FI91087C - Menetelmä metallimatriisisekarakenteen tuottamiseksi - Google Patents

Description

91087

Menetelmå metallimatriisisekarakenteen tuottamiseksi Forfarandre for producering av en sammansatt struktur av en metallmatris 5 Tåmån keksinndn kohteena on menetelmå metallimatriisisekarakenteen tuottamiseksi, joka kåsittåå alumiiniseoksesta muodostuvan kiinteån metallimatriisin, joka sulkee sisåånså tåyteaineen, joka alumiiniseos 10 sisåltåå epåjatkuvan alumiininitridifaasin.

Tåmån keksinndn kohteena on låhemmin menetelmå metallimatriisisekarakenteen valmistamiseksi keraamisen tåyteaineen låpåisevån massan itses-tåån tapahtuvalla suodattamisella sulalla metallilla ja tarkemmin sa-15 nottuna sulalla alumiiniseoksella typen låsnåollessa. Keksinnon kohteena ovat myds tåmån menetelmån mukaan valmistetut alumiinimatriisiseka-rakenteet.

Sekarakennetuotteet, jotka kåsittåvåt metallimatriisin ja lujittavan 20 tai vahvistavan faasin, kuten keraamisia hiukkasia, karvoja, kuituja tai vastaavia, ovat erittåin lupaavia monenlaisiin sovelluksiin, koska niisså yhdistyvåt lujittavan faasin lujuus ja kovuus sekå metallimatriisin venyvyys ja sitkeys. Yleisesti ottaen metallimatriisisekarakenteen avulla saadaan aikaan parannuksia sellaisissa ominaisuuksisssa 25 kuten lujuus, jåykkyys, kontaktikulumisenkeståvyys ja lujuuden pitåvyys korkeissa låmpotiloissa, verrattuna matriisimetalliin sinånså, mutta minkå tahansa annetun ominaisuuden parantamisen måårå riippuu paljolti kåytetyistå ainesosista, niiden tilavuudesta tai paino-osuudesta ja siitå kuinka niitå prosessoidaan sekarakennetta muodostettaessa. Jois-30 sakin tapauksissa sekarakenne voi olla myos kevyempipainoinen. Alu-miinimatriisisekarakenteet, jotka on vahvistettu keramiikalla kuten piikarbidilla hiukkasten, levykkeiden tai karvojen muodossa, ovat esi-merkiksi mielenkiintoisia, koska niillå on parempi jåykkyys, kulumisen-keståvyys ja lujuuden pitåvyys korkeissa låmpdtiloissa alumiiniin ver-35 rattuna.

. · Erilaisia metallurgisia prosesseja alumiinimatriisisekarakenteiden valmistamiseksi on kuvattu, joita ovat esimerkiksi jauhemetallurgiatek- 2 niikoihin perustuvat menetelmåt tai menetelmåt, joihin liittyy neste-måisen metallin suodattaminen esimerkiksi painevalulla. Jauhemetallur-giatekniikoiden yhteydesså jauheen muodossa oleva metalli ja jauheen, karvojen, silputtujen kuitujen tai vastaavien muodossa oleva vahvistava 5 materiaali sekoitetaan ja sitten kylmåpuristetaan ja sintrataan tai kuumapuristetaan. Maksimin keraamisen tilavuuden osan piikarbidilla vahvistetuissa alumiinimatriisisekarakenteissa, jotka on tuotettu tåmån menetelmån mukaisesti, on ilmoitettu olevan 25 tilavuusprosenttia karvojen yhteydessså ja 40 tilavuusprosenttia hiukkasten yhteydesså.

10

Metallimatriisisekarakenteiden tuottaminen tavanomaisia prosesseja hyvåksi kåyttåvån jauhemetallurgian avulla tuo mukanaan tiettyjå rajoi-tuksia, jotka liittyvåt saavutettavien tuotteiden ominaisuuksiin. Seka-rakenteessa olevan keraamisen vaiheen tilavuusosa rajoittuu tyypilli-15 sesti noin 40 prosenttiin. Myos puristaminen asettaa rajoituksen saavu-tettavissa olevaan kåytånnbn kokoon. Ainoastaan suhteellisen yksinker-taiset tuotemuodot ovat mahdollisia ilman jålkiprosessointia (esim. muovausta tai tyoståmistå) tai ilman, ettå joudutaan turvautumaan moni-mutkaisiin puristimiin. Myos epåyhtenåistå kutistumista voi esiintyå 20 sintrauksen aikana sekå mikrorakenteen epåyhtenåisyyttå, mikå johtuu tiiviiden aineiden ja raekasvun erottumisesta.

US-patentti 3 970 136, joka on myonnetty 20.7.1976 nimellå J.C. Cannell et al, kuvaa prosessin metallimatriisisekarakenteen muodostamiseksi, 25 joka sisåltåå kuituvahvikkeen, kuten piikarbidin tai alumiinioksidikar-voja, joilla on kuitujen suuntautumisen ennaltamååråtty malli. Sekara-kenne valmistetaan sijoittamalla samantasoisten kuitujen rinnakkaisia mattoja tai huopia muottiin sulan matriisimetallin såilibn kanssa, esim. alumiinisåilion kanssa, ainakin kahden maton våliin, ja asetta-30 malla painetta, jotta sula metalli voidaan pakottaa tunkeutumaan mat-toihin ja ympåroimåån asettuneet kuidut. Sula metalli voidaan kaataa mattopinon påålle samalla, kun sitå pakotetaan paineen alaisena virtaa-maan mattojen vålisså. Sekarakenteessa olevan vahvistuskuidun jopa 50-prosenttisia kuormituksia on raportoitu.

35

II

3 91087

Yllåkuvattu suodattamisprosessi, mitå tulee sen riippuvuuteen ulkoi-sesta paineesta sulan matriisimetallin pakottamiseksi kuitumattopinon låpi, on altciina paineella aikaansaatujen virtausprosessien epåsåån-ndllisyyksille, eli matriisin muodostumisen mahdolliselle epåyhtenåi-5 syydelle, huokoisuudelle, jne. Ominaisuuksien epåyhtenåisyys on mahdol-lista, vaikka sulaa metallia voidaan syottåå moneen paikkaan kuitujår-jestelmåå. Tåmån vuoksi on jårjestettåvå monimutkaisia matto/såiliojår-jestelmiå ja virtausreittejå, jotta voidaan saavuttaa riittåvå ja yhte-nåinen kuitumattojen låpåisy. Yllåmainittu painesuodattamismenetelmå 10 sallii myds ainoastaan suhteellisen alhaisen vahvistuksen saavutetta-valle matriisin tilavuusosalle, mikå johtuu suuren mattotilavuuden suodattamisen vaikeudesta. Tarvitaan lisåksi muotteja sulan metallin pitåmiseksi paineen alaisena, mikå lisåå prosessin kuluja. Lopuksi yllåmainittu 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 alumiinioksiditåytteisiå seka-20 rakenteita, alumiini ei kostuta helposti alumiinioksidia, mikå tekee koherentin tuotteen muodostamisen vaikeaksi. Aiempi tekniikan taso esittåå useita ratkaisuja tåhån ongelmaan. Yksi tållainen vaihtoehto on påållyståå alumiinioksidi haihtuvalla metallilla (esim. nikkelilla tai volframilla), joka kuumapuristetaan tåmån jålkeen alumiinin kanssa.

25 Toisessa tekniikassa alumiini sekoitetaan litiumiin, ja alumiinioksidi voidaan påållyståå piidioksidilla. Nåiden sekarakenteiden omainaisuuk-sissa esiintyy kuitenkin variaatioita, tai påållysteet voivat huonontaa tåyteainetta, tai matriisi sisåltåå litiumia, joka voi vaikuttaa metallin omainaisuuksiin.

30 US-patentissa 4 232 091 nimellå R.V. Grimshav et al voitetaan aiemman tekniikan tason tiettyjå vaikeuksia alumiinimatriisisia alumiinioksi-disekarakenteita tuotettaessa. Tåsså 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. Alu-miinioksidin maksimi tilavuussuhde saatavassa jåhmeåsså valussa olevaan 4 metalliin nåhden oli 0,25/1. Koska tåmå prosessi on riippuvainen ulkoi-sesta voimasta suodattamisen aikaansaamiseksi, se on alcis monille samoille puutteille kuin Cannelin (et al) prosessi.

