FI91832B - Menetelmä metallimatriisikomposiitin valmistamiseksi - Google Patents

Description

i OCZ

Menetelmä metallimatriisikomposiitin valmistamiseksi 5

Esillä oleva keksintö liittyy metallimatriisi-komposiitti-kappaleiden muodostamiseen spontaanin tunkeutumisen menetelmällä. Erityisesti matriisimetallin valanne muotoillaan sellaiseksi mallikappaleeksi, joka muodoltaan on oleelli-10 sesti komplementaarinen sellaisen onkalon suhteen, joka muodostetaan metallimatriisikomposiittikappaleeseen. Muotoiltu matriisimetallivalanne ympäröidään läpäisevällä täy-teainemassalla, joka prosessin olosuhteissa voidaan saattaa mukailemaan muotoillun matriisimetallivalanteen muotoa.

15 Tunkeutumisen edistäjä ja/tai tunkeutumisen edistäjän edeltäjä sekä tunkeutumisatmosfääri ovat myös ainakin prosessin jossakin vaiheessa yhteydessä täyteaineeseen, mikä sallii muotoillun matriisimetallivalanteen, kun se on sulatettu, spontaanin tunkeutumisen ympäröivään läpäisevään täyteai-20 nemassaan. Sellaisen spontaanin tunkeutumisen jälkeen on aikaansaatu metallimatriisikomposiittikappale, jossa oleva onkalo muodoltaan oleellisesti vastaa alkuperäistä matrii-s imetai1ivalanne11a.

25

Metallimatriisin ja lujittavan tai vahvistavan faasin, kuten keraamisia hiukkasia, kuitukiteitä, kuituja tai vastaavia käsittävät komposiittituotteet näyttävät lupaavilta moniin eriin sovellutuksiin, koska niissä yhdistyvät osa 30 lujittavan faasin jäykkyydestä ja kulutuskestävyydestä metallimatriisin muovattavuuteen ja sitkeyteen. Yleensä metallimatriisikomposiitilla luodaan parannuksia sellaisissa ominaisuuksissa, kuten lujuus, jäykkyys, hankausku-lutuksen kestävyys, ja lujuuden pysyminen korkeammissa 35 lämpötiloissa, verrattuna matriisimetalliin sen monoliit- 2 S i ö62 tisessa muodossa, mutta määrä, johon saakka määrättyä ominaisuutta voidaan parantaa, riippuu suuresti kyseessä olevista ainesosista, niiden tilavuus- tai painosuhteista, sekä siitä miten niitä käsitellään komposiittia muodostet-5 taessa. Eräissä tapauksissa komposiitti voi myös olla kevyempää kuin matriisimetalli sellaisenaan. Alumiinimat-riisikomposiitit, jotka on vahvistettu keräämillä, kuten esimerkiksi piikarbidilla hiukkasten, hiutaleiden tai kuitukiteiden muodossa, ovat kiinnostavia johtuen niiden 10 alumiiniin verrattuna suuremmasta jäykkyydestä, kulutuksen kestävyydestä ja korkean lämpötilan lujuudesta.

Alumiinimatriisikomposiittien valmistamiseksi on kuvattu erilaisia metallurgisia menetelmiä, mukaanlukien menetel-15 miä, jotka perustuvat jauhemetallurgiatekniikoihin ja sulan metallin tunkeutumistekniikoihin, joissa käytetään hyväksi painevalua, tyhjövalua, sekoittamista, ja notkistumia . Jauhemetallurgiatekniikoiden avulla jauheen muodossa oleva metalli ja jauheen, kuitukiteiden, leikattujen 20 kuitujen, jne. muodossa oleva lujittava aine sekoitetaan ja sitten joko kylmäpuristetaan ja sintrataan, tai kuuma-puristetaan. Tällä menetelmällä tuotetun piikarbidilla lujitetun alumiinimatriisikomposiitin suurimman keraamin tilavuusosan on ilmoitettu olevan noin 25 tilavuusprosent-25 tia kuitukiteiden tapauksessa ja noin 40 tilavuusprosenttia hiukkasten tapauksessa.

Metallimatriisikomposiittien tuottaminen jauhemetallurgi-sia tekniikoita käyttävin tavanomaisin menetelmin asettaa 30 eräitä rajoituksia aikaansaatavien tuotteiden ominaisuuksille. Komposiitissa olevan keraamifaasin tilavuusosa on tyypillisesti rajoittunut, hiukkasten tapauksessa noin 40 prosenttiin. Samaten asettaa puristustoiminta rajan käytännössä saavutettavalle koolle. Ainoastaan suhteellisen 35 yksinkertaiset tuotteen muodot ovat mahdollisia ilman jälkeenpäin tapahtuvaa käsittelyä (esim* muotoilua tai koneistusta) tai ottamatta käyttöön monimutkaisia puris- 3 “/ ί -· s 9 timia. Sintrauksen aikana voi myös esiintyä epätasaista kutistumista, samoin kuin mikrostruktuurin epätasaisuutta, johtuen kiintoaineisiin eriytymisestä ja hiukkasten kasvusta.

5 US-patentissa 3,970,136 kuvataan menetelmä metallimatrii-sikomposiitin muodostamiseksi, johon sisältyy kuitumuotoi-nen lujite, esim. piikarbidi- tai alumiinikuitukiteitä, joilla on ennalta määrätty kuitujen suuntaus. Komposiitti 10 tehdään sijoittamalla samassa tasossa olevien kuitujen samansuuntaisia mattoja tai huopia muottiin yhdessä sulan matriisimetallin, esim. alumiinin lähteen kanssa ainakin joidenkin mattojen välissä, ja kohdistamalla painetta, niin että sula metalli pakotetaan tunkeutumaan mattoihin ja 15 ympäröimään suunnatut kuidut. Mattojen pinon päälle voidaan valaa sulaa metallia, jolloin sitä paineen avulla pakotetaan virtaamaan mattojen väliin. Komposiitissa olevien lujittavien kuitujen jopa 50 % tilavuuspitoisuuksia on ilmoitettu.

20

Edellä olevaan tunkeutumismenetelmään liittyy paineen aiheuttamien virtausprosessien yllätyksellisiä vaihteluja. ts. mahdollisia epäsäännöllisyyksiä matriisin muodostumisessa, huokoisuutta, jne, kun otetaan huomioon että se 25 riippuu ulkoisesta paineesta sulan matriisimetallin pakottamiseksi kuitupitoisten mattojen läpi. Ominaisuuksien epätasaisuus on mahdollinen vaikka sulaa metallia johdettaisiin useammasta kohdasta kuitupitoiseen järjestelyyn. Vastaavasti on järjestettävä monimutkaiset matto/lähde-30 järjestelyt ja virtausreitit soveltuvan ja tasaisen tunkeutumisen aikaansaamiseksi kuitumattojen pinoon. Edellä mainittu painetunkeutumismenetelmä mahdollistaa myös ainoastaan suhteellisen pienen lujitusaineen ja matriisiti-lavuuden suhteen, johtuen suureen mattotilavuuteen kiin-35 teästi liittyvästä tunkeutumisen vaikeudesta. Lisäksi muoteissa on oltava sulaa metallia paineen alaisena, joka nostaa menetelmän kustannuksia. Lopuksi edellä mainittu 4 ί16Ξ2 menetelmä, joka rajoittuu ojennuksessa oleviin hiukkasiin tai kuituihin tunkeutumiseen, ei sovellu alumiinimatrii-sikomposiittien muodostamiseen, jotka on lujitettu satunnaisesti suuntautuvista hiukkasista, kuitukiteistä tai 5 kuiduista koostuvilla aineilla.

Alumiinimatriisi-alumiinioksiditäytteisten komposiittien valmistuksessa alumiini ei helposti kostuta alumiinioksidia, jolloin on vaikeata muodostaa yhtenäinen tuote. Tähän 10 ongelmaan on ehdotettu erilaisia ratkaisuja. Eräs sellainen lähestyminen on alumiinin päällystäminen metallilla (esim. nikkelillä tai wolfrämillä), joka sitten kuumapuristetaan yhdessä alumiinin kanssa. Toisessa tekniikassa alumiini seostetaan litiumin kanssa, ja alumiinioksidi voidaan 15 päällystää piidioksidilla. Näillä komposiiteilla kuitenkin ominaisuudet vaihtelevat, tai päällystykset voivat heikentää täytettä, tai matriisi sisältää litiumia, joka voi vaikuttaa matriisin ominaisuuksiin.

20 US-patentilla 4,232,091 voitetaan eräitä alan vaikeuksia, joita kohdataan valmistettaessa alumiinimatriisi-alu-miinioksiditäytteisiä komposiitteja. Tässä patentissa ku-vataan 75 - 375 kg/cm paineen kohdistennista pakottamaan sula alumiini (tai sula alumiiniseos) alumiinioksidia 25 olevaan kuitu- tai kuitukidemattoon, joka on esilämmitetty alueelle 700 - 1050°C. Alumiinioksidin suurin suhde metalliin tuloksena olevassa kiinteässä valukappaleessa oli 0,25:1. Koska tässä menetelmässä ollaan riippuvaisia ulkopuolisesta paineesta tunkeutumisen aikaansaamiseksi, 30 sitä vaivaavat monet samat puutteet kuin US-patenttia 3,970,136.

EP-hakemuksessa 115,742 kuvataan alumiini-alumiinioksidi-komposiittien valmistamista, jotka ovat erityisen käyttö-35 kelpoisia elektrolyyttikennokomponentteina, ja joissa esi- muotin alumiinioksidimatriisin ontelot täytetään alumiinilla, ja tätä varten käytetään erilaisia tekniikoita li i I 8o2 5 alumiinioksidin kostuttamiseksi koko esimuotissa. Alumiinioksidi kostutetaan esimerkiksi titaani-, zirkonium-, hafnium tai niobi-diboridia olevalla kostutusaineella tai metallilla, ts. litiumilla, magnesiumilla, kalsiumilla, 5 titaanilla, kromilla, raudalla, koboltilla, nikkelillä, zirkoniumilla tai hafniumilla. Kostutuksen edistämiseksi käytetään inerttiä atmosfääriä, kuten argonia. Tässä julkaisussa esitetään myös paineen kohdistaminen sulan alumiinin saamiseksi tunkeutumaan päällystämättömään mat-10 riisiin. Tässä suhteessa tunkeutuminen aikaansaadaan saattamalla huokoset ensin tyhjöön ja kohdistamalla sitten sulaan alumiiniisi painetta inertissä atmosfäärissä, esim. argonissa. Vaihtoehtoisesti esimuottiin voidaan tunkeutua höyryfaasissa olevalla alumiinipäällystyksellä pintojen 15 kostuttamiseksi ennen onteloiden täyttämistä tunkeutuvalla sulalla alumiinilla. Jotta varmistettaisiin alumiinin pysyminen esimuotin huokosissa vaaditaan lämpökäsittelyä, esim lämpötilassa 1400 - 1800°C, joko argonissa tai tyhjössä. Muutoin joko paineen alaisena tunkeutuneen aineen 20 altistuminen kaasulle, tai tunkeutumispaineen poistaminen, aiheuttaa alumiinin häviämisen kappaleesta.

Kostutusaineiden käyttäminen alumiinioksidikomponentin tunkeutumisen aikaansaamiseksi sulaa metallia sisältävään 25 elektrolyyttikennoon on esitetty myös EP-hakemuksessa 94353. Tässä julkaisussa kuvataa alumiinin tuottamista elektrolyysillä kennossa, jossa virranjohdinkatodi on kennon vaippana tai alustana. Tämän alustan suojaamiseksi sulalta kryoliitilta levitetään alumiinioksidialustalle 30 ohut päällystys kostutusaineen ja liukenemisen estävän aineen seoksella ennen kennon käynnistämistä tai kun se on upotettuna elektrolyysiprosessin tuottamaan sulaan alumiiniin. Kuvattuja kostutusaineita ovat titaani, zirkonium, hafnium, pii, magnesium, vanadiini, kromi, niobi 35 tai kalsium, ja titaani esitetään edullisimmaksi aineeksi. Boorin, hiilen ja typen yhdisteiden selitetään olevan hyödyllisiä estettäessä kostutusaineiden liukenemista su- • · 6 y I So2 laan alumiiniin. Tässä julkaisussa ei kuitenkaan ehdoteta metallimatriisikomposiittien tuottamista, eikä siinä eh-dotetaa sellaisten komposiittien muodostamista esimerkiksi typpiatmosfäärissä.

