Ultraljudsförfining av metallsmältor
- Kraftultraljud i smälta metaller och legeringar visar olika gynnsamma effekter såsom strukturering, avgasning och förbättrad filtrering.
- Ultraljud främjar icke-dendritisk stelning i flytande och halvfasta metaller.
- Ultraljudsbehandling har betydande fördelar på mikrostrukturell förfining av dendritiska korn och primära intermetalliska partiklar.
- Dessutom kan kraftultraljud användas målmedvetet för att minska metallporositeten eller för att producera mesoporösa strukturer.
- Sist men inte minst förbättrar power ultrasound kvaliteten på gjutgods.
Ultraljudsstelning av metallsmältor
Bildningen av icke-dendritiska strukturer under stelning av metallsmältor påverkar materialegenskaperna såsom hållfasthet, duktilitet, seghet och/eller hårdhet.
Ultraljudsförändrad kornkärnbildning: Akustisk kavitation och dess intensiva skjuvkrafter ökar kärnbildningsställena och antalet kärnor i smältan. Ultraljudsbehandling av smältor resulterar i en heterogen kärnbildning och fragmentering av dendriter, så att slutprodukten visar en betydligt högre kornförfining.
Ultraljudskavitation orsakar jämn vätning av icke-metalliska föroreningar i smältan. Dessa föroreningar förvandlas till kärnbildningsplatser, som är utgångspunkterna för stelning. Eftersom dessa kärnbildningspunkter ligger före stelningsfronten, sker ingen tillväxt av dendritiska strukturer.
Makrostruktur av Ti-legering efter ultraljudsbehandling. Ultraljud resulterar i en betydligt förfinad kornstruktur.
Dr. Andreeva-Bäumler, Universitetet i Bayreuth, arbetar med ultraljudsapparaten UIP1000hdT på nano-strukturering av metaller.
Ultraljud effekter på legering Vicker hårdhet: Ultraljud förbättrar Vickers mikrohårdhet i metall
(studie och grafik: ©Ruirun et al., 2017)
Fragmentering av dendrit: Smältningen av dendriter börjar vanligtvis vid roten på grund av lokal temperaturhöjning och segregering. Ultraljudsbehandling genererar stark konvektion (värmeöverföring genom massrörelse av en vätska) och chockvågor i smältan, så att dendriterna är fragmenterade. Konvektion kan främja dendritfragmentering på grund av extrema lokala temperaturer samt sammansättningsvariationer och främjar diffusion av löst ämne. Kavitationschockvågorna hjälper till att bryta sönder de smältande rötterna.
Ultraljudsavgasning av metalliska legeringar
Avgasning är en annan viktig effekt av kraftultraljud på flytande och halvfasta metaller och legeringar. Den akustiska kavitationen skapar omväxlande lågtrycks- och högtryckscykler. Under lågtryckscyklerna uppstår små vakuumbubblor i vätskan eller uppslamningen. Dessa vakuumbubblor fungerar som kärnor för bildandet av väte- och ångbubblor. På grund av bildandet av större vätebubblor stiger gasbubblorna. Akustiskt flöde och strömning hjälper dessa bubblor att flyta upp till ytan och ut ur smältan, så att gasen kan avlägsnas och gaskoncentrationen i smältan minskar.
Ultraljudsavgasning minskar metallens porositet och uppnår därmed en högre materialdensitet i den slutliga metallen / legeringsprodukten.
Ultraljudsavgasning av aluminiumlegeringar höjer materialets slutliga draghållfasthet och duktilitet. Ultraljudssystem med industriell kraft räknas som de bästa bland andra kommersiella avgasningsmetoder när det gäller effektivitet och bearbetningstid. Dessutom förbättras processen för formfyllning på grund av lägre viskositet hos smältan.
Kompressionsegenskaper hos Ti44Al6Nb1Cr2V under olika ultraljudsbehandlingstider. Ultraljudsbehandling förbättrar tryckhållfastheten avsevärt.
(studie och grafik: ©Ruirun et al., 2017)
Keramisk sonotrode BS4D22L3C är en speciell sonotrode som är lämplig för att sonikera vätskor med hög temperatur såsom smält aluminium (t.ex. för blandning och avgasning).
Sonokapillär effekt under filtrering
Den ultraljudskapilläreffekten i flytande metaller är den drivande effekten för att avlägsna oxidinneslutningar under den ultraljudsassisterade filtreringen av smältor. (Eskin et al. 2014: 120ff.)
Filtrering används för att avlägsna icke-metalliska föroreningar från smältan. Under filtreringen passerar smältan olika maskor (t.ex. glasfiber) för att separera oönskade inneslutningar. Ju mindre maskstorlek, desto bättre blir filtreringsresultatet.
