FI85972B - Foerfarande foer tillverkning av keramiska sammansatta kroppar med hjaelp av omvaend aotergivning av ett modellmaterial som avlaegsnas. - Google Patents

Description

85972

Menetelmä keraamisten sekarakennekappaleIden valmistamiseksi poistettavan mallimateriaalin käänteisen toiston avulla Förfarande för tillverkning av keramlska sammansatta kroppar med hjälp av omvänd Ätergivning av ett modellmaterlal som avlägsnas 5

Keksinnön kohteena on menetelmä itsekantavan keraamisen sekarakennekap-paleen tuottamiseksi, jossa on ainakin yksi ontelo, joka käänteisesti 10 toistaa mallin geometrian, joka sekarakennekappale käsittää keraamisen matriisin, joka on saatu hapettamalla perusmetalli monikiteiseksi materiaaliksi, joka käsittää sanotun perusmetallin hapettumisreaktiotuot-teen hapettimen kanssa ja täyteaineen, johon keraaminen matriisi on suodattunut.

15

Esillä olevan keksinnön kohteena ovat laajasti ottaen menetelmät keraamisten sekarakennekappaleiden valmistamiseksi, joissa on yksi tai useampi muotoiltu ontelo. Tarkemmin sanottuna keksinnön kohteena ovat menetelmät keraamisten sekarakennekappaleiden valmistamiseksi käsittäen 20 monikiteisen keraamisen matriisin, joka suodattuu täyteainepetiin ja jolla on ainakin yksi valitun geometrian omaava ontelo, joka on muodostettu toistamalla käänteisesti poistettavan mallimateriaalin muoto.

Tämän hakemuksen aihe liittyy hakijan US-patenttiin 4,828,785, joka on 25 hyväksytty 9.5.1989 ja vastaa suomalaista patenttijulkaisua 84 343 ja on nimeltään "Menetelmä keraamisten sekarakennekappaleiden valmistami-.·.·. seksi käänteisellä muodon toistolla ja menetelmällä saadut tuotteet" * nimellä Marc S. Newkirk et ai. Tässä patentissa esitetään uusi hapetta-mismenetelmä itsekantavan keraamisen sekarakennekappaleen tuottamisek- 30 si, jossa on ainakin yksi ontelo, joka käänteisesti toistaa perusmetal-liesiasteen geometrian tai muodon positiivisena mallina. Saatavalla sekarakennetuotteella on täten ennaltamäärätyn geometrian omaava onte lo. Tätä patenttia käsitellään alla yksityiskohtaisemmin. Sekarakentei-ta, joissa yleisesti käytetään hyväksi samaa hapettumisilmiötä, mutta : 35 joilla ei ole määritettyä tai ennaltamäärättyä konfiguraatiota, on kuvattu hakijan patentissa 4,851,375, joka on hyväksytty 25.7.1989 ja ... vastaa suomalaista patenttijulkaisua 83630 nimellä Marc S. Newkirk et • ♦ ***** ai ja nimeltään "Keraamiset sekarakennekappaleet ja menetelmät niiden • · * • » • · · • · · • · • · 2 85972 valmistamiseksi". Tässä patentissa esitetään uusi menetelmä itsekanta-van keraamisen sekarakenteen tuottamiseksi kasvattamalla hapettumis-reaktiotuote perusmetallista täyteaineen läpäisevään massaan.

5 Menetelmä keraamisen tuotteen kasvattamiseksi tällä hapettumisreaktiolla on yleisesti esitetty US-patentissa 4,713,360, joka on hyväksytty 15.12.1987 ja vastaa suomalaista patenttijulkaisua 83764 ja on nimellä Marc. S. Newkirk et ai ja nimeltään "Uudet keraamiset materiaalit ja menetelmät niiden valmistamiseksi". Tässä patentissa esitetään menetel-10 mä itsekantavien keraamisten kappaleiden tuottamiseksi kasvatettuna perusmetalliesiasteen hapettumisreaktiotuotteena, jota menetelmää voidaan edistää lejeerattua lisäainetta käyttämällä. Sulan perusmetallin annetaan reagoida kaasu£aasihapettimen kanssa hapettumisreaktiotuotteen muodostamiseksi. Sopivalla lämpötila-alueella sula metalli vetäytyy 15 progressiivisesti hapettumisreaktiotuotteen läpi ja kosketukseen hapet-timen kanssa jatkaen näin hapettumisreaktiotuotteen muodostamista ja kehittäen keraamisen kappaleen. Menetelmää parannettiin käyttämällä ulkopuolisia lisäaineita levitettyinä esiasteperusmetallin pintaan, kuten on esitetty US-patentissa 4,853,352, joka on hyväksytty 1.8.1989 20 ja vastaa suomalaista patenttijulkaisua 83952 nimellä Marc S. Newkirk et ai ja nimeltään "Menetelmiä itse-kantavien keraamisten materiaalien valmistamiseksi".

Kaikkien edellä mainittujen hakijan patenttien koko kuvauksiin viita-25 taan nimenomaan tämän hakemuksen yhteydessä.

: : Nykyään esiintyy yhä lisääntyvää mielenkiintoa metallien korvaamiseen keramiikalla, koska keramiikan tietyt ominaisuudet ovat parempia kuin metallien. Tätä korvaamista haittaavat kuitenkin useat tunnetut rajoi- 30 tukset tai vaikeudet kuten mitoittaminen, kyky tuottaa monimutkaisia muotoja, niiden ominaisuuksien tyydyttäminen, joita edellytetään lopul- . . lisessa käyttökohteessa sekä kustannukset. Ylläkuvatuissa hakijan pa- % · · tenteissä voitetaan nämä rajoitukset tai vaikeudet ja esitetään uusia *♦' ' menetelmiä, joiden avulla voidaan luotettavasti tuottaa keraamisia ·;··; 35 materiaaleja, mukaanlukien sekarakenteet.

• · « • · • · • · · 1 • · « · • · »M • · · 3 85972

Hakijan US-patentissa 4,828,785 (mainittu edellä) kuvattu keksintö lieventää vaikeuksia muodostettaessa keraamisia kappaleita, joiden muodot sisältävät monimutkaisia sisäisiä onteloita ja erityisesti muotoja, joissa on uudelleen käytettäviä onteloita. Tavanomaiset tai tun-5 netut menetelmät tällaisilla muodoilla varustettujen keraamisten tuotteiden valmistamiseksi hiukkasia tiivistämällä ja sintraamalla eivät ole helposti sovellettavissa, koska sisäistä mallia, jota vaaditaan toivotun osan geometrian aikaansaamiseksi, ei voida helposti poistaa sen jälkeen, kun kappale on sen ympärille muodostunut. Tällaisten osien 10 geometrioita voidaan joskus valmistaa työstämällä tai hiomalla toivottu muoto raa'asta esimuotista tai viimeistellystä keraamisesta aihiosta, mutta tämä lähetysmistapa ei ole toivottava johtuen työstämiseen ja hiomiseen liittyvistä korkeista kustannuksista erityisesti keraamisten materiaalien sovelluksien yhteydessä. Monissa tapauksissa tällaisia 15 geometrioita ei tällä hetkellä voida lainkaan tuottaa edes työstämällä tai hiomalla.

Hakijan US-patentissa 4,828,785 kuvattu keksintö kuvaa muotoiltuja, onteloita sisältäviä keraamisia kappaleita, jotka ovat lujempia ja 20 murtolujuudeltaan parempia sellaisen mekanismin avulla, joka on suorempi, pätevämpi ja halvempi kuin tavanomaiset lähestymistavat. Tässä yhteydessä kuvattu keksintö tarjoaa myös keinot, joiden avulla voidaan luotettavasti tuottaa onteloita sisältäviä keraamisia kappaleita, joiden kokoa ja paksuutta on vaikeata tai mahdotonta jäljentää tällä het-·.·.· 25 kellä saatavissa olevan teknologian avulla. Lyhyesti sanottuna tässä . " : kuvattuun keksintöön sisältyy muotoillun perusmetallin esiasteen si- !’· : säänsä sulkeminen mukautuvaan täyteaineeseen ja täyteaineen suodattumi nen keraamisen matriisin kanssa, joka on saatu perusmetallin suodatta-... misen avulla muodostamaan monikiteisen materiaalin, joka muodostuu 30 olennaisesti sanotun perusmetallin hapettumisreaktiotuotteesta hapetti-. men kanssa ja valinnaisesti yhdestä tai useammasta metallisesta ai nesosasta. Kun keksintöä tarkemmin sanoen toteutetaan, perusmetalli muotoillaan mallin saamiseksi ja sitten se ympäröidään mukautuvalla : täyteaineella, joka käänteisesti toistaa muotoillun perusmetallin geo- ·;1: 35 metrian. Tässä menetelmässä täyteaine (1) on vaadittaessa läpäisevä .1. hapettimelle, kuten siinä tapauksessa, että hapetin on kaasufaasihape- * • · 4 85972 tin ja joka tapauksessa, että se on läpäisevä kehittyvän hapettumis-reaktiotuotteen suodattumiselle; (2) sillä on riittävä mukautuvaisuus kuumentamisvaiheen lämpötilavaiheen yli saadakseen aikaan lämpölaajene-miseron täyteaineen ja perusmetallin välille sekä metallin minkä tahan-5 sa sulamispistetilavuusmuutoksen; ja ainakin sen tukivyöhykkeessä kehittää mallin, on sisäisesti itsesitoutuva, jolloin sanotulla täyteaineella on riittävästi koossapysymisvoimaa säilyttääkseen pedissä käänteisesti toistettavan geometrian perusmetallin siirtymisen edetessä, kuten alla on kuvattu. Ympäröity muotoiltu perusmetalli kuumennetaan 10 sulamispisteensä yläpuolella, mutta hapettumisreaktiotuotteen sulamispisteen alapuolella olevalle lämpötila-alueelle muodostamaan sulan perusmetallin massan. Sula perusmetalli reagoidaan tällä lämpötila-alueella tai -välillä hapettimen kanssa muodostamaan hapettumisreaktiotuotteen. Ainakin osa hapettumisreaktiotuotteesta pidetään tällä 15 lämpötila-alueella ja kosketuksessa sulan metallin massan ja hapettimen kanssa sekä näiden välillä, jolloin sula metalli vetäytyy progressiivisesti sulan metallin massasta hapettumisreaktiotuotteen läpi muodostaen samanaikaisesti ontelon hapettumisreaktiotuotteen jatkaessa muodostumistaan täyteainepedissä, hapettimen ja aikaisemmin muodostuneen hapet-20 tumisreaktiotuotteen välisellä rajapinnalla. Tätä reaktiota jatketaan tällä lämpötila-alueella riittävän kauan, jotta ainakin osa hapettumisreaktiotuotteesta sulkee sisäänsä täyteaineen hapettumisreaktiotuotteen kasvun avulla muodostamaan sekarakennekappaleen, jolla on yllämainittu ‘ ‘ ontelo. Lopuksi saatava itsekantava sekarakennekappale erotetaan liias- 25 ta täyteaineesta, jos tätä on jäljellä.

