FI90057B - Foerfarande foer produktion av en sjaelvbaerande keramisk sammansatt struktur - Google Patents

Description

90057

Menetelmä itsekantavan keraamisen sekarakenteen tuottamiseksi Förfarande för produktion av en sjalvbärande keramisk sanunansatt struktur 5

Keksinnön kohteena on menetelmä itsekantavan keraamisen sekarakenteen tuottamiseksi käsittäen (1) keraamisen matriisin, joka on saatu aikaan 10 hapettamalla perusmetalli, joka käsittää alumiiniseoksen, monikiteisen materiaalin muodostamiseksi, joka muodostuu olennaisesti perusmetallin hapettumisreaktiotuotteesta yhden tai useamman hapettimen kanssa; ja (2) yhtä tai useampaa täyteainetta, johon matriisi on suodattunut, joka menetelmä käsittää seuraavat vaiheet: 15 (a) sijoitetaan perusmetalli, joka käsittää ainakin 1 painoprosentin sinkkiä sisältävän alumiiniseoksen, läpäisevän täyteainemassan viereen, jolla massalla on ainakin yksi määritetty pintaraja, ja suunnataan perusmetalli ja täyteaine suhteessa toisiinsa siten, että perusmetallin 20 ja hapettimen hapettumisreaktiotuotteen muodostuminen tapahtuu täyteaineen massaan ja kohti sanotun pintarajan suuntaa; (b) kuumennetaan perusmetalli ensimmäiseen lämpötilaan sen sulamispisteen yläpuolelle mutta hapettumisreaktiotuotteen sulamispisteen alapuo- 25 lelle muodostamaan sulan perusmetallin massan, ja annetaan sulan perusmetallin reagoida hapettimen kanssa sanotussa ensimmäisessä lämpötilassa hapettumisreaktiotuotteen muodostamiseksi, ja sanotussa ensimmäisessä lämpötilassa pidetään ainakin osa hapettumisreaktiotuoteesta kosketuksessa sulan metallin massan ja hapettimen kanssa näiden välil-30 lä, jotta sulaa metallia voisi vetäytyä hapettumisreaktiotuotteen läpi kohti hapetinta ja kohti viereistä täyteainemassaa ja massaan siten, että hapettumisreaktiotuote jatkaa muodostumistaan täyteaineen massassa hapettimen ja aikaisemmin muodostuneen hapettumisreaktiotuotteen välisellä rajapinnalla.

Tämän keksinnön kohteena ovat laajalti ottaen uudet keraamiset sekara-kenteet ja menetelmät niiden valmistamiseksi. Tarkemmin sanottuna keksinnön kohteena ovat keraamiset sekarakenteet, jotka ovat erityisen 35 2 90057 hyödyllisiä tulenkestävinä tuotteina, kuten terästehtaassa valmistettavina tulenkestävinä tuotteina. Keksinnön kohteena ovat siis myös menetelmät keraamisten sekarakenteiden valmistamiseksi hapettamalla perusmetalli suoraan korkeissa lämpötiloissa läpäisevään täyteainemassaan, 5 jota seuraa myöhemmin kuumentamisvaihe, jonka avulla poistetaan tai hapetetaan jäljellejääneet hapettumattomat metalliset aineosat.

Tämän keksinnön aihe liittyy hakijan US-patenttiin 4,713,360 nimellä Marc S. Newkirk et ai ja nimeltään "Uudet keraamiset materiaalit ja 10 menetelmät niiden valmistamiseksi". Tässä patentissa esitetään menetelmä itsekantavien keraamisten kappaleiden tuottamiseksi kasvatettuina hapettumisreaktiotuotteena perusmetallin esiasteesta. Sulan perusmetallin annetaan reagoida kaasufaasihapettimen kanssa hapettumisreak-tiotuotteen muodostamiseksi, ja metalli siirtyy hapettumisreaktiotuot-15 teen läpi kohti hapetinta kehittäen näin jatkuvasti hapettumisreak-tiotuotteen monikiteistä keraamista kappaletta. Keraaminen kappale voidaan tuottaa siten, että siinä on metallisia aineosia ja/tai huokoisuutta, joka voi olla yhdistynyttä tai ei ole yhdistynyttä. Prosessia voidaan edistää käyttämällä lejeerattua lisäainetta esimerkiksi alu-20 miinin ollessa perumetallina ja ilman ollessa hapettimena. Tätä menetelmää parannettiin käyttämällä ulkoisia lisäaineita levitettyinä esi-astemetallin pintaan, kuten on selvitetty hakijan US-patentissa 4,853,352 nimellä Marc S. Newkirk et ai ja nimeltään "Menetelmiä itse-: kantavien keraamisten materiaalien valmistamiseksi".

·. 25 Tämän hakemuksen aihe liittyy myös hakijan US-patenttiin 4,851,375 • nimellä Marc S. Newkirk et ai ja nimeltään "Keraamiset sekarakennekap- paleet ja menetelmiä niiden valmistamiseksi". Tässä patentissa esitetään uusi menetelmä itsekantavien keraamisten sekarakenteiden tuotta-30 miseksi kasvattamalla hapettumisreaktiotuote perusmetallista läpäisevään täyteainemassaan, jolloin täyteaine suodattuu keraamisella matriisilla.

Kun edellämainittuja menetelmiä on kehitetty edelleen, mahdollistetaan 35 keraamisten sekarakenteiden muodostaminen, jotka rakenteet (1) sisältä vät yhden tai useamman ontelon, joka toistaa käänteisesti muotoillun 3 90057 esiasteperusmetallin geometrian ja (2) joilla on negatiivinen malli, joka toistaa käänteisesti perusmetallin esiasteen positiivisen mallin. Näissä menetelmissä kuvataan tässä järjestyksessä (1) hakijan US-pa-tenttia 4,828,785 nimellä Marc S. Newkirk et ai ja nimeltään "Kääntei-5 nen muodontoistomenetelmä keraamisten sekarakennekappaleiden valmistamiseksi ja menetelmällä valmistetut kappaleet" ja (2) hakijan US-pa-tenttia 4,859,640 nimellä Marc S. Newkirk et ai ja nimeltään "Menetelmä keraamisten sekarakennekappaleiden valmistamiseksi muodon toistavien pintojen avulla ja menetelmällä saadut kappaleet".

10

On myös kehitetty menetelmiä keraamisten sekarakenteiden valmistamiseksi, joilla on ennalta valittu muoto tai geometria. Näissä menetelmissä käytetään hyväksi läpäisevän täyteaineen muotoiltua esimuottia, johon keraaminen matriisi kasvatetaan hapettamalla perusmetallin esias-15 te, kuten on kuvattu hakijan US-patentissa 5,017,526, nimellä Marc S. Newkirk et ai ja nimeltään "Muotoillut keraamiset sekarakenteet ja menetelmät niiden valmistamiseksi". Toinen menetelmä tällaisten muotoiltujen keraamisten sekarakenteiden valmistamiseksi sisältää rajoit-timen käyttämisen hapettumsireaktiotuotteen kasvun pysäyttämiseksi tai 20 estämiseksi valitulla rajalla, jotta voidaan määrittää keraamisen seka-rakenteeen muoto tai geometria. Tämä tekniikka on kuvattu hakijan US-patentissa 4,923,832 nimellä Marc S. Newkirk et ai ja nimeltään "Menetelmä muotoiltujen keraamisten sekarakennekappaleiden valmistamiseksi käyttämällä rajoitinta".

25

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

Yhteistä kaikille näille hakijan patenteille on keraamisen kappaleen 30 suoritusmuotojen esittäminen, joka kappale käsittää hapettumisreak-tiotuotteen, tyypillisimmin yhdistettynä kolmessa ulottuvuudessa, ja valinnaisesti perusmetallin yhden tai useamman hapettumattoman ainesosan tai aukkoja tai molempia. Metallifaasi ja/tai aukot voivat olla yhdistyneitä tai yhdistymättömiä riippuen paljolti sellaisista teki-35 jöistä kuin lämpötila, jossa hapettumisreaktion annetaan edetä, perusmetallin koostumus, lisäaineiden läsnäolo, jne. Jos esimerkiksi kasvu- 4 90057 prosessia jatketaan siten, että metalliset aineosat kulutetaan loppuun (muunnetaan), tulokseksi saadaan metallifaasin osittainen tai lähes täydellinen korvaaminen huokoisuudella läpi koko sekarakenteiden massan samaan aikaan kun kehittyy tiheä keraaminen kalvo sekarakennekappaleen 5 pintaan. Tällaisessa tapauksessa yhdistynyt huokoisuus tyypillisesti ulottuu keraamisen kappaleen pinnalle, jolta matriisin kehittyminen alkoi.

