A fém olvadék ultrahangos finomítása
- Az olvadt fémek és ötvözetek teljesítmény ultrahangja különböző jótékony hatásokat mutat, mint például a strukturálás, a gáztalanítás és a jobb szűrés.
- Az ultrahangos kezelés elősegíti a nem dendritikus megszilárdulást folyékony és félig szilárd fémekben.
- A szonikálásnak jelentős előnyei vannak a dendritikus szemcsék és az elsődleges intermetallikus részecskék mikrostrukturális finomításában.
- Továbbá a teljesítmény ultrahang célzottan használható a fém porozitásának csökkentésére vagy mezo-porózus szerkezetek előállítására.
- Végül, de nem utolsósorban a teljesítmény ultrahang javítja az öntvények minőségét.
A fém olvadékok ultrahangos megszilárdulása
A nem dendritikus szerkezetek kialakulása a fémolvadék megszilárdulása során befolyásolja az anyag tulajdonságait, például szilárdságát, hajlékonyságát, szívósságát és/vagy keménységét.
Ultrahanggal megváltozott gabona nukleáció: Az akusztikus kavitáció és intenzív nyíróerői növelik a nukleációs helyeket és az atommagok számát az olvadékban. Az olvadékok ultrahangos kezelése heterogén nukleációt és a dendritek töredezettségét eredményezi, így a végtermék jelentősen nagyobb szemcsefinomítást mutat.
Az ultrahangos kavitáció a nemfémes szennyeződések egyenletes nedvesítését okozza az olvadékban. Ezek a szennyeződések nukleációs helyekké alakulnak, amelyek a megszilárdulás kiindulópontjai. Mivel ezek a nukleációs pontok a megszilárdulási front előtt vannak, a dendritikus struktúrák növekedése nem következik be.
A Ti ötvözet makrostruktúrája ultrahangos kezelés után. Az ultrahangos kezelés jelentősen finomított szemcseszerkezetet eredményez.
Dr. Andreeva-Bäumler, Bayreuthi Egyetem, az UIP1000hdT ultrahangos készülékkel dolgozik a fémek nano-strukturálásán.
Ultrahangos hatások ötvözet Vicker keménység: Az ultrahangos kezelés javítja a Vickers mikrokeménységét fémben
(tanulmány és grafika: ©Ruirun et al., 2017)
Dendrit töredezettség: A dendritek olvadása általában a gyökérnél kezdődik a helyi hőmérséklet-emelkedés és szegregáció miatt. A szonikálás erős konvekciót generál (hőátadás folyadék tömegmozgásával) és lökéshullámokat az olvadékban, így a dendritek töredezettek. A konvekció elősegítheti a dendrit fragmentációját a szélsőséges helyi hőmérsékletek és az összetétel változásai miatt, és elősegíti az oldott anyag diffúzióját. A kavitációs lökéshullámok segítik az olvadó gyökerek törését.
Fémötvözetek ultrahangos gáztalanítása
A gáztalanítás a teljesítmény ultrahang másik fontos hatása folyékony és félig szilárd fémekre és ötvözetekre. Az akusztikus kavitáció váltakozó alacsony nyomású / nagynyomású ciklusokat hoz létre. Az alacsony nyomású ciklusok során apró vákuumbuborékok keletkeznek a folyadékban vagy a szuszpenzióban. Ezek a vákuumbuborékok magokként működnek a hidrogén- és gőzbuborékok képződéséhez. A nagyobb hidrogénbuborékok kialakulása miatt a gázbuborékok emelkednek. Az akusztikus áramlás és áramlás segíti ezeknek a buborékoknak a felszínre és az olvadékból való lebegését, így a gáz eltávolítható és az olvadékban lévő gázkoncentráció csökkenthető.
Az ultrahangos gáztalanítás csökkenti a fém porozitását, ezáltal nagyobb anyagsűrűséget eredményezve a végső fém / ötvözet termékben.
Az alumíniumötvözetek ultrahangos gáztalanítása növeli az anyag végső szakítószilárdságát és hajlékonyságát. Az ipari teljesítményű ultrahang rendszerek a hatékonyság és a feldolgozási idő szempontjából a legjobbak a kereskedelmi gáztalanítási módszerek között. Ezenkívül az olvadék alacsonyabb viszkozitása miatt javul a penész töltésének folyamata.
A Ti44Al6Nb1Cr2V nyomó tulajdonságai különböző ultrahangos időpontokban. Az ultrahangos kezelés jelentősen javítja a nyomószilárdságot.
(tanulmány és grafika: ©Ruirun et al., 2017)
Kerámia sonotrode BS4D22L3C egy speciális sonotrode alkalmas ultrahangos magas hőmérsékletű folyadékok, például olvadt alumínium (pl. keveréshez és gáztalanításhoz).
Szonokapilláris hatás a szűrés során
Az ultrahangos kapilláris hatás folyékony fémekben az oxid zárványok eltávolítására szolgáló hajtóhatás az olvadékok ultrahanggal segített szűrése során. (Eskin et al. 2014: 120ff.)
A szűrést a nemfémes szennyeződések eltávolítására használják az olvadékból. A szűrés során az olvadék különböző hálószemeken (pl. üvegszálon) halad át, hogy elválassza a nem kívánt zárványokat. Minél kisebb a szembőség, annál jobb a szűrési eredmény.
