Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2008

Ziel der Arbeit war das mögliche Einsatzspektrum von Sekundärmaterialien im Prozess der Herstellung von Bauteilen aus Aluminiummehrstoffbronzen (CuAl15Fe5Ni2Mn2) zu erweitern, um das Werkstoffrecycling in der Gießerei auf höchstmöglichem Niveau einzusetzen. Verschiedene Raffinationsmöglichkeiten wurden analysiert und 4 davon getestet. Die Schleifstaubaufbereitung mittels Magnetbandringscheider und Permanent- Magnettrommelscheider wurde erprobt und im industriellen Maßstab getestet. Weiterhin wurde die Gasraffinationswirkung auf die Schmelze mit Stickstoff und Argon sowie mit der Zugabe von Chlor und Ammoniak getestet. Die Salzraffination der Schmelze wurde untersucht und die optimalen Raffinationszusammensetzungen wurden definiert. Die fraktionierte Kristallisation als Raffinationsmethode für die Aluminiummehrstoffbronze wurde ebenfalls untersucht. Im Anschluss wurden die Einsatzmöglichkeiten der Raffinationstechnologien in der Giessereiindustrie kritisch bewertet.

Techn. Hochsch., Diss., 2001--Aachen.

Ziel der Arbeit war das mögliche Einsatzspektrum von Sekundärmaterialien im Prozess der Herstellung von Bauteilen aus Aluminiummehrstoffbronzen (CuAl15Fe5Ni2Mn2) zu erweitern, um das Werkstoffrecycling in der Gießerei auf höchstmöglichem Niveau einzusetzen. Verschiedene Raffinationsmöglichkeiten wurden analysiert und 4 davon getestet. Die Schleifstaubaufbereitung mittels Magnetbandringscheider und Permanent- Magnettrommelscheider wurde erprobt und im industriellen Maßstab getestet. Weiterhin wurde die Gasraffinationswirkung auf die Schmelze mit Stickstoff und Argon sowie mit der Zugabe von Chlor und Ammoniak getestet. Die Salzraffination der Schmelze wurde untersucht und die optimalen Raffinationszusammensetzungen wurden definiert. Die fraktionierte Kristallisation als Raffinationsmethode für die Aluminiummehrstoffbronze wurde ebenfalls untersucht. Im Anschluss wurden die Einsatzmöglichkeiten der Raffinationstechnologien in der Giessereiindustrie kritisch bewertet.:Inhaltsverzeichnis: 1. EINLEITUNG ---------------------------------------------------------------------------------------------- 6 2. AUFGABENSTELLUNG -------------------------------------------------------------------------------- 8 3. LITERATURAUSWERTUNG------------------------------------------------------------------------- 10 3.1 EINTEILUNG UND EIGENSCHAFTEN VON ALUMINIUMBRONZEN -------------------------------- 10 3.1.1 Phasen komplexer Aluminiumbronzen -------------------------------------------------- 11 3.1.2 Physikalische Eigenschaften von Aluminiumbronzen ------------------------------- 13 3.2 RAFFINATION VON ALUMINIUMBRONZE ------------------------------------------------------------ 14 3.2.1 Schrottnormen und Schrottklassifizierung ---------------------------------------------- 14 3.2.2 Möglichkeiten der Aluminiumbronzeraffination ---------------------------------------- 18 3.2.3 Grenzen der Einsetzbarkeit der Aluminiumraffinationstechnologien für Aluminiumbronze --------------------------------------------------------------------------------- 19 4. PRÄZISIERUNG DER AUFGABENSTELLUNG ------------------------------------------------ 23 5. UNTERSUCHUNGEN ZUR SCHLEIFSTAUBAUFBEREITUNG --------------------------- 24 5.1 PHYSIKALISCH–CHEMISCHE CHARAKTERISTIK VON SCHLEIFSTAUB -------------------------- 24 5.1.1 Korngrössenbestimmung ------------------------------------------------------------------- 25 5.1.2 Chemische Analyse vom Schleifstaub -------------------------------------------------- 25 5.2 BESTIMMUNG DES ZIRKONIUMGEHALTES IM SCHLEIFSTAUB ----------------------------------- 27 5.3 UNTERSUCHUNGEN ZUR REINIGUNG VOM SCHLEIFSTAUB ------------------------------------- 27 5.4 REINIGUNG MIT EINEM TROMMELSCHEIDER ------------------------------------------------------ 32 5.4.1 Reinigung von Grobschleifstaub (Probe 1)--------------------------------------------- 