Schmelzebehandlung ist eine Technik, die überall dort zum Einsatz kommt, wo Metalle und deren Legierungen durch Schmelzen verflüssigt werden. Sie soll die Qualität der Schmelzen optimieren.
Schmelzebehandlung und Sekundärmetallurgie
In aller Regel erfolgt sie im Schmelz- oder Gießofen, ist aber auch in der Pfanne als „Pfannenbehandlung“ möglich und sogar durch Einwirkung auf den Gießstrahl beim Ausgießen der Schmelze. In der Eisen und Stahl vergießenden Industrie wird statt des Ausdrucks „Schmelzebehandlung“ von „Sekundärmetallurgie“ gesprochen. Dabei handelt es sich jedoch lediglich um eine spezielle Form der Schmelzebehandlung von Stählen (→ Metallurgie).
Aufgaben der Schmelzebehandlung
Die Schmelzebehandlung von Eisen- und Nichteisenmetallen und -legierungen umfasst zahlreiche chemische und physikalische Maßnahmen, die darauf ausgerichtet sind, den Zustand der Schmelzen zu beeinflussen. Für Formguss gilt dabei, dass die Gussstücke die für sie vorgeschriebenen Qualitätsnormen, wie Härte, Festigkeit und Dehnung erfüllen. Bei Halbzeugguss, der Erzeugung von Barren (Walzbarren, Rundbarren) und Drahtbarren (→Stranggießen) wird Freiheit von Wasserstoff und Oxiden, Entfernung störender Elemente, sowie Begünstigung einer feinkörnigen Erstarrung verlangt. Je nach Art des Einsatzgutes und den Qualitätsforderungen an die Gussprodukte ergeben sich unterschiedliche Maßnahmen für die Schmelzebehandlung.
Eine vereinheitlichte Terminologie erleichtert das Verständnis für Problemstellung und -lösung.
Praktizierte Schmelzebehandlung
Die Schmelzebehandlung ist in ihren Notwendigkeiten und Möglichkeiten prinzipiell bei allen metallischen Schmelzen erforderlich.
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.
mini|Bearbeiteter Teil eines Gussstücks aus AlMg3 mit sichtbarer Gasporosität
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
mini|Wannenofenschmelze mit Oxidschichten
Ebenso wichtig wie die Begrenzung einer Gasaufnahme (vorwiegend Wasserstoff) ist es, die beim Schmelzvorgang unvermeidbare Oxidbildung als Folge partieller Überhitzung an Badoberflächen oder Ofenwandungen zu begrenzen. Die Oxidation von Legierungselementen bedeutet immer einen Verlust, sei es an Basisbestandteilen oder an wichtigen Legierungselementen. Dieser macht sich nicht nur qualitativ bemerkbar, sofern er nicht korrigiert wird, sondern bleibt in jedem Falle ein kostenbelastender Faktor. Sofern Oxide bereits mit dem Einsatzgut in die Schmelze gebracht werden, sind oxidationsbegrenzende Maßnahmen keine Hilfe; es geht um die möglichst weitgehende Entfernung der unerwünschten Oxide, die faktisch Materialverluste sind. Besonders im Recycling werden Flussmittel angewendet, die Oxide lösen, gelöste Oxide verschlacken und die Oxidation vermindern, indem sie durch Schmelzpunkterniedrigung den Schmelzprozess beschleunigen.Der historische, bei der Erzaufbereitung gebrauchte Begriff des Flussmittels ist weit gefasst und nicht auf die Metallurgie beschränkt. (Anm. d. Verf.)
Verkürzt lässt sich demnach sagen, dass die Schmelzebehandlung vorrangig dazu dient, unerwünschte Eigenschaften der Schmelze, insbesondere Gasaufnahme und Oxidation, zu vermeiden oder zumindest merklich zu begrenzen und stattdessen erwünschte Eigenschaften, darunter Gas- und Oxidfreiheit, herbeizuführen.
Konträre Maßnahmen
Neben den beschriebenen Hauptaufgaben gibt es auch Nebenaufgaben, die sich zwar nicht generell stellen, aber in bestimmten Fällen zur Verbesserung der Schmelzequalität zu erfüllen sind. Anstelle einer Entgasung kann in besonderen Fällen auch eine Begasung der Schmelze erforderlich sein, um unerwünschte oxidierbare Elemente zu entfernen. Denselben Zweck erfüllt die Zufuhr sauerstoffabgebender Gemische, die selektive Oxidationsvorgänge in der Schmelze bewirken. Beispiel hierfür ist ein geringer Anteil an Aluminium in einigen Kupferlegierungen, der durch gezielte Oxidation des Aluminiums und Verschlackung des Aluminiumoxids zurückgeführt wird.
Beim Schmelzen von Kupferlegierungen – ausgenommen Messing – in brennstoffbeheizten Öfen können etwaige Wasserstoffgehalte bereits durch luftüberschüssige Einstellung der Brenner merklich verringert werden. Sauerstoffabgebende Gemische können zusätzlich eingesetzt werden. Überschüssige Oxide des Kupfers werden durch Zugabe von Phosphorkupfer in Form einer 10- oder 15-prozentigen Vorlegierung wieder reduziert.
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“.
Die Rolle des Phosphors bei Kupfer und Kupferlegierungen
Bei Kupferlegierungen, ausgenommen Messing, nimmt Phosphor in Form eine Vorlegierung (meist CuP10, also 90 Teile Kupfer und 10 Teile Phosphor) 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, um deren Flüssigkeitsgrad so weit zu erhöhen, dass nicht reduzierbare Verunreinigungen, wie Zinnoxid, 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
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.
Entgasung durch Spülgaseinbringung
Die Spülung der Schmelzen, mit dem Zweck Verunreinigungen zu entfernen, stellt sich als eine Variante des Eintrags von Salzgemischen dar. Sie kann mit Luft erfolgen (Blasstahl). Unterschieden wird grundsätzlich 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 aufwändige Maßnahmen zum Schutz der Umwelt wie z. B. Nasswäsche der Abluft. Die Spülung für Barrenguss bestimmter Schmelzen mit einem Argon-Chlor-Gemisch ist hingegen Stand der Technik. Zu den gebräuchlichen inerten Spülmitteln gehören Stickstoff oder Argon.
mini|Ein Impeller-System behandelt eine Aluminiumschmelze mini|Impeller-System bereit zur Behandlung. Ansicht von oben.