Begrenzung oder Vermeidung der Wasserstoffaufnahme

Vordringliche Aufgabe ist die Begrenzung der Wasserstoffaufnahme, die sich als Folge des Schmelzprozesses ergibt. Besonders empfindlich sind hier Aluminiumschmelzen. Mit Sicherheit kann die Wasserstoffaufnahme nur beim Vakuumschmelzprozess und in Grenzen auch beim Schmelzen in elektrisch beheizten Öfen vermieden werden, denn alle organischen Brennstoffe sind Wasserstoffträger. Ungeachtet der Ofentechnik kann die Schmelze auch im Kontakt mit der Umgebungsluft aus dieser Feuchtigkeit aufnehmen, die zur Freisetzung von Wasserstoff führt. Wasserstoff in Form von Aluminiumhydroxid kann bereits im Schmelzgut enthalten sein: Bei Altaluminium und länger gelagertem Blockmetall bildet sich an den Oberflächen stets eine Hydroxidschicht. Beim Recycling von Schrott mit anhaftenden Fetten, Ölen und Lacken verbrennen diese zu Kohlendioxid und Wasser, das von der Schmelze zersetzt wird und sie mit Wasserstoff verunreinigt. Die Aufgabenstellung geht also dahin, Wasserstoff möglichst fernzuhalten, und soweit dies nicht möglich ist, ihn durch eine zweckdienliche Behandlung aus der Schmelze zu entfernen. Die fachliche Aussage ist zutreffend, dass die Schmelzebehandlung bei brennstoffbeheizten Öfen bereits mit der Einstellung des Brenners beginnt. Bei Recyclingmaterial ist es Stand der Technik, Anhaftungen genannter Art in einem vorgeschalteten Prozess abzubrennen. Dies kann in einfachster Weise eine Abschmelzbrücke als Teil des Schmelzofens sein. Die beim Abbrennen entstehenden Gase sind aufzufangen und zu neutralisieren.

Die schädlichen Wirkungen einer Wasserstoffverunreinigung zeigen sich bei allen Schmelzen, besonders aber bei Aluminium und seinen Legierungen, sowie bei zinkfreien Kupferlegierungen. Flüssiges Aluminium hält im Vergleich zum Festzustand die annähernd zwanzigfache Wasserstoffmenge in Lösung. Man bezeichnet diese Differenz als „Löslichkeitssprung“. Erstarrt eine mit gelöstem Wasserstoff gesättigte Schmelze in abgegossenen Formen, wird der sich dabei ausscheidende Wasserstoff durch Formgestaltung und eine sich bereits bildende Gusshaut am Entweichen gehindert. Nach vollständiger Erstarrung zeigt er sich in Form kleinerer oder größerer Blasen, der „Wasserstoffporosität“. Da poröse Teile keine höheren Festigkeitsansprüche erfüllen können, ist die Vermeidung einer Wasserstoffaufnahme vordringliche Aufgabe. Soweit dies nicht hinreichend gelingt, wird die „Entgasung“ genannte Entfernung des Wasserstoffs zur Hauptaufgabe der Schmelzebehandlung bei allen Schmelzen, die ihn in gelöster Form enthalten. Die hierfür nützlichen Maßnahmen der Zuführung geeigneter Schmelzebehandlungsmittel, seien es Salz- oder Gasgemische, werden verbreitet von automatisierten Impellersystemen übernommen. Sie bringen systembedingt sowohl Feststoffe als auch Gasgemische, wie etwa Stickstoff mit Argonzusatz, so in die Schmelze, dass Verteilung und Verweildauer zu bestmöglicher Reaktion führen.

Begrenzung oder Vermeidung der Oxidation von Legierungselementen

Ebenso wichtig, wie die Begrenzung einer Gasaufnahme (vorwiegend Wasserstoff) ist es, die beim Schmelzvorgang nicht zu vermeidende Oxidbildung als Folge partieller Überhitzung an Badoberflächen oder Ofenwandungen zu begrenzen. Oxidation von Legierungselementen bedeutet immer einen Verlust, sei es an Basisbestandteilen, oder wichtigen Legierungselementen, der sich qualitativ bemerkbar macht, sofern er nicht korrigiert wird, in jedem Falle aber ein die Kalkulation belastender Faktor bleibt. Sofern Oxide indessen bereits mit dem Einsatzgut in die Schmelze gebracht werden, können oxidationsbegrenzende Maßnahmen keine Hilfe mehr sein, es geht nun um die Entfernung, zumindest Reduzierung der unerwünschten Oxide, die faktisch Metallverluste sind. Oxidlösende, gelöste Oxide verschlackende, durch rascheres Schmelzen (zufolge der von ihnen als Gemengebestandteil bewirkten Schmelzpunkterniedrigung) die Oxidation vermindernde Flussmittel finden besonders im Recycling Anwendung.

