Ultradźwiękowe oczyszczanie stopów metali
- Ultradźwięki mocy w stopionych metali i stopów przedstawiono różne korzystne efekty, takie jak struktury, odgazowania i poprawy filtracji.
- Ultradźwięki sprzyjają krzepnięciu niedendrytycznemu w ciekłych i półstałych metalach.
- Ultradźwiękami ma znaczące korzyści na udoskonalenie mikrostruktury dendrytycznych ziaren i cząstek pierwotnych międzymetalicznych.
- Ponadto, ultradźwiękowa energia może być wykorzystywane celowo zmniejszyć porowatość metalu, lub w celu wytworzenia struktur porowatych mezo.
- Last but not least, ultradźwięki mocy poprawia jakość odlewów.
Ultradźwiękowe krzepnięcie stopionych metali
Formowanie struktur nie dendrytycznych podczas krzepnięcia metalu topi wpływa na właściwości materiału, takie jak wytrzymałość, plastyczność, odporność na obciążenia dynamiczne i / lub twardości.
Ultradźwiękami zmieniony zarodków ziarna: Kawitacja akustyczna i jej intensywne siły ścinające zwiększają miejsca zarodkowania i liczbę jąder w stopie. Ultradźwiękowa obróbka stopów powoduje heterogeniczne zarodkowanie i fragmentację dendrytów, dzięki czemu produkt końcowy wykazuje znacznie wyższe rozdrobnienie ziarna.
Ultradźwiękowy kawitacji powoduje równomierne zwilżenie zanieczyszczeń niemetalowych w stopie. Zanieczyszczenia te zamieniają się miejsc zarodkowania, które są punktem wyjścia krzepnięcia. Ponieważ te punkty zarodkowania wyprzedzają frontu krzepnięcia, wzrost struktur dendrytycznych nie występuje.
Makrostruktura stopu Ti po obróbce ultradźwiękowej. W wyniku ultradźwięków uzyskuje się znacznie dopracowaną strukturę ziarnową.
Dr Andreeva-Bäumler z Uniwersytetu w Bayreuth pracuje z ultradźwiękowcem UIP1000hdT nad nanostrukturyzacją metali.
Wpływ ultradźwięków na twardość Vickersa stopów: Ultrasonizacja poprawia mikrotwardość Vickersa w metalu
(opracowanie i grafika: ©Ruirun i in., 2017)
Fragmentację dendrytów: Topienie dendrytów zwykle rozpoczyna się u nasady z powodu lokalnego wzrostu temperatury i segregacji. Sonikacja generuje silną konwekcję (przenoszenie ciepła przez ruch masy płynu) i fale uderzeniowe w stopionym materiale, dzięki czemu dendryty ulegają fragmentacji. Konwekcja może sprzyjać fragmentacji dendrytów z powodu ekstremalnych temperatur lokalnych, a także zmian składu i sprzyja dyfuzji substancji rozpuszczonej. Kawitacyjne fale uderzeniowe wspomagają łamanie topniejących korzeni.
Ultradźwiękowy odgazowania metalicznego Alloys
Odgazowanie jest kolejnym ważnym efektem energii ultradźwięków metali ciekłych, półstałych i ich stopów. Kawitacja akustyczna tworzy naprzemienne cykle niskie ciśnienie / wysokie ciśnienie. Podczas cyklu niskiego ciśnienia, drobne pęcherzyki próżni zachodzą w cieczy lub zawiesinie. Pęcherzyki te próżniowe działają jako zarodki dla tworzenia pęcherzyków wodoru i pary wodnej. Ze względu na powstawanie większych pęcherzyków wodoru, pęcherzyki gazu wzrasta. strumieniowego przepływu akustycznych i wspomagania unoszenia tych pęcherzyków na powierzchni i poza wytopu, tak że gazy mogą być usunięte, a stężenie gazu w stopie jest zredukowana.
Ultradźwiękowy odgazowania zmniejsza porowatość metalu, a tym samym osiągnięcie wyższej gęstości materiału w produkcie końcowym metalu / stopu.
Ultradźwiękowy odgazowanie stopów aluminium podnieść wytrzymałość na rozciąganie i plastyczność materiału. Przemysłowe systemy ultradźwiękowe moc liczą się jako najlepszy spośród innych metod handlowych odgazowania dotyczące skuteczności i czasu przetwarzania. Ponadto, proces napełniania formy jest lepsza ze względu na niższą lepkość stopu.
Właściwości ściskające Ti44Al6Nb1Cr2V pod wpływem różnych czasów sonikacji. Sonikacja znacząco poprawia wytrzymałość na ściskanie.
(opracowanie i grafika: ©Ruirun i in., 2017)
Sonotroda ceramiczna BS4D22L3C jest specjalną sonotrodą przeznaczoną do sonikowania cieczy o wysokiej temperaturze, takich jak stopione aluminium (np. do mieszania i odgazowywania).
Sonocapillary Wpływ podczas filtracji
Ultradźwiękowy efekt kapilarny w ciekłych metalach jest efektem napędowym do usuwania wtrąceń tlenkowych podczas wspomaganej ultradźwiękami filtracji stopów. (Eskin et al. 2014: 120ff.)
Filtracja jest stosowany w celu usunięcia zanieczyszczeń niemetalowych ze stopu. Podczas filtracji stopu przechodzi wiele oczek (na przykład z włókna szklanego), w celu oddzielenia niepożądanych wtrąceń. Im mniejszy rozmiar siatki, tym lepszy jest wynik filtracji.
