Duraluminium

Genietete und verspannte Duraluminiumstruktur

Duraluminium, auch Dural oder Ergal genannt, ist eine Aluminiumlegierung, die im Gegensatz zu reinem Aluminium eine besonders hohe Festigkeit hat.

Entwicklung

1906 entwickelte Alfred Wilm Duraluminium bei Untersuchungen zur Festigkeitssteigerung von Aluminiumlegierungen. Er entdeckte die Härtbarkeit von Aluminiumlegierungen, als er versuchte, die in der Stahlherstellung gebräuchlichen Verfahren auf Aluminiumlegierungen zu übertragen. Erst als er die Aluminiumproben nach dem Abschrecken einige Tage liegen ließ und danach die Festigkeit prüfte, zeigte sich das erhoffte Resultat.

Das Material wurde ab 1909 von den Dürener Metallwerken hergestellt und der Name Duraluminium als eingetragenes Warenzeichen geschützt. Der Name stammt vom Lateinischen durus für „hart" (oder besser: „ausdauernd" im Sinne von beständig, widerstandsfähig), wobei in der Literatur auch ein Zusammenhang zum Arbeitsort Düren beschrieben wird, sowie vom Leichtmetall und Hauptbestandteil der Legierung Aluminium. Wilms Legierung aus Aluminium, 3,5 bis 5,5 Prozent Kupfer, 0,5 Prozent Magnesium und 0,6 Prozent Mangan und eventuell Spuren von Silizium und Eisen wurde zum Patent angemeldet. Der Name „DURAL“ ist markenrechtlich geschützt.^[1] Avional, Hiduminium und andere sind ähnliche Legierungen anderer Hersteller.

Materialeigenschaften

Duraluminium gehört zu den Aluminiumlegierungen der Gruppe AlCuMg (Werkstoffnummer 2000 bis 2999) und wird vor allem kaltausgehärtet verwendet. Heute wird der Name größtenteils nur noch als Trivialname verwendet, da sich je nach Zusammensetzung und Behandlung die Eigenschaften der Legierung ändern. Ein häufig in der Luftfahrt verwendeter Werkstoff ist AlCu4Mg1 (EN AW-2024). Duraluminiumlegierungen sind im allgemeinen gut spanbar (mit Blei als Bestandteil wird sie zu einer Automatenlegierung), ist nicht korrosionsbeständig, nur bedingt anodisierbar und nur bedingt schweißbar.^[2]

Duraluminium besteht aus etwa 93 bis 95 Prozent reinem Aluminium mit Zusätzen von 3,5 bis 5,5 Prozent Kupfer sowie geringen Beigaben von Magnesium, Mangan und Silizium. Die Legierungen werden auch heute noch fast unverändert in der Luftfahrt verwendet.^[1]

Gegenüber reinem Aluminium hat Duraluminium eine geringfügig größere Dichte. Die Zugfestigkeit beträgt jedoch zwischen 180 und 450 N/mm² (laut anderer Quelle bis zu 800 N/mm²^[3]) und damit bis zu dem zehnfachen von reinem Aluminium, das nur etwa 80 N/mm² aufweist.^[1] Auch die technisch so wichtige Dehngrenze liegt bei über 250 N/mm² (25 kg/mm²) gegenüber 30 N/mm² (3 kp/mm²) bei reinem Aluminium.^[1] Ähnlich verhält es sich bei der Brinellhärte, wo ein HB-Wert von etwa 125 gegenüber 22 bei Reinaluminium erreicht wird.^[1] Die Bruchdehnung wird mit 22 Prozent als dreifach höherer Wert gegenüber 7 Prozent bei Reinaluminium angegeben. Ein weiterer wichtiger Punkt war, dass Duraluminium durch Alterung an seiner Festigkeit nichts einbüßte.^[3]

