FI91491B - Menetelmä metallimatriisikomposiittikappaleen valmistamiseksi uppovalumenetelmää käyttäen - Google Patents

Menetelmä metallimatriisikomposiittikappaleen valmistamiseksi uppovalumenetelmää käyttäen Download PDF

Info

Publication number
FI91491B
FI91491B FI894933A FI894933A FI91491B FI 91491 B FI91491 B FI 91491B FI 894933 A FI894933 A FI 894933A FI 894933 A FI894933 A FI 894933A FI 91491 B FI91491 B FI 91491B
Authority
FI
Finland
Prior art keywords
preform
metal
matrix
filler
penetration
Prior art date
Application number
FI894933A
Other languages
English (en)
Swedish (sv)
Other versions
FI894933A0 (fi
FI91491C (fi
Inventor
John Thomas Burke
Original Assignee
Lanxide Technology Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Lanxide Technology Co Ltd filed Critical Lanxide Technology Co Ltd
Publication of FI894933A0 publication Critical patent/FI894933A0/fi
Publication of FI91491B publication Critical patent/FI91491B/fi
Application granted granted Critical
Publication of FI91491C publication Critical patent/FI91491C/fi

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B41/00—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
    • C04B41/009—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone characterised by the material treated
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B41/00—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
    • C04B41/45—Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements
    • C04B41/4505—Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements characterised by the method of application
    • C04B41/4519—Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements characterised by the method of application application under an other specific atmosphere
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B41/00—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
    • C04B41/45—Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements
    • C04B41/4505—Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements characterised by the method of application
    • C04B41/4523—Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements characterised by the method of application applied from the molten state ; Thermal spraying, e.g. plasma spraying
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B41/00—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
    • C04B41/45—Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements
    • C04B41/50—Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements with inorganic materials
    • C04B41/51—Metallising, e.g. infiltration of sintered ceramic preforms with molten metal
    • C04B41/515—Other specific metals
    • C04B41/5155—Aluminium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B41/00—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
    • C04B41/80—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone of only ceramics
    • C04B41/81—Coating or impregnation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B41/00—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
    • C04B41/80—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone of only ceramics
    • C04B41/81—Coating or impregnation
    • C04B41/85—Coating or impregnation with inorganic materials
    • C04B41/88—Metals
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/10—Alloys containing non-metals
    • C22C1/1005—Pretreatment of the non-metallic additives
    • C22C1/1015—Pretreatment of the non-metallic additives by preparing or treating a non-metallic additive preform
    • C22C1/1021—Pretreatment of the non-metallic additives by preparing or treating a non-metallic additive preform the preform being ceramic
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/10—Alloys containing non-metals
    • C22C1/1036—Alloys containing non-metals starting from a melt
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/10—Alloys containing non-metals
    • C22C1/1036—Alloys containing non-metals starting from a melt
    • C22C1/1057—Reactive infiltration
    • C22C1/1063—Gas reaction, e.g. lanxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2111/00—Mortars, concrete or artificial stone or mixtures to prepare them, characterised by specific function, property or use
    • C04B2111/00474—Uses not provided for elsewhere in C04B2111/00
    • C04B2111/00905—Uses not provided for elsewhere in C04B2111/00 as preforms
    • C04B2111/00913—Uses not provided for elsewhere in C04B2111/00 as preforms as ceramic preforms for the fabrication of metal matrix comp, e.g. cermets
    • C04B2111/00931—Coated or infiltrated preforms, e.g. with molten metal

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)
  • Moulds For Moulding Plastics Or The Like (AREA)

