FI90059C - Ett styvt keramiskt stycke och foerfarande foer framstaellning av ett keramiskt stycke - Google Patents

Description

900S9 Jäykkä keraaminen kappale ja menetelmä keraamisen kappaleen valmistamiseksi Ett styvt keramiskt stycke och förfarande för 5 framställnig av ett keramiskt stycke 10 Keksinnön kohteena on jäykkä keraaminen kappale ja menetelmä jäykän keraamisen kappaleen valmistamiseksi.

Tämän keksinnön kohteena ovat keraamiset kappaleet, joilla on keraaminen kehysrakenne eli jäykkiä vaahtoja, ja tarkemmin sanottuna keraami-15 set tuotteet, joilla on satunnaisesti yhdistyneistä soluista tai kanavista muodostuva kolmiulotteinen runkorakenne. Keksinnön kohteena on myös menetelmä tällaisten tuotteiden muodostamiseksi.

Avoinsoluiset keraamiset vaahdot soveltuvat kaupallisesti käytettäviksi 20 monissa erilaisissa tuotteissa mukaanlukien sulien metallien suotimet, dieselmoottoreiden hiukkassuotimet, autojen poistokaasujen katalyyttiset konvertterit, lämmönvaihtimet, kuumennuselementit, lämpö- ja sähkö-eristimet, jne. Keramiikan erinomaisen korkeiden lämpötilojen ja kemiallisen kestokyvyn lisäksi ja vaahdon korkean huokoisuusasteen ja 25 suuren pinta-alan edullisten ominaisuuksien lisäksi sellaisten tuotteiden yhteydessä kuin suotimet ja katalyytin kantimet, keraamisten vaahtojen yhteydessä saavutettava korkea lujuus-paino-suhde on merkittävä etu autojen, lentokoneiden ja vastaavien komponenteissa.

30 Kun keraamisia kappaleita, mukaanlukien keraamiset vaahdot, valmistetaan tavanomaisin menetelmin, vaaditaan lukuisia prosessivaiheita, kuten hiomista, mittain mukaan työstämistä, lujittamista, sintrausta, koneistamista, jne. Kussakin vaiheessa voi esiintyä epähomogeenisuuksia ja epäpuhtauksia, joilla voi olla negatiivinen vaikutus lopputuottees-35 sa. Toinen tärkeä kriteeri, joka ei ole mahdollinen tavanomaisessa 2 90059 prosessoinnissa, on mahdollisuus valmistaa tällaisia keraamisia kappaleita lähes lopulliseen muotoon, mukaanlukien monimutkaiset muodot.

Kuten US-patentissa 3,947,363, joka on myönnetty 30.3.1976 N.J.Pryor et 5 ai:lie, on kuvattu, avoinsoluisia keraamisia vaahtoja voidaan valmistaa avoinsoluisesta, hydrofiilisestä joustavasta orgaanisesta vaahtomateri-aalista, jossa on useita vaahtomateriaalin verkoston ympäröimiä yhdistyneitä tyhjiöitä. Orgaaninen vaahtomateriaali kyllästetään vesipitoisella keraamisella lietteellä siten, että verkosto päällystetään ja 10 tyhjiöt täytetään lietteellä. Tämän jälkeen lietteellä kyllästetty materiaali puristetaan kokoon, jotta lietteestä voidaan poistaa 20-75 %, jonka jälkeen paine vapautetaan siten, että verkosto jää lietteen päällystämäksi. Kuivaamisen jälkeen materiaali kuumennetaan, jotta joustava orgaaninen vaahto voidaan ensin polttaa loppuun ja sintrata 15 tämän jälkeen keraaminen päällyste, Jolloin jäljelle jää lujittunut keraaminen vaahto, jossa on useita sitoutuneen tai sulautuneen keramiikan verkoston ympäröimiä yhdistyneitä tyhjiöitä esiasteisen orgaanisen vaahdon konfiguraatiossa. Tämän orgaanis-keraamisen tekniikan yhteydessä on havaittu välttämättömäksi ryhtyä toimenpiteisiin tuotteen epäyh-20 tenäisyyden ongelmien poistamiseksi, joita aiheuttaa lietteen epäyhtenäinen jakautuminen, mikä johtuu siitä, että orgaanisen vaahdon massa puristuu kokoon kulkiessaan telojen läpi tai orgaanisten vaahtolevyjen liiallisesta käsittelystä, jne.

25 Ylläkuvattu prosessin variaatiossa, joka on esitetty G. Perugin et ai:lie 28.2.1978 myönnetyssä US-patentissa 4,076,888, metalli, metalli-keramiikka ja/tai keraaminen päällyste levitetään vaahtomaiseen poly-uretaanisieneen sähköä johtavan kalvon (esim. sähköttömän nikkeli- tai kuparipäällysteen) välityksellä, joka on lisätty sieneen aikaisemmin.

30 Selvitetään, että galvaaninen päällyste levitetään sähköä johtavalle kalvolle, jota seuraa sulana ruiskutettu metaliis-keraaminen tai keraaminen päällyste, joka on levitetty 10,000-15,000°C:sen argonplasmaliekin avulla. Lopullinen verkosto kuvataan ontoksi ja rakenteeltaan monikerroksiseksi, ja se muuttuu vähitellen luonteeltaan sisältäpäin metal-. 35 lisesta ulkoisesti keraamiseksi. Sulana ruiskutetun päällysteen todetaan soveltuvan ainoastaan sieniin, jotka eivät ole paksumpia kuin 3 90059 12 mm, jos ruiskute levitetään ainoastaan yhdelle pinnalle, eivätkä paksumpia kuin 25 mm, jos ruiskute voidaan levittää kahdelle vastakkaiselle puolelle.

5 Noin kymmenen vuotta aikaisemmin US-patenteissa 3,255,027 (myönnetty 7.6.1966 H. Talsmalle), 3,473,938 (myönnetty 21.10.1969 R.E. Oberlinil-le) ja 3,473,987 (myönnetty 21.10.1969 D.M. Sowardsille) on esitetty menetelmä ohutseinämäisten alumiinioksidia sisältävien rakenteiden valmistamiseksi kuumentamalla happea sisältävässä ilmakehässä ohuita 10 alumiiniprofiileja (esim. rasioita, putkia, laatikoita, putkiyhdistel-miä, kennoja, jne. tai kuituisia muotteja, jotka on valmistettu alu-miinilevyistä tai muodostettu pursotusmenetelmien avulla) päällystettyinä aikaiimetalIin, maa-alkalimetallin, vanadiumin, kromin, molybdeenin, volframin, kuparin, hopean, sinkin, antimonin tai vismutin oksi-15 dilla tai näiden esiasteella sulatusaineena sekä valinnaisesti hiukkas-maisella tulenkestävällä täyteaineella. Kennorakenteiden yhteydessä prosessin ilmoitettiin muodostavan kaksiseinämäisiä tulenkestäviä profiileja, joilla oli levymäinen tyhjiö lähellä keskustaa, joiden profiilien sanottiin johtuvan sulan alumiinin migroitumisesta metallin pin-20 taan muodostuneessa oksidikalvossa olevien hiushalkeamien läpi. Oberlin osoitti tämän rakenteen olevan heikon ja kuvasi kaksiseinämäisen raken-: teen eliminoimista käyttämällä prosessissa vanadiumyhdistettä ja sili- kaattisulatusainetta. Sowardsin patentissa rakenne esipäällystettiin alumiinijauheella ennen kuumentamista, jolloin voitiin tuottaa pak-25 suseinämäisempi kaksiseinämäinen rakenne. Tässä yhteydessä tarkastel-: tiin ainoastaan alumiinimatriisirakenteita, jotka oli valmistettu le vyistä tai muodostettu pursottamalla.

Kuten Talsma on todennut, kennon yhdistyneet seinämät määrittävät sul-30 jettuja soluja tai kanavia, jotka etenevät pituussuuntaan pitkin seinämien koko pituutta. Kanavat on suunnattu siten, että ne ovat yhdensuuntaisia yksittäisen yhteisen akselin kanssa, mikä muodostaa rakenteen, joka tiettyjä tarkoituksia ajatellen ei ole yhtä hyödyllinen kuin avoinsoluinen vaahto, jossa solurakenne on kolmiulotteinen. Esimerkiksi 35 keraamisen kennosuotimen hiukkastenkeräystehon, joka suodin on sijoitettu dieselmoottorin poistokaasuväylään, on ilmoitettu olevan alhainen 4 90059 (US-patentti 4,540,535), ja kennokatalyyttikanninten on ilmoitettu kärsivän suhteellisen alhaisesta geometrisesta pinta-alasta sekä ei-toivottavan alhaisesta turbulenssista (US-patentti 3,972,834).

