DE102021110122A1

DE102021110122A1 - ALUMINUM CASTINGS WITH ULTRASONIC TECHNOLOGY

Info

Publication number: DE102021110122A1
Application number: DE102021110122.0A
Authority: DE
Inventors: Qigui Wang; Wenying Yang; John M. Kremer; Daniel J. Wilson; Dale A. Gerard; Thomas W. Gustafson
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2020-09-25
Filing date: 2021-04-21
Publication date: 2022-03-31
Also published as: CN114247874A; US20220097130A1

Abstract

Eine Gießpfanne, ein Verfahren und ein System zum Gießen einer Legierung auf Aluminiumbasis umfasst eine Gießpfanne. Die Gießpfanne umfasst einen Becher und der Becher definiert eine Öffnung. Die Gießpfanne umfasst auch einen Ultraschallwandler mit einem in den Becher eingetauchten Ende, wobei der Becher eine erste Tiefe aufweist und der Ultraschallwandler in einer zweiten Tiefe in einem Bereich von 5 Prozent bis 100 Prozent der ersten Tiefe in den Becher eingetaucht ist. Eine Legierungsschmelze auf Aluminiumbasis wird in eine Öffnung einer Gießpfanne eingeführt, ein in die Legierungsschmelze auf Aluminiumbasis eingetauchter Ultraschallwandler wird aktiviert, und die Legierungsschmelze auf Aluminiumbasis wird auf eine Gussoberfläche übertragen.A ladle, method and system for casting an aluminum base alloy includes a ladle. The ladle includes a cup, and the cup defines an opening. The ladle also includes an ultrasonic transducer having an end immersed in the cup, the cup having a first depth and the ultrasonic transducer being immersed into the cup at a second depth in a range of 5 percent to 100 percent of the first depth. An aluminum-based alloy melt is introduced into an opening of a ladle, an ultrasonic transducer immersed in the aluminum-based alloy melt is activated, and the aluminum-based alloy melt is transferred onto a casting surface.

Description

EINLEITUNGINTRODUCTION

Porosität und Kornstruktur von Metalllegierungen sind seit langem als Faktoren bekannt, die die mechanischen Eigenschaften beeinflussen, insbesondere die Duktilität der Legierung und die Ermüdungsleistung von Gusskomponenten. Porosität bildet sich zum Teil aufgrund von gelösten Gasen in der flüssigen Schmelze, die im festen Gefüge weniger löslich sind und eingeschlossen werden. Außerdem kann die volumetrische Schrumpfung beim Übergang der Schmelze von der flüssigen in die feste Phase während der Erstarrung zur Porosität beitragen. Wenn die Erstarrungstemperaturen nicht sorgfältig kontrolliert werden, können sich unscharfe und unerwünschte Kornstrukturen (einschließlich großer und säulenförmiger Kornbildungen) bilden. Diese Probleme sind besonders akut beim Gießen von Leichtmetall-Legierungen (wie AluminiumBasis-Legierungen im Allgemeinen und Aluminium-Silizium-Legierungen (319, 356, 390 o.ä. im Besonderen), die u.a. zur Herstellung von Automobil-Zylinderblöcken und -köpfen verwendet werden.Porosity and grain structure of metal alloys have long been recognized as factors affecting mechanical properties, particularly alloy ductility and fatigue performance of cast components. Porosity forms in part due to dissolved gases in the liquid melt, which are less soluble in the solid structure and become trapped. In addition, the volumetric shrinkage during the transition of the melt from the liquid to the solid phase during solidification can contribute to the porosity. If solidification temperatures are not carefully controlled, fuzzy and undesirable grain structures (including tall and columnar grain formations) can form. These problems are particularly acute in the casting of light metal alloys (such as aluminium-base alloys in general and aluminium-silicon alloys (319, 356, 390 or similar in particular)) used, inter alia, for the manufacture of automobile cylinder blocks and heads will.

Die Entwicklung von gelösten Gasen als Folge der deutlich geringeren Löslichkeit der Gase im Festkörper im Vergleich zum flüssigen Metall ist oft die Hauptursache für Porosität. Dies gilt insbesondere für Gussteile auf Aluminiumbasis, bei denen wasserstoffinduzierte Porosität die vorherrschende Form ist, da Wasserstoff das Gas ist, das in geschmolzenem Aluminium nennenswert löslich ist. Daher gibt es mehrere Methoden, die derzeit eingesetzt werden, um Einschlüsse und Wasserstoffgehalt in flüssigem Aluminium zu reduzieren. Zu diesen Methoden gehören verschiedene Entgasungstechniken, darunter die Rotationsradentgasung, die Tablettenentgasung (wie Hexachlorethan (C₂Cl₆)), die Vakuumentgasung und die Sprühentgasung. Obwohl sich diese Entgasungsmethoden in unterschiedlichem Maße bei der Raffination von Schmelzen auf Aluminiumbasis bewährt haben, können sie Umweltprobleme verursachen (z. B. durch die Freisetzung von Cl₂-Gas) oder erhebliche Investitionen erfordern.The development of dissolved gases as a result of the significantly lower solubility of the gases in the solid compared to the liquid metal is often the main cause of porosity. This is especially true for aluminum-based castings where hydrogen-induced porosity is the predominant form, since hydrogen is the gas that is appreciably soluble in molten aluminum. Therefore, there are several methods currently used to reduce inclusions and hydrogen content in liquid aluminum. These methods include various degassing techniques, including rotary wheel degassing, tablet degassing (such as hexachloroethane (C ₂ Cl ₆ )), vacuum degassing, and spray degassing. Although these degassing methods have been proven to varying degrees in the refining of aluminum-based melts, they can cause environmental problems (e.g. through the release of Cl ₂ gas) or require significant investments.

Darüber hinaus ist es wünschenswert, eine feine und gleichachsige Kornstruktur in Gussteilen auf Aluminiumbasis anzustreben, um Schrumpfung, Warmrissbildung und Ermüdungsanfälligkeit zu minimieren sowie die Duktilität zu verbessern und eine relativ gleichmäßigere Verteilung von feinkörnigen zweiten Phasen und Mikroporosität zu erreichen. Diese wiederum verbessern die Streckgrenze, die Bruchzähigkeit und andere nützliche mechanische Eigenschaften. Im Allgemeinen hat jeder Faktor, der die Anzahl der Keimbildungsstellen erhöht oder die Wachstumsrate reduziert, die Tendenz, feine Körner in einer Aluminiumlegierung im Gusszustand zu erzeugen. Zu den häufig verwendeten Techniken gehört die Verwendung einer Kühlung oder eines ähnlichen Einsatzes in der Form, um die lokale Erstarrungsrate zu erhöhen (was wiederum die Korngrößenverringerung und die damit verbundenen mechanischen Eigenschaften fördert). In einem sandgegossenen Motorblock werden beispielsweise die Schotten in der Nähe der Kurbelwellenzapfenbereiche mit Schwermetallkühlen geformt, um die erforderlichen mechanischen Eigenschaften zu gewährleisten. Leider kann sich bei der Verwendung von Kokillen eine unerwünschte lokale säulenförmige Kornstruktur bilden, die die Ermüdungseigenschaften des Werkstoffs erheblich beeinträchtigen kann. Daher werden in der Praxis oft Kornfeinungsmittel in Form von chemischen oder elementaren Zusätzen (wie Titan, Bor, Kohlenstoff oder Kombinationen davon) in das flüssige Metall oder die Form vor der Formfüllung eingebracht, wenn eine Kühlung verwendet wird. Da die Zugabe eines solchen Kornfeinungsmittels zu einer flüssigen Metallschmelze im Ofen mit der Zeit zu Schlammablagerungen führt, kann ein solches Vorgehen erheblich zu den Wartungskosten des Ofens und der Umwälzpumpe beitragen. Ebenso neigt die Kornfeinung in der Form dazu, mehr Oxide (die zur unerwünschten Bi-Film-Bildung beitragen können) und Gefügeentmischung im Gussteil zu erzeugen.In addition, it is desirable to strive for a fine and equiaxed grain structure in aluminum-based castings to minimize shrinkage, hot cracking and fatigue susceptibility, as well as improve ductility and achieve a relatively more uniform distribution of fine-grained second phases and microporosity. These in turn improve yield strength, fracture toughness and other useful mechanical properties. In general, any factor that increases the number of nucleation sites or reduces the growth rate has a tendency to produce fine grains in an as-cast aluminum alloy. Common techniques used include the use of cooling or a similar insert in the mold to increase the local rate of solidification (which in turn promotes grain size reduction and associated mechanical properties). For example, in a sand cast engine block, the bulkheads near the crankshaft journal areas are formed with heavy metal coolants to ensure the required mechanical properties. Unfortunately, when molds are used, an undesirable local columnar grain structure can form, which can significantly affect the fatigue properties of the material. Therefore, in practice, grain refiners in the form of chemical or elemental additives (such as titanium, boron, carbon or combinations thereof) are often introduced into the liquid metal or mold prior to mold filling when cooling is used. Because the addition of such a grain refiner to a molten metal bath in the furnace will result in sludge build-up over time, such an approach can add significantly to the maintenance costs of the furnace and circulating pump. Likewise, grain refinement in the mold tends to produce more oxides (which can contribute to undesirable bi-film formation) and microstructural segregation in the casting.

