NO172697B - Fremgangsmaate ved fremstilling av partikkelforsterket metallskum og resulterende produkt - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en prosess for fremstilling av metallskum og mer spesielt en prosess for tilveiebringelse av tynnveggede, lukkede porer av partikkelforsterket metallskum.

Metallskum, såvel som keramikkskum og plastskinn, har på grunn av en unik kombinasjon av lav vekt og mekaniske egenskaper funnet økt anvendelse som konstruksjonsmaterialer.

Det finnes flere måter å fremstille skum på. Forskjellige forskummingsteknikker er kjent hvor f.eks. hydrider tilsettes i smeltet metall eller det tilsettes en organisk sammensetning som frigjør gasser under oppvarming. Dampavsetning på polymeriske substrater eller støping av metall rundt granuler som deretter utvaskes og etterlater en porøs metallstruktur, utgjør andre eksempler på fremstilling av metaller med cellulær struktur.

Prosesser hvor skum dannes ved hjelp av gassinnblåsing påvirkes av overflatespenningen og viskositeten til den aktuelle smelte. Overflatespenningen motvirker sprenging av poreveggene under den progressive økning av volumet av de dannede boblene, mens lav overflatespenning resulterer i dannelse av tynne boblevegger.

Egenskapene til skum, siden dette gjelder gassdispergering i den faste fase, er stort sett bestemt av deres egenvekt, men porenes størrelse, struktur og fordeling er også viktige faktorer som påvirker egenskapene.

Generelt blir slikt metallskum fremstilt ved å tilføre smeiten et middel som utvikler gass og deretter oppvarme den resulterende blandingen for å dekomponere midlet slik at det utvikles ekspanderende, poredannende gasser. Forskummingsmidlet er vanligvis metallhydrider slik som TiH2 eller ZrH2/ og etter forskummingen blir støpeformen avkjølt for dannelse av et størknet skummateriale. Porer med ulik struktur og/eller uønsket stor størrelse kan oppstå på grunn av vanskeligheter med å fordele gassen som utvikler bobler jevnt gjennom hele metallskum-volumet.

GB patent nr. 1.287.994 omhandler en prosess for fremstilling av metallskum hvor det benyttes et viskositetsøkende middel omfattende en inert gass eller et materiale som inneholder oksygen som frigjøres ved smeltet tilstand hvormed den fremstilte viskose smelte behandles med et forskummingsmiddel. Luft, nitrogen, karbondioksyd, argon og vann blir fortrinnsvis benyttet i prosessen som viskositetsøkende middel i mengder fra 1 til 6 gram pr. 100 gram legeringssmelte. Metallhydrider blir brukt som forskummingsmiddel (hafnium-, titan-, zirconiumhydrider) . i mengder fra 0,5 til 1,0 gram pr. 100 gram legeringssmelte.

Fortrinnsvis blir økningen i viskositet forsterket ved nærværet av et "hjelpemetall", f. eks. blir fra 4 til 7 vekt% magnesium brukt i aluminiumlegeringer. En god innblandingsteknikk er nødvendig, tilsetningen av skummemiddel blir vanligvis utført ved temperaturer som er lavere enn temperaturen ved hvilken det viskositetsøkende midlet blir tilført i et separat kar.

Den omtalte prosess blir utført batchvis, og det tas sikte på å oppnå bedre skumegenskaper med hensyn på enhetlig størrelse og fordeling, og det påstås at forbruket av skummemiddel er redusert. Dette representerer en heller tidkrevende og dyr prosess som anvender flere prosesstrinn og enheter basert på dyre varmedekomponerbare gassutviklingsmidler (hydrider).

Europeisk patentsøknad nr. 0.210.803 viser en lignende batchvis metode for fremstilling av metallskum basert på bruk av 0,2 til 8,0 vekt% metallisk kalsium som viskositetskontrollerende middel og titanhydrid i en mengde fra 1 til 3 vekt% av smeiten som forskummingsmiddel.

En ytterligere metode for fremstilling av skummetall ved dekomponering av varmedekomponerende forgassingsmiddel i smeltet metall er omtalt i US patent nr. 3.297.431. Forbedringen angis å være at det tilsettes et finfordelt, finsiktet pulver til metallet før det varmedekomponerende forgassingsmidlet (karbon-ater eller hydrider) dekomponeres, eller før gass oppløses i smeiten. Det stabiliserende pulveret kan være et metall eller ikke-metall, element eller middel, og to fuktbare pulvere kan fortrinnsvis anvendes hvorav det ene danner et legeringselement i metallet. Vanligvis blir gassen oppløst ved et gitt trykk og deretter avgitt ved et lavere trykk.

