CZ2019201A3

CZ2019201A3 - Způsob výroby keramicko-kovového kompozitu gravitačním litím a keramicko-kovový kompozit vyrobený podle této metody

Info

Publication number: CZ2019201A3
Application number: CZ2019-201A
Authority: CZ
Inventors: Martin KachlĂk; Jakub RoleÄŤek; David Salamon
Original assignee: Vysoké Učení Technické V Brně
Priority date: 2019-04-01
Filing date: 2019-04-01
Publication date: 2020-06-17
Also published as: CZ308356B6

Abstract

Způsob výroby keramicko-kovového kompozitu, kde keramické segmenty (1) se očistí a odmastí, následně se pokryjí tenkou kovovou vrstvou (2), následně se pokryjí odolnou kovovou vrstvou (3), následně se z keramických segmentů (1) sestaví požadované uspořádání výsledného kompozitu ve vhodné lící formě (4), která se předehřeje a v ochranné atmosféře následně zalije roztaveným kovem (5), jež tvoří kovovou matrici, následně se licí forma (4) pozvolně ochladí, a následně se výsledný keramicko-kovový kompozit obrobí, čí se jinak provede jeho tvarová a povrchová úprava.

Description

Způsob výroby keramicko-kovového kompozitu gravitačním litím a keramicko-kovový kompozit vyrobený podle této metody

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu výroby keramicko-kovového kompozitu gravitačním litím, ve kterém jsou keramické segmenty spojeny v jeden celek kovovou matricí, vzniklou gravitačním litím roztaveného kovu, a keramicko-kovového kompozitu vyrobeného podle této metody.

Dosavadní stav techniky

V hutním a slévárenském průmyslu je keramických materiálů využíváno hojně, ať už v podobě žáruvzdorných vyzdívek pecí, licích pánví, tepelných izolací, filtrů či v podobě forem ajademíků pro samotné odlitky. Ve všech těchto aplikacích je s výhodou využívána nízká přilnavost roztaveného kovu k povrchu těchto materiálů. To je způsobeno převážně vysokou energií rozhraní keramika/kov projevující se vysokým kontaktním úhlem (vyšším než 90°). Tento fakt je ale zároveň hlavním problémem u zhotovení keramicko-kovových kompozitů některou z metod slévání, kdy je při výrobě používána kovová složka ve formě taveniny. Vysoký kontaktní úhel totiž dále vede k nevhodným technologickým vlastnostem, jako je špatná zabíhavost a malá pevnost výsledného spoje keramika/kov, tj. malá adheze, po ztuhnutí.

V dnešní době se keramicko-kovové kompozitní materiály vyrábějí a výše zmíněné problémy jsou při jejich výrobě řešeny či jen zmírněny několika základními způsoby:

- tlakovým litím,

- změnou složení používané slitiny, nebo

- kombinací předchozích.

Tlakové lití je velmi rozšířená produktivní technologie pro výrobu odlitků o vysoké rozměrové přesnosti, dobrou kvalitou povrchu a minimem defektů. Tato technologie zmíněné problémy částečně obchází, kdy se díky vysokému tlaku tavenina dostane i do úzkých částí kompozitu, např. do prostor mezi keramickými dílci, ale výsledná pevnost vytvořeného rozhraní je nadále nižší díky malé adhezi taveniny k povrchu. Hlavní nevýhodou tohoto řešení je vysoká cena této technologie, kdy musí být vyrobena nákladná forma (chlazená, vyhřívaná, drahé materiály, tvarově náročná), která má navíc jen omezenou životnost v závislosti na použitých tlacích, pracovní teplotě a chemickém složení použité taveniny. Použitý tlak při vstřikování tekutého kovu se odvíjí od nej menšího prostoru, kam se musí tavenina vtlačit, kdy velikost potřebného tlaku exponenciálně roste (stejně tak, jako i cena potřebného hydraulického lisu) se zmenšujícím se rozměrem takového prostoru. Vysoké tlaky navíc vedou i k vyšším zbytkovým napětím ve výsledném kompozitu, což může negativně ovlivnit výsledné mechanické vlastnosti. Navrhovaný kompozitní odlitek tak nesmí být příliš tvarově náročný a použitá slitina musí mít nízkou teplotu tavení. Většinou se používají eutektické slitiny AI, Mg, Zn, Mn, Cu.

Změnou složení používané slitiny lze zlepšit technologické vlastnosti taveniny při zalévání keramických dílců a dosáhnout tak příznivějšího, tj. menšího, kontaktního úhlu, a tedy i lepší zabíhavosti. Toto zlepšení však nemusí být v případě keramicko-kovového kompozitu dostatečné, tedy při kontaktním úhlu < 90°, a je většinou vykoupeno horšími mechanickými vlastnostmi - hlavně při vysokých rychlostech zatěžování nebo nízkých teplotách.

Cílem vynálezu je představit způsob výroby keramicko-kovového kompozitu, která by výše uvedené nevýhody stavu techniky odstranila.

