עידון אולטרסוני של נתכי מתכת
- לאולטרסאונד רב־עוצמה במתכות ובסגסוגות מותכות יש השפעות מועילות שונות, כגון יצירת מבנה, סילוק גזים ושיפור הסינון.
- טיפול אולטרסוני מעודד התמצקות לא־דנדריטית במתכות נוזליות ומוצקות למחצה.
- לסוניקציה יתרונות משמעותיים בעידון המיקרו־מבנה של גרגרים דנדריטיים וחלקיקים בין־מתכתיים ראשוניים.
- כמו כן, ניתן להשתמש באולטרסאונד רב־עוצמה באופן מכוון להפחתת נקבוביות המתכת או לייצור מבנים מזופוריים.
- ולבסוף, אולטרסאונד רב־עוצמה משפר את איכות היציקות.
התמצקות אולטרסונית של נתכי מתכת
היווצרות מבנים לא־דנדריטיים במהלך התמצקות של נתכי מתכת משפיעה על תכונות החומר כגון חוזק, משיכות, קשיחות ו/או קשיות.
שינוי התגרענות הגרגרים באמצעות אולטרסאונד: קוויטציה אקוסטית וכוחות הגזירה העזים שלה מגדילים את מספר אתרי ההתגרענות ואת מספר הגרעינים בנתך. טיפול אולטרסוני בנתכים גורם להתגרענות הטרוגנית ולקיטוע של דנדריטים, כך שהתוצר הסופי מציג עידון גרגרים רב יותר במידה ניכרת.
קוויטציה אולטרסונית גורמת להרטבה אחידה של זיהומים לא־מתכתיים בנתך. זיהומים אלה הופכים לאתרי התגרענות, שהם נקודות ההתחלה של ההתמצקות. מכיוון שנקודות התגרענות אלה נמצאות לפני חזית ההתמצקות, לא מתרחשת צמיחה של מבנים דנדריטיים.
המקרו־מבנה של סגסוגת Ti לאחר טיפול אולטרסוני. טיפול אולטרסוני מביא למבנה גרגרים מעודן במידה ניכרת.
ד״ר Andreeva-Bäumler מאוניברסיטת ביירוית עובדת עם המכשיר האולטרסוני UIP1000hdT על יצירת מבנים ננומטריים במתכות.
השפעות אולטרסוניות על קשיות ויקרס של סגסוגת: טיפול אולטרסוני משפר את המיקרו־קשיות לפי ויקרס במתכת
(מחקר ותרשים: ©Ruirun et al., 2017)
קיטוע דנדריטים: התכת דנדריטים מתחילה בדרך כלל בשורש עקב עלייה מקומית בטמפרטורה וסגרגציה. סוניקציה יוצרת בנתך הסעה חזקה (העברת חום באמצעות תנועה של מסת זורם) וגלי הלם, וכך הדנדריטים מתקטעים. הסעה עשויה לעודד קיטוע דנדריטים עקב טמפרטורות מקומיות קיצוניות וכן שינויים בהרכב, ומעודדת דיפוזיה של מומס. גלי ההלם של הקוויטציה מסייעים לשבירת השורשים הניתכים הללו.
סילוק גזים אולטרסוני מסגסוגות מתכת
סילוק גזים הוא השפעה חשובה נוספת של אולטרסאונד רב־עוצמה על מתכות וסגסוגות נוזליות ומוצקות למחצה. הקוויטציה האקוסטית יוצרת מחזורים מתחלפים של לחץ נמוך / לחץ גבוה. במהלך מחזורי הלחץ הנמוך נוצרות בנוזל או בתרחיף בועות ריק זעירות. בועות ריק אלה משמשות כגרעינים להיווצרות בועות מימן ואדים. עקב היווצרות בועות מימן גדולות יותר, בועות הגז עולות. זרימה אקוסטית וזרמים אקוסטיים מסייעים לציפת בועות אלה אל פני השטח ומחוץ לנתך, כך שניתן לסלק את הגז וריכוז הגז בנתך פוחת.
