Ultraschallverfeinerung vu Metallschmëlzen
- Leeschtungsultraschall a geschmoltene Metaller a Legéierunge weist verschidde positiv Effekter wéi Strukturéierung, Entgasung a verbessert Filtratioun.
- D’Ultraschallbehandlung fërdert d’net-dendrittesch Erstarrung a flëssegen an halleffeste Metaller.
- D’Ultraschallbehandlung huet bedeitend Virdeeler fir d’mikrostrukturell Verfeinerung vun dendrittesche Kären a primären intermetallesche Partikelen.
- Ausserdeem kann de Leeschtungsultraschall geziilt agesat ginn, fir d’Porositéit vum Metall ze reduzéieren oder mesoporéis Strukturen ze produzéieren.
- Zu gudder Lescht verbessert de Leeschtungsultraschall d’Qualitéit vu Gossstécker.
Ultraschallënnerstëtzt Erstarrung vu Metallschmëlzen
D’Bildung vun net-dendrittesche Strukture wärend der Erstarrung vu Metallschmëlzen beaflosst d’Materialeegenschafte wéi Festegkeet, Duktilitéit, Zähegkeet an/oder Häert.
Duerch Ultraschall verännert Kärkeimbildung: D’akustesch Kavitatioun an hir intensiv Schéierkräfte erhéijen d’Zuel vun de Keimbildungsplazen an de Keimen an der Schmëlz. D’Ultraschallbehandlung vu Schmëlze féiert zu enger heterogener Keimbildung an zur Fragmentéierung vun Dendritten, sou datt d’Endprodukt eng däitlech méi staark Kärverfeinerung opweist.
D’Ultraschallkavitatioun bewierkt eng gläichméisseg Benetzung vun net-metallesche Veronrengegungen an der Schmëlz. Dës Veronrengegunge ginn zu Keimbildungsplazen, déi d’Ausgangspunkte vun der Erstarrung sinn. Well dës Keimbildungsplaze virun der Erstarrungsfront leien, kënnt et net zum Wuesstem vun dendrittesche Strukturen.
Makrostruktur vun enger Ti-Legéierung no der Ultraschallbehandlung. D’Ultraschallbehandlung féiert zu enger däitlech verfeinerter Kärstruktur.
D’Dr. Andreeva-Bäumler vun der Universitéit Bayreuth schafft mam Ultraschallapparat UIP1000hdT un der Nanostrukturéierung vu Metaller.
Ultraschalleffekter op d’Vickers-Häert vu Legéierungen: D’Ultraschallbehandlung verbessert d’Vickers-Mikrohäert am Metall
(Etüd a Grafik: ©Ruirun et al., 2017)
Fragmentéierung vun Dendritten: D’Schmëlze vun Dendritte fänkt wéinst lokaler Temperaturerhéijung a Seegregatioun normalerweis un der Wuerzel un. D’Ultraschallbehandlung erzeegt eng staark Konvektioun (Wärmetransport duerch d’Massebeweegung vun engem Fluid) a Stousswellen an der Schmëlz, sou datt d’Dendritte fragmentéiert ginn. D’Konvektioun kann d’Fragmentéierung vun Dendritte wéinst extremen lokalen Temperaturen an Ënnerscheeder an der Zesummesetzung fërderen a begënschtegt d’Diffusioun vun opgeléistem Stoff. D’Stousswelle vun der Kavitatioun ënnerstëtzen d’Ofbrieche vun dëse schmëlzende Wuerzelen.
Ultraschallentgasung vu metallesche Legéierungen
D’Entgasung ass en anere wichtegen Effet vum Leeschtungsultraschall op flësseg an halleffest Metaller a Legéierungen. D’akustesch Kavitatioun erzeugt ofwiesselnd Nidderdrock- / Héichdrockzyklen. Wärend den Nidderdrockzyklen entstinn an der Flëssegkeet oder Suspensioun winzeg Vakuumblosen. Dës Vakuumblosen déngen als Keime fir d’Bildung vu Waasserstoff- an Dampblosen. Duerch d’Bildung vu méi grousse Waasserstoffblose klammen d’Gasblosen erop. Akustesch Stréimung a Stréimungsbeweegungen ënnerstëtzen d’Eropklamme vun dëse Blosen op d’Uewerfläch an aus der Schmëlz eraus, sou datt de Gas ewechgeholl ka ginn an d’Gaskonzentratioun an der Schmëlz reduzéiert gëtt.