- 1 CZ 2019 - 201 A3

Podstata vynálezu

Výše zmíněné nedostatky odstraňuje do značné míry způsob výroby keramicko-kovového kompozitu, jehož podstata spočívá v tom, že keramické segmenty se očistí a odmastí, následně se pokryjí tenkou kovovou vrstvou, následně se pokryjí odolnou kovovou vrstvou, následně se z keramických segmentů sestaví požadované uspořádání výsledného kompozitu ve vhodné licí formě, která se předehřeje a v ochranné atmosféře následně zalije roztaveným kovem, jež tvoří kovovou matrici, následně se licí forma pozvolně ochladí, a následně se výsledný keramickokovový kompozit obrobí, či se jinak provede jeho tvarová a povrchová úprava.

Ve výhodném provedení je geometrický tvar keramického segmentu koule, válec, hranol nebo jejich kombinace.

V jiném výhodném provedení je relativní porozita keramických segmentů v rozmezí od 0 do 15 %.

V jiném výhodném provedení jsou keramické segmenty vyrobeny z oxidů, např. AI2O3, ZrO2, MgO, CaO, karbidů, např. B₄C, SiC, TiC, WC,TiB₂, nitridů, např. BN, SÍ3N4, TiN, A1N, boridů, např. T1B2, nebo jejich kombinací.

V jiném výhodném provedení se pokrytí tenkou kovovou vrstvou provede pomocí kartáčování, sprejování, nebo tryskáním kovovými broky.

V jiném výhodném provedení je tenká kovová vrstva čistý kov nebo slitina, např. Fe, Sn, Cu, Zn.

V jiném výhodném provedení se pokrytí odolnou kovovou vrstvou provede pomocí chemického, galvanické nebo plazmatického pokovení či sprejování.

V jiném výhodném provedení má odolná kovová vrstva teplotu tavení vyšší, než je teplota roztaveného kovu matrice.

V jiném výhodném provedení je odolná kovovou vrstvou čistý kov nebo slitina, např. Ni, Cu, Zn, Cr, P.

V jiném výhodném provedení je kovovou matricí čistý kov nebo slitina, např. AI, Mg, Ti, Cu, Si, Mn.

V jiném výhodném provedení je ochlazení licí formy řízené, nebo volné, s poklesem teploty cca l-10°C/min.

Výše zmíněné nedostatky odstraňuje do značné míry keramicko-kovový kompozit vyrobený podle způsobu podle některého z nároků.

Objasnění výkresů

Vynález bude dále přiblížen pomocí obrázků, kde obr. 1 představuje souslednost podstatných kroků způsobu podle vynálezu, a obr. 2 představuje keramický segment s aplikovanými vrstvami podle způsobu podle vynálezu.

-2CZ 2019 - 201 A3

Příklady uskutečněni vynálezu

Způsob výroby keramicko-kovového kompozitu podle vynálezu, zobrazená na obr. 1, obsahuje následující kroky:

- keramické segmenty 1 se očistí a odmastí,

- následně se pokryjí tenkou kovovou vrstvou 2 (viz obr. 1, krok I.),

- následně se pokryjí odolnou kovovou vrstvou 3 (viz obr. 1, krok II.), což zlepší zabíhavost taveniny a podporuje vznik pevnějšího rozhraní mezi keramickým segmentem 1 a kovovou matricí. Jednotlivé vrstvy segmentu 1 jsou dobře patrny z detailu na obr. 2.

- následně se z keramických segmentů 1 sestaví požadované uspořádání výsledného kompozitu ve vhodné licí formě 4,

- která se předehřeje a v ochranné atmosféře následně zalije roztaveným kovem 5 (viz obr. 1, krok III.), jež tvoří kovovou matrici,

- následně se licí forma 4 pozvolně ochladí, dle odolnosti keramických segmentů 1 vůči teplotním šokům, a

- následně se výsledný keramicko-kovový kompozit obrobí, či se jinak provede jeho tvarová a povrchová úprava.

Geometrický tvar keramického segmentu 1 může být koule, válec, čtverec, obdélník, hexagon nebo jiný geometrický tvary, které dostatečně vyplňují 3D prostor licí formy 4.

Keramické segmenty 1 tvoří alespoň 30 % objemu výsledného kompozitu.

Relativní porozita keramických segmentů 1 je v rozmezí od 0 do 15 %.

Keramické segmenty 1 mohou být vyrobeny buď z oxidů, např. AI2O3, ZrCh, MgO, CaO, atd., karbidů, např. B₄C, SiC, TiC, WC, TiB₂, atd., nitridů, např. BN, SÍ3N4, TiN, A1N, atd. nebo jejich kombinací, např. kompozity, tuhé roztoky, atd.

Pokrytí tenkou kovovou vrstvou 2 se provede například pomocí kartáčování, sprej ování, nebo tryskáním kovovými broky. Kartáčování může být prováděno ocelovými drátěnými kartáči.

