Websitepictogram Ultrasone ontgassing van sialonkeramiek

Ultrasone behandeling bij direct-chill-gieten: wat blijkt uit gepubliceerde onderzoeken?

sialon2014

9 augustus 2026 · 11 min. leestijd

Waterstofporositeit, segregatie langs de middellijn en variabiliteit in de microstructuur vormen een groot probleem bij DC-gieten. Uit gepubliceerde proeven met DC-gieten op proefschaal blijkt dat ultrasone behandeling deze drie problemen tegelijkertijd oplost — wat leidt tot een vermindering van de korrelgrootte met 50% in het midden van de knuppel en het tegengaan van veerachtige korrels in productieknuppels.

TL;DR

Waterstofporositeit, segregatie langs de middellijn en variabiliteit in de microstructuur vormen al lange tijd een probleem bij het gieten met directe koeling (DC). Deze factoren beperken gezamenlijk de grootte van de gietblokken, de mechanische consistentie en de productopbrengst. Traditionele in-line ontgassingsmethoden (roterende waaiers, gasinjectie) kunnen niet alle drie deze problemen tegelijkertijd oplossen — niet zonder dat dit ten koste gaat van de gietsnelheid of de kwaliteit van de gietblokken.

Ultrasone behandeling die rechtstreeks in de DC-gietbak wordt toegepast, maakt een einde aan deze beperkingen. Door cavitatie aangedreven bellenvorming verwijdert opgeloste waterstof in 3 minuten, tegenover meer dan 10 minuten bij roterende methoden. Tegelijkertijd verfijnt akoestische stroming de korrelstructuur en wordt segregatie langs de middellijn voorkomen. Gepubliceerde proeven op proefschaal met DC-gieten bevestigen deze resultaten bij productiebilletten: een vermindering van de korrelgrootte met 50% in het midden van het billet, onderdrukking van veerachtige korrels en een uniforme samenstelling over de dwarsdoorsneden van de ingots.

De NIMA-ultrasone generator maakt gebruik van adaptieve multifrequentietechnologie, ontwikkeld in samenwerking met Aktive Arc Ultrasonics, specialisten op het gebied van de engineering van krachtige ultrasone systemen. In combinatie met Sialon-keramische sonotroden die bestand zijn tegen hoge temperaturen, maakt dit ultrasone behandeling op industriële schaal mogelijk — ingots van meer dan 400 kg — zonder dat er draaggas nodig is of onderhoud aan roterende apparatuur vereist is.

Inzicht in Direct Chill-gieten: het proces en de uitdagingen

Direct chill-gieten is de belangrijkste semi-continue gietmethode voor non-ferrometalen – aluminium, koper en magnesium. Een nauwkeurige regeling van het stollingsproces is bepalend voor de microstructuur en de mechanische eigenschappen van de gietstaaf. Zo werkt het:

Het gesmolten metaal wordt in een watergekoelde gietvorm met open bodem gegoten. Terwijl de staaf vorm krijgt, stolt de buitenste schil, terwijl het midden vloeibaar blijft, waardoor een smal stollingsfront ontstaat. Wanneer de staaf uit de gietvorm komt, wordt er water rechtstreeks op het oppervlak van de staaf gesproeid, waardoor de stolling van buiten naar binnen wordt voltooid.

Deze gecontroleerde stolling is een groot voordeel — het beperkt de macrosegregatie in vergelijking met open-pit-gieten. Maar het strakke tijdschema en de beperkte geometrie leiden tot drie onderling samenhangende metallurgische problemen die moderne DC-processen teisteren:

1. Waterstofporositeit: het probleem van opgeloste gassen

Waterstof is het belangrijkste opgeloste gas in vloeibaar aluminium. Het komt erin terecht door een chemische reactie tussen gesmolten metaal en waterdamp uit de lucht, waarbij aluminiumoxide en H₂-gas ontstaan. De cruciale asymmetrie: waterstof is veel beter oplosbaar in vloeibaar aluminium dan in vast aluminium. Tijdens het stollen, wanneer het metaal afkoelt tot onder zijn solvuspunt, slaat de waterstof neer. Als de afkoelsnelheid te laag is of de waterstofconcentratie te hoog, ontstaan er gasbellen in het vaste materiaal. Dit leidt tot gasporositeit — een defect dat de vermoeidheidsweerstand, treksterkte en gietopbrengst vermindert.

