СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПЕНОМЕТАЛЛА Российский патент 1995 года по МПК C22C1/08 

Изобретение относится к способам получения пористого металла, в частности способам получения упрочненного частицами пенометалла с тонкостенными закрытыми порами.

Пористые металлы, а также пористая керамика и пластинки все больше привлекают внимание в качестве конструктивных материалов благодаря их уникальной комбинации свойства и легкого веса. Существует несколько способов получения пенометаллов. Известны различные способы вспенивания, например включение гидридов в расплавленный металл или добавка органических соединений, которые выделяют газы при нагреве. Другими примерами получения металлов ячеистой структуры являются осаждение в паровой фазе на полимерных подложках или литье металла вокруг гранул, которые затем выщелачивают, оставляя металл с пористой структурой.

На способ образования вспененного материала с применением продувочных агентов влияют поверхностное натяжение и вязкость расплава. Вязкость противодействует разрушению стенок пор, когда постепенно увеличивается объем образованных пузырьков, тогда как низкое поверхностное натяжение благоприятно для образования тонкостенных пузырьков. Свойства вспененных материалов, представляющих собой дисперсии газа в твердом теле, определяются по их плотности, но размер пор, структура и распределение пор также является важными параметрами, влияющими на свойства материала. Такие вспененные металлы получают путем добавки соединения, выделяющего газ, с последующим нагревом полученной смеси для разложения соединения и выделения газов для расширения и образования пор. Соединением для вспенивания материала является обычно гидрид металла, например, титана или циркония, причем после стадии вспенивания форму охлаждают для получения пористого материала. Однако из-за трудностей, связанных с равномерным распределением выделяющегося газа через весь объем пористого металла, образуются поры неоднородной структуры и/или нежелательно увеличивается размер пор.

Известен способ получения пенометаллов, включающий использование агента для увеличения вязкости, представляющего инертный газ или газообразный кислородсодержащий материал, в условиях расплава и обработку полученного вязкого расплава вспенивающим агентом. В качестве агентов для увеличения вязкости предпочтительно используют воздух, азот, двуокись углерода, аргона и воду в количестве 1-6 г на 100 г металлического сплава. В качестве вспенивающих агентов применяют гидриды металлов (гидриды гафния, титана или циркония) в количестве 0,5-1,0 г/100 г сплава.

Предпочтительно вязкость увеличивается за счет присутствия металла промотора, например в алюминиевых сплавах применяют 4-7 мас. магния. Необходим хороший способ смешения, причем добавку вспенивающих агентов обычно осуществляют при температуре ниже, чем во время добавки агента для увеличения вязкости в отдельной второй емкости. Раскрытый способ, с которым обеспечивается получение лучших вспененных материалов в отношении равномерного размера и распределения пор и некоторое снижение расхода вспенивающих агентов, является достаточно сложным, трудоемким и дорогостоящим процессом, требующим применение нескольких стадий и установок, и основанным на применении дорогостоящих разлагаемых соединений (гидриды), выделяющих газ при нагреве [1]
Известен способ пористых материалов, основанный на использовании 0,2-8,0 мас. металлического кальция в качестве агента, регулирующего вязкость, и гидрида титана в количестве 1-3% от массы расплавленного металла в качестве вспенивающего агента [2]
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ получения пеноматериала посредством разложения соединения, выделяющего газ при нагреве, в расплавленном металле [3] Усовершенствование заключается в добавке тонко диспергированного и тонкоизмельченного порошка в металл до разложения соединения (карбонаты или гидриды), выделяющего газ. Стабилизирующими порошками могут быть металлы или неметаллы, элементы или соединения, причем предпочтительно применяют два смачиваемых порошка, из которых один образует твердый сплав с металлом. Обычно газ растворяется при одном давлении, и затем он выделяется при другом, более низком давлении.

Недостатком, общим для этих известных способов, является то, что все они прерывистые и используют дорогостоящие соединения, выделяющие газ, либо растворенные газы в качестве средства образования пор и добавки для увеличения вязкости или стабилизирующие добавки для получения качественных пенометаллов. Известные способы требуют точного контроля условий температуры и давления на различных стадиях процесса.

Таким образом отсутствует способ, который действовал бы на промышленной основе экономичным образом и позволял бы получить дешевый пористый металл, конкурирующий с другими конструкционными материалами.

