(Fr.: aluminium; Du.: Aluminium; Eng.: aluminium, Am.: aluminum), symbool Al, chemisch element met atoomnummer 13, relatieve atoommassa 26,99, één natuurlijke isotoop (27Al).
Aluminium is een zilverwit, in zuivere toestand vrij zacht metaal, dat zich gemakkelijk tot dunne folie laat walsen of tot fijne draad laat trekken. Smeltpunt 658°C, kookpunt 2500° C, relatieve dichtheid 2,70, goede geleider voor elektriciteit (68% van koper) en warmte.
Hoewel aluminium een zeer onedel metaal is, blijft het aan de lucht toch vrijwel onveranderd, omdat een oppervlakkig oxidelaagje (γ-Al2O3) het onderliggende metaal beschermt. Wordt de vorming hiervan belet, bijv. door het metaal even te amalgameren met een sublimaatoplossing of met metallisch kwik, dan wordt aluminium zeer snel geoxideerd: wrijft men een stukje aluminiumblik met sublimaatpoeder, dan ontstaat aluminiumamalgaam. De eerst glanzende plek wordt spoedig dof en er ontstaan vezelachtige draden van aluminiumhydroxide. Ook bij verhitting aan de lucht, hetzij in vaste hetzij in gesmolten toestand, wordt aluminium ten gevolge van het genoemde oxidehuidje weinig aangetast. Wordt het evenwel in poedervorm in vochtige lucht opgewaaid, dan kunnen hevige stofexplosies plaatshebben. Als gevolg van de hoge verwarmingswarmte van Al2O3 (1,7 MJ kmol−1) kunnen tal van oxiden van metalen, zoals chroom, mangaan, titaan, boor, silicium, vanadium, volgens Goldschmidt met behulp van aluminiumvijlsel tot metaal worden gereduceerd. Hierbij komt zeer veel warmte vrij. Als men een mengsel van ijzeroxide en fijnkorrelig aluminium (zgn. thermiet) tot reactie brengt, kan de temperatuur oplopen tot 3000°C. Het ontstane ijzer en aluminiumoxide zijn dan gesmolten. Thermiet wordt gebruikt in brandbommen en voor het lassen van tramrails.
Aluminium bevindt zich in de derde hoofdgroep van het periodiek systeem der elementen en is bij gewone temperatuur uitsluitend driewaardig. Het oxide is amfoteer en vormt de overgang tussen het vrijwel uitsluitend zure B2O3 en het overwegend basische Sc2O3; in de derde periode van het periodiek systeem vormt het een overgang tussen het basische MgO en het zure SiO2. Aluminium lost onder vorming van aluminaat en waterstofontwikkeling op in alkalische oplossingen, vooral bij verhitting. Door geconcentreerd zwavelzuur of geconcentreerd salpeterzuur wordt het bij gewone temperatuur weinig aangetast; de verdunde zuren werken sterker in. In zoutzuur van alle concentraties lost het echter snel op. Ook in verdunde organische zuren (zure spijzen) lost aluminium merkbaar op; naarmate het aluminium zuiverder is, is de aantasting geringer. In compacte vorm wordt aluminium niet door water aangetast, echter wel door zeewater.
Aluminiumzouten en aluminaten zijn sterk aan hydrolyse onderhevig, omdat aluminiumhydroxide zowel als zuur en als base zeer zwak is; vandaar dat er bij de hydrolyse aluminiumhydroxide ontstaat.
Het hydroxide slaat als ‘lak’ in verbinding met sommige klassen verfstoffen op de vezel neer, vandaar de uitgebreide toepassingen van aluminiumverbindingen in de textielververij en -drukkerij, en als beitsmiddel.
Ten gevolge van de grote affiniteit voor zuurstof komt aluminium niet gedegen in de natuur voor. In verbindingen wordt het echter zeer verbreid en in zeer grote hoeveelheden gevonden. Na zuurstof en silicium is aluminium het meest voorkomende element in de aardkorst (7,5%); het komt voor in alle silicaten en hun verweringsprodukten, waarbij het aluminiumion het iets kleinere siliciumion vaak ten dele isomorf vervangt. Zo bevatten graniet, gneis, glimmerschist en dergelijke gesteenten de aluminiummineralen veldspaat K(Si3AlO8) en muskoviet Al2K(Si3AlO1020H). Alle kleisoorten, porseleinaarde of kaolien, bevatten aluminium. Korund, robijn en saffier bestaan uit zuiver Al2O3.
Aluminiumertsen die voor de aluminiumbereiding van betekenis zijn en een economisch exploiteerbare hoeveelheid aluminiumverbindingen bevatten zijn kryoliet, Na3 (AlF6), en bauxiet, een mengsel van waterhoudende aluminiumoxiden met verontreinigingen van kaliniet, kwarts, en verschillende al of niet waterhoudende ijzeroxiden. Het belangrijkste aluminiumoxidemineraal is gibbsiet (Al2O3 ⋅ 3H2O) met theoretisch 65,4% Al2O3 ofwel 34,6% Al. Bauxiet is een van de produkten van langdurige vochtig-tropische verwering en uitloging (zgn. lateritisatie), waarbij successievelijk de elementen natrium, calcium, magnesium, gevolgd door kalium, en tenslotte kiezelzuur geheel verdwijnen; een gevolg is dat de resistente elementen relatief aanrijken: titaan, ijzer (in driewaardige vorm) en aluminium. Afhankelijk van de chemische samenstelling van het uitgangsgesteente en van de plaatselijke omstandigheden gedurende het verwerings- en uitlogingsproces, zal het eindprodukt een bauxiet (ijzer- en kiezelzuurarm en aluminiumrijk), een ferriet (ijzerrijk, aluminium- en kiezelzuurarm) of een kaoliet (kiezelzuur- en aluminiumrijk, ijzerarm) zijn.
