Warum die Ultraschall-Entgasung mit Sialon-Sonotroden Graphitrotoren in geschmolzenem Aluminium übertrifft

Akustische Kavitation entfernt gelösten Wasserstoff und verfeinert gleichzeitig die Kornstruktur – ohne Argon, ohne Graphitverunreinigung und mit Sialon-Keramiksonotroden, die dort beständig sind, wo Titan versagt. Ultraschall-Entgasungssonotroden aus Sialon sind der Schlüssel zu diesem fortschrittlichen Verfahren.

26. Juli 2026 · 9 Minuten Lesezeit

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TL;DR

Gelöster Wasserstoff ist die Hauptursache für Porosität in Aluminiumgussteilen; grobes Korngefüge verstärkt jede nachfolgende mechanische Schwäche. Die Rotationsentgasung mit Graphitrotoren entfernt zwar Wasserstoff, führt aber zu Verunreinigungen, verbraucht Argon, erzeugt Schlacke und erfordert eine separate Kornfeinung. Die Ultraschallentgasung hingegen erledigt beides gleichzeitig – sie entfernt Wasserstoff durch akustische Kavitation und verfeinert das Korn durch dieselbe Stoßwellenenergie – ohne Trägergas, ohne Verunreinigungen und mit dreimal kürzeren Behandlungszeiten als bei Systemen mit Rührwerk. Der limitierende Faktor war bisher die Sonotrode: Titan versagt oberhalb von 700 °C, Graphit verunreinigt die Schmelze. Sialon-Keramiken lösen beide Probleme – sie sind chemisch inert gegenüber Aluminium, thermisch stabil und speziell für die Ultraschallübertragung in geschmolzenes Metall entwickelt. Die einzigartige Effektivität des Systems beruht auf der Eliminierung stehender Wellen – ein entscheidender Konstruktionsvorteil, der eine gleichmäßige Schallfeldverteilung in der gesamten Schmelze ermöglicht, wie auf ultrasonicdegassing.com.

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Das Problem, das jedes Castingstudio kennt, aber selten quantifiziert

Flüssiges Aluminium enthält bei 750 °C etwa 0,65 cm³ gelösten Wasserstoff pro 100 g Metall. Sobald es erstarrt, sinkt die Gleichgewichtslöslichkeit auf 0,034 cm³/100 g – ein Rückgang um 94 %. Der Wasserstoff, der nicht mehr in Lösung bleibt, muss entweichen. Erstarrt das Gussteil schnell genug, entstehen Poren: ein großes Problem für Strukturbauteile und druckdichte Bauteile.

Ein Gramm gelöster Wasserstoff in einer Tonne flüssigem Aluminium kann zu einer Porosität von 2–3 % im fertigen Gussteil führen – ein Wert, der sich aus einfachen thermodynamischen Gesetzen ergibt und nicht auf einem Worst-Case-Szenario der Industrie basiert. Für Strukturbauteile in der Luft- und Raumfahrt sowie der Automobilindustrie ist dies allein schon ein Ausschlusskriterium. Bei allen Bauteilen, bei denen Dauerfestigkeit oder Druckbeständigkeit entscheidend sind, ist Porosität der Ausgangspunkt für Versagen.

Der Wasserstoff gelangt aus dem Wasserdampf der Atmosphäre, aus feuchten Einsatzmaterialien und aus feuchten Werkzeugen in die Schmelze. Bei 750 °C und 30 % relativer Luftfeuchtigkeit benötigt die natürliche Entgasung – also das Halten der Schmelze und Abwarten – bis zu einer Stunde, um den industrieüblichen Restwasserstoffgehalt von 0,1–0,2 cm³/100 g. In einer Gießerei wird dies nicht praktiziert.

Die Kornstruktur ist die zweite Variable. Grobe, säulenförmige Körner in einem DC-gegossenen Block führen zu ungleichmäßigen mechanischen Eigenschaften, anisotropem Verformungsverhalten und erhöhter Anfälligkeit für Heißrisse während der Erstarrung. Die Kornfeinung erfolgt üblicherweise durch Zugabe von Titan-Bor-Vorlegierungen (TiBAl) zur Schmelze – effektiv, aber ein zusätzliches Verbrauchsmaterial, eine zusätzliche Logistikkette und ein erhöhtes Kontaminationsrisiko bei Dosierungsfehlern.