5 Eurooppalainen patenttihakemus 115 742 kuvaa alumiini-alumiinioksidi-sekarakenteiden valmistamista, jotka ovat erltyisen hyddyllisiå elektrolyysikennokomponentteina, tflyttårnållå esimuotoillun alumiiniok-sidimatriisin tyhjiot sulalla alumiinilla. Hakemus korostaa sitå, ettå alumiini ei kostuta alumiinioksldia, ja tåmån vuoksi kåytetåån useita 10 tekniikoita alumlinioksidin kostuttamlseksi låpi koko esimuotin. Alu· miinioksidi påållystetåån esimerkiksi titaanin, sirkoniumin, hafniumin tai niobiumin diboridin kostuttimella, tai metallilla, kuten litiumil-la, magnesiumilla, kalsiumilla, titaanilla, kromilla, raudalla, kobol-tilla, nikkelillå, sirkoniumilla tai hafniumilla. Inerttisiå ilmakehiå 15 kuten argonia kåytetåån helpottamaan kostutusta ja suodattumista. Tåsså viitteesså kåytetåån myos paineen asettamista, jotta sula alumiini saadaan tunkeutumaan påållyståmåttdmåån esimuottiin. Tåsså yhteydesså suodattuminen saadaan aikaan tyhjentåmållå huokoset ja asettamalla tåmån jålkeen painetta sulaan alumiiniin inerttisesså ilmakehåsså, 20 kuten argonissa. Esimuotti voidaan vaihtoehtoisesti suodattaa kaasufaa-sissa tapahtuvalla alumiinikerrostamisella pitman kostuttamiseksi ennen kuin huokoset tåytetåån sulan alumiinin suodattumisella. Jotta voidaan taata alumiinin pysyminen esimuotin huokosissa, vaaditaan låmpokåsit-tely esimerkiksi 1400-1800°C:ssa joko tyhjiosså tai argonissa. Muussa 25 tapauksessa joko painesuodatteisen materiaalin altistuminen kaasulle tai suodatuspaineen poisto aiheuttaa alumiinin poistumisen massasta.

Kostuttimien kåytto alumiinioksikomponentin suodattamiseksi elektro-lyysisolussa sulalla metallilla on esitetty my6s eurooppalaisessa pa-30 tenttihakemuksessa 94 353. Tåmå julkaisu kuvaa alumiinin tuottamista erottamalla metalli elektrolyysin avulla solulla, jolla on katodinen virransydtin kennovuoraimena tai substraattina. Jotta tåtå substraattia voidaan suojella sulalta kryoliitilta, ohut kerros kostuttimen ja lie-kenevuudenestimen seosta viedåån alumiinioksidisubstraattiin ennen 35 kennon kåynniståmistå tai, kun se upotetaan elektrolyysiprosessilla tuotettuun sulaan alumiiniin. Esitettyjå kostuttimia ovat titaani,

II

91087 5 sirkonium, hafnium, pii, magnesium, vanadiini, kromi, niobium Cai kal-sium, ja Citaani mainitaan suositeltavana kostuttimena. Boorin, hiilen ja typen yhdisteiden mainitaan olevan hyddyllisiå ehkåisemåån kostutti-mien liukenevuutta sulaan alumiiniin. Viittauksessa ei kuitenkaan mai-5 nita metallimatriisisekarakenteiden tuottamista, eikå tållaisen sekara-kenteen muodostamista typpi-ilmakehåsså.

Paineen ja kostuttimien kåyttåmisen lisåksi on esitetty, ettå asetettu tyhjid auttaa sulan alumiinin tunkeutumista huokoiseen keraamiseen 10 tuotteeseen. Esimerkiksi US-patentti 3 718 441, joka on mydnnetty 27.3.1973 nimellå R.L. Landingham, raportoi keraamisen tuotteen (esim. boorikarbidin, alumiinioksidin ja berylliumoksidin) suodattamisen su-lalla alumiinilla, berylliumilla, magnesiumilla, titaanilla, vana-diinilla, nikkelillå tai kromi11a alle 1,33 10‘4Pa (10'6 torrin) tyh-15 jidsså. 1,33-1,33 10~4Pa (10‘2 - 10~8 torrin) tyhjid keramiikan huonoon kostutukseen sulalla metallilla siinå måårin, ettå metalli ei virrannut vapaasti keramiikan tyhjidtiloihin. Kostutuksen sanottiin kuitenkin parantuneen, kun tyhjidtå pienennettiin alle 1,33 10_*Pa (10-6 torrin) arvon.

20 US-patentissa 3 864 154, joka on mydnnetty 4.2.1975 nimellå G.E. Gazza et al, esitetåån myds tyhjion kfiyttd suodattamisen aikaansaamiseksi.

Tåsså patentissa kuvataan AIB12 -jauheen kylmåpuristetun tiivisteen sijoittamista kylmåpuristetun alumiinijauhepohjan påålle. Lisåalumiini 25 sijoitettiin tåmån jålkeen AIBU -jauhetiivisteen påålle. Upokas, johon oli asetettu AIB12 -tiiviste alumiinijauhekerrosten våliin, sijoitettiin tyhj iduuniin. Uuni tyhjennettiin paineeseen no in 1,33 10“3Pa (10"5 torriin) kaasunpoistamisen vuoksi. Låmpdtila nostettiin mydhemmin 1100°C:en, ja sitå pidettiin yllå 3 tunnin ajan. Nåisså olosuhteissa 30 sula alumiini tunkeutui huokoiseen AIB12 -tiivisteeseen.

Kuten on yllå esitetty, aikaisempi tekniikan taso perustuu paineen, tyhjidn tai kostuttimien kåyttddn, jotta saadaan aikaan metallin suo-dattuminen keraamiseen massaan. Mikåån mainituista julkaisuista ei 35 kåsittele keraamisen materiaalin itseståån tapahtuvaa suodattumista sulilla alumiiniseoksilla ilmakehån paineessa tai viittaa siihen.

6 Tåmån keksinnon mukainen menetelmå on tunnettu siitå, ettå se kåsittåå seuraavaa: a) aloicetaan alumiiniseoksesta, joka kåsittåå alumiinia ja ainakln 5 noin 1 painoprosenttia magnesiumia ja keraamisen tåyteaineen låpåisevån massan; b) kaasun låsnåollessa, joka kaasu sisåltåå noin 10-100 tilavuus-prosenttia typpeå ja loput ei-hapettavaa kaasua, saatetaan sulassa 10 tilassa oleva alumiiniseos kosketukseen keraamisen aineen låpåisevån massan kanssa låmpotilassa 700-1200°C, ja suodacetaan låpåisevå massa sulalla alumiiniseoksella, jonka låpaisevån massan suodactuminen tapah-tuu itseståån; ja 15 c) kun massa on suodattunut toivotun måårån, annetaan sulan alumiini-seoksen jåhmettyå muodostamaan kiinteån metallimatriisirakenteen, joka sulkee sisåånså keraamisen tåyteaineen.

Tåmå menetelmå kåsittåå metallimatriisisekarakenteen tuottamisen suo-20 dattamalla keraamisen tåyteaineen låpåisevå massa tai keramiikkapåål-lysteinen tåyteaine sulalla alumiinilla, joka sisåltåå ainakin noin 1 painoprosenttia magnesiumia ja mielellåån ainakin noin 3 painoprosenttia. Suodattuminen tapahtuu itseståån ilman ulkoista painetta tai suur-ta tyhjiotå. Sula metalliseos saatetaan kosketukseen tåyteaineen massan 25 kanssa ainakin noin 700°C:en låmpotilassa kaasun låsnåollessa, joka kåsittåå noin 10-100 % ja mielellåån ainakin noin 50 tilavuusprosenttia typpeå lopun ollessa hapettumatonta kaasua, esimerkiksi argonia. Nåisså olosuhteissa sula alumiiniseos suodattuu keraamiseen massaan normaa-leissa ilmakehån paineissa muodostaen alumiinimatriisisekarakenteen.

30 Kun toivottu måårå keraamista materiaalia on suodattunut sulalla seok-sella, låmpotilaa alennetaan seoksen jåhmettåmiseksi, jolloin muodostuu jåhmeå metallimatriisirakenne, joka sulkee sisåånså vahvistavan keraamisen materiaalin. Tavallisesti, ja suositeltavasti, sulan metalliseok-sen syotto on riittåvå sallimaan suodattumisen etenemisen olennaisesti 35 keraamisen massan rajoille. Tuotetuissa alumiinimatriisisekarakenteissa olevan keraamisen tåyteaineen måårå voi keksinnån mukaisesti olla erit-

II

91087 7 tåin korkea. Tåsså mielesså suuremman suhteen kuin 1:1 salliva tåyteai-ne voi olla saavutettavissa.

Yhdesså suoritusmuodossa sulan aluraiinin seos syotetåån keraamiseen 5 massaan sijoittamalla seoksen massa keraamisen tåyteaineen låpåisevån pedin viereen tai kosketukseen sen kanssa. Seos ja peti altistetaan typpeå sisåltåvålle kaasulle seoksen sulamispisteen ylåpuolella olevas-sa låmpotilassa ilman paineen tai tyhjion kåyttoå, jolloin sula seos suodattuu itseståån viereiseen tai ympåroivåån massaan. Kun låmpotilaa 10 alennetaan seoksen sulamispisteen alapuolelle, saadaan keramiikan si-såånså sulkeva alumiiniseoksen jåhmeå matriisi. Tulisi ymmårtåå, ettå alumiiniseoksen jåhmeå massa voidaan sijoittaa tåyteaineen massan viereen, jonka jålkeen metalli sulatetaan ja sen annetaan suodattua massaan, tai seos voidaan sulattaa erikseen ja kaataa tåmån jålkeen tåyte-15 aineen massaa vasten.

