FI89586B - Foerfarande foer att infoera mycket finfoerdelat fyllnadsaemne i en keramisk sammansatt artikel och produkt som framstaells med foerfarandet - Google Patents

Description

89586

Menetelmä hyvin hienon täyteainemateriaalin sisällyttämiseksi keraamiseen sekarakennekappaleeseen ja menetelmällä valmistettu tuote Förfarande för att införa mycket finfördelat fyllnadsämne i 5 en keramisk sammansatt artikel och produkt som framställs med förfarandet

Keksinnön kohteena on menetelmä täyteainemateriaalin hyvin hienojen 10 hiukkasten sisällyttämiseksi keraamiseen sekarakennekappaleeseen, joka käsittää olennaisesti toiminnallisesti inerttisen täyteaineen sisällytettynä hapettumisreaktiotuotteen keraamiseen matriisiin, joka keraaminen sekarakennekappale on tehty menetelmällä, joka käsittää seuraavat vaiheet : 15 (a) asetetaan perusmetallikappale ja täyteainetta oleva läpäisevä peti tai esimuotti vierekkäin perusmetallin ja hapettimen välisen hapettumisreaktiotuotteen suodattumiseksi täyteainetta olevaan läpäisevään petiin tai esimuottiin, jolloin läpäisevä täyteainepeti tai esimuotti on karkei-20 den hiukkasten aggregaatti tai näistä karkeista hiukkasista muodostettu esimuotti, ja käsittää ensimmäisen huokoisen järjestelmän, joka koostuu karkeiden hiukkasten välisestä karkeammasta huokoisuudesta tai väliti-]*·’; loista jakaantuneena koko täyteaineen hiukkasista muodostuvaan lä- päisevään petiin tai esimuottiin, 25 ; - (b) sulatetaan perusmetallikappale kaasufaasihapettimen läsnäollessa ja !. annetaan sulan metallin reagoida hapettimen kanssa hapettumisreaktio tuotteen muodostamiseksi kuumentamalla perusmetalli lämpötilaan, joka on • · perusmetallin sulamispisteen yläpuolella mutta hapettumisreaktiotuotteen 30 sulamispisteen alapuolella, ja sanotussa lämpötilassa pidetään ainakin osa hapettumisreaktiotuotteesta kosketuksessa sulan metallimassan ja · hapettimen kanssa näiden välillä, jotta sulaa metallia voi progressiivi- sesti vetäytyä hapettumisreaktiotuotteen läpi kohti hapetinta ja täyte--· ainetta siten, että hapettumisreaktiotuotteen muodostuminen jatkuu 35 täyteaineen pedissä tai esimuotissa hapettimen ja aikaisemmin muodostuneen hapettumisreaktiotuotteen välisellä rajapinnalla, ja jatketaan reaktiota niin kauan, että ainakin osa täyteainepedistä tai -esimuotista suodattuu.

2 89586

Keksintö koskee myös menetelmällä valmistettua tuotetta.

Lyhyemmin tämän keksinnön kohteena on keraamisten kappaleiden tuottaminen, jotka käsittävät tämän jälkeen määritettävät hapettumisreaktiotuot-5 teet. Tarkemmin sanottuna sen kohteena ovat menetelmät tällaisten kappaleiden valmistamiseksi perusmetallin hapettumisreaktiolla kaasufaasiha-pettimen kanssa, jolloin muodostuu huokoista täyteainetta sisältävä keraaminen matriisi, sekä tällaisilla menetelmillä saatavat tuotteet.

10 Viime aikoina on esiintynyt huomattavaa kaupallista mielenkiintoa käyttää keraamisia materiaaleja lukuisissa teollisissa, mekaanisissa, sähköisissä ja rakenteellisissa komponenteissa, mikä johtuu näiden materiaalien hyödyllisistä ominaisuuksista, kuten niiden kovuudesta, kyvystä kestää korkeita lämpötiloja, kemiallisesta inerttisyydestä, sähköisestä sovel-15 lettavuudesta ja suhteellisen kevyestä painosta. Keramiikka tarjoaa hyödyllisiä vaihtoehtoja ja voi korvata metalleja monissa erilaisissa käyttökohteissa sekä mahdollistaa erilaisten uudentyyppisten komponenttien kehittämisen, joissa metallit tai muut materiaalit eivät ole sovellettavissa.

20

Keraamisten komponenttien kehittämiseen teknologisesti edistyneisiin käyttökohteisiin liittyy kuitenkin ongelmia. Tavanomaisiin keramiikanval-mistusmenetelmiin sisältyy haittoja, joita ovat sintrattavien jauheiden korkeat kustannukset, jauheen ominaisuuksien seoskohtaisen toistettavuu-25 den puute, huomattava kutistuminen sintrauksen yhteydessä ja taipumus säilyttää viat, joita muodostusmenettely synnyttää.

On tunnettua, että voidaan tuottaa keraamisia kappaleita, jotka ovat ha-pettumisreaktiotuotteita, jolloin esiastemetallin annetaan reagoida 30 hapettimen kanssa. Tässä yhteydessä termi "hapettumisreaktiotuote" tarkoittaa yhtä tai useampaa metallia missä tahansa hapettuneessa tilassa, jossa metalli (jota tämän jälkeen kutsutaan "perusmetalliksi") on luovuttanut elektroneja toiselle alkuaineelle, yhdisteelle tai näiden yhdistelmälle (tämän jälkeen "hapettimelle") tai sillä on ollut yhteisiä 35 elektroneja viimeksi mainittujen kanssa. Tämän määritelmän mukaisesti "hapettumisreaktiotuote" siis kattaa yhden tai useamman metallin ja 3 89586 hapettimen välisen reaktiotuotteen, joita ovat esimerkiksi happi, typpi, halogeeni, rikki, fosfori, arseeni, hiili, boori, seleeni, telluuri ja näiden yhdisteet tai yhdistelmät, kuten metaani, etaani, propaani, asetyleeni, eteeni, propyleeni (hiilen lähteinä) sekä seokset kuten ilma, 5 H2/H20 ja C0/C02. Esimerkkejä sopivista perusmetalleista ovat rajoituk sitta alumiini, sirkonium, titaani, pii, sinkki, hafnium ja tina.

Eurooppalainen patenttihakemus, joka on jätetty 15.3.1985 ja julkaistu 25.9.1985 numerolla 0 155 831 ja siirretty samoille hakijoille, kuvaa 10 prosessin keraamisten materiaalien tuottamiseksi sulan perusmetallin ja kaasufaasihapettimen välisellä hapetusreaktiolla, jossa perusmetalli kuumennetaan tietyllä alueella olevaan lämpötilaan (jossa perusmetalli on sulassa muodossa mutta hapettumisreaktiotuotteen sulamispisteen alapuolella) ilmakehässä, joka käsittää tai sisältää kaasufaasihapettimen. 15 Hapettumisreaktiotuotteen muodostuminen tapahtuu tai etenee sulan perusmetallin kulkiessa progressiivisesti oman, jo muodostuneen hapettumis-reaktiotuotteensa läpi ja lisähapettumisreaktiotuotteen muodostuessa samanaikaisesti progressiivisesti, jolloin saadaan aikaan hyödyllisen paksuuden omaava keraaminen kappale ilman siihen sisältyvää hapettumaton-20 ta metallia tai sen kanssa. Joissakin tapauksissa perusmetallin yhteydessä voidaan käyttää lisäainetta (esim. yhtä tai useampaa materiaalia, jota käytetään yhdessä perusmetallin kanssa), jolloin saadaan aikaan keramiikkaa muodostavan reaktion eteneminen toivotulla progressiivisella tavalla.

25 On myös tunnettua, että keraamisia sekarakenteita voidaan tuottaa suodattamalla hapettumisreaktiotuotetta täyteainetta olevaan läpäisevään petiin tai esimuottiin, kuten tapahtuu yllämainitun eurooppalaisen patenttihakemuksen prosessin mukaisesti. Tällä täyteaineella voi olla sama koostumus kuin muodostettavalla hapettumisreaktiotuotteella, tai sen koostumus voi . - 30 erota muodostuneen hapettumisreaktiotuotteen koostumuksesta. Perusmetal lin massa on laajassa pintakosketuksessa läpäisevän täyteaineen kanssa, ja kooste kuumennetaan kaasufaasihapettimen läsnäollessa siten, että käytettävä lisäaine (milloin sen käyttäminen on välttämätöntä tai hyödyllistä) on joko lejeerattu perusmetalliin tai sijoitettu perusmetallin 35 massan pintaan tai hajautettu koko täyteaineen massaan.

4 B9586

Kun keraamisia sekarakenteita tuotetaan tällä tavoin, toimintaolosuhteet valitaan siten, että saadaan aikaan progressiivinen suodattuminen ja reaktio tyypillisesti siihen mennessä, että läpäisevän massan suodattuminen hapettumisreaktiotuotteella on täydellinen. Jos reaktio etenee perus-5 metallin täydelliseen kulumiseen asti, tuotettu kappale voi olla kokonaan hapettumisreaktiotuotetta sekä huokoisuutta ja eristynyttä hapettumatonta metallia sekä mitä tahansa prosessiin sisältyvää täyteainetta. Jos perusmetallin reaktio ei ole täydellinen, reagoimaton perusmetalli voi olla hajautuneena tuotettuun kappaleeseen ja voi käsittää yhdistynyttä 10 metallia. Hapettumisreaktiotuote muodostuu monikiteisenä matriisina sisältäen täyteaineen, jolloin saadaan keraaminen sekarakenne sekä valinnaisesti reagoimatonta metallia ja/tai huokosia sekä täyteainetta.

Tällaisten menetelmien avulla on mahdollista tuottaa lähes lopullisen 15 muotoisia kappaleita. Jos esimerkiksi perusmetallin massaa ympäröi täyteaine-esimuotin läpäisevä massa tai olennaisesti inerttistä täyteainetta oleva hiukkasmainen peti ja se kuumennetaan hapettimen läsnäollessa, kunnes metalli on täydellisesti hapettunut, saatavalla keraamisella kappaleella on sisäinen ontelo, joka vastaa läheisesti alkuperäisen 20 perusmetallikappaleen alkuperäistä ulkoista konfiguraatiota. Jos itse läpäisevällä massalla on määritetty ulkoinen muoto, jonka reunalle hapettumisreaktiotuote voi ulottua, tuotettavalla keraamisella kappaleella on vastaava ulkoinen konfiguraatio.

25 Näihin prosesseihin liittyen on havaittu, että täyteaine voi käsittää hiukkasmaisia aggregaatteja, lankoja, kuituja, karvoja, kangaslamelleja ja vastaavia. Kehitystyö on keskittynyt hiukkasmaisiin aggregaatteihin alhaisista kustannuksista ja esimuotin valmistamisen helppoudesta johtuen. Hiukkasmaisten täyteaineiden yhteydessä tuotettavan keraamisen täy-30 teainesekarakenteen lujuus ja monet muut mekaaniset ominaisuudet ovat parantuneet täyteaineen hiukkaskokoa vähentämällä. Käytännössä on kuitenkin havaittu, että erittäin hienoista jauheista muodostetut raakamuodot (esi-muotit) pyrkivät sisältämään muodostusvikoja, jotka ovat paljon suurempia kuin max. hiukkaskoko ja rajoittavat materiaalin lujuutta. Raakamuotojen 35 läpäisevyys kaasulle vähenee lisäksi pienentyvän hiukkaskoon myötä, ja tämän vuoksi hapettumisnopeuden aikaansaama matriisin tunkeutuminen esi- s 89586 muottiin vähenee samalla tavoin. Joissakin tapauksissa tämä hapen puute johtaa ei-toivottujen ainesosien muodostumiseen (esim. alumiininitridi A1N), jotka myöhemmin hydrolysoituvat ja aiheuttavat lujuuden heikentymistä .