Description

91491
Menetelmä metallimatriisikomposiittikappaleen valmistamiseksi uppovalumenetelmää käyttäen 5 Esillä oleva keksintö liittyy uuteen menetelmään metalli-matriisi-komposiittikappaleiden muodostamiseksi. Erityisesti tunkeutumisen edistäjä ja/tai tunkeutumisen edistäjän edeltäjä ja/tai tunkeutumisatmosfääri ainakin prosessin jossakin vaiheessa ovat myös yhteydessä esimuottiin, 10 mikä sallii sulan matriisimetallin spontaanin tunkeutumisen esimuottiin kun esimuotti asetetaan sulaan matriisime-talliin. Voidaan myös käyttää välinettä esimuotin pitämiseksi ainakin osittain sulan matriisimetallin pinnan alla.
15 Metallimatriisin ja lujittavan tai vahvistavan faasin, kuten keraamisia hiukkasia, kuitukiteitä, kuituja tai vastaavia käsittävät komposiittituotteet näyttävät lupaavilta moniin eriin sovellutuksiin, koska niissä yhdistyvät osa lujittavan faasin jäykkyydestä ja kulutuskestävyydestä 20 metallimatriisin muovattavuuteen ja sitkeyteen. Yleensä metallimatriisikomposiitilla luodaan parannuksia sellaisissa ominaisuuksissa, kuten lujuus, jäykkyys, hankausku-lutuksen kestävyys, ja lujuuden pysyminen korkeammissa lämpötiloissa, verrattuna matriisimetalliin sen monoliit-25 tisessa muodossa, mutta määrä, johon saakka määrättyä ominaisuutta voidaan parantaa, riippuu suuresti kyseessä olevista ainesosista, niiden tilavuus- tai painosuhteista, sekä siitä miten niitä käsitellään komposiittia muodostettaessa. Eräissä tapauksissa komposiitti voi myös olla ke-30 vyempää kuin matriisimetalli sellaisenaan. Alumiinimatrii-sikomposiitit, jotka on vahvistettu keräämillä, kuten esi-; merkiksi piikarbidilla hiukkasten, hiutaleiden tai kuitu- kiteiden muodossa, ovat kiinnostavia johtuen niiden alumiiniin verrattuna suuremmasta jäykkyydestä, kulutuksen 35 kestävyydestä ja korkean lämpötilan lujuudesta.
2 91491
Alumiinimatriisikomposiittien valmistamiseksi on kuvattu erilaisia metallurgisia menetelmiä, mukaanlukien menetelmiä, jotka perustuvat jauhemetallurgiatekniikoihin ja sulan metallin tunkeutumistekniikoihin, joissa käytetään 5 hyväksi painevalua, tyhjövalua, sekoittamista, ja notkistumia. Jauhemetallurgiatekniikoiden avulla jauheen muodossa oleva metalli ja jauheen, kuitukiteiden, leikattujen kuitujen, jne. muodossa oleva lujittava aine sekoitetaan ja sitten joko kylmäpuristetaan ja sintrataan, tai kuuma-10 puristetaan. Tällä menetelmällä tuotetun piikarbidilla lujitetun alumiinimatriisikomposiitin suurimman keraamin tilavuusosan on ilmoitettu olevan noin 25 tilavuusprosenttia kuitukiteiden tapauksessa ja noin 40 tilavuusprosenttia hiukkasten tapauksessa.
15
Metallimatriisikomposiittien tuottaminen jauhemetallurgi-sia tekniikoita käyttävin tavanomaisin menetelmin asettaa eräitä rajoituksia aikaansaatavien tuotteiden ominaisuuksille. Komposiitissa olevan keraamifaasin tilavuusosa on 20 tyypillisesti rajoittunut, hiukkasten tapauksessa noin 40 prosenttiin. Samaten asettaa puristustoiminta rajan käytännössä saavutettavalle koolle. Ainoastaan suhteellisen yksinkertaiset tuotteen muodot ovat mahdollisia ilman jälkeenpäin tapahtuvaa käsittelyä (esim. muotoilua tai 25 koneistusta) tai ottamatta käyttöön monimutkaisia puristimia. Sintrauksen aikana voi myös esiintyä epätasaista kutistumista, samoin kuin mikrostruktuurin epätasaisuutta, johtuen kiintoaineisiin eriytymisestä ja hiukkasten kasvusta.
30 US-patentissa 3,970,136 kuvataan menetelmä metallimatrii-sikomposiitin muodostamiseksi, johon sisältyy kuitumuotoi-nen lujite, esim. piikarbidi- tai alumiinioksidikuituki-teitä, joilla on ennalta määrätty kuitujen suuntaus. 35 Komposiitti tehdään sijoittamalla samassa tasossa olevien kuitujen samansuuntaisia mattoja tai huopia muottiin yhdessä sulan matriisimetaiIin, esim. alumiinin lähteen 91491 3 kanssa ainakin joidenkin mattojen välissä, ja kohdistamalla painetta, niin että sula metalli pakotetaan tunkeutumaan mattoihin ja ympäröimään suunnatut kuidut. Mattojen pinon päälle voidaan valaa sulaa metallia, jolloin sitä paineen 5 avulla pakotetaan virtaamaan mattojen väliin. Komposiitissa olevien lujittavien kuitujen jopa 50 % tilavuuspitoi-suuksia on ilmoitettu.
Edellä olevaan tunkeutumismenetelmään liittyy paineen 10 aiheuttamien virtausprosessien yllätyksellisiä vaihteluja. ts. mahdollisia epäsäännöllisyyksiä matriisin muodostumisessa, huokoisuutta, jne, kun otetaan huomioon että se riippuu ulkoisesta paineesta sulan matriisimetallin pakottamiseksi kuitupitoisten mattojen läpi. Ominaisuuksien 15 epätasaisuus on mahdollinen vaikka sulaa metallia johdettaisiin useammasta kohdasta kuitupitoiseen järjestelyyn. Vastaavasti on järjestettävä monimutkaiset matto/lähde-järjestelyt ja virtausreitit soveltuvan ja tasaisen tunkeutumisen aikaansaamiseksi kuitumattojen pinoon. Edellä 20 mainittu painetunkeutumismenetelmä mahdollistaa myös ainoastaan suhteellisen pienen lujitusaineen ja matriisiti-lavuuden suhteen, johtuen suureen mattotilavuuteen kiinteästi liittyvästä tunkeutumisen vaikeudesta. Lisäksi muoteissa on oltava sulaa metallia paineen alaisena, joka 25 nostaa menetelmän kustannuksia. Lopuksi edellä mainittu menetelmä, joka rajoittuu ojennuksessa oleviin hiukkasiin tai kuituihin tunkeutumiseen, ei sovellu alumiinimatrii-sikomposiittien muodostamiseen, jotka on lujitettu satunnaisesti suuntautuvista hiukkasista, kuitukiteistä tai 30 kuiduista koostuvilla aineilla.
Alumiinimatriisi-alumiinioksiditäytteisten komposiittien valmistuksessa alumiini ei helposti kostuta alumiinioksidia, jolloin on vaikeata muodostaa yhtenäinen tuote. Tähän 35 ongelmaan on ehdotettu erilaisia ratkaisuja. Eräs sellainen lähestyminen on alumiinin päällystäminen metallilla (esim. nikkelillä tai wolfrämillä), joka sitten kuumapuristetaan 4 91491 yhdessä alumiinin kanssa. Toisessa tekniikassa alumiini seostetaan litiumin kanssa, ja alumiinioksidi voidaan päällystää piidioksidilla. Näillä komposiiteilla kuitenkin ominaisuudet vaihtelevat, tai päällystykset voivat heiken-5 tää täytettä, tai matriisi sisältää litiumia, joka voi vaikuttaa matriisin ominaisuuksiin.
US-patentilla 4,232,091 voitetaan eräitä alan vaikeuksia, joita kohdataan valmistettaessa alumiinimatriisi-alumii-10 nioksiditäytteisiä komposiitteja. Tässä patentissa kuva-taan 75 - 375 kg/cm paineen kohdistamista pakottamaan sula alumiini (tai sula alumiiniseos) alumiinioksidia olevaan kuitu- tai kuitukidemattoon, joka on esi lämmitetty alueelle 700 - 1050°C. Alumiinioksidin suurin suhde metalliin 15 tuloksena olevassa kiinteässä valukappaleessa oli 0,25:1. Koska tässä menetelmässä ollaan riippuvaisia ulkopuolisesta paineesta tunkeutumisen aikaansaamiseksi, sitä vaivaa-vat monet samat puutteet kuin US-patenttia 3,970,136.
20 EP-hakemuksessa 115,742 kuvataan alumiini-alumiinioksidi-komposiittien valmistamista, jotka ovat erityisen käyttökelpoisia elektrolyyttikennokomponentteina, ja joissa esi-muotin alumiinioksidimatriisin ontelot täytetään alumiinilla, ja tätä varten käytetään erilaisia tekniikoita 25 alumiinioksidin kostuttamiseksi koko esimuotissa. Alumiinioksidi kostutetaan esimerkiksi titaani-, zirkonium-, hafnium tai niobi-diboridia olevalla kostutusaineella tai metallilla, ts. litiumilla, magnesiumilla, kalsiumilla, titaanilla, kromilla, raudalla, koboltilla, nikkelillä, 30 zirkoniumilla tai hafniumilla. Kostutuksen edistämiseksi käytetään inerttiä atmosfääriä, kuten argonia. Tässä julkaisussa esitetään myös paineen kohdistaminen sulan alumiinin saamiseksi tunkeutumaan päällystämättömään matriisiin. Tässä suhteessa tunkeutuminen aikaansaadaan saat-35 tamalla huokoset ensin tyhjöön ja kohdistamalla sitten sulaan alumiiniin painetta inertissä atmosfäärissä, esim. argonissa. Vaihtoehtoisesti esimuottiin voidaan tunkeutua 5 31431 höyryfaasissa olevalla alumiinipäällystyksellä pintojen kostuttamiseksi ennen onteloiden täyttämistä tunkeutuvalla sulalla alumiinilla. Jotta varmistettaisiin alumiinin pysyminen esimuotin huokosissa vaaditaan lämpökäsittelyä, 5 esim lämpötilassa 1400 - 1800°C, joko argonissa tai tyhjössä. Muutoin joko paineen alaisena tunkeutuneen aineen altistuminen kaasulle, tai tunkeutumispaineen poistaminen, aiheuttaa alumiinin häviämistä kappaleesta.
10 Kostutusaineiden käyttäminen alumiinioksidikomponentin tunkeutumisen aikaansaamiseksi sulaa metallia sisältävään elektrolyyttikennoon on esitetty myös EP-patenttihakemuk-sessa 94353. Tässä julkaisussa kuvataan alumiinin tuottamista elektrolyysillä kennossa, jossa virranjohdinkatodi 15 on kennon vaippana tai alustana. Tämän alustan suojaamiseksi sulalta kryoliitilta levitetään alumiinioksidialus-talle ohut päällystys kostutusaineen ja liukenemisen estävän aineen seoksella ennen kennon käynnistämistä tai kun se on upotettuna elektrolyysiprosessin tuottamaan 20 sulaan alumiiniin. Kuvattuja kostutusaineita ovat titaani, zirkonium, hafnium, pii, magnesium, vanadiini, kromi, niobi tai kalsium, ja titaani esitetään edullisimmaksi aineeksi. Boorin, hiilen ja typen yhdisteiden selitetään olevan hyödyllisiä estettäessä kostutusaineiden liukenemista su-25 laan alumiiniin. Tässä julkaisussa ei kuitenkaan ehdoteta metallimatriisikomposiittien tuottamista, eikä siinä eh-dotetaa sellaisten komposiittien muodostelmista esimerkiksi typpiatmos f ääris s ä.
30 Paineen ja kostutusaineiden käytön lisäksi on kuvattu tyhjön kohdistamisen edistävän sulan alumiinin tunkeutumista huokoiseen keraamikappaleeseen. Esimerkiksi US-pa-tentissa 3,718,441 raportoidaan keraamiseen kappaleeseen (esim. boorikarbidi, alumiinioksidi ja berylliumoksidi) 35 tunkeutumista joko sulalla alumiinilla, berylliumilla, magnesiumilla, titaanilla, vanadiinilla, nikkelillä tai kromilla, tyhjössä joka on alle 10“ torr. Välillä 10“ ...
6 91491 10-6 torr oleva tyhjö johti keraamin heikkoon kostuttami-seen sulalla metallilla, niin ettei metalli virrannut vapaasti keraamin ontelotiloihin. Kostuttamisen sanotaan kuitenkin parantuneen, kun tyhjö pienennettiin alle 10-6 5 torr.
Myös US-patentissa 3,864,154 esitetään tyhjön käyttämistä tunkeutumisen aikaansaamiseksi. Tässä patentissa selitetään kylmäpuristetun AIB12-jauhekappaleen asettamista kyl-10 mäpuristetun alumiinijauheen pedille. Sen jälkeen sijoitettiin lisää alumiinia AIB12-jauhekappaleen päälle. Sulatusastia, jossa AlBi2-kappale oli "kerrostettuna" alumiini jauhekerrosten väliin, sijoitettiin tyhjöuuniin. Uuniin järjestettiin noin 10“5 torr oleva tyhjö kaasun 15 poistumista varten. Lämpötilaa nostettiin sen jälkeen 1100°C:een, jossa se pidettiin 3 tuntia. Näissä oloissa sula alumiini tunkeutui AlBi2-kappaleeseen.
US-patentissa 3,364,976 selitetään suunnitelmaa itsestään 20 kehittyvän tyhjön aikaansaamista kappaleeseen, sulan metallin tunkeutumisen lisäämiseksi kappaleeseen. Erityisesti selitetään, että kappale, esim. grafiittimuotti, teräs-muotti tai huokoinen tulenkestävä aine, kokonaan upotetaan sulaan metalliin. Muotin tapauksessa metallin kanssa 25 reagoivan kaasun kanssa täytetty muottiontelo on yhteydessä ulkopuolella sijaitsevaan sulaan metalliin muotissa olevan ainakin yhden aukon kautta. Kun muotti upotetaan sulaan, tapahtuu ontelon täyttyminen itsestään kehittyvän tyhjön syntyessä ontelossa olevan kaasun ja sulan metallin 30 reaktion johdosta. Tyhjö on erityisesti tulosta metallin kiinteän oksidimuodon syntymisestä. Siten tässä julkaisussa esitetään, että on oleellista aikaansaada ontelossa olevan kaasun ja sulan metallin välinen reaktio. Muotin käyttäminen tyhjön luomiseksi ei kuitenkaan välttämättä 35 ole toivottavaa, johtuen muotin käyttöön liittyvistä välittömistä rajoituksista. Muotit on ensin koneistettava määrättyyn muotoon; sitten loppukäsiteltävä, koneistettava 91491 7 hyväksyttävän valupinnan tuottamiseksi muottiin; sitten koottava ennen niiden käyttämistä; sitten purettava niiden käytön jälkeen valukappaleen poistamiseksi niistä; ja sen jälkeen muotti on jälleen saatettava käyttökuntoon, mikä 5 mitä todennäköisimmin merkitsisi muotin pintojen uudelleen käsittelyä tai muotin poistamista, ellei se enää ole käyttöön hyväksyttävä. Muotin koneistaminen monimutkaiseen muotoon saattaa olla erittäin kallista ja aikaavievää. Lisäksi muodostuneen kappaleen poistaminen monimutkaisen 10 muotoisesta muotista saattaa olla vaikeata (ts. monimutkaisen muotoiset valukappaleet saattavat mennä rikki niitä muotista poistettaessa) . Lisäksi, vaikka julkaisussa ehdotetaan, että huokoinen tulenkestävä aine voitaisiin suoraan upottaa sulaan metalliin tarvitsematta käyttää 15 muottia, niin tulenkestävän aineen olisi oltava yhtenäinen kappale, koska ei ole olemassa mahdollisuutta aikaansaada tunkeutumista irralliseen tai erotettuun huokoiseen aineeseen ilman säiliönä olevaa muottia (ts. uskotaan yleisesti, että hiukkasmainen aine tyypillisesti dissosioituisi tai 20 valuisi hajalleen sitä sulaan metalliin sijoitettaessa). Lisäksi, jos haluttaisiin aikaansaada tunkeutuminen hiuk-kasmaiseen aineeseen tai löyhästi muodostettuun esimuot-tiin, olisi ryhdyttävä varotoimiin, niin ettei tunkeutuva metalli syrjäyttäisi osaa hiukkasaineesta tai esimuotista, 25 mikä johtaisi epähomogeeniseen mikrostruktuuriin.
Vastaavasti on kauan ollut olemassa tarve saada yksinkertainen ja luotettava menetelmä muotoiltujen metallimatrii-si-komposiittien tuottamiseksi, joka ei perustu paineen 30 tai tyhjön käyttämiseen (joko ulkoisesti kohdistettuna tai sisäisesti kehitettynä), tai vahingollisten kostutusainei-den käyttämiseen metallimatriisin luomiseksi toiseen aineeseen, kuten keraamiseen aineeseen. Lisäksi on pitkään ollut tarve minimoida lopullisten koneistustoimenpiteiden 35 määrää, joita tarvitaan metallimatriisi-komposiittikappa-leen aikaansaamiseksi. Esillä oleva keksintö tyydyttää nämä tarpeet aikaansaamalla spontaanin tunkeutumismekanismin 8 91 491 tunkeutumisen aikaansaamiseksi aineeseen (esim. keraaminen aine), joka voidaan muotoilla esimuotiksi, jossa on sulaa matriisimetallia (esim. alumiinia) tunketumisatmosfäärin (esim. typen) läsnäollessa normaalissa ilmanpaineessa, 5 jolloin tunkeutumisen edistäjän edeltäjää ja/tai tunkeutu misen edistäjää on läsnä ainakin jossakin prosessin vaiheessa.
Tämän hakemuksen sisältö liittyy useaan rinnakkaiseen ha-10 kemukseen. Erityisesti nämä muut rinnakkaiset hakemukset kuvaavat uusia menetelmiä metallimatriisi-komposiittlaineiden tuottamiseksi (niihin viitataan jälempänä eräissä tapauksissa nimellä "rinnakkais-metallimatriisihakemuk-set").
15
Uutta menetelmää metallimatriisi-komposiittiaineen tuottamiseksi kuvataan US-hakemuksessamme 049 171, jonka nimityksenä on "Metallimatriisikomposiitteja", nyt US-patentti 4 82 8 008. Mainitun keksinnön menetelmän mukaisesti metal-20 limatriisikomposiitti tuotetaan tunkeuttamalla läpäisevään täyteaineeseen (esim. keräämiä tai keräämillä päällystettyä ainetta) sulaa alumiinia, joka sisältää ainakin 1 painoprosentin magnesiumia ja edullisesti ainakin 3 painoprosenttia magnesiumia. Tunkeutuminen tapahtuu spontaanis-25 ti käyttämättä ulkoista painetta tai tyhjöä. Sulan metal liseoksen lähde saatetaan koskettamaan täyteainemassaa lämpötilassa, joka on ainakin noin 675°C, kun läsnä on kaasua, joka käsittää noin 10 - 100 tilavuusprosenttia, edullisesti ainakin noin 50 tilavuusprosenttia typpeä, 30 jolloin loput, mikäli sitä on, on ei-hapettavaa kaasua, esim. argonia. Näissä oloissa sula alumiiniseos tunkeutuu keraamimassaan normaalissa ilmakehän paineessa muodostaen alumiini- (tai alumiiniseos-) matriisikomposiitin. Kun haluttu määrä täyteainetta on sulan alumiiniseoksen läpi-35 tunkemaa, lasketaan lämpötilaa seoksen kiinteyttämiseksi, jolloin muodostuu kiinteä metallimatriisirakenne, joka sulkee sisäänsä lujittavan täyteaineen.