Keraamiset tulenkestävät tuotteet ovat hyödyllisiä komponentteja so-10 velluksissa, joissa vaaditaan hyvää kestokykyä lämpöä, korroosiota ja eroosiota vastaan sulien metallien yhteydessä. Tällaisia komponentteja voidaan käyttää esimerkiksi kontroilloivana välineenä säätämään sulien metallien virtausta sulien metallien siirtojärjestelmissä, kuten teräksen valmistuksen ja käsittelyn yhteydessä. Tällaisia käyttökohteita 15 ovat esimerkiksi liukulaatat, alitulosuuttimet ja kauhakehykset. Liuku-laattoja käytetään säätämään sulan metallin virtausta kauhasta. Yleisesti ottaen liukulaattajärjestelmät, joihin kuuluvat pyörivät elimet, muodostuvat kiinteästä suuttimesta, joka on kiinnitetty liikkuvaan levyyn ja sen alueelle. Sulan metallin virtausta kauhasta säädellään 20 liikuttamalla liikkuvaa levyä, jotta se voidaan saattaa täysin tai osittain yhdensuuntaiseksi aukkojen kanssa. Kauhaa täytettäessä ja pysäytyksen aikana aukot eivät ole samassa suunnassa. Liukulaattajär-jestelmän pääetu tavanomaiseen pysäytinsauvajärjestelmään verrattuna on sen pysäyttämisen luotettavuus, kyky moduloida sulan metallin virtausta 25 sekä sulan terästuotteen virtauksen vetämisen puute. Parhaatkaan liukulaattajärjestelmät, kuten korkea-asteiset alumiinioksidiset liukulaattajärjestelmät, eivät kuitenkaan sovellu tietyille sulille metalleille, joita ovat erityisteräkset kuten alhaishiiliset, korkeamangaaniset lajit. Nämä ruostumattomat terässekarakenteet vaikuttavat voimakkaasti 30 sideaineisiin, joita käytetään useimmissa korkea-alumiinioksidisissa liukulaattajärjestelmissä.

: Yhdysvaltain markkinoilla suurin osa liukulaattaan perustuvista tulen kestävistä tuotteista koostuu nykyään joko tervalla kyllästetyistä 35 korkea-alumiinioksidisista materiaaleista tai kuumennetuista mag- nesiumoksidimateriaaleista. Tällaisilla liukulaattaisilla tulenkestä- 5 90057 villä tuotteilla ei kuitenkaan ole sitä lämmön-, korroosion- ja eroosionkestokykyä, jota tarvitaan pitkiin kauhanpito- ja valuaikoihin sekä esikuumennukseen, ja tämän vuoksi niiden käyttöikä on lyhyt.

5 Tämän keksinnön mukaisia keraamisia sekarakenteita voidaan käyttää terästehtaan tulenkestävinä tuotteina, kuten liukulaattaisina tulenkestävinä tuotteina, joilla ei ole edellämainittuja puutteita, mutta jotka siitä huolimatta omaavat vastutuskyvyn lämpöä, korroosiota ja eroosiota vastaan pitkien kauhanpito- ja valuaikojen sekä esikuumentamisen kestä-10 miseksi. Ne voivat lisäksi olla hyödyllisiä muissa sovelluksissa, joissa edellytetään kestokykyä lämpöä ja korkeita lämpötiloja vastaan.

Tämän keksinnön mukaisesti esitetään menetelmä itsekantavan keraamisen sekarakenteen tuottamiseksi käsittäen (1) keraamisen matriisin, joka on 15 saavutettu hapettamalla perusmetalli, joka perusmetalli käsittää alumiini-sinkki -seoksen monikiteisen materiaalin muodostamiseksi, joka muodostuu olennaisesti perumetallin ja hapettimen hapettumisreak-tiotuotteesta sekä (2) matriisin sisäänsä sulkeman täyteaineen.

20 Keksinnön mukainen menetelmä on pääasiallisesti tunnettu siitä, että vaiheen (b) reaktiota jatketaan niin kauan, että täyteaineen massa : suodattuu sanotulle pintarajalle asti keraamisella matriisilla, joka : sisältää myös perusmetallin hapettumattomia metallisia ainesosia; ja : 25 (c) kuumennetaan vaiheen (b) kautta saatu matriisilla suodattunut täy- teainemassa joko happea sisältävässä ilmakehässä, inerttisessä ilmake-..·. hässä tai tyhjiössä toiseen lämpötilaan, joka on ensimmäisen lämpötilan yläpuolella, mutta hapettumisreaktiotuotteen sulamispisteen alapuolel-... la, jotta voidaan poistaa tai hapettaa ainakin olennainen osa jäljelle 30 jääneistä hapettumattomista metallisista ainesosista suodattuneesta massasta ilman että hapettumisreaktiotuotteen muodostumista tapahtuu ; : olennaisesti määritetyn pintarajan ulkopuolelle, jolloin voidaan tuot- taa itsekantava keraaminen sekarakenne.

" 35 Yleisesti ottaen esiasteperusmetalli ja täyteaineen läpäisevä massa asetetaan suhteessa toisiinsa siten, että monikiteisen materiaalin 6 90057 kasvu, joka on saatu hapettamalla esiastemetalli (jota tämän jälkeen kutsutaan "perusmetalliksi" ja joka on alla määritetty), kuten on hakijan patenteissa määritetty, suuntautuu kohti täyteaineen läpäisevää massaa ja massaan. (Termejä "täyteaine" ja "täyteainemateriaali" käyte-5 tään tässä yhteydessä vaihtelevasti.) Täyteaineen massalla on ainakin yksi määritetty pintaraja, ja se on suodattunut monikiteisellä materiaalilla määritettyyn pintarajaan saakka keraamisen sekarakenteeen tuottamiseksi. Tämän keksinnön mukaisissa prosessiolosuhteissa sula metalli hapettuu ulospäin lähtöpinnaltaan (eli pinnasta, joka on alttiina ha-10 pettimelle) kohti hapetinta ja täyteaineen massaan siirtymällä oman hapettumisreaktiotuotteensa läpi. Hapettumisreaktiotuote kasvaa läpäisevään täyteainemassaan. Tuloksena tästä saadaan uusia keraamisia matriisisekarakenteita, jotka käsittävät keraamisen monikiteisen materiaalin matriisin, joka matriisi sulkee sisäänsä täyteaineen.

15

Keraamisen matriisin kasvuprosessissa käytettävä perusmetalli käsittää alumiiniseoksen, jossa on ainakin noin 1 painoprosentti sinkkiä, ja tämä perusmetalli kuumennetaan ensimmäiseen lämpötilaan sulamispisteensä yläpuolelle mutta hapettumisreaktiotuotteen sulamispisteen alapuo-20 lelle, jolloin muodostuu sulan perusmetallin massa tai allas, jonka annetaan reagoida hapettimen kanssa, mielellään kaasufaasihapettimen kuten ilman kanssa, hapettumisreaktiotuotteen muodostamiseksi. Tässä ensimmäisessä lämpötilassa tai tällä ensimmäisellä lämpötila-alueella sulan metallin massa on kosketuksessa ainakin hapettumisreaktiotuotteen 25 sen osan kanssa, joka sijait see sulan metallin massan ja hapettimen välissä. Sula metalli vetäytyy hapettumisreaktiotuotteen läpi kohti hapetinta ja kohti täyteaineen massaa ja massaan, jotta voidaan pitää yllä hapettumisreaktiotuotteen jatkuvaa muodostumista hapettimen ja aikaisemmin) muodostuneen hapettumisreaktiotuotteen välisellä rajapin-30 nalla. Reaktiota jatketaan niin kauan, että täyteaine suodattuu määritetylle pintarajalle hapettumisreaktiotuotteen kanssa jälkimmäisen kasvun välityksellä, jossa on perusmetallin hapettumattomien metallisten ainesosien sulkeumia.

