СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГРАНУЛ ПЕНОМЕТАЛЛОВ
METHOD OF PRODUCING GRANULES OF FOAM METALS

Изобретение относится к металлургии, в частности к получению пенометаллов, и может быть использовано при изготовлении материалов и изделий для строительства, промышленности, транспорта и в других областях деятельности, где требуются легкие, прочные, износостойкие, безопасные наполнители и композиционные материалы на их основе, обеспечивающие звукотеплоизоляцию и защиту от вредных факторов окружающей среды.
Гранулы могут использоваться сами по себе, например, для заполнения полостей деталей, которые в этом случае получают способность поглощать энергию удара. Также, путем прессования и спекания, из них могут быть получены пенометаллические материалы и изделия, в том числе сложной формы с пористостью, близкой к пористости гранул, а путем спекания без давления могут быть получены материалы с двойной пористостью: пористостью гранул и дополнительной пористостью межгранульного пространства. Такие материалы могут эффективно поглощать энергию ударных волн.
Наиболее успешно используются алюминиевые пены: для защиты от удара, для повышения жесткости полых профилей, изготовления негорючих фасадных элементов зданий и легких и огнестойких кабин лифтов, в производстве теплостойких демпфирующих материалов, для упрочнения анкеров в бетонных стенах. Наибольший интерес к пеноалюминию проявляют иностранные автомобилестроители, особенно - к сэндвичам из алюминиевых листов с алюминиевой пеной внутри (AFS - Aluminium Foam Sandwich). Такой материал обладает высокой удельной жесткостью, малой термической и электрической проводимостью, не горит и хорошо подходит для поглощения или демпфирования энергии. Низкая масса подобной конструкции уменьшает расход бензина. Кузов на 50% легче соответствующего стального, но в 10 раз жестче. В отличие от сотовой конструкции алюминиевого материала пеноалюминий изотропен и может противостоять удару под любым углом.
Несмотря на преимущества применения новых материалов в машиностроении, строительстве, электротехнике и других отраслях промышленности, масштабы их внедрения в настоящее время невелики. Технология производства гранул пенометаллов все еще находится на начальной стадии своего становления и ее необходимо совершенствовать.
Существует большое число способов получения различных пенометаллов: никеля, меди, титана, сталей и других, как с открытой, так и с закрытой пористостью (например: Способ получения пористого ячеистого никелевого материала. Патент RU 2075556; Технология легких сплавов. №4, 2011, с. 74-78). Фактически для каждого конкретного материала разработан свой метод. Номенклатура пенометаллов таким образом ограничена. Эти методы сложные и дорогостоящие.
В то же время известно, что методами порошковой металлургии из гранул (прессованием и спеканием) можно получать изделия с высокой равномерностью свойств по объему детали, а также изделия с программируемым изменением свойств по объему детали.
Известен способ получения пористых полуфабрикатов и готовых изделий из порошков алюминиевых сплавов (патент RU 2154548, B22F 3/00, 3/18, 3/24, 2000), включающий смешивание порошков алюминиевых сплавов с порофорами с температурой разложения, превышающей температуру солидуса-ликвидуса порошка алюминиевого сплава, засыпку смеси в емкость из алюминиевого сплава, ее уплотнение горячей деформацией, измельчение полученной плотной заготовки на частицы, высокотемпературную термообработку в форме, которую ведут, подвергая заготовку всестороннему равномерному нагреву до температуры на 40-70°C выше температуры фазового перехода твердое-жидкое, и окончательное охлаждение.
Недостатком этого способа является невозможность изготовления пористого сыпучего материала.
Известен способ получения полуфабрикатов из пеноалюминия, выбранный в качестве прототипа (Комов В.И., Лебедев В.И., Старовойтенко Е.И. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУФАБРИКАТОВ ИЗ ПЕНОАЛЮМИНИЯ, патент RU №2202443, B22F 3/11, 29.06.2001), включающий приготовление смеси из порошка алюминиевого сплава и порошка порофора, имеющего температуру разложения в диапазоне температур солидуса-ликвидуса порошка алюминиевого сплава, засыпку смеси в емкость из алюминиевого сплава, ее уплотнение горячей деформацией, измельчение полученной плотной заготовки на частицы, высокотемпературную термообработку, при которой каждую отдельную частицу нагревают до температуры образования в ее объеме 50-98% жидкой фазы, исключая контакт с другими частицами, выдержку нагретой частицы при этой температуре до достижения формы готового полуфабриката с последующим охлаждением до температуры солидуса со скоростью не менее 0,1°C/с, окончательное охлаждение. Изобретение позволяет получить сыпучий пористый материал пониженной плотности и повысить выход годного. При этом образуются пеногранулы сферической формы с размером 5-20 мм.
