금속 용탕의 초음파 미세화
- 용융 금속과 합금에 적용되는 고출력 초음파는 구조 형성, 탈기, 여과 개선 등 다양한 유익한 효과를 나타냅니다.
- 초음파 처리는 액상 및 반고상 금속에서 비수지상 응고를 촉진합니다.
- 초음파 처리는 수지상 결정립과 초정 금속간 화합물 입자의 미세조직 미세화에 상당한 이점을 제공합니다.
- 또한 고출력 초음파는 금속의 기공률을 줄이거나 메조다공성 구조를 생성하기 위한 목적으로 사용할 수 있습니다.
- 마지막으로, 고출력 초음파는 주물의 품질을 향상시킵니다.
금속 용탕의 초음파 응고
금속 용탕의 응고 중 비수지상 구조가 형성되면 강도, 연성, 인성 및/또는 경도와 같은 재료 특성에 영향을 미칩니다.
초음파에 의해 변화하는 결정립 핵생성: 음향 캐비테이션과 그에 따른 강력한 전단력은 용탕 내 핵생성 부위와 핵의 수를 증가시킵니다. 용탕의 초음파 처리는 불균일 핵생성과 수지상정의 파편화를 일으켜 최종 제품의 결정립 미세화 정도를 현저히 높입니다.
초음파 캐비테이션은 용탕 내 비금속 불순물이 균일하게 젖도록 합니다. 이러한 불순물은 응고의 시작점인 핵생성 부위로 전환됩니다. 이러한 핵생성 지점은 응고 선단보다 앞에 있으므로 수지상 구조의 성장이 일어나지 않습니다.
초음파 처리 후 Ti 합금의 거시조직. 초음파 처리를 통해 결정립 조직이 현저히 미세해집니다.
바이로이트 대학교의 Andreeva-Bäumler 박사는 초음파 장치 UIP1000hdT를 사용하여 금속의 나노구조화를 연구하고 있습니다.
합금의 비커스 경도에 대한 초음파 효과: 초음파 처리는 금속의 비커스 미세경도를 향상시킵니다
(연구 및 그래픽: ©Ruirun et al., 2017)
수지상정의 파편화: 수지상정의 용융은 일반적으로 국부적인 온도 상승과 편석으로 인해 뿌리 부분에서 시작됩니다. 초음파 처리는 용탕에 강력한 대류(유체의 질량 이동에 의한 열전달)와 충격파를 발생시켜 수지상정을 파편화합니다. 대류는 극단적인 국부 온도와 조성 변화로 인해 수지상정의 파편화를 촉진할 수 있으며, 용질의 확산도 촉진합니다. 캐비테이션 충격파는 용융 중인 이러한 뿌리 부분의 파단을 돕습니다.
금속 합금의 초음파 탈기
탈기는 액상 및 반고상 금속과 합금에 대한 고출력 초음파의 또 다른 중요한 효과입니다. 음향 캐비테이션은 저압 / 고압 주기를 교대로 생성합니다. 저압 주기 동안 액체나 슬러리 내에 미세한 진공 기포가 발생합니다. 이러한 진공 기포는 수소 기포와 증기 기포 형성의 핵으로 작용합니다. 더 큰 수소 기포가 형성됨에 따라 가스 기포가 상승합니다. 음향 유동과 스트리밍은 이러한 기포가 표면으로 떠올라 용탕 밖으로 빠져나가도록 도와 가스를 제거할 수 있게 하고 용탕 내 가스 농도를 낮춥니다.
초음파 탈기는 금속의 기공률을 줄여 최종 금속 / 합금 제품의 재료 밀도를 높입니다.
알루미늄 합금의 초음파 탈기는 재료의 극한 인장 강도와 연성을 높입니다. 산업용 고출력 초음파 시스템은 효과와 처리 시간 측면에서 다른 상용 탈기 방법 가운데 최상의 방법으로 꼽힙니다. 또한 용탕의 점도가 낮아져 주형 충전 공정이 개선됩니다.
다양한 초음파 처리 시간에 따른 Ti44Al6Nb1Cr2V의 압축 특성. 초음파 처리는 압축 강도를 현저히 향상시킵니다.
(연구 및 그래픽: ©Ruirun et al., 2017)
세라믹 소노트로드 BS4D22L3C는 용융 알루미늄과 같은 고온 액체의 초음파 처리(예: 혼합 및 탈기)에 적합한 특수 소노트로드입니다.
여과 중 초음파 모세관 효과
액체 금속의 초음파 모세관 효과는 초음파 보조 용탕 여과 중 산화물 개재물을 제거하는 구동 효과입니다. (Eskin et al. 2014: 120ff.)
여과는 용탕에서 비금속 불순물을 제거하는 데 사용됩니다. 여과 중 용탕은 다양한 메시(예: 유리섬유)를 통과하며 원치 않는 개재물이 분리됩니다. 메시의 망눈 크기가 작을수록 여과 결과가 좋아집니다.
