Aluminium hat einen niedrigeren Schmelzpunkt als Stahl und Gusseisen, wodurch es sich für Verfahren wie den Sandguss eignet, Kokillenguss, sowie das Niederdruckgussverfahren. Der grundlegende Schmelzprozess umfasst die Vorbereitung der Charge, das Erhitzen des Aluminiums, die Regelung der Schmelztemperatur, das Entfernen von Schlacke, gegebenenfalls die Behandlung der Schmelze sowie das Gießen in eine vorbereitete Form.
Obwohl der Prozess insgesamt unkompliziert ist, können feuchtes Ausgangsmaterial, eine zu hohe Schmelztemperatur, zu starkes Rühren oder ein instabiler Guss das Risiko von Porosität, Oxideinschlüssen und unvollständiger Füllung erhöhen.
In diesem Artikel werden die Schmelztemperatur von Aluminium, die erforderliche Ausrüstung, die wichtigsten Arbeitsschritte, praktische Tipps zum Schmelzen sowie die Sicherheitsvorkehrungen erläutert, die das Bedienpersonal beachten sollte.
Bei welcher Temperatur schmilzt Aluminium?
Reines Aluminium schmilzt bei etwa 660 °C. In der praktischen Gussproduktion werden jedoch häufiger Aluminiumlegierungen als reines Aluminium verwendet. Diese Legierungen können Silizium, Magnesium, Kupfer oder andere Elemente enthalten, sodass sie nicht bei einer genau festgelegten Temperatur schmelzen. Stattdessen durchlaufen sie einen Schmelzbereich.
Bevor eine Aluminiumlegierung vollständig flüssig wird, geht sie in der Regel in einen halbfesten Zustand über. Selbst wenn die Charge erweicht oder zusammengebrochen ist, kann im Inneren noch etwas festes Metall vorhanden sein. Der Schmelzzustand sollte daher nicht allein anhand des Aussehens, sondern durch Temperaturmessung überprüft werden.
In der Praxis wird die Schmelztemperatur in der Regel über der Liquidustemperatur der gewählten Legierung gehalten, wobei ein gewisser Wärmeverlust während der Schlackeentfernung, des Transports und des Gießens berücksichtigt wird.
Tipp zur Temperaturregelung
Ist die Temperatur zu niedrig, verfügt das geschmolzene Aluminium möglicherweise nicht über ausreichende Fließfähigkeit, um dünne Wände, Rippen oder Bereiche, die weit vom Anguss entfernt sind, auszufüllen. Ist die Temperatur zu hoch, können Oxidation, Wasserstoffaufnahme, Energieverbrauch und der Verlust von Legierungselementen zunehmen.
Zur Überwachung der Schmelztemperatur sollte ein Thermoelement verwendet werden. Die richtige Schmelz- und Gießtemperatur hängt von der Legierungssorte, der Geometrie des Gussteils und dem Gießverfahren ab.
Welche Ausrüstung wird zum Schmelzen von Aluminium benötigt?
Zur Grundausstattung für das Schmelzen von Aluminium gehören ein Schmelzofen, ein Schmelztiegel, Temperaturmessgeräte, Werkzeuge zum Entfernen von Schlacke, Fördervorrichtungen sowie eine vorbereitete Gussform.
| Ausrüstung oder Werkzeug | Hauptzweck | Betriebsanforderung |
|---|---|---|
| Ofen | Erhitzt und schmilzt die Aluminiumcharge | Wählen Sie entsprechend dem Schmelzvolumen, der Heizmethode und den Anforderungen an die Temperaturregelung aus. |
| Schmelztiegel | Hält die Ladung und das geschmolzene Aluminium | Vor der Verwendung auf Risse, Erosion und lokale Verdünnungen prüfen |
| Thermoelement | Misst die Temperatur von geschmolzenem Aluminium | Halten Sie die Messposition und die Eintauchtiefe möglichst konstant. |
| Werkzeuge zur Schlackeentfernung | Entfernen Sie Oxide und Verunreinigungen von der Schmelzoberfläche | Trocken aufbewahren und bei Bedarf vorheizen |
| Hebewerkzeuge oder Schöpfkellen | Geschmolzenes Aluminium umfüllen und einfüllen | Auf Verschleiß, Verformungen und sichere Handhabung prüfen |
| Schimmel | Nimmt das geschmolzene Aluminium auf und formt den Guss | Trocken aufbewahren und bei Bedarf vorheizen |
Ofen und Tiegel
Zu den gängigen Anlagen zum Schmelzen von Aluminium zählen Tiegelöfen, Widerstandsöfen, gasbefeuerte Öfen und Induktionsöfen. Diese Anlagen unterscheiden sich hinsichtlich Schmelzgeschwindigkeit, Temperaturregelung, Energieverbrauch und geeignetem Produktionsvolumen.
