Wie hoch ist die Dichte von Aluminium? Definition, Daten und Vergleich

1.0Grundlegende Definition und numerische Beschreibung

Aluminium ist aufgrund seiner geringen Dichte – etwa ein Drittel der Dichte von Stahl – und seines hohen Festigkeits-Gewichts-Verhältnisses ein beliebter Industriewerkstoff. Dadurch ist es leicht und dennoch stabil, einfach zu verarbeiten und für viele industrielle Anwendungen geeignet.

1.1Was ist Dichte?

1.2Grundlegende Dichtedaten von Aluminium

• Die Dichte von Aluminium beträgt ca. 2.710 kg/m³.
• Aluminiumlegierungen haben eine ähnliche Dichte, typischerweise im Bereich von 2.640 bis 2.810 kg/m³.

1.3Wie hoch ist die Dichte von reinem Aluminium?

Unter Dichte versteht man die Masse, die in einem Einheitsvolumen einer Substanz enthalten ist.

Die Dichte von reinem Aluminium beträgt ca. 2,7 g/cm³, obwohl es je nach physischem Zustand leicht variieren kann.

• In fester Form beträgt die Dichte von reinem Aluminium 2,699 kg/m
• In flüssiger Form schwankt die Dichte leicht zwischen 2,697 und 2,699 kg/m³.
  • Zum Beispiel bei 973 KDie Dichte von flüssigem Aluminium beträgt 2,357 kg/m³;
  • Bei 1.173 Tsd.verringert es sich auf 2,304 kg/m³.

1.4Dichtevergleich mit gewöhnlichen Metallen:

1.5Hauptvorteile von Aluminium aufgrund seiner einzigartigen Dichte

• Leicht:Durch die geringe Dichte ist Aluminium leicht und einfach zu handhaben; ideal für den Flugzeugbau.
• Korrosionsbeständigkeit:Bildet eine schützende Oxidschicht, die Rost und Korrosion verhindert.
• Recycelbar:100% recycelbar, umweltfreundlich und kostengünstig ohne Qualitätsverlust zu recyceln.
• Hohe Leitfähigkeit:Elektrische Leitfähigkeit, gemessen am Gewicht, doppelt so hoch wie die von Kupfer; ausgezeichneter Wärmeleiter

1.6Dichteunterschiede zwischen Aluminiumwerkstoffen

Reinaluminium hat typischerweise eine Dichte von etwa 2,7 g/cm³, kann aber durch Legierungen leicht abweichen. Schwerere Legierungselemente erhöhen das Gewicht. Beispielsweise liegen die Legierungen der 1xxx-Serie nahe an Reinaluminium und gelten als Handelsaluminium mit der Reinheit 99%.

Im Gegensatz dazu können die Legierungen der Serien 7xxx und 8xxx Dichten von bis zu etwa 2,9 g/cm³ aufweisen. Die Aluminiumlegierung 7075 hat eine Dichte von 2,81 g/cm³, die höher ist als bei anderen Legierungen. Sie ist eine der stärksten verfügbaren Aluminiumlegierungen – ihre Zugfestigkeit ist fast doppelt so hoch wie die von Aluminium 6061.

Interessanterweise können die Legierungen der 4xxx-Serie, die hauptsächlich mit Silizium legiert sind, eine geringere Dichte als die 2,7 g/cm³ von reinem Aluminium aufweisen, da Silizium die Dichte von Aluminium verringert.

1.7Physikalische Eigenschaften

• Aluminium ist leicht an seiner silberweißen Farbe mit einem leichten Blaustich zu erkennen.
• Reines Aluminium ist ein weiches Metall, wird aber durch eine Legierung härter und fester.
• Aufgrund seiner Weichheit kann Aluminium zu sehr dünnen Blechen gehämmert werden.
• Es ist dehnbar und kann daher je nach Projektbedarf geformt oder gebogen werden.
• Aluminium ist ein ausgezeichneter Strom- und Wärmeleiter und widersteht Korrosion durch die Bildung einer schützenden Oxidschicht.

1.8Chemische Eigenschaften

• Aluminium weist verschiedene chemische Eigenschaften auf und kommt hauptsächlich als Verbindung in Bauxit-Erz vor, einem Gemisch aus Aluminium, Sauerstoff und anderen Elementen. Bauxit ist die Hauptquelle für Aluminium.
• Bei Kontakt mit Sauerstoff reagiert Aluminium langsam und bildet eine Schutzschicht aus Aluminiumoxid.
• Aluminium reagiert mit vielen Flüssigkeiten, einschließlich heißen Säuren und heißem Wasser.
• Es reagiert auch mit Basen wie Kalkwasser und Natriumhydroxid und bildet in Kombination mit Elementen wie Magnesium, Kupfer und Silizium hochfeste Legierungen.

