Aluminium: Chemisches Element mit dem Symbol Al und der Ordnungszahl 13

Eigenschaften
[Ne] 3s2 3p1 Periodensystem
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl	Aluminium, Al, 13
Elementkategorie	Metalle
Gruppe, Periode, Block	13, 3, p
Aussehen	silbrig
CAS-Nummer	7429-90-5
EG-Nummer	231-072-3
ECHA-InfoCard	100.028.248
Massenanteil an der Erdhülle	7,57 % (3. Rang)
Atomar
Atommasse	26,9815384(3) u
Atomradius (berechnet)	125 (118) pm
Kovalenter Radius	121 pm
Van-der-Waals-Radius	184 pm
Elektronenkonfiguration	[Ne] 3s2 3p1
1. Ionisierungsenergie	5,985769(3) eV ≈577,54 kJ/mol
2. Ionisierungsenergie	18,82855(5) eV ≈1816,68 kJ/mol
3. Ionisierungsenergie	28,447642(25) eV ≈2744,78 kJ/mol
4. Ionisierungsenergie	119,9924(19) eV ≈11577,5 kJ/mol
5. Ionisierungsenergie	153,8252(25) eV ≈14841,9 kJ/mol
Physikalisch
Aggregatzustand	fest
Kristallstruktur	kubisch flächenzentriert
Dichte	2,6989 g/cm3 (20 °C)
Mohshärte	2,75
Magnetismus	paramagnetisch (χm = 2,1 · 10−5)
Schmelzpunkt	933,35 K (660,2 °C)
Siedepunkt	2743 K (2470 °C)
Molares Volumen	10,00 · 10−6 m3·mol−1
Verdampfungsenthalpie	284 kJ/mol
Schmelzenthalpie	10,7 kJ·mol−1
Schallgeschwindigkeit	6250–6500 (Longitudinalwelle) m/s; 3100 (Scherwelle) m·s−1 bei 293,15 K
Spezifische Wärmekapazität	897 J·kg−1·K−1
Austrittsarbeit	4,06–4,26 eV
Elektrische Leitfähigkeit	37,7 · 106 S·m−1
Wärmeleitfähigkeit	235 W·m−1·K−1
Mechanisch
E-Modul	60 bis 78 kN/mm²
Poissonzahl	0,34
Chemisch
Oxidationszustände	1, 2, 3
Normalpotential	−1,676 V (Al3+ + 3 e− → Al)
Elektronegativität	1,61 (Pauling-Skala)
Isotope
Isotop NH t1/2 ZA ZE (MeV) ZP 25Al {syn.} 7,183 s ε 4,277 25Mg 26Al in Spuren 7,17 · 105 a ε, β+ 4,004 26Mg 27Al 100 % Stabil 28Al {syn.} 2,2414 min β− 4,642 28Si 29Al {syn.} 6,56 min β− 3,680 29Si
Weitere Isotope siehe Liste der Isotope
NMR-Eigenschaften
Spin- Quanten- zahl I γ in rad·T−1·s−1 Er (1H) fL bei B = 4,7 T in MHz 27Al 5/2 0+6,976 · 107 0,207 052,18
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung aus Verordnung (EG) Nr. 1272/2008 (CLP), ggf. erweitert Pulver Gefahr H- und P-Sätze H: 250​‐​261 (pyrophor) H: 228​‐​261 (stabilisiert) P: 222​‐​231+232​‐​422 (pyrophor) P: 210​‐​370+378​‐​402+404 (stabilisiert)
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Im Periodensystem gehört Aluminium zur dritten Hauptgruppe und zur 13. IUPAC-Gruppe, der Borgruppe, die früher als Gruppe der Erdmetalle bezeichnet wurde. Es gibt zahlreiche Aluminiumverbindungen. Aluminium ist ein silbrig-weißes Leichtmetall. In der Erdhülle ist es, nach Sauerstoff und Silicium, das dritthäufigste Element und in der Erdkruste das häufigste Metall. In der Werkstofftechnik werden mit „Aluminium“ alle Werkstoffe auf Basis des Elementes Aluminium verstanden. Dazu zählt Reinaluminium (mindestens 99,0 % Al), Reinstaluminium (min 99,7 % Al) und insbesondere die Aluminiumlegierungen, die bis zu mit Stahl vergleichbare Festigkeiten besitzen – bei nur einem Drittel seiner Dichte.

Entdeckt wurde Aluminium, das in der Natur fast ausschließlich in Form von chemischen Verbindungen vorkommt, im frühen 19. Jahrhundert. Im frühen 20. Jahrhundert setzte die industrielle Massenproduktion ein.

Die Gewinnung erfolgt in Aluminiumhütten ausgehend von dem Mineral Bauxit zunächst im Bayer-Verfahren, mit dem Aluminiumoxid gewonnen wird, und anschließend im Hall-Héroult-Prozess einer Schmelzflusselektrolyse, bei der Aluminium gewonnen wird. 2016 wurden weltweit 115 Mio. Tonnen Aluminiumoxid (Al₂O₃) produziert. Daraus hat man 54,6 Mio. Tonnen Primäraluminium gewonnen.

Das Metall ist sehr unedel und reagiert an frisch angeschnittenen Stellen bei Raumtemperatur mit Luft und Wasser zu Aluminiumoxid. Dies bildet aber sofort eine dünne, für Luft und Wasser undurchlässige Schicht (Passivierung) und schützt so das Aluminium vor Korrosion. Reines Aluminium weist eine geringe Festigkeit auf; bei Legierungen ist sie deutlich höher. Die elektrische und thermische Leitfähigkeit ist hoch, weshalb Aluminium für leichte Kabel und Wärmetauscher verwendet wird.

Eines der bekanntesten Produkte ist Alufolie. Weitere sind Bauteile in Fahrzeugen und Maschinen, elektrische Leitungen, Rohre, Dosen und Haushaltsgegenstände. Das Aluminiumrecycling erreicht weltweit Raten von etwa 40 %.

 

Humphry Davy

 

Hans Christian Ørsted

1782 vermutete Lavoisier als erster, dass es sich bei der 1754 von Marggraf aus einer Alaunlösung gewonnenen Alaunerde (alumina, abgeleitet von lateinisch alumen ‚Alaun‘) um das Oxid eines bislang unbekannten Elements handle. Dessen Darstellung glückte schließlich 1825 dem Dänen Hans Christian Ørsted durch Reaktion von Aluminiumchlorid (AlCl₃) mit Kaliumamalgam, wobei Kalium als Reduktionsmittel diente:

${\displaystyle \mathrm {4\ AlCl_{3}+3\ K\rightarrow Al+3\ KAlCl_{4}} }$ 

Davy, der sich lange Zeit ebenfalls an der Darstellung des neuen Elements versucht hatte, führte ab 1807 die Namensvarianten alumium, aluminum und aluminium ein, von welchen die letzten beiden im Englischen nebeneinander fortbestehen.

1827 gelang es Friedrich Wöhler mit der gleichen Methode wie Ørsted, jedoch unter Verwendung metallischen Kaliums als Reduktionsmittel, reineres Aluminium zu gewinnen. Henri Étienne Sainte-Claire Deville verfeinerte den Wöhler-Prozess im Jahr 1846 und publizierte ihn 1859 in einem Buch. Durch diesen verbesserten Prozess stieg die Ausbeute bei der Aluminiumgewinnung, und in der Folge fiel der Preis des Aluminiums, der zuvor höher als jener von Gold gewesen war, innerhalb von zehn Jahren auf ein Zehntel.

1886 wurde unabhängig voneinander durch Charles Martin Hall und Paul Héroult das nach ihnen benannte Elektrolyseverfahren zur Herstellung von Aluminium entwickelt: der Hall-Héroult-Prozess. 1889 entwickelte Carl Josef Bayer das nach ihm benannte Bayer-Verfahren zur Isolierung von reinem Aluminiumoxid aus Bauxiten. Aluminium wird noch nach diesem Prinzip großtechnisch hergestellt.

Am Ende des 19. Jahrhunderts stand das Metall in solchem Ansehen, dass man daraus gefertigte Metallschiffe auf den Namen Aluminia taufte.

Aluminium ist mit einem Anteil von 7,57 Gewichtsprozent nach Sauerstoff und Silicium das dritthäufigste Element der Erdkruste und damit das häufigste Metall. Allerdings kommt es aufgrund seines unedlen Charakters praktisch ausschließlich in gebundener Form vor. Die größte Menge befindet sich chemisch gebunden in Form von Alumosilicaten, in denen es in der Kristallstruktur die Position von Silicium in Sauerstoff-Tetraedern einnimmt. Diese Silicate sind zum Beispiel Bestandteil von Ton, Gneis und Granit.

Seltener wird Aluminiumoxid in Form des Minerals Korund und seiner Varietäten Rubin (rot) und Saphir (farblos, verschiedenfarbig) gefunden. Die Farben dieser Kristalle beruhen auf Beimengungen anderer Metalloxide. Korund hat mit fast 53 Prozent den höchsten Aluminiumanteil einer Verbindung. Einen ähnlich hohen Aluminiumanteil haben die noch selteneren Minerale Akdalait (etwa 51 Prozent) und Diaoyudaoit (etwa 50 Prozent). Insgesamt sind bisher (Stand: 2017) 1156 aluminiumhaltige Minerale bekannt.

Das einzige wirtschaftlich wichtige Ausgangsmaterial für die Aluminiumproduktion ist Bauxit. Vorkommen befinden sich in Südfrankreich (Les Baux), Guinea, Bosnien und Herzegowina, Ungarn, Russland, Indien, Jamaika, Australien, Brasilien und den Vereinigten Staaten. Bauxit enthält ungefähr 60 Prozent Aluminiumhydroxid (Al(OH)₃ und AlO(OH)), etwa 30 Prozent Eisenoxid (Fe₂O₃) und Siliciumdioxid (SiO₂).

Bei der Herstellung unterscheidet man Primäraluminium, auch Hüttenaluminium genannt, das aus Bauxit gewonnen wird, und Sekundäraluminium aus Aluminiumschrott. Die Wiederverwertung benötigt nur etwa 5 Prozent der Energie der Primärgewinnung.

Infolge der Affinität zu Sauerstoff kommt Aluminium in der Natur sehr selten elementar (gediegen) vor. Erstmals entdeckt wurde Aluminium 1978 durch B. V. Oleinikov, A. V. Okrugin, N. V. Leskova in Mineralproben aus der Billeekh Intrusion und dem Dyke OB-255 in der Republik Sacha (Jakutien) im russischen Föderationskreis Ferner Osten. Insgesamt sind weltweit bisher knapp 30 Vorkommen für gediegen Aluminium bekannt (Stand 2023), so unter anderem in Aserbaidschan, Bulgarien, der Volksrepublik China (Guangdong, Guizhou, Jiangsu und Tibet) und in Venezuela. Zudem konnte gediegen Aluminium in Gesteinsproben vom Mond, das die Sonde der Luna-20-Mission vom Krater Apollonius mitbrachte, nachgewiesen werden.

Aufgrund der extremen Seltenheit hat gediegen Aluminium zwar keine Bedeutung als Rohstoffquelle, als gediegen vorkommendes Element ist Aluminium dennoch von der International Mineralogical Association (IMA) als eigenständiges Mineral anerkannt (Interne Eingangs-Nr. der IMA: 1980-085a). Gemäß der Systematik der Minerale nach Strunz (9. Auflage) wird Aluminium unter der System-Nummer 1.AA.05 (Elemente – Metalle und intermetallische Verbindungen – Kupfer-Cupalit-Familie – Kupfergruppe) eingeordnet. In der veralteten 8. Auflage der Strunz’schen Mineralsystematik ist Aluminium dagegen noch nicht aufgeführt. Nur im zuletzt 2018 aktualisierten „Lapis-Mineralienverzeichnis“, das sich im Aufbau noch nach dieser alten Form der Systematik von Karl Hugo Strunz richtet, erhielt das Mineral die System- und Mineral-Nr. I/A.03-005. Die vorwiegend im englischsprachigen Raum verwendete Systematik der Minerale nach Dana führt das Element-Mineral unter der System-Nr. 01.01.01.05.

In der Natur kommt gediegen Aluminium meist in Form körniger Mineral-Aggregate und Mikronuggets vor, kann in seltenen Fällen aber auch tafelige Kristalle bis etwa einen Millimeter Größe entwickeln. Frische Mineralproben sind von metallisch glänzender, silberweißer Farbe. An der Luft dunkeln die Oberflächen durch Oxidierung nach und wirken grau. Auf der Strichtafel hinterlässt Aluminium einen dunkelgrauen Strich.

