CZ284399B6

CZ284399B6 - Způsob výroby kompozitu s kovovou matricí

Info

Publication number: CZ284399B6
Application number: CS883220A
Authority: CZ
Inventors: Danny Ray White; Andrew Willard Urquhart; Michael Kevork Aghajanian; Dave Kenneth Creber
Original assignee: Lanxide Technology Company, Lp
Priority date: 1987-05-13
Filing date: 1988-05-12
Publication date: 1998-11-11
Also published as: IL86261A; CN1030445A; DE3850523T2; NO882093L; PH24832A; HU205051B; EP0291441B1; CZ322088A3; BR8802298A; IN169576B; JPS6452040A; DE3850523D1; IL86261A0; RO101345B; CA1321905C; EP0291441A1; IE64263B1; FI91087B; MX166353B; KR880013690A

Abstract

Způsob výroby kompozitu s kovovou matricí se provádí tak, že se připraví hliníková slitina obsahující hliník a alespoń 1 % hmotnostní hořčíku, a prostupná hmota keramického výplňového materiálu; v přítomnosti plynu, obsahujícího 10 % až 100 % objemových dusíku, přičemž zbytek tvoří neoxidační plyn, se hliníková slitina v roztaveném stavu při teplotě v rozsahu od 700.degree.C do 1200.degree.C uvede do styku s prostupnou hmotou keramického výplňového materiálu, roztavená hliníková slitina se infiltruje do prostupné hmoty, přičemž infiltrace do prostupné hmoty nastává spontánně, a roztavená hliníková slitina se nechá ztuhnout pro vytvoření pevné kovové matricové struktury, která tento keramický výplňový materiál uzavírá.ŕ

Description

Vynález se týká způsobu výroby kompozitu s kovovou matricí spontánní infiltrací roztaveného kovu, zejména roztavené hliníkové slitiny, v přítomnosti dusíku do propustné keramické hmoty keramického výplňového materiálu.

Dosavadní stav techniky

Kompozitní produkty, které obsahují kovovou matrici azpevňovací nebo vyztužovací fázi, jako jsou keramická zrna, drátky, vlákna a podobně, jsou velice slibné pro řadu aplikací, protože je v nich kombinována pevnost a tvrdost zpevňovací fáze s duktilitou a houževnatostí kovové matrice. Kompozity s kovovou matricí mají obecně zlepšené vlastnosti jako je pevnost, tuhost, odolnost proti opotřebení a pevnost při zvýšených teplotách oproti matricovému kovu, avšak stupeň, do kterého lze kteroukoliv z těchto vlastností zlepšit, závisí do značné míry na určitých složkách, jejich objemovém nebo hmotnostním procentu a na tom, jak jsou zpracovávány při tváření kompozitu. V některých případech může mít kompozit menší hmotnost. Kompozity s hliníkovou matricí, vyztužené keramickými látkami, jako je karbid křemíku v zrnité, destičkové nebo vláknité formě, jsou zajímavé zejména pro svou velkou tuhost, odolnost proti opotřebení a pevnost při vy sokých teplotách oproti hliníku.

Pro výrobu hliníkových matricových kompozitů byla popsána řada metalurgických postupů, počínaje způsoby založenými na technice práškové metalurgie a konče infiltrací tekutého kovu, například při lití pod tlakem. V technice práškové metalurgie se kov ve formě prášku a vyztužovací materiál ve formě prášku, vláken, střiže apod., smíchá dohromady a směs se potom buď lisuje za studená a slinuje, nebo lisuje za horka. Uvádí se, že maximální podíl keramické frakce v kompozitech s hliníkovou matricí, vyztužených karbidem křemíku a vyrobených tímto způsobem, je 25 % objemu v případě vláken a 40 % objemu v případě částic.

Způsob výroby kompozitů s kovovou matricí práškovou metalurgií, prováděnou běžným způsobem, má určitá omezení, týkající se charakteristiky vyráběných předmětů. Objemový podíl keramické fáze v kompozitu je typicky omezen asi na 40 %. I lisovací operace představuje určité meze, pokud jde o praktické rozměry výlisku. Bez následujícího dalšího opracování, například tváření nebo strojního obrábění, a bez použití složitých lisů lze vyrobit jenom poměrně jednoduché tvary předmětů. Mimoto může dojít při slinování k nestejnoměrnému smrštění a může vzniknout nestejnoměrná mikrostruktura v důsledku segregace složek ve xýlisku a v důsledku růstu zrn.

V americkém pat. spise č. 3 970 136 se popisuje způsob tváření kompozitů s kovovou matricí, obsahující vláknitou výztuž, například vlákna z karbidu křemíku nebo z oxidu hlinitého, kde vlákna mají předem stanovenou orientaci. Kompozit se vyrábí tak, že rohože nebo plstě z koplanámích vláken se uloží rovnoběžně do formy společně se zásobou roztaveného matricového kovu, například hliníku, kde tato zásoba je umístěna alespoň mezi některými rohožemi. Potom se na tento celek působí tlakem, aby roztavený kov nuceně pronikl rohožemi a obklopil orientovaná vlákna. Roztavený kov se může odlévat na stoh rohoží a může být vtlačován pod tlakem mezi rohože. Uvádí se, že kompozit může obsahovat až 50 % objemu vyztužovacích vláken.

Popsaný způsob infiltrace, který je závislý na vnějším tlaku, jímž se protlačuje roztavený matricový kov stohem vláknitých rohoží, má tu nevýhodu, že jako všechny procesy, v nichž

- 1 CZ 284399 B6 proudění kovu nastává tlakem, je nepřesný, takže vznikající matrice může být nestejnoměrná, pórovitá apod. Nestejnoměmost vlastností takového kompozitu může vzniknout i přesto, že se roztavený kov může zavádět do soustavy vláknitých rohoží v několika místech. Proto je třeba, aby se k dosažení rovnoměrného vniknutí roztaveného kovu do vláknitých rohoží vytvořila složitá soustava rohoží a zásob roztaveného kovu, a aby vznikly spolehlivé a stejnoměrné dráhy proudění. Tlaková infiltrační metoda mimoto umožňuje pouze nízký objem vyztužovacího materiálu ve srovnání s objemem matrice, protože infiltrace velkého objemu rohoží roztaveným kovem je velice obtížná. K provádění tohoto způsobu musejí formy obsahovat roztavený kov pod tlakem, což rovněž přispívá k nákladům na celý postup. Uvedený způsob je omezen na infiltrování kovu mezi rovnoběžná vlákna a částice a netýká se tvorby kompozitů s hliníkovou kovovou matricí, vyztužených materiály ve formě náhodně orientovaných částic, vláken nebo střiže.

Při výrobě kompozitů s hliníkovou matricí, vyplněných aluminou, hliník nesnadno smáčí aluminu, takže je obtížné vyrobit soudržný produkt. K vyřešení tohoto problému bylo navrženo několik způsobů. Jeden z nich spočívá v tom, že se alumina povleče těkavým kovem, například niklem nebo wolframem, který se pak lisuje za horka společně s hliníkem. Podle jiného návrhu se hliník leguje lithiem a alumina se povleče oxidem křemičitým. Tyto kompozity však mají kolísavé vlastnosti, neboť buď uvedené povlaky degradují výplň, nebo matrice obsahuje lithium, které může ovlivnit vlastnosti kovu.