Gunstige uitgangsgesteenten voor de bauxietvorming zijn gesteenten met hoog Al2O3- en laag Fe2O3- en SiO2-gehalte: syenieten (Arkansas, VS), trachieten (India), fonolieten (Brazilië), kleiïge of veldspaathoudende sedimentaire gesteenten (Australië, Suriname, Guyana) of sedimentaire residuen (Caraïbische eilanden, Frankrijk). Bauxieten met meer dan 45% Al2O3 en minder dan 2...6% SiO2 en 10...20% Fe2O3 kunnen tot de goede ertsen gerekend worden.
Recente prijsstijgingen van bauxiet hebben ertoe geleid dat verschillende aluminiumproducenten technieken hebben ontwikkeld om aluminium te winnen uit andere grondstoffen. Hiervoor in aanmerking komen aortosiet, een stollingsgesteente nagenoeg geheel bestaand uit plagioklaas, en aluinschalies en andere aluminiumrijke kleistenen en -schalies. Het Al2O3-gehalte van deze stoffen is 25...28%, wat aanmerkelijk lager is dan bij bauxiet. Verdere technische ontwikkelingen en stijging van de bauxietprijzen zijn nodig alvorens deze gesteenten als erts kunnen worden beschouwd.
Aluminiumbereiding.
Het element aluminium wordt bereid door elektrolyse van zuiver aluminiumoxide Al2O3 opgelost in gesmolten kryoliet. Het is van groot belang dat het oxide zuiver is; in de elektrische spanningsreeks volgt aluminium namelijk onmiddellijk na de alkalimetalen en magnesium, zodat bij deze elektrolyse ook vrijwel alle andere metalen, indien aanwezig, zouden worden gereduceerd en dus het te bereiden aluminium zouden verontreinigen. De eigenlijke bereiding verloopt dan ook in twee fasen: eerst wordt zuiver aluminiumoxide (aluinaarde) bereid, daarna volgt de elektrolyse. Tenslotte worden uit het afgescheiden aluminium halffabrikaten vervaardigd.
Voor de fabricage van aluminiumoxide uit bauxiet wordt in de gehele wereld het bayerproces (naar K.J. Bayer) toegepast. Het bauxiet wordt in kleine stukken gebroken, gedroogd, gemalen en met natronloog gemengd. Vervolgens wordt het in een autoclaaf ontsloten bij een temperatuur van 160...250°C, waarbij druk, loogconcentratie en tijdsduur afhankelijk zijn van de soort en vindplaats van het bauxiet. Tijdens dit proces gaat het in het bauxiet aanwezige aluminiumoxide in oplossing als natriumaluminaat; de andere bestanddelen van het bauxiet, waaronder ijzer-, mangaan- en het grootste deel van het siliciumoxide blijven onopgelost achter en worden door filtreren uit de oplossing verwijderd. Door afkoelen, verdunnen en enten van de oplossing met poedervormig aluminiumhydroxide wordt het grootste deel van het opgeloste aluminiumoxide afgescheiden als aluminiumhydroxide. Het nog in de vloeistof opgelost gebleven aluminiumoxide is niet verloren, maar wordt na het op de juiste concentratie brengen van de loog aan het begin van het proces weer gebruikt. Het verkregen aluminiumhydroxide wordt zorgvuldig gewassen en in lange roterende buisovens gegloeid bij 1200...1300°C, zodat al het aanhangende en chemisch gebonden water verwijderd wordt. Het verkregen produkt is aluminiumoxide met, afhankelijk van de soort bauxiet, geringe verontreinigingen. In ongelegeerd aluminium van normale handelskwaliteit worden deze verontreinigingen teruggevonden als silicium, ijzer en in mindere mate mangaan en koper met een totaal gehalte van 0,2...0,5%.
Daar Al2O3 een smeltpunt heeft van 2020°C, is direct smelten economisch en technisch moeilijk te verwezenlijken. Voor de fabricage van aluminiummetaal uit het aluminiumoxide lost men het aluminiumoxide op in gesmolten kryoliet (smeltpunt 970°C); dit mengsel heeft een eutectisch punt van ca. 700°C. In de praktijk voegt men 1...8% Al2O3 aan het gesmolten kryoliet toe, en krijgt dan een oplossing met een smelttraject van 950...970°C. In de loop van de elektrolyse verandert weliswaar de samenstelling van de oplossing, doch dit heeft nog niet aanstonds stolling tot gevolg. Het natuurlijke kryoliet Na3AlF6 kan de wereldbehoefte niet dekken, daarom bereidt men eerst kunstmatig kryoliet door de natriumaluminaatoplossing van het bayerproces te behandelen met fluorwaterstofzuur (of door een mengsel van Al2O3 en NaCl in HF op te lossen). Weliswaar gaat bij de elektrolyse in beginsel geen kryoliet verloren, maar in de praktijk treden verliezen op van ca. 75 gram per kilogram geproduceerd aluminium.
De reductie van aluminiumoxide vindt plaats in met gelijkstroom bedreven elektrolyseovens, waarbij men de methode volgt die de Fransman P. L. T. Héroult en de Amerikaan Ch. M. Hall in 1886 onafhankelijk van elkaar hebben uitgewerkt. De elektrolyseoven is een met koolblokken bekleed stalen vat, waarin het tijdens het proces vrijkomende gesmolten aluminium met deze koolbekleding fungeert als kathode. Als anode worden eveneens koolblokken toegepast, die met de uit het oxide vrijkomende zuurstof reageren onder vorming van koolstofmonoxide en koolstofdioxide. In hoofdzaak worden tegenwoordig anoden gebruikt, bestaande uit blokken zeer zuivere en goed geleidende koolstof die, gemengd met teer of pek, in een speciale oven gebrand zijn om de vereiste hardheid en vorm te verkrijgen. Het verbruik van elektrodekool tijdens het proces is zeer hoog; ca. 0,5 kg per kg aluminium.