Esillä oleva keksintö esittää vaihtoehtoisen menetelmän muotoiltujen, -'· ontelolta sisältävien keraamisten kappaleiden tuottamiseksi. Poistetta- .·.·. vaa tai kertakäyttöistä mallimateriaalia ympäröi tai sen sulkee sisään- 30 sä täyteaine. Tämän jälkeen mallimateriaali eliminoidaan ja korvataan . perusmetallilla, ja hapettumisreaktio etenee siten, että saatava ha- pettumisreaktiotuote suodattuu täyteaineeseen, kuten yllä on kuvattu • · · hakijan patenteissa. Ontelon geometria toistaa käänteisesti mallin geometrian.

·:·;· 35 • · · · · 5 85972

Keksinnön mukainen menetelmä on pääasiassa tunnettu siitä, että menetelmä käsittää seuraavat vaiheet: (a) Poistettavissa oleva mallimateriaali saatetaan mallin muo- 5 toon; (b) tiivistetään mallimateriaali mukautuvaan täyteainepetiin, jotta siinä voidaan käänteisesti toistaa mallimateriaalin geometria, jolle täyteainepedille on ominaista, että 1) se 10 läpäisee hapettimen, niissä prosessiolosuhteissa, jotka val litsevat vaiheessa (c) ja läpäisee hapettumisreaktiotuotteen suodattumisen täyteaineeseen, ja että 2) ainakin mallimate-riaalia ympäröivässä tukivyöhykkeessä on riittävästi ko-heesiovoimaa vaiheen (c) prosessiolosuhteissa säilyttämään 15 käänteisesti toistettu geometria sanotussa pedissä; (c) korvataan mallimateriaali perusmetallilla ja ylläpidetään lämpötilaa, joka on perusmetallin sulamispisteen yläpuolella, mutta hapettumisreaktiotuotteen sulamispisteen alapuo- 20 lella, Jotta voidaan pitää yllä sulan perusmetallin massaa; ja sanotussa lämpötilassa, (1) sulan perusmetallin annetaan reagoida hapettimen kanssa muo dostamaan hapettumisreaktiotuote , :Υ: 25 t ' : (2) pidetään ainakin osa hapettumisreaktiotuotteesta kosketuk- : · : sessa sulan metallin massan ja hapettimen kanssa näiden vä lillä, jotta sulaa metallia voi kulkeutua progressiivisesti hapettumisreaktiotuotteen läpi ja täyteainepetiin, jolloin 30 samanaikaisesti muodostuu ontelo täyteainepetiin hapettumis- . reaktiotuotteen jatkaessa muodostumistaan hapettimen ja ai kaisemmin muodostuneen hapettumisreaktiotuotteen välisellä rajapinnalla; ja *:1·. 35 (3) jatketaan reaktiota niin kauan, että täyteaine ainakin osit- tain suodattuu hapettumisreaktiotuotteella jälkimmäisen kas- 6 85972 vun avulla, jolloin muodostuu sekarakennekappale, jossa on ontelo, ja (d) otetaan talteen saatava itsekantava sekarakennekappale.

5

Yksityiskohtaisemmin sanottuna menetelmä käsittää poistettavan tai kertakäyttöisen mallimateriaalin muotoilemisen mistä tahansa sopivasta materiaalista kuten muovista, vaahdosta tai vahasta. Poistettava malli-materiaali tiivistetään mukautuvan täyteainepetiin tai ympäröidään 10 tällä pedillä, jotta voidaan käänteisesti toistaa pedissä olevan poistettavan mallimateriaalin geometria. Tämän jälkeen mallimateriaali eliminoidaan esimerkiksi höyrystämällä ja korvataan perusmetallin määrällä, joka on mielellään sulaa. Peti ja siihen sisältyvä perusmetallin massa kuumennetaan prosessilämpötilaan perusmetallin sulamispisteen 15 yläpuolelle mutta hapettumisreaktiotuotteen sulamispisteen alapuolelle. Tällä lämpötilavälillä sula perusmetalli reagoi hapettimen kanssa, kuten kaasufaasihapettimen kanssa ja muodostaa hapettumisreaktiotuotteen. Ainakin osa hapettumisreaktiotuotteesta pidetään kosketuksessa sulan metallin massan ja hapettimen kanssa näiden välillä, ja sulaa 20 metallia vetäytyy progressiivisesti sulan metallin massasta hapettumisreaktiotuotteen läpi kohti täyteaineen petiä, jolloin täyteaineen petiin muodostuu samanaikaisesti ontelo hapettumisreaktiotuotteen jatkaessa muodostumistaan hapettimen ja aikaisemmin muodostuneen hapettumisreaktiotuotteen välisellä rajapinnalla. Reaktiota jatketaan niin kauan, 25 että ainakin osa täyteaineesta suodattuu tai sulkeutuu hapettumisreak-tiotuotteeseen jälkimmäisen kasvun vaikutuksesta ja muodostaa ontelolla varustetun sekarakennekappaleen. Täyteainepedin rajat voidaan haluttaessa varustaa rajoittimella, jotta voidaan olennaisesti ehkäistä tai estää kasvu sen yli, jolloin helpommin saavutetaan lopullinen muoto 30 keraamiselle sekarakennekappaleelle. Saatu itsekantava sekarakennekappale erotetaan liiasta täyteaineesta ja/tai perusmetallista, jos näitä on jäljellä. 1 ' Täyteainepeti on vaadittaessa luonteeltaan läpäisevä hapettimelle kuten ---- 35 silloin, kun hapetin on kaasufaasihapetin, ja on läpäisevä kehittyvän .'. hapettumisreaktiotuotteen suodattumiselle. Poistettava mallimateriaali, 7 85972 joka tiivistetään täyteaineeseen, voidaan poistaa esimerkiksi höyrystä-mällä, liuottamalla, sulattamalla ja poiskaatamalla tai muulla vastaavalla tavalla ennen kuin perusmetalli lisätään onteloon. Metalli lisätään tämän jälkeen saatuun onteloon joko sulana metallina tai kiinteäs-5 sä muodossa ja sulatetaan tämän jälkeen paikoilleen. Toisessa suoritusmuodossa sula perusmetalli kaadetaan malliin poistettavan mallimateri-aalin höyrystämiseksi. Täyteainepedillä on tarvittaessa väliaikaista sitomislujuutta, joka säilyttää ontelossa toivotun muodon. Tämän jälkeen hapettumisreaktioprosessi viedään läpi sekarakenteen muodostani! -10 seksi.

Poistettavan mallimateriaalin muotoileminen on yleensä suhteellisen helppoa. Poistettava mallimateriaali, kuten esimerkiksi polystyreeni-vaahto, voidaan suhteellisen helposti pursottaa, muovata tai ruisku-15 puristaa, minkä vuoksi on mahdollista tuottaa tämän keksinnön mukaisia, onteloilla varustettuja keraamisia sekarakenteita, joiden onteloilla on monimutkainen tai vaikeasti tuotettava geometria tai muoto.

Tämän keksinnön mukainen tuote on itsekantava keraaminen sekarakenne-20 kappale, jossa on ontelo, joka käänteisesti toistaa poistettavan mallimateriaalin muodon tai geometrian ja käsittää keraamisen matriisin, johon sisältyy täyteaine. Matriisi muodostuu olennaisesti monikiteises-tä hapettumisreaktiotuotteestä, jossa on yhdistyneitä kristalliitteja muodostettuina perusmetalliesiasteen hapettamisella sekä valinnaisesti ·.·.· 25 metallisia ainesosia tai huokosia tai molempia.

Tämän keksinnön mukaiset materiaalit voidaan kasvattaa olennaisesti yhtenäisin ominaisuuksin läpi koko poikkileikkauksensa paksuuteen, jota tähän mennessä on ollut vaikeata saavuttaa tavanomaisilla tiheiden 30 keraamisten rakenteiden tuottamisprosesseilla. Näitä materiaaleja tuottavalla prosessilla vältetään myös korkeat kustannukset, jotka liittyvät tavanomaisiin keramiikan tuottamismenetelmiin, joihin kuuluvat hienon, hyvin puhtaan, tasaisen jauheen valmistus; raakakappaleen muodostaminen; sideaineen palaminen; sintraus; kuumapuristus ja/tai iso-35 staattinen kuumapuristus. Tämän keksinnön tuotteet soveltuvat tai on -I. valmistettu käytettäviksi kauppa-artikkeleina, joiden tässä tarkoite- 8 85972 taan sisältävän rajoituksitta teolliset, rakenteelliset ja tekniset keraamiset kappaleet sovelluksissa, joissa sähkö-, kulumis-, lämpö-, rakenne- tai muut piirteet tai ominaisuudet ovat tärkeitä tai hyödyllisiä, ja niiden ei ole tarkoitettu sisältävän kierto- tai jätemateriaa-5 leja, joita saatettaisiin saada ei-toivottuina sivutuotteina sulia metalleja prosessoitaessa.

Tässä selityksessä ja jäljempänä seuraavissa patenttivaatimuksissa käytettyinä allaolevat termit määritetään seuraavasti: 10

Termin "keraaminen" ei tule aiheettomasti käsittää olevan rajoitetun keraamiseen kappaleeseen sanan klassisessa merkityksessä eli siinä merkityksessä, että se muodostuu kokonaan ei-metallisista ja epäorgaanisista materiaaleista, vaan pikemminkin se viittaa kappaleeseen, joka 15 on hallitsevasti keraaminen joko koostumukseltaan tai pääasiallisilta ominaisuuksiltaan, vaikka kappale voi sisältää vähäisiä tai huomattavia määriä yhtä tai useampaa perusmetallista saatua tai hapettimesta tai lisäaineesta pelkistettyä metallista ainesosaa, tyypillisimmin alueella noin 1-40 tilavuusprosenttia, mutta se voi sisältää enemmänkin metal-20 lia.

"Hapettumisreaktiotuote" tarkoittaa yleensä yhtä tai useampaa metallia missä tahansa hapettuneessa tilassa, jossa metalli on luovuttanut elektroneja toiselle alkuaineelle, yhdisteelle tai niiden yhdistelmälle tai 25 sillä on ollut yhteisiä elektroneja viimeksimainittujen kanssa. Tämän määritelmän mukaan "hapettumisreaktiotuote" siis sisältää yhden tai useamman metallin reaktion tuotteen hapettimen kanssa, kuten ne, jotka tässä hakemuksessa on mainittu.

30 "Hapetin" tarkoittaa yhtä tai useampaa elektronin vastaanotinta tai yhdistettä, jolla on yhteisiä elektroneja toisen aineen kanssa, ja se voi olla kiinteä, nestemäinen tai kaasu (höyry) tai jokin näiden yhdistelmä (esim. kiinteä aine ja kaasu) prosessiolosuhteissa.

i —: 35 "Mallimateriaali" viittaa kertakäyttöisiin tai poistettaviin materiaa leihin kuten muoveihin, vaahtoihin ja vahoihin, joita voidaan pursot-

II

9 85972 taa, muovata, valaa, työstää tai muutoin muotoilla ontelon geometrian aikaansaamiseksi ja jotka voidaan myös kemiallisesti tai fysikaalisesti poistaa täyteainepedistä jättäen muodostunut ontelo olennaisesti koskemattomaksi.

