PREGLED TEHNOLOGIJA PROIZVODNJE I SPAJANJA METALNIH PJENA

AN OVERVIEW OF METAL FOAM PRODUCTION AND JOINING TECHNOLOGIES

Slobodan Kralj, Zoran Kožuh, Matija Bušić

Katedra za zavarene konstrukcijeFakultet strojarstva i brodogradnje Sveučilišta u ZagrebuIvana Lučića 1, 10 000 Zagrebe-mail: matija.busic@fsb.hr

Ključne riječi: metalne pjene, ALPORAS, FOAMINAL, ERG DUOCEL, lasersko zavarivanje, difuzijsko zavarivanje, utrazvučno zavarivanje, zavarivanje trenjem, lemljenje, lijepljenje

Ključne riječi: metal foams, ALPORAS, FOAMINAL, ERG DUOCEL, laser beam welding, diffusion welding, ultrasonic welding, friction stir welding, brazing, adhesive bonding

Sažetak:Problemi u proizvodnji metalnih pjena proizlaze iz još nepotpunog ovladavanja parametrima procesa. Često se dobivaju neujednačene i nepredvidljive strukture i varijacije u vrijednostima svojstava krajnjeg proizvoda ili poluproizvoda. U ovom radu su navedeni svi do danas poznati postupci proizvodnje metalnih pjena i detaljno opisani oni najprimjenjivaniji. Usporedo s usavršavanjem postupaka proizvodnje razvijaju se i metode spajanja metalnih pjena međusobno i spajanja sa homogenim neporoznim metalima. Razjašnjena je problematika koja se pojavljuje pri spajanju, zbog same ćelijaste strukture i neujednačenosti u gustoći materijala u različitim konstrukcijskim elementima od metalnih pjena. Opisane su tehnologije lijepljenja, lemljenja i zavarivanja koje su do sada istraživali vodeći znanstvenici iz ovog područja. Navedeni su rezultati njihovih istraživanja te pretpostavke za unaprijeđenja procesa spajanja.

Abstract:Problems in production of metal foams are arising from lack of knowledge about controlling of process parameters. The results are frequently uneven and unpredictable variations in the structure and properties of semi products and final products. This paper comprises all production processes for metal foams and described are the most commonly used ones. Along with the improvement of production processes technologies for joining metal foams together or with homogeneous nonporous materials are developed. Because of cellular structure and versatility of density in construction parts made from metal foams, the problems that appear during joining have been clarified. Technologies as adhesive bonding, brazing and welding were investigated by the leading scientists in this field and those have been described. The results of researches have been presented along with the assumptions for the improvement of the joining processes.

405

1. UVODOponašanje prirodnih struktura te preuzimanje rješenja iz prirode jedan je od mogućih načina rješavanja problema u inženjerskoj praksi. U današnjem inženjerstvu nastoje se razviti materijali niže gustoće, a jednakih uporabnih svojstava kako bi se zamijenili postojeći materijali za određene konstrukcije, a sve u svrhu smanjenja mase konstrukcija i uštede energije. S tim ciljem razvijene su metalne pjene u kojima se strukturom oponašaju prirodni šupljikavi, ćelijasti i porozni materijali kao npr. drvo, spužva, kamen, kost i koralji, čija su svojstva optimalno prilagođena okolnim uvjetima. Struktura metalnih pjena porozna je u rasponu od 40% do 95%. Za sada se ovi materijali rade najviše na bazi aluminijskih (Al), niklovih (Ni), cinkovih (Zn), magnezijskih (Mg) i titanovih (Ti) legura [1]. Metalne pjene predstavljaju potpuno novi oblik metalnih materijala, koji je još uvijek relativno nepoznat u inženjerskoj primjeni. Značajna istraživanja o tehnologiji izrade, svojstvima i područjima primjene metalnih pjena provode se tek zadnjih 20-tak godina. Oblik građe – struktura, veličina ćelija i kemijski sastav najvažniji su čimbenici koji određuju svojstva, a samim tim i mogućnost primjene metalnih pjena. Svojstva se uglavnom reguliraju promjenom parametara procesa proizvodnje, čime se primarno utječe na strukturu metalnih pjena [2]. Pogodna svojstva metalnih pjena su: iznimno mala gustoća, velika specifična krutost, vrlo dobra mogućnost apsorpcije energije udara i elektromagnetskih valova, toplinsko – izolacijska svojstva, vrlo dobro upijanje zvuka, vatrootpornost, recikličnost itd. Problemi u proizvodnji i primjeni proizlaze iz nepotpunog ovladavanja parametrima procesa proizvodnje što rezultira dobivanjem neujednačenih krajnjih svojstava proizvoda, nepredvidive strukture i varijacija u vrijednostima. Usporedno s usavršavanjem postupaka proizvodnje razvijaju se i postupci spajanja konstrukcijskih elemenata od metalnih pjena.

2. GRAĐA METALNIH PJENAPjenu možemo definirati kao mješavinu plina i tekućine sa izrazito većim volumnim udjelom plina. Pjena je neuređen sustav i svaki njezin dio rezultat je proizvodnog procesa, ali unutarnje lokalno uređenje nije proizvoljno. Unutarnje lokalno uređenje rezultat je površinske napetosti tekućina, koju je istraživao belgijski fizičar Joseph Platenau u 19. stoljeću. Prema njegovima zakonima samo tri od opni koje razdvajaju mjehuriće plina mogu se dodirivati u liniji (Plateauova granica označena je na slici 1.), i samo četiri od tih opni mogu se dodirivati u točci. Sve opne dodiruju se simetrično pod jednakim kutevima. Navedeni zakoni vrijede samo za stabilne pjene u kojima izrazito prevladava udio plina u ukupnoj mješavini plina i tekućine [3]. Ako mjehurići plina teže izlasku iz rastaljenog metala struktura je nestabilna.Oblik građe metalnih pjena jedan je od njihovih najvažnijih čimbenika koji određuje svojstva, a samim time i mogućnosti njihove primjene za različite konstrukcijske dijelove. Metalne pjene u osnovi se sastoje od mreže tankih skrutnutih Plateauovih linija koje se spajaju u točkama i čine tetraedarsku simetričnu strukturu. Struktura opisana Plateauovim zakonima uobičajena je u svim tekućim pjenama i čvrstim pjenama koje nastaju skrućivanjem navedenih tekućih pjena [3].

Slika 1. Presjek metalne pjene sa zatvorenim ćelijama (označena je Plateauova granica) [4.]

406

Metalne pjene proizvode se u nekoliko oblika:1. ĆELIJASTI METALI. Unutar metalne mase nalaze se disperzirane, plinom ispunjene

šupljine. Metalna faza dijeli prostor na zatvorene ćelije koje sadrže plinovitu fazu.2. POROZNI METALI. Posebni oblik ćelijastih metala koji se sastoji od određenog tipa

šupljina. Poroznost metalnih pjena kreće se od 50% do 90%. Pore su okrugle i odvojene su jedna od druge.

3. ČVRSTE METALNE PJENE. Radi se o posebnom obliku ćelijastih metala koji nastaju od tekućih metalnih pjena i imaju ograničenu morfologiju. Ćelije su okrugle, zatvorene ili poliedarskog oblika i odvojene su jedne od drugih tankom stjenkom.

4. METALNE SPUŽVE. Morfologija s međusobno povezanim šupljinama [2].

Ovisno o otvorenosti i zatvorenosti ćelija različita su svojstva poput apsorpcije energije udara, toplinskih spojstava i izolacijskih svojstava. Pored vrsta ćelija, metalne pjene karakterizirane su veličinom, oblikom i stupnjem anizotropije ćelija, vrstom materijala od kojeg su građene ćelije te relativnom gustoćom ρ/ρS (omjer gustoće pjene i gustoće metala od kojeg je ćelije napravljena). Kada se proučava građa metalnih pjena, često se uočavaju i neke nepravilnosti kao što su npr. nepravilne i naborane granice ćelija te prekinute stijenke ćelija.

a) b)

Slika 2. Građa metalnih pjena [1]: a) metalna pjena sa zatvorenim ćelijama

b) metalna pjena sa otvorena ćelija.

