FI90056B - Foerfarande foer framstaellning av en formad keramisk komponent genom att upprepa formen pao en modell som kan avslaegsnas - Google Patents

Description

90056

Menetelmä muotoillun keraamisen komponentin valmistamiseksi toistamalla poistettavan mallin muoto Förfarande för framställning av en formad keramisk komponent genom att upprepa formen pA en modell som kan avslägsnas 5

Keksinnön kohteena on menetelmä muotoillun keraamisen komponentin tuottamiseksi, joka käsittää perusmetallin ja kaasufaasihapettimen hapettu-10 misreaktiotuotteen.

Tämän keksinnön kohteena ovat laajalti ottaen menetelmät muotoiltujen keraamisten kappaleiden valmistamiseksi. Tarkemmin sanottuna keksinnön kohteena ovat menetelmät keraamisten kappaleiden valmistamiseksi, jotka 15 käsittävät perusmetallin ja hapettimen välisen hapettumisreaktiotuot-teen ja joiden valittu geometria muodostetaan siten, että toistetaan poistettavan mallin muoto.

Menetelmä keraamisen tuotteen kasvattamiseksi hapettamisreaktion avulla 20 on esitetty yleisesti hakijan US-patentissa 4,713,360 nimellä Marc S. Newkirk et ai ja nimeltään "Uudet keraamiset materiaalit ja menetelmät niiden valmistamiseksi". Tässä patentissa esitetään menetelmä itsekan-tavien keraamisten kappaleiden tuottamiseksi, jotka ovat kasvaneet pe-- . rusmetalliesiasteen hapettumisreaktiotuotteena, joita voidaan parantaa 25 käyttämällä lejeerattua lisäainetta. Sulan perusmetallin annetaan rea-' ' goida kaasufaasihapettimen kanssa muodostamaan hapettumisreak- tiotuotteen. Sopivalla lämpötila-alueella sulaa metallia vetäytyy vähitellen hapettumisreaktiotuotteen läpi ja kosketukseen hapettimen kanssa, jolloin voidaan jatkaa lisähapettumisreaktiotuotteen muodostamista 30 sekä keraamisen kappaleen muodostamista. Menetelmää parannettiin käyttämällä ulkoisia lisäaineita levitettyinä esiasteperusmetallin pintaan, kuten on esitetty hakijan US-patentissa 4,853,352 nimellä Marc S. New kirk et ai ja nimeltään "Menetelmät itsekantavien keraamisten materiaalien valmistamiseksi".

: · 35

Menetelmä keraamisen sekarakennetuotteen valmistamiseksi suodattamalla ‘ inerttinen täyteaine hapettumisreaktiotuotteella tuotettuna menetelmien mukaisesti, jotka on esitetty yllämainituissa patenteissa, on kuvattu 2 90056 hakijan US-patentissa 4,851,375 nimellä Marc S. Newkirk et ai ja nimeltään "Keraamiset sekarakennekappaleet ja menetelmät niiden valmistamiseksi". Näissä patenteissa esitetään uusi menetelmä keraamisen seka-rakenteen valmistamiseksi kasvattamalla hapettumisreaktiotuote inertti-5 seen täyteaineeseen siten, että täyteaineen massa sijoitetaan perusmetallin viereen ja perusmetallin annetaan reagoida ylläkuvatun hapettumisreaktion mukaisesti.

Rajoittimia voidaan käyttää olennaisesti ehkäisemään tai estämään ha-10 pettumisreaktiotuotteen kasvua, jotta voidaan helpottaa lopullisen muotoisen keraamisen tuotteen aikaansaamista. Tämä suoritusmuoto selvitettiin hakijan US-patentissa 4,923,823 nimellä Marc S. Newkirk et ai nimeltään "Menetelmä muotoiltujen keraamisten sekarakennekappaleiden valmistamiseksi käyttämällä rajoitinta".

15

Kaikkien yllämainittujen hakijan patenttien koko sisältöihin viitataan nimenomaan tämän hakemuksen yhteydessä.

On esiintynyt yhä lisääntyvää mielenkiintoa korvata metalleja keramii-20 kalla, koska keramiikka on tietyiltä ominaisuuksiltaan parempaa kuin metalli. Tämän korvaamisen yhteydessä tunnetaan kuitenkin useita rajoituksia tai vaikeuksia, joita ovat mitoittaminen, kyky tuottaa monimut-kaisia muotoja, lopulliselta käyttökohteelta vaadittavien ominaisuuksien täyttäminen sekä kustannukset. Ylläkuvattujen hakijan patenttien 25 avulla voitetaan monet näistä vaikeuksista tai rajoituksista ja esitetään uusia menetelmiä, joilla voidaan tuottaa luotettavasti keraamisia materiaaleja mukaanlukien sekarakenteet.

. . Kyky kasvattaa hapettusmireaktiotuote, jolla on määritetty muoto tai ; 30 geometria esimuotin ollessa poissa, tuottaa vieläkin tiettyjä vaikeuk sia. Hapettumisreaktiotuotteen prosessin jälkeinen muotoilu on monissa tapauksissa välttämätöntä muodon aikaansaamiseksi. Tässä keksinnössä esitetään luotettava menetelmä hapettumisreaktiotuotteen kasvattamiseksi ennaltamäärättyyn muotoon tai geometriaan.

35 3 90056 Tässä keksinnössä esitetään menetelmä keraamisen komponentin tuottamiseksi käsittäen sulan perusmetallin ja kaasufaasihapettimen hapettumisreaktio tuotteen, joka toistaa poistettavan mallin geometrian. Tätä keksintöä sovellettaessa perusmetallin massa sekä muodon määrittävällä 5 pinnalla varustettu poistettava malli järjestetään siten, että mallin muotoa määrittävä pinta sijaitsee ulospäin perusmetallikappaleesta. Tässä yhteydessä termi "poistettava" tarkoittaa, että malli koostuu materiaalista, kuten vahasta tai muovista, joka eliminoituu tehokkaasti prosessiolosuhteissa esimerkiksi kuumentamalla.

10

Keksinnön mukainen menetelmä on pääasiassa tunnettu siitä, että menetelmä käsittää seuraavaa: (a) asetetaan perusmetallin kappale ja poistettava malli, jolla on 15 muodon määrittävä pinta siten vierekkäin, että muodon määrittävä pinta on sijoitettuna ulospäin perusmetallin kappaleesta; (b) levitetään mukautuvaa materiaalia oleva kaasua läpäisevä päällyste mallin muodon määrittävälle pinnalle muodostamaan pinnan, joka on olen- 20 naisesti yhdenmukainen muodon määrittävän pinnan kanssa ja sen kanssa yhtä laajalle ulottuva sekä sijoitettu perusmetallikappaletta vasten siten, että poistettava malli määrittää perusmetallin ja sanotun yhtenäisen pinnan välisen tilavuuden, jolloin kaasua läpäisevällä mukau-• tuvaa materiaalia olevalla päällysteellä on luontaisesti itsesitoutuva 25 tukivyöhyke välittömästi muodon määrittävän pinnan vieressä ja sen kanssa yhtä laajalle ulottuvana, jolloin saadaan aikaan riittävä ko-heesiolujuus ja säilytetään yhdenmukaisen pinnan muoto, kun poistettava malli eliminoidaan haihduttamalla tai polttamalla tai muulla vastaaval-... la tavalla, jolloin kehittyy muottiontelo; 30 (c) kuumennetaan perusmetalli kaasufaasihapettimen läsnäollessa sulamispisteensä yläpuolella mutta hapettumisreaktiotuotteen sulamispisteen : alapuolella olevaan lämpötilaan muodostamaan sulan metallin massan; 35 (d) eliminoidaan poistettava malli, jolloin kehittyy muottiontelo; 4 90056 (e) sanotussa lämpötilassa (i) annetaan sulan metallin reagoida kaasu-faasihapettimen kanssa muodostamaan hapettumisreaktiotuotteen, joka tuote on kosketuksessa sulan metallin massan ja kaasufaasihapettimen kanssa näiden välillä ja (ii) sula metalli kulkeutuu hapettumisreak- 5 tiotuotteen läpi kohti kaasufaasihapetinta ja mukautuvaa materiaalia olevaa kaasua läpäisevää päällystettä siten, että hapettumisreaktiotuotteen muodostuminen jatkuu kaasufaasihapettimen ja aikaisemmin muodostuneen hapettumisreaktiotuotteen välisellä rajapinnalla, jolloin muodostuu vähitellen paksumpi massa hapettumisreaktiotuotetta muottion-10 teloen; (f) annetaan reaktion jatkua niin kauan, että muottiontelo korvautuu hapettumisreaktiotuotteella varustettuun yhdenmukaiseen pintaan asti, jolloin saadaan tuotetuksi keraaminen komponentti, jonka muotoiltu 15 pinta jäljentää sanotun muodon määrittävän pinnan; ja (g) otetaan talteen sanotulla muotoillulla pinnalla varustettu keraaminen komponentti.

