Perché il degassaggio 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 contemporaneamente la struttura granulare – senza argon, senza contaminazione da grafite e con sonotrodi in ceramica Sialon che resistono laddove il titanio cede. I sonotrodi in Sialon per il degassamento a ultrasuoni sono fondamentali per questo processo avanzato.

26 luglio 2026 · 9 minuti di lettura

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In breve

L’idrogeno disciolto è la causa principale della porosità nei getti di alluminio; la struttura a grana grossa aggrava ogni debolezza meccanica a valle. Il degassaggio rotativo con rotori in grafite risolve il problema dell’idrogeno ma introduce contaminazione, consuma argon, genera scorie e richiede un processo separato per l’affinamento della grana. Il degassaggio a ultrasuoni svolge entrambe le operazioni contemporaneamente – espellendo l’idrogeno tramite cavitazione acustica e affinando la grana attraverso la stessa energia dell’onda d’urto – senza gas vettore, senza contaminazione e con tempi di trattamento 3 volte più rapidi rispetto ai sistemi azionati da girante. Il fattore limitante è sempre stato il sonotrodo: il titanio si deteriora oltre i 700 °C, mentre la grafite contamina il metallo fuso. La ceramica Sialon risolve entrambi i problemi: è chimicamente inerte rispetto all’alluminio, termicamente stabile e progettata specificamente per la trasmissione ultrasonica nel metallo fuso. Ciò che rende il sistema straordinariamente 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 fonderia conosce bene, ma che raramente quantifica

L'alluminio liquido a 750 °C contiene circa 0,65 cm³ di idrogeno disciolto ogni 100 g di metallo. Nel momento in cui si solidifica, la solubilità di equilibrio crolla a 0,034 cm³/100 g – un calo del 94%. L’idrogeno che non può più rimanere in soluzione deve pur andare da qualche parte. Se la fusione si solidifica abbastanza rapidamente, si trasforma in porosità: la rovina dei componenti strutturali e a tenuta di pressione.

Un grammo di idrogeno disciolto in una tonnellata di alluminio liquido può causare una porosità del 2–3% nel pezzo fuso finito – un dato che deriva da semplici principi di termodinamica, non da uno scenario peggiore ipotizzato dal settore. Per i componenti strutturali del settore aerospaziale e automobilistico, questo è di per sé un motivo di esclusione. Per qualsiasi componente in cui la resistenza alla fatica o l’integrità alla pressione siano fondamentali, la porosità è il punto in cui ha inizio il cedimento.

L’idrogeno penetra nella fusione proveniente dal vapore acqueo presente nell’atmosfera, dai materiali di carica umidi e dagli stampi bagnati. A 750 °C e con un’umidità relativa del 30%, il degassamento naturale – che consiste semplicemente nel mantenere la fusione al caldo e attendere – 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 agisce in questo modo.

La struttura del grano è la seconda variabile. I grani colonnari grossolani in una billetta colata a corrente continua comportano proprietà meccaniche non uniformi, una risposta anisotropica alla deformazione e una maggiore suscettibilità alla lacerazione a caldo durante la solidificazione. L’affinamento del grano viene tradizionalmente ottenuto aggiungendo alla fusione leghe madri di titanio-boro (TiBAl): un metodo efficace, ma che comporta un materiale di consumo aggiuntivo, una catena logistica supplementare e un ulteriore rischio di contaminazione in caso di dosaggio errato.

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

Come funziona il degassamento rotativo – e dove incontra i suoi limiti

L'approccio standard: degassificazione rotativa

L'approccio standard prevede l'uso di un degassatore rotativo: un rotore in grafite fatto ruotare ad alta velocità all'interno del bagno fuso, che inietta argon (o miscele di argon e cloro) attraverso l'albero del rotore e lo disperde sotto forma di bolle fini in tutto il forno. L'idrogeno si separa dal bagno fuso nelle bolle di argon secondo la legge di Sievert, e le bolle lo trasportano verso la superficie.

Funziona. Funziona da decenni. Ma ci sono dei limiti strutturali che l’esperienza in fonderia ci fa conoscere molto bene.

Contaminazione da grafite

Il rotore subisce un processo di erosione. Le particelle di grafite penetrano nel bagno di fusione. Nelle leghe di alluminio, ciò 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: è talmente piccola da superare i controlli di qualità a monte e si manifesta solo sotto forma di macchie superficiali o anomalie meccaniche nei pezzi finiti.