Dementsprechend besteht, obwohl die derzeitigen Verfahren zur Bildung von Aluminiumlegierungen ihren Zweck erfüllen, ein Bedarf an einem neuen und verbesserten System und Verfahren zur Verarbeitung von Aluminiumlegierungen, um die Porosität zu verringern und die Kornstruktur zu reduzieren.Accordingly, while current methods for forming aluminum alloys serve their purpose, there is a need for a new and improved system and method for processing aluminum alloys to reduce porosity and reduce grain structure.

BESCHREIBUNGDESCRIPTION

Gemäß mehreren Aspekten umfasst eine Gießpfanne zum Gießen einer Legierung auf Aluminiumbasis eine Gießpfanne. Die Gießpfanne umfasst einen Becher und der Becher definiert eine Öffnung. Die Gießpfanne umfasst auch einen Ultraschallwandler, der ein in den Becher eingetauchtes Ende aufweist, wobei der Becher eine erste Tiefe aufweist und der Ultraschallwandler in einer zweiten Tiefe in einem Bereich von 5 Prozent bis 100 Prozent der ersten Tiefe in den Becher eingetaucht ist.In several aspects, a ladle for casting an aluminum-based alloy includes a ladle. The ladle includes a cup, and the cup defines an opening. The ladle also includes an ultrasonic transducer having an end submerged within the cup, the cup having a first depth and the ultrasonic transducer submerged into the cup at a second depth in a range of 5 percent to 100 percent of the first depth.

In weiteren Aspekten ist der Becher durch eine Pfannenwand definiert und der Ultraschallwandler berührt nicht direkt die Pfannenwand.In other aspects, the cup is defined by a pan wall and the ultrasonic transducer does not directly contact the pan wall.

In weiteren Aspekten ist der Becher durch eine Pfannenwand definiert und die Pfanne umfasst außerdem eine mit der Pfannenwand verbundene Halterung, wobei der Ultraschallwandler mit der Halterung verbunden ist.In further aspects, the cup is defined by a socket wall, and the socket also includes a mount connected to the socket wall, with the ultrasonic transducer connected to the mount.

In zusätzlichen Aspekten definiert die Halterung eine Öffnung und der Ultraschallwandler ist in der Öffnung positioniert.In additional aspects, the mount defines an opening and the ultrasonic transducer is positioned in the opening.

In weiteren Aspekten ist der Ultraschallwandler an einem Roboterarm befestigt, der relativ zu der im Becher definierten Öffnung beweglich ist.In further aspects, the ultrasonic transducer is attached to a robotic arm that is moveable relative to the opening defined in the cup.

In weiteren Aspekten ist der Roboterarm mit der Gießpfanne verbunden.In further aspects, the robotic arm is connected to the ladle.

Gemäß mehreren Aspekten umfasst ein Verfahren zum Gießen einer Legierung auf Aluminiumbasis das Einführen einer Legierungsschmelze auf Aluminiumbasis in eine Öffnung einer Gießpfanne. Die Gießpfanne umfasst einen Becher zur Aufnahme der Legierungsschmelze auf Aluminiumbasis und der Becher weist eine erste Tiefe auf. Das Verfahren umfasst ferner die Aktivierung eines Ultraschallwandlers, der in die Legierungsschmelze auf Aluminiumbasis eingetaucht ist. Der Ultraschallwandler wird durch die Öffnung bis zu einer zweiten Tiefe in einem Bereich von 5 Prozent bis 100 Prozent der ersten Tiefe des Bechers eingetaucht. Das Verfahren umfasst auch das Übertragen der Legierungsschmelze auf Aluminiumbasis auf eine Gussoberfläche.In several aspects, a method of casting an aluminum-based alloy includes introducing molten aluminum-based alloy into an opening of a ladle. The ladle includes a cup for receiving the aluminum-based alloy melt, and the cup has a first depth. The method further includes activating an ultrasonic transducer immersed in the aluminum-based alloy melt. The ultrasonic transducer is immersed through the opening to a second depth in a range of 5 percent to 100 percent of the first depth of the cup. The method also includes transferring the aluminum-based alloy melt to a casting surface.

In weiteren Aspekten wird der Ultraschallwandler für eine Zeitspanne im Bereich von 5 Sekunden bis 40 Sekunden aktiviert.In other aspects, the ultrasonic transducer is activated for a period of time ranging from 5 seconds to 40 seconds.

In weiteren Aspekten umfasst das Verfahren das Anlegen von Leistung an den Ultraschallwandler mit Pegeln in einem Bereich von 1 Kilowatt bis 10 Kilowatt, mit einer Leistungsdichte in einem Bereich von 10 Watt pro Quadratzentimeter bis 500 Watt pro Quadratzentimeter und mit einer Frequenz in einem Bereich von 10 Kilohertz bis 100 Kilohertz.In other aspects, the method includes applying power to the ultrasonic transducer at levels in a range from 1 kilowatt to 10 kilowatts, at a power density in a range from 10 watts per square centimeter to 500 watts per square centimeter, and at a frequency in a range of 10 Kilohertz to 100 kilohertz.

In weiteren Aspekten beinhaltet das Verfahren das Deaktivieren des Ultraschallwandlers vor dem Übertragen der Legierungsschmelze auf Aluminiumbasis auf die Gussoberfläche.In further aspects, the method includes deactivating the ultrasonic transducer prior to transferring the aluminum-based alloy melt to the casting surface.

In weiteren Aspekten wird der Ultraschallwandler in die Gießpfanne eingetaucht, bevor die Legierungsschmelze auf Aluminiumbasis in die Öffnung der Gießpfanne eingeführt wird.In further aspects, the ultrasonic transducer is immersed in the ladle before the aluminum-based alloy melt is introduced into the opening of the ladle.

In weiteren Aspekten wird der Ultraschall-Wandler von einem Roboterarm in die Gießpfanne eingetaucht, nachdem die Legierungsschmelze auf Aluminiumbasis in die Gießpfanne eingebracht wurde.In further aspects, the ultrasonic transducer is immersed into the ladle by a robotic arm after the aluminum-based alloy melt has been introduced into the ladle.

In weiteren Aspekten ist die Gussoberfläche ein Formhohlraum.In other aspects, the casting surface is a mold cavity.

In weiteren Aspekten ist die Gussoberfläche ein Band.In other aspects, the casting surface is a band.

Gemäß mehreren Aspekten umfasst ein System zum Gießen einer Legierung auf Aluminiumbasis eine Gießfläche zur Aufnahme einer Legierungsschmelze auf Aluminiumbasis und eine Gießpfanne zum Übertragen der Legierungsschmelze auf Aluminiumbasis auf die Gießfläche, wobei die Gießpfanne einen Becher umfasst, wobei der Becher eine Öffnung definiert, und einen Ultraschallwandler, der ein Ende umfasst, das durch die Öffnung in den Becher eingetaucht ist, wobei der Becher eine erste Tiefe aufweist und der Ultraschallwandler in den Becher mit einer zweiten Tiefe in einem Bereich von 5 Prozent bis 100 Prozent der ersten Tiefe eingetaucht ist.According to several aspects, a system for casting an aluminum-based alloy includes a casting surface for receiving an aluminum-based alloy melt and a ladle for transferring the aluminum-based alloy melt to the casting surface, the ladle including a cup, the cup defining an opening, and an ultrasonic transducer comprising an end immersed in the cup through the opening, the cup having a first depth and the ultrasonic transducer being immersed in the cup at a second depth in a range of 5 percent to 100 percent of the first depth.

In weiteren Aspekten umfasst die Gussoberfläche einen Formhohlraum.In further aspects, the casting surface includes a mold cavity.

In zusätzlichen Aspekten umfasst die Gussoberfläche ein Band.In additional aspects, the casting surface includes a band.

In weiteren Aspekten umfasst das System eine Stromversorgung und einen Controller, der operativ mit dem Ultraschallwandler gekoppelt ist.In other aspects, the system includes a power supply and a controller operatively coupled to the ultrasound transducer.

In weiteren Aspekten wird der Becher durch eine Pfannenwand definiert und das System umfasst eine Halterung, die mit der Pfannenwand verbunden ist, wobei der Ultraschallwandler mit der Halterung verbunden ist.In further aspects, the cup is defined by a socket wall and the system includes a mount connected to the socket wall, with the ultrasonic transducer connected to the mount.

