Ultrasoon raffineren van metaalsmelten
- Krachtig ultrageluid in gesmolten metalen en legeringen heeft verschillende gunstige effecten zoals structurering, ontgassing en verbeterde filtratie.
- Ultrasoonbehandeling bevordert het niet-dendritisch stollen in vloeibare en halfvaste metalen.
- Sonificatie heeft aanzienlijke voordelen voor de microstructurele verfijning van dendritische korrels en primaire intermetallische deeltjes.
- Verder kan ultrageluid gericht worden gebruikt om de metaalporositeit te verminderen of om mesoporeuze structuren te produceren.
- En last but not least verbetert power ultrasound de kwaliteit van gietstukken.
Ultrasoon stollen van metaalsmelten
De vorming van niet-dendritische structuren tijdens het stollen van metaalsmelten beïnvloedt de materiaaleigenschappen zoals sterkte, ductiliteit, taaiheid en/of hardheid.
Ultrasonisch veranderde korrelkernvorming: Akoestische cavitatie en de intense schuifkrachten vergroten de kernen en het aantal kernen in de smelt. Ultrasone behandeling van smelt resulteert in een heterogene nucleatie en fragmentatie van dendrieten, zodat het eindproduct een aanzienlijk hogere korrelverfijning vertoont.
Ultrasone cavitatie veroorzaakt een gelijkmatige bevochtiging van niet-metalen onzuiverheden in de smelt. Deze onzuiverheden worden nucleatieplaatsen, die de startpunten zijn van het stollen. Omdat die kernen vóór het stolfront liggen, treedt de groei van dendritische structuren niet op.
Macrostructuur van een Ti legering na ultrasone behandeling. Ultrasoonbehandeling resulteert in een aanzienlijk verfijnde korrelstructuur.
Dr. Andreeva-Bäumler, Universiteit van Bayreuth, werkt met de ultrasoon UIP1000hdT aan nanostructurering van metalen.
Ultrasone effecten op de Vicker-hardheid van legeringen: Ultrasoon verbetert de Vickers microhardheid in metaal
(studie en grafiek: ©Ruirun et al., 2017)
Dendrietfragmentatie: Het smelten van dendrieten begint meestal bij de wortel door lokale temperatuurstijging en ontmenging. Sonificatie genereert sterke convectie (warmteoverdracht door massabeweging van een vloeistof) en schokgolven in de smelt, waardoor de dendrieten versplinteren. Convectie kan de fragmentatie van dendrieten bevorderen door extreme lokale temperaturen en samenstellingsvariaties en bevordert de diffusie van opgeloste stoffen. De cavitatieschokgolven helpen bij het afbreken van die smeltwortels.
Ultrasoon ontgassen van metaallegeringen
Ontgassen is een ander belangrijk effect van ultrageluid op vloeibare en halfvaste metalen en legeringen. De akoestische cavitatie creëert afwisselend lage druk / hoge druk cycli. Tijdens de lagedrukcycli ontstaan kleine vacuümbelletjes in de vloeistof of het slurry. Deze vacuümbelletjes fungeren als kernen voor de vorming van waterstof- en dampbellen. Door de vorming van grotere waterstofbellen stijgen de gasbellen op. Akoestische stroming en stroming helpen deze bellen naar het oppervlak en uit de smelt te drijven, zodat het gas kan worden verwijderd en de gasconcentratie in de smelt wordt verlaagd.
Ultrasoon ontgassen vermindert de porositeit van het metaal en zorgt daardoor voor een hogere materiaaldichtheid in het uiteindelijke metaal/legeringproduct.
Ultrasoon ontgassen van aluminiumlegeringen verhoogt de uiteindelijke treksterkte en taaiheid van het materiaal. Ultrasone systemen met industrieel vermogen zijn de beste onder de andere commerciële ontgassingsmethoden wat betreft effectiviteit en verwerkingstijd. Bovendien wordt het proces van matrijsvulling verbeterd door een lagere viscositeit van de smelt.
Samendrukbare eigenschappen van Ti44Al6Nb1Cr2V onder verschillende sonicatietijden. Sonificatie verbetert de druksterkte aanzienlijk.
(studie en grafiek: ©Ruirun et al., 2017)
De keramische sonotrode BS4D22L3C is een speciale sonotrode die geschikt is voor het soniseren van vloeistoffen met een hoge temperatuur, zoals gesmolten aluminium (bijv. voor mengen en ontgassen).
Sonocapillair effect tijdens filtratie
Het ultrasone capillaire effect in vloeibare metalen is het drijvende effect om oxide insluitingen te verwijderen tijdens de ultrasoon ondersteunde filtratie van smelt. (Eskin et al. 2014: 120 e.v.)
Filtratie wordt gebruikt om niet-metalen onzuiverheden uit de smelt te verwijderen. Tijdens filtratie passeert de smelt verschillende mazen (bv. glasvezel) om ongewenste insluitingen te scheiden. Hoe kleiner de maaswijdte, hoe beter het filtratieresultaat.