Általános körülmények között az olvadék nem tud átjutni egy kétrétegű szűrőn, amelynek nagyon keskeny, 0,4-0,4 mm-es pórusmérete van. Azonban ultrahanggal segített szűrés alatt az olvadék lehetővé teszi a hálós pórusok áthaladását a sonocapillary hatás miatt. Ebben az esetben a szűrő kapillárisai még 1–10 μm nemfémes szennyeződéseket is megtartanak. Az ötvözet fokozott tisztasága miatt elkerülhető a hidrogén pórusok képződése az oxidokon, így az ötvözet fáradási szilárdsága megnő.
Eskin et al. (2014: 120ff.) kimutatta, hogy az ultrahangos szűrés lehetővé teszi az AA2024, AA7055 és AA7075 alumíniumötvözetek tisztítását többrétegű üvegszálas szűrőkkel (legfeljebb 9 rétegű) 0,6×0.6mm hálós pórusok. Ha az ultrahangos szűrési eljárást oltóanyagok hozzáadásával kombinálják, egyidejű szemcsefinomítás érhető el.
Fémötvözetek ultrahangos megerősítése
Az ultrahangos kezelés bizonyítottan rendkívül hatékony a nanorészecskék egyenletes diszpergálására szuszpenziókba. Ezért az ultrahangos diszpergálószerek a leggyakoribb berendezések nano-megerősített kompozitok előállításához.
Nanorészecskék (pl. Al2O3/SiC, CNTs) erősítőanyagként használják. A nanorészecskéket hozzáadjuk az olvadt ötvözethez és ultrahanggal diszpergáljuk. Az akusztikus kavitáció és áramlás javítja a részecskék deagglomerációját és nedvesíthetőségét, ami jobb szakítószilárdságot, folyáshatárt és nyúlást eredményez.
Ultrahangos berendezések nagy teherbírású alkalmazásokhoz
A teljesítmény ultrahang alkalmazása a kohászatban robusztus, megbízható ultrahangos rendszereket igényel, amelyek igényes környezetben telepíthetők. A Hielscher Ultrasonics ipari minőségű ultrahangos berendezéseket szállít nagy teherbírású alkalmazásokhoz és durva környezetekhez. Minden ultrahangos készülékünk 24/7 működésre épül. A Hielscher nagy teljesítményű ultrahangos rendszerek robusztussággal, megbízhatósággal és pontos szabályozhatósággal párosulnak.
Igényes folyamatok – mint például a fémolvadékok finomítása – megköveteli az intenzív szonikálás képességét. Hielscher Ultrasonics ipari ultrahangos processzorok nagyon nagy amplitúdókat biztosítanak. Akár 200 μm-es amplitúdók is könnyedén működtethetők folyamatosan 24/7 üzemben. Még nagyobb amplitúdók esetén testreszabott ultrahangos sonotrodes áll rendelkezésre.
A nagyon magas folyadék- és olvadékhőmérséklet szonikálásához a Hielscher különféle sonotrodákat és testreszabott tartozékokat kínál az optimális feldolgozási eredmények biztosítása érdekében.
Az alábbi táblázat jelzi ultrahangos készülékeink hozzávetőleges feldolgozási kapacitását:
| Kötegelt mennyiség | Áramlási sebesség | Ajánlott eszközök |
|---|---|---|
| 10 és 2000 ml között | 20–400 ml/perc | UP200Ht, UP400ST |
| 0.1-től 20L-ig | 0.2-től 4 liter/percig | UIP2000hdT |
| 10–100 liter | 2–10 l/perc | UIP4000 |
| n.a. | 10–100 l/perc | UIP16000 |
| n.a. | Nagyobb | klaszter UIP16000 |
Kapcsolat! / Kérdezzen tőlünk!
Irodalom/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.
Tények, amelyeket érdemes tudni
Teljesítmény ultrahang és kavitáció
Amikor a nagy intenzitású ultrahangos hullámok folyadékokhoz vagy szuszpenziókhoz kapcsolódnak, a jelenség Kavitáció Akkor jelentkezik.
A nagy teljesítményű, alacsony frekvenciájú ultrahang szabályozott módon kavitációs buborékok képződését okozza folyadékokban és szuszpenziókban. Az intenzív ultrahanghullámok váltakozó alacsony nyomású / nagynyomású ciklusokat generálnak a folyadékban. Ezek a gyors nyomásváltozások üregeket, úgynevezett kavitációs buborékokat hoznak létre. Az ultrahanggal indukált kavitációs buborékok kémiai mikroreaktoroknak tekinthetők, amelyek magas hőmérsékletet és nyomást biztosítanak mikroszkopikus skálán, ahol aktív fajok, például oldott molekulákból származó szabad gyökök képződnek. Az anyagkémia összefüggésében az ultrahangos kavitáció egyedülálló potenciállal rendelkezik a magas hőmérsékletű (legfeljebb 5000 K) és nagynyomású (500atm) reakciók helyi katalizálására, míg a rendszer makroszkopikusan szobahőmérséklet és környezeti nyomás közelében marad. (vö. Skorb, Andreeva 2013)
Az ultrahangos kezelések elsősorban kavitációs hatásokon alapulnak. A kohászat számára az szonikálás rendkívül előnyös technika a fémek és ötvözetek öntésének javítására.
A fémolvadékok kezelése mellett az ultrahangos kezelést szivacsszerű nanostruktúrák és nano-minták létrehozására is használják szilárd fémfelületeken, például titánon és ötvözeteken. Ezek az ultrahanggal nanoszerkezetű titán és ötvözet alkatrészek nagy kapacitást mutatnak, mint implantátumok, fokozott osteogén sejtproliferációval. Tudjon meg többet a titán implantátumok ultrahangos nano-strukturálásáról!