Tinh luyện kim loại nóng chảy bằng siêu âm
- Siêu âm công suất cao trong kim loại và hợp kim nóng chảy mang lại nhiều tác động có lợi như tạo cấu trúc, khử khí và cải thiện hiệu quả lọc.
- Xử lý siêu âm thúc đẩy quá trình đông đặc không tạo nhánh cây trong kim loại lỏng và bán rắn.
- Xử lý siêu âm mang lại lợi ích đáng kể trong việc làm mịn vi cấu trúc của các hạt dạng nhánh cây và các hạt liên kim sơ cấp.
- Hơn nữa, siêu âm công suất cao có thể được sử dụng có chủ đích để giảm độ rỗng của kim loại hoặc tạo ra các cấu trúc có lỗ xốp trung bình.
- Cuối cùng nhưng không kém phần quan trọng, siêu âm công suất cao cải thiện chất lượng vật đúc.
Đông đặc kim loại nóng chảy bằng siêu âm
Sự hình thành các cấu trúc không có dạng nhánh cây trong quá trình đông đặc kim loại nóng chảy ảnh hưởng đến các tính chất vật liệu như độ bền, độ dẻo, độ dai và/hoặc độ cứng.
Sự tạo mầm hạt được biến đổi bằng siêu âm: Hiện tượng xâm thực âm và các lực cắt mạnh do hiện tượng này tạo ra làm tăng số vị trí tạo mầm và số lượng mầm trong kim loại nóng chảy. Xử lý kim loại nóng chảy bằng siêu âm dẫn đến sự tạo mầm dị thể và phân mảnh các nhánh cây, nhờ đó sản phẩm cuối cùng có mức độ làm mịn hạt cao hơn đáng kể.
Xâm thực siêu âm làm thấm ướt đồng đều các tạp chất phi kim trong kim loại nóng chảy. Những tạp chất này trở thành các vị trí tạo mầm, là những điểm bắt đầu quá trình đông đặc. Do các điểm tạo mầm này nằm phía trước mặt đông đặc, sự phát triển của các cấu trúc nhánh cây không xảy ra.
Cấu trúc vĩ mô của hợp kim Ti sau khi xử lý siêu âm. Xử lý siêu âm tạo ra cấu trúc hạt mịn hơn đáng kể.
Tiến sĩ Andreeva-Bäumler, Đại học Bayreuth, đang sử dụng thiết bị siêu âm UIP1000hdT để tạo cấu trúc nano cho kim loại.
Ảnh hưởng của siêu âm đến độ cứng Vickers của hợp kim: Xử lý siêu âm cải thiện độ cứng tế vi Vickers của kim loại
(nghiên cứu và đồ họa: ©Ruirun và cộng sự, 2017)
Phân mảnh nhánh cây: Sự nóng chảy của các nhánh cây thường bắt đầu ở gốc do nhiệt độ tăng cục bộ và sự thiên tích. Xử lý siêu âm tạo ra đối lưu mạnh (truyền nhiệt nhờ chuyển động khối của lưu chất) và sóng xung kích trong kim loại nóng chảy, khiến các nhánh cây bị phân mảnh. Đối lưu có thể thúc đẩy sự phân mảnh nhánh cây do nhiệt độ cục bộ cực cao cũng như sự biến đổi thành phần, đồng thời thúc đẩy sự khuếch tán chất tan. Các sóng xung kích do xâm thực hỗ trợ bẻ gãy những gốc nhánh đang nóng chảy này.
Khử khí hợp kim kim loại bằng siêu âm
Khử khí là một tác động quan trọng khác của siêu âm công suất cao đối với kim loại và hợp kim ở trạng thái lỏng và bán rắn. Xâm thực âm tạo ra các chu kỳ áp suất thấp / áp suất cao luân phiên. Trong các chu kỳ áp suất thấp, những bọt chân không rất nhỏ xuất hiện trong chất lỏng hoặc huyền phù. Các bọt chân không này đóng vai trò là mầm hình thành bọt hydro và bọt hơi. Khi các bọt hydro lớn hơn hình thành, các bọt khí nổi lên. Dòng chảy âm và dòng chảy do siêu âm hỗ trợ các bọt này nổi lên bề mặt và thoát khỏi kim loại nóng chảy, nhờ đó khí có thể được loại bỏ và nồng độ khí trong kim loại nóng chảy giảm xuống.