Traditionele in-line-methoden (argoninjectie, roterende ontgassing) bieden hiervoor een oplossing, maar brengen inherente nadelen met zich mee. Voor argon is apparatuur voor draaggas nodig en moet het afval op milieuvriendelijke wijze worden afgevoerd. Roterende waaiers zorgen voor vertragingen in de verblijftijd (10+ minuten), waardoor de gietcycli worden vertraagd.

2. Scheiding langs de middellijn: macroscheiding in het midden van de gietstaaf

De smalle, gecontroleerde stolling die kenmerkend is voor DC-gieten, leidt tot een bijkomend probleem: in het centrale deel van de gietstaaf wijkt de legeringssamenstelling af van de nominale samenstelling – dit wordt ‘macrosegregatie langs de middellijn’ genoemd. Hieraan dragen meerdere mechanismen bij: door convectie aangedreven massatransport tijdens het stollen, door krimp veroorzaakte stroming en korrelbezinking. Het resultaat is een aanzienlijke variatie in eigenschappen tussen het midden en de rand van de gietstaaf, wat de verdere verwerking (walsen, extrusie) bemoeilijkt en de afmetingen en geometrie van de gietbare gietstaven beperkt.

3. Beheersing van de microstructuur: korrelverfijning en vorming van equiaxiale korrels

Grote dendritische korrels met grove secundaire fasen concentreren defecten (porositeit, insluitsels, segregatie) langs de korrelgrenzen, waardoor de mechanische eigenschappen en de verwerkbaarheid afnemen. Een niet-dendritische fijnkorrelige structuur met equiaxiale korrels – gelijke afmetingen in alle richtingen – is het metallurgische streefdoel, aangezien deze:

Bij traditionele korrelverfijning wordt gebruikgemaakt van op titanium gebaseerde masterlegeringen (Al-5Ti-1B), die heterogene kiemvormingsplaatsen bieden. Deze aanpak levert echter geen consistente resultaten op bij grote blokken, en de benodigde hoeveelheid korrelverfijner neemt toe naarmate het blok groter wordt – wat leidt tot samenstellingsafwijkingen en hogere kosten.

Waarom traditionele ontgassingsmethoden tekortschieten bij DC-gieten

Voordat we ons verdiepen in ultrasone oplossingen, is het de moeite waard om te begrijpen waarom de huidige benaderingen ontoereikend zijn voor moderne DC-toepassingen:

Ontgassing via een roterend (waaier)systeem:

Injectie van argon of stikstof:

Gieten onder verlaagde druk:

De belangrijkste beperking: geen van deze methoden zorgt tegelijkertijd voor het verwijderen van waterstof, het verfijnen van de korrelstructuur en het elimineren van segregatie langs de middellijn – de drie factoren die bepalend zijn voor de kwaliteit van de gietblokken bij DC-gieten. Elke methode pakt slechts één probleem afzonderlijk aan.

Hoe ultrasone behandeling werkt in de gietbak van DC

Ultrasone behandeling die rechtstreeks in de gietbak wordt toegepast, overwint deze beperkingen door gebruik te maken van cavitatie – het gecontroleerd uiteenspatten van akoestische bellen in vloeibaar metaal.

Het cavitatiemechanisme

Wanneer ultrasone energie (meestal met een frequentie van 25 kHz) via een sonotrode (een resonerende keramische sonde) in gesmolten metaal wordt ingebracht, verspreiden zich compressie- en expansiegolven door de smelt. Deze akoestische druk veroorzaakt cavitatie: tijdens de expansiefase (onderdruk) ontstaan microscopisch kleine belletjes, die tijdens de compressiefase met grote kracht uiteenspatten.

Wanneer een cavitatiebel instort, komt er een buitengewone hoeveelheid energie vrij – de lokale druk overschrijdt 10.000 atmosfeer en de temperatuur stijgt tot boven de 3.000 K. Dit leidt tot:

  1. Heterogene kiemvormingsplaatsen – Inzakkende bellen zorgen voor plaatselijke hogedrukzones waar zich nieuwe vaste kristallen vormen, die in de gehele smelt als kiemvormingsmodellen fungeren.


