Schwerkraftkokillenguss – Optimierte Erstarrung durch Ultraschallbehandlung
Ultraschall bietet einen skalierbaren, energieeffizienten Weg zur Optimierung des Gefüges von unter Schwerkraft vergossenen Metallen – und verbindet damit wirtschaftliches Gießen mit hohen Leistungsanforderungen. Beim Schwerkraftkokillenguss ist die Steuerung der Erstarrung entscheidend für die Herstellung leistungsfähiger Metallbauteile. Die Ultraschallbehandlung von Metallschmelzen während der Erstarrung ist ein wirkungsvolles, nichtchemisches Verfahren zur Gefügefeinung, das die Gussqualität auf mikrostruktureller Ebene verbessert. Die ultraschallunterstützte Erstarrung fördert die heterogene Keimbildung, bricht dendritische Strukturen auf und homogenisiert die Temperatur und die Verteilung gelöster Stoffe in der Schmelze.
Ultraschallgeförderte Erstarrung von Metallschmelzen
Die Ultraschallbehandlung von Metallschmelzen während der Erstarrung ist ein wirkungsvolles, nichtchemisches Verfahren zur Gefügefeinung, das die Gussqualität auf mikrostruktureller Ebene verbessert. Durch das Einbringen hochintensiver Ultraschallschwingungen in die Schmelze werden akustische Kavitation und akustische Strömungen erzeugt. Diese Phänomene fördern die heterogene Keimbildung, brechen dendritische Strukturen auf und homogenisieren die Temperatur und die Verteilung gelöster Stoffe in der Schmelze.
Dadurch führt die ultraschallunterstützte Erstarrung zu einem deutlich feineren und gleichmäßigeren Korngefüge, geringerer Seigerung und verbesserten mechanischen Eigenschaften wie Festigkeit, Duktilität und Ermüdungsbeständigkeit. Insbesondere beim Schwerkraftkokillenguss, bei dem Speiserbereiche zu später Erstarrung und damit verbundenen Fehlern neigen, kann der gezielte Einsatz von Ultraschall die Erstarrungskinetik lokal verbessern und Bauteile mit überlegenem Gefüge hervorbringen.
Ultraschallgeräte von Hielscher verbessern die Erstarrung von Metallschmelzen beim Kokillenguss
Metallurgische Herausforderungen und ultraschallunterstützte Erstarrung als Lösung
Neuere Untersuchungen von Riedel et al. (2019) haben gezeigt, dass der Einsatz von Ultraschall während der Erstarrungsphase beim Aluminiumguss das Korngefüge deutlich verfeinert und die lokalen mechanischen Eigenschaften verbessert. Mit Ultraschallsonotroden von Hielscher, die speziell für das Eintauchen in Metallschmelzen entwickelt wurden, ist die ultraschallunterstützte Erstarrung eine robuste Lösung zur Verbesserung des Kokillengusses.
Der Schwerkraftkokillenguss von Aluminiumlegierungen – insbesondere AlSi7Mg0.3 (A356) – ist in der Automobilindustrie sowie in der Luft- und Raumfahrt weit verbreitet. Bereiche in der Nähe von Speisern erstarren jedoch häufig zuletzt, wodurch aufgrund geringerer Abkühlgeschwindigkeiten gröbere Gefüge entstehen. Dies führt zu schlechteren mechanischen Eigenschaften in diesen Bereichen, beeinträchtigt die Integrität des gesamten Bauteils und erschwert die nachfolgende spanende Bearbeitung.
Herkömmliche Methoden zur Verringerung dieses Problems – etwa chemische Kornfeinungsmittel (z. B. Al-Ti-B-Vorlegierungen), verstärkte Kühlung und die Optimierung der Formgestaltung – haben Grenzen. Häufig gelingt es damit nicht, im gesamten Gussstück ein gleichmäßiges Gefüge zu erzielen; zudem können sie Verunreinigungen einbringen oder einen hohen Energieeinsatz erfordern.
