Duraluminium: Geschichte, Eigenschaften und Anwendungen in der Industrie

Duraluminium, auch als Dural bekannt, ist eine Aluminiumlegierung, die sich durch eine besonders hohe Festigkeit auszeichnet. Der Name leitet sich aus dem Lateinischen “durus” für “hart” ab. Entwickelt wurde das Material ab 1909 von den Dürener Metallwerken, und der Name Duraluminium wurde als eingetragenes Warenzeichen geschützt[1][11].

Geschichte und Entwicklung

Die Entwicklung von Duraluminium geht auf das Jahr 1906 zurück, als der deutsche Metallurge Alfred Wilm im Rahmen von Untersuchungen zur Festigkeitssteigerung von Aluminiumlegierungen entdeckte, dass eine Aluminiumlegierung mit 4% Kupfer nach dem Abschrecken langsam aushärten würde. Diese Entdeckung führte zur Geburtsstunde des Metall-Leichtbaus und machte Wilm zu einer bekannten Persönlichkeit in der Geschichte der Materialforschung und Werkstofftechnik des 20. Jahrhunderts[5][10].

Materialeigenschaften

Duraluminium gehört zu den Aluminiumlegierungen der Gruppe AlCuMg (Werkstoffnummer 2000 bis 2999) und zeichnet sich durch folgende Eigenschaften aus:

• Festigkeit:
  Die Zugfestigkeit von Duraluminium beträgt zwischen 180 und 450 N/mm², was im Vergleich zu reinem Aluminium eine deutliche Steigerung darstellt[2].
• Dichte:
  Die Dichte von Duraluminium ist geringfügig größer als die von reinem Aluminium[2].
• Korrosionsanfälligkeit:
  Obwohl Duraluminium korrosionsanfälliger ist als Reinaluminium, kann es durch Überzüge aus reinem Aluminium (Handelsname: Alclad), Eloxieren und/oder Lackierung geschützt werden[1].
• Schweißbarkeit:
  Duraluminium ist nur bedingt schweißbar[2].

Anwendungen

Duraluminium fand bereits 1911 eine großtechnische Anwendung für das Traggerüst des britischen Luftschiffs “Mayfly”. Durch die verbesserten Materialeigenschaften wurde der Ersatz von Stahl durch Duraluminium in vielen Bereichen möglich. Es wurde unter anderem im Motorenbau für Schiffe eingesetzt und zeigte sich auch gut geeignet für die damals neue Monocoque-Konstruktion von Automobilen. Im modernen Flugzeugbau wird Duraluminium heute als Werkstoff 2017, 2117 oder 2024 verwendet[1][6].

Anwendungen in der Industrie

Duraluminium findet aufgrund seiner herausragenden Eigenschaften breite Anwendung in verschiedenen Industriebereichen:

Luft- und Raumfahrtindustrie

Duraluminium wird vor allem in der Luft- und Raumfahrtindustrie eingesetzt. Die Legierung ermöglicht den Bau von Flugzeugstrukturen, die sowohl leicht als auch hochfest sind. Dies trägt dazu bei, das Gewicht der Flugzeuge zu reduzieren und ihre Leistung zu verbessern. Duraluminium wird für Strukturteile von Flugzeugen und Raumfahrzeugen verwendet, einschließlich der Tragflächen, des Rumpfes und anderer kritischer Komponenten[6][11][1].

Automobilbau

Im Automobilbau wird Duraluminium für die Herstellung von Komponenten verwendet, die eine hohe Festigkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht erfordern. Dazu gehören unter anderem Motorhauben, Kofferraumklappen und Fahrwerksteile. Die Verwendung von Duraluminium trägt zur Gewichtsreduktion von Fahrzeugen bei, was wiederum den Kraftstoffverbrauch und die CO2-Emissionen senkt[1].

Schiffbau

Im Schiffbau findet Duraluminium Anwendung im Motorenbau für Schiffe, wo es aufgrund seiner erhöhten Korrosionsbeständigkeit gegen Seewasser geschätzt wird. Die Legierung wird für Bauteile verwendet, die sowohl leicht als auch widerstandsfähig gegen die raue Meeresumgebung sein müssen[1].

