RU2801169C1

RU2801169C1 - Method for producing aluminum foam

Info

Publication number: RU2801169C1
Application number: RU2022129783A
Authority: RU
Inventors: Илья Владимирович Лапин; Вероника Владимировна Бронская; Виктор Владимирович Жиляков
Filing date: 2022-11-17
Publication date: 2023-08-02

Abstract

FIELD: powder metallurgy.

SUBSTANCE: invention is related in particular to methods for aluminium foam. It can be used in construction, aircraft, automotive, shipbuilding and elevator industries. The aluminium alloy powder is mixed with an eggshell powder blowing agent and cold pressed to form a billet. The workpiece is heated by induction to a temperature of 10-20°C below the formation temperature of the most fusible eutectic of the workpiece material, kept at this temperature for 5-7 min in argon and cooled in air.

EFFECT: aluminium foam with a compressive strength of 100-140 kgf/cm².

1 cl

Description

Область техники, к которой относится изобретениеThe field of technology to which the invention belongs

Изобретение относится к способам изменения физической структуры цветных металлов, в частности, к получению пеноалюминия. Также изобретение относится к области порошковой металлургии и может быть использовано в строительстве, авиации, автомобилестроении, судостроении лифтостроении и в других областях, где требуется сочетание легкости, плавучести, негорючести, экологической чистоты, способности гасить энергию удара, а также колебания акустических и электромагнитных волн.The invention relates to methods for changing the physical structure of non-ferrous metals, in particular, to the production of aluminum foam. The invention also relates to the field of powder metallurgy and can be used in construction, aviation, automotive, shipbuilding, elevator building and other areas where a combination of lightness, buoyancy, incombustibility, environmental friendliness, the ability to dampen impact energy, as well as fluctuations of acoustic and electromagnetic waves is required.

Уровень техникиState of the art

Основная проблема, связанная с металлической пеной, заключается в получении однородной пористости. Литература показывает, что производство алюминиевых пенопластов хорошего качества как с открытыми, так и с закрытыми порами стоит очень дорого. В свете вышеизложенного настоящая работа направлена на производство недорогих алюминиевых пенопластов более высокого качества с использованием СаСО₃ в качестве пенообразователя в алюминиевой пене с закрытыми порами и гранул полистирола в качестве держателей пространства в алюминиевых пенопластах с открытыми порами.The main problem associated with metal foam is to obtain a uniform porosity. The literature shows that the production of good quality aluminum foams with both open and closed cells is very expensive. In light of the above, the present work is directed to the production of lower cost, higher quality aluminum foams using CaCO ₃ as a blowing agent in closed cell aluminum foam and polystyrene beads as space holders in open cell aluminum foams.

Известно применение мергелоподобного известняка в качестве порофора (В. Ashok Kumar À*, S. Naga Kumaro and V. Chengal ReddyÀÀ Department of Mechanical Engineering, Annamacharya Institute of Technology and Science, Rajampet, India Adopted 10 March 2014, available online 01 April 2014, Special Issue-3 (April 2014) B. Ashok Kumar et al. International Journal of Modern Engineering and Technology, Special Issue-3, (April 2014) 41).It is known to use marl-like limestone as a blowing agent (B. Ashok Kumar À*, S. Naga Kumaro and V. Chengal ReddyÀÀ Department of Mechanical Engineering, Annamacharya Institute of Technology and Science, Rajampet, India Adopted 10 March 2014, available online 01 April 2014, Special Issue-3 (April 2014) B. Ashok Kumar et al. International Journal of Modern Engineering and Technology, Special Issue-3, (April 2014) 41).

Однако существуют технологические сложности в получении качественного порофора из мергелоподобного известняка.However, there are technological difficulties in obtaining high-quality porophore from marl-like limestone.

