금속 용융물의 초음파 정제
- 용융 금속 및 합금의 전력 초음파는 구조화, 가스 제거 및 여과 개선과 같은 다양한 유익한 효과를 보여줍니다.
- 초음파는 액체 및 반 고체 금속의 비 수지상 응고를 촉진합니다.
- 초음파 처리는 수지상 입자 및 1 차 금속 간 입자의 미세 구조 개선에 상당한 이점이 있습니다.
- 또한, 전력 초음파는 금속 다공성을 줄이거나 메조 다공성 구조를 생성하기 위해 의도적으로 사용될 수 있습니다.
- 마지막으로, 파워 초음파는 주물의 품질을 향상시킵니다.
금속 용융물의 초음파 응고
금속 용융물의 응고 중 비수지상 구조의 형성은 강도, 연성, 인성 및/또는 경도와 같은 재료 특성에 영향을 미칩니다.
초음파로 변경된 입자 핵 형성 : 음향 캐비테이션과 그 강한 전단력은 용융물의 핵 형성 부위와 핵 수를 증가시킵니다. 용융물의 초음파 처리는 이질적인 핵 형성과 수상돌기의 단편화를 초래하여 최종 제품이 훨씬 더 높은 입자 미세도를 보여줍니다.
초음파 캐비테이션은 용융물에서 비금속 불순물의 균일한 습윤을 유발합니다. 이러한 불순물은 응고의 시작점인 핵 형성 부위로 바뀝니다. 이러한 핵 형성 지점이 응고 전선보다 앞서 있기 때문에 수지상 구조의 성장이 발생하지 않습니다.
초음파 처리 후 Ti 합금의 거대 구조. 초음파는 상당히 정제 된 입자 구조를 만듭니다.
바이로이트 대학의 Andreeva-Bäumler 박사는 초음파 장치 UIP1000hdT를 사용하여 금속의 나노 구조화에 연구하고 있습니다.
합금 Vicker 경도에 대한 초음파 효과 : 초음파는 금속의 Vickers 미세 경도를 향상시킵니다.
(연구 및 그래픽: ©Ruirun et al., 2017)
수상돌기 단편화: 수상돌기의 용융은 일반적으로 국부적인 온도 상승과 분리로 인해 뿌리에서 시작됩니다. 초음파 처리는 용융물에서 강한 대류 (유체의 질량 운동에 의한 열 전달)와 충격파를 생성하여 수상돌기가 단편화됩니다. 대류는 극한의 국소 온도와 조성 변화로 인해 수상돌기 단편화를 촉진하고 용질의 확산을 촉진할 수 있습니다. 캐비테이션 충격파는 녹는 뿌리의 파손을 돕습니다.
금속 합금의 초음파 탈기
탈기는 액체 및 반고체 금속 및 합금에 대한 전력 초음파의 또 다른 중요한 효과입니다. 음향 캐비테이션은 교대로 저압/고압 사이클을 생성합니다. 저압 사이클 동안 액체 또는 슬러리에서 작은 진공 기포가 발생합니다. 이 진공 기포는 수소 및 증기 기포 형성을 위한 핵 역할을 합니다. 더 큰 수소 기포의 형성으로 인해 가스 기포가 상승합니다. 음향 흐름과 스트리밍은 이러한 기포가 표면과 용융물 밖으로 떠오르도록 도와주므로 가스를 제거하고 용융물 내 가스 농도를 줄일 수 있습니다.
초음파 탈기는 금속의 다공성을 감소시켜 최종 금속/합금 제품에서 더 높은 재료 밀도를 달성합니다.
알루미늄 합금의 초음파 탈기는 재료의 극한 인장 강도와 연성을 높입니다. 산업용 전력 초음파 시스템은 효율성 및 처리 시간 측면에서 다른 상업용 탈기 방법 중에서 가장 우수합니다. 또한, 용융물의 점도가 낮아 금형 충전 공정이 개선됩니다.
다양한 초음파 처리 시간에서 Ti44Al6Nb1Cr2V의 압축 특성. 초음파 처리는 압축 강도를 크게 향상시킵니다.
(연구 및 그래픽: ©Ruirun et al., 2017)
세라믹 sonotrode BS4D22L3C는 용융 알루미늄과 같은 고온 액체를 초음파 처리하는 데 적합한 특수 sonotrode입니다 (예 : 혼합 및 탈기 용).
여과 중 Sonocapillary 효과
액체 금속의 초음파 모세관 효과는 용융물의 초음파 보조 여과 중에 산화물 개재물을 제거하는 추진 효과입니다. (Eskin et al. 2014: 120ff.)
여과는 용융물에서 비금속 불순물을 제거하는 데 사용됩니다. 여과하는 동안 용융물은 다양한 메쉬(예: 유리 섬유)를 통과하여 원치 않는 개재물을 분리합니다. 메쉬 크기가 작을수록 여과 결과가 좋아집니다.
