SK288885B6 - Spôsob výroby súčiastky z kovovej peny, forma na jeho uskutočňovanie a súčiastka vyrobená uvedeným spôsobom - Google Patents

Abstract

Opisuje sa spôsob, pri ktorom sa polotovar v podobe granulátu zo zmesi prášku kovovej zliatiny a peniaceho činidla vloží do dutiny uzatváracej formy a k nemu sa privedie tekutina s hustotou vyššou, ako je zdanlivá hustota výslednej peny. Tekutina má pritom teplotu vyššiu, ako je teplota tavenia prášku kovovej zliatiny. Polotovar následne expanduje, pričom je nadnášaný tekutinou. Počas expanzie sa aspoň časť tekutiny vytláča z formy von cez otvor. Tavenina môže čiastočne zostať vo forme, čím vznikne hybridná štruktúra súčiastky. Opisovaný spôsob podstatne zrýchľuje napeňovanie, zabezpečuje homogénnosť kovovej peny, zjednodušuje formy a znižuje energetické nároky procesu.

Description

Vynález sa týka spôsobu výroby súčiastok z kovovej peny, najmä komplexných a rozmerných súčiastok, kde spôsob umožňuje lýchle, rovnomerné a riadené napeňovanie vo forme. Vynález tiež opisuje formu výhodne používanú pri napeňovaní a súčiastku vyrobenú prostredníctvom nového spôsobu distribúcie tepla pri napeňovaní.

Doterajší stav techniky

Súčiastky z kovových pien sa v súčasnosti vyrábajú štyrmi základnými spôsobmi:

• priamym speňovaním taveniny kovu pomocou plynu vháňaného do taveniny alebo pomocou primiešaného peniaceho činidla, ktoré sa po pridaní do taveniny rozkladá, pričom generuje plyn, • odliatím kovovej zliatiny do vhodnej formy, ktorej dutina vytvára presnú štruktúru výslednej kovovej peny, pričom táto forma sa vytvára vhodnou depozičnou metódou na model z polymémej peny, ktoiý je následne vhodnou metódou z formy odstránený, • priamou depozíciou kovu metódou 3 D tlače alebo na vhodný polymémy model peny, ktoiý sa následne odstraňuje, • speňovaním kompaktných výliskov alebo granulátu vyrobených z práškovej zmesi pozostávajúcej zo základného prášku kovovej zliatiny a prídavného prášku peniaceho činidla (spravidla kovového hydridu alebo uhličitanu), pričom sa výlisky/granulát umiestnené vo vhodnej forme zahrievajú až na teplotu tavenia, kedy sa v roztavenom prášku kovovej zliatiny rozkladom peniaceho činidla začnú vytvárať plynové póry, čím výlisok/granulát expanduje, až kým sa nevyplní celá dutina formy.

Všetky uvedené principiálne metódy majú svoje zásadné obmedzenia, ktoré napriek výnimočným vlastnostiam doteraz neumožnili významné rozšírenie sériovej výroby súčiastok z kovových pien.

Priame speňovanie taveniny naráža na problém rovnomernej distribúcie plynu, resp. častíc peniaceho činidla v tavenine, pretože plyn, resp. peniace činidlo sa musia dodávať do taveniny postupne a musia sa v nej vhodným spôsobom zamiešať. Dochádza pritom k nerovnomernému napeňovaniu rôznych častí taveniny, ktorú je navyše potrebné vhodne stabilizovať pridaním alebo vytvorením stabilizačných keramických častíc, aby nedochádzalo ku kolapsu prvých pórov, kým sa celý objem taveniny nenapení. Problémom je aj samotné miešanie taveniny, ktoré neumožňuje výrobu komplexných rozmerných hotových súčiastok, pretože sa v ich formách nedajú vhodne umiestniť miešadlá. Tento spôsob sa preto väčšinou obmedzuje na výrobu menej zložitých a objemných penových súčiastok, ako sú bloky, panely a pod. Komplexné tvarové súčiastky sa z nich potom vytvárajú mechanickým obrábaním.

Depozičné metódy sú jednak veľmi pomalé a nákladné, jednak takisto neumožňujú výrobu komplexných súčiastok veľkých rozmerov, vzhľadom na možnosti súčasných depozičných zariadení, ako aj s ohľadom na komplikované následné tepelné spracovanie vytvorených pien.