De elektrolyse van aluminiumoxide vereist zeer veel elektrische energie. De moderne elektrolysebedrijven bezitten ovens voor 70.000...50.000 A bij een badspanning van 5...6 V; voor 1 kg aluminium is in de moderne installaties ca. 13,5 kW h (bij het nieuwe, nog in proefstadium verkerende alcoaprocédé ca. 8 kWh kg−1) nodig. Voor de vestiging van een aluminiumindustrie moeten dan ook goedkope energiebronnen ter plaatse aanwezig zijn (waterkracht, aardgas).
Tijdens het proces wordt het mengsel van aluminiumoxide en kryoliet steeds armer aan Al2O3; van tijd tot tijd moet dus nieuw oxide toegevoegd worden. Het afgescheiden aluminium heeft een iets hogere relatieve dichtheid dan het mengsel en verzamelt zich in gesmolten toestand op de bodem, waar het met tussenpozen wordt afgetapt en uitgegoten tot broden, bestemd tot hersmelting, of tot blokken bestemd voor walsen of extrusie. De zuiverheid van het aldus bereide aluminium is maximaal 99,9%; de normale handelskwaliteit is meestal 99,5%. Aluminium met een zuiverheid van 99,99% is te bereiden met behulp van het zgn. drie-lagen-elektrolyseproces.
Indien men bij de fabricage van aluminium kneedprodukten uitgaat van gietbroden (ingots) worden deze omgesmolten, eventueel gelegeerd en daarna tot platte blokken (voor het walsen van plaat) of tot ronde blokken (voor extrusie en walsen van staaf, buis en profiel) gegoten. Algemeen wordt een semi-continu gietproces toegepast, waarbij men in een korte, watergekoelde coquille met losse bodem giet, terwijl het gestolde blok onder uit de coquille wordt getrokken. Naast deze standaardgietmethode voor blokken, bestaan processen voor het continu gieten en walsen van strip en draad. Men voert daarbij het vloeibare aluminium tussen twee watergekoelde walsen, waar het stolt en direct tot een band wordt gekneed, die vervolgens verder wordt uitgewalst. Men spreekt van hazelettproces, naar de uitvinder, of van rotary casting (gietwalsproces). De methode wordt o.a. toegepast bij de vervaardiging van aluminiumstrip voor zonweringen. Het walsen en extruderen van blokken geschiedt bij een temperatuur van 400...550°C. De voorgewalste produkten kunnen verder door koudwalsen of trekken op de eindafmeting worden gebracht. Geextrudeerde profielen worden gestrekt, buizen worden koud nagetrokken.
De bij koude vervorming optredende versteviging kan worden benut om het materiaal met een hogere sterkte af te leveren (bijv. hard gewalste strip en plaat of hard getrokken buis); ook kan de versteviging door gloeien ongedaan worden gemaakt, indien zacht materiaal wordt afgeleverd of indien verdere koudvervorming een tussengloeiing vereist.
Bij de fabricage van aluminium gietprodukten kunnen het aluminium en legeringen daarvan volgens de gebruikelijke vorm- en gietprocessen worden verwerkt tot gietstukken. Naast het gieten in zandvorm en in metalen vorm (coquille) is het gieten onder hoge, of onder lage druk in metalen vorm (spuitgieten) de laatste jaren zeer sterk naar voren gekomen. Vele onderdelen voor de machine- en apparatenbouw worden als spuitgietstukken gefabriceerd.
Het smelten vindt plaats in met gas of olie gestookte kroesovens of in elektrische ovens.
Technisch toegepaste aluminiumlegeringen.
Eigenschappen.
Na ijzer (staal) wordt van alle metalen aluminium het meeste tpegepast als constructiemateriaal. Door toevoeging van vrij geringe hoeveelheden andere metalen is het gelukt een aantal legeringen te ontwikkelen met een sterkte die aanzienlijk hoger is dan van normaal constructiestaal. De toepassing van aluminium wordt bevorderd door de volgende eigenschappen: de kleine relatieve dichtheid (2,7), de gemakkelijke vervormbaarheid, de bestandheid tegen invloeden van het weer en de grote duurzaamheid tegen bepaalde chemicaliën, de grote taaiheid bij cryogene temperatuur, de goede thermische en elektrische geleidbaarheid, en de hoge schrotwaarde. Het metaal is bovendien niet-magnetisch en niet giftig. De sterkte van aluminium kan verhoogd worden door het toevoegen van legeringselementen (mengkristalharding), deformatie (versteviging) en door warmtebehandelingen (precipitatieharding). Hierdoor heeft de gebruiker een grote keus uit de mechanische eigenschappen van aluminiumlegeringen. De treksterkte kan hierbij gekozen worden van ca. 50 N mm−2 (voor volledig zachtgegloeid zuiver Al) met een rek van 30...70%, tot een treksterkte van 600...700 N mm−2 (voor de AlZnMgCu-legeringen in de warmte behandelde toestand) met een rek van 7...19%.
