Förfining av metallsmältor med ultraljud
- Effektultraljud i smälta metaller och legeringar ger olika gynnsamma effekter såsom strukturering, avgasning och förbättrad filtrering.
- Ultraljudsbehandling främjar icke-dendritisk stelning i flytande och halvfasta metaller.
- Ultraljudsbehandling har betydande fördelar för den mikrostrukturella förfiningen av dendritiska korn och primära intermetalliska partiklar.
- Dessutom kan effektultraljud användas målinriktat för att minska metallens porositet eller framställa mesoporösa strukturer.
- Sist men inte minst förbättrar effektultraljud kvaliteten på gjutgods.
Stelning av metallsmältor med ultraljud
Bildandet av icke-dendritiska strukturer under metallsmältors stelning påverkar materialegenskaper såsom hållfasthet, duktilitet, seghet och/eller hårdhet.
Kornkärnbildning förändrad genom ultraljud: Akustisk kavitation och dess intensiva skjuvkrafter ökar antalet kärnbildningsställen och kärnor i smältan. Ultraljudsbehandling av smältor leder till heterogen kärnbildning och fragmentering av dendriter, så att slutprodukten uppvisar en avsevärt högre grad av kornförfining.
Ultraljudskavitation orsakar jämn vätning av icke-metalliska föroreningar i smältan. Dessa föroreningar blir kärnbildningsställen, vilka är utgångspunkterna för stelningen. Eftersom dessa kärnbildningspunkter ligger framför stelningsfronten sker ingen tillväxt av dendritiska strukturer.
Makrostruktur hos Ti-legering efter ultraljudsbehandling. Ultraljudsbehandling ger en avsevärt förfinad kornstruktur.
Dr Andreeva-Bäumler vid universitetet i Bayreuth arbetar med ultraljudsapparaten UIP1000hdT för nanostrukturering av metaller.
Ultraljudets effekter på legeringars Vickershårdhet: Ultraljudsbehandling förbättrar Vickersmikrohårdheten i metall
(studie och grafik: ©Ruirun et al., 2017)
Dendritfragmentering: Dendriter börjar vanligtvis smälta vid roten på grund av lokal temperaturökning och segring. Ultraljudsbehandling genererar kraftig konvektion (värmeöverföring genom en fluids massrörelse) och stötvågor i smältan, så att dendriterna fragmenteras. Konvektion kan främja dendritfragmentering genom extrema lokala temperaturer och sammansättningsvariationer och främjar diffusion av lösta ämnen. Kavitationens stötvågor bidrar till att bryta av dessa smältande rötter.
Ultraljudsavgasning av metallegeringar
Avgasning är en annan viktig effekt av effektultraljud på flytande och halvfasta metaller och legeringar. Den akustiska kavitationen skapar omväxlande lågtrycks- och högtryckscykler. Under lågtryckscyklerna uppstår små vakuumbubblor i vätskan eller suspensionen. Dessa vakuumbubblor fungerar som kärnor för bildandet av vätgas- och ångbubblor. Genom bildandet av större vätgasbubblor stiger gasbubblorna. Akustiskt flöde och strömning hjälper dessa bubblor att flyta upp till ytan och lämna smältan, så att gasen kan avlägsnas och gaskoncentrationen i smältan minskar.
Ultraljudsavgasning minskar metallens porositet och ger därmed en högre materialdensitet i den slutliga metall- / legeringsprodukten.
Ultraljudsavgasning av aluminiumlegeringar ökar materialets brottgräns och duktilitet. Industriella effektultraljudssystem räknas som de bästa bland övriga kommersiella avgasningsmetoder när det gäller effektivitet och bearbetningstid. Dessutom förbättras formfyllningen tack vare smältans lägre viskositet.
Tryckegenskaper hos Ti44Al6Nb1Cr2V vid olika ultraljudsbehandlingstider. Ultraljudsbehandling förbättrar tryckhållfastheten avsevärt.
(studie och grafik: ©Ruirun et al., 2017)
Den keramiska sonotroden BS4D22L3C är en specialsonotrod som är lämplig för ultraljudsbehandling av vätskor vid höga temperaturer, såsom smält aluminium (t.ex. för blandning och avgasning).
Sonokapillär effekt vid filtrering
Den ultraljudsinducerade kapilläreffekten i flytande metaller är den drivande effekten för att avlägsna oxidinneslutningar vid ultraljudsassisterad filtrering av smältor. (Eskin et al. 2014: 120ff.)
