Краткая характеристика способов получения пористых (пенно-алюминиевых) заготовок

Можно предполагать, что предпосылкой для получения пенометаллов послужил опыт производства пеностекла. Пеностекло (вспененное стекло, ячеистое стекло) — теплоизоляционный материал, представляющий собой, вспененную стекломассу. Для изготовления пеностекла используется способность силикатных стёкол размягчаться и (в случае наличия порообразователя) пениться при температурах около 800 - 900°С. В качестве порообразователя используется карбонат кальция, уголь, графит и др. В настоящее время основной технологией производства пеностекла является порошковая технология: тонкоизмельчённое силикатное стекло (частицы 2 — 10 мкм) смешивается с порообразователем, получившаяся однородная механическая смесь (шихта) в формах, либо на конвейерной ленте поступает в специальную туннельную печь. В результате нагрева до 800—900°С частицы стекла размягчаются до вязко-жидкого состояния, а карбонат кальция распадается на CаO и C , который и вспенивает стекломассу. По мере нарастания вязкости при охлаждении вспененной стекломассы до комнатной температуры получившаяся пена приобретает существенную механическую прочность. Считается, что пеностекло было изобретено в 1930-х годах советским академиком И. И. Китайгородским и в США — в начале 1940-х фирмой Corning Glass Work [22].

В настоящее время существует несколько принципиально различных способов получения пенометаллов: литейный, порошковый и др., каждый из которых может подразделяться еще на несколько подметодов. Основным структурным элементом является ячейка, представляющая собой по форме вытянутый пентагональный эллипсоид вращения [7].

Пенометаллы могут быть изготовлены из совершенно различных базовых материалов: никель, медь, железо, нихром, алюминий, фехраль, хромаль, нержавеющие стали и сплавы, бронзы, монель, кобальт, родий, платина, золото, серебро и другие. Данный класс материалов находит самые разнообразные применения. В то же время для широкого круга возможных потребителей они до сих пор малоизвестны [7].

Существует множество способов получения пористых металлов и, в частности, пеноалюминия. В настоящее время в мировой практике наиболее популярными являются два самостоятельных направления получения пеноалюминия: литейный метод (компания Cymat – Канада, Alcan – Канада, Norsk Hydro – Норвегия и др.) и порошковый метод (компании Fraunhofer Institute – Германия, ОАО ВИЛС – Россия и др.) [23].

Производство пенометаллов (пеноалюминия) невозможно без использования порообразователей (порофоров). В качестве порообразователей применяются: гидриды титана, бария, магния, циркония; карбонат кальция; хлорид натрия; водорастворимые наполнители и т.д.

Важнейшим способом получения пористых металлов является вспенивание с помощью специальных химических добавок, вводимых в расплав–порофоров (газообразователей).

Порофоры – это химические соединения, которые при нагревании разлагаются, выделяя газ, вспенивающий металл. На качество пенометалла влияют многие факторы, и поэтому важен правильный выбор порофора, учитывающий особенности переработки и использования материала.

Порофор должен разлагаться при температуре, близкой к температуре плавления металла, выделяя как можно больше газа. Поэтому основные технические характеристики порофора — температура его разложения и количество газа, выделяющееся при реакции. Последнее показывает сколько газа (в кубических сантиметрах) образуется при разложении 1 грамма порофора [24].

Основные порофоры, используемые для получения пенометаллов: гидрид титана (Ti ), гидрид бария (Ba ), гидрид магния (), гидрид циркония (Zr ), карбонат кальция ().

Гидрид титана – Ti , серый порошок с металлическим блеском, молекулярная масса 49,90 г, плотность 3,779 г/ температура разложения 400 – 700°C [25].

Гидрид бария – Ba , белое кристаллическое вещество, молекулярная масса 139,34 г, плотность 4,21г/ (при 20 ), температура плавления (разложения) 675 – 1000°C. Гидрид бария при нагревании плавится и разлагается [26].

Гидрид магния – , мелкий белый порошок со слабым серым окрашиванием. Молекулярная масса 26,31 г, плотность 1,419 г/ , температура разложения 400 – 500°C [27].

Гидрид циркония – Zr , хрупкий серо-черный порошок. Молекулярная масса 93,22 г. плотность 5,62г/ температура разложения 700 – 800°C [28].

Карбонат кальция (мел, мрамор, известняк). – , неорганическое химическое соединение, соль угольной кислоты и кальция. В природе встречается в виде минералов — кальцита, арагонита, является главной составной частью известняка, мела и мрамора. Твердый белый порошок, молекулярная масса 100.09 г, плотность 2,74 г/ , температура плавления кальцита − 825 °C, арагонита −1339 °C. Температура разложения карбоната кальция 600 −1100 °C. Разлагается на оксид – негашёную известь CaO, и кислотный..оксид..−..углекислый..газ С ..по..уравнению: СаО + С .. [29].

Для получения пеноалюминия можно применять практически любые алюминиевые сплавы, однако предпочтительнее сплавы с широким интервалом кристаллизации (сплавы на основе систем Al-Cu, Al-Mg, Al-Si), так как для процесса вспенивания важно, чтобы они находились в твердо – жидком состоянии. Наиболее подходящими порофорами являются порошки гидрида титана и карбоната кальция (мел, мрамор). При температуре разложения порофоров алюминиевые сплавы имеют практически нулевую прочность и выделяют газы, которые могут легко образовывать поры в твердо-жидком алюминиевом сплаве, приводя к его вспениванию с последующим фиксированием полученной структуры принудительным охлаждением [2].

В зависимости от состава сплава (от вида добавок к алюминию), от режима нагревания, а также от применения того или иного газообразующего порошка материал приобретает разную плотность, пористость, получает заданные химические характеристики [2].