Nichteisenmetalle – Eigenschaften und Korrosions – verhalten

8.3.1 Aluminium

Aluminium ist das wichtigste Leichtmetall in der Bauindustrie. Als Leichtmetalle werden alle die Metalle bezeichnet, deren Dichte unter 5 g/cm3 liegt. Aluminium ist ein silberwei – Bes, kubisch-flachenzentriert kristallisierendes Metall, das bereits in der Kalte gut ver – formbar ist. Man kann es zu Drahten ausziehen oder zu dunnen Blechen bis hin zu sehr feinen Folien (bis 0,004 mm Dicke, ,,Blattaluminium6t) auswalzen bzw. aushammem. Bei 600°C wird das Aluminium komig. Es kann dann in Schuttelmaschinen zu AluminiumgrieB verarbeitet werden. Bei noch feinerer Zerteilung erhalt man Aluminiumpulver. Die spezifi – sche Leitfahigkeit des Aluminiums betragt etwa zwei Drittel von der des Kupfers.

Wichtige physikalische Daten:

Dichte 2,7 g/cm3 (25°C), Smp. 660,4°C, Sdp. 2467°C, Warmeleitfahigkeit 230 W/m-K, spezifische elektrische Leitfahigkeit 3,77-105 S/cm (Leitfahigkeitswerte fur 20°C).

Aluminium sollte als unedles Metall leicht oxidiert werden konnen. Es ist aber sowohl an der Luft als auch in Wasser bestandig, da es sich mit einer fest haftenden, zusammenhan – genden, dunnen Oxidschicht uberzieht (0,05…0,1 pm). Diese Deckschicht schiitzt das dar – unter liegende Metall vor weiterer Oxidation (Passivierung). In seinen Verbindungen tritt Aluminium in der Oxidationsstufe +III auf, wie z. B. im Aluminiumoxid A1203 oder im Aluminiumhydroxid Al(OH)3. Reines Aluminiumoxid (Tonerde) kommt in der Natur als Korund vor. Aluminium ist Bestandteil wichtiger Minerale, wie z. B. der Feldspate, der Glimmer und der Tone (Кар. 9.2.1 – 9.2.3), die allesamt Ausgangsmaterialien fur eine Reihe von Baustoffen sind.

Die Oxidschicht kann auf elektrolytischem Wege verstarkt werden (ELOXAL-Verfahren, Elektrolytisch Oxidiertes Aluminium). Die elektrolytisch verstarkte, hartere Oxidhaut kann eine Dicke bis zu 20 pm erreichen. Beim ELOXAL-Verfahren wird das zu oxidierende Werkstiick als Anode einer Elektrolysezelle geschaltet. Das Katodenmaterial ist Alumi­nium und als Elektrolyt wird verdiinnter Schwefelsaure verwendet. An der Katode entwi – ckelt sich Wasserstoff und an der Anode oxidiert der gebildete Sauerstoff das A1 zu A1203. Eloxiertes Aluminium ist bestandig gegen Witterung, Meerwasser und Alkalien.

Entsprechend seinem Standardpotential lost sich A1 in nichtoxidierenden Sauren wie HC1 unter H2-Entwicklung (Gl. 8-16), nicht aber in oxidierenden Sauren wie HN03 (Passivie – rung!). Von Schwefelsaure wird Aluminium angegriffen. In H20 oder sehr schwachen Sau­ren ist A1 unloslich.

A1 + 3H30+ —► Al3+ + V/2H2 + 3H20 (8-16)

In Tab. 8.2 sind die Stoffabtrage an einer Reinaluminiumoberflache bei Angriff von Schwefelsaure und Salpetersaure unterschiedlicher Konzentration gegenubergestellt. Der aggressive Angriff organischer Sauren nimmt in der Reihenfolge Ameisensaure, Oxalsaure und Essigsaure ab. Er wird durch die Konzentration und die Temperatur der Elektrolyte bestimmt.

Подпись:Tabelle 8.2

Stoffabtrage an einer Reinalumi­niumoberflache in g/cm2 pro Tag (20°C)

In wassriger Losung liegen die Al3+-Ionen hydratisiert vor ([А1(Н20)б]3+). Wassrige Lo – sungen der Aluminiumsalze reagieren sauer. Ursache ist die polarisierende Wirkung des dreifach positiv geladenen Aluminiumions, das zur Bildung des Pentaaquahydroxoalumi – nium-Komplexes [A1(H20)50H]2+ fuhrt. Dabei kommt es zur Abspaltung eines Protons (Gl. 6-67).

Aluminium lost sich auch in Alkalilaugen unter Wasserstoffentwicklung. Es bilden sich Aluminate [Al(OH)4]“ (Gl. 8-17). Das heiBt, A1 ist in alkalischer Umgebung nicht in der Lage, eine Schutzschicht auszubilden. Im neutralen bis schwach sauren pH-Bereich ist A1 dagegen bestandig.

