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超音波金属溶解装置

脱気、結晶粒微細化、鋳造品質向上のための超音波金属溶融装置。

1. 空洞衝撃
気泡の崩壊により極端な圧力が発生し、効果的な混合および脱気が実現されます。

2. 熱的・流動効果
熱的効果と音響流動効果が複合的に作用し、流動性および循環性を高めます。

3. 鋳造品質の向上
不純物および気泡を除去するとともに、結晶粒構造を微細化します。

概要
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デバイス概要：

超音波金属溶解装置は、不純物や気泡の除去、結晶粒の微細化、鋳造物の品質向上を主に目的として使用されるクリーンで比較的高効率な技術です。鋳造物における気孔は主な欠陥の一つであり、これは鋳物の機械的特性や耐圧シール性に悪影響を与える可能性があります。鋳物に気孔が生じる原因は、凝固中に溶融物からガスが析出するため、または溶融金属が凝固間隙領域を通じて体積収縮を補償できないためです。したがって、効果的に気泡を除去することは、鋳造物の品質を向上させるための重要なポイントです。

20k Ultrasonic Metal Melting Equipment (Ceramic Tool Head)

20k 超音波金属溶解装置（セラミックツールヘッド）

15k Ultrasonic Metal Melting Equipment (Titanium Alloy Tool Head)

15k 超音波金属溶解装置（チタン合金ツールヘッド）

動作原理:

熱効果 超音波の熱作用は、2種類の熱効果を生じさせます。1つは連続波によって生じる熱効果であり、もう1つは瞬時熱効果です。この2つの熱効果が組み合わさることで内部摩擦が増強され、音響エネルギーの一部が吸収されて媒質エネルギーに変換され、液体媒質の温度上昇を促進するとともに、溶液の粘度および流動性を変化させます。

音響流効果 超音波が一定の強度に達すると、音響流効果によって生じるジェット流が全体の金属溶融物内で循環し、循環電流を形成します。音響流は層流と乱流の相互作用が複合した現象であり、金属溶融物に対して激しい振動および攪拌効果を及ぼします。

キャビテーション効果 キャビテーションは、超音波によって引き起こされる物理現象であり、超音波が金属溶湯を微細化できる主な理由である。高強度の超音波を液体に照射すると、液体中を伝播する音波により、高圧（圧縮）と低圧（希薄）が交互に繰り返される。希薄サイクルにおいて、高強度の超音波は液体中に真の真空気泡または空隙を生成する。これらの気泡がエネルギーをさらに吸収できなくなる体積に達すると、圧縮サイクルにおいて急激に崩壊する。小さな気泡が崩壊する瞬間には、数万気圧に及ぶ圧力が発生し、周囲の液体に強い衝撃を及ぼすことで、混合効果を実現する。

キャビテーションの図解

装置の利点：

溶接プロセスはシンプルで学びやすく、はんだ使用量を大幅に削減します。同時に、生産作業時間も短縮し、同一条件下で生産効率を大幅に向上させます。
製品の導電性を大幅に向上させ、回路抵抗を低下させ、接触面積を増加させ、ディップ溶接用ツールヘッドの耐久性を延長します。
補助フラックスや洗浄剤を必要としないため、腐食を軽減し、水質および大気汚染を防止します。また、冷接合や短絡を引き起こしません。

実験結果は以下の通り：

異なる素材のツールヘッド比較

超音波溶融装置を装備した高強度チタン合金製のツールヘッドは、腐食や熱に強く、最大1300°Cまでの温度に耐えることができます。溶融金属の微少分子間の相互作用効果もより直接的かつ顕著です。さらに、既存の生産設備や工程に変更を加えることなく、設置が容易です。

セラミックヘッド

金属溶融物の超音波鋳造プロセス中、ツールロッドは高温の金属溶融物と直接接触し、超音波を伝導して金属溶融物への超音波処理を実現する役割を果たします。高温溶融摩耗と熱応力の複合作用により、通常の材料で作られたツールロッドは高温溶融環境で急速に損傷します。セラミック材料は溶融摩耗に強く、耐熱性や耐摩耗性に優れており、超音波用ツールヘッドの素材として採用されています。

チタン合金ツールヘッド

金属溶解処理

不純物の除去

鋼液中の微小介在物は浮上しにくく、凝集した場合にのみ浮上しやすくなります。超音波金属溶解装置を使用して溶液中に超音波を導入すると、超音波の定常波により溶液中の粉末状介在物を成功裏に層別化および濃縮することが可能です。

ガスの除去

超音波の弾性振動を溶融金属に導入すると、空洞現象（キャビテーション）が発生します。液体金属中に溶解したガスは空洞に向かって移動し、気泡核の形成を促進し、成長を継続して溶融金属から排出可能な大きさまで達成させます。

結晶粒微細化

アルミニウム・シリコン合金の連続鋳造プロセスにおいて、超音波処理により鋳塊の結晶粒を微細化し、合金の塑性加工性を向上させ、建材や自動車のエンジンピストンなどへの応用に役立てることができます。アルミニウム合金溶液に超音波を照射することで、酸化物介在物の生成を防ぎ、微細組織を微細化することが可能です。

鋳造品質の向上

鋳型に作用させることで、鋳塊表面の品質を改善します。小断面鋳塊、大断面鋳塊およびスラブ鋳塊に超音波振動による負のスライドなしに使用可能です。小断面鋳塊および大断面鋳塊の鋳造中に鋳型に超音波振動を適用することで、滑らかな表面を持つ鋳塊が得られます。

結晶粒微細化実験：


ステップ1：アルミニウム塊の加熱・溶解	ステップ2：超音波処理

ステップ3：最終的なアルミニウムインゴットの効果	ステップ4：窒化ケイ素セラミックヘッド端面