Duraluminium

Genietete und verspannte Duraluminiumstruktur

Duralumin(ium), ist eine Aluminiumlegierung, die besonders im Vergleich mit Reinaluminium durch die erzielte hohe Festigkeit und Härte ein neues Zeitalter für Aluminium eröffnete.

Entwicklung

1906 entwickelte Alfred Wilm im Rahmen von Untersuchungen zur Festigkeitssteigerung von Aluminiumlegierungen die erste ausschließliche Knetlegierung. Seine Entdeckung war, die Härte der Legierung dadurch zu steigern, dass man die in der Stahlherstellung gebräuchliche Verfahren zur Festigkeitssteigerung auf eine Aluminiumlegierung übertrug. Es wurde festgestellt, dass Legierungsproben, die man nach dem Abschrecken noch einige Tage liegen ließ, tatsächlich eine erhöhte Festigkeit aufwiesen. Das zugrundeliegende Prinzip bezeichnet man als Ausscheidungshärtung.

Das neue Material wurde ab 1909 von den Dürener Metallwerken hergestellt und der Name Duralumin nebst einigen Ähnlichen (DURAL) als eingetragene Warenzeichen geschützt. Wilms Legierung aus Aluminium, 3,5 bis 5,5 Prozent Kupfer, 0,5 -0.8 Prozent Magnesium und 0,6 Prozent Mangan sowie bis zu 1  % Silizium und 1,2  % Eisen wurde auch zum Patent angemeldet. Der Name wurde abgeleitet vom Lateinischen durus für „hart" (oder besser: „ausdauernd" im Sinne von beständig, widerstandsfähig), wobei in der Literatur gelegentlich auch ein Zusammenhang zum Arbeitsort Düren beschrieben wird, sowie vom Hauptbestandteil der Legierung Aluminium. Inzwischen gibt es zahlreiche vergleichbare Legierungen, die den Herstellernamen in die Legierungsbezeichnung eingefügt haben.

Materialeigenschaften

Duraluminium gehört zu den Aluminiumlegierungen der Gruppe AlCuMg (Werkstoffnummer 2000 bis 2999) und wird vor allem kaltausgehärtet verwendet. Es ist nicht sehr korrosionsbeständig, nur bedingt anodisierbar und schweißbar.[1] Heute wird der Name Duraluminium vorwiegend zu lexikalischer Definition verwendet. Ähnliche Legierungen werden indessen weiterhin in der Luftfahrt verwendet.

Gegenüber reinem Aluminium hat Duraluminium eine geringfügig größere Dichte. Die Zugfestigkeit beträgt jedoch zwischen 180 und 450 N/mm² (laut anderer Quelle bis zu 800 N/mm²[2]) und damit bis zu dem zehnfachen von reinem Aluminium, das nur etwa 80 N/mm² aufweist.[3] Auch die technisch so wichtige Dehngrenze liegt bei über 250 N/mm² gegenüber 30 N/mm² bei reinem Aluminium.[3] Ähnlich verhält es sich bei der Brinellhärte, wo ein HB-Wert von etwa 125 gegenüber 22 bei Reinaluminium erreicht wird.[3] Die Bruchdehnung wird mit 22 Prozent als dreifach höherer Wert gegenüber 7 Prozent bei Reinaluminium angegeben. Ein weiterer wichtiger Punkt war, dass Duraluminium durch Alterung an seiner Festigkeit nichts einbüßte.[2]

Die Grundlage für die Härtung gegenüber Reinaluminium liegt darin, dass nach schneller Abkühlung der Legierung nach einiger Zeit eine bei der Abschreckung zunächst unterdrückte Ausscheidung einer Zweitphase (der intermetallischen Verbindung CuAl2) im Grundgefüge der Legierung stattfindet, ein Vorgang, der eine deutliche Festigkeitssteigerung zur Folge hat. Diese Ausscheidung der festigkeitssteigernden Zweitphase kann bei sowohl Raumtemperatur als auch bei erhöhten Temperaturen erfolgen ("Kaltauslagern" - "Warmauslagern") und erreicht ihr Optimum nach zwei Tagen.