In weiteren Aspekten ist der Ultraschallwandler an einem Roboterarm befestigt und der Roboterarm ist relativ zu der im Becher definierten Öffnung beweglich.In other aspects, the ultrasonic transducer is attached to a robotic arm, and the robotic arm is moveable relative to the opening defined in the cup.

Figurenlistecharacter list

Die hier beschriebenen Zeichnungen dienen nur der Veranschaulichung und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung in keiner Weise einschränken.

1 zeigt eine Gießpfanne mit einem Ultraschallwandler gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
2 zeigt eine Gießpfanne mit einem Ultraschallwandler gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
3 zeigt ein Verfahren zum Entgasen und Verfeinern der Korngröße einer Legierungsschmelze auf Aluminiumbasis gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
4A zeigt ein Gießverfahren, bei dem die Legierungsschmelze auf Aluminiumbasis in eine Form gemäß einer beispielhaften Ausführungsform gegossen wird;
4B veranschaulicht einen Stranggussprozess gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
4C zeigt ein Druckgussverfahren gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
5A zeigt die Porosität einer unbehandelten Legierung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
5B zeigt die Porosität einer behandelten Legierung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
5C zeigt die Porosität einer behandelten Legierung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
6A zeigt die Kornstruktur einer unbehandelten Legierung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
6B zeigt die Kornstruktur einer behandelten Legierung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
6C zeigt die Kornstruktur einer behandelten Legierung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
7A zeigt die Kornstruktur einer unbehandelten Legierung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
7B zeigt die primäre Siliziumpartikelgrößenverteilung der unbehandelten Legierung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
7C zeigt die Kornstruktur einer behandelten Legierung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform; und
7D zeigt die primäre Siliziumpartikelgrößenverteilung der behandelten Legierung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.

The drawings described herein are for illustrative purposes only and are not intended to limit the scope of the present disclosure in any way.

1 12 shows a ladle with an ultrasonic transducer according to an exemplary embodiment;
2 12 shows a ladle with an ultrasonic transducer according to an exemplary embodiment;
3 12 shows a method for degassing and grain size refining of an aluminum-based alloy melt according to an exemplary embodiment;
4A 12 shows a casting process in which the aluminum-based alloy melt is poured into a mold according to an exemplary embodiment;
4B illustrates a continuous casting process according to an exemplary embodiment;
4C 12 shows a die casting process according to an exemplary embodiment;
5A 12 shows the porosity of an untreated alloy according to an exemplary embodiment;
5B 12 shows the porosity of a treated alloy according to an exemplary embodiment;
5C 12 shows the porosity of a treated alloy according to an exemplary embodiment;
6A 12 shows the grain structure of an untreated alloy according to an exemplary embodiment;
6B 12 shows the grain structure of a treated alloy according to an exemplary embodiment;
6C 12 shows the grain structure of a treated alloy according to an exemplary embodiment;
7A 12 shows the grain structure of an untreated alloy according to an example embodiment;
7B 12 shows the primary silicon particle size distribution of the untreated alloy according to an exemplary embodiment;
7C 12 shows the grain structure of a treated alloy according to an example embodiment; and
7D 12 shows the primary silicon particle size distribution of the treated alloy according to an exemplary embodiment.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNGDETAILED DESCRIPTION

Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Gießpfanne und ein Verfahren zum Formen von Aluminiumgussteilen unter Verwendung von Ultraschalltechnologie sowie ein Verfahren zur Verarbeitung von Legierungen auf Aluminiumbasis und, in Aspekten, zur Verbesserung der Qualität und der mechanischen Leistung von Gussteilen aus Aluminiumlegierungen unter Verwendung von Ultraschalltechnologie. In Aspekten werden die hier beschriebenen Gießpfannen mit einer Reihe von Gießverfahren verwendet.The present disclosure relates to a ladle and method for forming aluminum castings using ultrasonic technology, and a method for processing aluminum-based alloys and, in aspects, improving the quality and mechanical performance of aluminum alloy castings using ultrasonic technology. In aspects, the ladles described herein are used with a variety of casting processes.

1 zeigt einen Aspekt der Gießpfanne 100, einschließlich eines Ultraschallwandlers 102, der in der Schmelze der Aluminiumlegierung 104 in der Pfanne 100 in Position gehalten wird. In dem dargestellten Aspekt wird der Ultraschallwandler 102 in der Gießpfanne 100 mit einer Halterung 106 gehalten, die mit der Gießpfanne 100 verbunden ist. In alternativen Aspekten, wie in 2 dargestellt, wird der Ultraschallwandler 102 in der Pfanne 100 mithilfe eines Roboterarms 108 gehalten, der beweglich ist und den Ultraschallwandler 102 in der Pfanne 100 positioniert oder den Ultraschallwandler 102 aus der Pfanne 100 entfernt. 1 12 shows an aspect of the ladle 100 including an ultrasonic transducer 102 held in position within the melt of aluminum alloy 104 in the ladle 100. FIG. In the illustrated aspect, the ultrasonic transducer 102 is retained in the ladle 100 with a bracket 106 that is connected to the ladle 100 . In alternative aspects, as in 2 As shown, the ultrasonic transducer 102 is held in the socket 100 by a robotic arm 108 that is moveable and positions the ultrasonic transducer 102 in the socket 100 or removes the ultrasonic transducer 102 from the socket 100 .

Unter Bezugnahme auf 1 und 2 definiert die Gießpfanne 100 eine Öffnung 112 in einem Becher 114, der durch eine Pfannenwand 116 gebildet wird. In dem dargestellten Aspekt ist die Öffnung 112 in der Oberseite 118 der Pfanne 100 definiert. In Aspekten (nicht dargestellt) kann die Gießpfanne 100 einen Deckel umfassen, der die Öffnung 112 zumindest teilweise oder vollständig abdeckt. In Aspekten ist die Gießpfanne 100 eine Gießpfanne, die als eine Pfanne 100 verstanden wird, die zum Gießen von flüssiger Schmelze in eine Gießform oder auf ein Förderband verwendet wird. Im gefüllten Zustand füllt die Legierungsschmelze auf Aluminiumbasis 104 zumindest einen Teil des durch den Becher 114 definierten Volumens 120 aus. In Aspekten ist die Gießpfanne 100 aus Werkzeugstahl, Keramik oder anderen Materialien geformt, die ihre strukturelle Integrität bei den Arbeitstemperaturen der gießbaren Metallmaterialien beibehalten.With reference to 1 and 2 the ladle 100 defines an opening 112 in a cup 114 formed by a ladle wall 116 . In the illustrated aspect, the opening 112 is defined in the top 118 of the socket 100 . In aspects (not shown), the ladle 100 may include a lid that at least partially or completely covers the opening 112 . In aspects, the ladle 100 is a ladle understood as a ladle 100 used for pouring liquid melt into a mold or onto a conveyor belt. When filled, the aluminum-based alloy melt 104 fills at least a portion of the volume 120 defined by the cup 114 . In aspects, the ladle 100 is formed from tool steel, ceramic, or other materials that maintain their structural integrity at the working temperatures of the castable metal materials.

Der Ultraschallwandler 102 ist innerhalb des Volumens 120 des Bechers 114 so positioniert, dass ein Ende 124 des Ultraschallwandlers 102 von der Oberseite 118 der Pfanne 100 in die Schmelze der Aluminiumlegierung 104 eingetaucht wird, entweder bevor oder nachdem die Schmelze der Aluminiumlegierung 104 in die Pfanne 100 eingebracht wird. Dementsprechend wird in Aspekten das Ende 124 des Ultraschallwandlers 102 durch die Öffnung 112 des Bechers 114 in die Pfanne eingetaucht. Der Becher 114 weist eine erste Tiefe d auf und der Ultraschallwandler 102 wird in einer zweiten Tiefe eingetaucht, die mindestens 5 Prozent der ersten Tiefe d des Bechers 114 beträgt, einschließlich aller Werte und Bereiche von 5 Prozent bis 100 Prozent der ersten Tiefe d des Bechers 114, wie z.B. 5 Prozent bis 75 Prozent, 10 Prozent bis 50 Prozent, usw. In einigen Aspekten berührt der Ultraschallwandler 102 die Pfannenwand 116 nicht direkt, auch nicht am Boden 136 des Bechers 114. Darüber hinaus ist der Ultraschallwandler 102 so konfiguriert, dass er mit Leistungspegeln im Bereich von 1 Kilowatt bis 10 Kilowatt, einschließlich aller Werte und Bereiche darin, einer Leistungsdichte im Bereich von 10 Watt pro Quadratzentimeter bis 500 Watt pro Quadratzentimeter, einschließlich aller Werte und Bereiche darin, und einer Frequenz von 10 Kilohertz bis 100 Kilohertz, einschließlich aller Werte und Bereiche darin, arbeitet.The ultrasonic transducer 102 is positioned within the volume 120 of the beaker 114 such that an end 124 of the ultrasonic transducer 102 is immersed from the top 118 of the ladle 100 into the melt of aluminum alloy 104 either before or after the melt of aluminum alloy 104 enters the ladle 100 is introduced. Accordingly, in aspects, the end 124 of the ultrasonic transducer 102 is immersed through the opening 112 of the cup 114 into the pan. The cup 114 has a first depth d and the ultrasonic transducer 102 is immersed at a second depth that is at least 5 percent of the first depth d of the cup 114, including all values and ranges from 5 percent to 100 percent of the first depth d of the cup 114, such as 5 percent to 75 percent, 10 percent to 50 percent, etc. In some aspects, the ultrasonic transducer 102 does not directly touch the socket wall 116, including the bottom 136 of the cup 114. In addition, the ultrasonic transducer 102 is configured so that he with power levels in the range of 1 kilowatt to 10 kilowatts, including all values and ranges therein, a power density in the range of 10 watts per square centimeter to 500 watts per square centimeter, including all values and ranges therein, and a frequency of 10 kilohertz to 100 kilohertz , including all values and ranges within it, works.