3. POSTUPCI PROIZVODNJE METALNIH PJENAMetalne pjene proizvode se taljenjem metalnog praha i skrućivanjem taline uz prethodno upjenjavanje – stvaranje šupljina unutar rastaljenog metala. Izvor plina, nužan preduvjet za upjenjavanje, može biti vanjski ili se u taljevinu dodaje raspršujući agens koji pospješuje upjenjavanje. Iako se proizvodnja i upotreba metalnih pjena istražuje već dugi niz godina, trenutno su komercijalno dostupne jedino pjene na bazi aluminija (Al) i nikla (Ni). Po posebnoj narudžbi se proizvode i pjene na bazi magnezija (Mg), olova (Pb), cinka (Zn), bakra (Cu), bronce, titana (Ti), čelika pa čak i zlata (Au) [2]. Prema načinu proizvodnje metalnih pjena razlikujemo četri osnovna područja:

- Oblikovanje pjena iz parne faze; - Oblikovanje pjena iz čvrste faze;- Oblikovanje pjena iz tekuće faze;- Oblikovanje pjena elektrotaloženjem iz tekuće faze.

Do danas je razvijeno devet postupaka proizvodnje metalnih pjena i od kojih je samo pet u komercijalnoj upotrebi. Svakim od tih devet postupaka može se donekle utjecati na oblik, veličinu i stupanj otvorenosti ćelija te na relativnu gustoću. Pored nabrojanih postupaka u uglatoj zagradi navedeni su metali od kojih se određenim postupkom mogu proizvesti pjene:

- ubrizgavanje plina u taljevinu legura Al-SiC i Al-Al2O3 [Al, Mg]; - u aluminijsku taljevinu dodaje se agens (TiH2) koji se raspada i tvori mjehuriće pri

određenom tlaku i temperaturi [Al];

407

- mješavina metalnog praha i agensa (TiH2) zagrijava se pri čemu se oslobađaju mjehurići u taljevini i stvara se pjena [Al, Zn, Fe, Pb, Au];

- ubrizgavanje pod tlakom metalne taljevine u kalup od polimerne pjene ili voska koji je premazan keramičkim prahom [Al, Mg, Ni-Cr, Cu, nehrđajući čelik];

- kemijsko taloženje metala iz parne faze na kalup od polimerne pjene koji se kasnije uklanja izgaranjem [Ni, Ti];

- vrućim izostatičkim prešanjem praha (HIP-Hot Isostatic Pressing) inertni plin pod visokim tlakom biva zarobljen u porama. Povišenjem temperature dolazi do ekspanzije plina [Ti];

- kuglaste šupljine koje nastaju procesom atomizacije ili taloženjem iz parne faze na polimerne kugle [Ni, Co, Ni-Cr legure];

- spajanje dvaju materijala u obliku praha od kojih je jedan topljiv. Otopljiva komponenta uklanja se otapalom i ostaje metalna porozna građa [Al+sol u obliku praha];

- otapanje plina (obično H2) u taljevini pod visokim tlakom. Porozni materijal nastaje eutektičkom reakcijom plina i metala [Cu, Ni, Al].

Rastaljeni metal ne može se upjeniti bez aditiva koji imaju ulogu stabilizatora prilikom stvaranja pjene. Ovisno o vrsti metala i o načinu proizvodnje metalne pjene razlikuje se više vrsta takvih dodataka. U Hydro-Alcan procesu proizvodnje taljevini se dodaju SiC čestice, te se njihovo postojanje uočava analizom metalne pjene pomoću energijski disperziranih rendgenskih zraka (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy – EDX). U procesu proizvodnje ALPORAS pjene aditivi su aluminijevi, kalcijevi ili miješani oksidi koji nastaju u taljevini unutarnjom oksidacijom nakon dodavanja kalcija. Izvor kisika mogu biti oksidi koji se nalaze u taljevini i prije dodavanja Ca ili zrak koji se upuhuje u taljevinu. U proizvodnji Alulight-Foaminal pjena kao stabilizatori procesa služe metalno-oksidna vlakna koja se nalaze u metalnom prahu. Oksidi prekrivaju površinu svakog zrna praha prije skrućivanja i ostaju zbijeni nakon kompaktiranja. Sadržaj oksida u metalnim prašcima vrlo je bitan zato što o njemu ovisi stabilnost metalnih pjena. Ako je sadržaj premalen, pjene će biti nestabilne. Kod pjena s višim udjelom oksida veći dio tekuće faze kasnije zadržava ćelijastu građu.

3.1. UBRIZGAVANJE PLINA U TALJEVINUMetalne pjene mogu se proizvesti ubrizgavanjem plina u taljevinu uz dodatak aditiva - stabilizatora koji će povećati viskoznost taline i stabilizirati nastalu metalnu pjenu. Kao stabilizatori koriste se vrlo sitne (promjer im je od 0,5 μm do 25 μm), nerastvorljive čestice SiC, Al2O3, ZrO2, MgO ili TiB2. Volumni udio tih čestica najčešće iznosi 10 do 30 % [5]. Prilikom unošenja tih čestica u aluminij potrebno je miješanje kako bi njihova raspodjela bila jednolika u volumenu. Nakon toga se u taljevinu upuhuje plin pomoću posebno konstruiranih rotirajućih ubrizgavalica i vibrirajućih raspršivača. Tako nastaju fini jednoliko raspršeni mjehurići u taljevini. Plinovi koji se najčešće koriste su zrak, CO2, O2, inertni plinovi (npr. argon), N2, pa čak i vodena para. Mješavina metala i mjehurića ispliva na površinu gdje se metal skrućuje. Vrijeme skrućivanja ovisi o toplinskom gradijentu rastaljenog metala. Stvorena pjena izlazi na površinu pomoću pomičnih konvejerskih traka vertikalnim povlačenjem. Zbog sila povlačenja tijekom vučenja na površinu ćelije se dijagonalno deformiraju što negativno utječe na mehanička svojstva koja postaju izortopna. Na taj način proizvode se aluminijske pjene gustoće od 69 kg/m3 do 540 kg/m3 s porama promjera od 3 do 25 mm i debljinom stjenke od 50 do 80 μm [2]. Na veličinu ćelija može se utjecati protokom plina, brzinom ubrizgavanja, frekvencijom vibriranja raspršivača te ostalim parametrima. Prednosti ovog procesa su mogućnost proizvodnje komada većih dimenzija i niska cijena, a nedostatak je što je još uvijek ograničen samo na aluminij. Na ovaj način proizvode se aluminjske pjene poznat pod tržišnim nazivom „Hydro-Alcan“. Danas se također razvijaju procesi proizvodnje pjena ovim postupkom bez stabilizatora, uz kontinuirano hlađenje, ali takvi procesi nisu još dovoljno stabilni [2].

408

3.2. RASTVARANJE PLINA IZ ČESTICA U TALJEVINI METALAU ovom procesu metalne pjene se proizvode dodavanjem agensa u talinu, koji se zagrijavanjem rastvara i tako tvori plin. Kao agens često se koristi TiH2 koji se rastvara na Ti i plinoviti H2. Parametri koje je potrebno kontrolirati u ovom procesu su tlak, temperatura i vrijeme. U početnoj fazi procesa, pri temperaturi tališta aluminija u rasponu od 670 do 690 °C, taljevini se dodaje 1.5 % kalcija, koji zbog visokog afiniteta prema kisiku vrlo brzo oksidira i čini spojeve CaO, CaAl2O4 ili intermetalni Al4Ca [2]. Pomoću novonastalih spojeva povećava se viskoznost taline. U talinu se kao raspršujući agens dodaje 1-2 % TiH2 ( u obliku čestica veličine od 5 do 20 μm) koji se iznad temperature 465 °C rastvara na Ti i plinoviti H2. Potrebno je oko 10 minuta za potpuno rastvaranje svih čestica TiH2 [6]. H2 stvara mjehuriće i ako je viskoznost dovoljno visoka da spriječi izlazak mjehurića iz taline, nastaje metalna pjena sa zatvorenim ćelijama. Poslije hlađenja ispod temperature tališta stvorena je aluminijska metalna pjena koja se može izvaditi iz kalupa i dalje obrađivati. Cijeli proces traje otprilike 15 minuta i pažljivom kontrolom parametara može se ostvariti vrlo homogena struktura. Na svojstva kao što su relativna gustoća ili veličina ćelija, može se utjecati variranjem količine Ca ili TiH2 [2]. Gustoća ovako proizvedenih pjena može biti od 180 kg/m3 do 240 kg/m3, relativna gustoća (omjer gustoće metalne pjene i gustoće neporoznog metala od kojeg je pjena građena) od 0,07 do 0,2, a veličina ćelija u dvije različite izvedbe: od 1 do 13 mm, sa srednjom veličinom 4,5 mm i izvedba od 1 do 7 mm sa srednjom veličinom 3 mm [6]. Ćelije su zatvorene ali uz oblikovanje deformiranjem – valjanje stijenke se mogu razbiti i time se povećavaju zvučno izolacijska svojstva takvih pjena. Ovakvim postupkom tvrtka Shinko Wire Company proizvodi metalne pjene pod komercijalnim nazivom „ALPORAS“ od 1986. godine [6]. Zbog uporabe relativno skupih aditiva Ca i agensa TiH2 ovaj postupak je ipak skuplji od prethodno opisanog postupka.

