Ultralydsbehandling af smeltet aluminium: principper, anvendelser og udsigter

Ultralydsbehandling af smeltet aluminium: principper, anvendelser og udsigter

1. Introduktion

Aluminium og dets legeringer indtager en vigtig position inden for maskinfremstilling, transport, rumfart og andre områder på grund af deres fremragende egenskaber såsom høj specifik styrke, korrosionsbestandighed og nem genanvendelse. Kornstørrelsen og den organisatoriske morfologi af aluminiumslegeringer påvirker direkte materialets endelige ydeevne. For at opnå fremragende ydeevne er nøglen at bryde de originale store dendritter i små, ensartede ligeaksede korn. Samtidig er brinten, der er opløst i aluminiumssmelten, hovedårsagen til defekter som pinholes og porer i støbegods. Hvordan man afgasser effektivt er også et langsigtet problem, som den metallurgiske industri står over for.

Traditionelle behandlingsmetoder - såsom rotationsafgasning, tilføjelse af kemiske kornraffinere osv. - har, selvom de til en vis grad er effektive, problemer som effektivitetsflaskehalse, ændring af legeringssammensætning og øget genanvendelsesbesvær. Fremkomsten af ​​ultralydsbehandling (UST) teknologi giver en grøn og effektiv løsning til raffinering og strukturkontrol af aluminiumssmeltning.

2. Tekniske principper

Kernen i ultralydsbehandling af aluminiumsmelte ligger i den synergistiske effekt af kavitationseffekt og akustisk floweffekt.

(1) Kavitationseffekt. Når højeffekt ultralydsbølger indføres i aluminiumssmelten, vil der forekomme periodiske skiftninger af positivt og negativt tryk i væsken. I undertryksstadiet 'rives smelten fra hinanden' for at danne små kavitationsbobler; i overtryksstadiet kollapser disse bobler skarpt, hvilket øjeblikkeligt genererer lokal høj temperatur, højt tryk og stærke chokbølger. Denne kavitation har flere funktioner: På den ene side kan chokbølgen genereret af kavitation bryde de voksende dendritter og skynde dem ind i smelten for at blive en ny krystalkerne; på den anden side aktiverer kavitation bittesmå urenhedspartikler (hovedsageligt Al2O3) i smelten, hvilket gør dem til grundlaget for heterogen kernedannelse, og derved fremmer kernedannelse og raffinering af korn.

(2) Akustisk floweffekt. Ultralydsbølger vil producere ikke-lineære effekter, når de forplanter sig i smelten og danner akustiske strømme i stor skala og mikroakustiske strømme. Den kraftige akustiske strømning kan væsentligt forbedre ensartetheden af ​​smeltetemperaturfeltet, ændre størkningsbetingelserne for smelten og ændre størkningstilstanden for aluminiumsmeltningen fra lag-for-lag størkning til volumen størkning, hvilket effektivt hæmmer væksten af ​​søjleformede krystaller og danner en ensartet ligeakset krystalstruktur. Den akustiske strømningseffekt fremmer også makroskopisk omrøring og masseoverførsel af smelten, hvilket gør temperaturen og den kemiske sammensætning mere ensartet.

Under de dobbelte effekter af kavitation og akustisk flow opnår ultralydsbehandling en 'pakke'-optimering af aluminiumssmelten - afgasning, slaggefjernelse, kornforfining og vævshomogenisering fuldføres samtidigt.

3. Kerneapplikationer

3.1 Afgasning (fjernelse af brint)

Brint er den vigtigste skadelige gas i aluminiumsmeltning. De fleste defekter såsom nålehuller og løshed i støbegods stammer fra udfældning af brint under størkningsprocessen. Mekanismen ved ultralydsafgasning er, at kavitationseffekten af ​​ultralydsbølger producerer et stort antal boblekerner i smelten, og det opløste brint koncentreres i disse bobler og fortsætter med at vokse, indtil det kan udledes jævnt fra smelten.

