Гравитационное литье в кокиль – оптимизация затвердевания с помощью обработки ультразвуком

Ультразвук предлагает масштабируемый, энергоэффективный способ оптимизации микроструктуры металлов, отливаемых под действием силы тяжести, – сочетая экономичность литья с требованиями к высоким эксплуатационным характеристикам. При гравитационном литье в кокиль управление затвердеванием имеет важнейшее значение для получения металлических деталей с высокими эксплуатационными характеристиками. Обработка расплавленных металлов ультразвуком в процессе затвердевания представляет собой эффективный нехимический метод измельчения структуры, который повышает качество отливок на микроструктурном уровне. Затвердевание с применением ультразвука способствует гетерогенному зародышеобразованию, разрушает дендритные структуры и выравнивает температуру и распределение растворенных веществ в расплаве.

Затвердевание металлических расплавов, стимулируемое ультразвуком

Ультразвуковая обработка расплавленных металлов в процессе затвердевания представляет собой эффективный нехимический метод измельчения структуры, который повышает качество отливок на микроструктурном уровне. Введение высокоинтенсивных ультразвуковых колебаний в расплав вызывает акустическую кавитацию и акустические течения. Эти явления способствуют гетерогенному зародышеобразованию, разрушают дендритные структуры и выравнивают температуру и распределение растворенных веществ в расплаве.
В результате затвердевание с применением ультразвука приводит к формированию значительно более мелкой и однородной зеренной структуры, уменьшению ликвации и улучшению механических свойств, таких как прочность, пластичность и сопротивление усталости. Особенно при гравитационном литье в кокиль, где зоны прибылей склонны к позднему затвердеванию и связанным с ним дефектам, целенаправленное применение ультразвука может локально улучшить кинетику затвердевания и обеспечить получение деталей с более качественной структурой.

Металлургические проблемы и затвердевание с применением ультразвука как способ их решения

Недавнее исследование Riedel et al. (2019) показало, что применение ультразвука на стадии затвердевания алюминиевых отливок значительно измельчает зеренную структуру и улучшает локальные механические свойства. Благодаря ультразвуковым зондам Hielscher, специально разработанным для погружения в расплавленный металл, затвердевание с применением ультразвука представляет собой надежное решение для улучшения литья в металлические формы.
Гравитационное литье алюминиевых сплавов в кокиль – в частности, AlSi7Mg0.3 (A356) – широко применяется в автомобильной и аэрокосмической промышленности. Однако участки вблизи прибылей часто затвердевают последними, что приводит к формированию более грубой микроструктуры из-за меньшей скорости охлаждения. Это ухудшает механические свойства в этих зонах, снижая общую целостность детали и усложняя последующую механическую обработку.
Традиционные методы уменьшения этой проблемы – такие как химические модификаторы для измельчения зерна (например, лигатуры Al-Ti-B), усиленное охлаждение и оптимизация конструкции формы – имеют ограничения. Они часто не позволяют получить однородную микроструктуру во всей отливке и могут вносить примеси или требовать больших энергозатрат.

Затвердевание расплавленного алюминия с применением ультразвука приводит к постепенному улучшению и более однородному распределению механических свойств, а также к общему повышению прочности при растяжении.

Затвердевание с применением ультразвука

• Уменьшение расстояния между ветвями дендритов (DAS) на величину до 30% в зонах, прилегающих к прибылям.
• Значительное повышение твердости и прочности при растяжении, особенно в ранее слабых участках.
• Улучшение изотропии механических свойств, позволяющее проектировать более тонкие стенки без ухудшения эксплуатационных характеристик.

Высокоэффективные ультразвуковые зонды для литья в металлические формы

Hielscher предлагает высокоэффективные ультразвуковые процессоры, оснащенные специально разработанными керамическими сонотродами. Специально сконструированные ультразвуковые керамические зонды подходят для непрерывной обработки ультразвуком при высокой температуре, а охлаждаемый удлинитель защищает преобразователь от термических повреждений.
Эти сонотроды:

• Термически стабильны при температурах выше 700°C
• Устойчивы к кавитации, что сводит к минимуму эрозию и загрязнение
• Могут быть адаптированы для интеграции в прибыль или стержень литейной формы

 
Их компактная конструкция позволяет дооснащать существующие установки для литья в металлические формы, обеспечивая новый уровень управления процессом и повторяемости при литье алюминия.

Обработка в процессе затвердевания с применением ультразвука на промышленном оборудовании Hielscher делает этот метод эффективным инструментом для:

• Уменьшения дефектов отливок
• Повышения механической надежности
• Снижения затрат на последующую обработку

 
 
В таблице ниже перечислены наши ультразвуковые процессоры, подходящие для гравитационного литья в кокиль:

Проектирование, производство и консультирование – качество из Германии

Ультразвуковые аппараты Hielscher широко известны своим высочайшим качеством и высочайшими стандартами проектирования. Прочность и простота эксплуатации позволяют без затруднений интегрировать наши ультразвуковые аппараты в промышленные объекты. Ультразвуковые аппараты Hielscher легко справляются с суровыми условиями и работой в сложной среде.

Hielscher Ultrasonics – компания, сертифицированная по ISO, которая уделяет особое внимание высокоэффективным ультразвуковым аппаратам, отличающимся передовыми технологиями и удобством использования. Разумеется, ультразвуковые аппараты Hielscher соответствуют нормам CE и требованиям UL, CSA и RoHs.