Perché la degassificazione a ultrasuoni con sonotrodi in Sialon offre prestazioni superiori rispetto ai rotori in grafite nell'alluminio fuso

La cavitazione acustica rimuove l'idrogeno disciolto e affina simultaneamente la struttura del grano, senza argon, senza contaminazione da grafite e grazie a sonotrodi in ceramica Sialon resistenti dove il titanio fallisce. I sonotrodi in ceramica Sialon per la degassificazione a ultrasuoni sono fondamentali per questo processo avanzato.

26 luglio 2026 · 9 minuti di lettura

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TL;DR

L'idrogeno disciolto è la causa principale della porosità nelle fusioni di alluminio; la struttura a grana grossa aggrava ogni debolezza meccanica a valle. La degassificazione rotativa con rotori in grafite elimina l'idrogeno, ma introduce contaminazione, consuma argon, genera scorie e lascia l'affinamento della grana come processo separato. La degassificazione a ultrasuoni fa entrambe le cose simultaneamente: elimina l'idrogeno tramite cavitazione acustica e affina la grana attraverso la stessa energia delle onde d'urto, senza gas vettore, senza contaminazione e con tempi di trattamento 3 volte più rapidi rispetto ai sistemi a girante. Il fattore limitante è sempre stato il sonotrodo: il titanio si deteriora al di sopra dei 700 °C, la grafite contamina il metallo fuso. Le ceramiche Sialon risolvono entrambi i problemi: sono chimicamente inerti all'alluminio, termicamente stabili e progettate specificamente per la trasmissione degli ultrasuoni nel metallo fuso. Ciò che rende il sistema unicamente efficace è l'eliminazione delle onde stazionarie, un risultato progettuale fondamentale che consente una distribuzione uniforme del campo acustico in tutto il metallo fuso, come spiegato su ultrasonicdegassing.com.

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Il problema che ogni casa di fusione conosce ma che raramente quantifica

L'alluminio liquido a 750 °C contiene circa 0,65 cm³ di idrogeno disciolto per 100 g di metallo. Nel momento in cui solidifica, la solubilità all'equilibrio crolla a 0,034 cm³/100 g, con una diminuzione del 94%. L'idrogeno che non può più rimanere in soluzione deve trovare una via d'uscita. Se la fusione solidifica abbastanza velocemente, si crea porosità: la rovina dei componenti strutturali e a tenuta di pressione.

Un grammo di idrogeno disciolto in una tonnellata di alluminio liquido può produrre una porosità del 2-3% nel getto finito: un dato che deriva da semplici principi termodinamici, non da uno scenario peggiore tipico del settore. Per i componenti strutturali aerospaziali e automobilistici, questo è già di per sé un motivo di esclusione. Per qualsiasi componente in cui la resistenza alla fatica o l'integrità alla pressione siano fattori cruciali, la porosità è il punto di partenza del cedimento.

L'idrogeno penetra nel metallo fuso dal vapore acqueo presente nell'atmosfera, dai materiali di carica umidi e dagli utensili bagnati. A 750 °C e con un'umidità relativa del 30%, il degassamento naturale – ovvero il semplice mantenimento del metallo fuso in posizione e attesa – richiede fino a un'ora per avvicinarsi al residuo standard industriale di 0,1-0,2 cm³/100 g. Nessuno in una fonderia di produzione adotta questa procedura.

La struttura granulare è la seconda variabile. Grani colonnari grossolani in una billetta ottenuta per colata continua implicano proprietà meccaniche non uniformi, una risposta anisotropa alla deformazione e una maggiore suscettibilità alla criccatura a caldo durante la solidificazione. L'affinamento della grana viene convenzionalmente ottenuto aggiungendo leghe madri di titanio-boro (TiBAl) alla massa fusa: un metodo efficace, ma che comporta un ulteriore materiale di consumo, una catena logistica aggiuntiva e un rischio di contaminazione in caso di dosaggio errato.

La domanda che vale la pena porsi è perché il settore continui a trattare questi due problemi come due questioni separate che richiedono processi distinti.

