CZ322088A3

CZ322088A3 - Způsob výroby kompozitu s kovovou matricí

Info

Publication number: CZ322088A3
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: 1998-08-12
Also published as: BG60257B2; BG60257B1; TW209880B; CZ284399B6; KR960008725B1; PT87466B; PL158056B1; YU46981B; FI882217A0; US4828008A; SU1838441A1; YU91688A; DK261288D0; CA1321905C; IE881434L; NO882093L; DE3850523T2; JPS6452040A; EP0291441B1; NO174973C

Description

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu výroby kompozitů 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 a zpevňovací 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,*7ÉuHóst“7 ďáolňost 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 vysokých 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 apody smíchá dohromady a směs se potom buá lisuje za studená a slinuje^ nebo lisuje za horka. Uvádí se, že maximální podíl keramické frakce v kompozitech s hliníkovou matricí, vyztuženěji karbidem křemíku a vyrobených tímto způsobem,, je 25 % objemu v případě vláken a 40 % objemu v případě částic.

vý byy *

Způsob(jtovo^ýohF-mat.rxcových- kompoz.itů|práškovou metalurgií, prováděnou běžným způsobem, má určitá omezení^ týkající se charakteristiky vyráběných předmětů. ObjemoVjjTpodíl keramické fáze v kdWpozitu 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 výlisku 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 vlákncu/z karbidu křemíku nebo z oxidu hlinitého, kde vlákna mají předem stanovenou orientaci. Kompozit se vyrábí tak, že rohože nebo plstě z koplanárních 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 roho že. Uvádí se, že kompozit může obsahovat až 50 % objemu vyztužovacích vláken.

......... i^.XQP^.aný.-Způsnb 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 proudění kovu nastává tlakem, je nepřesný, takže vznikající matrice může být nestejnoměrná, pórovitá apod. Nestejnoměrnost vlastností takového kompozitu může vzniknout i přesto, že se roztavený kov může zavádět do soustavy vláknitých rohoží v několika místech. Proto je třeba, aby/κ dosažení rovnoměrného vniknutí roztaveného kovu do vláknitých rohoží vytvořila složitá soustava rohoží a zásob roztaveného kovu,a aby vznikly spolehlivé a stejnoměrné dráhy proudění, Tla· ν' ková 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 celj/ postup, l/vedený 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. vyřešení tohoto proťQéwu 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, nebo^zfíoVtálcy degradují v^pltynebo matrice obsahuje lithium, které může ovlivnit vlastnosti kovu.

Podle amerického pat. spisu č. 4 232 091 se tyto dosavadní nedostatky při výrobě kompozitů z hliníkové matrice/obsahující aluminu/odstraňují tím, že se používá tlaku 7,5 až 37,5 Mpď^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,

pat. přihláška δ. 115.742 popisuje výrobu kompozitů z hliníku a oxidu hlinitého, vhodných zejména jako komponenty elektrolytických článků, při ičter-éřfc- se dutiny v předlisované matrici z oxidu hlinitého vyplňují roztaveným kovem. Zdůrazňuje se nesmáčitelnost oxidu hlinitého hliníkem ho důvodu se

používá různých technologií ke smáčení aluminy v celém předlisku.Taknapříklad 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 bučí ve vakuu nebo v argonové atmosféře# Jinak se hliník uvolní z tělesa bučí 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 taft# elektrolytická výroba hliníku v článku, který má jako napáječ proudem vložku nebo substrát. At^ íj^řtento substrát nllproti účinkům roztaveného kryolytu, nanáší se na aluminový substrát tenký povlak ze směsi smáčecí^^-činidla a látky potlačující rozpustnost, ajto před spuštěním článku nebo při jeho ponoření do roztaveného hliníku, vznikajícího elektrolytickým procesem. Jako smáčecíLí Činidla 3e 'fiádš^ř^titan, zirkonium, hafniutffc křemík, hořčík, vanad, chrom, niob nebo vápník, přičemž jako nejvjíiodnější se uvádí titan. Jako látkyy potlačující rozpustnost smáčecích činidel v roztaveném hliníku^ se/SSě/⁷’ 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

133.10 °Pa. Při vakuu 133 x 10 až 133.10 °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 x 10**^ Pa.

