Metallisulien jalostaminen ultraäänellä
- Tehoultraäänellä on sulissa metalleissa ja metalliseoksissa monia hyödyllisiä vaikutuksia, kuten rakenteen muokkaaminen, kaasunpoisto ja suodatuksen tehostuminen.
- Ultraäänikäsittely edistää nestemäisten ja puolikiinteiden metallien jähmettymistä ilman dendriittien muodostumista.
- Ultraäänikäsittelystä on merkittävää hyötyä dendriittisten rakeiden ja primääristen metallienvälisten hiukkasten mikrorakenteen hienontamisessa.
- Lisäksi tehoultraääntä voidaan käyttää tarkoituksellisesti metallin huokoisuuden vähentämiseen tai mesohuokoisten rakenteiden tuottamiseen.
- Viimeisenä mutta yhtä tärkeänä hyötynä tehoultraääni parantaa valukappaleiden laatua.
Metallisulien jähmettyminen ultraäänen avulla
Ei-dendriittisten rakenteiden muodostuminen metallisulien jähmettymisen aikana vaikuttaa materiaaliominaisuuksiin, kuten lujuuteen, sitkeyteen, iskusitkeyteen ja/tai kovuuteen.
Ultraäänellä muokattu rakeiden ydintyminen: Akustinen kavitaatio ja sen voimakkaat leikkausvoimat lisäävät sulan ydintymiskohtia ja ydinten määrää. Sulien ultraäänikäsittely saa aikaan heterogeenisen ydintymisen ja dendriittien pirstoutumisen, jolloin lopputuotteen raerakenne hienontuu huomattavasti enemmän.
Ultraäänikavitaatio saa sulan epämetalliset epäpuhtaudet kostumaan tasaisesti. Nämä epäpuhtaudet muuttuvat ydintymiskohdiksi, joista jähmettyminen alkaa. Koska nämä ydintymiskohdat ovat jähmettymisrintaman edellä, dendriittiset rakenteet eivät kasva.
Ti-seoksen makrorakenne ultraäänikäsittelyn jälkeen. Ultraäänikäsittely hienontaa raerakennetta merkittävästi.
Tohtori Andreeva-Bäumler Bayreuthin yliopistosta työskentelee metallien nanorakenteiden muodostamisen parissa käyttäen ultraäänilaitetta UIP1000hdT.
Ultraäänen vaikutukset metalliseoksen Vickers-kovuuteen: ultraäänikäsittely parantaa metallin Vickers-mikrokovuutta
(tutkimus ja kuva: ©Ruirun et al., 2017)
Dendriittien pirstoutuminen: Dendriittien sulaminen alkaa yleensä tyvestä paikallisen lämpötilan nousun ja suotautumisen vuoksi. Ultraäänikäsittely synnyttää sulaan voimakasta konvektiota (lämmönsiirtoa fluidin massaliikkeen mukana) ja iskuaaltoja, jolloin dendriitit pirstoutuvat. Konvektio voi edistää dendriittien pirstoutumista äärimmäisten paikallisten lämpötilojen ja koostumusvaihtelujen vuoksi, ja se edistää liuenneen aineen diffuusiota. Kavitaation iskuaallot edistävät näiden sulavien tyvien murtumista.
Metalliseosten kaasunpoisto ultraäänellä
Kaasunpoisto on toinen tehoultraäänen tärkeä vaikutus nestemäisissä ja puolikiinteissä metalleissa ja metalliseoksissa. Akustinen kavitaatio synnyttää vuorottelevia matalan ja korkean paineen jaksoja. Matalan paineen jaksojen aikana nesteeseen tai lietteeseen muodostuu pieniä tyhjiökuplia. Nämä tyhjiökuplat toimivat vety- ja höyrykuplien muodostumisen ytiminä. Suurempien vetykuplien muodostumisen seurauksena kaasukuplat nousevat. Akustinen virtaus ja virtaukset edistävät näiden kuplien nousua pinnalle ja poistumista sulasta, jolloin kaasu voidaan poistaa ja sulan kaasupitoisuus pienenee.
