Hielscher – Ultraschall-Technologie

Ultraschallbehandlung von Metallschmelzen

  • Der Eintrag von Hochleistungs-Ultraschall in Metallschmelzen und Legierungen hat mehrere positive Effekte, z.B. Kornfeinung, Entgasung und verbesserte Filtrierung.
  • Ultraschall unterstützte eine gleichmäßige, nicht-dendritische Erstarrung in flüssigen sowie halbfesten Metallen.
  • Die Beschallung bewirkt eine deutliche mikrostrukturelle Feinerung der dendritischen Körner und intermetallischen Primärpartikel.
  • Hochleistungs-Ultraschall kann darüber hinaus gezielt eingesetzt werden, um die Metallporosität herabzusetzen oder aber meso-poröse Strukturen herzustellen.
  • Mittels Hochleistungs-Ultraschall wird die Qualität von Metallgußteilen verbessert.

Ultraschall-geststützte Erstarrung

Die Bildung von nicht-dendritischen Strukturen während der Erstarrung von Metallschmelzen beeinflusst die Metallqualität positiv, so Festigkeit, Duktilität/Zähigkeit und/oder Härte verbessert werden.
Ultraschall verbessert die Keimbildung: Durch akustische Kavitation und ihre intensiven Scherkräfte wird die Anzahl der Keimbildungspunkte und Nuklei in der Schmelze erhöht. Die Ultraschall-Behandlung (UST) von Schmelzen resultiert in einer heterogenen Keimbildung sowie in einer Fragmentierung der Dendriten, so dass das Endprodukt eine deutlich höhere Kornfeinung aufweist.
Durch die Ultraschall-Kavitation werden nichtmetallische Verunreinigungen und Einschlüsse in der Schmelze gleichmäßig dispergiert und benetzt. Diese Verunreinigungen dienen als Keimbildungspunkte, welche Ausgangspunkte für die Erstarrung sind. Da sich diese Keimbildungspunkte vor der Erstarrungfront befinden, tritt kein Dendritenwachstum auf.

Die Ultraschall-Verarbeitung von Metallschmelzen verbessert die Kornstruktur.

Makrostruktur einer Ti-Legierung nach der Ultraschallbehandlung (Ruirun et al. 2017)

Dendriten-Fragmentierung: Das Schmelzen von Dendriten beginnt aufgrund lokaler Erwärmung und Segregation in der Regel an der Wurzel. Intensive Ultraschallwellen verursachen starke Konvektion (Wärmeübertragung durch die Strömung eines Fluids) sowie Stoßwellen in der Schmelze, wodurch die Dendriten fragmentiert werden. Die Ultraschall-generierte Konvektion begünstigt die Dendriten-Fragmentierung durch extreme Temperaturen und fördert die Dispersion der gelösten Stoffe. Die Kavitations-Schockwellen unterstützen das Aufbrechen der Dendritenwurzeln zusätzlich.

Ultraschall-Entgasung von Legierungen

Das Entgasen ist ein weiterer wichtiger Ultraschalleffekt, welcher bei der Herstellung von Metallen und Legierungen genutzt wird. Ultraschall kann sowohl in flüssige als auch halbfeste Metalle und Legierungen eingetragen werden, um Luft- und Gasblasen zu entfernen. Durch die akustische werden abwechselnd Niederdruck- und Hochdruck-Zyklen erzeugt. Während der Niederdruck-Zyklen entstehen in der Flüssigkeit bzw. Slurry winzige Vakuumblasen. Diese Vakuumblasen fungieren als Keimpunkte für die Bildung von Wasserstoff- und Wasserdampfblasen. Mit zunehmender Größe erhalten die Blasen vermehrten Auftrieb und steigen an die Oberfläche der Schmelze, so dass das Gas entfernt und die Gaskonzentration in der Schmelze reduziert wird.
Durch die Ultraschall-Entgasung wird die Porosität des Metalls verringert, wodurch eine höhere Materialdichte in der Metall-Legierung erzielt wird.
Das Ultraschall-Entgasen von Aluminiumlegierungen erhöht die Zugfestigkeit und Duktilität des Materials. Industrielle Hochleistungs-Ultraschallsysteme gelten im Vergleich zu anderen kommerziellen Entgasungsmethoden im Hinblick auf Effektivität und Prozessdauer als hervorragendes Verfahren. Zudem wird durch die abgesenkte Viskosität der Schmelze der Prozess das Gießen in Casting-Formen deutlich verbessert.

