FI93348B - Menetelmä keraamisten sekarakennekappaleiden muuntamiseksi karburointiprosessin avulla ja menetelmällä tuotetut kappaleet - Google Patents

Description

93348

Menetelmä keraamisten sekarakennekappaleiden muuntamiseksi karburointiprosessin avulla ja menetelmällä tuotetut kappaleet Förfarande för modifiering av keramiska sammansatta kroppar med hjälp av en karbureringsprocess och artiklar som producerats 5 med förfarandet

Keksinnön kohteena on menetelmä keraamisen itsekantavan kappaleen tuot* 10 tamiseksi sekä menetelmällä valmistettu keraaminen itsekantava kappale.

Tämän keksinnön kohteena on yleisesti ottaen uusi menetelmä sekaraken-nekappaleen, kuten ZrB2-ZrC-Zr- sekarakennekappaleen, valmistamiseksi käyttäen hyväksi karburoimistekniikkaa, sekä sen avulla valmistetut 15 uudet tuotteet. Tarkemmin sanottuna keksinnön kohteena on menetelmä yhden tai useamman booria sisältävän yhdisteen (esim. boridin tai bori-din ja karbidin) käsittävän sekarakennekappaleen muuntamiseksi, joka on valmistettu suodattamalla sula perusmetalli reaktiivisesti boorikarbi-dia sisältävään petiin tai massaan, joka sekarakennekappale käsittää 20 valinnaisesti yhden tai useamman inerttisen täyteaineen.

Viime vuosina on esiintynyt yhä lisääntyvää mielenkiintoa käyttää keramiikkaa rakennesovelluksiin, joissa on käytetty aikaisemmin metalleja. Sysäyksenä tälle mielenkiinnolle on ollut keramiikan paremmuus metal-25 leihin verrattuna tiettyihin ominaisuuksiin, joita ovat esimerkiksi ruostumisenkestävyys, lujuus, kulumisenkestävyys, kimmomoduuli ja tu-lenkesto-ominaisuudet.

Päärajoituksena keramiikan käyttämiselle tällaisiin tarkoituksiin on 30 ollut kuitenkin toivottujen keraamisten rakenteiden käytettävyys ja tuottamiskustannukset. Keraamisten boridikappaleiden tuottaminen esimerkiksi kuumapuristamalla, reaktiosintraamalla ja reaktiokuumapuris-tamalla on hyvin tunnettua. Vaikka on saavutettu rajoitettua menestystä tuotettaessa keraamisia boridikappaleita yllämainittujen menetelmien 35 mukaisesti, tarvitaan yhä tehokkaampi ja taloudellisimpi menetelmä, jonka avulla voidaan valmistaa tiheitä boridia sisältäviä materiaaleja.

2 93348

Toinen päärajoitus käyttää keramiikkaa rakennesovelluksiin on lisäksi se, että keramiikalta puuttuu yleisesti lujuus (eli vahingoittumisen-kestävyys tai murtolujuus). Tällainen lujuuden puute johtaa yleensä äkilliseen, helposti syntyvään, katastrofaaliseen keramiikan luhistumi-5 seen käyttökohteissa, joihin liittyy melko lieviä vetojännityksiä. Tämä lujuuden puute on erityisen yleinen monoliittisissä keraamisissa bori-dikappaleissa.

Yksi keino voittaa yllämainittu ongelma on ollut keramiikan käyttäminen 10 yhdessä metallien kanssa, esimerkiksi kermetteinä tai metallimatriisin yhdisteinä. Tämän tunnetun lähestymistavan tavoitteena on saada aikaan keramiikan parhaiden ominaisuuksien (esim. lujuus ja/tai jäykkyys) ja metallin parhaiden ominaisuuksien (esim. venyvyys) yhdistelmä. Vaikka on saavutettukin jonkinlaista yleistä menestystä kermettien alueella 15 tuotettaessa boridiyhdisteitä, on kuitenkin olemassa tarve saada aikaan tehokkaampia ja taloudellisempia menetelmiä boridia sisältävien materiaalien valmistamiseksi.

Monia yllämainittuja ongelmia, jotka liittyvät boridia sisältävien 20 materiaalien tuottamiseen, on käsitelty US-patentissa 4,940,679, nimillä Danny R. White, Michael K. Aghajanian ja T. Dennis Claar 15.7.1987 ja nimeltään "Menetelmä itsekantavien kappaleiden valmistamiseksi ja menetelmällä tehdyt tuotteet".

