В последние годы в машиностроении и строительстве возрос интерес к изготовлению и применению инновационного материала — металлической пены. Основной причиной для этого стало развитие новых концепций легких и прочных конструкций в автомобилестроении и строительстве.
Первоначально потребность в пористых материалах с высокой жесткостью и низким удельным весом способствовала появлению искусственных материалов, изготовленных из ячеистых полимеров, керамики и стекла, имеющих хорошие демпфирующие и изоляционные свойства. Клеточный материал из металла может предложить более интересные перспективы в связи с сочетанием металлических свойств и особенностей пены.
В последние 40 лет было сделано много попыток для получения металлических пенных структур, однако они не были успешными из-за их относительно высокой стоимости и сложности технологии. Кроме того, несовершенная технология изготовления не позволяла достичь стабильно воспроизводимых свойств. Проблемы были связаны с низкой пенообразующей способностью расплавленного металла, получением различных размеров «клеточных» структур и усадкой при затвердевании. Однако в последнее время эти вопросы были решены при помощи обширных исследований, что привело к разработке новых технологий в производстве. Эти новые технологии вспенивания позволяют изготовить материал значительного более высокого качества. В частности, была успешно получена технология вспенивания алюминия.
Металлическая пена, особенно из алюминия, имеет большие перспективы для применения в промышленности. Вспененный металл имеет малый вес, хорошие теплоизоляционные и звукопоглощающие свойства, негорюч и нетоксичен. «Клеточная» структура материала поглощает вибрации, толчки и звуки исключительно хорошо, а низкий вес обеспечивает идеальную основу для облегченных конструкций. Вспененный алюминий может также обеспечить высокоэффективную защиту от электромагнитных волн. Низкая плотность — 0,3...0,8 г/куб.см — позволяет алюминиевой пене плавать в воде (в случае закрытой пористости). Хотя на данный момент алюминиевая пена не производится в промышленных масштабах, опять-таки, из-за своей дороговизны, однако ожидается, что дальнейшее развитие технологии позволит широко ее применять. Ведь всем известно, что кость, благодаря свой пористой структуре, — один из наиболее прочных биологических материалов. Костная ткань стойка к сопротивлению и сжатию. Похожими на нее ученые решили сделать и металлические материалы будущего.
В течение последних десяти лет было разработано несколько технологий для производства металлических пен, но только некоторые из этих процессов подойдут для производства алюминиевой пены в промышленных масштабах:
а) введение газов напрямую в жидкий металл (рис. 1). В качестве добавок, увеличивающих вязкость расплавленного металла, вводятся SiC или Al2O3 (10-15%). Газ (воздух, азот или аргон) вводят в расплав с помощью вращающейся крыльчатки. Таким способом могут быть получены плиты из металлической пены значительных размеров (0,1х1х10 м). При этом пористость материала достигается 80...97%. Алюминиевый пористый материал увеличивается примерно в 5 раз от первоначального объема.
б) технологический процесс Alporas Shinko Wire Co. Ltd. (Осака, Япония) с добавлением 1,5% кальция в алюминиевый расплав для регулирования вязкости (рис.2). Кальций вводится в расплавленный алюминий при 680 градусах и перемешивается в течение 6 минут. Полученный алюминиевый расплав заливают в литейные формы и перемешивают с добавкой сухого пенообразователя TiH2 с помощью вращающейся крыльчатки. Пенообразователь разлагается под влиянием тепла и водорода, увеличивая свой объем в течение 15 минут. Затем расплав охлаждается в форме с помощью вентиляторов и затвердевает в виде блока с пористостью 89...93%. Литые блоки имеют размеры 450x2050x650 мм и весят 160 кг. Блоки разрезают на листы требуемой толщины.
в) другие процессы:
— «Газар-процесс» основан на различной растворимости водорода в зависимости от создаваемого давления. Металл расплавляют в автоклаве под высоким давлением, что позволяет внедрить большое количество водорода. Этот насыщенный расплав переливается в форму в автоклаве. После этого следует направленное затвердевание расплава при пониженном давлении, что вызывает выделение водорода и вспенивание. Достигаемая пористость имеет низкие значения — 5...75%.
— Технологии Duocel и Cellmet работают на другом принципе. В качестве литейных форм используется полиуретановая пена, заполненная термостойким материалом. После нагревания полимер удаляется и расплавленный металл приобретает пористую структуру полиуретановой пены, заполняя прессформу. Пористость материала, как правило, в диапазоне 80...97%. Этот процесс отличается от предыдущих тем, что металлическая пена получается с открытыми ячейками.
