Penghalusan Lelehan Logam secara Ultrasonik
- Ultrasonik berdaya tinggi pada logam dan paduan cair memberikan berbagai efek yang bermanfaat seperti pembentukan struktur, penghilangan gas, dan peningkatan filtrasi.
- Ultrasonikasi mendorong solidifikasi nondendritik pada logam cair dan semipadat.
- Sonikasi memberikan manfaat yang signifikan bagi penghalusan mikrostruktur butir dendritik dan partikel intermetalik primer.
- Selain itu, ultrasonik berdaya tinggi dapat digunakan secara terarah untuk mengurangi porositas logam atau menghasilkan struktur mesopori.
- Terakhir, ultrasonik berdaya tinggi meningkatkan kualitas hasil pengecoran.
Solidifikasi Lelehan Logam secara Ultrasonik
Pembentukan struktur nondendritik selama solidifikasi lelehan logam memengaruhi sifat material seperti kekuatan, keuletan, ketangguhan, dan/atau kekerasan.
Nukleasi butir yang dimodifikasi secara ultrasonik: Kavitasi akustik dan gaya gesernya yang intens meningkatkan jumlah lokasi nukleasi dan inti dalam lelehan. Perlakuan ultrasonik pada lelehan menghasilkan nukleasi heterogen dan fragmentasi dendrit, sehingga produk akhir menunjukkan penghalusan butir yang jauh lebih tinggi.
Kavitasi ultrasonik menyebabkan pembasahan pengotor nonlogam secara merata dalam lelehan. Pengotor tersebut menjadi lokasi nukleasi, yang merupakan titik awal solidifikasi. Karena titik nukleasi tersebut berada di depan antarmuka solidifikasi, pertumbuhan struktur dendritik tidak terjadi.
Makrostruktur paduan Ti setelah perlakuan ultrasonik. Ultrasonikasi menghasilkan struktur butir yang jauh lebih halus.
Dr. Andreeva-Bäumler, University of Bayreuth, menggunakan sonikator UIP1000hdT untuk membentuk struktur nano pada logam.
Efek ultrasonik terhadap kekerasan Vicker paduan: Ultrasonikasi meningkatkan kekerasan mikro Vickers pada logam
(studi dan grafik: ©Ruirun et al., 2017)
Fragmentasi Dendrit: Pelelehan dendrit biasanya dimulai pada akar akibat kenaikan suhu lokal dan segregasi. Sonikasi menghasilkan konveksi kuat (perpindahan panas melalui pergerakan massa fluida) dan gelombang kejut dalam lelehan, sehingga dendrit terfragmentasi. Konveksi dapat mendorong fragmentasi dendrit akibat suhu lokal yang ekstrem serta variasi komposisi, dan mendorong difusi zat terlarut. Gelombang kejut kavitasi membantu pematahan akar yang sedang meleleh tersebut.
Penghilangan Gas secara Ultrasonik pada Paduan Logam
Penghilangan gas merupakan efek penting lainnya dari ultrasonik berdaya tinggi pada logam dan paduan cair maupun semipadat. Kavitasi akustik menciptakan siklus tekanan rendah / tekanan tinggi secara bergantian. Selama siklus tekanan rendah, gelembung vakum kecil terbentuk dalam cairan atau sluri. Gelembung vakum ini bertindak sebagai inti pembentukan gelembung hidrogen dan uap. Akibat terbentuknya gelembung hidrogen yang lebih besar, gelembung gas naik. Aliran dan arus akustik membantu gelembung tersebut mengapung ke permukaan dan keluar dari lelehan, sehingga gas dapat dihilangkan dan konsentrasi gas dalam lelehan berkurang.
Penghilangan gas secara ultrasonik mengurangi porositas logam sehingga menghasilkan kepadatan material yang lebih tinggi pada produk akhir logam / paduan.
Penghilangan gas secara ultrasonik pada paduan aluminium meningkatkan kekuatan tarik maksimum dan keuletan material. Sistem ultrasonik berdaya tinggi untuk industri termasuk yang terbaik di antara metode penghilangan gas komersial lainnya dalam hal efektivitas dan waktu pemrosesan. Selain itu, proses pengisian cetakan menjadi lebih baik karena viskositas lelehan yang lebih rendah.
Sifat tekan Ti44Al6Nb1Cr2V pada berbagai durasi sonikasi. Sonikasi meningkatkan kekuatan tekan secara signifikan.
(studi dan grafik: ©Ruirun et al., 2017)
Sonotrode keramik BS4D22L3C merupakan sonotrode khusus yang sesuai untuk sonikasi cairan bersuhu tinggi seperti aluminium cair (misalnya untuk pencampuran dan penghilangan gas).
Efek Sonokapiler selama Filtrasi
Efek kapiler ultrasonik dalam logam cair merupakan efek pendorong penghilangan inklusi oksida selama filtrasi lelehan berbantuan ultrasonik. (Eskin et al. 2014: 120ff.)
Filtrasi digunakan untuk menghilangkan pengotor nonlogam dari lelehan. Selama filtrasi, lelehan melewati berbagai jaring penyaring (misalnya serat kaca) untuk memisahkan inklusi yang tidak diinginkan. Semakin kecil ukuran bukaan jaring, semakin baik hasil filtrasi.
