FI91087B

FI91087B - Menetelmä metallimatriisisekarakenteen tuottamiseksi

Info

Publication number: FI91087B
Application number: FI882217A
Authority: FI
Inventors: Michael Kevork Aghajanian; Danny Ray White; Andrew Willard Urquhart; Dave Kenneth Creber
Original assignee: Lanxide Technology Co Ltd
Priority date: 1987-05-13
Filing date: 1988-05-11
Publication date: 1994-01-31
Also published as: BG60257B2; BG60257B1; TW209880B; CZ284399B6; KR960008725B1; PT87466B; PL158056B1; YU46981B; FI882217A0; US4828008A; SU1838441A1; YU91688A; DK261288D0; CA1321905C; IE881434L; NO882093L; DE3850523T2; JPS6452040A; CZ322088A3; EP0291441B1

Description

91087 5

Menetelmä metallimatriisisekarakenteen tuottamiseksi Förfarandre för producering av en sammansatt struktur av en metallmatris Tämän keksinnön kohteena on menetelmä metallimatriisisekarakenteen tuottamiseksi, joka käsittää alumiiniseoksesta muodostuvan kiinteän metallimatriisin, joka sulkee sisäänsä täyteaineen, joka alumiiniseos 10 sisältää epäjatkuvan alumiininitridifaasin.

Tämän keksinnön kohteena on lähemmin menetelmä metallimatriisisekarakenteen valmistamiseksi keraamisen täyteaineen läpäisevän massan itsestään tapahtuvalla suodattamisella sulalla metallilla ja tarkemmin sa-15 nottuna sulalla alumiiniseoksella typen läsnäollessa. Keksinnön kohteena ovat myös tämän menetelmän mukaan valmistetut alumiinimatriisiseka-rakenteet.

Sekarakennetuotteet, jotka käsittävät metallimatriisin ja lujittavan 20 tai vahvistavan faasin, kuten keraamisia hiukkasia, karvoja, kuituja tai vastaavia, ovat erittäin lupaavia monenlaisiin sovelluksiin, koska niissä yhdistyvät lujittavan faasin lujuus ja kovuus sekä metallimatriisin venyvyys ja sitkeys. Yleisesti ottaen metallimatriisisekarakenteen avulla saadaan aikaan parannuksia sellaisissa ominaisuuksisssa 25 kuten lujuus, jäykkyys, kontaktikulumisenkestävyys ja lujuuden pitävyys korkeissa lämpötiloissa, verrattuna matriisimetalliin sinänsä, mutta minkä tahansa annetun ominaisuuden parantamisen määrä riippuu paljolti käytetyistä ainesosista, niiden tilavuudesta tai paino-osuudesta ja siitä kuinka niitä prosessoidaan sekarakennetta muodostettaessa. Jois-30 sakin tapauksissa sekarakenne voi olla myös kevyempipainoinen. Alu-miinimatriisisekarakenteet, jotka on vahvistettu keramiikalla kuten piikarbidilla hiukkasten, levykkeiden tai karvojen muodossa, ovat esimerkiksi mielenkiintoisia, koska niillä on parempi jäykkyys, kulumisen-kestävyys ja lujuuden pitävyys korkeissa lämpötiloissa alumiiniin ver-35 rattuna.

. · Erilaisia metallurgisia prosesseja alumiinimatriisisekarakenteiden valmistamiseksi on kuvattu, joita ovat esimerkiksi jauhemetallurgiatek- 2 niikoihin perustuvat menetelmät tai menetelmät, joihin liittyy nestemäisen metallin suodattaminen esimerkiksi painevalulla. Jauhemetallur-giatekniikoiden yhteydessä jauheen muodossa oleva metalli ja jauheen, karvojen, silputtujen kuitujen tai vastaavien muodossa oleva vahvistava 5 materiaali sekoitetaan ja sitten kylmäpuristetaan ja sintrataan tai kuumapuristetaan. Maksimin keraamisen tilavuuden osan piikarbidilla vahvistetuissa alumiinimatriisisekarakenteissa, jotka on tuotettu tämän menetelmän mukaisesti, on ilmoitettu olevan 25 tilavuusprosenttia karvojen yhteydesssä ja 40 tilavuusprosenttia hiukkasten yhteydessä.

10

Metallimatriisisekarakenteiden tuottaminen tavanomaisia prosesseja hyväksi käyttävän jauhemetallurgian avulla tuo mukanaan tiettyjä rajoituksia, jotka liittyvät saavutettavien tuotteiden ominaisuuksiin. Seka-rakenteessa olevan keraamisen vaiheen tilavuusosa rajoittuu tyypilli-15 sesti noin 40 prosenttiin. Myös puristaminen asettaa rajoituksen saavutettavissa olevaan käytännön kokoon. Ainoastaan suhteellisen yksinkertaiset tuotemuodot ovat mahdollisia ilman jälkiprosessointia (esim. muovausta tai työstämistä) tai ilman, että joudutaan turvautumaan monimutkaisiin puristimiin. Myös epäyhtenäistä kutistumista voi esiintyä 20 sintrauksen aikana sekä mikrorakenteen epäyhtenäisyyttä, mikä johtuu tiiviiden aineiden ja raekasvun erottumisesta.

US-patentti 3 970 136, joka on myönnetty 20.7.1976 nimellä J.C. Cannell et ai, kuvaa prosessin metallimatriisisekarakenteen muodostamiseksi, 25 joka sisältää kuituvahvikkeen, kuten piikarbidin tai alumiinioksidikar-voja, joilla on kuitujen suuntautumisen ennaltamäärätty malli. Sekara-kenne valmistetaan sijoittamalla samantasoisten kuitujen rinnakkaisia mattoja tai huopia muottiin sulan matriisimetallin säiliön kanssa, esim. alumiinisäiliön kanssa, ainakin kahden maton väliin, ja asetta-30 maila painetta, jotta sula metalli voidaan pakottaa tunkeutumaan mattoihin ja ympäröimään asettuneet kuidut. Sula metalli voidaan kaataa mattopinon päälle samalla, kun sitä pakotetaan paineen alaisena virtaamaan mattojen välissä. Sekarakenteessa olevan vahvistuskuidun jopa 50-prosenttisia kuormituksia on raportoitu.

35

II

91087 3

Ylläkuvattu suodattamisprosessi, mitä tulee sen riippuvuuteen ulkoisesta paineesta sulan matriisimetallin pakottamiseksi kuitumattopinon läpi, on alttiina paineella aikaansaatujen virtausprosessien epäsäännöllisyyksille, eli matriisin muodostumisen mahdolliselle epäyhtenäi-5 syydelle, huokoisuudelle, jne. Ominaisuuksien epäyhtenäisyys on mahdollista, vaikka sulaa metallia voidaan syöttää moneen paikkaan kuitujär-jestelmää. Tämän vuoksi on järjestettävä monimutkaisia matto/säiliöjär-jestelmiä ja virtausreittejä, jotta voidaan saavuttaa riittävä ja yhtenäinen kuitumattojen läpäisy. Yllämainittu painesuodattamismenetelmä 10 sallii myös ainoastaan suhteellisen alhaisen vahvistuksen saavutettavalle matriisin tilavuusosalle, mikä johtuu suuren mattotilavuuden suodattamisen vaikeudesta. Tarvitaan lisäksi muotteja sulan metallin pitämiseksi paineen alaisena, mikä lisää prosessin kuluja. Lopuksi yllämainittu prosessi, joka rajoittuu suodattamaan samansuuntaisia 15 hiukkasia tai kuituja, ei ole suuntautunut alumiinimetallimatriisiseka-rakenteiden muodostamiseen, jotka on vahvistettu aineilla satunnaisesti suuntautuneiden hiukkasten, karvojen tai kuitujen muodossa.

Kun valmistetaan alumiinimatriisisia ja alumiinioksiditäytteisiä seka-20 rakenteita, alumiini ei kostuta helposti alumiinioksidia, mikä tekee koherentin tuotteen muodostamisen vaikeaksi. Aiempi tekniikan taso esittää useita ratkaisuja tähän ongelmaan. Yksi tällainen vaihtoehto on päällystää alumiinioksidi haihtuvalla metallilla (esim. nikkelilla tai volframilla), joka kuumapuristetaan tämän jälkeen alumiinin kanssa.

25 Toisessa tekniikassa alumiini sekoitetaan litiumiin, ja alumiinioksidi voidaan päällystää piidioksidilla. Näiden sekarakenteiden omainaisuuk-sissa esiintyy kuitenkin variaatioita, tai päällysteet voivat huonontaa täyteainetta, tai matriisi sisältää litiumia, joka voi vaikuttaa metallin omainaisuuksiin.

