Refinado por ultrasonidos de metales fundidos

  • Los ultrasonidos de potencia en metales y aleaciones fundidos muestran diversos efectos beneficiosos, como la estructuración, la desgasificación y la mejora de la filtración.
  • La ultrasonicación favorece la solidificación no dendrítica en metales líquidos y semisólidos.
  • La sonicación tiene importantes beneficios sobre el refinamiento microestructural de los granos dendríticos y las partículas intermetálicas primarias.
  • Además, los ultrasonidos de potencia pueden utilizarse a propósito para reducir la porosidad del metal o para producir estructuras mesoporosas.
  • Por último, pero no por ello menos importante, los ultrasonidos potentes mejoran la calidad de las piezas fundidas.

Solidificación ultrasónica de metales fundidos

La formación de estructuras no dendríticas durante la solidificación de metales fundidos influye en las propiedades del material, como la resistencia, la ductilidad, la tenacidad y/o la dureza.
Nucleación de granos alterada por ultrasonidos: La cavitación acústica y sus intensas fuerzas de cizallamiento aumentan los lugares de nucleación y el número de núcleos en la masa fundida. El tratamiento ultrasónico de las masas fundidas da lugar a una nucleación heterogénea y a la fragmentación de las dendritas, de modo que el producto final muestra un refinamiento de grano significativamente mayor.
La cavitación ultrasónica provoca la humectación uniforme de las impurezas no metálicas de la masa fundida. Esas impurezas se convierten en puntos de nucleación, que son los puntos de inicio de la solidificación. Como esos puntos de nucleación están por delante del frente de solidificación, no se produce el crecimiento de estructuras dendríticas.

La ultrasonicación intensa mejora la estructura del grano en los metales fundidos y contribuye así a cumplir las normas de calidad de la fundición a presión.

Macroestructura de la aleación de Ti tras el tratamiento por ultrasonidos. La ultrasonicación da lugar a una estructura de grano significativamente refinada.

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La nanoestructuración ultrasónica de metales y zeolitas es una técnica muy eficaz para producir catalizadores de alto rendimiento.

La Dra. Andreeva-Bäumler, de la Universidad de Bayreuth, trabaja con el ultrasonicador UIP1000hdT en la nanoestructuración de metales.

Efectos de los ultrasonidos en la dureza Vicker de las aleaciones: La ultrasonicación mejora la microdureza Vickers en el metal

Efectos de los ultrasonidos en la dureza Vicker de las aleaciones: La ultrasonicación mejora la microdureza Vickers en el metal
(estudio y gráfico: ©Ruirun et al., 2017)

 
Fragmentación de dendritas: La fusión de las dendritas suele comenzar en la raíz debido al aumento local de la temperatura y a la segregación. La sonicación genera una fuerte convección (transferencia de calor por movimiento de masa de un fluido) y ondas de choque en el fundido, de modo que las dendritas se fragmentan. La convección puede favorecer la fragmentación de las dendritas debido a las temperaturas locales extremas, así como a las variaciones de composición, y favorece la difusión del soluto. Las ondas de choque de cavitación contribuyen a la rotura de esas raíces de fusión.

Desgasificación ultrasónica de aleaciones metálicas

La desgasificación es otro efecto importante de los ultrasonidos de potencia en metales y aleaciones líquidos y semisólidos. La cavitación acústica crea ciclos alternos de baja presión y alta presión. Durante los ciclos de baja presión, se forman pequeñas burbujas de vacío en el líquido o la pasta. Estas burbujas de vacío actúan como núcleos para la formación de burbujas de hidrógeno y vapor. Debido a la formación de burbujas de hidrógeno más grandes, las burbujas de gas ascienden. El flujo acústico y la corriente ayudan a la flotación de estas burbujas hacia la superficie y fuera de la masa fundida, de modo que el gas puede eliminarse y se reduce la concentración de gas en la masa fundida.
La desgasificación ultrasónica reduce la porosidad del metal consiguiendo así una mayor densidad de material en el producto final de metal / aleación.
La desgasificación ultrasónica de aleaciones de aluminio aumenta la resistencia a la tracción y la ductilidad finales del material. Los sistemas de ultrasonidos de potencia industrial son los mejores entre otros métodos comerciales de desgasificación en cuanto a eficacia y tiempo de procesamiento. Además, el proceso de llenado de moldes mejora gracias a la menor viscosidad de la masa fundida.
 

La ultrasonicación mejora notablemente la resistencia a la compresión de los metales fundidos y, por tanto, su calidad.

Propiedades de compresión de Ti44Al6Nb1Cr2V bajo distintos tiempos de sonicación. La sonicación mejora significativamente la resistencia a la compresión.
(estudio y gráfico: ©Ruirun et al., 2017)

El sonotrodo cerámico BS4D22L3C es un sonotrodo especial adecuado para sonicar líquidos a alta temperatura, como aluminio fundido (por ejemplo, para mezclar y desgasificar). Fabricado por Hielscher Ultrasonics

El sonotrodo cerámico BS4D22L3C es un sonotrodo especial adecuado para sonicar líquidos a alta temperatura, como aluminio fundido (por ejemplo, para mezclar y desgasificar).

