Refinamento ultrassónico de metais fundidos
- Os ultrassons de potência em metais e ligas fundidos apresentam vários efeitos benéficos, como a estruturação, a desgaseificação e a melhoria da filtração.
- A sonicação promove a solidificação não dendrítica em metais líquidos e semissólidos.
- A sonicação traz benefícios significativos para o refinamento microestrutural dos grãos dendríticos e das partículas intermetálicas primárias.
- Além disso, os ultrassons de potência podem ser utilizados de forma direcionada para reduzir a porosidade do metal ou produzir estruturas mesoporosas.
- Por último, mas não menos importante, os ultrassons de potência melhoram a qualidade das peças fundidas.
Solidificação ultrassónica de metais fundidos
A formação de estruturas não dendríticas durante a solidificação de metais fundidos influencia as propriedades do material, como a resistência, a ductilidade, a tenacidade e/ou a dureza.
Nucleação de grãos alterada por ultrassons: A cavitação acústica e as suas intensas forças de cisalhamento aumentam os locais de nucleação e o número de núcleos no metal fundido. O tratamento ultrassónico de metais fundidos resulta numa nucleação heterogénea e na fragmentação das dendrites, pelo que o produto final apresenta um refinamento dos grãos significativamente maior.
A cavitação ultrassónica provoca o molhamento uniforme das impurezas não metálicas no metal fundido. Estas impurezas tornam-se locais de nucleação, que são os pontos de partida da solidificação. Como estes pontos de nucleação se encontram à frente da frente de solidificação, não ocorre o crescimento de estruturas dendríticas.
Macroestrutura de uma liga de Ti após tratamento ultrassónico. A sonicação resulta numa estrutura de grãos significativamente refinada.
A Dra. Andreeva-Bäumler, da Universidade de Bayreuth, trabalha com o sonicador UIP1000hdT na nanoestruturação de metais.
Efeitos ultrassónicos na dureza Vickers de ligas: a sonicação melhora a microdureza Vickers no metal
(estudo e gráfico: ©Ruirun et al., 2017)
Fragmentação de dendrites: A fusão das dendrites começa geralmente na raiz devido ao aumento local da temperatura e à segregação. A sonicação gera uma forte convecção (transferência de calor pelo movimento de massa de um fluido) e ondas de choque no metal fundido, levando à fragmentação das dendrites. A convecção pode promover a fragmentação das dendrites devido a temperaturas locais extremas, bem como a variações de composição, e promove a difusão do soluto. As ondas de choque da cavitação contribuem para a rutura dessas raízes em fusão.
Desgaseificação ultrassónica de ligas metálicas
A desgaseificação é outro efeito importante dos ultrassons de potência em metais e ligas líquidos e semissólidos. A cavitação acústica cria ciclos alternados de baixa pressão / alta pressão. Durante os ciclos de baixa pressão, surgem minúsculas bolhas de vácuo no líquido ou na suspensão. Estas bolhas de vácuo atuam como núcleos para a formação de bolhas de hidrogénio e de vapor. Devido à formação de bolhas de hidrogénio maiores, as bolhas de gás sobem. O fluxo e as correntes acústicas ajudam estas bolhas a subir até à superfície e a sair do metal fundido, permitindo a remoção do gás e reduzindo a sua concentração no metal fundido.
A desgaseificação ultrassónica reduz a porosidade do metal, conseguindo assim uma maior densidade do material no produto final de metal / liga.
A desgaseificação ultrassónica de ligas de alumínio aumenta a resistência máxima à tração e a ductilidade do material. Os sistemas industriais de ultrassons de potência são considerados os melhores entre os métodos comerciais de desgaseificação em termos de eficácia e tempo de processamento. Além disso, o processo de enchimento do molde é melhorado devido à menor viscosidade do metal fundido.
Propriedades de compressão de Ti44Al6Nb1Cr2V com vários tempos de sonicação. A sonicação melhora significativamente a resistência à compressão.
(estudo e gráfico: ©Ruirun et al., 2017)
O sonotrodo cerâmico BS4D22L3C é um sonotrodo especial adequado para sonicar líquidos a altas temperaturas, como o alumínio fundido (por exemplo, para mistura e desgaseificação).
Efeito sonocapilar durante a filtração
O efeito capilar ultrassónico em metais líquidos é o efeito que permite remover inclusões de óxidos durante a filtração de metais fundidos assistida por ultrassons. (Eskin et al. 2014: 120ff.)
A filtração é utilizada para remover impurezas não metálicas do metal fundido. Durante a filtração, o metal fundido atravessa várias malhas (por exemplo, de fibra de vidro) para separar inclusões indesejadas. Quanto menor for a abertura da malha, melhor será o resultado da filtração.
