FI83952B - Foerfarande foer framstaellning av sjaelvbaerande keramiska struktur. - Google Patents

Description

1 83952

Menetelmä itsekantavan keraamisen rakenteen valmistamiseksi Tämä keksintö koskee menetelmää itsekantavan keraamisen 5 rakenteen valmistamiseksi hapettamalla nestefaasissa olevaa perusmetallia kaasufaasihapettimella siten, että muodostuu hapetusreaktiotuote, joka käsittää keraamisen faasin, joka muodostuu perusmetallin ja kaasufaasihapettimen hapetus-reaktiotuotteesta, ja metallifaasin, joka muodostuu yhdestä 10 tai useammasta perusmetallin hapettumattomasta aineosasta.

Tämän keksinnön mukaisesti aikaansaadaan tiivis, monikitei-nen keraaminen mikrorakenne, joka on tavattoman luja ja murtositkeä verrattuna tavanomaisiin keraamisiin materiaa-15 leihin.

Keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, että siinä a) levitetään ainakin osalle perusmetallin pinnasta kerros 20 hapetusreaktiotuotteen syntyyn myötävaikuttavaa lisäainetta, b) sijoitetaan lisäainekerroksella päällystetty perusmetalli sopivaan kuumuutta kestävään astiaan, jossa perusmetallin lisäainekerroksella varustettu pinta tulee kosketukseen hapettavan faasin kanssa, 25 c) kuumennetaan lisäainekerroksella päällystetty perusmetalli lämpötilaan, joka on perusmetallin sulamispisteen yläpuolella mutta perusmetallin hapetustuotteen sulamispisteen alapuolella, metallin saattamiseksi nestefaasiin, d) annetaan nestefaasiin saatetun perusmetallin reagoida 30 kaasufaasihapettimen kanssa siten, että muodostuu hapetus- reaktiotuotetta, e) pidetään mainitussa lämpötilassa ainakin osaa hapetusreaktiotuotteen pinnasta kosketuksessa hapettimeen siten, että sulaa metallia kulkeutuu hapetusreaktiotuotteen läpi 35 kohti hapetinta, jolloin hapetusreaktiotuotetta muodostuu lisäainekerroksen sisällä ja sen ulkopuolella, ja f) jatketaan reaktiota siksi, kunnes keraaminen rakenne on muodostunut.

2 83952 Tämän keksinnön menetelmä, jolla keraamisia materiaaleja muodostetaan, perustuu ajatukseen, että metallin tai metal-lilejeeringin (josta käytetään jäljempänä erotuksetta nimitystä "perusmetalli") selvästi uusi ja yllättävä hapetus-5 käyttäytyminen voidaan aikaansaada tai sitä voidaan tehostaa levittämällä mainitun perusmetallin pinnalle ainakin pinnan määrättyihin osiin ulkopuolista selektiivistä lisäainetta, (jota kuvataan jäljempänä) niissä tapauksissa, joissa sopivia pintaenergiasuhteita perusmetallin ja sen 10 hapetusreaktiotuotteen välillä ei luontaisesti esiinny niin, että synnytetään pintaenergiasuhteet, jotka aiheuttavat edullisen kostumisilmiön, joka sallii perusmetallin siirron reaktiotuotteensa läpi. Ennen tätä keksintöä arveltiin, että tällaisia sopivia pintaenergiasuhteita, kun niitä ei 15 luontaisesti esiinny sanotun perusmetallin ja sen hapetusreaktiotuotteen välillä, voitaisiin muuttaa edullisesti vain lejeeraamalla yhtä tai useampaa lisäainetta ohuena kerroksena perusmetalliin. Tässä keksinnössä on yllättäen havaittu, että tällaiset pintaenergiasuhteet voidaan aihe-20 uttaa levittämällä selektiivisesti yhtä tai useampaa lisäainetta perusmetallin pinnalle, mikä aiheuttaa paikallisesti aikaisemmin mainitun metallin siirto- ja keraamisen kasvuil-miön vain niiltä perusmetallin pinnan osilta, jotka on tällä tavoin selektiivisesti käsitelty lisäaineella. Tämä havainto 25 tarjoaa sen edun, että keraamista kasvua voidaan saavuttaa perusmetallin pinnan yhdellä tai useammalla selektiivisellä alueella eikä umpimähkään, jolloin prosessi soveltuu tehokkaammin esimerkiksi keraamisten levyjen kasvattamiselle (käsittelemällä lisäaineella vain perusmetallilevyn toinen 30 pinta). Tämä keksintö tarjoaa myös sen edun, että kyetään synnyttämään kasvua perusmetalleihin ilman lejeeraamisen tarvetta, mikä tekee prosessin soveltamisen mahdolliseksi kaupallisesti saataviin vaivametalleihin ja -lejeerinkeihin, joilla ei muuten olisi sopivasti lisäaineella käsiteltyjä 3 5 kokoonpanoj a.

Tässä keksinnössä perusmetalli käsitellään selektiivisesti lisäaineella levittämällä yhden tai useamman lisäaineen ker- 3 83952 ros joko koko sen pinnalle tai osalle sitä. Tällainen kerros voidaan levittää maalaamalla, kastamalla, silkkipainatuksel-la, haihduttamalla tai levittämällä lisäaine muulla tavoin nesteen tai pastan muodossa, tai ruiskuttamalla lisäaine 5 tai yksinkertaisesti kerrostamalla lisäainekerros tai ohut kalvo tai filmi siitä perusmetallin pinnalle. Lisäaine voi, mutta sen ei tarvitse, sisältää joko orgaanisia tai inertte-jä epäorgaanisia sideaineita, kantoaineita, liuottimia, paksuntimia jne. Lisäaineella käsitelty perusmetalli saate-10 taan sitten alttiiksi hapettavalle ympäristölle perusmetallin sulamispisteen yläpuolella ja hapetusreaktiotuotteen alapuolella.

Tällaisissa prosessiolosuhteissa nestemäinen perusmetalli 15 hapettuu pinnaltaan ulospäin edeten kohti hapettavaa atmosfääriä imeytyen pitkin kanavia, joiden uskotaan muodostuvan suurenergisten raeleikkauskohtien tilalle muuten läpäisemättömään hapetusreaktiotuotteen rakenteeseen. Uutta materiaalia muodostuu jatkuvasti nestemäisen metallin reaktiolla 20 hapettimen, kuten hapettavan höyryn tai atmosfäärin kanssa, mikä "kasvattaa" keraamista rakennetta pinnalle levitettyä lisäainekerrosta olennaisesti syvemmälle. Keraaminen rakenne on metallin ja hapettimen hapetusreaktiotuote ja on liittynyt yhteen yhdessä tai useammassa, edullisesti kol-25 messa, suunnassa nähtävästi pitkin matalaenergisiä raerajoja. Tuloksena oleva materiaali voi mahdollisesti sisältää myös osan perusmetallin tai -lejeeringin aineosista tai niitä kaikkia dispergoituna ei-hapettuneessa metallimuodossa koko mikrorakenteeseen joko toisiinsa liittyneessä tai 30 eristyneessä muodossa ja niitä on läsnä suuremmassa tai pienemmässä määrin riippuen prosessiolosuhteista, kuten tässä lähemmin selvitetään. Tasaisesti dispergoitunut metallimateriaali ja reaktiotuote/metallirakenteen tiivis luonne näyttävät olevan syynä tuloksena olevien keraamisten tuot-35 teiden suureen murtositkeyteen ja lujuuteen.

Tämän keksinnön materiaalit voidaan kasvattaa omaamaan oleellisesti yhtenäiset ominaisuudet koko poikkileikkauk- 4 83952 sensa läpi paksuuteen, joka on tähän saakka ollut saavuttamattomissa tavanomaisilla menetelmillä, joilla tuotetaan tiiviitä keraamisia rakenteita. Näiden materiaalien ominaisuuksia voidaan vielä räätälöidä määrättyjen loppukäyttövaa-5 timusten täyttämiseksi. Menetelmällä, joka tuottaa näitä materiaaleja, vältetään myös korkeat kustannukset, jotka liittyvät hienojakoisen yhtenäisen jauheen valmistus- ja prosessointitekniikkaan, kuten kuumapuristukseen ja isostaattiseen kuumapuristukseen, joka on luonteenomainen 10 tavanomaisille keraamisten materiaalien tuotantomenetelmille.

Keraamisia materiaaleja on viime vuosina pidetty enenevässä määrin ehdokkaina rakennesovellutuksiin, joita metallit ovat 15 historiallisesti palvelleet. Yllyke tähän korvaamiseen ovat olleet keraamisten materiaalien ylivoimaiset ominaisuudet, kuten korroosionkesto, kovuus, kimmomoduuli ja tulenkestä-vyys verrattuna metalleihin yhdistettynä siihen, että nykyaikaisten komponenttien ja systeemien suorituskykyjen tek-20 nilliset rajat on nyt saavutettu näiden moninaisuuksien osalta tavanomaisesti käytetyillä materiaaleilla. Esimerkkejä tällaisen mahdollisen korvaamisen alueista ovat mootto-rinosat, lämmönvaihtimet, leikkaavat työkalut, laakerit ja kulutuspinnat, pumput ja laivojen rakenneosat.

