Penyempurnaan Ultrasonik Peleburan Logam
- USG daya dalam logam cair dan paduan menunjukkan berbagai efek menguntungkan seperti penataan, degassing, dan penyaringan yang lebih baik.
- Ultrasonikasi mempromosikan pemadatan non-dendritik dalam logam cair dan semi-padat.
- Sonikasi memiliki manfaat yang signifikan pada penyempurnaan mikrostruktural butiran dendritik dan partikel interlogam primer.
- Selain itu, ultrasonografi daya dapat digunakan dengan sengaja untuk mengurangi porositas logam atau untuk menghasilkan struktur meso-pori.
- Last but not least, power ultrasound meningkatkan kualitas coran.
Pemadatan Ultrasonik Peleburan Logam
Pembentukan struktur non-dendritik selama pemadatan lelehan logam mempengaruhi sifat material seperti kekuatan, keuletan, ketangguhan, dan/atau kekerasan.
Nukleasi biji-bijian yang diubah secara ultrasonik: Kavitasi akustik dan gaya geser yang intens meningkatkan situs nukleasi dan jumlah inti dalam lelehan. Perlakuan ultrasonik lelehan menghasilkan nukleasi heterogen dan fragmentasi dendrit, sehingga produk akhir menunjukkan penyempurnaan butir yang jauh lebih tinggi.
Kavitasi ultrasonik menyebabkan pembasahan kotoran non-logam yang merata dalam lelehan. Kotoran tersebut berubah menjadi situs nukleasi, yang merupakan titik awal pemadatan. Karena titik-titik nukleasi tersebut berada di depan bagian depan pemadatan, pertumbuhan struktur dendritik tidak terjadi.
Struktur makro paduan Ti setelah perawatan ultrasonik. Ultrasonication menghasilkan struktur butir yang disempurnakan secara signifikan.
Dr. Andreeva-Bäumler, Universitas Bayreuth, bekerja dengan ultrasonicator UIP1000hdT pada penataan nano logam.
Efek ultrasonik pada kekerasan Vicer paduan: Ultrasonication meningkatkan kekerasan mikro Vickers dalam logam
(studi dan grafik: ©Ruirun et al., 2017)
Fragmentasi Dendrit: Pencairan dendrit biasanya dimulai di akar karena kenaikan suhu lokal dan segregasi. Sonikasi menghasilkan konveksi yang kuat (perpindahan panas dengan gerakan massa fluida) dan gelombang kejut dalam lelehan, sehingga dendrit terfragmentasi. Konveksi dapat mendorong fragmentasi dendrit karena suhu lokal yang ekstrem serta variasi komposisi dan mendorong difusi zat terlarut. Gelombang kejut kavitasi membantu kerusakan akar yang meleleh tersebut.
Degassing Ultrasonik Paduan Logam
Degassing adalah efek penting lainnya dari ultrasonik daya pada logam dan paduan cair dan semi-padat. Kavitasi akustik menciptakan siklus tekanan rendah / tekanan tinggi bergantian. Selama siklus tekanan rendah, gelembung vakum kecil terjadi dalam cairan atau bubur. Gelembung vakum ini bertindak sebagai inti untuk pembentukan gelembung hidrogen dan uap. Karena pembentukan gelembung hidrogen yang lebih besar, gelembung gas naik. Aliran akustik dan aliran membantu mengambang gelembung ini ke permukaan dan keluar dari lelehan, sehingga gas dapat dihilangkan dan konsentrasi gas dalam lelehan berkurang.
Degassing ultrasonik mengurangi porositas logam sehingga mencapai kepadatan material yang lebih tinggi dalam produk logam / paduan akhir.
Degasifikasi ultrasonik paduan aluminium meningkatkan kekuatan tarik tertinggi dan keuletan material. Sistem ultrasound daya industri dianggap sebagai yang terbaik di antara metode degassing komersial lainnya mengenai efektivitas dan waktu pemrosesan. Selain itu, proses pengisian cetakan ditingkatkan karena viskositas lelehan yang lebih rendah.
Sifat tekan Ti44Al6Nb1Cr2V di bawah berbagai waktu sonikasi. Sonikasi meningkatkan kekuatan tekan secara signifikan.
(studi dan grafik: ©Ruirun et al., 2017)
Sonotrode keramik BS4D22L3C adalah sonotrode khusus yang cocok untuk sonikasi cairan suhu tinggi seperti aluminium cair (misalnya untuk pencampuran dan degassing).
Efek Sonokapiler selama Filtrasi
Efek kapiler ultrasonik dalam logam cair adalah efek pendorong untuk menghilangkan inklusi oksida selama filtrasi lelehan yang dibantu ultrasonik. (Eskin et al. 2014: 120ff.)
Filtrasi digunakan untuk menghilangkan kotoran non-logam dari lelehan. Selama penyaringan, lelehan melewati berbagai jaring (misalnya serat kaca) untuk memisahkan inklusi yang tidak diinginkan. Semakin kecil ukuran mesh, semakin baik hasil filtrasi.
