Odlewanie kokilowe grawitacyjne – optymalizacja krzepnięcia przez sonikację

Ultradźwięki oferują skalowalny, energooszczędny sposób optymalizacji mikrostruktury metali odlewanych grawitacyjnie – łącząc ekonomikę odlewania z wymaganiami dotyczącymi wysokich właściwości użytkowych. W odlewaniu kokilowym grawitacyjnym kontrola krzepnięcia jest niezbędna do uzyskania elementów metalowych o wysokich właściwościach użytkowych. Sonikacja ciekłych metali podczas krzepnięcia stanowi skuteczną, niechemiczną metodę rozdrobnienia mikrostruktury, która poprawia jakość odlewów na poziomie mikrostrukturalnym. Krzepnięcie wspomagane ultradźwiękami sprzyja zarodkowaniu heterogenicznemu, rozbija struktury dendrytyczne oraz ujednolica temperaturę i rozkład substancji rozpuszczonych w ciekłym metalu.

Krzepnięcie ciekłych metali wspomagane ultradźwiękami

Obróbka ultradźwiękowa ciekłych metali podczas krzepnięcia stanowi skuteczną, niechemiczną metodę rozdrobnienia mikrostruktury, która poprawia jakość odlewów na poziomie mikrostrukturalnym. Wprowadzenie do ciekłego metalu drgań ultradźwiękowych o wysokim natężeniu wywołuje kawitację akustyczną i przepływ akustyczny. Zjawiska te sprzyjają zarodkowaniu heterogenicznemu, rozbijają struktury dendrytyczne oraz ujednolicają temperaturę i rozkład substancji rozpuszczonych w ciekłym metalu.
W rezultacie krzepnięcie wspomagane ultradźwiękami prowadzi do uzyskania znacznie drobniejszej i bardziej jednorodnej struktury ziarnistej, ograniczenia segregacji oraz poprawy właściwości mechanicznych, takich jak wytrzymałość, ciągliwość i odporność zmęczeniowa. Szczególnie w odlewaniu kokilowym grawitacyjnym, w którym strefy nadlewów są podatne na późne krzepnięcie i związane z nim wady, ukierunkowane zastosowanie ultradźwięków może lokalnie poprawić kinetykę krzepnięcia i umożliwić uzyskanie elementów o lepszej strukturze.

Wyzwania metalurgiczne i krzepnięcie wspomagane ultradźwiękami jako rozwiązanie

Niedawne badania Riedel i in. (2019) wykazały, że zastosowanie ultradźwięków w fazie krzepnięcia odlewów aluminiowych znacząco rozdrabnia strukturę ziarnistą i poprawia lokalne właściwości mechaniczne. Dzięki sonotrodom ultradźwiękowym Hielscher, zaprojektowanym specjalnie do zanurzania w ciekłym metalu, krzepnięcie wspomagane ultradźwiękami stanowi niezawodne rozwiązanie poprawiające odlewanie w formach metalowych.
Odlewanie kokilowe grawitacyjne stopów aluminium – szczególnie AlSi7Mg0.3 (A356) – jest szeroko stosowane w sektorach motoryzacyjnym i lotniczo-kosmicznym. Jednak obszary w pobliżu nadlewów często krzepną jako ostatnie, co skutkuje grubszą mikrostrukturą z powodu mniejszej szybkości chłodzenia. Prowadzi to do gorszych właściwości mechanicznych w tych strefach, zmniejszając ogólną integralność elementu i utrudniając późniejszą obróbkę skrawaniem.
Tradycyjne metody ograniczania tego zjawiska – takie jak chemiczne rozdrabniacze ziarna (np. zaprawy Al-Ti-B), intensywniejsze chłodzenie i optymalizacja konstrukcji formy – mają ograniczenia. Często nie zapewniają jednorodnej mikrostruktury w całym odlewie i mogą wprowadzać zanieczyszczenia lub wymagać dużych nakładów energii.

Krzepnięcie ciekłego aluminium wspomagane ultradźwiękami prowadzi do stopniowej poprawy i bardziej jednorodnego rozkładu właściwości mechanicznych oraz ogólnego wzrostu wytrzymałości na rozciąganie.

Krzepnięcie wspomagane ultradźwiękami

• Zmniejszenie odstępu między ramionami dendrytów (DAS) nawet o 30% w strefach sąsiadujących z nadlewami.
• Znaczny wzrost twardości i wytrzymałości na rozciąganie, szczególnie w obszarach, które wcześniej wykazywały niską wytrzymałość.
• Poprawa izotropii właściwości mechanicznych, umożliwiająca projektowanie cieńszych ścianek bez pogorszenia właściwości użytkowych.

Wysokowydajne sonotrody ultradźwiękowe do odlewania w formach metalowych

Hielscher oferuje wysokowydajne procesory ultradźwiękowe wyposażone w specjalnie opracowane sonotrody ceramiczne. Specjalnie zaprojektowane ceramiczne sonotrody ultradźwiękowe nadają się do ciągłej sonikacji w wysokiej temperaturze, a chłodzone przedłużenie chroni przetwornik przed uszkodzeniami termicznymi.
Sonotrody te są:

• Stabilne termicznie powyżej 700°C
• Odporne na kawitację, co minimalizuje erozję i zanieczyszczenie
• Możliwe do dostosowania do integracji z nadlewem lub rdzeniem w formach odlewniczych

 
Ich kompaktowa konstrukcja umożliwia doposażenie istniejących instalacji do odlewania w formach metalowych, otwierając drogę do nowego poziomu kontroli procesu i powtarzalności odlewania aluminium.

Ultradźwiękowa obróbka podczas krzepnięcia z wykorzystaniem urządzeń przemysłowych Hielscher sprawia, że metoda ta stanowi skuteczne narzędzie do:

• Ograniczania wad odlewniczych
• Zwiększania niezawodności mechanicznej
• Obniżania kosztów obróbki po odlewaniu

 
 
Poniższa tabela przedstawia nasze procesory ultradźwiękowe odpowiednie do odlewania kokilowego grawitacyjnego:

Projektowanie, produkcja i doradztwo – jakość wyprodukowana w Niemczech

Sonikatory Hielscher są znane z najwyższych standardów jakości i projektowania. Solidność i łatwa obsługa umożliwiają bezproblemową integrację naszych sonikatorów z instalacjami przemysłowymi. Sonikatory Hielscher z łatwością radzą sobie w trudnych warunkach i wymagających środowiskach.

Hielscher Ultrasonics jest firmą z certyfikatem ISO i kładzie szczególny nacisk na wysokowydajne sonikatory wykorzystujące najnowocześniejszą technologię i zapewniające łatwość obsługi. Oczywiście sonikatory Hielscher są zgodne z wymaganiami CE i spełniają wymagania UL, CSA oraz RoHs.