5 Tässä erittelyssä ja patenttivaatimuksissa käytettynä "perusmetalli" viittaa metalliin, esim. alumiiniin, joka on esiaste monikiteiselle hapettumisreaktiotuotteelle, ja sisältää tämän metallin suhteellisen puhtaana metallina, kaupallisesti saatavana metallina epäpuhtauksineen 10 ja/tai lisäainesosineen tai seoksena, jossa tämä metalliesiaste on pääainesosa; ja kun tietty metalli mainitaan perusmetallina, esim. alumiini, tunnistettu metalli tulisi lukea tämä määritelmä mielessä, ellei tekstin asiasisältö muuta osoita.

15 "Ontelo" tarkoittaa laajasti ottaen täyttämätöntä tilaa massassa tai kappaleessa, ja se ei rajoitu tilan mihinkään tiettyyn konfiguraatioon.

Kuvio 1 on kaaviomainen pystypoikkileikkauskuva, joka esittää malli-materiaalin koostetta hiukkasmaisen täytealnepedin ympäröimänä ja si-20 joitettuna tulenkestävään astiaan.

Kuvio 2 on kuvion 1 kaltainen perspektiivikuva, jossa esitetään perusmetallin lisääminen onteloon.

25 Kuvio 3 on poikkileikkauskuva kuvion 1 mukaisesta keraamisesta seka-rakennekappaleesta, joka on valmistettu keksinnön mukaan.

Tätä keksintöä käytettäessä poistettava mallimateriaali saatetaan mal-Iin muotoon, jonka geometria toistetaan käänteisesti ontelona viimeis-30 tellyssä keraamisessa sekarakenteessa. Tämän keksinnön menetelmiä seuraamalla voidaan käänteisesti toistaa monimutkaisia muotoja viimeisteltyyn keraamiseen sekarakenteeseen keramiikan muodostumisen tai kasvun aikana, pikemminkin kuin keraamista kappaletta muotoilemalla tai työstämällä. Termi "käänteisesti toistettu" tarkoittaa, että keksinnön 35 prosessin avulla saadussa keraamisessa sekarakenteessa oleva ontelo ... määrittyy keraamisen sekarakenteen sisäpintoihin, jotka ovat yhdenmu- 10 8 5 9 72 kaiset poistettavan mallimateriaalin muodon kanssa. Mallimateriaali voidaan sopivasti muotoilla millä tahansa tarkoituksenmukaisella tavalla; poistettava mallimateriaali voidaan esimerkiksi sopivasti muovata, pursottaa, valaa, työstää tai muulla tavalla muotoilla. Mallissa voi 5 olla uria, reikiä, syvennyksiä, tasoja, kohoumia, laippoja, tappeja, ruuvin kierteitä ja vastaavia siihen muodostettuina, ja siinä voi olla olakkeita, holkkeja, kiekkoja, tankoja tai vastaavia siihen koottuina, jolloin saadaan lähes minkä tahansa konfiguraation mukaisia malleja. Malli voi olla ontto tai voi käsittää yhden tai useamman yhtenäisen 10 kappaleen muotoiltuina siten, että kun niitä ympäröi mukautuva täyte-ainepeti, mallimateriaali määrittää petiin muotoillun ontelon ja täyttää ontelon täyteaineen massassa.

Kun poistettava mallimateriaali korvataan lopuksi perusmetallin määräl-15 lä, joka sulatetaan hapettumisreaktio-olosuhteissa, saatavaan keraamiseen sekarakennekappaleeseen kehittyy muotoiltu ontelo. Täten tämän keksinnön avulla on toisaalta mahdollista luoda ontelon muoto muovaamalla, pursottamalla, valamalla tai työstämällä mallimateriaali, kuten plastinen vaahto pikemminkin kuin muokkaamalla, hiomalla tai työstämäl-20 lä keramiikkaa tai muotoilemalla perusmetalliesiastetta, kuten yllämainitussa, hakijan patentissa 4,828,785 on esitetty.

Mallimateriaaleihin, joita tämän keksinnön yhteydessä voidaan käyttää, sisältyvät materiaalit, joita on käytetty tavanomaisissa, poistettavaa 25 muottimateriaalia soveltavissa valutekniikoissa. Vaikka monet erilaiset kulutettavat vahatyypit tai vahasekoitukset ovat sopivia tietyille suoritusmuodoille, kevytmuovit ja vaahdot ovat edullisia. Edullisimpia mallimateriaaleja ovat polystyreenit, polyeteenit ja polyuretaanit.

30 Mallimateriaaleja voidaan muotoilla tavanomaisin prosessein, kuten ruiskupuristuksella, puhallusmuovauksella, pursottamalla, valamalla, työstämällä ja muulla vastaavalla tavalla. Ruiskupuristusta pidetään nykyään parhaimpana menetelmänä tehtäessä suuria määriä malleja. Puhallusmuovaus saattaa myös olla edullinen ratkaisu muissa suoritusmuodois-..... 35 sa johtuen sen kyvystä tuottaa onttoja poistettavia muotteja. Puhal- 11 85972 lusmuovaus voi olla erityisen toivottava, koska se minimoi poistettavan materiaalin määrän helpottaen ontelon nopeampaa tyhjentämistä.

Poistettava materiaali voidaan eliminoida tai tyhjentää ontelosta eri-5 laisin menetelmin. Yhdessä suoritusmuodossa poistettava mallimateriaali voidaan höyrystää haihduttamalla tai polttamalla ennen perusmetalliesi-asteen lisäämistä. Vaihtoehtoisissa suoritusmuodoissa mallimateriaali voidaan poistaa sulattamalla ja antamalla materiaalin tyhjentyä ontelosta. Mitkä tahansa jäänteet voidaan polttaa loppuun esimerkiksi esi-10 kuumennusvaiheessa. Poistettava mallimateriaali voidaan myös liuottaa kemiallisesti, ja jäänteet voidaan pestä ontelosta sopivaa liuotinta käyttämällä.

Muissa vaihtoehtoisissa lisäsuoritusmuodoissa mallimateriaali jätetään 15 paikoilleen, kunnes sulan perusmetallin määrä kaadetaan suoraan onteloon. Kun sula perusmetalli tulee kosketukseen mallin kanssa, materiaali höyrystyy ja eliminoituu näin ontelosta. Tällä tavoin sula perusmetalli samanaikaisesti korvaa poistettavan mallimateriaalin, mikä vähentää täyteainepedin häiriintymisen tai järkyttämisen mahdollisuutta.

20 Tämän johdosta täyteaine todennäköisemmin säilyttää ontelon muodon.

Riippuen halutusta menetelmästä, jolla mallimateriaali korvataan perusmetallilla, perusmetalli voidaan lisätä joko sulassa tai kiinteässä muodossa, kuten jauheena, hiukkasrakeina tai kappaleina. Sulan perus-25 metallin käyttöä pidetään parempana, koska se täysin täyttää ontelon lämpötilassa tai lähellä lämpötilaa, jossa hapettumisreaktio tapahtuu. Lisäksi perusmetallin ollessa sulassa tilassa perusmetallin uusi pinta on käytettävissä hapettumisreaktioprosessille, eli pinta on vapaa pin-taoksideista, jne. Täyteainepeti ja poistettava mallimateriaali voidaan 30 haluttaessa sijoittaa uuniin prosessilämpötilaan tai lähelle sitä, ja sula metalli lisätään poistamaan mallimateriaalin. Toisin sanoen kun sulaa metallia lisätään ja se korvaa höyrystyvän mallimateriaalin, hapettumisreaktio alkaa ja pedin suotautuminen tapahtuu. Vaihtoehtoisissa suoritusmuodoissa mallimateriaali poistetaan ensin, jonka jälkeen -•--f 35 perusmetalli kaadetaan onteloon. Jauheinen tai rakeinen perusmetalli voi olla tarkoituksenmukainen joissakin suoritusmuodoissa, koska jau- >2 85972 heisessa tai rakeisessa massassa olevat välitilat yleisesti ottaen kompensoivat metallin lämpölaajenemista. Onteloon lisättynä jauheisessa tai rakeisessa muodossa oleva perusmetalli mukautuisi myös helpommin täyteainepedissä olevan ontelon muotoon.

5

Vaikka keksintöä kuvataan alla yksityiskohtaisesti viitaten erityisesti alumiiniin suositeltavana perusmetallina, muita sopivia perusmetalleja, jotka täyttävät tämän keksinnön kriteerit, ovat, mutta eivät niihin rajoitu, pii, titaani, tina, sirkonium ja hafnium.

10

Voidaan käyttää kiinteää, nestemäistä tai kaasufaasihapetinta tai tällaisten hapettimien yhdistelmää. Tyypillisiä hapettimia ovat rajoituksitta esimerkiksi happi, typpi, halogeeni, rikki, fosfori, arseeni, hiili, boori, seleeni, telluuri, ja niiden yhdisteet ja yhdistelmät 15 mukaanlukien esimerkiksi piidioksidi (hapen lähteenä), metaani, etaani, propaani, asetyleeni, eteeni ja propyleeni (hiilen lähteenä) sekä seokset kuten ilma, H2/H20 ja C0/C02, joista kaksi jälkimmäistä ovat höydyllisiä kontrolloimaan ympäristön happiaktiviteettia.

20 Vaikka mitä tahansa sopivia hapettimia voidaan käyttää, keksinnön tiettyjä suoritusmuotoja kuvataan alla viitaten erityisesti kaasufaasiha-pettimien käyttöön. Jos käytetään kaasufaasihapetinta, täyteaine on läpäisevä kaaasufaasihapettimelle siten, että täyteainepedin tullessa alttiiksi hapettimelle, kaasufaasihapetin läpäisee täyteainepedin tul-25 Ien kosketukseen siinä olevan sulan perusmetallin kanssa. Termi "kaasufaasihapetin" tarkoittaa höyrystynyttä tai normaalisti kaasumaista materiaalia, joka tuottaa hapettavan atmosfäärin. Esimerkiksi happea sisältävät happi- tai kaasuseokset (mukaanlukien ilman) ovat suositeltavia kaasufaasihapettimia kuten tapauksessa, jossa alumiini on perus-30 metalli ja alumiinoksidi on toivottu reaktiotuote, jolloin ilmaa pidetään tavallisesti parempana ilmeisistä taloudellisista syistä johtuen. Kun hapetin tunnistetaan tietyn kaasun tai höyryn sisältäväksi tai käsittäväksi, tämä tarkoittaa hapetinta, jossa tunnistettu kaasu tai ' höyry on perusmetallin ainoa, hallitseva tai ainakin merkittävä hapetin ..... 35 olosuhteissa, jotka ovat vallalla käytettävissä hapettavissa olosuhteissa. Vaikka esimerkiksi ilman pääainesosa on typpi, ilman happipi-

II

13 85 972 toisuus on normaalisti ainoa hapetin perusmetallille, koska happi on merkittävästi voimakkaampi hapetin kuin typpi. Tämän vuoksi ilma määrittyy "happea sisältävänä kaasuhapettimena", muttei "typpeä sisältävänä kaasuhapettimena". Tässä yhteydessä ja patenttivaatimuksissa käytet-5 tynä esimerkiksi "typpeä sisältävästä kaasuhapettimesta" on "muodostus -kaasu", joka sisältää 96 tilavuusprosenttia typpeä ja 4 tilavuusprosenttia vetyä.

