Celulární kovové systémy (buněčné kovové struktury) neboli kovové pěny se vyznačují specifickými vlastnostmi (díky své pórovitosti jsou výrazně lehčí než „plné“ materiály) a nalézají čím dál více uplatnění v řadě různých průmyslových odvětví, například v automobilovém a dopravním průmyslu.
Kovové pěny z hliníku a jeho slitin se výborně uplatní kupř. v deformačních zónách a nárazových prvcích silničních a kolejových vozidel, protože dobře pohlcují nárazovou energii. Dále se nabízejí k využití ve výrobě izolačních stavebních panelů, dílů odlehčených konstrukcí pro automotive či lodní dopravu, k výrobě akumulátorů, protéz atd. Výrobky z lehčených kovových materiálů umožňují využívat dosud málo známé principy, při kterých způsob výroby součástek dovoluje vhodněji rozmístit poréznost materiálu v celém objemu součástky se snahou zvětšit průřez a tím i moment setrvačnosti bez zvětšení její hmotnosti.
Lehčené kovové struktury jsou podle vzhledu plynových buněk (pórů) děleny do dvou skupin:
První tvoří kovové materiály s uzavřenými póry naplněnými plynem. Jsou označovány jako pěny, protože k jejich přípravě je nutný pěnicí proces. Tyto materiály mají dobrou pevnost a používají se hlavně pro strukturální aplikace například pro automotive.
Druhou skupinou jsou porézní kovy, tedy materiály s otevřenými póry. Jejich trvalá pórovitost je využívána například při absorpci zvuku, filtraci či katalýze při vysokých teplotách.
Celulární kovové systémy jsou v širším slova smyslu aglomerace plynových bublin. Ty jsou od sebe nejdříve odděleny tenkými kapalnými, později ztuhlými vrstvami kovu. Vzhledem k vysoké technologické i energetické náročnosti jejich výroby a složitosti vývoje nových celulárních kovových materiálů je velmi důležité stanovování jejich mechanických a fyzikálních hodnot.
V současné době existují dva základní způsoby výroby hliníkových pěn s uzavřenými buňkami na základě taveniny hliníku. Japonský patent vytváří vmícháváním vápníku do roztaveného hliníku dispergované pevné částice, které zvyšují viskozitu taveniny, přičemž v dalším kroku se provádí napěňovací proces tak, že se do hliníku přidává napěňovací činidlo — například prášek hydridu titanu (TiH2). Ten se při teplotě 650 °C rozkládá na titan a vodík, přičemž vodík je oním plynem pro napěňování taveniny.
Principem druhé metody patentované americkou společností Alcan je probublávání taveniny hliníku s obsahem částic karbidu křemíku plynem — obvykle vzduchem.
Způsoby přípravy a hledáním nových technologických postupů přípravy kovových pěn se laboratorně zabývá i účelově sestavený mezioborový vědecký tým na Fakultě strojní Technické univerzity v Liberci v rámci projektu HiHy.
„Kovová pěna ve skutečnosti není žádnou velkou novinkou. Jde o materiál, jehož základ tvoří kov (nejčastěji hliník), který byl vylehčen bublinami, a porézní strukturou tak připomíná kostní tkáň. Pracujeme na vývoji speciálních technologických postupů, konstrukce a výroby zařízení na zpracování lehkých kovových materiálů a struktur. V oblasti výroby materiálů je naše aktivita zaměřena na optimalizaci kontroly toků taveniny včetně naplynění taveniny pomocí zpěňovadla řízeného vháněním plynů do taveniny nebo přimícháváním povrchově aktivní látky do taveniny,“ říká prof. Iva Nová z katedry strojírenské technologie.
Struktury porézních vzorků (z elektronového mikroskopu) vyrobených lisováním soli do taveniny slitiny AlSi12: vyrobeno ze soli velikosti 5—7 mm (vlevo) a 9—7 mm © TUL
OPTIMALIZACE VÝROBY MATERIÁLU
Plné materiály mají velkou hustotu a jsou těžké, zatímco celulární materiály, u nichž lze využít jejich poréznost, mají podstatně nižší hustotu, a jsou tedy výrazně lehčí. Optimalizace výroby lehčených materiálů v libereckých laboratořích zahrnuje studii vlivu přidávání povrchově aktivních látek (karbid křemíku, oxid hlinitý atd.) do taveniny. Teoretické výpočty a experimentální ověřování se zaměřují na optimalizaci zpracování materiálů a výrobu celulárních kovových materiálových struktur. S ohledem na minimalizaci energetické náročnosti dávají v Liberci přednost lehkému hliníku o hustotě 2 700 před často uvažovanými materiály hořčíkem, zinkem nebo mědí, jejichž hustota je podstatně vyšší. U zinku to je 6 200, u mědi dokonce 8 000.
„Hliník je pro tyto účely optimální, protože potřebujeme, aby taveninou snadno pronikaly bubliny. Optimální chování taveniny s ohledem na naplynění rovnoměrného tuhnutí přispěje k homogenitě materiálů a efektivitě výroby. Perspektivní metodou jsou techniky bezkontaktního ovlivnění tavenin se zaručením pozdější čistoty materiálu a spolehlivosti výroby,“ konstatuje prof. Nová.