Die ultraschallunterstützte Erstarrung von Aluminiumschmelzen führt zu einer schrittweisen Verbesserung und einer homogeneren Verteilung der mechanischen Eigenschaften sowie zu einer insgesamt höheren Zugfestigkeit.
Ultraschallunterstützte Erstarrung
- Verringerung des Dendritenarmabstands (DAS) um bis zu 30% in speisernahen Bereichen.
- Deutliche Steigerung der Härte und Zugfestigkeit, insbesondere in zuvor schwachen Bereichen.
- Verbesserte Isotropie der mechanischen Eigenschaften, die Konstruktionen mit dünneren Wänden ohne Leistungseinbußen ermöglicht.
Ultraschallsonotrode von Hielscher zur Behandlung von flüssigem Aluminium
Hochleistungs-Ultraschallsonotroden für den Kokillenguss
Hielscher bietet Hochleistungs-Ultraschallprozessoren mit speziell entwickelten Keramiksonotroden an. Speziell konstruierte Ultraschallsonotroden aus Keramik eignen sich für die kontinuierliche Beschallung bei hohen Temperaturen, und eine gekühlte Verlängerung schützt den Ultraschallwandler vor thermischen Schäden.
Diese Sonotroden sind:
- Thermisch stabil bei Temperaturen über 700°C
- Kavitationsbeständig, wodurch Erosion und Verunreinigungen minimiert werden
- Anpassbar für die Integration in Speiser oder Kerne von Gießformen
Ihre kompakte Bauweise ermöglicht die Nachrüstung bestehender Kokillengussanlagen und eröffnet beim Aluminiumguss neue Möglichkeiten der Prozesssteuerung und Wiederholbarkeit.
Die ultraschallgestützte Erstarrungsbehandlung mit industrietauglichen Geräten von Hielscher macht dieses Verfahren zu einem wirkungsvollen Werkzeug für:
- Die Verringerung von Gussfehlern
- Die Verbesserung der mechanischen Zuverlässigkeit
- Die Senkung der Nachbearbeitungskosten
Die folgende Tabelle führt unsere für den Schwerkraftkokillenguss geeigneten Ultraschallprozessoren auf:
| Ultraschallgerätemodell | Nennleistung | Ultraschallfrequenz |
|---|---|---|
| UIP1000hdT | 10.000 Watt | 20 Kilohertz |
| UIP1500hdT | 1500 Watt | 20 Kilohertz |
| UIP2000hdT | 2000 Watt | 20 Kilohertz |
| UIP4000hdT | 4000 Watt | 20 Kilohertz |
Entwicklung, Fertigung und Beratung – Qualität Made in Germany
Die Ultraschallgeräte von Hielscher sind für höchste Qualitäts- und Konstruktionsstandards bekannt. Robustheit und einfache Bedienung ermöglichen die reibungslose Integration unserer Ultraschallgeräte in industrielle Anlagen. Die Ultraschallgeräte von Hielscher bewältigen problemlos raue Bedingungen und anspruchsvolle Umgebungen.
Hielscher Ultrasonics ist ein ISO-zertifiziertes Unternehmen und legt besonderen Wert auf leistungsstarke Ultraschallgeräte mit modernster Technologie und hoher Benutzerfreundlichkeit. Selbstverständlich sind die Ultraschallgeräte von Hielscher CE-konform und erfüllen die Anforderungen von UL, CSA und RoHs.
Ultraschallaufbau: Ultraschallgerät UIP1000hdT für eine verbesserte Erstarrung von Metallschmelzen
Studie und Bild: ©Riedel et al. 2019
Literatur / Quellen
- E. Riedel, I. Horn, N. Stein, H. Stein, R. Bähr, S. Scharf (2019): Ultrasonic treatment: a clean technology that supports sustainability in casting processes. Procedia CIRP, Volume 80, 2019. 101-107.