• · 91491 9
Tavallisesti, ja edullisesti, syötetty sula seos riittää aikaansaamaan tunkeutumisen etenemisen oleellisesti täy-teainemassan rajoille. US-patentin 4,828,008 mukaisesti tuotettujen alumiinimatriisikomposiittien täyteaineen 5 määrä voi olla erittäin suuri. Tässä mielessä voidaan saavuttaa täyteaineen ja seoksen tilavuussuhteita jotka ovat suurempia kuin 1:1.
Edellä mainitun US-patentin 4,828,008 mukaisissa proses-10 sioloissa alumiininitridiä voi muodostua epäjatkuvana faasina, joka on jakautunut koko alumiinimatriisiin. Nitridin määrä alumiinimatriisissa voi vaihdella sellaisten tekijöiden, kuten lämpötilan, seoksen koostumuksen, kaasun koostumuksen ja täyteaineen mukaisesti. Siten 15 voidaan yhtä tai useampaa sellaista järjestelmän tekijää säätämällä räätälöidä määrättyjä komposiitin ominaisuuksia. Joitakin loppukäyttösovellutuksia varten voi kuitenkin olla toivottavaa, että komposiitti sisältää vähän tai oleellisesti ei lainkaan alumiininitridiä.
20
On havaittu, että korkeammat lämpötilat edistävät tunkeutumista, mutta johtavat siihen, että menetelmässä herkemmin muodostuu nitridiä. US-patentin 4,828,008 mukaisessa keksinnössä sallitaan tunkeutumiskinetiikan ja nitridin muo-25 dostumisen välisen tasapainon valitseminen.
Esimerkki sopivista estovälineistä käytettäviksi metalli-matriisikomposiittien muodostamisen yhteydessä on selitetty rinnakkaisessa US-hakemuksessa 141,642, jonka nimityk-30 senä on "Menetelmä metallimatriisikomposiittien valmistamiseksi estoainetta käyttäen". Tämän keksinnön menetelmän mukaisesti estovälinettä (esim. hiukkasmaista titaanidi-boridia tai grafiittiainetta, kuten joustavaa grafiit-tinauhatuotetta, jota Union Carbide myy tuotenimellä 35 Grafoil (R)) sijoitetaan täyteaineen määrätyllä rajapinnalle ja matriisiseos tunkeutuu estovälineen määrittelemään rajapintaan saakka. Estovälinettä käytetään estämään, 10 91491 torjumaan tai lopettamaan sulan seoksen tunkeutuminen, jolloin aikaansaadaan verkon, tai lähes verkon muotoja tuloksena olevassa metallimatriisikomposiitissa. Vastaavasti muodostetuilla metallimatriisi-komposiittikappa-5 leiliä on ulkomuoto, joka oleellisesti vastaa estovälineen sisämuotoa.
US-patentin 4,828,008 mukaista menetelmää parannettiin rinnakkaisella US-patenttihakemuksella 168,284, jonka ni-10 mityksenä on "Metallimatriisikomposiitteja ja tekniikoita niiden valmistamiseksi". Mainitussa hakemuksessa esitettyjen menetelmien mukaisesti matriisimetalliseos on läsnä metallin ensimmäisenä lähteenä ja matriisimetallin varas-tolähteenä, joka on yhteydessä sulan metallin ensimmäiseen 15 lähteeseen, esimerkiksi painovoimaisen virtauksen välityksellä. Erityisesti, mainitussa hakemuksessa esitetyissä oloissa, sulan matriisiseoksen lähde alkaa tunkeutua täyteainemassaan normaalissa ilmakehän paineessa ja aloittaa siten metallimatriisikomposiitin muodostuksen. Sulan 20 matriisimetallin ensimmäinen lähde kulutetaan sen tunkeutuessa täyteainemassaan, ja haluttaessa sitä voidaan lisätä, edullisesti jatkuvalla tavalla, sulan matriisimetallin varastolähteestä spontaanin tunkeutumisen jatkuessa. Kun toivottu määrä läpäisevää täyteainetta on sulan 25 matriisiseoksen läpitunkemaa, lasketaan lämpötilaa seoksen kiinteyttämiseksi, jolloin muodostuu kiinteä metallimat-riisistruktuuri, joka ympäröi lujittavaa täyteainetta. On ymmärrettävä, että metallivarastolähteen käyttäminen on ainoastaan mainitussa patenttihakemuksessa kuvatun keksin-30 nön eräs suoritusmuoto, eikä varastolähteen suoritusmuodon yhdistäminen jokaiseen siinä esitettyyn keksinnön vaihtoehtoiseen suoritusmuotoon ole välttämätöntä, joista eräät voisivat myös olla hyödyllisiä käytettynä esillä olevan keksinnön yhteydessä.
Metallin varastolähdettä voi olla sellaisena määränä, että se aikaansaa riittävän metallimäärän tunkeutumisen ennalta 35 91491 11 määrätyssä määrin läpäisevään täyteaineeseen. Vaihtoehtoisesti voi valinnainen estoväline olla kosketuksessa täyteaineen läpäisevään massaan ainakin sen toisella puolella rajapinnan määrittelemiseksi.
5
Lisäksi, vaikka syötetyn sulan matriisiseoksen määrän tulisi olla riittävä sallimaan spontaanin tunkeutumisen eteneminen ainakin oleellisesti täyteaineen läpäisevän massan rajapintoihin (ts. estopintoihin) saakka, varastolähteessä 10 olevan seoksen määrä voisi ylittää sellaisen riittävän määrän niin, että on olemassa riittävä määrä seosta tunkeutumisen loppuun saattamiseksi, ja sen lisäksi ylimääräinen sula metalliseos voisi jäädä ja kiinnittyä metalli-matriisi-komposiittikappaleeseen. Kun siten läsnä on yli-15 määrä sulaa seosta, tuloksena oleva kappale on kompleksinen komposiittikappale (esim. makrokomposiitti), jossa metallimatriisin läpitunkema ke raami kappa le suoraan sitoutuu varastolähteeseen jäävään ylimääräiseen metalliin.
20 Jokainen edellä selitetyistä rinnakkais-metallimatriisiha-kemuksista kuvaa menetelmiä metallimatriisi-komposiitti -kappaleiden tuottamiseksi sekä uusia metallimatriisi-kom-posiittikappaleita, joita niillä tuotetaan.
25 Esillä olevan keksinnön mukaiselle menetelmälle metalli-matriisi -komposiittikappaleen valmistamiseksi on tunnusomaista se, että se käsittää sulan matriisimetallin altaan muodostamisen; oleellisesti ei-reagoivaa täyteainemassaa sisältävän lä-30 päisevän esimuotin muodostamisen; tunkeutumisatmosfäärin saattamisen kosketukseen esimuotin ja/tai matriisimetallin kanssa ainakin jossakin prosessin vaiheessa sekä tunkeutumisen edistäjän ja/tai tunkeutumisen edistäjän edeltäjän käyttämisen; 35 läpäisevän esimuotin upottamisen sulan matriisimetallin altaaseen; ja sulan matriisimetallin saattamisen spontaanisti tunkeutumaan ainakin osaan esimuottia.
12 91491
Sulatusvaiheessa matriisimetallia pidetään tarkoituksenmukaisessa ei-reagoivassa matriisimetallin astiassa (esim. sopivassa tulenkestävässä säiliössä) sulan matriisimetallin altaan muodostamiseksi.
5
Esimuotilla voi olla luonnollinen pyrkimys kellumiseen sulan matriisimetalliin pinnalla tai se lähellä johtuen sen luonnollisesta kelluvuudesta sulan matriisimetallin suhteen. Voi kuitenkin olla toivottavaa upottaa esimuotti 10 kokonaan sulaan matriisimetalliin. Ennen sellaista täydellistä upottamista esimuotin tulisi kuitenkin edullisesti sisältää ainakin joko tunkeutumisen edistäjää ja/tai tunkeutumisen edistäjän edeltäjää. Sellaisissa olosuhteissa sula matriisimetalli spontaanisti tunkeutuu uponneeseen 15 esimuottiin. Vaihtoehtoisesti sula matriisimetalli voi sisältää tunkeutumisen edistäjää tai tunkeutumisen edistäjän edeltäjää esimuotissa olevan tunkeutumisen edistäjän tai tunkeutumisen edistäjän edeltäjän sijasta tai sen lisäksi. Mikäli tunkeutumisen edistäjän edeltäjää sisältyy ainoas-20 taan sulaan matriisimetalliin, on järjestettävä jotkin välineet sellaisen edeltäjän saattamiseksi kosketukseen toisen aineen kanssa (esim. tunkeutumisatmosfäärin kanssa, jonka voidaan antaa kuplia sulaan matriisimetalliin).
25 Edullisessa suoritusmuodossa muotoiltu esimuotti voidaan tehdä asettamalla muottiin tunkeutumisen edistäjän edeltäjää ja keraamista ainetta käsittävää täyteainetta. Valettuun täyteaineeseen ja tunkeutumisen edistäjän edeltäjään voidaan sen jälkeen kohdistaa tunkeutumisatmosfääri esi-30 muotin kiinteyttämiseksi ja tunkeutumisen edistäjän muodostamiseksi esimuottiin. Esimuotti, joka nyt sisältää tunkeutumisen edistäjää, voidaan sen jälkeen upottaa sulaan matriisimetalliin sopivin välinein, joilla esimuotti poistettavasti voidaan upottaa matriisimetalliin. Esimuot-35 ti voi esimerkiksi olla poistettavassa häkissä, joka fyysisesti pakottaa esimuotin sulan matriisimetallin pinnan 91491 13 alle, tai esimuotti voidaan kiinnittää painolastivälinee-seen, joka vaikuttaa esimuotin kelluvuutta vastaan sulan matriisimetallin suhteen. Riippumatta välineestä, jota käytetään esimuotin poistettavaa upottamista varten, ja 5 jos ainakin yhtä tunkeutumisen edistäjää on järjestetty esimuottiin, niin tunkeutumisatmosfääriä ei mahdollisesti enää tarvita sulan matriisimetallin spontaanin tunkeutumisen aikaansaamiseksi esimuottiin. Keksinnön mukaan tunkeutumisatmosfääriä kuitenkin käytetään sen varmistamiseksi, 10 että atmosfääriin kosketuksessa oleva matriisimetalliallas säilyy ei-reaktiivisena.
Lisäksi on mahdollista, että spontaanin tunkeutumisme-kanismin lisäksi esiintyy pyrkimystä tyhjön itsestään ke-15 hittymiseen uponneeseen esimuottiin (esim. sula mat-riisimetalli voi reagoida esimuottiin sulkeutuneen atmosfäärin kanssa kehittäen siten sulan matriisimetallin pyrkimyksen tunkeutua esimuottiin).
20 Huomattakoon, että tämä hakemus käsittelee pääasiassa alu-miinimatriisimetalleja, jotka jossain metallimatriisi-kom-posiittikappaleen muodostumisen aikana ovat kosketuksessa magnesiumiin, joka toimii tunkeutumisen edistäjän edeltäjänä, tunkeutumisatmosfäärinä toimivan typen läsnäollessa.
25 Siten alumiini/magnesium/typpi-järjestelmänmatriisimetal-li/tunkeutumisen edistäjän edeltäjä/tunkeutumisatmos-fäärijärjestelmällä esiintyy spontaania tunkeutumista. Monet muut matriisimetalli/tunkeutumisen edistäjän edeltä jä/tunkeutumisatmosfääri-järjestelmät voivat kuiten-30 kin käyttäytyä samantapaisesti kuin alumiini/magnesium /typpi-järjestelmä. Samantapaista spontaania tunkeutu-miskäyttäytymistä on havaittu esimerkiksi alumiini/stron-tium/typpij ärj estelmässä; alumiini/sinkki/happi-j ärj es- telmässä; sekä alumiini/kalsium/typpi-järjestelmässä.
35 Vastaavasti, vaikka tässä hakemuksessa käsitellään ainoastaan tässä viitattuja järjestelmiä, on ymmärrettävä, 14 91491 että muut metallimatriisi/tunkeutumisen edistäjän edeltä-jä/tunkeutumisatmosfääri-järjestelmät voivat käyttäytyä samantapaisesti.
5 Matriisimetallin käsittäessä alumiiniseosta, saatetaan alumiiniseos kosketukseen täyteainetta (esim. alumiinioksidi- tai piikarbidi-hiukkasia) käsittävän esimuotin kanssa, jolloin täyteaineeseen on sekoitettu, ja/tai se ainakin prosessin jossakin vaiheessa altistuu magnesiumil-10 le. Lisäksi eräässä edullisessa suoritusmuodossa alumiiniseos ja esimuotti ovat typpiatmosfäärissä ainakin prosessin osan aikana. Matriisimetalli tunkeutuu siten spontaanisti esimuottiin spontaanin tunkeutumisen määrän ja nopeuden vaihdellessa annettujen prosessiolosuhteiden 15 yhdistelmän mukaisesti, mukaan lukien esimerkiksi järjestelmään tuotetun magnesiumin pitoisuus (esim. alumiiniseoksessa ja/tai esimuotissa ja/tai tunkeutumisatmosfäärissä), esimuotin hiukkasten koko ja/tai koostumus, typen pitoisuus tunkeutumisatmosfäärissä, aika jona tunkeutumi-20 sen annetaan esiintyä, ja/tai lämpötila, jossa tunkeutuminen esiintyy. Spontaania tunkeutumista esiintyy tyypillisesti niin suuressa määrin, että se riittää oleellisen täydellisesti ympäröimään esimuotin matriisimetallilla.
25 Määritelmiä "Alumiini" merkitsee ja sisältää tässä käytettynä oleellisesti puhtaan metallin (esim. suhteellisen puhtaan, kaupallisesti saatavan seostamattoman alumiinin) tai me-30 tallin ja metalliseosten muita laatuja, kuten kaupallisesti saatavat metallit, joissa on epäpuhtauksia ja/tai jotka sallivat siinä olevan sellaisia ainesosia, kuten rautaa, piitä, kuparia, magnesiuma, mangaania, kromia, sinkkiä, jne. Tämän määritelmän tarkoituksiin oleva alumiiniseos on 35 seos tai metallien muodostama yhdiste, jossa alumiini on pääainesosana.
91491 15 "Painolastiväline" tai "väline painolastin muodostamiseksi" merkitsee tässä käytettynä laitetta, joka vaikuttaa esimuotin luonnollista sulan kellumiskykyä vastaan mat-riisimetallin suhteen, niin että kun mainittu väline 5 kiinnitetään esimuottiin, niin esimuotti pysyy sulan matriisimetalliseoksen pinnan alla olevassa kohdassa.
"Ei-hapettavan kaasun loppuosa" merkitsee tässä käytettynä sitä, että tunkeutumisatmosfäärin muodostavan primääri-10 kaasun lisänä oleva mikä tahansa kaasu on joko inerttiä kaasua tai pelkistävää kaasua, joka oleellisesti ei reagoi matriisimetallin kanssa prosessin olosuhteissa. Kaikkien kaasussa (kaasuissa) epäpuhtautena mahdollisesti läsnä olevien hapettavien kaasujen määrän tulisi olla riittämätön 15 matriisimetallin hapettamiseen missään oleellisessa määrin prosessin olosuhteissa.
"Estoaine" tai "estoväline" merkitsee tässä käytettynä mitä tahansa soveltuvaa välinettä, joka vuorovaikuttaa, estää, 20 torjuu tai lopettaa sulan matriisimetallin kulkeutumisen, siirtymisen tai vastaavan, täyteainemassan tai esimuotin rajapinnan taakse, jolloin mainittu estoväline määrittelee sellaisen rajapinnan. Sopivia estovälineitä voivat olla mitkä tahansa aineet, yhdisteet, alkuaineet, koostumukset 25 tai vastaavat, jotka prosessin olosuhteissa ylläpitävät jonkinasteisen eheyden eivätkä ole oleellisesti haihtuvia (ts. estoaine ei haihdu niin paljon, että siitä tulisi estoaineena hyödytön).
30 Lisäksi sopivat "estovälineet" sisältävät aineita, joita kulkeutuva sula matriisimetalli käytetyn prosessin aikana ei oleellisesti pysty kostuttamaan. Tämän tyyppisellä estoaineella näyttää olevan oleellisen vähän tai ei lainkaan yhtymispyrkimystä sulaan matriisimetalliin, ja 35 estoväline estää tai torjuu siirtymisen täyteainemassan tai esimuotin määritellyn rajapinnan yli. Estoaine vähentää mahdollista loppukoneistusta tai hiomista, jota voidaan 16 91491 tarvita, ja määrittelee ainakin osan tuloksena olevan metallimatriisi-komposiittituotteen pinnasta. Estoaine voi määrätyissä tapauksissa olla läpäisevää tai huokoista, tai se voidaan saattaa läpäiseväksi esimerkiksi poraamalla 5 reikiä estoaineeseen tai lävistämällä se, niin että kaasu pääsee kosketukseen sulan matriisimetallin kanssa.
"Jäännökset" tai "matriisimetallin jäännökset" viittaa tässä käytettynä alkuperäisen matriisimetallirungon mah-10 dolliseen osaan, joka jää jäljelle ja joka ei ole kulunut metallimatriisi-komposiittikappaleen muodostuksen aikana, ja tyypillisesti, jos sen annetaan jäähtyä, pysyy ainakin osittaisessa kosketuksessa muodostettuun metallimatriisi-komposiittikappaleeseen. Tulisi ymmärtää, että jäännökset 15 voivat myös sisältää toista tai vierasta ainetta.
"Täyteaine" on tässä käytettynä tarkoitettu sisältämään joko yksittäisiä aineksia tai ainesseoksia, jotka oleellisesti eivät reagoi matriisimetallin kanssa ja/tai joilla 20 on rajoitetu liukenevuus matriisimetalliin, ja jotka voivat olla yksi- tai useampifaasisia. Täyteaineita voidaan järjestää lukuisissa eri muodoissa, kuten jauheina, liuskoina, hiutaleina, mikropalloina, kuitukiteinä, kuplina, jne, ja ne voivat olla joko tiiviitä tai huokoisia.
25 Täyteaine voi myös sisältää keraamisia täyteaineita, kuten alumiinioksidia tai piikarbidia kuituina, leikattuina kuituina, hiukkasina, kuitukiteinä, kuplina, kuulina, kuitumattoina, tai vastaavina, ja päällystettyjä täyteaineita, kuten hiilikuituja, jotka on päällystetty alu-30 miinioksidilla tai piikarbidilla hiilen suojaamiseksi esim. sulan perusmetalli-alumiinin syövyttävältä vaikutukselta. Täyteaineet voivat myös käsittää metalleja.
