Ultraschallische Verfeinerung von Metallen

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Dieser Beitrag wurde zuletzt von cy1125915 am 29.09.2015 um 11:17 bearbeitet. Um die Struktur von Aluminiumlegierungsgussteilen zu verbessern, ist die Behandlung des Metallflusses mit Ultraschallvibrationen eine äußerst wirksame Methode. Ultraschall weist einzigartige akustische Eigenschaften auf. Wenn während des Erstarrens von Metallen oder Legierungen Ultraschallvibrationen angewandt werden, verändert sich die Struktur der erstarrten Gussstücke: Anstelle großer, kolbenförmiger Kristalle entstehen gleichmäßig kleine, isometrische Kristalle. Zudem verbessern sich sowohl die makroskopischen als auch die mikroskopischen Ungleichverteilungen im Gussstück. Es gibt derzeit mehrere Theorien bezüglich des Mechanismus, durch den Ultraschall die Struktur von Gusslegierungen verfeinert. Die weit verbreitete Ansicht ist, dass das Phänomen der Blasenbildung dazu führt, dass in dem flüssigen Metall Kerne entstehen – also die sogenannte Kernbildungstheorie ； Eine andere Theorie ist die Theorie des Kristallbruchs. Die Ultraschallbehandlung ist eine neue Methode zur Reinigung von Aluminiumlegierungsflüssigkeiten. Dabei werden Ultraschallwellen genutzt, um Kavitation in der Flüssigkeit zu erzeugen. Dadurch wird die Kontinuität der Flüssigkeit unterbrochen und es entstehen Blasen. Diese Blasen sammeln die im Aluminiumbad gelösten Gase zusammen. Die elastischen Schwingungen des Ultraschalls fördern die Bildung von Kristallkernen in den Blasen sowie deren Anwachsen auf eine bestimmte Größe – dadurch wird eine effektive Ablagerung der Gase gewährleistet. Aus der aktuellen Forschung zur Anwendung von Ultraschall in der Stahlverarbeitung geht hervor, dass Ultraschall große Anwendungsmöglichkeiten in diesem Bereich bietet. Er kann dazu verwendet werden, Gase sowie Verunreinigungen aus dem Stahlbad zu entfernen. Zudem kann er die Oberflächenqualität sowie die innere Struktur des Gusses verbessern. Außerdem kann Ultraschall bei der Entwicklung von Legierungen sowie neuer Materialien eingesetzt werden, für die bestimmte Eigenschaften erforderlich sind. 　　Doch in der Metallverarbeitungsindustrie findet es außer zur Fehlererkennung nur selten Anwendung. Heute ermöglichen die erfolgreichen Entwicklungen neuer Materialien die Herstellung leistungsstarker Ultraschallwandler. Dadurch werden die Einschränkungen der herkömmlichen Wandler – nämlich geringe Leistung und niedrige Energieeffizienz – überwunden. Dadurch wird es möglich, Ultraschall in der Metallverarbeitungsindustrie, insbesondere bei der Raffination, einzusetzen. Zudem befindet sich die Stahlindustrie in China gerade in einer guten Phase, in der der Fokus von der Steigerung der Produktion auf die Verbesserung der Qualität sowie auf Energieeinsparungen verlagert wird. Dadurch haben Ultraschalltechnologien gute Entwicklungschancen und praktischen Wert. Ultraschall zur Beseitigung von Verunreinigungen – Es ist sehr schwierig, die kleinen Verunreinigungen im Stahlfluss nach oben zu bringen. Erst wenn sich diese Verunreinigungen anhäufen, wird es einfacher, sie nach oben zu befördern. Es wurden Untersuchungen zum Verhalten der Verunreinigungen in Lösungen unter Verwendung von Ultraschall durchgeführt. Dabei wurde festgestellt, dass Ultraschall dazu beitragen kann, die Partikel zu trennen und anzuhäufen. Schwingungsbasierte Entfernung von Verunreinigungen: Mit zunehmender Schwingungsfrequenz nimmt die Anzahl der Schichten zu, in denen sich die kleinen Kugeln im Lösungsmittel anordnen. Zudem verkürzt sich die