30 US-patentissa A 232 091 nimellä R.V. Grimshav et ai voitetaan aiemman tekniikan tason tiettyjä vaikeuksia alumiinimatriisisia alumiinioksi-disekarakenteita tuotettaessa. Tässä patentissa asetetaan 75-375 kg/cm2 paineita alumiinin (tai alumiiniseoksen) pakottamiseksi alumiinioksidi-35 seen kuitu-tai karvamattoon, joka on kuumenettu noin 700-1050°C:en. Alumiinioksidin maksimi tilavuussuhde saatavassa jähmeässä valussa olevaan 4 metalliin nähden oli 0,25/1. Koska tämä prosessi on riippuvainen ulkoisesta voimasta suodattamisen aikaansaamiseksi, se on altis monille samoille puutteille kuin Cannelin (et ai) prosessi.

5 Eurooppalainen patenttihakemus 115 742 kuvaa alum!ini-alumiinioksidi-sekarakenteiden valmistamista, jotka ovat erityisen hyödyllisiä elektrolyysikennokomponentteina, täyttämällä esimuotoillun alumiiniok-sidimatriisin tyhjiöt sulalla alumiinilla. Hakemus korostaa sitä, että alumiini ei kostuta alumiinioksidia, ja tämän vuoksi käytetään useita 10 tekniikoita alumiinioksidin kostuttamiseksi läpi koko esimuotin. Alumiinioksidi päällystetään esimerkiksi titaanin, sirkoniumin, hafniumin tai niobiumin diboridin kostuttimella, tai metallilla, kuten litiumilla, magnesiumilla, kalsiumilla, titaanilla, kromilla, raudalla, koboltilla, nikkelillä, sirkoniumilla tai hafniumilla. Inerttisiä ilmakehiä 15 kuten argonia käytetään helpottamaan kostutusta ja suodattumista. Tässä viitteessä käytetään myös paineen asettamista, jotta sula alumiini saadaan tunkeutumaan päällystämättömään esimuottiin. Tässä yhteydessä suodattuminen saadaan aikaan tyhjentämällä huokoset ja asettamalla tämän jälkeen painetta sulaan alumiiniin inerttisessä ilmakehässä, 20 kuten argonissa. Esimuotti voidaan vaihtoehtoisesti suodattaa kaasufaa-sissa tapahtuvalla alumiinikerrostamisella pinnan kostuttamiseksi ennen kuin huokoset täytetään sulan alumiinin suodattumisella. Jotta voidaan taata alumiinin pysyminen esimuotin huokosissa, vaaditaan lämpökäsittely esimerkiksi 1400-1800°C:ssa joko tyhjiössä tai argonissa. Muussa 25 tapauksessa joko painesuodatteisen materiaalin altistuminen kaasulle tai suodatuspaineen poisto aiheuttaa alumiinin poistumisen massasta.

Kostuttimien käyttö alumiinioksikomponentin suodattamiseksi elektro-lyysisolussa sulalla metallilla on esitetty myös eurooppalaisessa pa-30 tenttihakemuksessa 94 353. Tämä julkaisu kuvaa alumiinin tuottamista erottamalla metalli elektrolyysin avulla solulla, jolla on katodinen virransyötin kennovuoraimena tai substraattina. Jotta tätä substraattia voidaan suojella sulalta kryoliitilta, ohut kerros kostuttimen ja lie-kenevuudenestimen seosta viedään alumiinioksidisubstraattiin ennen 35 kennon käynnistämistä tai, kun se upotetaan elektrolyysiprosessilla tuotettuun sulaan alumiiniin. Esitettyjä kostuttimia ovat titaani,

II

5 91087 sirkonium, hafnium, pii, magnesium, vanadiini, kromi, niobium tai kalsium, ja titaani mainitaan suositeltavana kostuttimena. Boorin, hiilen ja typen yhdisteiden mainitaan olevan hyödyllisiä ehkäisemään kostutti-mien liukenevuutta sulaan alumiiniin. Viittauksessa ei kuitenkaan mai-5 nita metallimatriisisekarakenteiden tuottamista, eikä tällaisen sekara-kenteen muodostamista typpi-ilmakehässä.

Paineen ja kostuttimien käyttämisen lisäksi on esitetty, että asetettu tyhjiö auttaa sulan alumiinin tunkeutumista huokoiseen keraamiseen 10 tuotteeseen. Esimerkiksi US-patentti 3 718 441, joka on myönnetty 27.3.1973 nimellä R.L. Landingham, raportoi keraamisen tuotteen (esim. boorikarbidin, alumiinioksidin ja berylliumoksidin) suodattamisen sulalla alumiinilla, berylliumilla, magnesiumilla, titaanilla, vanadiinilla, nikkelillä tai kromilla alle 1,33 10‘4Pa (10'6 torrin) tyh-15 jiössä. 1,33-1,33 10~4Pa (10‘2 - 10~8 torrin) tyhjiö keramiikan huonoon kostutukseen sulalla metallilla siinä määrin, että metalli ei virrannut vapaasti keramiikan tyhjiötiloihin. Kostutuksen sanottiin kuitenkin parantuneen, kun tyhjiötä pienennettiin alle 1,33 10_*Pa (10-6 torrin) arvon.

20 US-patentissa 3 864 154, joka on myönnetty 4.2.1975 nimellä G.E. Gazza et ai, esitetään myös tyhjiön käyttö suodattamisen aikaansaamiseksi.

Tässä patentissa kuvataan AIB12 -jauheen kylmäpuristetun tiivisteen sijoittamista kylmäpuristetun alumiinijauhepohjan päälle. Lisäalumiini 25 sijoitettiin tämän jälkeen AIBU -jauhetiivisteen päälle. Upokas, johon oli asetettu AIB12 -tiiviste alumiinijauhekerrosten väliin, sijoitettiin tyhjiöuuniin. Uuni tyhjennettiin paineeseen noin 1,33 10“3Pa (10"5 torriin) kaasunpoistamisen vuoksi. Lämpötila nostettiin myöhemmin 1100°C:en, ja sitä pidettiin yllä 3 tunnin ajan. Näissä olosuhteissa 30 sula alumiini tunkeutui huokoiseen AIB12 -tiivisteeseen.

Kuten on yllä esitetty, aikaisempi tekniikan taso perustuu paineen, tyhjiön tai kostuttimien käyttöön, jotta saadaan aikaan metallin suodattuminen keraamiseen massaan. Mikään mainituista julkaisuista ei 35 käsittele keraamisen materiaalin itsestään tapahtuvaa suodattumista sulilla alumiiniseoksilla ilmakehän paineessa tai viittaa siihen.

6 Tämän keksinnön mukainen menetelmä on tunnettu siitä, että se käsittää seuraavaa: a) aloitetaan alumiiniseoksesta, joka käsittää alumiinia ja ainakin 5 noin 1 painoprosenttia magnesiumia ja keraamisen täyteaineen läpäisevän massan; b) kaasun läsnäollessa, joka kaasu sisältää noin 10-100 tilavuusprosenttia typpeä ja loput ei-hapettavaa kaasua, saatetaan sulassa 10 tilassa oleva alumiiniseos kosketukseen keraamisen aineen läpäisevän massan kanssa lämpötilassa 700-1200°C, ja suodatetaan läpäisevä massa sulalla alumiiniseoksella, jonka läpäisevän massan suodattuminen tapahtuu itsestään; ja 15 c) kun massa on suodattunut toivotun määrän, annetaan sulan alumiiniseoksen jähmettyä muodostamaan kiinteän metallimatriisirakenteen, joka sulkee sisäänsä keraamisen täyteaineen.

Tämä menetelmä käsittää metallimatriisisekarakenteen tuottamisen suo-20 dattamalla keraamisen täyteaineen läpäisevä massa tai keramiikkapääl-lysteinen täyteaine sulalla alumiinilla, joka sisältää ainakin noin 1 painoprosenttia magnesiumia ja mielellään ainakin noin 3 painoprosenttia. Suodattuminen tapahtuu itsestään ilman ulkoista painetta tai suurta tyhjiötä. Sula metalliseos saatetaan kosketukseen täyteaineen massan 25 kanssa ainakin noin 700°C:en lämpötilassa kaasun läsnäollessa, joka käsittää noin 10-100 % ja mielellään ainakin noin 50 tilavuusprosenttia typpeä lopun ollessa hapettumatonta kaasua, esimerkiksi argonia. Näissä olosuhteissa sula alumiiniseos suodattuu keraamiseen massaan normaaleissa ilmakehän paineissa muodostaen alumiinimatriisisekarakenteen.

30 Kun toivottu määrä keraamista materiaalia on suodattunut sulalla seoksella, lämpötilaa alennetaan seoksen jähmettämiseksi, jolloin muodostuu jähmeä metallimatriisirakenne, joka sulkee sisäänsä vahvistavan keraamisen materiaalin. Tavallisesti, ja suositeltavasta, sulan metalliseoksen syöttö on riittävä sallimaan suodattumisen etenemisen olennaisesti 35 keraamisen massan rajoille. Tuotetuissa alumiinimatriisisekarakenteissa olevan keraamisen täyteaineen määrä voi keksinnön mukaisesti olla erit-

II

7 91087 täin korkea. Tässä mielessä suuremman suhteen kuin 1:1 salliva täyteaine voi olla saavutettavissa.

Yhdessä suoritusmuodossa sulan alumiinin seos syötetään keraamiseen 5 massaan sijoittamalla seoksen massa keraamisen täyteaineen läpäisevän pedin viereen tai kosketukseen sen kanssa. Seos ja peti altistetaan typpeä sisältävälle kaasulle seoksen sulamispisteen yläpuolella olevassa lämpötilassa ilman paineen tai tyhjiön käyttöä, jolloin sula seos suodattuu itsestään viereiseen tai ympäröivään massaan. Kun lämpötilaa 10 alennetaan seoksen sulamispisteen alapuolelle, saadaan keramiikan sisäänsä sulkeva alumiiniseoksen jähmeä matriisi. Tulisi ymmärtää, että alumiiniseoksen jähmeä massa voidaan sijoittaa täyteaineen massan viereen, jonka jälkeen metalli sulatetaan ja sen annetaan suodattua massaan, tai seos voidaan sulattaa erikseen ja kaataa tämän jälkeen täyte-15 aineen massaa vasten.

Tämän keksinnön mukaan tuotetut alumiinimatriisisekarakenteet sisältävät tyypillisesti alumiininitridiä alumiinimatriisissa epäjatkuvana vaiheena. Alumiinimatriisissa olevan nitridin määrä voi vaihdella riip-20 puen sellaisista tekijöistä kuin lämpötilan valinta, seoksen koostumus, kaasun koostumus ja keraaminen täyteaine. Jos lisäksi korkealle lämpötilalle altistamista jatketaan nitridoivassa ilmakehässä sen jälkeen, kun suodattuminen on lopussa, alumiininitridiä voi muodostua sekaraken-teen paljaille pinnoille. Hajaantuneen alumiininitridin määrä sekä 25 nitridaation syvyys ulkopintoja pitkin on vaihdeltavissa säätämällä yhtä tai useampaa tekijää järjestelmässä, esim. lämpötilaa, jolloin on mahdollista muuntaa sekarakenteen tiettyjä omainaisuuksia tai tuottaa alumiinimatriisisekarakenne varustettuna alumiininitridikalvolla, joka toimii kulutuspintana.

30 Tässä yhteydessä käytettynä ilmaus "loput ei-hapettavaa kaasua" merkitsee sitä, että mikä tahansa alkeisboorin lisäksi läsnä oleva kaasu on joko inerttinen kaasu tai pelkistävä kaasu, joka on olennaisesti reagoimaton alumiinin kanssa prosessiolosuhteissa. Mikä tahansa hapet-35 tava kaasu (muu kuin typpi), joka voi olla läsnä epäpuhtautena käytet- 8 tävässä kaasussa (käytettävissä kaasuissa) on riittämätön hapettamaan metallia missään olennaisesti määrin.

Tulisi ymmärtää, että termien "keraaminen", "keraaminen materiaali", 5 "keraaminen täyteaine" on tarkoitettu sisältävän keraamiset täyteaineet sinänsä, kuten alumiinioksidi- tai piikarbidikuidut, ja keramiikkapääl-lysteiset täyteaineet kuten alumiinioksidilla tai piikarbidilla päällystetyt hiilikuidut hiilen suojelemiseksi sulan metallin syövyttävältä vaikutukselta. Edelleen tulisi ymmärtää, että prosessissa käytetty 10 alumiini, sen lisäksi, että siihen on sekoitettu magnesiumia, voi olla olennaisesti puhdas tai kaupallissti puhdas alumiini, tai se voidaan sekoittaa muiden ainesosien kanssa, joita ovat esimerkiksi rauta, pii, kupari, mangaani, kromi ja vastaavat aineet.

15 Mukana olevissa piirustuksissa, jotka havainnollistavat tämän keksinnön menetelmän mukaisesti tehtyjen alumiinimatriisisekarakenteiden mikrorakenteita:

Kuvio 1 on 400-kertaisesti suurennettu mikrovalokuva alumiinioksidi-20 vahvisteisesta alumiinimatriisisekarakenteesta, joka on tuotettu 850°C:-ssa olennaisesti esimerkin 3 mukaisesti;

Kuvio 2 on 400-kertaisesti suurennettu mikrovalokuva alumiinioksidi-vahvisteisesta alumiinimatriisisekarakenteesta, joka on tuotettu olen-25 naisesti esimerkin 3a mukaisesti, mutta 900°C:en lämpötilassa 24 tunnin ajan; ja

Kuvio 3 on 400-kertaisesti suurennettu mikrovalokuva alumiinioksidi-vahvisteisestä alumiinimatriisisekarakenteesta (käyttäen jonkin verran 30 karkeampia alumiinioksidihiukkasia, eli 170 μχα (seulamitta 90, vast. 65 /un, seulamitta 220), joka on tuotettu olennaisesti esimerkin 3b mukaisesti, mutta 1000°C:en lämpötilassa ja 24 tunnin ajan.

Tämän keksinnön menetelmän mukaisesti sulassa tilassa oleva alumiini-35 magnesiumseos saatetaan kosketukseen keraamisen materiaalin (esim.

keraamisten hiukkasten, karvojen tai kuitujen) läpäisevän massan pinnan

II

91087 9 kanssa tai toimitetaan sen pintaan typpeä sisältävän kaasun läsnäollessa, ja sula alumiiniseos suodattuu itsestään ja vähitellen edeten läpäisevään keraamiseen massaan. Itsestään tapahtuvan suodattumisen ja metallimatriisin muodostumisen määrä vaihtelee prosessiolosuhteiden S myötä, kuten alla on yksityiskohtaisemmin selvitetty. Seoksen itsestään tapahtuva suodattuminen keramiikan massaan johtaa sekarakennetuotteeseen, jossa alumiiniseoksen matriisi sulkee sisäänsä keraamisen materiaalin.

10 Saman hakijan ΕΡΆ-155 831-julkaisun mukaan, aikaisemmin on havaittu, että alumiininitridiä muodostuu sulan alumiiniseoksen massan vapaalle pinnalle tai kasvaa tästä pinnasta, kun jälkimmäinen tulee alttiiksi nitridoivalle ilmakehälle, esimerkiksi muodostuskaasulle (96 tilavuusprosenttia typpeä ja 4 tilavuusprosenttia vetyä sisältävä seos). Lisäk-15 si saman hakijan EP-A-193 292 julkaisun mukaan, joka on jätetty 17.1.1986 nimellä Marc S. Newkirk et ai, yhdistyneiden alumiininitridi-kristalliittien matrisiirakenteen on havaittu muodostuvan muodostus-kaasun läpäisemien täyteainehiukkasten huokoiseen massaan, kun massaa pidettiin kosketuksessa sulan alumiiniseoksen kanssa. Tämän vuoksi oli 20 yllättävää havaita, että nitridoivassa ilmakehässä sula alumiini-mag-nesiumseos suodattuu itsestään keraamisen materiaalin läpäisevään massaan muodostaen metallimatriisisekarakenteen.

Tämän keksinnön menetelmässä käytettävissä olosuhteissa keraaminen 25 massa on riittävän läpäisevä siten, että se sallii kaasumaisen typen tunkeutua massaan ja tulla kosketukseen sulan metallin kanssa sekä mahdollistaa sulan metallin suodattumisen, jolloin typen läpäisemä keraaminen materiaali suodattuu itsestään sulalla alumiiniseoksella muodostaen alumiinimatriisisekarakenteen. Itsestään tapahtuvan suodat-30 tumisen ja metallimatriisin muodostumisen määrä vaihtelee vallitsevien prosessiolosuhteiden mukaisesti, joita ovat esimerkiksi alumiiniseoksen magnesiumpitoisuus, muiden sekoitettujen alkuaineiden läsnäolo, täyteaineen koko, pintaolotila ja tyyppi, kaasun typpipitoisuus, aika ja lämpötila. Jotta sulan alumiinin suodattuminen tapahtuisi itsestään, 35 alumiiniin sekoitetaan ainakin 1 % ja mieluummin ainakin 3 % magnesiumia, seoksen painoon perustuen. Yksi tai useampi muu alkuaine, 10 kuten pii, sinkki tai rauta, voidaan lisätä seokseen, mikä voi vaikuttaa magnesiumin minimimäärään, jota seoksessa voidaan käyttää. On tunnettua, että tietyt alkuaineet voivat haihtua alumiinisulatteesta, joka on ajasta ja lämpötilasta riippuvainen, ja tämän vuoksi tämän keksinnön 5 mukaisen prosessin aikana voi esiintyä magnesiumin sekä sinkin haihtumista. Tämän vuoksi on suositeltavaa käyttää seosta, joka sisältää alusta lähtien ainakin noin 1 painoprosentin magnesiumia. Prosessi toteutetaan typen ilmakehän läsnäollessa, joka sisältää ainakin noin 10 tilavuusprosenttia typpeä loppuosan ollessa ei-hapettavaa kaasua pro-10 sessiolosuhteissa. Kun keraaminen massa on olennaisen täydellisesti suodattunut, metalli jähmetetään esimerkiksi typen ilmakehässä jäähdyttämällä, jolloin muodostuu jähmeä metallimatriisi, joka sulkee olennaisesti sisäänsä keraamisen täyteaineen. Koska alumiinimagnesiumseos kostuttaa keramiikan, metallin ja keramiikan välille on odotettavissa 15 hyvä sitoutuminen, mikä voi puolestaan johtaa sekarakenteen omainaisuuksien parantumiseen.

