FI93540B - Menetelmä itsekantavan keraamisen sekarakenteen tuottamiseksi ja itsekantava keraaminen sekarakenne - Google Patents

Description

93540

Menetelmä itsekantavan keraamisen sekarakenteen tuottamiseksi ja itsekantava keraaminen sekarakenne Förfarande för producering av en självbärande keramisk sammansatt struktur samt en självbärande keramisk sammansatt struktur 5

Keksinnön kohteena on menetelmä itsekantavan keraamisen sekarakenteen tuottamiseksi, käsittäen metallikarbidia.

10

Keksinnön kohteena on myös itsekantava keraaminen sekarakenne.

Tämän keksinnön kohteena ovat tarkemmin menetelmät itsekantavien keraamisten kappaleiden valmistamiseksi, jotka käsittävät titaani-, hafnium-15 tai sirkoniumkarbideja sekä tällaisilla menetelmillä saatavat tuotteet.

Esiintyy huomattavaa mielenkiintoa käyttää keramiikkaa ja keraamisia sekarakenteita monissa erilaisissa teollisissa, sähköisissä ja rakenteellisissa sovelluksissa. Lukuisia ominaisuuksia, jotka ovat näille 20 materiaaleille tunnusomaisia, kuten kovuus, tulenkestävyys, lämmön- ja sähköneristävyys sekä eroosion- ja korroosionkestävyys, voidaan käyttää edullisesti ja hyödyllisesti lopullisesta käyttökohteesta riippuen. Keramiikalla ja keraamisilla sekarakenteilla voidaan tuottaa myös mielenkiintoisia vaihtoehtoja metalleille monissa käyttökelpoisissa sovel-25 luksissa, ja niillä voidaan mahdollistaa uusien komponenttien kehittäminen, joihin metallit tai muut materiaalit eivät sovellu.

On kuitenkin olemassa useita rajoituksia korvattaessa metalleja keramiikalla, ja keraamisten komponenttien kehittämiseen ja tuotantoon 30 teknologisesti edistyneisiin sovelluksiin liittyy ongelmia. Tunnettuihin menetelmiin keraamisten komponenttien valmistamiseksi liittyy jau-hepohjainen valmistaminen tyypillisimmin korkeissa lämpötiloissa ja paineissa esimerkiksi kuumapuristamalla, reaktiosintrauksella ja reak-tiokuumapuristamalla. Tässä teknologiassa keramiikan valmistamiseksi on 35 lukuisia puutteita. Näitä rajoituksia tai puutteita ovat esimerkiksi mitoittaminen, kyky tuottaa monimutkaisia muotoja, sintrattavien jauheiden korkeat kustannukset, jauheiden ominaisuuksien erittäin tapahtuva uudelleentuotettavuus ja olennainen kutistuminen sintrauksen yh- 2 93540 teydessä. Tämän keksinnön avulla voitetaan nämä rajoitukset tai puutteet ja tuotetaan uusi menetelmä, jonka avulla voidaan tuottaa luotettavasti tulenkestäviä metallisia karbidisekarakenteita.

5 Keraamiset karbidit ovat alalla hyvin tunnettuja, ja niitä on tutkittu laajasti keramiikkateollisuudessa. Näiden materiaalien komponentit, jotka on valmistettu tavanomaisilla jauheenprosessointitekniikoilla, ovat saavuttaneet myös rajoitettua kaupallista menestystä. On kehitetty erilainen prosessi piiyhtyneen piikarbidin valmistamiseksi, joka tuot-10 taa itsesitoutuneen keraamisen kappaleen. Yhdessä tällaisessa prosessissa, joka tunnetaan REFEL-prosessina, sula pii saatetaan suodattamaan hiilen ja piikarbidin huokoinen esimuotti. Sula pii reagoi hiilen kanssa muodostaen lisää piikarbidia, joka täyttää osittain esimuotin välitilat. Saatavat keraamiset komponentit ovat suhteellisen tiheitä ja 15 hauraita muodostuen piikarbidista ja piistä. Vaikka tämä prosessi on tullut hyvin tunnetuksi ja vaikka sillä on laaja patenttikattavuus, mikään ei viittaa siihen, että REFEL-prosessi tai muut vastaavat prosessit soveltuvat käytettäviksi muiden alkuaineiden tai metallien kanssa. Itse asiassa pii on jaksollisen järjestelmän taulukon ryhmän IVB 20 ainoa alkuaine, joka muodostaa keraamisen karbidin reagoimalla sulan alkuainehiilen kanssa, ja tämän vuoksi ei ole mitään syytä uskoa, että muita metalleja voidaan käyttää vastaavanlaisessa prosessissa. (Mikä tahansa viittaus jaksollisen järjestelmän taulukkoon tulee kirjasta "Handbook of Chemistry and Physics", 66th Edition, 1985-1986, CRC 25 Press, Inc., Previous IUPAC Form.)

Korkeaa lämpötilaa kestäviä artikkeleita on kuvattu Ahosille myönnetyssä US-patentissa 3,288,573. Tämän patentin opetusten mukaisesti esitetään sekarakenne, joka koostuu grafiittihiukkasista, joita ympäröi 30 karbidia muodostavan materiaalin kotelo, joita materiaaleja ovat esimerkiksi titaani, sirkonium, hafnium, vanadiini, nikkeli, tantali, kromi, molybdeeni, volframi ja pii. Tämän patentin prosessin mukaisesti esikuumennettu huokoinen grafiittimassa suodatetaan piin sulalla massalla tai muulla tunnistetulla materiaalilla, joka reagoi osittain 35 grafiittihiukkasten kanssa, jotta voidaan muodostaa karbidikotelot kunkin hiukkasen ympärille. Koska saatava tuote sisältää vapaata hiil-

II

3 93540 tä, tuotteella on tiettyjä grafiitin ominaisuuksia, joista huomattavin on lämpöshokinkestävyys.

