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Kornfeinung von Aluminiumguß Beim Formguß und ganz besonders beim
Gießen von Walzbarren aus Aluminium und Aluminiumlegierungen ist mitunter ein feinkörniges
Gußgefüge erwünscht. Beim Formguß werden dadurch günstigere Festigkeitseigenschaften
und eine gleichmäßiger eloxierbare Oberfläche und bei Walzbarren bessere Verarbeitungseigenschaften
erzielt. Bleche, die aus derartig korngefeinten Walzbarren hergestellt wurden, zeigen
überdies keine nachteiligen Unregelmäßigkeiten der eloxierten Oberfläche, wie das
bei Blechen aus grobkristallinen Walzbarren normalerweise der Fall ist.
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Nach A. C i b u l a (The grainrefinement of aluminium alloy castings
by additions of titanium and boron ... Journal of the Institute of Metals [Sept.
1951], S. 1 bis 16) sind als Kristallisationskeime bei der Erstarrung von
Aluminium auf Grund ihrer besonderen Gittereigenschaften in der Hauptsache die Verbindungen
Titancarbid Ti C, Aluminiumborid A1 B@ und Titanborid Ti B, geeignet.
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`Nenn Titan allein im Aluminium enthalten ist, tritt daher nur dann
eine Kornfeinung ein, wenn genügend Kohlenstoff vorhanden ist, damit das wirksame
Ti C gebildet wird. Da einesteils Kohlenstoff nur schwierig in Aluminiumschmelzen
einzubringen ist und andererseits Ti C beispielsweise beim Überhitzen zerstört und
beim nachherigen Abkühlen nicht mehr rückgebildet wird, ist eine Kornfeinung mit
Titan allein mangelhaft wirksam.
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Wie A. C i b u 1 a in der gleichen Art bekanntgab, ist auch eine Kornfeinung
mit Bor allein, die auf der Bildung von A1 B.- Keimen beruht, ungenügend wirksam.
Diese Feststellung konnte durch eigene Versuche bestätigt werden. Der Grund für
diese Erscheinung ist nicht restlos klar. Wahrscheinlich scheiden Sich die A1 Bz
Keime, die in der Schmelze zunächst löslich sind, während der Erstarrung verhältnismäßig
spät ab.
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Sowohl nach A. C i b u 1 a wie auch nach eigenen Versuchen hat sich
gezeigt, daß die wirksamste Kornfeinung dann eintritt, wenn geringe Mengen von Titan
und Bor gemeinsam zulegiert werden. Der tvirksame Kristallisationskeim ist dabei
Ti B.. Die ,rotwendigen Mengen Bor und Titan liegen nach A. C i b u 1 a bei maximal
0_,003 ,D/o Bor und 0,01% Titan.
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Nach dem bisherigen Stand der technischen Entwicklung waren nur zwei
Wege möglich, um solche Mengen Titan und Bor wirksam in die Aluminiumschmelze einzubringen.
Einmal konnte rnan Vorlegierungen einbringen, was aber einesteils teuer, andernteils
mit dem Nachteil verknüpft war, daß keine Gewähr geboten war, daß die Keime in genügender
Feinheit entstehen. Der zweite Weg; der ebenfalls schon von A. C i b u 1 a beschrieben
worden ist, ist die Einbringung von Alkaliborfluoriden und Alkalititanfluoriden
in Salzform in die Aluminiumschmelze. Diese Art der Einbringung hat den Nachteil,
daß eine verläßliche Kornfeinung erst bei Temperaturen über 750° C stattfindet,
worauf A. C i b u 1 a in der zitierten Arbeit ausdrücklich aufmerksam macht. Im
Handel befinden sich Kornfeinungsmittel in Tablettenform, die nach der zuletzt beschriebenen
Methode wirken. In den Gebrauchsanweisungen dieser Mittel wird ebenfalls ausdrücklieh
auf die erforderliche Temperatur von mindestens 750° C hingewiesen.
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Beim Schmelzen von Aluminium und Aluminiumlegierungen ist eine Temperatur
von 750° C ungewöhnlich hoch, da Aluminium bei dieser Temperatur bereits eine sehr
hohe Neigung zur Gas- und Oxydaufnahme hat. Es entsprach deshalb den Bedürfnissen
der Technik, eine Methode der Kornfeinung zu entwickeln, bei der mit den üblichen
niedrigen Schmelztemperaturen von 690 bis 720° C gearbeitet «=erden kann.
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Erfindungsgemäß wurde ein Verfahren gefunden, bei dem Gemische von
Bor- und Titanverbindungen mit Aluminiumpulver oder Magnesiumpulver in die Aluminiumschmelze
eingebracht werden, wobei die Metallpulver mit den Bor- und Titanverbindungen im
Augenblick der Erwärmung durch die Berührung mit der Aluminiumschmelze aluminiothermisch
bzw. magnesiotherrnisch reagieren und die notwendigen Keime von TiB, bilden. Es
ist gelungen, die Mischungen so abzustimmen, daß die gebildeten Keime in genügender
Feinheit entstehen und gleich nach ihrer Bildung in der Aluminiumschmelze verteilt
werden. Das Verfahren hat den Vorzug, daß die Reaktion der Salz-Metallpulvergemische
bereits bei niedrigen Schmelztemperaturen von 690 bis 720° C ausgelöst wird.
