Produzione di schiume dal metallo liquido

I primi due metodi analizzati sono detti di schiumatura diretta, poiché il fuso viene schiumato creando le bolle di gas direttamente al suo interno. Normalmente le bolle create nel fuso tenderebbero a raggiungere il pelo libero velocemente a causa della spinta idrostatica nel liquido molto denso, questo viene superato incrementando la viscosità del fuso con l’aggiunta di agenti addensanti quali elementi di lega o polveri ceramiche che sortiscono anche l’effetto di stabilizzare le bolle. Molti tentativi sono stati fatti per la realizzazione di schiume con schiumatura diretta, ma attualmente i due metodi utilizzati sono quelli proposti per cui nel primo si inietta gas nel metallo liquido da una sorgente esterna, nel secondo si causa una formazione di gas insita nel fuso [20].

Iniezione di gas

È il primo metodo sviluppato in termini di tempo, fra quelli più attuali. Sviluppato dall’Alcan (Francia), è attualmente applicato anche dalla Hydro Aluminium in Norvegia e dalla Cymat Aluminium Corporation (Mississauga, Ontario,Canada). Consiste nell’insufflazione di gas all’interno di una vasca in cui si trova alluminio allo stato liquido insieme ad altri agenti disciolti. L’alluminio viene portato a fusione insieme ad additivi quali carburo di silicio o ossido di magnesio o ancora allumina in percentuali di volume che

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variano tra il 10 e 20% con dimensioni delle particelle comprese tra 5 e 20 µm, con lo scopo di regolarne la viscosità [21].

Fig. 32 Schema del processo di produzione con iniezione di gas.

Nella vasca viene iniettato Argon, Idrogeno o semplicemente aria mediante speciali soffianti ad elica o vibranti, per ottenere un’omogenea distribuzione di piccole bolle di gas che, partendo dal fondo del serbatoio, arrivano in superficie dando luogo alla vera e propria schiuma che può ora essere prelevata e stesa su nastro dove solidifica e può eventualmente essere laminata. Questo è il processo che, come già scritto, può dar luogo ai pezzi di maggiori dimensioni, essendo essi limitati dalla sola dimensione del serbatoio che contiene il fuso.

Le densità ottenibili variano tra 0,69 e 0,54 g/cm3 per un diametro medio delle bolle da 3 a 25 mm. La linea produttiva della Cymat è attualmente in grado di fornire 900 Kg/ora in forma di lastre spesse tra 20 e 150 mm, larghe 1,5 m e di lunghezza indefinita.

L’impossibilità di gestione del processo di solidificazione che avviene completamente su nastro, è causa delle difficoltà nell’ottenimento di perfetta omogeneità del materiale lungo lo spessore della piastra quando questo diviene rilevante (il raffreddamento è differenziato a causa del contatto della schiuma col nastro e i cilindri di laminazione e l’effetto della forza di gravità comporta bolle più piccole sul fondo e più grandi in superficie, come si può vedere in figura). Un altro impedimento nell’ottenimento di perfetta isotropia è all’atto dell’asportazione della schiuma dalla vasca: essa avviene mediante nastro, che sollecita la schiuma a taglio e compressione comportando un’ulteriore variazione della forma delle bolle che vengono distorte. Il materiale ottenuto presenta superfici esterne chiuse. La bontà di tale processo è nella continuità della produzione e nella bassa densità relativa ottenibile (tra le più basse in assoluto).

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Fig. 33 Pani di schiume metalliche realizzati con l’iniezione di gas nel fuso.

Schiumatura da agente soffiante

È il metodo utilizzato da circa 15 anni dalla Shinko Wire Company (Amagasaki, Giappone), che produce Alporas. L’agente schiumante si decompone sotto l’effetto della temperatura e rilascia il gas utile alla creazione della schiuma.