W ramach typowych warunkach płynięcia nie przechodzi dwuwarstwowego filtr o wąskiej średnicy porów 0,4-0,4mm. Jednakże pod zmniejszonym wspomagane ultradźwiękami wytop jest włączona do przekazywania porów siatki w wyniku działania sonocapillary. W tym przypadku, kapilary filtry zachowują nawet niemetalicznych zanieczyszczenia 1-10μm. Ze względu na zwiększenie czystości stopu, powstanie porów wodoru w tlenków uniknąć, tak więc wytrzymałość zmęczeniowa w stopie jest zwiększona.
Eskin et al. (2014 r. 120ff) wykazały, że sączenie ultradźwięków pozwala oczyścić AA2024 stopów aluminium AA7055 lub AA7075 pomocą wielowarstwowych filtrów z włókna szklanego (maksymalnie 9 warstw) 0,6×0.6mm siatki porów. Gdy ultradźwiękowe Proces filtrowania jest połączony z dodatkiem modyfikatorów jednoczesna rozdrobnienie ziarna został osiągnięty.
Ultradźwiękowe wzmacnianie stopów metali
Ultrasonikacja okazały się bardzo skuteczne zdyspergowanie cząstek Nano równomiernie do zawiesin. Dlatego ultradźwiękowe dyspergatory są najczęściej urządzenia do wytwarzania nano wzmocnionych kompozytów.
nanocząstki (np Al2O3/ SiC, nanorurki CNT) są stosowane jako materiały wzmacniające. Nanocząstki dodaje się do stopionego stopu i zdyspergowano za pomocą ultradźwięków. Kawitacji akustycznej i strumieniowe deaglomerację i poprawia zwilżalność cząstek, co prowadzi do poprawy wytrzymałości przy rozciąganiu, granicy plastyczności i wydłużenia.
Sprzęt ultradźwiękowy dla pracy w trudnych warunkach
Zastosowanie ultradźwięków mocy w metalurgii wymaga solidnych, niezawodnych systemów ultradźwiękowych, które mogą być instalowane w wymagających środowiskach. Hielscher Ultrasonics dostarcza urządzenia ultradźwiękowe klasy przemysłowej do instalacji w ciężkich aplikacjach i trudnych środowiskach. Wszystkie nasze ultradźwiękowce są zbudowane do pracy 24/7. Systemy ultradźwiękowe Hielscher o wysokiej mocy są sparowane z wytrzymałością, niezawodnością i precyzyjną sterowalnością.
procesy wymagające – takie jak rafinowania stopów metali – wymagają możliwości intensywnej sonikacji. Przemysłowe procesory ultradźwiękowe Hielscher Ultrasonics zapewniają bardzo wysokie amplitudy. Amplitudy do 200µm mogą być bez problemu realizowane w trybie ciągłym 24/7. Dla jeszcze wyższych amplitud dostępne są sonotrody ultradźwiękowe dostosowane do potrzeb klienta.
Do sonikacji bardzo wysokiej cieczy, temperatury topnienia, Hielscher oferuje różne sonotrody i dostosowane Accessoires celu zapewnienia optymalnych wyników obróbki.
Poniższa tabela daje wskazanie przybliżonej mocy przerobowych naszych ultrasonicators:
| Wielkość partii | natężenie przepływu | Polecane urządzenia |
|---|---|---|
| 10 do 2000mL | 20-400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 do 20L | 0.2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10-100L | 2 do 10L/min | UIP4000 |
| b.d. | 10-100L/min | UIP16000 |
| b.d. | większe | klaster UIP16000 |
Skontaktuj się z nami! / Zapytaj nas!
Literatura / Referencje
- 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.
Fakty Warto wiedzieć
Moc USG i kawitacji
Kiedy intensywne wysokich fale ultradźwiękowe zostaną połączone w cieczy lub zawiesin, zjawisko kawitacja występuje.
Ultradźwięki o dużej mocy i niskiej częstotliwości powodują w kontrolowany sposób powstawanie pęcherzyków kawitacyjnych w płynach i szlamach. Intensywne fale ultradźwiękowe generują przemienne cykle niskiego ciśnienia / wysokiego ciśnienia w cieczy. Te szybkie zmiany ciśnienia generują puste przestrzenie, tak zwane pęcherzyki kawitacyjne. Pęcherzyki kawitacyjne indukowane ultradźwiękami można uznać za chemiczne mikroreaktory zapewniające wysokie temperatury i ciśnienia w skali mikroskopowej, w których zachodzi tworzenie aktywnych cząstek, takich jak wolne rodniki z rozpuszczonych cząsteczek. W kontekście chemii materiałowej kawitacja ultradźwiękowa ma wyjątkowy potencjał miejscowo katalizujący reakcje wysokotemperaturowe (do 5000 K) i wysokociśnieniowe (500 at), podczas gdy układ pozostaje makroskopowo bliski temperaturze pokojowej i ciśnieniu otoczenia. (porównaj Skorb, Andreeva 2013)
Obróbka ultradźwiękowa opiera się głównie na efektach kawitacyjnych. W przypadku metalurgii sonikacja jest bardzo korzystną techniką poprawiającą odlewanie metali i stopów.
Oprócz obróbki stopów metali, sonikacja jest również wykorzystywana do tworzenia gąbczastych nanostruktur i nano-wzorów na stałych powierzchniach metalowych, takich jak tytan i stopy. Te ultradźwiękowo nanostrukturalne części tytanowe i stopowe wykazują dużą zdolność jako implanty o zwiększonej proliferacji komórek osteogennych. Przeczytaj więcej o ultradźwiękowej nanostrukturyzacji tytanowych implantów!