Refino de grãos em fusões metálicas ultrassônicas

Visão Geral do Dispositivo

O equipamento ultrassônico para fusão de metais é utilizado principalmente para remover impurezas, eliminar bolhas, refinar a estrutura de grãos e melhorar a qualidade da fundição. Trata-se de uma técnica limpa e relativamente eficiente. A porosidade continua sendo um dos principais defeitos nas fundições de ligas de alumínio, pois compromete tanto as propriedades mecânicas quanto a integridade da vedação sob pressão. A porosidade ocorre quando gases se precipitam do metal fundido durante a solidificação ou quando o metal líquido não consegue compensar os espaços interdendríticos e a contração volumétrica. Portanto, a remoção eficaz de bolhas é fundamental para melhorar a qualidade da fundição.

equipamento de Fusão Metálica Ultrassônica de 20k (Cabeça de Ferramenta Cerâmica)

equipamento de Fusão Metálica Ultrassônica de 15k (Cabeça de Ferramenta de Liga de Titânio)

Princípio de Operação

1. Efeitos térmicos: A ação térmica das ondas ultrassônicas pode produzir duas formas de efeitos térmicos: um é o efeito térmico gerado por ondas contínuas e o outro é o efeito térmico instantâneo. A combinação desses efeitos intensifica o atrito interno, levando à absorção parcial da energia acústica, que é convertida em energia do meio, elevando assim a temperatura do meio líquido e alterando sua viscosidade e fluidez.

2. Efeito de fluxo acústico: Quando as ondas sonoras atingem uma determinada intensidade, o jato induzido pelo efeito de fluxo acústico circula por todo o metal fundido, formando um padrão de circulação. O fluxo acústico representa uma combinação de circulação e turbulência, exercendo intensos efeitos de vibração e agitação sobre o metal fundido.

3. Efeito de Cavitação A cavitação é um fenômeno físico induzido por ondas ultrassônicas e constitui o mecanismo principal pelo qual o ultrassom refina fusões metálicas. Quando líquidos são submetidos a ultrassom de alta intensidade, as ondas sonoras que se propagam através do meio líquido geram ciclos alternados de alta pressão (compressão) e baixa pressão (rarefação). Durante os ciclos de baixa pressão, o ultrassom intenso gera bolhas de vácuo ou vazios no interior do líquido. Ao atingirem um volume em que já não conseguem absorver mais energia, essas bolhas colapsam violentamente durante os ciclos de alta pressão; o colapso instantâneo de pequenas bolhas gera pressões de até dezenas de milhares de atmosferas, exercendo forças de impacto significativas sobre o líquido circundante para obter efeitos de agitação.

Diagrama esquemático da cavitação

Vantagens do Dispositivo

1. O processo de soldagem é simples e fácil de dominar, reduzindo significativamente o consumo de estanho, diminuindo o tempo de produção e melhorando acentuadamente a eficiência em condições operacionais idênticas;

2. Melhora substancialmente a condutividade do produto, reduz a resistência do circuito, aumenta a área de contato e melhora a durabilidade das ferramentas de soldagem por imersão;

3. Não requer fluxo nem agentes de limpeza, minimizando a corrosão e evitando a poluição da água ou do ar, eliminando completamente soldas falsas e curtos-circuitos.

Parâmetro da planta

equipamento de Fusão Metálica Ultrassônica de 20k (Cabeça de Ferramenta Cerâmica)

equipamento ultrassônico de fusão metálica de 15 kW (com cabeça de ferramenta em liga de titânio)

Demonstração experimental

Comparação de cabeças de ferramenta fabricadas com diferentes materiais

O equipamento ultrassônico para processamento de fusão é equipado com cabeças de ferramenta em liga de titânio de alta resistência, que apresentam excelente resistência à corrosão e tolerância a altas temperaturas, com temperatura máxima de operação de 1300 °C. Essas ferramentas possibilitam interações intermoleculares mais diretas e acentuadas no material fundido. Além disso, possuem requisitos simples de instalação, sem necessidade de modificações nos equipamentos de produção ou fluxos de trabalho já existentes do cliente.

Cabeça de ferramenta cerâmica

Durante a fundição ultrassônica de ligas metálicas, o porta-ferramenta entra em contato direto com o metal fundido em alta temperatura, transmitindo ondas ultrassônicas para realizar o tratamento ultrassônico. Nessas condições, os efeitos combinados da erosão em alta temperatura e da tensão térmica podem danificar rapidamente os porta-ferramentas fabricados com materiais convencionais. Os materiais cerâmicos, conhecidos por sua resistência à erosão e ao desgaste em altas temperaturas, tornaram-se o material preferido para cabeças ultrassônicas de ferramentas.

Cabeça da ferramenta em liga de titânio

Efeito do metal fundido

1. Remoção de impurezas: A flutuação de inclusões microscópicas no aço fundido é extremamente difícil; apenas quando essas inclusões se agregam o processo se torna mais viável. Ao aplicar ondas ultrassônicas à solução com equipamentos ultrassônicos para fusão de metais, a onda estacionária gerada pelo ultrassom pode promover eficazmente a separação e a agregação das partículas de inclusões na solução.

2. Remoção de gás: Quando vibrações elásticas de ultrassom são introduzidas no metal fundido, ocorre a cavitação; os gases dissolvidos no metal líquido migram em direção às cavidades, promovendo a formação e o crescimento contínuo de núcleos de bolhas até atingirem um tamanho suficiente para serem expulsos do metal fundido.

3. Durante a fundição contínua de ligas de alumínio-silício com grãos refinados, o tratamento por ultrassom pode refinar os grãos da peça fundida e melhorar a plasticidade e a ductilidade da liga, tornando-a mais adequada para aplicações em materiais de construção e pistões de motores automotivos. A aplicação de ultrassom em ligas de alumínio fundidas impede a formação de inclusões de óxido e refina sua microestrutura.

4. Melhora a qualidade dos tarugos fundidos ao atuar no molde, melhorando a qualidade superficial das peças fundidas. Adequado para tarugos quadrados pequenos, tarugos quadrados grandes e tarugos planos; a vibração ultrassônica não exige deslizamento negativo. A aplicação de vibração ultrassônica ao molde durante a fundição de tarugos quadrados pequenos e tarugos quadrados grandes resulta em superfícies de fundição lisas.

Experimento de Refinação de Grãos

Etapa 1: Aquecer o bloco de alumínio até sua fusão	Etapa 2: Tratamento ultrassônico
Etapa 3: Qualidade final do lingote de alumínio	Etapa 4: Superfície da ponta cerâmica de nitreto de silício

Resultados experimentais observados sob microscopia eletrônica

Local do experimento