Aluminium und Stahl gehören zu den am häufigsten verwendeten Metallen im Ingenieurwesen und in der Fertigung. In diesem Artikel beleuchten wir ihre Stärken und Schwächen, damit Sie die richtige Entscheidung für Ihr Projekt treffen können.
Im Wesentlichen bestehen Aluminium und Stahl aus unterschiedlichen Materialien. Beide werden meist als Legierungen verwendet – also als Mischung mehrerer Stoffe, um bestimmte Eigenschaften zu erzielen. Aluminium wird manchmal in Reinform eingesetzt, ist dann aber selten die beste Wahl. Stahl hingegen existiert nicht in „reiner“ Form, sondern ist bereits in seiner Grundzusammensetzung eine Legierung aus Eisen und Kohlenstoff.
Zu den bekanntesten Aluminiumlegierungen zählen 2024, 5052, 6061 und 7075. Jede dieser Legierungen bringt eigene Vor- und Nachteile mit sich (ausführlichere Informationen finden Sie hier). Darüber hinaus lassen sich diese Legierungen noch weiter durch verschiedene Härtezustände wie -T6 und -H32 differenzieren, um die Materialeigenschaften gezielt zu beeinflussen.
Auch wenn es viele Aluminiumlegierungen gibt, ist die Auswahl bei Stahl um ein Vielfaches größer. Es gibt niedriglegierte (oft als Baustahl bezeichnet) und hochlegierte Stähle, hochfeste niedriglegierte Stähle (HSLA), Federstähle, Edelstähle und viele weitere Varianten.
Die Bezeichnungen bei Stahl können verwirrender sein als bei Aluminium, da oft verschiedene Normen herangezogen werden. Das American Iron and Steel Institute (AISI) kennt beispielsweise Standards wie AISI 1008, während die American Society for Testing and Materials (ASTM) unter anderem ASTM A36 definiert. Während diese Normen in den USA sehr verbreitet sind, existieren in anderen Ländern eigene Standards und Bezeichnungen.
Darüber hinaus kann Stahl auch nach Herstellungs- oder Verarbeitungsprozessen klassifiziert werden, etwa als warmgewalzt (HR), kaltgewalzt (CR), warmgewalzt gebeizt und geölt (HRPO) usw.
Jede Legierung und jeder Härtegrad von Stahl und Aluminium weist eigene spezifische Eigenschaften wie Dichte, Festigkeit usw. auf. Konkrete Werte zu den hier angesprochenen Eigenschaften und mehr finden Sie auf den Materialseiten. Im Folgenden stellen wir einige der wichtigsten Unterschiede zwischen Stahl und Aluminium vor.
Das Gewicht zu vergleichen ist nicht immer einfach, da es sowohl von der Dichte des Materials als auch vom Volumen des Bauteils abhängt. Die Dichte ist dabei eindeutig: Aluminium hat etwa ein Drittel der Dichte von Stahl. Das gilt im Wesentlichen für alle Legierungen beider Metalle (mit geringen Abweichungen). Zwei Bauteile mit identischer Geometrie werden aus Stahl fast dreimal so schwer sein wie aus Aluminium.
Ein wichtiger Faktor bei der Materialauswahl zur Gewichtseinsparung ist das Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht. Zwei Materialien können eine ähnliche Festigkeit, aber unterschiedliche Dichten aufweisen – oder umgekehrt.
Beide Werkstoffe bieten eine große Bandbreite an Festigkeiten, und es gibt Überschneidungen zwischen den jeweiligen Legierungen. Manche Stähle sind fester als Aluminiumlegierungen, es gibt aber auch Aluminiumlegierungen, die bestimmten Stählen überlegen sind. Am oberen Ende der Skala sind die stärksten Stähle jedoch deutlich fester als die stärksten Aluminiumlegierungen.
Ein Beispiel: 6061-T6 ist eine der beliebtesten Aluminiumlegierungen, während A36 oft als Baustahl verwendet wird. Ihre Zugfestigkeitswerte sind annähernd gleich, wobei A36 etwas höher liegt. Je nach Anwendung könnte also eines von beiden infrage kommen. Möglicherweise erreichen Sie durch eine um 10 Prozent dickere Aluminiumkonstruktion noch mehr Festigkeit und Steifigkeit als mit Stahl – und das bei deutlich geringerem Gewicht. Ein ähnlicher Vergleich wäre mit 7075-Aluminium und 4130-Stahl möglich, wobei hier auch die Kosten berücksichtigt werden sollten.
Im Hinblick auf Gewicht und Festigkeit spielt auch das Budget eine Rolle. Generell sind Baustähle (1008 und A36) günstiger als die niedrigeren Aluminiumlegierungen (5052 und 6061), während hochfeste Stähle (4130) teurer sind als hochfeste Aluminiumlegierungen (7075). Edelstähle liegen preislich meist über Aluminium, aber unter hochfesten Stählen.