Ultraschall-Kornfeinung einer Ti-Legierung (zum Vergrößern anklicken!)

Druckfestigkeit von Ti44Al6Nb1Cr2V bei verschiedenen Ultraschalleinträgen.

Der UIP1000hd ist ein leistungsstarkes Ultraschallgerät, das in der Werkstofftechnik, für die Nano-Strukturierung und Partikelfunktionalisierung verwendet wird. (Zum Vergrößern anklicken!)

Dr. D. Andreeva demonstriert das Verfahren der ultraschall-gestützten Strukturierung
mit dem UIP1000hd Ultraschallgerät (20 kHz, 1000W). Bild: Ch. Wißler

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Sonokapillar-Effekte während der Filtration

Durch den Ultraschall-Kapillareffekt (UCE) werden während der ultraschall-gestützen Filtration von Metallschmelzen oxidische Einschlüsse entfernt. (Eskin et al. 2014: 120ff.)
Bei der Filtration metallischer Schmelzen werden nicht-metallische Verunreinigungen aus der Schmelze entfernt. Die Schmelze passiert während des Filtratinsprozesses mehrere Gewebefilter (z.B. Glasfaser-Filter), mit deren Hilfe unerwünschte Einschlüsse abgetrennt werden. Je kleiner die Maschenweite, desto besser ist das Filtrationsergebnis.
Unter normalen Bedingungen ist es nicht möglich, dass eine metallische Schmelze einen zweischichtigen Filter mit einer sehr kleinen Porengröße von 0,4x0,4 mm passiert. Bei einer ultraschall-gestützten Filtration wird es allerdings aufgrund des Sonokapillar-Effektes möglich, dass die Schmelze den Filter passieren kann. Die Filterkapillaren halten nicht-metallische Verunreinigungen von 1 – 10μm zurück. Mittels Ultraschall-Filtration wird eine verbesserten Reinheit der Legierung erreicht und eine unerwünschte Porosität durch Wasserstoffporen wird vermieden, wodurch eine Dauerfestigkeit der Legierung errreicht wird.
Eskin et al. (2014: 120ff.) hat in seinen Forschungsergebnissen dargelegt, dass es mittels Ultraschall-Filtration möglich ist, die Aluminiumlegierungen AA7075, AA2024 und AA7055 zu reinigen. Hierzu wurden die Schmelzen durch einen mehrschichtigen Glasfaserfilter (mit bis zu 9 Lagen) mit einer Filterporengröße von 0,6×0.6mm filtriert. Wenn die Ultraschall-Filtration mit dem Einsatz von Impfmitteln kombiniert wird, ist zudem eine gleichzeitige Kornfeinung zu beobachten.

Metall- und Legierungsverstärkung mittels Ultraschall

Ultraschall ist nachweislich ein hochwirksames Verfahren, um Nanopartikel gleichmäßig in Slurries zu dispergieren. Deshalb gehören Ultraschalldispergierer zu den am häufigsten eingesetzten Dispergiermethoden, um nano-verstärkte Verbundwerkstoffe herzustellen.
Nano-Partikel (z.B. Al2O3/ SiC, CNTs) werden eingesetzt, um Werkstoffe zu verstärken. Die Nanopartikel werden der flüssigen Legierung hinzugefügt und mittels Ultraschall dispergiert. Die Ultraschall-Kavitation und -Scherkräfte verbessern die Desagglomerierung und Benetzbarkeit der Partikel, wodurch erhöhte Zugfestigkeit, Festigkeit und Dehnung erzielt werden.

