EP3083105B1 - Production d'une mousse métallique composite continue et procédé et dispositif permettant d'agiter un métal composite renforcé par des particules - Google Patents

Production d'une mousse métallique composite continue et procédé et dispositif permettant d'agiter un métal composite renforcé par des particules Download PDF

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EP3083105B1
EP3083105B1 EP14835731.2A EP14835731A EP3083105B1 EP 3083105 B1 EP3083105 B1 EP 3083105B1 EP 14835731 A EP14835731 A EP 14835731A EP 3083105 B1 EP3083105 B1 EP 3083105B1
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stirring
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composite metal
temperature
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Nilhan Urkmez TASKIN
Vedat TASKIN
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D25/00—Special casting characterised by the nature of the product
    • B22D25/005—Casting metal foams

Definitions

  • This invention is related to a method and a device that performs said method in order to carry out in one go, the production of closed cell, and continuous form composite metal foam production without the necessity to perform pre-processes thereon; to increase the quality and strength of the material, to distribute the reinforcement and/or foam material homogenously within the material, to be able to produce foam material having the desired density and to provide a homogenous inner structure, moreover, to be able to mix homogenously at the desired ratios, the reinforcement material and the matrix material during the production of particle reinforced composite metal, to distribute the ceramic particles used as reinforcement material into the material homogenously and in order for the material to be wetted better by the matrix material and in order to increase the quality of the material.
  • Metal foams can be used in several fields from mechanical applications to thermal applications due to their perfect durability /weight ratios [1-4,13,15]. Metal foams, form interesting physical and mechanical characteristics when high durability is combined with very low specific gravity or high gas permeability is combined with heat treatment conduction.
  • Cell size and distribution control can be relatively carried out in metal foams that have been produced by first forming a preform by means of sintering and then heating in a furnace or in limited volumes; however the product sizes and numbers obtained with these kind of methods are limited ( WO2010127668 and WO201010106883 ). Moreover the sintering procedure is quite long. The precautions taken in order to prevent these kinds of disadvantages also increase process costs. [10,11].
  • the method and device, developed by means of the present invention, in order to produce a continuous composite metal foam or particle reinforced composite metal overcomes the disadvantages mentioned above and the method and device developed according to the present invention is characterized by the following:
  • MMC Metal Matrix Composites
  • the present invention is a new method and device used in composite metal foam production; wherein the developed device comprises the following characteristics.
  • the device that has been developed in order to produce metal foam comprises three sections which are the front heating section (1), the stirring section (2) and the foaming section (3). All sections are heated with separate resistance groups (7). The temperature control of the sections is carried out separately.
  • the temperatures of the furnace front heating (1) section are temperatures that are below 40 - 60 °C, of the molting temperatures of the metal or metal alloy that is to be foamed.
  • the temperatures of the foaming section (3) are temperatures that are 50 - 70 °C higher than the molten temperature of the metal or metal alloy that is to be foamed.
  • the temperatures of the stirring section (2) are 100 - 300 °C higher than the molten temperatures of the metal or metal alloy that is to be foamed.
  • the movable molds (8) and the reinforcement powders at the front heating section are tried to be brought to process temperatures.
  • the stirring section (2) comprises a crucible (11), metal or metal alloy material inlet (23) that is to be foamed, reinforcement powder inlet (25), foaming powder inlet (22), protective gas inlet (14) and top stirring cover (6), kneading and stirring apparatus (18) and a stirring mechanism (27).
  • Protective gas N 2 or argon is continuously sprayed on a crucible (11).
  • Reinforcement material, foaming metal or metal alloy (matrix material), foaming powder and powder inputs are poured through the inlets located on said stirring section (2).
  • the reinforcement and matrix material and foaming powder inputs are provided by the automatic control unit according to the information obtained from the sensors (19 and 20).
  • the material inside the metal or metal alloy (matrix material) vessel (24) that is to be foamed, is divided into parts. Said material, can be processed by preparing it in particle or powder form from metal plate, ingot or recycled materials.
  • the materials can be formed of aluminum, copper, titanium, nickel or other metals.