Apropos Edelstähle: Einer der größten Schwachpunkte von Stahl ist seine Anfälligkeit für Korrosion. Da Stahl überwiegend aus Eisen besteht, beginnt er bei Kontakt mit Sauerstoff und Feuchtigkeit rasch zu rosten. Ohne Schutzmaßnahmen schreitet diese Korrosion fort, bis der Stahl vollständig abgebaut ist. Edelstähle wie 304 Edelstahl und 316 Edelstahl enthalten daher Zusätze wie Chrom und Nickel, die die Korrosionsbeständigkeit deutlich verbessern. Edelstähle bringen zwar einige Nachteile wie höhere Kosten und gelegentlich geringere Festigkeit mit sich, sind aber im Korrosionsschutz klassischen Stählen meist überlegen.
Aluminium ist zwar eisenfrei (nicht ferromagnetisch), aber auch nicht völlig gegen Oxidation gefeit. Allerdings hat Aluminium einen Vorteil: Bei Kontakt mit Sauerstoff bildet sich eine schützende Oxidschicht aus Aluminiumoxid. Im Gegensatz zu Eisenoxid, das abblättert, haftet Aluminiumoxid fest und schützt das darunterliegende Metall wie eine Rüstung. Deshalb ist Aluminium bei Korrosionsgefahr meist im Vorteil gegenüber Stahl.
Falls Sie dennoch Stahl einsetzen möchten und Korrosionsschutz benötigen, bieten Verzinkung und Pulverbeschichtung zwei effektive Möglichkeiten, die Korrosionsbeständigkeit zu verbessern.
Die Haltbarkeit eines Materials hängt von den Einsatzbedingungen ab. Wie bereits erwähnt, sind Aluminium und bestimmte Edelstähle in korrosiven Umgebungen wesentlich langlebiger als herkömmlicher Stahl. Geht es jedoch um Abrieb- oder Verschleißfestigkeit, schneidet Aluminium schlechter ab. Das Material ist relativ weich (es lässt sich mit Holzbearbeitungswerkzeugen schneiden) und nutzt sich schneller ab als Stahl. Auch die Ermüdungsfestigkeit von Aluminium ist in der Regel geringer als bei Stahl.
Die Weichheit von Aluminium kann aber auch ein Vorteil sein: Durch seine gute Verformbarkeit eignet es sich ideal für Vorrichtungen oder Werkstückhalterungen, bei denen Bauteile sicher fixiert werden sollen, ohne sie zu zerkratzen. Backen von Schraubstöcken werden daher oft aus Aluminium gefertigt. Für eine höhere Haltbarkeit lässt sich Aluminium anodisieren.
Auch bei den thermischen Eigenschaften gibt es deutliche Unterschiede. Beide Materialien sind keine guten Isolatoren, aber Aluminium hat eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit und wird daher bevorzugt für Wärmetauscher und Kühlkörper eingesetzt. Andererseits liegt der Schmelzpunkt von Aluminium deutlich unter dem von Stahl. Edelstähle verfügen im Allgemeinen über eine höhere Hitzebeständigkeit als herkömmlicher Stahl.
Stahl ist magnetisch, Aluminium hingegen nicht. Bestimmte Edelstähle sind magnetisch, andere wiederum nicht. Entgegen einer häufigen Annahme ist die Magnetisierbarkeit kein Zeichen für minderwertigen Edelstahl – es hängt vielmehr vom Legierungstyp und der Wärmebehandlung ab. Manche Edelstähle sind leicht magnetisch und können ihre magnetischen Eigenschaften durch Wärmebehandlung verändern.
Sowohl Stahl als auch Aluminium können geschweißt werden, wobei beim Schweißen von Aluminium meist spezielleres Equipment erforderlich ist. Aluminium wird üblicherweise mit Wechselstrom (AC) geschweißt, Stahl dagegen mit Gleichstrom (DC). Beim MIG-Schweißen von Aluminium ist eine spezielle Spulenpistole notwendig, die den empfindlicheren Aluminiumdraht zieht statt schiebt, um ein Verbiegen zu vermeiden.
Im Folgenden finden Sie einige typische Anwendungsbereiche und wie sich Stahl und Aluminium in diesen Szenarien schlagen. Wichtig ist: Jede Konstruktion kann bei schlechter Auslegung versagen, unabhängig vom gewählten Material.
Sowohl Aluminium als auch Stahl sind nahezu vollständig recycelbar. Auch wenn sich Gewinnungs-, Raffinierungs- und Recyclingverfahren stetig weiterentwickeln, gilt aktuell: Das Recycling bestehender Aluminium- und Stahlprodukte ist wesentlich umweltfreundlicher (energieärmer) als die Herstellung neuer Materialien aus Rohstoffen. Im Vergleich zu Kunststoffen sind Aluminium und Stahl in ökologischer Hinsicht deutlich vorteilhafter.