Ultraschallgerät UIP2000hdT (2kW) mit Cascatrode

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Ultraschallgeräte für Heavy-Duty-Anwendungen

Der Einsatz von Hochleistungs-Ultraschall in der Metallurgie erfordert zuverlässige Ultraschallsysteme, welche problemlos in anspruchsvollen Umgebungen installiert werden können. Hielscher Ultrasonics liefert Ultraschallausrüstung nach Industriestandards für Heavy-Duty-Anwendungen in anspruchsvollen Umgebungen. Alle unsere Ultraschallsysteme sind für den 24/7-Betrieb ausgelegt. Hielscher's Hochleistungs-Ultraschallsysteme zeichnen sich durch Robustheit, Zuverlässigkeit und präzise Steuerbarkeit aus.
Anspruchsvolle Prozesse – wie z.B die Verarbeitung von Metallschmelzen – erfordern eine intensive Beschallung. Hielscher Ultrasonics'‘ Industrie-Ultraschallprozessoren liefern sehr hohe Amplituden. Amplituden von bis zu 200µm können problemlos kontinuierlich im 24/7-Betrieb geleistet werden. Für noch höhere Amplituden stehen kundenspezifische Ultraschall-Sonotroden zur Verfügung.
Für die Beschallung von sehr hohen Flüssigkeits- und Schmelztemperaturen bietet Hielscher verschiedenen Sonotroden und individuelle Accessoires, um optimale Ultraschallergebnisse für Ihren Prozess zu sicherzustellen.
In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallsysteme:

Batch-Volumen Durchfluss Empfohlenes Ultraschallgerät
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. größere Cluster aus UIP16000

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Literatur

  • 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

Hochleistungs-Ultraschall und Kavitation

Werden hochintensive Ultraschallwellen in Flüssigkeiten oder Slurries eingetragen, tritt das Phänomen der Ultraschall- Kavitation auf.
Mittels hochintensivem, niederfrequentem Ultraschall können in Flüssigkeiten und Slurries gezielt Kavitationsblasen erzeugt werden. Die hochenergetischen Ultraschallwellen erzeugen abwechselnde Niederdruck- und Hochdruck-Zyklen in der Flüssigkeit. Durch diese rasch alternierenden Druckschwankungen werden in der Flüssigkeit Hohlräume, die sogenannte Kavitationsblasen, erzeugt. Die mittels Ultraschallkavitation erzeugten Blasen fungieren als chemische Mikroreaktoren, in welchen extrem hohe Temperaturen und Drücke auf mikroskopischen Ebene herrschen. Dadurch werden chemische Veränderungen möglich, z.B. werden freie Radikale erzeugt. Für die Chemie und Materialforschung bieten Ultraschall und Ultraschallkavitation daher ein einzigartiges Potenzial: In den Kavitationsblasen herrschen lokal auf makroskopischer Ebene extrem hohe Temperaturen (bis zu 5000 K), extrem hohe Drücke (500atm) und Durckschwankungen sowie sehr hohe Heiz-/Abkühlraten, während das gesamte System (die Flüssigkeit bzw. Slurry) auf Raumtemperatur und Umgebungsdruck bleibt. Diese extremen Konditionen in den ultraschall-generierten Mikroreaktoren bieten hervorragenden Bedingungen für Katalysereaktionen. (vgl. Skorb, Andreeva 2013)
Die Ultraschallverarbeitung (engl. ultrasonic treatment = UST) basiert hauptsächlich auf den Kavitationseffekten. Für die Metallurgie, ist UST ist eine sehr effektive Methode, um das Gießen von Metallen und Legierungen zu verbessern.