金属溶融物の超音波精製

  • 溶融金属および合金のパワーの超音波は、構造化、脱気、および改善された濾過などの様々な有益な効果を示しています。
  • 超音波は、液体および半固体金属の非樹枝状凝固を促進します。
  • 超音波処理は、樹枝状結晶粒とプライマリ間粒子の微細構造改善に大きなメリットがあります。
  • また、パワー超音波は、金属多孔性を減少させるか、メソ多孔性構造体を製造するために意図的に使用することができます。
  • 最後になりましたが、パワー超音波は、鋳物の品質が向上します。

金属溶融物の超音波凝固

金属の凝固中の非樹枝状構造の形成は影響を受け、強度、延性、靭性、及び/又は硬度などの材料特性を溶融します。
超音波で変更された粒子核形成: 音響キャビテーションとその強いせん断力は、溶融物中の核生成サイトと核の数を増加させます。溶融物の超音波処理は、不均一な核形成および樹状突起の断片化をもたらすので、最終製品は有意に高い結晶粒微細化を示す。
超音波キャビテーションは、溶融物中の非金属不純物の均一な濡れを引き起こします。これらの不純物は凝固の出発点です核形成部位、に変わります。これらの核ポイントが先に凝固前面のであるため、樹枝状構造体の成長は発生しません。

強烈な超音波は、金属溶融物の粒子構造を改善し、それによってダイカストの品質基準を満たすのに役立ちます。

超音波処理後のTi合金のマクロ構造。超音波は、大幅に洗練された粒子構造をもたらします。

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金属やゼオライトの超音波ナノ構造は、高性能触媒を製造するための非常に効果的な技術です。

バイロイト大学のアンドレーバ・バウムラー博士は、金属のナノ構造化に超音波装置UIP1000hdTを使用しています。

合金ビッカー硬度に対する超音波効果:超音波は、金属のビッカース微小硬度を改善します

合金ビッカー硬度に対する超音波効果:超音波は、金属のビッカース微小硬度を改善します
(研究とグラフィック:©Ruirunら、2017)

 
デンドライトの断片化: 樹状突起の融解は通常、局所的な温度上昇と偏析のために根元から始まります。超音波処理は、強い対流(流体の質量運動による熱伝達)と衝撃波を溶融物中に生成し、樹状突起が断片化するようにする。対流は、極端な局所温度や組成変動による樹状突起の断片化を促進し、溶質の拡散を促進する可能性があります。キャビテーション衝撃波は、それらの溶けた根の破損を助けます。

金属合金の超音波脱気

脱ガスは、液体および半固体金属及び合金の電源超音波の別の重要な効果です。音響キャビテーションは、低圧/高圧サイクルを交互に生成します。低圧サイクルの間に、小さな真空泡が液体又はスラリーで起こります。これらの真空気泡は水素及び蒸気泡の形成のための核として作用します。より大きな水素の泡の形成に起因して、気泡が上昇します。ガスを除去することができ、融液中のガス濃度が小さくなるように音響流とストリーミングは、表面に溶融物からこれらの気泡の浮上を補助します。
超音波脱ガスは最終的な金属/合金製品におけるより高い材料密度を達成する金属の多孔性を低下させます。
アルミニウム合金の超音波脱ガスは、材料の極限引張強さ及び延性を高めます。産業用電力の超音波システムは、有効性と処理時間に関する他の商用の脱気方法の中で最高のとしてカウントされます。また、金型充填プロセスは、溶融物の低い粘度のために改善されています。
 

超音波処理は、金属溶融物の圧縮強度を改善し、それによって金属の品質を大幅に改善します。

様々な超音波処理時間の下でのTi44Al6Nb1Cr2Vの圧縮特性。超音波処理は、圧縮強度を大幅に向上させます。
(研究とグラフィック:©Ruirunら、2017)

セラミックソノトロードBS4D22L3Cは、溶融アルミニウムなどの高温液体を超音波処理するのに適した特別なソノトロードです(例えば、混合および脱気用)。ヒールシャー超音波によって作られた