35 Saatava keraaminen sekarakenne käsittää täyteaineen ja keraamisen matriisin, joka on monikiteinen hapettumisreaktiotuote ja sisältää perus- 7 90057 metallin jäljelle jääneitä hapettumattomia ainesosia, tyypillisimmin alumiinia ja sinkkiä, mutta se voi sisältää myös muita metalleja. Keraaminen sekarakenne kuumennetaan toiseen lämpötilaan (tai tälle toiselle lämpötila-alueelle) ensimmäisen lämpötilan yläpuolelle mutta 5 hapettumisreaktiotuotteen sulamispisteen alapuolelle, jotta voidaan poistaa tai hapettaa ainakin huomattava osa jäljelle jääneistä hapettu-mattomista metallisista ainesosista esimerkiksi höyrystämällä tai hapettamalla metalliset aineosat monikiteisestä materiaalista ilman, että hapetttumisreaktiotuote muodostuu olennaisesti määritetyn pintarajan 10 ulkopuolelle. Kuumentaminen tähän toiseen lämpötilaan voidaan suorittaa tjoko tyhjiössä, inerttisessä ilmakehässä tai mieluimmin happea sisältävässä ilmakehässä tai ilmassa. Osa poistetusta metallisesta vaiheesta korvautuu olennaisesti huokoisuudella tai aukoilla. Muut metallifaasit hapetetaan paikan päällä muuttaen metalli hapetetuiksi lajeiksi. Lopul-15 linen rakenne käsittää keraamisen matriisin ja täyteaineen, ja keraaminen matriisi muodostuu olennaisesti hapettumisreaktiotuotteesta ja yhdistyneestä huokoisuudesta siten, että ainakin osa siitä on saavutettavissa keraamisen sekarakenteen yhdeltä tai useammalta pinnalta. Pintahuokoisuudessa on mielelllään aukkoja, joiden keskihalkaisija on 20 vähemmän kuin noin 6 mikronia, mikä estää joidenkin materiaalien, kuten sulan teräksen, läpitunkeutumisen.

; Tämän keksinnön mukaiset tuotteet ovat olennaisesti keraamisia, eli olennaisesti epäorgaanisia ja pääosin vapaita metallista, vaikka mukana 25 saattaa olla joitakin metallisia sulkeumia tai saarekkeita. Tuotteet soveltuvat tai valmistetaan käytettäviksi tulenkestävinä tuotteina, joiden tässä käytettyinä on tarkoitettu sisältävän rajoituksitta teolliset tulenkestävät liukulaattaventtiilit, jotka ovat liukuvasti koske-.. . tuksessa astian pohjaosan kanssa tai kauhan tai vastaavan kanssa, joka ' · 30 sisältää sulaa metallia, kuten terästä, jotta voidaan sallia ja sään nöstellä sulan metallin virtausta kauhassa olevan aukon läpi.

Tässä erittelyssä ja patenttivaatimuksissa käytettynä "hapettumisreak-tiotuote" tarkoittaa metallien reaktion tuotetta hapettimen kanssa, 35 jolloin muodostuu oksidiyhdiste.

8 90057 Tässä yhteydessä ja patenttivaatimuksissa käytettynä "hapetin" tarkoittaa yhtä tai useampaa elektronien vastaanotinta tai yhdistettä, jolla on yhteisiä elektroneja toisen aineen kanssa, ja se voi olla proses -siolosuhteissa kiinteä aine, neste tai kaasu (höyry) tai jokin näiden 5 yhdistelmä.

Tässä erittelyssä ja patenttivaatimuksissa käytettynä termi "perusmetalli" viittaa sellaiseen alumiiniseokseen, jossa on tyypillisesti ainakin noin 1-10 painoprosenttia sinkkiä ja joka on monikiteisen ha-10 pettumisreaktiotuotteen esiaste ja sisältää tämän alumiiniseosmetallin ja kaupallisesti saatavan alumiiniseosmetallin, jossa on tyypillisesti ainakin noin 1-10 painoprosenttia sinkkiä sekä epäpuhtauksia ja/tai siihen lisättyjä ainesosia.

15 Kuvio 1 on kaaviomainen, poikkileikkauksellinen pystykuva alumiiniseos-perusmetallin koosteesta, joka on sijoitettu täyteaineen päälle ja jossa on tulenkestävään upokkaaseen sijoitettu tukipeti; ja

Kuvio 2 on osittainen, poikkileikkauksellinen pystykuva liukulaatta-20 venttiilistä, joka on sijoitettu liukuvasti kauhan pohjaosan päälilaa-tan ja putkenpitimen välille, joka pitää putkea, jonka läpi sula metalli kulkee kauhasta lähdettyään.

: Viitaten tämän keksinnön harjoittamiseen liittyviin piirustuksiin pe- ; 25 rusmetalli 10, joka käsittää alumiiniseoksen, jossa on ainakin 1-10 ·'. painoprosenttia sinkkiä, muodostetaan harkoksi, billetiksi, sauvaksi, levyksi tai vastaavaksi. Perusmetallin 10 tämä massa ja läpäisevä täy-teainemassa 12, jolla on ainakin yksi määritetty pintaraja, sijoitetaan . . toistensa viereen ja asetetaan suhteessa toisiinsa siten, että hapettu- 30 misreaktiotuotteen kasvu tapahtuu täyteaineeseen 12 ja kohti määritetyn pintarajan 14 suuntaa, jotta täyteaine 12 tai sen osa suodattuu kasvavalla hapettumisreaktiotuotteella. Perusmetalli 10 ja täyteaine 12 upotetaan sopivaan tukimateriaaliin 16, joka on olennaisesti inerttinen prosessiolosuhteissa ja koostumukseltaan sellainen, että hapettumis-- 35 reaktiotuote ei etene tähän petiin ja että täyteaineen massan ylä- tai paljaanaoleva pinta on samassa tasossa pedin pinnan kanssa (katso kuvio 9 90057 1). Sopivia petimateriaaleja ovat esimerkiksi tietyt alu-miinioksidilajit kuten 38 Alundum, joka on Norton Companyn valmistama. Kooste tai kerrostuma sijoitetaan sopivaan tulenkestävään astiaan tai upokkaaseen 18.

5 Täyteaine 12 käsittää mielellään keraamisen tai tulenkestävän materiaalin, ja se voi olla hiukkasista, rakeista, jauheista, aggregaatista, tulenkestävästä kuitukankaasta, kuiduista, putkista, pikkuputkista, palloista, karvoista tai vastaavista koostuva verkosto tai koostepeti 10 tai näiden yhdistelmä. Täyteaineen (täyteaineiden) 12 järjestely tai järjestelmä voi olla joko irtonainen tai sidottu, ja sillä on rakoja, aukkoja, välitiloja tai vastaavia, jotka tekevät sen läpäiseväksi ha-pettimelle ja hapettumisreaktiotuotteen kasvulle. Tietyistä tuotteen lopullisista käyttökohteista riippuen sopiva täyteaine (sopivat täyte-15 aineet) voivat lisäksi sisältää esimerkiksi metallien oksideja, boride-ja, nitridejä tai karbideja, jotka valitaan seuraavasta ryhmästä: alumiini, serium, hafnium, lantaani, pii, neodyymi, praseodyymi, samarium, skandium, torium, uraani, titaani, yttrium ja sirkonium. Jotkut näistä täyteaineista voivat vaatia suojaavia päällysteitä, jotta voidaan estää 20 niiden reaktio ja/tai hapettuminen prosessiolosuhteissa. Keksinnön yhdessä suoritusmuodossa täyteaine sisältää noin 3-10 painoprosenttia piidioksidia, kuten yhdessä alumiinioksidin kanssa. Erityisen hyödylli-seksi havaitun alumiinioksidisen täyteaineen seulamitta on noin 5-500 : (amerikkalainen standardiseula, joka vastaa 25-4000 mikronia). Täyte- : : 25 aineena käytettävän piikarbidin seulamitan on oltava noin 500-1000 (amerikkalainen standardiseula, joka vastaa n. 10-25 mikronia).

