BG60294B2

BG60294B2 - Метод за получаване на композиция с метална матрица

Info

Publication number: BG60294B2
Application number: BG86819A
Authority: BG
Inventors: Rathnesh Dwivedi; Jun. Virgil Irick
Original assignee: Lanxide Technology Company, Lp
Priority date: 1988-01-11
Filing date: 1989-01-10
Publication date: 1994-04-29
Also published as: TR23959A; DK7989A; JP3247363B2; NZ227522A; KR970002030B1; IN171652B; FI890121A0; IL88868A0; EP0324706B1; DD301869A9; IE890031L; ATE94522T1; CA1321055C; ZA89184B; FI93945C; IE60954B1; NO890013L; EP0324706A2; RO103408B1; DE68909061D1

Abstract

Методът намира приложение за получаване на изделия с високи електрически показатели, износоустойчивост и топлоустойчивост. С него се осигурява еднородност на свойствата на изделията по целия им обем.Композицията представлява алуминиева матрица, включваща втори пълнежен материал, и се образува при контакт например на течен алуминий с проницаема маса от втори пълнежен материал вътре в керамична непроницаема матрица, образувана посредством израстване на поликристалинен продукт от окислителна реакция вътре в първия пълнеж. Чрез херметично затваряне на втория пълнеж вътре в матрицата с тяло от течен алуминий последният спонтанно инфилтрира масатаот втория пълнеж при умерени температури, например при около 9000с, без да е необходимо да се прилагат каквито и да е други методи, стимулиращи инфилтрацията. Течната метална маса, съдържаща инфилтрираната маса от керамичен пълнеж, се втвърдява, за да се осигури композиция с метална матрица.

Description

Изобретението се отнася до метод за получаване на композиции с метална матрица, който намира приложение за производство на изделия за промишлеността, строителството и техниката, където са необходими високи електрически, износоустойчиви, топлоустойчиви и др. характеристики.

Известен е метод за получаване на композиция с метална матрица, която включва армировка от силициево-карбидни или алуминиеви влакна с предварително определена система на ориентация. Композицията се получава чрез нареждане на паралелно свързани детайли или връзка от копланарни влакна в матрица с резервоар за стопения метал, например алуминий, поставен между някои от сплетените детайли, като се прилага налягане. Под въздействие на налягането стопеният метал прониква в сплетените детайли, като обхваща ориентираните влакна.

Същевременно стопеният метал може да се излива върху пакета от сплетените детайли и вследствие налягането се принуждава да тече между тях. Зареждането с армиращи влакна е до 50% об.

Недостатъците на известния метод са следните.

Процесът на инфилтрация е зависим от външното налягане, вследствие на което стопеният метал прониква принудително през пакета от влакнести детайли и се създават условия за нееднородност на матрицата и висока порьозност, а също нееднородност на всички свойства. Прдвижда се само една относително ниска степен на армиране на обема на матрицата. Освен това използването на външно налягане оскъпява допълнително метода. Методът е ограничен до инфилтриране на правилно разположени частици или влакна, а не е насочен към получаване на алуминиеви композиции с метална матрица, армирани с материали под формата на безредно ориентирани частици или влакна.

Задачата на изобретението е да се предложи метод за получаване на композиции с метална матрица, който да бъде независим от външно налягане, стопеният метал да прониква спонтанно през пакета от влакнести детайли и матрицата да бъде еднородна.

Задачата се решава с помощта на метод за получаване на композиции, който се състои в следното. Композицията се получава чрез спонтанно инфилтриране на течен алуминий или магнезий в маса или слой от пълнеж (наречен “втори пълнеж”), разположен в матрица, а тази матрица се поддържа херметично затворена.

Матрицата се образува чрез директно окисляване на течен основен метал с окислител, развива се израстване на поликристален продукт в резултат на окислителната реакция, който включва поне част от една предварителна форма и е съставен от подходящ пълнеж (понататък наречен “първи пълнеж”).

Херметично затвореният пласт може да съдържа въздух, но този въздух и съдържанието на матрицата са изолирани или херметично затворени така, че да се елиминира достъпа или изтичането на въздух.

Матрицата се запълва с втория пълнеж и се привежда в контакт с течния метал, като матрицата е херметично затворена, най-често чрез уплътняване или херметично затваряне на входа или отвора на матрицата.

Чрез осигуряване на херметичност се постига ефективна спонтанна инфилтрация на втория пълнеж, като по такъв начин се елиминира необходимостта от умокрящи агенти. Използват се специални легиращи съставки в течния алуминий или магнезий, като се прилага механично налягане, вакуум или използване на специална газова среда, или всякакво друго средство, подпомагащо инфилтарацията.

При завършване на спонтанната инфилтрация течният метал се втвърдява, като се получава композиционно тяло с метална матрица.

Следователно най-напред се получава непроницаема матрица чрез директното окисляване. Проницаема предварителна форма, съставена от първи пълнежен материал и снабдена с кухина с желана конфигурация, се привежда в контакт с течен основен метал и се оставя да реагира с даден окислител. В резултат на тази реакция се получава непроницаем продукт от окислителната реакция, която протича в температурен интервал над точката на топене на основния метал до температура под точката на топене на продукта от окислителната реакция. По време на реакцията продуктът се поддържа в контакт с течния основен метал и окислителя, за да се увлича непрекъснато течен основен метал през продукта от окисляването към окислителя в предварителната форма, така че продуктът от окислителната реакция продължава да се образува вътре във формата при граничната повърхност между окислителя и преди това образувания продукт от окислителната реакция. Той заема поне една част от предварителната форма, в резултат на което се получава керамично тяло, съдържащо първия пълнежен материал. Например, поне част от предварителната форма, която има кухина, може да се включи в продукта от окислителната реакция. Във всички случаи оформената кухина от непроницаемата матрица е запълнена поне частично с проницаема маса от един втори пълнеж и се привежда в контакт с течен алуминий за период от време достатъчен, за да се инфилтрира спонтанно масата от втория пълнеж, докато цялата система е херметично затворена. При завършване на спонтанната инфилтрация течният метал се втвърдява, в резултат на което се получава композиционно изделие с метална матрица.

В един вариант на изобретението, стоящо тяло или резервоар на течен алуминий или магнезий, простиращ се извън кухината на матрицата, са използвани, за да се осъществи херметична среда за съдържанието на матрицата. Обикновено отворът или входът на кухината се затваря херметично от стоящото тяло или от напора на течния алуминий.

Съгласно друг вариант на изобретението, композиционното тяло се свърза към матрицата след втвърдяване на течния метал. При условията на процеса втвърдяващият се течен метал се поддържа в контакт с непроницаемата матрица или част от нея с цел да се свърже получаващата се композиция с поне част от матрицата. По такъв начин, композицията се оформя интегрално с матрицата или с част от нея, като се образува композиционен керамичен слой или структура.

В друг вариант кухината на матрицата се оформя така, че предварително да има определена геометрия, като получената композиция с метална матрица има същата геометрия. Когато матрицата се отдели от композицията, повърхнините й инверсно отпечатват геометрията на кухината. По такъв начин е възможно да се направят фасонни композиционни тела с метална матрица.

Употребяваните термини имат следното значение:

“Алуминий” и магнезий” означават и включват чист или сравнително чист метал, търговски нелегиран алуминий или магнезий, а също и други марки метал и метални сплави, като търговски метали с включвания и/или легиращи съставки, като желязо, силиций, мед, магнезий, манган, хром, цинк и т.н. Една алуминиева или магнезиева сплав съгласно посоченото определение е сплав, в която алуминият или магнезият е основната съставка.

Терминът “основен метал” означава метал, например алуминий, който е предшественик на поликристалинния продукт от окислителната реакция. Той може да бъде чист или търговски с включвания и/или реагиращи съставки. Една метална сплав съгласно тази дефиниция е сплав, в която този предшестващ метал е основната съставка.

“Керамика” е материал, който съдържа изцяло неметални и неорганични материали, а също и материал, в който преобладава керамика, въпреки че тялото може да съдържа един или повече метали, включени в основния метал, най-често от 1 до 40 % об., а също може да съдържа и по-голямо количество метал.

Терминът “пълнеж” означава и включва всички пълнежни материали, подходящи за използване в метода съгласно изобретението, включващи алумоокис или силициев карбид във вид на влакна, частици, сферички и други подобни, и материали, покрити с керамика, като въглеродни влакна, покрити с алумоокис или силициев карбид с оглед защита на въглерода от течния алуминиев метал.

Терминът “първи пълнеж” означава поне един пълнежен материал, който е подходящ за включване в състава на поликристалния продукт, получен в резултат на окислителната реакция на основния метал.

Терминът “втори пълнеж” означава поне един пълнеж, който е подходящ за инфилтриране от течния алуминий или магнезий за включване в матрицата от втвърдения метал.

Терминът “непроницаем” за матрицата или друг материал, структура или среда, означава непроницаем по отношение на въздух, т.е. херметичен.

Фигура 1 представлява схематичен вертикален разрез на система от течно алуминиево тяло и една непроницаема матрица, вътре в която масата от втория пълнеж е показана в междинен етап на спонтанно инфилтриране от течния алуминий съгласно един от вариантите на изобретението;

фигура 2 е част от фиг. 1, изобразяваща структура съгласно вариант на изобретението, представляваща металоматрична композиция, обхваната от и свързана към една керамична втулка или субстрат;

фигура 3 е вертикален разрез, показващ друг вариант на система от тяло от течен алуминий и непроницаема керамична матрица или черупка, вътре в която се намира втори пълнежен материал;

фигура 4 е вертикален схематичен разрез на система за провеждане на друг вариант от изобретението чрез потапяне на заготовка от втори пълнеж вътре в течния алуминий, с цел да се изолира пълнежа от околния въздух;

фигура 5 е схематичен вертикален разрез на система от основен метал и предварителна форма на изготвяне на матрица, подходяща за изливане на композиция съгласно някои варианти на изобретението;

фигура 6 е схематичен вертикален частичен разрез на система от изразходващо се моделно тяло, включено в маса от първи пълнежен материал, който е подходящ за оформяне на керамична композиционна матрица, съгласно друг вариант на изобретението;

фигура 7 е поглед, съответстващ на фиг. 6, изобразяващ по-късен етап от процеса на използване на системата от фиг. 6 за изработване на керамичното композиционно тяло;

фигура 8 е схематичен разрез на керамична композиционна матрица, получена чрез използването на системата от фиг. 6 и 7;

фигура 9 е схематичен разрез на система от основен метал и първи пълнеж, оформена като предварителна форма, използвана за изработването на керамична композиционна матрица съгласно друг вариант на изобретението;

фигура 10 е фотография на гърбичен вал, изработен съгласно пример 10.

