Metālu kausējumu struktūras smalcināšana ar ultraskaņu
- Lieljaudas ultraskaņai izkausētos metālos un sakausējumos ir dažāda labvēlīga iedarbība, piemēram, strukturēšana, degazēšana un uzlabota filtrēšana.
- Apstrāde ar ultraskaņu veicina nedendrītisku sacietēšanu šķidros un daļēji cietos metālos.
- Apstrāde ar ultraskaņu būtiski veicina dendrītisko graudu un primāro intermetālisko daļiņu mikrostruktūras smalcināšanu.
- Turklāt lieljaudas ultraskaņu var mērķtiecīgi izmantot metāla porainības samazināšanai vai mezoporainu struktūru veidošanai.
- Visbeidzot, lieljaudas ultraskaņa uzlabo lējumu kvalitāti.
Metālu kausējumu sacietēšana ultraskaņas iedarbībā
Nedendrītisku struktūru veidošanās metālu kausējumu sacietēšanas laikā ietekmē tādas materiāla īpašības kā stiprība, plastiskums, stigrība un/vai cietība.
Ultraskaņas ietekmē mainīta graudu kodolu veidošanās: Akustiskā kavitācija un tās intensīvie bīdes spēki palielina kodolu veidošanās vietu un kodolu skaitu kausējumā. Kausējumu apstrāde ar ultraskaņu izraisa heterogēnu kodolu veidošanos un dendrītu sadrumstalošanos, tādējādi galaproduktā iegūst ievērojami smalkākus graudus.
Ultraskaņas kavitācija izraisa vienmērīgu nemetālisko piemaisījumu samitrināšanu kausējumā. Šie piemaisījumi kļūst par kodolu veidošanās vietām, kas ir sacietēšanas sākumpunkti. Tā kā šie kodolu veidošanās punkti atrodas pirms sacietēšanas frontes, dendrītiskās struktūras neaug.
Ti sakausējuma makrostruktūra pēc apstrādes ar ultraskaņu. Apstrāde ar ultraskaņu rada ievērojami smalkāku graudu struktūru.
Dr. Andreeva-Bäumler no Baireitas Universitātes strādā ar ultraskaņas apstrādes iekārtu UIP1000hdT, lai veidotu metālu nanostruktūru.
Ultraskaņas ietekme uz sakausējuma cietību pēc Vikersa: apstrāde ar ultraskaņu uzlabo metāla mikrocietību pēc Vikersa
(pētījums un grafiks: ©Ruirun et al., 2017)
Dendrītu sadrumstalošanās: Dendrītu kušana parasti sākas pie to pamatnes lokālas temperatūras paaugstināšanās un segregācijas dēļ. Apstrāde ar ultraskaņu kausējumā rada spēcīgu konvekciju (siltuma pārnesi ar plūstošas vides masas kustību) un triecienviļņus, tādējādi dendrīti sadrumstalojas. Konvekcija var veicināt dendrītu sadrumstalošanos ārkārtīgi augstas lokālās temperatūras un sastāva izmaiņu dēļ, kā arī veicina izšķīdušās vielas difūziju. Kavitācijas triecienviļņi veicina šo kūstošo pamatņu pārlūšanu.
Metālu sakausējumu degazēšana ar ultraskaņu
Degazēšana ir vēl viena svarīga lieljaudas ultraskaņas iedarbība uz šķidriem un daļēji cietiem metāliem un sakausējumiem. Akustiskā kavitācija rada mainīgus zema spiediena / augsta spiediena ciklus. Zema spiediena ciklos šķidrumā vai suspensijā rodas sīki vakuuma burbulīši. Šie vakuuma burbulīši darbojas kā kodoli ūdeņraža un tvaika burbuļu veidošanai. Veidojoties lielākiem ūdeņraža burbuļiem, gāzes burbuļi ceļas augšup. Akustiskā plūsma un straumēšana palīdz šiem burbuļiem uzpeldēt līdz virsmai un izkļūt no kausējuma, tādējādi gāzi var aizvadīt un gāzes koncentrācija kausējumā samazinās.