Americký pat. spis č. 3 864 154 rovněž popisuje použiti vakua k dosažení infiltrace výlisku kovem. V tomto spise se popisuje, že výlisek z práškového boridu filipiku A1Bj_2» lisovaný za studená, se uloží na lože z práškového hliníku, lisované za studená. Na horní 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 narlfXJTlO**⁵ Pa, aby se póry výlisku vyprázdnily. Te plota se pak zvýší na 1100 °C a udržuje na této hodnotě po hodiny. Za těchto podmínek vnikne roztavený hliník do pórovitého výlisku z boridu hliníku

Jak z uvedeného vyplývá, spočívá dosavadní stav techniky v tom, 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 (a) připraví hliníková slitina/ obsahující hliník a alespoň 1 % hmotnostní hořčíku/ a hmota keramického výplňového materiálu, (b) v 'přítomnosti plynuyobsahujícího 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 hmoturr>ýT^éáVěfil^hriniková šTitina infiltruje do prostupné hmoty, přičemž infiltrace do prostupné hmoty nastává spontánně, a ^c) roztavená hliníková slitina se nechá ztuhnout pevn^ů kovov^Umatricov^Q struktuřUy která tento keramický výplňový materiál uzavírá. LV

Podle výhodného provedení je teplota roztavené hliníkové slitiny mezi 1100 ’C a 1200 ^ec, 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 povlakem.

S výhodou plyn sestává v podstatě z dusíku.

S výhodou plyn sestává z alespoň 50 % objemových dusíku, přičemž zbytek je argon nebo vodík.

Podle výhodného provedení vynálezu obsahuje hliníková slitina alespoň 3 % hmotnostní hořčíku.

Podle dalšího výhodného provedení hliníková slitina dále obsahuje alespoň jeden přídavný legovací prvely 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 j7kčy^si^bgí řá t.

Podle výhodného provedení vynálezu pro vytvoření kompozitu s kovovou matrici/ 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 infiltrovanéy^hmpíyy ' načež se roztavená hliníková slitina nechá ztuhnout.

Podle dalšího výhodného provedení se pro zvýšení tloušúky 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 s kovovou matricí.

karbidu hliníku v kompozitu

Předmětem vynálezu je . tedy způsob výroby kompozitu s kovovou matricí infiltracíy^^e^s^fe hmoty keramické výplně nebo keramikou,__ppvlečené výplně roztaveným hliníkem, který, obsahuje Revjmene-=asi 1 % hmotnosti hořčíku, a s výhodou sejmeně3 % hmotnosti hořčíku. Infiltrace probíhá spontánně bez vnějšího tlaku i bez vysokého vakua. Zásoba roztavené kovové slitiny se uvede do styku ^phffiof/Su 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<hmčtypři 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 /^materiál.

Zpravidla a s výhodou je množství roztavené slitiny dostatečně__ velké, aby infiltrace probíhala až k hranicím keramic/^řimpty'. ‘ Množství keramického výplňového materiálu v kompozitech s hliníkovou matricí, vyrobených způsobem podle vynálepu být velmi vysoké. Lze dokonce dosáhnouv^poměTUYV^p^TO^kě Á/jřfú' slitině většího než 1:1.

Podle jednoho z provedení vynálezu se zásoba roztavené hliníkové slitiny přivádí ke keramickévfimoW tak,χ že těleso ze slitiny se položí vedle nebo do styku s propustným ložem keramického výplňového materiálu. Slitina a lože se pak vystaví působení plyniy obsahujícího dusík při teplotě nad teplotou tavení slitiny, v nepřítomnosti tlaku a bez vakua, takže roztavená slitina spontánně infiltruje do sousedního nebo obklopujícího lože. Při snížení teploty na hodnotu pod teplotou tavení s’' ‘ ‘ ‘ z hliníkové

slitiny, uzavírající -keramk'®· £Jetřěbározumět, že pevné těleso z hliníkové slitiny se může uložit vedle?hmoty^:'výplně a kov se pak roztaví a infiltruje výplň, nebo se slitina může roztavit odděleně a potom nalít n Lně.

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 keramická výplňffí

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 kompozitů podle požadavku na jejich použití nebo vytvořením kompozit s hliníkovou matricí a s kůrou z nitridu hliníku, tvořící opotřebitelnou vrstvu.