5

Keksinnön mukainen menetelmä on pääasiassa tunnettu siitä, että täyte-ainemateriaalin yksittäiset hyvin hienot hiukkaset sisällytetään keraamiseen sekarakennekappaleeseen täyteainepedin tai esimuotin muodossa, jonka sisältämät karkeat hiukkaset ovat agglomeraatteja, jotka puolestaan 10 koostuvat näistä stabiilisti yhdessä pysyvistä täyteainemateriaalin hyvin hienoista hiukkasista eli kristalliiteista, jolloin agglomeraateissa on toinen huokoinen järjestelmä, joka koostuu hiukkasten tai agglomeraattien sisäisestä yhtenäisestä huokoisuudesta, toisen huokoisen järjestelmän koostuessa samankokoisista huokosista kuin kristalliitit ja on rakenteel-15 lisesti stabiili läpäisevän täyteainepedin tai -esimuotin suodattumisen aikana ylläpidetyssä huokosia määrittävässä järjestelmässä.

Tämän keksinnön ensimmäisessä suoritusmuodossa käsitellään parannuksia menetelmään itsekantavan keraamisen kappaleen valmistamiseksi, jossa on 20 täyteaine sisällytettynä hapettumisreaktiotuotteen keraamiseen matriisiin, sijoittamalla perusmetallin massa ja täyteainetta käsittävä läpäisevä massa suhteessa toisiinsa siten, että mahdollistetaan hapettumisreaktiotuotteen kasvu ja suodattuminen läpäisevään massaan. Metallin massa on sulassa muodossa, ja se pidetään kosketuksessa kaasufaasihape-25 tinta käsittävän ilmakehän kanssa, joka reagoi sulan perusmetallin kanssa muodostaen hapettumisreaktiotuotteen, ja sulan metallin ollessa sopivalla lämpötila-alueella se kulkeutuu progressiivisesti hapettumisreaktiotuotteen läpi, jolloin se hapettuu tullessaan kosketukseen hapettimen kanssa muodostaen lisää monikiteisen keraamisen matriisin reaktiotuotet-30 ta. Tämän keksinnön mukainen parannus käsittää tällaisessa menetelmässä läpäisevän pedin käyttämisen, jolla on (i) ensimmäinen huokoinen järjestelmä, joka koostuu suhteellisen karkeista hiukkasten välisistä huokosista ja (ii) toinen, hiukkasten sisäisistä huokosista koostuva järjestelmä, jotka huokoset ovat hienoja hiukkasten välisiin huokosiin verrattuina ja 35 hajautuneita koko massan läpi. Hiukkasten sisäistä huokoisuutta sisältävä täyteaine on rakenteellisesti stabiili pedin suodattumisen aikana. Tämän 6 89586 karkeista ja hienoista huokosista koostuvan kaksoisjärjestelmän on havaittu takaavan hapettumisreaktiotuotteen tehokkaan samanaikaisen suodattumisen ja läpäisevän pedin kaasunläpäisevyyden.

5 Lähemmin sanottuna tässä keksinnössä täyteaine koostuu huokoisista agglo-meraateista, jotka koostuvat stabiilisti yhdessä pysyvistä pienemmistä hiukkasista tai kristalliiteista. Kristalliitit, jotka pysyvät kiinni toisissaan ja muodostavat agglomeraatit, määrittävät huokoisuuden, jota esiintyy kristalliittien välissä jokaisessa agglomeraatissa ja siihen 10 viitataan "hiukkasten sisäisenä huokoisuutena", kun taas karkeampi huokoisuus koostuu pedissä olevien agglomeraattien välisestä välitilasta, ja siihen viitataan termillä "hiukkasten välinen huokoisuus". Asian havainnollistamiseksi peti voi olla näiden agglomeraattien aggregaatti (esim. tiivistetty peti) tai näistä agglomeraateista valmistettu raaka-15 muoto tai esimuotti, jotka on sidottu yhteen esimerkiksi osittaisella sintrauksella.

Täyteaineen agglomeraatit, jotka ovat sopivia käytettäviksi tämän keksinnön yhteydessä ja tällä hetkellä kaupallisesti saatavilla, ovat yleisesti 20 ottaen muodoltaan pallomaisia ja kooltaan riittäviä käsittelyn helpottamiseksi. Niiden huokoisuus mahdollistaa hapettumisreaktiotuotteen ja kaasufaasihapettimen suodattumisen, minkä vuoksi ne eivät rajoita reaktionopeutta tai aiheuta ei-toivottujen faasien muodostumista hapen loppuessa reaktiorintamalta. Tällaisista agglomeraateista muodostetut 25 raakamuodot (esimuodot) ovat lisäksi jauhamattomia ja edullisesti vapaita suurista vioista ja epähomogeenisuudesta. Agglomeraattien kristalliitit ovat samanaikaisesti hyvin hienorakenteisia, ja vaikka niitä tämän menetelmän mukaisesti pidetään agglomeraattirakenteessa keraamisen matriisin kasvun aikana, juuri nämä hienot kristalliitit muodostavat 30 lopullisen tuotteen hyvin hienot täyteainehiukkaset. Tämän vuoksi ylläkuvattujen agglomeraattien käyttö läpäisevän pedin aikaansaamiseksi mahdollistaa täyteaineen hiukkaskoon (eli kristalliittikoon) toivotun hienouden saavuttamisen ilman vaikeuksia tai haittoja, joita on tähän mennessä kohdattu erittäin hienoista hiukkasista koostuvien petien tai esimuottien 35 yhteydessä.

7 89586

Agglomeraattien kristalliitit voivat itse olla missä tahansa sopivassa muodossa, esimerkiksi sama-akselisia tai karvojen tai levykkeiden muodossa. Laajimmassa merkityksessään "erittäin hienot hiukkaset" eli kristalliitit käsittävät tässä yhteydessä kuidut, ja agglomeraatit voivat olla 5 kuitukimppuja tai -liuskeita, jotka on joko yhdistetty säikeiksi tai esimuotiksi. Esimuotissa olevien kimppujen väliset suuremmat tilat muodostavat tässä tapauksessa hiukkasten välisen huokoisuuden, kun taas kunkin kimpun yksittäisten kuitujen väliset hienommat tyhjät tilat muodostavat hiukkasten sisäisen huokoisuuden.

10

Keksinnön lisäpiirteet ja edut käyvät ilmi tämän jälkeen esitettävästä yksityiskohtaisesta kuvauksesta sekä jäljempänä seuraavista piirustuksista .

15 Kuvio 1 on yksinkertaistettu kaaviomainen pystypoikkileikkauskuva uunissa olevasta upokkaasta, josta käy selville keksinnön mukaisen menetelmän esimerkkinä esitetyn suoritusmuodon suorittaminen;

Kuvio 2 on kuvion 1 mukainen kuva, joka havainnollistaa koostetta keksin-20 nön toisen, esimerkkinä esitettävän suoritusmuodon suorittamiseksi;

Kuvio 3 on skannauselektronimikrovalokuva jauhamattomista alfa-alumiini-oksidin hiukkasista tai agglomeraateista, jotka soveltuvat käytettäviksi täyteaineen hiukkasina tai agglomeraatteina huokoisen pedin tai esimuotin 25 aikaansaamiseksi keksinnön menetelmän mukaisesti;

Kuvio 4 on optinen mikrovalokuva toisista jauhamattomista alfa-alumiinioksidin hiukkasista tai agglomeraateista, jotka soveltuvat käytettäviksi täyteaineen hiukkasina tai agglomeraatteina keksinnön menetelmän mukai-30 sesti; ja

Kuvio 5 on mikrovalokuva jauhamattomista alfa-alumiinioksidin hiukkasista tai agglomeraateista metallilla suodattamisen jälkeen keksinnön menetelmän mukaisesti.

35 β 89586

Keksinnön menetelmää kuvataan kuten se on suoritettu menetelmän mukaisesti, joka on yleisesti tunnettu FI-patentista 83 630, jossa keraaminen kappale, joka käsittää hapettumisreaktiotuotteen keraamiseen matriisiin sisältyvän täyteaineen, muodostetaan asettamalla perusmetallin massa ja 5 läpäisevä täyteainemassa vierekkäin hapettumisreaktiotuotteen suodattumi-seksi läpäisevään massaan; kaasufaasihapettimen läsnäollessa perusmetallin massa sulatetaan ja annetaan sulan metallin reagoida hapettimen kanssa (sopivaan lämpötilaan kuumentamalla) muodostamaan hapettumisreaktiotuotteen, ja tässä lämpötilassa ainakin osa hapettumisreaktiotuottees-10 ta pidetään kosketuksessa sulan metallin ja hapettimen kanssa näiden välillä, jotta sulaa metallia voisi progressiivisesti vetäytyä hapettumisreaktiotuotteen läpi hapetinta ja täyteainetta kohti siten, että hapettumisreaktiotuotteen muodostuminen jatkuu täyteaineen massassa hapettimen ja aikaisemmin muodostuneen hapettumisreaktiotuotteen välisel-15 lä rajapinnalla, ja jatketaan reaktiota niin kauan, että saadaan suodatettua ainakin osa täyteaineen massasta, jolloin (keksinnön mukaisesti) läpäisevä massa käsittää ensimmäisen huokoisen järjestelmän, joka koostuu hiukkasten välisestä huokoisuudesta hajautuneena massaan, ja toisen huokoisen järjestelmän, joka koostuu hiukkasten sisäisestä huokoisuudesta 20 samalla tavoin jakautuneena massaan siten, että nämä huokoisuudet määritetään täyteaineen hiukkasiin tai näiden välille ja että ainakin toista huokoista järjestelmää määrittävän täyteaineen osat ovat rakenteellisesti stabiileja hapettumisreaktiotuotteen suodattamisen aikana ylläpidetyssä huokosia muodostavassa järjestelyssä.

25

Tarkemmin sanottuna keksintö kohdistuu erityisesti tässä menetelmässä läpäisevän massan (täyteineen pedin tai esimuotin) käyttöön, joka käsittää yhden seuraavista: 30 (a) minkä tahansa koostumuksen omaavasta hiukkasista tai agglomeraateista muodostuva aggregaatti tai esimuodostettu massa, joka on olennaisesti toiminnallisesti inerttinen perusmetallille tämän keksinnön mukaisen prosessin olosuhteissa. Itse kukin hiukkanen (tai agglomeraatti) muodostuu stabiileista yhdessä pysyvistä kristalliiteista eli erittäin hienois-35 ta hiukkasista, jotka muodostavat tämän huokoisen agglomeraatin, jotka kvistalliitit voivat olla sama-akselisia tai karvojen tai levykkeiden 9 89586 muodossa. Joitakin esimerkkejä tällaisista hiukkasista tai agglomeraa-teista esitetään seuraavassa: (i) kalsinoitu jauhamaton alumiinitrihydraatti, jonka hiukkaset (tai 5 agglomeraatit) säilyttävät matalan tiheyden omaavan alumiinioksiditrihyd- raatin ulkoisen koon ja muodon mutta ovat sisäisesti uudelleenkristal-lisoituneita alfa-alumiinioksidilevykkeiden yhteenkasvaneeksi verkostoksi. Koska trihydraatin tiheys on suunnilleen 2,4 g/cm3 ja alfa-alumiinioksidin tiheys on noin 4 g/cm3, nämä hiukkaset tai agglomeraatit ovat 10 tyypillisesti 50-prosenttisesti huokoisia. Alfa-alumiinioksidilevykkeiden eli -kristalliittien halkaisija vaihtelee alueella 0,5-5 mikronia riippuen kalsinointilämpötila-aikataulusta ja mineralisoijien lisäämisestä.

(ii) minkä tahansa kemiallisen koostumuksen omaavat sumutuskuivatut tai 15 agglomeroidut ja osittain sintratut hiukkaset tai kristalliitit, jotka ovat olennaisesti toiminnallisesti inerttisiä perusmetallille tämän keksinnön mukaisen prosessin olosuhteissa. Sama-akselisen tiheän jauheen tapauksessa yksittäisten sumutuskuivattujen hiukkasten tai agglomeraat-tien tyypillinen alkuperäinen avoin huokoisuus on noin 40-50 %. Huokoi-20 suutta voidaan vähentää noin 10-15 %:iin kalsinointimenetelmällä, mikä johtaa osittaiseen sintrautumiseen. 10-15 % huokoisuuden alapuolella huokoset ovat eristyneitä, eivätkä ne ole enää perusmetallin tai sen hapettumistuotteiden saavutettavissa.

25 (iii) sumutuskuivatut tai agglomeroidut metallijauheen hiukkaset tai kristalliitit, jotka ovat sitten reaktiosidottu joko nitridoinnilla tai hapettamisella. Pii-ja alumiininitridijauheet tuotetaan kaupallisesti jauhamalla tällä tavalla nitridoidut metallihiukkaset tai kristalliitit.

- - Tällä tavalla reaktiosidottujen hiukkasten tai kristalliittien huokoi- 30 suudet voivat vaihdella laajalti hapettamisprosessin tarkoista yksityiskohdista riippuen.

(iv) oksidiesiasteiden sumutuskuivattujen tai agglomeroitujen hiukkasten tai kristalliittien karbotermisellä pelkistämisellä muodostetut hiukka-35 set, agglomeraatit jne. Boridi-, karbidi- ja nitridijauheita ja -karvoja tuotetaan tällä tavoin kaupallisesti. Karbideja tuotetaan tyhjiössä tai ίο 8 9 58ό inerttisessä atmosfäärissä. Nitrideja muodostetaan ammoniakissa, muodos-tuskaasussa (joka tyypillisesti sisältää n. 96 % typpeä ja n. 4 % vetyä) tai typessä tapahtuvalla karbonitridoinnilla. Boridien valmistamiseksi B4C:tä tai B203:a käytetään boorin esiasteina. Tässä tapauksessa saavutet-5 tavissa on suuria tilavuusosia hiukkasten eli agglomeraattien sisäistä huokoisuutta CO/C02-kaasureaktiotuotteen päästämisen vuoksi. Voidaan saada aikaan suuri määrä kristalliittimuotoja, jotka vaihtelevat sama-akselisista muodoista korkea-asteisiin karvoihin asti (pituus paljon suurempi kuin halkaisija). TiB2:n yhteydessä on havaittu avoimia sienimäisiä 10 hiukkas- tai agglomeraattirakenteita, jotka soveltuvat erittäin hyvin reaktiiviseen suodattamiseen.

(b) kuitukimpuista tai liuskeista muodostetut esimuotit, jotka ovat joko säiekierrettyjä tai esimuotin muotoon kudottuja. Tässä tapauksessa 15 kimppujen väliset suuremmat tilat tuottavat "hiukkasten välisen huokoisuuden", (kts. sivu 6, rivi 13) kun taas kussakin kimpussa olevien yksittäisten kuitujen eli kristalliittien (hienojen hiukkasten) väliset hienot kanavat muodostavat "hiukkasten sisäisen huokoisuuden" (kts. sivu 6, rivi 11). Kuidut eli kristalliitit voivat jälleen koostua mistä tahansa 20 olennaisesti toiminnallisesti inerttisestä materiaalista. Reaktiiviset kuidut voidaan vaihtoehtoisesti päällystää olennaisesti toiminnallisesti inerttisellä ulkoisella päällysteellä.

Tulee ymmärtää, että kaikissa yllämainituissa tapauksissa keksinnön mu-25 kainen läpäisevä massa on tunnettu yhdistyneistä suhteellisen karkeista huokosista koostuvasta ensimmäisestä huokoisesta järjestelmästä ja yhdistyneistä hienommista huokosista koostuvasta toisesta huokoisesta järjestelmästä, jotka molemmat järjestelmät ovat hajautettuina massan läpi. Jos läpäisevä massa on huokoisista agglomeraateista koostuva aggregaatti tai 30 esimuodostettu massa, ensimmäinen huokoinen järjestelmä käsittää tyhjät välitilat tai hiukkasten välisen huokoisuuden (kts. sivu 6, rivi 13) (pedissä tai esimuotissa olevien viereisten agglomeraattien välillä), ja toinen huokoinen järjestelmä käsittää hiukkasten sisäisen huokoisuuden (kts. sivu 6, rivi 11) kussakin agglomeraatissa, joka määritetään tämän 35 agglomeraatin kristallittien välille. Jos läpäisevä massa koostuu kuitu-kimpuista tai -liuskeista olevista agglomeraateista, ensimmäinen huokoi- 11 89586 nen järjestelmä käsittää viereisten kimppujen väliset tyhjät tilat ja toinen huokoinen järjestelmä käsittää kussakin kimpussa olevien viereisten kuitujen väliset tyhjät tilat. Kussakin tapauksessa toisen huokoisen järjestelmän määrittämän täyteaineen osat ovat myös rakenteellisesti 5 stabiileja, jotta ne eivät kävisi läpi huokosia sulkevaa uudelleenjärjestelyä menetelmän suodattamisvaiheen aikana; näin ollen esimerkiksi kristallittien muodostamien agglomeraattien pedin tai esimuotin yhteydessä kunkin agglomeraatin yksittäiset kristalliitit pysyvät stabiilisti yhdessä toistensa kanssa huokosia määrittävässä järjestelmässä.

10 Täyteaine on olennaisesti toiminnallisesti inerttinen, mutta voi sisältää vähäisen osan yhdistettä, joka on pelkistettävissä perusmetallilla; jos esimerkiksi Ai on perusmetalli, täyteaine voi sisältää Si02:ta tai Si3N4:ä. Pelkistyvä kvartsipitoinen yhdiste voidaan lisätä jauheena toi-15 minnallisesti inerttiseen täyteaineeseen (esim. Al203 tai SiC) kvartsi-hiekan muodossa tai alumosilikaattimineraalin kuten saven muodossa.

Pelkistyvä yhdiste voi olla hajautettuna täyteaineen mineraaliainesosana, kuten Al203:n Na20-pitoisuutena, joka on tyypillisesti alueella 20 0,05-0,6 %, tai alumosilikaattimineraalien Si02-pitoisuutena (savet tai maasälvät), jotka voivat vaihdella alueella 40-60 %. Jälkimmäisessä tapauksessa täyteaineen Si02-pitoisuus alenisi 50 %:iin tai alemmaksi (eli vähäiseen määrään) sekoittamalla se inerttisen materiaalin kanssa. Pelkistyvä yhdiste voidaan myös muodostaa päällysteenä toiminnallisesti 25 inerttisen täyteaineen päälle joko saostamalla liuoksesta millä tahansa tunnetulla sol-gel -reitillä tai täyteaineen osittaisella hapettamisella, esimerkiksi hapettamalla ilmassa SiC 1300°C:ssa muodostamaan Si02-pääl-lyste kaikille täyteaineen hiukkasille.

30 Pelkistyvän yhdisteen käyttäminen täyteaineessa edistää suodattumisreak-tion ja yhtenäisen reaktiosuodatusrintaman yhtenäistä ja nopeaa alkamista. Pelkistyvä yhdiste voi olla yhtenäisesti jakautuneena (tai pelkistyvät yhdisteet voivat olla yhtenäisesti jakautuneina) täyteaineen petiin tai keskittyneinä täyteaineen ja perusmetallin väliseen rajapintaan.

35 12 B 9 5 8 ό Täyteaineeseen voidaan edelleen tehdä vähäisiä lisäyksiä sen kostutusomi-naisuuksien muuttamiseksi suhteessa sulaan perusmetalliin reaktio-olosuhteissa. Alkalimetalliyhdisteiden lisääminen pyrkii esimerkiksi edistämään täyteaineen kostutusta perusmetallilla. Na-, Li- ja K-yhdisteet ovat eri-5 tyisen sopivia.

Kuvioon 1 viitaten tämän menetelmän havainnollistavan suoritusmuodon mukaisesti perusmetallin massa (joka voi esimerkiksi käsittää alumiinin, piin, sirkoniumin, hafniumin, tinan tai titaanin) ja keksinnön mukainen 10 läpäisevä massa (kuten yllä on kuvattu) sijoitetaan toistensa viereen ja asetetaan suhteessa toisiinsa siten, että hapettumisreaktiotuotteen kasvu tapahtuu kohti läpäisevän massan täyteainetta, jotta täyteaine tai osa siitä suodattuu kasvavalla hapettumisreaktiotuotteella ja sulkeutuu sen sisään. Tämä perusmetallin ja täyteaineen sijoittaminen ja asettaminen 15 toisiinsa nähden on yleisesti tunnettu FI-patentista 83 630 ja voidaan saada aikaan grafiittiupokkaalla 10 tai vastaavalla upottamalla yksinkertaisesti perusmetallin 11 massa läpäisevään massaan, joka käsittää hiukkasmaisen täyteaineen pedin 12 kuvion 1 mukaisesti tai sijoittamalla perusmetallin yksi tai useampi massa läpäisevään massaan tai sen viereen, 20 joka massa käsittää täyteaineen pedin tai muun koosteen (esim. huokoisen raakapohjan tai esimuotin). Kooste järjestetään joka tapauksessa siten, että hapettumisreaktiotuotteen kasvu tapahtuu kohti täyteainetta ja että hapettumisreaktiotuote tunkeutuu ainakin täyteaineen osan läpi tai sulkee sen sisäänsä siten, että täyteainehiukkasten välinen tyhjä tila täyttyy 25 kasvaneella hapettumisreaktiotuotteen matriisilla.

Kun tarvitaan yhtä tai useampaa lisäainetta tai ne ovat toivottavia (selvitetty alla) edistämään tai helpottamaan hapettumisreaktiotuotteen kasvua, kuten on esitetty FI-patentissa 83 630, lisäainetta voidaan 30 käyttää perusmetallin päällä ja/tai perusmetallissa ja vaihtoehtoisesti tai lisäksi lisäainetta voidaan käyttää täyteaineen pedin tai esimuotin päällä tai sisällyttää se täyteaineen petiin tai esimuottiin.