Usura e guasti del rotore

La grafite è fragile. I guasti al rotore — crepe o fratture — non sono rari, soprattutto in caso di shock termico causato dall’aggiunta di carica a freddo o da procedure di preriscaldamento inadeguate. Un rotore guasto comporta tempi di fermo non programmati e la necessità di ispezionare la fusione prima di poter proseguire.

Argon Logistics

Ogni kg di argon utilizzato deve essere reperito, consegnato, stoccato e gestito. Le miscele di argon e cloro (ancora utilizzate in alcune operazioni per il degassaggio dei fondenti) aggiungono complessità dal punto di vista normativo. Il cloro reagisce con l’alluminio formando il cloruro di alluminio (AlCl₃), un fondente efficace ma un materiale che richiede un’attenta manipolazione e smaltimento.

Generazione Dross

La vigorosa azione di agitazione di un degassatore rotativo 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 notevolmente. Un maggiore volume di scorie comporta una maggiore perdita di metallo e tempi di pulizia più lunghi tra una colata e l’altra.

Accesso limitato alla zona di fusione

Un degassatore rotativo posizionato all’interno di un forno o di una siviera tratta efficacemente il volume circostante il rotore, ma nei grandi corpi di fusione vi sono zone — angoli, aree periferiche — in cui la circolazione è limitata e la rimozione dell’idrogeno risulta incompleta. Per compensare tale fenomeno sono necessari più punti di inserimento o movimenti complessi della lancia.

La vera domanda

Nessuna di queste è una ragione per abbandonare immediatamente il degassaggio rotativo; si tratta dei costi operativi che ogni fonderia ha imparato ad assorbire. La domanda è se sia davvero necessario sostenere tali costi.

Cavitazione acustica: i principi fisici alla base del degassamento a ultrasuoni

Se si immerge un trasduttore a ultrasuoni in un liquido, al superamento di una soglia critica di potenza il liquido si frammenta – per brevi istanti, ripetutamente, in milioni di punti contemporaneamente. Si tratta della cavitazione acustica, ed è proprio questo che rende il degassamento a ultrasuoni fondamentalmente diverso da qualsiasi altro metodo che si basi sull’iniezione di gas.

Le cinque fasi del degassaggio a ultrasuoni dell'alluminio fuso

Il processo nell'alluminio fuso si articola in cinque fasi:

1. Nucleazione

Quando la pressione ultrasonica scende al di sotto della pressione di vapore saturo della massa fusa, si formano bolle di cavitazione sulle disomogeneità presenti — inclusioni di allumina, microbolle, bordi di grano. Questi sono i nuclei di cavitazione.

2. Diffusione rettificata

Durante la fase di bassa pressione di ciascun ciclo acustico, la bolla si espande e la sua pressione parziale interna di idrogeno scende al di sotto della concentrazione locale nel metallo fuso. L’idrogeno atomico proveniente dal metallo circostante si diffonde all’interno della bolla. L’asimmetria dell’oscillazione fa sì che durante l’espansione entri più idrogeno di quanto ne esca durante la compressione, determinando un accumulo netto.

3. Ricombinazione

All'interno della bolla, l'idrogeno atomico (H) si ricombina in idrogeno molecolare (H₂), che non può ridissolversi 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 uniscano formando strutture più grandi e con maggiore galleggiabilità.

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 materiale fuso. Una volta raggiunta la superficie, queste esplodono e l’idrogeno fuoriesce.

Il parametro critico: la soglia di cavitazione

Il parametro critico è la soglia di cavitazione. In acqua, la cavitazione si verifica facilmente. Nell’alluminio fuso a 700 °C, la soglia è notevolmente più alta: il metallo fuso è più denso, più viscoso e presenta una tensione superficiale maggiore rispetto all’acqua. I generatori per il trattamento dell’alluminio fuso devono fornire un’intensità acustica sufficiente a superare questa soglia in tutto il volume di trattamento, non solo sulla punta del sonotrodo. Si tratta di un problema ingegneristico non banale ed è il motivo per cui i primi sistemi di degassificazione a ultrasuoni degli anni ’60 e ’70 — compreso il sistema sovietico UZD-200 (10 kW, 19,5 kHz, capacità di 250 kg) — dimostrarono il principio ma faticarono a renderlo economicamente scalabile.

