Olvadt alumínium ultrahangos kezelése: alapelvek, alkalmazások és kilátások

Olvadt alumínium ultrahangos kezelése: alapelvek, alkalmazások és kilátások

1. Bevezetés

Az alumínium és ötvözetei fontos szerepet töltenek be a gépgyártásban, a szállításban, a repülőgépgyártásban és más területeken kiváló tulajdonságaik miatt, mint például a nagy fajlagos szilárdság, a korrózióállóság és az egyszerű újrahasznosítás. Az alumíniumötvözetek szemcsemérete és szervezeti morfológiája közvetlenül befolyásolja az anyag végső teljesítményét. A kiváló teljesítmény elérése érdekében a kulcs az eredeti nagy dendriteket apró, egyenletes, egyenlő tengelyű szemcsékre bontani. Ugyanakkor az alumíniumolvadékban oldott hidrogén a hibák, például az öntvények lyukak és pórusok fő oka. A hatékony gáztalanítás a kohászati ​​ipar számára is hosszú távú probléma.

A hagyományos kezelési módszerek – mint például a rotációs gáztalanítás, vegyi szemcsefinomítók hozzáadása stb. – bár bizonyos mértékig hatékonyak, olyan problémákkal járnak, mint a hatékonyság szűk keresztmetszete, az ötvözet összetételének megváltoztatása és az újrahasznosítás nehézségei. Az ultrahangos kezelés (UST) technológia megjelenése zöld és hatékony megoldást kínál az alumíniumolvadék finomítására és szerkezetszabályozására.

2. Technikai alapelvek

Az alumíniumolvadék ultrahangos kezelésének lényege a kavitációs hatás és az akusztikus áramlási hatás szinergikus hatásában rejlik.

(1) Kavitációs hatás. Amikor nagy teljesítményű ultrahanghullámokat vezetnek be az alumíniumolvadékba, a folyadékban a pozitív és a negatív nyomás időszakos váltakozása következik be. A negatív nyomás szakaszában az olvadék 'szétszakad' apró kavitációs buborékokat képezve; a pozitív nyomás szakaszában ezek a buborékok élesen összeomlanak, és azonnal helyi magas hőmérsékletet, magas nyomást és erős lökéshullámokat generálnak. Ennek a kavitációnak több funkciója is van: egyrészt a kavitáció által generált lökéshullám megtörheti a növekvő dendriteket, és az olvadékba zúdítva új kristálymaggá alakulhat; másrészt a kavitáció az olvadékban lévő apró szennyező részecskéket (főleg Al2O3) aktiválja, ami a heterogén gócképződés alapjává teszi őket, elősegítve ezzel a gócképződést és a szemcsék finomítását.

(2) Akusztikus áramlási hatás. Az ultrahanghullámok nemlineáris hatást keltenek, amikor az olvadékban terjednek, és nagy léptékű akusztikus áramlásokat és mikroakusztikus áramlásokat képeznek. Az erőteljes akusztikus áramlás jelentősen javíthatja az olvadék hőmérsékleti mezőjének egyenletességét, megváltoztathatja az olvadék megszilárdulási körülményeit, és megváltoztathatja az alumínium olvadék megszilárdulási módját a rétegről rétegre történő megszilárdulásról a térfogatszilárdulásra, hatékonyan gátolva az oszlopos kristályok növekedését és egységes, egyenlő tengelyű kristályszerkezetet képezve. Az akusztikus áramlási hatás elősegíti az olvadék makroszkópos keverését és tömegátadását is, így a hőmérséklet és a kémiai összetétel egyenletesebbé válik.

A kavitáció és az akusztikus áramlás kettős hatása alatt az ultrahangos kezelés az alumíniumolvadék 'csomagolását' optimalizálja – a gáztalanítás, a salakeltávolítás, a szemcsék finomítása és a szövethomogenizálás egyszerre történik.

3. Alapvető alkalmazások

3.1 Gáztalanítás (hidrogén eltávolítása)

A hidrogén a fő káros gáz az alumíniumolvadékban. A legtöbb hiba, mint például a tűlyukak és az öntvények lazasága a hidrogén kicsapódásából származik a megszilárdulási folyamat során. Az ultrahangos gáztalanítás mechanizmusa az, hogy az ultrahangos hullámok kavitációs hatása nagyszámú buborékmagot hoz létre az olvadékban, és az oldott hidrogén ezekben a buborékokban koncentrálódik, és tovább növekszik, amíg az olvadékból simán ki nem ürül.

