Warum die Ultraschallentgasung mit Sialon-Sonotroden bei geschmolzenem Aluminium Graphitrotoren überlegen ist

Durch akustische Kavitation werden gelöster Wasserstoff entfernt und gleichzeitig die Kornstruktur verfeinert – ganz ohne Argon, ohne Graphitverunreinigungen und mit Sialon-Keramik-Sonotroden, die dort bestehen, wo Titan versagt. Sialon-Sonotroden für die Ultraschallentgasung 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; eine grobe Kornstruktur verschlimmert jede nachgelagerte mechanische Schwäche. Die Rotationsentgasung mit Graphitrotoren beseitigt zwar den Wasserstoff, führt jedoch zu Verunreinigungen, verbraucht Argon, erzeugt Schlacke und erfordert eine separate Kornverfeinerung. Die Ultraschallentgasung erledigt beides gleichzeitig – sie treibt den Wasserstoff durch akustische Kavitation aus und verfeinert die Körnung durch dieselbe Stoßwellenenergie –, und zwar ohne Trägergas, ohne Verunreinigungen und mit dreimal schnelleren Behandlungszeiten als bei impellerbetriebenen Systemen. Der begrenzende Faktor war schon immer die Sonotrode: Titan versagt bei Temperaturen über 700 °C, Graphit verunreinigt die Schmelze. Sialon-Keramik löst beide Probleme – sie ist chemisch inert gegenüber Aluminium, thermisch stabil und speziell für die Ultraschallübertragung in geschmolzenes Metall entwickelt. Was das System so einzigartig effektiv macht, ist die Beseitigung stehender Wellen – eine entscheidende konstruktive Errungenschaft, die eine gleichmäßige Verteilung des Schallfeldes in der gesamten Schmelze ermöglicht, wie auf ultrasonicdegassing.com erläutert wird.

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Das Problem, das jede Gießerei kennt, aber selten quantifiziert

Flüssiges Aluminium bei 750 °C enthält etwa 0,65 cm³ gelösten Wasserstoffs 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 bleiben kann, muss irgendwohin. Wenn das Gussteil schnell genug erstarrt, entsteht Porosität: der Fluch von Struktur- und druckdichten Bauteilen.

Ein Gramm gelöster Wasserstoff in einer Tonne flüssigem Aluminium kann im fertigen Gussteil eine Porosität von 2–3 % verursachen – ein Wert, der sich aus einfachen thermodynamischen Berechnungen ergibt und nicht auf einem Worst-Case-Szenario der Industrie basiert. Für Strukturbauteile in der Luft- und Raumfahrt sowie im Automobilbau ist dies allein schon ein Ausschlusskriterium. Bei jedem Bauteil, bei dem die Ermüdungslebensdauer oder die Druckfestigkeit eine Rolle spielt, ist die Porosität der Ausgangspunkt für ein Versagen.

Der Wasserstoff gelangt aus dem Wasserdampf der Atmosphäre, aus feuchten Einsatzstoffen und aus nassen Gussformen in die Schmelze. Bei 750 °C und 30 % relativer Luftfeuchtigkeit dauert die natürliche Entgasung – also das bloße Halten der Schmelze und Abwarten – bis zu einer Stunde, bis der industrielle Standardwert für den Restgehalt von 0,1–0,2 cm³/100 g erreicht ist. Das macht niemand in einer Produktionsgießerei.

Die Kornstruktur ist die zweite Variable. Grobe, säulenförmige Körner in einem DC-gegossenen Knüppel führen zu ungleichmäßigen mechanischen Eigenschaften, einem anisotropen Verformungsverhalten und einer höheren Anfälligkeit für Heißrisse während der Erstarrung. Die Kornverfeinerung erfolgt üblicherweise durch Zugabe von Titan-Bor-Vorlegierungen (TiBAl) zur Schmelze – dies ist zwar effektiv, bedeutet jedoch einen zusätzlichen Verbrauchstoff, eine zusätzliche Logistikkette und ein zusätzliches Verunreinigungsrisiko, falls die Dosierung fehlschlägt.