Die Grundlage für die Härtung gegenüber Reinaluminium liegt darin, dass nach schneller Abkühlung der Legierung nach einiger Zeit eine bei der Abschreckung zunächst unterdrückte Ausscheidung einer Zweitphase (der intermetallischen Verbindung CuAl₂) im Grundgefüge der Legierung stattfindet, was eine deutliche Festigkeitssteigerung zur Folge hat. Man nennt diese Art der Wärmebehandlung "Ausscheidungshärtung". Die gezielte Ausscheidung der festigkeitssteigernden Zweitphase kann bei Raumtemperatur oder bei erhöhten Temperaturen erfolgen ("Kaltauslagern" - "Warmauslagern"). Das Härten von Aluminiumlegierungen hat grundsätzlich nichts mit den bei der Stahlhärtung stattfindenden Prozessen zu tun. Dort sinkt die Festigkeit nach einer Wiedererwärmung des abgeschreckten Stahls, bei den Al-Legierungen steigt sie an.^[3]

Vergleichstabelle Materialwerte

Material	Dichte in kg/dm³	E-Modul in N/mm²	Zugfestigkeit in N/mm²	Bruchdehnung in  %	Brinellhärte HB
Dural® AlCu4Mg1	2,75 – 2,87	73.000	420 – 500	< 22	115 – 135
Reinaluminium Al99,5	2,7	70.000	75 – 110	< 7	22 – 35
Stahl S355	7.9	200.000	510	19	120 – 140
V2A Chrom-Nickel-Stahl	7.9	200.000	500 – 750	40	130 – 190

Durch das Aushärten erreicht Duraluminium also fast die Festigkeit von Stahl. Es ist allerdings korrosionsanfälliger als Reinaluminium, das im Normalfall durch eine natürliche Aluminiumoxidschicht geschützt wird. Dies kann durch einen Überzug aus reinem Aluminium (Handelsname: Alclad), Eloxieren oder Lackierung minimiert werden.^[4] Durch eine veränderte Legierungszusammensetzung, unter Zugabe von Silikaten, wurde aus dem Duraluminium die wesentlich korrosionsfestere Legierung "Silumin" entwickelt, die u. a. im Motorenbau für Schiffe zum Einsatz kommt und erhöhte Korrosionsbeständigkeit gegen Seewasser aufweist.

Anwendungen

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

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

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

Der Einsatz im Kraftfahrzeugbau war anfangs durch den hohen Preis und die schwierigere Verarbeitung nur eingeschränkt möglich. Es ist jedoch mittlerweile gebräuchlich, wenn es auf ein geringes Gewicht ankommt. Beispiele für den Einsatz sind Räder, Zylinderköpfe, Motorblöcke, Kurbelgehäuse, Ölwannen, Verteiler, Karosserie oder Karosserieteile (Land Rover, Honda Insight, Lotus Seven, Austin-Healey), Rahmen (M2 Bradley), Stoßstange und Kraftstofftank Panhard, Gehäuse des Differenzialgetriebes Peugeot, Motorhaube und Kofferraumklappe MG A. Audi hat mit seiner sogenannten Spaceframe-Bauweise Aluminium auch in die Karosseriekonstruktion gebracht, so beim Audi A2 und Audi A8.

Duralumin wird auch für Präzisionswerkzeuge und zum Bau von Gebrauchs-, Jagd- und Sportwaffen (Faustfeuerwaffen, Repetierer und Kipplaufwaffen) verwendet.

Einzelnachweise

1. ↑ ^{a b c d e} Niels Klußmann und Arnim Malik; Lexikon der Luftfahrt; ISBN 978-3540490951
2. ↑ J. Gobrecht; Werkstofftechnik - Metalle; ISBN 978-3-486-57903-1
3. ↑ ^{a b c} Nasser Kanani; Werkstoffkunde für Oberflächentechniker und Galvaniseure; ISBN 978-3446407411
4. ↑ Wolfgang Bergmann; Werkstofftechnik Teil 2; ISBN 978-3446417113

Weblinks

 Commons: Aluminium – Album mit Bildern und/oder Videos und Audiodateien

 Wiktionary: Aluminium – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen