Ultraschallbehandlung von geschmolzenem Aluminium: Prinzipien, Anwendungen und Perspektiven

Ultraschallbehandlung von geschmolzenem Aluminium: Prinzipien, Anwendungen und Perspektiven

1. Einführung

Aluminium und seine Legierungen nehmen aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften wie hoher spezifischer Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und einfacher Wiederverwertung eine wichtige Stellung im Maschinenbau, im Transportwesen, in der Luft- und Raumfahrt und anderen Bereichen ein. Die Korngröße und Organisationsmorphologie von Aluminiumlegierungen wirken sich direkt auf die endgültige Leistung des Materials aus. Um eine hervorragende Leistung zu erzielen, besteht der Schlüssel darin, die ursprünglich großen Dendriten in kleine, gleichmäßige gleichachsige Körner zu zerlegen. Gleichzeitig ist der in der Aluminiumschmelze gelöste Wasserstoff die Hauptursache für Defekte wie Nadellöcher und Poren in Gussteilen. Auch die effiziente Entgasung ist ein langfristiges Problem für die metallurgische Industrie.

Herkömmliche Behandlungsmethoden – wie Rotationsentgasung, Zugabe chemischer Kornfeinungsmittel usw. – sind zwar bis zu einem gewissen Grad wirksam, weisen jedoch Probleme wie Effizienzengpässe, eine Änderung der Legierungszusammensetzung und eine zunehmende Schwierigkeit beim Recycling auf. Das Aufkommen der Ultraschallbehandlungstechnologie (UST) bietet eine umweltfreundliche und effiziente Lösung für die Verfeinerung und Strukturkontrolle von Aluminiumschmelzen.

2. Technische Grundlagen

Der Kern der Ultraschallbehandlung von Aluminiumschmelzen liegt in der synergistischen Wirkung von Kavitationseffekt und akustischem Strömungseffekt.

(1) Kavitationseffekt. Wenn leistungsstarke Ultraschallwellen in die Aluminiumschmelze eingeleitet werden, kommt es in der Flüssigkeit zu periodischen Wechseln von Über- und Unterdruck. In der Unterdruckstufe wird die Schmelze „zerrissen“ und es bilden sich winzige Kavitationsbläschen; Im Überdruckstadium kollabieren diese Blasen stark und erzeugen lokal hohe Temperaturen, hohen Druck und starke Stoßwellen. Diese Kavitation hat mehrere Funktionen: Einerseits kann die durch Kavitation erzeugte Stoßwelle die wachsenden Dendriten brechen und sie in die Schmelze schleusen, um einen neuen Kristallkern zu bilden; Andererseits aktiviert die Kavitation winzige Verunreinigungspartikel (hauptsächlich Al₂O₃) in der Schmelze und macht sie zur Grundlage für die heterogene Keimbildung, wodurch die Keimbildung gefördert und die Körner verfeinert werden.

(2) Akustischer Strömungseffekt. Ultraschallwellen erzeugen bei ihrer Ausbreitung in der Schmelze nichtlineare Effekte und bilden großräumige akustische Strömungen und mikroakustische Strömungen. Die starke akustische Strömung kann die Gleichmäßigkeit des Temperaturfeldes der Schmelze erheblich verbessern, die Erstarrungsbedingungen der Schmelze ändern und den Erstarrungsmodus der Aluminiumschmelze von schichtweiser Erstarrung zu Volumenerstarrung ändern, wodurch das Wachstum säulenförmiger Kristalle wirksam gehemmt und eine gleichmäßige gleichachsige Kristallstruktur gebildet wird. Der akustische Strömungseffekt fördert außerdem das makroskopische Rühren und den Stoffaustausch der Schmelze, wodurch die Temperatur und die chemische Zusammensetzung gleichmäßiger werden.

Unter der doppelten Wirkung von Kavitation und akustischer Strömung erreicht die Ultraschallbehandlung eine „Paketoptimierung“ der Aluminiumschmelze – Entgasung, Schlackenentfernung, Kornverfeinerung und Gewebehomogenisierung werden gleichzeitig durchgeführt.

3. Kernanwendungen

3.1 Entgasung (Entfernung von Wasserstoff)

Wasserstoff ist das wichtigste schädliche Gas in der Aluminiumschmelze. Die meisten Defekte wie Nadellöcher und Lockerheit in Gussteilen entstehen durch die Ausfällung von Wasserstoff während des Erstarrungsprozesses. Der Mechanismus der Ultraschallentgasung besteht darin, dass durch die Kavitationswirkung von Ultraschallwellen eine große Anzahl von Blasenkernen in der Schmelze entsteht und sich der gelöste Wasserstoff in diesen Blasen konzentriert und weiter wächst, bis er reibungslos aus der Schmelze austreten kann.

Die Ultraschallentgasung hat einen bemerkenswerten Effekt. Untersuchungen zeigen, dass die Ultraschallentgasung den Wasserstoffgehalt um mehr als 50 % reduzieren und dadurch die Dichte und Plastizität von Gussteilen erhöhen kann. Im Experiment mit AlSi12Fe-Aluminiumschmelze erreichte das Dichteäquivalent von 40 kg Aluminiumschmelze nach einminütiger Behandlung mit 1000 W Ultraschallleistung 1,28 %. Einige Studien haben sogar gezeigt, dass die elastische Schwingung von Ultraschallwellen die Metallschmelze innerhalb weniger Minuten vollständig entgasen kann.

3.2 Kornverfeinerung

Die Kornfeinung ist eine Schlüsselmethode zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von Aluminiumlegierungen. Der Mechanismus der Ultraschall-Kornverfeinerung umfasst die folgenden Aspekte:

Gebrochene Dendriten: Die durch Kavitation erzeugten Stoßwellen und Strahlen können wachsende Dendriten abschneiden und zerstören und die Anzahl der Kristallkeime erhöhen.

Förderung der Keimbildung: Kavitation aktiviert Verunreinigungspartikel (hauptsächlich Al₂O₃) in der Schmelze, wodurch sie zu Kristallkernen werden und die Keimbildung gefördert wird.

Erhöhen Sie den Grad der Unterkühlung: Ultraschallvibrationen reduzieren die effektive Unterkühlung der Metallschmelze und verkleinern den kritischen Keimbildungsradius, wodurch die Keimbildungsrate erhöht wird.

Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass die erstarrte Struktur der durch Ultraschallbehandlung behandelten Aluminiumschmelze in unterschiedlichem Maße verfeinert wurde. Nach der Ultraschallbehandlung der Schmelze der Aluminiumlegierung 7055 werden die Körner verfeinert, die Struktur homogenisiert, die Zugfestigkeit deutlich erhöht und auch die Plastizität deutlich verbessert. Bei Versuchen mit reinem Aluminium konnte durch die Ultraschallbehandlung ein Kornfeinungseffekt von bis zu 48 % erzielt werden.

3.3 Entfernung von Einschlüssen

Für winzige Einschlüsse in der Metalllösung ist das Aufschwimmen sehr schwierig, und nur ihre Ansammlung erleichtert das Aufschwimmen. Die Ultraschallbehandlung kann die Ansammlung und Delaminierung von Einschlüssen fördern und so den Entfernungseffekt erzielen. Darüber hinaus können Kavitation und akustische Strömungseffekte auch die Komponentensegregation verringern und die Gleichmäßigkeit der Gussstruktur verbessern.

4. Wichtige Prozessparameter

Die Wirkung der Ultraschallbehandlung wird umfassend von mehreren Prozessparametern beeinflusst.

Ultraschallleistung. Die Leistung ist der zentrale Parameter, der die Kavitationsintensität und den Behandlungseffekt bestimmt. Die Leistung eines einzelnen Strahlungskopfes einer Industrieausrüstung kann 2500 W erreichen. Bei zu geringer Leistung kann keine ausreichende Kavitationswirkung erzeugt werden, bei zu hoher Leistung kann es zu zusätzlichem Energieverbrauch und thermischen Effekten kommen. Die AlSi12Fe-Aluminiumschmelze kann einen guten Entgasungseffekt erzielen, indem sie 1 Minute lang mit einer Leistung von 1000 W verarbeitet wird.

Verarbeitungstemperatur. Die Aluminiumschmelzverarbeitung erfolgt üblicherweise bei Temperaturen um 750 °C. Die Temperatur beeinflusst die Viskosität der Schmelze und die Löslichkeit von Wasserstoff, was wiederum Auswirkungen auf die Entgasungs- und Verfeinerungseffekte hat. Einige Studien haben darauf hingewiesen, dass mit zunehmender Verarbeitungszeit die Schmelzviskosität abnimmt und es für Blasen schwieriger wird, zu entweichen, sodass die Verarbeitungszeit angemessen kontrolliert werden muss.

Bearbeitungszeit. Die Dauer der Ultraschallbehandlung liegt normalerweise zwischen 1 Minute und mehreren zehn Minuten. Es ist zu beachten, dass die Wirkung umso besser ist, je länger die Zeit ist. Eine zu lange Ultraschallzeit kann zu einer Verringerung der Barrendichte und der Entgasungsrate führen.

Eintauchtiefe des Werkzeugkopfes. Die Arbeitstiefe der Ultraschall-Werkzeugstange beeinflusst den effektiven Aktionsbereich. Theoretische Berechnungen zeigen, dass der effektive Kavitationsbereich in der Schmelze innerhalb des 30-mm-Bereichs unterhalb der Stirnfläche liegt, während sich die akustische Strömungswirkung über den gesamten fließfähigen Bereich der Schmelze erstreckt.