Die Frage, die sich stellt, ist, warum die Branche dies immer noch als zwei separate Probleme behandelt, die zwei separate Prozesse erfordern.

Wie die Rotationsentgasung funktioniert – und wo sie an ihre Grenzen stößt

Der Standardansatz: Rotationsentgasung

Das Standardverfahren ist ein Rotationsentgaser: Ein Graphitrotor wird mit hoher Geschwindigkeit in die Schmelze gedreht und leitet Argon (oder Argon-Chlor-Gemische) durch die Rotorwelle ein, wodurch es als feine Bläschen im gesamten Ofen verteilt wird. Wasserstoff diffundiert gemäß dem Sievertschen Gesetz aus der Schmelze in die Argonbläschen, die ihn zur Oberfläche transportieren.

Es funktioniert. Es funktioniert seit Jahrzehnten. Aber es gibt strukturelle Einschränkungen, die durch die Erfahrung in der Gießerei sehr vertraut geworden sind.

Graphitverunreinigung

Der Rotor verschleißt. Graphitpartikel gelangen in die Schmelze. In Aluminiumlegierungen können sich dadurch Aluminiumcarbidphasen (Al₄C₃) bilden, die spröde, feuchtigkeitsempfindlich und schwer durch Filtration zu entfernen sind. Die Verunreinigung ist tückisch – sie ist so gering, dass sie die vorgelagerten Qualitätskontrollen übersieht und sich erst durch Oberflächenverfärbungen oder mechanische Anomalien an den Fertigteilen bemerkbar macht.

Rotorverschleiß und -ausfall

Graphit ist spröde. Rotorausfälle – Risse oder Brüche – sind nicht selten, insbesondere bei Temperaturschocks durch kalte Zufuhr oder mangelhafte Vorwärmung. Ein defekter Rotor bedeutet ungeplante Stillstandszeiten und eine Schmelze, die vor der Weiterverarbeitung untersucht werden muss.

Argon Logistics

Jedes Kilogramm Argon muss beschafft, geliefert, gelagert und verwaltet werden. Argon-Chlor-Gemische (die in einigen Verfahren noch zur Entgasung von Flussmitteln eingesetzt werden) erhöhen die regulatorische Komplexität. Chlor reagiert mit Aluminium zu Aluminiumchlorid (AlCl₃), einem wirksamen Flussmittel, das jedoch sorgfältige Handhabung und Entsorgung erfordert.

Schlackenbildung

Die intensive Rührwirkung eines Rotationsentgasers zerstört die schützende Aluminiumoxidschicht auf der Schmelzoberfläche. Oxid wird in die Schmelze mitgerissen, und das Schlackenvolumen an der Oberfläche nimmt deutlich zu. Mehr Schlacke bedeutet höhere Materialverluste und längere Reinigungszeiten zwischen den Schmelzvorgängen.

Beschränkter Schmelzzugang

Ein in einem Ofen oder einer Gießpfanne positionierter Rotationsentgaser behandelt das Volumen um den Rotor herum effektiv. Bei großen Schmelzkörpern gibt es jedoch Bereiche – Ecken, abgelegene Stellen –, in denen die Zirkulation eingeschränkt und die Wasserstoffentfernung unvollständig ist. Um dies zu kompensieren, sind mehrere Einführpunkte oder aufwendige Lanzenbewegungen erforderlich.

Die eigentliche Frage

Keiner dieser Gründe rechtfertigt, die Rotationsentgasung sofort aufzugeben; es handelt sich um Betriebskosten, die jede Gießerei mittlerweile zu tragen gelernt hat. Die Frage ist, ob diese Kosten überhaupt getragen werden müssen.