"Tunkeutumisatmosfääri" tässä käytettynä tarkoittaa sitä 35 atmosfääriä, joka on läsnä ja joka vuorovaikuttaa matriisimetallin ja/tai esimuotin (tai täyteaineen) ja/tai tunkeutumisen edistäjän edeltäjän ja/tai tunkeutumisen 91491 17 edistäjän kanssa ja sallii tai edistää matriisimetallin spontaanin tunkeutumisen esiintymisen.
"Tunkeutumisen edistäjä" merkitsee tässä käytettynä ainet-5 ta, joka edistää tai avustaa matriisimetallin spontaania tunkeutumista täyteaineeseen tai esimuottiin. Tunkeutumisen edistäjä voidaan muodostaa esimerkiksi tunkeutumisen edistäjän edeltäjän reaktiolla tunkeutumisatmosfäärin kanssa 1) kaasun ja/tai 2) tunkeutumisen edistäjän edel-10 täjän ja tunkeutumisatmosfäärin reaktiotuotteen ja/tai 3) tunkeutumisen edistäjän edeltäjän ja täyteaineen tai esimuotin reaktiotuotteen muodostamiseksi. Lisäksi tunkeutumisen edistäjää voidaan syöttää suoraan ainakin yhteen seuraavista: esimuottiin, ja/tai matriisimetalliin, ja/tai 15 tunkeutumisatmosfääriin; ja se voi toimia oleellisesti samalla tavalla kuin tunkeutumisen edistäjä, joka on muodostunut tunkeutumisen edistäjän edeltäjän ja jonkin toisen aineen reaktiona. Lopuksi ainakin spontaanin tunkeutumisen aikana tunkeutumisen edistäjän tulisi sijaita 20 ainakin osassa täyteainetta tai esimuottia spontaanin tunkeutumisen aikaansaamiseksi.
"Tunkeutumisen edistäjän edeltäjä" merkitsee tässä käytettynä ainetta, joka yhdessä matriisimetallin, esimuotin 25 ja/tai tunkeutumisatmosfäärin kanssa käytettynä muodostaa tunkeutumisen edistäjän, joka aiheuttaa tai avustaa matriisimetallin spontaania tunkeutumista täyteaineeseen tai esimuottiin. Haluamatta sitoutua mihinkään määrättyyn teoriaan tai selitykseen, vaikuttaa siltä, että tunkeutu-30 misen edistäjän edeltäjää pitäisi pystyä asettamaan, sen pitäisi sijaita tai sitä pitäisi voida kuljettaa sellaiseen kohtaan, joka sallii tunkeutumisen edistäjän edeltäjän olla vuorovaikutuksessa tunkeutumisatmosfäärin kanssa ja/tai esimuotin tai täyteaineen ja/tai metallin kanssa. Eräissä 35 matriisimetalli/tunkeutumisen edistäjän edeltäjä/tunkeu-tumisatmosfääri-järjestelmissä on esimerkiksi toivottavaa, että tunkeutumisen edistäjän edeltäjä höyrystyy siinä 18 91491 lämpötilassa jossa matriisimetalli sulaa, tämän lämpötilan lähellä, tai eräissä tapauksissa jopa jonkinverran tämän lämpötilan yläpuolella. Sellainen höyrystyminen saattaa johtaa: 1) tunkeutumisen edistäjän edeltäjän reaktioon 5 tunkeutumisatmosfäärin kanssa sellaisen kaasun muodosta miseksi, joka edistää täyteaineen tai esimuotin kostuttamista matriisimetallilla; ja/tai 2) tunkeutumisen edistäjän edeltäjän reaktioon tunkeutumisatmosfäärin kanssa sellaisen kiinteän aineen, nesteen tai kaasun muodossa 10 olevan tunkeutumisen edistäjän muodostamiseksi ainakin täyteaineen tai esimuotin osassa, joka edistää kostuttamista; ja/tai 3) sellaiseen tunkeutumisen edistäjän edeltäjän reaktioon täyteaineessa tai esimuotissa, joka muodostaa kiinteän aineen, nesteen tai kaasun muodossa olevan 15 tunkeutumisen edistäjän ainakin täyteaineen tai esimuotin osassa, joka edistää kostuttamista.
"Matriisimetalli" tai "matriisimetalliseos" merkitsevät tässä käytettynä sitä metallia, jota käytetään metallimat-20 riisikomposiitin muodostamiseksi (esim. ennen tunkeutumista) ja/tai sitä metallia, joka sekoittuu täyteaineeseen metallimatriisi-komposiittikappaleen muodostamiseksi (esim. tunkeutumisen jälkeen). Kun matriisimetalliksi nimetään määrätty metalli, on ymmärrettävä, että sellainen 25 matriisimetalli sisältää tämän metallin oleellisesti puhtaana metallina, kaupallisesti saatavana metallina, jossa on epäpuhtauksia ja/tai seosaineita, metallien muodostaman yhdisteenä tai seoksena, jossa tämä metalli on pääasiallisena osana.
30 "Matriisimetalli/tunkeutumisen edistäjän edeltäjä/tunkeu-tumisatmosfääri-järjestelmä" eli "spontaani järjestelmä" viittaa tässä käytettynä siihen aineiden yhdistelmään, jolla esiintyy spontaania tunkeutumista esimuottiin ja 35 täyteaineeseen. On ymmärrettävä, että kun esimerkin mat-riisimetallin, tunkeutumisen edistäjän edeltäjän ja tunkeutumisatmosf äärin välissä esiintyy merkki "/", sitä 91491 19 käytetään merkitsemään järjestelmää tai aineiden yhdistelmää, jolla määrätyllä tavalla yhdisteltynä esiintyy spontaania tunkeutumista esimuottiin tai täyteaineeseen.
5 "Välineet poistettavaa upottamista varten" tai "poistettavat upottamisvälineet" merkitsevät tässä käytettynä soveltuvaa laitetta, joka kiinnittyy tai tukee ainakin yhtä esimuottia, niin että mainitut välineet ainakin osittain voivat upottaa esimuotin sulan matriisimetalliseoksen 10 altaan pinnan alle sekä poistaa esimuotin sulan matriisime-tallin altaasta.
"Metallimatriisikomposiitti" eli "MMC" merkitsee tässä käytettynä ainetta, joka käsittää kaksi- tai kolmiulottei-15 sesti liittyneen seoksen tai matriisimetallin, joka pitää sisällään esimuottia tai täyteainetta. Matriisimetalli voi sisältää erilaisia seosalkuaineita, joilla aikaansaadaan erityisesti toivotut mekaaniset ja fysikaaliset ominaisuudet tuloksena olevassa komposiitissa.
20
Matriisimetallista "poikkeava" metalli merkitsee metallia, joka ei sisällä pääasiallisena ainesosana samaa metallia kuin matriisimetalli (jos esimerkiksi matriisimetallin pääasiallisena osana on alumiini, niin "poikkeavan" metal-25 Iin pääasiallisena osana voisi olla esimerkiksi nikkeli).
"Ei-reaktiivinen astia matriisimetallia varten" merkitsee mitä tahansa astiaa, joka voi sisältää sulaa matriisimetallia prosessin oloissa, ja joka ei reagoi matriisin 30 ja/tai tunkeutumisatmosfäärin ja/tai tunkeutumisen edistäjän edeltäjän kanssa sellaisella tavalla, joka oleelli-1 sesti huonontaisi spontaania tunkeutumismekanismia.
"Esimuotti" tai "läpäisevä esimuotti" merkitse tässä 35 käytettynä sellaista huokoista täytemassaa tai täyte-ainemassaa, joka valmistetaan ainakin yhdellä rajapinnalla, joka oleellisesti määrittelee tunkeutuvalle mat- 20 91491 riisimetallille rajapinnan, kuten massaa, joka riittävän hyvin pitää ehjän muotonsa ja tuorelujuuden, niin että se aikaansaa mittapysyvyyden ennen kuin matriisimetalli tunkeutuu siihen. Massan tulisi olla riittävän huokoista, niin 5 että se sallii matriisimetallin spontaanin tunkeutumisen siihen. Tyypillisesti esimuotti käsittää sidotun ryhmän tai täyteaineen järjestelyn, joko homogeenisen tai epähomogeenisen, ja se voi käsittää mitä tahansa soveltuvaa ainetta (esim. keraamisia ja/tai metallihiukkasia, jauhei-10 ta, kuituja, kuitukiteitä, jne, sekä mitä tahansa näiden yhdistelmää). Esimuotti voi olla joko erillisenä tai kokoonpanona.
"Varastolähde" tai varasto merkitsee tässä käytettynä 15 erillista matriisimetallin kappaletta, joka on sijoitettu täyteainemassan tai esimuotin suhteen niin, että kun metalli sulaa, se voi virrata korvaamaan, tai eräissä tapauksissa alunperin aikaansaamaan ja sen jälkeen täydentämään sitä matriisimetallin osaa, segmenttiä tai lähdettä, 20 joka koskettaa täyteainetta tai esimuottia.
"Spontaani tunkeutuminen" merkitsee tässä käytettynä matriisimetallin tunkeutumista läpäisevään täyteainemassan tai esimuottiin, joka tapahtuu vaatimatta paineen tai 25 tyhjön käyttämistä (ei ulkoisesti kohdistettua eikä sisäisesti kehitettyä).
Seuraavat kuviot on järjestetty keksinnön ymmärtämisen tueksi, mutta niitä ei ole tarkoitettu rajoittamaan 30 keksinnön suoja-alaa. Kaikissa kuvioissa on käytetty mahdollisuuksien mukaan samoja viitenumerolta osoittamaan samanlaisia osia, jolloin:
Kuvio la esittää yleistettyä esimuottia, joka sopii 35 käytettäväksi esillä olevassa keksinnössä; 91491 21
Kuvio Ib esittää uudelleen käytettävää muottia yleistetyn esimuotin muodostamiseksi;
Kuvio 2 esittää välinettä esimuotin poistettavaa upotta-5 mistä varten esillä olevan keksinnön mukaisesti;
Kuvio 3 esittää spontaanin tunkeutumisen järjestelyn esillä olevan keksinnön mukaisesti; 10 Kuvio 4 esittää metallimatriisi-komposiittikappaleen poistamista käyttäen poistettavaa upotusvälinettä;
Kuvio 5 esittää kuluvan muotin ja painolastivälineen; ja 15 Kuvio 6 esittää muotin ja painolastivälineen uponneina matriisimetallin altaaseen.
Esillä oleva keksintö liittyy metallimatriisi-komposiit-tikappaleen muodostamiseen upottamalla mikä tahansa sopiva . 20 esimuotti sulaan matriisimetalliin, jolloin esimuotti tyypillisesti on muodostettu täyteaineesta, kuten alla yksityiskohtaisemmin selitetään, ja saattamalla se ainakin prosessin jossakin vaiheessa kosketukseen ainakin tunkeutumisen edistäjän ja/tai tunkeutumisen edistäjän edeltäjän 25 ja/tai tunkeutumisatmosfäärin kanssa, josta seuraa sulan matriisimetallin spontaani tunkeutuminen esimuottiin toivotussa määrin.
Kuvioihin viitaten, joissa samat viitenumerot osoittavat 30 aina samoja osia, kuviot la ja Ib esittävät yleistettyä esimuottia 1, jota voidaan käyttää esillä olevan keksinnön : mukaisesti. Esimuotti 1 voi käsittää esimerkiksi keraamis ten hiukkasten ja tunkeutumisen edistäjän sekoituksen, joka voidaan muodostaa tunkeutumisatmosfäärin ja tunkeutumisen 35 edistäjän edeltäjän reaktiolla, ja jolle annetaan toivottu muoto muotin 3 ontelolla 2. Muotti 3 voi olla uudelleen käytettävä, jolloin se voi muodostua sopivasti tukevasta 22 91491 mutta helposti muokattavasta aineesta, kuten kipsistä tai silikonikumista tai vastaavasta, tai muotti 3 voi kulua seuraavien menetelmävaiheiden aikana, jolloin se voi muodostua sellaisesta aineesta, kuten metallikalvosta, 5 joka ei vaikuta spontaaniin tunkeutumisprosessiin. Muotti 3 voi olla jaettu muotti, moniosainen muotti, mallikuori-muotti tai mikä tahansa sopiva muottiväline.
Kuten kuviossa 2 esitetään, voidaan muotti 1 joko edelleen 10 kuluvaan muottiin suljettuna tai vapaasti seisovana asettaa välineeseen 4, jolla esimuotti poistettavasti upotetaan sulan matriisimetallin altaaseen. Välineen 4 tärkeimmät ominaisuudet ovat , että väline 4 tukee esimuottia 1 tai kiinnittyy siihen vastustaen esimuotin luonnollista kel-15 lumistaipumusta matriisimetallin altaassa vaikuttamatta esimuotin muotoon, että väline 4 sallii esimuotin kosketuksen altaaseen, että väline 4 on riittävän paljon lämpöä kestävä ja että se kemiallisesti kestää upottamisen matriisimetallin altaaseen, ja että väline 4 ei estävästi 20 vaikuta spontaaniin tunkeutumisprosessiin. Eräs sopiva väine 4 käsittää pohjan 4-1, useita tankoja 4-2, sekä irrotettavan kannen 4-3. Välineeseen 4 voidaan tarkoituksenmukaisesti kiinnittää kädensija 4-4, jolla väline 4 voidaan asettaa matriisimetallin altaaseen ja poistaa siitä 25 ja jolla voidaan suorittaa muuta käsittelyä. Ymmärretään, että väline 4 voi myös käsittää minkä tahansa korin tai verkon, joka läpäisee matriisimetallia ja jolla on välineen 4 edellä mainitut tärkeät ominaisuudet. Sen lisäksi väline 4 voi käsittää pelkästään pohjan ja kädensijan, jolloin 30 pohjaan on irrotettavasti kiinnitetty yksi tai useampia esimuotteja.
Kuvioon 3 viitaten esimuotin poistettavaa upottamista varten oleva väline 4 asetetaan esillä olevan keksinnön 35 mukaisesti sulan matriisimetallin altaaseen 5, joka sijaitsee matriisimetallin ei-reagoivassa astiassa 6. Sopivassa spontaanissa järjestelmässä, kuten tässä selitetyis- 91491 23 sä, matriisimetalli 5 tunkeutuu spontaanisti esimuottiin 1. Kuten kuviossa esitetään, voi esimuotti 1 olla täydellisesti uponneena altaaseen 5, jolloin esimuotin spontaani tunkeutuminen voi edetä esimuotin kaikista pinnoista 5 lähtien, jotka ovat kosketuksessa altaaseen. Sen jälkeen kun tunkeutumista on tapahtunut toivotussa määrin, joka johtaa kuviossa 4 esitettyyn tuloksena olevaan metallimat-riisi-komposiittikappaleeseen 7, väline 4 ja siinä oleva komposiittikappale 7 voidaan poistaa altaasta. Sellainen 10 matriisimetalli, joka ei ole tunkeutunut esimuottiin, mutta joka tulee välineen 4 mukana, voi sitten palata sulan matriisimetallin altaaseen painovoiman tai jonkin muun sopivan voiman, kuten kaasun virtauksen vaikutuksesta, jolloin minimoidaan komposiittikappaleeseen 7 tarttuvan 15 jäännöksen määrä.
Ymmärretään, että väline esimuotin poistettavaa upottamista varten sulan matriisimetallin altaaseen voi upottaa esimuotin vain osittain, täydellisen upottamisen sijasta. 20 Sellainen osittainen upottaminen voi olla toivottavaa esimerkiksi silloin, kun spontaanin tunkeutumisen tulee tapahtua ainoastaan edulliseen suuntaan tai esimuotin osaan. Kuten alempana yksityiskohtaisemmin selitetään, voidaan esimuotin valittuihin pintoihin kiinnittää sopivaa 25 estovälinettä tunkeutumisen suunnan hallitsemiseksi tai mahdollisen jäljelle jäävän matriisimetallin jäännöksen minimoimiseksi, siten että estovälineen poistamisen jälkeen saadaan verkkomuoto tai likimain verkkomuoto.
30 Lisäksi esimuotin upotussyvyys altaaseen voi olla selektiivisesti säädettävissä metallimatriisi-komposiittikap-paleen koostumuksen muuttamiseksi. Sellaiset vaihtelut voidaan saavuttaa kerrostetulla altaalla, jossa on erilaisia matriisimetallin koostumuksia eri syvyyksissä. Sellai-35 set erilaiset koostumukset voivat johtua syvyydestä riippuvasta lämpötilagradientista ja/tai seoksen sekoituksesta. Poistettavasti upotettava väline aikaansaisi kos- 24 91491 ketuksen esimuotin ja ensimmäisen matriisimetallin koostumuksen välillä ensimmäisessä syvyydessä ennalta määrätyn jakson aikana, ja sen jälkeen se aikaansaisi kosketuksen toisen matriisimetallin koostumuksen kanssa toisessa sy-5 vyydessä ennalta määrätyn toisen jakson aikana. Muihin metallimatriisikoostumuksiin voitaisiin aikaansaada kosketus niiden sulan metallin altaassa olevan sijainnin mukaisesti.
10 Lisäksi poistettavalla upotusvälineellä voidaan samanaikaisesti kannattaa useampaa kuin yhtä esimuottia, jolloin metallimatriisi-komposiittikappaleiden tuotantonopeus kasvaa. Esimuotit voitaisiin järjestää irrallisina upotus-välineeseen tai kiinnittää siihen irrotettavasti, tarkoi-15 tuksenmukaisuus huomioiden. Ymmärretään, että sulan matriisimetallin altaan tilavuus kasvaisi riittävässä määrin, niin että aikaansaadaan toivottu tunkeutumismäärä tällä tavalla tuotettuihin metallimatriisi-komposiittikappalei-den joukkoon.
20
Kuten jo on selitetty, on poistettavan upotusvälineen eräänä ominaisuutena se, että se vaikuttaa esimuotin luonnollista kellumiskykyä vastaan sulassa matriisimetal-lialtaassa, olkoonpa se sitten positiivinen tai negatii-25 vinen. Ymmärretään, että muita laitteita voidaan käyttää tämän ja muiden toimintojen toteuttamiseksi. Eräs sellainen vaihtoehtoinen laite on väline painolastin muodostamiseksi esimuotille, jota suoritusmuotoa selitetään yksityiskohtaisemmin alempana esimerkin yhteydessä. Esillä olevan 30 keksinnön mukaisella painolastivälineellä on yleisesti samanlaiset ominaisuudet kuin poistettavalla upotusvälineellä.