Affinamento della grana come vantaggio gratuito

Lo stesso campo di cavitazione che espelle l’idrogeno svolge anche un’altra funzione: affina la struttura granulare. Quando una bolla collassa, rilascia un’onda d’urto superiore a 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 granulare 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 colata ridotta (700 °C rispetto a 800 °C) ha ridotto la dimensione media dei grani da 487 ± 20 µm a 103 ± 2 µm – una riduzione del 78%. Anche senza la riduzione della temperatura, il trattamento progressivo ha mostrato una riduzione della dimensione dei grani pari a 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 – e perché la ceramica Sialon lo risolve

Il sonotrodo: il collo di bottiglia persistente

Tutto quanto descritto sopra dipende da un componente fondamentale: il sonotrodo. Questa sonda trasferisce l’energia acustica dal trasduttore alla massa fusa. Per decenni, tuttavia, il sonotrodo è rimasto il collo di bottiglia.

Sonotrodi in titanio

I sonotrodi in titanio rappresentano la scelta standard nel trattamento ultrasonico dei liquidi per applicazioni relative all’acqua, ai polimeri e agli alimenti. Nell’alluminio fuso a temperature superiori ai 700 °C, tuttavia, il titanio inizia a dissolversi rapidamente. Di conseguenza, la contaminazione da Ti che ne deriva non è solo un problema metallurgico. Nelle leghe di alluminio, l’eccesso di titanio interferisce proprio con i meccanismi di raffinamento del grano che si sta cercando di favorire. Di conseguenza, un sonotrodo in titanio utilizzato in un forno per alluminio di grande volume ha una durata di servizio che si misura in ore, non in mesi.

Niobio e metalli refrattari

Sono stati testati il niobio e i metalli refrattari. Questi materiali garantiscono una maggiore durata, ma sono costosi, difficili da lavorare per ottenere geometrie complesse dei 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 degli 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, il materiale che Sialon Ceramics ApS ha impiegato 40 anni a sviluppare – riuniscono in sé le proprietà richieste dall’applicazione dei sonotrodi:

Inerzia chimica. Lo sialon non entra in contatto con l’alluminio fuso e non si dissolve in esso. L’interfaccia tra la punta del sonotrodo in sialon e il materiale fuso rimane chimicamente stabile per cicli di trattamento prolungati. Non si verificano accumuli di titanio, né contaminazione da carbonio, né formazione di fasi secondarie.

Resistenza agli shock termici. Un sonotrodo viene inserito in un bagno fuso a 700–800 °C, poi estratto e reinserito. La maggior parte delle ceramiche si frantuma a causa di questi cicli termici. La struttura mista di 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 rappresenta la modalità di guasto più comune per le ceramiche convenzionali.

Modulo di Young per la trasmissione acustica. Per garantire un accoppiamento efficiente dell’energia acustica nel bagno fuso è necessario che il materiale del sonotrodo abbia un modulo di Young adeguato alla gamma di frequenze (tipicamente 15–25 kHz per la lavorazione industriale dell’alluminio). Le ceramiche in sialon presentano il modulo elastico necessario per trasmettere le ampiezze ultrasoniche senza assorbire energia nel corpo stesso del sonotrodo: l’energia viene infatti convogliata nel bagno fuso, proprio dove è necessaria.

Flessibilità geometrica. Il design del sonotrodo è fondamentale per la distribuzione del campo acustico. Lo Sialon può essere prodotto con tolleranze di ±0,02 mm, consentendo un controllo preciso della geometria del sonotrodo e del profilo del campo acustico risultante nel materiale fuso. Sialon Ceramics produce inoltre componenti di lunghezza fino a 3.000 mm nella propria gamma in carburo di silicio, a dimostrazione della capacità produttiva necessaria per gruppi sonotrodo di grandi dimensioni.

