Refinamento ultrassónico de metais fundidos
- O ultrassom de potência em metais fundidos e ligas mostra vários efeitos benéficos, tais como estruturação, desgaseificação e filtração melhorada.
- A ultrassonografia promove a solidificação não-dendrítica em metais líquidos e semi-sólidos.
- A sonicação tem benefícios significativos no refinamento microestrutural dos grãos dendríticos e das partículas intermetálicas primárias.
- Além disso, os ultra-sons de potência podem ser utilizados propositadamente para reduzir a porosidade do metal ou para produzir estruturas meso-porosas.
- Por último, mas não menos importante, os ultra-sons de potência melhoram a qualidade das peças fundidas.
Solidificação ultra-sónica de metais fundidos
A formação de estruturas não dendríticas durante a solidificação de metais fundidos influencia as propriedades do material, tais como resistência, ductilidade, tenacidade e/ou dureza.
Nucleação de grãos alterada por ultra-sons: A cavitação acústica e as suas intensas forças de cisalhamento aumentam os locais de nucleação e o número de núcleos na massa fundida. O tratamento ultrassónico dos fundidos resulta numa nucleação heterogénea e na fragmentação dos dendritos, de modo que o produto final apresenta um refinamento de grão significativamente mais elevado.
A cavitação ultra-sónica provoca a humidificação uniforme de impurezas não metálicas na massa fundida. Essas impurezas transformam-se em sítios de nucleação, que são os pontos de partida da solidificação. Como esses pontos de nucleação estão à frente da frente de solidificação, não ocorre o crescimento de estruturas dendríticas.
Macroestrutura da liga de Ti após tratamento ultrassónico. Ultrasonication resulta em uma estrutura de grãos significativamente refinado.
A Dra. Andreeva-Bäumler, da Universidade de Bayreuth, está a trabalhar com o ultrasonicator UIP1000hdT na nanoestruturação de metais.
Efeitos ultra-sónicos na dureza Vicker de ligas metálicas: Ultrassom melhora a microdureza Vickers em metal
(estudo e gráfico: ©Ruirun et al., 2017)
Fragmentação de dendritos: A fusão das dendrites começa normalmente na raiz devido ao aumento da temperatura local e à segregação. A sonicação gera uma forte convecção (transferência de calor através do movimento de massa de um fluido) e ondas de choque na fusão, pelo que as dendrites são fragmentadas. A convecção pode promover a fragmentação da dendrite devido a temperaturas locais extremas, bem como a variações de composição, e promove a difusão do soluto. As ondas de choque de cavitação ajudam a quebrar essas raízes de fusão.
Desgaseificação ultra-sónica de ligas metálicas
A desgaseificação é outro efeito importante dos ultra-sons de potência em metais e ligas líquidos e semi-sólidos. A cavitação acústica cria ciclos alternados de baixa pressão/alta pressão. Durante os ciclos de baixa pressão, ocorrem pequenas bolhas de vácuo no líquido ou na pasta. Estas bolhas de vácuo actuam como núcleos para a formação de bolhas de hidrogénio e vapor. Devido à formação de bolhas de hidrogénio maiores, as bolhas de gás sobem. O fluxo acústico e o escoamento ajudam a flutuar estas bolhas para a superfície e para fora da massa fundida, de modo a que o gás possa ser removido e a concentração de gás na massa fundida seja reduzida.
A desgaseificação por ultra-sons reduz a porosidade do metal, conseguindo assim uma maior densidade de material no produto final de metal/liga.
A desgaseificação por ultra-sons de ligas de alumínio aumenta a resistência à tração e a ductilidade do material. Os sistemas de ultra-sons de potência industrial são os melhores entre outros 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 da massa fundida.
Propriedades de compressão do Ti44Al6Nb1Cr2V sob 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 alta temperatura, como o alumínio fundido (por exemplo, para mistura e desgaseificação).
Efeito sonocapilar durante a filtração
O efeito capilar ultra-sônico em metais líquidos é o efeito de condução para remover inclusões de óxido durante a filtração ultrassonicamente assistida de fundidos. (Eskin et al. 2014: 120ff.)
A filtração é utilizada para remover as impurezas não metálicas da massa fundida. Durante a filtração, a massa fundida passa por várias malhas (por exemplo, fibra de vidro) para separar as inclusões indesejadas. Quanto mais pequena for a dimensão da malha, melhor é o resultado da filtração.
Em condições normais, a massa fundida não consegue passar um filtro de duas camadas com um tamanho de poro muito estreito de 0,4-0,4 mm. No entanto, sob filtração assistida por ultra-sons, a massa fundida é capaz de passar os poros da malha devido ao efeito sonocapilar. Neste caso, os capilares do filtro retêm mesmo impurezas não metálicas de 1-10μm. Devido à pureza melhorada da liga, a formação de poros de hidrogénio nos óxidos é evitada, de modo que a resistência à fadiga da liga é aumentada.
Eskin et al. (2014: 120 e seguintes) demonstraram que a filtração por ultra-sons permite purificar as ligas de alumínio AA2024, AA7055 e AA7075 utilizando filtros de fibra de vidro de várias camadas (até 9 camadas) com 0,6×0.6mm poros de malha. Quando o processo de filtração por ultra-sons é combinado com a adição de inoculantes, consegue-se um refinamento simultâneo do grão.
Reforço ultrassónico de ligas metálicas
A ultrassonografia provou ser altamente eficaz na dispersão uniforme de nanopartículas em pastas. Por conseguinte, os dispersores de ultra-sons são o equipamento mais comum para produzir compósitos nano-reforçados.
Nano partículas (por exemplo, Al2O3/SiC, CNTs) são utilizados como material de reforço. As nano partículas são adicionadas à liga fundida e dispersas por ultra-sons. A cavitação acústica e o fluxo melhoram a desaglomeração e a molhabilidade das partículas, resultando numa maior resistência à tração, resistência ao escoamento e alongamento.
Equipamento ultrassónico para aplicações pesadas
A aplicação de ultra-sons de potência na metalurgia requer sistemas ultra-sónicos robustos e fiáveis, que possam ser instalados em ambientes exigentes. A Hielscher Ultrasonics fornece equipamento ultrassónico de nível industrial para instalações em aplicações pesadas e ambientes difíceis. Todos os nossos ultrassons são construídos para funcionar 24 horas por dia, 7 dias por semana. Os sistemas ultra-sónicos de alta potência da Hielscher são combinados com robustez, fiabilidade e controlabilidade precisa.
Processos exigentes – como a refinação de metais fundidos – requerem a capacidade de sonicação intensa. Os processadores ultrassónicos industriais da Hielscher Ultrasonics fornecem amplitudes muito elevadas. Amplitudes de até 200µm podem ser facilmente executadas continuamente em operação 24/7. Para amplitudes ainda maiores, sonotrodos ultra-sônicos personalizados estão disponíveis.
Para a sonicação de líquidos e temperaturas de fusão muito elevadas, a Hielscher oferece vários sonotrodos e acessórios personalizados para garantir resultados de processamento óptimos.
O quadro seguinte dá-lhe uma indicação da capacidade de processamento aproximada dos nossos ultra-sons:
| Volume do 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.d. | 10 a 100L/min | UIP16000 |
| n.d. | maior | grupo de UIP16000 |
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Literatura/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.
Fatos, vale a pena conhecer
Ultra-sons de potência e cavitação
Quando ondas ultra-sónicas de alta intensidade são acopladas a líquidos ou lamas, o fenómeno de cavitação ocorre.
Os ultra-sons de alta potência e baixa frequência provocam a formação de bolhas de cavitação em líquidos e lamas de forma controlada. As ondas de ultra-sons intensas geram ciclos alternados de baixa pressão/alta pressão no líquido. Estas mudanças rápidas de pressão geram espaços vazios, as chamadas bolhas de cavitação. As bolhas de cavitação induzidas por ultra-sons podem ser consideradas como microreactores químicos que fornecem altas temperaturas e pressões à escala microscópica, onde ocorre a formação de espécies activas, tais como radicais livres de moléculas dissolvidas. No contexto da química dos materiais, a cavitação ultra-sónica tem o potencial único de catalisar localmente reacções 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 ultra-sónicos baseiam-se principalmente nos efeitos cavitacionais. Para a metalurgia, a sonicação é uma técnica muito vantajosa para melhorar a fundição de metais e ligas.
Para além do tratamento de metais fundidos, a sonicação é também utilizada para criar nanoestruturas semelhantes a esponjas e nanopadrões em superfícies de metais sólidos, como o titânio e as ligas. Estas peças de titânio e ligas nanoestruturadas por ultra-sons revelam grande capacidade como implantes com maior proliferação de células osteogénicas. Leia mais sobre a nanoestruturação ultra-sónica de implantes de titânio!