Kovová pena

Kovová pena^[2] (hovorovo penokov, v pripade hliníku penohliník) je bunková štruktúra pozostávajúca z pevného kovu (často z hliníka)^[1] s pórmi naplnenými plynom. Póry tvoria veľkú časť objemu materiálu. Póry peny môžu byť utesnené (pena s uzavretými bunkami) alebo vzájomne prepojené (pena s otvorenými bunkami). Charakteristickou vlastnosťou kovových pien je vysoká pórovitosť: obyčajne iba 5 – 25 % objemu predstavuje základný kov. Pevnosť materiálu je postavená na priestorovej tuhosti bunkovej štruktúry.

Kovová pena s otvorenými bunkami, nazývaná tiež kovová špongia, sa môže použiť napr. vo výmenníkoch tepla, pri absorpcii energie, difúzii toku a optike.

Pena s otvorenými bunkami sa vyrába zlievárenskou alebo práškovou metalurgiou. Pri práškovej metóde sa vkladajú vymedzovacie jadrá, ktoré vytvoria póry a kanály. Pri odlievaní sa pena odlieva na jadro z polyuretánovej peny s otvorenými bunkami.^[3]

Kovová pena s uzavretými bunkami bola prvýkrát vymyslená v roku 1926 Alexandre De Mellerom, vo francúzskom patente, kde sa navrhovalo napenenie ľahkých kovov, či už vstrekovaním inertného plynu alebo nadúvadlom.^[4] Dva patenty na výrobu kov podobného špongii boli vydané američanovi Benjaminovi Sosnikovi v rokoch 1948^[5] a 1951, ktorý aplikoval ortuťové pary na napenenie tekutého hliníka. Peny s uzavretými bunkami si zachovávajú požiarnu odolnosť a plávajú na vode.

Peny s uzavretými bunkami sa bežne vyrábajú vstrekovaním plynu alebo vmiešaním penotvorného činidla do roztaveného kovu. Za normálnych okolností bubliny v roztavenom kove rýchlo rastú a v kvapaline s vysokou hustotou rýchlo stúpajú na povrch. Tento pohyb je možné spomaliť zvýšením viskozity roztaveného kovu, napr. pridaním keramických práškov, alebo legovacích prvkov za vzniku stabilizujúcich častíc v tavenine.^[6]

Kovové taveniny sa napeňujú jedným z troch spôsobov:

• vstrekovaním plynu do tekutého kovu z vonkajšieho zdroja;
• vyvolaním tvorby plynu v kvapaline vmiešaním penidiel uvoľňujúcich plyn v roztavenom kove;
• vytvorením plynu, v dôsledku tepelného rozkladu vopred v kove rozpusteného penidla.

Kompozitná kovová pena (CMF - angl. Composite metal foam) je vyrobená z dutých guľôčok jedného kovu v pevnej matrici druhého, napríklad duté oceľové guličky v hliníkovej matrici, ktorá vykazuje 5 až 6-krát väčší pomer pevnosti a hustoty a viac ako 7-krát väčšiu absorpciu energie ako iné kovové peny.^[7]

Pena sa považuje za stochastickú, keď je rozloženie pórovitosti náhodné. Väčšina pien je stochastická kvôli spôsobu napeňovania.^[6]

Priame tvarovanie je technológia, ktorá spravidla vytvára otvorené póry. Kovové peny je možné vyrábať aj aditívnymi procesmi, ako je napríklad 3D tlač.

Na Slovensku technológie pre priemyselnú sériovú výrobu rôznych dielov z hliníkovej peny vyvinuli vedci pod vedením Františka Simančíka z Ústavu materiálov a mechaniky strojov SAV. Tieto technológie sú chránené svetovými patentmi.^[8]

Postup výroby je nasledovný:^[8]

Polotovar pre speňovanie je vyrábaný metódou práškovej metalurgie. Do hliníkového prášku sa primieša speňovadlo, následne sa tieto prášky za studena izostaticky skompaktujú a za tepla pretlačia do obdĺžnikových tyčí; napr. 5 x 20 mm.

Do formy tvaru sa vloží odhadované množstvo polotovaru. Forma sa ohreje na požadovanú teplotu pri ktorej sa polotovar napení a vyplní objem formy. Nadbytočné množstvo sa vytlačí cez výtokové otvory. Polotovar sa môže nahriať aj mimo formy v komore a následne odstreknúť do formy.

Hustota penového hliníka je 0,4 – 0,8 kg/dm3. Cena takto vyrobenej súčiastky je cca 10 Euro/dm3.

• 
  Analýza ohybu rúrky spevnenej kovovou penou
• 
  Zvýšenie tuhosti vyplnením kovovou penou
• 
  Profily s jadrom z kovovej peny

1. ↑ ^{a b} Konštrukčný materiál budúcnosti [online]. quark.sk, 2019-11-24, [cit. 2021-03-15]. Dostupné online.
2. ↑ Materiály podľa druhu - kovová pena [online]. Bratislava: Slovenská akadémia vied, [cit. 2021-03-15]. Dostupné online. Archivované 2021-04-24 z originálu.
3. ↑ Jerz. Výroba penového hliníka práškovou metalurgiou [online]. Bratislava: Slovenská akadémia vied, [cit. 2021-03-15]. Dostupné online. Archivované 2021-05-13 z originálu.
4. ↑ Metal product for obtaining rolled, molded or other articles, and processes for its manufacture. [s.l.] : [s.n.]. Dostupné online. (po anglicky)
5. ↑ Process for making foamlike mass of metal. [s.l.] : [s.n.]. Dostupné online. (po anglicky)
6. ↑ ^{a b} SELECKÁ, Lenka; DŽOGANOVÁ, Zdenka. PENOVÝ HLINÍK – ZÁKLAD PRE VÝROBU PROTIHLUKOVÝCH STIEN [online]. sszp.eu, [cit. 2021-03-15]. Dostupné online.
7. ↑ GAITENS, Joseph. Composite Metal Foam Proves its Mettle [online]. nomaco.com, [cit. 2021-03-15]. Dostupné online. (anglicky)
8. ↑ ^{a b} Kovové peny. [online]. fondstodola.sk, [cit. 2013-07-12]. Dostupné online.

• Penové sklo
• Keramická pena
• Kompozitný materiál

• Commons ponúka multimediálne súbory na tému Kovová pena

• Prof. Ing. Iva Nová, CSc.; Ing. Jiří Machuta. Výrobky z hliníkové pěny [online]. Technická univerzita v Liberci, [cit. 2021-03-15]. Dostupné online. (po česky)

Tento článok je čiastočný alebo úplný preklad článku Metal foam na anglickej Wikipédii.