Materiaalit, joilla on potentiaalisesti parempia ominaisuuksia tiet-5 tyjen komponenttien yhteydessä, ovat ryhmän IVA metalleja, kuten titaani, sirkonium ja hafnium. On tunnettua, että titaani-, sirkonium-ja hafniumkarbideja voidaan tuottaa menetelmällä, joka tunnetaan itse-etenevänä korkealämpötilaisena synteesinä, jossa metallin ja hiilen jauheseos sytytetään paikallisesti kuumentamalla siten, että saatava 10 palamisrintama pyyhkäisee seoksen läpi, mikä johtaa metallikarbidin muodostumiseen. Tämän menetelmän päähaitta on kuitenkin se, että kun imeytyneet epäpuhtaudet palavat, tapahtuu kaasujen voimakas kehittyminen, mikä aiheuttaa huokoisen ja epähomogeenisen mikrorakenteen. Huokoisuutta voi myös aiheuttaa reaktiotuotteen sulattaminen reaktion 15 äärimmäisessä kuumuudessa, mitä seuraa paikallinen kutistuminen uudel-leenjähmettymisen yhteydessä. Joissakin tapauksissa mikrorakenteeseen voidaan saada aikaan parannus asettamalla painetta palamisen aikana.

Tämän keksinnön avulla saadaan aikaan laajasti ottaen uusi ja parempi 20 menetelmä keraamisten artikkeleiden valmistamiseksi, jotka käsittävät ryhmän IVA metallien karbidimateriaalit. Tässä laajassa merkityksessä keksinnön menetelmä käsittää vaiheet, joissa perusmetalli järjestetään ryhmästä, johon kuuluu titaani, sirkonium ja hafnium (ryhmän IVA metallit), pintakosketukseen läpäisevän täyteainemassan ja hiilen lähteen 25 kanssa sulan perusmetallin kanssa tapahtuvan reaktion yhteydessä sen karbidin muodostamiseksi. Hiilen lähteen hiiliosa tai -osuus on läsnä stökiömetrisessä määrässä suhteessa ryhmän IVA metalliin siten, että olennaisesti kaikki hiili reagoi. Täyteaine käsittää ainakin ryhmän IVA metallikarbidin tai toisen suhteellisen inerttisen täyteaineen tai 30 näiden yhdistelmän.

Hiukkasmaisessa muodossa oleva metallikarbiditäyteaine sekoitetaan hiilen lähteen kanssa läpäisevän massan tai pedin muodostamiseksi, joka on mielellään muotoiltu esimuotiksi. Lisäksi peti tai esimuotti voi 35 sisältää yhden tai useamman olennaisesti inerttisen tai reagoimattoman täyteaineen vahvistavana aineena, joita ovat esimerkiksi metallin oksi- 4 93540 dit, karbidit, nitridit, boridit ja vastaavat. Täyteaine, olipa se sitten ryhmän IVA metallikarbidi ja/tai muu täyteaine, toimii myös laimentimena säätäen hiilimetallireaktion eksotermistä luonnetta. Hiilen lähde voi sopivasti olla alkuainehiili, joka voi olla esimerkiksi 5 läsnä täyteaineen kanssa sekoitettujen grafiittihiukkasten kanssa huokoisen pedin tai esimuotin aikaansaamiseksi. Hiilen lähde voi haluttaessa olla pelkistyvä metallikarbidi, kuten molybdeenikarbidi, ja saatava tuote käsittää perusmetallin karbidin ja molybdeenin sekä valinnaisesti reagoimatonta perusmetallia sekä täyteaineen.

10

Perusmetalli kuumennetaan olennaisesti inerttisessä ilmakehässä sulamispisteensä yläpuolelle muodostamaan sulan metallin massan. Lämpötilaa ja pintakosketusta pidetään yllä niin kauan, että voidaan saada aikaan sulan metallin vähitellen tapahtuva suodattuminen läpäisevään massaan 15 ja että voidaan sallia tai aiheuttaa metallin reaktion hiilen lähteen kanssa perusmetallin karbidin muodostamiseksi. Suodattamista/reaktiota jatketaan niin kauan, että karbidinmuodostamisreaktio voidaan ainakin olennaisesti saattaa loppuun. Jäähdytettäessä saadaan tuotetuksi itse-kantava keraaminen sekarakenne käsittäen täyteaineen, jonka on sulkenut 20 sisäänsä titaanikarbidi, sirkoniumkarbidi tai hafniumkarbidi, joka on muodostettu paikan päällä sulan metallin ja hiilen lähteen hiilen välisen suodattamisreaktion avulla. Lisäsuoritusmuodossa, jos perusmetallia käytetään liikaa suhteessa hiilen stökiömetriseen määrään, sekarakenne sisältää reagoimatonta perusmetallia.

25

Yhdessä suoritusmuodossa täyteaine voi olla metallin karbidi, joka vastaa perusmetallia. Toisin sanoen jos perusmetalli on titaani, metallin karbidi täyteaineena voi olla titaanikarbidi. Tässä tapauksessa lopputuote käsittää titaanikarbidin, joka on muodostettu reaktiotuot-30 teenä ja titaanikarbidin täyteaineena. Tämän keksinnön suositeltavassa suoritusmuodossa ryhmän IVA metallikarbidi täyteaineena koostuu (paitsi hiilestä) ryhmän IVA metallista, joka on muu kuin perusmetalli. Jos täyteaineena toimivan metallikarbidin metalli eroaa perusmetallista, muodostuu tertiaarisen järjestelmän kiinteä liuos hiilen ja/tai inert-35 tisen täyteaineen ja kahden metallin välille. Lisäsuoritusmuodossa täyteaine on suhteellisen inerttinen yhdiste, kuten metallin oksidi, il 5 93540 boridi, nitridi, jne., pikemminkin kuin karbidi. Voidaan käyttää myös täyteaineena karbidin ja ei-karbidin seosta. Täyteaineiden valinta mahdollistaa saatavan sekarakenteen ominaisuuksien muokkaamisen, kuten alla on yksityiskohtaisemmin selvitetty.

