धातु के पिघलों का अल्ट्रासोनिक परिष्करण
- पिघली हुई धातुओं और मिश्रधातुओं में उच्च-शक्ति अल्ट्रासाउंड संरचना निर्माण, विगैसीकरण और बेहतर निस्यंदन जैसे विभिन्न लाभकारी प्रभाव दिखाता है।
- अल्ट्रासोनिकेशन तरल और अर्धठोस धातुओं में गैर-डेंड्राइटिक ठोसीकरण को बढ़ावा देता है।
- डेंड्राइटिक कणों और प्राथमिक अंतरधात्विक कणों के सूक्ष्मसंरचनात्मक परिष्करण में सोनिकेशन के महत्वपूर्ण लाभ हैं।
- इसके अलावा, धातु की सरंध्रता कम करने या मेसोपोरस संरचनाएँ बनाने के लिए उच्च-शक्ति अल्ट्रासाउंड का उद्देश्यपूर्ण उपयोग किया जा सकता है।
- अंत में, लेकिन उतना ही महत्वपूर्ण, उच्च-शक्ति अल्ट्रासाउंड ढलाई से बने उत्पादों की गुणवत्ता सुधारता है।
धातु के पिघलों का अल्ट्रासोनिक ठोसीकरण
धातु के पिघलों के ठोसीकरण के दौरान गैर-डेंड्राइटिक संरचनाओं का निर्माण सामर्थ्य, तन्यता, चर्मलता और/या कठोरता जैसे पदार्थ के गुणों को प्रभावित करता है।
अल्ट्रासोनिक रूप से परिवर्तित क्रिस्टल कणों का नाभिकन: ध्वनिक कैविटेशन और उसके तीव्र अपरूपण बल पिघल में नाभिकन स्थलों और नाभिकों की संख्या बढ़ाते हैं। पिघलों के अल्ट्रासोनिक उपचार से विषमांगी नाभिकन और डेंड्राइटों का विखंडन होता है, जिससे अंतिम उत्पाद में क्रिस्टल कणों का उल्लेखनीय रूप से अधिक परिष्करण दिखाई देता है।
अल्ट्रासोनिक कैविटेशन पिघल में अधात्विक अशुद्धियों का एकसमान गीलापन सुनिश्चित करता है। ये अशुद्धियाँ नाभिकन स्थलों में बदल जाती हैं, जो ठोसीकरण के शुरुआती बिंदु होते हैं। चूँकि ये नाभिकन बिंदु ठोसीकरण के अग्रभाग से आगे होते हैं, इसलिए डेंड्राइटिक संरचनाओं की वृद्धि नहीं होती।
अल्ट्रासोनिक उपचार के बाद Ti मिश्रधातु की स्थूलसंरचना। अल्ट्रासोनिकेशन से क्रिस्टल कणों की संरचना उल्लेखनीय रूप से परिष्कृत होती है।
University of Bayreuth की डॉ. Andreeva-Bäumler अल्ट्रासोनिकेटर UIP1000hdT के साथ धातुओं की नैनो-संरचना के निर्माण पर काम कर रही हैं।
मिश्रधातु की विकर्स कठोरता पर अल्ट्रासोनिक प्रभाव: अल्ट्रासोनिकेशन धातु की विकर्स सूक्ष्मकठोरता में सुधार करता है
(अध्ययन और ग्राफ़िक: ©Ruirun et al., 2017)
डेंड्राइट विखंडन: स्थानीय तापमान में वृद्धि और पृथक्करण के कारण डेंड्राइटों का पिघलना आमतौर पर जड़ से शुरू होता है। सोनिकेशन पिघल में प्रबल संवहन (द्रव की सामूहिक गति द्वारा ऊष्मा का स्थानांतरण) और आघात तरंगें उत्पन्न करता है, जिससे डेंड्राइट खंडित हो जाते हैं। अत्यधिक स्थानीय तापमान और संघटन में भिन्नताओं के कारण संवहन डेंड्राइट विखंडन को बढ़ावा दे सकता है और विलेय के विसरण को बढ़ाता है। कैविटेशन की आघात तरंगें इन पिघलती हुई जड़ों को तोड़ने में सहायता करती हैं।
धात्विक मिश्रधातुओं का अल्ट्रासोनिक विगैसीकरण
तरल और अर्धठोस धातुओं तथा मिश्रधातुओं पर उच्च-शक्ति अल्ट्रासाउंड का एक अन्य महत्वपूर्ण प्रभाव विगैसीकरण है। ध्वनिक कैविटेशन बारी-बारी से निम्न दाब / उच्च दाब चक्र उत्पन्न करता है। निम्न दाब चक्रों के दौरान तरल या स्लरी में सूक्ष्म निर्वात बुलबुले बनते हैं। ये निर्वात बुलबुले हाइड्रोजन और वाष्प के बुलबुलों के निर्माण के लिए नाभिकों का काम करते हैं। बड़े हाइड्रोजन बुलबुले बनने के कारण गैस के बुलबुले ऊपर उठते हैं। ध्वनिक प्रवाह और ध्वनिक स्ट्रीमिंग इन बुलबुलों को सतह तक तैरकर पहुँचने और पिघल से बाहर निकलने में सहायता करते हैं, जिससे गैस को हटाया जा सकता है और पिघल में गैस की सांद्रता कम होती है।
