Témata
Reklama

Lehčené kovové struktury

05. 02. 2003

Lehčené kovové struktury, zaváděné v průběhu devadesátých let především v konstrukci letadel, automobilů a kolejových vozidel pro svou nižší hmotnost a potenciální úsporu energie, mají též výhodné tepelně a zvukově izolační vlastnosti a nové nečekané aplikace v environmentální technologii a dalších oborech.

Jako první se objevily před zhruba 10 lety lehké pěnové materiály s otevřenými a uzavřenými póry z hliníku a jeho slitin. Později přišly vláknové materiály z korozivzdorných a žáruvzdorných ocelí a slitin na bázi niklu. Posledním vývojem z konce devadesátých let jsou lehčené struktury z dutých kuliček z hliníku, oceli, korozivzdorné oceli a keramiky.
Reklama
Reklama

Lehké hliníkové pěny

Téměř současně se ve světě objevily výsledky vývoje kanadské firmy Alcan, rakouské firmy Mepura Metallpulvergesellschaft, známé obecně pod označením Alulight a německého ústavu Fraunhofer Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) z Brém, dnes označované Foaminal. Z technologie IFAM vychází i výroba hliníkových pěn u firmy Schunk Sintermetalltechnik.
Kovové pěny s otevřenými a uzavřenými póry velikosti 1 - 8 mm z hliníku, slitin typu Al-Si, Al-Mg-Si, Al-Mg-Si-Cu mají podle velikosti a podílu pórů (až 85 %) hustotu 0,4 - 1,5 kg.dm-3. Dnes se však pěny s vyšší hustotou než 1 kg.dm-3 jako neekonomické nevyrábí. Pěny s hustotou 0,4 kg.m-3 se vyrábí na objednávku a technicky schůdné jsou i pěny s hmotností až 0,2 kg.m-3.
Pěny se vyrábí z kovových prášků ve směsi s nadouvadlem, jímž je zpravidla titanhydrid TiH4. Ze směsi se připraví meziprodukt ve formě drátu kompaktováním za studena a následujícím protlačováním za studena. Vypěnění meziproduktu probíhá za tepla diskontinuálním procesem, ohřevem v kovové kokile nebo formě, případně mezi ocelovými plechy (sendviče) při výrobě tvarových částí nebo desek; kontinuálně vytlačováním v průběžné peci při výrobě tyčí, pásů a otevřených nebo uzavřených profilů. Velikost pórů, tvar pórů a měrnou hmotnost lze ovládat přísadou nadouvadla a řízením vypěňovacího procesu. Používá se též technologie přímého vypěňování taveniny.

Technická specifika

Výsledkem je materiál s vynikající pevností v tlaku, mezí kluzu v tlaku Ret mezi 7 - 12 MPa (u slitin AlMg1SiCu lze zvýšit vytvrzením až na 20 MPa), s modulem pružnosti E kolem 5 GPa (podle typu materiálu a hustoty). Tepelná a elektrická vodivost je asi na 10 % hodnoty masivního hliníku. Hliníkové pěny mají i vysokou absorpci zvuku a schopnost absorpce energie nárazu. Vlastnosti pěn jsou izotropní a nezávisí na směru namáhání. Tvarová stabilita a nehořlavost umožňují použití od hlubokých záporných teplot až po teploty těsně pod 600 °C. Pěny lze obrábět běžnými technikami třískového obrábění. Tváření se zpravidla nepožaduje, protože pěny lze vypěňovat do forem na tvary a rozměry blízké hotovým výrobkům (near net shape). Spojování zahrnuje adhezivní spoje lepením, pájení, svařování TIG a laserem. Nové možnosti se očekávají od pěn ze slitin Al-Mg-Sc, kde přísada skandia umožňuje lepší svařitelnost (na rozdíl od slitin Al-Mg-Cu, které jsou obtížně svařitelné) a korozní odolnost.
Aplikační oblasti zahrnují izolační materiály a tepelné štíty pro kosmickou a leteckou techniku, výplně a zpevnění absorbérů nárazu, konstrukční díly karoserií, sendvičové a deskové díly v konstrukci automobilů a vozidel, tepelně a zvukově izolační obklady strojů, obklady pro elektromagnetické stínění a izolační obklady ve vnitřní architektuře. Sendviče z hliníkové pěny byly předvedeny jako první aplikace v automobilu ve studii vozu designového centra Wilhelm Karmann na Detroit Motor Show 1998. Tvarové díly z pěnové elektrovodné mědi byly navrženy na sběrače proudu elektrických kolejových vozidel.