Jos alumiinia tai sen seoksia käytetään perusmetallina ja happea sisältä-35 vää kaasua hapettimena tämän keksinnön mukaisessa prosessissa, lisäaineiden sopivat määrät voidaan lejeerata tai lisätä perusmetalliin, kuten 13 89 586 alla on yksityiskohtaisemmin kuvattu. Perusmetallin massa sijoitetaan tällöin upokkaaseen 10 tai muuhun tulenkestävään astiaan siten, että metallin pinta on alttiina astiassa olevan läpäisevän täyteaineen 12 viereiselle massalle tai ympäröi sitä hapettavan ilmakehän läsnäollessa 5 (joka on tyypillisesti ilma ympäröivän ilman paineessa). Saatava kooste kuumennetaan tämän jälkeen uunissa 14 sen lämpötilan kohottamiseksi alueelle, joka on tyypillisesti noin 850-1450°C tai mieluummin alueella 900-1350°C, riippuen täyteaineesta, lisäaineen tai lisäaineiden pitoisuuksista tai mistä tahansa näiden yhdistelmästä, jolloin perusmetallin 10 kulkeminen alkaa tapahtua oksidikalvon läpi, joka suojelee normaalisti alumiiniperusmetallia.

Perusmetallin ollessa jatkuvasti alttiina korkealle lämpötilalle ja kaasufaasihapettimelle perusmetalli hapettuu jatkuvasti muodostaen 15 jatkuvasti paksunevan monikiteisen reaktiotuotteen kerroksen. Kasvava hapettumisreaktiotuote kyllästää progressiivisesti läpäisevän viereisen täyteaineen yhdistyneen hapettumisraktiotuotteen matriisilla, joka voi sisältää myös hapettumattomia perusmetallin ainesosia ja muodostaa näin yhtenäisen sekarakenteen. Kasvava monikiteinen matriisi kyllästää täyte-20 aineen tai tunkeutuu sen läpi olennaisesti vakionopeudella (eli olennaisesti vakionopeudella suhteessa paksuuden lisäys aikaan nähden) edellyttäen, että riittävä ilmanvaihto (tai hapettavan atmosfäärin vaihto) - sallitaan uunissa, jotta siinä voidaan säilyttää suhteellisen vakio : : hapettimen lähde. Hapettavan atmosfäärin vaihto voidaan ilman tapauksessa 25 järjestää sopivasti uunissa 14 olevilla ilmanvaihtorei'illä 15 ja 16. Matriisin kasvu jatkuu, kunnes ainakin yksi seuraavista tapahtuu: (1) olennaisesti kaikki perusmetalli on kulutettu; (2) hapettava atmosfääri korvataan ei-hapettavalla atmosfäärillä, tyhjennetään hapettimesta tai poistetaan; tai (3) reaktiolämpötilaa muutetaan olennaisesti reaktioläm-30 pötila-alueen ulkopuolelle, esimerkiksi perusmetallin sulamispisteen alapuolelle. Tavallisesti lämpötilaa pienennetään alentamalla uunin lämpötilaa, jonka jälkeen materiaali poistetaan uunista.

Kuvion 1 havainnollistavassa suoritusmuodossa alkuperäinen perusmetalli 35 on kiinteä ja poikkileikkaukseltaan neliapilan muotoinen, ja se on upotettu läpäisevään massaan, joka koostuu huokoisten täyteaineagglo- 14 89 5 86 meraattien tiivistetystä pedistä. Kuviossa 1 näkyvät olosuhteet, jotka vallitsevat osittain läpi koko suodattamisvaiheen. Lähtöperusmetallin massa on sulatettu ja hapettumisreaktiotuote on suodattunut läpäisevän massan 12 vyöhykkeeseen 18 jättäen jälkeensä tilavuuden 20, jonka on 5 alunperin täyttänyt kiinteä perusmetallin massa ja joka on ainoastaan osittain jäljelle jääneen sulan perusmetallin 11 täyttämä. Vyöhyke 18 sisältää tuotemuodon, joka koostuu hapettumisreaktiotuotteen suodattamasta täyteaineesta ympäröiden ja määrittäen onteloa (tilavuutta 20), joka suurin piirtein toistaa lähtöperusmetallin massan alkuperäisen muodon.

10 Tämän menetelmän mukainen tuote on jäykkä, yhtenäinen kiinteä kappale, joka muodostuu läpäisevän massan alkuperäisestä inerttisestä täyteaineesta sekä monikiteisestä hapettumisreaktiotuotteesta, joka on muodostunut siihen välitiloja muodostavasti kuumennusvaiheen aikana, ja mistä tahansa 15 mahdollisesti läsnäolevasta reagoimattomasta perusmetallista. Monissa tapauksissa alkuperäisessä perusmetallin massassa oleva metallin määrä suositellaan valittavaksi siten suhteessa läpäisevän massan välitiloihin tai huokostilavuuteen, että reaktion loppuvaiheessa jälkimmäinen tilavuus täyttyy täysin reaktiotuotteella (reagoimattoman perusmetallin kanssa tai 20 ilman sitä); tuotettu kappale on näin tiheä, itsesitoutunut olennaisesti huokoseton kappale, joka koostuu hapettumisreaktiotuotteen monikiteiseen matriisiin sisältyvän alkuperäisen läpäisevän massan inerttisestä täyteaineesta, joka reaktiotuote on muodostunut kuumennusvaiheen aikana, sekä mistä tahansa mahdollisesti läsnäolevasta reagoimattomasta perusmetallis-25 ta.

Jälkimmäisessä tapauksessa ylijäämämetalli voi olla joko eristynyttä tai yhdistynyttä. Makroskooppisesti ylijäämämetalli voi olla myös läsnä keraamisen kappaleen jollakin ulkoisella pinnalla tuottaen hyvin sitoutu-30 neen metallis-keraamisen rajapinnan. Tällä tavoin voidaan tuottaa kera-miikkapintaisia metallisia ainesosia, jotka saavat lujuutta metallisesta keernastaan sekä kovuutta, syöpymisenkestävyyttä ja/tai muita ominaisuuksia keraamisesta pintakerroksesta.

35 Tämä menetelmä, jossa käytetään hyväksi huokoista esimuottia tai täyteaineen petiä, mahdollistaa sen, että lähes lopullisen muotoisia keraamisia is 8 9 586 komponentteja voidaan saada helposti aikaan. Tuotetun kappaleen ulkoisen pinnan konfiguraatio voidaan määrittää määrittelemällä sopivasti läpäisevän massan alkuperäinen ulkoisen pinnan konfiguraatio (jos viimeksi mainittu massa on hiukkasista eli agglomeraateista koostuva tiivistetty 5 peti) esimerkiksi rajaamalla tiivistetty peti sopivalla muodon määrittävällä rajoittimella, joka rajoittaa reaktiotuotteen kasvua. Jos oletetaan, että alkuperäisessä perusmetallin massassa oleva metallin määrä on suhteutettu siten läpäisevän massan välitilojen tilavuuteen, että jälkimmäinen suodattuu täysin hapettumisreaktiotuotteella kuumennusvaiheen 10 aikana ja että kuumennusvaihetta jatketaan, kunnes tällainen täydellinen suodattuminen on tapahtunut, ja jos edelleen oletetaan, että läpäisevä massa ympäröi tai olennaisesti ympäröi perusmetallin massaa, tuotetulla kappaleella on tyhjä tila tai ontelo, joka vastaa perusmetallin massan aikaisemmin täyttämää tilavuutta ja toistaa perusmetallin massan ulkoisen 15 pinnan konfiguraation. Jos oletetaan, että perusmetallin määrä on riittävä saamaan aikaan läpäisevän massan välitilavuuden täydellisen täyttämisen hapettumisreaktiotuotteella, tuotettu kappale on yhtenäinen kiinteä kappale (huokosilla varustettuna tai ilman niitä), jolla on alkuperäisen läpäisevän massan ulkoinen muoto.

20

Kuviossa 2 esitetään tämän menetelmän vaihtoehtoinen suoritusmuoto kappaleen tuottamiseksi, joka on samanlainen kuin kuvion 1 suoritusmuodon --- mukaisesti tuotettu kappale. Kuviossa 2 tulenkestävässä upokkaassa 10 on tuettuna läpäisevä massa 12a, joka käsittää täyteaineen esimuotin keksin-: 25 nön mukaisesti ja joka vastaa konfiguraatioltaan toivotun tuotteen kappaleen muotoa. Esimuotti voi esimerkiksi olla täyteaineen kristallii-teista muodostuvien huokoisten agglomeraattien massa siten, että agglome-raatit on sidottu toisiinsa (esim. sintrauksella) muodostamaan valittu muoto, joka tässä tapauksessa määrittää poikkileikkaukseltaan neliapilan 30 muotoisen sisäisen, alunperin tyhjän ontelon 18a. Perusmetallin 11a massa on alunperin tuettu tulenkestävään säiliöön 24 upokkaan yläpuolelle, ja se on alaspäin yhteydessä esimuotin ontelon 18a kanssa aukon 26 kautta, joka on samalla kohdalla kuin esimuotissa oleva reikä 28. Kuvio 2 esittää tämän menettelyn lähtökoosteen siten, että upokas 10 on sijoitettu uuniin 35 14 (selvitetty aiemmin kuvion 1 yhteydessä) ennen kuumentamisen aloitta mista.

16 8 9586

Kuumentamisen edetessä ja ilman tai muun kaasufaasihapettimen atmosfäärin kiertäessä jatkuvasti ilmanvalhtoreikien 15 ja 16 kautta esimuotin läpäisemiseksi, metalli 11a sulaa ja täyttää esimuotin ontelon siten, että ha-5 pettumisreaktiotuote suodattuu esimuotin massaan. Lisäaine, jos sitä tarvitaan tai halutaan käyttää, voi olla joko lejeerattuna perusmetalliin tai päällysteenä esimuotin sisäpinnalle tai hajautettuna läpi koko esimuotin. Lopullinen tuote on kuten aikaisemminkin jäykkä keraaminen kappale, joka sisältää esimuotin muodossa olevan täyteaineen hapettumis-10 reaktiotuotematriisissa sekä reagoimatonta metallia ja/tai huokosia tai ei sisällä kahta viimeksimainittua.