Voor toepassing in constructies moet met de volgende minder gunstige factoren rekening worden gehouden: de relatief kleine elasticiteitsmodulus ten opzichte van staal (EAl = 1/3 Estaal) waardoor zwaarder geconstrueerd moet worden, de hoge sterkte bij hogere temperaturen, en bij de hoogsterke legeringen de lage vermoeiingssterkte (ongeveer 1/ 5 van de corresponderende treksterkte) en de gevoeligheid voor spanningscorrosie. Bij hogere temperaturen kan de sterkte teruglopen doordat de versteviging of precipitatieharding geheel of gedeeltelijk wordt opgeheven (de versteviging door rekristallisatie, de precipitatieharding door oplossen van de precipitaten die voor de sterkteverhoging zorgen). Hierdoor wordt de toepassing van aluminium kneedlegeringen beperkt tot ca. 150°C; speciale warmvaste aluminium gietlegeringen kunnen tot ca. 250°C worden gebruikt. De gevoeligheid voor hogere temperaturen is ook van invloed op de lasbaarheid; voor hoogsterke legeringen is deze matig of slecht.
Een beperkende factor van de toepassing van aluminium is de prijs. Moderne inzichten hebben er echter toe geleid, dat niet de kiloprijs, maar de prijs van het gereed gekomen produkt wordt berekend. Hieruit blijkt, dat bij een totale berekening van de produktiekosten, onderhoudskosten, brandstofkosten (in de transporttechniek) en de schrotwaarde, aluminium bij bepaalde toepassingen in concurrentie kan komen met staal.
Indeling.
Technische aluminiumlegeringen kunnen worden onderverdeeld in gietlegeringen en kneedlegeringen. Bij de gietlegeringen is de belangrijkste groep de in massaproduktie vervaardigde spuitgietlegeringen. Door de goede gietbaarheid (te karakteriseren door vloeibaarheid, persdichtheid en weerstand tegen warmscheuren), worden de AlSi-legeringen (met ca. 12% Si) het meest in de techniek gebruikt. Bij zandgegoten AlSi-legeringen wordt, door het toevoegen van 0,001...0,003% Na (veredelen), de structuur verfijnd, waardoor de sterkte aanmerkelijk toeneemt. In het algemeen kan door toevoeging van korrelverfijners als Ti (ca. 0,1%) en B (ca. 0,002%) de gietstructuur gunstig worden beïnvloed (kleinere korrels).
Hogere sterkte kan ook worden verkregen bij legeringen, met een samenstelling die geschikt is voor precipitatieharding (bijv. Al met Si9 Cu1,8 Mg0,5). Bij Al-legeringen met een hoog Si-gehalte (bijv. Al met Si17 Cu1,3 Mg1,0) wordt 0,01...0,03% P toegevoegd om de korrel te verfijnen, hetgeen sterkteverhogend werkt; deze legeringen zijn echter slecht gietbaar. Voor hoge temperatuurtoepassingen wordt nikkel toegevoegd. De bewerkbaarheid en de lagereigenschappen worden verbeterd door toevoeging van Bi, Cd, Pb en Sn (1%). Bij spuitgietlegeringen kunnen door toevoeging van koper de bewerkbaarheid en sterkte worden verbeterd; de corrosievastheid gaat echter achteruit. Door de hoge afschriksnelheden ontstaat een zeer fijnkorrelige structuur. AlMg-gietlegeringen met een hoog gehalte Mg (> 5%) zijn slecht gietbaar. De bewerkbaarheid is echter uitstekend. Alhoewel de weerstand tegen algemene corrosie goed is, is de weerstand tegen spanningscorrosie slecht. Hierdoor is het gebruik van deze legering de laatste jaren sterk teruggelopen.
Bij de kneedlegeringen kunnen twee typen worden onderscheiden: de niet precipitaathardende legeringen (Al, AlMn en AlMg), en de precipitaathardende legeringen (AlMgSi, AlCuMg en AlZnMg). Bij de eerstgenoemde typen wordt de sterkte beïnvloed door deformatie- en gloeibehandelingen, bij de laatstgenoemde door deformatie- en precipitatiebehandelingen. De sterkte neemt toe met de deformatie, en met het type, de hoeveelheid en de dispersie van het precipitaat. Deze grootheden kunnen worden beïnvloed door de procesvariabelen van de produktie. Toevoeging van kleine hoeveelheden van een bepaald element kan een grote invloed hebben op de eigenschappen. In het algemeen kan worden gesteld dat Mn, Cr en Zn korrelverfijnend werken, Cu de weerstand tegen corrosie verslechtert, maar bij hooggesterkte legeringen de weerstand tegen spanningscorrosie echter verbetert, en Si en Fe de anodiseerbaarheid verslechteren.
Produktie.
De produktie van technische aluminiumlegeringen verloopt in drie fasen; de extractie van Al2O3 uit bauxiet (bayerproces); de bereiding van Al door elektrolyse van Al2O3, opgelost in gesmolten kryoliet (hallproces); en de fabricage van technische legeringen tot half of gereed produkt.
Bij de fabricage zijn de volgende processen te onderscheiden: voor gietlegeringen: het smelten, waarbij behalve het legeren tot de juiste samenstelling, de hoeveelheid H2 (als gas) en O2 (als oxidatiedeeltjes) zo laag mogelijk gehouden moet worden; het gieten (zand-, coquille- en spuitgietwerk); de homogenisatie, waarbij de segregatie zoveel mogelijk wordt opgeheven; en voor kneedlegeringen: de vóór de deformatie gehomogeniseerde aluminiumgietblokken worden nu verder gewalst tot plaat, band, strip of folie (niet precipitaathardende legeringen).