Vláknové materiály

Na rozdíl od kovových pěn se lehčené vláknové materiály vyrábějí z podstatně ušlechtilejších materiálů, jako jsou korozivzdorné a žáruvzdorné oceli a slitiny na bázi niklu, a až na několik shodných aplikací (např. elektromagnetické stínění) pro zcela jiné užití, jako vodivé tkaniny, filtrační média pro agresivní látky a vysoké teploty, tepelné štíty a k plnění elektricky vodivých plastů a kompozitů.
Vláknové materiály se vyrábějí dvěma technologiemi určujícími i směr jejich užití. Tažením jako nekonečný drát o průměru 2 - 30 µm z korozivzdorné oceli 316L, niklových slitin Inconel 601, Hastelloy X, Nichrom a feritické slitiny Fecralloy. Vláknové materiály vyrábí jeden z největších evropských producentů drátu belgická firma Bekaert Fibre Technologies. Zpracovává je na rouna, příze, tkaniny, úplety, plsti, rohože a sekaná krátká vlákna. Tkaniny Bekintex a Bekitherm slouží jako tepelné štíty a ve výrobě vyhřívaných autoskel a televizních obrazovek, slinovaná rouna Bekinox jako filtrační média pro vzdušniny, oleje, paliva a horké plyny. Sekaná krátká vlákna a sekané svazky Bekishield se užívají pro plnění vodivých plastů a kompozitů pro elektromagnetické stínění a pro odvádění elektrostatického výboje ve výbušných prostředích (Ex provedení).
Z roun tažených vláken průměru 2 - 40 µm z korozivzdorných ocelí přislinovaných na nosná síta z drátu průměru 0,7 - 1,2 mm vyrábí filtrační materiály Sika-Fil s porezitou až 80 % a průměrem pórů dmin mezi 8 - 38 µm na filtrační svíčky, trubky a vložky německá firma Sinter Metals Krebsöge.
Novější technologie výroby kovových vláken jednostupňovým procesem extrakcí z taveniny umožňuje přípravu vláken i z materiálů speciálního složení a z materiálů, jejichž nízká plasticita tažení neumožňuje, jako např. feritické slitiny Fe-Cr-Al nebo intermetalické fáze. Technologie využívá extrakce vláken na V-hranách rychle se otáčejících válců ponořených těsně pod hladinu taveniny. Současný stav techniky umožňuje výrobu krátkých vláken o délce 5 - 30 mm a průměru 30 - 1000 µm, z některých materiálů i nekonečných vláken. Technologií extrakce vláken z taveniny se zabývá IFAM ve své pobočce v Drážďanech, SMKC, a také např. japonská firma Nippon Yakin Kogyo, která takto vyrábí zpevňovače betonu z vláken korozivzdorných ocelí půlměsícového průřezu o délce 30 m a šíři 0,5 - 1,2 mm.
Vlákna se zpracovávají lisováním za přídavku pojiva a následným slinováním zpravidla na filtrační materiály s až 97% porezitou pro horké plyny s teplotou až 1200 °C. Jako materiálů se používá feritických slitin typu FeCr20Al15, ODS superslitin na bázi Ni-Cr disperzně zpevněných Y2O3 a niklaluminidů Ni3Al. V programu POMFICO (Porous Metal Fiber Components), vedeném IFAM a DaimlerChrysler, bylo dosaženo pozoruhodných výsledků v katalýze emisí HC a NOx automobilových spalin při 550 °C u slinutých vláknových materiálů (s vlákny o průměru 50 µm a 70% porezitou), slitin na bázi Fe-Al-Ce s přísadou platiny, palladia nebo mědi. Spolu s Aérospatiale Matra se lehké vláknové materiály na bázi Fe-Cr-Al slitin zkouší na tepelné štíty leteckých proudových motorů.