In Aspekten, wie dem in 1 dargestellten Aspekt, wird der Ultraschallwandler 102 mit einer Halterung 106 in der Pfanne 100 gehalten. In dem dargestellten Aspekt ist die Halterung 106 an der Innenseite 130 des Bechers 114 befestigt. In anderen Aspekten kann die Halterung 106 jedoch auch an der Außenseite 132 des Bechers 114 oder sowohl an der Innenseite 130 als auch an der Außenseite 132 des Bechers 114 befestigt sein. Die Halterung 106 erstreckt sich über die Öffnung 112 der Pfanne 100, um den Ultraschallwandler 106 in einem Abstand von der Pfannenwand 116 zu positionieren.In aspects like that in 1 The aspect shown, the ultrasonic transducer 102 is held in the socket 100 with a holder 106 . In the aspect shown, the bracket 106 is attached to the inside 130 of the cup 114 . However, in other aspects, the bracket 106 may be attached to the outside 132 of the cup 114 or to both the inside 130 and outside 132 of the cup 114 . The bracket 106 extends across the opening 112 of the socket 100 to position the ultrasonic transducer 106 at a distance from the socket wall 116 .

Ferner definiert die Halterung 106 im dargestellten Aspekt eine Öffnung 134, in der der Ultraschallwandler 102 montiert ist. In einigen Aspekten ist der Ultraschallwandler 102 mechanisch mit der Halterung 106 gekoppelt, indem ein oder mehrere mechanische Befestigungselemente, wie Muttern, Bolzen, Schrauben oder Klammern, verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich wird der Ultraschallwandler 102 in der Halterung 106 durch eine Presspassung zwischen dem Ultraschallwandler 102 und der Öffnung 134, in der der Ultraschallwandler 102 positioniert ist, gehalten. In weiteren Aspekten ist der Ultraschallwandler 102 mit der Halterung 106 auf einstellbare Weise gekoppelt, wobei der Wandler 102 relativ zum Boden 136 der Schale 114 angehoben und abgesenkt werden kann. Es sollte gewürdigt werden, dass eine einstellbare Befestigung nützlich ist, wenn die Menge der Legierungsschmelze auf Aluminiumbasis 104 innerhalb der Pfanne 100 von Gießprozess zu Gießprozess oder Produktanwendung zu Produktanwendung variiert. In Aspekten wird eine Dichtung (nicht dargestellt) in der Öffnung 134 zwischen dem Ultraschallwandler 102 und der Halterung 106 positioniert, die die Schwingungen des Ultraschallwandlers 102 dämpft, um Schäden an der Halterung 106 und der Pfanne 100 zu verhindern.Also in the illustrated aspect, the mount 106 defines an opening 134 in which the ultrasonic transducer 102 is mounted. In some aspects, the ultrasonic transducer 102 is mechanically coupled to the mount 106 using one or more mechanical fasteners, such as nuts, bolts, screws, or brackets. Alternatively or additionally, the ultrasonic transducer 102 is held in the mount 106 by an interference fit between the ultrasonic transducer 102 and the opening 134 in which the ultrasonic transducer 102 is positioned. In other aspects, the ultrasonic transducer 102 is adjustably coupled to the mount 106 wherein the transducer 102 can be raised and lowered relative to the bottom 136 of the tray 114 . It should be appreciated that an adjustable fixture is useful when the amount of aluminum-based alloy melt 104 within ladle 100 varies from casting process to casting process or product application to product application. In aspects, a gasket (not shown) is positioned in the opening 134 between the ultrasonic transducer 102 and the mount 106 that dampens vibrations of the ultrasonic transducer 102 to prevent damage to the mount 106 and socket 100 .

Mit Bezug auf 2 wird der Ultraschallwandler 102 durch einen Roboterarm 108 in der Pfanne 100 positioniert. In solchen Aspekten ist der Ultraschallwandler 102 am Roboterarm 108 befestigt und der Roboterarm 108 hebt und senkt den Ultraschallwandler 102 relativ zur Öffnung 112 der Pfanne 114. In einigen Aspekten ist der Roboterarm 108 durch eine Klemme oder mechanische Befestigungsmittel am Ultraschallwandler befestigt. Während nur zwei Gestänge 140, 142 des Roboterarms 108 dargestellt sind, können auch mehr als zwei Gestänge vorhanden sein, wie z.B. 3 oder 4, je nach Niveau und Grad der Bewegung, die erforderlich ist, um den Ultraschallwandler 102 in der Pfanne 100 zu positionieren. Ferner ist der Roboterarm 108 zwar als mit der Pfannenwand 116 verbunden dargestellt, es sollte jedoch beachtet werden, dass der Roboterarm 108 in einigen Fällen nicht direkt mit der Pfanne 100 verbunden ist, so dass sich die Pfanne 100 relativ zum Roboterarm 108 bewegen kann. In Aspekten senkt der Roboterarm 108 den Ultraschallwandler 102 in die Pfanne 100 ab, nachdem die flüssige Schmelze 104 in die Pfanne 100 eingebracht worden ist. In weiteren Aspekten sind zwischen dem Roboterarm 108 und dem Ultraschallwandler 102 Dämpfungspads (nicht abgebildet) angeordnet, die die Schwingungen des Ultraschallwandlers 102 dämpfen und Schäden am Roboterarm 108 verhindern können.Regarding 2 the ultrasonic transducer 102 is positioned in the socket 100 by a robotic arm 108 . In such aspects, the ultrasonic transducer 102 is attached to the robotic arm 108, and the robotic arm 108 raises and lowers the ultrasonic transducer 102 relative to the opening 112 of the socket 114. In some aspects, the robotic arm 108 is attached to the ultrasonic transducer by a clamp or mechanical fasteners. While only two linkages 140, 142 of the robotic arm 108 are shown, there may be more than two linkages, such as 3 or 4, depending on the level and degree of movement required to position the ultrasonic transducer 102 within the socket 100 . Furthermore, while the robotic arm 108 is shown connected to the pan wall 116, it should be noted that in some cases the robotic arm 108 is not directly connected to the pan 100, allowing the pan 100 to move relative to the robotic arm 108. In aspects, the robotic arm 108 lowers the ultrasonic transducer 102 into the ladle 100 after the liquid melt 104 has been introduced into the ladle 100 . In further aspects, damping pads (not shown) are arranged between the robotic arm 108 and the ultrasonic transducer 102 and can dampen the vibrations of the ultrasonic transducer 102 and prevent damage to the robotic arm 108 .

Während 1 und 2 die Verwendung eines Ultraschallwandlers 102 zeigen, können in alternativen Aspekten (nicht abgebildet) mehr als ein Ultraschallwandler 102 vorhanden sein, z. B. im Bereich von 2 Wandlern bis 10 Wandlern, einschließlich aller Werte und Bereiche darin. Die zusätzlichen Ultraschallwandler 102 können von einer oder mehreren Halterungen 106 gehalten oder von einem oder mehreren Roboterarmen 108 in die Legierungsschmelze auf Aluminiumbasis 104 eingetaucht werden.While 1 and 2 show the use of one ultrasonic transducer 102, in alternative aspects (not shown) there may be more than one ultrasonic transducer 102, e.g. B. in the range from 2 converters to 10 converters, including all values and ranges therein. The additional ultrasonic transducers 102 may be supported by one or more fixtures 106 or immersed in the molten aluminum base alloy 104 by one or more robotic arms 108 .

