PL 225512 B1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 225512 (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: 415204 (51) Int.Cl. C23C 10/28 (2006.01) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: 10.12.2015 (54) Sposób wytwarzania struktur porowatych na powierzchni wyrobów metalowych (43) Zgłoszenie ogłoszono: 16.08.2016 BUP 17/16 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 28.04.2017 WUP 04/17 (73) Uprawniony z patentu: POLITECHNIKA ŚWIĘTOKRZYSKA, Kielce, PL (72) Twórca(y) wynalazku: MAGDALENA PIASECKA, Kielce, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Antoni Garstka
2 PL 225 512 B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania struktur porowatych na powierzchni wyrobów metalowych, który powoduje rozwinięcie powierzchni czynnej elementów metalowych, przykładowo powierzchni wymiany ciepła. Najczęściej stosowaną technologią wytwarzania porowatych materiałów metalowych jest metalurgia proszków metoda wytwarzania przedmiotów z proszków metali bez ich topienia. W metodzie tej cząstki proszków łączą się ze sobą w jednolitą masę podczas wygrzewania w atmosferze redukującej lub obojętnej. Proces metalurgii proszków jest wykorzystywany najczęściej do produkcji elementów niewielkich prostych kształtach, w wyniku której uzyskuje się sprasowane komponenty. Produkty metalurgii proszków charakteryzują się wyjątkowymi właściwościami mechanicznymi i odpornością na zużycie, dzięki czemu znajdują szerokie zastosowanie w różnych branżach, takich jak m.in. przemysł lotniczy kosmonautyczny, przemysł drzewny itp. Struktury porowate stosowane są jako elementy filtrów czy membran, mogą stanowić wypełnienia pewnych konstrukcji, są wykorzystywane w różnych procesach chemicznych i fizycznych. Struktury porowate można wykorzystywać w celu intensyfikacji wymiany ciepła zwłaszcza w procesach przebiegających ze zmianą fazy. Z polskiego opisu patentowego nr PL199720 znany jest sposób wytwarzania struktur porowatych o dużym rozwinięciu na przedmiotach o dowolnym kształcie. Materiał struktury mieszaninę proszków materiałów metalicznych lub tlenków wraz z dodawanymi sproszkowanymi frakcjami niemetalicznymi nanosi się na przedmioty lub przedmioty tworzy się z materiału struktury poprzez natryskiwanie cieplne, korzystnie za pomocą pistoletu, ale również metodą natrysku laserowego. Po natryśnięciu materiał struktury poddaje się procesowi redukcji i rekrystalizacji w kontrolowanych atmosferach, korzystnie redukujących. Z polskiego opisu patentowego PL 202493 znana jest powłoka absorbera kolektora słonecznego. Powłoka utworzona jest z warstwy usypanych drucików, spiekanych ze sobą i z powierzchnią grzejną, a następnie prasowaną celem uzyskania zaplanowanych parametrów strukturalnych. Włóknista struktura kapilarno-porowata może być wykorzystana do ujednolicenia temperatury powierzchni wymiany ciepła lub do intensyfikacji procesu wymiany ciepła promieniowania słonecznego. Z polskiego opisu patentowego nr PL 219982 znany jest sposób wytwarzania powierzchniowej warstwy wzbogaconej w aluminium i cynk na wyrobach z magnezu i jego stopów. Sposób polega na tym, że proszek aluminium miesza się z proszkiem cynku, korzystnie w ilości od 20 do 50% wagowych proszku cynku, do mieszaniny dodaje się glikol etylenowy w ilości potrzebnej do uzyskania konsystencji gęstej pasty. Uzyskaną pastę nakłada się cienką warstwą pasty na oczyszczoną powierzchnię wyrobu z magnezu lub stopu magnezu, a następnie wyroby pokryte pastą umieszcza się w pojemniku i zasypuje mieszaniną proszku aluminium z proszkiem cynku. Pojemnik uszczelnia się i zamyka dociskając pokrywę. Następnie umieszcza się w piecu próżniowym i prowadzi wygrzewanie w temperaturze 440 450 C przez okres 0,5 1,5 h, po czym próbki studzi się wraz z piecem do temperatury 200 C, a dalsze studzenie prowadzi się na powietrzu. Podczas procesu wygrzewania i studzenia do temp. 200 C na mieszaninę proszków znajdującą się w pojemniku wywiera się nacisk ok. 1 MPa poprzez tłoczysko pieca. Z analizy stanu wiedzy wynika, że w przypadku, gdy niezbędne jest uzyskanie dużej porowatości mikrostruktury, stosuje się spiekanie cząstek metalu, przy czym proces ten prowadzony jest w podwyższonej temperaturze w atmosferze redukującej lub w próżni. Takie powierzchnie mogą być wykorzystywane do intensyfikacji procesów wymiany ciepła. Sposób wytwarzania struktur porowatych na powierzchni wyrobów metalowych, w którym powierzchnię wyrobu pokrywa się warstwą rozdrobnionego metalu i podgrzewa, według wynalazku charakteryzuje się tym, że powierzchnię wyrobu pokrywa się warstwą mieszaniny lutu i topnika, następnie nanosi się warstwę rozdrobnionego metalu, korzystnie w postaci granulatu i po dociśnięciu podgrzewa się oporowo. Korzystnie, podgrzewanie oporowe prowadzi się przy użyciu spawarki o regulowanym natężeniu prądu, a warstwę mieszaniny lutu i topnika nanosi się w postaci pasty. Rozwiązanie według wynalazku pozwala łączyć metalowe struktury porowate z metalową powierzchnią w mniej pracochłonny i mniej kosztowny sposób. Sposób według wynalazku jest niskotemperaturowy, energooszczędny i nie wymaga posiadania specjalistycznej aparatury, jak piece próżniowe.
