KR20080019599A

KR20080019599A - Method for producing foamed aluminum products by use of selected carbonate decomposition products

Info

Publication number: KR20080019599A
Application number: KR1020077027760A
Authority: KR
Inventors: 제이. 다니엘 브라이언; 제이콥 칼리바얄릴; 마크 디. 크로울리; 조셉 알. 제니토; 데보라 머피 윌헬미; 주니어. 윌리엄 이. 보렌; 다니엘 헌터
Original assignee: 알코아, 인크.
Priority date: 2005-04-29
Filing date: 2006-05-01
Publication date: 2008-03-04
Also published as: WO2006119234A2; EP1877591A4; EP1877591A2; WO2006119234A3; CA2606505A1

Abstract

A method for producing an aluminum foam product wherein reactive gas producing particles are introduced into an aluminum alloy melt under controlled conditions and subjected to agitation to induce the production of foam-stabilizing by-products (20), and, under certain conditions, the production of gases (15) used to produce the molten metal foam itself. Foam products produced through this method have intrinsically formed metal oxides (20) and other solid particles dispersed therein and are devoid of the large extrinsically added stabilizing ceramic additions traditionally used in the production of aluminum foams. The invention claims a rapid, single step method for producing an inoculated, foamable melt using low cost precursor materials. ® KIPO & WIPO 2008

Description

METHOD FOR PRODUCING FOAMED ALUMINUM PRODUCTS BY USE OF SELECTED CARBONATE DECOMPOSITION PRODUCTS}

본 출원은 2005년 4월 29일에 출원된 미국 특허 출원 제11/119,002호의 일부 계속 출원으로서 상기 미국 특허 출원을 기초로 우선권을 주장한다. 본 명세서에서는 상기 미국 특허 출원에 개시된 내용을 모두 참조한다.This application is a partial continuing application of US Patent Application No. 11 / 119,002, filed April 29, 2005, which claims priority based on the US Patent Application. Reference is made herein to all of the content disclosed in the above-mentioned US patent application.

본 발명은 일반적으로 발포성 금속에 관한 것이며, 특히 반응 입자가 금속 용융물 내에서 분해되어 금속을 발포하기에 적합한 발포 안정화 부산물 및 가스를 생성하는 금속 발포 제품을 형성하는 방법에 관한 것이다.FIELD OF THE INVENTION The present invention relates generally to expandable metals, and in particular to methods of forming metal foamed products in which the reaction particles decompose in the metal melt to produce foam stabilization by-products and gases suitable for foaming the metal.

저밀도 다공성 제품은 독특한 기계적 특성 및 물리적 특성을 제공한다. 중합체형 매트릭스에서 생성된 발포 제품의 높은 비강도, 구조적 경직도 및 절연 특성은 잘 알려져 있다. 이러한 폐쇄 셀 중합체성 발포체는 건설, 포장 및 운송을 포함하는 광범위한 용도로 사용된다.Low density porous products provide unique mechanical and physical properties. The high specific strength, structural stiffness and insulating properties of foamed products produced in polymeric matrices are well known. Such closed cell polymeric foams are used in a wide range of applications, including construction, packaging and transportation.

중합체형 발포체가 다방면의 시장에서 성공을 거두어 온 반면에, 금속 발포제품은 제한된 용도로만 사용되어 왔다. 폐쇄 셀 금속성 발포체는 수많은 경량 용도와 관련하여 중합체성 발포체의 매우 현저한 특성을 제공한다. 또한, 중합체와 비교해볼 때 금속 고유의 높은 부피 탄성률은 높은 비강성을 제공한다. 이러한 높은 부피 탄성률로 인해 금속 발포체는, 강성 및 변형에 대한 저항성이 성능 측정요소로서 중요한 적층 패널에서의 코어 물질로서 매우 적합하다. 또한, 발포성 금속으로 제조된 패널은 내화성 및 내연성이 있으며, 건설용으로 매우 적합하다. 알루미늄 발포체 코어 샌드위치 화합물 제품은 재활용 가능이라는 추가적인 친환경적인 이점을 제공하며, 재활용 가능한지 여부는 금속 피복 중합체 발포체의 사용을 제한하는 요인이었다.While polymeric foams have been successful in a variety of markets, metal foams have been used for limited applications. Closed cell metallic foams provide the very salient properties of polymeric foams in connection with a number of lightweight applications. In addition, the high volume modulus inherent in metals compared to polymers provides high specific stiffness. Due to this high volume modulus, metal foams are well suited as core materials in laminated panels where stiffness and resistance to deformation are important as performance measures. In addition, panels made of expandable metals are fire and flame resistant and are very suitable for construction. Aluminum foam core sandwich compound products offer an additional environmental benefit of being recyclable, and whether or not recycling has been a limiting factor in the use of metallized polymeric foams.

발포성 금속을 제조하는 방법은 과학 문헌 및 특허 문헌에서 개시되어 있는데, 이러한 물질은 고비용, 큰 셀 크기, 셀 크기 변형 가능성 및 불충분한 구조 보존성과 같은 문제가 있다. 수많은 이러한 문제들은 용융 금속의 유동학과 관련이 있다. 실질적으로 금속 발포체를 제조하는 모든 캐스팅 야금 방법에 있어서, 금속 용융시 어느 정도의 안정화가 필요하다. 발포체는 준 안정상태에 있고, 따라서 셀의 병합(cellular coalescence) 및 셀 벽의 배수(cell wall drainage)가 쉽다.Methods of making expandable metals are disclosed in the scientific and patent literature, which have problems such as high cost, large cell size, possibility of cell size deformation and insufficient structure preservation. Many of these problems are related to the rheology of molten metals. In virtually all casting metallurgy processes for producing metal foams, some degree of stabilization is required when melting the metal. The foam is in a quasi-stable state, so cellular coalescence and cell wall drainage are easy.

종래에는 금속 발포체를 제조하는데 필요한 안정성을 얻기 위해, 세라믹 입자와 같은 입자가 용융물에 주입되었다. 이러한 입자들은 금속의 유효 점성 계수를 증가시키거나 및/또는 액체의 유효 표면 장력을 감소시킴으로써, 효과적으로 금속의 특성을 변화시킨다. 이러한 입자들은 원하는 발포체의 셀 벽 두께에 비해 작아야 한다. 작은 입자들을 용융물에 주입하는 것은 전통적으로 내적 또는 외적 방법(intrinsic or extrinsic method) 중 어느 하나를 사용하여 달성되며, 각 방법은 이들의 유용성을 제한하는 단점이 있다.Conventionally, particles, such as ceramic particles, have been injected into the melt to obtain the stability required to produce metal foams. These particles effectively change the properties of the metal by increasing the effective viscosity coefficient of the metal and / or decreasing the effective surface tension of the liquid. These particles should be small relative to the cell wall thickness of the desired foam. Injection of small particles into the melt is traditionally accomplished using either an intrinsic or extrinsic method, each of which has the disadvantage of limiting their usefulness.

내적 입자 형성에 있어서, 가스는 기계식 혼합기를 볼텍싱함(vortexing) 및/또는 용융물을 통해 가스를 버블링(bubbling)(직접 가스 주입)함 중 어느 하나에 의해 용융 금속에서 교반된다. 가스는 산화물, 스피넬(spinel) 및/또는 다른 고유 입자를 포함하는 작은 입자를 형성하도록 용융물과 반응한다. 안정적인 발포성 매트릭스를 생성하도록 형성된 입자의 크기, 형상 및 부피 분율을 제어하는 것은 특히 어렵다.In internal particle formation, the gas is stirred in the molten metal by either vortexing a mechanical mixer and / or bubbling (direct gas injection) the gas through the melt. The gas reacts with the melt to form small particles comprising oxides, spinels and / or other intrinsic particles. It is particularly difficult to control the size, shape and volume fraction of the particles formed to produce a stable foamable matrix.

형성된 입자의 크기는 주입 또는 혼입된 가스 기포의 크기에 영향을 받는다. 액체 금속 내에 작은 가스 기포를 생성하는 것이 어렵다는 것은 잘 알려진 사실이다. 또한, 용융 온도, 용융 온도에서의 시간, 가스 조성물, 교반율 및 용융된 조성물은 모두 입자의 비율, 양 및 특성과 이들의 분포에 영향을 미친다. 또한, 알루미늄 용융물에 있어서, 이러한 산화 반응을 촉진하기 위해서 높은 반응성 알칼리 금속을 첨가하는 것이 종종 필요하다.The size of the particles formed is influenced by the size of the gas bubbles injected or incorporated. It is well known that it is difficult to create small gas bubbles in liquid metal. In addition, the melting temperature, the time at the melting temperature, the gas composition, the stirring rate and the molten composition all affect the proportions, amounts and properties of the particles and their distribution. In addition, in aluminum melts, it is often necessary to add highly reactive alkali metals to promote this oxidation reaction.

발포성 금속을 제공함에 있어서, 직접 가스 주입 및/또는 교반의 단점 중 하나는 안정적인 발포성 매트릭스를 생성하는데 필요한 시간이다. 작은 양의 용융 금속에 대해서조차 20분 내지 수 시간 정도의 시간이 종종 필요하고, 많은 양의 용융 금속은 안정성 금속 발포체를 제조하는데 필요한 유동적 특성을 얻기 위해 더 긴 시간을 종종 필요로 한다.In providing an expandable metal, one of the drawbacks of direct gas injection and / or agitation is the time required to produce a stable expandable matrix. Even small amounts of molten metal often require as long as 20 minutes to several hours, and large amounts of molten metal often require longer times to achieve the flow properties needed to produce stable metal foams.

또한, 외적 입자 첨가는 발포를 위해 금속을 안정화하는 방법으로서 본 방법의 유용성을 제한하는 수많은 단점들로 인해 곤란하다. 외부 입자 첨가를 작게 할 경우, 불활성 가스가 직접 첨가되고 용융물 내에서 혼합된다. 외부 입자 첨가의 단점 중 하나는 외부에서 첨가된 입자가 용융물에 부유된 채 유지되도록 젖어 있어야 한다는 점이다.In addition, the addition of external particles is difficult due to a number of disadvantages that limit the usefulness of the method as a method of stabilizing the metal for foaming. When the external particle addition is made small, the inert gas is added directly and mixed in the melt. One of the disadvantages of adding external particles is that the externally added particles must be wet to remain suspended in the melt.

외부에서 첨가된 입자를 젖게 하기 위해, 종래의 방법은 용융물의 특정 합금(special alloying of the melt) 및/또는 입자 코팅, 용융 합금 농도의 시퀀싱(sequencing) 및/또는 미립자 첨가, 입자 품질/표면 조성물 상의 엄격한 요건, 진공 또는 불활성 환경에서 높은 전단력을 가함에 의해 미립자와 용융 금속 사이의 습식을 제어 및 강화하기 위한 실험 장비를 사용해왔다. 이러한 기술상 난점은 실험적인 프로세싱 설비 및 사용된 외부 입자의 크기 및 순도 상의 제한이 된다. 이러한 장벽은 외부로부터 안정화된 용융물을 통해 생성된 금속 발포체의 경제적 생산을 저해해 왔다.In order to wet externally added particles, conventional methods include special alloying of the melt and / or particle coating, sequencing of molten alloy concentration and / or particulate addition, particle quality / surface composition. Experimental equipment has been used to control and strengthen the wet between particulates and molten metal by applying high shear forces in strict requirements of the bed, vacuum or inert environments. This technical difficulty is a limitation on the size and purity of the experimental processing equipment and the external particles used. Such barriers have hindered the economic production of metal foams produced through externally stabilized melts.

리지웨이 주니어의 미국 특허 제3,297,431호(이하, "리지웨이 주니어의 특허")는 냉각 시에 알루미늄 발포체의 셀 구조를 유지 및 보존하기 위해 안정제 분말의 사용을 필요로 한다. 리지웨이 주니어의 특허에 개시된 바와 같이, 이러한 안정화 입자는, 용융 금속에 의해 젖어서 용융 금속 내에서 안정되는 미분 불활성 분말이다. 안정제 입자의 사용은 진 등의 미국 특허 제5,112,697호(이하, "진 등의 특허")에도 개시되어 있으며, 진 등의 특허는 이러한 "미분 안정제 입자"의 크기 및 부피 분율 상의 정확한 제한을 규정한다. 또한, 미국 특허출원공보 제2004/0163492A1호 및 제2004/0079198A1호(각각 크라울리 등 및 브라이언트 등)는 알루미늄을 발포함에 있어서 이러한 점도 제어제(viscosity control agent) 상에 표면 코팅의 사용을 개시하고 있다. 이러한 개시 내용들 모두는 단점을 갖고 있 다.Ridgeway Jr., US Pat. No. 3,297,431 (hereinafter referred to as "Ridway Jr." patent), requires the use of stabilizer powders to maintain and preserve the cell structure of the aluminum foam upon cooling. As disclosed in Ridgeway Jr.'s patent, these stabilizing particles are finely divided inert powders that are wetted by the molten metal and stabilize in the molten metal. The use of stabilizer particles is also disclosed in US Pat. No. 5,112,697 (hereinafter referred to as "Jin et al.") To Jin et al., And Jin et al. Define precise limits on the size and volume fraction of such "fine powder stabilizer particles." . U.S. Patent Application Publications 2004 / 0163492A1 and 2004 / 0079198A1 (Crowley et al. And Bryant et al., Respectively) also disclose the use of surface coatings on such viscosity control agents in foaming aluminum. Doing. All of these disclosures have disadvantages.

위에서 설명한 난점 및 단점으로 미루어 보아, 보다 상업적으로 매력적인 금속 발포 제품을 제공할 필요가 있다.In view of the difficulties and disadvantages described above, there is a need to provide more commercially attractive metal foam products.