Благодаря своей ячеистой структуре пены ведут себя по-другому при механических испытаниях, по сравнению с обычными металлическими материалами. Поэтому традиционные методы испытаний не могут быть применены к металлической пене (к примеру, испытания на растяжение). Испытания с наиболее значимыми результатами — на степень сжатия. Типичная диаграмма для пен (рис.3) с открытыми и закрытыми порами имеет три характерные части. Вначале происходит линейный рост напряжения (1) при увеличении деформации, затем горизонтальный участок при постоянной нагрузке (2), и резкое увеличение деформаций в конце (3) в результате разрушения пористой структуры. Металлические пены ведут себя так же, как полиуретановые — с той разницей, что их прочность примерно в 30 раз выше при том же уровне пористости.
Как и в случае со сплошными металлами, пены также могут подвергаться термической обработке, но этот процесс гораздо сложнее из-за низкой теплопроводности пористой структуры. Закалку произвести трудно, потому что невозможно достичь равномерной скорости нагрева и охлаждения по всему объему материала. Вода не может быть использована в качестве закалочной среды, потому что ячейки пористой структуры могут разрушиться. Для закалки используется сжатый воздух, что приводит к снижению скорости охлаждения.
Поверхность вспененного металла также влияет на его свойства. Если пена испытывается со сплошной коркой после литья, то такой материал выдерживает более высокие напряжения. Причина этого заключается в том, что литая сплошная поверхность создает сэндвич-структуру композита, обладающую большей жесткостью. Алюминиевые сэндвич-панели изготавливаются из двух металлических плотных лицевых листов и сердцевины в виде металлической пены. Листы соединяются с алюминиевой пеной методом склеивания, пайки или диффузионной сваркой. Интересная концепция была разработана компанией Karmann (Германия) — сэндвич панели-AFS. Вспенивание алюминиевого наполняющего между двумя листами толщиной 1 мм происходит в печи, готовый «сэндвич» имеет толщину 8...12 мм, при этом не требуется соединение пены и листов. Панели AFS на 50% легче и в 10 раз жестче, чем аналогичный стальной лист. По сравнению со сплошным алюминиевым листом, теплоизоляция «сэндвича» на 95% выше.
Идеальное сочетание всех этих свойств алюминиевых пен по схеме сэндвич-панелей делает материал AFS отличным вариантом для изготовления кузовов автомобилей. Из-за высокой прочности на кручение и жесткости можно уменьшить количество деталей, которые должны быть изготовлены для сборки для кузова автомобиля. Алюминиевая пена в случае аварии и лобового столкновения поглотит энергию удара и защитит пассажиров транспортного средства. Для этих целей из алюминиевой пены могут быть изготовлены крылья и лонжероны, стойки дверей автомобиля, багажник, капот и раздвижная крыша. Звукопоглощающие свойства пен можно использовать в моторном отсеке автомобиля для предотвращения передачи шума в пассажирский салон и окружающую среду.
Благодаря своему легкому весу алюминиевая пена может стать очень важным конструкционным материалом для аэрокосмической промышленности. Например, материалы из алюминиевой пены или сэндвич-панелей могут заменить дорогие сотовые конструкции. Это будет иметь ряд преимуществ, например, снижение затрат. Еще одним важным преимуществом является изотропность свойств таких панелей и отсутствие какого-либо клеевого соединения. Последнее могло бы помочь сохранить целостность конструкции в случае пожара. Однако, важным вопросом, который является предметом текущих исследований, является усталостная характеристика алюминиевой пены и сэндвич-панелей.
Легкость и «плавучесть» алюминиевой пены может применяться в судостроении. Морские суда не строятся большими сериями и не собираются из высоко стандартизованных частей. Поэтому алюминиевая пена или панели могут иметь большие преимущества. Условием их использования будет развитие
подходящих крепежных элементов и исследование коррозии алюминиевой пены в морской воде. Первые исследования пен с закрытым типом ячеек показали, что хлорид натрия влияет только на поверхностный слой алюминиевой пены, не вызывая структурных дефектов.