Matriisimetallin spontaanin tunkeutumisen aikaansaamisek-35 si esimuottiin, tulisi spontaaniin järjestelmään järjestää tunkeutumisen edistäjä. Tunkeutumisen edistäjä voisi muodostua tunkeutumisen edistäjän edeltäjästä, joka voitai- 91491 25 siin järjestää 1) matriisimetalliin, ja/tai 2) esimuottiin, ja/tai 3) tunkeutumisatmosfääristä, ja/tai 4) ulkoisesta lähteestä spontaaniin järjestelmään. Lisäksi, tunkeutumisen edistäjän edeltäjän sijasta voidaan tunkeutumisen 5 edistäjää syöttää suoraan ainakin joko esimuottiin, ja/tai matriisimetalliin, ja/tai tunkeutumisatmosfääriin. Lopuksi, ainakin spontaanin tunkeutumisen aikana, tunkeutumisen edistäjän tulisi sijaita ainakin osassa täyteainetta tai esimuottia. Kun esimerkiksi tunkeutumisen edistäjää syö-10 tetään tunkeutumisatmosfääriin, sitä voitaisiin kuljettaa upotettuun esimuottiin saattamalla atmosfääri kuplimaan sulan matriisimetallin altaan läpi. Ellei esimuotti ole täydellisesti uponneena, voitaisiin tunkeutumisen edistäjää johtaa esimuottiin altaan pinnan yläpuolella olevan 15 tunkeutumisatmosfäärin kautta. Samaten, jos tunkeutumisen edistäjän edeltäjää on järjestetty esimuottiin, niin sellainen edeltäjä voidaan muuntaa tunkeutumisen edistäjäksi saattamalla tunkeutumisatmosfääri kuplimaan altaan läpi tai altistamalla esimuotin pinta altaan yläpuolella 20 olevalle tunkeutumisatmosfäärille.
Esimerkkinä matriisimetalli/tunkeutumisen edistäjän edel-täjä/tunkeutumisatmosfääri-järjestelmästä on alumiini/ magnesium/typpi-järjestelmä. Erityisesti voidaan alumii-25 nimatriisimetalli asettaa sopivassa tulenkestävässä astiassa olevaan täyteaineeseen, joka astia prosessioloissa ei reagoi alumiinimatriisimetallin, kun alumiini sulatetaan. Esimuotti voidaan sen jälkeen pitää pinnan alla ja kosketuksessa sulan matriisimetallin kanssa painolastivä-30 lineen avulla tai poistettavalla esimuotin upotusvälineel-lä, jolla esimuotti upotetaan sulan matriisimetallin altaaseen.
Esillä olevan keksinnön mukaisesti alumiini/magnesium/typ-35 pi-järjestelmän tapauksessa esimuotin tulisi olla riittävän läpäisevää salliakseen typpeä sisältävän kaasun tunkeutumisen esimuottiin ainakin prosessin jossakin 26 91491 vaiheessa esim. saattamalla typpi kuplimaan sulan mat-riisimetalliin läpi. Lisäksi läpäisevä esimuotti voi samanaikaisesti tai sen jälkeen vastaanottaa sulan mat-riisimetallin tunkeutumisen, tai esimuotti voidaan altis-5 taa typelle ennen upottamista, jolloin aiheutetaan sulan matriisimetallin spontaani tunkeutuminen typellä kyllästettyyn esimuottiin metallimatriisi-komposiittikappaleen muodostamiseksi, ja/tai typpi voidaan saattaa reagoimaan tunkeutumisen edistäjän edeltäjän kanssa tunkeutumisen 10 edistäjän muodostamiseksi esimuottiin, joka johtaa spontaaniin tunkeutumiseen.
Spontaanin tunkeutumisen määrä ja metallimatriisikomposii-tin muodostuminen vaihtelee prosessiolojen annetun yhdis-15 telmän mukaisesti, alumiini/magnesium/typpi-järjestelmässä, mukaan lukien magnesiumin määrä alumiiniseoksessa, magnesiumin määrä esimuotissa, magnesiumnitridin määrä esimuotissa, muiden seosalkuaineiden (esim. pii, rauta, kupari, mangaani, kromi, sinkki, ja vastaavat) läsnäolo, 20 esimuotin muodostavan täyteaineen keskimääräinen koko (esim. hiukkashalkaisija), täyteaineen pintatila ja tyyppi, tunkeutumisatmosfäärin typpipitoisuus, tunkeutumiselle annettu aika ja lämpötila, jossa tunkeutuminen tapahtuu. Annettaessa esimerkiksi sulan alumiinimatriisimetallin 25 tunkeutumisen tapahtua spontaanisti, voidaan alumiini seostaa ainakin noin 1 painoprosentilla, ja edullisesti ainakin noin 3 painoprosentilla magnesiumia (joka toimii tunkeutumisen edistäjän edeltäjänä), seoksen painoon verrattuna .
30
Muita lisäseosalkuaineita, kuten edellä on selitetty, voidaan myös sisältää matriisimetalliin sen erityisten ominaisuuksien räätälöimiseksi. Lisäksi lisäseosalkuai-neet voivat vaikuttaa matriisin alumiinimetallissa tarvit-35 tavan magnesiumin minimimäärään, niin että se johtaa spontaaniin tunkeutumiseen täyteaineeseen tai esimuottiin. Magnesiumin häviämistä spontaanista järjestelmästä, esi- 91491 27 merkiksi höyrystymisen vuoksi, tulisi välttää niin paljon, että jää jonkin verran magnesiumia muodostamaan tunkeutumisen edistäjää. Siten on toivottavaa, että aluksi käytetään riittävää seosalkuaineiden määrää jotta spontaani 5 tunkeutuminen voisi tapahtua höyrystymisen sitä haittaamatta. Lisäksi magnesiumin läsnäolo sekä esimuotissa ja matriisimetallissa tai pelkästään esimuotissa voi johtaa magnesiumin spontaania tunkeutumista varten vaadittavan kokonaismäärän pienenemiseen (jota selitetään yksityiskoh-10 taisemmin alempana). Typen tilavuusosuus typpeä sisältävässä tunkeutumisatmosfäärissä vaikuttaa myös metallimat-riisi-komposiittikappaleen muodostumisnopeuteen. Erityisesti, jos tunkeutumisatmosfäärissä on vähemmän kuin noin 10 tilavuusprosenttia typpeä, tapahtuu hyvin hidasta 15 tai vähäistä spontaania tunkeutumista. On havaittu, että edullisesti atmosfäärissä on ainakin 50 tilavuusprosenttia typpeä, joka johtaa esimerkiksi lyhyempiin tunkeutu-misaikoihin, johtuen paljon nopeammasta tunkeutumisesta. Lyhyempiä tunkeutumisaikoja voidaan myös saavuttaa sekoit-; 20 tamalla varovasti upotetuja esimuotteja, jolloin sula matriisimetalli joutuu pyörteeseen esimuottien ympärillä häiritsemättä niiden rakenteellista eheyttä.
Sulan matriisimetallin magnesiumin vähimmäismäärä alumii-25 ni/magnesium/typpi-spontaanissa järjestelmässä metalli-matriisikomposiitin muodostamiseks riippuu yhdestä tai useammasta tekijästä, kuten prosessin lämpötilasta, ajasta, muiden lisäseosalkuaineiden kuten piin tai sinkin läsnäolosta, täyteaineen luonteesta, magnesiumin sisälty-30 misestä yhteen tai useampaan spontaanin järjestelmän osaan, esimuotin tavoittavan atmosfäärin typpisisällöstä, ja nopeudesta jolla typpiatmosfääri virtaa. Voidaan käyttää alempia lämpötiloja tai lyhyempiä kuumennusaikoja täydellisen tunkeutumisen aikaansaamiseksi, kun seoksen ja/tai 35 esimuotin magnesiumpitoisuutta nostetaan. Samaten annetulla magnesiumpitoisuudella määrättyjen lisäseosalkuaineiden, kuten sinkin lisääminen mahdollistaa alempien lämpö- 28 91491 tilojen käyttämisen. Esimerkiksi matriisimetallin mag-nesiumpitoisuutta toimivan alueen alapäässä, esim. välillä noin 1-3 painoprosenttia, voidaan käyttää yhdessä ainakin jonkin seuraavien kanssa: vähimmäisprosessilämpötilan 5 ylittävä lämpötila, suuri typpipitoisuus, yksi tai useampia lisäseosalkuaineita. Ellei esimuottiin lisätä lainkaan magnesiumia, pidetään välillä noin 3-5 painoprosenttia magnesiumia sisältäviä seoksia edullisina, johtuen niiden yleisestä käytettävyydestä laajoilla eri prosessiolojen 10 alueilla, jolloin ainakin 5 painoprosenttia pidetään edullisena käytettäessä alempia lämpötiloja ja lyhyempiä aikoja. Alumiiniseoksessa voidaan käyttää 10 painoprosentin ylittäviä magnesiumpitoisuuksia tunkeutumiseen vaadittavien lämpötilaolojen muuntelemiseksi. Magnesiumpitoi-15 suutta voidaan pienentää muiden seosalkuaineiden yhteydessä, mutta nämä alkuaineet palvelevat ainoastaan lisätoimintoja, ja niitä käytetään edellä mainitun magnesiumin minimimäärän kanssa. Esimerkiksi oleellisesti mitään tunkeutumista ei esiintynyt nimellisesti puhtaalla 20 alumiinilla, jota oli seostettu vain 10 % piillä, 1000°C lämpötilassa, alustaan 39 Crystolon (99 % puhdasta piikar-bidia Norton Co:lta), jonka raekoko oli 500 mesh (mesh = seulan aukkojen lukumäärä tuumaa kohti). Magnesiumin läsnäollessa on kuitenkin piin havaittu edistävän tunkeu-25 tumisprosessia.
Toisena esimerkkinä magnesiumin määrää voidaan muuttaa, jos sitä syötetään yksinomaan esimuottiin tai täyteaineeseen. On havaittu, että spontaania tunkeutumista tapahtuu, 30 kun spontaaniin järjestelmään syötetään pienempi paino prosentti magnesiumia, jos ainakin jokin määrä syötetyn magnesiumin kokonaismäärästä sijoitetaan esimuottiin tai täyteaineeseen. Sellainen sijoittaminen voidaan toteuttaa esimerkiksi sekoittamalla magnesium jauhetta keraamin kans-35 sa täyteaineen muodostamiseksi. Saattaa olla toivottavaa, että magnesiumia järjestetään pienempi määrä, jotta vältettäisiin ei-toivottujen metalliyhdisteiden syntyminen 91491 29 metallimatriisi-komposiittikappaleeseen. Esimuotin ollessa piikarbidia on havaittu, että matriisimetalli tunkeutuu spontaanisti esimuottiin, kun esimuotti saatetaan kosketukseen alumiinimatriisimetallin kanssa, esimuotin sisäl-5 taessa ainakin 1 painoprosenttia magnesiumia ja oleellisesti puhtaan typpiatmosfäärin läsnäollessa. Alumiinioksidi-esimuotin tapauksessa hyväksyttävän spontaanin tunkeutumisen saavuttamiseksi vaadittu magnesiumin määrä on hieman suurempi. Erityisesti on havaittu, että 10 kun samantapainen alumiinimatriisimetalli saatetaan koskettamaan alumiinioksidi-esimuottia, likimain samassa lämpötilassa kuin alumiini joka tunkeutui piikarbidi-esimuot-tiin, ja saman typpiatmosfäärin läsnäollessa, niin saatetaan tarvita ainakin noin 3 painoprosenttia mag-15 nesiumia samanlaisen spontaanin tunkeutumisen aikaansaamiseksi, kuin se joka saavutettiin juuri edellä kuvatun piikarbidi-esimuotin yhteydessä.
On myös havaittu, että on mahdollista syöttää spontaaniin 20 järjestelmään tunkeutumisen edistäjän edeltäjää ja/tai tunkeutumisen edistäjää seoksen pinnalle ja/tai esimuotin tai täyteaineen pinnalle ja/tai esimuottiin tai täyteaineeseen ennen kuin matriisimetallin annetaan tunkeutua täyteaineeseen tai esimuottiin (ts. saattaa olla, ettei 25 syötettyä tunkeutumisen edistäjän edeltäjää tai tunkeutumisen edistäjää tarvitse seostaa matriisimetalliin, vaan että sitä yksinkertaisesti syötetään spontaaniin järjestelmään). Jos magnesiumia levitettäisiin matriisimetallin pinnalle, saattaa olla edullista, että tämä pinta olisi se 30 pinta, joka on lähimpänä tai edullisesti kosketuksessa täyteaineen läpäisevään massaan tai päinvastoin; tai sellaista magnesiumia voitaisiin sekoittaa ainakin esimuotin tai täyteaineen osaan. Lisäksi on mahdollista, että pinnalle levittämisen, seostamisen ja magnesiumin sijoit-35 tamisen ainakin esimuotin osaan, joitakin yhdistelmiä voitaisiin käyttää. Sellaiset yhdistelmät tunkeutumisen edistäjän (edistäjien) ja/tai tunkeutumisen edistäjän 30 91491 edeltäjän (edeltäjien) levittämisessä saattaisivat johtaa alumiinimatriisimetallin esimuottiin tunkeutumisen edistämiseen vaadittavan magnesiumin kokonaispainoprosentti-määrän pienenemiseen, samoinkuin alempien lämpötilojen 5 saavuttamiseen, joissa tunkeutumista voi esiintyä. Lisäksi magnesiumin läsnäolosta johtuva metallien epätoivottujen keskinäisten yhdisteiden muodostuminen voitaisiin myös minimoida.
10 Yhden tai useamman lisäseosalkuaineen käyttäminen ja esimuottia ja matriisimetallia ympäröivän kaasun typpipitoisuus vaikuttavat myös matriisimetallin nitrautumiseen annetussa lämpötilassa. Esimerkiksi voidaan seokseen sisällyttää tai seoksen pinnalle levittää sellaisia li-15 säseosalkuaineita kuin sinkkiä tai rautaa tunkeutumislämpötilan alentamiseksi ja siten muodostuvan nitridin määrän pienentämiseksi, kun taas kaasussa olevan typen pitoisuuden lisäämistä voitaisiin käyttää nitridin muodostumisen edistämiseen.
20
Seoksessa olevan ja/tai seoksen pinnalle levitetyn ja/tai täyteaineeseen yhdistetyn magnesiumin pitoisuus pyrkii myös vaikuttamaan tunkeutumisen määrään annetussa lämpötilassa. Vastaavasti eräissä tapauksissa, joissa pieni 25 määrä tai ei lainkaan magnesiumia saa olla kosketuksessa suoraan täyteaineeseen, saattaa olla edullista, että ainakin 3 painoprosenttia magnesiumia sisällytetään seokseen. Tätä arvoa pienemmät seosmäärät, kuten 1 painoprosentti magnesiumia, saattaa vaatia korkeammat proses-30 silämpötilat tai lisäseosalkuaineita tunkeutumista varten. Tämän keksinnön spontaanin tunkeutumisprosessin toteuttamiseksi vaadittu lämpötila voi olla alempi: 1) kun yksinomaan seoksen magnesiumpitoisuutta nostetaan, esim. ainakin noin 5 painoprosenttiin; ja/tai 2) kun seostavia 35 aineita sekoitetaan täyteaineen läpäisevään massaan tai esimuottiin; ja/tai 3) kun alumiiniseoksessa on toista alkuainetta, kuten sinkkiä tai rautaa. Lämpötila voi myös 91491 31 vaihdella eri täyteaineilla. Yleensä esiintyy spontaania ja etenevää tunkeutumista prosessilämpötilassa, joka on ainakin noin 675°C, edullisesti prosessilämpötilassa, joka on ainakin noin 750 - 800°C. Lisäksi tuloksena olevan 5 suspension tyydyttävä kaadettavuus, sen jälkeen kun toinen matriisimetalli on jakaantunut, on saavutetavissa noin 800°C:ssa tai sen yli, ja mahdollisesti sen alapuolella, riippuen suspension luonteesta. Kaadettavuus ei välttämättä parane lämpötilan noustessa. Yleensä yli 1200°C olevat 10 lämpötilat eivät näytä edistävän prosessia, ja erityisen käyttökepoiseksi lämpötilaksi on havaittu alue noin 675°C - noin 1200°C. Kuitenkin yleisenä sääntönä spontaanin tunkeutumisen lämpötila on sellainen lämpötila, joka on matriisimetallin sulamispisteen yläpuolella mutta mat-15 riisimetallin höyrystymislämpötilan alapuolella. Lisäksi spontaanin tunkeutumisen lämpötilan tulisi olla täyteaineen sulamispisteen alapuolella. Edelleen, kun lämpötilaa nostetaan, kasvaa pyrkimys matriisimetallin ja tunkeutu-misatmosfäärin välisen reaktiotuotteen muodostamiseen 20 (esim. alumiinimatriisimetallin ja typpeä olevan tunkeu-tumisatmosfäärin tapauksessa saattaa muodostua alu-miininitridiä). Sellaiset reaktiotuotteet saattavat olla toivottavia tai ei-toivottuja, riippuen metallimatriisi-komposiittikappaleen aiotusta käytöstä. Lisäksi tyypilli-25 sesti käytetään sähkövastuskuumennusta tunkeutumislämpötilojen saavuttamiseksi. Keksinnön yhteydessä käytettäväksi hyväksytään kuitenkin mikä tahansa kuumen-nusväline, joka voi saattaa matriisimetallin sulamaan ja joka ei vaikuta haitallisesti spontaaniin tunkeutumiseen. 30
Esillä olevassa menetelmässä esimerkiksi läpäisevä esi-muotti upotetaan sulaan alumiiniin typpeä sisältävän kaasun ollessa läsnä ainakin jossakin prosessin vaiheessa. Typpeä sisältävää kaasua voidaan syöttää ylläpitämään jatkuva 35 kaasun virtaus kosketukseen ainakin joko esimuottiin ja/tai sulaan alumiinimatriisimetalliin. Vaikkei typpeä sisältävän kaasun virtausmäärä ole kriittinen, pidetään edullisena 32 91491 että virtausmäärä on riittävä kompensoimaan nitridin muodostumisesta seosmatriisissa johtuva mahdollinen typen häviäminen atmosfääristä, sekä estämään tai torjumaan ilman tai muiden kaasujen sisään pääseminen, joilla voi olla 5 hapettava vaikutus sulaan metalliin ja/tai esimuottiin.
Metallimatriisikomposiitin muodostamismenetelmää voidaan soveltaa täyteaineiden laajaan valikoimaan, ja täyteaineiden valinta riippuu sellaisista tekijöistä, kuten mat-10 riisiseoksesta, prosessin olosuhteista, sulan matriisi-seoksen reaktiivisuudesta täyteaineen kanssa, sekä lopulliselle komposiittituotteelle haetuista ominaisuuksista. Kun matriisimetallina on esimerkiksi alumiini, lukeutuvat sopiviksi täyteaineiksi a) oksidit, esim. 15 alumiinioksidi, b) karbidit, esim. piikarbidi, c) boridit, esim. alumiinidodekaboridi, ja d) nitridit, esim. alu-miininitridi. Mikäli täyteaine pyrkii ragoimaan sulan alumiinimatriisimetallin kanssa, tämä voidaan ottaa huomioon minimoimalla tunkeutumisaika ja -lämpötila tai 20 järjestämällä reagoimaton päällystys täyteaineelle. Täyteaine voi vaihtoehtoisesti käsittää alustan, kuten hiiltä tai ei-keraamista ainetta, jonka päällä on keraaminen päällystys alustan suojaamiseksi syöpymiseltä tai heikkenemiseltä. Sopivia keraamipäällysteitä ovat mm. oksidit, 25 karbidit, boridit ja nitridit. Esillä olevassa menetelmässä käytettäviksi edullisina pidettyjä keraameja ovat mm. alumiinioksidi ja piikarbidi hiukkasten, hiutaleiden, kuitukiteiden ja kuitujen muodossa. Kuidut voivat olla epäjatkuvia (leikatussa muodossa) tai jatkuvan säikeen 30 muodossa, kuten monisäikeiset langat. Lisäksi täyteaine tai esimuotti voi olla homogeeninen tai epähomogeeninen.
