Ultrazvučna rafinacija metalnih talina
- Snažni ultrazvuk u rastopljenim metalima i legurama pokazuje različite korisne efekte kao što su strukturiranje, otplinjavanje i poboljšana filtracija.
- Ultrazvučna obrada potiče nedendritsko skrućivanje u tečnim i polučvrstim metalima.
- Sonikacija ima značajne prednosti u mikrostrukturnom rafiniranju dendritskih zrnaca i primarnih intermetalnih čestica.
- Nadalje, moćni ultrazvuk se može namjenski koristiti za smanjenje poroznosti metala ili za proizvodnju mezoporoznih struktura.
- Na kraju, ali ne i najmanje važno, ultrazvuk snage poboljšava kvalitetu odljevaka.
Ultrazvučno očvršćavanje metalnih talina
Formiranje nedendritnih struktura tokom skrućivanja metalnih talina utiče na svojstva materijala kao što su čvrstoća, duktilnost, žilavost i/ili tvrdoća.
Ultrazvučno izmijenjena nukleacija zrna: Akustična kavitacija i njene intenzivne sile smicanja povećavaju mjesta nukleacije i broj jezgara u talini. Ultrazvučna obrada taline dovodi do heterogene nukleacije i fragmentacije dendrita, tako da konačni proizvod pokazuje značajno veću rafinaciju zrna.
Ultrazvučna kavitacija uzrokuje ravnomjerno vlaženje nemetalnih nečistoća u talini. Te se nečistoće pretvaraju u mjesta nukleacije, koja su početne točke očvršćavanja. Budući da su te tačke nukleacije ispred fronta očvršćavanja, rast dendritskih struktura se ne dešava.
Makrostruktura legure Ti nakon ultrazvučne obrade. Ultrazvučna obrada rezultira značajno rafiniranom strukturom zrna.
Dr Andreeva-Bäumler, Univerzitet u Bayreuthu, radi sa ultrasonikatorom UIP1000hdT na nanostrukturiranju metala.
Ultrazvučni efekti na Vickerovu tvrdoću legure: Ultrazvučna obrada poboljšava Vickers mikrotvrdoću u metalu
(studija i grafika: ©Ruirun et al., 2017.)
Fragmentacija dendrita: Topljenje dendrita obično počinje u korijenu zbog lokalnog porasta temperature i segregacije. Sonikacija stvara snažnu konvekciju (prijenos topline kretanjem mase fluida) i udarne valove u talini, tako da se dendriti fragmentiraju. Konvekcija može potaknuti fragmentaciju dendrita zbog ekstremnih lokalnih temperatura, kao i varijacija sastava i promovira difuziju otopljene tvari. Udarni talasi kavitacije pomažu u lomljenju tih korijena koji se topi.
Ultrazvučno otplinjavanje metalnih legura
Otplinjavanje je još jedan važan efekat snažnog ultrazvuka na tečne i polučvrste metale i legure. Akustična kavitacija stvara naizmjenične cikluse niskog/visokog pritiska. Tokom ciklusa niskog pritiska, u tečnosti ili kaši nastaju sitni vakuumski mehurići. Ovi vakuumski mjehurići djeluju kao jezgra za formiranje mjehurića vodika i pare. Zbog stvaranja većih vodoničnih mjehurića, mjehurići plina se dižu. Akustično strujanje i strujanje pomažu isplivavanju ovih mjehurića na površinu i iz taline, tako da se plin može ukloniti i koncentracija plina u talini se smanjuje.
Ultrazvučno otplinjavanje smanjuje poroznost metala čime se postiže veća gustoća materijala u finalnom proizvodu metala/legure.
Ultrazvučna degazifikacija aluminijskih legura povećava konačnu vlačnu čvrstoću i duktilnost materijala. Industrijski energetski ultrazvučni sistemi smatraju se najboljim među ostalim komercijalnim metodama otplinjavanja u pogledu efikasnosti i vremena obrade. Osim toga, proces punjenja kalupa je poboljšan zbog niže viskoznosti taline.