Alumiiniseoksen minimimagnesiumpitoisuus, joka on hyödyllinen tuotettaessa keramiikkatäytteistä metallimatriisisekarakennetta, riippuu yhdes-20 tä tai useammasta muuttujasta, joita ovat esimerkiksi prosessointiläm-pötila, aika, muiden sekoitettujen alkuaineiden kuten piin tai sinkin läsnäolo, keraamisen täyteaineen luonne ja kaasuvirran typpipitoisuus. Alempia lämpötiloja tai lyhyempiä kuumentamisaikoja voidaan käyttää seoksen magnesiumpitoisuutta nostettaessa. Tietyn magnesiumpitoisuuden 25 yhteydessä myös tiettyjen muiden lisättyjen alkuaineiden kuten sinkin lisääminen sallii alempien lämpötilojen käytön. Esimerkiksi käytettävän alueen alapäässä olevaa magnesiumpitoisuutta, eli noin 1-3 painoprosenttia, voidaan käyttää ainakin yhden seuraavan tekijän yhteydessä: minimin prosessointilämpötilan ylittävä lämpötila, korkea typpipitoi-30 suus, yksi tai useampi muu lisätty alkuaine. Noin 3-5 painoprosenttia magnesiumia sisältäviä seoksia pidetään parempina, koska niitä voidaan käyttää yleisesti hyvin monissa erilaisissa prosessiolosuhteissa, jolloin ainakin 5 prosentin pitoisuutta suositellaan alempia lämpötiloja ja lyhyempiä aikoja käytettäessä. Magnesiumseoksia, jotka ylittävät 35 noin 10 painoprosenttia alumiiniseoksesta, voidaan käyttää lieventämään suodattamisen vaatimia lämpötilaolosuhteita. Magnesiumin pitoisuutta

II

91087 11 voidaan pienentää, kun sitä käytetään yhdessä muun lisätyn alkuaineen kanssa, mutta näiden alkuaineiden toiminta on ainoastaan avustava, ja niitä käytetään yhdessä yllä määritetyn magnesiummäärän kanssa. Esimerkiksi nimellisesti puhdas alumiini, johon oli sekoitettu vain 10 % 5 piitä, ei suodattunut olennaisesti lainkaan 1000°C:ssa 25 μιη (500-seula-mitan), 39 Crystolon-petiin (99-prosenttisesti puhdas piikarbidi, Norton Co.).

Yhden tai useamman muun lisätyn alkuaineen käyttäminen ja typen pitoi-10 suus ympäröivässä kaasussa vaikuttaa myös seosmatriisin nitridoinnin määrän tietyssä lämpötilassa. Esimerkiksi seoksessa olevan muun lisätyn alkuaineen, kuten sinkin tai raudan, pitoisuuden lisäämistä voidaan käyttää alentamaan suodattumislämpötilaa ja tätä myötä vähentämään nitridin muodostumista, kun taas kaasussa olevan typen pitoisuuden 15 nostamista voidaan käyttää edistämään nitridin muodostumista. Seoksessa olevan magnesiumin pitoisuus pyrkii myös vaikuttamaan suodattumisen määrään tietyssä lämpötilassa. Tämän vuoksi suositellaan, että ainakin kolme painoprosenttia magnesiumia sisällytetään seokseen. Tätä määrää alemmat seospitoisuudet, kuten yksi painoprosentti magnesiumia, pyrki-20 mään vaatimaan korkeampia prosessilämpötiloja tai muun lisätyn alkuaineen suodattumista varten. Lämpötila, joka vaaditaan tämän keksinnön mukaisen itsestään tapahtuvan suodattumisprosessin aikaansaamiseksi, voi olla alempi, kun seoksen magnesiumpitoisuutta lisätään esimerkiksi ainakin noin 5 painoprosenttiin, tai kun toinen alkuaine, kuten sinkki 25 tai rauta on läsnä alumiiniseoksessa. Lämpötila voi myös vaihdella erilaisten keraamisten materiaalien yhteydessä. Itsestään tapahtuva ja progressiivinen suodattuminen tapahtuu yleensä ainakin 700°C:en proses-silämpötilassa, ja mielellään ainakin noin 800°C:ssa. Yli 1200°C ylittävät lämpötilat eivät yleensä näytä edistävän prosessia, ja erityisen 30 hyödyllisen lämpötila-alueen on havaittu olevan noin 800-1200°C.

Tässä menetelmässä sula alumiiniseos syötetään läpäisevän keraamisen materiaalin massaan typpeä sisältävän kaasun läsnäollessa, jota on läsnä koko sen ajan, joka vaaditaan suodattamiselle. Tämä saadaan ai-35 kaan pitämällä yllä kaasun jatkuvaa virtausta keraamisen materiaalin ja sulan alumiiniseoksen koosteeseen. Vaikka typpeä sisältävän kaasun 12 virtausnopeus ei ole kriittinen tekijä, suositellaan, että virtausnopeus on riittävä siten, että se kompensoi minkä tahansa typpihäviön ilmakehästä, mikä johtuu nitridin muodostumisesta seosmatriisiin, sekä että se estää tai ehkäisee myös ilman mukaantulon, jolla voi olla ha-5 pettävä vaikutus sulaan metalliin.

Kuten yllä on todetttu, typpeä sisältävä kaasu käsittää ainakin noin 10 tilavuusprosenttia typpeä. On havaittu, että typpipitoisuus voi vaikuttaa suodattumistahtiin. Tarkemmin sanottuna suodattumisen aikaansaami-10 seen tarvittavat ajanjaksot pyrkivät pitenemään typpipitoisuuden pienetessä. Kuten taulukossa I (alla, esimerkit 5-7) on esitetty, aika, joka tarvitaan alumiinioksidin suodattamiseen 5 % magnesiumia ja 5 % piitä sisältävällä sulalla alumiiniseoksella 1000°C:ssa, lisääntyi typen pitoisuuden pienetessä. Suodattaminen suoritettiin 5 tunnissa käyttäen 15 kaasua, joka käsitti 50 tilavuusprosenttia typpeä. Tämä ajanjakso lisääntyi 24 tuntiin käytettäessä 30 tilavuusprosenttia typpeä sisältävää kaasua, ja 72 tuntiin käytettäessä 10 tilavuusprosenttia typpeä sisältävää kaasua. On suositeltavaa, että kaasu sisältää olennaisesti 100 % typpeä. Käyttöalueen alapäässä olevia typpipitoisuuksia, eli vähemmän 20 kuin 30 tilavuusprosenttia, ei yleensä suositella johtuen pidemmistä kuumentamisajöistä, joita suodattamisen aikaansaaminen edellyttää.

Tämän keksinnön mukainen menetelmä on sovellettavissa moniin erilaisiin keraamisiin materiaaleihin, ja täyteaineen valinta riippuu sellaisista 25 tekijöistä kuin alumiiniseos, prosessiolosuhteet, sulan alumiinin rea-goivuus täyteaineen kanssa ja lopulliselta sekarakennetuotteelta vaadittavat ominaisuudet. Näitä materiaaleja ovat (a) oksidit, esim. alumiinioksidi, magnesiumoksidi, titaanioksidi, sirkoniumoksidi ja haf-niumoksidi; (b) karbidit, esim: piikarbidi ja titaanikarbidi; (c) bori-30 dit, esim. titaanidiboridi, alumiinidodekaboridi, ja (d) nitridit, esim. alumiininitridi, piinitridi ja sirkoniumnitridi. Jos täyteaine pyrkii reagoimaan sulan alumiiniseoksen kanssa, tämä voidaan kompensoida minimoimalla suodattumisaika ja -lämpötila tai järjestämällä reagoimaton päällyste täyteaineen päälle. Täyteaine voi käsittää substraatin, 35 kuten hiilen tai muun ei-keraamisen materiaalin, jolla on keraaminen päällyste, joka suojelee substraattia syöpymiseltä tai hajoamiselta. 1 91087 13

Sopivia keraamisia päällysteitä ovat oksidit, karbidit, boridit ja nitridit. Keraamisia materiaaleja, joita suositellaan käytettäviksi tämän menetelmän yhteydessä, ovat alumiinioksidi ja piikarbidi hiukkasten, levykkeiden, karvojen ja kuitujen muodossa. Kuidut voivat olla 5 epäjatkuvia (pilkotussa muodossa) tai jatkuvan säikeen muodossa, kuten monisäikeisenä liuskana. Keraaminen massa tai esimuotti voi lisäksi olla homogeeninen tai heterogeeninen.