1.9Dichtevariation in Aluminiumlegierungen

• Legierungseffekt:Legierungselemente wie Mg, Si, Cu und Zn führen zu leichten Dichteänderungen in Aluminiumlegierungen, was sich auf ihre mechanischen Eigenschaften und Vielseitigkeit auswirkt.
• Andere Faktoren:Auch Verarbeitung, Korngröße, Temperatur, Härtung, Wärmebehandlung, Beschichtungen, Hydratation und Verunreinigungen beeinflussen die Dichte.
• Dichtebereich:Die Dichte von reinem Aluminium beträgt etwa 2.700 kg/m³. Aluminiumlegierungen variieren geringfügig, sind aber immer noch viel leichter als Stahl.

2.0Einfluss der Aluminiumdichte auf Industriedesign und Anwendungen

Leichtbauweise

Wird häufig in der Automobil-, Luft- und Raumfahrt- und Schienenverkehrsindustrie verwendet, um Gewicht zu reduzieren und die Energieeffizienz zu verbessern.

Beispiel: Autotüren aus Aluminiumlegierung wiegen 30–50% weniger als Stahltüren.

Gleichgewicht zwischen Kosten, Dichte und Stärke

Eine geringe Dichte bedeutet nicht immer besser; für ein optimales Design müssen Festigkeit und Steifigkeit berücksichtigt werden.

Die spezifische Festigkeit (Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht) ist ein wichtiger Messwert zur Bewertung der Materialleistung.

Vorteile von Aluminiumprofilen und Hohlrohren

Hohlstruktur + geringe Dichte = überlegene Leistung pro Volumeneinheit.

3.0Warum die Aluminiumdichte bei der CNC-Bearbeitung wichtig ist

Materialhandhabung und Verarbeitungseffizienz

• Aufgrund seiner geringen Dichte ist Aluminium leichter und einfacher zu handhaben als Stahl oder Titan, was die Bearbeitungseffizienz verbessert.
• Leichtere Materialien reduzieren die Belastung der CNC-Maschine, verlängern die Lebensdauer der Werkzeuge und verringern den Wartungsaufwand.

Werkzeugverschleiß und Schnittkräfte

• Zur Bearbeitung von Aluminium sind geringere Schnittkräfte erforderlich, wodurch der Werkzeugverschleiß reduziert und die Werkzeuglebensdauer verlängert wird.
• Durch die geringere Schnittkraft sind höhere Schnittgeschwindigkeiten und Vorschubgeschwindigkeiten möglich, was die Produktivität steigert.

Wärmemanagement

• Die gute Wärmeleitfähigkeit von Aluminium trägt zur Wärmeableitung während der Bearbeitung bei und verhindert so Wärmeausdehnung, Verziehen oder Verformung.
• Durch effizientes Wärmemanagement werden Maßgenauigkeit und Oberflächengüte gewährleistet.

Materialabtragsrate (MRR)

• Eine geringe Dichte führt im Vergleich zu dichteren Materialien zu einem höheren MRR, was einen schnelleren Materialabtrag und kürzere Bearbeitungszeiten ermöglicht.

Maßgenauigkeit und Oberflächengüte

• Die Bearbeitbarkeit von Aluminium, unterstützt durch seine Dichte und Schneideigenschaften, ermöglicht eine enge Toleranzkontrolle und hochwertige Oberflächenbeschaffenheit, die für Präzisionsanwendungen unerlässlich sind.

4.0Beziehung zwischen Dichte und anderen Eigenschaften

1. Auswirkung der Wärmebehandlungszustände: Wärmebehandlungen wie T6, T4 und O verändern die Dichte von Aluminium nicht wesentlich, können aber das Volumen leicht beeinflussen und sich somit auf theoretische Berechnungen auswirken.
2. Beziehung zu Wärmeleitfähigkeit: Aluminium verfügt über eine hohe Wärmeleitfähigkeit (~235 W/m·K) bei gleichzeitig geringer Dichte, was es zu einem hervorragenden Material für die Wärmeableitung macht (z. B. Kühlkörper, LED-Halterungen).
3. Kompromiss mit Elektrik Leitfähigkeit: Die elektrische Leitfähigkeit von Aluminium ist geringer als die von Kupfer, seine Dichte beträgt jedoch nur etwa ein Drittel der von Kupfer. Deshalb wird Aluminium häufig als Ersatz bei der Hochspannungsübertragung verwendet.