В строительстве зданий и сооружений есть хорошие возможности для применения алюминиевой пены, в основном из-за ее хорошего сопротивления проникновению огня и теплоизоляционным свойствам. Например, детали из пены или сэндвич-панелей могут быть использованы в качестве элементов наружных фасадов или настенных покрытий внутри зданий. В обоих случаях алюминиевая пена может служить энергосберегающим строительным материалом. Из алюминиевых панелей возможно изготовление облицовки в железнодорожные тоннелях под шоссе, мостами или внутри зданий в качестве звукопоглощающего материала.
Еще одна область применения алюминиевой пены — возведение легких конструктивных элементов, например, мобильных мостов. Алюминиевая пена может использоваться для уменьшения расхода энергии лифтов. Алюминиевые панели могут быть легко установлены без грузоподъемного оборудования.
Уникальные свойства алюминиевой пены имеют большой потенциал для дизайнеров бытовых предметов и мебели. Этот материал может быть использован для ламп, столов или предметов домашнего обихода и аксессуаров. Мебель, изготовленная из металлической пены, обладает легким весом, который может быть большим преимуществом в офисных помещениях или на ярмарках и выставках.
Алюминиевая пена может также служить в качестве материала для изготовления теплообменников, тепловых экранов, фильтров или носителей для катализаторов. Другой возможностью является использование в качестве материала для защиты от электромагнитных волн для потолков и стен помещений с электронным оборудованием.
В последние годы большой интерес учёные и промышленники проявляют к пористым материалам, получаемым на основе алюминия. Алюминий с закрытыми порами (пеноалюминий) получают вспениванием расплавленного или размягчённого металла. Открытоячеистый (или пористый) алюминий изготавливают способом литья с удаляемым наполнителем или гальваническим покрытием на пенополиуретане.
Свойства и применение пеноалюминия
Размер порв пеноалюминии может колебаться от нескольких долей миллиметра до 30 мм и зависит от тонкостей технологического процесса. Плотность этого материала регулируется в интервале 0,3-1,5 г/см 3 . Пеноалюминий сохраняет все качества исходного металла - стойкость к коррозии, свариваемость, простоту обработки. Наряду с этим, материал приобретает новые положительные качества:
- способность к окрашиванию и склеиванию;
- эффективное звукопоглощение и поглощение энергии удара;
- пониженную теплопроводность;
- уникальный внешний вид.
Удельный вес пеноалюминия равен аналогичной характеристике пластмассовых и деревянных изделий. При этом материал не горюч, не токсичен, стоек к воздействию ГСМ, термо- и биостоек, устойчив к ультрафиолетовым лучам и радиации. При попадании в воду закрытопористый алюминий плавает без набухания.
Большой интерес вызывают многослойные материалы, в которых сердцевина изготовлена из пеноалюминия, а поверхности покрываются полимерными материалами, шпоном, плакируются алюминиевыми или титановыми сплавами.
Области применения открытопористого алюминия:
- внутренняя облицовка судов, самолётов, ж/д вагонов;
- бамперы, кожуха, заполнители глушителя автомобиля;
- в строительстве - пожаро- и биостойкая облицовка, подвесные потолки и полы, способные выполнять функцию защиты от электромагнитного излучения;
- в промышленности - шумозащитные кожухи для оборудования, фильтры, теплоизоляция
Характеристики и области применения алюминия с открытой пористостью
Механические характеристики алюминия с открытой пористостью были изучены не так хорошо, как свойства пеноалюминия. Однако о свойствах этого материала можно сказать следующее:
- его жёсткость и прочность на сжатие аналогичны пеноалюминию;
- высокоразвитая внутренняя поверхность позволяет использовать пористый алюминий в компактных теплообменниках;
- акустические характеристики этого материала недостаточно высоки, но негорючесть и стойкость к термическим перепадам позволяют его использовать для шумопоглощения.
Области применения пористого алюминия:
- В компрессорах и пневматических установках в конструкциях шумоглушителей. При этом пористый алюминий сочленяют со сплошной металлической деталью, оснащённой резьбой.
- Фильтры, изготовленные из пористого алюминия. Могут служить для отделения некоторых твёрдых частиц от газов и жидкостей.
- Высокая теплопроводность алюминия в сочетании с развитой внутренней поверхностью пористых материалов позволяет использовать открытоячеистый металл для изготовления теплообменников.
Пористые металлы, в том числе и алюминий, могут служить накопителями жидкостей с целью их дальнейшей дозированной подачи.
В последние годы проявляется повышенный интерес к двум пористым
материалам на основе алюминия, обладающим многими
привлекательными свойствами.
