Ultrazvučno pročišćavanje metalnih talina
- Snažni ultrazvuk u rastaljenim metalima i legurama pokazuje različite korisne učinke kao što su strukturiranje, otplinjavanje i poboljšana filtracija.
- Ultrasonication promiče ne-dendritičko skrućivanje u tekućim i polučvrstim metalima.
- Sonikacija ima značajne prednosti u mikrostrukturnom rafiniranju dendritičnih zrnaca i primarnih intermetalnih čestica.
- Nadalje, moćni ultrazvuk može se koristiti namjenski za smanjenje poroznosti metala ili za proizvodnju mezoporoznih struktura.
- Posljednje, ali ne manje važno, snažan ultrazvuk poboljšava kvalitetu odljevaka.
Ultrazvučno skrućivanje metalnih talina
Stvaranje nedendritičkih struktura tijekom skrućivanja metalnih talina utječe na svojstva materijala kao što su čvrstoća, duktilnost, žilavost i/ili tvrdoća.
Ultrazvučno promijenjena nukleacija zrna: Akustična kavitacija i njezine intenzivne sile smicanja povećavaju mjesta nukleacije i broj jezgri u talini. Ultrazvučna obrada talina rezultira heterogenom nukleacijom i fragmentacijom dendrita, tako da konačni proizvod pokazuje značajno veću finoću zrna.
Ultrazvučna kavitacija uzrokuje ravnomjerno vlaženje nemetalnih nečistoća u talini. Te se nečistoće pretvaraju u mjesta nukleacije, koja su početne točke skrućivanja. Budući da su te točke nukleacije ispred fronte skrućivanja, ne dolazi do rasta dendritičnih struktura.
Makrostruktura Ti legure nakon ultrazvučne obrade. Ultrasonication rezultira značajno rafiniranom strukturom zrna.
Dr. Andreeva-Bäumler, Sveučilište u Bayreuthu, radi s ultrazvučnim uređajem UIP1000hdT na nanostrukturiranju metala.
Ultrazvučni učinci na tvrdoću legure po Vickersu: Ultrazvučna obrada poboljšava mikrotvrdoću po Vickersu u metalu
(studija i grafički prikaz: ©Ruirun et al., 2017.)
Fragmentacija dendrita: Taljenje dendrita obično počinje u korijenu zbog lokalnog porasta temperature i segregacije. Sonikacija stvara jaku konvekciju (prijenos topline kretanjem mase tekućine) i udarne valove u talini, tako da se dendriti fragmentiraju. Konvekcija može pospješiti fragmentaciju dendrita zbog ekstremnih lokalnih temperatura kao i varijacija sastava te pospješuje difuziju otopljene tvari. Kavitacijski udarni valovi pomažu lomljenju tih korijena koji se tope.
Ultrazvučno otplinjavanje metalnih legura
Otplinjavanje je još jedan važan učinak moćnog ultrazvuka na tekuće i polukrute metale i legure. Akustična kavitacija stvara naizmjenične cikluse niskog / visokog tlaka. Tijekom ciklusa niskog tlaka, u tekućini ili kaši pojavljuju se sićušni vakuumski mjehurići. Ovi vakuumski mjehurići djeluju kao jezgre za stvaranje vodika i mjehurića pare. Zbog stvaranja većih mjehurića vodika, mjehurići plina se dižu. Akustično strujanje i strujanje pomažu isplivavanju ovih mjehurića na površinu i iz taline, tako da se plin može ukloniti i koncentracija plina u talini smanjiti.
Ultrazvučno otplinjavanje smanjuje poroznost metala čime se postiže veća gustoća materijala u konačnom proizvodu od metala/legure.
Ultrazvučno rasplinjavanje aluminijskih legura povećava krajnju vlačnu čvrstoću i rastegljivost materijala. Industrijski energetski ultrazvučni sustavi smatraju se najboljim među ostalim komercijalnim metodama otplinjavanja u pogledu učinkovitosti i vremena obrade. Štoviše, proces punjenja kalupa je poboljšan zbog manje viskoznosti taline.
Kompresivna svojstva Ti44Al6Nb1Cr2V u različitim vremenima sonikacije. Sonikacija značajno poboljšava tlačnu čvrstoću.
(studija i grafički prikaz: ©Ruirun et al., 2017.)
Keramička sonotroda BS4D22L3C je posebna sonotroda pogodna za ultrazvuk visokotemperaturnih tekućina kao što je rastaljeni aluminij (npr. za miješanje i otplinjavanje).
Sonokapilarni učinak tijekom filtracije
Ultrazvučni kapilarni učinak u tekućim metalima je pokretački učinak za uklanjanje oksidnih inkluzija tijekom ultrazvučno potpomognute filtracije talina. (Eskin et al. 2014: 120ff.)
Filtriranje se koristi za uklanjanje nemetalnih nečistoća iz taline. Tijekom filtracije, talina prolazi kroz različite mrežice (npr. staklena vlakna) kako bi se odvojile neželjene inkluzije. Što je veličina oka manja, to je bolji rezultat filtracije.