3.3. RASTVARANJE PLINA IZ ČESTICA U POLUČVRSTOJ FAZI METALANa početku procesa miješaju se prah čistog metala ili legure i dodatak - agens koji pospješuje upjenjavanje. Kao dodatak također se koristi TiH2. Nastala mješavina kompaktira se u poluproizvod u obliku žice ili šipke. Kompaktiranje u metalnu matricu može biti izostatičko tlačenje, valjanje praha ili ekstrudiranje. Takav poluproizvod mora biti vrlo pažljivo napravljen zato što početna poroznost ili neravnomjerna raspoređenost legure u prahu pomiješane sa TiH2

uzrokuju loše rezultate u kasnijm fazama procesa izrade metalnih pjena. Poluproizvod se reže na dimenzije prema dimenzijama kalupa i stavlja u kalup gdje se zagrijava na temperaturu nešto višu od solidus temperature legure. Upjenjavanje se događa u polučvrstom stanju zato što se TiH2 rastvara na 465 °C što je mnogo niže od tališta aluminija (660°C) [2]. Time se omogućava djelomično upjenjavanje već u polučvrstom stanju metala s dodatnim povećavanjem rasta ćelija kako metal prelazi u tekuću fazu. Dodatak (agens) se rastvara na Ti i H2 koji uzrokuje širenje i stvaranje visoko poroznog materijala. Trajanje procesa ovisi o veličini poluproizvoda, temperaturi i obliku i kreće se od nekoliko sekundi do nekoliko minuta. Proizvod poprima oblik kalupa, ima relativnu gustoću od 0,08 naviše i zatvorene ćelije promjera 1 do 5 mm. Hlađenjem se pjena stabilizira, a na površini uz stijenku kalupa, stvara se neporozna kora. Komercijalni naziv za ovako proizvedene metalne pjene je „FOAMINAL -ALULIGHT“.Ovakav postupak nije ograničen samo na aluminij, već se njime mogu proizvoditi i pjene na bazi cinka, mjedi, olova, zlata i drugih metala ovisno o početnim parametrima. Fraunhoferov institut u Bremenu (Institut für Advanced Materials - IFAM) razvio je izradu sendvič-konstrukcija ovim postupkom. Takve konstrukcije sastavljene su od jezgre – metalne pjene obložene s metalnim limom. Oblaganje limom može biti ili lijepljenje na pjenu nakon upjenjavanja ili oblaganje prekursora limom hladnim valjanjem prije upjenjavanja [1]. Sendvič-ploče mogu biti dimenzija 2×1 m. Tvrtka Alulight International GmbH u ponudi ima različite legure metalnih pjena obložene s vanjskim limom iz legura istih ili različitih od metalne pjene (tablica 1).

409

Tablica 1. Moguće kombinacije vanjske obloge i jezgre u sendvič pločama koje nudi tvrtka Alulight International GmbH [7].

VANJSKA OBLOGA JEZGRA OD METALNE PJENEAL 5005 (AlMg1) AlSi7AL 5005 (AlMg1) AlSi6Cu6AL 5005 (AlMg1) AlSiMg

AL 6006 (AlMgSi0.5) AlSi6Cu6AL 6006 (AlMgSi0.5) AlSiMgAL 6082 (AlMgSi1) AlSi6Cu6AL 6082 (AlMgSi1) AlSiMg

3.4. PRECIZNO LIJEVANJE POMOĆU KALUPA OD VOSKA ILI POLIMERAZa izradu kalupa, u kojima se postupkom preciznog lijevanja proizvode metalne pjene, mogu se koristiti polimerne pjene s otvorenim ćelijama raznih veličina i oblika. Prema željenim dimenzijama krajnjeg proizvoda, što je metalna pjena, odabire se polimerna pjena odgovarajuće veličine ćelija i relativne gustoće. Polimerna pjena premazuje se keramičkim prahom, koji se zatim suši i ugrađuje u ljevački pijesak. Kalup se zatim zagrijava da bi kalupni materijal vezivanjem očvrsnuo, a polimerna pjena isparila, te da bi se stvorio negativ oblika pjene. Kalup se ispunjava rastaljenom legurom koja hlađenjem poprima oblik prema negativu. Pri ulijevanju visoko viskoznih talina primjenjuje se tlak za vrijeme ulijevanja u kalup. Nakon hlađenja i vađenja iz kalupa metalna pjena ima jednaku građu kao i korištena polimerna pjena. Ovaj proces razvila je tvrtka Ergaerospace i njime se proizvede “ERG DUOCEL” metalne pjene. Ovakvi odljevci – metalne pjene imaju otvorene ćelije veličine od 1 do 5 mm, ćelije su strukturirane u oblik dodekaedara i gustoća im je 2 % do 15 % gustoće čvrstih metala [8]. Odstupanje od relativne gustoće u određenom proizvodu od ERG DUOCEL pjene može biti od 3 do 10% [8]. Struktura je jednaka u sve tri dimenzije prostora i zbog toga se ovakve pjene smatraju izotropnima. Za izradu pjene najčešće se koriste aluminijske legure EN AW 1100, EN AW 6101, EN AW 6061 i EN AW 7075. Ovim procesom mogu se izrađivati metalne pjene na bazi svih vrsta metala koji se mogu precizno lijevati. 

3.5. TALOŽENJE METALA NA ĆELIJASTE PRAOBLIKEPolimerne pjene s otvorenim ćelijama također mogu poslužiti kao matrica na koju se postupkom kemijskog taloženja iz parne faze (Chemical Vapour Deposition – CVD) nanose metali evaporacijom ili elektrotaloženjem. Na početku postupka polimerna pjena se stavlja u CVD retortu u koju se zatim uvodi Ni(CO)4. Zagrijavanjem na temperaturu od 150 do 200°C Ni(CO)4

se razlaže na čisti nikal i ugljični monoksid, te se nikal zagrijavanjem pri višoj temperaturi u parnoj fazi taloži na polimerni materijal unutar retorte [9]. Zbog niske temperature razlaganja moguće je taloženje nikla i na temperaturno osjetljive materijale kao što je poliuretanska pjena. Nanošenje nikla je brzinom od 1 μm/min i nakon nekoliko desetaka mikrometara metalne prevlake polimerna pjena se uklanja i spaljuje infracrvenim zagrijavanjem. Struktura ovako dobivenih metalnih pjena je ćelijasta sa šupljikavim vezama. Gustoća takvih veza se može povećati sinteriranjem. Nastali proizvod tvrtka Inco Technical Services patentirala je pod nazivom INCOFOAM. Ovakva pjena ima poroznost od 70 do 90%, gustoću od 0.2 do 2.7 g/cm3

i iznimnu ujednačenost mikrostrukture u svim smjerovima [9]. Poroznost i veličina pora jedino ovisi o polimernoj matrici koja se koristi za nanošenje metala. Čistoća nikla u metalnoj pjeni doseže 99,8% udjela u masi [9].