Výraz zbytkem je neoxidační plyn znamená, že jakýkoliv plyn, který je přítomen/kromě elementárního dusíku, je bud' 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 zahrnují 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 jako jsou železo, křemík, měď, mangan, chrom a podobně.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude vysvětlen s odkazem na výkresy, kde obr. 1 je mikrofotografie při 400násobném zvětšení kompozitu s hliníkovou matricí, vyztuženého oxidem hlinitým, vyrobeného při teplotě 850 °C v podstatě způsobem podle příkladu 3, obr. 2 mikrofotografie při 40Ó|násobném zvětšení kompozitu s hliníkovou matricí, vyztuženého oxidem hlinitým a vyrobeného v podstatě podle příkladu 3a), avšak při teplotě 900 ^eC během 24 hodin a obr. 3 mikrofotografie pořízené při 400násobném 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 jornpUstné hmoty keramickéh^ý/matěriálu, například keramických částic, drátků nebo vláken, v přítomnosti plynu/obsahujícího dusík/ a roztavená hliníková slitina spontánně a postupně infiltrecje nrop^ístnoa keramickou hmotou. Míra spontánní infiltrace a^z tvorby kovové matrice se mění s ;^ocesním-i jak bude ještě podrobněji vysvětleno. Spontánní slitiny do keramiky vznikne kompozitní produkt, ť^ft ----podmínkami, infiltrací v němž hliníková slitinová matrice uzavírá keramickýýíú^těiřfál.

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 častíc výplně/prosycených formovacím plynem, když se/^hmoťa výplně uvede do styku s roztavenou hliníkovou slitinou. Bylo proto překvapující, že v nitridační atmosféře infiltruje ^roztavená slitina ,hlinífoj^_a hořčíku spontánně dohmoty keramickéhó^/^i^eriálu a vytvoří kompozit s kovovou matricí.

V podmínkách způsobu podle vynálezu musí být keramické těleso nebo keramická hmota dostatečně mropi^ŽtífaS aby jí mohl procházet plynný dusík a přijít do styku s roztaveným kovem, a aby keramikou mohl infiltrovat roztavený kov, takže keramický materiály prosycený dusíkem,je spontánně prostupován roztavenou hliníkovou slitinou, čímž vznikne kompozit s hliníkovou matricí. Míra spontánní kovové matrice se mění to znamená s s přítomností dalších legovacích. prvků, s velikostf, povrchovým stavem a typem výplňového/materiálu, s koncentrací dusíku v plynu, s dobou a s teplotou. Pro spontánní infiltraci roztaveného hliníku musí být hliník vznikne infiltrace a tvorby s danou soustavou <Hroeesnwh podmínek, obsahem hořčíku v hliníkové slitině,

legován 1 %^a s výhodou alespoň 3 % hořčíku, vztaženo na hmotnost slitiny. Slitina může obsahovat jeden nebo několik pomocných legovacích prvků, například křemík, zinek nebo železo, které mohou ovlivnit minimální množství hořčíku, které musí obsahovat slitititíJ 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 10 % objemu dusíku, přičemž zbytek atmosféry je neoxidační plyn, který nevyvolává oxidaci v pracovních podmínkách podle vynálezu. Po úplné infiltraci roztavené slitiny «lo^keraďcké hmotj'· se kov nechá ztuhnout, například ochlazením dusíkové atmosféry, čímž vznikne tuhá kovová matrice, uzavírající keramickjTvýplňový 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 kompozita 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,

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 hořčíkxi 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 % hmotnostspojení nejméně s jednou z následujících veličin: vyšší než minimální pracovní teplota, vysoká koncentrace dusíku a jeden nebo několik pomocných legovacích prvků. Slitiny obsahující 3 až 5 % hmotnostjžrhořčíku jsou výhodné pro svou obecnou použitelnost v širokém rozmezí pracovních podmínek, přičemž přednost se dává obsahu alespoň 5 % hmotnost^^ma-li se použít nižších teplot a kratších dob zpracování. Ke snížení teplot potřebných pro infiltraci lze použít obsahu hořčíku převyšujícího asi 10 % hmotnostjáEv 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 uvedený»} Množstvím hořčíku.

Tak například nedošlo v podstatě vůbec k infiltraci čistého hliníku, legovaného pouze 10 % hmotnosbí^ křemíku, při teplotě 1000 °C do lože karbidu křemíku o čistotě 99 % ^velikostí Částic 500 mesh.