Door de deformatiegraad kunnen bepaalde kwaliteitseigenschappen worden bereikt (1/4 H; ½H; H = hard). Als na deformatie warmte wordt ingebracht (lassen, gloeien of het gebruik bij hoge temperatuur) zal afhankelijk van de hoogte van de deformatiegraad en de temperatuur het materiaal zacht worden door rekristallisatie. De precipitaathardende legeringen worden aan gecombineerde deformatie- en warmtebehandelingen (thermomechanische behandelingen) onderworpen. Door de goede vervormbaarheid van aluminium zijn alle gangbare kneedbewerkingen toe te passen. Zo kunnen door middel van het matrijssmeden, complexe smeedstukken met een hoge sterkte en een nauwe tolerantie worden vervaardigd. Spuitbussen en bierblikjes kunnen door middel van dieptrekken in massaproduktie worden vervaardigd. Het extruderen van aluminiumprofielen is afhankelijk van de samenstelling van de verschillende legeringen.
Bij deze thermomechanische behandeling vragen AlMgSi en AlZnMg een totaal andere behandeling; bij AlMgSi zal het, voor de sterkte benodigde Mg2Si, snel kunnen oplossen en weer uitscheiden; bij AlZnMg is dit gedrag voor MgZn2 juist traag. Voor AlMgSi betekent dit, dat geen oplosgloeien (Du.: Lösungsglühen) nodig is om de voor het extruderen benodigde homogene structuur te verkrijgen. Bij AlZnMg kan de legering na het extruderen langzaam worden afgekoeld, waardoor warmtespanningen kunnen worden vermeden; hierna kan natuurlijke precipitatie volgen. Bij AlMgSi-legeringen moet snel afgeschrikt worden na het extruderen, direct gevolgd door een kunstmatige precipitatiebehandeling. Met deze warmtebehandeling worden de gunstigste eigenschappen verkregen.
Verdere bewerking.
Na de fabricage worden de halffabrikaten bewerkt en met verschillende verbindingstechnieken tot een constructie samengesteld. De belangrijkste verbindingstechniek is het lassen. De meeste aluminiumlegeringen zijn goed lasbaar met uitzondering van de hoogsterke AlZnMgCu-legeringen. Na het lassen zal de sterkte in de zone naast de las (de warmte-beïnvloede zone) gedeeltelijk zijn teruggelopen. Bij de door deformatiegeharde AlMg-legeringen zal het teruglopen van de sterkte afhankelijk zijn van de deformatiegraad. Bij het lassen van precipitaathardende legeringen, zal de voorkeur gegeven worden aan AlZnMg-legeringen, daar de sterkte die na het lassen gedaald is door natuurlijke precipitatie weer tot de oorspronkelijke waarde kan stijgen.
Dit in tegenstelling tot de AlMgSi-legeringen die na het lassen een ongunstige structuur bezitten. Deze kan slechts door oplosgloeien gevolgd door kunstmatige precipitatie worden hersteld. Bij alle drie legeringen is direct na het lassen de rekgrens laag, zodat de lasspanningen laag blijven. Bij het solderen is de laatste jaren een techniek ontwikkeld, waardoor het mogelijk is zonder vloeimiddel te solderen. Dit kan, door te solderen in vacuüm, waardoor de vorming van een oxidehuid wordt verhinderd. Voor hogere temperaturen wordt bovendien magnesium aan het soldeermateriaal toegevoegd, dat preferent oxideert. Door de afwezigheid van agressieve resten van het vloeimiddel, heeft deze methode het toepassen van Al in gesloten koelsystemen bevorderd.
Lijmen vindt als verbindingstechniek op grote schaal toepassing in de vliegtuigbouw en in de ruimtevaart. De te lijmen oppervlakken vragen een speciale behandeling, die bestaat uit een alkalische ontvetting gevolgd door een behandeling met een chroomzuur-zwavelzuur-oplossing. Met de techniek van het lijmen is het maken van Al honingraat-constructies mogelijk. Een tweede grote groep van bewerkingen zijn die, waarmee de oppervlakte-eigenschappen van Al-legeringen worden veranderd. Het chemisch en elektrochemisch bewerken van oppervlaktelagen heeft als doel: een extra bescherming tegen corrosie en erosie te bieden en, door het kleuren van Al-legeringen, deze geschikt te maken voor decoratieve toepassingen.
Alhoewel Al een sterke natuurlijke oxidehuid vormt, wordt de corrosievastheid verder verbeterd door het anodiseren, een elektrochemische bewerking, waarbij een dikke, aan het oppervlak poreuze oxidehuid wordt verkregen. Door een nabehandeling in kokend water of stoom (sealing) wordt de beschermende kwaliteit van de laag verder verbeterd, doordat de poriën gesloten worden. De geanodiseerde laag is doorschijnend en geeft bij een laag gehalte aan Fe- en Si-verontreinigingen een fraaie glans aan het aluminiumoppervlak (anodiseerkwaliteit). De poreuze huid is bijzonder geschikt om kleurstoffen uit een hete oplossing op te nemen. De diepte van de kleur kan gevarieerd worden door de dikte van de film en de concentratie van de kleurstof in het bad. Kleuren kunnen ook worden verkregen met het verfanodiseren, waarbij de kleur bepaald wordt door de samenstelling van de Al-legering (Si grijs, Cr of Cu goud, Mn bruin). Tevens kunnen kleuren worden verkregen door het wijzigen van de oxidehuid met zure oplossingen, die chromaten, fosfaten en fluorionen bevatten (conversielagen). Hoogsterke Al-legeringen die gevoelig zijn voor corrosie worden beschermd door het opwalsen van een laagje zuiver (99,7%) Al (cladlaag). Daar AlZnMgCu meer anodisch zijn dan het zuivere Al, wordt hieraan 1,2% Zn toegevoegd.
Toepassing aluminiumlegeringen.