Kooste järjestetään joka tapauksessa siten, että hapettumisreaktiotuot-.. . teen kasvu tapahtuu täyteaineeseen 12 siten, että täyteaineen hiukkas- 30 ten välinen tyhjä tila täyttyy olennaisesti kasvaneella hapettumisreak-tiotuotteella. Hapettumisreaktiotuotteen kasvusta johtuva monikiteisen materiaalin matriisi kasvatetaan yksinkertaisesti täyteaineeseen 12 - ja/tai sen ympärille, jotta jälkimmäinen voidaan upottaa ja suodattaa . . mielellään sen määritetylle pintarajalle 14 asti häiritsemättä tai 35 syrjäyttämättä olennaisesti täyteainetta 12. Näin ollen läsnä ei ole mitään ulkoisia voimia, jotka voisivat vahingoittaa tai häiritä täyte- 10 90057 aineen 12 järjestelyä, eikä mitään hankalia ja kalliita korkealämpöti-laisia, korkeapaineisia prosesseja ja keinoja, joita tarvitaan tunnetuissa tavanomaisissa prosesseissa tiheän sekarakenteisen keramiikan aikaansaamiseksi. Lisäksi kemialliseen ja fysikaaliseen yhteensopivuu-5 teen liittyvät ehdottomat vaatimukset, joita edellytetään paineetto-malle sintraukselle keraamisten sekarakenteiden muodostamiseksi, lievenevät paljon tai eliminoituvat tämän keksinnön avulla.

Tässä yhteydessä voidaan käyttää kiinteää, nestemäistä tai kaasu-10 faasihapetinta tai tällaisten hapettimien yhdistelmää. Kaasufaasihapet-timia ovat rajoituksitta esimerkiksi happi, happiargon tai muut inert-tiset kaasuseokset ja ilma.

Kiinteitä hapettimia ovat pelkistyvät oksidit kuten piidioksidi, tina-15 oksidi tai sinkkioksidi. Kiinteää hapetinta käytettäessä se on tavallisesti hajautettuna koko täyteainepedin läpi perusmetallin viereisen täyteaineen pedin osan läpi hiukkasten muodossa, jotka on sekoitettu täyteaineeseen, tai ehkä päällysteinä täyteainehiukkasten päällä.

20 Jos käytetään nestemäistä hapetinta, koko täyteaineen peti tai sen sulan metallin viereinen osa päällystetään hapettimella tai kostutetaan sillä esimerkiksi upottamalla täyteaineen kyllästämiseksi. Sopivia . . . nestemäisiä hapettimia ovat esimerkiksi alhaissulatteiset lasit.

25 Lisäaineena sinkki (jota kuvataan alla yksityiskohtaisemmin) edistää ]; tai helpottaa hapettumisreaktiotuotteen kasvua ja hapettumattomien • metallisten aineosien myöhemmin tapahtuvaa poistoa alunperin muodoste- tusta hapettumisreaktiotuotteesta. Sinkkilisäaine lejeerataan alu-miiniperusmetalliin, ja se käsittää noin 1-10 painoprosenttia ja mie-‘ · 30 lellään noin 4-7 painoprosenttia. Ylimääräisiä lisäaineita (kuten on selvitetty yllämainituissa hakijan patenteissa) voidaan käyttää perusmetallin 10 yhteydessä esimerkiksi lejeeraamalla lisäaine perusmetalliin 10, levittämällä ulkoinen päällyste perusmetallin 10 pintaan tai sisällyttämällä tai sekoittamalla lisäaineet täyteaineeseen (täyteai-35 neisiin) 12. Esimerkiksi magnesiumia voidaan käyttää auttamaan sinkin lisäainetoimintaa.

11 9 0 0 57

Alumiiniperusmetallin 10 massa sekä läpäisevä täyteainemassa 12 sijoitetaan upokkaaseen tai muuhun tulenkestävään säiliöön 18 siten, että ainakin yksi perusmetallin 10 metallinen pinta on alttiina viereiselle täytemassalle 12 tai ympäröivälle massalle. Jos käytetään kaasufaasi-5 hapetinta, täyteaineen massa on läpäisevä kaasumaiselle hapettimelle, joka on läsnä hapettavassa kaasukehässä (tyypillisesti ilmalle ympäristön ilmakehän paineessa). Saatava kooste kuumennetaan tämän jälkeen ensimmäiselle lämpötila-alueelle hapettimen läsnäöollessa sopivassa uunissa (jota ei näy piirustuksissa) lämpötilan kohottamiseksi alueelle 10 tyypillisesti ilman ollessa hapettimena noin 850-1450°C:en tai mieluummin noin 950-1100°C:en, jotta voidaan muodostaa sulan perusmetallin allas tai massa. Lämpötila-alue riippuu täyteaineesta 12, lisäaineen tai lisäaineiden pitoisuuksista, hapettimesta tai näiden yhdistelmästä. Tällä lämpötila-alueella perusmetallin kulku alkaa taphtua oksidikalvon 15 läpi, joka suojelee normaalisti alumiiniperusmetallia.

Perusmetallin 10 ollessa jatkuvasti alttiina korkeassa lämpötilassa hapettimelle sallitaan perusmetallin 10 jatkuva hapettuminen monikiteisen hapettumisreaktiotuotteen muodostamiseksi, jonka paksuus lisääntyy. 20 Tämä kasvava hapettumisreaktiotuote suodattuu vähitellen läpäisevään täyteainemassaan 12 yhdistyneen hapettumisreaktiotuotteen matriisin kanssa, joka voi sisältää myös perusmetallin hapettumattomia ainesosia, jolloin muodostuu koheesivinen sekarakenne. Kasvava monikiteinen mat--·- riisi kyllästää tai suodattaa täyteaineen 12 olennaisessa vakiotahdissa 25 (eli olennaisesti vakiotahdissa suhteessa paksuuden kasvuun aikaan verrattuna) edellyttäen, että on järjestetty hapettimen olennainen · vakiolähde sallimalla esimerkiksi ilman (tai hapettavan ilmakehän) riittävä vaihto uunissa. Ilman yhteydessä hapettavan ilmakehän vaihto voidaan järjestää sopivasti uunissa olevilla ilmanvaihtoaukoilla. Mat-30 riisin kasvu jatkuu niin kauan, että monikiteinen hapettumisreaktiotuote suodattuu täyteaineen 12 massaan määritetylle rajalle 14 asti, ; · mikä tapahtuu mielellään silloin, kun olennaisesti kaikki perusmetalli on kulutettu loppuun, eli kun olennaisesti kaikki perusmetalli 10 on muuntunut matriisiin.

C': 35 12 90057

Keraamiset sekarakenteet, jotka on alunperin tuotettu hapettamalla alu-miinipitoinen perusmetalli hapettimen kanssa, käsittävät täyteaineen (täyteaineet) mielellään suodatettuina ja upotettuina määritetylle rajalle asti perusmetallin ja hapettimen monikiteisellä hapettumisreak-5 tiotuotteella, sekä perusmetallin yhden tai useamman hapettumattoman ainesosan mukaanlukien alumiinin ja sinkin, ja muut metallit perusmetallin koostumuksesta riippuen. Jäljelle jääneen metallin (hapettumat-tomien metallisten ainesosien) tilavuusprosentti voi vaihdella laajalla alueella riippuen siitä, toteutetaanko hapettamisreaktioprosessia pal-10 jolti alumiiniseoksisen perusmetallin loppuunkuluttamiseksi vai ei.

Asian havainnollistamiseksi keraaminen sekarakenne, joka on muodostettu alumiiniseosmetallista ja 50 tilavuusprosentista ilmassa prosessoidusta täyteaineesta noin 1000°C:ssa, voi sisältää noin 0,5-10 tilavuusprosenttia jäännösmetallia.

15

Jotta voidaan tuottaa keraaminen sekarakenne, jossa ei ole olennaisesti metallisia ainesosia, kuten tulenkestävissä liukulaattaventtiileissä käytettävissä sekarakenteissa, hapettumattomat metalliset ainesosat (jäännösmetalli), joita on läsnä ensimmäisen lämpökäsittelyn jälkeen, 20 poistetaan olennaisesti ja/tai hapetetaan paikan päällä toisen tai myöhemmin tapahtuvan kuumentamisvaiheen avulla. Alussa muodostettu ' keraaminen sekarakenne kuumennetaan lämpötilassa, joka on korkeampi kuin lämpötila, jota käytettiin alkuperäistä keraamista sekarakennetta muodostettaessa. Tämä toinen kuumentamisvaihe voidaan saada aikaan 25 lämpötilaa kohottamalla, jotta voidaan saavuttaa jäännösmetallin olennainen höyrystyminen ja/tai hapettuminen. Tämä toinen kuumentamisvaihe voidaan suorittaa happea sisältävässä tai inerttisessä ilmakehässä tai tyhjiössä. Happea sisältävää kaasukehää suositellaan, koska jäännösmetallin poistaminen se hapettamalla voidaan saada aikaan alemmassa läm-30 pötilassa kuin poistaminen höyrystämällä inerttisessä ilmakehässä tai : : tyhjiössä. Ympäristön ilmakehässä olevaa ilmaa suositellaan sen ta loudellisuudesta johtuen.