Die Frage, die man sich stellen sollte, lautet: Warum behandelt die Branche diese beiden Aspekte nach wie vor als zwei getrennte Probleme, die zwei getrennte Prozesse erfordern?

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

Der Standardansatz: Rotationsentgasung

Das Standardverfahren ist ein Rotationsentgaser: Ein Graphitrotor wird mit hoher Drehzahl in die Schmelze eingedreht, wobei Argon (oder Argon-Chlor-Gemische) durch die Rotorwelle eingeleitet und als feine Bläschen im gesamten Ofen verteilt wird. Wasserstoff wandert gemäß dem Sievert-Gesetz aus der Schmelze in die Argonbläschen über, und die Bläschen transportieren ihn an die Oberfläche.

Es funktioniert. Das ist schon seit Jahrzehnten so. Aber es gibt strukturelle Einschränkungen, die einem durch die Erfahrung in der Gießerei nur allzu vertraut sind.

Graphitverunreinigung

Der Rotor unterliegt einer Erosion. Graphitpartikel gelangen in die Schmelze. In Aluminiumlegierungen können sich dadurch Aluminiumkarbidphasen (Al₄C₃) bilden, die spröde und feuchtigkeitsempfindlich sind und sich nur schwer durch Filtration entfernen lassen. Die Verunreinigung ist heimtückisch – sie ist klein genug, um vorgelagerte Qualitätskontrollen zu passieren, und zeigt sich erst in Form von Oberflächenverfärbungen oder mechanischen Anomalien an den Fertigteilen.

Verschleiß und Ausfall des Rotors

Graphit ist spröde. Rotorausfälle – Risse oder Brüche – sind keine Seltenheit, insbesondere bei thermischen Schocks durch die Zugabe kalter Chargen oder unsachgemäßes Vorheizen. Ein ausgefallener Rotor bedeutet ungeplante Stillstandszeiten und eine Schmelze, die überprüft werden muss, bevor der Prozess fortgesetzt werden kann.

Argon Logistics

Jedes Kilogramm des verwendeten Argons muss beschafft, angeliefert, gelagert und verwaltet werden. Argon-Chlor-Gemische (die in einigen Betrieben noch zur Entgasung von Flussmitteln verwendet werden) erhöhen den Verwaltungsaufwand. Chlor reagiert mit Aluminium zu Aluminiumchlorid (AlCl₃), einem wirksamen Flussmittel, das jedoch eine sorgfältige Handhabung und Entsorgung erfordert.

Schlacke-Generation

Durch die kräftige Rührbewegung eines Rotationsentgasers wird die schützende Aluminiumoxidschicht auf der Schmelzoberfläche aufgebrochen. Oxid wird in die Schmelze eingetragen, und das Schlackenvolumen an der Oberfläche nimmt erheblich zu. Mehr Schlacke bedeutet mehr Metallverlust und einen höheren Reinigungsaufwand zwischen den Schmelzgängen.

Eingeschränkter Zugang zur Schmelze

Ein in einem Ofen oder einer Gießpfanne angeordneter Rotationsentgaser behandelt den Raum um den Rotor herum zwar effektiv, doch weisen große Schmelzkörper Bereiche auf – Ecken, abgelegene Stellen –, in denen die Zirkulation eingeschränkt ist und die Wasserstoffentfernung unvollständig bleibt. Um dies auszugleichen, sind mehrere Einführstellen oder aufwendige Lanzenbewegungen erforderlich.

Die eigentliche Frage

Keiner dieser Punkte ist ein Grund, die Rotationsentgasung sofort aufzugeben; es handelt sich um Betriebskosten, mit denen sich jede Gießerei abgefunden hat. Die Frage ist, ob diese Kosten überhaupt in Kauf genommen werden müssen.