Door de gestegen energiekosten wordt in de voertuigtechniek het staal steeds meer door het lichtere aluminium vervangen. In treinen worden voor zwaar belaste constructies (langsliggers, onderstel) in hoofdzaak AlZnMg-profielen (Zn4,5 Mg1,2) toegepast; voor minder belaste constructies laag gelegeerde AlMg-platen (½H). Voor de lawaaibestrijding wordt geëxperimenteerd met AlMgSiMn-wielen (Si1,0 Mg0,6 Mn0,6) die gelijmd zijn op stalen velgen. Er zijn drie gebieden, waarbij aan de toepassing van aluminium extra aandacht moet worden geschonken:
a. een acceptabel kleine frequentie van de buigtrillingen bij passagiersvervoer; door de kleine elasticiteitsmodulus van Al (Estaal) zullen in de constructie verstijvingen moeten worden aangebracht;
b. spanningscorrosie van het hiervoor gevoelige AlZnMg moet worden bestreden; dit kan enerzijds door het vermijden van trekspanningen tijdens het produktieproces (als gevolg van het extruderen en lassen), anderzijds door het vermijden van plaatsen waar zich agressief stof kan ophopen;
c. corrosie van geverfde en ongeverfde treinstellen kan vooral plaatsvinden door het agressieve ijzerstof van de spoorbaan. Dit wordt bestreden door waterwassen en het spoelen met schoonmaakvloeistoffen (verdunde zuren bijv. 18% fosforzuur voor ongeverfd en geclad op geplateerd Al; alkalische vloeistoffen voor geverfd Al).
In de autotechniek zal door een aantal ontwikkelingen het gebruik van aluminium worden bevorderd, nl. een verscherping van de veiligheidseisen en de te verwachten eisen op het gebied van de luchtverontreinigingen; en de besparing van brandstof door het toepassen van lichtere constructies, vooral bij het beroepsvervoer.
Voor bumpers worden geëxtrudeerde AlZnMg en AlMgSi (Mg1,0 Si0,6) op grote schaal vervaardigd. Bij het eerstgenoemde type legeringen worden in verband met de decoratieve aspecten twee soorten toegepast. De legering met Zn7,3 Mg1,3 met hoog Si- en Fe-gehalte geeft bij het anodiseren een doffe glans en wordt daarom vaak verchroomd; met Zn4,5 Mg1,1 en een laag Si- en Fe-gehalte, is de legering tot een hoge glans te anodiseren (anodiseerkwaliteit).
Voor autoplaat wordt voor het binnenwerk het goed vervormbare AlMg4,5 in de zachte toestand gebruikt. Door de betere oppervlaktekwaliteit die na het walsen kan worden verkregen, wordt voor het buitenwerk AlCuMg (Cu2,6 Mg0,4) toegepast. Aluminium is verder in een grote verscheidenheid van samenstelling en vormen (spuitgietstukken, smeedstukken, geprofileerde plaat) als massaprodukt terug te vinden in de motor, overbrengingen, koeler en als decoratieve toepassingen. Bij de spuitgietstukken ondervindt aluminium concurrentie van kunststoffen (lichter) en zink (spuitgieten met een zeer geringe wanddikte mogelijk).
In de scheepsbouw wordt het goed lasbare AlMg3, voor verhogen van de stabiliteit van het schip, als constructiemateriaal toegepast in bovenbouwen van schepen. Alhoewel de sterkte en de lasbaarheid bij hoger gehalte aan magnesium verbeterd worden, wordt dit percentage toch beperkt door de toenemende gevoeligheid voor spanningscorrosie in een chloorhoudend milieu. Voor het transport van vloeibare gassen (Tmethaan = 165°C, Tpropaan = −45°C) wordt gebruik gemaakt van de goede lage temperatuureigenschappen van AlMg4,5Mn (hogere sterkte en betere rek ten opzichte van deze eigenschappen bij kamertemperatuur). De vloeibare gassen worden vervoerd in tanks of in gelaste bollen (diameter 35 m, huiddikte 0,178 m). Aluminiumlegeringen worden tevens toegepast voor containers. Daar deze aan boord op elkaar gestapeld worden, moeten extra verstevigingen in de hoeken worden aangebracht. In de onderwatertechniek is, in verband met de gunstige verhouding rekgrens/relatieve dichtheid de hoogsterke legering AlZnMgCu toegepast in het cilindervormige onderwatervoertuig Aluminaut (lengte 15,5 m, diameter 2,46 m, dikte van de drukkracht opnemende huid 16 cm bij een duikdiepte van 4500 m.
Van de non-magnetische eigenschappen van aluminium wordt gebruik gemaakt in mijnenvegers.
De meest toegepaste Al-legeringen in de vliegtuigindustrie en de ruimtevaart zijn de AlCuMg- en AlZnMg(Cu)-legeringen voor huidbeplating en spanten (extrusies, bewerkte platen en smeedstukken). Door de bouw van supersone vliegtuigen en ruimtevaartconstructies is de ontwikkeling van geavanceerde legeringen versneld. Aan de toepassing hiervan worden complexe eisen gesteld: een hoge sterkte-gewicht-verhouding, een goede bestandheid tegen hitte, een goede vermoeiingssterkte, bestandheid tegen corrosie, in het bijzonder spanningscorrosie, en een goede breuktaaiheid. Bij de breuktaaiheid is vooral de waarde dwars op de vezelrichting (wals- of extrusierichting) kritisch. Bij de nieuwste AlZnMg-legeringen wordt door het verhogen van het koperpercentage de spanningscorrosie verbeterd. Door mangaan en chroom als bijlegeringselementen te vervangen door zirkoon wordt de weerstand tegen rekristallisatie verbeterd. Door het sturen van de procesvariabelen van de thermomechanische behandelingen worden de eigenschappen zoveel mogelijk met elkaar in evenwicht gebracht. Hierbij is de controle van de structuur gericht op het verhinderen of vertragen van scheuren (breukmechanica).
