PL211439B1 - Sposób wytwarzania elementów konstrukcyjnych ze spienionych metali - Google Patents

Abstract

Sposób charakteryzuje się tym, że w procesie spieniania kąpieli metalowej w temperaturze 430 - 1200°C, korzystnie 700°C, dodaje się do stopionego metalu cząstki stałe o wymiarach 1-500 µm, a następnie ciekła mieszanka metali z cząstkami stałymi przedmuchiwana jest gazem lub gazami obojętnymi i/ lub aktywnymi w ilości 100 - 800% objętości metalu, przy czym łączna ilość cząstek stałych dodanych i wytworzonych podczas przedmuchiwania osiąga wartości bliskie wartości krytycznej, stanowiącej stosunek gęstości pozornej tych cząstek do ich gęstości rzeczywistej. Ujawniono także zastosowanie do wytwarzania elementów konstrukcyjnych ze spienionych metali, korzystnie na bazie aluminium lub magnezu i ich stopów, zawierających zwykłe zanieczyszczenia, sposobu, w którym w procesie spieniania wprowadzane są cząstki stałe o wymiarach 1 - 500 µm, przy czym łączna ilość cząstek stałych dodanych i wytworzonych podczas przedmuchiwania zapewnia osiągnięcie wartości bliskiej wartości krytycznej, stanowiącej stosunek gęstości pozornej tych cząstek do ich gęstości rzeczywistej, natomiast objętość gazów wykorzystywanych przy spienianiu stanowi 100 - 800% objętości stopionego metalu.

Description

(12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 211439 (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: 384998 ^{(51) Int.Cl.}

B22F 3/11 (2006.01) C22C 1/08 (2006.01) (22) Data zgłoszenia: 22.04.2008 (54) Sposób wytwarzania elementów konstrukcyjnych ze spienionych metali (73) Uprawniony z patentu:

AKADEMIA MORSKA W SZCZECINIE, Szczecin, PL (43) Zgłoszenie ogłoszono:

26.10.2009 BUP 22/09 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono:

(72) Twórca(y) wynalazku:

JANUSZ GRABIAN, Szczecin, PL MICHAŁ SZWEYCER, Poznań, PL KATARZYNA GAWDZIŃSKA, Szczecin, PL

31.05.2012 WUP 05/12 (74) Pełnomocnik:

rzecz. pat. Tadeusz Kachnic

PL 211 439 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania elementów konstrukcyjnych ze spienionych metali lub ich stopów.

Rozwiązanie dotyczy stosowania stopów metali do wytwarzania różnych pianowych wyrobów, w szczególnoś ci elementów konstrukcyjnych stosowanych na statkach morskich, które w przypadku stopienia się podczas pożaru nie będą stanowić strugi lejącego się strumienia ciekłego metalu, a jedynie stałą konsystencję metalu.

Elementy konstrukcyjne ze spienionych metali są wytwarzane na podstawie różnych technologii i mają róż norodne zastosowanie. Wspólną wł a ś ciwoś cią spienionych stopów metali jest ich niewielki ciężar właściwy, tj. stosunek ciężaru do objętości, oraz stosunkowo duża wytrzymałość i stabilność mechaniczna, jak również niewielka przewodność elektryczna i cieplna, a także właściwość tłumienia dźwięków. W zależności od stosowanej technologii wytwarzane są piany metalowe z zamkniętymi lub otwartymi porami, określane ogólnie jako struktury porowate, przy czym w wyniku dalszej obróbki pory mogą mieć różną postać, przykładowo mogą być mniej lub bardziej kuliste, soczewkowe, względnie podłużne, jak również wewnątrz piankowego elementu konstrukcyjnego mogą znajdować się obszary z porami o różnej wielkości oraz ze ściankami o róż nej grubości. Piany metalowe mogą być wytwarzane w postaci struktur przekładkowych, zaopatrzonych w warstwy zewnętrzne z blachy, względnie mogą być nimi wypełniane przestrzenie ograniczone ściankami tworzącymi tzw. struktury skrzynkowe.

W metalurgii wytapiania piany metalowej stosuje się często stopy metali, do których dodaje się dodatki podwyższające lepkość.