Beim Schmelzen kleiner Chargen wird in der Regel ein Tiegel verwendet, um die Charge und das geschmolzene Aluminium aufzunehmen. Zu den gängigen Tiegelwerkstoffen zählen Graphit, Ton-Graphit und Siliziumkarbid. Der richtige Werkstoff sollte auf die Ofenkonstruktion und die Heizmethode abgestimmt sein.
Vor jedem Einsatz sollte der Tiegel auf Risse, starke Erosion, lokale Ausdünnungen oder Beschädigungen am Boden überprüft werden. Ein beschädigter Tiegel darf nicht weiter verwendet werden.
Dünnwandige Stahlbehälter eignen sich nicht als zuverlässige Tiegel zum Schmelzen von Aluminium. Bei längerer Einwirkung hoher Temperaturen können sie oxidieren, sich verziehen oder versagen. Außerdem können Stahlbehälter Eisen in die Schmelze einbringen.
Temperatur- und Handhabungswerkzeuge
Zur Messung der Temperatur des geschmolzenen Aluminiums wird ein Thermoelement verwendet. Um den Vergleich der Daten zwischen den einzelnen Ofenchargen zu erleichtern, sollten die Messstelle und die Eintauchtiefe der Sonde möglichst konstant gehalten werden.
Mit Entschlackungswerkzeugen werden Oxide und Verunreinigungen von der Schmelzoberfläche entfernt. Zum Transportieren und Gießen der Metallschmelze kommen Tiegelhebegeräte oder Gießpfannen zum Einsatz.
Alle Werkzeuge, die mit geschmolzenem Aluminium in Berührung kommen können, müssen trocken sein. Kalte Werkzeuge müssen unter Umständen ebenfalls vorgewärmt werden, um lokale Temperaturverluste und die Gefahr von Spritzern durch Feuchtigkeit zu verringern.
Die Form sollte vorbereitet werden, bevor das Aluminium die Gießtemperatur erreicht. Sandformen sollten hinsichtlich des Zustands des Formhohlraums, der Angusskanäle und der Entlüftung überprüft werden. Dauerformen werden in der Regel entsprechend dem Gießverfahren vorgewärmt.
So schmilzt man Aluminium zum Gießen
Schritt 1: Vorbereitung und Einfüllen der Aluminiumcharge
Überprüfen Sie zunächst die Legierungssorte der Aluminiumlegierung. Verschiedene Legierungen enthalten unterschiedliche Anteile an Silizium, Magnesium, Kupfer, Eisen und anderen Elementen. Die Werkstoffe sollten nicht einfach deshalb vermischt werden, weil sie ähnlich aussehen.
Die Chargen für Industrieöfen bestehen in der Regel aus neuen Aluminiumbarren und kontrolliertem Rücklaufmaterial derselben Legierungssorte. Das Rücklaufmaterial kann aus Angusskanälen, Steigrohren oder Ausschussgussteilen stammen, doch seine Herkunft und sein Anteil sollten kontrolliert werden.
Das Mischen verschiedener Legierungssorten kann dazu führen, dass die endgültige Zusammensetzung außerhalb des geforderten Bereichs liegt und die mechanischen Eigenschaften oder das Verhalten bei der Wärmebehandlung beeinträchtigt werden.