25

Kuitenkin avain, joka tekee mahdolliseksi metallien korvaamisen keraamisilla materiaaleilla tällaisissa rakennesovel-lutuksissa, on ollut keraamisten materiaalien parantuneiden lujuus- ja murtositkeysominaisuuksien hinta-hyöty-suhteen 30 kehitys, joka sallii niiden luotettavan käytön suunnittelu-ympäristöissä, joihin liittyy vetokuormitusta, värähtelyä ja iskuja. Tällä hetkellä pyrkimykset tuottaa erittäin lujia, luotettavia monoliittisia keraamisia materiaaleja ovat kohdistuneet parannettuihin jauheprosessitekniikoihin, 35 jotka, samalla kun niillä todella saavutetaan keraamisten materiaalien suorituskykyominaisuuksissa parannusta tekniikan nykytilaan, ovat olleet monimutkaisia eivätkä yleensä kovin tehokkaita hinnallisesti. Painopiste näissä tavanomai- 5 83952 sissa jauheprosessitekniikoissa on ollut kahdella alueella: 1) parannetut menetelmät erittäin hienojakoisten, yhtenäisten jauhemateriaalien tuottamiseksi käyttäen sooli-geeli-, plasma- ja lasertekniikkaa ja 2) parannetut menetelmät 5 tiheyden nostamiseksi ja tiivistämiseksi mukaan luettuna parannettu sintraustekniikka, kuumapuristus ja kuuma isostaattinen puristus. Tällaisten pyrkimysten tarkoituksena on tuottaa tiiviitä, hienorakeisia, virheettömiä mikrorakenteita ja tällaisilla menetelmillä on itse asiassa tuotettu 10 keraamisiin materiaaleihin parannettuja rakenne- ja suori-tuskykyominaisuuksia. Näiden kehitysten vaikutuksena tavanomaisissa tekniikoissa, vaikka tuloksena on ollut parantuneita keraamisia rakenteita, on ollut keraamisten materiaalien hinnan dramaattinen kasvu teknillisten materiaalien 15 luokkana.

Toinen rajoitus keraamisten materiaalien teknillisessä käytössä, joka ei ole vain ratkaisematon, vaan jota itse asiassa nykyaikaisen keraamisten materiaalien prosessoinnin 20 parannukset ovat pahentaneet, on mittakaavan suurentamisen joustavuus. Tavanomaiset prosessit, jotka tähtäävät tiheyden nostamiseen (ts. huokosten poistamiseen jauhehiukkasten väliltä) eivät sovi yhteen keraamisten materiaalien mahdollisuuksien kanssa suuriin, yhtä kappaletta oleviin raken-25 nesovellutuksiin, kuten monoliittisiin uuninverhouksiin, painekuoriin, kattila- ja tulistinputkiin jne. Moniin käytännön ongelmiin törmätään valmistettaessa keraamisia osia näiden kokoa kasvattamalla tavanomaiseen tapaan. Tällaisia ongelmia ovat esimerkiksi kohonneet viiveajat, ankarat 30 vaatimukset koskien prosessiolosuhteiden vakiona pysymistä laajalla prosessitilavuudella, osien lohkeaminen johtuen epätasaisesta tiivistymisestä, elleivät olosuhteet ole riittävän tasaiset, liian suuret yhteenpuristamisvoimat ja muotin seinämän paksuusmitat mikäli käytetään kuumapuristus-35 ta ja liian korkeat paineastiakustannukset johtuen sisätila- ja seinämäpaksuusvaatimuksista isostaattisen puristuksen ollessa kysymyksessä.

6 83952 Tässä kuvatulla keksinnöllä toteutetaan tavoite tuottaa tiiviitä, erittäin lujia ja murtositkeitä keraamisia mikrorakenteita käyttäen mekanismia, joka on yksinkertaisempi ja halvempi kuin aikaisemmin kuvatut tavanomaiset lähestymis-5 tavat. Kyky tuottaa luotettavasti suurikokoisia ja/tai poikkileikkaukseltaan paksuja keraamisia kappaleita on myös mahdollista tällä keksinnöllä, mikä mahdollistaa uusia tulevaisuuden näkymiä keraamisten materiaalien sovellutuksille, jotka eivät ole olleet kuviteltavissa tavanomaisella 10 keraamisten materiaalien teknologialla.

Aikaisemmin metallien hapettamista on satunnaisesti harkittu ajatusmallina houkuttelevana lähestymistapana oksidityyppi-sen keraamisen kappaleen muodostamiselle. Tässä käytettynä 15 ja liitteenä olevissa patenttivaatimuksissa termillä "hape-tusreaktiotuote" tarkoitetaan yhtä tai useampaa metallia missä tahansa hapetetussa tilassa, jossa metalli tai metallit ovat luovuttaneet tai jakaneet elektroneja jonkin muun alkuaineyhdisteen tai niiden yhdistelmän kanssa. "Hapetus-20 reaktiotuotteella" tarkoitetaan näin ollen tämän määritelmän mukaan yhden tai useamman metallin reaktiotuotetta kaasufaasihapettimen kanssa. Tässä yhteydessä käytettynä ja patenttivaatimuksissa viittaus "hapettimeen", "kaasu-faasihapettimeen" tai sentapaiseen, joka määrittelee, että 25 hapetin sisältää tai käsittää jotain erityistä kaasua tai höyryä, tarkoittaa hapetinta, jossa määritelty kaasu tai höyry on perusmetallin ainoa, ensisijainen tai ainakin merkittävä hapetin niissä olosuhteissa, joita vallitsee käytetyssä hapettavassa ympäristössä. Niin esimerkiksi, 30 vaikka ilman pääasiallinen ainesosa on typpi, on ilman happitoisuus tavallisesti perusmetallin ainoa tai ensisijainen hapetin, koska happi on merkittävästi voimakkaampi hapetin kuin typpi. Ilma kuuluu näin ollen ”happipitoisen kaasun" hapettimen määritelmän alle eikä hapetinmääritelmän 35 "typpipitoinen kaasu" alle, kuten näitä termejä käytetään tässä yhteydessä ja patenttivaatimuksissa. Esimerkkinä "typpipitoisen kaasun" hapettimesta tässä käytettynä ja patenttivaatimuksissa on "muodostuskaasu", joka sisältää 7 83952 ensisijaisesti typpeä ja pienemmän osan vetyä, tavallisesti noin 96 tilavuusprosenttia typpeä ja 4 tilavuusprosenttia vetyä. Perusprosessi, jolla tämän keksinnön keraamisia materiaaleja muodostetaan, edustaa tiettyjen olosuhteiden 5 löytämistä, joilla kyetään tuottamaan metallin yllättävä hapettumiskäyttäytyminen. Keksinnön merkityksen asianmukaiseksi arvioimiseksi lukija saattaa havaita hyödylliseksi silmätä lyhyesti, mitä aikaisemmin on tiedetty metallien yleisestä hapettumiskäyttäytymisestä ja metallin hapetuksen 10 aikaisemmasta rajoitetusta käytöstä mekanismina, jolla muodostetaan keraamisia kappaleita.

Metallit hapettuvat klassisesti yhdellä neljästä yleistävästä. Ensinnäkin eräät metallit hapettuvat, kun ne saatetaan 15 alttiiksi hapettavalle ympäristölle, jolloin muodostuu hapetusreaktiotuote, joka joko hilseilee, lohkeilee tai on huokoinen niin, että metallipinta on jatkuvasti alttiina hapettavalle ympäristölle. Tällaisessa prosessissa ei muodostu vapaasti seisovaa tai itsekantavaa kappaletta, kun 20 metalli hapettuu, vaan muodostuu pikemminkin hiutaleiden tai hiukkasten massa. Esimerkiksi rauta reagoi hapen kanssa hapettuen tällä tavoin.

Toiseksi tiettyjen metallien (esim. alumiinin, magnesiumin, 25 kromin, nikkelin tms.) tiedetään hapettuvan sillä tavoin, että ne muodostavat suhteellisen ohuen, suojaavan hapetus-reaktiotuotekalvon, joka laskee lävitseen joko hapetinta tai metallia (tai molempia) niin pienellä nopeudella, että alla oleva metalli on tehokkaasti suojattu enemmältä hapet-30 tumiselta. Tämä mekanismi ei tuota riittävän paksuista, vapaasti seisovaa rakennetta, jotta sillä olisi mitään merkittävää rakenteellista yhtenäisyyttä.

Kolmanneksi tiettyjen muiden metallien tiedetään muodostavan 35 kiinteän tai nestemäisen hapetusreaktiotuotekalvon, joka ei suojaa alla olevaa perusmetallia, koska tällaiset reaktio-tuotteet sallivat hapettimen kulkemisen lävitseen. Vaikka läpäisevä kalvo saattaa hidastaa alla olevan metallin hapet- 8 83952 tumisnopeutta, kalvo ei suojaa täysin itse metallia johtuen sen hapettimen läpäisevyydestä. Esimerkki viimeksi mainitun tyyppisestä hapettumisesta esiintyy piin tapauksessa, joka altistettaessa ilmalle korotetuissa lämpötiloissa, muodos-5 taa piidioksidia olevan lasimaisen kerroksen, joka läpäisee happea. Nämä prosessit eivät tyypillisesti tapahdu läheskään tarpeeksi suurilla nopeuksilla tuottaakseen keraamisen materiaalin hyödyllisen paksuuden.

10 Lopuksi muiden metallien tiedetään muodostavan hapetusreak-tiotuotteita, jotka muodostusolosuhteissa haihtuvat ja paljastavat jatkuvasti uutta metallia hapettumiselle. Wolframi on esimerkki metallista, joka hapettuu tällä tavoin, kun sen annetaan reagoida hapen kanssa korkeissa lämpötiloissa 15 W03tn muodostamiseksi.

Mikään näistä klassisista hapettumistavoista ei tarjoa merkittävää mahdollisuutta keraamisten materiaalien muodostamiselle mainituista syistä. Kuitenkin yllä kuvatun toisen 20 tavan muunnoksen metallien, kuten alumiinin ja magnesiumin, pinnoille voidaan lisätä juoksuttimia niiden hapetusreak-tiotuotteiden liuottamiseksi ja hajottamiseksi ja niiden tekemiseksi herkiksi hapettimen tai metallin siirrolle, mikä tekee mahdolliseksi paksumpien hapetusreaktiotuotekal-25 vojen kehittämisen kuin muuten saattaisi olla luonnostaan mahdollista. Edelleen kuitenkin kyky muodostaa vapaasti seisovia keraamisia rakenteita tällaisella tekniikalla on rajoitettu ohuisiin profiileihin, joilla on suhteellisen rajoitettu lujuus. Tällaista tekniikkaa voidaan käyttää 30 metallijauheilla tai hapettaa niiden pintoja sekoitettuna muihin hiukkasmaisiin aineisiin, jolloin saadaan luontaisesti huokoisia, lujuudeltaan vähäisiä keraamisia materiaaleja, kuten on kuvattu US-patenteissa 3 255 027 ja 3 299 002. Vaihtoehtoisesti vastaavia menetelmiä voidaan käyttää 35 ohutseinäisten, tulenkestoiSten Al203~rakenteiden (US-paten-tit 3 473 987 ja 3 473 938) tai ohutseinäisten onttojen, tulenkestoisten kappaleiden valmistukseen (US-patentti 9 83952 3 298 842). Kuitenkin tällaisten prosessien luonteenomainen piirre on muodostuneen hapetusreaktiotuotteen rajoitettu paksuus ilmeisesti siksi, että juoksuteaineen vaikutus on suhteellisen lyhyt niin, että hapetusreaktiotuote palautuu 5 luonteeltaan hitaasti kasvavaksi ja suojaavaksi vain rajoitetun kasvumäärän jälkeen. Juoksutteen väkevyyden lisääminen paksumman keraamisen kerroksen kasvun edistämiseksi johtaa lujuudeltaan huonompaan, vähemmän tulenkestoiseen ja kovuudeltaan pienempään tuotteeseen ja on tämän vuoksi vaikutuk-10 seitaan vastakkainen.