Съгласно един вариант на изобретението течният алуминий или магнезий се привежда в контакт или се доставя към повърхността на проницаема маса от втори пълнеж, например маса от керамични частици или влакна. Вторият пълнеж контактува с течния основен метал в херметична среда, в която може да има “уловен” въздух, но тъй като матрицата е непроницаема, “уловеният” въздух не се възстановява отново, след като реагира със или по друг начин консумира от течния алуминий или магнезий.

Всякакви други газове, които реагират с поне един компонент от течния основен метал, могат да се използват като “уловена” газова среда. При тези условия течният алуминий или магнезий спонтанно и прогресивно инфилтрира проницаемия втори пълнеж в матрицата, в резултат на което се образува композиционен продукт, в който металната матрица включва втория пълнеж. Композицията приема формата на матрицата и може да съдържа около 45 об. % от втория пълнеж, за предпочитане до 65 % об.

Обикновено, когато в матрицата се добави и вторият пълнеж, се улича въздух, който се разпространява и обхваща масата или слоя. Масата пълнежен материал е достатъчно проницаема, за да позволи инфилтрацията на течен алуминий или магнезий в условията на процеса. Ако обаче въздухът в матрицата не се запълни отново, вторият пълнеж, дори и да е неомокряем от течния алуминий в присъствието на въздух, спонтанно се инфилтрира от течния алуминий или магнезий, като се образува композиция с алуминиева или магнезиева матрица. Инфилтрирането настъпва без да са необходими високи температури, да се прилага вакуум, механично налягане или специални газови среди, омокрящи агенти, или други под. за да се осъществи инфилтрация. Обикновено процесът е недостъпен за външния въздух чрез херметизиране на матрицата, като последната се превръща в непроницаема или като матрицата, съдържаща масата на втория пълнеж, се потапя в течен алуминиев или магнезиев метал, за да се защити или предпази втория пълнеж от околния въздух.

Степента на спонтанната инфилтрация и образуването на металната матрица зависи от комплекс условия: легиращи съставки и съдържанието на алуминий или магнезий; наличието на използвани омокрящи агенти; размера, повърхностните условия и типа на втория пълнеж, който е използван; продължителността на инфилтрационния контакт, температурата на метала. Температурата, при която се поддържа контактуването на течния алуминий или магнезий, може да варира в зависимост от използваните метални сплави и втори пълнежен материал.

При използването на течен алуминиев метал спонтанна и прогресивна инфилтрация настъпва при температура около 700°С, за предпочитане 800°С или по-висока. Температури над 1000°С по принцип не са необходими, използваният температурен диапазон е от 800 до 1000°С, за предпочитане от 850 до 950“С.

Методът не зависи от използването на външно налягане и позволява производството на еднообразни композиционни структури с метална матрица, имащи високо съдържание на втори пълнежен материал. Той може да се променя или увеличава чрез използването на маса от втория пълнеж, имаща малка порьозност, т.е. малък обем на празнините. Повисоко обемно съдържание от втория пълнеж може също да се постигне, ако масата му се уплътни по известни методи преди да влезе в контакт с течния метал, при условие, че в резултат на това формуване не я превърне в компактна маса със затворена порьозност или в структура, която е толкова плътна, че да не позволи инфилтрацията на течния алуминий или магнезий.

Установено е, че за инфилтрацията на алуминий или магнезий и образуването на матрица за дадена система метал/втори пълнеж, омокрянето на втория пълнеж от основния течен метал или създаването на вакуум в дадена затворена среда чрез реагирането на течния метал с азота или кислород от затворената среда, или някои комбинации от тези механизми, са преобладаващите инфилтрационни процеси. Ако в системата въздухът се възстанови отново и ако процесът продължи при сравнително ниски температури т.е. не по-високи от 1000°С, ще настъпи минимално омокряне и инфилтриране на втория пълнеж. Ако в случая на течен алуминий изразходваният въздух не се възстанови отново в матрицата чрез уплътняване или херметизиране на втория пълнеж вътре в матрицата, т.е. чрез херметизиране на инфилтрационния процес, се постига спонтанна инфилтрация при температура, която не надвишава 1000°С, за предпочитане 950°С.

На фиг. 1 е показана система 10, съставена от непроницаема обвивка или матрица 12, която е с цилиндрична форма и цилиндричен отвор В, простиращ се през нея и с оформена вътре една двойка надлъжни, раздалечени една от друга, дискообразни камери а и в, оформени в гилзата по диаметър по-голям от този на отвора В. Долната част на отвора В (както се вижда на фиг. 1) е затворена с дъно 14 на матрицата 12, така както е обозначено с прекъснатата линия по профила на отвора В. Стените (необозначени с номер) на непроницаемата матрица 12 са съставени от керамичен материал, получен чрез използването на един или повече от окислените методи. Следователно непроницаемата матрица 12 има или обхваща керамичен поликристалинен продукт от окислителна реакция, включващ подходящ пълнеж, наричан по-нататък първи пълнеж, като алумоокис, силициев карбид или всякакъв друг подходящ керамичен пълнеж, или комбинации от тях. Първият пълнеж може да бъде във всякакъв вид - частици, сфери, влакна, плочици и т.н. или комбинация от тях.

Отворът В и камерите а и в с уголемен диаметър се запълват с подходящ втори пълнеж 22, който както и първият пълнеж, може да обхваща всеки желан подходящ пълнеж и може да бъде под формата на частици, влакна, плочици, и т.н. или комбинация от тях. Поставянето на втория пълнеж вътре в отвора В на матрицата 12 може да се извърши без специална газова среда, т.е. в присъствие на въздух, така че заедно с втория пълнеж вътре в отвора В на матрицата 12 ще се въвлече и въздух.

Огнеупорен резервоар 16 с кръгъл отвор 18, оформен в основата или дъното му, се поставя върху матрицата 12 по начина, показан на фиг. 1, при който един уплътнителен пръстен 24, осигурява достатъчна херметичност (поне по отношение на метала) или херметично уплътнение между резервоара 16 и матрицата 12. Резервоарът 16, поставен върху матрицата 12, се напълва с течен алуминий, по желание, тяло от твърд алуминий може да се постави вътре в резервоара 16 и системата да се нагрее, за да се разтопи алуминият. Въпреки, че в изобретението се използва главно алуминий, магнезиевият е също приложим. Във всеки от случаите течният алуминий 20 уплътнява единствения отвор или вход към непроницаемата матрица 12 за достъп на околен въздух, така че вторият пълнеж 22 е херметично изолиран от околния въздух и течният метал е в контакт с втория пълнеж 22 откъм горната му повърхност вътре в отвора В. При тези условия течният алуминий спонтанно инфилтрира втория пълнеж 22 надолу по отвора

В. Системата 10 може да се поддържа при нормални атмосферни условия по време на процеса, без прилагане на допълнителни условия за подпомагане на инфилтрацията.

фигура 1 илюстрира един междинен етап от спонтанната инфилтрация, при който течният алуминий 20 е инфилтрирал около половината от слоя от втори пълнеж 22 до място, приблизително половината от разстоянието между камерите а и в. След даден период от време, при достатъчно висока температура за поддържане на алуминия 20 в течно състояние, т.е. около 900°С, той спонтанно инфилтрира целия пласт от втория пълнеж 22 до пода 14 на матрицата 12. Тази спонтанна инфилтрация настъпва без необходимостта отизползване на омокрящи агенти, добавени към пълнежа / въпреки, че по желание могат да се използват/ или прилагане на механични налягания към метала 20, или вакуум към слоя от втория пълнеж 22, високи температури над 1000°С, без продухване на слоя от втория пълнеж 22 с инертен газ или друг специален газ, както и други стимулиращи или подпомагащи инфилтрацията средства. Методът съгласно изобретението е особено изгоден по това, че цялата операция , включително приготвянето на матрицата 12 (описано по-долу), запълването на матрицата 12 с втория пълнеж 22 и загряването за провеждане на инфилтрация, може да се извърши в присъствие на въздух, без използване на специална газова среда, свързана с високи разходи и неудобства.

Счита се, че спонтанната инфилтрация на втория пълнеж 22 от течния алуминиев метал се осъществява благодарение на въздуха, увлечен и намиращ се в междинните пространства на слоя от втория пълнеж 22, реагира и се консумира от течния алуминий, като възстановяването или повторното запълване с въздух се предотвратява чрез херметичната непроницаема матрица 12. Ако обаче консумираният въздух се възстанови, както би се получило, ако матрицата 12 не е непроницаема по отношение на въздуха, поради порьозност или неуплътнени отвори или пукнатини, образувани в нея, този нов въздух би попречил на спонтанната инфилтрация. Сравнителните примери, подкрепят това обяснение.

След като инфилтрацията на втория пълнеж 22 приключи, температурата се намалява чрез изваждане на системата от пещта или чрез изключване на пещта и течният метал се оставя да се охлади и втвърди вътре в непроницаемата матрица 12. Получаващата се в резултат на това композиционна структура 26, съдържаща матрицата и композиционната сърцевина е показана на фиг.2. Структурата 26 може да включва цялата матрица 12 (обозначена като структурен елемент, или матрица, или черупка 12' на фиг. 2) или по желание, само част от нея и освен това металоматричната композиционна сърцевина 28.