Az ultrahangos gáztalanításnak figyelemre méltó hatása van. A kutatások azt mutatják, hogy az ultrahangos gáztalanítás több mint 50%-kal csökkentheti a hidrogéntartalmat, ezáltal növelve az öntvények sűrűségét és plaszticitását. Az AlSi12Fe alumíniumolvadék kísérletében 1 perces 1000 W-os ultrahangos kezelés után 40 kg alumíniumolvadék sűrűsége elérte az 1,28%-ot. Egyes tanulmányok még azt is kimutatták, hogy az ultrahanghullámok rugalmas rezgése néhány percen belül teljesen gáztalanítja az olvadt fémet.

3.2 Gabonafinomítás

A szemcsefinomítás kulcsfontosságú módja az alumíniumötvözetek mechanikai tulajdonságainak javításának. Az ultrahangos szemcsefinomítás mechanizmusa a következő szempontokat tartalmazza:

Törött dendritek: A kavitáció által generált lökéshullámok és sugarak levághatják és elpusztíthatják a növekvő dendriteket, és növelhetik a kristálymagok számát.

Elősegíti a gócképződést: A kavitáció aktiválja az olvadékban lévő szennyező részecskéket (főleg Al2O3), így kristálymagokká válnak, és elősegíti a gócképződést.

Növelje az aláhűtés mértékét: Az ultrahangos rezgés csökkenti az olvadt fém hatékony túlhűtését és csökkenti a kritikus gócképződési sugarat, ezáltal növeli a gócképződési sebességet.

A kísérleti eredmények azt mutatják, hogy az ultrahangos kezeléssel kezelt alumíniumolvadék megszilárdult szerkezete különböző mértékben finomodott. A 7055 alumíniumötvözet olvadék ultrahangos kezelését követően a szemcséket finomítják, a szerkezetet homogenizálják, a szakítószilárdságot jelentősen megnövelik, és a plaszticitást is jelentősen javítják. A tiszta alumínium kísérletekben az ultrahangos kezelés akár 48%-os szemcsefinomító hatást ért el.

3.3 Zárványok eltávolítása

A fémoldatban lévő apró zárványok nagyon nehezen tudnak lebegni, és csak ezek összesítése könnyíti meg a lebegést. Az ultrahangos kezelés elősegítheti a zárványok felhalmozódását és leválását, ezáltal eltávolító hatás érhető el. Ezenkívül a kavitációs és akusztikus áramlási hatások csökkenthetik az alkatrészek szétválását és javíthatják az öntvényszerkezet egységességét.

4. Főbb folyamatparaméterek

Az ultrahangos kezelés hatását több folyamatparaméter átfogóan befolyásolja.

Ultrahangos teljesítmény. A teljesítmény az a fő paraméter, amely meghatározza a kavitáció intenzitását és a kezelés hatását. Az ipari minőségű berendezések egyetlen sugárzó fejének teljesítménye elérheti a 2500 W-ot. Túl alacsony teljesítmény esetén nem tud megfelelő kavitációs hatást kiváltani, túl nagy teljesítmény esetén pedig többlet energiafogyasztást és hőhatást okozhat. Az AlSi12Fe alumíniumolvadék jó gáztalanító hatást érhet el, ha 1000 W teljesítménnyel 1 percig feldolgozza.

Feldolgozási hőmérséklet. Az alumíniumolvadék feldolgozása általában 750 °C körüli hőmérsékleten történik. A hőmérséklet befolyásolja az olvadék viszkozitását és a hidrogén oldhatóságát, ami viszont befolyásolja a gáztalanító és finomító hatásokat. Egyes tanulmányok rámutattak arra, hogy a feldolgozási idő növekedésével az olvadék viszkozitása csökken, és nehézkessé válik a buborékok távozása, ezért a feldolgozási időt ésszerűen szabályozni kell.

Feldolgozási idő. Az ultrahangos kezelés ideje általában 1 perctől több tíz percig terjed. Meg kell jegyezni, hogy minél hosszabb az idő, annál jobb a hatás – a túl hosszú ultrahangos idő a rúdsűrűség és a gáztalanítási sebesség csökkenéséhez vezethet.

Szerszámfej bemerülési mélysége. Az ultrahangos szerszámrúd munkamélysége befolyásolja a hatékony működési területet. Az elméleti számítások azt mutatják, hogy az olvadékban az effektív kavitációs tartomány a végfelület alatti 30 mm-es tartományon belül van, míg az akusztikus áramlási hatás a teljes ömledékfolyós területre kiterjed.

