Ultrazvukové zjemňovanie kovových tavenín
- Výkonový ultrazvuk má v roztavených kovoch a zliatinách rôzne priaznivé účinky, ako je štruktúrovanie, odplyňovanie a zlepšenie filtrácie.
- Pôsobenie ultrazvuku podporuje nedendritické tuhnutie kvapalných a polotuhých kovov.
- Sonikácia má významné prínosy pri zjemňovaní mikroštruktúry dendritických zŕn a primárnych intermetalických častíc.
- Výkonový ultrazvuk možno navyše cielene použiť na zníženie pórovitosti kovu alebo na vytvorenie mezoporéznych štruktúr.
- V neposlednom rade výkonový ultrazvuk zlepšuje kvalitu odliatkov.
Ultrazvukové tuhnutie kovových tavenín
Tvorba nedendritických štruktúr počas tuhnutia kovových tavenín ovplyvňuje vlastnosti materiálu, ako sú pevnosť, ťažnosť, húževnatosť a/alebo tvrdosť.
Nukleácia zŕn ovplyvnená ultrazvukom: Akustická kavitácia a jej intenzívne šmykové sily zvyšujú počet nukleačných miest a zárodkov v tavenine. Ultrazvukové spracovanie tavenín vedie k heterogénnej nukleácii a fragmentácii dendritov, takže konečný výrobok vykazuje výrazne vyšší stupeň zjemnenia zrna.
Ultrazvuková kavitácia spôsobuje rovnomerné zmáčanie nekovových nečistôt v tavenine. Tieto nečistoty sa stávajú nukleačnými miestami, ktoré sú východiskovými bodmi tuhnutia. Keďže sa tieto nukleačné miesta nachádzajú pred frontom tuhnutia, k rastu dendritických štruktúr nedochádza.
Makroštruktúra zliatiny Ti po ultrazvukovom spracovaní. Pôsobenie ultrazvuku vedie k výraznému zjemneniu zrnovej štruktúry.
Dr. Andreeva-Bäumler z Univerzity v Bayreuthe pracuje s ultrazvukovým prístrojom UIP1000hdT na nanoštruktúrovaní kovov.
Účinky ultrazvuku na Vickersovu tvrdosť zliatiny: Pôsobenie ultrazvuku zvyšuje Vickersovu mikrotvrdosť kovu
(štúdia a grafika: ©Ruirun et al., 2017)
Fragmentácia dendritov: Tavenie dendritov sa zvyčajne začína pri ich koreni v dôsledku lokálneho zvýšenia teploty a segregácie. Sonikácia vytvára v tavenine silnú konvekciu (prenos tepla pohybom hmoty tekutiny) a rázové vlny, ktoré spôsobujú fragmentáciu dendritov. Konvekcia môže podporovať fragmentáciu dendritov v dôsledku extrémnych lokálnych teplôt aj zmien zloženia a podporuje difúziu rozpustenej látky. Kavitačné rázové vlny napomáhajú odlamovaniu týchto taviacich sa koreňov.
Ultrazvukové odplyňovanie kovových zliatin
Odplyňovanie je ďalším dôležitým účinkom výkonového ultrazvuku na kvapalné a polotuhé kovy a zliatiny. Akustická kavitácia vytvára striedajúce sa cykly nízkeho / vysokého tlaku. Počas cyklov nízkeho tlaku vznikajú v kvapaline alebo suspenzii drobné vákuové bubliny. Tieto vákuové bubliny slúžia ako zárodky na tvorbu vodíkových a parných bublín. V dôsledku tvorby väčších vodíkových bublín plynové bubliny stúpajú. Akustické prúdenie napomáha vystupovaniu týchto bublín na povrch a von z taveniny, takže plyn možno odstrániť a jeho koncentrácia v tavenine sa znižuje.
Ultrazvukové odplyňovanie znižuje pórovitosť kovu, čím sa dosahuje vyššia hustota materiálu v konečnom výrobku z kovu / zliatiny.
Ultrazvukové odplyňovanie hliníkových zliatin zvyšuje medzu pevnosti v ťahu a ťažnosť materiálu. Priemyselné systémy výkonového ultrazvuku sa z hľadiska účinnosti a času spracovania považujú za najlepšie spomedzi ostatných komerčných metód odplyňovania. Okrem toho sa vďaka nižšej viskozite taveniny zlepšuje proces plnenia formy.
Tlakové vlastnosti Ti44Al6Nb1Cr2V pri rôznych časoch sonikácie. Sonikácia výrazne zvyšuje pevnosť v tlaku.
(štúdia a grafika: ©Ruirun et al., 2017)
Keramická sonotróda BS4D22L3C je špeciálna sonotróda vhodná na sonikáciu kvapalín s vysokou teplotou, ako je roztavený hliník (napr. na miešanie a odplyňovanie).
Sonokapilárny jav pri filtrácii
Ultrazvukový kapilárny jav v kvapalných kovoch je hnacím javom pri odstraňovaní oxidických vmestkov počas ultrazvukom podporovanej filtrácie tavenín. (Eskin et al. 2014: 120ff.)
Filtrácia sa používa na odstraňovanie nekovových nečistôt z taveniny. Počas filtrácie tavenina prechádza rôznymi sitami (napr. zo sklených vlákien), aby sa oddelili nežiaduce vmestky. Čím menšia je veľkosť ôk sita, tým lepší je výsledok filtrácie.