VZHLED KOVOVÉ PĚNY VYTVÁŘEJÍ STABILNÍ PLYNOVÉ BUBLINY
Protože se jedná o obor metalurgie, vždy se používá tavenina kovu, do které se přimíchávají keramické částice (oxid hlinitý — Al2O3 nebo karbid křemíku — SiC). Tyto částice zabezpečují vytvoření a stabilitu tenkých obálek taveniny okolo plynových bublin vytvářených v tavenině kovů.
„Pro tvorbu plynových bublin se používá plyn, který působí jako napěňovadlo. V našem případě to je vzduch. Někdy se používá argon, ale ten je drahý a vzduch je vhodnější také z ekologického hlediska. Takto připravená naplyněná tavenina se přivádí do kovové formy. Formu zchladíme na nízkou teplotu, čímž vytvoříme podmínky pro tuhnutí napěněné taveniny. V tuhnoucí tavenině se uchovávají stabilní plynové bubliny vytvářející vzhled kovové pěny,“ přibližuje proces prof. Nová.
PŘEKVAPIVĚ VYHOVUJE OBYČEJNÁ SŮL
Metod napěňování tavenin je mnoho. Ale ta „liberecká“ je skutečně unikátní. Když si prof. Nová uvědomila, že se sůl kamenná (chlorid sodný) rozpouští při teplotě 801 °C a hliník se taví už při teplotě 660 °C, napadlo ji využít sůl jako plnicího materiálu při výrobě kovových porézních materiálů. Při návrhu technologie byly samozřejmě brány v úvahu všechny obtíže tavení slitin hliníku, včetně jeho vysoké afinity ke kyslíku. Přesto první zvolená metoda, kdy byl použit pro výrobu porézní hliníkové slitiny přípravek s dutinou, která byla naplněna definovaným množstvím chloridu sodného, nepřinesla očekávané výsledky. Liberečtí vědci proto přistoupili ke druhé metodě s použitím infiltrace taveniny mezi zrna chloridu sodného.
Další experimenty byly založeny na využití tlaku taveniny tlačené do dutiny ocelové slévárenské formy naplněné chloridem sodným. „Do taveniny ve speciální formě pod tlakem 100 MPa pod hydraulickým lisem zalisujeme sůl. Experimentálně jsme si ověřili, že k dosažení poréznosti to lisování stačí za předpokladu, že 50 % objemu formy bude zaplněno hliníkovou slitinou (AlSi12) a 50 % objemu formy bude zaplněno chloridem sodným. Používali jsme sůl o různé velikosti a podle velikosti zrnek soli jsme získali kovový materiál o různé poréznosti. Velká zrnka nám dala lehčí materiál s většími póry a naopak. Sůl ale ve vychladlé tavenině zůstává, proto jsme odlitek rozřezali v příčném směru a asi hodinu vařili ve vodní lázni, aby se rozpustila a zůstaly jen prázdné bubliny. Je důležité, aby zrníčka soli při výrobě porézního materiálu na sebe navazovala a vytvářela propojený systém — pak je záruka, že se z materiálu všechna sůl vyvaří,“ objasňuje neobvyklou metodu prof. Nová s tím, že poréznost materiálu ovlivňuje i jeho mechanické vlastnosti.
Při zkouškách na stlačování materiálu (pevnost v tlaku) se ukázalo, že materiál s velkými póry je méně stabilní a dříve se pod tlakem zdeformuje než materiál s hustějšími, ale menšími póry.
„Sůl je jako plnicí materiál při výrobě kovových porézních materiálů naší specialitou, a je výborná, protože je laciná, a navíc ekologicky přijatelná. Nevyznačuje se tak výbušnými reakcemi jako hydrid titanu při uvolňování vodíku a nevzniká při ní ani CO2 jako při použití vápence,“ dodává prof. Nová.
VLASTNÍ PATENTOVANÉ ZAŘÍZENÍ PRO PŘÍPRAVU KOVOVÝCH PĚN
Získané výsledky potvrdily, že pro lisování částic chloridu sodného do taveniny musí být k dispozici hydraulický lis s možností vytvoření tlaku 100 až 150 MPa. Současně je nutná metalurgická forma, jejíž dutina slouží pro výrobu zkušebních vzorků. Tato forma musí být dobře tepelně připravena a metalurgicky ošetřena včetně použití správného separačního prostředku (na bázi grafitu). Při experimentech se také ukázalo, že je nutné zabezpečit homogenní rozložení částic chloridu sodného, aby poréznost vyrobeného materiálu byla rovnoměrná po celém jeho objemu.