Инфилтрацията на течния метал и втвърдяването могат да се проведат при подходящи условия, за да се осъществи слепване и свързване между матрицата и сърцевината. Например свързването може да се постигне чрез известно омокряне между течния метал и матрицата 12, чрез поддържане на течния метал в директен контакт с вътрешните стени на матрицата 12 посредством контролиране скоростта на охлаждане, чрез регулиране на относителните коефициенти на термично разширение на матрицата 12 и на металната матрица и/или чрез поддържане на значителен напор на металния резервоар за елиминиране или намаляване отделянето на втвърдяващия се течен метал от стените на матрицата.Коефициентът на термичното разширение на композицията е по-голям от този на керамичната матрица, и ако тази разлика е твърде голяма, а омокрянето е малко, силата на сцепление не е достатъчна, за да се преодолее несъответствието при термичното свиване или сбиване. Така, композицията при охлаждане може да се отдръпне от вътрешните стени на матрицата. Вторият пълнежен материал, използван за образуването на композицията, намалява термичното й разширение и поради това намалява несъответствието в термичното разширяване между сърцевината и матрицата. Ефектът, който пълнежът има върху намаляването на термичното разширение, може да зависи от типа, геометрията и съотношението на пълнежа. Една добра връзка може да се постигне, когато коефициентите на термично разширение не се различават много помежду си. За предпочитане е сърцевината да има малко по-висок коефициент на термично разширение от този на черупката, за да се индуцират напрежения на натиск по стените на черупката. Установено е, че полиедрични силициево-карбидни частици (24 меша) при около 47 об.% зареждане в алуминий намаляват коефициента на термично разширение в сравнение с този на чистия алуминий. Силициево-карбидните влакна имат същия ефект, но при много по-малки фракции. Така, чрез контролиране на едно или повече условия, втвърдяващият се течен метал, т.е. композицията с метална матрица се свързва до структурен елемент 12' на структурата 26 (фиг.2). В структурата 26 сърцевината, съставена от композицията 28, е обхваната и свързана към матрицата или черупковия елемент 12'.

Алтернативно, след охлаждане и втвърдяване на течния материал матрицата 12' може да се отчупи или отдели по друг начин от сърцевината 28, за да се обособи композицията като отделно тяло. В този случай матрицата 12' обикновено се прави колкото е възможно по-тънка, което се запазва непроницаемостта и структурната й цялост по време на процеса. Също така в този случай процесът би могъл да се провежда при условия, които да сведат до минимум сцепването между матрицата 12' и сърцевината 28 на композицията, за да се облекчи отделянето на сърцевината. Около матрицата 12 може да се постави подходящ кожух (непоказан на фиг.1) с цел да се укрепи механично.

Връщайки се отново на фиг. 1, вместо да се осигуряват подходящи уплътнителни средства като уплътнителния пръстен 24, може да се оформи резервоар на камера 16. След охлаждането и втвърдяването на течния метал, желаният продукт може да се отреже от интегралната матрица-резервоар. Например, една интегрална система матрица-резервоар е показана на фиг. 3, която илюстрира друг вариант съгласно изобретението. Кухо тяло 30 с всяка желана конфигурация, е съставено от черупка от непроницаем керамичен материал, например композиционен керамичен материал. Освен това, възможно е да се оформи черупка от непроницаем керамичен материал по методите, описани в нерешената и обща заявка за патент №908119, регистрирана на 16 септември 1986 г., на името на Ратнеш Двиведи и озаглавена “Порести керамични композиции с плътна повърхност”, същността на който е включена тук за справка. Кухо тяло 30, наподобяващо възглавница в разрез, има пръстеновиден периферен венец 30а около частта на основното си тяло, коаксиална цилиндрична ос ЗОв и главина ЗОс, простиращи се от противоположните страни на тялото. Оста ЗОв има конусовидно уширение ЗОд, насочено навън и нагоре, което осигурява наличие на фуниеобразна конструкция, вътре в която течният алуминий 20' може да се постави отгоре и в контакт със слой 22' от втория пълнеж. Устието ЗОд осигурява единствения отвор на кухото тяло 30 и се изолира от околната среда или въздуха чрез стълб от течен алуминий 20' с което вторият пълнеж 22' ефективно херметично се изолира от околния или външния въздух.

Спонтанната инфилтрация на втория пълнеж 22' се извършва както е описано във варианта от фиг.1. Подобно на варианта от фиг.1 резервоарът от течен метал 20’ може да се допълва, за да се осигури достатъчно алуминий за завършване на инфилтрацията и за поддържане на тяло 20' от течен алуминий, като се поддържа устието ЗОд, единственият вход или отвор на кухото тяло 30, херметично уплътнен спрямо околния въздух до завършване на спонтанната инфилтрация. При втвърдяване в условия на сцепване, на течния материал, получен чрез инфилтрация на втория пълнеж 22', се осигурява една структура, обхващаща кухо тяло 30 като структурна компонента, обгръщащо металоматрична композиция. Алтернативно, кухото тяло 30 може да се отстрани, например чрез отчупване, за да се получи композиционно тяло, чиято външна повърхност инверсно отпечатва формата или геометрията на вътрешната повърхност на кухото тяло 30. След втвърдяване получената структура може да се среже по линията С-С, за да се получи конструкция, завършваща с вал ЗОв. Повторно втвърденият алуминий може да се остави вътре във вала ЗОв или алтернативно, повторно втвърденият алуминий вътре във вала ЗОв може частично или изцяло да се отстрани и замени с друг материал, който да се въведе в течна форма и да се остави да се втвърди повторно.

Като друга алтернатива валът ЗОв може да бъде частично или изцяло запълнен с втори пълнеж 22', така че композиционното тяло да се простира през вала ЗОв. В последния случай за поддържане на течния алуминий се използва удължение от вала ЗОв или отделен резервоарен съд (подобно на резервоара 16 от фиг.1).

Фиг. 4 показва една алтернативна технология за провеждане на спонтанна инфилтрация на втори пълнежен материал, при която един огнеупорен съд 32 съдържа тяло от течен алуминиев метал 20, вътре в който е потопен огнеупорен перфориран контейнер 34. Контейнерът 34 е отдалечен от вътрешните стени (неномерирани) на огнеупорния съд 32, така че перфорираният контейнер 34 и неговото съдържание са изцяло защитени или изолирани плътно от външната атмосфера чрез течния алуминиев метал 20”. Перфорираният контейнер има множество перфорации 36 и е укрепен чрез кабел или прът 38, фиксиран към него чрез подходящ свързващ елемент 40. В контейнера 34 се съдържа маса от втори пълнеж, поставен в подходяща матрица с един или повече отвори. (Матрицата и вторият пълнеж не се виждат на фиг.4). Перфорациите 36 осигуряват навлизането на течния алуминий 33 в контейнера 34 за контакт вътре в него с масата от пълнежен материал и последваща спонтанна инфилтрация. Префорираният контейнер 34, кабелът или прътът 38 и свързващият елемент 40 могат да са от подходящ огнеупорен материал, способен да издържа на продължителен контакт с течния алуминий 33. По желание контейнерът 34 може да се елиминира като матрица с отвор в горната си част и съдържаща втори пълнеж, бъде потопена в течния метал. След това протича инфилтрацията и композиционно тяло се отделя така, както е обяснено.

фигура 5 до 9 илюстрират изготвянето на непроницаема керамична матрица. Матрицата може да бъде отчупена или по друг начин отделена от втвърдената композиция, или може да се запази като структурен елемент от продукта, свързана или слепена към металната композиция.

Технологиите за получаване на такива керамични материали са описани в редица общи заявки за патент, принадлежащи на заявителя на настоящата заявка, които разкриват нови методи за производство на кермети, неармирани керамични композиционни материали, в които керамиката включва подходящ първи пълнежен материал или пълнеж.

Методът за израстване на керамичен оксидационен продукт е описан в Общия американски патент 4 713 360 (който съответства на Заявка за европейски патент 0155831, публикувана на 25 септември 1985) на името на Марк Нюкърк и колектив и озаглавен “Нови керамични материали и методи за производство на същите”. Това откритие на феномена на окисляването, което може да се подсили от използване на допант, легиран в основния метал, позволява получаването на кермети, получени като продукт от окислителната реакция на предшестващ основен метал.

Една друга разработка осигурява метод за производство на керметни композиции чрез израстване на продукта от окислителната реакция от един основен метал в проницаем пласт от пълнеж, така както е описано в Общата заявка за американски патент, рег.№ 819 397, регистрирана на 17 януари 1986, който съответства на публикуваната заявка за европейски патент, № 0193292, публикувана на 3 септември 1986 г като продължение на заявка номер 697 878, регистрирана на 4 февруари 1985, и двете на името на Марк Нюкърк и колектив и озаглавени “Композиционни керамични тела и методи за производство на същите”.

Посочените методи са усъвършенствани чрез използването на външни допанти, приложени към повърхността на предшестващия основен метал, така както е описано в Обща заявка за американски патент, №822999, подадена на 27 януари 1986 година (която съответства на публикуваната заявка за Европейски патент, публикувана на 22 януари 1986 г.), от името на Марк Нюкърк и колектив и озаглавена “Методи за производство на керметни керамични материали”.

Методът за производство на керметна неармирана композиция, включваща в себе си пълнеж, така както е описано в заявка № 819 297, може да се използва, но той не осигурява предаване на предварително избрана форма или геометрия на полученото керамично композиционно тяло. Тази необходимост обаче, може да се реши от други разработки на горните методи, които позволяват образуването на керамични композиционни структури, които инверсно отпечатват положителния рисунък на даден предшестващ метал. Тези методи са описани в Общата заявка за американски патент № 823 542, регистрирана на 27 януари 1986 г. (която съответства на публикуваната Заявка за европейски патент № 0234704, публикувана на 2 септември 1987 г. /на името на Марк Нюкърк и колектив) и озаглавена “Метод за производство на керамични композиционни изделия чрез фасонно инверсно отпечатване и изделия, получени по този метод”, и в Общата заявка за американски патент № 896 157, регистрирана на 13 август, 1986, от името на Марк Нюкърк и колектив и озаглавена “Метод за производство керамични композиционни изделия, фасонно инверсно отпечатани повърхности и изделия, произвеждани по този методи”. Така също фасонното инверсно отпечатване чрез използването на стопяем модел е описано в Общата заявка за американски патент №907 919, регистрирана на 16 септември 1986 г., от името на Ендрю Ъркхарт и колектив и озаглавена “Метод за производство на керамични композиционни изделия посредством инверсно отпечатване на стопяем модел”.

Други методи за производство на керамични композиционни тела или структури с предварително избрана форма или геометрия също са разработени и включват използването на фасонна предварителна форма от проницаем пълнеж, в която израства керамичната матрица чрез окисляване на основен метал така, както е описано в Общата заявка за американски патент № 861 025, регистрирана на 8 май 1986 г (която съответства на заявка за европейски патент, публикувана на 11 ноември 1987 №0245192) на името на Марк Нюкърк и колектив и озаглавена “Фасонни керамични композиции и методи за производство на същите”. Друг метод за производство на такива фасонни керамични композиции включва използването на бариерни средства, които спират или забавят израстването на продукта от окислителната реакция при избрана гранична повърхност, за да се определи формата или геометрията на керамичната композиция. Тази технология е описана в Общата Заявка за американски патент № 861024, регистрирана на 8 май 1986 г (което съответства на заявка за Европейски патент № 0245193, публикувана на 11 ноември 1987 г) от името на Марк Нюкърк и колектив и озаглавена “Метод за производство на фасонни керамични композиции с използването на бариера”.