Piikarbidi reagoi sulan alumiinin kanssa muodostaen alumiinikarbidia, 10 ja jos piikarbidia käytetään täyteaineena, on toivottavaa estää tai minimoida tämä reaktio. Alumiinikarbidi on taipuvainen syöpymiselle kosteuden vaikutuksesta, mikä heikentää mahdollisesti sekarakennetta.

Tämän reaktion minimoimiseksi tai estämiseksi piikarbidi esikuumenne-taan tämän vuoksi ilmassa, jotta sen päälle muodostuisi reaktiivinen 15 piidioksidipäällyste, tai alumiiniseos lejeerataan lisäksi piillä, tai käytetään molempia menetelmiä. Kummassakin tapauksessa tarkoituksena on lisätä piin pitoisuutta seoksessa, jotta voidaan eliminoida alu-miinikarbidin muodostuminen. Vastaavia menetelmiä voidaan käyttää estämään ei-toivottuja reaktioita muiden täyteaineiden yhteydessä.

20

Keraamisen materiaalin koko ja muoto voivat olla minkälaisia tahansa, joita vaaditaan sekarakenteeseen toivottujen ominaisuuksien aikaansaamiseksi. Näin ollen materiaali voi olla hiukkasten, karvojen, levykkeiden tai kuitujen muodossa, koska täyteaineen muoto ei rajoita suodattu-25 mistä. Muitakin muotoja, kuten palloja, pikkuputkia, kuulia, tulenkestävää kuitukangasta, jne. voidaan käyttää. Myöskään materiaalin koko ei rajoita suodattumista, vaikka pienempien hiukkasten massan täydellinen suodattuminen voi edellyttää korkeampaa lämpötilaa tai pidempää ajanjaksoa kuin suurempien hiukkasten. Lisäksi suodatettavan keraamisen 30 materiaalin massa on läpäisevä, eli läpäisevä sulille alumiiniseoksille ja typpeä sisältäville kaasuille. Keraaminen materiaali voi olla joko kaatotiheydessä tai puristettu alhaisempaan tiheyteen.

Tämän keksinnön mukainen menetelmä, joka ei ole riippuvainen paineen 35 käyttämisestä sulan metallin pakottamiseksi keraamisen materiaalin massaan, sallii olennaisesti yhtenäisten alumiiniseosmatriisisekaraken- 14 teiden tuottamisen, joilla keraamisen materiaalin tilavuusosuus on suuri ja huokoisuus pieni. Keraamisen materiaalin suurempia tila-vuusosuuksia voidaan saavuttaa käyttämällä keraamisen materiaalin al-haishuokoisempaa alkuperäistä massaa. Suurempia tilavuusosuuksia voi-5 daan saavuttaa myös, jos keraaminen massa on tiivistetty paineen alai-sena edellyttäen, että massa ei ole muunnettu umpikennohuokoisuudella varustetuksi tiivisteeksi tai täysin tiheäksi rakenteeksi, mikä estäisi suodattamisen sulalla metallilla.

10 On havaittu, että kun alumiini suodatetaan ja matriisi muodostetaan tietyn alumiiniseoksen/keraamisen järjestelmän yhteydessä, keramiikan kostuttaminen alumiiniseoksella on hallitseva suodatusmekanismi. Alhaisissa prosessointilämpötiloissa tapahtuu mitätön tai minimaalinen määrä metallin nitridoitumista, mikä johtaa metallimatriisiin hajautuneen 15 alumiininitridin minimaaliseen epäjatkuvaan vaiheeseen. Kun lähestytään lämpötilaalueen yläpäätä, metallin nitridoitumista tapahtuu todennäköisimmin. Näin ollen nitridivaiheen määrä metallimatriisissa voidaan säädellä vaihtelemalla prosessointilämpötilaa. Frosessilämpötila, jossa nitridin muodostuminen korostuu, vaihtelee myös sellaisten tekijöiden 20 myötä kuin käytettävä alumiiniseos ja sen määrä suhteessa täyteaineen tilavuuteen, suodatettava keraaminen materiaali sekä käytettävän kaasun typpipitoisuus. Esimerkiksi alumiininitridin muodostumisen määrän tietyssä prosessilämpötilassa uskotaan lisääntyvän, kun seoksen kyky kostuttaa keraamista täyteainetta vähenee ja kun kaasun typpipitoisuus 25 nousee.

Tämän vuoksi on mahdollista muuntaa metallimatriisin koostumusta seka-rakenteen muodostumisen aikana, jotta saatavalle tuotteelle voidaan antaa tiettyjä ominaisuuksia. Tietyn järjestelmän yhteydessä prosessi-30 lämpötila voidaan valita nitridin muodostumisen säätämiseksi. Alu- miininitridifaasin sisältävällä sekarakennetuotteella voi olla tiettyjä omainaisuuksia, jotka voivat olla tuotteelle suotuisia tai parantaa sen suorituskykyä. Kun kyseessä on itsestään tapahtuva suodattuminen alumiiniseoksella, lämpötila-alue voi lisäksi vaihdella käytettävän keraa-35 misen materiaalin myötä. Alumiinioksidin ollessa täyteaineena suodattu-mislämpötilan ei tulisi mielellään ylittää noin 1000°C:ta, jotta voidaan

II

91087 15 taata, että matriisin venyvyys ei vähene minkään nitridin huomattavan muodostumisen vuoksi. 1000°C ylittäviä lämpötiloja voidaan kuitenkin käyttää, jos halutaan tuottaa sekarakenne, jolla on vähemmän venyvä ja jäykempi matriisi. Suodatettaessa muita keraamisia materiaaleja, kuten 5 piikarbidia, voidaan käyttää noin 1200°C:en lämpötiloja, koska alumiiniseos nitridoituu pienemmässä määrässä verrattuna alumiinioksidin käyttöön täyteaineena, kun piikarbidia käytetään täyteaineena.

Keksinnön toisen suoritusmuodon mukaisesti, sekarakenne varustetaan 10 alumiininitridikalvolla tai -pinnalla. Yleisesti ottaen seoksen määrä on riittävä suodattamaan olennaisesti keraamisen materiaalin koko pe-din, eli määritetyille rajoille. Jos sulan metallin syöttö kuitenkin ehtyy ennen kuin koko peti tai esimuotti on suodattunut, ja lämpötilaa ei ole alennettu seoksen jähmettämiseksi, alumiininitridikerros tai 15 -vyöhyke voi muodostua sekarakenteen ulkopinnalle tai pitkin ulkopintaa, mikä johtuu alumiiniseoksen suodattuvan etupään pinta-alueiden nitridoitumisesta. Se pedin osa, joka ei ole matriisin sisäänsä sulkema, voidaan poistaa helposti esimerkiksi hiekkapuhalluksella. Nitridi-kalvo voidaan muodostaa myös rajalleen suodattuneen pedin tai esimuotin 20 pinnalle prosessiolosuhteita pidentämällä. Esimerkiksi avoin astia, jota sula alumiiniseos ei kostuta, täytetään läpäisevällä keraamisella täyteaineella, ja keraamisen pedin yläpinta saatetaan alttiiksi typpikaasulle. Kun metalli suodattuu petiin astian seinämiin ja yläpintaan ja jos lämpötilaa pidetään yllä ja typpikaasun virtausta jatketaan, 25 paljaalla pinnalla oleva sula alumiini nitridoituu. Nitridoitumisen astetta voidaan säädellä, ja se voidaan muodostaa joko jatkuvana vaiheena tai epäjatkuvana vaiheena kalvokerrokseen. Tämän vuoksi on mahdollista muuntaa sekarakennetta erityissovelluksia varten säätämällä nitridin muodostumisen määrää sekarakenteen pinnalla. Voidaan tuottaa 30 esimerkiksi alumiininitridisellä pintakerroksella varustettuja alu- miinimatriisisekarakenteita, joiden kulumisenkestävyys on parempi kuin metallimatriisin.