On myös havaittu, että määrätyillä täyteaineilla esiintyy suurempaa tunkeutumista suhteessa täyteaineisiin, joilla 35 on samantapainen kemiallinen koostumus. Esimerkiksi US-pa-tentissa 4,713,360 (nimitys "Uusia keraamisia aineita ja menetelmiä niiden valmistamiseksi" ) kuvatulla menetelmällä 91491 33 valmistetuilla murskatuilla alumiinioksidi-kappaleilla on edulliset tunkeutumisominaisuudet verrattuna kaupallisesti saatavilla oleviin alumiinioksidituotteisiin. Lisäksi rinnakkaisessa US-patenttihakemuksessa 819,397 (nimitys: 5 "Komposiittikeraamisia esineitä ja niiden valmistusmenetelmä" ) esitetyllä menetelmällä tehdyillä murskatuilla alumiinioksidikappaleilla on myös edulliset tunkeutumisominaisuudet verrattuna kaupallisesti saatavilla oleviin alumiinioksidituotteisiin. Edellä mainitut patentti-10 julkaisut esitetään tässä nimenomaisina viittauksina. Näin ollen on havaittu, että täydellinen tunkeutuminen keraamista ainetta olevaan läpäisevään massaan voi tapahtua alemmissa tunkeutumislämpötiloissa ja/tai lyhyemmillä tun-keutumisajoilla käyttäen puristettuja tai murskattuja 15 kappaleita, jotka on valmistettu edellä mainittujen patenttijulkaisujen mukaisella menetelmällä.
Täyteaineen koko ja muoto voi olla mikä tahansa sellainen, joka vaaditaan komposiitin toivottujen ominaisuuksien 20 saavuttamiseksi. Siten aine voi olla hiukkasten, kuituki-teiden, hiutaleiden tai kuitujen muodossa, koska täyteaineen muoto ei rajoita tunkeutumista. Voidaan käyttää muitakin muotoja, kuten kuulia, pieniä putkia, pellettejä, tulenkestävää kuitukangasta, ja vastaavia. Lisäksi aineen 25 koko ei rajoita tunkeutumista, vaikka pienten hiukkasten massalla saatetaan tunkeutumisen loppuunviemiseksi tarvita korkeampi lämpötila tai pidempi aika kuin suuremmilla hiukkasilla. Lisäksi (esimuotiksi muotoillun) täyte-ainemassan tulisi tunkeutumista varten olla läpäisevää (ts. 30 sen tulisi olla sulaa matriisimetallia ja tunkeutumisat-mosfääriä läpäisevää).
Esillä olevan keksinnön mukainen menetelmä metallimatrii-si-komposiittikappaleiden muodostamiseksi sallii oleelli-35 sesti yhtenäisten metallimatriisikomposiittien valmistamisen, joilla on suuri tilavuusosa täyteainetta ja pieni huokoisuus, koska ne eivät ole riippuvaisia paineen 34 91491 käyttämisestä sulan matriisimetallin puristamiseksi esi-muottiin tai täyteainemassaan. Suurempia täyteaineen ti-lavuusosuuksia voidaan aikaansaada käyttämällä alussa täyteainemassaa, jolla on pienempi huokoisuus. Suurempia 5 tilavuusosuuksia voidaan myös aikaansaada silloin, jos täyteainemassa tiivistetään tai tehdään muulla tavalla tiiviimmäksi, edellyttäen ettei massaa muuteta joko täysin tiiviiksi suljetuin kennohuokosin tai täysin tiiviiksi rakenteeksi, mikä estäisi sulan seoksen tunkeutumisen.
10
On havaittu, että alumiinin tunkeutumista ja matriisin muodostumista varten keraamisen täyteaineen ympärille voi keraamisen täyteaineen kostutus alumiinimatriisimetallil-la olla tärkeä osa tunkeutumismekanismista. Lisäksi alhai-15 sissa prosessilämpötiloissa esiintyy erittäin vähän tai häviävän vähän metallin nitridiksi muuttumista, jonka takia saadaan erittäin vähäinen epäjatkuva alumiininitridin faasi metallimatriisiin jakautuneena. Kun lähestytään lämpötila-alueen yläpäätä, tapahtuu kuitenkin todennäköi-20 semmin metallin nitridiksi muuttumista. Siten voidaan säätää nitridifaasin osuutta metallimatriisissa muuttamalla lämpötilaa, jossa tunkeutuminen tapahtuu. Ne määrätyt lämpötilat, joissa nitridin muodostuminen tulee merkittävämmäksi, muuttuvat myös sellaisista tekijöistä riippuen, 25 kuten käytetty matriisin alumiiniseos ja sen määrä suhteessa täyteaineen tai esimuotin määrään, täyteaineen määrä johon tunkeutumisen on tapahduttava, sekä tunkeutumisat-mosfäärin typpipitoisuus. Esimerkiksi alumiininitridin muodostumisen määrän uskotaan määrätyssä prosessilämpöti-30 lassa kasvavan, kun seoksen kyky täyteaineen kostuttamiseen pienenee ja kun atmosfäärin typpipitoisuus kasvaa.
Sen vuoksi on mahdollista räätälöidä metallimatriisin rakennetta komposiitin muodostuksen aikana, niin että 35 voidaan antaa tuloksena olevalle tuotteelle määrätyt ominaisuudet. Annetulla järjestelmällä voidaan prosessin olosuhteet valita nitridin muodostuksen säätämiseksi.
91491 35
Alumiininitridiä sisältävällä komposiittituotteella on eräitä ominaisuuksia, jotka voivat olla edullisia tuotteen suorituskyvylle tai parantaa niitä. Lisäksi alumiiniseoksen spontaanin tunkeutumisen edullinen lämpötila-alue voi 5 vaihdella käytetystä keraamisesta aineesta riippuen. Kun täyteaineena on alumiinioksidia, ei tunkeutumisen lämpötilan tulisi ylittää 1000°C, mikäli halutaan, ettei matriisin muovattavuus oleellisesti pienene merkittävän nitridin muodostumisen johdosta. Lämpötilan 1000°C ylit-10 täviä lämpötiloja voidan kuitenkin käyttää, mikäli halutaan tuottaa komposiitti, jonka matriisilla on heikompi muovattavuus ja suurempi jäykkyys. Piikarbidiin tunkeutumista varten voidaan käyttää korkeampia, noin 1200°C lämpötiloja, koska piikarbidia täyteaineena käytettäessä alumiiniseok-15 sesta syntyy vähemmän nitridejä, kuin alumiinioksideja täyteaineena käytettäessä.
Lisäksi on mahdollista käyttää matriisimetallin varasto-lähdettä täyteaineen täydellisen tunkeutumisen varmista-20 miseksi ja/tai syöttää toista metallia, jolla on erilainen koostumus kuin matriisimetallin ensimmäisellä lähteellä. Eräissä tapauksissa voi erityisesti olla toivottavaa käyttää varastolähteessä matriisimetallia, joka koostumukseltaan poikkeaa matriisimetallin ensimmäisestä lähteestä. 25 Jos esimerkiksi alumiiniseosta käytetään ensimmäisenä matriisimetallin lähteenä, niin varastolähteen metallina voitaisiin käyttää näennäisesti mitä tahansa toista metallia tai metalliseosta, joka on sulanut prosessilämpötilas-sa. Sulat metallit ovat usein hyvin sekoittuvia toistensa 30 kanssa, mikä johtaisi varastolähdemetallin sekoittumiseen matriisimetallin ensimmäiseen lähteeseen niin kauan kuin annetaan riittävästi aikaa sekoittumista varten. Vaihtoehtoisesti käsittelyaikoja voidaan lyhentää säätämällä selektiivisesti syvyyttä, johon esimuotti upotetaan, kuten 35 edellä selitettiin. Käytettäessä ensimmäisen matriisimetallin lähteestä poikkeavan koostumuksen omaavaa varasto-lähdemetallia, on siten mahdollista räätälöidä metallimat- 36 91491 riisin ominaisuuksia erilaisten toimintavaatimusten täyttämiseksi ja siten räätälöidä metallimatriisikomposiitin ominaisuuksia.
5 Estovälinettä voidaan myös käyttää esillä olevan keksinnön yhteydessä. Tämän keksinnön yhteydessä käytettävä estovä-line voi erityisesti olla mikä tahansa soveltuva väline, joka vuorovaikuttaa, estää ja lopettaa sulan matriisiseok-sen (esim. alumiiniseos) kulkeutumisen, siirtymisen tai 10 vastaavan täyteaineen määritellyn rajapinnan ohi. Sopivia estovälineitä voivat olla mitkä tahansa aineet, yhdisteet, alkuaineet, koostumukset tai vastaavat, jotka prosessin olosuhteissa ylläpitävät jonkinasteisen eheyden eivätkä ole haihtuvia, ja jotka edullisesti ovat prosessissa 15 käytettyä kaasua läpäiseviä, ja jotka samoin pystyvät paikallisesti estämään, pysäyttämään, vuorovaikutteinaan, torjumaan, jne, jatkuvan tunkeutumisen tai minkä tahansa muun liikkeen täyteaineen määritellyn rajapinnan ohi.
20 Sopivia estovälineitä alumiini/magnesium/typpi-järjestelmässä ovat grafiitti ja alumiinioksidi, ja nämä aineet voidaan sopivasti muotoilla ja sijoittaa tunkeutumisatmos-fäärin johtamiseksi esimuottiin, myös kun se on kokonaan upotettuna. Sopiva estoaine voi siten mahdollistaa metal-25 limatriisi-komposiittikappaleiden tuottamisen minimoimalla tunkeutumisen jälkeen tapahtuvan pintakäsittelyn määrää, ylläpitäen samalla tunkeutumisen edistäjän, tunkeutumisen edistäjän edeltäjän ja tunkeutumisatmosfäärin komponenttien sijoittamisen joustavuuden spontaanissa 30 järjestelmässä. Sen lisäksi estoväline voidaan yhdistää poistettavaan upotusvälineeseen tai painolastivälinee-seen, jolloin aikaansaadaan lisäsuoja esimuoteille, jotka mahdollisesti eivät ole riittävän jäykkiä kestääksen ilman tukea tapahtuvaa upottamista sulan matriisimetalliseoksen 35 altaaseen.
91491 37
Soveltuvia estoaineita, jotka ovat erityisen edullisia alumiinimatriisiseoksilla, ovat niitä, jotka sisältävät hiiltä, erityisesti hiilen kiteiset allotrooppiset muodot, jotka tunnetaan grafiittina. Grafiittia ei oleellisesti 5 voida kostuttaa kuvatuissa prosessiolosuhteissa sulalla alumiiniseoksella. Erityisen edullinen grafiitti on gra-fiittinauhatuote, jota myydään tuotenimellä Grafoil (R), jonka tavaramerkin haltija on Union Carbide. Tällä gra-fiittinauhalla on tiivistäviä ominaisuuksia, jotka estävät 10 sulaa alumiiniseosta kulkeutumasta täyteaineen määritellyn rajapinnan ohi. Tämä grafiittinauha on myös kuumuutta kestävä ja kemiallisesti inertti. Grafoil (R) -grafiitti-aine on taipuisaa, kestävää, mukautuvaa ja joustavaa. Sitä voidaan valmistaa useissa muodoissa sopimaan esto-15 ainesovellutuksiin. Grafiittiestovälinettä voidaan kuitenkin käyttää lietteenä tai tahnana tai jopa maalikalvona täyteaineen rajapinnalla tai sen ympärillä. Grafoil (R) -tuotetta pidetään erityisen edullisena, koska se on taipuisan grafiittiarkin muodossa. Käytössä tämä paperin 20 tapainen grafiitti yksinkertaisesti muovaillaan täyteaineen ympärille.
Muita edullisia estoaineita alumiinimetallimatriisiseok-sille typessä ovat siirtymämetalliboridit (esim. ti-25 taanidiboridi (T1B2))/ joita sulat alumiinimetalliseokset eivät tätä ainetta määrätyissä prosessioloissa käytettäessä pysty kostuttamaan. Tämän tyyppisellä estoaineella prosessilämpötilan ei tulisi ylittää noin 875°C, koska muutoin estoaineen vaikutus vähenee, ja itse asiassa 30 korkeammassa lämpötilassa esiintyy tunkeutumista estoai-neeseen. Siirtymämetalliboridit ovat tyypillisesti hiuk-kasmuodossa (1 - 30 mikrometriä). Estoaineet voidaan levittää lietteenä tai tahnana edullisesti esimuotiksi muotoillun läpäisevän keraamisen täyteaineen massan raja-35 pinnoille.
38 91491
Alumiinimetallimatriisiseoksia varten typessä muut käyttökelpoiset estoaineet sisältävät vaikeasti haihtuvia orgaanisia yhdisteitä, jotka levitetään kalvona tai kerroksena täyteaineen ulkopinnalle. Poltettaessa typessä, 5 erityisesti tämän keksinnön mukaisissa prosessioloissa, orgaaninen yhdiste hajoaa, jättäen jälkeensä hiilinokikal-von. Orgaaninen yhdiste voidaan levittää tavanomaisin keinoin, kuten maalaamalla, suihkuttamalla, upottamalla, jne.
10
Lisäksi voivat hienoksi jauhetut hiukkasmaiset aineet toimia estoaineena, jos hiukkasmaiseen aineeseen tunkeutuminen esiintyy nopeudella, joka on hitaampi kuin tunkeu-tumisnopeus täyteaineeseen.
15 Välittömästi seuraavassa oleva esimerkki sisältää esillä olevan keksinnön erilaisia demonstraatioita. Tätä esimerkkiä on kuitenkin pidettävä havainnollistavana, eikä sitä pidä ymmärtää keksinnön suoja-alaa rajoittavana, joka 20 määritellään oheisissa patenttivaatimuksissa.
Esimerkki 1 Täyteainetta valmistettiin sekoittamalla huolellisesti 25 1000 grit (seulamitta, grit = noin 75 mikrometriä) piikarbidijauhetta (39 Crystolon, Norton Co.) ja noin 2,5 painoprosenttia 325 mesh (mesh = seulan aukkojen lukumäärä tuumaa kohti) magnesiumjauhetta (saatavana Johnson Mathey Co:lta). Täyteaine kaadettiin ohutseinäiseen kupariput-30 keen, kuten esim. 0,8 mm paksut laadut, joita saadaan General Copper Coilta. Putken toinen pää käärittiin ohueen kuparikaivoon putken sulkemiseksi täyteainetta siihen kaadettaessa, ja täyteaine saatiin asettumaan muottiin koputtamalla kupariputken sivua useita kertoja. Putken 35 pituus oli noin 10 cm ja sen halkaisija noin 2,9 cm, ja se toimi pelkästää täyteaineen muottina.
91 491 39
Kuten kuviossa 5 esitetään, asetettiin kuparimuotti 3 sitten alumiinioksidiputkeen 8, joka toimi muotin paino-lastivälineenä. Alumiinioksidiputki oli halkaisijaltaan 3,8 cm ja seinämäaksuudeltaan 3 mm erittäin tiivistä 5 posliinia oleva upokas (saatavana Doors Co:lta), joka lyhennettiin noin 7,6 cm pitkäksi. Painolastin luonne voi olla tärkeä siinä mielessä, että siinä ei saa olla vettä tai muita aineita, jotka voivat hapettua menetelmän lämpötiloissa, saastuttaen täyteainetta tai matriisimetal-10 lia. Lisäksi matriisimetallin ja matriisimetallikomposii-tin ei pitäisi pystyä kostuttamaan sitä, jolloin se sallii komposiitin helpon poistamisen. Lisäksi painolastin tulisi olla riittävän painavaa upottaakseen muotin matriisimetal-liin, ja sen tulisi olla riittävän jäykkää, niin että 15 vältetään metallimatriisikomposiitin muodon muutos sulasta matriisimetallista poistettaessa. Ainakin näissä suhteissa painolastivälineellä on monta yhteistä ominaisuutta esto-välineen kanssa.
. 20 Sen jälkeen kun muotti 3 täytettiin, sen avoin pää käärittiin myös ohueen kuparikaivoon 9, jonka läpi asetettiin halkaisijaltaan 0,6 mm ruostumatonta terästä oleva putki 10. Typpikaasun virta johdettiin ruostumatonta terästä olevan putken 10 läpi määränä 1,5 1/minuutti. 25 Muotti 3 ja putket 8 ja 10 asetettiin sähkövastuksin kuumennettavaan uuniin, ja kuumennettiin huoneenlämpötilasta noin 600°C:seen noin kahden tunnin jakson aikana. Lämpötila pidettiin 600°C:ssa noin tunnin ajan, jonka jälkeen täyteaine oli kiinteytynyt esimuotiksi ja olisi 30 säilyttänyt muotonsa myös ilman muottia 3. Ymmärretään, että kiinteyttämistä varten voidaan käyttää muita lämpötiloja, kuten 500°C tai 600°C, riippuen täyteaineen ja muotin sekä sen metallikalvoa olevien päätykansien luonteesta. Tavallisesti pidetään korkeampia lämpötiloja edul-35 lisempana varmistamaan huolellinen täyteaineen kiinteytyminen.
40 91 491
Oltuaan tunnin 600°C:ssa muotti 3 poistettiin nopeasti uunista ja upotettiin sulan matriisimetalliseoksen altaaseen, jota pidettiin noin 750°C:ssa toisessa sähkövastuksin kuumennetussa uunissa. Matriisimetalliseoksen koostumus 5 oli alumiiniseosta, joka sisälsi noin 12 painoprosenttia piitä ja noin 3 painoprosenttia magnesiumia (Al-12Si-3Mg). Kuten kuviossa 6 esitetään, oli alumiinioksidiputki 8 riittävän painava voittaakseen muotin 3 positiivisen ke 1 lumi s kyvyn, upottaen siten muotin 4 kokonaan matriisime-10 talliseoksen altaaseen 5. Typpikaasun virtausta muottiin 3 ylläpidettiin koko ajan, kunnes muotti 3 oli uponnut altaaseen, jonka jälkeen typpikaasun virtaus suunnattiin juuri altaan 5 pinnan yläpuolelle.
15 Oltuaan upoksissa altaassa 5 noin tunnin ajan, kuparimuotti 3 ja kalvot olivat sulaneet ja dispergoituneet matriisime-talliseokseen, ja matriisimetalliseos oli spontaanisti tunkeutunut koko kiinteytettyyn esimuottiin, muodostaen siten metallimatriisi-komposiittikappaleen. Esimuotti pi-20 ti muotonsa myös muotin 3 kulumisen jälkeen, mahdollisesti seurauksena magnesiumnitridin muodostumisesta ja mahdollisen alkukuumennuksen aikaisen sintrauksen johdosta, ja sen jälkeen komposiittikappaleessa olevan suuren täyteaineen osuuden johdosta. Metallimatriisi-komposiittikappa-25 leen sisältävä alumiinioksidiputki 8 ongittiin sitten matriisimetalliseoksen altaasta. Jähmettymisen jälkeen komposiittikappale voitiin helposti poistaa alumiinioksi-diputkesta 8, jolloin sillä oli hyvä pinnan tasaisuus ja verkkomuoto-ominaisuudet.
30 35

