CH626282A5

CH626282A5 - Method and apparatus for the treatment of metal and metal-alloy melts by means of macrosonic sound

Info

Publication number: CH626282A5
Application number: CH1560977A
Authority: CH
Inventors: Bertwin Dr Langenecker
Original assignee: Langenecker Bertwin; Langenecker Versuchsanst
Priority date: 1976-12-29
Filing date: 1977-12-19
Publication date: 1981-11-13
Also published as: FR2375938A1; BE862424A; GB1594977A; IT1089617B; SE7714591L; DE2758350A1

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Behandlung der Schmelze von Metallen und Metallegierungen mittels Makroschalls, das ist Ultraschall grosser Amplitude. The invention relates to a method and a device for treating the melt of metals and metal alloys by means of macro sound, that is ultrasound of large amplitude.

Es wurde bereits versucht, die Schmelze von Metallen oder Metallegierungen während des Erstarrungsvorganges einem Attempts have already been made to melt the metal or metal alloy during the solidification process

Ultraschallfeld auszusetzen, jedoch führte dieser Versuch zu keinem brauchbaren Ergebnis, weil es nicht gelang, den Ultraschall ungedämpft oder wenig gedämpft auf die Schmelze zu übertragen. Durch die Erfindung ist es erstmals möglich, mit wirtschaftlichem Aufwand in der Schmelze von Metallen und Metallegierungen ein Makroschallfeld hervorzurufen. Exposing the ultrasound field, however, this attempt did not lead to a useful result because the ultrasound could not be transmitted to the melt undamped or not damped. The invention makes it possible for the first time to produce a macro sound field in the melt of metals and metal alloys with economic outlay.

Dies wird dadurch erreicht, dass in der gesamten oder nahezu in der gesamten Schmelze zumindest am Beginn des Erstarrungsvorganges ein Makroschallfeld erzeugt wird. Hierbei kann die Schmelze vor oder während ihres Erstarrungsvorganges durch das Schallfeld hindurchgeführt werden. This is achieved in that a macro sound field is generated in the entire melt or almost in the entire melt, at least at the beginning of the solidification process. Here, the melt can be passed through the sound field before or during its solidification process.

Die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens geht von einer Anordnung mit einem oder mehreren Ultraschallsystemen aus, die jeweils aus einem Konverter und mindestens einem mit diesem direkt oder über ein Zwischenstück verbundenen schwingungsfähigen Übergangsteil bestehen und besteht darin, dass der Übergangsteil den Boden, die Wand oder einen ring- bzw. rahmenförmigen Teil der Wand der Gussform bildet. The device according to the invention for carrying out the method is based on an arrangement with one or more ultrasound systems, each of which consists of a converter and at least one vibratory transition part connected to the latter directly or via an intermediate piece, and consists in the transition part being the floor, the wall or forms an annular or frame-shaped part of the wall of the mold.

Die beabsichtigte Wirkung wird somit dadurch erzielt, dass der Makroschall über ein auf die Resonanzfrequenz des Ultraschallsystems abgestimmtes Übertragungsteil, z.B. ein sogenanntes «Horn», unmittelbar auf das zu beschallende Gut übertragen wird. Diese unmittelbare Einwirkung wird erhalten, wenn die Berührungsfläche des Schallsystems mit der Schmelze in einem sogenannten Bewegungsbauch liegt. Ein solcher befindet sich dort, wo die Verrückung der Teilchen in dem, infolge der Ausbildung einer stehenden Welle, schwingenden System am grössten ist. Um dies zu gewährleisten, ist die Länge des jeweiligen Übertragungsteils ein ganzes Vielfaches der halben Wellenlänge des verwendeten Makroschalls in dem betreffenden Ultraschallsystem. The intended effect is thus achieved in that the macro sound is transmitted via a transmission part that is tuned to the resonance frequency of the ultrasound system, e.g. a so-called «horn», which is transferred directly to the material to be sonicated. This direct influence is obtained when the contact area of the sound system with the melt lies in a so-called movement belly. Such is located where the displacement of the particles is greatest in the system which vibrates as a result of the formation of a standing wave. To ensure this, the length of the respective transmission part is a whole multiple of half the wavelength of the macro sound used in the ultrasound system in question.