Известен способ получения металлической пены с помощью гидрида титана (TiH2) и гидрида циркония (ZiH2) (US 2751289 A, опубл. 1956-06-19). Известное решение относится к пенометаллам и способам их получения. Целью является создание быстрого способа производства пенометаллов. Хорошее смачивание и особенно удовлетворительная высокая прочность металлических пенопластов низкой плотности были получены путем внедрения порошкообразного гидрида титана (TiH2) в расплавленный алюминий, магний или алюминиево-магниевые сплавы; также путем внедрения гидрида циркония (ZiH2) в алюминиево-магниевые сплавы в диапазоне от алюминия до 80% магния. Желательно, чтобы газообразующее твердое вещество диссоциировало при температуре, равной или лишь немного выше температуры плавления основного металла, чтобы пена могла легко затвердеть до того, как она рассеется. Это может быть достигнуто соответствующим выбором газообразующего агента и металла или регулированием давления. Одним из средств достижения этого является добавление газообразующего твердого вещества к металлу, который становится расплавленным при температуре ниже температуры разложения твердого вещества, измельчение твердого вещества с расплавленным металлом для обеспечения хорошего контакта и смачивания расплавленным металлом, а затем добавление к этой смеси - другого совместимого с ней расплавленного металла, который плавится при температуре немного выше температуры разложения твердого вещества, так что при смешивании расплавленных составов будет происходить разложение и пенообразование при температуре лишь немного выше температуры затвердевания расплавленной смеси.A method for producing metal foam using titanium hydride (TiH2) and zirconium hydride (ZiH2) is known (US 2751289 A, publ. 1956-06-19). The known solution relates to foam metals and methods for their production. The goal is to create a fast way to produce foam metals. Good wetting and particularly satisfactory high strength low density metal foams have been obtained by incorporating powdered titanium hydride (TiH2) into molten aluminium, magnesium or aluminium-magnesium alloys; also by incorporating zirconium hydride (ZiH2) into aluminum-magnesium alloys ranging from aluminum to 80% magnesium. It is desirable that the gassing solid dissociate at a temperature equal to or only slightly above the melting point of the base metal so that the foam can easily solidify before it dissipates. This can be achieved by appropriate selection of blowing agent and metal or by pressure control. One means of achieving this is to add a blowing solid to the metal that becomes molten at a temperature below the decomposition temperature of the solid, grind the solid with the molten metal to ensure good contact and wetting with the molten metal, and then add to this mixture another compatible molten metal that melts at a temperature slightly above the decomposition temperature of the solid, so that when the molten compositions are mixed, decomposition and foaming will occur at a temperature only slightly above the solidification temperature of the molten mixture.

Однако существуют технологические сложности в получении качественного порофора из гидрида титана и гидрида циркония, который может применяться для производства пеноалюминия.However, there are technological difficulties in obtaining a high-quality blowing agent from titanium hydride and zirconium hydride, which can be used for the production of aluminum foam.

Характеристики разложения термогравиметрического анализа гидрида титана показывают низкие температуры разложения данного вида порофора, что уменьшает степень его применения для получения пеноалюминия, так как хранения алюминиевого порошка подразумевает увеличение его окисления. Это неизбежно ведет к увеличению термического разложения алюминиевого порошка при повышенных температурах, хотя условия в подборе порофора при получении качественного пенометалла гласят, что порофор должен иметь разложение близко к ликвидусу матричного металла.The decomposition characteristics of the thermogravimetric analysis of titanium hydride show low decomposition temperatures of this type of blowing agent, which reduces the degree of its use for the production of aluminum foam, since the storage of aluminum powder implies an increase in its oxidation. This inevitably leads to an increase in the thermal decomposition of the aluminum powder at elevated temperatures, although the conditions in the selection of the blowing agent when obtaining high-quality foam metal state that the blowing agent must have a decomposition close to the liquidus of the matrix metal.

Что касается разложения гидрида циркония, то оно выше температуры ликвидуса алюминия и алюминиевых сплавов. Это не приемлемо для получения пеноалюминия.As for the decomposition of zirconium hydride, it is higher than the liquidus temperature of aluminum and aluminum alloys. This is not acceptable for aluminum foam production.

Основными недостатками известного способа являются низкая производительность, высокая стоимость, а также потенциальная взрыво- и пожароопасность процесса при выделении водорода на выполняемых технологических операциях.The main disadvantages of the known method are low productivity, high cost, as well as the potential explosion and fire hazard of the process during the evolution of hydrogen in the ongoing technological operations.

Известно выбранное в качестве прототипа решение, описанное в статье «Синтез и характеристика алюминиевой пены с закрытыми ячейками, содержащей доломитовый порошок в качестве пенообразователя» (Materials and Technologies 48(6):943-947, опубл. 2014, ссылка: https://www.researchgate.net/publication/279032813_Synthesis_and_characterization_of_al_foams_ produced_by_powder_metallurgy_route_using_dolomite_and_titanium_hydride_as_a_foaming_agents).The solution chosen as a prototype is known, described in the article "Synthesis and characterization of closed-cell aluminum foam containing dolomite powder as a blowing agent" (Materials and Technologies 48(6):943-947, publ. 2014, link: https:// www.researchgate.net/publication/279032813_Synthesis_and_characterization_of_al_foams_produced_by_powder_metallurgy_route_using_dolomite_and_titanium_hydride_as_a_foaming_agents).

В этой работе была исследована жизнеспособность доломитового порошка в качестве экономически эффективной альтернативы вспенивающему агенту TiH2. Образцы алюминиевой пены с закрытыми ячейками были приготовлены из твердых вспениваемых прекурсоров, синтезированных методом порошковой металлургии и расплава. Прекурсоры, полученные путем расплава, подвергались механической обработке и дополнительному холодному изостатическому прессованию с целью повышения их плотности. Во всех случаях полученные прекурсоры состояли из алюминиевой матрицы, содержащей различные массовые доли равномерно диспергированных доломитовых порошков различного среднего размера частиц и 5% частиц SiC. Прекурсоры вспенивали путем вставки в цилиндрическую форму из нержавеющей стали и помещения в предварительно нагретую печь периодического действия при температуре 700°С в течение 10 минут. Качество вспениваемых прекурсоров оценивали путем определения их начальной плотности и эффективности вспенивания. С другой стороны, качество полученных пенопластов характеризовалось их плотностью, микроструктурой и механическими свойствами. Экспериментальные результаты подтвердили, что алюминиевые пены, синтезированные с доломитовым порошком в качестве вспенивающего агента, могут быть получены как путем порошковой металлургии, так и путем расплава, а также то, что плотность, микроструктура, прочность на сжатие и энергопоглощающая способность вполне сопоставимы с соответствующими аналогами, вспененными TiH₂.In this work, the viability of dolomite powder as a cost-effective alternative to TiH2 blowing agent was investigated. Closed-cell aluminum foam samples were prepared from solid foamable precursors synthesized by powder metallurgy and melt. Precursors obtained by melting were subjected to mechanical processing and additional cold isostatic pressing in order to increase their density. In all cases, the resulting precursors consisted of an aluminum matrix containing various mass fractions of uniformly dispersed dolomite powders of various average particle sizes and 5% SiC particles. The precursors were foamed by being inserted into a stainless steel cylindrical mold and placed in a preheated batch oven at 700° C. for 10 minutes. The quality of foamable precursors was evaluated by determining their initial density and foaming efficiency. On the other hand, the quality of the obtained foams was characterized by their density, microstructure and mechanical properties. Experimental results confirmed that aluminum foams synthesized with dolomite powder as a blowing agent can be obtained both by powder metallurgy and by melt, and that the density, microstructure, compressive strength and energy absorption capacity are quite comparable with the corresponding analogues. , foamed TiH ₂ .