PL 225 512 B1 3 Sposób wytwarzania struktur porowatych na powierzchni wyrobów metalowych według wynalazku jest szczególnie przydatny do wytworzenia metalowych powierzchni o dużym rozwinięciu, wówczas gdy nie ma możliwości przeprowadzenia spiekania powierzchni w piecach próżniowych np. brak dostępu do wykonania spieku lub gdy wielkość powierzchni przekracza gabaryty komory roboczej pieca. Sposób daje możliwość uzyskania struktury z wyselekcjonowanego materiału rozdrobnionego metalu (proszki, włókna), z możliwością kontrolowania przebiegu procesu wytwarzania struktury. W y- nalazek może znaleźć zastosowanie w budowie wymienników ciepła, zwłaszcza bardziej efektywnych, wykorzystujących zjawisko zmiany fazy czynnika roboczego. P r z y k ł a d 1 Na powierzchnię przedmiotu metalowego, w postaci metalowej płyty o wymiarach 320 x 30 mm i grubości 0,45 mm, wykonanej ze stopu Haynes-230, naniesiono cienką warstwę mieszaniny lutu i topnika w postaci pasty, a następnie granulat żelazny w postaci atomizowanego proszku żelaznego. Mieszaninę lutu i topnika, składającej się z 60% lutu o składzie Sn 97% i Cn 3% oraz 40% topnika, naniesiono pędzlem na powierzchnię płyty. Warstwę granulatu przyciśnięto od góry grubą płytą szklaną. Płytę metalową ogrzano oporowo w ten sposób, że do obu jej końców doprowadzono prąd stały o natężeniu do 120A ze spawarki inwertorowej przez 30 sekund. Następnie z ostudzonej powierzchni przedmiotu metalowego usunięto nadmiar wierzchniej, nieprzylutowanej warstwy granulatu. Główne parametry uzyskanej powierzchni porowatej: średnica pojedynczego żelaznego granulatu ok. 15 80 m, średnia 40 65 m; gęstość granulatu 2,99 g/cm 3 ; grubość warstwy mikrostruktury żelaznego granulatu ok. 100 m; całkowita maksymalna wysokość mikrostruktury żelaznego granulatu maksimum 200 m; Fig. 1 przedstawia widok wycinka uzyskanej powierzchni, fig. 2 topografię 3D powierzchni, a fig. 3 profil chropowatości tej powierzchni. P r z y k ł a d 2 Na powierzchnię przedmiotu metalowego płytę metalową o wymiarach 320 x 30 mm i grubości 0,65 mm, wykonaną ze stopu Hastelloy X, naniesiono cienką warstwę mieszaniny lutu i topnika, a następnie granulat żelazny jak w przykładzie 1. Tak przygotowaną warstwę granulatu ściśnięto od góry grubą płytą szklaną. Płytę metalową ogrzano oporowo w ten sposób, że do obu jej końców doprowadzono prąd stały o natężeniu do 200A ze spawarki inwertorowej przez 30 sekund. Następnie z ostudzonej powierzchni przedmiotu metalowego usunięto nadmiar granulatu poprzez mechaniczne starcie wierzchniej nieprzylutowanej warstwy granulatu. Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób wytwarzania struktur porowatych na powierzchni wyrobów metalowych, w którym powierzchnię wyrobu pokrywa się warstwą rozdrobnionego metalu i podgrzewa, znamienny tym, że powierzchnię wyrobu pokrywa się warstwą mieszaniny lutu i topnika, następnie nanosi się warstwę rozdrobnionego metalu, korzystnie w postaci granulatu i po dociśnięciu podgrzewa się oporowo. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że podgrzewanie oporowe prowadzi się przy użyciu spawarki o regulowanym natężeniu prądu. 3. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że warstwę mieszaniny lutu i topnika nanosi się w postaci pasty.
4 PL 225 512 B1 Rysunki
PL 225 512 B1 5
6 PL 225 512 B1 Departament Wydawnictw UPRP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)