Недостатком этого способа является очень узкая номенклатура получаемых пенометаллов. Он применим только для тех сплавов, у которых имеется большой диапазон между температурами солидуса и ликвидуса, и есть порофор, который разлагается с выделением газа именно в этом температурном диапазоне. Если он разлагается при температуре ниже солидуса, то выделяющийся газ разрушит еще твердый образец, и гранулы не образуются. При температуре выше ликвидуса газ выйдет из жидкого металла. Порофор при этом должен химически не взаимодействовать с расплавом металла и не ухудшать существенно свойства конечного продукта. Количество подходящих порофоров ограничено, вследствие чего ограничена номенклатура гранулируемых материалов. Другой недостаток - низкая производительность процесса, а также сложность получения малоразмерных гранул, которые необходимы для формирования деталей с тонкостенными элементами.
Предлагаемое изобретение решает задачу расширения номенклатуры получаемых пенометаллов.
Задача решается способом получения гранул пенометаллов, включающим смешивание порошка металла с порофором, прессование полученной смеси до получения компактного образца в виде стержня или прутка и его нагрев, плавление и диспергирование, в котором порофор выбирают с температурой разложения, меньшей температуры плавления металла, а для нагрева, плавления и последующего диспергирования через стержень или пруток пропускают короткий импульс электрического тока, амплитуда I и длительность t которого удовлетворяют соотношениям
4
9
1/2
18
2
2
6
2
1/2
0
1,8·10d·(Р/µ)<I<2·10·ργ/µ+(4·10·ργ/µ+5·10·yde/µ)
4
2
3
2
1/2
t=1,2 yde/ρI+10dγ/I,
где
I - амплитуда импульса тока (А);
t - длительность импульса тока (с);
d - диаметр диспергируемой заготовки (м);
0
5
2
Р - конечное давление газа в газовых пузырьках жидкого пенометалла после его полного расширения, которое, при диспергировании металла на воздухе, близко к атмосферному давлению 10 Н/м;
µ - относительная магнитная проницаемость диспергируемого материала (безразмерная);
ρ - удельное электрическое сопротивление диспергируемого материала (Ом·м);
3
γ - плотность диспергируемого материала (кг/м);
е - удельная энергия, необходимая для нагрева и расплавления материала диспергируемого проводника (Дж/кг). е=сΔТ+ΔН, с - теплоемкость диспергируемого материала (Дж/кг·град), ΔT - температура на которую нужно нагреть диспергируемый материал до плавления (град), ΔН - удельная теплота плавления диспергируемого материала (Дж/кг).
Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.
Автор выявил условия, при которых за счет большого магнитного давления и высокой скорости процессов нагрева и охлаждения металла, возможно удержать газ внутри жидких капель металла до их кристаллизации и образования пеногранул.
Когда через образец (пруток или стержень) пропускается импульс тока с указанными в формуле заданными параметрами, в процессе нагрева порофор, выбираемый из достаточно широкой номенклатуры с температурой разложения, меньшей температуры плавления металла (в отличие от прототипа), начинает выделять газ (в особенности, если температура плавления металла существенно выше температуры разложения порофора). Расширению газового пузырька препятствует магнитное давление, как общее, так и локальное, связанное с тем, что ток обтекает газовый пузырек, инерция металла и силы упругости, пока металл еще твердый. После расплавления металла в образце развивается магнитогидродинамическая перетяжечная неустойчивость формы (Абрамова К.Б., Златин Н.А., Перегуд Б.П. Магнитогидродинамическая неустойчивость жидких и твердых проводников. Разрушение проводников электрическим током. ЖЭТФ, 1975, т. 69, в. 6., с. 2007-2022). Неустойчивость разбивает образец на диски, при этом электрический ток прерывается, и связанное с ним магнитное давление прекращает действовать. Диски впоследствии силами поверхностного натяжения трансформируются в сферические капли, одновременно газовые пузырьки, расширению которых уже не препятствует магнитное давление, образуют поры. Из-за высокой скорости охлаждения капель газ не успевает вырваться наружу, а вспененные капли в полете кристаллизуются и образуют пеногранулы.
Так как для любого металла и сплава можно подобрать порофор с температурой разложения, меньшей их температуры плавления, можно получать пеногранулы из любых металлов и сплавов.
0
0
0
Минимальная амплитуда электрического тока I задается таким образом, чтобы общее магнитное давление в момент максимума тока в 10 раз превышало конечное давление газа в газовых пузырьках Р. Это связано со следующими обстоятельствами. Основное выделение энергии и плавление диспергируемого материала происходит вблизи максимума тока. Поскольку требуется получить материал с высокой пористостью (порядка 90%), то в таком материале объем газовых пор примерно в 10 раз больше объема металла, или исходного диспергируемого материала. Расширение газа в сформированных каплях жидкого металла можно считать изотермическим, т.к. металл находится при температуре плавления и в ходе расширения и охлаждения начинает кристаллизоваться. Произведение давления на объем газа в этом процессе остается постоянным. Конечное давление газа Р можно считать примерно равным внешнему давлению среды. Если магнитное давление в 10 раз выше Р, то объем выделившегося газа только за счет этого фактора в 10 раз меньше конечного объема газа в гранулах и примерно равен объему диспергируемого материала. Если же в момент плавления объем выделившегося газа превысит объем исходного материала, это существенно изменит электрическое сопротивление образца, характер протекания электрического тока и процесс развития МГД неустойчивости. Это в свою очередь может изменить характер диспергирования образца и процесс образования пеногранул.
