金属溶湯の超音波微細化

• 溶融金属および合金における高出力超音波は、構造形成、脱ガス、ろ過の改善など、さまざまな有益な効果をもたらします。
• 超音波処理は、液体および半固体の金属における非樹枝状凝固を促進します。
• 超音波処理は、樹枝状結晶粒および初晶金属間化合物粒子の微細組織の微細化に大きな効果をもたらします。
• さらに、高出力超音波は、金属の気孔率を低減したり、メソ多孔質構造を形成したりするために、目的に応じて使用できます。
• 最後に、高出力超音波は鋳物の品質も向上させます。

金属溶湯の超音波凝固

金属溶湯の凝固中に非樹枝状構造が形成されると、強度、延性、靭性、および／または硬さなどの材料特性に影響します。
超音波による結晶粒の核生成の変化： 音響キャビテーションとその強力なせん断力は、溶湯中の核生成サイトと核の数を増加させます。溶湯の超音波処理は不均一核生成とデンドライトの破砕をもたらし、その結果、最終製品では結晶粒の微細化が大幅に進みます。
超音波キャビテーションは、溶湯中の非金属不純物を均一に濡らします。これらの不純物は、凝固の開始点となる核生成サイトになります。これらの核生成点は凝固前線よりも前方に位置するため、樹枝状構造の成長は起こりません。

超音波処理後のTi合金のマクロ組織。超音波処理によって、結晶粒組織が大幅に微細化されます。

合金のビッカース硬さに対する超音波の効果：超音波処理は金属のビッカース微小硬さを向上させます
（研究および図：©Ruirun et al., 2017）

 
デンドライトの破砕： デンドライトの溶融は、局所的な温度上昇と偏析により、通常は根元から始まります。超音波処理は溶湯中に強い対流（流体の物質移動による熱伝達）と衝撃波を発生させ、その結果、デンドライトが破砕されます。対流は、極端な局所温度や組成変動によってデンドライトの破砕を促進することがあり、溶質の拡散も促進します。キャビテーションによる衝撃波は、溶融しつつあるこれらの根元の破断を助けます。

金属合金の超音波脱ガス

脱ガスは、液体および半固体の金属や合金に対する高出力超音波のもう一つの重要な効果です。音響キャビテーションは、低圧と高圧が交互に繰り返されるサイクルを生み出します。低圧サイクル中には、液体またはスラリー中に微小な真空気泡が発生します。これらの真空気泡は、水素気泡および蒸気気泡の形成核として機能します。より大きな水素気泡が形成されることで、ガス気泡が上昇します。音響流動とストリーミングは、これらの気泡が表面へ浮上して溶湯から抜け出すのを助け、ガスを除去できるようにし、溶湯中のガス濃度を低下させます。
超音波脱ガスは金属の気孔率を低減し、それによって最終的な金属／合金製品の材料密度を高めます。
アルミニウム合金の超音波脱ガスは、材料の極限引張強度と延性を高めます。産業用高出力超音波システムは、有効性と処理時間の点で、他の商用脱ガス法と比較して最良とされています。さらに、溶湯の粘度が低下するため、鋳型への充填工程も改善されます。
 

さまざまな超音波処理時間における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。
（研究および図：©Ruirun et al., 2017）

ろ過時の超音波毛細管効果

液体金属における超音波毛細管効果は、超音波支援による溶湯のろ過時に酸化物介在物を除去する駆動作用です。（Eskin et al. 2014: 120ff.）
ろ過は、溶湯から非金属不純物を除去するために使用されます。ろ過中、溶湯はさまざまなメッシュ（ガラス繊維など）を通過し、不要な介在物が分離されます。メッシュの目開きが小さいほど、ろ過結果は良好になります。
通常の条件では、溶湯は孔径が0,4–0.4mmと非常に小さい二層フィルターを通過できません。しかし、超音波支援ろ過では、超音波毛細管効果により、溶湯がメッシュの孔を通過できるようになります。この場合、フィルターの毛細管は1–10μmの非金属不純物さえ捕捉します。合金の純度が向上することで、酸化物での水素気孔の形成が回避され、合金の疲労強度が向上します。
Eskin et al.（2014: 120ff.）は、目開きが0.6×0.6mmの多層ガラス繊維フィルター（最大9層）を使用した超音波ろ過により、アルミニウム合金AA2024、AA7055、AA7075を精製できることを示しています。超音波ろ過工程を接種剤の添加と組み合わせると、結晶粒の微細化も同時に達成されます。

金属合金の超音波強化

超音波処理は、ナノ粒子をスラリー中に均一に分散させるうえで非常に効果的であることが実証されています。そのため、超音波分散装置は、ナノ粒子で強化した複合材料の製造に最も一般的に使用される装置です。
ナノ粒子（例：Al₂O₃/SiC, CNTs）は補強材として使用されます。ナノ粒子を溶融合金に添加し、超音波で分散させます。音響キャビテーションとストリーミングは、粒子の解凝集と濡れ性を改善し、その結果、引張強度、降伏強度、伸びが向上します。

過酷な用途向けの超音波装置

冶金に高出力超音波を使用するには、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。Hielscher Ultrasonicsは、過酷な用途や厳しい環境での設置に適した産業用超音波装置を提供しています。当社の超音波装置はすべて、24/7運転に対応するように設計されています。Hielscherの高出力超音波システムは、堅牢性、信頼性、精密な制御性を兼ね備えています。
金属溶湯の微細化などの要求の厳しい工程では、強力な超音波処理を行う能力が必要です。Hielscher Ultrasonicsの産業用超音波プロセッサーは、非常に高い振幅を実現します。最大200µmの振幅でも、24/7の連続運転を容易に行えます。さらに高い振幅には、カスタマイズされた超音波ソノトロードを利用できます。
非常に高温の液体や溶湯を超音波処理するために、Hielscherはさまざまなソノトロードとカスタマイズされた付属品を提供し、最適な処理結果を確保します。
以下の表は、当社の超音波装置のおおよその処理能力を示しています。