Das Härten von Aluminiumlegierungen hat ansonsten nichts mit den bei der Stahlhärtung stattfindenden Prozessen zu tun. Dort sinkt die Festigkeit nach einer Wiedererwärmung des abgeschreckten Stahls, bei den Al-Legierungen steigt sie an.[2]

In diesem Artikel oder Abschnitt fehlen folgende wichtige Informationen: Die Tabelle enthält als Vergleichsstahl einen weichen austenitischen Stahl, dadurch falsche Aussage unterhalb der Tabelle (Festigkeit von Duraluminium fast so hoch wie Festigkeit von Stahl). Hochfeste (martensitische) Stähle erreichen bis zu 2.300 N/mm² Zugfestigkeit und sind damit fast fünfmal so fest wie Duraluminium. Siehe auch http://www.stahl-info.de/stahl_im_automobil/auto_und_stahl/hochfester_stahl_fuer_fahrwerksfedern.htm
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Vergleichstabelle Materialwerte
Material Dichte in kg/dm³ E-Modul in N/mm² Zugfestigkeit in N/mm² Bruchdehnung in  % Brinellhärte HB
Dural AlCu4Mg1 2,75 – 2,87 73.000 420 – 500 < 22 115 – 135
Reinaluminium Al99,5 2,7 70.000 75 – 110 < 7 22 – 35
Stahl S355 7.9 200.000 510 19 120 – 140
V2A Chrom-Nickel-Stahl 7.9 200.000 500 – 750 40 130 – 190

Durch das Aushärten erreicht Duraluminium also fast die Festigkeit weicher Stähle. Der gegenüber Reinaluminium höheren Anfälligkeit für Korrosion begegnet man durch einen Überzug aus reinem Aluminium, Eloxieren oder Lackierung.[4]

Anwendungen

Durch die verbesserten Materialeigenschaften wurde der Ersatz von Stahl durch eine Aluminiumlegierung in der Luftfahrt und Waffentechnik überhaupt erst sinnvoll. Frühere Legierungen wie die Zink-Aluminium-Legierungen waren bedeutend anfälliger für Korrosion und erreichten bei weitem nicht die erforderliche Festigkeit.

Bereits 1911 fand Duraluminium eine großtechnische Anwendung für das Traggerüst des britischen Luftschiffs HMA No. 1 "Mayfly". Ab 1914 wurde es auch für den Bau der deutschen Zeppelin-Luftschiffe (erstmals beim LZ 26 / Z XII) eingesetzt. 1929 wurde ein Ganzmetall-Luftschiff - das amerikanische ZMC-2 - gefertigt. Es bestand inklusive einer Blech-Gashülle vollständig aus Duraluminium.

Neben den Luftschiffbauern wurde auch Hugo Junkers angeregt, Duraluminium bei der Junkers J7 (1917) einzusetzen. Eines der ersten Passagierflugzeuge, die Junkers F 13 (1919), war ein Vollmetall-Verkehrsflugzeug, bei dem Duralumin als Werkstoff für das Chassis verwendet wurde. Duraluminium zeigte sich auch gut geeignet für die damals neue Monocoque-Konstruktion von Flugzeugzellen. Im modernen Flugzeugbau ist Duraluminium heute als Werkstoff 2017, 2117 oder 2024 bekannt.

Der Einsatz im Kraftfahrzeugbau war anfangs durch den hohen Preis und die schwierigere Verarbeitung nur eingeschränkt möglich. Es ist jedoch mittlerweile gebräuchlich, wenn es auf ein geringes Gewicht ankommt. Beispiele für den Einsatz sind besonders Karosserieteile. Motorhauben und Kofferraumklappen sind inzwischen weitgehend durch dünnwandigen Präzisionsdruckguss ersetzt (EVACAL- und PORAL-Verfahren).

Herangezogene Literatur

  • Paul Krais Werkstoffe Band 2, A. Barth, Leipzig 1921, S. 517 f.
  • Römpp, Chemie-Lexikon, 9. Auflage,Herausgeber M. Regitz und J. Falbe, "Duralumin(ium)"
  • A. von Zeerleder, Technologie der Leichtmetalle, Verlag Rascher Zürich 1947
  • Giesserei-Lexikon 17. Auflage bei Schiele und Schön, Berlin 1997, Herausgeber Stephan Hasse, s. Duraluminium

Einzelnachweise

  1. J. Gobrecht; Werkstofftechnik - Metalle; ISBN 978-3-486-57903-1
  2. 2,0 2,1 2,2 Nasser Kanani; Werkstoffkunde für Oberflächentechniker und Galvaniseure; ISBN 978-3446407411
  3. 3,0 3,1 3,2 Niels Klußmann und Arnim Malik; Lexikon der Luftfahrt; ISBN 978-3540490951
  4. Wolfgang Bergmann; Werkstofftechnik Teil 2; ISBN 978-3446417113

Weblinks

 Commons: Aluminium – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien
Wiktionary Wiktionary: Aluminium – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

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