Kun käytetään kiinteää hapetinta, se on tavallisesti hajaantuneena läpi 10 koko täyteainepedin täyteaineeseen sekoitettujen hiukkasten muodossa tai ehkä päällysteinä täyteainehiukkasten päällä. Mitä tahansa kiinteää hapetinta voidaan käyttää mukaanlukien alkuaineet, kuten boori tai hiili, tai pelkistyvät yhdisteet kuten piidioksidi tai tietyt borldit, joiden lämpödynaaminen stabiliteetti on alhaisempi kuin perusmetallin 15 hapettumisreaktiotuotteella. Kun esimerkiksi booria tai pelkistyvää boridia käytetään kiinteänä hapettimena alumiiniperusmetallille, saatava hapettumisreaktiotuote on alumiiniboridia.

Joissakin tapauksissa hapettumisreaktio saattaa edetä niin nopeasti 20 kiinteän hapettimen yhteydessä, että hapettumisreaktiotuote pyrkii sulamaan prosessin eksotermisesta luonteesta johtuen. Tämä ilmiö voi heikentää keraamisen kappaleen mikrorakenteellista yhtenäisyyttä. Tämä nopea eksoterminen reaktio voidaan välttää sekoittamalla koostumukseen suhteellisen inerttisiä täyteaineita, joilla on alhainen reaktiivisuus. 25 Tällaiset täyteaineet imevät reaktion lämmön minimoiden lämmönkarkaa-misvaikutusta. Esimerkkinä tällaisesta sopivasta inerttisestä täyteaineesta mainittakoon täyteaine, joka on identtinen aiotun hapettumis-reaktiotuotteen kanssa.

30 Jos käytetään nestemäistä hapetinta, koko täyteainepeti tai sulan metallin viereinen osa siitä päällystetään hapettimella tai kostutetaan ____: hapettimeen sisällyttämällä täyteaineen kyllästämiseksi. Viittauksella ··· nestemäiseen hapettimeen tarkoitetaan sellaista hapetinta, joka on nestemäinen hapettumisreaktio-olosuhteissa, joten nestemäisellä hapet-35 timella voi olla kiinteä esiaste, kuten suola, joka on sulassa muodossa : hapettumisreaktio-olosuhteissa. Nestemäisellä hapettimella voi vaih- 14 85972 toehtoisesti olla nestemäinen esiaste, esim. materiaalin liuos, jota käytetään kyllästämään koko täyteaine tai osa siitä ja joka sulatetaan tai hajotetaan hapettumisreaktio-olosuhteissa sopivan hapettimen osuuden saavuttamiseksi. Esimerkkejä nestemäisistä hapettimista ovat tässä 5 määritettyinä alhaissulatteiset lasit.

Tämän keksinnön yhteydessä sovellettava täyteaine voi olla yksi tai useampi laajasta valikoimasta materiaaleja, jotka sopivat tarkoitukseen. Kun tässä yhteydessä ja patenttivaatimuksissa viitataan poistet-10 tavan mallimateriaalin ympäröimiseen täyteaineella, se tarkoittaa täyteaineen tiivistämistä tai sisällyttämistä poistettavan mallimateriaalin ympärille tai täyteaineen kerrostamista poistettavaa mallimateriaa-lia vasten. Täyteaineen tulisi olennaisesti mukautua poistettavan mallimateriaalin geometriaan. Jos esimerkiksi täyteaine muodostuu hiukkas-15 maisesta materiaalista, kuten tulenkestävän metallioksidin hienoista rakeista tai jauheista, täyteaine ympäröi mallin siten, että malli määrittää täytetyn ontelon (mallin täyttämänä tai sillä täytettynä). Ei kuitenkaan ole välttämätöntä, että täyteaine on hienossa hiukkasmai-sessa muodossa. Täyteaine voi käsittää esimerkiksi lankaa, kuituja, 20 onttoja kappaleita, palloja, kuplia, kuulia, levykkeitä tai aggregaatin tai karvoja tai sellaisia materiaaleja kuin metallivillaa, lankoja tai tulenkestävää kuitukangasta. Täyteaine voi myös käsittää kahdesta tai useammasta tällaisesta ainesosasta tai geometrisesta konfiguraatiosta koostuvan heterogeenisen tai homogeenisen yhdistelmän kuten pienten 25 hiukkasmaisten rakeiden ja karvojen yhdistelmän. Edellytyksenä on ainoastaan, että täyteaineen fysikaalinen konfiguraatio on sellainen, että se sallii poistettavan mallimateriaalin ympäröiraisen täyteaineen massalla tai massaan siten, että täyteaine tarkasti mukautuu mallin pintojen kanssa. Keraamiseen sekarakenteeseen lopuksi muodostunut onte-30 lo on mallimateriaalin geometrian negatiivi. Tämä materiaali muodostaa aluksi mukautuvaan täyteainepetiin (täytetyn) ontelon, joka on alussa ____; mallimateriaalin muotoilema ja täyttämä.

Tämän keksinnön yhteydessä hyödyllinen täyteaine on sellainen, joka 35 hapettimen ollessa kaasufaasihapetin on keksinnön hapettumisreaktio- olosuhteissa läpäisevä hapettimen kululle lävitseen. Täyteaine on joka 15 85972 tapauksessa myös läpäisevä hapettumisreaktiotuotteen kasvulle tai kehittymiselle lävitseen. Täyteaineella on myös haluttaessa hapettumisreaktion suorituslämpötilassa riittävästi muodostunutta koheesiovoimaa säilyttääkseen siihen käänteisesti toistetun geometrian täyteaineen 5 mukauduttua mallimateriaaliin, kun mallimateriaali korvataan perusmetallilla.

On suositeltavaa toteuttaa tämän keksinnön mukainen menetelmä siten, että minimoidaan aika sen välillä, kun ontelo on tyhjennetty poistetta-10 vasta mallimateriaalista ja kun reaktiotuote on muodostunut täyteaineeseen riittävän lujan kuoren tuottamiseksi ontelon muodon säilyttämiseksi. On kuitenkin olemassa lyhyehkö siirtymäaika, jolloin mallimateriaali tai reaktiotuote ei ylläpidä ontelon muotoa. Näin ollen on toivottavaa, että täyteaineella on ainakin jonkin verran itsesitoutumiskykyä, 15 jotta täyteaine yksin voi ylläpitää ontelon muodon. Muutoin joko täyteaineeseen kohdistuva painovoima tai kehittyvän ontelon ja prosessi-ilmakehän välinen paine-ero voisi aiheuttaa ontelon romahtamisen sisäänpäin perusmetallin siitä tyhjentyessä.

20 Yksi menetelmä ontelon geometrian säilyttämiseksi on käyttää itsesitou-tuvaa täyteainetta, joka sopivassa lämpötilassa joko sisäisesti sintrau-tuu tai sitoutuu tai voidaan saada sintrautumaan tai muutoin sitoutumaan sopivien lisäaineiden tai täyteaineen pintamuutosten avulla. Sopiva täyteaine alumiinin ollessa perusmetalli ja ilman ollessa hapetin on esimer-25 kiksi alumiinioksidijauhe, johon on lisätty piidioksidisideainetta hienoina hiukkasina tai päällysteinä alumiinioksidijauheen päälle. Tällaiset materiaaliseokset sintrautuvat tai sitoutuvat osittain hapettumisreaktio-olosuhteissa tai niiden alapuolella, joissa keraaminen matriisi muodostuu. Ilman piidioksidilisäainetta alumiinioksidihiukkaset vaativat sitou-: ; ; 30 tuekseen olennaisesti korkeampia lämpötiloja.

____: Toinen sopiva täyteaineiden luokka sisältää hiukkaset tai kuidut, jotka prosessin hapettumisreaktio-olosuhteissa muodostavat pinnoilleen hapet-tumistuotekalvon, joka pyrkii sitomaan hiukkaset toivotulla lämpötila-'...· 35 alueella. Esimerkkinä tällaisesta täyteaineluokasta tapauksessa, jossa alumiinia käytetään perusmetallina ilmaa hapettimena, mainittakoon hie-.··*. not piikarbidihiukkaset (seulamitta esim. 500 tai pienempi, mikä vastaa 16 85972 25 mikronin hiukkaskokoa), jotka muodostavat hiukkaset toisiinsa sitovan piidioksidikalvon alumiinihapettumisreaktiolle sopivalla lämpötila-alueella.

5 Vaihtoehtoisissa suoritusmuodoissa ontelon geometria voidaan pitää yllä siirtymävaiheen aikana käyttämällä orgaanista sideainetta, joka poistetaan täyteaineesta hapettumisreaktiolämpötilassa tai sen alapuolella.

Ei ole välttämätöntä, että täyteaineen koko massa tai peti sisältää 10 sintrautuvan tai itsesitoutuvan täyteaineen tai sisältää sintraus- tai sideaineen, vaikka tällainen järjestely on keksinnön etujen mukaista. Itsesitoutuva täyteaine ja/tai side- tai sintrausaine voi olla hajautettuna ainoastaan siihen osaan täyteainepedistä, joka sijaitsee perusmetallin poistettavan mallimateriaalin vieressä ja ympäröi sitä, syvyy-15 teen, joka sintrautumisen tai muun sitoutumisen yhteydessä on riittävä muodostamaan kehittyvän ontelon kuoren, jonka paksuus ja mekaaninen lujuus ovat riittävät estämään ontelon romahtamisen (josta seuraisi, että sen muoto ei enää tarkasti vastaisi mallimateriaalin muotoa kasvaneessa keraamisessa kappaleessa) ennen kuin hapettumisreaktiotuotteen 20 riittävä paksuus on saavutettu. Näin ollen riittää, jos mallia ympäröivän täyteaineen "tukivyöhyke" käsittää täyteaineen, joka on luontaisesti sintrautuva tai itsesitoutuva sopivalla lämpötila-alueella, tai sisältää sintraus- tai sideaineen, joka on tehokas sopivalla lämpötila-alueella.

'25 Tässä yhteydessä ja patenttivaatimuksissa käytettynä täyteaineen "tukivyöhyke" tarkoittaa mallia ympäröivän täyteaineen sitä paksuutta, joka sitoutumisen yhteydessä on ainakin riittävä tuottamaan rakenteellisen lujuuden, jota tarvitaan ylläpitämään poistettavan mallimateriaalin : : 30 toistettu geometria, kunnes kasvava hapettumisreaktiotuote tulee itse-kantavaksi ontelon romahtamista vastaan. Täyteaineen tukivyöhykkeen ____ koko vaihtelee riippuen mallin koosta ja konfiguraatiosta ja mekaani- -·· sesta lujuudesta, joka on saatu aikaan tukivyöhykkeeseen sintrautuvalla tai itsesitoutuvalla täyteaineella. Tukivyöhyke voi ulottua mallima-·...* 35 teriaalin pinnasta täyteainepetiin matkan, joka on pienempi kuin matka, johon hapettumisreaktiotuote kasvaa, tai kasvun koko matkan. Joissakin I- 17 85972 tapauksissa tukivyöhyke voi itse asiassa olla melko ohut. Vaikka esimerkiksi täyteaineen tukivyöhyke voi muodostua mallimateriaalia ympäröivästä täyteainepedistä ja olla itse sijoitettuna itsesitoutumattoman tai sintrautumattoman täyteaineen suurempaan petiin, tukivyöhyke voi 5 sopivissa tapauksissa käsittää ainoastaan itsesitoutuvien tai sintrau-tuvien hiukkasten muodostaman päällysteen, jotka hiukkaset ovat kiinnittyneet poistettavaan mallimateriaaliin sopivan sideaineen tai päällysteen avulla. Esimerkki tästä päällystystekniikasta on esitetty alla.

10 Täyteaineen ei tulisi missään tapauksessa sintrautua, sulaa tai reagoida siten, että muodostuu läpäisemätön massa, joka estää hapettumisreak-tiotuotteen suodattumisen sen läpi tai joka kaasufaasihapetinta käytettäessä estää tällaisen kaasufaasihapettimen kulun sen läpi. Muodostuvan 15 sintrautuvan massan ei tule missään tapauksessa muodostua niin alhaisessa lämpötilassa, että se halkeaa johtuen laajenemiserosta mallimate-riaalin ja täyteaineen välillä, ennen kuin höyrystymislämpötila on saavutettu.

20 Kuten aikaisemmin on selvitetty, side- tai sintrausaine voidaan sisällyttää täyteaineen ainesosana tapauksissa, joissa täyteaineella ei muutoin olisi riittäviä sisäisiä itsesitoutumis- tai sintrautumisominai-suuksia estämään ontelon romahtamista, joka ontelo muodostuu poistettavan mallimateriaalin aikaisemmin täyttämään tilaan. Tämä sideaine voi 25 olla hajautettu täyteaineen läpi tai ainoastaan tukivyöhykkeelle. Sopivia materiaaleja tähän tarkoitukseen ovat metallo-orgaaniset materiaalit, jotka hapettumisreaktiotuotteen muodostamiseksi vaadittavissa hapettumisolosuhteissa ainakin osittain hajoavat ja sitovat täyteainetta riittävästi vaadittavan mekaanisen lujuuden aikaansaamiseksi. Side-30 aine ei saisi häiritä hapettumisreaktioprosessia tai jättää keraamiseen sekarakennetuotteeseen ei-toivottavia jäännesivutuotteita. Tähän tar- ____: koitukseen soveltuvat sideaineet ovat alalla hyvin tunnettuja. Esimer- •:· kiksi tetraetyyliortosilikaatti on sopiva metallo-orgaaninen sideaine, koska se hapettumisreaktiolämpötilassa jättää jäljelle piidioksidia, ·...· 35 joka tehokkaasti sitoo täyteaineen vaadittavalla koheesiovoimalla.

18 85972 Tällä hetkellä pidetään parempana esikuumentaa täyteainepeti, ennen kuin perusmetalli lisätään siihen. Tällä tavoin voidaan välttää petiin kohdistuva lämpöshokki. Saattaa olla tehokkainta kuumentaa täyteaine-peti onteloon kaadettavan sulan perusmetallin lämpötilaan tai sitä 5 korkeampaan lämpötilaan. Kun ontelossa oleva mallimateriaali on korvattu perusmetallilla, perusmetallin ja pedin kooste pidetään hapettavassa ympäristössä hapettumisreaktiolämpötilassa, joka on metallin sulamispisteen yläpuolella mutta hapettumisreaktiotuotteen sulamispisteen alapuolella. Kuten on mainittu, perusmetalli voidaan lisätä ontelo loon jauheen, hiukkasten tai kappaleiden muodossa. Tässä tapauksessa kooste kuumennetaan metallin sulamispisteen yläpuolelle, jolloin saadaan aikaan sulan metallin massa tai allas.

Hapettimen kanssa kosketukseen joutuessaan sula metalli reagoi muodos-15 taen kerroksen hapettumisreaktiotuotetta. Ollessaan jatkuvasti alttiina hapettavalle ympäristölle sopivalla lämpötila-alueella jäljellä oleva sula metalli vetäytyy progressiivisesti hapettumisreaktiotuotteeseen ja sen läpi hapettimen suuntaan ja täyteainepetiin, ja hapettimen kanssa kosketukseen joutuessaan sula metalli muodostaa lisää hapettumisreak-20 tiotuotetta. Ainakin osa hapettumisreaktiotuotteesta pidetään kosketuksessa sulan perusmetallin ja hapettimen kanssa näiden välillä, jolloin aiheutetaan monikiteisen hapettumisreaktiotuotteen jatkuvaa kasvua täyteainepedissä, mikä sulkee täyteaineen monikiteisen hapettumisreaktiotuotteen sisään. Monikiteinen matriisimateriaali jatkaa kasvua niin 25 kauan kuin sopivia hapettumisreaktio-olosuhteita pidetään yllä.

Prosessia jatketaan, kunnes hapettumisreaktiotuote on suodattunut tai sulkeutunut toivottuun määrään täyteainetta. Saatu keraaminen sekara-kennetuote sisältää täyteaineen keraamisen matriisin sisäänsä sulkemana : 30 käsittäen monikiteisen hapettumisreaktiotuotteen ja sisältäen valinnaisesti perusmetallin yhden tai useamman hapettumattoman ainesosan tai ____: tyhjiöitä tai molempia. Näissä monikiteisissä matriiseissa hapettumis- ·;·_ reaktiotuotteen kristalliitit ovat tyypillisesti yhdistyneitä useam massa kuin yhdessä ulottuvuudessa, mieluiten kolmessa ulottuvuudessa, ..." 35 ja metallin sulkeumat tai tyhjiöt ovat ainakin osittain yhdistyneitä.

Kun prosessia ei viedä eteenpäin perusmetallin loppuunkulumispisteen 19 85972 ulkopuolelle, saatava keraaminen sekarakenne on tiheä ja olennaisesti tyhjiötön. Kun prosessi suoritetaan loppuun, eli kun niin paljon metallia kuin mahdollista on prosessiolosuhteissa hapettunut, keraamiseen sekarakenteeseen syntyy huokosia yhdistyneen metallin sijaan. Tämän 5 keksinnön mukaan valmistetulla keraamisella sekarakenteella on ontelo, jolla on olennaisesti alkuperäisen poistettavan mallimateriaalin alkuperäiset mitat ja geometrinen konfiguraatio.

Viitaten nyt piirustuksiin kuvio 1 esittää tulenkestävää astiaa 2, 10 kuten alumiinioksidiastiaa, joka sisältää täyteaineen 4 pedin, joka ympäröi mallia, johon yleensä viitataan numerolla 6 ja joka voi olla mistä tahansa sopivasta materiaalista kuten polystyreenistä. Kuten kuvioissa 1 ja 2 on esitetty, mallilla 6 on keskiosa 8, joka on yleensä konfiguraatioltaan lieriömäinen ja johon liittyy päätyosa 8a, joka on 15 aksiaalisesti lyhyempi mutta halkaisijaltaan suurempi kuin keskiosa 8. Tässä suoritusmuodossa täyteainetta pidättää sopiva rajoitin 10, kuten esimerkiksi ruostumaton terässeula tai rei'itetty teräslieriö, joka myös määrittää keraamisen kappaleen rajat. Rajoitin voi vaihtoehtoisesti käsittää kipsimuotin tai kalsiumsilikaattimuotin, joka lisätään tyy-20 pillisesti lietteenä substraattiin kuten pahviin, jonka jälkeen sen annetaan kovettua. Rajoitin määrittää täten keraamisen kappaleen rajan tai kehän estämällä hapettumisreaktiotuotteen kasvun sen yli.

Mallimateriaali 6, jos se on vaahtoa, voidaan korvata perusmetallilla 25 kaatamalla sulaa perusmetallia 12 suoraan ontelossa olevan mallin 6 päälle. Tällä tavoin mallimateriaali höyrystyy ja poistuu ontelosta täyteainepedin läpi, saman kanavan kautta, josta perusmetalli lisättiin tai erillisen poistokanavan kautta (ei näkyvissä), jos kanava, jonka kautta perusmetalli lisättiin, on suhteellisen pieni.

:V: 30

Vaihtoehtoisessa suoritusmuodossa poistettava mallimateriaali poiste-taan ennen sulan perusmetallin lisäämistä. Tämä voidaan saada aikaan sulattamalla mallimateriaali ja tyhjentämällä sula materiaali ontelosta, tai myös sijoittamalla kooste uuniin, joka kuumennetaan pisteeseen, ’...· 35 jossa poistettava materiaali höyrystyy tai palaa. Kuten yllä on mainit- • · · • « 20 8 5 9 72 tu, mallimateriaali voidaan myös poistaa muilla tekniikoilla kuten liuottamalla malli, poistamalla malli mekaanisesti, jne.

Kun perusmetalli on lisätty onteloon, kooste kuumennetaan lämpötilaan, 5 joka on riittävä sulattamaan metallin, ellei sitä lisätty sulassa tilassa. Tämän jälkeen pidetään yllä riittävän korkeaa lämpötilaa, jolloin kaasufaasihapetin, joka läpäisee täyteaineen 4 pedin ja on kosketuksessa sulan metallin kanssa, hapettaa sulan metallin, ja siitä johtuva hapettumisrektiotuotteen kasvu suodattuu ympäröivään täyteai-10 neen 4 petiin.

Jos esimerkiksi perusmetalli on alumiini ja ilma on hapetin, hapettu-misreaktiolämpötila voi olla noin 850-1450°C, mutta mieluummin noin 900-1350°C, ja hapettumisreaktiotuote on tyypillisesti alfa-alumiinioksidi. 15 Sula metalli kulkee hapettumisreaktiotuotteen muodostuvan kalvon läpi tilasta, jossa aikaisemmin sijaitsi mallimateriaali 6, muodostaen siten sekarakenteen, jossa on mallin muodon toistava ontelo.