Durch die erfindungsgemässe Einwirkung von Makroschall während dem Erstarren von Metallen und deren Legierungen aus der Schmelze wird es möglich, einerseits die bisher üblichen Korngrössen, die bei konventionellen Giessprozessen entstehen, also ohne Einwirkung von Makroschall, beträchtlich zu verfeinern, anderseits unerwünschte Gaseinschlüsse, die gelegentlich zu mehr oder minder grossen Lunkern in den Metallen und deren Legierungen führen können, zu vermeiden, indem die Einwirkung von Makroschall eine entgasende Wirkung hat und überdies ermöglicht die erfindungsgemässe Einwirkung des Makroschalls eine kontrollierte Verteilung der Legierungskomponenten in Metallegierungen, was schliesslich die Güte und damit die technologischen Eigenschaften von Metallen und deren Legierungen erheblich verbessert. The action according to the invention of macro sound during the solidification of metals and their alloys from the melt makes it possible, on the one hand, to considerably refine the previously customary grain sizes that arise in conventional casting processes, i.e. without the action of macro sound, and, on the other hand, undesirable gas inclusions that occasionally increase more or less large cavities in the metals and their alloys can be avoided by the action of macro sound having a degassing effect and moreover the action of the macro sound according to the invention enables a controlled distribution of the alloy components in metal alloys, which ultimately improves the quality and thus the technological Properties of metals and their alloys significantly improved.

Die erfindungsgemässe Einwirkung des Makroschalls macht es ausserdem möglich, auch solche Legierungen mit feinkörnigem Gefüge aus verschiedenartigen Komponenten herzustellen, die mit den bisher üblichen konventionellen Verfahren (also ohne Einwirkung von Makroschall) entweder gar nicht oder nur unter äusserst schwierigen Bedingungen hergestellt werden können. The action of macro sound according to the invention also makes it possible to produce such alloys with a fine-grained structure from various types of components which, using the conventional methods previously used (that is to say without the action of macro sound), can either not be produced at all or only under extremely difficult conditions.

Damit bewirkt man im Schmelzgut jene Druckamplitude, die notwendig ist, um «Keime» für die Vorgänge des Kornwachstums zu spalten und erzielt damit möglichst viele Keime, von denen aus möglichst viele Kristallkörner entstehen, die schliesslich im erstarrten Zustand das feinkörnige Gefüge repräsentieren. This creates the pressure amplitude in the melt that is necessary to cleave «germs» for the grain growth processes, and thus achieves as many germs as possible, from which as many crystal grains as possible, which ultimately represent the fine-grained structure in the solidified state.

Eine weitere Anwendung der Erfindung ergibt sich bei der Beschallung von Gussformen für komplizierte Gussstücke, z.B. Motorblöcke. Die Beschallung erfolgt während der Erstarrung des Metalls in der Gussform. Die Anordnung ist so getroffen, dass Ultraschallsysteme mit den Übertragungsteilen an jenen Stellen der Gussform angesetzt werden, wo die Gefahr der Lunkerbildung gegeben ist, oder aber besonders feines Korn im Guss gewünscht wird. Another application of the invention results in the sonication of molds for complicated castings, e.g. Engine blocks. The sonication takes place during the solidification of the metal in the mold. The arrangement is such that ultrasound systems with the transmission parts are attached to those points of the casting mold where there is a risk of voiding, or where particularly fine grain is desired in the casting.