Ein Ultraschallwandler 102 wird als Wellengenerator verstanden, der Wellen erzeugt, indem er elektrische Energie oder, in einigen Aspekten, mechanische Energie in Schallenergie umwandelt, indem er mechanisch schwingt. Dementsprechend umfasst in Aspekten, wie dem in 1 dargestellten Aspekt, ein System zur Verwendung einer Gießpfanne und eines Verfahrens zum Formen von Aluminiumgussteilen unter Verwendung der Ultraschalltechnologie eine Stromversorgung 148 zur Bereitstellung elektrischer Energie für den Ultraschallwandler 102. In weiteren Aspekten umfasst das System einen Controller 150 zur Regelung und Modulation der von der Stromversorgung 148 an den Ultraschallwandler 102 gelieferten Leistung. Die Stromversorgung 148 und der Controller 150 sind operativ mit dem Ultraschallwandler 102 gekoppelt. In weiteren Aspekten ist der Ultraschallwandler ein piezoelektrischer Wandler, magnetostriktiver Wandler, elektromagnetischer Wandler usw. In weiteren Aspekten sind die Ultraschallwandler isoliert, z. B. durch Beschichtung mit einer Keramikschicht.An ultrasonic transducer 102 is understood to be a wave generator that creates waves by converting electrical energy or, in some aspects, mechanical energy into sound energy by mechanical vibration. Accordingly, in aspects such as that in 1 In the aspect illustrated, a system for using a ladle and a method for forming aluminum castings using ultrasonic technology, a power supply 148 for providing electrical energy for the ultrasonic transducer 102. In further aspects, the system includes a controller 150 for regulating and modulating the power supplied by the power supply 148 power delivered to the ultrasonic transducer 102 . The power supply 148 and the controller 150 are operatively coupled to the ultrasonic transducer 102 . In further aspects, the ultrasonic transducer is a piezoelectric transducer, magnetostrictive transducer, electromagnetic transducer, etc. In further aspects, the ultrasonic transducers are isolated, e.g. B. by coating with a ceramic layer.

In Aspekten wird die Pfanne 100 verwendet, um die Porosität zu reduzieren und die Kornstrukturen zu verfeinern, während Legierungen auf Aluminiumbasis in verschiedene Komponenten gegossen werden, wie z. B. Automatikkomponenten. Körner werden hier als relativ kleine Bereiche eines Metalls, unlegiert oder legiert, mit einer gegebenen und kontinuierlichen Kristallgitterorientierung verstanden. Jedes Korn stellt einen Einkristall dar. Bei den Legierungen auf Aluminiumbasis handelt es sich in Aspekten um Aluminiumgusslegierungen, die unter anderem Aluminium-Silizium-Legierungen, Aluminium-Kupfer-Legierungen, Aluminium-Magnesium-Legierungen und Aluminium-Zink-Legierungen einschließen, aber nicht darauf beschränkt sind. Zu den Aluminium-Silizium-Legierungen gehören zum Beispiel nahezu eutektische Aluminium-Silizium-Legierungen wie 336, 339, 369, 384, 385. Aluminium-Silizium-Legierungen umfassen zum Beispiel auch übereutektische Aluminium-Silizium-Legierungen wie 390, A390, B390, 392 und 393. Aluminium-Silizium-Legierungen umfassen beispielsweise auch untereutektische Aluminium-Silizium-Legierungen wie 356, A356, B356, C356, 357, A357, B357, C357, D357, 360, A369, 380, A380, B380, 383 und 384. Zu den Aluminium-Kupfer-Legierungen gehören z. B. 206, A206, 208, 212 und 224. Aluminium-Magnesium-Legierungen sind z. B. 511, 512, 513, 514, 515, 516, 518, 520, A535, B535 und 535. Aluminium-Zink-Legierungen sind z. B. 705, 707, 710, 712, 713, 771 und 772. In besonderen Aspekten sind die Legierungen übereutektische Aluminium-Silizium-Legierungen, einschließlich Aluminium im Bereich von 70 Gewichtsprozent bis 81 Gewichtsprozent, einschließlich aller Werte und Bereiche darin, Kupfer im Bereich von 0,4 bis 5,0 Gewichtsprozent, einschließlich aller Werte und Bereiche darin, Eisen im Bereich von weniger als, bis zu und einschließlich 1,3 Gewichtsprozent, einschließlich aller Werte und Bereiche zwischen 0 und 1,3 Gewichtsprozent, Magnesium im Bereich von 0,4 Gewichtsprozent bis 1.3 Gewichtsprozent, einschließlich aller Werte und Bereiche darin, Mangan, das im Bereich von weniger als, bis zu und einschließlich 0,6 Gewichtsprozent vorhanden ist, einschließlich aller Werte und Bereiche zwischen 0 und 0,6 Gewichtsprozent, Silicium, das im Bereich von 16 Gewichtsprozent bis 23 Gewichtsprozent vorhanden ist, einschließlich aller Werte und Bereiche darin, Titan, das im Bereich von weniger als, bis zu und einschließlich 0.2 Gewichtsprozent, einschließlich aller Werte und Bereiche zwischen 0 und 0,2 Gewichtsprozent, Zink, das im Bereich von weniger als, bis zu und einschließlich 0,4 Gewichtsprozent vorhanden ist, einschließlich aller Werte und Bereiche zwischen 0 und 0,4 Gewichtsprozent. Es wird darauf hingewiesen, dass einige übereutektische Aluminium-Silizium-Legierungen eines oder mehrere der folgenden Elemente enthalten: bis zu 2,5 Gewichtsprozent Nickel, bis zu 0,3 Gewichtsprozent Zinn und im Bereich von 0,08 bis 0,15 Vanadium. Andere Elemente können in den Legierungszusammensetzungen mit insgesamt 0,5 Gewichtsprozent für alle anderen, oben nicht spezifizierten Elemente zusammen vorhanden sein. Ferner betragen die oben angegebenen Elementbereiche insgesamt 100 Prozent der kombinierten Elemente für eine gegebene Legierungszusammensetzung, die aus den oben genannten Bereichen ausgewählt ist.In aspects, the ladle 100 is used to reduce porosity and refine grain structures while casting aluminum-based alloys into various components, such as: B. Automatic components. Grains are understood herein as relatively small regions of a metal, unalloyed or alloyed, with a given and continuous crystal lattice orientation. Each grain represents a single crystal. The aluminum-based alloys are, in aspects, cast aluminum alloys including, but not limited to, aluminum-silicon alloys, aluminum-copper alloys, aluminum-magnesium alloys, and aluminum-zinc alloys include, but are not limited to. Aluminum-silicon alloys include, for example, nearly eutectic aluminum-silicon alloys such as 336, 339, 369, 384, 385. Aluminum-silicon alloys also include, for example, hypereutectic aluminum-silicon alloys such as 390, A390, B390, 392 and 393. Aluminum-silicon alloys also include, for example, hypoeutectic aluminum-silicon alloys such as 356, A356, B356, C356, 357, A357, B357, C357, D357, 360, A369, 380, A380, B380, 383 and 384 The aluminium-copper alloys include e.g. 206, A206, 208, 212 and 224. Aluminium-magnesium alloys are e.g. 511, 512, 513, 514, 515, 516, 518, 520, A535, B535 and 535. Aluminium-zinc alloys are e.g. 705, 707, 710, 712, 713, 771 and 772. In particular aspects, the alloys are hypereutectic aluminium-silicon alloys including aluminum in the range of 70% to 81% by weight, inclusive of all values and ranges therein, copper in the range from 0.4 to 5.0% by weight, including all values and ranges therein, iron in the range of less than, up to and including 1.3% by weight, including all values and ranges between 0 and 1.3% by weight, magnesium in the range of 0.4% to 1.3% by weight, including all values and ranges therein, of manganese present in the range of less than, up to and including 0.6% by weight, including all values and ranges between 0 and 0.6% by weight, silicon, present in the range of 16% to 23% by weight, inclusive of all values and ranges therein, titanium present in the range of less than, up to and incl finally 0.2% by weight, including all values and ranges between 0 and 0.2% by weight, zinc present in the range of less than, up to and including 0.4% by weight, including all values and ranges between 0 and 0.4% by weight. It is noted that some hypereutectic aluminium-silicon alloys contain one or more of the following elements: up to 2.5% by weight nickel, up to 0.3% by weight tin and in the range 0.08 to 0.15 vanadium. Other elements may be present in the alloy compositions at a total of 0.5 weight percent for all other elements not specified above combined. Furthermore, the element ranges given above total 100 percent of the combined elements for a given alloy composition selected from the ranges given above.