Je nach Fundort enthält Aluminium oft Fremdbeimengungen von anderen Metallen (Cu, Zn, Sn, Pb, Cd, Fe, Sb) oder tritt eingewachsen in beziehungsweise mikrokristallin verwachsen mit Hämatit, Ilmenit, Magnetit, Moissanit und Pyrit beziehungsweise Jarosit auf.

Typmaterial, das heißt Mineralproben aus der Typlokalität des Minerals, wird im Geologischen Museum der Akademie der Wissenschaften in Jakutsk in der russischen Teilrepublik Sacha (Jakutien) aufbewahrt.

Primäraluminium (Herstellung aus Mineralien)

 

Ca. zwei Drittel des europäischen Aluminiumbedarfs wird durch Primäraluminium gedeckt. Primäraluminium wird elektrolytisch aus einer Aluminiumoxidschmelze hergestellt. Da diese aus den auf der Erde allgegenwärtigen Alumosilicaten nur schwer isoliert werden kann, erfolgt die großtechnische Gewinnung aus dem relativ seltenen, silikatärmeren Bauxit. Zur Gewinnung von reinem Aluminiumoxid aus Silikaten gibt es seit langem Vorschläge, deren Anwendung allerdings nicht wirtschaftlich möglich ist.

Das im Erz 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, und wird dann überwiegend in Wirbelschichtanlagen (aber auch in Drehrohröfen) zu Aluminiumoxid (Al₂O₃) gebrannt.

Der trockene Aufschluss (Deville-Verfahren) hat dagegen keine Bedeutung mehr. Dabei wurde feinstgemahlenes, ungereinigtes Bauxit zusammen mit Soda und Koks in Drehrohröfen bei rund 1200 °C kalziniert und das entstehende Natriumaluminat anschließend mit Natronlauge gelöst.

 

Die Herstellung des Metalls erfolgt in Aluminiumhütten durch Schmelzflusselektrolyse von Aluminiumoxid nach dem Kryolith-Tonerde-Verfahren (Hall-Héroult-Prozess). Zur Herabsetzung des Schmelzpunktes wird das Aluminiumoxid zusammen mit Kryolith geschmolzen (Eutektikum bei 963 °C). Bei der Elektrolyse entsteht an der den Boden des Gefäßes bildenden Kathode Aluminium und an der Anode Sauerstoff, der mit dem Graphit (Kohlenstoff) der Anode zu Kohlenstoffdioxid und Kohlenstoffmonoxid reagiert. Die Graphitblöcke, welche die Anode bilden, brennen so langsam ab und werden von Zeit zu Zeit ersetzt. Die Graphitkathode (Gefäßboden) ist gegenüber Aluminium inert. Das sich am Boden sammelnde flüssige Aluminium wird mit einem Saugrohr abgesaugt.

 

 

Aufgrund der hohen Bindungsenergie durch die Dreiwertigkeit des Aluminiums und der geringen Atommasse ist der Prozess recht energieaufwendig. Pro produziertem Kilogramm Rohaluminium müssen 12,9 bis 17,7 Kilowattstunden an elektrischer Energie eingesetzt werden. Eine Reduzierung des Strombedarfs ist nur noch in geringem Ausmaß möglich, weil die Potentiale für energetische Optimierungen weitgehend erschlossen sind. Aluminiumherstellung ist daher nur wirtschaftlich, wenn billige Elektroenergie zur Verfügung steht.

Bauxit-Produktion in Tausend Tonnen

Rang	Land	Produktion 2019	Produktion 2020	Reserven
1	Australien  Australien	105.000	104.000	5.300.000
2	China Volksrepublik  Volksrepublik China	70.000	92.700	1.000.000
3	Guinea-a  Guinea	67.000	86.000	7.400.000
4	Brasilien  Brasilien (Aluminiumindustrie in Brasilien)	34.000	31.000	2.700.000
5	Indonesien  Indonesien	17.000	20.800	1.200.000
6	Indien  Indien	23.000	20.200	660.000
7	Jamaika  Jamaika	9.020	7.550	2.000.000
8	Russland  Russland	5.570	5.570	500.000
9	Kasachstan  Kasachstan	5.800	5.000	160.000
10	Saudi-Arabien  Saudi-Arabien	4.050	4.310	180.000
11	Vietnam  Vietnam	4.000	3.500	5.800.000

Die nachfolgende Tabelle zeigt die Aluminiumproduktion 2019 und 2020 und die maximal mögliche Produktionsleistung der Hüttenwerke nach Ländern.

Angaben in Tausend Tonnen

Rang	Land	Produktion 2019	Produktion 2020	Kapazität
1	China Volksrepublik  Volksrepublik China	35.000	37.100	41.300
2	Indien  Indien	3.640	3.560	4.060
3	Russland  Russland	3.640	3.640	43.020
4	Kanada  Kanada	2.850	3.120	3.270
5	Vereinigte Arabische Emirate  Vereinigte Arabische Emirate	2.600	2.520	2.700
6	Australien  Australien	1.570	1.580	1.720
7	Norwegen  Norwegen	1.400	1.330	1.430
8	Bahrain  Bahrain	1.370	1.550	1.550
9	Vereinigte Staaten  Vereinigte Staaten	1.093	1.012	1.790
10	Island  Island	845	860	890

Sekundäraluminium (Herstellung durch Aluminium-Recycling)

Um Aluminium zu recyceln, werden Aluminiumschrotte und „Krätzen“ in Trommelöfen eingeschmolzen. „Krätze“ ist ein Abfallprodukt bei der Verarbeitung von Aluminium und bei der Herstellung von Sekundäraluminium. Krätze ist ein Gemisch aus Aluminiummetall und feinkörnigen Oxidpartikeln und wird beim Schmelzen von Aluminium bei 800 °C aus dem Aluminiumoxid der normalen Aluminiumkorrosion und als Oxidationsprodukt (Oxidhaut) beim Kontakt von flüssigem Aluminium mit Luftsauerstoff gebildet. Damit beim Aluminiumgießen keine Aluminiumoxidpartikel in das Gussteil gelangen, wird die Krätze durch Kratzvorrichtungen von der Oberfläche des Metallbads abgezogen.

Um die Bildung von Krätze zu verhindern, wird die Oberfläche der Schmelze mit Halogenidsalzen (rund zwei Drittel NaCl, ein Drittel KCl und geringe Mengen Calciumfluorid CaF₂) abgedeckt (siehe dazu Aluminiumrecycling). Dabei entsteht als Nebenprodukt Salzschlacke, die noch ca. 10 Prozent Aluminium enthält, die, entsprechend aufbereitet, als Rohstoff für mineralische Glasfasern dient.

Allerdings wird an der Herstellung von Sekundäraluminium kritisiert, dass beim Recycling pro Tonne jeweils 300 bis 500 Kilogramm Salzschlacke, verunreinigt mit Dioxinen und Metallen, entstehen; deren mögliche Wiederverwertung ist aber Stand der Technik.

Physikalische Eigenschaften

 

Mikrostruktur

 

Aluminium erstarrt ausschließlich in einem kubisch flächenzentrierten Kristallgitter mit der Raumgruppe Fm3m (Raumgruppen-Nr. 225)Vorlage:Raumgruppe/225. Der Gitterparameter beträgt bei Reinaluminium 0,4049 nm (entspricht 4,05 Å) bei 4 Formeleinheiten pro Elementarzelle.

Es handelt sich hierbei um eine kubisch dichteste Kugelpackung mit insgesamt 12 Gleitsystemen, wodurch einzelne Gitterebenen unter Spannungseinwirkung vergleichsweise leicht verschoben werden können. (Zum Vergleich: Das kubisch raumzentrierte Gitter ist keine dichteste Packung und die hexagonal dichteste Kugelpackung hat nur 4 Gleitsysteme). Die leichte Verschiebbarkeit der Gitterebenen ist die Voraussetzung für eine hohe Bruchdehnung und die plastische Verformbarkeit. Die gute plastische Verformbarkeit erleichtert Verarbeitungstechniken wie Walzen, Biegen, Pressen und Extrudieren.

Leerstellen kommen mit einer Dichte von 1,3 × 10⁻⁴ bei 500 °C vor, bei Raumtemperatur sind es nur noch 10⁻¹². Durch Abschrecken können größere Leerstellendichten bei Raumtemperatur vorkommen, was für einige Eigenschaften von Aluminiumwerkstoffen von Bedeutung ist, da die Leerstellen die Diffusion begünstigen. Durch Umformen bei Raumtemperatur kann die Leerstellendichte auf 10⁻⁴ erhöht werden. Die Versetzungs­dichte liegt bei 10⁻⁷, einem für Metalle typischen Bereich, und führt auch zur guten Umformbarkeit von Aluminium. Stapelfehler konnten bei Aluminium nicht nachgewiesen werden, was mit der hohen Stapelfehlerenergie von 103 bis 200 (10⁻⁷ J/cm²) erklärt wird. Dies führt dazu, dass die Festigkeitssteigerung beim Kaltwalzen und -schmieden nur gering ausfällt und manche Aluminiumwerkstoffe sogar anschließend zur Entfestigung neigen.

Dichte

 

 

Mit einer Dichte von 2,6989 g/cm³ (etwa ein Drittel von Stahl) ist Aluminium ein typisches Leichtmetall, was es als Werkstoff für den Leichtbau interessant macht. Die Dichte der Legierungen weicht meist nur um etwa +3 % bis −2 % ab. Nur spezielle Legierungen mit Lithium haben eine 15 % geringere Dichte. Aluminium zählt somit zu den leichtesten Werkstoffen, übertroffen nur noch von Magnesium.

Mechanische Eigenschaften

Aluminium ist ein relativ weiches und zähes Metall. Die wichtigsten mechanischen Kennwerte von Reinaluminium sind im Folgenden aufgelistet:

• Zugfestigkeit: 39–117 N/mm² abhängig von mechanischer Behandlung und Reinheitsgrad
• Bruchdehnung: 45–60 % abhängig von mechanischer Behandlung und Reinheitsgrad
• Elastizitätsmodul: 70 000 N/mm² auch E-Modul genannt
• Schubmodul: 25 000 N/mm² auch G-Modul genannt
• Poissonzahl: 0,35 auch Querkontraktionszahl genannt

Die Zugfestigkeit von Reinaluminium ist relativ gering, wobei die Bruchdehnung einen relativ hohen Wert aufweist. Zum Vergleich: Die Zugfestigkeit der Aluminium-Legierungen liegt dagegen bei bis zu 710 N/mm² (Legierung 7068).

Thermische Eigenschaften

Die Schmelztemperatur liegt bei 660,2 °C und die Siedetemperatur bei 2470 °C. Die Schmelztemperatur ist deutlich niedriger als die von Kupfer (1084,6 °C), Gusseisen (1147 °C) und Eisen (1538 °C), was Aluminium zu einem guten Gusswerkstoff macht.

Bei einer Sprungtemperatur von 1,2 K wird reines Aluminium supraleitend.

Die Wärmeleitfähigkeit liegt mit 235 W/(K m) relativ hoch. Die Wärmeleitfähigkeit von Kupfer liegt zwar etwa doppelt so hoch, dafür ist die Dichte etwa viermal größer, weshalb Aluminium für Wärmetauscher in Fahrzeugen genutzt wird. Der Wärmeausdehnungskoeffizient ist durch den recht niedrigen Schmelzpunkt mit 23,1 µm·m⁻¹·K⁻¹ recht hoch.

Die Schwindung, also die Volumenabnahme beim Erstarren liegt bei 7,1 %.

Elektrische Eigenschaften

Da thermische und elektrische Leitfähigkeit bei Metallen von denselben Mechanismen dominiert werden, ist Aluminium mit ${\displaystyle 37{,}67\,\mathrm {m/\Omega mm^{2}} }$  auch ein sehr guter elektrischer Leiter. In der Rangfolge der Elemente mit der größten spezifischen Leitfähigkeit steht Aluminium wie bei der Wärmeleitfähigkeit hinter Silber, Kupfer und Gold an vierter Stelle. Durch die Kombination von hohem spezifischem Leitwert, geringer Dichte, hoher Verfügbarkeit und (im Vergleich zu anderen Materialien) geringen Kosten ist Aluminium in der Elektrotechnik – speziell in der Energietechnik, wo große Leiterquerschnitte benötigt werden – neben Kupfer zum wichtigsten Leitermaterial geworden.