Akustische Kavitation: Die Physik hinter der Ultraschall-Entgasung

Führt man einen Ultraschallwandler in eine Flüssigkeit ein, so zerreißt sich die Flüssigkeit oberhalb einer kritischen Leistungsschwelle – kurzzeitig, wiederholt und millionenfach gleichzeitig. Dies ist akustische Kavitation, und sie unterscheidet die Ultraschall-Entgasung grundlegend von Verfahren, die auf der Zufuhr von Gas basieren.

Die fünf Phasen der Ultraschall-Entgasung in geschmolzenem Aluminium

Der Prozess in geschmolzenem Aluminium umfasst fünf Phasen:

1. Nukleation

Sinkt der Ultraschalldruck unter den Sättigungsdampfdruck der Schmelze, bilden sich Kavitationsblasen an vorhandenen Unregelmäßigkeiten – Aluminiumoxid-Einschlüssen, Mikroblasen, Korngrenzen. Dies sind die Kavitationskeime.

2. Gleichgerichtete Diffusion

Während der Niederdruckphase jedes akustischen Zyklus dehnt sich die Blase aus, und ihr innerer Wasserstoffpartialdruck sinkt unter die lokale Schmelzkonzentration. Atomarer Wasserstoff aus dem umgebenden Metall diffundiert in die Blase. Aufgrund der Asymmetrie der Schwingung strömt bei der Ausdehnung mehr Wasserstoff ein als bei der Kompression austritt – es kommt zu einer Nettoakkumulation.

3. Rekombination

Innerhalb der Blase rekombiniert atomarer Wasserstoff (H) zu molekularem Wasserstoff (H₂), der sich nicht mit der gleichen Geschwindigkeit wieder in der Aluminiummatrix lösen kann. Die Blase enthält nun einen wachsenden H₂-Vorrat.

4. Verschmelzung

Durch Bjerknes-Kräfte (akustischer Strahlungsdruck) und Bernoulli-Effekte ziehen sich benachbarte Blasen an und verschmelzen zu größeren, leichteren Strukturen.

5. Auftrieb und Freisetzung

Die akustische Strömung – die durch das Ultraschallfeld hervorgerufene Massenströmung – transportiert die verschmolzenen Blasen durch die Schmelze nach oben. An der Oberfläche platzen sie, und der Wasserstoff entweicht.

Der kritische Parameter: Kavitationsschwelle

Der entscheidende Parameter ist die Kavitationsschwelle. In Wasser tritt Kavitation leicht auf. In flüssigem Aluminium bei 700 °C ist die Schwelle deutlich höher – die Schmelze ist dichter, viskoser und besitzt eine höhere Oberflächenspannung als Wasser. Generatoren für die Behandlung von Aluminiumschmelzen müssen daher eine ausreichende akustische Intensität liefern, um diese Schwelle im gesamten Behandlungsvolumen zu überschreiten, nicht nur an der Sonotrodenspitze. Dies stellt eine komplexe technische Herausforderung dar und ist der Grund dafür, dass frühe Ultraschall-Entgasungssysteme in den 1960er- und 1970er-Jahren – darunter das sowjetische System UZD-200 (10 kW, 19,5 kHz, 250 kg Kapazität) – zwar das Prinzip demonstrierten, aber Schwierigkeiten hatten, es wirtschaftlich zu skalieren.

Getreideveredelung als kostenlose Leistung

Das gleiche Kavitationsfeld, das Wasserstoff austreibt, bewirkt noch etwas anderes: Es verfeinert die Kornstruktur. Beim Kollaps einer Blase entsteht eine Stoßwelle mit einem Druck von über 400 MPa und ein lokaler Temperaturanstieg von über 1000 K.Diese Stoßwellen fragmentieren bestehende Dendriten, zerstören säulenförmige Korngrenzen und erzeugen Tausende neuer Keimbildungsstellen für gleichachsiges Kornwachstum. Das Ergebnis ist eine feinere, gleichmäßigere Kornstruktur – ganz ohne TiBAl-Zusatz.