Come funziona la degassificazione rotativa e dove incontra dei limiti

L'approccio standard: degassamento rotativo

Il metodo standard prevede un degassatore rotante: un rotore in grafite, fatto girare ad alta velocità nel metallo fuso, inietta argon (o miscele di argon e cloro) attraverso l'albero del rotore, disperdendolo sotto forma di bolle fini in tutto il forno. L'idrogeno si ripartisce dal metallo fuso nelle bolle di argon secondo la legge di Sievert, e le bolle lo trasportano in superficie.

Funziona. Ha funzionato per decenni. Ma ci sono dei limiti strutturali che l'esperienza nella sala di fusione rende fin troppo familiari.

Contaminazione da grafite

Il rotore si erode. Particelle di grafite entrano nel metallo fuso. Nelle leghe di alluminio, questo può portare alla formazione di fasi di carburo di alluminio (Al₄C₃), che sono fragili, sensibili all'umidità e difficili da rimuovere tramite filtrazione. La contaminazione è insidiosa: sufficientemente piccola da sfuggire ai controlli di qualità a monte e manifestarsi solo come macchie superficiali o anomalie meccaniche nei pezzi finiti.

Usura e guasto del rotore

La grafite è fragile. I guasti al rotore, come crepe o fratture, non sono rari, soprattutto in caso di shock termico dovuto all'aggiunta di carica a freddo o a una scorretta procedura di preriscaldamento. Un rotore guasto comporta un fermo macchina non programmato e una fusione che deve essere ispezionata prima di poter proseguire.

Argon Logistics

Ogni chilogrammo di argon utilizzato deve essere reperito, consegnato, immagazzinato e gestito. Le miscele di argon e cloro (ancora utilizzate in alcune operazioni per la degassificazione del flusso) aggiungono complessità normativa. Il cloro reagisce con l'alluminio formando cloruro di alluminio (AlCl₃), un flusso efficace ma un materiale che richiede un'attenta manipolazione e smaltimento.

Generazione di scorie

L'agitazione energica di un degassatore rotante rompe lo strato protettivo di ossido di alluminio presente sulla superficie del metallo fuso. L'ossido viene trascinato nel metallo fuso e il volume delle scorie in superficie aumenta considerevolmente. Una maggiore quantità di scorie significa maggiori perdite di metallo e tempi di pulizia più lunghi tra una colata e l'altra.

Accesso limitato alla fusione

Un degassatore rotante posizionato in un forno o in una siviera tratta efficacemente il volume attorno al rotore, ma i grandi corpi fusi presentano zone – angoli, aree remote – in cui la circolazione è limitata e la rimozione dell'idrogeno è incompleta. Per compensare, sono necessari più punti di inserimento o movimenti complessi della lancia.

La vera domanda

Nessuno di questi motivi giustifica l'abbandono immediato della degassificazione rotativa; si tratta piuttosto di costi operativi che ogni fonderia ha imparato ad assorbire. La questione è se tali costi debbano essere effettivamente assorbiti.

Cavitazione acustica: la fisica alla base della degassificazione ultrasonica

Introducendo un trasduttore a ultrasuoni in un liquido, al di sopra di una soglia di potenza critica, il liquido si lacera – brevemente, ripetutamente, in milioni di punti contemporaneamente. Questo fenomeno è chiamato cavitazione acustica ed è ciò che rende la degassificazione a ultrasuoni fondamentalmente diversa da qualsiasi altro metodo basato sull'iniezione di gas.

Le cinque fasi della degassificazione ultrasonica nell'alluminio fuso

Il processo di fusione dell'alluminio si articola in cinque fasi:

1. Nucleazione

Quando la pressione ultrasonica scende al di sotto della pressione di vapore saturo del fuso, si formano bolle di cavitazione sulle eterogeneità preesistenti: inclusioni di allumina, microbolle, bordi dei grani. Questi sono i nuclei di cavitazione.

2. Diffusione rettificata

Durante la fase di bassa pressione di ogni ciclo acustico, la bolla si espande e la sua pressione parziale interna di idrogeno scende al di sotto della concentrazione locale del metallo fuso. L'idrogeno atomico proveniente dal metallo circostante diffonde nella bolla. L'asimmetria dell'oscillazione fa sì che durante l'espansione entri più idrogeno di quanto ne esca durante la compressione, con conseguente accumulo netto.