Použití jednoho nebo několika pomocných legoZ vacích prvků ^(cpnOentrace dusíku v okolním plynu má /ťrovněž vliv na stupen nitridace slitinové matrice při dané teplotě. Když se například zvýší koncentrace pomocného legovacího prvku,· jako je zinek nebo železo, ve slitině, lze toho 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 nejvýhodnější, aby slitina obsahovala alespoň 3 % hmotnost hořčíku. Nižší obsah hořčíku, například 1 % hmotnosti^, vyžaduje, vyšší Zprovozní teplotu nebo pomocný legovací prvek, aby došlo k infiltraci. Teploty.potřebná k dosažení spontánní infiltrace podle vynálezu^může být nižší, když se zvýší obsah hořčíku ve slitině, například alespoň na 5 % hmotnostM^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/prowsp-

-řsk teplotě alespoň ujc^mÉiiň. 700 °C a s výhodpufkoTem 800 °C. Zdá se, že teploty převyšující 1200 °C nepůsobí nijak blahodárně, takže obzvláště výhodné teplotní rozmezí leží, mezí 800 a 1200 °C.

Podle vynálezu se roztavená hliníková slitina přivádí do styku Mimot óu keramického^™^ teriálu 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 plynujobsahujícíb dusík^není kritická, je výhodná, aby bylo dostatečná velká ke kompenzaci případných ztrát dusíku z atmosféry, ke kterým dochází tvorbou nitridu ve slitinová matrici, a také z toho důvodu, aby se zabránilo vniknutí vzduchu, který^fe^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 potřebná k dosažení požadované infiltrace se prodlužují se snižující se koncentrací dusíku. Jak ukazuje Tabulka X'pro příklady 5 až 7, doba potřebná k infiltraci aluminv roztavenou hliníkovou slitinou, která obsahovala 5 %ptořČílcíFa 5 %fEremíku, 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 % dusíku. Koncentrace dusíku na dolním konci použitelného rozmezí, to znamená menší než -«ei 30 % objemu, jsou obecně méně výhodné, protože k infiltraci je potřebťt?dlouhá doby zahřívání

Způsob podle vynálezu je použitelný pro nejrůzněj< V ší keramické materiály a volba výplňového materiálu závisí na takových činitelích, jako je hliníková slitina, 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 a hafničitý, dále karbidy, například karbid křemíku a titany 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 snižením teploty nebo vytvořením nereaktivního povlaku na výplni.

/Výplňový materiál může sestávat ze substrátu, například z uhlí ku 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 feýt nespojitá, tedy střižová, nebo spojité vláknité útvary, například monofilní pramence. Keramická hmota nebo předlisek může í^t homogenní nebo heterogenní.

Karbid křemíku reaguje s roztaveným hliníkem na karbid hliníku, a pouŽije-li se jako výplně karbidu křemíku, je žádoucí -«ahrátdH této reakci. Karbid hliníku je nachylny k vlhkosti, což případně kompozit zeslabuje. K omezení nebo znemožnění této reakce se karbid křemíku 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 ke znemožnění nežádoucích reakcí s jinými výplňovými materie^ ly.

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

Způsob podle vynálezu, který není závisj^ý^ria použití tlaku ke vpravení roztaveného kovu do^n^^^eramického materiálu, umožňuje výrobu stejnoměrných korapozitů z hliníkové slitinové matrice, které mají vysoký objemový poměr keramického materiálu a nízkou pórovitost, Pouř,ije-li selftSo$/~ keramického materiálu s malou porovitostí, 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^^^^^isuje 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 teplotách dochází k minimálnímu nitridování k©vu, 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 prVXfetr-vtt/L· změnou ««Křesel·-teploty. frocssSÍ teplota, při které je tvorba nitridu se rovněž mění v závislosti na takových ^ktorech, jako je použitá hliníková slitina a její ranoŽství oproti objemu óÝyplně, infiltrovaný keramický materiál a koncentrace dusíku v plynu. Tak například tvorba nitridu

WL-hliníku při dané Tproc-esuí teplotě se zvyšuje s tím_lt/$^aJfr se snižuje schopnost slitiny smáčet keramickou výplň a jak vzrůstá koncentrace dusíku v plynu.

Složení kovové matrice během tvorby

lze tedy ovlivnit tak, aby se výslednému produktu-atodaly„

dodaly určité vlastnosti. V dané soustavě lze například regulovat tvorbu nitridu Ároefísní teplotou. Kompozitní produkt, který obsahuj^'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 převyšovat asi 1000 °C, aby se tažnost matrice nesnížila v důsledku příliš značné tvorby nitridu. Teplot převyšujících 1000 °C lze však použít tehdy, má-li se vyrobit kompozit s méně tažnou a tužší matricí, ^infiltraci jiných keramických látek, například karbidu křemíku, lze použít vyšších teplot %řS3ř^23ES®-»1200 °C, protože k nitridaci hliníkové slitiny dochází v menší míře/ve srovnání s použitím aluminy jako výplni podle jiného provedení vynálezu je kompozit opatřewpcůrou nebo povrchem id© nitridu hliníku. Obecně musí množství slitiny stačit k tomu, aby infiltrovánu 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 lo}g_e* která není uzavřena matricí, se snadno odstraní například otryskáváním. Na povrchu lože t