Claims (10)

91 491
1. Menetelmämetallimatriisikomposiittikappaleen valmistamiseksi, tunnettu siitä, että se käsittää: sulan matriisimetallin altaan muodostamisen; 5 oleellisesti ei-reagoivaa täyteainemassaa sisältävän lä päisevän esimuotin muodostamisen; tunkeutumisatmosfäärin saattamisen kosketukseen esimuotin ja/tai matriisimetallin kanssa ainakin jossakin prosessin vaiheessa sekä tunkeutumisen edistäjän ja/tai tunkeutumi-10 sen edistäjän edeltäjän käyttämisen; läpäisevän esimuotin upottamisen sulan matriisimetallin altaaseen; ja sulan matriisimetallin saattamisen spontaanisti tunkeutumaan ainakin osaan esimuottia. 15
2. Patenttivaatimuksen l mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että syötetään tunkeutumisen edistäjän edeltäjää ja/tai tunkeutumisen edistäjää matriisimetalliin ja/tai täyteaineeseen ja/tai tunkeutumisatmosfääriin. 20
3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että määritellään täyteaineen rajapinta estoaineel-la, jolloin matriisimetalli spontaanisti tunkeutuu estoai-neeseen saakka. 25
4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että täyteaine valitaan ryhmästä, joka käsittää jauheita, hiutaleita, mikrokuulia, kuitukiteitä, kuplia, kuituja, hiukkasia, kuitumattoja, katkaistuja kuituja, 30 kuulia, pellettejä, pieniä putkiaihioita ja tulenkestäviä kankaita.
5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että lämpötila spontaanin tunkeutumisen aikana on 35 korkeampi kuin matriisimetallin sulamispiste, mutta alempi kuin matriisimetallin höyrystymislämpötila ja täyteaineen sulamispiste. 91 491
6. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että esimuotti oleellisesti kokonaan upotetaan altaaseen.
7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että tunkeutumisatmosfääri johdetaan kuplimalla altaaseen.
8. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tun-10 nettu siitä, että esimuotti sijoitetaan poistettavaan välineeseen esimuotin upottamiseksi, ja että poistettava upotusväline asetetaan altaaseen.
9. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu 15 siitä, että esimuottiin kiinnitetään paino esimuotin kel- lumiskyvyn voittamiseksi altaassa.
10. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että muodostetaan useiden matriisimetallien 20 kerrostettu allas, ja että esimuotti asetetaan altaaseen valittuihin kerroksiin ennalta valituiksi ajanjaksoiksi.
FI894933A 1988-11-10 1989-10-17 Menetelmä metallimatriisikomposiittikappaleen valmistamiseksi uppovalumenetelmää käyttäen FI91491C (fi)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US26937188 1988-11-10
US07/269,371 US5000249A (en) 1988-11-10 1988-11-10 Method of forming metal matrix composites by use of an immersion casting technique and product produced thereby