Magnetische Eigenschaften

Aluminium ist paramagnetisch, wird also von Magneten angezogen, der Effekt ist jedoch sehr schwach ausgeprägt. Die Magnetische Suszeptibilität liegt bei Raumtemperatur bei 0,62 × 10⁻⁹ m³/kg, womit Aluminium praktisch gesehen unmagnetisch ist.

Chemische Eigenschaften

 

Das reine Leichtmetall Aluminium hat aufgrund einer sich sehr schnell an der Luft bildenden dünnen Oxidschicht ein stumpfes, silbergraues Aussehen. Diese passivierende Oxidschicht macht reines Aluminium bei pH-Werten von 4 bis 8,5 korrosionsbeständig (siehe Abbildung). Die Oxidschicht ist etwa 0,05 µm dick. Sie schützt vor weiterer Oxidation, ist aber bei der elektrischen Kontaktierung und beim Löten hinderlich. Durch elektrische Oxidation (Eloxieren) oder auf chemischem Weg kann eine 5 bis 25 µm dicke Schicht zum verbesserten Korrosionsschutz erzeugt werden.

Die Oxidschicht kann mittels Komplexbildungsreaktionen aufgelöst werden.

Aluminium geht in neutraler chloridischer Lösung einen sehr stabilen und wasserlöslichen Neutralkomplex ein. Die folgende Reaktionsgleichung veranschaulicht dies:

${\displaystyle \mathrm {Al_{2}O_{3}(s)+2\ Cl^{-}(aq)+3\ H_{2}O(l)\longrightarrow 2\ [Al(OH)_{2}Cl](aq)+2\ OH^{-}(aq)} }$ 

Dies geschieht vorzugsweise an Stellen, wo die Oxidschicht des Aluminiums bereits geschädigt ist. Es kommt dort zu Lochfraßkorrosion: Löcher entstehen. Kann die chloridische Lösung dann an die freie Metalloberfläche treten, so laufen andere Reaktionen ab. Aluminium-Atome können unter Komplexierung oxidiert werden:

${\displaystyle \mathrm {Al(s)+4\ H_{2}O(l)+Cl^{-}(aq)\longrightarrow [Al(OH)_{2}Cl](aq)+3\ e^{-}+2\ H_{3}O^{+}(aq)} }$ 

Liegen in der Lösung Ionen eines edleren Metalls (→elektrochemische Spannungsreihe) vor, so werden sie reduziert und am Aluminium abgeschieden. Auf diesem Prinzip basiert die Reduktion von Silberionen, die auf der Oberfläche von angelaufenem Silber als Silbersulfid vorliegen, hin zu Silber.

Aluminium reagiert heftig mit wässriger Natriumhydroxidlösung (NaOH) (und etwas weniger heftig mit wässriger Natriumcarbonatlösung) unter Bildung von Wasserstoff. Diese Reaktion wird in chemischen Rohrreinigungsmitteln genutzt. Die Reaktion von Aluminium mit NaOH läuft in zwei Schritten ab: der Reaktion mit Wasser und die Komplexierung des Hydroxids zu Natriumaluminat.

Bei der Reaktion mit Wasser

${\displaystyle {\ce {2 Al + 6 H2O -> 2 Al(OH)3 + 3 H2}}}$ 

entsteht zunächst Aluminiumhydroxid.

In der Regel wird anschließend die Oberfläche getrocknet; dabei wird das Hydroxid in das Oxid umgewandelt:

${\displaystyle {\ce {2 Al(OH)3 -> Al2O3 + 3 H2O}}}$ 

Dies passiert aber nicht bei der Reaktion von Aluminium in wässriger Natronlauge.

Nun folgt der 2. Schritt, die Komplexierung des Hydroxids zu Natriumaluminat:

${\displaystyle \mathrm {Al(OH)_{3}+Na^{+}+OH^{-}\ \longrightarrow \ Na^{+}+Al(OH)_{4}^{-}} }$ 

Durch die Komplexierung wird das gallertartige Hydroxid wasserlöslich und kann von der Metalloberfläche abtransportiert werden. Dadurch ist die Aluminiumoberfläche nicht mehr vor dem weiteren Angriff des Wassers geschützt und Schritt 1 läuft wieder ab.

Mit dieser Methode lassen sich – ebenso wie bei der Reaktion von Aluminium mit Säuren – pro zwei Mol Aluminium drei Mol Wasserstoffgas herstellen.

${\displaystyle {\ce {2 Al + 6 HCl -> 2 AlCl3 + 3 H2}}}$ 

Aluminium reagiert bei Zimmertemperatur mit Brom; hierbei entstehen Flammen. Das entstehende Aluminiumbromid reagiert mit Wasser unter Bildung von Aluminiumhydroxid und Bromwasserstoffsäure.

${\displaystyle {\ce {AlBr3 + 3 H2O -> Al(OH)3 + 3 HBr}}}$ 

Quecksilber und Aluminium bilden Aluminiumamalgam. Wenn Quecksilber direkt mit Aluminium zusammenkommt, d. h., wenn die Aluminiumoxidschicht an dieser Stelle mechanisch zerstört wird, frisst Quecksilber Löcher in das Aluminium; unter Wasser wächst dann darüber Aluminiumoxid in Gestalt eines kleinen Blumenkohls. Quecksilber wird in der Luftfahrt deshalb als Gefahrgut und „ätzende Flüssigkeit“ gegenüber Aluminiumwerkstoffen eingestuft.

Mit Salzsäure reagiert Aluminium sehr heftig unter Wasserstoffentwicklung. Von Schwefelsäure wird es langsam aufgelöst. In Salpetersäure wird es passiviert.

In Pulverform (Partikelgröße kleiner 500 µm) ist Aluminium vor allem dann, wenn es nicht phlegmatisiert ist, wegen seiner großen Oberfläche sehr reaktiv. Aluminium reagiert dann mit Wasser unter Abgabe von Wasserstoff zu Aluminiumhydroxid. Feinstes, nicht phlegmatisiertes Aluminiumpulver wird auch als Pyroschliff bezeichnet. Nicht phlegmatisierter Aluminiumstaub ist explosionsgefährdet und größere Mengen können sich bei Luftkontakt selbst entzünden. Die Verbrennungsenthalpie beträgt dabei 823,95 kJ·mol⁻¹.

${\displaystyle {\ce {4 Al + 3 O2 -> 2 Al2O3}}}$ 

Zum Löschen von brennendem Aluminiumstaub darf kein Wasser (Knallgasbildung), Kohlendioxid, Stickstoff und keine Löschpulver der Brandklassen A, B oder C eingesetzt werden. Geeignete Feuerlöschmittel sind Löschpulver der Brandklasse D, trockener Sand und Zement, trockene Abdecksalze, trockene rostfreie Graugussspäne und poröses Hohlglasgranulat wie Pyrobubbles.

In der Natur kommt ausschließlich das Isotop ²⁷Al vor; Aluminium gehört damit zu den Reinelementen. Dieses Isotop, das stabil ist und im Kern 14 Neutronen und 13 Protonen enthält, absorbiert keine Neutronen, weshalb Aluminium in Kernreaktoren genutzt wird. Alle anderen Isotope werden künstlich erzeugt und sind radioaktiv. Das stabilste dieser Isotope ist ²⁶Al mit einer Halbwertszeit von einer 717.000 Jahren. Durch Elektroneneinfang oder Beta-Zerfall entsteht daraus ²⁶Mg, durch Einfangen eines Neutrons und anschließenden Gamma-Zerfall ²⁷Al. Die Isotope ²⁴Al bis ²⁹Al (außer ²⁶Al und ²⁷Al) haben Halbwertszeiten zwischen wenigen Sekunden und einigen hundert Sekunden. ²³Al zerfällt mit einer Halbwertszeit von nur 0,13 Sekunden.

²⁶Aluminium

²⁶Aluminium (²⁶Al, Aluminium-26, Al-26) ist ein Radionuklid des chemischen Elements Aluminium, das entweder durch Beta-Plus-Zerfall oder durch Elektroneneinfang zu stabilem ²⁶Magnesium zerfällt. Die Halbwertzeit von ²⁶Al beträgt 717.000 Jahre. Dies ist für das Isotop zwar bei weitem zu kurz, um als primordiales Nuklid vorliegen zu können, doch entsteht eine geringe Menge davon bei Kollisionen von Atomen mit in kosmischer Strahlung enthaltenen Protonen.

Beim Zerfall von ²⁶Aluminium entstehen außerdem Gammastrahlung und Röntgenstrahlung. Wegen seiner Radioaktivität wird es üblicherweise hinter mindestens 5 cm dicken Bleischichten gelagert.

Verwendung

²⁶Aluminium wird bei der Altersberechnung von Meteoriten und Kometen verwendet. Es entsteht neben ¹⁰Beryllium auf außerirdischen Objekten in beträchtlichen Mengen bei der nuklearen Spallation von Silicium. Nach dem Sturz auf die Erde endet die Produktion von ²⁶Al und seine relative Häufigkeit im Verhältnis zu anderen kosmogenen Nukliden nimmt deshalb ab. ²⁶Aluminium kann auf der Erde selbst nicht entstehen, weil die Erdatmosphäre die Interaktion von Silicium mit kosmischer Strahlung auf der Erdoberfläche und in der unteren Troposphäre verhindert. Infolgedessen kann der ²⁶Al-Anteil in einer Gesteinsprobe eines Meteoriten zur Berechnung des Datums, wann dieser auf die Erde stürzte, benützt werden.

Interstellares Vorkommen

 

Die aus dem Zerfall von Al-26 herrührende Gammastrahlung bei 1809 keV war die erste aus dem galaktischen Zentrum beobachtete Gammastrahlung, die von dem NASA-Weltraumteleskop High Energy Astronomy Observatory 3 im Jahre 1984 gemacht wurde.

Das Isotop entsteht hauptsächlich in Supernovae, wobei zahlreiche radioaktive Nukliden in das interstellare Medium hinausgeschleudert werden. Es wird angenommen, dass das Isotop kleinen planetarischen Körpern genügend Wärme liefert, um ihr Inneres zu verändern, wie es in den Frühgeschichten der Asteroiden Ceres und Vesta der Fall gewesen sein soll.

Unlegiertes Aluminium wird in unterschiedlichen Reinheitsgraden hergestellt:

• Reinaluminium mit einem Aluminiumgehalt von 99 % bis 99,9 %
• Reinstaluminium mit einem Aluminiumgehalt von mindestens 99,99 %

Beim Reinaluminium ist der Typ mit 99,5 % Al (Werkstoffbezeichnung EN AW-1050A oder Al99,5) am gebräuchlichsten. Hieraus lassen sich Tafeln, Stangen, Bleche, Rohre und Folien herstellen. Als Einsatzgebiete sind u. a. der Behälter- und Apparatebau insbesondere für die chemische Industrie und die Nahrungsmittelindustrie, Komponenten für die Elektrotechnik, Reflektoren für die Lichttechnik und Verpackungen zu nennen.

Für Reinstalluminium werden Fremdelemente wie Eisen und Silicium durch Raffination entfernt, wodurch vergleichsweise höhere Kosten entstehen. Die Bezeichnung ergibt sich aus dem Reinheitsgrad und einem zusätzlichen "R", also "Al99,99R" für 99,99 % reines Aluminium. Es sind Feinstdrähte, Beschichtungstargets und Folien im Handel, die oftmals zur Herstellung hochwertiger Oberflächen oder für Halbleiterkomponenten wie Kondensatorfolien und Stromkollektoren verwendet werden. Allgemein git, dass mit steigendem Reinheitsgrad die elektrische Leitfähigkeit, die Korrosionsbeständigkeit und das optische Reflexionsvermögen zunehmen, die Festigkeit hingegen abnimmt.

Aluminiumlegierungen sind Legierungen, die überwiegend aus Aluminium bestehen. Für andere Legierungen, die Aluminium enthalten, siehe Abschnitt #Weitere Anwendungen.

Aluminium kann mit zahlreichen Metallen legiert werden, um bestimmte Eigenschaften wie die Festigkeit zu steigern oder andere, ungewünschte Eigenschaften zu unterdrücken. Bei einigen hochfesten Legierungen ist die Bildung der schützenden Oxidschicht (Passivierung) stark gestört, wodurch die daraus gefertigten Bauteile teils korrosionsgefährdet sind, was eine zusätzliche Oberflächenbehandlung notwendig macht.

