Ultraschallveredelung von Metallschmelzen
- Leistungsultraschall bewirkt in geschmolzenen Metallen und Legierungen verschiedene vorteilhafte Effekte wie Strukturierung, Entgasung und verbesserte Filtration.
- Die Ultraschallbehandlung fördert die nichtdendritische Erstarrung in flüssigen und halbfesten Metallen.
- Die Beschallung bietet erhebliche Vorteile bei der mikrostrukturellen Verfeinerung dendritischer Körner und primärer intermetallischer Partikel.
- Darüber hinaus kann Leistungsultraschall gezielt eingesetzt werden, um die Porosität von Metallen zu verringern oder mesoporöse Strukturen zu erzeugen.
- Nicht zuletzt verbessert Leistungsultraschall die Qualität von Gussstücken.
Ultraschallgestützte Erstarrung von Metallschmelzen
Die Bildung nichtdendritischer Strukturen während der Erstarrung von Metallschmelzen beeinflusst Materialeigenschaften wie Festigkeit, Duktilität, Zähigkeit und/oder Härte.
Durch Ultraschall veränderte Kornkeimbildung: Akustische Kavitation und ihre intensiven Scherkräfte erhöhen die Anzahl der Keimbildungsstellen und der Keime in der Schmelze. Die Ultraschallbehandlung von Schmelzen führt zu heterogener Keimbildung und zur Fragmentierung von Dendriten, sodass das Endprodukt eine deutlich stärkere Kornfeinung aufweist.
Ultraschallkavitation bewirkt eine gleichmäßige Benetzung nichtmetallischer Verunreinigungen in der Schmelze. Diese Verunreinigungen werden zu Keimbildungsstellen, die als Ausgangspunkte der Erstarrung dienen. Da diese Keimbildungsstellen vor der Erstarrungsfront liegen, kommt es nicht zum Wachstum dendritischer Strukturen.
Makrogefüge einer Ti-Legierung nach der Ultraschallbehandlung. Die Ultraschallbehandlung führt zu einem deutlich feineren Korngefüge.
Dr. Andreeva-Bäumler von der Universität Bayreuth arbeitet mit dem Ultraschallgerät UIP1000hdT an der Nanostrukturierung von Metallen.
Einfluss von Ultraschall auf die Vickershärte von Legierungen: Die Ultraschallbehandlung verbessert die Vickers-Mikrohärte in Metallen
(Studie und Grafik: ©Ruirun et al., 2017)
Fragmentierung von Dendriten: Das Aufschmelzen von Dendriten beginnt aufgrund eines lokalen Temperaturanstiegs und von Seigerung üblicherweise an der Wurzel. Die Beschallung erzeugt starke Konvektion (Wärmeübertragung durch die Massenbewegung eines Fluids) und Stoßwellen in der Schmelze, sodass die Dendriten fragmentiert werden. Konvektion kann durch extreme lokale Temperaturen sowie Schwankungen der Zusammensetzung die Fragmentierung von Dendriten begünstigen und fördert die Diffusion gelöster Stoffe. Die Kavitationsstoßwellen unterstützen das Abbrechen dieser aufschmelzenden Wurzeln.
Ultraschallentgasung metallischer Legierungen
Die Entgasung ist ein weiterer wichtiger Effekt von Leistungsultraschall auf flüssige und halbfeste Metalle und Legierungen. Die akustische Kavitation erzeugt abwechselnde Niederdruck- und Hochdruckzyklen. Während der Niederdruckzyklen entstehen winzige Vakuumblasen in der Flüssigkeit oder Suspension. Diese Vakuumblasen dienen als Keime für die Bildung von Wasserstoff- und Dampfblasen. Durch die Bildung größerer Wasserstoffblasen steigen die Gasblasen auf. Akustisch induzierte Strömungen unterstützen das Aufsteigen dieser Blasen zur Oberfläche und aus der Schmelze, sodass das Gas entfernt werden kann und die Gaskonzentration in der Schmelze sinkt.
Die Ultraschallentgasung verringert die Porosität des Metalls und erzielt dadurch eine höhere Materialdichte im fertigen Metall- oder Legierungsprodukt.
Die Ultraschallentgasung von Aluminiumlegierungen erhöht die Zugfestigkeit und Duktilität des Materials. Die Entgasung mit industriellen Leistungsultraschallsystemen zählt hinsichtlich Wirksamkeit und Behandlungszeit zu den besten kommerziellen Entgasungsverfahren. Darüber hinaus wird die Formfüllung durch die geringere Viskosität der Schmelze verbessert.
Druckeigenschaften von Ti44Al6Nb1Cr2V bei unterschiedlichen Beschallungszeiten. Die Beschallung verbessert die Druckfestigkeit erheblich.
(Studie und Grafik: ©Ruirun et al., 2017)
Die Keramiksonotrode BS4D22L3C ist eine spezielle Sonotrode zur Beschallung von Flüssigkeiten mit hoher Temperatur wie geschmolzenem Aluminium (z. B. zum Mischen und Entgasen).
Sonokapillareffekt bei der Filtration
Der ultraschallinduzierte Kapillareffekt in flüssigen Metallen ist der maßgebliche Effekt für die Entfernung von Oxideinschlüssen bei der ultraschallgestützten Filtration von Schmelzen. (Eskin et al. 2014: 120ff.)
Die Filtration dient dazu, nichtmetallische Verunreinigungen aus der Schmelze zu entfernen. Während der Filtration durchströmt die Schmelze verschiedene Filtergewebe (z. B. aus Glasfasern), um unerwünschte Einschlüsse abzuscheiden. Je kleiner die Maschenweite, desto besser ist das Filtrationsergebnis.
Unter üblichen Bedingungen kann die Schmelze einen zweilagigen Filter mit einer sehr geringen Porengröße von 0,4–0,4mm nicht durchströmen. Bei der ultraschallgestützten Filtration kann die Schmelze jedoch aufgrund des Sonokapillareffekts die Maschenöffnungen passieren. Dabei halten die Filterkapillaren selbst nichtmetallische Verunreinigungen von 1–10μm zurück. Durch die höhere Reinheit der Legierung wird die Bildung von Wasserstoffporen an den Oxiden vermieden, sodass die Ermüdungsfestigkeit der Legierung steigt.
Eskin et al. (2014: 120ff.) haben gezeigt, dass die Ultraschallfiltration die Reinigung der Aluminiumlegierungen AA2024, AA7055 und AA7075 mithilfe mehrlagiger Glasfaserfilter (mit bis zu 9 Lagen) mit Maschenöffnungen von 0,6×0,6mm ermöglicht. Wird die Ultraschallfiltration mit der Zugabe von Impfmitteln kombiniert, wird gleichzeitig eine Kornfeinung erzielt.
Ultraschallgestützte Verstärkung von Metalllegierungen
Die Ultraschallbehandlung ist nachweislich hochwirksam bei der gleichmäßigen Dispergierung von Nanopartikeln in Suspensionen. Daher sind Ultraschalldispergierer die am häufigsten eingesetzten Geräte zur Herstellung nanoverstärkter Verbundwerkstoffe.
Nanopartikel (z. B. Al2O3/SiC, CNTs) werden als Verstärkungsmaterial eingesetzt. Die Nanopartikel werden der geschmolzenen Legierung zugesetzt und mittels Ultraschall dispergiert. Die akustische Kavitation und die akustisch induzierten Strömungen verbessern die Deagglomeration und Benetzbarkeit der Partikel, wodurch Zugfestigkeit, Streckgrenze und Dehnung verbessert werden.
Ultraschallgeräte für anspruchsvolle Anwendungen
Der Einsatz von Leistungsultraschall in der Metallurgie erfordert robuste, zuverlässige Ultraschallsysteme, die in anspruchsvollen Umgebungen installiert werden können. Hielscher Ultrasonics liefert Ultraschallgeräte in Industriequalität für den Einsatz in anspruchsvollen Anwendungen und rauen Umgebungen. Alle unsere Ultraschallgeräte sind für den 24/7-Betrieb ausgelegt. Die Hochleistungsultraschallsysteme von Hielscher zeichnen sich durch Robustheit, Zuverlässigkeit und präzise Regelbarkeit aus.
Anspruchsvolle Prozesse – wie die Verfeinerung von Metallschmelzen – erfordern eine intensive Beschallung. Die industriellen Ultraschallprozessoren von Hielscher Ultrasonics liefern sehr hohe Amplituden. Amplituden von bis zu 200µm lassen sich problemlos kontinuierlich im 24/7-Betrieb einsetzen. Für noch höhere Amplituden stehen kundenspezifische Ultraschallsonotroden zur Verfügung.
