Recycling von Magnesium : Untersuchung thermodynamischer Grundlagen zum Verhalten von Nickel und Zirkon in Magnesium-Aluminium-Legierungen

Duwe, Stephanie

Die Primärproduktion von Magnesium und seinen Legierungen ist sehr kostenintensiv und teuer. Aus diesem Grund ist deren Recycling wichtig im Hinblick auf Energieeinsparung und Rohstoffabhängigkeit. Magnesiumschrotte (Post-Consumer-Scrap) sind oft mit Kupfer, Nickel und Eisen aus Aluminiumlegierungen, Nickelüberzügen und Stahl kontaminiert. Insbesondere Nickel wirkt sich stark nachteilig auf die Korrosionseigenschaften von Magnesiumlegierungen aus. Zur Herstellung sekundärer Magnesiumlegierungen sind daher Nickel-Verunreinigungen zu entfernen, um eine geeignete Korrosionsbeständigkeit zu erhalten. Hier sind jedoch aufgrund der starken Oxidationsneigung des Magnesiums und seines unedlen Charakters keine traditionellen metallurgischen Raffinationsverfahren anwendbar. Es wurde herausgefunden, dass die Raffination durch eine kombinierte Zugabe von Aluminium und Zirkon erfolgen kann, um Nickel durch Bildung von hochschmelzenden intermetallischen Verbindungen und deren Ausfällung zu entfernen. Das Ziel der Untersuchung war es, die Mengen an Zirkonium und Aluminium zu bestimmen, die notwendig sind, um einen Nickelgehalt von 10 ppm (high-purity Qualität) zu erreichen. Die gegenseitige Löslichkeit von Nickel und Zirkonium in aluminiumhaltigen Magnesiumlegierungen ist jedoch unbekannt. Daher wurden die Löslichkeitsisothermen dieses Systems bei 720 °C nahe dem thermodynamischen Gleichgewicht experimentell bestimmt. Dafür wurde Nickel zu Magnesiumschmelzen mit unterschiedlichen Aluminiumgehalten (Massenanteile 3, 6, 9, 12 %) gegeben und anschließend Zirkonium hinzugefügt, um gemeinsam mit einem Teil des Aluminiums das Nickel zu entfernen. Auf diesem Weg wurde ein Minimum von 100 ppm Nickel erreicht. Weiterhin wurden die gebildeten intermetallischen Aluminium-Nickel-Zirkonium-Verbindungen durch chemische Analyse und im REM als A3Ni/Al3Ni2, Al5NiZr2 bzw. AlZr3 identifiziert. Zusätzlich wurden die Löslichkeitsisothermen für das System unter Verwendung des Unified Interaction Parameter Formalism‘s berechnet.

The primary production of pure magnesium and its alloys is highly energy intensive and expensive. Thus, their recycling is necessary considering energy saving and import dependency. Magnesium post-consumer scrap often is contaminated with copper, nickel and iron resulting from aluminium alloy adherences, nickel platings and steel. Especially nickel is detrimental to the corrosion properties of magnesium alloys. To produce secondary magnesium alloys nickel impurities have to be removed to obtain an appropriate corrosion resistance. In this case no traditional metallurgical refining process is applicable because of the magnesium’s corrosion propensity and its ignoble character. It has been found that the refining can be done by a combined addition of aluminium and zirconium to remove nickel by formation of high melting intermetallic compounds and hence their precipitation. The aim of this work was to determine and verify the amounts of zirconium and aluminium which are necessary to reach the low nickel content of 10 ppm (high purity quality). However, the mutual solubility of nickel and zirconium in aluminium containing magnesium alloys is unknown. The solubility isotherms of this system at 720 °C in near equilibrium state were experimentally investigated by adding nickel to magnesium melts with different aluminium contents (3, 6, 9, 12 mass.-%). Subsequently zirconium has been added to combine with a part of the aluminium and remove the nickel. A minimum content of 100 ppm nickel could be reached. Furthermore, the formed intermetallic aluminium-nickel-zirconium compounds were identified by chemical analysis and SEM as A3Ni/Al3Ni2, Al5NiZr2 and AlZr3, respectively. Besides the solubility isotherms for the system were calculated using the unified interaction parameter formalism.

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Duwe, Stephanie: Recycling von Magnesium : Untersuchung thermodynamischer Grundlagen zum Verhalten von Nickel und Zirkon in Magnesium-Aluminium-Legierungen. 2015.

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