La tecnologia ad ultrasuoni può affinare i grani metallici?

La tecnologia ad ultrasuoni può affinare i grani metallici?

La tecnologia ad ultrasuoni può infatti affinare efficacemente i grani metallici.

Si tratta di una tecnica di raffinazione fisica del grano altamente efficiente e pulita che migliora significativamente la microstruttura dei metalli durante la solidificazione o la lavorazione applicando vibrazioni ad alta frequenza, migliorando così le proprietà meccaniche del materiale.

Principio fondamentale : due effetti chiave

La raffinazione del grano ad ultrasuoni si ottiene principalmente attraverso i seguenti due effetti fisici principali:

Effetto cavitazione: quando gli ultrasuoni si propagano nel metallo liquido, generano innumerevoli piccole bolle (bolle di cavitazione). Queste bolle crescono rapidamente, oscillano e infine collassano sotto l'influenza delle onde sonore. Nel momento in cui le bolle collassano, su scala microscopica si generano temperature elevate fino a 10⁴K e onde d'urto di 10⁴MPa. 

Questa energia estrema:

Spezzare i dendriti grossolani in crescita.

Aumentare i siti di nucleazione: le onde d'urto attivano minuscole particelle di impurità nella massa fusa, rendendole efficaci nuclei di cristallizzazione; contemporaneamente, il sottoraffreddamento localizzato generato dal collasso delle bolle di cavitazione favorisce anche la formazione di numerosi nuclei cristallini.

Effetto flusso audio: quando gli ultrasuoni si propagano nella massa fusa, formano un flusso acustico stabile (ovvero, getto e circolazione del fluido). Questo effetto del flusso acustico offre numerosi vantaggi: Omogeneizzazione: la velocità del flusso acustico può raggiungere da 10 a 1000 volte la velocità di convezione termica della massa fusa, agitando energicamente la massa fusa e rendendo i campi di temperatura e composizione più uniformi.

Dispersione nucleata: i grani fini disgregati dall'effetto di cavitazione sono uniformemente dispersi in tutta la massa fusa.

Nucleazione promossa: il flusso acustico pulisce la superficie delle particelle, aumentando il lavoro di nucleazione.

Frattura per fatica: ricerche recenti mostrano che anche in condizioni di ultrasuoni a bassa intensità senza cavitazione, l'effetto del flusso acustico stesso può generare circa 3000 impatti ad alta frequenza sui dendriti durante la solidificazione, causando fratture per fatica e quindi affinando i grani.

La tecnologia di raffinazione del grano ad ultrasuoni ha ampie applicazioni, coprendo principalmente i seguenti campi:

Colata: il trattamento ad ultrasuoni prima della colata del metallo fuso o durante la solidificazione è l'applicazione più diffusa.

Produzione additiva (stampa 3D): nella produzione additiva con laser o fascio di elettroni, l'assistenza ultrasonica può affinare significativamente i grani dello strato depositato, migliorando le proprietà meccaniche.

Saldatura: l'applicazione di vibrazioni ultrasoniche durante la saldatura può affinare i grani nella zona di saldatura, migliorando la qualità del giunto.

Elettrodeposizione: nei processi di galvanica o elettroformatura è possibile utilizzare campi ultrasonici per affinare la grana dello strato depositato, ad esempio nella preparazione di un foglio di rame a grana fine.

Trattamento superficiale: tecniche come la laminazione a ultrasuoni utilizzano vibrazioni meccaniche ad alta frequenza per indurre una grave deformazione plastica sulla superficie del materiale, ottenendo un perfezionamento a nanograna dello strato superficiale.

Riepilogo: In conclusione, la tecnologia ad ultrasuoni, attraverso l'effetto sinergico della cavitazione e del flusso acustico, può rompere in modo efficiente i dendriti, aumentare i siti di nucleazione e omogeneizzare la fusione, affinando così in modo significativo i grani metallici. Questa tecnologia ha una vasta gamma di applicazioni, è efficace per vari metalli e leghe ed è diventata un processo chiave per migliorare le proprietà dei materiali metallici.

Parametro	influenza	riferimento
Energia	Determinare la precisione e la profondità di elaborazione	La potenza varia da 200W a oltre 2500W. Ad esempio, per la lega di alluminio 7050, l'effetto di raffinazione è migliore a 200 W e l'efficienza di degasaggio è maggiore a 240 W.
Frefuenza	Influisce sull'intensità dell'effetto cavitazione	Generalmente, i migliori risultati si ottengono nell'intervallo di bassa frequenza di 17-22 kHz, in particolare per le onde ultrasoniche a bassa frequenza e ad alta intensità nell'intervallo di 15-20 kHz.
Tempo di processo	Esiste un valore ottimale.	Un tempo troppo breve non consentirà di ottenere buoni risultati, mentre un tempo troppo lungo può portare ad un ingrossamento del grano o ad un aumento della porosità. Ad esempio, la lega 7050 funziona meglio se trattata per 90 secondi.
Temperatura di fusione	Influisce sulla viscosità del fuso, sulla solubilità dell'idrogeno e sull'intensità della cavitazione	Esiste un intervallo di temperatura ottimale e una temperatura media adeguata contribuisce a migliorare l'effetto della lavorazione.
Sciogliere il volume	La potenza deve essere adattata al volume della massa fusa.	Per materiali fusi su larga scala, potrebbero essere necessarie più sonde o una potenza maggiore, oppure potrebbe essere impiegata anche la tecnologia a ultrasuoni senza contatto per garantire il risultato della lavorazione.
Dimensioni/forma del corno	Influisce sulla distribuzione del campo ultrasonico	Gli strumenti con aree terminali più piccole (come Φ10 mm) hanno un effetto di rifinitura migliore.