Цель изобретения создание дешевого способа получения качественных вспененных материалов, а также способа обогащения материала металлического скрапа.

Для достижения поставленной цели в способе получения пеноматериала, упрочненного частицами, непрерывно осуществляют приготовление расплавленного композиционного металлического материала, содержащего металлическую матрицу и тонкоизмельченные упрочняющие частицы, вспенивают расплав для образования пор путем подачи в расплав газа и накапливают полученный пенометалл на поверхности расплава. Расплавленный металлический композиционный материал можно получать путем расплавления композиционного материала с металлической матрицей. Расплавленный металлический композиционный материал можно получать путем добавки и распределения упрочняющих частиц в расплавленный металл или сплав при помощи активного газа. В качестве активного газа можно использовать двуокись углерода, а в качестве упрочняющих частиц огнеупорные частицы. Расплавленным композиционным материалом может быть матрица из алюминия или алюминиевого сплава, упрочненная керамическими или интерметаллическими частицами.

На фиг. 1 показана технологическая схема способов получения пенометалла; на фиг. 2 контактный отпечаток образца пористого металла, полученного согласно изобретению; на фиг. 3 оптический металлографический снимок структуры вспененного материала на основе алюминия с закрытыми порами; на фиг. 4 графические результаты испытания на сжатие образцов пенометалла.

Пенометалл со структурой типа закрытых пор, имеющий равномерную плотность и ячеистую структуру, можно получить просто путем подачи тонко диспергированного газа для образования пор в расплавленный композиционный материал с металлической матрицей, упрочненной частицами (РММС). Не потребовались специальные добавки, регулирующие вязкость расплава или особые меры предосторожности в отношении распределения пузырьков газа через расплав для образования пор. Пузырьки газа поднимаются кверху расплава и образуют вспененный материал, постепенно увеличивающийся в объеме. Тенденция к разрушению пор пенометалла, когда пузырьки достигают поверхности расплава, не отмечается. Это указывает на (высоко) стабилизированную поверхность пузырьков газа. Верхняя часть массы пенометалла отверждается, и ее можно легко удалить. Даже пенометалл, который не полностью отвержден, можно удалить без изменения его ячеистой структуры из-за чрезмерной вязкости полученного пенометалла. Это достаточно важный признак способа согласно изобретению, позволяющий осуществлять способ непрерывно посредством передачи полуотвержденного пенометалла в изложницы. Это также позволяет подвергать на этой стадии вспененный материал определенным операциям формования. Тем самым обеспечивается гибкость в отношении конечной формы полупродуктов пенометалла.

П р и м е р 1. 30 кг эвтектоидного алюминиевого сплава (Si 12 Mg 1 Ni 2,5) расплавляют в открытом тигле. В расплавленный сплав, поддерживаемый при температуре 650^оС, добавляют частицы карбида кремния со средним размером 12 мкм и одновременно через расплав пропускают тонко диспергированный газ СО₂ посредством ротора, предназначенного для специальной обработки. Во время подачи избыточного количества СО₂ в образованный расплавленный композиционный материал пузырьки газа начинают подниматься к верхней части расплава, образуя поднимающийся вверх слой вспененного материала. Верхняя часть пенометалла отверждается без разрушения поверхности. На фиг. 2 показан фотоснимок образца в натуральном размере вспененного материала, удаленного в качестве отвержденной верхней части брикета пенометалла. Поперечный разрез образца показывает, что он имеет равномерное распределение пор диаметром в пределах 1-5 мм. Измеренная плотность образца 0,2 г/см³.

П р и м е р 2. 20 кг материала скрапа РММС (алюминиевый сплав, упрочненный частицами Al₂O₃) расплавляют в открытом тигле. В этом случае применяют сжатый воздух в качестве источника газа для образования пор, при этом его тонко диспергируют и распределяют, как в примере 1. Образующиеся пузырьки также приводят к образованию пористой структуры, когда пузырьки достигают верхней поверхности расплава в тигле, и затем расплав охлаждают. Полученные поры (ячейки) являются по существу сферическими и закрытыми, образуя вспененный металл с изотропными свойствами во всех направлениях особенно в отношении поглощения энергии. Металлографическое исследование структуры образцов, полученных в примере 1, показывает, что они имеют очень тонкостенную структуру пенометалла (фиг. 3). Толщина стенок на металлографическом снимке, увеличенном в 20 раз, составляет порядка примерно 12 мкм размера упрочняющих частиц карбида кремния.

