金属メルトの超音波精錬

• 溶融金属および合金におけるパワー超音波は、構造化、脱ガス、濾過の改善など、さまざまな有益な効果を示す。
• 超音波照射は、液体および半固体金属の非樹枝状凝固を促進する。
• ソニケーションは、樹枝状結晶粒や一次金属間化合物粒子の微細化に大きな効果を発揮する。
• さらに、パワー超音波を意図的に使用することで、金属の気孔率を下げたり、メソポーラス構造を作り出すことができる。
• 最後になるが、パワー超音波は鋳物の品質を向上させる。

金属融体の超音波凝固

金属融液の凝固過程における非デンドライト組織の形成は、強度、延性、靭性、硬度などの材料特性に影響を与える。
超音波により変化した結晶粒核生成： 音響キャビテーションとその強いせん断力は、融液中の核生成サイトと核の数を増加させる。融液の超音波処理により、不均一な核生成とデンドライトの断片化が起こり、最終製品は著しく高い結晶粒微細化を示す。
超音波キャビテーションは、融液中の非金属不純物を均一に濡らす。これらの不純物は、凝固の起点となる核生成サイトに変化する。これらの核生成点は凝固前線の前方にあるため、樹枝状構造の成長は起こらない。

超音波処理後のTi合金のマクロ組織。超音波処理により、結晶粒組織が著しく微細化した。

合金のビッカース硬度に対する超音波効果：超音波処理による金属のビッカース硬度の向上
(研究・グラフィック：©Ruirun et al, 2017）

 
デンドライトの断片化： デンドライトの融解は通常、局所的な温度上昇と偏析のために根元から始まる。ソニケーションは、融液中に強い対流（流体の質量運動による熱伝達）と衝撃波を発生させるので、デンドライトは断片化される。対流は、極端な局所温度や組成の変化によりデンドライトの破砕を促進し、溶質の拡散を促進する。キャビテーション衝撃波は、融解したデンドライトの破砕を助ける。

金属合金の超音波脱ガス処理

脱ガスは、液体や半固体の金属や合金に対するパワー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により、低圧と高圧のサイクルが交互に発生します。低圧サイクルの間、液体またはスラリー中に小さな真空バブルが発生します。これらの真空気泡は、水素や蒸気の気泡を形成する核となります。より大きな水素バブルの形成により、ガスバブルは上昇する。音響流とストリーミングは、これらの気泡の表面への浮上と溶融物からの流出を補助するため、ガスは除去され、溶融物中のガス濃度は減少する。
超音波脱ガスは金属の気孔率を低下させ、最終的な金属／合金製品の材料密度を高める。
アルミニウム合金の超音波脱ガス処理は、材料の極限引張強度と延性を高めます。工業用パワー超音波システムは、効果と処理時間に関して、他の市販の脱ガス方法の中で最も優れています。さらに、溶融物の粘度が低くなるため、金型への充填プロセスが改善されます。
 

様々な超音波処理時間におけるTi44Al6Nb1Cr2Vの圧縮特性。超音波処理により圧縮強度が大幅に向上した。
(研究・グラフィック：©Ruirun et al, 2017）

ろ過中のソノキャピラリー効果

液体金属中の超音波毛細管効果は、融液の超音波補助濾過中に酸化物包有物を除去する原動力となる効果である。(Eskin et al. 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る。濾過中、溶融物は様々なメッシュ（例えばガラス繊維）を通過し、不要な介在物を分離する。メッシュのサイズが小さいほど、濾過の結果は良くなります。
一般的な条件下では、溶融物は孔径0.4～0.4mmの非常に狭い2層フィルターを通過することができない。しかし、超音波補助濾過では、ソノキャピラリー効果により、融液はメッシュ孔を通過することができる。この場合、フィルター毛細管は1～10μmの非金属不純物も保持する。合金の純度が向上するため、酸化物での水素孔の形成が回避され、合金の疲労強度が向上する。
Eskinら(2014: 120ff.)は、超音波濾過により、多層グラスファイバーフィルター（最大9層）を使用して、アルミニウム合金AA2024、AA7055、AA7075を0.6%で浄化できることを示している。×0.6mmメッシュの孔。超音波濾過工程を植菌剤の添加と組み合わせると、同時に粒子の微細化が達成される。

金属合金の超音波補強

超音波は、ナノ粒子をスラリー中に均一に分散させるのに非常に効果的であることが証明されている。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ある。
ナノ粒子（例：Al₂O₃/SiC、CNT）を強化材として使用する。ナノ粒子は溶融合金に添加され、超音波で分散される。音響キャビテーションとストリーミングにより、粒子の脱凝集と濡れ性が改善され、その結果、引張強度、降伏強度、伸びが向上する。

ヘビーデューティー用超音波装置

冶金分野におけるパワー超音波の応用には、過酷な環境でも設置可能な堅牢で信頼性の高い超音波システムが必要です。Hielscher Ultrasonicsは、過酷なアプリケーションや過酷な環境での設置に対応する工業用グレードの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時間365日稼動するように設計されています。Hielscherのハイパワー超音波システムは、堅牢性、信頼性、正確な制御性を兼ね備えています。
要求されるプロセス – 金属融液の精製など – は強力な超音波処理能力を必要とします。Hielscher Ultrasonicsの工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の振幅を24時間365日連続運転することができます。さらに高い振幅を必要とする場合は、カスタマイズされた超音波ソノトロードをご利用いただけます。
非常に高温の液体や溶融物を超音波処理するために、Hielscher社は様々なソノトロードとカスタマイズされたアクセサリーを提供し、最適な処理結果を保証します。
下の表は、超音波処理装置の処理能力の目安です：