Eräs tekniikka, jota on menestyksellisesti käytetty vapaasti seisovien keraamisten tuotteiden synnyttämiseen metallien hapetuksella, käsittää hapetus/pelkistys- tai "redoksi"-15 tyyppisen reaktion. Jo pitkään on ollut tunnettua, että tietyt metallit pelkistävät muiden metallien oksideja muodostaen uuden oksidin ja alkuperäisen oksidin pelkistetyn muodon. Tällaisten redoksityyppisten reaktioiden käyttöä keraamisten materiaalien tuottamiseen on harrastettu, kuten 20 on kuvattu esimerkiksi US-patenteissa 3 437 468 ja 3 973 977. US-patenteissa 3 437 468 ja 3 973 977 kuvattujen redok-sityyppisten reaktioiden päähaitta on kykenemättömyys tuottaa yksi ainoa, kova, tulenkestävä oksidifaasi reaktiotuotteena, ts. tällaisten kuvattujen redoksityyppisten reakti-25 oiden tuotteet sisältävät useita oksidifaaseja, jotka voivat huonontaa kovuutta, murto-moduulia ja kulutuskestoisuutta verrattuna rakenteeseen, joka sisältää vain yhtä haluttua keraamista faasia.

30 Tämä keksintö koskee ainutlaatuista tekniikkaa uuden hape-tusilmiön edistämiseksi, joka eroaa kaikista klassisista hapetustavoista ja jolla voitetaan olemassa olevien keraamisten materiaalien valmistukseen käytettyjen prosessien vaikeudet ja rajoitukset, kuten lukijalle käy selvemmäksi 35 sen jälkeen, kun on huolellisesti tarkasteltu keksinnön ja sen edullisten toteutusmuotojen kuvausta, jotka seuraavat.

10 83952 Tämä keksintö perustuu yleisesti havaintoon, että perusmetalli voidaan päällystää pinnalta hapetusreaktiotuotteen syntyyn myötävaikuttavalla lisäaineella saman yllättävän hapetuskäyttäytyrnisen ja sen tuloksena olevan keraamisten 5 materiaalien kasvun saavuttamiseksi. Niinpä tämä keksintö kohdistuu menetelmään, jolla voidaan tuottaa itsekantavia keraamisia materiaaleja levittämällä vähintään yhden lisäaineen kerros perusmetallin pinnalle ja saattamalla sitten perusmetalli, jonka päällä lisäainekerros on, korotettuihin 10 lämpötiloihin, jotka ovat perusmetallin sulamispisteen yläpuolella, mutta hapetusreaktiotuotteen sulamispisteen alapuolella, joka muodostuu hapettavaan ympäristöön, edellä kuvatun uuden hapetuskäyttäytymisen aikaansaamiseksi.

15 Tällä keksinnöllä vältetään tämän vuoksi tarve lejeerata li-säainemateriaaleja perusmetalliin ennen prosessointia ja näin ollen tämä keksintö muodostaa selvän edun prosessointi-kustannusten ja tekniikan suhteen. Toisin sanoen tämän keksinnön avulla ei enää ole tarvetta aluksi lejeerata 20 perusmetalliin vaadittavia määriä lisäainemateriaaleja mahdollisten säätöjen tekemiseksi suhteelliseen pintaener-giasuhteeseen sulan metallin ja hapetusreaktiotuotteen välillä yllättävän hapetuskäyttäytymisen ja tuloksena olevan itsekantavan keraamisen rakenteen kasvun aikaansaamiseksi.

25 Perusmetallin lejeeraamiseksi lisäainemateriaaleilla tarpeellisten prosessointivaiheiden eliminointi säästää näin ollen arvokkaita prosessiresursseja myötävaikuttaen täten mahdollisesti alempiin kustannuksiin, jotka liittyvät keraamisten kappaleiden valmistukseen. Lisäksi lisäainemateriaa-30 lien määrät, joilla saavutetaan aikaisemmin kuvatut hapetus- ja kasvuilmiöt, ovat merkittävästi pienemmät, kun tällaisia lisäainemateriaaleja levitetään perusmetallin pinnalle tämän keksinnön menetelmän mukaisesti, verrattuna lisäainemateriaalin seostamiseen perusmetallirunkoon. Tämän 35 keksinnön menetelmä soveltuu myös keraamisen rakenteen selektiiviseen kasvattamiseen asettamalla lisäainemateriaa-lia paikallisesti perusmetallin pinnalle. Näin ollen tämä keksintö kohdistuu menetelmään, jolla keraamisen materiaa- 11 83952

Iin kasvua voidaan hallita riippuen lisäainemateriaalin paikallisesta sijoittamisesta perusmetallin pinnalle.

Määritelmällä "keraaminen" ei tässä yhteydessä patenttivaa-5 timuksessa tarkoiteta ainoastaan keraamista kappaletta sen tavanomaisessa merkityksessä, so. siinä mielessä, että se muodostuisi kokonaisuudessaan ei-metallisista ja epäorgaanisista aineista, vaan pikemminkin se viittaa kappaleeseen, joka on ensisijaisesti keraaminen mitä tulee sen koostumuk-10 seen tai määrääviin ominaisuuksiin, joskin kappale voi sisältää pienehköjä määriä yhtä tai useampaa metallia, jotka on johdettu perusmetallista, mutta voi sisältää enemmänkin metallia. Sanonnalla "perusmetalli" tarkoitetaan tällöin ja tässä selityksessä sekä patenttivaatimuksissa tätä metal-15 lia, esimerkiksi alumiinia, joka on monikiteisen hapetus-reaktiotuotteen esiaste ja sisältää tätä metallia tai suhteellisen puhdasta metallia, kaupallisesti saatavaa metallia, jossa on epäpuhtauksia ja/tai seosaineita, ja lejeerin-kiä, jossa tämä metalliesiaste on pääasiallinen ainesosa ja 20 kun jokin määrätty metalli on mainittu perusmetallina, esimerkiksi alumiini, tulee näin määritelty metalli jo lukea tämä määritelmän puitteissa, ellei muuta ilmene yhteydestä.

Perusmetalli, joka on hapetusreaktiotuotteen esiaste, muo-25 dostetaan valanteeksi, haarukaksi, tangoksi, levyksi tai sentapaiseksi ja asetetaan inerttipatjaan, upokkaaseen tai muuhun tulenkestävään säiliöön yhden tai useamman metallipinnan ollessa alttiina hapettavalle höyryfaasille. Metallia kuumennetaan sen sulamispisteen yläpuolelle, mutta 30 hapetusreaktiotuotteen sulamispisteen alapuolelle, mutta on selvää, että käyttökelpoinen alue tai edulliset lämpötilat eivät välttämättä ulotu koko tälle lämpötila-alueelle. Tässä lämpötilassa tai tämän lämpötila-alueen sisällä muodostuu sulametallin keräytymä tai lammikko ja kosketuksessa 35 hapettimen kanssa sulametalli reagoi muodostaen hapetusreaktiotuotteen kerroksen. Ollessaan edelleen alttiina hapettavalle ympäristölle jäljellä oleva sulametalli imeytyy asteittain hapetusreaktiotuotteen sisään ja sen läpi hapet- 12 83952 timen suuntaan monikiteisen hapetusreaktiotuotteen jatkuvan kasvun aikaansaamiseksi kiinteän faasin ja kaasun rajapinnan kohdalla tai läheisyydessä. Saatu tuote, joka on muodostunut perusmetallin hapettuessa puolikiteiseksi keraamiseksi 5 aineeksi, koostuu pääasiallisesti perusmetallin hapetusreak-tiotuotteesta kaasufaasihapettimen kanssa ja mahdollisesti yhdestä tai useammasta perusmetallin eihapettuneesta ainesosasta. On selvää että saatu monikiteinen aine voi olla huokoinen, joka huokoisuus korvaa osittain tai melkein 10 kokonaan metallifaasin, mutta onteloiden tilavuusprosentti riippuu suuresti sellaisista olosuhteista kuin lämpötila ja aika ja perusmetallin tyypistä. Tällaisissa monikiteisissä keraamisissa rakenteissa reaktiotuotekristalliitit ovat yhteydessä toisiinsa, edullisesti kolmiulotteisesti ja 15 metallit tai ontelot voivat olla ainakin osittain toistensa kanssa yhteydessä.

Hapetusprosessia voitaneen selittää siten että sulaa metallia kulkeutuu kanavia pitkin hapetusreaktiotuotefaasin 20 määrättyjä suurienergisiä raeleikkauskohtia pitkin. On selvää, että mikä tahansa monikiteinen aine omaa lukuisia raerajaenergioita (vapaita pintaenergioita) riippuen ti-lasiirrosten asteesta kahden samasta aineesta olevan kiteen tai rakeen välisessä rajapinnassa. Yleensä raerajat, joilla 25 on alhainen kulmasiirtymä, omaavat alhaisia pintaenergioita, kun taas suurikulmaisilla rajoilla on korkeat pinta-energiat, joskaan yhteyden ei tarvitse olla yksinkertainen, kulman monotonisesti lisääntyvä funktio johtuen edullisim-mista atomien satunnaisista suuntauksista välikulmissa.

30 Samoin ne viivat, joita pitkin kolme raetta leikkaavat toisiaan, ovat tavallisesti suurienergisiä monikiteisessä mikrorakenteessa.