Speňovanie práškových výliskov naopak umožňuje priamu výrobu hotových tvarových súčiastok, pokiaľ sa práškový polotovar ponechá expandovať teplom vo vhodnej dutine formy, až kým sa dutina nevyplní. Nie je pritom potrebné miešadlo, pretože peniace činidlo je už rovnomerne zamiešané v zlisovanej zmesi prášku v polotovare. Problémom však ostáva rovnomernosť napenenia súčiastky, pretože práškový polotovar sa v uzatvorenej dutine formy ohrieva postupne od jej stien, čím dochádza k predčasnému napeneniu v blízkosti stien formy a kúsky polotovaru v strede objemu formy ostávajú často nenapenené. Aby nedochádzalo ku kolapsom pórov, ktoré sú v kontakte so stenou formy, musí mať stena formy teplotu blízku teplote tavenia kovovej zliatiny, čo výrazne spomaľuje celý proces penenia. Forma musí byť okrem toho tenkostenná, pretože celý transfer tepla do práškového polotovaru, ktoré je potrebné na jeho roztavenie, prebieha cez stenu formy navyše pri malom teplotnom rozdiele. Formy, ktoré nemajú dobrú tepelnú vodivosť, napr. pieskové alebo keramické škrupinové, sa preto použiť nedajú. Najčastejšie sa preto používajú tenkostenné kovové formy, ktoré sa však vplyvom neustále sa meniacej teploty v dôsledku tepelných pnutí deformujú a je potrebné ich často nahrádzať, aby sa dosiahla požadovaná tolerancia rozmerov. Alternatívne sa používajú aj formy vyrobené z grafitu, ktoré síce majú dobrú rozmerovú stálosť, sú však náchylné na poškodenie a pri vysokých teplotách ich treba chrániť pred oxidáciou. Veľké a komplexne tvarované súčiastky sa preto týmto spôsobom tiež efektívne vyrábať nedajú. Dlhý čas procesu penenia navyše významne znižuje výrobnú produktivitu a zvyšuje náklady celého procesu, pretože je potrebná paralelná práca naraz vo viaceíých pomerne drahých trvalých formách a zariadeniach.

Je žiadané a nie je známe jednoduché riešenie, ktoré vo forme zabezpečí efektívnu distribúciu tepla k speniteľnému polotovaru, najmä v podobe granulátu, pričom riešenie umožní proces napeňovania nielen ziýchliť, ale aj riadiť na dosiahnutie požadovaných vlastností penovej štruktúry.

Podstata vynálezu

Uvedené nedostatky v podstatnej miere odstraňuje spôsob výroby súčiastok z kovovej peny podľa nárokov 1 až 9. Podstata vynálezu spočíva predovšetkým v novom spôsobe ohrevu práškového speniteľného polotovaru v dutine formy, ktorý zabezpečí jeho lýchle a rovnomerné roztavenie, bez potreby dlhodobého transferu tepla cez stenu formy, a tým bez rizika prehriatia peny s následkom kolapsu pórov pri okraji steny formy.

Speniteľný práškový polotovar sa vloží do dutiny formy, ktorá má vtok na taveninu. Po vložení speniteľného polotovaru, napríklad granulátu, do formy sa cez vtok forma zaplní vhodnou tekutinou, ktorá má teplotu dostatočne vyššiu, ako je teplota tavenia speniteľného polotovaru. Po úplnom zaplnení formy tekutinou sa táto okamžite dostane do bezprostredného kontaktu s každým kúskom speniteľného polotovaru, pričom mu lýchlo odovzdá teplo, až kým sa vzájomne teploty nevyrovnajú. Tekutina v tejto etape plní funkciu prenosu tepla, teplo je pritom distribuované priamo dovnútra formy na povrch každej čiastočky speniteľného polotovaru. Takýto prenos tepla je významne rýchlejší ako postupný prenos z povrchu formy a následný proces vzájomného odovzdávania tepla medzi čiastočkami speniteľného polotovaru. Do tekutiny sa pritom vopred naakumuluje potrebné množstvo tepla, ktoré stačí na ohriatie a roztavenie speniteľného polotovaru.

Konkrétne množstvo tepla závisí od merného tepla použitej tekutiny, pomeru hmotnosti speniteľného polotovaru a tekutiny, merného tepla speniteľného polotovaru, latentného tepla tavenia speniteľného polotovaru a rozdielu teplôt medzi speniteľným polotovarom vo forme a teplotou tekutiny. Množstvo tepla potrebné na dokonalé spenenie speniteľného polotovaru sa takto dá po započítaní predpokladaných strát do stien formy presne nastaviť teplotou tekutiny na dané množstvá speniteľného polotovaru a tekutiny.

Natavený speniteľný polotovar začne okamžite expandovať vytváraním plynových pórov pomocou peniaceho činidla a jeho zdanlivá hustota sa takto začne výrazne znižovať. Vytváraná pena plávajúca na teploprenosnej tekutine je gravitačnou silou automaticky tlačená do vrchnej časti dutiny formy, pričom ťažšia tavenina sa zhromažďuje v jej spodnej časti. Tekutina teda okrem teploprenosnej funkcie má aj schopnosť napomáhať pohybu čiastočiek speniteľného polotovaru práve vo fáze, kedy tieto začínajú expandovať. Použitím tekutiny sa dosahuje významný synergický efekt, tekutina rýchlo prenesie teplo a zároveň zjednodušuje distribúciu polotovaru pri napeňovaní. Tekutina je expandujúcim polotovarom cez vtok vytláčaná von z formy do vhodnej zbernej nádoby. Proces sa ukončuje, keď speniteľný polotovar expanduje na požadovanú hodnotu, pričom vyplní určitú časť alebo celú dutinu formy, a tým prebytočnú tekutinu po odovzdaní potrebného tepla vytlačí z formy von. Proces sa úplne ukončí ochladením formy, až pokiaľ hotová pena kompletne nestuhne.

Tekutina je vo výhodnom usporiadam tvorená kovovou taveninou. Ak sa použije tavenina s vyššou teplotou tuhnutia ako pena, najskôr stuhne vtok, pričom expandujúca pena ostane pod tlakom vyvíjaného plynu až do úplného stuhnutia, čím sa zabezpečí dôkladné vyplnenie detailov aj komplexnej dutiny formy. Ak sa použije tavenina s teplotou tuhnutia nižšou, ako je teplota tuhnutia kovovej peny, po spenení pena v dutine formy stuhne najskôr a prebytočná tavenina z vtoku sa môže následne vyliať. Počas tuhnutia peny možno na taveninu vo vtoku v tomto prípade pôsobiť vhodným tlakom, aby tuhnutie peny prebiehalo podobne ako v prvom prípade.

Na výrobu penových súčiastok je najvhodnejšie použiť taveninu, ktorá s roztavenou penou nijako nereaguje (napr. olovo alebo cín v prípade hliníkovej peny), v určitých prípadoch je však výhodné použiť naopak zliatinu, ktorá sa s vytváranou penou difúzne spája, pričom sa môže vytvoriť hybridný odliatok pozostávajúci sčasti z taveniny a sčasti z peny. Týmto spôsobom možno využiť aj taveninu z rovnakej zliatiny, ako je kovová pena.

Dutina formy môže byť navrhnutá tak, aby z nej vplyvom expanzie speniteľného polotovaru vytiekla všetka tavenina alebo možno na vnútornom povrchu dutiny vytvoriť umelé prekážky (záhyby), z ktorých tavenina penou vytlačená nemôže byť a vyrobiť tak hybridný odliatok, ktorý má na povrchu stuhnutú taveninu v hrúbke podľa tvaru dutiny. Rovnako možno do dutiny spolu s práškovým speniteľným polotovarom vložiť rôzne vystužovacie sieťky, ktoré kopírujú vnútorný povrch formy a umožňujú naliatej tavenine premknúť až k povrchu formy, pričom vhodne nastavenou veľkosťou oka sieťky nedovolia expandujúcemu polotovaru taveninu spoza sieťky vytlačiť. Na povrchu peny sa takto dá z taveniny vytvoriť kompaktná bezpórovitá vrstva navyše vystužená sieťkou z vhodného kovu, čo výrazne zlepšuje mechanické vlastnosti hotovej súčiastky najmä pri namáhaní jej povrchu ťahovým napätím, pretože sieťka a kompaktná vrstva bránia rozširovaniu potenciálnych trhlín v pene podobne, ako je to pri železobetóne.

Aby tekutina alebo tavenina pri nalievaní do dutiny formy predčasne nestuhla, môže byť forma predohriata na teplom tekutiny, resp. taveniny, resp. forma môže byť vyrobená z materiálu, ktorý zle odvádza teplo, napr. z pieskovej zmesi alebo keramiky. V prípade predohriatia formy nad teplom tuhnutia peny je potrebné po ukončení procesu penenia formu vhodným spôsobom ochladiť.

