Tratamentul cu ultrasunete al aluminiului topit: principii, aplicații și perspective

Tratarea cu ultrasunete a aluminiului topit: principii, aplicații și perspective

1. Introducere

Aluminiul și aliajele sale ocupă o poziție importantă în producția de mașini, transporturi, aerospațiale și alte domenii datorită proprietăților lor excelente, cum ar fi rezistența specifică ridicată, rezistența la coroziune și reciclarea ușoară. Dimensiunea granulelor și morfologia organizatorică a aliajelor de aluminiu afectează direct performanța finală a materialului. Pentru a obține o performanță excelentă, cheia este să spargeți dendritele mari originale în granule echiaxiale mici, uniforme. În același timp, hidrogenul dizolvat în topitura de aluminiu este cauza principală a defectelor precum găurile și porii din piese turnate. Cum se degazează eficient este, de asemenea, o problemă pe termen lung cu care se confruntă industria metalurgică.

Metodele tradiționale de tratare - cum ar fi degazarea prin rotație, adăugarea de rafinare chimice de cereale etc. - deși eficiente într-o anumită măsură, au probleme precum blocajele de eficiență, modificarea compoziției aliajului și creșterea dificultății de reciclare. Apariția tehnologiei de tratament cu ultrasunete (UST) oferă o soluție ecologică și eficientă pentru rafinarea și controlul structurii topiturii de aluminiu.

2. Principii tehnice

Miezul tratamentului cu ultrasunete al topiturii de aluminiu constă în efectul sinergic al efectului de cavitație și al efectului de curgere acustică.

(1) Efect de cavitație. Când undele ultrasonice de mare putere sunt introduse în topitura de aluminiu, în lichid vor apărea alternanțe periodice de presiune pozitivă și negativă. În stadiul de presiune negativă, topitura este 'sfâșiată' pentru a forma bule minuscule de cavitație; în stadiul de presiune pozitivă, aceste bule se prăbușesc brusc, generând instantaneu temperatură locală ridicată, presiune ridicată și unde de șoc puternice. Această cavitație are funcții multiple: pe de o parte, unda de șoc generată de cavitație poate sparge dendritele în creștere și le poate împinge în topitură pentru a deveni un nou miez de cristal; pe de altă parte, cavitația activează particule minuscule de impurități (în principal Al₂O₃) în topitură, făcându-le baza pentru nuclearea eterogenă, promovând astfel nuclearea și rafinarea boabelor.

(2) Efect de curgere acustică. Undele ultrasonice vor produce efecte neliniare atunci când se propagă în topitură, formând fluxuri acustice la scară largă și fluxuri microacustice. Fluxul acustic puternic poate îmbunătăți în mod semnificativ uniformitatea câmpului de temperatură a topiturii, poate schimba condițiile de solidificare a topiturii și poate schimba modul de solidificare a topiturii de aluminiu de la solidificare strat cu strat la solidificare în volum, inhibând eficient creșterea cristalelor columnare și formând o structură cristalină echiaxială uniformă. Efectul de curgere acustică promovează, de asemenea, agitarea macroscopică și transferul de masă al topiturii, făcând temperatura și compoziția chimică mai uniforme.

Sub efectul dublu al cavitației și fluxului acustic, tratamentul cu ultrasunete realizează o optimizare „pachet” a topiturii de aluminiu - degazarea, îndepărtarea zgurii, rafinarea granulelor și omogenizarea țesuturilor sunt finalizate simultan.

3. Aplicații de bază

3.1 Degazarea (eliminarea hidrogenului)

Hidrogenul este principalul gaz nociv din topirea aluminiului. Majoritatea defectelor, cum ar fi găurile și slăbiciunea în piese turnate provin din precipitarea hidrogenului în timpul procesului de solidificare. Mecanismul degazării cu ultrasunete este că efectul de cavitație al undelor ultrasonice produce un număr mare de miezuri de bule în topitură, iar hidrogenul dizolvat se concentrează în aceste bule și continuă să crească până când poate fi descărcat fără probleme din topitură.