Sport- und Jagdwaffen

Duraluminium wird auch im Bau von Jagd- und Sportwaffen, insbesondere bei Repetierern, eingesetzt. Die Legierung bietet eine hohe Festigkeit und Härte, was für die Langlebigkeit und Zuverlässigkeit der Waffen entscheidend ist[1].

Präzisionswerkzeuge

Aufgrund seiner Festigkeit und Härte wird Duraluminium auch für die Herstellung von Präzisionswerkzeugen verwendet. Diese Werkzeuge profitieren von der hohen Verschleißfestigkeit und Präzision, die durch die Verwendung von Duraluminium erreicht werden kann[1].

Duraluminium hat sich als ein vielseitiger und wertvoller Werkstoff in der modernen Industrie etabliert. Seine Anwendungsbereiche reichen von der Luft- und Raumfahrt über den Automobilbau bis hin zum Schiffbau und der Herstellung von Präzisionswerkzeugen. Die hohe Festigkeit und Härte bei gleichzeitig geringem Gewicht machen Duraluminium zu einem bevorzugten Material für anspruchsvolle Anwendungen, bei denen es auf Leistung und Effizienz ankommt.

Duraluminium ist eine Aluminiumlegierung, die hauptsächlich aus Aluminium besteht und durch Zusätze von Kupfer, Magnesium und Mangan verstärkt wird. Der Kupferanteil liegt dabei bei etwa 3,5 bis 5,5 Prozent. Diese Legierung ist bekannt für ihre hohe Festigkeit und wird daher in vielen Industriebereichen eingesetzt[1][28][8].

Mechanische Eigenschaften von Duraluminium

• Festigkeit: Duraluminium erreicht eine Zugfestigkeit von 180 bis 450 N/mm², was deutlich höher ist als die von reinem Aluminium. Durch den Aushärtungsprozess kann Duraluminium annähernd die Festigkeit von weichem Stahl erreichen[1][6].
• Dichte: Die Dichte von Duraluminium ist nur geringfügig höher als die von reinem Aluminium, was es weiterhin zu einem leichten Material macht[23].
• Korrosionsanfälligkeit: Duraluminium ist korrosionsanfälliger als Reinaluminium, kann jedoch durch Überzüge aus reinem Aluminium (Alclad), Eloxieren und/oder Lackierung geschützt werden[1].
• Schweißbarkeit: Duraluminium ist nur bedingt schweißbar, was bei der Konstruktion und Fertigung von Bauteilen berücksichtigt werden muss[29].

Chemische Eigenschaften von Duraluminium

Legierungselemente: Die Zusätze von Kupfer, Magnesium und Mangan sind entscheidend für die Eigenschaften von Duraluminium. Kupfer erhöht die Härte und ermöglicht die Ausscheidungshärtung, Magnesium steigert die Zugfestigkeit und Härte, und Mangan verbessert die Dehn- und Zugfestigkeit sowie die Korrosionsbeständigkeit[28][30].

Stahlwerkstoffe sind in einer Vielzahl von Legierungen verfügbar, die unterschiedliche mechanische und chemische Eigenschaften aufweisen. Typische Eigenschaften von Stahl sind gute Verformbarkeit, hohe Zugfestigkeit und Fließgrenze, gute Wärmeleitfähigkeit und, im Fall von rostfreiem Stahl, eine hohe Korrosionsbeständigkeit[30][31].

Gusseisen mit Kugelgraphit, auch als Sphäroguss bekannt, ist eine Gusseisensorte, bei der der enthaltene Kohlenstoff in kugeliger Form vorliegt. Dies verleiht dem Material stahlähnliche mechanische Eigenschaften, wie gute Gießbarkeit, hohe Festigkeit und gute Zähigkeit[26].

Vermiculargraphitguss ist eine neuere Werkstoffentwicklung, bei der der Graphit weder in Lamellenform noch als Kugelform, sondern in wurmähnlicher Form (Vermikeln) vorliegt. Die mechanischen Eigenschaften dieses Werkstoffes liegen zwischen dem Gusseisen mit Lamellengraphit und dem Gusseisen mit Kugelgraphit. Seine Herstellung ist jedoch schwieriger und erfordert eine in engen Toleranzen geführte Prozessführung[27].

Zusammenfassend bietet Duraluminium im Vergleich zu anderen Legierungen eine höhere Festigkeit und Härte, was es für anspruchsvolle Anwendungen prädestiniert. Stahl- und andere Gusswerkstoffe bieten eine breite Palette von Eigenschaften, die je nach Legierungszusammensetzung variieren.