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In der Zeichnung ist der Gegenstand der Erfindung in drei beispielsweisen Ausführungsformen dargestellt. Es zeigen Fig. 1 eine Kokille, deren Boden von einem Übertragungsteil gebildet ist, an den ein Makroschallsystem angefügt ist, Fig. 2 den Querschnitt durch eine Kokille, bei der mehrere Makroschallsysteme an der Wand der Gussform angreifen und Fig. 3 den Schnitt durch eine Vorrichtung, welche beim Stranggiessen Anwendung finden kann. In the drawing, the subject matter of the invention is shown in three exemplary embodiments. 1 shows a mold, the bottom of which is formed by a transmission part to which a macro sound system is attached, FIG. 2 shows the cross section through a mold, in which several macro sound systems act on the wall of the mold, and FIG. 3 shows the section through a mold Device that can be used in continuous casting.

Zur praktischen Ausführung gibt es dabei z.B. die Möglichkeit, der in Fig. 1 schematisch dargestellten Anordnung. Es befindet sich der Übertragungsteil 1, das Horn, in einer Öffnung des Bodens der Kokille 2, die in ihrem Inneren die Schmelze 3 aufnimmt. Das Horn 1 kann sowohl in dem ausserhalb der Kokille befindlichen Teil als auch innerhalb der Kokille ohne Querschnittsveränderung durchgehend zylindrisch sein, es kann aber auch, wie in Fig. 1 angedeutet, einer trichterförmigen Kokille entsprechend, konisch nach aussen, oder auch konisch nach innen, angepasst werden. Es ist aber unbedingt erforderlich, das Horn 1 mit der Kokille 2 zu ver-schrauben; es genügt eine Asbestschnur 4 zwischen Kokillenboden und Horn einzulegen: Das Eigengewicht des aus Horn 1, Zwischenstück 5 und Konverter 6 bestehenden Ultraschallsystems besorgt eine genügende Abdichtung der Kokille, bzw. drückt ja auch die einzugiessende Schmelze 3 in der Kokille 2 das Horn 1 fester gegen die Asbest-Abdichtschnur und damit gegen den Kokillenboden. For practical implementation there are e.g. the possibility of the arrangement shown schematically in Fig. 1. There is the transmission part 1, the horn, in an opening in the bottom of the mold 2, which receives the melt 3 in its interior. The horn 1 can be continuously cylindrical both in the part located outside the mold and also inside the mold without changing the cross-section, but it can also, as indicated in FIG. 1, correspond to a funnel-shaped mold, conically outwards or conically inwards, be adjusted. However, it is absolutely necessary to screw the horn 1 to the mold 2; it is sufficient to insert an asbestos cord 4 between the mold base and the horn: the dead weight of the ultrasound system consisting of horn 1, intermediate piece 5 and converter 6 ensures that the mold is adequately sealed, or indeed the melt 3 to be poured into the mold 2 presses the horn 1 more firmly the asbestos sealing cord and thus against the mold bottom.

Um die Schwingungen im Übertragungsteil bei der eben beschriebenen Anordnung durch die Lagerung im Unterteil der Kokille nicht zu schwächen, ist es empfehlenswert, wenn die Berührung zwischen dem Horn und dem Schmelzgefäss oder der Kokille in einem Bewegungsknoten des Horns erfolgt. In order not to weaken the vibrations in the transmission part in the arrangement just described by the storage in the lower part of the mold, it is recommended that the contact between the horn and the melting vessel or the mold take place in a movement node of the horn.