Akustische Kavitation: Die physikalischen Grundlagen der Ultraschallentgasung

Führt man einen Ultraschallwandler in eine Flüssigkeit ein, zerreißt sich die Flüssigkeit oberhalb einer kritischen Leistungsschwelle – kurzzeitig, wiederholt und an Millionen von Stellen gleichzeitig. Das ist akustische Kavitation, und genau das unterscheidet die Ultraschallentgasung grundlegend von allen Verfahren, die auf der Einleitung von Gas beruhen.

Die fünf Phasen der Ultraschallentgasung in geschmolzenem Aluminium

Der Prozess in geschmolzenem Aluminium verläuft in fünf Schritten:

1. Keimbildung

Wenn der Ultraschalldruck unter den Sättigungsdampfdruck der Schmelze fällt, bilden sich Kavitationsblasen an vorhandenen Heterogenitäten – Aluminiumoxideinschlüssen, Mikrobläschen, Korngrenzen. Dies sind die Kavitationskeime.

2. Korrigierte Diffusion

Während der Niederdruckphase jedes akustischen Zyklus dehnt sich die Blase aus, und ihr innerer Wasserstoffpartialdruck fällt unter die lokale Konzentration in der Schmelze. Atomarer Wasserstoff aus dem umgebenden Metall diffundiert in die Blase hinein. Die Asymmetrie der Schwingung führt dazu, dass während der Ausdehnung mehr Wasserstoff eindringt, als während der Kompression entweicht – es kommt zu einer Nettoakkumulation.

3. Rekombination

Innerhalb der Blase rekombiniert atomarer Wasserstoff (H) zu molekularem Wasserstoff (H₂), der sich nicht mit derselben Geschwindigkeit wieder in die Aluminiummatrix auflösen kann. Die Blase enthält nun eine wachsende Menge an H₂.

4. Koaleszenz

Durch die Bjerknes-Kräfte (akustischer Strahlungsdruck) und den Bernoulli-Effekt ziehen sich benachbarte Blasen an und verschmelzen zu größeren Strukturen mit höherem Auftrieb.

5. Aufschwimmen und Freisetzung

Durch das akustische Strömen – die durch das Ultraschallfeld ausgelöste Volumenströmung – werden die zusammengewachsenen Blasen nach oben durch die Schmelze transportiert. An der Oberfläche platzen sie auf, und der Wasserstoff entweicht.

Der entscheidende Parameter: Kavitationsschwelle

Der entscheidende Parameter ist die Kavitationsschwelle. In Wasser lässt sich Kavitation leicht erzielen. In flüssigem Aluminium bei 700 °C liegt die Schwelle deutlich höher – die Schmelze ist dichter, zähflüssiger und weist eine höhere Oberflächenspannung auf als Wasser. Generatoren für die Behandlung von Aluminiumschmelze müssen eine ausreichende Schallintensität liefern, um diese Schwelle im gesamten Behandlungsvolumen zu überschreiten, nicht nur an der Sonotrodenspitze. Dies ist ein nicht trivialer technischer Herausstellung und der Grund dafür, dass frühe Ultraschall-Entgasungssysteme in den 1960er- und 1970er-Jahren – darunter das sowjetische UZD-200-System (10 kW, 19,5 kHz, 250 kg Kapazität) – zwar das Prinzip demonstrierten, jedoch Schwierigkeiten hatten, es wirtschaftlich zu skalieren.

Körnungsverfeinerung als kostenloser Zusatzservice

Dasselbe Kavitationsfeld, das Wasserstoff verdrängt, bewirkt noch etwas anderes: Es verfeinert die Kornstruktur. Wenn eine Blase kollabiert, setzt sie eine Stoßwelle mit einem Druck von über 400 MPa und einen lokalen Temperaturanstieg auf über 1000 K frei. Diese Stoßwellen zerteilen bestehende Dendriten, zerstören säulenförmige Kornfronten und schaffen Tausende neuer Keimbildungsstellen für das Wachstum gleichachsiger Körner. Das Ergebnis ist eine feinere, gleichmäßigere Kornstruktur – ganz ohne TiBAl-Zusatz.

