HU210524B - Process for producing grain-reinforced metal foam, and grain-reinforced, closed cellular foam - Google Patents

Description

A jelen találmány tárgya eljárás szemcsékkel erősített fémhab előállítására és az eljárással előállított zár cellás fémhab.

Az utóbbi időben egyre inkább elterjednek a szerkezeti anyagok között a fémhabok, amelyek hasonlóképpen a kerámiahabokhoz és a műanyag habokhoz számos különleges tulajdonság-kombinációval rendelkezhetnek igen kis súlyuk mellett.

Fémhabok előállítására többféle eljárás ismert. Gyártanak fémhabot hidrideknek fémolvadékba történő bevitelével vagy olyan szerves vegyületek segítségével, amelyek melegítéskor gázt fejlesztenek.

Egy másik megoldás szerint polimer alapanyagra vákuumgőzöléssel viszik fel a fémet vagy granulátumot öntenek körül fémolvadékkal. Ezekből az anyagokból utólag kioldják a hordozóközeget és így állítják elő a fémhabot.

A buborékképző közeggel történő habképzést jelentős mértékben befolyásolja a fémolvadék felületi feszültsége és viszkozitása. A viszkozitás a buborékképződés ellen hat: megakadályozza a cellák falainak kipukkadását és ennek megfelelően összességükben nagyobb térfogatú buborékok kialakulásához vezet. Ugyanakkor a kis felületi feszültség kedvező a vékony cellafalak kialakulásához.

A gáz-szilárd anyag diszperzióként kialakított fémhabok tulajdonságait döntően sűrűségük befolyásolja, de meghatározó a cellák mérete, struktúrája és eloszlásuk is.

Az ilyen fémhabokat rendszerint úgy állítják elő, hogy gázfejlesztő vegyületet juttatnak a fémolvadékba, majd továbbhevítik az így kapott keveréket, hogy a vegyület elbomolják és buborékképzőként használható gáz szabaduljon föl. A buborékképző vegyület általában fémhidrid, például titánhidrid vagy cirkonhidrid. A habosítás után a formát lehűtik, hogy a fémhab megdermedjen. Az így kapott cellák általában nem homogén szerkezetűek és/vagy kedvezőtlenül nagy méretűek annak következtében, hogy a buborékképző gáznak a fémolvadék teljes térfogatában történő eloszlatása nehézségekkel jár.

Az 1 287 994 számú egyesült királyságbeli szabadalom olyan eljárást ismertet fémhabok előállítására, amelynek során az olvadék hőmérsékletén gáz halmazállapotú, viszkozitásnövelő adalékot adnak a fémolvadékba és az így megnövelt viszkozitású fémolvadékot kezelik a buborékképző közeggel. Viszkozitásnövelő anyagként inért gázt vagy oxigén tartalmú gázt lehet alkalmazni. Levegő, nitrogén, széndioxid, argon és víz a szokásosan használt anyagok, amelyeket 100 g fémre vonatkoztatva 1-6 g mennyiségben szokásos adagolni. Buborékképző közegként fémhidrideket (hafnium-, titán- vagy cirkonhidrideket) alkalmaznak 0,5-1 g/100 g fém mennyiségben.

A viszkozitás növelését általában elősegíti bizonyos fémek, például magnézium jelenléte. Alumínium ötvözetek esetén például 4-7 tömegszázalék magnéziumot adnak az olvadékhoz. Az adalékok jó elkeverése szükséges: általában a habosító közeget alacsonyabb hőmérsékleten viszik be, mint a viszkozitásnövelő közeget és a beadagolás külön edényekben történik.

A fenti eljárás szakaszos megoldás, de bizonyos mértékig javítja a fémhabok minőségét a cellák egyenletes nagysága és eloszlása tekintetében, ugyanakkor pedig a felhasznált habképző anyag mennyisége is csökkenthető a hagyományos megoldásokhoz képest. Sajnos az eljárás maga meglehetősen időigényes és költséges, minthogy számos járulékos eljárási lépést és berendezést igényel a gázfejlesztő vegyületek hőbontásához.

A 0 210 803 lajstromszámú európai szabadalom ugyancsak szakaszos eljárást ismertet fémhabok előállítására. A fémhabok 0,2-8 súlyszázalék fémkalciumot tartalmaznak viszkozitásszabályzó közegként, valamint titánhidridet 1-3 súlyszázalék mennyiségben habosító anyagként.

