der Mitte des 19. Jahrhunderts noch auf sehr teuere Art und Weise erzeugten elektrischen Stroms war daher noch nicht gegeben. Mit der Erfindung der Dynamomaschine durch Werner von Siemens (1816-1892) im Jahre 1867 wurde nicht nur eine günstige Variante für die Elektroenergieerzeugung geschaffen, sondern gleichzeitig auch der Grundstein für eine wirtschaftliche Aluminiumgewinnung gelegt, wie auch die in der Tafel 2, Seite 18, vom Autor zusammengestellte Chronologie zum Aluminiumeinsatz von den Anfängen bis zur Gegenwart zeigt.

Gelöst wurde das technische Verfahren der Aluminium-Schmelzflusselektrolyse, eines Gemisches von Aluminiumoxid und Kryolith 1886, unabhängig voneinander, von dem damals erst einundzwanzigjährigen amerikanischen Studenten Charles Martin Hall (1863-1914), dem fast gleichaltrigen Franzosen Paul-Louis Toussaint Héroult (1863-1914) und dem deutschen Chemiker Heinrich Kiliani (1885-1945). Danach folgte das noch heute praktizierte Elektrolyseverfahren, dem so genannten Hall-Héroult-Verfahren.

Von den im 8. Jahrzehnt des 19. Jahrhunderts geschaffenen ersten Zentren der Aluminiumproduktion, wie Frankreich (1886); USA und Schweiz (1888); wurden 1890 bereits 92 Tonnen Aluminium gegenüber 35 Tonnen im Jahr 1886 gewonnen. Danach kam es zu einem schnellen Anstieg der Weltproduktion von Aluminium, 1900 lag sie bereits bei rund 7.300 Tonnen, woran fünf Länder, nämlich USA, Schweiz, Frankreich, Deutschland, Großbritannien, beteiligt waren, wobei die Gesamtproduktion von 1890 bis 1900 mit 28.000 Tonnen ausgewiesen wird.

Auch im 20. Jahrhundert hielt diese stürmische Entwicklung der Aluminiumgewinnung an, denn, wie von Siegfried Engels und Alois Nowak [12] ermittelt, nahm sie in den sieben Jahrzehnten so zu, daß alle 7,62 Jahre eine Verdoppelung eintrat. Grund dafür liegt u. a. darin, daß beginnen im zweiten Drittel des 20. Jahrhunderts bis heutzutage kaum ein Zweig ohne dieses Metall noch auskommt.

Seine anfängliche Verarbeitung am Ende des zweiten und am Anfang des dritten Drittels des 19. Jahrhunderts erfolgte aber, da es als schön, äußerlich dem Silber ähnlich und in den ersten Chargen außergewöhnlich teuer den Herstellern gegenüberstand, nur zu Aluminiumschmuck. Erste Einsatzgebiete des auf chemischen Wege gewonnenen Aluminiums waren wegen seiner Leichtigkeit auch ausgefallene Luxusartikel und Bedarfsgegenstände, wie Operngläser, Fernrohre, Ferngläser, Brillengestelle, Anemometer, kleine Gewichte; aber auch Haus- und Tafelgeräte sowie chirurgisches Instrumentarien und Musikinstrumente.

Da Aluminium nicht von organischen Säuren angegriffen wird, wurde es auch vielfach für Früchtebehälter sowie für tägliches Küchengeschirr, Löffel, Messer und Gabeln als Ersatz für Silber verwendet. Beliebt schon vor dem 20. Jahrhundert war auch die Aluminiumlegierung Drittelsilber (Tiers argent), woraus besonders Bestecke und Teeplatten gefertigt wurden. Für Bijouteriewaren kam es vielfach auch als Aluminiumbronze mit Feingold, die achtzehnkarätigem Gold (750 Teile Gold in Tausend Teilen) entsprach, in Anwendung. Es diente aber auch zur Algraphie, die zuerst von Scholz 1892 in Mainz ausgeführt wurde.

In der Zeit nach 1900 beginnt auch die Verarbeitung von Aluminium, besonders von Abfällen zu Aluminiumbronzefarben, Alumonal, Blitzlicht, in der Pyrotechnik, in der Metallurgie als Desoxydationsmittel und zur Erzeugung von Dichten Güssen.

Mit der von Alfred Wilm (1869-1937) am System Al-Cu-Mg-Mn 1907 entdeckten Aushärtung und 1909 im Dürener Metallwerk aufgenommenen Produktion von Duraluminium wurde nicht nur die Grundlage für die Schaffung von Aluminiumwerkstoffen spezieller Eigenschaften, sondern auch die Basis dafür, daß Aluminium sowohl das erste fliegende (1915) als auch kosmische (1957) Metall wurde.

Von den fünfziger Jahren des 20. Jahrhunderts 20. Jahrhunderts an ist Aluminium auch vielfach im maritimen Bereich genutzt worden, zum Beispiel Tragflächenboote (UdSSR), Tanker (BRD), Unterseeboote (USA), Passagierschiffe (Frankreich).

Auf eine Vollständigkeit der Darstellung über Aluminiumwerkstoffe sowie seine Aluminiumerzeugnisse muß an dieser Stelle verzichtet werden, da, wie aus allgemein zugänglichen Statistiken erfahrbar ist, viele Tausende Hauptartikel aus Aluminium und Aluminiumlegierungen hergestellt werden. Von der erzeugten Aluminiummenge werden seit den achtziger Jahren des 20. Jahrhunderts 70 bis 75 Prozent zu Halbzeugen, wie Bleche, Platten, Bänder, Folien, Rohre, Stäbe, Drähte, Profile, verarbeitet, 20 bis 25 Prozent zu Formguss und etwa fünf Prozent zu anderen Zwecken, beispielsweise zu Pulver, Granulat, Barren und zu Legierungsmaterial wie auch Reduktionsmittel, verbraucht.

Einzigartige Kombinationen von Eigenschaften liefern die im letzten Drittel des vergangenen Jahrhunderts mit Aluminium als Matrix mehr und mehr zum Einsatz gekommenen Aluminiumverbundwerkstoffe, zum Beispiel die mit Borfäden armierte

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