L’alluminio viene portato a fusione in un serbatoio, quindi si aggiunge a 680 °C calcio in percentuale dell’1,5 in peso. Formandosi gli ossidi CaO, CaAl2O4, Al2O3 durante il

mescolamento, che può durare fino a 15 minuti, si ottiene un incremento di viscosità fino ad un fattore 6. A questo punto si introduce idruro di titanio (1,6% in peso) che a contatto con il metallo liquido (670°C<T<690°C) si dissocia così che l’idrogeno costituisce l’agente soffiante per la formazione della schiuma. Si pone il problema della dissociazione dell’idrogeno dal titanio a temperatura nettamente più bassa (450°C) di quella di fusione dell’alluminio (670°C). Ciò comporta la scissione r apida della molecola di idruro imponendo un tempo di miscelazione molto breve. Per ovviare a tale difficoltà, l’Università di Cambridge propone di sottoporre l’idruro di titanio ad una serie di trattamenti termici atti a formare uno strato di ossido su ogni singola particella. Questa garantisce un ritardo nella decomposizione tale da permettere una sufficiente miscelazione del preparato. Tale

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metodo prende il nome di “Formgrip”, acronimo di “Foaming Of Reinforced Metals by Gas Release In Precursor”. E’ schematizzato in figura.

Fig. 34 Processo di schiumatura da gas intrappolato.

Il fuso viene poi estratto e fatto solidificare in corrente d’aria per evitare fenomeni di drenaggio del liquido attraverso le bolle. Con tale procedimento si riescono a riempire stampi delle dimensioni di 450 x 250 x 650 mm. Tale solido viene poi tagliato in lastre, tipicamente fogli di dimensioni 2,05 x 650 x 450 mm con densità tra 0,18 e 0,24 g/cm3 e diametro medio delle bolle tra 2 e 10 mm La forma che se ne ottiene è a celle chiuse, ma con una successiva fase di laminazione è possibile rompere e quindi connettere la maggior parte di esse. Attualmente sembra essere il processo che garantisce la maggiore uniformità di distribuzione. A differenza del metodo sviluppato dall’Alcan, la schiuma non si forma sul pelo libero del metallo liquido ma in tutto il volume per via del mescolamento. Perciò, mentre prima le bolle dovevano essere grandi abbastanza da vincere la viscosità del metallo e iniziare a salire, ora è possibile ottenere bolle di dimensione qualunque, anche molto piccole. La Shinko Wire riesce a produrre con questa tecnica 1590 Kg di schiuma al giorno commercializzata col nome di Alporas. La finezza delle regolazioni nel processo produttivo rende il processo fra i più costosi in assoluto [22].

Fig. 35 Micrografia di una schi

Solidificazione dell’eutettico gas

Il metodo è conosciuto da circa 10 anni, sviluppato da DMI in Ucraina. Il nome deriva da un acronimo russo che sta per “metallo gas

sul fatto che molti diagrammi bifasici idrogeno

alluminio, cromo, berillio, rame, ferro, magnesio, manganese e nichel. Si può fondere uno di questi metalli in atmosfera di idrogeno ad elevata

50) e raffreddare l’insieme fin sotto la temperatura di transizione così da avviare una reazione di segregazione e ottenere la fase eterogenea solido

concorrono: la quantità d’idrogeno, la sovra

composizione chimica della miscela, la modalità e il rateo di sottrazione del calore. Quest’ultimo in particolare consente di ottenere forte direzionalità nello sviluppo delle bolle, così da ottenere diametro

densità relative comprese fra 0,25 e 0,95.

La complessità di ottimizzazione, la pericolosità e il carattere discontinuo del processo lo rendono attualmente non disponibile sul mercato per l’eccessivo

Fig. 36 Processo di schiumatura per solidificazione del’eutettico gas

Colata negli spazi interstiziali

Micrografia di una schiuma metallica realizzata con agente schiumante nel fuso

Solidificazione dell’eutettico gas-metallo

Il metodo è conosciuto da circa 10 anni, sviluppato da DMI in Ucraina. Il nome deriva da un acronimo russo che sta per “metallo gas-rinforzato”. Basa il

sul fatto che molti diagrammi bifasici idrogeno-metallo presentano un eutettico. Fra i tanti: alluminio, cromo, berillio, rame, ferro, magnesio, manganese e nichel. Si può fondere uno di questi metalli in atmosfera di idrogeno ad elevata pressione (tipicamente 10 atm fino a 50) e raffreddare l’insieme fin sotto la temperatura di transizione così da avviare una reazione di segregazione e ottenere la fase eterogenea solido-gas.