További eljárást ismertet a 3 297 431 lajstromszámú egyesült államokbeli szabadalom. A fémhabot itt is hőre bomló vegyület bevitelével állítják elő és a továbbfejlesztés szerint a fémolvadékba finoman eloszlatott fémport juttatnak a gázfejlesztő vegyületek (karbonátok vagy hidridek) elbomlása vagy a keletkezett gáz oldódása előtt. Az alkalmazott stabilizáló porok lehetnek fémek vagy nemfémes anyagok, illetve vegyületek. Előnyösen kétféle nedvesíthető port alkalmaznak, ahol az egyik szilárd ötvözetet képez az alapfémmel. Általában a keletkező gáz oldódik egy nyomásértéken, majd egy másik, ennél kisebb nyomásértéken felszabadul.

Az eddig ismert és ismertetett eljárások közös hátránya a szakaszos működés, amelynek során drága gázfejlesztő vegyületeket, illetve habosító gázokat alkalmaznak viszkozitásnövelő, illetve stabilizáló adalékanyagokkal együtt a fémhabok előállításánál.

A hagyományos eljárások további közös hátránya, hogy mind a hőmérsékletnek, mind pedig a nyomásviszonyoknak rendkívül pontos szabályozása szükséges az eljárás különböző lépései során. Ebből következőleg gyakorlatilag nem ismeretes jelenleg olyan eljárás, amely ipari méretekben gazdaságosan végezhető és amelynek segítségével az egyéb ismert szerkezeti anyagokkal versenyképes viszonylag alacsony árú fémhab előállítható lenne.

Ennek megfelelően a jelen találmánnyal olyan megoldás kidolgozása a célunk, amellyel lehetővé válik jó minőségű fémhabok egyszerű és olcsó módon történő előállítása.

Célunk továbbá olyan eljárás kidolgozása, amely lehetővé teszi fémforgács feldolgozását.

További célunk olyan új típusú, szemcsével erősített fémhab, amely igen jó mechanikai tulajdonságokkal rendelkezik.

A kitűzött feladatot olyan eljárással oldottuk meg, amelynek során folyamatosan kompozit fémolvadékot állítunk elő, buborékképző, adott esetben aktív buborékképző gázt vezetünk az olvadékba, majd az olvadék tetején összegyűjtött fémhabot eltávolítjuk és megdermesztjük.

A kompozit fémolvadékot célszerűen fém mátrixban eloszlatott fémszemcsékből álló kompozit fém megolvasztásával nyerjük.

Egy másik változat szerint a kompozit fémolvadékot úgy nyerjük, hogy fémet vagy ötvözetet in situ

HU 210 524 Β megolvasztunk és szemcséket aktív buborékképző gáz segítségével viszünk be az olvadékba. Aktív gázként előnyösen széndioxidot, szemcsékként hőálló szemcséket alkalmazunk.

Fémolvadékként célszerűen alumíniumot vagy alumíniumötvözetet, buborékképző gázként levegőt alkalmazunk.

A találmány szerinti zárt cellás, szemcsékkel erősített fémhabban a cellák fala hőálló szemcséket tartalmaz és falvastagsága 10-20 pm. A fal mátrixát alumínium, a hőálló szemcséket szilíciumkarbid alkotja.

A találmány szerinti fémhab nyomószilárdsága egy célszerű kiviteli alaknál 0,2 kg/mm², sűrűsége 0,2 g/cm³.

A találmány további részleteit kiviteli példán, rajz segítségével ismertetjük. A rajzon az

1. ábra a találmány szerinti eljárás blokksémája, a

2. ábra a találmány szerint előállított fémhab lenyomatának életnagyságú fényképe, a

3. ábra egy zárt cellájú alumíniumhabból készített csiszolat fényképe 20-szoros nagzításban, és a

4. ábra a különböző mintákon végzett összehasonlító vizsgálatok diagramja.