Kooste kuumennetaan uunissa toivotussa ilmakehässä lämpötilan kohotta- 35 miseksi alueelle, joka on tyypillisesti noin 1250-2000°C ja mieluummin :· : noin 1400-1600°C. Tämä lämpötila on korkeampi kuin se lämpötila tai sen i3 90057 lämpötilan yläpuolella, jota käytettiin alussa muodostetun keraamisen sekarakenteen tuottamiseksi. Näissä korkeissa lämpötiloissa alu-miinipitoisen perusmetallin mitkä tahansa jäljelle jääneet hapettumat-tomat metalliset ainesosat poistuvat olennaisesti tai muuttuvat oksi-5 diksi ilman, että tapahtuu mitään lisäkasvua määritetyn pintarajan ulkopuolelle. Uskotaan, että jäljelle jääneiden hapettumattomien metallisten aineosien enemmistön poistumista auttaa olennaisesti sinkkilisä-aineiden höyrystyminen. Osa jäljelle jääneestä alumiinimetallista hapettuu paikan päällä vaikuttamatta osan määritettyyn rajaan. Sink-10 kilisäaine ei ainoastaan edistä tai helpota hapettumisreaktiotuotteen kasvua, vaan se höyrystyy korkeissa lämpötiloissa luoden huokoisuutta ja suurta pinta-alaa, mikä tämän jälkeen edistää alumiinipitoisen perusmetallin jäljelle jääneiden hapettumattomien metallisten ainesosien hapettumista, jolloin sekarakenteeseen jää jäljelle minimaalinen määrä 15 jäännemetallia.

Kuten aikaisemmin mainittiin, sinkin määrä, joka lejeerataan alu-miiniperusmetalliin, käsittää mielellään noin 4-10 painoprosenttia (perustuen alumiiniperusmetallin 10 painoon). Sinkki voidaan sekoittaa 20 suoraan lisäaineista vapaaseen kaupallisesti puhtaan alumiinin kanssa, kuten 99, 99,5 tai 99,7 -prosenttisesti puhtaan alumiinin kanssa. Erittäin puhdasta tai korkealuokkaista alumiinia, esim. 99,9-prosenttisesti puhdasta tai puhtaampaa alumiinia, voidaan käyttää perustana lisäyksil-le. Tämä voi olla tarkoituksenmukaista silloin, kun tulenkestävä loppu-25 tuote, jota käytetään erittäin puhtaiden sulien metallien yhteydessä, ei voi sisältää edes pieniä määriä epäpuhtauksia. Toisaalta tiettyjä sinkkiä sisältäviä kaupallisesti valmistettuja seoksia, esim. Alu-miiniyhdistyksen (Aluminum Associationin) 7000-sarjaa tai valuseoksia voidaan käyttää silloin, kun sinkkipitoisuus on enemmän kuin 1,0 % 30 mielellään enemmän kuin 4,0 % ja silloin kun muiden läsnäolevien lisä-- aineiden vaikutus ei ole vahingollinen lopulliselle käyttökohteelle.

Esimerkiksi seos 7021, joka sisältää 5,0-6,0 % sinkkiä, 1,2-1,8 % magnesiumia, 0,08-0,18 % sirkoniumia sekä sallitut maksimimäärät seuraavia alkuaineita: pii 0,25 %; rauta 0,40 %; kupari 0,25 %; mangaani 0,10 %; 35 kromi 0,05 %; titaani 0,10 %; sekä muut alkuaineet kukin 0,05 % kokonaismäärään 0,15 % asti (kaikki painoprosentteina) ja loput alumiinia, U 90057 on yksi useista sellaisista seoksista, jotka käsittäisivät sopivan perusmetallin tälle keksinnölle. Tässä tapauksessa seoksessa oleva magnesium auttaa sinkin lisäainetoimintaa.

5 Sekarakenne voidaan haluttaessa jäähdyttää ja poistaa uunista. Jäähdytetty massa voidaan tämän jälkeen työstää, (esim. jyrsimällä, kiilloit-tamalla, hiomalla tai muulla vastaavalla tavalla) yhdeltä tai useammalta pinnalta toivottuihin toleransseihin. Tämä vaihtoehto voi olla erityisen toivottava valmistettaessa keraamisia artikkeleita, jotka edel-10 lyttävät pieniä toleransseja.

Tämän keksinnön yhdessä suositeltavassa suoritusmuodossa tämän keksinnön mukaiset keraamiset sekarakenteet voidaan valmistaa käytettäviksi tulenkestävinä liukulaattaventtiileinä. Liukulaattaventtiili, jota on 15 yleisesti havainnollistettu numerolla 20 kuviossa 2, on kosketuksessa ylälaatan 22 tai kauhan alaosan kanssa, johon viitataan yleisesti numerolla 24 ja joka sisältää sulaa metallia 26 (eli sulaa terästä). Ylä-laatta 22 on sisäisesti sidottu kauhaan 24, ja sillä on ylälaatan aukko 28, joka on suorassa yhteydessä kauhan aukon 30 kanssa, joka on sijoi-20 tettu kauhan 24 pohjaan. Liukulaattaventtiilillä 20 on liukulaattara-kenne 32 varustettuna ainakin yhdellä liukulaatta-aukolla 34. Käyttöväline 36, kuten kuristussylinteri tai vastaava, on kytketty liukulaat-taan 20, jotta liukulaattaa voidaan liu'uttaa (tai pyörittää) päälilaa-tan 22 pohjapintaa myöten, jolloin liukulaatan aukkoa 34 voidaan joko -- 25 suunnata tai epäsuunnata ylälaatan aukon 28 ja kauhan aukon 30 kanssa.

Putkenpidin, jota havainnollistetaan yleisesti numerolla 36, pitää putkea 38 paikallaan ja tukee liukulaattaventtiiliä 20, ja kauhaa 24, joka on sidottu ylälaattaan 22. Putki 38 johtaa sulan metallin 26 virtausta sen jälkeen, kun tämä lähtee kauhasta 24 liukulaatan 20 kautta. 30 Jos tulenkestävä liukulaattaventtiili sijoitetaan käyttövälineen 36 välityksellä siten, etttä tulenkestävän liukulaattaventtiiliin 20 aukko 34 on täysin epäsuunnattu päälilaatta-aukkoon 28 nähden kauhan 24 kauha-aukon 30 kanssa, sula metalli 26 ei virtaa kauhasta 24. Sula metalli 26 ei (kuten on alla yksityiskohtaisemmin selvitetty) tunkeudu liuku-35 laattaventtiilin 20 rakenteessa 32 olevan keraamisen matriisin huokoisuuteen ja sen läpi. Kun liukulaattaventtiili 20 on sijoitettu liuku- i5 90 057 vasti päälilaattaa 22 ja kauhan 24 pohjaosaa pitkin siten, että liu-kulaatan aukko 34 on suunnattu yleisesti päälilaatan aukon 28 ja kauhan 34 kauhan kanssa, sula metalli 26 virtaa painovoiman vaikutuksesta kauhasta 34 putkessa 38 olevien vastaavien aukkojen läpi.