Es gibt Aluminiumknetlegierungen, die zur Weiterverarbeitung durch Walzen, Schmieden und Strangpressen gedacht sind, und Gusswerkstoffe. Diese werden in Gießereien verwendet.

Im Allgemeinen werden Aluminiumlegierungen in die zwei große Gruppen der Knet- und Gusslegierungen eingeteilt:

• Aluminiumgusslegierungen enthalten typisch Silicium als Hauptlegierungselement (AlSi), teilweise auch Kupfer oder Magnesium.
• Aluminiumknetlegierungen haben einen Anteil von etwa 75 % und werden weiter unterteilt nach dem Hauptlegierungselement(en) in
  • Aluminium-Kupfer-Legierungen (AlCu): Sie haben mittlere bis hohe Festigkeit, sind aushärtbar, aber korrosionsanfällig und schlecht schweißbar. Sie können Zusätze von Magnesium oder Mangan enthalten.
  • Aluminium-Mangan-Legierungen (AlMn): Sie haben geringe bis mittlere Festigkeit, sind korrosionsbeständig und gut zu verarbeiten.
  • Aluminium-Magnesium-Legierungen (AlMg, ohne AlMgSi): Sie haben mittlere Festigkeiten, sind nicht aushärtbar, korrosionsbeständig, gut umformbar und schweißbar. Die meisten Sorten enthalten zusätzlich noch Mangan (AlMg(Mn)).
  • Aluminium-Magnesium-Silicium-Legierungen (AlMgSi): Sie haben mittlere bis hohe Festigkeiten, sind gut zu bearbeiten durch Schweißen und Strangpressen, aushärtbar und korrosionsbeständig.
  • Aluminium-Zink-Magnesium-Legierungen (AlZnMg): Kupferfreie Sorten haben mittlere bis hohe Festigkeiten und sind gut schweißbar. Kupferhaltige Sorten (AlZnMg(Cu)) haben hohe Festigkeiten – im Falle 7075 über 500 MPa – sind nicht durch Schmelzschweißen, jedoch gut durch Zerspanen (Fräsen, Bohren) zu bearbeiten.
  • Sonderlegierungen, beispielsweise Aluminium-Lithium-Legierungen mit besonders geringer Dichte, oder Automatenlegierungen die besonders gut zerspanbar sind.

Außerdem wird unterschieden zwischen naturharten Legierungen – welche sich durch eine Wärmebehandlung nicht härten lassen – und aushärtbaren:

• Typische naturharte Aluminiumknetlegierungen sind: AlMg, AlMn, AlMgMn, AlSi
• Aushärtbare Knetlegierungen – Festigkeitssteigerung durch Ausscheidungshärtung von Legierungselementen bei einer zusätzlichen Alterungsglühung bei 150 bis 190 °C. Typische aushärtbare Aluminiumknetlegierungen sind: AlMgSi, AlCuMg, AlZnMg. Die erste hochfeste, aushärtbare Aluminiumlegierung AlCuMg bekam 1907 die Handelsbezeichnung Duraluminium, kurz „Dural“ genannt.

Aluminium ist nach Stahl der zweitwichtigste metallische Werkstoff. 2016 wurden weltweit 115 Mio. Tonnen produziert.

 

Der Aluminiumpreis bewegte sich am Weltmarkt seit 1980 um den Wert von 2000 Dollar pro Tonne (Reinheit von 99,7 %). Er ist jedoch relativ volatil, 2016 fiel er auf um die 1500 Dollar pro Tonne, während er 2017 wieder bei annähernd 2000 Dollar lag.

Im August 2020 verhängte die USA (Regierung Trump) 10 % Einfuhrzoll auf Aluminium aus Kanada, um die inländische Produktion zu schützen.

Infolge von Sanktionen im Ukraine-Krieg übersprang die Notierung [Ende März 2022] „zum zweiten Mal seit Ausbruch des Kriegs die Marke von 3.500 Dollar pro Tonne.“

Konstruktionswerkstoff allgemein

 

Aluminiumlegierungen besitzen eine hohe spezifische Festigkeit (d. h. Festigkeit bezogen auf die Dichte). Verglichen mit konventionellen Stählen sind Bauteile aus Aluminiumlegierungen bei gleicher Festigkeit etwa halb so schwer, weisen jedoch ein größeres Volumen auf. Deshalb wird es gern im Leichtbau verwendet, also dort, wo es auf geringe Masse ankommt, die zum Beispiel bei Transportmitteln zum geringeren Treibstoffverbrauch beiträgt, vor allem in der Luft- und Raumfahrt. Im Kraftfahrzeugbau gewann es aus diesem Grund an Bedeutung; hier standen früher der hohe Materialpreis, die schlechtere Schweißbarkeit sowie die problematische Dauerbruchfestigkeit und die Verformungseigenschaften bei Unfällen (geringes Energieaufnahmevermögen in der sogenannten Knautschzone) im Wege. Die Haube des Washington-Denkmals, ein 3 kg schweres Gussstück, galt bis 1884 als eines der größten Aluminiumwerkstücke. Beim Bau von kleinen und mittleren Schiffen und Booten wird die Korrosionsbeständigkeit von Aluminium gegenüber Salzwasser geschätzt. Der Fahrzeugbau (inklusive Schiffen, Flugzeugen und Schienenfahrzeugen) machte 2010 mit ca. 35 Prozent den größten Anteil an der weltweiten Verwendung von Aluminium aus.

Mit einigen Aluminiumlegierungen werden Festigkeiten erreicht, die denen von Stahl nur wenig nachstehen. Daher ist die Verwendung von Aluminiumlegierungen zur Gewichtsreduzierung überall dort angebracht, wo Materialkosten eine untergeordnete Rolle spielen. Insbesondere im Flugzeugbau und in der Weltraumtechnik sind sie weit verbreitet. Der größte Teil der Struktur heutiger Verkehrsflugzeuge wird aus Aluminiumblechen verschiedener Stärken und Legierungen genietet oder inzwischen auch verschweißt.

Fahrzeugbau

Bei Fahrzeugen spielt deren Masse eine Rolle: Je leichter ein Fahrzeug ist, desto geringer ist der Treibstoffverbrauch. In Deutschland werden knapp 50 % des Aluminiums im Fahrzeugbau verwendet (Stand: 2015).

Personenkraftwagen

Bei PKWs werden Aluminiumwerkstoffe verwendet für verschiedene Motor­komponenten – darunter der Motorblock, die Zylinderkolben für die spezielle Kolbenlegierungen existieren, die Zylinderköpfe – wo vor allem die geringe Wärmeausdehnung und Korrosionsanfäligkeit sowie die hohe Warmfestigkeit ausschlaggebend sind; zusammen mit der guten Gießbarkeit, da diese Komponenten üblicherweise gegossen werden. Weitere Anwendungen bei Fahrzeugen sind für Gehäuse von Getrieben, als Wärmeabschirmung und als Wärmetauscher – bei den letzten beiden in Form von Reinaluminium. Im Fahrwerk wird Aluminium genutzt als Schmiedeteile für Hinterachsen, Achsträger, Querlenker und Räder. In der Karosserie wird Aluminium verwendet für Türen, Motorhauben, Stoßfänger und Kotflügel, sowie in der Rohbaustruktur.

Nutzfahrzeuge

Bei Nutzfahrzeugen wird Aluminium angewandt für Bordwände, Ladebordwände, Aufbauten, zur Ladungssicherung, Druckluftbehälter, Treibstofftanks und als Unterbauschutz. Der Leichtbau mit Aluminium wird bei Nutzfahrzeugen stark durch die gesetzliche Maximallast pro Achse beeinflusst: Bei geringerem Fahrzeuggewicht ist eine höhere Nutzlast möglich.

Schienenfahrzeuge

Bei Schienenfahrzeugen wird ebenfalls Aluminium verwendet. Voraussetzung waren dafür zwei wichtige andere Entwicklungen: Bestimmte Schweißverfahren die für Aluminiumwerkstoffe geeignet sind (WIG-Schweißen / MIG-Schweißen) in den 1950ern und das Strangpressen von Großprofilen. Die Verwendung von Aluminiumlegierungen hat die gesamte Bauweise von Schienenfahrzeugen verändert. Bis etwa 1970 waren Konstruktionen aus Stahlrohren üblich, danach vermehrt verschweißte Profile aus Aluminiumlegierungen.

Flugzeuge

Bereits in der Anfangsphase der Luftfahrt wurden Aluminiumwerkstoffe genutzt, 1903 beispielsweise Magnalium für die Beschläge eines Flugzeuges, das noch größtenteils aus Holz, Draht und Tuch bestand. Das erste flugfähige Ganzmetallflugzeug stammt aus dem Jahre 1915, bestand allerdings aus Stahlblechen in Schalenbauweise. Die entscheidende Entwicklung zur Verwendung von Aluminium im Flugzeugbau stammt von 1906 von Alfred Wilm, der mit dem Duraluminium eine aushärtbare Aluminium-Kupfer-Legierung fand, die sehr hohe Festigkeiten aufweist und sich daher ausgezeichnet für den Leichtbau eignet. Genutzt werden für Flugzeuge AlCu und AlZnMg. Die Gesamtmasse von Flugzeugen geht zu 60 % auf Aluminium zurück. Die Verbindung der aus Blechen gestanzten, geschnittenen oder getriebenen, aus dem Vollen gefrästen oder aus Profilen bestehenden Werkstücke erfolgt meist durch Nieten, zum Teil inswischen auch durch Schweißen.

Fahrräder

Bei Sport- und Alltagsrädern, hat Aluminium bei vielen Bauteilen Stahl abgelöst. Bei Felgen gab es im Rennsport auch Holzfelgen, bevor sich Alufelgen durchsetzten – diese sind griffiger für Bremsbacken, verschleißen jedoch dabei. Alurahmenrohre wurden zuerst – um 1970 – mit Epoxidkleber gefügt, später geschweißt. Bei Gepäcksträgern und Seitenständern kommt Alu als Draht, Guss und Rohr vor. Lenker, Vorbau, Bremsgriffe, Kurbeln und Ketten-Schaltwerk sind seit langem typisch aus Alu. Schutzbleche sind häufig aus kunststoffumhülltem Alu.

Elektrotechnik

Elektrische Leitungen

 

Aluminium ist ein guter elektrischer Leiter. Es weist nach Silber, Kupfer und Gold die vierthöchste elektrische Leitfähigkeit aller Metalle auf. Ein Leiter aus Aluminium hat bei gegebenem elektrischen Widerstand eine kleinere Masse, aber ein größeres Volumen als ein Leiter aus Kupfer. Daher wird meistens dann Kupfer als elektrischer Leiter verwendet, wenn das Volumen eine dominante Rolle spielt, wie bei den Wicklungen in Transformatoren. Aluminium hat dann als elektrischer Leiter Vorteile, wenn das Gewicht eine wesentliche Rolle spielt, beispielsweise bei den Leiterseilen von Freileitungen. Auf Grund der Gewichtsreduktion werden in Flugzeugen Aluminiumkabel verwendet.

Aluminium wird unter anderem zu Stromschienen in Umspannwerken und zu stromführenden Gussteilen verarbeitet. Für Elektroinstallationen gibt es kupferkaschierte Aluminiumkabel, der Kupferüberzug ist zur Verbesserung der Kontaktgabe. In diesen Anwendungsbereichen sind primär Rohstoffpreise entscheidend, da Aluminium preisgünstiger als Kupfer ist. Für Oberleitungen bei elektrischen Bahnen ist es dagegen aufgrund seiner schlechten Kontakt- und Gleiteigenschaften ungeeignet, in diesem Bereich wird trotz des höheren Gewichts primär Kupfer eingesetzt.

Beim Kontaktieren unter Druck ist Aluminium problematisch, da es zum Kriechen 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 aufgrund sich lösender Kontakte kommen. Crimpverbindungen mit passenden Hülsen und Werkzeugen sind jedoch sicher. Als Zwischenlage zwischen Kupfer und Aluminium können Verbindungsstücke aus Cupal die Kontaktprobleme vermeiden.

Hervorzuheben ist das geringe Absinken der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit von Aluminium bei Zusatz von Legierungsbestandteilen, wohingegen Kupfer bei Verunreinigungen eine deutliche Verringerung der Leitfähigkeit zeigt.