본 발명은 최소한의 전구체, 최소한의 공정 단계를 사용하고 알루미늄 공정에 적합한 온도 및 압력에서 실행가능한 경제적인 금속 발포 공정을 제공한다. 넓게는, 본 발명은 대기압 하에서 약 350℃ 내지 850℃의 분해 온도를 갖는 반응 가스 생성 입자를 제공하는 단계와, 반응 가스 생성 입자를 알루미늄 포함 용융 금속 합금과 결합하는 단계와, 반응 가스 생성 입자의 제1 부분을 반응 가스로 분해하고 반응 가스 생성 입자의 제2 부분을 미반응 상태로 유지하기 위해 반응 가스 생성 입자를 포함하는 용융 금속 합금을 교반하는 단계와, 액체 금속 발포체를 생성하기 위해 혼합 발포성 용융물(inoculated foamable melt)을 발포하는 단계와, 발포 알루미늄 제품을 생성하기 위해 액체 금속 발포체를 경화시키는 단계를 포함하며, 반응 가스는 금속 산화물 상과 가스 기포의 현탁액을 생성하기 위해 용융 금속 합금과 격렬히 결합되고, 미반응 상태에 있는 반응 가스 생성 입자의 제2 부분은 혼합 발포성 용융물에서 화학적 발포제인, 발포 알루미늄을 제조하는 방법을 제공한다.The present invention provides an economical metal foaming process that uses minimal precursor, minimal process steps and is feasible at temperatures and pressures suitable for aluminum processing. Broadly, the present invention provides a method for producing a reaction gas generating particle having a decomposition temperature of about 350 ° C. to 850 ° C. under atmospheric pressure, combining the reaction gas generating particle with a molten metal alloy including aluminum, and Stirring the molten metal alloy comprising the reactant gas generating particles to decompose the first portion into the reactant gas and to maintain the second portion of the reactant gas generating particles in an unreacted state, and mixed foamability to produce a liquid metal foam Foaming the inoculated foamable melt and curing the liquid metal foam to produce a foamed aluminum product, the reaction gas being heated with the molten metal alloy to create a suspension of the metal oxide phase and gas bubbles The second portion of the reactant gas generating particles that are bound and in the unreacted state is chemically in the mixed effervescent melt. Provided is a process for producing foamed aluminum, which is a red blowing agent.

알루미늄을 포함하는 용융 금속 합금은 공업용 등급 순도 알루미늄(commercial grade purity aluminum), 알루미늄 스크랩, 실리콘 및 마그네슘을 포함하는 알루미늄과 이들의 혼합물일 수 있다. 소정의 실시예에서, 마그네슘은 중량비로 약 0.5 내지 8 퍼센트 범위로 용융 금속 합금에 용해될 수 있다.The molten metal alloy comprising aluminum may be aluminum, including commercial grade purity aluminum, aluminum scrap, silicon and magnesium, and mixtures thereof. In certain embodiments, magnesium may be dissolved in the molten metal alloy in the range of about 0.5 to 8 percent by weight.

반응 가스 생성 입자는 탄산 칼슘, 탄산 마그네슘, 탄산 마그네슘-칼슘(돌로마이트) 또는 이들의 혼합물로부터 선택될 수 있다. 탄산 칼슘은 특히 반응 가스 생성 입자 및/또는 발포제로서 효과적이다. 이러한 공정에 있어서, 탄산 칼슘과 함께 탄산염은 용융 금속 내에서 분해되고, 고체 CaO와 반응 가스 CO₂를 형성한다. 활발한 교반 조건하에서, 용융 금속 내에 형성된 가스 기포는 더 많은 반응 가스를 용융 금속에 노출하면서 파열되고 부서진다. 이러한 가스는 용융 알루미늄과 격렬히 반응하여 CO 가스와 본래의 자리에 Al₂O₃를 형성한다. CO 및 CO2 가스 기포뿐만 아니라 Al₂O₃, CaO 및 다른 금속 산화물 상은 용융 금속의 점도 및 표면 에너지를 변경함으로써 액체 금속 현탁액을 안정화한다. "격렬히"라는 용어는 반응의 발열 특성과 가연성 가스의 생성을 나타낸다.The reactant gas generating particles may be selected from calcium carbonate, magnesium carbonate, magnesium carbonate-calcium (dolomite) or mixtures thereof. Calcium carbonate is particularly effective as reactant gas generating particles and / or blowing agents. In this process, carbonate along with calcium carbonate decomposes in the molten metal and forms solid CaO and reactive gas CO ₂ . Under vigorous stirring conditions, gas bubbles formed in the molten metal burst and break while exposing more reactant gas to the molten metal. This gas reacts violently with molten aluminum to form Al ₂ O ₃ in situ with the CO gas. Al ₂ O ₃ , CaO and other metal oxide phases as well as CO and CO ₂ gas bubbles stabilize the liquid metal suspension by changing the viscosity and surface energy of the molten metal. The term "violently" refers to the exothermic nature of the reaction and the generation of flammable gases.

알루미늄 합금 용융물에서, 다른 금속 산화물도 또한 반응 가스의 분해의 부산물로서 형성될 수 있다. 예를 들어, Al-Mg 합금에 있어서, 반응 가스 CO₂는 분해되어 Al₂O₃ 및 다양한 혼합 금속 산화물과 함께 CO와 금속 산화물 MgO를 형성한다. 다른 종래 알루미늄 합금 요소는 교반된 용융물 내에 유사한 미세 분산 금속 산화물을 형성한다. Al₂O₃ 및 CaO와 마찬가지로, MgO는 금속 산화물 상의 일례이고, 이는 작은 가스 기포와 함께 용융 금속 내에 혼입될 때 용융 금속의 점도 및 표면 에너지를 변경하여 발포성 액체 금속 현탁액을 생성한다. "발포성"이라는 용어는 병합 및 배수에 저항하도록 액체 발포체를 안정화하는 능력을 갖는 것으로 정의된다. 병합은 두 개의 가스 기포 사이에 경계가 사라지는 것이며, 이로 인해 액체 발포체 구조가 거칠게 만든다. 배수는 중력으로 인해 액체 발포체 내에 밀도 구배가 증가되는 것이고, 이로 인해 액체 발포체에서 구조적 균일성을 상실하게 만든다.In aluminum alloy melts, other metal oxides may also be formed as by-products of decomposition of the reactant gas. For example, in an Al-Mg alloy, the reaction gas CO ₂ is decomposed to form metal oxide MgO with CO along with Al ₂ O ₃ and various mixed metal oxides. Other conventional aluminum alloy elements form similar finely dispersed metal oxides in the stirred melt. Like Al ₂ O ₃ and CaO, MgO is an example of a metal oxide phase, which, when incorporated into the molten metal with small gas bubbles, changes the viscosity and surface energy of the molten metal to produce a foamable liquid metal suspension. The term "foamable" is defined as having the ability to stabilize the liquid foam to resist coalescence and drainage. Merging is the disappearance of the boundary between two gas bubbles, which makes the liquid foam structure rough. Drainage is the increase in density gradients in the liquid foam due to gravity, which results in loss of structural uniformity in the liquid foam.

반응 가스 생성 입자의 분해로 인한 미세 가스 기포와 혼합 금속 산화물 상의 생성은 매우 빠르고, 최적 조건하에서 2분 내지 8분 내에 완료된다. 합금 조성, 입자 크기 분포, 온도 및 교반율은 모두 분해 반응에 영향을 미친다. 놀랍게도, 반응 가스 생성 입자의 분해율은 알루미늄 용융물 내에 마그네슘의 충분한 양의 존재에 의해 크게 증가된다. 중량비로 0.5 내지 8 퍼센트의 마그네슘을 첨가하면, 교반된 용융물 내에 반응 가스 생성 입자를 분해하는데 필요한 시간이 현저하게 감소된다. 이러한 마그네슘의 첨가는 높은 공정 속도를 제공하는 반응 가스 생성 탄산염의 분해율을 두 배 이상으로 할 뿐만 아니라, 셀 크기, 배수율 및 벽 두께를 변경함으로써 생성되는 발포 생성물의 구조에도 현저하게 영향을 미친다.The formation of fine gas bubbles and mixed metal oxide phases due to decomposition of the reactant gas generating particles is very fast and completes in 2 to 8 minutes under optimal conditions. Alloy composition, particle size distribution, temperature and agitation rate all influence the decomposition reaction. Surprisingly, the decomposition rate of the reactant gas generating particles is greatly increased by the presence of a sufficient amount of magnesium in the aluminum melt. The addition of 0.5 to 8 percent magnesium by weight significantly reduces the time required to decompose the reaction gas product particles in the stirred melt. This addition of magnesium not only doubles the rate of decomposition of the reaction gas generating carbonate, which provides a high process rate, but also significantly affects the structure of the foamed product produced by changing the cell size, drainage and wall thickness.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 반응 가스 생성 입자의 분해에 의해 생성되는 반응 가스는 분해된 가스 생성물과 함께 액체 발포체 내에서 기포를 생성하는데 사용된다. 특히, 본 발명의 이러한 실시예에 있어서, 반응 가스 생성 입자의 일부가 용융 금속 합금 내에 반응 가스 생성 입자의 미반응 부분을 남길 정도로 분해된 이후에 용융 금속 합금의 교반이 의도적으로 중지된다. 그 후, 반응 가스 생성 입자의 미반응 부분은 액체 금속 발포체를 생성하는 발포제로서 작용하고, 미세 가스 기포의 분산은, 반응 가스와 용융 금속 합금의 격렬한 결합으로 생성된 금속 산화물 상과 함께 발포체를 안정화한다. 일실시예에 있어서, 중량비로 약 2.0 내지 16.0 퍼센트 범위의 탄산 칼슘을 용융 금속 합금에 단독으로 첨가해도, 발포성 현탁액을 생성하는데 필요한 미세 가스 기포의 분산 및 금속 산화물 상 모두뿐만 아니라, 혼합 발포성 현탁액을 생산하기 위해 현탁액을 혼합하는데 필요한 화학적 발포제를 제공하기에 충분하다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상술한 방법은 발포하기에 앞서 혼합 발포성 현탁액을 경화하고 그 이후 혼합 발포성 현탁액을 재용융하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. In one embodiment of the invention, the reactant gas produced by the decomposition of the reactant gas generating particles is used to create bubbles in the liquid foam with the decomposed gas product. In particular, in this embodiment of the present invention, stirring of the molten metal alloy is intentionally stopped after some of the reactant gas generating particles are decomposed to leave unreacted portions of the reactant gas generating particles in the molten metal alloy. The unreacted portion of the reactant gas generating particles then acts as a blowing agent to produce a liquid metal foam, and dispersion of fine gas bubbles stabilizes the foam together with the metal oxide phase produced by the vigorous bonding of the reactant gas and the molten metal alloy. do. In one embodiment, adding calcium carbonate in the range of about 2.0 to 16.0 percent alone to the molten metal alloy, by weight, provides a mixed foam suspension as well as both the dispersion of the fine gas bubbles and the metal oxide phase required to produce the foam suspension. It is sufficient to provide the chemical blowing agent necessary to mix the suspension for production. In one embodiment of the present invention, the method described above may further comprise curing the mixed foamable suspension prior to foaming and then remelting the mixed foamable suspension.

본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상술한 방법을 실행하기 위한 장치가 제공된다. 단순한 실행에 있어서, 본 발명의 장치는 발포성 차지(foamable charge)로서 작용하는 혼합 발포성 현탁액의 일 회분 또는 연속되는 생성물을 위해 단지 하나의 용기 챔버를 필요로 한다. 대체로, 발포 알루미늄 제품을 생산하는 본 발명의 장치는 반응 가스 생성 입자와, 용융 금속 합금을 제공하는 공급 시스템과, 공급 시스템과 연통하는 반응 유닛과, 반응 유닛과 연통하는 팁을 포함하며, 여기서 반응 유닛은 반응 가스 생성 입자와 용융 금속 합금을 혼합 발포성 현탁액으로 결합하는 혼합 유닛과, 기체 부산물을 방출하기 위한 반응 유닛 내의 적어도 하나의 통기구와, 반응 유닛을 수용하는 노를 포함하며, 여기서 혼합 유닛은 내장 교반기를 갖고, 혼합 유닛 내에서 미리 선택된 유량으로 반응 가스 생성 입자의 적어도 일부를 분해하기에 적합한 혼합 유닛을 통과하는 통과 시간을 제공하도록 구성된 체적을 갖는다.In another embodiment of the present invention, an apparatus for performing the above-described method is provided. In a simple implementation, the apparatus of the present invention requires only one vessel chamber for a batch or continuous product of a mixed foam suspension which acts as a foamable charge. In general, the apparatus of the present invention for producing foamed aluminum products includes reactant gas generating particles, a supply system for providing a molten metal alloy, a reaction unit in communication with the supply system, and a tip in communication with the reaction unit, wherein the reaction The unit comprises a mixing unit combining the reactant gas generating particles and the molten metal alloy into a mixed foamable suspension, at least one vent in the reaction unit for releasing gaseous by-products, and a furnace containing the reaction unit, wherein the mixing unit It has a built-in stirrer and has a volume configured to provide a passage time through the mixing unit suitable for decomposing at least a portion of the reactant gas generating particles at a preselected flow rate within the mixing unit.

가스 생성 입자를 포함하는 용융 금속 합금이 혼합 유닛을 통과하는 통과 시간은, 반응 유닛에서 배출될 때 혼합 발포성 현탁액을 제공하도록 선택된다. 통과 시간은 반응 가스 생성 입자의 관점에서 혼합 유닛의 유효 체적과 반응 유닛으로의 유량을 조절함으로써 변경될 수 있다. 보다 명확히 말하자면, 반응 가스 생성 입자 조성, 분해 온도 및 입자 크기는 반응 유닛을 조정함에 있어서 모두 고려되어야 한다. 마지막으로, 교반기에 의해 제공되는 교반율 또한 고려되어야 한다. 일 실시예에 있어서, 펌프 또는 통로와 같은 이송 시스템은 반응 유닛으로부터 팁으로 혼합 발포성 현탁액을 이송하도록 구성된다. 일 실시예에 있어서, 로터리 기어 펌프 또는 로터리 로브 펌프(rotary lobe pump)와 같은 용적식 펌프는 반응 유닛으로부터 팁으로 혼합 발포성 현탁액을 이송한다. 일 실시예에 있어서, 팁은 유입되는 혼합 발포성 현탁액의 온도 이상으로 가열되어 발포제의 분해율을 증가시킨다. 바람직하게는, 팁은 670℃ 내지 740℃ 범위의 온도로 전기적 또는 가스를 연료로 하여 가열될 수 있다.The passage time through which the molten metal alloy comprising gas generating particles passes through the mixing unit is selected to provide a mixed foamable suspension as it exits the reaction unit. The passage time can be changed by adjusting the effective volume of the mixing unit and the flow rate into the reaction unit in terms of reactant gas generating particles. More specifically, the reaction gas generating particle composition, decomposition temperature and particle size should all be considered in adjusting the reaction unit. Finally, the agitation rate provided by the stirrer must also be considered. In one embodiment, a transfer system, such as a pump or passageway, is configured to transfer the mixed effervescent suspension from the reaction unit to the tip. In one embodiment, a volumetric pump, such as a rotary gear pump or a rotary lobe pump, transfers the mixed effervescent suspension from the reaction unit to the tip. In one embodiment, the tip is heated above the temperature of the incoming mixed foam suspension to increase the rate of decomposition of the blowing agent. Preferably, the tip may be heated electrically or gas fueled to a temperature in the range of 670 ° C to 740 ° C.