Degazarea cu ultrasunete are un efect remarcabil. Cercetările arată că degazarea cu ultrasunete poate reduce conținutul de hidrogen cu mai mult de 50%, crescând astfel densitatea și plasticitatea pieselor turnate. În experimentul topiturii de aluminiu AlSi12Fe, după ce a fost tratat cu o putere ultrasonică de 1000 W timp de 1 minut, densitatea echivalentă a topiturii de aluminiu de 40 kg a atins 1,28%. Unele studii au arătat chiar că vibrația elastică a undelor ultrasonice poate degaza complet metalul topit în câteva minute.

3.2 Rafinarea cerealelor

Rafinarea cerealelor este o modalitate cheie de a îmbunătăți proprietățile mecanice ale aliajelor de aluminiu. Mecanismul de rafinare cu ultrasunete a cerealelor include următoarele aspecte:

Dendritele sparte: Undele de șoc și jeturile generate de cavitație pot tăia și distruge dendritele în creștere și pot crește numărul de nuclee de cristal.

Promovarea nucleării: Cavitația activează particulele de impurități (în principal Al₂O₃) în topitură, făcându-le să devină miezuri de cristal și promovând nuclearea.

Creșteți gradul de subrăcire: vibrația ultrasonică reduce subrăcirea efectivă a metalului topit și reduce raza critică de nucleare, crescând astfel rata de nucleare.

Rezultatele experimentale arată că structura solidificată a topiturii de aluminiu tratată prin tratament cu ultrasunete a fost rafinată în diferite grade. După ce tratamentul cu ultrasunete este aplicat topiturii de aliaj de aluminiu 7055, boabele sunt rafinate, structura este omogenizată, rezistența la tracțiune este semnificativ crescută și plasticitatea este, de asemenea, mult îmbunătățită. În experimentele cu aluminiu pur, tratamentul cu ultrasunete a obținut un efect de rafinare a cerealelor de până la 48%.

3.3 Îndepărtarea incluziunilor

Este foarte dificil pentru micile incluziuni din soluția de metal să plutească și doar agregarea lor va face plutirea mai ușoară. Tratamentul cu ultrasunete poate promova acumularea și delaminarea incluziunilor, obținând astfel efectul de îndepărtare. În plus, cavitația și efectele fluxului acustic pot reduce, de asemenea, segregarea componentelor și pot îmbunătăți uniformitatea structurii de turnare.

4. Parametrii cheie ai procesului

Efectul tratamentului cu ultrasunete este afectat în mod cuprinzător de mai mulți parametri ai procesului.

Putere cu ultrasunete. Puterea este parametrul de bază care determină intensitatea cavitației și efectul tratamentului. Puterea unui singur cap radiant al echipamentelor de calitate industrială poate ajunge la 2500W. Dacă puterea este prea scăzută, nu se poate produce un efect de cavitație suficient, în timp ce dacă puterea este prea mare, poate provoca un consum suplimentar de energie și efecte termice. Topitura de aluminiu AlSi12Fe poate obține un efect bun de degazare prin procesarea acesteia la o putere de 1000 W timp de 1 minut.

Temperatura de procesare. Prelucrarea topiturii de aluminiu se realizează de obicei la temperaturi de aproximativ 750°C. Temperatura afectează vâscozitatea topiturii și solubilitatea hidrogenului, care la rândul său afectează efectele de degazare și rafinare. Unele studii au subliniat că, pe măsură ce timpul de procesare crește, vâscozitatea topiturii scade și devine dificil pentru bule să scape, astfel încât timpul de procesare trebuie controlat în mod rezonabil.

Timp de procesare. Durata tratamentului cu ultrasunete variază de obicei de la 1 minut la zeci de minute. Trebuie remarcat faptul că cu cât timpul este mai lung, cu atât efectul este mai bun - timpul prea lung cu ultrasunete poate duce la o scădere a densității lingoului și a ratei de degazare.

Adâncimea de scufundare a capului sculei. Adâncimea de lucru a tijei cu ultrasunete afectează zona de acțiune efectivă. Calculele teoretice arată că intervalul efectiv de cavitație în topitură se află în zona de 30 mm sub suprafața de capăt, în timp ce efectul de curgere acustică se extinde pe întreaga zonă curgătoare a topiturii.