Elektronik

 

Die Elektronikindustrie setzt Aluminium aufgrund der guten Verarbeitbarkeit und der guten elektrischen und Wärme-Leitfähigkeit ein.

In integrierten Schaltkreisen wurde bis in die 2000er Jahre ausschließlich Aluminium als Leiterbahnmaterial eingesetzt. Bis in die 1980er Jahre wurde es als Material für die Steuerelektrode (Gate) von Feldeffekttransistoren mit Metall-Isolator-Halbleiter-Struktur (MOSFET beziehungsweise MOS-FET) verwendet. Neben dem geringen spezifischen Widerstand sind für die Verwendung die gute Haftung auf und geringe Diffusion in Siliciumoxiden (Isolationsmaterial zwischen den Leiterbahnen) sowie die einfache Strukturierbarkeit mithilfe von Trockenätzen ausschlaggebend. Seit Anfang der 2000er Jahre wird Aluminium jedoch zunehmend durch Kupfer als Leiterbahnmaterial ersetzt, auch wenn dafür aufwendigere Strukturierungsverfahren (vgl. Damascene- und Dual-Damascene-Prozess) und Diffusionsbarrieren notwendig sind. Der höheren Fertigungsaufwand wird durch den geringeren spezifischen Widerstand, der im Fall von kleinen Strukturen bei Aluminium viel früher signifikant ansteigt und anderen Eigenschaften (Elektromigrationverhalten) überwogen und die Aluminium-Prozesse konnte die gestiegenen Anforderungen (Taktfrequenz, Verlustleistung) in mit hohen Frequenzen arbeitenden Schaltkreisen nicht mehr genügen.

Aluminium wird jedoch weiterhin in mikroelektronischen Produkten verwendet, so wird es wegen seiner guten Kontaktierbarkeit durch andere Metalle in den letzten Leiterbahnebenen eingesetzt, um den elektrischen Kontakt zu den bei der Flip-Chip-Montage eingesetzten Lotkügelchen herzustellen. Ähnlich verhält es sich bei Leistungshalbleitern, bei denen in der Regel alle Leiterbahnebenen aus Aluminium bestehen. Allgemein und insbesondere bei Leistungshalbleitern wird das Material für Bonddrähte (Verbindungsdrähte zwischen Chip und Gehäuseanschluss) verwendet.

Mit der Einführung der High-k+Metal-Gate-Technik hat Aluminium nach gut 25 Jahren Abwesenheit im Bereich des Gates an Bedeutung gewonnen und wird neben anderen als Material zur Einstellung der Austrittsarbeit eingesetzt.

Verpackung und Behälter

 

In der Verpackungsindustrie wird Aluminium zu Getränke- und Konservendosen sowie zu Aluminiumfolie verarbeitet. Dabei macht man sich die Eigenschaft der absoluten Barrierewirkung gegenüber Sauerstoff, Licht und anderen Umwelteinflüssen zunutze. Ausschlaggebend für die Verwendung von Aluminium als Verpackung ist nicht die geringe Dichte, sondern die gute Verarbeitbarkeit durch Walzen und die Ungiftigkeit. Dünne Folien werden in Stärken von sechs Mikrometern hergestellt und dann zumeist in Verbundsystemen eingesetzt, beispielsweise in Tetra Paks. Kunststofffolien können durch Bedampfen mit Aluminium mit einer dünnen Schicht versehen werden, welche dann eine hohe (aber nicht vollständige) Barrierefunktion aufweist. Grund dieser Barrierewirkung ist nicht das reine Aluminium, sondern die Passivschicht aus Böhmit. Wird diese verletzt, so kann Gas ungehindert durch den Werkstoff Aluminium strömen. Genutzt werden meist Reinaluminium, AlMn (Legierungen mit Mangan) und AlMg (Legierungen mit Magnesium).

Aus Aluminium werden Kochtöpfe und andere Küchengeräte, wie die klassische italienische Espressokanne, sowie Reise- und Militär-Geschirr hergestellt. Aluminium wird für eine Vielzahl von Behältern und Gehäusen verarbeitet, da es sich gut durch Umformen bearbeiten lässt. Gegenstände aus Aluminium werden häufig durch eine Eloxalschicht vor Oxidation und Abrieb geschützt.

Druckgasflaschen aus Aluminium sind eher selten, denn Taucher brauchen Ballast und im Bereich Feuerwehr wurden Leichtstahlflaschen durch solche aus Faserverbund ersetzt, zunehmend ohne Alu-Liner.

 

2017 entfielen 17 % der europäischen Aluminiumverwendung auf Verpackungen.

Optik und Lichttechnik

 

Aluminium wird aufgrund seines hohen Reflexionsgrades als Spiegelbeschichtung von Oberflächenspiegeln, unter anderem in Scannern, Kraftfahrzeug-Scheinwerfern und Spiegelreflexkameras aber auch in der Infrarotmesstechnik eingesetzt. Es reflektiert im Gegensatz zu Silber Ultraviolettstrahlung. Aluminium-Spiegelschichten werden meist durch eine Schutzschicht vor Korrosion und Kratzern geschützt.

Architektur und Bauwesen

Betonherstellung

Aluminiumpulver und Aluminiumpasten werden zur Herstellung von Porenbeton eingesetzt. Man verwendet Verbindungen wie Aluminiumhydroxysulfat, Aluminiumdihydroxyformiat oder amorphes Aluminiumhydroxid als alkalifreie Spritzbetonbeschleuniger.

Konstruktions- und Funktionswerkstoff

Aluminium wird als Konstruktionswerkstoff insbesondere für Leichtbaukonstruktionen und als Funktionswerkstoff zur Fertigung von dekorativen und korrosionsbeständigen Bauteilen verwendet. Neben der Witterungsbeständigkeit ist vor allem die einfache Verarbeitbarkeit von Vorteil, insbesondere bei handwerklicher Fertigung.

Das Baugewerbe ist der Hauptabnehmer für Aluminiumprofile. Genutzt wird Aluminium hauptsächlich für Fensterrahmen, Türen und Tragstruktur sowie Verkleidung von Vorhangfassaden. Bekannt ist die Fassade des Imperial War Museums in Manchester. Für Aussenanwendungen werden oft korrosionsbeständige Aluminium-Mangan-Legierungen eingesetzt.

Aluminiumheizkörper werden auch zur Gebäudebeheizung verwendet, da Aluminium ein geringes Gewicht hat und in Feucht-Räumen nicht rostet. Zu beachten ist, dass Heizungswasser laut VDI 2035 bereits einen pH-Wert von mindestens 8,2 haben soll. Wenn eine zusätzliche Eigen-Alkalisierung auftritt Einsatz von Aluminium-Heizkörpern nicht unkritisch, da pH-Werte über 8,5 zur Korrosion von Aluminium führen können.

Im konstruktiven Ingenieurbau werden Legierungen mit höherer Festigkeit genutzt, darunter AlMg und AlSi. Selten wird Aluminium auch im Brückenbau eingesetzt, wo sonst der Stahlbau vorherrscht.

Bleche und Verbundplatten aus Aluminiumlegierungen werden im Brandschutz als 'nicht brennbar' (Brandschutzklassen A1/A2 nach EN13501) bis 'normal entflammbar' (Brandschutzklasse B2 nach DIN4102; D, E, F nach EN13501) eingestuft. Ein Wohnungsbrand entwickelt im Zustand des Vollbrands 1000 °C. Bereits zwischen 600 °C und 660 °C schmelzen Aluminiumlegierungen.

•  
  Das Imperial War Museum von Außen
•  
  Dachkonstruktion aus Aluminium beim Imperial War Museum
•  
  Aluminiumblech, punktuell über 600 °C erhitzt.

Weitere Anwendungen

In der Raketentechnik enthält der Treibstoff von Feststoffraketen bis zu 30 Prozent Aluminiumpulver, das bei der Verbrennung viel Energie freisetzt. Aluminium wird in Feuerwerken (s. a. Pyrotechnik) verwendet, wo es je nach Körnung und Mischung für farbige Effekte sorgt. Auch in Knallsätzen findet es oft Verwendung.

Bei der Aluminothermie wird Aluminium zur Gewinnung anderer Metalle und Halbmetalle verwendet, indem das Aluminium zur Reduktion der Oxide genutzt wird. Ein wichtiges Verfahren der Aluminothermie ist die Thermitreaktion, bei der Aluminium mit Eisen(III)-oxid umgesetzt wird. Bei dieser stark exothermen Reaktion bildet sich bei Temperaturen von bis zu 2500 °C flüssiges Eisen, das zum aluminothermischen Schweißen genutzt wird, beispielsweise zum Fügen von Bahngleisen. Für Laborzwecke wird auch die Reduktionswirkung von Aluminiumamalgam eingesetzt.

Aluminium dient als Pigment für Silber- und Goldbronze. Farbig eloxiert ist es Bestandteil vieler Dekorationsmaterialien wie Flitter, Geschenkbänder und Lametta. Zur Beschichtung von Oberflächen wird es beim Aluminieren verwendet.

Heizelemente von Bügeleisen und Kaffeemaschinen werden aus Aluminium geformt.

Bevor es gelang, Zinkblech durch Titanzusatz als so genanntes Titanzink verarbeitbar zu machen, wurde vielfach Aluminiumblech für Dachelemente wie Dachrinnen eingesetzt. Auch Fassadenpaneele, Dachschindeln und Wellblech werden aus Aluminium gefertigt. Siehe Leichtdach.

Wegen seiner hohen Wärmeleitfähigkeit wird Aluminium als Werkstoff für stranggepresste Kühlkörper und wärmeableitende Grundplatten verwendet. Aluminium-Elektrolytkondensatoren verbauen Aluminium als Elektrodenmaterial und Gehäusewerkstoff, weiters wird es zur Herstellung von Antennen und Hohlleitern verwendet.

Aluminium kommt in einigen Legierungen vor. Neben den Aluminiumlegierungen die überwiegend aus Aluminium bestehen, kommt es noch vor in den Kupferlegierungen Aluminiumbronze, Aluminiummessing, Isabellin, zu etwa gleichen Teilen Al und Kupfer in der Devardaschen Legierung, als Hauptlegierungselement für Magnesiumlegierungen sowie in Alnico und Sendust, zwei Eisenlegierungen mit besonderen magnetischen Eigenschaften. In vielen Titanlegierungen kommt ebenfalls Aluminium vor, insbesondere in Ti-6Al-4V, der Sorte die etwa 50 % aller Titanlegierungen ausmacht. Dort ist Aluminium mit sechs Massenprozent enthalten.

Bei der Verarbeitung wird unterschieden, ob es sich um Gusslegierungen handelt oder um Knetlegierungen:

• Gusslegierungen werden in Gießereien verarbeitet und in Formen gegossen, die schon vollständig oder weitgehend der Form der Endprodukte entsprechen. Danach erfolgt eine Endbearbeitung durch Schleifen. Gusslegierungen werden häufig aus Schrott erschmolzen.
• Knetlegierungen werden in den Hüttenwerken zu Barren vergossen und anschließend dort gewalzt, um Platten, Bleche, Stangen und Folien herzustellen. Aus dicken Platten und anderen massiven Rohteilen werden durch Zerspanen (Fräsen, Bohren und Drehen) Einzelteile hergestellt. Andere massive Rohteile können durch Schmieden zu Einzelstücken verarbeitet werden oder durch Strangpressen zu Profilen. Letzteres kommt bei Aluminium besonders häufig vor. Bleche werden durch Stanzen, Biegen und Tiefziehen verarbeitet.

Danach werden die Einzelteile durch Schweißen, Nieten, Löten und ähnliche Verfahren verbunden.

Gießen

 

Das Gießen von Aluminium wird als Aluminiumguss bezeichnet. Es gehört aufgrund seines vergleichsweise geringen Schmelzpunktes von 660 °C (Gusseisen etwa 1150 °C, Stahl 1400 °C bis 1500 °C) und seiner guten Gießbarkeit zu den häufig in der Gießerei verwendeten Werkstoffen. AlSi, spezielle Gusslegierungen mit Silicium, haben sogar Schmelzpunkte um 577 °C. Der Massenanteil von Aluminium aller in Gießereien erzeugten Produkte beträgt etwa 11 % (Gusseisen 76 %, Stahlguss 9 %) und ist damit in der Gießerei das mit Abstand wichtigste Nichteisenmetall (NE-Metalle) noch vor Kupfer mit 1,5 %. Der Anteil am NE-Metallguss von Aluminium beträgt etwa 87 %. In Deutschland wurden 2011 etwa 840.000 Tonnen Aluminium in Gießereien verarbeitet; Etwa 76 % des Nichteisenmetall-Gusses wird von der Automobilbranche abgenommen.