idrogeno, la sovra-pressione, la sovra-temperatura di fusione, la composizione chimica della miscela, la modalità e il rateo di sottrazione del calore. Quest’ultimo in particolare consente di ottenere forte direzionalità nello sviluppo delle bolle, così da ottenere diametro massimo di 10 mm e lunghezza 300 mm. Si ottengono densità relative comprese fra 0,25 e 0,95.

La complessità di ottimizzazione, la pericolosità e il carattere discontinuo del processo lo rendono attualmente non disponibile sul mercato per l’eccessivo

Processo di schiumatura per solidificazione del’eutettico gas-metallo

Colata negli spazi interstiziali

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uma metallica realizzata con agente schiumante nel fuso.

Il metodo è conosciuto da circa 10 anni, sviluppato da DMI in Ucraina. Il nome rinforzato”. Basa il proprio principio metallo presentano un eutettico. Fra i tanti: alluminio, cromo, berillio, rame, ferro, magnesio, manganese e nichel. Si può fondere uno pressione (tipicamente 10 atm fino a 50) e raffreddare l’insieme fin sotto la temperatura di transizione così da avviare una gas. Al risultato finale temperatura di fusione, la composizione chimica della miscela, la modalità e il rateo di sottrazione del calore. Quest’ultimo in particolare consente di ottenere forte direzionalità nello sviluppo delle massimo di 10 mm e lunghezza 300 mm. Si ottengono

La complessità di ottimizzazione, la pericolosità e il carattere discontinuo del processo lo rendono attualmente non disponibile sul mercato per l’eccessivo costo.

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Questo metodo consiste nel colare il fuso attorno a granuli o sfere di materiale organico o inorganico o nell’introdurre questi materiali nel fuso. Tali materiali dopo la colata rimangono nella schiuma e vanno predisposti metodi per evacuarli, come solventi adatti, acidi o trattamenti termici. Questo è possibile solo se i materiali attorno ai quali si cola il fuso sono in quantità sufficiente da essere a contatto tutti quanti l’uno con l’altro. Come materiale usato per occupare lo spazio la letteratura propone: argille, sali, sabbie, bolle di vetro tra gli inorganici e polimeri tra gli organici. Se si utilizzano polimeri il riempimento deve essere molto veloce ultimamente sono stati usati metodi di iniezione in pressione del fuso. Preriscaldare lo stampo può essere necessario per evitare una prematura solidificazione del fuso dopo la colata soprattutto se lo stampo ha un’alta conduttività termica o la pressione di infiltrazione è bassa. Innalzare la tensione superficiale del fuso o bagnare i granuli potrebbe causare problemi di riempimento incompleto. Di contro creare il vuoto negli spazi interstiziali o iniettare il fuso in pressione agevola l’infiltrazione completa [23].

Fig. 37 Processo di schiumatura per infiltrazione.

Una grande varietà di metalli può essere prodotta in questa maniera come alluminio, zinco, magnesio, latta, stagno. Con questo metodo possono essere prodotti componenti di forme predefinite semplicemente predisponendo degli stampi dalle forme prescelte. Uno dei maggiori vantaggi dell’utilizzo di questa tecnica risiede nello stretto controllo attuabile sulla dimensione dei pori della schiuma che corrispondono alle dimensioni dei grani di riempitivo utilizzati. Di contro la porosità massima realizzabile con questo metodo è dell’80% [24].

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Fig. 38 Tenativi di schiumatura con aggiunta di NaCl direttamente nel fuso con micrografia.

Fig. 39 Provini realizzati con infiltrazione tra cristalli di NaCl, tra particelle sinterizzate di BaF2, tra sfere di carbonio.

Fig. 40schiuma prodotta con infiltrazione tra sfere ceramiche.