Cosa rivelano effettivamente i dati

L'efficacia del degassaggio a ultrasuoni è ampiamente documentata nella letteratura scientifica sottoposta a revisione paritaria e confermata da ricerche indipendenti condotte presso istituzioni quali la Brunel University (BCAST) e l'Oak Ridge National Laboratory. I risultati principali relativi a un lotto di lega Al–Si–Mg:

| Parametro | Prima del trattamento | Dopo il trattamento a 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% | | Indice di porosità | 4 (scala) | 1-2 (scala) | Riduzione >50% | | Resistenza alla trazione massima | 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) nonché alla porosità. Il fatto che l’allungamento migliori del 34% – una percentuale superiore a quella spiegabile dalla sola riduzione dell’idrogeno – riflette il ruolo delle onde d’urto da cavitazione nel frammentare e ridistribuire le inclusioni di ossido bifilm, altrimenti invisibili alla filtrazione convenzionale.

Nelle applicazioni di colata continua in corrente continua a portate industriali comprese tra 70 e 100 kg/min, il trattamento a ultrasuoni ha consentito di ridurre di 1,5–2 volte la concentrazione di idrogeno nel metallo fuso in movimento – un risultato ottenibile con un unico sonotrodo posizionato correttamente nella geometria del canale di colata. Il tempo di trattamento necessario per raggiungere il residuo standard industriale di 0,1–0,2 cm³/100 g è di 5–10 minuti in modalità batch – paragonabile a quello di un degassatore rotativo, ma senza consumo di argon e con contemporaneo affinamento della grana.

Rotativo contro ultrasonico: un confronto imparziale

Meccanismo di rimozione dell'idrogeno

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

Gas vettore

Il degassaggio rotativo richiede un gas vettore. Tra le opzioni disponibili figurano l'argon, l'azoto o miscele di argon e cloro. Al contrario, il degassaggio a ultrasuoni non richiede alcun gas vettore.

Rischio di contaminazione

I rotori in grafite possono rilasciare carbonio. Di conseguenza, ciò può portare alla formazione di carburo di alluminio (Al₄C₃). I sonotrodi in sialon, invece, sono inerti. Pertanto, non causano alcuna contaminazione.

Generazione Dross

L'agitazione rotativa altera la superficie del bagno fuso. Di conseguenza, ciò produce grandi quantità di scorie. Il trattamento a ultrasuoni, invece, genera circa cinque volte meno scorie.

Velocità di trattamento

Il degassaggio rotativo definisce la velocità di riferimento. In confronto, il trattamento a ultrasuoni è circa tre volte più veloce.

Affinamento della grana

I sistemi rotativi non affinano la struttura granulare. È invece necessario ricorrere a un processo separato o a un additivo. Al contrario, i sistemi a ultrasuoni affinano la struttura granulare contemporaneamente. Inoltre, non è necessario alcun additivo.

Parti mobili

Le apparecchiature rotative presentano parti in movimento: rotore, albero e guarnizioni. I sistemi a ultrasuoni, invece, non presentano parti in movimento all’interno del materiale fuso.

Qualità di fusione (Bifilm)

Il degassaggio rotativo comporta un miglioramento limitato dei livelli di bifilm. Al contrario, la cavitazione ultrasonica rompe i bifilm e migliora quindi la qualità del fuso.

Costi operativi

I costi legati al sistema rotativo comprendono la fornitura di argon e la sostituzione frequente del rotore. Al contrario, i costi legati al sistema a ultrasuoni si limitano principalmente alla manutenzione del sonotrodo.

Scalabilità

I sistemi rotativi hanno già dato prova della loro efficacia con grandi volumi di materiale fuso. Allo stesso modo, i sistemi a ultrasuoni si adattano bene alle configurazioni con più sonotrodi.

Il degassaggio rotativo non è obsoleto. Per volumi di fusione molto elevati con un’infrastruttura di argon già consolidata, occorre tempo per giustificare l’investimento necessario alla sostituzione. Tuttavia, per i nuovi impianti, per le fonderie che stanno valutando la propria spesa per l’argon e per qualsiasi attività in cui la contaminazione da grafite abbia rappresentato un problema ricorrente di qualità, i calcoli economici sono a favore dei sistemi a ultrasuoni – in particolare quando si tiene conto dell’affinamento del grano come fase di processo che altrimenti richiederebbe l’uso della lega madre TiBAl.