Aus dem niedrigen Schmelzpunkt folgt ein geringer Energieeinsatz beim Schmelzvorgang sowie eine geringere Temperaturbelastung der Formen. Aluminium eignet sich grundsätzlich für alle Gussverfahren, insbesondere für Druckguss beziehungsweise Aluminiumdruckguss, mit denen kompliziert geformte Teile gefertigt werden können. In der Gießerei werden besondere Aluminiumgusslegierungen verarbeitet, größtenteils die Aluminium-Silicium-Legierungen. In den Hüttenwerken werden dagegen meist Knetlegierungen erzeugt, die zur Weiterbearbeitung durch Walzen, Schmieden und Fließpressen gedacht sind. Diese werden in den Hüttenwerken zu Barren (Blockguss) oder zu Rundbarren vergossen, die theoretisch endlos sein können (Strangguss). Seit den 1930er Jahren kommt der Strangguss vermehrt zum Einsatz. Dafür gibt es spezielle Anlagen die bis zu 96 Rundbarren gleichzeitig herstellen können mit Gießlängen zwischen 3 und 7 Metern teils bis zu 10 Metern. Die Durchmesser liegen bei 75 bis 700 mm. Bleche werden manchmal durch Gießen direkt auf eine Walze hergestellt, die die Schmelze kühlt. Das Rohblech wird danach direkt kaltgewalzt ohne Warmwalzen, was Kosten von bis zu 60 % spart.

Ein Mischverfahren aus Gießen und Schmieden ist Cobapress, welches speziell für Aluminium ausgelegt ist und häufig in der Automobilbranche genutzt wird.

Umformende Verfahren

Etwa 74 Prozent des Aluminiums wird durch Umformen bearbeitet. Hierzu zählt unter anderem das Walzen, Schmieden, Strangpressen und Biegen.

Rein- und Reinstaluminium lässt sich wegen der niedrigen Festigkeit gut umformen und verfestigt sich bei Kaltumformung, wobei große Formänderungen möglich sind. Die Verfestigung lässt sich durch Rekristallisationsglühen beseitigen. Knetlegierungen mit AlMg und AlMn erreichen ihre höhere Festigkeit durch die Legierungselemente und durch Kaltverformung. Die aushärtbaren Legierungen AlMgSi, AlZnMg, AlCuMg und AlZnMgCu scheiden bei Umformung festigkeitssteigernde Phasen aus; sie lassen sich relativ schwierig umformen.

Walzen

Gegossene Barren werden häufig durch Walzen weiterverarbeitet, entweder zu dicken Platten die anschließend durch Fräsen zu Endprodukten werden, zu Blechen die durch Stanzen und Biegen weiterverarbeitet werden oder zu Folien. Beim Walzen ändert sich die Mikrostruktur der Werkstoffe: Kleine kugelförmige Bestandteile die häufig nach dem Gießen vorliegen, werden plattgedrückt und in die Länge gezogen. Das Gefüge wird dadurch einerseits feiner und gleichmäßiger, andererseits aber auch Richtungsabhängig. Die Kapazität einer Aluminium-Warmwalzanlage liegt bei etwa 800.000 Tonnen pro Jahr. Verarbeitet werden Barren mit bis zu 30 Tonnen Masse. Sie haben Abmessungen von bis zu 8,7 Metern Länge, 2,2 Metern Breite und 60 cm Dicke. Noch größere Barren können technisch verarbeitet werden, die Gefügequalität nimmt dann aber ab. Nach dem Warmwalzen liegt der Werkstoff meist mit Dicken von etwa 20 bis 30 mm vor. Anschließend folgt das Kaltwalzen auf Enddicke. Kaltwalzwerke haben Kapazitäten von 300.000 bis 400.000 Jahrestonnen. Verbundwerkstoffe können durch Walzplattieren hergestellt werden. Dabei wird ein- oder zweiseitig eine Schicht aus einem anderen Werkstoff aufgebracht. Häufig wird auf korrosionsanfälliges Kernmaterial eine Schicht aus korrosionsbeständigem Reinaluminium aufgebracht.

Strangpressen

Aluminium lässt sich durch Strangpressen in komplizierte Konstruktionsprofile formen; hierin liegt ein großer Vorteil bei der Fertigung von Hohlprofilen (für Fensterrahmen, Stäbe, Balken), Kühlkörper­profilen oder in der Antennentechnik. Die Herstellung von Halbzeug oder Bauteilen geschieht aus Vormaterial wie Walzbarren, Blech oder Zylindern. Aluminiumlegierungen lassen sich deutlich besser strangpressen als andere Werkstoffe, weshalb ein großer Teil des Aluminiums mit diesem Verfahren verarbeitet wird. Dabei wird das Ausgangsmaterial durch ein hohles Werkzeug gepresst. Es entsteht Endlosmaterial das in der gewünschten Länge abgesägt wird. Es können auch komplizierte Querschnitte hergestellt werden, beispielsweise Hohlprofile oder welche mit Hinterschneidungen. Der Querschnitt ist allerdings über die Länge konstant. Mit hochfesten Legierungen sind große Mindestwanddicken erforderlich und das Pressen dauert lange, weshalb eher die mittelfesten, aushärtbaren Legierungen bevorzugt werden. Die Aushärtung wird meist direkt im Anschluss durchgeführt. Beim Strangpressen wird der Werkstoff auf Temperaturen von etwa 450 bis 500 °C erwärmt um die Umformbarkeit zu erhöhen, was gleichzeitig zum Lösungsglühen genutzt wird. Direkt nach dem Strangpressen wird das Werkstück durch Luft oder Wasser stark abgekühlt und so abgeschreckt, was zu höheren Festigkeiten führt.

Spanende Verfahren

 

Zum Zerspanen zählt das Drehen, Bohren und Fräsen. Aluminiumwerkstoffe sind gut spanbar. Ihre genauen Eigenschaften hängen jedoch von der Legierung und Gefügezustand ab. Zu beachten ist, dass die bei der Bearbeitung auftretenden Temperaturen schnell im Bereich des Schmelzpunktes liegen können. Bei gleichen Schnittparametern wie bei Stahl resultiert bei Aluminium allerdings eine geringere mechanische und thermische Belastung. Als Schneidstoff wird oft Hartmetall für untereutektische oder Diamant für die stark verschleißenden übereutektischen Legierungen verwendet. Auch Eloxalschichten erhöhen den Werkzeug-Verschleiß durch ihre Härte.

Die beim Schleifen und Polieren von Aluminium entstehenden Stäube sind brennbar und stellen unter Umständen ein Explosionsrisiko dar. Wenn Aluminiumstaub mit Wasser in Berührung kommt, bildet sich Wasserstoff, der in schlecht belüfteten Räumen ebenfalls explosionsfähige Gemische mit Luft bilden kann.

Schweißen und Löten

Grundsätzlich sind alle Aluminium-Werkstoffe zum Schweißen geeignet, wobei jedoch reines Aluminium zu Poren in der Schweißnaht neigt. Außerdem neigt die Aluminiumschmelze zu Reaktionen mit der Atmosphäre, weshalb fast immer unter Schutzgas geschweißt wird. Gut geeignet sind das MIG- und Plasmaschweißen sowie das WIG-Schweißen. Bei Letzterem wird bei Nutzung von Wechselstrom das Edelgas Argon als Schutzgas verwendet, und bei Gleichstrom Helium.

Für das Laserschweißen eignen sich sowohl Kohlendioxid- als auch Festkörperlaser, allerdings nicht für alle Legierungen. Wegen der hohen Wärmeleitfähigkeit erstarrt die Schmelze sehr schnell, sodass die Schweißnaht zu Poren und Rissen neigt. Das Widerstandspunktschweißen erfordert, verglichen mit Stahl, höhere elektrische Ströme und kürzere Schweißzeiten sowie teilweise spezielle Geräte, da die handelsüblichen Schweißgeräte für Stahl nicht dafür geeignet sind. Für das Elektronenstrahlschweißen eignen sich alle Legierungen, jedoch neigen Magnesium und Zinn zum Verdampfen während des Schweißvorgangs. Lichtbogenhandschweißen wird nur noch selten verwendet, meist zur Gussnachbesserung. Löten gestaltet sich wegen der sich bildenden Oxidschicht an Luft schwierig. Genutzt werden sowohl Hart- als auch Weichlöten mit speziellen Flussmitteln. Alternativ kann Aluminium ohne Flussmittel mit Ultraschall gelötet werden, dabei wird die Oxidschicht mechanisch während des Lötvorganges aufgebrochen.

Aluminium im menschlichen Körper

Aluminium gelangt durch die Nahrung und durch das Atmen in den menschlichen Körper, aber auch entsprechende kosmetische Produkte und Arzneimittel wie Antazida tragen zur Aufnahme bei. In der Luft sind etwa 0,005–0,18 µg Al pro Kubikmeter (µg/m³) enthalten, in Städten und Industriegebieten ist die Konzentration erhöht (0,4–8,0 µg/m³). In Trinkwasser kommen etwa 0,1 mg Al pro Liter (mg/l) vor, dieser Wert wird vereinzelt in manchen Städten auch überschritten (bis zu 1 mg/l). Aluminium ist kein essentielles Spurenelement und gilt für die menschliche Ernährung als entbehrlich. Im menschlichen Körper befinden sich durchschnittlich etwa 50 bis 150 Milligramm Aluminium. Diese verteilen sich zu ungefähr 50 Prozent auf das Lungengewebe, zu 25 Prozent auf die Weichteile und zu weiteren 25 Prozent auf die Knochen. Infolgedessen ist Aluminium ist normaler Bestandteil des menschlichen Körpers.

99 bis 99,9 Prozent der üblicherweise in Lebensmitteln aufgenommenen Menge von Aluminium (10 bis 40 mg pro Tag) werden unresorbiert über den Kot wieder ausgeschieden. Chelatbildner (Komplexbildner) wie Citronensäure können die Resorption auf 2 bis 3 Prozent steigern. Die Aufnahme von Aluminiumsalzen über den Magen-Darm-Trakt ist gering; sie variiert aber in Abhängigkeit von der chemischen Verbindung und ihrer Löslichkeit, dem pH-Wert und der Anwesenheit von Komplexbildnern. Man schätzt, dass 1 ‰ beziehungsweise 3 ‰ des in der Nahrung beziehungsweise im Trinkwasser erhaltenen Aluminiums im Magen-Darm-Trakt absorbiert werden.

Von dort gelangt es in zahlreiche Gewebe und ins Blut. Im Blut ist Al³⁺ überwiegend (zu etwa 80 %) an Transferrin gebunden. 16 Prozent liegen als [Al(PO₄)(OH)]⁻, 1,9 Prozent als Citrat-Komplex, 0,8 Prozent als Al(OH)₃ und 0,6 Prozent als [Al(OH)₄]⁻ vor. Das Blut Neugeborener enthält bereits Aluminiumionen, die aus dem maternalen Kreislauf stammen. Die Serumkonzentrationen von etwa 6–10 μg/l entspricht in etwa der von Erwachsenen. Durch das Blut gelangen wasserlösliche Aluminiumsalze auch in das Gehirn: Die Passage an der Blut-Hirn-Schranke geschieht durch Endozytose mittels Transferrin-Rezeptor und durch aktiven, ATP-abhängigen Transport des Citrates. Dies wurde tierexperimentell mittels radioaktiv markierten Aluminiums des Isotops ²⁶Al, das in der Natur nicht vorkommt, nachgewiesen.