In einer dokumentierten Studie an einer Al-Mg-Sc-Legierung reduzierte eine Ultraschallbehandlung bei niedrigerer Gießtemperatur (700 °C statt 800 °C) die durchschnittliche Korngröße von 487 ± 20 µm auf 103 ± 2 µm – eine Reduktion um 78 %. Selbst ohne die Temperaturreduktion zeigte die progressive Behandlung eine Korngrößenreduktion von ca. 5,5 % pro 20 Sekunden Behandlungsdauer, wobei sich die Reduktion nach 20 Sekunden weiter fortsetzte. Dies ist keine geringfügige Verbesserung; es handelt sich um eine Mikrostrukturveränderung, für die bisher die Zugabe einer Vorlegierung und eine sorgfältige Prozesskontrolle erforderlich waren.

Das Sonotrodenproblem – und warum Sialon-Keramik es löst

Die Sonotrode: Der hartnäckige Flaschenhals

Alles oben Beschriebene hängt von einer Schlüsselkomponente ab: der Sonotrode. Diese Sonde koppelt akustische Energie vom Wandler in die Schmelze ein. Jahrzehntelang stellte die Sonotrode jedoch den Flaschenhals dar.

Titan-Sonotroden

Titan-Sonotroden sind Standard in der Ultraschallbehandlung von Wasser, Polymeren und Lebensmitteln. In geschmolzenem Aluminium oberhalb von 700 °C löst sich Titan jedoch rasch auf. Die daraus resultierende Titanverunreinigung ist nicht nur ein metallurgisches Problem. In Aluminiumlegierungen stört überschüssiges Titan die Kornfeinungsmechanismen, die eigentlich gefördert werden sollen. Daher beträgt die Lebensdauer einer Titan-Sonotrode in einem großvolumigen Aluminiumofen nur wenige Stunden, nicht Monate.

Niob und hochschmelzende Metalle

Niob und hochschmelzende Metalle wurden getestet. Sie weisen eine längere Lebensdauer auf, sind aber teuer, schwierig in komplexe Sonotrodengeometrien zu verarbeiten und unterliegen weiterhin der Erosion in der Kavitationszone.

Graphit

Graphit ist in Aluminium chemisch relativ stabil, besitzt aber keine brauchbaren akustischen Eigenschaften für die Ultraschallübertragung – sein Elastizitätsmodul ist zu niedrig, um die erforderliche akustische Energie ohne übermäßige Dämpfung zu übertragen.

Sialon-Keramiken – Silizium-Aluminium-Oxynitrid, die Materialklasse, an deren Entwicklung Sialon Ceramics ApS 40 Jahre gearbeitet hat – vereinen die Eigenschaften, die die Sonotrodenanwendung erfordert:

Chemische Inertheit. Sialon benetzt geschmolzenes Aluminium nicht und löst sich darin nicht auf. Die Grenzfläche zwischen einer Sialon-Sonotrodenspitze und der Schmelze ist auch über längere Behandlungszyklen hinweg chemisch stabil. Es findet keine Titanaufnahme, keine Kohlenstoffverunreinigung und keine Bildung von Sekundärphasen statt.

Temperaturwechselbeständigkeit. Eine Sonotrode wird in eine 700–800 °C heiße Schmelze eingeführt, herausgezogen und wieder eingeführt. Die meisten Keramiken reißen unter dieser Temperaturwechselbeanspruchung. Die kombinierte Si₃N₄-Al₂O₃-Struktur von Sialon verleiht ihm eine deutlich höhere Temperaturwechselbeständigkeit als Aluminiumoxid oder Zirkonoxid – dieselbe Eigenschaft, die Sialon-Heizrohre und Thermoelement-Schutzrohre in Gießereiumgebungen langlebig macht, wo Bauteilausfälle durch Temperaturwechselbeanspruchung die übliche Ausfallursache für herkömmliche Keramiken sind.

Elastizitätsmodul für die akustische Übertragung. Für eine effiziente Einkopplung der akustischen Energie in die Schmelze ist ein Sonotrodenmaterial mit einem für den Frequenzbereich geeigneten Elastizitätsmodul erforderlich (typischerweise 15–25 kHz für die industrielle Aluminiumverarbeitung). Sialon-Keramiken besitzen den erforderlichen Elastizitätsmodul, um Ultraschallamplituden zu übertragen, ohne dass Energie im Sonotrodenkörper selbst absorbiert wird – die Energie gelangt direkt in die Schmelze, wo sie benötigt wird.