Tåmån keksinnon mukaan tuotetut alumiinimatriisisekarakenteet sisåltå-våt tyypillisesti alumiininitridiå alumiinimatriisissa epåjatkuvana vaiheena. Alumiinimatriisissa olevan nitridin måårå voi vaihdella riip-20 puen sellaisista tekijoistå kuin låmpotilan valinta, seoksen koostumus, kaasun koostumus ja keraaminen tåyteaine. Jos lisåksi korkealle låmpo-tilalle altistamista jatketaan nitridoivassa ilmakehåsså sen jålkeen, kun suodattuminen on lopussa, alumiininitridiå voi muodostua sekaraken-teen paljaille pinnoille. Hajaantuneen alumiininitridin måårå sekå 25 nitridaation syvyys ulkopintoja pitkin on vaihdeltavissa sååtåmållå yhtå tai useampaa tekijåå jårjestelmåsså, esim. låmpotilaa, jolloin on mahdollista muuntaa sekarakenteen tiettyjå omainaisuuksia tai tuottaa alumiinimatriisisekarakenne varustettuna alumiininitridikalvolla, joka toimii kulutuspintana.

30 Tåsså yhteydesså kåytettynå ilmaus "loput ei-hapettavaa kaasua” mer-kitsee sitå, ettå mikå tahansa alkeisboorin lisåksi låsnå oleva kaasu on joko inerttinen kaasu tai pelkiståvå kaasu, joka on olennaisesti reagoimaton alumiinin kanssa prosessiolosuhteissa. Mikå tahansa hapet-35 tava kaasu (muu kuin typpi), joka voi olla låsnå epåpuhtautena kåytet- 8 tavåssa kaasussa (kåytettåvisså kaasuissa) on riittåmåton hapettamaan metallia missåån olennaisesti måårin.

Tulisi ymmårtåå, etta termien "keraaminen", "keraaminen materiaali", 5 "keraaminen tåyteaine" on tarkoitettu sisåltSvån keraamiset tåyteaineet sinansa, kuten alumiinioksidi- tai piikarbidikuidut, ja keramiikkapåal-lysteiset tåyteaineet kuten alumiinioksidilla tai piikarbidilla paal-lystetyt hiilikuidut hiilen suojelemiseksi sulan metallin syovyttåvålta vaikutukselta. Edelleen tulisi ymmårtåå, ettå prosessissa kåytetty 10 alumiini, sen lisåksi, ettå 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 tåmån keksinnon menetelmån mukaisesti tehtyjen alumiinimatriisisekarakenteiden mikrora-kenteita:

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 låmpotilassa 24 tunnin ajan; ja

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

Tåmån keksinnon menetelmån mukaisesti sulassa tilassa oleva alumiini-35 magnesiumseos saatetaan kosketukseen keraamisen raateriaalin (esim.

keraamisten hiukkasten, karvojen tai kuitujen) låpåisevån massan pinnan

II

91087 9 kanssa tai toimitetaan sen pintaan typpeå sisåltåvån kaasun låsnåolies -sa, ja sula alumllnlseos suodattuu itseståån ja våhltellen edeten lå-pålsevåån keraamiseen massaan. Itseståån tapahtuvan suodattumisen ja metallimatrlisln muodostumisen måårå vaihtelee prosessiolosuhteiden S mydtå, kuten alla on yksityiskohtaisemmln selvitetty. Seoksen Itseståån tapahtuva suodattunlnen keramiikan massaan johtaa sekarakennetuottee-seen, jossa alumliniseoksen matriisi sulkee slsåånså keraamisen materi-aalin.

10 Saman hakijan EP-A-155 831-julkaisun mukaan, aikaisemmin on havaittu, ettå alumiininitridiå muodostuu sulan alumliniseoksen massan vapaalle pinnalle tai kasvaa tåstå pinnasta, kun jålkimmåinen tulee alttiiksi nitridoivalle ilmakehålle, esimerkiksi muodostuskaasulle (96 tilavuus-prosenttia typpeå ja 4 tilavuusprosenttia vetyå sisåltåvå seos). Lisåk-15 si saman hakijan EP-A-193 292 julkaisun mukaan, joka on jåtetty 17.1.1986 nimellå Marc S. Newkirk et al, yhdistyneiden alumiininitridi-kristalllittien matrisiirakenteen on havaittu muodostuvan muodostus-kaasun låpåisemien tåyteainehiukkasten huokoiseen massaan, kun massaa pidettiin kosketuksessa sulan alumliniseoksen kanssa. Tåmån vuoksi oli 20 yllåttåvåå havaita, ettå nitridoivassa ilmakehåsså sula alumiini-mag-nesiumseos suodattuu itseståån keraamisen materiaalin låpåisevåån massaan muodostaen metallimatriisisekarakenteen.

Tåmån keksinndn menetelmåsså kåytettåvisså olosuhteissa keraaminen 25 massa on riittåvån låpåisevå siten, ettå se sallii kaasumaisen typen tunkeutua massaan ja tulla kosketukseen sulan metallin kanssa sekå mahdollistaa sulan metallin suodattumisen, jolloin typen låpåisemå keraaminen materiaali suodattuu itseståån sulalla alumiiniseoksella muodostaen alumiinimatriisisekarakenteen. Itseståån tapahtuvan suodat-30 tumisen ja metallimatriisin muodostumisen måårå vaihtelee vallitsevien prosessiolosuhteiden mukaisesti, joita ovat esimerkiksi alumliniseoksen magnesiumpitoisuus, muiden sekoitettujen alkuaineiden låsnåolo, tflyte-aineen koko, pintaolotila ja tyyppi, kaasun typpipitoisuus, aika ja låmpOtila. Jotta sulan alumiinin suodattuminen tapahtuisi itseståån, 35 alumiiniin sekoitetaan ainakin 1 % ja mieluummin ainakin 3 % mag-nesiumia, seoksen painoon perustuen. Yksi tai useampi muu alkuaine, 10 kuten pii, sinkki tai rauta, voidaan lisåtå seokseen, mikå voi vaikut-taa magnesiumin minimimååråån, jota seoksessa voidaan kåyttåå. On tun-nettua, ettå tietyt alkuaineet voivat haihtua alumiinisulatteesta, joka on ajasta ja låmpdtilasta riippuvainen, ja tåmån vuoksi tåmån keksinnon 5 mukaisen prosessin aikana voi esiintyå magnesiumin sekå sinkin haihtu-mista. Tåmån vuoksi on suositeltavaa kåyttåå seosta, joka sisåltåå alusta låhtien ainakin noin 1 painoprosentin magnesiumia. Prosessi toteutetaan typen ilmakehån låsnåollessa, joka sisåltåå ainakin noin 10 tilavuusprosenttia typpeå loppuosan ollessa ei-hapettavaa kaasua pro-10 sessiolosuhteissa. Kun keraaminen massa on olennaisen tåydellisesti suodattunut, metalli jåhmetetåån esimerkiksi typen ilmakehåsså jååh-dyttåmållå, jolloin muodostuu jåhmeå metallimatriisi, joka sulkee olen-naisesti sisåånså keraamisen tåyteaineen. Koska alumiinimagnesiumseos kostuttaa keramiikan, metallin ja keramiikan vålille on odotettavissa 15 hyvå sitoutuminen, mika voi puolestaan johtaa sekarakenteen omainaisuuksien parantumiseen.