Podle amerického pat. spisu č. 4 232 091 se tyto dosavadní nedostatky při výrobě kompozitu z hliníkové matrice, obsahující aluminu, odstraňují tím, že se používá tlaku 7,5 až 37,5 MPa k tomu, aby se hliník nebo hliníková slitina protlačila do vláknité nebo střižové rohože z oxidu hlinitého, která byla předehřátá na 700 až 1050 °C. Maximální objemový poměr aluminy ke kovu ve výsledném výlisku byl 0,25/1. Pro svou závislost na vnější síle, potřebné k infiltraci základního kovu do rohože má tento způsob řadu stejných nedostatků jako způsob popsaný v uvedeném americkém pat. spise č. 3 970 136.

Zveřejněná evropská pat. přihláška č. 115,742 popisuje výrobu kompozitů z hliníku a oxidu hlinitého, vhodných zejména jako komponenty elektrolytických článků, při které se dutiny v předlisované matrici z oxidu hlinitého vyplňují roztaveným kovem. Zdůrazňuje se nesmáčitelnost oxidu hlinitého hliníkem a z toho důvodu se používá různých technologií ke smáčení aluminy v celém předlisku. Tak například se alumina povléká smáčecím prostředkem z diboridu titanu, zirkonia, hafnia nebo niobu, nebo kovem, například lithiem, hořčíkem, vápníkem titanem, chromém, železem, kobaltem, niklem, zirkoniem nebo hafniem. K. usnadněnému smáčení a infiltraci se používá netečné atmosféry, například argonové. Rovněž se uvádí použití tlaku, který přispívá ke vniknutí roztaveného kovu do nepovlečeného předlisku. V tomto případě se infiltrace provádí tak, že se póry předlisku evakuují a potom se na roztavený hliník působí tlakem v netečné atmosféře, například v argonu. Alternativně se do předlisku hliník infiltruje tak, že se do pórů ukládá ve formě plynné fáze, která smáčí povrch předlisku. jehož póry se pak vyplní infiltrací roztaveného hliníku. K. tomu, aby se hliník udržel v pórech předlisku, je nezbytné tepelné zpracování, například při teplotách 1400 až 1800°C buď ve vakuu, nebo v argonové atmosféře. Jinak se hliník uvolní z tělesa buď tím, že se na tlakově infiltrovaný materiál působí plynem, nebo že se uvolní tlak použitý k infiltrování.

Použití smáčecích prostředků za účelem infiltrace do aluminové složky v elektrolytickém článku s roztaveným kovem je rovněž popsáno ve zveřejněné evropské, pat. přihlášce č. 94 353. Popisuje se tam elektrolytická výroba hliníku v článku, který má jako napáječ katodovým proudem vložku nebo substrát. Aby byl tento substrát ochráněn proti účinkům roztaveného kryolytu. nanáší se na aluminový substrát tenký povlak ze směsi smáčecího činidla a látky potlačující rozpustnost, a to před spuštěním článku nebo při jeho ponoření do roztaveného hliníku, vznikajícího elektrolytickým procesem. Jako smáčecího činidla se použije titan, zirkonium, hafnium, křemík, hořčík, vanad, chrom, niob nebo vápník, přičemž jako nejvýhod nější se uvádí titan. Jako látky, potlačující rozpustnost smáčecích činidel v roztaveném hliníku, se použijí sloučeniny boru, uhlíku a dusíku. Tato přihláška však se netýká výroby kompozitů s kovovou matricí ani tváření takových kompozitů v atmosféře dusíku.

Kromě tlaku a smáčecích činidel bylo v patentové literatuře popsáno, že vakuum pomáhá při vnikání roztaveného hliníku do pórovitého keramického výlisku. Tak například americký pat. spis č. 3 718 441 popisuje infiltraci keramického výlisku, například karbidu boru, aluminy a oxidu beryllnatého roztaveným hliníkem, berylliem, hořčíkem, titanem, vanadem, niklem nebo chromém ve vakuu nižším než 133.10^-6 Pa. Při vakuu 133 χ 10‘² ž 133.10⁶ Pa docházelo jenom k nedokonalému smáčení keramiky roztaveným kovem do té míry, že kov nevtékal volně do prázdných dutinek keramiky. Údajně se však smáčivost zlepšila, když se vakuum snížilo na menší hodnotu než 133 χ 10'⁶ Pa.

Americký pat. spis č. 3 864 154 rovněž popisuje použití vakua k dosažení infiltrace výlisku kovem. V tomto spise se popisuje, že výlisek z práškového boridu hliníku A1B[₂, lisovaný za studená, se uloží na lože z práškového hliníku, lisované za studená. Na homí stranu výlisku se pak položí další hliník. Kelímek, do kterého je vložen výlisek z boridu hliníku mezi dvěma vrstvami práškového hliníku, se pak vloží do vakuové pece. Pec se vyčerpá přibližně na vakuum 133.HÚ Pa, aby se póry výlisku vyprázdnily. Teplota se pak zvýší na 1100 °C a udržuje na této hodnotě po dobu 3 hodiny. Za těchto podmínek vnikne roztavený hliník do pórovitého výlisku z boridu hliníku A1B₁₂.

Jak z uvedeného vyplývá, spočívá dosavadní stav techniky vtom, že k infiltraci roztaveného kovu do keramické hmoty se používá tlaku, vakua nebo smáčecích činidel. Žádná z uvedených citací nepopisuje ani nenavrhuje spontánní infiltraci roztavených hliníkových slitin do keramického materiálu při atmosférickém tlaku.

Podstata vynálezu

Uvedené nedostatky odstraňuje způsob výroby kompozitu s kovovou matricí, podle vynálezu, jehož podstatou je, že se (a) se připraví hliníková slitina, obsahující hliník a alespoň 1 % hmotnostní hořčíku, a prostupná hmota keramického výplňového materiálu, (b) v přítomnosti plynu, obsahujícího 10 % až 100 % objemových dusíku, přičemž zbytek tvoří neoxidační plyn, se hliníková slitina v roztaveném stavu při teplotě v rozsahu od 700 °C do 1200 °C uvede do styku s prostupnou hmotou keramického výplňového materiálu, roztavená hliníková slitina infiltruje do prostupné hmoty, přičemž infiltrace do prostupné hmoty nastává spontánně, a (c) roztavená hliníková slitina se nechá ztuhnout, pro vytvoření pevné kovové matricové struktury, která tento keramický výplňový materiál uzavírá.

Podle výhodného provedení je teplota roztavené hliníkové slitiny mezi 1100°C a 1200 °C, přičemž plyn sestává v podstatě z dusíku.

Podle dalšího výhodného provedení alespoň jeden keramický výplňový materiál sestává z alespoň jednoho materiálu, zvoleného ze skupiny obsahující oxid hliníku, karbid křemíku, oxid zirkonia, diborid titania, nitrid hliníku a z uhlíkového substrátu s keramickým pov lakem.

S výhodou plyn sestává v podstatě z dusíku.

S vý hodou plyn sestává z alespoň 50 % objemových dusíku, přičemž zbytek je argon nebo vodík. Podle výhodného provedení vynálezu obsahuje hliníková slitina alespoň 3 % hmotnostní hořčíku.

-3CZ 284399 B6

Podle dalšího výhodného provedení hliníková slitina dále obsahuje alespoň jeden přídavný legovací prvek, zvolený ze skupiny obsahující zinek, křemík, železo, měď, mangan a chrom.

S výhodou keramický výplňový materiál obsahuje oxid hlinitý a teplota roztavené hliníkové slitiny je až 1000 °C.

S výhodou keramický výplňový materiál obsahuje karbid křemíku a teplota roztavené hliníkové slitiny je až 1200 °C.

S výhodou keramický výplňový materiál sestává z uhlíkového substrátu a keramický povlak je tvořen uhlíkovými vlákny jako uhlíkový substrát.

Podle výhodného provedení vynálezu pro vytvoření kompozitu s kovovou matricí, nesoucího vrstvu nitridu hliníku na svém alespoň jednom povrchu nebo vedle něho, přičemž alespoň jeden povrch prostupné hmoty se vystaví působení plynu, se po infiltraci prostupné hmoty v kroku (b) až k tomuto povrchu hliníková slitina udržuje roztavená v přítomnosti plynu pro vytvoření nitridu hliníku na alespoň jednom povrchu infiltrované prostupné hmoty, načež se roztavená hliníková slitina nechá ztuhnout.

Podle dalšího výhodného provedení se pro zvýšení tloušťky vrstvy nitridu hliníku zvětší doba vystavení roztavené hliníkové slitiny působení plynu a/nebo se zvýší teplota roztavené hliníkové slitiny.

Podle výhodného provedení vynálezu je keramický výplňový materiál tvořen karbidem křemíku a hliníková slitina obsahuje alespoň 10 % hmotnostních křemíku.

Podle dalšího výhodného provedení obsahuje keramický výplňový materiál karbid křemíku a dále, před stykem s hliníkovou slitinou, se karbid křemíku nechá shořet na vzduchu pro vytvoření povlaku z oxidu křemičitého alespoň pro snížení tvorby karbidu hliníku při infiltraci.

A konečně podle ještě dalšího výhodného provedení je křemík přítomen v hliníkové slitině v množství dostatečném alespoň pro snížení tvorby karbidu hliníku v kompozitu s kovovou matricí.

++Předmětem vynálezu je tedy způsob výroby kompozitu s kovovou matricí infiltrací prostupné hmoty keramické výplně nebo keramikou povlečené výplně roztaveným hliníkem, který obsahuje alespoň l % hmotnosti hořčíku, a s výhodou alespoň 3 % hmotnosti hořčíku. Infiltrace probíhá spontánně bez vnějšího tlaku i bez vysokého vakua. Zásoba roztavené kovové slitiny se uvede do styku s prostupnou hmotou výplňového materiálu při teplotě alespoň 700 °C v přítomnosti plynu, který obsahuje od 10 do 100%, s výhodou alespoň 50% objemu dusíku, přičemž zbytek je neoxidační plyn, například argon. Za těchto podmínek infiltruje roztavená hliníková slitina do keramické prostupné hmoty při normálním atmosférickém tlaku a vytvoří kompozit s hliníkovou matricí. Jakmile požadované množství keramického materiálu bylo infiltrováno roztavenou slitinou, sníží se teplota, aby slitina ztuhla, čímž vznikne struktura s pevnou kovovou matricí, která uzavírá vyztužovací keramický výplňový materiál. Zpravidla a s výhodou je množství roztavené slitiny dostatečné velké, aby infiltrace probíhala až k hranicím keramické prostupné hmoty. Množství keramického výplňového materiálu v kompozitech s hliníkovou matricí, vyrobených způsobem podle vynálezu, může být velmi vysoké. Lze dokonce dosáhnout poměru keramického výplňového materiálu ke slitině většího než 1:1.

Podle jednoho z provedení vynálezu se zásoba roztavené hliníkové slitiny přivádí ke keramické prostupné hmotě tak, že těleso ze slitiny se položí vedle nebo do styku s propustným ložem keramického výplňového materiálu. Slitina a lože se pak vystaví působení plynu obsahujícího dusík při teplotě nad teplotou tavení slitiny, v nepřítomnosti tlaku a bez vakua, takže roztavená

-4CZ 284399 B6 slitina spontánně infiltruje do sousedního nebo obklopujícího lože. Při snížení teploty na hodnotu pod teplotou tavení slitiny vznikne pevná matrice z hliníkové slitiny, uzavírající keramický výplňový materiál. Je třeba rozumět, že pevné těleso z hliníkové slitiny se může uložit vedle prostupné hmoty výplně a kov se pak roztaví a infiltruje výplň, nebo se slitina může roztavit odděleně a potom nalít na prostupnou hmotu výplně.

Kompozity s hliníkovou matricí, vyrobené způsobem podle vynálezu, typicky obsahují v hliníkové matrici nitrid hliníku jako nespojitou fázi. Množství nitridu v hliníkové matrici kolísá v závislosti na takových činitelích, jako jsou volba teploty, složení slitiny, složení plynu a keramický výplňový materiál. Když se zvýšená teplota v nitridové atmosféře udržuje i po skončené infiltraci, může na obnažené ploše kompozitu vzniknout vrstva nitridu hliníku. Množství dispergovaného nitridu hliníku a hloubka nitridace po vnějších plochách se může měnit regulací teploty nebo jiných faktorů, což umožňuje upravit určité vlastnosti kompozitu podle požadavku na jejich použití nebo vytvořením kompozit s hliníkovou matricí as kůrou z nitridu hliníku, tvořící opotřebitelnou vrstvu.

Výraz zbytkem je neoxidační plyn znamená, že jakýkoliv plyn, který je přítomen kromě elementárního dusíku, je buď netečný plyn, nebo redukční plyn, který v podstatě nereaguje s hliníkem v procesních podmínkách podle vynálezu. Jakýkoliv oxidační plyn, tedy jiný plyn než dusík, který může být přítomen jako nečistota v použitých plynech, nestačí k oxidaci kovu do významného stupně.

Je třeba rozumět, že termín keramika”, keramický materiál, keramická výplň nebo keramický výplňový materiál zahrnuji samotné keramické výplně, jako jsou vlákna z oxidu hlinitého nebo karbidu křemíku, nebo látky povlečené keramickým povlakem, například uhlíková vlákna povlečená oxidem hlinitým nebo karbidem křemíku, kde povlak chrání uhlík proti roztavenému kovu. Dále je třeba rozumět, že hliníkem používaným při způsobu podle vynálezu, může být v podstatě čistý nebo komerčně čistý hliník legovaný hořčíkem, nebo může být hliník legován jinými přísadami, jako jsou železo, křemík, měď. mangan, chrom a podobně.

Přehled obrázků na vvkresech

Vynález bude vysvětlen s odkazem na výkresy, kde obr. 1 je mikrofotografie při 400 násobném zvětšení kompozitu s hliníkovou matricí, vyztuženého oxidem hlinitým, vyrobeného při teplotě 850 °C v podstatě způsobem podle příkladu 3, obr. 2 mikrofotografie při 400 násobném zvětšení kompozitu s hliníkovou matricí, vyztuženého oxidem hlinitým a vyrobeného v podstatě podle příkladu 3a), avšak při teplotě 900 °C během 24 hodin a obr. 3 mikrofotografie pořízené při 400 násobném zvětšení kompozitu s hliníkovou matricí vyztuženého oxidem hlinitým, vyrobeného v podstatě způsobem podle příkladu 3b). avšak s poněkud hrubšími částicemi aluminy, tedy 90 mesh oproti 220 mesh, a při teplotě 1000 °C a době zahřívání 20 hodin.