Eigenschaften	Duralaluminium	Stahlwerkstoffe	Sphäroguss	Vermiculargraphitguss
Zusammensetzung	Al, Cu (3,5-5,5%), Mg, Mn	Eisen, Kohlenstoff, diverse Legierungselemente	Eisen, Kohlenstoff (Kugelform)	Eisen, Kohlenstoff (wurmähnliche Form)
Zugfestigkeit	180-450 N/mm²	Variabel je nach Legierung	Höher als bei Grauguss	Zwischen Grauguss und Sphäroguss
Dichte	Geringfügig höher als bei reinem Al	Ca. 7,85 g/cm³	Ca. 7,2 g/cm³	Ca. 7,2 g/cm³
Korrosionsanfälligkeit	Höher als bei reinem Al; kann durch Schutzmaßnahmen verbessert werden	Variabel; rostfreier Stahl ist sehr korrosionsbeständig	Geringer als bei Grauguss	Geringer als bei Grauguss
Schweißbarkeit	Bedingt schweißbar	Gut schweißbar (abhängig von der Legierung)	Bedingt schweißbar	Bedingt schweißbar
Härte	Hoch	Variabel je nach Legierung und Wärmebehandlung	Höher als bei Grauguss	Zwischen Grauguss und Sphäroguss
Gießbarkeit	Gut	Gut (abhängig von der Legierung)	Sehr gut	Gut
Verformbarkeit	Gut	Sehr gut	Gut	Besser als bei Grauguss

Die angegebenen Werte für die Zugfestigkeit und Dichte allgemeine Richtwerte sind und je nach spezifischer Legierung und Wärmebehandlung variieren können. Die Korrosionsanfälligkeit und Schweißbarkeit sind ebenfalls abhängig von der genauen Zusammensetzung und den verwendeten Schutzmaßnahmen oder Schweißverfahren.

Härtung von Duralaluminium

Duraluminium wird durch einen Prozess namens Ausscheidungshärtung gehärtet. Dieser Prozess wurde von Alfred Wilm entdeckt und ist entscheidend für die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der Legierung. Die Ausscheidungshärtung umfasst mehrere Schritte:

1. Lösungsglühen: Die Duraluminiumlegierung wird auf eine hohe Temperatur erhitzt, bei der sich die Legierungselemente wie Kupfer, Magnesium und Mangan im Aluminium auflösen.
2. Abschrecken: Nach dem Lösungsglühen wird das Material schnell abgekühlt, typischerweise durch Eintauchen in Wasser. Dieser Schritt führt zu einer übersättigten festen Lösung, bei der die Legierungselemente in der Aluminiummatrix eingefroren werden.
3. Auslagern (Altern): Das abgeschreckte Material wird bei Raumtemperatur (natürliche Alterung) oder bei erhöhter Temperatur (künstliche Alterung) gelagert. Während dieses Prozesses bilden sich feine Ausscheidungen von Sekundärphasen, die die Versetzungsbewegungen im Material behindern und so die Festigkeit und Härte erhöhen[32][33][34].

Die Legierungselemente spielen eine entscheidende Rolle bei der Ausscheidungshärtung:

• Kupfer: Erhöht die Härte und ermöglicht die Ausscheidungshärtung, die Duraluminium seine hohe Festigkeit verleiht.
• Magnesium: Steigert die Zugfestigkeit und Härte der Legierung.
• Mangan: Verbessert die Dehn- und Zugfestigkeit sowie die Korrosionsbeständigkeit[34].

Durch diese Wärmebehandlung wird Duraluminium deutlich härter und fester als reines Aluminium, was es für anspruchsvolle Anwendungen wie in der Luft- und Raumfahrtindustrie geeignet macht.

Recycling von Duralaluminium

Duraluminium kann recycelt werden und wird im Recyclingprozess als Sekundäraluminium bezeichnet. Die Gewinnung von Sekundäraluminium durch das Recycling von Aluminium, einschließlich Duraluminium, benötigt lediglich einen Bruchteil der Energiemengen im Vergleich zur Herstellung von Primäraluminium aus Bauxit. Während die Schmelzflusselektrolyse bei der Gewinnung von Aluminium aus Bauxit 100 Prozent Energie benötigt, sind es beim Recycling etwa vier bis sechs Prozent. Dies macht das Recycling von Aluminium zu einem energieeffizienten Prozess, der einen beträchtlichen Beitrag zur Einsparung von Energie und damit zum Umweltschutz leistet[35].

