Ultrazvučno pročišćavanje metalnih talina
- Snažni ultrazvuk u rastaljenim metalima i legurama pokazuje različite povoljne efekte, kao što su strukturiranje, otplinjavanje i poboljšana filtracija.
- Ultrazvučna obrada (sonikacija) potiče nedendritno skrućivanje u tekućim i polučvrstim metalima.
- Ultrazvučna obrada (sonikacija) ima značajne prednosti za mikrostrukturno usitnjavanje dendritnih zrna i primarnih intermetalnih čestica.
- Osim toga, snažni ultrazvuk se može ciljano koristiti za smanjenje poroznosti metala ili za proizvodnju mezoporoznih struktura.
- I na kraju, ali ne i najmanje važno, snažni ultrazvuk poboljšava kvalitetu odlivaka.
Ultrazvučno skrućivanje metalnih talina
Stvaranje nedendritnih struktura tokom skrućivanja metalnih talina utječe na svojstva materijala, kao što su čvrstoća, duktilnost, žilavost i/ili tvrdoća.
Ultrazvučno izmijenjena nukleacija zrna: Akustična kavitacija i njene intenzivne smične sile povećavaju broj mjesta nukleacije i broj jezgara u talini. Ultrazvučna obrada talina dovodi do heterogene nukleacije i fragmentacije dendrita, tako da konačni proizvod pokazuje znatno veće usitnjavanje zrna.
Ultrazvučna kavitacija uzrokuje ravnomjerno kvašenje nemetalnih nečistoća u talini. Te nečistoće postaju mjesta nukleacije, koja su početne tačke skrućivanja. Budući da se te tačke nukleacije nalaze ispred fronta skrućivanja, rast dendritnih struktura se ne odvija.
Makrostruktura legure Ti nakon ultrazvučne obrade. Ultrazvučna obrada (sonikacija) rezultira znatno usitnjenom strukturom zrna.
Dr. Andreeva-Bäumler s Univerziteta u Bayreuthu radi s ultrazvučnim uređajem UIP1000hdT na nanostrukturiranju metala.
Ultrazvučni efekti na Vickersovu tvrdoću legure: ultrazvučna obrada (sonikacija) poboljšava Vickersovu mikrotvrdoću metala
(studija i grafikon: ©Ruirun et al., 2017)
Fragmentacija dendrita: Topljenje dendrita obično počinje u korijenu zbog lokalnog porasta temperature i segregacije. Ultrazvučna obrada (sonikacija) stvara snažnu konvekciju (prijenos topline masenim kretanjem fluida) i udarne valove u talini, tako da se dendriti fragmentiraju. Konvekcija može potaknuti fragmentaciju dendrita zbog ekstremnih lokalnih temperatura i varijacija sastava te potiče difuziju otopljene tvari. Udarni valovi kavitacije pomažu pri lomljenju tih topljivih korijena.
Ultrazvučno otplinjavanje metalnih legura
Otplinjavanje je još jedan važan efekt snažnog ultrazvuka na tekuće i polučvrste metale i legure. Akustična kavitacija stvara naizmjenične cikluse niskog i visokog tlaka. Tokom ciklusa niskog tlaka u tekućini ili suspenziji nastaju sitni vakuumski mjehurići. Ti vakuumski mjehurići djeluju kao jezgra za nastanak mjehurića vodika i pare. Zbog nastanka većih mjehurića vodika, mjehurići plina se dižu. Akustično strujanje i akustički tok pomažu da ti mjehurići isplivaju na površinu i izađu iz taline, tako da se plin može ukloniti, a koncentracija plina u talini se smanjuje.
Ultrazvučno otplinjavanje smanjuje poroznost metala i time postiže veću gustoću materijala u konačnom proizvodu od metala/legure.
Ultrazvučno otplinjavanje aluminijskih legura povećava konačnu vlačnu čvrstoću i duktilnost materijala. Industrijski sistemi snažnog ultrazvuka ubrajaju se među najbolje komercijalne metode otplinjavanja s obzirom na učinkovitost i vrijeme obrade. Osim toga, proces popunjavanja kalupa je poboljšan zbog niže viskoznosti taline.
Svojstva pri pritisku legure Ti44Al6Nb1Cr2V pri različitim trajanjima ultrazvučne obrade (sonikacije). Ultrazvučna obrada (sonikacija) znatno poboljšava čvrstoću na pritisak.
(studija i grafikon: ©Ruirun et al., 2017)
Keramička sonotroda BS4D22L3C posebna je sonotroda prikladna za ultrazvučnu obradu visokotemperaturnih tekućina, kao što je rastaljeni aluminij (npr. za miješanje i otplinjavanje).
Sonokapilarni efekt tokom filtracije
Ultrazvučni kapilarni efekt u tekućim metalima pokretački je efekt za uklanjanje oksidnih uključaka tokom ultrazvučno potpomognute filtracije talina. (Eskin et al. 2014: 120ff.)
Filtracija se koristi za uklanjanje nemetalnih nečistoća iz taline. Tokom filtracije talina prolazi kroz različite mreže (npr. staklena vlakna) kako bi se odvojili neželjeni uključci. Što je manja veličina oka mreže, to je bolji rezultat filtracije.