Jotta voidaan edelleen havainnollistaa keksinnön menetelmää erityisissä suoritusmuodoissa (ja tiettyjä tarkoituksia varten, jotka ovat erityisen 15 suositeltavia tai sopivia), käytetään läpäisevää massaa (täyteaineen petiä tai esimuottia), joka käsittää jauhamattomien huokoisten alfa-alumiinioksidin hiukkasten tai agglomeraattien muodostaman aggregaatin tuotettuna metallurgisen alumiinioksiditrihydraatin kalsinoinnllla, jotka hiukkaset tai agglomeraatit kukin käsittävät alfa-alumiinioksidikristal-20 Hittien muodostaman agglomeraatin. Tällaiset hiukkaset tai agglomeraatit ovat kaupallisesti saatavilla, ja niitä myydään kauppanimellä "Alcan C-70 Series" -alumiinioksidit, nimittäin C-70-, C-71-, C-72-, C-73- ja C-75 -- alumiinioksidit. Kuvio 3 on skannauselektronimikrovalokuva Alcan C-70 - : alumiinioksidista, ja kuvio 4 on optinen mikrovalokuva Alcan C-72 - - ; 25 alumiinioksidin jauhamattomista huokoisista hiukkasista tai agglomeraa- teista. Alcan C-70 -alumiinioksidien ominaisuudet on esitetty seuraavassa taulukossa: 17 8 9586

ALCAN C-70 -SARJAN JAUHAMATTOMIEN KALSINOITUJEN ALUMIINIOKSIDIEN OMINAISUUDET

KEMIALLISET OMINAISUUDET C-70 C-7I C-72 C-73 C-75 5 _

Na20 % - tyypillinen 0,40 0,18 0,13 0,12 0,05 - max. 0,60 0,30 0,20 0,20 0,08

Uutettava Na20, % 10 - tyypillinen 0,03 0,01 - max. 0,06 0,03

SiOz, % - tyypillinen 0,03 0,03 0,03 0,04 0,02 -max. 0,05 0,05 0,05 0,07 0,05 15 Fe203, % - tyypillinen 0,03 0,03 0,03 0,03 0,03 - max. 0,05 0,05 0,05 0,06 0,05

Ominaispinta-ala m2/g 0,5-0,7 0,5-0,7 0,5-0,7 0,3-0,5 0,5-0

Pienin kristalliittikoko μπι 2-3 2-3 2-3 3-5 1,5-3 20 Koosteen irtonainen tiheys g/cm3 0,8 (50) 0,8 (50) 0,8 (50) 1,0 (63) 0,7 (44)

Koosteen tiivistetty tiheys, g/cm3 1,1 (69) 1,1 (69) 1,1 (69) 1,3 (80) 1,0 (63) 25 * Raakatiheys, g/cm3 2,10 2,10 2,10 2,30 2,20

* Kuumennettu tiheys 1620°C

g/cm3 3,65 3,70 3,71 3,60 3,80 * Lineaarinen kutistuma, % 14 14 14 12 16 30 Kumulatiivinen agglomeraatti eli hiukkaskokoj akauma -Märkäseulonta Tylerin seulalla 35 seulamitta +100, % (- 150 mikronia) 10 seulamitta +200, % (- 75 mikronia) 60 seulamitta +325, % (- 45 mikronia) 97 . . seulamitta -325, % (- 45 mikronia) 3 40 (*) Nämä alumiinioksidin ominaisuudet määritetään seuraavasti: 125 g alumiinioksidia jauhetaan 4000 g:n kanssa 2,54 cm (1 tuuman) hal-kaisijaisia alumiinioksidikuulia 4,9 litran (1,3 gallonan) myllyssä 4 45 tunnin ajan nopeudella 62 kierrosta minuutissa. Raakatiheys määritetään 10 g:n levyllä, joka on puristettu 34,5 MPa (5000 psi:ssä) 2,54 cm (yhden tuuman) muotissa ilman sideainetta. Kuumennettu tiheys ja kutistuma määritetään Alcan-menetelmällä 1074-71. Ominaispinta-ala määritetään BET-menetelmällä.

50 ie 89 586

Alcan C-70 -sarjan alumiinioksideja, jotka kaikki soveltuvat tämän prosessin harjoittamiseen, tuotetaan kalsinoimalla Bayerin prosessin mukaista alumiinioksiditrihydraattia (tarkemmin sanottuna alumiinitrihydrok-saattia) kiertouuneissa. Lähtötrihydraatti on hiukkasmaisessa muodossa.

5 Kalsinoinnin aikana yhtynyt vesi ajautuu pois ja muodostunut oksidi kulkee useiden välivaiheiden läpi, kunnes saavutetaan stabiili alfa-alumiini oksi di rakenne. Pienten mineralisointiaineiden lisääminen kalsinoinnin aikana kiihdyttää muuntumista alfa-alumiinioksidiksi ja edistää alfakristallien kasvua. Alumiinioksidin hiukkaskoko (tai agglomeraattiko-10 ko) määritetään Bayerin prosessin hydraattisaostumisvaiheen aikana, mutta alfa-alumiinioksidin kristalliittikoko kehitetään kalsinointiprosessin aikana. Vaikka alumiinioksiditrihydraattiesiaste on ominaispainoltaan 2,42 g/cm3 oleva huokoseton materiaali ja irtotiheydeltään noin 1,3 g/cm3, saatava jauhamaton alfa-alumiinioksidi on yksikristallisista levykkeiden 15 muodossa olevista kristalliiteistä koostuva huokoinen agglomeraatti (avoin hilarakenne) ominaispainoltaan 3,98 g/cm3 ja irtotiheydeltään ainoastaan noin 1 g/cm3. Nämä alumiinioksidit ovat 95-100 -prosenttisesti alfa-alumiinioksidia, ja niiden häviö hehkutettaessa on vähemmän kuin 0,1 %. Mikä tahansa läsnä oleva ei-uutettava sooda on beeta-alumiinioksidin, 20 Na20.llAl203:n, muodossa. C-70 -sarjan hienot alumiinioksidit eroavat toisistaan kristallikooltaan ja soodapitoisuudeltaan siten, että soo-dapitoisuuden vähenemiseen vaikuttaa (kaikkien muiden paitsi C-70 -alumiinioksidien yhteydessä) kalsinoinnin aikana tapahtuva sopiva käsittely.

25 Vaikka tällaisten alumiinioksidien tyypilliseen tämänhetkiseen kaupalliseen käyttöön sisältyy kalsinoitujen huokoisten hiukkasten tai agglome-raattien jauhaminen, hiukkasten tai agglomeraattien käyttäminen jauhamat-tomassa muodossa edistää merkittävästi tämän keksinnön etujen saavuttamista. Kukin näistä jauhamattomista hiukkasista tai agglomeraateista on 30 stabiili, yleensä pallomainen monikiteinen rakenne kooltaan noin useita kymmeniä mikroneja, joka pysyy yhdessä avoimen verkoston muodossa, jossa on olennaisesti tasaisesti jakautuneita huokosia ja jossa kristalliittien väliset huokoset ja kristalliittien koot ovat samat. Kukin jauhamaton hiukkanen on täten kristalliiteistä koostuva huokoinen agglomeraatti 35 siinä merkityksessä kuin termiä "agglomeraatti" on tässä yhteydessä käytetty. Jauhamattomat huokoiset hiukkaset eli agglomeraatit ovat 19 89586 helposti käsiteltävissä ja helposti koottavissa tiivistetyiksi pedeiksi tai huokoisiksi esimuoteiksi, joissa ei ole suuria vikoja tai epähomo-geenisuuksia. Yksittäisistä jauhamattomista hiukkasista tai agglomeraa-teista koostuva, stabiilisti yhdistynyt kristalliittirakenne pitää yllä 5 kristalliittien järjestystä ennen matriisin (hapettumisreaktiotuotteen) kasvua ja sen aikana ja säilyttää koostetun pedin tai esimuotin avoimen huokoisuuden taaten kaasufaasihapettimen riittävän läpäisemisen, kunnes matriisin muodostuminen on täydellinen.

10 Tämän menetelmän ja vastaavien menetelmien yhteydessä kasvaneen moniki-teisen matriisin mikrorakenteen kokoa hienonnetaan vähentämällä pedissä tai esimuotissa olevien täyteainehiukkasten kokoa järjestämällä ne kristalliittien muodostamaksi agglomeraateiksi, jotka muodostavat täyte-aineaggregaatin. Hienon matriisimikrorakenteen saavuttamiseksi on näin 15 ollen käytettävä erittäin hienoa täyteainehiukkaskokoa. Jauhamattornissa huokoisissa alumiinioksidihiukkasissa eli -agglomeraateissa olevat alfa-alumiinioksidin erittäin hienot yksittäiset kristalliitit, esimerkiksi Alcan C-70-sarjan alumiinioksidit, määrittävät kasvaneen matriisin mikrorakenteen hienouden huolimatta siitä, että täyteainepedin tai 20 esimuotin kukin jauhamaton hiukkanen tai agglomeraatti on monien kristalliittien paljon suurempi agglomeraatti, jota pidetään avoimessa raken-; teessä. Näin ollen kuvattujen jauhamattomien huokoisten hiukkasten tai agglomeraattien käyttäminen pedin tai esimuotin muodostamiseen mahdol-listaa sekä hienon matriisimikrorakenteen edellyttämän hiukkashienouden 25 että säilyvän läpäisevyyden ja homogeenisuuden (ei suuria vikoja), jotka tavallisesti yhdistetään suurempiin hiukkasiin.

Jauhamattomien huokoisten hiukkasten tai agglomeraattien kokoa voidaan säädellä valitsemalla trihydraattiesiasteen ja alfakristalliittien koko : ·' 30 kalsinointikaavion ja mineralisointiaineiden lisäämisen avulla, mikä on alan asiantuntijoille selvää. Vaikka monissa tapauksissa on hyödyllistä järjestää (tässä menetelmässä) täyteainepeti tai esimuotti, joka koostuu olennaisesti jauhamattomista huokoisista alfa-alumiinioksidihiukkasista tai -agglomeraateista muodostetusta aggregaatista ylläkuvatun mukaisesti, 35 aggregaatti voi sisältää myös pienen osuuden pienempiä huokoisia tai ei-huokoisia inerttisiä jauhemaisia hiukkasia tai kristalliitteja, jotka 20 8 9 586 valitaan esimerkiksi täyttämään suurempien jauttamattomien hiukkasten tai agglomeraattien väliset tilat (kooltaan tyypillisesti noin 10-20 mikronia). Tällaisia vähäisiä määriä hienoja hiukkasia tai kristalliitteja voidaan käyttää samalla tavoin keksinnön mukaisissa muissa läpäisevissä 5 massoissa.

Viitaten jälleen kuvioon 1, joka havainnollistaa tämän menetelmän käyttöä, alumiinimetallin 11 massa, johon on esimerkiksi lisätty tai päällystetty vähäisillä määrillä sopivia lisäaineita, kuten Mg ja Si, tai 10 päällystetty ohuella jauhekerroksella sopivaa lisäainetta, kuten MgO ja/tai piidioksidi, upotetaan Alcan C-70 -sarjan jauhamattomista huokoisista alfa-alumiinioksidihlukkasista tai agglomeraateista koostuvaan tiivistettyyn petiin 12 ja kuumennetaan ilmassa (hapetin) lämpötilaan, jossa metalli on sulassa muodossa ja jossa progressiivinen keraaminen 15 (alfa-Al203) kasvu tapahtuu tiivistettyyn petiin. Kuvio 5 on mikrovalokuva jauhamattomista Alcan C-70 -sarjan alfa-alumiinioksidihiukkasista tai -agglomeraateista tällaisen suodattavan keraamisen kasvun jälkeen. Kuumentamista jatketaan, kunnes hapettumisreaktiotuote läpäisee täydellisesti tiivistetyn pedin. Saatava kappale on jäykkä, itsekantava kappale, 20 joka käsittää täyteainehiukkasten tai agglomeraattien alfa-alumiinioksi-dikristalliitteja jakautuneina yhteenkasvaneen monikiteisen alfa-alu-miinioksidimatriisin läpi ilman reagoimatonta perusmetallia tai sen kanssa.