34 5.4.2 Reinigung von gekauftem Schleifstaub (Probe 3) ------------------------------------ 35 5.4.3 Reinigung von Feinschleifstaub (Probe 2) --------------------------------------------- 36 6. UNTERSUCHUNGEN ZUR CHEMISCH-METALLURGISCHEN RAFFINATION VON ALUMINIUMBRONZEN ----------------------------------------------------------------------------------- 38 6.1 GASRAFFINATION ------------------------------------------------------------------------------------- 39 6.1.1 Vorbereitung und Versuchsdurchführung ---------------------------------------------- 39 6.1.2 Raffination mit Stickstoff -------------------------------------------------------------------- 41 Untersuchungen zum Recycling von Aluminiumbronze in der metallverarbeitenden Industrie 6.1.3 Raffination mit Argon ------------------------------------------------------------------------- 46 6.1.4 Raffination mit Stickstoff / Ammoniak und Argon / Ammoniak -------------------- 48 6.1.5 Untersuchungen zum Verhalten von Silicium bei der Gasraffination------------ 59 6.2 INTERMETALLISCHE FÄLLUNG ----------------------------------------------------------------------- 60 6.3 SALZRAFFINATION ------------------------------------------------------------------------------------ 64 6.3.1 Schmelzpunktbestimmung von Raffinationssalzgemischen ----------------------- 67 6.3.2 Raffination mit Schmelzsalzen ------------------------------------------------------------ 68 6.3.3 Schmelzversuche mit einzelnen Salzkomponenten --------------------------------- 74 6.3.3.1 Silicium- und Aluminiumgehalt in der Legierung vor und nach der Raffination mit Einzelkomponenten -------------------------------------------------------------- 75 6.3.3.2 Natrium- und Calciumkonzentration in der Legierung vor und nach der Salzraffination ----------------------------------------------------------------------------- 77 6.3.3.3 Einfluss des Fluoridgehaltes im Salz auf die Schmelze -------------------------- 78 6.3.3.4. Charakterisierung der eingesetzten Salzmischungen --------------------------- 80 6.3.3.5 Verwendung von K3AlF6 als Hauptkomponente neuer Salze ------------------- 81 6.3.3.6 Untersuchungen mit neu entwickelten Raffinationssalzen ---------------------- 82 7. FEHLERBETRACHTUNG BEI DER VERSUCHSDURCHFÜHRUNG ------------------- 86 8. BEWERTUNG DER ERGEBNISSE UND DISKUSSION ------------------------------------- 88 9. LITERATURVERZEICHNIS -------------------------------------------------------------------------- 92

Ausgangspunkt der Untersuchungen ist eine signifikante Veränderung des elektrochemischen Abscheidungsverhaltens von Silber bei Wechsel des Elektrolytsystems vom technisch eingesetzten salpetersauren System zu einem methansulfonsauren System. Im letztgenannten wird eine für Silber unübliche Kompaktabscheidung an einer Kathode möglich. Die Grundlagenuntersuchungen konnten zeigen, dass eine Erhöhung der Abscheidungspolarisation die Veränderung hervorruft. Ursächlich für diese erhöhte Abscheidungspolarisation ist nach Auswertung der vorhandenen Messdaten eine Veränderung der Struktur der elektrochemischen Doppelschicht. Die Veränderung der Abscheidungsform des Silbers ließ sich erfolgreich zur Durchführung von Laborelektrolysen nutzen. Dabei konnten bei Stromdichten bis zu 900 A/m^2 kompakte Silberniederschläge erhalten werden. Die Gehalte kritischer Verunreinigungen der Silberraffinationselektrolyse, Blei, Kupfer und Palladium, konnten in den meisten Fällen unterhalb der geltenden technischen Spezifikationen gehalten werden. Eine technische Umsetzung ist demnach ausgehend von den Untersuchungen möglich.:1 Einleitung 1 2 Grundlagen zur elektrolytischen Metallabscheidung 2.1 Elektrochemische Kinetik 2.2 Phasengrenze Kathode-Elektrolyt 2.3 Polarisation 2.3.1 Durchtrittspolarisation 2.3.2 Diffusionspolarisation 2.3.3 Reaktionspolarisation 2.3.4 Kristallisationspolarisation 2.4 Stofftransport 2.4.1 Diffusion 2.4.2 Migration 2.4.3 Konvektion 