3. Ricombinazione

All'interno della bolla, l'idrogeno atomico (H) si ricombina in idrogeno molecolare (H₂), che non può ridisciogliersi nella matrice di alluminio alla stessa velocità. La bolla ora contiene una quantità crescente di H₂.

4. Coalescenza

Le forze di Bjerknes (pressione di radiazione acustica) e gli effetti di Bernoulli fanno sì che le bolle vicine si attraggano e si fondano in strutture più grandi e galleggianti.

5. Galleggiamento e rilascio

Il flusso acustico, ovvero il flusso di massa indotto dal campo ultrasonico, trasporta le bolle coalescenti verso l'alto attraverso il fuso. In superficie, le bolle scoppiano e l'idrogeno fuoriesce.

Il parametro critico: la soglia di cavitazione

Il parametro critico è la soglia di cavitazione. In acqua, la cavitazione si raggiunge facilmente. Nell'alluminio liquido a 700 °C, la soglia è sostanzialmente più alta: il fuso è più denso, più viscoso e ha una tensione superficiale maggiore rispetto all'acqua. I generatori per il trattamento dell'alluminio fuso devono erogare un'intensità acustica sufficiente a superare questa soglia in tutto il volume di trattamento, non solo sulla punta del sonotrodo. Questo è un problema ingegneristico non banale ed è il motivo per cui i primi sistemi di degassamento a ultrasuoni degli anni '60 e '70, incluso il sistema sovietico UZD-200 (10 kW, 19,5 kHz, capacità di 250 kg), dimostravano il principio ma faticavano a scalarlo economicamente.

Raffinazione dei cereali come servizio gratuito

Lo stesso campo di cavitazione che espelle l'idrogeno svolge anche un'altra funzione: affina la struttura dei grani. Quando una bolla collassa, rilascia un'onda d'urto che supera i 400 MPa e un picco di temperatura localizzato superiore a 1000 K.Queste onde d'urto frammentano i dendriti esistenti, distruggono i fronti dei grani colonnari e creano migliaia di nuovi siti di nucleazione per la crescita di grani equiassiali. Il risultato è una struttura dei grani più fine e uniforme, senza alcuna aggiunta di TiBAl.

In uno studio documentato su una lega Al-Mg-Sc, il trattamento a ultrasuoni a una temperatura di fusione ridotta (700 °C rispetto a 800 °C) ha ridotto la dimensione media dei grani da 487 ± 20 µm a 103 ± 2 µm, con una riduzione del 78%. Anche senza la riduzione della temperatura, il trattamento progressivo ha mostrato una riduzione della dimensione dei grani di circa il 5,5% ogni 20 secondi di trattamento, con un'ulteriore riduzione oltre i 20 secondi. Non si tratta di un miglioramento marginale; è il tipo di cambiamento microstrutturale che in precedenza richiedeva l'aggiunta di leghe madri e un attento controllo del processo per essere ottenuto.

Il problema del sonotrodo: perché la ceramica Sialon lo risolve

Il sonotrodo: il collo di bottiglia persistente

Tutto quanto descritto sopra dipende da un componente chiave: il sonotrodo. Questa sonda trasferisce l'energia acustica dal trasduttore al materiale fuso. Per decenni, tuttavia, il sonotrodo è rimasto il collo di bottiglia.

Sonotrodi a microonde

I sonotrodi in titanio sono la scelta standard nei processi di trattamento a ultrasuoni di liquidi per applicazioni in acqua, polimeri e alimenti. Tuttavia, nell'alluminio fuso a temperature superiori a 700 °C, il titanio inizia a dissolversi rapidamente. Di conseguenza, la contaminazione da titanio che ne deriva non è solo un problema metallurgico. Nelle leghe di alluminio, l'eccesso di titanio interferisce con i meccanismi di affinamento della grana che si cerca di promuovere. Pertanto, un sonotrodo in titanio in un forno per alluminio di grandi dimensioni ha una durata di servizio misurata in ore, non in mesi.