A1 + 3 H20 + OH” —► [Al(OH)4]’ + ІУ2Н2 (8-17)

Ammoniak oder geringe Mengen NaOH fallen aus Aluminiumsalzlosungen Aluminium – hydroxid (АІ(ОН)з) aus. Al(OH)3 ist ein amphoteres Hydroxid. Es lost sich sowohl im sau­ren Milieu unter Bildung von Al3+-Ionen (Gl. 8-18) als auch im Basischen unter Bildung von Tetrahydroxoaluminationen (kurz: Aluminationen, Gl. 8-19).

Al(OH)3 + 3H30+ Al3+ + 6H20 (8-18)

Al(OH)3 + OfT [Al(OH)4]‘ (8-19)

Beim Verschmelzen von A1203 mit Metalloxiden Ml20 bzw. МпО (M1: Element der I. und Mn: Element der II. Hauptgruppe) entstehen wasserfreie Aluminate des Typs МТ[АЮ2], z. B. Na[A102], und МП[АЮ2]2. Kristallisierte Aluminate der stochiometrischen Zusam- mensetzung Мп[АЮ2 ]2 = MnAl204 kommen in der Natur vor. Sie werden als Spinelle bezeichnet. Beispiele fur Spinelle sind der Zinkspinell ZnAl204 und der Eisenspinell FeAl204.

Auf amalgamiertem Aluminium, das durch Verreiben mit Quecksilber erhalten wird, kann sich keine Schutzschicht ausbilden. Es korrodiert deshalb an der Luft und lost sich in Was – ser unter Al(OH)3-Bildung rasch auf.

Bei Kontakt mit edleren Metallen wie Cu, Ag, Au, Pt, aber auch Eisen und Stahl wird die Oxidhaut zerstort und Kontaktkorrosion setzt ein.

A1 ist ein kraftiges Reduktionsmittel. Diese Eigenschaft wird im aluminothermischen Verfahren nach Goldschmidt (Thermitverfahren) zur Darstellung von Metallen wie Mn, Cr, Fe und V genutzt. Aufgrund der hohen Bildungsenthalpie des A1203 ist Aluminium in der Lage, alle Metalloxide zu reduzieren, deren Bildungsenthalpien kleiner als die des Aluminiumoxids sind. Beispielsweise kann ein Gemisch aus Eisenoxid und Aluminium – grieB („Thermit46) zum Verbinden und SchweiBen von Eisenteilen, z. B. von StraBenbahn – schienen, verwendet werden. Nach der Entzlindung entsteht nach wenigen Sekunden weiB – gHihendes, fltissiges Eisen (Gl. 8-20).

3 Fe304 + 8A1 —^ 4 A1203 + 9 FeAH= -3341 kJ/mol (8-20)

Legierungen des Aluminiums mit Mg, Cu, Mn und Si zeigen teilweise deutlich verbesserte Werkstoffeigenschaften im Vergleich zum reinen Al. So ist zum Beispiel Duraluminium (auBer Al sind 2,5…5% Cu, 0,2… 1% Mg, 0,2… 1% Si und etwa 1% Mn enthalten) auBeror – dentlich fest und Hydronalium (ca. 7% Mg und geringe Anteile an Si) auBerst korrosions- bestandig. Aluminiumbronzen besitzen ebenfalls eine hohe Festigkeit, weisen dariiber hin – aus aber auch noch eine giinstige Elastizitat auf.

Aluminium wird in feinverteilter Form (Pulver oder Paste) als Treibmittel bei der Herstel – lung von Porenbeton (Кар. 9.3.7) verwendet. Die treibende Wirkung wird durch den im alkalischen Milieu des Betons entwickelten Wasserstoff verursacht (Gl. 8-17). Er blaht den Beton auf und fuhrt zur Porenbildung.

Bauteile aus Aluminium weisen infolge ihrer dichten, zusammenhangenden Schutzschicht eine hohe Bestandigkeit gegeniiber Witterungseinflussen auf. Bei mechanischen Bescha – digungen wird in einer Art „Selbstheilungsprozess44 die Schutzschicht relativ schnell nach – gebildet.

Saurer Regen mit pH-Werten ^ 4 greift die Aluminiumoberflache unter Wasserstoffent – wicklung an. Auch Chloride und hohe S02-Konzentrationen in der Luft beschleunigen ihre korrosive Zerstorung. Aluminiumbauteile, die in Beruhrung mit alkalisch reagierenden Betonen oder Putzen kommen, mtissen durch Folien oder Deckschichten > 100 pm (z. B. organische Schutzlacke) geschiitzt werden.

Die im Bauwesen eingesetzten Aluminiumlegierungen konnen zwar aufgrund ihrer inho – mogenen Kristallstruktur zu Heterogenitaten in der Oxidschicht und damit zur Ausbildung unterschiedlicher elektrochemischer Potentiale fuhren, letztendlich verhindert aber das System A1/A1203 ein Voranschreiten korrosiver Zersetzungsvorgange. Die Schutzschicht kann atmospharische Verunreinigungen einlagem, was zu einer Aufrauung der Oberflache fuhrt.