Affinamento a ultrasuoni delle fusioni metalliche

  • Gli ultrasuoni di potenza nei metalli fusi e nelle leghe mostrano vari effetti benefici come la strutturazione, il degasaggio e una migliore filtrazione.
  • Gli ultrasuoni favoriscono la solidificazione non dendritica dei metalli liquidi e semisolidi.
  • La sonicazione ha benefici significativi sulla raffinatezza microstrutturale dei grani dendritici e delle particelle intermetalliche primarie.
  • Inoltre, gli ultrasuoni di potenza possono essere utilizzati appositamente per ridurre la porosità del metallo o per produrre strutture meso-porose.
  • Infine, ma non meno importante, gli ultrasuoni di potenza migliorano la qualità dei getti.

Solidificazione a ultrasuoni di fusioni metalliche

La formazione di strutture nonendritiche durante la solidificazione del metallo fuso influenza le proprietà del materiale come la resistenza, la duttilità, la tenacità e/o la durezza.
Nucleazione del grano alterata ad ultrasuoni: La cavitazione acustica e le sue intense forze di taglio aumentano i siti di nucleazione e il numero di nuclei nella fusione. Il trattamento a ultrasuoni dei fusi determina una nucleazione eterogenea e la frammentazione delle dendriti, cosicché il prodotto finale mostra una raffinatezza dei grani significativamente maggiore.
La cavitazione ad ultrasuoni provoca l'umidificazione uniforme di impurità non metalliche nella fusione. Queste impurità si trasformano in siti di nucleazione, che sono i punti di partenza della solidificazione. Poiché questi punti di nucleazione sono più avanti del fronte di solidificazione, la crescita delle strutture dendritiche non si verifica.

Gli ultrasuoni intensi migliorano la struttura dei grani nei metalli fusi, contribuendo così a soddisfare gli standard di qualità per la pressofusione.

Macrostruttura della lega Ti dopo il trattamento a ultrasuoni. L'ultrasuonoterapia determina una struttura dei grani significativamente raffinata.

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La nano-strutturazione a ultrasuoni di metalli e zeoliti è una tecnica molto efficace per produrre catalizzatori ad alte prestazioni.

La dott.ssa Andreeva-Bäumler, dell'Università di Bayreuth, lavora con l'ultrasuonatore UIP1000hdT sulla nano-strutturazione dei metalli.

Effetti degli ultrasuoni sulla durezza Vicker delle leghe: L'ultrasuonoterapia migliora la microdurezza Vickers dei metalli.

Effetti degli ultrasuoni sulla durezza Vicker delle leghe: L'ultrasuonoterapia migliora la microdurezza Vickers dei metalli.
(studio e grafico: ©Ruirun et al., 2017)

 
Frammentazione dei dendriti: La fusione delle dendriti inizia solitamente alla radice a causa dell'aumento locale della temperatura e della segregazione. La sonicazione genera una forte convezione (trasferimento di calore attraverso il movimento di massa di un fluido) e onde d'urto nella fusione, in modo da frammentare i dendriti. La convezione può favorire la frammentazione dei dendriti a causa delle estreme temperature locali e delle variazioni di composizione e promuove la diffusione del soluto. Le onde d'urto di cavitazione favoriscono la rottura delle radici di fusione.

Degasaggio ad ultrasuoni di leghe metalliche

Il degasaggio è un altro importante effetto dell'ultrasuono di potenza su metalli liquidi e semisolidi e leghe. La cavitazione acustica crea cicli alternati di bassa pressione e alta pressione. Durante i cicli a bassa pressione, minuscole bolle di vuoto si formano nel liquido o nel liquame. Queste bolle sottovuoto agiscono come nuclei per la formazione di bolle di idrogeno e vapore. A causa della formazione di bolle di idrogeno più grandi, le bolle di gas aumentano. Il flusso acustico e lo streaming aiutano il galleggiamento di queste bolle in superficie e fuori dalla colata, in modo che il gas possa essere rimosso e la concentrazione di gas nella colata sia ridotta.
Il degasaggio ad ultrasuoni riduce la porosità del metallo ottenendo così una maggiore densità del materiale nel prodotto finale metallo/lega.
La degassificazione ad ultrasuoni delle leghe di alluminio aumenta la resistenza alla trazione e la duttilità del materiale. I sistemi ad ultrasuoni industriali di potenza sono considerati i migliori tra gli altri metodi di degasaggio commerciali per quanto riguarda l'efficacia e i tempi di lavorazione. Inoltre, il processo di riempimento dello stampo è migliorato grazie alla minore viscosità della massa fusa.
 

Gli ultrasuoni migliorano la resistenza alla compressione dei metalli fusi e quindi la qualità del metallo.

Proprietà di compressione di Ti44Al6Nb1Cr2V con diversi tempi di sonicazione. La sonicazione migliora significativamente la resistenza alla compressione.
(studio e grafico: ©Ruirun et al., 2017)

Il sonotrodo in ceramica BS4D22L3C è un sonotrodo speciale adatto alla sonicazione di liquidi ad alta temperatura come l'alluminio fuso (ad esempio per la miscelazione e il degasaggio). Prodotto da Hielscher Ultrasonics

Il sonotrodo ceramico BS4D22L3C è un sonotrodo speciale adatto alla sonicazione di liquidi ad alta temperatura come l'alluminio fuso (ad esempio per la miscelazione e il degasaggio).