Kompresijska svojstva Ti44Al6Nb1Cr2V pod različitim vremenima obrade sonikacijom. Sonikacija značajno poboljšava tlačnu čvrstoću.
(studija i grafika: ©Ruirun et al., 2017.)
Keramička sonotroda BS4D22L3C je specijalna sonotroda pogodna za soniciranje visokotemperaturnih tekućina kao što je rastopljeni aluminij (npr. za miješanje i otplinjavanje).
Sonokapilarni efekat tokom filtracije
Ultrazvučni kapilarni efekat u tečnim metalima je pokretački efekat za uklanjanje inkluzija oksida tokom ultrazvučne filtracije taline. (Eskin et al. 2014: 120 i dalje)
Filtracija se koristi za uklanjanje nemetalnih nečistoća iz taline. Tokom filtracije, talina prolazi kroz različite mreže (npr. staklena vlakna) kako bi odvojila neželjene inkluzije. Što je manja veličina mreže, to je bolji rezultat filtracije.
U uobičajenim uslovima, talina ne može da prođe dvoslojni filter sa veoma uskom veličinom pora od 0,4-0,4mm. Međutim, pod ultrazvučno potpomognutom filtracijom, talina je omogućena da prođe kroz mrežaste pore zbog sonokapilarnog efekta. U ovom slučaju, kapilare filtera zadržavaju čak i nemetalne nečistoće od 1-10 μm. Zbog povećane čistoće legure izbjegava se stvaranje vodoničnih pora na oksidima, tako da se povećava čvrstoća legure na zamor.
Eskin et al. (2014: 120ff.) je pokazao da ultrazvučna filtracija omogućava prečišćavanje aluminijskih legura AA2024, AA7055 i AA7075 pomoću višeslojnih filtera od staklenih vlakana (sa do 9 slojeva) sa 0,6×0.6mm mrežaste pore. Kada se proces ultrazvučne filtracije kombinuje sa dodatkom inokulanata, postiže se istovremeno pročišćavanje zrna.
Ultrazvučno ojačanje metalnih legura
Dokazano je da je ultrazvučna obrada vrlo učinkovita u ravnomjernom raspršivanju nano čestica u mulj. Stoga su ultrazvučni disperzatori najčešća oprema za proizvodnju nano-pojačanih kompozita.
Nano čestice (npr. Al2O3/SiC, CNTs) se koriste kao armaturni materijal. Nano čestice se dodaju u rastopljenu leguru i ultrazvučno raspršuju. Akustična kavitacija i strujanje poboljšavaju deaglomeraciju i vlaženje čestica, što rezultira poboljšanom vlačnom čvrstoćom, čvrstoćom tečenja i istezanjem.
Ultrazvučna oprema za teške uslove rada
Primena snažnog ultrazvuka u metalurgiji zahteva robusne, pouzdane ultrazvučne sisteme, koji se mogu instalirati u zahtevnim okruženjima. Hielscher Ultrasonics isporučuje industrijsku ultrazvučnu opremu za instalacije u teškim uvjetima i teškim okruženjima. Svi naši ultrasonikatori su napravljeni za rad 24 sata dnevno. Hielscher ultrazvučni sistemi velike snage upareni su sa robusnošću, pouzdanošću i preciznom kontrolom.
Zahtjevni procesi – kao što je rafiniranje metalnih talina – zahtijevaju sposobnost intenzivne sonikacije. Hielscher Ultrasonics industrijski ultrazvučni procesori isporučuju vrlo visoke amplitude. Amplitude do 200 µm mogu se lako raditi u kontinuitetu u radu 24/7. Za još veće amplitude, dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode.
