Was sind die wichtigsten Raffinierungstechnologien für Aluminiumlegierungen?

Beim Raffinieren von Aluminiumlegierungen werden gelöste Gase und nicht{0}}metallische Einschlüsse aus der Metallschmelze vor dem Gießen entfernt. Wasserstoff ist das dominierende Gas in Aluminiumschmelzen und macht mehr als 85 % des gelösten Gasgehalts aus. Aluminiumoxid ist der Hauptbestandteil. Da die Sättigungslöslichkeit von Wasserstoff in flüssigem Aluminium etwa 20-mal höher ist als in festem Aluminium, fällt Wasserstoff während der Erstarrung aus und bildet feine Löcher und Porosität in Gussteilen, sofern die Schmelze nicht ordnungsgemäß entgast und gereinigt wird.

Warum Entgasung mit Schlackenentfernung kombiniert werden muss

Einschlüsse und gelöstes Gas interagieren während der Erstarrung. In industriell reinem Aluminium treten kleine Löcher auf, wenn der Wasserstoffgehalt etwa 0,1 ml pro 100 g geschmolzenes Metall übersteigt, wohingegen in hochreinem Aluminium Poren erst dann beobachtet werden, wenn der Wasserstoffgehalt etwa 0,4 ml pro 100 g erreicht. Der Unterschied zeigt, dass Oxideinschlüsse als Keimbildungsstellen für Wasserstoffporen fungieren. Das Entfernen von Schlacke und Einschlüssen ist daher die Grundlage einer wirksamen Entgasung, und die beiden Vorgänge sollten zusammen und nicht als unabhängige Schritte durchgeführt werden.

Traditionelle Raffinationsmittel und ihre Grenzen

Salze auf Hexachlorethan- und Chloridbasis-werden seit langem als Raffinationsmittel verwendet, da sie sowohl bei der Entgasung als auch bei der Schlackenentfernung wirksam sind. Die Chlorreaktionsprodukte entfernen Wasserstoff und tragen dazu bei, dass Einschlüsse an die Oberfläche schwimmen, wo sie abgeschöpft werden. Allerdings setzen diese Mittel bei der Behandlung Chlor und chlorierte Gase frei, was für die Anwender umweltschädlich und gefährlich ist. Immer strengere Emissionsvorschriften haben Gießereien dazu veranlasst, sie durch ungiftige Flussmittel und Methoden auf der Basis von Inertgas- zu ersetzen.

Die Methode des Rotierenden Impeller-Entgasers (RID).

Der Rotationsradentgaser injiziert Inertgas, normalerweise Argon oder Stickstoff, über eine rotierende Welle mit einem Rotor am unteren Ende in die Schmelze. Der Rotor zerteilt den einströmenden Gasstrom in feine Blasen mit einem Durchmesser von etwa 0,5 mm. Kleine Blasen haben ein großes Verhältnis von Oberfläche-Fläche-zu-Volumen und steigen langsam durch die Schmelze auf, wodurch die Kontaktzeit zwischen der Blasenoberfläche und der Flüssigkeit maximiert wird. Wasserstoff diffundiert in die Blase und wird an der Oberfläche aus der Schmelze herausgetragen. Dieselben Blasen haften auch an Oxideinschlüssen und lassen diese in der Schlackenschicht schweben, was zu einem kombinierten Entgasungs- und Reinigungseffekt führt.

Die Flux-Injection-Methode (FI).

Bei der Flussmitteleinspritzung wird pulverförmiges Flussmittel unter Verwendung von Inertgas als Träger in die Schmelze gefördert. Das Pulver vergrößert die Kontaktfläche zwischen dem Flussmittel und dem flüssigen Metall, was die Schlackenaufnahme und die Entfernung von Oxidfilmen verbessert. Gleichzeitig verändert das Flussmittel die Grenzflächeneigenschaften zwischen Gasblasen und der Schmelze, was die Effizienz der Wasserstoffentfernung aus dem Trägergas erhöht. Die Flussmittelinjektion ist besonders nützlich für Schmelzen mit hohem Einschlussgehalt, wie z. B. Sekundäraluminiumlegierungen und stark recyceltes Material.