20 Mukautuvaa materiaalia tai päällystemateriaalia olevaa kaasua läpäisevää päällystettä (kuvattu alla yksityiskohtaisemmin) levitetään mallin muodon määrittävään pintaan, jotta voidaan saada aikaan mukautuvaa materiaalia olevalla päällysteellä varustettu yhteensopiva pinta, joka on olennaisesti yhteensopiva mallin muodon määrittävän pinnan 25 kanssa sekä yhtä laajalle sen kanssa ulottuva. Tämä yhdenmukainen pinta sijoitetaan vastapäätä perusmetallikappaletta siten, että poistettava malli määrittää perusmetallin ja muodon määrittävän pinnan välisen tilavuuden. Päällystemateriaalilla on luontaisesti itsesitoutuva tuki-vyöhyke, joka sijaitsee välittömästi mallin muodon määrittävän pinnan 30 vieressä ja yhtä laajalla tämän pinnan kanssa ja joka on luontaisesti itsesitoutuva riittävän koheesiolujuuden tuottamiseksi siten, että päällystemateriaali säilyttää mukautuvan pinnan muodon tai geometrian romahtamatta tai heikentymättä sekä muodostaa muottiontelon päällyste-materiaaliin poistettavaa mallia eliminoitaessa.

35 5 90056 Tämä kooste kuumennetaan kaasufaasihapettimen läsnäollessa perusmetallin sulamispisteen yläpuolella mutta perusmetallin sekä kaasufaasiha-pettimen hapettumisreaktiotuotteen sulamispisteen alapuolella, jolloin muodostuu sulan perusmetallin massa ja poistettava malli eliminoituu.

5 Poistettavan mallin eliminoiminen saadaan aikaan haihduttamalla, polttamalla tai muulla vastaavalla tavalla käytettävästä mallimateriaalista riippuen. Poistettava malli koostetaan tavallisesti sellaisesta materiaalista kuin muovi tai vaha, joka palaa tai haihtuu tullessaan alttiiksi prosessilämpötiloille. Hallia eliminoitaessa kehittyy muottiontelo 10 päällystemateriaalin määrittämän yhteensopivan pinnan ja perusmetallin välille. Muottionteloa määrittävä päällystemateriaalin mukautuva pinta toistaa mallin muodon määrittävän pinnan tai on sen positiivinen jäl-j ennös.

15 Tässä lämpötilassa sula perusmetalli reagoi kaasufaasihapettimen kanssa muodostaen kerroksen hapettumsireaktiotuotetta. Sula perusmetalli vetäytyy ja kulkeutuu tähän kerrokseen ja sen läpi kohti hapetinta ja päällystemateriaalia. Kun sula perusmetalli tulee kosketukseen kaasufaasihapettimen kanssa kaasufaasihapettimen ja aikaisemmin muodostuneen 20 hapettumisreaktiotuotteen välisellä rajapinnalla, se reagoi muodostaen progressiivisesti paksumman kerroksen hapettumisreaktiotuotetta muot-tionteloon, joka kehittyy kohti päällystemateriaalia. Hapettamisreak-: : tiota jatketaan niin kauan, että muottiontelo täyttyy hapettumisreak- tiotuotteella.

25

Keksinnön yhdessä suoritusmuodossa päällystemateriaali käsittää sopivan rajoittimen (kuten on selvitetty hakijan US-patentissa 4,923,823) kuten kalsiumsilikaatin tai kipsin, joka ehkäisee hapettumisreaktiotuotteen .. - kasvun määritetyllä yhteensopivalla pinnalla. Tässä tapauksessa tuote 30 käsittää keraamisen komponentin sisältäen hapettumisreaktiotuotteen, jonka muotoiltu pinta toistaa poistettavan mallin muodon määrittävän pinnan.

Tämän keksinnön toisessa suoritusmuodossa päällystemateriaali käsittää 35 täyteaineen (kuten on selvitetty hakijan US-patentissa 4,851,375), johon hapettumisreaktiotuotteen kasvu suodattuu. Hapettamisreaktiota 6 90056 jatketaan niin kauan, että muottiontelo täyttyy hapettumisreaktiotuot-teella ja lisäksi suodattuu täyteaineeseen toivottuun syvyyteen. Tässä tapauksessa saatava tuote käsittää keraamisen komponentin sisältäen hapettumisreaktiotuotteen, jonka muotoiltu pinta toistaa poistettavan 5 mallin muodon määrittävän pinnan, sekä lisäksi keraamisen sekaraken-teen, joka sisältää täyteaineen, muodostettuna sisäisesti keraamisen komponentin muotoillun pinnan kanssa.

Keksinnön lisäsuoritusmuodossa täyteaine sijoitetaan perusmetallin ja 10 poistettavan mallin väliin ennen kuumentamista siten, että kehittyvä hapettumisreaktiotuote suodattuu ensin tähän täyteaineeseen ennen kuin se täyttää muottiontelon. Saatava tuote on hapettumisreaktiotuotteen käsittävä keraaminen komponentti, jonka muotoiltu pinta toistaa poistettavan mallin muodon määrittävän pinnan ja joka on yhtenäisesti muo-15 dostettu muotoiltua pintaa vastapäätä sijoitetun keraamisen sekaraken-teen kanssa. Tämän suoritusmuodon mukaisesti käytettävä päällystemateriaali voi olla joko rajoitin tai toinen täyteaine, jolla on tukivyöhy-ke.

20 Termin "keraaminen" ei tule ajatella olevan rajoitetun keraamiseen kappaleeseen termin klassisessa merkityksessä eli siinä merkityksessä, että se muodostuu kokonaan ei-metallisista ja epäorgaanisista materiaa-. ·; leista, vaan se viittaa pikemminkin kappaleeseen, joka on pääasiassa keraaminen joko koostumukseltaan tai hallitsevilta ominaisuuksiltaan, 25 vaikka kappale voi sisältää vähäisiä tai huomattavia määriä yhtä tai useampaa metallista ainesosaa, jotka on saatu perusmetallista tai pelkistetty hapettimesta tai lisäaineesta, tyypillisimmin alueella noin 1-40 tilavuusprosenttia, mutta kappale voi sisältää enemmänkin metallia.

30 "Hapettumisreaktiotuote" tarkoittaa yleensä yhtä tai useampaa metallia missä tahansa hapettuneessa tilassa, jossa metalli on luovuttanut elektroneja toiselle alkuaineelle, yhdisteelle tai näiden yhdisteelle tai sillä on ollut yhteisiä elektroneja viimeksimainittujen kanssa. Tämän 35 määritelmän mukaisesti "hapettumisreaktiotuote" sisältää siis yhden tai 7 90056 useamman metallin reaktion tuotteen hapettimen kanssa, joita hapettimia kuvataan esimerkiksi tämän hakemuksen yhteydessä.

"Hapetin" tarkoittaa yhtä tai useampaa elektronin vastaanotinta tai 5 yhdistettä, jolla on yhteisiä elektroneja toisen aineen kanssa, ja se voi olla kiinteä aine, neste tai kaasu (höyry) tai jokin näiden yhdistelmä (esim. kiinteä aine ja kaasu) prosessiolosuhteissa.

Tässä erittelyssä ja patenttivaatimuksissa käytettynä "perusmetalli" 10 viittaa siihen metalliin, esim. alumiiniin, joka on esiaste monikitei-selle hapettumisreaktiotuotteelle sekä sisältää tämän metallin suhteellisen puhtaana metallina, kaupallisesti saatavana metallina epäpuhtauk-sineen ja/tai siihen sekoitettuina ainesosineen tai seoksena, jossa tämä metalliesiaste on pääainesosa; ja kun tietty metalli mainitaan 15 perusmetallina, esim. alumiini, tunnistettu metalli tulisi tulkita tämä määritelmä mielessä, ellei tekstin asiasisältö muuta osoita.

Kuvio 1 on poikkileikkauksellinen pystykuva kiinteästä poistuvasta mallista, joka on kosketuksessa perusmetallin massan kanssa ja jolla on 20 mukautuvaa materiaalia oleva kaasua läpäisevä päällyste levitettynä sen . . muotoa määrittävälle pinnalle.

Kuvio 2 on poikkileikkauksellinen pystykuva, joka on olennaisesti identtinen kuvion 1 kanssa paitsi, että siinä on esitetty avoinpäätyi-25 nen poistettava malli.

Kuvio 3 on poikkileikkauksellinen pystykuva, joka on olennaisesti identtinen kuvion 1 kanssa paitsi, että siinä on esitetty ontto pois-;·.·. tettava malli.

30

Kuvio 4 on poikkileikkauksellinen pystykuva, joka on olennaisesti identtinen kuvion 1 kanssa paitsi, että siinä on esitetty monikappalei-nen poistettava malli.

; 35 Kuvio 5 on tasokuvana esitetty valokuva muotoillusta keraamisesta kom ponentista, joka on tuotettu esimerkin 1 mukaisesti.

8 90056

Kuvio 6 on 100 kertaa suurennettu mikrovalokuva esimerkissä 2 tuotetun keraamisen komponentin poikkileikkauksesta, ja siinä esitetään keraaminen sekarakenne, joka on yhtenäinen komponentin muotoillun pinnan kanssa .

5 Tämän keksinnön mukaisesti järjestetään perusmetalli (joka voi sisältää lisäainetta, kuten alla on yksityiskohtaisemmin selvitetty) ja muodon määrittävällä pinnalla varustettu poistettava malli, joka pinta on sijoitettu ulospäin perusmetallista. Perusmetalli muodostetaan tyypil-10 lisesti harkoksi, billetiksi, sauvaksi, levyksi tai vastaavaksi ja sijoitetaan inerttiseen petiin, upokkaaseen tai muuhun tulenkestävään astiaan, jonka pinta on alttiina ilmakehälle ja joka on sopiva poistuvan mallin varastoimiseksi.

15 Poistuva malli voidaan valmistaa mistä tahansa sopivasta materiaalista, joka eliminoituu prosessiolosuhteissa. Eliminointi voi olla esimerkiksi mallimateriaalin höyrystymistä tai polttamista. Yleisesti ottaen malli-materiaaleja, jotka höyrystyvät tai palavat kuumennettaessa jättämättä tuhkaa tai jäänteitä, pidetään parempina, koska tällaiset jäänteet voi-20 vat olla ei-toivottavia, jos niiden annetaan jäädä muottionteloon mallin eliminoimisen jälkeen. Sopivia mallimateriaaleja voivat olla esi- - merkiksi polystyreenivaahto, polyuretaani, polyeteeni tai vahat. Tulisi - " valita sellainen mallimateriaali, joka on yhteensopiva tietyn proses- silämpötila-alueen, käytettävän kaasufaasihapettimen sekä päällyste-25 materiaalin kanssa (jota on selvitetty alla yksityiskohtaisemmin), jota : : käytetään erityisesti apuaineiden tai muiden aineiden yhteydessä pääl- lystemateriaalin levittämiseksi malliin. Tietyt mallimateriaalit soveltuvat lisäksi tiettyihin muotoiluteknilkoihin paremmin kuin toiset.

30 Mallimateriaali voidaan muotoilla sopivasti poistettavaksi malliksi millä tahansa sopivalla tavalla. Mallimateriaali voidaan muotoilla : j esimerkiksi tavanomaisilla prosesseilla, joita ovat ruiskupuristus, puhallusmuovaus, suulakepuristus, valaminen, työstäminen tai vastaavat. -·- Ruiskupuristus on tällä hetkellä yksi suositeltava menetelmä suuria ”, 35 mallimääriä valmistettaessa. Puhallusmuovaus voi myös olla suositeltava menetelmä johtuen sen kyvystä tuottaa onttoja kuluvia muotteja. Puhal- 9 90056 lusmuovaus voi olla erityisen suositeltava, koska se minimoi mallissa käytettävän materiaalin määrän helpottaen mallin nopeampaa eliminoimista prosessin aikana. Mallissa voi olla uria, reikiä, syvennyksiä, tasoja, kohoumia, laippoja, tappeja, ruuvinkierteitä ja vastaavia siihen 5 muodostettuina sekä sillä voi olla olakkeita, holkkeja, kiekkoja, tankoja tai vastaavia siihen koottuna, jolloin voidaan järjestää lähes millä tahansa toivotulla konfiguraatiolla varustettuja malleja. Malli voi käsittää myös yhden tai useamman sopivasti muotoillun yhtenäisen kappaleen siten, että kun ne on koottu tai liitetty ja päällystetty 10 päällystemateriaalilla, mallien kooste vastaa toiminnallisesti yksikap-paleista mallia.

Mukautuvaa materiaalia oleva kaasua läpäisevä päällyste tai päällyste-materiaali levitetään poistettavan mallin muodon määrittävään pintaan 15 pinnan muodostamiseksi, joka on olennaisesti yhtäpitävä mallin muodon määrittävän pinnan kanssa sekä sen kanssa yhtä laajalle ulottuva siten, että poistettava malli määrittää perusmetallin ja muodon määrittävän pinnan välisen tilavuuden. Päällystemateriaali mukautuu mallin pintage-ometriaan ja muodostaa tai saa aikaan tukivyöhykkeen rakenteellisen 20 yhtenäisyyden tuottamiseksi siten, että poistettavan mallin eliminoituessa päällystemateriaali ei romahda saatavaan muottionteloon sekä säilyttää myös poistettavan mallin muodon määrittävän pinnan positiivi-·. ; sen jäljenteen. Lisäksi päällystemateriaali on riittävän läpäisevä : : kaasufaasihapettimelle sallien hapettimen kulun muottionteloon siinä : : 25 olevan sulan metallin hapettamisen helpottamiseksi.

Rakenteellisen yhtenäisyyden helpottamiseksi päällystemateriaalilla on tukivyöhyke suoraan poistettavan mallin muodon määrittävän pinnan vie--- - ressä. Tukivyöhyke mahdollistaa sen, että päällystemateriaali on sekä 30 itsekantava että säilyttää mallin muodon määrittävän pinnan geometrian. Tukivyöhyke voidaan muodostaa siten, että siihen lisätään sideaineita, joita ovat esimerkiksi sellaiset materiaalit kuin piidioksidi tai epäorgaaniset savet, kuten vesipitoiset alumiinisilikaatit, jotka sintrau-tuvat tai itsesitoutuvat prosessilämpötilassa. Esimerkiksi piidioksidi-35 kerros voidaan levittää poistettavan mallin muodon määrittävään pintaan sopivalla liimalla tai sideaineella. Päällystemateriaali levitetään 10 90055 tämän jälkeen piidioksidikerroksen päälle. Prosessilämpötilaan kuumennettaessa piidioksidi sintrautuu tai sitoutuu tuottaen näin tukivyöhyk-keen suoraan muodon määrittävän pinnan viereen. Tietyt päällystemateriaalit muodostavat lisäksi sisäisesti tukivyöhykkeen sen jälkeen kun ne 5 on lisätty poistettavaan malliin. Esimerkiksi kipsiä voidaan käyttää päällystemateriaalina, joka muodostaa tukivyöhykkeen hydrataation avulla. Tukivyöhykkeelle tarvittava paksuus riippuu paljolti käytettävistä prosessiparametreistä. Yleisesti ottaen tukivyöhykkeellä on kuitenkin oltava riittävä lujuus, jotta se voi tukea päällystemateriaalin painoa 10 prosessoinnin aikana. Tämän vuoksi tukivyöhykettä määritettäessä harkittavia tekijöitä ovat poistettavan mallin koko ja geometria, käytettävä päällystemateriaali, reaktioaika, perusmetalli, hapettamisolosuh-teet, jne.

15 Tämän keksinnön mukaisessa yhdessä suoritusmuodossa päällystemateriaali käsittää rajoittimen, kuten on selvitetty hakijan US-patentissa 4,923,823, johon on yllä viitattu, jotta voidaan ehkäistä hapettumis-reaktiotuotteen kasvua yhtenäisen pinnan ulkopuolelle. Näin ollen ha-pettumisreaktiotuotteen kasvu on olennaisesti muottiontelossa. Kuten 20 yllämainitussa US-patentissa on selvitetty, sopiva rajoitin voi olla mikä tahansa materiaali, yhdiste, alkuaine, seos tai vastaava, joka tämän keksinnön mukaisissa prosessiolosuhteissa säilyttää osan yhtenäisyyttään, ei ole haihtuva ja on mielellään läpäisevä kaasufaasihapetti-melie sekä pystyy paikallisesti ehkäisemään, negatiivisesti inhiboimaan 25 pysäyttämään, häiritsemään, estämään, jne. hapettumisreaktiotuotteen jatkuvan kasvun. Alumiiniperusmetallin ja happea sisältävien kaasuha-pettimien yhteydessä sopivia rajoittimia ovat kalsiumsulfaatti (kipsi), i kalsiumsilikaatti, kuten wollastoniitti, portlandsementti ja näiden ' ' yhdistelmät. Kun rajoitinta käytetään edelleen päällystemateriaalina, 30 sopivia tulenkestäviä hiukkasia voidaan myös lisätä mahdollisen kutistumisen tai halkeilemisen vähentämiseksi, jota saattaisi muutoin esiintyä kuumentamisen yhteydessä ja joka heikentäisi jäljentymisen luotettavuutta. Kuten yllä on selvitetty, monet näistä rajoittimista ovat luontaisesti itsekantavia, kun niiden annetaan jähmettyä tai hydra-35 toitua. Tällaisessa tapauksessa erillisen tukivyöhykkeen järjestäminen voi olla tarpeetonta.