Onder normale omstandigheden kan de smelt een tweelagig filter met een zeer smalle poriegrootte van 0,4-0,4 mm niet passeren. Onder ultrasoon ondersteunde filtratie kan de smelt echter wel door de maasporiën dankzij het sonocapillaire effect. In dit geval houden de filtercapillairen zelfs niet-metaalhoudende onzuiverheden van 1-10 μm tegen. Door de verbeterde zuiverheid van de legering wordt de vorming van waterstofporiën bij de oxiden voorkomen, waardoor de vermoeiingssterkte van de legering toeneemt.
Eskin et al. (2014: 120 e.v.) heeft aangetoond dat ultrasone filtratie het mogelijk maakt om de aluminiumlegeringen AA2024, AA7055, en AA7075 te zuiveren met behulp van meerlagige glasvezelfilters (met maximaal 9 lagen) met 0,6×0poriën met een maaswijdte van .6 mm. Wanneer het ultrasone filtratieproces wordt gecombineerd met de toevoeging van inoculanten, wordt tegelijkertijd een korrelverfijning bereikt.
Ultrasone versterking van metaallegeringen
Ultrasoon dispergeren is zeer effectief gebleken voor het gelijkmatig dispergeren van nanodeeltjes in slurries. Daarom zijn ultrasone dispergeerders de meest gebruikte apparatuur om nano-versterkte composieten te produceren.
Nanodeeltjes (bijv. Al2O3/SiC, CNT's) worden gebruikt als versterkend materiaal. De nanodeeltjes worden toegevoegd aan de gesmolten legering en ultrasoon gedispergeerd. De akoestische cavitatie en stroming verbetert de deagglomeratie en bevochtigbaarheid van de deeltjes, wat resulteert in een verbeterde treksterkte, vloeigrens en rek.
Ultrasone apparatuur voor zware toepassingen
De toepassing van ultrageluid in de metallurgie vereist robuuste, betrouwbare ultrasone systemen die in veeleisende omgevingen kunnen worden geïnstalleerd. Hielscher Ultrasonics levert ultrasone apparatuur van industriële kwaliteit voor installaties in zware toepassingen en ruwe omgevingen. Al onze ultrasoonapparatuur is gebouwd voor 24/7 gebruik. Hielscher ultrasone systemen met een hoog vermogen worden gecombineerd met robuustheid, betrouwbaarheid en nauwkeurige regelbaarheid.
Veeleisende processen – zoals het raffineren van metaalsmelten – vereisen de mogelijkheid van intense sonicatie. De industriële ultrasoonprocessoren van Hielscher Ultrasonics leveren zeer hoge amplitudes. Amplituden tot 200 µm kunnen gemakkelijk continu worden gebruikt in een 24/7 bedrijf. Voor nog hogere amplitudes zijn op maat gemaakte ultrasone sonotroden verkrijgbaar.
Voor het sonificeren van zeer hoge vloeistof- en smelttemperaturen biedt Hielscher diverse sonotrodes en op maat gemaakte accessoires om optimale verwerkingsresultaten te garanderen.
De onderstaande tabel geeft een indicatie van de verwerkingscapaciteit van onze ultrasone machines:
| Batchvolume | Debiet | Aanbevolen apparaten |
|---|---|---|
| 10 tot 2000 ml | 20 tot 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 tot 20L | 0.2 tot 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 tot 100 liter | 2 tot 10 l/min | UIP4000 |
| n.v.t. | 10 tot 100 l/min | UIP16000 |
| n.v.t. | groter | cluster van UIP16000 |
Neem contact met ons op! / Vraag het ons!
Literatuur/referenties
- 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.
Wetenswaardigheden
Krachtig ultrageluid en cavitatie
Wanneer ultrasone golven met een hoge intensiteit worden gekoppeld aan vloeistoffen of slurries, treedt het fenomeen van cavitatie zich voordoet.
Ultrageluid met hoog vermogen en lage frequentie veroorzaakt op gecontroleerde wijze de vorming van cavitatiebellen in vloeistoffen en slurries. Intense ultrasone geluidsgolven genereren afwisselend lage druk / hoge druk cycli in de vloeistof. Deze snelle drukwisselingen genereren holtes, de zogenaamde cavitatiebellen. Ultrasoon geïnduceerde cavitatiebellen kunnen worden beschouwd als chemische microreactoren die zorgen voor hoge temperaturen en drukken op microscopische schaal, waar de vorming van actieve stoffen zoals vrije radicalen uit opgeloste moleculen plaatsvindt. In de context van de materiaalchemie heeft ultrasone cavitatie het unieke potentieel om lokaal reacties bij hoge temperatuur (tot 5000 K) en hoge druk (500atm) te katalyseren, terwijl het systeem macroscopisch in de buurt van kamertemperatuur en omgevingsdruk blijft. (cf. Skorb, Andreeva 2013)
Ultrasone behandelingen zijn voornamelijk gebaseerd op cavitatie-effecten. Voor de metallurgie is sonificatie een zeer voordelige techniek om het gieten van metalen en legeringen te verbeteren.
Naast de behandeling van metaalsmelten wordt sonicatie ook gebruikt om sponsachtige nanostructuren en nanopatronen te creëren op solide metalen oppervlakken zoals titanium en legeringen. Deze ultrasoon nanogestructureerde onderdelen van titanium en legeringen zijn zeer geschikt als implantaten met verbeterde osteogene celproliferatie. Lees meer over ultrasone nanostructurering van titanium implantaten!