Entfernen Sie vor dem Einfüllen Öl, Kunststoff, Farbe, Sand und Stahleinsätze aus dem Material. Große Stücke können in Stücke zerschnitten werden, die in den Ofen oder den Tiegel passen und sich gleichmäßiger erwärmen.
Das gesamte Chargengut muss trocken sein. Im Freien gelagertes Aluminium, frisch gewaschene Teile, versiegelte Hohlkörper oder Material, das noch Flüssigkeit enthalten könnte, darf nicht direkt in den Ofen gegeben werden.
Aluminiumdosen lassen sich zwar einschmelzen, doch ihre dünnen Wände führen zu hohen Oxidationsverlusten, und ihre Beschichtungen verursachen Rauch und Rückstände. Daher sind sie im Allgemeinen als kontrollierter Rohstoff für industrielle Gussteile ungeeignet.
Die Charge vorsichtig einfüllen. Schwere Stücke dürfen nicht auf den Tiegel oder die Ofenauskleidung fallen gelassen werden. Der Tiegel sollte zudem nicht vollständig gefüllt werden, da Platz für das Absetzen der Charge, zusätzliches Material und die Entfernung von Schlacke benötigt wird.
Schritt 2: Erhitzen der Charge und Regulieren der Schmelztemperatur
Der Ofen sollte gemäß seiner Betriebsanleitung aufgeheizt werden. Bei einigen Schmelzverfahren wird zunächst ein kleines Schmelzbad gebildet, bevor die restliche Charge portionsweise zugegeben wird.
Massives Aluminium schmilzt in der Regel schneller, sobald es mit dem Schmelzbad in Kontakt kommt. Wird jedoch zu viel kaltes Material auf einmal zugeführt, kann dies zu einem erheblichen Temperaturabfall führen und die Gesamtschmelzzeit verlängern.
Halten Sie den Ofendeckel so weit wie möglich geschlossen. Häufiges Öffnen führt zu Wärmeverlusten und setzt das geschmolzene Aluminium stärker der Luft aus.
Beobachten Sie den Temperaturverlauf mithilfe eines Thermoelements, während die Charge schmilzt. Sobald die erforderliche Prozesstemperatur erreicht ist, sollte eine unnötige Erwärmung vermieden werden.
Eine übermäßige Überhitzung verstärkt die Oxidation und die Wasserstoffaufnahme und kann zudem zum Verlust von Legierungselementen wie Magnesium führen. Eine zu niedrige Temperatur kann dazu führen, dass ein Teil der Charge ungeschmolzen bleibt oder die Fließfähigkeit beim Gießen beeinträchtigt wird.
Auch starkes Rühren sollte vermieden werden. Geschmolzenes Aluminium bildet an der Oberfläche schnell einen Oxidfilm, und durch übermäßige Bewegung kann dieser Film in die Schmelze eingearbeitet werden.
Schritt 3: Schlacke entfernen und die Schmelze aufbereiten
Auf der Oberfläche von geschmolzenem Aluminium bildet sich normalerweise graue oder dunkle Krätze. Diese kann Oxide, Verunreinigungen und eine gewisse Menge an eingeschlossenem Metall enthalten.
Die Entgusswerkzeuge sollten trocken und ausreichend vorgewärmt sein. Das Oberflächenmaterial sollte gleichmäßig entfernt werden, anstatt es wiederholt in die Schmelze einzurühren.
Wenn Oxidschichten in das flüssige Metall eingearbeitet werden, können sie im Gussstück als Einschlüsse, Schwachstellen oder Leckstrompfade zurückbleiben.
Bei einigen Schmelzverfahren wird ein spezielles Entzunderungsflussmittel verwendet, um die Oxide vom metallischen Aluminium abzutrennen. Die Art und Dosierung des Flussmittels sollten auf die Legierung und die Prozessbedingungen abgestimmt sein; das Flussmittel kann jedoch weder eine saubere Vorbereitung des Einsatzmaterials noch eine sorgfältige Handhabung ersetzen.