11 9G056

Toisessa suoritusmuodossa päällystemateriaali käsittää täyteaineen, johon hapettumisreaktiotuotteen kasvu voi suodattua. Tällaisia täyteaineita ja tällaisten täyteaineiden suodattamista hapettumisreaktiotuotteen matriisilla on selvitetty yllämainitussa hakijan US-patentissa 5 4,851,375. Ne voivat sisältää hiukkasia, kuituja, sauvoja, jne. Täyte aine käsittää tyypillisesti hiukkasia kuten alumiinioksidia tai piikar-bidia, joita käytetään tavanomaisessa keramiikanvalmistusteknologiassa. Täyteaine varustetaan tukivyöhykkeellä ylläkuvatun mukaisesti ja levitetään poistettavan mallin muodon määrittävään pintaan. Alumiinioksidi -10 nen täyteaine voidaan esimerkiksi sekoittaa piioksidin kanssa, jonka määrä on sopiva muodostamaan tukivyöhykkeen prosessilämpötilassa. Piidioksidia voidaan vaihtoehtoisesti levittää suoraan kuluvan mallin muodon määrittävään pintaan, ja alumiinioksidinen täyteaine voidaan sijoittaa piidioksidin päälle. Tässä suoritusmuodossa yhtenäinen pinta, 15 joka on muodostettu lisäämällä päällystemateriaali poistettavaan malliin, ei olennaisesti estä tai ehkäise hapettumisreaktiotuotteen kasvua muottiontelon rajojen ulkopuolelle kuten rajoittimen tapauksessa, vaan se hyväksyy itse asiassa hapettumisreaktiotuotteen kasvun. Tässä tapauksessa perusmetallin ja kaasufaasihapettimen hapettumisreaktiotuote 20 täyttää muottiontelon ja suodattuu tämän jälkeen päällystemateriaaliin - toivottuun syvyyteen asti. Näin ollen hapettumisreaktiotuote kasvaa I muottiontelon rajojen ulkopuolelle sekä päällystemateriaaliin. Saatava ; artikkeli on keraaminen komponentti, jonka muotoiltu pinta toistaa poistettavan mallin muodon määrittävän pinnan, jolla on keraaminen 25 sekarakenne käsittäen hapettumisreaktiotuotteen, joka sulkee sisäänsä täyteaineen ainesosat tehty yhtenäisiksi integroituina sen muotoillun : ; pinnan kanssa.

Käytettävä päällystemateriaali hajautetaan tyypillisesti apuaineeseen, 30 liuottimeen tai muuhun sopivaan nesteeseen mukautuvan lietteen, pastan tai seoksen muodostamiseksi, joka voidaan levittää malliin ja mukauttaa : muodon määrittävän pinnan monimutkaisiin muotoihin. Luotettavuus, jolla keraaminen komponentti toistaa poistettavan mallin muodon määrittävän - " - pinnan, riippuu osaksi luotettavuudesta, jolla päällystemateriaali ____; 35 assimiloituu mallin muodon määrittävän pinnan kanssa sekä tukivyöhykkeen yhtenäisyydestä tämän luotettavuuden ylläpitämiseksi. Yleisesti 12 90056 ottaen mitä hienompia päällystemateriaalin hiukkaset tai ainesosat ovat sitä suurempi on mukautumisen luotettavuus muodon määrittävään pintaan. Analogisesti ottaen mitä nestemäisempi päällystemateriaalin levitysseos on sitä suurempi on mukautumisen luotettavuus.

5 Päällystemateriaali levitetään poistettavan mallin muodon määrittävään pintaan siinä määrin, että se tuottaa itsekantavan rakenteen poistettavan mallin eliminoituessa. Kuten edellä on selvitetty, malliin levitetyn päällystemateriaalin määrä voi vaihdella monista tekijöistä riip-10 puen, joita ovat seuraavat, mutta jotka eivät niihin rajoitu: mallin koko, päällystemateriaalin ja tukivyöhykkeen identiteetti, prosessi-olosuhteet, jne.

Päällystemateriaalin levittämisen ja mukautumisen helpottamiseksi pois-15 tettavaan malliin päällystemateriaali on tyypillisesti yhdistetty sopivan apuaineen kuten nesteen tai liuottimen kanssa, joka haihtuu tai reagoi päällystemateriaalin tai muun läsnäolevan materiaalin kanssa sopivan koostumuksen ja sopivan tukivyöhykkeen tuottamiseksi. Tulisi kuitenkin ymmärtää, että valittaessa tiettyä levitysainetta tai 20 -apuainetta kuten liuotinta, tietyt liuottimet eivät ehkä ole yhteensopivia käytettävän mallin materiaalin kanssa. Esimerkiksi tietyt orgaaniset liuottimet kuten asetoni eivät ole yhteensopivia, kun ne saa-·; tetaan kosketukseen tiettyjen orgaanisten vaahtojen, kuten polysty- : reenivaahdon, kanssa, ja liuottavat tai heikentävät tällaisesta vaah- 25 dosta valmistettua poistettavaa mallia. Tämän vuoksi tulisi varmistaa, että tällaisia yhdistelmiä vältetään ja että päällystemateriaalin si-sältävät yhdistelmät tai seokset, jotka levitetään poistettavaan malliin ovat yhteensopivia mallimateriaalin koostumuksen kanssa.

'30 Tämän keksinnön mukaisesti poistettava malli voi olla kiinteä, ontto tai avoinpäinen edellyttäen, että muodon määrittävä pinta voi tukea levitettyä päällystemateriaalia. Lisäksi poistettava malli voi käsittää enemmän kuin yhden kappaleen tai osan, joka koostetaan toivotun geometrian aikaansaamiseksi. Viitaten esimerkiksi yksityiskohtaisesti kuvioi-35 hin 1-4, jossa perusmetalliin 1, muodon määrittävään pintaan 3 ja päällystemateriaaliin 5 viitataan tämän jälkeen samoilla numeroilla, voi- 13 90055 daan tuottaa keraaminen komponentti, jolla on sama muotoiltu pinta, käyttämällä kuviossa 1 esitettyä kiinteää poistettavaa mallia 2, kuviossa 2 esitettyä avoinpäätyistä mallia 4, kuviossa 3 esitettyä onttoa mallia 6 tai kuviossa 4 esitettyä moniosaista mallia 8 tai näiden vas-5 taavia yhdistelmiä. Kussakin tapauksessa tukivyöhykkeen sisältävä päällystemateriaali mukautuu muodon määrittävään pintaan sekä tuottaa saman yhdenmukaisen pinnan.

Tämän keksinnön lisäsuoritusmuodossa täyteaineen kerros sijoitetaan pe-10 rusmetallin ja poistettavan mallin väliin ennen kuumentamista. Kun kooste kuumennetaan ja sula metalli reagoi kaasufaasihapettimen kanssa, hapettumisreaktiotuotteen kasvu tapahtuu ensin tähän täyteaineeseen ja sen läpi sekä myöhemmin muottionteloon. Päällystemateriaali voi käsittää joko rajoittimen tai täyteaineen, kuten yllä on selvitetty. Saatava 15 tuote käsittää keraamisen komponentin, jonka muotoiltu pinta toistaa poistettavan mallin muodon määrittävän pinnan ja jolla on keraaminen sekarakenne sijoitettuna vastapäätä muotoiltua pintaa.

Vaikka keksintöä kuvataan alla yksityiskohtaisesti viitaten erityisesti 20 alumiiniin suositeltavana perusmetallina, muita sopivia perusmetalleja, . ; jotka täyttävät tämän keksinnön kriteerit, ovat mutteivät ole niihin . . rajoitetut: pii, titaani, tina, sirkonium ja hafnium.

