Schmelzebehandlung

Schmelzebehandlung ist dem Gießereiwesen zuzuordnen. Sie dient dazu, die Qualität der Metallschmelze zu erhalten oder zu verbessern, sei es im Schmelz- oder Gießofen oder auch außerhalb desselben, als „Pfannenbehandlung“, selbst noch während des Gießvorganges. In der Eisen- und Stahl vergießenden Industrie wird statt des Ausdrucks „Schmelzebehandlung“ auch von „Sekundärmetallurgie“ gesprochen, damit aber vorzugsweise die Behandlung von Stählen in der Pfanne gemeint.

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Aufgaben der Schmelzebehandlung

Die Schmelzebehandlung von Eisen- und Nichteisenmetallen und -legierungen umfasst in jedem Falle eine nicht unerhebliche Anzahl von Maßnahmen chemischer, physikalischer oder beides miteinander verbindender Art, mit dem Ziel der Einflussnahme auf den Zustand der Schmelze. Ob Eisen (Gusseisen-Sorten), Stähle, oder Nichteisenmetalle und ihre Legierungen geschmolzen werden , ob es um Formguss, oder die Erstellung von Halbzeug geht, ist die Aufgabe der Schmelzebehandlung insoweit im Grunde stets gleich zu bewerten. Sie sorgt für einwandfreie Schmelzen jeweils vorgegebener Beschaffenheit, damit die aus ihnen erstellten Zwischen- oder Endprodukte die jeweiligen Normvorgaben erreichen,wenn nicht sogar übertreffen.

praktizierte Schmelzebehandlung

Zu den besonders wichtigen Schritten einer Schmelzebehandlung gehört die Vermeidung einer Wasserstoffaufnahme der Schmelzen als Folge des Schmelzprozesses. Mit Sicherheit ist dies nur beim Vacuumschmelzen möglich und in gewissen Grenzen auch beim Schmelzen in elektrisch beheizten Öfen. Begrenzt deshalb, weil die Schmelze im Kontakt mit der Umgebungsluft aus dieser Feuchtigkeit aufnehmen kann, die zur Freisetzung von Wasserstoff führt. Auch der zu schmelzende Einsatz kann Wasserstoffträger sein. Erst recht gilt dies für alle organischen Brennstoffe. Die komplette Aufgabenstellung geht in diesem Bezug also dahin, Wasserstoff möglichst fernzuhalten und soweit dies nicht möglich ist, ihn durch eine zweckdienliche Behandlung aus der Schmelze zu entfernen. Insoweit ist auch die fachliche Aussage treffend, dass nämlich die Schmelzebehandlung bei brennstoffbeheizten Öfen bereits mit der Einstellung des Brenners beginnt.   Die schädlichen Wirkungen einer Wasserstoffverunreinigung der Schmelze zeigen sich bei einigen Kupferlegierungen, besonders aber bei allen Aluminiumschmelzen. Flüssiges Aluminium hält im Vergleich zur erstarrten Schmelze die reichlich zehnfache Wasserstoffmenge in Lösung. Man nennt das auch „Löslichkeitssprung“. Der dabei ausgeschiedene, aber am Entweichen gehinderte Wasserstoff zeigt sich in Form kleinerer oder größerer Blasen, der so bezeichneten Wasserstoffporosität. Da wasserstoffporöse Teile keine höheren Festigkeitsansprüche erfüllen können, ist die Vermeidung einer Wasserstoffaufnahme und soweit dies nicht hinreichend gelingt, die Entgasung genannte Entfernung des Wasserstoffs eine Hauptaufgabe der Schmelzebehandlung und dies nicht nur bei Aluminium und seinen Legierungen.

Nicht minder wichtig ist es, die während des Schmelzprozesses nicht zu vermeidende Oxidbildung als Folge einer sei es auch nur partiellen Überhitzung an Badoberfläche und/oder Ofenwandung 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, vielmehr geht es nun um die Entfernung oder auch Reduzierung der unerwünschten Oxide.

Vereinfachend lässt sich demnach sagen, dass alle Maßnahmen im Zuge einer Schmelzebehandlung vorgenannten Sinnes darauf ausgerichtet sind, 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.