Das Zwischenstück 5 ist dann empfehlenswert, wenn Schmelzen mit höheren Temperaturen, also beispielsweise Stahl, beschallt werden und wobei über das Horn 1 unzulässig hohe Temperaturen auf den Konverter 6 übergehen könnten, wenn nicht durch die Wasserkühlung 7, die zweckmässigerweise im Bewegungsknoten des Zwischenstückes 5 angeordnet ist, Wärme abgeführt werden würde. «Unzulässig hohe Temperaturen» sind jene Temperaturen, durch die der Konverter 6 Schaden erleiden würde; der Curie-Punkt für die meisten piezoelektrischen bzw. piezokeramischen Konverter liegt nur bei einigen hundert Grad Celsius. Erfährt der Konverter eine Erwärmung auf höhere Temperaturen, dann erleidet er bleibende Schäden und ist nicht mehr imstande, die elektrischen Signale, die vom angepassten (Ultraschall-) Generator herrühren, in mechanische (Ultraschall-) Schwingungen umzuformen. The intermediate piece 5 is recommended if melts with higher temperatures, for example steel, are sonicated and where inadmissibly high temperatures could pass to the converter 6 via the horn 1, if not through the water cooling 7, which is expediently arranged in the movement node of the intermediate piece 5 is heat would be dissipated. “Inadmissibly high temperatures” are those temperatures that would damage the converter 6; the Curie point for most piezoelectric or piezoceramic converters is only a few hundred degrees Celsius. If the converter heats up to higher temperatures, it suffers permanent damage and is no longer able to convert the electrical signals that come from the adapted (ultrasound) generator into mechanical (ultrasound) vibrations.

Horn 1, Zwischenstück 5 und Konverter 6 können durch die Schrauben 8 miteinander verbunden werden. Auf jeden Fall müssen alle diese Bauteile auf die Resonanzfrequenz des Ultraschallsystems abgestimmt sein, damit ein möglichst hoher Wirkungsgrad erzielt wird und das geschieht am besten dadurch, dass man die Bauteile Horn 1 und Zwischenstück 5 auf die halbe Wellenlänge Â/2 (oder ein Vielfaches davon) der Ultraschallwelle A ablängt, wobei Horn 1, intermediate piece 5 and converter 6 can be connected to one another by the screws 8. In any case, all of these components must be tuned to the resonance frequency of the ultrasound system in order to achieve the highest possible efficiency, and this is best done by reducing the horn 1 and intermediate piece 5 components to half the wavelength Â / 2 (or a multiple thereof) ) cuts the ultrasonic wave A, whereby

A = c/v worin v die Frequenz des Schallfeldes und die Schallgeschwindigkeit c = v A = c / v where v is the frequency of the sound field and the speed of sound c = v

P P

somit proportional der Wurzel aus dem Elastizitätsmodul E und der Dichte P des für diese Bauteile verwendeten Werkstoffes sind. are therefore proportional to the root of the modulus of elasticity E and the density P of the material used for these components.

In einer abgeänderten Bauweise werden Teile oder die ganze Wandung einer Kokille 2 beliebiger Bauform, beispielsweise in zylindrischer Ausführung, wie in Fig. 2 veranschaulicht, zu Ultraschallschwingungen angeregt, die auf das In a modified design, parts or the entire wall of a mold 2 of any design, for example in a cylindrical design, as illustrated in FIG. 2, are excited to produce ultrasonic vibrations which are caused by the

Schmelzgut 3 übertragen werden. Hiebei können mehrere Hörner 1 als Teile der Kokille ausgebildet sein, die ihrerseits wiederum über allenfalls vorzusehende Zwischenstücke (entsprechend Teil 5 in Fig. 1) vor dem Konverter 6 angeordnet sind. Das Schmelzgut 3 wird beispielsweise durch eine Zuflussöffnung im Boden 4 eingebracht und kann in der Form hochsteigen. Es wird dabei dem von den Konvertern 6 herrührenden Ultraschallfeld ausgesetzt. Melt material 3 are transferred. Several horns 1 can be formed as parts of the mold, which in turn are arranged in front of the converter 6 via intermediate pieces that may be provided (corresponding to part 5 in FIG. 1). The melting material 3 is introduced, for example, through an inflow opening in the bottom 4 and can rise in shape. It is exposed to the ultrasound field originating from the converters 6.

Vorteilhafterweise kann die Anordnung so getroffen werden, dass der zylindrische Teil der Schmelzbehälterwandung einstückig mit in einer oder mehreren Längsreihen angeordneten, als Hörner wirkenden Ansätzen ausgebildet ist, wobei der Abstand der äusseren Endfläche der Ansätze von der Advantageously, the arrangement can be such that the cylindrical part of the melting vessel wall is formed in one piece with lugs, which act as horns and are arranged in one or more longitudinal rows, the distance between the outer end face of the lugs and the

Schmelze gleich (n j), der Abstand der Mitte benachbarter Ansätze einer Reihe ebenfalls (n 4) und der Abstand der Mitte benachbarter Reihen gleichfalls (n j) beträgt. Melt equal to (n j), the distance between the center of adjacent batches in a row is also (n 4) and the distance between the center of adjacent rows is also (n j).

Beim Stranggiessen (und ähnlichen Giessverfahren) kann die in Fig. 3 veranschaulichte Anordnung verwendet werden, um Ultraschall auf die erstarrende Schmelze 3 einwirken zu lassen. Bei dieser Bauform ist der Übertragungsteil 1 als ein am Anfang der Kokille 2 liegender Ring ausgebildet, sein Innendurchmesser gleich dem Innendurchmesser der Kokille und seine Breite in radialer Richtung beträgt ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge des Makroschalls. Hiebei können mehrere Konverter 6 direkt oder über Zwischenstücke 5 in einem Abstand von einem ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge des Makroschalls voneinander an den Übertragungsteil 1 sternförmig angesetzt sein. Durch diese Ausbildung ergibt sich eine Anordnung für Stranggussanlagen, bei der am Ring an mehreren Stellen, an denen bei der Resonanzschwingung des Ringes jeweils ein Bewegungsbauch auftritt, ein Makroschallsystem radial angesetzt ist. In continuous casting (and similar casting processes), the arrangement illustrated in FIG. 3 can be used to allow ultrasound to act on the solidifying melt 3. In this design, the transmission part 1 is designed as a ring located at the beginning of the mold 2, its inner diameter is equal to the inner diameter of the mold and its width in the radial direction is an integral multiple of half the wavelength of the macro sound. Several converters 6 can be attached to the transmission part 1 in a star shape directly or via spacers 5 at a distance of an integer multiple of half the wavelength of the macro sound. This configuration results in an arrangement for continuous casting systems, in which a macro sound system is applied radially to the ring at several points where a movement antinode occurs in each case when the ring resonates.

Infoge der Berührung zieht sich der erstarrende Guss zusammen und hebt sich von der Wand 2 ab. Der Übertragungs-teil ist in jenem Bereich, wo die Schmelze 3 «steht» angeordnet, so dass er das Schmelzgut berührt und die Makroschall-welle auf dieses überträgt. As a result of the touch, the solidifying cast contracts and lifts off the wall 2. The transmission part is arranged in the area where the melt 3 “stands” so that it touches the melt material and transmits the macro sound wave to it.

Eine weitere wirkungsvolle Kühlung, die sinngemäss auch für die Ausführungsform gemäss Fig. 2 gilt, besteht darin, die Kühlwasserkanäle auch im Übertragungssystem 1 vorzusehen. Am zweckmässigsten etwa im Bereich eines Bewegungsknotens, weil sonst das Kühlwasser mehr oder minder heftigen Ultraschalleinwirkungen ausgesetzt ist, wodurch Kavitationserscheinungen auftreten können, welche zu einer Abnützung der Innenwand der Kühlbauteile führen. Another effective cooling, which also applies analogously to the embodiment according to FIG. 2, consists in also providing the cooling water channels in the transmission system 1. Most expedient, for example, in the area of a movement node, because otherwise the cooling water is exposed to more or less violent ultrasound effects, which can cause cavitation phenomena, which lead to wear of the inner wall of the cooling components.