Effetto Sonocapillare durante la filtrazione

L'effetto capillare degli ultrasuoni nei metalli liquidi è l'effetto trainante per la rimozione delle inclusioni di ossido durante la filtrazione assistita da ultrasuoni delle fusioni. (Eskin et al. 2014: 120ss.)
La filtrazione è utilizzata per rimuovere le impurità non metalliche dalla massa fusa. Durante la filtrazione, la massa fusa passa attraverso varie maglie (ad esempio, fibre di vetro) per separare le inclusioni indesiderate. Più piccola è la dimensione delle maglie, migliore è il risultato della filtrazione.
In condizioni comuni, la massa fusa non può superare un filtro a due strati con una dimensione dei pori molto stretta di 0,4-0,4 mm. Tuttavia, in caso di filtrazione assistita da ultrasuoni, la massa fusa è in grado di attraversare i pori della maglia a causa dell'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, in modo da aumentare la resistenza a fatica della lega.
Eskin et al. (2014: 120 e segg.) ha dimostrato che la filtrazione ad ultrasuoni permette di purificare le leghe di alluminio AA2024, AA7055 e AA7075 utilizzando filtri multistrato in fibra di vetro (fino a 9 strati) con 0,6×0.6mm mesh pori. Quando il processo di filtrazione ad ultrasuoni è combinato con l'aggiunta di inoculanti, si ottiene una contemporanea raffinazione dei cereali.

Rinforzo a ultrasuoni delle leghe metalliche

L'ultrasonicazione si è dimostrata altamente efficace nel disperdere uniformemente le nano particelle nei liquami. Pertanto, i disperditori ad ultrasuoni sono l'attrezzatura più comune per produrre compositi nanorinforzati.
Nano particelle (ad es. Al2O3/SiC, CNT) sono utilizzati come materiale di rinforzo. Le nano particelle vengono aggiunte alla lega fusa e disperse ad ultrasuoni. La cavitazione acustica e lo streaming migliora il deagglomerazione e la bagnabilità delle particelle, con conseguente miglioramento del carico di rottura, del carico di snervamento e dell'allungamento.

Dispositivo ad ultrasuoni UIP2000hdT (2kW) con Cascatrode

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 difficili. Hielscher Ultrasonics fornisce apparecchiature a ultrasuoni di livello industriale per installazioni in applicazioni pesanti e ambienti difficili. Tutti i nostri ultrasonori sono costruiti per funzionare 24 ore su 24, 7 giorni su 7. I sistemi a ultrasuoni ad alta potenza di Hielscher sono abbinati a robustezza, affidabilità e controllabilità precisa.
Processi impegnativi – come la raffinazione dei metalli si scioglie – richiedono la capacità di una sonicazione intensa. I processori industriali a ultrasuoni Hielscher Ultrasonics forniscono ampiezze molto elevate. Ampiezze fino a 200 µm possono essere facilmente gestite in modo continuo, 24 ore su 24, 7 giorni su 7. Per ampiezze ancora maggiori, sono disponibili sonotrodi a ultrasuoni personalizzati.
Per la sonicazione di liquidi molto elevati e temperature di fusione, Hielscher offre diverse sonotrodi e accessori personalizzati per garantire risultati di lavorazione ottimali.
La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasuoni:

Volume di batch Portata Dispositivi raccomandati
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. più grande cluster di UIP16000

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Letteratura/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.

Particolarità / Cose da sapere

Ecografia di potenza e cavitazione

Quando onde ultrasoniche ad alta intensità sono accoppiate in liquidi o fanghi, il fenomeno di cavitazione si verifica.
Gli ultrasuoni ad alta potenza e bassa frequenza causano la formazione di bolle di cavitazione in liquidi e fanghi in modo controllato. Le onde ultrasoniche intense generano cicli alternati di bassa pressione e alta pressione nel liquido. Questi rapidi cambiamenti di pressione generano vuoti, le cosiddette bolle di cavitazione. Le bolle di cavitazione indotte ad ultrasuoni possono essere considerate come microreattori chimici che forniscono alte temperature e pressioni su scala microscopica, dove si verifica la formazione di specie attive come i radicali liberi da molecole disciolte. Nel contesto della chimica dei materiali, la cavitazione ultrasonica ha il potenziale unico 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 cavitazionali. Per la metallurgia, la sonicazione è una tecnica molto vantaggiosa per migliorare la fusione di metalli e leghe.
Oltre al trattamento dei metalli fusi, la sonicazione viene utilizzata anche per creare nanostrutture simili a spugne e nanopattern su superfici di metalli solidi come il titanio e le leghe. Queste parti in titanio e leghe nanostrutturate a ultrasuoni mostrano grandi capacità come impianti con una maggiore proliferazione di cellule osteogeniche. Per saperne di più sulla nano-strutturazione a ultrasuoni degli impianti in titanio!

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