Az 1. ábrán látható, hogy egy egyenletes sűrűségű és cellaszerkezetű fémhab előállítása során finoman diszpergált buborékképző gázt szemcsével erősített kompozit fém olvadékába vezetünk. Ennek során semmilyen különleges adalékanyagot nem használunk az olvadék viszkozitásának befolyásolására, sem pedig a gázbuborékoknak az olvadékban történő egyenletes eloszlatására. A gázbuborékok az olvadék felszíne felé áramlanak és egyre növekvő mennyiségű habot képeznek. A gázbuborékoknak a felszínre érkezése során egyáltalán nem tapasztaltunk buborékfelszakadást. Ez azt jelzi, hogy a gázbuborékok felületén jól stabilizált réteg alakul ki. A habréteg folyamatosan szilárdul meg és könnyen eltávolítható az olvadék felszínéről. Még a nem teljesen megszilárdult habot is el lehet távolítani a felületről, anélkül, hogy a cellaszerkezet károsodna. Ez azért rendkívül fontos jellemzője a találmány szerinti megoldásnak, mert lehetővé teszi, hogy félig megszilárdult habot folyamatosan öntőformákba vezessünk az olvadék felszínéről.

A találmány szerinti megoldás azt is lehetővé teszi, hogy ebben a fázisban a habot bizonyos formázó műveletekkel alakítsuk, aminek következtében a fémhab féltermék igen széles választékban alakítható ki.

A találmány további részleteit kiviteli példák segítségével ismertetjük.

1. példa

Nyitott tégelyben megolvasztottunk 30 kg eutektikus alumínium ötvözetet (Si^Mg^i^j). A fémolvadékot 650 °C-on tartottuk és 12 pm átlagos átmérőjű szilíciumkarbid szemcséket adagoltunk az olvadékba, a buborékképző gázban finoman diszpergáltan. Buborékképző gázként aktív gázt: széndioxidot használtunk. A beadagolást ilyen célra kifejlesztett ismert forgó adagolóberendezéssel végeztük. A széndioxid adagolás során megkezdődött a buborékok felfelé áramlása az olvadék felszínére és ott a habréteg kialakulása. A habréteg felső része megdermedt anélkül, hogy a buborékok szétpattantak volna.

A 2. ábrán látható a habréteg eltávolított felső részéről készített lenyomat fényképe. A minta teljes keresztmetszetében egyenletes eloszlásban találhatók cellák, amelyek mérete 1 és 5 mm között van. A minta sűrűsége 0,2 g/cm³.

2. példa

Ugyancsak nyitott kokillába adagoltunk 20 kg A1₂O₃ szemcsékkel erősített alumínium ötvözet forgácsot és a betétet megolvasztottuk. Buborékképző gázként ebben az esetben sűrített levegőt használtunk, amelyet finom eloszlásban vezettünk be a fémolvadékba az 1. példában ismertetett módon.

Az így kapott buborékok, illetve cellák ismét habos szerkezetet képeztek, amelyet lehűtöttünk.

Példákban bemutatott eljárás során kialakult buborékok, illetve cellák lényegében gömb alakúak és zártak voltak, így a fémhab minden irányban homogén volt, különösen az energia abszorpció (azaz a külső erők gyakorlatilag deformáció nélkül történő felvétele) vonatkozásában.

Az 1. példában leírt anyag metallográfiái vizsgálata azt mutatta, hogy rendkívül vékony falú szerkezet alakult ki. Ez látható a 3. ábrán, ahol a cellák falvastagsága hússzoros nagyításban látható és valójában a szilíciumkarbid részecskék nagyságrendje, azaz 12 pm körül mozog.

Az előállított hab mechanikai tulajdonságait a 4. ábrán szemléltetjük. Itt a nyomófeszültség adatai láthatók az 1. példában bemutatott eljárással nyert mintadarabokon mérve. A mintadarabot szakító-, illetve nyomószilárdság mérésére szokásosan használt próbapadba helyeztük és a berendezés nyomófején keresztül fokozatosan növekvő nyomóerővel terheltük. Az ábrán látható feszültséggörbe lapos szakasza, amely mintegy 26 mm-es emelkedő szakasz után alakul ki tipikus az ilyen cellaszerkezeteknél. A nyomóerő növekedésekor rövid ideig az anyag gyorsan deformálódik, majd méretét lényegében megtartja mindaddig, amíg a szerkezet teljesen össze nem rogy. A lapos szakasz eléréséig a próbapad nyomófejének sebessége 2 mm/perc volt. A bemutatott fémhab energiaelnyelése 2 kJ/liter hab értékre adódott, ami rendkívül kedvező érték, ha összehasonlítjuk az irodalomból ismert hasonló alumíniumhabok által produkált értékekkel. Nyilvánvaló, hogy az elért mechanikai tulajdonságok nagyrészt a szemcsével erősített cellafalak eredményeképpen jelennek meg.