Tietyissä suoritusmuodoissa voi olla tarkoituksenmukaista sijoittaa 20 täyteainetta kanavan päälle sen jälkeen, kun perusmetalli on lisätty onteloon. Näin muodostuisi suljettu ontelo. Tällaisissa suoritusmuodoissa tai jopa joissakin tapauksissa, kun täyteainetta ei sijoiteta kanavan päälle, perusmetallin siirtyminen voi johtaa paineen alentumiseen tässä tilassa, kuten suljetun ontelon tapauksessa, johtuen täyte-25 ainepedissä olevan hapettumisreaktiotuotteen kasvavan kalvon ja sulan metallin massan päälle muodostuvan hapettumisreaktiotuotteen kalvon lä-päisemättömyydestä ympäröivälle ilmakehälle. Ulkoinen nettopaine vai-: kuttaa näin hapettumisreaktiotuotteen säiliömäiseen kalvoon. Edullises- sa suoritusmuodossa mallia 6 ympäröivän täyteaineen 4 peti (tai sen ;V: 30 tukivyöhyke) on luontaisesti itsesitoutuva itsesitoutumislämpötilassa tai sen yläpuolella, joka on mielellään lähellä hapettumisreaktiolämpö-tilaa mutta kuitenkin sen alapuolella. Kun täyteaine tai sen tukivyöhy-··· ke on siis kuumennettu itsesitoutumislämpötilaansa, se on sintrautunut tai muutoin sitoutunut itseensä ja kiinnittynyt riittävästi kasvavaan ·...· 35 hapettumisreaktiotuotteeseen saaden aikaan riittävän lujuuden kehitty-vää onteloa ympäröivälle täyteaineelle eli sen tukivyöhykkeelle, joi- 2i 85972 loin se pystyy vastustamaan paine-eroa ja pitämään näin yllä täyteaineen 4 pedissä ontelon geometriaa, joka siihen on muodostunut täyteaineen mukautuessa mallin 6 muotoon. Seuraavassa suoritusmuodossa, jossa ainoastaan täyteaineen 4 tukivyöhyke sisältää tai käsittää sintrautuvan 5 tai itsesitoutuvan täyteaineen tai side- tai sintrausaineen, kuviossa 1 oleva katkoviiva 14 osoittaa tukivyöhykkeen laajuuden täyteaineen 4 pedissä. Reaktion jatkuessa pedissä 4 oleva ontelo tyhjenee osittain tai olennaisesti kokonaan sulan perusmetallin siirtyessä hapettumis-reaktiotuotteen läpi sen ulkopinnalle, jossa se saapuu kosketukseen 10 kaasufaasihapettimen kanssa ja hapettuu muodostaen lisää hapettumis- reaktiotuotetta. Hapettumisreaktiotuote käsittää monikiteisen keraamisen materiaalin, joka voi sisältää sulan perusmetallin hapettumattomien aineosien sulkeumia. Reaktion lopussa ontelossa jäljellä oleva nestemäinen metalli voidaan eliminoida kaatamalla se pois, jos paksun reak-15 tiotuotekerroksen kasvu tulokanavan yli on estetty (esimerkiksi rajoi-tinta tai estintä käyttämällä). Koosteen voidaan vaihtoehtoisesti antaa jäähtyä, ja liika metalli jähmetetään ja poistetaan myöhemmässä vaiheessa esimerkiksi hapanuuttamalla. Saatava keraaminen sekarakenne, jonka mitat osoittaa rajoitin 10 kuviossa 1, erotetaan astiaan 2 jää-20 neestä liiasta täyteaineesta, jos sitä on jäljellä. Tällainen liika täyteaine tai sen osa voi muodostaa yhtenäisen massan tai kappaleen johtuen sintrautumisesta tai itsesitoutumisesta ja tämä yhtenäinen massa voidaan poistaa sen ympäröimästä keraamisesta sekarakenteesta hiekkapuhalluksella, hionnalla tai vastaavalla menetelmällä. Yhtenä 25 taloudellisena tekniikkana mainittakoon hiekkapuhallus, jossa käytetään raehiukkasia materiaalista, joka soveltuu täyteaineeksi tai täyteaineen ainesosaksi, koska poistettu täyteaine ja rakeet voidaan käyttää uudestaan myöhemmässä vaiheessa. On tärkeätä havaita, että itsesitoutuneen täyteaineen lujuusaste, jota täyteainetta käytetään estämään ontelon 30 romahtaminen prosessoinnin aikana, on tyypillisesti paljon pienempi kuin saatavan sekarakenteen lujuus. Tämän vuoksi on itse asiassa aivan — mahdollista poistaa liika itsesitoutunut täyteaine nopealla hiekkapu halluksella tarvitsematta erityisesti huolehtia saatavan sekarakenteen vahingoittumisesta. Keraaminen sekarakenne, jossa on siihen muodostunut ... 35 ontelo, voidaan joka tapauksessa edelleen muovata työstämällä tai hio malla tai muulla tavoin muotoilemalla se toivottuun ulkoiseen muotoon.

22 85972

Kuviossa 3 havainnollistetussa esimerkissä keraaminen sekarakenne 18 on pyöreän lieriön muotoinen, ja sillä on ulkopinta 20, päätypinta 22 ja ontelo 24, jota määrittävät mallin 6 pintojen kanssa yhdenmukaiset pinnat. Näin ollen ontelon 24 muoto on käänteinen toisto poistettavan 5 mallimateriaalin 6 muodosta. Monissa käyttökohteissa keraamista kappaletta voidaan käyttää siinä muodossa kuin se on liian täyteaineen poistamisen jälkeen, ilman hiomista tai työstämistä.

Valitsemalla sopiva täyteaine ja pitämällä yllä hapettumisreaktio-olo-10 suhteita niin kauan, että olennaisesti kaikki sula perusmetalli tyhjentyy mallimateriaalin 6 alussa täyttämästä ontelosta, onteloon 16 saadaan aikaan mallin 6 geometrian luotettava käänteinen toisto. Vaikka mallin 6 (ja sen vuoksi ontelon 16) havainnollistettu muoto on suhteellisen yksinkertainen, keraamiseen sekarakenteeseen voidaan muodostaa 15 ontelolta, jotka luotettavasti käänteisesti toistavat paljon monimutkaisempia geometrisia muotoja kuin mallin 6 muoto, kun käytetään tämän keksinnön mukaisia menetelmiä. Keraamisen sekarakenteen ulkopinnat voidaan muotoilla sijoittamalla rajoitin toivottuihin paikkoihin estämään kasvua niiden yli, pinnat voidaan lisäksi hioa tai työstää tai 20 muutoin muotoilla mihin tahansa toivottuun kokoon tai muotoon, joka on yhdenmukainen siihen muodostuneen ontelon 16 koon ja muodon kanssa.

Tulisi ymmärtää, että täyteaineen läpäisevyys-, mukautuvuus- ja itse-sitoutumisominaisuudet (haluttaessa), kuten yllä on kuvattu, ovat täy-25 teaineen kokonaiskoostumuksen ominaisuuksia ja että täyteaineen yksittäisillä ainesosilla ei tarvitse olla mitään tai kaikkia näitä ominaisuuksia. Näin ollen täyteaine voi käsittää joko yhden materiaalin, saman materiaalin hiukkasten seoksen, jossa on eri seulamittoja (hiuk-kaskokoja), tai kahden tai useamman materiaalin seoksen. Jälkimmäisessä 30 tapauksessa jotkut täyteaineen ainesosat eivät ehkä ole riittävän it-sesitoutuvia tai sintrautuvia hapettumisreaktiolämpötilassa, mutta ____: täyteaine, jonka ainesosa se on, sisältää itsesitoutumis- tai sintrau- ·· tumisominaisuuksia itsesitoutumislämpötilassa tai sen yläpuolella joh tuen muiden materiaalien läsnäolosta. Useilla materiaaleilla, jotka ·... 35 ovat hyödyllisiä täyteaineita keraamisessa sekarakenteessa, koska ne antavat sekarakenteelle toivotut piirteet, on myös ylläkuvatut läpäise- 23 85972 vät, mukautuvat ja itsesitoutuvat ominaisuudet. Tällaiset sopivat materiaalit jäävät riittävän sintrautumattomiksi tai sitoutumattomiksi hapettumisreaktiolämpötilan alapuolella olevissa lämpötiloissa siten, että mallia ympäröivä täyteaine voi kompensoida mallimateriaalin lämpö-5 laajenemista ja minkä tahansa sulamispisteen tilavuusmuutoksen ja voivat kuitenkin sintrautua tai muutoin itsesitoutua ainoastaan tultaessa itsesitoutumislämpötilaan, joka mielellään on lähellä hapettumisreak-tiolämpötilaa ja sen alapuolella, antaakseen riittävästi tarvittavaa mekaanista lujuutta estämään muodostuvan ontelon romahtamisen kasvun 10 alkuvaiheissa tai hapettumisreaktiotuotteen kehittymisen aikana. Sopivia täyteaineita ovat esimerkiksi piidioksidi, piikarbidi, alumiinioksidi, sirkoniumoksidi sekä näiden yhdistelmät.

Keksinnön lisäsuoritusmuodon ja hakijan patenttien mukaan lisäaineiden 15 lisääminen metalliin voi vaikuttaa suotuisasti hapettumisreaktioproses-siin. Lisäaineen toiminto tai toiminnot voivat riippua monista muistakin tekijöistä kuin itse lisäaineesta. Näitä tekijöitä ovat esimerkiksi käytettävä perusmetalli, toivottava lopputuote, lisäaineiden tietty yhdistelmä kahta tai useampaa lisäainetta käytettäessä, lisäaineen 20 pitoisuus, hapettava ympäristö ja prosessiolosuhteet.

Lisäaine tai -aineet voidaan järjestää perusmetallin lisäaineainesosina tai voidaan lisätä täyteaineeseen tai osaan täyteainepedistä, esim. täyteaineen tukivyöhykkeelle, tai molempia. Toisen tekniikan tapaukses-25 sa, jossa lisäaine tai -aineet lisätään täyteaineeseen, lisäys voidaan suorittaa millä tahansa sopivalla tavalla, kuten hajauttamalla lisäaineet täyteaineen koko massaan tai osaan siitä päällysteinä tai hiukkasten muodossa siten, että mielellään ainakin osa perusmetallin viereisestä täyteainepedistä on mukana. Minkä tahansa lisäaineen lisäys voi-- 30 daan myös suorittaa lisäämällä kerros yhtä tai useampaa lisäainetta täyteainepetiin ja sen sisään, mukaanlukien mitkä tahansa sen sisäi- _____ sista aukoista, väleistä, kanavista, välitiloista tai vastaavista, ·-·. jotka tekevät sen läpäiseväksi. Sopiva tapa lisäaineen lisäämiseksi on yksinkertaisesti kastaa koko peti lisäaineen nestelähteeseen (esim.