Използването на резервоар на основен метал за облекчаване получаването на керамични композиционни тела, по-специално фасонни тела, е предмет на друга разработка, при която се осигурява резервоар от основен метал в поточна комуникация с тялото от основен метал като предшественик за окислителната реакция. Чрез допълване на източника на основен метал методът позволява израстването на голям по обем продукт от окислителната реакция от места, способни за приемане само на ограничени количества основен метал. Технологията на подаване от резервоар на основния метал е описана в Общата заявка за американски патент, № 908067, регистрирана на 16 септември 1986 г. на името на Марк Нюкърк и колектив и озаглавена “Метод на резервоарно захранване при получаване на керамични композиционни структури и структури, изработени по този метод”.

Описанията на всички посочени общи заявки за патент са включени тук за справка.

В настоящето изобретение пълнежът, в който израства продуктът от окислителната реакция (съгласно методите в описаните заявки за патент), за осигуряване на непроницаема за въздуха керамична композиционна матрица, е наречен първи пълнеж, за да се различава от втория пълнеж, в който течният алуминий или магнезий се инфилтрират спонтанно, за да се осигури композиция с метална матрица. Редица материали са подходящи за използване както за първи, така и за втори пълнеж. Първият и вторият пълнеж могат да са еднакви или различни, като обикновено те са нереактивни по отношение на течния основен метал, по-специално към течния алуминий или магнезий.

На фиг. 5 и 5А е показана система 42 за производство на керамично композиционно тяло, подходяща за използване както като крехка матрица, от която се отделя металоматричната композиция с метална матрица, така и като матричноструктурен елемент, слепен към композицията. Системата 42 включва бариерен контейнер 44, който е цилиндричен и има вътрешна повърхност, дефинирана от екран 46 (най-добре показан на фиг. 5А), намиращ се вътре и укрепен от перфориран цилиндър 48, който служи като твърд външен елемент, укрепващ цилиндричния екран 46. Перфориран метален лист, например от неръждаема стомана, може да замести екрана

46. Перфорираният цилиндър 48 има оформени по повърхността си перфорации 50 и е достатъчно твърд, за да поддържа по време на процеса формата на масата или тялото от първи пълнеж 52, който може да е конформируем пълнеж, т.е. да представлява частици, влакна или други подобни, включени в маса, която ще заеме формата на тялото 66 от основен метал, включено вътре в слоя от първи пълнежен материал 52. Конформируемият първи пълнеж 52 заема също така и формата на вътрешността на цилиндричния екран 46. Слоят от конформируем първи пълнеж 52 представлява една проницаема предварителна форма, имаща кухина с желана конфигурация, оформена в нея от тялото 66 от основен метал, като тя се запълва първоначално от тялото от основен метал. В един алтернативен вариант първият пълнеж 52 може да се изпълни или предварително формува в кохерентна маса посредством известните методи, като се използват частици, сферички, влакна или прах и т.н., които могат да включват прибавката от подходящо свързващо вещество, за да се осигури достатъчна якост в сурово състояние на формата. В такива случаи основният метал може да се въведе в кухината на тази форма в течно състояние.

Отворите (неномерирани) на екрана 46 съвпадат с много от перфорациите 50 в цилиндъра 48, така че бариерният контейнер 44 е отворен за достъп в него на околната атмосфера. Множество ъглови конзоли от неръждаема стомана 54 са разположени на определено разстояние около периферията на външната повърхност на цилиндъра 48 и се поддържат посредством затягащи пръстени 56, които служат за структурно укрепване на системата 42. Най-долният притягащ пръстен 56 е частично показан на фиг. 5 за по-голяма яснота, а останалите са показани в разрез на фиг. 5 и фиг. 5А. Основата 58 затваря дъното на бариерния контейнер 44. Резервоарно тяло 60 от основен метал се разполага вътре в пласта 62 от инертен материал, който е разположен в горната част на контейнера 44 и е отделен от пласта на първия пълнеж 52 посредством плоча 64. Пластът 62 от инертен материал може да представлява слой от частици на инертен материал, (такъв като Ел.Алундум К 90 на Нортън Ко.), когато алуминият е основен метал, който няма да поддържа израстването на поликристалинния продукт от окислителната реакция вътре в него при условията на процеса.

Плочата 64 има един централен отвор (неномериран), който позволява преминаването на един горен участък от тялото от основен метал 66, което е включено вътре в пласта от първи пълнежен материал 52. На фигурата тялото 66 от основен метал има удължена цилиндрична форма и двойка дискообразни уширения 66а, 66в, разположени надлъжно по околната повърхнина на известно разстояние едно от друго. Така, тялото 66 от основен метал е сърцевина вътре и в контакт със слоя от първи пълнежен материал 52. За да се облекчи окислителната реакция на основния метал, вътре в тялото 66 от основен метал и резервоарното тяло 60 може да се легират един или повече допанти, като последните могат и/или да се приложат към или размесят вътре в първия пълнеж 52, поне в близост до тялото 66 от основен метал.

При нагряване на системата 42 в присъствие на окислител до температурен диапазон над точката на топене на основния метал и под точката на топене на продукта от окислителната реакция и при поддържане на тази температура в посочения диапазон, и в присъствие на въздух, продуктът от окислителната реакция ще се образува на граничната повърхност между течното тяло 66 от основен метал и слоя от първия пълнеж 52. Както се описва в една или повече заявки за патент, окислителят може да е твърд, течен или газообразен или комбинация от тях. Например може да се използва въздух в комбинация с твърд окислител, включен в първия пълнеж (например кварц, примесен с алумоокис). При това течният основен метал ще претърпи окисляване при контакт с двата окислителя. Течният основен метал 66 от резервоара 60 се поддържа в контакт с израстващия продукт от окислителната реакция, който е в контакт с кислород или друг окисляващ газ, преминаващ през перфорациите 50 в цилиндъра 48 и след това през екрана 46 и през слоя от първия пълнеж 52 в контакт с растящия фронт на продукта от окислителната реакция. Околната окислителна среда се подновява или подменя чрез циркулационния въздух в пещна, в която е поставена системата 42, като пещта е снабдена с подходяща вентилация за постъпване на въздух. Заедно с протичането на окислителната реакция продължава образуването на продукта от окислителната реакция в слоя от първия пълнеж 52, на граничната повърхност между окислителя и преди това образувания реакционен продукт, като реакцията продължава, за да се включи поне част от първия пълнеж 52 в състава на продукта от окислителната реакция.

По желание, реакцията може да се прекрати, когато продуктът от окислителната реакция е израстнал до размери, приблизително обозначени с прекъснатата линия 68 на фиг.5. Както е обяснено в релевантните общи заявки за патенти, вътрешността на израстналия керамичен продукт инверсно ще отпечатва формата на тялото 66 от основен метал. Алтернативно, бариерен материал, представляващ чист гипс и калциев карбонат, или материал като този на екрана 46, може да бъде формуван, така че да осигури кухина с формата на прекъснатата линия 68 с цел да прекрати или ограничи израстването на продукта от окислителната реакция, за да се получи черупка от керамичен материал, имаща негативната форма на вътрешната повърхност на бариерния елемент, до който е израстнала. По такъв начин геометричната конфигурация на външната повърхност на резултантната черупка от керамична композиция може стриктно да се контролира. Във варианта на фиг.5 геометричната конфигурация на външната повърхност на израстналата керамика се контролира от формата на вътрешността на екрана 46.

Ако черупката от керамична композиция се използва просто като матрица, от която ще се отдели металокерамичното композиционното тяло с метална матрица, черупката се изготвя с такава дебелина, която й осигурява необходимата якост и непроницаемост. След втвърдяване и охлаждане на композицията, матрицата се счупва и отделя от композиционното тяло. Например, след като течният материал се е втвърдил, но системата е все още при повишени температури под точката на топене на алуминиевия метал, например при температура около 300-500°С, капселованото в матрицата композиционно тяло може да се закали чрез потапянето му в охлаждаща течност, например вода, така че получаващият се в резултат термичен удар, разчупва тънката черупка, обхващаща композиционното тяло. Алтернативно, матрицата може да се счупи и по механичен начин. Повърхнините на получената композиция с метална матрица инверсно отпечатват вътрешната геометрия на матрицата. Освен това, може да се иска да се избегне слепването между композиционното тяло и черупката, за да се облекчи отделянето на черупката от композиционното тяло.

Когато черупката или матрицата, или част от нея, служат като структурен елемент на крайния продукт, черупката се слепва или свързва към композицията. Керамичният структурен елемент може да бъде предварително оформен в необходимата конфигурация. Например, във варианта, илюстриран на фиг. 5 и 5А, окислителната реакция може да бъде продължена до включване на целия пласт от пълнежен материал 52 вътре в растящия поликристален продукт от окислителната реакция, така че бариерата 44 служи да спре или забави растежа на продукта от окислителната реакция. По такъв начин се дефинира външната геометрия на крайния продукт като цилиндър. Ако бариерата представлява екран или перфориран материал, външната повърхност на получаващия се керамичен цилиндър ще бъде грапава или със съответен рисунък. Външната повърхност на цилиндъра може да се обработи механично, да се шлифова или полира. Алтернативно, бариерата 44 може да има сравнително гладка повърхност, с която се придава гладкост на външната повърхнина на композиционното тяло. Например тесто от чист гипс, за предпочитане, примесено с калциев карбонат или калциев силикат, може да се нанесе върху повърхността на граничното очертание на слоя 52 и да се остави да се втвърди. Гипсовият слой предотвратява прекомерното израстване на поликристалинния продукт от окислителната реакция и след като процесът завърши, бариерата лесно се отстранява чрез дробеструйна обработка или други методи, при което се осигурява тяло със сравнително гладка повърхност. Във всички случаи керамичната черупка е предназначена да осигурява добро сцепление с композицията с метална матрица, така че да се образува една интегрална структура.