Neben den hier beschriebenen Hauptaufgaben gibt es aber auch Nebenaufgaben, die sich zwar nicht generell stellen, aber doch in bestimmten Fällen zur Verbesserung der Schmelzequalität erforderlich sind. Dass an Stelle einer Entgasung in besonderen Fällen auch einmal eine Begasung der Schmelze erforderlich sein kann, wird nur der Vollständigkeit halber erwähnt. Erheblich bedeutender ist jener Teil der Schmelzebehandlung, der sich mit dem Entfernen oder Hinzufügen von Elementen befasst. Entfernt wird Störendes, z. B. Calcium aus Aluminiumlegierungen, oder Natrium aus Rohaluminium. Günstigstes Mittel ist hier den Schmelzen zugeführtes Chlor, das die unerwünschten Elemente in ihre Chloride überführt, die dann Bestandteil der abnehmbaren Schlacke oder Krätze werden. Da strenge Sicherheitsvorschriften den Umgang mit Chlor begrenzen, bietet sich ein Ausweg über in geeigneter Form reagierende, anorganische Salzgemische.

Bei manchen Kupferlegierungen stört eine Verunreinigung mit Aluminium, dessen Oxyde die Dichtigkeit der Teile beeinträchtigen. Die Entfernung des Aluminiums erfolgt hier über seine Oxidation mittels sauerstoffabgebender Zusätze zur Schmelze und die anschließende Ausspülung des entstandenen Aluminiumoxids.

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 mehr im Abschnitt „Gefügebeeinflussung“.

Für Eisenguss gibt es die breite Palette der „Kupolofenzusätze“. Bei Kupferlegierungen, ausgenommen Messing, nimmt Phosphor in Form einer meist 10%igen Vorlegierung eine Zwitterstellung ein. Er wird einerseits zugesetzt, um in der Schmelze einen kleinen Phosphorüberschuss zu sichern, der ihre Oxidationsneigung beim Vergießen hindert, er soll aber auch in der Schmelze suspendiertes Kupferoxid reduzieren und den Flüssigkeitsgrad der Schmelze soweit erhöhen, dass nicht reduzierbare Verunreinigungen in die Schlacke aufsteigen können.

Bei im Grunde gleichbleibender Zwecksetzung darf in Kupferschmelzen, bei denen eine bestimmte elektrische Leitfähigkeit der gegossenen Teile erwartet wird, kein Phosphorkupfer eingesetzt werden. Borkupferzusatz ist nur eine der hier möglichen Alternativen.

Spezielle Maßnahmen

Schutz vor Oxidation und Wasserstoffaufnahme

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 einer ersten Stufe bedeutet das die mechanisch-physikalische (Auspülung) oder die chemische (Verschlackung wenn eine Reduktion thermodynamisch und kinetisch nicht möglich ist) Eliminierung oxidischer, aber auch anderer Fremdverunreinigungen) und erst in deren Ergänzung eine optimierte Gefügeausbildung. Die Spülung der Schmelzen zur Entfernung von unerwünschten Elementen kann im einfachsten Falle mit Luft erfolgen (Blasstahl). Grundsätzlich unterscheidet man aber zwischen reaktiven und inerten Spülgasen. Unter den „reaktiven“ ist Chlor zur Spülung und Wasserstoffentfernung aus Aluminiumschmelzen zwar äußerst wirksam, erfordert aber dort, wo es angewendet wird aufwendige Maßnahmen zum Schutz der Umwelt wie z. B. Nasswäsche der Abluft. Die Spülung für Barrenguss bestimmter Schmelzen mit einem Argon/Chlor- Gemisch ist Stand der Technik. Zu den gebräuchlichen inerten Spülmitteln gehören Stickstoff oder Argon. Alle gasförmigen Spülmittel können unter Druck in Schmelzen durch Einleitungsrohre oder Düsensteine eingeblasen werden. Ein moderneres Verfahren, besonders für die Behandlung von Leichtmetallschmelzen entwickelt, ist die Einführung eines Impellers in die Schmelze. Er dreht sich mit regelbarer Geschwindigkeit und erlaubt sowohl die Zuführung und Verteilung von Spülgas, wobei gleichzeitig auch pulverförmige Reaktionsträgern mit eingebracht werden können.

