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Ultraschall-Kornverfeinerung in geschmolzenem Aluminium in einer Direkt-Kühlgießanlage

Artikel über die In-Sumpf-Behandlung, die zu Knüppeln und Brammen ohne Mikroseigerung führt.

Blog Ultraschall-Entgasung

Von Nico van Dongen MBA

Direktes Kokillengießen ist das gebräuchlichste halbkontinuierliche Verfahren zur Herstellung von rechteckigen oder zylindrischen Barren aus Nichteisenmetallen, insbesondere Aluminium, Kupfer, Magnesiummetallen und -legierungen. Das Verfahren verwendet eine wassergekühlte Form mit einem offenen Boden. Geschmolzenes Metall wird in die Form gegossen, wo die äußere Schicht erstarrt und die Form der Form annimmt, während das geschmolzene Metall in der Mitte zurückgehalten wird. Wenn der Barren aus der Form austritt, wird Wasser direkt auf die Oberfläche des Barrens gesprüht, wodurch der Erstarrungsprozess abgeschlossen wird.

Mittellinien-Trennung

Beim Gleichstromgießen ist die Mittellinienseigerung (Makroseigerung) ein kritisches Problem. In diesem Bereich kann es zu erheblichen Abweichungen von der nominellen Legierungszusammensetzung kommen, was zu erheblichen Schwankungen der mechanischen Eigenschaften führt. Verschiedene Mechanismen sind daran beteiligt. Dazu gehören Konvektion, schrumpfungsinduziertes Fließen, Kornsedimentation und Ansammlung von festen Kristallen. Das gesamte Makroseigerungsmuster ist abhängig von den relativen Beiträgen dieser Mechanismen.

Bis vor kurzem wurde die Auswirkung der Ultraschall-Schmelzebehandlung auf die Mittellinienentmischung nicht vollständig erforscht. Im Allgemeinen helfen Ultraschallkavitation und akustische Strömung bei der Umverteilung der verschiedenen Elemente, die an der Mittellinienentmischung beteiligt sind, und schwächen sie sicherlich, ohne sie jedoch unbedingt zu beseitigen.

Ein wesentliches Problem bei konventionellen Ultraschallbehandlungen mit Festfrequenztechnik ist die Bildung stehender Wellen, von denen man annimmt, dass sie die Beseitigung der Mittellinienentmischung verhindern. Um dies zu überwinden, haben wir kürzlich eine Ultraschallbehandlung mit mehreren Frequenzen entwickelt. Dies eliminiert stehende Wellen und kann die Mittellinienentmischung im industriellen Maßstab beseitigen.

"Ein wesentlicher Vorteil des direkten Kokillengusses ist, dass die Erstarrung in einer schmalen Schicht erfolgt und auf der Makroebene relativ einfach zu steuern ist. Allerdings gibt es erhebliche Probleme zu überwinden, insbesondere im Hinblick auf die Mikroseigerung und die Kornstruktur. Ein Ansatz zur Beherrschung dieser Phänomene ist die Verwendung einer Ultraschallbehandlung während der Erstarrung. Bei diesem Verfahren werden eine oder mehrere Sonotroden in die Schmelze eingebracht, und die Ultraschallenergie bietet erhebliche Vorteile für die Entgasung, die Reduzierung der Mikroseigerung und die Verfeinerung der Kornstruktur.

Nico van Dongen, Projektleiter Ultraschallentgasung, Mikrolegierung und Kornfeinung.

Ultraschall-Entgasung in geschmolzenem Aluminium.

Gasporosität ist ein kritischer Fehler in Aluminiumgussteilen. Porosität verschlechtert die mechanischen Eigenschaften, einschließlich der Ermüdungsfestigkeit. Sie tritt auf, wenn die Gaskonzentration seine Löslichkeit im Metall übersteigt. In Aluminium ist das Hauptgas Wasserstoff. Dieser wird durch eine chemische Reaktion zwischen dem flüssigen Metall und atmosphärischem Wasserdampf gebildet, wobei Aluminiumoxid und Wasserstoffgas entstehen. Da Wasserstoff in der Flüssigkeit besser löslich ist als im Festkörper, scheidet er sich während der Erstarrung aus der Flüssigkeit aus und verursacht Porosität. Um ein qualitativ hochwertiges Gussteil zu erhalten, muss also der gelöste Wasserstoff aus der Schmelze entfernt werden, bevor diese erstarrt.

Während verschiedene Methoden zur Verfügung stehen, um dies zu erreichen, hat die Ultraschallentgasung in geschmolzenem Aluminium viele Vorteile, darunter die relativ geringen Kosten und die minimale Umweltbelastung. Bei dem Verfahren werden Ultraschallwellen in die Schmelze eingeleitet. Während sich die Ultraschallwelle durch die Schmelze ausbreitet, werden in erster Linie Kavitationsblasen erzeugt. Gelöstes Gas diffundiert dann in diese Blasen, die an die Oberfläche steigen und in die Umgebung entweichen.

Blog Ultraschall-Entgasung

Kornfeinung mit Ultraschall

Idealerweise wird eine nicht-dendritische Feinkornstruktur bevorzugt, bei der die Körner äquiaxial (mit gleichen Abmessungen in allen Richtungen) sind. Ein solches Gefüge reduziert Schrumpfung und Heißriss und sorgt für eine gleichmäßigere Verteilung von Sekundärphasen und Mikroporosität. Das Gesamtergebnis sind verbesserte mechanische Eigenschaften.

Es werden viele Methoden der Kornfeinung eingesetzt, deren gemeinsames Ziel es ist, die Anzahl der Kerne durch heterogene Keimbildung zu erhöhen.

Die Ultraschall-Kornfeinung in geschmolzenem Aluminium, bei der akustische Wellen mit einer Frequenz von mehr als 17 kHz in die Schmelze eingebracht werden, induziert Kompressions- und Expansionswellen, die Hohlräume bilden können; ein Phänomen, das als Kavitation bekannt ist. Wenn die Hohlräume kollabieren, kommt es zu einer starken Erwärmung, die zu lokalisierten Hochdruckzonen führt. Zu den Auswirkungen der Kavitation gehören heterogene Keimbildung, kavitationsunterstützte Fragmentierung und Kornvermehrung, Transport von Dendriten und intensive Vermischung.

Die Wirkung der Ultraschallenergie auf die Kornfeinung hängt entscheidend von der Frequenz und der Amplitude der eingesetzten Ultraschallenergie ab.