25 Seuraavia määritelmiä käytettiin US-patentissa 4,940,679, ja ne pätevät myös tämän hakemuksen yhteydessä.

"Perusmetalli" viittaa siihen metalliin (esim. sirkoniumiin), joka on esiaste monikiteiselle hapettumisreaktiotuotteelle, eli perusmetallin 30 boridille tai muulle perusmetallin booriyhdisteelle, ja sisältää tämän metallin puhtaana tai suhteellisen puhtaana metallina, kaupallisesti saatavana metallina epäpuhtauksineen ja/tai siihen lisättyine aines-osineen ja seoksena, jossa tämä metalliesiaste on pääainesosa; ja kun tietty metalli mainitaan perusmetallina (esim. sirkonium), tunnistettu

K

3 93348 metalli tulisi tulkita tämän määritelmän mukaisesti, ellei tekstin asiasisältö muuta osoita.

"Perusmetallin boridi" ja "perusmetallin booriyhdisteet" tarkoittavat 5 booria sisältävää reaktiotuotetta, joka on muodostettu boorikarbidin ja perusmetallin välisellä reaktiolla ja sisältää boorin binaarisen yhdisteen perusmetallin kanssa sekä tertiaarisia tai korkeamman asteen yhdisteitä.

10 "Perusmetallin karbidi" tarkoittaa hiiltä sisältävää reaktiotuotetta, joka on muodostettu boorikarbidin ja perusmetallin välisellä reaktiolla.

Lyhyenä yhteenvetona US-patenttiin 4,490,679 liittyen todettakoon, että 15 itsekantavia keraamisia kappaleita tuotetaan käyttämällä hyväksi perusmetallin suodattumista ja reaktioprosessia (eli reaktiivista suodattumista) boorikarbidin yhteydessä. Tarkemmin sanottuna boorikarbidin peti tai massa suodatetaan sulalla perusmetallilla, ja peti voi koostua kokonaan boorikarbidista, mikä johtaa itsekantavaan kappaleeseen, joka 20 käsittää yhden tai useamman perusmetallin booria sisältävän yhdisteen, joka yhdiste sisältää perusmetallin boridia tai perusmetallin boorikar-bidia tai molempia, ja joka voi sisältää myös perusmetallin karbidia.

On myös esitetty, että suodatettava boorikarbidin massa voi sisältää myös yhtä tai useampaa boorikarbidin kanssa sekoitettua inerttistä 25 täyteainetta. Yhdistämällä siis inerttinen täyteaine saadaan sekaraken-nekappale, jonka matriisi on tuotettu perusmetallin reaktiivisella suodattamisella, joka sanottu matriisi käsittää ainakin yhden booria sisältävän yhdisteen, ja matriisi voi sisältää myös perusmetallin karbidia, joka matriisi sulkee sisäänsä inerttisen täyteaineen. Lisäksi 30 huomautetaan, että lopullinen sekarakennekappaletuote voi kummassakin yllämainitussa suoritusmuodossa (eli täyteaineen kanssa tai ilman täyteainetta) sisältää jäännösmetallin ainakin yhtenä alkuperäisen perusmetallin metallisena ainesosana.