5 Tämän keksinnön mukaan tuotetut keraamiset tuotteet käsittävät ryhmän IVA metallikarbidimateriaalien sekarakenteen, joka sisältää (a) sulan perusmetallin reaktiotuotteen hiilen lähteen kanssa ja (b) metallikar-biditäyteaineen ja/tai inerttisen täyteaineen, tertiaarisen kiinteän 10 karbidiliuoksen tai molemmat ja (c) valinnaisesti vapaata perusmetallia ja/tai hiilen lähteestä pelkistynyttä metallia riippuen sellaisista tekijöistä kuin perusmetallin määrä suhteessa hiilen lähteeseen, täyteaineen tyyppi (täyteaineiden tyypit) ja hiilen lähteen tyyppi.

15 Tätä keksintöä sovellettaessa ryhmän IVA perusmetalli ja hiilen sekä täyteaineen (täyteaineiden) käsittävä läpäisevä massa asetetaan suhteessa toisiinsa pintakosketuksessa siten, että sula perusmetalli suodattuu massaan. Perusmetalli, joka valitaan titaanista, sirkoniumista ja hafniumista koostuvasta ryhmästä, voi olla puhdas tai suhteellisen 20 puhdas metalli, kaupallisesti saatava metalli epäpuhtauksineen tai siihen lisättyine ainesosineen tai seos, jossa tunnistettu perusmetalli on pääainesosa. Perusmetallin ja läpäisevän massan asettaminen ja sijoittaminen suhteessa toisiinsa voidaan suorittaa monella eri tavalla. Perusmetallin massa voidaan esimerkiksi upottaa massaan, kuten kuviossa 25 1 on havainnollistettu tai perusmetallin massa voidaan sijoittaa täl laisten täyteaineiden pedin tai muun koosteen viereen tai näiden kanssa rinnan.

Läpäisevä massa tai peti, joka on mielellään muotoiltu esimuotiksi, 30 käsittää ainakin yhden täyteaineen ja hiilen lähteen sulan perusmetallin kanssa tapahtuvan reaktion mahdollistamiseksi, jotta voidaan muodostaa sen karbidi. Hiilen lähde voi olla alkuainehiili tai sulalla metallilla pelkistyvä metallin karbidi, ja perusmetallin määrä suodattee-na on sellainen, jota vaaditaan stökiömetrisesti, jotta voidaan olen-35 naisesti saattaa loppuun hiilen lähteen hiilen osuuden reaktio. Olennaisesti hiilen lähteen koko hiiliosuuden tulee reagoida, koska mikä 6 93540 tahansa reagoimaton hiili pyrkisi heikentämään materiaalin kovuutta ja mahdollisesti muita tärkeitä ominaisuuksia. Jos alkuainehiiltä käytetään hiilen lähteenä, hiilen tulisi ihanteellisesti olla suhteellisen puhdasta, koska hiileen tyypillisesti liittyvät monet epäpuhtaudet, 5 kuten vety ja hiilivety, kehittyvät kaasuina prosessointilämpötiloissa, mikä saattaa aiheuttaa huokoisuutta keraamiseen tuotteeseen. Sopiva alkuainehiili on esimerkiksi grafiitti, hiilimusta ja kiviöljykoksi, ja hiili voi olla kiteytymätöntä tai kiteistä. Hiili voi olla missä tahansa sopivassa muodossa, kuten jauheena, hiukkasina, kuituna, hiutaleina 10 tai vastaavana, ja sen koko voi olla miinus 325 Tylerin seulamitta - miinus 20 Tylerin seulamitta (45 mikronia - 830 mikronia) ja mieluummin noin plus 100 Tylerin seulamitta - miinus 48 Tylerin seulamitta (145 mikronia - 325 mikronia).

15 Tämän keksinnön mukaisissa prosessiolosuhteissa reaktio on taipuvainen olemaan eksoterminen, ja hiilen tietyt lajit, tyypit tai koot voivat olla liian reaktiivisia, mikä johtaa halkeamien tai vikojen syntymiseen keraamiseen tuotteeseen. Tästä syystä kiteytymätön hiili tai hiili-jauhe, joka on liian hienojakoista, voi olla liian reaktiivinen ja tätä 20 myötä soveltumaton hiilen lähteeksi, ellei reaktiota lievennetä esimerkiksi käyttämällä sopivaa täyteainetta. Kiteisempi hiili pyrkii olemaan vähemmän reaktiivinen, ja grafiitti, erityisesti suuret hiutaleet, ei ole yhtä reaktiivinen kuin hiilimusta. On yleensä sopivampaa käyttää hiilen erittäin reaktiivisia lajeja suurempina kokoina, jotta reaktiota 25 voidaan lieventää. Myös petiin tai esimuottiin sisällytetty täyteaine lieventää reaktiota sekä toimii täyteaineena lopputuotteelle, mitä on selvitetty alla yksityiskohtaisemmin.

Hiilen lähde voi haluttaessa olla yksi tai useampi metallikarbidi, joka 30 on pelkistettävissä sulalla perusmetallilla. Metallikarbidia voidaan käyttää yhdessä alkuainehiilen kanssa, mutta läsnäolevan kokonaishiili-lähteen määrä ei ole suurempi kuin stökiömetrinen määrä, joka vaaditaan, jotta voidaan olennaisesti saattaa loppuun hiilen lähteen hiilen reaktio. Sopivia metallikarbideja ovat esimerkiksi molybdeenikarbidi, 35 kromikarbidi, kobolttikarbidi, rautakarbidi, nikkelikarbidi ja vana-diinikarbidi. On havaittu, että ryhmän IVA metallikarbidi, joka eroaa 7 93540 perusmetallista, voi olla pelkistettävissä perusmetallilla, mutta reaktio on liian hidas ollakseen erittäin hyödyllinen. Kun käytetään pelkistyvää metallikarbidia, sula perusmetalli reagoi muodostaen uuden karbidin ja pelkistyneen metallin. Jos käytetään esimerkiksi rautakar-5 bidia tai molybdeenikarbidia täyteaineena titaaniperusmetallin yhteydessä, saatava sekarakenne sisältää titaanikarbidia ja rautaa tai molybdeenia. Tällä tavoin toinen metallinen ainesosa, kuten rauta tai molybdeeni, sisällytetään lopulliseen tuotteeseen, mikä helpottaa seka-rakennemikrorakenteen ja sen ominaisuuksien muokkaamista. Tällaisessa 10 tapauksessa molybdeenillä on korkeampi sulamispiste, ja se on venyvämpi kuin titaani, ja tämän vuoksi on toivottavampaa tuottaa keraaminen titaanikarbidi, joka sisältää molybdeenimetallia mikrorakenteessa, jotta voidaan saavuttaa tuote, jolla on molybdeenin läsnäolosta johtuva yksi tai useampi ominaisuus. Lisäetuna suhteessa suoraan reaktioon 15 hiilen ja perusmetallin kanssa pelkistyvä metallikarbidi lieventää reaktioprosessia, joka pyrkii olemaan eksoterminen, ja tämän vuoksi pelkistyvä metallikarbidi, jota käytetään vaihtoehtoisesti tai yhdessä alkuainehiilen kanssa, voi olla erityisen hyödyllinen siten, että hiilen suhteellisen korkeaa reaktiviteettia lievennetään metallikarbidil-20 la.

Keksinnön yhdessä suoritusmuodossa täyteaineena käytettävä metallikarbidi voi koostua metallista, joka vastaa perusmetallia tai on mieluummin eri metalli. Kummassakin tapauksessa metallikarbidinen täyteaine 25 toimii täyteaineena lopullisessa tuotteessa. Esimerkiksi titaaniperusmetallin ja täyteaineena toimivan titaanikarbidin koosteessa pedille tai esimuotille (käsittäen myös hiilen lähteen), lopputuote sisältää sekä karbidit, nimittäin metallikarbidin, joka oli alunperin läsnä pedissä tai esimuotissa, että metallikarbidin, joka muodostui perusme-30 tallin ja hiilen lähteen välisellä reaktiolla. Metallikarbidi täyteaineena auttaa lieventämään reaktiota johtuen sen epäreaktiviteetista ja sen vapaan lämmön absorptiosta, mikä voi olla erityisen hyödyllinen käytettäessä reaktiivisempaa hiiltä, esimerkiksi kiteetöntä hiilimus-taa. Lisäksi ryhmän IVA metallikarbidit muodostavat monia tertiaarisia 35 kiinteitä liuoksia välillään, kuten (ZrxTi1.x)C, (HfxTi1.x)C ja 8 93540 (ZrxHf1_x)C. Tämän vuoksi keksinnön yhden suoritusmuodon yhteydessä, kun ryhmän IVA metalli suodattuu petiin tai esimuottiin, joka sisältää perusmetallista eroavan ryhmän IVA metallikarbidin, muodostuu helposti tällaisia kiinteitä liuoksia. Edelleen ryhmän IVA metallikarbidien li-5 säksi metallikarbideja voidaan käyttää täyteaineena ja ohenteena reaktiota lievennettäessä, kunhan muut metallikarbidit ovat stabiileja ollessaan kosketuksessa hiilen lähteen ja sulan perusmetallin kanssa. Tällaisia metallikarbideja ovat esimerkiksi piikarbidi, tantaalikarbidi ja volframikarbidi. Näin havaitaan, että ryhmän IVA metallikarbidien 10 valinta joko yksin tai yhdessä muiden täyteaineiden kanssa tuottaa myös edullisen menetelmän tuotteen kemian ja mikrorakenteen ja tätä myötä ominaisuuksien muokkaamiseksi. Erityisesti lämmönjohtavuus vähenee, sähkönkestävyys lisääntyy ja kovuus parantuu kiinteiden liuosten muodostamisen välityksellä. Kiinteissä liuoksissa olevien kahden tai 15 useamman komponentin suhteellista suhdetta voidaan säädellä joko seostamalla metallin massa tai järjestämällä jauhemaisten karbidien seos huokoiseen esimuottiin tai petiin. Haluttaessa molemmat karbidit voivat koostua samasta metallista tai yhtä tai useampaa metallikarbidia voidaan käyttää täyteaineena tai voidaan käyttää täyteaineiden seosta, 20 joka voi olla ennalta määrätty perustuen lopputuotteelta vaadittaviin ominaisuuksiin.

Hiilen lähteen yhteydessä käytettävällä täyteaineella tulisi olla riittävän korkea sulamispiste, jotta stabiliteetti voitaisiin säilyttää 25 prosessiolosuhteissa. Täyteaineen sulamispiste valitaan tyypillisesti siten, että se on korkeampi kuin perusmetallin sulamispiste ja proses-silämpötila. Prosessilämpötilaa voidaan jonkin verran alentaa käyttämällä hyväksi perusmetallin seosta, jolla on alempi sulamispiste kuin puhtaalla perusmetallilla, ja tällöin täyteainetta, jolla on vastaavas-30 ti alempi sulamispiste, voidaan käyttää prosessissa.

Keksinnön mukaisesti perusmetallin sula massa sijoitetaan läheiseen kosketukseen läpäisevän massan tai pedin kanssa pitkin sen pintaa tai vyöhykettä, joka käsittää täyteaineen ja hiilen lähteen. Peti voidaan 35 asettaa suhteessa perusmetalliin millä tahansa tavalla, kunhan metallin suodattumisen ja reaktiotuotteen suunta/kehittyminen on kohti ainakin 9 93540 pedin osaa ja kattaa ainakin osan pedistä sitä olennaisesti häiritsemättä tai syrjäyttämättä. Haluttaessa yksi tai useampi täyteaine, joka on olennaisesti inerttinen tai reagoimaton prosessiolosuhteissa, voidaan sisällyttää petiin tai esimuottiin. Sopivat inerttiset täyteaineet 5 voidaan valita metallien oksideista, borideista, nitrideistä ja karbideista, joita metalleja ovat alumiini, titaani, sirkonium, hafnium, tantaali, serium, skandium, torium, uraani ja yttrium. Nämä inerttiset täyteaineet voivat olla hyödyllisiä tuottamaan toivotut lopulliset ominaisuudet sekarakenteelle. Mitkä tahansa pedissä käytettävät täyte-10 aineet voivat käsittää keraamisia tai metallisia kuituja, karvoja, hiukkasia, jauheita, sauvoja, tulenkestävän kankaan, tulenkestävän keraamisen vaahdon, levyjä, levykkeitä, kiinteitä palloja ja onttoja palloja. Täyteaineiden peti tai esimuotti voi lisäksi olla homogeeninen tai heterogeeninen.

15

Erityisen tehokas menetelmä tämän keksinnön soveltamiseksi sisältää hiilen lähteen ja täyteaineen (täyteaineiden) pedin muodostamisen esimuottiin varustettuna muodolla, joka vastaa lopullisen sekarakenneosan toivottua geometriaa. Esimuotti voidaan valmistaa millä tahansa ta-20 vanomaisella keraamisen kappaleen muodostusmenetelmällä (joita ovat yksiakselinen puristus, isostaattinen puristus, liukuvalu, sediment-tivalu, nauhavalu, ruiskutuspuristus, kuituisten materiaalien kuitu-kierrätys, jne.) riippuen hiilen lähteen ja täyteaineiden ominaisuuksista. Hiukkasten tai kuitujen alkuperäinen sitominen ennen reaktii-25 vista suodattumista voidaan saada aikaan kevyellä sintrauksella tai käyttämällä erilaisia orgaanisia tai epäorgaanisia sideaineita, jotka eivät häiritse prosessia tai tuota ei-toivottavia sivutuotteita lopulliseen materiaaliin. Esimuotti valmistetaan siten, että sillä on riittävän yhtenäinen muoto ja raakalujuus, ja sen tulisi olla läpäisevä 30 sulan perusmetallin kululle. Esimuotin suositeltava huokoisuus riippuu erilaisista tekijöistä mukaanlukien hiililähtöaineen suhteen intertti-seen täyteaineeseen, sanotun hiilen tilavuuden kasvuun, joka muodostuu perusmetallin karbidin reagoimisen yhteydessä sekä huokoisuuden määrän (jos sitä on), jota vaaditaan reaktiotuotteeseen. Tällainen huokoisuus 35 voi olla valinnaisesti sulan perusmetallin täyttämä, jos sitä on läsnä yli stökiömetrisen määrän karbidin muodostamiseksi. Suositeltava esi- 10 93540 muotin huokoisuus on noin 5-90 tilavuusprosenttia, ja mieluummin noin 35-60 tilavuusprosenttia. Esimuotti saatetaan tämän jälkeen kosketukseen sulan perusmetallin kanssa yhdeltä tai useammalta pinnaltaan niin kauan, että voidaan saattaa loppuun perusmetallin reaktiivinen suodat-5 tuminen matriisin muodostamiseksi, joka ulottuu esimuotin lävitse sen pintarajoille asti ja siten, että esimuotin välitilat täyttyvät olennaisesti reaktiotuotteella. Tulokseksi saadaan sekarakennekappale, jonka muoto vastaa läheisesti tai täysin lopullisen tuotteen toivottua muotoa, jolloin voidaan minimoida tai eliminoida kalliit lopulliset 10 työstö- tai hiomistoimenpiteet.

