Der Verunreinigung von Alt-Magnesium auf der Spur

Magnesium zählt zu den kritischen Rohstoffen und lässt bis 2020 eine Nachfragesteigerung um jährlich viereinhalb bis acht Prozent erwarten. Da Post-Consumer-Magnesium meist durch andere Metalle verunreinigt ist, existiert bislang noch kein nennenswerter Markt für Sekundärmagnesium. Wie die Marktfähigkeit von Alt-Magnesium verbessert werden kann, stellte Stephanie Duwe von der TU Clausthal auf der Berliner Recycling- und Rohstoffkonferenz vor.

Die Gewinnung von Recyclingmagnesium ist im Vergleich zu der aus Primärmetall wesentlich weniger energieaufwändig: Zur Herstellung von einem Kilogramm Magnesium aus sauberem Schrott wird eine Kilowattstunde benötigt, zur Produktion von Primärmagnesium jedoch 30 bis 35 Kilowattstunden.

Allerdings ist Post-Consumer-Schrott meist nicht sortenrein und vielfach verunreinigt. Besonders negativ wirkt sich das in erhöhter Korrosionsbereitschaft aus, weshalb heutiges Recyclingmagnesium meist nur als qualitativ minderwertiges Material zum Einsatz kommt und in den seltensten Fällen für neue, gereinigte Legierungen verwandt wird. Ein wirkliches Recycling, das den Namen verdient, erfolgt lediglich werksintern durch die Post-Production-Scrap-Schmelze von Produktionsabfällen. Reinigungsverfahren wie Destillation oder Elektrolyse von Schrotten sind hingegen energieaufwändig und unwirtschaftlich, und die Verdünnung durch reines Primärmaterial stellt kein echtes Recycling dar.

Die häufigsten Verunreinigungen des Magnesiums entstehen durch Eisen, Kupfer und Nickel, die nicht nur die Festigkeit des Materials reduzieren, sondern auch seine Korrosionsbereitschaft erhöhen. Die Entfernung des Eisens lässt sich durch Einsatz von Mangan oder Bor oder von Zirkonium-Kombinationen mit Silizium oder Aluminium erreichen. Gebunden in Magnesium- oder Aluminium-Zink-Phasen kann Kupfer zwar nicht ausgefällt werden, verliert aber seine Korrosionsfähigkeit. Selbst zur Nickelentfernung wurden erste Versuche mit Zirkonium unternommen, die den Nickelgehalt auf 884 ppm (0,084 Massenprozent) drückten. Jedoch liegt die Grenze für den Nickelgehalt von Primäraluminium bei maximal 100 parts per million (ppm).

Ein anderer Lösungsweg

Am Institut für Metallurgie der TU Clausthal wurde ein anderer Lösungsweg beschritten: Zusätzlich zum Zirkonium kam Aluminium zum Einsatz. Nach dem Aufschmelzen von Magnesiumlegierungen mit unterschiedlichen Aluminiumgehalten bildeten sich – kurz gesagt – durch einen speziellen Versuchsaufbau nach einer bestimmten Zeit hochschmelzende intermetallische Al-Ni-Zr-Phasen und sedimentierten. Aus der Schmelze und den Sedimenten wurden Proben gezogen und diese chemisch sowie metallographisch untersucht.

Das Ergebnis: Die Magnesium-Aluminium-Legierung kann unter Zuhilfenahme von Zirkonium maximal 0,35 Massenprozent Nickel beziehungsweise höchstens 0,0004 Massenprozent Zirkonium lösen. Auch die Schmelze im Gleichgewicht mit Al3Ni und Al3Ni2 verfügt über einen Nickelgehalt von 0,35 Massenprozenten. Die Schmelze im Gleichgewicht mit Al3Zr zeigt einen konstanten Gehalt von 0,0004 Massenprozent Zirkonium; sie wird nur verdünnt und löst kein Nickel mehr aus. Die hochschmelzende Phase Al5NiZr2 hingegen sorgt für eine weitere Nickelentfernung bis 0,01 Massenprozent beziehungsweise 100 ppm. Insgesamt kann derart durch den Einsatz von Aluminium und Zirkonium der Nickelgehalt in der Magnesium-Schmelze bis auf 0,01 Massenprozent beziehungsweise 100 ppm gesenkt werden.

Dabei lassen sich die unlöslichen intermetallischen Phasen Al3Ni, Al3Zr und Al5NiZr2  in den Schlämmen per Elektronenmikroskop nachweisen, während sich in der Magnesium-Aluminium-Legierung kein Nickel mehr findet. Allerdings verbleiben in der Magnesium-Aluminium-Legierung die feinen intermetallischen Phasen. Sie sedimentieren nicht aus, binden aber das zurückbleibende 100-ppm-Nickel, das durch Einbinden in die intermetallischen Phasen an einer Korrosion gehindert wird. Somit verbleiben in der resultierenden Magnesium-Sekundärlegierung zwar noch Nickelpartikel, die den Qualitätsansprüchen von zehn bis einhundert ppm Nickel für Primärlegierungen nachweislich nicht entsprechen. Dennoch kann hier eine Magnesium-Legierung gewonnen werden, die gute Korrosionseigenschaften vorweisen kann.

Die detaillierte Versuchsbeschreibung, die hinter der „Herausforderung Magnesiumrecycling: Pyrometallurgische Entfernung kritischer Verunreinigungen“ steckt, kann nachgelesen werden in: Recycling und Rohstoffe, Band 8, herausgegeben von Karl J. Thomé-Kozmiensky und Daniel Goldmann, Neruppin 2015, ISBN 978-3-944310-20-6.

Foto: O. Kürth

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