Der Gießprozess und damit die Qualität der daraus
resultierenden Gussteile legen den Grundstein für die Fertigung qualititativ
hochwertiger und beanspruchbarer metallischer Komponenten. Mit den zunehmenden
Anforderungen an metallische Bauteile, bspw. für den Maschinenbau, die
Automobilindustrie oder die Luft- und Raumfahrttechnik, steigen somit auch die
Ansprüche und gleichzeitig auch die Herausforderungen für die gießtechnologischen
Fertigungsprozesse. Dem Werkstoff Aluminium kommt in diesem Zusammenhang eine
besondere Bedeutung zu: seine einzigartige Kombination von vergleichsweise
guten mechanischen Eigenschaften, kombiniert vmit einer geringen Dichte,
zeichnen Aluminium und seine Legierungen als einen der wichtigsten
Leichtbauwerkstoffe aus. Um auch in Zukunft hochbeanspruchte Bauteile aus
Aluminium fertigen zu können, sind Maßnahmen erforderlich, mit deren Hilfe
weitere Potentiale des Werkstoffes gehoben werden können. Eine Möglichkeit,
dies zu erreichen, ist die Ultraschallbehandlung des flüssigen und/oder
erstarrenden Metalls, die zu einer massiven Änderung des Gefüges und
Verbesserung der daraus resultierenden mechanischen Eigenschaften führen kann.
Funktionsweise
Die
Ultraschallanlage besteht aus vier grundsätzlichen Elementen: (1) dem
Generator, der den erforderlichen Wechselstrom erzeugt und an den (2)
Schallwandler weiterleitet. Dieser wandelt die elektrischen Schwingungen in
mechanische Schwingungen gleicher Frequenz um, die mit einer bestimmten
Amplitude an den sog. (3) Booster (optional) übertragen werden, der der
mechanischen Erhöhung oder Reduzierung der Amplitude dient. Von dort aus werden
die hochfrequenten Schwingungen an die (4) Sonotrode übertragen. Die Sonotrode
wird in das Fluid bzw. die Schmelze getaucht und überträgt dort die
hochfrequenten mechanischen Schwingungen, die wiederum im Fluid massive
Druckschwankungen (Größenordnung mehrere MPa) verursachen und dort
unterschiedliche physikalische Effekte hervorrufen, die zu einer Änderung der
Gefügemorphologie führen (von dendritisch zu globular) und, je nach Behandlung,
verbesserte mechanische Eigenschaften hervorbringen.
Effekte
Kavitation
Kavitation ist das Ergebnis massiver Druckschwankungen,
bei denen Unterdrücke unterhalb der fluidspezifischen Kavitationsschwelle
entstehen. Dies führt zu lokalen Verdampfungseffekten von in der Schmelze
gelöstem Wasserstoff und somit zur Bildung von Fehlstellen, aus denen
Kavitationskeime hervorgehen. In Sekundenbruchteilen nimmt die Größe der daraus
entstehenden Kavitationskeime und das Volumen des darin enthaltenen
Wasserstoffs pulsierend zu, bis die Bläschen aufgrund des zu hohen
Umgebungsdruckes implodieren und dabei Stoßwellen, sog. Jets und
Temperaturspitzen freisetzen.
Akustische
Strömung
Die sog. akustische Strömung resultiert aus der
ständigen, hochfrequenten Kraftübertragung der Sonotrode auf das Fluid. Neben
der Verteilung und Homogenisierung von in der Schmelze enthaltenen Bestandteilen
wie Partikeln, führt sie im Falle einer erstarrungsbegleitenden Behandlung zu
einer Durchmischung, aus der eine Senkung des ∆T resultiert und die zu höheren
Abkühlgeschwindigkeiten führen kann.
Gießtechnologische
Anwendungsmöglichkeiten
Isotherme Vorbehandlung
Die isotherme Behandlung eignet sich besonders für die Vorbehandlung,
insbesondere die Entgasung, geringer Schmelzevolumen. Die Parameterauswahl
findet dabei so statt, dass die Kavitationsblasen nicht implodieren, sondern
zur Oberfläche aufsteigen und damit den in ihnen enthaltenen Wasserstoff aus
der Schmelze entfernen.
Einsatzfeld:
Kleine
Schmelzmengen; weitestgehend unabhängig vom Gießverfahren
Schmelzeflussbehandlung
Diese Variante dient der Erhöhung der Schmelzequalität bei kontinuierlichen
Prozessen, wie bspw. dem Stranggießen. Durch das Passieren der aktiven
Behandlungszone (Kavitationszone) wird die Benetzbar-keit und Verteilung von in
der Schmelze enthaltenen Partikeln verbessert.
Einsatzfeld:
Stranggießen; Prozesse mit rel. langen Fließwegen o. geringenFließgeschwindigkeiten
Erstarrungsbegleitende Behandlung
Der Einsatz von Ultraschall während der Erstarrung kommt im
Wesentlichen beim klassischen Schwerkraftgießen zum Einsatz und macht sich u.a.
den Effekt zu nutze, dass entstehendes Gefüge, bspw. Dendriten, durch die bei
der Implosion der Kavitationsblasen freigesetzte Stoßwellen zerschlagen werden.
Die dabei entstehenden Gefügebestandteile werden durch die akustische Strömung
in der Schmelze verteilt und dienen als Basis für die weitere Gefügeausbildung
während der Erstarrung.
Einsatzfeld:
Kokillengießen; Gussteile mit großen Speisern; vorwiegend
großvolumigere Gussteile
