Affinamento a ultrasuoni dei metalli fusi
- Gli ultrasuoni di potenza nei metalli e nelle leghe allo stato fuso producono diversi effetti benefici, quali la strutturazione, il degasaggio e una migliore filtrazione.
- Il trattamento a ultrasuoni favorisce la solidificazione non dendritica nei metalli liquidi e semisolidi.
- La sonicazione offre vantaggi significativi per l’affinamento microstrutturale dei grani dendritici e delle particelle intermetalliche primarie.
- Inoltre, gli ultrasuoni di potenza possono essere impiegati in modo mirato per ridurre la porosità del metallo o per produrre strutture mesoporose.
- Infine, gli ultrasuoni di potenza migliorano la qualità dei getti.
Solidificazione a ultrasuoni dei metalli fusi
La formazione di strutture non dendritiche durante la solidificazione dei metalli fusi influisce sulle proprietà del materiale, quali resistenza, duttilità, tenacità e/o durezza.
Nucleazione dei grani modificata dagli ultrasuoni: La cavitazione acustica e le intense forze di taglio che genera aumentano i siti di nucleazione e il numero di nuclei nel metallo fuso. Il trattamento a ultrasuoni dei metalli fusi determina una nucleazione eterogenea e la frammentazione delle dendriti, conferendo al prodotto finale un affinamento del grano significativamente maggiore.
La cavitazione ultrasonica provoca la bagnatura uniforme delle impurità non metalliche nel metallo fuso. Queste impurità diventano siti di nucleazione, che costituiscono i punti di inizio della solidificazione. Poiché questi punti di nucleazione si trovano davanti al fronte di solidificazione, la crescita delle strutture dendritiche non avviene.
Macrostruttura della lega di Ti dopo il trattamento a ultrasuoni. Il trattamento a ultrasuoni produce una struttura dei grani significativamente affinata.
La Dr. Andreeva-Bäumler, dell’Università di Bayreuth, lavora alla nanostrutturazione dei metalli con il sonicatore UIP1000hdT.
Effetti degli ultrasuoni sulla durezza Vickers delle leghe: il trattamento a ultrasuoni migliora la microdurezza Vickers nel metallo
(studio e grafico: ©Ruirun et al., 2017)
Frammentazione delle dendriti: La fusione delle dendriti inizia solitamente alla radice a causa dell’aumento locale della temperatura e della segregazione. La sonicazione genera un’intensa convezione (trasferimento di calore mediante il movimento di massa di un fluido) e onde d’urto nel metallo fuso, provocando la frammentazione delle dendriti. La convezione può favorire la frammentazione delle dendriti a causa di temperature locali estreme e di variazioni della composizione, e favorisce la diffusione del soluto. Le onde d’urto della cavitazione contribuiscono alla rottura di queste radici in fase di fusione.
Degasaggio a ultrasuoni delle leghe metalliche
Il degasaggio è un altro importante effetto degli ultrasuoni di potenza sui metalli e sulle leghe liquidi e semisolidi. La cavitazione acustica crea cicli alternati di bassa pressione / alta pressione. Durante i cicli di bassa pressione, nel liquido o nella sospensione si formano minuscole bolle di vuoto. Queste bolle di vuoto fungono da nuclei per la formazione di bolle di idrogeno e di vapore. Con la formazione di bolle di idrogeno più grandi, le bolle di gas risalgono. Il flusso acustico e le correnti acustiche favoriscono la risalita di queste bolle verso la superficie e la loro fuoriuscita dal metallo fuso, consentendo la rimozione del gas e riducendone la concentrazione nel metallo fuso.
Il degasaggio a ultrasuoni riduce la porosità del metallo, ottenendo così una maggiore densità del materiale nel prodotto finale in metallo / lega.
Il degasaggio a ultrasuoni delle leghe di alluminio aumenta la resistenza a trazione ultima e la duttilità del materiale. I sistemi industriali a ultrasuoni di potenza sono considerati i migliori rispetto agli altri metodi commerciali di degasaggio per efficacia e tempi di trattamento. Inoltre, il processo di riempimento dello stampo migliora grazie alla minore viscosità del metallo fuso.
Proprietà a compressione di Ti44Al6Nb1Cr2V per diversi tempi di sonicazione. La sonicazione migliora significativamente la resistenza a compressione.
(studio e grafico: ©Ruirun et al., 2017)
Il sonotrodo ceramico BS4D22L3C è un sonotrodo speciale adatto alla sonicazione di liquidi ad alta temperatura, come l’alluminio fuso (ad es. per la miscelazione e il degasaggio).
Effetto sonocapillare durante la filtrazione
L’effetto capillare ultrasonico nei metalli liquidi è l’effetto che consente la rimozione delle inclusioni di ossidi durante la filtrazione dei metalli fusi assistita da ultrasuoni. (Eskin et al. 2014: 120ff.)
La filtrazione viene utilizzata per rimuovere le impurità non metalliche dal metallo fuso. Durante la filtrazione, il metallo fuso attraversa diverse reti filtranti (ad es. in fibra di vetro) per separare le inclusioni indesiderate. Quanto più piccola è la dimensione delle maglie, tanto migliore è il risultato della filtrazione.