nebo předlisku/infiltrovaného až k mezním plocháoiyse může vytvořit nitridová kůra tím, že se prodlouží podmínky. Například se otcvřáfm nádoba, ktei^á 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 s,e roztavený hliník na ploše vystavené dusíku nitriduje, pokračuje-li se v ohřevu a v průtoku plynného dusíku. Stupen nitridace lze regulovat a nitrid může vznikat bučí jako spojitá fáze nebo jako nespojitá fáze v kůře. Následkem toho-sšKH^možné přizpůsobit kompozit pro určité aplikace tím, že se reguluje stupen tvorby nitridu na povrchu kompozitu. Mapříklad lze vyrobit kompozity s hliníkovou matricí, které nemají povrchovou vrstvu z nitridu hli-’ niku, jež má zvýšenou odolnost proti otěru oproti kovové matrici.

Jak dokládají následující příklady, infiltrují _ roztavené slitiny hliníku a hořčíku spontánně do/propučnéz.hmoty keramickéhiéyhirarteríalu proto, že smáčejí keramický materiáyprosycený plynným dusíkem. Do hliníkových slitin lze přidat pomocné legovfiKJí prvky, jako je křemík a zinek, aby bylo možno použít nižších teplot a nižších koncentrací ufe?5řk«^hořčíku. Slitinv hliníku a hořčíku, které obsahují 10 až 20 %^T~víoEkřemí ku, 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|požadované mechanické a fyzikální vlastnosti· /sliti no v é matrici^ 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 X.

V příkladech 1 až 9 byly slitiny hliníku a hořčíku, obsahující nejméně 1 % hmotnost&i^sž&tefc a jeden nebo několik pomocných legovacích prvků, odlity v roztaveném fopepufmré hmoty volných aluminových pevné těleso ze slitiny bylo uvedeno do aluminy. Částice aluminy byly uloženy stavu na povrch částic, přičemž styku se hmotou

Zý v žárovzdorném 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, obsahující ho dusík, který protékal v množství 200 až 300 cm^/min.

'PrT/podmínkách uvedených v'JabulceT?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 uvinou infiltraci keramických hmot o hmotnosti 30 až 40 g.

Během iufiltrace do alurainové výplně může vzniknout ve slitinové matrici nitrid hliníku, jak již bylo uvedeno. Stupen 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 uvahu. Teoretický procentový přírůstek hmotnosti může být až 52 %, vztaženo^ úpln<t<konvei’zi 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 í která, obsahovala 5 1θ %/Sia zbytek Al, byl při 1000

10,7 jak ítvééí Tjabulka lj když se však v podstatě stejný pokus, neuvedený^v Tabulce 2JC, 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.

Kromě toho, že lze kompozity vyrobit ^WAltrací kovu do těles keramického zrnitého materiálu, je možné vyrobit kompozity infiltrací do textilních látek z vláknitého materiálu. Jak ukazuje příklad 10, ittJL váleěek ze slitiny obsahující 3 %^hořčíkua zbytek hliník, kter^měl délku 2,2 cm, průměr 2,5 cm a hmotnost 29 g, obalen tkaninoyvyrobenou z vláken aluminy o hmotnosti 3,27 g. Soustavy sestávající ze slitiny a tkaniny byla pak zahřívána v přítsxtwasti formovacího plynu* Slitina spontánně infiltrovala aluminovou tkaninu, čímž vynikl faw^ozitní produkt *

Aniž bylo třeba «raafcrse vázat na určitou teorii nebo vysvětlení, zdá se, že dusíková atmosféra indukuje Apeětteíwni· infiltraci slitiny du/límoty kerarnickimormáleriálu. Aby se doložila důležitost a význam dusíku, byl proveden kontrolnípři kterém bylo použito plynu prostého dusíku. Jak ukazuje Tabulka X, byl kontrolní pokus 1 proveden stejným způsobem jako příklad δ pouze s/^ozdílem. plynflf prostála® (dusíku. Rřifgm fáylo zjištěno, že roztavená hliníková slitina neinfiltrovala do aluminového lože.