Za bežných podmienok tavenina nedokáže prejsť dvojvrstvovým filtrom s veľmi malou veľkosťou pórov 0,4–0,4mm. Pri ultrazvukom podporovanej filtrácii však tavenina vďaka sonokapilárnemu javu dokáže prechádzať pórmi sita. V tomto prípade kapiláry filtra zachytávajú aj nekovové nečistoty s veľkosťou 1–10μm. Vďaka zvýšenej čistote zliatiny sa predchádza tvorbe vodíkových pórov na oxidoch, čím sa zvyšuje únavová pevnosť zliatiny.
Eskin et al. (2014: 120ff.) preukázali, že ultrazvuková filtrácia umožňuje čistenie hliníkových zliatin AA2024, AA7055 a AA7075 pomocou viacvrstvových filtrov zo sklených vlákien (až s 9 vrstvami) s veľkosťou ôk 0,6×0,6mm. Keď sa proces ultrazvukovej filtrácie skombinuje s pridaním očkovadiel, súčasne sa dosiahne zjemnenie zrna.
Ultrazvukové vystužovanie kovových zliatin
Je preukázané, že pôsobenie ultrazvuku je vysoko účinné pri rovnomernom dispergovaní nanočastíc v suspenziách. Ultrazvukové dispergátory sú preto najbežnejším zariadením na výrobu kompozitov vystužených nanočasticami.
Nanočastice (napr. Al2O3/SiC, CNTs) sa používajú ako výstužný materiál. Nanočastice sa pridávajú do roztavenej zliatiny a dispergujú sa ultrazvukom. Akustická kavitácia a prúdenie zlepšujú deaglomeráciu a zmáčateľnosť častíc, čo vedie k zvýšeniu pevnosti v ťahu, medze klzu a ťažnosti.
Ultrazvukové zariadenia na použitie v náročných podmienkach
Použitie výkonového ultrazvuku v metalurgii vyžaduje robustné a spoľahlivé ultrazvukové systémy, ktoré možno inštalovať v náročných prostrediach. Hielscher Ultrasonics dodáva priemyselné ultrazvukové zariadenia na inštaláciu v náročných aplikáciách a drsných prostrediach. Všetky naše ultrazvukové prístroje sú skonštruované na prevádzku 24/7. Vysokovýkonné ultrazvukové systémy Hielscher spájajú robustnosť, spoľahlivosť a presnú regulovateľnosť.
Náročné procesy – ako je zjemňovanie kovových tavenín – vyžadujú schopnosť intenzívnej sonikácie. Priemyselné ultrazvukové procesory Hielscher Ultrasonics dosahujú veľmi vysoké amplitúdy. Amplitúdy až do 200µm možno bez problémov udržiavať nepretržite počas prevádzky 24/7. Pre ešte vyššie amplitúdy sú k dispozícii ultrazvukové sonotródy vyrobené na mieru.
Na sonikáciu kvapalín a tavenín pri veľmi vysokých teplotách ponúka Hielscher rôzne sonotródy a príslušenstvo vyrobené na mieru, aby sa zabezpečili optimálne výsledky spracovania.
Nasledujúca tabuľka poskytuje predstavu o približnej kapacite spracovania našich ultrazvukových prístrojov:
| Objem dávky | Prietok | Odporúčané zariadenia |
|---|---|---|
| 10 až 2000mL | 20 až 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 až 20L | 0,2 až 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100L | 2 až 10L/min | UIP4000 |
| n.a. | 10 až 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | vyšší | zoskupenie zariadení UIP16000 |
Kontaktujte nás! / Opýtajte sa nás!
Literatúra/Referencie
- 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.
Užitočné informácie
Výkonový ultrazvuk a kavitácia
Keď sa do kvapalín alebo suspenzií vnášajú ultrazvukové vlny s vysokou intenzitou, nastáva jav kavitácie .
Vysokovýkonný nízkofrekvenčný ultrazvuk spôsobuje riadenú tvorbu kavitačných bublín v kvapalinách a suspenziách. Intenzívne ultrazvukové vlny vytvárajú v kvapaline striedajúce sa cykly nízkeho / vysokého tlaku. Tieto rýchle zmeny tlaku vytvárajú dutiny, takzvané kavitačné bubliny. Ultrazvukom vyvolané kavitačné bubliny možno považovať za chemické mikroreaktory poskytujúce vysoké teploty a tlaky v mikroskopickej mierke, kde dochádza k tvorbe aktívnych častíc, ako sú voľné radikály, z rozpustených molekúl. V kontexte materiálovej chémie má ultrazvuková kavitácia jedinečný potenciál lokálne katalyzovať reakcie pri vysokých teplotách (až do 5000 K) a vysokých tlakoch (500atm), zatiaľ čo systém ako celok zostáva pri teplote blízkej izbovej teplote a pri tlaku okolitého prostredia. (porov. Skorb, Andreeva 2013)
Ultrazvukové spracovanie je založené najmä na kavitačných účinkoch. V metalurgii je sonikácia veľmi výhodnou technikou na zlepšenie odlievania kovov a zliatin.
Okrem spracovania kovových tavenín sa sonikácia používa aj na vytváranie špongiovitých nanoštruktúr a nanovzorov na pevných povrchoch kovov, ako sú titán a zliatiny. Tieto ultrazvukom nanoštruktúrované diely z titánu a zliatin vykazujú veľký potenciál na použitie ako implantáty so zvýšenou proliferáciou osteogénnych buniek. Prečítajte si viac o ultrazvukovom nanoštruktúrovaní titánových implantátov!