تنقية الحبيبات في سبائك المعادن المُسخَّنة بالموجات فوق الصوتية

نظرة عامة على الجهاز

تُستخدم معدات إذابة المعادن بالموجات فوق الصوتية بشكل رئيسي لإزالة الشوائب، والقضاء على الفقاعات، وتنعيم البنية الحبيبية، وتحسين جودة الصب. وهذه طريقة نظيفة وفعّالة نسبيًّا. وتظل المسامية إحدى العيوب الرئيسية في قطع الصب المصنوعة من سبائك الألومنيوم، لأنها تُضعف كلًّا من الخصائص الميكانيكية والسلامة الإحكامية تحت الضغط. وتحدث المسامية إما عندما تترسب الغازات من المعدن المنصهر أثناء التصلّب، أو عندما يفشل المعدن السائل في تعويض الفراغات بين فروع البلورات (الهياكل الشجرية) والانكماش الحجمي. ولذلك فإن إزالة الفقاعات بكفاءةٍ تُعدُّ أمرًا بالغ الأهمية لتحسين جودة الصب.

معدات إذابة المعادن فوق الصوتية 20 كيلوهرتز (رأس الأداة السيراميكية)

معدات إذابة المعادن فوق الصوتية 15 كيلوهرتز (رأس الأداة من سبيكة التيتانيوم)

مبدأ التشغيل

١. التأثيرات الحرارية: يمكن للعملية الحرارية للموجات فوق الصوتية أن تُنتج شكلين من التأثيرات الحرارية: أحدهما التأثير الحراري الناتج عن الموجات المستمرة، والآخر هو التأثير الحراري اللحظي. ويؤدي الجمع بين هذين التأثيرين إلى تكثيف الاحتكاك الداخلي، ما يؤدي إلى امتصاص جزئي للطاقة الصوتية التي تتحول إلى طاقة وسطية، وبالتالي رفع درجة حرارة الوسط السائل وتغيير لزوجته وسيولته.

٢. تأثير التدفق الصوتي: وعندما تصل الموجات الصوتية إلى شدة معينة، فإن تيار النفث الناتج عن تأثير التدفق الصوتي ينتشر في جميع أنحاء المعدن المنصهر مُشكِّلاً نمطاً دورانياً. ويمثِّل التدفق الصوتي مزيجاً من الحركة الدورانية والاضطراب، ويُحدث اهتزازاً وتحريكاً شديدين في المعدن المنصهر.

٣. تأثير التآكل بالفقاعات: التآكل بالفقاعات ظاهرة فيزيائية تُحدثها الموجات فوق الصوتية، وتشكّل الآلية الأساسية التي تستخدمها الموجات فوق الصوتية لتنقية السبائك المعدنية المنصهرة. وعندما تتعرَّض السوائل لموجات فوق صوتية عالية الشدة، فإن الموجات الصوتية المنتشرة عبر الوسط السائل تولِّد دورات متناوبة من الضغط العالي (الانضغاط) والضغط المنخفض (الانسحاب). وخلال دورات الضغط المنخفض، تُكوِّن الموجات فوق الصوتية الشديدة فقاعات فراغية أو فراغات داخل السائل. وعندما تصل هذه الفقاعات إلى حجمٍ لا يمكنها بعده امتصاص المزيد من الطاقة، فإنها تنفجر انفجارًا عنيفًا خلال دورات الضغط العالي؛ ويؤدي الانهيار اللحظي للفقاعات الصغيرة إلى توليد ضغوط تصل إلى عشرات الآلاف من الضغوط الجوية، ما يُمارس قوى تأثيرية كبيرة على السائل المحيط لتحقيق تأثير التقليب.

رسم تخطيطي توضيحي للتآكل بالفقاعات

مزايا الجهاز

١. عملية اللحام بسيطة وسهلة الإتقان، مما يقلل بشكل كبير من استهلاك القصدير مع تقليل وقت الإنتاج وتحسين الكفاءة بشكل ملحوظ في ظل ظروف التشغيل المماثلة؛

٢. تحسّن موصلية المنتج بشكل كبير، وتقلل مقاومة الدائرة، وتزيد مساحة التلامس، وتحسّن متانة أدوات اللحام بالغمر؛

٣. لا تتطلب استخدام أي مواد تدفق أو عوامل تنظيف، ما يقلل من التآكل ويمنع تلوث الماء أو الهواء، ويقضي تمامًا على حالات اللحام الخاطئ والدوائر القصيرة.