Für die Beschallung von Flüssigkeiten und Schmelzen bei sehr hohen Temperaturen bietet Hielscher verschiedene Sonotroden und kundenspezifisches Zubehör an, um optimale Verarbeitungsergebnisse zu gewährleisten.
Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Anhaltspunkt für die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte:
| Chargenvolumen | Volumenstrom | Empfohlene Geräte |
|---|---|---|
| 10 bis 2000mL | 20 bis 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 bis 20L | 0,2 bis 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 bis 100L | 2 bis 10L/min | UIP4000 |
| n.a. | 10 bis 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | höher | Verbund aus UIP16000 |
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Literatur/Quellen
- Eskin, Georgy I.; Eskin, Dmitry G. (2014): Ultrasonic Treatment of Light Alloy Melts. CRC Press,Technology & Engineering 2014.
- Jia, S.; Xuan, Y.; Nastac, L.; Allison, P.G.; Rushing, T.W: (2016): Microstructure, mechanical properties and fracture behavior of 6061 aluminium alloy-based nanocomposite castings fabricated by ultrasonic processing. International Journal of Cast Metals Research, Vol. 29, Iss. 5: TMS 2015 Annual Meeting and Exhibition 2016. 286-289.
- Ruirun, C. et al. (2017): Effects of ultrasonic vibration on the microstructure and mechanical properties of high alloying TiAl. Sci. Rep. 7, 2017.
- Skorb, E.V.; Andreeva, D.V. (2013): Bio-inspired ultrasound assisted construction of synthetic sponges. J. Mater. Chem. A, 2013,1. 7547-7557.
- Tzanakis,I.; Xu, W.W.; Eskin, D.G.; Lee, P.D.; Kotsovinos, N. (2015): In situ observation and analysis of ultrasonic capillary effect in molten aluminium . Ultrasonic Sonochemistry 27, 2015. 72-80.
- Wu, W.W:; Tzanakis, I.; Srirangam, P.; Mirihanage, W.U.; Eskin, D.G.; Bodey, A.J.; Lee, P.D. (2015): Synchrotron Quantification of Ultrasound Cavitation and Bubble Dynamics in Al-10Cu Melts.
Wissenswertes
Leistungsultraschall und Kavitation
Wenn Ultraschallwellen hoher Intensität in Flüssigkeiten oder Suspensionen eingekoppelt werden, tritt das Phänomen der Kavitation auf.
Ultraschall mit hoher Leistung und niedriger Frequenz bewirkt die kontrollierte Bildung von Kavitationsblasen in Flüssigkeiten und Suspensionen. Intensive Ultraschallwellen erzeugen abwechselnde Niederdruck- und Hochdruckzyklen in der Flüssigkeit. Diese schnellen Druckänderungen erzeugen Hohlräume, die sogenannten Kavitationsblasen. Ultraschallinduzierte Kavitationsblasen können als chemische Mikroreaktoren betrachtet werden, die auf mikroskopischer Ebene hohe Temperaturen und Drücke bereitstellen und in denen sich aus gelösten Molekülen aktive Spezies wie freie Radikale bilden. In der Materialchemie bietet die Ultraschallkavitation das einzigartige Potenzial, lokal Hochtemperaturreaktionen (bis zu 5000 K) und Hochdruckreaktionen (500atm) zu katalysieren, während das System makroskopisch nahe Raumtemperatur und Umgebungsdruck bleibt. (vgl. Skorb, Andreeva 2013)
Ultraschallbehandlungen beruhen hauptsächlich auf Kavitationseffekten. In der Metallurgie ist die Beschallung ein äußerst vorteilhaftes Verfahren zur Verbesserung des Gießens von Metallen und Legierungen.
Neben der Behandlung von Metallschmelzen wird die Beschallung auch eingesetzt, um schwammartige Nanostrukturen und Nanomuster auf festen Metalloberflächen wie Titan und Legierungen zu erzeugen. Diese mittels Ultraschall nanostrukturierten Bauteile aus Titan und Legierungen zeigen ein großes Potenzial als Implantate mit erhöhter osteogener Zellproliferation. Erfahren Sie mehr über die Nanostrukturierung von Titanimplantaten mittels Ultraschall!