35 Tarkemmin selvitettynä US-patentissa 4,940,679 esitetyssä menetelmässä boorikarbidia käsittävä massa sijoitetaan sulan metallin tai metalli- 4 93348 seoksen massan viereen tai sen kanssa kosketukseen, joka sulatetaan olennaisesti inerttisessä ympäristössä tietyllä lämpötila-alueella. Sula metalli suodattuu boorikarbidin massaan ja reagoi boorikarbidin kanssa muodostaen ainakin yhden reaktiotuotteen. Boorikarbidi pelkistyy ainakin 5 osaksi sulalla perusmetallilla muodostaen näin perusmetallin booria sisältävän yhdisteen (eli perusmetallin boridin ja/tai booriyhdisteen prosessin lämpötilaolosuhteissa). Tuotetaan myös tyypillisesti perusmetallin karbidi , ja tietyissä tapauksissa tuotetaan myös perusmetallin boorikarbidi. Ainakin osa reaktiotuotteesta pidetään kosketuksessa metallin kanssa, ja 10 sula metalli vetäytyy tai kulkeutuu kohti reagoimatonta boorikarbidia sydän- tai kapillaarireaktion avulla. Tämä kulkeutunut metalli muodostaa lisää perusmetallin boridia, karbidia ja/tai boorikarbidia, ja keraamisen kappaleen muodostamista tai kehittämistä jatketaan, kunnes joko perusmetalli tai boorikarbidi on kulunut loppuun, tai kunnes reaktiolämpötilaa on 15 muutettu siten, että se on reaktiolämpötila-alueen ulkopuolella. Saatava rakenne käsittää yhden tai useamman perusmetallin boridin, perusmetallin booriyhdisteen, perusmetallin karbidin, metallin (jonka on US-patentin 4,940,679 mukaisesti tarkoitettu sisältävän seoksia ja metallien välisiä yhdisteitä) tai tyhjiöitä tai mitä tahansa näiden yhdistelmiä. Nämä useat 20 faasit voivat olla lisäksi yhdistyneitä tai yhdistymättömiä yhdessä tai useassa ulottuvuudessa läpi koko kappaleen. Booria sisältävien yhdisteiden (eli boridi- ja booriyhdisteiden), hiiltä sisältävien yhdisteiden ja metallisten faasien lopullisia tilavuusosia sekä yhdentyvyyden astetta voidaan säädellä vaihtamalla yksi tai useampi olosuhde, kuten boorikar-25 bidimassan alkutiheys, boorikarbidin ja perusmetallin suhteelliset määrät, perusmetallin seokset, boorikarbidin laimentaminen täyteaineella, lämpötila ja aika.

US-patentissa 4,940,679 käytetty tyypillinen ympäristö tai kaasukehä oli 30 suhteellisen inerttinen tai reagoimaton prosessiolosuhteissa. Selvitettiin erityisesti se, että esimerkiksi argonkaasu tai tyhjiö olisivat sopivia prosessi-kaasukehiä. Selvitettiin lisäksi, että kun sirkoniumia käytettiin perusmetallina, saatava sekarakenne käsitti sirkoniumdibori-din, sirkoniumkarbidin ja jäännössirkoniummetallin. Selvitettiin myös, 35 että kun prosessissa käytettiin alumiiniperusmetallia, saatiin tulok- 5 93348 seksi alumiiniboorikarbidia, kuten A13B48C2, A1B12C2 ja/tai A1B24C4, alumiiniperusmetallin ja perusmetallin muiden reagoimattomien hapettu-mattomien ainesosien jäädessä jäljelle. Muita perusmetalleja, jotka esitettiin sopiviksi käytettäviksi prosessiolosuhteiden yhteydessä, 5 olivat pii, titaani, hafnium, lantaani, rauta, kalsium, vanadiini, niobium, magnesium ja beryllium.

Näin ollen US-patentissa 4,940,679 esitetään uusi prosessi ja prosessista saatavat uudet tuotteet, joiden avulla voitetaan ylläkuvatun 10 aikaisemman tekniikan tason monet puutteet ja tyydytetään jo pitkään vallinneet tarpeet.

Tämä keksintö on kehitetty yllämainittujen seikkojen vuoksi ja aikaisemman tekniikan tason ongelmien voittamiseksi.

15

Keksinnön mukainen menetelmä on pääasiassa tunnettu siitä, että menetelmässä tuotetaan ensimmäinen sekarakennekappale seuraavasti: valitaan perusmetalli; 20 kuumennetaan perusmetalli olennaisesti inerttisessä kaasukehässä sulamispisteensä yläpuolella olevaan lämpötilaan sulan metallin massan muodostamiseksi ja saatetaan sulan perusmetallin sanottu massa kosketukseen boorikarbidia käsittävän massan kanssa; 25 pidetään sanottua lämpötilaa yllä niin kauan, että sula perusmetalli voi suodattua massaan ja että sula perusmetalli voi reagoida boorikar-bidin kanssa ainakin yhden booria sisältävän yhdisteen muodostamiseksi; 30 jatketaan suodattamisreaktiota niin kauan, että saadaan tuotetuksi ensimmäinen sekarakennekappale, joka käsittää ainakin yhtä perusmetallin booria sisältävää yhdistettä; ja saatetaan ensimmäinen sekarakennekappale karburoivan ympäristön alai-35 seksi, jolloin ensimmäisessä sekarakennekappaleessa oleva jäänneperus- 93348 6 metalli muuttuu perusmetalli-karbidiksi, jolloin muodostuu itsekantava kappale.