Niobio e metalli refrattari

Sono stati testati il ​​niobio e i metalli refrattari. Questi materiali durano più a lungo, ma sono costosi, difficili da lavorare per ottenere geometrie complesse di sonotrodi e comunque soggetti a erosione nella zona di cavitazione.

Grafite

La grafite è chimicamente relativamente stabile nell'alluminio, ma non possiede proprietà acustiche utili per la trasmissione di ultrasuoni: il suo modulo di Young è troppo basso per trasmettere l'energia acustica necessaria senza un'eccessiva dissipazione.

Le ceramiche Sialon – ossinitruro di silicio e alluminio, la classe di materiali che Sialon Ceramics ApS ha sviluppato in 40 anni – riuniscono le proprietà richieste dalle applicazioni di sonotrodo:

Inerzia chimica. Il Sialon non si bagna con l'alluminio fuso e non si dissolve in esso. L'interfaccia tra la punta del sonotrodo in Sialon e il metallo fuso è chimicamente stabile anche dopo cicli di trattamento prolungati. Non si verifica assorbimento di titanio, contaminazione da carbonio o formazione di fasi secondarie.

Resistenza agli shock termici. Un sonotrodo viene inserito in una massa fusa a 700-800 °C, estratto e reinserito. La maggior parte delle ceramiche si incrina sotto questo ciclo termico. La struttura combinata Si₃N₄–Al₂O₃ del Sialon gli conferisce una resistenza agli shock termici significativamente superiore rispetto all'allumina o alla zirconia: la stessa proprietà che rende i tubi riscaldanti e i tubi di protezione per termocoppie in Sialon durevoli negli ambienti delle fonderie, dove il guasto dei componenti dovuto ai cicli termici è la modalità di guasto normale per le ceramiche convenzionali.

Modulo di Young per la trasmissione acustica. Un accoppiamento efficiente dell'energia acustica nel metallo fuso richiede un materiale per il sonotrodo con un modulo di Young adatto alla gamma di frequenza (tipicamente 15-25 kHz per la lavorazione industriale dell'alluminio). Le ceramiche Sialon possiedono il modulo elastico necessario per trasmettere le ampiezze ultrasoniche senza assorbire energia nel corpo stesso del sonotrodo: l'energia viene trasferita al metallo fuso, dove è necessaria.

Flessibilità geometrica. Il design del sonotrodo è fondamentale per la distribuzione del campo acustico. Sialon può essere prodotto con tolleranze di ±0,02 mm, consentendo un controllo preciso della geometria del sonotrodo e del conseguente profilo del campo acustico nel fuso. Sialon Ceramics produce anche componenti fino a 3.000 mm di lunghezza nella sua gamma in carburo di silicio, a dimostrazione della capacità produttiva richiesta per gli assemblaggi di sonotrodi di grande formato.

Cosa mostrano realmente i numeri

Le prestazioni del degassamento a ultrasuoni sono ben documentate nella letteratura scientifica e corroborate da ricerche indipendenti condotte presso istituzioni come la Brunel University (BCAST) e l'Oak Ridge National Laboratory. I risultati principali relativi a un lotto di lega Al-Si-Mg sono i seguenti:

| Metrico | Prima del trattamento | Dopo gli ultrasuoni | Variazione | | — | — | — | — | | Contenuto di idrogeno | 0,35 cm³/100 g | 0,17 cm³/100 g | -52% | | Densità | 2,660 g/cm³ | 2,706 g/cm³ | +1,7% | | Valutazione della porosità | 4 (scala) | 1-2 (scala) | Riduzione >50% | | Resistenza alla trazione | 200 MPa | 245 MPa | +22,5% | | Allungamento | 3,8% | 5,1% | +34% |

Il miglioramento dell'allungamento è particolarmente significativo. L'allungamento è sensibile al contenuto di film di ossido (indice Bifilm) così come alla porosità. Il fatto che l'allungamento migliori del 34% – più di quanto si possa spiegare con la sola riduzione dell'idrogeno – riflette il ruolo delle onde d'urto di cavitazione nel rompere e ridistribuire le inclusioni di ossido del bifilm che altrimenti sarebbero invisibili alla filtrazione convenzionale.