Vzhľadom na to, že proces rozkladu peniaceho činidla závisí od teploty a tlaku, možno pri vhodne nastavenom výrobnom postupe navrhovaný proces penenia uskutočniť v krátkych časových okamihoch (rádovo v sekundách) pomocou manipulácie s externým tlakom. Je známe, že pri zvyšujúcej sa teplote nad kritickou teplotou sa plyn začne z peniaceho činidla samovoľne uvoľňovať, pričom kritická teplota rastie so zvyšujúcim sa tlakom. Ak proces odlievania prebieha v autokláve a prehriata tavenina sa naleje do formy so speniteľným polotovarom pri zvýšenom okolitom tlaku, ktoiý posúva teplotu rozkladu peniaceho činidla nad teplotu tavenia polotvaru (pri hliníkových penách s Tiťť je to napr. tlak viac ako 1 MPa), polotovar ani pri úplnom roztavení nezačne expandovať. Expanzia začne však okamžite po klesnutí externého tlaku na stanovenú konečnú hodnotu. Túto vlastnosť možno využiť na ešte lepšie zrovnomernenie teploty v dutine formy po naliatí taveniny, pretože umožňuje získať dostatok času na vyrovnanie teplôt medzi jednotlivými kúskami polotovaru a taveninou bez expanzie polotovaru. Expanzia sa naštartuje až po vyrovnaní teploty znížením vonkajšieho tlaku. Tekutina, tavenina v tejto fáze procesu môže teda fungovať ako ovládač spúšťania riadenej expanzie. Expanzia sa môže spustiť v momente, kedy je teplota homogénne rozdelená.

Je tiež známe, že so zvyšujúcim sa vonkajším tlakom pri penení veľkosť výsledných pórov klesá. Tento jav možno pri spôsobe podľa vynálezu využiť na nastavenie veľkosti pórov tým, že sa po začiatku expanzie udrží zvyškový tlak v autokláve alebo tlak pôsobiaci na vytekajúcu taveninu z vtoku na vhodne nastavenej úrovni. Tekutina, tavenina okrem spustenia expanzie predstavuje tlakové médium na reguláciu veľkosti pórov.

Alternatívne k opísanému zaliatiu dutiny formy s vloženým speniteľným polotovarom možno proces uskutočniť aj obrátene tak, že do otvorenej formy už naplnenej prehriatou tekutinou, resp. taveninou sa vložia (napríklad zasunú) kúsky speniteľného polotovaru, pričom sa forma uzavrie tak, aby expandujúca pena nemohla z dutiny uniknúť predtým, ako vytlačí prebytočnú tekutinu, resp. taveninu. Na to je potrebný vhodný otvor v spodnej časti dutiny formy.

Vynález s využitím jednej tekutiny na prenos tepla, podpom pohybu čiastočiek speniteľného polotovaru a riadené spúšťame expanzie prináša celý rad dôležitých výhod. Najmä nasledujúce:

• Umožňuje expanziu peny v krátkom časovom úseku v celom objeme dutiny formy bez ohľadu na jej veľkosť, čím sa dá s vysokou produktivitou získať aj komplexná súčiastka veľkých rozmerov a komplexných tvarov (napr. monolitická automobilová karoséria podobná karosériám vyrobeným z uhlíkových kompozitov).

• Pena sa vytvára v celom objeme v krátkom okamihu, čo významne zvyšuje rovnomernosť rozdelenia pórov a zabraňuje tak kolapsu predčasne vytvorených pórov, resp. znižuje objem nevypenených miest.

• Môžu sa použiť ľubovoľné hmoty na výrobu foriem, vrátane lacných keramických zmesí na výrobu škrupín alebo pieskových zmesí, pretože teplo sa do polotovaru nemusí transportovať cez stenu formy, ale dostáva sa doň prostredníctvom prehriatej tekutiny.

• Prakticky všetko teplo vnesené do tekutiny sa spotrebuje na roztavenie speniteľného polotovaru, pri minimálnych stratách do steny formy. Ak sa použije trvalá forma, môže byť udržiavaná na teplote penenia stratovým teplom, ktoré sa cez ňu pri tuhnutí peny odvedie. Významne sa tak znížia energetické nároky na penenie, pretože na ohrev formy nie je potrebné žiadne ďalšie teplo a do taveniny, ktorá je počas celého procesu v roztavenom stave, sa prakticky dodáva len teplo, ktoré sa pri procese penenia spotrebovalo na roztavenie polotovaru. Zvýšená energetická efektívnosť zníži nákladovosť celého procesu.

• Vhodná voľba taveniny, speniteľného polotovaru a tvaru povrchu dutiny formy umožňuje vytvárať hybridné odliatky s časťami bez pórov tvorenými stuhnutou taveninou, pričom expandujúca pena vnútri dutiny formy bráni vzniku stiahnutín v dôsledku tuhnutia taveniny (expanzia peny kompenzuje zmenšovanie objemu taveniny v dôsledku tuhnutia). Týmto spôsobom je možné aj vytvárať sendvičové štruktúry s kompaktnou povrchovou vrstvou požadovanej hrúbky a s penovým jadrom, ktoré majú vynikajúce mechanické vlastnosti, najmä z pohľadu dosahovanej tuhosti na jednotku hmotnosti.