D’Ultraschallentgasung reduzéiert d’Porositéit vum Metall a bewierkt domat eng méi héich Materialdicht am fäerdege Metall- / Legéierungsprodukt.
D’Ultraschallentgasung vun Aluminiumlegéierungen erhéicht déi maximal Zuchfestegkeet an d’Duktilitéit vum Material. Industriell Leeschtungsultraschallsystemer gëllen am Verglach mat anere kommerziellen Entgasungsmethoden als déi bescht wat d’Wierksamkeet an d’Veraarbechtungszäit ugeet. Ausserdeem gëtt de Prozess vum Fëlle vun der Gossform duerch déi méi niddreg Viskositéit vun der Schmëlz verbessert.
Drockeegenschafte vun Ti44Al6Nb1Cr2V bei verschiddenen Ultraschallbehandlungszäiten. D’Ultraschallbehandlung verbessert d’Drockfestegkeet däitlech.
(Etüd a Grafik: ©Ruirun et al., 2017)
Déi keramesch Sonotrod BS4D22L3C ass eng speziell Sonotrod, déi fir d’Ultraschallbehandlung vu Flëssegkeete mat héijen Temperature wéi geschmoltenem Aluminium gëeegent ass (z. B. fir ze mëschen an ze entgasen).
Sonokapillaren Effet bei der Filtratioun
Den Ultraschallkapillareffekt a flëssege Metaller ass den dreiwenden Effet fir d’Ewechhuele vun Oxid-Aschlëss bei der ultraschallënnerstëtzter Filtratioun vu Schmëlzen. (Eskin et al. 2014: 120ff.)
D’Filtratioun gëtt benotzt, fir net-metallesch Veronrengegungen aus der Schmëlz ewechzehuelen. Bei der Filtratioun passéiert d’Schmëlz verschidde Siebgeweber (z. B. aus Glasfaseren), fir onerwënscht Aschlëss ofzetrennen. Wat d’Maschewäit méi kleng ass, wat d’Filtratiounsresultat besser ass.
Ënner gewéinleche Bedéngunge kann d’Schmëlz keen zweeschichtege Filter mat enger ganz klenger Poregréisst vun 0,4–0,4mm passéieren. Bei der ultraschallënnerstëtzter Filtratioun kann d’Schmëlz awer duerch de sonokapillaren Effet d’Maschepore passéieren. An dësem Fall halen d’Filterkapillare souguer net-metallesch Veronrengegunge vun 1–10μm zeréck. Duerch déi erhéicht Rengheet vun der Legéierung gëtt d’Bildung vu Waasserstoffporen un den Oxide verhënnert, sou datt d’Ermiddungsfestegkeet vun der Legéierung erhéicht gëtt.
Eskin et al. (2014: 120ff.) hu gewisen, datt d’Ultraschallfiltratioun et erméiglecht, d’Aluminiumlegéierungen AA2024, AA7055 an AA7075 mat méischichtege Glasfaserfilteren (mat bis zu 9 Schichten) mat Maschepore vun 0,6×0,6mm ze rengegen. Wann den Ultraschallfiltratiounsprozess mat der Zousaz vu Keimbildungsmëttele kombinéiert gëtt, gëtt gläichzäiteg eng Kärverfeinerung erreecht.
Ultraschallverstäerkung vu Metalllegéierungen
D’Ultraschallbehandlung ass noweislech héichwierksam, fir Nanopartikelen a Suspensioune gläichméisseg ze verdeelen. Dofir sinn Ultraschalldispergatoren déi heefegst Apparater fir d’Produktioun vun nanoverstäerkte Verbondmaterialien.
Nanopartikelen (z. B. Al2O3/SiC, CNTs) ginn als Verstäerkungsmaterial benotzt. D’Nanopartikele ginn an déi geschmolte Legéierung bäigesat a mat Ultraschall dispergéiert. D’akustesch Kavitatioun an d’Stréimungsbeweegunge verbesseren d’Desagglomeratioun an d’Benetzbarkeet vun de Partikelen, wat zu enger verbesserter Zuchfestegkeet, Fléissgrenz an Deenung féiert.