Wenn von der Zugabe von Salz die Rede ist, sind damit in der Regel speziell formulierte, salzbasierte Aluminium-Flussmittel gemeint und nicht gewöhnliches Speisesalz. Auch Borax ist kein gängiges Allzweck-Flussmittel für das Schmelzen von Aluminium. Beim gewöhnlichen Gießen kleiner Chargen sind sauberes Einsatzmaterial, eine stabile Temperaturregelung und eine sorgfältige Schlackeentfernung in der Regel zuverlässiger als die Zugabe ungeprüfter Materialien.
Bei Gussteilen mit höheren Anforderungen an die innere Qualität muss die Aluminiumschmelze unter Umständen auch entgast werden. In der industriellen Fertigung wird üblicherweise eine Rotationsentgasung mit Stickstoff oder Argon eingesetzt, um den Wasserstoffgehalt der Schmelze zu senken.
Wenn die Legierungszusammensetzung entscheidend ist, kann eine Probe auch mit einem Spektrometer untersucht werden, um sicherzustellen, dass die wichtigsten Legierungselemente innerhalb des vorgeschriebenen Bereichs liegen.
Schritt 4: Die Form vorbereiten und das Aluminium einfüllen
Die Form sollte fertig und trocken sein, bevor das Aluminium gießfertig ist.
Eine Sandform sollte auf die Unversehrtheit des Formhohlraums, die Angussführung und die Entlüftung überprüft werden. In Kokillenguss, sollte die Dauerform innerhalb eines geeigneten Temperaturbereichs gehalten werden, damit das Metall nach dem Einfüllen in den Formhohlraum nicht zu schnell erstarrt.
Das Gießen sollte gleichmäßig und kontinuierlich erfolgen. Zu schnelles Gießen kann zu verstärktem Spritzen, Lufteinschlüssen und Turbulenzen führen. Zu langsames Gießen kann zu Temperaturverlusten führen und dazu, dass das Metall zu erstarren beginnt, bevor der Gussraum vollständig gefüllt ist.
Die Fallstrecke des geschmolzenen Aluminiums sollte so kurz wie möglich gehalten werden. Ein großer Fall erhöht den Lufteinschluss und die Bildung einer Oxidschicht. Selbst eine Schmelze, die bereits abgeschöpft oder entgast wurde, kann durch unsachgemäße Umfüllung und Gießen erneut verunreinigt werden.
Lassen Sie das Gussteil nach dem Gießen ausreichend aushärten, bevor Sie es aus der Form schütteln oder entnehmen. Anschließend kann das Angusssystem entfernt werden; danach folgen je nach Bedarf Reinigung, Wärmebehandlung oder maschinelle Bearbeitung.
Tipps für ein besseres Schmelzen von Aluminium
Neben der Einhaltung der grundlegenden Schmelzschritte können verschiedene Betriebsverfahren dazu beitragen, einen stabileren Schmelzzustand aufrechtzuerhalten.
- Verwenden Sie sauberes und trockenes Füllmaterial: Öl, Beschichtungen, Feuchtigkeit und andere Verunreinigungen führen zu vermehrter Rauchentwicklung, Schlackebildung und erhöhten Sicherheitsrisiken.
- Vermeiden Sie eine anhaltende Überhitzung: Sobald die erforderliche Prozesstemperatur erreicht ist, sollten unnötige Temperaturerhöhungen oder längere Haltezeiten vermieden werden, um Oxidation, Wasserstoffaufnahme und den Verlust von Legierungselementen zu verringern.
- Rühren und Kontakt mit Luft möglichst vermeiden: Vermeiden Sie kräftiges Rühren und halten Sie den Ofendeckel, wann immer möglich, geschlossen, um die Bildung von Oxidschichten und deren Mitreißen zu verringern.
- Werkzeuge und Formen vorheizen: Entschlackungswerkzeuge, Gießpfannen und andere Ausrüstungsgegenstände, die mit der Schmelze in Kontakt kommen, sollten trocken und entsprechend vorgewärmt sein. Auch Dauerformen sollten gemäß dem Verfahren vorgewärmt werden.