5

Paineen ja kostutusaineiden käytön lisäksi on kuvattu tyhjön kohdistamisen edistävän sulan alumiinin tunkeutumista huokoiseen keraamikappaleeseen. Esimerkiksi US-pa-tentissa 3,718,441 raportoidaan keraamiseen kappaleeseen 10 (esim. boorikarbidi, alumiinioksidi ja berylliumoksidi) tunkeutumista joko sulalla alumiinilla, berylliumilla, magnesiumilla, titaanilla, vanadiinilla, nikkelillä tai —6 —2 kromilla, tyhjössä joka on alle 10 torr. Välillä 10 ...

10-6 torr oleva tyhjö johti keraamin heikkoon kostuttami-15 seen sulalla metallilla, niin ettei metalli virrannut vapaasti keraamin ontelotiloihin. Kostuttamisen sanotaan kuitenkin parantuneen, kun tyhjö pienennettiin alle 10”6 torr.

20 Myös US-patentissa 3,864,154 esitetään tyhjön käyttämistä tunkeutumisen aikaansaamiseksi. Tässä patentissa selitetään kylmäpuristetun AlB 12-kappaleen asettamista kylmäpuristetun alumiinijauheen pedille. Sen jälkeen sijoitettiin lisää alumiinia AIB12-jauhekappaleen päälle. Sulatusastia, 25 jossa AlBi2-kappale oli "kerrostettuna" alumiinijauheker- rosten väliin, sijoitettiin tyhjöuuniin. Uuniin järjestet--5 tun noin 10 torr oleva tyhjö kaasun poistumista varten. Lämpötilaa nostettiin sen jälkeen 1100°C:een, jossa se pidettiin 3 tuntia. Näissä oloissa sula alumiini tunkeutui 30 AlBi2-kappaleeseen.

t US-patentissa 3,364,976 selitetään suunnitelmaa itsestään kehittyvän tyhjön aikaansaamista kappaleeseen, sulan metallin kappaleeseen tunkeutumisen lisäämiseksi. Erityises-35 ti selitetään, että kappale, esim. grafiittimuotti, teräs-muotti tai huokoinen tulenkestävä aine, kokonaan upotetaan sulaan metalliin. Muotin tapauksessa metallin kanssa li 7 r·, Λ C- ^ y I öoz reagoivan kaasun kanssa täytetty muottiontelo on yhteydessä ulkopuolella sijaitsevaan sulaan metalliin muotissa olevan ainakin yhden aukon kautta. Kun muotti upotetaan sulaan, tapahtuu ontelon täyttyminen itsestään kehittyvän tyhjön 5 syntyessä ontelossa olevan kaasun ja sulan metallin reaktion johdosta. Tyhjö on erityisesti tulosta metallin kiinteän oksidimuodon syntymisestä. Siten tässä julkaiussa esitetään, että on oleellista aikaansaada ontelossa olevan kaasun ja sulan metallin välinen reaktio. Muotin käyttä-10 minen tyhjön luomiseksi ei kuitenkaan välttämättä ole toivottavaa, johtuen muotin käyttöön liittyvistä välittömistä rajoituksista. Muotit on ensin koneistettava määrättyyn muotoon; sitten loppukäsiteltävä, koneistettava hyväksyttävän valupinnan tuottamiseksi muottiin; sitten 15 koottava ennen niiden käyttämistä; sitten purettava niiden käytön jälkeen valukappaleen poistamiseksi niistä; ja sen jälkeen muotti on jälleen saatettava käyttökuntoon, mikä mitä todennäköisimmin merkitsisi muotin pintojen uudelleen käsittelyä tai muotin poistamista, ellei se enää ole 20 käyttöön hyväksyttävä. Muotin koneistelminen monimutkaiseen muotoon saattaa olla erittäin kallista ja aikaavievää. Lisäksi muodostuneen kappaleen poistaminen monimutkaisen muotoisesta muotista saattaa olla vaikeata (ts. monimutkaisen muotoiset valukappaleet saattavat mennä rikki niitä 25 muotista poistettaessa). Lisäksi, vaikka julkaisussa ehdotetaan, että huokoinen tulenkestävä aine voitaisiin suoraan upottaa sulaan metalliin tarvitsematta käyttää muottia, niin tulenkestävän aineen olisi oltava yhtenäinen kappale, koska ei ole olemassa mahdollisuutta aikaansaada 30 tunkeutumista irralliseen tai erotettuun huokoiseen aineeseen ilman säiliönä olevaa muottia (ts. uskotaan yleisesti, että hiukkasmainen aine tyypillisesti dissosioituisi tai valuisi hajalleen sitä sulaan metalliin sijoitettaessa). Lisäksi, jos haluttaisiin aikaansaada tunkeutuminen hiuk-35 kasmaiseen aineeseen tai löyhästi muodostettuun esimuot-tiin, olisi ryhdyttävä varotoimiin, niin ettei tunkeutuva 8

' -Ί w ~ C

? ! b 3 I

metalli syrjäyttäisi osaa hiukkasaineesta tai esimuotista, mikä johtaisi epähomogeeniseen mikrostruktuuriin.

Vastaavasti on kauan ollut olemassa tarve saada yksinker-5 täinen ja luotettava menetelmä muotoiltujen metallimatrii-si-komposiittien tuottamiseksi, joka ei perustu paineen tai tyhjön käyttämiseen (joko ulkoisesti kohdistettuna tai sisäisesti kehitettynä), tai vahingollisten kostutusainei-den käyttämiseen metallimatriisin luomiseksi toiseen ai-10 neeseen, kuten keraamiseen aineeseen. Lisäksi on pitkään ollut tarve minimoida lopullisten koneistustoimenpiteiden määrää, joita tarvitaan metallimatriisi-komposiittikappa-leen aikaansaamiseksi. Esillä oleva keksintö tyydyttää nämä tarpeet aikaansaamalla spontaanin tunkeutumismekanismin 15 aineeseen (esim. keraaminen aine) tunkeutumisen aikaansaamiseksi, joka voidaan muotoilla esimuotiksi, jossa on sulaa matriisimetallia (esim. alumiinia) tunketumisatmosfäärin (esim. typen) läsnäollessa normaalissa ilmanpaineessa, jolloin tunkeutumisen edistäjää on läsnä ainakin jossakin 20 prosessin vaiheessa.

Tämän hakemuksen sisältö liittyy useaan rinnakkaiseen hakemukseen. Erityisesti nämä muut rinnakkaiset hakemukset kuvaavat uusia menetelmiä metallimatriisi-komposiittiai-25 neiden tuottamiseksi (niihin viitataan jälempänä eräissä tapauksissa nimellä "rinnakkais-metallimatriisihakemuk-set").

Uutta menetelmää metallimatriisi-komposiittiaineen tuot-30 tautiseksi kuvataan US-hakemuksessamme 049,171, jonka nimityksenä on "Metallimatriisikomposiitteja", ja joka nyt on hyväksytty USA:ssa. Mainitun keksinnön mukaisesti metallimatriisikomposiitti tuotetaan tunkeuttamalla läpäisevään täyteaineeseen (esim. keräämiä tai keräämillä 35 päällystettyä ainetta) sulaa alumiinia, joka sisältää ainakin 1 painoprosentin magnesiumia ja edullisesti ainakin 3 painoprosenttia magnesiumia. Tunkeutuminen tapahtuu |{ 9 ' Ί : 7 ς ? ! J vJ l spontaanisti käyttämättä ulkoista painetta tai tyhjöä. Sulan metalliseoksen syöttö saatetaan koskettamaan täyte-ainemassaa lämpötilassa, joka on ainakin noin 675°C, kun läsnä on kaasua, joka käsittää noin 10 - 100 tilavuus-5 prosenttia, edullisesti ainakin noin 50 tilavuusprosenttia typpeä, jolloin loput, mikäli sitä on, on ei-hapettavaa kaasua, esim. argonia. Näissä oloissa sula alumiiniseos tunkeutuu keraamimassaan normaalissa ilmakehän paineessa muodostaen alumiini- (tai alumiiniseos-) matriisikomposii-10 tin. Kun haluttu määrä täyteainetta on sulan alumiiniseoksen läpitunkemaa, lasketaan lämpötilaa seoksen kiinteyttämiseksi, jolloin muodostuu kiinteä metallimatriisin rakenne, joka sulkee sisäänsä lujittavan täyteaineen. Tavallisesti, ja edullisesti, syötetty sula seos riittää 15 aikaansaamaan tunkeutumisen etenemisen oleellisesti täy-teainemassan rajoille. Hakemuksen 049,171 mukaisesti tuotettujen alumiinimatriisikomposiittien täyteaineen määrä voi olla erittäin suuri. Tässä mielessä voidaan saavuttaa täyteaineen ja seoksen tilavuussuhteita jotka ovat suurem-20 pia kuin 1:1.

Edellä mainitun hakemuksen 049,171 mukaisissa proses-sioloissa alumiininitridiä voi muodostua epäjatkuvana faasina, joka on jakautunut koko alumiinimatriisiin.

25 Nitridin määrä alumiinimatriisissa voi vaihdella sellaisten tekijöiden, kuten lämpötilan, seoksen koostumuksen, kaasun koostumuksen ja täyteaineen mukaisesti. Siten voidaan yhtä tai useampaa sellaista järjestelmän tekijää säätämällä räätälöidä määrättyjä komposiitin ominaisuuk-30 siä. Joitakin loppukäyttösovellutuksia varten voi kuitenkin olla toivottavaa, että komposiitti sisältää vähän tai oleellisesti ei lainkaan alumiininitridiä.

On havaittu, että korkeammat lämpötilat edistävät tunkeu-35 tumista, mutta johtavat siihen, että menetelmässä herkemmin muodostuu nitridiä. Hakemuksen 049,171 mukaisessa keksin- 91 S ό 2 10 nössä sallitaan tunkeutumiskinetiikan ja nitridin muodostumisen välisen tasapainon valitseminen.

Esimerkki sopivista estovälineistä käytettäviksi metalli-5 matriisikomposiittien muodostamisen yhteydessä on selitet ty US-hakemukses s a 141,642, jonka nimityksenä on "Menetelmä metallimatriisikomposiittien valmistamiseksi estoainetta käyttäen". Tämän keksinnön menetelmän mukaisesti estovä-linettä (esim. hiukkasmaista titaanidiboridia tai grafiit-10 tiainetta, kuten joustavaa grafiittinauhatuotetta, jota Union Carbide myy tuotenimellä Grafoil (R) ) sijoitetaan täyteaineen määrätyllä rajapinnalle ja matriisiseos tunkeutuu estovälineen määrittelemään rajapintaan saakka. Estovälinettä käytetään estämään, torjumaan tai lopetta-15 maan sulan seoksen tunkeutuminen, jolloin aikaansaadaan verkon, tai lähes verkon muotoja tuloksena olevassa metallimatriisikomposiitissa* Vastaavasti muodostetuilla metallimatriisi-komposiittikappaleilla on ulkomuoto, joka oleellisesti vastaa estovälineen sisämuotoa.

20 US-patenttihakemuksen 049,171 mukaista menetelmää parannettiin rinnakkaisella US-patenttihakemuksella 168,284, jonka nimityksenä on "Metallimatriisikomposiitteja ja tekniikoita niiden valmistamiseksi". Mainitussa hakemuk-25 sessa esitettyjen menetelmien mukaisesti matriisimetal-liseos on läsnä metallin ensimmäisenä lähteenä ja mat-riisimetallin varastolähteenä, joka on yhteydessä sulan metallin ensimmäiseen lähteeseen, esimerkiksi painovoimai-sen virtauksen välityksellä. Erityisesti, mainitussa ha-30 kelauksessa esitetyissä oloissa, sulan matriisiseoksen lähde alkaa tunkeutua täyteainemassaan normaalissa ilmakehän paineessa ja aloittaa siten metallimatriisikomposii-tin muodostuksen. Sulan matriisimetallin ensimmäinen lähde kulutetaan sen tunkeutuessa täyteainemassaan, ja halutta-35 essa sitä voidaan lisätä, edullisesti jatkuvalla tavalla, sulan matriisimetallin varastolähteestä spontaanin tunkeutumisen jatkuessa. Kun toivottu määrä läpäisevää täyte- ii 11 i\bl2 ainetta on sulan matriisiseoksen läpitunkemaa, lasketaan lämpötilaa seoksen kiinteyttämiseksi, jolloin muodostuu kiinteä metallimatriisistruktuuri, joka ympäröi lujittavaa täyteainetta. On ymmärrettävä, että metallivarastolähteen 5 käyttäminen on ainoastaan mainitussa patenttihakemuksessa kuvatun keksinnön eräs suoritusmuoto, eikä varastolähteen suoritusmuodon yhdistäminen jokaiseen siinä esitettyyn keksinnön vaihtoehtoiseen suoritusmuotoon ole välttämätöntä, joista eräät voisivat myös olla hyödyllisiä käytettynä 10 esillä olevan keksinnön yhteydessä.

Metallin varastolähdettä voi olla sellaisena määränä, että se aikaansaa riittävän metallimäärän tunkeutumisen ennalta määrätyssä määrin läpäisevään täyteaineeseen. Vaihtoehtoi-15 sesti voi valinnainen estoväline olla kosketuksessa täyteaineen läpäisevään massaan ainakin sen toisella puolella rajapinnan määrittelemiseksi.

Lisäksi, vaikka syötetyn sulan matriisiseoksen määrän 20 tulisi olla riittävä sallimaan spontaanin tunkeutumisen eteneminen ainakin oleellisesti täyteaineen läpäisevän massan rajapintoihin (ts. estopintoihin) saakka, varasto-lähteessä olevan seoksen määrä voisi ylittää sellaisen riittävän määrän niin, että on olemassa riittävä määrä 25 seosta tunkeutumisen loppuun saattamiseksi, ja sen lisäksi ylimääräinen sula metalliseos voisi jäädä ja kiinnittyä metallimatriisi-komposiittikappaleeseen. Kun siten läsnä on ylimäärä sulaa seosta, tuloksena oleva kappale on kompleksinen komposiittikappale (esim. makrokomposiitti), 30 jossa metallimatriisin läpitunkema keraamikappale suoraan sitoutuu varastolähteeseen jäävään ylimääräiseen metalliin.

Jokainen edellä selitetyistä rinnakkais-metallimat-35 riisihakemuksista kuvaa menetelmiä metallimatriisi-kom-posiittikappaleiden tuottamiseksi sekä uusia metallimat-riisi-komposiittikappaleita, joita niillä tuotetaan.

12 '.Λ y ! ύ ο ^ Tämän patenttihakemuksen sisältö liittyy myös toiseen rinnakkaiseen patenttihakemukseemme, joka koskee uuden kerää-mimatriisikomposiitt laineen muodostamista (johon jäljempänä joskus viitataan rinnakkais-keraamimatriisi-patenttihake -5 muksena).

Erityisesti käänteismuoto-kopiointimenetelmää keraamisen komposiittiesineen tekemiseksi kuvataan US-patenttihakemuksessamme 823,542, nimityksellä "Käänteismuoto-kopiointime-10 netelmä keraamisten komposiittiesineiden valmistamiseksi sekä sillä aikaansaatuja esineitä", joka nyt on hyväksytty Yhdysvalloissa (vrt. EP-hakemus 0234704). Tässä patenttihakemuksessa esitetyn menetelmän mukaisesti muotoiltu perusmetalli upotetaan mukautuvan täyteaineen petiin, ja muo-15 toiltu perusmetalli saatetaan muodostamaan hapetusreaktio-tuotetta, joka kasvaa mukautuvan täyteaineen petiin, tuottaen tuloksena keraamisen komposiittikappaleen, jossa on muotoiltu onkalo, joka oleellisesti vastaa alkuperäisen muotoillun perusmetallin muotoa.

20

Keksinnön mukaiselle menetelmälle metallimatriisikomposii-tin valmistamiseksi on tunnusomaista se, että muodostetaan matriisimetallivalanne, joka ainakin osittain vastaa komposiittiin muodostettavan ontelon haluttua muotoa; ympäröi-25 dään valanne ainakin osittain oleellisesti reagoimattomalla täyteaineella; kuumennetaan valannetta siten, että mat-riisimetalli sulaa; saatetaan tunkeutumisen edistäjä ja/tai tunkeutumisen edistäjän edeltäjä sekä tunkeutumisatmosfääri kosketukseen matriisimetallin ja/tai täyteaineen kanssa; ja 30 saatetaan mainittu sula matriisimetalli spontaanisti tunkeutumaan ainakin täyteaineen osaan siten, että tunkeutumisen seurauksena saatavaan komposiittiin syntyy ontelo valanteen kohdalle.

35 Keksinnön mukaisen prosessin jossakin vaiheessa täyteaine voi muodostua itsekantavaksi. Erityisesti täyteaineen lä-päisevä massa voi tulla itsekantavaksi siten, että se altis

II

V Ί Ρλ - 2 13 ' ‘ tetaan korkealle lämpötilalle ja/tai sidosaineelle ja/tai reagoivalle aineelle tms. Lisäksi pidetään edullisena, että läpäisevä täyteaine on riittävän mukautuvaa määrätyllä 5 kuumennusalueella, niin että se voi sopeutua mahdolliseen itsensä ja muotoillun matriisimetallin väliseen differentiaaliseen lämpölaajenemiseen sekä mahdolliseen muotoillun matriisimetallin sulamispisteessä tapahtuvaan tilavuusmuu-tokseen.

10

Edullisessa suoritusmuodossa lisäksi ainakin tukivyöhyk-keessään, joka ympäröi muotoiltua matriisimetallia, täyteaine voi olla itsesitoutuvaa, edullisesti lämpötilassa, joka on muotoillun matriisimetallin sulamispisteen yläpuo-15 lella mutta edullisesti jonkin verran lähellä sitä lämpötilaa, jossa matriisimetalli alkaa sulaa.

Toisessa edullisessa suoritusmuodossa täyteaine lisäksi tulee itsekantavaksi, johtuen reaktiosta sellaisen kom-20 ponentin kanssa (esim. tunkeutumisatmosfääri) , joka ainakin spontaanin prosessin jossakin vaiheessa kohdistuu täyteaineeseen.

Samalla kun sula matriisimetalli spontaanisti tunkeutuu 25 täyteaineeseen, muodostuu täyteaineeseen onkalo, joka ainakin osittain vastaa muotoillun matriisimetallin muotoa (ts. muodostuneessa metallimatriisikomposiittikappaleessa on onkalo).

30 Eräässä edullisessa suoritusmuodossa täyteaine voi sisältää tunkeutumisen edistäjän edeltäjää. Täyteaine voidaan sen jälkeen saattaa kosketukseen tunkeutumisatmosfäärin kanssa, niin että muodostuu tunkeutumisen edistäjää ainakin osassa täyteainetta. Sellainen tunkeutumisen edistäjä 91 832 14 voidaan muodostaa ennen tai oleellisesti jatkuvasti sulan matriisimetallin koskettaessa täyteainetta. Lisäksi voidaan tunkeutumisatmosfääri järjestää oleellisesti koko spontaanin tunkeutumisprosessin ajaksi, jolloin se voi olla 5 yhteydessä täyteaineeseen, tai vaihtoehtoisesti se voi olla yhteydessä täyteaineeseen ja/tai matriisimetalliin vain osan spontaanin tunkeutumisen ajasta. Lopuksi, ainakin spontaanin tunkeutumisen aikana, tunkeutumisen edistäjää tulisi olla ainakin osassa täyteaineeseentta.

10

Eräässä toisessa edullisessa keksinnön suoritusmuodossa voidaan tunkeutumisen edistäjän edeltäjän syöttämisen sijasta syöttää tunkeutumisen edistäjää ainakin yhteen, täyteaineeseen tai esimuottiin, ja/tai matriisimetalliin 15 ja/tai tunkeutumisatmosfääriin. Lopuksi jälleen, ainakin spontaanin tunkeutumisen aikana tunkeutumisen edistäjän tulisi sijaita ainakin osassa täyteainetta.

Huomattakoon, että tämä hakemus käsittelee pääasiassa 20 alumiinimatriisimetalleja, jotka jossain metallimatriisi- komposiittikappaleen muodostumisen aikana ovat kosketuksessa magnesiumiin, joka toimii tunkeutumisen edistäjän edeltäjänä, tunkeutumisatmosfäärinä toimivan typen läsnäollessa. Siten alumiini/magnesium/typpi-järjestelmän mat-25 riisimetalli/tunkeutumisen edistäjän edeltäjä/tunkeutu- misatmosfääri-järjestelmällä esiintyy spontaania tunkeutumista. Monet muut matriisimetalli/tunkeutumisen edistäjän edeltäjä/tunkeutumisatmosfääri-järjestelmät voivat kuitenkin käyttäytyä samantapaisesti kuin alumii-30 ni/magnesium/typpi-järjestelmä. Samantapaista spontaania ·. tunkeutumiskäyttäytymistä on havaittu alumiini/stron- tiuin/typpi- jär jestelmässä; alumiini/sinkki/happi-järjes-telmässä; sekä alumiini/kalsium/typpi-järjestelmässä. Vastaavasti, vaikka tässä hakemuksessa käsitellään aino-35 astaan tässä viitattuja järjestelmiä, on ymmärrettävä, että muut metallimatriisi/tunkeutumisen edistäjän edeltä- • « li 91 ö c 2 15 jä/tunkeutumisatmosfääri-järjestelmät voivat käyttäytyä samantapaisesti.

Matriisimetallin käsittäessä alumiiniseosta, saatetaan 5 alumiiniseos kosketukseen täyteaineeseen (esim. alu miinioksidi- tai piikarbidihiukkasia), jolloin täyteaineeseen on sekoitettu magnesiumia, ja/tai jolloin se saatetaan magnesiumin vaikutuksen alaiseksi prosessin jossakin kohdassa. Eräässä edullisessa suoritusmuodossa alumiiniseos 10 ja/tai esimuotti tai täyteaine pidetään lisäksi typpiat-mosfäärissä ainakin prosessin osan aikana. Esimuotissa esiintyy spontaania tunkeutumista, ja spontaanin tunkeutumisen ja metallimatriisin muodostumisen määrä tai nopeus vaihtelevat annetun prosessiolojen järjestelyn mukaisesti, 15 johon sisältyy esimerkiksi järjestelmään (esim. alu miiniseokseen ja/tai täyteaineeseen ja/tai tunkeutumisatmosfääriin) tuotetun magnesiumin pitoisuus, täyteaineen hiukkasten koko ja/tai koostumus, typen pitoisuus tunkeu-tumisatmosfäärissä, aika jona tunkeutumisen annetaan 20 esiintyä, ja/tai lämpötila, jossa tunkeutuminen esiintyy. Spontaania tunkeutumista esiintyy tyypillisesti niin suuressa määrin, että se riittää oleellisen täydellisesti ympäröimään täyteaineen.

25 Määritelmiä "Alumiini" merkitsee ja sisältää tässä käytettynä oleellisesti puhtaan metallin (esim. suhteellisen puhtaan, kaupallisesti saatavan seostamattoman alumiinin) tai me-30 tallin ja metalliseosten muita laatuja, kuten kaupallisesti .. saatavat metallit, joissa on epäpuhtauksia ja/tai jotka sallivat siinä olevan sellaisia ainesosia, kuten rautaa, piitä, kuparia, magnesiuma, mangaania, kromia, sinkkiä, jne. Tämän määritelmän tarkoituksiin oleva alumiiniseos on 35 seos tai metallien muodostama yhdiste, jossa alumiini on pääainesosana.

• · ?\ 532 16 "Ei-hapettavan kaasun loppuosa" merkitsee tässä käytettynä sitä, että tunkeutumisatmosfäärin muodostavan primääri-kaasun lisänä oleva mikä tahansa kaasu on joko inerttiä kaasua tai pelkistävää kaasua, joka oleellisesti ei reagoi 5 matriisimetallin kanssa prosessin olosuhteissa. Kaikkien kaasussa (kaasuissa) epäpuhtautena mahdollisesti läsnä olevien hapettavien kaasujen määrän tulisi olla riittämätön matriisimetallin hapettamiseen missään oleellisessa määrin prosessin olosuhteissa.

10 "Estoaine" tai "estoväline" merkitsee tässä käytettynä mitä tahansa soveltuvaa välinettä, joka vuorovaikuttaa, estää, torjuu tai lopettaa sulan matriisimetallin kulkeutumisen, siirtymisen tai vastaavan, täyteainemassan tai esimuotin 15 rajapinnan taakse, jolloin mainittu estoväline määrittelee sellaisen rajapinnan. Sopivia estovälineitä voivat olla mitkä tahansa aineet, yhdisteet, alkuaineet, koostumukset tai vastaavat, jotka prosessin olosuhteissa ylläpitävät jonkinasteisen eheyden eivätkä ole oleellisesti haihtuvia 20 (ts. estoaine ei haihdu niin paljon, että siitä tulisi estoaineena hyödytön).

Lisäksi sopivat "estovälineet" sisältävät aineita, joita kulkeutuva sula matriisimetalli käytetyn prosessin aikana 25 ei oleellisesti pysty kostuttamaan. Tämän tyyppisellä estoaineella näyttää olevan oleellisen vähän tai ei lainkaan yhtymispyrkimystä sulaan matriisimetalliin, ja estoväline estää tai torjuu siirtymisen täyteainemassan tai esimuotin määritellyn rajapinnan yli. Estoaine vähentää 30 mahdollista loppukoneistusta tai hiomista, jota voidaan tarvita, ja määrittelee ainakin osan tuloksena olevan metallimatriisi-komposiittituotteen pinnasta. Estoaine voi määrätyissä tapauksissa olla läpäisevää tai huokoista, tai se voidaan saattaa läpäiseväksi esimerkiksi poraamalla 35 reikiä estoaineeseen tai lävistämällä se, niin että kaasu pääsee kosketukseen sulan matriisimetallin kanssa.

I, * » 17 91832 "Jäännökset" tai "matriisimetallin jäännökset" viittaa tässä käytettynä alkuperäisen matriisimetallirungon mahdolliseen osaan, joka jää jäljelle ja joka ei ole kulunut metallimatriisi-komposiittikappaleen muodostuksen aikana, 5 ja tyypillisesti, jos sen annetaan jäähtyä, pysyy ainakin osittaisessa kosketuksessa muodostettuun metallimatriisi-komposiittikappaleeseen. Tulisi ymmärtää, että jäännökset voivat myös sisältää toista tai vierasta ainetta.

10 "Onkalo" merkitsee tässä käytettynä mitä tahansa tyhjää tilaa massassa tai kappaleessa (esim. metallimatriisikom-posiitissa), eikä se rajoitu mihinkään määrättyyn tilan muotoon, ja se sisältää sekä avoimet että suljetut tilat. Onkalo voi erityisesti sisältää sellaisia tiloja, jotka 15 eivät lainkaan ole yhteydessä onkalon sisältävän massan tai kappaleen ulkopuolelle, kuten esimerkiksi sellainen onkalo joka rajoittaa onton kappaleen sisätilan. Lisäksi onkalo voi olla sellainen tila, joka avautuu massan tai kappaleen ulkopuolella olevaan pintaan, kuten esimerkiksi 20 aukon tai kanavan kautta.

"Täyteaine" on tässä käytettynä tarkoitettu sisältämään joko yksittäisiä aineksia tai ainesseoksia, jotka oleellisesti eivät reagoi matriisimetallin kanssa ja/tai joilla 25 on rajoitetu liukenevuus matriisimetalliin, ja jotka voivat olla yksi- tai useampifaasisia. Täyteaineita voidaan järjestää lukuisissa eri muodoissa, kuten jauheina, liuskoina, hiutaleina, mikropalloina, kuitukiteinä, kuplina, jne, ja ne voivat olla joko tiiviitä tai huokoisia.

30 Täyteaine voi myös sisältää keraamisia täyteaineita, kuten alumiinioksidia tai piikarbidia kuituina, leikattuina kuituina, hiukkasina, kuitukiteinä, kuplina, kuulina, kuitumattoina, tai vastaavina, ja päällystettyjä täyteaineita, kuten hiilikuituja, jotka on päällystetty alu-35 miinioksidilla tai piikarbidilla hiilen suojaamiseksi esim. sulan matriisimetalli-alumiinin syövyttävältä vai- 91 532 18 kutukselta. Täyteaineet voivat myös käsittää metalleja missä tahansa muodossa.

"Tunkeutumisatmosfääri" tässä käytettynä tarkoittaa sitä 5 atmosfääriä, joka on läsnä ja joka vuorovaikuttaa mat-riisimetallin ja/tai esimuotin (tai täyteaineen) ja/tai tunkeutumisen edistäjän edeltäjän ja/tai tunkeutumisen edistäjän kanssa ja sallii tai edistää matriisimetallin spontaanin tunkeutumisen esiintymisen.

10 "Tunkeutumisen edistäjä" merkitsee tässä käytettynä ainetta, joka edistää tai avustaa matriisimetallin spontaania tunkeutumista täyteaineeseen tai esimuottiin. Tunkeutumisen edistäjä voidaan muodostaa esimerkiksi tunkeutumisen 15 edistäjän edeltäjän reaktiolla tunkeutumisatmosfäärin kanssa 1) kaasun ja/tai 2) tunkeutumisen edistäjän edeltäjän ja tunkeutumisatmosfäärin reaktiotuotteen ja/tai 3) tunkeutumisen edistäjän edeltäjän ja täyteaineen tai esimuotin reaktiotuotteen muodostamiseksi. Lisäksi tunkeu-20 tumisen edistäjää voidaan syöttää suoraan ainakin yhteen seuraavista: esimuottiin, ja/tai matriisimetalliin, ja/tai tunkeutumisatmosfääriin; ja se voi toimia oleellisesti samalla tavalla kuin tunkeutumisen edistäjä, joka on muodostunut tunkeutumisen edistäjän edeltäjän ja jonkin 25 toisen aineen reaktiona. Lopuksi ainakin spontaanin tunkeutumisen aikana tunkeutumisen edistäjän tulisi sijaita ainakin osassa täyteainetta tai esimuottia spontaanin tunkeutumisen aikaansaamiseksi.

30 "Tunkeutumisen edistäjän edeltäjä" merkitsee tässä käytettynä ainetta, joka yhdessä matriisimetallin, esimuotin ja/tai tunkeutumisatmosfäärin kanssa käytettynä muodostaa tunkeutumisen edistäjän, joka aiheuttaa tai avustaa matriisimetallin spontaania tunkeutumista täyteaineeseen tai 35 esimuottiin. Haluamatta sitoutua mihinkään määrättyyn teoriaan tai selitykseen, vaikuttaa siltä, että tunkeutumisen edistäjän edeltäjää pitäisi pystyä asettamaan, sen li

7 ! O Ο I

19 pitäisi sijaita tai sitä pitäisi voida kuljettaa sellaiseen kohtaan, joka sallii tunkeutumisen edistäjän edeltäjän olla vuorovaikutuksessa tunkeutumisatmosfäärin kanssa ja/tai esimuotin tai täyteaineen ja/tai metallin kanssa. Eräissä 5 matriisimetalli/tunkeutumisen edistäjän edeltäjä/tunkeu- tumisatmosfääri-järjestelmissä on esimerkiksi toivottavaa, että tunkeutumisen edistäjän edeltäjä höyrystyy siinä lämpötilassa jossa matriisimetalli sulaa, tämän lämpötilan lähellä, tai eräissä tapauksissa jopa jonkinverran tämän 10 lämpötilan yläpuolella. Sellainen höyrystyminen saattaa johtaa: 1) tunkeutumisen edistäjän edeltäjän reaktioon tunkeutumisatmosfäärin kanssa sellaisen kaasun muodostamiseksi, joka edistää täyteaineen tai esimuotin kostuttamista matriisimetallilla; ja/tai 2) tunkeutumisen edistä-15 jän edeltäjän reaktioon tunkeutumisatmosfäärin kanssa sellaisen kiinteän aineen, nesteen tai kaasun muodossa olevan tunkeutumisen edistäjän muodostamiseksi ainakin täyteaineen tai esimuotin osassa, joka edistää kostuttamista; ja/tai 3) sellaiseen tunkeutumisen edistäjän edel-20 täjän reaktioon täyteaineessa tai esimuotissa, joka muodostaa kiinteän aineen, nesteen tai kaasun muodossa olevan tunkeutumisen edistäjän ainakin täyteaineen tai esimuotin osassa, joka edistää kostuttamista.

25 "Matriisimetalli" tai "matriisimetalliseos" merkitsevät tässä käytettynä sitä metallia, jota käytetään metallimat-riisikomposiitin muodostamiseksi (esim. ennen tunkeutumista) ja/tai sitä metallia, joka sekoittuu täyteaineeseen metallimatriisi-komposiittikappaleen muodostamiseksi 30 (esim. tunkeutumisen jälkeen). Kun matriisimetalliksi ; nimetään määrätty metalli, on ymmärrettävä, että sellainen matriisimetalli sisältää tämän metallin oleellisesti puhtaana metallina, kaupallisesti saatavana metallina, jossa on epäpuhtauksia ja/tai seosaineita, metallien muodostaman 35 yhdisteenä tai seoksena, jossa tämä metalli on pääasiallisena osana.

20 j \ 03/ "Matriisimetalli/tunkeutumisen edistäjän edeltäjä/tunkeu-tumisatmosfääri-järjestelmä” eli "spontaani järjestelmä" viittaa tässä käytettynä siihen aineiden yhdistelmään, jolla esiintyy spontaania tunkeutumista esimuottiin ja 5 täyteaineeseen. On ymmärrettävä, että kun esimerkin mat-riisimetallin, tunkeutumisen edistäjän edeltäjän ja tun-keutumisatmosfäärin välissä esiintyy merkki "/", sitä käytetään merkitsemään järjestelmää tai aineiden yhdistelmää, jolla sopivalla tavalla yhdisteltynä esiintyy spon-10 taania tunkeutumista esimuottiin tai täyteaineeseen.

"Metallimatriisikomposiitti” eli "MMC" merkitsee tässä käytetynä ainetta, joka käsittää kaksi- tai kolmiulottei-sesti liittyneen seoksen tai matriisimetallin, joka pitää 15 sisällään esimuottia tai täyteainetta. Matriisimetalli voi sisältää erilaisia seosalkuaineita, joilla aikaansaadaan erityisesti toivotut mekaaniset ja fysikaaliset ominaisuudet tuloksena olevassa komposiitissa.

20 Matriisimetallista "poikkeava" metalli merkitsee metallia, joka ei sisällä pääasiallisena ainesosana samaa metallia kuin matriisimetalli (jos esimerkiksi matriisimetallin pääasiallisena osana on alumiini, niin "poikkeavan" metallin pääasiallisena osana voisi olla esimerkiksi nikkeli).

25 "Ei-reaktiivinen astia matriisimetallia varten" merkitsee mitä tahansa astiaa, joka voi sisältää täyteainetta ja/tai sulaa matriisimetallia prosessin oloissa, ja joka ei reagoi matriisin ja/tai tunkeutumisatmosfäärin ja/tai tunkeutu-30 misen edistäjän edeltäjän ja/tai täyteaineen tai esimuotin kanssa sellaisella tavalla, joka oleellisesti huonontaisi spontaania tunkeutumismekanismia.

"Esimuotti" tai "läpäisevä esimuotti" merkitse tässä 35 käytettynä sellaista huokoista täytemassaa tai täyte-ainemassaa, joka valmistetaan ainakin yhdellä rajapinnalla, joka oleellisesti määrittelee tunkeutuvalle mat- 21 91532 riisimetallille rajapinnan, kuten massaa, joka riittävän hyvin pitää ehjän muotonsa ja tuorelujuuden, niin että se aikaansaa mittapysyvyyden ennen kuin matriisimetalli tunkeutuu siihen. Massan tulisi olla riittävän huokoista, niin 5 että se sallii matriisimetallin spontaanin tunkeutumisen siihen. Tyypillisesti esimuotti käsittää sidotun ryhmän tai täyteaineen järjestelyn, joko homogeenisen tai epähomogeenisen, ja se voi käsittää mitä tahansa soveltuvaa ainetta (esim. keraamisia ja/tai metallihiukkasia, jauhei-10 ta, kuituja, kuitukiteitä, jne, sekä mitä tahansa näiden yhdistelmää). Esimuotti voi olla joko erillisenä tai kokoonpanona.

"Varastolähde" tai varasto merkitsee tässä käytettynä 15 erillista matriisimetallin kappaletta, joka on sijoitettu täyteainemassan tai esimuotin suhteen niin, että kun metalli sulaa, se voi virrata korvaamaan, tai eräissä tapauksissa alunperin aikaansaamaan ja sen jälkeen täydentämään sitä matriisimetallin osaa, segmenttiä tai lähdettä, 20 joka koskettaa täyteainetta tai esimuottia. Varastolähdet-tä voidaan myös käyttää tuottamaan metallia, joka poikkeaa matriisimetallista.

