FI89015B - Foerfarande foer framstaellning av en metallmatriskomposit - Google Patents

Description

! 89015

Menetelmä metallimatriisikomposiitin valmistamiseksi

Esillä oleva keksintö koskee menetelmää metallimatriisi-5 komposiitin valmistamiseksi. Keksinnön mukaan valmistus tapahtuu oleellisesti siten, että muodostetaan mallikuori, jossa on ontelo, päällystämällä poistettava valusydän aineella, joka saatetaan itsekantavaksi, ja poistamalla valusydän niin, että saadussa mallikuoressa ontelon muoto 10 oleellisesti vastaa poistetun valusydämen alkuperäistä muotoa; järjestetään onteloon oleellisesti ei-reagoivaa täyteainetta; ja saatetaan sula matriisimetalli spontaanisti tunkeutumaan ainakin osaan täyteainetta.

15 Keksinnössä on edullista käyttää tunkeutumisen edistäjää ja/tai tunkeutumisen edistäjän edeltäjää ja/tai tunkeutu-misatmosfääriä, jotka ainakin prosessin jossakin vaiheessa ovat yhteydessä täyteaineeseen, mikä sallii sulan metalli -matriisin spontaanin tunkeutumisen läpäisevään täyteainee-20 seen, joka ainakin prosessin jossakin vaiheessa voi tulla itsekantavaksi. Edullisessa suoritusmuodossa voidaan tuottaa ontelolta menetelmällä, joka muistuttaa niin sanottua vahamal 1 ikaavaus ta.

25 Metallimatriisin ja lujittavan tai vahvistavan faasin, kuten keraamisia hiukkasia, kuitukiteitä, kuituja tai vastaavia käsittävät komposiittituotteet näyttävät lupaavilta moniin eriin sovellutuksiin, koska niissä yhdistyvät osa lujittavan faasin jäykkyydestä ja kulutuskestävyydestä 30 metallimatriisin muovattavuuteen ja sitkeyteen. Yleensä metallimatriisikomposiitilla luodaan parannuksia sellaisissa ominaisuuksissa, kuten lujuus, jäykkyys, hankausku-lutuksen kestävyys ja lujuuden pysyminen korkeammissa lämpötiloissa, verrattuna matriisimetalliin sen monoliitti-35 sessa muodossa, mutta määrä, johon saakka määrättyä ominaisuutta voidaan parantaa, riippuu suuresti kyseessä ole-; vista ainesosista, niiden tilavuus- tai painosuhteista, sekä siitä, miten niitä käsitellään komposiittia muodostettaessa. Eräissä tapauksissa komposiitti voi myös olla 2 89015 kevyempää kuin matriisimetalli sellaisenaan. Alumiinimat-riisikomposiitit, jotka on vahvistettu keräämillä, kuten esimerkiksi piikarbidilla hiukkasten, hiutaleiden tai kuitukiteiden muodossa, ovat kiinnostavia johtuen niiden 5 alumiiniin verrattuna suuremmasta jäykkyydestä, kulutuksen kestävyydestä ja korkean lämpötilan lujuudesta.

Alumiinimatriisikomposiittien valmistamiseksi on kuvattu erilaisia metallurgisia menetelmiä, mukaanlukien menetel-10 miä, jotka perustuvat jauhemetallurgiatekniikoihin ja sulan metallin tunkeutumistekniikoihin, joissa käytetään hyväksi painevalua, tyhjövalua, sekoittamista, ja notkis-timia. Jauhemetallurgiatekniikoiden avulla jauheen muodossa oleva metalli ja jauheen, kuitukiteiden, leikattujen 15 kuitujen, jne. muodossa oleva lujittava aine sekoitetaan ja sitten joko kylmäpuristetaan ja sintrataan, tai kuuma-puristetaan. Tällä menetelmällä tuotetun piikarbidilla lujitetun alumiinimatriisikomposiitin suurimman keraamin tilavuusosan on ilmoitettu olevan noin 25 tilavuusprosent-20 tia kuitukiteiden tapauksessa ja noin 40 tilavuusprosenttia hiukkasten tapauksessa.

Metallimatriisikomposiittien tuottaminen jauhemetallurgi-sia tekniikoita käyttävin tavanomaisin menetelmin asettaa 25 eräitä rajoituksia aikaansaatavien tuotteiden ominaisuuksille. Komposiitissa olevan keraamitaasin tilavuusosa on tyypillisesti rajoittunut, hiukkasten tapauksessa noin 40 prosenttiin. Samaten asettaa puristustoiminta rajan käytännössä saavutettavalle koolle. Ainoastaan suhteellisen 30 yksinkertaiset tuotteen muodot ovat mahdollisia ilman jälkeenpäin tapahtuvaa käsittelyä (esim. muotoilua tai koneistusta) tai ottamatta käyttöön monimutkaisia puristimia. Sintrauksen aikana voi myös esiintyä epätasaista kutistumista, samoin kuin mikrostruktuurin epätasaisuutta, 35 johtuen kiintoaineisiin eriytymisestä ja hiukkasten kasvusta .

I: 3 89015 US-patentissa 3,970,136 kuvataan menetelmä metallimatrii-sikomposiitin muodostamiseksi, johon sisältyy kuitumuotoi-nen lujite, esim. piikarbidi- tai alumiinioksidikuituki-teitä, joilla on ennalta määrätty kuitujen suuntaus.

5 Komposiitti tehdään sijoittamalla samassa tasossa olevien kuitujen samansuuntaisia mattoja tai huopia muottiin yhdessä sulan matriisimetallin, esim. alumiinin lähteen kanssa ainakin joidenkin mattojen välissä, ja kohdistamalla painetta, niin että sula metalli pakotetaan tunkeutumaan 10 mattoihin ja ympäröimään suunnatut kuidut. Mattojen pinon päälle voidaan valaa sulaa metallia, jolloin sitä paineen avulla pakotetaan virtaamaan mattojen väliin. Komposiitissa olevien lujittavien kuitujen jopa 50 % tilavuuspitoi-suuksia on ilmoitettu.

15

Edellä olevaan tunkeutumismenetelmään liittyy paineen aiheuttamien virtausprosessien yllätyksellisiä vaihteluja. ts. mahdollisia epäsäännöllisyyksiä matriisin muodostumisessa, huokoisuutta, jne, kun otetaan huomioon että se 20 riippuu ulkoisesta paineesta sulan matriisimetallin pakottamiseksi kuitupitoisten mattojen läpi. Ominaisuuksien epätasaisuus on mahdollinen vaikka sulaa metallia johdettaisiin useammasta kohdasta kuitupitoiseen järjestelyyn. Vastaavasti on järjestettävä monimutkaiset matto/lähde-25 järjestelyt ja virtausreitit soveltuvan ja tasaisen tunkeutumisen aikaansaamiseksi kuitumattojen pinoon. Edellä mainittu painetunkeutumismenetelmä mahdollistaa myös ainoastaan suhteellisen pienen lujitusaineen ja matriisiti-lavuuden suhteen, johtuen suureen mattotilavuuteen tunkeu-30 tumisen vaikeudesta. Lisäksi muoteissa on oltava sulaa metallia paineen alaisena, joka nostaa menetelmän kustannuksia. Lopuksi edellä mainittu menetelmä, joka rajoittuu ojennuksessa oleviin hiukkasiin tai kuituihin tunkeutumiseen, ei sovellu alumiinimatriisikomposiittien muodosta-35 miseen, jotka on lujitettu satunnaisesti suuntautuvista hiukkasista, kuitukiteistä tai kuiduista koostuvilla aineilla.

4 89015

Alumiinimatriisi-alumiinioksiditäytteisten komposiittien valmistuksessa alumiini ei helposti kostuta alumiinioksidia, jolloin on vaikeata muodostaa yhtenäinen tuote. Tähän ongelmaan on ehdotettu erilaisia ratkaisuja. Eräs sellainen 5 lähestyminen on alumiinin päällystäminen metallilla (esim. nikkelillä tai wolfrämillä), joka sitten kuumapuristetaan yhdessä alumiinin kanssa. Toisessa tekniikassa alumiini seostetaan litiumin kanssa, ja alumiinioksidi voidaan päällystää piidioksidilla. Näillä komposiiteilla kuitenkin 10 ominaisuudet vaihtelevat, tai päällystykset voivat heikentää täytettä, tai matriisi sisältää litiumia, joka voi vaikuttaa matriisin ominaisuuksiin.

US-patentilla 4,232,091 voitetaan eräitä alan vaikeuksia, 15 joita kohdataan valmistettaessa alumiinimatriisi-alumii-nioksiditäytteisiä komposiitteja. Tässä patentissa kuva-taan 75 - 375 kg/cm paineen kohdistamista pakottamaan sula alumiini (tai sula alumiiniseos) alumiinioksidia olevaan kuitu- tai kuitukidemattoon, joka on esi lämmitetty alueelle 20 700 - 1050°C. Alumiinioksidin suurin suhde metalliin tuloksena olevassa kiinteässä valukappaleessa oli 0,25:1. Koska tässä menetelmässä ollaan riippuvaisia ulkopuolisesta paineesta tunkeutumisen aikaansaamiseksi, sitä värväävät monet samat puutteet kuin US-patenttia 3,970,136.

25 EP-hakemuksessa 115,742 kuvataan alumiini-alumiinioksidi-komposiittien valmistamista, jotka ovat erityisen käyttökelpoisia elektrolyyttikennokomponentteina, ja joissa esi-muotin alumiinioksidimatriisin ontelot täytetään alumii-30 nilla, ja tätä varten käytetään erilaisia tekniikoita alumiinioksidin kostuttamiseksi koko esimuotissa. Alumiinioksidi kostutetaan esimerkiksi titaani-, zirkonium-, hafnium tai niobi-diboridia olevalla kostutusaineella tai metallilla, ts. litiumilla, magnesiumilla, kalsiumilla, 35 titaanilla, kromilla, raudalla, koboltilla, nikkelillä, zirkoniumilla tai hafniumilla. Kostutuksen edistämiseksi käytetään inerttiä atmosfääriä, kuten argonia. Tässä 5 89015 julkaisussa esitetään myös paineen kohdistaminen sulan alumiinin saamiseksi tunkeutumaan päällystämättömään matriisiin. Tässä suhteessa tunkeutuminen aikaansaadaan saattamalla huokoset ensin tyhjöön ja kohdistamalla sitten 5 sulaan alumiiniin painetta inertissä atmosfäärissä, esim. argonissa. Vaihtoehtoisesti esimuottiin voidaan tunkeutua höyryfaasissa olevalla alumiinipäällystyksellä pintojen kostuttamiseksi ennen onteloiden täyttämistä tunkeutuvalla sulalla alumiinilla. Jotta varmistettaisiin alumiinin 10 pysyminen esimuotin huokosissa vaaditaan lämpökäsittelyä, esim lämpötilassa 1400 - 1800°C, joko argonissa tai tyhjössä. Muutoin joko paineen alaisena tunkeutuneen aineen altistuminen kaasulle, tai tunkeutumispaineen poistaminen, aiheuttaa alumiinin häviämistä kappaleesta.

15

Kostutusaineiden käyttäminen alumiinioksidikomponentin tunkeutumisen aikaansaamiseksi sulaa metallia sisältävään elektrolyyttikennoon on esitetty myös EP-patenttihakemuk-sessa 94353. Tässä julkaisussa kuvataan alumiinin tuotta-20 mistä elektrolyysillä kennossa, jossa virranjohdinkatodi on kennon vaippana tai alustana. Tämän alustan suojaamiseksi sulalta kryoliitilta levitetään alumiinioksidialus-talle ohut päällystys kostutusaineen ja liukenemisen estävän aineen seoksella ennen kennon käynnistämistä tai 25 kun se on upotettuna elektrolyysiprosessin tuottamaan sulaan alumiiniin. Kuvattuja kostutusaineita ovat titaani, zirkonium, hafnium, pii, magnesium, vanadiini, kromi, niobi tai kalsium, ja titaani esitetään edullisimmaksi aineeksi. Boorin, hiilen ja typen yhdisteiden selitetään olevan 30 hyödyllisiä estettäessä kostutusaineiden liukenemista sulaan alumiiniin. Tässä julkaisussa ei kuitenkaan ehdoteta metallimatriisikompoeiittien tuottamista, eikä siinä eh-dotetaa sellaisten komposiittien muodostamista esimerkiksi typpiatmos fääri s s ä.

Paineen ja kostutusaineiden käytön lisäksi on kuvattu tyhjön kohdistamisen edistävän sulan alumiinin tunkeutu- 35 6 89015 mistä huokoiseen keraamikappaleeseen. Esimerkiksi US-pa-tentissa 3,718,441 raportoidaan keraamiseen kappaleeseen (esim. boorikarbidi, alumiinioksidi ja berylliumoksidi) tunkeutumista joko sulalla alumiinilla, berylliumilla, 5 magnesiumilla, titaanilla, vanadiinilla, nikkelillä tai kromilla, tyhjössä joka on alle 10~6 torr. Välillä 10-2 ...

10-6 torr oleva tyhjö johti keraamin heikkoon kostuttami-seen sulalla metallilla, niin ettei metalli virrannut vapaasti keraamin ontelotiloihin. Kostuttamisen sanotaan 10 kuitenkin parantuneen, kun tyhjö pienennettiin alle 10“6 torr.

Myös US-patentissa 3,864,154 esitetään tyhjön käyttämistä tunkeutumisen aikaansaamiseksi. Tässä patentissa selite-15 tään kylmäpuristetun AIB12-jauhekappaleen asettamista kylmäpuristetun alumiinijauheen pedille. Sen jälkeen sijoitettiin lisää alumiinia AIB12-jauhekappaleen päälle. Sulatusastia, jossa AlBi2-kappale oli "kerrostettuna" alumiini jauhekerrosten väliin, sijoitettiin tyhjöuuniin. Uu-20 niin järjestettiin noin 10“5 torr oleva tyhjö kaasun poistumista varten. Lämpötilaa nostettiin sen jälkeen 1100°C:een, jossa se pidettiin 3 tuntia. Näissä oloissa sula alumiini tunkeutui AlB 12-kappaleeseen.

25 US-patentissa 3,364,976 selitetään suunnitelmaa itsestään kehittyvän tyhjön aikaansaamista kappaleeseen, sulan metallin tunkeutumisen lisäämiseksi kappaleeseen. Erityisesti selitetään, että kappale, esim. grafiittimuotti, teräs-muotti tai huokoinen tulenkestävä aine, kokonaan upotetaan 30 sulaan metalliin. Muotin tapauksessa metallin kanssa reagoivan kaasun kanssa täytetty muottiontelo on yhteydessä ulkopuolella sijaitsevaan sulaan metalliin muotissa olevan ainakin yhden aukon kautta. Kun muotti upotetaan sulaan, tapahtuu ontelon täyttyminen itsestään kehittyvän tyhjön 35 syntyessä ontelossa olevan kaasun ja sulan metallin reaktion johdosta. Tyhjö on erityisesti tulosta metallin kiinteän oksidimuodon syntymisestä. Siten tässä julkaisus- 7 89015 sa esitetään, että on oleellista aikaansaada ontelossa olevan kaasun ja sulan metallin välinen reaktio. Muotin käyttäminen tyhjön luomiseksi ei kuitenkaan välttämättä ole toivottavaa, johtuen muotin käyttöön liittyvistä 5 välittömistä rajoituksista. Muotit on ensin koneistettava määrättyyn muotoon; sitten loppukäsiteltävä, koneistettava hyväksyttävän valupinnan tuottamiseksi muottiin; sitten koottava ennen niiden käyttämistä; sitten purettava niiden käytön jälkeen valukappaleen poistamiseksi niistä; ja sen 10 jälkeen muotti on jälleen saatettava käyttökuntoon, mikä mitä todennäköisimmin merkitsisi muotin pintojen uudelleen käsittelyä tai muotin poistamista, ellei se enää ole käyttöön hyväksyttävä. Muotin koneistaminen monimutkaiseen muotoon saattaa olla erittäin kallista ja aikaavievää. 15 Lisäksi muodostuneen kappaleen poistaminen monimutkaisen muotoisesta muotista saattaa olla vaikeata (ts. monimutkaisen muotoiset valukappaleet saattavat mennä rikki niitä muotista poistettaessa). Lisäksi, vaikka julkaisussa ehdotetaan, että huokoinen tulenkestävä aine voitaisiin 20 suoraan upottaa sulaan metalliin tarvitsematta käyttää muottia, niin tulenkestävän aineen olisi oltava yhtenäinen kappale, koska ei ole olemassa mahdollisuutta aikaansaada tunkeutumista irralliseen tai erotettuun huokoiseen aineeseen ilman säiliönä olevaa muottia (ts. uskotaan yleisesti, 25 että hiukkasmainen aine tyypillisesti dissosioituisi tai valuisi hajalleen sitä sulaan metalliin sijoitettaessa). Lisäksi, jos haluttaisiin aikaansaada tunkeutuminen hiuk-kasmaiseen aineeseen tai löyhästi muodostettuun esimuot-tiin, olisi ryhdyttävä varotoimiin, niin ettei tunkeutuva 30 metalli syrjäyttäisi osaa hiukkasaineesta tai esimuotista, mikä johtaisi epähomogeeniseen mikrostruktuuriin.

Vastaavasti on kauan ollut olemassa tarve saada yksinkertainen ja luotettava menetelmä muotoiltujen metallimatrii-35 si-komposiittien tuottinaiseksi, joka ei perustu paineen tai tyhjön käyttämiseen (joko ulkoisesti kohdistettuna tai sisäisesti kehitettynä), tai vahingollisten kostutusainei- s 89015 den käyttämiseen metallimatriisin luomiseksi toiseen aineeseen, kuten keraamiseen aineeseen. Lisäksi on pitkään ollut tarve minimoida lopullisten koneistustoimenpiteiden määrää, joita tarvitaan metallimatriisikomposiitin aikaan-5 saamiseksi. Esillä oleva keksintö tyydyttää nämä tarpeet aikaansaamalla spontaanisen tunkeutumismekanismin tunkeutumisen aikaansaamiseksi aineeseen (esim. keraaminen aine) , joka voidaan muotoilla esimuotiksi, jossa on sulaa matriisimetallia (esim. alumiinia) edullisesti tunkeutu-10 misatmosfäärin (esim. typen) läsnäollessa normaalissa ilmanpaineessa, jolloin tunkeutumisen edistäjän edeltäjää ja/tai tunkeutumisen edistäjää on edullisesti läsnä ainakin jossakin prosessin vaiheessa.

15 Tämän hakemuksen sisältö liittyy useaan rinnakkaiseen hakemukseen. Erityisesti nämä muut rinnakkaiset hakemukset kuvaavat uusia menetelmiä metallimatriisikomposiittiainei-den tuottamiseksi (niihin viitataan jäljempänä eräissä tapauksissa nimellä "rinnakkais-metallimatriisihakemukset").

20

Uutta menetelmää metallimatriisikomposiittiaineen tuottamiseksi kuvataan US-hakemuksessamme 049 171, jonka nimityksenä on "Metallimatriisikomposiitteja", nyt US-patent-ti 4 828 008. Mainitun keksinnön menetelmän mukaisesti 25 metallimatriisikomposiitti tuotetaan tunkeuttamalla läpäisevään täyteaineeseen (esim. keräämiä tai keräämillä päällystettyä ainetta) sulaa alumiinia, joka sisältää ainakin 1 painoprosentin magnesiumia ja edullisesti ainakin 3 painoprosenttia magnesiumia. Tunkeutuminen tapahtuu 30 spontaanisti käyttämättä ulkoista painetta tai tyhjöä. Sulan metalliseoksen lähde saatetaan koskettamaan täyte-ainemassaa lämpötilassa, joka on ainakin noin 675°C, kun läsnä on kaasua, joka käsittää noin 10 - 100 tilavuusprosenttia, edullisesti ainakin noin 50 tilavuusprosenttia 35 typpeä, jolloin loput, mikäli sitä on, on ei-hapettavaa kaasua, esim. argonia. Näissä oloissa sula alumiiniseos , 89015 tunkeutuu keraamimassaan normaalissa ilmakehän paineessa muodostaen alumiini- (tai alumiiniseos-) matriisikomposii-tin. Kun haluttu määrä täyteainetta on sulan alumiiniseoksen läpitunkemaa, lasketaan lämpötilaa seoksen kiinteyt-5 tämiseksi, jolloin muodostuu kiinteä metallimatriisi-rakenne, joka sulkee sisäänsä lujittavan täyteaineen. Tavallisesti, ja edullisesti, syötetty sula seos riittää aikaansaamaan tunkeutumisen etenemisen oleellisesti täy-teainemassan rajoille. US-patentin 4,828,008 mukaisesti 10 tuotettujen alumiinimatriisikomposiittien täyteaineen määrä voi olla erittäin suuri. Tässä mielessä voidaan saavuttaa täyteaineen ja seoksen tilavuussuhteita jotka ovat suurempia kuin 1:1.

15 Edellä mainitun US-patenttihakemuksen 049,171 mukaisissa prosessioloissa alumiininitridiä voi muodostua epäjatkuvana faasina, joka on jakautunut koko alumiinimatriisiin. Nitridin määrä alumiinimatriisissa voi vaihdella sellaisten tekijöiden, kuten lämpötilan, seoksen koostumuksen, 20 kaasun koostumuksen ja täyteaineen mukaisesti. Siten voidaan yhtä tai useampaa sellaista järjestelmän tekijää säätämällä räätälöidä määrättyjä komposiitin ominaisuuksia. Joitakin loppukäyttösovellutuksia varten voi kuitenkin olla toivottavaa, että komposiitti sisältää vähän tai 25 oleellisesti ei lainkaan alumiininitridiä.

On havaittu, että korkeammat lämpötilat edistävät tunkeutumista, mutta johtavat siihen, että menetelmässä herkemmin muodostuu nitridiä. US-patentin 4,828,008 mukaisessa kek-30 sinnössä sallitaan tunkeutumiskinetiikan ja nitridin muodostumisen välisen tasapainon valitseminen.

Esimerkki sopivista estovälineistä käytettäviksi metalli-matriisikomposiittien muodostamisen yhteydessä on selitet-35 ty rinnakkaisessa US-hakemuksessa 141,642, jonka nimityksenä on "Menetelmä metallimatriisikomposiittien valmistamiseksi estoainetta käyttäen". Tämän keksinnön menetelmän 10 89015 mukaisesti estovälinettä (esim. hiukkasmaista titaanidi-boridia tai grafiittiainetta, kuten joustavaa grafiit-tinauhatuotetta, jota Union Carbide myy tuotenimellä Grafoil (R)) sijoitetaan täyteaineen määrätyllä rajapin-5 nalle ja matriisiseos tunkeutuu estovälineen määrittelemään rajapintaan saakka. Estovälinettä käytetään estämään, torjumaan tai lopettamaan sulan seoksen tunkeutuminen, jolloin aikaansaadaan verkon, tai lähes verkon muotoja tuloksena olevassa metallimatriisikomposiitissa. Vastaa-10 vasti muodostetuilla metallimatriisi-komposiittikappa- leilla on ulkomuoto, joka oleellisesti vastaa estovälineen sisämuotoa.

US-patentin 4,828,008 mukaista menetelmää parannettiin 15 rinnakkaisella US-patenttihakemuksella 168,284, jonka ni mityksenä on "Metallimatriisikomposiitteja ja tekniikoita niiden valmistamiseksi". Mainitussa hakemuksessa esitettyjen menetelmien mukaisesti matriisimetalliseos on läsnä metallin ensimmäisenä lähteenä ja matriisimetallin varas-20 tolähteenä, joka on yhteydessä sulan metallin ensimmäiseen lähteeseen, esimerkiksi painovoimaisen virtauksen välityksellä. Erityisesti, mainitussa hakemuksessa esitetyissä oloissa, sulan matriisiseoksen lähde alkaa tunkeutua täyteainemassaan normaalissa ilmakehän paineessa ja aloit-25 taa siten metallimatriisikomposiitin muodostuksen. Sulan matriisimetallin ensimmäinen lähde kulutetaan sen tunkeutuessa täyteainemassaan, ja haluttaessa sitä voidaan lisätä, edullisesti jatkuvalla tavalla, sulan matriisimetallin varastolähteestä spontaanin tunkeutumisen jatkues-30 sa. Kun toivottu määrä läpäisevää täyteainetta on sulan matriisiseoksen läpitunkemaa, lasketaan lämpötilaa seoksen kiinteyttämiseksi, jolloin muodostuu kiinteä metallimat-riisistruktuuri, joka ympäröi lujittavaa täyteainetta. On ymmärrettävä, että metallivarastolähteen käyttäminen on 35 ainoastaan mainitussa patenttihakemuksessa kuvatun keksinnön eräs suoritusmuoto, eikä varastolähteen suoritusmuodon yhdistäminen jokaiseen siinä esitettyyn keksinnön vaih- n 89015 toehtoiseen suoritusmuotoon ole välttämätöntä, joista eräät voisivat myös olla hyödyllisiä käytettynä esillä olevan keksinnön yhteydessä.

5 Metallin varastolähdettä voi olla sellaisena määränä, että se aikaansaa riittävän metallimäärän tunkeutumisen ennalta määrätyssä määrin läpäisevään täyteaineeseen. Vaihtoehtoisesti voi valinnainen estoväline olla kosketuksessa täyteaineen läpäisevään massaan ainakin sen toisella puolella 10 rajapinnan määrittelemiseksi.

Lisäksi, vaikka syötetyn sulan matriisiseoksen määrän tulisi olla riittävä sallimaan spontaanin tunkeutumisen eteneminen ainakin oleellisesti täyteaineen läpäisevän 15 massan rajapintoihin (ts. estopintoihin) saakka, varasto-lähteessä olevan seoksen määrä voisi ylittää sellaisen riittävän määrän niin, että on olemassa riittävä määrä seosta tunkeutumisen loppuun saattamiseksi, ja sen lisäksi ylimääräinen sula metalliseos voisi jäädä ja kiinnittyä 20 metallimatriisi-komposiittikappaleeseen. Kun siten läsnä on ylimäärä sulaa seosta, tuloksena oleva kappale on kompleksinen komposiittikappale (esim. makrokomposiitti), jossa metallimatriisin läpitunkema keraamikappale suoraan sitoutuu varastolähteeseen jäävään ylimääräiseen metal-25 liin.

Jokainen edellä selitetyistä rinnakkais-metallimatriisi-hakemuksista kuvaa menetelmiä metallimatriisi-komposiit-tikappaleiden tuottamiseksi sekä uusia metallimatriisi-30 komposiittikappaleita, joita niillä tuotetaan. Edellä mainitut rinnakkais-metallimatriisihakemukset sisällytetään tähän nimenomaisina viitteinä.

Metallimatriisi-komposiittikappale tuotetaan aiheuttamal-35 la tunkeutuminen läpäisevään täyteainemassaan, joka prosessin jossakin kohdassa voi tulla itsekantavaksi (ts. se voidaan muotoilla esimuotiksi). Täyteaine sijoitetaan 12 8901 5 onteloon, joka on muodostettu määrätyllä menetelmällä. Tarkemmin sanoen, keksinnön edullisessa suoritusmuodossa voidaan alhaisessa lämpötilassa sulava tai haihtuva va-lusydän (esim. vahamuotti) tehdä siten, että ainakin osa 5 vahamuotista vastaa muodoltaan metallimatriisi-komposiit-tikappaletta, joka halutaan muodostaa. Vahamuotti voidaan päällystää sopivalla menetelmällä esimerkiksi tulenkestävällä aineella, joka voidaan levittää esimerkiksi maalaamalla, suihkuttamalla, upottamalla, jne.