  • the stirring process with kneading and stirring apparatus (18) is again carried out through the top stirring cover located at again the top alignment of the crucible. Moreover the gas used as protective atmosphere (N 2 or argon) is also blown onto the crucible from this cover section.
  • N 2 or argon gas used as protective atmosphere
  • the kneading and mixing apparatus (18) are operated by the kneading and stirring mechanism (27).
  • the pressure sensor (20) and the temperature sensor can be located within the stirring mechanism (27). Besides this the temperature sensor (19) can also be located in the crucible (19).
  • the stirring procedures are carried out by controlling the viscosity/consistency and temperature information obtained from the pressure and temperature sensors (19 and 20).
  • One of the most important aspects of the invention is to keep the mixture at a semi solid state during the whole of the stirring process. If the viscosity is low (at the phase of being semi solid to being liquid) the viscosity is increased by adding foaming metal or metal alloy to the mixture.
  • the stirring procedure is continued without adding metal to the mixture.
  • the mixture is checked to see if it is at a semi solid state by means of the pressure and temperature sensors (19 and 20) which are controlled by the control unit and the addition of metal is provided by commands submitted to the stirrer by the control unit.
  • the pressure sensor (20) of the stirring mechanism (27) submits the pressure (viscosity) information that enables to control the up and down movement of the stirrer at the pressure value, to the automatic control unit.
  • the temperature sensor (19) which measures the temperature inside the crucible (11) submits the temperature information which enables the movement of the stirrer by ensuring that the mixture is kept at a certain temperature, to the automatic control unit.
  • the stirring mechanism (27) is a system that can operate in connection with a tool changer such that it can provide the changing of different stirrers and that can ensure that the required stirrer at the stirring section is chosen and attached. After the stirrer is attached the down and up (27b) and rotational (27a) movement is carried out.
  • the stirring durations, the selection of stirrers, their attachment or dismantling is controlled by an electronic system.
  • the end parts of the kneading and stirring apparatus (18) connected to the stirring mechanism (27) can be flat, spiral or could have holes inside it.
  • the holes within the kneading and stirring apparatus with holes can be circular, elliptical, or can have a square shapes or a polygonal geometrical shapes, and the holes could each be the same size or could be in different sizes.
  • the kneading and stirring apparatus (18) can be resistant to high temperatures and can have different diameters depending on the crucible diameter. In the case that the bottom of the crucible has a different geometry, the kneading and stirring apparatus (18) can also have different geometries and sizes compliant to the geometry of the crucible.
  • the material of the stirrers (18) can be made of graphite or said stirrers could be coated with high temperature resistant materials such as ceramic. Besides this, the surface of the apparatus (18) can be coated with a mixture comprising silicium carbide powder and colloidal silica. By this means, the life span of the stirrer is also extended.
  • More than one crucible (11) can be used which can be moved in sequence in order to provide a mixture that is continuously at a semi solid state.
  • the crucible (11) which is empty is pushed outside of the stirring section (2) by moving it forward and a new crucible (11) is pushed in place to replace the preceding crucible.
  • the next crucible with a mixture prepared inside is brought to an alignment with the movable crucibles and this procedure is repeated constantly to provide a ready mixed mixture.
  • the bottom parts of the crucibles (11) are open and the front part of the movable mold also functions as a crucible bottom (25) and is at a closed position during the stirring procedures.
  • the movable molds move along the mold bearing (9) made of firebrick that extends from the cover (4) of the movable mold to the mold outlet cover.
  • the material of the crucible (11) can be SiC, Al 2 O 3 , graphite etc.
  • the crucible bottom (12) is made of high temperature resistant and heat conducting material.
  • graphite is used to form crucible bottoms (12).
  • the vessel (13) is made of high temperature resistant and low heat conductive material such as gas, concrete, ceramic foam etc.
  • a fan (16) mechanism is present on the mold outlet cover so that the foam material exiting out of the furnace can be cooled.
  • the continuous metal foam production or particle reinforced composite metal production method developed according to the present invention has been listed below:
  • the method developed according to the present invention can also be used during the stirring phase of the particle reinforced composite metal production.
