Aluminium uitgelegd: eigenschappen, types en toepassingen – Expert gids

Wat is aluminium?

Aluminium is een zilvergrijs metaal, een van de meest voorkomende metalen op aarde (8%+ van de aardkernmassa). Het is het 13e element (symbool Al) en het derde meest voorkomende metaal na silicium en zuurstof. Ook gespeld als Aluminium. Zuiver aluminium komt niet in de natuur voor (bindt gemakkelijk met andere metalen). Eerst geproduceerd in 1824. Meest voorkomende vorm: aluminiumsulphaten.

Aluminium heeft een lagere dichtheid dan andere metalen (één derde van staal). Bij luchtcontact vormt het een beschermende oxidelaag door sterke affiniteit met zuurstof; vormt verbindingen voornamelijk in +3 oxidatietoestand. Deze affiniteit zorgt voor veel voorkomen in korstgesteenten (oxiden) in plaats van de mantel. Al³⁺ kation is hoog geladen en klein. Kookpunt ~2743 K, smeltpunt ~933,47 K.

Productie is primair gekoppeld aan bauxieterts (40-50% gehydrateerd aluminiumoxide + silica/ijzeroxide). Hoewel chemisch vergelijkbaar met staal/koper, is aluminium lichtgewicht, sterk, non-corrosief, flexibel, en volledig herbruikbaar. Staal is fysiek sterker, maar aluminium wordt gekozen omwille van lage dichtheid en flexibiliteit: vliegtuigonderdelen, kozijnen, schepen, hoogbouw. Aluminium is ~2,5x dichter dan staal → alternatief voor mobiliteit/portabiliteit. Aluminiumlegeringen zijn hoog duktil en smeedbaar → makkelijk te vormen/bewerken. Goede elektrisch/thermische geleiders, niet-vonkkend, niet-magnetisch. Hoog herbruikbaar: herverhitting vereist slechts 5% van primaire productie-energie. 75% hergebruikt zonder kwaliteitsverlies.

Kenmerken van aluminium

1. Lichtgewicht

Specifiek gewicht 2,7 g/cm³ (~1/3 staal). Verlaagt productiekosten. In auto's: minder dood gewicht, lager energieverbruik, hogere laadcapaciteit. Sterkte aanpasbaar via legeringssamenstelling. Al-Mn-Mg voor duurzaamheid/sterkte; Al-Mg-Si voor auto-plaatmetal.

2. Corrosiebestendigheid

Natuurlijke dunne oxidelaag = beschermende film die contact met omgeving beperkt. Nuttig bij blootstelling aan corrosieve agentia (voertuigen). Let op: aluminiumlegeringen zijn vaak meer corrosiebestendig dan zuiver aluminium (behalve mariene Mg-Al legeringen).

3. Elektrische en thermische geleiding

Per gewicht: tweemaal zo goed als koper. Eerste keuze voor hoogspanningslijnen. Uitstekende warmteafvoer in apparaten met plotselinge hittepieken.

4. Reflectiviteit

Uitstekende reflector van zichtbaar licht en warmte. Laag gewicht → ideaal voor reflectoren (armaturen, dakbedekking). Koeldaken met aluminium reduceren interne zonnewarmte, reflecteren tot 95% zonlicht.

5. Duktiliteit

Laag smeltpunt en dichtheid → verwerkbaar in smelttoestand op diverse manieren. Duktiliteit garandeert ontwerpvrijheid tot eindproduct. Platen, folie, buizen, staven, draden: allemaal aluminium.

Types aluminiumlegeringen

Zuiver aluminium gecombineerd met andere elementen voor aangepaste eigenschappen (vormbaarheid, corrosiebestendigheid, bewerkbaarheid). Legeringen geïdentificeerd via gradatiesysteem van The Aluminum Association. Gegradieerd naar hooflegeringselement + thermische/mechanische eigenschappen. Twee hoofdcategorieën: Gesmeden (Wrought) en Goten (Cast) aluminium. Beiden hebben eigen aanduidingssysteem.