• Umožňuje jednoduchým spôsobom realizovať penenie v podmienkach meniaceho sa externého tlaku (tlak sa rovnomerne prenáša na všetky časti polotovaru prostredníctvom tekutiny, resp. taveniny), čím sa dá významne riadiť veľkosť výsledných pórov a rovnomernosť ich rozdelenia. Manipulácia s externým tlakom navyše umožňuje výrazné skrátenie samotného procesu penenia na niekoľko sekúnd.

Opísaný spôsob podľa vynálezu možno využiť na výrobu akýchkoľvek tvarových súčiastok z granulátu zmesi práškov kovovej zliatiny a vhodného peniaceho činidla. Vhodné zloženia zmesí sú technicky známe prakticky pre všetky bežne používane konštrukčné zliatiny. Obzvlášť výhodné budú aplikácie pri výrobe veľkorozmerných súčiastok z kovovej peny komplexného tvaru alebo pri výrobe hybridných odliatkov (kov pena) v jednej technologickej operácii. Použitie vynálezu sa predpokladá všade tam, kde sú potrebné ľahké monolitické konštrukcie s vysokým pomerom tuhosti a pevnosti k hmotnosti súčiastky, najmä pri výrobe automobilových karosérií, resp. ich súčastí, lodných a leteckých konštrukcií, pri výrobe ľahkých rozmerných konštrukčných dielov elektromobilov, trojkoliek, prívesných a závesných vozíkov a pod. Na trhu by mohol rozšíriť aplikácie, ktoré sa dnes dajú vyrobiť len z kompozitov s uhlíkovými, resp. sklenými vláknami, tieto materiály sú však pre ne veľmi drahé, resp. nedokážu poskytovať požadovanú produktivitu a opakovateľnosť výroby.

Predložený spôsob umožní posunúť napeňovanie na vysokoproduktívnu úroveň s krátkym výrobným taktom.

Príklady uskutočnenia vynálezu

Príklad 1

Speniteľný polotovar v podobe granulátu je pripravený z práškovej hliníkovej zliatiny AlSilO a 0,8 hmotn.% prášku peniaceho činidla TiHj. Granulát sa vložil do dutiny dvojdielnej zlievarenskej grafitovej formy, ktorá mala vo svojej najspodnejšej časti umiestnený vtok na taveninu, pričom nalievací otvor do vtoku bol vyústený nad najvyšším bodom dutiny formy. Objem speniteľného polotovaru zaberal približne 20 % vnútorného priestoru formy. Uzatvorená forma so speniteľným polotovarom bola v ochrannej atmosfére dusíka ohriata na 550 °C, kedy ešte nedochádza k žiadnej expanzii polotovaru. Po zrovnomemení teploty formy a granulátu bola do formy mimo pece cez vtok naliata roztavená zliatina AlSilO predohriata na 900 °C tak, aby sa zaplnilo najmenej 80 % voľného priestoru dutiny formy. Bezprostredne, asi po 2 sekundách po naliatí taveniny do formy došlo k nataveniu speniteľného granulátu a jeho expanzii, čo sa prejavilo spätným tokom taveniny von z vtoku. Výtok taveniny sa asi po 20 sekundách zastavil, čo signalizovalo, že expanzia granulátu je ukončená. Forma, ktorá už bola umiestnená mimo pece, sa ponechala vychladnúť do asi 450 °C. Po otvorení sa z nej vybrala hotová súčiastka, ktorá bola kompletne tvorená hliníkovou penou s celkovou pórovitosťou 83 %. Všetka tavenina naliata do formy bola expanziou polotovaru vytlačená mimo dutiny formy, časť peny bola aj vo vtokovom otvore.

Príklad 2

Granulát speniteľného polotovaru bol v tomto príklade pripravený z práškovej hliníkovej zliatiny AlMgSi a 1 hmotn. % prášku peniaceho činidla Tifť. Granulát bol vložený do dutiny tenkostennej formy zváranej z oceľového plechu. Objem polotovam zaberal približne 20 % vnútorného priestoru formy. Forma mala v hornej časti umiestnené odvzdušňovacie kruhové otvory s priemerom 0,2 mm a v spodnej časti mala kruhový otvor priemeru 15 mm. Forma spolu s polotovarom bola v špeciálnom autokláve zavesená nad téglikom s roztaveným olovom, ktorého teplota bola 950 °C. Po uzatvorení autoklávu bol jeho vnútorný priestor natlakovaný dusíkom na úroveň 1 MPa (10 atm). Následne sa forma kompletne ponorila do roztaveného olova, ktoré spodným otvorom pomaly natieklo do dutiny formy, čo umožnili odvzdušňovacie otvory v jej hornej časti vyvedené nad hladinu roztaveného olova.

