Hielscher – Tecnología de Ultrasonidos

Procesamiento metales fundidos por ultrasonidos

  • El ultrasonido de potencia en metales fundidos y aleaciones muestra varios efectos beneficiosos como la estructuración, desgasificación y filtración mejorada.
  • El ultrasonido promueve la solidificación no dendrítica en metales líquidos y semisólidos.
  • La sonicación tiene beneficios significativos en el refinamiento microestructural de granos dendríticos y partículas intermetálicas primarias.
  • Además, el ultrasonido de potencia puede ser utilizado para reducir la porosidad del metal o para producir estructuras meso porosas.
  • Por último, pero no menos importante, el ultrasonido de potencia mejora la calidad de las piezas fundidas.

Solidificación por ultrasonidos

La formación de estructuras no dendríticas durante la solidificación de fundidos metálicos influye en las propiedades del material, tales como resistencia, ductilidad, tenacidad y/o dureza.
Núcleo del grano alterado por ultrasonidos: La cavitación acústica y sus intensas fuerzas de cizallamiento aumentan los sitios de nucleación y el número de núcleos en el fundido. El tratamiento ultrasónico (UST) de los fundidos da como resultado una nucleación heterogénea y la fragmentación de dendritas, de forma que el producto final presenta un refinamiento del grano significativamente mayor.
La cavitación ultrasónica provoca la humectación uniforme de las impurezas no metálicas en la masa fundida. Esas impurezas se convierten en sitios de nucleación, que son los puntos de partida de la solidificación. Debido a que esos puntos de nucleación están por delante del frente de solidificación, el crecimiento de las estructuras dendríticas no ocurre.

El procesamiento ultrasónico de los metales fundidos mejora la estructura del grano.

Macroestructura de la aleación de Ti después del tratamiento ultrasónico (Ruirun et al. 2017)

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

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 alternados de baja y alta presión. Durante los ciclos de baja presión, se producen pequeñas burbujas de vacío en el líquido o en el purín. 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 se elevan. El flujo acústico y la corriente ayudan a la flotación de estas burbujas hacia la superficie y fuera del fundido, de modo que el gas puede ser eliminado y la concentración de gas en el fundido se reduce.
La desgasificación por ultrasonidos reduce la porosidad del metal logrando así una mayor densidad del material en el producto final de metal/aleación.
La desgasificación ultrasónica de las aleaciones de aluminio aumenta la resistencia a la tracción y la ductilidad del material. Los sistemas de ultrasonido de potencia industrial son los mejores entre otros métodos de desgasificación comerciales en cuanto a efectividad y tiempo de procesamiento. Además, el proceso de llenado de moldes se mejora debido a la menor viscosidad de la masa fundida.

Refinamiento ultrasónico de la aleación de Ti (Click para ampliar)

Propiedades compresivas de Ti44Al6Nb1Cr2V bajo varios tiempos de sonicación.

El UIP1000hd es un potente dispositivo ultrasónico, que se utiliza para la ingeniería de materiales, la nanoestructuración y la modificación de partículas. (Haga clic para ampliar!)

El Dr. D. Andreeva demuestra el procedimiento de estructuración ultrasónica
utilizando el UIP1000hd ultrasonido (20 kHz, 1000W). Foto de Ch. Wißler

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Efecto sonocapilar durante la filtración

El efecto capilar ultrasónico (UCE) en metales líquidos es el efecto impulsor para eliminar las inclusiones de óxido durante la filtración de fundidos asistida por ultrasonidos. (Eskin et al. 2014: 120ff.)
La filtración se utiliza para eliminar las impurezas no metálicas del fundido. Durante la filtración, la masa fundida pasa por varias mallas (por ejemplo, fibra de vidrio) para separar las inclusiones no deseadas. Cuanto menor sea el tamaño de la malla, mejor será el resultado de la filtración.
Bajo condiciones comunes, el fundido no puede pasar por un filtro de dos capas con un tamaño de poro muy estrecho de 0,4-0,4mm. Sin embargo, bajo la filtración asistida por ultrasonidos, el fundido puede pasar por los poros de la malla debido al efecto sonocapilar. En este caso, los capilares del filtro retienen incluso las 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, lo que aumenta la resistencia a la fatiga de la aleación.
Eskin et al. (2014: 120ff.) ha 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 logra un refinamiento simultáneo del grano.

