Ultrazvukové zušľachťovanie kovových tavenín
- Výkonový ultrazvuk v roztavených kovoch a zliatinách vykazuje rôzne priaznivé účinky, ako je štruktúrovanie, odplyňovanie a zlepšená filtrácia.
- Ultrazvuk podporuje nedendritické tuhnutie v kvapalných a polotuhých kovoch.
- Sonikácia má významné výhody pre mikroštrukturálne zjemnenie dendritických zŕn a primárnych intermetalických častíc.
- Okrem toho je možné výkonový ultrazvuk zámerne použiť na zníženie pórovitosti kovov 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 je pevnosť, ťažnosť, húževnatosť a/alebo tvrdosť.
Ultrazvukom zmenená nukleácia zŕn: Akustická kavitácia a jej intenzívne šmykové sily zvyšujú nukleačné miesta a počet jadier v tavenine. Ultrazvukové ošetrenie tavenín má za následok heterogénnu nukleáciu a fragmentáciu dendritov, takže konečný produkt vykazuje výrazne vyššie zjemnenie zŕn.
Ultrazvuková kavitácia spôsobuje rovnomerné zvlhčenie nekovových nečistôt v tavenine. Tieto nečistoty sa menia na nukleačné miesta, ktoré sú východiskovými bodmi tuhnutia. Pretože tieto nukleačné body sú pred frontom tuhnutia, nedochádza k rastu dendritických štruktúr.
Makroštruktúra zliatiny Ti po ultrazvukovom spracovaní. Ultrazvuk má za následok výrazne rafinovanú štruktúru zŕn.
Dr. Andreeva-Bäumler z Univerzity v Bayreuthe pracuje s ultrazvukom UIP1000hdT na nanoštruktúrovaní kovov.
Ultrazvukové účinky na tvrdosť zliatiny Vicker: Ultrazvuk zlepšuje Vickersovu mikrotvrdosť v kove
(štúdia a grafika: ©Ruirun et al., 2017)
Fragmentácia dendritov: Topenie dendritov sa zvyčajne začína pri koreni v dôsledku lokálneho zvýšenia teploty a segregácie. Sonikácia vytvára silnú konvekciu (prenos tepla pohybom hmoty tekutiny) a rázové vlny v tavenine, takže dendrity sú fragmentované. Konvekcia môže podporovať fragmentáciu dendritov v dôsledku extrémnych miestnych teplôt, ako aj zmien zloženia a podporuje difúziu rozpustenej látky. Kavitačné rázové vlny napomáhajú rozbitiu týchto topiacich sa koreňov.
Ultrazvukové odplyňovanie kovových zliatin
Odplyňovanie je ďalším dôležitým účinkom výkonového ultrazvuku na kvapalné a polotuhé kovy a zliatiny. Akustická kavitácia vytvára striedavé nízkotlakové / vysokotlakové cykly. Počas nízkotlakových cyklov sa v kvapaline alebo suspenzii vyskytujú drobné vákuové bubliny. Tieto vákuové bubliny pôsobia ako jadrá na tvorbu bublín vodíka a pár. V dôsledku tvorby väčších vodíkových bublín stúpajú bubliny plynu. Akustické prúdenie a prúdenie napomáhajú plávaniu týchto bublín na povrch a von z taveniny, takže plyn sa môže odstrániť a koncentrácia plynu v tavenine sa zníži.
Ultrazvukové odplyňovanie znižuje pórovitosť kovu, čím sa dosahuje vyššia hustota materiálu v konečnom kovovom / zliatinovom produkte.
Ultrazvukové odplyňovanie hliníkových zliatin zvyšuje konečnú pevnosť v ťahu a ťažnosť materiálu. Priemyselné ultrazvukové systémy sa počítajú ako najlepšie spomedzi iných komerčných metód odplyňovania, pokiaľ ide o účinnosť a čas spracovania. Okrem toho sa proces plnenia foriem zlepšuje vďaka nižšej viskozite taveniny.
Tlakové vlastnosti Ti44Al6Nb1Cr2V pri rôznych časoch sonikácie. Sonikácia výrazne zlepšuje pevnosť v tlaku.
(štúdia a grafika: ©Ruirun et al., 2017)
Keramická sonotróda BS4D22L3C je špeciálna sonotróda vhodná na sonikáciu vysokoteplotných kvapalín, ako je roztavený hliník (napr. na miešanie a odplyňovanie).
Sonokapilárny účinok počas filtrácie
Ultrazvukový kapilárny efekt v tekutých kovoch je hnacím účinkom na odstránenie oxidových inklúzií počas ultrazvukom asistovanej filtrácie tavenín. (Eskin a kol. 2014: 120ff.)
Filtrácia sa používa na odstránenie nekovových nečistôt z taveniny. Počas filtrácie tavenina prechádza rôznymi sieťami (napr. sklenenými vláknami), aby sa oddelili nežiaduce inklúzie. Čím menšia je veľkosť ôk, tým lepší je výsledok filtrácie.
Za bežných podmienok nemôže tavenina prejsť dvojvrstvovým filtrom s veľmi úzkou veľkosťou pórov 0,4-0,4 mm. Pri ultrazvukom asistovanej filtrácii je však tavenina schopná prechádzať cez póry sieťky vďaka sonokapilárnemu efektu. V tomto prípade filtračné kapiláry zadržiavajú aj nekovové nečistoty 1–10 μm. Vďaka zvýšenej čistote zliatiny sa zabráni tvorbe vodíkových pórov na oxidoch, čím sa zvyšuje únavová pevnosť zliatiny.