본 발명의 다른 실시예에 있어서, 반응 가스 생성 입자의 분해는 종료되기까지 교반 하에서 진행되는 것이 허용된다. 이러한 경우, 화학적 발포제는 화학적 발포제의 개별 첨가를 통해 제공되고, 이는 반응 가스 생성 입자와 화학적으로 동일하거나 동일하지 않을 수 있다. 넓게는, 본 발명은 대기압 하에서 약 350℃ 내지 850℃의 분해 온도를 갖는 반응 가스 생성 입자를 제공하는 단계와, 반응 가스 생성 입자를 알루미늄 포함 용융 금속 합금과 결합하는 단계와, 반응 가스 생성 입자의 적어도 일부를 반응 가스로 분해하기 위해 반응 가스 생성 입자를 포함하는 용융 금속 합금을 교반하는 단계와, 혼합 발포성 용융물을 생성하기 위해 화학적 발포제를 발포성 현탁액 내에서 분산하는 단계와, 액체 금속 발포체를 생성하기 위해 혼합 발포성 현탁액을 발포하는 단계와, 발포 알루미늄 제품을 생성하기 위해 액체 금속 발포체를 경화시키는 단계를 포함하며, 여기서 반응 가스는 금속 산화물 상과 미세 가스 기포의 발포성 현탁액을 생성하기 위해 용융 금속 합금과 격렬히 결합되는, 알루미늄 발포체를 생산하는 방법을 제공한다.In another embodiment of the present invention, decomposition of the reactant gas generating particles is allowed to proceed under stirring until it is finished. In such cases, chemical blowing agents are provided through separate addition of chemical blowing agents, which may or may not be chemically identical to the reactant gas generating particles. Broadly, the present invention provides a method for producing a reaction gas generating particle having a decomposition temperature of about 350 ° C. to 850 ° C. under atmospheric pressure, combining the reaction gas generating particle with a molten metal alloy including aluminum, and Stirring the molten metal alloy comprising reactant gas generating particles to decompose at least a portion into the reactant gas, dispersing the chemical blowing agent in the foamable suspension to produce a mixed foamable melt, and producing a liquid metal foam And foaming the mixed foamable suspension, and curing the liquid metal foam to produce a foamed aluminum product, wherein the reactant gas is mixed with the molten metal alloy to produce a foamable suspension of metal oxide phase and fine gas bubbles. Providing a method of producing aluminum foam that is tightly coupled All.

본 발명의 이러한 실시예에 있어서, 용융 금속 합금에 중량비로 약 0.5 내지 4.0 퍼센트 범위의 탄산 칼슘을 첨가하면, 액체 금속 발포체를 안정화하는 미세 가스 기포 및 금속 산화물 상의 충분한 현탁액을 제공하기에 충분하다. 이러한 미세 가스 기포 및 금속 산화물의 현탁액은 용융물의 체적상 팽창을 가져오고, 여기서 교반 이후의 최초 체적은 5 내지 50 퍼센트의 범위 내에 있다. 다른 실시예에 있어서, 탄산 칼슘은 혼합 발포성 현탁액을 생성하기 위해서 중량비로 약 0.5 내지 4.0 퍼센트 범위로 발포제로서 발포성 현탁액 내에 분산될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상술한 방법은 발포에 앞서 혼합 발포성 용융물을 경화하고, 이후에 혼합 발포성 용융물을 재용융하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.In this embodiment of the present invention, the addition of calcium carbonate in the weight ratio of about 0.5 to 4.0 percent to the molten metal alloy is sufficient to provide sufficient suspension of fine gas bubbles and metal oxides to stabilize the liquid metal foam. This suspension of fine gas bubbles and metal oxides results in volumetric expansion of the melt, wherein the initial volume after stirring is in the range of 5-50 percent. In another embodiment, calcium carbonate can be dispersed in the foamable suspension as blowing agent in the range of about 0.5 to 4.0 percent by weight to produce a mixed foamable suspension. In one embodiment of the invention, the method described above may further comprise curing the mixed foamable melt prior to foaming and subsequently remelting the mixed foamable melt.

본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상술한 방법을 실행하는 장치가 제공되며, 여기서 화학적 발포제는 발포성 현탁액이 생성된 이후에 발포성 현탁액 내에 개별적으로 분산된다. 가장 단순한 실행에 있어서, 장치는 적어도 두 개의 단계를 필요로 하며, 제1 단계는 용융 합금에 반응 가스 생성 입자를 주입하는 것이고, 제2 단계는 화학적 발포제를 분산하는 것이다. 제1 단계는 발포제가 반응 가스 생성 입자의 미반응 부분에 의해 제공되는 상술한 반응 유닛의 구조와 유사할 수 있다. 화학적 발포제를 분산하기 위한 제2 단계는 제1 단계와 연통된다. 넓게는, 발포 알루미늄을 제조하는 장치는 반응 가스 생성 입자와, 미리 선택된 유량으로 제공되는 용융 금속 합금을 제공하는 공급 시스템과, 공급 시스템과 연통하는 반응 유닛과, 반응 유닛과 연통하는 분산 유닛을 포함하고, 여기서 반응 유닛은 반응 가스 생성 입자와 용융 금속 합금을 발포성 현탁액으로 결합하는 혼합 유닛과, 기체 부산물을 방출하기 위한 반응 유닛 내에 적어도 하나의 통기구와, 반응 유닛을 수용하는 노를 포함하며, 여기서 분산 유닛은 발포성 현탁액을 수용하는 발포제 혼합 챔버와, 화학적 발포제를 발포제 혼합 챔버 내에 발포성 현탁액으로 제공하도록 위치된 공급 시스템과, 혼합 발포성 현탁액을 생성하기 위해 화학적 발포제를 분산하도록 발포제 혼합 챔버에 위치된 교반기와, 분산 유닛으로부터 팁으로 혼합 발포성 현탁액을 이송하는 이송 시스템을 포함하고, 여기서 혼합 유닛은 내장 교반기를 갖고, 혼합 유닛 내에서 미리 선택된 유량으로 반응 가스 생성 입자의 적어도 일부를 분해하기에 적합한 혼합 유닛을 통과하는 통과 시간을 제공하도록 구성된 체적을 갖는, 발포 알루미늄을 제조하는 장치이다.In another embodiment of the present invention, there is provided an apparatus for carrying out the above-described method, wherein the chemical blowing agent is dispersed separately in the foaming suspension after the foaming suspension is produced. In the simplest implementation, the apparatus requires at least two steps, the first step is to inject the reactant gas generating particles into the molten alloy, and the second step is to disperse the chemical blowing agent. The first step may be similar to the structure of the reaction unit described above in which the blowing agent is provided by the unreacted portion of the reactant gas generating particles. The second step for dispersing the chemical blowing agent is in communication with the first step. Broadly, an apparatus for producing foamed aluminum includes reactant gas generating particles, a supply system for providing a molten metal alloy provided at a preselected flow rate, a reaction unit in communication with the supply system, and a dispersion unit in communication with the reaction unit. Wherein the reaction unit comprises a mixing unit combining the reactant gas generating particles and the molten metal alloy into an effervescent suspension, at least one vent in the reaction unit for releasing gaseous by-products, and a furnace containing the reaction unit, wherein The dispersing unit includes a blowing agent mixing chamber containing the foam suspension, a supply system positioned to provide the chemical blowing agent into the foaming suspension in the blowing agent mixing chamber, and an agitator located in the blowing agent mixing chamber to disperse the chemical blowing agent to produce a mixed foam suspension. Mixed foam from tip to dispersion tip A conveying system for conveying the suspension, wherein the mixing unit has a built-in stirrer and is configured to provide a passage time through the mixing unit suitable for decomposing at least a portion of the reactant gas generating particles at a preselected flow rate within the mixing unit. It is an apparatus which manufactures foamed aluminum which has a volume.

일 실시예에 있어서, 이송 시스템은 로터리 기어 펌프 또는 로터리 로브 펌프와 같은 용적식 펌프를 포함할 수 있다. 이와 달리, 이송 시스템은 반응 유닛으로부터 팁으로 혼합 발포성 현탁액을 이송하도록 구성된 통로일 수 있다.In one embodiment, the delivery system may include a volumetric pump, such as a rotary gear pump or a rotary lobe pump. Alternatively, the transfer system may be a passage configured to transfer the mixed foam suspension from the reaction unit to the tip.

본 발명의 다른 실시예에 있어서, 발포성 액체+기체+고체 현탁액을 제조하는 방법이 제공된다. 넓게는, 본 방법은 대기압 하에서 약 350℃ 내지 850℃의 분해 온도를 갖는 반응 가스 생성 입자를 제공하는 단계와, 반응 가스 생성 입자를 알루미늄 포함 용융 금속 합금과 결합하는 단계와, 반응 가스 생성 입자의 적어도 일부를 반응 가스로 분해하기 위해 반응 가스 생성 입자를 포함하는 용융 금속 합금을 교반하는 단계를 포함하며, 여기서 반응 가스는 용융 알루미늄 내에 금속 산화물 상과 가스 기포의 발포성 현탁액을 생성하기 위해 용융 금속 합금과 격렬히 결합되는, 발포 알루미늄을 제조하는 방법이다.In another embodiment of the present invention, a method of preparing an effervescent liquid + gas + solid suspension is provided. Broadly, the method comprises providing reactant gas generating particles having a decomposition temperature of about 350 ° C. to 850 ° C. under atmospheric pressure, combining the reactant gas producing particles with a molten metal alloy comprising aluminum, Stirring the molten metal alloy comprising the reactant gas generating particles to decompose at least a portion into the reactant gas, wherein the reactant gas comprises a molten metal alloy to produce an effervescent suspension of the metal oxide phase and gas bubbles in the molten aluminum. It is a method for producing foamed aluminum, which is intimately combined with.

반응 가스를 생성하기 위해 사용되는 반응 가스 생성 입자는 용융물 내에 직접 가스를 버블링하거나 볼텍싱과 같은 다른 거친 방법 중 어느 하나에 의해 형성될 수 있는 것보다 훨씬 우수한 미세 가스 기포 및 혼합 금속 산화물의 규칙적인 분포를 생성한다. 반응 가스 생성 입자의 분해에 의해 형성된 미세 가스 기포 및 혼합 금속 산화물의 분포는 또한 외적 첨가에 의해 알루미늄 용융물로 안정화 입자를 주입하는 종래의 방식에 비해 훨씬 효과적인 것으로 나타난다. 본 발명의 방법에서, 액체+기체+고체 현탁액과 같은 생성물은 액체+고체 현탁액에만 의존하는 현재의 방식에 비해 훨씬 우수하다. 발포성 현탁액은 가스 기포의 미세 분포뿐만 아니라 금속 산화물에 의해 안정화되기 때문에, 반응 가스 생성 입자로 인한 체적 팽창은 입자 자체의 체적보다 몇 배 더 크다. 본 발명은 지금까지 외부로부터 안정화된 금속성 발포체에서 요구되는 것보다 실질적으로 더 낮은 고체의 부피 분율로 용융물의 안정을 허용한다. 일 실시예에 있어서, 발포성 현탁액은 교반 이후 약 5 내지 50 퍼센트 사이의 체적 팽창을 경험한다.The reactant gas generating particles used to produce the reactant gas are rules of fine gas bubbles and mixed metal oxides that are much better than can be formed by bubbling the gas directly into the melt or by any of the other coarse methods such as vortexing. Produces a distribution. The distribution of fine gas bubbles and mixed metal oxides formed by the decomposition of the reactant gas generating particles also appears to be much more effective than conventional methods of injecting stabilized particles into the aluminum melt by external addition. In the process of the invention, products such as liquid + gas + solid suspensions are much better than current methods which rely only on liquid + solid suspensions. Since the effervescent suspension is stabilized by the metal oxide as well as the fine distribution of gas bubbles, the volume expansion due to the reactant gas producing particles is several times larger than the volume of the particles themselves. The present invention permits the stabilization of the melt with a volume fraction of solids substantially lower than that required so far from the stabilized metallic foam from the outside. In one embodiment, the foamable suspension experiences volume expansion between about 5 and 50 percent after stirring.

진 등의 미국 특허 제5,112,697호("진 등의 특허")에 개시되어 있는 바와 같이, 종래 기술은 용융 금속 내에 이러한 미세 입자를 분산하는 것이 어렵다는 점을 강조하면서, 초미세 미립자를 사용할 때 안정화 입자의 최소 유효 부피 분율이 5 퍼센트를 요한다는 점을 시사하고 있다. 본 발명에 있어서, 놀랍고도 예상외로 반응 가스 생성 입자는 안정적인 외부에서 첨가된 안정화 입자를 사용할 때 이전에 필요하다고 생각했던 것의 1/10보다 훨씬 낮은, 0.5 퍼센트 정도의 부피 분율을 나타내고 있다.As disclosed in U.S. Patent No. 5,112,697 ("Jin et al.") To Jin et al., The prior art emphasizes the difficulty of dispersing such fine particles in molten metal, stabilizing particles when using ultrafine particles. It suggests that the minimum effective volume fraction of requires 5 percent. In the present invention, surprisingly and unexpectedly, the reactant gas generating particles exhibit a volume fraction of about 0.5 percent, much lower than one tenth of what was previously thought to be necessary when using stable externally added stabilized particles.

합리적인 시간에 발포체를 유지할 수 있는 알루미늄 용융물을 효과적으로 생성하기 위한 탄산염의 최소 수준이 중량비로 거의 0.5 퍼센트인데 반하여, 탄산염의 더 높은 무게 분율은 필요한 용융물의 안정성을 더 빠르게 얻을 수 있도록 한다. 저밀도의 알루미늄 발포체는 중량비로 16 퍼센트에 이르는 탄산염 수준으로 생성되어 왔다. 이러한 점성 강화 탄산염의 높은 레벨은 유효한 안정 레벨에 이르는데 필요한 시간을 감소시킨다.While the minimum level of carbonate to produce an aluminum melt that can hold the foam in a reasonable time is almost 0.5 percent by weight, the higher weight fraction of carbonate allows for the faster attainment of the required melt stability. Low density aluminum foams have been produced at carbonate levels of up to 16 percent by weight. This high level of viscosity enhanced carbonate reduces the time required to reach an effective stable level.

본 발명의 다른 실시예에 있어서, 발포 알루미늄 제품이 제공된다. 일 실시예에 있어서, 발포 알루미늄 제품은 중량비로 약 0.5 내지 8 퍼센트 범위의 마그네슘과, 중량비로 0.5 내지 16 퍼센트 범위의 미세 금속 산화물의 분포를 포함하는 알루미늄 합금 매트릭스와, 약 200 내지 1500 미크론 범위의 평균 직경을 갖는 다수의 폐쇄 세공을 갖는 알루미늄 합금 매트릭스 내의 세공의 분포를 포함한다. 여기서, 미세 금속 산화물의 평균 크기는 1.0 미크론보다 작다. 또한, 알루미늄 합금 매트릭스 내의 세공의 분포는 0.30 내지 0.7 g/㎤의 생성물 밀도를 제공한다.In another embodiment of the present invention, a foamed aluminum product is provided. In one embodiment, the foamed aluminum article comprises an aluminum alloy matrix comprising a distribution of magnesium in the range of about 0.5 to 8 percent by weight, a fine metal oxide in the range of 0.5 to 16 percent by weight, and a range of about 200 to 1500 microns. Distribution of pores in an aluminum alloy matrix having a plurality of closed pores having an average diameter. Here, the average size of the fine metal oxide is less than 1.0 micron. In addition, the distribution of pores in the aluminum alloy matrix provides a product density of 0.30 to 0.7 g / cm 3.