Nelle applicazioni di colata continua in corrente continua con portate industriali di 70-100 kg/min, il trattamento a ultrasuoni ha permesso di ottenere una riduzione di 1,5-2 volte della concentrazione di idrogeno nel fuso in flusso, un risultato che si mantiene con un singolo sonotrodo posizionato correttamente nella geometria del canale di colata. Il tempo di trattamento per raggiungere il residuo standard industriale di 0,1-0,2 cm³/100g è di 5-10 minuti in modalità batch, paragonabile a quello di un degassatore rotativo, ma senza consumo di argon e con affinamento simultaneo della grana.

Rotativo contro ultrasonico: un confronto onesto

Meccanismo di rimozione dell'idrogeno

I sistemi rotativi si basano sulla diffusione di bolle di argon. Al contrario, i sistemi a ultrasuoni utilizzano la cavitazione acustica.

Gas vettore

La degassificazione rotativa richiede un gas vettore. Le opzioni includono argon, azoto o miscele di argon e cloro. Al contrario, la degassificazione a ultrasuoni non necessita di gas vettore.

Rischio di contaminazione

I rotori in grafite possono introdurre carbonio. Di conseguenza, si può formare carburo di alluminio (Al₄C₃). I sonotrodi in Sialon, invece, sono inerti e quindi non causano contaminazione.

Generazione di scorie

L'agitazione rotativa disturba la superficie del fuso. Di conseguenza, ciò produce elevati volumi di scorie. D'altra parte, il trattamento a ultrasuoni genera circa cinque volte meno scorie.

Velocità di trattamento

La degassificazione rotativa stabilisce la velocità di base. In confronto, il trattamento a ultrasuoni è circa tre volte più veloce.

Affinamento del grano

I sistemi rotativi non affinano la struttura del grano. Per questo è necessario un processo separato o l'aggiunta di un additivo. Al contrario, i sistemi a ultrasuoni affinano i grani contemporaneamente. Inoltre, non è necessario alcun additivo.

Parti mobili

Le apparecchiature rotanti hanno parti mobili: rotore, albero e guarnizioni. I sistemi a ultrasuoni, invece, non hanno parti mobili a contatto con il materiale fuso.

Qualità di fusione (Bifilm)

La degassificazione rotativa apporta miglioramenti limitati ai livelli di bifilm. La cavitazione ultrasonica, invece, rompe i bifilm e migliora quindi la qualità della fusione.

costi operativi

I costi degli apparecchi rotanti includono la fornitura di argon e la frequente sostituzione del rotore. Al contrario, i costi degli apparecchi a ultrasuoni si limitano principalmente alla manutenzione del sonotrodo.

Scalabilità

I sistemi rotativi si sono già dimostrati efficaci per grandi volumi di fusione. Allo stesso modo, i sistemi a ultrasuoni si adattano bene a configurazioni multi-sonotrodo.

La degassificazione rotativa non è obsoleta. Per volumi di fusione molto elevati con infrastrutture di argon consolidate, la valutazione di convenienza economica della sostituzione richiede tempo. Tuttavia, per i nuovi impianti, per le fonderie che valutano i costi dell'argon e per qualsiasi operazione in cui la contaminazione da grafite sia stata un problema di qualità ricorrente, i calcoli economici sono a favore dei sistemi a ultrasuoni, soprattutto se si considera l'affinamento del grano come fase del processo che altrimenti richiederebbe una lega madre TiBAl.

"La degassificazione a ultrasuoni produce oltre 5 volte meno scorie rispetto alla degassificazione rotativa ad argon, raggiungendo al contempo una cinetica di riduzione dell'idrogeno 3 volte più veloce rispetto alla rimozione del gas tramite agitatore." – Brunel University BCAST, panoramica sullo sviluppo della degassificazione a ultrasuoni

Integrazione nella casa di produzione

Le apparecchiature per la degassificazione a ultrasuoni non costituiscono un sistema monolitico. La configurazione dipende dal processo:

Trattamento discontinuo (in forno o in siviera).