Zeit, die die kleinen Kugeln benötigen, um in ihre Position für die Suspensionspolymerisation zu gelangen. Dadurch wird es möglich, durch Steuerung der Frequenz sowie durch die Kombination mit Ultraschallwellen die Verunreinigungen im geschmolzenen Metall zu entfernen. Ultraschallentgasung: Wenn elastische Schwingungen in das geschmolzene Metall eingeführt werden, entstehen Kavitationseffekte. Dies liegt daran, dass die Kontinuität der Flüssigkeit durch die entstehenden Löcher unterbrochen wird. Dadurch sammeln sich die im flüssigen Metall gelösten Gase an diesen Stellen. Durch die elastischen Schwingungen der Schallwellen – insbesondere die elastischen Schwingungen von Ultraschallwellen – entstehen Blasenkerne. Diese wachsen stetig an, bis sie eine Größe erreichen, bei der sie problemlos aus dem geschmolzenen Metall herausgeführt werden können. Einfluss von Ultraschall auf die Qualität der Gussstäbe – Ultraschall kann auf den Kristallisator einwirken, um die Oberflächenqualität der Gussstäbe zu verbessern. Die Vibrationen des Ultraschalls können bei der Herstellung von kleinen, großen Gussstäben sowie Platten verwendet werden. Bei Ultraschallvibrationen ist kein negativer Verschub notwendig. Durch die Anwendung von Ultraschallvibrationen am Gießform bei der Herstellung von kleinen und großen Blöcken kann eine sehr glatte Oberfläche der gegossenen Blöcke erreicht werden. Nach der Anwendung von Ultraschallvibrationen beim Gießen der Bleche erhöht sich der Verbrauch an Schutzschlacke, und auch die Tiefe der Vibrationsspuren nimmt zu. Verfeinerung der Körner – Seitdem durch Anwendung einfacher mechanischer Schwingungen während des Abkühlungsprozesses von Stahlblöcken erste Ergebnisse hinsichtlich der Verfeinerung der Körner erzielt werden konnten, hat die Forschung auf dem Gebiet der schwingungsbasierten Abkühlung große Aufmerksamkeit erregt. Die frühen Schwingungsmethoden nutzten einfache mechanische Schwingungen mit niedriger Frequenz und geringer Energiedichte, wie beispielsweise die Verwendung von Kammen, um die Gussform auf und ab zu bewegen. Beim Herstellen von Gusswaren mit der Methode der Ultraschallvibration wird beim Ausbreiten der Ultraschallwellen eine wechselnde Schalldruckkraft erzeugt, wodurch Strömungen entstehen. Aufgrund von nichtlinearen Effekten entstehen außerdem Schallströme und Mikroströmungen. Zudem führt die Ultraschallkavitation an der Grenzfläche zwischen Feststoff und Flüssigkeit zu schnellen Mikroströmungen. All diese Effekte tragen dazu bei, die Kristallstrukturen zu zerstören, die Gefriekante anzustrengen sowie die Vermischung und Diffusion zu fördern. Daraus geht hervor, dass die Wirkung überall dort besteht, wohin eine Flüssigkeit vordringen kann und wo ein Schallfeld vorhanden ist. Durch den Kavitationseffekt in diesem Prozess können Zellen gereinigt, die Kristallite verfeinert und die Struktur der Materialien homogenisiert werden. Neben der durch Vibrationen verursachten mechanischen Zerstörung der Kristallspitzen ist eine weitere wichtige Wirkung der Ultraschallvibrationen bei der Festigung des Metallflüssigkeitszustands die Erhöhung der effektiven Überkühlung. Dadurch wird der kritische Kernradius verringert, wodurch die Neubildungsrate von Kernen gesteigert und die Korngröße verkleinert wird. Die Ultraschallbehandlung während des Gießvorgangs von Aluminium-Silizium-Legierungen kann die Korngröße des Gussprodukts verfeinern. Dadurch verbessern sich die Formbarkeit und Dehnfähigkeit dieser Legierungen, was ihre bessere Verwendung in Baumaterialien sowie als Kolben für Automotormotoren ermöglicht.