סילוק גזים אולטרסוני מפחית את נקבוביות המתכת ובכך משיג צפיפות חומר גבוהה יותר במוצר הסופי העשוי מתכת / סגסוגת.
סילוק גזים אולטרסוני מסגסוגות אלומיניום מעלה את חוזק המתיחה המרבי ואת משיכות החומר. מערכות אולטרסאונד תעשייתיות רבות־עוצמה נחשבות לטובות ביותר מבין שיטות סילוק הגזים המסחריות מבחינת יעילות וזמן עיבוד. נוסף על כך, תהליך מילוי התבנית משתפר עקב צמיגות נמוכה יותר של הנתך.
תכונות הלחיצה של Ti44Al6Nb1Cr2V בזמני סוניקציה שונים. סוניקציה משפרת את חוזק הלחיצה במידה ניכרת.
(מחקר ותרשים: ©Ruirun et al., 2017)
הסונוטרודה הקרמית BS4D22L3C היא סונוטרודה מיוחדת המתאימה לסוניקציה של נוזלים בטמפרטורה גבוהה, כגון אלומיניום מותך (למשל לצורך ערבוב וסילוק גזים).
האפקט הסונו־קפילרי במהלך סינון
האפקט הקפילרי האולטרסוני במתכות נוזליות הוא האפקט המניע את סילוק תכלילי התחמוצות במהלך סינון נתכים בסיוע אולטרסאונד. (Eskin et al. 2014: 120ff.)
סינון משמש לסילוק זיהומים לא־מתכתיים מהנתך. במהלך הסינון, הנתך עובר דרך רשתות שונות (למשל מסיבי זכוכית) כדי להפריד תכלילים לא רצויים. ככל שמפתח הרשת קטן יותר, כך תוצאת הסינון טובה יותר.
בתנאים רגילים, הנתך אינו יכול לעבור דרך מסנן דו־שכבתי בעל גודל נקבוביות צר מאוד של 0.4–0.4mm. עם זאת, בסינון בסיוע אולטרסאונד הנתך מסוגל לעבור דרך נקבוביות הרשת הודות לאפקט הסונו־קפילרי. במקרה זה, נימי המסנן לוכדים אפילו זיהומים לא־מתכתיים בגודל 1–10μm. הודות לטוהר המשופר של הסגסוגת נמנעת היווצרות נקבוביות מימן בתחמוצות, וכך חוזק ההתעייפות של הסגסוגת עולה.
Eskin et al. (2014: 120ff.) הראו שסינון אולטרסוני מאפשר לטהר את סגסוגות האלומיניום AA2024, AA7055 ו־AA7075 באמצעות מסננים רב־שכבתיים מסיבי זכוכית (עם עד 9 שכבות) בעלי נקבוביות רשת בגודל 0.6×0.6mm. כאשר תהליך הסינון האולטרסוני משולב עם הוספת חומרי התגרענות, מושג במקביל עידון גרגרים.
חיזוק אולטרסוני של סגסוגות מתכת
טיפול אולטרסוני הוכח כיעיל ביותר לפיזור אחיד של ננו־חלקיקים בתרחיפים. לכן, מפזרים אולטרסוניים הם הציוד הנפוץ ביותר לייצור חומרים מרוכבים המחוזקים בננו־חלקיקים.
ננו־חלקיקים (למשל Al2O3/SiC, CNTs) משמשים כחומר חיזוק. הננו־חלקיקים מתווספים לסגסוגת המותכת ומפוזרים באמצעות אולטרסאונד. הקוויטציה והזרימה האקוסטיות משפרות את פירוק האגלומרטים ואת יכולת ההרטבה של החלקיקים, וכתוצאה מכך משתפרים חוזק המתיחה, חוזק הכניעה וההתארכות.