10

Kun esimerkiksi keraamisen aineen tarkoituksenmukainen paksuus on kertynyt vahamuotin pinnalle, ja kun tulenkestävästä aineesta on tehty itsekantava, voidaan vahamuotti poistaa päällysteeltä esimerkiksi sulattamalla, haihdut-15 tamalla, jne, ja päällysteen sisällä voi olla ontelo, joka oleellisesti vastaa muodoltaan vahaa, joka siitä on poistettu.

Eräässä suoritusmuodossa muodostettu ontelo voidaan pin-20 noittaa tarkoituksenmukaisella menetelmällä tarkoituksenmukaisella estoaineella, joka edistää muodostettavan me-tallimatriisi-komposiittikappaleen lopullisen muodon määrittelemistä. Kun estoaine on tarkoituksenmukaisesti sijoitettu, voidaan ainakin ontelon osaan sijoittaa täy-25 teainetta.

Lisäksi tunkeutumisen edistäjä ja/tai tunkeutumisen edistäjän edeltäjä ja/tai tunkeutumisatmosfääri on yhteydessä täyteaineeseen ainakin prosessin jossakin vaiheessa, mikä 30 sallii sulatetun matriisimetallin spontaanin tunkeutumisen läpäisevään täyteainemassaan, josta prosessin jossakin kohdassa voi tulla itsekantava.

Edullisessa suoritusmuodossa tunkeutumisen edistäjää voi-35 daan syöttää ainakin joko täyteaineeseen, ja/tai mat-riisimetalliin ja/tai tunkeutumisatmosfääriin. Riippumatta tunkeutumisen edistäjän edeltäjän tai tunkeutumisen ia 8901 5 edistäjän syöttämistavasta, tulisi lopuksi ainakin spontaanin tunkeutumisen aikana, tunkeutumisen edistäjän sijaita ainakin osassa täyteainetta.

5 Huomattakoon, että tämä hakemus käsittelee pääasiassa alumiinimatriisimetalleja, jotka jossain metallimatriisi-komposiittikappaleen muodostumisen vaiheessa ovat kosketuksessa magnesiumiin, joka toimii tunkeutumisen edistäjän edeltäjänä, tunkeutumisatmosfäärinä toimivan typen läsnä-10 ollessa. Siten alumiini/magnesium/typpi-järjestelmän mat-riisimetalli/tunkeutumisen edistäjän edeltäjä/tunkeutu-misatmosfääri-järjestelmällä esiintyy spontaania tunkeutumista. Monet muut matriisimetalli/tunkeutumisen edistäjän edeltäjä/tunkeutumisatmosfääri-järjestelmät voivat 15 kuitenkin käyttäytyä samantapaisesti kuin alumiini/magnesium/typpi- järjestelmä. Samantapaista spontaania tun-keutumiskäyttäytymistä on havaittu esimerkiksi alumii-ni/strontium/typpi-järjestelmässä; alumiini/sinkki/happi-järjestelmässä; sekä alumiini/kalsium/typpi-järjestelmäs-20 sä. Vastaavasti, vaikka tässä hakemuksessa käsitellään ainoastaan tässä viitattuja järjestelmiä, on ymmärrettävä, että muut metallimatriisi/tunkeutumisen edistäjän edeltä-jä/tunkeutumisatmosfääri-järjestelmät voivat käyttäytyä samantapaisesti.

25

Matriisimetallin käsittäessä alumiiniseosta, voidaan muodostettu ontelo täyttää täyteaineella (esim. alumiinioksidia tai piikarbidia), jolloin mainittuun täyteaineeseen on sekoitettu, tai se altistetaan jossakin menetelmän 30 vaiheessa tunkeutumisen edistäjän edeltäjänä olevalle magnesiumille. Lisäksi alumiiniseos ja/tai täyteaine altistetaan tunkeutumisatmosfäärille jossakin käsittelyvaiheessa, ja edullisessa suoritusmuodossa oleellisesti koko käsittelyn ajan. Vaihtoehtoisesti tämä vaatimus voidaan 35 välttää, jos täyteaineeseen sekoitetaan tunkeutumisen edistäjänä toimivaa magnesiumnitridiä tai jos se jossakin menetelmän vaiheessa altistetaan sille. Lisäksi, ainakin 14 8901 5 jossakin menetelmän vaiheessa, täyteaineesta tulee itse-kantava. Edullisessa suoritusmuodossa täyteaineesta tulee itsekantava ennen kuin tai oleellisesti samanaikaisesti kun matriisimetalli koskettaa täyteainetta (esim. mat-5 riisimetalli voi koskettaa täyteainetta ensin kiinteänä aineena, ja sulaa sitten, kun sitä kuumennetaan). Spontaanin tunkeutumisen ja metallimatriisin muodostumisen määrä tai nopeus vaihtelevat annetun prosessiolojen järjestelyn mukaisesti, johon sisältyy esimerkiksi järjestelmään 10 (esim. alumiiniseokseen ja/tai esimuottiin ja/tai tunkeu-tumisatmosfääriin) tuotetun magnesiumin pitoisuus, täyteaineen tai esimuotin koko ja/tai koostumus, typen pitoisuus tunkeutumisatmosfäärissä, aika jona tunkeutumisen annetaan esiintyä, ja/tai lämpötila, jossa tunkeutuminen esiintyy. 15 Spontaania tunkeutumista esiintyy tyypillisesti niin suuressa määrin, että se riittää oleellisen täydellisesti ympäröimään esimuotin tai täyteaineen.

Edullisessa suoritusmuodossa voidaan ympäröivä päällystet-20 ty keraaminen täyteaine poistaa, kun tunkeutuminen on saavutettu, verkkomaisen tai lähes verkkomaisen metalli-matriisi-komposiittikappaleen paljastamiseksi.

Määritelmiä 25 "Alumiini" merkitsee ja sisältää tässä käytettynä oleellisesti puhtaan metallin (esim. suhteellisen puhtaan, kaupallisesti saatavan seostamattoman alumiinin) tai metallin ja metalliseosten muita laatuja, kuten kaupallisesti 30 saatavat metallit, joissa on epäpuhtauksia ja/tai jotka sallivat siinä olevan sellaisia ainesosia, kuten rautaa, piitä, kuparia, magnesiuma, mangaania, kromia, sinkkiä, jne. Tämän määritelmän tarkoituksiin oleva alumiiniseos on seos tai metallien muodostama yhdiste, jossa alumiini on 35 pääainesosana.

li is 89015 "Ei-hapettavan kaasun loppuosa" merkitsee tässä käytettynä sitä, että tunkeutumisatmosfäärin muodostavan primääri-kaasun lisänä oleva mikä tahansa kaasu on joko inerttiä kaasua tai pelkistävää kaasua, joka oleellisesti ei reagoi 5 matriisimetallin kanssa prosessin olosuhteissa. Kaikkien kaasussa (kaasuissa) epäpuhtautena mahdollisesti läsnä olevien hapettavien kaasujen määrän tulisi olla riittämätön matriisimetallin hapettamiseen missään oleellisessa määrin prosessin olosuhteissa.

10 "Estoaine" tai "estoväline" merkitsee tässä käytettynä mitä tahansa soveltuvaa välinettä, joka vuorovaikuttaa, estää, torjuu tai lopettaa sulan matriisimetallin kulkeutumisen, siirtymisen tai vastaavan, täyteainemassan tai esimuotin 15 rajapinnan taakse, jolloin mainittu estoväline määrittelee sellaisen rajapinnan. Sopivia estovälineitä voivat olla mitkä tahansa aineet, yhdisteet, alkuaineet, koostumukset tai vastaavat, jotka prosessin olosuhteissa ylläpitävät jonkinasteisen eheyden eivätkä ole oleellisesti haihtuvia 20 (ts. estoaine ei haihdu niin paljon, että siitä tulisi estoaineena hyödytön).

Lisäksi sopivat "estovälineet" sisältävät aineita, joita kulkeutuva sula matriisimetalli käytetyn prosessin aikana 25 ei oleellisesti pysty kostuttamaan. Tämän tyyppisellä estoaineella näyttää olevan oleellisen vähän tai ei lainkaan yhtymispyrkimystä sulaan matriisimetalliin, ja estoväline estää tai torjuu siirtymisen täyteainemassan tai esimuotin määritellyn rajapinnan yli. Estoaine vähentää 30 mahdollista loppukoneistusta tai hiomista, jota voidaan tarvita, ja määrittelee ainakin osan tuloksena olevan metallimatriisi-komposiittituotteen pinnasta. Estoaine voi määrätyissä tapauksissa olla läpäisevää tai huokoista, tai se voidaan saattaa läpäiseväksi esimerkiksi poraamalla 35 reikiä estoaineeseen tai lävistämällä se, niin että kaasu pääsee kosketukseen sulan matriisimetallin kanssa.

ie 89015 "Jäännökset" tai "matriisimetallin jäännökset" viittaa tässä käytettynä alkuperäisen matriisixnetallirungon mahdolliseen osaan, joka jää jäljelle ja joka ei ole kulunut metallimatriisi-koxnposiittikappaleen muodostuksen aikana, 5 ja tyypillisesti, jos sen annetaan jäähtyä, pysyy ainakin osittaisessa kosketuksessa muodostettuun metallimatriisi-komposiittikappaleeseen. Tulisi ymmärtää, että jäännökset voivat myös sisältää toista tai vierasta ainetta.

10 "Täyteaine" on tässä käytettynä tarkoitettu sisältämään joko yksittäisiä aineksia tai ainesseoksia, jotka oleellisesti eivät reagoi matriisimetallin kanssa ja/tai joilla on rajoitetu liukenevuus matriisimetalliin, ja jotka voivat olla yksi- tai useampifaasisia. Täyteaineita voidaan 15 järjestää lukuisissa eri muodoissa, kuten jauheina, liuskoina, hiutaleina, mikropaIloina, kuitukiteinä, kuplina, jne, ja ne voivat olla joko tiiviitä tai huokoisia. Täyteaine voi myös sisältää keraamisia täyteaineita, kuten alumiinioksidia tai piikarbidia kuituina, leikattuina 20 kuituina, hiukkasina, kuitukiteinä, kuplina, kuulina, kuitumattoina, tai vastaavina, ja päällystettyjä täyteaineita, kuten hiilikuituja, jotka on päällystetty alumiinioksidilla tai piikarbidilla hiilen suojaamiseksi esim. sulan perusmetalli-alumiinin syövyttävältä vaikutuk-25 seita. Täyteaineet voivat myös käsittää metalleja.

"Tunkeutumisatmosfääri" tässä käytettynä tarkoittaa sitä atmosfääriä, joka on läsnä ja joka vuorovaikuttaa matriisimetallin ja/tai esimuotin (tai täyteaineen) ja/tai 30 tunkeutumisen edistäjän edeltäjän ja/tai tunkeutumisen edistäjän kanssa ja sallii tai edistää matriisimetallin spontaanin tunkeutumisen esiintymisen.

"Tunkeutumisen edistäjä" merkitsee tässä käytettynä ainet-35 ta, joka edistää tai avustaa matriisimetallin spontaania tunkeutumista täyteaineeseen tai esimuottiin. Tunkeutumisen edistäjä voidaan muodostaa esimerkiksi tunkeutumisen I.

17 8901 5 edistäjän edeltäjän reaktiolla tunkeutumisatmosfäärin kanssa 1) kaasun ja/tai 2) tunkeutumisen edistäjän edeltäjän ja tunkeutumisatmosfäärin reaktiotuotteen ja/tai 3) tunkeutumisen edistäjän edeltäjän ja täyteaineen tai 5 esimuotin reaktiotuotteen muodostamiseksi. Lisäksi tunkeutumisen edistäjää voidaan syöttää suoraan ainakin yhteen seuraavista: esimuottiin, ja/tai matriisimetalliin, ja/tai tunkeutumisatmosfääriin; ja se voi toimia oleellisesti samalla tavalla kuin tunkeutumisen edistäjä, joka on 10 muodostunut tunkeutumisen edistäjän edeltäjän ja jonkin toisen aineen reaktiona. Lopuksi ainakin spontaanin tunkeutumisen aikana tunkeutumisen edistäjän tulisi sijaita ainakin osassa täyteainetta tai esimuottia spontaanin tunkeutumisen aikaansaamiseksi.

15 "Tunkeutumisen edistäjän edeltäjä" merkitsee tässä käytettynä ainetta, joka yhdessä matriisimetallin, esimuotin ja/tai tunkeutumisatmosfäärin kanssa käytettynä muodostaa tunkeutumisen edistäjän, joka aiheuttaa tai avustaa mat-20 riisimetallin spontaania tunkeutumista täyteaineeseen tai esimuottiin. Haluamatta sitoutua mihinkään määrättyyn teoriaan tai selitykseen, vaikuttaa siltä, että tunkeutumisen edistäjän edeltäjää pitäisi pystyä asettamaan, sen pitäisi sijaita tai sitä pitäisi voida kuljettaa sellaiseen 25 kohtaan, joka sallii tunkeutumisen edistäjän edeltäjän olla vuorovaikutuksessa tunkeutumisatmosfäärin kanssa ja/tai esimuotin tai täyteaineen ja/tai metallin kanssa. Eräissä matriisimetalli/tunkeutumisen edistäjän edeltäjä/tunkeu-tumisatmosfääri-järjestelmissä on esimerkiksi toivotta-30 vaa, että tunkeutumisen edistäjän edeltäjä höyrystyy siinä lämpötilassa jossa matriisimetalli sulaa, tämän lämpötilan lähellä, tai eräissä tapauksissa jopa jonkinverran tämän lämpötilan yläpuolella. Sellainen höyrystyminen saattaa johtaa: 1) tunkeutumisen edistäjän edeltäjän reaktioon 35 tunkeutumisatmosfäärin kanssa sellaisen kaasun muodostamiseksi, joka edistää täyteaineen tai esimuotin kostuttamista matriisimetallilla; ja/tai 2) tunkeutumisen edistä- ie 89015 jän edeltäjän reaktioon tunkeutumisatmosfäärin kanssa sellaisen kiinteän aineen, nesteen tai kaasun muodossa olevan tunkeutumisen edistäjän muodostamiseksi ainakin täyteaineen tai esimuotin osassa, joka edistää kostutta-5 mistä; ja/tai 3) sellaiseen tunkeutumisen edistäjän edeltäjän reaktioon täyteaineessa tai esimuotissa, joka muodostaa kiinteän aineen, nesteen tai kaasun muodossa olevan tunkeutumisen edistäjän ainakin täyteaineen tai esimuotin osassa, joka edistää kostuttamista.

10 "Poistettava valusydän" tai "poistettava kerranne" merkitsee tässä käytettynä ainetta tai esinettä, joka voidaan muotoilla ja joka pittää muotonsa, kun se päällystetään aineella, joka voi muodostaa tulenkestävän kuoren, ja joka 15 aine voidaan poistaa muodostetusta tulenkestävästä kuoresta esimerkiksi sulattamalla tai haihduttamalla tai poistamalla se fyysisesti ehjänä kappaleena.

"Matriisimetalli” tai "matriisimetalliseos" merkitsevät 20 tässä käytettynä sitä metallia, jota käytetään metallimat-riisikomposiittikappaleen muodostamiseksi. Kun matriisi-metalliksi nimetään määrätty metalli, on ymmärrettävä, että sellainen matriisimetalli sisältää tämän metallin oleellisesti puhtaana metallina, kaupallisesti saatavana metal-25 Iina, jossa on epäpuhtauksia ja/tai seosaineita, metallien muodostamana yhdisteenä tai seoksena, jossa tämä metalli on pääasiallisena osana.

"Matriisimetalli/tunkeutumisen edistäjän edeltäjä/tunkeu-30 tumisatmosfääri-järjestelmä" eli "spontaani järjestelmä" viittaa tässä käytettynä siihen aineiden yhdistelmään, jolla esiintyy spontaania tunkeutumista esimuottiin ja täyteaineeseen. On ymmärrettävä, että kun esimerkin mat-riisimetallin, tunkeutumisen edistäjän edeltäjän ja tun-35 keutumisatmosfäärin välissä esiintyy merkki "/", sitä käytetään merkitsemään järjestelmää tai aineiden yhdistel- 19 8901 5 mää, jolla määrätyllä tavalla yhdisteltynä esiintyy spontaania tunkeutumista esimuottiin tai täyteaineeseen.

"Metallimatriisikomposiitti" eli "MMC" merkitsee tässä 5 käytettynä ainetta, joka käsittää kaksi- tai kolmiulotteisesta liittyneen seoksen tai matriisimetallin, joka pitää sisällään esimuottia tai täyteainetta. Matriisimetalli voi sisältää erilaisia seosalkuaineita, joilla aikaansaadaan erityisesti toivotut mekaaniset ja fysikaaliset ominaisuu-10 det tuloksena olevassa komposiitissa.

Matriisimetallista "poikkeava" metalli merkitsee metallia, joka ei sisällä pääasiallisena ainesosana samaa metallia kuin matriisimetalli (jos esimerkiksi matriisimetallin 15 pääasiallisena osana on alumiini, niin "poikkeavan" metallin pääasiallisena osana voisi olla esimerkiksi nikkeli).

"Ei-reaktiivinen astia matriisimetallia varten" merkitsee mitä tahansa astiaa, joka voi sisältää sulaa matriisime-20 tallia prosessin oloissa, ja joka ei reagoi matriisin ja/tai tunkeutumisatmosfäärin ja/tai tunkeutumisen edistäjän edeltäjän ja/tai täyteaineen tai esimuotin kanssa sellaisella tavalla, joka oleellisesti huonontaisi spontaania tunkeutumismekanismia.

25 "Esimuotti" tai "läpäisevä esimuotti" merkitse tässä käytettynä sellaista huokoista täytemassaa tai täyte-ainemassaa, joka valmistetaan ainakin yhdellä rajapinnalla, joka oleellisesti määrittelee tunkeutuvalle mat-30 riisimetallille rajapinnan, kuten massaa, joka riittävän hyvin pitää ehjän muotonsa ja tuorelujuuden, niin että se aikaansaa mittapysyvyyden ennen kuin matriisimetalli tunkeutuu siihen. Massan tulisi olla riittävän huokoista, niin että se sallii matriisimetallin spontaanin tunkeutumisen 35 siihen. Tyypillisesti esimuotti käsittää sidotun ryhmän tai täyteaineen järjestelyn, joko homogeenisen tai epähomogeenisen, ja se voi käsittää mitä tahansa soveltuvaa Φ 20 8 9 0 1 5 ainetta (esim. keraamisia ja/tai metallihiukkasia, jauheita, kuituja, kuitukiteitä, jne, sekä mitä tahansa näiden yhdistelmää). Esimuotti voi olla joko erillisenä tai kokoonpanona.

5 "Varastolähde" tai varasto merkitsee tässä käytettynä erillista matriisimetallin kappaletta, joka on sijoitettu täyteainemassan tai esimuotin suhteen niin, että kun metalli sulaa, se voi virrata korvaamaan, tai eräissä 10 tapauksissa alunperin aikaansaamaan ja sen jälkeen täydentämään sitä matriisimetallin osaa, segmenttiä tai lähdettä, joka koskettaa täyteainetta tai esimuottia.

"Kuori" tai "mallikuori" merkitsee tässä käytettynä tulen-15 kestävää kappaletta, joka aikaansaadaan päällystämällä poistettava valusydän aineella, joka voidaan tehdä itse-kantavaksi (esim. kuumentamalla), niin että kun valusydän poistetaan, tulenkestävä kappale sisältää ontelon, joka oleellisesti vastaa poistettavan valusydämen alkuperäistä 20 muotoa.

"Spontaani tunkeutuminen" merkitsee tässä käytettynä matriisimetallin tunkeutumista läpäisevään täyteainemassaan tai esimuottiin, joka tapahtuu vaatimatta paineen tai 25 tyhjön käyttämistä (ei ulkoisesti kohdistettua eikä sisäisesti kehitettyä).

Seuraavat kuviot on järjestetty keksinnön ymmärtämisen tueksi, mutta niitä ei ole tarkoitettu rajoittamaan 30 keksinnön suoja-alaa. Kaikissa kuvioissa on käytetty mahdollisuuksien mukaan samoja viitenumerolta osoittamaan samanlaisia osia, jolloin:

Kuvio la havainnollistaa useita poistettavia kerranteita 35 mallikuoren muodostamiseksi; l; 2i 8901 5

Kuvio Ib esittää poistettavan puun mallikuoren muodostamiseksi;

Kuvio 2 esittää esillä olevan keksinnön mukaisen malli-5 kuoren;

Kuvio 3a esittää mallikuoren, jonka sisältämä sopiva täyteaine koskettaa sopivaa matriisimetallia; 10 Kuvio 3b esittää mallikuoren ja täyteaineen, johon spontaani tunkeutuminen tapahtuu; ja

Kuvio 4 on valokuva esimerkin 1 mukaisesti muodostetusta metallimatriisikomposiitista.

15

Esillä oleva keksintö liittyy metallimatriisi-komposiit-tikappaleen muodostamiseen saattamalla sula matriisimetal-li spontaanisti tunkeutumaan täyteaineeseen, joka on muodostettu määrätyn muotoiseksi. Erityisesti tunkeutumi-20 sen edistäjä ja/tai tunkeutumisen edistäjän edeltäjä ja/tai tunkeutuva atmosfääri ainakin prosessin jossakin vaiheessa on yhteydessä täyteaineeseen, mikä sallii sulan metalli-matriisin spontaanin tunkeutumisen täyteaineeseen, joka menetelmän jossakin vaiheessa voi tulla itsekantavaksi. 25 Keksinnön mukaisesti muodostetaan ensin alhaisessa lämpötilassa sulava tai haihtuva poistettava valusydän. Sitten valusydän päällystetään aineella, joka voi jäykistyä kuoren muodostamiseksi, jonka sisällä oleva ontelo muodoltaan on komplementaarinen poistettavan valusydämen kanssa. Sitten 30 valusydän voidaan poistaa kuoresta. Kun kuori on muodostettu, voidaan kuori valinnaisesti päällystää sisäontelon osaltaan tarkoituksenmukaisella estoaineella, joka toimii esteenä matriisimetallin tunkeutumista vastaan. Sen jälkeen voidaan täyteainetta sijoittaa muodostuneeseen onte-35 loon ainakin osittain, niin että kun sula matriisimetalli saatetaan spontaanisti tunkeutumaan täyteaineeseen, niin muodostuu metallimatriisi-komposiittikappale. Tuotettu 22 8 9 0 1 5 metallimatriisi-komposiittikappale vastaa oleellisesti muodoltaan poistettua valusydäntä.

Esillä olevan keksinnön yhteydessä käytettävä mallikuori 5 voidaan tehdä valmistamalla ensin yksi tai useampi kerranne 1 halutusta metallimatriisi-komposiittikappaleesta, kuten kuviossa la havainnollistetaan. Kerranteet 1 voidaan muodostaa vahapäällysteisestä kipsistä, tai vahasta tai muusta sopivasta aineesta, joka myöhemmin muodostettavasta 10 mallikuoresta voidaan poistaa esimerkiksi sulattamalla tai haihduttamalla. Jos kerranteen muoto sallii, tai jos kerranne muodostetaan kaksiosaiseksi tai moniosaiseksi kuoreksi, voidaan kerranne fyysisesti poistaa ja joko hävittää tai käyttää uudelleen. Lisäksi voidaan yksi tai 15 useampi poistettava kerranne 1 kiinniittää runkoon 2 puun 3 muodostamiseksi, kuten kuviossa Ib havainnollistetaan. Runko voidaan myös muodostaa vahapäällysteisestä kipsistä tai vahasta tai muusta sopivasti poistettavasta aineesta. Edullisesti runkoon 2 kiinnitetään myös maljaosa 4. Kuten 20 alla olevasta selityksestä ymmärretään, muodostetaan maljaosa 4 sopivasti ei-poistettavasta aineesta, kuten alumiinioksidista, ruostumattomasta teräksestä tai vastaavasta .

25 Puu 3 voidaan sitten toistamiseen peräkkäin upottaa esimerkiksi keraamiseen lietteeseen tai suspensioon ja pölyttää keraamisella jauheella tulenkestävän mallikuoren 5 muodostcimiseksi puun ympärille, kuten kuviossa 2 havainnollistetaan. Näin vähitellen muodostuneen mallikuoren 5 30 paksuus ja koostumus eivät ole kriittisiä, vaikka kuoren tuleekin olla riittävän tukeva kestämään valumenetelmän seuraavat vaiheet. Kuori 5 voidaan myös muodostaa maalaamalla, suihkuttamalla tai millä tahansa muulla tarkoituksenmukaisella menetelmällä, riippuen kuoren koosta ja 35 rakenteesta sekä käytetystä päällysteaineesta. Kun kuori 5 on muodostettu, poistetaan puu 3 esimerkiksi sulattamalla vaha, jolloin kuoren 5 sisään jää ontelo 6, joka tarkasti 23 8901 5 vastaa poistettavan valusydämen tai poistettavien va-lusydänten muotoa tai muotoja.

Kuten alla yksityiskohtaisemmin selitetään on mallikuori 5 5 edullisesti sulaa matriisimetallia läpäisemätön. Kuoret, jotka myös ovat tunkeutumisatmosfääriä läpäisemättömiä, ovat erityisen edullisia, mutta eivät välttämättömiä esillä olevan keksinnön soveltamista varten. Sopiviksi tulenkestäviksi aineiksi kuorien muodostamiseksi on havaittu 10 alumiinioksidi, piidioksidi ja piikarbidi, mutta myös muita tulenkestäviä aineita voidaan käyttää. Mallikuoren tulisi olla tukeva, mutta tarvittaessa kuitenkin helposti poistettavissa, kohdistamatta liian suuria jännityksiä siinä muodostettaviin metallimatriisi-komposiittikappaleisiin. 15 On esimerkiksi havaittu, että lasin tapaiset aineet, kuten alumiini-boorisilikaatit voivat, vaikka matriisimetalli edullisesti ei voi läpäistä sitä, rasittaa komposiittikap-paleita niiden muodostumisen aikana, johtuen esimerkiksi niiden lämpölaajenemiskertoimien erilaisuudesta. Sen li-20 säksi lasin tapaiset kuoret voivat olla suhteellisen vaikeita poistettaviksi komposiiteista.

Ontelo 6 voidaan sitten pakata sopivalla täyteaineella, joka voi sisältää tunkeutumisen edistäjän edeltäjää ja/tai 25 tunkeutumisen edistäjää, ja kuumentaa tunkeutumisatmos f äärin läsnäollessa. Pidetään edullisena, että täyteainetta pakataan vain niihin ontelo-osiin, jotka vastaavat kerran-teita 1, jolloin runkoa 2 vastaava ontelon 6 osa jää täyttämättä.

30

Sitten järjestetään sopivasti sula matriisimetalli kosketukseen täyteaineen 7 kanssa esimerkiksi kaatamalla mat-. . riisimetallia 8 kuoreen 5 maljaosan 4 läpi, kuten havain nollistetaan kuviossa 3a. Mallikuori 5 voidaan 35 tarkoituksenmukaisesti sijoittaa tulenkestävään astiaan 9, joka valinnaisesti sisältää petiainetta 11, jota jatkuvasti huuhdellaan tunkeutumisatmosfäärillä. Sopivissa, edempänä 24 8901 5 selitetyissä oloissa matriisimetalli 8 voi tunkeutua spontaanisti täyteaineeseen 7, kuten kuviossa 3b esitetään, etenevin tunkeutumiarintamin 10. Ymmärretään, että täyteaine on menetelmän aikana voinut muodostaa kiinteytyneitä 5 esimuotteja, mutta että sellainen muodostaminen on tarpee tonta, kun mallikuori 5 on riittävän luja säilyttääkseen lopullisilta metallimatriisi-komposiittikappaleilta toivotun muodon, ja kun täyteaine muutoin ei menetä toivottua muotoa. Sen sijaan että sulaa matriisimetallia kaadettai-10 siin kuoreen, voidaan edelleen sijoittaa kiinteätä matriisimetallia kosketukseen täyteaineen kanssa, ja nesteyt-tää se sitten. Edelleen, kun tunkeutumisrintama etenee, voidaan matriisimetallia muuttaa säiliön avulla tai syöttämällä lisämatriisimetallia, jolloin siten muutetaan 15 tuloksena olevan metallimatriisi-komposiittikappaleen eri osien ominaisuuksia.

Spontaanin tunkeutumisen jälkeen kuori 5 jäähdytetään ja poistetaan fyysisesti tai kemiallisin välinein, jotka 20 reagoivat kuoren, mutta eivät komposiitin kanssa. Kerran-teita 1 vastaavat metallimatriisi-komposiittikappaleet voidaan sitten erottaa mahdollisesti jäljelle jääneestä matriisimetallin jäännöksestä. On havaittu, että ainakin eräillä matriisimetalleilla nopea jäähdyttäminen on toi-25 vottavaa komposiittikappaleiden hienon mikrorakenteen säilyttämiseksi. Sellainen jäähdyttäminen voidaan saavuttaa esimerkiksi poistamalla kuori kuumana ja upottamalla se huoneenlämpötilassa olevaan hiekkapetiin.

30 Ymmärretään, että mallivalu on halpa menetelmä muotoiltujen metallimatriisikomposiittien tuottamiseksi. Samanaikaisesti voidaan tuottaa useita komposiittikappaleita, ja mallikuori itsessään voidaan nopeasti tuottaa halvoista aineista. Tällä tavalla tuotetuilla komposiittikappaleilla 35 voi myös olla hyvät muoto-ominaisuudet (ts. ne saattavat vaatia erittäin vähän viimeistelyä).

i.

25 8 9015

Eräillä mallikuoressa käytetyillä aineilla on havaittu, että matriisimetalli voi jatkaa tunkeutumistaan täyteaineen ohi itse kuoreen. Esimerkiksi huokoiset kuoret, jotka on tehty alumiinioksidi- tai piidioksidilietteestä ja 5 piikarbidijauheesta, voivat aiheuttaa matriisimetallin tunkeutumisen täyteaineen ja/tai matriisimetallin sisältäessä magnesiumia. Sellaisen ylimääräisen tunkeutumisen estämiseksi voidaan ainakin osalle kuoren ontelon pintoja järjestää estoväline. Estoaine, joka ainakaan ei läpäise 10 matriisimetallia, estää matriisimetallin spontaanin tunkeutumisen täyteaineen ohi, mahdollistaen siten sellaisten komposiittien tuottamisen, jotka vaativat mahdollisimman vähän muodon viimeistelyä. Sopivia estoaineita selitetään alempana.

15

Matriisimetallin spontaanin tunkeutumisen aikaansaamiseksi täyteaineeseen tai esimuottiin, tulisi spontaaniin järjestelmään järjestää tunkeutumisen edistäjä. Tunkeutumisen edistäjä voisi muodostua tunkeutumisen edistäjän 20 edeltäjästä, joka voitaisiin järjestää 1) matriisimetal-liin, ja/tai 2) täyteaineeseen tai esimuottiin, ja/tai 3) tunkeutumisatmosfääristä, ja/tai 4) mallikuoresta, ja/tai 5) ulkoisesta lähteestä spontaaniin järjestelmään. Lisäksi, tunkeutumisen edistäjän edeltäjän sijasta voidaan 25 tunkeutumisen edistäjää syöttää suoraan ainakin joko täyteaineeseen tai esimuottiin, ja/tai matriisimetalliin, ja/tai tunkeutumisatmosfääriin ja/tai mallikuoreen. Lopuksi, ainakin spontaanin tunkeutumisen aikana, tunkeutumisen edistäjän tulisi sijaita ainakin osassa täyteainetta tai 30 esimuottia.

Edullisessa suoritusmuodossa on mahdollista, että tunkeutumisen edistäjän edeltäjän voidaan ainakin osittain antaa reagoida tunkeutumisatmosfäärin kanssa, niin että tunkeu-35 tumisen edistäjä voidaan muodostaa ainakin osassa täyteainetta tai esimuottia ennen kuin tai oleellisesti jatkuvasti kun esimuotti koskettaa sulaa matriisimetallia (esim.

26 8 901 5 jos tunkeutumisen edistäjän edeltäjänä olisi magnesiumia ja tunkeutumisatmosfäärinä typpeä, niin tunkeutumisen edistäjä voisi olla magnesiumnitridiä, joka voisi sijaita ainakin osassa esimuottia tai täyteainetta).

5

Esimerkkinä matriisimetalli/tunkeutumisen edistäjän edeltä jä/tunkeutumisatmosfääri-järjestelmästä on alumiini/ magnesium/typpi-järjestelmä. Erityisesti voidaan alumii-nimatriisimetalli asettaa sopivassa tulenkestävässä as-10 tiassa olevaan täyteaineeseen, joka astia prosessioloissa ei reagoi alumiinimatriisimetallin kanssa, kun alumiini sulatetaan. Täyteaine, joka sisältää magnesiumia tai joka altistetaan magnesiumille, ja joka ainakin käsittelyn jossakin kohdassa altistetaan typpiatmosfäärille, voidaan 15 sitten päästää kosketukseen sulan alumiinimatriisimetallin kanssa. Matriisimetalli tunkeutuu sitten spontaanisti täyteaineeseen tai esimuottiin.

Lisäksi tunkeutumisen edistäjän edeltäjän syöttämisen 20 sijasta voidaan syöttää tunkeutumisen edistäjää suoraan ainakin esimuottiin ja/tai matriisimetalliin ja/tai tunkeutumisatmos f ääri in. Lopuksi ainakin spontaanin tunkeutumisen aikana tunkeutumisen edistäjän tulisi sijaita ainakin osassa täyteainetta tai esimuottia.

25

Niissä oloissa, joita käytetään esillä olevan keksinnön mukaisessa menetelmässä, alumiini/magnesium/typpi-spon-taanissa tunkeutumiajärjestelmän tapauksessa täyteaineen tai esimuotin tulisi olla riittävän läpäisevää, jotta 30 typpeä sisältävä kaasu voisi tunkeutua täyteaineeseen tai esimuottiin prosessin jonkin vaiheen aikana ja/tai koskettaa sulaa matriisimetallia. Lisäksi läpäisevässä täyteaineessa tai esimuotissa tulisi olla tilaa sulan matriisime-tallin tunkeutumista varten, jolloin aiheutuu sulan 35 matriisimetallin spontaani tunkeutuminen typen läpäisemään täyteaineeseen tai esimuottiin, niin että se muodostaa metallimatriisi-komposiittikappaleen ja/tai sattaa typen I; 27 8901 5 reagoimaan tunkeutumisen edistäjän edeltäjän kanssa tunkeutumisen edistäjän muodostamiseksi täyteaineeseen tai esimuottiin aiheuttaen näin spontaanin tunkeutumisen.

5 Spontaanin tunkeutumisen määrä tai nopeus ja metallimat-riisikomposiitin muodostuminen vaihtelee prosessiolojen annetun yhdistelmän mukaisesti, joita ovat mm. magnesiumin pitoisuus alumiiniseoksessa, ja/tai täyteaineessa tai esimuotissa, ja/tai mallikuoressa, magnesiumnitridin määrä 10 alumiiniseoksessa, esimuotissa tai täyteaineessa tai mallikuoressa, muiden seosalkuaineiden (esim. pii, rauta, kupari, mangaani, kromi, sinkki, ja vastaavat) läsnäolo, täyteaineen keskimääräinen koko (esim. hiukkashalkaisija), täyteaineen pintatila ja tyyppi, tunkeutumisatmosfäärin 15 typpipitoisuus, tunkeutumiselle annettu aika ja lämpötila, jossa tunkeutuminen tapahtuu. Annettaessa esimerkiksi sulan alumiinimatriisimetallin tunkeutumisen tapahtua spontaanisti, voidaan alumiini seostaa ainakin noin 1 painoprosentilla, ja edullisesti ainakin noin 3 paino-20 prosentilla magnesiumia (joka toimii tunkeutumisen edistäjän edeltäjänä), seoksen painoon verrattuna. Muita lisäseosalkuaineita, kuten edellä on selitetty, voidaan myös sisältää matriisimetalliin sen erityisten ominaisuuksien räätälöimiseksi. Lisäksi lisäseosalkuaineet voivat 25 vaikuttaa matriisin alumiinimetallissa tarvittavan magnesiumin määrään, niin että se johtaa spontaaniin tunkeutumiseen täyteaineeseen tai esimuottiin. Magnesiumin häviämistä spontaanista järjestelmästä, esimerkiksi höyrystymisen vuoksi, ei saisi tapahtua niin suuressa 30 määrin, ettei magnesiumia ole läsnä muodostamaan tunkeu tumisen edistäjää. Siten on toivottavaa, että aluksi käytetään riittävää seosalkuaineiden määrää jotta spontaani tunkeutuminen voisi tapahtua höyrystymisen sitä haittaamatta. Lisäksi magnesiumin läsnäolo esimuotissa tai 35 täyteaineessa, matriisimetallissa ja mallikuoressa tai missä tahansa kahdessa seuraavista: matriisimetallissa, täyteaineessa tai esimuotissa ja mallikuoressa voi johtaa 28 8901 5 magnesiumin spontaania tunkeutumista varten vaadittavan määrän pienenemiseen (jota selitetään yksityiskohtaisemmin alempana).

5 Typpiatmosfäärissä olevan typen määrä vaikuttaa myös metailimatriisi-komposiittikappaleen muodostumisnopeu-teen. Erityisesti jos atmosfäärissä on alle 10 tilavuusprosenttia typpeä, niin spontaania tunkeutumista esiintyy hyvin hitaasti tai hyvin vähän. On havaittu, että on 10 edullista kun atmosfäärissä on ainakin 50 tilavuusprosenttia typpeä, jolloin aikaansaadaan lyhyempiä tunkeutu-misaikoja paljon suuremmasta tunkeutumismäärästä johtuen.

Tunkeutumisatmosfääriä tulisi syöttää täyteaineseen, joka 15 sisältää tunkeutumisen edistäjän edeltäjää, millä tahansa sopivalla tavalla, kuten läpäisemällä täyteaine ennen kuin se koskettaa sulaa matriisimetallia, diffundoimalla mal-likuoren ja mahdollisen matriisimetallin estoainevälineen läpi täyteaineeseen, purkautumalla tai antamalla kuplia 20 sulan matriisimetallin läpi, tai vastaavalla tavalla. Lisäksi mahdolliseen estovälineeseen ja mallikuoreen tulisi järjestää kanavia tai aukkoja tunkeutumisatmosfäärin johtamiseksi järjestelmään. Lisäksi tunkeutumisatmosfääri voi olla tuloksena yhden tai useamman aineen hajoamisesti 25 ja/tai yhtymisestä.