;;· Kuten yllä on selvitetty, perusmetalli ja poistettava malli järjeste- --·' 25 tään siten, että mallin muodon määrittävä pinta sijoitetaan ulospäin perusmetallista. Päällystemateriaali lisätään tyypillisesti poistetta-vaan malliin ennen perusmetallin ja mallin asettamista rinnakkain. Päällystemateriaali voidaan kuitenkin lisätä malliin rinnakkain asetta-misen jälkeen. Malli voidaan esimerkiksi sijoittaa perusmetallin pin-30 nalle tulenkestävään astiaan, jonka jälkeen päällystemateriaali lisätään malliin. Tämä astian ja sen sisällön käsittävä kooste mukaanluki-· en poistettavan mallin sekä sen päällä olevan päällystemateriaalin --- sijoitetaan kaasufaasihapettimella varustettuun uuniin ja kuumennetaan " perusmetallin sulamispisteen yläpuolella mutta hapettumisreaktiotuot- 35 teen sulamispisteen alapuolella olevaan lämpötilaan. Esimerkiksi alumiinin yhteydessä käytettäessä ilmaa kaasufaasihapettimena alumiiniok- 14 90 056 sidisen hapettumisreaktiotuotteen muodostamiseksi sopiva lämpötila-alue on yleensä noin 850-1450 °C ja mieluummin noin 900-1350 °C. Tämän kuumentamisen aikana poistettava mallimateriaaliseos palaa tyypillisesti loppuun tai höyrystyy, jolloin poistettava malli eliminoituu ja muot-5 tiontelo tyhjentyy olennaisesti. Tulisi ymmärtää, että tiettyjä malli-materiaaleja käytettäessä muottiontelon täydellistä tyhjentymistä ei ehkä tapahdu. Joissakin tapauksissa muottionteloon voi jäädä yksi tai useampi jäänne tai sivutuote, mikä johtuu mallin palamisesta tai höyrystymisestä. Tällaisen materiaalin vähäisten määrien läsnäolo ei 10 useimmissa tapauksissa kuitenkaan heikennä olennaisesti hapettumisreak-tiotuoteen kasvua tai jäljenteen luotettavuutta. On kuitenkin yleensä suositeltavaa käyttää materiaalia, joka ei jätä muottionteloon tällaisia jäänteitä mallin eliminoimisen jälkeen.

15 Tällä käytettävällä lämpötilavälillä tai -alueella muodostuu sulan metallin massa tai allas; ja hapettimen kanssa kosketukseen joutuessaan sula metalli reagoi muodostaen kerroksen hapettumisreaktiotuotetta. Kuitenkin tietyissä tapauksissa, kun käytetään tiettyjä metalliseoksia perusmetallina tai kun käytetään tiettyjä lisäaineita, yhdisteen, kuten 20 spinellin, muodostuminen saattaa edeltää hapettumisreaktiotuotteen muodostumista. Ollessaan jatkuvasti alttiina hapettavalle ympäristölle sula metalli vetäytyy vähitellen aikaisemmin muodostuneeseen hapettu-misreaktiotuotteeseen ja sen läpi kohti hapetinta muottionteloon kohti päällystemateriaalin perustamaa yhdenmukaista pintaa. Hapettimen kanssa 25 kosketukseen joutuessaan sula metalli reagoi muodostaen lisää hapettumisreaktiotuotetta, jolloin kehittyy vähitellen paksumpi hapettumis-reaktiotuote, joka täyttää näin vähitellen muottiontelon. Tämän keksinnön suoritusmuodossa, jossa päällystemateriaali käsittää rajoittimen, sulan metallin reaktiota hapettimen kanssa jatketaan, kunnes hapettu-30 misreaktiotuote on täyttänyt muottiontelon ja kasvatettu päällystemateriaalin yhdenmukaiseen pintaan, joka estää tai ehkäisee hapettumisreaktiotuotteen jatkuvan kasvun. Kun päällystemateriaali käsittää täyteaineen, hapettumisreaktiota jatketaan edelleen niin kauan, että hapettu-misreaktiotuote suodattuu täyteaineeseen, joka ympäröi muottionteloa 35 toivottuun syvyyteen asti.

15 90056

Tulisi ymmärtää, että saatavan keraamisen komponentin monikiteisessä materiaalissa voi esiintyä huokoisuutta, joka voi olla metallifaasin (metallifaasien) osittaista tai lähes täydellistä korvaamista, jotka faasit ovat tyypillisesti tai muutoin läsnä ja hajautuneina hapettu-5 misreaktiotuotteen läpi, mutta tyhjiöiden tilavuusprosentti riippuu paljolti sellaisista tekijöistä kuin lämpötila, aika, perusmetallin tyyppi sekä lisäaineiden pitoisuudet. Näissä monikiteisissä keraamisissa komponenteissa hapettumisreaktiotuotteen kristalliitit ovat tyypillisesti yhdistyneitä useammassa kuin yhdessä ulottuvuudessa, mielellään 10 kolmessa ulottuvuudessa, ja metalli voi olla ainakin osittain yhdistynyttä .

Vaikka muita sopivia hapettimia voidaan käyttää kaasufaasihapettimen yhteydessä keksinnön tietyissä suoritusmuodoissa, alla viitataan eri-15 tyisesti kaasufaasihapettimien käyttöön. Koska käytetään kaasu- tai höyryhapetinta eli kaasufaasihapetinta, päällystemateriaalin suositellaan olevan läpäisevän kaasufaasihapettimelle siten, että kaasufaasiha-petin läpäisee päällystemateriaalin tullakseen kosketukseen siinä olevan sulan perusmetallin kanssa. Kuten yllämainituissa hakijan paten-20 teissä on kuvattu, termi "kaasufaasihapetin" tarkoittaa höyrystynyttä tai normaalisti kaasumaista materiaalia, joka tuottaa hapettavan ilmakehän. Esimerkiksi happea (mukaanlukien ilman) sisältävät happi- tai kaasuseokset ovat suositeltavia kaasufaasihapettimia esimerkiksi alumiinin ollessa perusmetallina ja alumiinioksidin ollessa toivottuna : 25 reaktiotuotteena, joista ilmaa pidetään tavallisesti parempana sen ilmeisestä taloudellisuudesta johtuen. Kun hapetin tunnistetaan tietyn kaasun tai höyryn sisältäväksi tai käsittäväksi, tämä tarkoittaa hape-tinta, jossa tunnistettu kaasu tai höyry on perusmetallin ainoa, hal-.. - litseva tai ainakin merkittävä hapetin käytettävässä hapettavassa ympä- 30 ristössä vallitsevissa olosuhteissa. Vaikka esimerkiksi ilman pää-ainesosa on typpi, ilman happipitoisuus on normaalisti perusmetallin ainoa hapetin, koska happi on merkittävästi voimakkaampi hapetin kuin : typpi. Tämän vuoksi ilma määritetään "happea sisältävänä kaasuhapetti- mena" muttei "typpeä sisältävänä kaasuhapettimena". Esimerkki "typpeä 35 sisältävästä kaasuhapettimesta" on tässä yhteydessä sekä patenttivaati- 16 90056 muksissa käytettynä "muodostuskaasu", joka sisältää 96 tilavuusprosenttia typpeä ja 4 tilavuusprosenttia vetyä.

Kaasufaasihapettamisen yhteydessä voidaan käyttää myös kiinteää tai 5 nestemäistä hapetinta, kun sovelletaan tämän keksinnön mitä tahansa suoritusmuotoa, jossa käytetään täyteainetta. Kiinteä hapetin voi olla esimerkiksi hajautuneena tai sekoittuneena täyteaineeseen hiukkasten muodossa. Tapauksissa, joissa kiinteä hapetin on sekoitettu päällyste-materiaalin käsittävän täyteaineen kanssa, kiinteä hapetin ja päällys-10 temateriaali sekoitetaan ensin keskenään ja levitetään tämän jälkeen poistettavaan malliin. Kun täyteaine sijoitetaan perusmetallin ja poistettavan mallin väliin, kiinteä hapetin voi olla samalla tavoin sekoitettuna tai hajautettuna täyteaineeseen. Kummassakin tapauksessa, joissa hapettumisreaktiotuote suodattuu päällystemateriaalin täyteainee-15 seen, kiinteä hapetin täydentää kaasufaasihapetinta. Voidaan käyttää mitä tahansa sopivaa kiinteää hapetinta, mukaanlukien alkuaineet, kuten boori tai hiili tai pelkistyvät yhdisteet, kuten piidioksidi tai tietyt boridit, joiden lämpödynaaminen stabiliteetti on alhaisempi kuin perusmetallin boridireaktiotuotteen. Kun esimerkiksi booria tai pelkistyvää 20 boridia käytetään kiinteänä hapettimena alumiiniperusmetallin yhteydessä, saatava hapettumisreaktiotuote on alumiiniboridi. Perusmetallin ja kiinteän hapettimen hapettamisreaktio voi joissakin tapauksissa edetä niin nopeasti, että hapettumisreaktiotuote pyrkii sulamaan prosessin eksotermisestä luonteesta johtuen. Tämä ilmiö voi heikentää saatavan 25 keraamisen hapettumisreaktiotuotteen mikrorakenteellista yhtenäisyyttä. Tämä nopea eksoterminen reaktio voidaan välttää tai sitä voidaan lieventää valitsemalla tiettyjä täyteaineita, jotka voivat absorboida reaktion lämmön minimoiden minkä tahansa lämmönkarkaamisilmiön. Esimerkki tällaisesta sopivasta inerttisestä täyteaineesta on täyteaine, 30 joka on identtinen kiinteän hapettimen ja perusmetallin välisen aiotun hapettumisreaktiotuotteen kanssa.

