Metāla kausējumu ultraskaņas attīrīšana
- Jaudas ultraskaņa izkausētos metālos un sakausējumos parāda dažādas labvēlīgas sekas, piemēram, strukturēšanu, degazēšanu un uzlabotu filtrēšanu.
- Ultrasonication veicina ne-dendrītisko sacietēšanu šķidros un daļēji cietos metālos.
- Ultraskaņas apstrādei ir ievērojamas priekšrocības dendrītisko graudu un primāro starpmetālu daļiņu mikrostrukturālajā attīrīšanā.
- Turklāt jaudas ultraskaņu var mērķtiecīgi izmantot, lai samazinātu metāla porainību vai radītu mezoporainas struktūras.
- Visbeidzot, bet ne mazāk svarīgi, jaudas ultraskaņa uzlabo lējumu kvalitāti.
Metāla kausējumu ultraskaņas cietināšana
Nedendrītisku struktūru veidošanās metāla kausējumu sacietēšanas laikā ietekmē tādas materiāla īpašības kā izturība, elastīgums, izturība un/vai cietība.
Ultrasoniski mainīts graudu nukleācija: Akustiskā kavitācija un tās intensīvie bīdes spēki palielina nukleācijas vietas un kodolu skaitu kausējumā. Kausējumu ultraskaņas apstrāde izraisa neviendabīgu nukleāciju un dendritu sadrumstalotību, lai galaproduktam būtu ievērojami augstāks graudu uzlabojums.
Ultraskaņas kavitācija izraisa vienmērīgu nemetālisko piemaisījumu mitrināšanu kausējumā. Šie piemaisījumi pārvēršas par nukleācijas vietām, kas ir sacietēšanas sākuma punkti. Tā kā šie nukleācijas punkti ir priekšā sacietēšanas frontei, dendrītisko struktūru augšana nenotiek.
Ti sakausējuma makrostruktūra pēc ultraskaņas apstrādes. Ultrasonication rada ievērojami uzlabotu graudu struktūru.
Dr Andreeva-Bäumler, Baireitas universitāte, strādā ar ultrasonicator UIP1000hdT par metālu nano-strukturēšanu.
Ultraskaņas efekti uz sakausējuma Vicker cietību: Ultrasonication uzlabo Vickers mikroharditāti metālā
(pētījums un grafiks: ©Ruirun et al., 2017)
Dendrīta fragmentācija: Dendritu kušana parasti sākas pie saknes vietējās temperatūras paaugstināšanās un segregācijas dēļ. Ultraskaņas apstrāde rada spēcīgu konvekciju (siltuma pārnesi ar šķidruma masas kustību) un trieciena viļņus kausējumā, lai dendriti būtu sadrumstaloti. Konvekcija var veicināt dendrīta fragmentāciju ekstremālu vietējo temperatūru, kā arī sastāva variāciju dēļ un veicina izšķīdušās vielas difūziju. Kavitācijas šoka viļņi palīdz salauzt šīs kūstošās saknes.
Metālisko sakausējumu ultraskaņas degazēšana
Degazēšana ir vēl viena svarīga jaudas ultraskaņas ietekme uz šķidriem un daļēji cietiem metāliem un sakausējumiem. Akustiskā kavitācija rada mainīgus zema spiediena / augsta spiediena ciklus. Zema spiediena ciklu laikā šķidrumā vai vircā rodas sīki vakuuma burbuļi. Šie vakuuma burbuļi darbojas kā kodoli ūdeņraža un tvaika burbuļu veidošanai. Sakarā ar lielāku ūdeņraža burbuļu veidošanos gāzes burbuļi palielinās. Akustiskā plūsma un straumēšana palīdz šiem burbuļiem peldēt uz virsmas un no kausējuma, lai varētu atdalīt gāzi un samazināt gāzes koncentrāciju kausējumā.
Ultraskaņas degazēšana samazina metāla porainību, tādējādi panākot lielāku materiāla blīvumu gala metāla / sakausējuma izstrādājumā.
Alumīnija sakausējumu ultraskaņas degazifikācija paaugstina materiāla galīgo stiepes izturību un elastīgumu. Rūpnieciskās jaudas ultraskaņas sistēmas tiek uzskatītas par labākajām starp citām komerciālām degazēšanas metodēm attiecībā uz efektivitāti un apstrādes laiku. Turklāt pelējuma pildīšanas process tiek uzlabots zemākas kausējuma viskozitātes dēļ.
Ti44Al6Nb1Cr2V spiedes īpašības dažādos ultraskaņas laikos. Ultraskaņas apstrāde ievērojami uzlabo spiedes stiprību.
(pētījums un grafiks: ©Ruirun et al., 2017)
Keramikas sonotrode BS4D22L3C ir īpašs sonotrode, kas piemērots augstas temperatūras šķidrumu, piemēram, izkausēta alumīnija, apstrādei ar ultraskaņu (piemēram, sajaukšanai un degazēšanai).
Sonocapillary efekts filtrēšanas laikā
Ultraskaņas kapilārā iedarbība šķidros metālos ir virzošais efekts, lai noņemtu oksīda ieslēgumus kausējumu ultraskaņas filtrēšanas laikā. (Eskin et al. 2014: 120ff.)
Filtrēšana tiek izmantota, lai no kausējuma noņemtu nemetāliskus piemaisījumus. Filtrēšanas laikā kausējums šķērso dažādas acis (piemēram, stikla šķiedru), lai atdalītu nevēlamus ieslēgumus. Jo mazāks ir acs izmērs, jo labāks ir filtrēšanas rezultāts.