Tuotetta tuotettaessa käytettävän hiilen lähteen (lähteiden) määrä on pienempi kuin määrä, joka vaaditaan stökiömetrisesti olennaisesti täydelliseen reaktioon sulan perusmetallin kanssa tai joka on olennaisesti 15 sama kuin tämä määrä. Koska perusmetallin määrää suhteessa hiilen lähteen vaadittavaan määrään voidaan vaihdella, on mahdollista säädellä tai muuntaa lopullisen sekarakennekappaleen ominaisuuksia vaihtelemalla perusmetallin suhteellista määrää. Kun perusmetalli ja hiilen lähde on järjestetty stökiömetrisinä määrinä, perusmetallin karbidi pyrkii hal-20 litsemaan sekarakennekappaleen ominaisuuksia siten, että massa tai matriisi olisi vähemmän johtava tai vähemmän venyvä tai vähemmän sit-keämpi verrattuna vapaan metallin sisältävään sekarakenteeseen. Kun perusmetallin liikaosaa käytetään siten, että kaikkea sulaa perusmetallia, joka suodattuu massaan tai petiin, ei anneta reagoida, matriisi 25 sisältää vapaata metallia tai voi olla hallitseva metallissa, ja tämän vuoksi sekarakennekappaleen tai matriisin ominaisuuksia hallitsevat tai niihin vaikuttavat perusmetallin ominaisuudet, tyypillisimmin venyvyys tai sitkeys. Mielellään perusmetallin määrä suhteessa hiilen lähteen välilliseen huokoistilavuuteen ja sisältöön on sellainen, että kun 30 reaktio on saatettu loppuun, huokoistilavuus on täydellisesti tai lähes täydellisesti täytettynä reaktiotuotekarbidilla ja/tai reagoimattomalla metallilla. Tämä on erityisen toivottavaa tuotettaessa olennaisesti huokoisetonta (tiheää) kappaletta.

35 Tämän keksinnön yhtä suoritusmuotoa sovellettaessa perusmetalliin esiaste, esim. titaani, muodostetaan harkoksi, billetiksi, sauvaksi, le- 11 93540 vyksi tai vastaavaksi. Metalli on ainakin osittain upotettuna sopivaan hiilen lähteeseen, esim. alkuainehiileen ja täyteaineeseen, kuten ryhmän IVA metallikarbidiin. Peti voi valinnaisesti sisältää vaihtoehtoisia täyteaineita kuten alumiinioksidia, sirkoniumoksidia, jne. Tämä 5 kooste tai järjestely voidaan ympäröidä inerttisellä materiaalilla tyypillisesti hiukkasten muodossa, joita sula metalli ei kostuta ja jotka ovat reagoimattomia sulan metallin kanssa prosessiolosuhteissa, ja sijoitettu upokkaaseen tai muuhun tulenkestävään astiaan. Perusmetallin päälipinta voi olla paljaana tai perusmetalli voi olla täysin 10 hiilen lähteen ja täyteaineen sisäänsä sulkema tai ympäröimä, ja ympäröivä inerttinen peti voidaan myös jättää pois. Tämä kooste sijoitetaan uuniin ja kuumennetaan inerttisessä ilmakehässä kuten argonissa perusmetallin sulamispisteen yläpuolella mutta mielellään toivotun perusmetallin karbidin sulamispisteen alapuolella sulan metallin massan tai 15 altaan muodostamiseksi. Tulisi ymmärtää, että käytettävä lämpötila-alue tai suositeltava lämpötila ei saa ulottua koko tälle välille. Lämpötila-alue riippuu paljolti sellaisista tekijöistä kuin perusmetallin koostumus ja hiilen lähteen sekä täyteaineiden valinta. Sula metalli tulee kosketukseen hiilen lähteen kanssa, ja perusmetallin karbidi 20 muodostuu reaktiotuotteena. Ollessaan jatkuvasti alttiina hiilen lähteelle jäljellä oleva sula metalli vetäytyy progressiivisesti hiilen lähteen sisältävän massan suuntaan ja massaan, jolloin reaktiotuotetta muodostuu jatkuvasti. Tämän menetelmän avulla tuotettava sekarakenne käsittää perusmetallin reaktiotuotteen hiilen lähteen ja täyteaineen 25 kanssa. Jos perusmetalli on seos, sekarakenne voi sisältää perusmetallin yhden tai useamman seostavan ainesosan joko reagoituneessa tai reagoimattomassa muodossa. Sekarakenne voi lisäksi sisältää vapautunutta metallia, joka syntyy pelkistyvien metallikarbidien käyttämisestä, ryhmän IVA metallikarbidien kiinteän liuoksen tai lisätäyteaineen, 30 kuten yllä on selvitetty.

Tämän keksinnön avulla tuotettavat artikkelit ovat suhteellisen tiheitä, itsekantavia kappaleita, joilla on metallinen ja/tai keraaminen mikrorakenne. Tuotteen ominaisuuksia voidaan varioida laajasti lopul-35 lisesta käyttökohteesta riippuen, kuten ryhmän IVA metallikarbidi- täyteaineiden täyteaineiden valinnasta, muiden inerttisten täyteaine!- 12 93540 den valinnasta ja metallin suhteesta hiileen. Esimerkiksi Ti/TiC-tuote, joka valmistetaan suodattamalla hiilen ja titaanikarbidin lähde ylimääräisellä titaanilla, saattaisi olla hyödyllinen kulumisosa.

5 Kuvio 1 esittää yhden suoritusmuodon laitteesta, jossa keksintöä voidaan käyttää. Laite käsittää lieriömäisen grafiittiupokkaan 10 varustettuna titaanikarbidisella sisävuoraimella 11. Vuorauksessa oleva ontelo on osittain läpäisevän täyteainepedin 14 täyttämä, joka koostuu yhdestä tai useammasta suhteellisen inerttisestä täyteaineesta, joita 10 ovat esimerkiksi ryhmän IVA metallikarbidi ja hiililähde. Karbidia muodostavan perusmetallin 12 kiinteä massa on upotettuna täyteaineeseen.

Grafiittiupokas ja sen sisältö sijoitetaan uuniin, esimerkiksi induk-15 tiouunin grafiittisuspektoriin (jota ei näy piirustuksessa). Tällaisessa tapauksessa lämmön siirtyminen suspektorista upokkaan ulkoseinältään tapahtuu pääasiassa säteilyn välityksellä. Lämmön siirtyminen upokkaan seinämästä sen sisältöön tapahtuu pääasiassa sähkövoimansiir-ron avulla.

