Способы получения металлической пены Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

УДК 671.22

М. А. Назарова, Г. А. Аминова, В. Г. Кузнецов

СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПЕНЫ

Ключевые слова: металлическая пена, суспензия расплава, металлический порошок, пористость.

В статье рассмотрен и осуществлен выбор способа получения металлической пены из цветных металлов по технико-экономическим показателям на примере никеля.

Key words: metal foam, slurry melt, metallic powder, porosity.

The article describes the selection and implemented a process for producing metal foam made of nonferrous metals on technical and economic parameters for example nickel.

Пористые металлы, так называемые пенометаллы - очень перспективные в использовании промышленностью ввиду своих качеств: легкость, сопротивление деформации, жаропрочность и многое другое [1]. Известны различные способы получения пористых металлов. Впервые металлическая пена была получена в 1948 г Б. Сосником [2]. Процесс получения пены основывается на нагревании вместе летучих и нелетучих металлов. Во время нагревания нелетучий металл спекается, а летучий (например, ртуть) испаряется, таким образом вспенивая смесь. Однако этот метод не получил коммерческого успеха, так как получение такого материала было связано с опасными материалами. Существующее сейчас множество способов получения пенометалла делится условно на 2 группы: получения пенометалла с использованием металлических порошков и с использованием жидких расплавов металлов.

Рассмотрим первую группу способов получения металлической пены. К ней относят способ получения материала вспениванием суспензии и при помощи процесса Фраунгофера [3]. Первый способ заключается в смешении суспензии металлического порошка и пенообразователя с последующим помещением суспензии в сушильную печь с высокой температурой нагрева. При нагреве из пенообразователя выделяется газ, суспензия становится вязкой и начинает вспениваться. У метода есть недостаток - образование трещин во вспененном металле. Процесс Фраунгофера заключается в смешении порошков металла с пенообразователем, прессованием смеси и его последующим нагревом. (Процесс получил свое название из-за места, где был разработан и запатентован этот метод получения пенометалла -Фраунгоферовский Институт Германии). В зависимости от требуемой формы используют 3 способа получения формы - прессование, прокатка и экструзия. Последний считается наиболее экономичным. Еще одним достоинством этого метода является регулирование пористости металла в зависимости от выбора пенообразователя и температуры и скорости нагрева. За счет того, что смеси была придана форма, пенообразователь в ней будет распределен более равномерно, чем при использовании метода вспенивания суспензии. Оба способа дают возможность получить заготовку с

пористостью 5-75 %.

К следующей группе способ получения пенометалла относят: осаждение металла на поверхности полиуретана; литье по выплавляемым моделям и прямое вспенивание расплавов.

Прямое вспенивание расплавов. Метод основан на непрерывном пропускании газа через металлический расплав. Суть данного метода состоит в том, что металлический расплав может быть вспенен при определённых условиях путём введения газов в жидкость. Пузырьки газа, образовывающиеся в металлическом расплаве, стремятся быстро подняться на поверхность из-за высокой выталкивающей силы высокоплотной жидкости, но подъему препятствует высокая вязкость расплавленного металла. Такой процесс сложно контролировать, однако этот недостаток может быть устранен при помощи добавления мелкого керамического порошка или легирующих элементов, которые в свою очередь образуют частицы в расплаве. Есть еще один путь прямого вспенивания расплавов - это добавление пенообразователя в расплав. Пенообразователь разлагается при нагревании и выделяет газ, который и осуществляет процесс вспенивания [4]. Второй вариант будет более выгоден за счет замены продувки металла газом не только по времени исполнения, но и экономически. Достоинством такого способа является возможность производства огромных объёмов данного материала, относительно низкая цена и низкая плотность. Пористость пены находится в диапазоне от 80 до 97%. К недостаткам относят необходимость резать пену.

Осаждение металла на поверхности полиуретана. Суть метода заключается в опускании полиуретана в раствор, в котором осаждается металл. Выжидают пока металл осадится на полиуретане (10-20 минут). Далее

металлизированная губка помещается в печь при температуре сжигания полиуретана. Полученную металлическую пену охлаждают.

Последний, предложенный для

рассмотрения способ - литье по выплавляемым моделям. Металлическая пена может быть получена без непосредственного вспенивания металла. Для этого основой является полимерная пена. Полимерную пену превращают в структуру с открытыми порами за счет манипуляции

пенообразования, например, или обработкой пористой структуры. Далее основу заполняют суспензией из термостойкого материала и оставляют высыхать. После высыхания полимер удаляют, а в полученные открытые пустоты заливают расплавленный металл. После удаления формовочного материала (например, под давлением воды) получается металлическая пена, имеющая ту же форму, что и первоначальная полимерная пена. Пористость полученных пен составляет 2,5-16 пор на 1 см3. Это очень дорогая пена. Обычно таким способом вспенивают алюминиевые сплавы, но другие металлы тоже могут быть так обработаны.

Каждый процесс имеет как преимущества, так и недостатки. Исходя из вышеописанного, можно сказать следующее: для получения пенометалла из цветных металлов, более предпочтительна 2 группа способов, где применяют жидкие металлические расплавы. Это объясняется тем, что большинство цветных металлов относятся к легкоплавким металлам. Более выгодно как по времени, так и по трудоемкости процесса использовать способ осаждения металла. Например, пеноникель получают именно осаждением. [5]

Выбранным способом в лабораторных условиях был получен пеноникель. Пенополиуретан

насыщали раствором тетракарбонила никеля, после чего производили нагрев до температуры 200°C. Под действием температуры произошло разложение тетракарбонила никеля, никель осадился и выделились соединения угарного газа.

Литература

1. Аминова Г .А., Кузнецов В.Г., Исмагилова А.И., Бронская В.В., Назарова М.А. Металлическая пена на основе благородных металлов // Вестник Казан. Технол. ун-та - 2013 - Т.16, №10. - с. 226-228.

2. Rabiei A, Vendra L, Reese N, Young N, Neville BP. Processing and characterization of a new composite metal foam. 2005.p.369-374.

3. Banhart J., Baumeister J. Production methods for metallic foams//Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 1998. №521.

4. Korner C, Singer RF. Foaming Processes for Aluminum. Germany. 2002.

5. Лисаков Ю.Н. Исследование и разработка технологии производства пеноникеля методами карбонильной металлургии: Автореферат диссертации кандидата технических наук. Санкт-Петербург.2005, С.21

6.Николаенко Г.Р. Наночастицы серебра в полиуретановых матрицах.//Вестник Казанского Технологического Университета - 2014 , т.17., №4 с 8993.

© М. А. Назарова - аспирант каф. ТКМ КНИТУ; Г. А. Аминова - д.т.н., проф., зав. каф ТКМ КНИТУ; В. Г. Кузнецов - к.т.н., доцент той же кафедры, rami21@yandex.ru.

© M. A. Nazarova - postgraduate student of Department. TCM Department TCM KNRTU; G. A. Aminova - theDoctor of Technical Sciences, Professor of Departament TCM KNRTU; V. G. Kuznetsov - Candidate of Technical Scinses, the assotiate professor of Departament TCM KNRTU, rami21@yandex.ru.