Alumiiniseoksen minimimagnesiumpitoisuus, joka on hyodyllinen tuotetta-essa keramiikkatåytteistå metallimatriisisekarakennetta, riippuu yhdes-20 tå tai useammasta muuttujasta, joita ovat esimerkiksi prosessointilåm-potila, aika, muiden sekoitettujen alkuaineiden kuten piin tai sinkin låsnåolo, keraamisen tåyteaineen luonne ja kaasuvirran typpipitoisuus. Alempia låmpotiloja tai lyhyempiå kuumentamisaikoja voidaan kåyttåå seoksen magnesiumpitoisuutta nostettaessa. Tietyn magnesiumpitoisuuden 25 yhteydesså myos tiettyjen muiden lisåttyjen alkuaineiden kuten sinkin lisååminen sallii alempien låmpotilojen kåyton. Esimerkiksi kåytettåvdn alueen alapååsså olevaa magnesiumpitoisuutta, eli noin 1-3 paino-prosenttia, voidaan kåyttåå ainakin yhden seuraavan tekijån yhteydesså: minimin prosessointilåmpotilan ylittåvå låmpotila, korkea typpipitoi-30 suus, yksi tai useampi muu lisåtty alkuaine. Noin 3-5 painoprosenttia magnesiumia sisåltåviå seoksia pidetåån parempina, koska niitå voidaan kåyttåå yleisesti hyvin monissa erilaisissa prosessiolosuhteissa, jolloin ainakin 5 prosentin pitoisuutta suositellaan alempia låmpotiloja ja lyhyempiå aikoja kåytettåesså. Magnesiumseoksia, jotka ylittåvåt 35 noin 10 painoprosenttia alumiiniseoksesta, voidaan kåyttåå lieventåmåån suodattamisen vaatimia låmpotilaolosuhteita. Magnesiumin pitoisuutta

II

91087 11 voidaan pienentåå, kun sitå kåytetåan yhdesså muun lisåtyn alkuaineen kanssa, mutta nåiden alkuaineiden toiminta on ainoastaan avustava, ja niitå kåytetåån yhdesså yllå mååritetyn magnesiummåårån kanssa. Esimer-klksl nimellisesti puhdas alumiini, johon oli sekoitettu vain 10 % 5 piitå, ei suodattunut olennaisesti lainkaan 1000°C:ssa 25 μπι (500-seula-mitan), 39 Crystolon-petiin (99-prosenttisesti puhdas piikarbidi, Norton Co.).

Yhden tai useamman muun lisåtyn alkuaineen kåyttåminen ja typen pitoi-10 suus ympåroivåsså kaasussa vaikuttaa myos seosmatriisin nitridoinnin måårån tietysså låmpotilassa. Esimerkiksi seoksessa olevan muun lisåtyn alkuaineen, kuten sinkin tai raudan, pitoisuuden lisååmistå voidaan kåyttåå alentamaan suodattumislåmpotilaa ja tåtå myotå våhentåmåån nitridin muodostumista, kun taas kaasussa olevan typen pitoisuuden 15 nostamista voidaan kåyttåå ediståmåån nitridin muodostumista. Seoksessa olevan magnesiumin pitoisuus pyrkii myos vaikuttamaan suodattumisen mååråån tietysså låmpotilassa. Tåmån vuoksi suositellaan, ettå ainakin kolme painoprosenttia magnesiumia sisållytetåån seokseen. Tåtå mååråå alemmat seospitoisuudet, kuten yksi painoprosentti magnesiumia, pyrki-20 måån vaatimaan korkeampia prosessilåmpotiloja tai muun lisåtyn alkuaineen suodattumista vårten. Låmpotila, joka vaaditaan tåmån keksinnon mukaisen itseståån tapahtuvan suodattumisprosessin aikaansaamiseksi, voi olla alempi, kun seoksen magnesiumpitoisuutta lisåtåån esimerkiksi ainakin noin 5 painoprosenttiin, tai kun toinen alkuaine, kuten sinkki 25 tai rauta on låsnå alumiiniseoksessa. Låmpotila voi myos vaihdella erilaisten keraamisten materiaalien yhteydesså. Itseståån tapahtuva ja progressiivinen suodattuminen tapahtuu yleenså ainakin 700°C:en proses-silåmpotilassa, ja mielellåån ainakin noin 800°C:ssa. Yli 1200°C ylitta-våt låmpotilat eivåt yleenså nåytå ediståvån prosessia, ja erityisen 30 hyodyllisen låmpotila-alueen on havaittu olevan noin 800-1200°C.

Tåsså menetelmåsså sula alumiiniseos sydtetåån låpåisevån keraamisen materiaalin massaan typpeå sisåltåvån kaasun låsnåollessa, jota on låsnå koko sen ajan, joka vaaditaan suodattamiselle. Tåmå saadaan ai-35 kaan pitåmå1lå yllå kaasun jatkuvaa virtausta keraamisen materiaalin ja sulan alumiiniseoksen koosteeseen. Vaikka typpeå sisåltåvån kaasun 12 virtausnopeus ei ole kriittinen tekijå, suositellaan, ettå virtausno-peus on riittåvå siten, ettå se kompensoi minkå tahansa typpihåvion ilmakehåstå, mikå johtuu nitridin muodostumisesta seosmatriisiin, sekå ettå se eståå tal ehkfiisee myos ilman mukaantulon, jolla voi olla ha-5 pettava vaikutus sulaan metalliin.

Kuten yllå on todetttu, typpeå sisåltavå kaasu kåsittåå ainakin noin 10 tilavuusprosenttia typpeå. On havaittu, ettå typpipitoisuus voi vaikut-taa suodattumistahtiin. Tarkemmin sanottuna suodattumisen aikaansaami-10 seen tarvittavat ajanj aksot pyrkivåt pitenemåån typpipitoisuuden piene-tesså. Kuten taulukossa I (alla, esimerkit 5-7) on esitetty, aika, joka tarvitaan alumiinioksidin suodattamiseen 5 % magnesiumia ja 5 % piitå sisåltfivållå sulalla alumiiniseoksella 1000°C:ssa, lisååntyi typen pitoisuuden pienetesså. Suodattaminen suoritettiin 5 tunnissa kåyttåen 15 kaasua, joka kåsitti 50 tilavuusprosenttia typpeå. Tåmå ajanjakso lisååntyi 24 tuntiin kåytettåesså 30 tilavuusprosenttia typpeå sisåltåvåå kaasua, ja 72 tuntiin kåytettåesså 10 tilavuusprosenttia typpeå sisåltåvåå kaasua. On suositeltavaa, ettå kaasu sisåltåå olennaisesti 100 % typpeå. Kåyttdalueen alapååsså olevia typpipitoisuuksia, eli våhemmån 20 kuin 30 tilavuusprosenttia, ei yleenså suositella johtuen pidemmistå kuumentamisajoista, joita suodattamisen aikaansaaminen edellyttåå.

Tåmån keksinnon mukainen menetelmå on sovellettavissa moniin erilaisiin keraamisiin materiaaleihin, ja tåyteaineen valinta riippuu sellaisista 25 tekijbistå kuin alumiiniseos, prosessiolosuhteet, sulan alumiinin rea-goivuus tåyteaineen kanssa ja lopulliselta sekarakennetuotteelta vaa-dittavat ominaisuudet. Nåitå materiaaleja ovat (a) oksidit, esim. alu-miinioksidi, 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 tåyteaine pyrkii reagoimaan sulan alumiiniseoksen kanssa, tåmå voidaan kompensoi-da minimoimalla suodattumisaika ja -låmpOtila tai jårjeståmållå reagoi-maton påållyste tåyteaineen påålle. Tåyteaine voi kåsittåå substraatin, 35 kuten hiilen tai muun ei-keraamisen materiaalin, jolla on keraaminen påållyste, joka suojelee substraattia syåpymiseltå tai hajoamiselta.

II

91087 13

Sopivia keraamisia påållysteitå ovat oksidit, karbidit, boridit ja nitridit. Keraamisia materiaaleja, joita suositellaan kåytettåviksi tåmån menetelmån yhteydesså, ovat alumiinioksidi ja piikarbidi hiukkas-ten, levykkeiden, karvojen ja kuitujen muodossa. Kuidut voivat olla 5 epåjatkuvia (pilkotussa muodossa) tai jatkuvan såikeen muodossa, kuten monisåikeisenå liuskana. Keraaminen massa tai esimuotti voi lisåksi olla homogeeninen tai heterogeeninen.

Piikarbidi reagoi sulan alumiinin kanssa muodostaen alumiinikarbidia, 10 ja jos piikarbidia kfiytetåån tåyteaineena, on toivottavaa eståå tai minimoida tåmå reaktio. Alumiinikarbidi on taipuvainen syopymiselle kosteuden vaikutuksesta, miks heikentåå mahdollisesti sekarakennetta.

Tåmån reaktion minimoimiseksi tai eståmiseksi piikarbidi esikuumenne-taan tåmån vuoksi ilmassa, jotta sen påålle muodostuisi reaktiivinen 15 piidioksidipåållyste, tai alumiiniseos lejeerataan lisåksi piillå, tai kåytetåån molempia menetelmiå. Kummassakin tapauksessa tarkoituksena on lisåtå piin pitoisuutta seoksessa, jotta voidaan eliminoida alu-miinikarbidin muodostuminen. Vastaavia menetelmiå voidaan kåyttåå estå-måån ei-toivottuja reaktioita muiden tåyteaineiden yhteydesså.