Ultraäänellä tehtävä kaasunpoisto vähentää metallin huokoisuutta, jolloin lopullisen metalli- tai metalliseostuotteen materiaalitiheys kasvaa.
Alumiiniseosten kaasunpoisto ultraäänellä lisää materiaalin murtolujuutta ja sitkeyttä. Teolliset tehoultraäänijärjestelmät ovat tehokkuuden ja käsittelyajan suhteen parhaita verrattuna muihin kaupallisiin kaasunpoistomenetelmiin. Lisäksi muotin täyttyminen paranee sulan pienemmän viskositeetin ansiosta.
Ti44Al6Nb1Cr2V:n puristusominaisuudet eri ultraäänikäsittelyajoilla. Ultraäänikäsittely parantaa puristuslujuutta merkittävästi.
(tutkimus ja kuva: ©Ruirun et al., 2017)
Keraaminen sonotrodi BS4D22L3C on erikoissonotrodi, joka soveltuu korkealämpötilaisten nesteiden, kuten sulan alumiinin, ultraäänikäsittelyyn (esim. sekoitukseen ja kaasunpoistoon).
Sonokapillaarinen vaikutus suodatuksessa
Nestemäisten metallien ultraäänikapillaarinen vaikutus on oksidisulkeumien poistumista edistävä vaikutus sulien ultraääniavusteisessa suodatuksessa. (Eskin et al. 2014: 120ff.)
Suodatusta käytetään epämetallisten epäpuhtauksien poistamiseen sulasta. Suodatuksen aikana sula kulkee erilaisten verkkojen (esim. lasikuituverkkojen) läpi ei-toivottujen sulkeumien erottamiseksi. Mitä pienempi verkon silmäkoko on, sitä parempi on suodatustulos.
Tavallisissa olosuhteissa sula ei pääse läpi kaksikerroksisesta suodattimesta, jonka huokoskoko on hyvin pieni, 0,4–0,4mm. Ultraääniavusteisessa suodatuksessa sula kuitenkin pääsee verkon huokosten läpi sonokapillaarisen vaikutuksen ansiosta. Tällöin suodattimen kapillaarit pidättävät jopa 1–10μm:n kokoisia epämetallisia epäpuhtauksia. Metalliseoksen paremman puhtauden ansiosta vetyhuokosten muodostuminen oksidien kohdalle vältetään, jolloin metalliseoksen väsymislujuus kasvaa.
Eskin et al. (2014: 120ff.) on osoittanut, että ultraäänisuodatuksella voidaan puhdistaa alumiiniseoksia AA2024, AA7055 ja AA7075 käyttämällä monikerroksisia lasikuitusuodattimia (jopa 9 kerrosta), joiden verkon silmäkoko on 0,6×0,6mm. Kun ultraäänisuodatus yhdistetään ydintymistä edistävien lisäaineiden lisäämiseen, saavutetaan samanaikaisesti raerakenteen hienontuminen.
Metalliseosten lujittaminen ultraäänellä
Ultraäänikäsittely on osoittautunut erittäin tehokkaaksi nanohiukkasten tasaisessa dispergoinnissa lietteisiin. Siksi ultraäänidispergointilaitteet ovat yleisimpiä laitteita nanolujitettujen komposiittien valmistuksessa.
Nanohiukkasia (esim. Al2O3/SiC, CNT:t) käytetään lujitemateriaalina. Nanohiukkaset lisätään sulaan metalliseokseen ja dispergoidaan ultraäänellä. Akustinen kavitaatio ja virtaukset parantavat hiukkasten deagglomerointia ja kostuvuutta, mikä parantaa murtolujuutta, myötölujuutta ja venymää.