금속 산화물은 산화 알루미늄, 산화 마그네슘 및 산화 칼슘 및 이들의 혼합 산화물을 포함할 수 있다. 또한, 알루미늄 발포체는 5 미크론보다 큰 안정성 세라믹 입자가 실제로 없을 수 있다. 알루미늄 합금 매트릭스는 약 5 내지 100 미크론 범위의 평균 벽 두께와 체적비로 알루미늄 발포 물질의 70 내지 90 퍼센트를 구성하는 알루미늄 합금 매트릭스 내의 세공 분포를 포함할 수 있다.Metal oxides may include aluminum oxide, magnesium oxide and calcium oxide and mixed oxides thereof. In addition, the aluminum foam may actually be free of stable ceramic particles larger than 5 microns. The aluminum alloy matrix may comprise pore distribution in the aluminum alloy matrix that constitutes 70 to 90 percent of the aluminum foam material at an average wall thickness and volume ratio in the range of about 5 to 100 microns.

본 발명의 공정에 의해 제조된 발포 알루미늄 제품은 낮은 밀도, 높은 강성, 감소된 열전도성 및 훌륭한 인장 강도, 내충격성, 에너지 흡수성 및 방음성과 같은 향상된 특성을 나타낸다.Foamed aluminum articles produced by the process of the present invention exhibit improved properties such as low density, high stiffness, reduced thermal conductivity and good tensile strength, impact resistance, energy absorption and sound insulation.

발포 알루미늄 제품은 고성능의 경량 자동차 기술, 박판 소재, 건설 재료, 선박용 및 에너지 흡수성, 높은 인성비, 낮은 밀도가 요구되는 어떠한 분야에서도 다양한 용도로 사용될 수 있다.Foamed aluminum products can be used for a variety of applications in high performance lightweight automotive technologies, sheet materials, construction materials, marine and energy absorbent, high toughness ratios, and low density.

본 발명의 다른 실시예에 있어서, 알루미늄 발포 물질은 유효량의 마그네슘, 미세 금속 탄산염 분포, 알루미늄 합금 내의 세공 분포를 포함하고, 실질적으로 5 미크론보다 큰 안정성 세라믹 입자가 없는 알루미늄 합금 매트릭스를 포함한다. 평균 세공 직경은 약 1000 미크론보다 작을 수 있다.In another embodiment of the present invention, the aluminum foam material comprises an aluminum alloy matrix comprising an effective amount of magnesium, a fine metal carbonate distribution, a pore distribution in the aluminum alloy, and substantially free of stable ceramic particles larger than 5 microns. The average pore diameter can be less than about 1000 microns.

이러한 개시된 내용을 달성하기 위해, "유효량의 마그네슘"은 안정성 금속 발포체를 제공하기에 적합한 마그네슘 농도이다. 미세 금속 탄산염은 탄산 칼슘, 탄산 마그네슘 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.To achieve this disclosure, an "effective amount of magnesium" is a magnesium concentration suitable to provide a stable metal foam. The fine metal carbonate can include calcium carbonate, magnesium carbonate or a combination thereof.

일 실시예에 있어서, 미세 금속 탄산염은 100 미크론 또는 이보다 작은 직경을 가진다. 일 실시예에 있어서, 안정성 세라믹 입자라는 용어는 750℃보다 낮은 온도의 용융 알루미늄에서 매우 불활성 및 미반응인 세라믹 종을 나타낸다.In one embodiment, the fine metal carbonate has a diameter of 100 microns or less. In one embodiment, the term stable ceramic particles refers to ceramic species that are very inert and unreacted in molten aluminum at temperatures lower than 750 ° C.

도1은 시간에 걸쳐 온도가 단조롭게 증가함에 따른 본 발명의 가장 바람직한 첨가물인 탄산 칼슘(CaCO₃)에 대한 중량 퍼센트의 변화 그래프로서, 공기 중 대기압 하에서 약 600℃ 내지 650℃의 분해 온도를 나타낸다.1 is a graph of the change in weight percent of calcium carbonate (CaCO ₃ ), the most preferred additive of the present invention, as the temperature monotonously increases over time, showing a decomposition temperature of about 600 ° C. to 650 ° C. under atmospheric pressure in air.

도2는 시간에 걸쳐 온도가 단조롭게 증가함에 따른 본 발명의 바람직한 첨가물인 돌로마이트(CaMg(CO₃)₂)에 대한 중량 퍼센트의 변화 그래프로서, 공기 중 대기압 하에서 약 600℃ 내지 700℃의 분해 온도를 나타낸다.FIG. 2 is a graph of the change in weight percent of the preferred additive of the present invention dolomite (CaMg (CO ₃ ) ₂ ) as the temperature monotonically increases over time, with decomposition temperatures of about 600 ° C. to 700 ° C. under atmospheric pressure in air. Indicates.

도3은 시간에 걸쳐 온도가 단조롭게 증가함에 따른 탄산 마그네슘(MgCO₃)에 대한 중량 퍼센트의 변화 그래프로서, 공기 중 대기압 하에서 약 350℃ 내지 450℃의 분해 온도를 나타낸다.FIG. 3 is a graph of the change in weight percent for magnesium carbonate (MgCO ₃ ) as the temperature monotonically increases over time, showing a decomposition temperature of about 350 ° C. to 450 ° C. under atmospheric pressure in air.

도4는 시간에 걸쳐 온도가 단조롭게 증가함에 따른 히드로탈시트(Mg₄Al₂(OH)₁₂CO₃H₂O)에 대한 중량 퍼센트의 변화 그래프로서, 공기 중 대기압 하에서 약 175℃ 내지 200℃의 분해 온도를 나타낸다.FIG. 4 is a graph of the change in weight percent for hydrotalcite (Mg ₄ Al ₂ (OH) ₁₂ CO ₃ H ₂ O) as the temperature monotonically increases over time, at about 175 ° C. to 200 ° C. under atmospheric pressure in air. Decomposition temperature is shown.

도5는 알루미늄과 마그네슘을 포함하는 용융 금속에서 탄산 칼슘의 격렬한 분해 반응 과정에서의 화학적 반응과 금속 산화물 및 가스 생성물의 형성을 도시한 것이다.FIG. 5 illustrates the chemical reaction and formation of metal oxide and gas products in the course of the violent decomposition of calcium carbonate in molten metal comprising aluminum and magnesium.

도6은 알루미늄과 마그네슘을 포함하는 용융 금속에서 탄산 칼슘의 격렬한 분해 반응 과정에서의 화학적 반응과 금속 산화물의 형성을 그림으로 나타낸 것이다.FIG. 6 graphically illustrates the chemical reaction and the formation of metal oxides during the vigorous decomposition of calcium carbonate in a molten metal comprising aluminum and magnesium.

도7(단면도)은 점도제(viscosity agent)와 발포제가 반응 가스 생성 입자의 단독 첨가에 의해 제공되는 알루미늄 발포체를 생성하는 장치를 도시한 것이다.Figure 7 (sectional view) shows an apparatus for producing an aluminum foam in which a viscosity agent and a blowing agent are provided by the addition of reactant gas generating particles alone.

도8(단면도)은 도7에 도시된 장치와 호환가능한 화학적 발포제 분산 장치를 도시한 것이다.FIG. 8 (cross section) shows a chemical blowing agent dispersing device that is compatible with the device shown in FIG.

도9a(분해도)는 용적식 로브 펌프를 도시한 것이다.9A (exploded view) shows a volumetric lobe pump.

도9b(사시도)는 도9a의 용적식 로브 펌프를 도시한 것이다.Figure 9B (perspective view) shows the volumetric lobe pump of Figure 9A.

도9c(측단면도)는 용적식 기어 펌프를 도시한 것이다.Figure 9c (side sectional view) shows a volumetric gear pump.

도10은 알루미늄 합금 발포체의 안정성에 있어서 반응 가스 생성 입자의 효과를 나타낸 차트이다.10 is a chart showing the effect of reactant gas generating particles on the stability of the aluminum alloy foam.

도11은 알루미늄 합금 발포체의 구조에 있어서 탄산 칼슘 입자 크기의 효과를 나타낸 차트이다.11 is a chart showing the effect of calcium carbonate particle size on the structure of the aluminum alloy foam.

도12는 알루미늄 발포체를 생성하기 위해 용융 금속 합금에 마그네슘을 첨가한 효과를 나타낸 차트이다.12 is a chart showing the effect of adding magnesium to a molten metal alloy to produce an aluminum foam.

도13은 발포제로서 안정화 첨가물을 위한 반응 가스 생성 입자의 단독 첨가에 있어서 혼합 시간의 효과를 나타낸 차트이다.Figure 13 is a chart showing the effect of mixing time on the sole addition of reactant gas generating particles for stabilizing additives as blowing agents.

도14는 발포제로서 안정화 첨가물을 위한 반응 가스 생성 입자의 단독 첨가와 함께 반응 가스 생성 입자의 중량비 퍼센트를 증가시킨 효과를 나타낸 차트이다.FIG. 14 is a chart showing the effect of increasing the weight ratio percentage of the reaction gas generating particles together with the addition of the reaction gas generating particles alone for the stabilizing additive as a blowing agent.

본 발명은 알루미늄 발포체와 발포 알루미늄 제품을 생산하는 방법에 관한 것으로서, 본 방법은 대기압 하에서 약 350℃ 내지 850℃ 범위의 분해 온도를 갖는 반응 가스 생성 입자를 포함하고, 여기서 반응 가스 생성 입자의 적어도 일부가 분 해되어 용융 금속 합금에서 압력 및 온도의 변화를 최소로 하면서 금속 산화물 상과 가스 기포의 발포성 현탁액을 제공한다. 또한, 본 발명은 발포성 현탁액을 생성함에 있어서 반응 가스 생성 입자의 적어도 일부를 분해하기에 충분한 통과 시간을 제공하도록 구성된 유량과 체적을 갖는 반응 유닛을 포함하는 본 발명의 방법을 실시하고, 발포성 현탁액과 발포제를 혼합하고, 혼합 발포성 현탁액을 주형으로 이송하고, 혼합 발포성 현탁액을 발포하여 액체 금속 발포체를 생성하고, 액체 금속 발포체를 경화하여 발포 금속 제품을 생산하는 장치를 제공한다. 지금부터 도면을 참조하여 본 발명에 대해 더 상세하게 살펴보도록 한다. 도면에 있어서, 동일 및/또는 대응 요소는 동일한 참조 번호를 사용하도록 한다.The present invention relates to a process for producing aluminum foam and foamed aluminum products, the process comprising reactant gas generating particles having a decomposition temperature in the range of about 350 ° C. to 850 ° C. under atmospheric pressure, wherein at least a portion of the reactant gas generating particles It is decomposed to provide an effervescent suspension of metal oxide phase and gas bubbles with minimal changes in pressure and temperature in the molten metal alloy. The invention also implements a method of the invention comprising a reaction unit having a flow rate and volume configured to provide a passage time sufficient to decompose at least a portion of the reactant gas generating particles in producing an effervescent suspension, Provided is an apparatus for mixing a blowing agent, transferring the mixed foamable suspension to a mold, foaming the mixed foamable suspension to produce a liquid metal foam, and curing the liquid metal foam to produce a foamed metal product. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. In the drawings, the same and / or corresponding elements use the same reference numerals.

도1 내지 도4는 다양한 재료에 대해 분해 개시 및 반응(율)을 제어하는 특정 공정 조건(온도 경과, 입자 크기, 주변 환경 등) 하에서 샘플을 분해함에 따라 시간에 걸친 질량 손실(중량비 퍼센트 손실)의 관점에서 반응 가스 생성 입자의 분해 범위를 나타내는 TGA(thermal Gravometric Analysis) 그래프이다. 도1 내지 도4에서 분해 커브(10)는 바람직한 분해 범위(14) 및 열적 안정 범위(12)와 함께 도시되었다.1-4 show the mass loss over time (weight ratio percent loss) as the sample degrades under specific process conditions (temperature progress, particle size, ambient environment, etc.) controlling the onset and reaction (rate) of decomposition for various materials. It is a TGA (thermal gravometric analysis) graph showing the decomposition range of the reaction gas generating particles in terms of Degradation curves 10 in FIGS. 1-4 are shown with the preferred decomposition range 14 and thermal stability range 12.

발포 알루미늄 제조에 있어서, 실질적이면서 유용하다고 알려진 반응 가스 생성 입자는 탄산염이고, 이는 도1, 도2 및 도3에 도시된 TGA 그래프에 나타나 있는 바와 같이 분해 온도를 갖는 효과적이면서 저비용이다. 더 자세하게는, 반응 가스 생성 입자는 바람직하게는 약 350℃ 내지 850℃ 범위의, 더 바람직하게는 550℃ 내지 850℃ 범위의 분해 온도를 갖는 탄산염이다.In foamed aluminum production, the reactant gas generating particles that are known to be practical and useful are carbonates, which are effective and low cost with decomposition temperatures as shown in the TGA graphs shown in FIGS. 1, 2 and 3. More specifically, the reactant gas generating particles are carbonates having a decomposition temperature in the range of preferably about 350 ° C. to 850 ° C., more preferably in the range of 550 ° C. to 850 ° C.

바람직한 탄산염은 탄산 칼슘(CaCO₃) 및/또는 돌로마이트(CaMg(CO₃)₂)이고, 도1은 탄산 칼슘에 대한 분해 범위를 도시하고 있고, 도2는 돌로마이트에 대한 분해 범위를 도시하고 있다. 이러한 반응 가스 생성 입자는, 용융 알루미늄 합금의 온도 또는 압력이 종래 알루미늄 공정과 일치하지 않는 온도 또는 압력으로 높아질 것을 요하지 않는 온도에서 금속 산화물 상 및 이산화탄소를 형성하도록 분해를 경험한다. 바람직한 일 실시예에 있어서, 탄산 칼슘은 약 40 미크론보다 작은 평균 직경을 갖는다.Preferred carbonates are calcium carbonate (CaCO ₃ ) and / or dolomite (CaMg (CO ₃ ) ₂ ), FIG. 1 shows the decomposition range for calcium carbonate, and FIG. 2 shows the decomposition range for dolomite. These reactant gas generating particles undergo decomposition to form the metal oxide phase and carbon dioxide at temperatures that do not require the temperature or pressure of the molten aluminum alloy to be raised to a temperature or pressure that is inconsistent with conventional aluminum processes. In one preferred embodiment, the calcium carbonate has an average diameter of less than about 40 microns.

