FI91493B - Menetelmä metallimatriisikomposiitin valmistamiseksi - Google Patents

Menetelmä metallimatriisikomposiitin valmistamiseksi Download PDF

Info

Publication number
FI91493B
FI91493B FI894938A FI894938A FI91493B FI 91493 B FI91493 B FI 91493B FI 894938 A FI894938 A FI 894938A FI 894938 A FI894938 A FI 894938A FI 91493 B FI91493 B FI 91493B
Authority
FI
Finland
Prior art keywords
metal
matrix
filler
preform
matrix metal
Prior art date
Application number
FI894938A
Other languages
English (en)
Swedish (sv)
Other versions
FI91493C (fi
FI894938A0 (fi
Inventor
Michael Kevork Aghajanian
Ralph Alfred Langensiepen
Robert James Wiener
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 FI894938A0 publication Critical patent/FI894938A0/fi
Application granted granted Critical
Publication of FI91493B publication Critical patent/FI91493B/fi
Publication of FI91493C publication Critical patent/FI91493C/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
    • C04B41/50—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
    • 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)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)
  • Electron Beam Exposure (AREA)
  • Vending Machines For Individual Products (AREA)
  • Control And Other Processes For Unpacking Of Materials (AREA)
  • Developing Agents For Electrophotography (AREA)
  • Auxiliary Devices For And Details Of Packaging Control (AREA)
  • General Preparation And Processing Of Foods (AREA)
  • Superconductors And Manufacturing Methods Therefor (AREA)
  • Transition And Organic Metals Composition Catalysts For Addition Polymerization (AREA)

Description

91493
Menetelmä metallimatriisikomposiitin valmistamiseksi
Esillä oleva keksintö liittyy sisäänvientivälineen käyttä-5 miseen metallin spontaanin tunkeutumismenetelmän yhteydessä metallimatriisi-komposiittikappaleen tuottamiseksi. Erityisesti saatetaan sula matriisimetalli tunkeutumaan spontaanisti läpäisevään täyteainemassaan tai esimuottiin metallimatriisi-komposiittikappaleen muodostamiseksi.
10 Tunkeutumisen edistäjä ja/tai tunkeutumisen edistäjän edeltäjä sekä tunkeutumisatmosfääri ovat myös ainakin prosessin jossakin vaiheessa yhteydessä täyteaineeseen tai esimuottiin, mikä sallii sulan metallimatriisin spontaanin tunkeutumisen täyteaineeseen tai esimuottiin. Lisäksi on 15 järjestetty sisäänvientiväline, joka säätää tai rajoittaa sulan matriisimetallin ja täyteaineen tai esimuotin välistä pintakosketusta. Sisäänvientivälineen käyttäminen aikaansaa matriisimetallin sen määrän säädön, joka voi koskettaa esimuottia tai täyteainetta. Sellainen rajoitettu 2 0 tai säädetty pintakosketus voi johtaa muodostetun metalli- matriisi-komposiittikappaleen työstämistarpeen vähenemiseen verrattuna samanlaiseen metallimatriisi-komposiitti-kappaleeseen, joka on tehty ilman sisäänvientivälinettä. Sisäänvientivälineen käyttäminen parantaa lisäksi muodos-25 tetun metallimatriisi-komposiittikappaleen taipumusta muodostetun komposiittikappaleen ja matriisimetallijään-nöksen välisestä kosketuksesta johtuvaan kieroutumiseen.
Metallimatriisin ja lujittavan tai vahvistavan faasin, 30 kuten keraamisia hiukkasia, kuitukiteitä, kuituja tai vastaavia käsittävät komposiittituotteet näyttävät lupaa-vilta moniin eriin sovellutuksiin, koska niissä yhdistyvät osa lujittavan faasin jäykkyydestä ja kulutuskestävyydestä metallimatriisin muovattavuuteen ja sitkeyteen. Yleensä 91493 2 metallimatriisikomposiitilla luodaan parannuksia sellaisissa ominaisuuksissa, kuten lujuus, jäykkyys, hankausku-lutuksen kestävyys, ja lujuuden pysyminen korkeammissa lämpötiloissa, verrattuna matriisimetalliin sen monoliit-5 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 10 kevyempää kuin matriisimetalli sellaisenaan. Alumiinimat-riisikomposiitit, jotka on vahvistettu keräämillä, kuten esimerkiksi piikarbidilla hiukkasten, hiutaleiden tai kuitukiteiden muodossa, ovat kiinnostavia johtuen niiden alumiiniin verrattuna suuremmasta jäykkyydestä, kulutuksen 15 kestävyydestä ja korkean lämpötilan lujuudesta.
Alumiiniroatriisikomposiittien valmistamiseksi on kuvattu erilaisia metallurgisia menetelmiä, mukaanlukien menetelmiä, jotka perustuvat jauhemetallurgiatekniikoihin ja 20 sulan metallin tunkeutumistekniikoihin, joissa käytetään hyväksi painevalua, tyhjövalua, sekoittamista, ja notkis-timia. Jauhemetallurgiatekniikoiden avulla jauheen muodossa oleva metalli ja jauheen, kuitukiteiden, leikattujen kuitujen, jne. muodossa oleva lujittava aine sekoitetaan 25 ja sitten joko kylmäpuristetaan ja sintrataan, tai kuuma-puristetaan. Tällä menetelmällä tuotetun piikarbidilla lujitetun alumiinimatriisikomposiitin suurimman keraamin tilavuusosan on ilmoitettu olevan noin 25 tilavuusprosenttia kuitukiteiden tapauksessa ja noin 40 tilavuusprosenttia 30 hiukkasten tapauksessa.
Metallimatriisikomposiittien tuottaminen jauhemetallurgi-sia tekniikoita käyttävin tavanomaisin menetelmin asettaa eräitä rajoituksia aikaansaatavien tuotteiden ominaisuuk-35 sille. Komposiitissa olevan keraamifaasin tilavuusosa on tyypillisesti rajoittunut, hiukkasten tapauksessa noin 40 prosenttiin. Samaten asettaa puristustoiminta rajan käy- 91493 3 tännössä saavutettavalle koolle. Ainoastaan suhteellisen yksinkertaiset tuotteen muodot ovat mahdollisia ilman jälkeenpäin tapahtuvaa käsittelyä (esim. muotoilua tai koneistusta) tai ottamatta käyttöön monimutkaisia puris-5 timia. Sintrauksen aikana voi myös esiintyä epätasaista kutistumista, samoin kuin mikrostruktuurin epätasaisuutta, johtuen kiintoaineisiin eriytymisestä ja hiukkasten kasvusta.
10 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. Komposiitti tehdään sijoittamalla siimassa tasossa olevien 15 kuitujen samansuuntaisia mattoja tai huopia muottiin yhdessä sulan matriisimetallin, esim. alumiinin lähteen kanssa ainakin joidenkin mattojen välissä, ja kohdistamalla painetta, niin että sula metalli pakotetaan tunkeutumaan mattoihin ja ympäröimään suunnatut kuidut. Mattojen pinon 20 päälle voidaan valaa sulaa metallia, jolloin sitä paineen avulla pakotetaan virtaamaan mattojen väliin. Komposiitissa olevien lujittavien kuitujen jopa 50 % tilavuuspitoi-suuksia on ilmoitettu.
25 Edellä olevaan tunkeutumismenetelmään liittyy paineen aiheuttamien virtausprosessien yllätyksellisiä vaihteluja. ts. mahdollisia epäsäännöllisyyksiä matriisin muodostumisessa, huokoisuutta, jne, kun otetaan huomioon että se riippuu ulkoisesta paineesta sulan matriisimetallin pakot-30 tamiseksi kuitupitoisten mattojen läpi. Ominaisuuksien epätasaisuus on mahdollinen vaikka sulaa metallia johdettaisiin useammasta kohdasta kuitupitoiseen järjestelyyn. Vastaavasti on järjestettävä monimutkaiset matto/lähde-järjestelyt ja virtausreitit soveltuvan ja tasaisen tun-35 keutumisen aikaansaamiseksi kuitumattojen pinoon. Edellä mainittu painetunkeutumismenetelmä mahdollistaa myös ainoastaan suhteellisen pienen lujitusaineen ja matriisit!- 4 91493 lavuuden suhteen, johtuen suureen mattotilavuuteen kiinteästi liittyvästä tunkeutumisen vaikeudesta. Lisäksi muoteissa on oltava sulaa metallia paineen alaisena, joka nostaa menetelmän kustannuksia. Lopuksi edellä mainittu 5 menetelmä, joka rajoittuu ojennuksessa oleviin hiukkasiin tai kuituihin tunkeutumiseen, ei sovellu alumiinimatrii-sikomposiittien muodostamiseen, jotka on lujitettu satunnaisesti suuntautuvista hiukkasista, kuitukiteistä tai kuiduista koostuvilla aineilla.
10
Alumiinimatriisi-alumiinioksiditäytteisten komposiittien valmistuksessa alumiini ei helposti kostuta alumiinioksidia, jolloin on vaikeata muodostaa yhtenäinen tuote. Tähän ongelmaan on ehdotettu erilaisia ratkaisuja. Eräs sellainen 15 lähestyminen on alumiinin päällystäminen metallilla (esim. nikkelillä tai wolfrämillä), joka sitten kuumapuristetaan yhdessä alumiinin kanssa. Toisessa tekniikassa alumiini seostetaan litiumin kanssa, ja alumiinioksidi voidaan päällystää piidioksidilla. Näillä komposiiteilla kuitenkin 20 ominaisuudet vaihtelevat, tai päällystykset voivat heikentää täytettä, tai matriisi sisältää litiumia, joka voi vaikuttaa matriisin ominaisuuksiin.
US-patentilla 4,232,091 voitetaan eräitä alan vaikeuksia, 25 joita kohdataan valmistettaessa alumiinimatriisi-alumii-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 esilämmitetty alueelle 30 700 - 1050°C. Alumiinioksidin suurin suhde metalliin tuloksena olevassa kiinteässä valukappaleessa oli 0,25:1. Koska tässä menetelmässä ollaan riippuvaisia ulkopuolisesta paineesta tunkeutumisen aikaansaamiseksi, sitä värväävät monet samat puutteet kuin US-patenttia 3,970,136.
EP-hakemuksessa 115,742 kuvataan alumiini-alumiinioksidi-komposiittien valmistamista, jotka ovat erityisen käyttö- 35 91493 kelpoisia elektrolyyttikennokomponentteina, ja joissa esi-muotin alumiinioksidimatriisin ontelot täytetään alumiinilla, ja tätä varten käytetään erilaisia tekniikoita alumiinioksidin kostuttamiseksi koko esimuotissa. Alu-5 miinioksidi kostutetaan esimerkiksi titaani-, zirkonium-, hafnium tai niobi-diboridia olevalla kostutusaineella tai metallilla, ts. litiumilla, magnesiumilla, kalsiumilla, titaanilla, kromilla, raudalla, koboltilla, nikkelillä, zirkoniumilla tai hafniumilla. Kostutuksen edistämiseksi 10 käytetään inerttiä atmosfääriä, kuten argonia. Tässä julkaisussa esitetään myös paineen kohdistaminen sulan alumiinin saamiseksi tunkeutumaan päällystämättömään matriisiin. Tässä suhteessa tunkeutuminen aikaansaadaan saattamalla huokoset ensin tyhjöön ja kohdistamalla sitten 15 sulaan alumiiniin painetta inertissä atmosfäärissä, esim. argonissa. Vaihtoehtoisesti esimuottiin voidaan tunkeutua höyryfaasissa olevalla alumiinipäällystyksellä pintojen kostuttamiseksi ennen onteloiden täyttämistä tunkeutuvalla sulalla alumiinilla. Jotta varmistettaisiin alumiinin 20 pysyminen esimuotin huokosissa vaaditaan lämpökäsittelyä, esim lämpötilassa 1400 - 1800°C, joko argonissa tai tyhjössä. Muutoin joko paineen alaisena tunkeutuneen aineen altistuminen kaasulle, tai tunkeutumispaineen poistaminen, aiheuttaa alumiinin häviämistä kappaleesta.
25
Kostutusaineiden käyttäminen alumiinioksidikomponentin tunkeutumisen aikaansaamiseksi sulaa metallia sisältävään elektrolyyttikennoon on esitetty myös EP-patenttihakemuk-sessa 94353. Tässä julkaisussa kuvataan alumiinin tuotta-30 mistä elektrolyysillä kennossa, jossa virranjohdinkatodi 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 35 kun se on upotettuna elektrolyysiprosessin tuottamaan sulaan alumiiniin. Kuvattuja kostutusaineita ovat titaani, zirkonium, hafnium, pii, magnesium, vanadiini, kromi, niobi 6 91493 tai kalsium, ja titaani esitetään edullisimmaksi aineeksi. Boorin, hiilen ja typen yhdisteiden selitetään olevan hyödyllisiä estettäessä kostutusaineiden liukenemista sulaan alumiiniin. Tässä julkaisussa ei kuitenkaan ehdoteta 5 metallimatriisikomposiittien tuottamista, eikä siinä eh-dotetaa sellaisten komposiittien muodostamista esimerkiksi typpiatmosfäärissä.
Paineen ja kostutusaineiden käytön lisäksi on kuvattu 10 tyhjön kohdistamisen edistävän sulan alumiinin tunkeutumista huokoiseen keraamikappaleeseen. Esimerkiksi US-pa-tentissa 3,718,441 raportoidaan keraamiseen kappaleeseen (esim. boorikarbidi, alumiinioksidi ja berylliumoksidi) tunkeutumista joko sulalla alumiinilla, berylliumilla, 15 magnesiumilla, titaanilla, vanadiinilla, nikkelillä tai kromilla, tyhjössä joka on alle 10” torr. Välillä 10” ...
10“6 torr oleva tyhjö johti keraamin heikkoon kostuttami-seen sulalla metallilla, niin ettei metalli virrannut vapaasti keraamin ontelotiloihin. Kostuttamisen sanotaan 20 kuitenkin parantuneen, kun tyhjö pienennettiin alle 10”6 torr.
Myös US-patentissa 3,864,154 esitetään tyhjön käyttämistä tunkeutumisen aikaansaamiseksi. Tässä patentissa selite-25 tään kylmäpuristetun AlBi2-jauhekappaleen asettamista kylmäpuristetun alumiinijauheen pedille. Sen jälkeen sijoitettiin lisää alumiinia AlBi2-jauhekappaleen päälle. Sulatusastia, jossa AlBi2-kappale oli "kerrostettuna" alumiini jauhekerrosten väliin, sijoitettiin tyhjöuuniin. Uu-30 niin järjestettiin noin 10”5 torr oleva tyhjö kaasun poistumista varten. Lämpötilaa nostettiin sen jälkeen 1100°C:een, jossa se pidettiin 3 tuntia. Näissä oloissa sula alumiini tunkeutui AlBi2-kappaleeseen.
35 US-patentissa 3,364,976 selitetään suunnitelmaa itsestään kehittyvän tyhjön aikaansaamista kappaleeseen, sulan me tallin tunkeutumisen lisäämiseksi kappaleeseen. Erityises- 91493 7 ti selitetään, että kappale, esim. grafiittimuotti, teräs-muotti tai huokoinen tulenkestävä aine, kokonaan upotetaan sulaan metalliin. Muotin tapauksessa metallin kanssa reagoivan kaasun kanssa täytetty muottiontelo on yhteydessä 5 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 reaktion johdosta. Tyhjö on erityisesti tulosta metallin 10 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 ole toivottavaa, johtuen muotin käyttöön liittyvistä 15 välittömistä rajoituksista. Muotit on ensin koneistettava määrättyyn muotoon; sitten loppukäsiteltävä, koneistettava hyväksyttävän valupinnan tuottamiseksi muottiin; sitten koottava ennen niiden käyttämistä; sitten purettava niiden käytön jälkeen valukappaleen poistamiseksi niistä; ja sen 20 jälkeen muotti on jälleen saatettava käyttökuntoon, mikä mitä todennäköisimmin merkitsisi muotin pintojen uudelleen käsittelyä tai muotin poistamista, ellei se enää ole käyttöön hyväksyttävä. Muotin työstäminen monimutkaiseen muotoon saattaa olla erittäin kallista ja aikaavievää. 25 Lisäksi muodostuneen kappaleen poistaminen monimutkaisen muotoisesta muotista saattaa olla vaikeata (ts. monimutkaisen muotoiset valukappaleet saattavat mennä rikki niitä muotista poistettaessa). Lisäksi, vaikka julkaisussa ehdotetaan, että huokoinen tulenkestävä aine voitaisiin 30 suoraan upottaa sulaan metalliin tarvitsematta käyttää 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, 35 että hiukkasmainen aine tyypillisesti dissosioituisi tai valuisi hajalleen sitä sulaan metalliin sijoitettaessa). Lisäksi, jos haluttaisiin aikaansaada tunkeutuminen hiuk- 91493 8 kasmaiseen aineeseen tai löyhästi muodostettuun esimuot-tiin, olisi ryhdyttävä varotoimiin, niin ettei tunkeutuva metalli syrjäyttäisi osaa hiukkasaineesta tai esimuotista, mikä johtaisi epähomogeeniseen mikrostruktuuriin.
5
Vastaavasti on kauan ollut olemassa tarve saada yksinkertainen ja luotettava menetelmä muotoiltujen metallimatrii-si-komposiittien tuottamiseksi, joka ei perustu paineen tai tyhjön käyttämiseen (joko ulkoisesti kohdistettuna tai 10 sisäisesti kehitettynä), tai vahingollisten kostutusainei-den käyttämiseen metallimatriisin luomiseksi toiseen aineeseen, kuten keraamiseen aineeseen. Lisäksi on pitkään ollut tarve minimoida lopullisten koneistustoimenpiteiden määrää, joita tarvitaan metallimatriisi-komposiittikappa-15 leen aikaansaamiseksi. Esillä oleva keksintö tyydyttää nämä tarpeet aikaansaamalla spontaanin tunkeutumismekanismin tunkeutumisen aikaansaamiseksi aineeseen (esim. keraaminen aine), joka voidaan muotoilla esimuotiksi, jossa on sulaa matriisimetallia (esim. alumiinia) tunketumisatmosfäärin 20 (esim. typen) läsnäollessa normaalissa ilmanpaineessa, jolloin tunkeutumisen edistäjän edeltäjää ja/tai tunkeutumisen edistäjää on läsnä ainakin jossakin prosessin vaiheessa.
25 Tämän hakemuksen sisältö liittyy useaan rinnakkaiseen hakemukseen. Erityisesti nämä muut rinnakkaiset hakemukset kuvaavat uusia menetelmiä metallimatriisi-komposiittiai-neiden tuottamiseksi (niihin viitataan jälempänä eräissä tapauksissa nimellä "rinnakkais-metallimatriisihakemuk-30 set").
Uutta menetelmää metallimatriisi-komposiittiaineen tuottamiseksi kuvataan US-hakemuksessamme 049,171, jonka nimityksenä on "Metallimatriisikomposiitteja", nyt US-pa-35 tentti 4,828,008. Mainitun keksinnön menetelmän mukaisesti metallimatriisikomposiitti tuotetaan tunkeuttamalla läpäisevään täyteaineeseen (esim. keräämiä tai keräämillä 91493 9 päällystettyä ainetta) sulaa alumiinia, joka sisältää ainakin 1 painoprosentin magnesiumia ja edullisesti ainakin 3 painoprosenttia magnesiumia. Tunkeutuminen tapahtuu spontaanisti käyttämättä ulkoista painetta tai tyhjöä.