Mahdollisena lisäselvityksenä perusmetalli ja hapetin ilmei-35 sesti muodostavat edullisen monikiteisen hapetusreaktiotuotteen, jolla on sellainen vapaapintaenergian suhde sulaan perusmetalliin, että lämpötila-alueen jossakin osassa, jossa perusmetalli on sulana, mainitun monikiteisen hapetusreak- 13 83952 tiotuotteen ainakin jotkin raeleikkauskohdat (se on raerajat tai kolmen rakeen leikkauskohdat) korvautuvat sulan metallin tasomaisilla tai suoraviivaisilla kanavilla. Jos esimerkiksi ajatellaan raerajaa, jonka vapaapintaenergia 5 on suurempi kuin kahden olennaisesti geometrisesti saman kide/sulametallin rajapinnan vaihtoehtoisella konfiguraa-tiolla, niin tällaisissa tapauksissa tällainen suurienerginen raeraja ei muodosta tai hajoa spontaanisti sulan metallin tasomaisen kanavan eduksi, jota rajoittaa kaksi kide/me-10 tallirajapintaa. Kun sulametallia pidetään hapettavassa ympäristössä ja lämpötila-alueen tehokkaalla alueella, sulaa metallia imeytyy tai kulkeutuu tällaisia kanavia pitkin hapettimen suuntaan. Erityisesti tämä ilmiö esiintyy, kun (1) nestemäinen metalli kostuttaa kristalliittifaasia (so., 15 jossa Y SL < YgG' tarkoittaa kide/sulametallin rajapinnan vapaata pintaenergiaa. Ja YSG tarkoittaa kide/kaasurajapin-nan vapaata pintaenergiaa). Ja (2) joidenkin rajapintojen energia YB on kaksi kertaa suurempi kuin kide/nestemäisen metallin rajapintaergia, so. jossa Ύ ΒΜΑχ on monikiteisen 20 aineen suurin mahdollinen raerajaenergia. Luonteeltaan suoria sulametallin kanavia voidaan muodostaa samalla tavoin, jos metalli korvaa muutamat tai kaikki kolmiraeleik-kauskohdat aineessa.

25 Koska kanavat ovat ainakin osittain yhteydessä toisiinsa (so. monikiteisen aineen raerajat ovat yhdistetyt), kulkeutuu sulaa metallia monikiteisen hapetusreaktiotuotteen läpi sen pinnalle kosketukseen hapettavan atmosfäärin kanssa, jossa metalli hapettuu sillä tuloksella, että hapetusreak-30 tiotuote jatkuvasti kasvaa. Koska lisäksi sulan metallin imeytyminen kanavia pitkin on paljon nopeampi kuljetustapa kuin useimpien tavallisten hapetusilmiöiden ioniset siirto-mekanismit, on tällä hapetusreaktiotuotteella havaittu kasvunopeus tällä hapetusprosessilla paljon nopeampi kuin 35 mitä tavallisesti havaitaan muissa hapetusilmiöissä.

Vaikka esillä olevan keksinnön hapetusreaktiotuote on pitkin suurienergisiä raeleikkauskohtia metallin läpäisemä, on 14 83952 monikiteinen reaktiotuotefaasi itsessään itsensä kanssa yhteydessä tai useammassa suunnassa, edullisesti kolmiulotteisesta, pitkin suhteellisen pienikulmaisia raerajoja, jotka eivät täytä ehtoa jne. Siten tämän keksinnön mukaisel-5 la tuotteella on useita klassisten keraamisten aineiden haluttuja ominaisuuksia (so. kovuus, tulenkestävyys, kulutuskestävyys jne.) samalla kun siihen jakautuneen metalli-faasin läsnäolo antaa lisäetuja (merkittävästi korkeampi sitkeys ja halkeamiskestävyys).

10

Oleellista keksinnössä on perusmetallin pinnalle levitettävä lisäainekerros, eikä keksintö edellytä lisäaineen seostamista perusmetalliin. Kuitenkin lisäaineiden seostaminen perusmetalliin voi vaikuttaa edullisesti hapetusreaktioproses-15 siin.

Joskin esillä olevaa keksintöä alla selostettaessa painotetaan erityisesti alumiinia ja alumiinin erityisiä suoritusmuotoja perusmetallina, on selvää, että voidaan käyttää myös 20 muita metalleja, jotka täyttävät edellä olevan keksinnön kriteerit. Saatu ensisijaisesti keraaminen kappale sisältää perusmetallin ei-hapettuneita ainesosia sulkeumina, jotka ovat imeytyneet puolikiteisen aineen läpi ja jähmettyneet siinä keraamisen kappaleen jäähdyttyä kasvuprosessin päätyt-25 tyä.

Tämän keksinnön muut piirteet ja edut käyvät selvemmiksi sen edullisten esimerkkitoteutusmuotojen yksityiskohtaisesta kuvauksesta, joka seuraa.

30 Tämän jälkeen viitataan liitteenä oleviin piirroksiin, joissa: kuvio 1 on valokuva tuloksena olevan monoliittisen keraami-35 sen kappaleen poikkileikkauksesta, joka kappale on valmistettu esimerkin 8 mukaisesti; kuvio 2 on valokuva, joka esittää vastaavasti yläkuvantoa 15 83952 paikallisesta keraamisesta kappaleesta, joka on muodostettu esimerkin 9 mukaisesti; ja kuvio 3 on mikroskooppivalokuva, joka esittää esimerkin 11 mukaisesti valmistetun keraamisen kappaleen mikrorakennetta. 5

Kuten edellä mainittiin, tämä keksintö perustuu havaintoon, että perusmetalli on hapetettavissa itsekantavaksi keraamiseksi rakenteeksi menetelmällä, jossa vähintään yhtä lisäainetta levitetään perusmetallin pinnan valikoidulle osalle 10 tapauksissa, joissa tarvitaan yhtä tai useampaa lisäainetta synnyttämään perusmetallin edullinen kostutus mitä tulee tiettyihin sen hapetusreaktiotuotteen raerajoihin.

Lisäaineiden lisäys perusmetalliin edistää hapetusreaktio-15 prosessia, jossa metalli muodostaa monikiteisrakenteen, joka sisältää kanavia sulametallin kuljettamiseksi, kuten uusi prosessi edellyttää.

On ilmeistä, että määrätty lisäaine mahdollistaa, nopeuttaa 20 tai käynnistää hapetusreaktiotuoteen kasvuilmiön, joskin sen vaikutus voi riippua muistakin tekijöistä kuin lisäaineista itsestään. Näitä tekijöitä ovat esimerkiksi määrätty perusmetalli, haluttu lopputuote, haluttu yhdistelmä käytettäessä yhtä tai useampaa lisäainetta, hapettava ympäristö ja 25 prosessiolosuhteet. Vaikka keksinnön määrättyjä edullisia suoritusmuotoja selostetaan alla tämän selityksen pohjalta, on ymmärrettävä että täsmällistä hapetuskäyttäytyrnistä ei ehkä täysin ymmärretä ja että minkä tahansa lisäaineen käyttäytyminen voi vaihdella riippuen olosuhteista.

30 Käyttökelpoinen lisäaine alumiiniperusmetallilla, erityisesti käytettäessä ilmahapettimena, on esimerkiksi magnesium, joko erikseen tai yhdessä muiden alla selostettujen lisäaineiden kanssa. Yhtä tai useampaa näistä lisäaineista tai 35 yhtä tai useampaa tai kaikkia näiden lisäaineiden lähteitä lisätään ulkoisesti alumiiniperusteiseen perusmetalliin alkuainemuodossa tai edullisesti yhdisteenä, esimerkiksi MgO.

16 83952

Muita lisäaineita, jotka tehokkaasti edistävät puolikiteisen hapetusreaktiotuotteen kasvua alumiiniperusteisilla perusme-tallisysteemeillä ovat esimerkiksi pii, germanium, tina ja lyijy, erityisesti käytettynä yhdessä magnesiumin kanssa.

5 Yhtä tai useampaa muista lisäaineista tai lisäaineen sopivaa lähdettä lisätään ulkoisesti perusmetallille ja mahdollisesti yhtä tai useampaa jäljellä olevista lisäaineista tai sen lähteistä seostetaan alumiiniperusmetallijärjestelmään.

10 Kuten yllä on todettu, ei ole tarpeen, että kaikki lisäaineet levitetään perusmetallin ulkopinnalle. Siten yksi tai useampi lisäaineista voidaan seostaa sisäisesti tai muutoin lisätä perusmetalliin ja muu lisäaine tai lisäaineet voidaan lisätä ulkoisesti perusmetallin pinnalle esillä olevan 15 keksinnön mukaisesti. Lisäksi perusmetalliin seostettuja lisäaineita voidaan kartuttaa ulkopuolisesta lisätyillä lisäaineilla. Toisen tai kummankin sisäisen tai seostetun lisäaineen puutteellinen pitoisuus voidaan esimerkiksi korvata ulkoisesti lisätyillä lisäaineilla.

20

Lisäaineita lisätään edullisesti perusmetallin pinnan osalle tasaisena päällystekerroksena. Lisäaineen määrä on tehokas laajalla alueella verrattuna perusmetallin määrään, johon sitä levitetään, ja alumiinin ollessa kysymyksessä. On ko-25 keellisesti osoitettu, että käyttökelpoiset rajat ovat laajat. Käytettäessä esimerkiksi piitä piidioksidimuodossa lisäaineena aluminiumperusteiselle perusmetallille käyttäen ilmaa tai happea hapettimena antavat niinkin alhaiset määrät kuin n. 0,0003 g piitä per g perusmetallia tai n. 0,0001 g 30 piitä neliösenttimetriä kohti alttiina olevaa perusmetallin pintaa, yhdessä toisen lisäaineen kanssa, kuten magnesium-lähteen kanssa, kasvuilmiön keraamisessa rakenteessa. On myös havaittu, että keraaminen rakenne on aikaansaatavissa aluminiumperusteisesta perusmetallista, joka sisältää piitä, 35 käyttäen ilmaa hapettimena, levittämällä perusmetallin pinnalle MgO-lisäainetta enemmän kuin n. 0,0005 g MgO per g hapetettavaa perusmetallia ja enemmän kuin 0,005 g MgO per neliösenttimetri perusmetallipintaa, jolle MgO levitetään.