5 Hakijan US-patentissa 4,713,360 nimellä Marc S. Newkirk et ai, kuvataan yleinen prosessi keraamisten tuotteiden tuottamiseksi sulan esiasteme-tallin suunnatulla hapettamisella. Tässä prosessissa hapetusreaktio-tuote muodostuu aluksi sulan perusmetallin massan pintaan, joka on alttiina hapettimen vaikutukselle, ja kasvaa tämän jälkeen tästä pin-10 nasta sulan lisämetallin kulkiessa hapetusreaktiotuotteen läpi, jolloin se reagoi hapettimen kanssa. Prosessia voidaan kiihdyttää käyttämällä lejeerattuja lisäaineita esimerkiksi hapetettaessa alumiiniperusmetal-lia ilmassa. Tätä menetelmää parannettiin käyttämällä ulkoisia lisäaineita levitettyinä esiastemetallin pintaan, kuten on esitetty hakijan 15 US-patentissa 4,853,352 nimellä Marc S. Newkirk et ai. Tässä yhteydessä hapettamista on mielletty sen laajimmassa merkityksessä tarkoittamaan yhtä tai useampaa metallia, jotka luovuttavat elektroneja toiselle alkuaineelle tai alkuaineiden yhdistelmälle tai joilla on yhteisiä elektroneja viimeksimainittujen kanssa yhdisteen muodostamiseksi. Tämän 20 mukaisesti termi "hapetin" tarkoittaa elektronien vastaanotinta tai yhdistettä, jolla on yhteisiä elektroneja toisen yhdisteen kanssa.

Prosessissa, joka on kuvattu hakijan US-patentissa 4,851,375 nimellä Marc S. Newkirk et ai, keraamisia sekarakennetuotteita tuotetaan kas-25 vattamalla keraaminen tuote sulan perusmetallin massan vieressä olevassa täyteaineen pedissä. Sula metalli reagoi kaasumaisen hapettimen, kuten hapen, kanssa, jonka on annettu läpäistä täyteainepeti. Saatava hapetusreaktiotuote, esim. alumiinioksidi, voi kasvaa täyteaineen massaan ja sen läpi, kun sulaa perusmetallia vetäytyy jatkuvasti tuoreen -- 30 hapetusreaktiotuotteen läpi. Täyteaineen hiukkaset uppoutuvat moniki- teiseen keraamiseen tuotteeseen, joka käsittää kolmiulotteisesti yhdistyneen hapetusreaktiotuotteen.

Toisessa hakijan US-patentissa 4,828,785 nimellä Marc S. Newkirk et ai, 35 kuvataan menetelmä keraamisten sekarakenneartikkeleiden, mukaanlukien putket, valmistamiseksi kasvattamalla keraaminen tuote täyteaineen lä- 5 90059 päisevässä pedissä, joka ympäröi perusmetallin muottia tai mallia, joka määrittää muodon, joka toistuu käänteisesti keraamisessa sekarakenne-artikkelissa olevana ontelona. Metallinen muotti (esim. muotoiltu alu-miinisauva), joka on upotettu täyteaineeseen (esim. alumiinioksidi- tai 5 piikarbidihiukkasten läpäisevään massaan), sulaa, ja sula perusmetalli reagoi hapettimen, kuten hapen, kanssa, jonka on annettu läpäistä vieressä olevan täyteainepeti. Saatava hapetusreaktiotuote, esim. alumiinioksidi, voi kasvaa täyteaineen massaan ja sen läpi, kun sulaa perusmetallia vetäytyy tuoreen hapetusreaktiotuotteen läpi. Kun metallin 10 alunperin täyttämässä tilassa oleva sula metalli on kulutettu loppuun, jäljelle jää ontelo, joka toistaa käänteisesti alkuperäisen metalli-muotin muodon tai geometrian siten, että onteloa ympäröi saatu keraaminen sekarakenne.

15 Näiden ohjatulla hapettamisella toteutettavien hapetusreaktioprosessien avulla saadaan aikaan erilaisia muotoiltuja keraamisia artikkeleita, mutta niitä ei ole tähän mennessä sovellettu kiinteiden keraamisten vaahtojen tuottamiseen. Keraamisilla vaahdoilla on selvä fysikaalinen rakenne, jonka avulla saavutetaan monia hyödyllisiä ominaisuuksia ja 20 käyttömahdollisuuksia. Tälle rakenteelle ovat tunnusomaisia satunnaisesti kolmessa ulottuvuudessa yhdistyneet avoimet solut tai kanavat, jotka mahdollistavat suuren pinta-alan yksikkötilavuutta kohden ja korkeaan lujuus-paino -suhteen. Pyörteinen nestevirtaus johtuu näistä kolmiulotteisista solurakenteista, jotka voivat olla hyödyllisiä jois-25 sakin sovelluksissa, ja se on päinvastainen kuin kennossa tapahtuva laminaarinen virtaus. Tällaisten tuotteiden ja niiden valmistamis-menetelmien yhteydessä on tarvetta parannuksiin.

Keksinnön mukainen keraaminen kappale on pääasiassa tunnettu siitä, 30 että se käsittää yhteenpunoutuneista ontoista säikeistä koostuvan verkkomaisen kappaleen, jotka säikeet saadaan vaahtomaisen esiastemetallin säikeistä siten, että nämä ontot säikeet ovat satunnaisesti yhdistyneitä kolmessa ulottuvuudessa ja että säikeiden ulkopinnat määrittävät satunnaisesti kolmessa ulottuvuudessa yhdistyneitä avoimia soluja ja 35 että ontot säikeet käsittävät paikanpäällä muodostetun monikiteisen keraamisen materiaalin ja muodostuvat olennaisesti esiastemetallin 6 90059 hapetusreaktiotuotteesta hapettimen kanssa reagoituna ja valinnaisesti metallisista ainesosista.

Keksinnön mukainen menetelmä keraamisen kappaleen valmistamiseksi on 5 pääasiassa tunnettu siitä, että menetelmässä: (a) esiastemetallin vaahtomaista massaa, joka koostuu kolmessa ulottuvuudessa satunnaisesti yhdistyneistä metallisista säikeistä ja muodostaa avoinsoluisen rakenteen, joiden säikeiden ulkopinnat määrittävät 10 kolmessa ulottuvuudessa satunnaisesti yhdistyneitä avoimia soluja, käsitellään metallin sulamispisteen alapuolella olevassa lämpötilassa siten, että säikeiden pinnalle muodostuu tukipäällyste, joka pystyy sinänsä säilyttämään avoinsoluisen rakenteen yhtenäisyyden, kun sanottu massa kuumennetaan seuraavassa vaiheessa (b) metallin sulamispisteen 15 yläpuolella olevaan lämpötilaan; (b) kuumennetaan vaiheessa (a) saatu massa metallin sulamispisteen yläpuolella olevaan lämpötilaan hapettimen läsnäollessa ja annetaan saadun sulan metallin reagoida sen tullessa kosketukseen hapettimen 20 kanssa hapetusreaktiotuotteen muodostamiseksi sanottuun tukipäällys-teeseen ja valinnaisesti sen ulkopuolelle avoinsoluisen keraamisen vaahtomaisen kappaleen muodostamiseksi, jonka rakenne on olennaisesti samanlainen kuin esiastemetallin massan rakenne; 25 (c) jäähdytetään vaiheessa (b) saatu massa ja otetaan haluttu keraami nen kappale talteen.

Tämän keksinnön avulla tuotetaan keraaminen vaahto käsittäen avoimien solujen tai avoimien kanavien verkkomaisen massan, jotka solut tai 30 kanavat ovat satunnaisesti yhdistyneitä kolmessa ulottuvuudessa sekä olennaisesti jatkuvan keraamisen materiaalin. Keksinnön mukaisesti metallista vaahtoa käytetään esiastemetallina, josta saadaan hapetus-reaktiotuote. Vaahto on esiastemetallin yhteenpunoutuneista säikeistä, suonista, kuiduista, kaistaleista tai vastaavista säikeistä muodostunut 35 verkkomainen massa, joka on satunnaisesti yhdistynyt kolmessa ulottuvuudessa määrittäen siten avoimia soluja tai kanavia. Kanavat, joita 7 90059 määrittävät säikeiden ulkopinnat, ovat samalla tavoin satunnaisesti yhdistyneitä kolmessa ulottuvuudessa. Keraamista vaahtoa tuotettaessa metalliverkosto toimii esiastemetallina tai perusmetallina, ja se kulutetaan ainakin osaksi hapetusreaktiotuotetta muodostettaessa. Perus -5 metallin verkkomainen massa käsitellään ensin siten, että tukipäällys-te, joka pystyy sinänsä säilyttämään massan avoinsoluisen rakenteen yhtenäisyyden, muodostuu säikeiden pinnoille metallin sulamispisteen alapuolella olevassa lämpötilassa. Tämä tukipäällyste voidaan muodostaa sisäisesti tai levitetään ulkoisesti, kuten alla on yksityiskohtaisesti 10 kuvattu. Päällystetty perusmetallin massa kuumennetaan tämän jälkeen metallin sulamispisteen yläpuolelle olevassa lämpötilassa, jolloin sula metalli tulee kosketukseen ja reagoi hapettimen kanssa muodostaen ha-petusreaktiotuotteen. Prosessiolosuhteita pidetään yllä, jotta perusmetallia vetäytyisi hapetusreaktiotuotteen läpi, joka hapetusreak-15 tiotuotteen kanssa kosketukseen tullessaan muodostaa lisää hapetusreaktiotuotetta. Prosessia jatketaan, kunnes muodostuu monikiteisen keramiikan toivottu päällyste säikeiden pinnoille, joka käsittää hapetusreaktiotuotteen ja valinnaisesti metallisia ainesosia ja/tai huokosia. Keraaminen vaahtotuote käsittää avoinsoluisen, verkkomaisen keraamisen 20 rakenteen, ja olennaisesti kaikki metalliset säikeet tai ainoastaan osa niistä voidaan kuluttaa prosessissa.