In de ruimtevaart wordt Al door de goede lage temperatuureigenschappen toegepast als constructiemateriaal voor de vloeibare brandstoftanks van raketten. Aluminium wordt tevens als constructiemateriaal gebruikt voor ruimtevaartconstructies die niet naar de aarde terugkeren (Lunar Excursion Model en maanwagen). Bij deze constructies wordt een Al-legering met 6,3% Cu gebruikt. Deze legering behoudt zijn sterkte bij de maantemperatuur, die van −120…. +120°C wisselt. Bij satellieten worden AlCuMg-platen met een dikte van 0,1.. .0,25 cm als buitenbeplating toegepast. Het aluminium werkt als een thermische balans, waarmee de warmte van de elektronische apparatuur die door straling moet worden afgevoerd en de zonnewarmte die op afdoende wijze moeten worden gereflecteerd, met elkaar in evenwicht worden gehouden.
In de bouwindustrie is een doorbraak in de toepassing van aluminium waar te nemen. Dit is het gevolg van de goede bestandheid tegen invloeden van het weer (lage onderhoudskosten), het lichte gewicht (lage transportkosten), de toepassing van nieuwe produktietechnieken (complexe geëxtrudeerde profielen en geprofileerde platen) en de mogelijkheid om door chemische en elektrochemische oppervlaktebehandelingen het oppervlak een grote schakering van kleuren te geven (esthetische aspecten). Een grote verscheidenheid van wandbekledingen en façades, beschikbaar in de vorm van geprofileerde en gegoten platen (gegoten Al met 12% Si, en Al met 3 en 5% Mg), is geschikt voor toepassing in de nieuwbouw (vooral hoogbouw) en de vernieuwbouw. Voor daken en zijpanelen van industriële gebouwen worden vaak sandwichconstructies van AlMn1,2 toegepast. Hierbij worden geprofileerde platen op het stalen skelet aangebracht. Na het aanbrengen van een isolerende laag van vezelglas, wordt vervolgens de tweede aluminiumlaag bevestigd.
Wat overige toepassingen betreft is aluminium bijzonder geschikt als verpakkingsmateriaal. Het is niet giftig (drank- en voedingindustrie), uitstekend tot dunne folie (0,005...0,20 mm) te verwerken en te bedrukken (melkcapsules, flessedoppen, condensatorfolie, zilverpapier). Ook in de elektrotechnische industrie wordt Al door zijn lichte gewicht en goede geleidingsvermogen (60% van dat van Cu), toegepast als geleider voor hoogspanningskabels, bedradingen, schermmantelmateriaal voor kabels en geanodiseerde folie in transformatoren. Ook als constructiemateriaal voor hoogspanningsmasten en bruggen, voor lichtmasten, vlaggemasten enz., wordt aluminium veelvuldig toegepast, vooral in die gebieden die moeilijk toegankelijk zijn. Hier geschiedt het transport van masten met hefschroefvliegtuigen. In de chemische technologie wordt gebruik gemaakt van de goede weerstand tegen corrosie van aluminium voor de opslag en transport van vele organische zuren en geconcentreerd salpeterzuur. Van de niet magnetische eigenschappen van aluminium wordt gebruik gemaakt bij meetinstrumenten, bijv. bij de constructie van balansen met een grote meetnauwkeurigheid.
Voorts wordt aluminium toegepast o.a. voor de vervaardiging van keukengerei, voor de bekleding van pijpleidingen, voor het aluminiseren van astronomische reflectors, en van spiegels, van sieraden, sierlijsten en grillen van auto’s, als vijzel voor de reductie van tal van metaaloxiden (methode volgens Goldschmidt), als fijn poeder voor de bereiding van springstoffen en vuurwerk, en gemengd met lijnolie of lak als roestwerende verf. Tevens wordt het als opofferingsanode toegepast bij de kathodische bescherming.
Aluminiumverbindingen.
Aluminiumoxide Al2O3 ontstaat bij verhitten van bepaalde aluminiumzouten of aluminiumhydroxide (aluinaarde). Het is een wit amorf poeder, dat amfotere eigenschappen bezit en dus zowel in sterke zuren als in sterke basen gemakkelijk oplost, tenzij het te sterk gegloeid is. In de natuur komt het gekristalliseerd voor als het zeer harde, kleurloze korund (hardheid 9 in de schaal van Mohs), terwijl ook de edelstenen robijn, saffier, topaas, smaragd, oosterse amethist en aquamarijn uit aluminiumoxide bestaan, gekleurd door zeer geringe hoeveelheden van andere metaaloxiden. Korund en amaril (50...60% korund, vermengd met hematiet en glimmer) worden wegens hun grote hardheid gebruikt als slijpmiddel. Kunstmatig wordt korund bereid uit bauxiet door verhitting op zeer hoge temperatuur in elektrische lichtboogovens (elektrokorund, alundum enz.). Dit kunstmatige korund dient als slijpmiddel, en zeer fijn gemalen als grondstof voor hoog vuurvaste massa’s (alundum-cement), o.a. voor bougies. Ook de edelstenen robijn, saffier en smaragd worden wel kunstmatig bereid door gepoederd zuiver Al2O3 met bepaalde metaaloxiden samen te smelten. Natuurlijk korund heeft een smeltpunt van 2050°C, terwijl de hardheid weinig minder is dan die van diamant.