Geometrische Flexibilität. Die Sonotrodenkonstruktion ist entscheidend für die Schallfeldverteilung. Sialon kann mit Toleranzen von ±0,02 mm, was eine präzise Kontrolle der Sonotrodengeometrie und des resultierenden Schallfeldprofils in der Schmelze ermöglicht. Sialon Ceramics fertigt zudem Komponenten mit einer Länge von bis zu 3.000 mm aus Siliziumkarbid, was die für großformatige Sonotrodenbaugruppen erforderliche Fertigungskompetenz unterstreicht.

Was die Zahlen tatsächlich zeigen

Die Leistungsfähigkeit der Ultraschall-Entgasung ist in der Fachliteratur umfassend dokumentiert und wird durch unabhängige Forschungsergebnisse von Institutionen wie der Brunel University (BCAST) und dem Oak Ridge National Laboratory. Die wichtigsten Ergebnisse an einer Al-Si-Mg-Legierungscharge:

| Metrisch | Vor der Behandlung | Nach der Ultraschallbehandlung | Änderung | | — | — | — | — | | Wasserstoffgehalt | 0,35 cm³/100 g | 0,17 cm³/100 g | -52 % | | Dichte | 2,660 g/cm³ | 2,706 g/cm³ | +1,7 % | | Porositätsbewertung | 4 (Skala) | 1-2 (Skala) | >50 % Reduzierung | | Zugfestigkeit | 200 MPa | 245 MPa | +22,5 % | | Bruchdehnung | 3,8 % | 5,1 % | +34 % |

Die Verbesserung der Dehnung ist besonders signifikant. Die Dehnung reagiert empfindlich auf den Oxidfilmgehalt (Bifilm-Index) sowie auf die Porosität. Die Tatsache, dass sich die Dehnung um 34 % verbessert – mehr als allein durch die Wasserstoffreduktion erklärbar ist – spiegelt die Rolle von Kavitationsstoßwellen beim Aufbrechen und Umverteilen von Bifilm-Oxideinschlüssen wider, die mit herkömmlichen Filtrationsmethoden nicht sichtbar sind.

Bei kontinuierlichen DC-Gießverfahren mit industriellen Durchflussraten von 70–100 kg/minwurde durch Ultraschallbehandlung eine 1,5- bis 2-fache Reduzierung der Wasserstoffkonzentration in der Schmelze erzielt – ein Ergebnis, das mit einer einzelnen, korrekt in der Gießrinne positionierten Sonotrode erreicht wird. Die Behandlungszeit bis zum Erreichen des industrieüblichen Restwasserstoffgehalts von 0,1–0,2 cm³/100 g beträgt im Batch-Betrieb 5–10 Minuten – vergleichbar mit einem Drehrohrentgaser, jedoch ohne Argonverbrauch und mit gleichzeitiger Kornfeinung.

Rotations- vs. Ultraschallgeräte: Ein ehrlicher Vergleich

Wasserstoffentfernungsmechanismus

Rotierende Systeme basieren auf der Diffusion von Argonblasen. Ultraschallsysteme hingegen nutzen akustische Kavitation.

Trägergas

Die Rotationsentgasung benötigt ein Trägergas. Zur Auswahl stehen Argon, Stickstoff oder Argon-Chlor-Gemische. Im Gegensatz dazu benötigt die Ultraschallentgasung kein Trägergas.

Kontaminationsrisiko

Graphitrotoren können Kohlenstoff einbringen. Dadurch kann sich Aluminiumcarbid (Al₄C₃) bilden. Sialon-Sonotroden hingegen sind inert und verursachen daher keine Verunreinigungen.

Schlackenbildung

Durch das Drehen des Rührwerks wird die Schmelzoberfläche gestört. Dies führt zu hohen Schlackenmengen. Die Ultraschallbehandlung hingegen erzeugt etwa fünfmal weniger Schlacke.