  2. Door cavitatie ondersteunde fragmentatie – De schokgolven die ontstaan bij het instorten van bellen zorgen ervoor dat groeiende dendrieten fysiek worden gefragmenteerd, waardoor ze in kleinere fragmenten uiteenvallen die op hun beurt weer als zelfstandige nucleatieplaatsen fungeren (korrelvermenigvuldiging).


  3. Akoestische stroming – Het drukverschil zorgt voor een massale vloeistofbeweging, waardoor opgeloste waterstof en legeringselementen fysiek door de smelt worden getransporteerd.


  4. Micro-jetting – Straaltjes met hoge snelheid die uit ineenstortende bellen worden gespoten, breken de beschermende oxidefilms op het oppervlak van insluitsels af, waardoor het drijven en verwijderen van de insluitsels wordt bevorderd.


Waterstofverwijdering via cavitatiebellen

Opgeloste waterstof diffundeert vanuit het gesmolten metaal naar de zich uitbreidende cavitatiebellen. Het enorme oppervlak van cavitatiebellen (1 × 10¹¹ bellen/m³) vergroot het gas-metaalgrensvlak dat beschikbaar is voor waterstofoverdracht aanzienlijk. In tegenstelling tot roterende ontgassing (die berust op het passief opstijgen van gasbellen), creëert cavitatie voortdurend nieuwe beloppervlakken. Terwijl bellen instorten en zich opnieuw vormen, wordt met waterstof verrijkt gas opgesloten en stijgt het op naar het smeltoppervlak, waar het ontsnapt naar de atmosfeer.

Resultaat: een 20% hogere ontgassingsrendement dan bij roterende methoden, bereikt in een derde van de tijd – 3 minuten tegenover meer dan 10 minuten bij traditionele systemen.

Het aanpakken van segregatie langs de middenlijn: behandeling met meerdere frequenties

Traditionele ultrasone systemen met één frequentie hebben een cruciale beperking: ze veroorzaken staande golven – gebieden waar akoestische drukknooppunten zich ophopen, waardoor er in het midden van de gietstaaf onbehandelde dode zones ontstaan. Dit doet afbreuk aan het doel van ultrasone behandeling bij DC-gieten, waarbij juist het midden het gebied is dat het meest vatbaar is voor segregatie.

De NIMA-generatoren van Sialon Ceramics lossen dit op met adaptieve multifrequentietechnologie. Door de ultrasone frequentie tijdens de behandeling te variëren, voorkomt het systeem dat er staande golven ontstaan en zorgt het ervoor dat cavitatie gelijkmatig plaatsvindt in het gehele volume van de staaf. Dankzij deze mogelijkheid kan segregatie langs de middellijn op industriële schaal worden voorkomen – een primeur voor met ultrasone golven behandelde staven.

NIMA + Aktive Arc Ultrasonics: tien jaar gezamenlijke techniek

Het behandelen van gesmolten metaal bij temperaturen van 700 °C en hoger met ultrasone energie brengt enorme materiële uitdagingen met zich mee die geen enkel bedrijf in zijn eentje zou kunnen oplossen. Sialon Ceramics en Aktive Arc Ultrasonics — specialisten op het gebied van de ontwikkeling van krachtige ultrasone systemen — hebben meer dan tien jaar samengewerkt aan de ontwikkeling van het NIMA-systeem als geïntegreerde oplossing: Sialon leverde de materiaalkundige expertise op het gebied van keramische sonotroden, terwijl Aktive Arc de akoestische stack en de architectuur van de generator voor zijn rekening nam.

Het resultaat is een systeem waarin elk onderdeel zo is ontworpen dat het naadloos samenwerkt met alle andere onderdelen — geen kant-en-klare onderdelen die er zomaar aan zijn vastgeschroefd, maar een geïntegreerde technische oplossing, van de transducer tot de keramische punt.

NIMA-generator: adaptieve multifrequentiearchitectuur

De NIMA-generator, ontwikkeld in samenwerking met Aktive Arc Ultrasonics, vormt de kerninnovatie die de behandeling van grote gietblokken via gelijkstroomgieten haalbaar maakt:

Deze architectuur maakt een uniforme behandeling van het volledige volume in grote gietbakken voor DC-gietprocessen mogelijk — een probleem dat concurrenten met één frequentie niet kunnen oplossen.