معيار المصنع

معدات إذابة المعادن فوق الصوتية 20 كيلوهرتز (رأس الأداة السيراميكية)

معدات إذابة المعادن بالموجات فوق الصوتية بتردد ١٥ كيلوهرتز (مع رأس أداة من سبيكة التيتانيوم)

تجربة عملية

مقارنة بين رؤوس الأدوات المصنوعة من مواد مختلفة

تتميز معدات معالجة الإذابة بالموجات فوق الصوتية برؤوس أدوات مصنوعة من سبيكة تيتانيوم عالية القوة، والتي تتمتع بمقاومة ممتازة للتآكل وقدرة عالية على التحمل عند درجات الحرارة المرتفعة، حيث تصل أقصى درجة حرارة تشغيل لها إلى ١٣٠٠°م. وتساعد هذه الأدوات في تحقيق تفاعلات جزيئية أكثر مباشرةً ووضوحًا داخل المادة المنصهرة. علاوةً على ذلك، فإن تركيبها بسيط ولا يتطلب إجراء أي تعديلات على معدات الإنتاج الحالية لدى العميل أو على سير عملياته التشغيلية.

رأس أداة خزفية

أثناء الصب فوق الصوتي لسبائك المعادن، يتلامس حامل الأداة مباشرةً مع المعدن المنصهر عالي الحرارة، وينقل الموجات فوق الصوتية لتنفيذ المعالجة فوق الصوتية. وفي ظل هذه الظروف، يمكن أن تؤدي التأثيرات المشتركة للتآكل الناتج عن ارتفاع درجة الحرارة والإجهاد الحراري إلى تلفٍ سريعٍ في حامِلات الأدوات المصنوعة من المواد التقليدية. أما المواد السيراميكية، التي تشتهر بمقاومتها للتآكل عند درجات الحرارة العالية والتآكل الميكانيكي، فقد أصبحت المادة المفضلة لرؤوس الأدوات فوق الصوتية.

رأس الأداة من سبيكة التيتانيوم

تأثير سبيكة المعدن المنصهر

١. إزالة الشوائب: إن طفو الشوائب الدقيقة في الفولاذ المنصهر عمليةٌ بالغة الصعوبة؛ ولا تصبح هذه العملية ممكنةً نسبيًّا إلا عندما تتجمع هذه الشوائب. وباستخدام معدات صهر المعادن فوق الصوتية لتطبيق الموجات فوق الصوتية على المحلول، فإن الموجة الراكدة الناتجة عن الموجات فوق الصوتية يمكن أن تعزِّز بفعالية فصل جسيمات الشوائب وتجميعها داخل المحلول.

٢. إزالة الغازات: عند إدخال الاهتزازات المرنة للموجات فوق الصوتية في المعدن المنصهر، تحدث ظاهرة التجويف؛ حيث تنتقل الغازات المذابة في المعدن السائل نحو التجاويف، مما يعزِّز تكوين نوى الفقاعات ونموها المستمر حتى تصل إلى حجم كافٍ للانفصال عن المعدن المنصهر.

٣. أثناء عملية الصب المستمر لسبائك الألومنيوم-السيليكون المُعالَجة لتقليل حجم الحبيبات، يمكن أن يؤدي العلاج بالموجات فوق الصوتية إلى تقليل حجم حبيبات السبيكة المُصبوبة وتحسين مرونتها وقابليتها للتشكل، ما يجعلها أكثر ملاءمةً للتطبيقات في مواد البناء و Pistons محركات السيارات. كما أن تطبيق الموجات فوق الصوتية على سبائك الألومنيوم المنصهرة يمنع تكوُّن شوائب الأكاسيد ويحسِّن البنية المجهرية لها.

٤. يحسّن جودة السبائك المُسبوكة من خلال التأثير على القالب، مما يحسّن جودة سطح القطع المسبوكة. مناسب للسبيكات المربعة الصغيرة، والسبيكات المربعة الكبيرة، والألواح السبائكية؛ ولا تتطلب الاهتزازات فوق الصوتية انزلاقًا سلبيًّا. وتطبيق الاهتزازات فوق الصوتية على القالب أثناء صب السبيكات المربعة الصغيرة والكبيرة يُنتج أسطح سبك ناعمة.

تجربة تحسين الحبيبات

الخطوة ١: تسخين كتلة الألومنيوم حتى تذوب	الخطوة ٢: المعالجة فوق الصوتية
الخطوة ٣: جودة السبيكة الألومنيوم النهائية	الخطوة ٤: سطح طرف السيراميك نيتريد السيليكون

النتائج التجريبية التي لوحظت تحت المجهر الإلكتروني

موقع التجربة