Keksinnön yhden suoritusmuodon mukaisesti metallivaahdon säikeet esi-päällystetään läpäisevällä täyteainekerroksella, joka on olennaisesti 25 inerttinen prosessiolosuhteissa. Prosessoinnin aikana saatu keraaminen hapetusreaktiotuote, esim. alumiinioksidi, suodattuu ja kasvaa läpäi-sevään kerrokseen ja sen läpi, kun sulaa metallia vetäytyy tuoreen hapetusreaktiotuotteen läpi. Näin muodostuu keraaminen matriisiseka-rakenne, johon täyteaineen hiukkaset ovat uppoutuneita. Matriisi muo-30 dostuu hapetusreaktiotuotteen ja täyteaineen kolmiulotteisesti yhdistyneestä monikiteisestä materiaalista, ja se voi lisäksi sisältää metallisia ainesosia, kuten hapettumatonta perusmetallia ja/tai huokosia. Hapetusreaktiotuote on kolmessa ulottuvuudessa yhdistynyttä. Huokoset voivat olla samalla tavoin yhdistyneitä tai eristyneitä.

35 8 90 G 59

Keksinnön mukainen tuote käsittää avoimista soluista muodostuneen verkkomaisen massan, jotka solut ovat satunnaisesti yhdistyneitä kolmessa ulottuvuudessa ja joita määrittää olennaisesti jatkuva keraaminen matriisi, jonka rakenne koostuu puolestaan yhteenpunotuista, kolmfulottei-5 sesti ja satunnaisesti yhdistyneistä ontoista säikeistä tai pikkuput-kista. Prosessiolosuhteista riippuen ontot säikeet eivät sisällä perusmetallia tai voivat olla osittain perusmetallin täyttämiä, jolloin ne tuottavat metallisen keernan keraamiselle matriisille. Joissakin tapauksissa keraamisessa vaahtotuotteessa voi olla läsnä sekä tyhjiä että 10 metallia sisältäviä onttoja säikeitä. Keraaminen artikkeli toistaa olennaisesti alkuperäisen metallisen solumaisen massan muodon tuottaen näin lähes lopullisen rakenteen. Tällä tavalla voidaan saada aikaan keraaminen tuote, joka on lähes lopullisen muotoinen ja jolla on mitoitettu tiheys, koostumus ja ominaisuudet. Prosessointivaiheiden suhteel-15 lisen yksinkertainen ja rajoitettu määrä mahdollistaa lisäksi erittäin puhtaiden keraamisten kappaleiden tuottamisen ja eliminoi edelleen monia tavanomaisia prosessointipuutteita.

Onttojen säikeiden seinämäosassa oleva metallinen ainesosa sekä metal-20 Iin keerna voivat olla hyödyllisiä käyttökohteissa, joissa vaaditaan lämmön- tai sähkönjohtavuutta, esimerkiksi lämmönvaihtimissa, kuumenta-miselementeissä, jne. Metalli voi parantaa myös lujuutta tai sitkeyttä, joka saattaa olla hyödyllinen suotimissa, sihdeissä, jne.

; 25 Tässä erittelyssä ja patenttivaatimuksissa käytettyinä allaolevat termit määritetään seuraavasti:

Termin "keraaminen" ei tule ajatella olevan rajoitetun keraamiseen • kappaleeseen termin klassisessa merkityksessä eli siinä merkityksessä, 30 että se muodostuu kokonaan ei-metallisista ja epäorgaanisista materiaaleista, vaan se viittaa pikemminkin kappaleeseen, joka on pääasiassa keraaminen joko koostumukseltaan tai hallitsevilta ominaisuuksiltaan, vaikka kappale voi sisältää vähäisiä tai huomattavia määriä yhtä tai useampaa metallista ainesosaa ja/tai huokoisuutta (yhdistynyttä tai 35 eristynyttä), jotka on saatu perusmetallista tai pelkistetty hapetti- 9 90059 mesta tai lisäaineesta, tyypillisimmin alueella noin 1-40 tilavuusprosenttia tai enemmän.

"Vaahto", joka on lisätty joko esiastemetalliin tai tuotteeseen tai 5 molempiin, viittaa itsekantavaan kappaleeseen, jolla on solumainen, runkomainen, verkkomainen rakenne.

"Hapetusreaktiotuote" tarkoittaa yleensä yhtä tai useampaa metallia missä tahansa hapettuneessa tilassa, jossa metalli on luovuttanut elek-10 troneja toiselle alkuaineelle, yhdisteelle tai näiden yhdistelmälle tai jolla on ollut yhteisiä elektroneja viimeksimainittujen kanssa. Tämän määritelmän mukaisesti "hapetusreaktiotuote" sisältää siis yhden tai useamman metallin reaktion tuotteen hapettimen kanssa, joita hapettimia ovat esimerkiksi tässä hakemuksessa kuvatut hapettimet.

15 "Hapetin” tarkoittaa yhtä tai useampaa elektronien vastaanotinta tai 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.

20 "Perusmetallin" on tarkoitettu viittaavan suhteellisen puhtaisiin me-talleihin, kaupallisesti saataviin metalleihin epäpuhtauksineen ja/tai siihen lisättyine ainesosineen sekä seoksiin ja metallien välisiin yhdisteisiin. Kun tietty metalli mainitaan, tunnistettu metalli tulisi 25 tulkita tämä määritelmä mielessä, ellei tekstin asiasisältö muuta osoita.

Liitteenä olevissa piirustuksissa 30 Kuvio 1 on osittainen esitys esiastemetallin vaahdosta, ja se esittää satunnaisesti yhdistyneiden säikeiden ja avoimien solujen kolmiulotteista verkostoa, joka vaahto on osittain päällystetty kerroksella materiaalia, joka on hyödyllinen tukipäällystettä muodostettaessa.

35 Kuvio 2 on leikkauskuva keraamisen tuotteen osan läpi, joka tuote on valmistettu tämän keksinnön mukaisesti.

10 90059

Kuvio 2A on poikittainen poikkileikkaus kuviossa 1 esitetyn tuotteen tyhjän keraamisen pikkuputken läpi; ja

Kuvio 2B on poikittainen poikkileikkaus keraamisesta pikkuputkesta, 5 jolla on metallinen keerna tämän keksinnön mukaisessa tuotteessa.

Tämän keksinnön mukaisessa prosessissa keraamisen tuotteen muodostaminen ja kasvu suoritetaan avoinsoluisen perusmetallin massassa, jolla on kolmiulotteinen solurakenne eli metallinen vaahto tai sieni. Tämän 10 rakenteen monimutkaisuuden, rajoitetun pääsyn sen sisäpinnoille ja tukevan rakenteen hienouden vuoksi vaaditaan erityisiä olosuhteita, jotta avoinsoluinen metallin massa voidaan muuttaa avoinsoluiseksi keraamiseksi massaksi kasvuprosessin avulla. Prosessin mukaisesti avoinsoluinen perusmetallin massa toimii mallina tai muottina samalla 15 tavoin konfiguroidun keraamisen vaahdon massan muodostamiselle. Huolimatta perusmetallin massan rakenteellisesta monimutkaisuudesta sekä metallin sulasta tilasta ja syrjäyttämisestä prosessin aikana, perusmetallin massan avoinsoluisen rakenteen yhtenäisyys ja konfiguraatio säilyvät olennaisesti samoina. Tämä keksintö tarjoaa tämän edun muodos-20 tettaessa muotoiltuja keraamisia kappaleita siten, että metallista vaahtoa voidaan helposti muotoilla, mukaanlukien onteloiden muodostamisen, sen sijaan, että viimeisteltyä keraamista artikkelia työstettäisiin, mikä on vaikeampaa ja kalliimpaa. Lopullinen keramiikka toistaa olennaisesti metallivaahdon ulkoiset mitat ja konfiguraation, koska 25 metallisella säikeellä tai suonella on suhteellisen pieni poikkileik-kauksellinen mitta, ja tämän vuoksi hapetusreaktiotuotteen kasvu ei olennaisesti muuta kappaleen mittoja.