Parastos apstākļos kausējums nevar iziet cauri divslāņu filtram ar ļoti šauru poru izmēru 0,4-0,4 mm. Tomēr saskaņā ar ultrasoniski atbalstītu filtrēšanu kausējums ir ļāvis iziet cauri acu porām sonokapilārā efekta dēļ. Šajā gadījumā filtra kapilāri saglabā pat nemetāliskus piemaisījumus 1–10 μm. Pateicoties sakausējuma uzlabotajai tīrībai, tiek novērsta ūdeņraža poru veidošanās oksīdos, lai palielinātu sakausējuma noguruma izturību.
(2014: 120ff.) ir parādījis, ka ultraskaņas filtrēšana ļauj attīrīt alumīnija sakausējumus AA2024, AA7055 un AA7075, izmantojot daudzslāņu stikla šķiedras filtrus (ar līdz 9 slāņiem) ar 0,6×0.6mm acu poras. Kad ultraskaņas filtrēšanas process tiek apvienots ar inokulantu pievienošanu, tiek panākta vienlaicīga graudu uzlabošana.
Metālu sakausējumu ultraskaņas pastiprināšana
Ir pierādīts, ka ultrasonication ir ļoti efektīvs, lai vienmērīgi izkliedētu nano daļiņas vircā. Tāpēc ultraskaņas izkliedētāji ir visizplatītākā iekārta, lai ražotu nano-pastiprinātus kompozītmateriālus.
Nano daļiņas (piemēram, Al2O3/SiC, CNTs) tiek izmantoti kā pastiprinošs materiāls. Nano daļiņas tiek pievienotas izkausētajā sakausējumā un ultrasoniski izkliedētas. Akustiskā kavitācija un straumēšana uzlabo daļiņu deagglomerāciju un mitrināmību, kā rezultātā uzlabojas stiepes izturība, ražas izturība un pagarinājums.
Ultraskaņas iekārtas lieljaudas lietojumiem
Jaudas ultraskaņas pielietošanai metalurģijā ir nepieciešamas izturīgas, uzticamas ultraskaņas sistēmas, kuras var uzstādīt prasīgā vidē. Hielscher Ultrasonics piegādā rūpnieciskas kvalitātes ultraskaņas iekārtas iekārtām iekārtām lieljaudas lietojumos un neapstrādātā vidē. Visi mūsu ultrasonikatori ir būvēti 24/7 darbībai. Hielscher lieljaudas ultraskaņas sistēmas ir savienotas pārī ar izturību, uzticamību un precīzu vadāmību.
Prasīgi procesi – piemēram, metālu kausējumu rafinēšana – nepieciešama intensīvas ultraskaņas apstrādes spēja. Hielscher Ultrasonics rūpnieciskie ultraskaņas procesori nodrošina ļoti augstas amplitūdas. Amplitūdas līdz 200 μm var viegli nepārtraukti darbināt 24/7 darbībā. Vēl augstākām amplitūdām ir pieejami pielāgoti ultraskaņas sonotrodes.
Ļoti augstas šķidruma un kausēšanas temperatūras apstrādei ar ultraskaņu Hielscher piedāvā dažādus sonotrodes un pielāgotus piederumus, lai nodrošinātu optimālus apstrādes rezultātus.
Zemāk redzamajā tabulā ir sniegta norāde par mūsu ultrasonikatoru aptuveno apstrādes jaudu:
| Partijas apjoms | Plūsmas ātrums | Ieteicamās ierīces |
|---|---|---|
| 10 līdz 2000 ml | 20 līdz 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 līdz 20L | 02 līdz 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 līdz 100L | 2 līdz 10L/min | UIP4000 |
| n.p. | 10 līdz 100L/min | UIP16000 |
| n.p. | Lielāku | kopa UIP16000 |
Sazinieties ar mums! / Jautājiet mums!
Literatūra/Atsauces
- 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.
Fakti, kurus ir vērts zināt
Jaudas ultraskaņa un kavitācija
Kad augstas intensitātes ultraskaņas viļņi tiek savienoti šķidrumos vai vircās, parādība Kavitāciju Rodas.
Liela jauda, zemas frekvences ultraskaņa kontrolēti izraisa kavitācijas burbuļu veidošanos šķidrumos un vircās. Intensīvi ultraskaņas viļņi šķidrumā rada mainīgus zema spiediena / augsta spiediena ciklus. Šīs straujās spiediena izmaiņas rada tukšumus, tā sauktos kavitācijas burbuļus. Ultrasoniski izraisītus kavitācijas burbuļus var uzskatīt par ķīmiskiem mikroreaktoriem, kas nodrošina augstu temperatūru un spiedienu mikroskopiskā mērogā, kur notiek aktīvo sugu, piemēram, brīvo radikāļu, veidošanās no izšķīdušām molekulām. Materiālu ķīmijas kontekstā ultraskaņas kavitācijai ir unikāls potenciāls lokāli katalizēt augstas temperatūras (līdz 5000 K) un augstspiediena (500atm) reakcijas, kamēr sistēma paliek makroskopiski tuvu istabas temperatūrai un apkārtējam spiedienam. (sk. Skorb, Andreeva 2013)
Ultraskaņas procedūras galvenokārt balstās uz kavitācijas efektiem. Metalurģijai ultraskaņas apstrāde ir ļoti izdevīga tehnika, lai uzlabotu metālu un sakausējumu liešanu.
Papildus metāla kausējumu apstrādei ultraskaņas apstrāde tiek izmantota arī, lai radītu sūkļiem līdzīgas nanostruktūras un nano modeļus uz cietām metāla virsmām, piemēram, titāna un sakausējumiem. Šīs ultrasoniski nanostrukturētās titāna un sakausējuma daļas uzrāda lielu jaudu kā implanti ar uzlabotu osteogēno šūnu proliferāciju. Lasiet vairāk par titāna implantu ultraskaņas nano-strukturēšanu!