Wird die Kokille in Fig. 1 zylindrisch ausgebildet, so ergibt sich die Möglichkeit, das Makroschallsystem, bestehend aus Horn 1, Zwischenstück 5 und Konverter 6, gegenüber dem Boden der Kokille 2 zunächst anzuheben und beim Einfliessen des Schmelzgutes 3, wie der Kolben irgendeines Kolben- oder Pumpenmotors, mit der Schmelze abzusenken und währenddessen Ultraschall auf das Schmelzgut zu übertragen. Dies kann als Abänderung des Stranggiessens aufgefasst werden, indem die Kokille 2 als lange Röhre ausgeführt wird. If the mold in Fig. 1 is cylindrical, there is the possibility to first raise the macro sound system, consisting of horn 1, intermediate piece 5 and converter 6, relative to the bottom of the mold 2 and when the melt material 3 flows in, like the piston of any piston - or pump motor to lower with the melt and transfer ultrasound to the melted material. This can be seen as a modification of the continuous casting, in that the mold 2 is designed as a long tube.

Ebenso ist auch eine Gegenläufigkeit durch Einbringen der Schmelze von unten her mit Abheben des erstarrenden Schmelzgutes nach oben hin anwendbar. Dabei überträgt das Horn 1 die Ultraschallschwingungen laufend auf das Schmelzgut in dessen flüssiger Phase, während das bereits erstarrte Schmelzgut nach oben abgezogen wird. Analoge Anordnungen sind bei geneigter und waagrechter Förderrichtung oder für den Abzug nach unten möglich. Likewise, counter-rotation by introducing the melt from below with lifting of the solidifying melt material upwards is also applicable. The horn 1 continuously transmits the ultrasonic vibrations to the melt in its liquid phase, while the melt which has already solidified is drawn off upwards. Analogous arrangements are possible for inclined and horizontal conveying directions or for downward discharge.

Wegen der hohen Temperaturen ist es von Vorteil, wenn die Übertragungsteile 1 aus Titan, einer Titanlegierung, aus Wofram oder einer Wolframlegirung bestehen. Because of the high temperatures, it is advantageous if the transmission parts 1 consist of titanium, a titanium alloy, Wofram or a tungsten alloy.

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1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims

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1. A method for treating the melt of metals and metal alloys by means of macro sound, characterized in that a macro sound field is generated in the whole or almost in the entire melt, at least at the beginning of the solidification process.

2. The method according to claim 1, characterized in that the macro sound field generated in the melt is directed axially to the mold containing the melt.

2nd

PATENT CLAIMS

3. The method according to claim 1, characterized in that the macro sound field generated in the melt is directed radially to the mold containing the melt.

4. The method according to claim 1, characterized in that the macro sound field generated in the melt is directed transversely to the longitudinal direction of the mold containing the melt.

5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the melt is passed through the sound field before or during its solidification process.

6. Arrangement for performing the method according to one of claims 1 to 5 with one or more ultrasound systems, each consisting of a converter and at least one with this directly or via an intermediate piece vibrating transmission part, characterized in that the transmission part the floor, the Wall or a ring or frame-shaped part of the wall of the mold.

7. Arrangement according to claim 6, characterized in that the transfer part forming the bottom of the mold is slidably mounted in the mold or is connected to it in the plane of a movement node.

8. Arrangement according spoke 6, characterized in that in continuous casting systems, the transmission part is designed as a ring lying at the beginning of the mold, its inner diameter is equal to the inner diameter of the mold and its width in the radial direction is an integral multiple of half the wavelength of the macro sound.

9. Arrangement according to claim 8, characterized in that a macro sound system is radially attached to the ring at several points at which a movement antinode occurs when the ring resonates.

10. The arrangement according to claim 6, characterized in that the cylindrical part of the mold is integrally formed with lugs arranged in one or more rows, the distance of the outer end faces of the lugs from the melt being a multiple of half the macro-wave length and also the distance of the Center of adjacent approaches of a row and the distance of the center of adjacent rows, and that a macro sound system is attached to each approach.

11. Arrangement according to one of claims 6 to 10, characterized in that cooling is provided in the transmission part and / or intermediate piece in the region of a movement node.

12. Arrangement according to one of claims 6 to 11, characterized in that the transmission parts consist of titanium, a titanium alloy, tungsten or a tungsten alloy.