Refinamiento ultrasónico de metales fundidos
- Los ultrasonidos de potencia producen diversos efectos beneficiosos en metales y aleaciones fundidos, como la estructuración, la desgasificación y la mejora de la filtración.
- La sonicación favorece la solidificación no dendrítica en metales líquidos y semisólidos.
- La sonicación aporta beneficios significativos al refinamiento microestructural de los granos dendríticos y las partículas intermetálicas primarias.
- Además, los ultrasonidos de potencia pueden utilizarse de forma específica para reducir la porosidad del metal o producir estructuras mesoporosas.
- Por último, los ultrasonidos de potencia 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 propiedades del material como la resistencia, la ductilidad, la tenacidad y/o la dureza.
Nucleación de granos modificada por ultrasonidos: La cavitación acústica y sus intensas fuerzas de cizallamiento aumentan los sitios de nucleación y el número de núcleos en el metal fundido. El tratamiento ultrasónico de los metales fundidos provoca una nucleación heterogénea y la fragmentación de las dendritas, de modo que el producto final presenta un refinamiento de grano significativamente mayor.
La cavitación ultrasónica provoca la humectación uniforme de las impurezas no metálicas presentes en el metal fundido. Estas impurezas se convierten en sitios de nucleación, que son los puntos de inicio de la solidificación. Como estos puntos de nucleación se encuentran por delante del frente de solidificación, no se produce el crecimiento de estructuras dendríticas.
Macroestructura de una aleación de Ti tras el tratamiento ultrasónico. La sonicación da lugar a una estructura de grano significativamente refinada.
La Dra. Andreeva-Bäumler, de la Universidad de Bayreuth, trabaja con el sonicador UIP1000hdT en la nanoestructuración de metales.
Efectos de los ultrasonidos sobre la dureza Vicker de las aleaciones: la sonicación mejora la microdureza Vickers del 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 mediante el movimiento de la masa de un fluido) y ondas de choque en el metal fundido, de modo que las dendritas se fragmentan. La convección puede favorecer la fragmentación de las dendritas debido a temperaturas locales extremas y a variaciones de composición, y favorece la difusión del soluto. Las ondas de choque de la cavitación contribuyen a la rotura de estas raíces en proceso de fusión.
Desgasificación ultrasónica de aleaciones metálicas
La desgasificación es otro efecto importante de los ultrasonidos de potencia sobre los metales y las aleaciones líquidos y semisólidos. La cavitación acústica crea ciclos alternos de baja presión / alta presión. Durante los ciclos de baja presión, aparecen diminutas burbujas de vacío en el líquido o la suspensión. Estas burbujas de vacío actúan como núcleos para la formación de burbujas de hidrógeno y vapor. La formación de burbujas de hidrógeno de mayor tamaño hace que las burbujas de gas asciendan. El flujo acústico y las corrientes acústicas contribuyen a que estas burbujas suban hasta la superficie y salgan del metal fundido, lo que permite eliminar el gas y reducir su concentración en el metal fundido.
La desgasificación ultrasónica reduce la porosidad del metal y permite así obtener una mayor densidad del material en el producto final de metal / aleación.
La desgasificación ultrasónica de las aleaciones de aluminio aumenta la resistencia última a la tracción y la ductilidad del material. Los sistemas industriales de ultrasonidos de potencia se consideran los mejores entre los distintos métodos comerciales de desgasificación en cuanto a eficacia y tiempo de procesamiento. Además, el proceso de llenado del molde mejora gracias a la menor viscosidad del metal fundido.
Propiedades de compresión de Ti44Al6Nb1Cr2V con 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 altas temperaturas, como el aluminio fundido (p. ej., para mezclar y desgasificar).
Efecto sonocapilar durante la filtración
El efecto capilar ultrasónico en los metales líquidos es el efecto impulsor de la eliminación de inclusiones de óxidos durante la filtración de metales fundidos asistida por ultrasonidos. (Eskin et al. 2014: 120ff.)
La filtración se utiliza para eliminar las impurezas no metálicas del metal fundido. Durante la filtración, el metal fundido atraviesa diversas mallas (p. ej., de fibra de vidrio) para separar las inclusiones no deseadas. Cuanto menor es la abertura de la malla, mejor es el resultado de la filtración.