Legierungs- und gefügebeinflussende Behandlung

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 Aluminium ist dem in der Bedeutung vergleichbar die metallurgisch unabdingbare Veredelung, auch „veredelnde Gefügebeeinflussung“ genannt (A.Pacz). Bei Aluminium-Silizium-Legierungen mit ca. 7-12% Silizium erfolgt sie überwiegend mittels Zugabe von Natrium oder Strontium zur Schmelze, seltener in einem nicht ganz vergleichbaren Prozess mittels Antimon. Pulverförmige, tablettierte und auch brikettierte Gemische, die sich in der Schmelze zeitlich steuerbar auflösen und Natrium zur Vermeidung einer die Gussteile versprödenden Grobkristallisation des primär erstarrenden Siliziums freigeben, sind seit Jahrzehnten bekannt. In seiner reinen metallischen Form ist für den gleichen Zweck luftdicht verpacktes Natrium gebräuchlich. Das in seiner absolut gleichen Wirkung zeitlich länger anhaltende, da weniger leicht oxidierbare Strontium wird aus Gründen besserer Löslichkeit in der Schmelze stets als Vorlegierung (z. B. AlSr10) zugegeben. Eine besondere Gefügebeinflussung erfahren übereutektische AlSi-Legierungen mit 13 - 25% Silizium. Hier wird das primär erstarrende Silizium durch Zugabe von Phosphor in geeigneter Form "gefeint", wobei als Korngrösse ca. 60µ angestrebt werden.       Gleichen Rang haben bei Aluminiumformguss, wie bei Barrenguss (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.

Metallurgisch handelt es sich bei der so bezeichneten Kornfeinung, oder kornfeinenden Gefügebeeinflussung, immer um die Einbringung von Fremdkeimen, wobei solche aus Titandiborid (TiB2) immer noch mehrheitlich genutzt werden, aber nur Teil einer inzwischen entwickelten „Familie“ Keime bildender oder solche einbringender Vorlegierungen auf Aluminiumbasis sind.

Die Schmelzebehandlung flankierende Maßnahmen

Da sich eine 700 - 1500°C heiße Schmelze, außer sie wird im Vacuum gehalten, nicht statisch zeigt, sondern durch Bewegung, wie das Umfüllen in ein Transportgefäß, auch den Gießvorgang selbst, sowohl erneut Oxyde bilden, wie auch Wasserstoff aufnehmen kann, fanden sich verschiedene Möglichkeiten, dieses zu vermeiden. Im Einzelnen beginnt es damit, die schützende Schlackenschicht so spät als nur möglich von der Schmelze abzunehmen und Umfüllvorgänge zu begrenzen bzw. dort, wo sie unvermeidlich sind, Turbulenzen zu vermeiden, die immer mit Oxidbildung und Verwirbelung im flüssigen Metall verbunden sind. Um beim Eingießen in die Formen, gleich welcher Art und Größe diese sind, gebildete und mitgerissene Oxide zurückzuhalten, kennt und nutzt man zahlreiche Möglichkeiten, denen aber sämtlich das Prinzip eines Oxide am Eintritt in Form hindernden Siebes zugrunde liegt. Es gibt Glasseidengewebe als Filtermaterial, ferner Siebgeflechte aus Draht, auch keramisiert, zum Einlegen in Formen für Großserien jeweils maßgerecht zugeschnitten. Verbreitet sind auch, besonders im Bereich der sogenannten Hüttengießereien (Barrenguss, Schaumkeramikfilter, in jeweils spezieller, temperaturangepasster Ausführung für Nichteisenmetalle, wie für Eisen- und Stahlguss, mit standardisierter Porenzahl, zumeist 20-30 ppi.

Literatur

• einführend: "Zur Terminologie der Schmelzebehandlung von NE-Metallen und ihren Legierungen", GIESSEREI_PRAXIS 1-2/1977, S.16f.
• Fachzeitschriftenjahrgänge METALL, ALUMINIUM. GIESSEREI (Organ des VDG und VDEH), GIESSEREIPRAXIS, alle mit bezugnehmenden Beiträgen.
• GIESSEREILEXIKON, Berlin, ISBN 3-7949-0606-3 siehe u.a. bei "Schmelzebehandlung"
• VDG-Merkblatt R 50 "Schmelzebehandlungsmittel für NE-Metalle und Legierungen"
• H. Jaunich, GDMB- LM-Fachausschußbeitrag vom 10.Oktober 1991 (veröffentlicht): "Kohlenstoffteile für die Entgasung und Schmelzebehandlung mit Impellergeräten