Keksinnön mukainen tuote on tunnettu siitä, että se käsittää ainakin 5 yhtä metallifaasia, joka on valittu ryhmästä, johon kuuluu sirkonium, titaani ja hafnium, jota on läsnä määrässä 0,5-2 tilavuus-% ja kolmi-ulotteisesti siihen kytkettyä keraamista faasia, joka ulottuu itsekan-tavan kappaleen reunoille, mainitun keraamisen faasin käsittäessä ainakin yhtä karbidia, joka kuuluu ryhmään, johon kuuluu sirkoniumkarbidi, 10 titaanikarbidi ja hafniumkarbidi ja joka lisäksi käsittää ainakin yhtä sellaisen metallin boridia, joka vastaa mainittua karbidia, boridin rakenteen ollessa levymäinen.

Keksinnön avulla saadaan aikaan menetelmä, jonka avulla muunnetaan 15 sekarakennekappaleessa olevan perusmetallin saatavaa määrää. Tarkemmin sanottuna perusmetallin määrää voidaan muuntaa tai säädellä saattamalla sekarakennekappale (eli sekarakennekappaleessa oleva jäänneperusmetalli) alttiiksi karburoivalle ympäristölle (eli joko kaasumaiselle karbu-roivalle aineelle tai kiinteälle hiilimateriaalille), joka muuntaa 20 jäänneperusmetallin koostumusta ja sitä myötä jäänneperusmetallin ominaisuuksia. Saatavan sekarakennekappaleen ominaisuuksia voidaan lisäksi muunnella. Perusmetallit, kuten sirkonium, titaani ja hafnium, sopivat hyvin käsiteltäviksi tämän keksinnön mukaisella karburoimisprosessilla. Keksinnön kohteina ovat pääasiassa ZrB2-ZrC-Zr -sekarakennekappaleet, 25 joihin viitataan tämän jälkeen "ZBC"-sekarakennekappaleina. Tulisi kuitenkin ymmärtää, että vaikka ZBC-sekarakennekappaleita korostetaan erityisesti, samanlaisia valmistusvaiheita voidaa soveltaa myös titaani- ja hafniumperusmetailien sekarakennekappaleisiin.

30 Kun ZBC-sekarakenne on muodostettu US-patentissa 4,940,679 esitetyn prosessin mukaisesti, ZBC-sekarakenne upotetaan grafiittiseen tai hiilen donorimateriaalin petiin, joka on sijoitettu sopivaan tulenkestävään astiaan. Täytetty tulenkestävä astia kuumennetaan esimerkiksi sähkövastusuunissa, joka sisältää argonkaasukehän. Uskotaan, että kuu-35 mennuksen aikana pieniä määriä H20:ta tai 02:ta altistuu reaktiolle.

Nämä pienet määrät H20:ta tai 02:ta ovat luontaisesti läsnä argonkaasus-

II

7 93348 sa tai ne vapautuvat grafiittipetimateriaalista tai ZBC-sekarakentees-ta. Kuumennettaessa grafiittipetimateriaalissa oleva hiili voi näin ollen reagoida hapen kanssa muodostaen kaasumaisen karburoivan aineen.

On myös mahdollista järjestää karburoivan aineen suora lähde, kuten 5 esimerkiksi C0/C02-seos tai H2/CH*-seos. Esitetään teoria, että karburoivan aineen hiili sulaa ZBC-sekarakenteessa olevaan ZrCx-x-faasiin ja että hiili voi tämän jälkeen kulkeutua ZBC-sekarakenteen läpi vakans-sidiffuusiomekanismin avulla. Näin ollen hiiltä voidaan kuljettaa siten, että se tulee kosketukseen jäänneperusmetallin kanssa muodostaen 10 lisämääriä perusmetalli-karbidi-faasia (jos esimerkiksi sirkonium on perusmetalli, tuloksena on ZrCj-χ-faasi karburoimiskäsittelyn johdosta). Jonkin verran hiiltä grafiittipetimateriaalista voi kuitenkin sekoittua suoraan ZrC]_x-faasiin.