Механические свойства полученного вспененного материала представлены на фиг. 4, на которой представлены результаты испытания на сжатие образцов из примера 1. Полученная плоская кривая зависимости деформации от напряжения для образцов, имеющих начальную высоту 26 мм при приложении ползуна со скоростью 2 мм/мин, является типичной для этого типа материала, поскольку ячеистая структура не разрушается полностью. Было определено, что поглощение энергии составляет 2 кДж/л вспененного материала, что является очень благоприятной величиной в сравнении с значениями, которые были сообщены в литературе, для изготавливаемых в промышленном масштабе вспененных материалов на основе алюминия. Улучшенные механические свойства полученных вспененных материалов являются результатом благоприятного влияния упрочняющих частиц, включенных в стенки пор.

Новый способ получения вспененных материалов согласно изобретению предлагает несколько преимуществ в отношении экономичности способа и свойств полученных пенометаллов. Первым из них является возможность осуществления способа непрерывной плавки или подачи расплавленного упрочненного металлического материала посредством применения в качестве газа для образования пор, например, N₂, Ar, CO₂, Не и даже сжатого воздуха, который обычно легко доступен за низкую стоимость. Отсутствуют какие-либо требования к температурам, давлению или равномерному распределению пузырьков газа во время вспенивания и отверждения полученного пенометалла. Плотность и размер пор до некоторой степени просто регулируют посредством рассеяния газа для образования пор через расплав предпочтительно посредством применения специального ротора для обработки, но можно также применять другое средство для обеспечения тонко дисперсных пузырьков. Вспененный материал, накопленный наверху расплава, можно прямо подавать в изложницы для отверждения до заданных форм и размера или подвергать его до определенной степени деформации (повторному формованию полуотвержденного вспененного материала).

Кроме того, даже если можно получить сплав, упрочненный расплавленными частицами, на отдельной стадии процесса с использованием активного газа и добавки упрочняющих частиц до применения газа для образования пор, то самым значительным преимуществом настоящего изобретения является обогащение низкосортного композиционного материала из скрапа. Этот постоянно увеличивающийся объем ломакомпозиционного материала представляет значительную проблему в настоящее время, поскольку его нельзя просто переплавить или включить в рециркулированный вторичный алюминий.

Использование: для получения упрочненного частицами пенометалла с тонкостенными закрытыми порами. Сущность: непрерывно осуществляют приготовление расплавленного композиционного металлического материала, содержащего металлическую матрицу и тонкоизмельченные упрочняющие частицы, вспенивают расплав для образования пор путем подачи в расплав газа и накапливают полученный пенометалл на поверхности расплава. Расплавленный металлический композиционный материал можно получать расплавлением композиционного материала с металлической матрицей или добавкой и распределением упрочняющих частиц в расплавленном металле или сплаве при помощи активного газа. В качестве активного газа можно использовать двуокись углерода, а в качестве упрочняющих частиц - огнеупорные частицы. Расплавленным композиционным материалом может быть матрица из алюминия или алюминиевого сплава, упрочненная керамическими или интерметаллическими частицами. 4 з. п. ф-лы, 4 ил.

1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПЕНОМЕТАЛЛА, упрочненного частицами, отличающийся тем, что непрерывно осуществляют приготовление расплавленного композиционного металлического материала, содержащего металлическую матрицу и тонкоизмельченные упрочняющие частицы, вспенивают расплав для образования пор путем подачи в расплав газа и накапливают полученный пенометалл на поверхности расплава. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что расплавленный металлический композиционный материал получают путем расплавления композиционного материала с металлической матрицей. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что расплавленный металлический композиционный материал получают путем добавки и распределения упрочняющих частиц в расплавленный металл или сплав при помощи активного газа. 4. Способ по п.3, отличающийся тем, что в качестве активного газа используют двуокись углерода, а в качестве упрочняющих частиц огнеупорные частицы. 5. Способ по пп.1-4, отличающийся тем, что расплавленным композиционным материалом является матрица из алюминия или алюминиевого сплава, упрочненная керамическими или интерметаллическими частицами.