FI88019B - Process foer tillverkning av sjaelvbaerande kroppar - Google Patents

Description

8 8 019

Prosessi itsekantavien kappaleiden valmistamiseksi Process för tillverkning av självbärande kroppar 5

Keksinnön kohteena on menetelmä itsekantavan kappaleen tuottamiseksi.

Esillä oleva keksintö liittyy yleisesti ottaen uusiin menetelmiin itsekantavien kappaleiden valmistamiseksi. Tarkemmin määritettynä keksintö 10 liittyy menetelmään, jossa sula perusmetalli reaktiivisesti suodattuu boorilähteen ja valinnaisesti yhden tai useamman inertin täyteaineen sisältävään petiin tai massaan muodostamaan sekarakenteen, joka käsittää metallin, boridin ja täyteaineen, jos sitä on käytetty.

15 Viime vuosina on esiintynyt lisääntyvää mielenkiintoa käyttää keramiikkaa rakennesovelluksissa, joissa aiemmin käytettiin metalleja. Sysäyksenä tälle mielenkiinnolle on ollut keramiikan tiettyjen ominaisuuksien ylivoimaisuus metalleihin verrattuna, joita ominaisuuksia ovat esimerkiksi syöpymisenkes-tävyys, kovuus, kulumisenkestävyys, kimmoisuusmoduuli sekä tulenkestävyys.

20

Keramiikan käyttöä tällaisiin tarkoituksiin rajoittavat kuitenkin pääasiassa haluttujen keramiikkarakenteiden tuotantomahdollisuudet ja -kustannukset. Esimerkiksi kuumapuristus, reaktiosintraus ja reaktiokuumapuristus ovat laajalti tunnettuja keramiikkaboridikappaleiden tuotantomenetelmiä. Kuumapu-' '· 25 ristuksessa hienojauheisia hiukkasia puristetaan yhteen korkeissa lämpöti- loissa ja paineissa. Reaktiokuumapuristuksessa esimerkiksi booria tai -;··· metalliboridia puristetaan yhteen sopivan metallipitoisen jauheen kanssa samaten korkeissa lämpötiloissa ja paineissa. E. Cloughertyn US-patentissa 3 937 619 kuvataan boridikappaleen valmistusta kuumapuristamalla jauhemaista ‘ 30 metalliseosta jauhemaisen diboridin kanssa. M. Brunin US-patentti 4 512 946 kuvaa keramiikkajauheen kuumapur i s tami s ta boorin ja metallihydridln kanssa boridiyhdisteen muodostamiseksi. Nämä kuumapuristusmenetelmät vaativat *·* ’ kuitenkin erikoiskäsittelyä ja kalliita erikoislaitteita, niitä rajoittavat tuotettavan keramiikkaosan koko ja muoto, ja niiden prosessituottavuus on ....: 35 tyypillisesti alhainen ja valmistuskustannukset ovat korkeat.

' Keramiikan käyttöä rakennesovelluksiin rajoittaa edelleen sen yleinen veny* ” vyyden ja sitkeyden puute (eli vauriotoleranssi tai murtumankestokyky). Tämä 2 8801 9 ominaisuus pyrkii johtamaan keramiikan äkilliseen ja katastrofaaliseen murtumiseen sovellutuksissa, joissa vetojfinnitykset ovat jopa melko lieviä.

Tätä ongelmaa on yritetty poistaa mm. käyttämällä keramiikkaa yhdessä metal-5 lien kanssa esimerkiksi kermetteinä tai metallimatriisisekarakenteina. Tämän menetelmän tavoitteena on saada aikaan yhdistelmä keramiikan (esim. lujuus) ja metallin (esim. venyvyys) parhaista ominaisuuksista. Menetelmä keraamis-metallisen yhdisteen (kermetin) tuottamiseksi on esitetty eurooppalaisessa patentissa 0 116 809. Tämän menetelmän mukaan hiukkasmaisista lähtöaineista 10 tuotetaan ensin päämassa reaktioseos, ja tämä seos saatetaan sitten kontaktiin sulan metallin kanssa, joka suodattuu seokseen. Esimerkkinä tällaisesta reaktioseoksesta on titaanidioksidia, boorioksidia ja alumiinia sisältävä seos (stökiometrisinä määrinä ja hiukkasten muodossa), joka sulan alumiinin kanssa kosketukseen jouduttuaan reagoi muodostaen titaaniboridia ja alu-15 miinioksidia keraamisena faasina, jonka alumiini suodattuu. Kuvauksen mukaan on selvää, että sula metalli eli alumiini on boridinmuodostusreaktiolle pelkistin eikä valmistava aine.

Eurooppalainen patentti 0 113 249 kuvaa menetelmää kermetin valmistamiseksi 20 muodostamalla ensin keraamisen faasin dispergoituja hiukkasia paikan päällä sulametallisessa faasissa ja pitämällä sitten tätä sulaa tilaa yllä riittävän pitkän ajan, jotta saadaan aikaan yhteenkasvaneen keraamisen verkoston " muodostuminen. Keraamisen faasin muodostumista on havainnollistettu antamalla titaanisuolan reagoidan boorisuolan kanssa sulassa metallissa. Keramiikka "'· 25 kehittyy paikan päällä ja muodostaa yhteenkasvaneen verkoston. Suodattumista ____ ei kuitenkaan tapahdu; ja edelleen prosessissa käytetty sula metalli, esim.

alumiini, on pelkistin, eikä reagoi muodostamaan boridia, ja boridi muodostuu sulassa metallissa sakkana. Hakemuksen molemmissa esimerkeissä todetaan selvästi, että TiAl3:sta, AlB2:sta tai AlB12:sta ei muodostunut rakeita, vaan 30 TiB2 muodostuu todistaen sen, että alumiini ei ole boridille metallinen valmistava aine. US-patentissa 3 864 154 on esitetty keraamismetallinen järjestelmä suodattamisen avulla. A1B12 kyllästettiin sulan alumiinin kanssa tyhjiössä nämä komponentit sisältävän järjestelmän aikaansaamiseksi. Muut valmistetut materiaalit olivat SiBe-Al; B-Al; B*C-Al/Si; ja A1B12-B Ai. 35 Millään tavoin ei viitata reaktioon, eikä sekarakenteiden tekemiseen, johon 3 8801 9 liittyy reaktio suodatusmetallin kanssa, eikä mihinkään reaktiotuotteeseen, joka sisältää tehottoman täyteaineen tai on osa sekarakenteesta.

Vaikka nämä kermetmateriaalien tuottamismenetelmät ovat joissakin tapauksissa 5 tuottaneet lupaavia tuloksia, on olemassa yleistä tarvetta luoda tehokkaampia ja taloudellisempia menetelmiä tällaisten keraamismetallisten sekarakenteiden valmistamiseen.

Keksinnön mukainen menetelmä on pääasiassa tunnettu siitä, että menetelmä 10 käsittää seuraavat seikat: a) valitaan perusmetalli, b) kuumennetaan perusmetalli olennaisesti inerttisessä ilmakehässä sen 15 sulamispisteen yläpuolella olevaan lämpötilaan muodostamaan sulaa metal lin massaa, ja se saatetaan kontaktiin boorilähteen käsittävän massan kanssa, joka boorilähde on boori tai metalliboridi, c) mainittua lämpötilaa ylläpidetään riittävän pitkän ajan, jotta sula 20 perusmetalli suodattuu boorimassaan ja reagoi boorilähteen kanssa, jolloin muodostuu perusmetalliboridi, ja d) suodattumista ja reaktiota jatketaan riittävän pitkän ajan tuottamaan itsekantava kappale, joka käsittää perusmetalliboridin ja metallisen . 25 faasin, joka puolestaan käsittää ainakin jotakin seuraavista: 1) perus metallin hapettumattomia ainesosia, 2) metalliboridin pelkistettyjä ainesosia, 3) kohtien 1) ja 2) metallien välisiä yhdisteitä tai kohtien '···' 1) ja 2) yhdistelmiä. 1 2 3 4 5 6

Itsekantavia kappaleita tuotetaan esillä olevan keksinnön mukaisesti käyt 2 tämällä hyväksi perusmetallin suodattiimistä ja reaktioprosessia (eli reak 3 tiivista suodattumista) boorilähteen yhteydessä (määritetty alla). Tämä 4 ;·. materlaalipeti tai -massa, johon perusmetalli suodattuu, voi olla kokonaan 5 muodostunut boorilähteestä, mikä tyypillisesti johtaa perusmetalliboridin ja 6 metallin käsittävään sekarakenteeseen. Suodatettava massa voi vaihtoehtoi-"♦*·* sesti sisältää yhtä tai useampaa, boorilähteen kanssa sekoitettuja inerttiä ·...· täyteainetta, jotta saadaan aikaan sekarakenne reaktiivisen suodattumisen 8801 9 4 avulla, joka sekarakenne käsittää täyteaineen sisältävän, metallin ja perusmetalliboridin matriisin. Lähtöaineen pitoisuuksia ja prosessiolosuh-teita voidaan muuttaa tai säätää, jotta saadaan aikaan vaihtelevia tilavuusprosentteja keramiikkaa, metallia ja/tal huokoisuutta sisältävä kappale.

5

Laajasti ottaen tämän keksinnön mukaisessa menetelmässä boorilähteen käsit-sittävä massa on sijoitettu sulasta metallista tai metallilejeeringistä koostuvan kappaleen viereen tai sen yhteyteen, joka metalli on sulatettu olennaisen inertissä ympäristössä tietyllä lämpötila-alueella. Boorilähde voi olla 10 alkuainebooria ja/tai sopiva metalliboridi, joka on pelkistettävissä sulalla perusmetallilla prosessin lämpötilaolosuhteissa. Sula metalli suodattuu massaan ja reagoi boorilähteen kanssa muodostaen reaktiotuotteena perusmetal-liboridia. Ainakin osa reaktiotuotteesta pidetään kontaktissa metalliin, ja sula metalli vetäytyy tai kulkee kohti reagoimatonta boorilähdettä imeytymis-15 tai kapillaarivaikutuksen avulla. Tämä kulkeutunut metalli muodostaa lisää perusmetalliboridia, ja keraamismetallisen sekarakenteen muodostumista tai kehittämistä jatketaan, kunnes perusmetalli tai boorilähde on kulunut, tai kunnes reaktiolämpötilaa muutetaan siten, että se on reaktlolämpötilan ulkopuolella. Tuloksena oleva rakenne sisältää perusmetalliboridia, metallia 20 ja/tai metallien välisiä yhdisteitä tai ontelolta tai näiden yhdistelmiä, Ja näitä useita faaseja voidaan tai ei voida yhdistää yhdessä tai useammassa ulottuvuudessa. Boridi- ja metallifaasien lopullisia tilavuusosia ja yhtenäi-syysastetta voidaan säätää muuttamalla olosuhteita, kuten esimerkiksi boorilähteen alkutiheyttä, boorilähteen Ja perusmetallin suhteellisia määriä, ...- 25 sekoittamalla perusmetalliin muita metalleja, boorilähteen laimentamista täyteaineella, lämpötilalla ja ajalla. Boorilähteen massa on tyypillisesti ainakin jonkin verran huokoinen siten, että perusmetalli voi imeytyä reak-tiotuotteen läpi. Imeytyminen tapahtuu ilmeisesti siksi, että mikä tahansa reaktiossa tapahtuva tilavuuden muutos ei täysin sulje huokosia, joiden läpi ...... 30 perusmetalli voi jatkaa imeytymistään, tai siksi, että reaktiotuote pysyy ·-- sulalle metallille läpäisevässä muodossa johtuen esimerkiksi pintaenergiaan liittyvistä seikoista, jotka tekevät ainakin jotkut sen raemaisista rajoista perusmetallille läpäiseviksi.

·. 35 Toisessa suoritusmuodossa sekarakenne tuotetaan antamalla sulan perusmetallin . - kulkea yhteen tai useampaan, boorilähteen sisältävään, inerttiin täyteai- 8801 9 5 neeseen. Tässä suoritusmuodossa boorilähde yhdistetään sopivaan täytemateriaaliin, joka sitten sijoitetaan sulan perusmetallin viereen tai sen kanssa kontaktiin. Tämä rakenne voidaan tukea erilliselle pedille tai toisin sanoen sen päälle, jota sula metalli ei kostuta ja joka ei reagoi sulan metallin S kanssa prosessiolosuhteissa. Sula perusmetalli suodattuu boorilähteen ja täyteaineen seokseen ja reagoi boorilähteen kanssa muodostaen perusmetallibo-ridin. Tuloksena syntyvä keraamismetallinen sekarakenne on tyypillisesti tiheä mikrorakenne, joka muodostuu matriisin sisäänsulkemasta täyteaineesta käsittäen perusmetalliboridia ja metallia. Reaktiivisen suodattumisprosessin 10 aikaansaamiseen tarvitaan ainoastaan pieni määrä boorilähdettä. Tuloksena oleva matriisi voi näin sisällöltään vaihdella siten, että se muodostuu pääasiassa metallisista aineosista ilmentäen siten tiettyjä, metallille luonteenomaisia ominaisuuksia, tai siten, että prosessissa käytetään korkeita boorilähdepitoisuuksia, mikä saa aikaan merkittävän boridifaasin, joka voi 15 hallita matriisin ominaisuuksia. Täyteainetta voidaan käyttää yhdisteen ominaisuuksien parantamiseksi sekarakenteen raaka-ainekustannuksien alentamiseksi tai boridinmuodostusreaktion kinetiikan ja siihen liittyvän lämmönkehi-tysnopeuden lieventämiseksi.

20 Seuraavassa suoritusmuodossa suodattuva materiaali muokataan esimuotoon, joka vastaa halutun lopullisen sekarakenteen geometriaa. Tätä seuraava esimuodon reaktiivinen suodattuminen sulalla perusmetallilla johtaa sekarakenteeseen, jolla on esimuotin lopullinen muoto tai lähes lopullinen muoto, mikä minimoi kalliit lopulliset työstö- ja viimeistelytoiminnot.

25 Tässä erittelyssä ja siihen liittyvissä patenttivaatimuksissa käytetyt allaolevat termit määritetään seuraavasti: "Perusmetalli" viittaa metalliin, esimerkiksi alumiiniin, joka on lähtöaine 30 polykiteiselle reaktiotuotteelle eli perusmetalliboridille, ja sisältää tämän ·' · metallin puhtaana tai suhteellisen puhtaana metallina, kaupallisesti saata vissa olevan metallin, Joka sisältää epäpuhtauksia ja/tai siihen sekoitettuja ainesosia, ja seoksen, Jossa metallinen lähtöainesosa on pääainesosa, Ja mainittaessa erityinen metalli perusmetallina, esimerkiksi alumiini, tunnis-35 tettu metalli tulee lukea tämä määritelmä mielessä, ellei sisältö muuta osoita.

8801 9 6 "Boorilähde" viittaa alkuainebooriin tai metalliboridiin, joka reagoi perusmetallin kanssa prosessilämpötilassa perusmetalllboridin aikaansaamiseksi, ja on tavallisesti kiinteässä muodossa prosessiolosuhteissa, mutta voi erityisesti korkean sulamispisteen omaavien perusmetallien yhteydessä olla neste-5 mäisessä muodossa prosessiolosuhteissa.

"Perusmetalliboridi" tarkoittaa boorilähteen ja perusmetallin reaktiotuotetta ja sisältää boorin binäärisen yhdisteen perusmetallin kanssa sekä tertiääristä tai korkeamman asteen yhdisteitä, jotka voivat myös sisältää boorilähde-10 ainesosan.

Esillä olevaa keksintöä kuvataan seuraavassa piirustuksiin viitaten.

Kuvio 1 on kaaviomainen, poikkileikkauksena esitetty pystyleikkauskuva, joka 15 esittää keksinnön mukaan käsiteltävää, tulenkestävään upokkaaseen sijoitettua, boorijauheeseen upotettua alumiiniharkkoa.

Kuvio 2 on mikrovalokuva osasta alumiiniboridimetalliyhdistettä (400 kertaa suurennettuna), joka on saatu alumiiniseoksesta, joka sisältää 3 % mag-20 neslumia ja 10 % piitä käsiteltynä boorilla jähmettymislämpötilassa 1200°C esimerkin 1 mukaan.

Kuvio 3 on mikrovalokuva (400 kertaa suurennettuna) osasta ZrB2/Zr-tuotetta, joka on muodostettu esimerkin 4 menetelmän mukaan.

25

Kuvio 4 on mikrovalokuva (400 kertaa suurennettuna) osasta Al203/Al-yhdistettä, joka on muodostettu alumiinin reaktiivisella suodattumisella Al203:n esimuottiin plus 1 %:lla boorin painosta esimerkin 9 mukaan.

30 Kuvio 5 on mikrovalokuva (400 kertaa suurennettuna) osasta Al203/A1B12/Al-yhdistettä, joka on muodostettu alumiinin reaktiivisella suodattumisella esimuottiin, joka sisältää 50 % Al203:n painosta ja 50 % boorin painosta esimerkin 9 mukaan.

| 35 Keksinnön mukaan itsekantava kappale tuotetaan sulan perusmetallin reaktii visella suodattumisella boorilähteen kanssa muodostamaan polykitelsen 7 83019 keraamismetallisen sekarakenteen, joka käsittää sanotun perusmetallin reaktiotuotteen boorilähteen kanssa ja yhden tai useamman perusmetallin hapet-tumattomista ainesosista. Jos boorilähde sisältää perusmetallilla reaktio-olosuhteissa pelkistyvän metalliboridin, sekarakenne voi tällöin metallisessa 5 faasissa sisältää boorilähteen pelkistyneitä metallisia ainesosia. Sekaraken-teessa voi esiintyä myös huokoisuutta tai tyhjiöitä. Prosessiolosuhteissa tyypillisesti kiinteänä esiintyvä boorilähde on mieluummin hienojen hiukkasten tai jauheen muodossa, mutta on ymmärrettävissä, että korkeissa lämpötiloissa sulavat perusmetallit voivat vaatia mukautuvien boorilähteiden 10 käyttöä, jotka nesteytyvät prosessilämpötila-alueilla. Boorilähteen massa voi haluttaessa olla olennaisen läpäisemätön, mutta muodostetun tuotteen mooliti-Iflvuus on pienempi kuin boorilähteen mool1 tilavuus, jotta sula motalll voi kulkea tuotteen läpi ja kontaktiin boorilähteen kanssa. Prosessin ympäristö tai atmosfääri on valittu siten, että se on suhteellisen inertti tai reagoi-15 maton prosessiolosuhteissa. Argon tai tyhjiö olisivat esimerkiksi sopivia prosessiilmapiirejä.

Tyypillistä menetelmälle, jossa booria käytetään alkuainemuodossa, on jauhemaisen boorin reaktio perusmetallin kanssa, esim. alumiinin, jolloin 20 muodostuu sekarakenne, joka käsittää perusmetalliboridin ja perusmetallin, esim. alumiiniboridin ja alumiinin, sekä mahdollisesti muita perusmetallin reagoimattomia ainesosia. Perusmetallin voidaan vaihtoehtoisesti antaa reagoida boorilähteenä toimivan, pelkistyvän metalliboridin kanssa muodostamaan perusmetalliboridin keraamismetallisen sekarakenteen, perusmetallin reagoi-. 25 mattomia ainesosia, alussa käytetyn metalliboridin pelkistyneitä ainesosia, sisältäen perusmetallin ja metallisten ainesosien reaktiosta muodostuneita metallien välisiä yhdisteitä, jotka ainesosat on vapauttanut alussa käytetyn metalliboridin pelkistyminen. Jos esimerkiksi titaania käytetään perusmetallina ja alumiiniboridia boorilähteenä, metallinen faasi voi sisältää titaania ; '-· 30 (ja mitä tahansa titaanin sekoitettuja reagoimattomia ainesosia), alumiinia ; ja yhtä tai useampaa alumiinin/titaanin välisiä metalliyhdisteitä (mutta normaalisti ei kaikkia näitä samanaikaisesti). Myös titaaniboridia muodostuu : prosessissa. 1

Vaikka esillä olevaa keksintöä tämän jälkeen kuvataan viitaten erityisesti suoritusmuotoihin, joissa perusmetalli on alumiini ja boorilähde alkuaineboo- 8801 9 8 ria, tämä on tehty ainoastaan asian havainnollistamiseksi. Muita perusmetalleja voidaan myös köyttää, esimerkiksi piitä, titaania, sirkoniumia, haf-niumia, lantaania, rautaa, kalsiumia, vanadiinia, niobiumia, magnesiumia ja berylliumia, ja esimerkkejä useista tällaisista perusmetalleista on annettu 5 alla. Myös mitä tahansa pelkistyvää metalliboridia voidaan käyttää, joka täyttää keksinnön tunnusmerkit.

Kuvioon 1 viitaten perusmetalliesiaste, esim. alumiini, joka on yleisesti esitetty kohdassa 10, muodostetaan harkoksi, tangoksi, sauvaksi, levyksi tai 10 vastaavaksi. Metalli on ainakin osittain upotettu alkuainebooriin 12, ja sen hiukkaskoko on mieluiten 0,1-100 μιη. Tätä rakennetta tai kokoonpanoa ympäröi inerttinen materiaali 14 tyypillisesti hiukkasten muodossa, jota ei sula metalli kostuta ja joka ei sulan metallin kanssa reagoi, ja joka materiaali on sijoitettu upokkaaseen 16 tai muuhun tulenkestävään astiaan. Perusmetallin 15 yläpinta 18 voi olla paljaana, tai perusmetalli voi olla kokonaan upotettu boorllähteeseen tai olla sen ympäröimä, ja samaten inerttinen peti 14 voidaan jättää pois, Tämä kokonaisuus sijoitetaan uuniin ja kuumennetaan mieluiten inerttisessä ilmakehässä kuten argonissa perusmetallin sulamispisteen yläpuolella olevassa lämpötilassa, mutta mieluiten halutun perusmetallibori-20 dln sulamispisteen alapuolella olevassa lämpötilassa, jotta muodostuu massa tai allas sulaa metallia. Tässä yhteydessä tulee ymmärtää, että käytettävä lämpötila-alue tai edullinen lämpötila ei saa mennä koko tämän alueen ulkopuolelle. Lämpötila-alue riippuu paljon esimerkiksi perusmetallin koostumuksesta ja boorilähteen valinnasta. Sula metalli koskettaa booriläh-25 dettä, ja perusmetalliboridia muodostuu reaktiotuotteena. Jatkuvasti boori-' : lähteelle alttiina ollessaan jäljellä oleva sula metalli vetäytyy vähitellen — reaktiotuotteen läpi boorilähteen sisältävän massan suuntaan ja tähän massaan, jotta reaktiotuotetta voisi jatkuvasti muodostua sulan metallin ja boorilähteen välisessä rajapinnassa. Tällä menetelmällä tuotettu keraamisme-30 tallinen sekarakenne käsittää perusmetallin reaktiotuotteen boorilähteen kanssa (eli boorin ja/tai yhden tai useamman pelkistyvän metalliboridin) sekä ... perusmetallin erilaisia hapettumattomia ainesosia tai tyhjiöitä tai molempia, tai vapautettua metallia tai metallien välistä yhdistettä johtuen pelkistyvän metalliboridin käytöstä boorilähteenä. Olennainen osa boorilähteestä, ainakin *:*·; 35 50 % ja mieluiten ainakin 90 %, reagoi muodostaen perusmetalliboridin.

Reaktio perusmetalliboridiksi voisi olla tuotteelle merkittävää joissakin 9 (38 01 9 korkealämpöttiaisissa sovelluksissa, koska boridi on stabiilimpi kuin boori siten, että boori pyrkii reagoimaan tuotteessa olevan metallin, esim. alumiinin, kanssa. Prosessin muodostamat boridikristalliitit voivat olla toisiinsa yhdistyneitä tai ei-yhdistyneitä, ja tuotteessa olevat metalliset faasit ja 5 mitkA tahansa tyhjiöt ovat normaalisti ainakin osittain toisiinsa yhdistyneitä. Mikä tahansa huokoisuus pyrkii johtumaan perusmetallifaasin osittaisesta tai lähes täydellisestä loppuunkulumisesta lisäreaktiotuotteen muodostumisen sijasta (kuten siinä tapauksessa, että stökiömetrisiä reagoivia aineita tai ylijäämäbooria on mukana), mutta tyhjiöiden tilavuusprosentti riippuu myös 10 esimerkiksi lämpötilasta, ajasta, perusmetallin tyypistä, boorilähteen valinnasta ja boorilähteen pedin huokoisuudesta.

Edelleen keksinnön mukaan on muodostettu itsekantava keraamismetallinen sekarakenne käsittäen metallisten ainesosien matriisin ja perusmetallibori-15 din, joka sulkee sisäänsä olennaisesti inerttisen täyteaineen. Matriisi muodostetaan suodattamalla perusmetalli perinpohjaisesti boorilähteen kanssa sekoitetun täyteaineen petiin tai massaan. Täyteaine voi olla mitä tahansa hiukkaskokoa tai minkä muotoinen vain ja millä tahansa tavalla suuntautunut suhteessa perusmetalliin, kunhan reaktiotuotteen kehittymisen suunta on kohti 20 täytemateriaalin osaa ja kattaa ainakin osan siitä sitä olennaisesti häiritsemättä tai syrjäyttämättä. Täyteaine voi olla muodostunut mistä tahansa sopivasta materiaalista, kuten esimerkiksi keraamisista ja/tai metallisista kuiduista, karvoista, hiukkasista, jauheista, tangoista, langoista, lankavii-roista, tulenkestävästä kankaasta, levyistä, levykkeistä, verkkomaisesta 25 vaahtorakenteesta, kiinteistä tai ontoista palloista, jne. Täyteaineen -...· tilavuus voi olla muodostettu irtonaisesta tai kiinteästä rakenteesta tai järjestelystä, jossa on sisusosia, aukkoja, välitiloja tai vastaavia, jotta täytemateriaalista tulee läpäisevä sulan perusmetallin suodattumiselle. Täytemateriaali voi edelleen olla homogeeninen tai heterogeeninen. Haluttaes-30 sa näitä materiaaleja voidaan yhdistää millä tahansa sopivalla sideaineella, ____ joka ei ole ristiriidassa tämän keksinnön mukaisten reaktioiden kanssa tai jätä mitään ei-toivottuja sivutuotejäämiä lopulliseen yhdistetuotteeseen. Täyteaine, joka pyrkii reagoimaan liikaa boorilähteen tai sulan metallin kanssa prosessoinnin aikana, voidaan päällystää, Jotta täyteaineesta tulisi 35 inerttinen prosessiympäristölle. Esimerkiksi hiilikuitu, jos sitä käytetään täyteaineena alumiinin ollessa perusmetallina, pyrkii reagoimaan sulan '3301 9 ίο alumiinin kanssa, mutta tämä reaktio voidaan välttää päällystämällä kuitu ensin esimerkiksi alumiumoksidillä.

Sopiva tulenkestävä astia, joka sisältää perusmetallin ja täyteainepedin tai 5 -muodon sekä sekoitetun boorilähteen, joka on siten suunnattu, että se sallii perusmetallin reaktiivisen suodattumisen täyteainepetiin ja sekarakenteen oikean kehittymisen, sijoitetaan uuniin, Ja tämä kooste kuumennetaan perusmetallin sulamispisteen yläpuolella olevaan lämpötilaan. Näissä korotetuissa lämpötiloissa sula perusmetalli suodattuu läpäisevään täyteaineeseen imeyty-10 misprosessin avulla ja reagoi boorilähteen kanssa muodostaen siten halutun keraamismetallisen sekarakenteen.

On havaittu, että perusmetallin suodattumista läpäisevään täyteaineeseen edistää boorilähteen läsnäolo täyteaineessa. Pieni boorimäärä on osoittau-15 tunut tehokkaaksi, mutta minimimäärä voi riippua monista tekijöistä, kuten esimerkiksi boorilähteen tyypistä ja hiukkaskoosta, perusmetallityypistä, täyteainetyypistä ja prosessiolosuhteista. Näin ollen boorilähdepitoisuuksia voidaan täyteaineessa laajasti vaihdella, mutta mitä alempi boorilähteen pitoisuus on, sitä korkeampi on metallin tilavuusprosentti matriisissa. Hyvin 20 pieniä boorilähdemääriä käytettäessä, esimerkiksi yhdestä kymmeneen prosenttia perustuen täyteaineen täyteen painoon plus boorilähde, saatava matriisi on yhdistynyttä metallia sekä pieni määrä perusmetalliboridia metalliin hajaantuneena. Kokeessa, jossa boorilähdettä ei käytetty lainkaan, yhdisteen muodostumista ei tapahtunut. Alla esitetyssä esimerkissä 9 on tulokset ____: 25 viidestä kokeesta, joissa käytettiin aluminiumoksiditäyteainetta sekä 0,1,2,5 *·· ja 10 painoprosenttia booria ja alumiiniperusmetallia. Boorilähteen ollessa poissa täyteaineen reaktiivista suodattumista ei tapahtunut, eikä suodattumi-" nen ehkä ole mahdollista ilman erikoistoimenpiteitä, kuten esimerkiksi ul koisen paineen käyttämistä, joka pakottaa metallin täyteaineeseen.

: · 30

Koska täyteaineessa voidaan käyttää hyvin erilaisia boorilähdepitoisuuksia tämän keksinnön mukaisessa prosessissa, lopullisen keraamismetallisen sekarakenteen ominaisuuksia voidaan säätää tai muuntaa boorilähteen pitoisuutta vaihtelemalla. Kun käytetään ainoastaan pientä boorilähteen määrää 35 suhteessa perusmetallin määrään siten, että massa sisältää suhteellisen vähän boorilähdettä, seknrakennekappaleen tai -matriisin ominaisuuksia hallitsevat 3801 9 π perusmetallin ominaisuudet, tyypillisimmin venyvyys ja lujuus, koska matriisi on pääasiassa metallia. Suurta boorilähdemäärää käytettäessä, kuten esimerkiksi silloin, kun alkuaineboorihiukkaset ovat tiheästi pakkautuneita täytemateriaalin ympärille vievät suuren prosentin täyteaineen ainesosien 5 välisestä tilasta, perusmetalliboridi pyrkii hallitsemaan sekarakennekappa-leen tai -matriisin ominaisuuksia siten, että kappale tai matriisi olisi kovempi tai vähemmän venyvä tai vähemmän luja. Valinnat näiden äärimmäispiir-teiden välillä voivat olla erittäin toivottavia, jotta voidaan täyttää erilaisten mahdollisten sovellusten tarpeet näille keraamismetallisille 10 sekarakenteille.

Sekarakenteen piirteisiin ja ominaisuuksiin voidaan luoda lisävariaatioita suodattumisolosuhteita säätämällä. Ohjailtavia muuttujia ovat mm. boori-lähdemateriaalin hiukkasten luonne ja koko, suodattumisaika ja -lämpötila ja 15 perusmetallin määrä suhteessa boorilähteessä olevan boorin määrään ja muodostettavan perusmetalliboridin stökiömetriasta saatavissa olevan boorin määrään. Esimerkiksi reaktiivinen suodattuminen, johon liittyy suuria boorilähdehiukkasia ja minimialttiinaoloaikoja alhaisissa lämpötiloissa, johtaa boorilähteen osittaiseen muuntumiseen perusmetalliboridiksi. Tämän 20 seurauksena reagoimaton boorilähdemateriaali jää mikrorakenteeseen, mikä saattaa antaa lopulliselle materiaalille halutut ominaisuudet tiettyjä tarkoituksia varten. Suodattuminen, johon liittyy hienoja boorilähdehiukkasia, korkeita lämpötiloja ja pitkiä alttiinaoloaikoja (ehkä jopa pitäminen lämpötilassa sen jälkeen, kun suodattuminen on täydellinen), pyrkii auttamaan 25 konkreettisesti täydellistä muuntumista perusmetalliboridiksi. Boorilähteen muuntuminen perusmetalliboridiksi on mieluiten ainakin noin 50 % ja parhaim-millään ainakin noin 90 %. Suodattuminen korkeissa lämpötiloissa (tai " myöhemmin seuraava korkealämpötilainen käsittely) voi myös johtaa Joidenkin sekarakenteen ainesosien tiivistymiseen sintrausprosessin avulla. Lisäksi, - " 30 kuten aiemmin on osoitettu, saatavissa olevan perusmetallin määrän pelkisty- minen vähemmässä määrin kuin mitä tarvitaan muodostamaan perusmetalliboridi ja täyttämään materiaaliin syntyvät huokoset, voi johtaa huokoiseen ainek-: ·.: seen, jolla myös voi olla hyödyllisiä sovelluksia. Tällaisessa rakenteessa huokoisuus voi vaihdella suunnilleen 1-25 tilavuusprosentin välillä ja olla 35 joskus korkeampi riippuen yllä luetelluista useista seikoista ja olosuhteis-!.! ta.

12 -38019

Eräs erityisen tehokas menetelmä tämän keksinnön soveltamiseen on boori-lähteen muodostaminen yhdessä minkä tahansa halutun inerttisen täytemateriaalin kanssa esimuotiksi, jonka muoto vastaa lopullisen yhdistetuotteen haluttua geometriaa. Esimuotti voidaan valmistaa millä tahansa monista S tavanomaisista keraamisten tuotteiden muodostusmenetelmistä (kuten esimerkiksi yksiaksiaalisella puristuksella, isostaattisella puristuksella, liukuvalulla, seisotusvalulla, nauhavalulla, muottiruiskutuksella, kuitumaisten materiaalien käsittelymenetelmällä, jne.) riippuen boorilähteen ja täyteaineen luonteenpiirteistä, jos näitä on käytetty. Hiukkasten tai 10 kuitujen alkusitoutuminen ennen reaktiivista suodattumista voidaan saada aikaan kevyellä sintrauksella tai käyttämällä erilaisia orgaanisia tai epäorgaanisia sidosmateriaaleja, jotka eivät häiritse prosessia tai tuota lopulliseen materiaaliin ei-toivottuja sivutuotteita. Esimuotti valmistetaan siten, että sillä on riittävän yhtenäinen muoto ja riittävä raakalujuus, ja 15 sen tulisi olla läpäisevä sulan metallin kululle, mielellään huokoisuuden tulisi olla 5-90 tilavuus-% ja mieluiten 25-50 tilavuus-%. Jos perusmetalli on alumiini, piikarbidi, aluminiumoksidi ja alumiinidodekaaniboridi ovat sopivia esimuottitäytemateriaaleja (muun muassa), ja hiukkasina niiden seulamitta on tyypillisesti noin 14-1000, mikä vastaa n. 10-1500 mikronin 20 hiukkaskokoa, mutta eri täytemateriaalien ja hiukkaskokojen sekoitusta voidaan käyttää. Esimuotti saatetaan sitten yhteyteen sulan perusmetallin kanssa yhdellä tai useammalla sen pinnoista riittävän pitkän ajan, jotta . matriisin suodattuminen esimuotin pintarajoihin saadaan vietyä loppuun. Tämän esimuotin tuloksena on keraamismetalllnen sekarakennekappale, jonka muoto ··*" 25 läheisesti tai tarkasti edustaa lopullisen tuotteen haluttua muotoa, mikä ···' minimoi tai eliminoi kalliit lopulliset työstö- tai hiontatoiminnot.

‘ '· Seuraavat esimerkit havainnollistavat tämän keksinnön mukaisia uusia reak- : : tiotuotteita ja menetelmää, jolla ne on valmistettu; nämä esimerkit ovat 30 kuitenkin ainoastaan havainnollistavia, eikä niiden tarkoituksena ole —: rajoittaa haettua keksintöä.

Esifflorkki 1 35 99,7 %:sti puhdas alumiinitanko, jonka mitat olivat suunnilleen 5 x 0,95 x 0,64 cm, upotettiin kiteiseen boorijauheeseen, jonka hlukkaskoko oli 60 mesh 13 33019 US-standardin mukaan, mikä vastaa n. 250 mikronin hiukkaskokoa, tulenkestävään upokkaaseen. Tämä sijoitettiin vastuslämmitteiseen putkiuuniin, jossa argonkaasu virtasi 200 cm3/min, ja kuumennettiin jähmettymislämpötilaan noin viiden tunnin ajan, pidettiin 1200°C:n jähmettymislämpötilassa 22 tunnin ajan 5 ja annettiin jäähtyä noin viiden tunnin ajan ennen uunista poistamista.

Tuotteen tutkiminen lopullisessa muodossaan ja lohkomisen jälkeen osoitti, että perusalumiinimetallin reaktio oli tapahtunut ulospäin kaikkiin suuntiin metallitangon alkuperäisestä pinnasta jättäen jälkeensä reiän, joka oli 10 identtinen alkuperäisen tangon muodon kanssa. Reaktiotuotteen mikroskooppinen tutkiminen vahvisti keraamismetallisen tuotteen ja osoitti sekä keraamisten että metallisten ainesosien olevan toisiinsa yhdistyneitä. Tuotteen röntgen-sädediffraktioanalyysi vahvisti alumiinidodekaaniboridin (AlB12) ja alumiinin läsnäolon. Oli myös havaittavissa jälkiä alumiininitridistä, mikä on saatta-15 nut johtua argonilmakehän tai boorijauheen lievästä saastumisesta.

Kuvio 2 on 400 kertaa suurennettu mikrovalokuva yhdistetuotteen mikrovalo-kuvasta ja esittää AlB12:n (tummanharmaana), Al:n (vaaleanharmaana) pää-faaseina sekä AlN-saastuttajan erillisen hiukkasen.

20

Edellä kuvattu menetelmä toistettiin paitsi että 10 % piitä ja 3 % magnesiumia sisältävää alumiiniseostankoa ja toista, kaupallisesti saatavissa olevaa A380.1-alumiinitankoa käytettiin perusmetalleina erillisissä kerroksissa. Kussakin kokeessa muodostui AlB12:ta ja Ai:a käsittävä keraamis-25 metallinen sekarakenne. Näin ollen keraamismetallisen sekarakenteen muodosta-: minen tämän keksinnön mukaisella menetelmällä ei ole erityisen herkkä — perusmetallin alkuperäiselle koostumukselle.

. Esimerkki 2 30 99,7 % puhdasta titaania sisältävä, 2,54 cm halkaisijaltaan oleva ja 2,54 cm:n pituinen sylinterimäinen tanko upotettiin 2-3 mikronin keskimääräisen hiukkaskoon omaavaan, amorfiseen boorijauheeseen siten, että pyöreä pinta asetettiin ilmakehälle alttiiksi. Tämä tulenkestävään aluminiumoksi-:··· 35 diupokkaaseen sijoitettu kooste kuumennettiin noin 1700°C:en (mitattuna optisella pyrometrillä vaikutuksen alaisena olevalta metallipinnalta) 3 8019 14 induktiouunissa, jossa käytettiin suoraa kytkentää metalliin. Lämmitys toteutettiin 99,5 % argonia ja 0,5 % vetykaasua sisältävässä ilmakehässä (vety lisättiin vaimentamaan happisaasteosien osittaispainetta), joka virtasi 150 cm3/n>in. Kuumennus lämpötilaan suoritettiin asteittain noin 10-20 minuu-5 tin aikana. Kun titaanin sulamispiste oli saavutettu, reaktio eteni hyvin nopeasti huomattavan lämmönkehityksen myötä. Reaktio oli täydellinen noin 20 sekuntia aloituksesta.

Tuloksena saadun materiaalin tutkiminen osoitti, että reaktio tapahtui 10 ulospäin metallin pinnoista boorlpetiä kohti jättäen aukon paikkaan, joka oli alunperin perusmetallin täyttämä. Röntgensädejauhediffraktioanalyysi vahvisti TiB2:n läsnäolon sekä jälkiä Ti3B*:n määristä muodostuneessa yhtenäisessä, erittäin huokoisessa kappaleessa. Röntgensädediffraktio eikä optinen mikroskopia eivät kumpikaan paljastaneet metallisen titaanin läsnäoloa, mikä IS osoittaa, että tässä tapauksessa oli käytetty riittävää boorimäärää siten, että reaktio oli täysin kuluttanut metallin alkuperäisen lähteen.

Edellä kuvattu menetelmä toistettiin paitsi että TiB2-jauhetta käytettiin yhdessä boorijauheen kanssa 50 tilavuusprosentin seoksessa reaktion lieven-20 tämiseksi. Kun titaanin sulamispiste oli saavutettu, havaittiin, että reaktio eteni hitaammin (kestäen suunnilleen yhden minuutin) ja lämpöä kehittyi vähemmän selvästi. Saadun yhtenäisen, huokoisen materiaalin havaittiin myös ____. sisältävän TiB2:ta sekä jälkiä Ti3B4:ä. Oletettavasti havaittu TiB2 edusti ... sekä alkuperäisiä sekoittuneita hiukkasia että titaaniboorireaktiotuotteen.

::: 25 -· Tämä esimerkki havainnollistaa sitä, että materiaalien ja olosuhteiden oikealla valinnalla voidaan muodostaa vähän tai ei lainkaan metallia ilmentävä kappale.

30 Eglmsrkkl 3 Tässä esimerkissä erikokoisia 98,4-prosenttisesti puhtaita piilastuja upotettiin paljastetuin pinnoin 92-95-prosenttisesti puhtaaseen amorfiseen boorijauheeseen tulenkestävään upokkaaseen. Tämä kooste kuumennettiin 35 induktiouunissa suunnilleen 1500°C:en seuraten esimerkin 2 menetelmää.

8 8019 15

Kuumennus suoritettiin 99,0 % argonia ja 1,0 % vetykaasua sisältävässä ilmakehässä, joka virtasi 400 cm3/min.

Kun piin sulamispiste oli saavutettu, tapahtui nopea eksoterminen reaktio 5 johtaen sekarakennekappaleen muodstumiseen, jossa oli keskireikä alkuperäisen piin sijaintipaikassa. Reaktiotuotteiden röntgensädejauhediffraktioanalyysi vahvisti SiBe:n (kahtena polymorfina) ja Si-matriisin läsnäolon. Tuotteen tutkiminen paljasti yhtenäisen kovan kappaleen, jossa oli havaittavissa jonkin verran huokoisuutta.

10

Esimerkki 4

Esimerkin 2 menettely toistettiin paitsi että 99,7 % puhdasta sirkoniumia sisältävää tankoa käytettiin titaanin sijasta ja lämmitettiin noin 1900°C:en 15 99 % argonia ja 1 % vetyä sisältävässä ilmakehässä.

Kun sirkoniumin sulamispiste oli saavutettu, havaittiin samaten nopea eksoterminen reaktio, mistä oli tuloksena ontto, erittäin huokoinen kappale, joka sisälsi ZrB2:a sekä jälkiä Zr:stä röntgensädejauhediffraktioanalyysillä 20 määritettynä.

Reaktion lieventämiseksi yllä esitetty menettely toistettiin käyttäen petiä, ____; joka sisälsi ZrB2-jauhetta (-100, +200 Mesh-yksikön hiukkaskoko, joka mikroneissa vastaa -150, +75) ja boorihiukkasia 50 tilavuusprosentin seoksessa. 25 Reaktion havaittiin etenevän hitaammin, ja tuloksena saatu ontto kappale sisälsi ZrB2-hiukkasia (sisältäen molemmat pohjaan alunperin lisätyt hiukkaset ja sirkonium-boori-reaktiosta saatuja hiukkasia) Zr-matriisissa. Tämän materiaalin mikrorakenne on esitetty kuviossa 3, ja vaiheiden identifiointi r varmistettiin röntgensädejauhediffraktiolla.

30

Esimerkki 5

Esimerkin 2 menettely toistettiin käyttäen titaanitankoa pohjassa, joka sisälsi seoksen 83,6-painoprosenttista titaaninitridijauhetta (-325 Mesh-35 yksikön hiukkaskokoa, mikä vastaa n. 45 mikronia) ja 16,4-prosenttista 16 *53019 kiteistä booria. Koostetta kuumennettiin vähitellen noin 1800-2000°C:n lämpötilaan 99 % argonissa ja 1 % vedyssä, jotka virtasivat 200 cm3/min.

Titaanin sulamispisteen yläpuolella olevassa lämpötilassa reaktio tapahtui 5 boorihiukkasten kanssa, ja reaktiotuote sulautui petiin ympäröiden titaanini-tridihiukkaset. Röntgensädejauhediffraktionanalyysi paljasti TiB2:n, TiN:n ja TiB:n läsnäolon päävaiheina, sekä jonkin verran Ti20:n saastutusta, mikä ilmeisesti johtui reaktiosta aluminiumoksidiupokkaan kanssa.

10 Esimerkki 6

Sylinterinmuotoinen titaaniharkko (1,9 cm:n pitkä ja halkaisijaltaan 1,6 cm) upotettiin alumiinidodekaaniboridihiukkaspetiin (hiukkaskooltaan 3-8 μια). Tämä kooste kuumennettiin esimerkin 2 menettelyä seuraten reaktiolämpötilaan 15 1800-2000°C 99 % argonia Ja 1 % vetyä sisältävässä inerttisessä ilmakehässä, joka virtasi 300 cm3/min.

Titaanin sulamispisteen yläpuolella olevassa lämpötilassa tapahtui reaktio alumiinidodekaaniboridin kanssa muodostaen siten sekarakennemateriaalin reak-20 tiotuotteen kasvaessa käsittäen titaanidiboridimatrlisin, johon oli upotettuna alumiinimetallisulkeumia, jotka oli vapauttanut titaaniperusmetallin reaktio alumiinidodekaboridin kanssa. Faasiidentifiointi vahvistettiin näytteen röntgensädediffraktioanalyysillä, joka myös osoitti jälkiä Ti3B*:n ja TiB:n läsnäolosta.

25

Esimerkki 7

Jotta voitaisiin havainnollistaa esimuotin käyttöä määritetyllä lopullisella geometrialla varustetun keraamismetallisen yhdisteosan aikaansaamiseksi, 30 valmistettiin kaksi esimuottia sekoittamalla boorihiukkasia 5 %:lla or gaanisen sidemateriaalin painosta (Avlcel PH-105, FMC Corporationin tuote) ja puristamalla esimuottikiekkoihin (halkaisijaltaan 3,2 cm ja paksuudeltaan 0,95 cm) käyttäen 276 MPa:n painetta, käytettiin kahta eri hiukkaskokoa — olevaa amorfista boorijauhetta: (a) 2-3 mikronin keskihlukkaskokoa ja (b) - ·;·-' 35 325 Mesh-yksikön hiukkaskokoa, mikä vasta n. 45 mikronia. Perusmetalli varustettiin 99,7 % puhdasta alumiinia sisältävin kiekoin (halkaisijaltaan ί3 801 9 π 2,54 cm ja paksuudeltaan 0,95 cm). Kukin kooste käsitti yhden booriesimuotti-kiekon, joka oli sijoitettu alumiinikiekon alapuolelle ja jota ympäröi kaikilta muilta pinnoilta paitsi yläpinnalta 24- Mesh-yksikön alumiinioksidi-hiukkasia, mikä vastaa n. 700 mikronia, sisältävä peti (Norton Company 38 S Alundum), joka oli sijoitettu tulenkestävään upokkaaseen. Näitä koosteita kuumennettiin muhveliuunissa 15 tunnin ajan jähmettymislämpötilaan, jota pidettiin yllä 1100°C:ssa 48 tunnin ajan ja jäähdytettiin 10 tunnin ajan, puhtaassa, 200 cm3/n>i.n virtaavassa argonissa.