Perusmetallin massa käsitellään ensin, jotta metallin säikeiden päälle 30 voidaan tuottaa tukipäällyste, joka sinänsä säilyttää avoinsoluisen rakenteen yhtenäisyyden. Tukipäällyste voi olla läpäisevä kaasumaiselle hapettimelle, jos sellaista käytetään tai sisältää kiinteän tai nestemäisen hapettimen sekä sallii hapetusreaktiotuotteen suodattumisen ja kasvun. Tämä käsittely tukipäällysteen muodostamiseksi tapahtuu perus -35 metallin sulamispisteen alapuolella, ja käsittely voidaan toteuttaa monella erilaisella tavalla. Keksinnön yhden suoritusmuodon mukaisesti 11 90059 tukipäällyste muodostetaan sisäisesti hapettamalla esiastemetalli sulamispisteensä alapuolella hapetusreaktiotuotteen kerroksen muodostamiseksi. Kun tukipäällystettä muodostetaan sisäisesti, on suositeltavaa suorittaa kuumentaminen alhaiselle lämpötila-alueelle hitaassa tahdis-5 sa. Metallivaahto voidaan toivottaessa kuumentaa alhaiseen lämpötilaan suhteellisen nopeassa tahdissa ja kostuttaa tämän jälkeen vaadittavassa lämpötilassa riittävän pitkään päällysteen muodostamiseksi. Joissakin järjestelmissä pelkästään esikuumennusvaihe on hyväksyttävissä. Esimerkiksi Jäljempänä seuraavan esimerkin 1 menettelyssä, jos metallivaahto 10 käsittää 6101-alumiiniseoksen kuumennettuna ilmassa kahden tunnin ajan 600 °C:ssa, muodostuu riittävä tukipäällyste, joka käsittää alumiiniok-sidisen ohuen tukipäällysteen. Kun suhteellisen puhdasta alumiinia kuumennetaan samalla tavoin typpi-ilmakehässä 650°C:ssa useiden tuntien ajan, muodostuu alumiininitridinen ohut tukipäällyste, kuten allaole-15 vassa esimerkissä 11 on selvitetty. Tämän tukipäällysteen tulisi olla riittävän paksu, jotta se voisi tukea ja ylläpitää alkuperäisen metal-livaahdon rakenteen yhtenäisyyttä ja konfiguraatiota. Perusmetallin sulamispisteen yläpuolella tapahtuvassa myöhemmässä kuumentamisvaihees-sa vaahto ei luhistu tukipäällysteen ansiosta. Hapetusreaktioprosessi 20 etenee, ja hapetusreaktiotuote kasvatetaan tai kehitetään keraamiselle vaahtotuotteelle toivottuun paksuuteen.

Vaihtoehtoisessa menetelmässä, jossa vaahto esikäsitellään tukipäällysteen aikaansaamiseksi, materiaali tai sen esiaste, joka reagoi tai 25 hajoaa metallin sulamispisteen alapuolella muodostaen läpäisevän tukipäällysteen, levitetään vaahtometallin pinnoille ennen kuumentamista. Kun tällaisessa tapauksessa käytetään tätä ulkoista levitystä, kuten on selvitetty esimerkeissä 2-10, tukipäällyste voi muodostua asteittaisen kuumentamisvaiheen aikana perusmetallin sulamispisteen alapuolella 30 olevasta lämpötilasta sen sulamispisteen yläpuolella olevaan lämpötilaan ilman, että tarvittaisiin pitoaikaa esisulatuslämpötilassa. Esimerkkejä päällystemateriaaleista tai niiden esiasteista, jotka ovat erityisen hyödyllisiä alumiiniperusmetallijärjestelmissä, ovat alkalin sekä aikalisien maa- ja siirtymämetallien metalliset suolat ja yhdis-35 teet, mukaanlukien metallo-orgaaniset yhdisteet ja alumiinioksidin, hyvin hienon alumiinijauheen, piidioksidin, piikarbidin, alumiininitri- 12 90059 din, piinitridin, boorikarbidin tai niiden yhdistelmien lietteet tai lietokset. Metallin yhteydessä voidaan käyttää lisäainetta, kuten alla on yksityiskohtaisesti kuvattu. Täyteaineita voidaan myös levittää metallisten säikeiden pintoihin siten, että muodostuu keraaminen seka-5 rakenne. Muodostettavan keraamisen matriisin koostumuksesta riippuen sopivia täyteaineita voivat olla piin, alumiinin, boorin, hafniumin, niobiumin, tantalin, toriumin, titaanin, volframin, vanadiinin ja sir-koniumin karbidit; piin, alumiinin, boorin, hafniumin, niobiumin, tantalin, toriumin, titaanin, uraanin, vanadiinin ja sirkoniumin nitridit; 10 kromin, hafniumin, molybdeenin, niobiumin, tantalin, titaanin, volframin, vanadiinin ja sirkoniumin boridit; ja alumiinin, berylliumin, seriumin, kromin, hafniumin, raudan, lantaanin, magnesiumin, nikkelin, titaanin, koboltin, mangaanin, toriumin, kuparin, uraanin, yttrlumin, sirkoniumin ja piin oksidit.

15

Kun perusmetallin massa on asianmukaisesti esikäsitelty läpäisevän tukipäällysteen muodostamiseksi, perusmetallin lämpötila kohotetaan sen sulamispisteen yläpuolella, mutta hapetusreaktiotuotteen sulamispisteen alapuolella olevalle alueelle. Kun alumiini on perusmetallina ja sen 20 yhteydessä käytetään lisäainetta, tämä lämpötilaväli voi olla alueella noin 690-1450°C ja mielellään 900-1350°C. Päällysteen vieressä oleva sula metalli reagoi hapettimen kanssa tai tukipäällysteessä läsnäolevan minkä tahansa kiinteän ja/tai nestemäisen hapettimen kanssa. Kuumentamisen yhteydessä muodostuu hapetusreaktiotuote, kun sula perusmetalli 25 tulee kosketukseen hapettimen kanssa, ja sula perusmetalli vetäytyy aikaisemmin muodostuneen hapetusreaktiotuotteen läpi aiheuttaen hapetusreaktiotuotteen muodostumisen ja jatkuvan kasvun hapettimelle alttiina olevalla pinnalla. Tällaisessa tapauksessa esiastemetallina alunperin läsnäoleva metalli kulkeutuu olennaisesti täydellisesti pois 30 alkuperäisestä paikastaan (säikeiden ollessa tukipäällysteen ympäröimiä) siten, että saatu tuote käsittää satunnaisesti yhdistyneitä keraamisia onttoja säkeitä tai pikkuputkia, joiden halkaisija on olennaisesti sama kuin alkuperäisellä metallisella säikeellä. Keraamiset putket tai ontot säikeet käsittävät monikiteisen materiaalin, joka muodostuu 35 olennaisesti hapetusreaktiotuotteesta ja valinnaisesti metallisista ainesosista ja/tai huokosista. Jos prosessia toteutetaan olennaisesti 13 90059 kaiken perusmetallin muuntamiseksi hapetusreaktiotuotteeksi, yhdistynyttä huokoisuutta kehittyy yhdistyneen metallisen ainesosan paikalle, ja jäljelle saattaa yhä jäädä eristynyttä metallia ja/tai huokosia.

5 Prosessiolosuhteita, kuten aikaa, lämpötilaa, perusmetallin tyyppiä ja lisäaineita, säätelemällä ainoastaan osa sulasta metallista voidaan muuntaa hapetusreaktiotuotteeksi, ja uudelleen jähmettyneen perusmetallin keerna jää putkiin tai onttoihin säikeisiin.

10 Kuviossa 1 on esitetty metallinen sieni, johon viitataan yleisesti numerolla 1 ja jolla on säikeet tai suonet 2. Päällyste 4 on levitetty osaan säikeistä, jotka ovat yhdistyneitä kolmiulotteisen verkkomaisen rakenteen muodostamiseksi varustettuina avoimilla soluilla 3, jotka yhdistyvät puolestaan kolmessa ulottuvuudessa kolmiulotteisen säiera-15 kenteen ansiosta. Solut 3 ovat yleensä muodoltaan monikulmaisia, mutta ne voivat olla myös kulmattomia, esimerkiksi soikeita tai ympyrämäisiä. Kuviossa 2 esitetään keksinnön mukaan valmistettu keraaminen tuote sekä keraamisen materiaalin ontot säikeet tai putket 5 ja avoimet solut 3'.