Under vanliga förhållanden kan smältan inte passera ett tvåskiktsfilter med en mycket smal porstorlek på 0,4-0,4 mm. Men under ultraljudsassisterad filtrering är smältan möjlig att passera nätporerna på grund av den sonokapillära effekten. I detta fall behåller filtrets kapillärer även icke-metalliska föroreningar på 1–10 μm. På grund av legeringens förbättrade renhet undviks bildandet av väteporer vid oxiderna, så att legeringens utmattningshållfasthet ökar.
Eskin et al. (2014: 120ff.) har visat att ultraljudsfiltrering gör det möjligt att rena aluminiumlegeringarna AA2024, AA7055 och AA7075 med hjälp av flerskiktade glasfiberfilter (med upp till 9 lager) med 0,6×0.6 mm mesh porer. När ultraljudsfiltreringsprocessen kombineras med tillsats av ympningsmedel uppnås en samtidig kornförfining.
Ultraljudsförstärkning av metallegeringar
Ultraljud har visat sig vara mycket effektivt på att sprida nanopartiklar likformigt i uppslamningar. Därför är ultraljudsdispergeringsmedel den vanligaste utrustningen för att producera nanoförstärkta kompositer.
Nanopartiklar (t.ex. Al2O3/SiC, CNT) används som förstärkningsmaterial. Nanopartiklarna tillsätts i den smälta legeringen och dispergeras ultraljud. Den akustiska kavitationen och strömningen förbättrar deagglomerationen och vätbarheten hos partiklarna, vilket resulterar i en förbättrad draghållfasthet, sträckgräns och töjning.
Ultraljudsutrustning för tunga applikationer
Tillämpningen av kraftultraljud inom metallurgi kräver robusta, pålitliga ultraljudssystem som kan installeras i krävande miljöer. Hielscher Ultrasonics levererar ultraljudsutrustning av industriell kvalitet för installationer i tunga applikationer och tuffa miljöer. Alla våra ultraljudsapparater är byggda för 24/7 drift. Hielscher ultraljudssystem med hög effekt är ihopkopplade med robusthet, tillförlitlighet och exakt styrbarhet.
Krävande processer – såsom raffinering av metallsmältor – kräver förmågan till intensiv ultraljudsbehandling. Hielscher Ultrasonics industriella ultraljudsprocessorer levererar mycket höga amplituder. Amplituder på upp till 200 μm kan enkelt köras kontinuerligt i 24/7 drift. För ännu högre amplituder finns anpassade ultraljudssonotroder tillgängliga.
För ultraljudsbehandling av mycket höga vätske- och smälttemperaturer, Hielscher erbjuder olika sonotrodes och anpassade tillbehör för att säkerställa optimala bearbetningsresultat.
Tabellen nedan ger dig en indikation på den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos våra ultraljudsapparater:
| Batchvolym | Flöde | Rekommenderade enheter |
|---|---|---|
| 10 till 2000 ml | 20 till 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 till 20L | 0.2 till 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 till 100L | 2 till 10L/min | UIP4000 |
| N.A. | 10 till 100 L/min | UIP16000 |
| N.A. | Större | kluster av UIP16000 |
Kontakta oss! / Fråga oss!
Litteratur/Referenser
- 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.
Fakta som är värda att veta
Kraft, ultraljud och kavitation
När högintensiva ultraljudsvågor kopplas till vätskor eller uppslamningar, fenomenet Kavitation Uppstår.
Ultraljud med hög effekt och låg frekvens orsakar bildandet av kavitationsbubblor i vätskor och uppslamningar på ett kontrollerat sätt. Intensiva ultraljudsvågor genererar omväxlande cykler med lågt tryck / högt tryck i vätskan. Dessa snabba tryckförändringar genererar hålrum, de så kallade kavitationsbubblorna. Ultraljudsinducerade kavitationsbubblor kan betraktas som kemiska mikroreaktorer som ger höga temperaturer och tryck i mikroskopisk skala, där bildandet av aktiva arter såsom fria radikaler från upplösta molekyler sker. I samband med materialkemi har ultraljudskavitation den unika potentialen att lokalt katalysera reaktioner vid hög temperatur (upp till 5000 K) och högt tryck (500 atm), medan systemet förblir makroskopiskt nära rumstemperatur och omgivningstryck. (jfr Skorb, Andreeva 2013)
Ultraljudsbehandlingar är huvudsakligen baserade på kavitationella effekter. För metallurgi är ultraljudsbehandling en mycket fördelaktig teknik för att förbättra gjutningen av metaller och legeringar.
Förutom behandling av metallsmältor, ultraljudsbehandling används också för att skapa svampliknande nanostrukturer och nanomönster på fasta metallytor som titan och legeringar. Dessa ultraljudsnanostrukturerade titan- och legeringsdelar visar stor kapacitet som implantat med förbättrad osteogen cellproliferation. Läs mer om ultraljud nano-strukturering av titanimplantat!