Příklady provedení vynálezu

Způsobem podle vynálezu se slitina hliníku s hořčíkem v roztaveném stavu uvede do styku nebo položí na povrch prostupné hmoty keramického výplňového materiálu, například keramických částic, drátků nebo vláken, v přítomnosti plynu, obsahujícího dusík, a roztavená hliníková slitina spontánně a postupně infiltruje propustnou keramickou hmotou. Míra spontánní infiltrace a tvorby kovové matrice se mění s pracovními podmínkami, jak bude ještě podrobněji vysvětleno. Spontánní infiltrací slitiny do keramiky vznikne kompozitní produkt, v němž hliníková slitinová matrice uzavírá keramický výplňový materiál.

- 5 CZ 284399 B6

Jak je uvedeno v patentu US 4 713 360, nitrid hliníku vzniká na volné ploše roztaveného tělesa z hliníkové slitiny a roste z této plochy, když je slitina vystavena působení nitridační atmosféry, například formovacího plynu, což je směs 96 % objemu dusíku a 4 % objemu vodíku. Z patentu US 4 851 375, který odpovídá patentu CZ 271 322, je známé, že matricová struktura z propojených krystalků nitridu hliníku vzniká v pórovité hmotě částic keramické výplně, prosycených formovacím plynem, když se prostupná hmota výplně uvede do styku s roztavenou hliníkovou slitinou. Bylo proto překvapující, že v nitridační atmosféře infiltruje roztavená slitina hliníku a hořčíku spontánně do prostupné hmoty keramického výplňového materiálu a vytvoří kompozit s kovovou matricí.

V podmínkách způsobu podle vynálezu musí být keramické těleso nebo keramická hmota dostatečně prostupná, aby jí mohl procházet plynný dusík a přijít do styku s roztaveným kovem, a aby keramikou mohl infiltrovat roztavený kov, takže keramický materiál, prosycený dusíkem, je spontánně prostupován roztavenou hliníkovou slitinou, čímž vznikne kompozit s hliníkovou matricí. Míra spontánní infiltrace a tvorby kovové matrice se mění s danou soustavou pracovních podmínek, to znamená s obsahem hořčíku v hliníkové slitině, s přítomností dalších legovacích prvků, s velikostí, povrchovým stavem a typem výplňového keramického materiálu, s koncentrací dusíku v plynu, s dobou a s teplotou. Pro spontánní infiltraci roztaveného hliníku musí být hliník legován alespoň 1 %, as výhodou alespoň 3 % hořčíku, vztaženo na hmotnost slitinu. Slitina může obsahovat jeden nebo několik pomocných legovacích prvků, například křemík, zinek nebo železo, které mohou ovlivnit minimální množství hořčíku, které musí obsahovat slitina. Je známé, že určité prvky se mohou vypařovat z roztaveného hliníku, což závisí na době a teplotě: během postupu podle vynálezu může tedy dojít k vypařování hořčíku i zinku. Z toho důvodu je žádoucí, aby se použilo slitiny, která obsahuje zpočátku alespoň 1 % hmotnostní hořčíku. Postup se provádí za přítomnosti dusíkové atmosféry, která obsahuje alespoň 10% objemu dusíku, přičemž zbytek atmosféry je neoxidační plyn, který nevyvolává oxidaci v pracovních podmínkách podle vynálezu. Po úplné infiltraci roztavené slitiny do keramické hmoty se kov nechá ztuhnout, například ochlazením dusíkové atmosféry, čímž vznikne tuhá kovová matrice, uzavírající keramický výplňový materiál. Protože slitina hliníku a hořčíku smáčí keramiku, vznikne mezi kovem a keramikou spolehlivá vazba, což přináší zlepšené vlastnosti kompozitu.

Minimální obsah hořčíku v hliníkové slitině, nezbytný k výrobě kompozitu s kovovou matricí vyplňující keramiku, závisí na jedné nebo několika proměnných veličinách, jako je provozní teplota, doba, přítomnost pomocných legovacích prvků, jako je křemík nebo zinek, charakter keramického výplňového materiálu a obsah dusíku v plynném proudu. Když se zvýší obsah hořčíku ve slitině, lze použít nižších teplot nebo kratšího zahřívání. Při daném obsahu hořčíku umožňuje přidání určitých pomocných legovacích prvků, jako je zinek, použití nižších teplot. Tak například lze použít obsahu hořčíku na dolním konci pracovního rozmezí, tedy od 1 do 3 % hmotnostních, ve spojení nejméně s jednou z následujících veličin: vyšší než minimální pracovní teplota, vy soká koncentrace dusíku a jeden nebo několik pomocných legovacích prvků. Slitiny obsahující 3 až 5 % hmotnostních hořčíku jsou výhodné pro svou obecnou použitelnost v širokém rozmezí pracovních podmínek, přičemž přednost se dává obsahu alespoň 5 % hmotnostních, má-li se použít nižších teplot a kratších dob zpracování. Ke snížení teplot potřebných pro infiltraci lze použít obsahu hořčíku převyšujícího asi 10% hmotnostních v hliníkové slitině. Obsah hořčíku lze naopak snížit ve spojení s pomocným legovacím prvkem, avšak takové prvky mají pouze pomocnou funkci a používají se se shora uvedeným množstvím hořčíku. Tak například nedošlo v podstatě vůbec k infiltraci čistého hliníku, legovaného pouze 10 % hmotnostních křemíku, při teplotě 1000 °C do lože karbidu křemíku o čistotě 99 % a velikostí částic 500 mesh.

Použití jednoho nebo několika pomocných legovacích prvků a koncentrace dusíku v okolním plynu má rovněž vliv na stupeň nitridace slitinové matrice při dané teplotě. Když se například zvýší koncentrace pomocného legovacího prvku jako, je zinek nebo železo, ve slitině, lze toho

-6CZ 284399 B6 využít ke snížení teploty infiltrace a tedy ke zmenšení tvorby nitridu, zatímco zvýšení koncentrace dusíku v plynu podporuje tvorbu nitridu.

Koncentrace hořčíku ve slitině má rovněž vliv na stupeň infiltrace při dané teplotě. Z toho důvodu je nej výhodnější, aby slitina obsahovala alespoň 3 % hmotnostní hořčíku. Nižší obsah hořčíku, například 1% hmotnostní, vyžaduje vyšší pracovní teplotu nebo pomocný legovací prvek, aby došlo k infiltraci. Teplota, potřebná k dosažení spontánní infiltrace podle vynálezu, může být nižší, když se zvýší obsah hořčíku ve slitině, například alespoň na 5 % hmotnostních, nebo když slitina obsahuje další legovací prvek, jako je zinek nebo železo. Teplota může být rovněž různá podle odlišných keramických materiálů. Obecně dochází ke spontánní a postupné infiltraci při pracovní teplotě alespoň 700 °C a s výhodou při teplotě kolem 800 °C Zdá se, že teploty převyšující 1200 °C nepůsobí nijak blahodárně, takže obzvláště výhodné teplotní rozmezí leží mezi 800 a 1200 °C.

Podle vynálezu se roztavená hliníková slitina přivádí do styku s prostupovou hmotou keramického výplňového materiálu v přítomnosti plynu, obsahujícího dusík, přičemž tato přítomnost je nezbytná pro celou dobu potřebnou k infiltraci. Provádí se to tak, že se spojitý proud plynu udržuje ve styku s keramickým materiálem a s roztavenou hliníkovou slitinou. Třebaže průtočné množství plynu, obsahujícího dusík, není kritické, je výhodné, aby bylo dostatečně velké ke kompenzaci případných ztrát dusíku z atmosféry, ke kterým dochází tvorbou nitridu ve slitinové matrici, a také z toho důvodu, aby se zabránilo vniknutí vzduchu, který by měl na roztavený kov oxidační účinek.