'...· 35 liuokseen). Lisäaineen lähde voidaan myös järjestää sijoittamalla jäykkä lisäainekappale kosketukseen ainakin poistettavan mallimateriaalin 24 85972 pinnan osan ja täyteainepedin kanssa sekä näiden välille. Esimerkiksi ohut levy piidioksidia sisältävää lasia (lisäaineena höydyllinen alu-miiniperusmetallin hapettamiselle) voidaan sijoittaa poistettavan mal-limateriaalin pinnalle. Kun poistettava mallimateriaali korvataan su-5 lalla alumiiniperusmetallilla (jossa voi olla myös sisäisesti lisätty lisäaine) ja saatu kooste kuumennetaan hapettavassa ympäristössä (esim. alumiini ilmassa lämpötila-alueella noin 850-1450°C, tai mieluummin noin 900-1350°C), tapahtuu monikiteisen keraamisen materiaalin kasvu läpäisevään petiin. Tapauksessa, jossa lisäaine sijaitsee perusmetallin 10 ja täyteainepedin välillä, monikiteinen oksidirakenne yleensä kasvaa läpäisevässä täyteaineessa olennaisesti yli lisäainekerroksen (eli lisätyn lisäainekerroksen syvyyden yli).

Yhtä tai useampaa lisäainetta voidaan joka tapauksessa lisätä ulkoi-15 sesti poistettavan mallimateriaalin pintaan ja/tai läpäisevään petiin. Lisäksi perusmetalliin lejeerattujen lisäaineiden vaikutusta voidaan vahvistaa täyteainepetiin lisätyllä lisäaineella (lisätyillä lisäaineilla). Näin ollen perusmetallin lejeerattujen lisäaineiden pitoisuuksien mitä tahansa puutteellisuuksia voidaan kompensoida petiin lisätty-20 jen lisäaineiden lisäpitoisuuksilla ja päin vastoin.

Alumiiniperusmetallille hyödyllisiä lisäaineita erityisesti ilman ollessa hapettimena ovat esimerkiksi magnesium ja sinkki, erityisesti yhdessä muiden lisäaineiden kanssa, kuten alla on kuvattu. Nämä metal-'25 lit tai metallien sopiva lähde voidaan lejeerata alumiinipohjaiseen perusmetalliin pitoisuuksina noin 0,1-10 painoprosenttia, mikä perustuu saatavan lisätyn metallin kokonaispainoon. Minkä tahansa yhden lisäaineen pitoisuus riippuu sellaisista tekijöistä kuin lisäaineiden yhdistelmä ja prosessilämpötila. Sopivalla alueella olevien pitoisuuksien 30 on havaittu aloittavan keraamisen kasvun, edistävän metallin etenemistä ja vaikuttavan suotuisasti saatavan hapettumisreaktiotuotteen kasvumor-fologiaan.

Muita lisäaineita, jotka ovat tehokkaita edistämään monikiteisen hapet-.! 35 tumisreaktiotuotteen kasvua erityisesti alumiinipohjaisten perusmetal- lijärjestelmien yhteydessä, ovat esimerkiksi pii, germanium, tina ja 25 85972 lyijy käytettyinä erityisesti yhdessä magnesiumin ja sinkin kanssa.

Yksi tai useampi näistä muista lisäaineista tai niiden sopiva lähde lejeerataan alumiiniperusmetallijärjestelmään pitoisuuksina noin 0,5-15 painoprosenttia kokonaisseoksesta; toivottavampi kasvukinetilkka ja 5 kasvumorfologia saadaan kuitenkin lisäaineiden pitoisuuksilla alueella noin 1-10 painoprosenttia kokonaisperusmetalliseoksesta. Lyijylisäaine lejeerataan yleensä alumiinipohjaiseen perusmetalliin ainakin 1000°C:en lämpötilassa, jotta voidaan kompensoida sen alhaista liukenevuutta alumiiniin; muiden lisäainesosien, esim. tinan, lisääminen parantaa 10 kuitenkin yleensä lyijyn liukenevuutta ja sallii lisäainemateriaalin lisäämisen alemmassa lämpötilassa.

Lisäesimerkkejä alumiiniperusmetallin yhteydessä höydyllisistä lisäaineista ovat natrium, litium, kalsium, boori, fosfori ja yttrium, joita 15 voidaan käyttää yksittäin tai yhdessä yhden tai useamman lisäaineen kanssa hapettimesta ja prosessiolosuhteista riippuen. Natriumia ja litiumia voidaan käyttää hyvin pieninä määrinä miljoonasosan alueella, tyypillisesti noin 100-200 miljoonasosaa, ja kumpaakin voidaan käyttää yksin tai yhdessä tai yhdessä muiden lisäaineiden kanssa. Harvinaiset 20 maametallit kuten serium, lantaani, praseodyymi, neodyymi ja samarium ovat myös hyödyllisiä lisäaineita, ja tässä yhteydessä jälleen käytettyinä yhdessä muiden lisäaineiden kanssa.

Kuten edellä on selvitetty, ei ole välttämätöntä lejeerata mitään lisä-: : 25 ainetta perusmetalliin. Jos esimerkiksi selektiivisesti levitetään yksi tai useampi lisäaine ohuena kerroksena poistettavan mallimateriaalin koko pintaan tai osaan siitä, saadaan aikaan paikallista keraamista kasvua perusmetallista tai sen osista ja edistetään monikiteisen keraamisen materiaalin kasvua läpäisevään täyteaineeseen valituilla alueil-. 30 la. Näin ollen monikiteisen keraamisen materiaalin kasvua läpäisevään petiin voidaan kontrolloida sijoittamalla lisäaine paikallisesti poistettavan mallimateriaalin pinnalle. Levitetty päällyste tai lisäaine-kerros on ohut suhteessa keraamisen sekarakenteen aiottuun paksuuteen, — ja hapettumisreaktiotuotteen kasvu tai muodostuminen läpäisevään mas- 35 saan ulottuu olennaisesti lisäainekerroksen ulkopuolelle, eli levitetyn “ lisäainekerroksen syvyyden yli. Tällainen lisäainekerros voidaan levit- 26 8 5 9 7 2 tää maalaamalla, kastamalla, silkkiseulalla, höyrystämällä tai muutoin lisäämällä lisäaine nesteen tai pastan muodossa, tai ruiskuttamalla tai yksinkertaisesti sijoittamalla kerros kiinteää hiukkasmaista lisäainetta tai kiinteä ohut levy tai kalvo kulutettavan mallin pinnalle. Lisä-5 aine voi, muttei sen tarvitse, sisältää joko orgaanisia tai epäorgaanisia sideaineita, apuaineita, liuottimia ja/tai paksuntimia. Mieluiten lisäaineet lisätään jauheina poistettavan mallimateriaalin pintaan tai hajautetaan ainakin osaan täyteainetta. Yksi erityisen suositeltava menetelmä lisäaineiden levittämiseksi perusmetallin pintaan on käyttää 10 hyväksi lisäaineiden nestemäistä suspensiota veden ja orgaanisen sideaineen seoksessa suihkutettuna poistettavan mallimateriaalin pintaan, jotta saadaan kiinnittyvä päällyste, joka helpottaa poistettavan malli-materiaalin käsittelyä ennen prosessointia.

15 Ulkoisesti käytettyinä lisäaineet lisätään tavallisesti ainakin osaan poistettavan mallimateriaalin pinnasta yhtenäisenä päällysteenä. Lisäaineen määrä on tehokas laajalla alueella suhteessa reagoitavan perusmetallin määrään, ja alumiinin tapauksessa kokeilla ei ole pystytty osoittamaan ala- eikä ylätoimintarajoja. Kun käytetään esimerkiksi 20 piitä piidioksidin muodossa lisättynä ulkoisesti lisäaineena alumiini-magnesiumperusmetalliin ilman tai hapen ollessa hapettimena, niinkin pienet määrät kuin 0,00003 grammaa piitä per gramma perusmetallia, tai noin 0,0001 gramma piitä per neliösenttimetri perusmetallin pintaa, jolle Si02-lisäaine lisätään, ovat tehokkaita. On myös havaittu, että 25 keraaminen rakenne on saavutettavissa alumiini-piiperusmetallista ilman tai hapen ollessa hapettimena käyttämällä MgO:ta lisäaineena määrässä, joka on suurempi kuin noin 0,0008 grammaa magnesiumia per gramma hapetettavaa perusmetallia ja suurempi kuin 0,003 grammaa magnesiumia per neliösenttimetri perusmetallin pintaa, jolle MgO levitetään.

. 30

Rajoitinta voidaan käyttää täyteaineen yhteydessä ehkäisemään hapettu-misreaktiotuotteen kasvua tai kehittymistä rajoittimen ulkopuolelle erityisesti, kun kaasufaasihapettimia käytetään keraamisen kappaleen muodostamiseen. Sopiva rajoitin voi olla mikä tahansa materiaali, yh-- 35 diste, alkuaine, koostumus tai vastaava, joka tämän keksinnön proses- siolosuhteissa säilyttää osan yhtenäisyyttään, ei ole haihtuva ja on !' 27 8 5 9 7 2 mielellään läpäisevä kaasufaasihapettimelle sekä pystyy paikallisesti ehkäisemään, pysäyttämään, häiritsemään, estämään, jne. hapettumisreak-tiotuotteen jatkuvan kasvun. Alumiiniperusmetallin yhteydessä sopivia rajoittimia ovat kalsiumsulfaatti (kipsi), kalsiumsilikaatti ja port-5 landsementti sekä näiden seokset, jotka levitetään tyypillisesti lietteenä tai pastana täyteaineen pintaan. Nämä rajoittimet voivat myös sisältää sopivan palavan tai haihtuvan materiaalin, joka eliminoituu kuumennettaessa, tai materiaalin, joka hajoaa kuumennettaessa, mikä lisää rajoittimen huokoisuutta ja läpäisevyyttä. Rajoitin voi lisäksi 10 sisältää sopivia tulenkestäviä hiukkasia, mikä vähentää mahdollista kutistumista tai halkeilua, jota muuten saattaa esiintyä prosessin aikana. Sellainen hiukkanen, jolla on olennaisesti sama laajenemisker-roin kuin täyteainepedillä, on erityisen tarkoituksenmukainen. Jos esimerkiksi esimuotti käsittää alumiinioksidin ja saatava keramiikka 15 käsittää alumiinioksidin, rajoitin voidaan sekoittaa alumiinioksidi -hiukkasten kanssa, joiden seulamitta on mielellään noin 20-1000 tai vieläkin pienempi, mikä vastaa n. 10-850 mikronin hiukkaskokoa. Muita sopivia rajoittimia ovat ruostumaton terässeula, tulenkestävä keramiikka tai metallikotelot, jotka ovat ainakin toisesta päästään avoimia tai 20 joiden seinämät on rei'itetty, jotta kaasufaasihapetin (jos sitä on käytetty) voi läpäistä pedin ja tulla kosketukseen sulan perusmetallin kanssa.

Tätä keksintöä käyttämällä saadut keraamiset sekarakenteet muodostavat 25 tavallisesti suhteellisen tiheän, yhtenäisen massan, jossa noin 5-98 tilavuusprosenttia sekarakenteen kokonaistilavuudesta koostuu yhdestä tai useammasta täyteaineen ainesosasta, jotka on sisällytetty moniki-teiseen keraamiseen matriisiin. Kun perusmetalli on alumiini ja ilma tai happi on hapetin, monikiteinen keraamien matriisi koostuu tavalli-. 30 sesti noin 60-99 painoprosentista (monikiteisen matriisin painosta) yhdistynyttä alfa-alumiinioksidia ja noin 1-40 painoprosentista (samalla perusteella) hapettumattomia metallisia ainesosia, kuten perusmetallin ainesosia.

