Fémolvadékok ultrahangos finomítása
- A nagy teljesítményű ultrahang az olvadt fémekben és ötvözetekben számos kedvező hatást fejt ki, például szerkezetalakítást, gáztalanítást és jobb szűrést eredményez.
- Az ultrahangos kezelés elősegíti a folyékony és félszilárd fémek nem dendrites megszilárdulását.
- Az ultrahangos kezelés jelentős előnyökkel jár a dendrites szemcsék és az elsődleges intermetallikus részecskék mikroszerkezeti finomításában.
- Ezenkívül a nagy teljesítményű ultrahang célzottan alkalmazható a fém porozitásának csökkentésére vagy mezopórusos szerkezetek létrehozására.
- Végül, de nem utolsósorban, a nagy teljesítményű ultrahang javítja az öntvények minőségét.
Fémolvadékok ultrahangos megszilárdítása
A fémolvadékok megszilárdulása során kialakuló nem dendrites szerkezetek befolyásolják az anyag tulajdonságait, például a szilárdságot, a képlékenységet, a szívósságot és/vagy a keménységet.
Ultrahanggal módosított szemcsecsíra-képződés: Az akusztikus kavitáció és az általa keltett intenzív nyíróerők növelik a csíraképződési helyek és a csírák számát az olvadékban. Az olvadékok ultrahangos kezelése heterogén csíraképződést és a dendritek töredezését eredményezi, így a végtermék szemcsefinomodása jelentősen nagyobb mértékű.
Az ultrahangos kavitáció a nemfémes szennyeződések egyenletes nedvesítését eredményezi az olvadékban. Ezek a szennyeződések csíraképződési helyekké válnak, amelyek a megszilárdulás kiindulópontjai. Mivel ezek a csíraképződési pontok a megszilárdulási front előtt helyezkednek el, nem következik be dendrites szerkezetek növekedése.
Ti-ötvözet makroszerkezete ultrahangos kezelés után. Az ultrahangos kezelés jelentősen finomabb szemcseszerkezetet eredményez.
Dr. Andreeva-Bäumler, a Bayreuthi Egyetem munkatársa az UIP1000hdT ultrahangos készülékkel dolgozik a fémek nanoszerkezetének kialakításán.
Az ultrahang hatása az ötvözet Vickers-keménységére: az ultrahangos kezelés javítja a fém Vickers-mikrokeménységét
(tanulmány és ábra: ©Ruirun et al., 2017)
Dendritek töredezése: A dendritek olvadása a helyi hőmérséklet-emelkedés és a szegregáció miatt általában a tövüknél kezdődik. Az ultrahangos kezelés erős konvekciót (a fluidum tömegmozgásával történő hőátadást) és lökéshullámokat kelt az olvadékban, ami a dendritek töredezését eredményezi. A konvekció a szélsőséges helyi hőmérsékletek és az összetétel-változások révén elősegítheti a dendritek töredezését, továbbá elősegíti az oldott anyag diffúzióját. A kavitációs lökéshullámok elősegítik ezeknek az olvadó dendrittöveknek a törését.
Fémötvözetek ultrahangos gáztalanítása
A gáztalanítás a nagy teljesítményű ultrahang másik fontos hatása a folyékony és félszilárd fémekre és ötvözetekre. Az akusztikus kavitáció váltakozó alacsony nyomású / magas nyomású ciklusokat hoz létre. Az alacsony nyomású ciklusok során apró vákuumbuborékok keletkeznek a folyadékban vagy a szuszpenzióban. Ezek a vákuumbuborékok a hidrogén- és gőzbuborékok képződésének csíráiként működnek. A nagyobb hidrogénbuborékok képződése következtében a gázbuborékok felemelkednek. Az akusztikus áramlás és az áramlási mozgások elősegítik ezeknek a buborékoknak a felszínre jutását és az olvadékból való távozását, így a gáz eltávolítható, és az olvadék gázkoncentrációja csökken.
Az ultrahangos gáztalanítás csökkenti a fém porozitását, ezáltal nagyobb anyagsűrűséget eredményez a végső fém- / ötvözettermékben.
Az alumíniumötvözetek ultrahangos gáztalanítása növeli az anyag szakítószilárdságát és képlékenységét. Az ipari, nagy teljesítményű ultrahangos rendszerek a hatékonyság és a feldolgozási idő tekintetében a legjobbnak számítanak a többi, kereskedelmi forgalomban alkalmazott gáztalanítási módszer között. Ezenfelül az olvadék kisebb viszkozitása javítja az öntőforma kitöltésének folyamatát.
A Ti44Al6Nb1Cr2V nyomási tulajdonságai különböző ultrahangos kezelési idők mellett. Az ultrahangos kezelés jelentősen javítja a nyomószilárdságot.
(tanulmány és ábra: ©Ruirun et al., 2017)
A BS4D22L3C kerámia szonotróda speciális szonotróda, amely magas hőmérsékletű folyadékok, például olvadt alumínium ultrahangos kezelésére alkalmas (pl. keveréshez és gáztalanításhoz).
Szonokapilláris hatás szűrés közben
A folyékony fémekben fellépő ultrahangos kapilláris hatás az a hajtóhatás, amely az olvadékok ultrahanggal segített szűrése során lehetővé teszi az oxidzárványok eltávolítását. (Eskin et al. 2014: 120ff.)
A szűrés a nemfémes szennyeződések olvadékból való eltávolítására szolgál. A szűrés során az olvadék különféle szűrőhálókon (pl. üvegszálas hálókon) halad át a nemkívánatos zárványok leválasztása érdekében. Minél kisebb a háló nyílásmérete, annál jobb a szűrés eredménye.