17 83952 Tämän keksinnön erityisen edullisessa toteutusmuodossa käytetään alumiiniperusmetallia kaksoislisäainesysteemin yhteydessä, joka koostuu initiaattorilisäaineesta ja kiihdy-tinlisäaineesta, joita levitetään ulkopuolisesti perusmetal-5 Iin pinnan valikoidulle osalle. Alumiinin kyseessä ollen initiaattori- ja kiihdytinlisäaineet ovat samassa järjestyksessä magnesiumlähde ja ryhmän IVA muun alkuaineen kuin hiilen lähde. Sekä initiaattori- että kiihdytinlisäainetta ei tarvitse levittää perusmetallin ulkopinnalle ja näin 10 ollen jos toinen lisäaineista lejeerataan sisäisesti perusmetalliin, toinen lisäaine voidaan levittää ulkopuolisesti perusmetallin pinnalle keraamisen rakenteen kasvun saavuttamiseksi. Lisäksi asianmukaisen kiihdytin- ja/tai initiaatto-rilisäaineen väkevyyspuutteet peruslejeeringissä voidaan 15 korjata ulkopuolisesti levitetyillä lisäaineilla, jolloin saavutetaan keraamisen rakenteen optimi kasvukinetiikka. Alumiinin kyseessä ollen ei ole olemassa yleisiä kaupallisia lejeerinkejä, joiden koostumus olisi optimaalinen sisäisesti lejeerattujen lisäaineväkevyyksien suhteen. On havaittu, 20 että tällaisia lejeerinkejä voidaan säätää optimilisäainevä-kevyyteen levittämällä joko initiaattori- tai kiihdytinlisäainetta tai molempia ulkopuolisesti maksimaalisen kasvu-kinetiikan saavuttamiseksi.

25 Initiaattori- ja kiihdytinlisäainetta levitetään edullisesti osalle perusmetallin pintaa tasaiseksi kerrokseksi sen päälle. Yllättäen kiihdytinlisäaineen määrällä ei näytä olevan ylä- eikä alarajaa (sikäli kuin kiihdytinlisäainetta on läsnä), mutta osoittautuu, että lisäämällä kiihdytinlisä-30 aineen määrää, reaktioaika, joka tarvitaan keraamisen rakenteen muodostamiseen, lyhenee. Esimerkiksi käytettäessä piitä piidioksidin muodossa kiihdytinlisäaineena, vain 0,0001 g:n Si-määrät yhtä grammaa kohti alumiinia yhdessä initiaattori-lisäaineen kanssa aikaansaavat keraamisen rakenteen kasvuil-35 miön, kun ilmaa tai happea käytetään hapettimena.

Toisin kuin kiihdytinlisäaineella ulkopuolisesti levitetyn lisäaineen määrillä, jotka tarvitaan kasvuilmiön saavuttami- 18 83952 seen käsittelemättömällä perusmetallilla, osoittautuu olevan alaraja, mutta ei taaskaan havaittavaa ylärajaa. Näin ollen, jotta saavutettaisiin keraamisen rakenteen kasvu alumiini-pohjaiselta perusmetallilta käyttäen ilmaa hapettimena, 5 initiaattorilisäainetta MgO:n muodossa on edullisesti oltava läsnä yli 0,0005 g:n määrä initiaattoria grammaa kohti lejeerinkiä ja yli 0,005 g/cm^ peruslejeeringin pintaa, jolle MgO levitetään.

10 Tapauksessa, jossa käytetään alumiinia tai sen lejeerinkejä perusmetallina ja ilmaa tai happea hapettimena tämän keksinnön prosessissa, lisäaineiden asianmukaiset määrät levitetään ainakin osalle perusmetallin pintaa ja perusmetalli asetetaan sitten upokkaaseen tai muuhun tulenkestoiseen 15 astiaan, jossa metallipinta on alttiina hapettavalle atmosfäärille. Perusmetallia kuumennetaan sitten uunissa sen lämpötilan korottamiseksi tyypillisesti välille n. 1000-1450°C tai edullisemmin välille n. 1100-1350°C, perusmetallin sulattamiseksi. Oksidikalvo muodostuu perusmetallin 20 pintaan ja sulan metallin vaeltamista tapahtuu oksidikuoren läpi, joka ympäröi perusmetallia. Tuloksena oleva perusmetallin jatkuva alttiina olo hapettimelle tekee mahdolliseksi paksunevan monikiteisen oksidikuoren etenevän hapettumisen, jossa on perusmetallin mikrohieno verkosto pitkin näin 25 muodostuneen oksidirakenteen oleellisesti muutoin suurienergisiä raeleikkauskohtia. Monikiteinen reaktiotuote on yhdis-tynyt yhdessä tai useammassa suunnassa, edullisesti kol-miulotteisesti, ja metallifaasi on myös yhdistynyt yhdessä tai useammassa suunnassa. Kun prosessia jatketaan alkuperäi-30 sen metallilammikon kulumisen jälkeen kulkeutuu mikrorakenteessa oleva yhteydessä oleva metalli pinnalle muodostaen lisäoksidia, jättäen toistensa kanssa yhteydessä olevia huokosia metallin paikalle. Oksidirakenne kasvaa vakionopeudella (ts. oleellisesti muuttumaton paksuuden kasvunopeus 35 ajan mukana) edellyttäen, että riittävän ilman (muun hapettavan atmosfäärin) vaihtumisen sallitaan tapahtua uunissa suhteellisen muuttumattoman hapetinlähteen pitämiseksi siinä tai hapettavan atmosfäärin korvaaminen voidaan ilman kysees- 19 83952 sä ollen sopivasti aikaansaada uunissa olevilla tuuletus-rei'illM. Kasvu jatkuu, kunnes ainakin yksi seuraavista tapahtuu: 1) kaikki perusmetalli kuluu loppuun so. olennaisesti kaikki 5 perusmetalli kuluu; 2) hapettava atmosfääri korvataan ei- hapettavalla atmosfäärillä, hapetin kuluu loppuun tai se vedetään tyhjöön; 3) uunin lämpötilaa muutetaan niin, että se on oleellisesti reaktiolämpötila-alueen ulkopuolella (ts. oleellisesti alueen 1000-1450°C ulkopuolella).

10

Lisäainemateriaalit levitetään edullisesti jauheina perusmetallin pinnalle. Eräs erityisen edullinen menetelmä levittää lisäaineet perusmetallin pinnalle on käyttää lisäaineiden nestemäistä suspensiota veden ja orgaanisen sideaineen seok-15 sessa ruiskutettuna tai muulla tavoin levitettynä perusmetallin pinnalle, jota mahdollisesti seuraa kuivaus tarttuvan päällysteen saamiseksi, joka helpottaa lisäaineella käsitellyn perusmetallin käsittelyä ennen prosessointia.

20 Yllättäen on myös havaittu, että lisäaineen lähde voidaan aikaansaada asettamalla kiinteä kappale, joka koostuu olennaisesti lisäaineesta, kosketukseen ainakin perusmetallin pinnan osan kanssa. On esimerkiksi havaittu, että ohut kerros piitä sisältävää ainetta voidaan asettaa osalle 25 perusmetallin pintaa, jolle muuta lisäainetta, esim. magnesiumia, on aikaisemmin levitetty. Kun materiaalilla päällystetty perusmetalli sulatetaan hapettavassa ympäristössä (esim. alumiinin ollessa kysymyksessä ilmassa 1000-1450°C) tapahtuu keraamisen kappaleen kasvu.

30 Tämän keksinnön mukaisesti valmistetuille monikiteisille keraamisille kappaleille on eräässä suoritusmuodossa yleensä tunnusomaista mikrohieno metailiverkosto. Tämä metalli näyttää olevan pitkin sitä mikä muutoin muodostaisi suurienergi-35 siä raeleikkauskohtia. Monikiteinen hapetusreaktiotuotefaasi on hyvin yhtynyt yhdessä tai useammassa suunnassa, edullisesti kolmiulotteisesti. Metallifaasi on myös yhtynyt, ainakin jossakin määrin, mutta metallia ei tarvita niiden 20 83952 kristalliittien sideaineeksi, jotka ovat sitoutuneet suoraan toisiinsa. Kun prosessi viedään loppuun, so. pisteeseen, jossa metallifaasi on hyvin pitkälle hapettunut, yhdistynyt metalliainesosa imeytyy kappaleesta jättäen sen sijaan huo-5 koisuutta muodostaakseen lisää keraamista ainetta pinnalle.

Esillä olevan keksinnön avulla on mahdollista valmistaa lähes ontelovapaata keraamista tuotetta, ja kun prosessia keksinnön mukaisesti ei viedä perusmetallin loppumispistee-10 seen saakka, on saatu tuote lähes tiivis. Mikäli prosessi viedään loppuun niin että keraamisessa kappaleessa alunperin muodostunut metallifaasi on lähes täydellisesti hapettunut, on tuotteessa suurempi tilavuusprosentti ontelolta, jotka ovat ainakin osittain yhteydessä toisiinsa. Keraaminen 15 kappale, joka on esimerkiksi muodostettu alumiinista seostettuna magnesiumilla ja piillä ja valmistettu ilmassa n. 1125°C, voi sisältää n. 20-30 tilavuus-% metallia ja n.

2-5 tilavuus-% ontelolta, kun kasvu pysäytetään ennen kuin kaikki metalli on hapettunut; ja mikäli hapetetaan lähes 20 kaikki metalli, voi se sisältää 1-3 tilavuus-% perusmetallia, 25-30 tilavuus-% ontelolta, kun prosessi ajetaan loppuun.

Esillä olevan keksinnön erään toisen piirteen mukaan aikaan-25 saadaan itsekantava keraaminen kappale, joka soveltuu tai joka on valmistettu käytettäväksi kaupallisena tuotteena, joka muodostetaan sulattamalla perusmetallin esiastetta, jonka pinnan ainakin osalle on levitetty lisäainekerros ja hapettamalla saatu sula perusmetalliesiaste kaasufaasiha-30 pettimella. Saatu keraaminen kappale koostuu olennaisesti yksifaasisesta monikiteisestä hapetusreaktiotuotteesta ja metallikanavista tai onteloista tai molemmista.

