Jäckel, E. – TU Bergakademie Freiberg, Gießerei-Institut
Exogene und endogene Einschlüsse (Abb. 1) verschlechtern die mechanischen und gießtechnologischen Eigenschaften von Gussteilen und führen in der Bearbeitung zu Mehrarbeit und Ausschuss. Insbesondere die dynamischen Festigkeiten werden massiv beeinträchtigt.
In den meisten Fällen sind diese Einschlüsse metallurgisch nicht bzw. nur sehr schwer aus der Schmelze zu entfernen. Durch Spülgas- oder Vakuumbehandlung kann der Einschlussgehalt im Schmelzprozess reduziert werden. Filter bieten die Möglichkeit die Schmelze während des Abgusses, also direkt vor der Formfüllung nachhaltig zu reinigen. Seit etwa 1970 werden im Aluminiumguss Schaumkeramikfilter zur Schmelzereinigung eingesetzt. Sie wirken nach dem Prinzip der Tiefenfiltration, d. h. Verunreinigungen, die kleiner als die Porendurchmesser sind, gelangen in den Filterquerschnitt und lagern sich im inneren des Filters an der Filterwand ab. Durch ihre Struktur bewirken sie darüber hinaus eine laminare Strömung im Anschnittsystem und verhindern dadurch Einschlussneubildung und Formstofferosion.
Der durch die DFG geförderte Sonderforschungsbereich 920 in Freiberg hat sich zum Ziel gesetzt, durch eine Funktionalisierung der Filteroberfläche die Filtrationseffizienz der Schaumkeramikfilter für die Aluminiumfiltration zu verbessern. Dafür werden Filter auf Al2O3-Basis mit verschiedenen keramischen Phasen beschichtet. Bei der Auswahl der Beschichtungen wird angenommen, dass Beschichtungen mit ähnlicher chemischer Zusammensetzung wie die zu entfernenden nichtmetallischen Einschlüsse eine bessere Filterwirksamkeit bedingen.
_Abb. 1: Schematische Darstellung der Pilotanlage zur Analyse der Filterwirksamkeit mittels LiMCA
Gemeinsam mit der Firma Constellium, Voreppe (Frankreich) wurde eine Versuchsreihe im industriellen Maßstab konzipiert. Constellium verfügt über eine Pilotanlage (Abb. 1), in die jeweils ein Filter eingesetzt werden kann, der im Versuch mit 750kg Schmelze in Kontakt kommt. Darüber hinaus bietet die Anlage die Möglichkeit je ein LiMCA-Gerät vor und ein LiMCA-Gerät nach dem Filter zu platzieren. Die LiMCA-Sonde misst die Anzahl und Größe aller nichtmetallischen Verunreinigungen in der Schmelze im Größenbereich zwischen 20µm und 300µm. Aus den Vorher-Nachher-Messungen lässt sich für jeden Filter anhand der Formel (1.1) eine Filtrationseffizienz errechnen.
N20 beschreibt die mittlere Anzahl an Einschlüssen mit einem Durchmesser von mehr als 20 µm. Der Index 0 bezeichnet die vor dem Filter, der Index i die nach dem Filter gemessenen Werte.
Es wurden 4 Versuchsreihen mit unterschiedlichen Filterbeschichtungen durchgeführt. Im Einzelnen wurden 30 ppi – Aluminiumoxidfilter mit den folgenden Beschichtungen getestet:
-Aluminiumoxid (Al2O3)
-Spinell (MgAl2O4)
-Mullit (3Al2O3·2SiO2)
-Titanoxid (TiO2)
Voruntersuchungen an den Filtern haben ergeben, dass abhängig von der aufgebrachten Beschichtung die Oberflächenrauigkeit der Filter variiert. In Tabelle 1 sind die Ergebnisse der Oberflächenrauigkeitsmessung sowie die Versuchsdauer, die daraus abgeleitete Fließgeschwindigkeit der Schmelze und die berechneten Filtrationseffizienzen für alle nichtmetallischen Verunreinigungen zwischen 20µm und 300µm der einzelnen Versuche dargestellt.
| Beschichtung | Rauheit Sa [µm] | Versuchs-dauer
tF [min] |
Fließ-geschwindigkeit
vF [kg/s] |
Filtrationseffizienz
EN20 [%] |
|
| Aluminiumoxid | Al2O3 | 1,7±0,2 | 47 | 0,26 | 94,5 |
| Spinell | MgAl2O4 | 3,6±0,1 | 54 | 0,23 | 92,0 |
| Mullit | 3Al2O3·2SiO2 | 7,3±0,4 | 76 | 0,16 | 90,1 |
| Titanoxid | TiO2 | 1,0±0,1 | 40 | 0,30 | 85,4 |
Tabelle 1: Rauigkeit, Versuchsdauer, Fließgeschwindigkeit und Filtrationseffizienz für die vier durchgeführten Versuchsreihen
Zusammengefasst zeigen die Versuche:
-Der Mullitbeschichtete Filter hat mit Sa = 7,3 µm die höchste Oberflächenrauigkeit. Im Gegensatz dazu liegen die Rauigkeiten bei den Aluminiumoxid- (Sa = 1,7 µm) und Titanoxidbeschichtungen (Sa = 1,0 µm) deutliche niedriger.
-Die Versuchszeit scheint in direktem Zusammenhang zu der Oberflächenrauigkeit der Beschichtung zu stehen. Dabei gilt, je höher die Rauigkeit, desto länger die Versuchszeit und demnach umso geringer die Fließgeschwindigkeit der schmelze durch den Filter.
-Die Filtrationseffizienzen liegen zwischen 85 % (Titanoxidbeschichtung) und beinahe 95 % (Aluminiumoxidbeschichtung) und sind damit durchweg positiv zu bewerten.
-Der Zusammenhang zwischen Versuchsdauer bzw. Fließgeschwindigkeit der Schmelze und Filterwirksamkeit kann für die Gesamtfiltrationseffizienz nicht hergestellt werden.
Eva Jäckel