«Il degassamento a ultrasuoni produce una quantità di scorie oltre 5 volte inferiore rispetto al degassamento rotativo con Ar, garantendo al contempo una cinetica di riduzione dell’idrogeno 3 volte più rapida rispetto alla rimozione del gas mediante girante.» – BCAST dell’Università di Brunel, panoramica sullo sviluppo del degassamento a ultrasuoni

Integrazione nella fonderia

Gli impianti di degassificazione a ultrasuoni non costituiscono un sistema monolitico. La configurazione dipende dal processo:

Lotto (trattamento in forno o in siviera).

Gli operatori inseriscono il sonotrodo nel volume di fusione tramite un braccio di posizionamento. Trattano la fusione per 5–10 minuti, quindi ritirano la sonda. Questo approccio richiede l’investimento di capitale più contenuto ed è compatibile con l’infrastruttura del forno esistente. Gli operatori possono muovere il sonotrodo attraverso posizioni programmate per massimizzare la copertura acustica di grandi volumi di fusione. Gli impianti moderni ricorrono sempre più spesso al posizionamento robotizzato per questa operazione.

In linea (trattamento nel canale di scolo o nel pozzetto).

Gli operatori posizionano il sonotrodo in un flusso di metallo fuso, sia nel canale di colata tra il forno e la colata continua a corrente continua, sia direttamente nel bacino di colata. Il sistema tratta il metallo in modo continuo a portate fino a 100 kg/min, come documentato in impianti industriali. Le linee di colata continua verticali Wagstaff e Bruno Presezzi utilizzano questa configurazione. Essa garantisce il massimo miglioramento della qualità per tonnellata senza influire sui tempi di ciclo.

Ibrido (gas + ultrasuoni).

Alcuni modelli di sonotrodi prevedono un canale centrale per l’iniezione di gas. Ciò consente di combinare l’iniezione di argon con il campo ultrasonico. Questa combinazione permette agli impianti di mantenere la propria infrastruttura di degassificazione esistente, aggiungendo al contempo un affinamento della grana indotto dalla cavitazione e una minore produzione di scorie. Per gli impianti che hanno già investito in sistemi di alimentazione del gas, questa rappresenta una transizione logica.

I requisiti del generatore sono chiari. Aktive Arc Sarl – l’azienda svizzera di ingegneria ultrasonica che ha sviluppato la serie di generatori NIMA – progetta sistemi industriali a ultrasuoni per il trattamento del metallo fuso di alluminio che operano tipicamente a circa 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 progettuale “senza onde stazionarie” consente il trattamento di grandi volumi di fusione senza l’eterogeneità del campo che affliggeva le prime installazioni. In collaborazione con =”https://www.sialon.com”>Sialon Ceramics ApS, Aktive Arc gestisce il portale tecnologico congiunto all’indirizzo ultrasonicdegassing.com, dove entrambe le aziende presentano configurazioni di sistemi integrati che combinano i generatori NIMA con i sonotrodi in ceramica Sialon come soluzione completa per il degassaggio.

Prova il sistema integrato

Per ottenere un efficace degassamento ad ultrasuoni dell’alluminio fuso è necessario che si verifichino due condizioni: un generatore in grado di fornire un’intensità acustica sufficiente al di sopra della soglia di cavitazione nel metallo liquido e un sonotrodo che resista al contatto con il metallo fuso senza contaminarlo. È proprio questa la combinazione che Sialon Ceramics ApS e Aktive Arc Sarl hanno sviluppato insieme.

Sialon Ceramics ApS produce sonotrodi in ceramica – componenti in ossinitruro di silicio e alluminio con un modulo di Young pari a 345 GPa, che non vengono bagnati dall’alluminio fuso e presentano resistenza agli shock termici per migliaia di cicli di inserimento. Forte di 40 anni di esperienza nello sviluppo di ceramiche avanzate per la lavorazione dei metalli a temperature estreme, Sialon produce sonotrodi con tolleranze di ±0,02 mm e progettati per un funzionamento continuo fino a 1.400 °C a contatto diretto con il metallo fuso.

Aktive Arc Sarl (Neuchâtel, Svizzera) fornisce i sistemi di generatori a ultrasuoni NIMA, progettati appositamente per il trattamento dei metalli fusi, dotati di tracciamento automatico della frequenza con sintonizzazione automatica, controllo programmabile e configurazioni di potenza adatte ai volumi di colata in lotti o in continuo. Fondata nel 2001 e guidata da Mario Plasencia, Aktive Arc vanta 25 anni di esperienza nell’ingegneria degli ultrasuoni ad alta potenza nel settore dei generatori.