In einer dokumentierten Studie an einer Al–Mg–Sc-Legierung führte die Ultraschallbehandlung bei einer reduzierten Gießtemperatur (700 °C gegenüber 800 °C) zu einer Verringerung der durchschnittlichen Korngröße von 487 ± 20 µm auf 103 ± 2 µm – eine Reduzierung um 78%. Selbst ohne die Temperatursenkung zeigte die progressive Behandlung eine Verringerung der Korngröße um etwa 5,5 % pro 20 Sekunden Behandlungsdauer, wobei sich die Verringerung über 20 Sekunden hinaus fortsetzte. Dies ist keine marginale Verbesserung; es handelt sich um eine mikrostrukturelle Veränderung, für deren Erzielung zuvor die Zugabe von Vorlegierungen und eine sorgfältige Prozesssteuerung erforderlich waren.

Das Sonotrodenproblem – und warum Sialon-Keramik es löst

Die Sonotrode: Der anhaltende Engpass

Alles, was oben beschrieben wurde, hängt von einer Schlüsselkomponente ab: der Sonotrode. Diese Sonde überträgt die akustische Energie vom Wandler in die Schmelze. Seit Jahrzehnten stellt die Sonotrode jedoch nach wie vor den Engpass dar.

Titan-Sonotroden

Titan-Sonotroden sind die Standardwahl bei der Ultraschallbehandlung von Flüssigkeiten in den Bereichen Wasser, Polymere und Lebensmittel. In geschmolzenem Aluminium bei Temperaturen über 700 °C beginnt Titan jedoch, sich rasch aufzulösen. Folglich stellt die daraus resultierende Ti-Verunreinigung nicht nur ein metallurgisches Problem dar. In Aluminiumlegierungen beeinträchtigt überschüssiges Titan genau jene Mechanismen der Kornverfeinerung, die man eigentlich fördern möchte. Folglich beträgt die Lebensdauer einer Titan-Sonotrode in einem großvolumigen Aluminiumofen nur wenige Stunden und nicht Monate.

Niob und hochschmelzende Metalle

Niob und hochschmelzende Metalle wurden getestet. Sie weisen zwar eine längere Lebensdauer auf, sind jedoch teuer, lassen sich nur schwer zu komplexen Sonotrodengeometrien bearbeiten und unterliegen in der Kavitationszone dennoch einer Erosion.

Graphit

Graphit ist in Aluminium chemisch relativ stabil, weist jedoch keine für die Ultraschallübertragung nutzbaren akustischen Eigenschaften auf – sein Elastizitätsmodul ist zu gering, um die erforderliche akustische Energie ohne übermäßige Verlustleistung zu übertragen.

Sialon-Keramik – Silizium-Aluminium-Oxynitrid, ein Werkstoff, den Sialon Ceramics ApS seit 40 Jahren entwickelt – vereint die Eigenschaften, die für den Einsatz in Sonotroden erforderlich sind:

Chemische Inertheit. Sialon benetzt geschmolzenes Aluminium nicht und löst sich darin nicht auf. Die Grenzfläche zwischen der Spitze einer Sialon-Sonotrode und der Schmelze bleibt über lange Bearbeitungszyklen hinweg chemisch stabil. Es kommt weder zu einer Titanaufnahme noch zu einer Kohlenstoffverunreinigung oder zur Bildung von Sekundärphasen.

Thermoschockbeständigkeit. Eine Sonotrode wird in eine Schmelze mit einer Temperatur von 700–800 °C eingetaucht, wieder herausgezogen und erneut eingetaucht. Die meisten Keramiken versagen bei diesen Temperaturwechseln. Die kombinierte Si₃N₄–Al₂O₃-Struktur von Sialon verleiht ihm eine deutlich höhere Temperaturwechselbeständigkeit als Aluminiumoxid oder Zirkonoxid – dieselbe Eigenschaft, die Sialon-Heizrohre und Thermoelementschutzrohre in Gießereibetrieben langlebig macht, wo der Ausfall von Bauteilen aufgrund von Temperaturwechseln die übliche Ausfallursache für herkömmliche Keramiken ist.