Kuten seuraavissa esimerkeissä on esitetty, sulat alumiini-magnesium-35 seokset suodattuvat itsestään keraamisen materiaalin läpäisevään massaan, mikä johtuu niiden taipumuksesta kostuttaa typpikaasun läpäisemä 16 keraaminen materiaali. Muita sekoitettavia alkuaineita, kuten piitä ja sinkkiä, voidaan sisällyttää alumiiniseoksiin, jotta voidaan sallia alempien lämpötilojen ja alempien magnesiumpatoisuuksien käyttö. Alu-miini-magnesiumseoksia, jotka sisältävät 10-20 % tai enemmän piitä, 5 suositellaan polttamattoman piikarbidin suodattamiseen, koska pii pyrkii minimoimaan sulan seoksen reaktion piikarbidin kanssa alumiinikar-bidin muodostamiseksi. Lisäksi keksinnössä käytettävät alumiiniseokset voivat sisältää erilaisia muita seostavia alkuaineita, jotta seosmat-riisiin saadaan erityisesti toivottavia mekaanisia ja fysikaalisia 10 omainaisuuksia. Esimerkiksi kuparilisäaineita voidaan sisällyttää seokseen matriisin aikaansaamiseksi, joka voidaan lämpökäsitellä kovuuden ja lujuuden lisäämiseksi.

Esimerkit 1-10 15 Nämä esimerkit havainnollistavat alumiiniseosmatriisisekarakenteiden muodostamista käyttämällä alumiini-magnesiumseosten, alumiinioksidin, typpeä sisältävien kaasujen ja lämpötila-aika olosuhteiden erilaisia yhdistelmiä. Kyseiset yhdistelmät on esitetty allaolevassa taulukossa 20 I.

Esimerkeissä 1-9 sulat Al-Mg -seokset, jotka sisälsivät ainakin 1 painoprosentin magensiumia sekä yhden tai useamman muun sekoitetun alkuaineen, toiraitetiin irtonaisista alumiinioksidihiukkasista koostuvan 25 läpäisevän pedin pintaan saattamalla seoksen kiinteä massa kosketukseen alumiinioksidimassan kanssa. Aluminiinioksidihiukkaset sijoitettiin tulenkestävään laivaan kaatotiheydessä. Seosmassan koko oli 2,5 x 5 x 1,3 cm. Seoksen ja keramiikan kooste kuumennettiin tämän jälkeen uunissa typpeä sisältävän kaasun läsnäollessa, joka virtasi nopeudella 200-30 300 cm3/min. Taulukon I olosuhteissa sula seos suodattui itsestään alumiinimateriaalipetiin lukuunottamatta esimerkkiä 2, jossa esiintyi osittaista suodattumista. Havaittiin, että 43-45 grammaa painavat seos-massat riittivät tavallisesti täydellisesti suodattamaan 30-40 grammaa painavat keraamiset massat.

35

II

91087 17

Alumiinioksiäisen täyteaineen suodattumisen aikana matriisiseokseen voi muodostua alumiininitridiä, kuten yllä on selvitetty. Alumiininitridin muodostumisen määrä voidaan määritellä seoksen prosenttimääräisellä painonlisäyksellä, eli seoksen painon lisääntyminen suhteessa seoksen 5 määrään, jota on käytetty suodattumisen aikaansaamiseksi. Painohäviötä voi myös esiintyä magnesiumin tai sinkin haihtumisesta johtuen, joka on pääasiassa ajan ja lämpötilan funktio. Tällaisia haihtumisvaikutuksia ei mitattu suoraan, eikä nitridointimittauksissa otettu tätä tekijää huomioon. Teoreettinen prosenttimääräinen painonlisäys voi olla niinkin 10 suuri kuin 52, mikä perustuu alumiinin täydelliseen muuntumiseen alu-miininitridiksi. Tätä mallia käyttäen nitridin muodostumisen alu-miiniseosmatriisiin havaittiin lisääntyvän kohoavan lämpötilan myötä. Esimerkiksi esimerkin 8 (allaolevassa taulukossa I) 5 Mg-lOSi -seoksen prosenttimääräinen painonlisäys oli 10,7 % 1000°C:ssa, mutta kun olen-15 naisesti sama koe (ei esitetty taulukossa I) toistettiin 900°C:ssa, prosenttimääräinen painonlisäys oli 3,4 %. Samanlaisia tuloksia saatiin myös allaolevassa esimerkissä 14. Tämän vuoksi on mahdollista valita ennalta tai muuntaa matriisin koostumus ja tätä myötä sekarakenteen ominaisuuksia käyttämällä tiettyjä lämpötilavälejä.

20

Sen lisäksi, että suodatetaan keraamisen hiukkasmaisen materiaalin läpäiseviä massoja sekarakenteiden muodostamiseksi, on mahdollista tuottaa sekarakenteita suodattamalla kuitumaisen materiaalin kudoksia. Kuten esimerkissä 10 on esitetty, Al-3 % Mg -seoksesta koostuva lieriö, 25 joka oli 2,2 cm pitkä, 2,5 cm halkaisijaltaan ja painoi 29 grammaa, käärittiin kudokseen, joka oli tehty Du Pont FP -alumiinikuidusta ja painoi 3,27 grammaa. Seoksen ja kudoksen kooste kuumennettiin tämän jälkeen muodostuskaasun läsnäollessa. Näissä olosuhteissa seos suodattui itsestään alumiinioksidikudokseen muodostaen sekarakennetuotteen.

30

Vaikkei tässä halutakaan sitoutua mihinkään tiettyyn teoriaan tai selitykseen, on ilmeistä, että typpi-ilmakehä aiheuttaa seoksen itsestään tapahtuvan suodattumisen keraamisen materiaalin massaan. Typen merkityksen määrittämiseksi tehtiin tarkistukoe, jossa käytettiin typpiva-35 paata kaasua, kuten taulukossa I on esitetty. Tarkistuskoe 1 suoritettiin samalla tavalla kuin esimerkissä 8 paitsi, että käytettiin typpi- 18 vapaata kaasua. Näissä olosuhteissa havaittiin, että sula alumiiniseos ei suodattunut alumiinioksidipetiin.

Tehtiin analyysi joidenkin alumiiniseosmatriisisekarakenteiden pyyh-5 käisyelektronimikroskooppikuvista, jotta voitiin määrittää keraamisen täyteaineen, seosmatriisin ja sekarakenteessa olevan huokoisuuden tila-vuusosuudet. Tulokset osoittivat, että keraamisen täyteaineen tilavuus -suhde seosmatriisiin on tyypillisesti suurempi kuin 1:1. Esimerkiksi esimerkin 3 tapauksessa havaittiin, että sekarakenne sisälsi 60 % alu-10 miinioksidia, 39,7 % metalliseosmatriisia ja 0,3 % huokoisuuden, tilavuusprosentteina .

Kuvion 1 mikrovalokuva on otettu sekarakenteesta, joka on valmistettu olennaisesti esimerkin 3 mukaisesti. Alumiinioksidihiukkaset 10 nähdään 15 uppoutuneina alumiiniseoksen matriisiin 12. Kuten vaiherajoja tarkasteltaessa voidaan havaita, alumiinioksidihiukkasten ja matriisiseoksen välillä on läheinen kosketus. Seosmatriisin minimaalista nitridoitumis-ta esiintyi suodattumisen aikana 850°C:ssa, mikä on selvää verrattaessa tätä kuvioihin 2 ja 3. Metallimatriisissa olevan nitridin määrä vahvis-20 tettiin röntgensädediffraktioanalyysilla, joka paljasti suurempia huippuja alumiinille ja alumiinioksidille sekä ainoastaan pienempiä huippuja aluminiinitridille.

Nitridoinnin määrä tietylle alumiiniseos-keramiikka-nitridointi-kaasu -25 järjestelmälle lisääntyy nousevan lämpötilan myötä tietyn ajanjakson yhteydessä. Käyttäen parametrejä, jotka tuottivat kuvion 1 sekaraken-teen lukuunottamatta 900°C:en'lämpötilaa ja 24 tunnin aikaa, havaittiin, että nitridoitumisen määrä lisääntyi huomattavasti, kuten voidaan havaita kuviota 2 vertaamalla. Tämä koe esitetään esimerkkinä 3a alla.

30 Nitridin muodostumisen suurempi määrä, joka on esitetty tummanharmailla alueilla 14, on havaittavissa selvästi vertaamalla keskenään kuvioita 1 ja 2.

On havaittu, että sekarakenteen ominaisuuksia voidaan muuntaa valitse-35 maila täyteaineen tyyppi ja koko sekä prosessiolosuhteet. Tämän havainnollistamiseksi valmistettiin sekarakenne varustettuna esimerkin 3

II

91087 19 seoksella ja prosessiolosuhteilla; eroavina tekijöinä olivat 1000°C:en lämpötila, 24 tunnin aika ja alumiinioksiditäyteaineen 170 /im (seula-mitta 90) 65 μα (seulamitan 220) sijasta. Tämän sekarakenteen tiheydet ja kimmomoduuli on kuvattu esimerkkinä 3b, ja vastaavat tiedot on an-5 nettu myös esimerkistä 3a alla:

Esimerkin Lämpötila Tiheys Kimmomoduuli numero (°C) (g/cm3) (GPa) 10 3a 900 3,06 154 3b 1000 3,13 184

Yllä esitetyt tulokset osoittavat, että täyteaineen ja prosessiolosuh-teiden valintaa voidaan käyttää muuntamaan sekarakenteen ominaisuuksia.