Однако существуют технологические сложности в получении качественного порофора из доломитового порошка, который может применяться для производства пеноалюминия.However, there are technological difficulties in obtaining high-quality blowing agent from dolomite powder, which can be used for the production of aluminum foam.

Недостатком прототипа является процесс получения компонентов, т.е. порофора в виде доломитового порошка, который проходит многоступенчатые затратно энергетические стадии, такие как карьерная разработка (напрямую зависят от глубины залегания в земной коре), логистика доставки на производство и складирование, измельчение грохотами, измельчение мельницами грубого и тонкого помола, сушка и классификация порошков. Задействуются дробилки первичного и вторичного дробления; сушильные барабаны, так как вещество является гигроскопичным; транспортные ленты и другое вспомогательное оборудование.The disadvantage of the prototype is the process of obtaining components, ie. blowing powder in the form of dolomite powder, which goes through multi-stage energy-consuming stages, such as quarrying (directly dependent on the depth of occurrence in the earth's crust), logistics of delivery to production and storage, grinding with screens, grinding with coarse and fine grinding mills, drying and classification of powders. Crushers of primary and secondary crushing are involved; drying drums, since the substance is hygroscopic; conveyor belts and other auxiliary equipment.

Также основной химический состав доломитовой муки показал, что содержание карбоната кальция составляет 76%, карбоната магния 14%, что существенно понижает выделение порообразующего газа СО₂ и уменьшает поровое пространство в образцах в применяемых термических условиях получения пеноалюминия.Also, the basic chemical composition of dolomite flour showed that the content of calcium carbonate is 76%, magnesium carbonate 14%, which significantly reduces the release of pore-forming CO ₂ gas and reduces the pore space in the samples under the applied thermal conditions for producing aluminum foam.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

В одном аспекте изобретения раскрыто применение порошка яичной скорлупы для получения пеноалюминия.In one aspect of the invention, the use of eggshell powder for the production of aluminum foam is disclosed.

Задачей предлагаемого решения является внедрение доступного и легкого в получении новейшего вида порофора в виде порошка из скорлупы куриных яиц, который не ухудшает качественных характеристик полученного пеноматериала.The objective of the proposed solution is the introduction of an affordable and easy-to-obtain new type of blowing agent in the form of a powder from the shell of chicken eggs, which does not impair the quality characteristics of the obtained foam material.

Сущность изобретения заключается в том, что в качестве порофора для производства пеноалюминия используют порошок яичной скорлупы.The essence of the invention lies in the fact that eggshell powder is used as a blowing agent for the production of aluminum foam.

Технический результат получение пеноалюминия с прочностью на сжатие 100-140 кгс/см², снижение затрат на производство пеноалюминия.EFFECT: obtaining aluminum foam with a compressive strength of 100-140 kgf/cm ² , reducing the cost of producing aluminum foam.

Осуществление изобретенияImplementation of the invention

Способ включает в себя: смешивание порошков алюминиевого сплава с порошковым порофором, полученным из скорлупы птиц; засыпку полученной смеси в прессформы различного размера, холодное прессование, нагрев полученной заготовки до температуры на 10-20°С ниже температуры образования самой легкоплавкой эвтектики материала заготовки, выдержку при этой температуре в течение 5-7 мин в среде аргона, при индукционном способе нагревания, охлаждение на воздухе.The method includes: mixing powders of aluminum alloy with a powder blowing agent obtained from bird shells; pouring the resulting mixture into molds of various sizes, cold pressing, heating the resulting workpiece to a temperature of 10-20 ° C below the temperature of formation of the most fusible eutectic of the workpiece material, holding at this temperature for 5-7 minutes in an argon environment, with the induction heating method, air cooling.