Aby bylo možno určit objemový podíl keramické výplně, slitinové matrice a porovitosti v kompozitu, byl proveden rozbor -obrázků z elektronového mikroskopu, zachycujících některé kompozity s matricí z hliníkové slitiny. Výsledky ukázaly, ěe. ofejemový poměr keramické výplně ke slitinové matrici je typicky větší než shsí- 1 : 1. 3L příkladěf 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 z něj 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 °&, 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 ^ffi^amá^^lT^TtHů^ačního 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 Trnavě šedé plochy 14, je patrné srovnáním obr. 1 s obr. 2

Bylo zjištěno, že vlastnosti kompozitu lze přizpůsobit požadavkům volbou typu a rozměru(výplně a volbou pro-

Bcesních podmínek. Na důkaz toho byl vyroben ze slitiny a postupem podle příkladu 3 kompozit pouze s tím rozdílem, že >ři teplotě 1000 C po dobu 24 hodin a aluminová výplň měla velikost 90 mesh místo 220 mesh. Hustota a modul pružnosti tohoto kompozitu φ uveden v pří kládí/3b) příklad teplota číslo (°č) hustota g/cm^ modul pružnosti (GPa)

3a 900 3,06 154

3b 1000 3,13 184

Výsledky ukazují, Že -terméněwí vlastností kompozitu lze volilifvýpln a-iproce&íTÍ podmínky. Oproti znázorněným výsledkům je modul pružnosti hliníku 70 GPa. Porovnání obr. 2 a 3 ukazuje taká, že v příkladě Jbjíáíyla 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.

Φ

ΛΙ

Φ Φ Φ Í4 -Ρ rM Φ ·Η £3 ^ΓΗ

Ο 'Φ β

•Η ná ο

£ί φ υ Φ Ρ •ρ

Ο Η Ο Η Ή Ο Ρ. ^fH «-* φ α •ρ τ ι ιρ ιρ <ο

LP ΙΡ

Μ·

C—

Ο rM

Ο

Ο	Ο	Ο	Ο	Q	ο	ο	ο	ο	Ó	Ο
Ο	Ο	ιτ»	Ο	σ	ο	ο	ο	ο	Ο	Q
Ο	Ο	C0	cn	ο	ο	ο	ο	ο	rM	Ο
rM	rM			Η	rM	rM	Η	rM	Η	rM

Φ ο

•Η rQ

14 •Ρ

Ρ

.<Λ

β ίχ

c rX

G ίχ

β ίχ

' α ίχ

β řx

φ

α

rM

r-f

γΜ

Η

rM

a

»r)

5

Ρ,

Ρ.

íj

Ρ

Ρ.

Ρ<

rM

Ύ

•Μ

<4

Ο

'Φ

q.

á

Μ

Vf

Μ

X.

χ.

Μ

«

►

*ť

Ο

04

Ο

04

α

χ.

ο

Μ

φ

Φ

φ

Φ

Í3

íá

ίΞ¹,

Φ

a

Φ

?4

rM

α

ί>

>

ί>

>

-¾

Μ

φ

ο

Ο

ο

Ο

ο

Ο

ο

G

>Ν

a

Β

LfX

ο-

cn

Β

Μ*

•Η

ο

\ο

Í4

>4

Β

J4

X.

χ.

Β

&

•χ.

Η

rM

ο

Ο

ο

Ο

ο

Ο

ο

co

£3

03

χ>

<μ

«Β

η-4

<Β

LP

m

rM

<Η

cn

β

•Ρ

£1

£3

X!

£3

X!

£3

Ρ

•Η

03

W

Μ

0)

03

Φ

(0

Β

ο

Ο

ω

Φ

β

Φ

,Ω

Ρ

rM

•Η

η

Β

0

Β

•Η

θ

rM

•Η

Ρ

ο

α

Φ

rM

03

04

Ο

φ

Ο

Φ

'Φ

Η

C4

04

C4

<η

cn

04

Λ4

04

Ε4

ΐχ

>

>Ο

•Μ

04

+³

04

•Ρ •Η

Ν

Ο

Ρτ

Β

Ο

W

Η

Λ

Μ β

Φ >Ν

Ο

Η φ ο >» h α •Η -ρ •Η Η ω α

C-4 νο χυ > ο ,Μ \S> Μ Οχ β Ο

Ή β

Η ηφ ο Φ !4 Η ο rM ω >?4 Μ ft χ>

+·’ rM α μ

Ό φ

Η Ο rM Η V( 03 >Ρ Μ Ρ< X)

