Ứng dụng các sản phẩm kim loại mới trong sản xuất hiện đại

Một trong những dạng vật liệu mới so với các loại kim loại thông thường là kim loại bọt hoặc kim loại xốp.

Kim loại bọt là kim loại (hoặc hợp kim) được hình thành từ cấu trúc dạng mạng lưới-tổ ong có khối lượng riêng rất thấp (khoảng 75% – 95% thể tích của vật liệu là rỗng) kết hợp với độ cứng đặc biệt cao và có khả năng hấp thụ tiếng ồn, độ dẫn nhiệt thấp, đó là những đặc tính rất quan trọng trong lĩnh vực xây dựng công nghiệp. Khối lượng riêng của loại vật liệu này thấp hơn nhiều so với gỗ nhưng độ bền vững lại cao hơn nhiều.

Kim loại bọt có khả năng hấp thụ hoàn toàn năng lượng va đập, do vậy có khả năng giảm sự tác động của va đập. Những dạng vật liệu này có thể được gia công bằng cách cắt, dễ dàng ghép nối với các bộ phận khác bằng ốc vít hoặc được dán bằng keo khi ghép nối với linh kiện làm bằng chất dẻo, ván ép hoặc thủy tinh. Kim loại bọt có đặc tính âm thanh tốt, có khả năng giảm tác động va đập, chống ăn mòn, hàn được, được tái sử dụng nhiều lần. Kim loại nhẹ đến mức có thể nổi trên mặt nước, tuy nhiên độ bền vững lại cao hơn nhiều lần so với kim loại thông thường, không hút ẩm (không hút nước).

Kim loại bọt có những đặc tính hoàn toàn bất ngờ, đó là không nóng chảy ngay cả trên nhiệt độ nóng chảy của kim loại gốc. Dạng vật liệu này thường chịu được sự gia nhiệt lặp đi lặp lại trên nhiệt độ cao mà không thay đổi các tính chất, điều đó cho phép sử dụng vật liệu được như vật liệu không cháy.

Độ bền của sản phẩm chế tạo từ dạng vật liệu đó có thể tăng lên đáng kể nhờ gia công bề mặt, như cán, rèn, dập và các biện pháp gia công khác.

Phổ biến nhất là kim loại bọt được sản xuất trên cơ sở nhôm và niken

Một trong những phương pháp tiên tiến nhất sản xuất các sản phẩm kim loại bọt, có nhiều đặc tính ưu việt, là luyện kim bột. Công nghệ luyện kim bột cho phép sản xuất các sản phẩm với thành phần và tính chất mong muốn. Những sản phẩm đó đôi khi gặp nhiều khó khăn hoặc không thể sản xuất được bằng phương pháp đúc. Năng suất cao (cơ giới hoá, tự động hóa) và khả năng tiết kiệm cao (lên tới 60%) khiến phương pháp nêu trên đạt hiệu quả cao. Công nghệ luyện kim bột bao gồm các công đoạn: Sản xuất bột kim loại hoặc hỗn hợp, tạo hình, thiêu kết và gia công các loại sản phẩm khác nhau từ nguyên liệu dạng bột, nghĩa là sử dụng vật liệu dạng bột làm nguyên liệu thô và làm nóng nguyên liệu đến nhiệt độ dưới nhiệt độ nóng chảy của bột kim loại cơ bản, theo đó nhiệt độ làm nóng bằng 0,4 – 0,6 nhiệt độ nóng chảy của bột kim loại cơ bản.

Viện Fraunhofer (Đức) là nhà phát triển công nghệ sản xuất nhôm bọt trên thế giới bằng phương pháp luyện kim bột.

Các tính chất vật lý và cơ học của các sản phẩm kim loại bột phụ thuộc vào điều kiện sản xuất các sản phẩm đó, như: Các điều kiện nén, ép, nhiệt độ, thời gian và trạng thái thiêu kết, cũng như thành phần của các nguyên liệu và các yếu tố khác.

Bột kim loại ép được sử dụng cho việc sản xuất các loại bán sản phẩm (linh kiện ép, bánh bột ép) đạt kích thước cần thiết cho sản xuất sản phẩm, có tính đến sự biến dạng trong quá trình gia công tiếp theo (thiêu kết, gia công hoàn thiện, v.v…). Độ bền, khối lượng riêng do sự tiếp xúc ngày càng tăng nên cũng tăng tuỳ thuộc vào nhiệt độ và thời gian thiêu kết, nơi diễn ra quá trình nén chặt và tạo hình sản phẩm thu được bằng cách nung bột ép. Một điều kiện quan trọng trong quá trình thiêu kết là làm nóng trong điều kiện không có chất oxy hoá.

Sau khi kết thúc quá trình thiêu kết, sản phẩm được gia công hoàn thiện nhằm nâng cao các tính chất vật lý và cơ học và hình thành kích thước và hình dạng hình học cuối cùng, tạo lớp phủ và bảo vệ chống ăn mòn cho sản phẩm.

Với mục tiêu nâng cao các tính chất cơ lý của sản phẩm thiêu kết, công việc ép và thiêu kết được thực hiện lặp đi lặp lại, giúp thu được sản phẩm có khối lượng riêng cao nhất. Sau đó sản phẩm lại được gia công nhiệt hoặc nhiệt – hóa học.

Các sản phẩm thiêu kết có thể được rèn, cán, dập, trên nhiệt độ cao, nhằm giảm độ xốp và tăng độ dẻo.

Kim loại bột được sản xuất từ các mẻ liệu đã được chuẩn bị, được ép vào khuôn và thiêu kết trong môi trường được bảo vệ hoặc trong chân không. Các vật liệu đó bao gồm hợp kim ở dạng rắn, vật liệu tổng hợp, hợp kim chống ma sát và hợp kim không chống ma sát, kim loại đen dạng bột và kim loại màu dạng bột được thiêu kết.

Kim loại bột chống ma sát là dạng vật liệu được xử lý tốt và chịu được mài mòn với hệ số ma sát thấp.

Bột kim loại thường có nguồn gốc từ kim loại đen (sắt, thép) và kim loại màu (nhôm, đồng, niken, crom, coban, vonfram, molybden, titan).

Việc nghiền kim loại bột thường được thực hiện bằng nhiều quy trình khác nhau như nghiền đập (nghiền đập thô, trung bình và mịn) và nghiền (mịn và siêu mịn) mà được thực hiện thông qua các tác động như va đập, mài, tách và nghiền. Đối với nghiền thô, kích thước hạt sau khi nghiền đạt 100 mm – 300 mm, còn với nghiền mịn, kích thước hạt sau khi nghiền là 0,1 μm – 75 μm.

Về cơ bản, kim loại bột được tạo ra bằng phương pháp vật lý – hoá học như: Điều chế các chất oxit, tách bột từ dung dịch nước muối, làm thay đổi thành phần nguyên liệu bằng phương pháp hóa học. Phương pháp này được xem là kinh tế nhất, do nguyên liệu rẻ. Thành phần hoá học của bột được xác định bởi hàm lượng của kim loại cơ bản hoặc nguyên tố cơ bản và tạp chất. Các tính chất vật lý của bột được đặc trưng bởi hình dạng và kích thước của hạt, mật độ, sự hình thành của lưới tinh thể. Với việc bổ sung than chì hoặc chì, tính mài mòn của sản phẩm sẽ giảm.

Các đặc tính cơ bản quyết định các tính chất vật lý và cơ học của kim loại bột là các tính chất vật lý của vật liệu hình thành nên cấu trúc thành của khoang rỗng, khối lượng riêng tương đối, mà được tính bằng biểu thức p/ps (trong đó p là khối lượng riêng, ps là khối lượng riêng của vật liệu hình thành nên cấu trúc thành của khoang rỗng) và cấu trúc của khoang rỗng (cấu trúc khoang rỗng dạng mở hoặc dạng đóng kín). Đôi khi, thay vì khối lượng riêng tương đối, giá trị độ xốp (m = 1- p/ps) được sử dụng để thể hiện tính chất của kim loại bột. Khối lượng riêng của các mẫu nhôm bọt hiện đang được sản xuất đạt giá trị từ 300 kg/m3 đến 1900 kg/m3, tương ứng với độ xốp từ 0,89 đến 0,31.