Khử khí bằng siêu âm làm giảm độ rỗng của kim loại, nhờ đó đạt được khối lượng riêng cao hơn trong sản phẩm kim loại / hợp kim cuối cùng.
Khử khí hợp kim nhôm bằng siêu âm làm tăng giới hạn bền kéo và độ dẻo của vật liệu. Các hệ thống siêu âm công suất cao công nghiệp được coi là tốt nhất trong số các phương pháp khử khí thương mại khác về hiệu quả và thời gian xử lý. Hơn nữa, quá trình điền đầy khuôn được cải thiện nhờ độ nhớt của kim loại nóng chảy thấp hơn.
Các tính chất chịu nén của Ti44Al6Nb1Cr2V với các thời gian xử lý siêu âm khác nhau. Xử lý siêu âm cải thiện đáng kể độ bền nén.
(nghiên cứu và đồ họa: ©Ruirun và cộng sự, 2017)
Đầu dò siêu âm bằng gốm BS4D22L3C là đầu dò siêu âm đặc biệt, phù hợp để xử lý siêu âm các chất lỏng ở nhiệt độ cao như nhôm nóng chảy (ví dụ: để trộn và khử khí).
Hiệu ứng mao dẫn siêu âm trong quá trình lọc
Hiệu ứng mao dẫn siêu âm trong kim loại lỏng là tác động thúc đẩy việc loại bỏ các tạp chất oxit trong quá trình lọc kim loại nóng chảy có hỗ trợ siêu âm. (Eskin et al. 2014: 120ff.)
Quá trình lọc được sử dụng để loại bỏ các tạp chất phi kim khỏi kim loại nóng chảy. Trong quá trình lọc, kim loại nóng chảy đi qua các lưới lọc khác nhau (ví dụ: sợi thủy tinh) để tách các tạp chất không mong muốn. Kích thước mắt lưới càng nhỏ thì kết quả lọc càng tốt.
Trong điều kiện thông thường, kim loại nóng chảy không thể đi qua bộ lọc hai lớp có kích thước lỗ rất nhỏ là 0,4–0,4mm. Tuy nhiên, khi lọc có hỗ trợ siêu âm, kim loại nóng chảy có thể đi qua các lỗ lưới nhờ hiệu ứng mao dẫn siêu âm. Trong trường hợp này, các mao quản của bộ lọc giữ lại cả các tạp chất phi kim có kích thước 1–10μm. Nhờ độ tinh khiết của hợp kim được nâng cao, sự hình thành các lỗ rỗng chứa hydro tại các oxit được ngăn ngừa, nhờ đó độ bền mỏi của hợp kim tăng lên.
Eskin và cộng sự (2014: 120ff.) đã chỉ ra rằng lọc siêu âm cho phép làm sạch các hợp kim nhôm AA2024, AA7055 và AA7075 bằng các bộ lọc sợi thủy tinh nhiều lớp (lên đến 9 lớp) với kích thước lỗ lưới 0,6×0,6mm. Khi quá trình lọc siêu âm được kết hợp với việc bổ sung chất tạo mầm, quá trình làm mịn hạt đồng thời cũng đạt được.
Gia cường hợp kim kim loại bằng siêu âm
Xử lý siêu âm đã được chứng minh là có hiệu quả cao trong việc phân tán đồng đều các hạt nano vào huyền phù. Vì vậy, thiết bị phân tán siêu âm là thiết bị phổ biến nhất để sản xuất vật liệu composite được gia cường bằng hạt nano.
Các hạt nano (ví dụ: Al2O3/SiC, CNTs) được sử dụng làm vật liệu gia cường. Các hạt nano được thêm vào hợp kim nóng chảy và phân tán bằng siêu âm. Xâm thực âm và dòng chảy do siêu âm cải thiện khả năng phá kết tụ và khả năng thấm ướt của các hạt, giúp nâng cao độ bền kéo, giới hạn chảy và độ giãn dài.