Длительность импульса тока задается таким образом, чтобы введенная за время импульса энергия была достаточна для расплавления металла (первый член формулы) плюс время, необходимое для развития МГД неустойчивости. Время, необходимое для развития неустойчивости, в реальных условиях много меньше, чем время, необходимое для плавления образца. При меньшей длительности импульса тока материал образца не успеет расплавиться, и пеногранулы не будут образованы. При большей длительности импульса тока между фрагментами, образованными в результате разрушения расплавленного образца МГД неустойчивостью, загорается дуговой газовый разряд, который ведет к испарению части металла и тем самым к снижению качества гранулированного материала (появляются мелкие металлические частицы из конденсировавшихся паров металла, которые трудно отсеять) и снижению выхода годного пенометаллического гранулированного продукта.
Заданная длительность импульса тока уменьшается при увеличении амплитуды тока. При существенном уменьшении длительности импульса тока начинает проявляться скин-эффект. При сильно скинированном токе происходит разогрев лишь поверхностной части образца, а в его среднюю часть ток не проникает, и, соответственно, она не нагревается. В этом случае реализуется иной механизм разрушения проводника, это может нарушить процесс образования пеногранул. В частности, в конечном продукте могут оказаться не вспененные частицы из разрушенного центрального твердого стержня.
Способ осуществляется следующим образом.
Любой металлический или электропроводящий, прессуемый (т.е. такой, из которого путем прессования можно получить образец, прочность которого достаточна для того, чтобы извлечь его из формы и переместить) порошок смешивается с небольшим количеством порофора (например, гидрида титана). Из смеси прессуется стержень или пруток. Через образец пропускается импульс тока с заданными параметрами. Неустойчивость разбивает образец на диски, разрывает ток, а заданная длительность импульса тока позволяет к этому моменту полностью израсходовать запас энергии источника тока с тем, чтобы избежать последующего газового разряда между жидкими дисками. После прекращения тока магнитное давление снимается, порофор, благодаря высокой температуре, полностью разлагается, и в жидком металле начинается бурное порообразование, которому мешает лишь инерция жидкого металла. Резкое увеличение объема капли сопровождается резким увеличением ее внешней поверхности и, соответственно, скорости охлаждения. На внешней поверхности идет кристаллизация, а изнутри поступает жидкий металл. Процесс остановится, когда газ полностью расширится, тогда на внешней поверхности образуется твердый каркас, и начнется кристаллизация внутренней части пеногранулы.
Пример 1 конкретного исполнения.
Изготавливали гранулы пеноалюминия. Взяли порошок чистого алюминия у которого температуры солидуса и ликвидуса совпадают и равны 660°C и смешали его с порофором - алюмогидридом лития (смесь гидрида алюминия и лития, которая разлагается при 125°C), в количестве 1%. Смешивание провели с помощью вибростенда. Из полученной смеси, путем прессования изготовили прутки диаметром 5 мм и длиной 100 мм. Произвели расчеты по соотношениям из формулы изобретения. I минимальное составило 28 кА, I максимальное - 600 кА. Задали амплитуду тока 40 кА. Тогда длительность импульса тока t=15 мс. Закрепили образец в зажимах установки и пропустили импульсный ток с заданными параметрами.
В результате получили гранулы пеноалюминия с пористостью 90%.
Пример 2.
Провели аналогичный опыт при длительности импульса тока 10 мс. Произошло разрушение твердого проводника, получены частицы компактного (непористого) материала.
Пример 3.
Провели аналогичный опыт при длительности импульса 25 мс. Получена смесь пеногранул с пониженной пористостью и металлического сильно окисленного порошка.
Пример 4.
Провели аналогичный опыт при амплитуде тока меньше заданной минимальной - 15 кА. Длительность импульса в соответствии формулой будет 100 мс. После расплавления газ вышел из жидкого металла. Получены гранулы с низкой пористостью - менее 20%.
Пример 5.
Провели опыт при амплитуде тока выше заданной максимальной - 1000 кА. Длительность импульса тока 24 мкс. Получена смесь пеногранул и твердых частиц, образованных в результате разрушения центрального твердого стержня, который не нагревался током за счет скин-эффекта.
За счет высокой скорости процесса можно получать гранулы с более высокой пористостью, чем это достигается при медленном нагреве (в прототипе). Кроме того, открывается принципиальная возможность получения гранул с открытой пористостью. Количество введенного порофора можно при этом уменьшить, т.к. за счет перегрева металла увеличивается степень его разложения, и, кроме того, выделяющийся газ (например, водород) не успевает растворяться в металле.