Pod uobičajenim uvjetima, talina ne može proći dvoslojni filter s vrlo uskom veličinom pora od 0,4-0,4 mm. Međutim, pod filtracijom potpomognutom ultrazvukom, talina može proći kroz mrežaste pore zbog sonokapilarnog učinka. U ovom slučaju kapilare filtera zadržavaju čak i nemetalne nečistoće veličine 1–10 μm. Zbog povećane čistoće legure, izbjegnuto je stvaranje vodikovih pora na oksidima, tako da je čvrstoća legure na zamor povećana.
Eskin i sur. (2014: 120ff.) pokazao je da ultrazvučna filtracija omogućuje pročišćavanje aluminijskih legura AA2024, AA7055 i AA7075 korištenjem višeslojnih filtera od staklenih vlakana (s do 9 slojeva) s 0,6×0.6mm mrežaste pore. Kada se proces ultrazvučne filtracije kombinira s dodatkom inokulanata, postiže se istodobna pročišćavanje zrna.
Ultrazvučno ojačanje metalnih legura
Ultrasonication je dokazano da je vrlo učinkovit na dispergiranje nano čestica ravnomjerno u kaše. Stoga su ultrazvučni raspršivači najčešća oprema za proizvodnju nano-ojačanih kompozita.
Nano čestice (npr. Al2O3/SiC, CNT) koriste se kao materijal za ojačanje. Nano čestice se dodaju u rastaljenu leguru i raspršuju ultrazvučno. Akustična kavitacija i strujanje poboljšavaju deaglomeraciju i sposobnost vlaženja čestica, što rezultira poboljšanom vlačnom čvrstoćom, granicom tečenja i istezanjem.
Ultrazvučna oprema za zahtjevne primjene
Primjena snažnog ultrazvuka u metalurgiji zahtijeva robusne, pouzdane ultrazvučne sustave koji se mogu instalirati u zahtjevnim okruženjima. Hielscher Ultrasonics isporučuje industrijsku ultrazvučnu opremu za instalacije u zahtjevnim aplikacijama i grubim okruženjima. Svi naši ultrazvučni uređaji napravljeni su za rad 24/7. Hielscher ultrazvučni sustavi velike snage upareni su s robusnošću, pouzdanošću i preciznom upravljivošću.
Zahtjevni procesi – kao što je pročišćavanje metalnih talina – zahtijevaju sposobnost intenzivne sonikacije. Industrijski ultrazvučni procesori Hielscher Ultrasonics daju vrlo visoke amplitude. Amplitude do 200 µm mogu se lako neprekidno izvoditi u radu 24/7. Za još veće amplitude dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode.
Za sonikaciju vrlo visokih temperatura tekućine i taline, Hielscher nudi razne sonotrode i prilagođene dodatke kako bi se osigurali optimalni rezultati obrade.
Donja tablica daje vam naznaku približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja:
| Volumen serije | Protok | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 10 do 2000 ml | 20 do 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 do 20L | 0.2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100l | 2 do 10L/min | UIP4000 |
| na | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| na | veći | klaster od UIP16000 |
Kontaktirajte nas! / Pitajte nas!
Literatura/Reference
- 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.
Činjenice koje vrijedi znati
Snažni ultrazvuk i kavitacija
Kada se ultrazvučni valovi visokog intenziteta spoje u tekućine ili kaše, fenomen kavitacija javlja se.
Ultrazvuk niske frekvencije velike snage uzrokuje stvaranje kavitacijskih mjehurića u tekućinama i kašama na kontrolirani način. Intenzivni ultrazvučni valovi stvaraju naizmjenične cikluse niskog / visokog tlaka u tekućini. Ove brze promjene tlaka stvaraju šupljine, takozvane kavitacijske mjehuriće. Ultrazvučno inducirani kavitacijski mjehurići mogu se smatrati kemijskim mikroreaktorima koji osiguravaju visoke temperature i tlakove na mikroskopskoj razini, gdje dolazi do stvaranja aktivnih vrsta kao što su slobodni radikali iz otopljenih molekula. U kontekstu kemije materijala, ultrazvučna kavitacija ima jedinstveni potencijal lokalnog kataliziranja visokotemperaturnih (do 5000 K) i visokotlačnih (500 atm) reakcija, dok sustav ostaje makroskopski blizu sobne temperature i tlaka okoline. (usp. Skorb, Andreeva 2013.)
Ultrazvučni tretmani uglavnom se temelje na kavitacijskim učincima. Za metalurgiju, sonikacija je vrlo korisna tehnika za poboljšanje lijevanja metala i legura.
Osim obrade metalnih talina, sonikacija se također koristi za stvaranje nanostruktura i nano-uzoraka nalik spužvi na čvrstim metalnim površinama kao što su titan i legure. Ovi ultrazvučno nanostrukturirani dijelovi od titana i legure pokazuju veliki kapacitet kao implantati s pojačanom proliferacijom osteogenih stanica. Pročitajte više o ultrazvučnom nanostrukturiranju implantata od titana!