Ultralydsafgasning har en bemærkelsesværdig effekt. Forskning viser, at ultralydsafgasning kan reducere brintindholdet med mere end 50 % og derved øge tætheden og plasticiteten af ​​støbegods. I eksperimentet med AlSi12Fe aluminiumsmelte, efter at være blevet behandlet med 1000W ultralydseffekt i 1 minut, nåede densitetsækvivalenten af ​​40 kg aluminiumsmelte 1,28%. Nogle undersøgelser har endda vist, at den elastiske vibration af ultralydsbølger kan fuldstændig afgasse det smeltede metal inden for få minutter.

3.2 Kornforfining

Kornforfining er en vigtig måde at forbedre de mekaniske egenskaber af aluminiumslegeringer på. Mekanismen for ultralydskornforfining omfatter følgende aspekter:

Knækkede dendritter: De stødbølger og stråler, der genereres af kavitation, kan afskære og ødelægge voksende dendritter og øge antallet af krystalkerner.

Fremme kernedannelse: Kavitation aktiverer urenhedspartikler (hovedsageligt Al₂O₃) i smelten, hvilket gør dem til krystalkerner og fremmer kernedannelse.

Forøg graden af ​​underkøling: Ultralydsvibrationer reducerer den effektive underkøling af det smeltede metal og reducerer den kritiske kernedannelsesradius, hvorved kernedannelseshastigheden øges.

Eksperimentelle resultater viser, at den størknede struktur af aluminiumsmelte behandlet ved ultralydsbehandling er blevet forfinet i varierende grad. Efter ultralydsbehandling er påført 7055 aluminiumslegeringssmelten, raffineres kornene, strukturen homogeniseres, trækstyrken øges betydeligt, og plasticiteten er også væsentligt forbedret. I rene aluminiumsforsøg opnåede ultralydsbehandling en kornforfiningseffekt på op til 48%.

3.3 Fjernelse af indeslutninger

Det er meget svært for små indeslutninger i metalopløsningen at flyde, og kun deres aggregering vil gøre det lettere at flyde. Ultralydsbehandling kan fremme akkumulering og delaminering af indeslutninger og derved opnå fjernelseseffekten. Derudover kan kavitations- og akustiske strømningseffekter også reducere komponentadskillelse og forbedre ensartetheden af ​​støbestrukturen.

4. Nøgleprocesparametre

Effekten af ​​ultralydsbehandling er omfattende påvirket af flere procesparametre.

Ultralydseffekt. Power er kerneparameteren, der bestemmer kavitationsintensitet og behandlingseffekt. Effekten af ​​et enkelt udstrålende hoved af industrielt udstyr kan nå op på 2500W. Hvis effekten er for lav, kan der ikke frembringes tilstrækkelig kavitationseffekt, mens hvis effekten er for høj, kan det forårsage yderligere energiforbrug og termiske effekter. AlSi12Fe aluminiumssmeltning kan opnå en god afgasningseffekt ved at behandle den ved 1000W effekt i 1 minut.

Behandlingstemperatur. Aluminiumsmeltebehandling udføres normalt ved temperaturer omkring 750°C. Temperaturen påvirker smeltens viskositet og opløseligheden af ​​brint, hvilket igen påvirker afgasnings- og raffineringseffekterne. Nogle undersøgelser har påpeget, at når behandlingstiden øges, falder smelteviskositeten, og det bliver svært for bobler at undslippe, så behandlingstiden skal kontrolleres rimeligt.

Behandlingstid. Ultralydsbehandlingstiden varierer normalt fra 1 minut til snesevis af minutter. Det skal bemærkes, at jo længere tid, desto bedre effekt - for lang ultralydstid kan føre til et fald i barrens tæthed og afgasningshastighed.

Værktøjshoved nedsænkningsdybde. Arbejdsdybden af ​​ultralydsværktøjsstangen påvirker det effektive indsatsområde. Teoretiske beregninger viser, at det effektive kavitationsområde i smelten er inden for 30 mm området under endefladen, mens den akustiske strømningseffekt strækker sig gennem hele det smeltestrømbare område.