Tämän keksinnön mukainen keraaminen kappale, joka on muodos-35 tettu hapettamalla ulkoisesti seostettua perusmetalliesias-tetta kaasufaasihapettimella, käsittää metalliesiasteen monikiteisen hapetusreaktiotuotteen ja sille on luonteenomaista olennaisesti yksifaasinen keraaminen runkorakenne 21 83952 (hapetusreaktiotuote) ja metalliesiasteen yksi tai useampi ei-hapettunut ainesosa tai onteloita tai molempia. Keraamisen runkorakenteen yksittäiset kristalliitit ovat, määrätyissä suoritusmuodoissa, yhtyneitä pienikulmaisia raerajo-5 ja pitkin. Metallikanavia muodostuu, kun viereisten rakeiden kidehilojen välissä on tapahtunut suuri poikkeama.

Esillä olevan keksinnön tuotteet soveltuvat tai ne on valmistettu käytettäviksi kaupallisina tuotteina esim. koneis-10 tukseen, hiomiseen, kiillottamiseen jne., minkä tässä yhteydessä tarkoitetaan käsittävän, ilman rajoituksia, teolliset, rakennus- ja teknilliset keraamiset kappaleet sellaisiin tarkoituksiin, joissa sähköiset, kulumis-, lämpö-, rakenneta! muut piirteet tai ominaisuudet ovat tärkeitä tai edul-15 lisiä, eikä tarkoituksena ole, että niihin kuuluisi kierrätettäviä tai jätemateriaaleja, joita voi muodostua ei-toivottuina sivutuotteina käsiteltäessä sulia metalleja. Tällaisia keraamisia kappaleita ovat esim. kone-elimet, lämmön-vaihtimet, uunirakenteet, leikkuuterät, hiontaelimet, vent-20 tiilielimet, pumppuelimet, laakerit, tiivisteet, muotit, diffuusioputket, äänenvaimentimet, tiilet, säteilysuojat jne.

Seuraavat ei-rajoittavat esimerkit kuvaavat tarkemmin tämän 25 keksinnön menetelmää. Jokaisessa alla olevassa esimerkissä käytetään ilmaa hapettavana atmosfäärinä ympäristön paineessa syötettynä johtamalla uunin tuuletusaukon läpi. Kaikkien ainesosien ja yhdisteiden pitoisuudet on ilmaistu painoprosentteina ja seosainesosille on ainoastaan annettu nimel-30 liset koostumukset.

Esimerkki 1

Kaupallisesti puhdasta alumiinia (lejeerinki 1100) tutkittiin lämpötiloissa välillä 1100-1450°C sen vaikutuksen 35 määrittämiseksi, joka lämpötilalla ja magnesiumia ja piitä sisältävien lisäaineoksidimateriaalien pinnalle levittämisellä olisi keraamisen kappaleen kasvun suhteen.

22 8 3 9 5 2

Jokaisessa kokeessa alumiinilejeeringin levyjä, jotka olivat 50,8 mm leveitä, 228,6 mm pitkiä ja n. 4,8 mm paksuja ja jotka painoivat n. 100 g, valmistettiin prosessointia varten. Nämä levyt upotettiin alumiinioksidin hiukkasmaiseen 5 kerrokseen levyn 228,6 mm:n pinnan ollessa oleellisesti samassa tasossa kerroksen pinnan kanssa. Paljaana oleva pinta peitettiin pienellä määrällä (1 g) hienojakoista magnesiumoksidipulveria (0,0052 g Mg/cm tai 0,0015 g Mg/g perusalumiinia) ja sen jälkeen samalla määrällä (1 g) pii-10 dioksidijauhetta, odotetun kasvupinnan peittämiseksi tasai sesti .

Jokaisessa kokeessa nimellinen kiertojakso uunissa, joka salli ilmakehän ilman sisäänpääsyn, oli seuraava: 15

Kulunut aika Lämpötila °C

0-5 tuntia 30°C:sta asetuslämpötilaan 5-29 tuntia asetuslämpötilassa 29-34 tuntia asetuslämpötilasta n. 600°C:een 20 34+ tuntia poisto uunista (600°C:sta ympäristön lämpötilaan)

Eri näytteiden määrityksenä oli visuaalinen tarkastelu ja koko upokkaan ja panoksen painonlisäyksen mittaus. Tässä 25 käytettynä "painonlisäyksen" tarkoitetaan viittaavan tulen-kestoisen astian, alumiinioksidikerroksen ja harkon koko-naispainonmuutoksen suhteeseen ennen ja jälkeen edellä mainitun uunikiertojakson perusmetallin alkuperäiseen painoon ja painonlisäys ilmoitetaan yksiköissä g/g. Kun ha-30 varttiin suhteellisen täydellinen alumiinilejeeringin konversio keraamiseksi materiaaliksi, painonlisäys on luokkaa 0,89 g/g alumiiniperusmetallia (vastaa alumiinin täydellistä konversiota Al203:ksi mahdollisen eron salliessa reagoimatonta jäännösalumiinia peruslejeeringissä sekä 35 muutamia prosentteja (esim. 15 %) tuloksena olevaan tuotteeseen sisältyvää metallifaasia. Röntgendiffraktioanalyysi vahvisti, että alumiinista saatu hapetusreaktiotuote on alfa-alumiinioksidi, lukuunottamatta ohutta spinellikerros-ta, joka oli muodostunut kasvun käynnistyspinnalle. Edellä 23 8 3 9 5 2 prosessoidun panoksen painonlisäykset ilman korjausta kosteuden poiston suhteen kerroksesta tai upokkaista tai muiden koevirheiden suhteen valituissa uunin lämpötiloissa luetellaan alla taulukossa 1.

5

Taulukko 1

Asetuslämpötila Painonlisäys 1100°C 0,00 10 1125 eC 0,00 1150eC 0,15 1175eC 0,57 1200°C 0,68 1225“C 0,46 15 1275°C 0,56 1300°C 0,44 1325°C 0,27 1350°C 0,34 1375 °C 0,13 20 1400°C 0,19 1425 °C 0,14

Taulukossa 1 esitetyt tulokset osoittavat merkittävää painon kasvua ja siten alumiinin voimakasta hapettumista perusme-25 tallista alumiinioksidiksi. Nämä kokeet havainnollistavat lisätyn lisäainekerroksen käyttökelpoisuutta, jota vertailukokeet esimerkissä 4 vahvistavat.

Esimerkki 2 30 Tarkoituksena määrittää, muuttaako magnesiumdioksidin ja piidioksidin asetusjärjestys paljaalle pinnalle oleellisella tavalla tämän keksinnön prosessointia keraamiseksi kappaleeksi, kokeet suoritettiin edellä kuvatulla tavalla (esimerkin 1 mukaisesti), mutta levittäen ensin piidioksidia 35 ja sen jälkeen magnesiumoksidia. Saadut keraamiset kappaleet ja painonlisäykset olivat oleellisesti identtiset aikaisemmin kuvatun esimerkin 1 sarjan kanssa painonlisäysten ollessa lueteltu alla taulukossa 2.

40

Taulukko 2 24 83952

Asetuslämpötila Painoniisäys 1100°C 0,00 5 1150°C 0,04 1200°C 0,55 1250°C 0,53 1300°C 0,39 1350°C 0,20 10

Kuten taulukossa 1 esitetyt tulokset, merkittävä painon-lisäys osoittaa alumiinin voimakasta hapettumista alumiini-oksidiksi ja osoittaa lisäksi, että on samantekevää missä järjestyksessä lisäaineet levitetään metallipinnalle.

15

Esimerkki 3

Tarkoituksena määrittää, sallisiko binäärisen lisäainejärjestelmän levittäminen yhtenä esisekoitettuna kerroksena perusmetallin pinnalle keraamisen kappaleen muodostamisen, 20 kaksi grammaa magnesiumdioksidin ja piidioksidin seosta painosuhteessa 1:1 levitettiin perusmetallin pinnalle samalla tavoin kuin esimerkissä 1 kuvattiin. Tämän esimerkin painonlisäykset esitetään taulukossa 3 ja esittävät esimerkkien 1 ja 2 mukaisia arvoja, mikä viittaa siihen, että 25 molempien lisäaineiden sekoittaminen osoittautui myös tehokkaaksi .

Taulukko 3

Painonlisäystulokset ja asetuslämpötila näytteille, joita 30 on käsitelty magnesiumoksidin ja piidioksidin seoksella levitettynä perusmetallin paljaalle pinnalle.

Asetuslämpötila Painonlisäys 1200°C 0,75 35 1250°C 0,53 1300°C 0,43

Esimerkki 4

Tarkoituksena määrittää edellä kuvatun käsittelyn vaikutus 40 alumiinilejeerinkiin 1100, mutta ilman ulkopuolisen lisäai- 25 83952 neen avustusta, näytteitä käsiteltiin edellä kuvatulla tavalla, mutta levittämällä materiaalia paljaalle pinnalle. Mitään merkittävää halutun α-alumiinioksidin keraamisen materiaalin kasvua ei havaittu asetuslämpötiloissa välillä 5 1100-1350°C.

Esimerkki 5

Tarkoituksena määrittää se vaikutus, joka ulkopuolisella lisäainekäsittelyllä käyttäen yhdisteitä, jotka sisältävät 10 magnesiumia ja muita ryhmän IVA alkuaineita, olisi tämän keksinnön keraamisen kappaleen kasvun suhteen, suoritettiin kokeita samalla tavoin kuin esimerkissä 1 kuvattiin, mutta levittämällä ulkopuolisesta pieni määrä (1 g) magnesiumoksi-dia ja 2,5 g tinaoksidia paljaalle pinnalle. Painonlisäystu-15 lokset käyttäen tinaoksidia lisäaineena luetellaan alla taulukossa 5A.

Samalla tavoin suoritettiin kokeita levittäen ulkopuolisesta pieni määrä (1 g) magnesiumoksidia ja sen jälkeen 1,7 g ger-20 maniumdioksidia. Painonlisäystulokset käyttäen germanium-dioksidia lisäaineena luetellaan taulukossa 5B.