10 Alttiinaolon jälkeen näytteiden tutkiminen osoitti, että alumiiniperusmetalli oli suodattunut esimuottikiekkoihin ja reagoinut boorin kanssa muodostaen keraamismetallisen sekarakenteen, joka käsitti AlB12:a (kahtena isomorfina) ja Aira sekä jälkimääriä AlN-saasteesta, minkä vahvisti röntgensädediffrak-tio. Yhdistekiekot säilyttivät alkuperäisten esikiekkojen geometrian, ja 15 lopullisten kappaleiden mitat lähenivät tarkasti esimuottien alkuperäismitto-ja. Kummassakin tapauksessa jonkin verran ylijäämämetallia jäi sivuun yhteyteen perusalumiinimetallin kanssa, joka oli erotettavissa keraamismetal-lisesta sekarakenteesta suhteellisen vähäisellä voimalla.

20 Näytteitä keraamismetallisista yhdisteistä valmistettiin mekaanisia mittauksia varten sahaamalla ja hiomalla pieniä koetankoja taivutuskoetta varten. Tulokset osoittivat 193 ja 121 MParn maksimitaivutuslujuuksia ____- kiekoille, jotka oli tehty 2-3 μπτ.η ja amorfisista boorihiukkasista, joiden hiukkaskoko oli -325 Hesh-yksikköä US-standardin mukaan, mikä vastaa n. 45 25 mikronin hiukkaskokoa, tässä järjestyksessä. Molemmissa näytteissä oli - - havaittavissa huomattavaa muodonmuutosta ennen murtumista, mikä heijastaa alumiiniainesosan venyvyyttä yhdisteessä.

Esimerkki 8 30

Esimuottimenetelmän edelleen havainnollistamiseksi TiB2-hiukkasia (-100/+270 Mesh-yksikön hiukkaskoko, mikä vastaa mikroneissa n. -150/+53) sekoitettiin amorfisten boorihiukkasten (-325 Mesh-yksikön hiukkaskoko, mikä vastaa n. 45 mikronia) kanssa suhteissa 62,5/37,5 painoprosenttia tässä järjestyksessä.

35 Esimerkin 7 menettelyä käyttämällä näitä jauheita puristettiin 10 x 10 x 1,3 ;V; cmrn esimuottiin käyttäen 21 MPa painetta. Esimuotti koottiin perusalumiinin 18 Ö 8 01 9 (seos 1100, nimellisesti 99 % puhdasta) kanssa 5 x 10 x 1,3 cm:n tangon muodossa, joka oli sijoitettu esimuotin alle alumiinioksidipetiin. Kuumennus suoritettiin esimerkin 7 mukaisesti 15 tunnin ajan.

S Tulokseksi saatu sekarakennekappale tuotti tarkasti esimuotin mittojen muodon. Röntgensädediffraktion avulla sekarakennekappaleen havaittiin sisältävän TiB2:a ja alumiinia. Sekä optisella että skaalaavalla elektronimikroskopialla suoritettu tutkimus osoittivat lisävaiheiden läsnäolon, jotka identifioitiin amorfisina boorijäänteinä (ei havaittavissa röntgensädedif-10 fraktiolla) ja AlB12:na. Tämän esimerkin lyhyempi kuumennusaikä esimerkkiin 7 verrattuna saattaa selittää alumiiniboorireaktion alemman lopullisen asteen kyseessä olevassa tapauksessa.

Taivutuslujuuskokeet, jotka tehtiin neljästä yhdisteestä leikatusta näyt-15 teestä käyttäen esimerkin 7 menettelyä, antoivat 146 MPa:n (± 7 MPa keskiarvon ja osoittivat jopa suurempaa venyvyyttä kuin edeltävän esimerkin materiaalit. Tämän materiaalin erittäin muotoa muuttava luonne johtuu todennäköisesti sen suuremmasta alumiinipitoisuudesta, mikä on seuraus alemmasta yhteenpuristumispaineesta ja sen vuoksi alkuperäisen esimuotin 20 alemmasta tiheydestä kyseessä olevassa tapauksessa.

Esimerkki 9 - Jotta voitaisiin osoittaa ainoastaan pienen booripitoisuuden tehokkuus, • 25 valmistettiin esimuottikiekkoja, joissa oli aluminiumoksiditäyteainehiukkasia plus 0,1,2,5 ja 10 prosenttia amorfisen boorin painosta. Kiekkoja valmistettaessa sopivat koosteprosentit aluminiumoksidia (38 Alundum, 220 Mesh-yksikön hiukkaskokoa, joka vastaa n. 75 mikronia) ja amorfista sideainetta (2-3 μιη:η hiukkaskokoa) sekoitettiin 5 %:lla orgaanisen sideaineen painosta (Avicel PH-30 105) ja puristettiin kiekkoihin, joiden halkaisija oli 3,2 cm ja paksuus 0,79 . cm. Nämä kiekot upotettiin tulenkestäviin, aluminiumoksidihiukkasia (38

Alundum, 90 Mesh-yksikön hiukkaskoko, joka vastaa n. 170 mikronia) sisältäviin peteihin syllnterimäisen 99,7 % puhdasta alumiinia sisältävän harkon kanssa (paksuudeltaan h tuumaa ja halkaisijaltaan 1 tuuma), joka oli sijoi-35 tettu kunkin kiekon päälle siten, että pyöröpinnat olivat kontaktissa. Yllä 8 8019 19 kuvatut koosteet kuumennettiin 1200°C:n jähmettymispistelämpötilaan 17 tunnin ajan puhtaassa, 200 cm3/®in virtaavassa argonissa.

Kussakin koosteessa, jossa täyteainekiekko sisälsi booria, sula alumiini 5 suodattui täyteainekiekkoon sulkien siten sisäänsä aluminiumoksidihiukkaset muodostamaan sekarakennemateriaalin, jolla oli olennaisesti alumiinimetalli-matriisi, joka puolestaan sisälsi joitakin reaktiotuotehiukkasia. Koosteessa, joka ei sisältänyt lainkaan booria täyteainekiekossa, sulan alumiinipedin suodattumista täyteaineeseen ei tapahtunut. Suodattuneet sekarakenteet 10 säilyttivät tarkasti esimuotin geometrian ja mitat.

Kuviossa 4 on esitetty mikrovalokuva poikkileikkauksesta läpi yhdistenäyt-teen, joka on tehty 1 %:n booripitoisuudella esimuotissa, havainnollistaen alumiinimatriisisekarakenteen muodostumista, joka sisältää Al203:a sekä vähäi-15 sen määrän AlB12-rektiotuotetta. Vertailun vuoksi kuviossa 5 on esitetty samanlaisella menetelmällä valmistettu sekarakennemateriaali paitsi että alkuperäinen esimuotti sisälsi 50 % amorfisen boorin painosta, jonka hiukkas-koko on -325 Mesh-yksikköä US-standardin mukaan ja vastaa n. 45 mikronia. Saatu sekarakenne sisältää paljon suuremman määrän AlB12:a (röntgensädedif-20 fraktiolla varmistettuna) ja pienemmän määrän aluminiumoksidia ja alumiinia, mikä oli odotettavissa erilaisen esimuotin koostumuksen perusteella.

Esimerkki 10 25 Puhdas lantaanitanko, mitoiltaan 0,29 cm pitkä, 1 tuumaa leveä, 0,63 cm paksu ja painoltaan 10,8 g, upotettiin 24,5 g:an 98-99 %:sti puhdasta kiteistä boorijauhetta, hiukkaskoko -325 Mesh-yksikköä, mikä vastaa n. 45 mikronia, siten, että lantaanitangon 0,29 x 1,3 cm:n pinta asetettiin alttiiksi. Lantaanitankoa ympäröivän boorijauheen määrä oli stökiömetrisesti 30 enemmän kuin suhteessa lantaaniheksaboridin muodostumiseen lantaanimetalli-. tangon ja boorijauheen välisestä reaktiosta. Yllä oleva kooste sijoitettiin alumiiniupokkaaseen ja kuumennettiin suunnilleen 1800°C:en (mitattuna lantaanitangon alttiina olevalta pinnalta optisella pyrometrialla) induktio-uunissa käyttäen suoraa kytkentää metalliin. Kuumennus suoritettiin puhtaan - 35 argonin ilmakehässä, joka virtasi 200 cm3/min. Lämpötilaan kuumentaminen tapahtui suunnilleen 30 minuutissa. Reaktio havaittiin saavutettaessa :3 8019 20 lantaani tangon sulamispiste. Koska optinen pyrometritekniikka mittaa lämpötilan metallin alttiina olevalta pinnalta, lämpötila metallitangon sisällä olevissa pisteissä ja/tai paikallistetuissa reaktiopisteissä saattaa olla korkeampi kuin optisella mittauksella havaittu lämpötila.

5

Sula lantaanimetalli suodattui booripetiin radiaalisesti johtaen keraamiseen kappaleeseen, joka sisälsi tyhjiön paikassa, jossa aikaisemmin oli lantaani tanko. Keraaminen kappale oli yhtenäinen ja huokoinen. Materiaalin röntgensädediffraktioanalyysi indentifioi keraamisen rakenteen lantaanihek-10 saboridina.

Claims (21)

21 U 8019

1. Menetelmä itsekantavan kappaleen tuottamiseksi, tunnettu siitä, että menetelmä käsittää seuraavat seikat: 5 a) valitaan perusmetalli, b) kuumennetaan perusmetalli olennaisesti inerttisessä ilmakehässä sen sulamispisteen yläpuolella olevaan lämpötilaan muodostamaan sulaa metalli) Iin massaa, ja se saatetaan kontaktiin boorilähteen käsittävän massan kanssa, joka boorilähde on boori tai metalliboridi, c) mainittua lämpötilaa ylläpidetään riittävän pitkän ajan, jotta sula perusmetalli suodattuu boorimassaan ja reagoi boorilähteen kanssa, 15 jolloin muodostuu perusmetalliboridi, ja d) suodattumista ja reaktiota jatketaan riittävän pitkän ajan tuottamaan itsekantava kappale, joka käsittää perusmetalliboridin ja metallisen faasin, joka puolestaan käsittää ainakin jotakin seuraavista: 1) perus- 20 metallin hapettumattomia ainesosia, 2) metalliboridin pelkistettyjä ainesosia, 3) kohtien 1) ja 2) metallien välisiä yhdisteitä tai kohtien 1) ja 2) yhdistelmiä.

• * 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että -_ · 25 boorilähteen käsittävä massa muodostetaan sekoittamalla boorilähde inerttisen : täyteaineen kanssa, suoritetaan vaiheen c) suodattuminen ja reaktio muodos- tettuun massaan sulkemaan sisäänsä mainittu täyteaine, ja tuotetaan sekara-kenne itsekantavan kappaleen muodossa, jossa on täyteaineen sisäänsä sulkeva matriisi ja joka matriisi käsittää perusmetalliboridin ja metallisen faasin, 30 joka puolestaan käsittää ainakin jotakin seuraavista: 1) perusmetallin . . hapettumattomia ainesosia, 2) metalliboridin pelkistettyjä ainesosia, *_/ 3) kohtien 1) ja 2) metallien välisiä yhdisteitä tai kohtien 1) ja 2) yhdistelmiä. 1

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että boorilähde on läsnä ainakin stökiömetrisenä määränä perusmetalliin 88019 nähden ja mainittua suodattumista ja reaktioita jatketaan riittävän pitkän ajan kuluttamaan olennaisesti kaiken perusmetallin.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että 5 mainittua suodattumista ja reaktiota jatketaan riittävän pitkän ajan tuottamaan huokoisen kappaleen.

5. Minkä tahansa patenttivaatimuksen 1,2 tai 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että perusmetalli valitaan ryhmästä, joka käsittää alumii- 10 nin, sirkoniumin, piin, hafniumin, lantaanin, raudan, kalsiumin, vanadiinin, nioblumin, magnesiumin ja berylliumin.

6. Minkä tahansa edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että perusmetalli on alumiini, mainittu boorilähde on 15 alkuaineboori ja itsekantava kappale käsittää alumiinin ja alumiiniboridin.

7. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että boorilähteen käsittävä massa on ennaltamääritetyn muotoinen esimuotti, ja suodatus ja reaktio esimuottiin saa aikaan itsekantavan kappaleen, joka 20 on esimuotin muotoinen.

8. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että boorilähteen käsittävä massa käsittää suhteellisen vähän booria perusmetallin määrään verrattuna, jolloin muodostuu itsekantava kappale, jonka ominaisuudet ____; 25 pääasiassa vastaavat perusmetallin ominaisuuksia.

9. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ' ' boorilähteen käsittävä massa käsittää suhteellisen vähän booria suhteessa perusmetallin määrään täyteaineen ainesosien välisissä tiloissa, jolloin 30 saatavan matriisin ominaisuudet pääasiassa vastaavat perusmetallin ominai-suuksia.

10. Patenttivaatimuksen 8 tai 9 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että käytettävä boorilähde on alkuainebooria. λ 35 »J 8 01 9

11. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että boorilähteen käsittävä massa käsittää suhteellisen paljon booria perusmetalliin nähden, jolloin muodostuu itsekantava kappale, joka ilmentää pääasiassa perusmetalliboridin ominaisuuksia. 5

12. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että boorilähteen käsittävä massa käsittää suhteellisen paljon booria täyteaineen ainesosien välisissä tiloissa, jolloin saatava matriisi ilmentää pääasiassa perusmetalliboridin ominaisuuksia. 10

13. Patenttivaatimuksen 11 tai 12 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että käytettävä boorilähde on alkuainebooria.

14. Patenttivaatimuksen 2 tai 6 mukainen menetelmä, tunne ttu siitä, 15 että boorilähteen käsittävä massa käsittää ainakin 50 painoprosenttia mainittua boorilähdettä; ja perusmetalliboridi on olennaisesti yhtenäistä ainakin yhdessä ulottuvuudessa.

15. Minkä tahansa edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, 20 tunnettu siitä, että boorilähteen käsittävä massa sisältää perusmetallilla pelkistettävissä olevaa metalliboridia, ja itsekantavassa kappaleessa olevasta metallista osa on peräisin metalliboridista.

16. Patenttivaatimuksen 15 mukainen menetelmä, tunne ttu siitä, että — 25 perusmetalli on titaania ja pelkistyvä metalliboridi on alumiinidodekabori- dia.

17. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittu täyteaine on valittu seuraavista: kuidut, kimput, hiukkasmaiset 30 aineet, pulverit, sauvat, viirat, viirakuidut, tulenkestävät kudokset, verkkovaahto, levyt, levykkeet, kiinteät pallot ja ontot pallot.

: '·· 18. Patenttivaatimuksen 17 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että : : perusmetalli on alumiinia ja täyteaine käsittää alumiinioksidilla päällystet- 35 tyä hiilikuitua. 88019

19. Jonkin patenttivaatimuksen 1,2,6,8,9,11 tai 12 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittu inertti ilmakehä käsittää argonia.

20. Jonkin patenttivaatimuksen 2,6,9 tai 12 mukainen menetelmä, t u n -5 n e t t u siitä, että mainittu inertti täyteaine käsittää täyteaineen, jonka koostumus on sama kuin menetelmässä muodostuvan perusmetalliboridin.

21. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittu perusmetalli on alumiini, titaani, sirkonium, pii tai lantaani. 10 »e 88019