15 Tällainen karburoiminen on hyödyllistä, koska se sallii jäänneperus-metallifaasin muuntamisen esimerkiksi kovemmaksi ja tulenkestävämmäksi faasiksi. Tarkemmin sanottuna sovelluksissa, joissa edellytetään korkean lämpötilan kestävyyttä, ZBC-sekarakenne alkaa menettää lujuuttaan jäänneperusmetallifaasin sulamispisteessä tai sen yläpuolella. Kun ZBC-20 sekarakennetta jälkikäsitellään karburoimisprosessin avulla, perusme-tallifaasi muuntuu perusmetallin karbidiksi (esim. Zr-perusmetalli muuntuu ZrC:ksi). Perusmetallin määrä, joka jää tyypillisesti US-paten-tin 4,940,679 menetelmän mukaan tuotettuun ZBC-sekarakenteeseen, on noin 5-40 tilavuusprosenttia. Kun ZBC-sekarakenne saatetaan karburoin-25 tiaineen alaiseksi, jäljellä olevan jäännesirkoniumperusmetallin määrä voidaan vähentää esimerkiksi noin 0-2 tilavuusprosenttiin.

Muunnettu ZBC-sekarakenne on hyödyllinen lentokoneiden komponenttina, esim. suulakkeen sisäosana, koska alhainen metallipitoisuus sallii ZBC-30 sekarakenteen käytön myös korkealämpötilaisissa käyttökohteissa, joissa sitä ei ole aikaisemmin ajateltu mahdolliseksi, ilman että ZBC-sekarakenteen murtolujuus ja kestävyys äkkinäisiä lämmön vaihteluita vastaan vähenee. Näin ollen tämän keksinnön mukainen karburoimiskäsittely on erityisen hyödyllinen käyttökohteissa, joissa vaaditaan kestokykyä 35 korkealämpötilaista eroosiota vastaan, hyviä lämpöshokin kestävyys- 93348 8 ominaisuuksia ja hyvää korkean lämpötilan kestävyyttä esimerkiksi lämpötilassa 2200-2700 eC.

Koska karburoimisprosessi on lisäksi ajasta riippuvainen, ZBC-sekara-5 kennekappaleen päälle voidaan luoda karburoitu vyöhyke tai pinta. ZBC-sekarakennekappaleen ulkopinta voidaan näin ollen tehdä kulumisenkestä-väksi, koska ZBC-sekarakenteen keerna säilyttää korkean metallipitoisuuden, jolla on vastaava korkea murtolujuus. Tällainen sekarakenne soveltuisi erityisesti kulumislevyjen, kulumisrenkaiden ja juoksupyörän 10 sisäkkeiden valmistamiseen erilaisissa syövyttävissä ja kuluttavissa teollisuuspumppujen käyttökohteissa. Tarkemmin sanottuna sirkoniumme-tallilla on erittäin korkea korroosiokestävyys vahvoja happoja vastaan, mutta metallilla itsellään on huonot kulumisenkesto-ominaisuudet. Muuntamalla näin ollen ZBC-sekarakennekappaletta voidaan muodostaa kulumi-15 senkestävä keraaminen ulkopinta varustettuna korroosionkestävällä seka-rakenteen sisäosalla. Jos olennaisesti kaikki sirkoniummetalli muunnetaan lisäksi ZrCi.jj -faasiksi ja karburointia jatketaan, on mahdollista lisätä hiilipitoisuutta ZrC^* -faasissa (eli pitoisuudesta noin ZrC0 5B pitoisuuteen noin ZrC0 96). Jos tällainen muuntaminen toteutetaan, ZBC-20 sekarakenteen lujuuden ja tulenkesto-ominaisuuksien voidaan odottaa lisääntyvän.

Näin ollen tämä menetelmä ja sen avulla tuotettu uusi sekarakennekappa-le edistävät edelleen ZBC-sekarakennekappaleiden mahdollisia käyt-25 tösovelluksia.

Kuvio 1 on kaaviomainen poikkileikkauksellinen pystykuva ZBC-sekaraken-nekappaleesta 3, joka on upotettu grafiittijauhepetiin 2 tulenkestävään astiaan 1 tämän keksinnön mukaan tapahtuvaa prosessointia varten.

30 Tämä keksintö perustuu siihen havaintoon, että keraamisen sekaraken-nekappaleen ominaisuuksia ja erityisesti keraamista sekarakennekappa-letta, joka on valmistettu suodattamalla sirkoniumin, hafniumin tai titaanin perusmetalli reaktiivisesti boorikarbidimassaan, voidaan muun-35 taa valmistamisen jälkeen tapahtuvalla karburoimiskäsittelyllä. Tällainen karburoimiskäsittely voi muuntaa mikrorakennetta ja tätä myötä ZBC-

II

9 93348 sekarakennekappaleen osan tai olennaisesti koko ZBC-sekarakennekappa-leen saatavia mekaanisia ominaisuuksia.