일반적인 조건에서 용융물은 공극 크기가 0,4-0,4mm로 매우 좁은 2중 필터를 통과할 수 없습니다. 그러나, 초음파 보조 여과 하에서, 용융물은 초음파 필러 효과로 인해 메쉬 기공을 통과 할 수 있습니다. 이 경우 필터 모세관은 1–10μm의 비금속 불순물도 잔류합니다. 합금의 향상된 순도로 인해 산화물에서 수소 기공이 형성되지 않아 합금의 피로 강도가 증가합니다.
Eskin et al. (2014: 120ff.)는 초음파 여과를 통해 알루미늄 합금 AA2024, AA7055 및 AA7075를 0.6의 다층 유리 섬유 필터(최대 9개 층)를 사용하여 정제할 수 있음을 보여주었습니다.×0.6mm 메쉬 모공. 초음파 여과 공정이 접종제의 첨가와 결합되면 동시 입자 미세화가 달성됩니다.
금속 합금의 초음파 강화
초음파는 나노 입자를 슬러리에 균일하게 분산시키는 데 매우 효과적인 것으로 입증되었습니다. 따라서 초음파 분산기는 나노 강화 복합 재료를 생산하는 가장 일반적인 장비입니다.
나노 입자(예: Al2O3/SiC, CNTs)는 보강재로 사용됩니다. 나노 입자는 용융 합금에 첨가되고 초음파로 분산됩니다. acoustic cavitation and streaming은 입자의 응집력 제거(deagglomeration)와 습윤성(wettability)을 개선하여 인장 강도, 항복 강도 및 연신율을 향상시킵니다.
중장비 어플리케이션을 위한 초음파 장비
야금에 전력 초음파를 적용하려면 까다로운 환경에 설치할 수 있는 견고하고 신뢰할 수 있는 초음파 시스템이 필요합니다. Hielscher 초음파는 중장비 응용 분야 및 거친 환경에 설치하기위한 산업용 초음파 장비를 공급합니다. 우리의 모든 초음파기는 24/7 작동을 위해 제작되었습니다. Hielscher 고출력 초음파 시스템은 견고 함, 신뢰성 및 정밀한 제어 가능성과 쌍을 이룹니다.
까다로운 프로세스 – 금속 용융물의 정제와 같은 – 강렬한 초음파 처리 능력이 필요합니다. Hielscher 초음파 산업용 초음파 프로세서는 매우 높은 진폭을 제공합니다. 최대 200μm의 진폭을 24/7 작동에서 쉽게 연속적으로 실행할 수 있습니다. 더 높은 진폭을 위해 맞춤형 초음파 소노트로드를 사용할 수 있습니다.
매우 높은 액체 및 용융 온도의 초음파 처리를 위해 Hielscher는 최적의 가공 결과를 보장하기 위해 다양한 소노트로드 및 맞춤형 액세서리를 제공합니다.
아래 표는 초음파기의 대략적인 처리 용량을 나타냅니다.
| 배치 볼륨(Batch Volume) | 유량 | 권장 장치 |
|---|---|---|
| 10 내지 2000mL | 20 내지 400mL/분 | UP200HT, UP400ST |
| 0.1 내지 20L | 0.2 내지 4L/min | UIP2000hdT 님 |
| 10에서 100L | 2 내지 10L/min | UIP4000 |
| N.A. 개시 | 10 내지 100L/min | UIP16000 |
| N.A. 개시 | 큰 | 의 클러스터 UIP16000 |
문의! / 저희에게 물어보세요!
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.
알아 둘 만한 가치가 있는 사실
Power Ultrasound 및 Cavitation
높은 강렬한 초음파가 액체 또는 슬러리에 결합되면 현상이 발생합니다. 공동 현상 발생.
고출력, 저주파 초음파는 통제된 방식으로 액체와 슬러리에 캐비테이션 기포를 형성합니다. 강렬한 초음파는 액체에서 교대로 저압/고압 사이클을 생성합니다. 이러한 급격한 압력 변화는 소위 캐비테이션 버블이라고 하는 공극을 생성합니다. 초음파 유도 캐비테이션 기포는 용해 된 분자로부터의 자유 라디칼과 같은 활성 종의 형성이 발생하는 미세한 규모에서 높은 온도와 압력을 제공하는 화학 마이크로 반응기로 간주 될 수 있습니다. 재료 화학의 맥락에서 초음파 캐비테이션은 고온 (최대 5000K) 및 고압 (500atm) 반응을 국부적으로 촉매 할 수있는 독특한 잠재력을 가지고 있으며, 시스템은 거시적으로 실온 및 주변 압력에 가깝게 유지됩니다. (Skorb, Andreeva 2013 참조)
초음파 치료는 주로 캐비테이션 효과를 기반으로합니다. 야금학의 경우, 초음파 처리는 금속 및 합금의 주조를 향상시키는 데 매우 유리한 기술입니다.
금속 용융물의 처리 외에도 초음파 처리는 티타늄 및 합금과 같은 단단한 금속 표면에 스폰지 같은 나노 구조와 나노 패턴을 만드는 데 사용됩니다. 이 초음파 나노 구조의 티타늄 및 합금 부품은 향상된 골형성 세포 증식을 가진 임플란트로 뛰어난 용량을 보여줍니다. 티타늄 임플란트의 초음파 나노 구조화에 대해 자세히 알아보십시오!