En condiciones habituales, el metal fundido no puede atravesar un filtro de dos capas con un tamaño de poro muy reducido de 0,4-0,4 mm. Sin embargo, durante la filtración asistida por ultrasonidos, el metal fundido puede atravesar los poros de la malla gracias al efecto sonocapilar. En este caso, los capilares del filtro retienen incluso impurezas no metálicas de 1–10 μm. La mayor pureza de la aleación evita la formación de poros de hidrógeno en los óxidos, lo que aumenta la resistencia a la fatiga de la aleación.
Eskin et al. (2014: 120ff.) 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 aberturas de malla de 0,6×0,6mm. Cuando el proceso de filtración ultrasónica se combina con la adición de inoculantes, se consigue simultáneamente un refinamiento de grano.
Refuerzo ultrasónico de aleaciones metálicas
Se ha demostrado que la sonicación es muy eficaz para dispersar nanopartículas de manera uniforme en suspensiones. Por ello, los dispersores ultrasónicos son los equipos más utilizados para producir materiales compuestos reforzados con nanopartículas.
Las nanopartículas (p. ej., Al2O3/SiC, CNTs) se utilizan como material de refuerzo. Las nanopartículas se añaden a la aleación fundida y se dispersan mediante ultrasonidos. La cavitación acústica y las corrientes acústicas mejoran la desaglomeración y la humectabilidad de las partículas, lo que aumenta la resistencia a la tracción, el límite elástico y el alargamiento.
Equipos ultrasónicos para aplicaciones exigentes
La aplicación de ultrasonidos de potencia en metalurgia requiere sistemas ultrasónicos robustos y fiables que puedan instalarse en entornos exigentes. Hielscher Ultrasonics suministra equipos ultrasónicos de calidad industrial para instalaciones destinadas a aplicaciones exigentes y entornos difíciles. Todos nuestros sonicadores están diseñados para funcionar 24/7. Los sistemas ultrasónicos de alta potencia de Hielscher combinan robustez, fiabilidad y un control preciso.
Los procesos exigentes –como el refinamiento de metales fundidos– requieren capacidad para aplicar una sonicación intensa. Los procesadores ultrasónicos industriales de Hielscher Ultrasonics proporcionan amplitudes muy elevadas. Pueden funcionar fácilmente de forma continua con amplitudes de hasta 200 µm en régimen 24/7. Para amplitudes aún mayores, se ofrecen sonotrodos ultrasónicos personalizados.
Para la sonicación de líquidos y metales fundidos a temperaturas muy elevadas, Hielscher ofrece diversos sonotrodos y accesorios personalizados que garantizan resultados de procesamiento óptimos.
La siguiente tabla indica la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores:
| Volumen por lote | Caudal | Equipos 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. | superior | conjunto de UIP16000 |
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Bibliografía/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 de interés
Ultrasonidos de potencia y cavitación
Cuando se acoplan ondas ultrasónicas de alta intensidad a líquidos o suspensiones, el fenómeno de cavitación tiene lugar.
Los ultrasonidos de alta potencia y baja frecuencia provocan la formación controlada de burbujas de cavitación en líquidos y suspensiones. Las ondas ultrasónicas intensas generan ciclos alternos de baja presión / alta presión en el líquido. Estos cambios rápidos de presión generan cavidades, las denominadas burbujas de cavitación. Las burbujas de cavitación inducidas por ultrasonidos pueden considerarse microrreactores químicos que proporcionan temperaturas y presiones elevadas a escala microscópica, donde se forman especies activas, como radicales libres, a partir de moléculas disueltas. En el ámbito de la química de materiales, la cavitación ultrasónica tiene la capacidad singular de catalizar localmente reacciones a altas temperaturas (hasta 5000 K) y altas presiones (500atm), mientras que el sistema se mantiene, a escala macroscópica, cerca de la temperatura ambiente y la presión ambiental. (cf. Skorb, Andreeva 2013)
Los tratamientos ultrasónicos se basan principalmente en los efectos de la cavitación. En 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 similares a esponjas y nanopatrones en superficies metálicas sólidas, como las de titanio y aleaciones. Estas piezas de titanio y aleaciones nanoestructuradas mediante ultrasonidos muestran un gran potencial como implantes con una mayor proliferación de células osteogénicas. ¡Lea más sobre la nanoestructuración ultrasónica de implantes de titanio!