Grundlagen Gießen von Metallen

 TU Bergakademie Freiberg ‐ Institut für Werkstofftechnik Schülerlabor „science meets school“ ‐ Werkstoffe und Technologien in Freiberg GRUNDLAGEN I.
Modul: Gießen von Metallen Versuch: Lunkerprobe (Änderung von Volumen und Dichte bei Veränderung des Aggregatzustandes) VERSUCHSZIEL Mit Hilfe dieses Versuches soll gezeigt werden, dass Werkstoffe (hier eine Aluminiumlegierung) während der Änderung des Aggregatzustandes sowohl ihre Dichte, als auch ihr Volumen ändern. Dazu soll zweimal eine Aluminiumlegierung erschmolzen und in eine metallische Dauerform (Kokille) gegossen werden. Hierfür werden die Geometrien der entstehenden Form variiert, um das während der Erstarrung entstehende Volumendefizit (Lunker) einmal in dem Gussstück und einmal außerhalb des Gussteiles zu erzeugen. Das anschließende Protokoll befasst sich mit Berechnungen und Fragen, welche mathematische und physikalische Kenntnisse voraussetzen. Gezielte Fragen sollen dabei helfen den technischen, aber auch den alltäglichen Nutzen zu verstehen. II.
HINTERGRUND Werkstoffe ändern beim Wechsel des Aggregatzustandes (fest, flüssig, gasförmig) ihre Dichte und ihr Volumen. Betrachten wir zunächst die Aggregatzustände näher. Die Eigenschaften der klassischen Aggregatzustände lassen sich mit einem Teilchenmodell erklären. Dabei nimmt man an, dass ein Stoff aus so genannten kleinsten Teilchen besteht. In der Wirklichkeit sind zwar diese kleinsten Teilchen (Atome, Moleküle oder Ionen) von anderer Form, aber für die Erklärung der Aggregatzustände reicht es aus, die Teilchen als kleine, runde Kugeln anzusehen. Die mittlere kinetische Energie aller Teilchen ist in allen Zuständen ein Maß für die Temperatur. Die Art der Bewegung ist in den drei Aggregatzuständen jedoch völlig unterschiedlich. Im Gas bewegen sich die Teilchen geradlinig wie Billardkugeln, bis sie mit einem anderen oder mit der Gefäßwand zusammen stoßen. In der Flüssigkeit müssen sich die Teilchen durch Lücken zwischen ihren Nachbarn hindurch zwängen (Diffusion, Brown`sche Molekularbewegung). Im Festkörper schwingen die Teilchen nur um ihre Ruhelage. Lunkerprobe www.schuelerlabor.tu‐freiberg.de 1 Fest: In diesem Zustand behält ein Stoff im Allgemeinen sowohl Form als auch Volumen bei. Die kleinsten Teilchen sind bei einem Feststoff nur wenig in Bewegung. Sie schwingen um eine feste Position, ihren Gitterplatz, und rotieren meist um ihre Achsen (siehe Abbildung 1). Je höher die Temperatur wird, desto heftiger schwingen/rotieren sie und der Abstand zwischen den Teilchen nimmt (meist) zu. Ausnahme: Dichteanomalie Abbildung 1: Teilchenmodell eines kristallinen Feststoffes [1] Zwischen den kleinsten Teilchen wirken verschiedene Kräfte, nämlich die Van‐der‐Waals‐
Kraft, die elektrostatische Kraft zwischen Ionen, Wasserstoffbrückenbindungen oder kovalente Bindungen. Die Art der Kraft ist durch den atomaren Aufbau der Teilchen (Ionen, Moleküle, Dipole, ...) bestimmt. Bei Stoffen, die auch bei hohen Temperaturen fest sind, ist die Anziehung besonders stark. Stoffe im festen Aggregatzustand lassen sich nur schwer aufteilen und sind nur schwer verformbar. Durch die schwache Bewegung und den festen Zusammenhalt sind die Teilchen regelmäßig angeordnet. Die meisten festen Reinstoffe haben deshalb eine regelmäßige Struktur (Kristall). Durch die starke Anziehung sind die Teilchen eng beieinander (hohe Packungsdichte). Das Volumen eines Feststoffes lässt sich durch Kompression nicht verringern. Lediglich Temperaturänderungen bewirken Veränderung des Volumens durch Wärmeausdehnung. Flüssig: Die Teilchen sind nicht wie beim Feststoff ortsfest, sondern können sich gegenseitig verschieben. Bei Erhöhung der Temperatur werden die Teilchenbewegungen immer schneller. Durch die Erwärmung ist die Bewegung der Teilchen so stark, dass die Wechselwirkungskräfte nicht mehr ausreichend sind, um die Teilchen an ihrem Platz zu halten. Die Teilchen können sich nun frei bewegen. Ein flüssiger Stoff verteilt sich von alleine, wenn er nicht in einem Gefäß festgehalten wird. Ein Farbstoff verteilt sich von alleine in einer Flüssigkeit (Diffusion). Obwohl der Abstand der Teilchen durch die schnellere Bewegung ein wenig größer wird (die meisten festen Stoffe nehmen beim Schmelzen einen größeren Raum ein), hängen die Teilchen weiter aneinander. Das