5

Liukulaattarakenteen 32 on oltava erittäin litteä, eli 1/2000 tuuman (0,00127 cm) toleransseissa tai vähemmän, ja sitä on pidettävä tiukasti vasten päälilaatan 22 pohjapintaa siten, että sula metalli ei vuoda ulos toisiaan koskettavien pintojen välistä. Liukulaattarakenne 32 sekä 10 päälilaatan 22 rakenne koostuvat tulenkestävistä materiaaleista tai komponenteista, joita voidaan työstää (esim. jauhamalla, hiomalla, kiillottamalla tai muulla vastaavalla tavalla) erittäin sileiksi siten, että päälilaatan 22 rakenne ja liukulaattaventtiilin 20 rakenne eivät voi vetää toistensa rakeita ulos silloin, kun liukulaattaventtiili 20 15 avataan ja suljetaan kytketyllä käyttövälineellä 36. Liukulaattaventtiilin 20 rakenteella 32 ei tulisi olla huokosia, jotka ovat liian suuria, koska sula metalli tunkeutuisi huokosten läpi ja heikentäisi rakennetta 32. Lisäksi liukulaattarakenteella 32 on oltava äärimmäisen hyvä lämpöshokin kestokyky, ja sen on koostuttava tulenkestävistä mate-20 riaaleista tai komponenteista, jotka ovat kyllin vahvoja kestämään kemialliset korroosio- ja eroosiovaikutukset, jotka johtuvat virtaavis-ta sulan metallin koostumuksista. Jotta voidaan valmistaa liukulaattarakenne 32 keraamisesta sekarakenteesta, jolla on yllämainitut ominaisuudet ja/tai kriteerit, keraamisen sekarakenteen tulisi sisältää ke-25 raaminen matriisi, joka muodostuu olennaisesti epämetallisesta ja epäorgaanisesta materiaalista (ei-metallisista ja epäorgaanisista materi- aaleista). Mikä tahansa keraamisessa sekarakenteessa olevien hapettu- mattomien metallisten ainesosien, kuten alumiinin, määrä voisi vaikuttaa negatiivisesti materiaalin suorituskykyyn alentamalla sen kuumuu-30 denkestävyyttä, joka ilmenisi ilmeisesti hapettumisen ylikasvuna liuku-laattamittojen ulkopuolelle ja aiheuttaisi laatan ainesosien yhteensi-toutumisen sekä vaikuttaisi lämmönkestokykyyn. Tämän vuoksi liukulaattaventtiilin 20 toiminta epäonnistuisi, tai se täytyisi korvata hyvin vähäisen käytön jälkeen, mikä johtuisi todennäköisimmin palstautumises-35 ta, halkeilemisesta tai pinnan ylikasvusta.

i6 90057

Keraaminen sekarakenne, joka on saatu poistamalla ja/tai hapettamalla olennaisesti kaikki alumiiniperusmetallin jäljelle jääneet hapettumat-tomat metalliset aineosat, on koossapysyvä keraaminen sekarakenne, jossa on tyypillisesti noin 5-98 tilavuusprosenttia sekarakenteen koko-5 naistilavuudesta, joka sekarakenne koostuu yhdestä tai useammasta täyteaineesta upotettuna monikiteiseen keraamiseen matriisin. Monikiteinen keraaminen matriisi koostuu noin 94,5 prosentista tai enemmästä painoprosentista (monikiteisen hapettumisreaktiotuotteeen painosta) yhdistynyttä alfa-alumiinioksidia, noin 5 prosentista sinkkialuminaattia tai 10 vähemmästä ja noin 0,5 painoprosentista alumiiniperusmetallin hapettu-mattomia ainesosia tai vähemmästä.

Monikiteisessä keraamisessa matriisissa on jonkin verran huokoisuutta alueella noin 2-25 tilavuusprosenttia monikiteisen keraamisen matriisin 15 tilavuudesta laskettuna, muttei mielellään enempää kuin 10 %. Uskotaan, että tarvitaan jonkin verran huokoisuutta, jotta voidaan saada aikaan tulenkestävän tuotteen toivottu lämmönkestokyky. Ainakin osa huokoisuudesta on saavutettavissa pinnalta, ja tyypillisesti noin 5 prosentilla tällaisesta huokoisuudesta on huokosaukkoja, joiden halkaisija on 20 noin 1-8 mikronia. Pinnalta saavutettavissa olevan huokoisuuden aukkojen keskihalkaisijaksi suositellaan noin 6 mikronia tai vähemmän, jossa 6 mikronia on normaalin Gaussin käyrän keskiarvo. Alumiinioksidipohjai-: ; nen keraaminen sekarakenne, jonka pinnalla on aukkoja, joiden halkaisi- : ja on noin 6 mikronia tai vähemmän, on erityisen hyödyllinen tulenkes- 25 tävää liukulaattaa valmistettaessa, koska sula teräs ei tunkeudu sen rakenteen läpi.

Tämän keksinnön mukaisella keraamisella sekarakenteella on seuraavat ominaisuudet: kolmipisteinen taivutuskoe kuumalle murtomoduulille alu-; 30 eella noin 3500-6500 psi lämpötilassa 2550°F (1400°C) N2:ssa alumiiniok- sidisen täyteaineen koosta riippuen; lämmönkestokykyparametri (kestokyky halkeilun etenemistä vastaan) noin 60°F/tuuma*, (33°C/2,54 cm0,5) tilavuuden pysyvyys (lämpölaajeneminen ASTM E228.71:n mukaan huoneen lämpötilasta 1500°C:en ja sen jälkeen jäähdytys) noin 0,15 % tai vähem-35 män lineaarisessa muutoksessa ilman vaiheenmuutoksia, jotka johtavat halkeilemiseen tai vääristymiseen; ja ruosteenkestävyys (ilman/metallin 17 90057 linjakuluminen tuumissa (senttimetreissä) päädiogonaalisen lxl tuuman (2,54 cm x 2,54 cm) tangon kanssa, 20 minuutin pyörityskoe, alumiinilla peitattu teräs, kuten allaolevassa esimerkissä on kuvattu) 0,04 tuumaa (0,1016 cm) tai vähemmän.

5 Tämän keksinnön mukaisella keraamisella sekarakenteella on olennaisesti puhtaat raerajat, jolloin kristalliittien yhdistymisessä olevilla raerajoilla ei ole mitään muuta vaihetta läsnä. Tärkeää on se, että raerajoilla ei ole mitään kvartsipitoista vaihetta. Tämä piirre on erityisen 10 tärkeä terästehtaiden tulenkestävien tuotteiden yhteydessä. Alhaissu- latteisia silikaatteja on lähes jokaisessa tavanomaisessa alumiinioksi-disessa tulenkestävässä tuotteessa, ja tämä materiaali reagoi sulan raudan kanssa aiheuttaen liukenemista nestemäiseen teräkseen, mikä johtaa lopulta rakenteen halkeilemiseen, palstautumiseen ja romahtami-15 seen.

Lisäksi tämän keksinnön mukaiset sekarakenteet eivät vaadi mitään lisätoimenpiteitä sitoutumisviaheen hapettamisen estämiseksi, koska ne muodostavat täysin hapettuneen matriisin, joka on ristiriidassa hii-20 lisidosteisiin alumiinioksidisiin tulenkestäviin tuotteisiin, joita käytetään nykyään Japanissa liukulaattamarkkinoilla.

Erityisen tehokas menetelmä tämän keksinnön soveltamiseksi sisältää täyteaineen muodostamisen esimuottiin, jonka muoto vastaa lopullisen 25 sekarakennetuotteen toivottua geometriaa. Esimuotti voidaan valmistaa millä tahansa monista keraamisten tuotteiden muodostusmenetelmistä (joita ovat esimerkiksi yksiakselinen puristus, isostaattinen puristus, liukuvalu, sedimenttivalu, nauhavalu, ruiskupuristus, kuituisten materiaalien kuitupunonta, jne.) riippuen paljolti täyteaineen ominaisuuk-30 sista. Hiukkasten alkuperäinen sitoutuminen ennen suodattamista voidaan saada aikaan kevyellä sintrauksella tai käyttämällä erilaisia orgaanisia tai epäorgaanisia sideaineita, jotka eivät häiritse prosessia tai tuota ei-toivottavia sivutuotteita lopulliseen materiaaliin. Esimuotti valmistetaan siten, että sillä on riittävä muodon yhtenäisyys ja raaka-35 lujuus, ja sen tulisi olla läpäisevä hapettumisreaktiotuotteen kululle, jonka huokoisuudeksi suositellaan noin 5-90 tilavuusprosenttia ja mie- is 90057 lellään noin 25-50 tilavuusprosenttia. Voidaan käyttää myös täyteaineiden ja seulamittojen yhdistelmää. Esimuotti saatetaan tämän jälkeen kosketukseen sulan perusmetallin kanssa yhdeltä tai useammalta pinnaltaan niin pitkään, että voidaan saattaa loppuun esimuotin kasvu ja 5 suodattuminen sen pintarajoille asti.