अल्ट्रासोनिक विगैसीकरण धातु की सरंध्रता कम करता है, जिससे अंतिम धातु / मिश्रधातु उत्पाद में पदार्थ का घनत्व अधिक होता है।
एल्युमिनियम मिश्रधातुओं का अल्ट्रासोनिक विगैसीकरण पदार्थ के परम तनन सामर्थ्य और तन्यता को बढ़ाता है। प्रभावशीलता और प्रसंस्करण समय की दृष्टि से औद्योगिक उच्च-शक्ति अल्ट्रासाउंड प्रणालियाँ अन्य वाणिज्यिक विगैसीकरण विधियों में सर्वश्रेष्ठ मानी जाती हैं। इसके अलावा, पिघल की कम श्यानता के कारण साँचे को भरने की प्रक्रिया में सुधार होता है।
सोनिकेशन की विभिन्न अवधियों में Ti44Al6Nb1Cr2V के संपीडन गुण। सोनिकेशन संपीडन सामर्थ्य में उल्लेखनीय सुधार करता है।
(अध्ययन और ग्राफ़िक: ©Ruirun et al., 2017)
सिरेमिक सोनोट्रोड BS4D22L3C एक विशेष सोनोट्रोड है, जो पिघले हुए एल्युमिनियम जैसे उच्च तापमान वाले तरल पदार्थों के सोनिकेशन (जैसे मिश्रण और विगैसीकरण के लिए) हेतु उपयुक्त है।
निस्यंदन के दौरान सोनोकेशिका प्रभाव
तरल धातुओं में अल्ट्रासोनिक केशिका प्रभाव, पिघलों के अल्ट्रासाउंड-सहायित निस्यंदन के दौरान ऑक्साइड समावेशों को हटाने वाला प्रेरक प्रभाव है। (Eskin et al. 2014: 120ff.)
पिघल से अधात्विक अशुद्धियों को हटाने के लिए निस्यंदन का उपयोग किया जाता है। निस्यंदन के दौरान अवांछित समावेशों को अलग करने के लिए पिघल विभिन्न जालियों (जैसे ग्लास फ़ाइबर की जालियों) से होकर गुजरता है। जाली के छिद्रों का आकार जितना छोटा होता है, निस्यंदन का परिणाम उतना ही बेहतर होता है।
सामान्य परिस्थितियों में पिघल 0.4–0.4mm के अत्यंत संकीर्ण छिद्र आकार वाले दो-परतीय फ़िल्टर से नहीं गुजर सकता। हालाँकि, अल्ट्रासाउंड-सहायित निस्यंदन में सोनोकेशिका प्रभाव के कारण पिघल जाली के छिद्रों से गुजर पाता है। इस स्थिति में फ़िल्टर की केशिकाएँ 1–10μm की अधात्विक अशुद्धियों को भी रोक लेती हैं। मिश्रधातु की बढ़ी हुई शुद्धता के कारण ऑक्साइडों पर हाइड्रोजन छिद्रों का निर्माण टल जाता है, जिससे मिश्रधातु का श्रांति सामर्थ्य बढ़ता है।
Eskin et al. (2014: 120ff.) ने दिखाया है कि अल्ट्रासोनिक निस्यंदन से 0.6×0.6mm जाली छिद्रों वाले बहुपरतीय ग्लास फ़ाइबर फ़िल्टरों (9 परतों तक) का उपयोग करके एल्युमिनियम मिश्रधातुओं AA2024, AA7055 और AA7075 को शुद्ध करना संभव होता है। जब अल्ट्रासोनिक निस्यंदन प्रक्रिया को इनोकुलेंट मिलाने के साथ संयोजित किया जाता है, तो साथ ही क्रिस्टल कणों का परिष्करण भी प्राप्त होता है।
धातु मिश्रधातुओं का अल्ट्रासोनिक प्रबलन
स्लरी में नैनोकणों को एकसमान रूप से परिक्षेपित करने में अल्ट्रासोनिकेशन अत्यधिक प्रभावी सिद्ध हुआ है। इसलिए नैनो-प्रबलित कंपोज़िट बनाने के लिए अल्ट्रासोनिक डिस्पर्सर सबसे अधिक प्रचलित उपकरण हैं।
नैनोकणों (जैसे Al2O3/SiC, CNTs) का उपयोग प्रबलन सामग्री के रूप में किया जाता है। नैनोकणों को पिघली हुई मिश्रधातु में मिलाया जाता है और अल्ट्रासोनिक रूप से परिक्षेपित किया जाता है। ध्वनिक कैविटेशन और स्ट्रीमिंग कणों के समूहों को अलग करने और उनकी गीलनीयता में सुधार करते हैं, जिससे तनन सामर्थ्य, पराभव सामर्थ्य और दीर्घीकरण में सुधार होता है।
अत्यधिक कार्यभार वाले अनुप्रयोगों के लिए अल्ट्रासोनिक उपकरण