Dalam kondisi umum, lelehan tidak dapat melewati filter dua lapis dengan ukuran pori yang sangat sempit sebesar 0,4–0,4mm. Namun, pada filtrasi berbantuan ultrasonik, lelehan dapat melewati pori jaring berkat efek sonokapiler. Dalam hal ini, kapiler filter bahkan menahan pengotor nonlogam berukuran 1–10μm. Berkat peningkatan kemurnian paduan, pembentukan pori hidrogen pada oksida dapat dihindari, sehingga kekuatan lelah paduan meningkat.
Eskin et al. (2014: 120ff.) telah menunjukkan bahwa filtrasi ultrasonik memungkinkan pemurnian paduan aluminium AA2024, AA7055, dan AA7075 menggunakan filter serat kaca berlapis banyak (hingga 9 lapisan) dengan pori jaring berukuran 0,6×0,6mm. Ketika proses filtrasi ultrasonik dikombinasikan dengan penambahan inokulan, penghalusan butir tercapai secara bersamaan.
Penguatan Paduan Logam secara Ultrasonik
Ultrasonikasi terbukti sangat efektif untuk mendispersikan nanopartikel secara merata ke dalam sluri. Oleh karena itu, pendispersi ultrasonik merupakan peralatan yang paling umum digunakan untuk menghasilkan komposit yang diperkuat nanopartikel.
Nanopartikel (misalnya Al2O3/SiC, CNTs) digunakan sebagai bahan penguat. Nanopartikel ditambahkan ke dalam paduan cair dan didispersikan secara ultrasonik. Kavitasi dan arus akustik meningkatkan deaglomerasi serta keterbasahan partikel, sehingga menghasilkan peningkatan kekuatan tarik, kekuatan luluh, dan perpanjangan.
Peralatan Ultrasonik untuk Aplikasi Tugas Berat
Penerapan ultrasonik berdaya tinggi dalam metalurgi memerlukan sistem ultrasonik yang tangguh dan andal, yang dapat dipasang di lingkungan dengan tuntutan operasional tinggi. Hielscher Ultrasonics memasok peralatan ultrasonik kelas industri untuk pemasangan pada aplikasi tugas berat dan lingkungan yang keras. Semua sonikator kami dibuat untuk operasi 24/7. Sistem ultrasonik berdaya tinggi Hielscher memadukan ketangguhan, keandalan, dan kemampuan pengendalian yang presisi.
Proses dengan tuntutan tinggi – seperti penghalusan lelehan logam – memerlukan kemampuan sonikasi yang intens. Prosesor ultrasonik industri Hielscher Ultrasonics menghasilkan amplitudo yang sangat tinggi. Amplitudo hingga 200µm dapat dengan mudah dijalankan secara kontinu dalam operasi 24/7. Untuk amplitudo yang lebih tinggi lagi, tersedia sonotrode ultrasonik yang disesuaikan dengan kebutuhan.
Untuk sonikasi cairan dan lelehan bersuhu sangat tinggi, Hielscher menawarkan berbagai sonotrode dan aksesori yang disesuaikan dengan kebutuhan guna memastikan hasil pemrosesan yang optimal.
Tabel di bawah ini memberikan gambaran perkiraan kapasitas pemrosesan sonikator kami:
| Volume Batch | Laju Alir | Perangkat yang Direkomendasikan |
|---|---|---|
| 10 hingga 2000mL | 20 hingga 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 hingga 20L | 0,2 hingga 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 hingga 100L | 2 hingga 10L/min | UIP4000 |
| tidak berlaku | 10 hingga 100L/min | UIP16000 |
| tidak berlaku | lebih besar | kelompok perangkat UIP16000 |
Hubungi Kami! / Tanyakan kepada Kami!
Literatur/Referensi
- 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.
Fakta yang Perlu Diketahui
Ultrasonik Berdaya Tinggi dan Kavitasi
Ketika gelombang ultrasonik berintensitas tinggi dikopel ke dalam cairan atau sluri, fenomena kavitasi terjadi.
Ultrasonik berdaya tinggi dan berfrekuensi rendah menyebabkan pembentukan gelembung kavitasi dalam cairan dan sluri secara terkendali. Gelombang ultrasonik yang intens menghasilkan siklus tekanan rendah / tekanan tinggi secara bergantian dalam cairan. Perubahan tekanan yang cepat ini menghasilkan rongga, yang disebut gelembung kavitasi. Gelembung kavitasi yang diinduksi secara ultrasonik dapat dianggap sebagai mikroreaktor kimia yang menyediakan suhu dan tekanan tinggi pada skala mikroskopis, tempat terjadinya pembentukan spesies aktif seperti radikal bebas dari molekul terlarut. Dalam konteks kimia material, kavitasi ultrasonik memiliki potensi unik untuk mengatalisis reaksi bersuhu tinggi (hingga 5000 K) dan bertekanan tinggi (500atm) secara lokal, sementara sistem secara makroskopis tetap mendekati suhu kamar dan tekanan lingkungan. (bdk. Skorb, Andreeva 2013)
Perlakuan ultrasonik terutama didasarkan pada efek kavitasi. Dalam metalurgi, sonikasi merupakan teknik yang sangat bermanfaat untuk meningkatkan pengecoran logam dan paduan.
Selain untuk perlakuan lelehan logam, sonikasi juga digunakan untuk menciptakan struktur nano menyerupai spons dan pola nano pada permukaan logam padat seperti titanium dan paduan. Komponen titanium dan paduan yang diberi struktur nano secara ultrasonik ini menunjukkan kemampuan besar sebagai implan dengan peningkatan proliferasi sel osteogenik. Baca selengkapnya tentang pembentukan struktur nano secara ultrasonik pada implan titanium!