Po úplnom zaplnení formy tekutým olovom (asi po 30 s) a po asi 1 min. výdrži sa prakticky všetok granulát vo forme roztavil, čo sa prejavilo znížením teploty v dutine formy na približne 680 °C, ale granulát v dôsledku vysokého tlaku prakticky neexpandoval. Následne bol v autokláve znížený tlak na 0,15 MPa (1,5 atm), čo okamžite spôsobilo expanziu granulátu a vytláčame olova spodným otvorom von z dutiny formy. Hornými odvzdušňovacími otvormi sa hliníková pena von nedostávala, pretože boli príliš malé na to, aby cez ne prenikla a navyše boli vyústené do chladnejšej časti nad roztavené olovo, kde použitá hliníková zliatina tuhla a odvzdušňovacie otvory tak uzatvárala. Počas expanzie granulátu bola forma vytiahnutá z téglika s olovom tak, aby spodný otvor ostal ponorený v olovenej tavenine. Po vytiahnutí formy z téglika vplyvom nižšej teploty v priestore nad olovom hliníková pena stuhla, pričom až do úplného stuhnutia dochádzalo k expanzii granulátu. Vytekaniu peny spodným otvorom však bránila zátka z olovenej taveniny. Po úplnom stuhnutí hliníkovej peny pri asi 580 °C bola prakticky celá dutina formy zaplnená hliníkovou penou, len v oblasti spodného otvoru ostalo roztavené olovo s teplotou tuhnutia pod 400 °C, ktoré po úplnom vytiahnutí formy z téglika vytieklo naspäť do téglika.

Vzhľadom na zvyškový pretlak 0,15 MPa v autokláve bol výsledný zdanlivý priemer pórov v hliníkovej zliatine obmedzený na max. 2 mm, pričom zdanlivá hustota peny bola 0,55 g/cm³.

Príklad 3

Granulát bol v tomto príklade pripravený z práškovej hliníkovej zliatiny AlMglSi 0,6 a 0,6 hmotn.% prášku peniaceho činidla TiH₂. Granulát bol v silikónovej forme zaliaty do voskového modelu tvarovej súčiastky. Spolu s granulátom sa do silikónovej formy vložila sietka z antikorového ťahokovu s veľkosťou oka približne 1,5 mm tak, aby kopírovala povrch formy. Objem polotovaru zaberal približne 20 % objemu voskového modelu. Voskový model bol potom známymi technikami namáčaný do keramickej suspenzie a sušený, až sa na ňom vytvorila súvislá keramická škrupina hrúbky približne 4 mm. Po úplnom vysušení škmpiny s voskom sa do nej v spodnej časti urobil otvor a pri teplote približne 100 °C sa z nej vosk úplne vytavil. V dutine škrupinovej formy však ostal speniteľný granulát a antikorová sietka, ktorá kopírovala jej povrch. Na otvor v spodnej časti sa následne umiestnil vtok vyrobený z rovnakého materiálu ako škrupina tak, aby jeho vyústenie do dutiny bolo vo výške približne 20 mm nad najspodnejšou časťou dutiny formy.

Škrupina s vtokom, granulátom a antikorovou sieťkou sa následne postupne ohriali na teplotu 550°, a potom sa do dutiny cez vtok naliala roztavená hliníková zliatina AlMglSiO,6 ohriata na teplotu 850 °C tak, aby vyplnila celý voľný priestor dutiny formy. Pri plnení formy sa dutina postupne odvzdušňovala cez jemne pórovitú keramickú stenu škrupiny. Prakticky okamžite po naliatí taveniny do formy došlo k nataveniu speniteľného granulátu a jeho expanzii, čo sa prejavilo spätným tokom taveniny von z vtoku. Výtok taveniny sa asi po 15 sekundách zastavil, čo signalizovalo, že expanzia granulátu je ukončená. Forma sa ponechala vychladnúť do asi 400 °C. Po odstránení keramickej škrupiny sa z nej vybrala hotová súčiastka, ktorá mala jadro tvorené hliníkovou penou s celkovou pórovitosťou asi 80 %. Pena bola na celom povrchu, na ktorom bola v dutine antikorová sieťka, pokrytá vrstvou približne 1 mm hrubej kompaktnej zliatiny AlMglSiO,6, v ktorej bola zatavená sieťka, pretože pena cez sieťku k povrchu dutiny formy kvôli sieťke preniknúť nemohla, a preto odtiaľ nemohla roztavenú zliatinu vytlačiť. Podobne v najspodnejšej časti súčiastky sa nachádzal bezpórovitý kov, pretože pena nemohla vytlačiť taveninu z oblasti nachádzajúcej sa pod zaústením vtoku/výtoku. Vznikol tak hybridný odliatok s jadrom z AlMglSiO,6 peny a bezpórovitou povrchovou vrstvou hrúbky 1 mm tvorenou tou istou zliatinou. Povrchová vrstva bola navyše podobne ako železobetón spevnená antikorovou ťahokovovou sietkou. V spodnej časti súčiastky sa nachádzala bezpórovitá vrstva zliatiny AlMglSiO,6 hrúbky približne 20 mm, ktorá slúžila na navŕtame upevňovacích závitov súčiastky.