25 Varsinaisessa kokeessa esimuotteja tuotettiin liukuvalamalla jauhettuja Alcan C-70 -sarjan alumiinioksideja. Kun näihin esimuotteihin yritettiin kasvattaa Al203-matriisi käyttämällä sulaa alumiinia ilman ollessa hapet-.* timena, havaittiin, että kasvu oli hyvin hidasta. Näiden tulosten vastai sesti tällainen matriisin kasvu jauhamattomista Alcan C-70 -sarjan 30 alumiinioksidihiukkasista tai agglomeraateista koostuvaan petiin oli : huomattavaa yleisesti verrannollisissa prosessiolosuhteissa. Merkittävää oli, että jauhamattomista hiukkasista tai agglomeraateista koostuvassa pedissä Al203-matriisin kasvu ja mitkä tahansa läsnäolevat metalliset ainesosat täyttivät täysin huokoisten hiukkasten tai agglomeraattien 35 sisäosan tuottaen tiheän, hienon mikrorakenteen, joka soveltuu käytettäväksi rakennekomponenteissa.

2i 89586

Tietyissä suoritusmuodoissa keksinnön menetelmässä käytetään tietyllä tavalla hyväksi tai muunnetaan yleisempiä tekniikoita itsekantavan keraamisen kappaleen tuottamiseksi hapettamalla perusmetalli muodostamaan hapet-tumisreaktiotuotteen, kuten täten ennen on selvitetty yllä mainituissa 5 eurooppalaisissa patenttihakemuksissa ja/tai US-patentissa 4,713,360 nimellä Marc S. Newkirk et ai, jonka hakija on sama kuin tämän hakemuksen. Näissä tekniikoissa perusmetalli tarkemmin sanottuna kuumennetaan sulamispisteensä yläpuolella mutta hapettumisreaktiotuotteen sulamispisteen alapuolella olevaan korkeaan lämpötilaan, jotta voidaan muodostaa 10 sulan perusmetallin massa, joka kaasufaasihapettimen kanssa kosketukseen tullessaan reagoi muodostaen hapettumisreaktiotuotteen. Hapettumisreak-tiotuote tai ainakin se osa siitä, joka on kosketuksessa sulan perusmetallin massan ja hapettimen kanssa sekä näiden välillä, pidetään korkeassa lämpötilassa, ja sulaa metallia vetäytyy monikiteisen hapettumisreak-15 tiotuotteen läpi ja kohti hapetinta, ja kulkeutunut sula metalli muodostaa hapettumisreaktiotuotteen tullessaan kosketukseen hapettimen kanssa. Prosessin jatkuessa lisää metallia kulkeutuu monikiteisen hapettumisreaktiotuotteen läpi "kasvattaen" näin jatkuvasti yhdistyneistä kristal-liiteista koostuvaa keraamista rakennetta. Saatava keraaminen kappale 20 sisältää tavallisesti perusmetallin hapettumattomien ainesosien sulkeumia, jotka ovat vetäytyneet monikiteisen materiaalin läpi ja kiinteytyneet siihen, kun keraaminen kappale on jäähdytetty kasvuprosessin : loputtua. Kuten yhdessä tai useammassa yllä mainitussa patenttijulkaisus- sa on selvitetty, saatavat uudet keraamiset materiaalit tuotetaan perus-25 metallin ja kaasufaasihapettimen välisellä hapettumisreaktiolla, joka .· hapetin on höyrystynyt tai normaalisti kaasumainen, hapettavan atmosfää rin tuottava materiaali. Oksidin ollessa hapettumisreaktiotuotteena happea (mukaanlukien ilman) sisältävät happi- tai kaasuseokset ovat sopivia hapettimia, joista ilmaa tavallisesti suositaan sen taloudelli-30 suudesta johtuen. Hapettumista käytetään tässä yhteydessä kuitenkin sen :. laajassa merkityksessä, ja se viittaa metallin hapettimelle menettämiin tai sen kanssa jakamiin elektroneihin, joka hapetin voi olla yksi tai useampi alkuaine ja/tai yhdiste. Muutkin alkuaineet kuin happi voivat siis toimia hapettimena. Tietyissä tapauksissa perusmetalli voi vaatia 35 yhden tai useamman lisäaineen käyttöä, jotka voivat vaikuttaa suotuisasti keraamisen kappaleen kasvuun tai helpottaa sitä, ja lisäaineet voidaan 22 8 9 5 8 6 järjestää perusmetalliin sekoitettuina ainesosina. Esimerkiksi alumiinin ollessa perusmetallina ja ilman ollessa hapettimena, lisäaineet kuten magnesium ja pii, mainitaksemme ainoastaan kaksi lisäaineiden suuresta valikoimasta, lejeerattiin perusmetallina käytettyyn alumiiniseokseen.

5 Kuten aikaisemmin esitetyssä US-patentissa 4,853,352 nimellä Marc S. Newkirk et ai, jonka hakija on sama kuin tämän hakemuksen, on selvitetty, sopivat kasvuolosuhteet voidaan vaihtoehtoisesti saada aikaan lisäaineita vaativille perusmetalleille levittämällä ulkoisesti yhden tai useamman lisäaineen kerros perusmetallin pintaan tai pintoihin, jolloin vältetään 10 tarve lisätä perusmetalliin lisäaine, esimerkiksi metallioksideilla kuten magnesium, sinkki ja pii, alumiinin ollessa perusmetallina ja ilman ollessa hapettimena.

Yllä mainitut tekniikat mahdollistavat täten hapettumisreaktiotuotteiden 15 tuottamisen "kasvattamalla" ne yksinkertaisesti toivottuun paksuuteen, jota on tähän mennessä uskottu olevan vaikeata ellei mahdotontakin saavuttaa tavanomaisilla keramiikan prosessointitekniikoilla. Allaoleva metalli, joka on kohotettu tietylle, sen sulamispisteen yläpuolella olevalle lämpötila-alueelle lisäaineiden läsnäollessa (tarvittaessa), kulkeutuu 20 oman muutoin läpäisemättömän hapettumisreaktiotuotteensa läpi paljastaen näin tuore metalli hapettavalle ympäristölle, jotta voidaan tuottaa lisää hapettumisreaktiotuotetta. Tämän ilmiön tuloksena saavutetaan tiheän, yhdistyneen keramiikan progressiivinen kasvu, joka keramiikka sisältää valinnaisesti perusmetallin joitakin hapettumattomia ainesosia kasvuraken-25 teeseen jakautuneina.

Tähän keksintöön liittyvä erityistyyppinen menettely, joka on kuvattu US-patentissa 4,851,375 nimellä Marc S. Newkirk et ai, jonka hakija on sama kuin tämän hakemuksen, koskee menetelmää itsekantavan keraamisen sekara-30 kenteen tuottamiseksi käsittäen (1) perusmetallin, esim. alumiiniseoksen, hapettamisella saadun keraamisen matriisin, joka muodostaa monikiteisen materiaalin koostuen olennaisesti (i) perusmetallin ja kaasufaasihapetti-men (esim. hapen) välisestä hapettumisreaktiotuotteesta (esim. alfa-alumiinioksidista) ja valinnaisesti (ii) perusmetallin yhdestä tai useammas-35 ta hapettumattomasta ainesosasta; ja (2) matriisin sisäänsä sulkeman täyteaineen.

23 89586 Tämä menettely perustuu yleisesti siihen havaintoon, että perusmetallin hapettamisella yllä mainittujen tekniikoiden avulla saatavan monikiteisen materiaalin kasvu voidaan ohjata kohti toiminnallisesti inerttisen täyteaineen läpäisevää massaa, joka on sijoitettu perusmetallin viereen. Täy-5 teaine suljetaan ja upotetaan monikiteisen materiaalin kasvuun keraamisen sekarakenteen tuottamiseksi. Sopivissa prosessiolosuhteissa sula perusmetalli hapettuu ulospäin lähtöpinnaltaan (eli hapettimelle alttiina olevalta pinnalta) kohti hapetinta ja täyteainetta siirtymällä oman muutoin läpäisemättömän hapettumisreaktiotuoterakenteensa läpi. Hapettumisre-10 aktiotuote kasvaa täyteaineen läpäisevään massaan, joka voi käsittää jaetusta kiinteästä täyteaineesta koostuvan aggregaatin. Tällöin saadaan aikaan uusia keraamisia matriisisekarakenteita, jotka käsittävät täyteaineet sisäänsä sulkevan, monikiteisen keraamisen materiaalin tiheän matriisin.

15 Täyteaineen tai -aineiden massa tai aggregaatti sijoitetaan perusmetallin viereen siitä tapahtuvan hapettumisreaktiotuotteen kasvun oletetulle radalle. Täyteaine voi käsittää materiaalien irtonaisen tai sidotun koosteen tai järjestelyn, jossa koosteessa on välejä, aukkoja, välitiloja 20 tai vastaavia, jotka tekevät sen läpäiseväksi hapettimelle ja hapettumisreaktiotuotteen kasvulle. Täyteaine voi edelleen olla homogeeninen tai heterogeeninen, ja sen kemiallinen koostumus voi olla identtinen kas-vaneen hapettumisreaktiotuotteen matriisin kanssa tai erota siitä. Hapettumisreaktiotuotteen kasvusta saatavan monikiteisen materiaalin matriisi . 25 kasvatetaan yksikertaisesti täyteaineen ympärille, jotta se sulkisi jäl kimmäisen sisäänsä sitä olennaisesti häiritsemättä tai syrjäyttämättä. Näin ollen mukana ei ole mitään ulkoisia voimia, jotka voisivat vahingoittaa tai häiritä täyteaineen koostetta, eikä tarvita mitään hankalia ja kalliita korkealämpötilaisia, korkeapaineisia prosesseja ja laitteita, 30 joita tavanomaiset prosessit edellyttävät, tiheän keraamisen sekaraken-: teen saavuttamiseksi. Lisäksi kemialliseen ja fysikaaliseen yhteensopi vuuteen liittyvät tiukat vaatimukset, jotka liittyvät paineettomaan sint-raukseen keraamisten sekarakenteiden muodostamiseksi, vähenevät huomattavasti tai eliminoituvat.

35 24 8 9 5 8 6

Keraamisen matriisin kasvuprosessissa perusmetalli kuumennetaan sulamispisteensä yläpuolella mutta hapettumisreaktiotuotteen sulamispisteen alapuolella olevaan lämpötilaan muodostamaan sulan perusmetallin massan, jonka annetaan reagoida hapettimen kanssa hapettumisreaktiotuotteen 5 muodostamiseksi. Tässä lämpötilassa tai tällä lämpötila-alueella sulan metallin massa on kosketuksessa ainakin hapettumisreaktiotuotteen osan kanssa, joka ulottuu sulan metallin massan ja hapettimen välille. Sula metalli vetäytyy hapettumisreaktiotuotteen läpi kohti hapetinta ja kohti viereistä täyteainetta, jotta voidaan pitää yllä hapettumisreaktiotuot -10 teen jatkuvaa muodostumista hapettimen ja aikaisemmin muodostuneen hapettumisreaktiotuotteen välisellä rajapinnalla. Reaktiota jatketaan niin kauan, että ainakin osa täyteaineesta sulkeutuu hapettumisreaktiotuotteen sisään jälkimmäisen kasvun välityksellä muodostaen sekaraken-teen, jossa tuotteessa on perusmetallin hapettumattomien ainesosien 15 sulkeumia.

Tällaisten menetelmien avulla saatavat tuotteet soveltuvat yleensä tai valmistetaan, kuten työstämällä, hiomalla, kiillottamalla, jne., käytettäviksi kauppa-kappaleina, joiden on tässä yhteydessä tarkoitettu sisäl-20 tävän rajoituksitta teollisia, rakenteellisia ja teknisiä keraamisia kappaleita sovelluksissa, joissa sähköön, kulumiseen, lämpöön tai rakenteisiin liittyvät ominaisuudet tai piirteet ovat tärkeitä tai hyödyllisiä; niiden ei ole tarkoitettu sisältävän kierto- tai jätemateriaaleja, joita saattaa syntyä ei-toivottuina sivutuotteina sulan metallin prosessoin-25 nissa.

Tässä yhteydessä viittaus "hapettimeen", "kaasufaasihapettimeen" tai vastaavaan, joka tunnistaa hapettimen tietyn kaasun tai höyryn sisältäväksi tai käsittäväksi, tarkoittaa hapetinta, jossa tunnistettu kaasu tai höyry 30 on perusmetallin ainoa, hallitseva tai ainakin merkittävä hapetin käytettävässä hapettavassa ympäristössä vallitsevissa olosuhteissa. Vaikka esimerkiksi ilman pääainesosa on typpi, ilman happipitoisuus on perusmetallin ainoa tai hallitseva hapetin, koska happi on huomattavasti voimakkaampi hapetin kuin typpi. Tämän määritelmän mukaisesti ilma on sen vuok-35 si "happea sisältävä kaasuhapetin" mutta ei "typpeä sisältävä kaasuhape-tin" .

25 8 9 5 6ο Tässä yhteydessä käytettynä termi "perusmetalli" viittaa metalliin, esim. alumiiniin, joka on monikiteisen hapettumisreaktiotuotteen esiaste ja sisältää tämän metallin suhteellisen puhtaana metallina, kaupallisesti saa-5 tavana metallina epäpuhtauksineen ja/tai siihen lisättyine ainesosineen ja seoksena, jossa tämän metallin esiaste on pääainesosa. Vaikka keksintöä kuvataan tässä yhteydessä painottaen erityisesti alumiinia perusmetallina, muut tämän keksinnön kriteerit täyttävät metallit ovat myös sopivia, kuten pii, titaani, tina, sinkki ja sirkonium.

10 Tässä yhteydessä termi "keraaminen" ei rajoitu keraamiseen kappaleeseen termin klassisessa merkityksessä eli siinä merkityksessä, että se muodostuu kokonaan ei-metallisista ja epäorgaanisista materiaaleista, vaan pikemminkin se viittaa kappaleeseen, joka on pääasiassa keraaminen joko 15 koostumukseltaan tai hallitsevilta ominaisuuksiltaan, vaikka kappale voi sisältää huomattavia määriä perusmetallista saatua yhtä tai useampaa metallia, tyypillisimmin alueella noin 1-40 tilavuusprosenttia, mutta se voi sisältää enemmänkin metallia.

20 Kuten yhdessä tai useammassa yllä mainitussa patentissa on lisäksi esitetty, tietyissä lämpötilaolosuhteissa ja hapettavassa ympäristössä olevat tietyt perusmetallit täyttävät tämän keksinnön hapettumisilmiölle vaadittavat kriteerit ilman erityisiä lisäyksiä tai muutoksia. Perusmetallin yhteydessä käytettävät lisäaineet voivat kuitenkin vaikuttaa 25 suotuisasti hapettumisreaktioprosessiin tai edistää sitä.

Alumiiniperusmetallille hyödyllisiä lisäaineita erityisesti ilman ollessa hapettimena ovat esimerkiksi magnesiummetalli tai sinkkimetalli yhdessä toistensa kanssa tai yhdessä muiden alla mainittujen lisäaineiden kanssa. 30 Nämä metallit tai metallien sopiva lähde voidaan lisätä alumiinipohjai-seen perusmetalliin pitoisuuksina kullekin noin 0,1-10 painoprosenttia perustuen saatavan lisätyn metallin kokonaispainoon. Kunkin lisäaineen pitoisuusalue riippuu sellaisista tekijöistä kuin lisäaineiden yhdistelmä ja prosessilämpötila. Tällä alueella olevien pitoisuuksien on havaittu 35 aloittavan keraamisen kasvun, edistävän metallin kulkua ja vaikuttavan suotuisasti saatavan hapettumisreaktiotuotteen kasvumorfologiaan.

26 39586

Muita lisäaineita, jotka ovat tehokkaita edistämään monikiteisen hapettu-misreaktiotuotteen kasvua alumiinipohjaisissa perusmetallijärjestelmissä käytettäessä ilmaa tai happea hapettimena, ovat esimerkiksi pii, ger-5 manium, tina ja lyijy käytettynä erityisesti yhdessä magnesiumin tai sinkin kanssa. Yksi tai useampi tällainen muu lisäaine tai niiden sopiva lähde lejeerataan alumiiniperusmetallijärjestelmään pitoisuuksina kullekin noin 0,5-15 painoprosenttia kokonaisseoksen painosta; hyödyllisempi kasvukinetiikka ja kasvumorfologia saadaan kuitenkin lisäaineiden pitoi-10 suuksilla alueella noin 1-10 painoprosenttia kokonaisperusmetalliseoksen painosta. Lisäaineena lyijy lejeerataan yleensä alumiinipohjaiseen perusmetalliin ainakin 1000°C:en lämpötilassa, jotta voitaisiin kompensoida sen alhainen liukenevuus alumiiniin; muiden lisättyjen ainesosien, kuten tinan, lisääminen lisää kuitenkin yleensä lyijyn liukenevuutta ja sallii 15 lisättyjen materiaalien lisäämisen alemmassa lämpötilassa.

Olosuhteista riippuen voidaan käyttää yhtä tai useampaa lisäainetta, kuten yllä on selvitetty. Esimerkiksi alumiinin ollessa perusmetallina ja ilman ollessa hapettimena erityisen hyödyllisiä lisäaineiden yhdistelmiä 20 ovat (a) magnesium ja pii tai (b) magnesium, sinkki ja pii. Tällaisissa tapauksissa suositeltava magnesiumpitoisuus jää alueelle noin 0,1-3 painoprosenttia, sinkkipitoisuus alueelle noin 1-6 painoprosenttia ja piipitoisuus alueelle noin 1-10 painoprosenttia.

25 Lisäaineen toiminta tai toiminnot voivat riippua monista muistakin tekijöistä kuin itse lisäaineesta. Näitä tekijöitä ovat esimerkiksi käytettävä perusmetalli, toivottu lopputuote, lisäaineiden yhdistelmä kahta tai useampaa lisäainetta käytettäessä, ulkoisesti lisätyn lisäaineen käyttö yhdessä lejeeratun lisäaineen kanssa, lisäaineen pitoisuus, hapettava 30 ympäristö ja prosessiolosuhteet. Lisäaine tai lisäaineet voidaan (1) järjestää perusmetallin lisättyinä ainesosina, (2) lisätä ainakin osaan perusmetallin pinnasta tai (3) lisätä täyteaineeseen tai osaan täyteaine-pedistä, tai mitä tahansa kahden tai useamman tekniikan (1), (2) ja (3) yhdistelmää voidaan käyttää.

Keksintöä havainnollistetaan edelleen seuraavin esimerkein: 35 27 8 9 5 8 6

Esimerkki 1

Al-seos (10 % Si:tä, Mg:tä 3 %:iin asti) sijoitettiin hapettumisreaktio -tuotteen kasvattamiseksi Alcan C-72 -sarja jauhamattoman alumiinioksidin 5 petaukseen (kristalliittikoko 1,5-5 mikronia, agglomeroituna hiukkasko-koon 45-150 mikronia) ilman atmosfäärissä (happea käytettiin 100 %:iin asti). Reaktioaika ja -lämpötila vaihtelivat seuraavasti:

Aika (tunteja loppulämpötilaan): 2 Aika (tunteja loppulämpötilassa): 0-100 10 Lämpötila (C): 1100-1250

Seos: AI + 10 % Si + (0,0-3 %) Mg

Koekooste oli joko metallikuutiona, joka oli sijoitettu petaukseen metallin yläpinta paljastettuna reaktiiviselle kaasulle, tai metallikuu-15 tiona, joka oli upotettu täysin petaukseen (kaikki metallin pinnat kosketuksessa petauksen kanssa).

Kuviossa 5 on esitetty optinen mikrovalokuva saatavan kasvun poikkileikkauksesta. Tämän näytteen saamiseksi käytetyt koeolosuhteet olivat: 100 20 tuntia 1150°C:ssa, seos Al-10 % Si sekä MgO levitettynä lietteenä metallin pintaan ulkoisena lisäaineena. Kuviossa näkyy alumiinioksidihiukkanen tai agglomeraatti alumiiniseoksella suodatettuna. Hiukkanen tai agglomeraatti on Al-metallin ja alumiinioksidin kasvutuotteen ympäröimä.

25 Esimerkki II

Koekoosteessa käytetään kahta samankeskistä paksuseinämäistä upokasta, - - jotka on muodostettu samasta sekoituksesta ja samalla menetelmällä. Ul koisen upokkaan ulkohalkaisija on 3,8 cm ja sisähalkaisija 2,5 cm. Alu-30 miiniseosharkko nimelliskoostumukseltaan Al-3 %, Mg-10 % Si sijoitetaan suurempaan upokkaaseen, jonka jälkeen 2,5 cm:n ulkohalkaisijalla varustettu sisäupokas asetetaan paikoilleen. Sisäupokas toimii kelluvana kantena estäen siten kasvun harkosta vapaaseen ilmaan. Näin ollen hapettu-misreaktiotuotteen kasvu tapahtuu keraamiseen esimuottiin.

35 28 3 9 5 8 6

Valmistettiin eritiheyksisiä upokkaita sekoittamalla erilaisia osuuksia jauhettuja ja jauhamattomia Alcan C-72 alumiinioksideja. Jauhettu C-72 muodostuu yksittäisistä kristalliiteista, jotka on vapautettu jauhamatto-mista agglomeraattihiukkasista. Kristalliitit ovat levykkeiden muodossa, 5 jotka ovat halkaisijaltaan korkeintaan 5 mikronia ja paksuudeltaan noin 1 mikronin. Nämä jauheseokset sekoitettiin tämän jälkeen 5-painoprosent-tisen polyvinyylialkoholiliuoksen kanssa käyttäen ainoastaan niin paljon sideaineliuosta, että seos virtasi sitä kumimuoteissa liikutettaessa. Yleisesti sanottuna jauhamattoman alumiinioksidin osuuden lisääntyessä 10 sideaineliuoksen määrä lisääntyi samalla tavoin virtauksen sallimiseksi. Muotin liikuttaminen lopetettiin, kun ilmakuplien kehittymistä ei enää ollut havaittavissa. Muotit sijoitettiin tämän jälkeen yöksi jäädytti-meen, jotta valu voitiin poistaa muotista. Välittömästi tämän jälkeen valetut upokkaat sijoitettiin kuivatusuuniin 90°C:een liian veden poista-15 miseksi ja orgaanisen sideaineen kovettamiseksi. Lopuksi upokkaille annettiin biskittikuumennusta 1300°C:ssa kahden tunnin ajan orgaanisen sideaineen poistamiseksi ja riittävän korkealämpötilaisen lujuuden tuottamiseksi, jotta upokkaat voitiin myöhemmin asettaa alttiiksi sulalle alumiinille 1250°C:ssa. Metalliharkot ja kevyesti sintratut upokkaat 20 koostettiin ja kuumennettiin 1250°C:een 24 tunnissa ilmassa.