  • the steps of the particle reinforced composite metal stirring method have been listed below.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)

Claims (26)

  1. Procédé continu de production de mousse métallique composite, caractérisé en ce qu' 'il comprend les étapes suivantes,
    • Les moules mobiles (8) et les poudres de renfort sont soumis à un préchauffage dans la section de préchauffage (1) du four ayant une température de 40 à 60 ° C en dessous de la température de fusion du métal ou de l'alliage métallique qui doit être converti en mousse ,
    • Le creuset (11) contenant du métal ou un alliage métallique utilisé pour produire de la mousse, est délivré dans la section d'agitation (2) ayant une température de 100 à 300°C supérieure à la température de fusion du métal ou de l'alliage métallique qui doit être transformée en mousse et le métal ou l'alliage métallique à mousser est ajouté dans ledit creuset,
    • En attendant la température du métal ou de l'alliage de métal qui doit être transformé en mousse présente à l'intérieur du creuset (11) pour augmenter et atteindre la plage de température dans laquelle le métal ou l'alliage de métal devient semi-solide,
    • En prenant les moules mobiles (8) du couvercle d'entrée du moule (4) et en les déplaçant dans la section de préchauffage (1) et en amenant la température à la température de la section de préchauffage (1),
    • Lorsque le matériau à l'intérieur du creuset (11) est ramolli et écrasé, le matériau renforcé qui a été passé par préchauffage est ajouté dans le creuset (11) par l'entrée de matériau renforcé (25),
    • Afin de s'assurer que le métal ou l'alliage métallique à mousser, à l'intérieur du creuset (11), est maintenu à une plage de température semi-solide, si la viscosité du mélange (d'un semi-solide à un liquide) est faible selon à l'information obtenue à partir des capteurs de pression et de température (19 et 20), du métal ou de l'alliage de métal à mousser est ajouté au mélange pour augmenter la viscosité du mélange, pendant ce temps, il n'a plus de matériau de renforcement ajouté; et si la viscosité est élevée, la procédure
    d'agitation est poursuivie sans addition de métal ou d'alliage métallique au mélange, en maintenant le mélange à semi-solide et en poursuivant jusqu'à ce que l'addition du matériau de renforcement soit terminée.
    • Une fois que le mélange a été préparé à la quantité souhaitée, on ajoute dans le mélange à travers l'entrée de poudre moussante (22) la poudre moussante trouvée à l'intérieur du récipient de poudre moussant (21) et la procédure d'agitation est effectuée rapidement et en ce moment, métal ou l'alliage de métal continue d'être ajouté dans le mélange,
    • Lorsqu'un mélange homogène a été fourni, le moule mobile est décalé et le fond du creuset (11) est ouvert et le mélange est poussé par un piston de poussée (17) depuis le fond du creuset (11) et transféré vers la cavité du moule mobile (8)
    • Lorsque le mélange est poussé par le piston (17), le mélange est déplacé à une vitesse rapide constante dans le roulement de moule (9) au moyen d'une tige-poussoir (15) et le mélange remplit la cavité du moule mobile,
    • Le moule mobile (8) est introduit dans la section moussante (3) ayant une température de 50 à 70°C supérieure à la température de fusion du métal ou alliage métallique à mousser,
    • Lorsque le temps d'attente en fonction de la quantité du mélange est rempli, la tige-poussoir (15) pousse le couvercle de sortie (5) du moule (8) et le mélange est retiré du four,
    Le matériau en mousse à l'intérieur du moule est rapidement refroidi au moyen de ventilateurs de refroidissement (16).