4. SPAJANJE METALNIH PJENAIndustrijska primjena metalnih pjena, kao materijala za proizvodnju konstrukcijskih elemenata i sklopova, nije u potpunosti izvediva bez djelotvornih načina spajanja metalnih pjena međusobno i načina spajanja metalnih pjena sa drugim materijalima koji nemaju ćelijastu građu. U mnogim istraživanjima provedenim do sada pozornost je posvećena načinima proizvodnje i fizikalnim svojstvima metalnih pjena, ali načini spajanja nisu bili u potpunosti proučavani. Pošto je temeljni inženjerski pristup proučavati već postojeće tehnologije te, ako je to moguće,

410

primjeniti ih na nove materijale, takav pristup trebao bi voditi do određivanja tehnologije spajanja metalnih pjena. Zbog specifične ćelijaste strukture koja određuje pozitivna svojstva za primjenu, sama svojstva materijala u spoju nebi trebala značajno odstupati od svojstava osnovnog materijala. Svojstva koja su bitna, i zbog kojih se metalna pjena koristi kao osnovni materijal, moraju u samom spoju biti ista ili bolja nego u osnovnom materijalu. Idealno bi bilo kada bi se i u spoju zadržala jednaka poroznost, jednaka gustoća i veličina ćelija, električna vodljivost, prigušenje vibracija i ostala pozitivna svojstva. Treba napomenuti da porozna struktura znatno otežava spajanje metalnih pjena. Tehnologije koje se najčešće koriste za spajanje su vijčani spojevi, lijepljenje, lemljenje i zavarivanje.Bilo koja metoda koja se koristi za spajanje metalnih pjena mora ispuniti dva osnovna preduvjeta. Prvi preduvjet je da temperatura pri spajanju mora biti niža od temperature taljenja metalne pjene. Ako je temperatura viša i dovodi do taljenja onda se taljenje mora ograničiti na usku zonu oko spoja i dovoljno plitku zonu da se ne dogodi urušavanje ćelijaste strukture. Ako se pri spajanju koristi pritisna sila onda ta sila po jedinici površine mora biti manja od čvrstoće metalne pjene kako nebi došlo do deformiranja ćelijaste strukture.

4.1. VIJČANI SPOJEVIMetalne pjene imaju ćelijastu strukturu, na određen način sličnu strukturi drveta. Upravo zbog toga jedan on načina spajanja metalnih pjena je i pomoću vijaka namijenjenih za spajanje drvenih elemenata. Porozna struktura omogućava spajanje metalnih pjena sa vijcima bez potrebe izrade unutarnjeg navoja na elementima koji se povezuju. Ako se za spajanje metalnih pjena koriste vijci čvrstoća spoja ovisi: promjeru vijka, sili stezanja, promjeru predbušenog provrta, duljini vijka, gustoći metalne pjene debljini stijenke ćelije, veličini ćelija te prisutnosti ili odsutnosti površinske kore na pjeni [10]. Čvrstoća vijčanog spoja najviše ovisi o veličini ćelija i gustoći metalne pjene. Što su ćelije jednoličnije i manje te što je stijenka ćelije deblja to će i čvrstoća vijčanog spoja biti veća. Za dobar vijčani spoj potrebno je da je dodirna površina između vijka i pjene što veća. Zbog toga je poželjno da je vijak što veći (veći promjer i veća dužina), te da je promjer predbušenog provrta što manji. Minimalni promjer predbušenog provrta određen je promjerom vijka.Čvrstoća vijčanog spoja u metalnoj pjeni ispituje se izvlačenjem vijka i definira se silom koja je potrebna za izvlačenje vijka bez odvijanja [10]. Čvrstoća spoja može se povećati ljepilom ubrizganim u provrt prije umetanja vijka. Ljepilo ulazi u ćelije i povećava dodirnu površinu i raspodjelu stezne sile na metalnu pjenu, te također svojom čvrstoćom povećava ukupnu čvrstoću vijčanog spoja. Također je moguće spajanje i pomoću vijaka s metričkim navojem s time da u metalnoj pjeni mora biti umetnut matični dio s unutarnjim navojem. Matice ili umetci s unutarnjim navojima trebaju biti umetnuti u metalnu pjenu već pri samom procesu lijevanja metalne pjene u kalupu ili mogu biti naknadno umetnuti bušenjem provrta i lijepljenjem umetka ili matice u provrt. Moguće je i spajanje pomoću vijka i matice s time da se kroz metalnu pjenu buši prolazni provrt.

4.2. LIJEPLJENJELijepljenje metalnih pjena moguće je sa svim vrstama ljepila namijenjenim za lijepljenje određenih metala ili poroznih materijala. Spojevi se mogu vrlo jednostavno pripremiti i izvesti. Čvrstoća samog ljepila može biti i veća od čvrstoće metalne pjene. Kao ljepila se najčešće rabe standardna epoksidna ljepila, premda se mogu koirstiti i poliuretanska ili polipropilenska ljepila. Lom konstrukcije zalijepljene epoksidnim ljepilom uvijek se događa unutar same metalne pjene pored mjesta spajanja, zbog toga što je čvrstoća skrutnutog epoksidnog ljepila veća od čvrstoće same metalne pjene [11]. Pri lijepljenju aluminijskih pjena također je moguće između dvaju komada od pjene postaviti Al pločicu kako bi se veza ostvarila između aluminjske pjene i punog materijala od aluminija, što omogućuje drugačija svojstva spoja nego kad se direktno međusobno lijepe dvije aluminijske pjene. Lijepljenje kao tehnologija spajanja metalnih pjena ima i negativnih svojstava:

- neotpornosti na visoke temperature,- kraći vijek trajanja zbog starenja ljepila odnosno spoja,- stvaranje električne izolacije u spoju,

411

- povećanje toplinske izolacije u spoju,- veća potrošnja ljepila zbog ispunjavanja ćelija pri lijepljenju pjena bez površinske kore.

Spajanje lijepljenjem upotrebljava se pri izradi sendvič konstrukcija s jezgrom od metalne pjene gdje se jezgra oblaže limom od homogenog materijala. Za praktičnu primjenu sendvič ploča od aluminijskih pjena potrebno je postići adhezijsku čvrstoću između pjene i površinskog lima veću od same čvrstoće aluminjske pjene. Ovaj uvijet ispuniti će se u smislu kasnije upotrebe kada se opterećenje u sendvič ploči prenosi s površinskog čeličnog lima na sredinu metalne pjene. Ispitivanje sendvič ploča provodi se mjerenjem sile potrebne za odljepljivanje vanjskog lima od metalne pjene [12]. Otpornost na odlijepljivanje znači da će se lim držati uz metalnu pjenu i doći će samo do deformiranja ćelija u pjeni u smjeru opterećenja. U istraživanju adhezije u sendvič panelima od aluminijskih pjena [12] korišteno je ljepilo ISOLEMFI 50105 N za povezivanje AlMgSi0.6 aluminijske pjene sa čelikom DC01 i u drugom ispitivanju s čelikom X10CrAlSi7. Ovo ljepilo je jednokomponentno poliuretansko ljepilo koje očvršćuje pomoću vlage iz atmosfere i s okolnih površina. Prije lijepljenja površina lima pripremljena je pjeskarenjem. Ljepilo je dalo vrlo dobre rezultate nakon ispitivanja odljepljivanja. Slika prikazuje uzorke nakon ispitivanja odljepljivanjem vanjskog čeličnog lima.U istraživanju [13] na kompozitnim materijalima od ALPORAS aluminijske pjene i lima alumijske legure Al 5005H34 analizirano je kvazistatičko opterećenje prodiranjem trna. Komozitni materijal građen od jezgre – aluminijske pjene debljine 25 mm i 50 mm, te vanjskih obloga gornjeg i donjeg lima debljine 0,6 i 3,0 mm dobiven je lijepljenjem pomoću epoksidnog ljepila SA80. Nakon tretiranja površine brusnim papirom za aluminij granulacije 180 slijedilo je lijepljenje. Skrućivanje se odvijalo na temperaturi od 120 °C kroz 12 sati. Maksimalna smična čvrstoća ovog ljepila je 24 MPa te je isto ljepilo pokazalo bolja svojstva od superčvrstog Araldite dvokomponentnog epoksidnog ljepila.