Unter Bezugnahme auf 1 und 2 zeigt 3 ein Verfahren 300 zum Gießen einer Legierung auf Aluminiumbasis unter Verwendung der oben beschriebenen Gießpfanne 100, um die Legierung zu entgasen, die Porosität zu reduzieren und die Kornstruktur der Legierung zu verfeinern. Im Block 302 wird eine Legierungsschmelze auf Aluminiumbasis 104 in eine Gießpfanne 100 gegossen. Der Ultraschallwandler 102 wird, wie oben beschrieben, in die Gießpfanne und die Legierungsschmelze auf Aluminiumbasis eingetaucht. Es sollte aus dem Vorstehenden ersichtlich sein, dass ein Ende des Ultraschallwandlers in die Gießpfanne eingetaucht wird, bevor oder nachdem die Legierungsschmelze auf Aluminiumbasis hinzugefügt wird. In Block 304 wird ein Ende 124 des Ultraschallwandlers 102 in die Gießpfanne 100 eingetaucht, entweder bevor oder nachdem die Legierungsschmelze auf Aluminiumbasis 104 in die Gießpfanne 100 gegossen wird. Wie oben erwähnt, wird der Ultraschallwandler 102 durch eine Halterung 106 in der Pfanne 100 eingetaucht gehalten oder der Ultraschallwandler 102 wird durch einen Roboterarm 108 eingetaucht.With reference to 1 and 2 displays 3 a method 300 of casting an aluminum base alloy using the ladle 100 described above to degas the alloy, reduce porosity and refine the grain structure of the alloy. In block 302 , aluminum base alloy melt 104 is poured into ladle 100 . The ultrasonic transducer 102 is immersed in the ladle and aluminum base alloy melt as described above. It should be apparent from the foregoing that one end of the ultrasonic transducer is immersed in the ladle before or after the aluminum-based alloy melt is added. In block 304 , an end 124 of the ultrasonic transducer 102 is immersed into the ladle 100 either before or after the aluminum-based alloy melt 104 is poured into the ladle 100 . As mentioned above, the ultrasonic transducer 102 is held submerged in the pan 100 by a fixture 106 or the ultrasonic transducer 102 is submerged by a robotic arm 108 .

Wenn sich die Schmelze der Aluminiumlegierung 104 in der Pfanne 100 befindet, wird Strom an den Ultraschallwandler 102 angelegt und der Ultraschallwandler 102 wird in Block 306 für eine Zeitspanne im Bereich von 5 Sekunden bis 40 Sekunden aktiviert, einschließlich aller Werte und Bereiche darin, wie z. B. 10 Sekunden bis 40 Sekunden, 10 Sekunden bis 35 Sekunden, usw. In Aspekten wird die Legierungsschmelze auf Aluminiumbasis 104 im geschmolzenen (flüssigen) Zustand behandelt. Wie oben erwähnt, wird die Leistung mit Werten im Bereich von 1 Kilowatt bis 10 Kilowatt, einschließlich aller Werte und Bereiche, mit einer Leistungsdichte im Bereich von 10 Watt pro Quadratzentimeter bis 500 Watt pro Quadratzentimeter, einschließlich aller Werte und Bereiche, und mit einer Frequenz von 10 Kilohertz bis 100 Kilohertz, einschließlich aller Werte und Bereiche, angelegt. Wenn er aktiviert ist, versetzt der Ultraschallwandler 102 die Schmelze der Aluminiumlegierung 104 in Schwingungen. Am Ende der Zeitspanne in Block 308 wird der Wandler ausgeschaltet und die Legierungsschmelze auf Aluminiumbasis 104 wird von der Schöpfkelle 100 auf eine Gussoberfläche übertragen, z. B. durch Gießen der Legierungsschmelze auf Aluminiumbasis 104 in einen Formhohlraum oder auf ein Band, wie weiter unten beschrieben. Es wurde festgestellt, dass trotz der kurzen Aktivierung des Ultraschallwandlers die Legierungsschmelze auf Aluminiumbasis 104 entgast wird und das Korngefüge verfeinert wird, wie weiter unten beschrieben.When the aluminum alloy 104 melt is in the ladle 100, power is applied to the ultrasonic transducer 102 and the ultrasonic transducer 102 is activated at block 306 for a time period in the range of 5 seconds to 40 seconds, including all values and ranges therein, such as 100 to 100 seconds . 10 seconds to 40 seconds, 10 seconds to 35 seconds, etc. In aspects, the aluminum-based alloy melt 104 is treated in the molten (liquid) state. As mentioned above, power is measured with values in the range 1 kilowatt to 10 kilowatts, inclusive of all values and ranges, with a power density in the range of 10 watts per square centimeter to 500 watts per square centimeter, inclusive of all values and ranges, and with a frequency from 10 kHz to 100 kHz, including all values and ranges. When activated, the ultrasonic transducer 102 vibrates the melt of aluminum alloy 104 . At the end of the time period in block 308, the converter is turned off and the aluminum-based alloy melt 104 is transferred from the ladle 100 to a casting surface, e.g. B. by pouring the aluminum base alloy melt 104 into a mold cavity or onto a strip as described below. It has been found that despite the brief activation of the ultrasonic transducer, the aluminum base alloy melt 104 is degassed and the grain structure is refined as described below.

4A zeigt ein System und Verfahren zum Gießen der Aluminiumbasislegierungen durch Überführen der Aluminiumbasislegierungsschmelze 104 in eine Form 154, wobei die Art der Form 154 vom verwendeten Gießverfahren abhängt. Die Form 154 umfasst einen Hohlraum 156, der die Legierungsschmelze auf Aluminiumbasis 104 aufnimmt und zu dem gewünschten Bauteil formt. Wie oben erwähnt, können die Komponenten, die durch die hier beschriebenen Verfahren geformt werden, verschiedene Automobilkomponenten umfassen, wie z. B. einen Motorblock, einen Zylinderkopf, Getriebeabdeckungen, Getriebegehäuse, Antriebseinheitengehäuse, Achsschenkel, Achsträger, Querlenker oder Platten. In einigen Aspekten kann die Form 154 eine Trennlinie 158 zum Öffnen der Form 154 und zum Entfernen des Teils ohne Beschädigung der Form 154 aufweisen. Beispiele für Gießverfahren, bei denen Formen verwendet werden, sind z. B. Sandguss, Gipsguss, Schalenformguss, Feinguss, Verdunstungsmodellguss, Lost-Foam-Guss, Dauerformguss, Semi-Permanent-Formguss, Druckguss, Squeeze-Casting und Schleuderguss. Ein weiteres Gießsystem und -verfahren, bei dem eine Form verwendet wird, ist das Druckgießen, ein Beispiel dafür ist in 4C dargestellt. Bei diesem Verfahren wird die Legierungsschmelze auf Aluminiumbasis 104 aus der Pfanne 100 in eine Gießhülse 160 gegossen. Ein Kolben 162 befördert dann die Legierungsschmelze auf Aluminiumbasis 104 unter Druck in die Kavität 156. 4B zeigt ein Stranggießsystem und -verfahren, bei dem die Legierungsschmelze auf Aluminiumbasis 104 auf ein Band 164 gegossen wird. Dieses Verfahren wird häufig zur Herstellung von Blechen oder Bändern aus der Legierung auf Aluminiumbasis verwendet. Zusätzliche Walzen oder Bänder 166 können vorhanden sein, um die erstarrende Legierungsschmelze auf Aluminiumbasis 104 während des Abkühlens zwischen sich zu schichten, wodurch die Dicke der Legierungsschmelze auf Aluminiumbasis 104 reduziert wird. In beiden Verfahren können optional verschiedene Kühlmethoden verwendet werden, um die Abkühlungsgeschwindigkeit der Legierungsschmelze auf Aluminiumbasis 104 zu einem erstarrten Teil zu steuern, einschließlich Abschreckbädern, Kühlleitungen in den Formen 154, Kühlung in den Walzen oder Bändern 164, 166, usw. 4A Figure 10 shows a system and method for casting the aluminum base alloys by transferring the aluminum base alloy melt 104 into a mold 154, the type of mold 154 depending on the casting process used. The mold 154 includes a cavity 156 which receives the aluminum base alloy melt 104 and shapes it into the desired component. As mentioned above, For example, the components formed by the methods described herein can include various automotive components such as: B. an engine block, a cylinder head, transmission covers, transmission housing, drive unit housing, steering knuckle, axle carrier, control arm or plates. In some aspects, the mold 154 may include a parting line 158 for opening the mold 154 and removing the part without damaging the mold 154. Examples of casting processes using molds are e.g. B. Sand casting, gypsum casting, shell mold casting, investment casting, evaporation pattern casting, lost foam casting, permanent mold casting, semi-permanent mold casting, die casting, squeeze casting and centrifugal casting. Another casting system and process that uses a mold is die casting, an example of which is in 4C shown. In this process, the aluminum base alloy melt 104 is poured from the ladle 100 into a casting sleeve 160 . A piston 162 then delivers the aluminum-based alloy melt 104 under pressure into the cavity 156. 4B FIG. 1 shows a continuous casting system and method in which the aluminum base alloy melt 104 is cast onto a strip 164. FIG. This process is widely used to produce aluminum-based alloy sheet or strip. Additional rollers or belts 166 may be present to sandwich the solidifying molten aluminum base alloy 104 during cooling, thereby reducing the thickness of the molten aluminum base alloy 104 . In either process, various cooling methods can optionally be used to control the cooling rate of the aluminum base alloy melt 104 to a solidified part, including quench baths, cooling lines in the molds 154, cooling in the rolls or belts 164, 166, etc.