Filtrering används för att avlägsna icke-metalliska föroreningar från smältan. Under filtreringen passerar smältan genom olika filternät (t.ex. av glasfiber) för att avskilja oönskade inneslutningar. Ju mindre maskvidden är, desto bättre blir filtreringsresultatet.
Under normala förhållanden kan smältan inte passera ett filter med två lager och en mycket liten porstorlek på 0,4–0,4mm. Vid ultraljudsassisterad filtrering kan smältan dock passera genom nätets porer tack vare den sonokapillära effekten. I detta fall håller filterkapillärerna kvar även icke-metalliska föroreningar på 1–10μm. Tack vare legeringens ökade renhet undviks bildandet av vätgasporer 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 glasfiberfilter i flera lager (med upp till 9 lager) med masköppningar på 0,6×0,6mm. När ultraljudsfiltreringen kombineras med tillsats av ympmedel uppnås samtidigt kornförfining.
Förstärkning av metallegeringar med ultraljud
Ultraljudsbehandling har visat sig vara mycket effektiv för att dispergera nanopartiklar jämnt i suspensioner. Därför är ultraljudsdispergerare den vanligaste utrustningen för att framställa nanoförstärkta kompositer.
Nanopartiklar (t.ex. Al2O3/SiC, CNTs) används som förstärkningsmaterial. Nanopartiklarna tillsätts i den smälta legeringen och dispergeras med ultraljud. Den akustiska kavitationen och strömningen förbättrar partiklarnas deagglomerering och vätbarhet, vilket ger förbättrad draghållfasthet, sträckgräns och förlängning.
Ultraljudsutrustning för krävande tillämpningar
Användning av effektultraljud inom metallurgi kräver robusta, tillförlitliga ultraljudssystem som kan installeras i krävande miljöer. Hielscher Ultrasonics levererar ultraljudsutrustning av industrikvalitet för installationer i krävande tillämpningar och tuffa miljöer. Alla våra ultraljudsapparater är byggda för drift dygnet runt, alla dagar i veckan. Hielschers ultraljudssystem med hög effekt kombinerar robusthet, tillförlitlighet och exakt reglerbarhet.
Krävande processer – såsom förfining av metallsmältor – kräver kapacitet för intensiv ultraljudsbehandling. Hielscher Ultrasonics industriella ultraljudsprocessorer levererar mycket höga amplituder. Amplituder på upp till 200µm kan enkelt upprätthållas kontinuerligt vid drift dygnet runt, alla dagar i veckan. För ännu högre amplituder finns kundanpassade ultraljudssonotroder.
För ultraljudsbehandling av vätskor och smältor vid mycket höga temperaturer erbjuder Hielscher olika sonotroder och kundanpassade tillbehör för att säkerställa optimala bearbetningsresultat.
Tabellen nedan ger en uppfattning om våra ultraljudsapparaters ungefärliga bearbetningskapacitet:
| Satsvolym | Flödeshastighet | Rekommenderade apparater |
|---|---|---|
| 10 till 2000mL | 20 till 400mL/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 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | högre | 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.
Värt att veta
Effektultraljud och kavitation
När högintensiva ultraljudsvågor kopplas in i vätskor eller suspensioner uppstår fenomenet kavitation .
Ultraljud med hög effekt och låg frekvens orsakar kontrollerad bildning av kavitationsbubblor i vätskor och suspensioner. Intensiva ultraljudsvågor genererar omväxlande lågtrycks- och högtryckscykler i vätskan. Dessa snabba tryckförändringar skapar hålrum, så kallade kavitationsbubblor. Ultraljudsinducerade kavitationsbubblor kan betraktas som kemiska mikroreaktorer som ger höga temperaturer och tryck på mikroskopisk nivå, där aktiva species såsom fria radikaler bildas från lösta molekyler. Inom materialkemi har ultraljudskavitation en unik potential att lokalt katalysera reaktioner vid höga temperaturer (upp till 5000 K) och höga tryck (500atm), medan systemet på makroskopisk nivå förblir nära rumstemperatur och omgivningstryck. (jfr Skorb, Andreeva 2013)
Ultraljudsbehandlingar bygger huvudsakligen på kavitationseffekter. Inom metallurgi är ultraljudsbehandling en mycket fördelaktig teknik för att förbättra gjutningen av metaller och legeringar.
Förutom behandling av metallsmältor används ultraljudsbehandling även för att skapa svampliknande nanostrukturer och nanomönster på fasta metallytor såsom titan och legeringar. Dessa titan- och legeringsdelar som nanostrukturerats med ultraljud uppvisar stor potential som implantat med ökad proliferation av osteogena celler. Läs mer om nanostrukturering av titanimplantat med ultraljud!