Kuten on selvitetty hakijan US-patentissa 4,923,832, rajoitinta voidaan käyttää täyteaineen tai esimuotin yhteydessä ehkäisemään hapettumis-reaktiotuotteen kasvua tai kehittymistä rajoittimen ulkopuolelle. En-10 simmäisen lämpökäsittelyvaiheen jälkeen ja ennen toista kuumentamis-vaihetta rajoitin poistetaan millä tahansa sopivalla tavalla. Sopiva rajoitin voi olla mikä tahansa materiaali, yhdiste, alkuaine, seos tai vastaava, joka tämän keksinnön mukaisissa prosessiolosuhteissa säilyttää osan yhtenäisyydestään, ei ole haihtuva ja on mielellään läpäisevä 15 kaasufaasihapettimelle sekä pystyy paikallisesti ehkäisemään, inhiboimaan, pysäyttämään, häiritsemään, estämään, jne., hapettumisreak-tiotuotteen jatkuvan kasvun. Alumiiniperusmetallin yhteydessä sopivia rajoittimia ovat esimerkiksi kalsiumsulfaatti (kipsi), kalsiumsilikaat-ti ja portlandsementti sekä näiden seokset, jotka levitetään tyypil-20 lisesti lietteenä tai pastana täyteaineen pintaan. Suositeltava rajoitin käsittää 50/50- seoksen kipsiä ja kalsiumsilikaattia. Rajoitin voi sisältää myös sopivan palavan tai haihtuvan materiaalin, joka eliminoituu kuumennettaessa tai materiaalin, joka hajoaa kuumennettaessa, jotta rajoittimen huokoisuutta ja läpäisevyyttä voidaan lisätä. Rajoitin 25 voidaan poistaa helposti sekarakenteesta esimerkiksi hiekkapuhalluksel-la, hiomalla, jne.

Sen tuloksena, että käytetään esimuottia erityisesti yhdessä rajoitti-men kanssa, saavutetaan lopullinen muoto, jolloin voidaan minimoida tai 30 eliminoida kalliit lopulliset työstö- tai hiontatoimenpiteet.

Tämän keksinnön lisäsuoritusmuodon mukaisesti ja kuten hakijan patenteissa on selvitetty, lisäaineiden lisääminen perusmetallin yhteyteen voi vaikuttaa suotuisasti hapettamisreaktioprosessiin. Lisäaineen toi-35 minta tai toiminnot voivat riippua monista muistakin tekijöistä kuin itse lisäaineesta. Näitä tekijöitä ovat esimerkiksi käytettävä perusme- 19 90057 talli, toivottava lopputuote, lisäaineiden tietty yhdistelmä kahta tai useampaa lisäainetta käytettäessä, ulkoisesti lisätyn lisäaineen käyttäminen yhdessä lejeeeratun lisäaineen kanssa, lisäaineen pitoisuus, hapettava ympräristö ja prosessiolosuhteeet. Prosessissa käytettävä 5 lisäaine (käytettävät lisäaineet) pitäisi olennaisesti poistaa tai hapettaa toisen kuumentamisvaiheen aikana, jotta lopputuotteen ominaisuuksiin ei vaikutettaisi negatiivisesti.

Perusmetallin yhteydessä käytettävä lisäaine tai käytettävät lisäaineet 10 (1) voidaan järjestää perusmetallin lejeeravina ainesosina, (2) voidaan levittää ainakin perusmetallin pinnan osaan tai (3) voidaan lisätä täyteaineen petiin tai esimuottiin tai osaan niistä, tai mitä tahansa kahden tai useamman tekniikan (1), (2) ja (3) yhdistelmää voidaan käyttää. Lejeerattua lisäainetta voidaan käyttää esimerkiksi yhdessä ulkoi-15 sesti lisätyn lisäaineen kanssa. Tekniikan (3) tapauksessa, jossa lisäaine tai lisäaineet lisätään täyteainepetiin tai esimuottiin, lisäys voidaan suorittaa millä tahansa sopivalla tavalla, kuten hajauttamalla lisäaineet esimuotin koko massaan tai osaan siitä päällysteinä tai hiukkasten muodossa, joihin sisältyy mielellään ainakin osa perusmetal-20 Iin viereisestä esimuotista. Esimerkiksi piidioksidi sekoitettuna alu-miinioksidiseen petiin on erityisen hyödyllinen alumiiniperusmetallil-le, joka on hapetettu ilmassa. Minkä tahansa lisäaineen lisääminen esimuottiin voidaan suorittaa lisäämällä kerros yhtä tai useampaa lisä-ainetta esimuottiin ja sen sisään, mukaanlukien mitkä tahansa sen si-25 säisistä aukoista, raoista, väylistä, välitiloista tai vastaavista, jotka tekevät sen läpäiseväksi.

Keksintöä havainnollistetaan edelleen seuraavan esimerkin avulla.

; . 3o 20 90057

Esimerkki

Alumiiniliiton (Aluminum Association) 712.2 alumiinivaluseosharkko mitoiltaan 1 tuuma x 2½ tuumaa x 8½ tuumaa (2,54 cm x 6,35 cm x 5 21,6 cm) sijoitettiin vaakasuoraan seoskerroksen päälle, joka koostui kaupallisesta 8-14 -raekokoisesta (1400-2360 mikronia) puhtaasta alumiinioksidista (Norton Company, 38 Alundum) ja 5 painoprosentista 500-seulamittaisesta (25 mikronia) Si02:sta (Pennsylvania Glass and Sand Co.), jonka jälkeen se päällystettiin samalla materiaalilla noin kolmen 10 tuuman syvyyteen. 712.2-seos käsitti seuraavaa painoprosentteina: noin 5-6,5 % sinkkiä, noin 0,25 % kuparia tai vähemmän, noin 0,4-0,6 % kromia, noin 0,15 % piitä tai vähemmän, noin 0,40 % rautaa tai vähemmän, noin 0,25-0,50 % magnesiumia tai vähemmän, noin 0,10 % mangaania tai vähemmän, noin 0,15-0,25 % titaania, noin 0,20 % muita metalleja tai 15 vähemmän maksimimäärän ollessa noin 0,05 % tai vähemmän ja loppumäärän ollessa alumiinia.

Alumiinioksidiin upotettu harkko sijoitettiin sopivaan tulenkestävään upokkaaseen, ja koko kooste sijoitettiin ilman ilmakehällä varustettuun 20 uuniin. Uuni salli ilmakehän ilman pääsyn luonnollisen konvektion ja diffuusion kautta läpi uunin seinämissä olevien satunnaisten aukkojen läpi. Koostetta prosessoitiin 144 tuntia 1000°C:en asetuspistelämpötilassa sen Jälkeen, kun uunin alkuperäisen lämpötilan annettiin saavuttaa kahdeksan tunnin aikana asetuspistelämpötila. 144 tunnin kuumenta-25 misvaiheen jälkeen näytteen annettiin jäähtyä kahdeksan lisätunnin ajan 600°C:en alapuolelle, jonka jälkeen saatu keraaminen sekarakenne poistettiin uunista. Keraaminen sekarakenne sisältsi jäännössinkkiä, -alumiinia ja -piitä.

30 Jotta voitaisiin poistaa ainakin olennainen osa jäännnesinkistä, -alumiinista ja -piistä, keraaminen sekarakenne sijoitettiin uudelleen tulenkestävään upokkaaseen ilmauuniin, ja se prosessoitiin kahdeksan tuntia 1400°C:en asetuspistelämpötilassa, jonka jälkeen uunin sallittiin alkuperäisen kahdeksantuntisen ajan aikana saavuttaa asetuspistelämpö-35 tila. Kahdeksantuntisen kuumentamisvaiheen jälkeen keraamisen sekara-kenteen annettiin jäähtyä kahdeksan tuntia 600°C:en alapuolelle, jonka 21 9 G O 5 7 jälkeen keraaminen sekarakenne poistettiin uunista. Alumiinioksidisen matriisin väri muuttui harmaasta, metallisesta väristä valkoiseksi 1400°C:ssa tapahtuvan toisen kuumentamisvaiheen jälkeen, mikä osoittaa sen, että läsnä on hyvin vähän jäännemetallia. Keraamisen sekarakentee-5 en mikrorakenne sisälsi erittäin homogeenisen, huokoisen, hienorakeisen (halkaisijaltaan noin 6 mikronia olevan) alumiinioksidisen matriisin. Jäännesinkki haihtui, mikä sai aikaan tehokkaasti minkä tahansa jään-nösalumiinin ja -piin poistumisen sekä sen, että järjestettiin tilaa alumiinin paikan päällä tapahtuvalle hapettamiselle toisen kuumentamis-10 vaiheen aikana 1400°C:ssa, jolloin voitiin lopuksi luoda huokoisempi, alhaismetallipitoisempi keraaminen sekarakenne. 1400°C:ssa tapahtunut toinen kuumentamisvaihe ei aiheuttanut mitään olennaista hapettumis-reaktiotuotteen kasvua sekarakenteen alkuperäisen määritetyn rajan ulkopuolelle, vaikka alumiini-, sinkki- ja piimetalleja olisi läsnä 15 ennen 1400°C:ssa tapahtuvaa toista kuumentamista. Taivutuskoe osoitti murtomoduulin alueella noin (huoneen lämpötilassa) 4000 psi lopulliselle sekarakenteelle ja lujuuskeston alueella noin 2400 psi sen jälkeen, kun on suoritettu viisi nopeaa kuumentamis- ja jäähdytyskiertoa huoneen lämpötilan ja 1200°C:en lämpötilojen välissä käyttäen kymmenen minuutin 20 kostutusaikoja kussakin lämpötilassa. Röntgensädeanalyysin avulla selvitettiin, että keraamisessa tuotteessa oli alumiinioksidia ja vähäisiä määriä sinkkialuminaattia.