Sonotroden van sialonkeramiek: het contactpunt dat het mogelijk maakt

De sonotrode is het onderdeel dat het moeilijkst goed te realiseren is — deze moet ultrasone energie efficiënt overbrengen en tegelijkertijd bestand zijn tegen de chemische eigenschappen van gesmolten metaal, thermische cycli en voortdurende cavitatiespanning. Sialon produceert deze in eigen beheer, waardoor het samenwerkingsverband volledige controle heeft over het meest cruciale onderdeel van het systeem:

De adaptieve frequentieregeling van de NIMA-generator en de keramische sonotroden van Sialon vormen samen een systeem waarin geen van beide componenten zonder de ander even goed zou functioneren — en waarin tien jaar gezamenlijke ontwikkeling in elke productieserie is verwerkt.

Wat uit gepubliceerde DC-castingproeven blijkt

De behandeling van gesmolten metaal met behulp van ultrasone golven is inmiddels ver voorbij het stadium van laboratoriumexperimenten en is uitgegroeid tot gedocumenteerde proeven met DC-gieten op proef- en industriële schaal. Gepubliceerd onderzoek van de BCAST-groep van de Brunel University en in vakbladen gepubliceerde literatuur over gietprocessen leveren een consistent bewijsmateriaal op voor verschillende diameters van gietblokken, legeringssystemen en sonotrode-configuraties.

Korrelverfijning in DC-gegoten knuppels: direct experimenteel bewijs

In een onderzoek dat is gepubliceerd in de IOP Conference Series: Materials Science and Engineering (Eskin et al., 2023) wordt gemeld dat korrelverfijning „met succes is uitgevoerd door middel van ultrasone bewerking in de DC-gietvorm, in de opvangbak“ van aluminiumknuppels — waarbij de ultrasone behandeling de vorming van veerachtige korrels direct onderdrukte en zorgde voor een meetbaar verfijnde korrelstructuur over de gehele dwarsdoorsnede van de knuppel.

In een parallel onderzoek, gepubliceerd in JOM (Springer, 2020), werd op proefschaal een DC-gietproces uitgevoerd voor knuppels met een diameter van 152 mm, waarbij in de gietgoot ultrasone smeltbehandeling werd toegepast. Uit de resultaten bleek dat UST „de gietstructuur van een knuppel aanzienlijk verbetert, wat de weg vrijmaakt voor opschaling“ — waarbij het korrelverfijnende effect werd bevestigd bij knuppeldiameters die relevant zijn voor productieprocessen.

Numerieke modellering, gevalideerd door experimentele metingen (gepubliceerd in ScienceDirect), heeft het effect op schaal gekwantificeerd: de gemiddelde korrelgrootte in het midden van de staaf was bij ultrasone behandeling 50% kleiner dan zonder — waarbij het effect het meest uitgesproken was op de middellijn, precies daar waar segregatie en een grove korrelstructuur bij conventioneel DC-gieten het meest problematisch zijn.

Precedent op industriële schaal: tot 1 ton in een DC-gietstroom

Uit het overzicht van professor Dmitry Eskin over ultrasone smeltverwerking (Brunel University/BCAST) blijkt dat de enige bekende toepassingen op industriële schaal van ultrasone smeltverwerking — waaronder „een smeltstroom van maximaal 1 ton bij het direct-chill gieten van grote blokken“ — zijn gerealiseerd met behulp van magnetostrictieve transducers die gelijktijdig of achtereenvolgens werken. Dit vormt een duidelijk industrieel precedent voor de behandeling van grote blokken bij direct-chill gieten op commercieel relevante schaal.

Wat uit deze proeven blijkt met betrekking tot de casting in DC

Korrelstructuur:

Ontgassing:

Segregatie:

Economische aannames (gebaseerd op gepubliceerde gegevens):

Deze resultaten zijn afkomstig van onafhankelijke externe onderzoeksinstellingen — BCAST van de Brunel University — en zijn gepubliceerd in peer-reviewed tijdschriften. Ze geven het vastgestelde prestatiebereik weer voor ultrasone smeltbehandeling bij gelijkstroomgieten op proef- en industriële schaal.