Исходя из того, что в процессе получения пеноалюминия были использованы порошки алюминия ГОСТ 6058-73 с размерностью 50 мкм, то в виде порофора был применен порошок яичной скорлупы с размерностью 56-71 мкм. Для получения порошка скорлупа промывается, высушивается, а затем измельчается любым подходящим измельчителем, известным в уровне техники. Полученные размеры пор в образце полученного пеноалюминия составляют 10-50 мкм.Based on the fact that in the process of obtaining aluminum foam, aluminum powders GOST 6058-73 with a dimension of 50 microns were used, then eggshell powder with a dimension of 56-71 microns was used as a blowing agent. To obtain a powder, the shell is washed, dried, and then crushed by any suitable grinder known in the prior art. The obtained pore sizes in the sample of the obtained aluminum foam are 10-50 microns.

Исследования образцов порошка яичной скорлупы и пеноалюминия проводили с использованием оборудования Центра коллективного пользования «Наноматериалы и нанотехнологии» Казанского национального исследовательского технологического университета.Studies of samples of eggshell powder and aluminum foam were carried out using the equipment of the Center for Collective Use "Nanomaterials and Nanotechnologies" of the Kazan National Research Technological University.

Полученные на синхронном термоанализаторе STA 6000 (PerkinElmer) термоаналитические кривые ТГ-ДТГ (термогравиметрия - деривативная термогравиметрия), ДСК (дифференциальная сканирующая калориметрия) представленного порофора показали температуру максимального эндотермического разложения порофора в виде порошка яичной скорлупы - 784°С. Анализ показал температуру начала разложения порофора из яичной скорлупы 529°С и конец разложения 813°С. Общая потеря массы для порошка яичной скорлупы составила 47,97%. Эти показатели являются ключевыми для получения пористой структуры полученного материала (пеноалюминия).The thermoanalytical curves of TG-DTG (thermogravimetry - derivative thermogravimetry), DSC (differential scanning calorimetry) of the presented porophore, obtained on a synchronous thermal analyzer STA 6000 (PerkinElmer), showed the temperature of maximum endothermic decomposition of the porophore in the form of eggshell powder - 784 ° C. The analysis showed the temperature of the start of decomposition of the eggshell porophore 529°C and the end of decomposition 813°C. The overall weight loss for the eggshell powder was 47.97%. These indicators are key to obtaining the porous structure of the resulting material (foam aluminum).

Показатели биологического карбоната кальция, полученного из скорлупы, отличаются от показателей карбоната кальция, добытого из минералов, ключевые данные получены экспериментально и приведены в абзаце выше.Biological calcium carbonate obtained from the shell differs from calcium carbonate obtained from minerals, key data are obtained experimentally and are given in the paragraph above.

Проведенное исследование показало, что порошок доломитовой муки имеет показатели выделения газа хуже (33.54%) по сравнению с порошком яичной скорлупы (47,97%).The study showed that dolomite flour powder has worse outgassing rates (33.54%) compared to eggshell powder (47.97%).

Исследование полученных образцов пеноалюминия показало, что их прочность на сжатие составляет 100-140 кгс/см², что является хорошим показателем для производства различных изделий из пеноалюминия.The study of the obtained samples of aluminum foam showed that their compressive strength is 100-140 kgf / cm ² , which is a good indicator for the production of various products from aluminum foam.

Варианты осуществления не ограничиваются описанными здесь вариантами осуществления, специалисту в области техники на основе информации, изложенной в описании и знаний уровня техники, станут очевидны и другие варианты осуществления изобретения, не выходящие за пределы сущности и объема данного изобретения.Embodiments are not limited to the embodiments described herein, other embodiments of the invention will become apparent to those skilled in the art based on the information set forth in the description and knowledge of the prior art, without going beyond the essence and scope of this invention.

Claims

A method for producing aluminum foam, including mixing aluminum alloy powder with a blowing agent, cold pressing to obtain a workpiece and heating, characterized in that eggshell powder is used as the blowing agent, and the workpiece is heated by induction to a temperature of 10-20 ° C below the temperature of formation of the most fusible eutectic material of the workpiece, maintained at this temperature for 5-7 min in argon and cooled in air.