Em condições normais, o metal fundido não consegue atravessar um filtro de duas camadas com poros de dimensão muito reduzida, de 0,4–0,4mm. No entanto, na filtração assistida por ultrassons, o metal fundido consegue atravessar os poros da malha devido ao efeito sonocapilar. Neste caso, os capilares do filtro retêm até impurezas não metálicas de 1–10μm. Devido à maior pureza da liga, evita-se a formação de poros de hidrogénio nos óxidos, aumentando assim a resistência à fadiga da liga.
Eskin et al. (2014: 120ff.) demonstraram que a filtração ultrassónica permite purificar as ligas de alumínio AA2024, AA7055 e AA7075 utilizando filtros de fibra de vidro multicamada (com até 9 camadas) com poros de malha de 0,6×0,6mm. Quando o processo de filtração ultrassónica é combinado com a adição de inoculantes, consegue-se simultaneamente um refinamento dos grãos.
Reforço ultrassónico de ligas metálicas
Está comprovado que a sonicação é altamente eficaz na dispersão uniforme de nanopartículas em suspensões. Por conseguinte, os dispersores ultrassónicos são os equipamentos mais comuns para produzir compósitos reforçados com nanopartículas.
As nanopartículas (por exemplo, Al2O3/SiC, CNTs) são utilizadas como material de reforço. As nanopartículas são adicionadas à liga fundida e dispersas por ultrassons. A cavitação e as correntes acústicas melhoram a desaglomeração e a molhabilidade das partículas, resultando numa melhoria da resistência à tração, da tensão de cedência e do alongamento.
Equipamento ultrassónico para aplicações exigentes
A aplicação de ultrassons de potência na metalurgia exige sistemas ultrassónicos robustos e fiáveis, que possam ser instalados em ambientes exigentes. A Hielscher Ultrasonics fornece equipamento ultrassónico de nível industrial para instalações em aplicações exigentes e ambientes adversos. Todos os nossos sonicadores são construídos para funcionamento 24/7. Os sistemas ultrassónicos de alta potência da Hielscher combinam robustez, fiabilidade e controlo preciso.
Processos exigentes – como o refinamento de metais fundidos – requerem capacidade de sonicação intensa. Os processadores ultrassónicos industriais da Hielscher Ultrasonics fornecem amplitudes muito elevadas. É possível trabalhar facilmente e de forma contínua com amplitudes de até 200µm em funcionamento 24/7. Para amplitudes ainda mais elevadas, estão disponíveis sonotrodos ultrassónicos personalizados.
Para a sonicação de líquidos e metais fundidos a temperaturas muito elevadas, a Hielscher oferece vários sonotrodos e acessórios personalizados para garantir resultados de processamento ótimos.
A tabela abaixo dá uma indicação da capacidade de processamento aproximada dos nossos sonicadores:
| Volume por lote | Caudal | Dispositivos recomendados |
|---|---|---|
| 10 a 2000mL | 20 a 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 a 20L | 0,2 a 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 a 100L | 2 a 10L/min | UIP4000 |
| n.a. | 10 a 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | superior | conjunto de UIP16000 |
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Bibliografia/Referências
- 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.
Informações úteis
Ultrassons de potência e cavitação
Quando ondas ultrassónicas de elevada intensidade são acopladas a líquidos ou suspensões, o fenómeno de cavitação ocorre.
Os ultrassons de alta potência e baixa frequência provocam a formação controlada de bolhas de cavitação em líquidos e suspensões. As ondas ultrassónicas intensas geram ciclos alternados de baixa pressão / alta pressão no líquido. Estas rápidas alterações de pressão geram cavidades, as chamadas bolhas de cavitação. As bolhas de cavitação induzidas por ultrassons podem ser consideradas microrreatores químicos que proporcionam temperaturas e pressões elevadas à escala microscópica, onde ocorre a formação de espécies ativas, como radicais livres, a partir de moléculas dissolvidas. No contexto da química dos materiais, a cavitação ultrassónica tem o potencial único de catalisar localmente reações a alta temperatura (até 5000 K) e alta pressão (500atm), enquanto o sistema permanece macroscopicamente próximo da temperatura ambiente e da pressão ambiente. (cf. Skorb, Andreeva 2013)
Os tratamentos ultrassónicos baseiam-se principalmente nos efeitos da cavitação. Na metalurgia, a sonicação é uma técnica altamente vantajosa para melhorar a fundição de metais e ligas.
Além do tratamento de metais fundidos, a sonicação também é utilizada para criar nanoestruturas semelhantes a esponjas e nanopadrões em superfícies metálicas sólidas, como as de titânio e de ligas. Estas peças de titânio e de ligas nanoestruturadas por ultrassons apresentam grande capacidade para utilização como implantes, com maior proliferação de células osteogénicas. Saiba mais sobre a nanoestruturação ultrassónica de implantes de titânio!