Najczęściej stosowanymi są technologie wytwarzania piany metalowej uwzględniające dodatki do metalu środków porotwórczych, rozkładających się w określonej temperaturze i wytwarzających gaz tworzący pianę. Jako środki porotwórcze stosowane są przeważnie wodorki metali, węglany, wodziany (hydraty), sproszkowane substancje organiczne, związki azotowe, azotki, wodorotlenki, kwaśne węglany, względnie mieszanki tlenków z węglem, wytwarzające w wysokiej temperaturze gazy.

Z niemieckiego opisu patentowego nr 4 424 157 znane są piany metalowe o anizotropowej przewodności cieplnej i elektrycznej.

Z amerykańskiego opisu patentowego nr US 3 790 365 znany jest sposób wytwarzania piany metalowej, polegający na takim prowadzeniu rozpadu środka pianotwórczego w ciekłym metalu, aby nastąpiło rozprężanie masy metalu z wydzielającym się gazem wytwarzającym pory. Rozprężanie to uzyskuje się przez wprowadzenie specjalnego dodatku do środka pianotwórczego, który w płynnym metalu powoduje rozprężenie i wytwarzanie się piany metalowej, przy czym w celu opadnięcia tej piany stosuje się wielokrotne rozpienianie i mieszanie. Sposób ten umożliwia wytwarzanie dobrej jakości pian ze stopów na bazie cynku. Jako środki spieniające i rozprężające stosuje się wodorek tytanu w ilości od 0,1 do 1,5% wagowo, przy czym proces spieniania prowadzi się w temperaturze od 475 - 500°C.

Z niemieckiego opisu patentowego nr 4 018 360 znany jest sposób wytwarzania porowatych, metalowych elementów konstrukcyjnych, obejmujący następujące operacje:

- wytworzenie mieszaniny proszków metali wedł ug żądanego skł adu i przynajmniej jednego proszku środka pianotwórczego.

- sprasowania na gorąco tej mieszaniny i nadanie jej żądanej postaci elementu konstrukcyjnego w temperaturze, w której nastę puje zlepianie czą steczek metalu w wyniku dyfuzji i pod wysokim ciśnieniem, przy czym uzyskana struktura zlepionych cząsteczek metalu stanowi gazoszczelną zaporę dla gazu wytwarzanego przez środek pianotwórczy,

- ogrzanie wytworzonego w ten sposób półwyrobu do temperatury rozkładu środka pianotwórczego, a następnie do temperatury topnienia użytych proszków metalowych, w wyniku czego uzyskuje się spieniony element konstrukcyjny,

- ochł odzenie elementu konstrukcyjnego wytworzonego ze spienionego metalu do temperatury otoczenia.

Z polskiego opisu patentowego nr 193 011 B1 znany jest sposób wytwarzania elementów konstrukcyjnych ze stopów metali na bazie cynku, zawierających prócz cynku i zwykłych zanieczyszczeń aluminium również środki spieniające, przy czym metale stanowiące wsad metalowy poddawany spienianiu zawierają od 2 - 80% proszku metalowego, stanowiącego produkt uboczny, względnie odpadowy. Ponadto, proszkowy wsad metalowy może zawierać od 4 - 16% aluminium, do 4% miedzi, magnezu, do 2% tytanu, manganu oraz do 0,1% indu. Sposób wytwarzania elementów ze spienionych stopów metali na bazie cynku według wynalazku stosuje się korzystnie do wytwarzania struktur przePL 211 439 B1 kładkowych, których warstwy zewnętrzne są wykonane z blachy aluminiowej, cynkowej, stalowej, względnie z ocynkowanej blachy stalowej, jak również do wypełniania wnęk ograniczonych cienkimi ściankami, wykonanymi z aluminium, cynku, stali, względnie z ocynkowanej stali.

Technologie wytwarzania pian metalowych opisane są szeroko między innymi w materiałach „Trzeciej międzynarodowej konferencji dotyczącej materiałów komórkowych oraz technologii spieniania metali” która odbyła się w Berlinie w okresie od 23-25 czerwca 2003 roku.