Tính chất công nghệ được xác định bởi độ lưu động, độ ép nén và độ thiêu kết đối với bột kim loại. Khả năng lưu động ảnh hưởng đến năng suất khi đổ khuôn và tính không đồng nhất của khối lượng riêng của mẻ liệu. Tính dẻo của vật liệu ảnh hưởng đến khả năng ép nén, kích thước, hình dạng và tăng lên cùng với việc bổ sung các chất hoạt động bề mặt. Với sự trợ giúp của công nghệ luyện kim bột, có thể sản xuất được các loại vật liệu kết cấu tổng hợp và vật liệu ma sát.

Vật liệu kim loại có độ xốp cao được tạo ra bằng cách thiêu kết bột kim loại đã được ép nén trước. Trong quá trình thiêu kết, các chất đặc biệt được bổ sung nhằm tạo ra các khoang rỗng (bọt khí).

Theo bằng sáng chế của Viện Fraunhofer, các công đoạn cơ bản sản xuất tấm nhôm bọt là: Trộn bột kim loại với chất tạo bọt (TiH2) và cấp vật liệu lên bàn ép; tiến hành ép nóng (thành dạng tấm hoặc thanh); cán nóng tấm thành tấm có chiều dày 5mm – 6 mm, sau đó cán lăn tấm thành tấm mỏng (dày 1mm – 3 mm), sau đó tạo bọt cho các tấm.

Công nghệ của Viện Fraunhofer (Đức) có một số hạn chế: Phức tạp và quy trình công nghệ bao gồm nhiều công đoạn; không sản xuất được tấm nhôm bọt có kích thước lớn hơn 1000 × 1000 × 12-24 mm và sản lượng hạn chế; giá thành nhôm bọt cao, do sản xuất cần trải qua nhiều giai đoạn.

Tấm Sandwich được hình thành từ hai tấm kim loại ốp mặt ngoài của sản phẩm và một lớp nhôm bọt bên trong được làm từ hợp kim nhôm.

Tấm Sandwich là loại vật liệu xây dựng chất lượng cao với đặc tính làm giảm tác động va đập và bảo đảm độ cứng.

Lĩnh vực ứng dụng tấm Sandwich nhôm bọt gồm có:

1) Trong xây dựng: Tấm Sandwich được sử dụng làm vật liệu ốp chống cháy cho mặt ngoài của tường, tường ngăn, tường thang máy, kết cấu cứng, ốp sàn và trần nhằm bảo vệ ngăn bức xạ điện từ;

2) Trong giao thông: Tấm Sandwich được sử dụng cho việc chế tạo vách ngăn, sàn, ốp mặt trong của máy bay, tàu thủy và toa xe lửa; đối với ô tô được sử dụng làm tấm chắn trước xe, vỏ xe, cách ly tiếng ồn, cốt liệu lọc trong bộ phận cản tiếng ồn;

3) Trong ngành công nghiệp: Tấm Sandwich được sử dụng làm lớp vỏ ngăn tiếng ồn, bộ phận cách nhiệt và lọc, làm chất xúc tác.

Một số công nghệ sản xuất kim loại bọt đã và đang được áp dụng gồm có:

– Cấp trực tiếp chất khí (không khí, khí nitơ, khí argon) vào kim loại lỏng;

– Trộn lẫn hỗn hợp cát và đất sét với bột chất dẻo đồng thời làm nóng và đổ khuôn kim loại lỏng dưới áp lực. Phương pháp tương tự cũng được áp dụng cho các hợp kim Al, Mg, Ni, Cr và Cu;

– Sản xuất kim loại bọt bằng cách đưa vào hỗn hợp hợp kim nóng chảy các tác nhân tạo bọt khí (chất tạo bọt). Đây là loại chất có khả năng tạo bọt nhằm hình thành các bọt khí.

Phương pháp đúc (trong pha lỏng) đã và đang được áp dụng rộng rãi, được xem là phương pháp đạt hiệu quả cao nhất và chi phí thấp. Phương pháp đúc được thực hiện theo quy trình công nghệ sau:

– Làm tan chảy kim loại;

– Bổ sung hạt có tác dụng làm tăng độ nhớt vào hỗn hợp kim loại lỏng;

– Bổ sung chất tạo bọt vào kim loại lỏng hoặc thổi khí vào kim loại lỏng;

– Đổ khuôn;

– Làm nguội kim loại bọt trong khuôn.