Ultraschallfrequenz. Die Frequenz beeinflusst die Größe und Verteilung von Kavitationsblasen. Niederfrequenter Ultraschall erzeugt größere Kavitationsblasen, die sich für Anwendungen wie Entgasung und Kornverfeinerung eignen. Die Reaktion verschiedener Aluminiumlegierungssysteme auf die Frequenz kann unterschiedlich sein und muss für die jeweilige Legierung optimiert werden.

Wirkung und Wert

Die umfassende Verbesserungswirkung der Ultraschallbehandlung auf Aluminiumschmelzen wurde durch eine Vielzahl von Studien bestätigt:

Verbesserte mechanische Eigenschaften: Nach der Ultraschallbehandlung von Reinaluminium lässt sich die Zugfestigkeit um bis zu 17 % steigern, die Dehnung steigt von 16 % im unbehandelten Zustand auf 28 %. Die durchschnittliche Zugfestigkeit von Reinaluminiumbarren steigt in Längsrichtung um 22,3 % und in Querrichtung um 20 %.

Die Struktur wird erheblich verfeinert: Die erstarrte Struktur des durch Ultraschallbehandlung behandelten Barrens wird erheblich verfeinert und die Korngröße kann 77 bis 405 μm erreichen. Der Barren ohne Ultraschallbehandlung bildete eine grobe und ungleichmäßige Mikrostruktur.

Multifunktionale Integration: Die Ultraschallbehandlung ist eine multifunktionale Schmelzverarbeitungstechnologie, die Entgasung, Schlackenentfernung, Kornverfeinerung und Gewebehomogenisierung integriert. Im Vergleich zu herkömmlichen chemischen Kornverfeinerern verändert die Ultraschallbehandlung die chemische Zusammensetzung der Legierung nicht und erhöht nicht die Schwierigkeit des Recyclings. Es handelt sich um eine nachhaltige, umweltfreundliche Verarbeitungsmethode.

Die Ultraschallbehandlung von metallischer Aluminiumschmelze ist eine effiziente Schmelzebehandlungstechnologie, die Entgasung, Schlackenentfernung, Kornverfeinerung und Gewebehomogenisierung integriert. Sein Kern liegt in der synergistischen Wirkung des Ultraschallkavitationseffekts und des akustischen Strömungseffekts – der Kavitationseffekt bricht Dendriten auf, fördert die Keimbildung und stößt Gas aus, während der akustische Strömungseffekt das Temperaturfeld und das Zusammensetzungsfeld vereinheitlicht und die Erstarrungsmethode ändert. Zahlreiche Studien haben gezeigt, dass die Ultraschallbehandlung die mechanischen Eigenschaften und die Gussqualität von Aluminiumlegierungen deutlich verbessern kann, ohne die chemische Zusammensetzung der Legierung zu verändern. Es handelt sich um eine umweltfreundliche und nachhaltige Verarbeitungstechnologie. Mit der Vertiefung des technologischen Verständnisses und der Verbesserung des Ausrüstungsniveaus wird die Ultraschall-Aluminiumschmelzverarbeitungstechnologie in der Luft- und Raumfahrt, im Transportwesen, bei recyceltem Aluminium und in anderen Bereichen eine immer wichtigere Rolle spielen.

Parameter	beeinflussen	Referenz
Leistung	Bestimmen Sie die Genauigkeit und Bearbeitungstiefe	Die Leistung reicht von 200W bis über 2500W. Beispielsweise ist bei der Aluminiumlegierung 7050 der Verfeinerungseffekt bei 200 W besser und die Entgasungseffizienz bei 240 W höher.
Frequenz	Beeinflussen Sie die Intensität des Kavitationseffekts	Im Allgemeinen werden die besten Ergebnisse im Niederfrequenzbereich von 17–22 kHz erzielt, insbesondere bei niederfrequenten und hochintensiven Ultraschallwellen im Bereich von 15–20 kHz.
Prozesszeit	Es gibt einen optimalen Wert.	Eine zu kurze Zeit führt nicht zu guten Ergebnissen, während eine zu lange Zeit zu einer Kornvergröberung oder einem Anstieg der Porosität führen kann. Beispielsweise funktioniert die 7050-Legierung am besten, wenn sie 90 Sekunden lang behandelt wird.
Schmelztemperatur	Beeinflusst die Schmelzviskosität, die Wasserstofflöslichkeit und die Kavitationsintensität	Es gibt einen optimalen Temperaturbereich und eine geeignete Mediumtemperatur trägt zur Verbesserung des Verarbeitungseffekts bei.
Schmelzvolumen	Die Leistung muss auf das Volumen der Schmelze abgestimmt sein.	Für großflächig geschmolzene Materialien können mehrere Sonden oder eine höhere Leistung erforderlich sein, oder sogar berührungslose Ultraschalltechnologie kann eingesetzt werden, um das Verarbeitungsergebnis sicherzustellen.
Horngröße/-form	Beeinflussung der Verteilung des Ultraschallfeldes	Werkzeuge mit kleineren Endflächen (z. B. Φ10 mm) haben einen besseren Verfeinerungseffekt.