Elastizitätsmodul für die Schallübertragung. Eine effiziente Einkopplung von Schallenergie in die Schmelze erfordert ein Sonotrodenmaterial mit einem für den Frequenzbereich geeigneten Elastizitätsmodul (typischerweise 15–25 kHz bei der industriellen Aluminiumverarbeitung). Sialon-Keramiken verfügen über den erforderlichen Elastizitätsmodul, um Ultraschallamplituden zu übertragen, ohne dass Energie im Sonotrodenkörper selbst absorbiert wird – die Energie gelangt in die Schmelze, wo sie benötigt wird.

Flexibilität bei der Geometrie. Die Gestaltung der Sonotrode ist entscheidend für die Verteilung des Schallfeldes. Sialon lässt sich mit Toleranzen von ±0,02 mm fertigen, was eine präzise Steuerung der Sonotrodengeometrie und des daraus resultierenden Schallfeldprofils in der Schmelze ermöglicht. Sialon Ceramics fertigt in seinem Siliziumkarbid-Sortiment zudem Komponenten mit einer Länge von bis zu 3.000 mm, was die für großformatige Sonotrodenbaugruppen erforderlichen Fertigungskapazitäten widerspiegelt.

Was die Zahlen tatsächlich zeigen

Die Leistungsvorteile der Ultraschallentgasung sind in der von Fachkollegen begutachteten Literatur gut dokumentiert und werden durch unabhängige Forschungsarbeiten an Einrichtungen wie der Brunel University (BCAST) und dem Oak Ridge National Laboratory bestätigt. Die wichtigsten Ergebnisse einer Versuchsreihe mit einer Al–Si–Mg-Legierung:

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

Die Verbesserung der Dehnung ist besonders bemerkenswert. Die Dehnung hängt sowohl vom Gehalt an Oxidschichten (Bifilm-Index) als auch von der Porosität ab. Die Tatsache, dass sich die Dehnung um 34 % verbessert – mehr, als allein durch die Wasserstoffreduktion erklärt werden kann –, verdeutlicht die Rolle von Kavitationsschockwellen beim Aufbrechen und der Umverteilung von Bifilm-Oxideinschlüssen, die bei herkömmlicher Filtration ansonsten nicht erkennbar sind.

Bei kontinuierlichen Gleichstromgussanwendungen mit industriellen Durchflussraten von 70–100 kg/min führte die Ultraschallbehandlung zu einer 1,5- bis 2-fachen Verringerung der Wasserstoffkonzentration in der fließenden Schmelze – ein Ergebnis, das bereits mit einer einzigen, korrekt in der Gießrinne positionierten Sonotrode erzielt wird. Die Behandlungszeit bis zum Erreichen des industriellen Standardrestgehalts von 0,1–0,2 cm³/100 g beträgt im Chargenbetrieb 5–10 Minuten – vergleichbar mit einem Rotationsentgaser, jedoch ohne Argonverbrauch und bei gleichzeitiger Kornverfeinerung.

Rotations- vs. Ultraschall: Ein ehrlicher Vergleich

Mechanismus der Wasserstoffentfernung

Rotationssysteme basieren auf der Argonblasendiffusion. Im Gegensatz dazu nutzen Ultraschallsysteme die akustische Kavitation.

Trägergas

Für die Rotationsentgasung wird ein Trägergas benötigt. Als Optionen kommen Argon, Stickstoff oder Argon-Chlor-Gemische in Frage. Im Vergleich dazu benötigt die Ultraschallentgasung kein Trägergas.

Kontaminationsrisiko

Graphitrotoren können Kohlenstoff einbringen. Dadurch kann sich Aluminiumkarbid (Al₄C₃) bilden. Sialon-Sonotroden sind hingegen inert. Daher verursachen sie keine Verunreinigungen.

Schlacke-Generation

Durch das Rotationsrühren wird die Schmelzoberfläche aufgebrochen. Dies führt folglich zu hohen Schlackemengen. Im Gegensatz dazu entstehen bei der Ultraschallbehandlung etwa fünfmal weniger Schlacke.

