Schwerkraftkokillenguss – Optimierte Verfestigung mit Ultraschall

Ultraschall bietet einen skalierbaren, energieeffizienten Weg zur Optimierung der Mikrostruktur von schwerkraftgegossenen Metallen – und überbrückt dadurch der Kluft zwischen ökonomischem Gießen und den Anforderungen an Hochleistungs-Metallen. Beim Kokillenguss spielt die kontrollierte Erstarrung eine entscheidende Rolle. Die Beschallung von Metallschmelzen während der Erstarrung stellt eine leistungsstarke, nicht-chemische Verfeinerungsmethode dar, die die Gussqualität auf mikrostruktureller Ebene verbessert. Die ultraschall-gestützte Erstarrung fördert die heterogene Keimbildung, unterbricht dendritische Strukturen und homogenisiert die Temperatur- und Lösungsmittelverteilung in der Schmelze.

Ultraschall-unterstützte Erstarrung von Metallschmelzen

Die Ultraschallbehandlung von Metallschmelzen während der Erstarrung ist eine leistungsstarke, nicht-chemische Verfeinerungsmethode, die die Gussqualität auf mikrostruktureller Ebene verbessert. Durch das Einleiten von hochintensiven Ultraschallschwingungen in die Schmelze werden akustische Kavitation und Strömungen ausgelöst. Diese Phänomene fördern die heterogene Keimbildung, zerstören dendritische Strukturen und homogenisieren die Temperatur- und Lösungsmittelverteilung in der Schmelze.
Im Ergebnis führt die ultraschallunterstützte Erstarrung zu einem deutlich feineren und gleichmäßigeren Korngefüge, einer geringeren Seigerung und verbesserten mechanischen Eigenschaften wie Festigkeit, Duktilität und Ermüdungsbeständigkeit. Insbesondere beim Kokillenguss, wo Speiserzonen zu einer späten Erstarrung und damit verbundenen Defekten neigen, kann der gezielte Einsatz von Ultraschall die Erstarrungskinetik lokal verbessern und zu strukturell besseren Bauteilen führen.

Ultraschall-gestützte Verfestigung als metallurgische Lösung

Jüngste Forschungen von Riedel et al. (2019) haben gezeigt, dass die Integration von Ultraschall während der Erstarrungsphase des Aluminiumgusses die Kornstruktur deutlich verfeinert und die lokalen mechanischen Eigenschaften verbessert. Mit Ultraschallprüfköpfen von Hielscher, die speziell für das Eintauchen in geschmolzenes Metall entwickelt wurden, ist die Ultraschallerstarrung eine robuste Lösung für verbesserten Druckguss.
Kokillenguss von Aluminiumlegierungen – insbesondere AlSi7Mg0,3 (A356) – ist in der Automobil- und Luft- und Raumfahrtindustrie weit verbreitet. Bereiche in der Nähe von Speisern erstarren jedoch oft zuletzt, was aufgrund langsamerer Abkühlungsraten zu gröberen Mikrostrukturen führt. Dies führt zu minderwertigen mechanischen Eigenschaften in diesen Bereichen, was die Gesamtintegrität des Bauteils beeinträchtigt und die nachfolgende Bearbeitung erschwert.
Traditionelle Methoden zur Abschwächung dieses Problems – wie chemische Kornfeinungsmittel (z. B. Al-Ti-B-Vorlegierungen), verbesserte Kühlung und Optimierung der Formgestaltung – haben ihre Grenzen. Sie erreichen oft kein einheitliches Gefüge im gesamten Gussstück und können Verunreinigungen einbringen oder einen hohen Energieaufwand erfordern.

Die ultraschallunterstützte Erstarrung von geschmolzenem Aluminium verbessert die mechanischen Eigenschaften und erhöht die Zugfestigkeit durch eine homogenere Verteilung dieser Materialeigenschaften.

Ultraschall-geststützte Erstarrung

• Bis zu 30 % geringere Abstände zwischen den dendritischen Armen (DAS) in den an die Feeder angrenzenden Zonen.
• Deutliche Erhöhung der Härte und der Zugfestigkeit, insbesondere in bisher schwachen Bereichen.
• Verbesserte Isotropie der mechanischen Eigenschaften, die dünnere Wandkonstruktionen ohne Leistungseinbußen ermöglicht.

Hochleistungs-Ultraschall für den Druckguss

Hielscher bietet Hochleistungs-Ultraschallprozessoren an, die mit speziell entwickelten Keramiksonotroden ausgestattet sind. Die speziell entwickelten keramischen Ultraschallsonden sind für die kontinuierliche Beschallung bei hohen Temperaturen geeignet und eine gekühlte Verlängerung schützt den Schallkopf vor thermischen Schäden.
Diese Sonotroden sind:

• Thermisch stabil über 700°C
• Kavitationsresistent, minimiert Erosion und Kontamination
• Anpassbar für die Integration von Speisern oder Kernen in Gussformen

 
Ihr kompaktes Design ermöglicht die Nachrüstung in bestehende Druckgussanlagen und öffnet die Tür zu einem neuen Niveau der Prozesskontrolle und Wiederholbarkeit im Aluminiumguss.

Die Ultraschallverfestigung mit Hielscher-Industriegeräten macht diese Methode zu einem leistungsstarken Werkzeug für die:

• Reduzierung von Gussfehlern
• Verbesserung der mechanischen Zuverlässigkeit
• Senkung der Nachbearbeitungskosten

 
 
In der nachstehenden Tabelle sind unsere für den Kokillenguss geeigneten Ultraschallprozessoren aufgeführt:

Design, Herstellung und Beratung – Qualität Made in Germany

Hielscher Ultraschallgeräte sind bekannt für höchste Qualität und Designstandards. Robustheit und einfache Bedienung ermöglichen die problemlose Integration unserer Ultraschallgeräte in industrielle Anlagen. Raue Bedingungen und anspruchsvolle Umgebungen sind für Hielscher Ultraschallgeräte kein Problem.

Hielscher Ultrasonics ist ein ISO-zertifiziertes Unternehmen und legt großen Wert darauf, Hochleistungs-Ultraschallgeräte zu entwickeln und zu produzieren, die sich durch modernste Technik und Benutzerfreundlichkeit auszeichnen. Selbstverständlich sind Hielscher Sonicators CE-konform und erfüllen die Anforderungen von UL, CSA und RoHs.