Volumen eines Stoffes lässt sich nicht stark durch Kompression verringern. Obwohl die Teilchen sich ständig neu anordnen und Rotationsbewegungen durchführen, kann eine Anordnung festgestellt werden (Abbildung 2). Abbildung 2: Teilchenmodellbild eines flüssigen Stoffes [1] Lunkerprobe www.schuelerlabor.tu‐freiberg.de 2 Gasförmig: Bei Stoffen im gasförmigen Zustand sind die Teilchen schnell in Bewegung und verteilen sich zügig in einem Raum. In einem geschlossenen Raum führt das Stoßen der kleinsten Teilchen gegen die Wände zum Druck des Gases. Beim gasförmigen Zustand ist die Bewegungsenergie der kleinsten Teilchen so hoch, dass sie nicht mehr zusammen halten. Durch die schnelle Bewegung der Teilchen in einem Gas sind sie weit voneinander entfernt. Sie stoßen nur hin und wieder einander an, bleiben aber im Vergleich zur flüssigen Phase auf großer Distanz. Ein gasförmiger Stoff lässt sich komprimieren, d.h. das Volumen lässt sich verringern. Aufgrund der Bewegung sind die Teilchen ungeordnet (Abbildung 3). Abbildung 3: Teilchenmodell eines gasförmigen Stoffes [1] Die Änderung der Aggregatzustände wird nach dem Schema in Abbildung 4 benannt. So heißt eine Änderung von fest nach flüssig, beispielsweise schmelzen, umgekehrt nennt man den Vorgang Erstarrung. 3 Abbildung 4: Schema der Änderung der Aggregatzustände [1] Betrachten wir nun die Auswirkung des Schmelzens/ Erstarrens auf die Dichte und das Volumen von Aluminium: Aluminium hat aufgrund seiner vorteilhaften Eigenschaften viele Bereiche der Technik erobert. Die wichtigste Eigenschaft ist seine geringe Dichte, weswegen der Werkstoff sowohl ökologische, als auch wirtschaftliche Vorteile gegenüber anderen aufweist. Die Dichte von technischem Aluminium liegt zwischen 2,6 und 2,8 g/cm³, für Reinaluminium liegt der Wert bei 2,7 g/cm³. Aluminium ist damit etwa ein Drittel leichter als Stahl. Aluminium gehört zur Gruppe der Leichtmetalle, der außerdem noch Magnesium, Titan und andere Elemente angehören. Lunkerprobe www.schuelerlabor.tu‐freiberg.de Die Dichte ist eine temperaturabhängige Eigenschaft, sie nimmt infolge des Wärmeausdehnungskoeffizienten mit steigender Temperatur ab (Abbildung 5). Während der Erstarrung erfolgt eine Volumenabnahme um 6,5%, wobei die Dichte bei 660°C im flüssigen Zustand 2,37 g/cm³ beträgt, im festen Zustand aber 2,55 g/cm³. Diese Schwindung während der Erstarrung führt zur Bildung von Hohlräumen, sogenannten Lunkern. Abbildung 6 zeigt die Längenänderung des Aluminiums in Abhängigkeit von der Temperatur Abbildung 5: Dichte des Aluminiums in Abhängigkeit Abbildung 6: Längenänderung des Aluminiums von der Temperatur; 1 fest, 2 flüssig [2] Abhängigkeit von der Temperatur, bezogen auf eine Ausgangslänge von 100 mm III.
MATERIALIEN UND GERÄTE Für den Versuch wird ein Schmelzofen der Firma Nabertherm (Abbildung 7) mit einem Fassungsvermögen von etwa 1 kg verwendet. Abbildung 7: Ofen Des Weiteren kommt eine metallische Dauerform/Kokille (Abbildung 8) zum Abguss eines zylindrischen Stufenkeiles zum Einsatz. Das Ausgangsmaterial liegt in Form einer Massel (Abbildung 9) bzw. Teilen davon vor. Es handelt sich dabei um eine Aluminiumlegierung AlSi7Mg, d.h. sie enthält neben Aluminium noch 7% Silizium und Magnesium. Es werden nacheinander zwei verschiedene Formen Lunkerprobe www.schuelerlabor.tu‐freiberg.de 4 abgegossen, um verschieden Geometrien zu realisieren. Bei der zweiten Form wird hierbei ein sogenannter Speiser angebracht. Dieser soll das während der Erstarrung auftretende Volumendefizit des Gussstückes füllen. Abbildung 8: Kokille mit Kern IV.
Abbildung 9: Massel VERSUCHSABLAUF Begonnen wird mit dem Einlegen der Massel in den Schmelzofen durch den Versuchsleiter. Danach wird der Ofen auf 720°C erwärmt und die Legierung geschmolzen. Die Schmelztemperatur beträgt ca. 650°C. Parallel dazu wird die Kokille auf eine Temperatur von ca. 200°C vorgewärmt, um eine bessere Formfüllung zu gewährleisten. Ist die Schmelze vorhanden, wird die Kokille mit der Schmelze gefüllt und die Erstarrung des Materials abgewartet. Danach wird das Gussstück mittig durchtrennt um entstandene Hohlräume sichtbar zu machen. LITERATUR [1] Wikipedia [2] Kammer, C. (Hrsg.): Aluminium Taschenbuch 1; 16. Auflage, Aluminium‐Verlag. Düsseldorf, 2002, ISBN 3‐87017‐274‐6, S. 76‐77 Lunkerprobe www.schuelerlabor.tu‐freiberg.de 5