순수 알루미늄은 약 660℃에서 용융된다. 공업용 알루미늄 합금은 일반적으로 순수 알루미늄보다 낮은 온도에서 용융된다. 더 자세하게는, 공업용 알루미늄 합금은 약 560℃ 내지 650℃ 범위의 온동에서 용융되고, 여기서 공업용 알루미늄 합금의 용융 온도는 합금 내에 첨가된 요소에 따라 달라질 수 있다. 본 발명에서 사용되는 용융 금속 합금은, 예를 들어 공업용 등급/순수 용융 알루미늄, 알루미늄 스크랩 또는 실리콘 및/또는 마그네슘을 포함하는 알루미늄 등 중 적어도 하나일 수 있다.Pure aluminum melts at about 660 ° C. Industrial aluminum alloys generally melt at lower temperatures than pure aluminum. More specifically, the industrial aluminum alloy is melted at a temperature in the range of about 560 ° C. to 650 ° C., where the melting temperature of the industrial aluminum alloy may vary depending on the elements added in the alloy. The molten metal alloy used in the present invention may be, for example, at least one of industrial grade / pure molten aluminum, aluminum scrap or aluminum including silicon and / or magnesium.

탄산 칼슘은, 도1에 도시된 바와 같이 550℃보다 높은 온도에서 분해되기 시작하고, 돌로마이트는 탄산 칼슘보다 약간 높은 온도에서 분해되고, 돌로마이트의 분해 온도는 약 575℃ 정도의 온도에서 시작된다. 반응 가스 생성 입자로서 사용될 때 둘 다 약 550℃ 내지 650℃ 범위의 분해 온도를 갖는 이러한 화합물들은, 격렬하지만 과도하지는 않게 분해를 나타내며, 반응 가스 생성 입자가 이들의 가스 능력을 소모하기 전에 반응 가스 생성 입자와 용융 합금 용융물의 상호 작용에 의해 생성된 산화 알루미늄 상의 적절한 분산을 허용한다. Calcium carbonate starts to decompose at a temperature higher than 550 ° C. as shown in FIG. 1, the dolomite decomposes at a slightly higher temperature than calcium carbonate, and the decomposition temperature of dolomite starts at a temperature of about 575 ° C. When used as reactant gas generating particles, these compounds, both of which have a decomposition temperature in the range of about 550 ° C. to 650 ° C., exhibit violent but not excessive decomposition, and react gas production before the reactant gas producing particles consume their gas capacity. Allow for proper dispersion of the aluminum oxide produced by the interaction of the particles with the molten alloy melt.

용융 금속 합금 내에서 탄산 칼슘의 분해는, 도5 및 도6을 참조하여 잘 설명되어 있다. 알루미늄과 마그네슘을 포함하는 용융 금속 합금 내의 탄산 칼슘의 분해는 다음과 같은 반응을 포함한다.The decomposition of calcium carbonate in the molten metal alloy is well described with reference to FIGS. 5 and 6. Decomposition of calcium carbonate in the molten metal alloy containing aluminum and magnesium includes the following reactions.

도5는 용융 금속 합금에서의 탄산 칼슘의 분해 반응과 가스 생성물(또한 가스 기포라고도 함)의 미세 분산 및 안정화 생성물을 생성하기 위해 용융 금속 합금 내에 존재하는 알루미늄 및 마그네슘과 분해 생성물의 상호 작용을 도시한 것이다. 가스 생성물의 미세 분산은 알루미나(Al₂O₃) 및 산화 마그네슘(MgO)과 같은 산화 알루미늄 상을 생성하기 위해 용융 금속 합금의 알루미늄 및 마그네슘과 격렬히 결합하는 반응 가스에 의해 제공되고, 산화 알루미늄 상과 관련하여 가스 기포의 미세 분산은 발포성 현탁액을 형성하는데 도움을 주는 안정화 생성물이다. 본 발명에 제한됨없이, 본 발명의 소정의 실시예를 추가적으로 설명하기 위하여, 용융 금속 합금의 자기 안정화 특성은 가스 생성물의 미세 분산의 생성에 의해 주로 제공된다는 점을 알 수 있다.5 illustrates the interaction of decomposition products with aluminum and magnesium present in the molten metal alloy to produce decomposition reactions of calcium carbonate in the molten metal alloy and fine dispersion and stabilization products of the gas product (also known as gas bubbles). It is. The fine dispersion of the gas product is provided by a reactant gas that vigorously bonds with aluminum and magnesium of the molten metal alloy to produce an aluminum oxide phase such as alumina (Al ₂ O ₃ ) and magnesium oxide (MgO). In this context the fine dispersion of gas bubbles is a stabilizing product which helps to form a foamable suspension. Without being limited to the present invention, it can be seen that in order to further illustrate certain embodiments of the present invention, the self stabilizing properties of the molten metal alloy are primarily provided by the production of fine dispersion of the gas product.

도6은 가스 기포(15)의 미세 분산 및 금속 산화물 상(20)을 생성하기 위해 용융 금속 합금에서의 반응 가스 생성 생성물의 분해를 그림으로 나타낸 것이다. 본 발명에 제한됨없이, 본 발명의 소정 실시예를 추가적으로 설명하기 위하여, 발포성 현탁액의 붕괴율(the rate of collapse), 알루미늄의 부피 점성, 부력 및 가스 기포의 평균 직경이 100 미크론보다 작은 정도라는 스토크의 법칙에 기초함을 알 수 있다. 마그네슘은 상술한 예에 포함되어 있으나, 본 발명이 용융 금속 합금 내에 마그네슘을 혼입하지 않고 실시될 수 있다는 것을 알 수 있다. 또한, 바람직한 실시예에서, 마그네슘은 유효량으로 공급되었을 때 유리하게도 안정성을 제공한다는 점을 알 수 있다. 일 실시예에 있어서, 마그네슘의 유효량이라는 용어는 마그네슘 함유량이 안정 발포체를 제공하기에 충분한 것을 나타낸다. 일 실시예에 있어서, 유효량의 마그네슘은 중량비로 0.5 퍼센트보다 크고, 바람직하게는 중량비로 약 0.5 내지 8.0 퍼센트 범위 내이고, 바람직하게는 중량비로 약 1 내지 2 퍼센트 범위 내이다. 또한, 용융 금속 합금은, 예를 들어 공업용 등급/순수 용융 알루미늄, 알루미늄 스크랩, 실리콘 및 마그네슘을 포함하는 알루미늄 또는 이와 유사한 것들 중 적어도 하나일 수 있다.FIG. 6 graphically illustrates the decomposition of reactant gas product in a molten metal alloy to produce a fine dispersion of gas bubbles 15 and a metal oxide phase 20. Without further limitation to the present invention, in order to further illustrate certain embodiments of the present invention, the stoke of the rate of collapse, the volumetric viscosity of aluminum, the buoyancy and the mean diameter of gas bubbles is less than 100 microns. It is based on the law. Although magnesium is included in the above examples, it can be seen that the present invention can be practiced without incorporating magnesium into the molten metal alloy. In addition, in a preferred embodiment, it can be seen that magnesium advantageously provides stability when supplied in an effective amount. In one embodiment, the term effective amount of magnesium indicates that the magnesium content is sufficient to provide a stable foam. In one embodiment, the effective amount of magnesium is greater than 0.5 percent by weight, preferably in the range of about 0.5 to 8.0 percent by weight, and preferably in the range of about 1 to 2 percent by weight. The molten metal alloy may also be at least one of, for example, industrial grade / pure molten aluminum, aluminum scrap, aluminum including silicon and magnesium or the like.

돌로마이트가 반응 가스 생성 입자로서 용융 금속 합금에 포함되는 분해 반응은 다음을 포함한다.Decomposition reactions in which dolomite is included in the molten metal alloy as reactant gas generating particles include the following.

탄산 칼슘과 돌로마이트가 본 발명에 있어서 매우 바람직한 실시예이기는 하나, 다른 탄산염도 생각해볼 수 있으며, 따라서 이들도 본 발명의 범위 내에 있는 것이다.Although calcium carbonate and dolomite are very preferred embodiments of the present invention, other carbonates can be considered, and therefore these are also within the scope of the present invention.

예를 들어, 탄산 마그네슘(MgCO₃)에 대한 TGA 그래프를 도시하고 있는 도3을 참조하면, 탄산 마그네슘이 반응 가스 생성 입자로서의 적용이 고려되었다. 탄산 마그네슘에 대한 낮은 분해 온도의 결과로서, 탄산 마그네슘은 탄산 칼슘 및 돌로마이트보다 분해의 개시에 앞서 분산이 더 어려우며, 탄산 마그네슘이 유용하기는 하나, 이것만 바람직한 것은 아니다.For example, referring to FIG. 3, which shows a TGA graph for magnesium carbonate (MgCO ₃ ), application of magnesium carbonate as reactant gas generating particles was considered. As a result of the low decomposition temperature for magnesium carbonate, magnesium carbonate is more difficult to disperse before the onset of decomposition than calcium carbonate and dolomite, and magnesium carbonate is useful, but this is not the only preference.

공기 중 대기압 하에서 약 175℃ 내지 200℃의 분해 온도를 갖는 히드로탈시트(Mg₄Al₂(OH)₁₂CO₃H₂O)에 대한 TGA 그래프를 도시하고 있는 도4를 참조하면, 히드로탈시트는 알루미늄을 포함하는 용융 금속 합금 내에 혼입될 때에 조기 분해(premature decomposition)를 초래하기 때문에 반응 가스 생성 입자로서 불충분하다.Referring to FIG. 4, which shows a TGA graph for hydrotalcite (Mg ₄ Al ₂ (OH) ₁₂ CO ₃ H ₂ O) having a decomposition temperature of about 175 ° C. to 200 ° C. under air pressure, hydrotalcite Is insufficient as reactive gas generating particles because it causes premature decomposition when incorporated into a molten metal alloy comprising aluminum.

CaCO₃ 및 돌로마이트보다 높은 분해 온도를 갖는 탄산염의 선택은 알루미늄 발포체를 생산하는 데에는 부적합한 반면에, 구리, 티타늄, 강철 또는 황동과 같은 고온 용융 온도를 갖는 금속에 대해서는 이상적으로 적합할 수 있다. 마찬가지로, 알루미늄을 위해 선택된 것들보다 실질적으로 낮은 분해 온도를 갖는 탄산염은, 납, 주석 및 마그네슘 합금과 같은 저온 용융 금속 시스템에 대해 이상적으로 적합할 수 있다.The selection of carbonates with higher decomposition temperatures than CaCO ₃ and dolomite is unsuitable for producing aluminum foams, while ideally suited for metals with hot melting temperatures such as copper, titanium, steel or brass. Likewise, carbonates having a decomposition temperature substantially lower than those selected for aluminum may be ideally suited for low temperature molten metal systems such as lead, tin and magnesium alloys.

표1은 (대략 대기 중에서의 CO₂의 부분 압력인) 약 0.01 대기압의 CO₂의 부분 압력에서 자연 중에 풍부하게 있는 탄산염의 탄산 열역학 평형 온도(carbonate thermodynamic equilibrium temperature)를 도시한다. 이는 반응 정리가 아닌 열역학 평형 정리이지만, 이는 용융 금속에서 탄산염의 상대적인 분해 정도를 보여주는데 도움을 주고, 분해 온도 추정치를 제공한다. 이는 이들의 분해 온도가 350℃ 내지 850℃ 범위의 바깥 쪽에 있기 때문에 알루미늄에서 사용되기에 효과적이지 않은 탄산염의 예를 제시한다.Table 1 shows the carbonate thermodynamic equilibrium temperature of carbonates abundant in nature at a partial pressure of approximately 0.01 atmospheric CO ₂ (which is approximately the partial pressure of CO _{2 in} the atmosphere). This is not a reaction theorem but a thermodynamic equilibrium theorem, but this helps to show the relative degree of decomposition of carbonates in the molten metal and provides an estimate of the decomposition temperature. This gives an example of carbonates that are not effective for use in aluminum because their decomposition temperatures are outside the range of 350 ° C. to 850 ° C.

[표 1: 0.01 대기압의 CO₂의 부분압력 하에서 분류된 탄산염에 대한 Table 1: For carbonates classified under partial pressure of CO ₂ at 0.01 atmospheric pressure

열역학적 평형 온도]Thermodynamic equilibrium temperature]

따라서, 비효과적인 탄산염일 것 같은 것을 가려내기 위해 표 1을 사용하면, Na, Zn, Ag, Cd 및 Mn의 탄산염은 적절한 분산을 허용하기에는 이들의 분해가 너무도 빠르기 때문에 알루미늄 발포체의 상업적 제조되기에는 너무 낮은 분해 온도를 가지고 있다는 것이 명백하다. 이와 달리, Sr, Li, Ba 탄산염은 너무 높은 분해 온도를 갖고, 분해되지 않거나 실용적인 상업적 공정으로서는 적합하지 않은 매우 낮은 비율로 분해된다. 이러한 부분 압력하에서, CaCO₃ 및 MgCO₃의 평형 온도는 이들 각각의 TGA 분해 온도와 다르지 않다는 점을 주목하자.Thus, using Table 1 to screen out what might be ineffective carbonates, carbonates of Na, Zn, Ag, Cd and Mn are too fast for commercial production of aluminum foams because their decomposition is too fast to allow proper dispersion. It is clear that it has a low decomposition temperature. In contrast, Sr, Li, Ba carbonates have a decomposition temperature that is too high and degrade at a very low rate which does not degrade or is not suitable as a practical commercial process. Note that under this partial pressure, the equilibrium temperatures of CaCO ₃ and MgCO ₃ do not differ from their respective TGA decomposition temperatures.

탄산 칼슘이 반응 가스 생성 입자로서 선택되는 본 발명의 실시예로 돌아가서, 점성 강화를 위해 용융 알루미늄을 준비하기 위해 첨가될 때 탄산 칼슘의 입자 크기는 약 0.5 내지 40 마이크로미터 범위일 수 있다. 첨가된 양은 중량비로 전체 알루미늄 용융 질량의 0.5 내지 16 퍼센트 범위이고, 바람직하게는 중량비로 0.5 내지 2 퍼센트 범위이다. 탄산 칼슘의 작은 부피 분율은 안정성 발포체를 유지하기 위해 용융물의 점성 및/또는 표면 에너지를 제어하는데 매우 효과적인 것으로 판단되어 왔다.Returning to an embodiment of the invention where calcium carbonate is selected as the reactant gas generating particles, the particle size of calcium carbonate may range from about 0.5 to 40 micrometers when added to prepare molten aluminum for viscosity enhancement. The amount added is in the range of 0.5 to 16 percent of the total aluminum melt mass by weight, preferably in the range of 0.5 to 2 percent by weight. Small volume fractions of calcium carbonate have been determined to be very effective in controlling the viscosity and / or surface energy of the melt to maintain stable foams.