US-patentin 4,940,679 mukaan tuotettua ZBC-sekarakennekappaletta voi-5 daan muuntaa saattamalla sekarakenne alttiiksi kaasumaiselle karburoi-mis-aineelle. Tällainen kaasumainen karburoimisaine voidaan tuottaa esimerkiksi upottamalla ZBC-sekarakennekappale grafiittipetiin ja antamalla ainakin osan grafiittipedistä reagoida kosteudella tai hapella säädetyssä kaasukehäuunissa. Uunin kaasukehän tulisi kuitenkin käsittää 10 tyypillisesti pääosin reagoimattoman kaasun, kuten argonin. Matheson Gas Products, Inc. -yhtiön argonkaasun käyttäminen tuottaa toivotut tulokset. Ei ole selvää, syöttävätkö argonkaasussa olevat epäpuhtaudet tarvittavan 02:n karburoimisaineen muodostamiseksi tai toimiiko argon-kaasu pelkästään väliaineena, joka sisältää epäpuhtauksia, jotka on 15 synnyttänyt grafiittipedissä tai ZBC-sekarakennekappaleessa olevien ainesosien jonkintyyppinen haihtuminen. Kaasumainen karburoimisaine voitaisiin järjestää lisäksi suoraan säädettyyn kaasukehäuuniin ZBC-sekarakennekappaleen kuumentamisen aikana.

20 Kun kaasumainen karburoimisaine on syötetty säädettyyn kaasukehäuuniin, kooste tulisi suunnitella siten, että se sallii karburoimisaineen pystyvän kosketukseen ainakin ZBC-sekarakennekappaleen pinnan osan kanssa, joka on upotettu irtonaisesti tiivistettyyn grafiittijauheeseen. Uskotaan, että kaasumaisessa karburoimisaineessa oleva hiili tai grafiitti-25 pedistä tuleva hiili hajautuu yhdistyneeseen sirkoniumkarbidifaasiin, joka voi tämän jälkeen haluttaessa kuljettaa hajautuneen hiilen olennaisesti läpi koko ZBC-sekarakennekappaleen vakanssidiffuusioprosessin avulla. Hiilen hajautuminen jäännesirkoniumperusmetalliin on melko vähäistä. Jos zirkoniumkarbidifaasia ei ole, ei olisi näin ollen käy-30 tännöllistä tai taloudellista yrittää hajauttaa hiiltä ZBC-sekarakenne-kappaleessa olevan kaiken jäännesirkoniummetallin läpi, koska prosessi vaatisi kohtuuttoman pitkän ajan. Tässä suhteessa hiilen hajautuminen sirkoniumkarbidifaasiin ja sirkoniummetallifaasiin ovat molemmat ajasta riippuvaisia. Hiilen kuljetusnopeus sirkoniumkarbidifaasissa on kuiten-35 kin paljon suurempi kuin hiilen kuljetusnopeus sirkoniummetallifaasis-sa. Kun toivottu määrä hiiltä on hajautunut ZBC-sekarakennekappaleeseen 10 93348 ja Culee kosketukseen jäännesirkoniumperusmetallin kanssa, sirkoniumpe-rusmetalli muuntuu ZrC:ksi. Tällainen muuntuminen on toivottavaa, koska muunnetulla ZBC-sekarakennekappaleella on parempi lujuus ja parempi kimmomoduuli sekä taivutuslujuuden että sitkeyden rajoitetulla kustan-5 nuksella. Lisäksi korkean lämpötilan ominaisuudet parantuvat myös ZBC-sekarakenteessa olevan alemman metallipitoisuuden vuoksi. On havaittu, että ZBC-sekarakenteita, joissa on jäänneperusmetallia noin 5-30 tilavuusprosenttia, voidaan muuntaa jälkikarburoimismenetellyllä siten, että ZCC-sekarakennekappaleeseen jäävän perusmetallin määrä on noin 0-2 10 tilavuusprosenttia, tyypillisesti noin 1/2 - 2 tilavuusprosenttia. Näin ollen olennaisesti kaikki perusmetalli, tyypillisesti kuitenkin noin 4 1/2 - 28 tilavuusprosenttia perusmetallista, voidaan muuntaa sirko-niumista ZrC:ksi.

