Penový hliník

Penový hliník [1] je špeciálnym spôsobom pripravený vysoko porézny materiál na báze hliníka a jeho zliatin, dosahujúci hustotu v intervale 0,3-1 g.cm-3. Vyznačuje sa vysokou tuhosťou, schopnosťou absorbovať veľké množstvo deformačnej energie pri nízkych napätiach, tlmí hluk, vibrácie a umožňuje tieniť elektromagnetické vlnenie.
 

Tieto vlastnosti spolu s odolnosťou voči zvýšeným teplotám, nehorľavosťou, recyklovateľnosťou a zdravotnou nezávadnosťou mu dávajú veľký potenciál na uplatnenie v ľahkých konštrukciách, najmä v dopravnom priemysle a v stavebníctve.

 
 

Spôsoby výroby:

 

Penový hliník sa v súčasnosti vyrába najmä dvoma základnými spôsobmi:
• priamym speňovaním taveniny hliníkovej zliatiny [2]
• speňovaním polotovaru pripraveného technológiami práškovej metalurgie (PM) [3].

 

V obidvoch prípadoch je potrebné stabilizovať steny vznikajúcich pórov, aby nezanikli vplyvom drenáže (vytekania) taveniny spomedzi povrchov steny póru. Najčastejšie sa to robí prídavkom (do 20 obj.%) nerozpustných keramických častíc (SiC, Al2O3) veľkosti cca. 20 µm, ktoré sa pri speňovaní prednostne ukladajú na povrchu steny póru a stabilizujú ju podobným spôsobom ako je stabilizovaná tehlová klenba.

 

Technológiou, ktorá je predurčená na výrobu komplexných tvarových súčiastok z penového hliníka je metóda založená na speňovaní polotovaru, ktorým je skompaktovaná zmes prášku hliníkovej zliatiny a vhodného speňovadla (najčastejšie TiH2 alebo ZrH2 v obsahoch do 1 hm.%) [4].

 

Pri speňovaní sa polotovar vo vhodnej forme zohrieva nad teplotu tavenia použitej hliníkovej zliatiny, pričom sa speňovadlo rozloží a uvoľnené plyny vytvoria v roztavenej zliatine pórovitú štruktúru, ktorá úplne zaplní formu, čím vznikne hotová súčiastka jednoduchého alebo komplexného tvaru [5]. Kvôli stabilite peny sa v tomto prípade do zliatiny nemusí nič pridávať, pretože tavenina je stabilizovaná jemnými fragmentmi oxidov, ktoré pochádzajú z povrchu použitého prášku hliníka alebo jeho zliatiny. Tieto disperzoidy sú veľmi malé (niekoľko desiatok nanometrov [6]), nezhoršujú mechanické vlastnosti ani obrobiteľnosť peny (vlastnosti skôr zlepšujú). Keďže na ich vznik nie je potrebná žiadna prísada a sú prítomné na prášku z každej potenciálne použiteľnej hliníkovej zliatiny, odpadá aj problém s malou flexibilitou v legovaní alebo s recykláciou.

 

Pretože v lisovanom polotovare sú už stabilizujúce oxidy fragmentované a homogénne rozmiestnené spolu so speňovadlom odpadajú aj náročné procesy miešania vznikajúcej peny, čo umožňuje jej tvarovanie do komplexných súčiastok (obrázok 1) priamo počas speňovania, spôsobom podobným nízkotlakovému liatiu. Odpadá pritom nutnosť prípravy peny priamo vo forme, čo výrazne zvyšuje sériovosť procesu a znižuje cenu konečnej penovej súčiastky. Pena je v tomto prípade predpripravená v externej komore odkiaľ sa vo vhodnom okamihu odstrekne do predhriatej formy v ktorej dodatočne expanduje vďaka zvyškovému teplu, ktoré odoberie z formy.

 

 

Obr. 1 Súčiastka z hliníkovej peny s integrálnou povrchovou vrstvou.

 

Veľkou výhodou dielov z PM peny je, že po vypenení ostane na povrchu hustá jednoliata povrchová vrstva hrubá do 0,5 mm, ktorá uzatvára pórovitú štruktúru z vonkajšej strany. Vďaka tejto vrstve dosahuje takýto penový diel oveľa lepšie mechanické vlastnosti ako bez nej a prípadná ďalšia povrchová úprava je menej nákladná.

 

Použitie penového hliníka:

 

- ľahké odliatky strojov s lepším tlmením zvuku a vibrácií,
- komponenty absorbujúce nárazovú energiu pre autá, zdvíhacie a transportné systémy,
- tuhé súčiastky strojov so značne zníženou váhou,
- skrine elektronických zariadení zabezpečujúce elektromagnetické a tepelné tlmenie,
- trvalé jadra pre odliatky, nahradzujúce pieskové jadrá,
- izotropné jadrá pre sendvičové panely a škrupiny,
- výplne dutých tvarou na zamedzenie namáhania vzperom,
- tepelné šírenie a zapuzdrenie,
- plávajúce štruktúry pri zvýšených teplotách a tlakoch.

Pre porovnanie vlastností penového hliníka a bežných materiálov sú uvedené nasledujúce obrázky, kde je zreteľná výhodnosť použitia tohoto materiálu z hľadiska tuhosti.

 

Použitá literatúra:

 

[1] Cellular Metals and Metal Foaming Technology, Ed. by J. Banhart, M.F. Ashby, N.A. Fleck, MIT-Verlag, Bremen, (2001)
[2] Ashby MF, Evans AG, Fleck NA, Gibson LJ, Hutchinson JW, Wadley HNG. Metal Foams: A Design Guide. Boston: Butterworth- Heinemann; (2000).
[3] Allen BC, Mote MW, Sabroff AM.: US Patent 3,087,807, (1963).
[4] Simančík, F. - Jerz, J. - Kováčik, J. - Minár, P.: Aluminium foam - a new light weight structural material, Kovové materiály, 35 4 (1997) 265-277 .
[5] Simančík F. - Schoerghuber F.: Complex foamed aluminium parts as permanent cores in aluminium castings. In MRS Symposium Proceedings, Ed. by D.S. Schwartz, D.S. Shih, A.G. Evans and H.N.G. Wadley, Vol. 521, Materials Research Society, Warrendale, Pennsylvania, (1998), p. 151.
[6] Banhart, J., Foam metal: the recipe, Europhysics News 30, (1999), p. 17.

 

Dodatočné informácie: Princíp výroby penového Al