Ultraschallapparater fir Uwendunge mat héijer Belaaschtung
D’Uwendung vu Leeschtungsultraschall an der Metallurgie erfuerdert robust, zouverlässeg Ultraschallsystemer, déi an usprochsvollen Ëmfeld installéiert kënne ginn. Hielscher Ultrasonics liwwert Ultraschallapparater vun industrieller Qualitéit fir Installatiounen an Uwendunge mat héijer Belaaschtung an a rauen Ëmfeld. All eis Ultraschallapparater si fir de 24/7-Betrib gebaut. Hielscher Ultraschallsystemer mat héijer Leeschtung verbannen Robustheet, Zouverlässegkeet a präzis Steierbarkeet.
Usprochsvoll Prozesser – wéi d’Verfeinerung vu Metallschmëlzen – erfuerderen d’Méiglechkeet vun enger intensiver Ultraschallbehandlung. Déi industriell Ultraschallprozessoren vun Hielscher Ultrasonics liwwere ganz héich Amplituden. Amplitude vu bis zu 200µm kënnen ouni Weideres kontinuéierlech am 24/7-Betrib gefuer ginn. Fir nach méi héich Amplitudë si personaliséiert Ultraschallsonotroden disponibel.
Fir d’Ultraschallbehandlung vu Flëssegkeeten a Schmëlze bei ganz héijen Temperature bitt Hielscher verschidde Sonotroden a personaliséiert Accessoiren un, fir optimal Veraarbechtungsresultater ze garantéieren.
D’Tabell hei drënner gëtt Iech en Unhaltspunkt fir déi ongeféier Veraarbechtungskapazitéit vun eisen Ultraschallapparater:
| Chargevolumen | Duerchfloss | Recommandéiert Apparater |
|---|---|---|
| 10 bis 2000mL | 20 bis 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 bis 20L | 0,2 bis 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 bis 100L | 2 bis 10L/min | UIP4000 |
| n.a. | 10 bis 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | méi héich | Grupp vun UIP16000 |
Kontaktéiert eis! / Frot eis!
Literatur/Referenzen
- 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.
Wëssenswäert Fakten
Leeschtungsultraschall a Kavitatioun
Wann héichintensiv Ultraschallwellen a Flëssegkeeten oder Suspensiounen agekoppelt ginn, trëtt de Phenomeen vun der Kavitatioun op.
Ultraschall mat héijer Leeschtung an niddreger Frequenz bewierkt op eng kontrolléiert Aart a Weis d’Bildung vu Kavitatiounsblosen a Flëssegkeeten a Suspensiounen. Intensiv Ultraschallwellen erzeegen ofwiesselnd Nidderdrock- / Héichdrockzyklen an der Flëssegkeet. Dës séier Drockännerungen erzeegen Huelraim, déi sougenannt Kavitatiounsblosen. Duerch Ultraschall induzéiert Kavitatiounsblose kënnen als cheemesch Mikroreaktere betruecht ginn, déi op mikroskopeschem Niveau héich Temperaturen an Dréck bereetstellen, wou aktiv Spezies wéi fräi Radikaler aus opgeléiste Moleküllen entstinn. Am Kontext vun der Materialcheemie huet d’Ultraschallkavitatioun dat eenzegaartegt Potenzial, fir lokal Héichtemperaturreaktiounen (bis zu 5000 K) an Héichdrockreaktiounen (500atm) ze katalyséieren, wärend de System makroskopesch no bei Raumtemperatur an Ëmgéigendrock bleift. (vgl. Skorb, Andreeva 2013)
Ultraschallbehandlunge baséieren haaptsächlech op Kavitatiounseffekter. Fir d’Metallurgie ass d’Ultraschallbehandlung eng héichvirdeelhaft Technik, fir d’Géisse vu Metaller a Legéierungen ze verbesseren.
Nieft der Behandlung vu Metallschmëlze gëtt d’Ultraschallbehandlung och benotzt, fir schwammänlech Nanostrukturen an Nanomusteren op feste Metalluewerfläche wéi Titan a Legéierungen ze schafen. Dës duerch Ultraschall nanostrukturéiert Deeler aus Titan a Legéierunge weisen e grousst Potenzial als Implantater mat verstäerkter Proliferatioun vun osteogenen Zellen. Liest méi iwwer d’Ultraschallnanostrukturéierung vun Titanimplantater!