Taulukko 5A

Painonlisäystulokset ja asetuslämpötila näytteille, joita 25 on käsitelty lisäämällä tinaoksidia ja magnesiumoksidia paljaalle pinnalle.

Asetuslämpötila Painonllsäys 1150°C 0,02 30 1200°C 0,78 1225eC 0,80 1250°C 0,83 1275°C 0,81 1300°C 0,77 35 1350°C 0,45

Taulukko 5B

Painonlisäystulokset ja asetuslämpötila näytteille, joita on käsitelty lisäämällä germaniumoksidia ja magnesiumoksidia 40 paljaalle pinnalle.

26 83952

Asetuslämpötila Painonlisäys 1200 °C 0,77 1250°C 0,50 5 Taulukoiden 5A ja 5B arvot osoittavat tinaoksidin ja vastaavasti germaniumoksidin tehokkuutta yhdessä magnesiumoksidin kanssa, kun niitä käytetään lisäaineina alumiiniperusteises-sa perusmetallissa käyttäen ilmaa hapettimena keksintöä toteutettaessa.

10

Esimerkki 6

Tarkoituksena määrittää se vaikutus, joka ulkopuolisella li-säainekäsittelyllä käyttäen muita yhdisteitä, jotka sisältävät magnesiumia, olisi keraamisen materiaalin kasvun suh-15 teen, suoritettiin kokeita samalla tavoin kuin esimerkissä 1 esitettiin, mutta lisäten 2 g magnesiumaluminaattispinel-liä (MgAl2C>4) ja 1 g piidioksidia lejeerinkikalvon pinnalle. Nämä lisäainemäärät vastaavat 0,003 g Mg/cm^ alttiiksi asetettua pintaa ja 0,00086 g Mg/g perusmetallia. Näissä 20 kokeissa uunitusaika asetuslämpötilassa oli 36 tuntia. Painonlisäystulokset luetellaan taulukossa 6.

Taulukko 6

Painonlisäystulokset ja asetuslämpötila näytteille, joita 25 on käsitelty lisäämällä magnesiumaluminaattispinelliä ja piidioksidia paljaalle pinnalle:

Asetuslämpötila Painonlisäys 1100°C 0,00 30 1125°C 0,01 1175°C 0,29 1225 °C 0,22 1275 °C 0,15 1325 °C 0,20 35 1375eC 0,09 Tämä esimerkki osoittaa, että muut lisäainepitoiset yhdisteet kuin yksinkertaiset oksidit tehokkaasti edistävät keraamista kasvua.

40 27 83952

Esimerkki 7

Tarkoituksena havainnollistaa yhden ulkopuolisesti levitetyn lisäaineen käyttöä yhdessä toisen lisäaineen kanssa, jota on sisäisesti lejeerattu parusmetalliin, kuutta alumiini/-5 magnesiumlejeerinkiä, joissa oli 0,5-10 paino-% sisäistä magnesiumlisäainetta, käsiteltiin ulkopuolisesti levitetyllä piidioksidilla joukossa asetuslämpötiloja.

Jokaisessa kokeessa valmistettiin sylinterimäinen alumiini/-10 magnesiumlejeerinkiharkko, joka oli 25 mm pitkä ja halkaisijaltaan 25 mm, valamalla sulatteesta 850°C:ssa. Alunperin käytetyn alumiinilejeeringin puhtaus oli 99,7 %. Sylinteri upotettiin 90 meshin tulenkestoiseen alumiinioksidigranu-laattiin, joka oli sopivassa tulenkestoisessa upokkaassa.

15 Harkon sahattu pinta jätettiin paljaaksi ja asetettiin oleellisesti samaan tasoon alumiinioksidin pinnan kanssa. Tälle pinnalle jaettiin 0,05 g piidioksidia -140 meshin jauheen muodossa ulkopuolisen lisäaineen aikaansaamiseksi. Jokaisessa kokeessa nimellinen uunikiertojakso oli seuraava: 20

Kulunut aika Lämpötila °C

0-4 tuntia 30°C:sta asetuslämpötilaan 4-16 tuntia asetuslämpötilassa 16-20 tuntia asetuslämpötilasta 600°C:een 25 20+ tuntia poisto uunista

Jokaisella lejeeringillä painonlisäys määritettiin edellä määritetyllä tavalla. Tulokset on lueteltu taulukossa 7.

30 Taulukko 7

Painonlisäys ja asetuslämpötila sarjalle Al/Mg-lejeerinkejä lisäten piidioksidia paljaalle pinnalle.

28 83952

Lejeeringin koostumus Asetuslämpö- Painonlisäys _tila, °C_ 0 % Mg/loput AI 1150 0,004 5 0 % Mg " 1200 0,004 0 % Mg " 1250 0,002 0 % Mg " 1300 0,01 0 % Mg " 1350 0,01 10 0,5 % Mg/loput AI 1100 0,05 0,5 % Mg ’’ 1150 0,14 0,5 % Mg/ " 1200 0,22 0,5 % Mg " 1250 0,15 0,5 % Mg " 1300 0,47 15 0,5 % Mg " 1350 0,32 0,5 % Mg " 1400 0,06 1 % Mg/loput AI 1100 0,05 1 % Mg " 1150 0,09 20 1 % Mg " 1200 0,19 1 % Mg " 1250 0,76 1 % Mg " 1300 0,30 1 % Mg " 1350 0,17 1 % Mg " 1400 0,11 25 2 % Mg/loput AI 1100 0,02 2 % Mg " 1150 0,13 2 % Mg " 1200 0,26 2 % Mg " 1250 0,25 30 2 % Mg " 1300 0,42 2 % Mg " 1350 0,06 2 % Mg " 1400 0,10 *2,5 % Mg 1100 0,05 35 2,5 % Mg 1150 0,13 2.5 % Mg 1200 0,22 2.5 % Mg 1250 0,79 2.5 % Mg 1300 0,62 2.5 % Mg 1350 0,06 40 2,5 % Mg 1400 0,10 3 % Mg/loput Ai 1100 0,12 3 % Mg " 1150 0,13 3 % Mg " 1200 0,21 45 3 % Mg " 1250 0,72 3 % Mg " 1300 0,33 3 % Mg " 1350 0,09 3 % Mg " 1400 0,13 50 5 % Mg/loput Ai 1100 0,11 5 % Mg " 1150 0,09 5 % Mg " 1200 0,25 5 % Mg " 1250 0,79 5 % Mg " 1300 0,47 55 29 83952 *2,5 %:n magnesiumlejeerinki oli kaupallisesti saatava alu-miinilejeerinki (5052), jossa on seuraavat aineosat:

Alkuaine Pitoisuus (painosta) 5 Fe 1 %

Cr 0,3 %

Si 0,1-0,2 %

Cu 0,05 %

Zn 0,01 % 10 Ai loput

Lejeeringin koostumus Asetuslämpö- Painonlisäys _tila, °C_ 15 5 % Mg/loput AI 1350 0,05 5 % Mg " 1400 0,23 10 % Mg/loput AI 1100 0,03 10 % Mg " 1150 0,21 20 10 % Mg " 1200 0,52 10 % Mg " 1250 0,72 10 % Mg " 1300 0,68 10 % Mg " 1350 0,57 10 % Mg " 1400 0,46 25 Nämä tulokset osoittavat sellaisen binäärisen lisäainejärjestelmän käyttökelpoisuutta, jossa yksi lisäaine on seostettu perusmetallin kanssa ja toinen levitetty perusmetallin ulkopinnalle.

30

Esimerkki 8

Jotta saataisiin suuri monoliittinen näyte tämän keksinnön keraamisesta kappaleesta, valmistettiin neljän ryhmä 228,6 x 203,2 x 12,7 mm:n levyjä kaupallisesti saatavasta alu-35 miinilejeeringistä 5052, jossa oli 2,5 % sisäistä Mg-lisä-ainetta ja alle 0,2 % muita tunnettuja lisäaineita. Nämä ryhmiteltiin 50,8 mm korkeaksi ja 6500 g painavaksi kokoonpanoksi, joka käärittiin alumiinifolioon, jossa oli alle 0,5 % sisäistä lisäainetta, ja upotettiin sopivaan tulen-40 kestoiseen granulaattiin, jota pidettiin tulenkestoisessa astiassa. Ylempi 228,6 x 203,2 mm:n pinta oli vapaa foliosta ja 12 g piidioksidia dispergoituna polyvinyylialkoholin ja veden liuokseen levitettiin paljaalle pinnalle, minkä jälkeen levitettiin 4 g jauhettua piidioksidimateriaalia, 30 83952 jonka osaskoko oli alle 0,2 mm. Kokoonpanoa käsiteltiin 1125°C:n asetuslämpötilassa 160 tuntia antaen uunille 10 tuntia asetuslämpötilan saavuttamiseen ja 20 tuntia jäähtymiseen ennen kuin panos poistettiin uunista. Käsittelyn 5 jälkeen painonlisäys oli n. 0,40 alkuperäisestä peruslejee-ringin 6500 g:n painosta. Leikkaus saadusta monoliittisesta keraamisesta kappaleesta, jonka mitat olivat karkeasti 254 x 228,6 x 25,4 mm, esitetään kuviossa 2.

10 Esimerkki 9

Tarkoituksena määrittää se vaikutus, joka kiihdytinlisäai-neen paikallisella pinnalle levittämisellä oli keraamisen kappaleen muodostuksen suhteen, näytettä käsiteltiin esimerkissä 8 kuvatulla tavalla käyttäen 228,6 x 50,8 x 12,7 15 mm:n levyä kaupallisesti saatavaa 5052-alumiinilejeerinkiä, joka sisälsi 2,5 % magnesiumia. Noin 2,0 g piidioksidia dispergoituna polyvinyylialkoholin ja veden liuokseen, levitettiin 228,6 x 50,8 mm:n paljaan pinnan 76,2 x 50,8 mm:n keskiosalle toimimaan ulkopuolisena lisäaineena. Näy-20 tettä käsiteltiin 1125eC:n asetuslämpötilassa 48 tuntia antaen uunille viisi tuntia aikaa saavuttaa prosessilämpö-tila ja viisi tuntia jäähtymiseen uunista poistoa varten. Painonlisäys oli 0,16 ja saatu keraaminen kappale, joka kasvoi pääasiassa peruslejeeringin ulkopuolisesti lisäai-25 neella käsitellyltä pinnan osalta, esitetään kuviossa 2.