Verkürzt lässt sich demnach sagen, dass alles Handeln im Zuge einer Schmelzebehandlung vorgenannten Sinnes darauf ausgerichtet ist, unerwünschte Eigenschaften der Schmelze, insbesondere aber Gasaufnahme und Oxidation zu vermeiden, oder zumindest merklich zu begrenzen und stattdessen erwünschte Eigenschaften, darunter Gas- und Oxidfreiheit als keineswegs einziges Ergebnis, aber doch mit primärem Anspruch, herbeizuführen.

Entfernen und Zufügen von in der Schmelze vorhandenen Elementen

Zur Schmelzebehandlung gehören ferner Maßnahmen, die sich mit dem „Entfernen“ oder „Zufügen“ von Elementen befassen. Entfernt wird, was das Gefüge oder die Festigkeitswerte beeinträchtigt.

Das Gegenteil von Entfernen ist das Zufügen von Elementen. Es kann sich dabei um bloße Korrekturen zumeist zum Ausgleich von Oxidationsverlusten handeln, es stehen aber auch den Legierungscharakter bestimmende Zusätze in Form von Vorlegierungen auf Kupfer- bzw. Aluminiumbasis, Briketts oder Presslinge zur Verfügung.

Für die Verwendung bei Aluminiumlegierungen hierzu im Abschnitt „Gefügebeeinflussung“. Für Eisenguss gibt es die breite Palette der „Kupolofenzusätze“.

Schützen und Entfernen

Dazu gehören alle Behandlungsschritte, die sich in je nach Einsatzgut, sei es Reinmetall oder eine mehr oder minder spezialisierte Legierung primär auf die Reinheit der Schmelze beziehen. In einfachster Stufe wäre dies das Abstehen lassen der Schmelze, damit sich Verunreinigungen, je nach ihrer Dichte, entweder zum Boden absenken, oder in die Krätze aufsteigen können. Ein weitergehender Schritt ist eine Behandlung die Schutz vor Bildung, sowie Entfernung vorhandener Verunreinigungen durch den Eintrag von reaktiven Salzgemischen vorsieht, wobei Einrühren und Einblasen als gängige Methoden gelten. Die Wirkung kann mechanisch-physikalisch (Ausspülung) oder chemisch, durch Verschlackung der Verunreinigung herbeigeführt werden. Dies umfasst auch Ergebnisse einer sich thermodynamisch und kinetisch vollziehenden Oxidation oder Reduktion.

Zu eliminierende Verunreinigungen können oxidisch/nichtmetallisch, oder auch metallisch sein. Metallische Verunreinigungen sind als solche legierungs- und verwendungsabhängig zu bewerten. In einer AlMg-Legierung gelten Natrium und Calcium als störend, in AlSi-Legierungen – übereutektische ausgenommen – ist Natrium hingegen erwünscht. Für die Schmelzebehandlung ist demnach nicht nur die Zusammensetzung der jeweils zu behandelnden Schmelze maßgebend, sondern auch die Optimierung des Feingefüges (Gefügeausbildung) durch Entfernung aller Störelemente.

Beeinflussung von Legierung und Erstarrungsgefüge

Hier angesprochene Ziele befinden sich zum Teil in Übereinstimmung mit den im Abschnitt Schützen und Entfernen genannten Maßnahmen. Sie werden durch solche ergänzt, die sich kurz mit „Zufügen“ (Hinzufügen) charakterisieren lassen.

Bei Eisenguss wird, wie schon erwähnt, die Art und Qualität der Legierung durch Zugabe weiterer Elemente in Form sich in der Schmelze leicht auflösender Briketts (Kupolofenbriketts), Presslinge, oder auch „Pakete“ bewirkt.

Bei Kupferlegierungen wird eine Gefügebeeinflussung durch Zufügung von Vorlegierungen auf Kupferbasis erzielt. Bei einigen, die für leitfähiges Kupfer eingesetzt werden, ergibt sich Gleichzeitigkeit von Desoxidationswirkung und Gefügebeeinflussung (u. A. Lithiumkupfer, Berylliumkupfer, Borkupfer).

