Bronzeguss und Email mit Temperaturmessung

Bereits letztes Jahr hatten wir uns dazu entschlossen, für die Experimente des Arbeitskreises ein Infrarotpyrometer sowie stationäre Temperaturfühler anzuschaffen. Gerade für Versuche, die mit hohen Temperaturen zu tun haben, wie etwa Eisenverhüttung, Glasperlenherstellung, Bronzeguss, Email oder Schmieden war hierfür natürlich ein Gerät notwendig, das auf jeden Fall über die 1000°C Marke messen konnte.

Mittlerweile ist es soweit und uns stehen ein berührungsfreies Infrarotgerät sowie mehrere Sensoren zur Verfügung, die für Temperaturen bis maximal 1600°C geeignet sind.

Einer der stationären Temperaturfühler

Damit die Sensoren nicht durch die Arbeiten beschädigt werden, hat Mathias Keramikröhren auf die nötige Länge zugeschnitten, in denen die Fühler mit Ton fixiert werden können. Dies erlaubt in weiterer Folge die Montage beispielsweise in der Ofenwand eines Renn- oder Schmelzofens.

Keramikröhren als Schutz für die Temperaturfühler

In einem ersten Versuch ging es anfangs darum, die Funktionalität der Messgeräte und die Aufzeichnung der Messwerte wie auch die Verbindung und Übertragung zu einem Computer zu testen.

Die Anordnung der Sensoren in der Feuerstelle

Dazu haben wir ein simples Holzkohlefeuer mit Luftzufuhr über ein Gebläse betrieben. Nachdem ein solider Glutstock vorhanden war, erreichten wir bald Temperaturen bis etwa 1200° C.

Messeinheit für die stationären Temperaturfühler

man beachte den unteren Messwert (1083° C = Schmelzpunkt Kupfer)

Das Gerät kann zwei Temperaturfühler parallel auswerten und außerdem besteht die Möglichkeit die Werte zu speichern oder direkt auf einen Computer zu übertragen.

Direkte Verbindung von den Sensoren zum Notebook

Insgesamt hat alles ganz gut funktioniert. In einem zweiten Schritt wollten wir auch zusätzlich das Infrarotpyrometer testen. Zu diesem Zweck sollte gleich ein praktischer Versuch durchgeführt und dokumentiert werden. Erstens ging es uns darum, die Temperaturentwicklung beim Bronzeguss nachzuvollziehen und zweitens wollten wir auch die für das Emaillieren notwendige Hitze (und Dauer) erstmals messen.
Dafür montierten wir zwei Fühler stationär - einen etwa in Höhe des Gusstiegels am Rand des Kohlebetts, den anderen Tiefer im Kohlebett versenkt, ebenfalls im Randbereich der Feuerstelle. Beide Fühler sind so nahe am Geschehen platziert, dass ihre Messwerte einigermaßen repräsentativ für die Feuerstelle sein sollten, was später mit Infrarotmessung verifiziert werden konnte.

Anordnung der Sensoren

Gemessen wurde in Abständen von wenigen Minuten sowie vor und nach jeder "Manipulation" wie beispielsweise dem Nachlegen von Kohlen. Die Sensoren maßen die Hitze der Feuerstelle und mit dem Infrarotpyrometer ermittelten wir die Temperatur des Tiegels (Innen wie Außen), des Deckels sowie der emaillierten Objekte.

Begonnen wurde um 20:00. Nach einer "Vorglühzeit" von etwa 20 Minuten wurde eine leichte Luftzufuhr gestartet, was sich sogleich in einem Temperaturanstieg von 200-300° C äußerte. Nachdem der Tiegel etwa nach 35 Minuten eingesetzt wurde, ging die Temperatur nach wie vor nach oben. Ein gesprungener Deckel nach 45 Minuten erforderte das Entfernen und Reinigen des Tiegels. Nach dem nochmaligen Einsetzen des Tiegels und dem Zugeben von Holzkohle war die Temperatur innerhalb weniger Minuten bereits um ca. 200° C gefallen. Ab 20:55 wurde die Luftzufuhr verstärkt und die Esse sozusagen auf voller Leistung betrieben. Mehrmaliges Kohlenachlegen wirkte sich in Form von kleinen Schwankungen auf die Temperaturkurve aus. Um 21:20 waren im Tiegel etwa 1100° erreicht und das Kupfer bereits geschmolzen. Kurz darauf wurde ein Teil Zinn zugefügt und um 21:40 erfolgte der Guss.

Bronzeguss


Temperaturkurve (klicken zum Vergrößern)

Gleich nach dem Guss ging es ans Emaillieren. Dabei wurde die soeben gegossene Fibel (90% : 10 % CU:ZN) und ein Kupferblech mit Glaspulver versehen, um die unterschiedlichen Materialeigenschaften in Bezug auf Email zu beobachten.

Temperatur beim Emaillieren (klicken zum Vergrößern)

Bei etwa 900°C beginnen die Glaseinlagen zu schmelzen

Nach kurzem Vorheizen mit leichtem Gebläse war die Temperatur bereits auf über 800° C, da der Glutstock vom vorangegangenen Guss noch vorhanden war. Kurz nachdem die zu emaillierenden Objekte der Hitze ausgesetzt waren, schmolzen auch schon die Glaseinlagen, sodass die Fibel (max 900° C) und das Blech (max 800° C) innerhalb einer Minute emailliert waren. Die Luftzufuhr wurde gestoppt und die Objekte noch kurz in der Hitze belassen.

Die Objekte beim langsamen Abkühlen in der Feuerstelle

Bei etwa 500-600° C nahmen wir die Objekte aus der Hitze um ihr Verhalten bei einer raschen Abkühlung (Raumtemperatur) zu beobachten. Nach 8 Minuten waren beide Stücke auf etwa 80° C abgekühlt. Wie zu erwarten war, hielten die Glaseinlagen während des raschen Abkühlens auf dem Kupferblech ausgezeichnet, während sie von der Bronze absprangen. Wer also vorhat Bronze nicht nur zu Testzwecken zu emaillieren, sollte diese mit der Glut auskühlen lassen.

Links: Glasauflagen auf Kupfer; Rechts: abgesplitterte Glaseinlagen auf Bronze
nach dem raschen Abkühlen

Mein Dank für tatkräftige Unterstutzung bei diesem Experiment gilt meinen Kollegen, Mathias Mehofer und Roman Skomorowski.