Jak bylo uvedeno, obsahuje dusíkatý plyn alespoň asi 10% objemu dusíku. Bylo zjištěno, že koncentrace dusíku může ovlivnit rychlost infiltrace. Doby potřebné k dosažení požadované infiltrace se prodlužují se snižující se koncentrací dusíku. Jak ukazuje Tabulka 1 pro příklady 5 až 7, doba potřebná k infiltraci aluminy roztavenou hliníkovou slitinou, která obsahovala 5 % hmotnostních hořčíku a 5 % hmotnostních křemíku, při 1000 °C se zvýšila, když se koncentrace dusíku snížila. Při použití plynu obsahujícího 50 % objemu dusíku byla infiltrace skončena během 5 hodin. Tato doba se prodloužila na 24 hodin, když plyn obsahoval 30 % objemu dusíku, a na 72 hodin s plynem obsahujícím pouze 10% objemu dusíku. Přednostně obsahuje plyn v podstatě 100 % objemu dusíku. Koncentrace dusíku na dolním konci použitelného rozmezí, to znamená menší než 30 % objemu, jsou obecně méně výhodné, protože k infiltraci je potřeba dlouhé doby zahřívání.

Způsob podle vynálezu je použitelný pro nejrůznější keramické materiály a volba výplňového materiálu závisí na takových činitelích, jako je hliníková slitina, pracovní podmínky, reaktivita roztaveného hliníku s výplňovým materiálem a vlastnosti, kterých se má dosáhnout ve výsledném kompozitním produktu. Tyto materiály zahrnují oxidy, například oxid hlinitý, hořečnatý', titaničitý', zirkoničitý ahafničitý, dále karbidy, například karbid křemíku a titanu, boridy, například diborit titanu a dodekaborid hliníku a nitridy, například nitrid hliníku, křemíky a zirkonia. Když má výplňový materiál snahu reagovat s roztavenou hliníkovou slitinou, lze tomu zabránit krácením doby infiltrace na minimum a snížením teploty nebo vytvořením nereaktivního povlaku na výplňovém materiálu. Výplňový materiál může sestávat ze substrátu, například z uhlíku nebo jiného nekeramického materiálu, který má keramický povlak, jenž jej chrání proti poškození nebo degradaci. Mezi vhodné keramické povlaky patří oxidy, karbidy, boridy a nitridy. Mezi keramické látky, kterým se dává podle vynálezu přednost, patří oxid hlinitý a karbid křemíku ve formě částic, destiček, drátků nebo vláken. Vlákna mohou být nespojitá, tedy střižová, nebo spojité vláknité útvary, například monofilní pramence. Keramická hmota nebo předlisek může být homogenní nebo heterogenní.

Karbid křemíku reaguje s roztaveným hliníkem na karbid hliníku, a použije-li se jako výplně karbidu křemíku, je žádoucí zabránit této reakci. Karbid hliníku je náchylný k vlhkosti, což případně kompozit zeslabuje. K omezení nebo znemožnění této reakce se karbid křemíku -7 CZ 284399 B6 předběžně vypaluje ve vzduchu, aby na něm vznikl reaktivní povlak z oxidu křemičitého, nebo se hliníková slitina dále leguje křemíkem, nebo se použije obou opatření. V obou případech je účelem zvýšit obsah křemíku ve slitině, aby se znemožnila tvorba karbidu hliníku. Podobných způsobů lze užít ke znemožnění nežádoucích reakcí s jinými výplňovými materiály.

Rozměr a tvar keramického materiálu může být libovolný podle toho, jakých vlastností se má dosáhnout ve vyráběném kompozitu. Keramický materiál může být ve formě částic, drátků, destiček nebo vláken, protože infiltrace není omezena tvarem výplňového materiálu. Ani rozměr materiálu infiltraci neomezuje, třebaže pro úplnou infiltraci propustné hmoty, sestávající z malých částic, může být třeba vyšší teplota nebo delší doba zahřívání než pro infiltraci velkých částic. Hmota keramického materiálu, kterou infiltruje roztavený kov, musí být propustná pro roztavené hliníkové slitiny a pro plyny, obsahující dusík. Keramický materiál může mít svou sypnou hustotu nebo může být stlačen na vyšší hustotu.

Způsob podle vynálezu, který není závislý na použití tlaku ke vpravení roztaveného kovu do prostupné hmoty keramického materiálu, umožňuje výrobu stejnoměrných kompozitů z hliníkové slitinové matrice, které mají vysoký objemový poměr keramického materiálu a nízkou pórovitost. Použije-li se prostupné hmoty keramického materiálu s malou pórovitostí. lze vyrobit kompozity, které mají vyšší objemový poměr keramického materiálu. Takových kompozitů s vysokým objemovým poměrem keramického materiálu lze dosáhnout i tím, že se keramická prostupná hmota slisuje pod tlakem, ovšem za předpokladu, že se nepřemění ani na výlisek s uzavřenými póry ani na úplně kompaktní strukturu, která by znemožnila infiltraci roztavené slitiny.

Bylo pozorováno, že při infiltraci hliníku a tvorbě matrice pro danou slitinu hliníku a keramickou výplň je hlavním mechanismem infiltrace smáčení keramiky hliníkovou slitinou. Při nízkých pracovních teplotách dochází k minimálnímu nitridování kovu, takže v kovové matrici je dispergováno minimální množství nespojité fáze z nitridu hliníku. Při přibližování k horní hranici teplotního rozmezí je nitridace kovu vyšší. Množství nitridu v kovové matrici lze tedy regulovat změnou pracovní teploty. Pracovní teplota, při které je tvorba nitridu více patrná, se rovněž mění v závislosti na takových faktorech, jako je použitá hliníková slitina a její množství oproti objemu keramické výplně, infiltrovaný keramicky materiál a koncentrace dusíku v plynu. Tak například tvorba nitridu hliníku při dané pracovní teplotě se zvyšuje s tím, jak se snižuje schopnost slitiny smáčet keramickou výplň a jak vzrůstá koncentrace dusíku v plynu.

Složení kovové matrice během tvorby kompozitu lze tedy ovlivnit tak. aby se výslednému produktu dodaly určité vlastnosti. V dané soustavě lze například regulovat tvorbu nitridu pracovní teplotou. Kompozitní produkt, který obsahuje nitrid hliníku, může mít určité vlastnosti, které mohou příznivě ovlivňovat jeho provozní vlastnosti. Teplotní rozmezí pro spontánní infiltraci hliníkové slitiny se může měnit s použitým keramickým materiálem. V případě aluminy jako výplňového materiálu nemá teplota infiltrace převy šovat asi 1000 'C. aby se tažnost matrice nesnížila v důsledku příliš značné tvorby nitridu. Teplot převyšujících 1000 ³C lze však použít tehdy, má-li se vyrobit kompozit s méné tažnou a tužší matricí. K infiltraci jiných keramických látek, například karbidu křemíku, lze použít vyšších teplot kolem 1200 ³C. protože k nitridaci hliníkové slitiny dochází v menší míře, ve srovnání s použitím aluminy jako výplně.