15 Ylläolevien tulosten vastaisesti alumiinin kimmomoduuli on 70 GPa. Myös kuvioiden 2 ja 3 vertailu osoittaa, että esimerkissä 3b muodostui paljon suurempi AIN-pitoisuus kuin esimerkissä 3a. Vaikka täyteainehiuk-kasten koko on erilainen näissä kahdessa esimerkissä, korkeamman AIN-pitoisuuden uskotaan johtuvan korkeammasta prosessointilämpötilasta ja 20 sitä pidetään pääsyynä esimerkin 3b sekarakenteen suurempaan kimmomo-duuliin (AIN:n kimmomoduuli on 345 GPa).

, 20

W

3 ^

m Λ Τ3 (0 O V

3 ·Η m 2 ,n ^ ™ 2 ° ~ O

W(0 ιη^^^ιΠΓνίι^^ιΗ^ rH

<0

»H

-H , •:0 oOOOoOogoggo Ό Q<_ °S^20002022° 0 g rr- 0oco<yi000o0f-jni0

W rH

^ "“s 3331,1,1,3 3 wwww;?;?;?® w rj (oraforo^C'C'ro to sc 3 (0(0(0(0™λιλ,(0 (0 \ jj 2 χχμχζ,ζ,ζ,μ ,* ^ α> Cg _ _ _ -Τ' **· ηι a ]j · · · · Ο Ο Ο · Ζ · Λ m m OOOOinr-cnO V ί· £ «S O O O O \ \ \ O O \ S <o o 3333°°°5 3 2 y ^ ^ SZSS^iOrHS X o\ ia p (0 o m (0 fO <T3 (T3 (0(0 (0

[)j -P -P -P -P (0 (0 (0 -P -P -P

« 4J4J4J+J+J4J4J+J+J 4-> _« Ή ·Η ·Η Ή il i) +J ·Η -H ·Η

E E e E -H -h -h E g E

„ (0(0(0(0EEE(0(0 (0 11 i-Hf—(iHpH(0(0(0rHiH f—( n 3333rHrHr-i33 3 .2 n 0)0)0)0)3330)® 0)

ΐ J2 WWWWO>0>0)WWW W

.3 o i i i i to en ra i ι o i .2J S o o o o i i i o o T3 o

Ξ tn (NOJOJ(NOOO(N(N 3 (N

5 n} (NfMfNOJcncricriojrjW m .H *

f 3 0° E E E

.1 -H~ EEEEa.3-a.EE E

ω χ 3 a. a. a. a. a. a. a.

“j ^ < o o o 2] ιηιηιηιηΓ'-ΐ'-Γ'-ιηιη tn

£ VOVOVOVOrHi-tr-IVOVO VO

P

H (0

B

O -H G

c 0) Ä g 3 s-

D 3 ® . C

< γη ω ω g

* < ·£ 1 T -H -H .H

.3 § -H -H -H -H -H -H -H CO Ui Ui jj WWWCOWWCOOO o e tn ininintninininHrH h 3 0 i i i i i i i i i i Z\ n O’tJ'O'O'O'tJ'O'O'O'O' 3> < ^ ssssssssss s nr-iroininininininn tn ^

H

1 C

tn -h 3 -H ^

P O S K

WP , 3 *> •H C H H * X (0 ^ P 0) 75,

t0 O -P Z

En Ai 3

0« <#> Q VO

• P) en E ·*» •h o WP o

WC «-ifMfn^tnvor'CoairH

II

91087 21

Esimerkit 11-21

Keksinnössä voidaan käyttää muitakin keraamisia materiaaleja kuin alumiinioksidia. Kuten taulukon II esimerkeissä 11-21 on esitetty, voidaan 5 tuottaa alumiiniseosmatriisisekarakenteita, jotka on vahvistettu pii-karbidilla. Näiden sekarakenteiden tuottamiseksi voidaan käyttää magnesiumia sisältävien alumiiniseoksien, piikarbidisten vahvistusmateri-aalien, typpeä sisältävien kaasujen ja lämpötila/aika -olosuhteiden erilaisia yhdistelmiä. Seurattiin esimerkeissä 1-9 kuvattua menettelyä 10 paitsi, että alumiinioksidi korvattiin piikarbidilla. Kaasunvirtausno-peudet olivat 200-350 cm3/min. Taulukon II esimerkeissä 11-21 kuvatuissa olosuhteissa havaittiin, että seos suodattui itsestään piikarbidin massaan.

15 Piikarbidin tilavuussuhteet alumiiniseokseen nähden olivat näiden esimerkkien mukaan tuotetuissa sekarakenteissa tyypillisesti suurempia kuin 1:1. Esimerkiksi kuva-analyysi (kuten yllä on kuvattu) esimerkin 13 tuotteesta osoitti, että tuote käsitti 57,4 % piikarbidia, 40,5 % metallia (alumiiniseosta ja piitä) ja 2,1 % huokoisuutta, kaikki tila-20 vuusprosentteina.

Seoksen magnesiumpitoisuus, jota käytetään itsestään tapahtuvan suodat-tumisen aikaansaamiseksi, on tärkeä. Tässä yhteydessä kokeet, joissa käytettiin hyväksi taulukon II tarkistuskokeiden 2 ja 3 olosuhteita, 25 suoritettiin, jotta voitiin määrittää magnesiumin puuttumisen vaikutus alumiiniseosten kykyyn suodattua itsestään piikarbidiin. Näiden tarkistuskokeiden olosuhteissa havaittiin, että suodattumista ei tapahtunut itsestään, kun magnesiumia ei ollut mukana seoksessa.

30 Typpikaasun läsnäolo on myös tärkeä. Tämän vuoksi suoritettiin tarkis-tuskoe 4, jossa käytettiin esimerkin 17 olosuhteita paitsi, että käytettiin typpivapaata kaasua, eli argonia. Näissä olosuhteissa havaittiin, että sula seos ei suodattunut piikarbidin massaan.

35 Kuten yllä on selvitetty, lämpötila voi vaikuttaa nitridoitumisen määrään, mikä havainnollistettiin toistamalla esimerkki 14 viidessä eri 22 lämpötilassa. Allaoleva taulukko II esittää esimerkin 14 suoritettuna 800°C:ssa, jolloin painonlisäys oli 1,8 %, mutta kun koe toistettiin 900, 1000 ja 1100°C:en lämpötiloissa, painonlisäykset olivat 2,5 %, 2,8 % ja 3,5 % tässä järjestyksessä; 1200°C:ssa suoritetussa kokeessa ha-5 valttiin huomattava nousu 14,9 %:in. Tulee huomata, että painonlisäykset olivat näissä kokeissa alhaisempia kuin esimerkeissä, joissa käytettiin alumiinioksiditäyteainetta.

Monia muitakin materiaaleja kuin alumiinioksidia ja piikarbidia voidaan 10 käyttää keraamisina täyteaineina tämän keksinnön mukaisissa sekaraken-teissa. Nämä materiaalit, joita ovat sirkoniumoksidi, alumiininitridi ja titaanidiboridi on esitetty esimerkeissä 22-24 tässä järjestyksessä.

15

II

91087 23 ro

Ai — H £ ^•«tf'tf^^OOOOOOCC *ί· >3·

< NNOltMNHHHHHHri N tM

ro rH ** •H —'

P G

:0 Φ 04_ oooooooooooo oo <u

Eri OOOOinOOOOOOW Ifl O W

ιΰο oooooeooooo rg σι co σι -h ' (—I i—l (H i—I (A I—I rH 1—i I—I 0

P

0 0000333 300 03 2 (/1(0(0(/1(/1(0(/) (0(0(0 (0(0 = (0 ro ro ro ro ro ro ro ro ro ro roro in

0 rororororororo crororo roro X

E x x x x x a: a: o x x x xx 2 C 0 rvj&> o op .......z u..... Ψ «(o ro ro ro ro ro ro Ό <όόό όό ,μ roo ooooooo ooo oo roo 0030003 003 00 c * Ai SESESSE EEE EE § 0) (0 dl 0)

H

<— λ ja ro E ID ΐ · ϋ Οι P 3. +j +J p +J ft a) in <o οι φ o ro 01 N (0 (0 (fl (fl Ai p ro ro ro ro i

£ Λ X Ai Ai Ai ~ O

fl) P Ai Ai Ai Ai E P

·* (0 0 000 3.3 S'-Ι ro ro -η -π -Η -π ό 2 c P > £:s:£££::r:uN -H ft (0 p ττ o 5 C _

* 2 c c C C 3 Η Ai Μ -H

<u Pro rororo ό i υ -h -p (0 -P P ppp -h u - -P: 2 n

•j -H -H -H -H -H O (Otj -h G Φ P O

•ο -h e g e e e aiHpoi o a .7^ •h o. «J ro rororo i -h ro Ήι '2't-

χι ft-H rH H H H U E > P W fsrH X

P >|03 303 -H M 3 ° 9 £ ro > ro οι <υ<υ<υ wvorop z ” 1

Ai P (/) (/1 (/) (/) (/) -Ai O I - Ν .