Материал с закрытыми порами, получаемый методом вспенивания
расплавленного или полурасплавленного алюминия, называют
закрытоячеистым пеноалюминием. Другой материал с открытыми
порами, именуемый открытоячеистым (пористым) алюминием, получают
методом литейного производства с использованием удаляемого
наполнителя или путем гальванического покрытия на удаляемом
затем пенополиуретане.
Закрытоячеистый пеноалюминий
Свойства
В ходе исследований пеноалюминия в Институте перспективных
материалов им. Фраунгофера (Германия) установлено, что наряду с
теплоизоляционными и звукопоглощающими свойствами пеноалюминий
показывает при деформации сильно нелинейное поведение,
характерное для пористых структур. Это свойство может быть
использовано для демпфирования удара. Электрическая и
термическая проводимости значительно меньше, чем у сплошного
металла, но лежат в области свойств обычных металлических
материалов. Как и вспененные пластмассы, металлические пены
обладают отличными энергоабсорбирующими свойствами, но на более
высоком уровне прочности. Широкая температурная область
применения и негорючесть материала являются другими его
преимуществами. Хорошая рециклируемость пеноалюминия
представляет собой не менее ценный параметр. Материал хорошо
обрабатывается пилением, сверлением, фрезерованием, обточкой. В
качестве способов соединения могут быть использованы склеивание,
пайка или специальная сварка.
В отличие от ячеистых бетонов и древесностружечных плит у
пеноалюминия низкая гигроскопичность (1- 3%), что обусловливает
морозостойкость и отсутствие трещин при перепаде температур. Его
не нужно пропитывать антисептиками и антипиренами. На его
поверхность свободно наклеиваются различные декоративные
материалы, он хорошо воспринимает краску.
Применение
Алюминиевые пены используются:
- Для защиты от удара
- Для повышения жесткости полых профилей
- Для изготовления негорючих фасадных элементов зданий и легких и огнестойких кабин лифтов,в производстве теплостойких демпфирующих материалов,
- Для упрочнения анкеров в бетонных стенах
Наибольший интерес к пеноалюминию проявляют иностранные
автомобилестроители. В 1998 году на автошоу в детройте Вильгельм
Карманн представил новинку, в которой при изготовлении кузова
использовались трехслойные алюминиевые листы с алюминиевой пеной
(afs — aluminium foam sandwich). Такой материал обладает высокой
удельной жесткостью, малой термической и электрической
проводимостью, не горит и хорошо подходит для поглощения или
демпфирования энергии. Низкая масса подобной конструкции
уменьшает расход бензина. Кузов на 50% легче соответствующего
стального, но в 10 раз стабильней. Трехмерные многослойные
структуры усиливают жесткость рамы, из них можно изготавливать
также заднюю стенку кузова и сидения. Карманн предлагает идею
безопасного автомобиля XXI века, в котором будут использоваться
не плоские алюминиевые элементы, а трехмерные многослойные
детали с пеноалюминием — от дверец до сложной группы днища.
Такие детали очень легкие и имеют в 15 раз более высокую
жесткость, чем обычные листовые конструкции. Заметны
преимущества пеноалюминия по шумоглушению при повышенных
частотах (более 800 гц).
Пеноалюминий применяется в строительстве в виде несгораемых
перегородок и облицовочного материала.
Открытоячеистый (пористый) алюминий.
Свойства.
Плотность пористого алюминия лежит обычно в диапазоне от 0,9 до
1,2 г/см3, что соответствует пористости от 55 до 67%.
Механические свойства этого материала изучались до последнего
времени не так интенсивно, как пеноалюминия. Механическое
поведение его весьма близко к тому, какое имеют пены с закрытой
пористостью: начальный, почти линейный подъем напряжения
сменяется областью значительной пластической деформации и затем
при очень большой деформации переходит в уплотнение всей
структуры при соответствующих высоких усилиях. Они требуются,
чтобы деформировать пористую структуру. Таким образом, материал
обладает высокой жесткостью. Прочность на сжатие соответствует
почти тем же значениям, что и у пеноалюминия.
Проницаемость
Для многих сфер применения желательна контролируемая и
управляемая проницаемость материала газами или жидкостями.
Пористый алюминий имеет высокую развитую внутреннюю поверхность,
составляющую при плотности 1,1 г/см3 от 1 до 2 м2/г. Это
свойство может быть использовано в компактных теплообменниках.