Publications (3)

Publication Number Publication Date
FI894933A0 FI894933A0 (fi) 1989-10-17
FI91491B true FI91491B (fi) 1994-03-31
FI91491C FI91491C (fi) 1994-07-11

Family

ID=23026958

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
FI894933A FI91491C (fi) 1988-11-10 1989-10-17 Menetelmä metallimatriisikomposiittikappaleen valmistamiseksi uppovalumenetelmää käyttäen

Country Status (21)

Country Link
US (1) US5000249A (fi)
EP (1) EP0368787B1 (fi)
JP (1) JP2905519B2 (fi)
KR (1) KR970008036B1 (fi)
CN (1) CN1042491A (fi)
AT (1) ATE102261T1 (fi)
AU (1) AU623929B2 (fi)
BR (1) BR8905615A (fi)
CA (1) CA2000777A1 (fi)
DE (1) DE68913433T2 (fi)
DK (1) DK558989A (fi)
FI (1) FI91491C (fi)
IE (1) IE63965B1 (fi)
IL (1) IL91733A0 (fi)
NO (1) NO176348C (fi)
NZ (1) NZ231081A (fi)
PH (1) PH26168A (fi)
PT (1) PT92256B (fi)
RO (1) RO106391B1 (fi)
TR (1) TR27122A (fi)
ZA (1) ZA898539B (fi)

Families Citing this family (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2791773A (en) * 1954-03-15 1957-05-14 Lemonde Corset Company Garment joint
US5150747A (en) * 1988-11-10 1992-09-29 Lanxide Technology Company, Lp Method of forming metal matrix composites by use of an immersion casting technique and product produced thereby
US5529109A (en) * 1988-11-10 1996-06-25 Lanxide Technology Company, Lp Flotation process for the formation of metal matrix composite bodies
DE4011948A1 (de) * 1990-04-12 1991-10-17 Alcan Gmbh Verbundgussverfahren
US6338906B1 (en) * 1992-09-17 2002-01-15 Coorstek, Inc. Metal-infiltrated ceramic seal
US5614043A (en) 1992-09-17 1997-03-25 Coors Ceramics Company Method for fabricating electronic components incorporating ceramic-metal composites
WO2001046486A1 (fr) * 1999-12-21 2001-06-28 Hitachi Metals, Ltd. Procede de production d'un materiau composite a base de metal
JP4613281B2 (ja) * 2001-03-21 2011-01-12 Ｄｏｗａメタルテック株式会社 金属−セラミックス複合体の製造方法
DE60213685D1 (de) * 2002-11-27 2006-09-14 Foc Holding Est Verfahren zur herstellung eines feuerfesten verbundwerkstoffs
WO2006083319A2 (en) * 2004-07-02 2006-08-10 Simula, Inc. Method and system for reaction bonded ceramic armor formed in situ in a metal containment
JP5063176B2 (ja) * 2007-04-27 2012-10-31 日精樹脂工業株式会社 カーボンナノ複合金属材料の製造方法
CN101898239B (zh) * 2010-07-23 2012-07-04 西安交通大学 一种复合耐磨材料陶瓷颗粒增强体的制备方法
GB201223198D0 (en) * 2012-12-21 2013-02-06 Jaguar Cars Sleeve member and method of casting
KR101499855B1 (ko) * 2013-06-26 2015-03-18 주식회사 티앤머티리얼스 가압함침형 금속기지 복합재료 제조방법
CN113857464A (zh) * 2021-09-27 2021-12-31 上海交通大学 一种纤维增强铝基复合材料的制备方法

Family Cites Families (40)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2951771A (en) * 1956-11-05 1960-09-06 Owens Corning Fiberglass Corp Method for continuously fabricating an impervious metal coated fibrous glass sheet
US3031340A (en) * 1957-08-12 1962-04-24 Peter R Girardot Composite ceramic-metal bodies and methods for the preparation thereof
US3149409A (en) * 1959-12-01 1964-09-22 Daimler Benz Ag Method of producing an engine piston with a heat insulating layer
US3396777A (en) * 1966-06-01 1968-08-13 Dow Chemical Co Process for impregnating porous solids
US3599601A (en) * 1968-05-28 1971-08-17 Nippon Carbon Co Ltd Internally heated autoclave for metal impregnation
US3547180A (en) * 1968-08-26 1970-12-15 Aluminum Co Of America Production of reinforced composites
US3608170A (en) * 1969-04-14 1971-09-28 Abex Corp Metal impregnated composite casting method
JPS5013205B1 (fi) * 1969-11-08 1975-05-17
US3868267A (en) * 1972-11-09 1975-02-25 Us Army Method of making gradient ceramic-metal material
JPS49107308A (fi) * 1973-02-13 1974-10-11
US4082864A (en) * 1974-06-17 1978-04-04 Fiber Materials, Inc. Reinforced metal matrix composite
DE2819076C2 (de) * 1978-04-29 1982-02-25 Messerschmitt-Bölkow-Blohm GmbH, 8000 München Verfahren zum Herstellen eines metallischen Mehschicht-Verbundwerkstoffes
JPS602149B2 (ja) * 1980-07-30 1985-01-19 トヨタ自動車株式会社 複合材料の製造方法
US4341823A (en) * 1981-01-14 1982-07-27 Material Concepts, Inc. Method of fabricating a fiber reinforced metal composite
JPS57210140A (en) * 1981-06-18 1982-12-23 Honda Motor Co Ltd Fiber reinfoced piston for internal combustion engine
US4404262A (en) * 1981-08-03 1983-09-13 International Harvester Co. Composite metallic and refractory article and method of manufacturing the article
US4376804A (en) * 1981-08-26 1983-03-15 The Aerospace Corporation Pyrolyzed pitch coatings for carbon fiber
US4376803A (en) * 1981-08-26 1983-03-15 The Aerospace Corporation Carbon-reinforced metal-matrix composites
US4473103A (en) * 1982-01-29 1984-09-25 International Telephone And Telegraph Corporation Continuous production of metal alloy composites
JPS58144441A (ja) * 1982-02-23 1983-08-27 Nippon Denso Co Ltd 炭素繊維強化金属複合材料の製造方法
JPS5950149A (ja) * 1982-09-14 1984-03-23 Toyota Motor Corp 繊維強化金属複合材料
DE3245412A1 (de) * 1982-12-08 1984-06-14 Hutschenreuther Ag, 8672 Selb Verfahren zur herstellung eines faserverstaerkten verbundwerkstoffes
JPS59215982A (ja) * 1983-05-20 1984-12-05 Nippon Piston Ring Co Ltd 回転式流体ポンプ用ロータ及びその製造方法
GB2156718B (en) * 1984-04-05 1987-06-24 Rolls Royce A method of increasing the wettability of a surface by a molten metal
GB8411074D0 (en) * 1984-05-01 1984-06-06 Ae Plc Reinforced pistons
JPS6169448A (ja) * 1984-09-14 1986-04-10 工業技術院長 炭素繊維強化金属とその製造法
US4587177A (en) * 1985-04-04 1986-05-06 Imperial Clevite Inc. Cast metal composite article
US4673435A (en) * 1985-05-21 1987-06-16 Toshiba Ceramics Co., Ltd. Alumina composite body and method for its manufacture
US4630665A (en) * 1985-08-26 1986-12-23 Aluminum Company Of America Bonding aluminum to refractory materials
US4718941A (en) * 1986-06-17 1988-01-12 The Regents Of The University Of California Infiltration processing of boron carbide-, boron-, and boride-reactive metal cermets
US4657065A (en) * 1986-07-10 1987-04-14 Amax Inc. Composite materials having a matrix of magnesium or magnesium alloy reinforced with discontinuous silicon carbide particles
US4713111A (en) * 1986-08-08 1987-12-15 Amax Inc. Production of aluminum-SiC composite using sodium tetrasborate as an addition agent
US4859640A (en) * 1986-08-13 1989-08-22 Lanxide Technology Company, Lp Method of making ceramic composite articles with shape replicated surfaces
US4662429A (en) * 1986-08-13 1987-05-05 Amax Inc. Composite material having matrix of aluminum or aluminum alloy with dispersed fibrous or particulate reinforcement
US4753690A (en) * 1986-08-13 1988-06-28 Amax Inc. Method for producing composite material having an aluminum alloy matrix with a silicon carbide reinforcement
US4871008A (en) * 1988-01-11 1989-10-03 Lanxide Technology Company, Lp Method of making metal matrix composites
JPH01246486A (ja) * 1988-03-24 1989-10-02 Agency Of Ind Science & Technol 炭化ケイ素繊維強化アルミニウム系プリフォームワイヤーの製造法
EP0340957B1 (en) * 1988-04-30 1994-03-16 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Method of producing metal base composite material under promotion of matrix metal infiltration by fine pieces of third material
US4932099A (en) * 1988-10-17 1990-06-12 Chrysler Corporation Method of producing reinforced composite materials
CA2000770C (en) * 1988-10-17 2000-06-27 John M. Corwin Method of producing reinforced composite materials

Also Published As

Publication number Publication date
CA2000777A1 (en) 1990-05-10
RO106391B1 (ro) 1993-04-30
ATE102261T1 (de) 1994-03-15
AU4165689A (en) 1990-05-17
FI894933A0 (fi) 1989-10-17
NZ231081A (en) 1991-11-26
JPH02243731A (ja) 1990-09-27
EP0368787B1 (en) 1994-03-02
IL91733A0 (en) 1990-06-10
DK558989A (da) 1990-05-11
DK558989D0 (da) 1989-11-09
CN1042491A (zh) 1990-05-30
PT92256A (pt) 1990-05-31
NO893986D0 (no) 1989-10-05
NO176348C (no) 1995-03-22
KR970008036B1 (en) 1997-05-20
JP2905519B2 (ja) 1999-06-14
FI91491C (fi) 1994-07-11
EP0368787A1 (en) 1990-05-16
NO893986L (no) 1990-05-11
TR27122A (tr) 1994-11-09
IE893179L (en) 1990-05-10
US5000249A (en) 1991-03-19
IE63965B1 (en) 1995-06-28
PT92256B (pt) 1995-07-18
DE68913433D1 (de) 1994-04-07
PH26168A (en) 1992-03-18
ZA898539B (en) 1991-07-31
BR8905615A (pt) 1990-06-05
DE68913433T2 (de) 1994-06-09
NO176348B (no) 1994-12-12
AU623929B2 (en) 1992-05-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
FI91831C (fi) Menetelmä kolmiulotteisesti yhteenliittyneen rinnakkaismatriisin sisältävän metallimatriisikomposiittikappaleen valmistamiseksi
FI91496B (fi) Menetelmä makrokomposiittikappaleiden muodostamiseksi sekä sillä muodostettuja makrokomposiittikappaleita
FI89014B (fi) Foerfarande foer framstaellning av en metallmatriskomposit
FI89015B (fi) Foerfarande foer framstaellning av en metallmatriskomposit
FI91608B (fi) Menetelmä ainakin kahden kappaleen yhteenliittämiseksi
FI91723B (fi) Menetelmä metallimatriisikomposiitin valmistamiseksi suunnatulla kiinteytyksellä
FI91492B (fi) Menetelmä metallimatriisikomposiitin valmistamiseksi
FI91490B (fi) Menetelmä metallimatriisikomposiitin muodostamiseksi
FI91722C (fi) Menetelmä metallimatriisikomposiitin valmistamiseksi
FI91494C (fi) Menetelmä metallimatriisikomposiitin valmistamiseksi sekä menetelmän mukaisesti valmistettu komposiitti
FI91491B (fi) Menetelmä metallimatriisikomposiittikappaleen valmistamiseksi uppovalumenetelmää käyttäen
FI91724B (fi) Menetelmä metallimatriisikomposiitin valmistamiseksi negatiivista seosmuottia käyttäen
FI91609C (fi) Menetelmä metallimatriisikomposiitin valmistamiseksi
FI91495B (fi) Menetelmä metallimatriisikomposiitin valmistamiseksi sulasta matriisimetallista ja oleellisesti ei-reaktiivisesta täyteaineesta
FI91493B (fi) Menetelmä metallimatriisikomposiitin valmistamiseksi
FI91832B (fi) Menetelmä metallimatriisikomposiitin valmistamiseksi
JPH03138329A (ja) マクロ複合体の製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
BB Publication of examined application
MM Patent lapsed
MM Patent lapsed

Owner name: LANXIDE TECHNOLOGY COMPANY, LP