Az előadottakból nyilvánvaló, hogy a találmány szerinti megoldás számos jelentős előnyt biztosít a hagyományos fémhabokkal, illetve azok előállításával szemben.

Mindenekelőtt lehetőséget nyújt folyamatos eljárás foganatosítására azáltal, hogy folyamatosan lehet olvasztani, illetve újraolvasztani vagy beadagolni a szemcsékkel kevert fémet és hogy számos olcsó gáz, például a nitrogén, argon vagy széndioxid alkalmas habképző gázként történő felhasználására. A találmány

HU 210 524 Β szerint akár levegővel is végezhető az eljárás, ami rendkívüli mértékben csökkenti a költségeket.

Az eljárás a hőmérsékletre, illetve nyomásviszonyokra nem érzékeny, a buborékképződés és a dermedés egyenletesen történik. Az anyag sűrűségét és bizonyos mértékig a cellaméreteket is egyszerűen lehet szabályozni a habképző gáznak az olvadékban történő eloszlatásával, célszerűen a már említett forgó bevezető segítségével. Természetesen a gáz egyéb módon is bevezethető, a lényeg, hogy finoman elosztott apró buborékok haladjanak át a fémolvadékon. Az olvadék tetején összegyűlt habot közvetlenül kokillába lehet átvezetni, illetve alakítani lehet félig megdermedt állapotban.

Jóllehet semmi akadálya annak, hogy a találmány szerinti eljáráshoz a fémolvadékot külön eljárási lépésben fémötvözet és szemcsék keverésével állítsuk elő, a találmány alapvető előnye, hogy lehetővé teszi kompozit fémekből rendelkezésre álló nagymennyiségű forgács hasznosítását. Ez jelenleg komoly problémát jelent, minthogy az ilyen hulladékanyagok nem olvaszthatók egyszerűen be, illetve nem vezethetők be az alumínium másodlagos feldolgozási ciklusába.

SZABADALMI IGÉNYPONTOK

Claims (9)

1. SZABADALMI IGÉNYPONTOK

   1. Eljárás szemcsékkel erősített fémhab előállítására, azzal jellemezve, hogy fém mátrixból és finoman eloszlatott szilárdságnövelő szemcsékből folyamatosan kompozit fémolvadékot állítunk elő, buborékképző gázt vezetünk az olvadékba, majd az olvadék tetején kialakuló fémhabot eltávolítjuk és megdermesztjük.
2. 2. Az 1. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a kompozit fémolvadékot fémmátrixban eloszlatott szemcsékből álló fém megolvasztásával nyerjük.
3. 3. Az 1. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a kompozit fémolvadékot fém vagy ötvözet in situ megolvasztásával és szilárdságnövelő szemcsék aktív buborékképző gáz segítségével történő bevitelével nyerjük.
4. 4. A 3. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy aktív buborékképző gázként széndioxidot, erősítő szemcsékként hőálló szemcséket alkalmazunk.
5. 5. Az 1-4. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy fémolvadékként alumíniumot vagy alumíniumötvözetet alkalmazunk.
6. 6. Az 1. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy buborékképző gázként levegőt alkalmazunk.
7. 7. Szemcsékkel erősített zárt cellás fémhab, azzal azzal jellemezve, hogy hőálló szemcséket tartalmaz és a cellák falvastagsága 10-20 gm.
8. 8. A 7. igénypont szerinti fémhab, azzal jellemezve, hogy alumínium mátrixban eloszlatott szilíciumkarbid szemcsékből áll.
9. 9. A 8. igénypont szerinti fémhab, azzal jellemezve, hogy nyomószilárdsága 0,2 kg/mm² és sűrűsége 0,2 g/cm³.

   HU 210 524 Β Σκ£. Cl.⁶: C 22 C 1/08