Trên thế giới, hai phương pháp sản xuất nhôm bọt được áp dụng phổ biến là: Phương pháp đúc (áp dụng tại Công ty Cymat (Canada), Công ty Alcan (Canada), Công ty Norsk Hydro (Na Uy), v.v…) và luyện kim bột (áp dụng tại Công ty Viện Fraunhofer (Đức), Công ty VILS (Nga), v.v…)).

Trong sản xuất kim loại bọt từ kẽm và hợp kim (có thành phần gồm có Al hàm lượng 4.0%, Cu – 1.0%, còn lại là Zn), chất tạo bọt được sử dụng là Hidrid của titan, magiê, zirconium, đối với hợp kim (thành phần gồm có Al hàm lượng 12.0%, còn lại là Si) chất tạo bọt được sử dụng là TiH2, đối với hợp kim (thành phần gồm có Si – 9,0%, Mg – 0,5%, Cu – 0,2%, còn lại là Al) chất tạo bọt được sử dụng là CaCO3, đá cẩm thạch và TiH2, đối với hợp kim (thành phần gồm có Si – 12,0%, Mg – 1,0%, Ni – 2,5%, còn lại là Al) chất tạo bọt là khí CO2.

Công nghệ tạo ra kim loại có cấu trúc tổ ong cũng đã được phát triển, theo đó bột kẽm hoặc hợp kim (với thành phần gồm có Al – 4.0%, Cu – 1.0%, còn lại là Zn) được trộn với các chất tạo bọt là Hidrid titan hoặc Hidrid magiê, sau đó ép thành phôi bằng phương pháp nguội, sau đó ép nóng, đổ vào khuôn và làm nóng trên nhiệt độ cao hơn nhiệt độ đường thể hiện pha. Trong trường hợp này, khí hydro sẽ thoát ra, tạo thành các khoang trống bên trong kim loại nóng chảy, kim loại nóng chảy được đổ khuôn và làm nguội nhanh chóng.

Thời gian gần đây, việc sản xuất vật liệu xốp trên cơ sở nhôm, mang nhiều đặc tính độc đáo, thu hút được sự quan tâm rộng rãi.

Ví dụ, dưới đây là hai cách sản xuất kim loại xốp từ nhôm:

1) Kim loại ở dạng nóng chảy trên nhiệt độ 680°C được cho thêm 1,5% canxi và đảo trộn trong vài phút. Trong kim loại lỏng, các chất như CaO, canxi aluminat CaAl2O4 và có thể cả intermetallide Al4Ca được thoát ra khiến kim loại lỏng trở nên đặc hơn. Sau đó kim loại lỏng được đổ vào khuôn và bổ sung 1,6% titanium hydride TiH2, chất TiH2 sẽ bị phân hủy khiến khí hydro thoát ra khỏi kim loại lỏng qua đó tạo bọt cho kim loại đã được đổ vào khuôn. Sản phẩm sau đó được lấy ra khỏi khuôn.

Vấn đề ổn định bọt trong chất lỏng đối với phương pháp này được giải quyết thành công bằng cách bổ sung các hạt đã được làm nóng đến nhiệt độ cao hơn nhiệt độ của kim loại xốp vào kim loại ở dạng nóng chảy, giúp ngăn cản sự kết hợp của các bọt khí. Mức độ tác dụng của các hạt phụ thuộc vào kích thước, khả năng thấm ướt và hình dáng của các liên kết được hình thành bên trong và trên bề mặt. Sự ổn định trong quá trình sản xuất nhôm bọt đạt mức cao nhất khi cho thêm chất nanô ô xit nhôm.

2) Nhôm tan chảy A7 đựng trong nồi nấu kim loại làm bằng vật liệu chịu lửa – than chì trên nhiệt độ bằng 800°C được cho thêm bột đá cẩm thạch với hàm lượng 5% trọng lượng kết hợp đảo trộn; nồi nấu được đặt vào lò giữ trên nhiệt độ bằng 800oC trong thời gian 10 phút. Sau đó, nồi nấu được lấy ra khỏi lò và đảo trộn trong 3 phút và lại được đặt trong lò trong 15 phút ở nhiệt độ 850°C, tiếp theo nồi nấu được lấy ra khỏi lò và làm nguội trong không khí. Sau khi đông cứng, sản phẩm kim loại được lấy ra khỏi nồi nấu. Đối với sản phẩm kim loại nêu trên các bọt khí hình cầu chiếm ưu thế, kích thước của bọt khí đạt từ 0,5 mm đến 10,0 mm, trong đó các bọt khí được phân bố đều trong thể tích, khối lượng riêng là 0,83 g/cm3 và độ xốp là 70%.