15 Säätämällä lisäksi ZBC-sekarakennekappaleen alttiinaoloaikaa karburoi-misaineelle ja lämpötilaa, jossa karburoimisprosessi tapahtuu, karbu-roitunut vyöhyke tai kerros voidaan muodostaa ZBC-sekarakennekappaleen ulkopinnalle. Tällainen prosessi voi johtaa kovaan, kulumista kestävään pintaan, joka ympäröi ZBC-sekarakennemateriaalin keernaa, jolla on 20 korkeampi metallipitoisuus ja suurempi murtolujuus.

Yhteenvetona todettakoon, että on saatu selville, että saattamalla ZBC-sekarakenne, joka sisältää tyypillisesti noin 5-30 tilavuusprosenttia jäännesirkoniumperusmetallia, alttiiksi karburoimisaineelle noin 25 1500-2200 °C:en lämpötilassa toimivassa, säädetyssä kaasukehäuunissa noin 5-48 tunnin ajan kaasukehässä, joka tuottaa ainakin jonkin verran kosteutta tai happea lopun kaasukehästä ollessa argonia, ZBC-sekaraken-ne karburoituu, mikä johtaa toivottavampaan sekarakennekappaleeseen.

30 Seuraavassa esitetään yksi esimerkki tästä keksinnöstä. Esimerkin tarkoituksena on havainnollistaa sekarakennekappaleen, erityisesti ZBC-sekarakennekappaleen, jälkikarburoimiskäsittelyn eri puolia. Tämä esimerkki ei kuitenkaan rajoita keksinnön laajuutta.

Il 11 93348

Esimerkki 1

Tuotettiin US-patentissa 4,940,679 esitetyn esimerkin 1 mukainen ZBC-sekarakennekappale. Taulukossa 1 esitetään muodostetun ZBC-sekarakenne-5 kappaleen erilaisia mekaanisia ominaisuuksia. ZBC-sekarakennekappaleen kaikilta pinnoilta poistettiin ultraäänisesti rasva asetonilla ja etanolilla. ZBC-sekarakenne upotettiin tämän jälkeen erittäin puhtaaseen grafiittijauhepetiin, jonka hiukkasten keskimääräinen halkaisija oli noin 75 mikronia. Grafiittijauhe ostettiin Lonza, Inc. -yhtiöltä ja 10 tunnistettiin KS-75:ksi. Grafiittijauhepeti sijoitettiin grafiittimuot-tiin (Grade ATJ, Union Carbide). Muotti peitettiin päälipinnaltaan grafiittipeitelevyllä. Upotetun ZBC-sekarakenteen koko kooste sijoitettiin tämän jälkeen suljetun kaasukehän vastuskuumennettavaan uuniin. Uunin kaasukehä oli argon (Matheson Gas Products, Inc.). Uuni tyhjen-15 nettiin ensin huoneen lämpötilassa paineeseen 1 x 10‘* Torr (0,013 Pa) ja täytettiin sen jälkeen argonilla. Uuni tyhjennettiin sitten paineeseen noin 1 x 10"2 Torr (0,33 Pa) ja kuumennettiin noin 500 °C:en lämpötilaan tyhjön alaisena. Uuni täytettiin uudelleen argonilla, joka jäi virtaamaan nopeudella noin yksi litra minuutissa ja jota pidettiin noin 20 2 psi:n (13,8 kPa) paineessa. Uuni kuumennettiin noin 1750 °C:en lämpö tilaan kuuden tunnin aikana ja pidettiin 1750 °C:ssa noin 12 tuntia. Uunia jäähdytettiin tämän jälkeen noin kuusi tuntia. Jäähdyttämisen jälkeen karburoitunut ZBC-sekarakenne poistettiin uunista ja ylimääräinen grafiittijauhe poistettiin hiekkapuhalluksella.

25

Taulukossa 1 esitetään ZBC-sekarakenteen mekaaniset ominaisuudet kar-buroimiskäsittelyn jälkeen. On selvää, että jäännesirkoniumperusmetal-lin määrä pieneni noin 10 tilavuusprosentista noin 1/2 tilavuusprosenttiin; lujuus, kimmomoduuli ja leikkausmoduuli paranivat. Paraneminen 30 tapahtui kuitenkin taivutuslujuuden rajoitetulla kustannuksella. Huoma-tettakoon, että noin 500 MPa:n taivutuslujuus riittää moniin lentokone s ove1luks i in.