"Muotoiltu matriisimetalli" tai "muotoiltu matriisimetal-25 livalanne" merkitsee tässä käytettynä matriisimetallia, joka on muotoiltu ennalta määrättyyn malliin, joka esillä olevan keksinnön mukaisen prosessin olosuhteissa spontaanisti tunkeutuu ympäröivään täyteaineeseen, muodostaen metallimatriisi-komposiitin, joka käänteismuotoisesti ko-30 pioi muotoillun matriisimetallin rakenteen ainakin osittain.

"Spontaani tunkeutuminen” merkitsee tässä käytettynä matriisimetallin tunkeutumista läpäisevään täyteainemassan 35 tai esimuottiin, joka tapahtuu vaatimatta paineen tai tyhjön käyttämistä (ei ulkoisesti kohdistettua eikä sisäisesti kehitettyä).

91 8 3 2 22

Seuraavat kuviot on järjestetty keksinnön ymmärtämisen tueksi, mutta niitä ei ole tarkoitettu rajoittamaan keksinnön suoja-alaa. Kaikissa kuvioissa on käytetty mahdollisuuksien mukaan samoja viitenumerolta osoittamaan 5 samanlaisia osia, jolloin:

Kuvio 1 on kaaviollinen poikkileikkaus aineiden järjestelystä, joita käytetään esimerkin 1 mukaisesti? 10

Kuvio 2 on kaaviollinen poikkileikkaus aineiden järjestelystä, joita käytetään esimerkin 2 mukaisesti; 15 Kuviot 3A ja 3B ovat valokuvia metallimatriisikomposii- tista, joka on tuotettu esimerkin 1 mukaisesti; ja

Kuviot 4A ja 4B ovat valokuvia metallimatriisikomposii-20 tista, joka on tuotettu esimerkin 2 mukaisesti.

Esillä oleva keksintö liittyy metallimatriisikomposiitin muodostamiseen, jossa oleva onkalo on muodostettu mat-riisimetallivalanteen muodon kopioimisprosessissa. Mat-25 riisimetallivalanne voidaan muotoilla ennalta määrättyyn muotoon ja se voidaan ainakin osittain ympäröidä täyteaineella.

Täyteaine voi ympäröidä muotoiltua matriisimetallivalan-30 netta täydellisesti tai vain osittain, tai osa muotoillusta matriisimetallivalanteesta voi ulottua ulospäin täyteaineen ulkopuolelle. Sellainen muotoillun valanteen ulkoneva osa ei kuitenkaa kopioidu. Lisäksi voidaan käyttää myöhemmin yksityiskohtaisemmin selitettävää estovälinettä ai-35 kaansaamaan pinnan ei-kopioituvan alueen, kun mainittu estoväline koskettaa ainakin osaa mainitun muotoillun , matriisimetallivalanteen pinnasta. Vastaavasti esillä ole- li 23 "ι 'ί y ! 03; va keksintö sallii metallimatriisikomposiittien muodostamisen, jotka käänteisesti kopioivat muotoiltua matriisime-tallivalannetta missä tahansa toivotussa määrässä.

5 Spontaanin tunkeutumisen aikaansaamiseksi tunkeutumisen edistäjä ja/tai tunkeutumisen edistäjän edeltäjä ja/tai tunkeutumisatmosfääri ovat yhteydessä täyteaineeseen ainakin prosessin jossakin vaiheessa, joka sallii sulan metallimatriisin spontaanin tunkeutumisen täyteaineeseen.

10 Sellaisen aikaansaadun spontaanin tunkeutumisen jälkeen muodostuu metallimatriisi-komposiittikappaleeseen onkalo, joka ainakin osittain on komplementaarinen matriisimetal-livalanteen alkuperäisen muodon suhteen.

15 Matriisimetallin spontaanin tunkeutumisen aikaansaamiseksi täyteaineeseen tai esimuottiin, tulisi spontaaniin järjestelmään järjestää tunkeutumisen edistäjä. Tunkeutumisen edistäjä voisi muodostua tunkeutumisen edistäjän edeltäjästä, joka voitaisiin järjestää 1) matriisimetal-20 liin, ja/tai 2) täyteaineeseen, ja/tai 3) tunkeutumisatmosfääristä, ja/tai 4) ulkoisesta lähteestä spontaaniin järjestelmään. Lisäksi, tunkeutumisen edistäjän edeltäjän sijasta voidaan tunkeutumisen edistäjää syöttää suoraan ainakin joko täyteaineeseen tai esimuottiin, ja/tai mat-25 riisimetalliin, ja/tai tunkeutumisatmosfääriin. Lopuksi, ainakin spontaanin tunkeutumisen aikana, tunkeutumisen edistäjä tulisi sijaita ainakin osassa täyteainetta tai esimuottia.

30 Edullisessa suoritusmuodossa on mahdollista, että tunkeutumisen edistäjän edeltäjän voidaan ainakin osittain antaa reagoida tunkeutumisatmosfäärin kanssa, niin että tunkeutumisen edistäjä voidaan muodostaa ainakin osassa täyteainetta ennen kuin tai oleellisesti samanaikaisesti kun 35 täyteaine koskettaa sulaa matriisimetallia (esim. jos tunkeutumisen edistäjän edeltäjänä olisi magnesiumia ja tunkeutumisatmosfäärinä typpeä, niin tunkeutumisen edis- 24 91 532 täjä voisi olla magnesiumnitridiä, joka voisi sijaita ainakin osassa esimuottia tai täyteainetta).

Esimerkkinä matriisimetalli/tunkeutumisen edistäjän edel-5 täjä/tunkeutumisatmosfääri-järjestelmästä on alumiini/ magnesium/typpi-järjestelmä. Erityisesti voidaan alu- miinimatriisimetallia oleva muotoiltu valanne upottaa sopivassa tulenkestävässä astiassa olevaan täyteaineeseen, joka astia prosessioloissa ei reagoi alumiinimatriisime-10 tallin ja/tai täyteaineen kanssa, kun alumiini sulatetaan. Magnesiumia sisältävä tai sille altistettu täyteaine, johon ainakin prosessin jossakin vaiheessa kohdistetaan typpiat-mosfääri, voidaan saattaa kosketukseen sulan alumiinimat-riisimetallin kanssa. Matriisimetalli tunkeutuu tällöin 15 spontaanisti täyteaineeseen.

Niissä oloissa, joita käytetään esillä olevan keksinnön mukaisessa menetelmässä, alumiini/magnesium/typpi-spon-taanissa tunkeutumisjärjestelmän tapauksessa täyteaineen 20 tulisi olla riittävän läpäisevää, jotta typpeä sisältävä kaasu voisi tunkeutua täyteaineeseen prosessin jonkin vaiheen aikana ja/tai koskettaa sulaa matriisimetallia. Lisäksi läpäisevässä täyteaineessa voi tapahtua sulan matriisimetallin tunkeutumista, jolloin aiheutuu sulan 25 matriisimetallin spontaani tunkeutuminen typen läpäisemään täyteaineeseen, niin että se muodostaa metallimatriisi-komposiittikappaleen ja/tai sattaa typen reagoimaan tunkeutumisen edistäjän edeltäjän kanssa tunkeutumisen edistäjän muodostamiseksi täyteaineeseen aiheuttaen näin 30 spontaanin tunkeutumisen. Spontaanin tunkeutumisen määrä .. tai nopeus ja metallimatriisikomposiitin muodostuminen vaihtelevat prosessiolojen annetun yhdistelmän mukaisesti, joita ovat mm. magnesiumin määrä alumiiniseoksessa, magnesiumin määrä täyteaineessa, magnesiumnitridin määrä 35 täyteaineessa, muiden seosalkuaineiden (esim. pii, rauta, kupari, mangaani, kromi, sinkki, ja vastaavat) läsnäolo, täyteaineen keskimääräinen koko (esim. hiukkashalkaisija), 25 9 1 8 32 täyteaineen pintatila ja tyyppi, tunkeutumisatmosfäärin typpipitoisuus, tunkeutumiselle annettu aika ja lämpötila, jossa tunkeutuminen tapahtuu. Annettaessa esimerkiksi sulan alumiinimatriisimetallin tunkeutumisen tapahtua 5 spontaanisti, voidaan alumiini seostaa ainakin noin 1 painoprosentilla, ja edullisesti ainakin noin 3 painoprosentilla magnesiumia (joka toimii tunkeutumisen edistäjän edeltäjänä), seoksen painoon verrattuna. Muita lisäseosalkuaineita, kuten edellä on selitetty, voidaan 10 myös sisältää matriisimetalliin sen erityisten ominaisuuksien räätälöimiseksi. Lisäksi lisäseosalkuaineet voivat vaikuttaa matriisin alumiinimetallissa tarvittavan magnesiumin määrään, niin että se johtaa spontaaniin tunkeutumiseen täyteaineeseen. Magnesiumin häviämistä spon-15 taanista järjestelmästä, esimerkiksi höyrystymisen vuoksi, ei saisi tapahtua niin suuressa määrin, ettei magnesiumia ole läsnä muodostamaan tunkeutumisen edistäjää. Siten on toivottavaa, että aluksi käytetään riittävää seosalkuai-neiden määrää jotta spontaani tunkeutuminen voisi tapahtua 20 höyrystymisen sitä haittaamatta. Lisäksi magnesiumin läsnäolo sekä täyteaineessa että matriisimetallissa tai pelkästään täyteaineessa voi johtaa magnesiumin spontaania tunkeutumista varten vaadittavan määrän pienenemiseen (jota selitetään yksityiskohtaisemmin alempana).

25

Typpiatmosfäärissä olevan typen määrä vaikuttaa myös metallimatriisi-komposiittikappaleen muodostumisnopeu-teen. Erityisesti jos atmosfäärissä on alle 10 tilavuusprosenttia typpeä, niin spontaania tunkeutumista esiintyy 30 hyvin hitaasti tai hyvin vähän. On havaittu, että on ·· edullista kun tunkeutumisatmosfäärissä on ainakin 50 tilavuusprosenttia typpeä, jolloin aikaansaadaan lyhyempiä tunkeutumisaikoja paljon suuremmasta tunkeutumismäärästä johtuen. Tunkeutumisatmosfääri (esim. typpeä sisältävä 35 kaasu) voidaan syöttää suoraan täyteaineseen tai esimuot-tiin ja/tai matriisimetalliin, tai se voidaan tuottaa aineen hajoamisen tuloksena.

« · η ί — r\ 26 ^ w w ^

Sulan matriisimetallin täyteaineseen tai esimuottiin tunkeutumisen aikaansaamiseksi vaadittavan magnesiumin vähimmäismäärä riippuu yhdestä tai useammasta tekijästä, kuten prosessin lämpötilasta, ajasta, muiden lisäseosalkuainei-5 den kuten piin tai sinkin läsnäolosta, täyteaineen luonteesta, magnesiumin sisältymisestä yhteen tai useampaan spontaanin järjestelmän osaan, atmosfäärin typpisisällös-tä, ja typpiatmosfäärin virtausmäärästä. Voidaan käyttää alempia lämpötiloja tai lyhyempiä kuumennusaikoja täydel-10 lisen tunkeutumisen aikaansaamiseksi, kun seoksen ja/tai täyteaineen magnesiumpitoisuutta nostetaan. Samaten annetulla magnesiumpitoisuudella määrättyjen lisäseosalkuai-neiden, kuten sinkin lisääminen mahdollistaa alempien lämpötilojen käyttämisen. Esimerkiksi matriisimetallin 15 magnesiumpitoisuutta toimivan alueen alapäässä, esim välillä noin 1-3 painoprosenttia, voidaan käyttää yhdessä ainakin jonkin seuraavien kanssa: vähimmäisprosessilämpö-tilan ylittävä lämpötila, suuri typpipitoisuus, yksi tai useampia lisäseosalkuaineita. Ellei täyteaineeseen lisätä 20 lainkaan magnesiumia, pidetään välillä noin 3-5 painoprosenttia magnesiumia sisältäviä seoksia edullisina, johtuen niiden yleisestä käytettävyydestä laajoilla pro-sessiolojen alueilla, jolloin ainakin 5 painoprosenttia pidetään edullisena käytettäessä alempia lämpötiloja ja 25 lyhyempiä aikoja. Alumiiniseoksessa voidaan käyttää 10 painoprosentin ylittäviä magnesiumpitoisuuksia tunkeutumiseen vaadittavien lämpötilaolojen muuntelemiseksi. Magnesiumpitoisuutta voidaan pienentää muiden seosalkuainei-den yhteydessä, mutta nämä alkuaineet palvelevat ainoastaan 30 lisätoimintoja, ja niitä käytetään edellä mainitun magnesiumin minimimäärän tai sen ylittävän määrän kanssa. Esimerkiksi oleellisesti mitään tunkeutumista ei esiintynyt nimellisesti puhtaalla alumiinilla, jota oli seostettu vain 10 % piillä, 1000°C lämpötilassa, alustaan 39 Crystolon 35 (99 % puhdasta piikarbidia Morton Co:lta), jonka raekoko oli 500 mesh (mesh = seulan aukkojen lukumäärä tuumaa kohti). Magnesiumin läsnäollessa pii voi kuitenkin edis- li Q 1 7 I UwZ 27 tävää tunkeutumisprosessia. Toisena esimerkkinä magnesiumin määrä muuttuu, jos sitä syötetään yksinomaan täyteaineeseen. On havaittu, että spontaani tunkeutuminen tapahtuu, kun spontaaniin järjestelmään syötetään pienempi 5 painoprosentti magnesiumia, jos ainakin jokin määrä syötetyn magnesiumin kokonaismäärästä sijoitetaan täyteaineeseen. Saattaa olla toivottavaa, että magnesiumia järjestetään pienempi määrä, jotta vältettäisiin ei-toivottujen metalliyhdisteiden syntyminen metallimatriisi-komposiit-10 tikappaleeseen. Esimuotin ollessa piikarbidia on havaittu, että matriisimetalli tunkeutuu spontaanisti esimuottiin, kun esimuotti saatetaan kosketukseen alumiinimatriisime-tallin kanssa, esimuotin sisältäessä ainakin 1 painoprosenttia magnesiumia ja oleellisesti puhtaan typpiatmos-15 fäärin läsnäollessa. Alumiinioksidi-esimuotin tapauksessa hyväksyttävän spontaanin tunkeutumisen saavuttamiseksi vaadittu magnesiumin määrä on hieman suurempi. Erityisesti on havaittu, että kun samantapainen alumiinimatriis imet alli saatetaan koskettamaan alumiinioksidi-esimuottia liki-20 main samassa lämpötilassa kuin alumiini, joka tunkeutui piikarbidi-esimuottiin, ja saman typpiatmosfäärin läsnäollessa, niin saatetaan tarvita ainakin noin 3 painoprosenttia magnesiumia samanlaisen spontaanin tunkeutumisen aikaansaamiseksi, kuin se joka saavutettiin juuri 25 edellä kuvatun piikarbidi-esimuotin yhteydessä.

On myös havaittu, että on mahdollista syöttää spontaaniin järjestelmään tunkeutumisen edistäjän edeltäjää ja/tai tunkeutumisen edistäjää seoksen pinnalle ja/tai täyteai-30 neen pinnalle ja/tai täyteaineeseen ennen kuin matriisime-tallin annetaan tunkeutua täyteaineeseen (ts. saattaa olla, ettei syötettyä tunkeutumisen edistäjän edeltäjää tai tunkeutumisen edistäjää tarvitse seostaa matriisimetal-liin, vaan että sitä yksinkertasiesti syötetään spontaaniin 35 järjestelmään). Jos magnesiumia levitettäisiin matriisime-tallin pinnalle, saattaa olla edullista, että mainittu pinta olisi se pinta, joka on lähimpänä tai edullisesti • » 28 91 832 kosketuksessa täyteaineen läpäisevään massaan tai päinvastoin; tai sellaista magnesiumia voitaisiin sekoittaa ainakin täyteaineen osaan. Lisäksi on mahdollista, että pinnalle levittämisen, seostamisen ja magnesiumin sijoit-5 tamisen ainakin täyteainen osaan, joitakin yhdistelmiä voitaisiin käyttää. Sellaiset yhdistelmät tunkeutumisen edistäjän (edistäjien) ja/tai tunkeutumisen edistäjän edeltäjän (edeltäjien) levittämisessä saattaisivat johtaa alumiinimatriisimetallin täyteaineeseen tunkeutumisen 10 edistämiseen vaadittavan magnesiumin kokonaispaino- prosenttimäärän pienenemiseen, samoinkuin alempien lämpötilojen saavuttamiseen, joissa tunkeutumista voi esiintyä. Lisäksi magnesiumin läsnäolosta johtuva metallien epätoivottujen keskinäisten yhdisteiden muodostuminen voitaisiin 15 myös minimoida.

Yhden tai useamman lisäseosalkuaineen käyttäminen ja ympäröivän kaasun typpipitoisuus vaikuttavat myös mat-riisimetallin nitrautumiseen annetussa lämpötilassa. Esi-20 merkiksi voidaan muotoiltuun seokseen sisällyttää tai muotoillun seoksen pinnalle levittää sellaisia lisäseosal-kuaineita kuin sinkkiä tai rautaa tunkeutumislämpötilan alentamiseksi ja siten muodostuvan nitridin määrän pienentämiseksi, kun taas kaasussa olevan typen pitoisuuden 25 lisäämistä voitaisiin käyttää nitridin muodostumisen edistämiseen.

Seoksessa olevan ja/tai seoksen pinnalle levitetyn ja/tai täyteaineeseen yhdistetyn magnesiumin pitoisuus pyrkii 30 myös vaikuttamaan tunkeutumisen määrään annetussa lämpö tilassa. Vastaavasti eräissä tapauksissa, joissa pieni määrä tai ei lainkaan magnesiumia saa olla kosketuksessa suoraan täyteaineeseen, saattaa olla edullista, että ainakin 3 painoprosenttia magnesiumia sisällytetään seok-35 seen. Tätä arvoa pienemmät seosmäärät, kuten 1 paino prosentti magnesiumia, saattaa vaatia korkeammat proses-silämpötilat tai lisäseosalkuaineita tunkeutumista varten.

29 7 i ÖOZ

Tämän keksinnön spontaanin tunkeutumisprosessin toteuttamiseksi vaadittu lämpötila voi olla alempi: 1) kun yksinomaan seoksen magnesiumpitoisuutta nostetaan, esim. ainakin noin 5 painoprosenttiin; ja/tai 2) kun seostavia 5 aineita sekoitetaan täyteaineen läpäisevään massaan; ja/tai 3) kun alumiiniseoksessa on toista alkuainetta, kuten sinkkiä tai rautaa. Lämpötila voi myös vaihdella eri täyteaineilla. Yleensä esiintyy spontaania ja etenevää tunkeutumista prosessilämpötilassa, joka on ainakin noin 10 675°C, edullisesti prosessilämpötilassa, joka on ainakin noin 750 - 800°C. Yleensä yli 1200°C olevat lämpötilat eivät näytä edistävän prosessia, ja erityisen käyttökepoi-seksi lämpötilaksi on havaittu alue noin 675°C - noin 1200°C. Kuitenkin yleisenä sääntönä spontaanin tunkeutu-15 misen lämpötila on sellainen lämpötila, joka on matriisime-tallin sulamispisteen yläpuolella mutta matriisimetallin höyrystymislämpötilan alapuolella. Lisäksi spontaanin tunkeutumisen lämpötilan tulisi olla täyteaineen sulamispisteen alapuolella. Edelleen, kun lämpötilaa nostetaan, 20 kasvaa pyrkimys matriisimetallin ja tunkeutumisatmosfäärin välisen reaktiotuotteen muodostamiseen (esim. alumiinimat-riisimetallin ja typpeä olevan tunkeutumisatmosfäärin tapauksessa saattaa muodostua alumiininitridiä) . Sellaiset reaktiotuotteet saattavat olla toivottavia tai ei-toivot-25 tuja, riippuen metallimatriisi-komposiittikappaleen aiotusta käytöstä. Lisäksi tyypillisesti käytetään sähkövas-tuskuumennusta tunkeutumislämpötilojen saavuttamiseksi. Keksinnön yhteydessä käytettäväksi hyväksytään kuitenkin mikä tahansa kuumennusväline, joka voi saattaa matriisime-30 tallin sulamaan ja joka ei vaikuta haitallisesti spontaaniin tunkeutumiseen.

Esillä olevassa menetelmässä esimerkiksi läpäisevä täyteaine saatetaan kosketukseen sulan alumiinin kanssa typpeä 35 sisältävän kaasun ollessa läsnä ainakin jossakin prosessin vaiheessa. Typpeä sisältävää kaasua voidaan syöttää ylläpitämään jatkuva kaasun virtaus kosketukseen ainakin joko • · > ϋθ2 30 täyteaineeseen ja/tai sulaan alumiinimatriisimetalliin. Vaikkei typpeä sisältävän kaasun virtausmäärä ole kriittinen, pidetään edullisena että virtausmäärä on riittävä kompensoimaan nitridin muodostumisesta seosmatriisissa 5 johtuva mahdollinen typen häviäminen atmosfääristä, sekä estämään tai torjumaan ilman sisään pääseminen, jolla voi olla hapettava vaikutus sulaan metalliin.

Metallimatriisikomposiitin muodostamismenetelmää voidaan 10 soveltaa täyteaineiden laajaan valikoimaan, ja täyteaineiden valinta riippuu sellaisista tekijöistä, kuten mat-riisiseoksesta, prosessin olosuhteista, sulan matriisi-seoksen reaktiivisuudesta täyteaineen kanssa, täyteaineen kyvystä mukailla muotoillun matriisimetallivalanteen muo-15 toa, sekä lopulliselle komposiittituotteelle haetuista ominaisuuksista. Kun matriisimetallina on esimerkiksi alumiini, lukeutuvat sopiviksi täyteaineiksi a) oksidit, esim. alumiinioksidi, b) karbidit, esim. piikarbidi, c) boridit, esim. alumiinidodekaboridi, ja d) nitridit, esim.

20 alumiininitridi. Mikäli täyteaine pyrkii ragoimaan sulan alumiinimatriisimetallin kanssa, tämä voidaan ottaa huomioon minimoimalla tunkeutumisaika ja -lämpötila tai järjestämällä reagoimaton päällystys täyteaineelle. Täyteaine voi käsittää alustan, kuten hiiltä tai ei-keraamista 25 ainetta, jonka päällä on päällystys alustan suojaamiseksi syöpymiseltä tai heikkenemiseltä. Sopivia päällysteitä ovat keraamisia, kuten oksidit, karbidit, boridit ja nitridit. Esillä olevassa menetelmässä käytettäviksi edullisina pidettyjä keraameja ovat mm. alumiinioksidi ja 30 piikarbidi hiukkasten, hiutaleiden, kuitukiteiden ja kui- .. tujen muodossa. Kuidut voivat olla epäjatkuvia (leikatussa muodossa) tai jatkuvan säikeen muodossa, kuten monisäikeiset langat. Lisäksi täyteaine voi olla homogeeninen tai epähomogeeninen.

On myös havaittu, että määrätyillä täyteaineilla esiintyy suurempaa tunkeutumista suhteessa täyteaineisiin, joilla • · li 35 31 y \ d o 2 on samantapainen kemiallinen koostumus. Esimerkiksi US-pa-tentissa 4,713,360 (nimitys "Uusia keraamisia aineita ja menetelmiä niiden valmistamiseksi" ) kuvatulla menetelmällä valmistetuilla murskatuilla alumiinioksidi-kappaleilla on 5 edulliset tunkeutumisominaisuudet verrattuna kaupallisesti saatavilla oleviin alumiinioksidituotteisiin. Lisäksi rinnakkaisessa US-patenttihakemuksessa 819,397 (nimitys: "Komposiittikeraamisia esineitä ja niiden valmistusmenetelmä" ) esitetyllä menetelmällä tehdyillä murskatuilla 10 alumiinioksidikappaleilla on myös edulliset tunkeutu-misominaisuudet verrattuna kaupallisesti saatavilla oleviin alumiinioksidituotteisiin. Edellä mainitut patenttijulkaisut esitetään tässä nimenomaisina viittauksina. Näin ollen on havaittu, että täydellinen tunkeutuminen keraa-15 mistä ainetta olevaan läpäisevään massaan voi tapahtua alemmissa tunkeutumislämpötiloissa ja/tai lyhyemmillä tun-keutumisajoilla käyttäen puristettuja tai murskattuja kappaleita, jotka on valmistettu edellä mainittujen patenttijulkaisujen mukaisella menetelmällä.

20 Täyteaineen koko ja muoto voi olla mikä tahansa sellainen, joka vaaditaan komposiitin toivottujen ominaisuuksien saavuttamiseksi, ja joka voi noudattaa muotoillun mat-riisimetallivalanteen muotoja. Siten täyteaine voi olla 25 hiukkasten, kuitukiteiden, hiutaleiden tai kuitujen muodossa, koska täyteaineen muoto ei rajoita tunkeutumista. Voidaan käyttää muitakin muotoja, kuten kuulia, pieniä putkia, pellettejä, tulenkestävää kuitukangasta, ja vastaavia. Lisäksi aineen koko ei rajoita tunkeutumista, 30 vaikka pienten hiukkasten massalla saatetaan tunkeutumisen loppuunviemiseksi tarvita korkeampi lämpötila tai pidempi aika kuin suuremmilla hiukkasilla. Lisäksi täyteaineen tulisi tunkeutumista varten olla sulaa matriisimetallia ja tunkeutumisatmosfääriä läpäisevää).

Esillä olevan keksinnön mukainen menetelmä metallimatrii-si-komposiittikappaleiden muodostamiseksi ei edullisesti « « 35 32 91 Be 2 ole riippuvainen paineen käyttämisestä sulan matriisime-tallin puristamiseksi täyteainemassaan. Keksintö sallii oleellisesti yhtenäisten metallimatriisikomposiittien valmistamisen, joilla on suuri tilavuusosa täyteainetta ja 5 pieni huokoisuus. Suurempia, suuruusluokkaa ainakin 50 % olevia täyteaineen tilavuusosuuksia voidaan aikaansaada käyttämällä alussa täyteainemassaa, jolla on pienempi huokoisuus. Suurempia tilavuusosuuksia voidaan myös aikaansaada silloin, jos täyteainemassa tiivistetään tai 10 tehdään muulla tavalla tiiviimmäksi, edellyttäen ettei massaa muuteta joko täysin tiiviiksi suljetuin kennohuoko-sin tai täysin tiiviiksi rakenteeksi, mikä estäisi sulan seoksen tunkeutumisen.

15 On havaittu, että alumiinin tunkeutumista ja matriisin muodostumista varten keraamisen täyteaineen ympärille voi keraamisen täyteaineen kostutus alumiinimatriisimetallil-la olla tärkeä osa tunkeutumismekanismista. Lisäksi alhaisissa prosessilämpötiloissa esiintyy erittäin vähän tai 20 häviävän vähän metallin nitridiksi muuttumista, jonka takia saadaan erittäin vähäinen epäjatkuva alumiininitridin faasi metallimatriisiin jakautuneena. Kun lähestytään lämpötila-alueen yläpäätä, tapahtuu kuitenkin todennäköisemmin metallin nitridiksi muuttumista. Siten voidaan 25 säätää nitridifaasin osuutta metallimatriisissa muuttamal la lämpötilaa, jossa tunkeutuminen tapahtuu. Ne määrätyt lämpötilat, joissa nitridin muodostuminen tulee merkittävämmäksi, muuttuvat myös sellaisista tekijöistä riippuen, kuten käytetty matriisin alumiiniseos ja sen määrä suh-30 teessä täyteaineen määrään, täyteaineen määrä johon tunkeutumisen on tapahduttava, sekä tunkeutumisatmosfäärin typpipitoisuus. Esimerkiksi alumiininitridin muodostumisen määrän uskotaan määrätyssä prosessilämpötilassa kasvavan, kun seoksen kyky täyteaineen kostuttamiseen pienenee 35 ja kun atmosfäärin typpipitoisuus kasvaa.

1/ 33 9 I ho2

Sen vuoksi on mahdollista räätälöidä metallimatriisin rakennetta komposiitin muodostuksen aikana, niin että voidaan antaa tuloksena olevalle tuotteelle määrätyt ominaisuudet. Annetulla järjestelmällä voidaan prosessin 5 olosuhteet valita nitridin muodostuksen säätämiseksi. Alumiininitridiä sisältävällä komposiittituotteella on eräitä ominaisuuksia, jotka voivat olla edullisia tuotteen suorituskyvylle tai parantaa niitä. Lisäksi alumiiniseoksen spontaanin tunkeutumisen edullinen lämpötila-alue voi 10 vaihdella käytetystä täyteaineesta riippuen. Kun täyteaineena on alumiinioksidia, ei tunkeutumisen lämpötilan tulisi ylittää 1000°C, mikäli halutaan, ettei matriisin muovattavuus oleellisesti pienene merkittävän nitridin muodostumisen johdosta. Lämpötilan 1000°C ylittäviä läm-15 pötiloja voidan kuitenkin käyttää, mikäli halutaan tuottaa komposiitti, jonka matriisilla on heikompi muovattavuus ja suurempi jäykkyys. Piikarbidiin tunkeutumista varten voidaan käyttää korkeampia, noin 1200°C lämpötiloja, koska piikarbidia täyteaineena käytettäessä alumiiniseoksesta 20 syntyy vähemmän nitridejä, kuin alumiinioksideja täyteaineena käytettäessä.

Lisäksi on mahdollista käyttää matriisimetallin varasto-lähdettä täyteaineen täydellisen tunkeutumisen varmista-25 miseksi ja/tai syöttää toista metallia, jolla on erilainen koostumus kuin matriisimetallin ensimmäisellä lähteellä. Eräissä tapauksissa voi erityisesti olla toivottavaa käyttää varastolähteessä matriisimetallia, joka koostumukseltaan poikkeaa matriisimetallin ensimmäisestä lähteestä.

30 Jos esimerkiksi alumiiniseosta käytetään ensimmäisenä matriisimetallin lähteenä, niin varastolähteen metallina voitaisiin käyttää näennäisesti mitä tahansa toista metallia tai metalliseosta, joka on sulanut prosessilämpötilas-sa. Sulat metallit ovat usein hyvin sekoittuvia toistensa 35 kanssa, mikä johtaisi varastolähdemetallin sekoittumiseen matriisimetallin ensimmäiseen lähteeseen niin kauan kuin annetaan riittävästi aikaa sekoittumista varten. Käytet- i ! 001 34 täessä ensimmäisen matriisimetallin lähteestä poikkeavan koostumuksen omaavaa varastolähdemetallia, on siten mahdollista räätälöidä metallimatriisin ominaisuuksia erilaisten toimintavaatimusten täyttämiseksi ja siten räätä-5 löidä metallimatriisikomposiitin ominaisuuksia.

Estovälinettä voidaan myös käyttää esillä olevan keksinnön yhteydessä. Tämän keksinnön yhteydessä käytettävä estovä-line voi erityisesti olla mikä tahansa soveltuva väline, 10 joka vuorovaikuttaa, estää ja lopettaa sulan matriisiseok-sen (esim. alumiiniseos) kulkeutumisen, siirtymisen tai vastaavan täyteaineen määritellyn rajapinnan ohi. Sopivia estovälineitä voivat olla mitkä tahansa aineet, yhdisteet, alkuaineet, koostumukset tai vastaavat, jotka prosessin 15 olosuhteissa ylläpitävät jonkinasteisen eheyden eivätkä ole haihtuvia, ja jotka edullisesti ovat prosessissa käytettyä kaasua läpäiseviä, ja jotka samoin pystyvät paikallisesti estämään, pysäyttämään, vuorovaikuttamaan, torjumaan, jne, jatkuvan tunkeutumisen tai minkä tahansa 20 muun siirtymisen täyteaineen määritellyn rajapinnan ohi.

Soveltuvat estovälineet sisältävät aineita, joita kulkeutuva sula matriisimetalli käytetyn prosessin aikana ei oleellisesti pysty kostuttamaan. Tämän tyyppisellä esto-25 aineella näyttää olevan oleellisen vähän tai ei lainkaan yhtymispyrkimystä sulaan matriisimetalliin, ja estoväline estää tai torjuu siirtymisen täyteainemassan määritellyn rajapinnan yli. Estoaine vähentää mahdollista loppukoneis-tusta tai hiomista, jota voidaan tarvita metallimatriisi-30 keraamikomposiittituotteella. Kuten edellä mainittiin, tulisi estoaineen edullisesti olla läpäisevää tai huokoista, tai se voidaan saattaa läpäiseväksi esimerkiksi poraamalla reikiä estoaineeseen tai lävistämällä se, niin että kaasu pääsee kosketukseen sulan matriisimetallin 35 kanssa.

35 ' r-

? i ϋ 0 Z

Soveltuvia estoaineita, jotka ovat erityisen edullisia alumiinimatriisiseoksilla, ovat niitä, jotka sisältävät hiiltä, erityisesti hiilen kiteiset allotrooppiset muodot, jotka tunnetaan grafiittina. Grafiittia ei oleellisesti 5 voida kostuttaa kuvatuissa prosessiolosuhteissa sulalla alumiiniseoksella. Erityisen edullinen grafiitti on gra-fiittinauhatuote, jota myydään tuotenimellä Grafoil (R), jonka tavaramerkin haltija on Union Carbide. Tällä gra-fiittinauhalla on tiivistäviä ominaisuuksia, jotka estävät 10 sulaa alumiiniseosta kulkeutumasta täyteaineen määritellyn rajapinnan ohi. Tämä grafiittinauha on myös kuumuutta kestävä ja kemiallisesti inertti. Grafoil (R) -grafiitti-aine on taipuisaa, kestävää, mukautuvaa ja joustavaa. Sitä voidaan valmistaa useissa muodoissa sopimaan esto-15 ainesovellutuksiin. Grafiittiestovälinettä voidaan kuitenkin käyttää lietteenä tai tahnana tai jopa maalikalvona täyteaineen rajapinnalla tai sen ympärillä. Grafoil (R) -tuotetta pidetään erityisen edullisena, koska se on taipuisan grafiittiarkin muodossa. Käytössä tämä paperin 20 tapainen grafiitti yksinkertaisesti muovaillaan täyteaineen ympärille.

Muita edullisia estoaineita alumiinimetallimatriisi-seok-siin tunkeutumista varten typpiympäristössä ovat siirty-25 mämetalliboridit (esim. titaanidiboridi (TiB2)), joita sulat alumiinimetalliseokset eivät tätä ainetta määrätyissä prosessioloissa käytettäessä pysty kostuttamaan. Tämän tyyppisellä estoaineella prosessilämpötilan ei tulisi ylittää noin 875°C, koska muutoin estoaineen vaikutus 30 vähenee, ja itse asiassa korkeammassa lämpötilassa esiintyy tunkeutumista estoaineeseen. Siirtymämetalliboridit ovat tyypillisesti hiukkasmuodossa (1-30 mikrometriä). Esto-aineet voidaan levittää lietteenä tai tahnana edullisesti esimuotiksi muotoillun läpäisevän keraamisen täyteaineen 35 massan rajapinnoille.

36

Λ 'i G "T O

y i dc/

Alumiinimetallimatriisiseoksia varten typessä muita käyttökelpoisia estoaineita sisältävät vaikeasti haihtuvia orgaanisia yhdisteitä, jotka levitetään kalvona tai kerroksena täyteaineen ulkopinnalle. Poltettaessa typessä, 5 erityisesti tämän keksinnön mukaisissa prosessioloissa, orgaaninen yhdiste hajoaa, jättäen jälkeensä hiilinokikal-von. Orgaaninen yhdiste voidaan levittää tavanomaisin keinoin, kuten maalaamalla, suihkuttamalla, upottamalla, jne.

10

Lisäksi voivat hienoksi jauhetut hiukkasmaiset aineet toimia estoaineena, jos hiukkasmaiseen aineeseen tunkeutuminen esiintyy nopeudella, joka on hitaampi kuin tunkeu-tumisnopeus täyteaineeseen.

15

Siten voidaan estoainetta levittää millä tahansa sopivalla tavalla, kuten peittämällä määritelty rajapinta estoväli-neen kerroksella. Sellainen estovälineen kerros voidaan muodostaa maalaamalla, upottamalla, silkkipainatuksella, 20 höyrystämällä, tai levittämällä estovälinettä muilla tavoin neste-, liete- tai tahnamuodossa, tai sputteroimalla höyrystyvää estovälinettä, tai yksinkertaisesti kerrostamalla kiinteän hiukkasmaisen estovälineen kerros, tai levittämällä estovälineen kiinteä ohut arkki tai kalvo 25 määritellylle rajapinnalle. Kun estoväline on paikallaan, spontaani tunkeutuminen päättyy oleellisesti silloin, kun tunkeutuva matriisimetalli saavuttaa määritellyn rajapinnan ja koskettaa estovälinettä.