Veredelnde Gefügebeeinflussung bei AlSi-Legierungen

Bei Aluminium-Silicium-Legierungen – den in der Gießerei mit Abstand am häufigsten verwendeten Aluminiumlegierungen – gibt es zwei in ihrer Bedeutung vergleichbare Maßnahmen. Eine davon ist die metallurgisch unabdingbare Veredelung, auch „veredelnde Gefügebeeinflussung“ genannt (Aladár Pácz), ohne die Gussteile aus AlSi-Legierungen mehrheitlich spröde wie Glas ausfielen und damit keiner mechanischen Beanspruchung gewachsen wären. Bei Legierungen mit ca. 7 bis 12 % Silicium erfolgt sie überwiegend mittels Zugabe von Natrium oder Strontium zur Schmelze. Pulverförmige, tablettierte und auch brikettierte Gemische, die sich in der Schmelze zeitlich steuerbar auflösen und Natrium zur Vermeidung der sonst die Gussteile versprödenden Grobkristallisation des primär erstarrenden Siliciums freigeben, sind seit Jahrzehnten bekannt. In seiner reinen, metallischen Form ist für den gleichen Zweck luftdicht verpacktes Natrium gebräuchlich. Das gleich dem Natrium wirkende, zeitlich länger anhaltende, da weniger leicht oxidierbare Strontium wird aus Gründen besserer Löslichkeit der Schmelze stets als Vorlegierung (z. B. AlSr10) zugefügt.

Gefügebeeinflussende Effekte, wie mit der Zugabe von Natrium oder Strontium, lassen sich auch mittels Antimon erzielen, allerdings handelt es sich hier um einen mit der klassischen Veredelung nicht zu vergleichenden Prozess, der zudem den Nachteil hat, als nicht separat verarbeitetes Rücklaufmaterial, mit Restgehalten an Antimon die klassische Veredelung erheblich zu beeinträchtigen.

Leistungssteigerung und zugleich Verbrauchsminderung verlangen für Motorenguss aus Leichtmetall zunehmend nach dem Einsatz hochwarmfester AlMgSi-Legierungen, ohne dass deren Legierungentwicklung bereits abgeschlossen ist, die unter anderem Zusätze von Kobalt, Nickel und besonders Silber als wertesteigernd erkannt hat. Von der bisherigen Technik abweichende Veredelungsverfahren sind Gegenstand der Entwicklung. Die Modifizierung des Eutektikums, ähnlich der Veredelung naheutektischer AlSi-Legierungen, zeitigt als Forschungsgegenstand bereits Ergebnisse, besonders auf dem Gebiet der Duktilitätssteigerung.

Kornfeinung oder kornfeinende Gefügebeeinflussung

Eine der Veredelung von AlSi Legierungen gleiche Bedeutung haben bei AlMgSi-Legierungen, sei es Formguss, oder Formateguss (Stranggießen, Halbzeug) bestimmte, für die Erzielung eines feinkristallinen Gefüges und damit besonders hoher mechanischer Festigkeit verantwortliche Legierungszusätze. Sie werden entweder in situ aus geeigneten, tablettierten Salzgemischen in der Schmelze gebildet oder als fertige Kristallisationskeime bei Auflösung einer Vorlegierung freigesetzt. Der Zusatz kann intermittierend erfolgen, wie in der Formgießerei, wo er besonders für die langsam erstarrenden Gießarten, wie Sandguss oder Schwerkraftkokillenguss wichtig ist. Es ist aber auch Stand der Technik, die fallweise erforderliche, keimhaltige Vorlegierung in Drahtform zuzuführen, zeitlich gesteuert und an den Verlauf des oft mehrstündigen Gießvorgangs gebunden (Inline-Behandlung).

Metallurgisch handelt es sich bei der Kornfeinung, oder „kornfeinenden Gefügebeeinflussung“, überwiegend um die Einbringung von Fremdkeimen, wobei solche aus Titandiborid (TiB₂) immer noch bevorzugt genutzt werden, aber nur Teil einer in inzwischen entwickelten „Familie“ auf Basis von Titan, Bor und Kohlenstoff sind. Sie bilden Keime mittels Einbringung entsprechend zusammengestellter und tablettierter Gemische oder diesen vergleichbarer Vorlegierungen auf Aluminiumbasis. Erwartungsgemäß sind auch nanostrukturierte Oxide des Aluminiums geeignet die Zahl der Kristallisationskeime bei der Erstarrung zu erhöhen und damit die Dichtigkeit des Gussgefüges zu verbessern.

Bei Formguss aus Magnesium-Aluminium-Legierungen, wie der meistverwendeten Legierung AZ 91, mit Zusätzen von Aluminium, Zink und Zirkon, wird zur Kornfeinung Kohlenstoff im Verein mit einer kurzzeitigen Überhitzung der Schmelzen herangezogen. Überliefert ist die Verwendung von bedrucktem Zeitungspapier – Druckerschwärze ist kohlenstoffhaltig – heute sind Gefügebeeinflussungsmittel im Gebrauch, die in situ Kohlenstoff an die Schmelze abgeben, der sich zu kornfeinend wirkendem Aluminiumcarbid verbindet, also einem Fremdkeim, vergleichbar dem Titandiborid bei Aluminiumlegierungen.