Schmelzequalität im Aluminiumguss: Entgasung, Filtration und Oxide
Eine Druckgießmaschine kann nur vergießen, was der Schmelzbetrieb liefert. Gelöster Wasserstoff, Oxidhäute und andere Einschlüsse gelangen mit dem Metall in die Gießkammer und landen im Gussteil. Saubere, gut behandelte Schmelze ist deshalb Voraussetzung für niedrige Ausschussquoten, dichte Bauteile und eine zuverlässige mechanische Bearbeitung, Wärmebehandlung oder Schweißbarkeit.
Was bestimmt die Qualität einer Aluminiumschmelze?
Drei Faktoren dominieren: gelöster Wasserstoff, der bei der Erstarrung Gasporen bilden kann; Oxide und Einschlüsse, die das Gussteil schwächen und die Strömung stören; sowie die Temperaturführung, die beides beeinflusst. Die Entgasung mit Inertgas senkt den Wasserstoffgehalt, die Filtration hält Oxide und Partikel zurück, und sorgfältiges Handling verhindert neue Verunreinigungen.
Schmelzequalität sollte gemessen und nicht vorausgesetzt werden. Einfache Prüfungen in der Fertigung machen Veränderungen sichtbar, bevor sie als Ausschuss auftreten.
Wasserstoff: Die unsichtbare Verunreinigung
Wasserstoff ist das einzige Gas, das sich in nennenswerter Menge in flüssigem Aluminium löst. Seine Löslichkeit ist in der Schmelze viel höher als im festen Metall und steigt mit der Temperatur. Bei der Erstarrung wird der überschüssige Wasserstoff ausgeschieden und kann Poren bilden.
Hauptquelle ist Feuchtigkeit. Wasserdampf reagiert mit flüssigem Aluminium, bildet Oxid und setzt Wasserstoff in der Schmelze frei. Feuchtigkeit stammt aus feuchter Luft, nassem oder verunreinigtem Einsatzmaterial, ungenügend getrockneten Werkzeugen, Löffeln und Feuerfestauskleidungen sowie aus Verbrennungsgasen brennstoffbeheizter Öfen.
Im Druckguss entsteht ein Großteil der Porosität durch eingeschlossene Luft und Erstarrungsschwindung, nicht durch Wasserstoff. Gelöstes Gas bleibt dennoch relevant, insbesondere bei Bauteilen, die wärmebehandelt, geschweißt oder druckdicht sein müssen. Dort können kleine Gasporen zu Blasenbildung oder Undichtigkeiten führen.
Oxide, Krätze und andere Einschlüsse
Flüssiges Aluminium überzieht sich sofort mit einer dünnen Oxidhaut. Solange sie an der Oberfläche bleibt, ist sie unschädlich. Wird die Oberfläche durch turbulentes Umgießen, große Fallhöhen oder Rühren aufgerissen, werden Oxidhäute in die Schmelze eingefaltet. Diese Häute können im Gussteil wie Risse wirken und Keime für Poren bilden.
| Verunreinigung | Typische Ursache | Gegenmaßnahme |
|---|---|---|
| Gelöster Wasserstoff | Feuchtigkeit aus Luft, Einsatz, Werkzeugen, Feuerfest, Verbrennung | Trockener Einsatz und Werkzeuge, Inertgasentgasung, kontrollierte Temperatur |
| Oxidhäute | Turbulentes Umfüllen, große Fallhöhe, oxidiertes Kreislaufmaterial | Ruhiges Umfüllen, kurze Fallhöhen, Abkrätzen, Filtration |
| Feuerfestpartikel | Verschlissene oder beschädigte Ofen- und Löffelauskleidungen | Pflege der Auskleidung, Filtration |
| Sludge (intermetallische Phasen) | Hohe Eisen-, Mangan- und Chromgehalte bei niedriger Warmhaltetemperatur | Legierungskontrolle, legierungsgerechte Warmhaltetemperatur, regelmäßige Ofenreinigung |
Für Sludge wird häufig ein empirischer Sludge-Faktor als Kennzahl verwendet: Fe + 2 × Mn + 3 × Cr, jeweils in Gewichtsprozent. Der kritische Wert hängt von der Warmhaltetemperatur ab und sollte mit dem Legierungslieferanten abgestimmt werden.
Entgasung: Wasserstoff mit Inertgas entfernen
Das in Aluminiumgießereien verbreitetste Verfahren ist die Impellerentgasung. Ein rotierender Graphitrotor verteilt ein Inertgas, meist Argon oder Stickstoff, in feine Blasen. Wasserstoff diffundiert aus der Schmelze in die Blasen und entweicht mit ihnen an der Oberfläche. Die aufsteigenden Blasen tragen zudem Oxide nach oben, wo sie mit der Krätze abgezogen werden können.
Vorbereiten
Rotor und Welle vorwärmen, Rotorverschleiß prüfen und die Schmelze auf Behandlungstemperatur bringen.
Behandeln
Definierten Gasfluss, Rotordrehzahl und Behandlungsdauer fahren; einen Strudel vermeiden, der Oxide in die Schmelze zieht.