Degazēšana ar ultraskaņu samazina metāla porainību, tādējādi nodrošinot lielāku materiāla blīvumu metāla / sakausējuma galaproduktā.
Alumīnija sakausējumu degazēšana ar ultraskaņu palielina materiāla stiepes stiprības robežu un plastiskumu. Rūpnieciskās lieljaudas ultraskaņas sistēmas efektivitātes un apstrādes laika ziņā tiek uzskatītas par vislabākajām citu komerciālo degazēšanas metožu vidū. Turklāt kausējuma zemākas viskozitātes dēļ uzlabojas liešanas veidnes piepildīšanas process.
Ti44Al6Nb1Cr2V īpašības spiedē pie dažādiem apstrādes ar ultraskaņu ilgumiem. Apstrāde ar ultraskaņu ievērojami uzlabo spiedes stiprību.
(pētījums un grafiks: ©Ruirun et al., 2017)
Keramiskā sonotrode BS4D22L3C ir īpaša sonotrode, kas piemērota augstas temperatūras šķidrumu, piemēram, izkausēta alumīnija, apstrādei ar ultraskaņu (piemēram, sajaukšanai un degazēšanai).
Sonokapilārais efekts filtrēšanas laikā
Ultraskaņas kapilārais efekts šķidros metālos ir virzošais efekts oksīdu ieslēgumu atdalīšanai kausējumu filtrēšanā ar ultraskaņas palīdzību. (Eskin et al. 2014: 120ff.)
Filtrēšanu izmanto nemetālisko piemaisījumu atdalīšanai no kausējuma. Filtrēšanas laikā kausējums plūst caur dažādiem sietiem (piemēram, no stikla šķiedras), lai atdalītu nevēlamus ieslēgumus. Jo mazāks sieta acu izmērs, jo labāks filtrēšanas rezultāts.
Parastos apstākļos kausējums nevar izplūst caur divslāņu filtru ar ļoti mazu poru izmēru 0,4–0,4mm. Tomēr filtrēšanā ar ultraskaņas palīdzību sonokapilārais efekts ļauj kausējumam izplūst caur sieta porām. Šajā gadījumā filtra kapilāri aiztur pat 1–10μm lielus nemetāliskos piemaisījumus. Sakausējuma paaugstinātās tīrības dēļ tiek novērsta ūdeņraža poru veidošanās pie oksīdiem, tādējādi palielinās sakausējuma noguruma stiprība.
Eskin et al. (2014: 120ff.) ir parādījuši, ka filtrēšana ar ultraskaņu ļauj attīrīt alumīnija sakausējumus AA2024, AA7055 un AA7075, izmantojot daudzslāņu stikla šķiedras filtrus (ar līdz pat 9 slāņiem), kuru sieta poru izmērs ir 0,6×0,6mm. Apvienojot filtrēšanu ar ultraskaņu ar inokulantu pievienošanu, vienlaikus tiek panākta graudu smalcināšana.
Metālu sakausējumu pastiprināšana ar ultraskaņu
Ir pierādīts, ka apstrāde ar ultraskaņu ir ļoti efektīva nanodaļiņu vienmērīgai disperģēšanai suspensijās. Tāpēc ultraskaņas disperģētāji ir visizplatītākās iekārtas ar nanodaļiņām pastiprinātu kompozītmateriālu ražošanai.
Nanodaļiņas (piemēram, Al2O3/SiC, CNTs) izmanto kā pastiprinošu materiālu. Nanodaļiņas pievieno izkausētam sakausējumam un disperģē ar ultraskaņu. Akustiskā kavitācija un straumēšana uzlabo daļiņu deaglomerāciju un slapināmību, tādējādi uzlabojot stiepes stiprību, tecēšanas robežu un pagarinājumu.