Podle jiného provedení vynálezu je kompozit opatřeny kůrou nebo povrchem nitridu hliníku. Obecně musí množství slitiny stačit ktomu, aby infiltrovala v podstatě do celého lože keramického materiálu, tedy až k definovaným hranicím. Když se však zásoba roztavené slitiny spotřebuje dřív, než došlo k infiltraci celého lože nebo předlisku z výplně a když se teplota nesníží tak, aby slitina ztuhla, může se na vnějších plochách nebo podél vnějších ploch kompozitu vytvořit vrstva nitridu hliníku, a to následkem nitridace povrchových oblastí infiltrující fronty hliníkové slitiny. Ta část lože, která není uzavřena matricí, se snadno odstraní například otryskáváním. Na povrchu lože nebo předlisku, infiltrovaného až k mezním plochám, se může vytvořit nitridová kůra tím, že se prodlouží pracovní podmínky. Například se otevřená

-8CZ 284399 B6 nádoba, která není smáčena roztavenou hliníkovou slitinou, vyplní propustnou keramickou výplní, na jejíž horní plochu může působit plynný dusík. Při infiltraci kovu do lože až ke stěnám nádoby a k horní straně se roztavený hliník na ploše vystavené dusíku nitriduje, pokračuje-li se v ohřevu a v průtoku plynného dusíku. Stupeň nitridace lze regulovat a nitrid může vznikat buď jako spojitá fáze, nebo jako nespojitá fáze v kůře. Následkem toho je možné přizpůsobit kompozit pro určité aplikace tím, že se reguluje stupeň tvorby nitridu na povrchu kompozitu. Například lze vyrobit kompozity s hliníkovou matricí, které nemají povrchovou vrstvu z nitridu hliníku, jež má zvýšenou odolnost proti otěru oproti kovové matrici.

Jak dokládají následující příklady, infiltrují roztavené slitiny hliníku a hořčíku spontánně do prostupné hmoty keramického výplňového materiálu proto, že smáčejí keramický materiál, prosycený plynným dusíkem. Do hliníkových slitin lze přidat pomocné legovací prvky, jako je křemík a zinek, aby bylo možno použít nižších teplot a nižších koncentrací hořčíku. Slitiny hliníku a hořčíku, které obsahují 10 až 20 % hmotnostních i více křemíku, jsou výhodné k infiltraci nevypalovaného karbidu křemíku, protože křemík snižuje reakci roztavené slitiny s karbidem křemíku, při kterém vzniká karbid hliníku. Hliníkové slitiny mohou podle vynálezu obsahovat různé jiné legovací prvky, které dodávají slitinové matrici požadované mechanické a fyzikální vlastnosti. Do slitin lze například přidávat měď, čímž vznikne matrice, jež se dá tepelně zpracovávat ke zvýšení tvrdosti a pevnosti.

Příklad 1 až 10

Tyto příklady dokládají tvorbu kompozitů s hliníkovou slitinovou matricí s použitím různých kombinací slitin hliníku a hořčíku, aluminy. plynů obsahujících dusík, teploty a doby. Tyto kombinace jsou uvedeny souborně v Tabulce I.

V příkladech 1 až 9 byly slitiny hliníku a hořčíku, obsahující nejméně 1 % hmotnostní hořčíku a jeden nebo několik pomocných legovacích prvků, odlity v roztaveném stavu na povrch prostupné hmoty volných aluminových částic, přičemž pevné těleso ze slitiny bylo uvedeno do styku se hmotou aluminy . Částice aluminy byly uloženy v žárovzdomém kelímku a měly sypnou hustotu. Rozměr slitinového tělesa byl 2,5 x 5 x 1,3 cm. Slitina a keramický materiál pak byly zahřívány v přítomnosti plynu, obsahujícího dusík, který protékal v množství 200 až 300 cm³/min. Při pracovních podmínkách uvedených v Tabulce I infiltrovala roztavená slitina spontánně do lože aluminového materiálu s výjimkou příkladu 2, kde došlo jenom k částečné infiltraci. Bylo shledáno, že slitinová tělesa o hmotnosti 43 až 45 g zpravidla stačila pro úplnou infiltraci keramických hmot o hmotnosti 30 až 40 g.

Během infiltrace do aluminové výplně může vzniknout ve slitinové matrici nitrid hliníku, jak již bylo uvedeno. Stupeň tvorby nitridu hliníku lze určit přírůstkem hmotnosti slitiny, to znamená zvýšením hmotnosti slitiny oproti množství slitiny, použité k infiltraci. Také může dojít k poklesu hmotnosti, a to vypařováním hořčíku nebo zinku, což je převážně závislé na trvání postupu a na teplotě. Takové vypařování se neměří přímo a měření nitridace je nebralo v úvahu. Teoretický procentový přírůstek hmotnosti může být až 52 %, vztaženo na úplnou konverzi hliníku na nitrid hliníku. Podle tohoto porovnávacího hlediska bylo zjištěno, že tvorba nitridu v matrici z hliníkové slitiny se zvyšovala se vzrůstající teplotou. Procentový hmotnostní přírůstek ve slitině podle příkladu 8, která obsahovala 5% hmotnostních Mg, 10 % hmotnostních Si a zbytek Al, byl při 1000 °C 10,7 %, jak uvádí Tabulka I, když se však v podstatě stejný pokus, neuvedený v Tabulce I, opakoval při teplotě 900 °C, byl procentový hmotnostní přírůstek 3,4 %. Podobné výsledky platí i pro příklad 14 Je tedy zřejmé, že složení matrice lze předem zvolit nebo přizpůsobit a tedy uzpůsobit vlastnosti kompozitu tím, že se pracuje v jistém teplotním rozmezí.

-9CZ 284399 B6

Kromě toho, že lze kompozity vyrobit infiltrací kovu do prostupných těles keramického zrnitého materiálu, je možné vyrobit kompozity infiltrací do textilních látek z vláknitého materiálu. Jak ukazuje příklad 10, byl váleček ze slitiny, obsahující 3 % hmotnostní hořčíku a zbytek hliník, který měl délku 2,2 cm, průměr 2,5 cm a hmotnost 29 g, obalen tkaninou, vyrobenou z vláken aluminy o hmotnosti 3,27 g. Soustava, sestávající ze slitiny a tkaniny, byla pak zahřívána v přítomnosti formovacího plynu. Slitina spontánně infiltrovala aluminovou tkaninu, čímž vznikl kompozitní produkt.

Aniž by bylo třeba se vázat na určitou teorii nebo vysvětlení, zdá se, že dusíková atmosféra indukuje spontánní infiltraci slitiny do prostupné hmoty keramického výplňového materiálu. Aby se doložila důležitost a význam dusíku, byl proveden kontrolní pokus, při kterém bylo použito plynu prostého dusíku. Jak ukazuje Tabulka I, byl kontrolní pokus 1 proveden stejným způsobem jako příklad 8 pouze s tím rozdílem, že byl použit plyn prostý dusíku. Bylo zjištěno, že roztavená hliníková slitina neinfiltrovala do aluminového lože.

Aby bylo možno určit objemový podíl keramické výplně, slitinové matrice a pórovitosti v kompozitu, byl proveden rozbor snímků z elektronového mikroskopu, zachycujících některé kompozity s matricí z hliníkové slitiny. Výsledky ukázaly, že objemový poměr keramické výplně ke slitinové matrici je typicky větší než 1 : 1. V příkladu 3 bylo například zjištěno, že kompozit obsahuje 60 % objemu aluminy. 39,7 % objemu slitinové matrice a 0,3 % objemu pórů.