Abkrätzen und prüfen
Krätze vorsichtig abziehen und das Ergebnis mit einer Schmelzeprüfung bestätigen.
Zeitnah verwenden
Behandelte Schmelze kann mit der Zeit wieder Wasserstoff aufnehmen, besonders bei hoher Luftfeuchtigkeit.
Wo entgast wird, hängt vom Aufbau des Schmelzbetriebs ab: in der Transportpfanne, in einer separaten Behandlungsstation oder im Ofen. Die Aufgaben der verschiedenen Ofentypen erläutert unser Beitrag Dosierofen, Schmelzofen oder Warmhalteofen?
Filtration: Oxide und Partikel zurückhalten
Filter halten Oxidhäute und feste Partikel mechanisch zurück. Keramikschaumfilter, eingeteilt nach Porengröße, werden verbreitet in Rinnen, an Ofenausläufen oder in Dosieröfen eingesetzt. Ein feinerer Filter hält kleinere Einschlüsse zurück, hat aber einen höheren Strömungswiderstand und setzt sich schneller zu. Die Filterwahl muss daher zu Durchsatz und Wechselintervallen passen.
Filtration entfernt keinen gelösten Wasserstoff, und Entgasung allein entfernt nicht alle Einschlüsse. Beide Behandlungen ergänzen sich. Wirksam sind sie nur, wenn das Metall danach nicht erneut verunreinigt wird, etwa durch turbulentes Schöpfen in die Gießkammer. Wie Füllbedingungen die Porosität beeinflussen, beschreibt unser Beitrag zu Formfüllung und Vakuum.
Wie die Schmelzequalität geprüft wird
Unterdruck-Dichteprüfung
Eine Probe erstarrt bei Atmosphärendruck, eine zweite unter einem definierten Unterdruck. Gas und Oxide führen dazu, dass die Unterdruckprobe mehr Poren bildet und damit eine geringere Dichte hat. Der Dichteindex vergleicht beide Werte.
Einschlussprüfungen
Bruchproben an einfachen Probekörpern machen Oxidhäute auf der Bruchfläche sichtbar. Für genauere Analysen quantifizieren Laborverfahren die Einschlüsse in einer gefilterten Metallprobe.
Dichteindex [%] = (ρatm − ρvak) / ρatm × 100
ρatm = Dichte der bei Atmosphärendruck erstarrten Probe, ρvak = Dichte der unter Unterdruck erstarrten Probe, jeweils in g/cm³. Ergebnisse sind nur bei gleicher Probengröße, gleichem Druck und gleichem Ablauf vergleichbar.
Checkliste Schmelzequalität für den täglichen Betrieb
- Einsatzmaterial und Kreislaufmaterial trocken, sauber und überdacht gelagert
- Löffel, Werkzeuge und Krätzeisen beschichtet und vor Schmelzekontakt vorgewärmt
- Ofen- und Löffelauskleidungen auf Schäden und Anbackungen geprüft
- Schmelzetemperatur im definierten Fenster für Legierung und Prozess
- Entgasungsparameter dokumentiert und Rotorzustand kontrolliert
- Krätze vorsichtig abgezogen, ohne Oxide wieder einzurühren
- Filter passend zum Durchsatz gewählt und in festen Intervallen gewechselt
- Umfüllen und Schöpfen turbulenzarm mit kurzen Fallhöhen
- Dichteindex oder vergleichbare Prüfung regelmäßig durchgeführt und dokumentiert
Häufige Fragen
Ist Entgasung im Druckguss notwendig?
Das hängt von den Bauteilanforderungen ab. Bei Teilen, die wärmebehandelt, geschweißt oder druckdicht sein müssen, sind ein kontrollierter Wasserstoffgehalt und eine saubere Schmelze in der Regel wichtig. Das erforderliche Niveau sollte je Produkt festgelegt werden.
Ersetzt die Filtration die Entgasung?
Nein. Filter halten feste Einschlüsse und Oxidhäute zurück, entfernen aber keinen gelösten Wasserstoff. Entgasung und Filtration lösen unterschiedliche Probleme.
Warum schwankt die Schmelzequalität mit dem Wetter?
Luftfeuchtigkeit ist eine Wasserstoffquelle. An feuchten Tagen kann die Schmelze über Luft, Werkzeuge und Material mehr Wasserstoff aufnehmen, weshalb regelmäßige Prüfungen sinnvoll sind.
Verbessert eine höhere Schmelzetemperatur die Qualität?
Nicht automatisch. Höhere Temperaturen erhöhen Wasserstofflöslichkeit und Oxidation. Die Temperatur sollte so hoch sein, wie der Prozess es erfordert, aber nicht höher.
FISS bietet gebrauchte Schmelz-, Warmhalte- und Dosieröfen.
Gleichmäßige Schmelzequalität beginnt mit passender Ofentechnik. FISS bietet gebrauchte Öfen für Gießerei und Druckguss an und unterstützt bei der Bewertung, welche Ausrüstung zu Legierung, Durchsatz und Zellenlayout passt.