Príklad 4

Tyčky pripravené z hliníkového prášku technickej čistoty a 0,4 hmotn. % prášku peniaceho činidla TiH₂ boli hliníkovými drôtmi pripevnené na veko dvojdielnej zlievarenskej formy vyrobenej z HBN tak, aby deliaca rovina formy bola v jej najvrchnejšej časti. Forma prakticky vytvárala nádobu zakrytú vekom. V spodne časti formy (nádobe) bol zospodu umiestnený vtok, pričom nalievaci otvor do vtoku bol vyústený nad úrovňou deliacej roviny. Objem polotovaru zaberal približne 20 % priestoru dutiny formy. Otvorená spodná časť formy (nádoba) bola ohriata na 850 °C a bola zaplnená roztaveným olovom rovnakej teploty približne do 4/5 výšky nádoby. Veko formy s pripevneným polotovarom bolo pritom paralelne v peci nahriate na 550 °C, kedy ešte nedochádza k žiadnej expanzii polotovaru.

Po zrovnomernení teploty formy a olovenej taveniny sa na spodnú časť formy pomocou pneumatického piesta nasunulo veko s pripevneným polotovarom a forma sa tlakom uzatvorila. Bezprostredne po uzatvorení formy a ponorení speniteľného polotovaru do olova došlo k jeho expanzii, čo sa prejavilo vytláčaním olova z vtoku. Výtok olova sa asi po pol minúte zastavil, čo signalizovalo, že expanzia granulátu je ukončená. Spodná forma, ktorá po uzatvorení vekom a začatí penenia prakticky okamžite ochladla približne o 150 °C, sa ponechala vychladnúť do asi 500 °C. Po otvorení sa z nej vybrala hotová súčiastka, ktorá bola kompletne tvorená hliníkovou penou s celkovou pórovitosťou 78 %. Všetko olovo naliate do spodnej časti formy bolo expanziou polotovaru cez vtok vytlačené mimo dutiny formy, penou bol zaplnený aj celý vtokový kanál.

Priemyselná využiteľnosť

Priemyselná využiteľnosť je zrejmá. Podľa tohto vynálezu je možné priemyselne a opakovane vyrábať súčiastky z kovovej peny, a to aj komplexné a rozmerné súčiastky, pričom sa teplo potrebné k napeneniu nemusí prenášať cez steny formy.

Claims (19)

1. Spôsob výroby súčiastky z kovovej peny, pri ktorom sa speniteľný polotovar v podobe granulátu zo zmesi prášku kovovej zliatiny a peniaceho činidla vloží do dutiny uzatváracej formy, speniteľný polotovar sa nahrieva nad teplotu tavenia práškovej kovovej zliatiny na vyvolanie požadovanej expanzie speniteľného polotovaru a neskôr sa forma po dosiahnutí požadovaného stupňa expanzie ochladí pod teplotu tuhnutia vytvorenej kovovej peny, vyznačujúci sa tým, že do dutiny formy sa umiestni tekutina s hustotou vyššou, ako je zdanlivá hustota výslednej peny, tekutina má teplotu vyššiu, ako je teplota tavenia prášku kovovej zliatiny, tekutina sa uvedie do styku so speniteľným polotovarom v dutine formy na odovzdanie tepla tekutiny speniteľnému polotovaru, na dosiahnutie expanzie speniteľného polotovaru a na následné vytlačenie aspoň časti tekutiny z formy von cez otvor.

2. Spôsob výroby súčiastky z kovovej peny podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že tekutina sa do formy umiestňuje vtláčaním cez otvor v najspodnejšej časti formy.

3. Spôsob výroby súčiastky z kovovej peny podľa nárokov 1 alebo 2, vyznačujúci sa tým, že po umiestnení tekutiny do formy sa z formy nechá vytiecť viac ako 75 % tekutiny, výhodne viac ako 90 % tekutiny.

4. Spôsob výroby súčiastky z kovovej peny podľa ktoréhokoľvek z nárokov laž3, vyznačujúci sa tým, že tekutina sa do formy umiestni po vložení speniteľného polotovaru.