5 Sulan metalliseoksen läähde saatetaan koskettamaan täyte-ainemassaa lämpötilassa, joka on ainakin noin 675°C, kun läsnä on kaasua, joka käsittää noin 10 - 100 tilavuusprosenttia, edullisesti ainakin noin 50 tilavuusprosenttia typpeä, jolloin loput, mikäli sitä on, on ei-hapettavaa 10 kaasua, esim. argonia. Näissä oloissa sula alumiiniseos tunkeutuu keraamimassaan normaalissa ilmakehän paineessa muodostaen alumiini- (tai alumiiniseos-) matriisikomposii-tin. Kun haluttu määrä täyteainetta on sulan alumiiniseoksen läpitunkemaa, lasketaan lämpötilaa seoksen kiinteyt-15 tämiseksi, jolloin muodostuu kiinteä metallimatriisi-rakenne, joka sulkee sisäänsä lujittavan täyteaineen. Tavallisesti, ja edullisesti, syötetty sula seos riittää aikaansaamaan tunkeutumisen etenemisen oleellisesti täy-teainemassan rajoille. US-patentin 4,828,008 mukaisesti 20 tuotettujen alumiinimatriisikomposiittien täyteaineen määrä voi olla erittäin suuri. Tässä mielessä voidaan saavuttaa täyteaineen ja seoksen tilavuussuhteita jotka ovat suurempia kuin 1:1.
25 Edellä mainitun US-patentin 4,828,008 mukaisissa proses- sioloissa alumiininitridiä voi muodostua epäjatkuvana faasina, joka on jakautunut koko alumiinimatriisiin. Nitridin määrä alumiinimatriisissa voi vaihdella sellaisten tekijöiden, kuten lämpötilan, seoksen koostumuksen, 30 kaasun koostumuksen ja täyteaineen mukaisesti. Siten voidaan yhtä tai useampaa sellaista järjestelmän tekijää säätämällä räätälöidä määrättyjä komposiitin ominaisuuksia. Joitakin loppukäyttösovellutuksia varten voi kuitenkin olla toivottavaa, että komposiitti sisältää vähän tai 35 oleellisesti ei lainkaan alumiininitridiä.
91493 10
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-5 dostumisen välisen tasapainon valitseminen.
Esimerkki sopivista estovälineistä käytettäviksi metalli-matriisikomposiittien muodostamisen yhteydessä on selitetty US-hakemuksessa 141,642, jonka nimityksenä on "Menetelmä 10 metallimatriisikomposiittien valmistamiseksi estoainetta käyttäen". Tämän keksinnön menetelmän mukaisesti estovä-linettä (esim. hiukkasmaista titaanidiboridia tai grafiit-tiainetta, kuten joustavaa grafiittinauhatuotetta, jota Union Carbide myy tuotenimellä Grafoil (R) ) sijoitetaan 15 täyteaineen määrätyllä rajapinnalle ja matriisiseos tunkeutuu estovälineen määrittelemään rajapintaan saakka. Estovälinettä käytetään estämään, torjumaan tai lopettamaan sulan seoksen tunkeutuminen, jolloin aikaansaadaan puhtaita, tai lähes puhtaita muotoja tuloksena olevassa 20 metallimatriisikomposiitissa. Vastaavasti muodostetuilla metallimatriisi-komposiittikappaleilla on ulkomuoto, joka oleellisesti vastaa estovälineen sisämuotoa.
US-patenttihakemuksen 049,171 mukaista menetelmää paran-25 nettiin rinnakkaisella US-patenttihakemuksella 168,284, jonka nimityksenä on "Metallimatriisikomposiitteja ja tekniikoita niiden valmistamiseksi". Mainitussa hakemuksessa esitettyjen menetelmien mukaisesti matriisimetal-liseos on läsnä metallin ensimmäisenä lähteenä ja mat-30 riisimetallin varastolähteenä, joka on yhteydessä sulan metallin ensimmäiseen lähteeseen, esimerkiksi painovoimai-sen virtauksen välityksellä. Erityisesti, mainitussa hakemuksessa esitetyissä oloissa, sulan matriisiseoksen lähde alkaa tunkeutua täyteainemassaan normaalissa ilma-35 kehän paineessa ja aloittaa siten metallimatriisikomposii-tin muodostuksen. Sulan matriisimetallin ensimmäinen lähde kulutetaan sen tunkeutuessa täyteainemassaan, ja halutta- 91493 11 essa sitä voidaan lisätä, edullisesti jatkuvalla tavalla, sulan matriisimetallin varastolähteestä spontaanin tunkeutumisen jatkuessa. Kun toivottu määrä läpäisevää täyteainetta on sulan matriisiseoksen läpitunkemaa, lasketaan 5 lämpötilaa seoksen kiinteyttämiseksi, jolloin muodostuu kiinteä metallimatriisistruktuuri, joka ympäröi lujittavaa täyteainetta. On ymmärrettävä, että metallivarastolähteen käyttäminen on ainoastaan mainitussa patenttihakemuksessa kuvatun keksinnön eräs suoritusmuoto, eikä varastolähteen 10 suoritusmuodon yhdistäminen jokaiseen siinä esitettyyn keksinnön vaihtoehtoiseen suoritusmuotoon ole välttämätöntä, joista eräät voisivat myös olla hyödyllisiä käytettynä esillä olevan keksinnön yhteydessä.
15 Metallin varastolähdettä voi olla sellaisena määränä, että se aikaansaa riittävän metallimäärän tunkeutumisen ennalta määrätyssä määrin läpäisevään täyteaineeseen. Vaihtoehtoisesti voi valinnainen estoväline olla kosketuksessa täyteaineen läpäisevään massaan ainakin sen toisella puolella 20 rajapinnan määrittelemiseksi.
Lisäksi, vaikka syötetyn sulan matriisiseoksen määrän tulisi olla riittävä sallimaan spontaanin tunkeutumisen eteneminen ainakin oleellisesti täyteaineen läpäisevän 25 massan rajapintoihin (ts. estopintoihin) saakka, varasto-lähteessä 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 30 metallimatriisi-komposiittikappaleeseen. Kun siten läsnä on ylimäärä sulaa seosta, tuloksena oleva kappale on kompleksinen komposiittikappale (esim. makrokomposiitti), jossa metallimatriisin läpitunkema keraamikappale suoraan sitoutuu varastolähteeseen jäävään ylimääräiseen metal-35 liin.
12 91493
Jokainen edellä selitetyistä rinnakkais-metallimatriisiha-kemuksista kuvaa menetelmiä metallimatriisi-komposiitti-kappaleiden tuottamiseksi sekä uusia metallimatriisi-kom-posiittikappaleita, joita niillä tuotetaan.
5
Esillä olevan keksinnön mukaiselle menetelmälle metalli-matriisikomposiitin valmistamiseksi on tunnusomaista se, että a) valitaan läpäisevä täyteainemassa; 10 b) sijoitetaan matriisimetallin lähde läpäisevän täyte-ainemassan viereen; c) sijoitetaan sisäänvientiväline läpäisevän täyte-ainemassan ja matriisimetallin lähteen väliin; d) kuumennetaan matriisimetalli lämpötila-alueelle, joka 15 on sen sulamispisteen yläpuolella, sulan matriisime- tallimassan muodostamiseksi; ja e) käytetään ainakin jossakin valmistusprosessin vaiheessa tunkeutumisatmosfääriä sekä tunkeutumisen edistäjää ja/tai tunkeutumisen edistäjän edeltäjää 20 aikaansaamaan sulan matriisimetallin virtaus sisään- vientivälineen läpi ja spontaani tunkeutuminen täyte-ainemassaan.
Sisäänvientiväline toimii säätäen sulan matriisimetallin 25 ja läpäisevän täyteaineen tai esimuotin välistä pintakos-ketusta. Sellaista säätämistä voidaan käyttää sulan matriisimetallin syöttämiseksi esimuotin tai täyteaineen edullisille alueille; ja/tai parantamaan esimuotin tai täyteaineen kieroutumista vähentämällä kosketusta esimuo-30 tin tai täyteaineen ja matriisimetallin jäännöksen välillä; ja/tai vähentämään pinnan työstämisen tarvetta pinta-käsitellyn metallimatriisikomposiitin tuottamiseksi.
Keksinnön mukaan tunkeutumisen edistäjää tai sen edeltäjää 35 syötetään täyteaineeseen tai esimuottiin ja/tai matriisi-metalliin ja/tai tunkeutumisatmosfääriin. Joka tapauksessa lopuksi, ainakin spontaanin tunkeutumisen aikana, tunkeu- « 91493 13 tumisen edistäjän tulisi sijaita ainakin osassa täyteainetta tai esimuottia.
Sijoittamalla sisäänvientiväline keksinnön mukaisesti ai-5 nakin sulan matriisimetallin osan ja täyteaineen tai esi-muotin väliin aikaansaadaan parannettu metallimatriisi-komposiittikappale. Sopivat sisäänvientivälineet käsittävät aineita, joita sula matriisimetalli ei tyypillisesti pysty kostuttamaan prosessiolosuhteissa; ja/tai joka voi 10 edistää sellaisen matriisimetallin jäännöksen poistamista, joka jää kosketukseen täyteaineen tai esimuotin kanssa, johon spontaani tunkeutuminen on tapahtunut. Esimerkkinä sellaisesta sisäänvientivälineestä käytettäväksi alumiini-matriisimetallin kanssa on grafiittia oleva aine, kuten 15 grafiittinauhatuote, joka sisältää yhden ainoan reiän tai useita reikiä tai kanavia sen läpi. Reikien lukumäärää, reikien kokoa ja muotoa, jne. voidaan säätää millä tahansa sopivalla tavalla, niin että saavutetaan parannettu metal-limatriisikomposiitti.
20
Huomattakoon, että tämä hakemus käsittelee pääasiassa alu-miinimatriisimetalleja, jotka jossain metallimatriisikom-posiittikappaleen muodostumisen aikana ovat kosketuksessa magnesiumiin, joka toimii tunkeutumisen edistäjän edeltä-25 jänä, tunkeutumisatmosfäärinä toimivan typen läsnäollessa.
Siten alumiini/magnesium/typpi - j är j estelmänmatriisimetal -li/tunkeutumisen edistäjän edeltäjä/tunkeutumisatmosfääri -järjestelmällä esiintyy spontaania tunkeutumista. Sopiva sisäänvientiväline käytettäväksi tässä järjestelmässä kä-30 sittää grafiittiainetta, kuten grafiittinauhatuotetta, jota Union Carbide myy tavaramerkillä Grafoil (R). Muut matriisimetalli/ tunkeutumisen edistäjän edeltäjä/tunkeutumisatmosfääri- järjestelmät voivat kuitenkin myös käyttäytyä samantapaisesti kuin alumiini/magnesium/typpi-järjes-35 telmä. Samantapaista spontaania tunkeutumiskäyttäytymistä on esimerkiksi havaittu alumiini/strontium/typpi-järjestelmässä; alumiini/sinkki/happi-järjestelmässä; sekä alu-• miini/kalsium/typpi-järjestelmässä. Vastaavasti, vaikka 14 91493 tässä hakemuksessa käsitellään ainoastaan alumiini/mag-nesium/typpi-järjestelmää, on ymmärrettävä, että muut me-tallimatriisi/tunkeutumisen edistäjän edeltäjä/tunkeutu-misatmosfääri-järjestelmät voivat käyttäytyä samantapai-5 sesti, ja keksintö on tarkoitettu kattamaan myös ne. Sopiva sisäänvientiväline voidaan valita käytettäväksi kullekin muulle spontaanille tunkeutumisjärjestelmälle.
Matriisimetallin käsittäessä alumiiniseosta saatetaan 10 alumiiniseos kosketukseen esimuottiin, joka käsittää täyteainetta (esim. alumiinioksidia tai piikarbidia), tai täyteaineen massaan, jolloin esimuottiin tai täyteainemas-saan on sekoitettu magnesiumia, ja/tai jolloin ne saatetaan magnesiumin vaikutuksen alaiseksi prosessin jossakin 15 kohdassa. Eräässä edullisessa suoritusmuodossa alumiiniseos ja/tai esimuotti tai täyteaine pidetään lisäksi typ-piatmosfäärissä ainakin prosessin osan aikana. Esimuotissa esiintyy spontaania tunkeutumista, ja spontaanin tunkeutumisen ja metallimatriisin muodostumisen määrä tai nopeus 20 vaihtelevat prosessiolojen annetun järjestelyn mukaisesti, mukaan lukien esimerkiksi järjestelmään (esim. alumiiniseokseen ja/tai täyteaineeseen tai esimuottiin ja/tai tun-keutumisatmosfääriin) tuotetun magnesiumin pitoisuus, täyteaineen tai esimuotin hiukkasten koko ja/tai koostumus, 25 typen pitoisuus tunkeutumisatmosfäärissä, aika jona tunkeutumisen annetaan esiintyä, ja/tai lämpötila, jossa tunkeutuminen esiintyy. Spontaania tunkeutumista esiintyy tyypillisesti niin suuressa määrin, että se riittää oleellisen täydellisesti ympäröimään esimuotin tai täyteaineen.
30 Määritelmiä "Alumiini" merkitsee ja sisältää tässä käytettynä oleellisesti puhtaan metallin (esim. suhteellisen puhtaan, kaupallisesti saatavan seostamattoman alumiinin) tai metallin 35 ja metalliseosten muita laatuja, kuten kaupallisesti saatavat metallit, joissa on epäpuhtauksia ja/tai jotka „ 91493
Id sallivat siinä olevan sellaisia ainesosia, kuten rautaa, piitä, kuparia, magnesiuma, mangaania, kromia, sinkkiä, jne. Tämän määritelmän tarkoituksiin oleva alumiiniseos on seos tai metallien muodostelma yhdiste, jossa alumiini on 5 pääainesosana.
"Ei-hapettavan kaasun loppuosa" merkitsee tässä käytettynä sitä, että tunkeutumisatmosfäärin muodostavan primääri-kaasun lisänä oleva mikä tahansa kaasu on joko inerttiä 10 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 matriisimetallin hapetteuniseen missään oleellisessa määrin 15 prosessin olosuhteissa.
"Estoaine" tai "estoväline" merkitsee tässä käytettynä mitä tahansa soveltuvaa välinettä, joka vuorovaikuttaa, estää, torjuu tai lopettaa sulan matriisimetallin kulkeutumisen, 20 siirtymisen tai vastaavan, täyteainemassan tai esimuotin rajapinnan taakse, jolloin mainittu estoväline määrittelee sellaisen rajapinnan. Sopivia estovälineitä voivat olla mitkä tahansa aineet, yhdisteet, alkuaineet, koostumukset tai vastaavat, jotka prosessin olosuhteissa ylläpitävät 25 jonkinasteisen eheyden eivätkä ole oleellisesti haihtuvia (ts. estoaine ei haihdu niin paljon, että siitä tulisi estoaineena hyödytön).
Lisäksi sopivat "estovälineet" sisältävät aineita, joita 30 kulkeutuva sula matriisimetalli käytetyn prosessin aikana ei oleellisesti pysty kostuttamaan. Tämän tyyppisellä estoaineella näyttää olevan oleellisen vähän tai ei lainkaan yhtymispyrkimystä sulaan matriisimetalliin, ja estoväline estää tai torjuu siirtymisen täyteainemassan 35 tai esimuotin määritellyn rajapinnan yli. Estoaine vähentää mahdollista loppukoneistusta tai hiomista, jota voidaan tarvita, ja määrittelee ainakin osan tuloksena olevan 91493 16 metallimatriisi-komposiittituotteen pinnasta. Estoaine voi määrätyissä tapauksissa olla läpäisevää tai huokoista, tai se voidaan saattaa läpäiseväksi esimerkiksi poraamalla reikiä estoaineeseen tai lävistämällä se, niin että kaasu 5 pääsee kosketukseen sulan matriisimetallin kanssa.
"Jäännökset" tai "matriisimetallin jäännökset" viittaa tässä käytettynä alkuperäisen matriisimetallirungon mahdolliseen osaan, joka jää jäljelle ja joka ei ole kulunut 10 metallimatriisi-komposiittikappaleen muodostuksen aikana, ja tyypillisesti, jos sen annetaan jäähtyä, pysyy ainakin osittaisessa kosketuksessa muodostettuun metallimatriisi-komposiittikappaleeseen. Tulisi ymmärtää, että jäännökset voivat myös sisältää toista tai vierasta ainetta.
15 "Täyteaine" on tässä käytettynä tarkoitettu sisältämään joko yksittäisiä aineksia tai ainesseoksia, jotka oleellisesti eivät reagoi matriisimetallin kanssa ja/tai joilla on rajoitetu liukenevuus matriisimetalliin, ja jotka voivat 20 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. Täyteaine voi myös sisältää keraamisia täyteaineita, kuten 25 alumiinioksidia tai piikarbidia kuituina, leikattuina kuituina, hiukkasina, kuitukiteinä, kuplina, kuulina, kuitumattoina, tai vastaavina, ja päällystettyjä täyteaineita, kuten hiilikuituja, jotka on päällystetty alumiinioksidilla tai piikarbidilla hiilen suojaamiseksi 30 esim. sulan perusmetalli-alumiinin syövyttävältä vaikutukselta. Täyteaineet voivat myös käsittää metalleja.
"Sisäänvientiväline" tarkoittaa tässä käytettynä mitä tahansa ainetta, jolla prosessiolosuhteissa on yksi tai 35 useampia seuraavista ominaisuuksista: 1) sula matriisime-talli ei oleellisesti pysty kostuttamaan sitä verrattuna täyteaineeseen tai esimuottiin, johon tunkeutumisen tulee 91493 17 tapahtua; 2) se vähentää sitoutumisen lujuutta ja/tai sitoutumisen määrää matriisimetallin jäännöksen ja metal-limatriisi-komposiittikappaleen välillä, jossa tunkeutuminen on tapahtunut, jolloin se (i) parantaa jännityksen 5 määrää (esim. kieroutumista), joka siirtyy metallimatrii-si-komposiittikappaleeseen matriisimetallin jäännöksestä johtuen erilaisesta jäähtymiskutistumisesta matriisimetallin jäännöksen ja tuloksena olevan metallimatriisi-kom-posiittikappaleen välillä, ja/tai (ii) vähentää työstämi-10 sen määrää, jota tarvitaan tuloksena olevan metallimatrii-si-komposiittikappaleen pinnalle, johtuen matriisimetallin jäännöksen ja tuloksena olevan metallimatriisi-kom-posiittikappaleen välisestä pienentyneestä pintakosketuk-sesta ja/tai matriisimetallin ja esimuotin tai tunkeu-15 duttavan täyteaineen välisestä pienentyneestä pintakoske-tuksesta tunkeutumisen tapahtuessa.