- Gießen Sie gleichmäßig und kontinuierlich ein: Ein gleichmäßiger Guss mit begrenzter Freifallstrecke trägt dazu bei, Spritzer, Lufteinschlüsse und die Bildung einer neuen Oxidschicht zu reduzieren.
Sicherheitsvorkehrungen beim Schmelzen von Aluminium
Vor Beginn der Arbeiten sollten die Bediener sicherstellen, dass ihre Schutzausrüstung, die Arbeitsumgebung und die verwendeten Werkzeuge für Arbeiten mit geschmolzenem Metall geeignet sind. Beim Schmelzen von Aluminium kommen hohe Temperaturen und flüssiges Metall zum Einsatz. Unzureichender Schutz oder unsachgemäße Arbeitsweise können zu Verbrennungen, Metallspritzern oder Brandgefahr führen. Die folgenden Vorsichtsmaßnahmen sind zu beachten:
- Tragen Sie geeignete Schutzausrüstung: Tragen Sie hitzebeständige Handschuhe, einen Gesichtsschutz, eine Schutzbrille, langärmelige Arbeitskleidung oder eine feuerfeste Schürze sowie Sicherheitsschuhe, die für Arbeiten mit geschmolzenem Metall geeignet sind. Achten Sie darauf, dass im möglichen Spritzbereich keine Haut ungeschützt bleibt.
- Sorgen Sie für eine gute Belüftung: Schmelzen Sie Aluminium in einem gut belüfteten Bereich, damit Rauch und Dämpfe, die von Öl, Beschichtungen oder anderen Verunreinigungen stammen, abgeführt werden können.
- Halten Sie Feuchtigkeit von geschmolzenem Aluminium fern: Chargengut, Tiegel, Werkzeuge zur Schlackeentfernung, Gießpfannen und Gussformen müssen trocken bleiben. Feuchtigkeit kann sich schnell in Dampf verwandeln und heftige Metallspritzer verursachen.
- Verwenden Sie geeignete hochtemperaturbeständige Werkzeuge: Verwenden Sie Tiegel, Hebewerkzeuge, Stahlzangen, Abschöpfwerkzeuge und Gießlöffel, die für den Einsatz bei hohen Temperaturen ausgelegt sind. Überprüfen Sie diese vor dem Gebrauch auf Risse, Verschleiß, Verformungen oder unsichere Handhabung.
- Vorbereitungen für Metallbrände: Halten Sie geeignete Feuerlöschgeräte für Metallbrände in der Nähe des Arbeitsbereichs bereit und stellen Sie sicher, dass die Bediener mit den Notfallmaßnahmen vor Ort vertraut sind. Wasser darf nicht direkt auf verschüttetes oder brennendes geschmolzenes Aluminium gespritzt werden.
- Halten Sie den Arbeitsbereich frei: Der Transportweg für das Umfüllen und Gießen von geschmolzenem Aluminium sollte eben, sauber und frei von Hindernissen sein. Nicht unbedingt erforderliches Personal sollte sich außerhalb des Arbeitsbereichs aufhalten, um das Risiko von Kollisionen oder Störungen zu verringern.
Schlussfolgerung
Das Schmelzen von Aluminium für den Guss umfasst die Vorbereitung der Charge, die Überprüfung der Anlagen, das Erhitzen, die Temperaturregelung, die Schlackeentfernung, die Behandlung der Schmelze und das Gießen in eine vorbereitete Form.
Beim gewöhnlichen Gießen in kleinen Chargen liegt der Schwerpunkt vor allem darauf, Materialien und Werkzeuge trocken zu halten, eine stabile Schmelztemperatur aufrechtzuerhalten und übermäßiges Rühren oder unregelmäßiges Gießen zu vermeiden. In der industriellen Fertigung ist zudem eine strengere Kontrolle der Legierungssorte, des Anteils an Rücklaufmaterial, des Wasserstoffgehalts und der Oxideinschlüsse erforderlich, um innere Fehler zu reduzieren und die Konsistenz zwischen den Produktionschargen zu gewährleisten.