20

Keraamisen materiaalin koko ja muoto voivat olla minkålaisia tahansa, joita vaaditaan sekarakenteeseen toivottujen ominaisuuksien aikaansaa-miseksi. Nåin olien materiaali voi olla hiukkasten, karvojen, levykkeiden tai kuitujen muodossa, koska tåyteaineen muoto ei rajoita suodattu-25 mista. Muitakin muotoja, kuten palloja, pikkuputkia, kuulia, tulenkes-tåvåå kuitukangasta, jne. voidaan kåyttåå. Myoskåån materiaalin koko ei rajoita suodattumista, vaikka pienempien hiukkasten massan tåydellinen suodattuminen voi edellyttåå korkeampaa låmpotilaa tai pidempåå ajan-jaksoa kuin suurempien hiukkasten. Lisåksi suodatettavan keraamisen 30 materiaalin massa on låpåisevå, eli låpåisevå sulille alumiiniseoksille ja typpeå sisåltåville kaasuille. Keraaminen materiaali voi olla joko kaatotiheydesså tai puristettu alhaisempaan tiheyteen.

Tåmån keksinnon mukainen menetelmå, joka ei ole riippuvainen paineen 35 kåyttåmisestå sulan metallin pakottamiseksi keraamisen materiaalin massaan, sallii olennaisesti yhtenåisten alumiiniseosmatriisisekaraken- 14 teiden tuottamisen, joilla keraamisen materiaalin tilavuusosuus on suurl ja huokoisuus pieni. Keraamisen materiaalin suurempia tila-vuusosuuksia voidaan saavuttaa kåyttåmållå keraamisen materiaalin al-haishuokoisempaa alkuperåistå massaa. Suurempia tilavuusosuuksia voi-5 daan saavuttaa myos, jos keraaminen massa on tiivistetty paineen alai-sena edellyttåen, ettå massa ei ole muunnettu umpikennohuokoisuudella varustetuksi tiivisteeksi tax tåysin tiheaksi rakenteeksi, mikå eståisi suodattamisen sulalla metallilla.

10 On havaittu, ettå kun alumiini suodatetaan ja matriisi muodostetaan tietyn alumiiniseoksen/keraamisen jårjestelmån yhteydesså, keramiikan kostuttaminen alumiiniseoksella on hallitseva suodatusmekanismi. Alhai-sissa prosessointilåmpotiloissa tapahtuu mitåton tai minimaalinen måårå metallin nitridoitumista, mikå johtaa metallimatriisiin hajautuneen 15 alumiininitridin minimaaliseen epåjatkuvaan vaiheeseen. Kun låhestytåån låmpotilaalueen ylåpååtå, metallin nitridoitumista tapahtuu todennåkdi-simmin. Nåin olien nitridivaiheen måårå metallimatriisissa voidaan såådellå vaihtelemalla prosessointilåmpotilaa. Prosessilåmpotila, jossa nitridin muodostuminen korostuu, vaihtelee myos sellaisten tekijdiden 20 myotå kuin kåytettåvå alumiiniseos ja sen måårå suhteessa tåyteaineen tilavuuteen, suodatettava keraaminen materiaali sekå kåytettåvån kaasun typpipitoisuus. Esimerkiksi alumiininitridin muodostumisen måårån tie-tysså prosessilåmpotilassa uskotaan lisååntyvån, kun seoksen kyky kos-tuttaa keraamista tåyteainetta våhenee ja kun kaasun typpipitoisuus 25 nousee.

Tåmån vuoksi on mahdollista muuntaa metallimatriisin koostumusta seka-rakenteen muodostumisen aikana, jotta saatavalle tuotteelle voidaan antaa tiettyjå ominaisuuksia. Tietyn jårjestelmån yhteydesså prosessi-30 låmpotila voidaan valita nitridin muodostumisen sååtåmiseksi. Alu- miininitridifaasin sisåltåvållå sekarakennetuotteella voi olla tiettyjå omainaisuuksia, jotka voivat olla tuotteelle suotuisia tai parantaa sen suorituskykyå. Kun kyseesså on itseståån tapahtuva suodattuminen alumiiniseoksella, låmpotila-alue voi lisåksi vaihdella kåytettåvån keraa-35 misen materiaalin myotå. Alumiinioksidin ollessa tåyteaineena suodattu-mislåmpotilan ei tulisi mielellåån ylittåå noin 1000°C:ta, jotta voidaan

II

91087 15 taata, ettå matriisin venyvyys ei våhene minkåån nitridin huomattavan muodostumisen vuoksi. 1000°C ylittåviå låmpotiloja voidaan kuitenkin kåyttåå, jos halutaan tuottaa sekarakenne, jolla on våhemmån venyvå ja jåykempi matriisi. Suodatettaessa muita keraamisia materiaaleja, kuten 5 plikarbidla, voidaan kåyttåå noin 1200°C:en lfimpdtiloja, koska alu-miiniseos nitridoituu pienemmåsså mååråsså verrattuna alumiinioksidin kayttoon tåyteaineena, kun piikarbidia kåytetåån tåyteaineena.

Keksinnon toisen suoritusmuodon mukaisesti, sekarakenne varustetaan 10 aluniininitridikalvolla tai -pinnalla. Yleisesti ottaen seoksen maarå on riittava suodattamaan olennaisesti keraamisen materiaalin koko pe-din, eli mååritetyille rajoille. Jos sulan metallin syottd kuitenkin ehtyy ennen kuin koko peti tai esimuotti on suodattunut, ja låmpotilaa ei ole alennettu seoksen jahmettamiseksi, alumiininitridikerros tai 15 -vyohyke voi muodostua sekarakenteen ulkopinnalle tai pitkin ulkopin-taa, mika johtuu alumiiniseoksen suodattuvan etupaan pinta-alueiden nitridoitumisesta. Se pedin osa, joka ei ole matriisin sisaansd sulke-ma, voidaan poistaa helposti esimerkiksi hiekkapuhalluksella. Nitridi-kalvo voidaan muodostaa my6s raj alleen suodattuneen pedin tai esimuotin 20 pinnalle prosessiolosuhteita pidentåmållå. Esimerkiksi avoin astia, jota sula alumiiniseos ei kostuta, tåytetåån låpåisevållå keraamisella tayteaineella, ja keraamisen pedin ylåpinta saatetaan alttiiksi typpi-kaasulle. Kun metalli suodattuu petiin astian seinåmiin ja ylåpintaan ja jos låmpotilaa pidetåån yllå ja typpikaasun virtausta jatketaan, 25 paljaalla pinnalla oleva sula alumiini nitridoituu. Nitridoitumisen astetta voidaan såådellå, ja se voidaan muodostaa joko jatkuvana vai-heena tai epåjatkuvana vaiheena kalvokerrokseen. Tåmån vuoksi on mah* dollista muuntaa sekarakennetta erityissovelluksia vårten sååtåmållå nitridin muodostumisen mååråå sekarakenteen pinnalla. Voidaan tuottaa 30 esimerkiksi alumiininitridisellå pintakerroksella varustettuja alu- miinimatriisisekarakenteita, joiden kulumisenkeståvyys on parempi kuin metallimatriisin.

Kuten seuraavissa esimerkeisså on esitetty, sulat alumiini-magnesium-35 seokset suodattuvat itseståån keraamisen materiaalin låpåisevåån mas· saan, mika johtuu niiden taipumuksesta kostuttaa typpikaasun låpåisemå 16 keraaminen materiaali. Muita sekoitettavia alkuaineita, kuten piitå ja sinkkiå, voidaan sisållyttåå alumiiniseoksiin, jotta voidaan sallia alempien låmpotilojen ja alempien magnesiumpitoisuuksien kåyttd. Alu-miini-magnesiumseoksia, jotka sisåltåvåt 10-20 % tai enemmån piitå, 5 suositellaan polttamattoman piikarbidin suodattamiseen, koska pit pyr-kii minimoimaan sulan seoksen reaktion piikarbidin kanssa alumiinikar-bidin muodostamiseksi. Lisåksi keksinnosså kåytettåvåt alumiiniseokset voivat sisåltåå erilaisia muita seostavia alkuaineita, jotta seosmat-riisiin saadaan erityisesti toivottavia mekaanisia ja fysikaalisia 10 omainaisuuksia. Esimerkiksi kuparilisåaineita voidaan sisållyttåå seok-seen matriisin aikaansaamiseksi, joka voidaan låmpokåsitellå kovuuden ja lujuuden lisååmiseksi.

Esimerkit 1-10 15 Nåmå esimerkit havainnollistavat alumiiniseosmatriisisekarakenteiden muodostamista kåyttåmållå alumiini-magnesiumseosten, alumiinioksidin, typpeå sisåltåvien kaasujen ja låmpotila-aika olosuhteiden erilaisia yhdistelmiå. Kyseiset yhdistelmåt on esitetty allaolevassa taulukossa 20 I.