"Tunkeutumisatmosfääri" tässä käytettynä tarkoittaa sitä atmosfääriä, joka on läsnä ja joka vuorovaikuttaa mat-20 riisimetallin ja/tai esimuotin (tai täyteaineen) ja/tai tunkeutumisen edistäjän edeltäjän ja/tai tunkeutumisen edistäjän kanssa ja sallii tai edistää matriisimetallin spontaanin tunkeutumisen esiintymisen.
25 "Tunkeutumisen edistäjä" merkitsee tässä käytettynä ainetta, joka edistää tai avustaa matriisimetallin spontaania tunkeutumista täyteaineeseen tai esimuottiin. Tunkeutumisen edistäjä voidaan muodostaa esimerkiksi tunkeutumisen edistäjän edeltäjän reaktiolla tunkeutumisatmosfäärin 30 kanssa 1) kaasun ja/tai 2) tunkeutumisen edistäjän edeltäjän ja tunkeutumisatmosfäärin reaktiotuotteen ja/tai 3) tunkeutumisen edistäjän edeltäjän ja täyteaineen tai esimuotin reaktiotuotteen muodostamiseksi. Lisäksi tunkeutumisen edistäjää voidaan syöttää suoraan ainakin yhteen 35 seuraavista: esimuottiin, ja/tai matriisimetalliin, ja/tai tunkeutumisatmosfääriin; ja se voi toimia oleellisesti samalla tavalla kuin tunkeutumisen edistäjä, joka on 18 91495 muodostunut tunkeutumisen edistäjän edeltäjän ja jonkin toisen aineen reaktiona. Lopuksi ainakin spontaanin tunkeutumisen aikana tunkeutumisen edistäjän tulisi sijaita ainakin osassa täyteainetta tai esimuottia spontaanin 5 tunkeutumisen aikaansaamiseksi.
"Tunkeutumisen edistäjän edeltäjä" merkitsee tässä käytettynä ainetta, joka yhdessä matriisimetallin, esimuotin ja/tai tunkeutumisatmosfäärin kanssa käytettynä muodostaa 10 tunkeutumisen edistäjän, joka aiheuttaa tai avustaa matriisimetallin spontaania tunkeutumista täyteaineeseen tai esimuottiin. Haluamatta sitoutua mihinkään määrättyyn teoriaan tai selitykseen, vaikuttaa siltä, että tunkeutumisen edistäjän edeltäjää pitäisi pystyä asettamaan, sen 15 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 matriisimetalli/tunkeutumisen edistäjän edeltäjä/tunkeu-20 tumisatmosfääri-järjestelmissä on esimerkiksi toivottavaa, että tunkeutumisen edistäjän edeltäjä höyrystyy siinä lämpötilassa jossa matriisimetalli sulaa, tämän lämpötilan lähellä, tai eräissä tapauksissa jopa jonkinverran tämän lämpötilan yläpuolella. Sellainen höyrystyminen saattaa 25 johtaa: 1) tunkeutumisen edistäjän edeltäjän reaktioon tunkeutumisatmosfäärin kanssa sellaisen kaasun muodostamiseksi, joka edistää täyteaineen tai esimuotin kostuttamista matriisimetallilla; ja/tai 2) tunkeutumisen edistäjän edeltäjän reaktioon tunkeutumisatmosfäärin kanssa 30 sellaisen kiinteän aineen, nesteen tai kaasun muodossa olevan tunkeutumisen edistäjän muodostamiseksi ainakin täyteaineen tai esimuotin osassa, joka edistää kostuttamista; ja/tai 3) sellaiseen tunkeutumisen edistäjän edeltäjän reaktioon täyteaineessa tai esimuotissa, joka muo-35 dostaa kiinteän aineen, nesteen tai kaasun muodossa olevan tunkeutumisen edistäjän ainakin täyteaineen tai esimuotin osassa, joka edistää kostuttamista.
91493 19 "Matriisimetalli" tai "matriisimetalliseos" merkitsevät tässä käytettynä sitä metallia, jota käytetään metallimat-riisikomposiitin muodostamiseksi (esim. ennen tunkeutumista) ja/tai sitä metallia, joka sekoittuu täyteaineeseen 5 metallimatriisi-komposiittikappaleen muodostamiseksi (esim. tunkeutumisen jälkeen). Kun matriisimetalliksi nimetään määrätty metalli, on ymmärrettävä, että sellainen matriisimetalli sisältää tämän metallin oleellisesti puhtaana metallina, kaupallisesti saatavana metallina, jossa 10 on epäpuhtauksia ja/tai seosaineita, metallien muodostaman yhdisteenä tai seoksena, jossa tämä metalli on pääasiallisena osana.
"Matriisimetalli/tunkeutumisen edistäjän edeltäjä/tunkeu-15 tumisatmosfääri-järjestelmä" eli "spontaani järjestelmä" viittaa tässä käytettynä siihen aineiden yhdistelmään, jolla esiintyy spontaania tunkeutumista esimuottiin ja täyteaineeseen. On ymmärrettävä, että kun esimerkin mat-riisimetallin, tunkeutumisen edistäjän edeltäjän ja tun-20 keutumisatmosfäärin välissä esiintyy merkki "/", sitä käytetään merkitsemään järjestelmää tai aineiden yhdistelmää, jolla määrätyllä tavalla yhdisteltynä esiintyy spontaania tunkeutumista esimuottiin tai täyteaineeseen.
25 "Metallimatriisikomposiitti" eli "MMC" merkitsee tässä käytettynä ainetta, joka käsittää kaksi- tai kolmiulottei-sesti liittyneen seoksen tai matriisimetallin, joka pitää sisällään esimuottia tai täyteainetta. Matriisimetalli voi sisältää erilaisia seosalkuaineita, joilla aikaansaadaan 30 erityisesti toivotut mekaaniset ja fysikaaliset ominaisuudet tuloksena olevassa komposiitissa.
Matriisimetallista "poikkeava" metalli merkitsee metallia, joka ei sisällä pääasiallisena ainesosana saunaa metallia 35 kuin matriisimetalli (jos esimerkiksi matriisimetallin pääasiallisena osana on alumiini, niin "poikkeavan" metallin pääasiallisena osana voisi olla esimerkiksi nikkeli).
91493 20 "Ei-reaktiivinen astia matriisimetallia varten" merkitsee mitä tahansa astiaa, joka voi sisältää täyteainetta (tai esimuotin) ja/tai sulaa matriisimetallia prosessin oloissa, ja joka ei reagoi matriisin ja/tai tunkeutumisatmos-5 fäärin ja/tai tunkeutumisen edistäjän edeltäjän ja/tai täyteaineen tai esimuotin kanssa sellaisella tavalla, joka oleellisesti huonontaisi spontaania tunkeutumismekanis-mia.
10 "Esimuotti” tai "läpäisevä esimuotti" merkitse tässä käytettynä sellaista huokoista täytemassaa tai täyte-ainemassaa, joka valmistetaan ainakin yhdellä rajapinnalla, joka oleellisesti määrittelee tunkeutuvalle mat-riisimetallille rajapinnan, kuten massaa, joka riittävän 15 hyvin pitää ehjän muotonsa ja tuorelujuuden, niin että se aikaansaa mittapysyvyyden ennen kuin matriisimetalli tunkeutuu siihen. Massan tulisi olla riittävän huokoista, niin että se sallii matriisimetallin spontaanin tunkeutumisen siihen. Tyypillisesti esimuotti käsittää sidotun ryhmän 20 tai täyteaineen järjestelyn, joko homogeenisen tai epähomogeenisen, ja se voi käsittää mitä tahansa soveltuvaa ainetta (esim. keraamisia ja/tai metallihiukkasia, jauheita, kuituja, kuitukiteitä, jne, sekä mitä tahansa näiden yhdistelmää). Esimuotti voi olla joko erillisenä tai 25 kokoonpanona.
"Varastolähde" tai varasto merkitsee tässä käytettynä erillista matriisimetallin kappaletta, joka on sijoitettu täyteainemassan tai esimuotin suhteen niin, että kun 30 metalli sulaa, se voi virrata korvaamaan, tai eräissä tapauksissa alunperin aikaansaamaan ja sen jälkeen täydentämään sitä matriisimetallin osaa, segmenttiä tai lähdettä, joka koskettaa täyteainetta tai esimuottia. Varastolähde voi myös syöttää ainakin jotakin metallia, joka poikkeaa 35 matriisimetallista.
91493 21 "Spontaani tunkeutuminen" merkitsee tässä käytettynä mat-riisimetallin tunkeutumista läpäisevään täyteainemassaan tai esimuottiin, joka tapahtuu vaatimatta paineen tai tyhjön käyttämistä (ei ulkoisesti kohdistettua eikä sisäi-5 sesti kehitettyä).
Seuraavat kuviot on järjestetty keksinnön ymmärtämisen tueksi, mutta niitä ei ole tarkoitettu rajoittamaan keksinnön suoja-alaa. Kaikissa kuvioissa on käytetty 10 mahdollisuuksien mukaan samoja viitenumerolta osoittamaan samanlaisia osia, jolloin:
Kuvio 1 on kaaviollinen poikkileikkaus metallimatriisi-komposiittikappaleen muodostamiseksi käytettyjen 15 aineiden kokoonpanosta esimerkin 1 mukaisesti.
Kuvio 2 on kaaviollinen poikkileikkaus metallimatriisi-komposiittikappaleen muodostamiseksi käytetyn aineen kokoonpanosta esimerkin 2 mukaisesti.
20
Kuvio 3 on valokuva, joka esittää esimerkin 1 mukaisen esimuotin, jossa tunkeutuminen on tapahtunut, ja matriisimetallin jäännöksen.
25 Kuvio 4 on valokuva, joka esittää esimerkin 2 mukaisen esimuotin, jossa tunkeutuminen on tapahtunut, ja matriisimetallin jäännöksen.
Esillä oleva keksintö liittyy menetelmään metallimatrii-30 sikomposiittien valmistamiseksi käyttämällä sisäänvienti-välinettä ohjaamaan tai säätämään sulan matriisimetallin ' spontaania tunkeutumista täyteaineeseen tai esimuottiin.
Erityisesti saatetaan tai aiheutetaan sula matriisimetalli spontaanisti tunkeutumaan täyteaineeseen tai esimuottiin 35 sen jälkeen kun se on kulkenut sisäänvientivälineen läpi. Sisäänvientiväline käsittää mitä tahansa ainetta, jota voidaan sijoittaa sulan matriisimetallin ja läpäisevän 91493 22 täyteaineen tai esimuotin väliin, ja joka voi saattaa sulan matriisimetallin, mieluummin, spontaanisti tunkeutumaan täyteaineeseen tai esimuottiin sisäänvientivälineen rajoittaman ainakin yhden kanavan läpi. Siten sisäänvienti-5 väline toimii säätäen sulan matriisimetallin ja läpäisevän täyteaineen tai esimuotin välistä pintakosketusta. Sopivat sisäänvientivälineet käsittävät aineita, joita sula mat-riisimetalli ei tyypillisesti kykene kostuttamaan proses-sioloissa, ja/tai jotka voivat helpottaa sellaisen mat-10 riisimetallin jäännöksen poistamista, joka koskettaa esimuottia tai täyteainetta, johon spontaani tunkeutuminen on loppuun saatettu.
Sisäänvientivälineeseen järjestetty kanava tai järjestetyt 15 kanavat (joita selitetään yksityiskohtaisemmin alempana), voivat lukumäärältään tai muodoltaan olla millaiset tahansa. Sisäänvientiväline voi esimerkiksi aikaansaada useita tasaisin etäisyyksin olevia kanavia tai yhden ainoan kanavan. Sisäänvientivälineen paksuuden tulisi olla riit-20 tävä 1) absorboimaan mahdolliset jäähtymisjännitykset, joita esiintyy matriisimetallin jäännöksen ja muodostuneen metallimatriisikomposiitin välillä ja/tai 2) vähentämään sitoutumisen lujuutta ja/tai vähentämään sitoutumisen määrää matriisimetallin jäännöksen ja muodostuneen metal-25 limatriisikomposiitin välillä. Sijoittamalla kanava(t) tarkoituksenmukaisesti sisäänvientivälineeseen voidaan sisäänvientivälinettä käyttää kompensoimaan mahdollista matriisimetallin epätasaista tunkeutumista täyteaineeseen tai esimuottiin. Sisäänvientivälineen oikean valinnan, 30 suunnittelun ja sijoittamisen jälkeen sula matriisimetalli voi spontaanisti tunkeutua läpäisevään esimuottiin tai täyteaineeseen.
Spontaanin tunkeutumisen aikaansaamiseksi on tunkeutumisen 35 edistäjä ja/tai tunkeutumisen edistäjän edeltäjä ja/tai tunkeutuva atmosfääri ainakin prosessin jossakin vaiheessa yhteydessä täyteaineeseen tai esimuottiin, mikä sallii 91493 23 sulan matriisimetallin spontaanin tunkeutumisen täyteaineeseen tai esimuottiin sisäänvientivälineen läpi. Erityisesti tulisi tunkeutumisen edistäjää järjestää spontaaniin järjestelmään sulan matriisimetallin spontaanin tunkeutu-5 misen aikaansaamiseksi täyteaineeseen tai esimuottiin. Tunkeutumisen edistäjä voisi muodostua tunkeutumisen edistäjän edeltäjästä, joka voitaisiin järjestää 1) matriisime-talliin, ja/tai 2) täyteaineeseen tai esimuottiin, ja/tai 3) tunkeutumisatmosfääristä, ja/tai 4) ulkoisesta lähtees-10 tä spontaaniin järjestelmään. Lisäksi, tunkeutumisen edistäjän edeltäjän sijasta voidaan tunkeutumisen edistäjää syöttää suoraan ainakin joko esimuottiin, ja/tai mat-riisimetalliin, ja/tai tunkeutumisatmosfääriin. Lopuksi, ainakin spontaanin tunkeutumisen aikana, tunkeutumisen 15 edistäjän tulisi sijaita ainakin osassa täyteainetta tai esimuottia.
Edullisessa suoritusmuodossa on mahdollista, että tunkeutumisen edistäjän edeltäjän voidaan ainakin osittain antaa 20 reagoida tunkeutumisatmosfäärin kanssa, niin että tunkeutumisen edistäjä voidaan muodostaa ainakin osassa täyteainetta tai esimuottia ennen kuin tai oleellisesti samanaikaisesti kun sula matriisimetalli koskettaa esimuottia (esim. jos tunkeutumisen edistäjän edeltäjänä olisi mag-25 nesiumia ja tunkeutumisatmosfäärinä typpeä, niin tunkeutumisen edistäjä voisi olla magnesiumnitridiä, joka voisi sijaita ainakin osassa esimuottia tai täyteainetta).
Esimerkkinä matriisimetalli/tunkeutumisen edistäjän edel-30 täjä/tunkeutumisatmosfääri-järjestelmästä on alumiini/ magnesium/typpi-järjestelmä. Erityisesti voidaan alumii-ni-matriisimetalli asettaa sopivassa tulenkestävässä astiassa olevaan täyteaineeseen, joka astia prosessioloissa ei reagoi alumiinimatriisimetallin ja/tai täyteaineen 35 kanssa, kun alumiini sulatetaan. Täyteaine joka sisältää magnesiumia tai joka voidaan altistaa magnesiumille, ja joka ainakin käsittelyn jossakin vaiheessa altistetaan 91493 24 typpiatmosfäärille, voidaan saattaa kosketukseen sulan alumiinimatriisimetallin kanssa. Matriisimetalli tunkeutuu tällöin spontaanisti täyteaineeseen tai esimuottiin.
5 Lisäksi tunkeutumisen edistäjän edeltäjän syöttämisen sijasta voidaan syöttää tunkeutumisen edistäjää suoraan ainakin joko esimuottiin ja/tai matriisimetalliin ja/tai tunkeutumisatmosfääriin. Lopuksi ainakin spontaanin tunkeutumisen aikana tunkeutumisen edistäjän tulisi sijaita 10 ainakin osassa täyteainetta tai esimuottia.
Niissä oloissa, joita käytetään esillä olevan keksinnön mukaisessa menetelmässä, alumiini/magnesium/typpi-spon-taanissa tunkeutumisjärjestelmän tapauksessa täyteaineen 15 tai esimuotin tulisi olla riittävän läpäisevää, jotta typpeä sisältävä kaasu voisi tunkeutua täyteaineeseen tai esimuottiin prosessin jonkin vaiheen aikana ja/tai koskettaa sulaa matriisimetallia. Lisäksi läpäisevässä täyteaineessa tai esimuotissa voi tapahtua sulan matriisimetallin 20 tunkeutumista, jolloin aiheutuu sulan matriisimetallin spontaani tunkeutuminen typen läpäisemään täyteaineeseen tai esimuottiin, niin että se muodostaa metallimatriisi-komposiittikappaleen ja/tai sattaa typen reagoimaan tunkeutumisen edistäjän edeltäjän kanssa tunkeutumisen edis-25 täjän muodostamiseksi täyteaineeseen tai esimuottiin johtaen näin spontaaniin tunkeutumiseen. Spontaanin tunkeutumisen määrä tai nopeus ja metallimatriisikomposiitin muodostuminen vaihtelee prosessiolojen annetun yhdistelmän mukaisesti, joita ovat mm. magnesiumin määrä alumiiniseok-30 sessa, magnesiumin määrä täyteaineessa tai esimuotissa, magnesiumnitridin määrä esimuotissa tai täyteaineessa, muiden seosalkuaineiden (esim. pii, rauta, kupari, mangaani, kromi, sinkki, ja vastaavat) läsnäolo, täyteaineen keskimääräinen koko (esim. hiukkashalkaisija), täyteaineen 35 pintatila ja tyyppi, tunkeutumisatmosfäärin typpipitoisuus, tunkeutumiselle annettu aika ja lämpötila, jossa tunkeutuminen tapahtuu. Annettaessa esimerkiksi sulan 25 91496 alumiinimatriisimetallin tunkeutumisen tapahtua spontaanisti, voidaan alumiini seostaa ainakin noin 1 painoprosentilla, ja edullisesti ainakin noin 3 painoprosentilla magnesiumia (joka toimii tunkeutumisen edistäjän edeltä-5 jänä), seoksen painoon verrattuna. Muita lisäseosalkuai-neita, kuten edellä on selitetty, voidaan myös sisältää matriisimetalliin sen erityisten ominaisuuksien räätälöimiseksi. Lisäksi lisäseosalkuaineet voivat vaikuttaa matriisin alumiinimetallissa tarvittavan magnesiumin määrään, 10 niin että se johtaa spontaaniin tunkeutumiseen täyteaineeseen tai esimuottiin. Magnesiumin häviämistä spontaanista järjestelmästä, esimerkiksi höyrystymisen vuoksi, ei saisi tapahtua niin suuressa määrin, ettei magnesiumia ole läsnä muodostamaan tunkeutumisen edistäjää. Siten on toivotta-15 vaa, että aluksi käytetään riittävää seosalkuaineiden määrää jotta spontaani tunkeutuminen voisi tapahtua höyrystymisen sitä haittaamatta. Lisäksi magnesiumin läsnäolo sekä täyteaineessa tai esimuotissa että matriisimetallissa tai pelkästään täyteaineessa tai esimuotissa voi johtaa 20 magnesiumin spontaania tunkeutumista varten vaadittavan määrän pienenemiseen (jota selitetään yksityiskohtaisemmin alempana).
Typpiatmosfäärissä olevan typen määrä vaikuttaa myös 25 metallimatriisi-komposiittikappaleen muodostumisnopeu- teen. Erityisesti jos atmosfäärissä on alle 10 tilavuusprosenttia typpeä, niin spontaania tunkeutumista esiintyy hyvin hitaasti tai hyvin vähän. On havaittu, että on edullista kun tunkeutumisatmosfäärissä on ainakin 50 30 tilavuusprosenttia typpeä, jolloin aikaansaadaan lyhyempiä tunkeutumisaikoja paljon suuremmasta tunkeutumismäärästä johtuen. Tunkeutumisatmosfääri (esim. typpeä sisältävä kaasu) voidaan syöttää suoraan täyteaineseen tai esimuottiin ja/tai matriisimetalliin, tai se voidaan tuottaa 35 aineen hajoamisen tuloksena.
91493 26
Sulan matriisimetallin täyteaineseen tai esimuottiin tunkeutumisen aikaansaamiseksi vaadittavan magnesiumin vähimmäismäärä riippuu yhdestä tai useammasta tekijästä, kuten prosessin lämpötilasta, ajasta, muiden lisäseosalkuainei-5 den kuten piin tai sinkin läsnäolosta, täyteaineen luonteesta, magnesiumin sisältymisestä yhteen tai useampaan spontaanin järjestelmän osaan, atmosfäärin typpisisällös-tä, ja typpiatmosfäärin virtausmäärästä. Voidaan käyttää alempia lämpötiloja tai lyhyempiä kuumennusaikoja täydel-10 lisen tunkeutumisen aikaansaamiseksi, kun seoksen ja/tai esimuotin magnesiumpitoisuutta nostetaan. Samaten annetulla magnesiumpitoisuudella määrättyjen lisäseosalkuainei-den, kuten sinkin lisääminen mahdollistaa alempien lämpötilojen käyttämisen. Esimerkiksi matriisimetallin 15 magnesiumpitoisuutta toimivan alueen alapäässä, esim vä lillä noin 1-3 painoprosenttia, voidaan käyttää yhdessä ainakin jonkin seuraavien kanssa: vähimmäisprosessilämpö-tilan ylittävä lämpötila, suuri typpipitoisuus, yksi tai useampia lisäseosalkuaineita. Ellei täyteaineeseen tai 20 esimuottiin lisätä lainkaan magnesiumia, pidetään välillä noin 3-5 painoprosenttia magnesiumia sisältäviä seoksia edullisina, johtuen niiden yleisestä käytettävyydestä laajoilla prosessiolojen alueilla, jolloin ainakin 5 painoprosenttia pidetään edullisena käytettäessä alempia 25 lämpötiloja ja lyhyempiä aikoja. Alumiiniseoksessa voidaan käyttää 10 painoprosentin ylittäviä magnesiumpitoisuuksia tunkeutumiseen vaadittavien lämpötilaolojen muuntelemiseksi. Magnesiumpitoisuutta voidaan pienentää muiden seo-salkuaineiden yhteydessä, mutta nämä alkuaineet palvelevat 30 ainoastaan lisätoimintoja, ja niitä käytetään edellä mainitun magnesiumin minimimäärän tai sen ylittävän määrän kanssa. Esimerkiksi oleellisesti mitään tunkeutumista ei esiintynyt nimellisesti puhtaalla alumiinilla, jota oli seostettu vain 10 % piillä, 1000°C lämpötilassa, alustaan 35 39 Crystolon (99 % puhdasta piikarbidia Norton Coilta), jonka raekoko oli 500 mesh (mesh = seulan aukkojen lukumäärä tuumaa kohti). Magnesiumin läsnäollessa on kuitenkin piin 91493 27 havaittu edistävän tunkeutumisprosessia. Toisena esimerkkinä magnesiumin määrä muuttuu, jos sitä syötetään yksinomaan esimuottiin tai täyteaineeseen. On havaittu, että spontaani tunkeutuminen tapahtuu, kun spontaaniin järjes-5 telmään syötetään pienempi painoprosentti magnesiumia, jos ainakin jokin määrä syötetyn magnesiumin kokonaismäärästä sijoitetaan esimuottiin tai täyteaineeseen. Saattaa olla toivottavaa, että magnesiumia järjestetään pienempi määrä, jotta vältettäisiin ei-toivottujen metalliyhdisteiden syn-10 tyminen metallimatriisi-komposiittikappaleeseen. Esimuo- tin ollessa piikarbidia on havaittu, että matriisimetalli tunkeutuu spontaanisti esimuottiin, kun esimuotti saatetaan kosketukseen alumiinimatriisimetallin kanssa, esi-muotin sisältäessä ainakin 1 painoprosenttia magnesiumia 15 ja oleellisesti puhtaan typpiatmosfäärin läsnäollessa.
Alumiinioksidi-esimuotin tapauksessa hyväksyttävän spontaanin tunkeutumisen saavuttamiseksi vaadittu magnesiumin määrä on hieman suurempi. Erityisesti on havaittu, että kun samantapainen alumiinimatriisimetalli saatetaan kos-20 kettamaan alumiinioksidi-esimuottia, likimain samassa lämpötilassa kuin alumiini joka tunkeutui piikarbidi-esimuot-tiin, ja saman typpiatmosfäärin läsnäollessa, niin saatetaan tarvita ainakin noin 3 painoprosenttia magnesiumia samanlaisen spontaanin tunkeutumisen aikaansaamiseksi, 25 kuin se joka saavutettiin juuri edellä kuvatun piikarbi-di-esimuotin yhteydessä.
On myös havaittu, että on mahdollista syöttää spontaaniin järjestelmään tunkeutumisen edistäjän edeltäjää ja/tai 30 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 syötettyä tunkeutumisen edistäjän edeltäjää tai tunkeutu-35 misen edistäjää tarvitse seostaa matriisimetalliin, vaan että sitä yksinkertaisesti syötetään spontaaniin järjestelmään). Jos magnesiumia levitettäisiin matriisimetallin 91493 28 pinnalle, saattaa olla edullista, että tämä pinta olisi se pinta, joka on lähimpänä tai edullisesti kosketuksessa täyteaineen läpäisevään massaan tai päinvastoin; tai sellaista magnesiumia voitaisiin sekoittaa ainakin esi-5 muotin tai täyteaineen osaan. Lisäksi on mahdollista, että pinnalle levittämisen, seostamisen ja magnesiumin sijoittamisen ainakin täyteaineen osaan, joitakin yhdistelmiä voitaisiin käyttää. Sellaiset yhdistelmät tunkeutumisen edistäjän (edistäjien) ja/tai tunkeutumisen edistäjän 10 edeltäjän (edeltäjien) levittämisessä saattaisivat johtaa alumiinimatriisimetallin täyteaineeseen tunkeutumisen edistämiseen vaadittavan magnesiumin kokonaispaino-prosenttimäärän pienenemiseen, samoinkuin alempien lämpötilojen saavuttamiseen, joissa tunkeutumista voi esiintyä. 15 Lisäksi magnesiumin läsnäolosta johtuva metallien epätoivottujen keskinäisten yhdisteiden muodostuminen voitaisiin myös minimoida.
Yhden tai useamman lisäseosalkuaineen käyttäminen ja 20 ympäröivän kaasun typpipitoisuus vaikuttavat myös mat-riisimetallin nitrautumiseen annetussa lämpötilassa. Esimerkiksi voidaan seokseen sisällyttää tai seoksen pinnalle levittää sellaisia lisäseosalkuaineita kuin sinkkiä tai rautaa tunkeutumislämpötilan alentamiseksi ja siten muo-25 dostuvan nitridin määrän pienentämiseksi, kun taas kaasussa olevan typen pitoisuuden lisäämistä voitaisiin käyttää nitridin muodostumisen edistämiseen.
Seoksessa olevan ja/tai seoksen pinnalle levitetyn ja/tai 30 täyteaineeseen tai esimuottiin yhdistetyn magnesiumin pitoisuus pyrkii myös vaikuttamaan tunkeutumisen määrään annetussa lämpötilassa. Vastaavasti eräissä tapauksissa, joissa pieni määrä tai ei lainkaan magnesiumia saa olla kosketuksessa suoraan esimuottiin tai täyteaineeseen, 35 saattaa olla edullista, että ainakin 3 painoprosenttia magnesiumia sisällytetään seokseen. Tätä arvoa pienemmät seosmäärät, kuten 1 painoprosentti magnesiumia, saattaa 91493 29 vaatia korkeammat prosessilämpötilat tai lisäseosalkuai-neita tunkeutumista varten. Tämän keksinnön spontaanin tunkeutumisprosessin toteuttamiseksi vaadittu lämpötila voi olla alempi: 1) kun yksinomaan seoksen magnesiumpitoi-5 suutta nostetaan, esim. ainakin noin 5 painoprosenttiin? ja/tai 2) kun seostavia aineita sekoitetaan täyteaineen läpäisevään massaan tai esimuottiin; ja/tai 3) kun alumiiniseoksessa on toista alkuainetta, kuten sinkkiä tai rautaa. Lämpötila voi myös vaihdella eri täyteaineilla. 10 Yleensä esiintyy spontaania ja etenevää tunkeutumista prosessilämpötilassa, joka on ainakin noin 675°C, edullisesti prosessilämpötilassa, joka on ainakin noin 750 -800°C. Yleensä yli 1200°C olevat lämpötilat eivät näytä edistävän prosessia, ja erityisen käyttökepoiseksi lämpö-15 tilaksi on havaittu alue noin 675°C - noin 1200°C. Kuitenkin yleisenä sääntönä spontaanin tunkeutumisen lämpötila on sellainen lämpötila, joka on matriisimetallin sulamispisteen yläpuolella mutta matriisimetallin höyrystymislämpö-tilan alapuolella. Lisäksi spontaanin tunkeutumisen läm-20 pötilan tulisi olla täyteaineen sulamispisteen alapuolella. Edelleen, kun lämpötilaa nostetaan, kasvaa pyrkimys matriisimetallin ja tunkeutumisatmosfäärin välisen reaktiotuotteen muodostamiseen (esim. alumiinimat-riisimetallin ja typpeä olevan tunkeutumisatmosfäärin 25 tapauksessa saattaa muodostua alumiininitridiä). Sellaiset reaktiotuotteet saattavat olla toivottavia tai ei-toivot-tuja, riippuen metallimatriisi-komposiittikappaleen aiotusta käytöstä. Tyypillisesti käytetään sähkövastuskuumen-nusta tunkeutumislämpötilojen saavuttamiseksi. Keksinnön 30 yhteydessä käytettäväksi hyväksytään kuitenkin mikä tahansa kuumennusväline, joka voi saattaa matriisimetallin * sulamaan ja joka ei vaikuta haitallisesti spontaaniin tunkeutumiseen.
35 Esillä olevassa menetelmässä esimerkiksi läpäisevä täyteaine tai esimuotti saatetaan kosketukseen sulan alumiinin kanssa typpeä sisältävän kaasun ollessa läsnä ainakin 91493 30 jossakin prosessin vaiheessa. Typpeä sisältävää kaasua voidaan syöttää ylläpitämään jatkuva kaasun virtaus kosketukseen ainakin joko täyteaineeseen tai esimuottiin ja/tai sulaan alumiinimatriisimetalliin. Vaikkei typpeä 5 sisältävän kaasun virtausmäärä ole kriittinen, pidetään edullisena että virtausmäärä on riittävä kompensoimaan nitridin muodostumisesta seosmatriisissa johtuva mahdollinen typen häviäminen atmosfääristä, sekä estämään tai torjumaan ilman sisään pääseminen, jolla voi olla hapettava 10 vaikutus sulaan metalliin.
Metallimatriisikomposiitin muodostamismenetelmää voidaan soveltaa täyteaineiden laajaan valikoimaan, ja täyteaineiden valinta riippuu sellaisista tekijöistä, kuten mat-15 riisiseoksesta, prosessin olosuhteista, sulan matriisi-seoksen reaktiivisuudesta täyteaineen kanssa, täyteaineen kyvystä sopeutua matriisimetalliin, sekä lopulliselle komposiittituotteelle haetuista ominaisuuksista. Kun mat-riisimetallina on esimerkiksi alumiini, lukeutuvat sopi-20 viksi täyteaineiksi a) oksidit, esim. alumiinioksidi, b) karbidit, esim. piikarbidi, c) boridit, esim. alumiinido-dekaboridi, ja d) nitridit, esim. alumiininitridi. Mikäli täyteaine pyrkii ragoimaan sulan alumiinimatriisimetallin kanssa, tämä voidaan ottaa huomioon minimoimalla tunkeu-25 tumisaika ja -lämpötila tai järjestämällä reagoimaton päällystys täyteaineelle. Täyteaine voi käsittää alustan, kuten hiiltä tai ei-keraamista ainetta, jonka päällä on keraaminen päällystys alustan suojaamiseksi syöpymiseltä tai heikkenemiseltä. Sopivia keraamipäällysteitä ovat mm. 30 oksidit, 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 kudotun maton 35 ja jatkuvan säikeen muodossa, kuten monisäikeiset langat. Lisäksi täyteaine voi olla homogeeninen tai epähomogeeninen.
91493 31
On myös havaittu, että määrätyillä täyteaineilla esiintyy suurempaa tunkeutumista suhteessa täyteaineisiin, joilla on samantapainen kemiallinen koostumus. Esimerkiksi US-pa-tentissa 4,713,360 (nimitys "Uusia keraamisia aineita ja 5 menetelmiä niiden valmistamiseksi" ) kuvatulla menetelmällä valmistetuilla murskatuilla alumiinioksidi-kappaleilla on edulliset tunkeutumisominaisuudet verrattuna kaupallisesti saatavilla oleviin alumiinioksidituotteisiin. Lisäksi rinnakkaisessa US-patenttihakemuksessa 819,397 (nimitys: 10 "Komposiittikeraamisia esineitä ja niiden valmistusmenetelmä" ) esitetyllä menetelmällä tehdyillä murskatuilla alumiinioksidikappaleilla on myös edulliset tunkeutu-misominaisuudet verrattuna kaupallisesti saatavilla oleviin alumiinioksidituotteisiin. Edellä mainitut patentti-15 julkaisut esitetään tässä nimenomaisina viittauksina. Erityisesti on havaittu, että täydellinen tunkeutuminen keraamin tai keraamikompositin läpäisevään massaan voi tapahtua alemmissa tunkeutumislämpötiloissa ja/tai lyhyemmillä tunkeutumisajoilla käyttäen puristettuja tai murs-20 kattuja kappaleita, jotka on valmistettu edellä mainittujen patenttijulkaisujen mukaisella menetelmällä.
Täyteaineen koko ja muoto voi olla mikä tahansa sellainen, joka vaaditaan komposiitin toivottujen ominaisuuksien 25 saavuttamiseksi, ja joka mukautuu matriisimetalliin. Siten aine voi olla hiukkasten, kuitukiteiden, hiutaleiden tai kuitujen tai sekoitusten muodossa, koska täyteaineen muoto ei rajoita tunkeutumista. Voidaan käyttää muitakin muotoja, kuten kuulia, pieniä putkia, pellettejä, tulenkestävää 30 kuitukangasta, ja vastaavia. Lisäksi aineen koko ei rajoita tunkeutumista, vaikka pienten hiukkasten massalla saatetaan tunkeutumisen loppuunviemiseksi tarvita korkeampi lämpötila tai pidempi aika kuin suuremmilla hiukkasilla. Lisäksi (esimuotiksi muotoillun) täyteainemassan tulisi 35 tunkeutumista varten olla läpäisevää, ts. sen tulisi olla sulaa matriisimetallia ja tunkeutumisatmosfääriä läpäisevää.
91493 32
Esillä olevan keksinnön mukainen menetelmä metallimatrii-si-komposiittikappaleiden muodostamiseksi sallii oleellisesti yhtenäisten metallimatriisikomposiittien valmistamisen, joilla on suuri tilavuusosa täyteainetta ja pieni 5 huokoisuus, koska ne eivät ole riippuvaisia paineen käyttämisestä sulan matriisimetallin syrjäyttämiseksi esi-muottiin tai täyteainemassaan. Suurempia täyteaineen suuruusluokkaa ainakin 50% olevia tilavuusosuuksia voidaan aikaansaada käyttämällä alussa täyteainemassaa, jolla on 10 pienempi huokoisuus, ja hiukkaskokojen sekoituksia sekä sekoittamalla vaihtelevan kokoisia hiukkasia. Suurempia tilavuusosuuksia voidaan myös aikaansaada silloin, jos täyteainemassa tiivistetään tai tehdään muulla tavalla tiiviimmäksi, edellyttäen ettei massaa muuteta joko täysin 15 tiiviiksi suljetuin kennohuokosin tai täysin tiiviiksi rakenteeksi, mikä estäisi sulan seoksen tunkeutumisen.
On havaittu, että alumiinin tunkeutumista ja matriisin muodostumista varten keraamisen täyteaineen ympärille voi 20 keraamisen täyteaineen kostutus alumiinimatriisimetallil-la olla tärkeä osa tunkeutumismekanismista. Lisäksi alhaisissa prosessilämpötiloissa esiintyy erittäin vähän tai häviävän vähän metallin nitridiksi muuttumista, jonka takia saadaan erittäin vähäinen epäjatkuva alumiininitridin 25 faasi metallimatriisiin jakautuneena. Kun lähestytään lämpötila-alueen yläpäätä, tapahtuu kuitenkin todennäköisemmin metallin nitridiksi muuttumista. Siten voidaan säätää nitridifaasin osuutta metallimatriisissa muuttamalla lämpötilaa, jossa tunkeutuminen tapahtuu. Ne määrätyt 30 lämpötilat, joissa nitridin muodostuminen tulee merkittävämmäksi, muuttuvat myös sellaisista tekijöistä riippuen, kuten käytetty matriisin alumiiniseos ja sen määrä suhteessa täyteaineen tai esimuotin määrään, täyteaineen määrä johon tunkeutumisen on tapahduttava, sekä tunkeutumisat-35 mosfäärin typpipitoisuus. Esimerkiksi alumiininitridin muodostumisen määrän uskotaan määrätyssä prosessilämpöti- 91493 33 lassa kasvavan, kun seoksen kyky täyteaineen kostuttamiseen pienenee ja kun atmosfäärin typpipitoisuus kasvaa.