•Η ω ιρ Λ	•Η ω ΙΡ ί?ο b~l F—Μ	•Η ω LCX tiír’ F- 4	•Η C0 ΙΡ i r-ι	•Η ω LP ^0 r+M	•H co LP *30 t=a	•rl CO LP ^0 IšS	CO o rM 1	co o rM clo F^M	h0	co o rM
<η	rM	ί*ΐ	LP	m	LP	LP	IP	LP	00

cm η cn

Ο rM rM zbytek hliník

Φ /3

Příklady 11 až 21

Podle vynálezu lze použít i jiných keramických materiálů než je alumina. Jak ukazují příklady 11 až 21, shrnuté v^jtabulce II, podle vynálezuT#^pl5§C kompozity s hliníkovou matricí, zesílené karbidem křemíku* K výrobě těchto kompozitů lze použít různých kombinací hliní* kovych slitin s obsahem hořčíku, vyztužovacíchpurteriálů tvořených karbidem křemíku, plynů s obsahem dusíku a íte-bo Bylo postupováno způsobem popsaným v příkladech 1 až 9 s tím rozdílem, že karbid křemíku nahradil alurainu. Průtočné množství plynu bylo 200 až 35o cm^/min.

uvedených pro příklady 11 až 21 vtabulce 11, 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 -obrazu z elektronového mikroskopu, pořízeného z produktu podle příkladu 13 napřiλ klad 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 infiltraI/&V.

ci vel/ký dopad. V této souvislosti byly provedeny pokusy za podmínek, uvedených v kontrolních pokusech 2 a 3 v {abulce II, aby se určil vliv nepřítomnosti hořčíku na

schopnost spontánní infiltrace hliníkových slitin do karbidu křemíku.TM/podmínkách/uvedených v těchto kontrolních pokusech/nedocházelo ke spontánní infiltraci, když slitina neobsahovala hořčík.

Důležitá je rovněž přítomnost plynného dusíku. K to. -muto učelu byl proveden kontrolní pokus 4, při fcfcerfe- bylo použito stejnýcIypodSinek jako v příkladu 17 pouze s tím 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 stupen nitridace, tak 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 teplotách 900 °C, 1000 °C a 1100 °C, byly hmotnostní přírůstky 2,5 %, 2,8 % a 3,5 %, přičemž při teplotě 1200 °θ 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.

•o o

ctí ,Q

O

Ό

P, ω

ρ

X- X- X· X· X- O O CM CJ CM CM CM X X

O O O XXX

X X* X CM CM

O

0

O

O O

O

0

O

0

O

LP O

O

0

Q

ip

IP

O

0

O

o\ oo

O

0

<M

CP

00

σ\

rH

X

rH

X

Ctí

AI

X

P ,a ctí

EM <0

O

X ím ρ

ctí 'Ctí í>

o

X a

•H x

A3 ϋ

G £

fX

M

G

Φ >N

O

X

M

G	G	G	G	G	G	C
>s	>3		i>3	>3	r3	r*3
X	X	X	X	X	X	X
P.	CX	CX	CX	P<	CX	P.
Ή	M	M	Ή	X	M	X
O	O	O	O	O	O	ϋ
ctí	Ctí	Ctí	Ctí	ctí	ctí	ctí
>	S>	> '	J>	>	>	>
0	O	0	O	0	0	0
0	0	0	Θ	0	0	0
řc	f-i		G	ÍM		ÍM
0	O	O	O	O	O	O
Ή	<\|4			<h		X

	G >3 X P.	G l·» X P.	G >3 X Pí	G r\> X P<	c >3 X P.
	X	X	X	X	X
	o	0	0	0	0
	ctí	ctí	ctí	ctí	ctí
	>	J>	>	>	>
G	0	0	O	0	0
O	£3	0	0	0	0
tm	H	řc	Im	G	$4
P	0	O	O	O	O
3	X	X	X	X	X

.Q **

Ctí p

,M

M

Φ >G

AI

Ό

X

Xi &

AI

O

X co

P

M a

X XJ O ctí hH O P AI X CM M O >P M ,M P«>0 ctí

X O AI X M ra >FmM P₍XJ

AJ w

Φ

LP

Φ υ

X

P ra '05 >o

—X 0	X) ri (Ú	✓s. X3	O X co
aj	XJ	XI							ctí
ra	m	ra			£	£
φ	Φ	φ							G
0	0	0					ctí		AI
							0	'Ctí
O	O	0	£	£	£	£	G	ΘΌ	X
O	O	0					AI	O	ř>
IP	LP	LP					'Ctí	CM X
							X	x- CO	'Ctí
Φ	φ	φ					>	X	>
O	O	O						~ ·>,	0
•H	X	X	£	£	£	£	'Ctí	O Af	>N
4.3	P	P					G	P	X
m	ra	ra					X	'Ctí	X
'Ctí	'Ctí	'Ctí					O	íj	P
XO	>t>	>0					!>	*9	ra