Ultraäänilaitteet vaativiin käyttökohteisiin
Tehoultraäänen käyttö metallurgiassa edellyttää kestäviä ja luotettavia ultraäänijärjestelmiä, jotka voidaan asentaa vaativiin ympäristöihin. Hielscher Ultrasonics toimittaa teollisuustason ultraäänilaitteita asennettaviksi vaativiin käyttökohteisiin ja ankariin ympäristöihin. Kaikki ultraäänilaitteemme on rakennettu ympärivuorokautiseen 24/7-käyttöön. Hielscherin suuritehoisissa ultraäänijärjestelmissä yhdistyvät kestävyys, luotettavuus ja tarkka säädettävyys.
Vaativat prosessit – kuten metallisulien jalostaminen – edellyttävät mahdollisuutta voimakkaaseen ultraäänikäsittelyyn. Hielscher Ultrasonicsin teolliset ultraääniprosessorit tuottavat erittäin suuria amplitudeja. Jopa 200µm:n amplitudeilla voidaan helposti toimia jatkuvasti 24/7-käytössä. Vielä suurempia amplitudeja varten on saatavilla räätälöityjä ultraäänisonotrodeja.
Erittäin korkeissa lämpötiloissa olevien nesteiden ja sulien ultraäänikäsittelyyn Hielscher tarjoaa erilaisia sonotrodeja ja räätälöityjä lisävarusteita optimaalisten käsittelytulosten varmistamiseksi.
Alla oleva taulukko antaa käsityksen ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista:
| Erätilavuus | Tilavuusvirta | Suositellut laitteet |
|---|---|---|
| 10–2000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1–20L | 0,2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000 |
| n.a. | 10–100L/min | UIP16000 |
| n.a. | suurempi | laiteryhmä: UIP16000 |
Ota yhteyttä! / Kysy meiltä!
Kirjallisuus/lähteet
- 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.
Hyödyllistä tietoa
Tehoultraääni ja kavitaatio
Kun erittäin voimakkaita ultraääniaaltoja kytketään nesteisiin tai lietteisiin, ilmenee kavitaatio .
Suuritehoinen, matalataajuinen ultraääni saa kavitaatiokuplia muodostumaan nesteisiin ja lietteisiin hallitusti. Voimakkaat ultraääniaallot synnyttävät nesteeseen vuorottelevia matalan ja korkean paineen jaksoja. Nämä nopeat paineenmuutokset synnyttävät onteloita, niin kutsuttuja kavitaatiokuplia. Ultraäänellä synnytettyjä kavitaatiokuplia voidaan pitää kemiallisina mikroreaktoreina, jotka tuottavat korkeita lämpötiloja ja paineita mikroskooppisessa mittakaavassa ja joissa liuenneista molekyyleistä muodostuu aktiivisia kemiallisia lajeja, kuten vapaita radikaaleja. Materiaalikemian yhteydessä ultraäänikavitaatiolla on ainutlaatuinen kyky katalysoida paikallisesti korkean lämpötilan (jopa 5000 K) ja korkean paineen (500atm) reaktioita samalla, kun järjestelmä pysyy makroskooppisesti lähellä huoneenlämpötilaa ja ympäristön painetta. (vrt. Skorb, Andreeva 2013)
Ultraäänikäsittelyt perustuvat pääasiassa kavitaation vaikutuksiin. Metallurgiassa ultraäänikäsittely on erittäin hyödyllinen menetelmä metallien ja metalliseosten valun parantamiseen.
Metallisulien käsittelyn lisäksi ultraäänikäsittelyä käytetään myös sienimäisten nanorakenteiden ja nanokuvioiden luomiseen kiinteille metallipinnoille, kuten titaanille ja metalliseoksille. Näillä ultraäänellä nanorakenteistetuilla titaani- ja metalliseososilla on huomattava potentiaali implantteina, joissa luuta muodostavien solujen lisääntyminen tehostuu. Lue lisää titaani-implanttien nanorakenteiden muodostamisesta ultraäänellä!