Mikrofotografie z obr. 1 platí pro kompozit, vyrobený podle příkladu 3. Je zněj patrné, že aluminové částice 10 jsou uzavřeny v matrici 12 z hliníkové slitiny. Jak je patrné z fázových rozhraní, je mezi aluminovými částicemi a slitinou matrice těsný kontakt. K minimálnímu nitridování slitinové matrice docházelo při infiltraci při teplotě 850 °C, jak je patrné porovnáním s obr. 2 a 3. Množství nitridu v kovové matrici bylo potvrzeno rentgenovou difrakční analýzou, která měla větší vrcholy pro hliník a aluminu a pouze menší vrcholy pro nitrid hliníku.

Stupeň nitridace pro daný systém hliníkové slitiny keramického materiálu a nitridačního plynu se zvyšuje se vzrůstající teplotou pro daný pracovní interval. Při použití stejných parametrů, při kterých byl vyroben kompozit z obr. 1, avšak při teplotě 900 °C a době 24 hodin se stupeň nitridace podstatně zvýšil, jak je vidět z obr. 2. Tento pokus je uveden dále jako příklad 3a). Větší množství nitridu, které ukazují tmavěšedé plochy 14. je patrné srovnáním obr. 1 s obr. 2.

Bylo zjištěno, že vlastnosti kompozitu lze přizpůsobit požadavkům volbou ty pu a rozměru keramické výplně a volbou pracovních podmínek. Na důkaz toho byl vyroben ze slitiny a postupem podle příkladu 3 kompozit pouze s tím rozdílem, že postup probíhal při teplotě 1000 °C po dobu 24 hodin a aluminová výplň měla velikost 90 mesh místo 220 mesh. Hustota a modul pružnosti tohoto kompozitu je uveden v příkladu 3b).

příklad číslo teplota (°C)hustota g/cnť modul pružnosti (Gpa)

3a 900 3.06 154

3b 1000 3,13 184

Výsledky ukazují, že ke změně vlastností kompozitu lze volit keramickou výplň a pracovní podmínky. Oproti znázorněným výsledkům je modul pružnosti hliníku 70 GPa. Porovnání obr. 2 a 3 ukazuje také, že v příkladě 3b) byla koncentrace nitridu hliníku podstatně vyšší než v příkladě 3a). Třebaže rozměr částic výplně je v obou příkladech různý, předpokládá se, že větší koncentrace nitridu hliníku je důsledkem vyšší pracovní teploty a považuje se za hlavní příčiny vysokého modulu pružnosti kompozitu podle příkladu 3b). Modul pružnosti nitridu hliníku je

345 GPa.

- 10CZ 284399 B6

Tabulka I

Kompozity alumina - hliníková matrice

příklad číslo	kontrolní příklad číslo	složení hliníkové slitiny^a> (% hmotnostní)	velikost částic A1₂O₃	složení plynu (% objemová)	teplota infiltrace (°C)	doba infiltrace (hod)
1		3 Mg-5Si	220 mesh	formovací plyn^b)	1000	5
2		1 Mg-5Si	220 mesh	formovací plyn	1000	5
		3 Mg-5Si-6Zn	220 mesh	formovací plyn	850	18
4		5 Mg-5Si	220 mesh	formovací plyn	900	5
5		5 Mg-5Si	90 mesh	50/50 N₂/Ar	1000	5
6		5 Mg-5Si	90 mesh	30/70 N₂/Ar	1000	24
7		5 Mg-5Si	90 mesh	10/90 N₂/Ar	1000	72
8		5 Mg-lOSi	220 mesh	formovací plyn	1000	10
9		5 Mg-lOSi	220 mesh	n₂	1000	10
10		3 Mg	tkanina	formovací plyn	1100-1200	2
	1	5Mg-10Si	220 mesh	96/4 Ar/H₂	1000	10

^a) zbytek hliník ^b) 96 % N₂/4 % H₂

Příklady 11 až 21

Podle vynálezu lze použít i jiných keramických materiálů než je alumina. Jak ukazují příklady 11 až 21, shrnuté v Tabulce II, lze podle vynálezu vytvořit kompozity s hliníkovou matricí, zesílené karbidem křemíku. K výrobě těchto kompozitů lze použít různých kombinací hliníkových slitin s obsahem hořčíku, vyztužovacích výplňových materiálů tvořených karbidem křemíku, plynů s obsahem dusíku a pracovních teplot a časů. Bylo postupováno způsobem popsaným v příkladech 1 až 9 s tím rozdílem, že karbid křemíku nahradil aluminu. Průtočné množství plynu bylo 200 až 350cm7min. Při pracovních podmínkách, uvedených pro příklady 11 až 21 v Tabulce II, bylo zjištěno, že slitina spontánně infiltruje do hmoty karbidu křemíku.

Objemové poměry karbidu křemíku k hliníkové slitině v kompozitech, vyrobených podle těchto příkladů, byly typicky větší než 1:1. Analýza snímků z elektronového mikroskopu, pořízeného z produktu podle příkladu 13 například ukázala, že produkt obsahoval 57.4 % objemu karbidu křemíku, 40,5 % objemu kovu, tedy hliníkové slitiny a křemíku, a 2,1 % objemu pórů.

Obsah hořčíku ve slitině má na spontánní infiltraci veliký' vliv. V této souvislosti byly provedeny pokusy za podmínek, uvedených v kontrolních pokusech 2 a 3 v Tabulce II, aby se určil vliv nepřítomnosti hořčíku na schopnost spontánní infiltrace hliníkových slitin do karbidu křemíku. Při pracovních podmínkách, uvedených v těchto kontrolních pokusech, nedocházelo ke spontánní infiltraci, když slitina neobsahovala hořčík.

Důležitá je rovněž přítomnost plynného dusíku. K tomuto účelu byl proveden kontrolní pokus 4, při kterém bylo použito stejných pracovních podmínek jako v příkladu 17 pouze stím rozdílem, že se pracovalo s plynem prostým dusíku, tedy s argonem. Bylo zjištěno, že v tomto případě roztavená slitina neinfiltrovala do hmoty karbidu křemíku.

Jak je shora vysvětleno, může teplota ovlivnit stupeň nitridace, což bylo doloženo opakováním příkladu 14 při pěti různých teplotách. Tabulka II ukazuje postup podle příkladu 14, provedený při teplotě 800 °C, kdy hmotnostní přírůstek byl 1,8%. Když však byl pokus opakován při

- 11 CZ 284399 B6 teplotách 900 °C, 1000 °C a 1100 °C, byly hmotnostní přírůstky 2,5 %, 2,8 % a 3,5 %, přičemž při teplotě 1200 °C vzrostl hmotnostní přírůstek znatelně na 14,9%. Hmotnostní přírůstky při těchto pokusech byly nižší než v příkladech s aluminovou výplní.

Jako keramických výplňových materiálů v kompozitech podle vynálezu lze použít i různých jiných materiálů než je oxid hlinitý a karbid křemíku. Tyto materiály, k nimž patří zirkonium, nitrid hliníku a diborid titanu, jsou doloženy v příkladech 22 až 24.