일반적인 조건에서 용탕은 기공 크기가 0.4–0.4mm로 매우 작은 이중층 필터를 통과할 수 없습니다. 그러나 초음파 보조 여과에서는 초음파 모세관 효과로 인해 용탕이 메시 기공을 통과할 수 있습니다. 이 경우 필터의 모세관은 1–10μm 크기의 비금속 불순물까지 포집합니다. 합금의 순도가 높아짐에 따라 산화물에서 수소 기공이 형성되는 것을 방지하여 합금의 피로 강도가 증가합니다.
Eskin et al. (2014: 120ff.)은 초음파 여과를 통해 메시 기공이 0.6×0.6mm인 다층 유리섬유 필터(최대 9개 층)를 사용하여 알루미늄 합금 AA2024, AA7055 및 AA7075를 정제할 수 있음을 보여주었습니다. 초음파 여과 공정에 접종제 첨가를 병행하면 결정립 미세화도 동시에 이루어집니다.
금속 합금의 초음파 강화
초음파 처리는 슬러리 내에 나노입자를 균일하게 분산시키는 데 매우 효과적인 것으로 입증되었습니다. 따라서 초음파 분산기는 나노 강화 복합재를 생산하는 데 가장 널리 사용되는 장비입니다.
나노입자(예: Al2O3/SiC, CNTs)는 강화재로 사용됩니다. 나노입자를 용융 합금에 첨가하고 초음파로 분산시킵니다. 음향 캐비테이션과 스트리밍은 입자의 해응집과 젖음성을 개선하여 인장 강도, 항복 강도 및 연신율을 향상시킵니다.
가혹한 작업 조건을 위한 초음파 장비
야금 분야에서 고출력 초음파를 적용하려면 까다로운 환경에 설치할 수 있는 견고하고 신뢰할 수 있는 초음파 시스템이 필요합니다. Hielscher Ultrasonics는 가혹한 작업 조건과 거친 환경에 설치할 수 있는 산업용 초음파 장비를 공급합니다. 당사의 모든 초음파 장치는 24/7 운전을 위해 제작되었습니다. Hielscher 고출력 초음파 시스템은 견고성, 신뢰성 및 정밀한 제어성을 갖추고 있습니다.
금속 용탕의 미세화와 같은 까다로운 공정에는 강력한 초음파 처리 능력이 필요합니다. Hielscher Ultrasonics의 산업용 초음파 프로세서는 매우 높은 진폭을 제공합니다. 최대 200µm의 진폭으로도 24/7 연속 운전을 손쉽게 수행할 수 있습니다. 더 높은 진폭을 위해 맞춤형 초음파 소노트로드도 제공됩니다.
매우 높은 온도의 액체와 용탕을 초음파 처리할 수 있도록 Hielscher는 최적의 처리 결과를 보장하는 다양한 소노트로드와 맞춤형 부속품을 제공합니다.
아래 표는 당사 초음파 장치의 대략적인 처리 용량을 보여줍니다:
| 배치 부피 | 유량 | 권장 장치 |
|---|---|---|
| 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. | 더 높은 유량 | 다음 장치로 구성된 클러스터: UIP16000 |
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문헌/참고문헌
- 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.
알아두면 좋은 사실
고출력 초음파와 캐비테이션
고강도 초음파가 액체나 슬러리에 전달되면 캐비테이션 현상이 발생합니다.
고출력 저주파 초음파는 액체와 슬러리에서 캐비테이션 기포가 제어된 방식으로 형성되도록 합니다. 강력한 초음파는 액체 내에 저압 / 고압 주기를 교대로 생성합니다. 이러한 급격한 압력 변화는 캐비테이션 기포라고 하는 공동을 생성합니다. 초음파로 유도된 캐비테이션 기포는 미시적 규모에서 고온과 고압을 제공하는 화학적 미세반응기로 볼 수 있으며, 그 안에서는 용해된 분자로부터 자유 라디칼과 같은 활성종이 형성됩니다. 재료 화학에서 초음파 캐비테이션은 시스템 전체가 거시적으로 상온과 대기압에 가까운 상태를 유지하면서도 고온(최대 5000 K) 및 고압(500atm) 반응을 국부적으로 촉진할 수 있는 고유한 잠재력을 지닙니다. (참조: Skorb, Andreeva 2013)
초음파 처리는 주로 캐비테이션 효과에 기반합니다. 야금 분야에서 초음파 처리는 금속과 합금의 주조를 개선하는 데 매우 유리한 기술입니다.
금속 용탕의 처리 외에도 초음파 처리는 티타늄과 합금 같은 고체 금속 표면에 스펀지 형태의 나노구조와 나노패턴을 생성하는 데 사용됩니다. 초음파로 나노구조화된 이러한 티타늄 및 합금 부품은 골형성 세포의 증식이 향상된 임플란트로서 뛰어난 가능성을 보여줍니다. 티타늄 임플란트의 초음파 나노구조화에 대해 자세히 알아보세요!