20 Kuvioiden 2 ja 2A poikkileikkauksessa esitetyt keraamiset säikeet 5 ovat olennaisesti onttoja, ja rengasmaiseen pintaan, joka on muodostettu osittamalla sanottujen putkien pinnat, viitataan numerolla 6. Näissä putkissa on ontot reiät 7, jotka voivat lisätä tuotteen keveyttä sekä : sen pinta-alaa per yksikkötilavuus. Kuviossa 2B esitetyllä putkella on 25 keraaminen seinämä 6 ja metallinen keerna 8, jotka ovat tulosta perus-• metallin epätäydellisestä muuntumisesta hapetusreaktiotuotteeksi. Me tallinen keerna ei tyypillisesti täytä myöskään täydellisesti säikeen sisäosaa, jolloin tuloksena on jonkin verran tyhjiötilavuutta 7.

30 Erityisen hyödyllinen metallivaahto, jota voidaan käyttää esiastemetal-lina tämän prosessin yhteydessä, on metallivaahto, joka tunnetaan nimellä Duocel (tuote yhtiöltä Energy Research and Generation, Inc., Oakland, California, USA). Tätä tuotetta kuvataan metallivaahdoksi, jolla on avointen, kaksitoistasärmiöisten solujen muodostama verkkomai-35 nen rakenne, jotka solut ovat jatkuvien, kiinteämetallisten säikeiden yhdistämiä. Tulisi kuitenkin ymmärtää, että esiastemetallin muoto ja 14 90059 lähde eivät ole olennaisia keksinnön soveltamiselle, kunhan se on rakenteeltaan solumainen. Yksi keino sopivan metallivaahdon tuottamiseksi on valaa sula metalli kuluvan tai poistuvan materiaalin kanssa. Sula alumiini valetaan esimerkiksi suolarakeiden ympärille tai koksihiukkas-5 ten ympärille, joita käytetään juoksetetuissa pedeissä. Metallia jäähdytettäessä suola poistetaan vedessä uuttamalla tai koksi poistetaan säädellyllä alhaislämpötilaisella hapetusreaktiolla. Metallivaahto voi haluttaessa käsittää toivotulla irtotiheydellä varustettujen metalli -kuitujen jähmettyneen massan välityhjiöiden avoimen verkoston muodosta-10 miseksi.

Alumiini on suositeltava perusmetalli tässä prosessissa käytettäväksi. Sitä on helposti saatavilla vaahtometallin, kuten Duocelin muodossa, ja se soveltuu erityisen hyvin käytettäväksi prosesseissa, joissa sula 15 perusmetalli vetäytyy hapetusreaktiotuotteeseen tai sen läpi, jotta se voi reagoida hapettimen kanssa.

Kuten edellämainituissa hakijan patenteissa kuitenkin mainitaan, muitakin perusmetalleja kuin alumiinia voidaan käyttää näissä keraamisissa 20 kasvuprosesseissa, ja näitä metalleja ovat esimerkiksi titaani, tina, sirkonium ja hafnium. Kaikkia tällaisia metalleja voidaan käyttää tässä prosessissa, jos niitä on saatavissa tai voidaan tehdä saataviksi avoinsoluisessa eli vaahtomaisessa metallisessa muodossa.

25 Vaikka kiinteitä, nestemäisiä ja kaasufaasihapettimia voidaan käyttää tämän prosessin yhteydessä, sula metalli kuumennetaan tavallisesti reaktiivisessa ilmakehässä, esim. ilmassa tai typessä, alumiinin yhteydessä. Tukipäällyste on kaasulle läpäisevä siten, että päällystetyn esiasteen ollessa alttiina ilmakehän vaikutukselle kaasu läpäisee pääl-30 lysteen tullen kosketukseen sen vieressä olevan sulan perusmetallin kanssa.

Kiinteää hapetinta voidaan käyttää hajauttamalla se esiastemateriaalin läpi tukipäällystettä varten. Kiinteä hapetin voi olla erityisen hyö-35 dyllinen tukipäällystettä tai suhteellisen ohutta keraamista matriisia muodostettaessa.

15 9 G O 5 9

Voidaan käyttää kiinteää, nestemäistä tai kaasufaasihapetinta tai tällaisten hapettimien yhdistelmää, kuten yllä on selvitetty. Tällaisia tyypillisiä hapettimia ovat rajoituksitta esimerkiksi happi, typpi, halogeeni, rikki, fosfori, arseeni, hiili, boori, seleeni, telluuri 5 sekä näiden yhdisteet ja yhdistelmät kuten metaani, etaani, propaani, asetyleeni, eteeni, propyleeni (hiilivety hiilen lähteenä) ja seokset kuten ilma, H2/H20 ja C0/C02, joista kaksi viimeksimainittua (eli H2/H20 ja C0/C02) ovat hyödyllisiä vähentämään ympäristön happiaktiviteettia.

10 Vaikka mitä tahansa sopivia hapettimia voidaan käyttää, suositellaan kaasufaasihapetinta, mutta tulisi ymmärtää, että kahta tai useampaa kaasufaasihapetinta voidaan käyttää yhdessä toistensa kanssa. Jos kaasufaasihapetinta käytetään yhdessä materiaalin kanssa tukipäällystettä varten, joka voi sisältää täyteaineen, päällyste on läpäisevä kaasufaa-15 sihapettimelle siten, että hapettimelle altistuessaan kaasufaasihapetin läpäisee päällysteen tullen kosketukseen sulan perusmetallin kanssa. Termi "kaasufaasihapetin" tarkoittaa höyrystynyttä tai normaalisti kaasumaista materiaalia, joka tuottaa hapettavan ilmakehän. Esimerkiksi happea (mukaanlukien ilman) sisältävät happi- tai kaasuseokset ovat 20 suositeltavia kaasufaasihapettimia alumiinin ollessa perusmetallina, joista ilmaa pidetään tavallisesti parempana sen ilmeisestä taloudelli-‘ suudesta johtuen. Kun hapetin tunnistetaan tietyn kaasun tai höyryn sisältäväksi tai käsittäväksi, tämä tarkoittaa hapetinta, jossa tunnistettu kaasu tai höyry on perusmetallin ainoa, hallitseva tai ainakin 25 merkittävä hapetin käytettävässä hapettavassa ympäristössä vallitsevissa olosuhteissa. Vaikka esimerkiksi ilman pääainesosa on typpi, ilman happipitoisuus on perusmetallin ainoa hapetin, koska happi on merkittävästi voimakkaampi hapetin kuin typpi. Tämän vuoksi ilma määritetään .. "happea sisältävänä kaasuhapettimena" muttei "typpeä sisältävänä kaasu- 30 hapettimena". Esimerkki "typpeä sisältävästä kaasuhapettimesta" on tässä yhteydessä ja patenttivaatimuksissa käytettynä "muodostuskaasu", joka sisältää tyypillisesti noin 96 tilavuusprosenttia typpeä ja noin k tilavuusprosenttia vetyä.

35 Kun käytetään kiinteää hapetinta tukipäällysteen yhteydessä, se on tavallisesti hajautuneena päällysteen tai sen esiasteen läpi sekä myös ie 90059 täyteaineen läpi, jos sitä on käytetty, hiukkasten muodossa tai ehkä päällysteinä täyteainehiukkasten päällä. Mitä tahansa sopivaa kiinteää hapetinta voidaan käyttää mukaanlukien alkuaineet kuten boori tai hiili tai pelkistävät yhdisteet kuten piidioksidi tai tietyt boridit, joiden 5 lämpödynaaminen stabiliteetti on alhaisempi kuin perusmetallin boridi-reaktiotuotteella. Kun esimerkiksi booria tai pelkistyvää boridia käytetään kiinteänä hapettimena alumiiniperusmetallin yhteydessä, saatava hapetusreaktiotuote on alumiiniboridi.

10 Hapetusreaktio voi joissakin tapauksissa edetä niin nopeasti kiinteän hapettimen kanssa, että hapetusreaktiotuote pyrkii sulamaan prosessin eksotermisesta luonteesta johtuen. Tällainen ilmiö voisi heikentää keraamisen kappaleen mikrorakenteellista yhtenäisyyttä. Tämä nopea eksoterminen reaktio vältetään sekoittamalla koosteeseen suhteellisen 15 inerttinen täyteaine, jonka reaktiivisuus on alhainen. Esimerkki tällaisesta sopivasta täyteaineesta on aine, joka on identtinen aiotun hapetusreaktiotuotteen kanssa.

Jos nestemäistä hapetinta käytetään tukipäällysteen ja täyteaineen 20 yhteydessä, koko päällyste tai täyteaine voidaan kyllästää hapettimel-la. Viittaus nestemäiseen hapettimeen tarkoittaa hapetinta, joka on juoksevassa muodossa hapetusreaktio-olosuhteissa, ja näin ollen nestemäisellä hapettimella voi olla kiinteä esiaste, kuten suola, joka on sulassa muodossa hapetusreaktio-olosuhteissa. Nestemäisellä hapetti-25 mella voi vaihtoehtoisesti olla nestemäinen esiaste, esimerkiksi materiaalin liuos, joka sulaa tai hajoaa hapetusreaktio-olosuhteissa tuottaen sopivan hapettimen osuuden. Esimerkkejä nestemäisistä hapettimista ovat tässä määritettyinä alhaissulatteiset lasit.