Gli operatori inseriscono il sonotrodo nel volume di fusione tramite un braccio di posizionamento. Trattano il metallo fuso per 5-10 minuti e poi estraggono la sonda. Questo approccio richiede il minor investimento iniziale e si integra con le infrastrutture di forni esistenti. Gli operatori possono spostare il sonotrodo attraverso posizioni programmate per massimizzare la copertura acustica di grandi volumi di fusione. Gli impianti moderni utilizzano sempre più spesso il posizionamento robotizzato per questa operazione.

In linea (trattamento delle acque reflue o delle vasche di raccolta).

Gli operatori posizionano il sonotrodo in un flusso di metallo fuso, ad esempio nel canale di collegamento tra il forno e la colata continua o direttamente nella vasca di colata. Il sistema tratta il metallo in continuo con portate fino a 100 kg/min in impianti industriali documentati. Le linee di colata continua verticali Wagstaff e Bruno Presezzi utilizzano questa configurazione. Essa garantisce il massimo miglioramento della qualità per tonnellata e non incide sui tempi di ciclo.

Ibrido (gas + ultrasuoni).

Alcuni modelli di sonotrodi includono un canale centrale per l'iniezione di gas. Questo combina l'iniezione di argon con il campo ultrasonico. Tale combinazione consente agli impianti di mantenere le infrastrutture di degassamento esistenti, aggiungendo al contempo la raffinazione del grano tramite cavitazione e riducendo la produzione di scorie. Le aziende che hanno già investito capitali in sistemi di fornitura di gas trovano in questa soluzione una transizione logica.

I requisiti per il generatore sono semplici. Aktive Arc Sarl , l'azienda svizzera di ingegneria a ultrasuoni che ha creato la serie di generatori NIMA, progetta sistemi a ultrasuoni industriali per il trattamento dell'alluminio fuso che operano tipicamente intorno ai 19,7 kHz con tracciamento automatico della frequenza, in gamme di potenza da 100 W a 4.000 W (potenze superiori personalizzate su richiesta). Il loro approccio di progettazione "senza onde stazionarie" consente il trattamento di grandi volumi di materiale fuso senza l'eterogeneità del campo che affliggeva le prime installazioni. Insieme a Sialon Ceramics ApS, Aktive Arc gestisce il portale tecnologico congiunto ultrasonicdegassing.com , dove entrambe le aziende presentano configurazioni di sistema integrate che combinano i generatori NIMA con i sonotrodi ceramici Sialon come soluzione completa di degassamento.

Prova il sistema integrato

Per una degassificazione efficace dell'alluminio fuso tramite ultrasuoni, sono necessari due elementi fondamentali: un generatore in grado di erogare un'intensità acustica sufficiente a superare la soglia di cavitazione del metallo liquido e un sonotrodo che resista alla fusione senza contaminarla. Questa è la combinazione che Sialon Ceramics ApS e Aktive Arc Sarl hanno sviluppato insieme.

Sialon Ceramics ApS produce sonotrodi ceramici – componenti in ossinitruro di silicio e alluminio con un modulo di Young di 345 GPa, comportamento non bagnante in alluminio fuso e resistenza agli shock termici per migliaia di cicli di inserimento. Con 40 anni di esperienza nello sviluppo di ceramiche avanzate per la lavorazione dei metalli ad altissime temperature, i sonotrodi di Sialon sono prodotti con tolleranze di ±0,02 mm e sono progettati per un funzionamento continuo a 1.400 °C a contatto diretto con il fuso.

Aktive Arc Sarl (Neuchâtel, Svizzera) fornisce i sistemi di generatori a ultrasuoni NIMA, progettati specificamente per il trattamento di metalli fusi, con tracciamento automatico della frequenza, controllo programmabile e configurazioni di potenza adattate ai volumi di colata continua o in batch. Fondata nel 2001 e guidata da Mario Plasencia, Aktive Arc vanta 25 anni di esperienza nell'ingegneria degli ultrasuoni di potenza, maturata anche nella progettazione dei generatori.