セラミックソノトロードBS4D22L3Cは、溶融アルミニウムなどの高温液体を超音波処理するのに適した特別なソノトロードです(例えば、混合および脱気用)。

濾過中Sonocapillary効果

液体金属の超音波毛細管効果は、溶融物の超音波支援ろ過中に酸化物介在物を除去するための駆動効果です。(エスキンら 2014: 120ff.)
濾過は、溶融物から非金属不純物を除去するために使用されます。濾過の間、溶融物は、不要な介在物を分離するために、様々なメッシュ(例えばガラス繊維)を通過します。メッシュサイズより小さく、より良いろ過結果です。
一般的な条件下で、溶融物が0,4-0,4mmの非常に狭い細孔サイズを有する2つの層のフィルタを通過することができません。しかし、超音波アシスト濾過下で溶融物はsonocapillary効果によるメッシュの孔を通過することが可能となります。この場合、フィルタ毛細管は1-10μmのも非金属不純物を保持します。合金の疲労強度が増加するようによる合金の強化純度に、酸化物の水素孔の形成は、回避されます。
Eskinら。 (2014:120ff)は、超音波濾過が0.6で(最大9層を有する)多層ガラス繊維フィルターを用いたアルミニウム合金AA2024、AA7055、およびAA7075を精製することができることを示しました×00.6ミリメートルメッシュ毛穴。超ろ過工程は接種材料の添加と組み合わせた場合、同時結晶粒微細化が達成されます。

金属合金の超音波補強

超音波を均一にスラリーにナノ粒子を分散させる上で非常に有効であることが証明されています。したがって、超音波分散機は、ナノ強化複合材料を製造するための最も一般的な装置です。
ナノ粒子(例えば、アル2ザ・3/ SiCの、カーボンナノチューブ)が補強材として使用されます。ナノ粒子は、合金溶湯に添加し、超音波で分散されています。音響キャビテーションおよびストリーミングは、改善された引張強さ、降伏強さ、伸び、その結果、粒子の解凝集及び濡れ性を向上させることができます。

Cascatrode超音波装置UIP2000hdT(2kWの)

ヘビーデューティーアプリケーション用の超音波機器

冶金学におけるパワー超音波の適用には、要求の厳しい環境に設置できる堅牢で信頼性の高い超音波システムが必要です。ヒールシャー超音波は、ヘビーデューティアプリケーションや過酷な環境でのインストールのための工業用グレードの超音波機器を供給します。すべての当社の超音波処理器は、24/7操作のために構築されています。ヒールシャー高出力超音波システムは、堅牢性、信頼性と正確な制御性とペアになっています。
要求の厳しいプロセス – このような金属溶融物の精製として – 強烈な超音波処理の能力が必要です。ヒールシャー超音波産業用超音波プロセッサは、非常に高い振幅を提供します。最大200μmの振幅は、24/7動作で簡単に連続的に実行できます。さらに高い振幅のために、カスタマイズされた超音波ソトロードが利用可能です。
温度が非常に高い液体の超音波処理および溶融、ヒールシャーは、最適な処理結果を保証するために、様々なソノトロードカスタマイズアクセサリーを提供しています。
下の表は私達のultrasonicatorsのおおよその処理能力の目安を与えます:

バッチ容量流量推奨デバイス
2000mlの10〜20 400mLの/分Uf200ःトンUP400St
00.1 20Lへ04L /分の0.2UIP2000hdT
100Lへ1010L /分で2UIP4000
N.A。10 100L /分UIP16000
N.A。大きなのクラスタ UIP16000

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文学/参考文献

  • 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.

知る価値のある事実

パワー超音波キャビテーション

高い強烈な超音波は液体またはスラリーの現象に結合されたとき キャビテーション 発生しました。
高出力、低周波超音波は、制御された方法で液体およびスラリー中にキャビテーション気泡の形成を引き起こす。激しい超音波は、液体中で交互する低圧/高圧サイクルを発生させる。これらの急激な圧力変化は、いわゆるキャビテーション気泡(cavitation bubble)を発生させる。超音波誘起キャビテーション気泡は、溶解した分子からフリーラジカルのような活性種の形成が起こる顕微鏡スケールで高温高圧を提供する化学的マイクロリアクターと考えることができる。材料化学の文脈において、超音波キャビテーションは、システムが室温および周囲圧力に近い巨視的には維持されている間に、高温(最高5000K)および高圧(500atm)反応を局部的に触媒するユニークな可能性を有する。 (Skorb、Andreeva、2013年参照)
超音波治療は、主にキャビテーション効果に基づいています。冶金学のために、超音波処理は金属および合金の鋳造を改善するための非常に有利な技術です。
金属溶融物の処理に加えて、超音波処理は、チタンや合金などの固体金属表面にスポンジ状のナノ構造やナノパターンを作成するためにも使用されます。これらの超音波ナノ構造のチタンおよび合金部品は、骨形成細胞の増殖を強化したインプラントとして大きな能力を示します。 チタンインプラントの超音波ナノ構造化についてもっと読む!

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