Odborně-vzdělávací a zpravodajský portál z oblasti strojírenství a navazujících oborů
Články >> Lehčené kovové struktury
Chcete dostávat MM Průmyslové spektrum ZDARMA až do Vaší schránky? Více informací zde.

Lehčené kovové struktury

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.

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.

Další články

Materiály konstrukční kovové

Komentáře

Nebyly nalezeny žádné příspěvky

Sledujte nás na sociálních sítích: