FI91613B - Menetelmä muotoillun metallimatriisi-komposiittikappaleen valmistamiseksi - Google Patents

Menetelmä muotoillun metallimatriisi-komposiittikappaleen valmistamiseksi Download PDF

Info

Publication number
FI91613B
FI91613B FI903609A FI903609A FI91613B FI 91613 B FI91613 B FI 91613B FI 903609 A FI903609 A FI 903609A FI 903609 A FI903609 A FI 903609A FI 91613 B FI91613 B FI 91613B
Authority
FI
Finland
Prior art keywords
metal
matrix
matrix metal
filler
barrier
Prior art date
Application number
FI903609A
Other languages
English (en)
Swedish (sv)
Other versions
FI91613C (fi
FI903609A0 (fi
Inventor
Ratnesh Kumar Dwivedi
Robert Campbell Kantner
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 FI903609A0 publication Critical patent/FI903609A0/fi
Application granted granted Critical
Publication of FI91613B publication Critical patent/FI91613B/fi
Publication of FI91613C publication Critical patent/FI91613C/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
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/71—Ceramic products containing macroscopic reinforcing agents
    • C04B35/74—Ceramic products containing macroscopic reinforcing agents containing shaped metallic materials
    • 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
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/64—Burning or sintering processes
    • C04B35/65—Reaction sintering of free metal- or free silicon-containing compositions
    • C04B35/652—Directional oxidation or solidification, e.g. Lanxide process
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B41/00—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
    • C04B41/45—Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements
    • C04B41/4505—Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements characterised by the method of application
    • C04B41/4515—Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements characterised by the method of application application under vacuum or reduced pressure
    • 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
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B41/00—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
    • C04B41/80—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone of only ceramics
    • C04B41/81—Coating or impregnation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B41/00—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
    • C04B41/80—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone of only ceramics
    • C04B41/81—Coating or impregnation
    • C04B41/85—Coating or impregnation with inorganic materials
    • C04B41/88—Metals
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/10—Alloys containing non-metals
    • C22C1/1036—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
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C32/00—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ
    • 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)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)

Description

91613
Menetelmä muotoillun metallimatriisi-komposiittikappaleen valmistamiseksi - Förfarande för framställning av en formad metallmatriskompositkropp 5
Esillä oleva keksintö liittyy metallimatriisi-komposiitti-kappaleiden valmistamiseen. Erityisesti saatetaan sula mat-riisimetalli koskettamaan täyteainetta tai esimuottia reak-10 tiivisen atmosfäärin läsnäollessa, ja ainakin prosessin jossakin vaiheessa sula matriisimetalli reagoi, joko osittain tai oleellisesti täydellisesti reaktiivisen atmosfäärin kanssa saattaen sulan matriisimetallin tunkeutumaan täyteaineeseen tai esimuottiin, ainakin osittain sisäisesti 15 muodostuvasta tyhjöstä johtuen. Sellainen tunkeutuminen sisäisesti muodostuvalla tyhjöllä esiintyy käyttämättä mitään ulkoista painetta tai tyhjöä.
Metallimatriisin ja lujittavan tai vahvistavan faasin, 20 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 25 metallimatriisikomposiitilla luodaan parannuksia sellaisissa ominaisuuksissa, kuten lujuus, jäykkyys, hankauskulutuk-sen kestävyys ja lujuuden pysyminen korkeammissa lämpötiloissa, verrattuna matriisimetalliin sen monoliittisessa muodossa, mutta määrä, johon saakka määrättyä ominaisuut-30 ta voidaan parantaa, riippuu suuresti kyseessä olevista ainesosista, niiden tilavuus- tai painosuhteesta sekä siitä miten niitä käsitellään komposiittia muodostettaessa. Eräissä tapauksissa komposiitti voi myös olla kevyempää kuin matriisimetalli sellaisenaan. Alumiinimatriisikom-35 posiitit, jotka on vahvistettu keräämillä, kuten esimerkiksi piikarbidilla hiukkasten, hiutaleiden tai kuituki-teiden muodossa, ovat kiinnostavia johtuen niiden 91613 2 alumiiniin verrattuna suuremmasta jäykkyydestä, kulutuksen kestävyydestä ja korkean lämpötilan lujuudesta.
Alumiinimatriisikomposiittien valmistamiseksi on kuvattu 5 erilaisia metallurgisia menetelmiä, mukaanlukien menetelmiä, jotka perustuvat jauhemetallurgiatekniikoihin ja sulan metallin tunkeutumistekniikoihin, joissa käytetään hyväksi painevalua, tyhjövalua, sekoittamista, ja notkis-timia.
10
Jauhemetallurgiatekniikoiden avulla jauheen muodossa oleva metalli ja jauheen, kuitukiteiden, leikattujen kuitujen, jne. muodossa oleva lujittava aine sekoitetaan ja sitten joko kylmäpuristetaan ja sintrataan, tai kuumapuristetaan. 15 Metallimatrlisien tuottaminen jauhemetallurgiatekniikoi den avulla tavanomaisia prosesseja käyttäen asettaa määrättyjä rajoituksia aikaansaatujen tuotteiden ominaisuuksien suhteen. Komposiitin keraamifaasin tilavuusosuus on rajoitettu, hiukkasten tapauksessa, tyypillisesti noin 40 20 prosenttiin. Myös prosessointitoimenpiteet asettavat rajan käytännössä saavutettavalle koolle. Vain suhteellisen yksinkertaiset tuotteen muodot ovat mahdollisia ilman jälkikäteen tapahtuvaa käsittelyä (esim. muotoilua tai koneistusta) tai ottamatta käyttöön monimutkaisia puris-25 timia. Sintrauksen aikana voi myös esiintyä epätasaista kutistumista, samoin kuin mikrostruktuurin epätasaisuutta, johtuen kiintoaineisiin eriytymisestä ja hiukkasten kasvusta.
30 US-patentissa 3,970,136 (20.7.1976) kuvataan menetelmä metallimatriisikomposiitin muodostamiseksi, johon sisältyy kuitumuotoinen lujite, esim. piikarbidi- tai alu-miinioksidikuitukiteitä, joilla on ennalta määrätty kuvio tai kuitujen suuntaus. Komposiitti tehdään sijoittamalla 35 saunassa tasossa olevien kuitujen samansuuntaisia mattoja tai huopia muottiin yhdessä sulan matriisimetallin, esim. alumiinin lähteen kanssa ainakin joidenkin mattojen välis-
II
91613 3 sä, ja kohdistamalla painetta, niin että sula metalli pakotetaan tunkeutumaan mattoihin ja ympäröimään suunnatut kuidut. Mattojen pinon päälle voidaan valaa sulaa metallia, jolloin sitä paineen avulla pakotetaan virtaamaan mattojen 5 väliin. Komposiitissa olevien lujittavien kuitujen jopa 50 % tilavuuspitoisuuksia on ilmoitettu.
Edellä olevaan tunkeutumismenetelmään liittyy paineen aiheuttamien virtausprosessien yllätyksellisiä vaihtelu-10 ja. ts. mahdollisia epäsäännöllisyyksiä matriisin muodostumisessa, huokoisuutta, jne, kun otetaan huomioon että se riippuu ulkoisesta paineesta sulan matriisimetallin pakottamiseksi kuitupitoisten mattojen läpi. Ominaisuuksien epätasaisuus on mahdollinen vaikka sulaa metallia johdet-15 täisiin useammasta kohdasta kuitupitoiseen järjestelyyn. Vastaavasti on järjestettävä monimutkaiset matto/lähde-järjestelyt ja virtausreitit soveltuvan ja tasaisen tunkeutumisen aikaansaamiseksi kuitumattojen pinoon. Edellä mainittu painetunkeutumismenetelmä mahdollistaa myös ai-20 noastaan suhteellisen pienen lujitusaineen ja matriisiti-lavuuden suhteen saavuttamisen, johtuen suureen mattoti-lavuuteen sinänsä liittyvästä tunkeutumisen vaikeudesta. Lisäksi muoteissa on oltava sulaa metallia paineen alaisena, joka nostaa menetelmän kustannuksia. Lopuksi edellä 25 mainittu menetelmä, joka rajoittuu ojennuksessa oleviin hiukkasiin tai kuituihin tunkeutumiseen, ei sovellu metal-limatriisikomposiittien muodostamiseen, jotka on lujitettu satunnaisesti suuntautuvista hiukkasista, kuitukiteistä tai kuiduista koostuvilla aineilla.
30
Alumiinimatriisi-alumiinioksiditäytteisten komposiittien valmistuksessa alumiini ei helposti kostuta alumiinioksidia, jolloin yhtenäisen tuotteen muodostaminen on vaikeata. Muihin matriisimetalli-täyteaine-yhdistelmiin liittyy sa-35 moja näkökohtia. Tähän ongelmaan on ehdotettu erilaisia ratkaisuja. Eräs sellainen lähestyminen on alumiinin päällystäminen metallilla (esim. nikkelillä tai wolframil- 91613 4 la) , joka sitten kuumapuristetaan yhdessä alumiinin kanssa. Toisessa tekniikassa alumiiniin seostetaan litiumia, ja alumiinioksidi voidaan päällystää piidioksidilla. Näillä komposiiteilla kuitenkin ominaisuudet vaihtelevat, tai 5 päällystykset voivat heikentää täyteainetta, tai matriisi sisältää litiumia, joka voi vaikuttaa matriisin ominaisuuksiin.
US-patentilla 4,232,091 voitetaan eräitä alan vaikeuksia, 10 joita kohdataan valmistettaessa alumiinimatriisi-alu-miinioksidikomposiitteja. Tässä patentissa kuvataan 75 -375 kg/cm paineiden kohdistamista pakottamaan sula alumiini (tai sula alumiiniseos) alumiinioksidia olevaan kuitu- tai kuitukidemattoon, joka on esilämmitetty alueelle 15 700 - 1050°C. Alumiinioksidin suurin suhde metalliin tuloksena olevassa kiinteässä valukappaleessa oli 1:4. Koska tässä menetelmässä ollaan riippuvaisia ulkopuolisesta paineesta tunkeutumisen aikaansaamiseksi, tätä menetelmää vaivaavat monet samat puutteet kuin US-patenttia 20 3,970,136.
EP-hakemuksessa 115,742 kuvataan alumiini-alumiinioksidi-komposiittien valmistamista, jotka ovat erityisen käyttökelpoisia elektrolyyttikennokomponentteina, ja joissa esi-25 muotoillun alumiinioksidimatriisin ontelot täytetään sulalla alumiinilla. Hakemuksessa korostetaan ettei alumiini pysty kostuttamaan alumiinioksidia, ja tätä varten käytetään erilaisia tekniikoita alumiinioksidin kostuttamiseksi koko esimuotissa. Alumiinioksidi kostutetaan esimerkiksi 30 titaani-, zirkonium-, hafnium tai niobi-diboridia olevalla kostutusaineella tai metallilla, ts. litiumilla, magnesiumilla, kalsiumilla, titaanilla, kromilla, raudalla, koboltilla, nikkelillä, zirkoniumilla tai hafniumilla. Kostutuksen edistämiseksi käytetään inerttiä atmosfääriä, 35 kuten argonia. Tässä julkaisussa esitetään myös paineen kohdistaminen sulan alumiinin saamiseksi tunkeutumaan päällystämättömään matriisiin. Tässä suhteessa tunkeutu- li 91613 5 minen aikaansaadaan saattamalla huokoset ensin tyhjöön ja kohdistamalla sitten sulaan alumiiniin painetta inertissä atmosfäärissä, esim. argonissa. Vaihtoehtoisesti esimuot-tiin voidaan tunkeutua höyryfaasissa olevalla alu-5 miinipäällystyksellä pintojen kostuttamiseksi ennen onte-loiden täyttymistä tunkeutuvalla sulalla alumiinilla. Jotta varmistettaisiin alumiinin pysyminen esimuotin huokosissa vaaditaan lämpökäsittelyä, esim lämpötilassa 1400 - 1800°C, joko argonissa tai tyhjössä. Muutoin joko paineen 10 alaisena tunkeutuneen aineen altistuminen kaasulle, tai tunkeutumispaineen poistaminen aiheuttaa alumiinin häviämistä kappaleesta.
Kostutusaineiden käyttäminen sulan metallin tunkeutumisen 15 aikaansaamiseksi elektrolyyttikennon alumiinioksidikom-ponenttiin on esitetty myös EP-patenttihakemuksessa 94353. Tässä julkaisussa kuvataan alumiinin tuottamista elektrolyysillä kennossa, jossa virranjohdinkatodi on kennon vaippana tai alustana. Tämän alustan suojaamiseksi sulalta 20 kryoliitilta levitetään alumiinioksidialustalle ohut pääl-lystys kostutusaineen ja liukenemisen estävän aineen seosta ennen kennon käynnistämistä tai kun se on upotettuna elektrolyysiprosessin tuottamaan sulaan alumiiniin. Kuvattuja kostutusaineita ovat titaani, zirkonium, hafnium, pii, 25 magnesium, vanadiini, kromi, niobi tai kalsium, ja titaani esitetään edullisimmaksi aineeksi. Boorin, hiilen ja typen yhdisteiden selitetään olevan hyödyllisiä estettäessä kostutusaineiden liukenemista sulaan alumiiniin. Viite julkaisussa ei kuitenkaan ehdoteta metallimatriisikomposiit-30 tien tuottamista.
Paineen ja kostutusaineiden käytön lisäksi on kuvattu tyhjön kohdistamisen edistävän sulan alumiinin tunkeutumista huokoiseen keraamikappaleeseen. Esimerkiksi US-pa-35 tentissä 3,718,441 (27.2.1973) raportoidaan keraamiseen kappaleeseen (esim. boorikarbidi, alumiinioksidi ja beryl-liumoksidi) tunkeutumista joko sulalla alumiinilla, beryl- 91613 6
Uumilla, magnesiumilla, titaanilla, vanadiinilla, nikkelillä tai kromilla, tyhjössä joka on alle 10”6 torr. Välillä 10“ ... 10~ torr oleva tyhjö johti keraamin heikkoon kostuttamiseen sulalla metallilla, niin ettei metalli 5 virrannut vapaasti keraamin ontelotiloihin. Kostuttamisen sanotaan kuitenkin parantuneen, kun tyhjö pienennettiin alle 10~6 torr.
Myös US-patentissa 3,864,154 (4.2.1975) esitetään tyhjön 10 käyttämistä tunkeutumisen aikaansaamiseksi. Tässä patentissa selitetään kylmäpuristetun AlBi2-jauhekappaleen asettamista kylmäpuristetulle alumiini jauheen pedille. Sen jälkeen sijoitettiin lisää alumiinia AIB12-jauhekappaleen päälle. Upokas, jossa AlBi2-kappale oli "kerrostettuna" 15 alumiinijauhekerrosten väliin, sijoitettiin tyhjöuuniin.
Uuniin järjestettxxn noin 10 torr oleva tyhjö kaasun poistamista varten. Lämpötilaa nostettiin sen jälkeen 1100°C:een, jossa se pidettiin 3 tuntia. Näissä oloissa sula alumiini tunkeutui AlBi2-kappaleeseen.
20
Menetelmää komposiittiaineiden valmistamiseksi, jotka sisältävät vahvistavaa ainetta, kuten keraamisia hiukkasia, kuitukiteitä, kuituja tai vastaavia, kuvataan EP-patent-tihakemuksessa nro 045002 (3.2.1982). Komposiittiaine 25 tuotetaan asettamalla huokoista lujiteainetta (esim. alumiinioksidia, hiiltä tai booria olevia suunnattuja kuituja), joka ei reagoi atmosfäärin ja sulan metallin kanssa (esim. magnesium tai alumiini), säiliöön, jossa on avoin osa, puhaltamalla säiliöön oleellisesti puhdasta happea, 30 ja upottamalla sitten säiliö sulan metallin altaaseen, jolloin sula metalli tunkeutuu vahvistavan aineen välitiloihin. Julkaisussa esitetään, että sula metalli reagoi säiliössä läsnä olevan hapen kanssa tuottaen metallin kiinteän hapettuneen muodon, jolloin säiliöön syntyy tyhjö, 35 joka imee sulaa metallia säiliöön lujittavan aineen välitilojen kautta. Vaihtoehtoisessa suoritusmuodossa julkaisu esittää happea sitovan alkuaineen (esim. magnesium) 11 91613 7 sijoittamista säiliöön reagoimaan säiliössä olevan hapen kanssa ja tyhjön tuottamiseksi, joka sulan metallin 50 kg/cm argonilla tapahtuvan paineistamisen avulla imee sulaa metallia (esim. alumiinia) säiliöön, joka on täytetty 5 lujittavalla aineella (esim. suunnatuilla hiilikuiduilla) .
US-patentissa 3,867,177 (18.2.1975) selostetaan menetelmä huokoisen kappaleen kyllästämiseksi metallilla saattamalla kappale ensin koskettamaan "aktivaattorimetallia" ja upot-10 tamalla kappale sitten "täytemetalliin”. Tarkemmin sanoen upotetaan täyteaineen huokoinen matto tai tiivistetty kappale sulaan aktivaattorimetalliin riittävän pitkäksi aikaa että kappaleen välitilat kokonaan täyttyvät sulalla aktivaattorimetallilla patentin 3,364,976 menetelmällä, 15 jota selitetään alla. Sen jälkeen, kun aktivaattorimetalli on kiinteytynyt, komposiittikappale upotetaan kokonaan toiseen metalliin ja pidetään siinä riittävän kauan aikaa, joka sallii toisen metallin korvaavan aktivaattorimetallin haluttuun määrään saakka. Muodostuneen kappaleen annetaan 20 sitten jäähtyä. On myös mahdollista että täyteaine ainakin osittain poistetaan huokoisesta kappaleesta ja korvataan ainakin kolmannella metallilla, upottamalla jälleen huokoinen kappale osittain tai kokonaan korvaavan metallin sulaan niin pitkäksi aikaa, että se riittää liuottamaan 25 tai diffundoimaan halutun määrän korvaavaa metallia huokoiseen kappaleeseen. Tuloksena oleva kappale voi myös sisältää metallien välisiä yhdistetiä täyteaineen välitiloissa. Monivaiheisen prosessin käyttäminen, mukaan lukien aktivaattorimetallin käyttäminen, halutulla koostumuksel-30 la varustetun komposiitin muodostamiseksi, on kallista sekä ajan että rahan suhteen. Lisäksi prosessin rajoitukset, jotka perustuvat esim. metallien yhteensopivuuteen (ts. liukenevuuteen, sulamispisteeseen, reaktiivisyyteen, jne), rajoittavat mahdollisuuksi aineen ominaisuuksien 35 sovittamiseksi toivottua tarkoitusta varten.
91613 8 US-patentissa 3,529,655 (22.9.1970) selitetään menetelmää magnesiumia tai magnesiumseosta ja piikarbidi-kuitukiteitä sisältävien komposiittien muodostamiseksi. Tarkemmin sanottuna upotetaan muotti, jossa on ainakin yksi aukko 5 atmosfääriin ja joka sisältää piikarbidi-kuitukiteitä muotin sisätilassa, sulan magnesiumin kylpyyn, niin että muotin kaikki aukot ovat sulan magnesiumin kylvyn pinnan alla riittävän kauan, jotta magnesium täyttäisi muotin ontelon jäljelle jäävän tilavuuden. Sanotaan, että kun sula 10 metalli tunkeutuu muottionteloon, se reagoi siinä olevan ilman kanssa muodostaen pieniä määriä magnesiumoksidia ja magnesiumnitridiä, jolloin muodostuu tyhjö joka imee lisää sulaa metallia onteloon ja piikarbidikuitukiteiden väliin. Täytetty muotti poistetaan sen jälkeen sulan magnesiumin 15 kylvystä ja muotissa olevan magnesiumin annetaan jäähtyä.
US-patentissa 3,364,976 (23.1.1968) selitetään itsestään kehittyvän tyhjön aikaansaamista kappaleeseen, sulan metallin tunkeutumisen lisäämiseksi kappaleeseen. Tarkemmin 20 sanottuna kappale, esim. grafiittimuotti, teräsmuotti tai huokoinen tulenkestävä aine, upotetaan kokonaan sulaan metalliin, esim. magnesiumiin tai magnesiumseokseen tai alumiiniseokseen. Muotin tapauksessa sulan metallin kanssa reagoivalla kaasulla, esim. ilmalla täytetty muottiontelo 25 on yhteydessä ulkopuolella sijaitsevaan sulaan metalliin muotissa olevan ainakin yhden aukon kautta. Kun muotti upotetaan sulaan, tapahtuu ontelon täyttyminen itsestään muodostuvan tyhjön syntyessä ontelossa olevan kaasun ja sulan metallin reaktion johdosta. Tyhjö on erityisesti 30 tulosta metallin kiinteän oksidimuodon syntymisestä.
US-patentissa 3,396,777 (13.8.1968) selitetään sisäisesti muodostuneen tyhjön aikaansaamista sulan metallin tunkeutumisen edistämiseksi täyteainekappaleeseen. Tarkemmin 35 sanottuna patentissa kuvataan toisesta päästään atmosfääriin avoin teräs- tai rautasäiliö, joka sisältää hiukkas-muotoista huokoista kiinteätä ainetta, esim. valurautaa, 91613 9 ja joka on peitetty avoimesta päästään kannella, jossa on lävistyksiä tai läpimeneviä reikiä, joiden halkaisija on pienempi kuin huokoisen kiinteän aineen hiukkaskoko. Säiliössä on myös atmosfääriä, esim. ilmaa kiinteässä 5 täyteaineessa, joka ainakin osittain reagoi sulan metallin, esim. magnesiumin, alumiinin, jne. kanssa. Säiliön kansi on upotettu riittävälle etäisyydelle sulan metallin pinnasta, niin että estetään ilman pääsy säiliöön, ja kantta pidetään pinnan alla riittävän kauan, niin että säiliössä 10 oleva atmosfääri voi reagoida sulan metallin kanssa kiinteän tuotteen muodostamiseksi. Atmosfäärin ja sulan metallin välinen reaktio johtaa alipaineeseen tai oleelliseen tyhjöön säiliössä ja huokoisessa kiinteässä aineessa, joka imee sulan metallin säiliöön ja kiinteän huokoisen 15 aineen huokosiin.
US-patentti 3,396,777 on määrätyllä tavalla sukua menetelmille, joita selitettiin edellä julkaisujen EP 045,002; US 3,867,177; US 3,529,655 ja US 3,364,976 yhteydessä.
20 Erityisesti US-patentissa 3,396,777 aikaansaadaan sulan metallin kylpy, johon täyteainetta sisältävä säiliö upotetaan riittävän syvälle, niin että aiheutetaan ontelossa olevan kaasun ja sulan metallin välinen reaktio ja ontelon sulkeminen sulalla metallilla. Tämän patentin toisen 25 näkökohdan mukaisesti sulan matriisimetallin kylvyn pinta, johon sulassa tilassa voi kohdistua hapettumista sen ollessa kosketuksessa ympäröivään ilmaan, peitetään suo-jaavalla kerroksella eli sulatteella. Sulate pyyhitään sivulle kun säiliö asetetaan sulaan metalliin, mutta 30 sulatteen aiheuttama lika voi kuitenkin sisältyä sulan • matriisimetallin kylpyyn ja/tai säiliöön ja huokoiseen kiinteään aineeseen, johon tunkeutuminen tapahtuu. Sellainen likaantuminen, vaikkapa vain hyvin pienessä määrin, voi estää tyhjön muodostumisen säiliössä, saunoin kuin olla 35 haitallinen tuloksena olevan komposiitin fysikaalisille ominaisuuksille. Kun säiliö poistetaan sulan matriisime-“· tallin kylvystä ja ylimääräistä matriisimetallia valuu 91613 10 säiliöstä, voi lisäksi esiintyä matriisimetallin menetystä kappaleesta, johon tunkeutuminen on tapahtunut, johtuen painovoimasta.
5 Vastaavasti on kauan ollut olemassa tarve saada yksinkertainen ja luotettava menetelmä metallimatriisi-komposiit-tien tuottamiseksi, joka ei perustu ulkoisen paineen tai tyhjön käyttämiseen, tai vahingollisten kostutusaineiden tai sulan matriisimetallin altaan käyttämiseen, niistä 10 seuraavine haittoineen, kuten edellä mainittiin. Lisäksi on pitkään ollut tarve minimoida lopullisten koneistustoi-menpiteiden määrää, joita tarvitaan metallimatriisi-kom-posiittikappaleen aikaansaamiseksi. Esillä oleva keksintö tyydyttää nämä tarpeet aikaansaamalla menetelmän, johon 15 liittyy sisäisesti muodostunut tyhjö sulan matriisimetallin (esim. alumiinin, magnesiumin, pronssin, kuparin, valuraudan, jne) tunkeutumisen aikaansaamiseksi aineeseen (esim. keraaminen aine), joka voidaan muotoilla esimuotik-si, reaktiivisen atmosfäärin (esim. ilman, typen, hapen, 20 jne) läsnäollessa normaalissa ilmanpaineessa.
Seuraavassa selitetään yhteisesti omistettuja patentteja ja patenttihakemuksia: 25 Uutta menetelmää metallimatriisi-komposiittiaineen tuottamiseksi kuvataan US-hakemuksessamme 142,385 (11.1.1988), jonka nimityksenä on "Menetelmä metallimatriisikomposiit-tien valmistamiseksi", joka nyt on hyväksytty US-patentik-si. Mainitun keksinnön menetelmän mukaisesti muotti muo-30 dostetaan sulan edeltäjämetallin tai perusmetallin suunnatulla hapettamisella hapettimen kanssa monikiteisen hapetusreaktiotuotteen kasvun tuottamiseksi, joka täyttää ainakin osan esimuottia, joka muodostuu sopivasta täyteaineesta (johon viitataan "ensimmäisenä täyteaineena"). 35 Muodostunut keraamimatriisikomposiittimuotti järjestetään sitten toisen täyteaineen yhteyteen ja toinen täyteaine ja muotti saatetaan koskettamaan sulaa metallia, ja muotin 91613 11 sisältö suljetaan hermeettisesti, tyypillisimmin tuomalla ainakin yhtä sulaa metallia aukkoon, joka sulkee muotin. Hermeettisesti suljettu peti voi sisältää siihen jäänyttä ilmaa, mutta suljettu ilma ja muotin sisältö on eristetty 5 tai suljettu niin, että ulkoinen eli ympäröivä ilma on suljettu ulos. Järjestämällä hermeettinen ympäristö, saavutetaan tunkeutuminen toiseen täyteaineeseen kohtuullisilla sulan metallin lämpötiloilla, ja siten vältetään tai poistetaan mahdollinen kostutusaineiden tarve, erityisesti 10 seosaineiden tarve sulassa matriisimetallissa, kohdistettavan mekaanisen paineen, tyhjön, erikoisen kaasuatmosfäärin tai muiden tunkeutumisvälineiden tarve.
Edellä mainittua patenttihakemusta 142,385 parannettiin 15 yhteisesti omistamallamme rinnakkaisella US-patenttihake-muksella nro 07/381,523 (18.7.1989) nimityksellä "Menetelmä metallimatriisi-komposiittikappaleiden muodostamiseksi sisäisellä tyhjöprosessilla sekä sillä tuotettuja tuotteita" . Patenttihakemuksen 381,523 mukaisella menetelmällä 20 valmistetaan läpäisemätön säiliö, ja täyteaine tai esi-muotti sijoitetaan säiliöön. Sitten sulatetaan matriisime-tallia ja asetetaan se kosketukseen täyteaineeseen tai esimuottiin. Sitten muodostetaan sulkemisväline mahdollisen ympäröivän atmosfäärin eristämiseksi reaktiivisesta 25 atmosfääristä, jota on täyteaineessa tai esimuotissa. Sitten säiliössä kehittyy sisäisesti muodostettu tyhjö, joka johtaa sulan matriisimetalliin tunkeutumiseen täyteaineeseen tai esimuottiin. Sen jälkeen matriisimetalli jäähdytetään (esim. kiinteytyy suuntautuneesti) ja muodos-30 tunut metallimatriisi-komposiittikappale poistetaan säi-• liöstä. Patenttihakemuksessa 381,523 kuvataan useita eri laisia matriisimetallien ja täyteaineiden yhdistelmiä, jotka sopivat siinä selitetyn keksinnön yhteydessä käytettäviksi.
35
Yhteisesti omistamassamme rinnakkaisessa US-patenttihake-*: muksessa nro 07/383,935 (21.7.1990) nimityksellä "Menetel- 91613 12 mä makrokomposiittikappaleiden muodostamiseksi sisäisellä tyhjöprosessilla sekä sillä tuotettuja tuotteita". US-pa-5 tenttihakemuksen 383 935 mukaan reaktiojärjestelmä on samantapainen kuin mitä patenttihakemuksessa 07/381 523 selostettiin. Tässä keksinnössä kuitenkin ennen tunkeutumista täyteaine tai esimuotti asetetaan lähelle tai koskettamaan ainakin yhtä toista ainetta, niin että täyteainee-10 seen tai esimuottiin tapahtuneen tunkeutumisen jälkeen tunkeutunut aine sitoutuu ainakin osaan toista ainetta, muodostaen siten makrokomposiittikappaleen.
Edellä mainituissa yhteisesti omistetuissa patenttihakemuk-15 sissa selitetään menetelmiä metallimatriisi-komposiittikap-paleiden tuottamiseksi ja uusia kappaleita (sekä metalli-matriisikomposiitti- että makrokomposiittikappaleita), joita niillä tuotetaan. Kaikkien yhteisesti omistettujen patenttihakemusten sisältö liitetään tähän nimenomaisena 20 viitteenä.
Esillä olevan keksinnön mukaiselle menetelmälle, jossa muotoiltu metallimatriisi-komposiittikappale tuotetaan uudella sisäisesti muodostuvalla tyhjötekniikalla, on 25 tunnusomaista se, että muodostetaan reaktiojärjestelmä, joka käsittää matriisime-tallia, reaktiivisen atmosfäärin, läpäisemättömän säiliön ja läpäisevää massaa, joka sisältää ainakin yhtä ainetta, joka valitaan irrallisen täyteainemassan ja täyteainetta 30 olevan esimuotin käsittävästä ryhmästä, sekä estovälineen, joka on kosketuksessa ainakin läpäisevän massan yhden ·* pinnan osaan ja joka ainakin osittain on etäisyydellä matriisimetallista mainitun muotoillun metallimatriisi-kom-posiittikappaleen ainakin yhden pinnan muodostamiseksi; 35 suljetaan reaktiojärjestelmä ainakin osittain reaktiojär- 91613 13 jestelmän ulkopuolella olevasta ympäröivästä atmosfääristä niin, että aikaansaadaan nettopaine-ero reaktiivisen atmosfäärin ja ympäröivän atmosfäärin välille, jolloin sulkemi-5 nen järjestetään ainakin yhdellä ulkoisella sululla; ja kuumennetaan suljettu reaktiojärjestelmä niin, että mat-riisimetalli sulaa ja ainakin osittain tunkeutuu läpäisevään massaan estovälineeseen saakka muodostaen siten muotoillun metallimatriisi-komposiittikappaleen, jossa ainakin 10 yksi pinta on muodostettu estovälineellä.
Ensimmäisessä edullisessa suoritusmuodossa järjestetään reaktiojärjestelmä, joka käsittää läpäisemättömän säiliön ja siihen sisältyvän täyteaineen kosketuksessa sulaan 15 matriisimetalliin reaktiivisen atmosfäärin läsnäollessa, sekä sulkemisvälineen reaktiojärjestelmän eristämiseksi ympäröivästä atmosfääristä. Reaktiivinen atmosfääri reagoi, joko osittain tai oleellisesti täydellisesti sulan mat-riisimetallin ja/tai täyteaineen ja/tai läpäisemättömän 20 säiliön kanssa muodostaen hapetusreaktiotuotetta, joka voi muodostaa tyhjön imien siten sulaa matriisimetallia ainakin osittain täyteaineeseen. Reaktio, joka käsittää reaktiivisen atmosfäärin ja sulan matriisimetallin ja/tai täyteaineen ja/tai läpäisemättömän säiliön, voi jatkua niin kauan, 25 että se riittää sallimaan sulan matriisimetallin joko osittain tai kokonaan tunkeutumaan täyteaineeseen tai esimuottiin. Reaktiojärjestelmä suljetaan ulkoisella sulke-misvälineellä, jolla on matriisimetallista poikkeava koostumus .
30
Toisessa edullisessa suoritusmuodossa täyteaine voi reagoida ainakin osittain reaktiivisen atmosfäärin kanssa muodostaen tyhjön, joka imee sulaa matriisimetallia täyteaineeseen tai esimuottiin. Lisäksi voidaan täyteaineeseen 35 sisällyttää lisäaineita, jotka joko osittain tai oleellisesti täydellisesti voivat reagoida reaktiivisen atmosfäärin kanssa tyhjön muodostamiseksi, samoin kuin 91613 14 korostaa tuloksena olevan kappaleen ominaisuuksia. Lisäksi täyteaineen ja matriisimetallin lisäksi tai sen sijasta voidaan läpäisemätön säiliö saattaa ainakin osittain reagoimaan reaktiivisen atmosfäärin kanssa tyhjön muodos-5 tautiseksi.
Määritelmiä Tässä selityksessä ja oheisissa patenttivaatimuksissa 10 käytettynä määritellään alla olevat termit seuraavasti:
Seospuoli viittaa tässä käytettynä lopullisen metallimat-riisikomposiitin siihen puoleen, joka alunperin kosketti sulaa matriisimetallia ennenkuin tämä sula metalli tunkeu-15 tui täyteainemassaan läpäisevään massaan tai esimuottiin
Alumiini jne. merkitsee ja sisältää tässä käytettynä oleellisesti puhtaan metallin (esim. suhteellisen puhtaan, kaupallisesti saatavan seostamattoman alumiinin) tai me-20 tallin ja metalliseosten muita laatuja, kuten kaupallisesti saatavat metallit, joissa on epäpuhtauksia ja/tai seosaineita, kuten rautaa, piitä, kuparia, magnesiuma, mangaania, kromia, sinkkiä, jne. Tämän määritelmän tarkoituksiin oleva alumiiniseos on seos tai metallien muodostama yhdiste, 25 jossa alumiini on pääainesosana.
Ympäröivä atmosfääri merkitsee tässä käytettynä täyteaineen tai esimuotin ja läpäisemättömän säiliön ulkopuolella olevaa atmosfääriä. Sillä voi olla oleellisesti samat 30 osatekijät kuin reaktiivisella atmosfäärillä, tai sillä voi olla erilaiset osatekijät.
Estoaine tai estoväline merkitsee tässä metallimatriisi-komposiittikappaleiden yhteydessä käytettynä mitä tahansa 35 sopivaa ainetta, joka estää, torjuu, pysäyttää sulan matriisimetallin etenemisen, liikkeen tai vastaavan, läpäisevän täyteainemassan tai esimuotin rajapinnan yli,
II
91613 15 jolloin sellainen rajapinta määritellään mainitulla esto-välineellä. Sopivat estovälineet voivat olla jotain ainetta, yhdistettä, alkuainetta, koostumusta tai vastaavaa, joka prosessin olosuhteissa ylläpitää jonkinasteisen ehey-5 den eikä ole oleellisesti haihtuvaa (ts. estoaine ei haihdu niin paljon, että siitä tulisi estoaineena hyödytön).
Lisäksi sopivat ’’estovälineet" sisältävät aineita, joita kulkeutuva sula matriisimetalli käytettyjen prosessin 10 olosuhteiden aikana ei oleellisesti pysty kostuttamaan tai joita se pystyy kostuttamaan, kunhan estovälineen kostuttaminen ei etene oleellisesti estoaineen pinnan yli (ts. pintakostutus). Tämän tyyppisellä estoaineella näyttää olevan oleellisen vähän tai ei lainkaan yhtymispyrkimystä 15 sulaan matriisimetalliin, ja estoväline estää tai torjuu siirtymisen täyteainemassan tai esimuotin määritellyn rajapinnan yli. Estoaine vähentää mahdollista loppukoneis-tusta tai hiomista, jota voidaan tarvita, ja määrittelee ainakin osan tuloksena olevan metallimatriisi-komposiit-20 tituotteen pinnasta.
Pronssi merkitsee ja sisältää tässä käytettynä kuparivoit-toista seosta, joka voi sisältää rautaa, tinaa, sinkkiä, alumiinia, piitä, berylliä, magnesiumia ja/tai lyijyä.
25 Määrätyt pronssiseokset sisältävät ne seokset, joissa kuparin osuus on noin 90 painoprosenttia, jolloin piin osuus on noin 6 painoprosenttia, ja raudan osuus noin 3 painoprosenttia.
30 Jäännökset tai perusmetallin_jä£nnpKset viittaa tässä käytettynä alkuperäisen perusmetallimäärän mahdolliseen osaan, joka jää jäljelle ja joka ei ole kulunut keraami-matriisikomposiittikappaleen muodostuksen aikana, ja joka tyypillisesti kun sen annetaan jäähtyä, pysyy ainakin 35 osittaisessa kosketuksessa muodostettuun kappaleeseen.
Tulisi ymmärtää, että jäännökset voivat tyypillisesti myös sisältää toista tai vierasta metallia.
91613 16
Valurauta viittaa tässä käytettynä valettuihin rautaseok-siin, joissa hiilen osuus on ainakin 2 painoprosenttia.
Kupari viittaa tässä käytettynä oleellisesti puhtaan 5 metallin kaupallisiin laatuihin, esim. 99 painoprosenttia kuparia ja siihen sisältyviä vaihtelevia määriä epäpuhtauksia. Lisäksi se viittaa metalleihin, jotka ovat seoksia tai metallien välisiä yhdisteitä, jotka eivät sisälly pronssin määritelmään, ja jotka sisältävät kuparia pää-10 asiallisena osatekijänä.
Täyteaine on tässä käytettynä tarkoitettu sisältämään joko yksittäisiä aineksia tai ainesseoksia, jotka oleellisesti eivät reagoi metallin kanssa ja/tai joilla on rajoitettu 15 liukenevuus matriisimetalliin ja/tai hapetusreaktiotuotteeseen, ja jotka voivat olla yksi- tai useampifaasisia. Täyteaineita voidaan järjestää lukuisissa eri muodoissa, kuten jauheina, liuskoina, hiutaleina, mikropalloina, kuitukiteinä, kuplina, jne, ja ne voivat olla joko tiiviitä 20 tai huokoisia. Täyteaine voi myös sisältää keraamisia täyteaineita, kuten alumiinioksidia tai piikarbidia kuituina, leikattuina kuituina, hiukkasina, kuitukiteinä, kuplina, kuulina, kuitumattoina, tai vastaavina, ja keraa-mipäällystettyjä täyteaineita, kuten hiilikuituja, jotka 25 on päällystetty alumiinioksidilla tai piikarbidilla hiilen suojaamiseksi esim. sulan perusmetalli-alumiinin syövyttävältä vaikutukselta. Täyteaineet voivat myös käsittää metalleja.
30 Läpäisemätön säiliö merkitsee tässä käytettynä säiliötä, joka voi sisältää reaktiivista atmosfääriä ja täyteainetta (tai esimuotin) ja/tai sulaa matriisimetallia ja/tai sulkemisvälineen prosessin olosuhteissa, ja joka on riittävän läpäisemätöntä kaasumaisten tai höyryaineiden kul-35 kemiselle säiliön läpi, niin että voidaan muodostaa paine-ero ympäröivän atmosfäärin ja reaktiivisen atmosfäärin välille.
91613 17
Matriisimetalli tai matriisimetalliseos merkitsevät tässä käytettynä sitä metallia, jota käytetään metallimatriisi-komposiitin muodostamiseksi (esim. ennen tunkeutumista) ja/tai sitä metallia, joka sekoittuu täyteaineeseen metal-5 limatriisi-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 on 10 epäpuhtauksia ja/tai seosaineita, metallien muodostaman yhdisteenä tai seoksena, jossa tämä metalli on pääasiallisena osana.
Metallimatriisikomposiitti eli MMC merkitsee tässä käytet-15 tynä ainetta, joka käsittää kaksi- tai kolmiulotteisesti liittyneen seoksen tai matriisimetallin, joka on tunkeutunut esimuottiin tai täyteaineeseen. Matriisimetalli voi sisältää erilaisia seosalkuaineita, joilla aikaansaadaan erityisesti toivotut mekaaniset ja fysikaaliset ominaisuu-20 det tuloksena olevassa komposiitissa.
Matriisimetallista "poikkeava" metalli merkitsee metallia, joka ei sisällä pääasiallisena ainesosana samaa metallia kuin matriisimetalli (jos esimerkiksi matriisimetallin 25 pääasiallisena osana on alumiini, niin "poikkeavan" metallin pääasiallisena osana voisi olla esimerkiksi nikkeli).
Esimuotti tai läpäisevä esimuotti merkitse tässä käytettynä sellaista huokoista täytemassaa tai täyteainemassaa, joka 30 valmistetaan ainakin yhdellä rajapinnalla, joka oleellisesti määrittelee tunkeutuvalle matriisimetallille rajapinnan, kuten massaa, joka riittävän hyvin pitää ehjän muotonsa ja tuorelujuuden, niin että se ilman ulkoisia tukivälineitä aikaansaa mittapysyvyyden ennen kuin mat-35 riisimetalli tunkeutuu siihen. Massan tulisi olla riittävän huokoista, niin että se sallii matriisimetallin spontaanin tunkeutumisen siihen. Tyypillisesti esimuotti käsittää 91613 18 sidotun ryhmän 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 5 tahansa näiden yhdistelmää). Esimuotti voi olla joko erillisenä tai kokoonpanona.
Reaktionäriestelmä viittaa tässä käytettynä siihen aineiden yhdistelmään, jolla esiintyy sulan matriisimetallin 10 tunkeutumista täyteaineeseen tai esimuottiin sisäisesti muodostuvassa tyhjössä. Reaktiojärjestelmä käsittää ainakin läpäisemättömän säiliön, jossa on läpäisevää täyte-ainemassaa tai esimuotti, reaktiivista atmosfääriä ja matriisimetallia.
15
Reaktiivinen atmosfääri merkitsee tässä käytettynä atmosfääriä, joka voi reagoida matriisimetallin ja/tai täyteaineen (tai esimuotin) ja/tai läpäisemättömän säiliön kanssa muodostaen sisäisesti syntyvän tyhjön, aiheuttaen 20 siten matriisimetallin tunkeutumisen täyteaineeseen (tai esimuottiin) kun sisäisesti syntynyt tyhjö on muodostunut.
Varastolähde tai varastosäiliö merkitsee tässä käytettynä erillistä matriisimetallimäärää, joka on sijoitettu täy-25 teainemassan tai esimuotin suhteen niin, että kun metalli sulaa, se voi virrata korvaamaan, tai eräissä tapauksissa alunperin aikaansaamaan ja sen jälkeen täydentämään sitä matriisimetallin osaa, segmenttiä tai lähdettä, joka koskettaa täyteainetta tai esimuottia.
30
Sulku tai sulkemisväline viittaa tässä käytettynä prosessin oloissa kaasua läpäisemättömään sulkuun, joka on muodostunut reaktiojärjestelmässä (esim. sisäinen sulku) tai siitä erillisenä (ulkoinen sulku), joka eristää ympäröivän 35 atmosfäärin reaktiivisesta atmosfääristä. Sulku tai sulkemisväline voi koostumukseltaan olla erilainen kuin matriisimetalli.
Il 91613 19
Sulun edistäjä on tässä käytettynä ainetta, joka edistää sulun muodostumista matriisimetallin reagoidessa ympäröivän atmosfäärin ja/tai läpäisemättömän säiliön ja/tai täyteaineen tai esimuotin kanssa. Aine voidaan lisätä 5 matriisimetalliin, ja sulun edistäjän läsnäolo matriisime-tallissa voi edistää tuloksena olevan komposiittikappaleen ominaisuuks ia.
Kostutuksen edistäjä viittaa tässä käytettynä johonkin 10 aineeseen, joka matriisimetalliin ja/tai täyteaineeseen tai esimuottiin lisättynä edistää täyteaineen tai esimuotin kostuttamista sulalla matriisimetallilla (esim. vähentää sulan matriisimetallin pintajännitystä) . Kostutuksen edistäjän läsnäolo voi myös edistää tuloksena olevan metalli-15 matriisi-komposiittikappaleen ominaisuuksia, esimerkiksi edistämällä matriisimetallin ja täyteaineen välistä sitoutumista.
Seuraavat kuviot on järjestetty keksinnön ymmärtämisen 20 tueksi, mutta niitä ei ole tarkoitettu rajoittamaan keksinnön suoja-alaa. Kaikissa kuvioissa on käytetty mahdollisuuksien mukaan samoja viitenumeroita osoittamaan samanlaisia osia, jolloin: 25 kuvio 1 on kaaviollinen poikkileikkaus esillä olevan keksinnön menetelmän mukaisesta tyypillisestä kokoonpanosta, jossa käytetään ulkoista sulkemisvä-linettä; 30 kuvio 2 on yksinkertaistettu vuokaavio esillä olevan keksinnön menetelmästä sovellettuna vakiokokoonpanoon ; kuvio 3 on kaaviollinen poikkileikkaus esillä olevan 35 keksinnön menetelmän mukaisesta tyypillisestä ko koonpanosta, jota käytetään metallimatriisi-kom- 91613 20 posiittikappaleen muodostamiseksi, jolla on puh-dasmuotoinen ulkopinta; kuvio 4 on kaaviollinen poikkileikkaus esillä olevan 5 keksinnön menetelmän mukaisesta tyypillisestä ko koonpanosta, jota käytetään metallimatriisi-kom-posiittikappaleen muodostamiseksi, jossa on puh-dasmuotoinen sisäinen ontelo; 10 kuvio 5 on kaaviollinen poikkileikkaus esillä olevan keksinnön menetelmän mukaisesta tyypillisestä kokoonpanosta, jota käytetään puhdasmuotoisen kom-posiittikappaleen muodostamiseksi, jossa on puh-dasmuotoiset sisä- ja ulkomitat; 15 kuvio 6 on kaaviollinen poikkileikkaus esillä olevan keksinnön menetelmän mukaisesta tyypillisestä kokoonpanosta, jota käytetään puhdasmuotoisen metal-limatriisi-komposiittikappaleen muodostamiseksi; 20 kuvio 7 on valokuva, joka vastaa esimerkin 1 mukaisesti valmistettuja näytteitä; kuvio 8 on valokuva, joka vastaa esimerkin 2 mukaisesti 25 valmistettua näytettä; kuvio 9a on valokuva, joka vastaa esimerkin 3 mukaisesti valmistettua näytettä; 30 kuvio 9b on valokuva, joka vastaa esimerkin 4 mukaisesti valmistettua näytettä; kuvio 10a on kaaviollinen poikkileikkaus esillä olevan keksinnön menetelmän mukaisesta tyypillisestä ko- 35 koonpanosta, jota käytetään puhdasmuotoisten me- tallimatriisi-komposiittikappaleiden muodostamiseksi; li 91613 21 kuvio 10b on valokuva, joka vastaa esimerkin 5 mukaisesti valmistettua näytettä; kuvio 11a on valokuva, joka vastaa esimerkin 6 mukaisesti 5 valmistettua viimeistelemätöntä näytettä; kuvio 11b on valokuva, joka vastaa esimerkin 6 mukaisesti valmistettua viimeisteltyä näytettä; 10 kuvio 12 on valokuva, joka vastaa esimerkin 7 mukaisesti valmistettua näytettä; kuvio 13 on valokuva, joka vastaa esimerkin 8 mukaisesti valmistettua näytettä; 15 kuvio 14 on kaaviollinen poikkileikkaus esillä olevan keksinnön menetelmän mukaisesta tyypillisestä jaetun muotin kokoonpanosta, jota käytetään puhdas-muotoisten metallimatriisi-komposiittikappaleiden 20 muodostamiseksi; kuvio 15 on valokuva, joka vastaa esimerkin 10 mukaisesti valmistettua näytettä; . 25 kuvio 16a on kaaviollinen poikkileikkaus mallista, jota käytettiin esimerkissä 11; kuvio 16b on valokuva, joka vastaa esimerkin 11 mukaisesti valmistettua näytettä; ja 30 kuvio 17 on valokuva, joka vastaa esimerkin 12 mukaisesti valmistettua näytettä»
Viitaten kuvioon 1 havainnollistetaan tyypillistä kokoon- 35 panoa 10 metallimatriisikomposiitin muodostamiseksi esillä olevan keksinnön mukaisella sisäisesti muodostuvan tyhjön menetelmällä. Tarkemmin sanottuna täyteaine tai esimuotti 22 91613 11, joka voi olla jotain alempana yksityiskohtaisemmin selitettyä sopivaa ainetta, sijoitetaan läpäisemättömään säiliöön 12, joka voi sisältää sulaa matriisimetallia 13 ja reaktiivista atmosfääriä. Täyteaine 11 voidaan esimer-5 kiksi saattaa kosketukseen reaktiivisen atmosfäärin kanssa (esim. sen atmosfäärin kanssa jota on täyteaineen tai esimuotin huokosissa) riittävän pitkäksi ajaksi, niin että mahdollistetaan reaktiivisen atmosfäärin tunkeutuminen joko osittainen tai oleellisesti täydellisesti läpäisemät-10 tömässä säiliössä 12 olevaan täyteaineeseen 11. Matriisime-talli 13, joko sulassa muodossa tai kiinteässä valannemuo-dossa, sijoitetaan sitten koskettamaan täyteainetta 11. Kuten alla yksityiskohtaisemmin selitetään edullisessa suoritusmuodossa, voidaan järjestää ulkoinen sulku tai 15 sulkemisväline 14 esimerkiksi sulan matriisimetallin 13 pinnalle eristämään reaktiivinen atmosfääri ympäröivästä atmosfääristä 17. Sulkemisväline, joko sisäinen tai ulkoinen, voi toimia tai olla toimimatta sulkemisvälineenä huonelämpötilassa, mutta sen tulisi toimia sulkemisvä-20 lineenä prosessin oloissa (esim. matriisimetallin sulamispisteessä tai sen yläpuolella). Kokoonpano 10 sijoitetaan sen jälkeen uuniin, joka on joko huonelämpötilassa tai joka on esilämmitetty likimain prosessilämpötilaan. Näissä prosessin oloissa uuni toimii lämpötilassa, joka on 25 matriisimetallin sulamispisteen yläpuolella, niin että sallitaan sulan matriisimetallin tunkeutuminen täyteaineeseen tai esimuottiin sisäisesti muodostuvan tyhjön avulla.
Kuvioon 2 viitaten esitetään yksinkertaistettu vuokaavio 30 esillä olevan keksinnön menetelmän prosessivaiheiden suorittamiseksi. Vaiheessa 1 voidaan valmistaa tai muutoin järjestää sopiva läpäisemätön säiliö, jolla on sopivat ominaisuudet, joita yksityiskohtaisemmin selitetään alla. Esimerkiksi yksinkertainen päästä avoin (esim. ruostuma-35 tonta terästä oleva) terässylinteri sopii muotiksi. Teräs-säiliö voidaan sitten valinnaisesti vuorata GRAFOIL(R) -grafiittinauhalla (GRAFOIL(R) on Union Carbide:n rekis-
II
91613 23 teröity tavaramerkki) säiliössä muodostettavan metallimat-riisi-komposiittikappaleen irrottamisen helpottamiseksi. Kuten alla yksityiskohtaisemmin selitetään, voidaan metal-limatriisi-komposiittikappaleen säiliöstä tai muotista 5 irrottamisen helpottamiseksi käyttää myös muita aineita, kuten B2O3, jota pölytetään säiliöön, tai tinaa, jota lisätään matriisimetalliin. Säiliöön voidaan sitten asettaa haluttu määrä sopivaa täyteainetta tai esimuottia, joka valinnaisesti ainakin osaksi voidaan peittää toisella 10 kerroksella GRAFOIL(R) -nauhaa. Tämä grafiittinauhakerros helpottaa metallimatriisi-komposiittikappaleen irrottamista mahdollisesti matriisimetallin jäännöksestä, jota on olemassa täyteaineeseen tunkeutumisen jälkeen.
15 Sitten voidaan säiliöön kaataa jokin määrä sulaa mat-riisimetallia, esim. alumiinia, pronssia, kuparia, valurautaa, magnesiumia, jne. Säiliö voi olla huonelämpötilassa tai se voidaan esilämmittää johonkin sopivaan lämpötilaan. Lisäksi voitaisiin matriisimetallia alunperin järjestää 20 kiinteinä matriisimetallin valanteina ja sitten kuumentaa valanteiden sulattamiseksi. Sitten voidaan muodostaa sopivaa sulkemisvälinettä (jota alla selitetään yksityiskohtaisemmin), joka valitaan ryhmästä joka käsittää ulkoiset sulkemisvälineet ja sisäiset sulkemisvälineet. Jos esimer-, 25 kiksi haluttaisiin muodostaa ulkoinen sulku, voitaisiin ulkoista sulkemisvälinettä, kuten lasipanos (esim. B2O3), levittää säiliössä olevan sulan matriisimetallin altaan pinnalle. Sen jälkeen lasipanos sulaa, peittäen tyypillisesti altaan pinnan, mutta kuten alla yksityiskohtaisemmin 30 selitetään, täydellistä peittämistä ei vaadita. Sen jälkeen kun sula matriisimetalli on saatettu koskettamaan täyteainetta tai esimuottia ja kun matriisimetalli ja/tai täyteaine on tarvittaessa eristetty ulkoisella sulkemis-välineellä ympäröivästä atmosfääristä, säiliö asetetaan 35 sopivaan uuniin, joka on voitu esilämmittää prosessin lämpötilaan, riittävän pitkäksi ajaksi niin että tunkeu-? tuminen voi tapahtua. Uunin prosessilämpötila voi olla 91613 24 erilainen eri matriisimetalleilla (esimerkiksi noin 950 °C on toivottava joillekin alumiiniseoksille ja noin 1100 °C joillekin pronssiseoksille). Sopiva prosessilämpötila voi vaihdella riippuen matriisimetallin sulamispisteestä ja 5 muista ominaisuuksista, samoinkuin reaktiojärjestelmän ja sulkemisvälineen osatekijöiden ominaisuuksista. Sopivan ajan jälkeen uunin lämpötilassa syntyy tyhjö (jota yksityiskohtaisemmin selitetään alla) täyteaineeseen tai esi-muottiin, jolloin sula matriisimetalli voi tunkeutua 10 täyteaineeseen tai esimuottiin. Säiliö voidaan sitten poistaa uunista ja jäähdyttää, esimerkiksi asettamalla se jäähdytyslevylle matriisimetallin suuntautunutta kiinteytymistä varten. Metallimatriisikomposiitti voidaan sitten poistaa jollakin sopivalla tavalla säiliöstä ja erottaa 15 mahdollisesta matriisimetallin jäännöksestä.
Ymmärretään, että edellä olevat kuvioiden 1 ja 2 selitykset on esitetty yksinomaan esillä olevan keksinnön merkittävimpien piirteiden valaisemiseksi. Prosessin muita yksi-20 tyiskohtia ja prosessissa mahdollisesti käytettävien aineiden ominaisuuksia selitetään alla.
Haluamatta sitoutua mihinkään määrättyyn teoriaan tai selitykseen, uskotaan, että kun sopiva matriisimetalli, 25 tyypillisesti sulassa tilassa, koskettaa sopivaa täyteainetta tai esimuottia sopivan reaktiivisen atmosfäärin läsnäollessa läpäisemättömässä säiliössä, saattaa reaktiivisen atmosfäärin ja sulan matriisimetallin ja/tai täyteaineen tai esimuotin ja/tai läpäisemättömän säiliön välillä 30 esiintyä reaktio, joka johtaa reaktiotuotteeseen (ts. kiinteään, nestemäiseen tai höyryyn), joka täyttää pienemmän tilavuuden kuin reagoivien osatekijöiden alkuperäinen tilavuus. Kun reaktiivinen atmosfääri eristetään ympäröivästä atmosfääristä saattaa läpäisevässä täyteaineessa 35 tai esimuotissa syntyä tyhjö, joka imee sulaa matriisime-tallia täyteaineen tyhjiin tiloihin. Lisäksi tyhjön muodostuminen voi edistää kostuttamista. Reaktiivisen atmos- I! 91613 25 fäärin ja sulan matriisimetallin ja/tal täyteaineen tai esiinuotin ja/tai läpäisemättömän säiliön välillä jatkuva reaktio voi johtaa siihen, että matriisimetalli tunkeutuu täyteaineeseen tai esimuottiin kun muodotuu lisää tyhjöä.
5 Reaktio voi jatkua niin kauan että sula matriisimetalli voi tunkeutua, joko osittain tai oleellisesti täydellisesti täyteaineen tai esimuotin massaan. Täyteaineen tai esi-muotin massan tulisi olla riittävän läpäisevää, niin että reaktiivinen atmosfääri voi tunkeutua, ainakin osittain, 10 täyteaineen tai esimuotin massaan.
Tässä patenttihakemuksessa selitetään erilaisia matriisi-metalleja, jotka metallimatriisi-komposiittikappaleen muodostumisen jossakin vaiheessa saatetaan koskettamaan 15 reaktiivista atmosfääriä. Siten eri yhteyksissä voidaan viitata määrättyihin matriisimetallin/reaktiivisen atmosfäärin yhdistelmiin eli järjestelmiin, joilla esiintyy sisäisen tyhjön muodostumista. Tarkemmin sanottuna on sisäisen tyhjön muodostumista havaittu alumiini/ilma-jär-20 jestelmässä; alumiini/happi-järjestelmässä; alumiini/typ-pi-järjestelmässä; pronssi/ilma-järjestelmässä; pronssi/ typpi-järjestelmässä; kupari/ilma-järjestelmässä; kupa-ri/typpi-järjestelmässä; ja valurauta/ilma-järjestelmässä. Ymmärretään kuitenkin, että myös muut matriisimetal-25 lin/reaktiivisen atmosfäärin järjestelmät kuin tässä patenttihakemuksessa erikseen mainitut voivat käyttäytyä samalla tavalla.
Esillä olevan keksinnön sisäisesti muodostuvan tyhjön 30 menetelmän käyttämiseksi reaktiivisen atmosfäärin on oltava fyysisesti eristettynä ympäröivästä atmosfääristä, niin että reaktiivisen atmosfäärin tunkeutumisen aikana esiintyvä alempi paine ei häiriinny merkittävästi jostain kaasusta, jota kulkee ympäröivästä atmosfääristä. Lä-35 päisemättömällä säiliöllä, jota voidaan käyttää esillä olevassa keksinnössä, voi olla mikä tahansa koko, muoto ja/tai koostumus, joka voi reagoida tai olla reagoimatta 26 91613 matriisimetallin ja/tai reaktiivisen atmosfäärin kanssa, ja joka ei läpäise ympäröivää atmosfääriä prosessin oloissa. Erityisesti voi läpäisemätön säilö käsittää mitä tahansa ainetta (esim keraami, metalli, lasi, polymeeri, 5 jne), joka kestää prosessin oloissa niin että se säilyttää kokonsa ja muotonsa ja estää tai riittävästi haittaa ympäröivän atmosfäärin kulkeutumista säiliön läpi. Käyttämällä säiliötä, joka on riittävät läpäisemätön, niin ettei se läpäise atmosfääriä, voidaan säiliöön kehittää 10 sisäisesti muodostuva tyhjö. Lisäksi, riippuen kulloinkin käytetystä reaktiojärjestelmästä, voidaan käyttää läpäisemätöntä säiliötä, joka ainakin osittain on reaktiivinen reaktiivisen atmosfäärin ja/tai matriisimetallin ja/tai täyteaineen kanssa, muodostamaan tai avustamaan 15 sisäisesti muodostuvan tyhjön muodostamisessa säiliöön.
Sopivan läpäisemättömän säiliön ominaisuuksina on huokosten, halkeamien tai pelkistyvien oksidien puuttuminen, jotka saattaisivat haitallisesti vaikuttaa sisäisesti 20 muodostuva tyhjön kehittymiseen tai sen ylläpitämiseen. Siten ymmäretään, että läpäisemättömien säiliöiden muodostamiseksi voidaan käyttää monia aineita. Esimerkiksi voidaan käyttää valettua alumiinioksidia tai piikarbidia, samoin kuin metalleja, joilla on rajallinen tai alhainen 25 liukenevuus matriisimetalliin, esim. ruostumaton teräs alumiinia, kuparia tai pronssia olevia matriisimetalleja varten.
Lisäksi muutoin sopimattomat aineet, kuten huokoiset aineet 30 (esim. keraamikappaleet), voidaan saada läpäisemättömiksi muodostamalla sopiva päällyste ainakin niiden pinnan osalle. Sellaiset läpäisemättömät päällysteet voivat olla jotain ainetta suuresta määrästä lasitteita ja geelejä, jotka ovat sopivia sidottaviksi sellaisiin aineisiin ja 35 sulkemaan sellaisia huokoisia aineita. Lisäksi voi sopiva läpäisemätön päällyste voi olla nestemuotoinen prosessin lämpötilassa, jolloin päällysteaineen tulisi olla riittä-
II
91613 27 vän pysyvää, niin että se pysyisi läpäisemättömänä sisäisesti muodostuvan tyhjön alaisena, esimerkiksi kiinnittymällä viskoosisesti säiliöön tai täyteaineeseen tai esi-muottiin. Sopivat päällysteaineet sisältävät lasimaisia 5 aineita (esim. B2O3), klorideja, karbonaatteja, jne, edellyttäen että täyteaineen tai esimuotin huokoskoko on riittävän pieni, jotta päällyste tehokkaasti voi sulkea huokoset muodostaen läpäisemättömän päällysteen.
10 Esillä olevan keksinnön menetelmässä käytetty matriisime-talli voi olla mitä tahansa matriisimetallia, joka prosessin oloissa sulatettuna tunkeutuu täyteaineeseen tai esimuottiin, täyteaineeseen muodostuvan tyhjön alaisena. Matriisimetalli voi esimerkiksi olla jotain metallia, tai 15 metallin osatekijää, joka reagoi reaktiivisen atmosfäärin kanssa prosessin oloissa, joko osittain tai oleellisesti kokonaan, saattaen siten sulan matriisimetallin tunkeutumaan täyteaineeseen tai esimuottiin johtuen ainakin osaksi siinä muodostuvasta tyhjöstä. Lisäksi, riippuen käytetystä 20 järjestelmästä, matriisimetalli voi olla osittain tai oleellisesti kokonaan ei-reaktiivista reaktiivisen atmosfäärin kanssa, ja tyhjö voi muodostua reaktiivisen atmosfäärin reagoidessa, valinnaisesti, reaktiojärjestelmän yhden tai useamman muun osatekijän kanssa, mahdollistaen 25 siten matriisimetallin tunkeutumisen täyteaineeseen.
Edullisessa suoritusmuodossa matriisimetalliin voidaan seostaa kostutuksen edistäjää edistämään matriisimetallin kostutuskykyä, jolloin esimerkiksi helpotetaan sidoksen 30 muodostumista matriisimetallin ja täyteaineen välillä, jolloin muodostuneen metallimatriisikomposiitin huokoisuus pienenee, tai vähennetään tunkeutumisen loppuun saattamiseksi tarvittavaa aikaa, jne. Lisäksi kostutuksen edistäjää sisältävä aine voi myös toimia sulun edistäjänä, 35 kuten alla selitetään, edistäen reaktiivisen atmosfäärin eristämistä ympäröivästä atmosfääristä. Edelleen toisessa edullisessa suoritusmuodossa kostutuksen edistäjää voidaan 91613 28 sisällyttää suoraan täyteaineeseen sen sijasta, että sitä seostettaisiin matriisimetalliin.
Siten täyteaineen kostuttaminen matriisimetallilla voi 5 edistää tuloksena olevan komposiittikappaleen ominaisuuksia (esim. vetolujuus, kulutuksen kestävyys, jne). Lisäksi täyteaineen kostuttaminen sulalla matriisimetallilla voi mahdollistaa täyteaineen tasaisen jakautumisen muodostuneeseen metallimatriisiin ja parantaa täyteaineen sitou-10 tumista matriisimetalliin. Käyttökeploisia kostutuksen edistäjiä alumiini-matriisimetallille ovat mm. magnesium, vismutti, lyijy, tina, jne, ja pronssille ja kuparille mm. seleeni, telluuri, rikki, jne. Lisäksi, kuten edellä mainittiin, matriisimetalliin ja/tai täyteaineeseen voi-15 daan lisätä ainakin yhtä kostutuksen edistäjää muodostamaan tuloksena olevan metallimatriisi-komposiittikappaleen haluttuja ominaisuuksia.
Lisäksi voidaan käyttää matriisimetallin varastosäiliötä 20 varmistamaan matriisimetallin täydellinen tunkeutuminen täyteaineeseen ja/tai syöttää toista metallia, jonka koostumus poikkeaa ensimmäisestä matriisimetallin lähteestä. Erityisesti voi joissakin tapauksissa olla toivottavaa käyttää varastosäiliössä matriisimetallia, jonka koostumus 25 poikkeaa ensimmäisestä matriisimetallin lähteestä. Jos esimerkiksi ensimmäisenä matriisimetallin lähteenä käytetään alumiiniseosta, niin varastosäiliön metallina voitaisiin käyttää lähes mitä tahansa muuta metallia tai metallisoeosta, joka on sulaa prosessin lämpötilassa. Sulat 30 metallit ovat usein hyvin sekoittuvia toisiinsa, joka johtaisi varastosäiliömetallin sekoittumiseen ensimmäisen matriisimetallin lähteeseen, kunhan sekoittumiseen annetaan riittävä aika. Käyttämällä siten varastosäiliömetallia, jonka koostumus poikkeaa ensimmäisestä matriisimetallin 35 lähteestä, voidaa sovittaa matriisimetallin ominaisuuksia vastaamaan erilaisia toimintavaatimuksia ja siten sovittaa metallimatriisi-komposiittikappaleen ominaisuuksia.
Il 91613 29
Reaktiojär j es telinään kohdistuva lämpötila (esim. proses-silämpötila) voi vaihdella käytetystä matriisimetallista, täyteaineesta tai esimuotista ja reaktiivisesta atmosfääristä riippuen. Esimerkiksi alumiini-matriisimetallilla 5 esillä oleva sisäisesti muodostuva tyhjöprosessi yleensä toimii lämpötilassa, joka on ainakin noin 700 °C ja edullisesti noin 850 °C tai yli. Yli 1000 °C lämpötiloja ei yleensä tarvita, ja erityisen käyttökelpoinen alue on välillä 850 - 1000 °C. Pronssi- tai kupari-matriisimetal-10 lilla käyttökelpoiset lämpötilat ovat noin 1050 - 1125 °C, ja valuraudalle sopivat lämpötilat noin 1250 - 1400 °C. Yleensä voidaan käyttää lämpötiloja, jotka ovat matriisime-tallin sulamispisteen yläpuolella, mutta sen höyrystymis-pisteen alapuolella.
15
Metallimatriisin koostumusta ja/tai mikrostruktuuria voidaan sovittaa komposiitin muodostumisen aikana toivottujen ominaisuuksien muodostamiseksi tuloksena olevalle tuotteelle. Annetussa järjestelmässä voidaan esimerkiksi va-20 Iita prosessin olot niin, että säädetään esimerkiksi metallien välisten yhdisteiden, oksidien, nitridien, jne. muodostumista. Komposiittikappaleen koostumuksen säätämisen lisäksi voidaan muuttaa muita fysikaalisia ominaisuuksia, esim. huokoisuutta, säätämällä metallimatriisi-kom-25 posiittikappaleen jäähtymisnopeutta. Joissakin tapauksissa saattaa olla toivottavaa, että metallimatriisikom-posiitti saatetaan kiinteytymään suuntautuvasti, sijoittamalla esimerkiksi muodostuneen metallimatriisikomposii-tin sisältävä säiliö jäähdytyslevylle ja/tai selektiivi-30 eesti sijoittamalla eristävää ainetta säiliön ympärille. Lisäksi voidaan muodostuneen metallimatriisikomposiitin muita ominaisuuksia (esim. vetolujuutta) säätää käyttämällä lämpökäsittelyä (esim. tavanomaista lämpökäsittelyä, joka vastaa oleellisesti pelkän, tai osittain tai oleel-35 lisesti muunnetun matriisimetallin lämpökäsittelyä).
30 91613
Esillä olevan keksinnön menetelmässä käytetyissä olosuhteissa täyteaineen tai esimuotin massan tulisi olla riittävän läpäisevää, niin että se sallii reaktiivisen atmosfäärin läpäisemisen tai tunkeutumisen täyteaineeseen 5 tai esimuottiin prosessin jossakin vaiheessa ennen ympäröivän atmosfäärin eristämistä reaktiivisesta atmosfääristä. Alla olevissa esimerkeissä löyhästi tiivistettyihin hiukkasiin sisältyi riittävä määrä reaktiivista atmosfääriä, jolloin hiukkasten koot vaihtelivat välillä noin 54 10 - 220 grit. Järjestämällä sellainen täyteaine, reaktiivinen atmosfääri voi joko osittain tai oleellisesti täydellisesti koskettaessaan reagoida sulan matriisimetallin ja/tai täyteaineen ja/tai läpäisemättömän säiliön kanssa, aikaansaaden siten tyhjön muodostumisen, joka imee sulaa mat-15 riisimetallia täyteaineeseen. Lisäksi reaktiivisen atmosfäärin jakautumisen täyteaineeseen ei tarvitse olla oleellisesti tasaista, mutta kuitenkin reaktiivisen atmosfäärin oleellisesti tasainen jakautuminen saattaa edistää toivotun metallimatriisi-komposiittikappaleen muodostumista.
20
Keksinnöllistän metallimatriisi-komposiittikappaleen muo-dostamismenetelmää voidaan soveltaa moniin erilaisiin täyteaineisiin, ja aineiden valinta riippuu pääasiassa sellaisista tekijöistä, kuten matriisimetallista, proses-25 sin olosuhteista, sulan matriisimetallin reaktiivisuudesta reaktiivisen atmosfäärin kanssa, täyteaineen reaktiivisuudesta reaktiivisen atmosfäärin kanssa, sulan matriisimetallin reaktiivisuudesta läpäisemättömän säiliön kanssa, sekä lopulliselle komposiittituotteelle haetuista ominai-30 suuksista. Kun esimerkiksi matriisimetalli käsittää alumiinia, sopivia täyteaineita ovat mm, a) oksidit (esim. alumiinioksidi); b) karbidit (esim. piikarbidi); c) nit-ridit (esim. titaaninitridi); ja d) boridit (esim. ti-taanidiboridi). Jos täyteaine pyrkii reagoimaan haitalli-35 sesti sulan matriisimetallin kanssa, niin sellainen reaktio voidaan ottaa huomioon minimoimalla tunkeut uutis aika ja lämpötila, tai järjestämällä reagoimaton päällystys täy-
II
91613 31 teaineelle. Täyteaine voi käsittää alustan, kuten hiiltä tai muuta ei-keraamista ainetta, jolla on keraamipäällystys alustan suojaamiseksi syöpymiseltä tai hajoamiselta. Sopivia keraamisia päällystyksiä ovat mm. oksidit, karbidit, 5 nitridit ja boridit. Esillä olevassa menetelmässä edullisina pidetyt keraamit sisältävät alumiinioksidin ja pii-karbidin hiukkasten, hiutaleiden, kuitukiteiden ja kuitujen muodossa. Kuidut voivat olla epäjatkuvia (katkaistusa muodossa) tai jatkuvien lankojen muodossa, kuten monilan-10 kaisena köytenä. Lisäksi täyteaineen tai esimuotin koostumus ja/tai muoto voi olla homogeeninen tai heterogeeninen.
Täyteaineen koko ja muoto voi olla mikä tahansa, jota voidaan vaatia komposiitilta toivottujen ominaisuuksien 15 aikaansaamiseksi. Siten aine voi olla hiukkasten, hiutaleiden, kuitukiteiden ja kuitujen muodossa, koska täyteaineen muoto ei rajoita tunkeutumista. Muut muodot kuten kuulat, pienet putket, pelletit, tulenkestävä kuitukangas, ja vastaavat ovat käyttökelpoisia. Lisäksi aineen koko ei 20 rajoita tunkeutumista, vaikka täydellisen tunkeutumisen aikaansaamiseksi pienempien hiukkasten massaan saatetaan tarvita korkeampi lämpötila tai pidempi aika kuin suurempien hiukkasten massaan. Keskimääräiset täyteaineen koot alueella alle 24 grit ... yli noin 500 grit katsotaan 25 edullisiksi useimpiin tekniisiin sovellutuksiin. Säätämällä täyteaineen tai esimuotin läpäisevän massan kokoa (esim. hiukkasten halkaisijaa jne), voidaan lisäksi sovittaa muodostuneen metallimatriisikomposiitin fyysiset ja/tai mekaaniset ominaisuudet vastaamaan rajatonta määrää teol-30 lisiä sovellutuksia. Edelleen, käyttämällä täyteainetta, jonka hiukkaskoko vaihtelee, voidaan saavuttaa täyteaineen suurempi tiheys komposiittikappaleen säätämiseksi. On myös mahdollista haluttaessa aikaansaada pienempiä hiukkasti-heyksiä sekoittamalla täyteainetta (esim. ravistamalla 35 säiliössä) tunkeutumisen aikana ja/tai sekoittamalla jauhemaista matriisimetallia täyteaineeseen ennen tunkeutumista.
91613 32
Esillä olevan keksinnön menetelmässä käytetty reaktiivinen atmosfääri voi olla mikä tahansa atmosfääri, joka reagoi ainakin osittain tai oleellisesti täydellisesti sulan matriisimetallin ja/tai täyteaineen ja/tai läpäisemättömän 5 säiliön kanssa muodostaen reaktiotuotetta, jonka ottama tilavuus on pienempi kuin atmosfäärin ja/tai reaktiokom-ponenttien ottama tilavuus ennen reaktiota. Tarkemmin sanoen reaktiivinen atmosfääri sulaa matriisimetallia ja/tai täyteainetta ja/tai läpäisemätöntä säiliötä kosketit) taessaan voi reagoida reaktiojär jestelmän yhden tai useamman osatekijän kanssa muodostaen kiinteän, nestemäisen tai höyryfaasissa olevan reaktiotuotteen, jonka ottama tilavuus on pienempi kuin erillisten osatekijöiden yhteinen tilavuus, aiheuttaen siten ontelon tai tyhjön, joka edistää 15 sulan matriisimetallin imemistä täyteaineeseen tai esi-muottiin. Reaktiivisen atmosfäärin ja matriisimetallin ja/tai täyteaineen ja/tai läpäisemättömän säilön välinen reaktio voi jatkua riittävän kauan, niin että matriisime-talli ainakin osittain tai oleellisesti täydellisesti voi 20 tunkeutua täyteaineeseen. Kun esimerkiksi ilmaa käytetään reaktiivisena atmosfäärinä, matriisimetallin (esim. alumiini) ja ilman välinen reaktio voi johtaa reaktiotuotteiden (esim. alumiinioksidi ja/tai alumiininitridi, jne) muodostumiseen. Prosessin oloissa reaktiotuote (-tuotteet) 25 pyrkivät ottamaan pienemmän tilavuuden kuin ilman kanssa reagoivan sulan alumiinin viemä kokonaistilavuus. Reaktion tuloksena muodostuu tyhjö, jolloin sula matriisimetalli saatetaan tunkeutumaan täyteaineeseen tai esimuottiin. Riippuen käytetystä järjestelmästä voi täyteaine ja/tai 30 läpäisemätön säiliö reagoida reaktiivisen atmosfäärin kanssa samalla tavalla tyhjöä muodostaen, joka siten edistää sulan matriisimetallin tunkeutumista täyteaineeseen. Sisäisesti muodostunut tyhjöreaktio voi jatkua riittävän kauan, niin että se johtaa metallimatriisi-kom-35 posiittikappaleen muodostumiseen.
li 91613 33
Lisäksi on havaittu, että sulku tai sulkemisväline tulisi järjestää estämään tai rajoittamaan kaasun virtausta ympäröivästä atmosfääristä täyteaineeseen tai esimuottiin (esim. estämään ympäröivän atmosfäärin virtaus reaktiivi-5 seen atmosfääriin). Viitaten jälleen kuvioon 1, reaktiivinen atmosfääri läpäisemättömässä säiliössä 12 ja täyteaineessa 11 tulisi eristää riittävästi ympäröivästä atmosfääristä 17, niin että kun reaktio reaktiivisen atmosfäärin ja sulan matriisimetallin 13 ja/tai täyteaineen tai 10 esimuotin 13 ja/tai läpäisemättömän säiliön 12 välillä etenee, muodostetaan ja ylläpidetään paine-ero reaktiivisen atmosfäärin ja ympäröivän atmosfäärin välillä, kunnes toivottu tunkeutuminen on saavutettu. Ymmärretään että reaktiivisen ja ympäröivän atmosfäärin välisen eristyksen 15 ei tavitse olla täydellinen, vaan pelkästään "riittävä", niin että on olemassa nettopaine-ero (esim. voisi esiintyä höyryfaasin virtausta ympäröivästä atmosfääristä reaktiiviseen atmosfääriin, kunhan virtausmäärä on pienempi kuin se, joka välittömästi tarvittaisiin korvaamaan reaktiivis-20 ta atmosfääriä). Kuten edellä selitettiin, osa ympäröivän atmosfäärin ja reaktiivisen atmosfäärin välisestä tarvittavasta eristyksestä aikaansaadaan säiliön 12 läpäisemät-tömyydellä. Koska useimmat matriisimetallit myös ovat riittävästi läpäisemättömiä ympäröivän atmosfäärin suh-25 teen, niin sulan matriisimetallin allas 13 aikaansaa välttämättömän eristyksen toisen osan. On kuitenkin tärkeätä havaita, että läpäisemättömän säiliön 12 ja matriisimetallin välinen rajapinta voi muodostaa vuotoreitin ympäröivän ja reaktiivisen atmosfäärin välille. Vastaavas-30 ti tulisi järjestää sulku, joka riittävästi rajoittaa tai estää sellaisen vuodon.
Sopivat sulut tai sulkemisvälineet voidaan luokitella mekaanisiksi, fysikaalisiksi tai kemiallisiksi, ja ne 35 kaikki voidaan lisäksi luokitella ulkoisiksi tai sisäisiksi. "Ulkoisella" tarkoitetaan sitä, että sulkemisvaikutus syntyy sulasta matriisimetallista riippumattomasti, tai 91613 34 sulan matriisimetallin mahdollisesti tuottaman sulkemis-vaikutuksen lisäksi (esim. aineella, jota lisätään reak-tiojärjestelmän muihin alkuaineisiin); "sisäisellä " tarkoitetaan sitä, että sulkemisvaikutus syntyy pelkästään 5 matriisimetallin yhden tai useamman ominaisuuden perusteella (esimerkiksi matriisimetallin kyvystä kostuttaa läpäisemätön säiliö). Sisäinen mekaaninen sulku voidaan muodostaa yksinkertaisesti järjestämällä riittävän syvä sulan matriisimetallin allas, tai upottamalla täyteaine 10 tai esimuotti, kuten edellä mainituissa US-patenteissa 3,364,976 ja 3,396,777 ja patenteissa joihin niissä viitataan.
On kuitenkin havaittu, että esimerkiksi US-patentissa 15 3,396,777 esitetyt sisäiset sulut ovat tehottomia monissa eri sovellutuksissa, ja ne voivat vaatia erittäin suuria määriä sulaa matriisimetallia. Esillä olevan keksinnön mukaisesti on havaittu, että ulkoiset sulut ja sisäisten sulkujen fysikaaliset ja kemialliset luokat poistavat nämä 20 sisäisen mekaaniset sulun haitat. Ulkoisen sulun edullisessa suoritusmuodossa sulkemisväline voidaan levittää ulkoisesti matriisimetallin pinnalle kiinteän tai nestemäisen aineen muodossa, joka prosessin oloissa voi olla oleellisesti ei-reagoivaa matriisimetallin kanssa. On 25 havaittu, että sellainen ulkoinen sulku estää, tai ainakin riittävästi rajoittaa, höyryfaasissa olevien tekijöiden siirtymisen ympäröivästä atmosfääristä reaktiiviseen atmosfääriin. Ulkoisena fysikaalisena sulkuna käytettävät sopivat aineet voivat olla joko kiinteitä aineita tai 30 nesteitä, mukaanlukien lasit (esim. boori- tai piilasit, B2O3, sulat oksidit, jne) tai jotain muuta ainetta (aineita), joka riittävästi rajoittaa ympäröivän atmosfäärin siirtymistä reaktiiviseen atmosfääriin prosessin oloissa.
Ulkoinen mekaaninen sulku voidaan muodostaa esitasoitta-malla tai esikiillottamalla tai muulla tavalla muokkaamalla 35
II
91613 35 läpäisemättömän säiliön sisäpintaa, joka on kosketuksessa matriisimetallin altaaseen, niin että kaasun siirtyminen ympäröivän atmosfäärin ja reaktiivisen atmosfäärin välillä on riittävästi estetty. Lasitukset ja sellaiset päällys-5 tykset kuin B2O3, jotka voidaan levittää säiliölle sen tekemiseksi läpäisemättömäksi, voivat myös aikaansaada sopivan sulun.
Ulkoinen kemiallinen sulku voitaisiin järjestää sijoitta-10 maila sulan matriisimetallin pinnalle ainetta, joka voi reagoida esimerkiksi läpäisemättömän säiliön kanssa. Reaktiotuote voisi käsittää metallien välisen yhdisteen, oksidin, karbidin, jne.
15 Sisäisen fysikaalisen sulun edullisessa suoritusmuodossa matriisimetalli voi reagoida ympäröivän atmosfäärin kanssa muodostaen sulun tai sulkemisvälineen, jonka koostumus poikkeaa matriisimetallin koostumuksesta. Esimerkiksi matriisimetallin reagoidessa ympäröivän atmosfäärin kanssa 20 voi muodostua reaktiotuotetta (esim. MgO ja/tai magnesiuma-luminaattispinelli tapauksessa, jossa AL-Mg-seos reagoi ilman kanssa; tai kuparioksidi tapauksessa, jossa pronssi ragoi ilman kanssa), joka voi sulkea reaktiivisen atmosfäärin ympäröivästä atmosfääristä. Sisäisen fysikaalisen 25 sulun toisessa suoritusmuodossa voidaan matriisimetalliin lisätä sulun edistäjää edistämään sulun muodostumista matriisimetallin ja ympäröivän atmosfäärin reagoidessa (esim. lisäämällä magnesiumia, vismuttia, lyijyä, jne alumiinimatriisimetalleilla; tai lisäämällä seleeniä, tel-30 luuria, rikkiä, jne kupari- ja pronssimatriisimetalleil-la) . Muodostettaessa sisäistä kemiallista sulkemisvälinet-tä matriisimetalli voi reagoida läpäisemättömän säiliön kanssa (esim. säiliön tai sen (sisäisen) päällystyksen osittaisella liukenemisella tai muodostamalla reaktio-35 tuotetta tai metallien välisiä yhdisteitä jne, jotka voivat sulkea täyteaineen ympäröivästä atmosfääristä).
36 91613
Ymmärretään lisäksi, että sulun tulisi voida mukautua tilavuuden muutoksiin (ts. joko laajentuminen tai supistuminen) tai muihin muutoksiin reaktio järjestelmässä päästämättä ympäröivää atmosfääriä virtaamaan täyteaineeseen 5 (esim. virtaamaan reaktiiviseen atmosfääriin). Erityisesti kun sula matriisimetalli tunkeutuu täyteaineen tai esi-muotin läpäisevään massaan, säiliössä olevan sulan roat-riisimetallin syvyys voi pyrkiä pienenemään. Sellaiseen järjestelmään soveltuvien sulkemisvälineiden tulisi olla 10 riittävän mukautuvia, niin että ne estävät kaasun siirtymisen ympäröivästä atmosfääristä täyteaineeseen sulan matriisimetallin pinnan laskiessa säiliössä.
Estoainetta voidaan myös käyttää esillä olevan keksinnön 15 yhteydessä. Tämän keksinnön menetelmän yhteydessä mahdollisesti käytettävä estoväline voi olla jokin sopiva väline, joka vuorovaikuttaa, rajoittaa, estää tai lopettaa sulan matriisimetallin siirtymisen, liikkeen tai vastaavan täyteaineen määrätyn rajapinnan yli. Sopivat estovälineet 20 voivat olla jotain ainetta, yhdistettä, alkuainetta, koostumusta tai vastaavaa, joka tämän keksinnön prosessin olosuhteissa ylläpitää jonkinasteisen eheyden eikä ole haihtuvaa ja joka pystyy paikallisesti rajoittamaan, pysäyttämään, vuorovaikuttamaan, estämään tai vastaavaa, 25 jatkuvan tunkeutumisen tai minkä tahansa muun tapaisen liikkeen täyteaineen määritellyn rajapinnan yli. Estovä-lineitä voidaan käyttää sisäisesti tuotetun tyhjötunkeu-tumisen aikana tai sisäisesti tuotetun tunkeutumisen menetelmän yhteydessä käytetyssä mahdollisessa läpäisemät-30 tömässä säiliössä metallimatriisikomposiittien muodostamiseksi, kuten alempana yksityiskohtaisemmin selitetään.
Sopivat estovälineet sisältävät aineita, joita etenevä sula matriisimetalli ei prosessin oloissa pysty kostuttamaan 35 tai kostuttaa, kunhan estovälineen kostuttaminen ei etene oleellisesti estoaineen rajapinnan yli (ts. pintakostu-tus). Tämän tyyppisellä estoaineella näyttää olevan oleel-
II
91613 37 lisen vähän tai ei lainkaan yhtymispyrkimystä sulaan matriisimetalliin, ja estoväline estää tai torjuu siirtymisen täyteainemassan tai esimuotin määritellyn rajapinnan yli. Estoaine vähentää mahdollista loppukoneistusta tai 5 hiomista, jota voidaan tarvita metallimatriisi-komposiit-tituotteella.
Erityisen käyttökelpoisia estoaineita alumiinimatriisime-talleilla ovat ne, jotka sisältävät hiiltä, erityisesti 10 hiilen kiteistä allotrooppista muotoa, joka tunnetaan grafiittina. Sula alumiiniseos ei oleellisesti pysty kostuttamaan grafiittia kuvatuissa prosessin oloissa. Erityisen edullisia grafiittiaineita ovat grafiittikalvo-tuotteet PERMA-FOIL(R) ja GRAFOIL(R), joiden ominaisuudet 15 estävät sulan alumiiniseoksen etenemisen täyteaineen määritellyn rajapinnan yli. Nämä grafiittikalvot kestävät myös kuumuutta ja ovat kemiallisesti oleellisesti inerttejä. GRAFOIL(R)-grafiittikalvo ja PERMA-FOIL(R) on taipuisaa, mukautuvaa, muotoiltavaa ja joustavaa, ja se voidaan tehdä 20 moniin eri muotoihin, niin että se sopii lähes mihin tahansa estoainesovellutukseen. Grafiittiestovälineitä voidaan myös käyttää lietteen tai tahnan muodossa tai jopa maalikalvona täyteaineen tai esimuotin ympärillä ja rajapinnalla. GRAFOIL(R)-grafiittikalvoa ja PERMA-FOIL(R):a * 25 pidetään erityisen edullisena, koska ne ovat taipuisan grafiittiarkin muodossa. Eräs tapa näiden paperia muistuttavien grafiittiarkkiaineiden käyttämiseksi on grafiitti-kalvoaineen kerroksen kääriminen täyteaineen tai esimuotin päälle. Vaihtoehtoisesti voidaan grafiittiarkkiaine muo-30 töillä negatiiviseksi muotiksi, jolla on metallimatriisi-komposiittikappaleelta toivottu muoto, ja tämä muotti voidaan sitten täyttää täyteaineella.
Estoaineena voi lisäksi määrätyissä tilanteissa toimia 35 hienoksi jauhettu hiukkasmainen aine, kuten 500 grit alumiinioksidi, kunhan hiukkasmaiseen estoaineeseen tun- 38 91613 keutuminen tapahtuu nopeudella, joka on pienempi kuin täyteaineseen tunkeutumisen nopeus.
Estoainetta voidaan levittää jollakin sopivalla tavalla, 5 kuten peittämällä määritely rajapinta estovälineen kerroksella. Sellainen estovälineen kerros voidaan levittää maalaamalla, upottamalla, silkkipainamalla, höyrystämällä tai levittämällä muulla tavalla estovälinettä nesteen, lietteen tai tahnan muodossa, tai sputteroimalla höyrysit) tyvää estovälinettä, tai yksinkertaisesti kerrostamalla kiinteätä hiukkasmaista estovälinettä, tai levittämällä kiinteä ohut kalvo tai arkki estovälinettä määritellylle rajapinnalle. Kun estoväline on paikallaan, sisäisesti muodostunut tyhjötunkeutuminen oleellisesti päättyy tun-15 keutuvan matriisimetallin saavuttaessa määritellyn rajapinnan ja koskettaessa estovälinettä.
Esillä oleva menetelmä metallimatriisikomposiitin muodostamiseksi sisäisesti muodostuvan tyhjön menetelmällä, 20 yhdessä estovälineen käyttämisen kanssa, aikaansaa merkittäviä etuja tekniikan tason suhteen. Erityisesti, käyttämällä esillä olevan keksinnön menetelmää voidaan tuottaa metallimatriisi-komposiittikappale tarvitsematta kallista tai monimutkaista prosessointia. Esillä olevan keksinnön 25 eräässä suoritusmuodossa läpäisemätön säiliö, joka voi olla kaupallisesti saatava tai erikseen sovitettu määrättyä tarvetta varten, voi sisältää halutun muotoisen täyteaineen tai esimuotin, reaktiivista atmosfääriä, ja estovälinettä metallimatriisikomposiitin tunkeutumisen estämiseksi tu-30 loksena olevan komposiittikappaleen pinnan yli. Reaktiivisen atmosfäärin koskettaessa matriisimetallia, jota voidaan kaataa läpäisemättömään säiliöön, ja/tai täyteainetta, prosessin oloissa saattaa muodostua sisäisesti muodostuva tyhjö, joka aiheuttaa sulan matriisimetallin 35 tunkeutumisen täyteaineeseen. Esillä olevalla menetelmällä voidaan välttää monimutkaiset käsittelyvaiheet, esim muottien koneistaminen monimutkaisiin muotoihin, sulan metal-
II
91613 39 likylvyn ylläpitäminen, muodostuneiden kappaleiden poistaminen mutkikkaan muotoisista muoteista, jne. Lisäksi sulan matriisimetallin aiheuttama täyteaineen siirtyminen minimoidaan oleellisesti järjestämällä tukeva säiliö, jota 5 ei upoteta metallin sulaan altaaseen.
Vaikka kuvio 1 havainnollistaa erästä yksinkertaista menetelmää metallimatriisikomposiitin muodostamiseksi määrättyyn muotoon, ts. läpäisemättömän säiliön muotoon, 10 voidaan monimutkaisempia muotoja aikaansaada käyttäen valumenetelmiä ja laitteita esillä olevan keksinnön mukaisesti.
Kuten kuviossa 3 havainnollistetaan, esillä olevan keksin-15 nön vaihtoehtoisia kokoonpanoja 20 voidaan rakentaa sellaisten muotojen muodostamiseksi, jotka poikkeava läpäisemättömän säiliön muodosta. Esimerkin vuoksi muotti 21, jonka sisäiset mitat vastaavat muodostettavan metal-limatriisi-komposiittiosan haluttuja ulkoisia mittoja, 20 voidaan täyttää täyteaineella 21, johon tunkeutumisen tulee tapahtua. Täyteaineella täyetty muotti 21 voidaan sitten sijoittaa petiin 23, joka ei oleellisesti läpäise sulan matriisimetallin tunkeutumista. Sellainen läpäisemätön peti voi esimerkiksi koostua jostain sopivasta hiukkasmai-25 sesta estoaineesta, kuten hienojakeisesta alumiinioksidista. Kuten alla ja esimerkeissä yksityiskohtaisemmin esitetään, voidaan sopivia muotteja tehdä päällystetyistä tai päällystämättömistä metalleista, kuten ruostumattomasta teräksestä, grafiitista, keraameista, keraamimatriisikom-30 posiiteista, savesta, kipsistä, alumiinioksidi- tai pii-dioksidivaluista, tai muista tulenkestävistä aineista, jotka estävät tunkeutumista tai jotka on päällystetty tai jotka muutoin on varustettu sopivin estovälinein, jotka on jakaantunut muotin ja täyteaineen väliin, johon tunkeutu-35 misen tulee tapahtua. Muotit tuotetaan mieluummin taloudellisella tavalla, ja ne voivat olla uudelleen kätettäviä tai kertakäyttöisiä. Lisäksi muotit edullisesti muodoste- 40 91613 taan toistamaan halutun lopullisen komposiitin muodon. Vaikka määrätyissä sovellutuksissa muotit sitoutuvat ja pysyvät osana lopullista komposiittia, niin useimmissa tapauksissa muottien tulisi edullisesti olla helposti 5 erotettavia ja poistettavia, eikä niiden tulisi sitoutua lopuksi muodostuvaan metallimatriisi-komposiittikappalee-seen tai reagoida sen kanssa.
Kun täyteaineella täytetty muotti on si joitetu oleellisesti 10 läpäisemättömään petiin 23, voidaan vaikkei se ole välttämätöntä, grafiittikalvo 22 tai jokin muu sopiva aine sijoittaa muotin yläpuolelle muotin ja lopullisen komposiitin erottamisen helpottamiseksi sen jälkeen kun tunkeutuminen on valmis. Jos ainetta 22 (esim. grafiittikalvoa) 15 sijoitetaan matriisimetallin 13 ja muotin 21 väliin, tulisi järjestää sopiva kanava tai tila 24, niin että helpotetaan matriisimetallin 13 tehokasta tunkeutumista täyteaineeseen 11.
20 Sitten sulaa matriisimetallia 13 kaadetaan oleellisesti läpäisemättömän pedin 23, muotin 21 ja täyteaineen 11 päälle, ja ulkoinen sulku 14 muodostetaan sulan matriisimetallin 13 päälle tai sisäinen sulku (ei esitetty) muodostetaan matriisimetallin 13 ja läpäisemättömän säiliön 12 25 väliin. Kokoonpano 20 sijoitetaan sitten ilma-atmosfääri-uuniin esillä olevan keksinnön mukaisesti. Sulan matriisimetallin 13 tunkeutuminen muotissa 21 olevaan täyteaineeseen 11 tapahtuu sitten ilman tunkeutumista oleellisesti läpäisemättömään petiin 23, joka ympäröi muottia 21. 30
Esillä olevan keksinnön vaihtoehtoisessa suoritusmuodossa 30, kuten kuviossa 4 havainnollistetaan, elintä tai valusydäntä 31, johon sula matriisimetalli ei voi tunkeutua, voidaan käyttää estoaineena määrittelemään muodostet-35 tavan metallimatriisi-komposiittikappaleen muodon. Läpäisemätön elin 31 voidaan muodostaa jostain aineesta, johon prosessin oloissa ei tapahdu oleellisesti mitään
II
91613 41 tunkeutumista. Jos elin 31 on poistettava, se on tehtävä sellaisesta aineesta, joka helpottaa poistamista, esim. fyysisin, kemiallisin tai mekaanisin välinein. Kuten kuviossa 4 esitetään, sellainen estoväline voi muodostaa 5 muodostettavan osan pelkästään yhden määritellyn rajapinnan. Vaihtoehtoisesti voitaisiin käyttää useita sellaisia elimiä monimutkaisten muotojen määrittelemiseksi. Sopivat aineet estovälineille 31 sisältyvät aineisiin, joita selitetään tässä sopivina muottiaineina.
10
Kuten kuviossa 4 esitetään, muotoiltu estoväline 31 sijoitetaan ruostumatonta terästä olevaan tai muutoin läpäisemättömään säiliöön 12, ja elimen 31 ja säiliön väliseen tilaan sijoitetaan täyteainetta 11 edellä seli-15 tettyjen menetelmien mukaisesti. Sen jälkeen sulaa mat-riisimetallia 13 kaadetaan täyteaineen 11 päälle elimen 31 sisäänsä sulkien, ja muodostetaan ulkoinen tai sisäinen sulku 14. Koko kokoonpano 30 sijoitetaan sitten ilma-atmosfäärissä uuniin, edellä selitetyn sisäisesti muodostu-20 van tyhjöprosessin mukaisesti. Grafiittikalvoa tai muuta sopivaa irrottamista helpottavaa välinettä 22 voidaan sijoittaa matriisi-metallin 13 ja täyteaineen 11 väliin, edellä mainitulla tavalla.
25 Keksinnön eräässä toisessa vaihtoehdossa kuvion 5 havainnollistama vaihtoehtoinen kokoonpano 40 sisältää sekä muodostettavan metallimatriisikomposiitin sisäisen että ulkoisen muodon. Esimerkin vuoksi tehdään muotti 21, jonka sisäiset mitat vastaavat muodostettavan metallimatriisi-30 komposiittiosan haluttuja ulkoisia mittoja, ja valusydän 26 tai elin, jolla on muodostettavan metallimatriisi-kom-posiittiosan haluttuja sisäisiä mittoja vastaavat ulkoiset mitat. Valusydän 26 voi olla joko osa estovälinemuottia tai se voidaan asettaa estovälinemuottiin sen jälkeen kun 35 muotti on tehty. Jos valusydän 26 on poistettava, se on tehtävä sellaisesta aineesta, joka helpottaa poistamista • (esim. voidaan poistaa fyysisin, kemiallisin tai mekaanisin 42 91613 välinein). Voitaisiin käyttää useita sellaisia elimiä monimutkaisten muotojen määrittelemiseksi. Muotin 21 ja valusydämen 26 välinen tila voidaan täyttää täyteaineella 11, johon tunkeutumisen tulee tapahtua, ja muotti 21 5 voidaan sijoittaa oleellisesti läpäisemättömään petiin 23. Sellainen läpäisemätön peti voi esimerkiksi käsittää jotain sopivaa hiukkasmaista estovälinettä, kuten hienojakeista alumiinioksidia, johon sula matriisimetalli ei tunkeudu prosessin oloissa. Kuten alla ja esimerkeissä yksityiskoh-10 taisemmin esitetään, sopivia muotteja ja valusydämiä voidaan tehdä päällystetyistä tai päällystämättömistä metalleista, kuten ruostumattomasta teräksestä, grafiitista, kerasuneista, keraamimatriisikomposiiteista, savesta, kipsistä, alumiinioksidi- tai piidioksidivaluista, tai 15 muista tulenkestävistä aineista, jotka estävät tunkeutumista tai jotka on päällystetty tai jotka muutoin on varustettu sopivin estovälinein, jotka ovat jakaantuneet muotin ja valusydämen sekä täyteaineen väliin, johon tunkeutumisen tulee tapahtua. Muotit ja valusydämet tuo-20 tetaan mieluummin taloudellisella tavalla, ja ne voivat olla uudelleen käytettäviä tai kertakäyttöisiä. Lisäksi muotit ja valusydämet edullisesti muodostetaan toistamaan halutun lopullisen komposiitin muodon. Vaikka määrätyissä sovellutuksissa muotit ja valusydämet sitoutuvat ja pysyvät 25 osana lopullista komposiittia, niin useimmissa tapauksissa muottien ja valusydämien tulisi edullisesti olla helposti erotettavia ja poistettavia, eikä niiden tulisi sitoutua lopuksi muodostuvaan metallimatriisi-komposiittikappalee-seen tai reagoida sen kanssa.
30
Kun täyteaineella täytetty muotti on sijoitetu petiin, voidaan vaikkei se ole välttämätöntä, grafiittikalvo 22 tai jokin muu sopiva aine sijoittaa valusydämen sisältävän muotin yläpuolelle muotin ja lopullisen komposiitin erot-35 tamisen helpottamiseksi sen jälkeen kun tunkeutuminen on valmis. Jos ainetta 22 sijoitetaan matriisimetalliseoksen 13 ja valusydämen 26 sisältävän muotin 21 väliin, tulisi
II
91613 43 järjestää sopiva kanava tai tila 24, niin että helpotetaan matriisimetallin 13 tehokasta tunkeutumista täyteaineeseen 11.
5 Sitten sulaa matriisimetallia 13 kaadetaan pedin, muotin ja täyteaineen päälle, ja ulkoinen tai sisäinen sulku 14 tulisi sen jälkeen muodostaa. Kokoonpano sijoitetaan sitten ilma-atmosfääriuuniin esillä olevan keksinnön mukaisesti. Sulan matriisimetallin tunkeutuminen muotissa olevaan 10 täyteaineeseen tapahtuu sitten ilman tunkeutumista petiin, joka ympäröi muottia ja täyteainetta, kun sisäisesti muodostunut tyhjö on vaikuttanut läpäisemättömään muottiin.
15 Esillä olevan keksinnön mukaisesti voidaan käyttää useita määrättyjä valumenetelmiä ja -laitteita. Voidaan käyttää pääkomponenttia muotin valmistamiseksi kipsistä, kolloidisesta alumiinioksidista, kolloidisesta piidioksidista tai jostain muusta sopivasta aineesta. Pääkomponenttia voidaan 20 suoraan käyttää lopullisen muotin valmistamiseksi, tai sitä voidaan käyttää välimuotin (esim. kumi-, muovi-, vaha-, tai muun sopivan muotin) muodostamiseksi, jota käytetään lopullista muottia valmistettaessa. On kuitenkin tärkeätä, että lopullinen muotti ja valusydän kemiallisesti ja 25 fyysisesti voivat kestää prosessin olosuhteet vahingoittumatta tai ilman että niihin tapahtuu tunkeutumista, ja että ne toistavat pääkomponentin muodon, niin että lopullisesta muotista voidaan tuottaa puhtaita tai lähes puhtaan muotoisia osia esillä olevan keksinnön mukaisesti.
30
Esillä olevan keksinnön eräässä suoritusmuodossa, jota selitetään yksityiskohtaisesti esimerkeissä 3 ja 4, negatiivinen kumimuotti tehdään pääkomponentin avulla, ja sen jälkeen negatiivisesta kumimuotista tehdään positiivinen 35 kumimuotti. Positiivista kumimuottia käytetään sen jälkeen estovälinemuotin aikaansaamiseksi, jota käytetään lopullisena muottina, joka sisältää täyteainetta johon seulan 91613 44 matriisimetallin tunkeutumisen tulee tapahtua. Joissakin muoteissa voidaan vaatia päällystyksiä, niin että varmistetaan ettei tunkeutuminen etene muottiin, jolloin varmistetaan että saadaan tuotteen hyvä pintaviimeistely ja 5 puhtaat muoto-ominaisuudet. Tyydyttävät päällystykset eräiden muottien yhteydessä käytettäviksi sisältävät kolloidisen piidioksidin, kolloidisen alumiinioksidin, kolloidisen vermikuliitin, kolloidisen grafiitin, grafiitin, alumiinimaalin ja muita päällysteitä. Nämä päällystykset 10 voivat myös edistää muotin erottamista lopullisesta metal-limatriisi-komposiittiosasta.
Edellä mainitun suoritusmuodon muunnetussa muodossa, jota selitetään yksityiskohtaisesti esimerkissä 1, sen sijaan 15 että muodostettaisiin positiivinen kumimuotti negatiivisesta kumimuotista, muodostetaan positiivinen kipsimuotti, joka sitten päällystetään sitoutumista estävällä aineella. Positiivisesta kipsimuotista muodostetaan negatiivinen muotti kipsistä, alumiinioksidista, kolloidisesta piidiok-20 s idistä tai jostakin muusta sopivasta aineesta (-aineista). Positiivinen kipsimuotti poistetaan sitten negatiivisesta kipsimuotista sopivin välinein. Negatiivinen kuori päällystetään sitten sopivalla estoainepäällystyksellä ja sitä käytetään estovälinemuottina, jonka sisältämään täyteai-25 neeseen sulan matriisimetallin tulee tunkeutua.
Vahamalli- tai vaahtomalliprosesseja voidaan myös käyttää muottien muodostamiseksi, käytettäviksi sisäisesti muodostuvan tyhjön prosesseissa, kuten esimerkeissä yksityiskoh-30 taisemmin selitetään. Tarkemmin sanoen metallimatriisi-komposiittikappaleen lopullinen haluttu muoto muodostetaan ensin vahasta tai polystyreenivaahdosta tai jostain muusta sopivasta aineesta, joka kuumentamalla voidaan fyysisesti poistaa, kemiallisesti poistaa ja/tai höyrystää.
Vaikka kuviot 3, 4, 5 havainnollistavat ainoastaan yhden ainoan muotin käyttämistä kussakin läpäisemättömässä säi- 35 91613 45 liössä, voidaan useita muotteja pinota ja/tai asettaa vierekkäin määrättyyn säiliöön käsittelyä varten.
Lisäksi, vaikka edellä oleva selitys mainitsee kokoonpano-5 ja, joissa muotit sijoitetaan kaasua läpäisemättömään säiliöön, voidaan kaasua läpäisemätön säiliö kokonaan jättää pois. Sen sijasta voidaan käyttää kaasua läpäisemätöntä muottia, tai läpäisevä muotti voidaan tehdä läpäisemättömäksi. Sulkuväline voidaan sen jälkeen sijoittaa 10 välittömästi muotin päälle, niin että muotti toimii läpäisemättömänä säiliönä. Kuten kuviossa 6 on havainnollistettu, muotissa 51 on läpäisemätön pinta (tai pinnat) 52 sekä ontelo, joka on täytetty täyteaineella 11. Matriisimetalli 13 sijaitsee täyteaineen vieressä ja se on 15 suljettu sulkemisvälineellä 14. Kuvion 6 kokoonpano on siten itsessään sekä muotti että läpäisemätön säiliö, jonka muotin ontelon muodossa voidaan tehdä osa.
Esillä olevan keksinnön erilaisia demonstraatioita on 20 liitetty tässä välittömästi seuraaviin esimerkkeihin.
Näitä esimerkkejä pitäisi kuitenkin pitää havainnollistavina, eikä niitä saa käsittää keksinnön suoja-alaa rajoittavina, niinkuin se määritellään oheisissa patenttivaatimuksissa.
25
Esimerkki 1 Tämä esimerkki havainnollistaa suljettujen pintojen negatiivista muottitekniikkaa, jolla sisäisesti muodostuvan 30 tyhjön menetelmällä muodostetaan puhtaan tai lähes puhtaan muotoisia metallimatriisi-komposiittikappaleita, joilla on monimutkaiset muodot. Tarkemmin ottaen tämä esimerkki havainnollistaa pienten palloventtiilien valmistamista yhdestä ainoasta masterkappaleesta, jonka ulkohalkaisija 35 on noin 32 mm, sylinterin muotoisella ontelolla, jonka halkaisija on noin 19 mm. Kuvio 5 esittää kaaviollisen poikkileikkauksen kokoonpanosta, joka on samanlainen kuin 46 91613 se, jota käytetään puhtaan muodon metallimatriisi-kom-posiittikappaleen muodostamiseksi ja jota selitetään alempana .
5 Masterkappaleen negatiivinen kumimuotti tehtiin valamalla muottikumiyhdistettä (GI-1000, Plastic Tooling Supply Co, Easton PA; noin 1 paino-osa aktivaattoria ja noin 10 paino-osaa kumiainetta) masterosan ympärille. Kun negatiivinen kumimuotti oli riittävästi jähmettynyt, valettiin 10 kolme kopiota masterosasta negatiivisen kumimuotin avulla, käyttäen seosta joka käsitti paino-osuuksin noin 5 % polyvinyyliasetaattipohjäistä liimaa (ELMER'S(R) glue, Borden Co, Columbus, OH), noin 6 % poltettua kipsiä (Bondex International Inc, Brunswick OH), noin 26 % vettä ja noin 15 63 % 500 grit AI2O3 (38 Alundum, Norton Co, Worcester).
Masterosan kopiot negatiivisissa kumimuoteissa sijoitettiin pakastimeen, jota pidettiin noin -18 °C:ssa. Noin kahden tunnin jälkeen -18 °C:n lämpötilassa megatiiviset kumimuotit ja masterosan kopiot erotettiin toisistaan.
20 Masterosan kopiot kuivattiin ilmauunissa, joka oli säädetty noin 46 °C:een. Kun ne olivat riittävästi kuivuneet, kopiot ruiskutettiin kahdella hopeamaalikerroksella (P-1140, jonka jakelijana on Pep Boys, Philadelphia, PA).
25 Kun masterosan kopiot oli muodostettu ja maalattu edellä mainitulla tavalla, muodostettiin kolme estoainemuottia 21 sekoittamalla paino-osuuksina noin yksi osa kolloidista piidioksidia (NYACOL(R) 2040 NH4, Nyacol Products, Ashland MA), noin 2 osaa 500 grit AI2O3 (38 Alundum, Norton Co, 30 Worcester), noin 1 osa 220 grit AI2O3 (38 Alundum, Norton Co, Worcester) ja noin 0,2 osaa vettä. Sen jälkeen kun tämäm sekoituksen vaahto oli asettunut ja ilmä oli poistettu, se kaadettiin masterosan kopioiden päälle ja annettiin kovettua noin 2 tuntia likimain huonelämpötilas-35 sa. Noin kahden tunnin jälkeen estoainesekoituksen ylimääräinen vesi kaadettiin pois, ja masterosan kopiot ympäröivine estoainemuotteineen sijoitettiin sitten pakasti-
II
91613 47 meen ja pidettiin -18 °C:ssa noin 8 tuntia. Masterosan kopiot ympäröivine estoainemuotteineen sijoitettiin sitten noin tunniksi ilma-atmosfäärissä laatikkouuniin, jota pidettiin noin 1000 °C:ssa. Uunista poistettaessa maste-5 rosan kopiot hajosivat ja kopioiden jäännökset puhellettiin sitten pois estoainemuottien 21 sisältä. Sitten esto-ainemuotteihin kaadettiin päällystysseosta, joka käsitti painon suhteen noin 50 % kolloidista vermikuliittia (Microlite No. 903, W.R.Grace & Co, Lexington, MA), ja noin 10 50 % vettä. Tämän päällystysaineseoksen annettiin olla poltetuissa estoainemuoteissa 21 noin 2 minuuttia ja kaadettiin sitten ulos, jonka aikana muodostui päällyste 25 estoainemuoteille 21. Sen jälkeen päällystetyt esto-ainemuotit 21 sijoitettiin uuniin, joka oli säädetty noin 15 110 °C:een, noin kahdeksi tunniksi. Oltuaan noin kaksi tuntia siinä, päällystetyt estoainemuotit 21 poltettiin noin 1000 °C:ssa noin tunnin ajan.
Sitten kolme estoaineella päällystettyä muottia 21 sijoi-20 tettiin läpäisemättömään säiliöön 12, joka oli tehty 1,6 mm paksusta, ruostumattomasta teräksestä AISI Type 304, jonka sisähalkaisija oli noin 76 mm ja korkeus noin 83 mm. Päällystettyjen estoainemuottien 21 ja ruostumatonta terästä olevan säiliön 12 välinen tila täytettiin pedillä 25 23, joka käsitti 500 grit AI2O3 (38 Alundum, Norton Co).
Yksi estoainemuotti 21 täytettiin täyteaineseoksella 11, joka käsitti paino-osuuksin noin 50 % 54 grit AI2O3 ja noin 50 % 90 grit AI2O3 (molemmat 38 Alundum, Norton Co). Toinen estoainemuotti 21 täytettiin täyteaineella 11, joka käsitti 30 paino-osuuksin noin 50 % AI2O3 ja loput Zr02 ( MCA 1360, Norton Co), ja kolmas estoainemuotti 21 täytettiin täyteaineseoksella 11, joka käsitti paino-osuuksin noin 98 % 220 grit AI2O3 (El Alundum, Norton Co), ja noin 2 % -325 mesh magnesiumjauhetta (Atlantic Equipment Engineers, 35 Bergenfield, NJ).
91613 48
Sitten nämä täytetyt estoainemuotit 21 peitettiin kulloinkin kappaleella grafiittikalvoa 22 (Permafoil, TT America, Portland, OR). Kaupallisesti merkillä 6061 saatavaa alumiiniseosta, johon oli seostettu 2 painoprosenttia mag-5 nesiumia, käsittävä matriisimetalli 13 sulatettiin, ja noin 270 g kaadettiin ruostumatonta terästä olevaan säiliöön 12 täyteaineella täytettyjen estoainemuottien päälle. Sen jälkeen kaadettiin jauhettua B203:ta sulan matriisimetallin 13 päälle, ja kokoonpano 40 sijoitettiin vastuksin kuumen-10 nettuun ilma-atmosfäärilaatikkouuniin, joka oli säädetty noin 900 °C:een. Noin viidentoista minuutin ajan annettiin B203-jauheen sulaa, vapauttaa kaasut ja muodostaa kaasua läpäisemättömän sulun 14. Kokoonpano 40 pidettiin uunissa noin kaksi tuntia lisää noin 900 °C:ssa, jonka jälkeen 15 kokoonpano 40 sisältöineen poistettiin uunista ja sijoitettiin vesijäähdytetylle kuparijäähdytyslevylle mat-riisimetallikomposiitin suuntautunutta kiinteytymistä varten.
20 Kun ne olivat huonelämpötilassa, ruostumatonta terästä oleva säiliö leikattiin pois kiinteytyneestä jäännös-mat-riisimetallista ja päällystetystä estoainemuotista. Havaittiin, että jokainen grafiittinauhan 22 osuus helpotti matriisimetallin jäännöksen irrottamista jokaisesta metal-25 limatriisikomposiittia olevasta palloventtiilistä, jotka oli muodostettu. Lisäksi havaittiin, että matriisimetalli ei ollut tunkeutunut petiin 23, joka oli 500 grit Al203:a. Päällystetyt estoainemuotit 21 sijoitettiin sitten hiek-kapuhaltimeen, ja päällystetyt estoainemuotit 21 hiekka-30 puhallettiin pois, jolloin paljastui kolme puhdasmuotoista palloventtiiliä, jotka käsittivät alumiini-metallimatrii-sikomposiittia.
Kuvio 7 esittää kaksi alumiinimatriisi-palloventtiiliä 61. 35 Siten tämä esimerkki havainnollistaa eri tyyppisten aineiden käyttämistä estoaineina, kuten hyvin hienoja jauheita, grafiittiaineita, ja sitoutuneita hienoja jauheita, puh- 91613 49 dasmuotoisten alumiinimatriisikomposiittien muodostamisen aikana sisäisesti muodostuvan tyhjön menetelmässä.
Esimerkki 2 5 Tämä esimerkki osoittaa suljetun pinnan negatiivisen muotin menetelmää monimutkaisen muotoisten puhdas- tai lähes puhdasmuotoisten komposiittikappaleiden muodostamiseksi sisäisesti muodostuvan tyhjön menetelmällä käyttäen prons-10 simatriisimetallia.
Kokeen menettelytavat olivat oleellisesti samat kuin esimerkissä 1 esitetyt, lukuunottamatta matriisimetallia ja käsittelylämpötilaa. Esimerkissä 2 käytetty kokeellinen 15 kokoonpano 40 oli samanlainen kuin kuviossa 5 esitetty. Pronssimatriisimetalli 13 käsitti painon mukaisesti noin 6 % Si, 0,5 % Fe, 0,5 % Ai ja loput kuparia. Ruostumatonta terästä olevan säiliön 12 sisähalkaisija oli noin 41 mm ja korkeus noin 67 mm. Täyteaine 11 oli 90 grit AI2O3 (El 20 Alundum, Norton Co). Kokoonpanoa 40 pidettiin noin 1100 °C:ssa noin 2,25 tuntia vastuksin kuumennetussa ilma-atmosfäärilaatikkouunissa ennen kuin se jäähdytettiin suuntautuvalla kiinteytymisellä vesijäähdytetyllä kupari-jäähdytyslevyllä.
25
Huonelämpötilassa kokoonpano 40 purettiin ja, kuten esimerkissä 1, havaittiin että grafiittinauha 22 helpotti matriisimetallin jäännöksen 66 irrottamista uudesta mat-riisikomposiitti-palloventtiilistä 63, kuten esitetään 30 kuviossa 8. Lisäksi havaittiin, että matriisimetalli ei ollut tunkeutunut petiin 23, joka oli 500 grit Al203:a. Päällystetty estoainemuotti 21 sijoitettiin sitten hiek-kapuhaltimeen, ja päällystetty estoainemuotti 21 hiekka-puhallettiin pois, jolloin paljastui puhdasmuotoinen pal-35 loventtiili, joka käsitti pronssi-metallimatriisikom- posiittia. Tarkemmin ottaen kuvio 8 esittää valokuvan ; pronssi-metallimatriisi-palloventtiilistä 63, jäännöksiä 91613 50 grafiittikalvosta 22 ja siihen kiinnittyneen pronssi-mat-riisimetallin 66 jäännöksiä. Siten tämä esimerkki osoittaa, että erityyppiset aineet, kuten erittäin hienot pedit, grafiittiaineet ja sitoutuneet hienot jauheet, voivat 5 toimia estoaineina pronssi-matriisikomposiittikappaleiden muodostamisen aikana sisäisesti muodostuvan tyhjön menetelmässä.
Esimerkit 3-4 10 Nämä esimerkit havainnollistavat avoimen pinnan positiivista muottimenetelmää monimutkaisen muotoisten puhdas-tai lähes puhdasmuotoisten komposiittikappaleiden muodostamiseksi sisäisesti muodostuvan tyhjön menetelmällä.
15 Erityisesti esimerkit 3 ja 4 kuvaavat alumiini-matriisime-tallin ja pronssi-matriisimetallin käyttämistä kahden metallimatriisikomposiitti-hammaspyörän valmistamiseksi masterkappaleesta, jonka ulkohalkaisija on noin 38 mm ja suurin paksuus noin 10 mm. Esimerkeissä 3 ja 4 käytetyt 20 kokeelliset kokoonpanot olivat samanlaisia kuin kuviossa 3.
Masterosasta muodostettiin negatiivinen kumimuotti valamalla kumimuottiyhdistettä (GI-1000, Plastic Tooling Supply Co, Easton PA; noin 1 paino-osa aktivaattoria ja noin 25 10 paino-osaa kumiainetta) masterosan ympärille. Kun negatiivinen kumimuotti oli riittävästi jähmettynyt, erotettiin masterosa ja negatiivinen kumimuotti, ja negatiivinen kumimuotti päällystettiin kahdesti fluorihiilipoh-jaisella kuivalla voiteluaineella (MS-122, Miller-Stephen-30 son Chemical Company Inc, Danbury, CT). Negatiivisesta kumimuotista valettiin sitten positiivinen kumimuotti jälleen GI-1000 -muottikumista, joka oli muodostettu edellä mainitulla tavalla. Kun se oli riittävästi kovettunut, positiivinen kumimuotti poistettiin negatiivisesta kumi-35 muotista ja sen jälkeen sitä käytettiin muodostamaan kaksi estoainemuottia 21, kummallekin osalle, kuten alla selitetään .
Il 91613 51
Estoainemuotit 21 muodostettiin sekoittamalla paino-osuuksina noin yksi osa kolloidista piidioksidia (NYACOL(R) 2040 NH4, Nyacol Products, Ashland MA), noin 2 osaa 500 grit AI2O3 (38 Alundum, Norton Co, Worcester), noin 1 osa 220 t 5 AI2O3 (38 Alundum, Norton Co, Worcester) ja noin 0,2 osaa vettä. Sen jälkeen kun tämäm sekoituksen vaahto oli asettunut ja ilma oli poistettu, se kaadettiin positiivisen kumimuotin päälle, ja annettiin kovettua noin 2 tuntia likimain huonelämpötilassa. Noin kahden tunnin jälkeen 10 kovettuneen sekoituksen ylimääräinen vesi kaadettiin pois, ja positiivinen kumimuotti estoainemuotteineen sijoitettiin sitten pakastimeen ja pidettiin -18 °C:ssa noin 8 tuntia. Sen jälkeen positiivinen kumimuotti irrotettiin molemmista estoaineimuoteista 21 ja kummatkin esto-15 ainemuotit 21 sijoitettiin sitten noin tunniksi ilma-atmosfäärissä laatikkouuniin, jota pidettiin noin 1000 °C:ssa. Sitten molempien estoainemuottien onteloihin asetettiin päällystysseosta, joka käsitti noin 50 % kolloidista vermikuliittia (Microlite No. 903, W.R.Grace 20 & Co, Lexington, MA), ja noin 50 % vettä. Tämän päällys- tysaineseoksen annettiin olla poltetuissa estoainemuoties-sa 21 noin 2 minuuttia ja kaadettiin sitten ulos, jonka aikana muodostui päällyste (ei esitetty kuviossa 3) molempien estoainemuottien 21 onteloihin. Sitten päällys-25 tetyt estoainemuotit 21 sijoitettiin uuniin, joka oli säädetty noin 110 °C:een, noin kahdeksi tunniksi. Noin kahden tunnin jälkeen, päällystetyt estoainemuotit 21 poltettiin jälleen noin 1000 °C:ssa noin tunnin ajan.
30 Sitten molemmat päällystetyt estoainemuotit sijoitettiin erilliseen ruostumatonta terästä olevaan säiliöön 12, joka oli oleellisesti sama kuin esimerkissä 1. Estoainemuottien 21 ja ruostumatonta terästä olevan säiliön 12 välinen tila täytettiin pedillä 23, joka käsitti 500 grit AI2O3 (38 35 Alundum, Norton Co). Esimerkissä 3 päällystettyyn esto-ainemuottiin 21 sijoitettiin ja tasoitettiin täyteainetta 11, joka käsitti 90 grit AI2O3 (38 Alundum, Norton Co).
52 91613
Esimerkissä 4 päällystettyyn estoainemuottiin 21 sijoitettiin ja tasoitettiin täyteainetta 11, joka käsitti 90 grit AI2O3 (38 Alundum, Norton Co). Täyteaineella täytetty estoainemuotti 21, jota käytettiin pronssi-matriisimetal-5 Iin kanssa, peitettiin grafiittikalvon 22 kappaleella (Permafoil, TT America, Portland, OR).
Esimerkissä 3 sulaa alumiini-matriisimetallia 13, joka käsitti noin 7,5 - 9,5 % Si, 3,0 - 4,0 % Cu, <2,9 % Zn, 10 2,2 - 2,3 % Mg, < 1,5 % Fe, < 0,5 % Mn, < 0,35 % Sn ja loput Ai, kaadettiin ruostumatonta terästä olevaan säiliöön 12 noin 13 mm syvyydeltä ja täyteaineella täytetyn estoainemuotin 21 päälle. Esimerkissä 4 sulaa matriisime-tallia 13, joka käsitti painon mukaisesti noin 6 % Si, noin 15 0,5 % Fe, noin 0,5 % Ai ja lopu Cu, kaadettiin ruostumatonta terästä olevaan säiliöön 12 noin 13 mm syvyydeltä ja grafiittikalvolla 22 peitetyn estoainemuotin 21 päälle. Sen jälkeen kaadettiin jauhettua B203:ta sulan matriisime-tallin 13 päälle, niin että ne oleellisesti kokonaan 20 peittyivät, ja kokoonpanot 20 asetettiin vastuksin kuumennettuihin ilma-atmosfäärilaatikkouuneihin, jotka oli säädetty noin 900 °C:een esimerkissä 3 ja noin 1100 °C;een esimerkissä 4. Noin viidentoista minuutin ajan annettiin B203-jauheen sulaa, vapauttaa kaasut ja muodostaa kaasua 25 läpäisemätön sulku 14. Esimerkin 3 kokoonpano 20 pidettiin noin kaksi tuntia noin 900 °C:ssa, ja esimerkin 4 kokoonpano 20 noin kaksi tuntia noin 1100 °C:ssa, jonka jälkeen kokoonpanot 20 sisältöineen poistettiin uunista ja sijoitettiin vesijäähdytetylle kuparijäähdytyslevylle mat-30 riisimetallin 13 suuntautunutta kiinteytymistä varten.
Kun ne olivat huonelämpötilassa, ruostumatonta terästä olevat säiliöt 12 leikattiin pois kulloisestakin esto-ainemuotista 21. Esimerkin 4 osalta havaittiin, että 35 grafiittikalvo 22 mahdollistaa matriisimetallin jäännöksen poistamisen muodostuneesta metallimatriisikomposiitista. Lisäksi havaittiin että sekä esimerkin 3 että 4 osalta
II
91613 53 saatiin täydellisesti tunkeutuneita metallimatriisi-kom-posiittikappaleita, joilla oli erinomaiset lähes puhtaan muodon ominaisuudet. Tarkemmin ottaen kuvio 9a esittää valokuvan, joka vastaa esimerkissä 3 muodostettua alu-5 miinimatriisihammaspyörää 70, ja kuvio 9b esittää esimerkissä 4 muodostettua pronssimatriisihammaspyörää 71.
Esimerkki 5 10 Tämä esimerkki havainnollistaa vahamuottimenetelmän käyttämistä monimutkaisen muotoisten puhdas- tai lähes puhdas-muotoisten komposiittikappaleiden muodostamiseksi sisäisesti muodostuvan tyhjön menetelmällä. Tarkemmin sanoen esimerkki 5 liittyy alumiini-metallimatriisi-komposiitti-15 männän valmistamiseen polttomoottoria varten masterosasta, jonka ulkohalkaisija on noin 199 mm ja suurin korkeus noin 19 mm. Kuvio 10 on kaaviollinen poikkileikkaus kokeellisesta kokoonpanosta, jota käytettiin esimerkissä 5.
20 Muodostettiin negatiivinen kumimuotti valamalla kumimuot-tiyhdistettä (GI-1000, Plastic Tooling Supply Co, Easton PA; noin 1 paino-osa aktivaattoria ja noin 10 paino-osaa kumiainetta) masterosan ympärille. Kun negatiivinen kumi-muotti oli riittävästi jähmettynyt, tehtiin masterosan 25 positiivinen kopio kaatamalla sulaa vahaa (No. 9 punaista suulakepuristettua vahaa, Casting Supply House New York, NY) negatiiviseen kumimuottiin. Kun vaha oli kiinteytynyt, kumimuotti poistettiin männän positiiviselta vahatoisin-nolta.
30
Positiivinen vahatoisinto asetettiin sitten sylinterin muotoiseen ruostumatonta terästä olevaan säiliöön 12. Ruostumatonta terästä olevaan säiliöön 12 kaadettiin korkeudelle, joka oleellisesti vastasi positiivisen vaha-35 toisinnon korkeutta, estoainesekoitusta, joka käsitti painon mukaan noin 3 osaa 500 grit AI2O3 (38 Alundum, Norton Co) ja noin 1 osan kolloidista alumiinioksidia (Bluonic A, 54 91613 jonka jakelijana on Wesbond Corporation, Wilmington, DE). Vähintään noin 6 tunnin jälkeen estoainesekoitus koveni muodostaen estoainekuoren 21. Ruostumatonta terästä oleva säiliö 12 sisältöineen käännettiin ylösalaisin ja asetet-5 tiin ilma-atmosfäärissä olevaan uunijärjestelyyn noin 180 °C:ssa. Noin kolmen tunnin jälkeen noin 180 °C:ssa positiiviset vahakopiot sulivat ja muodostivat ontelon estoainemuottiin 21. Ruostumatonta terästä oleva säiliö 12 sisältöineen sijoitettiin sitten noin tunniksi vastuksin 10 kuumennettuun ilma-atmosfäärilaatikkouuniin, joka oli säädetty noin 1000 °C:een, mahdollisen jäljelle jääneen vahan polttamiseksi pois, jolloin parannetaan masterosan negatiivista kuvaa estoainemuotissa 21.
15 Estoainemuottiin 21 haihtuvalla vahalla muodostettu ontelo täytettiin sitten täyteaineella 11, joka käsitti 220 grit SiC (39 Crystolon, Norton Co). Sitten sulatettiin alumii-ni-matriisimetallia 13, joka käsitti paino-osuuksina noin 7,5 - 9,5 % Si, 3,0 - 4,0 % Cu, <2,9 % Zn, 0,2 - 0,3 % Mg, 20 < 1,3 %Fe, < 0,5 Mn, < 0,35 Sn ja loput Ai, ja se kaadettiin ruostumatonta terästä olevaan säiliöön ja 220 grit SiC:llä täytetyn estoainemuotin 21 päälle noin 13 syvyydeltä. Jauhemuodossa olevaa B203:a (Fisher Scientific) käytettiin sulan alumiini-matriisimetallin pinnan peittämiseksi.
25
Ruostumatonta terästä olevan säiliön 12 sisältöineen käsittävä kokoonpano 160 asetettiin sitten vastuksin kuumennettuun ilma-atmosf äärilaatikkouuniin, joka oli säädetty noin 850 °C:een. Oltuaan noin 16 tuntia noin 30 850 °C:ssa, jona aikana B2O3 oli sulanut, vapauttanut kaasut ja muodostanut kaasua läpäisemättömän sulun 14, kokoonpano poistettiin uunista ja jäähdytettiin.
Kun kokoonpano 160 oli jäähtynyt huonelämpötilaan, ruos-35 tumatonta terästä oleva säiliö 12 poistettiin ja esto-ainemuotti 21 hiekkapuhallettiin pois, niin että paljastui lähes puhtaan muotoinen alumiini-metallimatriisikompo-
II
91613 55 siittimäntä. Tarkemmin ottaen kuvio 10b on valokuva, joka vastaa alumiini-metallimatriisikomposiittimäntää 80, sen jälkeen kun ulkopintaa 82 oli koneistettu. Kuvio 10b esittää, että männän sisäiset ontelot 81 toistuivat hyvin.
5
Esimerkki 6
Esimerkin 5 menetelmä toistettiin oleellisesti lukuunottamatta sitä, että estoainemuotti 21 käsitti seosta, jossa 10 oli noin 2 osaa 220 grit ja noin 1 osa 500 grit AI2O3 (molemmat 38 Alundum, Norton Co, Worcester, MA), ja noin 1 osa kolloidista alumiinioksidia (Bluonic A, jonka jakelijana on Wesbond Corporation, Wilmington, DE); täyteaine 11 käsitti 90 grit SiC (39 Crystolon, Norton Co); 15 ja masterosalla oli ulkohalkaisija noin 70 mm ja korkeus noin 64 mm.
Kokoonpano 160 koottiin kuten esimerkissä 5, ja sitä pidettiin noin 850 °C:ssa noin 4 tuntia, ja sitten se 20 kiinteytettiin suuntautuvasta vesijäähdytetyllä kupari-jäähdytys levyllä. Kuten esimerkissä 5, matriisimetalli 13 tunkeutui täydellisesti täyteaineeseen 11 ja talteen otettiin lähes puhdasmuotoinen alumiini-metallimatriisi-komposiittimäntä. Tarkemmin ottaen on kuvio 11a valokuva, ; 25 joka vastaa tämän esimerkin mukaisesti tehtyä alumiini-me- tallimatriisikomposiittimäntää 90, joka on hiekkapuhalletussa tilassa; kuvio 11b on valokuva, joka vastaa samaa alumiini-metallimatriisikomposiittimäntää 90 kun ulkopinta 91 on koneistettu.
30
Esimerkki 7 Tämä esimerkki havainnollistaa grafiittimuotin käyttämistä metallimatriisi-komposiittikappaleen muodostamiseksi 35 käyttäen sisäisesti muodostuvan tyhjön tekniikkaa. Kokeellinen kokoonpano 20, jota käytettiin tässä esimerkissä, on samanlainen kuin kuviossa 3 esitetty.
91613 56
Grafiittimuotti 21 (ATJ laatua olevaa grafiittia, Union Carbide; jota saatiin yhtiöstä MGP, Womelsdorf, PA), jonka sisähalkaisija oli noin 32 mm ja korkeus noin 51 mm ja seinämäpaksuus noin 13 mm, sijoitettiin ruostumatonta 5 terästä olevan säiliön 12 pohjalle, jonka sisähalkaisija 011 noin 67 mm ja korkeus noin 89 mm, ja joka oli tehty 1,6 mm paksusta ruostumattomasta teräksestä Type 304. Grafiittimuotin 21 ja ruostumatonta terästä olevan säiliön 12 välinen tila täytettiin oleellisesti grafiittimuotin 21 10 yläreunaan saakka pedillä 23, joka käsitti 500 grit AI2O3 (38 Alundum, Norton Co, Worcester, MA). Sylinterin muotoinen ontelo grafiittimuotissa 21 täytettiin sitten oleellisesti noin 80 g: 11a täyteainetta 11, joka käsitti 90 grit AI2O3 (38 Alundum, Norton Co). Grafiittimuotin 21 yläosassa 15 olevan pedin 23 pinta peitettiin oleellisesti, mutta ei kokonaan, grafiittikalvon 22 kappaleella (Permafoil, TT America, Portland, OR). Noin 25 mm sulaa pronssi-mat-riisimetallia 13, joka käsitti painon mukaisesti noin 6 %
Si, 0,5 % Fe, 0,5 % Ai ja loput kuparia, kaadettiin noin 20 1100 °C:n lämpötilassa ruostumatonta terästä olevaan säiliöön 12 ja grafiittimuottia 21 peittävän grafiittikalvon päälle. Noin 20 g jauhettua B203:a (Aesar(R), Johnson Matthey, Seabrook, NH) käytettiin oleellisesti peittämään pronssi-matriisimetallin 13 pinnan. Ruostumatonta terästä 25 olevan säiliön 12 sisältöineen käsittävä kokoonpano 20 asetettiin vastuksin kuumennettuun ilma-atmosfäärilaatik-kouuniin, joka oli säädetty noin 1100 °C:een. Oltuaan noin 2 tuntia noin 1100 °C:ssa, jonka aikana B2O3 oli sulanut, vapauttanut kaasut ja muodostanut kaasua läpäisemättömän 30 sulun 14, ruostumatonta terästä olevan säiliön 12 sisältöineen käsittävä kokoonpano 20 poistettiin uunista ja sijoitettiin vesijäähdytetylle kuparijäähdytyslevylle pronssi-matriisimetallin suuntautunutta kiinteytymistä varten.
Kun se oli huonelämpötilassa, kokoonpano 20 purettiin ja havaittiin, että pronssi-matriisimetalli 13 oli tunkeutu- 35
II
91613 57 nut täyteaineeseen 11 muodostaen pronssi-metallimatriisi-komposiittisylinterin, jolla oli hyvä pintaviimeistely kaikilla pinnoilla. Erityisesti kuvio 12 esittää valokuvan, joka vastaa pronssi-metallimatriisikomposiittisylinteriä 5 loo, joka on tehty tässä esimerkissä esitettyjen toimenpiteiden avulla.
EgiirerKki.9 10 Tämä esimerkki havainnollistaa grafiittivalusydämen eli -elimen käyttämistä sisäisesti muodostuvan tyhjön menetelmällä tehdyn metallimatriisi-komposiittikappaleen sisäpinnan muotoilemiseksi. Tässä esimerkissä käytetty kokeellinen kokoonpano oli samanlainen kuin kuviossa 4. Tarkemmin 15 ottaen käytettiin rivoitettua grafiittivalusydäntä 31 (AGSX-grafiitti, Union Carbide), jonka sisähalkaisija oli noin 24 mm ja korkeus noin 38 mm, jolloin rivat sijaitsivat pitkin valusydämen 31 koko kehää noin 20° välein niiden leveyden ollessa noin 2,5 mm ja niiden ulottuessa pitkin 20 grafiittivalusydämen 31 pituutta (38 mm), muodostamaan metallimatriisi-komposiittikappale, jossa oli sisäkehä, vastaten valusydämen 31 ulkokehää, sekä sileä ulkokehä.
Grafiittivalusydän 31, muodoltaan negatiivi halutusta 25 lopputuotteen sisätilasta, asetettiin säiliöön 12, jonka sisähalkaisi ja oli noin 48 mm ja korkeus noin 89 mm, ja joka oli tehty tehty 1,6 mm paksusta, ruostumattomasta teräksestä AISI Type 304. Täyteainetta 11, joka käsitti painon mukaan 95 % 90 grit AI2O3 (38 Alundum, Norton Co) 30 ja noin 5 % tinaa -325 mesh (Atlantic Equipment Engineers, Bergenfield, NJ), kaadettiin renagsmuotoiseen tilaan, jota rajotti ruostumatonta terästä oleva säiliö 12 ja rivoitettu grafiittivalusydän 31. Noin 38 mm sulaa pronssi-matriisime-tallia 13, joka käsitti painon mukaan noin 5 % Si, noin 35 2 % Fe, noin 3 % Zn ja loput kuparia, kaadettiin ruostumatonta terästä olevaan säiliöön ja 90 grit SiC-täy-teaineen 11 päälle, joka ympäröi rivoitettua grafiittiva- 91613 58 lusydäntä 31. Noin 20 g jauhettua B203:a (Aesar(R), Johnson Matthey, Seabrook, NH) käytettiin oleellisesti peittämään pronssi-matriisimetallin 13 pinnan. Ruostumatonta terästä olevan säiliön 12 sisältöineen käsittävä kokoonpano 30 5 asetettiin vastuksin kuumennettuun ilma-atmosfäärilaatik-kouuniin, joka oli säädetty noin 1100 °C:een. Oltuaan noin 2 tuntia noin 1100 °C:ssa, jonka aikana B2O3 oli sulanut, vapauttanut kaasut ja muodostanut kaasua läpäisemättömän sulun 14, ja kun havaittiin matriisimetallin 13 pinnan 10 laskevan, kokoonpano 30 poistettiin uunista pronssi-mat-riisikomposiitin kiinteyttämiseksi. Huonelämpötilassa kokoonpano 30 purettiin, jolloin paljastui pronssi-matrii-sikomposiittikappale, joka ympäröi rivoitettua grafiitti-valusydäntä 31.
15
Rivoitettu grafiittivalusydän 31 poistettiin pronssimetal-limatriisi-komposiittikappaleesta asettamalla grafiitti-valusydäntä 31 ympäröivä pronssimetallimatriisi-kompo-siittikappale vastuksin kuumennettuun ilma-atmos£äärilaa-20 tikkouuniin, joka oli säädetty noin 600 °C:een. Noin 12 tunnin jälkeen noin 600 °C:ssa oli rivoitettu grafiittivalusydän 31 riittävän täydellisesti hapettunut ja talteen otettiin pronssi-metallimatriisi-komposiittikappale, jonka sisähalkaisija kääntäen toisti rivoitetun grafiittiva-25 lusydämen muodon. Tarkemmin ottaen kuvio 13 esittää valokuvan, joka vastaa pronssimatriisikomposiittisylinte-riä 110, jonka ulkopinta 112 on koneistettu ja jonka sisäpinta 111 kääntäen toistaa grafiittivalusydämen 31 ulkopinnan muodon.
30
Esimerkki 9 Tässä esimerkissä havainnollistetaan jaetun muotin käyttämistä metallimatriisi-komposiittikappaleen muodostami-35 seksi käyttäen sisäisesti muodostuvan tyhjön tekniikkaa. Kuvio 14 on kaaviollinen poikkileikkaus tässä esimerkissä : käytetystä kokoonpanosta.
11 91613 59
Mastermuotti, jonka ulkohalkaisija oli noin 45 ja korkeus noin 21 mm, ja jossa oli puolipallon muotoinen ontelo halkaisijalla 35 mm, koneistettiin kaupallisesti saatavasta alumiiniseoksesta. Mastermuotti asetettiin samankeskei-5 sesti kaupallisesti saatavaan PVC-putkeen, jonka ulkohal-kaisija oli, noin 76 mm ja korkeus noin 38 mm ja seinämäpaksuus noin 9,5 mm. Negatiivinen kumimuotti tehtiin valamalla kumiyhdistettä (61-1000, Plastic Tooling Co, Easton PA; noin 1 paino-osa aktivaattoria ja noin 10 10 paino-osaa kumiainetta) renkaan muotoiseen tilaan PVC-put-ken ja alumiinia olevan mastermuotin väliin.
Kun negatiivinen kumimuotti oli riittävästi jähmettynyt, tehtiin positiiviset estoainemuotit 21 negatiivisella 15 kumimuotilla seoksesta, joka käsitti paino-osuuksina noin yhden osan kolloidista piidioksidia (NYACOL(R) 20401 NH4, Nyacol Products, Ashland MA), noin 2 osaa 500 grit AI2O3 (38 Alundum, Norton Co, Worcester), noin 1 osa 220 t AI2O3 (38 Alundum, Norton Co, Worcester) ja noin 0,2 osaa vettä. 20 Positiivisten estoainemuottivalujen annettiin sitten kovettua noin kaksi tuntia noin huonelämpötilassa. Noin kahden tunnin jälkeen valuseoksen ylimääräinen vesi kaadettiin pois* ja estoainemuotit 21 sisältävät negatiiviset muotit sijoitettiin sitten pakastimeen ja pidettiin 25 -18 °C:ssa noin 8 tuntia. Negatiiviset kumimuotit erotet tiin sitten positiivisista estoainemuoteista 21, ja positiiviset estoainemuotit sijoitettiin sitten noin tunniksi ilma-atmosfäärissä laatikkouuniin, jota pidettiin noin 1000 °C:ssa., Sitten porattiin noin 9 mm reikä 121 pitkin 30 ulomman halkaisijan keskiviivaa yhdessä estoainemuotissa ja puolipallon muotoisen ontelon läpi sen jälkeen, kuten esitetään kuviossa 14. Positiivinen estoainemuotti, jossa oli reikä, saatettiin koskettamaan toista positiivista estoainemuottia 21 siten, että muodostui pallon muotoinen 35 ontelo, jonka halkaisija oli noin 35. Siten kaksi positiivista estoainemuottia 21 muodosti jaetun muotin 122.
• Päällysteseopta, joka käsitti noin 50 % kolloidista 91613 60 vermikuliittia (Microlite No. 903, W.R.Grace & Co, Lexington, MA), ja noin 50 % vettä, kaadettiin kaksoismuotin 122 pallomaiseen onteloon reiän 121 läpi. Päällysteseoksen annettiin olla jaetussa muotissa 122 noin 2 minuuttia ja 5 sitten se kaadettiin pois, jonka ajan kuluessa muodostui päällyste 25 jaetun muotin 122 pallomaiseen onteloon. Sen jälkeen jaettu muotti 122 sijoitettiin uuniin, joka oli säädetty noin 110 °C:een, noin kahdeksi tunniksi. Noin kahden tunnin viipymisajan jälkeen, päällystetty jaettu 10 muotti 122 poltettiin noin 1000 °C:ssa noin tunnin ajan.
Jaetun muotin 122 sisätila täytettiin täyteaineella 11, joka käsitti 90 grit SiC (39 Crystolon, Norton Co). Jaettu muotti 122 asetettiin sitten ruostumatonta terästä olevaan 15 säiliöön 12, joka oli pedissaä 23, joka käsitti 500 grit AI2O3 (38 Alundum, Norton Co). Jaetun muotin 122 alaosassa oleva reikä peitettiin oleellisesti grafiittikalvolla 22 (Permafoil, TT America, Portland, OR). Sulaa pronssi-mat-riisimetallia 13, joka käsitti painon mukaan noin 5 % Si, 20 noin 2 % Fe, noin 3 % Zn ja loput kuparia, kaadettiin ruostumatonta terästä olevaan säiliöön 12 ja jaetun muotin päälle, jota ympäröi hienojakeinen peti 23 ja kerros B2O3-jauhetta kaadettiin sulan matriisimetallin päälle.
25 Ruostumatonta terästä olevan säiliön 12 sisältöineen käsittävä kokoonpano 120 sijoitettiin sitten vastuksin kuumennettuun ilma-atmosfäärilaatikkouuniin, joka oli säädetty noin 1100 °C:een. Oltuaan noin 3 tuntia noin 1100 °C:ssa, kokoonpano 120 poistettiin uunista pronssi-30 metallimatriisi-komposiittikappaleen kiinteyttämiseksi.
Huonelämpötilassa jaettu muotti 122 purettiin niin että paljastui, että sula pronssi-matriisimetalli 13 oli tunkeutunut täyteaineeseen 11 muodostaen pronssi-metallimat-riisi-komposiittipallon. Jaettujen muottien käyttämisen 35 havainnollistamisen lisäksi tämä esimerkki osoittaa, että matriisimetalle ja voidaan imeä ylöspäin estoainemuotteihin 91613 61 tunkeutumaan täyteaineeseen metallimatriisi-komposiitti-kappaleen muodostamiseksi.
Esimerkki 1Q
5 Tämä esimerkki havainnollistaa estoainevalusydämen käyttämistä, joka käsittää hienojakeisen pedin ja sidosainetta, jolla määritetään metallimatriisikomposiitin sisätila. Tässä esimerkissä käytettiin samanlaista kokoonpanoa kuin 10 kuviossa 4.
Tarkemmin sanoen muodostettiin sisäinen hammastus tekemällä ensin estoelin tai valusydän 31, jolla oli toivotun hammaspyörän sisäisen muodon negatiivinen muoto, seoksesta 15 joka käsitti painon mukaan noin 20 % poltettua kipsiä (Bondex, Bondex International Inc, Brunswick, OH) ja 80 % 500 grit AI2O3 (38 Alundum, Norton Co). Kun se oli riittävästi kovettunut ja kuivunut, estoainevalusydän 31 keskitettiin sylinterin muotoiseen, ruostumatonta terästä 20 olevaan säiliöön 12, jonka sisähalkaisija vastasi muodostettavan lopullisen metallimatriisi-komposiittikappaleen toivottua ulkohalkaisijaa. Estoainevalusydämen 31 ja ruostumatonta terästä olevan säiliön 12 välinen tila täytettiin sitten täyteaineella 11, joka käsitti painon mukaan noin 25 90 % 90 grit AI2O3 (38 Alundum, Norton Co) ja noin 10 % tinaa -325 mesh (Atlantic Equipment Engineers, Bergenfield, NJ). Sulaa pronssi-matriisimetallia 13, joka käsitti painon mukaan noin 5 % Si, noin 2 % Fe, noin 3 % Zn ja loput kuparia, kaadettiin ruostumatonta terästä olevaan säiliöön 30 ja täyteaineen 11 päälle noin 25 mm syvyydeltä, ja B2O3-jauhetta kaadettiin sulan matriisimetallin päälle ulkoisen sulun 14 muodostamiseksi, sen jälkeen kun se oli sulanut.
35 Ruostumatonta terästä olevan säiliön 12 sisältöineen käsittävä kokoonpano 30 asetettiin vastuksin kuumennettuun ilma-atmosfäärilaatikkouuniin, joka oli säädetty noin 91613 62 1100 °C:een. Oltuaan noin 3 tuntia noin 1100 °C:ssa, kokoonpano 30 poistettiin uunista ja jäähdytettiin huonelämpötilaan. Estoainevalusydän 31 hiekkapuhallettiin sen jälkeen pois muodostuneesta pronssi-metallimatriisi-kom-5 posiittikappaleesta, jolloin tuloksena oli metallimatrii-si-komposiittikappaleessa oleva sisäinen muoto, joka vastasi estoainevalusydämen 31 ulkomuotoa. Tarkemmin, kuvio 15 esittää valokuvan, joka vastaa pronssi-metallimatrii-si-komposiittikappaletta 130 hampain 131 pronssi-metalli-10 matriisi-komposiittikappaleen 139 sisäpuolella.
Esimerkki 11 Tämä esimerkki osoittaa, että suhteellisen mutkikkaita 15 metallimatriisirakenteita voidaan tehdä käyttämällä pakenevan valusydämen menetelmää. Tarkemmin sanottuna tehtiin metallimatriisi-ristikkorakenne balsapuisesta mallista. Balsapuinen malli muodostettin liimalla kaupallisesti saatavan balsapuun rimoja toisiinsa, kuten kaaviol-20 lisesti esitetään kuviossa 16a. Balsapuinen malli päällystettiin sitten ainakin kahdella hopeamaalin kerroksella (P-1140, jonka jakelijana on Pep Boys, Philadelphia, PA). Kun hopeamaali oli kuivunut, balsapuinen malli kiinnitettiin vaseliinilla (Vaseline(R), Cheeseborough-Pond's Inc, 25 Greenwich, CT) paperilaatikon pohjalle, jonka mitat olivat noin 127 mm x 51 mm ja korkeus noin 25 mm.
Kun malli eli masterosa oli kiinnitetty paperilaatikon pohjalle, muodostettiin estoainemuottia varten seos se-30 koittamalla paino-osuuksina noin 1 osa kolloidista piidioksidia (NYACOL(R) 2040 NH4, Nyacol Products, Ashland MA), noin 2 osaa 500 grit AI2O3 (38 Alundum, Norton Co, Worcester), noin 1 osa 220 grit AI2O3 (38 Alundum, Norton Co, Worcester) ja noin 0,2 osaa vettä. Tämä estoaineseos, 35 sen jälkeen kun vaahto oli asettunut ja ilma poistettu, kaadettiin balsapuuta olevan masterosan päälle ja sen annettiin kovettua noin kaksi tuntia likimain huonelämpö- li 91613 63 tilassa. Noin kahden tunnin jälkeen estoainesekoituksen ylimääräinen vesi absorboitiin pyyheliinalla ja 220 grit AI2O3 (38 Alundum, Norton Co, Worcester) kaadettiin valun pinnalle ylimääräisen veden imemiseksi pois. Estoaineseos, 5 joka ympäröi balsamasterosaa, asetettiin sitten pakastimeen ja pidettiin -18 °C:ssa noin 8 tuntia. Kovettunut estoainemuotti, joka ympäröi balsamasterosaa, asetettiin sitten noin tunniksi ilma-atmosfäärissä laatikkouuniin, jota pidettiin noin 1000 °C:ssa. Tämän noin 1000 °C:ssa 10 tunnin aikana balsapuu paloi muodostaen sisäisen ontelon estoainemuottiin. Uunista poistamisen jälkeen esto-ainemuotin annettiin jäähtyä ja balsapuun tuhkajätteet puhallettiin sitten ulos estoainemuotin sisältä. Estoainemuotti katkaistiin sellaiseen kokoon, että se sopi 15 läpäisemättömään säiliöön, jota alla selitetään. Päällys-teaineseosta, joka käsittää noin 50 painoprosenttia kolloidista vermikuliittia (Microlite No. 903, W.R.Grace & Co, Lexington, MA), ja noin 50 painoprosenttia vettä, kaadettiin sitten estoainemuottiin. Sen jälkeen päällys-20 tetty estoainemuotti asetettiin noin kahdeksi tunniksi uuniin, joka oli säädetty noin 60 °C:een. Noin kahden tunnin jälkeen noin 60 °C:ssa päällystetty estoainemuotti poltettiin noin 1000 °C:ssa noin tunnin ajan.
25 Päällystetty estoainemuotti sijoitettiin sitten läpäisemättömään säiliöön, joka oli tehty 1,6 mm paksusta ruostumattomasta teräksestä Type 304, jonka sisämitat olivat: pituus noin 125 mm, leveys noin 36 mm ja syvyys noin 43 mm. Päällystetyn estoainemuotin ja ruostumatonta 30 terästä olevan säiliön välinen tila täytettiin sitten pedillä, joka käsitti 500 grit AI2O3 (38 Alundum, Norton Co, Worcester, MA). Päällystetty estoainemuotti täytettiin täyteaineella, joka käsitti 220 grit AI2O3 (38 Alundum, Norton Co, Worcester, MA).
35 Täyteaineella täytetty estoainemuotti peitettiin sitten *. grafiittikalvon kappaleella (Permafoil(R), TT America, 91613 64
Portland, OR). Merkillä 6061 kaupallista saatavaa alumiiniseosta olevaa matriisimetallia, johon oli seostettu noin 4 painoprosenttia magnesiumia, sulatettiin ja kaadettiin ruostumatonta terästä olevaan säiliöön ja grafiitti-5 kalvon päälle, jolloin peitettiin estoainemuotissa oleva täyteaine. Sen jälkeen kaadettiin B2O3-jauhetta sulan matriisimetallin päälle ja kokoonpano asetettiin vastuksin kuumennettuun ilma-atmosfäärilaatikkouuniin, joka oli säädetty noin 850 °C:een. Noin 15 minuuttia annettiin Β2θ3:η 10 sulaa, poistaa kaasut ja muodostaan kaasua läpäisemätön sulku. Kokoonpano pidettiin noin 950 °C:ssa noin 2 tuntia lisää, jonka jälkeen kokoonpano sisältöineen poistettiin uunista ja asetetiin vesijäähdytetylle kuparijäähdytysle-vylle metallimatriisikomposiitin suuntautunutta kiintey-15 tyrnistä varten.
Kun se oli huonelämpötilassa, ruostumatonta terästä oleva säiliö leikattiin pois kiinteytyneen jäännös-matriisime-tallin ja päällystetyn estoainemuotin päältä. Havaittiin 20 että grafiittinauha halpotti metallimatriisijäännöksen poistamista metallimatriisi-komposiittikappaleesta. Päällystetty estoainemuotti asetettiin sitten hiekkapuhalti-meen ja päällystetty estoainemuotti hiekkapuhallettiin pois, jolloin paljastui puhdasmuotoinen ristikko, joka 25 käsitti alumiini-metallimatriisikomposiittia. Täsmälli semmin osoittaa kuvio 16b valokuvan, joka vastaa alumii-ni-metallimatriisikomposiittiristikkoa 141, joka tehtiin tämän esimerkin mukaisesti.
30 Esimerkki 12 Tämä esimerkki havainnollistaa suhteellisen mutkikkaan metallimatriisirakenteen valmistennistä käyttäen vahamal-limenetelmää. Tarkemmin ottaen tehtiin mallista metalli-35 matriisiristikko. Malli eli masteri 140, joka esitetään kuviossa 16a, tehtiin liimaamalla yhteen tavallisen vahan kastaleita (165, Freeman Co, Belleville, NJ). Vahamalli l! 91613 65 asetettiin sitten ruostumatonta terästä olevaan säiliöön, jonka pituus oli noin 152 mm, leveys noin 51 mm ja korkeus noin 51 mm. Estoaineseosta käsittäen painon mukaan noin 50 % kalsiumaluminaattisementtiä (Secar 71, Lafarge Cal-5 cium Aluminates, Chesapeake, VA) ja noin 50 % 500 grit AI2O3 (38 Alundum, Norton Co) sekä oleellisen riittävästi vettä niin että estoaineseos tuli valettavaksi, kaadettiin ruostumatonta terästä olevaan säiliöön ja vahamallin päälle vahamallin korkeudelle.
10
Sen jälkeen kun estoaineseos oli riittävästi kovettunut ruostumatonta terästä olevassa säiliössä ja vahamallin ympärille, vahamalli poistettiin sijoittamalla kokoonpano ensin noin 3 tunniksi uuniin, joka oli säädetty noin 150 15 °C:een, ja sulattamalla vahamalli. Sitten kokoonpano asetettiin noin tunniksi ilma-atmosfäärissä laatikko-uuniin, jota pidettiin noin 800 °C:ssa, mahdollisen sulattamisen jälkeen jäljelle jääneen vahan polttamiseksi ja negatiivisen estoainekuoren aikaansaamiseksi mallina 20 olleesta vaharistikosta. Estoainekuoressa oleva tila täytettiin täyteaineella 90 grit SiC (39 Crystolon, Norton Co). Sulaa alumiini-matriisimetallia, joka käsitti paino-osuuksin noin 7,5 - 9,5 % Si; 3,0 - 4,0 % Cu; < 2,9 % Zn; 0,2 - 0,3 % Mg; < 1,3 % Fe; < 0,5 Mn, < 0,35 Sn, ja loput 25 AI; kaadettiin ruostumatonta terästä olevaan säiliöön ja täyteaineella täytetyn estoainemuottikuoren päälle noin 13 mm syvyydeltä. Sitten käytettiin B2O3-jauhetta sulan alumiini-matriisimetallin peittämiseksi oleellisesti täydellisesti. Ruostumatonta terästä olevan säiliön sisältöi-30 neen käsittävä kokoonpano asetettiin vastuksin kuumennettuun ilma-atmosfäärilaatikkouuniin, joka oli säädetty noin 850 °C:een. Noin neljä tuntia oltuaan noin 850 °C:ssa, jona aikana annettiin Β2θ3:η sulaa, poistaa kaasut ja muodostaan kaasua läpäisemätön sulku, kokoonpano poistettiin ja sen 35 annettiin jäähtyä huonelämpötilaan. Kokoonpano purettiin ja estoainekuori hiekkapuhallettiin pois, niin että pal-• jastui alumiini-matriisikomposiittiristikko.
91613 66
Esimerkki 13
Toistettiin oleellisesti esimerkin 1 menetelmä pumpun juoksupyörän valmistamiseksi, jonka ulkohalkaisija oli 5 noin 89 mm, paitsi että käytettiin erilaista matriisime-tallia, prosessilämpötilaa ja estoainekuorta. Estoaine-kuori valmsitettiin seoksesta, joka paino-osuuksin käsitti 2 osaa 500 grit AI2O3 (38 Alundum, Norton Co), 1 osan 90 grit AI2O3 (38 Alundum, Norton Co), ja 1 osan kolloidista 10 alumiinioksidia (Bluonic A, jota saatiin yhtiöstä Wesbond Corporation, Wilmington, DE). Matriisimetalli 13 oli pronssiseosta, joka paino-osuuksin käsitti noin 6 % Si, noin 1 % Fe ja loput kuparia; ja täyteaine 11 oli 90 grit SiC (39 Crystolon, Norton Co). Kokoonpano 40 asetettiin 15 vastuksin kuumennettuun ilma-atmosfäärilaatikkouuniin, joka oli säädetty noin 1000 °C:een, ja aika joka annettiin matriisimetallin tunkeutumiseen täyteaineeseen oli noin 3,5 tuntia. Täsmällisemmin osoittaa kuvio 17 valokuvan, joka vastaa pronssimatriisijuoksupyörää 150, joka esimer-20 kissä muodostettiin.
25 30 35
II

Claims (38)

91613
1. Menetelmä muotoillunmetallimatriisi-komposiittikappa-leen valmistamiseksi, tunnettu siitä, että muodostetaan reaktiojärjestelmä, joka käsittää matriisime- 5 tallia, reaktiivisen atmosfäärin, läpäisemättömän säiliön ja läpäisevää massaa, joka sisältää ainakin yhtä ainetta, joka valitaan irrallisen täyteainemassan ja täyteainetta olevan esimuotin käsittävästä ryhmästä, sekä estovälineen, joka on kosketuksessa ainakin läpäisevän massan yhden 10 pinnan osaan ja joka ainakin osittain on etäisyydellä matriisimetallista mainitun muotoillun metallimatriisi-kom-posiittikappaleen ainakin yhden pinnan muodostamiseksi; suljetaan reaktiojärjestelmä ainakin osittain reaktiojär-jestelmän ulkopuolella olevasta ympäröivästä atmosfääristä 15 niin, että aikaansaadaan nettopaine-ero reaktiivisen atmosfäärin ja ympäröivän atmosfäärin välille, jolloin sulkeminen järjestetään ainakin yhdellä ulkoisella sululla; ja kuumennetaan suljettu reaktiojärjestelmä niin, että mat-riisimetalli sulaa ja ainakin osittain tunkeutuu läpäise-20 vään massaan estovälineeseen saakka muodostaen siten muotoillun metallimatriisi-komposiittikappaleen, jossa mainittu ainakin yksi pinta on muodostettu estovälineellä.
2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu 25 siitä, että mainittu ainakin osittainen sulkeminen käsittää reaktiivisen atmosfäärin oleellisen eristämisen ympäröivästä atmosfääristä.
3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu 30 siitä, että nettopaine-ero on olemassa ainakin osan aikaa sulan matriisimetallin tunkeutuessa läpäisevään massaan estovälineeseen saakka.
4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu 35 siitä, että matriisimetalli käsittää ainakin yhtä ainetta, joka valitaan ryhmästä, joka käsittää alumiinin, magnesiumin, pronssin, kuparin ja valuraudan. 91613
5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että se lisäksi käsittää ainakin yhden kostutuksen edistäjän järjestämisen reaktiojärjestelmään.
6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että se lisäksi käsittää ainakin yhden sulun edistäjän järjestämisen reaktiojärjestelmään.
7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu 10 siitä, että mainittu ainakin yksi ulkoinen sulku käsittää ainakin yhtä lasimaista ainetta.
8. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että reaktiivinen atmosfääri reagoi ainakin osittain 15 ainakin matriisimetallin, täyteaineen tai läpäisemättömän säiliön kanssa, johtaen siten nettopaine-eroon.
9. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ainakin yhtä kostutuksen edistäjää seostetaan 20 matriisimetalliin.
10. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että matriisimetalli käsittää alumiinia ja kostutuksen edistäjä käsittää ainakin yhtä ainetta, joka valitaan 25 ryhmästä, joka sisältää magnesiumin, vismutin, lyijyn ja tinan.
11. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että matriisimetalli käsittää ainakin joko pronssia 30 tai kuparia ja että kostutuksen edistäjä käsittää ainakin yhtä ainetta, joka valitaan ryhmästä, joka käsittää seleenin, telluurin ja rikin.
12. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tunnettu 35 siitä, että ainakin yhtä kostutuksen edistäjää syötetään ulkoisesta lähteestä. li 91613
13. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ainakin osa läpäisemättömästä säiliöstä käsittää estovälinettä.
14. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että estoväline käsittää ainakin yhtä ainetta, joka valitaan ryhmästä, joka sisältää metallin, keraamin, keraa-mikomposiitin ja saven.
15. Patenttivaatimuksen 14 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että estoväline käsittää hiukkasmaista ainetta, johon tunkeutumista ei tapahdu prosessin oloissa.
16. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu 15 siitä, että estoväline käsittää ainakin yhtä ainetta, joka valitaan ryhmästä, joka käsittää hiilen, grafiitin, ti-taanidiboridin, poltetun kipsin, alumiinioksidin ja piidioksidin.
17. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että matriisimetalli ei oleellisesti pysty kostuttamaan estovälinettä.
18. Patenttivaatimuksen l mukainen menetelmä, tunnettu 25 siitä, että estoväline sisältyy läpäisemättömään säiliöön.
19. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että estoväline levitetään läpäisevän massan mainitulle ainakin yhdelle pinnalle ainakin yhdellä menetelmäl- 3. lä, joka valitaan ryhmästä, joka käsittää maalaamisen, upottamisen, silkkipainamisen, höyrystämisen ja sputteroi-misen.
20. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu 35 siitä, että estoväline käsittää taipuisaa grafiittiarkkia, joka sijoitetaan läheiseen kosketukseen mainitun ainakin yhden pinnan kanssa. 91613
21. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että se lisäksi käsittää irrottamisen edistäjää, joka edistää muotoillun metallimatriisikomposiitin irrottamista ainakin läpäisemättömästä säiliöstä, estovälineestä 5 tai matriisimetallista.
22. Patenttivaatimuksen 21 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että irrottamisen edistäjä käsittää ainakin yhtä ainetta, joka valitaan ryhmästä, joka käsittää grafiitin, 10 boorioksidin ja tinan.
23. Patenttivaatimuksen 21 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että irrottamisen edistäjä sisältyy estovälineeseen.
24. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että läpäisevä massa käsittää ainakin yhtä ainetta, joka valitaan ryhmästä, joka käsittää jauheet, hiutaleet, liuskeet, mikrokuulat, kuitukiteet, kuplat, kuidut, hiukkaset, kuitumatot, katkaistut kuidut, kuulat, pelletit, pie-20 net putket ja tulenkestävän kankaan.
25. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että läpäisevä massa käsittää ainakin yhtä ainetta, joka valitaan ryhmästä, joka käsittää oksidit, karbidit, 25 boridit ja nitridit.
26. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että läpäisemätön säiliö käsittää ainakin yhtä ainetta, joka valitaan ryhmästä, joka käsittää keraamin, 30 metallin, lasin ja polymeerin.
27. Patenttivaatimuksen 26 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että läpäisemätön säiliö käsittää alumiinioksidia tai piikarbidia. 35
28. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että reaktiivinen atmosfääri käsittää ainakin yhtä 91613 ainetta, joka valitaan ryhmästä, joka sisältää happea sisältävän atmosfäärin ja typpeä sisältävän atmosfäärin.
29. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu 5 siitä, että matriisimetalli käsittää alumiinia ja reaktiivinen atmosfääri käsittää ilmaa, happea tai typpeä.
30. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että matriisimetalli käsittää ainakin joko pronssi- 10 matriisimetallia, kupari-matriisimetallia tai valurauta-matriisimetallia ja että reaktiivinen atmosfääri käsittää ilmaa, happea tai typpeä.
31. Patenttivaatimuksen l mukainen menetelmä, tunnettu 15 siitä, että reaktiojärjestelmän lämpötila on korkeampi kuin matriisimetallin sulamispiste, mutta alhaisempi kuin mat-riisimetallin höyrystymislämpötila ja läpäisevän massan sulamispiste.
32. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että matriisimetalli käsittää alumiinia ja että täyteaine käsittää ainakin yhtä ainetta, joka valitaan ryhmästä, joka käsittää oksidit, karbidit, boridit ja nitridit. 25
33. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että suljettu reaktio järjestelmä kuumennetaan lämpötilaan, joka on noin 700 - 1000 °C, kun matriisimetalli käsittää alumiinia; noin 1050 - 1125 °C, kun matriisimetal- 30 li käsittää pronssia tai kuparia; ja noin 1250 - 1400 °C, kun matriisimetalli käsittää valurautaa.
34. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että se lisäksi käsittää muodostetun muotoillun me- 35 tallimatriisi -komposiittikappaleen suuntautuvan kiinteyttämisen. 91613
35. Patenttivaatimuksen 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että täyteaine käsittää ainakin yhtä ainetta, joka valitaan ryhmästä, joka käsittää alumiinioksidin, piikarbi-din, zirkoniumin, titaaninitridin, boorikarbidin ja niiden 5 seokset.
36. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittu ainakin yksi ulkoinen sulku käsittää ainakin yhtä ainetta, joka valitaan ryhmästä, joka käsittää 10 boorilasit, piilasit ja B203:n, joka on ainakin osittain sulaa tunkeutumisen osan aikana.
37. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että estoväline käsittää ainakin yhtä ainetta, joka 15 valitaan ryhmästä, joka käsittää alumiinioksidin, vermiku-liitin, grafiitin, poltetun kipsin ja ruostumattoman teräksen.
38. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu 20 siitä, että muotti myös toimii läpäisemättömänä säiliönä.
FI903609A 1989-11-07 1990-07-17 Menetelmä muotoillun metallimatriisi-komposiittikappaleen valmistamiseksi FI91613C (fi)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US07/433,027 US5163498A (en) 1989-11-07 1989-11-07 Method of forming metal matrix composite bodies having complex shapes by a self-generated vacuum process, and products produced therefrom
US43302789 1989-11-07

Publications (3)

Publication Number Publication Date
FI903609A0 FI903609A0 (fi) 1990-07-17
FI91613B true FI91613B (fi) 1994-04-15
FI91613C FI91613C (fi) 1994-07-25

Family

ID=23718563

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
FI903609A FI91613C (fi) 1989-11-07 1990-07-17 Menetelmä muotoillun metallimatriisi-komposiittikappaleen valmistamiseksi

Country Status (23)

Country Link
US (1) US5163498A (fi)
EP (1) EP0427658A3 (fi)
JP (1) JP3256218B2 (fi)
KR (1) KR910009601A (fi)
CN (1) CN1051591A (fi)
AU (1) AU641666B2 (fi)
BG (1) BG92464A (fi)
BR (1) BR9003430A (fi)
CA (1) CA2020672A1 (fi)
CS (1) CS354890A3 (fi)
DD (1) DD301860A9 (fi)
FI (1) FI91613C (fi)
HU (1) HUT64933A (fi)
IE (1) IE902463A1 (fi)
IL (1) IL94959A (fi)
NO (1) NO902979L (fi)
NZ (1) NZ234366A (fi)
PL (1) PL166555B1 (fi)
PT (1) PT94740A (fi)
RU (1) RU1825325C (fi)
TR (1) TR27133A (fi)
YU (1) YU47108B (fi)
ZA (1) ZA905591B (fi)

Families Citing this family (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH04304333A (ja) * 1991-03-25 1992-10-27 Aluminum Co Of America <Alcoa> アルミニウムまたはアルミニウム合金をマトリクスとする複合材料およびその強化材とマトリクスとの濡れおよび結合を向上させる方法
US6338906B1 (en) * 1992-09-17 2002-01-15 Coorstek, Inc. Metal-infiltrated ceramic seal
US5614043A (en) 1992-09-17 1997-03-25 Coors Ceramics Company Method for fabricating electronic components incorporating ceramic-metal composites
EP0662019A4 (en) * 1992-09-17 1998-07-15 Coors Ceramics Company Ritland Method for producing a ceramic-metal composite body.
DE4304391A1 (de) * 1993-02-13 1994-08-18 Schaeffler Waelzlager Kg Verfahren zur Herstellung von Leichtbauteilen
US5900277A (en) * 1996-12-09 1999-05-04 The Dow Chemical Company Method of controlling infiltration of complex-shaped ceramic-metal composite articles and the products produced thereby
US6296045B1 (en) 1998-08-12 2001-10-02 The Dow Chemical Company Ceramic-metal composite and method to form said composite
US6759004B1 (en) * 1999-07-20 2004-07-06 Southco, Inc. Process for forming microporous metal parts
EP1084778A1 (en) * 1999-09-16 2001-03-21 Caterpillar Inc. Mold assembly and method for pressure casting elevated melting temperature materials
EP1390167B1 (en) 2001-05-15 2006-09-27 Santoku Corporation Casting of alloys with isotropic graphite molds
US6705385B2 (en) 2001-05-23 2004-03-16 Santoku America, Inc. Castings of metallic alloys with improved surface quality, structural integrity and mechanical properties fabricated in anisotropic pyrolytic graphite molds under vacuum
EP1414604B1 (en) 2001-06-11 2007-04-25 Santoku America, Inc. Centrifugal casting of nickel base superalloys with inproved surface quality, structural integrity and mechanical properties in isotropic graphite moduls under vacuum
US6755239B2 (en) 2001-06-11 2004-06-29 Santoku America, Inc. Centrifugal casting of titanium alloys with improved surface quality, structural integrity and mechanical properties in isotropic graphite molds under vacuum
US6623867B2 (en) * 2001-07-13 2003-09-23 Visteon Global Technologies, Inc. Reinforced aluminum metal composite carrier
US6635357B2 (en) 2002-02-28 2003-10-21 Vladimir S. Moxson Bulletproof lightweight metal matrix macrocomposites with controlled structure and manufacture the same
US6799627B2 (en) 2002-06-10 2004-10-05 Santoku America, Inc. Castings of metallic alloys with improved surface quality, structural integrity and mechanical properties fabricated in titanium carbide coated graphite molds under vacuum
US6986381B2 (en) 2003-07-23 2006-01-17 Santoku America, Inc. Castings of metallic alloys with improved surface quality, structural integrity and mechanical properties fabricated in refractory metals and refractory metal carbides coated graphite molds under vacuum
US20070051623A1 (en) * 2005-09-07 2007-03-08 Howmet Corporation Method of making sputtering target and target
US8236211B1 (en) 2006-08-08 2012-08-07 Sandia Corporation Preparation of asymmetric porous materials
US8418366B2 (en) * 2007-11-27 2013-04-16 Namiki Seimitsu Houseki Kabushiki Kaisha Internal gear manufacturing method and metallic glass internal gear manufactured thereby
CN102071379B (zh) * 2011-01-14 2012-07-04 南京信息工程大学 一种高强灰口铸铁材料及制备方法
CN102071380A (zh) * 2011-01-14 2011-05-25 南京信息工程大学 一种耐磨麻口铸铁材料及制备方法
KR101694260B1 (ko) 2014-12-11 2017-01-09 이건배 알루미늄 기지 복합재료의 제조방법 및 이에 의하여 제조된 알루미늄 기지 복합재료
CN108543931B (zh) * 2018-05-14 2020-11-06 重庆大学 一种MgAl复合铸件制造方法

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3364976A (en) * 1965-03-05 1968-01-23 Dow Chemical Co Method of casting employing self-generated vacuum
US3396777A (en) * 1966-06-01 1968-08-13 Dow Chemical Co Process for impregnating porous solids
US3529655A (en) * 1966-10-03 1970-09-22 Dow Chemical Co Method of making composites of magnesium and silicon carbide whiskers
US3386777A (en) * 1967-06-02 1968-06-04 Minnesota Automotive Inc Auxiliary hydraulic brake lock
US3547180A (en) * 1968-08-26 1970-12-15 Aluminum Co Of America Production of reinforced composites
JPS51551A (ja) * 1974-06-22 1976-01-06 Sumitomo Chemical Co Shinkinajushisoseibutsu
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
JPS62238340A (ja) * 1986-04-07 1987-10-19 Toyota Motor Corp 酸化還元反応を利用したアルミニウム合金の製造方法
US4923832A (en) * 1986-05-08 1990-05-08 Lanxide Technology Company, Lp Method of making shaped ceramic composites with the use of a barrier
US4828008A (en) * 1987-05-13 1989-05-09 Lanxide Technology Company, Lp Metal matrix composites
US4871008A (en) * 1988-01-11 1989-10-03 Lanxide Technology Company, Lp Method of making metal matrix composites
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
IL94957A (en) * 1989-07-18 1994-12-29 Lanxide Technology Co Ltd A method of creating bodies from a compound of a metal matrix by an empty process produced by itself, and products produced by it
US4954046A (en) * 1989-12-08 1990-09-04 Imed Corporation Peristaltic pump with mechanism for maintaining linear flow

Also Published As

Publication number Publication date
RU1825325C (ru) 1993-06-30
IE902463A1 (en) 1991-05-08
NO902979L (no) 1991-05-08
US5163498A (en) 1992-11-17
FI91613C (fi) 1994-07-25
NZ234366A (en) 1993-03-26
PL166555B1 (en) 1995-06-30
PT94740A (pt) 1991-07-05
YU139790A (sh) 1992-07-20
CN1051591A (zh) 1991-05-22
IL94959A (en) 1994-12-29
KR910009601A (ko) 1991-06-28
AU641666B2 (en) 1993-09-30
NO902979D0 (no) 1990-07-04
JPH03153832A (ja) 1991-07-01
EP0427658A2 (en) 1991-05-15
FI903609A0 (fi) 1990-07-17
TR27133A (tr) 1994-11-09
HUT64933A (en) 1994-03-28
DD301860A9 (de) 1994-05-26
CA2020672A1 (en) 1991-05-08
JP3256218B2 (ja) 2002-02-12
ZA905591B (en) 1991-03-27
CS354890A3 (en) 1992-06-17
HU904203D0 (en) 1990-12-28
EP0427658A3 (en) 1991-10-16
BR9003430A (pt) 1991-08-27
AU5878490A (en) 1991-05-16
YU47108B (sh) 1994-12-28
PL286091A1 (en) 1991-06-03
BG92464A (bg) 1993-12-24
IL94959A0 (en) 1991-06-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
FI91613B (fi) Menetelmä muotoillun metallimatriisi-komposiittikappaleen valmistamiseksi
KR0183974B1 (ko) 자기 발생식 진공 공정에 의한 금속 기질 복합체의 제조 방법 및 그것으로부터 제조된 제품
RU2025527C1 (ru) Способ получения композиционного материала с металлической матрицей
JP2905513B2 (ja) 三次元的に相互接続した共マトリックスを含有する金属マトリックス複合体の形成方法
FI91496B (fi) Menetelmä makrokomposiittikappaleiden muodostamiseksi sekä sillä muodostettuja makrokomposiittikappaleita
JP2930991B2 (ja) 金属マトリックス複合体を形成するインベストメント鋳造法
JPH03223438A (ja) 装甲材料
JPH05507030A (ja) 金属マトリックス複合材製造用ゲート手段
JP2859329B2 (ja) 金属マトリックス複合体の改質方法
JPH02236244A (ja) 自発的浸透による金属マトリックス複合体の形成方法
JP2905518B2 (ja) 金属マトリックス複合体の形成方法
JP2905517B2 (ja) 金属マトリックス複合体の形成方法
PT92259B (pt) Processo para a termo-modelacao de um novo corpo composito com matriz de metal e produtos produzidos por esse processo
FI91491B (fi) Menetelmä metallimatriisikomposiittikappaleen valmistamiseksi uppovalumenetelmää käyttäen
US5188164A (en) Method of forming macrocomposite bodies by self-generated vacuum techniques using a glassy seal
FI91612B (fi) Menetelmä makrokomposiittikappaleen muodostamiseksi
JP3370991B2 (ja) 金属マトリックス複合材の製造方法
US5224533A (en) Method of forming metal matrix composite bodies by a self-generated vaccum process, and products produced therefrom

Legal Events

Date Code Title Description
FG Patent granted

Owner name: LANXIDE TECHNOLOGY COMPANY, LP

BB Publication of examined application
MM Patent lapsed
MM Patent lapsed

Owner name: LANXIDE TECHNOLOGY COMPANY, LP