Esimerkki 10

Tarkoituksena määrittää se vaikutus, joka kiihdytinlisäai-neen ulkopuolisella levittämisellä ei-jauhemaisessa muodossa 30 on, valmistettiin näyte kaupallisesta 5052-alumiinilejeerin-gistä, joka sisälsi 2,5 % Mg-lisäainetta, käsiteltäväksi esimerkissä 9 kuvatulla tavalla. Piidioksidia oleva umpinainen levy, joka painoi 8 g ja joka on 1 mm paksu, 50,8 mm leveä ja 76,2 mm pitkä, asetettiin peruslejeeringin paljaan 35 pinnan keskellä olevalle 50,8 x 228,6 mm:n alueelle. Kun kokoonpanoa oli käsitelty 1125°C:n asetuslämpötilassa 48 tuntia antaen uunille 5 tuntia aikaa saavuttaa asetuslämpö-tila ja 5 tuntia aikaa jäähtyä uunista poistoa varten, 31 83952 painonlisäys oli 0,12 keraamisen kappaleen kasvun ollessa rajoittunut peruslejeeringin lisäaineella käsitellylle keskialueelle.

5 Esimerkki 11

Tarkoituksena määrittää se vaikutus, joka piidioksidilisäai-neen suurella määrällä on tämän keksinnön keraamisen kappaleen muodostumiseen, kahdesta näytteestä, kumpikin mitoiltaan 50,8 x 228,6 x 12,7 mm, kaupallista lejeerinkiä (6061), 10 jossa oli 1 % magnesiumia ja 0,6 % Si-lisäainetta, valmistettiin 25,4 mm paksu kokoonpano ja se upotettiin sopivaan tulenkestoisessa astiassa olevaan tulenkestoiseen granu-laattiin. Yhdellä grammalla piidioksidilisäainetta sidottuna polyvinyylialkoholilla päällystettiin paljaana oleva 15 50,8 x 228,6 mm:n pinta ja lisäksi levitettiin 65 g jauhe maista piidioksidia, jonka osaskoko oli alle 0,2 mm, 6,3 mm:n kerrokseksi tämän pinnan päälle, joka saatettiin alttiiksi uunin atmosfäärille käsittelyn aikana. Kun käsittelyä oli jatkettu 1390°C:ssa 72 tuntia antaen uunille 5 tuntia 20 aikaa saavuttaa ko. lämpötila ja näytteelle 10 tuntia aikaa jäähtyä uunista poistoa varten, painonlisäys oli 0,25, ja kasvu rajoittui olennaisesti seostetulle pinnalle. Tämä osoittaa halutun keraamisen kappaleen merkittävää kasvua ulkoisesti lisätyn piidioksidilisäaineen suuren määrän 25 läsnäollessa. Saadun materiaalin mikrorakenne oli kuvassa 3 esitetty. Saadun materiaalin metallifaasi oli erittäin rikastunut alkuainepiillä, kuten kuva 3 osoittaa.

Monikiteinen hapetusreaktiotuote kasvoi 6,4 mm paksuisen 30 piidioksidikerroksen ohi, mikä osoittaa prosessin suhteellisen epäherkkyyden lisäaineen ylimäärillä.

Esimerkki 12

Tarkoituksena määrittää ulkopuolisesti levitetyn lisäaineen 35 pienten määrien vaikutus tämän keksinnön keraamisen kappaleen kasvuun, suoritettiin kokeita esimerkissä 9 esitetyllä tavalla käyttäen ulkopuolisesti levitettyä piidioksidia 0-1,0 g:n määrät levitettynä jauhemaisessa muodossa 50,8 x 32 83952 228,6 x 12,7 mm:n näytteiden pinnalle, jotka näytteet olivat kaupallista 5052-lejeerinkiä, joka sisälsi 2,5 % Mg-lisäai-netta. Uunin asetuslämpötila oli 1125eC ja käsittelyaika 48 tuntia asetuslämpötilassa antaen uunille 5 tuntia aikaa 5 saavuttaa asetuslämpötila ja 5 tuntia aikaa jäähtyä uunista poistoa varten. Painonlisäys oli mitätön (0,015) näytteellä, jonka pinnalle ei ollut levitetty piidioksidia, ja 0,16-0,36 näytteillä, joita käsiteltiin käyttäen 0,025-0,5 g ulkopuo-lisesti levitettyä piidioksidilisäainetta, mikä osoittaa 10 että hyvin pienet määrät (so. 0,0001 g piitä per neliösent-timetri altistettua perusmetallipintaa tai 0,00003 g piitä per g perusmetallia) ulkoista lisäainetta voi olla tehokas, joskin voi olla että tarvitaan määrätty kynnystaso lisäainetta (mikä voi riippua sellaisista tekijöistä kuin lisäai-15 nemateriaaleista, perusmetallista, hapettimesta ja prosessi-olosuhteista) haluttujen nopeiden kasvujen aikaansaamiseksi.

Claims (18)

33 83952

1. Menetelmä itsekantavan keraamisen rakenteen valmistamiseksi hapettamalla nestefaasissa olevaa perusmetallia kaasu-faasihapettimella siten, että muodostuu hapetusreaktiotuote, 5 joka käsittää (1) keraamisen faasin, joka muodostuu perusmetallin ja kaasufaasihapettimen hapetusreaktiotuotteesta, ja (2) metallifaasin, joka muodostuu yhdestä tai useammasta perusmetallin hapettumattomasta aineosasta, tunnettu siitä, että menetelmässä 10 a) levitetään ainakin osalle perusmetallin pinnasta kerros hapetusreaktiotuotteen syntyyn myötävaikuttavaa lisäainetta, b) sijoitetaan lisäainekerroksella päällystetty perusmetalli sopivaan kuumuutta kestävään astiaan, jossa perusmetallin lisäainekerroksella varustettu pinta tulee kosketukseen 15 hapettavan faasin kanssa, c) kuumennetaan lisäainekerroksella päällystetty perusmetalli lämpötilaan, joka on perusmetallin sulamispisteen yläpuolella mutta perusmetallin hapetustuotteen sulamispisteen alapuolella, metallin saattamiseksi nestefaasiin, 20 d) annetaan nestefaasiin saatetun perusmetallin reagoida kaasufaasihapettimen kanssa siten, että muodostuu hapetus-reaktiotuotetta , e) pidetään mainitussa lämpötilassa ainakin osaa hapetusreaktiotuotteen pinnasta kosketuksessa hapettimeen siten, 25 että sulaa metallia kulkeutuu hapetusreaktiotuotteen läpi kohti hapetinta, jolloin hapetusreaktiotuotetta muodostuu lisäainekerroksen sisällä ja sen ulkopuolella, ja f) jatketaan reaktiota siksi, kunnes keraaminen rakenne on muodostunut. 30

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että hapettava faasi sisältää yhtä tai useampaa ainetta ryhmästä, johon kuuluvat happi, typpi, halogeenit, hiili, boori, seleeni ja telluuri. 35

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että hapettava faasi sisältää ilmaa. 34 83952

4. Jonkin patenttivaatimuksista 1-3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että perusmetalli sisältää alumiinia tai alumiinilejeerinkiä.

5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetel mä, tunnettu siitä, että perusmetallin aineosana on ylimääräinen erä lisäainetta.

6. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetel-10 mä, tunnettu siitä, että käytetään ainakin kahta lisäainetta, joista ainakin yksi muodostaa sen aineen, jota on ainakin osalle perusmetallin pinnasta levitetyssä lisäaineker-roksessa.

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että perusmetallille levitetään ainakin yksi lisäai-nekerros, joka sisältää kahta eri lisäainetta.

8. Patenttivaatimuksen 6 mukainen menetelmä, tunnettu 20 siitä, että metallipinnalle levitetään ensin yhtä lisäainetta sisältävä kerros ja sen jälkeen toista lisäainetta sisältävä toinen kerros.

9. Patenttivaatimuksen 6 mukainen menetelmä, tunnettu 25 siitä, että perusmetallin pinnalle levitetään yhtä lisäainetta sisältävä kerros toisen lisäaineen ollessa lejeerattu-na perusmetalliin.

10. Jonkin patenttivaatimuksista 6-9 mukainen menetelmä, 30 tunnettu siitä, että toinen mainituista kahdesta lisäaineesta sisältää magnesiumin lähteen.

11. Patenttivaatimuksen 10 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että magnesiumlähteen muodostaa magnesiumalkuaine,

35 MgO tai MgAl204 ja että magnesiumlähteen ollessa MgO sen määrä on suurempi kuin 0,0005 g MgO/g perusmetallia ja suurempi kuin 0,005 g MgO/cm^ perusmetallin pintaa. 35 83952

12. Jonkin patenttivaatimuksista 6-11 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että toinen mainituista kahdesta lisäaineesta sisältää ryhmään IVA kuuluvan alkuaineen, joka on jokin muu kuin hiili, lähteen. 5

13. Patenttivaatimuksen 12 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ryhmän IVA alkuaineiden lähteen muodostaa alku-ainepii, piidioksidi, tinaoksidi tai germaniumoksidi.

14. Patenttivaatimuksen 12 tai 13 mukainen menetelmä, tun nettu siitä, että ryhmään IVA kuuluvan alkuaineen lähteen muodostaa piidioksidi, jonka määrä on suurempi kuin 0. 0001 g Si/g alumiiniperusmetallia.

15. Patenttivaatimuksen 13 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että piitä sisältävä lisäaine saatetaan perusmetallille piipitoisena lasilevynä, joka asetetaan vapaan perus-metallipinnan päälle.

16. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetel mä, tunnettu siitä, että vaiheessa (e) ylläpidetty perusmetallin lämpötila on välillä 1 000 - 1 450°C.

17. Patenttivaatimuksen 16 mukainen menetelmä, tunnettu 25 siitä, että mainittu lämpötila on välillä 1 000 - 1 350°C.

18. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainitussa kuumuutta kestävässä astiassa on kerros sopivia kuumuutta kestäviä rakeita. 30