Die Recyclingfähigkeit von Duraluminium und anderen Aluminiumlegierungen ist ein wichtiger Faktor für ihre Nachhaltigkeit. Durch das Recycling von Aluminiumlegierungen können wertvolle Ressourcen geschont und der Energieverbrauch im Vergleich zur Neuproduktion erheblich reduziert werden. Die Wiederverwendung von Aluminiumschrott, einschließlich Duraluminium, in der Produktion von Sekundäraluminium trägt zur Reduzierung der Umweltauswirkungen der Aluminiumherstellung bei[35][36][37].

Es ist jedoch zu beachten, dass beim Recyclingverfahren Materialverluste auftreten können und die Qualität des recycelten Materials durch Verunreinigungen beeinträchtigt werden kann. Trotzdem bleibt das Recycling von Duraluminium und anderen Aluminiumlegierungen ein wesentlicher Bestandteil der Bemühungen um eine nachhaltigere Materialwirtschaft.

Herausforderungen und Innovationen

Die Herausforderung bei der Verwendung von Duraluminium liegt in seiner Korrosionsanfälligkeit und der Notwendigkeit von Schutzmaßnahmen. Technologische Innovationen wie der 3D-Sanddruck und die additive Fertigung haben die Flexibilität und Präzision in der Produktion von Duraluminium-Bauteilen verbessert und die Produktionskosten gesenkt[1][4].

Fazit

Duraluminium, auch bekannt als Dural, ist eine Aluminiumlegierung mit hoher Festigkeit, die ihren Namen vom lateinischen Wort “durus” für “hart” ableitet. Die Entwicklung begann 1909 bei den Dürener Metallwerken, und der Begriff “Duraluminium” wurde als eingetragenes Warenzeichen geschützt.

Die Geschichte von Duraluminium reicht bis ins Jahr 1906 zurück, als der deutsche Metallurge Alfred Wilm die Festigkeitssteigerung von Aluminiumlegierungen erforschte. Die Entdeckung führte zur Geburt des Metall-Leichtbaus und etablierte Wilm als wichtige Persönlichkeit in der Werkstofftechnik des 20. Jahrhunderts.

Duraluminium gehört zur Gruppe AlCuMg und zeichnet sich durch hohe Festigkeit aus. Seine Zugfestigkeit liegt zwischen 180 und 450 N/mm², und obwohl es anfälliger für Korrosion ist als Reinaluminium, kann es durch verschiedene Methoden geschützt werden. Die Schweißbarkeit ist jedoch begrenzt.

Duraluminium fand ab 1911 breite Anwendung, vor allem im Flugzeugbau und Automobilsektor. Heutzutage wird es in der Luft- und Raumfahrtindustrie für Strukturteile von Flugzeugen und Raumfahrzeugen verwendet.

In anderen Industriebereichen wie Automobilbau, Schiffbau, Sport- und Jagdwaffen sowie Präzisionswerkzeugen findet Duraluminium ebenfalls Anwendung aufgrund seiner herausragenden Eigenschaften.

Die Legierung wird durch einen Prozess namens Ausscheidungshärtung gehärtet, wodurch sie deutlich fester wird. Duraluminium kann recycelt werden und wird im Recyclingprozess als Sekundäraluminium bezeichnet.

Trotz Herausforderungen wie Korrosionsanfälligkeit und begrenzter Schweißbarkeit bleibt Duraluminium ein wichtiger Werkstoff in der modernen Industrie, der durch technologische Innovationen und ständige Weiterentwicklung seine Relevanz behält.

Das Recycling von Duraluminium und anderen Aluminiumlegierungen ist ein wichtiger Beitrag zur Nachhaltigkeit und zur Reduzierung des Energieverbrauchs in der Herstellung von Aluminium.

Insgesamt ist Duraluminium ein vielseitiger und wertvoller Werkstoff, der in verschiedenen Industriebereichen eingesetzt wird und eine wichtige Rolle für Leichtbaukonstruktionen und anspruchsvolle Anwendungen spielt.

 

Quellen