Refinamento ultrassônico de fundições de metal
- O ultrassom de potência em metais fundidos e ligas mostra vários efeitos benéficos, como estruturação, desgaseificação e filtragem aprimorada.
- A ultrassonografia promove a solidificação não dendrítica em metais líquidos e semi-sólidos.
- A sonicação tem benefícios significativos no refinamento microestrutural de grãos dendríticos e partículas intermetálicas primárias.
- Além disso, o ultrassom de potência pode ser usado propositalmente para reduzir a porosidade do metal ou para produzir estruturas mesoporosas.
- Por último, mas não menos importante, o ultrassom de potência melhora a qualidade das peças fundidas.
Solidificação ultrassônica de fundidos metálicos
A formação de estruturas não dendríticas durante a solidificação de fundidos metálicos influencia as propriedades do material, como resistência, ductilidade, tenacidade e/ou dureza.
Nucleação de grãos alterada por ultrassom: A cavitação acústica e suas intensas forças de cisalhamento aumentam os locais de nucleação e o número de núcleos no fundido. O tratamento ultrassônico de fundidos resulta em uma nucleação heterogênea e na fragmentação de dendritos, de modo que o produto final apresenta um refinamento de grão significativamente maior.
A cavitação ultrassônica causa o umedecimento uniforme de impurezas não metálicas no fundido. Essas impurezas se transformam em locais de nucleação, que são os pontos de partida da solidificação. Como esses pontos de nucleação estão à frente da frente de solidificação, o crescimento das estruturas dendríticas não ocorre.
Macroestrutura da liga de Ti após tratamento ultrassônico. A ultrassonografia resulta em uma estrutura de grão significativamente refinada.
A Dra. Andreeva-Bäumler, da Universidade de Bayreuth, está trabalhando com o ultrassônico UIP1000hdT na nanoestruturação de metais.
Efeitos ultrassônicos na dureza Vicker da liga: A ultrassonografia melhora a microdureza Vickers em metal
(estudo e gráfico: ©Ruirun et al., 2017)
Fragmentação de dendritos: O derretimento dos dendritos geralmente começa na raiz devido ao aumento e segregação da temperatura local. A sonicação gera forte convecção (transferência de calor pelo movimento de massa de um fluido) e ondas de choque no fundido, de modo que os dendritos são fragmentados. A convecção pode promover a fragmentação dos dendritos devido a temperaturas locais extremas, bem como variações de composição e promove a difusão do soluto. As ondas de choque de cavitação auxiliam na quebra dessas raízes derretidas.
Desgaseificação ultrassônica de ligas metálicas
A desgaseificação é outro efeito importante do ultrassom de potência em metais e ligas líquidas e semissólidas. A cavitação acústica cria ciclos alternados de baixa pressão / alta pressão. Durante os ciclos de baixa pressão, pequenas bolhas de vácuo ocorrem no líquido ou na pasta. Essas bolhas de vácuo atuam como núcleos para a formação de bolhas de hidrogênio e vapor. Devido à formação de bolhas de hidrogênio maiores, as bolhas de gás sobem. O fluxo acústico e o fluxo auxiliam a flutuação dessas bolhas para a superfície e para fora do fundido, de modo que o gás possa ser removido e a concentração de gás no fundido seja reduzida.
A desgaseificação ultrassônica reduz a porosidade do metal, alcançando assim uma maior densidade de material no produto final de metal / liga.
A desgaseificação ultrassônica de ligas de alumínio aumenta a resistência à tração e a ductilidade finais do material. Os sistemas de ultrassom de potência industrial contam como os melhores entre outros métodos comerciais de desgaseificação em relação à eficácia e ao tempo de processamento. Além disso, o processo de enchimento do molde é melhorado devido à menor viscosidade do fundido.
Propriedades compressivas de 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 de alta temperatura, como alumínio fundido (por exemplo, para misturar e desgaseificar).
Efeito sonocapilar durante a filtração
O efeito capilar ultrassônico em metais líquidos é o efeito motriz para remover inclusões de óxido durante a filtração assistida por ultrassom de fundidos. (Eskin et al. 2014: 120ff.)
A filtração é usada para remover impurezas não metálicas do fundido. Durante a filtração, o fundido passa por várias malhas (por exemplo, fibra de vidro) para separar inclusões indesejadas. Quanto menor o tamanho da malha, melhor é o resultado da filtração.