Акустические характеристики.
Эти показатели несколько хуже, чем у специальных шумогасящих
материалов, однако пористый алюминий имеет много других полезных
свойств (негорючесть, высокая стойкость к температурным
изменениям, негигроскопичность и др.), Которые делают выгодным
его применение для шумоглушения.
Возможности применения.
- Шумоглушители. Пористый алюминий используется в конструкциях шумоглушителей, в которых путем декомпрессии шум, возникающий от выхода газа, уменьшается (например, в пневматических установках и компрессорах). Шумогасящие элементы, изготовленные из неплотно спеченных порошков бронзы или стали, довольно дороги. Пористый алюминий, полученный литейным способом, может быть при изготовлении сочленен со сплошным металлом с резьбой, и соединение с выходом газа при этом становится простым. Первые технические испытания показали, что таким образом достигаются по крайней мере те же результаты, что и у спеченной бронзы.
- Фильтры. Область применения пористого алюминия в качестве фильтров довольно широка. Ими можно отделять твердые частички, например сажи, от жидкостей или газов.
- Носители катализаторов. Вследствие развитой внутренней поверхности в комбинации с хорошей проницаемостью пористый алюминий может использоваться в качестве несущей решетки для катализаторов. Высокая теплопроводность материала имеет значение при сильных экзотермических реакциях, например, при окислении этилена в этиленоксид.
- Теплообменники. Высокая теплопроводность алюминия предполагает использование пористых конструкций из этого металла с развитой поверхностью для теплообмена между жидкостями, газами или между жидкостью и газом.
- Другие области применения. Пористые материалы, в том числе алюминий, могут употребляться в качестве накопителей жидкости для последующей ее дозированной подачи, например, в пористых валках, в деталях подшипников скольжения (поры заполняют смазкой). При подаче газа через пористые материалы его можно в распределенном виде барботировать в жидкость или с помощью воздушной подушки создать поверхность скольжения (воздушный подшипник). Наконец, пористый алюминий благодаря своей теплопроводности используется в конструкциях пламягасителей.
Изобретение относится к металлургии, в частности к получению из расплава вспененного металла, например пеноалюминия. Сущность: поток сжатой дисперсной смеси расплава металла с газом подают под уровень расплава под давлением, превышающем сумму атмосферного и металлостатического давлений, вытесняют область расплава, прилегающую к месту подачи диспергированной смеси, а часть этой смеси непрерывно отводят и охлаждают до затвердевания. Способ позволяет получить пеноалюминий с пористостью 90%, регулируемой дисперсией пор и степенью однородности. По сравнению с известной промышленно освоенной технологией себестоимость производства на 40% ниже. 3 табл.
Изобретение относится к металлургии, в частности к получению из расплава вспененного металла, например пеноалюминия. Известен способ получения пеноалюминия, включающий увеличение вязкости расплава легированием металлическим кальцием при массовом отношении к расплаву 0,2-8% , вспенивание расплава взвешиванием порошкообразного гидрида титана при массовом отношении к расплаву 1-3% и охлаждение образующегося вспененного расплава до затвердевания. Недостатком способа является малая, неоднородная и нерегулируемая дисперсность пузырьков газа, обусловленная природой процесса термического разложения гидрида титана с выделением газа, при перемешивании, а также высокая стоимость металлического кальция и гидрида титана. Известен способ получения вспененного металла из жидких алюминиевых сплавов, включающий замешивание в расплав инертного или кислородсодержащего газа в дисперсном виде для увеличения вязкости расплава, вспенивание расплава добавлением при перемешивании порошкообразных гидридов титана, гафния или циркония и охлаждение вспененного расплава до затвердевания. Известный способ выбран в качестве прототипа по технической сущности - использование газа в качестве загустителя расплава. Недостатком способа являются малые дисперсность пузырьков газа и пористость материала, обусловленные способом ввода загущающего газа, основанном на относительном движении газа в расплаве, что приводит к неустойчивости системы. Кроме того, загущающий газ выносит на свободную поверхность расплава часть вспенивающего газа, что увеличивает расход порообразующего вещества. Замешивание в расплав металла газа (азота, аргона, воздуха, углекислого газа, водяного пара и т.