Es wurde hier festgestellt, dass die oben beschriebene Gießpfanne 100 und die Verfahren 300 zu einer Verringerung der Porosität, einer Verfeinerung des Korngefüges der hier beschriebenen Aluminiumbasislegierungen sowie zu einer Erhöhung der Duktilität der Aluminiumbasislegierungen führten, obwohl die Aluminiumbasislegierungen aus der Gießpfanne 100 auf die Gussoberflächen gegossen wurden.It was found herein that the ladle 100 and methods 300 described above resulted in a reduction in porosity, a refinement of the grain structure of the aluminum-based alloys described herein, and an increase in the ductility of the aluminum-based alloys, even though the aluminum-based alloys were poured from the ladle 100 onto the casting surfaces became.

Im Fall von übereutektischen Legierungen auf Aluminiumbasis wird die Porosität von einer durchschnittlichen Porositätsfläche, gemessen über eine bestimmte Ebene der erstarrten Legierung auf Aluminiumbasis, von mehr als 5 %, unbehandelt, auf weniger als 1 % nach der Behandlung reduziert. Weiterhin ist die größte Porengröße der behandelten Legierung auf weniger als 15 % der unbehandelten Porengröße reduziert. Die durchschnittliche Fläche einer Pore beträgt weniger als 120.000 Mikrometer nach der Ultraschall-Vibrationsbehandlung in der Pfanne 100. Darüber hinaus wird die durchschnittliche Korngröße der übereutektischen Aluminiumbasislegierungen auf weniger als 20 % der Korngröße der unbehandelten Legierung reduziert, und in einigen Aspekten mit Behandlungszeiten im Bereich von 33 bis 35 Sekunden auf 10 % der unbehandelten Korngröße. Abhängig von den übereutektischen Aluminiumbasislegierungen beträgt die durchschnittliche Korngröße in Aspekten weniger als 1,0 Millimeter und in einigen Aspekten weniger als 40 Mikrometer nach der Ultraschall-Vibrationsbehandlung in der Pfanne. Eine Zunahme der mechanischen Eigenschaften wurde auch in den übereutektischen Legierungen auf Aluminiumbasis nach der Ultraschall-Vibrationsbehandlung in der Pfanne 100 gefunden und insbesondere wird eine Zunahme der Duktilität beobachtet, wobei die behandelten Legierungen eine Duktilität von mehr als 2 % und in einigen Aspekten bis zu 3 % aufweisen.In the case of hypereutectic aluminum-base alloys, the porosity is reduced from an average porosity area measured over a given plane of the solidified aluminum-base alloy of greater than 5% untreated to less than 1% after treatment. Furthermore, the maximum pore size of the treated alloy is reduced to less than 15% of the untreated pore size. The average area of a pore is less than 120,000 microns after ultrasonic vibrating treatment in Ladle 100. In addition, the average grain size of the hypereutectic aluminum-based alloys is reduced to less than 20% of the grain size of the untreated alloy, and in some aspects with treatment times ranging from 33 to 35 seconds to 10% of the untreated grain size. Depending on the hypereutectic aluminum base alloys, the average grain size in aspects is less than 1.0 millimeter and in some aspects is less than 40 microns after ultrasonic pan vibratory treatment. An increase in mechanical properties was also found in the aluminum-based hypereutectic alloys after the ultrasonic vibration treatment in the ladle 100 and in particular an increase in ductility is observed, with the treated alloys having a ductility of more than 2% and in some aspects up to 3 % exhibit.

Es wird hier auf die 5A bis 5C verwiesen, die eine Verringerung der Porosität einer Legierung auf Aluminiumbasis 319 zeigen. Die Bilder wurden bei etwa 5-facher Vergrößerung aufgenommen, und die Skala entspricht einer Länge von 5.000 Mikrometern. Die Schmelztemperatur der behandelten Proben betrug 750 °C, als die Proben behandelt wurden. Weiterhin betrug die an den Ultraschallwandler angelegte Leistung 2 Kilowatt, die Leistungsdichte lag bei etwa 100 W pro Quadratzentimeter und die Frequenz bei 30 Kilohertz. Die Behandlungszeiten sind hier als Referenz angegeben. 5A zeigt eine unbehandelte Probe. Die unbehandelte Probe enthält eine Reihe von relativ großen dunklen, porösen Bereichen. Der durchschnittliche Flächenprozentsatz der Porosität, d.h. die durchschnittliche Fläche der Porosität für eine gegebene Fläche, gemessen über eine gegebene Ebene der erstarrten Aluminiumlegierung, wurde mit 5,53 % festgestellt, die größte Porengröße wurde mit 786.103 Quadratmikrometern festgestellt und der größte Ferretdurchmesser, der als Maß für eine Objektgröße zwischen zwei parallelen Ebenen verstanden wird, wurde mit 2.415 Mikrometern festgestellt. 5B zeigt eine Probe, die 15 Sekunden lang mit Ultraschallschwingungen behandelt wurde. Wie zu sehen ist, hat sich die Größe der dunklen, porösen Bereiche deutlich verringert. Der durchschnittliche prozentuale Anteil der Porosität für eine gegebene Fläche wurde mit 0,73 % festgestellt, die größte Porengröße wurde mit 112.586 Quadratmikrometern und der größte Ferretdurchmesser mit 902 Mikrometern festgestellt. 5C zeigt eine Probe, die 34 Sekunden lang mit Ultraschallschwingungen behandelt wurde. Der durchschnittliche Flächenprozentsatz der Porosität für eine gegebene Fläche wurde mit 0,53 % ermittelt, die größte Porengröße wurde mit 112.089 Quadratmikrometern und der größte Ferretdurchmesser mit 798 Mikrometern ermittelt.It will be here on the 5A until 5C referenced showing a reduction in porosity of a 319 aluminum base alloy. The images were taken at approximately 5x magnification and the scale corresponds to a length of 5,000 microns. The melting temperature of the treated samples was 750°C when the samples were treated. Furthermore, the power applied to the ultrasonic transducer was 2 kilowatts, the power density was about 100 W per square centimeter and the frequency was 30 kilohertz. Treatment times are given here for reference. 5A shows an untreated sample. The untreated sample contains a number of relatively large, dark, porous areas. The average area percentage of porosity, ie the average area of porosity for a given area measured over a given plane of the solidified aluminum alloy, was found to be 5.53%, the largest pore size was found to be 786,103 square microns and the largest ferret diameter used as a measure for an object size between two parallel planes has been found to be 2,415 microns. 5B shows a sample treated with ultrasonic vibrations for 15 seconds. As can be seen, the size of the dark, porous areas has decreased significantly. The average percentage of porosity for a given area was found to be 0.73%, the largest pore size was found to be 112,586 square microns and the largest ferret diameter was 902 microns. 5C shows a sample treated with ultrasonic vibrations for 34 seconds. The average area percentage of porosity for a given area was found to be 0.53%, the largest pore size was found to be 112,089 square microns and the largest ferret diameter was determined to be 798 micrometres.

Es wird nun auf die 6A bis 6C verwiesen, die die Verringerung der Korngröße der Aluminiumlegierung 319 nach der Ultraschall-Vibrationsbehandlung zeigen. Ähnlich wie die Bilder in den 5A bis 5C wurden die Bilder bei etwa 5-facher Vergrößerung aufgenommen und die Skala stellt 5.000 Mikrometer in der Länge dar. Die Schmelztemperatur der behandelten Proben betrug 750 °C, als die Proben behandelt wurden. Weiterhin betrug die an den Ultraschallwandler angelegte Leistung 2 Kilowatt, die Leistungsdichte lag bei etwa 100 Wasser pro Quadratzentimeter und die Frequenz bei 30 Kilohertz. Die Behandlungszeiten sind hier als Referenz angegeben. 6A zeigt die erstarrte Legierungsschmelze auf Aluminiumbasis, unbehandelt mit Ultraschallschwingungen. Auch hier sind die relativ großen dunklen, porösen Bereiche sichtbar. Weiterhin wurde eine durchschnittliche Korngröße von ca. 5 mm Länge gemessen. 6B zeigt eine Probe der erstarrten Legierungsschmelze auf Aluminiumbasis, die 15 Sekunden lang mit Ultraschallschwingungen behandelt wurde. Die durchschnittliche Korngröße wurde mit einer Länge von ca. 0,8 mm gemessen. 6C zeigt eine Probe der erstarrten Legierungsschmelze auf Aluminiumbasis, die 34 Sekunden lang mit Ultraschall behandelt wurde. Die durchschnittliche Korngröße wurde mit einer Länge von ca. 0,5 mm gemessen.It will now on the 6A until 6C referenced showing the grain size reduction of aluminum alloy 319 after ultrasonic vibration treatment. Similar to the images in the 5A until 5C the images were taken at approximately 5X magnification and the scale represents 5,000 microns in length. The melting temperature of the treated samples was 750°C when the samples were treated. Furthermore, the power applied to the ultrasonic transducer was 2 kilowatts, the power density was about 100 water per square centimeter and the frequency was 30 kilohertz. Treatment times are given here for reference. 6A shows the solidified aluminum-based alloy melt untreated with ultrasonic vibrations. Here, too, the relatively large, dark, porous areas are visible. Furthermore, an average grain size of approx. 5 mm in length was measured. 6B Fig. 12 shows a sample of the solidified aluminum-based alloy melt subjected to ultrasonic vibration for 15 seconds. The average grain size was measured with a length of approx. 0.8 mm. 6C Figure 1 shows a sample of the solidified aluminum base alloy melt which was ultrasonicated for 34 seconds. The average grain size was measured with a length of approx. 0.5 mm.

