Experiment zur Bestimmung der Oberflächenspannung und der Viskosität flüssiger Aluminium-Legierungen



Bei den Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten eines Industrieunternehmens stehen der direkte Nutzen und die schnelle Durchführung des Vorhabens im Vordergrund. Im Bezug auf immer kürzere Entwicklungszeiten spielt die Simulation von Produktionsprozessen wie beispielsweise das Gießen von Motorblöcken und Zylinderköpfen eine zunehmend wichtige Rolle. Dabei werden genaue thermophysikalische Daten benötigt, die zum Teil nur mit speziellen Messmethoden zu bestimmen sind. Hierfür empfiehlt sich das Forschungsverfahren des elektromagnetischen Positionierens unter Schwerelosigkeit (TEMPUS).

Mit der TEMPUS-Methode können schmelzflüssige Metallkugeln zu Schwingungen angeregt werden. Aus dem mit Hochgeschwindigkeitskameras aufgezeichneten Dämpfungsverhalten dieser Schwingungen unter Schwerelosigkeit lässt sich sodann die Viskosität und Oberflächenspannung der Legierung in Abhängigkeit von der Temperatur bestimmen. Aluminium weist als eigentlich unedles Metall eine hohe Neigung zur Bildung von oberflächenstabilisierenden Oxiden auf. Diese verhindern ein Durchrosten, erschweren aber bei ihrer frühzeitigen Bildung auch die Untersuchung von freien Oberflächenschwingungen. Daher müssen Aluminium-Legierungen unter Schutzgas untersucht und zur Beseitigung der Oxide weit über ihren Schmelzpunkt hinaus erhitzt werden.

Da die Schmelztemperatur von Aluminium-Legierungen deutlich niedriger ist als die der häufiger mittels der TEMPUS-Methode untersuchten Schwermetalle und Legierungen, ist bei der Untersuchung nicht das Überhitzen das Problem, sondern das Abkühlen der Aluminium-Legierung in der kurzen Versuchszeit eines Schwerelosigkeitsexperiments. Für diese Abkühlung wurde ein Düsensystem entwickelt, das bereits während des Parabelflugs 2002 mit zwei Aluminium-Legierungen erfolgreich getestet wurde. So war es möglich, erste Schwingungsanregungen bereits an den schon im Erstarren begriffenen Proben durchzuführen.

Obwohl die Auswertungen der damaligen Ergebnisse bereits aufschlussreich waren, konnten keine genauen Werte für die teilerstarrten Schmelzen ermittelt werden. Im Sommer 2003 fand ein zweiter Parabelflug mit verbessertem Experimentaufbau statt, der im Parabelflug 2004 noch durch verschiedene Videosysteme ergänzt wurde, um auch für die niedrigen Temperaturen während des Übergangs von flüssig zu fest eine kontrastreiche Aufzeichnung der Schwingungen zu erhalten. Der Parabelflug 2005 soll nun die Serie an Vorbereitungen abschließen, die für die erfolgreiche Durchführung eines Raketenflugexperiments im November 2005 noch notwendig sind.


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Hydro Aluminium Deutschland GmbH

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