30 Kuten yllämainituissa hakijan US-patenteissa on kuvattu, tietyt perusmetallit täyttävät tietyissä lämpötilaolosuhteissa ja tietyssä hapettavassa ilmakehässä kriteerit, jotka ovat välttämättömiä keraamiselle prosessille ilman erityisiä lisäyksiä tai muunnelmia. Perusmetallin yhteydessä käytettävät lisäaineet voivat kuitenkin vaikuttaa suotuisas-35 ti tai edistää prosessia. Lisäaine tai -aineet voidaan järjestää vaah-tomaisen perusmetallin lisättyinä ainesosina tai ne voivat olla tuki- 17 90059 päällysteen tuottamia. Lisäaine voidaan joissakin tapauksissa jättää pois prosessilämpötiloista ja perusmetallista riippuen. Asian havainnollistamiseksi, kun verkkomaista alumiinimassaa kuumennetaan typpi -ilmakehässä alumiininitridin muodostamiseksi, lisäainetta suositellaan 5 tai vaaditaan prosessilämpötilan ollessa noin 1200°C, mutta lisäainetta ei tarvitse käyttää prosessoitaessa kaupallisesti puhdasta alumiinia noin 1700°C:en lämpötilassa.

Alumiiniperusmetallivaahdolle hyödyllisiä lisäaineita ovat erityisesti 10 ilman ollessa hapettimena esimerkiksi magnesiummetalli ja sinkkimetal-li, erityisesti yhdessä muiden lisäaineiden, kuten piin, kanssa, kuten alla on kuvattu. Nämä metallit tai metallien sopiva lähde voidaan sekoittaa alumiinipohjaiseen vaahtoperusmetalliin pitoisuuksina kullekin noin 0,1-10 painoprosenttia, mikä perustuu saatavan lisätyn metallin 15 kokonaispainoon. Minkä tahansa yhden lisäaineen pitoisuusalue riippuu sellaisista tekijöistä kuin lisäaineiden yhdistelmä ja prosessilämpöti-la. Tällä alueella olevien pitoisuuksien on havaittu aloittavan keraamisen kasvun sulasta metallista, kiihdyttävän metallin kulkua ja vaikuttavan suotuisasti saatavan hapetusreaktiotuotteen kasvumorfologiaan.

20

Muita lisäaineita, jotka ovat tehokkaita edistämään keraamista kasvua sulasta metallista alumiinipohjaisissa perusmetallijärjestelmissä, ovat esimerkiksi pii, germanium, tina ja lyijy käytettyinä erityisesti yh-: dessä magnesiumin ja sinkin kanssa. Yksi tai useampi tällainen lisäaine 25 tai niiden sopiva lähde lejeerataan alumiiniseen vaahtoperusmetallijärjestelmään pitoisuuksina kullekin noin 0,5-15 painoprosenttia kokonais-seoksen painosta; suositeltavampi kasvukinettiikka ja kasvumorfologia saavutetaan kuitenkin lisäaineiden pitoisuuksilla alueella noin 1-10 .. . painoprosenttia kokonaisperusmetalliseoksen painosta. Lisäaineena lyijy 30 lisätään yleensä alumiinipohjaiseen perusmetalliin ainakin 1000 °C:en lämpötilassa, jotta voitaisiin kompensoida sen alhainen liukenevuus alumiiniin; muiden sekoitettujen ainesosien, kuten tinan, lisääminen lisää yleensä lyijyn liukenevuutta ja sallii lisättyjen materiaalien lisäämisen alemmassa lämpötilassa.

\ 35 18 90059

Olosuhteista riippuen voidaan käyttää yhtä tai useampaa lisäainetta. Esimerkiksi alumiinin ollessa perusmetallina ja ilman ollessa hapetti-mena erityisen hyödyllisiä lisäaineiden yhdistelmiä ovat (a) magnesium ja pii tai (b) magnesium, sinkki ja pii. Tällaisissa esimerkeissä suo-5 siteltava magnesiumpitoisuus jää alueelle noin 0,1-3 painoprosenttia, sinkkipitoisuus alueelle noin 1-6 painoprosenttia ja piipitoisuus alueelle noin 1-10 painoprosenttia. Alumiininitridiä muodostettaessa hyödyllisiä lisäaineita ovat kalsium, barium, pii, magnesium ja litium.

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

Ulkoinen lisäaine voidaan lisätä kostuttamalla perusmetallin avoinso-luinen massa lisäainemetallin suolan vesiliuoksella (esimerkki 2) tai kastamalla perusmetallin avoinsoluinen massa lisäainejauheen orgaani-25 sessa lietteessä, jota seuraa ravistaminen lietteen hajauttamiseksi läpi koko avoinsoluisen runkorakenteen. Ulkoisen lisäaineen määrä on tehokas laajalla alueella suhteessa perusmetallin määrään, johon se lisätään. Kun käytetään esimerkiksi piitä piidioksidin muodossa, joka on lisätty ulkoisesti lisäaineena alumiinipohjaiseen perusmetalliin 30 ilmaa tai happea hapettimena käytettäessä, niinkin alhaiset määrät kuin 0,0001 grammaa piitä per gramma perusmetallia yhdessä magnesiumin ja/tai sinkin lähteen tuottavan toisen lisäaineen kanssa tuottavat keraamisen kasvuilmiön. On myös havaittu, että keraaminen rakenne on saavutettavissa alumiinipohjalsesta perusmetallista, joka sisältää 35 piitä lejeerattuna lisäaineena ilman tai hapen ollessa hapettimena, lisäämällä MgO:ta ulkoisena lisäaineena määrässä, joka on suurempi kuin 19 90C59 noin 0,0005 grammaa lisäainetta per gramma hapetettavaa perusmetallia ja suurempi kuin noin 0,005 grammaa lisäainetta per neliösenttimetri perusmetallin pintaa, jolle MgO lisätään.

5 Keksintöä havainnollistetaan seuraavin esimerkein.

Esimerkki 1 Lähtömateriaalina käytetty vaahtometalli oli 5,1 cm x 5,1 cm x 2,5 cm:n 10 kappale, joka koostui tässä tapauksessa aikaisemmin mainitusta Duoce-listä ja joka oli valmistettu 6101-alumiiniseoksesta. Tässä metallissa pääasialliset sekoitetut ainesosat ovat pii (0,3-0,7 %), magnesium (0,35-0,8 %) ja rauta (max. 0,5 %). Läsnäolevien alkuaineiden määrät ovat 0,1 % tai vähemmän, ja ne sisältävät kuparia, sinkkiä, booria, 15 mangaania ja kromia. Valmistaja kuvaa vaahtometallin käsittävän avointen, kaksitoistasärmäisten solujen muodostaman verkkomaisen rakenteen, joita soluja yhdistävät jatkuvat, kiinteästä alumiiniseoksesta muodostuvat säikeet. Solukoko oli 4 solua per senttimetri (keskimääräinen solukoko 0,20 cm).

20

Metallivaahtokappaletta käsiteltiin etukäteen peräkkäisillä puhdistustoimenpiteillä asetonissa ja 20-prosenttisessa natriumkloridin vesi-liuoksessa noin 2 minuuttia per käsittely. Kappale sijoitettiin tämän : jälkeen wollastoniittipohjan päälle tulenkestävään upokkaaseen.

' 25

Upokas sijoitettiin uuniin, jossa se kuumennettiin ilmassa 600°C:en lämpötilaan kaksi tuntia kestävän kuumentamisvaiheen aikana, ja sitä pidettiin 600°C:en lämpötilassa kahden tunnin ajan. Tämä kuumentamisvaihe mahdollisti läpäisevän päällysteen muodostumisen vaahtometallin pin-30 noille, mikä riitti sinänsä pitämään yllä metallikappaleen verkkomaista yhtenäisyyttä. Tässä vaiheessa uunin lämpötila nostettiin 1300°C:en 2,3 tunnin aikana, ja sitä pidettiin yllä 15 tunnin ajan.

Tuote poistettiin wollastoniittipohjasta sen jälkeen, kun upokas ja sen 35 sisältö oli jäähdytetty ympäristön lämpötilaan, ja sillä oli Duocelin kaltainen jäykkä, avoinsoluinen rakenne, vaikkakin pinta oli kiilloton 20 90059 ja väri harmaa. Koon pienentymistä ei ollut olennaisesti havaittavissa (Duoceliin verrattuna), mikä osoitti sen, että vaahtometallin avoinso-luisen rakenteen yhtenäisyys oli säilynyt huolimatta siitä, että tuotetta oli pidetty 6101-alumiiniseoksen sulamispisteen yläpuolella enem-5 män kuin 15 tuntia. Mikrovalokuvat poikkileikkauksellisista verkostoa muodostavista säikeistä osoittivat osittain metallin täyttämän rakenteen muodostumisen eli metallisen keernan muodostumisen, jota ympäröi keraaminen kotelo. Röntgensädediffraktiokokeet osoittivat, että kotelo käsitti kolmiulotteisesti yhdistyneestä alumiinioksidista koostuvan 10 matriisin sisältäen hajautunutta alumiinimetallia. Keerna oli alumiinia. Kotelo eli putkimainen seinämä, oli kova ja sähköä johtava.