Dalam kondisi umum, lelehan tidak dapat melewati filter dua lapis dengan ukuran pori yang sangat sempit 0,4-0,4mm. Namun, di bawah filtrasi berbantuan ultrasonik, lelehan dimungkinkan untuk melewati pori-pori jaring karena efek sonokapiler. Dalam hal ini, kapiler filter mempertahankan bahkan kotoran nonlogam 1–10μm. Karena peningkatan kemurnian paduan, pembentukan pori-pori hidrogen pada oksida dihindari, sehingga kekuatan kelelahan paduan meningkat.
Eskin et al. (2014: 120ff.) telah menunjukkan bahwa filtrasi ultrasonik memungkinkan untuk memurnikan paduan aluminium AA2024, AA7055, dan AA7075 menggunakan filter serat kaca berlapis-lapis (dengan hingga 9 lapisan) dengan 0,6×0Pori-pori mesh .6mm. Ketika proses filtrasi ultrasonik dikombinasikan dengan penambahan inokulan, penyempurnaan biji-bijian secara simultan tercapai.
Penguatan Ultrasonik Paduan Logam
Ultrasonikasi terbukti sangat efektif dalam menyebarkan partikel nano secara seragam ke dalam bubur. Oleh karena itu, disperser ultrasonik adalah peralatan yang paling umum untuk menghasilkan komposit yang diperkuat nano.
Partikel nano (misalnya Al2O3/SiC, CNT) digunakan sebagai bahan penguat. Partikel nano ditambahkan ke dalam paduan cair dan tersebar secara ultrasonik. Kavitasi akustik dan streaming meningkatkan deaglomerasi dan keterbasahan partikel, menghasilkan peningkatan kekuatan tarik, kekuatan luluh, dan perpanjangan.
Peralatan Ultrasonik untuk Aplikasi Tugas Berat
Penerapan ultrasound daya dalam metalurgi membutuhkan sistem ultrasonik yang kuat dan andal, yang dapat dipasang di lingkungan yang menuntut. Hielscher Ultrasonics memasok peralatan ultrasonik kelas industri untuk instalasi di aplikasi tugas berat dan lingkungan yang kasar. Semua ultrasonicator kami dibuat untuk operasi 24/7. Sistem ultrasonik daya tinggi Hielscher dipasangkan dengan kekokohan, keandalan, dan kemampuan kontrol yang tepat.
Proses yang menuntut – seperti pemurnian peleburan logam – membutuhkan kemampuan sonikasi yang intens. Prosesor ultrasonik industri Hielscher Ultrasonics memberikan amplitudo yang sangat tinggi. Amplitudo hingga 200μm dapat dengan mudah dijalankan terus menerus dalam operasi 24/7. Untuk amplitudo yang lebih tinggi, sonotrode ultrasonik yang disesuaikan tersedia.
Untuk sonikasi suhu cairan dan lelehan yang sangat tinggi, Hielscher menawarkan berbagai sonotrode dan aksesori yang disesuaikan untuk memastikan hasil pemrosesan yang optimal.
Tabel di bawah ini memberi Anda indikasi perkiraan kapasitas pemrosesan ultrasonikator kami:
| Batch Volume | Flow Rate | Direkomendasikan perangkat |
|---|---|---|
| 10-2000mL | 20 hingga 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 hingga 20L | 0.2 sampai 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 sampai 100L | 2-10L/min | UIP4000 |
| n.a. | 10 sampai 100L/menit | UIP16000 |
| n.a. | kristal yang lebbig | cluster UIP16000 |
Hubungi Kami! / Tanya 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-fakta yang Patut Diketahui
Ultrasound Daya dan Kavitasi
Ketika gelombang ultrasonik intens tinggi digabungkan menjadi cairan atau bubur, fenomena Kavitasi Terjadi.
Daya tinggi, ultrasound frekuensi rendah menyebabkan pembentukan gelembung kavitasi dalam cairan dan bubur dengan cara yang terkontrol. Gelombang ultrasound yang intens menghasilkan siklus tekanan rendah / tekanan tinggi 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, di mana pembentukan spesies aktif seperti radikal bebas dari molekul terlarut terjadi. Dalam konteks kimia material, kavitasi ultrasonik memiliki potensi unik untuk mengkatalisasi secara lokal reaksi suhu tinggi (hingga 5000 K) dan tekanan tinggi (500atm), sementara sistem tetap makroskopis mendekati suhu kamar dan tekanan sekitar. (lih. Skorb, Andreeva 2013)
Perawatan ultrasonik terutama didasarkan pada efek kavitasi. Untuk metalurgi, sonikasi adalah teknik yang sangat menguntungkan untuk meningkatkan pengecoran logam dan paduan.
Selain perawatan lelehan logam, sonikasi juga digunakan untuk membuat struktur nano seperti spons dan pola nano pada permukaan logam padat seperti titanium dan paduan. Bagian titanium dan paduan berstruktur nano ultrasonik ini menunjukkan kapasitas besar sebagai implan dengan proliferasi sel osteogenik yang ditingkatkan. Baca lebih lanjut tentang penataan nano ultrasonik implan titanium!