Thiết bị siêu âm cho các ứng dụng tải nặng
Việc ứng dụng siêu âm công suất cao trong luyện kim đòi hỏi các hệ thống siêu âm bền bỉ, đáng tin cậy, có thể lắp đặt trong những môi trường khắc nghiệt. Hielscher Ultrasonics cung cấp thiết bị siêu âm cấp công nghiệp để lắp đặt trong các ứng dụng tải nặng và môi trường khắc nghiệt. Tất cả các thiết bị siêu âm của chúng tôi đều được chế tạo để vận hành 24/7. Các hệ thống siêu âm công suất cao của Hielscher kết hợp độ bền bỉ, độ tin cậy và khả năng điều khiển chính xác.
Các quy trình đòi hỏi khắt khe – như tinh luyện kim loại nóng chảy – cần khả năng xử lý siêu âm cường độ cao. Các thiết bị xử lý siêu âm công nghiệp của Hielscher Ultrasonics cung cấp biên độ rất cao. Có thể dễ dàng duy trì liên tục biên độ lên đến 200µm khi vận hành 24/7. Đối với biên độ cao hơn nữa, có các đầu dò siêu âm được chế tạo theo yêu cầu.
Để xử lý siêu âm chất lỏng và kim loại nóng chảy ở nhiệt độ rất cao, Hielscher cung cấp nhiều loại đầu dò siêu âm và phụ kiện tùy chỉnh nhằm bảo đảm kết quả xử lý tối ưu.
Bảng dưới đây cho biết công suất xử lý gần đúng của các thiết bị siêu âm của chúng tôi:
| Thể tích mẻ | Lưu lượng | Thiết bị khuyến nghị |
|---|---|---|
| 10 đến 2000mL | 20 đến 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 đến 20L | 0,2 đến 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 đến 100L | 2 đến 10L/min | UIP4000 |
| n.a. | 10 đến 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | lớn hơn | cụm thiết bị UIP16000 |
Liên hệ với chúng tôi! / Gửi câu hỏi cho chúng tôi!
Tài liệu/Tài liệu tham khảo
- 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.
Những điều cần biết
Siêu âm công suất cao và hiện tượng xâm thực
Khi sóng siêu âm cường độ cao được truyền vào chất lỏng hoặc huyền phù, hiện tượng xâm thực xảy ra.
Siêu âm công suất cao, tần số thấp làm hình thành các bọt xâm thực trong chất lỏng và huyền phù một cách có kiểm soát. Sóng siêu âm cường độ cao tạo ra các chu kỳ áp suất thấp / áp suất cao luân phiên trong chất lỏng. Những thay đổi áp suất nhanh chóng này tạo ra các khoang rỗng, được gọi là bọt xâm thực. Các bọt xâm thực hình thành do siêu âm có thể được xem là những vi thiết bị phản ứng hóa học cung cấp nhiệt độ và áp suất cao ở quy mô vi mô, nơi diễn ra sự hình thành các tiểu phân hoạt tính như gốc tự do từ các phân tử hòa tan. Trong lĩnh vực hóa học vật liệu, xâm thực siêu âm có tiềm năng độc đáo trong việc xúc tác cục bộ các phản ứng ở nhiệt độ cao (lên đến 5000 K) và áp suất cao (500atm), trong khi ở quy mô vĩ mô, hệ vẫn duy trì gần nhiệt độ phòng và áp suất môi trường. (xem Skorb, Andreeva 2013)
Các phương pháp xử lý siêu âm chủ yếu dựa trên tác động xâm thực. Trong luyện kim, xử lý siêu âm là một kỹ thuật rất có lợi để cải thiện quá trình đúc kim loại và hợp kim.
Bên cạnh việc xử lý kim loại nóng chảy, siêu âm còn được sử dụng để tạo các cấu trúc nano dạng bọt xốp và các hoa văn nano trên bề mặt kim loại rắn như titan và hợp kim. Các chi tiết titan và hợp kim có cấu trúc nano được tạo bằng siêu âm này cho thấy tiềm năng lớn khi dùng làm bộ phận cấy ghép, với sự tăng sinh tế bào tạo xương được tăng cường. Đọc thêm về tạo cấu trúc nano bằng siêu âm cho bộ phận cấy ghép titan!