Behandlungsgeschwindigkeit

Die rotierende Entgasung legt die Grundgeschwindigkeit fest. Im Vergleich dazu verläuft die Ultraschallbehandlung etwa dreimal schneller.

Kornverfeinerung

Rotationssysteme verfeinern die Korngröße nicht. Stattdessen ist ein separater Prozess oder ein Zusatzstoff erforderlich. Im Gegensatz dazu verfeinern Ultraschallsysteme die Korngröße gleichzeitig. Zudem ist kein Zusatzstoff erforderlich.

Bewegliche Teile

Rotationsanlagen verfügen über bewegliche Teile: Rotor, Welle und Dichtungen. Ultraschallsysteme hingegen haben keine beweglichen Teile in der Schmelze.

Schmelzqualität (Bifilm)

Die rotatorische Entgasung führt nur zu einer begrenzten Verringerung der Bifilm-Konzentration. Die Ultraschallkavitation hingegen zerbricht die Bifilme und verbessert dadurch die Schmelzqualität.

Betriebskosten

Zu den Kosten für Rotationsverfahren zählen die Argonversorgung und der häufige Austausch des Rotors. Im Gegensatz dazu beschränken sich die Kosten für Ultraschallverfahren hauptsächlich auf die Wartung der Sonotrode.

Skalierbarkeit

Rotationssysteme haben sich bereits bei großen Schmelzemengen bewährt. Ebenso lassen sich Ultraschallsysteme dank Mehrsonotroden-Konstruktionen gut skalieren.

Die rotierende Entgasung ist nicht überholt. Bei sehr großen Schmelzmengen und einer bereits vorhandenen Argon-Infrastruktur dauert es einige Zeit, bis sich die Investition in eine Ersatzanlage amortisiert. Bei neuen Anlagen, in Gießereien, die ihre Argonkosten überprüfen, und in allen Betrieben, in denen Graphitverunreinigungen ein wiederkehrendes Qualitätsproblem darstellen, sprechen die wirtschaftlichen Überlegungen jedoch für Ultraschallsysteme – insbesondere wenn die Kornverfeinerung als Prozessschritt berücksichtigt wird, für den andernfalls eine TiBAl-Vorlegierung erforderlich wäre.

„Bei der Ultraschall-Entgasung fällt mehr als fünfmal weniger Schlacke an als bei der Ar-Rotationsentgasung, während die Wasserstoffreduktion dreimal schneller abläuft als bei der impellerbetriebenen Gasentfernung.“ – Brunel University BCAST, Überblick über die Entwicklung der Ultraschall-Entgasung

Integration in die Gießerei

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

Chargenverfahren (Behandlung im Ofen oder in der Gießpfanne).

Das Bedienpersonal führt die Sonotrode mithilfe eines Positionierarms in das Schmelzvolumen ein. Es behandelt die Schmelze 5–10 Minuten lang und zieht die Sonde anschließend wieder heraus. Dieser Ansatz erfordert den geringsten Investitionsaufwand und lässt sich mit der vorhandenen Ofeninfrastruktur kombinieren. Das Bedienpersonal kann die Sonotrode durch vorprogrammierte Positionen bewegen, um die akustische Abdeckung großer Schmelzvolumina zu maximieren. In modernen Anlagen wird für diese Aufgabe zunehmend eine robotergestützte Positionierung eingesetzt.

Inline (Behandlung in der Rohrleitung oder im Sammelbehälter).

Die Bediener positionieren die Sonotrode in einem fließenden Schmelzstrom – entweder in der Gießrinne zwischen Ofen und Gleichstrom-Gießanlage oder direkt im Gießbecken. Das System behandelt das Metall kontinuierlich bei Durchflussraten von bis zu 100 kg/min, wie in dokumentierten Industrieanlagen nachgewiesen wurde. Vertikale Stranggussanlagen von Wagstaff und Bruno Presezzi nutzen diese Konfiguration. Sie sorgt für die größte Qualitätsverbesserung pro Tonne, ohne die Zykluszeit zu beeinträchtigen.