Refuerzo ultrasónico

Se ha comprobado que la ultrasonicación es altamente efectiva en la dispersión uniforme de nano partículas en lodos. Por lo tanto, los dispersores ultrasónicos son el equipo más común para producir compuestos nano-reforzados.
Las nanopartículas (por ejemplo, Al2O3/SiC, CNTs) se utilizan como material de refuerzo. Las nano partículas se añaden a la aleación fundida y se dispersan por ultrasonido. La cavitación acústica y la corriente mejora la deaglomeración y la humectabilidad de las partículas, lo que resulta en una mejor resistencia a la tracción, el límite elástico y la elongación.

Dispositivo ultrasónico UIP2000hdT (2kW) con Cascatrode

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Equipo de ultrasonido para aplicaciones de servicio pesado

La aplicación del ultrasonido de potencia en metalurgia requiere sistemas de ultrasonidos robustos y fiables, que puedan instalarse en entornos exigentes. Hielscher Ultrasonics suministra equipos de ultrasonidos de grado industrial para instalaciones en aplicaciones de alta resistencia y entornos difíciles. Todos nuestros ultrasonidos están construidos 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 la robustez, fiabilidad y controlabilidad precisa.
Procesos exigentes – como el refinado de metales fundidos – requieren la capacidad de una intensa sonicación. Ultrasonido Hielscher’ Los procesadores industriales de ultrasonidos ofrecen amplitudes muy altas. Amplitudes de hasta 200µm pueden ser fácilmente ejecutadas de forma continua en funcionamiento 24 horas al día, 7 días a la semana. Para amplitudes aún mayores, se dispone de sonotrodos ultrasónicos personalizados.
Para la sonicación de temperaturas muy altas de líquido y de fusión, Hielscher ofrece varios sonotrodos y accesorios personalizados para asegurar 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): Tratamiento ultrasónico de aleaciones ligeras fundidas. Prensa CRC,Tecnología & Ingeniería 2014.
  • Jia, S.; Xuan, Y.; Nastac, L.; Allison, P.G.; Rushing, T.W.: (2016): Microestructura, propiedades mecánicas y comportamiento a la rotura de piezas fundidas de nanocompuestos a base de aleaciones de aluminio 6061 fabricadas mediante procesamiento ultrasónico. International Journal of Cast Metals Research, Vol. 29, Iss. 5: TMS 2015 Reunión Anual y Exposición 2016. 286-289.
  • Ruirun, C. y otros (2017): Efectos de las vibraciones ultrasónicas sobre la microestructura y las propiedades mecánicas del TiAl de alta aleación. Rep. Científica 7, 2017.
  • Skorb, E.V.; Andreeva, D.V. (2013): Construcción asistida por ultrasonidos bioinspirados de esponjas sintéticas. J. Mater. Química. A, 2013,1. 7547-7557.
  • Tzanakis,I.; Xu, W.W.; Eskin, D.G.; Lee, P.D.; Kotsovinos, N. (2015): Observación in situ y análisis del efecto capilar ultrasónico en aluminio fundido. 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): Cuantificación de Sincrotrón de la Cavitación por Ultrasonido y Dinámica de Burbujas en Fusiones de Al-10Cu.


Información interesante

Ultrasonido de potencia y cavitación

Cuando las ondas ultrasónicas de alta intensidad se unen a los líquidos o lodos, el fenómeno de cavitación ocurre.
El ultrasonido de alta potencia y baja frecuencia provoca la formación de burbujas de cavitación en líquidos y lodos de forma controlada. Las ondas de ultrasonido intensas generan ciclos alternados de baja presión/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 como microreactores químicos que proporcionan altas temperaturas y presiones a escala microscópica, donde se produce la formación de especies activas como los radicales libres de moléculas disueltas. En el contexto de la química de materiales, la cavitación ultrasónica tiene el potencial único de catalizar localmente reacciones de alta temperatura (hasta 5000 K) y alta presión (500atm), mientras que el sistema permanece macroscópicamente cerca de la temperatura ambiente y la presión ambiente. (cf. Skorb, Andreeva 2013)
Los tratamientos ultrasónicos (UST) se basan principalmente en los efectos cavitacionales. Para la metalurgia, el UST es una técnica muy ventajosa para mejorar la fundición de metales y aleaciones.