Efecto sonocapilar durante la filtración

El efecto capilar ultrasónico en metales líquidos es el efecto impulsor para eliminar inclusiones de óxido durante la filtración asistida por ultrasonidos de masas fundidas. (Eskin et al. 2014: 120 y ss.)
La filtración se utiliza para eliminar las impurezas no metálicas de la masa fundida. Durante la filtración, la masa fundida pasa por varias mallas (por ejemplo, de fibra de vidrio) para separar las inclusiones no deseadas. Cuanto menor sea el tamaño de la malla, mejor será el resultado de la filtración.
En condiciones normales, la masa fundida no puede pasar un filtro de dos capas con un tamaño de poro muy estrecho de 0,4-0,4 mm. Sin embargo, en la filtración asistida por ultrasonidos, la masa fundida puede atravesar los poros de la malla gracias al efecto sonocapilar. En este caso, los capilares del filtro retienen incluso impurezas no metálicas de 1-10μm. Debido a la mayor pureza de la aleación, se evita la formación de poros de hidrógeno en los óxidos, por lo que aumenta la resistencia a la fatiga de la aleación.
Eskin et al. (2014: 120 y ss.) han demostrado que la filtración ultrasónica permite purificar las aleaciones de aluminio AA2024, AA7055 y AA7075 utilizando filtros de fibra de vidrio multicapa (con hasta 9 capas) con 0,6×0Poros de malla de 0,6 mm. Cuando el proceso de filtración ultrasónica se combina con la adición de inoculantes, se consigue un refinamiento simultáneo del grano.

Refuerzo por ultrasonidos de aleaciones metálicas

Se ha demostrado que los ultrasonidos son muy eficaces para dispersar las nanopartículas uniformemente en los lodos. Por ello, los dispersores ultrasónicos son los equipos más habituales para producir composites nanorreforzados.
Nano partículas (por ejemplo, Al2O3/SiC, CNT) como material de refuerzo. Las nanopartículas se añaden a la aleación fundida y se dispersan por ultrasonidos. La cavitación y el flujo acústicos mejoran la desaglomeración y la humectabilidad de las partículas, lo que se traduce en una mejora de la resistencia a la tracción, el límite elástico y el alargamiento.

Dispositivo ultrasónico UIP2000hdT (2kW) con Cascatrode

Equipos ultrasónicos para aplicaciones pesadas

La aplicación de ultrasonidos de potencia en metalurgia requiere sistemas de ultrasonidos robustos y fiables, que puedan instalarse en entornos exigentes. Hielscher Ultrasonics suministra equipos de ultrasonidos de calidad industrial para instalaciones en aplicaciones pesadas y entornos difíciles. Todos nuestros ultrasonicadores están fabricados para funcionar las 24 horas del día, los 7 días de la semana. Los sistemas de ultrasonidos de alta potencia de Hielscher se combinan con robustez, fiabilidad y control preciso.
Procesos exigentes – como el refinado de metales fundidos – requieren la capacidad de una sonicación intensa. Los procesadores ultrasónicos industriales de Hielscher Ultrasonics ofrecen amplitudes muy elevadas. Amplitudes de hasta 200µm pueden funcionar fácilmente de forma continua en funcionamiento 24/7. Para amplitudes aún mayores, se dispone de sonotrodos ultrasónicos personalizados.
Para la sonicación de líquidos y fundidos a temperaturas muy elevadas, Hielscher ofrece diversos sonotrodos y accesorios personalizados que garantizan unos resultados de procesamiento óptimos.
En la siguiente tabla encontrará algunas indicaciones sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores:

Volumen del lote Tasa de flujo Dispositivos recomendados
10 a 2000 mL 20 a 400 mL/min. UP200Ht, UP400St
0,1 a 20 L 0,2 a 4 L/min UIP2000hdT
10 a 100 L 2 a 10 L/min UIP4000
n.a. 10 a 100 L/min UIP16000
n.a. mayor Grupo de UIP16000

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Literatura/Referencias

  • 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.

Información interesante

Ultrasonidos de potencia y cavitación

Cuando se acoplan ondas ultrasónicas de alta intensidad en líquidos o lodos, se produce el fenómeno de cavitación ocurre.
Los ultrasonidos de alta potencia y baja frecuencia provocan la formación de burbujas de cavitación en líquidos y lodos de forma controlada. Las ondas ultrasónicas intensas generan ciclos alternos de baja presión y alta presión en el líquido. Estos rápidos cambios de presión generan vacíos, las llamadas burbujas de cavitación. Las burbujas de cavitación inducidas por ultrasonidos pueden considerarse microreactores químicos que proporcionan altas temperaturas y presiones a escala microscópica, donde se produce la formación de especies activas como radicales libres a partir de moléculas disueltas. En el contexto de la química de materiales, la cavitación ultrasónica tiene el potencial único de catalizar localmente reacciones a alta temperatura (hasta 5000 K) y alta presión (500atm), mientras que el sistema permanece macroscópicamente cerca de la temperatura ambiente y la presión ambiental. (cf. Skorb, Andreeva 2013)
Los tratamientos ultrasónicos se basan principalmente en los efectos cavitacionales. Para la metalurgia, la sonicación es una técnica muy ventajosa para mejorar la fundición de metales y aleaciones.
Además del tratamiento de metales fundidos, la sonicación también se utiliza para crear nanoestructuras y nanopatrones esponjosos en superficies metálicas sólidas como el titanio y las aleaciones. Estas piezas de titanio y aleaciones nanoestructuradas por ultrasonidos muestran una gran capacidad como implantes con proliferación celular osteogénica mejorada. Más información sobre la nanoestructuración ultrasónica de implantes de titanio.

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