Esimerkeisså 1-9 sulat Al-Mg -seokset, jotka sisålsivåt ainakin 1 pai-noprosentin magensiumia sekå yhden tai useamman muun sekoitetun alku-aineen, toiraitetiin irtonaisista alumiinioksidihiukkasista koostuvan 25 låpåisevån pedin pintaan saattamalla seoksen kiinteå massa kosketukseen alumiinioksidimassan kanssa. Aluminiinioksidihiukkaset sijoitettiin tulenkeståvåån laivaan kaatotiheydesså. Seosmassan koko oli 2,5 x 5 x 1,3 cm. Seoksen ja keramiikan kooste kuumennettiin tåmån jålkeen uunis-sa typpeå sisåltåvån kaasun låsnåollessa, joka virtasi nopeudella 200-30 300 cm3/min. Taulukon I olosuhteissa sula seos suodattui itseståån alumiinimateriaalipetiin lukuunottamatta esimerkkiå 2, jossa esiintyi osittaista suodattumista. Havaittiin, ettå 43-45 grammaa painavat seos-massat riittivåt tavallisesti tåydellisesti suodattamaan 30-40 grammaa painavat keraamiset massat.

35

II

91087 17

Alumiinioksidisen tåyteaineen suodattumisen aikana matriisiseokseen voi muodostua alumiininitridiå, kuten yllå on selvitetty. Alumiininitridin muodostumisen måårå voidaan mååritellå seoksen prosenttimååråisellå painonlisåyksellå, eli seoksen painon lisååntyminen suhteessa seoksen 5 mååråån, jota on kåytetty suodattumisen aikaansaamiseksi. Painohåvidtfi voi my6s esiintyå magnesiumin tai sinkin haihtumisesta johtuen, joka on pååasiassa ajan ja låmpotilan funktio. Tållaisia haihtumisvaikutuksia ei mitattu suoraan, eikå nitridointimittauksissa otettu tåtå tekijåå huomioon. Teoreettinen prosenttimååråinen painonlisåys voi olla niinkin 10 suuri kuin 52, mikå perustuu alumiinin tåydelliseen muuntumiseen alu-miininitridiksi. Tåtå mallia kåyttåen nitridin muodostumisen alu-miiniseosmatriisiin havaittiin lisååntyvån kohoavan låmpotilan mydtå. Esimerkiksi esimerkin 8 (allaolevassa taulukossa I) 5 Mg-lOSi -seoksen prosenttimååråinen painonlisåys oli 10,7 % 1000°C:ssa, mutta kun olen-15 naisesti sama koe (ei esitetty taulukossa I) toistettiin 900°C:ssa, prosenttimååråinen painonlisåys oli 3,4 %. Samanlaisia tuloksia saatiin myos allaolevassa esimerkisså 14. Tåmån vuoksi on mahdollista valita ennalta tai muuntaa matriisin koostumus ja tåtå mydtå sekarakenteen ominaisuuksia kåyttåmållå tiettyjå låmpotilavålejå.

20

Sen lisåksi, ettå suodatetaan keraamisen hiukkasmaisen materiaalin låpåiseviå massoja sekarakenteiden muodostamiseksi, on mahdollista tuottaa sekarakenteita suodattamalla kuitumaisen materiaalin kudoksia. Kuten esimerkisså 10 on esitetty, Al-3 % Mg -seoksesta koostuva lierid, 25 joka oli 2,2 cm pitkå, 2,5 cm halkaisijaltaan ja painoi 29 grammaa, kåårittiin kudokseen, joka oli tehty Du Pont FP -alumiinikuidusta ja painoi 3,27 grammaa. Seoksen ja kudoksen kooste kuumennettiin tåmån jålkeen muodostuskaasun låsnåollessa. Nåisså olosuhteissa seos suodat-tui itseståån alumiinioksidikudokseen muodostaen sekarakennetuotteen.

30

Vaikkei tåsså halutakaan sitoutua mihinkåån tiettyyn teoriaan tai seli-tykseen, on ilmeistå, ettå typpi-ilmakehå aiheuttaa seoksen itseståån tapahtuvan suodattumisen keraamisen materiaalin massaan. Typen merki-tyksen måårittåmiseksi tehtiin tarkistukoe, jossa kåytettiin typpiva-35 paata kaasua, kuten taulukossa I on esitetty. Tarkistuskoe 1 suoritet-tiin samalla tavalla kuin esimerkisså 8 paitsi, ettå kåytettiin typpi- 18 vapaata kaasua. Nåisså olosuhteissa havaittiin, ettå sula alumiiniseos ei suodattunut alumiinioksidipetiin.

Tehtiin analyysi joidenkin alumiiniseosmatriisisekarakenteiden pyyh-5 kåisyelektronimikroskooppikuvista, jotta voitiin måårittåå keraamisen tåyteaineen, seosmatriisin ja sekarakenteessa olevan huokoisuuden tila-vuusosuudet. Tulokset osoittivat, ettå keraamisen tåyteaineen tilavuus-suhde seosmatriisiin on tyypillisesti suurempi kuin 1:1. Esimerkiksi esimerkin 3 tapauksessa havaittiin, ettå sekarakenne sisålsi 60 % alu-10 miinioksidia, 39,7 % metalliseosmatriisia ja 0,3 % huokoisuuden, tila-vuusprosentteina.

Kuvion 1 mikrovalokuva on otettu sekarakenteesta, joka on valmistettu olennaisesti esimerkin 3 mukaisesti. Alumiinioksidihiukkaset 10 nåhdåån 15 uppoutuneina alumiiniseoksen matriisiin 12. Kuten vaiherajoja tarkas-teltaessa voidaan havaita, alumiinioksidihiukkasten ja matriisiseoksen vålillå on låheinen kosketus. Seosmatriisin minimaalista nitridoitumis-ta esiintyi suodattumisen aikana 850°C:ssa, mikå on selvåå verrattaessa tåtå kuvioihin 2 ja 3. Metallimatriisissa olevan nitridin måårå vahvis-20 tettiin råntgensådediffraktioanalyysilla, joka paljasti suurempia huip-puja alumiinille ja alumiinioksidille sekå ainoastaan pienempiå huippu-ja aluminiinitridille.

Nitridoinnin måårå tietylle alumiiniseos-keramiikka-nitridointi-kaasu -25 jårjestelmålle lisååntyy nousevan låmpotilan myotå tietyn ajanjakson yhteydesså. Kåyttåen parametrejå, jotka tuottivat kuvion 1 sekaraken-teen lukuunottamatta 900°C:en'låmpotilaa ja 24 tunnin aikaa, havaittiin, ettå nitridoitumisen måårå lisååntyi huomattavasti, kuten voidaan havaita kuviota 2 vertaamalla. Tåmå koe esitetåån esimerkkinå 3a alia.

30 Nitridin muodostumisen suurempi måårå, joka on esitetty tummanharmailla alueilla 14, on havaittavissa selvåsti vertaamalla keskenåån kuvioita 1 ja 2.

On havaittu, ettå sekarakenteen ominaisuuksia voidaan muuntaa valitse-35 malla tåyteaineen tyyppi ja koko sekå prosessiolosuhteet. Tåmån havain-nollistamiseksi valmistettiin sekarakenne varustettuna esimerkin 3

II

91087 19 seoksella ja prosessiolosuhteilla; eroavina tekijoinå olivat 1000°C:en låmpotila, 24 tunnin aika ja alumiinioksiditdyteaineen 170 μα (seula-mitta 90) 65 μα (seulamitan 220) sijasta. Taman sekarakenteen tlheydet ja kimmomoduuli on kuvattu esimerkkinA 3b, ja vastaavat tiedot on an-5 net tu rnyds esimerkista 3a alla:

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

Ylla esitetyt tulokset osoittavat, etta tdyteaineen ja prosessiolosuh-teiden valintaa voidaan kayttaa muuntamaan sekarakenteen ominaisuuksia.

15 Yllaolevien tulosten vastaisesti alumiinin kimmomoduuli on 70 GPa. Myos kuvioiden 2 ja 3 vertailu osoittaa, etta esimerkissa 3b muodostui paljon suurempi AIN-pitoisuus kuin esimerkissa 3a. Vaikka tayteainehiuk-kasten koko on erilainen naisså kahdessa esimerkissa, korkeamman AIN-pitoisuuden uskotaan johtuvan korkeammasta prosessointilampdtilasta ja 20 sita pidetaan paasyyna esimerkin 3b sekarakenteen suurempaan kimmomoduuli in (AIN:n kimmomoduuli on 345 GPa).