Ultralydsfrekvens. Frekvensen påvirker størrelsen og fordelingen af ​​kavitationsbobler. Lavfrekvent ultralyd producerer større kavitationsbobler, som er velegnede til applikationer som afgasning og kornforfining. Reaktionen fra forskellige aluminiumslegeringssystemer til frekvens kan være forskellig og skal optimeres til den specifikke legering.

Effekt og værdi

Den omfattende forbedringseffekt af ultralydsbehandling på aluminiumsmeltning er blevet bekræftet af et stort antal undersøgelser:

Forbedrede mekaniske egenskaber: Efter ultralydsbehandling af rent aluminium kan trækstyrken øges med op til 17 %, og forlængelsen øges fra 16 % i ubehandlet tilstand til 28 %. Den gennemsnitlige trækstyrke af rene aluminiumsbarrer øges med 22,3% på langs og 20% ​​på tværs.

Strukturen er betydeligt raffineret: Den størknede struktur af barren behandlet ved ultralydsbehandling er betydeligt raffineret, og kornstørrelsen kan nå 77 ~ 405μm. Barren uden ultralydsbehandling dannede en grov og ujævn mikrostruktur.

Multifunktionel integration: Ultralydsbehandling er en multifunktionel smeltebehandlingsteknologi, der integrerer afgasning, slaggefjernelse, kornforfining og vævshomogenisering. Sammenlignet med traditionelle kemiske kornraffinere ændrer ultralydsbehandling ikke den kemiske sammensætning af legeringen og øger ikke vanskeligheden ved genanvendelse. Det er en bæredygtig grøn forarbejdningsmetode.

Ultralydsbehandling af metal-aluminiumsmelte er en effektiv smeltebehandlingsteknologi, der integrerer afgasning, slaggefjernelse, kornforfining og vævshomogenisering. Dens kerne ligger i den synergistiske effekt af ultralyds kavitationseffekt og akustisk strømningseffekt - kavitationseffekten bryder dendritter, fremmer kernedannelse og udstøder gas, mens den akustiske strømningseffekt uniformerer temperaturfeltet og sammensætningsfeltet og ændrer størkningsmetoden. En lang række undersøgelser har vist, at ultralydsbehandling kan forbedre de mekaniske egenskaber og støbekvaliteten af ​​aluminiumslegeringer markant uden at ændre på den kemiske sammensætning af legeringen. Det er en grøn og bæredygtig forarbejdningsteknologi. Med uddybningen af ​​den teknologiske forståelse og forbedringen af ​​udstyrsniveauet vil ultralyds-aluminiumsmeltebehandlingsteknologi spille en stadig vigtigere rolle inden for rumfart, transport, genanvendt aluminium og andre områder.

Parameter	indflydelse	reference
Magt	Bestem nøjagtigheden og behandlingsdybden	Effekten varierer fra 200W til over 2500W. For eksempel, for 7050 aluminiumslegering, er forfiningseffekten bedre ved 200W, og afgasningseffektiviteten er højere ved 240W.
Frekvens	Påvirker intensiteten af ​​kavitationseffekt	Generelt opnås de bedste resultater inden for lavfrekvensområdet på 17-22 kHz, især for de lavfrekvente og højintensive ultralydsbølger i området 15-20 kHz.
Proces tid	Der findes en optimal værdi.	For kort tid vil ikke give gode resultater, mens for lang tid kan føre til forgrovning af korn eller en rebound i porøsitet. For eksempel fungerer 7050-legeringen bedst, når den behandles i 90 sekunder.
Smeltetemperatur	Påvirker smelteviskositet, brintopløselighed og kavitationsintensitet	Der er et optimalt temperaturområde, og en passende medium temperatur er befordrende for at forbedre forarbejdningseffekten.
Smeltevolumen	Effekten skal afstemmes efter smeltens volumen.	For smeltede materialer i stor skala kan der være behov for flere sonder eller højere effekt, eller endda berøringsfri ultralydsteknologi kan anvendes for at sikre behandlingsresultatet.
Horn størrelse/form	Påvirker fordelingen af ​​ultralydsfeltet	Værktøjer med mindre endearealer (såsom Φ10mm) har en bedre forfiningseffekt.