Ultrahang frekvencia. A frekvencia befolyásolja a kavitációs buborékok méretét és eloszlását. Az alacsony frekvenciájú ultrahang nagyobb kavitációs buborékokat termel, amelyek alkalmasak olyan alkalmazásokra, mint a gáztalanítás és a szemcsefinomítás. A különböző alumíniumötvözet-rendszerek frekvenciára adott válasza eltérő lehet, és optimalizálni kell az adott ötvözethez.

Hatás és érték

Az ultrahangos kezelés átfogó javító hatását az alumíniumolvadékra számos tanulmány igazolta:

Javított mechanikai tulajdonságok: A tiszta alumínium ultrahangos kezelése után a szakítószilárdság akár 17%-kal is növelhető, a nyúlás pedig a kezeletlen állapotú 16%-ról 28%-ra nő. A tiszta alumínium bugák átlagos szakítószilárdsága hosszirányban 22,3%-kal, keresztirányban 20%-kal nő.

A szerkezet jelentősen finomodik: az ultrahangos kezeléssel kezelt tuskó megszilárdult szerkezete jelentősen finomodik, szemcsemérete elérheti a 77-405 μm-t. Az ultrahangos kezelés nélküli tuskó durva és egyenetlen mikroszerkezetet alkotott.

Többfunkciós integráció: Az ultrahangos kezelés egy többfunkciós olvadékfeldolgozási technológia, amely integrálja a gáztalanítást, a salakeltávolítást, a szemcsefinomítást és a szövethomogenizálást. A hagyományos kémiai szemcsefinomítókhoz képest az ultrahangos kezelés nem változtatja meg az ötvözet kémiai összetételét és nem nehezíti az újrahasznosítást. Ez egy fenntartható zöld feldolgozási módszer.

A fémalumínium olvadék ultrahangos kezelése egy hatékony olvadékkezelési technológia, amely integrálja a gáztalanítást, a salakeltávolítást, a szemcsefinomítást és a szövethomogenizálást. Lényege az ultrahangos kavitációs hatás és az akusztikus áramlási hatás szinergikus hatásában rejlik - a kavitációs hatás lebontja a dendriteket, elősegíti a gócképződést és kiszorítja a gázt, míg az akusztikus áramlási hatás egységesíti a hőmérsékleti mezőt és az összetételi mezőt, és megváltoztatja a megszilárdulási módszert. Számos tanulmány kimutatta, hogy az ultrahangos kezelés jelentősen javíthatja az alumíniumötvözetek mechanikai tulajdonságait és öntési minőségét anélkül, hogy megváltoztatná az ötvözet kémiai összetételét. Ez egy zöld és fenntartható feldolgozási technológia. A technológiai ismeretek elmélyülésével és a felszereltségi szint javulásával az ultrahangos alumíniumolvadék-feldolgozási technológia egyre fontosabb szerepet fog játszani a repülés, a szállítás, az újrahasznosított alumínium és más területeken.

Paraméter	befolyás	referencia
Hatalom	Határozza meg a pontosságot és a feldolgozási mélységet	A teljesítmény 200 W és több mint 2500 W között mozog. Például a 7050-es alumíniumötvözet esetében a finomítási hatás jobb 200 W-nál, és a gáztalanítási hatásfok magasabb 240 W-nál.
Frefuency	Befolyásolja a kavitációs hatás intenzitását	Általában a legjobb eredményeket a 17-22 kHz-es alacsony frekvenciájú tartományban érik el, különösen a 15-20 kHz-es alacsony frekvenciájú és nagy intenzitású ultrahanghullámok esetében.
Feldolgozási idő	Létezik egy optimális érték.	A túl rövid idő nem ér el jó eredményeket, míg a túl hosszú idő a szemcsék eldurvulásához vagy a porozitás fellendüléséhez vezethet. Például a 7050-es ötvözet akkor működik a legjobban, ha 90 másodpercig kezelik.
Olvadási hőmérséklet	Befolyásolja az olvadék viszkozitását, a hidrogén oldhatóságát és a kavitáció intenzitását	Van egy optimális hőmérséklet-tartomány, és a megfelelő közeghőmérséklet elősegíti a feldolgozási hatás javítását.
Olvadék térfogata	A teljesítményt az olvadék térfogatához kell igazítani.	Nagyméretű olvadt anyagok esetén több szondára vagy nagyobb teljesítményre lehet szükség, vagy akár érintésmentes ultrahangos technológiát is alkalmazhatunk a feldolgozás eredményének biztosítására.
Szarv mérete/forma	Az ultrahangos tér eloszlásának befolyásolása	A kisebb végfelületű szerszámok (például Φ10 mm) jobb finomító hatást fejtenek ki.