U uobičajenim uvjetima talina ne može proći kroz dvoslojni filter s vrlo uskom veličinom pora od 0,4–0,4mm. Međutim, pri ultrazvučno potpomognutoj filtraciji talina može proći kroz pore mreže zahvaljujući sonokapilarnom efektu. U tom slučaju kapilare filtera zadržavaju čak i nemetalne nečistoće veličine 1–10μm. Zbog poboljšane čistoće legure izbjegava se stvaranje pora vodika na oksidima, pa se povećava zamorna čvrstoća legure.
Eskin et al. (2014: 120ff.) pokazali su da ultrazvučna filtracija omogućava pročišćavanje aluminijskih legura AA2024, AA7055 i AA7075 pomoću višeslojnih filtera od staklenih vlakana (s do 9 slojeva) s porama mreže od 0,6×0,6mm. Kada se proces ultrazvučne filtracije kombinira s dodavanjem inokulanata, istovremeno se postiže usitnjavanje zrna.
Ultrazvučno ojačavanje metalnih legura
Dokazano je da je ultrazvučna obrada (sonikacija) vrlo učinkovita za ravnomjerno dispergiranje nanočestica u suspenzije. Stoga su ultrazvučni disperzatori najčešća oprema za proizvodnju nanoojačanih kompozita.
Nanočestice (npr. Al2O3/SiC, CNT) koriste se kao materijal za ojačavanje. Nanočestice se dodaju u rastaljenu leguru i ultrazvučno dispergiraju. Akustična kavitacija i akustično strujanje poboljšavaju deaglomeraciju i kvašljivost čestica, što rezultira poboljšanom vlačnom čvrstoćom, granicom tečenja i izduženjem.
Ultrazvučna oprema za zahtjevne primjene
Primjena snažnog ultrazvuka u metalurgiji zahtijeva robusne, pouzdane ultrazvučne sisteme koji se mogu ugraditi u zahtjevna okruženja. Hielscher Ultrasonics isporučuje ultrazvučnu opremu industrijske klase za ugradnju u zahtjevne primjene i teška okruženja. Svi naši ultrazvučni uređaji izrađeni su za rad 24/7. Hielscher ultrazvučni sistemi velike snage spajaju robusnost, pouzdanost i preciznu upravljivost.
Zahtjevni procesi – kao što je pročišćavanje metalnih talina – zahtijevaju mogućnost intenzivne ultrazvučne obrade (sonikacije). Hielscher Ultrasonics industrijski ultrazvučni procesori pružaju vrlo visoke amplitude. Amplitude do 200µm mogu se lako kontinuirano održavati u radu 24/7. Za još više amplitude dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode.
Za ultrazvučnu obradu tekućina i talina pri vrlo visokim temperaturama Hielscher nudi različite sonotrode i prilagođeni pribor kako bi se osigurali optimalni rezultati obrade.
Tabela u nastavku daje okvirnu naznaku približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja:
| Volumen šarže | Protok | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 10 do 2000mL | 20 do 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 do 20L | 0,2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10L/min | UIP4000 |
| n.a. | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | veći | klaster od UIP16000 |
Kontaktirajte 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.
Zanimljivosti vrijedne znanja
Snažni ultrazvuk i kavitacija
Kada se visokointenzivni ultrazvučni valovi unose u tekućine ili suspenzije, dolazi do pojave kavitacije u njima.
Snažni ultrazvuk niske frekvencije na kontrolirani način uzrokuje nastanak kavitacijskih mjehurića u tekućinama i suspenzijama. Intenzivni ultrazvučni valovi stvaraju u tekućini naizmjenične cikluse niskog i visokog tlaka. Te brze promjene tlaka stvaraju šupljine, takozvane kavitacijske mjehuriće. Ultrazvukom izazvani kavitacijski mjehurići mogu se smatrati kemijskim mikroreaktorima koji na mikroskopskoj razini osiguravaju visoke temperature i tlakove, pri čemu nastaju aktivne vrste, kao što su slobodni radikali iz otopljenih molekula. U kontekstu kemije materijala, ultrazvučna kavitacija ima jedinstven potencijal lokalnog kataliziranja reakcija pri visokoj temperaturi (do 5000 K) i visokom tlaku (500atm), dok sistem makroskopski ostaje blizu sobne temperature i okolnog tlaka. (usp. Skorb, Andreeva 2013)
Ultrazvučni tretmani uglavnom se temelje na efektima kavitacije. U metalurgiji je ultrazvučna obrada (sonikacija) vrlo povoljna tehnika za poboljšanje lijevanja metala i legura.
Osim obrade metalnih talina, ultrazvučna obrada (sonikacija) koristi se i za stvaranje nanostruktura nalik spužvi i nanouzoraka na površinama čvrstih metala, kao što su titanij i legure. Ti ultrazvučno nanostrukturirani dijelovi od titanija i legura pokazuju velik potencijal kao implantati s pojačanom osteogenom proliferacijom stanica. Saznajte više o ultrazvučnom nanostrukturiranju titanijskih implantata!