Rafinarea cu ultrasunete a topiturilor metalice
- Ultrasunetele de putere în metale topite și aliaje prezintă diverse efecte benefice, cum ar fi structurarea, degazarea și filtrarea îmbunătățită.
- Ultrasonication promovează solidificarea non-dendritică în metale lichide și semi-solide.
- Sonicare are beneficii semnificative asupra rafinamentului microstructural al granulelor dendritice și particule intermetalice primare.
- În plus, ultrasunetele de putere pot fi utilizate în mod intenționat pentru a reduce porozitatea metalică sau pentru a produce structuri mezo-poroase.
- Nu în ultimul rând, ultrasunetele de putere îmbunătățesc calitatea pieselor turnate.
Solidificarea cu ultrasunete a topiturilor metalice
Formarea structurilor non-dendritice în timpul solidificării topiturilor metalice influențează proprietățile materialului, cum ar fi rezistența, ductilitatea, duritatea și / sau duritatea.
Ultrasonically modificat nucleație de cereale: Cavitația acustică și forțele sale intense de forfecare cresc locurile de nucleație și numărul de nuclee din topitură. Tratamentul cu ultrasunete al topiturilor are ca rezultat o nucleație eterogenă și fragmentarea dendritelor, astfel încât produsul final prezintă o rafinare semnificativ mai mare a cerealelor.
Cavitația cu ultrasunete provoacă umezirea uniformă a impurităților nemetalice în topitură. Aceste impurități se transformă în situri de nucleație, care sunt punctele de plecare ale solidificării. Deoarece aceste puncte de nucleație sunt înaintea frontului de solidificare, creșterea structurilor dendritice nu are loc.
Macrostructura aliajului Ti după tratamentul cu ultrasunete. Ultrasonication are ca rezultat o structură de cereale semnificativ rafinată.
Dr. Andreeva-Bäumler, Universitatea din Bayreuth, lucrează cu ultrasonicator UIP1000hdT pe nano-structurarea metalelor.
Efecte ultrasonice asupra durității aliajului Vicker: Ultrasonication îmbunătățește microduritatea Vickers în metal
(studiu și grafic: ©Ruirun et al., 2017)
Fragmentarea dendritei: Topirea dendritelor începe de obicei la rădăcină datorită creșterii temperaturii locale și segregării. Sonicare generează convecție puternică (transfer de căldură prin mișcarea de masă a unui fluid) și unde de șoc în topitură, astfel încât dendritele sunt fragmentate. Convecția poate promova fragmentarea dendritelor datorită temperaturilor locale extreme, precum și variațiilor de compoziție și promovează difuzia substanței dizolvate. Undele de șoc de cavitație ajută la ruperea rădăcinilor care se topesc.
Degazarea cu ultrasunete a aliajelor metalice
Degazarea este un alt efect important al ultrasunetelor de putere asupra metalelor și aliajelor lichide și semi-solide. Cavitația acustică creează cicluri alternative de joasă presiune / înaltă presiune. În timpul ciclurilor de joasă presiune, apar bule mici de vid în lichid sau suspensie. Aceste bule de vid acționează ca nuclee pentru formarea bulelor de hidrogen și vapori. Datorită formării unor bule de hidrogen mai mari, bulele de gaz cresc. Fluxul acustic și fluxul ajută la plutirea acestor bule la suprafață și în afara topiturii, astfel încât gazul să poată fi îndepărtat și concentrația gazului din topitură să fie redusă.
Degazarea cu ultrasunete reduce porozitatea metalului, obținând astfel o densitate mai mare a materialului în produsul final metal / aliaj.
Degazificarea cu ultrasunete a aliajelor de aluminiu ridică rezistența maximă la tracțiune și ductilitatea materialului. Sistemele industriale cu ultrasunete de putere sunt considerate cele mai bune printre alte metode comerciale de degazare în ceea ce privește eficacitatea și timpul de procesare. În plus, procesul de umplere a mucegaiului este îmbunătățit datorită vâscozității mai mici a topiturii.
Proprietăți compresive ale Ti44Al6Nb1Cr2V sub diferite sonicare. Sonicare îmbunătățește semnificativ rezistența la compresiune.
(studiu și grafic: ©Ruirun et al., 2017)
Sonotrode ceramică BS4D22L3C este un sonotrod special potrivit pentru sonicare lichide la temperaturi ridicate, cum ar fi aluminiu topit (de exemplu, pentru amestecare și degazare).
Efect sonocapilar în timpul filtrării
Efectul capilar cu ultrasunete în metalele lichide este efectul de conducere pentru a elimina incluziunile de oxid în timpul filtrării ultrasonically asistate a topiturilor. (Eskin și colab. 2014: 120ff.)
Filtrarea este utilizată pentru a îndepărta impuritățile nemetalice din topitură. În timpul filtrării, topitura trece prin diferite ochiuri (de exemplu, fibră de sticlă) pentru a separa incluziunile nedorite. Cu cât dimensiunea ochiului de plasă este mai mică, cu atât rezultatul filtrării este mai bun.