•H

♦H

X

Ή

X

co

X

co

CO

X

co

0

<ή

LP

IP

LP

ο-

LP

IP

X

χ

m

X

I

'>> X

1

J

1

t

1

r

1

fctO

tm

P co

t)0

tm

Ϊ2»

ter<

M X 0

s

fc-I

IX r-x

s

*=3 ř^x

S

m

cn

>O X

m

IP

LP

tr\

LP

IP

X

IP

cm n i i

I X· I I I předběžně vypálené při 1250 °C během £4 hodin SiC s čistotou 99 % v předlisku na loži ze ZrO? v kelímku z Al?0^

X Pl X X

Cp X* IP MO X X X X

O H CM CM

Ctí .Q Ό

73Příklad 22

Hliníková slitina, obsahující 5 %/hořčíku a 1 křemíku byla roztavena ve styku s povrchem lože z částic oxidu zirkoničitého s velikostí 220 mesh, v atmosféře formovacího plynu při teplotě 900 °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 yum 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 současně k vynikající infiltraci kovu a tvorbě kovové matrice s použitím slitin hliníku

Příklad 24

Byl opakován postup z ^příkladu 23 s tím rozdílem, že práškový nitrid hliníku byl nahrazen práškovým diboridera titanu se střední velikostí částic 5 až 6 jmu. 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 %/Hořc2ícu. případně 3 %fHořčíku a 10 %/Tčřémíku7 · ' ýrooy/kovňv^íte^

Ve srovnání s běžnou technologií výrobyf^kovov^^w— matricbvýoh=4í£ů odstraňuje vynález jinak nezbytný tlak nebo vakuum, umožňuje výrobu Jcompozitů hliníkovou matricí v širokém rozmezí obsahu keramických •tóWb^as' nízkou pórovitostí/a umožňuje výrobu kompozitů s předem požadovanými vlastnostmi.

QV Q2ZO -tRP-T

Claims

PATENTOVÉ NÁRO K Y

1. Způsob výroby kompozitu s kovovou matricí, vyznačující se tím, že (a) 35^- připraví hliníková slitjjnay obsahující hliník a alespoň 1 % hmotnostní hořčíku, a výplňového materiálu, slitina/ obsahující hmota keramického přítomnosti plynu,, obsahujícího 10 % až 100 (b) v objemových dusíku, přičemž zbytek tvoří neoxidační plyn, se hliníková slitina v roztaveném stavu při teplotě v rozsahu od

1200 °C uvede do styku s prostupnou hmotou X^^^ě/ /-raztavenáhliníková slitina infiltruje do prostupné hmoty, přičemž infiltrace do prostupné hmoty nastává spontánně, a roztavená hliníková slitina se nechá ztuhnout st=fea pevn<gr kovovéíi _ matricovou struktujy^, která tento keramický výplňový materiál uzavírá.

700, °C_r do
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 materiálxy 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

X 74Z0 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.
8. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že keramický výplňový materiál obsahuje oxid hlinitý a teplota roztavené hliníkové slitiny je až 1000 °C.
9. Způsob podle nároku 1, vyznačující se t ú. m, že keramický výplňový materiál obsahuje karbid křemíku a/teplota roztavené hliníkové slitiny je až 1200 °C.

nároku 3, vyznačující se výplňový materiál sestává z uhlíkového povlak je tvořen uhlíkovými vlákny jako
10. Způsob podle že kťyramický tím, substrátu a/Tčéramický _x-O^<^«^^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//Tímoty7~nac®ž se roztavená hliníková slitina nechá ztuhnout.
12. Způsob podle nároku ll, 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.

i
13.

tím, křemíku křemíku

Způsob podle nároku 1, vyznačující se že_keramický výplňový materiál je tvořen karbidem a/Klíníková slitina obsahuje alespoň 10 % hmotnostních
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 nároku 13 nebo 14, vyznačuj ící se tím, že křemík je přítomen v hliníkové slitině v množství dostatečném alespoň pro snížení tvorby karbidu hliníku v kompozitu s kovovou matricí.

Ί3

O η λ· ·< Γ'” «< rn o

X><

o co

CC o

c tr r

O /

^- Λ. 6