Ultraskaņas iekārtas darbam smagos apstākļos
Lieljaudas ultraskaņas izmantošanai metalurģijā ir nepieciešamas izturīgas, uzticamas ultraskaņas sistēmas, kuras var uzstādīt prasīgā darba vidē. Hielscher Ultrasonics piegādā rūpnieciskas ultraskaņas iekārtas uzstādīšanai smagiem darba apstākļiem paredzētos lietojumos un skarbā vidē. Visas mūsu ultraskaņas apstrādes iekārtas ir konstruētas darbam 24/7 režīmā. Hielscher lieljaudas ultraskaņas sistēmas apvieno izturību, uzticamību un precīzas vadības iespējas.
Prasīgiem procesiem – piemēram, metālu kausējumu struktūras smalcināšanai – ir nepieciešama intensīvas apstrādes ar ultraskaņu iespēja. Hielscher Ultrasonics rūpnieciskie ultraskaņas procesori nodrošina ļoti lielas amplitūdas. Amplitūdas līdz pat 200µm var viegli nepārtraukti uzturēt darbā 24/7 režīmā. Vēl lielākām amplitūdām ir pieejamas individuāli pielāgotas ultraskaņas sonotrodes.
Šķidrumu un kausējumu apstrādei ar ultraskaņu ļoti augstā temperatūrā Hielscher piedāvā dažādas sonotrodes un individuāli pielāgotus piederumus, lai nodrošinātu optimālus apstrādes rezultātus.
Tālāk redzamā tabula sniedz priekšstatu par mūsu ultraskaņas apstrādes iekārtu aptuveno apstrādes jaudu:
| Partijas tilpums | Plūsmas ātrums | Ieteicamās iekārtas |
|---|---|---|
| 10 līdz 2000mL | 20 līdz 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 līdz 20L | 0,2 līdz 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 līdz 100L | 2 līdz 10L/min | UIP4000 |
| nav piemērojams | 10 līdz 100L/min | UIP16000 |
| nav piemērojams | lielāks | iekārtu grupa 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.
Noderīga informācija
Lieljaudas ultraskaņa un kavitācija
Kad šķidrumos vai suspensijās ievada augstas intensitātes ultraskaņas viļņus, rodas kavitācijas parādība.
Lieljaudas zemfrekvences ultraskaņa izraisa kontrolētu kavitācijas burbuļu veidošanos šķidrumos un suspensijās. Intensīvi ultraskaņas viļņi šķidrumā rada mainīgus zema spiediena / augsta spiediena ciklus. Šīs straujās spiediena izmaiņas rada dobumus, tā dēvētos kavitācijas burbuļus. Ultraskaņas izraisītos kavitācijas burbuļus var uzskatīt par ķīmiskiem mikroreaktoriem, kas mikroskopiskā mērogā nodrošina augstu temperatūru un spiedienu un kuros no izšķīdušām molekulām veidojas aktīvas daļiņas, piemēram, brīvie radikāļi. Materiālu ķīmijas kontekstā ultraskaņas kavitācijai piemīt unikāls potenciāls lokāli katalizēt augstas temperatūras (līdz pat 5000 K) un augsta spiediena (500atm) reakcijas, kamēr sistēma makroskopiskā mērogā saglabājas tuvu istabas temperatūrai un apkārtējās vides spiedienam. (sal. Skorb, Andreeva 2013)
Apstrāde ar ultraskaņu galvenokārt balstās uz kavitācijas efektiem. Metalurģijā apstrāde ar ultraskaņu ir ļoti izdevīga metode metālu un sakausējumu liešanas uzlabošanai.
Papildus metālu kausējumu apstrādei ultraskaņu izmanto arī sūkļveida nanostruktūru un nanorakstu veidošanai uz cietām metālu, piemēram, titāna un sakausējumu, virsmām. Šīm titāna un sakausējumu detaļām, kuru nanostruktūra veidota ar ultraskaņu, ir liels potenciāls izmantošanai par implantiem ar uzlabotu osteogēno šūnu proliferāciju. Lasiet vairāk par titāna implantu nanostrukturēšanu ar ultraskaņu!