Υπερήχων βελτίωση των λιωμένων μετάλλων
- Ο υπέρηχος ισχύος σε τετηγμένα μέταλλα και κράματα δείχνει διάφορα ευεργετικά αποτελέσματα όπως δομή, απαέρωση και βελτιωμένη διήθηση.
- Υπερήχους προωθεί τη μη δενδριτική στερεοποίηση σε υγρά και ημι-στερεά μέταλλα.
- Κατεργασία με υπερήχους έχει σημαντικά οφέλη για τη μικροδομική βελτίωση των δενδριτικών κόκκων και των πρωτογενών διαμεταλλικών σωματιδίων.
- Επιπλέον, ο υπέρηχος ισχύος μπορεί να χρησιμοποιηθεί σκόπιμα για τη μείωση του πορώδους μετάλλου ή για την παραγωγή μεσοπορωδών δομών.
- Τελευταίος αλλά εξίσου σημαντικός, ο υπερηχογράφος ισχύος βελτιώνει την ποιότητα των χυτών.
Υπερήχων στερεοποίηση των μετάλλων λιώνει
Ο σχηματισμός μη δενδριτικών δομών κατά τη στερεοποίηση των τήξεων μετάλλων επηρεάζει τις ιδιότητες του υλικού όπως η αντοχή, η ολκιμότητα, η σκληρότητα ή / και η σκληρότητα.
Υπερήχων τροποποιημένη πυρήνωση κόκκων: Η ακουστική σπηλαίωση και οι έντονες δυνάμεις διάτμησης αυξάνουν τις θέσεις πυρήνωσης και τον αριθμό των πυρήνων στο τήγμα. Η υπερηχητική επεξεργασία των τήγματος έχει ως αποτέλεσμα μια ετερογενή πυρήνωση και τον κατακερματισμό των δενδριτών, έτσι ώστε το τελικό προϊόν να παρουσιάζει σημαντικά υψηλότερη βελτίωση κόκκων.
Υπερήχων σπηλαίωση προκαλεί την ομοιόμορφη διαβροχή των μη μεταλλικών ακαθαρσιών στο τήγμα. Αυτές οι ακαθαρσίες μετατρέπονται σε θέσεις πυρήνωσης, οι οποίες είναι τα σημεία εκκίνησης της στερεοποίησης. Επειδή αυτά τα σημεία πυρήνωσης είναι μπροστά από το μέτωπο στερεοποίησης, η ανάπτυξη δενδριτικών δομών δεν συμβαίνει.
Μακροδομή του κράματος Ti μετά από υπερηχητική επεξεργασία. Υπερήχους οδηγεί σε μια σημαντικά εκλεπτυσμένη δομή κόκκων.
Ο Δρ Andreeva-Bäumler, Πανεπιστήμιο του Bayreuth, συνεργάζεται με τον υπερηχητικό UIP1000hdT για τη νανο-δομή των μετάλλων.
Υπερήχων επιδράσεις στο κράμα Vicker σκληρότητα: Υπερήχους βελτιώνει τη μικροσκληρότητα Vickers στο μέταλλο
(μελέτη και γράφημα: ©Ruirun et al., 2017)
Κατακερματισμός δενδριτών: Η τήξη των δενδριτών αρχίζει συνήθως στη ρίζα λόγω της τοπικής αύξησης της θερμοκρασίας και του διαχωρισμού. Κατεργασία με υπερήχους παράγει ισχυρή μεταφορά (μεταφορά θερμότητας με κίνηση μάζας ενός υγρού) και κρουστικά κύματα στο τήγμα, έτσι ώστε οι δενδρίτες να είναι κατακερματισμένοι. Η μεταφορά μπορεί να προωθήσει τον κατακερματισμό του δενδρίτη λόγω ακραίων τοπικών θερμοκρασιών καθώς και παραλλαγών της σύνθεσης και προάγει τη διάχυση της διαλυμένης ουσίας. Τα κρουστικά κύματα σπηλαίωσης βοηθούν στη θραύση αυτών των ριζών τήξης.
Υπερήχων απαέρωση μεταλλικών κραμάτων
Η απαέρωση είναι μια άλλη σημαντική επίδραση των υπερήχων ισχύος σε υγρά και ημι-στερεά μέταλλα και κράματα. Η ακουστική σπηλαίωση δημιουργεί εναλλασσόμενους κύκλους χαμηλής / υψηλής πίεσης. Κατά τη διάρκεια των κύκλων χαμηλής πίεσης, μικροσκοπικές φυσαλίδες κενού εμφανίζονται στο υγρό ή στον πολτό. Αυτές οι φυσαλίδες κενού δρουν ως πυρήνες για το σχηματισμό φυσαλίδων υδρογόνου και ατμών. Λόγω του σχηματισμού μεγαλύτερων φυσαλίδων υδρογόνου, οι φυσαλίδες αερίου αυξάνονται. Η ακουστική ροή και η ροή βοηθούν στην επίπλευση αυτών των φυσαλίδων στην επιφάνεια και έξω από το τήγμα, έτσι ώστε το αέριο να μπορεί να αφαιρεθεί και η συγκέντρωση αερίου στο τήγμα να μειωθεί.