Behandlungsgeschwindigkeit

Die Rotationsentgasung legt die Basisgeschwindigkeit fest. Im Vergleich dazu läuft die Ultraschallbehandlung etwa dreimal schneller ab.

Kornfeinung

Rotationssysteme verfeinern die Kornstruktur nicht. Stattdessen ist ein separater Prozess oder ein Zusatzstoff erforderlich. Ultraschallsysteme hingegen verfeinern die Körner gleichzeitig. Zudem ist kein Zusatzstoff notwendig.

Bewegliche Teile

Rotierende Anlagen besitzen bewegliche Teile: Rotor, Welle und Dichtungen. Ultraschallsysteme hingegen weisen keine beweglichen Teile in der Schmelze auf.

Schmelzqualität (Bifilm)

Die Rotationsentgasung führt nur zu einer begrenzten Verbesserung der Bifilmbildung. Ultraschallkavitation hingegen bricht Bifilme auf und verbessert dadurch die Schmelzequalität.

Betriebskosten

Die Kosten für rotierende Systeme umfassen die Argonversorgung und den häufigen Rotorwechsel. Im Gegensatz dazu beschränken sich die Kosten für Ultraschallsysteme hauptsächlich auf die Wartung der Sonotrode.

Skalierbarkeit

Rotationssysteme haben sich bereits für große Schmelzvolumina bewährt. Ebenso lassen sich Ultraschallsysteme mit Mehrsonotroden-Designs gut skalieren.

Die Rotationsentgasung ist nicht veraltet. Bei sehr großen Schmelzmengen mit etablierter Argoninfrastruktur benötigt die Anschaffung eines Ersatzes Zeit, um die Wirtschaftlichkeit zu ermitteln. Doch für Neuanlagen, Gießereien, die ihren Argonverbrauch überprüfen, und alle Betriebe, bei denen Graphitverunreinigungen ein wiederkehrendes Qualitätsproblem darstellen, sprechen die Kostenrechnungen für Ultraschallsysteme – insbesondere wenn die Kornfeinung als Prozessschritt berücksichtigt wird, der andernfalls eine TiBAl-Vorlegierung erfordern würde.

„Die Ultraschallentgasung erzeugt mehr als fünfmal weniger Schlacke als die Argon-Rotationsentgasung und erreicht gleichzeitig eine dreimal schnellere Wasserstoffreduktionskinetik als die rührwerksgetriebene Gasentfernung.“ – Brunel University BCAST, Überblick über die Entwicklung der Ultraschallentgasung

Integration im Castinghaus

Ultraschall-Entgasungsanlagen sind keine monolithischen Systeme. Die Konfiguration hängt vom jeweiligen Prozess ab:

Chargenweise (Ofen- oder Pfannenbehandlung).

Die Bediener führen die Sonotrode mithilfe eines Positionierarms in die Schmelze ein. Sie behandeln die Schmelze 5–10 Minuten lang und ziehen die Sonde anschließend heraus. Dieses Verfahren erfordert die geringsten Investitionskosten und ist mit der bestehenden Ofeninfrastruktur kompatibel. Die Bediener können die Sonotrode durch programmierte Positionen bewegen, um eine optimale akustische Abdeckung großer Schmelzvolumina zu gewährleisten. Moderne Anlagen nutzen für diese Aufgabe zunehmend robotergestützte Positionierung.

Inline-Behandlung (Wasch- oder Sumpfbehandlung).

Die Bediener positionieren die Sonotrode im Schmelzestrom – entweder in der Rinne zwischen Ofen und Stranggießanlage oder direkt im Gießbecken. Das System behandelt das Metall kontinuierlich bei Durchflussraten von bis zu 100 kg/min in dokumentierten Industrieanlagen. Vertikale Stranggießanlagen von Wagstaff und Bruno Presezzi nutzen diese Konfiguration. Sie erzielt die größte Qualitätsverbesserung pro Tonne und verlängert die Zykluszeit nicht.

Hybrid (Gas + Ultraschall).