이와 달리, 탄산 칼슘 입자 크기는 40 내지 150 마이크로미터일 수 있다. 이러한 크기에서, 반응률은 현저하게 늦어지고, 10분이 지나도 탄산염의 분해가 완전히 완료되지 못할 것이다. 그러나, 가스 기포의 충분한 미세 분산은 알루미늄 용융물을 안정화하기 위해 생성될 것이다. 나머지 미반응 탄산염은 이어서 용융물에서 발포제로서 사용될 수 있다. 따라서, 제품 및 공정 요건에 따라, 탄산염은 다양한 레벨의 점성 강화 및 다양한 레벨의 발포를 얻기 위해 복수의 입자 크기 분 포와 함께 복수의 단계에서 첨가될 수 있다.Alternatively, the calcium carbonate particle size may be 40 to 150 micrometers. At this size, the reaction rate is significantly slower and even after 10 minutes the decomposition of the carbonate will not be fully completed. However, sufficient fine dispersion of gas bubbles will be produced to stabilize the aluminum melt. The remaining unreacted carbonate can then be used as blowing agent in the melt. Thus, depending on product and process requirements, carbonates can be added in multiple stages with multiple particle size distributions to achieve various levels of viscosity enhancement and various levels of foaming.

단독 첨가로 용융물을 안정화하고 발포하기 위해 첨가된다면, 입자 크기는 약 0,5 내지 150 마이크로미터 범위일 수 있다. 입자 크기의 최적 혼합은, 작은 입자가 먼저 분해되고 최종 발포를 위해 가스를 제공하도록 큰 입자를 남기는 점성을 증가시키는데 더 효과적이므로 원하는 혼합 시간에 의존한다.If added alone to stabilize and foam the melt, the particle size may range from about 0,5 to 150 micrometers. Optimal mixing of particle size depends on the desired mixing time because smaller particles are more effective at increasing the viscosity leaving large particles to decompose first and provide gas for final foaming.

발포제는 금속 합금의 용융점보다 낮은 온도에서 만족할 만한 안정성을 갖고 금속 합금의 용융점에서 분해되어 발포 가스를 생성하거나 또는 그 이상의 온도에서 분해되어 발포 가스를 생성하도록 선택되어야 한다. 용융 금속 또는 합금 내에 주입되는 발포제의 크기는 원하는 발포체의 구조 및 원하는 발포 생성률에 기초하여 선택될 수 있다. 발포 알루미늄을 주조함에 있어서, 용융물에 주입되는 발포제의 크기 및 조성은 생성되는 기포의 크기 및 개수 밀도에 영향을 미친다. 발포 알루미늄 덩어리에서 생성되는 기포의 크기를 조절함으로써, 순 밀도는 열전도성, 강도 또는 충격 에너지 흡수성과 같은 특성이 제어될 수 있도록 설정될 수 있다. The blowing agent should be selected to have satisfactory stability at a temperature lower than the melting point of the metal alloy and to decompose at the melting point of the metal alloy to produce a foaming gas or to decompose at a higher temperature to produce a foaming gas. The size of the blowing agent injected into the molten metal or alloy can be selected based on the structure of the desired foam and the desired rate of foam production. In casting foamed aluminum, the size and composition of the blowing agent injected into the melt affects the size and number density of the resulting bubbles. By controlling the size of the bubbles produced in the foamed aluminum mass, the net density can be set such that properties such as thermal conductivity, strength, or impact energy absorption can be controlled.

알루미늄 발포 제품에서 사용되기에 적합하면서도 실용적인 화학적 발포제의 예로는, 탄산 마그네슘, 탄산 칼슘, 돌로마이트와 수소화 티타늄 및 수소화 지르코늄과 같은 수소화 금속과, 이들의 조합을 포함한다. 발포제는 소정의 원하는 형태를 가질 수 있다. 이들은 공정 중에 하나 또는 그 이상의 단계에서 첨가될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 발포제는 약 0.5 내지 40 마이크로미터 범위의 입자 크기를 가진다. 다른 실시예에 있어서, 발포제는 약 40 내지 150 마이크로미터 범위의 평균 크기를 가진다.Examples of suitable chemical blowing agents suitable for use in aluminum foam products include magnesium carbonate, calcium carbonate, dolomite and hydrogenated metals such as titanium hydride and zirconium hydride, and combinations thereof. The blowing agent may have any desired form. These may be added in one or more stages of the process. In one embodiment, the blowing agent has a particle size in the range of about 0.5-40 micrometers. In another embodiment, the blowing agent has an average size in the range of about 40 to 150 micrometers.

도7을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상술한 반응 가스 생성 입자를 사용하는 발포 알루미늄 제품을 생산하는 장치(25)가 제공된다. 장치는 반응 유닛(30) 내에 반응 가스 생성 입자(33)를 주입하기 위한 공급 시스템(35)과, 용융 금속 합금(28)을 주입하는 수단을 포함하고, 여기서 반응 가스 생성 입자(33)는 발포성 현탁액을 제공하기 위해 용융 금속 합금(31) 내에서 격렬히 분해된다. 용융 금속 합금(28)을 주입하는 수단은 미리 선택된 유량으로 용융 금속 합금(31)을 제공한다.Referring to Fig. 7, in another embodiment of the present invention, an apparatus 25 for producing a foamed aluminum product using the above-described reactive gas generating particles is provided. The apparatus comprises a supply system 35 for injecting reactant gas generating particles 33 into the reaction unit 30 and means for injecting molten metal alloy 28, wherein the reactant gas generating particles 33 are foamable. Violently decomposes in the molten metal alloy 31 to provide a suspension. The means for injecting the molten metal alloy 28 provides the molten metal alloy 31 at a preselected flow rate.

반응 유닛(30)은 내장된 교반기(32)를 갖는 혼합 유닛을 포함하고, 혼합 유닛은 노(34)에 의해 수용된다. 혼합 유닛 및 교반기(32)는 용융 금속 합금(31)과 반응 가스 생성 입자(33)를 결합하여 알루미늄 용융물의 점성을 증가시키고 표면 에너지를 변경한다. 혼합 유닛 및 교반기(32)의 치수 및 형상은, 미리 선택된 유량으로 사용될 때 반응 가스 생성 입자의 적어도 일부가 발포성 현탁액을 제공하기 위해 혼합 유닛 내에서 분해되는 것을 제공하기에 충분한 반응 가스 생성 입자를 포함하는 용융 금속 합금의 통과 시간을 제공하는 유효 체적을 제공하도록 선택된다. 또한, 교반기에 의해 제공되는 교반과, 반응 가스 생성 입자의 조성 및/또는 입자 크기와, 용융 금속 합금의 조성은 통과 시간을 변형시키도록 구성될 수 있다. The reaction unit 30 comprises a mixing unit with a built-in stirrer 32, which is received by the furnace 34. The mixing unit and stirrer 32 combine the molten metal alloy 31 and the reactant gas generating particles 33 to increase the viscosity of the aluminum melt and change the surface energy. The dimensions and shape of the mixing unit and stirrer 32 include sufficient reactant gas generating particles to provide that at least a portion of the reactant gas generating particles decompose in the mixing unit to provide an effervescent suspension when used at a preselected flow rate. It is chosen to provide an effective volume that provides the passage time of the molten metal alloy. In addition, the agitation provided by the stirrer, the composition and / or particle size of the reactant gas generating particles, and the composition of the molten metal alloy may be configured to modify the transit time.

반응 유닛(30)은 또한 반응 가스 생성 입자가 분해된 가스 생성물의 미반응 부분뿐만 아니라 반응 그 자체의 가스 생성물을 방출하는 적어도 하나의 통기구를 포함한다. 반응 가스 생성 입자가 탄산 칼슘인 바람직한 경우에 있어서, CO₂ 가스 의 미반응 부분은 알루미늄 합금 용융물과 CO₂의 반응을 통해 생성된 CO 반응 생성물과 함께 방출될 수 있다. CO는 가연성 가스이므로, 이러한 부산물은 반응 유닛(30)의 표면에서 안전하게 연소될 수 있다.The reaction unit 30 also includes at least one vent for discharging the gas product of the reaction itself, as well as the unreacted portion of the gas product from which the reaction gas product particles are decomposed. In a preferred case where the reactant gas generating particles are calcium carbonate, the unreacted portion of the CO ₂ gas may be released with the CO reaction product produced through the reaction of the aluminum alloy melt with CO ₂ . Since CO is a flammable gas, these by-products can be safely combusted at the surface of the reaction unit 30.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 통과 시간 및 혼합 유닛의 형상은 미반응된 반응 가스 생성 입자의 나머지 부분을 남겨두고 반응 가스 생성 입자(33)의 일부만을 분해하도록 선택된다. 이러한 본 발명의 실시예에 있어서, 반응 가스 생성 입자의 미반응 부분은 발포성 현탁액(47)에서 발포제로서 기능한다.In one embodiment of the invention, the transit time and the shape of the mixing unit are selected to decompose only a portion of the reactant gas generating particles 33 leaving the rest of the unreacted reactant gas generating particles. In this embodiment of the invention, the unreacted portion of the reactant gas generating particles functions as a blowing agent in the foamable suspension 47.

본 발명의 다른 실시예에 있어서, 통과 시간 및 혼합 유닛의 형상은 반응 가스 생성 입자(33)를 완전히 분해하도록 선택된다. 도8에 도시된 바와 같이, 점성 강화 합금 용융물은 교반기(44)와 함께 발포제 분산 유닛(42)으로 흐를 수 있고, 발포제(46)는 혼합 발포성 용융 알루미늄 공급 원료(48)를 생성하기 위해 첨가된다. 도면에는 도시되지 않았으나, 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 혼합 발포성 용융 알루미늄 공급 원료는 발포제의 첨가에 앞서 이후에 노에서 재용융될 수 있는 잉곳을 형성하기 위해 임의의 캐스터형 장치(optional caster-type device)에 통과될 수 있다. 다른 가스 통기구(37)는 발포제 분산 유닛(42)으로부터 초과 가스를 선택적으로 배기할 수 있다. In another embodiment of the invention, the transit time and the shape of the mixing unit are selected to completely decompose the reactant gas generating particles 33. As shown in FIG. 8, the viscosity enhancing alloy melt can flow with the stirrer 44 into the blowing agent dispersion unit 42, and the blowing agent 46 is added to produce the mixed foaming molten aluminum feedstock 48. . Although not shown in the drawings, in another embodiment of the present invention, the mixed expandable molten aluminum feedstock may be optionally caster-formed to form an ingot that may later be remelted in a furnace prior to addition of the blowing agent. type device). The other gas vent 37 may selectively exhaust excess gas from the blowing agent dispersion unit 42.

혼합 발포성 용융 알루미늄 공급 원료(48)는 이어서 연속적인 제품(플레이트, 시트, 바, 압출물 등)을 형성하기 위해, 또는 냉각될 때 자체로 사용되거나 다른 소재에 적층될 수 있는 액체 발포/셀 시트를 제공하기 위해 (도시되지는 않았으 나) 연속적인 벨트 캐스트(continuous belt caster), 롤 캐스트(roll caster), 수직 캐스트(vertical caster) 등에 의해 가공되도록 발포 유닛에 통과될 수 있다. The mixed foamed molten aluminum feedstock 48 is then used to form a continuous product (plates, sheets, bars, extrudates, etc.) or a liquid foam / cell sheet that can be used by itself or laminated to other materials when cooled It may be passed through the foaming unit to be processed by a continuous belt caster, roll caster, vertical caster, or the like (not shown) to provide.

도9a 내지 도9c를 참조하면, 장치(25)의 다른 실시예는, 반응 유닛 또는 분산 유닛으로부터 팁으로 알루미늄의 이송을 제공하는 로터리 용적식 펌프이다. 이전의 용융 금속 펌프는 일반적으로 원심력 또는 왕복 설계에 의존하였고 금속 누출(metal leakage)을 감소시키기 위해 엄격한 오차를 필요로 하였다. 종래의 용융 금속용과는 달리, 발포의 혼합 및 개시에 의한 알루미늄 용융물의 증가된 고착 점성(sessile viscosity)(약 700cp)이 용적식 펌프 설계의 적용을 허용하였다. 일 실시예에 있어서, 펌프는 도9a 및 도9b에 도시된 로브 펌프 또는 도9c에 도시된 기어 펌프일 수 있고, 이는 벨트 상으로 또는 팁으로 발포성 용융물의 정확한 계측(metering)을 허용한다.9A-9C, another embodiment of the apparatus 25 is a rotary displacement pump that provides transfer of aluminum from the reaction unit or dispersion unit to the tip. Previous molten metal pumps generally depended on centrifugal force or reciprocating design and required strict errors to reduce metal leakage. Unlike conventional molten metals, the increased sessile viscosity of the aluminum melt by mixing and initiating the foam (about 700 cps) allowed the application of a volumetric pump design. In one embodiment, the pump may be a lobe pump shown in FIGS. 9A and 9B or a gear pump shown in FIG. 9C, which allows accurate metering of the foamed melt onto the belt or to the tip.

도9a 및 도9b를 참조하면, 바람직한 실시예에 있어서, 로브(50) 뿐만 아니라 펌프 하우징(51)이 고온 재질로 형성된 로브 펌프가 도시되어 있다. 일 실시예에 있어서, 펌프 하우징(51)은 진입면(52)과, 출구면(32)과, 제1 측벽(54)과, 제2 측벽(55)과, 중간 펌프면(56)을 포함한다. 중간 펌프면(56)은 펌프 챔버를 제공하기 위해 로브(50)에 대응하는 형상을 가진다. 제1 측벽, 중간 펌프면 및 제2 측벽은 복수의 스터드 및 볼트로 연결되고, 볼트는 알루미늄 발포 공정 온도로 인한 열적 팽창에 적응할 수 있도록 설계된다. 로브(50)는 펌프 챔버 내에서 회전될 때 펌핑 액션을 제공하는 형상을 가진다. 바람직한 일 실시예에 있어서, 펌프 하우징(51)과 로브(50)는 공구로 가공할 수 있는 질화 붕소를 포함하는 세라믹으로 형성된다. 펌프 하우징(51) 및 로브(50)의 재료가 누출을 제거하는 열적 팽창을 가지고 재료의 물리적 특성의 현저한 저하 없이 제조되는 알루미늄 발포체와 일치하는 온도를 견딜 수 있는 한, 다른 재료 또한 고려될 수 있다는 점을 알 수 있다.9A and 9B, in a preferred embodiment, a lobe pump is shown in which the pump housing 51 as well as the lobe 50 is formed of a high temperature material. In one embodiment, the pump housing 51 includes an entry face 52, an outlet face 32, a first side wall 54, a second side wall 55, and an intermediate pump face 56. do. The intermediate pump face 56 has a shape corresponding to the lobe 50 to provide a pump chamber. The first side wall, the intermediate pump face and the second side wall are connected by a plurality of studs and bolts, the bolts being designed to adapt to thermal expansion due to the aluminum foaming process temperature. The lobe 50 is shaped to provide a pumping action when rotated in the pump chamber. In one preferred embodiment, the pump housing 51 and lobe 50 are formed of a ceramic comprising boron nitride that can be machined with a tool. Other materials may also be considered, as long as the materials of the pump housing 51 and lobe 50 have thermal expansion to eliminate leakage and can withstand temperatures consistent with the aluminum foams produced without significant degradation of the physical properties of the material. You can see the point.