Szokásos körülmények között az olvadék nem képes áthaladni egy nagyon szűk, 0,4–0,4mm pórusméretű, kétrétegű szűrőn. Ultrahanggal segített szűrés esetén azonban a szonokapilláris hatás lehetővé teszi, hogy az olvadék áthaladjon a háló pórusain. Ebben az esetben a szűrő kapillárisai még az 1–10μm méretű nemfémes szennyeződéseket is visszatartják. Az ötvözet nagyobb tisztasága révén elkerülhető a hidrogénpórusok képződése az oxidoknál, így nő az ötvözet kifáradási szilárdsága.
Eskin et al. (2014: 120ff.) kimutatták, hogy az ultrahangos szűrés lehetővé teszi az AA2024, AA7055 és AA7075 alumíniumötvözetek tisztítását többrétegű (akár 9 rétegű), 0,6×0,6mm hálónyílású üvegszálas szűrők használatával. Ha az ultrahangos szűrési folyamatot csíraképző adalékok hozzáadásával kombinálják, egyidejű szemcsefinomítás érhető el.
Fémötvözetek ultrahangos erősítése
Az ultrahangos kezelés bizonyítottan rendkívül hatékony a nanorészecskék szuszpenziókban történő egyenletes diszpergálásában. Ezért az ultrahangos diszpergálók a leggyakrabban használt berendezések a nanorészecskékkel erősített kompozitok előállításához.
A nanorészecskéket (pl. Al2O3/SiC, CNT-k) erősítőanyagként használják. A nanorészecskéket az olvadt ötvözethez adják, és ultrahanggal diszpergálják. Az akusztikus kavitáció és az áramlási mozgások javítják a részecskék dezagglomerációját és nedvesíthetőségét, ami jobb szakítószilárdságot, folyáshatárt és nyúlást eredményez.
Ultrahangos berendezések nagy igénybevételű alkalmazásokhoz
A nagy teljesítményű ultrahang kohászati alkalmazása robusztus, megbízható ultrahangos rendszereket igényel, amelyek nagy igénybevételt jelentő környezetekben is telepíthetők. A Hielscher Ultrasonics ipari minőségű ultrahangos berendezéseket szállít nagy igénybevételű alkalmazásokhoz és zord környezetekben történő telepítéshez. Minden ultrahangos készülékünket 24/7 üzemre terveztük. A Hielscher nagy teljesítményű ultrahangos rendszereit robusztusság, megbízhatóság és pontos szabályozhatóság jellemzi.
A nagy igénybevételt jelentő folyamatok – például a fémolvadékok finomítása – intenzív ultrahangos kezelést igényelnek. A Hielscher Ultrasonics ipari ultrahangos processzorai nagyon nagy amplitúdókat biztosítanak. Akár 200µm amplitúdó is könnyedén fenntartható folyamatosan, 24/7 üzemben. Még nagyobb amplitúdókhoz egyedi ultrahangos szonotródák állnak rendelkezésre.
A nagyon magas hőmérsékletű folyadékok és olvadékok ultrahangos kezeléséhez a Hielscher különféle szonotródákat és egyedi tartozékokat kínál az optimális feldolgozási eredmények biztosítása érdekében.
Az alábbi táblázat tájékoztatást ad ultrahangos készülékeink hozzávetőleges feldolgozási kapacitásáról:
| Adagtérfogat | Térfogatáram | Ajánlott készülékek |
|---|---|---|
| 10–2000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1–20L | 0,2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000 |
| n.a. | 10–100L/min | UIP16000 |
| n.a. | nagyobb | összekapcsolt készülékek: UIP16000 |
Lépjen kapcsolatba velünk! / Kérdezzen tőlünk!
Szakirodalom/Hivatkozások
- 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.
Hasznos tudnivalók
Nagy teljesítményű ultrahang és kavitáció
Amikor nagy intenzitású ultrahanghullámok energiáját folyadékokba vagy szuszpenziókba csatolják, a kavitáció jelensége lép fel.
A nagy teljesítményű, alacsony frekvenciájú ultrahang szabályozott módon kavitációs buborékok képződését idézi elő folyadékokban és szuszpenziókban. Az intenzív ultrahanghullámok váltakozó alacsony nyomású / magas nyomású ciklusokat keltenek a folyadékban. Ezek a gyors nyomásváltozások üregeket, úgynevezett kavitációs buborékokat hoznak létre. Az ultrahang által létrehozott kavitációs buborékok olyan kémiai mikroreaktoroknak tekinthetők, amelyek mikroszkopikus léptékben magas hőmérsékletet és nyomást biztosítanak, és amelyekben az oldott molekulákból aktív részecskék, például szabad gyökök képződnek. Az anyagkémia területén az ultrahangos kavitáció egyedülálló lehetőséget kínál a magas hőmérsékletű (akár 5000 K) és magas nyomású (500atm) reakciók helyi katalizálására, miközben a rendszer makroszkopikusan a szobahőmérséklet és a környezeti nyomás közelében marad. (vö. Skorb, Andreeva 2013)
Az ultrahangos kezelések elsősorban kavitációs hatásokon alapulnak. A kohászatban az ultrahangos kezelés rendkívül előnyös eljárás a fémek és ötvözetek öntésének javítására.
A fémolvadékok kezelése mellett az ultrahangos kezelést szivacsszerű nanoszerkezetek és nanomintázatok létrehozására is alkalmazzák szilárd fémfelületeken, például titánon és ötvözeteken. Ezek az ultrahanggal nanoszerkezetűvé alakított titán- és ötvözetalkatrészek implantátumként nagy potenciállal rendelkeznek, fokozott oszteogén sejtproliferáció mellett. Tudjon meg többet a titánimplantátumok nanoszerkezetének ultrahangos kialakításáról!