Các kim loại bọt được kiểm tra về độ bền nén, độ bền uốn bằng các mẫu thử. Các tính chất cơ học của kim loại bọt được đặc trưng bởi khối lượng, kích thước, hình dáng và đặc tính phân bố các khoang rỗng trong khối kim loại.

Nhôm bọt được chia ra thành nhôm bọt với cấu trúc khoang rỗng dạng đóng kín và nhôm bọt với cấu trúc khoang rỗng dạng mở.

Kim loại bọt với cấu trúc khoang rỗng dạng đóng kín được tạo ra bằng cách tạo bọt khí bằng chất tạo bọt còn kim loại bọt với cấu trúc khoang rỗng dạng mở được tạo ra bằng phương pháp đúc trong đó cốt liệu được lấy ra hoặc bằng cách tạo lớp phủ mặt mạ điện trên chất dẻo polyuretan bọt sau đó được lấy ra khỏi kim loại.

Nhôm bọt với cấu trúc khoang rỗng dạng đóng kín có khả năng cách nhiệt và hấp thụ âm thanh cũng như được sử dụng làm vật liệu có khả năng giảm tác động va đập. Ưu điểm của dạng vật liệu này là khả năng dẫn điện và dẫn nhiệt, hấp thụ năng lượng tốt, phạm vi nhiệt độ khác nhau và tính không cháy của vật liệu. Vật liệu được sử dụng để tăng độ cứng cho kết cấu và làm vật liệu cách nhiệt, trong xây dựng vật liệu được sử dụng cho việc chế tạo tường ngăn không cháy và vật liệu ốp, trong chế tạo buồng thang máy, v.v…..

Nhôm bọt với cấu trúc khoang rỗng dạng mở có khối lượng riêng là 0,9-1,2 g/cm3, độ rỗng đạt 55% – 67%. Vật liệu có độ cứng cao, không cháy, độ bền vững cao đối với sự thay đổi nhiệt độ, không hút ẩm, v.v…. Nhôm bọt có diện tích bề mặt bên trong lớn, với khối lượng riêng bằng 1,1 g/cm3 và diện tích bề mặt riêng đạt 1 – 2 m2/g, với đặc tính đó vật liệu được sử dụng trong chế tạo thiết bị trao đổi nhiệt.

Mặc dù kim loại bọt về bản chất là kim loại, tuy nhiên có các tính chất khác biệt rõ rệt so với các kim loại gốc. Những dạng vật liệu mới nêu trên mặc dù còn ít được sử dụng trong xây dựng và các lĩnh vực khoa học và công nghệ, chăm sóc sức khoẻ, tuy nhiên nền xốp của dạng vật liệu này có khả năng tăng tốc độ sản xuất, cứu hộ trong các vụ tai nạn, dập tắt đám cháy, hấp thụ bụi bẩn và tiếng ồn, bảo vệ thiên nhiên và chữa bệnh cho con người.

Do đó, việc hoàn thiện công nghệ và giảm chi phí sản xuất kim loại bọt sẽ giúp mở rộng đáng kể phạm vi ứng dụng của kim loại bọt trong ngành xây dựng.

Kim loại bọt là một vật liệu của tương lai, sở hữu những đặc tính độc đáo.

Một về kỹ thuật đang thu hút sự quan tâm là sự ngâm tẩm vật liệu xốp (foammetal) bằng các chất lỏng khác nhau.

Trong trường hợp này, cần phải sử dụng các phương pháp sản xuất kim loại đen có cấu trúc bao gồm một số lượng lớn các khoang rỗng đi xuyên. Các phương pháp xác định độ rỗng đã được phát triển.

Kích thước hợp lý của khoang rỗng (bọt khí) đối với mỗi loại vật liệu phụ thuộc vào đặc tính vật lý và hóa học của vật liệu (độ nhớt, độ bám dính, nhiệt độ, …), và được xác định bằng thực nghiệm.

Nguồn:Bản tin Trường đại học kiến trúc – xây dựng Kazan, N3/2017
ND:Huỳnh Phước