5.0Faktoren, die die Aluminiumdichte beeinflussen

Legierungselemente: Aluminium wird häufig mit Metallen wie Kupfer, Magnesium, Mangan, Silizium und Zink legiert, um die mechanischen Eigenschaften zu verbessern. Diese Elemente verändern die endgültige Legierungsdichte geringfügig und liegen je nach Zusammensetzung typischerweise zwischen 2,66 g/cm³ und 2,80 g/cm³.

Temperatur: Wie bei den meisten Materialien nimmt die Dichte von Aluminium mit steigender Temperatur aufgrund der Wärmeausdehnung ab und nimmt beim Abkühlen aufgrund der Kontraktion zu. Thermische Ausdehnungs-/Kontraktionseffekte müssen bei Anwendungen mit großen Temperaturschwankungen berücksichtigt werden.

Porosität: Fertigungsprozesse können Porosität in Aluminium verursachen und so dessen Gesamtdichte verringern. Beim Gießen können Hohlräume oder Poren im Material entstehen, während moderne Fertigungstechniken (einschließlich CNC-Bearbeitung) die Porosität minimieren und gleichbleibende Materialeigenschaften gewährleisten.

6.0So messen Sie die Dichte von Aluminium (Popular Science Guide)

6.1Benötigte Materialien und Ausrüstung:

1. Kleines Metallobjekt, das vollständig in Wasser eingetaucht werden kann
2. Waage mit Haken an der Unterseite zum Wiegen hängender Objekte, Auflösung mindestens 0,01 g (siehe Hinweis, wenn die Waage diese Funktion nicht hat)
3. Metalldraht (eine gebogene Büroklammer funktioniert gut), um das Objekt am Ausgleichshaken aufzuhängen
4. Stützständer oder Plattform zum Halten des Gleichgewichts, sodass das Objekt frei darunter hängen kann
5. Becher, der groß genug ist, um das Objekt vollständig einzutauchen, ohne dass etwas verschüttet wird
6. Halterung, um den Becher unter der Waage auf der richtigen Höhe zu halten
7. Leitungswasser
8. Kalkulator
9. Nylonfaden (wie Angelschnur) oder ein ähnlich leichtes Material zum Aufhängen des Objekts
10. Einweghandschuhe aus Nitril (insbesondere beim Umgang mit möglicherweise bleihaltigen Metallen)
11. Optional: Klemme zur Befestigung des Waagenständers an der Tisch- oder Thekenkante

6.2Schritt-für-Schritt-Anleitung:

1. Entfernen Sie die untere Abdeckung der Waage, um den inneren Haken freizulegen.
2. Stellen Sie die Waage auf einen Ständer mit Loch, damit der Haken zugänglich ist.
3. Befestigen Sie den Metalldrahthaken am inneren Haken und tarieren (auf Null stellen) Sie dann die Waage.
4. Hängen Sie den Metallgegenstand mit einem Nylonfaden an den Haken unter der Waage und wiegen Sie ihn in der Luft.
5. Füllen Sie den Becher mit Wasser und stellen Sie ihn unter den aufgehängten Gegenstand.
6. Heben Sie den Becher an, bis der Gegenstand vollständig untergetaucht ist. Verwenden Sie eine Stütze, um den Becher auf der richtigen Höhe zu halten. Stellen Sie sicher, dass sich keine Luftblasen auf oder im Gegenstand befinden.
7. Wiegen Sie das untergetauchte Objekt.
8. Berechnen Sie die Dichte mit der folgenden Formel.
9. Vergleichen Sie die berechnete Dichte mit bekannten Dichten von Metallen und Legierungen aus Referenztabellen.
10. Wiederholen Sie die Schritte 4–9 bei Bedarf für andere Proben.

6.3Formel zur Berechnung der Dichte:

ρ = (m_Luft) / (m_Luft – m_Wasser) × ρ_Wasser

Wo:

• ρ = Dichte des Objekts (g/cm³)
• m_air = Masse des Objekts in der Luft (g)
• m_water = scheinbare Masse des Objekts, wenn es in Wasser getaucht ist (g)
• ρ_Wasser = Dichte von Wasser (ca. 0,998 g/cm³ bei 20°C bzw. 0,997 g/cm³ bei 25°C)

 

Quellen:

https://www.canada.ca/en/conservation-institute/services/conservation-preservation-publications/canadian-conservation-institute-notes/metal-density.html

https://www.thyssenkrupp-materials.co.uk/density-of-aluminium.html

https://en.wikipedia.org/wiki/Density

https://en.wikipedia.org/wiki/Porosity