Ако тялото 66 от основен метал се възстановява от резервоарното тяло 60 по време на окислителната реакция, вътрешността на гилзообразното керамично тяло ще бъде запълнена със сърцевина от основен метал. Той може да се отстрани докато е все още в течно състояние чрез отцеждане. Ако сърцевината от основен метал се остави да се втвърди или ако остане някакъв остатъчен метал, който да се втвърди, той може да се премахне чрез механична обработка и/или ецване, например с разтвор на солна киселина при използване на алуминий. В резултат остава керамична втулка с куха сърцевина, която инверсно отпечатва формата на тялото от основен метал 66. Кухата сърцевина може да се използва като кухина на матрицата, в която се поставя втори пълнеж и се привежда в контакт с течния алуминий или магнезий за образуване на композиция с метална матрица.

Фигури 6 и 8 схематично илюстрират получаването на непроницаема керамична композиционна матрица, изготвена по метода, който използва стопяеми модели. На фиг. 6 е показан огнеупорен съд 70, например алумоокисен съд, който съдържа слой от първи пълнежен материал 72, вътре в който е включен стопяем модел 74. Геометрията на кухината или по-точно на стената й отговаря на тази на външната повърхност на стопяемия модел 74, т.е. представлява инверсен отпечатък на същото. Стопяемият модел може да бъде направен от всякакъв подходящ изпаряващ се или горим материал, като пенест полистирол или восък. Той има един централен участък 76, който обикновено е цилиндричен, и един краен участък 78, който е аксиално по-къс от централния участък 76, но с по-голям диаметър от него. Един подходящ бариерен материал 80 (не е задължително да е начертан в мащаб), който може да обхваща екран от неръждаема стомана или перфориран стоманен цилиндър, определя външните гранични очертания на керамичното композиционно тяло, което ще се получава. Бариерата 80 алтернативно може да представлява или съдържа елемент от чист гипс и калциев силикат, който обикновено се получава чрез полагане на тесто от този материал върху субстрат или лента, например картон. Оставя се гипсът да се втвърди. Във всички случаи, конструкцията на бариерата 80 е такава, че ще забави израстването на продукта от окислителната реакция, като по такъв начин се дефинират границите на продукта.

Както е показано на фиг. 7, течният основен метал 82, може да се излее от подходящ съд 84 директно върху стопяемия модел 74. Течният основен метал стопява полистироловата пяна или другия материал от стопяемия модел 74 и изпаряваният материал напуска системата през слоя от първи пълнеж 72, нагоре през същата зона, в която е добавен течният метал, или през отделен отвор, непоказан на чертежа. След като течният метал изцяло заеме мястото на стопяемия модел 74, системата се загрява до температурата над точката на топене на метала, но под точката на топене на продукта от окислителната реакция. Газообразният окислител прониква в проницаемия пласт от пълнеж 72 и влиза в контакт с течния метал, като го окислява и в резултат се образува поликристалинен продукт на окислителната реакция, който нараства в предварителната форма и в контакт с бариерата 80. По желание, в слоя от пълнежен материал 72 или в онази част от слоя, свързана чрез бариерата, може да се включи твърд или течен окислител.

Течният метал реагира с окислителя в слоя, при което се осъществява израстване на продукт от окислителната реакция. Също може да се използва комбинация от два или повече окислителя, например, като се използва реактивен силикат в слоя и се провежда процес в присъствие на въздух. Ако е необходимо, течният основен метал 82 може да се допълва, така че да запазва нивото си до горната част на пълнежния слой 72. Както е посочено в заявки за патент №№ 823 542 и 907 919, за да не се допусне деформиране или разрушаване на стената на кухината, слоят от пълнеж 72 или поне една носеща зона 86 от този слой, обгръщаща стопяемия модел 74, е само слепващ се при или над една определена температура, която е близо, но под температурата на окислителната реакция. Така, при нагряване до точката на самослепване, първият пълнеж 72 или носеща зона 86 от него се синтероват или по друг начин се самослепват и се прикрепят към растящия продукт от окисляването достатъчно добре, за да осигурят подходяща механична якост за първия пълнеж, обхващащ течния основен метал по време на началните етапи от израстването на продукта от окислителната реакция. Механичната якост на самослепващия се пълнеж оказва съпротивление на силите, възникващи от разликите в налягането и поддържа структурната цялост на кухината, докато се получи достатъчна дебелина на керамичния композиционен материал.

След като продуктът от окислителната реакция е израстнал до границата, дефинирана от бариерата 80, остатъчният или нереагиралият метал 82 може да се отдели от керамичната композиционна матрица 88 (фиг. 8), образувана по време на процеса. Последната има шийка 90 и основа 92 с поголям диаметър. Вътре в матрицата е оформена кухина 94 с отвор 94а, осигуряващ достъп до нея. Кухината 94 на матрицата инверсно отпечатва геометрията на стопяемия модел 74.

На фиг. 9 е показан друг вариант на изобретението, съгласно който една система от огнеупорен съд 96 има включен в себе си слой от проницаем инертен материал 98, в който е включено твърдо тяло 100 от основен метал и една предварителна форма 102, изготвена като кохерентно фасонно изделие с достатъчна якост в сурово състояние, която да позволи пренасяне и включване вътре в пласта от инертен материал 98. Частиците на първия пълнеж могат да се оформят в предварителна форма 102 посредством смесване на частиците на първия пълнеж с подходящо свързващо вещество и съответно формуване във формата 102. Предварителната форма 102 може да е съставена от една или няколко части. Например, основната или долната част 102а на формата 102 може да бъде чашкообразна, така че стената 104 от оформената кухина да дефинира кухина 106 с желаната геометрия. Покривната част 102в от формата 102 има отвор 106а, оформен в нея, и е поставена върху долната част 102а. Формата 102 е проницаема по отношение израстването на продукта от окислителната реакция.

Показаната на фиг. 9 система се нагрява до температура на израстването, намираща се в диапазона между точката на топене на основния метал, но под точката на топене на продукта от окислителната реакция. Както е отбелязано слоят 98 от инертен материал не задържа израстването на продукта от окислителната реакция и последният израства през него вътре в предварителната форма 102 от първия пълнеж. Процесът се провежда достатъчно дълго време, за да може предварителната форма 102 изцяло да се включи в керамичния продукт от окислителната реакция и да се образува керамична композиционна матрица 106 с кухина 106 и отвор 106а, осигуряващ достъп до нея. Може също така да се осигури бариера 150, която да предотврати или забави израстването на продукта от окислителната реакция.

Както е показано в следващите примери, отнасящи се специално до алуминий, той се инфилтрира в проницаемата маса от втори пълнеж, съдържаща се в непроницаемата матрица, когато масата бъде изолирана от околната атмосфера, т.е. от въздуха. По принцип, алуминият може да съдържа различни легиращи елементи, за да се осигурят желаните механични и физически свойства на композиционното тяло. Например, легирането с мед осигурява матрица, която може да се термообработва, за да се повишат якостта и твърдостта.

Предимствата на изобретението се изразяват в следното.

Процесът на инфилтрация не е зависим от външното налягане. Стопеният метал прониква спонтанно през пълнежа, като се създават условия за получаване на композитен материал с еднородна матрица и висока еднородност на свойствата в целия композит.

Пример 1. Изготвят се въздухонепроницаеми, цилиндрични керамични композиционни тела по методите, описани в посочените заявки за патент. По-специално, три въздухонепроницаеми цилиндрични форми, всяка с размери 6 инча височина и 2 инча външен диаметър са отлети по метода на шликерното леене, като се използва шликер, който съдържа или представлява смес от 49.5% тегл. силициев карбид с едрина на зърната 1000 (доставен от фирмата Exolon- ESK, Тонауанда,

N.Y, под търговската марка Карболон F1000).

19.8 % тегл. силициев карбид “100GL” (доставен от Сюпериър Графит Къмпани, Чикаго, Илиноис) и 30.7 % тегл. дестилирана вода. Средният размер на частиците Карболон F1000 е 4 микрона, а този на GL- 0,8 микрона. Шликерът се приготвя чрез смилане в топкова мелница на SiC “100GL”, вода, малко количество от “Дарван-7” и малко количество амониев алгинат, за 1 ч. Количеството на прибавения “Дарван-7” е приблизително 1.6 г на 1228 г вода, а количеството на амониевия алгинат-приблизително 4 г на 1228 г вода. След като тази смес е третирана в топкова мелница в продължение на един час, приблизително половината от общото количество Карболон F1000 се прибавя към сместа и новата смес отново се третира в топкова мелница в продължение на половин час. След това се прибавя и останалото количество Карболон F1000 и сместа се третира в топковата мелница в продължение на 24 ч. В края на 24-часовия период се проверяват pH и вискозитетът и се регулират чрез бавно прибавяне на малки количества Дарван-7 докато вискозитетът достигне стойност 200-500 CPS, а киселинността-приблизително 6-7. След това сместа се третира в топкова мелница още 48 ч преди да бъде използвана като шликер.