20

Optinen pyrometri (ei näy kuvassa) sijoitetaan pystysuoraan laitteen yläpuolelle ja fokusoidaan upokkaan sisäosaan, mikä mahdollistaa uunin lämpötilan mittauksen ja säädön.

25 Ylläkuvattua laitetta käytettiin seuraaviin esimerkkeihin.

Esimerkit 1,2 ja 3 havainnollistavat titaanimetallin muuntumista ti-taanikarbidiksi titaanikarbiditäyteaineessa olevan hiilen reaktion avulla.

30

Esimerkki 1 99,7-prosenttisesta puhtaasta titaanimetallista koostuva sauva (Alfa Product Division, Morton Thiokol), halkaisijaltaan 12,7 mm ja korkeu-35 deltaan 29,5 mm, muodostuen 0,354-moolista Ti:a, muodosti kuvion 1 perusmetallin massan. Täyteainepeti muodostui 0,354-moolista hiiltä ti.

13 93540 (miinus 100 - (vastaa vähempää kuin 130 mikronia) seulamittaisen grafiitin muodossa) ja 0,023-moolista titaanikarbidijauhetta (sama toimittaja kuin yllä).

5 Upokas ja sen sisältö kuumennettiin seuraavalla menetelmällä: kuumentaminen lämpötilaan 1500 °C 30 minuutissa 5 litraa per minuutti argonvirtausta, kostutus 1500 °C:ssa 10 minuutin ajan, kuumentaminen lämpötilaan 1700 °C 15 minuutissa.

10

Kun lämpötila saavutti 1590 °C, tapahtui lämpötilan nousu 2200 °C:en huippulämpötilaan, jota seurasi lasku 1650 °C:en.

Pito 1700 °C:ssa 5 minuutin ajan, 15 - Jäähdytys.

Jäähdytyksen jälkeen havaittiin, että ontelo oli muodostunut alueelle, jossa oli alunperin ollut Ti-sauva.

20 Reaktiotuote poistettiin upokkaasta, ja rakenne tutkittiin optisella mikroskoopilla. Oli selvää, että titaanimetalli oli tunkeutunut täyteaineeseen ja reagoitunut siinä täydellisesti muodostaen uuden titaani-karbidin. Jälkimmäinen ainesosa oli läsnä matriisina, joka sulki sisäänsä titaanikarbidin täyteainehiukkaset ja tuotti koheesivisen seka-25 rakenteen.

Esimerkki 2 99,7-prosenttisesti puhtaasta titaanista koostuva sauva halkaisijaltaan 30 12,7 mm ja korkeudeltaan 29,0 mm (0,348 moolia) upotettiin täyteaine- pohjaan, joka koostui 0,24-moolista hiiltä asetyleeninoen muodossa ja 0,24-moolista titaanikarbiditäyteainetta.

Upokas ja sen sisältö kuumennettiin seuraavalla menetelmällä: 35 - kuumentaminen lämpötilaan 1550 °C 40 minuutissa 3 litraa per minuutti argonvirtausta, 14 93540 kostutus 1550 °C:ssa 10 minuutin ajan, kuumentaminen lämpötilaan 1700 °C, voimansyötön lopetus.

5 Lämpötila jatkoi kohoamistaan 1890 °C:en maksimiin, jäähdytys

Kuten esimerkissä 1, ontelo muodostui alueelle, joka oli alunperin metallin täyttämä. Reaktiotuotteen mikrorakenteellinen tutkimus osoit-10 ti, että oli selvää, että titaanimetalli oli tunkeutunut täyteaineeseen ja reagoitunut siinä täydellisesti muodostaen uuden titaanikarbidin ja tuottaen titaanin ja titaanikarbidin koheesivisen sekarakenteen.

Esimerkki 3 15 99,7-prosenttisesti puhtaasta titaanimetallista koostuva sauva halkaisijaltaan 12,7 mm ja korkeudeltaan 30,0 mm (0,363 moolia) upotettiin täyteainepetiin, joka koostui 0,25-moolista miinus 20 - seulamittaista (vastaa vähempää kuin 840 mikronia) hiukkasmaista petrolikoksia ja 20 0,25-moolista titaanikarbidijauhetta.

Kuumentamisolosuhteet olivat samat kuin esimerkissä 2. Upokkaan jäähdyttämisen jälkeen havaittiin samanlainen ontelo, ja saatiin samanlainen tuote ja tuotteen mikrorakenne.

25

Esimerkki 4 havainnollistaa sirkoniummetallin muuntamista sirkonium-karbidiksi hiilen kanssa tapahtuvan reaktion kanssa titaanikarbidi-täyteaineessa ja lopullisen titaani-sirkoniumtuotteen muodostumista.

30 Kaksi sirkoniumkappaletta, jotka olivat kiinni toisissaan ja yhteensä 0,09 moolia, sijoitettiin kuvion 1 upokkaaseen ja upotettiin petiin, joka käsitti 0,09-moolia hiiltä (grafiittihiukkasia, seulamitta miinus 100) ja 0,09-moolia TiC-jahetta. Upokas ja sen sisältö kuumennettiin 2250 °C:en argonin virtaavassa ilmakehässä, ja sitä pidettiin tässä 35 lämpötilassa 3 minuutin ajan. Tämän jälkeen lämpötilaa nostettiin 2300 °C:en ja voima suljettiin pois.

15 93540

Huoneen lämpötilaan jäähdyttämisen jälkeen sekarakennereaktiotuote poistettiin ja tutkittiin optisella mikroskoopilla ja röntgensädedif-fraktiolla. Ainesosa, joka käsitti jähmeän liuoksen varustettuna koostumuksella (Zr0 9Ti0 X)C, havaittiin jäljelle jääneen reagoimattoman 5 metallin ja hiili/titaanikarbidipedin välisellä rajapinnalla 2-3 mm paksuna tunkeutuneena kerroksena. Jäljelle jäänyt metalli sisälsi sir-koniumkarbidia.