Sen vuoksi on mahdollista räätälöidä metallimatriisin 5 rakennetta komposiitin muodostuksen aikana, niin että voidaan antaa tuloksena olevalle tuotteelle määrätyt ominaisuudet. Annetulla järjestelmällä voidaan prosessin olosuhteet valita nitridin muodostuksen säätämiseksi. Alumiininitridiä sisältävällä komposiittituotteella on 10 eräitä ominaisuuksia, jotka voivat olla edullisia tuotteen suorituskyvylle tai parantaa niitä. Lisäksi alumiiniseoksen spontaanin tunkeutumisen edullinen lämpötila-alue voi vaihdella käytetystä keraamisesta aineesta riippuen. Kun täyteaineena on alumiinioksidia, ei tunkeutumisen lämpö-15 tilan tulisi ylittää 1000°C, mikäli halutaan, ettei matriisin muovattavuus oleellisesti pienene merkittävän nitridin muodostumisen johdosta* Lämpötilan 1000°C ylittäviä lämpötiloja voidan kuitenkin käyttää, mikäli halutaan tuottaa komposiitti, jonka matriisilla on heikompi muovat-20 tavuus ja suurempi jäykkyys. Piikarbidiin tunkeutumista varten voidaan käyttää korkeampia, noin 1200°C lämpötiloja, koska piikarbidia täyteaineena käytettäessä alumiiniseoksesta syntyy vähemmän nitridejä, kuin alumiinioksideja täyteaineena käytettäessä.
25
Lisäksi on mahdollista käyttää matriisimetallin varasto-lähdettä täyteaineen täydellisen tunkeutumisen varmistamiseksi ja/tai syöttää toista metallia, jolla on erilainen koostumus kuin matriisimetallin ensimmäisellä lähteellä. 30 Eräissä tapauksissa voi erityisesti olla toivottavaa käyttää varastolähteessä matriisimetallia, joka koostumukseltaan poikkeaa matriisimetallin ensimmäisestä lähteestä. Jos esimerkiksi alumiiniseosta käytetään ensimmäisenä matriisimetallin lähteenä, niin varastolähteen metallina 35 voitaisiin käyttää näennäisesti mitä tahansa toista metallia tai metalliseosta, joka on sulanut prosessilämpötilas-sa. Sulat metallit ovat usein hyvin sekoittuvia toistensa 91493 34 kanssa, mikä johtaisi varastolähdemetallin sekoittumiseen matriisimetallin ensimmäiseen lähteeseen niin kauan kuin annetaan riittävästi aikaa sekoittumista varten. Käytettäessä ensimmäisen matriisimetallin lähteestä poikkeavan 5 koostumuksen omaavaa varastolähdemetaliia, on siten mahdollista räätälöidä metallimatriisin ominaisuuksia erilaisten toimintavaatimusten täyttämiseksi ja siten räätälöidä metallimatriisikomposiitin ominaisuuksia.
10 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 15 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 20 käytettyä kaasua läpäiseviä, ja jotka samoin pystyvät paikallisesti estämään, pysäyttämään, vuorovaikutteinaan, torjumaan, jne, jatkuvan tunkeutumisen tai minkä tahansa muun liikkeen täyteaineen määritellyn rajapinnan ohi.
25 Soveltuvat estovälineet sisältävät aineita, joita kulkeutuva sula matriisimetalli käytetyn prosessin aikana ei oleellisesti pysty kostuttamaan. Tämän tyyppisellä esto-aineella näyttää olevan oleellisen vähän tai ei lainkaan yhtymispyrkimystä sulaan matriisimetalliin, ja estoväline 30 estää tai torjuu siirtymisen täyteaineen määritellyn rajapinnan yli. Estoaine vähentää mahdollista loppukoneis-tusta tai hiomista, jota voidaan tarvita metallimatriisi-komposiittituotteella. Kuten edellä mainittiin, tulisi estoaineen edullisesti olla läpäisevää tai huokoista, tai 35 se voidaan saattaa läpäiseväksi esimerkiksi poraamalla reikiä estoaineeseen tai lävistämällä se, niin että kaasu pääsee kosketukseen sulan matriisimetallin kanssa.
91493 35
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 estoaineso-15 vellutuksiin. 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 täyteai neen ympärille.
Keksinnössä tarkastellaan Grafoil (R)-arkin käyttämistä sekä estoaineena että sisäänvientivälineenä. Sisäänvien-25 tiväline eroaa kuitenkin estovälineestä johtuen ainakin kummankin sijoittamisesta matriisimetallin ja esimuotin suhteen. Erityisesti voi estoaine rajoittaa sulan matriisimetallin lopullisen siirtymisen täyteaineessa tai esimuotissa tunkeutumisen jälkeen, kun taas sisäänvienti-30 väline säätää matriisimetallin kosketuksen määrää tai sijaintia täyteaineeseen tai esimuottiin sekä ennen matriisimetallin tunkeutumista että sen aikana. Lisäksi sisäänvientiväline voi toimia sekä estoaineena että sisäänvientivälineenä. Esimerkiksi sen jälkeen kun sula 35 matriisimetalli kulkee sisäänvientivälineen läpi voi sula matriisimetalli tunkeutua täyteaineeseen tai esimuottiin, kunnes se koskettaa sisäänvientivälineen takasivua (esim.
91493 36 tunkeutuminen voisi tapahtua kunnes sisäänvientiväline aktiivisesti on kosketuksessa täyteaineeseen tai esimuot-tiin).
5 Muita edullisia estoaineita alumiinimetallimatriisiseok-sille typessä ovat siirtymämetalliboridit (esim. ti-taanidiboridi (T1B2)), joita sulat alumiinimetalliseokset eivät tätä ainetta määrätyissä prosessioloissa käytettäessä pysty kostuttamaan. Tämän tyyppisellä estoaineella 10 prosessilämpötilan ei tulisi ylittää noin 875°C, koska muutoin estoaineen vaikutus vähenee, ja itse asiassa korkeammassa lämpötilassa esiintyy tunkeutumista estoai-neeseen. Siirtymämetalliboridit ovat tyypillisesti hiuk-kasmuodossa (1 - 30 mikrometriä). Estoaineet voidaan 15 levittää lietteenä tai tahnana edullisesti esimuotiksi muotoillun läpäisevän keraamisen täyteaineen massan rajapinnoille.
Alumiinimetallimatriisiseoksia varten typessä muut käyt-20 tökelpoiset estoaineet sisältävät vaikeasti haihtuvia orgaanisia yhdisteitä, jotka levitetään kalvona tai kerroksena täyteaineen ulkopinnalle. Poltettaessa typessä, erityisesti tämän keksinnön mukaisissa prosessioloissa, orgaaninen yhdiste hajoaa, jättäen jälkeensä hiilinokikal-25 von. Orgaaninen yhdiste voidaan levittää tavanomaisin keinoin, kuten maalaamalla, suihkuttamalla, upottamalla, jne.
Lisäksi voivat hienoksi jauhetut hiukkasmaiset aineet 30 toimia estoaineena, jos hiukkasmaiseen aineeseen tunkeutuminen esiintyy nopeudella, joka on hitaampi kuin tunkeu-tumisnopeus täyteaineeseen.
Siten voidaan estoainetta levittää millä tahansa sopivalla 35 tavalla, kuten peittämällä määritelty rajapinta estoväli-neen kerroksella. Sellainen estovälineen kerros voidaan muodostaa maalaamalla, upottamalla, silkkipainatuksella, 91493 37 höyrystämällä, tai levittämällä estovälinettä muilla tavoin neste-, liete- tai tahnamuodossa, tai sputteroimalla höyrystyvää estovälinettä, tai yksinkertaisesti kerrostamalla kiinteän hiukkasmaisen estovälineen kerros, tai 5 levittämällä estovälineen kiinteä ohut arkki tai kalvo määritellylle rajapinnalle. Kun estoväline on paikallaan, spontaani tunkeutuminen päättyy oleellisesti silloin, kun tunkeutuva matriisimetalli saavuttaa määritellyn rajapinnan ja koskettaa estovälinettä.
10 Välittömästi seuraavassa olevat esimerkit sisältävät esillä olevan keksinnön erilaisia demonstraatioita. Näitä esimerkkejä on kuitenkin pidettävä havainnollistavina, eikä niitä pidä ymmärtää keksinnön suoja-alaa rajoittavina, 15 joka määritellään oheisissa patenttivaatimuksissa.
Esimerkki 1
Kuviossa 1 esitetään poikkileikkauksena kokoonpano, jota 20 voidaan käyttää metallimatriisi-komposiittikappaleen muodostamiseksi esillä olevan keksinnön mukaisesti. Tarkemmin sanoen matriisimetalli 5 tunkeutuu spontaanisti esimuot-tiin 2 sisäänvientivälineen 3 läpi. Erityisesti koottiin Grafoil (R)-laatikko 1, kooltaan 51 x 51 x 51 mm. Laatikon 25 1 muodostamiseksi käytetty Grafoil (R) oli joustavaa grafiittinauhatuotetta, jota saatiin Union Carbide:lta, ja jonka paksuus oli 0,38 mm. Laatikkoon 1 asetettiin esimuotti 2 kooltaan 51 x 51x 12 mm. Esimuotti 2 käsitti likimääräisesti 12 tilavuusprosenttia leikattuja alu-30 miinioksidikuituja (ainakin 90 painoprosenttia kuiduista oli Fiber FP, jota tuottaa Du Pont Company) ja alumiiniok-* sidikuidut sidottiin toisiinsa kolloidisella alumiiniok sidilla. Kolloidisen alumiinioksidin ja kuitujen painosuhde oli noin 1:4, ja muu osa esimuotin tilavuudesta muodostui 35 liityvästä huokoisuudesta. Sisäänvientiväline 3 asetettiin välittömästi esimuotin 2 päälle Grafoil (R)-laatikkoon 1. Sisäänvientiväline 3 käsitti toisen Grafoil (R)-arkin, 91493 38 johon oli lävistetty viisi reikää 30 (esim. kanavia). Sisäänvientiväline 3 suljettiin saumoista 4 Grafoil (R)-laatikkoon 2 levittämällä grafiittijauheen ja kolloidisen piidioksidin sekoitusta. Alumiiniseos 5 asetettiin sitten 5 välittömästi sisäänvientivälineen 3 päälle laatikkoon 1. Alumiiniseos 5 käsitti noin 10,5% Mg, 4% Zn, 0,5%Si, 0,5% Cu, lopun ollessa alumiinia. Alumiiniseos 5 järjestettiin kahtena valanteena, kummatkin mitoiltaan noin 25 x 22 x 12 mm. Valanteen 5 ja esimuotin 2 sisältävä Grafoil (R)-laa-10 tikko asetettiin veneen muotoiseen grafiittiastiaan 6, joka osittain täytettiin alumiinioksidipedillä 7, joka käsitti 24 grit (seulamitta, grit = noin 75 mikrometriä) 38 Alundum:ia, Norton:ilta. Grafiittiastia 6 täytettiin sitten likimain samalle korkeudelle kuin siinä oleva grafiit-15 tilaatikko 1. Pedin 7 primäärisenä tarkoituksena oli järjestää tuki Grafoil (R)-laatikolle 1.
Kuvion 1 kokoonpanon sisältävä grafiittiastia 6 asetettiin säädetyn atmosfäärin sähkövastusuuniin (ts. tyhjöuuni, 20 joka pumpattiin 1 x 10”4 torr tyhjöön). Uuniin johdettiin sitten typpeä ja se kuumennettiin noin 200°C:seen uunitilan puhdistamiseksi. Tätä seuraavan kuumennuksen ja tunkeutumisen aikana johdettiin tyhjöuunin läpi typpeä määränä noin 2 1/minuutti. Uuni kuumennettiin noin 5 tunnin aikana noin 25 700°C lämpötilaan. Lämpötila pidettiin noin 20 tuntia, jolloin uunin annettiin jäähtyä luonnollisesti ympäristön lämpötilaan.
Kun uuni oli jäähtynyt, poistettiin astia 6 sisältöineen 30 uunista. Vasaralla ja taltalla poistettiin helposti alumiiniseosta oleva jäännös esimuotista. Erityisesti, kuten kuviossa 3 esitetään, oli matriisimetalli oleellisesti täydellisesti tunkeutunut metallimatriisikomposiittiin 20. Matriisimetallin jäännös 21 erotettiin helposti metal-35 limatriisi-komposiittikappaleesta 20. Sekä metallimatrii-si-komposiittikappaleessa 20 että matriisimetallin jäännöksessä 21 olevat pyöreät alueet 23 vastaavat sisään- 91493 39 vientivälineessä 3 olevia kanavia 30. Matriisimetallin jäännöksen 21 ja metallimatriisikomposiitin 20 välinen pintakosketus minimoitiin, joka mahdollisti helpomman erottamisen. Lisäksi hiekkapuhallettiin metallimatriisin 5 20 pinta, joka oli kosketuksessa sisäänvientivälineeseen 3, jäljelle jääneen Grafoil:in poistamiseksi, jolloin tuloksena oli lähes puhdasmuotoinen metallimatriisikom-posiitti.
10 Esimerkki 2
Kuviossa 2 esitetään poikkileikkauksena kokoonpano, jota käytettiin metallimatriisi-komposiittikappaleen muodostamiseksi esillä olevan keksinnön mukaisesti. Tarkemmin 15 sanoen tehtiin Grafoil (R)-laatikko 8 mitoiltaan 305 x 152 x 51 mm. Kooltaan 305 x 152 x 7,6 mm oleva esimuotti 9 asetettiin laatikkoon 8. Esimuotti 9 käsitti likimääräisesti 40,3 tilavuusprosenttia jatkuvia alumiinioksidikui-tuja (ainakin 90 painoprosenttia kuiduista oli Fiber FP, 20 jota tuottaa Du Pont Company). Alumiinioksidikuitu pinnoitettiin piillä ja sidottiin 4 tilavuusprosentilla, jolloin kuidulla oli 0°/90° suuntaus. Välittömästi esimuotin 9 päälle asetettiin Grafoil (R)-sisäänvientiväline 10, joka tiivistettiin Grafoil-laatikkoon 8 edellä esimerkissä 1 25 selitetyllä tavalla. Tässä esimerkissä sisäänvientiväli-neessä 10 oli kuitenkin vain yksi ainoa suorakaiteen muotoinen aukko 31, kooltaan noin 127 x 25 mm. Alumiiniseosta oleva valanne 11, joka painoi noin 1700 g, ja joka sisälti noin 10,5 painoprosenttia Mg, asetettiin välittö-30 mästi Grafoil (R)-arkkia olevan sisäänvientivälineen 10 päälle laatikkoon 8. Seos 11 asetettiin siten, että kun alumiiniseos suli, se virtaisi spontaanisti sisäänvientivälineen 10 läpi ja esimuottiin 9. Lisäksi asetettiin kaksi ruostumatonta terästä olevaa tankoa 12 Grafoil (R)-sisään-35 vientivälineen 10 kumpaankin päähän, mutta koskettamatta alumiiniseosta 11. Tangot 12 toimivat pitäen sisäänvien-tivälinettä 10 paikallaan spontaanin tunkeutumisen aikana.
40 91 493
Grafoil (R)-laatikko 8 asetettiin sitten grafiittiastiaan 14. Laatikon 8 ympärille asetettiin 24 grit Alundum-peti Selmalla tavalla kuin esimerkin 1 osalta selitettiin.
5 Sitten grafiittiastia 14 asetettiin tyhjöuuniin ja huuhdeltiin, kuten edellä esimerkissä 1 selitettiin. Sen jälkeisen kuumennus- ja tunkeutumisvaiheiden aikan johdettiin typpeä tyhjöuunin läpi nopeudella noin 2,5 1/minuutti. Uuni kuumennettiin noin 725:seen noin 5 tunnin aikana. Tämä 10 lämpötila ylläpidettiin noin 45 tuntia, jonka jälkeen uuni sammutettiin ja sen annettiin jäähtyä luonnollisesti. Sitten grafiittiastia poistettiin uunista ja jäännösseos poistettiin esimuotista, kuten edellä esimerkissä 1 selitettiin. Erityisesti, kuten kuviossa 4 on esitetty, oli 15 matriisimetalli oleellisesti täydellisesti tunkeutunut metallimatriisikomposiittiin 40. Matriisimetallin jäännökset erotettiin helposti muodostetusta metallimatriisi-komposiitista 40 vetämällä kappaleet erilleen. Molemmissa kappaleissa oleva suorakaiteen muotoinen alue 42 vastaa 20 sisäänvientivälineessä 10 olevaa kanavaa 31, joka salli sulan matriisimetallin virtaavan sen läpi.
Molemmissa esimerkeissä Grafoil-laatikko ja sisäänvienti-väline poistettiin tarvittaessa helposti kevyellä hiekka-25 tai teräsraepuhalluksella. Eräissä tapauksissa saattaa kuitenkin olla välttämätöntä kevyesti hioa, syövyttää, jne, jäljelle jääneiden käsittelyaineiden poistamiseksi.
Nämä kaksi esimerkkiä osoittavat keksinnön kaksi etua. 30 Erityisesti, sen jälkeen kun on tapahtunut matriisimetal- liseoksen spontaani tunkeutuminen esimuottiin, ei matriisimetallin jäännöstä tarvitse koneistaa sen erottamiseksi metallimatriisi-komposiittikappaleesta. Lisäksi sisäänvientiväline estää metallimatriisikomposiitin kie-35 routumisen sen jäähtyessä. Erityisesti matriisimetallin jäännöksessä olevan alumiinin lämpölaajenemiskerroin on suurempi kuin muodostuneella metallimatriisikomposiitil- 41 91493 la. Vastaavasti, kun jäännös jäähtyy, se kutistuu nopeammin kuin komposiitti, johon tunkeutuminen on tapahtunut, ja jos jäännös välittömästi koskettaa muodostunutta metalli-matriisikomposiittia, niin jäännös pyrkii aiheuttamaan 5 komposiitin taipumisen tai kieroutumisen (esim. niin että siitä tulee U-muotoinen). Keksinnön sisäänvientiväline tuo ratkaisun vähentäen molempien edellä mainittujen ongelmien haitallisia vaikutuksia.
10 Vaikka edellä olevia esimerkkejä on selitetty yksityiskohtaisesti, voi tavanomaiset taidot omaavalle alan ammattilaiselle tulla mieleen erilaisia muunnelmia näistä esimerkeistä, ja kaikki sellaiset muunnelmat tulisi sisällyttää oheisten patenttivaatimusten suoja-alaan.
15 20 25 30 35