Die Eliminierung von in den Organismus gelangten wasserlöslichen Aluminiumsalzen erfolgt innerhalb weniger Tage vorwiegend durch die Nieren über den Urin, weniger über den Kot. Die Halbwertszeit im Blut beträgt hierbei 8 Stunden. Bei Dialysepatienten mit einer eingeschränkten Nierenfunktion besteht daher ein erhöhtes Risiko einer Akkumulation im Körper (Gehirn, Knochen) mit toxischen Effekten, etwa Knochenerweichungen und Schäden des Zentralnervensystems; zusätzlich sind Dialysepatienten aufgrund für sie notwendiger pharmazeutischer Produkte (Phosphatbinder) einer höheren Aluminiumzufuhr ausgesetzt. Aluminium, das nicht über die Nieren ausgeschieden wird, gelangt in die Knochen. Dort wird es vergleichsweise sehr langsam eliminiert (Halbwertszeit mehrere Jahre), so dass man durch Modellschätzungen annimmt, dass etwa 1–2 % der resorbierten Dosis sich im Körper anhäufen. In einem Leben häufen sich etwa 35 bis 50 mg Aluminium im Körper an.

Pflanzen

Aluminium in Form verschiedener Salze (Phosphate, Silikate) ist Bestandteil vieler Pflanzen und Früchte, denn gelöste Al-Verbindungen werden durch Regen aus den Böden von den Pflanzen aufgenommen, bei Säurebelastung der Böden infolge sauren Regens ist dies vermehrt der Fall (siehe dazu Waldschäden).

Ein großer Teil des Bodens auf der Welt ist chemisch sauer. Liegt der pH-Wert unter 5,0, werden Al³⁺-Ionen von den Wurzeln der Pflanzen aufgenommen. Dies ist bei der Hälfte des bebaubaren Lands auf der Welt der Fall. Die Ionen schädigen insbesondere das Wurzelwachstum der Feinwurzeln. Wenn die Pflanze nicht Aluminium-tolerant ist, steht sie dann unter Stress. Zahlreiche Enzyme und signalübertragende Proteine sind betroffen; die Folgen der Vergiftung sind noch nicht vollständig bekannt. In sauren metallhaltigen Böden ist Al³⁺ das Ion mit dem größten Potenzial zur Schädigung. Von der Modellpflanze Arabidopsis sind Transgene bekannt, die deren Aluminium-Toleranz heraufsetzen und auch bei Kulturpflanzen sind tolerante Sorten bekannt.

Der saure Regen hat beispielsweise in Schweden in den 1960er Jahren die Seen übersäuert, wodurch mehr Al³⁺-Ionen in Lösung gingen und empfindliche Fische verendeten. In Norwegen wurde dieser Zusammenhang bei einem Forschungsprojekt in den 1970er Jahren festgestellt.

Bei pH-Werten über 5,0 ist Aluminium als polymeres Hydroxykation an der Oberfläche von Silicaten gebunden. Bei pH-Werten von 4,2 bis 5 steigt Anteil von mobilen Kationen.

Bei Erhöhung der Schwefelsäurekonzentration durch sauren Regen bildet sich Aluminiumhydroxysulfat:

${\displaystyle \mathrm {Al(OH)_{3}+\ H_{2}SO_{4}\rightarrow Al(OH)SO_{4}+2\ H_{2}O} }$ 

In Lebensmitteln

Die meisten Lebensmittel enthalten Aluminium in Spurenmengen. Unverarbeitete pflanzliche Lebensmittel enthalten durchschnittlich weniger als 5 mg/kg in der Frischmasse. Dabei streuen die Werte aufgrund unterschiedlicher Sorten, Anbaubedingungen und Herkunft in erheblichem Maße. So weisen beispielsweise Salat und Kakao deutlich höhere Durchschnittswerte auf. Zwischen 5 und 10 mg/kg finden sich in Brot, Kuchen, Backwaren, einer Vielzahl von mehlhaltigen Speisen, einigen Gemüsearten oder Würsten. Schwarzer Tee kann Gehalte von bis zu 1042 mg/kg in der Trockenmasse aufweisen. Jedoch ist dort das Aluminium an schlecht absorbierbaren Polyphenolen gebunden, so dass eine Aufnahme im Magen-Darm-Trakt erschwert wird. Einen hohen Aluminiumgehalt weisen Kräuter und Gewürze auf, beispielsweise Thymianblätter. Im europäischen Vergleich zeigen sich Schwankungen, was vermutlich auf eine unterschiedlich hohe Aluminiumgrundbelastung und Verwendung von aluminiumhaltigen Zusatzstoffen zurückzuführen ist.

Beim Kochen oder Aufbewahren in Aluminiumgeschirr oder in Alufolie kann es (außer bei sauren Lebensmitteln) nach einer Schätzung zu einer maximalen zusätzlichen Aufnahme von 3,5 mg/Tag/Person kommen. Bei sauren Lebensmitteln wie Sauerkraut oder Tomaten können aufgrund der Säurelöslichkeit wesentlich höhere Werte erreicht werden. Das Bundesinstitut für Risikobewertung (BfR) rät von der Zubereitung und Lagerung von insbesondere sauren und salzigen Lebensmitteln in unbeschichteten Aluminiumgefäßen oder Alufolie ab. Hohe Belastungen fallen beispielsweise dann an, wenn Fisch oder Fleischgerichten mit Zitrone oder anderen sauren Zutaten in Aluminiumschalen oder -folien angerichtet und über längere Zeit hoch erhitzt werden.

Trink- und Mineralwässer weisen mit durchschnittlich 0,2–0,4 mg/l im Gegensatz zur Nahrung geringe Gehalte auf und leisten somit einen kleinen Beitrag zur täglichen Aluminium-Aufnahme. Ein Liter Trinkwasser darf in Deutschland, Österreich und der Schweiz nicht mehr als 0,2 mg Aluminium enthalten.

Nach einer Schätzung nimmt der erwachsene Europäer im Durchschnitt zwischen 1,6 und 13 mg Aluminium pro Tag über die Nahrung auf. Dies entspricht einer wöchentlichen Aufnahme von 0,2 bis 1,5 mg Aluminium pro kg Körpergewicht bei einem 60 kg schweren Erwachsenen. Die großen Unsicherheiten beruhen auf den unterschiedlichen Ernährungsgewohnheiten und der variablen Gehalte an Aluminium in den Lebensmitteln, auch innerhalb eines Landes aufgrund verschiedener Erhebungen. Falls Säuglinge mit Fertignahrung ernährt werden, kann die Aluminiumkonzentration im Blut bei 15 μg/l liegen. Eine mögliche gesundheitliche Schädigung ist nicht bekannt.

Die Europäische Behörde für Lebensmittelsicherheit (Efsa) nennt eine tolerierbare wöchentliche Aufnahme (TWI) von 1 mg Aluminium pro kg Körpergewicht. Vor 2008 nannte sie einen TWI von 7 mg Al je kg Körpergewicht. Wegen der möglichen Akkumulation im Körper zieht die Efsa als Maß den TWI der tolerierbaren täglichen Aufnahme (TDI) vor.

Aluminium ist als Lebensmittelzusatzstoff unter der Bezeichnung E 173 ausschließlich als Farbmittel für Überzüge von Zuckerwaren und als Dekoration von Kuchen und Keksen erlaubt. Weiterhin ist Aluminium zum Färben von Arzneimitteln und Kosmetika zugelassen. Bei der Untersuchung von Laugengebäck (Brezeln, Stangen, Brötchen) aus Bäckereien wurde Aluminium nachgewiesen, das in das Lebensmittel gelangt, wenn bei der Herstellung von Laugengebäck Aluminiumbleche verwendet werden.

Während Bier in Aluminiumfässern transportiert wird, hat sich für den Weintransport der Werkstoff Aluminium nicht durchgesetzt. Ein kurzfristiger Kontakt schadet nicht, doch können nach längerem Kontakt Weinfehler in Geruch und Geschmack oder als Trübung auftreten, vor allem beim offenen Stehen an der Luft.

Aluminium gehört nicht zu den essentiellen Spurenelementen, bei der Toxizität kommt es im Wesentlichen auf die Menge an: 10 µg/l Aluminium im Blut gilt als Normalwert, Werte über 60 µg/l sprechen für übermäßige Belastung und Werte über 200 µg/l im Blut gelten als toxisch. Tierexperimentelle Studien mittels ²⁶Al zeigen, dass sich die Serumkonzentration von Aluminium durch eine adjuvierte Impfung nur um wenige Promille erhöht (von etwa 5,00 µg/l auf 5,04 µg/l).

Bei eingeschränkter Nierenfunktion und bei Dialyse-Patienten führt die Aufnahme von Aluminium zu progressiver Enzephalopathie (Gedächtnis- und Sprachstörungen, Antriebslosigkeit und Aggressivität) durch Untergang von Hirnzellen und zu fortschreitender Demenz, zu Osteoporose (Arthritis) mit Knochenbrüchen und zu Anämie (weil Aluminium dieselben Speichereiweiße wie Eisen besetzt). Dies wurde in den 1970er Jahren bei langjährigen Hämodialysepatienten durch starke Aluminiumzufuhr beobachtet („Dialysis Encephalopathy Syndrome“).

Speziell im Hinblick auf die Verwendung in Deodorants bzw. Antitranspirantien und Lebensmittel-Zusatzstoffen werden die gesundheitlichen Auswirkungen von Aluminium untersucht.

Alzheimer-Krankheit

Aluminium wurde kontrovers als Faktor im Zusammenhang mit der Alzheimer-Krankheit in Verbindung gebracht. Es ist jedoch unklar, ob die Aluminium-Akkumulation eine der Folgen der Alzheimer-Krankheit ist, oder ob Aluminium in ursächlichem Zusammenhang mit der Alzheimer-Krankheit zu sehen ist. So wäre es auch möglich, dass sich Aluminium erst nach der Entstehung von Alzheimer in den erkrankten Gehirnregionen ansammelt. Das Bundesinstituts für Risikobewertung (BfR) hat mehrmals, zuletzt 2020, die Einschätzung abgegeben, dass eine kausale Verbindung zwischen Aluminium und der Alzheimer-Krankheit nicht belegt ist. Bei der Risikobewertung von Aluminium ist es jedoch grundsätzlich wichtig, die Gesamtaufnahme über die verschiedenen Eintragspfade wie Lebensmittel oder aluminiumhaltige Produkte für den Lebensmittelkontakt zu betrachten.

Mittlerweile sieht man bei Aluminium keine oder nur eine zu vernachlässigende Rolle bei der Entstehung der Alzheimer-Krankheit.

Brustkrebs

Ebenfalls kontrovers wurde die Rolle aluminumhaltiger Deodorants bzw. Antitranspirantien auf Basis von Aluminiumchlorohydrat bei der Entstehung von Brustkrebs diskutiert., dieser Verdacht wurde aber nicht bestätigt. Wie viel Aluminiumsalz tatsächlich in den Körper gelangen kann, hängt von mehreren Faktoren wie den Aluminiumsalzgehalt in Deos (Menge variiert von 0,2 bis 5,8 Prozent) oder die Häufigkeit der Verwendung ab. Der Wissenschaftliche Ausschuss Verbrauchersicherheit der Europäischen Kommission schloss 2020 aufgrund neuer Daten, dass die Verwendung von nicht zu sprühenden Deodorants und Transpirantien mit bis zu 6,25 % Aluminiumanteil sowie Sprüh-Deodorants und -Transpirentien mit bis zu 10,60 % sicher sind. Das BfR teilte diese Einschätzung, basierend auf drei Studien aus 2016 und 2019: Gesundheitliche Beeinträchtigungen durch den regelmäßigen Gebrauch von Aluminiumchlorohydrat-haltigen Antitranspirantien sind nach gegenwärtigem wissenschaftlichen Kenntnisstand unwahrscheinlich.

So liegt die Bioverfügbarkeit des aufgetragenen Aluminiums bei 0,00192 %, deutlich geringer als bei den bisher angenommenen 0,014 %.

 

 

Abbau

Durch den Abbau des Erzes Bauxit werden große Flächen in Anspruch genommen, die erst nach einer Rekultivierung wieder nutzbar werden. Um eine Tonne Aluminium herzustellen, werden vier Tonnen Bauxit benötigt. Dies erzeugt zehn Tonnen Abraum. Zudem entstehen bei der Herstellung des Aluminiumoxids nach dem Bayer-Verfahren ca. drei Tonnen von eisenreichem alkalischen Rotschlamm, der kaum wiederverwertet wird und dessen Deponierung oder sonstige „Entsorgung“ große Umweltprobleme aufwirft (siehe entsprechende Abschnitte unter Rotschlamm und Bauxitbergbau in Australien).