본 발명의 일 실시예는 발포의 광범위한 개시에 앞서 혼합 발포성 용융 알루미늄을 펌핑하는 장치일 수 있다. 일례로, 팽창이 250 퍼센트보다 크지 않은, 바람직하게는 200 퍼센트보다 작은 한, 발포성 용융 알루미늄은 펌핑될 수 있다. One embodiment of the present invention may be an apparatus for pumping mixed expandable molten aluminum prior to extensive initiation of foaming. In one example, the expandable molten aluminum can be pumped as long as the expansion is not greater than 250 percent, preferably less than 200 percent.

알루미늄 발포체의 팽창도가 수리할 수 없도록 구조를 변형하지 않는 한, 더 크거나 작은 팽창도도 고려할 수 있으며, 이는 본 발명의 범위 내에 있음을 알 수 있다.Unless the structure is modified so that the expandability of the aluminum foam is unrepairable, larger or smaller expansions can also be considered, which can be seen within the scope of the present invention.

일 실시예에 있어서, 장치(25)는 가열된 주형 또는 팁을 더 포함한다. 일 실시예에 있어서, 발포제의 분해율을 증가시키기 위해 유입되는 혼합 발포성 현탁액의 온도 이상으로 팁이 가열된다. 바람직하게는, 팁은 670℃ 내지 740℃ 범위의 온도로 가열된다. 일례에서, 발포율은 혼합 발포성 알루미늄 합금의 온도를 증가시킴에 의해 6분에서 30초로 감소될 수 있다.In one embodiment, the device 25 further comprises a heated mold or tip. In one embodiment, the tip is heated above the temperature of the incoming mixed foam suspension to increase the rate of decomposition of the blowing agent. Preferably, the tip is heated to a temperature in the range of 670 ° C to 740 ° C. In one example, the foaming rate can be reduced from 6 minutes to 30 seconds by increasing the temperature of the mixed expandable aluminum alloy.

다른 실시예에서, 혼합 발포성 용융 알루미늄 공급 원료(48)는, 현저하게 발포가 발생하여 다른 생성물 용도로 발포성 고체 전구체를 생성하기 전에 냉동 유닛에 매우 빠르게 통과될 수 있다. 놀랍게도, 재용융된 발포성 고체 전구체로부터 생성된 알루미늄 발포체는 발포체 셀 크기가 커지도록 한다. 이러한 공정은 더 큰 셀 크기의 금속 발포체를 생성하는데 사용될 수 있고, 이는 수많은 최종 용도에 적합할 수 있다.In another embodiment, mixed foamed molten aluminum feedstock 48 can pass very quickly through the refrigeration unit before significant foaming occurs to produce the foamable solid precursor for other product applications. Surprisingly, aluminum foams produced from remelted foamable solid precursors result in large foam cell sizes. This process can be used to produce metal foams of larger cell size, which can be suitable for many end uses.

본 발명의 알루미늄 발포체는 건설, 자동차, 항공용 구조 재료를 제공하기 위해 처리될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 알루미늄 발포체는 플랫 패널을 제공하기 위해 처리될 수 있으며, 플랫 패널은 구조의 바닥, 지붕 및 벽으로 사용될 수 있다.The aluminum foams of the present invention can be processed to provide structural materials for construction, automobiles, and aviation. In some embodiments, aluminum foam can be treated to provide a flat panel, which can be used as the floor, roof, and wall of the structure.

선택적으로, 혼합 발포성 용융 알루미늄 공급 원료(48)는, 주형 제품, 부품의 내·외부를 형성하기 위해 발포 및 냉각될 수 있는 주형 또는 중공 부품에 통과될 수 있다.Optionally, the mixed foamed molten aluminum feedstock 48 can be passed through a mold or hollow part that can be foamed and cooled to form the interior and exterior of the mold product, part.

이하의 예에서는 본 발명을 더 설명하기 위해 제공되는 것으로서 이하 몇몇 이점을 나타낸다. 본 발명은 개시된 특정예에 제한되고자 하는 것은 아니다.The following examples are presented to further illustrate the present invention and present several advantages below. It is not intended that the invention be limited to the specific examples disclosed.

예 1: 알루미늄 합금 Example 1: aluminum alloy 발포체의Foam 안정성에 있어서 반응 가스 생성 입자의 효과 Effect of Reactive Gas Generating Particles on Stability

일련의 알루미늄 합금 용융물은, 발포체 구조에서 중력 배수에 대한 성향(propensity for gravitational drainage) 및 알루미늄 발포체의 안정성에 있어서 탄산 칼슘의 효과를 판단하기 위해 마련되었다. 중량비로 2퍼센트의 마그네슘-알루미늄 합금(Al-2wt.% Mg alloy) 100gm을 포함하는 표본이 다양한 무게 분율의 탄산 칼슘 분말을 첨가하고 다른 시간 동안 용융되고 격렬히 교반되었다. 교반 후에는, 개별적으로 화학적 발포제가 첨가되고, 30초 동안 분산되었다. 이번 테스트에 있어서 화학적 발포제는 탄산 칼슘이었다. 이후, 다양한 표본이 발포되었고, 알루미늄 발포체의 상승을 관측하였다.A series of aluminum alloy melts was prepared to determine the effect of calcium carbonate on the propensity for gravitational drainage and the stability of the aluminum foam in the foam structure. Samples containing 100 gm of 2% magnesium-aluminum alloy (Al-2wt.% Mg alloy) by weight were added with various weight fractions of calcium carbonate powder and melted and stirred vigorously for different times. After stirring, chemical blowing agents were added individually and dispersed for 30 seconds. The chemical blowing agent in this test was calcium carbonate. Thereafter, various samples were foamed and the rise of the aluminum foam was observed.

발포 후에, 표본이 급속도로 냉각되었고, 발포 표본을 분할하고 중량을 측정하고 촬영하고 밀도를 계산하였다. 이러한 테스트의 결과는 도10에 도시되었다. 위 결과는 안정된 알루미늄 용융물을 생성함에 있어서 탄산 칼슘의 역할과, 구조에 있어서 탄산 분해 생성물의 영향의 영향을 보여준다.After foaming, the specimens cooled rapidly and the foamed specimens were split, weighed, photographed and the density calculated. The results of this test are shown in FIG. The above results show the role of calcium carbonate in producing a stable aluminum melt and the effect of carbonic acid degradation products on the structure.

표본 S-787295에 있어서, 반응 가스 생성 입자(CaCO₃)는 첨가되지 않았고, 용융물은 6분 동안 공기 중에서 단순히 교반되었고, 화학적 발포제의 연속적인 분산 및 발포 작업은 매우 열악한 품질의 발포체를 만들었다. (알루미늄과 비교하여) 상대적인 밀도는 기재의 77 퍼센트였다. 발포 제품의 상부로부터 하부에서 분할된 표본 세트로부터 취해진 표준 편차는 이와 동일한 수준이고, 표본이 실질적인 중력 배수를 경험함을 나타냈다. 이러한 데이터는 발포하는 동안 알루미늄 용융물을 안정화함에 있어서 (현재의 방법상) 공기 중에서 단순히 교반하는 것이 비효율적임을 보여준다.In sample S-787295, no reactant gas generating particles (CaCO ₃ ) were added, the melt was simply stirred in air for 6 minutes, and the continuous dispersion and foaming operation of the chemical blowing agent made a foam of very poor quality. Relative density (compared to aluminum) was 77 percent of the substrate. The standard deviation taken from the sample set split from the top to the bottom of the foam product is at this same level, indicating that the sample experiences substantial gravity drainage. These data show that it is inefficient to simply stir in air (in current methods) in stabilizing the aluminum melt during foaming.

표본 S-787293에 있어서(도9에 도시됨), 중량비로 2 퍼센트의 탄산 칼슘이 용융물에 첨가되고, 2분 동안 교반되었으며, 표본은 알루미늄 발포체를 안정화함에 있어서 반응 가스 생성 입자의 불충분한 분해의 비효율성을 나타냈다. 여기에서, 짧은 교반 주기(2분 교반)는 불충분한 수준의 금속 산화물 상을 갖는 알루미늄 매트릭스를 생성시킨다. 발포 이전의 후속적인 화학적 발포제의 첨가 및 분산, 후속적인 냉각은, 매력적인 발포 제품으로 인정받기에는 너무 높은 54 퍼센트의 상대 밀도를 갖는 발포 제품으로 만든다. 발포체의 다른 영역들 사이에서의 표준 편차 는 약 34 퍼센트에 이르므로, 발포 제품이 심한 중력 배수를 경험한다는 것이 명확하다. 이러한 결과는 표본 S-787296과 비교될 수 있으며, 여기서 교반 시간을 6분으로 연장한 것 외에는 모든 실험 파라미터는 동일했다. 여기서, 24 퍼센트라는 매력적인 상대적인 밀도가 구해졌고, 발포체 영역들 사이의 표준 편차는 발포 제품에서 매우 균일한 밀도를 나타내는 7 퍼센트로 현저하게 낮아졌다.For sample S-787293 (shown in FIG. 9), 2 percent of calcium carbonate was added to the melt by weight and stirred for 2 minutes, and the sample was subjected to insufficient decomposition of the reactant gas generating particles in stabilizing the aluminum foam. Inefficiency was shown. Here, a short stirring cycle (2 minutes stirring) produces an aluminum matrix with an insufficient level of metal oxide phase. Subsequent addition and dispersion of the chemical blowing agent prior to foaming, subsequent cooling makes the foamed product with a relative density of 54 percent too high to be recognized as an attractive foamed product. Since the standard deviation between the different areas of the foam reaches about 34 percent, it is clear that the foamed product experiences severe gravity drainage. This result can be compared with sample S-787296, where all experimental parameters were identical except for extending the stirring time to 6 minutes. Here, an attractive relative density of 24 percent was obtained, and the standard deviation between the foam regions was significantly lowered to 7 percent, indicating a very uniform density in the foam product.

더 높은 수준의 가스 생성 입자, 예를 들어 중량비로 4 퍼센트, 8 퍼센트 및 10 퍼센트의 탄산 칼슘(각각, 표본 S-787291, S-787294 및 S-787299)은 발포체 밀도에서 별로 크지않은 변화를 보이며, 중력 배수에 저항성을 보인다. 이러한 특정 합금 조성 및 탄산 칼슘의 입자 크기 분포에 있어서, 최소 중량비로 2 퍼센트의 첨가 및 6분의 교반 주기는 용융을 안정화하는데 필요하다.Higher levels of gas generating particles, such as 4 percent, 8 percent, and 10 percent calcium carbonate (samples S-787291, S-787294 and S-787299, respectively) by weight, show a modest change in foam density. It is resistant to gravity drainage. In this particular alloy composition and the particle size distribution of calcium carbonate, 2 percent addition and 6 minutes stirring period in minimum weight ratio are needed to stabilize the melt.

예2: Example 2: 발포체Foam 구조에 있어서 In structure CaCOCaCO ₃₃ 입자 크기 분포의 효과 Effect of Particle Size Distribution

일련의 알루미늄 합금 용융물은 발포체 구조에 있어서 중력 배수에 대한 성향 및 알루미늄 발포체의 안정성에 있어서 탄산 칼슘(반응 가스 생성 입자)의 크기 및 무게 분율의 효과를 판단하기 위해 마련되었다. 중량비로 2퍼센트의 마그네슘-알루미늄 합금 100gm을 포함하는 표본이 용융되었고, 다양한 무게 분율의 탄산 칼슘 분말을 첨가한 이후 6분 동안 격렬히 교반되었다. 이러한 실험 결과는 도11에 나타나 있으며, "조대(coarse)"라고 라벨이 부착된 입자는 체적 평균 직경이 150 미크론에 상당하는 반면, "미세"라고 라벨이 부착된 입자는 체적 평균 직경이 40 미크론에 상당한다. 더 미세한 탄산염이 알루미늄 용융물을 안정화함에 있어서 더 명확히 큰 효율을 나타낸다. 중량비로 2 퍼센트로 탄산염을 첨가함에 있어서, "조대" 입자의 첨가는 평균 발포체 밀도가 25 퍼센트를 보이는 반면, "미세" 입자는 17 퍼센트의 밀도를 보인다. 이러한 더 미세한 탄산염의 추가는, 도10에 도시된 바와 같이 점성 강화제의 유효 무게 분율이 1 퍼센트에 이르는 것을 허용한다. 이러한 데이터는 더 미세한 탄산염 분포가 더 낮은 최소 수준의 점성 첨가제를 야기할 것이라는 점을 암시한다.A series of aluminum alloy melts were prepared to determine the effect of size and weight fractions of calcium carbonate (reaction gas generating particles) on the propagation of gravity drainage and stability of the aluminum foam in the foam structure. A sample containing 100 gm of 2% magnesium-aluminum alloy by weight was melted and stirred vigorously for 6 minutes after the addition of various weight fractions of calcium carbonate powder. The results of these experiments are shown in Figure 11, where particles labeled "coarse" correspond to a volume average diameter of 150 microns, whereas particles labeled "fine" have a volume average diameter of 40 microns. Corresponds to Finer carbonates show greater efficiency in stabilizing the aluminum melt. In adding carbonate at 2 percent by weight, the addition of "coarse" particles shows 25 percent average foam density, while "fine" particles have 17 percent density. The addition of this finer carbonate allows the effective weight fraction of the viscosity enhancer to reach 1 percent, as shown in FIG. These data suggest that finer carbonate distributions will result in lower minimum levels of viscous additives.