Insieme, le due aziende presentano configurazioni di sistema integrate sul sito ultrasonicdegassing.com. Se il vostro reparto di colata sta valutando l’adozione del degassaggio a ultrasuoni – o se la contaminazione da grafite, il consumo di argon o i costi della lega madre TiBAl rappresentano già una preoccupazione concreta – questo è il punto di partenza per definire le specifiche del sistema in base al vostro volume di fusione e alla configurazione del processo.

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Domande frequenti

In che modo il degassaggio a ultrasuoni rimuove l'idrogeno dall'alluminio fuso?

Le onde ultrasoniche generano cavitazione acustica: milioni di bolle microscopiche che si formano, oscillano e collassano nella massa fusa. Durante la fase di bassa pressione di ciascun ciclo di oscillazione, l’idrogeno atomico disciolto si diffonde nelle bolle e si ricombina in H₂ molecolare. Le bolle si uniscono e galleggiano verso la superficie, rilasciando l’idrogeno gassoso. Questo processo è in grado di ridurre il contenuto di idrogeno da 0,35 cm³/100 g a 0,17 cm³/100 g (una riduzione del 52%) in un unico trattamento su un lotto di lega Al–Si–Mg.

Che 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) presenti su una sezione trasversale levigata di un pezzo fuso. Si tratta di un indicatore diretto della qualità del metallo fuso. Consente inoltre di prevedere i cedimenti meccanici. I bifilm si formano quando la pellicola di ossido di alluminio presente sulla superficie del metallo fuso si ripiega su se stessa. Ciò avviene durante la colata turbolenta. I film ripiegati rimangono intrappolati nel metallo. La cavitazione ultrasonica frantuma questi film di ossido. Il processo utilizza onde d’urto che superano i 400 MPa. Ciò riduce l’indice Bifilm e diminuisce il numero di punti di inizio delle cricche. I pezzi fusi finiti mostrano quindi valori di allungamento misurabilmente più elevati.

Perché utilizzare sonotrodi in ceramica Sialon anziché quelli in titanio o grafite?

I sonotrodi in titanio subiscono una rapida erosione nell’alluminio fuso a temperature superiori ai 700 °C, contaminando il fuso con particelle di titanio. La grafite si dissolve e introduce carbonio, che può formare fasi di carburo nelle leghe di alluminio. Le ceramiche in sialon sono chimicamente inerti nei confronti dell’alluminio fuso, termicamente stabili fino a 1.100 °C con resistenza agli shock per migliaia di cicli termici e presentano un modulo di Young adatto a una trasmissione ultrasonica efficiente. Il risultato è un sonotrodo che dura significativamente più a lungo senza alcuna contaminazione del fuso, rendendolo l’unica classe di materiali che sia al tempo stesso metallurgicamente sicura e meccanicamente valida su scala industriale.

È possibile integrare il degassaggio a ultrasuoni in una linea di colata continua a corrente continua?

Sì. Gli ingegneri hanno dimostrato l’efficacia delle configurazioni in linea nella colata verticale DC (direct-chill) a portate comprese tra 70 e 100 kg/min. Queste configurazioni riducono la concentrazione di idrogeno nel metallo fuso in movimento di 1,5–2 volte. Gli operatori possono posizionare il sonotrodo nel canale di colata o nel pozzetto.

Il trattamento in batch è applicabile anche ai forni e alle siviere delle fonderie. L’aspetto fondamentale da considerare nella progettazione è l’erogazione di 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 degassaggio a ultrasuoni richiede l'uso di argon o di altri gas vettori?

No – questo è uno dei suoi principali vantaggi rispetto al degassamento rotativo. I sistemi rotativi necessitano di argon (o azoto, o miscele di cloro e argon) per espellere l’idrogeno dalla fusione. La cavitazione ultrasonica è un processo interamente meccanico: il campo acustico crea i siti di nucleazione e espelle l’idrogeno senza alcun gas vettore. Ciò elimina la necessità di approvvigionamento, stoccaggio e infrastrutture di distribuzione del gas, nonché le emissioni ambientali associate. Inoltre, elimina la rottura dello strato protettivo di ossido di alluminio causata dall’iniezione di argon.