धातुकर्म में उच्च-शक्ति अल्ट्रासाउंड के उपयोग के लिए मज़बूत, विश्वसनीय अल्ट्रासोनिक प्रणालियों की आवश्यकता होती है, जिन्हें कठिन परिवेशों में स्थापित किया जा सके। Hielscher Ultrasonics अत्यधिक कार्यभार वाले अनुप्रयोगों और कठोर परिवेशों में स्थापना के लिए औद्योगिक श्रेणी के अल्ट्रासोनिक उपकरण उपलब्ध कराता है। हमारे सभी अल्ट्रासोनिकेटर 24/7 संचालन के लिए बनाए गए हैं। Hielscher की उच्च-शक्ति अल्ट्रासोनिक प्रणालियाँ मज़बूती, विश्वसनीयता और सटीक नियंत्रणीयता से युक्त हैं।
कठिन प्रक्रियाओं – जैसे धातु के पिघलों का परिष्करण – के लिए तीव्र सोनिकेशन की क्षमता आवश्यक होती है। Hielscher Ultrasonics के औद्योगिक अल्ट्रासोनिक प्रोसेसर बहुत उच्च आयाम प्रदान करते हैं। 200µm तक के आयामों पर 24/7 संचालन में आसानी से लगातार काम किया जा सकता है। इससे भी उच्च आयामों के लिए अनुकूलित अल्ट्रासोनिक सोनोट्रोड उपलब्ध हैं।
बहुत उच्च तापमान वाले तरल पदार्थों और पिघलों के सोनिकेशन के लिए Hielscher विभिन्न सोनोट्रोड और अनुकूलित सहायक उपकरण प्रदान करता है, ताकि सर्वोत्तम प्रसंस्करण परिणाम सुनिश्चित किए जा सकें।
नीचे दी गई तालिका हमारे अल्ट्रासोनिकेटरों की अनुमानित प्रसंस्करण क्षमता का संकेत देती है:
| बैच आयतन | प्रवाह दर | अनुशंसित उपकरण |
|---|---|---|
| 10 से 2000mL | 20 से 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 से 20L | 0.2 से 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 से 100L | 2 से 10L/min | UIP4000 |
| n.a. | 10 से 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | इससे अधिक | समूह में UIP16000 |
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साहित्य/संदर्भ
- 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.
जानने योग्य तथ्य
उच्च-शक्ति अल्ट्रासाउंड और कैविटेशन
जब उच्च तीव्रता वाली अल्ट्रासोनिक तरंगों की ऊर्जा तरल पदार्थों या स्लरी में संचारित की जाती है, तो कैविटेशन की घटना होती है।
उच्च-शक्ति, निम्न-आवृत्ति वाला अल्ट्रासाउंड तरल पदार्थों और स्लरी में नियंत्रित ढंग से कैविटेशन बुलबुलों का निर्माण करता है। तीव्र अल्ट्रासाउंड तरंगें तरल में बारी-बारी से निम्न दाब / उच्च दाब चक्र उत्पन्न करती हैं। दाब में ये तीव्र परिवर्तन रिक्तिकाएँ उत्पन्न करते हैं, जिन्हें कैविटेशन बुलबुले कहा जाता है। अल्ट्रासोनिक रूप से उत्पन्न कैविटेशन बुलबुलों को ऐसे रासायनिक सूक्ष्मरिएक्टर माना जा सकता है, जो सूक्ष्म स्तर पर उच्च तापमान और दाब प्रदान करते हैं, जहाँ घुले हुए अणुओं से मुक्त मूलकों जैसी सक्रिय स्पीशीज़ का निर्माण होता है। पदार्थ रसायन के संदर्भ में अल्ट्रासोनिक कैविटेशन में उच्च तापमान (5000 K तक) और उच्च दाब (500atm) वाली अभिक्रियाओं को स्थानीय रूप से उत्प्रेरित करने की अनूठी क्षमता होती है, जबकि स्थूल स्तर पर प्रणाली कमरे के तापमान और परिवेशी दाब के निकट बनी रहती है। (cf. Skorb, Andreeva 2013)
अल्ट्रासोनिक उपचार मुख्यतः कैविटेशन के प्रभावों पर आधारित होते हैं। धातुकर्म में धातुओं और मिश्रधातुओं की ढलाई में सुधार के लिए सोनिकेशन एक अत्यंत लाभप्रद तकनीक है।
धातु के पिघलों के उपचार के अलावा, सोनिकेशन का उपयोग टाइटेनियम और मिश्रधातुओं जैसी ठोस धातु सतहों पर स्पंज जैसी नैनोसंरचनाएँ और नैनो-पैटर्न बनाने के लिए भी किया जाता है। अल्ट्रासोनिक रूप से नैनोसंरचित टाइटेनियम और मिश्रधातु के ये हिस्से अस्थिजनक कोशिकाओं के बढ़े हुए प्रसार के साथ इम्प्लांट के रूप में बड़ी क्षमता दिखाते हैं। टाइटेनियम इम्प्लांट की अल्ट्रासोनिक नैनो-संरचना के निर्माण के बारे में और पढ़ें!