Es wird weiterhin auf die 7A bis 7D verwiesen, die die Wirkung der Ultraschall-Vibrationsbehandlung auf die Aluminiumlegierung B390 zeigen. Beachten Sie, dass die Skalen in 7A und 7C 100 Mikrometer sind. Wie in 7A dargestellt, weist die unbehandelte Legierung relativ große Körner auf, einschließlich eines relativ großen Anteils an nadelartigen Körnern. 7B veranschaulicht die primäre Siliziumpartikelgrößenverteilung in der Legierung. Die Streckgrenze der Legierung wurde mit 246 Megapascal ermittelt. Die ultimative Zugfestigkeit wurde mit 273 Megapascal ermittelt. Darüber hinaus wurde eine prozentuale Dehnung von 0,8 ermittelt. Die Streckgrenze und die prozentuale Dehnung wurden mit der ASTM-Testmethode E8 mit einer Dehnung von 1 % pro Minute bei Raumtemperatur gemessen. 7C zeigt eine mikroskopische Aufnahme der Legierung, die eine deutliche Verringerung der Korngröße zeigt, wodurch die nadelartigen Strukturen reduziert werden. 7D veranschaulicht die primäre Siliziumpartikelgrößenverteilung in der Legierung. Die Streckgrenze der Legierung wurde mit 248 Megapascal ermittelt. Die ultimative Zugfestigkeit wurde mit 306 Megapascal ermittelt. Darüber hinaus wurde eine prozentuale Dehnung von 2,3 Prozent ermittelt.It will continue to the 7A until 7D referenced showing the effect of ultrasonic vibration treatment on aluminum alloy B390. Note that the scales in 7A and 7C 100 microns are. As in 7A As shown, the untreated alloy has relatively large grains including a relatively large proportion of needle-like grains. 7B illustrates the primary silicon particle size distribution in the alloy. The yield strength of the alloy was found to be 246 megapascals. The ultimate tensile strength was determined to be 273 megapascals. In addition, a percentage elongation of 0.8 was determined. Yield strength and percent elongation were measured using ASTM test method E8 with an elongation of 1% per minute at room temperature. 7C Figure 12 shows a micrograph of the alloy showing a significant reduction in grain size, thereby reducing needle-like structures. 7D illustrates the primary silicon particle size distribution in the alloy. The yield strength of the alloy was found to be 248 megapascals. The ultimate tensile strength was determined to be 306 megapascals. In addition, a percentage elongation of 2.3 percent was determined.

Obwohl hier von Gießpfannen die Rede ist, sind die beschriebenen Aspekte auch auf andere Pfannen anwendbar, einschließlich Transferpfannen und Behandlungspfannen. In Aspekten wird die Legierungsschmelze auf Aluminiumbasis 104 mit dem Ultraschallwandler 102 in der Pfanne 100 bearbeitet, unmittelbar bevor sie in oder auf die Gussoberfläche gegossen wird.Although pouring ladles are discussed herein, the aspects described are applicable to other ladles as well, including transfer ladles and treatment ladles. In aspects, the aluminum base alloy melt 104 is processed with the ultrasonic transducer 102 in the ladle 100 just prior to being poured into or onto the casting surface.

Die Gießpfanne und das Verfahren zum Formen von Aluminiumgussteilen unter Verwendung der Ultraschalltechnologie sowie ein Verfahren zur Verarbeitung von übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierungen bieten mehrere Vorteile. In Aspekten verbessert die Verwendung der Gießpfanne, einschließlich der Ultraschalltechnologie, im Prozess der Formung einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung die Qualität und mechanische Leistung von Gussteilen aus übereutektischer Aluminiumlegierung durch die Reduzierung der Porosität und die Verfeinerung der Mikrostruktur. In weiteren Aspekten umfassen die Vorteile die Reduzierung des Wasserstoffgehalts in der flüssigen Schmelze, wodurch die Porosität verringert wird. In weiteren Aspekten umfassen diese Vorteile das Erreichen einer Duktilität im Bereich von bis zu 2 % Dehnung bis 3 % Dehnung, die größer ist als die Duktilität, die gegenwärtig von übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierungen erreicht wird. In noch weiteren Aspekten schließen diese Vorteile die Verwendung der hier beschriebenen Pfanne mit einer Vielzahl von Gießverfahren ein. In noch weiteren Aspekten wird die Effizienz der Schmelzeverarbeitung verbessert, da die flüssige Legierungsschmelze auf Aluminiumbasis unmittelbar vor dem Gießen mit Ultraschallvibrationen bearbeitet wird. Außerdem reduziert die reduzierte Komplexität der Gießpfanne die Kosten. Zu diesen Vorteilen gehört auch die Flexibilität des Einsatzes der Gießpfanne bei verschiedenen Gießverfahren.The ladle and method of forming aluminum castings using ultrasonic technology and a method of processing hypereutectic aluminium-silicon alloys offer several advantages. In aspects, the use of the ladle, including ultrasonic technology, in the hypereutectic aluminum-silicon alloy forming process improves the quality and mechanical performance of hypereutectic aluminum alloy castings by reducing porosity and refining the microstructure. In other aspects, the benefits include reducing the hydrogen content in the liquid melt, thereby reducing porosity. In further aspects, these advantages include achieving ductility in the range of up to 2% elongation to 3% elongation, which is greater than the ductility currently achieved by aluminum-silicon hypereutectic alloys. In still other aspects, these advantages include the use of the pan described herein with a variety of casting processes. In still other aspects, since the liquid aluminum-based alloy melt is processed with ultrasonic vibration immediately before casting, the efficiency of melt processing is improved. In addition, the reduced complexity of the ladle reduces costs. These advantages also include the flexibility of using the pouring ladle in different pouring processes.

Die Beschreibung der vorliegenden Offenbarung hat lediglich beispielhaften Charakter, und Variationen, die nicht vom Kern der vorliegenden Offenbarung abweichen, sind als im Rahmen der vorliegenden Offenbarung liegend zu betrachten. Solche Variationen sind nicht als Abweichung vom Geist und Umfang der vorliegenden Offenbarung zu betrachten.The description of the present disclosure is merely exemplary in nature and variations that do not depart from the gist of the present disclosure are intended to be within the scope of the present disclosure. Such variations are not to be regarded as a departure from the spirit and scope of the present disclosure.

Claims

A ladle for casting an aluminum base alloy, comprising: a pouring ladle, the pouring ladle including a cup defining an opening; and an ultrasonic transducer having an end immersed in the cup, the cup having a first depth and the ultrasonic transducer at a second depth in a range of 5 percent to 100 percent of the first depth is submerged in the cup.

pan after claim 1 , where the cup is defined by a pan wall and the ultrasonic transducer does not directly touch the pan wall.

pan after claim 1 wherein the cup is defined by a socket wall, further comprising a mount connected to the socket wall, wherein the ultrasonic transducer is connected to the mount.

pan after claim 3 , wherein the mount defines an opening and the ultrasonic transducer is positioned in the opening.

pan after claim 1 wherein the ultrasonic transducer is attached to a robotic arm movable relative to the opening defined in the cup.

pan after claim 5 , where the robotic arm is connected to the ladle.

A method of casting an aluminum base alloy comprising: introducing molten aluminum-based alloy into an opening of a ladle, the ladle including a cup for receiving the molten aluminum-based alloy, the cup having a first depth, activating an ultrasonic transducer immersed in the aluminum-based alloy melt, the ultrasonic transducer immersed through the opening to a second depth in a range of 5 percent to 100 percent of the first depth of the cup; and Transferring the aluminium-based alloy melt to a casting surface.

procedure after claim 7 , wherein the ultrasonic transducer is activated for a period of time ranging from 5 seconds to 40 seconds.

procedure after claim 7 further comprising applying power to the ultrasonic transducer at levels in a range from 1 kilowatt to 10 kilowatts, at a power density in a range from 10 watts per square centimeter to 500 watts per square centimeter and at a frequency in a range from 10 kilohertz to 100 includes kilohertz.

procedure after claim 7 , further comprising deactivating the ultrasonic transducer prior to transferring the aluminum-based alloy melt to the casting surface.