Einige Sonotrodenkonstruktionen verfügen über einen zentralen Kanal zur Gaseinleitung. Dadurch wird die Argonlanze mit dem Ultraschallfeld kombiniert. Diese Kombination ermöglicht es Anlagen, ihre bestehende Entgasungsinfrastruktur beizubehalten und gleichzeitig eine kavitationsgetriebene Kornfeinung sowie eine geringere Schlackenbildung zu erzielen. Für Betriebe, die bereits Kapital in Gasversorgungssysteme investiert haben, stellt dies einen logischen Übergangsweg dar.

Die Anforderungen an den Generator sind unkompliziert. Aktive Arc Sarl – das Schweizer Ultraschall-Engineering-Unternehmen hinter der NIMA-Generatorreihe – entwickelt industrielle Ultraschallsysteme für die Aluminiumschmelzenbehandlung. Diese arbeiten typischerweise mit einer Frequenz von ca. 19,7 kHz und automatischer Frequenzanpassung in Leistungsbereichen von 100 W bis 4.000 W (höhere Leistungen auf Anfrage). Dank ihres Designs ohne stehende Wellen können große Schmelzvolumina ohne die Feldinhomogenitäten behandelt werden, die frühere Anlagen beeinträchtigten. Gemeinsam mit Sialon Ceramics ApSbetreibt Aktive Arc das Technologieportal ultrasonicdegassing.com . Dort präsentieren beide Unternehmen integrierte Systemkonfigurationen, die NIMA-Generatoren mit Sialon-Keramiksonotroden zu einer Komplettlösung für die Entgasung kombinieren.

Probieren Sie das integrierte System aus

Für eine effektive Ultraschallentgasung von geschmolzenem Aluminium müssen zwei Komponenten zusammenwirken: ein Generator, der eine ausreichende Schallintensität oberhalb der Kavitationsschwelle im flüssigen Metall liefert, und eine Sonotrode, die die Schmelze übersteht, ohne sie zu verunreinigen. Genau diese Kombination Sialon Ceramics ApS und Aktive Arc Sarl gemeinsam entwickelt.

Sialon Ceramics ApS fertigt Keramiksonotroden – Bauteile aus Silizium-Aluminium-Oxynitrid mit einem Elastizitätsmodul von 345 GPa, die in geschmolzenem Aluminium nicht benetzend wirken und über Tausende von Einschubzyklen hinweg temperaturwechselbeständig sind. Dank 40 Jahren Erfahrung in der Entwicklung von Hochleistungskeramik für die Metallverarbeitung bei extremen Temperaturen werden die Sonotroden von Sialon mit Toleranzen von ±0,02 mm und für den Dauerbetrieb bei 1400 °C im direkten Schmelzekontakt ausgelegt.

Aktive Arc Sarl (Neuchâtel, Schweiz) liefert die NIMA-Ultraschallgeneratorsysteme – speziell entwickelt für die Behandlung von flüssigem Metall, mit automatischer Frequenzanpassung, programmierbarer Steuerung und auf Chargen- oder Stranggießvolumina abgestimmten Leistungskonfigurationen. Das 2001 gegründete und von Mario PlasenciaUnternehmen Aktive Arc bringt 25 Jahre Erfahrung in der Entwicklung von Leistungsultraschallgeneratoren ein.

Gemeinsam präsentieren beide Unternehmen integrierte Systemkonfigurationen auf ultrasonicdegassing.com. Wenn Ihre Gießerei die Ultraschallentgasung evaluiert – oder wenn Graphitverunreinigungen, Argonverbrauch oder Kosten für TiBAl-Vorlegierungen bereits ein Problem darstellen – ist dies der Ausgangspunkt für Systemspezifikationen, die auf Ihr Schmelzvolumen und Ihre Prozesskonfiguration abgestimmt sind.

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Häufig gestellte Fragen

Wie entfernt Ultraschallentgasung Wasserstoff aus geschmolzenem Aluminium?