U@enn
man die gleichen Bor- und Titanverbindungen, etwa Kaliumborfluorid KBF4 und Kaliumtitanfluorid
K.TiF6 ohne Zusatz von Aluminium- oder Magnesiumpulver in eine Aluminiumschmelze
einbringt, dann verläuft die Reaktion andersartig. Es findet wohl auch eine Reaktion
zwischen den Salzen und der Aluminiumschmelze statt, doch ist keine Gewähr gegeben,
daß sich als überwiegendes Reaktionsprodukt Titanborid TiB2 bildet. Kaliumtitanfluorid
kann mit dem Aluminium Titan, das sich in der Schmelze löst, oder als Keim unwirksames
Titanaluminid Al.,Ti bilden. Kaliumborfluorid wieder kann Al B2 bilden, das, wie
oben erwähnt, als Keim nicht wirksam genug ist. Derartige unerwünschte Reaktionen
können um so mehr deshalb auftreten, weil auf Grund der unterschiedlichen Schmelzpunkte
der Salze eine Entmischung eintritt. KBF4 schmilzt bei 530° C und K2TiF, bei 780°
C. Das Schmelzverhalten von Mischungen ist nicht bekannt. Es ist aber möglich, daß
eine Erhöhung der Temperatur der Aluminiumschmelze, etwa auf über 750° C, die Entstehung
von Ti B, fördert.
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Bei der Einbringung der gleichen Verbindungen im Gemisch mit Aluminiumpulver
und/oder Magnesiumpulver kann die Mischung so abgestimmt werden, daß das Aluminium
oder das Magnesium lediglich das in den Salzen enthaltene Fluor abbindet und daß
die Reaktion nahezu ausschließlich in Richtung auf die Bildung von TiB2 verläuft.
Die Summenreaktionsgleichung kann zur Erläuterung folgendermaßen wiedergegeben werden:
3 K2 Ti F.-1-6 K B F4 +14 Al =3 Ti B2+14 A1 F.+12 K Da, ent,tandeneKalium entweicht
gasförmig aus der Schmelze und verbrennt an der Oberfläche. Das Aluminiumfluorid
sammelt sich auf der Schmelzeoberfche.
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Bei einer aluminothermischen Reaktion besteht auch noch ein anderer
Unterschied zwischen einer Reaktion einer Verbindung mit Aluminiumpulver in innigem
Gemisch und einer Verbindung in Berührung mit einer Aluminiumschmelze. Beispielsweise
spielt bei alui-ninothermischen Reaktionen die Korngröße eine we>entliche Rolle.
So läßt sich die Reaktionsgeschwindigkeit einer aluminothermischen Mischung durch
T:'erwendung von Aluminiumpulver verschiedener Korngröße beeinflussen. Je gröber
das Aluminiumpulver ist, desto langsamer und träger verläuft die Reaktion, bis sie
bei einer gewissen oberen Korngröße des Aluminiumpulvers überhaupt zum Stillstand
kommt. Auf diesen Umstand machten F. H a 11 a und W. Thurv (Zeitschr. für anorg.
Chemie, Bd. 249 [1942], S.229) bei der Herstellung von Wolframboriden (S.230) aufmerksam.
Bei der praktischen Anwendung des beschriebenen Kornfeinungsverfahrens hat sich,
bei Berücksichtigung technisch reiner Ausgangsstoffe und bei Berücksichtigung einiger
Momente, wie Reaktionsgeschwindigkeit: Feinheit der gebildeten Keime und Verteilung
der Keime in der Schmelze, die folgende Mischung bestens bewährt.
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26 Gewichtsprozent Aluminiumpulver (Korngröße bis 75 Mikron, Kornform
rundlich, erzeugt durch Versprühen aus dem geschmolzenen Zustand, Oxydgdhalt unter
0,5'°/o), 37 Gewichtsprozent techn. Kaliumborfluorid (Riedel de Haen), 37 Gewichtsprozent
techn. Kaliumtitanfluorid (Riedel de Haen).
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Eine derartige Mischung kann in Aluminiumschmelzen, verpackt in Aluminiumblechdosen,
Aluminiumtubenbeutel oder verpreßt zu Tabletten mittels einer eisernen Tauchglocke,
wie sie in Gießereien üblich ist, eingebracht werden. Die Reaktion ist sehr milde,
so daß keinerlei Vorsichtmaßnahmen erforderlich sind. Es entstehen keine störenden
Gase und Dämpfe. Die ganze Behandlung dauert nur einige Sekunden.
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Es zeigte sich, daß für die meisten Fälle eine Menge von 0,2 Gewichtsprozent,
berechnet auf das Metallgewicht der Schmelze, genügt, um eine ausreichende Kornfeinung
zu erzielen. In besonderen Fällen werden 0,4 Gewichtsprozent notwendig sein.
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Bei einem Gießversuch mit Reinaluminium wurden 0,3 11/o benötigt,
um ein vollkommen gleichmäßiges und feines Korn zu erhalten. Bei der Legierung Al
Mg 3 genügte bei Strangguß eine Menge von weniger als 0,21/0.