Eskin et al. (2014: 120ff.) ukázali, že ultrazvuková filtrácia umožňuje čistenie hliníkových zliatin AA2024, AA7055 a AA7075 pomocou viacvrstvových filtrov zo sklenených vlákien (až s 9 vrstvami) s 0,6×0Póry zo sieťoviny 6 mm. Keď sa proces ultrazvukovej filtrácie kombinuje s pridaním inokulantov, dosiahne sa súčasné zjemnenie zrna.
Ultrazvukové vystuženie kovových zliatin
Ultrazvuk je preukázateľne vysoko účinný pri rovnomernom rozptyľovaní nanočastíc do suspenzií. Preto sú ultrazvukové dispergátory najbežnejším zariadením na výrobu nano-vystužených kompozitov.
Nano častice (napr. Al2O3/SiC, CNT) sa používajú ako výstužný materiál. Nano častice sa pridávajú do roztavenej zliatiny a ultrazvukovo sa rozptýlia. Akustická kavitácia a prúdenie zlepšuje deaglomeráciu a zmáčavosť častíc, čo vedie k zlepšeniu pevnosti v ťahu, medze klzu a predĺženiu.
Ultrazvukové zariadenia pre náročné aplikácie
Aplikácia výkonového ultrazvuku v metalurgii si vyžaduje robustné a spoľahlivé ultrazvukové systémy, ktoré je možné inštalovať v náročných prostrediach. Spoločnosť Hielscher Ultrasonics dodáva ultrazvukové zariadenia priemyselnej kvality pre inštalácie v náročných aplikáciách a drsnom prostredí. Všetky naše ultrazvukové prístroje sú vyrobené pre prevádzku 24 hodín denne, 7 dní v týždni. Vysokovýkonné ultrazvukové systémy Hielscher sú spojené s robustnosťou, spoľahlivosťou a presnou ovládateľnosťou.
Náročné procesy – ako je rafinácia kovových tavenín – vyžadujú schopnosť intenzívnej sonikácie. Priemyselné ultrazvukové procesory Hielscher Ultrasonics poskytujú veľmi vysoké amplitúdy. Amplitúdy až 200 μm je možné ľahko nepretržite prevádzkovať v prevádzke 24 hodín denne, 7 dní v týždni. Pre ešte vyššie amplitúdy sú k dispozícii prispôsobené ultrazvukové sonotródy.
Na sonikáciu veľmi vysokých teplôt kvapaliny a taveniny ponúka spoločnosť Hielscher rôzne sonotródy a prispôsobené príslušenstvo na zabezpečenie optimálnych výsledkov spracovania.
Nasledujúca tabuľka vám poskytuje približnú kapacitu spracovania našich ultrazvukových prístrojov:
| Objem dávky | Prietok | Odporúčané zariadenia |
|---|---|---|
| 10 až 2000 ml | 20 až 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 až 20 l | 00,2 až 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100 l | 2 až 10 l/min | UIP4000 |
| N.A. | 10 až 100 l/min | UIP16000 |
| N.A. | väčší | Zhluk 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.
Fakty, ktoré stoja za to vedieť
Výkonový ultrazvuk a kavitácia
Keď sú vysoko intenzívne ultrazvukové vlny spojené s kvapalinami alebo suspenziami, jav Kavitácie Vyskytuje.
Vysokovýkonný, nízkofrekvenčný ultrazvuk spôsobuje kontrolovanú tvorbu kavitačných bublín v kvapalinách a suspenziách. Intenzívne ultrazvukové vlny vytvárajú v kvapaline striedavé nízkotlakové / vysokotlakové cykly. Tieto rýchle zmeny tlaku vytvárajú dutiny, takzvané kavitačné bubliny. Ultrazvukom indukované kavitačné bubliny možno považovať za chemické mikroreaktory poskytujúce vysoké teploty a tlaky v mikroskopickom meradle, kde dochádza k tvorbe aktívnych látok, ako sú voľné radikály z rozpustených molekúl. V kontexte chémie materiálov má ultrazvuková kavitácia jedinečný potenciál lokálne katalyzovať vysokoteplotné (až 5000 K) a vysokotlakové (500 atm) reakcie, zatiaľ čo systém zostáva makroskopicky blízko izbovej teploty a okolitého tlaku. (porovnaj Skorb, Andreeva 2013)
Ultrazvukové ošetrenie je založené najmä na kavitačných účinkoch. Pre metalurgiu je sonikácia veľmi výhodnou technikou na zlepšenie odlievania kovov a zliatin.
Okrem úpravy kovových tavenín sa sonikácia používa aj na vytváranie špongiovitých nanoštruktúr a nanovzorov na pevných kovových povrchoch, ako je titán a zliatiny. Tieto ultrazvukovo nanoštruktúrované titánové a zliatinové diely vykazujú veľkú kapacitu ako implantáty so zvýšenou proliferáciou osteogénnych buniek. Prečítajte si viac o ultrazvukovom nanoštruktúrovaní titánových implantátov!