Dobieranie składników stopowych w stosowanych dotychczas technologiach wytwarzania pian metalowych uzależnione jest od żądanego procesu spieniania oraz własności wytworzonych pian, takich jak struktura porów, gęstość piany oraz jej własności izotropowe i anizotropowe. Jak wynika ze stanu techniki, nie brano dotychczas pod uwagę własności pian metalowych, szczególnie zachowania się ich podczas pożaru, gdzie po stopieniu pianowych elementów konstrukcyjnych struga lejącego się stopionego metalu stanowi kolejne źródło zagrożenia pożarowego, co jest bardzo niepożądane, zwłaszcza na statkach morskich.

Należy również podkreślić fakt, że znane i stosowane technologie zakładają obligatoryjne wykorzystywanie różnego rodzaju substancji spieniających metale.

Badania, które doprowadziły do wynalazku, bez użycia substancji spieniających metale, wykazały nieoczekiwanie, że można osiągnąć szczególne właściwości pian np. podczas stopienia się pianowych elementów konstrukcyjnych, co może mieć miejsce np. na statku podczas pożaru, i dzięki tym szczególnym własnościom pian można wręcz wyeliminować potencjalne kolejne źródła pożaru. Osiągnąć to można drogą stworzenia specyficznej budowy wewnętrznej piany metalowej. Po osiągnięciu temperatury topnienia pianowych elementów konstrukcyjnych, zostaje w miejscu ich montażu zamiast strugi lejącego się metalu tylko sproszkowany metal lub nienaruszona struktura pianowa w stanie stałym. W temperaturze przekraczającej temperaturę topnienia metalu struktura piany pozostaje nienaruszona, co związane jest z budową wewnętrzną ścianek (pęcherzy) porów, wynikającą z proporcji udziału fazy stałej i ciekłej gwarantującej nieciągłość fazy ciekłej metalu znajdującego się w pianie.

Celem wynalazku jest opracowanie prostego i skutecznego sposobu wytwarzania elementów konstrukcyjnych ze spienionych stopów metali, które po osiągnięciu temperatury wyższej od temperatury topienia metalu, np. wskutek pożaru, nie będą stanowiły kolejnego potencjalnego źródła pożaru nie będą płynne.

Sposób wytwarzania elementów konstrukcyjnych ze spienionych metali, korzystnie na bazie aluminium lub magnezu i ich stopów według wynalazku charakteryzuje się tym, że w procesie spieniania kąpieli metalowej w temperaturze od 430 - 1200°C, korzystnie 700°C, dodaje się do stopionego metalu cząstki stałe o wymiarach od 1 - 500 μm, przy czym zawartość cząstek stałych wynosi od 0,5 - 60% wagowych. Następnie ciekła mieszanka metali z cząstkami stałymi przedmuchiwana jest gazem lub gazami obojętnymi i/ lub aktywnymi w ilości od 100 - 800% objętości metalu.

Korzystnym według wynalazku jest to, że gaz obojętny stosowany do przedmuchiwania w procesie spieniania stanowi argon.

Korzystnym według wynalazku jest to, że gaz obojętny stosowany do przedmuchiwania w procesie spieniania stanowi hel.

Korzystnym według wynalazku jest to, że gaz aktywny stosowany do przedmuchiwania w procesie spieniania stanowi tlen.

Korzystnym według wynalazku jest to, że stosowane w procesie spieniania cząstki stałe ceramiczne stanowi tlenek aluminium.

Korzystnym według wynalazku jest to, że stosowane w procesie spieniania cząstki stałe ceramiczne stanowi węglik krzemu.

Elementy konstrukcyjne wytworzone sposobem według wynalazku, a poddane temperaturze przekraczającej temperaturę topnienia metalu np. podczas pożaru, charakteryzują się tym, że piana z cząstkami stałymi, dzięki bliskiej lub równej krytycznej ich zawartości w mieszaninie metalowej, traci ciągłość jako ciecz, przechodząc w stan sypki lub wręcz struktura pianowa pozostaje w nienaruszonym stanie stałym. Wyeliminowanie ciekłego stanu skupienia stopionej piany elementów konstrukcyjnych podczas pożarów stanowi jej cenną zaletę, w przypadku stosowania tych elementów na statkach morskich. Powstały po stopieniu piany produkt charakteryzuje się osiągnięciem fazy nieciągłej ciekłego metalu. Produkt nie ma zdolności płynięcia. Wzrost zawartości cząstek stałych, powodujących powstanie nieciągłej zawiesiny, następuje podczas wytwarzania piany na wskutek tworzenia się tlenków na powierzchni pęcherzy piany. Sposób wytwarzania piany metalowej według wynalazku polega więc na wytworzeniu zawiesiny o bliskiej krytycznej, ale od niej niższej lub wyższej, zawartości cząstek