Tabulka II

příklad číslo	kontrolní příklad číslo	složení hliníkové slitiny (% hmotnostních)	typ SiC	složení plynu	teplota (°C)	doba (hod)
11		3 Mg	částice 500 mesh^a,b)	formovací plyn	1000	24
12	-	3 Mg-10 Si	1» ·» ti	formovací plyn	1000	24
	2	čistý Al	1» Π I!	formovací plyn	1000	24
	3	10 Si	n n ii	formovací plyn	1000	24
13	—	3 Mg-15 Si	částice 500 mesh ^b)	formovací plyn	950	24
14	—	5 Mg-15 Si	částice 500 mesh ^a,b)	formovací plyn	800	10
15	—	5 Mg-15 Si	částice 500 mesh ^b>	formovací plyn	1000	10
16	—	5 Mg-15 Si	11 11 11	N,	1000	10
—	4	5 Mg-15 Si	11 11 1«	argon	1000	10
17	—	5 Mg-17 Si	H H H	formovací plyn	1000	10
18	-	1 Mg-3 Si	Μ 11 11	formovací plyn	1200	10
19	—	5 Mg-15 Si	volná vlákna 0,142 mm	formovací plyn	950	18
20	-	5 Mg-15 Si	drátky SiC^d)	formovací plyn	850	24
21	-	5Mg -15 Si	střižová vlákna SiC	formovací plyn	900	24

^a) předběžně vypálené při 1250 °C během 24 hodin ^b) SiC s čistotou 99 % ^d) v předlisku na loži ze ZrO₂ v kelímku z ABCh

Příklad 22

Hliníková slitina, obsahující 5 % hmotnostních hořčíku a 1 % hmotnostní křemíku byla roztavena ve styku s povrchem lože z částic oxidu zirkoničitého s velikostí 220 mesh, v atmosféře formovacího plynu při teplotě 90 °C. Za uvedených podmínek infiltrovala roztavená slitina spontánně do lože z oxidu zirkoničitého a vznikl kompozit s kovovou matricí.

Příklad 23

Postup popsaný v Příkladech 1 až 9 byl použit pro dva pokusy s tím rozdílem, že práškový nitrid hliníku se zrnitostí menší než 10 /um nahradil oxid hlinitý. Slitina a lože výplně byly zahřívány v atmosféře dusíku při teplotě 1200 °C po dobu 12 hodin. Slitina spontánně infiltrovala do lože z nitridu hliníku, čímž vznikl kompozit s kovovou matricí. Jak bylo určeno změřením procentového hmotnostního přírůstku, došlo k minimální tvorbě nitridu a současné k vynikající infiltraci kovu a tvorbě kovové matrice s použitím slitin hliníku, které obsahovaly 3 % hmotnostní Mg, případně 3% hmotnostní Mg a 10% hmotnostních Si. Jednotkové hmotnostní přírůstky byly 9,5 % a 6,9 %.

- 12CZ 284399 B6

Příklad 24

Byl opakován postup z Příkladu 23 s tím rozdílem, že práškový nitrid hliníku byl nahrazen práškovým diboridem titanu se střední velikostí částic 5 až 6 /um. Hliníkové slitiny stejného složení jako v Příkladě 23 spontánně infiltrovaly do prášku a vytvořily kovovou matrici, spojující prášek, přičemž ve slitině docházelo k minimální tvorbě nitridu. Jednotkové hmotnostní přírůstky byly 11,3% a 4,9% pro slitiny hliníku s obsahem 3% hmotnostní hořčíku, případně 3% hmotnostní hořčíku a 10 % hmotnostních křemíku.

Ve srovnání s běžnou technologií výroby kompozitů s kovovou matricí odstraňuje vynález jinak nezbytný tlak nebo vakuum, umožňuje výrobu kompozitů s hliníkovou matricí v širokém rozmezí obsahu keramických výplňových materiálů a s nízkou pórovitostí, a umožňuje výrobu kompozitů s předem požadovanými vlastnostmi.

Claims

1. Způsob výroby kompozitu s kovovou matricí, vyznačující se tím, že se (a) připraví hliníková slitina obsahující hliník a alespoň 1 % hmotnostní hořčíku, a prostupná hmota keramického výplňového materiálu, (b) v přítomnosti plynu, obsahujícího 10 % až 100 % objemových dusíku, přičemž zbytek tvoří neoxidační plyn, se hliníková slitina v roztaveném stavu při teplotě v rozsahu od 700 °C do 1200 °C uvede do styku s prostupnou hmotou keramického výplňového materiálu, roztavená hliníková slitina infiltruje do prostupné hmoty, přičemž infiltrace do prostupné hmoty nastává spontánně, a (c) roztavená hliníková slitina se nechá ztuhnout, pro vytvoření pevné kovové matricové struktury, která tento keramický výplňový materiál uzavírá.

2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že teplota roztavené hliníkové slitiny je mezi 1100 °C a 1200 °C, přičemž plyn sestává v podstatě z dusíku.

3. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že alespoň jeden keramický’ výplňový materiál sestává z alespoň jednoho materiálu, zvoleného ze skupiny obsahující oxid hliníku, karbid křemíku, oxid zirkonia, diborid titania, nitrid hliníku a z uhlíkového substrátu s keramickým povlakem.

4. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím. že plyn sestává v podstatě z dusíku.

5. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že plyn sestává z alespoň 50 % objemových dusíku, přičemž zbytek je argon nebo vodík.

6. Způsob podle nároku 5, vyznačující se tím, že hliníková slitina obsahuje alespoň 3 % hmotnostní hořčíku.

7. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že hliníková slitina dále obsahuje alespoň jeden přídavný legovací prvek zvolený ze skupiny obsahující zinek, křemík, železo, měď, mangan a chrom.

- 13CZ 284399 B6

8. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že keramický výplňový materiál obsahuje oxid hlinitý a že teplota roztavené hliníkové slitiny je až 1000 °C.

9. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že keramický výplňový materiál obsahuje karbid křemíku a že teplota roztavené hliníkové slitiny je až 1200 °C.

10. Způsob podle nároku 3, vyznačující se tím, že keramický výplňový materiál sestává z uhlíkového substrátu a že keramický povlak je tvořen uhlíkovými vlákny jako uhlíkový substrát.

11. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že pro vytvoření kompozitu s kovovou matricí nesoucího vrstvu nitridu hliníku na svém alespoň jednom povrchu nebo vedle něho, přičemž alespoň jeden povrch prostupné hmoty se vystaví působení plynu, se po infiltraci prostupné hmoty v kroku (b) až k tomuto povrchu hliníková slitina udržuje roztavená v přítomnosti plynu pro vytvoření nitridu hliníku na alespoň jednom povrchu infiltrované prostupné hmoty, načež se roztavená hliníková slitina nechá ztuhnout.

12. Způsob podle nároku 11, vyznačující se tím, že pro zvýšení tloušťky vrstvy nitridu hliníku se zvětší doba vystavení roztavené hliníkové slitiny působení plynu a/nebo se zvýší teplota roztavené hliníkové slitiny.

13. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že keramický výplňový materiál je tvořen karbidem křemíku a že hliníková slitina obsahuje alespoň 10 % hmotnostních křemíku.

14. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že keramický výplňový materiál obsahuje karbid křemíku a dále, před stykem s hliníkovou slitinou, se karbid křemíku nechá shořet na vzduchu pro vytvoření povlaku z oxidu křemičitého alespoň pro snížení tvorby karbidu hliníku při infiltraci.

15. Způsob podle nároků 13 nebo 14, vyznačující se tím, že křemík je přítomen v hliníkové slitině v množství dostatečném alespoň pro snížení tvorby karbidu hliníku v kompozitu s kovovou matricí.