35 Keksintöä havainnollistetaan edelleen seuraavien ei-rajoittavien esimerkkien avulla.

Esimerkki 1 28 8 5 9 7 2

Styroxvaahtokuppi, jonka pituus oli noin 7,5 cm, pohjan halkaisija noin 4,5 cm ja seinämäpaksuus noin 0,3 cm, päällystettiin 95 % piidioksidia 5 ja 5 % savea sisältävällä seoksella lisäämällä piidioksidin ja saven vesiliete kuppiin (vähän ennen sen avointa päätä) ja kuumentamalla kuivaksi. Päällysteen paksuus oli suunnilleen sama kuin kupin seinämä-paksuus. Päällystetty kuppi sisällytettiin irtonaisesta wollastonii-tista koostuvaan petiin siten, että päällysteen pääty oli olennaisesti 10 samassa tasossa pedin paljastetun pinnan kanssa.

Kuppi täytettiin sulalla 380,1-alumiiniseoksella (höyrystämällä styrox-vaahto), ja metallin/pedin kooste sijoitettiin kuumaan uuniin, jossa sitä kuumennettiin 1000°C:ssa 48 tuntia.

15

Saatu keraaminen kappale poistettiin wollastoniittipedistä, jäljelle jäänyt sula alumiiniseos kaadettiin pois, ja tuotteen annettiin jäähtyä, jolloin jäljelle jäi keraaminen kuppi, jonka sisäpinta toisti yksityiskohtaisesti styroxvaahtokupin ulkopinnan. Keramiikan ulkopintaa 20 rajasi wollastoniittirajoitin, joka ympäröi alkuperäistä päällystettyä mallia. Keramiikkakupin seinämä koostui alumiinioksidikeramiikasta, joka oli kasvanut piidioksidi-savipäällysteen paksuuden läpi.

Esimerkki 2 Y 25

Esimerkin 1 menettely toistettiin paitsi, että wollastoniitti korvattiin alumiinioksidihiukkasilla (Norton 38 Alundum, hiukkaskoot seulami-taltaan 70 % 220 ja 30 % 500, mitkä vastaavat n. 50 vast. 25 mikronin hiukkaskokoa), ja koostetta kuumennettiin 72 tuntia. Tässä tapauksessa 30 alumiinioksidimatriisi kasvoi piidioksidi-savipäällysteen paksuuden läpi sekä ympäröiviin alumiinioksidihiukkasiin muodostaen noin 0,6 cm paksun seinämän. Keraamisen sekarakenteen sisäpinta toisti jälleen styroxvaahtokupin mallin ulkopinnan.

35 Vaikka ainoastaan muutama keksinnön suoritusmuodoista on yllä esitetty esimerkkeinä yksityiskohtaisesti, alan asiantuntijat havaitsevat hei- 29 85972 posti, että tämä keksintö käsittää monia muita yhdistelmiä ja variaatioita kuin yllä esitetyt.

Claims (20)

1. 30 85972
2. 1. Menetelmä itsekantavan keraamisen sekarakennekappaleen tuottamiseksi, jossa on ainakin yksi ontelo, joka käänteisesti toistaa mallin (6) 5 geometrian, joka sekarakennekappale (18) käsittää (A) keraamisen matriisin, joka on saatu hapettamalla perusmetalli (12) monikiteiseksi materiaaliksi, joka käsittää sanotun perusmetallin hapettumisreaktio-tuotteen hapettimen kanssa ja (B) täyteaineen (A), johon keraaminen matriisi on suodattunut, tunnettu siitä, että menetelmä kä-10 sittää seuraavat vaiheet: (a) Poistettavissa oleva mallimateriaali saatetaan mallin muo toon; 15 (b) tiivistetään mallimateriaali mukautuvaan täyteainepetiin, jotta siinä voidaan käänteisesti toistaa raallimateriaalin (6) geometria, jolle täyteainepedille (4) on ominaista, että 1) se läpäisee hapettimen niissä prosessiolosuhteissa, jotka vallitsevat vaiheessa, (c) ja läpäisee hapettumisreaktio-20 tuotteen suodattumisen täyteaineeseen (4), ja että 2) aina kin mallimateriaalia ympäröivässä tukivyöhykkeessä on riittävästi koheesiovoimaa vaiheen (c) prosessiolosuhteissa säilyttämään käänteisesti toistettu geometria sanotussa pe-dissä; 25 (c) korvataan mallimateriaali perusmetallilla (12) ja ylläpide tään lämpötilaa, joka on perusmetallin (12) sulamispisteen yläpuolella, mutta hapettumisreaktiotuotteen sulamispisteen alapuolella, jotta voidaan pitää yllä sulan perusmetallin 30 (12) massaa; ja sanotussa lämpötilassa, . . (1) sulan perusmetallin (12) annetaan reagoida hapettimen kanssa muodostamaan hapettumisreaktiotuote, 35 (2) pidetään ainakin osa hapetturaisreaktiotuotteesta kosketuk- sessa sulan metallin massan ja hapettimen kanssa näiden vä- II 3i 85972 Iillä, jotta sulaa metallia voi kulkeutua progressiivisesti hapettumisreaktiotuotteen läpi ja täyteainepetiin (4), jolloin samanaikaisesti muodostuu ontelo täyteainepetiin (4) hapettumisreaktiotuotteen jatkaessa muodostumistaan hapet-5 timen ja aikaisemmin muodostuneen hapettumisreaktiotuotteen välisellä rajapinnalla; ja (3) jatketaan reaktiota niin kauan, että täyteaine (4) ainakin osittain suodattuu hapettumisreaktiotuotteella jälkimmäisen 10 kasvun avulla, jolloin muodostuu sekarakennekappale, jossa on ontelo, ja (d) otetaan talteen saatava itsekantava sekarakennekappale (18).
3. 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mallimateriaali (6) korvataan perusmetallilla siten, että se höy-rystyy pois kun sen päälle kaadetaan sulaa perusmetallia (12).
4. 3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, 20 että mallimateriaali (6) poistetaan pedistä (4) ennen kuin se korvataan perusmetallilla (12).
5. 4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että perusmetalli (12) on sulassa muodossa tai muodostuu jauheesta, 25 rakeista tai hiukkasista tai niiden seoksista.
6. 5. Minkä tahansa ylläolevan patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mallimateriaali (6) valitaan ryhmästä, joka koostuu polystyreeneistä, polyuretaanivaahdosta, poistettavantyyp- 30 pisestä vahasta ja näiden seoksista. • · 6. Minkä tahansa edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että hapetin on kaasufaasihapetin, edullisesti happea sisältävä kaasu tai typpeä sisältävä kaasu, halogeeni, rikki, 35 fosfori, arseeni, hiili, boori, seleeni, tellurium, näiden yhdisteet ja : seokset, metaani, etaani, propaani, asetyleeni, etyleeni, propyleeni, 32 8 5 972 C0/C02 -seos, H2/H20 -seos, ilma tai näiden seos, tai hapetin käsittää muodostuskaasua, joka sisältää 96 t-% typpeä ja 4 t-% vetyä.
7. 7. Minkä tahansa ylläolevan patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, 5 tunnettu siitä, että hapetin käsittää kiinteän tai nestemäisen aineen vaiheen (c) lämpötilassa, kuten piidioksidin, boorin tai perusmetallilla (12) pelkistyvän yhdisteen, joka valinnaisesti on sisällytetty mainittuun täyteaineeseen (4).
8. 8. Minkä tahansa ylläolevan patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että perusmetalli (12) valitaan ryhmästä, joka koostuu alumiinista, piistä, titaanista, tinasta, sirkoniumista ja hafniumista.
9. 9. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tun nettu siitä, että mallimateriaali (12) poistetaan kemiallisin tai fysikaalisin keinoin, täyteainepeti (4) esikuumennetaan sulan perusmetallin (12) lämpötilaan tai sen yläpuolelle ja pidettäessä täyteaine-petiä (4) esikuumennuslämpötilassa lisätään sula perusmetalli (12). 20
10. 10. Minkä tahansa ylläolevan patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että perusmetalli (12) on alumiiniperusmetalli, hapetin on happea sisältävä kaasu ja lämpötila on noin 850-1450°C.
11. 11. Minkä tahansa ylläolevan patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että käytetään ainakin yhtä sopivaa lisäainetta perusmetallin (12) yhteydessä.
12. 12. Patenttivaatimuksen 11 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, . 30 että ainakin osa lisäaineesta järjestetään ainakin osittain täyteainee seen (4) .
13. 13. Patenttivaatimuksen 11 tai 12 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että lisäaine (4) käsittää kahden tai useamman aineen lähteen 35 magnesiumia, sinkkiä, piitä, germaniumia, tinaa, lyijyä, booria, nat- » 85972 riumia, litiumia, kalsiumia, fosforia, yttriumia ja harvinaista maame-tallia.
14. 14. MinkS tahansa yllSolevan patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, 5 tunnettu siitä, että täyteaineeseen (4), ainakin sen sanottuun tukivyöhykkeeseen sisällytetään sideainetta.
15. 15. Patenttivaatimuksen 13 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että perusmetalli (12) on alumiini, sanottu lisäaine käsittää magne- 10 siumin ja piin lähteen ja hapetin on ilma.
16. 16. Patenttivaatimusten 1,2,3,4 tai 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että täyteaine (4) käsittää aineen, joka on valittu ryhmästä, johon kuuluu ontot kappaleet, hiukkasmaiset aineet, pulveri, 15 kuidut, karvat, pallot, kuplat, teräsvilla, agregaatit, viirat, levykkeet, pienet pallot, tulenkestävät kuitukankaat ja näiden seokset.
17. 17. Patenttivaatimusten 1,2,3,4 tai 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että täyteaine (4) käsittää kiinteän hapettimen tai 20 nestemäisen hapettimen sen ainesosana.
18. 18. Patenttivaatimuksen 16 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että täyteaine (4) sisältää aineen, joka on valittu ryhmästä, johon kuuluu pii, piikarbidi, alumiinioksidi, sirkoniumoksidi ja niiden seok- 25 set.
19. 19. Patenttivaatimuksen 11 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että lisäaine käsittää ainakin kahden aineen lähteen, joka on valittu ryhmästä, johon kuuluu magneesium, sinkki, pii, germaani, tina, lyijy, 30 boori, natrium, litium, kalsium, fosfori, yttrium ja harvinainen maame-talli.
20. 20. Patenttivaatimuksen 19 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että harvinainen maametalli käsittää aineen, joka on valittu ryhmästä, 35 johon kuuluu lantaani, serium, praseodyymi, neodyymi ja samarium. 34 85372