Slika 3. Uzorci nakon ispitivanja odlijepljivanja vanjskog lima od metalne pjene [12].

4.3. LEMLJENJEMeko ili tvrdo lemljenje metalnih pjena još uvijek nije u potpunosti istraženo. Glavni problem prilikom lemljenja aluminijskih pjena je također vrlo tanki sloj Al2O3 na svim površinama materijala. Prije samog lemljenja nužno je uklanjanje sloja oksida i svih nečistoća sa površina koje se povezuju, kako bi se mogle ostvariti adhezijske sile. Mehaničko uklanjanje sloja oksida unutar pora aluminijskih pjena praktički nije izvedivo, zbog oblika i veličina pora te razlika u dimezijama pora. Zbog toga je uklanjanje sloja oksida unutar pora moguće izvesti samo pomoću talila. Preporuka je da se talila koriste samo na neporoznim površinama aluminijskih pjena (vanjskoj kori). U slučaju da se talilo koristi unutar pora može doći do zaostajanja talila, koje kasnije može uzrokovati koroziju oko zalemljenog spoja [10]. Korištenje talila pri lemljenju neporozne površinske kore aluminijskih pjena nema nikakva ograničenja ukoliko je otjecanje talila sa površine koja se lemi neometano. Kako dodatni materijal za lemljenje aluminijskih pjena koriste se lemovi: Sn90Zn (talište 250 °C), Cd82Zn (talište 300 °C), Sn70Zn (talište 350 °C) i Zn90Sn (talište 420 °C) [10]. Prije samog lemljenja aluminijska pjena mora se ugrijati na temperaturu taljenja lema. Predgijavanje

412

može biti izvedeno ili lokalno plinskim plamenom samo na mjestu na kojem se izvodi lemljeni spoj ili tako da se čitav element aluminijske pjene predgijava na ploči ispod koje se nalaze raspoređeni električni grijači ili plinski plamenici. Kontrolirano predgijavanje čitavog elementa na ploči bolje je jer sprečava prekomjeran unos topline na mjestu lemljenja (što bi moglo dovesti do taljenja metalne pjene). U istraživanju lemljenja aluminijske pjene i lima od homogenog aluminija u radu [14] kao lem korišten je S-Bond 220, proizvod tvrtke S-Bond Technologies LLC. Ovaj lem specifičan je po tome jer se koristi bez talila. Uklanjanje sloja oksida sa površine metala odvija se struganjem čestica unutar lema po površini koja se lemi. S-Bond lem je napravljen na osnovi legure Sn-Ti-Ag. Temperatura taljenja mu je od 240 °C do 260 °C što je vrlo povoljno s obzirom na potrebnu količinu unešene topline. U navedenom istraživanju stijenka metalne pjene bila je svega 8 mm u presjeku i lemljenje je dalo vrlo dobre rezultate u usporedbi s lijepljenjem i zavarivanjem.

4.4. ZAVARIVANJE METALNIH PJENAMetalne pjene mogu se zavarivati, ako je zavariljivost osnovnog materijala od kojeg je građena pjena zadovoljavajuća. Osim o osnovnom materijalu zavarljivost ovisi i o veličini i obliku ćelija, te o gustoći metalne pjene. Jedan od glavnih problema prilikom zavarivanja je urušavanje ćelijaste strukture. Do njega dolazi zbog prijelaza čvrste faze u tekuću nakon što je samo mjesto zavarivanja izloženo toplini. Pri ohlađivanju tekuća faza prelazi u krutu koja više nije istih svojstava kao prethodna kruta metalna pjena. Prema svemu prethodno navedenom, pri zavarivanju metalnih pjena, unos topline treba biti kontrolirat i što manji kako bi se, što je više moguće, zadržala kompaktna ćelijasta struktura, a zona staljivanja bila što uža. Također pri zavarivanju pritiskom pritisna sila po jedinici površine mora biti manja od čvrstoće metalne pjene kako pri spajanju nebi došlo do deformiranja ćelijaste strukture. Kao dodatni materijal za zavarivanje metalnih pjena može se koristiti prekursor u obliku šipke ili žice [15]. Pri unosu topline radi taljenja osnovnog materijala prekursor prelazi u metalnu pjenu i ispunjava prostor na mjestu spoja. Zavarivanje i homogenog i ćelijastog aluminija otežano je zbog tankog sloja oksida Al2O3 na površini koji ima više talište od aluminija. Pri zavarivanju nužno je ukloniti sloj oksida i ne dopustiti mu obnavljanje za vrijeme procesa hlađenja taline. Zbog toga je nužno zavarivanje aluminija izvoditi u atmosferi zaštitnog plina kako se sloj oksida ne bi obnovio. Upotreba konvencionalnih tehnologija zavarivanja kao što su MIG i TIG zavarivanje ne jamči uspješno zavarivanje metalnih pjena niti dobra svojstva zavara. Zbog prevelikog unosa topline i široke zone utjecaja topline dolazi do taljenja stijenki ćelija i slijeganja taline što konačno dovodi do značajnog urušavanja ćelijaste strukture. Pri sučeljenom zavarivanju aluminijske pjene TIG postupkom sa prekursorom kao dodatnim materijalom, širina električnog luka je prevelika te je dovođenje topline prekomjerno. Isto dovodi do prekomjernog taljenja rubova ploča, pa čak i do mjestimičnog izgaranja aluminija na mjestima gdje je stijenka ćelija vrlo tanka (Slika 4.). Na slici je prikazano urušavanje ćelijaste strukture nakon dovođenja topline TIG postupkom zavarivanja.

Slika 4. Urušavanje ćelijaste strukture kao rezultat prekomjernog dovođenja topline TIG zavarivanjem.

Kao postupci za zavarivanje metalnih pjena mogu se primjeniti:- Lasersko zavarivanje,- Zavarivanje trenjem rotirajućim trnom,

413

- Ultrazvučno zavarivanje,- Difuzijsko zavarivanje,- Elektronski snop ( premda do sada nisu provedena istraživanja ).

4.4.1. LASERSKO ZAVARIVANJE METALNIH PJENALasersko zavarivanje uspješno se koristi u mnogim područjima proizvodnje za spajanje kako metala tako i nemetala, svugdje gdje se zahtjeva iznimna preciznost, uska zona utjecaja topline, mali unos topline i gdje su u pitanju legure problematične za zavarivanje drugim postupcima. Aluminijske pjene uspješno su zavarivane laserskim zavarivanjem u prethodnim istraživanjima [16,17,18]. Laserska zraka je fokusirana, gustoća energije je iznimno velika, pa je i zona utjecaja topline puno uža nego kod drugih postupaka. Pri zavarivanju dovođenje topline potrebne za taljenje uspješno je uravnoteženo sa odvođenjem topline kroz metalnu pjenu. Kontoliran unos topline pri laserskom zavarivanju rezultira uskom linijom staljivanja i minimalnim deformiranjem ćelija oko linije staljivanja. U navedenom istraživanju [16] zavarivane su aluminijske pjene AlMgSi1, AlSi7, AlSi12 sa zatvorenim porama te također sendvič paneli s jezgrom AlSi7 i vanjskim limom AlMn1. Metalne pjene sa zatvorenim porama sprečavaju širenje taline protokom kroz pore te tako sprečavaju i veće zagrijavanje oko zavara. Zavarivanje u istraživanju je provedeno Nd:YAG laserom snage 4 kW i CO2 laserom snage 6 kW. Pokusi su doveli do zaključka da je za debljinu ploče aluminijske pjene od 10 mm donja granica za potrebno protaljivanje gustoća energije od 0.65 ·106 W/cm2 na promjeru fokusa od 480 μm. Nd:YAG laserom može se ostvariti bolje protaljivanje (potrebno je 35% manje energije za istu debljinu ploče) zbog veće apsorpcije laserske zrake [16]. Kao zaštitni plin pogodno je koristitit helij koji umanjuje nastanak plazme iznad taline za vrijeme zavarivanja. Zadovoljavajući zavari mogu se izvesti na aluminijskim pjenama s donjom granicom gustoće od 0.5 g/cm3. Kao dodatni materijal pri laserskom zavarivanju aluminijskih pjena mogu se koristiti homogeni materijali u obliku žice ili šipke ili prekursori u obliku pločice ili paste pomiješane s česticama legure. Istraživanje je pokazalo kako je nemoguće zadržati ćelijastu strukturu u zavaru, budući da preostale čestice TiH2 koje se nalaze u aluminijskoj pjeni nisu dovoljne za upjenjavanja novonastale taline. Zavarivanjem s dodatnim materijalom u obliku prekusrora (slika 5), koji pored legure AlSi12 sadrži i čestice TiH2, može se postići dodatno upjenjavanje. Pločica prekursora debljine 2 mm postavlja se između ploča od aluminijskih pjena. Dovođenjem energije laserskom zrakom dolazi do taljenja pločice prekursora (uz upjenjavanje) i taljenja rubova osnovnog materijala. Hlađenjem nastaje spoj u kojem prevladava ćelijasta struktura metalne pjene.