5. Spôsob výroby súčiastky z kovovej peny podľa ktoréhokoľvek z nárokov laž4, vyznačujúci sa tým, že časť tekutiny sa ponechá zatuhnúť vo forme na vytvorenie hybridného odliatku kombinujúceho do jednej monolitickej súčiastky stuhnutú penu a stuhnutú tekutinu.

6. Spôsob výroby súčiastky z kovovej peny podľa ktoréhokoľvek z nárokov laž4, vyznačujúci sa tým, že voľný priestor ostávajúci v dutine formy po vložení speniteľného polotovaru sa vyplní tekutinou len čiastočne, kedy tekutina a speniteľný polotovar pred expanziou majú spolu menší objem, ako je vnútorný objem dutiny formy.

7. Spôsob výroby súčiastky z kovovej peny podľa nároku 6, vyznačujúci sa tým, že voľný priestor ostávajúci v dutine formy po vložení speniteľného polotovaru sa vyplní tekutinou len v množstve nevyhnutnom na priamy kontakt tekutiny s plochou speniteľného polotovaru.

8. Spôsob výroby súčiastky z kovovej peny podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 7, vyznačujúci sa tým, že pri vzájomnom kontakte speniteľného polotovaru s tekutinou je tekutina vystavená tlaku, ktorý je pri danej teplote vyšší ako tlak zabraňujúci peniacemu činidlu uvoľňovať plyn potrebný na penenie a expanziu a neskôr, ešte pred prípadným znížením teploty tekutiny k teplote tuhnutia peny, sa tlak tekutiny zníži pod hodnom zabraňujúcu peniacemu činidlu uvoľňovať plyn pri danej teplote.

9. Spôsob výroby súčiastky z kovovej peny podľa ktoréhokoľvek z nárokov laž8, vyznačujúci sa tým, že tekutina je tavenina kovu s teplotou tavenia nižšou, ako je teplota tuhnutia kovovej peny.

10. Spôsob výroby súčiastky z kovovej peny podľa ktoréhokoľvek z nárokov laž8, vyznačujúci sa tým, že tekutina je tavenina kovu s teplotou tavenia vyššou, ako je teplota tuhnutia kovovej peny.

11. Spôsob výroby súčiastky z kovovej peny podľa ktoréhokoľvek z nárokov lažlO, vyznačujúci sa tým, že tekutina vo forme taveniny má základ s rovnakým chemickým zložením ako kovová zliatina v speniteľnom polotovare.

12. Spôsob výroby súčiastky z kovovej peny podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 11, vyznačujúci sa tým, že do dutiny formy sa vložia kovové a/alebo keramické výstuže, výhodne vo forme sieťok, tyčí, dutých profilov, drôtov alebo vlákien, obzvlášť výhodne sa vložia priľahlo k vnútornému povrchu formy.

13. Spôsob výroby súčiastky z kovovej peny podľa ktoréhokoľvek z nárokov lažl2, vyznačujúci sa tým, že forma sa zohrieva na teplom vyššiu, ako je teplota tavenia speniteľného polotovaru.

14. Spôsob výroby súčiastky z kovovej peny podľa ktoréhokoľvek z nárokov lažl3, vyznačujúci sa tým, že tekutina opúšťa formu heterogénne, kedy aspoň jedna prekážka na vnútornom povrchu dutiny formy bráni vytečeniu tekutiny z príslušnej zóny formy.

15. Spôsob výroby súčiastky z kovovej peny podľa ktoréhokoľvek z nárokov lažl4, vyznačujúci sa tým, že tekutina vytlačená expanziou von z formy sa bez vychladnutia použije v ďalšom cykle napeňovania, výhodne pri vytláčam vytečie do zbernej nádoby, kde sa zohreje na ďalšie použitie.

16. Forma na výrobu súčiastky z kovovej peny spôsobom podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 15, vyznačujúca sa tým, že je vyrobená sušením suspenzie obsahujúcej keramické častice nanesenej na vytaviteľný model súčiastky, výhodne na voskový model súčiastky, pričom forma je delená a má v spodnej časti aspoň jeden otvor na vtok a výtok teploprenosnej tekutiny, výhodne kovovej taveniny.

17. Súčiastka obsahujúca kovovú penu vyrobená spôsobom podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 15.

18. Súčiastka obsahujúca kovovú penu podľa nároku 17, vyznačujúca sa tým, že je časťou karosérie dopravného prostriedku.

19. Súčiastka obsahujúca kovovú penu podľa nároku 18, vyznačujúca sa tým, že v jednom celku zahŕňa nosnú konštrukciu aj vonkajšie tvarové plochy.