•H I I I III . If) I Ai 1 „ 1 · •H U°o ooo p UH ..^2¾

0 -H o O OOO M -H -H UH C j4J

1 ojin K):::ininin::::H co ft Λ „ !9 R T. μ

H -H W -H p P

WC p J ~ -HO c W JC 0) · •hw c ro >p - o P Ai P *5 1 * u

HP O -GOO

hH (0 <D ·Η ·Η Ή ·Η *Η ·Η ·Η ·Η ·Η *Η ^ Ο · *Γ“ϊ Ο C

Ε οι οι w Moimtomw-Hw wen Ν λο-η ο

0-Η-Η3 W UWWP

M C C E o h m tn m m m t— in min « -h h P

^4 ·Η -H ^ «H <J HrlHHHHfOH rH rH fa W (0 (ö

D ·Η -H p I -H I I I I I I I I II w W H W P U

Xl e E w t^criQ/wO'iT'O'O'tTitT'O'CP O’O’ .. ro ro ω ro

D O 30 ESP ESESEEES EE a W -h -h E C

< rH H O 30 o ·· P P O

Eh e e Ai mnOiriminininminHin mm o <#> ro O P O.

m p o £ ft m + ro e O'-η Q) H O) E ·Η ·Η 2

O σι w J

,* o w > 0) P

. P P CO

Ai P CH ro OO

Mo o) o ro w a·-h

rop CH-HWDiO

Eh e iimmiiii^iii il cooo-HAi OIP ΦΡΖ I E 01 ft (U e

3 > W P P O

• 3 P w ro h ς _ A! O O -H > Λ

•HO -HOPPU

(OP h cm n^mio mb σι oh w n > 3 ro -h

U C HHI IHHHHIHHH mm WftCftA^Z

"ίο S’"o ·ο "ro

Esimerkki 22 24 5 % magnesiumia ja 10 % piitä sisältävä alumiiniseos sulatettiin kosketuksessa sirkoniumoksidihiukkaspedin pinnan kanssa (65 μπι seulamitta 5 220, SCMg3, Magnesium Elektron, Inc.) muodostuskaasun ilmakehässä 900°C:ssa. Näissä olosuhteissa sula seos suodattui itsestään sir-koniumoksidipetiin tuottaen metallimatriisisekarakenteen.

Esimerkki 23 10

Esimerkeissä 1-9 kuvattua menettelyä käytettiin kahteen kokeeseen sillä poikkeuksella, että alumiinioksidi korvattiin alumiininitridijauheella, jonka hiukkaskoko oli vähemmän kuin 10 mikronia (Elektroschmelzwerk Kempton GmbH). Koostettu seos ja pohja kuumennettiin typen ilmakehässä 15 1200°C:ssa 12 tunnin ajan. Seos suodattui itsestään alumiininitridipe- tiin muodostaen metallimatriisisekarakenteen. Kuten prosentuaalisissa painonlisäysmittauksissa todettiin, 3Mg- ja 3Mg-10Si -seoksilla saavutettiin minimaalinen nitridin muodostuminen yhdessä erinomaisen suodattamisen ja metallimatriisin muodostumisen kanssa. Havaittiin ainoastaan 20 9,5 %:n ja 6,9 %:n yksikköpainonlisäykset tässä järjestyksessä.

Esimerkki 24

Esimerkissä 23 kuvattu menettely toistettiin sillä poikkeuksella, että 25 alumiininitridijauhe korvattiin titaanidiboridijauheella, jonka keskimääräinen hiukkaskoko oli 5-6 mikronia (Grade HTC, Union Carbide Co.). Koostumukseltaan samat alumiiniseokset kuin esimerkissä 23 suodattuivat itsestään jauheeseen ja muodostivat yhtenäisen metallimatriisin, joka sitoi jauheen yhteen; seoksessa oli minimaalista nitridin muodostumis-30 ta. Al-3Mgja Al-3Mg-10Si -seoksille saavutettiin yksikköpainonlisäykset 11,3 % ja 4,9 % tässä järjestyksessä.

Tavanomaiseen metallimatriisisekarakenneteknologiaan verrattuna tämän keksinnön avulla vältetään tarve käyttää korkeita paineita tai tyhjiöi-35 tä, mahdollistetaan alumiinimatriisisekarakenteiden tuotanto, joita voidaan soveltaa moniin erilaisiin keraamisiin kuormituksiin ja joilla

II

91087 25 on alhainen huokoisuus, sekä mahdollistetaan muunnetuilla ominaisuuksilla varustetut sekarakenteet.

Claims

26

1. Menetelmä metallimatriisisekarakenteen tuottamiseksi, joka käsittää alumiiniseoksesta muodostuvan kiinteän metallimatriisin, joka sulkee 5 sisäänsä täyteaineen, joka alumiiniseos sisältää epäjatkuvan alumiini-nitridifaasin, tunnettu siitä, että se käsittää seuraavaa: a) aloitetaan alumiiniseoksesta, joka käsittää alumiinia ja ainakin noin 1 painoprosenttia magnesiumia ja keraamisen täyteaineen läpäisevän 10 massan; b) kaasun läsnäollessa, joka kaasu sisältää noin 10-100 tilavuusprosenttia typpeä ja loput el-hapettavaa kaasua, saatetaan sulassa tilassa oleva alumiiniseos kosketukseen keraamisen aineen läpäisevän 15 massan kanssa lämpötilassa 700-1200°C, ja suodatetaan läpäisevä massa sulalla alumiiniseoksella, jonka läpäisevän massan suodattuminen tapahtuu itsestään; ja c) kun massa on suodattunut toivotun määrän, annetaan sulan alumiini-20 seoksen jähmettyä muodostamaan kiinteän metallimatriisirakenteen, joka sulkee sisäänsä keraamisen täyteaineen.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että keraaminen täyteaine valitaan oksideista, karbideista, borideista, 25 nitrideistä ja keräämillä pinnoitetuista materiaaleista koostuvasta ryhmästä.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunne ttu siitä, että keraami käsittää ainakin yhden täyteaineen, joka on valittu ryh- 30 mästä, johon kuuluu alumiinioksidi, piikarbidi, sirkoniumoksidi, titaanidiboridi, alumiininitridi ja hiilisubstraatti, jossa on keraaminen päällyste.

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, 35 että kaasu on olennaisesti kokonaan typpeä. Il 91087 27

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kaasu käsittää ainakin 50 tilavuusprosenttia typpeä ja loput argo· nia tai vetyä.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että alumiiniseos sisältää ainakin 3 painoprosenttia magnesiumia.

7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että alumiiniseos sisältää lisäaineena ainakin yhden alkuaineen mag- 10 nesiumin lisäksi.

8. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että keraaminen täyteaine käsittää alumiinioksidia ja lämpötila voi olla noin 1000°C asti. 15

9. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että lämpötilaa nostetaan sanotussa matriisissa olevan alumiininitridin epäjatkuvan faasin määrän lisäämiseksi.

10. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että täyteaine koostuu hiilisubstraatista ja keraamisesta päällysteestä, joka käsittää substraattina hiilikuituja.

11. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä metallimatriisisekaraken-25 teen valmistamiseksi, jolla sekarakenteella on alumiininitridikerros yhdellä sen pinnoista tai lähellä yhtä sen pintaa, tunnettu siitä, että kun toivottu määrä keraamisen täyteaineen massaa on suodatettu vaiheessa b), pidetään alumiiniseos sulana kaasun läsnäollessa, jotta muodostuu alumiininitridiä massan ainakin yhdelle pinnalle, ja 30 tämän jälkeen annetaan sulan alumiiniseoksen jähmettyä.

12. Patenttivaatimuksen 11 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että alumiininitridikerroksen paksuuden lisäämiseksi sulan alumiinin alttiinaoloaikaa kaasulle lisätään ja/tai sulan alumiiniseoksen lämpö- 35 tilaa lisätään. 28

13. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että täyteainemateriaali käsittää piikarbidia ja alumiiniseos käsittää ainakin 10 p-% piitä.

14. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että vaiheessa b) mainittu kaasu käsittää pääasiassa typpeä ja loput on ei-hapettavaa kaasua ja lämpötila, jossa sulassa tilassa oleva alumiiniseos saatetaan kosketukseen keraamisen aineen läpäisevän massan kanssa on 1100-1200°C, jolloin muodostuu alumiininitridin epäjatkuva 10 faasi läpäisevään massaan kun läpäisevä massa suodatetaan sulalla alu-miinisuodoksella. 1 29 91087