Sulan matriisimetallin täyteaineseen tai esimuottiin tunkeutumisen aikaansaamiseksi vaadittavan magnesiumin vähimmäismäärä riippuu yhdestä tai useammasta tekijästä, kuten 30 prosessin lämpötilasta, ajasta, muiden lisäseosalkuainei-den kuten piin tai sinkin läsnäolosta, täyteaineen luonteesta, magnesiumin sisältymisestä yhteen tai useampaan spontaanin järjestelmän osaan, atmosfäärin typpisisällös-tä, ja typpiatmosfäärin virtausmäärästä. Voidaan käyttää 35 alempia lämpötiloja tai lyhyempiä kuumennusaikoja täydellisen tunkeutumisen aikaansaamiseksi, kun seoksen ja/tai esimuotin magnesiumpitoisuutta nostetaan. Samaten annetul- 29 8 9 0 1 5 la magnesiumpitoisuudella määrättyjen lisäseosalkuainei-den, kuten sinkin lisääminen mahdollistaa alempien lämpötilojen käyttämisen. Esimerkiksi matriisimetallin mag-nesiumpitoisuutta toimivan alueen alapäässä, esim välillä 5 noin 1-3 painoprosenttia, voidaan käyttää yhdessä ainakin jonkin seuraavien kanssa: vähimmäisprosessilämpötilan ylittävä lämpötila, suuri typpipitoisuus, yksi tai useampia lisäseosalkuaineita. Ellei täyteaineeseen tai esimuottiin lisätä lainkaan magnesiumia, pidetään välillä noin 3-5 10 painoprosenttia magnesiumia sisältäviä seoksia edullisina, johtuen niiden yleisestä käytettävyydestä laajoilla pro-sessiolojen alueilla, jolloin ainakin 5 painoprosenttia pidetään edullisena käytettäessä alempia lämpötiloja ja lyhyempiä aikoja. Alumiiniseoksessa voidaan käyttää 10 15 painoprosentin ylittäviä magnesiumpitoisuuksia tunkeutumiseen vaadittavien lämpötilaolojen muuntelemiseksi. Mag-nesiumpitoisuutta voidaan pienentää muiden seosalkuainei-den yhteydessä, mutta nämä alkuaineet palvelevat ainoastaan lisätoimintoja, ja niitä käytetään edellä mainitun mag-20 nesiumin minimimäärän tai sen ylittävän määrän kanssa. Esimerkiksi oleellisesti mitään tunkeutumista ei esiintynyt nimellisesti puhtaalla alumiinilla, jota oli seostettu vain 10 % piillä, 1000°C lämpötilassa, alustaan 39 Crystolon (99 % puhdasta piikarbidia Norton Co:lta), jonka raekoko 25 oli 500 mesh (mesh = seulan aukkojen lukumäärä tuumaa kohti) . Magnesiumin läsnäollessa on kuitenkin piin havaittu edistävän tunkeutumisprosessia. Toisena esimerkkinä magnesiumin määrä muuttuu, jos sitä syötetään yksinomaan esimuottiin tai täyteaineeseen. On havaittu, että spontaani 30 tunkeutuminen tapahtuu, kun spontaaniin järjestelmään syötetään pienempi painoprosentti magnesiumia, jos ainakin jokin määrä syötetyn magnesiumin kokonaismäärästä sijoitetaan esimuottiin tai täyteaineeseen. Saattaa olla toivottavaa, että magnesiumia järjestetään pienempi määrä, 35 jotta vältettäisiin ei-toivottu jen metalliyhdisteiden syntyminen metallimatriisi-komposiittikappaleeseen. Esi-muotin ollessa piikarbidia on havaittu, että matriisime- 30 8 9 0 1 5 talli tunkeutuu spontaanisti esimuottiin, kun esimuotti saatetaan kosketukseen aluiriiinimatriisimetallin kanssa, esimuotin sisältäessä ainakin 1 painoprosenttia magnesiumia ja oleellisesti puhtaan typpiatmosfäärin läsnä-5 ollessa. Alumiinioksidi-esimuotin tapauksessa hyväksyttävän spontaanin tunkeutumisen saavuttamiseksi vaadittu magnesiumin määrä on hieman suurempi. Erityisesti on havaittu, että kun samantapainen alumiinimatriisimetalli saatetaan koskettamaan alumiinioksidi-esimuottia, liki-10 main samassa lämpötilassa kuin alumiini joka tunkeutui piikarbidi-esimuottiin, ja saman typpiatmosfäärin läsnäollessa, niin saatetaan tarvita ainakin noin 3 painoprosenttia magnesiumia samanlaisen spontaanin tunkeutumisen aikaansaamiseksi, kuin se joka saavutettiin juuri 15 edellä kuvatun piikarbidi-esimuotin yhteydessä.

On myös havaittu, että on mahdollista syöttää spontaaniin järjestelmään tunkeutumisen edistäjän edeltäjää ja/tai tunkeutumisen edistäjää seoksen pinnalle ja/tai esimuotin 20 tai täyteaineen pinnalle ja/tai esimuottiin tai täyteaineeseen ennen kuin matriisimetallin annetaan tunkeutua täyteaineeseen tai esimuottiin (ts. saattaa olla, ettei syötettyä tunkeutumisen edistäjän edeltäjää tai tunkeutumisen edistäjää tarvitse seostaa matriisimetalliin, vaan 25 että sitä yksinkertaisesti syötetään spontaaniin järjestelmään). Jos magnesiumia levitettäisiin matriisimetallin pinnalle, saattaa olla edullista, että tämä pinta olisi se pinta, joka on lähimpänä tai edullisesti kosketuksessa täyteaineen läpäisevään massaan tai päinvastoin; tai 30 sellaista magnesiumia voitaisiin sekoittaa ainakin esimuotin tai täyteaineen osaan. Lisäksi on mahdollista, että pinnalle levittämisen, seostamisen ja magnesiumin sijoittamisen ainakin esimuotin osaan, joitakin yhdistelmiä voitaisiin käyttää. Sellaiset yhdistelmät tunkeutumisen 35 edistäjän (edistäjien) ja/tai tunkeutumisen edistäjän edeltäjän (edeltäjien) levittämisessä saattaisivat johtaa alumiinimatriisimetallin esimuottiin tunkeutumisen edis- 31 89015 tämiseen vaadittavan magnesiumin kokonaispainoprosentti-määrän pienenemiseen, samoinkuin alempien lämpötilojen saavuttamiseen, joissa tunkeutumista voi esiintyä. Lisäksi magnesiumin läsnäolosta johtuva metallien epätoivottujen 5 keskinäisten yhdisteiden muodostuminen voitaisiin myös minimoida.

Yhden tai useamman lisäseosalkuaineen käyttäminen ja ympäröivän kaasun typpipitoisuus vaikuttavat myös mat-10 riisimetallin nitrautumiseen annetussa lämpötilassa. Esimerkiksi voidaan seokseen sisällyttää tai seoksen pinnalle levittää sellaisia lisäseosalkuaineita kuin sinkkiä tai rautaa tunkeutumislämpötilan alentamiseksi ja siten muodostuvan nitridin määrän pienentämiseksi, kun taas kaasussa 15 olevan typen pitoisuuden lisäämistä voitaisiin käyttää nitridin muodostumisen edistämiseen.

Seoksessa olevan ja/tai seoksen pinnalle levitetyn ja/tai täyteaineeseen tai esimuottiin yhdistetyn magnesiumin 20 pitoisuus pyrkii myös vaikuttamaan tunkeutumisen määrään annetussa lämpötilassa. Vastaavasti eräissä tapauksissa, joissa pieni määrä tai ei lainkaan magnesiumia saa olla kosketuksessa suoraan esimuottiin tai täyteaineeseen, saattaa olla edullista, että ainakin 3 painoprosenttia 25 magnesiumia sisällytetään seokseen. Tätä arvoa pienemmät seosmäärät, kuten 1 painoprosentti magnesiumia, saattaa vaatia korkeammat prosessilämpötilat tai lisäseosalkuaineita tunkeutumista varten. Tämän keksinnön spontaanin tunkeutumisprosessin toteuttamiseksi vaadittu lämpötila 30 voi olla alempi: 1) kun yksinomaan seoksen magnesiumpitoi-suutta nostetaan, esim. ainakin noin 5 painoprosenttiin; ja/tai 2) kun seostavia aineita sekoitetaan täyteaineen läpäisevään massaan tai esimuottiin; ja/tai 3) kun alumiiniseoksessa on toista alkuainetta, kuten sinkkiä tai 35 rautaa. Lämpötila voi myös vaihdella eri täyteaineilla. Yleensä esiintyy spontaania ja etenevää tunkeutumista prosessilämpötilassa, joka on ainakin noin 675°C, edulli- 32 3901 5 sesti prosessilämpötilassa, joka on ainakin noin 750 -800°C. Yleensä yli 1200°C olevat lämpötilat eivät näytä edistävän prosessia, ja erityisen käyttökepoiseksi lämpötilaksi on havaittu alue noin 675°C - noin 1200°C. Kuitenkin 5 yleisenä sääntönä spontaanin tunkeutumisen lämpötila on sellainen lämpötila, joka on matriisimetallin sulamispisteen yläpuolella mutta matriisimetallin höyrystymislämpö-tilan alapuolella. Lisäksi spontaanin tunkeutumisen lämpötilan tulisi olla täyteaineen sulamispisteen alapuo-10 lella. Edelleen, kun lämpötilaa nostetaan, kasvaa pyrkimys matriisimetallin ja tunkeutumisatmosfäärin välisen reaktiotuotteen muodostamiseen (esim. alumiinimatriisimetal-lin ja typpeä olevan tunkeutumisatmosfäärin tapauksessa saattaa muodostua alumiininitridiä). Sellaiset reaktio-15 tuotteet saattavat olla toivottavia tai ei-toivottuja, riippuen metallimatriisi-komposiittikappaleen aiotusta käytöstä. Lisäksi tyypillisesti käytetään sähkövastuskuu-mennusta tunkeutumislämpötilojen saavuttamiseksi. Keksinnön yhteydessä käytettäväksi hyväksytään kuitenkin mikä 20 tahansa kuumennusväline, joka voi saattaa matriisimetallin sulamaan ja joka ei vaikuta haitallisesti spontaaniin tunkeutumiseen.

Esillä olevassa menetelmässä esimerkiksi läpäisevä täyte-25 aine tai esimuotti saatetaan kosketukseen sulan alumiinin kanssa typpeä sisältävän kaasun ollessa läsnä ainakin jossakin prosessin vaiheessa. Typpeä sisältävää kaasua voidaan syöttää ylläpitämään jatkuva kaasun virtaus kosketukseen ainakin joko täyteaineeseen tai esimuottiin 30 ja/tai sulaan alumiinimatriisimetalliin. Vaikkei typpeä sisältävän kaasun virtausmäärä ole kriittinen, pidetään edullisena että virtausmäärä on riittävä kompensoimaan nitridin muodostumisesta seosmatriisissa johtuva mahdollinen typen häviäminen atmosfääristä, sekä estämään tai 35 torjumaan ilman sisään pääseminen, jolla voi olla hapettava vaikutus sulaan metalliin.

li 33 3901 5

Metallimatriisikomposiitin muodostamismenetelmää voidaan soveltaa täyteaineiden laajaan valikoimaan, ja täyteaineiden valinta riippuu sellaisista tekijöistä, kuten mat-riisiseoksesta, prosessin olosuhteista, sulan matriisi-5 seoksen reaktiivisuudesta täyteaineen kanssa, sekä lopulliselle komposiittituotteelle haetuista ominaisuuksista. Kun matriisimetallina on esimerkiksi alumiini, lukeutuvat sopiviksi täyteaineiksi a) oksidit, esim. alumiinioksidi, b) karbidit, esim. piikarbidi, c) boridit, 10 esim. alumiinidodekaboridi, ja d) nitridit, esim. alu- miininitridi. Mikäli täyteaine pyrkii ragoimaan sulan alumiinimatriisimetallin kanssa, tämä voidaan ottaa huomioon minimoimalla tunkeutumisaika ja -lämpötila tai järjestämällä reagoimaton päällystys täyteaineelle. Täy-15 teaine voi käsittää alustan, kuten hiiltä tai ei-keraamista ainetta, jonka päällä on keraaminen päällystys alustan suojaamiseksi syöpymiseltä tai heikkenemiseltä. Sopivia keraamipäällysteitä ovat mm. oksidit, karbidit, boridit ja nitridit. Esillä olevassa menetelmässä käytettäviksi edul-20 lisinä pidettyjä keraameja ovat mm. alumiinioksidi ja piikarbidi hiukkasten, hiutaleiden, kuitukiteiden ja kuitujen muodossa. Kuidut voivat olla epäjatkuvia (leikatussa muodossa) tai jatkuvan säikeen muodossa, kuten monisäikeiset langat. Lisäksi keraaminen massa tai esimuotti voi olla 25 homogeeninen tai epähomogeeninen.

On myös havaittu, että määrätyillä täyteaineilla esiintyy suurempaa tunkeutumista suhteessa täyteaineisiin, joilla on samantapainen kemiallinen koostumus. Esimerkiksi US-pa-30 tentissä 4,713,360 (nimitys "Uusia keraamisia aineita ja menetelmiä niiden valmistamiseksi" ) kuvatulla menetelmällä valmistetuilla murskatuilla alumiinioksidi-kappaleilla on edulliset tunkeutumisominaisuudet verrattuna kaupallisesti saatavilla oleviin alumiinioksidituotteisiin. Lisäksi 35 rinnakkaisessa US-patenttihakemuksessa 819,397 (nimitys: "Komposiittikeraamisia esineitä ja niiden valmistusmenetelmä" ) esitetyllä menetelmällä tehdyillä murskatuilla 34 8 9 0 1 5 alumiinioksidikappaleilla on myös edulliset tunkeutu-misominaisuudet verrattuna kaupallisesti saatavilla oleviin alumiinioksidituotteisiin. Edellä mainitut patenttijulkaisut esitetään tässä nimenomaisina viittauksina. Näin 5 ollen on havaittu, että täydellinen tunkeutuminen keraamista ainetta olevaan läpäisevään massaan voi tapahtua alemmissa tunkeutumislämpötiloiesa ja/tai lyhyemmillä tun-keutumisajoilla käyttäen puristettuja tai murskattuja kappaleita, jotka on valmistettu edellä mainittujen pa-10 tenttijulkaisujen mukaisella menetelmällä.

Täyteaineen koko ja muoto voi olla mikä tahansa sellainen, joka vaaditaan komposiitin toivottujen ominaisuuksien saavuttamiseksi. Siten aine voi olla hiukkasten, kuituki-15 teiden, hiutaleiden tai kuitujen muodossa, koska täyteaineen muoto ei rajoita tunkeutumista. Voidaan käyttää muitakin muotoja, kuten kuulia, pieniä putkia, pellettejä, tulenkestävää kuitukangasta, ja vastaavia. Lisäksi aineen koko ei rajoita tunkeutumista, vaikka pienten hiukkasten 20 massalla saatetaan tunkeutumisen loppuunviemiseksi tarvita korkeampi lämpötila tai pidempi aika kuin suuremmilla hiukkasilla. Lisäksi (esimuotiksi muotoillun) täyte-ainemassan tulisi tunkeutumista varten olla läpäisevää, ts. sen tulisi olla sulaa matriisimetallia ja typpeä 25 käsittävää tunkeutumisatmosfääriä läpäisevää.

Esillä olevan keksinnön mukainen menetelmä metallimatrii-si-komposiittikappaleiden muodostamiseksi sallii oleellisesti yhtenäisten metallimatriisikomposiittien valmista-30 misen, joilla on suuri tilavuusosa täyteainetta ja pieni huokoisuus, koska ne eivät ole riippuvaisia paineen käyttämisestä sulan matriisimetallin puristamiseksi esi-muottiin tai täyteainemassaan. Suurempia täyteaineen ti-lavuusosuuksia voidaan aikaansaada käyttämällä alussa 35 täyteainemassaa, jolla on pienempi huokoisuus. Suurempia tilavuusosuuksia voidaan myös aikaansaada silloin, jos täyteainemassa tiivistetään tai tehdään muulla tavalla tiiviimmäksi, edellyttäen ettei massaa muuteta joko täysin tiiviiksi suljetuin kennohuokosin tai täysin tiiviiksi rakenteeksi, mikä estäisi sulan seoksen tunkeutumisen.

35 8 9 0 1 5 5 Voitaisiin kuitenkin käyttää suurempia tai pienempiä hiukkasten määriä tai tilavuusosuuksia, riippuen lopullisen komposiitin toivotusta painosisällöstä lämpömuovauksen jälkeen. Lisäksi voidaan käyttää menetelmiä hiukkasten määrän vähentämiseksi esillä olevan keksinnön mukaisten 10 lämpömuovausprosessien yhteydessä pienempien hiukkasmää-rien aikaansaamiseksi.

On havaittu, että alumiinin tunkeutumista ja matriisin muodostumista varten keraamisen täyteaineen ympärille voi 15 keraamisen täyteaineen kostutus alumiinimatriisimetallil-la olla tärkeä osa tunkeutumismekanismista. Lisäksi alhaisissa prosessilämpötiloissa esiintyy erittäin vähän tai häviävän vähän metallin nitridiksi muuttumista, jonka takia saadaan erittäin vähäinen epäjatkuva alumiininitridin 20 faasi metallimatriisiin jakautuneena. Kun lähestytään lämpötila-alueen yläpäätä, tapahtuu kuitenkin todennäköisemmin metallin nitridiksi muuttumista. Siten voidaan säätää nitridifaasin osuutta metallimatriisissa muuttamalla lämpötilaa, jossa tunkeutuminen tapahtuu. Ne määrätyt 25 lämpötilat, joissa nitridin muodostuminen tulee merkittävämmäksi, muuttuvat myös sellaisista tekijöistä riippuen, kuten käytetty matriisin alumiiniseos ja sen määrä suhteessa täyteaineen tai esimuotin määrään, täyteaineen määrä johon tunkeutumisen on tapahduttava, sekä tunkeutumiset-30 mosfäärin typpipitoisuus. Esimerkiksi alumiininitridin muodostumisen määrän uskotaan määrätyssä prosessilämpöti-lassa kasvavan, kun seoksen kyky täyteaineen kostuttamiseen pienenee ja kun atmosfäärin typpipitoisuus kasvaa.

35 Sen vuoksi on mahdollista räätälöidä metallimatriisin rakennetta komposiitin muodostuksen aikana, niin että voidaan antaa tuloksena olevalle tuotteelle määrätyt 36 8901 5 ominaisuudet. Annetulla järjestelmällä voidaan prosessin olosuhteet valita nitridin muodostuksen säätämiseksi. Alumiininitridiä sisältävällä komposiittituotteella on eräitä ominaisuuksia, jotka voivat olla edullisia tuotteen 5 suorituskyvylle tai parantaa niitä. Lisäksi alumiiniseoksen spontaanin tunkeutumisen edullinen lämpötila-alue voi vaihdella käytetystä keraamisesta aineesta riippuen. Kun täyteaineena on alumiinioksidia, ei tunkeutumisen lämpötilan tulisi ylittää 1000°C, mikäli halutaan, ettei 10 matriisin muovattavuus oleellisesti pienene merkittävän nitridin muodostumisen johdosta. Lämpötilan 1000°C ylittäviä lämpötiloja voidan kuitenkin käyttää, mikäli halutaan tuottaa komposiitti, jonka matriisilla on heikompi muovattavuus ja suurempi jäykkyys. Piikarbidiin tunkeutumista 15 varten voidaan käyttää korkeampia, noin 1200°C lämpötiloja, koska piikarbidia täyteaineena käytettäessä alumiiniseoksesta syntyy vähemmän nitridejä, kuin alumiinioksideja täyteaineena käytettäessä.

20 Lisäksi on mahdollista käyttää matriisiroetallin varasto-lähdettä täyteaineen täydellisen tunkeutumisen varmistamiseksi ja/tai syöttää toista metallia, jolla on erilainen koostumus kuin matriisimetallin ensimmäisellä lähteellä. Eräissä tapauksissa voi erityisesti olla toivottavaa 25 käyttää varastolähteessä matriisimetallia, joka koostumukseltaan poikkeaa matriisimetallin ensimmäisestä lähteestä. Jos esimerkiksi alumiiniseosta käytetään ensimmäisenä matriisimetallin lähteenä, niin varastolähteen metallina voitaisiin käyttää näennäisesti mitä tahansa toista metal-30 lia tai metalliseosta, joka on sulanut prosessilämpötilas-sa. Sulat metallit ovat usein hyvin sekoittuvia toistensa kanssa, mikä johtaisi varastolähdemetallin sekoittumiseen matriisimetallin ensimmäiseen lähteeseen niin kauan kuin annetaan riittävästi aikaa sekoittumista varten. Käytet-35 täessä ensimmäisen matriisimetallin lähteestä poikkeavan koostumuksen omaavaa varastolähdemetallia, on siten mahdollista räätälöidä metallimatriisin ominaisuuksia eri- 37 8901 5 laisten toimintavaatimusten täyttämiseksi ja siten räätälöidä metallimatriisikomposiitin ominaisuuksia.

Estovälinettä voidaan myös käyttää esillä olevan keksinnön 5 yhteydessä. Tämän keksinnön yhteydessä käytettävä estovä-line voi erityisesti olla mikä tahansa soveltuva väline, joka vuorovaikuttaa, estää ja lopettaa sulan matriisiseok-sen (esim. alumiiniseos) kulkeutumisen, siirtymisen tai vastaavan täyteaineen määritellyn rajapinnan ohi. Sopivia 10 estovälineitä voivat olla mitkä tahansa aineet, yhdisteet, alkuaineet, koostumukset tai vastaavat, jotka prosessin olosuhteissa ylläpitävät jonkinasteisen eheyden eivätkä ole haihtuvia, ja jotka edullisesti ovat prosessissa käytettyä tunkeutumisatmosfääriä läpäiseviä, ja jotka 15 samoin pystyvät paikallisesti estämään, pysäyttämään, vuorovaikuttamaan, torjumaan, jne, jatkuvan tunkeutumisen tai minkä tahansa muun liikkeen täyteaineen määritellyn rajapinnan ohi.

20 Soveltuvat estovälineet sisältävät aineita, joita kulkeutuva sula matriisimetalli käytetyn prosessin aikana ei oleellisesti pysty kostuttamaan. Tämän tyyppisellä esto-aineella näyttää olevan oleellisen vähän tai ei lainkaan yhtymispyrkimystä sulaan matriisimetalliin, ja estoväline 25 estää tai torjuu siirtymisen täyteainemassan tai esimuotin määritellyn rajapinnan yli. Estoaine edistää sellaisten kappaleiden muodostamista, joilla on metallimatriisikom-posiittituotteelta vaadittava lopullinen muoto. Kuten edellä mainittiin, voi estoaine edullisesti olla läpäisevää 30 tai huokoista sallien tunkeutumisatmosfäärin kaasun kosketuksen sulaan matriisimetalliseokseen. Vaihtoehtoisesti voitaisiin estovälineeseen järjestää aukkoja tai vastaavia tunkeutumisatmosfäärin virtauksen mahdollistamiseksi.

35 Soveltuvia estoaineita, jotka ovat erityisen edullisia alumiinimatriisiseoksilla, ovat niitä, jotka sisältävät hiiltä, erityisesti hiilen kiteiset allotrooppiset muodot, 38 8901 5 jotka tunnetaan grafiittina. Grafiittia ei oleellisesti voida kostuttaa kuvatuissa proseseiolosuhteissa sulalla alumiiniseoksella. Erityisen edullinen grafiitti on gra-fiittinauhatuote, jota myydään tavaramerkillä Grafoil (R), 5 jonka tavaramerkin haltija on Union Carbide. Tällä gra-fiittinauhalla on tiivistäviä ominaisuuksia, jotka estävät sulaa alumiiniseosta kulkeutumasta täyteaineen määritellyn rajapinnan ohi. Tämä grafiittinauha on myös kuumuutta kestävä, kemiallisesti inertti, taipuisa, yhteensopiva, 10 muotoutuva, ja joustava. Sitä voidaan valmistaa useissa muodoissa sopimaan estoainesovellutuksiin. Grafiittiesto-välinettä voidaan kuitenkin käyttää lietteenä tai tahnana tai jopa maalikalvona täyteaineen tai esimuotin rajapinnalla tai sen ympärillä, ja tässä muodossa se voidaan 15 helposti levittää mallikuoressa olevaan onteloon. Grafoil: ia pidetään edullisena yksinkertaisia komposiitti-muotoja varten, koska se on taipuisan grafiittiarkin muodossa ja voidaan siten helposti levittää tasaisille pinnoille.

20

Muita edullisia estoaineita alumiinimetallimatriisiseok-sille typessä ovat siirtymämetalliboridit (esim. ti-taanidiboridi (TiB2)), joita sulat alumiinimetalliseokset eivät tätä ainetta määrätyissä prosessioloissa käytettä-25 essä pysty kostuttamaan. Tämän tyyppisellä estoaineella prosessilämpötilan ei tulisi ylittää noin 875°C, koska muutoin estoaineen vaikutus vähenee, ja itse asiassa korkeammassa lämpötilassa esiintyy tunkeutumista estoai-neeseen. Siirtymämetalliboridit ovat tyypillisesti hiuk-30 kasmuodossa (1-30 mikrometriä). Metalliboridimuodostelma voidaan levittää lietteenä tai tahnana mallikuoren onteloon, jolloin se määrittelee keraamisen täyteaineen läpäisevän massan rajapinnat.

35 Spontaania magnesiumia sisältäviä järjestelmiä varten sopivia esotaineita on lisäksi magnesiumoksidi, joka voidaan muodostaa kuoren ontelon pinnalle kuumentamalla I; 3, 39015 ontelon täyttävää magnesiumia sisältävää seosta typen läsnäollessa, ja sitten poistamalla sekoitus esimerkiksi ilman läsnäollessa. Kuoren ontelon pinnalle muodostunut magnesiumnitridi muuttuu tällöin magnesiumoksidiksi, joka 5 kiinnittyy ontelon pintaan. Koska esillä olevassa keksinnössä käytetyssä käsittelylämpötilassa magnesium on höyrystyvää, voi magnesiumhöyry tunkeutua huokoiseen malli-kuoreen, aiheuttaen matriisimetallin spontaanin tunkeutumisen kuoreen. Magnesiumoksidin läsnäolo käyttää ilmeises-10 ti loppuun magnesiumia olevan tunkeutumisen edistäjän edeltäjän ja/tai magnesiumnitridiä olevan, kuoren ontelon pinnalla olevan tunkeutumisen edistäjän, vaikuttaen siten matriisimetallin spontaania tyhjentyneeseen alueeseen tunkeutumista vastaan.

15

Lisäksi tyhjennysaine, kuten magnesiumoksidi tai mikä tahansa alla kuvattavista muista sopivista tyhjennysai-neista, joka on läsnä kuoren ontelon pinnalla, voi vain hetken aikaa estää matriisimetallia tunkeutumasta kuoreen, 20 jota aikaa rajoittaa esimerkiksi tyhjennysaineen määrä, joka pinnalla on käytettävissä, sekä tyhjennettävän tunkeutumisen edistäjän ja/tai tunkeutumisen edistäjän edeltäjän ja/tai tunkeutumisatmosfäärin määrä, joka on tyhjennettävä ennen matriisimetallin jähmettymistä.

25

Ymmärretään, että mallikuori, joka ei salli tunkeutumisen edistäjän ja/tai tunkeutumisen edistäjän edeltäjän ja/tai tunkeutumisatmosfäärin tunkeutumista tai, jossa näin on tapahtunut tunkeutuminen, ei mahdollista matriisimetallin 30 spontaania tunkeutumista, ei vaatisi estovälineen lisäämistä kuoren ontelon pinnalle. Itse asiassa vain haihtuvaa magnesiumia sisältävät spontaanit järjestelmät, ja näistä järjestelmistä vain ne, jotka sisältävät enemmän magnesiumia kuin mikä on välttämätöntä täyteaineen täydellistä 35 tunkeutumista varten, näyttävät hyötyvän sellaisista es-toaineista huokoisten mallikuorien kanssa käytettäessä. Läpäisemättömiä, lasin tapaisia mallikuoria voidaan siten 40 8901 5 edullisesti käyttää magnesiumia sisältävien spontaanien järjestelmien yhteydessä, edellyttäen sellaisten kuorien muut ominaisuudet, joita selitettiin toisalla. Ymmärretään myös, että spontaani järjestelmä, joka sisältää prosessin 5 lämpötiloissa alhaisen haihtuvuuden omaavia ainesosia, eivät myöskään vaadi sellaisia estoaineita.

Alumiinimetallimatriisiseoksia varten typessä muut käyttökelpoiset estoaineet sisältävät vaikeasti haihtuvia 10 orgaanisia yhdisteitä, jotka levitetään kalvona tai kerroksena täyteaineen tai esimuotin ulkopinnalle. Poltettaessa typessä, erityisesti tämän keksinnön mukaisissa prosessioloissa, orgaaninen yhdiste hajoaa, jättäen jälkeensä hiilinokikalvon. Orgaaninen yhdiste voidaan levit-15 tää tavanomaisin keinoin, kuten maalaamalla, suihkuttamalla, upottamalla, jne.

Lisäksi voivat hienoksi jauhetut hiukkasmaiset aineet toimia estoaineena, jos hiukkasmaiseen aineeseen tunkeu-20 tuminen esiintyy nopeudella, joka on hitaampi kuin tunkeu-tumisnopeus täyteaineeseen.

Siten voidaan estovälinettä levittää millä tahansa sopivalla tavalla, kuten peittämällä määritelty rajapinta 25 estovälineen kerroksella. Sellainen estovälineen kerros voidaan muodostaa maalaamalla, upottamalla, silkkipaina-tuksella, höyrystämällä, tai levittämällä estovälinettä muilla tavoin neste-, liete- tai tahnamuodossa, tai sputteroimalla höyrystyvää estovälinettä, tai yksinkertai-30 sesti kerrostamalla kiinteän hiukkasmaisen estovälineen kerros, tai levittämällä estovälineen kiinteä ohut arkki tai kalvo määritellylle rajapinnalle. Kun estoväline on paikallaan, spontaani tunkeutuminen päättyy oleellisesti silloin, kun saavutetaan määritelty rajapinta ja koskete-35 taan estovälinettä.

4i 8901 5 Välittömästi seuraavassa olevat esimerkit sisältävät esillä olevan keksinnön erilaisia demonstraatioita. Näitä esimerkkejä on kuitenkin pidettävä havainnollistavina, eikä niitä pidä ymmärtää keksinnön suoja-alaa rajoittavina, 5 joka määritellään oheisissa patenttivaatimuksissa.

Esimerkki 1

Muodostettiin poistettava valusydän, joka käsitti vahalla 10 päällystetyn, kipsiä olevan hammaspyörän kerranteen, halkaisijaltaan 7,6 cm ja 6,4 cm paksu. Kipsivahaa on saatavana Bondex Co:lta, ja vahapäällystysoli CSH Max-E-Wax, jota on kaupallisesti saatavana Casting Supply Companyiltä, New York, NY.

15

Poistetttava valusydän upotettiin lietteeseen tai suspensioon, joka käsitti oleellisesti yhtä suuret paino-osat kolloidista 20% alumiinioksidia, jonka toimitti Remet Co., sekä 1000 grit (seulamitta, grit = noin 75 mikrometriä) 20 piikarbidijauhetta, jota toimitti Norton Co., ja jota myuydään tuotenimellä 37 Crystolon. Muita hienoja piikarbidi jauheita voitaisiin myös käyttää. Lietteellä päällystetty poistettava valusydän pölytettiin sitten kuivalla 90 grit piikarbidijauheella (37 Crystolon), joka kiinnittyi 25 lietepäällystykseen. Peräkkäiset upotus- ja pölytysvaiheet toistettiin kolme kertaa, jonka jälkeen pölytysjauhe vaihdettiin 24 grit piikarbidiin (37 Crystolon). Peräkkäiset upotus- pölytysvaiheet toistettiin sitten toiset kolme kertaa. Kehittyvä mallikuori kuivattiin puolen tunnin ajan 30 noin 65°C:ssa jokaisen upotus-pölytysvaiheen jälkeen.

Viimeisen upotus-pölytysvaiheen jälkeen mallikuori poltettiin ilmauunissa noin 900°C lämpötilassa noin tunnin ajan. Tämä polttaminen höyrysti poistettavan valusydämen päällä 35 olevan vahapäällystyksen ja heikensi kipsin; jäähdyttyään huoneenlämpötilaan, kipsi nesteytettiin helposti ja pes- 42 8901 5 tiin pois mallikuoresta. Kuori ilmakuivattiin sitten noin 12 tunnin ajan noin 75°C lämpötilassa.

Estoaine muodostettiin mallikuoren ontelon pinnalle pak-5 kaarnalla ensin onteloon sekoitusta, jossa oli 1000 grit piikarbidijauhetta (39 Crystolon, Norton Co) ja noin 10 painoprosenttia 50 mesh magnesiumjauhetta (Aesar, Johnson Matthey Co). Näin täytetty mallikuori asetettiin sitten ruostumatonta 316 terästä olevaan tölkkiin, joka peitettiin 10 ohuella kuparikaivolla (jota saadaan Atlantic Engineering Co:lta). Ruostumatonta terästä oleva putki johdettiin kuparikaivon läpi, ja tölkin sisätila huuhdeltiin typpikaasulla virtausmäärän ollessa noin 0,25 1/minuutti. Jatkuvasti huuhdeltu tölkki kuumennettiin sitten sähkövas-15 tuksin kuumennetussa uunissa noin 600°C:sta noin 750°C:seen noin tunnin aikana, ja pidettiin noin 750°C:ssa noin tunnin ajan. Tölkki sisältöineen poistettiin sitten uunista, ja ontelo täytettiin sitten vedellä, kun se vielä oli kuumana, siten muodostui onteon pinnalle musta päällystys. Pieniä 20 osia päällystyksestä lohkesi mallikuoresta täytesekoitusta poistettaessa.

Sen jälkeen kun se oli huolellisesti kuivattu, pakattiin estoaineella päällystetty mallikuori täyteaineella, joka 25 käsitti alumiinioksidijauheen (C75-RG, jota saadaan Alcan Chemical Products, Coslta) ja noin 5 painoprosenttia 325 mesh magnesiumjauheen (Aesar, jota saadaan Johnson Mathey Co:lta) sekoitusta, kokonaispainon ollessa noin 337 g. Käsin tiivistäminen pienensi täyteaineen tilavuuden liki-30 main puoleen, josta oli tuloksena suurempi tilavuusosa täyteainetta ja rakenteeltaan homogeenisempia komposiit-tikappaleita.

Täyteaineella täytetty kuori asetettiin sitten ruostuma-35 tonta 316 terästä olevaan tölkkiin, ja siihen asetettiin 722 g vakio 520 alumiiniseosta oleva alumiinivalanne kosketukseen täyteaineen kanssa. Tölkki peitettiin ohuella I, 43 8 9 01 5 kuparikaivolla ja tölkin sisätilaa huuhdeltiin jatkuvasti puhtaalla typpikaasulla virtausmäärällä noin 2 1/minuutti.

Tölkki kuumnennettiin sähkövastuksin kuumennetussa uunissa 5 huoneenlämpötilasta noin 800°C:seen noin kahden tunnin ajan, ja pidettiin noin 800°C:ssa noin puoli tuntia, jonka jälkeen alumiiniseos oli nestetytynyt ja tunkeutunut spontaanisti täyteaineeseen. Uunin lämpötila laskettiin sitten noin huoneenlämpötilaan noin kahden tunnin aikana, 10 jolloin metallimatriisikomposiitti-hammaspyörä kiintey tyi, ja mallikuori poistettiin uunista. Kuori tuettiin huoneenlämpötilassa olevaan petiin ja naputettiin pois metallimatriisikomposiitti-hammaspyörän päältä vasaran iskuin.

15

Tuloksena olevalla metallimatriisikomposiitti-hammaspyö-rällä oli hyvä muototarkkuus, kuten esitetään kuviossa 4, ja se vaati mahdollisimman vähän pintaviimeistelyä, paitsi niillä alueilla, jotka olivat lähellä ontelon pinnan 20 alueita, joista estoainepäällystys oli lohkeillut. Näiden alueiden kautta tapahtui jonkin verran alumiini-mat-riisimetallin tunkeutumista mallikuoreen.

Esimerkki 2 25

Mallikuori muodostettiin samalla upotus-pölytysjärjestyksellä kuin esimerkissä 1 poistettavalle valusydämelle, joka käsitti kestomuovivaahtoaa olevan maljan. Kun maljan muotoinen valusydän oli poistettu mallikuoresta polttamal-30 la kuori noin 850°C:ssa noin tunnin ajan, täytettiin kuoressa oleva ontelo tyydytetyllä vesipitoisella mag-nesiumperkloraattiliuoksella (magnesiumperkloraattia on saatavana Morton Thokiol Co:lta). Liuoksen annettiin kostuttaa kuoren ontelopintaa noin kaksi minuuttia, jonka 35 jälkeen liuos poistettiin kuoren ontelosta. Mallikuori ilmakuivattiin uunissa noin 100°C lämpötilassa. Sen jälkeen lämpötila nostettiin noin 750°C:seen noin 2 tunnin aikana.

kuori poltettiin noin 750°C lämpötilassa noin 1 tunnin ajan, ja lämpötila laskettiin noin kahden tunnin aikana.

«« 89015

Sen jälkeen mallikuori pakattiin noin puoleen väliin 5 täyteaineella, kuten esimerkissä 1, ja siihen kohdistettiin scimat seuraavat käsittelyvaiheet kuin esimerkissä 1.

Kun metallimatriisikomposiittimalja poistettiin, paljasti tarkastus hyvän muototarkkuuden mahdollisimman vähällä 10 pintaviimeistelyn tarpeella. Alumiinimatriisimetallin ulkoista tunkeutumista mallikuoreen ei esiintynyt.

Esimerkki 3 15 Mallikuoren muodostamiseksi käytettiin kestomuovimaljän käsittävää poistettavaa valusydäntä. Valusydän upotettiin ensin lietteeseen tai suspensioon, jossa oli yhtä suuret osuudet puhdasta kalsiumkarbonaattia (saatavana Standard Ceramic Supply Co:lta) ja kolloidista 20 painoprosentin 20 piidioksidia (saatavana Nyacol Co:lta). Lietteellä päällystetty valusydän pölytettiin sen jälkeen piikarbidilla kuten esimerkissä 1. Suoritettiin muut kuoren muodostumiseen johtavat käsittelyvaiheet kuten esimerkissä 1, paitsi ettei muodostettu mitään erillistä estoainetta kuumenta-25 maila ja poistamalla piikarbidi/magnesium-sekoitus. Yleensä piidioksidia pidetään edullisena mallikuorien muodostamiseksi, koska sellaiset kuoret ovat yleensä lujempia ja tukevampia.

30 Alumiinioksidia pidetään edullisena sellaisia kuoria varten, joille muodostetaan ontelon pinnalle estoainetta, kuten esimerkissä 1.

Kuori täytettiin sitten täyteaineella, joka käsitti esi-35 merkin 2 mukaista sekoitusta, ja sen jälkeen käsittely eteni kuten esimerkissä 2, ja metallimatriisikomposiitilla oli yhtä hyvät muoto-ominaisuudet.

45 8901 5

Esimerkki 4

Mallikuori muodostettiin kuten esimerkissä 3, paitsi että ennen polttamista kuoren ontelon pinnalle suihkutettiin 5 korkean lämpötilan alumiinimaalia, jota saadaan Sherwin-Williams Co:lta ja myydään nimellä Hi-Enamel Aluminum Color Spray Paint. Maali käsittää No.2 alumiinitahnaa piidiok-sidiperusaineessa. Maalattu mallikuori poltettiin sitten noin kahden tunnin ajan, mutta muutoin samoin kuin 10 esimerkissä 3. Jatkokäsittely tehtiin kuten esimerkissä 3.

Tuloksena oleva muoto, ts. poistettavan valusydämen muo-totarkkuus ja tuloksena olevan metallimatriisi-komposiit-tikappaleen tarvittavan pintaviimeistelyn puuttuminen oli-15 vat vielä paremmat kuin esimerkeissä 1-3 muodostetuilla kappaleilla.

20 25 30 35

Claims (12)

46 8901 5

1. Menetelmä metallimatriisikomposiitin valmistamiseksi, tunnettu siitä, että siinä: muodostetaan mallikuori, jossa on ontelo, päällystämällä 5 poistettava valusydän aineella, joka saatetaan itsekanta-vaksi, ja poistamalla valusydän niin, että saadussa malli -kuoressa ontelon muoto oleellisesti vastaa poistetun va-lusydämen alkuperäistä muotoa; järjestetään onteloon oleellisesti ei-reagoivaa täyte-10 ainetta; ja saatetaan sula matriisimetalli spontaanisesti tunkeutumaan ainakin osaan täyteainetta.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu 15 siitä, että se lisäksi käsittää vaiheen, jossa järjestetään tunkeutumisatmosfääri yhteyteen ainakin täyteaineen ja/tai matriisimetallin kanssa ainakin osaksi tunkeutumis-jaksoa.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että se lisäksi käsittää vaiheen, jossa syötetään ainakin tunkeutumisen edistäjän edeltäjää ja/tai tunkeutumisen edistäjää ainakin matriisimetalliin ja/tai täyteaineeseen ja/tai tunkeutumisatmosfääriin. 25

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että täyteaine käsittää ainakin yhtä ainetta, joka valitaan ryhmästä, joka käsittää jauheita, hiutaleita, mikrokuulia, kuitukiteitä, kuplia, kuituja, hiukkasia, 30 kuitumattoja, katkaistuja kuituja, kuulia, pellettejä, pieniä putkiaihioita ja tulenkestäviä kankaita.

5. Patenttivaatimuksen l tai 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että valusydän päällystetään tulenkestävällä 35 aineella.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että poistettava valusydän käsittää vahamuotin. 47 8901 5

7. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että poistettava valusydän poistetaan mallikuoresta purkamalla uudelleen koottavissa oleva mallikuori osiin.

8. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että tulenkestävä aine käsittää ainakin yhtä seu-raavista: alumiinioksidi, piidioksidi ja piikarbidi.

9. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tunnettu 10 siitä, että poistettava valusydän päällystetään ainakin maalaamalla ja/tai suihkuttamalla ja/tai upottamalla.

10. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että se lisäksi käsittää vaiheen, jossa ontelo 15 päällystetään estoaineella sulan matriisimetallin spontaanin tunkeutumisen estämiseksi.

11. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että tunkeutumisatmosfääri on yhteydessä ainakin 20 täyteaineeseen ja/tai matriisimetalliin mallikuoren läpi.

12. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu - j i siitä, että se lisäksi käsittää vaiheen, jossa ainakin yksi toinen sula matriisimetalli saatetaan spontaanisesti 25 tunkeutiimaan ainakin osaan täyteainetta. 48 8901 5