Painovoimainen kokillivalu – ultraäänikäsittelyllä optimoitu jähmettyminen

Ultraääni tarjoaa skaalautuvan ja energiatehokkaan tavan optimoida painovoimaisesti valettujen metallien mikrorakennetta – yhdistäen valun taloudellisuuden ja korkean suorituskyvyn vaatimukset. Painovoimaisessa kokillivalussa jähmettymisen hallinta on olennaista suorituskykyisten metallikomponenttien valmistamiseksi. Sulien metallien ultraäänikäsittely jähmettymisen aikana on tehokas, kemikaaliton rakenteen hienonnusmenetelmä, joka parantaa valukappaleiden laatua mikrorakenteen tasolla. Ultraääniavusteinen jähmettyminen edistää heterogeenista ydintymistä, hajottaa dendriittisiä rakenteita sekä tasoittaa lämpötilaa ja liuenneiden aineiden jakaumaa sulassa.

Ultraäänellä edistetty metallisulien jähmettyminen

Sulien metallien ultraäänikäsittely jähmettymisen aikana on tehokas, kemikaaliton rakenteen hienonnusmenetelmä, joka parantaa valukappaleiden laatua mikrorakenteen tasolla. Voimakkaiden ultraäänivärähtelyjen johtaminen sulaan synnyttää akustista kavitaatiota ja virtausta. Nämä ilmiöt edistävät heterogeenista ydintymistä, hajottavat dendriittisiä rakenteita sekä tasoittavat lämpötilaa ja liuenneiden aineiden jakaumaa sulassa.
Tämän seurauksena ultraääniavusteinen jähmettyminen johtaa huomattavasti hienompaan ja tasaisempaan raerakenteeseen, vähäisempään suotautumiseen sekä parempiin mekaanisiin ominaisuuksiin, kuten lujuuteen, sitkeyteen ja väsymiskestävyyteen. Erityisesti painovoimaisessa kokillivalussa, jossa syöttöalueet ovat alttiita myöhäiselle jähmettymiselle ja siihen liittyville vioille, ultraäänen kohdennettu käyttö voi paikallisesti tehostaa jähmettymiskinetiikkaa ja tuottaa rakenteellisesti parempia komponentteja.

Metallurgiset haasteet ja ultraääniavusteinen jähmettyminen ratkaisuna

Riedelin ym. (2019) tuore tutkimus on osoittanut, että ultraäänen käyttö alumiinivalun jähmettymisvaiheessa hienontaa raerakennetta merkittävästi ja parantaa paikallisia mekaanisia ominaisuuksia. Hielscher tarjoaa ultraäänikoettimia, jotka on suunniteltu erityisesti sulaan metalliin upotettaviksi. Niiden avulla ultraääniavusteinen jähmettyminen tarjoaa luotettavan ratkaisun kokillivalun parantamiseen.
Alumiiniseosten – erityisesti seoksen AlSi7Mg0.3 (A356) – painovoimaista kokillivalua käytetään laajalti auto- ja ilmailuteollisuudessa. Syöttökupujen läheiset alueet jähmettyvät kuitenkin usein viimeisinä, mikä johtaa karkeampiin mikrorakenteisiin hitaamman jäähtymisen vuoksi. Tämä heikentää näiden alueiden mekaanisia ominaisuuksia, vähentää koko komponentin rakenteellista eheyttä ja vaikeuttaa myöhempää koneistusta.
Perinteisillä menetelmillä tämän ongelman lieventämiseksi – kuten kemiallisilla raekoon hienontajilla (esim. Al-Ti-B-esiseoksilla), tehostetulla jäähdytyksellä ja muotin suunnittelun optimoinnilla – on rajoituksensa. Niillä ei usein saavuteta tasaista mikrorakennetta koko valukappaleessa, ja ne voivat tuoda epäpuhtauksia tai vaatia suurta energiapanosta.

Sulan alumiinin ultraääniavusteinen jähmettyminen johtaa mekaanisten ominaisuuksien asteittaiseen paranemiseen ja tasaisempaan jakautumiseen sekä vetolujuuden yleiseen kasvuun.

Ultraääniavusteinen jähmettyminen

• Dendriittihaarojen välisen etäisyyden (DAS) pieneneminen jopa 30 % syöttökupujen viereisillä alueilla.
• Kovuuden ja vetolujuuden merkittävä kasvu erityisesti aiemmin heikoilla alueilla.
• Mekaanisten ominaisuuksien parantunut isotropia, joka mahdollistaa ohuemmat seinämät suorituskyvystä tinkimättä.

Suorituskykyiset ultraäänikoettimet kokillivaluun

Hielscher tarjoaa suorituskykyisiä ultraääniprosessoreita, jotka on varustettu erityisesti kehitetyillä keraamisilla sonotrodeilla. Erityisesti suunnitellut keraamiset ultraäänikoettimet soveltuvat jatkuvaan ultraäänikäsittelyyn korkeassa lämpötilassa, ja jäähdytetty jatko-osa suojaa ultraäänimuunninta lämpövaurioilta.
Nämä sonotrodit ovat:

• Termisesti vakaita yli 700 °C:n lämpötiloissa
• Kavitaatiota kestäviä, mikä minimoi eroosiota ja kontaminaatiota
• Mukautettavissa integroitaviksi valumuottien syöttökupuihin tai keernoihin

 
Niiden kompakti rakenne mahdollistaa jälkiasennuksen olemassa oleviin kokillivalulaitteistoihin ja avaa mahdollisuuden uuden tasoiseen prosessinhallintaan ja toistettavuuteen alumiinivalussa.

Jähmettymisen ultraäänikäsittely Hielscherin teollisuuskäyttöön tarkoitetuilla laitteilla tekee tästä menetelmästä tehokkaan työkalun seuraaviin tarkoituksiin:

• Valuvikojen vähentäminen
• Mekaanisen luotettavuuden parantaminen
• Jälkikäsittelykustannusten alentaminen

 
 
Alla olevassa taulukossa on lueteltu painovoimaiseen kokillivaluun soveltuvat ultraääniprosessorimme:

Suunnittelu, valmistus ja konsultointi – Saksassa valmistettua laatua

Hielscher-ultraäänilaitteet tunnetaan korkeimmista laatu- ja suunnittelustandardeistaan. Vankka rakenne ja helppokäyttöisyys mahdollistavat ultraäänilaitteidemme sujuvan integroinnin teollisuuslaitoksiin. Hielscher-ultraäänilaitteet selviytyvät helposti ankarista olosuhteista ja vaativista ympäristöistä.

Hielscher Ultrasonics on ISO-sertifioitu yritys, joka panostaa erityisesti suorituskykyisiin ultraäänilaitteisiin, joissa yhdistyvät uusinta tekniikkaa edustava teknologia ja käyttäjäystävällisyys. Hielscher-ultraäänilaitteet ovat luonnollisesti CE-vaatimusten mukaisia ja täyttävät UL-, CSA- ja RoHs-vaatimukset.