En felles ulempe ved de hittil kjente prosesser er at de alle utføres batchvis og anvender dyre forgassingsmidler eller oppløste gasser som f orskummingsmiddel og viskositetsøkende eller stabiliserende tilsetninger for å oppnå god metallskumkvalitet.

Videre krever de kjente løsningene nøyaktig kontroll av temperatur og trykk i de ulike trinn i prosessen. Følgelig er det hittil ingen metode som anvendes industrielt på en økonomisk måte og som kan tilby metallskum til lav pris i konkurranse med andre materialer.

På denne bakgrunn er det et formål med foreliggende oppfinnelse å fremskaffe en enkel og rimelig metode for fremstilling av kvalitetsmetallskum.

Et annet formål med foreliggende oppfinnelse er å fremskaffe en metode for oppgradering av avfallmetall.

Et ytterligere formål med oppfinnelsen er å fremskaffe en ny type partikkelforsterket metallskum som utviser forbedrede mekaniske egenskaper.

Disse og andre formål med oppfinnelsen oppnås med fremgangsmåten karakterisert og definert ved de medfølgende patentkrav 1-6.

Oppfinnelsen i dens ulike former skal beskrives detaljert, og forskjellige andre formål, fordeler og ytterligere trekk ved oppfinnelsen vil komme bedre til uttrykk i den etterfølgende beskrivelse i tilknytning til vedheftede tegninger, Fig. 1-4, hvor: Fig. 1 viser skjematisk i form av et flytskjema prosessen for fremstilling av et metallskum i henhold til oppfinnelsen. Fig. 2 avbilder i naturlig størrelse avtrykket av en skum-metallprøve som er fremstilt i henhold til oppfinnelsen. Fig. 3 viser et optisk metallografisk bilde av en lukket

porestruktur for aluminiumskum.

Fig. 4 illustrerer grafisk resultatene fra en kompresjonstest

som er gjort for skumprøver.

Med henvisning til Fig. 1 som viser skjematisk prosessen for fremstilling av metallskum, er det funnet at et metallskum av den lukkede pore-typen som har enhetlig densitet og porestruktur kan fremstilles enkelt ved å tilføre finfordelt forskummingsgass i en smelte som inneholder forsterkende partikler (molten particle reinforced metal matrix composite material (PMMC)).

Ingen spesielle tilsetninger for regulering av viskositeten til smeiten eller spesielle forholdsregler med hensyn til fordeling av gassboblene i smeiten var nødvendig. Gassboblene stiger til toppen av smeiten og danner skum som stadig øker i volum. Det ble ikke observert noen tendens til at boblene sprakk når de nådde toppen av smeiten. Dette indikerer at gassboblenes overflate er (høyst) stabil. Den øvre del av "skum-kaken" størkner og kan lett fjernes. Selv skum som ikke helt er størknet kan fjernes uten at strukturen i porene forandres på grunn av den tykke konsistensen til det dannede skummet.

Dette representerer en ganske viktig fordel med foreliggende oppfinnelse siden det er mulig å kjøre prosessen kontinuerlig ved å overføre halvstørknet skum til støpeformene. Det er også en mulighet på dette trinn til å forme skummet direkte til spesielle formål, noe som vil innebære økt fleksibilitet med hensyn på sluttbehandlingen av metallskum som halvfabrikata.

Eksempel 1

30 kg av en eutektisk aluminiumlegering (Sil2MglNi2,5) ble smeltet i en åpen digel. Til legeringssmelten som ble holdt ved en temperatur på 650°C ble det tilført silisiumkarbid partikler med en gjennomsnitlig størrelse på 12 fim, og samtidig ble det tilført CO2 gass finfordelt i smeiten ved hjelp av en spesiell smeltebehandlingsrotor som er beskrevet i US patent nr. 4.618.427. Under tilførselen av CO2 med overskudd i smeiten begynte det å stige bobler mot toppen slik at det ble dannet et økende skumskikt. De øvre deler av metallskummet størknet uten noen tegn til overflatesprekker.

Fig. 2 viser i naturlig størrelse et fotografisk bilde av den dannede skumprøve som ble fjernet fra den størknede toppen av "skumkaken". Tverrsnittet av prøven fremviser en enhetlig fordeling av porer som har en diameter i størrelsesorden 1 til 5 mm. Egenvekten ble målt til 0,2 g/crn^.