д.) увеличивает вязкость расплава. Однако известные приемы осуществления этого способа не обеспечивают устойчивость системы, контролируемость и требуемых значений вязкости расплава, пористости и дисперсности пор. Для повышения качества продукции за счет обеспечения оптимальной дисперсности пузырьков газа, пористости и структуры пор, а также для снижения себестоимости продукции за счет исключения использования дорогостоящих порообразующих и повышающих вязкость расплава материалов предлагается следующая технология. В способе получения вспененного материала, например пеноалюминия, включающем смешивание расплава металла с газом, вспенивание расплава и охлаждение до затвердевания, поток сжатой дисперсной смеси расплава с газом подают под уровень расплава при статическом давлении, превышающем сумму атмосферного и металлостатического давлений, вытесняют смесью область расплава, прилегающую к месту подачи диспергированной смеси, часть которой непрерывно охлаждают до затвердевания. Техническая сущность предлагаемого технического решения заключается в образовании металлической пены при подаче под уровень расплава потока сжатой дисперсной смеси расплава с газом при статическом давлении, превышающем сумму атмосферного и металлостатического давлений. При этом вытесняют смесью область расплава, прилегающую к месту подачи диспергированной смеси, часть которой непрерывно охлаждают до затвердевания. Для оптимизации процесса литья поддерживают объем области газожидкометаллической смеси под уровнем расплава постоянным, уравнивая расход поступающей смеси, скорость ее затвердевания и скорость вывода затвердевшего вспененного металла. Таким образом осуществляется инверсия (обращение) газожидкометаллической смеси, где сплошной средой является газ, а дисперсный расплав в динамически устойчивую металлическую пену требуемого регулируемого газосодержания и дисперсности без применения добавочных порообразующих, увеличивающих вязкость или уменьшающих коэффициент поверхностного натяжения расплава веществ. Экспериментально установлено, что при подаче под уровень расплава потока сжатой дисперсной смеси расплава с газом при статическом давлении, превышающем сумму атмосферного и металлостатического давлений, на величину, обеспечивающую вытеснение расплава, и при требуемом объемном соотношении расплава к газу под уровнем расплава образуется металлическая пена. Излишний газ барботирует на свободную поверхность расплава с выходом в атмосферу или отводится через газоотводящую трубку. Объемное соотношение расплава к газу после сжатия смеси должно соответствовать необходимой пористости материала, причем следует учитывать максимальную возможную пористость расплава металла, например для алюминия 93%. Статическое давление в подаваемой смеси должно превышать сумму атмосферного и металлостатического давлений на величину, достаточную для вытеснения смесью области расплава, прилегающей к месту подачи диспергированной смеси, создания подуровневой зоны пенообразования, обеспечения пузырькового режима барботажа избыточного газа. Интервал избыточного давления смеси 5-20 кПа соответствует пузырьковому режиму барботажа в интервале глубин подачи смеси 100-500 мм для расплава алюминия. Для других металлов этот интервал будет иным. При давлении, меньшем суммы атмосферного и металлостатического давлений, затруднена подача смеси под уровень расплава с его вытеснением. При давлении более 20 кПа для расплава алюминия режим барботажа становится струйным с разрывом и перемешиванием свободной поверхности расплава, что недопустимо при литье и дестабилизирует образование пены в подуровневой области расплава. Образованию пены в подуровневой области расплава способствует дисперсность подаваемой смеси и постоянная многоручьевая подпитка зоны подачи дисперсной смеси металлом из области сплошного расплава, которая естественно осуществляется за счет силы тяжести. Для обеспечения и оптимизации процесса пенообразования и литья вытесняют смесью область расплава, прилегающую к месту подачи диспергированной смеси, часть которой непрерывно охлаждают до затвердевания. Кроме того, поддерживают объем подуровневой области ввода газожидкометаллической смеси (зоны пенообразования) постоянным, уравнивая расход поступающей смеси, скорость ее затвердевания и скорость вывода затвердевшего вспененного слитка (100-300 мм/мин). Предложенные необходимые и достаточные условия обеспечивают образование металлической пены под уровнем расплава вследствие дисперсности подаваемой смеси, получения требуемого объемного соотношения расплава и газа, сжатия смеси до статического давления, превышающего сумму атмосферного и металлостатического давлений, вытеснения расплава смесью с образованием подуровневой