Gesmeden aluminium (Wrought)

Vervaardigd door aluminiumblokken te smelten met specifiek legeringselement → samenstelling van de graad. Gegoten en mechanisch bewerkt tot extrusie. Viercijferige code:

• 1e cijfer: Hoofdlegeringselement (grote invloed op eigenschappen van de serie).
• 2e cijfer: Modificatie van specifieke legering (gedocumenteerd, geregistreerd bij IADS). 0 = oorspronkelijk/ongewijzigd.
• 3e en 4e cijfer: Specifieke legering in de serie. Bij 1000-serie: zuiverheidsgraad.

1000 Serie

Minimaal 99,0% Al, geen significante legering. Uitstekende corrosiebestendigheid, hoge elektrisch/thermische geleiding. Hoog vormbaar, verhardt langzaam (duktil, zacht). Gewenst voor extreme vervorming. Lasbaar, smal smelttraject. Lagere mechanische sterkte. Al 1100 = meest voorkomend, hoogste sterkte in serie, "commercieel zuiver aluminium". Geschikt voor warmtewisselaars, warmte-afvoerders (goede geleiding). Uitstekende vormgevingseigenschappen: koudvormen (buigen, rolvormen, trekken, stampen, spinnen). Duktiliteit → draden, platen, folie, staven, strippen. Warmvormen ook mogelijk. Conventioneel lassen (weerstandslassen) mogelijk. Niet verhardbaar door warmtebehandeling, alleen koudverharding.

2000 Serie

0,7-6,8% koper + kleinere hoeveelheden Si, Mn, Mg. Koper = hoofdelelement → extra sterkte/hardheid, betere bewerkbaarheid. Hoge sterkte over brede temperatuurbereik. Ideeel voor luchtvaart/ruimtevaart (hoge prestaties/sterkte). Nadeel: koper verlaagt duktiliteit en corrosiebestendigheid. Warmtebehandelbaar. Uittrekkingsverharding (precipitatie van Al₂Cu) verhoogt hardheid. Lastig te lassen (intermetallische verbindingen, risico op warme/koude scheuring). Al 2011: vrij-bewerkbare legering, uitstekende bewerkbaarheid (kleine spanen, gladde afwerking) → hoge snelheid draaien. Slechte corrosiebestendigheid → coating/anodiseren nodig. Niet aanbevolen voor vormgeven/lassen. Al 2024: zware toepassingen onder langdurige spanning. Breed bekende hoge sterkte legering. Goede scheurweerstand, lage scheurgroei. Corrosiebestendigheid verbeteren via cladding/anodiseren.

3000 Serie

Mangaan (0,05-1,5%) = hoofdelelement. Meer mechanische sterkte dan zuiver Al, stabiel over temperaturen. Goede corrosiebestendigheid, hoge duktiliteit, vormbaar. Niet warmtebehandelbaar, geschikt voor lassen. Verharding via koudvervorming. Al 3003 (1,5% Mn, 0,1% Cu) = meest gebruikt. Mechanische eigenschappen als Al 1100 + 20% hogere trekkracht. Braseren, dieptrekken, spinnen, lassen mogelijk.

4000 Serie

3,6-13,5% silicium (hoofdelelement) + weinig Cu/Mg. Silicium verlaagt smeltpunt, verbetert vloeibaarheid in smelttoestand. Goed vulmateriaal voor lassen/braseren. Warmtebehandelbaarheid afhankelijk van Cu/Mg hoeveelheid. Toevoeging gunstige reactie op warmtebehandeling. Warmtebehandelbare graden geschikt voor lassen.

5000 Serie

0,5-5,5% magnesium = hoofdelelement. Niet warmtebehandelbaar, verharding via koudvervorming. Hoge duktiliteit (geglost), matige sterkte. Makkelijk lasbaar, hoge corrosiebestendigheid. Uitstekend alkali-bestendig. Sommige graden (3,5% Mg) ongeschikt voor hoge temperatuur (spanningscorrosie). Al 5005: plaatmetaalwerk, goede vormbaarheid (buigen, spinnen, trekken, stampen, rolvormen), marien bestand, corrosiebestendig. Al 5083: Mn/Cr toevoeging → bestendig tegen industriële chemicaliën/zeewater, behoudt hoge sterkte na lassen. Al 5052: beste mariene weerstand, goede afwerking, ingewikkelde vormen door uitstekende bewerkbaarheid. Hoogste sterkte onder niet-warmtebehandelbare graden.

6000 Serie

Silicium (0,2-1,8%) en magnesium (0,35-1,5%) = hoofdelelementen. Warmtebehandelbaar voor hogere reksterkte. Hoog silicium → uittrekkingsverharding → lagere duktiliteit (omkeerbaar met Cr/Mn die rekristallisatie remmen). Lastig te lassen (gevoelig voor solidificatiescheuring) → juiste lastechnieken nodig. Al 6061: meest veelzijdig warmtebehandelbare legering, "work-horse". Uitstekende vormbaarheid, corrosiebestendigheid (buigen, dieptrekken, stampen). Lasbaar met elke methode. Al 6063: veel gebruikt voor aluminiumextrusie. Hoge trekkracht, corrosiebestendigheid, uitstekende afwerking. Gladde oppervlakken na complexe vormen → ideaal voor anodiseren. Goede lasbaarheid, gemiddelde bewerkbaarheid. Al 6262: vrij-bewerkbare legering, hoge mechanische sterkte, goede corrosiebestendigheid.

7000 Serie

0,8-8,2% zink = hoofdelelement. Hoogste sterktes in deze serie. Warmtebehandelbaar + oudering voor hogere reksterkte. Zink → uitvalling MgZn₂ en Mg₃Zn₃Al₂ → intermetallische verbindingen verharden legering. Hoge corrosiebestendigheid (versterkbaar met koper). Slecht lasbaar (gevoelig voor spanningscorrosiescheuring, warme scheuring). Al 7075: onder de hoogste sterktes. Hoge prestaties, hogere trekkracht dan 6061. Harder, weerstaan langdurige spanning. Lasbaar met punt/smeltmethoden.

Goten aluminium (Cast)

Gemaakt door gietproces: gesmolten aluminium + legeringselementen in vorm gieten. Lagere trekkracht dan gesmeden aluminium. Gevoelig voor scheuring/krimp. Maar: kosteneffectiever. Gesmolten aluminium vult flexibel vormkaviteiten → brede vormengamma.

Viercijferige code met decimaal:

• 1e cijfer: hoofdlegeringselement
• 2e/3e cijfer: willekeurige nummers (behalve 1XX.X: zuiverheidsgraad)
• Laatste cijfer: gietstuk (.0) of lingoot (.1/.2)

1XX.X Serie

Maximaal zuiver Al (99%+). Hoge elektrisch/thermische geleiding, betrouwbaarheid, uitstekende corrosiebestendiging/afwerking.

2XX.X Serie

Koper = hoofdelelement. Warmtebehandelbaar. Hoge sterkte, lage vloeibaarheid. Lage corrosiebestendigheid/duktiliteit. Gevoelig voor warme scheuring.

3XX.X Serie

Silicium + Mg/Cu. Warmtebehandelbaar. Hoge sterkte, goede slijt-/scheurweerstand. Meer Cu → lagere corrosiebestendigheid. Lagere duktiliteit.

4XX.X Serie

Silicium = hoofdelelement. Matige sterkte. Niet warmtebehandelbaar. Goede bewerkbaarheid (hoge duktiliteit). Goede impact-/corrosiebestendiging, gietbaarheid.

5XX.X Serie

Magnesium = hoofdelelement. Corrosiebestendig. Niet warmtebehandelbaar. Goede corrosiebestendigheid, mooie anodiseerbare uitstraling. Matige-hoge sterkte, bewerkbaar, uitstekende gietbaarheid.

7XX.X Serie

Zink = hoofdelelement. Warmtebehandelbaar. Hoge sterkte, goede corrosiebestendigheid, dimensionele stabiliteit, afwerking. Slechtte gietbaarheid.

8XX.X Serie

Tin = hoofdelelement. Niet warmtebehandelbaar. Goede bewerkbaarheid/slijtvastheid (lage wrijvingscoëfficiënt). Lagere mechanische sterkte.

Serie 6XX.X wordt niet in deze standaarden gebruikt.

Vergelijkingstemperatuur-aanduiding (Temper Designation)

Geeft reactie van legering op lassen/fabricatie weer. Gerelateerd aan versterkings-/verhardingsprocessen. Geldt voor zowel gesmeden als goten legeringen. Bestaat uit hoofdletter + tweecijferig getal (verharding/thermische behandeling). Gescheiden van legeringnummer door bindstreep (bijv. 5052-H32).

Eerste letter = hoofbehandeling:

Eerste/tweede cijfer: bewerking na koudverharding en graad van koudverharding (koudverharde legeringen). Eerste cijfer: thermische behandelingstoestand (thermisch behandelde legeringen).

Toepassingen van aluminiumlegeringen

Gesmeden graden

• Al 1100: Nieten, dieptrekdelen (pannen, wasbakken), tankwagens, reflectoren. Warmtewisselaars, warmte-afvoerders (hoge thermische geleiding). Elektrische toepassingen.
• Al 2011: Machine/auto-onderdelen, bevestigingen, wapens, munitie, buisfittingen, verstuiverdelen. Schroefmachineproducten.
• Al 2024: Meest geschikt voor luchtvaart/ruimtevaart. Mariene apparatuur, vleugeltrekleden, bouten, hydraulische klepdelen, assen, koppelingen, moeren, tandwielen, zuigers.
• Al 3003: Warmtewisselaars, drukvaten, opslagtanks, brandstoftanks. Voedselhandel: kookgerei, ijsblokkenbakjes, pannen, koelkastpanelen. Bouw: daken, bekleding, garagedeuren, isolatiepanelen, dakgoten, afvoeren.
• Al 5005: Bouwmateriaal: bekleding, daken, meubels, elektrische geleider. Chemische/voedselhandelapparatuur, CV-installaties, vaten, tanks, hoge sterktes folie. Decoratief door glad oppervlak.
• Al 5083: Railwagens, drukvaten, boorplatforms, scheepsbouw, voertuigen.
• Al 5052: Voedselverwerkingsapparatuur, kookgerei, warmtewisselaars, chemische opslagtanks. Vliegtuigpaneelen, vloerpaneelen, nitten, draden, loopplaten, containers.
• Al 6061: Buizen, profielen, hoeken met afgeronde hoeken. Tankfittingen, vrachtwagens, treinen, mariene componenten, pipelines, meubels.
• Al 6063: Architectuur: trapliften, meubels, kozijnen, deuren, tekens. Buizen, hoeken, profielen, U-profielen.
• Al 6262: Schroefmachineproducten, scharnierpennen, mariene fittings, pipeline fittingen, knopen, moeren, koppelingen, kleppen, decoratieve beschlag.
• Al 7075: Luchtvaart/ruimtevaart (hoge sterkte). Motoronderdelen, malen, sportuitrusting, industriële tooling.

Vormen van aluminium

1. Draden

Geproduceerd door aluminiumblokken door matriz te drukken → diameter afname, lengte toename. Goede elektrische geleiding, hoge sterkte/gewicht → alternatief voor koper. Risico: oxidatie → vertering elektrische bedrading, brandgevaar. Preventie noodzakelijk.

2. Folie

Van aluminiumplaten via walzen → dikte 0,2 mm tot 6 micron. Smeedbaar, buigmakkelijk, omwikkelbaar. Verpakking, elektromagnetische afscherming, industriële toepassingen.

3. Platen (Sheets)

Hogedruk walzen van aluminiumblokken tot dunner/platter. Dikte < 0,249 inch. Meest gebruikte vorm. Toepassingen: blikjes, verpakkingsmateriaal, vrachtwagent/auto-onderdelen, kookgerei, bouw (daken, bekleding, dakgoten).

4. Dikke platen (Plates)

Zelfde productie als sheets, maar dikte > 0,250 inch. Zwaardere toepassingen. Transport, luchtvaart, scheepvaart, militair. Opslag-/brandstoftanks.

5. Staven, buizen, pijpen

Extrusie: aluminiumbolk door opening van matriz geperst door compressiekracht. Matriz transformeert vorm. Flexibel proces → diverse dwarsdoorsnedes: rond, rechthoekig, vierkant, zeshoekig, holle buizen/pijpen. Complexe profielen met constante dwarsdoorsnede. Toepassingen: constructie, luchtvaart, auto, marien, HVAC.

Referenties

• https://en.wikipedia.org/wiki/Aluminium
• https://en.wikipedia.org/wiki/Aluminium_alloy