Wasserstofflöslichkeit

Die Wasserstofflöslichkeit im flüssigen Aluminium nimmt von ca. 1 cm3/100 g bei Gießtemperatur auf ca. 0,05 cm3/100 g im festen Metall bei Erstarrungstemperatur (siehe Solidustemperatur) sprunghaft und um den Faktor 20 ab, siehe  Bild 1.

Der Wasserstoff wird dabei überwiegend über die Schmelzeoberfläche und durch die Dissoziation der Wassermoleküle der Luft (Luft mit 65 % relativer Luftfeuchtigkeit bei 25 °C enthält 16 g/m3 H2O-Dampf!) atomar aufgenommen, nach der Reaktionsgleichung 1:

Glg. 1: 2Al + 3H _2OÂ ightarrow Al_2O _3 + 6H

Der übersättigte, atomar gelöste Wasserstoff in der Aluminiumschmelze kann zu H2-Molekülen rekombinieren und sich in Form von Blasen (Wasserstoffporosität) ausscheiden, wenn die Oberflächenenergie zur Erzeugung der Blasenoberfläche überwunden wird.

Die Menge des in der Aluminiumschmelze gelösten Wasserstoffes ist dabei abhängig vom Partialdruck des Wasserstoffes in der Atmosphäre,  der Legierungszusammensetzung (Bild 2) bzw. der Schmelzetemperatur nach folgender Gleichung 2:

Glg. 2:

Der Wasserstoffgehalt der Schmelze kann z. B. in direkter Messung mit dem Chapel-Verfahren bestimmt werden.

Die Porenbildung erfolgt daher vorzugsweise an bereits vorhandenen inneren Oberflächen, z. B. an den Grenzflächen zwischen Metallmatrix und oxidischen Verunreinigungen oder Ausscheidungen, während des Erstarrungsprozesses. Die Reduzierung des Wasserstoffgehaltes der Schmelze und des Gehaltes an nichtmetallischen Verunreinigungen ist für die Qualität des Gussstückes eine wichtige Voraussetzung. Gleichfalls ist es auch beim Gießvorgang selbst notwendig, zusätzliche Wasserstoff- und Gasaufnahme zu vermeiden, die z. B. durch Feuchtigkeit des Formstoffes oder der Schlichte an der Formoberfläche verursacht werden können.

Wasserstoffquellen sind (nach R. Klos):

  • Atmosphäre (diese enthält Wasserdampf)
  • Feuchtigkeit von Schamotten / Ofenausmauerungen
  • Feuchtigkeit von Werkzeugen
  • Korrodierte Einsatzprodukte, z. B. Barren und Schrotte nach Reaktion Al(OH)3(s) + Al(l) → Al2O3(s) + 3H
  • Ölbehaftete Kreislaufmaterialien, Späne oder Schrotte
  • Salze, Behandlungsmittel
  • Verbrennungsgase

Grundsätzlich schützt die sich an der Schmelzeoberfläche bildende Oxidhaut bzw. Krätze das Aluminium vor exzessiver Aufnahme von Wasserstoff. Veredelte und überhitzte Schmelzen neigen zu verstärkter Wasserstoffaufnahme. Sollen Gussteile verschweißt werden, so wird sich auch der atomar gelöste Wasserstoff in Form von Gasblasen beim Wiederaufschmelzen ausscheiden, was ebenfalls bei höheren Konzentrationen zur Gasentwicklung und zum Aufblähen der Schweißnaht führt.

Weiterführende Stichworte:
Wasserstoffbestimmung
Rotorentgasung

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