области пенообразования при массообмене со слоем сплошного расплава. Полученная подуровневая зона пенообразования характеризуется высокой вязкостью, постоянным объемом, непрерывным притоком смеси, эффективным массообменом со сплошным расплавом в дисперсной фазе (по газу и расплаву), непрерывным отвердеванием части зоны пенообразования за счет внешнего охлаждения и отводом отвердевшей части, уменьшенным коэффициентом поверхностного натяжения дисперсной фазы расплава и, следовательно, динамической устойчивостью. Эти условия обеспечиваются в полной мере применением для диспергирования расплава, сжатия смеси и подачи ее под уровень расплава лопастного механизма типа воздушного винта с периферийным приводом при скорости вращения не менее 100 об./мин; диффузором, использованием водоохлаждаемого кристаллизатора и литейной машины, например, для полунепрерывного литья слитков. Степень диспергирования расплава может быть различной в зависимости от требуемой пористости и дисперсности пор продукта и определяется скоростью вращения и конструкцией лопастного механизма. Одним из преимуществ предлагаемой технологии вспенивания расплавов является также осуществление автокорректировки кратности пены за счет сброса излишков газа при барботаже или через газоотводящую трубку. Таким образом, процесс получения пенометалла по предлагаемой технологии осуществляется без применения специальных порообразующих, а также увеличивающих вязкость и уменьшающих коэффициент поверхностного натяжения расплава веществ. Себестоимость производства пеноалюминия по предлагаемой технологии на 40% дешевле, чем по известным технологиям, при более высоком и регулируемом качестве продукции, обусловленном отсутствием вредных примесей, достижением требуемой пористости и однородности дисперсности пор. Максимальная достигнутая пористость пеноалюминия 90% при дисперсности пор 2-3 мм. П р и м е р. В лабораторных условиях осуществляли процесс получения пеноалюминия с использованием предлагаемой технологии. Для сравнения использовали показатели продукции по известной технологии, освоенной промышленностью Японии с торговой маркой "Альпорас": пористость 90%, дисперсность пор 2-7 мм. Поток расплава алюминия при 750 о С с расходом 40 кг/ч диспергировали в разреженном азоте ( 0,011 МПа) с непрерывным сжатием смеси до давления, превышающего сумму атмосферного и металлостатического давлений на величину до 50 кПа. Атмосферное давление в день эксперимента 94 кПа. Расход азота 0,4-0,5 нм 3 /ч. Глубина места подачи дисперсной смеси под уровень расплава 150 мм и 300 мм. Объемное соотношение расплава к газу выбирали 1:9 и 1:10-1:12. Для осуществления процесса использовали обогреваемый смеситель с дозаторами расплава и газа, содержащий винт с периферийным приводом; кристаллизатор в виде цилиндрической изложницы объемом 2,3 л, перемещаемой в вертикальном направлении со скоростью 200-300 мм/мин. Скорость вращения винта смесителя 300-400 об./мин. Процесс литья осуществляли в периодическом режиме до заполнения изложницы. Винт диспергирует поток расплава в разреженном азоте с непрерывным сжатием смеси до давления, превышающего сумму атмосферного и металлостатического давления на величину до 50 кПа. Кристаллизатор заполняли расплавом металла и при непрерывном отводе затвердевшего слитка под уровень расплава на границу расплав-слиток, подавали поток сжатой дисперсной смеси расплава с газом с вытеснением расплава из зоны подачи. Наблюдали за поверхностью расплава, при появлении пузырьков уменьшали расход и давление смеси. Контролировали глубину места подачи смеси, атмосферное давление, давление подачи дисперсной смеси, пористость полученного вспененного слитка взвешиванием проб и интервал дисперсии пор увеличительным измерительным инструментом. В каждом эксперименте было получено по 2,3 л пеноалюминия. Результаты исследований приведены в табл. 1. Установлено, что при подаче под уровень расплава алюминия сжатой дисперсной смеси расплава с газом при статическом давлении, превышающем сумму атмосферного и гидростатического давлений на 5-20 кПа, происходит образование пеноалюминия при слабом барботаже газа на поверхность расплава независимо от глубины места подачи смеси. При избыточном давлении подачи смеси менее 5 кПа есть затруднения с контролем и поддержанием стабильного давления; в некоторые моменты не происходит вытеснения объема расплава и образования подуровневой области пены, прекращается подача смеси. При избыточном давлении подачи смеси 5-20 кПа наблюдается устойчивое получение пенометалла, барботаж газа на свободную поверхность расплава отсутствует. При избыточном давлении