Jos kaasufaasihapettimen yhteydessä käytetään nestemäistä hapetinta, täyteaine tai sen osa päällystetään hapettimella tai kostutetaan sillä 35 esimerkiksi upottamisen avulla täyteaineen kyllästämiseksi. Täyteainetta käytetään tämän jälkeen ylläkuvatun mukaisesti. Viittaus nestemäi- 17 90056 seen hapettimeen tarkoittaa hapetinta, joka on juoksevassa muodossa hapettamisreaktio-olosuhteissa. Nestemäisellä hapettimella voi olla kiinteä esiaste, kuten suola, joka on sulassa muodossa hapettamisreaktio-olosuhteissa. Nestemäisellä hapettimella voi olla vaihtoehtoisesti 5 nestemäinen esiaste, kuten materiaalin liuos, jota käytetään kyllästämään koko täyteaine tai osa siitä ja joka sulatetaan tai hajotetaan hapettamisreaktio-olosuhteissa sopivan hapettimen osuuden aikaansaamiseksi. Tässä yhteydessä määritettyinä esimerkkejä nestemäisistä hapet-timista ovat alhaisulatteiset lasit.

10

Kuten hakijan patenteissa on selvitetty, lisäaineiden lisääminen perusmetalliin voi vaikuttaa suotuisasti hapettamisreaktioprosessiin tai edistää sitä. Lisäaineiden toiminta tai toiminnot voivat riippua monista muistakin tekijöistä kuin itse lisäaineesta. Näitä tekijöitä ovat 15 esimerkiksi käytettävä perusmetalli, toivottava lopputuote, lisäaineiden tietty yhdistelmä kahta tai useampaa lisäainetta käytettäessä, lisäaineen pitoisuus, hapettava ympäristö ja prosessiolosuhteet.

Lisäaine tai lisäaineet voidaan järjestää perusmetallin lejeeravina ai-20 nesosina tai levittää perusmetallin ulkoiseen pintaan, mielellään kas-. . vupintaan, hiukkasten tai jauheiden muodossa. Kun täyteainetta käyte tään ja se sijoitetaan perusmetallin ja poistettavan mallin väliin, sopivat lisäaineet voidaan lisätä täyteaineeseen tai sen osaan tai se-koittaa täyteaineen tai sen osan kanssa. Sellaisen tekniikan tapaukses-... 25 sa, jossa lisäaine tai lisäaineet lisätään täyteaineeseen, tämä lisäys voidaan suorittaa millä tahansa sopivalla tavalla, kuten hajauttamalla : : lisäaineet läpi koko täyteaineen tai sen osaan päällysteinä tai hiuk kasten muodossa, jolloin lisäaine sisältyy ainakin perusmetallin vie-reiseen täyteaineen osaan. Minkä tahansa täyteaineiden lisäys täyte-30 aineeseen voidaan suorittaa myös levittämällä kerros yhtä tai useampaa lisäainetta petiin ja sen sisään, mukaanlukien mitkä tahansa sen sisäisistä aukoista, raoista, väylistä, välitiloista tai vastaavista, jotka tekevät sen läpäiseväksi. Sopiva tapa yhden tai useamman lisäaineen lisäämiseksi on yksinkertaisesti upottaa käytettävä täyteaine neste-35 lähteeseen (esim. lisäaineen liuokseen).

ie 90056

Lisäaineen lähde voidaan järjestää myös sijoittamalla lisäaineen jähmeä massa kosketukseen ainakin poistettavan mallin osan sekä perusmetallin kanssa ja näiden välille. Esimerkiksi ohut kalvo piidioksidia sisältävää lasia (joka on hyödyllinen lisäaineena alumiiniperusmetallin hapet-5 tamiselle) voidaan sijoittaa perusmetallin ja sen päällä olevan poistettavan mallin pinnan päälle. Tapauksessa, jossa lisäaine sijaitsee perusmetallin ja täyteaineen pedin tai poistettavan mallin välissä, jos viimeksimainittua käytetään, monikiteinen oksidirakenne kasvaa olennaisesti lisäainekerroksen ulkopuolelle (eli lisätyn lisäainekerroksen 10 syvyyden ulkopuolelle sekä onteloon). Yksi tai useampi lisäaine voidaan lisäksi tai vaihtoehtoisesti levittää ulkoisesti poistettavan mallin pintaan, joka tulisi muutoin kosketukseen perusmetallin kanssa. Lisäksi perusmetallin kanssa lejeerattujen lisäaineiden toimintaa voidaan auttaa lisäaineella (lisäaineilla), jotka on lisätty yllämainittujen tek-15 niikoiden avulla. Näin ollen mitä tahansa perusmetallin kanssa lejeerattujen lisäaineiden pitoisuuksien puutteellisuuksia voidaan kompensoida vastaavan lisäaineen (vastaavien lisäaineiden) lisäpitoisuudella, jotka lisäaineet on lisätty näillä vuorottaisilla tavoilla tai päinvastoin.

20 . . Alumiiniperusmetallille hyödyllisiä lisäaineita ovat erityisesti ilman I ollessa hapettimena esimerkiksi magnesium ja sinkki erityisesti yhdessä muiden lisäaineiden kanssa, kuten alla on kuvattu. Nämä metallit tai metallien sopiva lähde voidaan sekoittaa alumiinipohjaiseen perusmetal-25 liin pitoisuuksina kullekin noin 0,1-10 painoprosenttia, mikä perustuu saatavan sekoitetun metallin kokonaispainoon. Minkä tahansa yhden lisä-• aineen pitoisuus riippuu sellaisista tekijöistä kuin lisäaineiden yh distelmä ja prosessilämpötila. Sopivalla alueella olevien pitoisuuksien on havaittu aloittavan keraamisen kasvun, edistävän metallin kulkua ja ."·. 30 vaikuttavan suotuisasti saatavan hapettumisreaktiotuotteen kasvumorfo- logiaan.

Muita lisäaineita, jotka ovat tehokkaita edistämään monikiteisen hapet-tamisreaktion kasvua alumiiniperustaisissa perusmetallijärjestelmissä 35 käytettäessä ilmaa hapettimena, ovat esimerkiksi pii, germanium, tina ja lyijy käytettyinä erityisesti yhdessä magnesiumin tai sinkin kanssa.

19 90056

Yksi tai useampi tällainen muu lisäaine tai tällaisen sopiva lähde le-jeerataan alumiiniperusmetallin kanssa pitosuuksina kullekin noin 0,5-15 painoprosenttia kokonaisseoksen painosta; toivottavampi kasvu-kinetiikka ja kasvumorfologia saavutetaan kuitenkin lisäaineiden pi-5 toisuusalueella noin 1-10 painoprosenttia kokonaisperusmetalliseoksen painosta. Lisäaineena lyijy lejeerataan yleensä alumiinipohjaisen perusmetallin kanssa ainakin 1000 °C:en lämpötilassa, jotta voidaan kompensoida sen alhainen liukenevuus alumiiniin; muiden sekoitettavien ainesosien, kuten tinan, lisääminen edistää kuitenkin yleensä lyijyn liu-10 kenevuutta ja sallii sekoitettavan materiaalin lisäämisen alemmassa lämpötilassa.

Lisäesimerkkejä alumiiniperusmetallin yhteydessä hyödyllisistä lisäaineista ovat natrium, litium, kalsium, boori, fosfori ja yttrium, 15 joita voidaan käyttää yksin tai yhdessä yhden tai useamman muun lisäaineen kanssa hapettimesta ja prosessiolosuhteista riippuen. Natriumia ja litiumia voidaan käyttää hyvin pieninä määrinä alueella osia per miljoona, tyypillisimmin noin 100-200 osaa per miljoona, ja kumpaakin voidaan käyttää yksin tai yhdessä toistensa kanssa tai yhdessä muun 20 lisäaineen (muiden lisäaineiden) kanssa. Harvinaiset maainetallit, kuten serium, lantaani, praseodyymi, neodyymi ja samarium, ovat myös hyödyllisiä lisäaineita, ja tässä yhteydessä käytettyinä jälleen yhdessä muiden lisäaineiden kanssa.