Lehčené struktury z dutých kuliček

Zcela novým materiálem s mnohostranným použitím, jehož vývoj stále probíhá, jsou lehčené struktury vzniklé z dutých kuliček povlakovaných kovy, tvrdými slitinami a keramickými materiály. Na sdruženém vývoji se podílí firmy Glatt, Schaumaplast Sachsen, DaimlerChrysler, Zeuna Stärker a IFAM.
Základem výroby je granulát z polystyrenu PS-E (Styropor, Styrofoam), volně vypěněný na průměr d50 0,5 - 10 mm a povlakovaný ve vznosu stříkáním suspenzí kovových nebo keramických prášků s pojivem polyvinylalkoholu (PVAL) a s glycerinem jako plastifikátor. Povlakované kuličky se následně tvarují lisováním do forem nebo na desky, podrobí pyrolýze polystyrenového jádra a pojiva se slinutím (s pájkou nebo bez pájky), při níž vznikají struktury dutých kuliček se skořepinou o tloušťce 10 - 1000 µm, s řízenou porezitou až 97 % a hustotou pod 1 kg.dm-3, u konstrukčních ocelí až 0,25 kg.dm-3. Lehčené uspořádané i neuspořádané struktury z volných kuliček se vytvářejí i lepením.
Typickými materiály povlaků jsou konstrukční oceli, korozivzdorné oceli (nejčastěji ocel 316L - 03Cr17Ni13Mo3), tvrdé slitiny Ni-Cr-Si-B a Co-Cr-W, titan a slitiny titanu, měď a slitiny mědi, nikl a slitiny niklu, oxidová keramika Al2O3, Al2O3+ SiO2, ZrO2 a sklo.
Předností nových lehkých struktur je mimo nízkou hmotnost dostatečná tuhost a plasticita, teplotní stabilita, korozní odolnost, tepelná vodivost, nehořlavost, schopnost absorpce zvuku a nárazu a 100% recyklovatelnost. Nové lehčené struktury jsou určeny pro konstrukce letadel, automobilů a kolejových vozidel, pro tepelné a zvukové izolace, tlumiče nárazu, otěruvzdorné aplikace, lehké stavební díly a nosiče chemických katalyzátorů. Za perspektivní se považuje nasazení struktur na tlumiče výfuku, kde by mohly nahradit dosud používané náplně ze skleněných vláken, u nichž je podezření na možnou karcinogennost.
Přednosti lehčených kovových struktur různých typů naznačují jejich velké možnosti při úsporách energie, v bezpečnosti konstrukcí a ochraně životního prostředí. Záleží jen na prolomení tradic a konzervativního přístupu ke konstruování s těmito lehkými materiály.
Reklama
Vydání #1,2
Kód článku: 30188
Datum: 05. 02. 2003
Rubrika: Výroba / Materiály
Autor:
Firmy
Související články
Zařízení pro nízkoteplotní zpracování kovů

Zpracování kovových dílů za nízkých teplot je u některých aplikacích důležitou součástí procesu tepelného zpracování. Pro tyto účely společnost Linde Gas nabízí kompletní program Cryoflex, který zahrnuje chladicí boxy s následným ohřevem, skříně a tunely, jakož i dodávky a skladování kapalného dusíku a poradenství aplikačních inženýrů.

Vysokopevnostní ocelové plechy svařované laserem

Vysokopevnostní a otěruodolné oceli Optim a Raex, vyvinuté společností Ruukki, nabízejí jedinečné možnosti aplikace pro výrobce různých typů sklápěčů a nádrží. Raex je extrémně tvrdá, otěruodolná ocel, zatímco v případě oceli Optim jde o vysokopevnostní konstrukční ocel. Společně umožňují výrobu optimalizovaných a lehčích ocelových konstrukcí bez ztráty tvrdosti a pevnosti.

Ocel odolná proti opotřebení pro náročné použití

Ocel Raex odolná proti opotřebení od společnosti Ruukki byla navržena tak, aby vydržela i ty nejnáročnější podmínky, proto představuje bezpečnou a nákladově efektivní volbu pro potřeby těžebního průmyslu. I přes svou vysokou pevnost a tvrdost se ocel Raex může pochlubit dobrou svařitelností a tvářitelností.

Související články
Materiálová řešení vodovodních fitinků

První část článku, která byla uveřejněna v minulém čísle, pojednávala o problémech s náhradou kovových součástí plastem a krípu, jako základního nedostatku termoplastů. V tomto čísle budou probrány možná řešení náhrady jinými materiály.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Aplikace nanomateriálů ve strojírenství

Nanotechnologie umožňují vývoj nových generací kompozitů s vylepšenou funkčností a širokou škálou aplikací. V současnosti nanokompozity představují mnoho aplikací v mnoha průmyslových oborech. Užitné vlastnosti nanomateriálů vyplývají z jejich výjimečných fyzikálních a chemických vlastností, velikosti, tvaru či povrchové morfologii. Velikostní efekt (size efect) umožňuje výrazně zlepšovat užitné vlastnosti konvekčních materiálů. Nanotechnologie díky svému inovačnímu potenciálu již dnes výrazně ovlivňují moderní průmyslové produkty.

Pokročilé slitiny mědi a vysoce odolné mosazi

Společnost FRW Carobronze, která se specializuje na dodávky slitin mědi s pokročilými technickými vlastnostmi výrobcům v různých oborech, doplnila svoji řadu vysoce specializovaných slitin mědi o kované nebo vytlačované polotovary ze slitiny CuNi14Al2 (UN14A2) a kované nebo vytlačované polotovary z vysoce odolných mosazí CuZn19Al6 (UZ19A6) a CuZn23Al4 (UZ23A4).