Υπερήχων απαέρωση μειώνει το πορώδες του μετάλλου επιτυγχάνοντας έτσι μια υψηλότερη πυκνότητα υλικού στο τελικό μέταλλο / κράμα προϊόν.
Η υπερηχητική απαέρωση κραμάτων αλουμινίου αυξάνει την τελική αντοχή εφελκυσμού και ολκιμότητα του υλικού. Τα βιομηχανικά συστήματα υπερήχων ισχύος θεωρούνται ως τα καλύτερα μεταξύ άλλων εμπορικών μεθόδων απαέρωσης όσον αφορά την αποτελεσματικότητα και το χρόνο επεξεργασίας. Επιπλέον, η διαδικασία πλήρωσης καλουπιού βελτιώνεται λόγω του χαμηλότερου ιξώδους του τήγματος.
Συμπιεστικές ιδιότητες του Ti44Al6Nb1Cr2V υπό διάφορους χρόνους υπερήχων. Κατεργασία με υπερήχους βελτιώνει σημαντικά τη δύναμη θλίψης.
(μελέτη και γράφημα: ©Ruirun et al., 2017)
Το κεραμικό sonotrode BS4D22L3C είναι ένα ειδικό sonotrode κατάλληλο για την υπερήχηση υγρών υψηλής θερμοκρασίας όπως το τετηγμένο αλουμίνιο (π.χ. για ανάμιξη και απαέρωση).
Sonocapillary Επίδραση κατά τη διάρκεια της διήθησης
Η υπερηχητική τριχοειδής επίδραση στα υγρά μέταλλα είναι το κινητήριο αποτέλεσμα για την απομάκρυνση των εγκλεισμάτων οξειδίων κατά τη διάρκεια της υπερηχητικά υποβοηθούμενης διήθησης των τήγματος. (Eskin et al. 2014: 120ff.)
Η διήθηση χρησιμοποιείται για την απομάκρυνση μη μεταλλικών ακαθαρσιών από το τήγμα. Κατά τη διάρκεια της διήθησης, το τήγμα περνά από διάφορα πλέγματα (π.χ. ίνες γυαλιού) για να διαχωρίσει τα ανεπιθύμητα εγκλείσματα. Όσο μικρότερο είναι το μέγεθος του πλέγματος, τόσο καλύτερο είναι το αποτέλεσμα φιλτραρίσματος.
Υπό κοινές συνθήκες, το τήγμα δεν μπορεί να περάσει από ένα φίλτρο δύο στρωμάτων με πολύ στενό μέγεθος πόρων 0,4-0,4mm. Ωστόσο, υπό υπερηχητικά υποβοηθούμενη διήθηση το τήγμα είναι δυνατό να περάσει τους πόρους του πλέγματος λόγω του sonocapillary effect. Σε αυτή την περίπτωση, τα τριχοειδή αγγεία του φίλτρου διατηρούν ακόμη και μη μεταλλικές ακαθαρσίες 1-10μm. Λόγω της ενισχυμένης καθαρότητας του κράματος, αποφεύγεται ο σχηματισμός πόρων υδρογόνου στα οξείδια, έτσι ώστε να αυξάνεται η αντοχή κόπωσης του κράματος.
Eskin et al. (2014: 120ff.) έχει δείξει ότι η υπερηχητική διήθηση καθιστά δυνατό τον καθαρισμό των κραμάτων αλουμινίου AA2024, AA7055 και AA7075 χρησιμοποιώντας φίλτρα πολλαπλών στρώσεων από ίνες γυαλιού (με έως και 9 στρώματα) με 0,6×0Πόροι πλέγματος .6mm. Όταν η διαδικασία διήθησης υπερήχων συνδυάζεται με την προσθήκη εμβολιαστικών, επιτυγχάνεται ταυτόχρονη βελτίωση κόκκων.
Υπερήχων ενίσχυση των κραμάτων μετάλλων
Υπερήχους έχει αποδειχθεί ότι είναι ιδιαίτερα αποτελεσματική για τη διασπορά νανο σωματίδια ομοιόμορφα σε πολτούς. Ως εκ τούτου, υπερήχων διασκορπιστές είναι ο πιο κοινός εξοπλισμός για την παραγωγή νανο-ενισχυμένων σύνθετων υλικών.
Νανοσωματίδια (π.χ. Al2O3/SiC, CNTs) χρησιμοποιούνται ως ενισχυτικό υλικό. Τα νανοσωματίδια προστίθενται στο τετηγμένο κράμα και διασκορπίζονται υπερηχητικά. Η ακουστική σπηλαίωση και ροή βελτιώνει την αποσυσσωμάτωση και τη διαβρεξιμότητα των σωματιδίων, με αποτέλεσμα βελτιωμένη αντοχή σε εφελκυσμό, αντοχή διαρροής και επιμήκυνση.