Цилиндрите, отлети от шликера, се сушат при 90°С в пещ и изпичат в присъствие на въздух при 1100°С в продължение на 10 ч и след това се охлаждат до околната температура. Скоростта на нагряване е 200°С/ч, а скоростта на охлаждане 100°С/ч. След изпичането и охлаждането, вътрешността на всеки цилиндър се покрива с покритие от силициев прах 500 грита. Външната част на цилиндричните форми се покрива с бариерен слой, съдържащ в тегл. % тесто от: 35 чист гипс (“Бондекс”, доставен от Интернейшънъл Инк., Брънсуик, ОН), 15 “Минусил” 500 грита (Силика Ко., Беркли Спринг, W.Va, САЩ) и 50% вода. Приготвените по този начин форми след това се нагряват до 900°С в електросъпротивителна пещ и след това във всяка форма се излива 450 г течна алуминиева сплав при температура 900°С. Алуминиевата сплав съдържа 2.5-3.5% цинк, 3-4% мед. 7.5-9.5% силиций, 0.8-1,5% Fe, 0,2-0,3% магнезий и не повече от 0,5 % манган, 0,5% никел, 0,001% Be, 0,01% Са и 0,35% калай, като останалото е алуминий. Въздух, преминаващ през проницаемата бариера и форма, окислява течната алуминиева сплав, като в резултат на това се образува поликристалинен продукт. Тази окислителна реакция се извършва в продължение на 100 ч и в резултат продуктът от окислителната реакция на течната алуминиева сплав, израства и почти изцяло инфилтрира всяка цилиндрична форма. В края на 100-часовия период останалата течна алуминиева сплав се отстранява, за да се получат кухи керамични композиционни цилиндри, които са непроницаеми по отношение на околната атмосфера. Тези цилиндри са затворени в единия си край и отворени в другия. При 900°С всеки керамичен композиционен цилиндър частично се запълва с втори пълнеж до дълбочина под горния му край, за да се остави свободен обем от 100 мл над пълнежния слой. Слоевете от втори пълнеж, използвани в трите цилиндъра, съдържат един 150-грамов слой от сурови силициевокарбидни частици 24 грита (Кристолон 39, доставен от Нортън Къмпани), един 200-грамов слой от частици Алундум 38, 24 грита, доставени от Нортън Къмпани и един 100-грамов слой от пясък, съдържащ силициев двуокис с размер на частиците 100 грита, доставен от Пенсилвания Фаундри Съплай и Санд Ко. Около 220 г чиста алуминиева сплав 1100, в течно състояние се излива върху всеки пласт от втори пълнеж, намиращ се в съответните цилиндри. Течният алуминий запълва свободното пространство във всеки цилиндър над пълнежните слоеве и по такъв начин херметично затваря единствения отвор в цилиндрите по време на целия инфилтрационен процес, при което се херметизират или изолират слоевете от втори пълнеж от околния въздух. Системите се поддържат при температура 900°С и почти веднага започва спонтанна инфилтрация на течната алуминиева сплав вътре в пластовете от втори пълнеж, която завършва за 20 мин. След като се държат в продължение на 5 ч при 900°С загряването се прекратява и системите се оставят да се охладят до околна температура. Получените метало-матрични композиционни тела с метална матрица представляват алуминиева сплав, включваща различни пълнежи. В системата, в която се използва като втори пълнеж пясък, цялото количество силициев двуокис в пясъка реагира с инфилтрирания алуминий, като образува алумоокис и метален силиций.

Последният се разтваря в течния алуминий, като образува алуминиевосилициева сплав. Така, крайното композиционно тяло, получено чрез тази реакция, съдържа алуминиево-силициева сплав, включваща алумоокисен пълнеж. Инфилтрационните процеси, описани горе, се провеждат при атмосферни условия, без използване на вакуум, механично налягане, омокрящи агенти или други техники за подпомагане на инфилтрацията.

Така, пример 1 показва образуването на композиции с метална матрица чрез спонтанна инфилтрация на течен метал в пълнежен пласт, съдържащ “уловен”въздух. Инфилтрацията се провежда в непроницаема матрица или контейнер, съдържащ втория пълнеж, като споменатият контейнер или матрица са херметично затворени и непроницаеми по отношение на околната атмосфера от течния метал.

Пример 2. Един 150-милилитров тигел от пореста глина (тигел DFC № 28-1000, произведен от Джи. Ейч. Бърг Ко., Пленфилд, Ню Джерси) се запълва с 300 г течна алуминиева сплав като основен метал, която има същия състав като този от пример 1. Тигелът се загрява в електросъпротивителна пещ в продължение на 3 ч до 900°С в присъствие на въздух с цел да се постигне израстване на поликристалинен продукт от окислителната реакция на течния алуминиев метал вътре в предварителната форма, съгласно посочените заявки за патент. Останалият течен алуминиев метал се отстранява. Наблюденията показват, че вътрешните повърхности на тигела се инфилтрират от поликристалинен продукт от окислителната реакция до дълбочина около 1-2 мм, с което се осигурява една въздухонепроницаема, облицована с керамика матрица или тигел. Течният алуминий реагира както с въздуха, така и със самия тигел по време на инфилтрирането. Докато температурата е все още 900°С, 130 г силициевокарбидни частици с размер 24 грита (Кристалон,39, на Нортън Къмпани) се поставят в тигела до дълбочина под горната му част, за да се осигури пласт от силициевокарбиден пълнеж със свободен обем над него около 60 милиметра. Около 130 г течен алуминий 1100 се отлива върху пласта от силициевокарбиден пълнеж, като се осигурява тяло от течен алуминий, което херметизира отворения край на тигела и изолира пълнежния пласт от околния въздух. Така запълненият тигел се нагрява до 900°С и се поддържа при тази температура в продължение на 10 ч. През този период от време течният алуминий инфилтрира целия пласт от силициевокарбиден пълнеж. След това системата се охлажда до втвърдяване на течния алуминий. Докато температурата е все още около 500°С цялата система се потапя във вода, при което тигелът, включващ тънката керамична облицовка, се счупва по вътрешните си стени. Отделя се композиционна структура с метална матрица, представляваща алуминиева сплав, включваща в себе си силициевокарбидните частици, като композицията има външна повърхност, инверсно отпечатваща геометрията или формата на вътрешността на тигела.

Пример 2 показва, че порест материал, такъв като глина, може да бъде използван като матрица, когато му се придаде въздухонепроницаемост чрез израстване на тънък слой от продукт от окислителната реакция вътре в глинен тигел, като продуктът от окислителната реакция получен посредством директно окисляване на основен метал в присъствие на въздух съгласно посочените заявки. Резултантният тънък слой от непроницаем по отношение на въздуха керамичен композиционен материал, придава на иначе проницаемия глинен тигел непроницаемост по отношение на въздуха.

Пример 3. Процесът от пример 2 се повтаря два пъти при използването на две различни алуминиеви сплави и същия вид втори пълнежен материал. При първия опит заедно с втория пълнежен материал от алумоокисни частици (Алундум 38, трит 90, доставен от Нортън Ко.) се използва алуминиева сплав, съдържаща в тегл.% 2.5-3.5 цинк, 3-4 мед, 7.5-

9.5 силиций, 0.8-1 желязо, 0,2-0,3% магнезий и до 0,5 манган, 0,5 никел, 0,001 берилий, 0,01 калций и 0,35% калай. Изготвя се композиция, представляваща алуминиева сплав, включваща в себе си алумоокисните частици. При втория експеримент се използва чиста алуминиева сплав 1100 заедно с Алундум 38, като втори пълнеж. Тук също се образува композиция, съставена от алуминиева сплав, включваща алумоокисните частици. Този пример показа, че е възможно да се използва алумоокисен пълнежен материал с фин размер на частиците му, по-малък от този на използвания в пример 2 и все още да се постигне композиция с метална матрица съгласно изобретението. Освен това, този пример показва, че е възможно да се използва този по-фин пълнежен материал с алуминиева сплав 1100.

Пример 4. Процесът, описан в пример 1, се повтаря с използването на втори пълнеж, съставен от сурови силициевокарбидни частици с размер 100 грита. Използваната инфилтрираща алуминиева сплав е марка 1100, с около 1 тегл.% добавка на литий. За около 5 мин след изливането на течната алуминиева сплав върху горната част на слоя се образува композиция, представляваща алуминиева сплав, включваща в себе си силициевокарбидните частици.

Процесът се повтаря с втори пълнеж, съставен от суров силициев карбид с едрина 220 грита. За около 5 мин след изливането на течната алуминиева сплав върху слоя от пълнеж се образува композиция, представляваща алуминиева сплав, включваща силициево-карбидните частици.

Този пример показва, че е възможно да бъде образувана композиция с метална матрица, като се използва втори пълнеж с различна едрина на зърната, когато като инфилтриращ течен метал се използва алуминиева сплав 1100 с прибавка от около 1 тегл.% литий.

Пример 5. Задачата на следващите примери и експерименти е да се определи дали покриването на пълнежните частици със съдържащо натрий съединение ще облекчи образуването на композицията. Използва се методът, описан в пример 1, с тази разлика, че пълнежните частици са суров силициев карбид с размер 220 грита, покрити с натриев окис. Това покритие се образува, като найнапред силициево-карбидните частици се потапят в разтвор на натриев хидроокис в продължение на 3-4 ч. При това, по частиците се образува покритие от натриев хидроокис, което при извеждане от разтвора и последващо изсушаване се превръща в покритие от натриев окис. След това покритите частици се обработват с хоросан за отстраняване на бучици, които се образуват по време на сушенето. След третирането с хоросан се използват като пълнежен материал от процеса, описан в пример 1. Използваната инфилтрираща алуминиева сплав има състав (в тегл.%): 2.5 цинк, 3-4 мед, 7.5-9.5 силиций, 0,1-1,5 желязо, 0,2-0,3 магнезий и до 0,5 манган, 0,5 никел, 0,001 берилий, 0,01% калций и 0,35 калай. Получената композиция представлява алуминиева сплав, включваща покритите с натриев окис силициево-карбидни частици.

Описаният пример е повторен с непокрити силициево-карбидни частици с размер 220 грита. Алуминиевата сплав не инфилтрира слоя от силициево-карбидни частици и поради това не се образува композиция с метална матрица. Този пример показва, че е възможно да се използват покрития от натриев окис върху пълнежните частици, за да се стимулира инфилтрацията на алуминиевата сплав при използване на пофини частици.

Пример 6. Използва се процесът, описан в пример 1, и втори пълнежен материал от силициев карбид с размер 54 грита и алуминиева сплав с добавка на около 5% магнезий. За около 5 мин след изливането на течната алуминиева сплав върху горната част на слоя пълнежен материал се образува металоматрична композиция с метална матрица алуминиева сплав, включваща силициево-карбидните частици. Процедурата се повтаря с използването на силициевокарбидни частици с размер 90 грита като втори пълнежен материал. След 5 мин от изливането на течната алуминиева сплав върху слоя пълнежен материал се образува композиция, представляваща алуминиева сплав, включваща силициево-карбидните частици.

Пример 7. Процесът от пример 1 се повтаря при три по-ниски инфилтрационни температури, за да се определи влиянието на температурата върху продължителността на инфилтрацията. Инфилтрационните цикли се провеждат при 800, 750 и 700°С за време съответно 10, 40 и 90 мин. Този пример показва, че времето, необходимо за завършване на инфилтрацията на течния метал в пълнежния слой, нараства с намаляване температурата на процеса.

Пример 8. Процесът, описан в пример 1, е повторен с пълнежен материал от сурови силициево-карбидни частици с размер 90 гирта, който е по-фин от материала, използван в пример 2. След около 5 мин от изливането на течната алуминиева сплав върху горната част на пълнежния слой се образува композиция, представляваща алуминиева сплав 1100, включваща силициево-карбидните частици. Тя има външна повърхност, инверсно отпечатваща формата на вътрешната част на глинения тигел. Този пример показва, че е възможно да се използват по-фини пълнежни материали и въпреки това да се получат композиции с метална матрица.

ПРимер 9. Този пример повтаря условията на метода съгласно изобретението с тази разлика, че в него не се осигурява херметична изолация на пълнежния слой, намиращ се в предварителната форма.

А. Приблизително 100 г сурови силициево-карбидни частици с размер 24 грита (Кристалон 39, на Нортън Къмпани), като тези използвани в пример 2, се поставят в проницаем за въздуха глинено-графитен тигел на дълбочина под горната част на тигела, за да се осигури пълнежен слой със свободно пространство над него около 90 мм. 190 г от първата алуминиева сплав, описана в пример 1, се поставя върху пласта от силициевокарбиден пълнеж. Системата се нагрява в електросъпротивителна пещ до 900°С в продължение на 15 ч, за да се стопи алуминият. Използва се достатъчно количество алуминиева сплав, за да се поддържа стълб от течен алуминий върху слоя от пълнежен материал, херметизиращ горната част на тигела, така че да е изолиран от околния въздух посредством течния алуминий само в горната част на тигела. След задържане 15 ч при температура 900°С системата се оставя да се охлади, за да се втвърди алуминият. При изваждане на съдържанието от тигела се установява, че в слоя от пълнежен материал практически не е настъпила никаква инфилтрация на течната алуминиева сплав.

B. Експериментът от А е повторен с тази разлика, че се използва 50 г пълнеж размер 500 грита, предварително изпечен и силициевокарбидни частици Кристалон 39, Нортън Къмпани), поставен в 100 мл цилиндър от рекристализирал алумоокис, който е проницаем по отношение на въздуха през отвор в дъното на цилиндъра. Системата се нагрява до 900°С в електросъпротивителна пещ и след това върху слоя от пълнеж се излива 150 г течен алуминий 1100, така че пластът от пълнеж да е покрит със стълб от течен алуминий. По този начин се херметизира отворената горна част на тигела. Тигелът се държи в пещта при температура от 900°С в продължение на 5 ч с течния алуминиев стълб, уплътняващ отвора, след което силициево-карбидните частици и течният алуминий се разбъркват със стоманена пръчка. Силициевият карбид не се инфилтрира или омокря от течния алуминий, независимо от разбъркването.

C. Експериментът от В е повторен в проницаем за въздуха глинено-графитен тигел от типа, описан в А, вътрешните повърхности на който са покрити с проницаем калциев сулфат (чист гипс, “Бондекс” на Интернейшънъл Инк., Врънсуик, ОН) с цел да се предпази продуктът от окислителната реакция от израстване вътре в стените на тигела, така както е описано в пример 2.

Получават се същите резултати, като тези в В., т.е. силициево-карбидният пълнеж не се инфилтрира или омокря от течния алуминий.

Д. Експериментът от В се повтаря с тази разлика, че след 5-часов контакт към течния алуминий се прибавя 1.5 тегл.% магнезий. Получената алуминиево-магнезиева сплав се оставя в контакт с пълнежа допълнително още 3 ч при 900°С. Наблюденията показват, че отново няма инфилтрация или омокряне на пълнежния слой от течния метал.

Е. Експериментът от В се повтаря с тази разлика, че се използва пълнеж от 50 г сурови силициево-карбидни частици, с размер 24 грита (Кристалон 39, Нортън къмпани). Вместо магнезий след първия 5-часов контактен период, към течния алуминий се добавят 2 до 3 тегл.% силиций. Получената алуминиевосилициева сплав се оставя в контакт с пълнежа още 3 ч при 900°С. Отново наблюденията показват липса на инфилтрация или омокряне на пълнежния слой от течния метал.

Пример 10. Този пример описва метод за получаване на гьрбичен вал, съставен от обвивка от композиция с керамична матрица и сърцевина от композиция с метална матрица. Предварителните форми за обвивката на гърбичните валове се изготвят чрез изливане на шликери в матрица от чист гипс. Гипсовата матрица на гърбичния вал е произведена от Холанд Молд Къмпани, Трентън, N.J. Шликерът, използван в този пример, има същия състав като този, описан в пример 1 и е изготвен по същия начин. Средният размер на частиците от 100 GL е 0,8 микрона, а този на Карболон F1000 - 4 микрона. Шликерно отлетите форми на гърбичните валове се сушат при 90° в продължение най-малко на 4 ч при нормално време на сушене 20 ч. Предварителните форми, направени по този начин, са с дебелина 5 мм, а теглото им - от 380 до 480 г в зависимост от дебелината им. Формите са затворени в единия си край и отворени в другия, като отвореният край има форма на фуния.

След сушенето, формите се поставят със затворения си край нагоре в пещ и се изпичат в продължение на 5 до 20 ч при 1025-1100 °C. Най-често използваната температура на изпичане е 1025 °C за 20 ч. Температурата се повишава до необходимата в продължение на 5 ч и се понижава до околна в течение на 5 ч в края на цикъла. По време на изпичането всяка форма повишава теглото си приблизително 11%. Линейното и диаметралното разширение на всяка форма е приблизително 8%.

След изпичането, вътрешната повърхност на формите се покрива с паста, съдържаща силиций. Дебелината на покритието варира, като максималното е 0,1. Оптималната дебелина на покритието е между 0,005 и 0,01 инча. След като формите се покриват отвътре с паста от силиций, се изсушават и покриват по външната си стена с паста, съдържаща 35 % тегл. “Вендекс” (чист гипс, доставен от

Интернейшънъл Инк., Врънсуик, ОН), 15 % тегл. силициев двуокис 500 грита и 50 % тегл. вода. Това второ покритие се суши в пещ при 90°С в продължение на 2 ч, след което формите се поставят в пещ и се нагрява до температура 900°С за 5 ч. След като температурата в пещта достигне тази стойност, формите се задържат при тази температура известен период от време, преди течната алуминиева сплав да бъде излята във всяка форма. Периодът от време между момента на достигане температура в пещта 900°С и добавянето на течна алуминиева сплав варира за отделните форми. В някои от формите се налива течен метал почти веднага след като температурата в пещта достигне 900°С, докато в другите, сплавта се налива по-късно. Максималният период от време, изминал след като температурата в пещта достигне 900°С и прибавянето на течната алуминиева сплав е 4 ч.

Количеството течна алуминиева сплав за всяка форма е 330 г. Алуминиевата сплав има същия състав както в пример 1. Тя се налива във фуниеобразния отворен край на формата, докато последната се намира в пещта при температура 900°С. Фунията при отворената част на формата облекчава изливането на течната метална сплав, а служи и като резервоар за сплавта. Поради проникването на въздух в проницаемите стени на формите, течната алуминиева сплав се окислява. Продуктът от окислителната реакция инфилтрира стените на всяка форма съгласно методите от цитираните общи заявки за патент. С напредването на процеса консумираният алуминий се възстановява с течна алуминиева сплав 1100 при 900°С. Израстването се провежда в продължение на 100 до 150 ч. Въпреки че по-голямата част от този процес се извършва през първите 30 ч, допълнителното реакционно време способства за производството на по-еднороден продукт.

След като продуктът от окислителната реакция напълно инфилтрира стените на всяка форма, създаваща керамичните композиционни обвивки за гърбичните валове, течният алуминий, намиращ се все още във формата, се отстранява, докато температурата е все още 900°С. Керамичните композиционни обвивки (все още при температура 900°С) след това се запълват със суров карбурунд, 24 грита като втори пълнеж и се покриват със сплав при 900°С. Използват се редица сплави за метална матрица. Те включват алуминиева сплав 1100; първата алуминиева сплав, описана в пример 1; алуминиева сплав, съдържаща алуминиева сплав 1100 с около 0,25-3 % тегл. литий; алуминиева сплав 1100 с добавка на 0,5-5% манган; алуминиева сплав от пример 1 с около 0,25-3% литий; алуминиева сплав, от пример 1 с добавка от 0,5-5% магнезий. След като карборудния пълнежен слой във всяка форма се покрива със сплав, почти веднага настъпва инфилтрация на сплавта вътре в слоя, която завършва за около 20 мин. По време на този 20-минутен период, към всяка форма при нужда се добавя допълнително сплав, така че всеки пълнежен слой е покрит с нея. След като инфилтрационният период приключи, гърбичните валове се охлаждат до околна температура в продължение на 12-15 часа, почистват се и се шлифоват до определените параметри. Израстналите гърбични валове се почистват чрез пясъкоструйна обработка и се отрязват до подходяща дължина с диамантен абразивен диск. Шлифоването на цилиндричните повърхнини се извършва с диамантни дискове. Шлифоването на гърбиците се извършва с диамантени дискове с вулканитова свръзка 200 грита. Скоростта на подаване е около 0,0020,003 инча за рязане и около 0,0008 инча или по-точно от 0,0005 до 0,0008 инча за шлифоването. Гърбичният вал, произведен по този метод, е показан на фиг. 10.

Пример 10 показва, че тяло с усложнена конфигурация, може да бъде произведено така, че да има композиционна обвивка с керамична матрица или черупка и металокерамична композиционна сърцевина. Композиционната черупка с керамична матрица се приготвя найнапред чрез инфилтриране на фасонна предварителна форма, съставена от един първи пълнежен материал с продукта от окислителната реакция на алуминиева сплав с въздуха. След това композиционната сърцевина с метална матрица се изготвя чрез спонтанна инфилтрация на течен алуминий в херметично затворен пласт от втори пълнежен материал, съдържащ в себе си “уловен” въздух, като вторият пълнежен материал е разположен в кухата вътрешност на композиционната обвивка с керамична матрица или черупка. В резултат на тази процедура се получава краен продукт, имащ комбинираните качества на една композиция с керамична и една с метална матрица.

Методът съгласно изобретението е приложим за различни втори пълнежни материали, особено керамични пълнежи, и изборът на втория пълнежен материал зависи от такива фактори, като използвания алуминий или магнезий, прилаганите условия за протичане на процеса, вида и размера на втория пълнеж, търсените за постигане качества на крайния композиционен продукт. За предпочитане е вторият пълнежен материал, т.е. армиращият или укрепващ материал за композицията с метална матрица да е нереактивен по отношение на течния алуминий или магнезий в условията на процеса. Подходящи материали, използвани като втори пълнеж, са например окиси, като алумоокис, магнезиев, титаниев, циркониев и хафниев двуокис; карбиди, като силициев и титаниев карбид; бориди, като титаниев диборид, алуминиев додекаборид, и нитриди, като алуминиев, силициев и циркониев нитрид. Ако се наблюдава тенденция вторият пълнеж да реагира с течния алуминий или магнезий, то това може да се преодолее чрез намаляване до минимум времето за инфилтрация и температурата или чрез осигуряване на нереактивно покритие върху пълнежа. Този втори пълнежен материал може да съдържа материал, като въглерод или друг некерамичен материал, носещ керамично покритие за защита на субстрата от атака или разграждане. Керамики, които са особено подходящи за използване в метода съгласно изобретението, са алумоокис и силициев карбид във форма на частици, плочици, влакна и нишки. Последните може да са във вид на прекъснати нишки като многонишкови снопчета.Освен това, вторият пълнеж може да обхваща или да представлява маса или форма от хомогенен или хетерогенен материал.

Силициевият карбид има склонност да реагира с чист течен алуминий като образува алуминиев карбид и ако като втори пълнеж се използва силициев карбид, тази реакция е желателно да се предотврати или сведе до минимум, тъй като алуминиевият карбид е податлив на атака от влага, което отслабва композиционното тяло. Следователно, за да се сведе до минимум или предотврати тази реакция, силициевият карбид трябва да бъде предварително изпечен в среда от въздух, за да се образува реактивно кварцово покритие върху него или алуминият може да бъде легиран със силиций, или да се приложат и двата начина. Във всички случаи, ефектът е да се увеличи съдържанието на силиций в сплавта, за да се елиминира образуването на алуминиев карбид. Подобни методи могат да се използват, за да се предотвратят нежелателни реакции с други слоеве от втори пълнежни материали.

Размерите и конфигурацията на втория пълнежен материал може да са различни, в зависимост от желаните свойства и качества на крайното композиционно тяло или продукт. Така, вторият пълнеж може да бъде във форма на частици, власинки, плочици или нишки, тъй като инфилтрацията на втория пълнеж от течния метал, не е ограничена от формата на втората пълнежна маса. Могат да се използват и други форми като сферички, тръбички, плочици и др. Освен това, големината на втората пълнежна маса не ограничава инфилтрацията, въпреки че може да са необходими по-дълго време или по-високи температури за инфилтриране на маса от помалки частици в сравнение с по-големи частици. Вторият пълнежен материал може да бъде в насипно състояние или да е уплътнен до средна степен.

При сравнение с известните методи за производство на композиции с метална матрица, не се изискват специални газови среди и високи налягания, и температури, външно приложен вакуум или механично налягане, за да бъде принуден течният метал да протече вътре във втория пълнеж. Изобретението позволява работа при налягане на околната среда и производство на композиции с алуминиева или магнезиева матрица с голямо разнообразие на втори пълнежни материали и с малка порьозност.

Пример 11. Този пример илюстрира едно изменение на процеса за производството на фасонната част с метална матрица. В този случай, едно моделно тяло от порест материал с размери около 4 х 2 х 1 е покрито с Лиикоат или по-точно паста от Лиикоат, чрез потапяне на моделното тяло в чаша от химически устойчиво стъкло, съдържаща Лиикоат. Тялото след това се изважда, като по него има тънък пласт от Лиикоат, полепнал по външните му повърхности. Моделното тяло, все още неизсъхнало и лепкаво, се напръсква с Алундум 38, номер 90, частиците на който полепват по покритието от Лиикоат. Така третираното моделно тяло се изсушава и процесът на нанасянето на покритието от Лиикоат и пръскането по него на Алундум 38 се повтаря няколко пъти, докато се постигне покритие от Лиикоат (Алумндум 38, номер 90 с дебелина приблизително 1/8. Така покритото моделно тяло след това се изсушава и нагрява до около 900°С в продължение на 4

ч. Порестият материал на моделното тяло се изпарява по време на процеса на нагряване, в резултат на което се получава кухина, инверсно отпечатваща външната форма на моделното тяло от порест материал.

В получената кухина се излива течна алуминиева сплав, със състав в тегл. %: 2.5-

3,5 цинк, 3-4 мед, 7,5-9,5 силиций, 0.8-1,5 желязо, 0,2-0,3 магнезий и до 0,5 манган, 0,5 никел, 0,01 берилий, 0,01 калций и 0,35 калай. Сплавта се окислява в продължение на 24 ч за получаване на непроницаема матрица за образуването на композиционното тяло с метална матрица. Така, матрицата е оформена чрез методите на описаните общи заявки за американски патент. Остатъчният течен метал, т.е. основната метална сплав, която не се превръща в продукт от окислителната реакция, се отстранява от образуваната матрица и последната се запълва със 166 г силициев карбид, с размер 24 грита и се затваря със 100 г алуминиева сплав, която има състав в тегл. %: 2.5-3,5 цинк, 3-4 мед, 7,5-9,5 силиций, 0,1-1,5 желязо, 0,2-0,3 магнезий и до 0,5 манган, 0,5 никел, 0,01 берилий, 0,01 калций и 0,35 калай. Тази алуминиева сплав инфилтрира пласта от пълнежен материал за около 5 мин, в резултат на което се получава композиция с метална матрица, съдържаща се в една непроницаема матрица или форма. Матрицата и нейното съдържание се охлаждат под 550°С и след това се закаляват във вода с цел да се разчупи матрицата поради термичните напрежения, предизвикани от топлинен удар. Резултантната фасонна композиция има същата форма като началната форма или моделно тяло от порест материал. Този пример показва един метод за производство на детайли с метална матрица и сложна форма. Очаква се, че освен моделни тела от порести материали или восък, други материали също могат да доведат до същия резултат.

Пример 12. Повторен е пример 11 с тази разлика, че използваният пълнежен материал е Алундум 38/500, а контейнерът представлява заварен стоманен цилиндър (стомана 304) с размер 2х2х4. Матричната сплав има състав в тегл. %: 12,5 силиций, 6 магнезий, 5 цинк и останалото алуминий. В този случай инфилтрацията протича за около 2 ч и след това металът се охлажда. Слоят от алундум се инфилтрира от алуминиевата сплав.

Claims

Патентни претенции

1. Метод за получаване на композиция с метална матрица, характеризиращ се с това, че се изготвя непроницаема матрица, като се използва една проницаема форма, имаща кухина и представляваща първи пълнежен материал, след което се осъществява контакт на течен основен метал посочената форма и с окислител за реагиране на течния основен метал с посочения окислител и образуване на продукт от окислителната реакция в границите на температурен диапазон, обхващащ температура над точката на топене на основния метал до температура под точката на топене на продукта от окислителната реакция, при това поне част от споменатия продукт от окислителната реакция се поддържа в контакт със споменатия течен основен метал и окислителя за прогресивно увличане на течен основен метал през продукта от окислителната реакция към окислителя и вътре във формата, така че продуктът от окислителната реакция продължава да се образува във формата на граничната повърхност между окислителя и преди това образувания продукт от окислителната реакция, окислителната реакция продължава в посочения температурен интервал, докато поне част от формата се включи в продукта от окислителната реакция чрез израстването му за осигуряване на непроницаема матрица с кухината и част от излишния метал, който не е реагирал с окислителя, се отстранява, след което проницаема маса от втори пълнежен материал се поставя вътре в кухината на непроницаемата матрица и се осъществява контакт на втория пълнежен материал с поне един течен основен метал, избран от групата, съдържаща алуминий и магнезий, като матрицата се херметизира за период от време, достатъчен, за да се инфилтрира масата от втори пълнежен материал от течния метал и при завършване на този процес поне част от течния основен метал се втвърдява.
2. Метод съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че херметизацията на матрицата се извършва с течен метал.
3. Метод съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че първият пълнежен материал е алумоокис или силициев карбид, основният метал е алуминий, вторият пълнежен материал е силициев карбид и в течния метал се разполага алуминий.
4. Метод съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че вътре в продукта от окислителната реакция се включва част от формата, която дефинира съответната кухина.
5. Метод съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че контактът на течния основен метал с проницаемата форма се осъществява вътре в кухината на проницаемата форма.
6. Метод съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че излишният метал се отстранява от кухината още в течно състояние.
7. Метод съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че част от геометрията на непроницаемата матрица се дефинира посредством свързване на бариерата с масата от първия пълнежен материал, за да се дефинира една гранична повърхност на израстване на продукта на окислителната реакция.
8. Метод съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че масата от първия пълнежен материал обхваща проницаем слой от формируем пълнежен материал и фасонната кухина вътре в споменатия слой се оформя посредством осигуряване на фасонен основен метал, имащ позитивен рисунък, който е оформен така, че инверсният му отпечатък дефинира желана геометрия на кухината и частта с позитивен рисунък се включва в пласт от формируем пълнежен материал.
9. Метод съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че масата от първия пълнежен материал обхваща един проницаем слой от формируем пълнежен материал като фасонната стена на кухината вътре в слоя се образува чрез осигуряване на стопяем модел, който се оформя така, че инверсният му отпечатък да дефинира желаната геометрия за кухината от матрицата и включването му в 5 пласта от формируем пълнеж, а стопяемият модел се замества с течен основен метал в контакт с фасонната стена на кухината.
10. Метод съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че композицията с 10 метална матрица се отделя от матрицата чрез счупване или разчупване на последната посредством топлинно ударно натоварване при потапянето на матрицата в охлаждащ агент, докато все още е при повишена температура. 15
11. Метод съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че втвърдяването се провежда в условия, включващи поддържане на втвърдяващия се течен метал в контакт с част от споменатата непроницаема матрица, 20 при което се оформя интегрално или неразделно с част от непроницаемата матрица.
12. Метод съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че кухината се оформя така, че да има геометрия, която е инверсно отпечатана от композицията с метална матрица, а вторият пълнежен материал е избран от групата, съставена от един окис, карбид, борид и нитрид, основният метал е алуминий, а окислителят е въздух.
13. Метод съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че контактът от течния алуминий с втория пълнеж се провежда при температура от 700 до 1000°С.
14. Метод съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че течният основен метал е алуминий, вторият пълнежен материал са силициевокарбидни частици, които са покрити с натриев двуокис.