30 Välittömästi seuraavassa olevat esimerkit sisältävät esillä olevan keksinnön erilaisia demonstraatioita. Näitä esimerkkejä on kuitenkin pidettävä havainnollistavina, eikä niitä pidä ymmärtää keksinnön suoja-alaa rajoittavina, joka määritellään oheisissa patenttivaatimuksissa.

35 li

Esimerkki 1 ? '\ o j 2 37

Kuvio 1 esittää poikkileikkauksena järjestelyn, jota voidaan käyttää muotoillun onkalon aikaansaamiseksi 5 metallimatriisikomposiittiin. Tarkemmin ottaen täyteainetta 3, joka käsittää 220 grit (seulamitta, grit = noin 75 mikrometriä) piikarbidia, jota toimittaa Norton Co. ja jota myydään tuotenimellä 39 Crystolon, asetettiin tulenkestävään astiaan 1, joka käsittää erittäin puhdasta 10 alumiinioksidia. Tulenkestävä veneen muotoinen alumiinioksidiastia saatiin Bolt Technical Ceramicsiltä, ja sen puhtaus oli 99,7 %. Kaksi muotoiltua alumiiniseostankoa 2a ja 2b, jotka käsittivät noin 15 painoprosenttia piitä ja noin 15 painoprosenttia mag-15 nesiumia, lopun ollessa alumiinia, ja joiden koko oli noin 114 mm x 51 mm x 12 mm, pinottiin päällekkäin ja upotettiin 220 grit piikarbidiin, niin että tangon 2a pinta oli oleellisesti linjassa täyteaineen 3 pinnan kanssa. Täyteainetta 3 ja valanteet 2a ja 2b sisältävä alu-20 miinioksidiastia 1 sijoitettiin säädettyyn atmosfääriin sähkövastusuuniin. Uuni käsitti muhveliputken, jota ulkoisesti kuumennettiin vastuskelalla ja joka lisäksi oli eristetty ulkoilmasta. Noin 96 tilavuusprosenttia typpeä ja noin 4 tilavuusprosenttia vetyä (ts. muokkauskaasua) 25 syötettiin muhveliputkeen. Muokkauskaasua virtasi uuniin määränä noin 0,35 1/minuutti. Muhveliuuni saatettiin noin 900 - 930°C lämpötilaan noin 10 tunnissa. Tämä lämpötila ylläpidettiin noin 12 tuntia ja sitten muhveliuuni jäähdytettiin likimain huonelämpötilaan viidessä tunnissa.

30

Astia 1 poistettiin uunista ja sen sisältö tarkastettiin. Kuten kuviossa 3A näytetään, joka on kuva muodostuneesta metallimatriisikomposiitista 7 päältä nähtynä, muodostui onkalo 6, joka muodoltaan oleellisesti vastaa muotoiltuja 35 valanteita 2a ja 2b. Lisäksi, kuten kuviossa 3B esitetään, jossa päältäpäin vinosti katsotaan muodostuneen metalli-matriisikomposiitin 7 onkaloon 6, tankojen 2a ja 2b kopio 38 91832 oli niin tarkka, että tangoissa 2a ja 2b olleet sahan jäljet 8 käänteisesti kopioituivat metallimatriisi-komposiitti-kappaleeseen.

5 Esimerkki 2 Tässä esimerkissä käänteismuoto-kopioitiin mutkikkaampi muoto. Kuviossa 2 näytetään poikkileikkauksena järjestely, jota käytettiin muodostamaan monimutkainen onkalo metal-10 limatriisikomposiittiin. Tarkemmin ottaen täyteainetta 5, joka käsittää 220 grit (seulamitta, grit = noin 75 mikrometriä) piikarbidia, jota tomittaa Norton Co. ja jota myydään tuotenimella 38 Alundum, asetettiin tulenkestävään astiaan 1, joka käsittää erittäin puhdasta alumiinioksidia.

15 Tulenkestävä veneen muotoinen alumiinioksidiastia saatiin Bolt Technical Ceramics:Itä, ja sen puhtaus oli 99,7 %. Seuraavaksi koneistettu alumiiniseosvalanne 4, joka painoi noin 158 g, ja jonka ulkopinnalla oli useita ulkoneroia 9, asetettiin täyteaineen 5 päälle. Koneistettu valanne 4 20 käsitti noin 5 painoprosenttia piitä, noin 5 painoprosenttia sinkkiä, noin 7 painoprosenttia magnesiumia, lopun ollessa alumiinia. Sen jälkeen kaadettiin lisää täyteainetta 5 valanteen 4 ympärille, kunnes valanne oli oleellisesti täysin peitetty täyteaineella 5. Täyteainetta 5 ja valan-25 teen 4 sisältävä astia 1 sijoitettiin sitten muhveliput-kiuuniin, kuten esimerkissä 1 selitettiin. Uuniin järjestettiin sitten tyhjö atmosfäärin poistamiseksi siitä, ja sellaisen tyhjentämisen jälkeen annettiin muokkauskaasun (ts. 96 tilavuusprosenttia typpeä ja 4 tilavuusprosenttia 30 vetyä) virrata uuniin. Muhveliputkiuuniin syötettiin jatkuvasti muokkauskaasua määränä noin 0,5 1/minuutti. Muh-veliputki kuumennettiin nopeudella noin 150°C/h noin 875°C lämpötilaan. Tämä lämpötila pidettiin noin 15 tuntia. Muhveliputkiuuni jäähdytettiin sitten noin huoneenlämpö-35 tilaan nopeudella noin 200°C/h. Jäähdytyksen jälkeen astia 1 poistettiin ja tarkastettiin.

Ji 7 ! 0 2 2 39

Kuten kuviossa 4A näytetään, joka on poikkileikkauskuva muodostuneesta metallimatriisikomposiitista, muodostui metallimatriisi-komposiittikappaleeseen 11 onkalo 10, joka muodoltaan oleellisesti on valanteen 4 komplementti.

5 Erityisesti oli sulatettu matriisimetalli oleellisesti täydellisesti tunkeutunut täyteaineeseen 5, niin että urat 9a olivat muodostuneet valanteen 4 ulkonemien 9 komplementeiksi. Lisäksi kuvio 4B esittää päätykuvannon muodostuneesta metallimatriisikomposiitista 11 ennen sen halki-10 leikkausta. Vastaavasti havaitaan, että kopiointimenetelmä aikaansai komposiitin, jossa oleva onkalo 10 olellisesti käänteisesti kopioi muotoillun valanteen 4. Huomataan, että onkalon 10 pohjaosassa oleva ainekappale vastaa sitä osaa täyteaineesta, joka sijoitettiin välittömästi muotoillun 15 valanteen päälle.

Vaikka edellä olevia esimerkkejä on selitetty seikkaperäisesti, saattaa tavanomaisin taidoin varustetulle käsityöläiselle tulle mieleen muita muunnelmia näistä esimerkeis-20 tä, ja kaikkien sellaisten muunelmien tulisi ymmärtää sisältyvän oheisten patenttivaatimusten suoja-alaan.

25 30 35

Claims (9)

91 632

1. Menetelmä metallimatriisikomposiitin valmistamiseksi, tunnettu siitä, että menetelmässä.- muodostetaan matriisimetallivalanne, joka ainakin osittain 5 vastaa komposiittiin muodostettavan ontelon haluttua muotoa; ympäröidään valanne ainakin osittain oleellisesti reagoimattomalla täyteaineella; kuumennetaan valannetta siten, että matriisimetalli sulaa; 10 saatetaan tunkeutumisen edistäjä ja/tai tunkeutumisen edistäjän edeltäjä sekä tunkeutumisatmosfääri kosketukseen matriisimetallin ja/tai täyteaineen kanssa; ja saatetaan mainittu sula matriisimetalli spontaanisti tunkeutumaan ainakin täyteaineen osaan siten, että tunkeutu-15 misen seurauksena saatavaan komposiittiin syntyy ontelo valanteen kohdalle.

2. Förfarande enligt patentkrav 1, kannetecknat av att fyllnadsmedlet omfattar en förform.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että täyteaine käsittää esimuotin. 20

3. Förfarande enligt patentkrav l, kanneteclcnat av att 5 i fyllnadsmedlet bildas en gränsyta med hjälp av ett bar- riärmedel, varvid matrismetallen spontant tränger in ända till barriärmedlet.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että muodostetaan täyteaineeseen rajapinta estoai-neella, jolloin matriisimetalli spontaanisti tunkeutuu estoaineeseen saakka. 25

4. Förfarande enligt patentkrav 3, kanneteclcnat av att 10 barriärmedlet innehaller ett ämne valt i gruppen bestä- ende av kol, grafit och titaniumborid.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että estoaine käsittää ainetta, joka on valittu ryhmästä, johon kuuluvat hiili, grafiitti ja titaanidibo-ridi. 30

5. Förfarande enligt patentkrav 1, kanneteclcnat av att fyllnadsmedlet innehäller ätminstone ett ämne valt i grup- 15 pen bestäende av pulver, flingor, mikrokulor, fiberkris-taller, bubblor, fibrer, partiklar, fibermattor, brutna fibrer, kulor, pelletar, smä rörämnen och brandbeständiga tyger. 2 0 6. Förfarande enligt patentkrav 5, kanneteclcnat av att den smälta matrismetallen väsentligen totalt infiltrerar fyllnadsmedlet sä att det i metallmatriskompositen bildas en kavitet vars form motsvarar nämnda smälta. 25 7. Förfarande enligt patentkrav 1, kanneteclcnat av att kaviteten är ätminstone delvis öppen eller att den är väsentligen helt sluten.

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu *- siitä, että täyteaine käsittää ainakin yhden aineen, joka on valittu ryhmästä, johon kuuluvat jauheet, hiutaleet, mikrokuulat, kuitukiteet, kuplat, kuidut, hiukkaset, kui-35 tumatot, katkaistut kuidut, kuulat, pelletit, pienet putket ja tulenkestävät kankaat. II I -', / · V· ί_

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että sula matriisimetalli oleellisen täydellisesti tunkeutuu täyteaineeseen niin, että metallimatriisikom-posiittiin jää ontelo, joka muodoltaan vastaa mainittua 5 valannetta.

7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ontelo on ainakin osaksi avoin tai että se on oleellisen täydellisesti suljettu. 10

8. Förfarande enligt patentkrav 1 eller 4, kännetecknad 30 av att fyllnadsmedlet är självbärande ätminstone i nägot skede av den spontana infiltrationsprocessen.

8. Patenttivaatimuksen 1 tai 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että täyteaine on itsekantava ainakin spontaanin tunkeutumisprosessin jossakin vaiheessa.

9. Patenttivaatimuksen 1 tai 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että täyteaine saatetaan itsekantavaksi mainittua valannetta kuumentamalla ja/tai käyttämällä sideainetta ja/tai täyteaineen ja ainakin yhden muun aineen välisen kemiallisen reaktion avulla. 20 l. Förfarande för tillverkning av en metallmatriskompo-sit, kännetecknat av att vid förfarandet: bildas en matrismetallsmälta, som ätminstone delvis mot-25 svarar den önskade formen för kaviteten som skall bildas i kompositen; smältan omges med ett ätminstone delvis icke-reaktivt fyllnadsmedel; smältan upphettas sä att matrismetallen smälter; 30 ett infiltrationsfrämjande medel och/eller en föregängare . tili infiltrationsfrämjande medel samt infiltrationsatmos- fären sätts i beröring med matrismetallen och/eller fyll-nadsmedlet; och nämnda smälta matrismetall fär spontant infiltrera ätmins-35 tone en del av fyllnadsmedlet sä att i kompositen som fäs genom infiltrationen uppstär en kavitet vid stället för smältan. 913-9

9. Förfarande enligt patentkrav 1 eller 4, kännetecknad av att fyllnadsmedlet görs självbärande genom att upphetta 35 nämnda smälta och/eller använda bindemedel och/eller genom en kemisk reaktion mellan fyllnadsmedlet och ätminstone ett annat ämne. Il