Claims (11)

91493
1. Menetelmä metallimatriisikomposiitin valmistamiseksi, tunnettu siitä, että: a) valitaan läpäisevä täyteainemassa; 5 b) sijoitetaan matriisimetallin lähde läpäisevän täyte- ainemassan viereen; c) sijoitetaan sisäänvientiväline läpäisevän täyteainemas-san ja matriisimetallin lähteen väliin; d) kuumennetaan matriisimetalli lämpötila-alueelle, joka 10 on sen sulamispisteen yläpuolella, sulan matriisimetal- limassan muodostamiseksi; ja e) käytetään ainakin jossakin valmistusprosessin vaiheessa tunkeutumisatmosfääriä sekä tunkeutumisen edistäjää ja/tai tunkeutumisen edistäjän edeltäjää aikaansaamaan 15 sulan matriisimetallin virtaus sisäänvientivälineen läpi ja spontaani tunkeutuminen täyteainemassaan.
2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että läpäisevä täyteainemassa käsittää esimuotin. 20
3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että estoaineella muodostetaan läpäisevälle täyte-ainemassalle rajapinta, jolloin matriisimetalli spontaanisti tunkeutuu estoaineeseen saakka. 25
4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että täyteaine käsittää ainakin yhtä ainetta, joka valitaan ryhmästä, joka käsittää jauheita, hiutaleita, mikrokuu-lia, kuitukiteitä, kuplia, kuituja, hiukkasia, kuitumattoja, 30 katkaistuja kuituja, kuulia, pellettejä, pieniä putkiaihioi-ta ja tulenkestäviä kankaita.
5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittu sisäänvientiväline käsittää ainetta, jota 35 sula matriisimetalli ei oleellisesti pysty kostuttamaan.
6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu sii- ·' tä, että sisäänvientiväline vähentää sitoutumista täyteai- 91 493 neen, johon spontaani tunkeutuminen on tapahtunut, ja mahdollisen jäljelle jääneen matriisimetallin jäännöksen välillä.
7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu sii tä, että sisäänvientivälineen paksuus on riittävä vähentämään kieroutumista, joka johtuu täyteaineen, johon spontaani tunkeutuminen on tapahtunut, ja mahdollisen matriisimetallin jäännöksen erilaisesta jäähtymisestä. 10
8. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että sisäänvientiväline muodostuu revitetystä arkkima-teriaalista.
9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen menetelmä, tunnettu sii tä, että sisäänvientiväline sisältää grafiittia.
10. Patenttivaatimuksen 8 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että sisäänvientiväline käsittää yhden ainoan läpimene- 20 vän reiän tai useampia reikiä mainitussa arkkimateriaalissa.
11. Patenttivaatimuksen 8 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että reiät sijaitsevat niin, että ne edistävät oleellisesti tasaista spontaania tunkeutumista. 44 9 1 4 9 3
FI894938A 1988-11-10 1989-10-17 Menetelmä metallimatriisikomposiitin valmistamiseksi FI91493C (fi)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US07/269,315 US5007474A (en) 1988-11-10 1988-11-10 Method of providing a gating means, and products produced thereby
US26931588 1988-11-10