예3: 알루미늄 Example 3: aluminum 발포체의Foam 안정화에 있어서 마그네슘 첨가의 효과 Effect of Magnesium Addition on Stabilization

일련의 알루미늄 합금 용융물이 발포체 구조에 있어서 중력 배수에 대한 성향 및 알루미늄 발포체의 안정성에 있어서 마그네슘 수준의 효과를 판단하기 위해 마련되었다. 알루미늄과, 다양한 수준의 마그네슘을 포함하는 100gm의 표본이 용융되었고, 중량비로 20 퍼센트의 탄산 칼슘 분말을 첨가한 이후에 격렬히 교반되었다. 그 결과는 도12에 나타나 있다. (특정 탄산염 크기 및 무게 분율을 위해) 중량비로 2퍼센트의 마그네슘을 추가할 때, 발포체 제품의 상대적인 밀도가 거의 전체 밀도로부터 중량비로 25 퍼센트로 낮아지는 현저한 효과가 나타난다. 더 많은 마그네슘을 첨가하더라도, 발포체 밀도 그 자체에 있어서 효과가 제한된다.A series of aluminum alloy melts was prepared to determine the effect of magnesium levels on the propensity for gravity drainage and stability of the aluminum foam in the foam structure. 100 gm of samples containing aluminum and various levels of magnesium were melted and stirred vigorously after the addition of 20 percent calcium carbonate powder by weight. The result is shown in FIG. When adding 2 percent magnesium by weight (for specific carbonate sizes and weight fractions), there is a significant effect that the relative density of the foam product is lowered from nearly full density to 25 percent by weight. Even if more magnesium is added, the effect is limited on the foam density itself.

예4: 발포제로서 중요한 안정화 첨가물을 사용하는 알루미늄 Example 4: Aluminum with Stabilizing Additives as Important Blowing Agents 발포체의Foam 단일 단계 생산 Single stage production

일련의 알루미늄 합금 용융물이 단일 교반 단계에 있어서 혼합(혼합은 여기에서 용융물에 미반응 발포제를 더한 것을 의미한다) 발포성 차지를 생성할 가능성과, 알루미늄 발포체의 안정성 및 밀도에 있어서 반응 가스 생성 입자의 교반 시간의 효과를 판단하기 위해 마련되었다. 도13은 용융되고 탄산염의 첨가 후에 다양한 시간 동안 격렬히 교반되는 중량비로 2퍼센트의 마그네슘-알루미늄 합금 표본 100gm의 결과를 보여준다. 이러한 탄산염의 크기에 있어서, 위 결과는 가장 낮은 발포체 상대 밀도-18 퍼센트가 되게 하는 약 6분의 최적 교반 시간을 나타낸다.A series of aluminum alloy melts are mixed in a single agitation step (mixing here means adding unreacted blowing agent to the melt) and agitation of the reactant gas generating particles in the stability and density of the aluminum foam It is designed to judge the effect of time. FIG. 13 shows the results of a 100 gm sample of 2 percent magnesium-aluminum alloy in weight ratio that melts and is vigorously stirred for various hours after addition of carbonate. For these carbonate sizes, the above results show an optimum stirring time of about 6 minutes leading to the lowest foam relative density -18 percent.

더 짧은 교반 시간은 발포체의 상부에서 하부까지의 밀도를 증가시킴에 의해 나타나는 불충분한 수준의 안정화 효과를 나타낸다. 그러나, 10분의 교반에서, 불충분한 미반응 탄산염은 발포 단계 동안에 발포체의 팽창을 유도하도록 유지되고, 이로써 상대 밀도의 증가를 야기한다. 따라서, 10분의 교반은 (밀도 판독값들 사이에서 낮은 표준 편차에 의해 판단되듯이) 최고의 안정도를 제공하는 반면에, 최상의 안정화 밸런스 및 나머지 발포체의 효율을 제공하지 않는다.Shorter stirring times show an insufficient level of stabilizing effect exhibited by increasing the density from the top to the bottom of the foam. However, at 10 minutes of stirring, insufficient unreacted carbonate is maintained to induce expansion of the foam during the foaming step, thereby causing an increase in relative density. Thus, 10 minutes of agitation provides the best stability (as judged by the low standard deviation between density readings), while not providing the best stabilization balance and the efficiency of the remaining foam.

예5: 발포제로서 중요한 안정화 첨가물을 사용하는 알루미늄 발포체의 단일 단계 생산Example 5: Single Stage Production of Aluminum Foam Using Stabilizing Additives as Important Blowing Agents

일련의 알루미늄 합금 용융물이 단일 교반 단계에 있어서 혼합 발포성 차지를 생성할 가능성과, 알루미늄 발포체의 안정성 및 밀도에 있어서 반응 가스 생성 입자의 무게 분율 및 교반 시간의 효과를 판단하기 위해 마련되었다. 도14는 용융되고 탄산염의 첨가 후에 다양한 시간 동안 격렬히 교반되는 중량비로 2퍼센트의 마그네슘-알루미늄 합금 표본 100gm의 결과를 보여준다. 이러한 탄산염의 크기에 있어서, 위 결과는 상부로부터 하부로 취해진 밀도의 표준 편차에 의해 판단되는 바와 같이, 증가된 탄산염 수준 또는 증가된 교반 시간 중 어느 하나와 함께 증가된 안정성을 보여준다. 단일 추가는 중량비로 8 퍼센트로부터 14 퍼센트로 증가되는 탄산 칼슘이고, 교반 시간은 2분으로부터 8분으로 변하며, 밀도는 17 퍼센트만큼 낮게 된다.A series of aluminum alloy melts were prepared to determine the likelihood of producing a mixed effervescent charge in a single stirring step and the effect of the weight fraction of the reactant gas generating particles and the stirring time on the stability and density of the aluminum foam. FIG. 14 shows the results of 100 gm of 2% magnesium-aluminum alloy specimens by weight ratio, melted and vigorously stirred for various hours after addition of carbonate. For these carbonate sizes, the above results show increased stability with either increased carbonate levels or increased agitation time, as judged by the standard deviation of the density taken from top to bottom. The single addition is calcium carbonate increased from 8 percent to 14 percent by weight, the stirring time varies from 2 minutes to 8 minutes and the density is as low as 17 percent.

본 발명은 특정 실시예에 대해 도시되고 설명되었으나, 당업자라면 구체적인 형태의 변경이 본 발명의 범위 및 기술 사상으로부터 벗어나지 않고도 이루어질 수 있다는 것을 알 수 있다. 본 발명은 설명 및 예시된 정확한 형태 및 세부 사항에 제한되지 않으며 첨부된 청구항 내에 한정될 뿐이다.While the invention has been shown and described with respect to particular embodiments, it will be apparent to those skilled in the art that changes in the specific forms may be made without departing from the scope and spirit of the invention. The invention is not limited to the precise forms and details described and illustrated, but only by the claims appended hereto.

Claims

Providing a reactant gas generating particle having a decomposition temperature of about 350 ° C. to 850 ° C. under atmospheric pressure,

Combining the reactant gas generating particles with a molten metal alloy comprising aluminum;

Stirring the molten metal alloy comprising the reactive gas generating particles to decompose at least a portion of the reactive gas generating particles into a reactive gas;

Dispersing the chemical blowing agent in the foamable suspension to produce a mixed foamable suspension,

Foaming the mixed foamable suspension to produce a liquid metal foam,

Curing the liquid metal foam to produce a foamed aluminum article,

Wherein the reactant gas is vigorously combined with the molten metal alloy to produce a foamable suspension of the metal oxide phase and gas bubbles.

The method of claim 1, wherein the reactant gas generating particles comprise magnesium carbonate, calcium carbonate, dolomite or mixtures thereof.

The method of claim 2, wherein the reaction gas generating particles are calcium carbonate.

The method of claim 1, wherein the chemical blowing agent comprises magnesium carbonate, calcium carbonate, dolomite, titanium hydride, zirconium hydride, or mixtures thereof.

The method of claim 4, wherein the chemical blowing agent is calcium carbonate.

The method of claim 1, wherein the molten metal alloy comprises industrial grade purity aluminum, aluminum scrap, aluminum comprising silicon and magnesium, or mixtures thereof.

The method of claim 3, wherein the calcium carbonate has an average diameter of less than 40 microns.

The method of claim 3, wherein the calcium carbonate comprises 0.5 to 4 percent of the molten metal alloy by weight.

The method of claim 5, wherein the calcium carbonate comprises 0.5 to 4 percent of the molten metal alloy by weight.

The method of claim 1, wherein the molten metal alloy comprises 0.5 to 8 percent magnesium by weight.

The method of claim 1, wherein the mixed foamable suspension is cured and remelted prior to the foaming step of the mixed foamable suspension to produce a liquid metal foam.

The method of claim 1, wherein the foaming of the mixed foamable suspension further comprises heating the mixed foamable suspension to increase the decomposition rate of the chemical foaming agent.

13. The method of claim 12, comprising heating the mixed foamable suspension to a temperature in the range of about 670 ° C to 740 ° C.

Stirring the molten metal alloy comprising the reactive gas generating particles to decompose the first portion of the reactive gas generating particles into the reactive gas and to maintain the second portion of the reactive gas generating particles in an unreacted state;

Foaming the mixed foamable suspension to produce a liquid metal foam,

Curing the liquid metal foam to produce a foamed aluminum article,

The reactant gas is combined vigorously with the molten metal alloy to create a metal oxide phase and gas bubbles, and the second portion of the reactant gas generating particles in the unreacted state is a foamed aluminum suspension, which produces a chemical foaming agent. Way.

15. The method of claim 14, wherein the reactant gas generating particles comprise magnesium carbonate, calcium carbonate, dolomite or mixtures thereof.

The method of claim 15, wherein the reaction gas generating particles are calcium carbonate.

15. The method of claim 14, wherein the molten metal alloy comprises industrial grade purity aluminum, aluminum scrap, aluminum including silicon and magnesium, or mixtures thereof.

The method of claim 16, wherein the calcium carbonate has an average diameter of less than 40 microns.

The method of claim 15, wherein the calcium carbonate comprises 2 to 16 percent of the molten metal alloy by weight.

18. The method of claim 17, wherein the molten metal alloy comprises 0.5 to 8 percent magnesium by weight.

The method of claim 14, wherein the mixed foamable suspension is cured and remelted prior to the foaming step of the mixed foamable suspension to provide a liquid metal foam.

Stirring the molten metal alloy comprising the reactive gas generating particles to decompose at least a portion of the reactive gas generating particles into a reactive gas,

Wherein the reactant gas is vigorously combined with the molten metal alloy to produce a foamable suspension of the metal oxide phase and gas bubbles in the molten metal alloy.

23. The foamable liquid + gas + solid suspension in molten aluminum of claim 22, further comprising a volume expansion of the foamable suspension in the range of about 5-50 percent after stirring the molten metal alloy comprising the reactant gas generating particles. How to prepare.

The method of claim 22, wherein the molten metal alloy comprises 0.5 to 8.0 percent magnesium by weight.

A supply system for providing reactant gas generating particles and a molten metal alloy provided at a preselected flow rate;

A reaction unit in communication with the supply system,

A tip in communication with the reaction unit,

The reaction unit comprises a mixing unit combining the reaction gas generating particles and the molten metal alloy into a mixed foamable suspension, at least one vent in the reaction unit for releasing gaseous byproducts, and a furnace containing the reaction unit,

Wherein the mixing unit has a built-in stirrer and has a volume configured to provide a passage time through the mixing unit to decompose at least a portion of the reactant gas generating particles at a preselected flow rate within the mixing unit.

27. The apparatus of claim 25, wherein the tip comprises a mold having a shape for an aluminum foam product.

The apparatus of claim 25 comprising a conveying system for conveying the mixed foamable suspension from the reaction unit to the tip.

The apparatus of claim 25, further comprising a volumetric pump for transferring the mixed foam suspension from the reaction unit to the tip.

27. The apparatus of claim 26, wherein the volumetric pump is a rotary gear pump or a rotary lobe pump.

The apparatus of claim 25, wherein the tip is electrically heated or heated using gaseous fuel.

A reaction unit in communication with the supply system,

A dispersion unit in communication with said reaction unit,

The dispersion unit is located in a blowing agent mixing chamber containing a foaming suspension, a supply system positioned to provide a chemical blowing agent to the foaming suspension in the blowing agent mixing chamber, and a blowing agent mixing chamber to disperse the chemical blowing agent to produce a mixed foaming suspension. A stirrer and a transfer system for transferring the mixed foam suspension from the dispersion unit to the tip,

Wherein the mixing unit has a built-in stirrer and has a volume configured to provide a passage time through the mixing unit suitable for decomposing at least a portion of the reactant gas generating particles at a preselected flow rate within the mixing unit. .

32. The apparatus of claim 31, wherein the preselected flow rate of the molten metal or the volume of the mixing unit is configured to completely decompose the reactant gas generating particles in producing an expandable suspension.

32. The apparatus of claim 31, wherein the transfer system is a volumetric pump.

34. The apparatus of claim 33, wherein the volumetric pump is a rotary gear pump or a rotary lobe pump.

32. The apparatus of claim 31, wherein the tip is electrically heated or heated using gaseous fuel.

The apparatus of claim 31, wherein the tip comprises a mold having a shape for the aluminum foamed product.

Magnesium in the range of about 0.5 to 8 percent by weight, aluminum alloy matrix having an average size of less than 1.0 micron and a fine metal oxide distribution in the range of about 0.5 to 16 percent by weight,

A pore distribution in said aluminum alloy matrix comprising a plurality of closed pores having an average diameter in the range of about 200 to 1500 microns,

Wherein the pore distribution in the aluminum alloy matrix provides a product density between 0.30 g / cm 3 and 0.70 g / cm 3.

38. The aluminum foam material of claim 37, wherein the metal oxide is made of aluminum oxide, magnesium oxide, calcium oxide, or a combination thereof.

An aluminum alloy matrix comprising an effective amount of magnesium,

Distribution of fine metal carbonates,

A pore distribution in said aluminum alloy matrix,

Aluminum foam material substantially free of stable ceramic particles of diameter greater than 5 microns.

40. The aluminum foam material of claim 39, wherein the effective amount of magnesium is between 0.5 and 8 percent by weight.

40. The aluminum foam material of claim 39, wherein the fine metal carbonate comprises calcium carbonate, magnesium carbonate or a combination thereof.

40. The aluminum foam material of claim 39, wherein the pore distribution comprises pores having an average diameter in the range of about 200 to 1500 microns.

40. The aluminum foam material of claim 39, wherein the pore distribution comprises 70 to 90 percent of the volume of the aluminum foam material foam.

40. The aluminum foam material of claim 39, wherein the metal carbonate is in the range of 0.5 to 16 percent by weight.

40. The aluminum foam material of claim 39, wherein the fine metal carbonate distribution comprises carbonates having an average size of less than 100 microns.

A structural, automotive or aviation structural material comprising the aluminum foam material of claim 39.

45. The structural material of claim 44, wherein said structural material is a flat panel.

An aluminum alloy matrix having an average wall thickness in the range of about 5 to 100 microns,

An aluminum foam material having an average pore diameter in the range of about 200 to 1500 microns and comprising a pore distribution in the aluminum alloy matrix that constitutes 70 to 90 percent of the aluminum foam material by volume ratio.

49. The aluminum foam material of claim 48, wherein the average pore diameter is less than 1000 microns.