- E. Riedel, P. Köhler, M. Ahmed, B. Hellmann, I. Horn, S. Scharf (2021): Industrial suitable and digitally recordable application of ultrasound for the environmentally friendly degassing of aluminium melts before tilt casting. Procedia CIRP, Volume 98, 2021. 589-594.
- Riedel, Eric (2020): Numerisch gestützte Untersuchung einer erstarrungsbegleitenden Ultraschallbehandlung der Legierung AlSi7Mg0,3. PhDThesis Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Fakultät für Maschinenbau 2020.
- Ruirun, C. et al. (2017): Effects of ultrasonic vibration on the microstructure and mechanical properties of high alloying TiAl. Sci. Rep. 7, 2017.
Häufig gestellte Fragen
Was ist Kokillenguss?
Kokillenguss ist ein Verfahren zur Formgebung von Metallen, bei dem flüssiges Metall in eine Form aus Stahl, die sogenannte Kokille, eingespritzt oder gegossen wird, üblicherweise unter Schwerkraft oder hohem Druck. Beim Schwerkraftkokillenguss fließt die Schmelze allein durch die Schwerkraft in den Formhohlraum. Dieses Verfahren ermöglicht die Herstellung endkonturnaher Bauteile mit hoher Maßgenauigkeit, guter Oberflächenqualität und gleichbleibenden mechanischen Eigenschaften – insbesondere aus Nichteisenlegierungen wie Aluminium.
Wofür wird Aluminiumschmelze verwendet?
Als Aluminiumschmelze wird eine Aluminiumlegierung in ihrem flüssigen Zustand bezeichnet, typischerweise bei Temperaturen über ~660 °C (reines Aluminium) oder bei höheren Temperaturen für Legierungen. Beim Gießen werden Aluminiumschmelzen zur Herstellung von Bauteilen verwendet, die eine günstige Kombination aus geringer Dichte, Korrosionsbeständigkeit, Wärmeleitfähigkeit und mechanischer Festigkeit erfordern. Typische Anwendungen sind Fahrzeugteile (z. B. Motorblöcke, Räder), Strukturen für die Luft- und Raumfahrt sowie Strukturbauteile in Maschinen und Konsumgütern.
Was sind Dendriten?
Dendriten sind baumartige kristalline Strukturen, die während der Erstarrung von Metalllegierungen entstehen. Sie gehen von den ursprünglichen Keimbildungsstellen aus und wachsen in bevorzugten kristallografischen Richtungen in die Schmelze hinein. Die dendritische Morphologie wird vom Temperaturgradienten und der Erstarrungsgeschwindigkeit beeinflusst. Grobe dendritische Strukturen sind typischerweise mit schlechten mechanischen Eigenschaften verbunden und daher bei leistungsfähigen Gussstücken unerwünscht. Kornfeinungsverfahren wie die Ultraschallbehandlung zielen darauf ab, übermäßiges dendritisches Wachstum zu unterdrücken.
Was bedeutet Erstarrung?
Erstarrung ist der Phasenübergang, bei dem ein flüssiges Metall beim Abkühlen unter seine Flüssigkeitstemperatur in einen Festkörper übergeht. Während dieses Vorgangs ordnen sich die Atome zu einem Kristallgitter an und bilden Körner. Die Kinetik und Thermodynamik der Erstarrung bestimmen das entstehende Gefüge – Korngröße, Morphologie und Seigerung –, das wiederum die mechanischen und physikalischen Eigenschaften des fertigen Gussstücks bestimmt. Eine kontrollierte Erstarrung ist entscheidend für die Minimierung von Fehlern und die Optimierung des Gefüges in Gusswerkstoffen.
Hielscher Ultrasonics stellt Hochleistungs-Ultraschallhomogenisatoren vom Labormaßstab bis zum Industriemaßstab her.