Aluminiumhydroxide Al(OH)3 ontstaat als een wit geleiachtig neerslag (hydrogel), wanneer aan een oplossing van een aluminiumzout ammonia wordt toegevoegd. Bij voorzichtige verhitting van dit neerslag ontstaat een stof die een groot adsorbtief karakter bezit (geactiveerd Al2O3) en daarom in de chromatografische analyse wordt gebruikt. In kristallijne toestand komt aluminiumhydroxide voor in de mineralen hydrargylliet, bayeriet en böhmiet (bestanddeel van bauxiet). Vers neergeslagen Al(OH)3 lost vlot op in sterke zuren en sterke basen, echter niet in overmaat ammonia (verschil met zinkhydroxide); het is dus een amfoteer hydroxide.
Natriumaluminaat NaAlO2 ontstaat als bauxiet met natronloog onder druk wordt verhit. Het is vrij van ijzer, omdat Fe2O3 hierbij niet in oplossing gaat. Het wordt gebruikt in de katoendrukkerij en in de ververij, daar het gemakkelijk hydrolyseert. In plaats van aluminiumsulfaat wordt het ook gebruikt in de papierindustrie (lijmen) en voor waterzuivering.
Aluminiumchloride AlCl3 wordt in het laboratorium bereid door droog waterstofchloridegas te leiden over verhit aluminiumvijlsel. Technisch wordt het bereid door verhitting van een mengsel van Al2O3 en koolstof in een chloorstroom. Het is een zeer hygroscopische stof die gemakkelijk sublimeert. In de organische chemie wordt aluminiumchloride veel toegepast o.a. als katalysator bij de bereiding van benzeenhomologen uit benzeen en alkylhalogeniden (Friedel en Crafts-synthese). In de kosmetiek vindt het toepassing in deodoriserende preparaten (deodorant lotion).
Aluminiumfluoride, in de natuur voorkomend in kryoliet, AlF3 ⋅ 3NaF of juister Na3 (AlF6), wordt gebruikt bij de aluminiumbereiding en als troebelingsmiddel in email.
Aluminium(I)chloride AlCl ontstaat bij verhitting van aluminiumchloride met aluminium. Bij afkoeling ontstaat weer AlCl3.
Aluminiumcarbide Al4C3 ontstaat bij 2000°C door verhitting van Al en C in een elektrische oven. Naast Be2C is het het enige carbide dat bij hydrolyse methaan levert.
Aluminiumacetaat Al(C2H3O2) 3 wordt verkregen door oplossen van aluminiumhydroxide in azijnzuur, of uit loodacetaat en aluminiumsulfaat. Het wordt toegepast in ververijen en textieldrukkerijen onder de benaming ‘roodbeits’. Vaak wordt ook een oplossing van basisch aluminiumacetaat gebruikt, die beter houdbaar is; deze kan worden verkregen door toevoeging van soda aan bovengenoemde oplossing.
Aluminiumoleaat, het aluminiumzout van oliezuur, C17H33COOH, wordt bereid door de omzetting van een natriumoleaatoplossing met aluin of aluminiumsulfaat. Het is een witte of geelachtige, doorschijnende, in water onoplosbare stof, die wordt gebruikt als beschermingsmiddel tegen oxidatie aan de lucht van metalen en voor het waterdicht maken van weefsels.
Aluminiumstearaten, de aluminiumzouten van stearinezuur, C17H35COOH, zijn meestal mengsels van mono, di- en tristearaat. Vooral het produkt dat in hoofdzaak uit distearaat bestaat, vindt technische toepassing, o.a. in de verfindustrie als matteringspreparaat, als verdikker en als anti-uitzakmiddel.
Triëthylaluminium Al(C2H5)3 wordt verkregen uit aluminiumhydride en etheen. In combinatie met TiCl4 is het van bijzondere betekenis als katalysatormengsel (Ziegler-katalysator bij de polymerisatie van etheen en andere olefinen (Ziegler-Nattakatalysator).
Aanbrengen van aluminiumlagen op een ondergrond van een ander materiaal kan plaatsvinden door: opdampen, metaalspuiten, dompelen in gesmolten aluminium (thermische aluminiumlagen) en langs galvanotechnische weg.
Opgedampte aluminiumlagen zijn als regel zeer dun en dienen hoofdzakelijk voor optische doeleinden (spiegels) en voor verfraaiing. Het opspuiten van aluminium wordt op grote schaal op stalen voorwerpen toegepast voor het verkrijgen van corrosiewering; ten opzichte van opgespoten zinklagen zijn aluminiumlagen beter bestand tegen zwavelhoudende verontreinigingen (waaronder verbrandingsgassen) en hoge temperaturen. Op roestvast stalen pannen worden door vlamspuiten verkregen aluminium bodemverdikkingen toegepast met als doel een betere warmteverdeling. Thermische aluminiumlagen worden in een continu proces vervaardigd voornamelijk op staalplaat, vooral met het doel een betere corrosiewering bij hoge temperatuur te verkrijgen. Toepassingsvoorbeelden zijn schoorstenen en uitlaatsystemen voor auto’s. Ook in geëmailleerde vorm wordt dit materiaal gebruikt.
Voor het galvanisch aanbrengen van aluminiumlagen kan men geen waterige badvloeistoffen gebruiken. Het is noodzakelijk hiervoor organische oplosmiddelen toe te passen en speciale organometaalverbindingen van aluminium die voor een deel zelfontbrandend zijn zodat onder een stikstofatmosfeer moet worden gewerkt. Het toepassingsgebied van galvanische aluminiumlagen is daardoor beperkt tot enkele speciale produkten die gebruikt worden in de lucht- en ruimtevaart.