Esimerkki 2 15 (a) Esimerkissä 1 kuvattu menettely toistettiin paitsi, että esikäsi- telty Duocel-kappale kostutettiin 20-prosenttisessa magnesiumnitraatin vesiliuoksessa ja kuivattiin, ja 600°C:en esikuuraentamisvaihe jätettiin pois. Päällystettyä vaahtometallia kuumennettiin ilmassa 4 tunnin ajan, kunnes saavutettiin 1300°C:en lämpötila, jota pidettiin yllä 15 tuntia.

20 Jäähdytetyn tuotteen ulkonäkö ja koko olivat esimerkin 1 mukaan muodostetun tuotteen kaltaiset, mutta tässä tapauksessa poikkileikkaukseni -sissa mikrovalokuvissa verkoston muodostavista säikeistä oli havaittavissa putkimainen rakenne, jolla oli ontto keerna ja paksumpi seinämä 25 kuin esimerkissä 1 kuvatulla tuotteella. Onton keernan halkaisija oli olennaisesti sama kuin Duocelissa käytetyillä säikeillä. Seinämä muo-dostui olennaisesti alumiinioksidimatriisista, joka sisälsi hajautunutta alumiinimetallia. Läsnä oli myös spinelli.

30 (b) Vastaavat tulokset saatiin, kun ylläkuvattu menettely toistettiin paitsi, että magnesiumnitraattiliuos korvattiin kolloidisella piidiok-: sidilla.

Magnesiumnitraattiliuoksen tai kolloidisen piidioksidin lisääminen 35 vaahtometalliin ennen kuumentamista alumiiniseoksen sulamispisteen yläpuolella olevaan lämpötilaan mahdollisti tukipäällysteen muodostumisen 2i 900 59 kuumentamisvaiheen aikana, jolloin voitiin välttää pitoaika valitussa esisulatuslämpötilassa. Magnesiumoksidi- ja piidioksidipäällysteet toimivat myöhemmin lisäksi lisäaineina ja kiihdyttivät alumiinioksidin kasvunopeutta sulan alumiinin kulkiessa aikaisemmin muodostuneen alu-5 miinioksidin läpi sillä tuloksella, että olennaisesti kaikki, Duocelis-sä alunperin läsnäoleva alumiini syrjäytyi ja hapettui hapettavassa ilmakehässä muodostaen alumiinioksidisen keraamisen kotelon.

Esimerkki 3 10

Hiukkaskokoalueella 1-5 mikronia oleva alumiinioksidijauhe lietettiin 20-prosenttisessa nitriilikautsuliuoksessa sykloheksanonissa. Esimerkissä 1 kuvatun kaltainen esikäsitelty Duocel-kappale upotettiin lietteeseen ja ravistettiin siten, että alumiinioksidin läpäisevä kerros 15 voitiin sijoittaa metallipintojen päälle. Päällystetty kappale kuumennettiin esimerkissä 2 kuvatun menettelyn mukaisesti. Kun sulaa alumiinia kuumennettiin hapettavassa ilmakehässä, sitä vetäytyi viereiseen läpäisevään alumiinioksidipäällykseen siinä hapettuen ja muodostaen avoinsoluisen tuotteen, jossa verkostoa muodostavien säikeiden luonne 20 oli metallin täyttämän putkimaisen rakenteen kaltainen eli alumiiniok-sidimatriisin kotelon ympäröimän alumiinikeernan kaltainen, jossa matriisissa oli hajautuneena alumiinimetallia. Kotelo oli kova ja sähköä j ohtava.

25 Esimerkki 4 (a) Esimerkissä 3 kuvattu menettely toistettiin paitsi, että alumiini-oksidijauheen sijasta käytettiin 1-10 μ:η alumiinijauhetta, joka päällystettiin Duocelin päälle nitriilikumiliuoksesta. Hieno alumiinijauhe 30 hapettui helposti metallipinnoille kuumentamisen aikana muodostaen läpäisevän alumiinioksidipäällysteen, joka riitti säilyttämään vaahto-metallikappaleen verkkomaisen yhtenäisyyden ennen kuin alumiinin sulamispiste saavutettiin. Mikrovalokuvat saaduista verkoston muodostavista säikeistä paljastivat keraamisen putkimaisen rakenteen, jolla oli alu- ____ 35 miinikeerna. Seinämä muodostui alumiinioksidisesta keramiikasta, joka sisälsi hajautunutta alumiinimetallia.

22 ) 0 0 59 (b) Kappaleessa (a) raportoituja tuloksia vastaavat tulokset saatiin, kun kuumentaminen toteutettiin typpikaasussa ilman sijasta, ja putkimainen seinämä koostui tässä tapauksessa alumiinia sisältävästä alu-miininitridistä.

5 (c) Kappaleessa (a) raportoituja tuloksia vastaavat tulokset saatiin, kun esimerkissä 3 kuvattu menettely toistettiin paitsi, että siinä kuvattu alumiinioksidijauhe ja ylläolevassa kappaleessa (a) kuvattu alumiinijauhe esipäällystettiin Duocelin päälle. Keraaminen seinämä 10 käsitti alumiinioksidia/alumiinia, kun kuumentaminen suoritettiin ilmassa, ja alumiininitridiä/alumiinioksidia/alumiinia, kun kuumentaminen toteutettiin typessä.

Esimerkit 5-10 15

Seuraavissa esimerkeissä esimerkissä 3 kuvattu menettely toistettiin varioiden Duocelin levitettyjen päällysteiden koostumuksia ennen keramiikkaa muodostavaa kuumentamisvaihetta. Kussakin tapauksessa saadussa keraamisessa vaahdossa olevien säikeiden rakenne oli putkimainen eli 20 keraamisesta sekarakennemateriaalista koostuva putki, joka käsitti metallia sisältävän keraamisen matriisin, johon oli uppoutunut rakeiden muodossa tukipäällysteessä oleva keraaminen materiaali (olevat keraamiset materiaalit). Joissakin tapauksissa putkissa oli metalliset keer-nat, ja joissakin tapauksissa ne olivat onttoja (joiden halkaisija oli 25 olennaisesti sama kuin Duocelissa käytettyjen metallisäikeiden halkaisija) riippuen prosessointiajasta ja siitä, käytettiinkö ulkoista lisäainetta vai ei (kuten esimerkissä 2 on havainnollistettu).

23 90059

Ennen kuumentamista Kuumentamis-Esimerkki lisätty jauhe ilmakehä Kotelon koostumus 5(a) Al/SiOz ilma Al203/Al/Si 5 5(b) Al/Si02 N2 A1N/Al/Si/Al203 6(a) SiC ilma SiC/Al203/Al 6(b) SiC N2 SiC/AlN/Al 7(a) Al/SiC ilma Al203/Al/SiC/Si

7(b) Al/SiC N2 AlN/Al/SiC

10 8(a) AlN ilma Al203/Al/A1N

8(b) AlN N2 AlN/Al

9(a) A1/A1N ilma Al203/Al/A1N

9(b) A1/A1N N2 AlN/Al

10(a) B*C N2 AlN/Al/B^C

15 10(b) B*C/Al N2 A1N/A1/B*C

Esimerkki 11

Kaksi alumiinivaahtokappaletta (99,7-prosenttisesti puhtaita) valmis -20 tettiin ja käytettiin esimuotteina, jotta voitiin tuottaa alumiininit-ridikappaleita tämän keksinnön mukaisesti. Ensimmäinen alumiinivaah-toesimuotti valmistettiin valamalla sulaa alumiinia natriumkloridira-keiden ympärille ja poistamalla suola tämän jälkeen vedessä uuttamalla. Toinen esimuotti valmistettiin painevalamalla sulaa alumiinia puristu-25 vien koksihiukkasten ympärille, jotka poistettiin myöhemmin ilmassa kuumentamalla.

Kummassakin tapauksessa huokoinen alumiinivaahtokappale kuumennettiin .. . typpi-ilmakehässä natriumkloridin ja koksihiukkasten poistamisen jäl- 30 keen. Kuumentamisaikataulu oli seuraava: (1) lämpö 20 °C:sta 650 °C:en 2 tunnin aikana (2) pito ("liotus") 650 °C:ssa 16 tuntia (3) kuumennus 650 °C:sta 1700 °C:en 5 tunnissa 35 (4) liotus 1700 °C:ssa 2 tuntia (5) uunin sammutus ja jäähdytys suunnilleen huoneen lämpötilaan.