25 Kuten yllä on selvitetty, ei ole välttämätöntä lejeerata mitään lisäainetta perusmetallin kanssa. Kun esimerkiksi levitetään selektiivisesti yksi tai useampi lisäaine ohuena kerroksena perusmetallin koko pintaan tai sen osaan tai poistettavan mallin vastaavaan pintaan, voidaan mahdollistaa paikallinen keraaminen kasvu perusmetallista tai sen osis-• · 30 ta sekä auttaa monikiteisen keraamisen materiaalin kasvua onteloon.

. Näin ollen monikiteisen keraamisen materiaalin kasvua onteloon voidaan jossakin määrin säädellä sijoittamalla lisäaine paikallisesti poistettavan mallin pinnalle. Lisäaineen levitetty päällyste tai kerros on ohut suhteessa keraamisen sekarakenteen aiottuun paksuuteen, ja hapet-— 35 tumisreaktiotuotteen kasvu tai muodostuminen muottionteloon ulottuu olennaisesti lisäainekerroksen ulkopuolelle eli lisätyn lisäainekerrok- 20 90056 sen syvyyden ulkopuolelle. Tällainen lisäainekerros voidaan levittää maalaamalla, kastamalla, silkkiseulalla, höyrystämällä tai muulla tavoin lisäämällä lisäaine nesteen tai pastan muodossa tai ruiskuttamalla tai sijoittamalla yksinkertaisesti kerros kiinteää hiukkasmaista lisä-5 ainetta tai kiinteä ohut levy tai kalvo lisäainetta kuluvan mallin pinnalle. Lisäaine voi, muttei sen tarvitse, sisältää joko orgaanisia tai epäorgaanisia sideaineita, apuaineita, liuottimia ja/tai paksunti-mia. Kuten yllä on selvitetty, tietyt levitysapuaineet tai väliaineet eivät ehkä ole yhteensopivia mallin materiaalin kanssa. Lisäaine levi-10 tetään mieluummin jauheena kuluvan mallin pintaan liimalla tai sideaineella, joka eliminoituu mallin myötä prosessoinnin aikana. Yksi erityisen suositeltava menetelmä lisäaineiden levittämiseksi poistettavan mallin pintaan on käyttää hyväksi lisäaineiden nestemäistä suspensiota veden ja orgaanisen sideaineen seoksena ruiskutettuna poistettavan 15 mallin pintaan, jotta voidaan saada aikaan kiinnittyvä päällyste, mikä helpottaa poistettavan mallin käsittelyä ennen prosessointia.

Ulkoisesti käytettyinä lisäaineet levitetään tavallisesti ainakin osaan poistettavan mallin tai perusmetallin sopivasta pinnasta yhtenäisenä 20 päällysteenä. Lisäaineen määrä on tehokas laajalla alueella suhteessa reagoitavan perusmetallin määrään, ja alumiinin yhteydessä kokeilla ei ole pystytty osoittamaan ylä- tai alatoimintarajoja. Kun käytetään esimerkiksi piitä piidioksidin muodossa levitettynä ulkoisesti lisäaineena alumiini-magnesium -perusmetalliin käyttäen ilmaa tai happea 25 lisäaineena, niinkin alhaiset määrät kuin 0,00003 grammaa piitä per gramma perusmetallia tai noin 0,0001 grammaa piitä per neliösenttimetri perusmetallin pintaa, jolle Si02-lisäaine levitetään, ovat tehokkaita. On myös havaittu, että keraaminen rakenne on saavutettavissa alumiini -. . pii -perusmetallista käyttäen ilmaa tai happea hapettimena käyttämällä ; 30 MgO:ta lisäaineena määrässä, joka on suurempi kuin noin 0,0008 grammaa magnesiumia per gramma hapetettavaa perusmetallia ja suurempi kuin noin : 0,003 grammaa magnesiumia per neliösenttimetri perusmetallin pintaa, jolle MgO levitetään.

35 Tämän keksinnön avulla tuotetaan luotettava menetelmä muotoiltujen keraamisten komponenttien tuottamiseksi, jotka käsittävät sulan perus- 21 90056 metallin ja kaasufaasihapettimen hapettumisreaktiotuotteen, toistamalla poistettavan mallin muoto. Tehokkuus, jolla muotoiltuja poistettavia malleja voidaan tuottaa tämänhetkisten tekniikoiden mukaisesti, tuottaa erittäin laajan geometria- tai muotoalueen, jota voidaan jäljentää 5 tämän keksinnön mukaisesti valmistetussa keraamisessa komponentissa.

Seuraavat ovat tämän keksinnön mukaisia ei-rajoittavia esimerkkejä, jotka on tarkoitettu havainnollistaviin tarkoituksiin.

10 Esimerkki 1

Harkonmuotoinen poistettava malli, jonka mitat olivat 2,54 x 2,54 x 1,90 cm (1 tuuma x 1 tuuma x 3/4 tuumaa) paksu, muotoiltiin polysty-reenivaahdosta. Mallin muodon määrittävä pinta käsitti 2,54 x 2,54 cm 15 (lxl -tuumaisen) nelikulmaisen pinnan sekä mallin 2,51 x 1,90 cm (1 tuuma x 3/4 -tuumaiset) suorakulmaiset pinnat.

Päällystemateriaali käsitti 50 painoprosenttia wollastoniittia (epäorgaaninen kalsiumsilikaatti, Nyco Inc., FP Grade) ja 50 painoprosenttia 20 kipsiä (Bondex, Bondex Inc.). Wollastoniitin ja kipsin seos sekoitet-; tiin veteen kipsin hydrataation helpottamiseksi, jotta voitiin järjes- - . tää tukivyöhyke mallin muodon määrittävän pinnan viereen. Tämä seos levitettiin poistettavan mallin päälipinnalle ja neljälle sivulle noin 1,27 cm (4 tuumaa) paksuna kerroksena, ja mallin pohja jätettiin pääl-25 lystämättä. Tämän annettiin kovettua tukivyöhykkeen kehittämiseksi.

Alumiiniseoksinen harkko (mitoitettu seos 380.1, Belmont Metals, jonka nimellinen koostumus oli painoprosentteina 8-8,5 % Si, 2-3 % Zn, ja 0,1 % Mg aktiivisina lisäaineina sekä 3,5 % Cu ja Fe, Mn ja Ni, mutta 30 varsinainen magnesiumpitoisuus oli joskus korkeampi, kuten alueella . 0,17-0,18 %) mitoiltaan 5,1 x 5,1 x 1,3 cm (2 tuumaa x 2 tuumaa x h • · tuumaa) paksu sijoitettiin wollastoniittihiukkasten irtonaiseen petiin siten, että yksi 5,1 cm (2-tuumainen) nelikulmainen pinta oli paljaana. Lisäaineen määrä (Leecote, 1X-60, Acme Resin Co., joka käsitti olennai-—: 35 sesti piidioksidia) hajautettiin perusmetallin paljaana olevaan pin taan. Levitetyllä päällystemateriaalilla varustettu poistettava malli 22 9 0 0 5 6 sijoitettiin perusmetallin paljaana olevan pinnan päälle siten, että polystyreenikuution päällystämätön pinta oli kosketuksessa metallin kanssa. Malli ja metallin paljaana olevat osat peitettiin myös wollas-toniitilla siten, että perusmetallin ja päällystetyn mallin koko yhdis-5 telmä haudattiin wollastoniittiin.

Tämä kooste sijoitettiin ilmalla varustettuun uuniin ja kuumennettiin 4 tunnin aikana 1100 °C:en. Uunin lämpötila pidettiin 1100 °C:ssa 120 tuntia, jonka jälkeen se jäähdytettiin 4 tunnin aikana.

10

Kooste poistettiin uunista ja keraaminen komponentti otettiin talteen. Päällystemateriaali poistettiin kevyellä hiekkapuhalluksella. Kuviossa 5 on esitetty tässä yhteydessä tuotettu keraaminen komponentti sen jälkeen, kun liika reagoimaton perusmetalli oli poistettu. Komponentin 15 mittaus vahvistaa poistettavan mallin erittäin luotettavan toiston.

Esimerkki 2

Valmistettiin keraaminen komponentti harkonmutoisen poistettavan mallin 20 toistamiseksi esimerkin 1 mukaisesti; tässä esimerkissä päällystemate-. : riaali käsitti kuitenkin alumiinioksiäisen täyteaineen.