Slika 5. Princip laserskog zavarivanja s dodatnim materijalom – prekursorom.

Osim zavarivanja gotovih metalnih pjena, moguće je provesti i zavarivanje elemenata prekursora koji će tek kasnije u peći postići upjenjavanje i poprimiti oblik kalupa. U istraživanju [19] zavarivanje je provedeno CO2 laserom snage 3 kW, pri brzini zavarivanja 3 m/min. Protok zaštitnog plina helija bio je 20 l/min. Zavarivani su elementi prekursora (AlMg1SiCu + TiH 2) u jednom dijelu ispitivanja, a u drugom je zavarivan prekursor s pločom homogenog aluminija

414

(Al 99). Nakon zavarivanja i hlađenja spojeni elementi upjenjavani su u peći standardnom tehnologijom proizvodnje metalnih pjena iz prekursora. Nakon upjenjavanja čitava konstrukcija ima ćelijastu strukturu jer se i na mjestima spajanja elemenata već prethodno nalazi ćelijasta struktura. Dobiveni su zadovoljavajući zavari uz uočeno smanjenje udjela legirnih elemenata: magnezija s 0.91% na 0.32% i silicija s 0.6% na 0.13% [19].

Slika 6. Zavar dobiven CO2 laserom. Lijevo je prekursor, desno Al 99 [19].

4.4.2. ZAVARIVANJE TRENJEM ROTIRAJUĆIM TRNOMU svrhu spajanja aluminijskih pjena s pločama od homogenog aluminija istraživan je proces zavarivanja trenjem pomoću rotirajućeg trna [20]. Pri konvencionalnim metodama zavarivanja gdje je prisutan električni luk odvođenje topline pri zavarivanju ploče od homogene aluminijske legure i aluminijske pjene je različito zbog razlika u gustoći materijala između ploča. Zavarivanje trenjem pomoću rotirajućeg trna (eng. Friction Stir Welding-FSW) tehnologija je spajanja materijala u krutom stanju. Pri zavarivanju materijal se ne tali i ne rekristalizira. Rotirajući alat, koji je otporan na trošenje, utiskuje se između rubova ploča u dodiru, koje je potrebno zavariti, i pomiče se u smjeru linije spoja (slika 7). Alat ima dvije površine koje obavljaju dvije osnovne funkcije u spajanju. Površina kojom alat naliježe na osnovni materijal – ploče primarno zagrijavanja materijal pomoću energije oslobođene trenjem i energije oslobođene plastičnom deformacijom materijala. Trn koji ulazi između ploča svojim oblikom vrši miješanje materijala u poluplastičnom stanju čime nastaje kompaktan spoj. Lokalizirano zagrijavanje omekšava materijal oko trna i kombinacija rotacije i translacije alata dovodi do pomicanja materijala od prednjeg dijela trna prema zadnjem dijelu. Rezultat tog procesa je spoj ostvaren u čvrstom stanju. Zavarivanje trenjem rotirajućim trnom privuklo je pažnju istraživača kao tehnologija spajanja tankih limova teže zavarljivih legura zbog toga što nudi prednosti kao što su dobro zadržavanje mehaničkih svojstava u zoni zavara, malo izobličenje i manje nepravilnosti zavara, te mala zaostala naprezanja pošto je količina unešene topline manja nego kod klasičnih zavarivačkih procesa.U istraživanju zavarivanja trenjem rotirajućim trnom [20] ostvareno je slobodno miješanje aluminijske pjene i homogenog aluminija u poluplastičnom stanju. Istraživan je utjecaj gustoće aluminijske pjene na svojstva zavrenog spoja. Zavarivane ploče aluminijske pjene AlMgSi0.6 bile su debljine 5 mm, 7 mm i 9 mm, te su zavarivane za aluminij iste debljine u sučeljenom spoju. Ploče dimenzija 40 x 200 mm zavarivane su brzinom 108 mm/min i rotacijom trna 1040 min-1. Nakon zavarivanja ploče su ispitivane na savijanje. Rezultati su pokazali da su aluminijske pjene veće gustoće prikladnije za zavarivanje trenjem rotirajućim trnom zbog same tehnologije dobivanja spoja miješanjem materijala u poluplastičnom stanju. Budući da je sama svrha upotrebe aluminijskih pjena olakšavanje konstrukcija, optimalna gustoća za dobivanje prihvatljivih zavara ovim postupkom je oko 1214 kg/m3 [20].

415

Slika 7. Princip zavarivanja trenjem

4.4.3. ULTRAZVUČNO ZAVARIVANJE METALNIH PJENAMetalne pjene mogu se uspješno zavarivati i ultrazvučnim zavarivanjem. Ultrazvučno zavarivanje karakterizira nizak unos energije, kratko vrijeme zavarivanja i niska temperatura pri kojoj se metali spajaju. Pri ultrazvučnom zavarivanju elementi koji se zavaruju postavljaju se na nakovanj. Pritiskom i rotacijom sonotrode vrši se zavarivanje. Sonotroda vibrira ultrazvučnom frekvencijom pretvaranjem elektromagnetskih oscilacija visoke frekvencije u mehaničke oscilacije na piezoelektričnom ili magnetostrikcijskom principu. Pritisna sila na radne komade je relativno mala i zbog toga se mogu zavarivati i tanki limovi. Pomoću različitih oblika i konfiguracija alata ultrazvučnim zavarivanjem mogu se dobiti točkasti, pravocrtni ili kružni zavari. Sonotroda i nakovanj imaju posebno izrađene površine za nalijeganje na dijelova koji se zavaruju, kako nebi došlo do nepoželjnog pomicanja pri zavarivanju. Od velike je važnosti i plan paralelnost površina na elementima koji se zavaruju. Na institutu za materijale, znanost i inženjerstvo Kaiserslautern već dugi niz godina sistematski se istražuje ultrazvučno zavarivanje aluminijskih pjena s homogenim limovima iste ili različite legure aluminija. U istraživanju [21] su provedeni pokusi zavarivanja sendvič panela u kojima je jezgra AlSi7 gustoće 0.43 g/cm 3

prekrivena limom AlMg 1 mm debljine. Također je istraživana zavarljivost aluminijskih pjena AlMgSi0.5 i AlSi7 proizvedenih rastvaranjem plina iz TiH2 čestica u polučvrstoj fazi metala. Gustoća ovako proizvedene metalne pjene je 0.5 g/cm3. Kao limovi kojima se prevlači aluminijska pjena korišteni su limovi AlZnMgCu0.5, St 12 i austenitni čelik X5CrNiMo17-12-2 [21]. Za ublažavanje hrapavosti kore aluminijskih pjena kao međusloj, pri zavarivanju, korišten je folija Al99 debljine 0.1 mm. Ispitivanjem mehaničkih svojstava spoja utvrđeno je da su bolja mehanička svojstva postignuta su pri zavarivanju aluminijske pjene i aluminijskog lima. Razlog tome su bolje plastično deformiranje aluminija od St 12 i austenitnog čelika, te bliže talište uparenih materijala.Ultrazvučni generator pretvara struju napona od 50 Hz u izmjeničnu struju od 20 kHz. Pretvarači, koji rade na principu obrnutog piezoelektričnog efekta, pretvaraju navedenu visokofrekventnu struju u mehaničke oscilacije iste frekvencije. Amplituda pomicanja sonotrode na mjestu zavarivanja je od 10 do 40 μm. Statičkim pritiskom od 2 do 15 MPa okomito na ploče vrši se dio prijenosa energije. Pritisna sila sonotrode varirana je od 750 do 2000 N. Veća pritisna sila dovela bi do neželjene plastične deformacije u aluminijskoj pjeni. Geometrija zavarivanih elemenata prikazana je na slici 8. Otisak na osnovnom materijalu ostao je zbog pritiska sonotrode i generiranja topline. Vrijeme zavarivanja ovakvim postupkom je svega 2 sekunde. Najviša temperatura u procesu od 350 °C isključuje taljenje materijala koji su bili zavarivani. Uz optimizaciju parametara i kontrolirano vođenje procesa postignuti su zadovoljavajući zavari.