Die Rotary-Purge-Methode: Kombination von RID und FI

Die Rotationsspülmethode kombiniert die beiden Prinzipien: Pulverförmiges Flussmittel wird durch das rotierende Laufrad injiziert, während Inertgas weiterhin feine Blasen erzeugt. Die rotierende Spüllanze verteilt sowohl Gas als auch Flussmittel gleichmäßig in der Schmelze und sorgt so für gleichzeitige Entgasung, Flussmittelbehandlung und Einschlussflotation in einem Behandlungsschritt. Dies ist derzeit die effektivste einzelne -Raffinierungs--Technologieoption für viele Gießerei- und DC-{4}}Gießlinien und bildet die Grundlage für die meisten modernen In-{5}}Schmelzebehandlungsstationen.

Prozesskontrolle und Qualitätsprüfung

Messen Sie den Wasserstoffgehalt vor und nach der Behandlung mit einem Unterdrucktest oder einer handelsüblichen Wasserstoffsonde. Die Zielwerte hängen von der Legierungsfamilie und dem Gießverfahren ab.

Überprüfen Sie die Entfernung von Einschlüssen mit K-Formtests oder PoDFA-Analysen, insbesondere für Gussteile aus der Luft- und Raumfahrt sowie der Automobilindustrie mit hoher Integrität.

Halten Sie die Behandlungstemperatur innerhalb des legierungsspezifischen Fensters. Übermäßige Temperaturen fördern die Re-oxidation und die Wasserstoffaufnahme.

Minimieren Sie die Haltezeit nach der Behandlung und schützen Sie die Schmelzoberfläche mit einem Flussmittel oder Inertgas, um eine erneute Kontamination zu vermeiden.

Wählen Sie den Flussmitteltyp anhand der Legierungschemie aus: Chlorid-freie und fluor-freie Flussmittel werden dort bevorzugt, wo strenge Umweltauflagen gelten.

Häufig gestellte Fragen

Warum ist Wasserstoff das Hauptgas in Aluminiumschmelzen?

Wasserstoff ist das einzige Gas mit nennenswerter Löslichkeit in flüssigem Aluminium. Feuchtigkeit in der Charge, der Ofenatmosphäre und den Werkzeugen dissoziiert bei Schmelztemperatur und atomarer Wasserstoff löst sich leicht im flüssigen Metall.

Was passiert, wenn die Schmelze ohne Läuterung gegossen wird?

Gelöster Wasserstoff fällt beim Erstarren aus und bildet Nadellöcher, während Oxideinschlüsse die mechanischen Eigenschaften und die Bearbeitbarkeit beeinträchtigen. Die Folge sind Porosität, Undichtigkeiten bei druckdichten Gussteilen und eine schlechte Oberflächenqualität.

Warum entgasen kleine Blasen effektiver als große?

Eine kleine Blase hat eine größere Oberfläche pro Volumeneinheit und steigt langsamer auf, wodurch Wasserstoff mehr Zeit hat, in die Blase zu diffundieren. Aus diesem Grund ist der Rotor so ausgelegt, dass er Blasen mit einer Größe von ca. 0,5 mm erzeugt.

Kann die Flussmittelinjektion das rotierende Laufrad ersetzen?

Die alleinige Flussmittelinjektion verbessert die Entfernung von Einschlüssen, ist jedoch bei der Entgasung weniger wirksam. Das Rotationsspülverfahren, das beides kombiniert, liefert das beste Gesamtergebnis und ist die bevorzugte Konfiguration in modernen Behandlungsstationen.

Werden Hexachlorethan--basierte Wirkstoffe immer noch in der Industrie verwendet?

Aufgrund von Chloremissionen und Bedenken hinsichtlich der Bedienersicherheit werden sie in den meisten Regionen schrittweise abgeschafft. Bei Neuanlagen dominieren mittlerweile ungiftige Flussmittel und Inertgas-Entgasungsmethoden.

Wie lange sollte ein typischer Entgasungszyklus dauern?

Die Zykluszeit hängt vom Schmelzvolumen, der Legierung und dem angestrebten Wasserstoffgehalt ab und beträgt typischerweise 5 bis 15 Minuten für eine Chargenbehandlung. Der korrekte Endpunkt wird durch die Wasserstoffmessung bestätigt, nicht allein durch die festgelegte Zeit.