Innerbetriebliches Recycling von. Magnesium - Kreislaufmaterial

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1 Innerbetriebliches Recycling von Magnesium - Kreislaufmaterial Von der Fakultät für Bergbau, Hüttenwesen und Geowissenschaften der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Ingenieurwissenschaften genehmigte Dissertation vorgelegt von Diplom-Ingenieur Roland Kahn aus Ehringshausen Berichter: Universitätsprofessor Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Peter R. Sahm Universitätsprofessor Dr.-Ing. A. Bührig - Polaczek Tag der mündlichen Prüfung: 26. Juni 2003

2 Gießerei-Institut: Forschung, Entwicklung, Ergebnisse Band 44 Roland Kahn Innerbetriebliches Recycling von Magnesium-Kreislaufmaterial. Shaker Verlag Aachen 2004

3 Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., Copyright Shaker Verlag 2004 Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und der Übersetzung, vorbehalten. Printed in Germany. ISBN ISSN Shaker Verlag GmbH Postfach Aachen Telefon: / Telefax: / Internet: info@shaker.de

4 Danksagung Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Gießerei-Institut der RWTH Aachen im Rahmen verschiedener Forschungsprojekte, die durch die Otto Junker Stiftung finanziell gefördert wurden. Mein besonderer Dank gilt Herrn Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. e. H. Peter R. Sahm für die Unterstützung bei der Durchführung meiner Arbeiten. Insbesondere möchte ich mich für das entgegengebrachte Vertrauen und den großzügigen Gestaltungsfreiraum während meiner Arbeit bedanken. Herrn Prof. Dr.-Ing. Andreas Bührig-Polaczek danke ich für sein Interesse an dieser Arbeit und der Übernahme des Korreferats. Den an den Projekten beteiligten Mitarbeitern der Otto Junker GmbH sowie der Kloth-Senking Metallgießerei, ThyssenKrupp Automotive AG, danke ich für die gute Zusammenarbeit, die Untersuchungen im industriellen Maßstab ermöglichten. Des weiteren durfte ich durch die Mitarbeiter des Gießerei-Instituts, insbesondere der Dauerformgussgruppe, sowie die technischen Mitarbeiter wertvolle Unterstützung meiner Arbeit erfahren. Besonderer Dank gebührt hierbei den Herren Andreas Flesch, Dietrich Kahn und Andreas Hennings für die gute Zusammenarbeit im Rahmen gemeinsamer Projekte. Die Mitarbeit von Michael Sieger, Julio Aguilar, Horst Bramann, Thomas Dichter, Markus Scherb, Dietmar Lembrecht, Christian Zechendorf und Dirk Freudenberg hat wesentlich zum Gelingen dieser Arbeit beigetragen. Dem Metallografielabor von Frau Elke Schaberger-Zimmermann sowie der Analytikabteilung von Andre Schievenbusch von ACCESS gilt mein besonderer Dank. Für ihre freundschaftliche Unterstützung während meiner Promotionszeit möchte ich mich zudem bei meinen Kollegen Olaf Klaassen, M. Fehlbier, Rainer Kaiser, Uwe Vroomen und Thorsten Hofmeister bedanken. Meinen Eltern möchte ich dafür danken, dass Sie mir das Studium ermöglicht und mich in allen Lebenslagen unterstützt haben. Meinem Vater und meinen Brüdern gilt darüber hinaus mein besonderer Dank für ihre tatkräftige Unterstützung, die meine Arbeit sehr befruchtet hat.

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6 Inhaltsverzeichnis 0. Kurzfassung I 1. Einleitung, Motivation und Zielsetzung 1.1 Die Renaissance des Leichtbauwerkstoffs Magnesium 1.2 Motivation und Zielsetzung der vorliegenden Arbeit 2. Stand der Technik 2.1 Technische Mg Legierungen und Entwicklungslinien 2.2 Eigenschaften der Schmelze 2.3 Oxidationsschutz für Mg - Schmelzen 2.4 Der Energieverbrauch bei der Herstellung von Mg 2.5 Das Recyclingpotential von Mg - Legierungen 2.6 Klassifikation und Handling von Mg Schrotten aus dem Druckgießprozess 2.7 Verfahren zum schmelzmetallurgischen Recycling Ziele der Schmelzeraffination Schmelzverfahren mit viel Salz Schmelzverfahren mit wenig Salz Der salzfreie Recyclingprozess 2.8 Grundlagen zum induktiven Schmelzen Aufbau des MF Induktionstiegelofens Unterschiede beim Schmelzen im NF- und MF-Tiegelofen Optimale Chargierung und Betrieb des Induktionstiegelofens 3. Rückschmelzen von Mg - Kreislaufmaterial 3.1 Kritische Beurteilung bestehender kontinuierlicher Rückschmelzanlagen 3.2 Entwicklung eines Gesamtkonzeptes für das Recycling 3.3 Qualitätskontrolle durch Metallografie und Analytik Herstellung der Komplettschliffe Makroskopische Gefügecharakterisierung Mikroskopische Gefügeanalyse 3.4 Untersuchung des Verschleißverhaltens von keramischen Tiegelwerkstoffen Anforderungen an den keramischen Tiegelwerkstoff

7 Inhaltsverzeichnis Werkstoffauswahl und Zielsetzung Untersuchung der chemischen Beständigkeit Untersuchung der Temperaturwechselbeständigkeit (TWB) Alternative Feuerfestwerkstoffe 3.5 Rückschmelzversuche mit dem induktiven Hochleistungsschmelzer Anlagenaufbau Versuchsdurchführung Einführende Versuche Erste Umbaumaßnahmen an der Pilotanlage Weiterführende Versuche Weitere Umbaumaßnahmen Schmelzversuche mit der modifizierten Anlage Bestimmung der Schmelzleistung und des Stromverbrauchs Bewertung der Metallqualität mittels Metallografie und Analytik Qualität des umgeschmolzenen Schrottes Chemische Analyse ausgewählter Proben Anforderungen an einen optimierten Schmelz- und Raffinationsprozess Schmelzeraffination 4.1 Schmelzeraffination mittels Impellerbehandlung Einführende Impellerversuche Konventionelle Salztechnologie Metallografische Auswertung mittels Lichtmikroskop und REM Chemische Analyse im Anschluss an die Impellerbehandlung Bewertung der Ergebnisse

8 Inhaltsverzeichnis 5. Raffination durch elektromagnetische Rührung am Beispiel des Thixogießens 5.1 Vormaterialherstellung aus Kreislaufmaterial mittels SSP-Verfahren Versuchsaufbau Versuchsdurchführung 5.2 Wiedererwärmung und Formgebung 5.3 Untersuchung der mechanischen Eigenschaften 5.4 Metallografische Gefügeauswertung 5.5 Diskussion der Ergebnisse 6. Weiterverarbeitung im Druckgießprozess 6.1 Anforderungen an den Schmelz- und Gießprozess 6.2 Die Fertigungszelle des Gießerei-Instituts 6.3 Produktion von Zylinderkopfhauben 6.4 Metallografische Auswertung mittels Lichtmikroskop 6.5 Entwicklungsaufgaben für einen optimierten Schmelz- und Gießprozess Diskussion und Ausblick 8. Literaturverzeichnis