Kun MgOrta käytettiin lisäaineena, se lisättiin biskittikuumennuksen jälkeen täyttämällä suojaupokas metalliharkon korkeuteen vesipohjaisella MgO-lietteellä ja poistamalla liika määrä välittömästi. Kun Si-seostinta 25 käytettiin kiihdyttimenä, se lisättiin 100-verkkokokoisen jauheen muodossa C-72-alumiinioksidiseokseen.

Tulokset, jotka on ilmaistu alumiinin keskimääräisenä painoprosentin lisäyksenä versus keskimääräinen esimuotin tiheys, on esitetty seuraavassa 30 taulukossa.

29 89580 ο σι HnHOOmcom^n • σι vo -

G G H-»!·'· »innOrlMIIOONPI

-H 0) H O I» rl * »nNttCOtnNtt'O'f'f G I W <#> hm O CTi

H g M'-' I I oi I I I I I I I I I I

•H o >1 II I

g Cm 11 o mi r^MOr^oHMMcnn 3 ·Η W 3 * <o Ό1 * h ιβ·ΗΗ o - -in o -cciTtinTroH^r^cor- < OiH (0 Η<ίΊΉ<Κ»(ΝΗίΟΐηΜΗΜ^Νη

G

0) G tn •h >, ιϋ ·<« c P in

H :(0 -H

cmn •h e g ^ •H -H O <*> g X G vofOHOoooinvoinvoinvoHM^-co 3 U) -H ................

h 1) 3 OhOhMCOMeoininorfMfluiKJi < A H H H t" nHcOD'iHcO'fnn H 10

Ui >1 M O) « I X! _ 01 I -H -H^ w -h no +j e « ,* p o is m m c \ uvfOHHincooNinaiHMiiKjio 2 0):(0(1)01 g K ^ C hhhmhhhmhhhmhhhm en «e ,

W I O M

H I -h 31 3 rft *H :(Ö 3 3 (0 si X M 01—s aieJioi^^^oicooMenr-rOMOim S en (0 e -h <#> ................ o 2 <U :(0 <u O '— '(ιί^ΐ'ΡίΜ'ίσιοιΗοιηοίΗΟίίΐ > X g G X lovoin^r^voinTj-voioin^vovoir)·^· £ H <o en H (0 § 2 :(0=(0 :(0 =(0 :(0 :(0 :(0 =(0 S'

EH en rlrlrlrHrlHrlH P

EH en O H i—1 i—I iH 1—I rH r—( »-H *rH

< H 0> -H H -H -H -H -H -H -H >1 >1 >1 >1 >1 >1 >1 >1 O

a w s (ΐΐιΐιιιιικΒΦΐΐΗΐ^ϋϋϋΑίχι^ϋ -h O * >

O P

en« (0 z < #· e h en i —- h

En en o x O H 3 (0 (0 p > B in p gw -h -h in oooococococoooooeocoeoco -h hm -h tn-h o en en A o) P οοοο^^'ίΜ'οοοο^·^·'^·^· -n w o M :(0 O C (0

EH < \ O P

W EH 3 P H

P> h p ta :(0 z < P B in MK 0)0)3 r^moor-innor-innorrinroo -h W M Ό Λ X! en

En O A 3 3 ·· ..............................

K A 3 (0 (0 O O O O *

>h p en ·γι-m rriint^Hriinr^Hfnint^rHninr^H

30 89586

Tulokset osoittavat, että hapettumisreaktiotuotteen muodostumista vastaavat suuremmat painoniisäykset saatiin kaikissa tapauksissa huokoisemmil-la, vähemmän tiheillä täyteaineseoksilla, jotka on valmistettu suuremmilla jauhamattoman alumiinioksidin osuuksilla.

5

Esimerkki III

Al-10 % Si -seoksiset harkot upotettiin täysin jauhamattomista Alcan C-72 -alumiinioksidihiukkasista tai agglomeraateista koostuviin peteihin, 10 kuumennettiin 20°C:sta 1150°C:een kahdessa tunnissa, pidettiin 1150°C:ssa 100 tuntia ja jäähdytettiin ympäristön lämpötilaan 14 tunnin aikana. Yhdessä kokeessa ei käytetty lisäainetta ja mitään näkyvää kasvua ei havaittu. Toisessa kokeessa metalliharkko päällystettiin MgO:lla vedessä. Havaittavissa oli laajaa epäyhtenäistä kasvua.

15

Esimerkki IV

Al-10 % Si-3 % -seoksiset harkot upotettiin täysin jauhamattomista Alcan C-72 -alumiinioksidihiukkasista tai -agglomeraateista koostuviin petei-20 hin, ja näytteitä (harkko plus peti) kuumennettiin 1150°C:ssa 24 tuntia. Näytteiden alkuperäiset ja lopulliset painot ja käytetyt lisäaineet olivat seuraavat: Näyte Lähtöpaino Käytetty lisäaine Lopullinen 25 n:o (grammaa) paino (g) 1 2570 ei käytetty 2679 2 3111 maalattu vesipitoisella 6970

Na2Si205-liuoksella 30 3 2970 maalattu vesipitoisella 6578

Na2Si205 & MgO -liuoksella 4 2794 maalattu vesipitoisella 6394 vesi & MgO -liuoksella 3i 8 9 58 6

Tulee ymmärtää, että keksintö ei rajoitu yllä erityisesti esitettyihin piirteisiin ja suoritusmuotoihin, vaan sitä voidaan toteuttaa muillakin tavoilla sen hengestä poikkeamatta.

Claims (11)

32 3 9 5 8 6

1. Menetelmä täyteainemateriaalin hyvin hienojen hiukkasten sisällyttämiseksi keraamiseen sekarakennekappaleeseen, joka käsittää olennaisesti 5 toiminnallisesti inerttisen täyteaineen sisällytettynä hapettumisreak-tiotuotteen keraamiseen matriisiin, joka keraaminen sekarakennekappale on tehty menetelmällä, joka käsittää seuraavat vaiheet: (a) asetetaan perusmetallikappale ja täyteainetta oleva läpäisevä peti 10 tai esimuotti vierekkäin perusmetallin ja hapettimen välisen hapettumis- reaktiotuotteen suodattumiseksi täyteainetta olevaan läpäisevään petiin tai esimuottiin, jolloin läpäisevä täyteainepeti tai esimuotti on karkeiden hiukkasten aggregaatti tai näistä karkeista hiukkasista muodostettu esimuotti, ja käsittää ensimmäisen huokoisen järjestelmän, joka koostuu 15 karkeiden hiukkasten välisestä karkeammasta huokoisuudesta tai välitiloista jakaantuneena koko täyteaineen karkeimmista hiukkasista muodostuvaan läpäisevään petiin tai esimuottiin, (b) sulatetaan perusmetallikappale kaasufaasihapettimen läsnäollessa ja 20 annetaan sulan metallin reagoida hapettimen kanssa hapettumisreaktio- tuotteen muodostamiseksi kuumentamalla perusmetalli lämpötilaan, joka on perusmetallin sulamispisteen yläpuolella mutta hapettumisreaktiotuotteen sulamispisteen alapuolella, ja sanotussa lämpötilassa pidetään ainakin osa hapettumisreaktiotuotteesta kosketuksessa sulan metallimassan ja 25 hapettimen kanssa näiden välillä, jotta sulaa metallia voi progressiivisesti vetäytyä hapettumisreaktiotuotteen läpi kohti hapetinta ja täyteainetta siten, että hapettumisreaktiotuotteen muodostuminen jatkuu täyteaineen pedissä tai esimuotissa hapettimen ja aikaisemmin muodostuneen hapettumisreaktiotuotteen välisellä rajapinnalla, ja jatketaan reak-30 tiota niin kauan, että ainakin osa täyteainepedistä tai -esimuotista suodattuu, tunnettu siitä, että täyteainemateriaalin yksittäiset hyvin hienot hiukkaset sisällytetään keraamiseen sekarakennekappaleeseen 35 täyteainepedin tai esimuotin muodossa, jonka sisältämät karkeat hiukkaset ovat agglomeraatteja, jotka puolestaan koostuvat näistä stabiilisti 33 89586 yhdessä pysyvistä täyteainemateriaalin hyvin hienoista hiukkasista eli kristalliiteista, jolloin agglomeraateissa on toinen huokoinen järjestelmä, joka koostuu hiukkasten tai agglomeraattien sisäisestä yhtenäisestä huokoisuudesta, toisen huokoisen järjestelmän koostuessa samankokoisista 5 huokosista kuin kristalliitit ja on rakenteellisesti stabiili läpäisevän täyteainepedin tai -esimuotin suodattumisen aikana ylläpidetyssä huokosia määrittävässä järjestelmässä.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, 10 että agglomeraatit ovat: alfa-alumiinioksidin jauhamattomia huokoisia hiukkasia, jotka on tuotettu alumiinioksiditrihydraatin kalsinoinnilla ja joista kukin koostuu useista alfa-alumiinioksidikristalliiteista, joiden kidekoko on 0,5 - 5 μτα, tai agglomeraatit ovat sumu tus kuivattu ja tai agglomeroituja ja osittain sintrattuja inerttejä täyteainehiukkasia, 15 sumutuskuivattuja tai agglomeroituja metallijauhehiukkasia, jotka on reaktiosidottu nitridoinnilla tai hapettamisella tai oksidiesiasteiden karbotermisellä pelkistämisellä sumutuskuivattuja tai agglomeroituja hiukkasia.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että suurin paino-osa täyteaineen pedistä tai esimuotista muodostuu inerttistä materiaalia olevista agglomeraateista niiden ollessa jauhamat-tomien hiukkasten muodossa ja pienempi paino-osa käsittää toiminnallisesti inerttistä materiaalia olevia hiukkasia, jotka ovat pienempiä kuin 25 jauhamattomat agglomeraattihiukkaset.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, pienempien hiukkasten osuus on sellainen, että ne täyttävät olennaisesti välitilat agglomeraattien välillä, välitilojen ollessa osa ensimmäistä 30 karkeampaa huokosjärjestelmää.

5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että esimuotti on itsensäylläpitävän muodon omaava esimuotti, joka on koostettu sitomalla agglomeraatit yhteen. 35 34 89586

6. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunne t -t u siitä, että perusmetalli käsittää alumiinia.

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, 5 että hapetin käsittää ilmakehän happea ja hapetusreaktiotuote käsittää alfa-alumiinioksidia, joka käsittää valinnaisesti alumiiniperusmetallin hapettumattomia ainesosia.

8. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, 10 että hapetusreaktiotuotetta myös muodostuu ainakin osaan toista huokos- järjestelmää.

9. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että toinen huokosjärjestelmä on ainakin osittain suodattunut sulalla 15 perusmetallilla.

10. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että toinen huokosjärjestelmä on ainakin osittain suodattunut sekä hapetusreaktiotuotteella että sulalla perusmetallilla. 20

11. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukaisella menetelmällä tuotettu kappale. 35 3 9 5 8 6