Päällystemateriaali, joka käsitti 30 painoprosenttia alumiinioksidista täyteainetta (seulamitta 325 (45 mikronia)), levymäinen alumiinioksidi, 25 Alcoa) ja 70 % Leecotea (LX-60, joka käsitti pääasiassa piidioksidia tukivyöhykkeen perustamiseksi) levitettiin poistettavan mallin muodon määrittävään pintaan noin 0,089 cm (0,035 tuuman) paksuisena kerroksena. Esimerkissä 1 kuvattu wollastoniitin ja kipsin seos lisättiin alu-miinioksidiseen päällystemateriaaliin noin 1,27 cm (h tuumaa) paksuna 30 kerroksena, ja sen annettiin kovettua. Tämä seos lisättiin, jotta voitiin estää hapettumisreaktiotuotteen kasvu täyteaineen päällystysmateriaalin ulkopuolelle.

Päällystetty malli sijoitettiin alumiiniseosharkon päälle (mitoitettu 35 seos 380.1), joka päällystettiin lisäaineella esimerkin 1 mukaisesti, ja päällystetty malli sekä metallipinnan yhä paljaana olevat osat ympä- 23 90055 röitiin wollastoniitilla siten, että perusmetallin ja päällystemateriaalilla päällystetyn kuluvan mallin koko yhdistelmä haudattiin kalsium-silikaattiin esimerkin 1 mukaisesti.

5 Tämä kooste sijoitettiin ilmalla varustettuun uuniin ja kuumennettiin 4 tunnin aikana 1100 °C:en. Uunin lämpötila pidettiin 1100 °C:ssa 120 tuntia, jonka jälkeen se jäähdytettiin 4 tunnin aikana.

Tämä kooste poistettiin uunista, ja keraaminen tuote otettiin talteen. 10 Kipsin ja wollastoniitin yhdistelmä poistettiin kevyellä hiekkapuhalluksella. Kuvio 6 on 100 kertaa suurennettu mikrovalokuva, joka esittää keraamisen komponentin 1 yhtenä kappaleena keraamisen sekarakenneker-roksen 3 kanssa.

15

Claims (16)

24 90056

1. Menetelmä muotoillun keraamisen komponentin tuottamiseksi, joka käsittää perusmetallin ja kaasufaasihapettimen hapettumisreaktiotuot-5 teen, tunnettu siitä, että menetelmä käsittää seuraavaa: (a) asetetaan perusmetallin kappale ja poistettava malli, jolla on muodon määrittävä pinta siten vierekkäin, että muodon määrittävä pinta on sijoitettuna ulospäin perusmetallin kappaleesta; 10 (b) levitetään mukautuvaa materiaalia oleva kaasua läpäisevä päällyste mallin muodon määrittävälle pinnalle muodostamaan pinnan, joka on olennaisesti yhdenmukainen muodon määrittävän pinnan kanssa ja sen kanssa yhtä laajalle ulottuva sekä sijoitettu perusmetallikappaletta vasten 15 siten, että poistettava malli määrittää perusmetallin ja sanotun yhtenäisen pinnan välisen tilavuuden, jolloin kaasua läpäisevällä mukautuvaa materiaalia olevalla päällysteellä on luontaisesti itsesitoutuva tukivyöhyke välittömästi muodon määrittävän pinnan vieressä ja sen kanssa yhtä laajalle ulottuvana, jolloin saadaan aikaan riittävä ko-20 heesiolujuus ja säilytetään yhdenmukaisen pinnan muoto, kun poistettava , : malli eliminoidaan haihduttamalla tai polttamalla tai muulla vastaaval la tavalla, jolloin kehittyy muottiontelo; (c) kuumennetaan perusmetalli kaasufaasihapettimen läsnäollessa sula-25 mispisteensä yläpuolella mutta hapettumisreaktiotuotteen sulamispisteen alapuolella olevaan lämpötilaan muodostamaan sulan metallin massan; (d) eliminoidaan poistettava malli, jolloin kehittyy muottiontelo; 30 (e) sanotussa lämpötilassa (i) annetaan sulan metallin reagoida kaasu faasihapettimen kanssa muodostamaan hapettumisreaktiotuotteen, joka tuote on kosketuksessa sulan metallin massan ja kaasufaasihapettimen kanssa näiden välillä ja (ii) sula metalli kulkeutuu hapettumisreaktiotuotteen läpi kohti kaasufaasihapetinta ja mukautuvaa materiaalia ·; 35 olevaa kaasua läpäisevää päällystettä siten, että hapettumisreak tiotuotteen muodostuminen jatkuu kaasufaasihapettimen ja aikaisemmin 25 90056 muodostuneen hapettumisreaktlotuotteen välisellä rajapinnalla, jolloin muodostuu vähitellen paksumpi massa hapettumisreaktiotuotetta muottion-teloon; 5 (f) annetaan reaktion jatkua niin kauan, että muottiontelo korvautuu hapettumisreaktiotuotteella varustettuun yhdenmukaiseen pintaan asti, jolloin saadaan tuotetuksi keraaminen komponentti, jonka muotoiltu pinta jäljentää sanotun muodon määrittävän pinnan; ja 10 (g) otetaan talteen sanotulla muotoillulla pinnalla varustettu keraami nen komponentti.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ennen kuumentamisvaihetta sijoitetaan täyteainetta perusmetallin 15 ja poistettavan mallin väliin siten, että täyteaine sijoitetaan välillisesti perusmetallin ja yhdenmukaisen pinnan väliin ja että täyteaine suodatetaan hapettumisreaktiotuotteella ennen hapettumisreaktlotuotteen vähitellen paksumman massan muodostamista muottionteloon ja että keraamisella sekarakenteella varustettu keraaminen komponentti otetaan tal-20 teen, joka sekarakenne on keraamisen komponentin kanssa yhtenäisesti muodostettu ja sijoitettu vastapäätä muotoiltua pintaa.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ainakin osa mukautuvaa materiaalia olevasta kaasua läpäisevästä 25 päällysteestä, jota käytetään yhdenmukaisen pinnan aikaansaamiseksi, käsittää rajoittimen, jolloin hapettumisreaktlotuotteen kasvu yhdenmukaisella pinnalla ehkäistään.

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, 30 että mukautuvaa materiaalia oleva kaasua läpäisevä päällyste käsittää täyteaineen, joka on läpäisevä hapettumisreaktlotuotteen kasvulle tämän läpi ja että hapettumisreaktlotuotteen annetaan kasvaa yhdenmukaisen pinnan ulkopuolelle ja täyteaineeseen, jotta ainakin osa täyteaineesta voidaan sulkea sanotun hapettumisreaktlotuotteen sisään, jolloin voi-35 daan ottaa talteen keraaminen komponentti, jolla on keraaminen sekara- kenne yhtenäisesti muotoillun pinnan kanssa. 26 90 0 5 6

5. Patenttivaatimuksen 1,2,3 tai 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että perusmetalli käsittää metallin, joka valitaan alumiinista, piistä, titaanista, tinasta, sirkoniumista ja hafniumista koostuvasta ryhmästä. 5

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että hapetin käsittää happea sisältävän kaasun.

7. Patenttivaatimuksen 5 tai 6 mukainen menetelmä, tunnettu 10 siitä, että perusmetalli käsittää alumiinia ja sanottu lämpötila-alue on noin 850-1450 °C.

8. Patenttivaatimuksen 5,6 tai 7 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että perusmetallin yhteydessä käytetään lisäainetta. 15

9. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tunne ttu siitä, että sisällytetään sideainetta mukautuvaa materiaalia olevaan kaasua läpäisevään päällysteeseen ainakin sen tukivyöhykkeeseen.

10. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että levitetään rajoitinmateriaalia sanottua muotoa määrittävää pintaa vastapäätä sijoitetun täyteaineen pintaan, jolloin voidaan ehkäistä hapettumisreaktiotuotteen kasvu rajoittimessa. : 25

11. Patenttivaatimuksen 10 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että rajoitin käsittää kipsin, portlandsementin, kalsiumsilikaatin ja näiden seokset.

12. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, .! 30 että perusmetalli on alumiini, hapetin on happea sisältävä kaasu ja että perusmetallin yhteydessä käytetään lisäainetta.

: 13. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, --- että poistettava malli käsittää materiaalin, joka valitaan laajennetus- 35 ta polystyreenistä, polyuretaanista ja polyeteenistä koostuvasta ryhmästä. 27 9 0 0 5 6

14. Patenttivaatimuksen 9 mukainen menetelmä, tunne ttu siitä, että sideaine käsittää piin, kaoliinin ja niiden seokset.

15. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, 5 että täyteaine käsittää alumiinioksidin tai piikarbidin.

16. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kiinteän hapettimen tai nestemäisen hapettimen lähdettä tai molempia sisällytetään täyteaineeseen ja annetaan hapettimen reagoida perus- 10 metallin kanssa, jolloin kiinteää hapetinta tai nestemäistä hapetinta käytetään kaasufaasihapettimen yhteydessä hapettumisreaktiotuotteen muodostamiseksi. 28 90056