Metallisulan ultraäänikäsittely
- Sulan metallin ja seosten teho-ultraääni osoittaa erilaisia hyödyllisiä vaikutuksia, kuten jäsentäminen, kaasunpoisto ja parannettu suodatus.
- Ultrasonication edistää ei-dendriittistä jähmettymistä nestemäisissä ja puolikiinteissä metalleissa.
- Sonikaatiolla on merkittäviä etuja dendriittisten jyvien ja primaaristen metallien välisten hiukkasten mikrorakenteellisessa jalostuksessa.
- Lisäksi tehon ultraääntä voidaan käyttää tarkoituksellisesti metallin huokoisuuden vähentämiseen tai mesohuokoisten rakenteiden tuottamiseen.
- Viimeisenä mutta ei vähäisimpänä, tehon ultraääni parantaa valukappaleiden laatua.
Metallisulan ultraääni jähmettyminen
Ei-dendriittisten rakenteiden muodostuminen metallisulan jähmettymisen aikana vaikuttaa materiaalin ominaisuuksiin, kuten lujuuteen, sitkeyteen, sitkeyteen ja / tai kovuuteen.
Ultraäänellä muutettu viljan ydin: Akustinen kavitaatio ja sen voimakkaat leikkausvoimat lisäävät sulan ytimien ydinkohtia ja määrää. Sulan ultraäänikäsittely johtaa heterogeeniseen nukleaatioon ja dendriittien pirstoutumiseen siten, että lopputuotteella on huomattavasti suurempi viljan jalostus.
Ultraäänikavitaatio aiheuttaa ei-metallisten epäpuhtauksien tasaisen kostutuksen sulassa. Nämä epäpuhtaudet muuttuvat nukleaatiokohdiksi, jotka ovat jähmettymisen lähtökohtia. Koska nämä nukleaatiopisteet ovat jähmettymisrintaman edellä, dendriittisten rakenteiden kasvua ei tapahdu.
Ti-seoksen makrorakenne ultraäänikäsittelyn jälkeen. Ultrasonication johtaa merkittävästi hienostuneeseen viljarakenteeseen.
Dr. Andreeva-Bäumler, Bayreuthin yliopisto, työskentelee ultraäänilaitteen UIP1000hdT kanssa metallien nanorakenteessa.
Ultraäänivaikutukset seokseen Vickerin kovuus: Ultrasonication parantaa Vickersin mikrokovuutta metallissa
(tutkimus ja grafiikka: ©Ruirun et ai., 2017)
Dendriittien pirstoutuminen: Dendriittien sulaminen alkaa yleensä juuresta paikallisen lämpötilan nousun ja segregaation vuoksi. Sonikaatio tuottaa voimakasta konvektiota (lämmönsiirto nesteen massaliikkeellä) ja iskuaaltoja sulassa niin, että dendriitit ovat pirstoutuneet. Konvektio voi edistää dendriitin pirstoutumista äärimmäisten paikallisten lämpötilojen sekä koostumuksen vaihteluiden vuoksi ja edistää liuenneen aineen diffuusiota. Kavitaatio-iskuaallot auttavat sulavien juurien rikkoutumisessa.
Metalliseosten ultraäänikaasunpoisto
Kaasunpoisto on toinen tärkeä tehon ultrasonicsin vaikutus nestemäisiin ja puolikiinteisiin metalleihin ja seoksiin. Akustinen kavitaatio luo vuorottelevia matalapaine- / korkeapainesyklejä. Matalapainesyklien aikana nesteessä tai lietteessä esiintyy pieniä tyhjiökuplia. Nämä tyhjiökuplat toimivat ytiminä vety- ja höyrykuplien muodostumiselle. Suurempien vetykuplien muodostumisen vuoksi kaasukuplat nousevat. Akustinen virtaus ja virtaus auttavat näiden kuplien kellumista pintaan ja ulos sulasta, jotta kaasu voidaan poistaa ja sulan kaasupitoisuus pienenee.
Ultraäänikaasunpoisto vähentää metallin huokoisuutta saavuttaen siten suuremman materiaalitiheyden lopullisessa metalli- / seostuotteessa.
Alumiiniseosten ultraäänikaasunpoisto nostaa materiaalin lopullista vetolujuutta ja sitkeyttä. Teollisuuden tehon ultraäänijärjestelmät ovat parhaita muiden kaupallisten kaasunpoistomenetelmien joukossa tehokkuuden ja käsittelyajan suhteen. Lisäksi muotin täyttöprosessi paranee sulan alhaisemman viskositeetin vuoksi.
Ti44Al6Nb1Cr2V: n puristusominaisuudet eri sonikaatioaikoina. Sonikaatio parantaa puristuslujuutta merkittävästi.
(tutkimus ja grafiikka: ©Ruirun et ai., 2017)
Keraaminen sonotrode BS4D22L3C on erityinen sonotrode, joka soveltuu korkean lämpötilan nesteiden, kuten sulan alumiinin, sonikoimiseen (esim. sekoittamiseen ja kaasunpoistoon).
Sonokapillaarivaikutus suodatuksen aikana
Nestemäisten metallien ultraäänikapillaarivaikutus on liikkeellepaneva vaikutus oksidisulkeumien poistamiseksi sulatteiden ultraäänellä avustetun suodatuksen aikana. (Eskin ym. 2014: 120ff.)
Suodatusta käytetään ei-metallisten epäpuhtauksien poistamiseen sulasta. Suodatuksen aikana sula läpäisee erilaisia verkkoja (esim. lasikuitua) erottaakseen ei-toivotut sulkeumat. Mitä pienempi silmäkoko, sitä parempi suodatustulos.