PL 211 439 B1 stałych. Zawartość krytyczną cząstek stałych wyznacza się na podstawie wartości stosunku gęstości pozornej tych cząstek oraz gęstości rzeczywistej ich materiału.

Piana metalowa na bazie aluminium lub jego stopu, w zależności od jego gatunku, ma stosunkowo niską temperaturę topienia wynosząca poniżej 700°C. Produkt powstały w wyniku stopienia pianowych elementów konstrukcyjnych, mający konsystencję ciekłą byłby niebezpieczny w warunkach zagrożenia pożarowego, ponieważ lejąca się struga płynnego metalu stanowiłaby kolejne źródła pożaru.

Dotychczas nie wykorzystywano zjawiska zmiany konsystencji zawiesiny metalowej, która po stopieniu wytworzonych piankowych elementów nie powodowałaby powstawania produktu nie wykazującego ciekłości.

Przedmiot wynalazku został przedstawiony w przykładzie wykonania.

P r z y k ł a d

Do wsadu składającego się ze 100% wagowo stopu aluminium o zawartości 11% krzemu (w kawałkach), po osiągnięciu temperatury 710°C do ciekłego metalu wprowadza się 20% wagowo cząstek stałych, w postaci cząstek ceramicznych węglika krzemu o wielkości 20 μm. Płynne aluminium (stop) z zawartością węglika krzemu utrzymywane jest w temperaturze 710°C i poddane procesowi spieniania przez równomierne przedmuchiwane gazem w całej swojej objętości, przy czym gaz stanowi mieszaninę składająca się 70% argonu i 30% tlenu, natomiast ilość przepuszczonego przez płynne aluminium (stop) gazu stanowi trzykrotną objętość stopionego metalu z cząstkami węglika krzemu. Z wytworzonej w procesie spieniania piany metalowej formowane są płyty o jednakowej strukturze porów. Określona ilość gazu pozwala na swobodne kształtowanie gęstości piany.

Przeprowadzone badanie niepalności wytworzonej pianowej płyty ze stopu aluminium z zawartością węglika krzemu, w temperaturze 750°C, wykazało, obok spełnienia warunków zawartych w normie PN-EN ISO 1182: 2004, całkowity brak ciekłości i zachowanie stabilności kształtu oraz struktury badanego elementu konstrukcyjnego. Temperatura badania na niepalność przekraczała temperaturę topienia stopu aluminium badanego materiału (piany) o 120°C.

Claims (6)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób wytwarzania elementów konstrukcyjnych ze spienionych metali, korzystnie na bazie aluminium lub magnezu i ich stopów, zawierających zwykłe zanieczyszczenia, znamienny tym, że w procesie spieniania kąpieli metalowej w temperaturze od 430 - 1200°C, korzystnie 700°C, dodaje się do stopionego metalu cząstki stałe o wymiarach od 1 - 500 μm, przy czym zawartość cząstek stałych wynosi od 0,5 - 60% wagowych a następnie ciekła mieszanka metali z cząstkami stałymi przedmuchiwana jest, w procesie spieniania, gazem lub gazami obojętnymi i/lub aktywnymi w ilości od 100 - 800% objętości metalu.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że gaz obojętny stosowany do przedmuchiwania w procesie spieniania stanowi argon.
3. 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że gaz obojętny stosowany do przedmuchiwania w procesie spieniania stanowi hel.
4. 4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że gaz aktywny stosowany do przedmuchiwania w procesie spieniania stanowi tlen.
5. 5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosowane w procesie spieniania cząstki stałe stanowi tlenek aluminium.
6. 6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosowane w procesie spieniania cząstki stałe stanowi węglik krzemu.