Ultraschallwellen erzeugen akustische Kavitation – Millionen mikroskopisch kleiner Bläschen, die in der Schmelze entstehen, oszillieren und kollabieren. Während der Niederdruckphase jedes Oszillationszyklus diffundiert gelöster atomarer Wasserstoff in die Bläschen und rekombiniert zu molekularem H₂. Die Bläschen verschmelzen und steigen zur Oberfläche auf, wobei sie Wasserstoffgas freisetzen. Mit diesem Verfahren lässt sich der Wasserstoffgehalt einer Al-Si-Mg-Legierungscharge durch eine einzige Behandlung von 0,35 cm³/100 g auf 0,17 cm³/100 g (eine Reduzierung um 52 %) senken.

Was ist der Bifilm-Index und wie wird er durch Ultraschallbehandlung beeinflusst?

Der Bifilm-Index misst die Gesamtlänge der Oxidschichten (Bifilme) auf einem polierten Querschnitt eines Gussteils. Er ist ein direkter Indikator für die Schmelzqualität und sagt zudem mechanisches Versagen voraus. Bifilme entstehen, wenn sich die Aluminiumoxidschicht auf der Schmelzoberfläche während des turbulenten Gießens zurückfaltet. Die gefalteten Schichten werden im Metall eingeschlossen. Ultraschallkavitation bricht diese Oxidschichten auf. Das Verfahren nutzt Stoßwellen mit Drücken von über 400 MPa. Dadurch wird der Bifilm-Index reduziert und die Anzahl potenzieller Rissbildungsstellen verringert. Fertige Gussteile weisen anschließend messbar höhere Dehnungswerte auf.

Warum sollte man Sialon-Keramiksonotroden anstelle von Titan oder Graphit verwenden?

Titan-Sonotroden erodieren in geschmolzenem Aluminium oberhalb von 700 °C rasch und verunreinigen die Schmelze mit Titanpartikeln. Graphit löst sich auf und führt Kohlenstoff ein, der in Aluminiumlegierungen Karbidphasen bilden kann. Sialon-Keramiken sind gegenüber geschmolzenem Aluminium chemisch inert, thermisch stabil bis 1100 °C, stoßfest über Tausende von Temperaturzyklen und besitzen einen Elastizitätsmodul, der für eine effiziente Ultraschallübertragung geeignet ist. Das Ergebnis ist eine Sonotrode mit deutlich längerer Lebensdauer und ohne Verunreinigung der Schmelze – was sie zur einzigen Materialklasse macht, die sowohl metallurgisch unbedenklich als auch mechanisch im industriellen Maßstab einsetzbar ist.

Lässt sich die Ultraschall-Entgasung in eine kontinuierliche Gleichstrom-Gießanlage integrieren?

Ja. Ingenieure haben Inline-Konfigurationen beim vertikalen DC-Gießen (Direktkühlgießen) mit Durchflussraten von 70–100 kg/min demonstriert. Diese Anlagen reduzieren die Wasserstoffkonzentration in der Schmelze um das 1,5- bis 2-Fache. Die Bediener können die Sonotrode in der Gießrinne oder im Sumpf positionieren.

Die Chargenbehandlung ist auch für Gießereiöfen und -pfannen geeignet. Der wichtigste Konstruktionsaspekt ist die akustische Leistungszufuhr – die Ultraschallintensität muss die Kavitationsschwelle für flüssiges Metall überschreiten, die höher ist als für Wasser.

Benötigt die Ultraschall-Entgasung Argon oder andere Trägergase?

Nein – das ist einer der Hauptvorteile gegenüber der Rotationsentgasung. Rotationssysteme benötigen Argon (oder Stickstoff oder Chlor-Argon-Gemische), um Wasserstoff aus der Schmelze zu entfernen. Ultraschallkavitation ist rein mechanisch: Das Schallfeld erzeugt die Keimbildungsstellen und treibt den Wasserstoff ohne Trägergas heraus. Dadurch entfallen Gasbeschaffung, -lagerung, die dazugehörige Infrastruktur und die damit verbundenen Umweltbelastungen. Außerdem wird die Beschädigung der schützenden Aluminiumoxidschicht, die durch die Argonzufuhr verursacht wird, vermieden.