ציוד אולטרסוני ליישומים תובעניים
השימוש באולטרסאונד רב־עוצמה במטלורגיה דורש מערכות אולטרסוניות חסונות ואמינות, שניתן להתקין בסביבות תובעניות. Hielscher Ultrasonics מספקת ציוד אולטרסוני ברמה תעשייתית להתקנה ביישומים תובעניים ובסביבות קשות. כל המכשירים האולטרסוניים שלנו בנויים לפעולה 24/7. מערכות האולטרסאונד רבות־העוצמה של Hielscher משלבות חוסן, אמינות ויכולת בקרה מדויקת.
תהליכים תובעניים – כגון עידון נתכי מתכת – דורשים יכולת לבצע סוניקציה עזה. המעבדים האולטרסוניים התעשייתיים של Hielscher Ultrasonics מספקים אמפליטודות גבוהות מאוד. ניתן להפעיל בקלות אמפליטודות של עד 200µm ברציפות בפעולה 24/7. לאמפליטודות גבוהות אף יותר, זמינות סונוטרודות אולטרסוניות בהתאמה אישית.
לסוניקציה של נוזלים ונתכים בטמפרטורות גבוהות מאוד, Hielscher מציעה מגוון סונוטרודות ואביזרים בהתאמה אישית כדי להבטיח תוצאות עיבוד מיטביות.
הטבלה שלהלן מספקת הערכה של קיבולת העיבוד המשוערת של המכשירים האולטרסוניים שלנו:
| נפח אצווה | ספיקת זרימה | מכשירים מומלצים |
|---|---|---|
| 10 עד 2000mL | 20 עד 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 עד 20L | 0.2 עד 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 עד 100L | 2 עד 10L/min | UIP4000 |
| n.a. | 10 עד 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | גבוהה יותר | אשכול של UIP16000 |
צרו איתנו קשר! / שאלו אותנו!
ספרות/מקורות
- 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.
עובדות שכדאי לדעת
אולטרסאונד רב־עוצמה וקוויטציה
כאשר גלים אולטרסוניים עזים מאוד מצומדים לנוזלים או לתרחיפים, מתרחשת תופעת קוויטציה .
אולטרסאונד בהספק גבוה ובתדר נמוך גורם להיווצרות מבוקרת של בועות קוויטציה בנוזלים ובתרחיפים. גלי אולטרסאונד עזים יוצרים בנוזל מחזורים מתחלפים של לחץ נמוך / לחץ גבוה. שינויי לחץ מהירים אלה יוצרים חללים, המכונים בועות קוויטציה. ניתן להתייחס לבועות קוויטציה הנוצרות בהשראת אולטרסאונד כאל מיקרו־ריאקטורים כימיים המספקים טמפרטורות ולחצים גבוהים בקנה מידה מיקרוסקופי, שבהם נוצרים צורונים פעילים כגון רדיקלים חופשיים ממולקולות מומסות. בהקשר של כימיית חומרים, לקוויטציה אולטרסונית יש פוטנציאל ייחודי לזרז מקומית תגובות בטמפרטורה גבוהה (עד 5000 K) ובלחץ גבוה (500atm), בעוד שהמערכת נותרת בקנה מידה מקרוסקופי סמוך לטמפרטורת החדר וללחץ הסביבה. (ראו Skorb, Andreeva 2013)
טיפולים אולטרסוניים מבוססים בעיקר על השפעות הקוויטציה. במטלורגיה, סוניקציה היא טכניקה בעלת יתרונות רבים לשיפור יציקת מתכות וסגסוגות.
מלבד טיפול בנתכי מתכת, סוניקציה משמשת גם ליצירת מבנים ננומטריים דמויי ספוג ותבניות ננומטריות על משטחי מתכת מוצקים, כגון טיטניום וסגסוגות. חלקי טיטניום וסגסוגות אלה, שמבנים ננומטריים נוצרו בהם באמצעות אולטרסאונד, מציגים פוטנציאל רב כשתלים עם שגשוג מוגבר של תאים אוסטאוגניים. קראו עוד על יצירת מבנים ננומטריים באמצעות אולטרסאונד בשתלי טיטניום!