Affinamento della grana nelle fusioni metalliche ultrasoniche

Panoramica del dispositivo

L'attrezzatura per la fusione metallica ad ultrasuoni è utilizzata principalmente per rimuovere le impurità, eliminare le bolle, affinare la struttura del grano e migliorare la qualità della colata. Si tratta di una tecnica pulita e relativamente efficiente. La porosità rimane uno dei difetti principali nelle fusioni in lega di alluminio, poiché compromette sia le proprietà meccaniche sia l’integrità della tenuta stagna sotto pressione. La porosità si verifica o quando i gas precipitano dal metallo fuso durante la solidificazione, oppure quando il metallo liquido non riesce a compensare gli spazi interdendritici e la contrazione volumetrica. Pertanto, l’eliminazione efficace delle bolle è fondamentale per migliorare la qualità della colata.

attrezzatura per fusione metallica ad ultrasuoni 20k (Testa utensile in ceramica)

attrezzatura per fusione metallica ad ultrasuoni 15k (Testa utensile in lega di titanio)

Principio di Funzionamento

1. Effetti termici: L’azione termica degli ultrasuoni può produrre due forme di effetto termico: uno è l’effetto termico generato da onde continue, l’altro è l’effetto termico istantaneo. La combinazione di questi effetti intensifica l’attrito interno, determinando un assorbimento parziale dell’energia acustica, che viene convertita in energia del mezzo, innalzando così la temperatura del mezzo liquido e modificandone viscosità e fluidità.

2. Effetto di flusso acustico: Quando le onde sonore raggiungono una certa intensità, il getto indotto dall’effetto di flusso acustico circola nell’intero metallo fuso, generando un modello di circolazione. Il flusso acustico rappresenta una combinazione di circolazione e turbolenza, esercitando intensi effetti di vibrazione e agitazione sul metallo fuso.

3. Effetto di cavitazione. La cavitazione è un fenomeno fisico indotto dalle onde ultrasoniche e costituisce il meccanismo principale attraverso il quale gli ultrasuoni raffinano le fusioni metalliche. Quando i liquidi sono sottoposti a ultrasuoni ad alta intensità, le onde sonore che si propagano nel mezzo liquido generano cicli alternati di alta pressione (compressione) e bassa pressione (depressione). Durante i cicli di bassa pressione, gli ultrasuoni intensi generano bolle di vuoto o cavità all’interno del liquido. Quando queste bolle raggiungono un volume tale da non poter più assorbire energia, collassano violentemente durante i cicli di alta pressione; il collasso istantaneo di piccole bolle genera pressioni fino a decine di migliaia di atmosfere, esercitando notevoli forze d’urto sul liquido circostante per ottenere un effetto di miscelazione.

Diagramma schematico della cavitazione

Vantaggi del dispositivo

1. Il processo di saldatura è semplice e facile da apprendere, riducendo in modo significativo il consumo di stagno e contemporaneamente abbreviando i tempi di produzione e migliorando notevolmente l’efficienza nelle medesime condizioni operative;

2. Migliora in modo sostanziale la conducibilità del prodotto, riduce la resistenza del circuito, aumenta la superficie di contatto e migliora la durata degli utensili per la saldatura ad immersione;

3. Non richiede l’uso di flussanti o agenti detergenti, riducendo al minimo la corrosione e prevenendo l’inquinamento dell’acqua o dell’aria; elimina completamente i difetti di saldatura e i cortocircuiti.

Parametro dell'impianto

attrezzatura per fusione metallica ad ultrasuoni 20k (Testa utensile in ceramica)

attrezzatura per la fusione ultrasonica da 15 kHz (con testina in lega di titanio)

Dimostrazione sperimentale

Confronto tra testine realizzate con materiali diversi

L’attrezzatura per la lavorazione mediante fusione ultrasonica è dotata di testine in lega di titanio ad alta resistenza, che offrono un’eccellente resistenza alla corrosione e una notevole tolleranza alle alte temperature, con una temperatura operativa massima di 1300 °C. Questi utensili consentono interazioni intermolecolari più dirette e marcate all’interno del materiale fuso. Inoltre, richiedono un’installazione semplice, senza necessità di modifiche agli impianti di produzione o ai flussi di processo già esistenti del cliente.

Testa strumentale in ceramica

Durante la colata ultrasonica di fusioni metalliche, il portautensile entra direttamente in contatto con il metallo fuso ad alta temperatura, trasmettendo onde ultrasoniche per eseguire il trattamento ultrasonico. In tali condizioni, gli effetti combinati dell’erosione ad alta temperatura e dello stress termico possono danneggiare rapidamente i portautensili realizzati con materiali convenzionali. I materiali ceramici, noti per la loro resistenza all’erosione e all’usura ad alta temperatura, sono diventati il materiale preferito per le testine ultrasoniche.

Testa dell'attrezzo in lega di titanio

Effetto della fusione metallica

1. Rimozione delle impurità: La galleggiabilità delle inclusioni minute nell’acciaio fuso è estremamente difficile; il processo diventa più fattibile soltanto quando tali inclusioni si aggregano. Applicando onde ultrasoniche alla soluzione mediante apparecchiature ultrasoniche per la fusione dei metalli, l’onda stazionaria generata dagli ultrasuoni può efficacemente favorire la separazione e l’aggregazione delle particelle di inclusione all’interno della soluzione.

2. Rimozione dei gas: Quando le vibrazioni elastiche degli ultrasuoni vengono introdotte nel metallo fuso, si verifica la cavitazione; i gas disciolti nel metallo liquido migrano verso le cavità, favorendo la formazione e la crescita continua dei nuclei di bolle fino a raggiungere una dimensione sufficiente per essere espulsi dal metallo fuso.

3. Durante la colata continua di leghe alluminio-silicio con grana raffinata, il trattamento ad ultrasuoni può raffinare la grana del getto e migliorare la plasticità e la duttilità della lega, rendendola più adatta per applicazioni nei materiali da costruzione e nei pistoni per motori automobilistici. L’applicazione di ultrasuoni al metallo fuso in lega di alluminio previene la formazione di inclusioni ossidiche e ne raffina la microstruttura.

4. Migliora la qualità dei billette fuse agendo sullo stampo, migliorando la qualità superficiale delle fusioni. Adatto per billette quadrate piccole, billette quadrate grandi e billette a lamiera; la vibrazione ultrasonica non richiede lo scorrimento negativo. L’applicazione della vibrazione ultrasonica allo stampo durante la colata di billette quadrate piccole e billette quadrate grandi produce superfici di fusione lisce.

Esperimento di Raffinamento del Grano

Passo 1: Riscaldare il blocco di alluminio fino a fonderlo	Passo 2: Trattamento ultrasonico
Passo 3: Qualità finale dell’ingotto di alluminio	Passo 4: Superficie della punta in ceramica di nitruro di silicio

Risultati sperimentali osservati al microscopio elettronico

Sito sperimentale