СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПЕНОАЛЮМИНИЯ Российский патент 2023 года по МПК C22C1/08 

Область техники, к которой относится изобретение

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.

Уровень техники

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.

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).

Однако существуют технологические сложности в получении качественного порофора из мергелоподобного известняка.

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.

Однако существуют технологические сложности в получении качественного порофора из гидрида титана и гидрида циркония, который может применяться для производства пеноалюминия.

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.

Что касается разложения гидрида циркония, то оно выше температуры ликвидуса алюминия и алюминиевых сплавов. Это не приемлемо для получения пеноалюминия.

Основными недостатками известного способа являются низкая производительность, высокая стоимость, а также потенциальная взрыво- и пожароопасность процесса при выделении водорода на выполняемых технологических операциях.

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).

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.

Однако существуют технологические сложности в получении качественного порофора из доломитового порошка, который может применяться для производства пеноалюминия.

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.

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.

Раскрытие изобретения

В одном аспекте изобретения раскрыто применение порошка яичной скорлупы для получения пеноалюминия.

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.

Сущность изобретения заключается в том, что в качестве порофора для производства пеноалюминия используют порошок яичной скорлупы.

Технический результат получение пеноалюминия с прочностью на сжатие 100-140 кгс/см², снижение затрат на производство пеноалюминия.

Осуществление изобретения

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.

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.

Исследования образцов порошка яичной скорлупы и пеноалюминия проводили с использованием оборудования Центра коллективного пользования «Наноматериалы и нанотехнологии» Казанского национального исследовательского технологического университета.

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).

Показатели биологического карбоната кальция, полученного из скорлупы, отличаются от показателей карбоната кальция, добытого из минералов, ключевые данные получены экспериментально и приведены в абзаце выше.

Проведенное исследование показало, что порошок доломитовой муки имеет показатели выделения газа хуже (33.54%) по сравнению с порошком яичной скорлупы (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.

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.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности, к способам получения пеноалюминия. Может использоваться в строительстве, авиастроении, автомобилестроении, судостроении и лифтостроении. Порошок алюминиевого сплава смешивают с порофором в виде порошка яичной скорлупы и подвергают холодному прессованию с получением заготовки. Заготовку нагревают индукционным способом до температуры на 10-20°С ниже температуры образования самой легкоплавкой эвтектики материала заготовки, выдерживают при этой температуре в течение 5-7 мин в среде аргона и охлаждают на воздухе. Обеспечивается получение пеноалюминия с прочностью на сжатие 100-140 кгс/см².

Способ получения пеноалюминия, включающий смешивание порошка алюминиевого сплава с порофором, холодное прессование с получением заготовки и нагрев, отличающийся тем, что в качестве порофора используют порошок яичной скорлупы, а нагрев заготовки осуществляют индукционным способом до температуры на 10-20°С ниже температуры образования самой легкоплавкой эвтектики материала заготовки, выдерживают при этой температуре в течение 5-7 мин в среде аргона и охлаждают на воздухе.