Splnění všech těchto podmínek je náročné. Proto na katedře strojírenské technologie FS TUL v rámci projektu HyHi vyvinuli specifické laboratorní zařízení pro přípravu kovových pěn, které je založeno na přívodu plynu do taveniny kovu z externího zdroje a od letošního ledna je chráněno patentem. Zařízení podle vynálezu obsahuje napěňovací nádobu s uzavíratelným víkem, obojí ze žáruvzdorného materiálu. Ve víku je vytvořen průchod pro přívodní trubici tlakového plynu a průchod pro hřídel míchadla. Po obvodu napěňovací nádoby je uspořádána elektromagnetická cívka připojená ke zdroji elektrického proudu, která je určena k vytvoření posuvného magnetického pole se sinusovým průběhem.
„Translační magnetické pole působí na elektricky vodivou taveninu a indukuje v ní proud. V důsledku toho vzniká v tavenině takzvaná externí Lorentzova síla. Ta v materiálu vyvolá nerovnováhu projevující se vznikem gradientu tlaku. Ten následně uvede taveninu do pohybu. Podle typu magnetického pole lze určit hlavní směry proudění taveniny, přičemž vhodně zvolený typ magnetického pole bude svým účinkem pozitivně přispívat k chování plynových bublin při napěňování taveniny,“ vysvětluje člen týmu prof. Karel Fraňa z katedry energetických zařízení. Zdůrazňuje, že se jedná o ekologicky šetrné přímé napěňování s využitím technického vzduchu a magnetického pole.
Tavenina se nataví v peci a přelévá se do napěňovacího zařízení, kam se přidávají keramické částice pro stabilitu napěněné taveniny. Pro homogennější rozložení plynových bublin se využívá míchání taveniny s translačním magnetickým polem. Takto připravená tavenina se přivádí do tvarové formy, kde tavenina tuhne a získává se tvarový naplyněný masiv — „hliníková pěna“.
„Použitím tohoto zařízení se snažíme působit všemi dostupnými fyzikálními metodami tak, aby bubliny uvnitř byly homogenně rozloženy po celém objemu naplyňovacího kelímku a aby byla vytvořená pěna dostatečně stabilní při jejím přívodu do metalurgické formy, jejíž dutina může být ošetřena vzniklým vakuem,“ dodává prof. Fraňa.
NUMERICKÁ SIMULACE OPENFOAM
Podle prof. Frani lze kromě experimentálního ověřování k návrhu výrobní technologie použít i teoretické numerické simulace, které umožňují predikovat chování obecně vícefázových systémů. Studie umí zohlednit dopředu celou řadu faktorů, které mohou ovlivňovat technologické procesy výroby napěňovaných materiálů. Díky tomu lze studovat i jejich vliv na efektivitu výroby ještě dříve, než je zhotoven experimentální model pro ověření výsledků. Numerické simulace tak mohou dát odpověď na otázku, za jakých podmínek lze nejlépe uskutečňovat tyto technologické procesy, aby bylo s co možná nejmenší energetickou náročností dosaženo nejlepšího výsledku, v tomto případě např. homogenity a efektivity napěňování materiálů přívodem plynu do taveniny.
„Uskutečnění experimentů v reálné tavenině s teplotou více než 700 °C je technicky náročné a nebezpečné, proto simulační techniky umožňují získat odhad výsledků na reálných skutečných podmínkách v libovolném čase a místě uvnitř taveniny, přičemž v tomto rozsahu nemůže žádný experiment podobný přehled o procesu nabídnout. Navíc simulace umožňují nastavovat libovolné materiálové vlastnosti, takže se v rámci studie zkoušela i metoda nahrazení skutečné taveniny slitiny hliníku vhodnou chemickou směsí tekutých látek. Po přidání částic do reálné taveniny slitiny hliníku se zvyšuje stabilita ve vztahu ke tvorbě bublinek. Podobný efekt byl sledován rovněž numericky a experimentálně na náhradní látce, která z hlediska materiálových vlastností podobně reaguje na přidání určité chemické složky, jako je tomu u reálného případu taveniny slitiny hliníku. Výsledky byly realizovány nejen pomocí simulace, ale ověřeny i prostřednictvím experimentů,“ říká Karel Fraňa.
SMYSLEM JE ÚSPORA MATERIÁLU A LEHKOST KONSTRUKCÍ
Odlehčené materiály přinášejí mnoho výhod: jde o úsporu materiálu, a tím pádem i odpadu, dosažení lehčí konstrukce tam, kde jsou mechanické vlastnosti lehčeného materiálu vyhovující, a z toho vyplývající snadnější manipulace… Porézní materiály slouží také jako filtry zachycující nečistoty ze vzduchu.
Základní výzkum přípravy kovových pěn přináší v Liberci mnoho nových poznatků. Má ale šanci na aplikaci v praxi? Podle prof. Nové je výroba kovových pěn přes všechny nově získané poznatky zatím energeticky i technologicky náročná. Drahé je také zařízení na jejich výrobu, a proto je tato technologie zajímavá především pro větší firmy, které si mohou dovolit výrazné investice do výroby.
„U nás a třeba i na Slovensku se na tom pracuje hlavně pro výzkumné účely. Aplikace ve výrobě zatím neřešíme. Naše výsledky však mohou být pro případného investora z praxe užitečné,“ konstatuje prof. Iva Nová.