Ultrazvočno prečiščevanje kovinskih talin
- Ultrazvok moči v staljenih kovinah in zlitinah kaže različne koristne učinke, kot so strukturiranje, razplinjevanje in izboljšana filtracija.
- Ultrasonication spodbuja ne-dendritično strjevanje v tekočih in poltrdnih kovinah.
- Sonication ima pomembne koristi pri mikrostrukturni rafinaciji dendritičnih zrn in primarnih intermetalnih delcev.
- Poleg tega se lahko ultrazvok moči namenoma uporablja za zmanjšanje poroznosti kovin ali za izdelavo mezoporoznih struktur.
- Nenazadnje, ultrazvok moči izboljša kakovost ulitkov.
Ultrazvočno strjevanje kovinskih talin
Nastajanje ne-dendritičnih struktur med strjevanjem kovinskih taline vpliva na lastnosti materiala, kot so trdnost, duktilnost, žilavost in / ali trdota.
Ultrazvočno spremenjena nukleacija zrn: Akustična kavitacija in njene intenzivne strižne sile povečajo nukleacijska mesta in število jeder v talini. Ultrazvočna obdelava taline povzroči heterogeno nukleacijo in fragmentacijo dendritov, tako da končni izdelek kaže bistveno večjo prefinjenost zrn.
Ultrazvočna kavitacija povzroča enakomerno vlaženje nekovinskih nečistoč v talini. Te nečistoče se spremenijo v nukleacijska mesta, ki so izhodišča strjevanja. Ker so te nukleacijske točke pred strjevalno fronto, se rast dendritičnih struktur ne pojavi.
Makrostruktura zlitine Ti po ultrazvočni obdelavi. Ultrasonication ima za posledico znatno rafinirano strukturo zrn.
Dr. Andreeva-Bäumler, Univerza v Bayreuthu, sodeluje z ultrazvočnim UIP1000hdT pri nanostrukturiranju kovin.
Ultrazvočni učinki na trdoto zlitine Vicker: Ultrasonication izboljša Vickersovo mikrotrdoto v kovini
(študija in grafika: ©Ruirun et al., 2017)
Fragmentacija dendritov: Taljenje dendritov se običajno začne v korenu zaradi lokalnega dviga temperature in segregacije. Sonication ustvarja močno konvekcijo (prenos toplote z gibanjem mase tekočine) in udarne valove v talini, tako da so dendriti razdrobljeni. Konvekcija lahko spodbuja fragmentacijo dendritov zaradi ekstremnih lokalnih temperatur in sprememb sestave ter spodbuja difuzijo topne raztopine. Kavitacijski udarni valovi pomagajo pri lomljenju teh talilnih korenin.
Ultrazvočno razplinjevanje kovinskih zlitin
Razplinjevanje je še en pomemben učinek ultrazvoka moči na tekoče in poltrdne kovine in zlitine. Akustična kavitacija ustvarja izmenične nizkotlačne / visokotlačne cikle. Med nizkotlačnimi cikli se v tekočini ali gnojevki pojavijo drobni vakuumski mehurčki. Ti vakuumski mehurčki delujejo kot jedra za tvorbo vodikovih in parnih mehurčkov. Zaradi nastanka večjih vodikovih mehurčkov se plinski mehurčki dvignejo. Akustični pretok in pretok pomagata pri plavanju teh mehurčkov na površino in iz taline, tako da se plin lahko odstrani in zmanjša koncentracija plina v talini.
Ultrazvočno razplinjevanje zmanjša poroznost kovine, s čimer se doseže večja gostota materiala v končnem kovinskem / zlitinskem izdelku.
Ultrazvočno razplinjevanje aluminijevih zlitin poveča končno natezno trdnost in duktilnost materiala. Industrijski ultrazvočni sistemi štejejo za najboljše med drugimi komercialnimi metodami razplinjevanja glede učinkovitosti in časa obdelave. Poleg tega se postopek polnjenja kalupa izboljša zaradi nižje viskoznosti taline.
Tlačne lastnosti Ti44Al6Nb1Cr2V pri različnih časih ultrazvočnega razbijanja. Sonication bistveno izboljša tlačno trdnost.
(študija in grafika: ©Ruirun et al., 2017)
Keramična sonotroda BS4D22L3C je posebna sonotroda, primerna za sonikiranje visokotemperaturnih tekočin, kot je staljeni aluminij (npr. za mešanje in razplinjevanje).
Sonokapilarni učinek med filtracijo
Ultrazvočni kapilarni učinek v tekočih kovinah je gonilni učinek za odstranjevanje oksidnih vključkov med ultrazvočno podprto filtracijo talin. (Eskin et al. 2014: 120ff.)
Filtracija se uporablja za odstranjevanje nekovinskih nečistoč iz taline. Med filtracijo talina prehaja skozi različne mrežne očese (npr. steklena vlakna), da loči neželene vključke. Manjša kot je velikost mrežnega očesa, boljši je rezultat filtracije.