Eksemplel 2

20 kg PMMC skrapmateriale (AI2O3- forsterket Al-legering) ble omsmeltet i en åpen digel. Trykkluft ble tilført som forskummingsgass i dette tilfellet, finfordelt på tilsvarende måte som i eksempel 1. Også her ga de dannede boblene opphav til en skumstruktur når de nådde toppen av smeiten og fikk tid på seg til å kjøles ned.

De oppnådde porene (cellene) er hovedsakelig sfæriske og lukkede slik at metallskummet har isotropiske egenskaper og dette spesielt med hensyn på energiabsorpsjon.

Ved metallografisk undersøkelse av strukturen av prøven under eksempel 1, ble det avslørt en ekstremt tynnvegget skumstruktur som illustrert i Fig. 3. Veggtykkelsen i dette metallografiske bilde, med en forstørrelse på 20, tilsvarer størrelsen på de forsterkende SiC partiklene, dvs. ca. 12 /xm.

De mekaniske egenskapene til det fremstilte metallskum er angitt i Fig. 4 som illustrerer resultatene fra trykkprøvene som ble utført på prøver fra eksempel 1. Den flate trykk/strekk-kurven fra prøvene som har en høyde på 26 mm og en anvendt krysshode hastighet på 2 mm/min. er typisk for denne typen materiale så fremt porestrukturen ikke kollapser fullstendig. Energiabsorp-sjonsevnen til dette metallskum ble fastslått å være 2 kJ/1 skum, hvilket representerer en ganske fordelaktig verdi sammenlignet med verdier som er vist i litteraturen for kommersielt tilgjengelig Al-skum.

Det er åpenbart at de oppnådde forbedrede mekaniske egenskapene til de dannede metallskum er et resultat av den fordelaktige påvirkning fra de forsterkende partiklene i porestrukturen. Følgelig byr den ovenfor beskrevne metode for fremstilling av metallskum ifølge foreliggende oppfinnelse på flere fordeler både med hensyn på økonomien til prosessen og egenskapene til det dannede skum.

Først og fremst er det en mulighet til å utøve prosessen på en kontinuerlig basis ved kontinuerlig å omsmelte eller tilføre smeltet metall med forsterkende partikler og ved å anvende et variert utvalg tilgjengelige gasser som forskummingsgasser, så som N2, Ar, CO2, He og til og med trykkluft som normalt er lett tilgjengelig til lave priser.

Det finnes ingen spesielle krav til temperatur, trykk og jevn fordeling av gassbobler under formingen og størkningen av metal 1 skummet. Tettheten, og til en viss grad også porestørr-elsen, kan på en enkel måte kontrolleres ved å finfordele gassen i smeiten, fortrinnsvis ved å anvende ovennevnte smeltebehandlingsrotor, men også andre midler som sikrer finfordelte gassbobler i smeiten kan anvendes. Skummet som akkumuleres på toppen av smeiten, kan føres direkte inn i støpeformer til størkning slik at det kan fremstilles støpte komponenter med forskjellig utseende og størrelse, eller den kan gjøres til gjenstand for en viss deformering eller omformering i halv-størknet tilstand.

Videre, selv om det er mulig å fremstille den smeltede partikkel-forsterkede legeringen i en separat prosess ved å anvende aktiv gass og tilsetning av forsterkende partikler før tilførsel av forskummingsgassen, ligger det største potensialet ved foreliggende oppfinnelse i en oppgradering av lavgradert kompositt-skrapmateriale. Dette økende volum av komposittskrap representerer idag et stort problem siden det ikke rent umiddelbart kan anvendes sammen med resirkulert, sekundært aluminium.

Claims (6)

1. Fremgangsmåte for fremstilling av partikkelforsterket metallskum, karakterisert ved at fremgangsmåten er en kontinuerlig prosess hvor det tilveiebringes smeltet komposittmetallmateriale omfattende metallmatriks og finfordelte forsterkningspartikler, forskummingsgass tilføres i smeiten, smeiten forskummes og forskummet materiale akkumuleres på toppen av smeltens smeltede overflate.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at det smeltede komposittmaterialet tilveiebringes ved omsmelting av metallkomposittmateriale.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at komposittmaterialet fremstilles in situ i et kar ved tilførsel og fordeling av forsterkende partikler i smeltet metall eller metallegering ved hjelp av en aktiv gass.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 3, karakterisert ved at C02 tilføres som den aktive gassen og partiklene er ildfaste partikler.

5. Fremgangsmåte ifølge ett eller flere av de forannevnte krav, karakterisert ved at som komposittmateriale anvendes partikkelforsterket aluminium eller aluminiumlegering.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at som forskummingsgass anvendes luft.