Pokrytí odolnou kovovou vrstvou 3 se provede například pomocí chemického či galvanické pokovení, plazmatickým pokovením atd.

Odolná kovová vrstva 3 tvořící vnější povrch keramických segmentů 1 je dostatečně chemicky i fyzikálně odolná, aby zajistila dostatečnou adhezi matrice až do jejího ztuhnutí.

Odolná kovová vrstva 3 má teplotu tavení vyšší, než je teplota roztaveného kovu matrice 5. Např. nikl má teplotu tavení 1455 °C, zatímco teplota slévání čistého hliníku je kolem 700 °C a jeho slitiny ještě nižší.

Odolnou kovovou vrstvou 3 může být čistý kov i slitina, např. Ni, Cu, Zn, Cr, P atd.

Roztavená kovová matrice 5 má kontaktní úhel s odolnou kovovou vrstvou 3 nižší než 90°. Vnější povrchová vrstva C je tedy vůči roztavenému kovu matrice D smáčivá.

-3CZ 2019 - 201 A3

Kovovou matricí 5 může být čistý kov i slitina, např. Al, Mg, Ti, Cu, Si, Mn, atd.

Ochlazení licí formy 4 je buď řízené, nebo volné, s poklesem teploty cca 1-10 °C/min.

Způsob podle vynálezu je dosaženo lepší smáčivosti, tj. menšího kontaktního úhlu, vnějšího povrchu segmentů a roztaveného kovu matrice. Rovněž je odstraněna nutnost použití tlakového lití či mechanického tváření keramicko-kovového kompozitu a s tím související vysoké finanční náklady.

Použití způsobu podle vynálezu je hlavně ve vojenských aplikacích, jako balisticky odolný materiál s dlouhou životností bez poklesu úrovně ochrany, a to i v náročných klimatických podmínkách.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Způsob výroby keramicko-kovového kompozitu, vyznačující se tím, že

- keramické segmenty (1) se očistí a odmastí;

- následně se pokryjí tenkou kovovou vrstvou (2);

- následně se pokryjí odolnou kovovou vrstvou (3);

- následně se z keramických segmentů (1) sestaví požadované uspořádání výsledného kompozitu ve vhodné licí formě (4);

- která se předehřeje a v ochranné atmosféře následně zalije roztaveným kovem (5), jež tvon kovovou matrici;

- následně se licí forma (4) pozvolně ochladí; a

- následně se výsledný keramicko-kovový kompozit obrobí, či se jinak provede jeho tvarová a povrchová úprava.
2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že geometrický tvar keramického segmentu (1) je koule, válec, hranol nebo jejich kombinace.
3. Způsob podle některého z výše uvedených nároků, vyznačující se tím, že relativní porozita keramických segmentů (1) je v rozmezí od 0 do 15 %.
4. Způsob podle některého z výše uvedených nároků, vyznačující se tím, že keramické segmenty (1) jsou vyrobeny z oxidů, např. AI2O3, ZrCL, MgO, CaO, karbidů, např. B4C, SiC, TiC, WC, T1B2, nitridů, např. BN, SÍ3N4, TiN, A1N, boridů, např. T1B2, nebo jejich kombinací.
5. Způsob podle některého zvýše uvedených nároků, vyznačující se tím, že pokrytí tenkou kovovou vrstvou (2) se provede pomocí kartáčování, sprej ování, nebo tryskáním kovovými broky.
6. Způsob podle některého zvýše uvedených nároků, vyznačující se tím, že tenká kovová vrstva (2) je čistý kov nebo slitina, např. Fe, Sn, Cu, Zn.

-4CZ 2019 - 201 A3
7. Způsob podle některého z výše uvedených nároků, vyznačující se tím, že pokrytí odolnou kovovou vrstvou (3) se provede pomocí chemického, galvanické nebo plazmatického pokovení či sprej ování.
8. Způsob podle některého zvýše uvedených nároků, vyznačující se tím, že odolná kovová vrstva (3) má teplotu tavení vyšší, než je teplota roztaveného kovu matrice (5).
9. Způsob podle některého z výše uvedených nároků, vyznačující se tím, že odolná kovovou vrstvou (3) je čistý kov nebo slitina, např. Ni, Cu, Zn, Cr, P.
10. Způsob podle některého zvýše uvedených nároků, vyznačující se tím, že kovovou matricí (5) je čistý kov nebo slitina, např. AI, Mg, Ti, Cu, Si, Mn.
11. Způsob podle některého zvýše uvedených nároků, vyznačující se tím, že ochlazení licí formy (4) je řízené, nebo volné, s poklesem teploty cca 1-10 °C/min.
12. Způsob podle některého zvýše uvedených nároků, vyznačující se tím, že kovovou matricí (5) je čistý kov nebo slitina, např. AI, Mg, Ti, Cu, Si, Mn.
13. Keramicko-kovový kompozit vyrobený způsobem podle některého z nároků 1 až 12.