подачи смеси более 20 кПа наблюдается интенсивный барботаж газа через расплав сплошного металла, пористость пенометалла резко уменьшается, увеличивается диаметр пор. Таким образом, наиболее благоприятный режим образования однородного высокопористого пеноалюминия, пористость 90%, интервал дисперсий пор 2-3 мм, заключается в подаче сжатой газожидкометаллической смеси при объемном соотношении расплава к газу 1-9 и при давлении смеси, превышающем сумму атмосферного и металлостатического давлений на 5-20 кПа. Глубина места подачи не имеет решающего значения и определяется параметрами кристаллизации слитка, обычно 100-300 мм. Установлено, что при избытке газа в смеси его можно эффективно отводить в атмосферу посредством газоотводящей трубки, опущенной в область подачи смеси, что позволяет предотвратить интенсивный барботаж газа и расширить область использования состава смеси до 1: 10, что облегчает управление процессом. По предлагаемой технологии можно получить пеноалюминий с высокой пористостью, управляемым интервалом дисперсии пор 2-3, 2-7, 5-7 мм с различной степенью однородности в зависимости от назначения материала. Предлагаемая технология позволяет получить пеноалюминий с широким спектром конструкционных, функциональных (звукопоглощение, виброизоляция, теплоизоляция, поглощение электромагнитных волн) и декоративных свойств в конструкциях для различных отраслей промышленности. При высоких потребительских свойствах получаемого вспененного алюминия (однородность пор при высокой пористости) на 40% снижается себестоимость его производства по сравнению с известной промышленной технологией "Альпорас" за счет исключения использования дорогостоящих и дефицитных добавок.
Формула изобретения
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВСПЕНЕННОГО АЛЮМИНИЯ, включающий обработку расплава металла газом, вспенивание расплава и охлаждение до затвердевания, отличающийся тем, что обработке газом подвергают поток металла в режиме диспергирования, вспенивание осуществляют подачей образованного потока сжатой дисперсной смеси расплава с газом под уровень расплава металла при давлении, превышающем сумму атмосферного и металлостатического давлений, с вытеснением части расплава, которую подвергают непрерывному охлаждению до затвердевания.
Нынешнее негативное отношение к Японии со стороны Китая, КНДР и Южной Кореи объясняется главным образом тем, что Япония не наказала большую часть своих военных преступников. Многие из них после Второй Мировой войны продолжали жить и работать в Стране восходящего солнца, а также занимать ответственные посты. Даже те, кто производил биологические опыты на людях в печально известном специальном «отряде 731» . Это мало чем отличается от опытов доктора Йозефа Менгеля. Жестокость и циничность таких опытов не укладывается в современном человеческом сознании, но они были вполне органичны для японцев того времени. Ведь на кону тогда была «победа императора», и он был уверен, что дать эту победу могла только наука.
Однажды на сопках Манчжурии заработал страшный завод. Его «сырьем» стали тысячи живых людей, а «продукция» … Китайские крестьяне боялись даже приближаться к странному городу. Что творится внутри, за забором, никто достоверно не знал. Но шепотом рассказывали жуть: мол, японцы похищают или завлекают туда обманом людей, над которыми затем проводят страшные и мучительные для жертв опыты.
«Наука всегда была лучшим другом убийц»
Все началось в далеком 1926 году, когда трон Японии занял император Хирохито. Это он выбрал для периода своего правления девиз «Сёва» («Эпоха просвещенного мира» ). Хирохито верил в силу науки:
«Наука всегда была лучшим другом убийц. Наука может убить тысячи, десятки тысяч, сотни тысяч, миллионы людей за весьма короткий промежуток времени»
Император знал, о чем говорил: по образованию он был биологом. И считал, что биологическое оружие поможет Японии завоевать мир, а ему, потомку богини Аматерасу, - исполнить свое божественное предназначение и править этим миром.
Здания «отряда 731»
Идеи императора о «научном оружии» нашли поддержку в среде агрессивно настроенных японских военных. Они понимали, что на одном самурайском духе и обычных вооружениях затяжную войну против западных держав не выиграешь. Поэтому по поручению японского военного ведомства в начале 30-х годов японский полковник и биолог Сиро Исии совершил вояж по бактериологическим лабораториям Италии, Германии, СССР и Франции.
В своем итоговом докладе, представленном на рассмотрение высшим военным чинам Японии, он убеждал всех присутствующих, что биологическое оружие принесет огромную пользу Стране Восходящего Солнца.