  2. Procédé d'agitation de métal composite renforcé par des particules; caractérisé en ce que;
    • Les poudres de renfort sont préchauffées à la section de préchauffage (1) et sont amenées à traiter les températures,
    • La section de préchauffage (1) du four est portée à une température de 40 à 60°C en dessous de la température de fusion du métal ou de l'alliage de métal qui doit être transformé en métal composite renforcé par des particules,
    • Le creuset (11) contenant du métal ou un alliage métallique utilisé pour produire une production de métal composite renforcé par des particules est amené dans la section d'agitation (2) du four et la température de la section d'agitation (2) est de 100 à 300°C supérieure à la fusion température du métal ou de l'alliage métallique utilisé pour produire la production de métal composite,
    • Le métal ou l'alliage métallique utilisé pour produire une production de métal composite à l'intérieur du creuset (11) situé à la section d'agitation (2) est maintenu jusqu'à sa température
    est augmentée à la plage de température dans laquelle ledit métal ou alliage métallique est à semi-solide,
    • Lorsque le matériau à l'intérieur du creuset (11) est ramolli et écrasé, le matériau renforcé qui a été passé par préchauffage est ajouté dans le creuset (11) par l'entrée de matériau renforcé (25),
    • Afin de s'assurer que le matériau, à l'intérieur du creuset, est maintenu à une température semi-solide, lorsque la température dépasse la température semi-solide, le métal ou l'alliage métallique utilisé pour produire du métal composite est ajouté au creuset (11) ou l'addition du métal ou de l'alliage de métal, est effectuée par une unité de commande automatique selon les informations obtenues à partir des capteurs de pression (20), la viscosité du mélange est contrôlée par addition de métal ou d'alliage métallique selon les informations obtenues à partir de la pression et des capteurs de température (19 et 20), afin de conserver le mélange à semi-solide, si la viscosité du mélange est faible en métal ou
    un alliage métallique utilisé pour produire du métal composite est ajouté au mélange afin d'augmenter la viscosité du mélange et si la viscosité du mélange est élevée, la procédure d'agitation est poursuivie
    sans ajouter de métal au mélange, et si la température du mélange augmente, mais la viscosité diminue, le matériau de renforcement n'est pas ajouté au mélange mais seul du métal ou de l'alliage de métal est ajouté.
    • Le mélange est vérifié s'il est à semi-solide ou non en déterminant au moyen des capteurs de pression et de température (19 et 20) commandés par l'unité de commande, et à nouveau l'état semi-solide est assuré par les commandes soumises à l'agitateur et mécanisme d'addition métallique.
    • Une fois le matériau de renforcement ajouté, le procédé d'agitation s'effectue en déplaçant les agitateurs vers le haut et vers le bas et en même temps les agitateurs se déplacent à l'intérieur du creuset (11) radialement ou elliptiquement ou en forme de zigzag en changeant d'emplacement sur l'orbite afin de porter sortir le processus de pétrissage et d'agitation ensemble jusqu'à ce que le matériau soit homogénéisé au moyen d'agitateurs suite à l'addition de matériau de renforcement,
    • Lorsqu'un mélange homogène est obtenu, le mélange composite à l'intérieur du creuset (11) est retiré et versé dans des moules, de sorte qu'une production de matériau composite renforcée par des particules est obtenue au moyen d'un procédé de coulée ou de production.
  3. Procédé selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que: le matériau de renforcement est le SiC, le B4C, l'Al2O3, le TiC et d'autres carbures, oxydes, nitrures et céramique.
  4. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'appareil de pétrissage et d'agitation (18) qui effectue le traitement de pétrissage et d'agitation en même temps avec le mélange homogène du matériau est déplacé vers le haut et vers le bas, et en même temps, radialement, elliptique dans le creuset (11) ou changements sur une orbite zig zag.
  5. Procédé continu de production de mousse métallique composite selon la revendication 1, caractérisé en ce que la poudre moussante est TiH2 et CaCO3.
  6. Dispositif pour produire du métal composite ou pour effectuer une agitation métallique composite renforcée par des particules, caractérisé en ce que: il comprend trois sections, la section de préchauffage (1), la section d'agitation (2) et la section de mousse (3), chaque section (1, 2, 3) étant chauffée avec des groupes de résistance séparés (7); dans lequel les contrôles de température peuvent être effectués séparément; et dans lequel la température de la section de préchauffage (1) du four est à une température inférieure à 40 à 60°C, la température de la section de mousse (3) est à une température supérieure à 50 à 70°C de la température de fusion du métal ou de l'alliage métallique à mousser, et dans lequel la température de la section d'agitation (2) est de 100 à 300°C supérieure à la température de fusion du métal ou de l'alliage métallique à mousser.
  7. Dispositif pour produire du métal composite ou pour effectuer une agitation métallique composite renforcée par des particules selon la revendication 6, caractérisée en ce que: la section d'agitation (2) comprend un creuset (11), [u1] une entrée (23) pour le matériau en métal ou en alliage métallique à mousser, le récipient de matériau matriciel (24), l'entrée de matériau de renforcement (25), l'entrée de poudre moussante (22), l'entrée de gaz de protection (14) et un mécanisme d'agitation (27) avec un couvercle d'agitation supérieur (6), un appareil de pétrissage et d'agitation (18); dans lequel le gaz protecteur (N2 ou argon) est pulvérisé en continu sur le creuset (11).
  8. Dispositif pour produire du métal composite ou pour effectuer une agitation métallique composite renforcée par des particules selon la revendication 6 ou 7, caractérisée en ce que: le matériau de renforcement, le matériau de matrice et les ajouts de poudre moussante (25, 23 et 22) sont fournis par l'unité de commande automatique, selon les informations obtenues à partir des capteurs (19 et 20).
  9. Dispositif pour produire du métal composite ou pour effectuer une agitation métallique composite renforcée par des particules selon la revendication 6 ou 7, caractérisée en ce que: le matériau à l'intérieur du récipient en métal ou en alliage métallique (24) qui doit être moussé ou transformé en composite renforcé par des particules, est divisé en petits morceaux.
  10. Dispositif pour produire du métal composite ou pour effectuer une agitation métallique composite renforcée par des particules selon la revendication 6 ou 7, caractérisée en ce que: le matériau à l'intérieur du récipient en métal ou en alliage métallique (24) qui doit être expansé ou transformé en composite renforcé par des particules est préparé et traité sous forme de particules ou de poudre fabriqué à partir de plaques de métal, de lingots ou de matériaux recyclés.
  11. Dispositif pour produire du métal composite ou pour effectuer une agitation métallique composite renforcée par des particules selon la revendication 6 ou 7, caractérisée en ce que: le matériau en métal ou en alliage métallique qui doit être expansé ou transformé en composite renforcé par des particules, peut être composé d'aluminium, de cuivre, de titane, de nickel ou d'autres métaux.
  12. Dispositif pour produire du métal composite ou pour effectuer une agitation métallique composite renforcée par des particules selon la revendication 6 ou 7, caractérisée en ce que: l'appareil de pétrissage et d'agitation (18) est actionné par le mécanisme d'agitation de pétrissage (27), les capteurs de pression (20) et les capteurs de température (19) sont situés à l'intérieur du mécanisme d'agitation (27), que l'agitation est effectuée par l'unité de commande automatique de manière contrôlée en fonction de l'information de viscosité / stabilité et température obtenue à partir des capteurs de pression et de température (19 et 20).
  13. Dispositif pour produire du métal composite ou pour effectuer une agitation métallique composite renforcée par des particules selon la revendication 6 ou 7, caractérisée en ce que: le mélange est maintenu à semi-solide pendant la période d'agitation, et si la viscosité est faible (d'un semi-solide à un liquide), la viscosité augmente en ajoutant du métal ou un alliage métallique à mousser et si la viscosité est élevée pas de supplément du métal est ajouté au mélange mais le processus d'agitation est poursuivi et les capteurs de pression et de température (19 et 20) contrôlés par l'unité de commande sont utilisés pour déterminer si le mélange est à semi-solide et le processus d'agitation est repris par les commandes envoyées à l'agitateur et au mécanisme d'addition métallique par l'unité de commande.
  14. Dispositif pour la production de métal composite ou pour la réalisation de composite renforcé de particules agitation de métal selon la revendication 6 ou 7, caractérisée en ce que: l'appareil de pétrissage et d'agitation (18) relié au mécanisme d'agitation (27) effectue un mouvement ascendant et descendant (27b) et un mouvement radial (27a), les temps d'agitation et la sélection des tiges d'agitation, leur fixation et leur démontage sont contrôlés par le système électronique.
  15. Dispositif pour produire du métal composite ou pour effectuer une agitation métallique composite renforcée par des particules selon la revendication 6 ou 7, caractérisée en ce que: les extrémités de l'appareil de pétrissage et d'agitation (18) relié au mécanisme d'agitation (27) peuvent être plates, en spirale ou perforées.
  16. Dispositif pour produire du métal composite ou pour effectuer une agitation métallique composite renforcée par des particules selon la revendication 6 ou 7, caractérisée en ce que: les trous dans les extrémités de l'appareil de pétrissage et d'agitation perforées (18) peuvent avoir des formes géométriques rondes, carrées, elliptiques, rectangulaires ou polygonales et chaque trou peut être de la même taille ou peut être de différentes tailles.
  17. Dispositif pour produire du métal composite ou pour effectuer une agitation métallique composite renforcée par des particules selon la revendication 6 ou 7, caractérisée en ce que: le matériau de l'appareil de pétrissage et d'agitation (18) est revêtu d'un matériau résistant aux hautes températures tel que le graphite ou la céramique.
  18. Dispositif pour produire du métal composite ou pour effectuer une agitation métallique composite renforcée par des particules selon la revendication 6 ou 7, caractérisée en ce que: la surface de l'appareil de pétrissage et d'agitation (18) est revêtue d'un mélange préparé à partir de silicium, de poudre de carbure et de silice colloïdale.
  19. Dispositif pour produire du métal composite ou pour effectuer une agitation métallique composite renforcée par des particules selon la revendication 6 ou 7, caractérisée en ce qu' 'elle comprend une pluralité de creusets (11) qui peuvent être déplacés de sorte qu'ils peuvent être utilisés en séquence pour fournir un semi-solide prêt à consommer en permanence, que le creuset vide (11) soit poussé vers l'avant hors de la section d'agitation (2), un nouveau creuset (11) est mis en place, le prochain creuset chargé avec le mélange est poussé dans la file d'attente pour être aligné avec les moules et que cette procédure est répétée pour fournir des mélanges prêts en continu.
  20. Dispositif pour produire du métal composite ou pour effectuer une agitation métallique composite renforcée par des particules selon la revendication 6 ou 7, caractérisée en ce que: les parties inférieures des creusets (11) sont ouvertes, que la section avant du moule mobile fonctionne également comme fond de creuset (25), et que ladite partie inférieure est en position fermée pendant les processus d'agitation.
  21. Dispositif pour produire du métal composite ou pour effectuer une agitation métallique composite renforcée par des particules selon la revendication 6 ou 7, caractérisée en ce que: les moules mobiles sont déplacés sur un lit de moule (9) en briques feuillues qui s'étendent depuis le couvercle d'entrée (4) du moule jusqu'au couvercle de sortie du moule.
  22. Dispositif pour produire de la mousse métallique composite et pour le métal composite à agitation renforcée par des particules selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que le matériau du creuset (11) est du SiC, Al2O3 ou du graphite.
  23. Dispositif pour produire de la mousse métallique composite et pour le métal composite agité renforcé par des particules selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que le fond du creuset (12) est constitué d'un matériau résistant aux hautes températures et à haute température, de préférence du graphite.
  24. Dispositif pour produire de la mousse métallique composite et pour le métal composite à agitation renforcée par des particules selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que le récipient (13) est constitué d'un matériau résistant aux hautes températures et à faible chaleur conductrice.
  25. Dispositif pour produire de la mousse métallique composite et pour le métal composite à agitation renforcée par des particules selon les revendications 6 et 7, caractérisé en ce que le récipient (13) est du béton gazeux ou de la mousse céramique.
  26. Dispositif pour produire une mousse métallique composite ou pour un métal composite renforcé par des particules agitées selon la revendication 6, caractérisé en ce qu' 'un mécanisme de ventilateur (16) est présent sur le couvercle de sortie du moule de sorte que le matériau en mousse sorti du four puisse être refroidi.
EP14835731.2A 2013-12-17 2014-12-10 Production d'une mousse métallique composite continue et procédé et dispositif permettant d'agiter un métal composite renforcé par des particules Not-in-force EP3083105B1 (fr)

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