Německé inovace ocelí 2012

Předposlední červnový den vyhlásilo německé centrum pro informace o oceli Stahl-Informations-Zentrum v Düsseldorfu vítěze ceny Stahl-Innovationspreis 2012 v kategoriích: inovace výrobků z oceli, oceli pro stavebnictví, výzkum a vývoj ocelí, design výrobku z oceli a zvláštní cenu pro výrobek z oceli s největším ekologickým přínosem.

Odlehčovací optimalizace 3D tištěné frézy

Vývoj v oboru obrábění se tradičně potýká s mimořádným dynamickým zatížením soustavy na straně jedné a požadavky na přesnost a produktivitu obrábění na straně druhé. Nalezení takové konstrukce nástroje, která odolá extrémním provozním podmínkám, a přitom umožní proces obrábění urychlit, může vést k zefektivnění výrobního procesu. Příkladem toho může být vývoj odlehčené frézovací hlavy. Dosavadní konstrukce obráběcích nástrojů vycházely z jednolitých plných tvarů zaručujících vysokou tuhost na úkor dynamických vlastností nástroje. Změnou vnitřní struktury je však možné najít optimum mezi těmito protichůdnými požadavky.

Vliv složek ochranných atmosfér na WAAM

Svařování v současné době není už pouze technologií ke spojování materiálů. S rozvojem aditivní výroby strojních součástí lze tento proces využít také pro výrobu komplexních a geometricky složitých součástí. Technologie WAAM využívá svařování pro vrstvení jednotlivých svarových housenek do tvaru vyráběné strojní součásti a je charakterizována mnoha proměnnými – mimo jiné i účinky ochranné atmosféry. Cílem příspěvku je zhodnotit vliv jednotlivých složek ochranných atmosfér používaných pro MAG svařování.

Jak se vyvíjí a vyrábí proudový motor?

V letošním roce uvedla První brněnská strojírna Velká Bíteš (PBS) na trh nový turbínový motor PBS TJ150. Jedná se o proudový motor, u kterého se výkon, resp. tah motoru uvádí v jednotkách Newton. Maximální tah tohoto motoru činí 1 500 N. Je to již pátý typ proudového motoru, který tato exportně orientovaná firma dodává na zahraniční trhy.

Nové perspektivy v obrábění titanových draků letounů

Rostoucí využití titanu pro aplikace v leteckém průmyslu je za poslední léta velmi dobře zdokumentováno. Stejně tak se tématem diskuze a zkoumání staly i problémy spojené s efektivním, produktivním a vysoce kvalitním obráběním tohoto oblíbeného materiálu. Každá obrobna chce samozřejmě při frézování titanu optimalizovat výkonnost použité frézy, ale bez vhodných technologií a správného know-how to nemusí být až tak snadné. Díky převratnému objevu se však v současnosti začínají v této oblasti věci měnit.

Nové nástroje z opotřebovaných nástrojů

Není-li možné nástroje ze slinutého karbidu dále přeostřovat, zbývá většinou pouze jedna možnost – odho-dit je do šrotu. Použití nově vyvinuté metody recyklace však nyní umožňuje tyto opotřebované nástroje využít jako výchozí polotovar pro výrobu nástrojů nových.

Laserové řešení pro plastikářský průmysl

Konvenční technologie opracování plastů již v mnoha případech nevyhovuje požadavkům koncových uživatelů. Moderní lasery posouvají kvalitu výroby plastů na zcela novou úroveň. Lastic představuje implementaci nejmodernějších laserových technologií a ergonomického ovládání do jediného produktu, jenž je navržen tak, aby jeho aplikace do stávajících výrobních linek byla zcela bezproblémová.

Zrod (a znovuzrození) břitové destičky

Prakticky veškeré výrobky z kovů se obrábějí pomocí břitových destiček – ať už se jedná o letecký průmysl, výrobu energetických zařízení, nebo oblast spotřebního zboží. Břitové destičky jsou využívány ve velkém měřítku a pro širokou škálu aplikací, od frézování masivních bloků motorů a tvarového obrábění forem využívaných výrobci sportovní obuvi až po obrábění číselníků. Seznam požadavků na břitové destičky je dlouhý: vysoká odolnost proti opotřebení a dlouhá životnost, vysoké rychlosti úběru kovu a maximální spolehlivost, a to i v náročných podmínkách, jako jsou složité dráhy nástrojů nebo hluboké dutiny, špičková výkonnost při obrábění za sucha i za mokra a vynikající kvalita obrobené plochy při dodržení přísných tolerancí.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit