CS201100B1 - Metaloceramic material based on aluminium and aluminium nitride and process for praparing thereof - Google Patents

Description

201 100 (11) (Bl)

ČESKOSLOVENSKÁSOCIALISTICKÁREPUBLIKA( 19 )

POPIS VYNÁLEZU

K AUTORSKÉMU OSVEDČENIU (61) (23) Výstavná priorita (22) Přihlášené 22 12 75 (21) PV 8747-75 (51) IntCl.3 C 22 F 1/02,1/04

ÚŘAD PRO VYNÁLEZY

A OBJEVY (40) Zverejnené 29 02 80(45) Vydané 01 03 83 (75)

Autor vynálezu SGHWLIGHOFEE AUGUSTÍN ing. CSc. a KÚDELA STANISLAV ing., BRATISLAVA (54) Metslokeraraický materiál na báze hliníka a nitridu hliníka a spdsob jeho výroby 1

Vynález sa týká metalokeramického materiálu na báze hliníka a nitridu hliníka a apčsobujeho výroby.

Metalokeramické materiály na báze hliníka sa v súčasnosti vyráfcajú výlučné technclógiamipráškove-j metalurgie ak neberieme do úvahy novovyvíjanú, no zatiaT nie příliš úspešnú metodutavnej metalurgie, kde sa keramické zložka disperguje do hliníkovej taveniny pomocou ultrazvu-kového póla. Všetky technologické varianty přípravy metalokeramického materiálu na báze hliníka vyché-dzajú z hliníkových práškov vhodnej čistoty, ktoré sa rozmelu a zoxidujú na požadovaný stupeň.Velkost častíc prášku hliníka spravidla nepřevyšuje 1 μη, pričom hrúbka oxidačného filmu je0,3 až 3 nm. Lisováním hliníkového prášku za tepla sa jednotlivé Částice prášku difúzne spé-jajú, čím sa vytvoří kompaktný materiál hliník - kysličník hlinitý s obsahom oxidickej fézydo 20 % obj. Intenzívnym tvárněním tohto polotovaru za tepla sa materiál zhustí na takmerteoretickú hodnotu hustoty, pričom vhodnou distribúciou oxidickej fázy sa vytvoří dislokačnásubštruktúra s výrazným efektom spevnenia. Najčastejšie sa přitom postupuje tak, že z práškovpotrebnej kvality sa urobia predvýlisky tlakom 2 až 3 MPa, ktoré sa žíhajú na vzduchu asi2 hodiny při teplote 550 až 600 °C. Predvýlisky sa dolisovávajú vo vyhrievanom nástroji pri550 °C tlakom cca 1000 MPa. Následuje tvárnenie za tepla, ktorým je spravidla pretléčanieS redukciou 80 %, čím sa získajú dokonalé hutné výrobky s vynikajúcimi mechanickými vlestnos- 201 100 201 100 ťami, predovšetkým za vysokých teplůt.

Spoločnou nevýhodou metod práškovej metalurgie je nízká technologické efektivnost a vy-soké finančná náročnost. Preto sa metalokeramické hliníkové materiály používajú len na pří-pravu tepelne náročných detailov energetických zariadení, lietadiel, rakiet a pod. Cena týchtomateriálov je v důsledku toho značné vysoká.

Vlastnosti hliníkových metalokeramických materiálov sú rozhodujúcou mierou ovnlyvňovanékvalitou východiskových préákov. Tieto sa získavajú atomizéciou tekutého kovu, následným mle-tím a oxidáciou. Aby žiarupevnosť výsledného produktu bola dostatočne vysoká je žisdúce, abyobsahoval viac ako 8 až 10 % obj. kysličníka hlinitého. Toto však kladie mimoriadne nároky naproces přípravy východiskových práškov, kedže vyššie obsahy oxidickej fázy v metalokeramickommateriál! možno dosiahnut len cestou zjemňovania východiskových práškov a nie zvyšováním hrůb-ky oxidického povlaku na nich. Táto nepřevyšuje spravidla 3 nm, pretože pri hrubších vrstváchnastévajú ťažkosti při spekaní. Hlavnú příčinu nízkej technologickej efektivnosti a vysokejceny spomenutých materiálov je nutné vidieť predovšetkým v zložitom postupe přípravy východis-kových práškov.

Podstata vynálezu spočívá v tom, že metalokeramický materiál pozostéva zo 75 objemových% hliníka a 25 objemových % nitridu hliníka. Tento materiál sa dá vyrobit spůsobom pódia vy-nálezu, ktorého podstata spočívá v rom, že zliatina 94,5 až 95,5 hmotn. % hliníka a 4,5 až5,5 hmotn. %- horčíka sa po predbežnej evakuácii priestoru autoklávy na 13,1 až 1,31 Pa nitri-duje dusíkom v autokláve v přetlaku dusika 4 MPa neizotermickou metodou teplotných pulzov,pričom prvý teplotný pulz sa iniciuje pri 976 °C a áalších 8 teplotných pulzov je indukova-ných při teplotách 1055 °C, 1028 °C, 1012 °C, 978 °C, 956 °C, 940 °C, 920 °C a 923 °C tak, že s rastúcim počtom teplotných pulzov sa mění výška ich teplotných nábehov z 0,31 °C s-^ o * ’ na 1,25 C a , dalej sa vytvořený metalokeramický materiál podrobí najskůr lisovaniu zatepla pri 550 °c a 1768 MPa po dobu 10 minut a potom pretláčaním za tepla pri 530 °C a2900 MPa s redukciou 80 %.

Za pokrok, dosiahnutý vynálezom, možno považovat to, 2e sa připravil nový, v technickéj .praxi zatiai nepoužívaný metalokeramický materiál a bol vyvinutý nový spůsob výroby metalo-keramických materiálov, ekonomicky a technologicky efektívnym procesom. Odstraňuje sa hlavnánevýhoda práškovej metalurgie - komplikovaný proces přípravy a spracovania práškov. V danejmetóde sa vychádza z blokového východiskového materiálu, ktorý je technickej kvality, jelačný a v ČSSR 1’ahko dostupný. Používaný dusík je tiež technickej kvality a nemusí sa čistit.Odoberá sa priamo z plynovej fl’aše. Předložený vynález rieši spůsob přípravy metalokeramického materiálu hliník - nitridhliníka principiálně odlišným procesom než je prášková metalurgia. Nitridické fáza nitriduhliníka sa vytvára priamo v tekutom kove, nitridáciou zliatiny hliník - hořčík.

Zvláštnosťou procesu je, že za určitých podmienok nadobúda nitridácia zliatin hliník -hořčík objemový charakter. Produktom nitridácie v objeme tekutého kovu je nitrid hliníka,ktorý je vo formě skeletu rozptýlený v hliníkovej matrici, čím výsledný produkt nadobúda cha-rakter metalokeramickej kompozície. Nitridácia zliatiny hliník - hořčík v autokláve má fron- 3 τ 201 100 tálny priebeh, pričom vzniká znitridovaná zóna charakteru metalokeramickej kompozície, odděle-né od neznitridovaného zbytku kovu frontom nitridácie, ktorý je spojitý a dobré definovatelný.Tvorba nitridickej fázy v objeme tekutého kovu je charakterizovaná silnou exotermičnosťou,v ddsledku čoho pri sawovoTnom priebehu procesu nadobúda nitridácia nekontrolovatelný prie-beh. Bola preto vypracovaná metoda tzv. teplotných pulzov, prostredníctvom ktorej sa materiálhliník - hořčík rovnoměrně znitriduje v celom objeme kontrolovaným priebehom.

Objemový priebeh nitridácie zliatiny hliník - hořčík daného zloženia začína vždy při určitých hodnotách teploty /teplota iniciácie/ T* a tlaku dusíka P. V ddsledku uvolněného re-akčného tepla nařaste teplota nitridovanej zliatiny samovolné, pričom sa nesmie překročil tep-lota T^if představuje hornú teplotnú hranicu, kde proces nitridácie zliatiny hliník - hořčík možno eáte termicky zvládnul. Teplotný interval Tin - odpovedá len relativné ma- lej hrúbke znitridovanej zóny,· a preto je nutné teplotně ppiebehy /tzv. teplotně pulzy/ opako-val, pričom každý teplotný pulz mé svoju hodnotu Tifi (T*^, Tin ...).

Vysokotlakou nitridáciou zliatiny hliník - hořčík získaný metalokeramický materiál hliník- nitrid hliníka obsahuje dutiny, pretože bol připravený procesom tavnej metalurgie, charakte-rizovanej tvorbou lunkrov. Materiál je preto nutné zhutnil, čo sa robí lisováním za tepla/550 °C, 1760 MPa, 10 min/. Poslednou etapou přípravy metalokeramického materiálu danou meto-dou je pretláčanie zlisovaných materiálov za tepla /530 °C, 2900 MPa, redukcia 80 %/, čím vý-sledný produkt nadobudne Strukturu a vlastnosti analogické ako klasické metalokeramické mate-riály, připravené spekaním hliníkových práškov.

Schematicky je priebeh teplotných pulzov znázorněný na obrázku. V teplotnom intervale^in ^krit sa real*zuJe teplotný pulz, Salšie teplotně pulzy sú situované do oblastiteplčt pod Plné čiary na obrázku predstavujú narastanie teploty v ddsledku zvyšovania výkonu tepelného zdroja a tiež uvolněného reakčného tepla. Přerušované čiary predstavujú po-kles teploty v ddsledku znižovania výkonu tepelného zdroja. Příklad Příklad sa vztahuje na množstvo 110 g východiskového materiálu zloženia: 5,12 hmotn. %hořčík, 0,30 hmotn. % křemík, 0,20 hmotn. % železo, 0,15 hmotn. % mangán a zbytok hliník.Vsádzka východiskového materiálu sa uloží do korundového kelímku v autokléve. Vsádzka má vál-cový tvar o priemere 36 mm a výške 36 mm a na jej okraji je navrtaný otvor pre zasunutie kera-mického púzdra s termočlánkom. Autokláva sa uzavrie a použitím rotačnej vývevy sa v nej vytvo-ří vékuum cca 13,1 Pa. Výveva sa odstaví a do priestoru autoklávy sa vpustí dusík na tlak0,3 MPa, aby sa pri náběhu na požadovaná teplotu Tin /teplota iniciácie/ zabránilo prepaluhorčíka. Vsádzka východiskového materiálu sa zahřeje indukčným ohrevom na teplotu 1060 °Crýchlosťou cca 50 °C za minútu. Po uplynutí cca 3 minút sa vpustí do priestoru autoklávy dusíkna tlak 4 MPa. Teplota vsádzky přechodné poklesne na Tifi = 976 cC a vzápStí začne nitridačnáreakcia, charakterizovaná rýchlym narastaním teploty nitridovaného materiálu. Reguléciouvýkonu vysokofrekvenčného zdroja sa udržiava rýchlosť narastania teploty na hodnotě 0,3 až0,5 °C . s"1. Po dosiahnutí teploty T^^ /teplota kritická/ = 1115 °C sa výkon vysokofrek-venčného zdroja zníži tak, aby teplota poklesla na 1055 °C. Popísaným priebehom tepldt jecharakterizovaný prvý teplotný pulz, v priebehu ktorého sa vytvoří znitridovaná zóna hrůbky

Claims (2)

1. 201 100 cca 3 mm· Eri teplote 1055 °C sa indukuje druhý teplotný pulz, atá. Teplotný priebeh jednotli-vých teplotných pulzov je na obrázku. Charakteristika jednotlivých teplotných pulzov je na ta-bul'ke. Každý teplotný pulz je charakterizovaný hodnotami T* - teplota iniciécie teplotného pulzu /°C/, -.....—1 - narastanie teploty a áasom /°C a ΔΤ - výáka teplotného pulzu /°C/. Ζλ t V priebehu každého teplotného pulzu sa posunie nitridačný front o určitá vzdialenosť a v prie-behu 8 až 9 teplotných pulzov sa znitriduje celý objem vsédzky. V priebehu procesu sa odpaříváčáina horčíka, pričom jeho časť zostane spolu s ostatnými příměsmi, obsaženými vo východis-kovom materiéli, v konečnom výrobku vo formě nečistdt. Výsledný materiál pozostéva z 27,7 %hmotnostných nitridu hliníka a zvyšok tvoří hliník spolu s nečistotami, t.j. horčíkom, kremí-kom, železom a mangánom, pričom množstvo nečistdt nepřesahuje 0,8 % hmotnostných. STastúcim počtom teplotných pulzov klesá hodnota T^n, ako to plynie z obrázku a tabulky.Zo znitridovaného materiálu sa odstránia mechaniky zbytky keramického púzdra termočlánku a nitridovaný materiál sa lisuje za tepla při teplote 550 °C a tlaku 1760 MPa počas 10 minut. Pre-tláčanie lisovaného nitridovaného materiálu sa robí za tepla s redukciou 80 % pri teplote530 °C a tlakom 2900 MPa. Metalokeramický hliníkový materiál podlá vynálezu mdže nájsť vynikajúce uplatnenie najmfiv strojárstve a v energetike, a to tak klasickej, ako i jadrovej. Tabulka Číslo teplotného pulzu Tin /°c/ Δ T Výška teplotnéhopulzu T /°C/ Δ t /°C s"1/ 1 - 976 0,31 140 2 1055 0,38 35 3 1028 0,41 37 4 1003 0,46 38 5 978 0,56 42 6 956 0,70 52 7 940 0,90 52 8 920 1,25 65 P B Jš D K E T VYNÁLEZU

   1. Metalokeramický materiál na báze klinika a nitridu hliníka vyznačujúci sa tým, že pczostávazo 71,5 až 72,0 % hmotnostných hliníka, 27,7 % hmotnostných nitridu hliníka a zbytok tvorianečistoty ako hořčík, křemík, železo a mangán.
2. 2. Spdsob výroby metalokeramického materiálu podlá bodu 1 vyznačujúci sa tým, že zliatina94,5 až 95,5 hmotn. % hliníka a 4,5 až 5,5 hmotn. % horčíka sa po predbežnej evakuéciipriestoru autoklávy na tlak 13,1 až 1,31 Pa nitriduje dusíko® v autokláve v přetlaku du- 5 201 100 sika 4 MPa neizotermickou metodou teplotných pulzov, pričom prvý teplotný pulz sa iniciujepri 976 °C a dalších 8 teplotných pulzov je indukovaných při teplotách 1055 °C, 1028 GC, 1012 °C, 978 °C, 956 °C, 940 °C, 920 °C a 923 °C tak, že s rastúcim počtom teplotných pulzovsa mění výška ich teplotných nábehov z 0,31 °C s-1 na 1,25 °C s“1, ďalej sa vytvořený metalo-keramický materiál podrobí najskfir lisovaniu za tepla při 550 °C a 1768 MPa po dobu 10 minúta potom pretláčaním za tepla pri 530 °C a 2900 MPa s redukciou 80 %, 1 výkres