V običajnih pogojih talina ne more prenesti dvoslojnega filtra z zelo ozko velikostjo por 0,4-0,4 mm. Vendar pa je pri ultrazvočno podprti filtraciji talina omogočena, da preide skozi mrežaste pore zaradi sonokapilarnega učinka. V tem primeru filtrirne kapilare zadržijo celo nekovinske nečistoče 1–10 μm. Zaradi povečane čistosti zlitine se izognemo nastajanju vodikovih por na oksidih, tako da se poveča utrujenost zlitine.
(2014: 120ff.) je pokazal, da ultrazvočna filtracija omogoča čiščenje aluminijevih zlitin AA2024, AA7055 in AA7075 z uporabo večplastnih filtrov iz steklenih vlaken (z do 9 plastmi) z 0,6×06 mm mrežaste pore. Ko se postopek ultrazvočne filtracije kombinira z dodatkom inokulantov, se doseže hkratna rafinacija zrna.
Ultrazvočna ojačitev kovinskih zlitin
Ultrasonication se je izkazal za zelo učinkovitega pri enakomernem razprševanju nano delcev v gnojevke. Zato so ultrazvočni dispergatorji najpogostejša oprema za proizvodnjo nano-ojačanih kompozitov.
Nano delci (npr. Al2O3/SiC, CNT) se uporabljajo kot ojačitveni material. Nano delci se dodajo staljeni zlitini in ultrazvočno razpršijo. Akustična kavitacija in pretakanje izboljšata deaglomeracijo in omočljivost delcev, kar ima za posledico izboljšano natezno trdnost, mejo tečenja in raztezek.
Ultrazvočna oprema za težke aplikacije
Uporaba močnega ultrazvoka v metalurgiji zahteva robustne, zanesljive ultrazvočne sisteme, ki jih je mogoče namestiti v zahtevnih okoljih. Hielscher Ultrasonics dobavlja ultrazvočno opremo industrijskega razreda za instalacije v težkih aplikacijah in grobih okoljih. Vsi naši ultrazvočni aparati so zgrajeni za delovanje 24/7. Hielscher ultrazvočni sistemi visoke moči so seznanjeni z robustnostjo, zanesljivostjo in natančnim nadzorom.
Zahtevni procesi – kot je rafiniranje kovinskih taline – zahtevajo sposobnost intenzivnega ultrazvočnega razbijanja. Industrijski ultrazvočni procesorji Hielscher Ultrasonics zagotavljajo zelo visoke amplitude. Amplitude do 200 μm se lahko enostavno neprekinjeno izvajajo v 24/7 delovanju. Za še višje amplitude so na voljo prilagojene ultrazvočne sonotrode.
Za ultrazvočno razbijanje zelo visokih temperatur tekočine in taline Hielscher ponuja različne sonotrode in prilagojene dodatke, ki zagotavljajo optimalne rezultate obdelave.
Spodnja tabela vam prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih aparatov:
| Obseg serije | Pretok | Priporočene naprave |
|---|---|---|
| 10 do 2000 ml | 20 do 400 ml / min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 do 20L | 00,2 do 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10 l/min | UIP4000 |
| n.a. | 10 do 100 l/min | UIP16000 |
| n.a. | Večji | Grozd UIP16000 |
Kontaktirajte nas! / Vprašajte nas!
Literatura/Reference
- 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.
Dejstva, ki jih je vredno vedeti
Močni ultrazvok in kavitacija
Ko so visoko intenzivni ultrazvočni valovi povezani v tekočine ali gnojevke, se pojav Kavitacija Pride.
Visokozmogljiv, nizkofrekvenčni ultrazvok povzroča nadzorovano nastajanje kavitacijskih mehurčkov v tekočinah in gnojevkah. Intenzivni ultrazvočni valovi ustvarjajo izmenične nizkotlačne / visokotlačne cikle v tekočini. Te hitre spremembe tlaka ustvarjajo praznine, tako imenovane kavitacijske mehurčke. Ultrazvočno inducirani kavitacijski mehurčki se lahko štejejo za kemične mikroreaktorje, ki zagotavljajo visoke temperature in tlake na mikroskopski ravni, kjer nastajajo aktivne vrste, kot so prosti radikali iz raztopljenih molekul. V kontekstu kemije materialov ima ultrazvočna kavitacija edinstven potencial lokalnega kataliziranja visokotemperaturnih (do 5000 K) in visokotlačnih (500 atm) reakcij, medtem ko sistem ostaja makroskopsko blizu sobne temperature in tlaka okolice. (prim. Skorb, Andreeva 2013)
Ultrazvočni tretmaji temeljijo predvsem na kavitacijskih učinkih. Za metalurgijo je ultrazvočna obdelava zelo ugodna tehnika za izboljšanje litja kovin in zlitin.
Poleg obdelave kovinskih talin se ultrazvočno razbijanje uporablja tudi za ustvarjanje gobastih nanostruktur in nano-vzorcev na trdnih kovinskih površinah, kot so titan in zlitine. Ti ultrazvočno nanostrukturirani deli iz titana in zlitin kažejo veliko zmogljivost kot vsadki z izboljšano proliferacijo osteogenih celic. Preberite več o ultrazvočnem nanostrukturiranju titanovih vsadkov!