Publications (3)

Publication Number Publication Date
FI894938A0 FI894938A0 (fi) 1989-10-17
FI91493B true FI91493B (fi) 1994-03-31
FI91493C FI91493C (fi) 1994-07-11

Family

ID=23026729

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
FI894938A FI91493C (fi) 1988-11-10 1989-10-17 Menetelmä metallimatriisikomposiitin valmistamiseksi

Country Status (23)

Country Link
US (1) US5007474A (fi)
EP (1) EP0368790B1 (fi)
JP (1) JP2905523B2 (fi)
KR (1) KR970008038B1 (fi)
CN (1) CN1070537C (fi)
AT (1) ATE97170T1 (fi)
AU (1) AU624417B2 (fi)
BR (1) BR8905757A (fi)
CA (1) CA2000774C (fi)
DE (1) DE68910642T2 (fi)
DK (1) DK559489A (fi)
FI (1) FI91493C (fi)
IE (1) IE64012B1 (fi)
IL (1) IL91721A (fi)
MX (1) MX173265B (fi)
NO (1) NO175850C (fi)
NZ (1) NZ231075A (fi)
PH (1) PH26801A (fi)
PT (1) PT92253B (fi)
RO (1) RO105979B1 (fi)
TR (1) TR27101A (fi)
TW (1) TW238339B (fi)
ZA (1) ZA898530B (fi)

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5119864A (en) * 1988-11-10 1992-06-09 Lanxide Technology Company, Lp Method of forming a metal matrix composite through the use of a gating means
US5240062A (en) * 1988-11-10 1993-08-31 Lanxide Technology Company, Lp Method of providing a gating means, and products thereby
US5553657A (en) * 1988-11-10 1996-09-10 Lanxide Technology Company, Lp Gating means for metal matrix composite manufacture
JPH03177532A (ja) * 1989-12-04 1991-08-01 Toyota Motor Corp 軽量低熱膨張複合材
US5851686A (en) * 1990-05-09 1998-12-22 Lanxide Technology Company, L.P. Gating mean for metal matrix composite manufacture
DE69128651T2 (de) * 1990-05-09 1998-04-23 Lanxide Technology Co Ltd Herstellungsverfahren von mmc
US5503213A (en) * 1994-03-16 1996-04-02 The Dow Chemical Company Shaped ceramic-metal composites
US5736199A (en) * 1996-12-05 1998-04-07 Northeastern University Gating system for continuous pressure infiltration processes
CN104525917B (zh) * 2014-12-01 2017-01-04 北京理工大学 一种制备金属基复合材料的模具
CN112553495B (zh) * 2019-09-25 2022-03-29 中国科学院金属研究所 一种铜铬双连续相材料的制备方法及铜铬双连续相材料

Family Cites Families (42)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2156718A (en) * 1935-12-23 1939-05-02 Shell Dev Polymerization of olefins
US2606831A (en) * 1950-04-18 1952-08-12 Gen Motors Corp Method of impregnation
US2715589A (en) * 1951-10-26 1955-08-16 Ferro Powdered Metals Inc Metallic impregnation of porous metal
US2845346A (en) * 1954-01-13 1958-07-29 Schwarzkopf Dev Co Method of forming porous cemented metal powder bodies
US2843501A (en) * 1956-08-01 1958-07-15 Sintercast Corp America Method for the precision production of infiltrated articles
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
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
JPS57179073A (en) * 1981-04-24 1982-11-04 Hiroshi Ishizuka Manufacture of diamond sintered body
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
US4600481A (en) * 1982-12-30 1986-07-15 Eltech Systems Corporation Aluminum production cell components
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
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
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
CA2000770C (en) * 1988-10-17 2000-06-27 John M. Corwin Method of producing reinforced composite materials
US4932099A (en) * 1988-10-17 1990-06-12 Chrysler Corporation Method of producing reinforced composite materials

Also Published As

Publication number Publication date
NO175850C (no) 1994-12-21
KR970008038B1 (ko) 1997-05-20
NZ231075A (en) 1991-09-25
IE893184L (en) 1990-05-10
TW238339B (fi) 1995-01-11
FI91493C (fi) 1994-07-11
NO175850B (fi) 1994-09-12
IL91721A0 (en) 1990-06-10
CA2000774A1 (en) 1990-05-10
ATE97170T1 (de) 1993-11-15
IL91721A (en) 1994-02-27
TR27101A (tr) 1994-11-08
DE68910642T2 (de) 1994-03-24
NO893991D0 (no) 1989-10-05
RO105979B1 (ro) 1993-01-30
FI894938A0 (fi) 1989-10-17
AU4164789A (en) 1990-05-17
CN1070537C (zh) 2001-09-05
MX173265B (es) 1994-02-14
DK559489A (da) 1990-05-11
EP0368790A1 (en) 1990-05-16
CA2000774C (en) 2002-01-15
JP2905523B2 (ja) 1999-06-14
NO893991L (no) 1990-05-11
JPH02240226A (ja) 1990-09-25
CN1042489A (zh) 1990-05-30
PT92253A (pt) 1990-05-31
DE68910642D1 (de) 1993-12-16
PT92253B (pt) 1995-07-18
US5007474A (en) 1991-04-16
IE64012B1 (en) 1995-06-28
DK559489D0 (da) 1989-11-09
AU624417B2 (en) 1992-06-11
KR900007515A (ko) 1990-06-01
ZA898530B (en) 1991-07-31
EP0368790B1 (en) 1993-11-10
BR8905757A (pt) 1990-06-05
PH26801A (en) 1992-10-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
FI91496B (fi) Menetelmä makrokomposiittikappaleiden muodostamiseksi sekä sillä muodostettuja makrokomposiittikappaleita
FI89014C (fi) Foerfarande foer framstaellning av en metallmatriskomposit
FI91831C (fi) Menetelmä kolmiulotteisesti yhteenliittyneen rinnakkaismatriisin sisältävän metallimatriisikomposiittikappaleen valmistamiseksi
FI91608B (fi) Menetelmä ainakin kahden kappaleen yhteenliittämiseksi
FI89015C (fi) Foerfarande foer framstaellning av en metallmatriskomposit
FI91723C (fi) Menetelmä metallimatriisikomposiitin valmistamiseksi suunnatulla kiinteytyksellä
FI91722B (fi) Menetelmä metallimatriisikomposiitin valmistamiseksi
FI91492B (fi) Menetelmä metallimatriisikomposiitin valmistamiseksi
FI91494C (fi) Menetelmä metallimatriisikomposiitin valmistamiseksi sekä menetelmän mukaisesti valmistettu komposiitti
IE64263B1 (en) Metal matrix composites
FI91490B (fi) Menetelmä metallimatriisikomposiitin muodostamiseksi
FI91609C (fi) Menetelmä metallimatriisikomposiitin valmistamiseksi
FI91724B (fi) Menetelmä metallimatriisikomposiitin valmistamiseksi negatiivista seosmuottia käyttäen
FI91495B (fi) Menetelmä metallimatriisikomposiitin valmistamiseksi sulasta matriisimetallista ja oleellisesti ei-reaktiivisesta täyteaineesta
FI91491B (fi) Menetelmä metallimatriisikomposiittikappaleen valmistamiseksi uppovalumenetelmää käyttäen
FI91833B (fi) Menetelmä metallimatriisikomposiitin valmistamiseksi sekä menetelmällä aikaansaatava metallimatriisikomposiittikappale
FI91493B (fi) Menetelmä metallimatriisikomposiitin valmistamiseksi
FI91832B (fi) Menetelmä metallimatriisikomposiitin valmistamiseksi

Legal Events

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

Owner name: LANXIDE TECHNOLOGY COMPANY, LP