Frecvența ultrasunetelor. Frecvența afectează dimensiunea și distribuția bulelor de cavitație. Ultrasunetele de joasă frecvență produc bule de cavitație mai mari, care sunt potrivite pentru aplicații precum degazarea și rafinarea cerealelor. Răspunsul diferitelor sisteme de aliaje de aluminiu la frecvență poate fi diferit și trebuie optimizat pentru aliajul specific.

Efect și valoare

Efectul de îmbunătățire cuprinzător al tratamentului cu ultrasunete asupra topiturii de aluminiu a fost confirmat de un număr mare de studii:

Proprietăți mecanice îmbunătățite: După tratarea cu ultrasunete a aluminiului pur, rezistența la tracțiune poate fi crescută cu până la 17%, iar alungirea este crescută de la 16% în stare netratată la 28%. Rezistența medie la tracțiune a lingourilor de aluminiu pur crește cu 22,3% longitudinal și 20% transversal.

Structura este rafinată semnificativ: structura solidificată a lingoului tratat prin tratament cu ultrasunete este rafinată semnificativ, iar dimensiunea granulelor poate ajunge la 77~405μm. Lingoul fără tratament cu ultrasunete a format o microstructură grosieră și neuniformă.

Integrare multifuncțională: Tratamentul cu ultrasunete este o tehnologie multifuncțională de procesare a topiturii care integrează degazarea, îndepărtarea zgurii, rafinarea cerealelor și omogenizarea țesuturilor. În comparație cu rafinatoarele chimice tradiționale, tratamentul cu ultrasunete nu modifică compoziția chimică a aliajului și nu crește dificultatea reciclării. Este o metodă de procesare ecologică durabilă.

Tratamentul cu ultrasunete al topiturii de metal aluminiu este o tehnologie eficientă de tratare a topiturii care integrează degazarea, îndepărtarea zgurii, rafinarea granulelor și omogenizarea țesuturilor. Miezul său constă în efectul sinergic al efectului de cavitație ultrasonică și al efectului de curgere acustică - efectul de cavitație sparge dendritele, promovează nuclearea și expulzează gazul, în timp ce efectul de curgere acustică uniformizează câmpul de temperatură și câmpul de compoziție și modifică metoda de solidificare. Un număr mare de studii au arătat că tratamentul cu ultrasunete poate îmbunătăți semnificativ proprietățile mecanice și calitatea turnării aliajelor de aluminiu fără a modifica compoziția chimică a aliajului. Este o tehnologie de procesare ecologică și durabilă. Odată cu aprofundarea înțelegerii tehnologice și îmbunătățirea nivelului echipamentului, tehnologia de prelucrare a topiturii cu ultrasunete a aluminiului va juca un rol din ce în ce mai important în industria aerospațială, transport, aluminiu reciclat și alte domenii.

Parametru	influenţa	referinţă
Putere	Determinați precizia și adâncimea de procesare	Puterea variază de la 200W la peste 2500W. De exemplu, pentru aliajul de aluminiu 7050, efectul de rafinare este mai bun la 200W, iar eficiența de degazare este mai mare la 240W.
Frecventa	Afectează intensitatea efectului de cavitație	În general, cele mai bune rezultate sunt obținute în intervalul de joasă frecvență de 17-22 kHz, în special pentru undele ultrasonice de joasă frecvență și de mare intensitate în intervalul 15-20 kHz.
Timp de procesare	Există o valoare optimă.	Un timp prea scurt nu va obține rezultate bune, în timp ce un timp prea lung poate duce la îngroșarea cerealelor sau la o revenire a porozității. De exemplu, aliajul 7050 funcționează cel mai bine atunci când este tratat timp de 90 de secunde.
Temperatura de topire	Afectează vâscozitatea topiturii, solubilitatea hidrogenului și intensitatea cavitației	Există un interval de temperatură optim, iar o temperatură medie adecvată este favorabilă îmbunătățirii efectului de procesare.
Volumul de topire	Puterea trebuie să fie potrivită cu volumul topiturii.	Pentru materialele topite la scară mare, pot fi necesare mai multe sonde sau o putere mai mare sau chiar poate fi folosită tehnologia ultrasonică fără contact pentru a asigura rezultatul procesării.
Dimensiunea / forma cornului	Afectarea distribuției câmpului ultrasonic	Uneltele cu zone de capăt mai mici (cum ar fi Φ10mm) au un efect de rafinament mai bun.