Jotta voitiin tutkia sulan teräksen vaikutusta tähän keraamiseen tuot-25 teeseen, keraaminen tuote leikattiin neljään kappaleeseen ja kiinnitettiin neljään näytteenpitimeen, jotka oli kierteitetty pyörimiskoelait-teen laakeritukeiseen akseliin, joka laite muodostui teräskehyksestä, - jossa oli laakeritukeiseen akseliin yhdistetty vaihtuvanopeuksinen sähkömoottori. Keraamisen tuotteen neljää kappaletta pyöritettiin näyt-30 teenpitimien kanssa laakeritukeisen akselin keskiakselin ympäri. Keraamisen tuotteen kappaleiden ulkoreuna eteni noin 600 tuumaa minuutissa, kun niitä pyöritettiin 48 kierrosta minuutissa. Laattateräs (joka sisälsi alhaisasteista hiiltä, rikkiä, fosforia ja happea) kuumennettiin 1593°C:en, ja pinta poistettiin kuonasta ennen kokeen alkua. Keraamisen 35 tuotteen neljä kappaletta kuumennettiin 1093°C:en, upotettiin sulaan teräkseen ja pyöritettiin 48 kierrosta minuutissa pyörimiskoelaitteessa 22 90057 20 minuuttia. Keraamisen tuotteen neljä kappaletta poistettiin näyt-teenpitimistä, jäähdytettiin ja tutkittiin, jotta voitiin määrittää sulan teräksen vaikutus keraamiseen tuotteeseen. Voitiin määrittää, että keraamisella tuotteella oli huomattava kestokyky teräksen läpitun-5 keutumista vastaan, eikä se reagoinut missään määrin nestemäisen teräksen kanssa, eikä halkeillut kokeen aikana lämpögradienteista johtuen. Näin ollen keraaminen sekarakennetuote on ilmeisesti hyödyllinen tulenkestävä terästuote, kuten liukulaattaventtiili, joka on kosketuksessa sulan teräksen kanssa.

10

Claims (11)

1. 23 90057
2. 1. Menetelmä itsekantavan keraamisen sekarakenteen tuottamiseksi käsittäen (1) keraamisen matriisin, joka on saatu aikaan hapettamalla 5 perusmetalli, joka käsittää alumiiniseoksen, monikiteisen materiaalin muodostamiseksi, joka muodostuu olennaisesti perusmetallin hapettumis-reaktiotuotteesta yhden tai useamman hapettimen kanssa; ja (2) yhtä tai useampaa täyteainetta, johon matriisi on suodattunut, joka menetelmä käsittää seuraavat vaiheet: 10 (a) sijoitetaan perusmetalli, joka käsittää ainakin 1 painoprosentin sinkkiä sisältävän alumiiniseoksen, läpäisevän täyteainemassan viereen, jolla massalla on ainakin yksi määritetty pintaraja, ja suunnataan perusmetalli ja täyteaine suhteessa toisiinsa siten, että perusmetallin 15 ja hapettimen hapettumisreaktiotuotteen muodostuminen tapahtuu täyteaineen massaan ja kohti sanotun pintarajan suuntaa; (b) kuumennetaan perusmetalli ensimmäiseen lämpötilaan sen sulamispisteen yläpuolelle mutta hapettumisreaktiotuotteen sulamispisteen alapuo- 20 lelle muodostamaan sulan perusmetallin massan, ja annetaan sulan perusmetallin reagoida hapettimen kanssa sanotussa ensimmäisessä lämpötilassa hapettumisreaktiotuotteen muodostamiseksi, ja sanotussa ensimmäisessä lämpötilassa pidetään ainakin osa hapettumisreaktiotuoteesta kosketuksessa sulan metallin massan ja hapettimen kanssa näiden välil-25 lä, jotta sulaa metallia voisi vetäytyä hapettumisreaktiotuotteen läpi kohti hapetinta ja kohti viereistä täyteainemassaa ja massaan siten, että hapettumisreaktiotuote jatkaa muodostumistaan täyteaineen massassa hapettimen ja aikaisemmin muodostuneen hapettumisreaktiotuotteen välisellä rajapinnalla, tunnettu siitä, että vaiheen (b) reaktiota , 30 jatketaan niin kauan, että täyteaineen massa suodattuu sanotulle pinta- rajalle asti keraamisella matriisilla, joka sisältää myös perusmetallin hapettumattomia metallisia ainesosia; ja (c) kuumennetaan vaiheen (b) kautta saatu matriisilla suodattunut täy-35 teainemassa joko happea sisältävässä ilmakehässä, inerttisessä ilmakehässä tai tyhjiössä toiseen lämpötilaan, joka on ensimmäisen lämpötilan 2‘ 90057 yläpuolella, mutta hapettumisreaktiotuotteen sulamispisteen alapuolella, jotta voidaan poistaa tai hapettaa ainakin olennainen osa jäljelle jääneistä hapettumattomista metallisista ainesosista suodattuneesta massasta ilman että hapettumisreaktiotuotteen muodostumista tapahtuu 5 olennaisesti määritetyn pintarajan ulkopuolelle, jolloin voidaan tuottaa itsekantava keraaminen sekarakenne.
3. 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ainakin yhtä lisäainetta käytetään sinkin lisäksi perusmetallin 10 yhteydessä.
4. 3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että täyteaine sisältää noin 3-10 painoprosenttia piidioksidia.
5. 4. Patenttivaatimuksen 1,2 tai 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että hapetin on happea sisältävä kaasu ja hapettumisreaktiotuote on alumiinin oksidi.
6. 5. Patenttivaatimuksen 1,2,3 tai 4 mukainen menetelmä, tunnettu 20 siitä, että ensimmäinen lämpötila on noin 850-1450°C. ·.. 6. Patenttivaatimuksen 1,2,3 tai 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että toinen lämpötila on suurempi kuin noin 1250°C.
7. 7. Patenttivaatimuksen 1,2,3 tai 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että toinen lämpötila on noin 1400°C.
8. 8. Patenttivaatimuksen 1,2,3 tai 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että vaiheen (c) kuumentaminen toiseen lämpötilaan suoritetaan . - 30 ilmassa ilmakehän paineessa.
9. 9. Patenttivaatimuksen 1,2,3 tai 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että täyteaine käsittää yhden tai useamman metallin oksidin, boridin, nitridin tai karbidin, joka metalli valitaan seuraavasta ryh- 35 mästä: alumiini, serium, hafnium, lantaani, pii, neodyymi, praseodyymi, samarium, skandium, torium, uraani, titaani, yttrium ja sirkonium. 25 9 0 0 5 7
10. 10. Patenttivaatimuksen 1,2,3 tai 4 mukainen menetelmä, tunne t - t u siitä, että kuumentamisvaiheesta (c) tulokseksi saatava keraaminen matriisi käsittää yhdistynyttä huokoisuutta, josta ainakin osa ulottuu keraamisen sekarakenteen yhdelle tai useammalle pinnalle. 5
11. 11. Patenttivaatimuksen 10 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että yhdistynyt huokoisuus käsittää aukkoja, joiden keskihalkaisija on vähemmän kuin noin 6 mikronia. 26 90 057