Ultrazvučno oplemenjivanje metalnih talina
- Ultrazvuk velike snage u rastaljenim metalima i legurama pokazuje različite korisne učinke, poput strukturiranja, otplinjavanja i poboljšane filtracije.
- Ultrazvučna obrada potiče nedendritno skrućivanje u tekućim i polukrutim metalima.
- Sonikacija donosi znatne prednosti u mikrostrukturnom usitnjavanju dendritnih zrna i primarnih intermetalnih čestica.
- Nadalje, ultrazvuk velike snage može se ciljano upotrebljavati za smanjenje poroznosti metala ili za stvaranje mezoporoznih struktura.
- Naposljetku, ultrazvuk velike snage poboljšava kvalitetu odljevaka.
Ultrazvučno skrućivanje metalnih talina
Nastajanje nedendritnih struktura tijekom skrućivanja metalnih talina utječe na svojstva materijala poput čvrstoće, duktilnosti, žilavosti i/ili tvrdoće.
Ultrazvučno izmijenjena nukleacija zrna: Akustična kavitacija i njezine intenzivne smične sile povećavaju broj mjesta nukleacije i broj klica u talini. Ultrazvučna obrada talina dovodi do heterogene nukleacije i fragmentacije dendrita, pa konačni proizvod pokazuje znatno veći stupanj usitnjavanja zrna.
Ultrazvučna kavitacija uzrokuje ravnomjerno kvašenje nemetalnih nečistoća u talini. Te nečistoće postaju mjesta nukleacije, koja su početne točke skrućivanja. Budući da se te točke nukleacije nalaze ispred fronte skrućivanja, ne dolazi do rasta dendritnih struktura.
Makrostruktura legure Ti nakon ultrazvučne obrade. Ultrazvučna obrada dovodi do znatno usitnjenije zrnate strukture.
Dr. Andreeva-Bäumler sa Sveučilišta u Bayreuthu radi na nanostrukturiranju metala ultrazvučnim uređajem UIP1000hdT.
Ultrazvučni učinci na tvrdoću legure prema Vickersu: ultrazvučna obrada poboljšava mikrotvrdoću metala prema Vickersu
(istraživanje i grafički prikaz: ©Ruirun et al., 2017)
Fragmentacija dendrita: Taljenje dendrita obično počinje pri korijenu zbog lokalnog porasta temperature i segregacije. Sonikacija stvara snažnu konvekciju (prijenos topline gibanjem mase fluida) i udarne valove u talini, što dovodi do fragmentacije dendrita. Konvekcija može potaknuti fragmentaciju dendrita zbog ekstremnih lokalnih temperatura i promjena sastava te potiče difuziju otopljene tvari. Kavitacijski udarni valovi pomažu pri lomljenju tih korijena koji se tale.
Ultrazvučno otplinjavanje metalnih legura
Otplinjavanje je još jedan važan učinak ultrazvuka velike snage na tekuće i polukrute metale i legure. Akustična kavitacija stvara izmjenične cikluse niskog / visokog tlaka. Tijekom ciklusa niskog tlaka u tekućini ili suspenziji nastaju sitni vakuumski mjehurići. Ti vakuumski mjehurići djeluju kao klice za nastajanje mjehurića vodika i pare. Zbog nastajanja većih mjehurića vodika plinski se mjehurići uzdižu. Akustično strujanje i tok pomažu uzdizanju tih mjehurića na površinu i izlasku iz taline, pa se plin može ukloniti, a njegova koncentracija u talini smanjuje.
Ultrazvučno otplinjavanje smanjuje poroznost metala, čime se postiže veća gustoća materijala u konačnom proizvodu od metala / legure.
Ultrazvučno otplinjavanje aluminijskih legura povećava vlačnu čvrstoću i duktilnost materijala. Industrijski sustavi ultrazvuka velike snage smatraju se najboljima među ostalim komercijalnim metodama otplinjavanja u pogledu učinkovitosti i vremena obrade. Osim toga, proces punjenja kalupa poboljšava se zbog niže viskoznosti taline.
Tlačna svojstva Ti44Al6Nb1Cr2V pri različitim vremenima sonikacije. Sonikacija znatno poboljšava tlačnu čvrstoću.
(istraživanje i grafički prikaz: ©Ruirun et al., 2017)
Keramička sonotroda BS4D22L3C posebna je sonotroda prikladna za sonikaciju visokotemperaturnih tekućina poput rastaljenog aluminija (npr. za miješanje i otplinjavanje).
Sonokapilarni učinak tijekom filtracije
Ultrazvučni kapilarni učinak u tekućim metalima pokretački je učinak za uklanjanje oksidnih uključaka tijekom ultrazvučno potpomognute filtracije talina. (Eskin et al. 2014: 120ff.)
Filtracija se upotrebljava za uklanjanje nemetalnih nečistoća iz taline. Tijekom filtracije talina prolazi kroz različite mrežice (npr. od staklenih vlakana) radi izdvajanja neželjenih uključaka. Što su otvori mrežice manji, to je rezultat filtracije bolji.
U uobičajenim uvjetima talina ne može proći kroz dvoslojni filtar s vrlo malim porama veličine 0,4–0,4mm. Međutim, pri ultrazvučno potpomognutoj filtraciji talini je omogućen prolazak kroz pore mrežice zahvaljujući sonokapilarnom učinku. U tom slučaju kapilare filtra zadržavaju čak i nemetalne nečistoće veličine 1–10μm. Zbog povećane čistoće legure izbjegava se nastajanje vodikovih pora na oksidima, čime se povećava dinamička čvrstoća legure.
Eskin et al. (2014: 120ff.) pokazali su da ultrazvučna filtracija omogućuje pročišćavanje aluminijskih legura AA2024, AA7055 i AA7075 višeslojnim filtrima od staklenih vlakana (s do 9 slojeva) s otvorima mrežice veličine 0,6×0,6mm. Kada se postupak ultrazvučne filtracije kombinira s dodavanjem inokulanata, istodobno se postiže usitnjavanje zrna.
Ultrazvučno ojačavanje metalnih legura
Dokazano je da je ultrazvučna obrada vrlo učinkovita u ravnomjernom dispergiranju nanočestica u suspenzijama. Stoga su ultrazvučni dispergatori najčešća oprema za proizvodnju kompozita ojačanih nanočesticama.
Nanočestice (npr. Al2O3/SiC, CNTs) upotrebljavaju se kao materijal za ojačavanje. Nanočestice se dodaju u rastaljenu leguru i ultrazvučno dispergiraju. Akustična kavitacija i strujanje poboljšavaju deaglomeraciju i kvašljivost čestica, što rezultira poboljšanom vlačnom čvrstoćom, granicom razvlačenja i istezanjem.
Ultrazvučna oprema za zahtjevne primjene
Primjena ultrazvuka velike snage u metalurgiji zahtijeva robusne, pouzdane ultrazvučne sustave koji se mogu instalirati u zahtjevnim okruženjima. Hielscher Ultrasonics isporučuje ultrazvučnu opremu industrijske kvalitete za instalacije u zahtjevnim primjenama i teškim uvjetima. Svi naši ultrazvučni uređaji izrađeni su za rad 24/7. Ultrazvučni sustavi velike snage Hielscher odlikuju se robusnošću, pouzdanošću i mogućnošću preciznog upravljanja.
Zahtjevni postupci – poput oplemenjivanja metalnih talina – zahtijevaju mogućnost intenzivne sonikacije. Industrijski ultrazvučni procesori Hielscher Ultrasonics postižu vrlo visoke amplitude. Amplitude do 200µm mogu se lako kontinuirano održavati pri radu 24/7. Za još više amplitude dostupne su ultrazvučne sonotrode izrađene prema posebnim zahtjevima.
Za sonikaciju tekućina i talina pri vrlo visokim temperaturama Hielscher nudi različite sonotrode i prilagođeni pribor kako bi se osigurali optimalni rezultati obrade.
Tablica u nastavku daje okvirni prikaz približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja:
| Volumen šarže | Protok | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 10 do 2000mL | 20 do 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 do 20L | 0,2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10L/min | UIP4000 |
| n.a. | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | veći | skupina uređaja 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.
Korisne informacije
Ultrazvuk velike snage i kavitacija
Kada se ultrazvučni valovi visokog intenziteta uvode u tekućine ili suspenzije, dolazi do pojave kavitacije .
Ultrazvuk velike snage i niske frekvencije uzrokuje kontrolirano nastajanje kavitacijskih mjehurića u tekućinama i suspenzijama. Intenzivni ultrazvučni valovi stvaraju izmjenične cikluse niskog / visokog tlaka u tekućini. Te brze promjene tlaka stvaraju šupljine, takozvane kavitacijske mjehuriće. Ultrazvučno izazvani kavitacijski mjehurići mogu se smatrati kemijskim mikroreaktorima koji osiguravaju visoke temperature i tlakove na mikroskopskoj razini, pri čemu iz otopljenih molekula nastaju aktivne vrste poput slobodnih radikala. U kontekstu kemije materijala ultrazvučna kavitacija ima jedinstven potencijal lokalnog kataliziranja reakcija pri visokim temperaturama (do 5000 K) i visokim tlakovima (500atm), dok sustav na makroskopskoj razini ostaje blizu sobne temperature i okolnog tlaka. (usp. Skorb, Andreeva 2013)
Ultrazvučne obrade uglavnom se temelje na kavitacijskim učincima. U metalurgiji je sonikacija vrlo korisna tehnika za poboljšanje lijevanja metala i legura.
Osim za obradu metalnih talina, sonikacija se upotrebljava i za stvaranje spužvastih nanostruktura i nanouzoraka na čvrstim metalnim površinama poput titana i legura. Ti ultrazvučno nanostrukturirani dijelovi od titana i legura pokazuju velik potencijal za primjenu kao implantati s poboljšanom proliferacijom osteogenih stanica. Pročitajte više o ultrazvučnom nanostrukturiranju titanskih implantata!