, 20 V) 3 ^ (ΰ Τ3 (0

O V

3 ·Η m 2 in ^ ™ 2 ° ~ O

W(0 ιη^^^ιΠΓνίι^^ιΗ^ rH

<0

iH

-H , • :"θ oOOOoOogoggo Ό 0<_ °S^20002022° 0 g rr- 0oco<n000o0rHnj0

W rH

^ "“s 3331,1,1,3 3 mwmwZZZm w ^ .. λ « b « ? ? \ ic to ae a (0«3(0<0λιλιλι<0 ίο \ jj 2 ,*.*.*.*ζζζ.* ,* ^ O) Cg _ _ _ -Τ' **· οι 3 Jj · · · · O O O · Z · Λ min Τ3Τ3Τ3Τ)ιηΓ-σιΤ3 V Ί· £ «S Ο Ο Ο Ο \ \ \ Ο Ο \ S <0 Ο 3 3 3 3 0 0 0 3 3 2 y iC ££ SZSS^fOrHS X ον (0 Ρ (0 ο

At (0 (0 <0 (0 (0(0 (0 S; -ρ -ρ -Ρ -ρ (0 (0 (0 -Ρ ·ρ -Ρ « +J4J+J+J+J+J+J+J+J -Ρ —* Ή ·Η ·Η ·Η +J -Ρ ·Ρ ·Η ‘Η Ή 5 ε ε ε ε ·η ·η ·η g g ε „ (0(0(0(0eee(0(0 (o 11 ι-Hr—(rHrH(0(0(0»HlH I—i n 3333rHrHr-i33 3 .2 o 0)0)0)0)3330)® 0)

Ξ J2 rawmrao>0>0)raraw W

.2 o ι ι ι i w ra w ι i o i .2J S o o o o i i i o o T3 o

Ξ tn (NOJOJOJOOO(N(N 3 CM

5 η} (NfMfNOJcncricriojrjW ni -H * f 3 0° ε ε b .L -h~ EEE8aaa88 ε ω χ 3 a a. a a. aa a “j ^ < o o o 2] ιηιηιηιηΓ'-Γ'-Γ'-ιηιη in

£ VOVOVOVOrHi-lf-IVOVO VO

p H (0 8

Ο -H G

i* c a) Λ g 3 s-

D 3 S . C

< γη ω ω g * < ·ί 1 Τ .Η ·Η ·Η

.5 § ·Η -Η -Η -Η ·Η -Η -Η CO V) W

,Η Γ) WWWCOCOWCOOO ο e οι ιηιηιηιηιηιηΐίΐΗΗ η 3 0 ι ι ι ι ι ι ι ι ι ι Σι η gvgvgvOvtPtjitTitT'tTiO' 3>

4 X SSSSSSSSSS S

mr-imininininininm tn ^ Η

1 C

ω -η c -η ^ Ρ Ο g æ w ρ , 3 # •pc Η η ; X (0 ^ ρ ω Γ\ι (0 ο -ρ ζ tr> X 3 0« <#> Ο νο • Ρ) σ> ε ·° •Η ο rap ο WC «ΗΓΜπ^ιηνοΓ'ςοσίι-ι

II

91087 21

Esimerkit 11-21

Keksinndsså voidaan kåyttåå muitakin keraamisia materiaaleja kuin alu-miinioksidia. Kuten taulukon II esimerkeisså 11-21 on esitetty, voidaan 5 tuottaa alumiiniseosmatriisisekarakenteita, jotka on vahvistettu pii-karbidilla. Nåiden sekarakenteiden tuottamiseksi voidaan kåyttåå mag-nesiumia sisåltåvien alumiiniseoksien, piikarbidisten vahvistusmateri-aalien, typpeå sisåltåvien kaasujen ja låmpotila/aika -olosuhteiden erilaisia yhdistelmiå. Seurattiin esimerkeisså 1-9 kuvattua menettelyå 10 paitsi, ettå alumiinioksidi korvattiin piikarbidilla. Kaasunvirtausno-peudet olivat 200-350 cm3/min. Taulukon II esimerkeisså 11-21 kuvatuissa olosuhteissa havaittiin, ettå seos suodattui itseståån piikarbidin massaan.

15 Piikarbidin tilavuussuhteet alumiiniseokseen nåhden olivat nåiden esi-merkkien mukaan tuotetuissa sekarakenteissa tyypillisesti suurempia kuin 1:1. Esimerkiksi kuva-analyysi (kuten yllå on kuvattu) esimerkin 13 tuotteesta osoitti, ettå tuote kåsitti 57,4 % piikarbidia, 40,5 % metallia (alumiiniseosta ja piitå) ja 2,1 % huokoisuutta, kaikki tila-20 vuusprosentteina.

Seoksen magnesiumpitoisuus, jota kåytetåån itseståån tapahtuvan suodat-tumisen aikaansaamiseksi, on tårkeå. Tåsså yhteydesså kokeet, joissa kåytettiin hyvåksi taulukon II tarkistuskokeiden 2 ja 3 olosuhteita, 25 suoritettiin, jotta voitiin måårittåå magnesiumin puuttumisen vaikutus alumiiniseosten kykyyn suodattua itseståån piikarbidiin. Nåiden tarkistuskokeiden olosuhteissa havaittiin, ettå suodattumista ei tapahtunut itseståån, kun magnesiumia ei ollut mukana seoksessa.

30 Typpikaasun låsnåolo on myos tårkeå. Tåmån vuoksi suoritettiin tarkis-tuskoe 4, jossa kåytettiin esimerkin 17 olosuhteita paitsi, ettå kåytettiin typpivapaata kaasua, eli argonia. Nåisså olosuhteissa havaittiin, ettå sula seos ei suodattunut piikarbidin massaan.

35 Kuten yllå on selvitetty, låmpotila voi vaikuttaa nitridoitumisen måå-råån, mikå havainnollistettiin toistamalla esimerkki 14 viidesså eri 22 låmpotilassa. Allaoleva taulukko II esittåå esimerkin 14 suoritettuna 800°C:ssa, jolloin painonlisåys oli 1,8 %, mutta kun koe toistettiin 900, 1000 ja 1100°C:en låmpotiloissa, painonlisåykset olivat 2,5 %, 2,8 % ja 3,5 % tåsså jårjestyksesså; 1200°C:ssa suoritetussa kokeessa ha-5 vaittiin huomattava nousu 14,9 %:in. Tulee huomata, ettå painonlisåyk-set olivat nåisså kokeissa alhaisempia kuin esimerkeisså, joissa kåy-tettiin alumiinioksiditåyteainetta.

Monia muitakin materiaaleja kuin alumiinioksidia ja piikarbidia voidaan 10 kåyttåå keraaraisina tåyteaineina tåmån keksinnon mukaisissa sekaraken-teissa. Nåmå materiaalit, joita ovat sirkoniumoksidi, alumiininitridi ja titaanidiboridi on esitetty esimerkeisså 22-24 tåsså jårjestyksesså.

15

II

23 91087 ro Αί —

Η £ ^•«tf'tf^^OOOOOOCC

< ^ (NlNOlNNrlHHHrHHrl CM CM

ro rH ** •H —' p c :0 0 04 _ oooooooooooo oo <u

gr. ΟΟΟΟΙΛΟΟΟΟΟΟΙΠ Ifl O W

ιΰο oooooeooooocNoi co σι ··*< P '—' H ri H ri (H I—I rH I—i I—I 0

P

O

0000333 300 03 2 w w w w w w w tn tn tn tn tn 5 to ro ro ro ro ro ro ro rororo roro 3

O rororororororo crororo roro X

g x x x a< x a: a: o * x x xx 2 c o o op .......z u..... Ψ

Win 'OTJ'O'OO'dO <Τ3ΌΌ Ό Ό Z.

roo ooooooo ooo oo roo 0030003 003 00 c

UiX S S S S S S S SSS SS g 0) w (1) 0)

I—I

r·» λ ja ro g « ^ e* .a O' P 3. +j +J p +J ft tv in ro d) φ tu ro 0) W W W W W Ai p ro ro ro ro i £ Λ * ΑίΑίΑ! ~ o

O P Αί A< Ai Ai EP

·* W O 000 3.3 S'-Ι ro ro -η -η -ri -π ό 2 c P > £:::£OJ3::r:uN ·Η ft ro p »3· 3 5 c _ * <0 c C C C 3 <H Αί -H :2 o Pro rororo ό ι υ ·η ^ -p w -P P ppp -h u - -P 5 n •j -Η -Η -Η -Η -H O Wtj -H O ro p o *0 ·-< E g g g g AiHPtll o &, .7^ ’Ί •h o. <0 ro rororo i -h ro -ri ° *z, Λ ft-H rH rH rH rH U g > P W rsrH Λ P >|03 303 -HPO ° 9 £ ro >i<5<u nid)® wvorop ζ^·£.1 x p ω tn www -x o -N .