Yleisissä olosuhteissa sula ei voi läpäistä kaksikerroksista suodatinta, jonka huokoskoko on erittäin kapea 0,4-0,4 mm. Ultraäänellä avustetussa suodatuksessa sulan annetaan kuitenkin läpäistä silmähuokoset sonokapillarisen vaikutuksen vuoksi. Tässä tapauksessa suodattimen kapillaarit säilyttävät jopa ei-metalliset epäpuhtaudet 1–10 μm. Seoksen parantuneen puhtauden vuoksi vältetään vetyhuokosten muodostuminen oksideissa siten, että seoksen väsymislujuus kasvaa.
(2014: 120ff.) on osoittanut, että ultraäänisuodatus mahdollistaa alumiiniseosten AA2024, AA7055 ja AA7075 puhdistamisen käyttämällä monikerroksisia lasikuitusuodattimia (enintään 9 kerrosta) 0,6: lla×0.6mm mesh-huokoset. Kun ultraäänisuodatusprosessi yhdistetään inokulanttien lisäämiseen, saavutetaan samanaikainen viljan jalostus.
Metalliseosten ultraäänivahvistus
Ultrasonication on osoittautunut erittäin tehokkaaksi nanohiukkasten hajottamisessa tasaisesti lietteisiin. Siksi ultraäänidispergointilaitteet ovat yleisimpiä laitteita nanovahvistettujen komposiittien tuottamiseksi.
Nanohiukkaset (esim.2O3/SiC, CNT) käytetään lujitemateriaalina. Nanohiukkaset lisätään sulaan seokseen ja dispergoidaan ultraäänellä. Akustinen kavitaatio ja virtaus parantavat hiukkasten deagglomeraatiota ja kostuvuutta, mikä parantaa vetolujuutta, myötölujuutta ja venymää.
Ultraäänilaitteet raskaisiin sovelluksiin
Tehon ultraäänen käyttö metallurgiassa vaatii vankkoja, luotettavia ultraäänijärjestelmiä, jotka voidaan asentaa vaativiin ympäristöihin. Hielscher Ultrasonics toimittaa teollisuusluokan ultraäänilaitteita asennuksiin raskaissa sovelluksissa ja karkeissa ympäristöissä. Kaikki ultraäänilaitteemme on rakennettu 24/7 toimintaan. Hielscherin suuritehoiset ultraäänijärjestelmät yhdistetään kestävyyteen, luotettavuuteen ja tarkkaan hallittavuuteen.
Vaativat prosessit – kuten metallisulan jalostus – vaativat voimakkaan sonikoinnin kykyä. Hielscher Ultrasonics teolliset ultraääniprosessorit tuottavat erittäin korkeat amplitudit. Jopa 200 μm: n amplitudit voidaan helposti ajaa jatkuvasti 24/7 toiminnassa. Vielä suuremmille amplitudille on saatavana räätälöityjä ultraäänisonotrodeja.
Erittäin korkeiden neste- ja sulamislämpötilojen sonikaatioon Hielscher tarjoaa erilaisia sonotrodeja ja räätälöityjä lisävarusteita optimaalisten käsittelytulosten varmistamiseksi.
Alla oleva taulukko antaa sinulle viitteitä ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista:
| Erän tilavuus | Virtausnopeus | Suositellut laitteet |
|---|---|---|
| 10 - 2000ml | 20–400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 - 20L | 0.2–4 l/min | UIP2000hdT |
| 10-100L | 2 - 10L / min | UIP4000 |
| n.a. | 10-100L / min | UIP16000 |
| n.a. | suurempi | klusteri UIP16000 |
Ota yhteyttä! / Kysy meiltä!
Kirjallisuus/viitteet
- 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.
Faktoja, jotka kannattaa tietää
Tehon ultraääni ja kavitaatio
Kun korkeat voimakkaat ultraääniaallot kytketään nesteisiin tai lietteisiin, ilmiö kavitaatio Ilmenee.
Suuritehoinen, matalataajuinen ultraääni aiheuttaa kavitaatiokuplien muodostumisen nesteissä ja lietteissä hallitusti. Voimakkaat ultraääniaallot tuottavat nesteessä vuorotellen matalan paineen / korkean paineen syklejä. Nämä nopeat paineen muutokset synnyttävät tyhjiöitä, niin kutsuttuja kavitaatiokuplia. Ultraäänellä indusoituja kavitaatiokuplia voidaan pitää kemiallisina mikroreaktoreina, jotka tarjoavat korkeita lämpötiloja ja paineita mikroskooppisessa mittakaavassa, jossa esiintyy aktiivisten lajien, kuten vapaiden radikaalien, muodostumista liuenneista molekyyleistä. Materiaalikemian yhteydessä ultraäänikavitaatiolla on ainutlaatuinen potentiaali katalysoida paikallisesti korkean lämpötilan (jopa 5000 K) ja korkean paineen (500atm) reaktioita, kun taas järjestelmä pysyy makroskooppisesti lähellä huoneenlämpötilaa ja ympäristön painetta. (vrt. Skorb, Andreeva 2013)
Ultraäänihoidot perustuvat pääasiassa kavitaatiovaikutuksiin. Metallurgiassa sonikaatio on erittäin edullinen tekniikka metallien ja seosten valun parantamiseksi.
Metallisulatteiden käsittelyn lisäksi sonikaatiota käytetään myös sienimäisten nanorakenteiden ja nanokuvioiden luomiseen kiinteille metallipinnoille, kuten titaanille ja seoksille. Nämä ultraäänellä nanorakenteiset titaani- ja seososat osoittavat suurta kapasiteettia implantteina, joilla on parannettu osteogeenisten solujen lisääntyminen. Lue lisää titaani-implanttien ultraääninanorakenteesta!