Stranggießen

Wasserstoffgehalt und Oxideinschlüsse

Unter den natürlichen Verunreinigungen des Aluminiums gibt es nichtmetallische und metallische; wichtig sind bei letzteren der Eisen- und Siliziumgehalt des Elektrolysemetalls. Bei den nichtmetallischen stehen Wasserstoff und Oxide im Vordergrund. Die wichtigste Ursache für die Entstehung von Wasserstoff besteht in der Reaktion zwischen dem flüssigen Metall und Wasser welches meistens in der Form von Wasserdampf in der Atmosphäre vorliegt.

Der dabei entstehende Wasserstoff wird großenteils von der Schmelze aufgenommen (gelöst) Gelegenheist zum Ablauf dieser Reaktion besteht vor allem bei der Reaktion von flüsisgem Aluminium mit der Luftfeuchtigkeit oder feuchten Verbrennungsgasen sowie beim einschmelzen von öligem, feuchtem oder korrodiertem Schrott. Das Korrosionsprodukt von Aluminium ist ein wasserhaltiges Oxid.
Je größer der Wasserdampfdruck über der Oberfläche und je höher die Temperatur der Schmelze, um so höher ist der Wasserstoffgehalt, der sich in der Schmelze einstellt. Der Einfluss der Tempereratur auf die Gleichgewichtslöslichkeit des Wasserstoffs im Aluminium ist in Bild 1 wiedergegeben. Da das frich geschöpfte Elektrolysmetall eine hohe Temperatur von 900 °C. aufweist, reagiert es begierig mit Wasserdamf und weist daher meist einen relative hohen Wasserstoffgehalt auf (unter Umständen über 1 cm³ / 100g Aluminium) man erkennt in Bild 1 insbesondere einen sprunghaften Rückgang der Löslichkeit des Wasserstoffs bei der Erstarrung. Die Wasserstoffgehalte, welche im Regelfall in der Praxis vorliegen, sind in Bild 1 schraffiert eingezeichnet. Die Löslichkeit des Wasserstoffs in Aluminium beträgt im festen Zustand bei der Solidustemperatur nur noch etwas 10 % der Löslichkeit in der Schmelze bei Liquidustemperatur. Dennoch kann der in der Schmelze vorhandene Wasserstoff bereits im verlaufe der Erstarrung und erst recht im festen Aluminium stark übersättigt vorliegen.
Bei rascher Erstarrung, wie sie bei technischen Gießverfahren vorliegt, hat der Wasserstoff nicht genug Zeit um aus dem erstarrenden Gefüge in die Schmelze zu entweichen, so dass man im festen Aluminium fast immmer mehr Wasserstoff findet als im Gleichgewicht löslich ist.
Ausser Wasserstoff entsteht auch Aluminiumoxid (Al²O³) das sich auf der Oberfläche des festen oder flüssigen Metallles schichtartig ansammelt. Diese Oxidhaut kann beim Einschmelzen sowie beim Bewegen oder Fließen der Schmelze in das Innere des flüssigen Metalls gelangen wo das Oxid dann als Einschluss vorliegt. (Bild 2)
Zu hoher Wasserstoffgehalt und Oxideinschlüsse sind beim Stranggießen wie auch beim Formgießen gleichermaßen unerwünscht. Daher trachtet man danach, vor dem vergießen Oxide und Wasserstoff aus der Schmelze möglichst weitgehend zu entfernen. Die entsprechenden Verfahren werden teilweise auch als Raffination der Schmelze bezeichnet. Wichtig ist, insbesondere das durchperlen von Chlorgas (chlorieren) eine Salzwäsche der Schmelze oder ein längeres abstehen lassen der Schmelze vor dem vergießen. Alle drei genannten Verfahren verringern sowohl den Wasserstoff- als auch den Oxidgehalt.

Schmelzefiltration

Im vorhergehenden Absatz wurde auf die Rolle des Wasserstoffgehalts sowie von Oxideinschlüssen im Aluminium hingewiesen. Zur Herstellung von Aluminiumprodukten (Gussteilen oder Halbzeug) mit hoher Qualität müssen Oxideinschlüsse und Wasserstoff bereits vor der Erstarrung zu einem großen Teil entfernt werden. In der Vergangenheit wurde dazu hauptsächlich eine Chlorgasbehandlung der Schmelze durchgeführt. Die Chlorierung von Aluminiumschmelzen hat aber verschiedene Nachteile. Unter anderem wird der Magnesiumgehalt der Schmelze verringtert und insbesondere entstehende Probleme in Sachen Umweltschutz, da das entweichende Aluminiumchlorid in die Umwelt gelangen kann. Auch für die Arbeitsplatzhygiene ist der Umgang mit Chlor mehr und mehr als unterwünscht erkannt worden. Daher werden heute teilweise Gasmischungen von 90 % Stickstoff mit 10 % Chlor benutzt oder es wird anstelle eine Gasbehandlung mit Chlor eine Filtration der Schmelze durchgeführt.

Seite einigen Jahren haben sich insbesondere zwei Filtrierverfahren durchgestetzt. Anwendung eines porösen Keramikfilters oder eines Filterbettes, welches entweder aus Aluminiumkugeln oder Petrolkoks besteht. In jedem Falle eignet sich dieses Verfahren dazu, die meiten Oxideinschlüsse zurückzuhalten.

Bild 3 zeigt einen porösen Keramikfilter in der Anwendung. Es handelt sich um einen kreisrunden oder rechteckigen porösen Filterstein, der meist unmittelbar vor der Strangussanlage Anwendung findet und jeweis am Ende eine Gießcharge ersetzt werden kann. (Weggwerffilter im Hinblick auf seine geringen Kosten) Für Luftfahrtanwendungen sind max 10 Güsse pro Filter, für normale Anwendungen max 18 Güsse möglich.

Ausserdem kann man in einer Durchlauffiltration der zuvor genannten Art einen Gasgegenstrom einbauen, wobei entweder Argon oder absolut trockener Stickstoff Verwendung findet. In diesem Fall werden Oxidnester und Wasserstoff entfernt und man kann mit diesem Verfahren Produkte herstellen, welche einen extrem niedrigen Gehalt an Oxidnestern und auch einen niedrigen Wasserstoffgehalt aufweisen.

Entstehung von Wasserstoffporen

Im Gussgefüge können 3 verschiedene Arten von Hohlräumen auftreten:

Lunker, hervorgerufen durch die starke Volumenabnahme, die das erstarrende Metall beim Übergang vom festen Zustand erleidet (6-7% bei Reinaluminium, bei Legierungen meist weniger).

Lufteinschlüsse, entstanden durch Luft die beim Gießen in das Metall gelangt und nicht mehr rechtzeitig vor dem Erstarren entweichen kann.

Wasserstoffporen in denen sich der während der Erstarrung oder im festen Zustand ausgeschiedene Wasserstoff angesammelt hat.

IN BEARBEITUNG (Bilder werden bald eingefügt) mfg fmc