416

Slika 8. Geometrija elemenata zavarivanih ultrazvučnim torzionim zavarivanjem [21]

Moguća primjena ultrazvučnog zavarivanja homogenog materijala na metalne pjene može se pronaći u zavarivanju različitih navojnih prihvata, klinova, svornjaka, ležaja ili električnih kontakta na odljevke od metalnih pjena. Budući da obrada odvajanjem strugotine nije u potpunosti izvediva na metalnim pjenama upravo zbog tankih stijenki ćelija i nehomogenosti materijala, za potrebe izrade unutarnjih navoja mogu se gotovi elementi ultrazvučno zavarivati za prekursor ili već gotovu metalnu pjenu (slika 9.)

Slika 9. Prihvat s navojem od homogenog materijala ultrazvučno zavaren za [21]:a) prekursor,b) metalnu pjenu.

4.4.4. DIFUZIJSKO ZAVARIVANJE METALNIH PJENADifuzijsko zavarivanje koristi se pri spajanju homogenog lima na metalnu pjenu. Ovaj postupak može se primjeniti za zavarivanje pjena od nehrđajućeg čelika X5CrNiMo17-12-2 i homogenog materijala od istog čelika uz održavanje temperature na 70 - 90 % od temperature tališta [22]. Metalna pjena u navedenom istraživanju imala je poroznost od 75%. Prije spanja sve su površine tretirane s brusnim papirom granulacije 1200, te potom isprane u etanolu i acetonu. Na površine su zatim nanesene metalne prevlake – međuslojevi od 1 μm koji bi trebali poboljšati svojstva kasnije zavarenog spoja. Pri ispitivanju je zaključeno da je najbolja metalna prevlaka 50% Ti – 50% Cu.U izradi sendvič pločama od aluminijske pjene prekrivene s čeličnim limom od iznimne je važnosti adhezija između aluminijske pjene i čelika. Aluminijska pjena povezuje se s čeličnim

417

limom pomoću kemijske adsorpcije, mehaničkog sidrenja i metalurških interakcija [12]. Vezivanje istih ili različitih atoma i molekula na druge čvrste tvari rezultat je interakcija vanjskih elektrona atomskih ljuski (primarne veze) ili interakcija električno nabijenih molekula (sekundarne veze). U slučaju primarnih kemijskih veza pri spajanju možemo razlikovati polarne veze, kovalentne veze i metalne veze ali su moguće i različite druge kemijsko – fizikalne kombinacije veze. Budući da su sendviči od aluminijske pjene i čeličnog lima kompoziti uglavnog građeni od metalnih kemijskih elemenata logično je zaključiti da će od svih vrsta veza metalna veza biti dominantna [12].Mehaničko sidrenje događa se zbog prilagođavanja rastaljenog aluminija, ili aluminija u polurastaljenom stanju, obliku površine čelika. Rastaljeni aluminij ulazi u neravnine na površini čelika prema veličini neravnina i njihovom rasporedu. Tijekom hlađenja, odnosno skrućivanja aluminij se skuplja i unutar neravnina u koje je ušao, te izaziva i zavarivanje trenjem zbog kretanja površina međusobno. Udio različitih mehanizama mehaničkog vezivanja ovisi o vrstala metala u vezi, pripremi površine te uvjetima procesa. Interakcijske veze, isto kao i kod mekog lemljenja, rezultat su četiri procesa:

- difuzije atoma čelične ploče u površinski rastaljenu aluminijsku pjenu, što dovodi do čvrste legure navedenih tvari, nakon procesa kristalizacije;

- difuzije atoma rastaljenog aluminija u čeličnu ploču što također dovodi do čvrste legure;

- dvosmjerne difuzije između aluminijske pjene i čelične ploče što dovodi do intermetalnih spojeva;

- adhezije (vezivanja bez difuzije).Pri difuzijskom zavarivanju mogu se javiti i poteškoće ako je pritisna sila znatno veća od čvrstoće same metalne pjene jer se može pojaviti deformiranje ćelija znatno dalje od linije spajanja. U istraživanju [23] koje su proveli japanski znanstvenici s instituta za svemir i aeronautiku Kanagawa difuzijski su zavarivane ploče aluminijskih pjena sa zatvorenim ćelijama ALPORAS u krutom stanju. Relativna gustoća ALPORAS metalne pjene korištene u eksperimentu je 0.11. [23]. Pri difuzijskom zavarivanju aluminijskih pjena potrebna je velika pritisna sila kako bi se probio oksidni sloj na površini i ploče dovele u kontakt i na atomskoj razini. Za umanjavanje potrebne pritisne sile u istraživanju se između aluminijskih pjena postavljala superplastična legura AlMg4.5Mn0.7 debljine 1 mm. Poterban pritisak time je smanjen na svega 0.2 MPa. Difuzijsko zavarivanje provedeno je zagrijavanjem mjesta spajanja indukcijskom zavojnicom na 500 °C i 550 °C. Pritiskom je provedeno spajanje kroz 30 min. Kako bi se umanjila moguća rekristalizacija hlađenje na sobnu temperaturu provedeno je u svega 5 min. Slika 10 prikazuje makroskopsku fotografiju zavarenog spoja. Pomoću energijski disperziranih rendgenskih zraka uočeno je difundiranje magnezija iz AlMg4.5Mn0.7 legure u ALPORAS pjenu. Postignuti spojevi ispitivani su savijanjem u četri točke. Rezultati ispitivanja pokazali su iste vrijednosti žilavosti postignutog spoja kao i za kompaktnu ALPORAS pjenu što ukazuje na vrlo dobre karakteristike difuzijskog zavarivanja ove vrste aluminijskih pjena.

418

Slika 10. Makroskopska fotografija zavarenog spoja [23].

5. ZAKLJUČAKMetalne pjene su iznimno zanimljiv i primjenjiv konstrukcijski materijal. One pružaju jedinstvenu kombinaciju svojstava koju ne posjeduje niti jedan drugi konvencionalni materijal. Današnja proizvodnja omogućava dobivanje metalnih pjena iz više osnovnih metalnih legura. Većina od navedenih procesa proizvodnje i dalje nije dovoljno razvijena i kontrolabilna, te se ne uspijeva dobiti ujednačena kvaliteta poluproizvoda i konačnih proizvoda od metalnih pjena. Još uvijek nesavršena građa metalnih pjena može ipak biti prihvatljiva u nizu zahtjevnih primjena, ako se koristi drugačiji pristup konstruiranju proizvoda koji uzima u obzir nesavršenost materijala odnosno varijacije u veličinama ćelija unutar strukture. Pri konstruiranju se mogu javiti poteškoće kao što su:

- na strukturu i svojstva utječe geometrija ćelijastog dijela (vanjski sloj);- rasipanje u lokalnoj gustoći (nesavršenosti, stupnjevi gustoće);- ne postoji tipična veličina pora nego samo distribucija veličine pora;- anizotropna struktura zbog orijenatacije pora, na koju utječe oblik dijela;- mehanizmi deformiranja ovise o materijalu stijenke ćelija;- veća osjetljivost na vlačna naprezanja zbog naglog propagiranja inicijalne pukotine.