Herstellung

Die Herstellung von Aluminium ist sehr energieaufwendig. Allein für die Schmelzflusselektrolyse zur Gewinnung eines Kilogramms Aluminium werden je nach Errichtungsdatum und Modernität der Anlage zwischen 12,9 und 17,7 kWh elektrische Energie benötigt. Nach Angaben der Internationalen Energieagentur verursachte die Aluminiumproduktion im Jahr 2022 weltweit fast 270 Millionen Tonnen direkte CO₂-Emissionen.

Bei der Stromerzeugung für die Produktion von einem Kilogramm Aluminium werden im deutschen Kraftwerkspark 8,4 kg CO₂ freigesetzt, im weltweiten Durchschnitt etwa 10 kg.

Wenn auf CO₂-emissionsarme Wasserkraft zurückgegriffen werden kann, ist die Bilanz wesentlich günstiger. Hierzu zählen Länder wie Brasilien, Kanada, Venezuela oder Island. Auf Island besteht zudem die Möglichkeit, neben der Wasserkraft auch auf Erdwärme als Energiequelle zuzugreifen. Allerdings ist auch bei Verwendung von Elektrizität aus vollständig regenerativen Energien die Produktion von Aluminium nicht CO₂-frei, da der bei der Schmelzflusselektrolyse entstehende Sauerstoff mit dem Kohlenstoff der Elektroden zu CO₂ reagiert. Die Verbrauchswerte für Roh-Aluminium erhöhen sich durch Transport- und Verarbeitungsanteile für das Wiederaufschmelzen, Gießen, Schleifen, Bohren sowie Polieren auf 16,5 kg CO₂ pro kg Aluminium-Konsumgut.

Recycling

Die europaweite Recyclingrate von Aluminium liegt bei 67 Prozent. In Österreich gelangen (laut einer Studie aus dem Jahr 2000) 16.000 Tonnen Aluminium pro Jahr über Verpackungen in den Konsum. Ebenso enden 16.000 Tonnen Aluminium im Hausmüll ohne wiederverwendet zu werden. Dabei sind u. a. auch Aluminiumhaushaltsfolien enthalten, die ansonsten nicht als „Verpackung“ gelten. Aluminium liegt nach der Müllverbrennung in der Asche noch metallisch vor und macht in Europa durchschnittlich 2,3 Prozent der Asche aus. In der EU werden durchschnittlich 70 Prozent des in der Bodenasche enthaltenen Aluminiums zurückgewonnen.

Aluminium ist gut wiederzuverwenden, wenn die Reststoffe streng getrennt erfasst und gereinigt werden (Aluminiumrecycling, Recycling-Code-41 (ALU)). Aluminium ist besser rezyklierbar als Kunststoffe, aufgrund des Downcycling-Effekts bei nicht sortenreiner Erfassung jedoch etwas schlechter wiederverwertbar als Stahl. Beim Aluminiumrecycling wird nur 5 Prozent der Energiemenge der Primärproduktion benötigt.

Energieeinsparung gegenüber anderen Werkstoffen

Durch Leichtbau mit Aluminiumwerkstoffen (beispielsweise Aluminiumschaum, Strangpressprofile) wird Masse von beweglichen Teilen und Fahrzeugen und infolgedessen auch Treibstoff eingespart.

Aluminium ist durch seine Selbstpassivierung korrosionsbeständiger als Eisen und erfordert weniger Korrosionsschutzmaßnahmen.

Aluminiumsalze weist man durch Glühen mit verdünnter Kobaltnitratlösung (Co(NO₃)₂) auf der Magnesia-Rinne nach. Dabei entsteht das Pigment Thénards Blau, ein Cobaltaluminiumspinell mit der Formel CoAl₂O₄. Es wird auch Kobaltblau oder Cobaltblau, Dumonts Blau, Coelestinblau, Cobaltaluminat oder – nach dem Entdecker des Pigments, Josef Leithner – Leithners Blau genannt.

Nachweis mittels Kryolithprobe

Die Probelösung wird alkalisch gemacht, um Aluminium als Aluminiumhydroxid Al(OH)₃ zu fällen. Der Niederschlag wird abfiltriert und mit einigen Tropfen Phenolphthalein versetzt, dann gewaschen, bis keine Rotfärbung durch Phenolphthalein mehr vorhanden ist. Wenn anschließend festes Natriumfluorid (NaF) auf den Niederschlag gestreut wird, verursachen Hydroxidionen, die bei der Bildung von Kryolith Na₃[AlF₆] freigesetzt werden, eine erneute Rotfärbung des Phenolphthaleins.

Nachweis als fluoreszierender Morinfarblack

 

Die Probe wird mit Salzsäure (HCl) versetzt und eventuell vorhandenes Aluminium somit gelöst. Anschließend wird die Probelösung mit Kaliumhydroxid (KOH) stark alkalisch gemacht. Gibt man nun einige Tropfen der Probelösung zusammen mit der gleichen Menge Morin-Lösung auf eine Tüpfelplatte und säuert anschließend mit konzentrierter Essigsäure (Eisessig, CH₃COOH) an, so ist unter UV-Strahlung (λ = 366 nm) eine grüne Fluoreszenz beobachtbar. Der Nachweis ist dann sicher, wenn diese Fluoreszenz bei Zugabe von Salzsäure wieder verschwindet.

Grund hierfür ist, dass Al(III) in neutralen sowie essigsauren Lösungen in Verbindung mit Morin eine fluoreszierende kolloidale Suspension bildet.

 

 

 

• Aluminiumoxid Al₂O₃ (englisch alumina), auch als Tonerde oder Korund bekannt, liegt als weißes Pulver oder in Form sehr harter Kristalle vor. Es ist das Endprodukt des Bayer-Verfahrens und dient in erster Linie als Ausgangsmaterial für die Aluminiumgewinnung (Schmelzflusselektrolyse). Es wird darüber hinaus als Schleif- oder Poliermittel und für Uhrensteine, Ziehsteine und Düsen verwendet. In keramischer Form dient es als Isolierstoff, Konstruktionskeramik, als Substratmaterial für Dickschichtschaltkreise, als Grundplatte von Leistungshalbleitern und in transparenter Form als Entladungsgefäß von Natriumdampf-Hochdrucklampen.
• Aluminiumhydroxid Al(OH)₃ wird ebenfalls nach dem Bayer-Verfahren gewonnen und ist das wichtigste Ausgangsmaterial zur Erzeugung anderer Al-Verbindungen, vor allem für Aluminate. Als reines Produkt wird es als Füllstoff und zum Brandschutz in Kunststoffen und Beschichtungen eingesetzt.
• Aluminiumchlorid, Polyaluminiumchlorid und Aluminiumsulfat werden vor allem als Flockungsmittel in der Wasseraufbereitung, Abwasserreinigung und der Papierindustrie eingesetzt.
• Natriumaluminat NaAl(OH)₄ wird ebenfalls als Flockungsmittel verwendet und ist weiterhin Rohstoff für die Zeolith-Produktion, Titandioxid-Beschichtung und Calciumaluminatsulfat-Herstellung.
• Zeolithe (Alumosilikate) als Ionenaustauscher, in Lebensmitteln und in Waschmitteln zur Wasserenthärtung.
• Alaune (Kaliumaluminiumsulfat, KAl(SO₄)₂·12H₂O). Wegen seiner adstringierenden Wirkung als Rasierstift eingesetzt zum Stillen von kleinen Blutungen.
• Aluminiumdiacetat, bekannt als essigsaure Tonerde für entzündungshemmende Umschläge.
• Aluminiumorganische Verbindungen wie Triethylaluminium werden im großtechnischen Maßstab als Katalysatoren in der Polyethylen-Herstellung eingesetzt. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die Halbleitertechnik. Hier werden flüchtige Aluminiumalkyle (Trimethylaluminium, Triethylaluminium) als Vorstufen zur CVD (chemical vapor deposition) von Aluminiumoxid verwendet, das man als Isolator und Ersatz für das nicht ausreichend isolierende Siliciumdioxid einsetzt.
• Aluminiumoxynitrid ist ein transparenter keramischer Werkstoff.
• Aluminiumnitrid ist ein Konstruktions- und Isolationswerkstoff und zeichnet sich durch sehr hohe Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur aus. Außerdem könnte die hohe Bandlücke die Anwendung als Wide-Bandgap-Halbleiter ermöglichen.
• Lithiumaluminiumhydrid (LiAlH₄) ist ein starkes Reduktionsmittel, welches weitverbreitet bei der Synthese organischer Verbindungen ist.
• Phosphate: Aluminiumphosphate sind Aluminiumsalze der Phosphorsäure. Aufgrund der Eigenschaft der Phosphorsäure beziehungsweise des Phosphat-Anions (PO₄³⁻), unter bestimmten Bedingungen Wasser abzuspalten und infolgedessen zu polymerisieren, sind verschiedene Aluminiumphosphate bekannt:
  • Aluminiumorthophosphat (AlPO₄)
  • Aluminiummetaphosphat (Al(PO₃)₃)
  • Monoaluminiumphosphat (Al(H₂PO₄)₃)
  • Aluminiumpolyphosphat

In der Natur treten Aluminiumphosphate meist in Form von Doppelsalzen auf. Beispiele hierfür sind etwa der Wavellit (Al₃(PO₄)₂(F, OH)₃ · 5H₂O) oder der Türkis, ein Mischphosphat aus Kupfer und Aluminium/Eisen: Cu(Al,Fe)₆(PO₄)₄(OH)₈ · 4 H₂O. Unter besonderen Bedingungen tritt Aluminium einwertig auf. Diese Verbindungen werden zur Gewinnung von hochreinem Aluminium genutzt (Subhalogeniddestillation).

• Liste der Aluminiumhütten
• Liste der größten Aluminiumproduzenten
• Aluminiumindustrie in Brasilien

Zur Geschichte

• Hans Joliet (Hrsg.): Aluminium – Die ersten hundert Jahre. VDI Verlag, 1988, ISBN 3-18-400802-9.

Deutsche Fachliteratur

• Friedrich Ostermann: Anwendungstechnologie Aluminium. 3. Auflage. Springer, 2014, ISBN 978-3-662-43806-0.
• Aluminium-Taschenbuch. Aluminium-Verlag, Düsseldorf:
  • Band 1: Grundlagen und Werkstoffe, 16. Auflage, 2002.
  • Band 2: Umformen von Aluminium-Werkstoffen, Gießen von Aluminium-Teilen, Oberflächenbehandlung von Aluminium, Recycling und Ökologie, 15. Auflage 1999, 672 S.
  • Band 3: Weiterverarbeitung und Anwendung, 16. Auflage, 2003, 863 S.
• Luitgard Marschall: Aluminium. Metall der Moderne. Oekom, München 2008, ISBN 978-3-86581-090-8.

Englische Fachliteratur

• George E. Totten, D. Scott MacKenzie: Handbook of Aluminum. Marcel Dekker, Yew York, Basel:
  • Band 1: Physical Metallurgy and Processes. 2003, 1296 Seiten
  • Band 2: Alloy Production and Materials Manufacturing. 2003, 724 Seiten
• Joseph R. Davis (Hrsg.): Aluminum and Aluminum Alloys. 4. Auflage, 1998, 784 Seiten
• Calvin C. Willhite et al.: Systematic review of potential health risks posed by pharmaceutical, occupational and consumer exposures to metallic and nanoscale aluminum, aluminum oxides, aluminum hydroxide and its soluble salts. In: Critical reviews in toxicology. Band 44, Suppl 4, Oktober 2014, S. 1–80, doi:10.3109/10408444.2014.934439, PMID 25233067, PMC 4997813 (freier Volltext). 

 

Commons: Aluminium – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

 Wiktionary: Aluminium – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

 

Wikibooks: Praktikum Anorganische Chemie/ Aluminium – Lern- und Lehrmaterialien

 

Wikibooks: Wikijunior Die Elemente/ Elemente/ Aluminium – Lern- und Lehrmaterialien

• Bundesinstitut für Risikobewertung (BfR), 20. Juli 2020: Fragen und Antworten zu Aluminium in Lebensmitteln und verbrauchernahen Produkten (als pdf)
• MATERIAL ARCHIV: Aluminium – Umfangreiche Materialinformationen und Bilder.
• Aluminium Deutschland e. V.: Internetauftritt des Verbands der deutschen Aluminiumindustrie
• Andrea Wille, Sigrid März: So schädlich ist Aluminium wirklich, quarks.de, 3. September 2020
• Delia Friess: Ist Aluminium gefährlich für uns?, ARD alpha, 23. Januar 2023