În condiții comune, topitura nu poate trece printr-un filtru cu două straturi, cu o dimensiune foarte îngustă a porilor de 0,4-0,4 mm. Cu toate acestea, sub filtrare asistată ultrasonically, topitura este activată pentru a trece porii ochiurilor de plasă datorită efectului sonocapilar. În acest caz, capilarele filtrante rețin chiar impurități nemetalice de 1-10μm. Datorită purității sporite a aliajului, se evită formarea porilor de hidrogen la oxizi, astfel încât rezistența la oboseală a aliajului este crescută.
Eskin et al. (2014: 120ff.) a arătat că filtrarea cu ultrasunete face posibilă purificarea aliajelor de aluminiu AA2024, AA7055 și AA7075 folosind filtre din fibră de sticlă cu mai multe straturi (cu până la 9 straturi) cu 0,6×0Pori de plasă de 6 mm. Atunci când procesul de filtrare cu ultrasunete este combinat cu adăugarea de inoculanți, se obține o rafinare simultană a cerealelor.
Armarea cu ultrasunete a aliajelor metalice
Ultrasonication este dovedit a fi extrem de eficient pe dispersarea nano particule uniform în suspensii. Prin urmare, dispersoarele cu ultrasunete sunt cele mai comune echipamente pentru a produce compozite nano-armate.
Nano particule (de exemplu, Al2O3/SiC, CNTs) sunt utilizate ca material de armare. Nanoparticulele sunt adăugate în aliajul topit și dispersate ultrasonically. Cavitația acustică și fluxul îmbunătățesc dezaglomerarea și umectabilitatea particulelor, rezultând o rezistență îmbunătățită la tracțiune, rezistență la curgere și alungire.
Echipamente cu ultrasunete pentru aplicații grele
Aplicarea ultrasunetelor de putere în metalurgie necesită sisteme cu ultrasunete robuste și fiabile, care pot fi instalate în medii solicitante. Hielscher Ultrasonics furnizează echipamente cu ultrasunete de calitate industrială pentru instalații în aplicații grele și medii dure. Toate ultrasonicators noastre sunt construite pentru funcționare 24/7. Hielscher sisteme cu ultrasunete de mare putere sunt asociate cu robustețe, fiabilitate și controlabilitate precisă.
Procese solicitante – cum ar fi rafinarea topiturilor de metale – necesită capacitatea de sonicare intensă. Hielscher Ultrasonics procesoare industriale cu ultrasunete livra amplitudini foarte mari. Amplitudinile de până la 200μm pot fi ușor rulate continuu în funcționare 24/7. Pentru amplitudini chiar mai mari, sonotrodes cu ultrasunete personalizate sunt disponibile.
Pentru sonicare de temperaturi foarte ridicate lichid și topitură, Hielscher oferă diverse sonotrodes și accesorii personalizate pentru a asigura rezultate optime de prelucrare.
Tabelul de mai jos vă oferă o indicație a capacității aproximative de procesare a ultrasonicators noastre:
| Volumul lotului | Debitul | Dispozitive recomandate |
|---|---|---|
| 10 până la 2000 ml | 20 până la 400 ml / min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 până la 20L | 00.2 până la 4L / min | UIP2000hdT |
| 10 până la 100L | 2 până la 10L / min | UIP4000 |
| n.a. | 10 până la 100L / min | UIP16000 |
| n.a. | mai mare | grup de UIP16000 |
Contactează-ne! / Întreabă-ne!
Literatură/Referințe
- 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.
Fapte care merită știute
Putere ultrasunete și cavitație
Atunci când undele ultrasonice de intensitate ridicată sunt cuplate în lichide sau suspensii, fenomenul de Cavitaţie Apare.
Ultrasunetele de mare putere, de joasă frecvență, determină formarea bulelor de cavitație în lichide și suspensii într-un mod controlat. Undele ultrasonice intense generează cicluri alternative de joasă presiune / înaltă presiune în lichid. Aceste schimbări rapide de presiune generează goluri, așa-numitele bule de cavitație. Ultrasonically induse bule de cavitație pot fi considerate ca microreactoare chimice care oferă temperaturi ridicate și presiuni la scară microscopică, în cazul în care formarea de specii active, ar fi radicalii liberi din moleculele dizolvate apar. În contextul chimiei materialelor, cavitația cu ultrasunete are potențialul unic de catalizare locală a reacțiilor la temperaturi ridicate (până la 5000 K) și de înaltă presiune (500atm), în timp ce sistemul rămâne macroscopic aproape de temperatura camerei și presiunea ambiantă. (cf. Skorb, Andreeva 2013)
Tratamentele cu ultrasunete se bazează în principal pe efecte cavitaționale. Pentru metalurgie, sonicare este o tehnică extrem de avantajoasă pentru a îmbunătăți turnarea metalelor și aliajelor.
Pe lângă tratamentul topiturilor metalice, sonicare este, de asemenea, utilizat pentru a crea nanostructuri asemănătoare buretelui și nano-modele pe suprafețe metalice solide, ar fi titanul și aliajele. Aceste părți din titan nanostructurat ultrasonically și aliaj arată o mare capacitate ca implanturi cu proliferare celulară osteogenică îmbunătățită. Citiți mai multe despre nano-structurarea cu ultrasunete a implanturilor de titan!