Hybrid (Gas + Ultraschall).

Einige Sonotrodenkonstruktionen verfügen über einen zentralen Kanal zur Gaseinspritzung. Dadurch wird die Argon-Lanzierung mit dem Ultraschallfeld kombiniert. Diese Kombination ermöglicht es den Werken, ihre bestehende Entgasungsinfrastruktur beizubehalten und gleichzeitig eine kavitationsgetriebene Kornverfeinerung sowie eine geringere Schlackebildung 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 Ultraschalltechnikunternehmen, das hinter der NIMA-Generatorserie steht – entwickelt industrielle Ultraschallsysteme für die Behandlung von Aluminiumschmelze, die typischerweise bei etwa 19,7 kHz mit automatischer Frequenznachführung arbeiten und in Leistungsbereichen von 100 W bis 4.000 W erhältlich sind (höhere Leistungen auf Anfrage). Ihr „No-Standing-Waves“-Konstruktionsansatz ermöglicht die Behandlung großer Schmelzmengen ohne die Feldinhomogenität, die frühere Anlagen beeinträchtigte. Gemeinsam mit =“https://www.sialon.com“>Sialon Ceramics ApS betreibt Aktive Arc das gemeinsame Technologieportal unter ultrasonicdegassing.com – dort präsentieren beide Unternehmen integrierte Systemkonfigurationen, die NIMA-Generatoren mit Sialon-Keramik-Sonotroden zu einer kompletten Entgasungslösung kombinieren.

Probieren Sie das integrierte System aus

Für eine effektive Ultraschallentgasung von geschmolzenem Aluminium müssen zwei Voraussetzungen erfüllt sein: ein Generator, der eine ausreichende Schallintensität oberhalb der Kavitationsschwelle im flüssigen Metall liefern kann, und eine Sonotrode, die den Schmelzprozess übersteht, ohne die Schmelze zu verunreinigen. Genau diese Kombination haben Sialon Ceramics ApS und Aktive Arc Sarl gemeinsam entwickelt.

Sialon Ceramics ApS stellt die keramischen Sonotroden her – Komponenten aus Silizium-Aluminium-Oxynitrid mit einem Elastizitätsmodul von 345 GPa, nicht benetzendem Verhalten in geschmolzenem Aluminium und einer Temperaturwechselbeständigkeit über Tausende von Eintauchzyklen hinweg. Mit 40 Jahren Erfahrung in der Entwicklung von Hochleistungskeramiken für die Metallverarbeitung bei extremen Temperaturen werden die Sonotroden von Sialon mit einer Toleranz von ±0,02 mm gefertigt und sind für den Dauerbetrieb bei 1.400 °C im direkten Kontakt mit der Schmelze ausgelegt.

Aktive Arc Sarl (Neuchâtel, Schweiz) liefert die NIMA-Ultraschallgeneratorsysteme – speziell für die Behandlung von geschmolzenem Metall entwickelt, mit automatischer Frequenzanpassung, programmierbarer Steuerung und Leistungskonfigurationen, die auf die Mengen im Chargen- oder Strangguss abgestimmt sind. Aktive Arc wurde 2001 gegründet und wird von Mario Plasencia geleitet. Das Unternehmen bringt 25 Jahre Erfahrung in der Entwicklung von Hochleistungsultraschalltechnik in den Bereich der Generatoren ein.

Gemeinsam präsentieren beide Unternehmen auf ultrasonicdegassing.com integrierte Systemkonfigurationen. Wenn Ihre Gießerei den Einsatz der Ultraschallentgasung in Erwägung zieht – oder wenn Graphitverunreinigungen, Argonverbrauch oder die Kosten für TiBAl-Vorlegierungen bereits aktuelle Probleme darstellen –, ist dies der Ausgangspunkt für Systemspezifikationen, die auf Ihr Schmelzvolumen und Ihre Prozesskonfiguration abgestimmt sind.