In condizioni normali, il metallo fuso non può attraversare un filtro a due strati con pori di dimensioni molto ridotte, pari a 0,4–0,4mm. Tuttavia, durante la filtrazione assistita da ultrasuoni, il metallo fuso riesce ad attraversare i pori della rete grazie all’effetto sonocapillare. In questo caso, i capillari del filtro trattengono anche impurità non metalliche di 1–10μm. Grazie alla maggiore purezza della lega, si evita la formazione di pori di idrogeno in corrispondenza degli ossidi, aumentando così la resistenza a fatica della lega.
Eskin et al. (2014: 120ff.) hanno dimostrato che la filtrazione a ultrasuoni consente di purificare le leghe di alluminio AA2024, AA7055 e AA7075 utilizzando filtri multistrato in fibra di vetro (fino a 9 strati) con aperture delle maglie di 0,6×0,6mm. Quando il processo di filtrazione a ultrasuoni viene combinato con l’aggiunta di inoculanti, si ottiene contemporaneamente un affinamento del grano.
Rinforzo a ultrasuoni delle leghe metalliche
Il trattamento a ultrasuoni si è dimostrato altamente efficace per disperdere uniformemente le nanoparticelle nelle sospensioni. Pertanto, i dispersori a ultrasuoni sono le apparecchiature più comunemente utilizzate per produrre compositi rinforzati con nanoparticelle.
Le nanoparticelle (ad es. Al2O3/SiC, CNTs) vengono utilizzate come materiale di rinforzo. Le nanoparticelle vengono aggiunte alla lega fusa e disperse mediante ultrasuoni. La cavitazione acustica e le correnti acustiche migliorano la deagglomerazione e la bagnabilità delle particelle, determinando un miglioramento della resistenza a trazione, della resistenza allo snervamento e dell’allungamento.
Apparecchiature a ultrasuoni per applicazioni gravose
L’applicazione degli ultrasuoni di potenza in metallurgia richiede sistemi a ultrasuoni robusti e affidabili, che possano essere installati in ambienti impegnativi. Hielscher Ultrasonics fornisce apparecchiature a ultrasuoni di livello industriale per installazioni in applicazioni gravose e ambienti difficili. Tutti i nostri sonicatori sono progettati per il funzionamento 24/7. I sistemi a ultrasuoni ad alta potenza Hielscher combinano robustezza, affidabilità e un controllo preciso.
I processi impegnativi – come l’affinamento dei metalli fusi – richiedono la capacità di effettuare una sonicazione intensa. I processori industriali a ultrasuoni Hielscher Ultrasonics erogano ampiezze molto elevate. È possibile operare agevolmente e in modo continuo con ampiezze fino a 200µm durante il funzionamento 24/7. Per ampiezze ancora maggiori, sono disponibili sonotrodi a ultrasuoni personalizzati.
Per la sonicazione di liquidi e metalli fusi a temperature molto elevate, Hielscher offre diversi sonotrodi e accessori personalizzati per garantire risultati di trattamento ottimali.
La tabella seguente fornisce un’indicazione della capacità di trattamento approssimativa dei nostri sonicatori:
| Volume del lotto | Portata | Dispositivi consigliati |
|---|---|---|
| Da 10 a 2000mL | Da 20 a 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| Da 0,1 a 20L | Da 0,2 a 4L/min | UIP2000hdT |
| Da 10 a 100L | Da 2 a 10L/min | UIP4000 |
| n.a. | Da 10 a 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | superiore | gruppo di UIP16000 |
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Bibliografia/Riferimenti
- 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.
Informazioni utili
Ultrasuoni di potenza e cavitazione
Quando onde ultrasoniche ad alta intensità vengono accoppiate a liquidi o sospensioni, il fenomeno della cavitazione si verifica.
Gli ultrasuoni ad alta potenza e bassa frequenza provocano la formazione controllata di bolle di cavitazione nei liquidi e nelle sospensioni. Le onde ultrasoniche intense generano cicli alternati di bassa pressione / alta pressione nel liquido. Queste rapide variazioni di pressione generano cavità, le cosiddette bolle di cavitazione. Le bolle di cavitazione indotte dagli ultrasuoni possono essere considerate microreattori chimici che forniscono temperature e pressioni elevate su scala microscopica, dove avviene la formazione di specie attive, come i radicali liberi, a partire da molecole disciolte. Nell’ambito della chimica dei materiali, la cavitazione ultrasonica ha la capacità unica di catalizzare localmente reazioni ad alta temperatura (fino a 5000 K) e ad alta pressione (500atm), mentre il sistema rimane macroscopicamente vicino alla temperatura ambiente e alla pressione ambiente. (cfr. Skorb, Andreeva 2013)
I trattamenti a ultrasuoni si basano principalmente sugli effetti della cavitazione. In metallurgia, la sonicazione è una tecnica estremamente vantaggiosa per migliorare la colata dei metalli e delle leghe.
Oltre al trattamento dei metalli fusi, la sonicazione viene utilizzata anche per creare nanostrutture simili a spugne e motivi su scala nanometrica su superfici metalliche solide, come quelle del titanio e delle leghe. Questi componenti in titanio e in lega nanostrutturati mediante ultrasuoni mostrano un notevole potenziale come impianti con una maggiore proliferazione delle cellule osteogeniche. Scoprite di più sulla nanostrutturazione a ultrasuoni degli impianti in titanio!