Em condições comuns, o fundido não pode passar por um filtro de duas camadas com um tamanho de poro muito estreito de 0,4-0,4 mm. No entanto, sob filtração assistida por ultrassom, o fundido pode passar pelos poros da malha devido ao efeito sonocapilar. Nesse caso, os capilares do filtro retêm até mesmo impurezas não metálicas de 1 a 10 μm. Devido à maior pureza da liga, evita-se a formação de poros de hidrogênio nos óxidos, de modo que a resistência à fadiga da liga é aumentada.
Eskin et al. (2014: 120ff.) mostraram que a filtração ultrassônica torna possível purificar as ligas de alumínio AA2024, AA7055 e AA7075 usando filtros de fibra de vidro multicamadas (com até 9 camadas) com 0,6×0Poros de malha de 6mm. Quando o processo de filtração ultrassônica é combinado com a adição de inoculantes, um refinamento simultâneo do grão é alcançado.
Reforço ultrassônico de ligas metálicas
A ultrassonografia provou ser altamente eficaz na dispersão de nanopartículas uniformemente em pastas. Portanto, os dispersores ultrassônicos são os equipamentos mais comuns para produzir compósitos nano-reforçados.
nanopartículas (por exemplo, Al2O3/SiC, CNTs) são usados como material de reforço. As nanopartículas são adicionadas à liga fundida e dispersas por ultrassom. A cavitação acústica e o fluxo melhoram a desaglomeração e a molhabilidade das partículas, resultando em uma melhor resistência à tração, resistência ao escoamento e alongamento.
Equipamento ultrassônico para aplicações pesadas
A aplicação de ultrassom de potência na metalurgia requer sistemas ultrassônicos robustos e confiáveis, que podem ser instalados em ambientes exigentes. A Hielscher Ultrasonics fornece equipamentos ultrassônicos de nível industrial para instalações em aplicações pesadas e ambientes difíceis. Todos os nossos ultrasonicadores são construídos para operação 24 horas por dia, 7 dias por semana. Os sistemas ultrassônicos de alta potência Hielscher são combinados com robustez, confiabilidade e controlabilidade precisa.
Processos exigentes – como refino de metais fundidos – requerem a capacidade de sonicação intensa. Os processadores ultrassônicos industriais Hielscher Ultrasonics oferecem amplitudes muito altas. Amplitudes de até 200 μm podem ser facilmente executadas continuamente em operação 24 horas por dia, 7 dias por semana. Para amplitudes ainda maiores, estão disponíveis sonotrodos ultrassônicos personalizados.
Para a sonicação de temperaturas muito altas de líquido e fusão, a Hielscher oferece vários sonotrodos e acessórios personalizados para garantir ótimos resultados de processamento.
A tabela abaixo fornece uma indicação da capacidade aproximada de processamento de nossos ultrassônicos:
| Volume do lote | Vazão | 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. | maior | cluster 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
Ultrassom de potência e cavitação
Quando ondas ultrassônicas de alta intensidade são acopladas em líquidos ou pastas, o fenômeno de cavitação Ocorre.
O ultrassom de alta potência e baixa frequência causa a formação de bolhas de cavitação em líquidos e lamas de forma controlada. Ondas intensas de ultrassom geram ciclos alternados de baixa pressão / alta pressão no líquido. Essas rápidas mudanças de pressão geram vazios, as chamadas bolhas de cavitação. As bolhas de cavitação induzidas por ultrassom podem ser consideradas como microrreatores químicos que fornecem altas temperaturas e pressões em 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 ultrassônica tem o potencial único de catalisar localmente reações de alta temperatura (até 5000 K) e alta pressão (500atm), enquanto o sistema permanece macroscopicamente próximo à temperatura ambiente e à pressão ambiente. (cf. Skorb, Andreeva 2013)
Os tratamentos ultrassônicos são baseados principalmente em efeitos cavitacionais. Para a metalurgia, a sonicação é uma técnica altamente vantajosa para melhorar a fundição de metais e ligas.
Além do tratamento de fundições de metal, a sonicação também é usada para criar nanoestruturas semelhantes a esponjas e nanopadrões em superfícies metálicas sólidas, como titânio e ligas. Essas peças de titânio e liga ultrassônicamente nanoestruturadas mostram grande capacidade como implantes com proliferação celular osteogênica aprimorada. Leia mais sobre nanoestruturação ultrassônica de implantes de titânio!