Za ultrazvučnu obradu vrlo visokih temperatura tekućine i taline, Hielscher nudi različite sonotrode i prilagođene dodatke kako bi osigurao optimalne rezultate obrade.
Tabela ispod daje vam indikaciju približnih kapaciteta obrade naših ultrazvučnih aparata:
| Batch Volume | Flow Rate | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 10 do 2000 ml | 20 do 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 do 20L | 0.2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10 l/min | UIP4000 |
| N / A | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| N / A | veći | klaster of UIP16000 |
Kontaktiraj nas! / Pitajte nas!
Literatura/Reference
- Eskin, Georgy I.; Eskin, Dmitry G. (2014): Ultrasonic Treatment of Light Alloy Melts. CRC Press,Technology & Engineering 2014.
- Jia, S.; Xuan, Y.; Nastac, L.; Allison, P.G.; Rushing, T.W: (2016): Microstructure, mechanical properties and fracture behavior of 6061 aluminium alloy-based nanocomposite castings fabricated by ultrasonic processing. International Journal of Cast Metals Research, Vol. 29, Iss. 5: TMS 2015 Annual Meeting and Exhibition 2016. 286-289.
- Ruirun, C. et al. (2017): Effects of ultrasonic vibration on the microstructure and mechanical properties of high alloying TiAl. Sci. Rep. 7, 2017.
- Skorb, E.V.; Andreeva, D.V. (2013): Bio-inspired ultrasound assisted construction of synthetic sponges. J. Mater. Chem. A, 2013,1. 7547-7557.
- Tzanakis,I.; Xu, W.W.; Eskin, D.G.; Lee, P.D.; Kotsovinos, N. (2015): In situ observation and analysis of ultrasonic capillary effect in molten aluminium . Ultrasonic Sonochemistry 27, 2015. 72-80.
- Wu, W.W:; Tzanakis, I.; Srirangam, P.; Mirihanage, W.U.; Eskin, D.G.; Bodey, A.J.; Lee, P.D. (2015): Synchrotron Quantification of Ultrasound Cavitation and Bubble Dynamics in Al-10Cu Melts.
Činjenice koje vrijedi znati
Snažni ultrazvuk i kavitacija
Kada su ultrazvučni talasi visokog intenziteta spojeni u tečnosti ili kašu, fenomen kavitacija javlja.
Ultrazvuk velike snage, niske frekvencije uzrokuje stvaranje kavitacijskih mjehurića u tekućinama i kašama na kontroliran način. Intenzivni ultrazvučni talasi stvaraju naizmjenične cikluse niskog / visokog tlaka u tekućini. Ove brze promjene tlaka stvaraju praznine, takozvane kavitacijske mjehuriće. Ultrazvučno inducirani kavitacijski mjehurići se mogu smatrati hemijskim mikroreaktorima koji obezbjeđuju visoke temperature i pritiske na mikroskopskoj skali, gdje dolazi do stvaranja aktivnih vrsta kao što su slobodni radikali iz otopljenih molekula. U kontekstu hemije materijala, ultrazvučna kavitacija ima jedinstveni potencijal lokalnog kataliziranja reakcija visoke temperature (do 5000 K) i visokog pritiska (500 atm), dok sistem ostaje makroskopski blizu sobne temperature i pritiska okoline. (usp. Skorb, Andreeva 2013)
Ultrazvučni tretmani se uglavnom baziraju na efektima kavitacije. Za metalurgiju, sonikacija je veoma korisna tehnika za poboljšanje livenja metala i legura.
Osim obrade metalnih talina, ultrazvuk se također koristi za stvaranje spužvastih nanostruktura i nano-uzoraka na čvrstim metalnim površinama kao što su titan i legure. Ovi ultrazvučno nanostrukturirani dijelovi od titana i legure pokazuju veliki kapacitet kao implantati s pojačanom osteogenom proliferacijom stanica. Pročitajte više o ultrazvučnom nanostrukturiranju titanijumskih implantata!