Metallurgische gevolgen: van waterstofverwijdering tot verbeterde gietkwaliteiten

Het cumulatieve effect van ultrasone behandeling bij DC-gieten reikt verder dan alleen het verwijderen van waterstof; het verandert ook de fundamentele metallurgische eigenschappen van de gietstaaf:

Microstructuurverandering

Vóór de ultrasone behandeling: grove dendritische korrels met kolomvormige groei vanaf de rand van de gietstaaf naar het midden toe; grote afstand tussen de secundaire dendrietarmen (SDAS); legeringselementen geconcentreerd in de interdendritische gebieden; segregatiebanden die parallel lopen aan de stollingsfronten.

Na ultrasone behandeling: fijne, equiaxiale korrels (gelijke grootte in alle richtingen); lagere SDAS-waarde; gelijkmatige verdeling van de legeringselementen; verdwijning van segregatiebanden in het midden van de gietstaaf.

Deze transformatie is van cruciaal belang omdat zij:

Oppervlakteafwerking en verminderde verwerkingsverliezen

Ultrasone behandeling vermindert oppervlaktefouten (oxide-insluitsels, porositeit, putjes) die anders vóór het walsen een dure oppervlaktebehandeling (afschrapen, chemische reiniging) zouden vereisen. Uit gepubliceerd onderzoek en de fysica van cavitatie blijkt:

Consistentie van legeringen en voorspelbaarheid van mechanische eigenschappen

Het akoestische stromings-effect van ultrasone behandeling zorgt voor een gelijkmatige verdeling van legeringselementen. Dit is met name van groot belang bij:

Waarom dit belangrijk is: van het laboratorium naar de productievloer

De overgang van roterende ontgassing of gasinjectie naar ultrasone behandeling is niet louter een efficiëntiewinst. Het betekent een verschuiving in de fundamentele beperkingen van DC-gieten:

  1. Snelheid: behandelingscycli van 3 minuten tegenover een verblijftijd in de oven van meer dan 10 minuten zorgen voor hogere gietcapaciteiten, wat van cruciaal belang is bij massaproductie


  2. Kwaliteit op grote schaal: ultrasone behandeling van ingots van meer dan 400 kg – waarvoor tot nu toe beperkingen golden vanwege interferentie door staande golven – is nu haalbaar. Gepubliceerde proeven bevestigen dit op proef- en industriële schaal, waardoor nieuwe marktsegmenten worden geopend voor grote ingots waar traditionele ontgassing geen consistente eigenschappen kan opleveren


  3. Milieuverantwoordelijkheid: Het afschaffen van argon/stikstof als draaggas en de drastische vermindering van slakken sluiten aan bij de duurzaamheidsdoelstellingen voor de productie


  4. Eenvoudig onderhoud: Vaste keramische sonotroden (zonder draaiende onderdelen) zorgen voor minder onderhoud aan de apparatuur in vergelijking met roterende waaiers


  5. Procesbetrouwbaarheid: dankzij adaptieve regeling met meerdere frequenties is het afstemmen via trial-and-error, zoals bij systemen met één frequentie, niet meer nodig


Voor gieterijen die werken voor veeleisende sectoren – lucht- en ruimtevaart, automobielindustrie en hoogwaardige scheepvaart – vertalen deze voordelen zich direct in een verbetering van het gietrendement, snellere kwalificatiecycli voor nieuwe legeringen en een grotere consistentie van de mechanische eigenschappen.

Probeer Sialon Ceramics eens

Sialon Ceramics levert het complete ultrasone ontgassingssysteem voor DC-gieten en continu-gieten – van de adaptieve NIMA-multifrequentiegenerator tot de hittebestendige keramische sonotroden die bestand zijn tegen industriële productieomgevingen. Dankzij hun meer dan 20 jaar ervaring op het gebied van ultrasone metallurgie, in combinatie met de eigen productie van keramische sonotroden, beschikken zij over de geïntegreerde expertise die nodig is om ultrasone behandelingen op te schalen van laboratoriumproeven naar volledige productie.

Als u gietapparatuur voor DC-gieten gebruikt en te maken hebt met waterstofporositeit, segregatie langs de middellijn of een ongelijkmatige korrelstructuur, dan is een ultrasone behandeling een serieuze optie die het overwegen waard is. Neem rechtstreeks contact op met Sialon Ceramics om uw giettoepassing te bespreken en de mogelijkheden te verkennen voor een op maat gemaakt behandelingssysteem dat is afgestemd op uw productievolume.

Mobiele versie afsluiten