עידון קולי של מתכת נמס
- אולטרסאונד כוח במתכות מותכות וסגסוגות מראה השפעות מועילות שונות כגון מבנה, degassing, סינון משופר.
- אולטרה-סוניקציה מקדמת את ההתמצקות הלא דנדריטית במתכות נוזליות וחצי מוצקות.
- לסוניקציה יתרונות משמעותיים בעידון מיקרו-מבני של גרגרים דנדריטיים וחלקיקים בין-מתכתיים ראשוניים.
- יתר על כן, אולטרסאונד כוח יכול לשמש בכוונה כדי להפחית את נקבוביות המתכת או לייצר מבנים meso-נקבוביות.
- אחרון חביב, אולטרסאונד כוח משפר את איכות הליהוקים.
התמצקות קולית של מתכת נמסה
היווצרות מבנים לא דנדריטיים במהלך התמצקות של התכת מתכת משפיעה על תכונות החומר כגון חוזק, משיכות, קשיחות ו? או קשיות.
גרעין שעבר שינוי אולטרסאונד: קוויטציה אקוסטית וכוחות הגזירה העזים שלה מגדילים את אתרי הגרעין ואת מספר הגרעינים בהתכה. טיפול קולי בהתכה גורם לגרעין הטרוגני ולפיצול דנדריטים, כך שהתוצר הסופי מראה עידון דגנים גבוה משמעותית.
קוויטציה קולית גורמת אפילו הרטבה של זיהומים שאינם מתכתיים בהמסה. זיהומים אלה הופכים לאתרי נוקלאציה, שהם נקודות המוצא של התמצקות. מכיוון שנקודות נוקלציה אלה מקדימות את חזית ההתמצקות, צמיחת מבנים דנדריטיים אינה מתרחשת.
מבנה מאקרו של סגסוגת Ti לאחר טיפול קולי. אולטרה-סוניקציה גורמת למבנה גרגרים מעודן באופן משמעותי.
ד"ר אנדרייבה-באומלר, מאוניברסיטת ביירוית, עובדת עם UIP1000hdT על ננו-מבנה של מתכות.
השפעות קוליות על קשיות סגסוגת ויקר: אולטרה-סוניקציה משפרת את המיקרו-קשיות של ויקרס במתכת
פיצול דנדריט: המסת הדנדריטים מתחילה בדרך כלל בשורש עקב עליית הטמפרטורה המקומית והפרדתה. סוניקציה יוצרת קונבקציה חזקה (העברת חום על ידי תנועת מסה של נוזל) וגלי הלם בהתכה, כך שהדנדריטים מקוטעים. הסעה יכולה לקדם פיצול דנדריטים עקב טמפרטורות מקומיות קיצוניות, כמו גם שינויים בהרכב ומקדמת דיפוזיה של מומס. גלי ההלם של הקוויטציה מסייעים לשבירת אותם שורשים נמסים.
Degassing קולי של סגסוגות מתכתיות
Degassing היא השפעה חשובה נוספת של אולטרסאונד כוח על מתכות נוזליות מוצקות למחצה סגסוגות. הקוויטציה האקוסטית יוצרת לסירוגין מחזורי לחץ נמוך? לחץ גבוה. במהלך מחזורי הלחץ הנמוך, בועות ואקום זעירות מתרחשות בנוזל או בבוץ. בועות ואקום אלה פועלות כגרעינים להיווצרות בועות מימן ואדים. בשל היווצרות בועות מימן גדולות יותר, בועות הגז עולות. זרימה אקוסטית וזרימה מסייעות לצוף של בועות אלה אל פני השטח והחוצה מההמסה, כך שניתן להסיר את הגז ולהפחית את ריכוז הגז בהמסה.
degassing קולי מפחית את נקבוביות המתכת ובכך משיג צפיפות חומר גבוהה יותר במוצר המתכת? סגסוגת הסופי.
degasification קולי של סגסוגות אלומיניום להעלות את כוח המתיחה האולטימטיבי משיכות של החומר. מערכות אולטרסאונד כוח תעשייתיות נחשבות לטובות ביותר מבין שיטות מסחריות אחרות לפירוק גזים לגבי יעילות וזמן עיבוד. יתר על כן, תהליך מילוי העובש משופר עקב צמיגות נמוכה יותר של ההתכה.
תכונות דחיסה של Ti44Al6Nb1Cr2V בזמני סוניקציה שונים. הסוניקציה משפרת את עוצמת הדחיסה באופן משמעותי.
סונוטרודה קרמית BS4D22L3C היא סונוטרודה מיוחדת המתאימה לניקוי נוזלים בטמפרטורה גבוהה כגון אלומיניום מותך (למשל לערבוב ופירוק גזים).
אפקט סונוקנימי במהלך סינון
אפקט נימי קולי במתכות נוזליות הוא האפקט המניע להסרת תכלילי תחמוצת במהלך סינון בסיוע אולטרה-סאונד של נמסים. (Eskin et al. 2014: 120ff.)
סינון משמש להסרת זיהומים שאינם מתכתיים מן ההתכה. במהלך הסינון, ההתכה עוברת רשתות שונות (למשל סיבי זכוכית) כדי להפריד תכלילים לא רצויים. ככל שגודל הרשת קטן יותר, כך תוצאת הסינון טובה יותר.
בתנאים נפוצים, המסה אינה יכולה לעבור מסנן דו-שכבתי עם גודל נקבוביות צר מאוד של 0,4-0,4 מ"מ. עם זאת, תחת סינון בסיוע אולטרסאונד המסה הוא מסוגל לעבור את נקבוביות הרשת בשל אפקט sonocapillary. במקרה זה, נימי המסנן שומרים אפילו על זיהומים לא מתכתיים של 1-10μm. בשל טוהר משופר של סגסוגת, היווצרות של נקבוביות מימן על תחמוצות נמנע, כך כוח עייפות של סגסוגת הוא גדל.
Eskin et al. (2014: 120ff.) הראו כי סינון קולי מאפשר לטהר את סגסוגות האלומיניום AA2024, AA7055 ו- AA7075 באמצעות מסנני סיבי זכוכית רב שכבתיים (עם עד 9 שכבות) עם 0.6×0נקבוביות רשת בקוטר 0.6 מ"מ. כאשר תהליך סינון קולי משולב עם תוספת של חיסונים, חידוד תבואה בו זמנית מושגת.
חיזוק קולי של סגסוגות מתכת
אולטרסוניקציה הוכחה כיעילה ביותר בפיזור חלקיקי ננו באופן אחיד לתרחיפים. לכן, מפיצים קוליים הם הציוד הנפוץ ביותר לייצור מרוכבים מחוזקים ננו.
חלקיקי ננו (למשל אל2O3/ SiC, CNTs) משמשים כחומר מחזק. חלקיקי הננו מתווספים לסגסוגת המותכת ומתפזרים באולטרסאונד. הקוויטציה והזרימה האקוסטית משפרות את יכולת ההרטבה וההרטבה של החלקיקים, וכתוצאה מכך חוזק מתיחה משופר, חוזק תפוקה והתארכות.
ציוד קולי ליישומים כבדים
היישום של אולטרסאונד כוח מטלורגיה דורש מערכות קוליות חזקות, אמינות, אשר ניתן להתקין בסביבות תובעניות. Hielscher Ultrasonics מספקת ציוד קולי כיתה תעשייתית עבור התקנות ביישומים כבדים וסביבות מחוספסות. כל האולטרסאונד שלנו בנוי לפעולה 24/7. Hielscher מערכות קוליות כוח גבוה מזווגים עם חוסן, אמינות ושליטה מדויקת.
תהליכים תובעניים – כגון זיקוק של התכת מתכות – דורשים יכולת של סוניקציה אינטנסיבית. Hielscher Ultrasonics מעבדים קוליים תעשייתיים לספק אמפליטודות גבוהות מאוד. אמפליטודות של עד 200μm ניתנות להפעלה רציפה בקלות בפעולה 24/7. עבור אמפליטודות גבוהות עוד יותר, sonotrodes קולי מותאם אישית זמינים.
עבור סוניקציה של טמפרטורות נוזל גבוהות מאוד להמיס, Hielscher מציעה sonotrodes שונים ואביזרים מותאמים אישית כדי להבטיח תוצאות עיבוד אופטימליות.
הטבלה הבאה נותנת לך אינדיקציה ליכולת העיבוד המשוערת של האולטרסאונד שלנו:
| נפח אצווה | קצב זרימה | מכשירים מומלצים |
|---|---|---|
| 10 עד 2000 מ"ל | 20 עד 400 מ"ל/דקה | UP200Ht, UP400ST |
| 00.1 עד 20 ליטר | 00.2 עד 4L/דקה | UIP2000hdT |
| 10 עד 100 ליטר | 2 עד 10 ליטר/דקה | UIP4000 |
| נ.א. | 10 עד 100 ליטר/דקה | UIP16000 |
| נ.א. | גדול | אשכול של UIP16000 |
צרו קשר!? שאל 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
כוח אולטרסאונד ו Cavitation
כאשר גלים קוליים בעוצמה גבוהה מצומדים לתוך נוזלים או slurries, התופעה של קוויטציה מתרחשת.
אולטרסאונד בעוצמה גבוהה, בתדר נמוך גורם להיווצרות בועות קוויטציה בנוזלים ותרחיפים בצורה מבוקרת. גלי אולטרסאונד אינטנסיביים יוצרים לסירוגין מחזורי לחץ נמוך? לחץ גבוה בנוזל. שינויים מהירים אלה של לחץ ליצור חללים, מה שנקרא בועות cavitation. בועות קוויטציה המושרות באולטרסאונד יכולות להיחשב כמיקרוריאקטורים כימיים המספקים טמפרטורות ולחצים גבוהים בקנה מידה מיקרוסקופי, שבו מתרחשת היווצרות של מינים פעילים כגון רדיקלים חופשיים ממולקולות מומסות. בהקשר של כימיה חומרית, לקוויטציה על-קולית יש פוטנציאל ייחודי לזרז באופן מקומי תגובות בטמפרטורה גבוהה (עד 5000 K) ובלחץ גבוה (500atm), בעוד שהמערכת נשארת מקרוסקופית ליד טמפרטורת החדר ולחץ הסביבה. (ראה: Skorb, Andreeva 2013)
טיפולים אולטראסוניים מבוססים בעיקר על השפעות קוויטציוניות. עבור מטלורגיה, סוניקציה היא טכניקה יתרון רב כדי לשפר את הליהוק של מתכות וסגסוגות.
מלבד הטיפול בהתכת מתכות, סוניקציה משמשת גם ליצירת ננו-מבנים דמויי ספוג וננו-תבניות על משטחי מתכת מוצקים כגון טיטניום וסגסוגות. חלקי טיטניום וסגסוגת אולטרה-סוניים אלה מראים קיבולת גדולה כשתלים עם שגשוג תאים אוסטאוגניים משופר. קרא עוד על ננו-מבנה על-קולי של שתלי טיטניום!