Υπερηχητικός εξοπλισμός για εφαρμογές βαρέως τύπου
Η εφαρμογή υπερήχων ισχύος στη μεταλλουργία απαιτεί ισχυρά, αξιόπιστα συστήματα υπερήχων, τα οποία μπορούν να εγκατασταθούν σε απαιτητικά περιβάλλοντα. Hielscher Υπέρηχοι προμήθειες βιομηχανική ποιότητα υπερήχων εξοπλισμού για εγκαταστάσεις σε βαρέως τύπου εφαρμογές και τραχύ περιβάλλον. Όλοι οι υπερήχων μας είναι κατασκευασμένοι για 24 ώρες το 24ωρο, 7 ημέρες την εβδομάδα λειτουργία. Hielscher υψηλής ισχύος υπερήχων συστήματα συνδυάζονται με ευρωστία, αξιοπιστία και ακριβή δυνατότητα ελέγχου.
Απαιτητικές διαδικασίες – όπως ο εξευγενισμός τήξεων μετάλλων – απαιτούν την ικανότητα έντονης υπερήχησης. Hielscher Υπέρηχοι βιομηχανικοί επεξεργαστές υπερήχων παρέχουν πολύ υψηλά πλάτη. Πλάτη έως 200μm μπορούν εύκολα να λειτουργούν συνεχώς σε 24 ώρες το 24ωρο, 7 ημέρες την εβδομάδα λειτουργία. Για ακόμη υψηλότερα πλάτη, διατίθενται προσαρμοσμένα υπερηχητικά sonotrodes.
Για την υπερήχηση των πολύ υψηλών θερμοκρασιών υγρού και τήγματος, Hielscher προσφέρει διάφορα sonotrodes και προσαρμοσμένα αξεσουάρ για να εξασφαλίσει βέλτιστα αποτελέσματα επεξεργασίας.
Ο παρακάτω πίνακας σας δίνει μια ένδειξη της κατά προσέγγιση ικανότητας επεξεργασίας των υπερήχων μας:
| Όγκος παρτίδας | Ροή | Προτεινόμενες συσκευές |
|---|---|---|
| 10 έως 2000mL | 20 έως 400mL / λεπτό | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 έως 20L | 0.2 έως 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 έως 100L | 2 έως 10L / λεπτό | UIP4000 |
| μ.δ. | 10 έως 100L / λεπτό | UIP16000 |
| μ.δ. | μεγαλύτερου | σύμπλεγμα UIP16000 |
Επικοινωνήστε μαζί μας! / Ρωτήστε μας!
Βιβλιογραφία/Αναφορές
- 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.
Γεγονότα που αξίζει να γνωρίζετε
Ισχύς υπερήχων και σπηλαίωση
Όταν τα υψηλά έντονα υπερηχητικά κύματα συνδυάζονται σε υγρά ή πολτούς, το φαινόμενο της σπηλαίωση Παρουσιάζεται.
Ο υπερηχογράφος υψηλής ισχύος, χαμηλής συχνότητας προκαλεί το σχηματισμό φυσαλίδων σπηλαίωσης σε υγρά και πολτούς με ελεγχόμενο τρόπο. Τα έντονα κύματα υπερήχων δημιουργούν εναλλασσόμενους κύκλους χαμηλής / υψηλής πίεσης στο υγρό. Αυτές οι γρήγορες αλλαγές πίεσης δημιουργούν κενά, τις λεγόμενες φυσαλίδες σπηλαίωσης. Οι φυσαλίδες σπηλαίωσης που προκαλούνται από υπερήχους μπορούν να θεωρηθούν ως χημικοί μικροαντιδραστήρες που παρέχουν υψηλές θερμοκρασίες και πιέσεις σε μικροσκοπική κλίμακα, όπου συμβαίνει ο σχηματισμός ενεργών ειδών όπως οι ελεύθερες ρίζες από διαλυμένα μόρια. Στο πλαίσιο της χημείας υλικών, η υπερηχητική σπηλαίωση έχει το μοναδικό δυναμικό τοπικής κατάλυσης αντιδράσεων υψηλής θερμοκρασίας (έως 5000 K) και υψηλής πίεσης (500atm), ενώ το σύστημα παραμένει μακροσκοπικά κοντά στη θερμοκρασία δωματίου και την πίεση περιβάλλοντος. (πρβλ. Skorb, Andreeva 2013)
Υπερήχων θεραπείες βασίζονται κυρίως σε σπηλαίωση αποτελέσματα. Για τη μεταλλουργία, υπερήχηση είναι μια εξαιρετικά συμφέρουσα τεχνική για τη βελτίωση της χύτευσης μετάλλων και κραμάτων.
Εκτός από την επεξεργασία των τήξεων μετάλλων, κατεργασία με υπερήχους χρησιμοποιείται επίσης για τη δημιουργία νανοδομών που μοιάζουν με σφουγγάρι και νανο-μοτίβα σε στερεές μεταλλικές επιφάνειες όπως το τιτάνιο και τα κράματα. Αυτά τα υπερηχητικά νανοδομημένα μέρη τιτανίου και κράματος δείχνουν μεγάλη ικανότητα ως εμφυτεύματα με ενισχυμένο πολλαπλασιασμό οστεογόνων κυττάρων. Διαβάστε περισσότερα σχετικά με την υπερηχητική νανο-δομή των εμφυτευμάτων τιτανίου!