Claims (17)

93540

1. Menetelmä itsekantavan keraamisen sekarakenteen tuottamiseksi, käsittäen metallikarbidia, tunnettu siitä, että menetelmä käsit- 5 tää seuraavaa: (a) saatetaan suhteellisen inerttisessä ilmakehässä sulan perusmetallin massa, joka valitaan titaanista, hafniumista ja sirkoniumista koostuvasta ryhmästä, pintakosketukseen läpäisevän massan kanssa, joka kä- 10 sittää (i) täyteainetta ja (ii) hiilen lähdettä, jotta tapahtuisi reaktio sulan metallin kanssa sulan metallin karbidin muodostamiseksi, jolloin hiililähteen hiiliosuus ei ylitä stökiömetristä määrää; (b) pidetään pintakosketusta yllä riittävän kauan, jotta saadaan aikaan 15 sulan perusmetallin suodattuminen läpäisevään massaan ja sulan perusmetallin reaktion sallimiseksi hiilen lähteen kanssa perusmetallin karbidin muodostamiseksi; ja (c) jatketaan suodattumista ja reaktiota niin kauan, että voidaan aina-20 kin olennaisesti saattaa reaktio loppuun ja täten tuottaa haluttu itse- kantava keraaminen sekarakenne.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunne t tu siitä, että täyteaine käsittää titaanin, hafniumin tai sirkoniumin karbidia. 25

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että täyteaine käsittää olennaisesti inerttistä täyteainemateriaalia.

4. Patenttivaatimuksen 1,2 tai 3 mukainen menetelmä, tunnet -30 t u siitä, että hiilen lähde on alkuainehiili.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että hiilen lähde käsittää petroolikoksia. 35 II: 93540

6. Patenttivaatimuksen 1,2 tai 3 mukainen menetelmä, tunne t -t u siitä, että hiilen lähde käsittää sulalla perusmetallilla pelkistyvää metallikarbidia.

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että pelkistyvä metallikarbidi valitaan seuraavasta ryhmästä: molyb-deenikarbidi, kromikarbidi, kobolttikarbidi, rautakarbidi, nikkelikar-bidi ja vanadiinikarbidi.

8. Patenttivaatimuksen 1,2 tai 3 mukainen menetelmä, tunnet- t u siitä, että täyteaineet käsittävät materiaalin, joka valitaan seuraavasta ryhmästä: kuidut, karvat, hiukkaset, jauheet, sauvat, me-tallikangas, tulenkestävä kangas, verkkomainen vaahto, levyt, levykkeet, kiinteät pallot ja ontot pallot. 15

9. Patenttivaatimuksen 1,2 tai 3 mukainen menetelmä, tunnet-t u siitä, että läpäisevä massa käsittää ennaltamäärätyn muotoisen esimuotin ja suodattuminen ja sanottu reaktio tapahtuvat ainakin esi-muotin tilavuuden osan läpi, jolloin vaiheessa (c) saatu itsekantava 20 kappale on varustettu esimuotin osan konfiguraatiolla.

10. Patenttivaatimuksen 1,2 tai 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että läpäisevä massa käsittää vähemmän kuin stökiömetrisen määrän hiilen lähdettä sulan perusmetallin kanssa reagoimiseksi, jossa 25 menetelmässä kaikki massaan suodattuva sula perusmetalli ei reagoi, jolloin voidaan tuottaa itsekantava kappale, joka sisältää myös reagoimatonta perusmetallia.

11. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, 30 että karbidi on perusmetallia vastaavan metallin karbidi.

12. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että täyteainekarbidi käsittää metallin, joka on erilainen kuin perusmetalli, ja että täyteainekarbidi sekoittuu perusmetalliin, jolloin 35 muodostuu perusmetallin ja erilaisen metallin ja hiilen tertiäärinen kiinteä liuos. 93540

13. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunne t tu siitä, että täyteaine sisältää lisäksi olennaisen inerttistä täyteainemate-riaalia.

14. Itsekantava keraaminen sekarakenne, tunnettu siitä, että se käsittää (a) täyteainetta, joka on (i) titaanin, hafniumin ja/tai sirkoniumin karbidi'; tai (ii) materiaali^ joka on olennaisen inertti sulalle perusmetallille ja muodostuvalle reaktiotuotteelle; ja (b) täyteaineen sisäänsä sulkevan keraamisen matriisin, joka keraaminen 10 matriisi käsittää titaanin, hafniumin ja/tai sirkoniumin karbidia, joka matriisi on jonkin sanotun metallin ja hiiltä sisältävän yhdisteen välinen reaktiotuote stökiömetrisessä määrässä siten, että jäljelle ei ole jäänyt olennaisesti yhtään reagoimatonta hiiltä.

15. Patenttivaatimuksen 14 mukainen sekarakenne, tunnettu siitä, että täyteaine käsittää karbidia, joka on erilainen kuin keraamisen matriisin metallikarbidi, jolloin keraaminen sekarakenne käsittää tertiäärisen kiinteän liuoksen.

16. Patenttivaatimuksen 14 mukainen sekarakenne, tunnettu siitä, että se sisältää lisäksi olennaisen inerttistä täyteainetta.

17. Patenttivaatimuksen 14 mukainen sekarakenne, tunnettu siitä, että täyteaine käsittää metallikarbidia, joka eroaa keraamisen 25 matriisin karbidista. Il; 93540