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Häufig gestellte Fragen

Wie wird durch Ultraschallentgasung Wasserstoff aus geschmolzenem Aluminium entfernt?

Ultraschallwellen erzeugen akustische Kavitation – Millionen mikroskopisch kleiner Bläschen, die in der Schmelze entstehen, schwingen und zusammenfallen. Während der Niederdruckphase jedes Schwingungszyklus diffundiert gelöster atomarer Wasserstoff in die Bläschen und rekombiniert zu molekularem H₂. Die Bläschen verschmelzen und steigen an die Oberfläche, wobei sie das Wasserstoffgas freisetzen. Dieser Prozess kann den Wasserstoffgehalt bei einer Charge einer Al–Si–Mg-Legierung in einer einzigen 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 wirkt sich eine Ultraschallbehandlung darauf aus?

Der Bifilm-Index misst die Gesamtlänge der Oxidschichten (Bifilme) auf einem polierten Querschnitt eines Gussteils. Er ist ein direkter Indikator für die Schmelzqualität. Außerdem lässt er mechanische Versagenserscheinungen vorhersagen. Bifilme entstehen, wenn sich die Aluminiumoxidschicht auf der Schmelzoberfläche auf sich selbst zurückfaltet. Dies geschieht bei turbulenter Gießung. Die gefalteten Schichten werden im Metall eingeschlossen. Ultraschallkavitation zersetzt diese Oxidschichten. Dabei kommen Stoßwellen mit Drücken von über 400 MPa zum Einsatz. Dies senkt den Bifilm-Index und verringert zudem die Anzahl der Rissausgangsstellen. Die fertigen Gussteile weisen daraufhin messbar höhere Dehnungswerte auf.

Warum sollten Sialon-Keramik-Sonotroden anstelle von Titan oder Graphit verwendet werden?

Titan-Sonotroden erodieren in geschmolzenem Aluminium bei Temperaturen über 700 °C schnell 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 zu 1.100 °C, widerstehen thermischen Schocks über Tausende von Temperaturzyklen hinweg und verfügen über einen Elastizitätsmodul, der für eine effiziente Ultraschallübertragung geeignet ist. Das Ergebnis ist eine Sonotrode, die deutlich länger hält und keinerlei Verunreinigung der Schmelze verursacht – damit ist Sialon die einzige Materialklasse, die sowohl metallurgisch unbedenklich als auch mechanisch im industriellen Maßstab einsetzbar ist.

Kann die Ultraschall-Entgasung in eine kontinuierliche Gleichstrom-Gießanlage integriert werden?

Ja. Ingenieure haben Inline-Konfigurationen beim vertikalen DC-Gießen (Direct-Chill) mit Durchflussraten von 70–100 kg/min demonstriert. Diese Anordnungen senken die Wasserstoffkonzentration in der fließenden Schmelze um das 1,5- bis 2-fache. Der Bediener kann die Sonotrode im Gießkanal oder im Sammelbecken positionieren.

Die Chargenbehandlung eignet sich auch für Gießereiöfen und Gießpfannen. Der entscheidende Konstruktionsaspekt ist die Schallleistungsabgabe – die Ultraschallintensität muss die Kavitationsschwelle für flüssiges Metall überschreiten, die höher ist als die für Wasser.

Werden für die Ultraschallentgasung Argon oder andere Trägergase benötigt?

Nein – das ist einer der wesentlichen Vorteile gegenüber der Rotationsentgasung. Rotationssysteme benötigen Argon (oder Stickstoff oder Chlor-Argon-Gemische), um den Wasserstoff aus der Schmelze abzuleiten. Die Ultraschallkavitation ist ein rein mechanischer Prozess: Das Schallfeld erzeugt die Keimbildungsstellen und treibt den Wasserstoff ohne jegliches Trägergas aus. Dadurch entfallen die Beschaffung, Lagerung und die Infrastruktur für die Gasversorgung sowie die damit verbundenen Umweltemissionen. Zudem wird die durch die Argon-Injektion verursachte Störung der schützenden Aluminiumoxidschicht vermieden.