93348 12

Taulukko 1

Ennen karburoimista Karburoimisen jälkeen 5 Zr-pitoisuus, til.-% 9,9 0,5

Lujuus 80,6 HRA 81,9 HR

1011 HK 1388 HK

10

Kimmomoduuli, GPa 364 442

Leikkausmoduuli, GPa 158 184 15 Taivutusluj uus, MPa (nelipiste) 875 497

Vaikka tämä keksintö on esitetty suositeltavien suoritusmuotojensa 20 mukaisesti, tulee ymmärtää, että keksintö ei rajoitu tässä yhteydessä esitettyyn tarkkaan kuvaukseen, vaan alan asiantuntijat voivat tehdä siihen erilaisia muutoksia, muunnelmia ja parannuksia poikkeamatta patenttivaatimuksissa esitystä keksinnön laajuudesta.

25

II

Claims (8)

93348 Patentt ivaat imuks e t

1. Menetelmä keraamisen itsekantavan kappaleen tuottamiseksi, tunnettu siitä, että menetelmässä tuotetaan ensimmäinen sekarakenne- 5 kappale seuraavasti: valitaan perusmetalli; kuumennetaan perusmetalli olennaisesti inerttisessä kaasukehässä sula-10 mispisteensä yläpuolella olevaan lämpötilaan sulan metallin massan muodostamiseksi ja saatetaan sulan perusmetallin sanottu massa kosketukseen boorikarbidia käsittävän massan kanssa; pidetään sanottua lämpötilaa yllä niin kauan, että sula perusmetalli 15 voi suodattua massaan ja että sula perusmetalli voi reagoida boorikar-bidin kanssa ainakin yhden booria sisältävän yhdisteen muodostamiseksi; jatketaan suodattamisreaktiota niin kauan, että saadaan tuotetuksi ensimmäinen sekarakennekappale, joka käsittää ainakin yhtä perusmetal-20 Iin booria sisältävää yhdistettä; ja saatetaan ensimmäinen sekarakennekappale karburoivan ympäristön alaiseksi, jolloin ensimmäisessä sekarakennekappaleessa oleva jäänneperus-metalli muuttuu perusmetalli-karbidiksi, jolloin muodostuu itsekantava 25 kappale.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ensimmäinen sekarakennekappale saatetaan karburoivan ympäristön alaiseksi siten, että se upotetaan grafiittijauheeseen ja argonkaasua 30 saatetaan kosketukseen sanotun jauheen ja ensimmäisen sekarakennekappa-leen kanssa, ja grafiittijauheeseen upotettua ensimmäistä sekarakenne-kappaletta kuumennetaan kontaktissa argonkaasun kanssa korotettuun lämpötilaan, jolloin saadaan tuotetuksi karburoiva aine jäännösperusmetallin muuttamiseksi ensimmäisessä sekarakennekappaleessa perusmetalli-35 karbidikomponentiksi, mikä johtaa itsekantavan kappaleen muodostumiseen. 93348

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että C0/C02:n ja H2/CH*,:n ryhmästä valittu karburoiva kaasu saatetaan kosketukseen ensimmäisen sekarakennekappaleen kanssa.

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että karburoiminen tapahtuu noin 1500-2200 °C:en lämpötilassa.

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että karburoiminen toteutetaan noin 5-48 tunnin aikana. 10

6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että karburoiminen toteutetaan noin 1500-2200 °C:en lämpötilassa noin 5-48 tunnin aikana.

7. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen 1-6 mukaisen menetelmän mukaisesti tehty keraaminen itsekantava kappale, tunnettu siitä, että se käsittää ainakin yhtä metallifaasia, joka on valittu ryhmästä, johon kuuluu sirkonium, titaani ja hafnium, jota on läsnä määrässä 0,5-2 tilavuus-% ja kolmiulotteisesti siihen kytkettyä kerää-20 mistä faasia, joka ulottuu itsekantavan kappaleen reunoille, mainitun keraamisen faasin käsittäessä ainakin yhtä karbidia, joka kuuluu ryhmään, johon kuuluu sirkoniumkarbidi, titaanikarbidi ja hafniumkarbidi ja joka lisäksi käsittää ainakin yhtä sellaisen metallin boridia, joka vastaa mainittua karbidia, boridin rakenteen ollessa levymäinen. 25

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen sekarakenne, tunnettu siitä, että metallifaasi on sirkoniumia, karbidi on sirkoniumkarbidi ja boridi on sirkoniumboridi. 30 II 93348