24 9 0 0 59

Havaittiin, että järjestämällä pitkä, suhteellisen alhaislämpötilainen liotus typessä 650 °C:ssa (juuri alumiinin sulamispisteen alapuolella) metallivaahdon rakenteellinen yhtenäisyys voitiin säilyttää, kun sitä kuumennettiin lopulliseen 1700 °C:en lämpötilaan, ja vaahdon ulkoiset 5 mitat pysyivät olennaisesti muuttumattomina. Lisäainetta ei käytetty. Fysikaaliset mittaukset lähtöesimuotista (raakanäytteestä) ja lopullisesta tuotteesta (kuumennetusta näytteestä) käytettäessä esimuottla, joka oli valmistettu valamalla kutistuvien koksihiukkasten päälle, on esitetty alla: 10

Mittausnävte Raakanävte Kuumennettu tuote

Paino (g) 1,62 2,31

Tilavuus (g/cm3) 2,31 2,25

Irtotiheys (g/cm3) 0,69 1,00 15 Näennäishuokoisuus (%) 73,2 47,3

Todellinen huokoisuus (%) 74,6 69,2 Röntgensädediffraktioanalyysi kuumennetusta tuotteesta osoitti olennaisesti puhtaan alumiininitridin. Teoreettinen painonlisäys on 52 % muun-20 nettaessa alumiini alumiininitridiksi, ja tulos tälle erälle oli noin 42,6 %.

Tulee ymmärtää, että keksintö ei rajoitu ylläesitettyihin piirteisiin ja suoritusmuotoihin, vaan keksintöä voidaan soveltaa muillakin tavoil-25 la sen hengestä poikkeamatta.

Claims (23)

25 90059

1. Jäykkä keraaminen kappale (1), tunnettu siitä, että se käsittää yhteenpunoutuneista ontoista säikeistä (2,5) koostuvan verkko-5 maisen kappaleen, jotka säikeet (2,5) saadaan vaahtomaisen esiasteme-tallin säikeistä (2,5) siten, että nämä ontot säikeet (5) ovat satunnaisesti yhdistyneitä kolmessa ulottuvuudessa ja että säikeiden (2,5) ulkopinnat määrittävät satunnaisesti kolmessa ulottuvuudessa yhdistyneitä avoimia soluja (3,3') ja että ontot säikeet (2,5) käsittävät 10 paikanpäällä muodostetun monikiteisen keraamisen materiaalin ja muodostuvat olennaisesti (i) esiastemetallin hapetusreaktiotuotteesta hapettimen kanssa reagoituna ja valinnaisesti (ii) metallisista ainesosista .

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen keraaminen kappale, tunnettu siitä, että keraaminen materiaali käsittää kolmiulotteisesti yhdistyneen alumiinioksidin, joka sisältää valinnaisesti alumiinia.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen keraaminen kappale, tunnettu 20 siitä, että keraaminen materiaali käsittää kolmiulotteisesti yhdistyneen alumiininitridin, joka sisältää valinnaisesti alumiinia.

4. Patenttivaatimuksen 1,2 tai 3 mukainen keraaminen kappale, tunnettu siitä, että keraaminen materiaali sisältää siihen si- 25 säilytetyn täyteaineen.

5. Patenttivaatimuksen 1,2 tai 3 mukainen keraaminen kappale, tunnettu siitä, että hapetin on kaasufaasihapetin.

6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen keraaminen kappale, tunnet - t u siitä, että ontot säikeet (2,5) ovat olennaisesti vapaita esiaste-metallin muodostamasta metallisesta keernasta.

7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen keraaminen kappale, tunnet-35 t u siitä, että ontot säikeet (2,5) sisältävät esiastemetallia olevan keernan sekä jonkin verran tyhjiötilavuutta. 26 9 0 059

8. Patenttivaatimuksen 1 mukainen keraaminen kappale, tunnet-t u siitä, että osassa ontoista säikeistä (2,5) ei ole metallista keernaa ja osa sisältää esiastemetallisen keernan.

9. Patenttivaatimuksen 4 mukainen keraaminen kappale, tunnet- t u siitä, että täyteaine käsittää ainakin yhden aineen metallin oksideista, nitrideistä, borideista ja karbideista koostuvasta ryhmästä.

10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen keraaminen kappale, tunnet-10 t u siitä, että täyteaine valitaan piikarbidista, piinitridistä, alu- miininitridistä ja alumiinioksidista koostuvasta ryhmästä.

11. Jonkin patenttivaatimuksen 1-8 mukainen keraaminen kappale, tunnettu siitä, että keraamisen kappaleen sisällä on muotoiltu 15 ontelo.

12. Menetelmä keraamisen kappalen valmistamiseksi, tunne ttu siitä, että menetelmässä: 20 (a) esiastemetallin vaahtorneista massaa, joka koostuu kolmessa ulottu vuudessa satunnaisesti yhdistyneistä metallisista säikeistä (2,5) ja muodostaa avoinsoluisen rakenteen, joiden säikeiden (2,5) ulkopinnat määrittävät kolmessa ulottuvuudessa satunnaisesti yhdistyneitä avoimia soluja (3,3'), käsitellään metallin sulamispisteen alapuolella olevassa 25 lämpötilassa siten, että säikeiden pinnalle muodostuu tukipäällyste, joka pystyy sinänsä säilyttämään avoinsoluisen rakenteen yhtenäisyyden, kun sanottu massa kuumennetaan seuraavassa vaiheessa (b) metallin sulamispisteen yläpuolella olevaan lämpötilaan; 30 (b) kuumennetaan vaiheessa (a) saatu massa metallin sulamispisteen yläpuolella olevaan lämpötilaan hapettimen läsnäollessa ja annetaan saadun sulan metallin reagoida sen tullessa kosketukseen hapettimen kanssa hapetusreaktiotuotteen muodostamiseksi sanottuun tukipäällys-teeseen ja valinnaisesti sen ulkopuolelle avoinsoluisen keraamisen 35 vaahtomaisen kappaleen muodostamiseksi, jonka rakenne on olennaisesti samanlainen kuin esiastemetallin massan rakenne; n nnro 27 ;imj57 (c) jäähdytetään vaiheessa (b) saatu massa ja otetaan haluttu keraaminen kappale talteen.

13. Patenttivaatimuksen 12 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, 5 että tukipäällyste muodostetaan kuumentamalla metallin massa hapettavassa kaasussa metallin sulamispisteen alapuolella olevassa lämpötilassa niin kauan, että metalli reagoi hapettimen kanssa muodostaen päällysteen.

14. Patenttivaatimuksen 12 tai 13 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että tukirakenteen muodostamiseksi perusmetalli on alumiini ja metallin massa kuumennetaan ilmassa alumiinioksidin muodostamiseksi.

15. Patenttivaatimuksen 12 tai 13 mukainen menetelmä, tunne ttu 15 siitä, että tukirakenteen muodostamiseksi perusmetalli on alumiini ja massa kuumennetaan typpeä sisältävässä kaasussa alumiininitridin muodostamiseksi.

16. Patenttivaatimuksen 12 tai 13 mukainen menetelmä, tunnettu 20 siitä, että tukipäällyste muodostetaan sijoittamalla säikeiden (2,5) pinnoille materiaalia, joka reagoi hapettimen kanssa metallin sulamispisteen alapuolella olevassa lämpötilassa päällysteen muodostamiseksi.

17. Patenttivaatimuksen 16 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, 25 että perusmetalli on alumiini, hapetin on kaasufaasihapetin ja pinnoille sijoitettu materiaali on ainakin yksi seuraavassa ryhmässä mainituista aineista: magnesiumsuolaliuokset ja lietteet, jotka sisältävät erittäin hienoa alumiinijauhetta, alumiinioksidia, piidioksidia, pii-karbidia, alumiininitridiä, piinitridiä ja boorinitridiä. 30

18. Patenttivaatimuksen 17 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kaasufaasihapetin on ilma.

19. Patenttivaatimuksen 12 tai 13 mukainen menetelmä, tunnettu — 35 siitä, että vaihe (b) suoritetaan metallin epätäydellisen reaktion aikaansaamiseksi hapettimen kanssa siten, että tuotetussa keraamisessa

28. G 0 59 vaahdossa keraamisella materiaalilla on reagoimatonta metallia siihen sisällytettynä.

20. Patenttivaatimuksen 19 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, 5 että perusmetalli on alumiini ja hapetin on kaasufaasihapetin.

21. Patenttivaatimuksen 20 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että hapetin on ilma.

22. Patenttivaatimuksen 20 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että hapetin on typpi.

23. Patenttivaatimuksen 12 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että perusmetallivaahtokappale sisältää sisällään muotoillun ontelon, 15 jonka tuloksena saadaan keraaminen kappale, joka sisältää mainitun muotoillun ontelon. » 9 O 0 59