2.5 Durchtritt an der Phasengrenze 2.6 Metallkristallisation 2.6.1 Keimbildung 2.6.2 Keimwachstum 2.6.3 Inhibition 2.6.4 Elektrokristallisation bei gleichzeitiger Inhibition 3 Elektrolytische Raffination von Silber 3.1 Grundlagen zur Silberraffination 3.2 Verunreinigungen von Feinsilber durch Kupfer, Palladium und Blei 3.3 Technische Umsetzung durch die Möbius-Elektrolyse 3.4 Einsatz von Additiven zur Verbesserung der Kathodenqualität 4 Präzisierung der Aufgabenstellung 33 5 Experimentelle Charakterisierung des Systems 5.1 Beschreibung der Silberabscheidung aus Silbermethansulfonat 5.1.1 Angewandte Messmethoden 5.1.2 Experimentelle Vorgehensweise 5.1.3 Charakterisierung der Abscheidungskinetik 5.1.4 Messung des Diffusionskoeffizienten für Ag+ 5.1.5 Charakterisierung der Kristallisation 5.1.6 Ableitung der 5.2 Applikationsbeispiel 5.2.1 Versuchsdurchführung 5.2.2 Optimierung der kathodischen Abscheidungsqualität durch Veränderung der Elektrolytzusammensetzung5.2.3 Verbesserung der Qualität des kathodischen Niederschlags durch Variation der Elektrolysebedingungen 5.2.4 Charakterisierung des Verhaltens typischer Verunreinigungen während der Silberraffination 6 Zusammenfassung Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Anhang / The investigations started observing a significant change in the electrochemical deposition behaviour of silver when the electrolyte system is changed from the technically used nitric acid system to a methanesulfonic acid system. In the latter system a compact deposition on a cathode, unusual for silver, becomes possible. The basic investigations could show that an increase in deposition polarization causes the change. The reason for this increased deposition polarization is, according to evaluation of the existing measurement data, a change in the structure of the electrochemical double layer. The change in the deposition form of the silver could be successfully used for laboratory electrolysis. Thereby, compact silver deposits could be obtained at current densities up to 900 A/m^2. The contents of critical impurities of the silver refining electrolysis, lead, copper and palladium, could in most cases be kept below the applicable technical specifications. A technical implementation is therefore possible based on the investigations. Translated with www.DeepL.com/Translator (free version):1 Einleitung 1 2 Grundlagen zur elektrolytischen Metallabscheidung 2.1 Elektrochemische Kinetik 2.2 Phasengrenze Kathode-Elektrolyt 2.3 Polarisation 2.3.1 Durchtrittspolarisation 2.3.2 Diffusionspolarisation 2.3.3 Reaktionspolarisation 2.3.4 Kristallisationspolarisation 2.4 Stofftransport 2.4.1 Diffusion 2.4.2 Migration 2.4.3 Konvektion 2.5 Durchtritt an der Phasengrenze 2.6 Metallkristallisation 2.6.1 Keimbildung 2.6.2 Keimwachstum 2.6.3 Inhibition 2.6.4 Elektrokristallisation bei gleichzeitiger Inhibition 3 Elektrolytische Raffination von Silber 3.1 Grundlagen zur Silberraffination 3.2 Verunreinigungen von Feinsilber durch Kupfer, Palladium und Blei 3.3 Technische Umsetzung durch die Möbius-Elektrolyse 3.4 Einsatz von Additiven zur Verbesserung der Kathodenqualität 4 Präzisierung der Aufgabenstellung 33 5 Experimentelle Charakterisierung des Systems 5.1 Beschreibung der Silberabscheidung aus Silbermethansulfonat 5.1.1 Angewandte Messmethoden 5.1.2 Experimentelle Vorgehensweise 5.1.3 Charakterisierung der Abscheidungskinetik 5.1.4 Messung des Diffusionskoeffizienten für Ag+ 5.1.5 Charakterisierung der Kristallisation 5.1.6 Ableitung der 5.2 Applikationsbeispiel 5.2.1 Versuchsdurchführung 5.2.2 Optimierung der kathodischen Abscheidungsqualität durch Veränderung der Elektrolytzusammensetzung5.2.3 Verbesserung der Qualität des kathodischen Niederschlags durch Variation der Elektrolysebedingungen 5.2.4 Charakterisierung des Verhaltens typischer Verunreinigungen während der Silberraffination 6 Zusammenfassung Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Anhang