•h i i i III · in i x 1 „ 1 · •h υ ° o ooo P uh ..^2¾

0 -H o O OOO ^-H-H UH C -4J

1 win tnssrintnmsrssH toft ro' „ 2 R ό p -H ^ -H w -H p p wc p J ~ •H d) c W JC 0) · •hw c ro >p - o p Ai p *5 1 Λ·u H P O -O 0 0

IH (0 0) ·Η ·Η Ή ·Η *Η ·Η ·Η ·Η ·Η *Η ^ Ο · *Γ“ϊ C-) C

g ww w MotnwmwHw men Μαο·Η o ο·η·η3 w u w w λ

M c Cg oh tn m in tn tn Γ' m tntn « ·ρ . ^ P

^4 ·Η ·Η S «Η <J ΗΗΗΗΗΗΠΗ cH«H ia W (0 (0

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

ρ g gw o> tr <d w oiO'O'O'O'CT'O'O1 O’tji .. <u ro w <d

D O 30 SSP SSSSSSSS SS α W -η -h S C

< rH rH O 30 o ·· P P O

Eh c c X nnOtHMininintntnHin in in o# 41 OP ft tn p o £ ft cm + ro g o>*h dJ H (Ti g ·Η ·Η 2

O σι w P

,* O w > 0) P

. P P CO

x p ch ro oro M o o> o ro w Ο4Ή ro p CiH-Hwao

En C llmnllll^lll II COOO-HAi

d) P Φ P 2 I

g W α O) c

3 > w p p O

• 3 P W ro rH

5 _ Α! O O -Η > Λ ° -H O P P o WP rH CM n rftn 10 Is CO (Jl O H 1/1 (Jl > 1 (O ·Η

U C rH rH I IrlrlrHiHIrlrHrH OM CM WflCftA^S

"ro S’ "o ·ο αΓ 24

Esimerkki 22 5 % magnesiumia ja 10 % piicå sisåltåvå alumiiniseos sulatettiin koske-tuksessa sirkoniumoksidihiukkaspedin pinnan kanssa (65 μπι seulamitta 5 220, SCHg3, Magnesium Elektron, Inc.) muodostuskaasun ilmakehåsså 900°C:ssa. Nåisså olosuhteissa sula seos suodattui itseståån sir-koniumoksidipetiin tuottaen metallimatriisisekarakenteen.

Esimerkki 23 10

Esimerkeisså 1-9 kuvattua menettelyå kåytettiin kahteen kokeeseen sillå poikkeuksella, ettå alumiinioksidi korvattiin alumiininitridijauheella, jonka hiukkaskoko oli våhemmån kuin 10 mikronia (Elektroschmelzwerk Kempton GmbH). Koostettu seos ja pohja kuumennettiin typen ilmakehåsså 15 1200°C:ssa 12 tunnin ajan. Seos suodattui itseståån alumiininitridipe- tiin muodostaen metallimatriisisekarakenteen. Kuten prosentuaalisissa painonlisåysmittauksissa todettiin, 3Mg- ja 3Mg-10Si -seoksilla saavu-tettiin minimaalinen nitridin muodostuminen yhdesså erinomaisen suodat-tumisen ja metallimatriisin muodostumisen kanssa. Havaittiin ainoastaan 20 9,5 %:n ja 6,9 %:n yksikkopainonlisåykset tåsså jårjestyksesså.

Esimerkki 24

Esimerkisså 23 kuvattu menettely toistettiin sillå poikkeuksella, ettå 25 alumiininitridijauhe korvattiin titaanidiboridijauheella, jonka keski-mååråinen hiukkaskoko oli 5-6 mikronia (Grade HTC, Union Carbide Co.). Koostumukseltaan samat alumiiniseokset kuin esimerkisså 23 suodattuivat itseståån jauheeseen ja muodostivat yhtenåisen metallimatriisin, joka sitoi jauheen yhteen; seoksessa oli minimaalista nitridin muodostumis-30 ta. Al-3Mgja Al-3Mg-10Si -seoksille saavutettiin yksikkopainonlisåykset 11,3 % ja 4,9 % tåsså jårjestyksesså.

Tavanomaiseen metallimatriisisekarakenneteknologiaan verrattuna tåmån keksinndn avulla våltetåån tarve kåyttåå korkeita paineita tai tyhjidi-35 tå, mahdollistetaan alumiinimatriisisekarakenteiden tuotanto, joita voidaan soveltaa moniin erilaisiin keraamisiin kuormituksiin ja joilla

II

91087 25 on alhainen huokoisuus, sekå raahdollistetaan muunnetuilla ominaisuuk-silla varustetut sekarakenteet.

Claims (14)

1. 26
2. 1. Menetelmå metallimatriisisekarakenteen tuottamiseksi, joka kåsittåå alumiiniseoksesta muodostuvan kiinteån metallimatriisin, joka sulkee 5 sisåånså tåyteaineen, joka alumiiniseos sisåltåå epåjatkuvan alumiini-nitridifaasin, tunnettu siitå, ettå se kåsittåå seuraavaa: a) aloitetaan alumiiniseoksesta, joka kåsittåå alumiinia ja ainakin noin 1 painoprosenttia magnesiumia ja keraamisen tåyteaineen låpåisevån 10 massan; b) kaasun låsnåollessa, joka kaasu sisåltåå noin 10-100 tilavuus-prosenttia typpeå ja loput ei-hapettavaa kaasua, saatetaan sulassa tilassa oleva alumiiniseos kosketukseen keraamisen aineen låpåisevån 15 massan kanssa låmpotilassa 700-1200°C, ja suodatetaan låpåisevå massa sulalla alumiiniseoksella, jonka låpåisevån massan suodattuminen tapah-tuu itseståån; ja c) kun massa on suodattunut toivotun måårån, annetaan sulan alumiini-20 seoksen jåhmettyå muodostamaan kiinteån metallimatriisirakenteen, joka sulkee sisåånså keraamisen tåyteaineen.
3. 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmå, tunnettu siitå, ettå keraaminen tåyteaine valitaan oksideista, karbideista, borideista, 25 nitrideistå ja keraamilla pinnoitetuista materiaaleista koostuvasta ryhmåstå.
4. 3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmå, tunne ttu siitå, ettå keraami kåsittåå ainakin yhden tåyteaineen, joka on valittu ryh- 30 måstå, johon kuuluu alumiinioksidi, piikarbidi, sirkoniumoksidi, titaanidiboridi, alumiininitridi ja hiilisubstraatti, jossa on keraaminen påållyste.
5. 4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmå, tunnettu siitå, 35 ettå kaasu on oletmaisesti kokonaan typpeå. II 91087 27
6. 5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmå, tunnettu siitå, ettA kaasu kAsittAA ainakln 50 tilavuusprosenttia typpeA ja loput argo· nia tai vetyd.
7. 6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menete1mA, tunnettu siitA, ettA alumiiniseos sisAltAA ainakin 3 painoprosenttia magnesiumia.
8. 7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmA, tunnettu siitA, ettA alumiiniseos sisAltAA lisAaineena ainakin yhden alkuaineen mag- 10 nesiumin lisAksi.
9. 8. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmA, tunnettu siitA, ettA keraaminen tAyteaine kAsittAA alumiinioksidia ja lAmpdtila voi olla noin 1000°C asti. 15
10. 9. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmA, tunnettu siitA, ettA lAmpdtilaa nostetaan sanotussa matriisissa olevan alumiininitridin epAjatkuvan faasin mAArAn lisAAmiseksi.
11. 10. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmA, tunnettu siitA, ettA tAyteaine koostuu hiilisubstraatista ja keraamisesta pAAllystees-tA, joka kAsittAA substraattina hiilikuituja.
12. 11. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmA metallimatriisisekaraken-25 teen valmistamiseksi, jolla sekarakenteella on alumiininitridikerros yhdellA sen pinnoista tai lAhellA yhtA sen pintaa, tunnettu siitA, ettA kun toivottu mAArA keraamisen tAyteaineen massaa on suoda-tettu vaiheessa b), pidetAAn alumiiniseos sulana kaasun lAsnAollessa, jotta muodostuu alumiininitridiA massan ainakin yhdelle pinnalle, ja 30 tAmAn jAlkeen annetaan sulan alumiiniseoksen jAhmettyA. 1 Patenttivaatimuksen 11 mukainen menetelmA, tunnettu siitA, ettA alumiininitridikerroksen paksuuden lisAAmiseksi sulan alumiinin alttiinaoloaikaa kaasulle lisAtAAn ja/tai sulan alumiiniseoksen lAmpd- 35 tilaa lisAtAAn. 28
13. 13. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmå, tunnettu siitå, ettå tåyteainemateriaali kåsittåå piikarbidia ja alumilnlseos kåsittåå ainakin 10 p-% piitå.
14. 14. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmå, tunnettu siitå, ettå vaiheessa b) mainittu kaasu kåsittåå pååasiassa typpeå ja loput on ei-hapettavaa kaasua ja låmpotila, jossa sulassa tilassa oleva alu-miiniseos saatetaan kosketukseen keraamisen aineen låpåisevån massan kanssa on 1100-1200°C, jolloin muodostuu alumiininitridin epåjatkuva 10 faasi låpåisevåån massaan kun låpåisevå massa suodatetaan sulalla alu-miinisuodoksella. 1 29 91087