Insieme, le due aziende presentano configurazioni di sistema integrate sul sito ultrasonicdegassing.com. Se la vostra fonderia sta valutando la degassificazione a ultrasuoni – o se la contaminazione da grafite, i costi dell'argon o quelli della lega madre TiBAl sono già una preoccupazione concreta – questo è il punto di partenza per ottenere le specifiche di sistema adatte al vostro volume di fusione e alla configurazione del processo.

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Domande frequenti

In che modo la degassificazione a ultrasuoni rimuove l'idrogeno dall'alluminio fuso?

Le onde ultrasoniche generano cavitazione acustica: milioni di bolle microscopiche che si nucleano, oscillano e collassano nel metallo fuso. Durante la fase a bassa pressione di ogni ciclo di oscillazione, l'idrogeno atomico disciolto diffonde nelle bolle e si ricombina in H₂ molecolare. Le bolle si uniscono e galleggiano in superficie, rilasciando l'idrogeno gassoso. Questo processo può ridurre il contenuto di idrogeno da 0,35 cm³/100g a 0,17 cm³/100g (una riduzione del 52%) in un singolo trattamento su una lega Al-Si-Mg.

Cos'è l'indice Bifilm e in che modo il trattamento a ultrasuoni lo influenza?

L'indice Bifilm misura la lunghezza totale dei film di ossido (bifilm) su una sezione trasversale lucidata di una fusione. È un indicatore diretto della qualità della fusione e predice anche i cedimenti meccanici. I bifilm si formano quando lo strato di ossido di alluminio sulla superficie del metallo fuso si ripiega su se stesso. Questo avviene durante la colata turbolenta. I film ripiegati rimangono intrappolati nel metallo. La cavitazione ultrasonica disgrega questi film di ossido. Il processo utilizza onde d'urto che superano i 400 MPa. Ciò riduce l'indice Bifilm e diminuisce anche il numero di siti di innesco delle cricche. Le fusioni finite mostrano quindi valori di allungamento misurabilmente più elevati.

Perché utilizzare sonotrodi in ceramica Sialon invece che in titanio o grafite?

I sonotrodi in titanio si erodono rapidamente nell'alluminio fuso a temperature superiori a 700 °C, contaminando la massa fusa con particelle di titanio. La grafite si dissolve e introduce carbonio, che può formare fasi di carburo nelle leghe di alluminio. Le ceramiche Sialon sono chimicamente inerti all'alluminio fuso, termicamente stabili fino a 1.100 °C, resistenti agli urti per migliaia di cicli termici e possiedono un modulo di Young adatto a un'efficiente trasmissione degli ultrasuoni. Il risultato è un sonotrodo che dura molto più a lungo senza contaminazione della massa fusa, rendendolo l'unica classe di materiali che è al contempo metallurgicamente sicura e meccanicamente valida su scala industriale.

È possibile integrare la degassificazione a ultrasuoni in una linea di colata continua a corrente continua?

Sì. Gli ingegneri hanno dimostrato configurazioni in linea nella colata verticale a raffreddamento diretto (DC) con portate di 70-100 kg/min. Queste configurazioni riducono la concentrazione di idrogeno nel fuso in flusso di 1,5-2 volte. Gli operatori possono posizionare il sonotrodo nel canale di colata o nella vasca di raccolta.

Il trattamento discontinuo è una soluzione praticabile anche per forni e siviere di fonderia. L'aspetto progettuale fondamentale riguarda l'erogazione della potenza acustica: l'intensità degli ultrasuoni deve superare la soglia di cavitazione del metallo liquido, che è più elevata rispetto a quella dell'acqua.

Il degassamento a ultrasuoni richiede argon o altri gas vettori?

No, questo è uno dei suoi principali vantaggi rispetto alla degassificazione rotativa. I sistemi rotativi necessitano di argon (o azoto, o miscele di cloro e argon) per estrarre l'idrogeno dal metallo fuso. La cavitazione ultrasonica è interamente meccanica: il campo acustico crea i siti di nucleazione e spinge l'idrogeno fuori senza bisogno di gas vettore. Ciò elimina la necessità di approvvigionamento, stoccaggio e infrastrutture di distribuzione del gas, nonché le relative emissioni ambientali. Elimina inoltre la rottura dello strato protettivo di ossido di alluminio causata dall'iniezione di argon.