Pretpostavka je da će se procesi proizvodnje i u budućnosti razvijate te da će se metalne pjene intenzivno koristiti u proizvodnji sendvič panela, izolacijskih elemenata, okvirnih konstrukcija, odbojnika, protubalističkih kompozita, kućišta raznih uređaja, dekorativnih elemenata, elektroda za procese elektrolize itd. Sendvič ploče od metalne pjene prekrivene s čeličnim pločom u budućnosti mogu zamijeniti čelične ploče većih debljina i veće mase u mnogim čeličnim konstrukcijama. Takva zamjena mogla bi se izvršiti ili radi smanjenja mase uz istu čvrstoću ili radi povećanja dimenzija i čvrstoće konstrukcije uz istu masu.Pored procesa proizvodnje razvijaju se i tehnologije spajanja metalnih pjena međusobno i tehnologije spajanja metalnih pjena s drugim materijalima koji nemaju ćelijastu građu. Primjena rastavljivih spojeva moguća je, ali ne tako učestala zbog samih svojstava metalnih pjena kao ne izmjenjivih elemenata. Za spajanje je ipak poželjnije koristiti nerastavljive spojeve, koji znače i određenu sigurnost same konstrukcije. Porozna struktura znatno otežava spajanje pa mnogi konvencionalni procesi spajanja nisu primjenjivi na metalnim pjenama. Tehnologije lijepljenja i lemljenja metalnih pjena najbliže su istim tehnologijama koje se primjenjuju i za homogene metale. Razlike su vidljive samo u kemijskim sastavima dodatnih materijala ljepila, lemova i talila (ako se primjenjujue). Tehnologije zavarivanja nisu klasične tehnologije već inženjerski zahtjevni procesi u kojima uvjeti moraju biti pažljivo određeni i praćeni kako bi se dobili zadovoljavajući rezultati. Oprema koja se koristi za lasersko i difuzijsko zavarivanje vrlo je skupa, te zahtjevna za održavanje i korištenje. Temperatura pri spajanju mora biti niža od temperature taljenja pjene. Ako je temperatura viša i dovodi do taljenja onda se taljenje mora ograničiti na usku zonu oko spoja i dovoljno plitku zonu da se ne dogodi urušavanje ćelijaste strukture. Ako se pri spajanju koristi pritisna sila onda ta sila po jedinici površine mora biti manja od čvrstoće metalne pjene kako nebi došlo do deformiranja ćelijaste strukture. Problem pri zavarivanju predstavljaju i metalni oksidi na površini metalnih pjena. Uklanjanje navedenih oksida još uvijek nije dovoljno razvijeno niti specificirano isključivo za primjenu na metalnim pjenama. Zavarivanje elektronskim snopom, po svojstvima vrlo slično zavarivanju laserom još nije korišteno u istraživanjima zavarivanja metalnih pjena. Zbog specifične uske zone utjecaja topline i pažljivo kontroliranih parametara procesa ovaj postupak jedna je od opcija koje bi bilo potrebno istražiti.

6. LITERATURA:1. T. Filetin, I. Kramer, G.Marić: „Metalne pjene: proizvodnja, svojstva i primjena“,

Hrvatsko društvo za materijale i tribologiju, Zagreb, 2003.2. G. Marić, I. Kramer, Ž. Alar: „Primjena metalnih pjena“ Zbornik međunarodnog

savjetovanja „Zavarivanje u pomorstvu“, Hvar, 2004.

419

3. J. Banhart, D. Weaire: „On the road again: metal foams find favor“ PHYSICS TODAY, July 2002., Vol. 55 Issue 7, od 37 do 42

4. N.D.Karsu, S. Yüksel, M. Güden: „Foaming behavior of Ti6Al4V particle-added aluminium powder compacts“, JOURNAL OF MATERIAL SCIENCE, 2009.,Vol. 44, No. 6, od 1494 do 1505

5. M.F. Ashby, A.G. Evans, N.A. Fleck, L.J. Gibson, J.W. Hutchinson, H.N.G. Wadley: „Metal Foams: A Design Guide“, Butterworth-Heinemann, Woborn, USA, 2000.

6. T. Miyoshi, M. Itoh, S. Akiyama, A. Kitahara: „ALPORAS Aluminium Foam: Production Process, Properties and Application“ ADVANCED ENGINEERING MATERIALS, 2000., Vol. 2 No. 4, od 179 do 183

7. .... Katalog tvrtke Alulight International GmbH – http://www.alulight.com/en/downloads/sandwich_en.pdf

8. .... Katalog tvrtke ERG Materials and Aerospace Corporation - http://www.ergaerospace.com/Descriptors.htm

9. V. Paserin, S. Marcuson, J. Shu, D. S. Wilkinson: „CVD Technique for INCO Nickel Foam Production“, ADVANCED ENGINEERING MATERIALS, 2004, Vol. 6, No. 6, od 454 do 459

10. N. Sedliaková, F. Simančik, J. Kováčik, P.Minár: „Joining of Aluminium Foams“, Metallschäume: Proc. of Symposium Metallschäume, MIT Verlag, Bremen, 1997. od 177 do 185.

11. O. B. Olurin, N. A. Fleck, M. F. Ashby: „Joining of aluminium foams with fasteners and adhesives“, JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE, 2000, Vol 35, od 1079 do 1085

12. R. Neugebauer, C. Lies, J. Hohlfeld, T. Hipke: „ Adhesion in sandwiches with aluminium foam core“ PRODUCTION ENGINEERING , 2007, Vol. 1, od 271 do 278

13. D. Ruan, G. Lu, Y. C. Wong: „Quais-static indention tests on aluminium foam sandwich panels“, COMPOSITE STRUCTURES, 2010, Vol 92, od 2039 do 2046

14. T. Bernard, H. W. Bergmann, C. Haberling, H. G. Haldenwagen: „Joining technologies for Al-foam-Al-sheet compound structures“, ADVANCED ENGINEERING MATERIALS, 2002, Vol. 4, No.10, od 798 do 802

15. H. P. Degischer, B. Kriszt: „Handbook of cellular Metals: Production, Processing, Applications“ Whiley-VCH Verlag GmbH, 2002.

16. H. Haferkamp, J. Bunte, D. Herzog, A. Ostendorf: „ Laser based welding of cellular aluminium“, SCIENCE AND TECHNOLOGY OF WELDING AND JOINING, 2004, Vol 9. No. 1 od 65 do 71

17. J.Burzer, T. Bernard, H. W. Bergmann: „Joining of aluminium structures with aluminium foams“, Proc. of symposium POROUS AND CELLULAR MATERIALS FOR STRUCTURAL APPLICATIONS, Vol. 521, Materials Research Society, California, USA, 1998.

18. T. Bernard, J. Burzer, H. W. Bergmann: „Mechanical properties of structures of semifinished products joined to aluminium foams“ JOURNAL OF MATERIALS PROCESSING TECHNOLOGY, Vol. 115, 2011., od 20 do 24

19. T. Böllinghaus, H. von Hagen, W. Bleck: „Laserstrahlschweißen von schäumbarem Aluminiumhalbzeug“, UTP science, 2000., Vol. 2., od 23 do 26

20. D. Contorno, L. Fratini, L. Filice, F. Gagliardi, D. Umbrello, R. Shivpuri: „ Innovative user defined density profile approach to FSW of aluminium foam“ Proc. of 10th ESAFORM Conference of Material Forming, 2007. od 199 do 204

21. C. Born, H. Kuckert, G. Wagner, D. Eifler: „Ultrasonic Torsion Welding of Sheet Metals to Cellular Metalic Materials“ ADVANCED ENGINEERING MATERIALS, 2003, Vol. 5, No. 11, od 779 do 786

22. A. A. Shirzadi, M. Kocak, E.R. Wallach: „Joining stainless steel metal foams“, SCIENCE AND TECHNOLOGY OF WELDING AND JOINING, 2004, Vol 9. No. 1 od 277 do 279

420

23. K. Kitazano, A. Kitajima, E. Sato, J. Matsushita, K. Kuribayashi: „Solid-state diffusion bonding of closed-cell aluminium foams“ MATERIALS SCIENCE & ENGINEERING A327, 2002., od 128 do 132

421