FI93945B - Menetelmä metallimatriisisekarakenteiden valmistamiseksi ja metallimatriisikappale - Google Patents

Description

93945

Menetelmä metallimatriislsekarakenteiden valmistamiseksi ja metallimatriisikappale Förfarande för framställning av sammansatta strukturer innefattande en metallmatris samt metallmatris 5 Tämän keksinnön kohteena on menetelmä metallimatriisisekarakenteen 10 muovaamiseksi keraamisessa esimuotissa suodattamalla spontaanisti esi-muottiin sijoitettu läpäisevä täyteainemassa sulalla alumiinilla tai magnesiumilla tai niiden seoksella. Keksinnön kohteena ovat myös alumiini- ja magnesiummetallia sisältävät matriisisekarakennekappaleet ja -rakenteet.

15

Useat sekarakennetuotteet, jotka käsittävät vahvistus- tai lujitusfaa-sin sisäänsä sulkeman metallimatriisin, joka faasi sisältää täyteainetta, kuten keraamisia hiukkasia, karvoja, kuituja tai vastaavia, ovat osoittautuneet erittäin lupaaviksi useiden erilaisten sovelluskohteiden 20 yhteydessä, koska niissä yhdistyvät vahvistusfaasin lujuus ja kovuus sekä metallimatriisin venyvyys ja lujuus. Yleisesti ottaen metallimat-riisisekarakennekappale parantaa sellaisia ominaisuuksia kuten lujuus, jäykkyys, kosketuskulumiskestävyys ja lujuudenpitävyys korkeissa lämpötiloissa suhteessa matriisimetalliin sinänsä. Joissakin tapauksissa 25 sekarakennekappaleet voivat olla kevyempiä kuin itse matriisimetallin • vastaavasti mitoitetut kappaleet. Kuitenkin määrä, johon asti mikä tahansa tietty ominaisuus voi parantua, riippuu paljolti tietyistä käytetyistä ainesosista, niiden vastaavista tilavuuksista tai paino-osista sekarakennekappaleissa sekä siitä, kuinka niitä prosessoidaan 30 sekarakennekappaleita muodostettaessa. Alumiinimatriisisekarakenteet, joita on vahvistettu keraamisilla täyteaineilla, kuten piikarbidilla . hiukkasten, levykkeiden tai karvojen muodossa, ovat hyödyllisiä suurem man jäykkyytensä sekä suuremman kulumisen- ja lämpötilankestävyytensä ansiosta suhteessa täyteaineettomaan alumiiniin.

Erilaisia metallurgisia prosesseja on kuvattu alumiinimatriisisekara-kenteiden valmistamiseksi mukaanlukien menetelmät, jotka perustuvat jauhemetallurgisiin tekniikoihin, ja menetelmät, jotka perustuvat vah- 35 2 93945 vistavien materiaalien sulan metallin suodattamiseen esimerkiksi paine-valun avulla.

Jauhemetallurgisten tekniikoiden yhteydessä jauheen muodossa oleva 5 metalli ja jauheen, karvojen, silputtujen kuitujen, jne. muodossa oleva keraaminen vahvistusmateriaali sekoitetaan ja joko kylmäpuristetaan ja sintrataan tai kuumapuristetaan tämän jälkeen. Metallimatriisisekara-kenteiden tuottamiseen jauhemetallurgian avulla käyttämällä hyväksi tavanomaisia prosesseja liittyy tiettyjä rajoituksia, jotka koskevat 10 saavutettavissa olevien tuotteiden ominaisuuksia. Sekarakenteessa olevan keraamisen faasin tilavuusosuus rajoittuu tyypillisesti noin 40 prosenttiin, puristamistoiminto asettaa rajan saavutettavissa olevalle käytännölliselle koolle ja ainoastaan suhteellisen yksinkertaiset tuo-temuodot ovat mahdollisia ilman myöhemmin tapahtuvaa prosessointia 15 (esim. muovausta tai työstöä) tai ilman monimutkaisten puristimien käyttöä. Voi esiintyä myös epäyhtenäistä kutistumista sintrauksen aikana sekä mikrorakenteen epäyhtenäisyyttä, mikä johtuu puristeissa ja raekasvussa tapahtuvasta erottumisesta.

20 Kun sulaa alumiinia käytetään esimerkiksi alumiinimatriisi-alumiini- oksidilla täytettyjen sekarakenteiden valmistamiseen, sula alumiini ei helposti kostuta alumiinioksidisia vahvistusmateriaaleja, mikä tekee koherentin tuotteen muodostamisen vaikeaksi. Aikaisemmassa tekniikan tasossa esitetään erilaisia ratkaisuja tähän ongelmaan, joita ovat 25 esimerkiksi alumiinioksidin (tai muiden täyteaineiden) päällystäminen kostuttimella, paineen asettaminen sulan alumiinin pakottamiseksi vah-vistusaineeseen tai täyteaineeseen, tyhjön asettuminen sulan alumiinin vetämiseksi täyteaineeseen, prosessointi hyvin korkeissa lämpötiloissa, eli paljon alumiinin sulamispisteen yläpuolella, sekä näiden tekniikoi-30 den yhdistelmät. Nämä tekniikat pyrkivät monimutkaistamaan prosessoin-• tia, vaativat kalliita laitteita, kuten puristimia, tyhjölaitteen, säätöjä, jne., rajoittavat muodostettavien tuotteiden kokoja ja muotoja ja tuottavat joskus ei-toivottuja ainesosia tuotteeseen kostuttimien tai vastaavien muodossa.

35

II

3 93945

Muottiin asetetun reaktiivisen kaasukehän käyttö sulan metallin suodat-tumisen helpottamiseksi on esitetty US-patentissa 3,364,976 (J.N. Reading et ai.)· Tässä patentissa esitetään menetelmä metallien, kuten alumiini- ja magnesiumseoksien valamiseksi, jossa valinnaisesti sopivan 5 täyteaineen sisältävä muottiontelo sisältää kaasukehän, joka on reaktiivinen valettavan sulan metallin kanssa ja muodostaa alhaistilavuuk-sisen, kiinteän reaktiotuotteen. Muotti tiivistetään tehokkaasti siten, että reaktio sulan metallin kanssa kuluttaa sulkeutuneen ilmakehän ja tuottaa muottionteloon tyhjön, joka vetää ontelon sisään sulan metal-10 Iin. Esimerkiksi palstasta 3 rivistä 5 eteenpäin kuvataan sulan magnesiumin reaktio ilman happi- ja typpipitoisuuden kanssa magnesiumoksi-din ja magnesiumnitridin muodostamiseksi, jolloin syntyy tyhjö, jolloin muotti voi täyttyä olennaisesti täysin sulalla magnesiumilla. Piirustuksissa havainnollistetaan yksittäisellä aukolla 12 varustettu laatik-15 komainen muotti 10, joka aukko 12 johtaa ilmakehän sisältävään onteloon 14, joka ilmakehä on olennaisesti reaktiivinen sulan metallin 16 kanssa. Todetaan, että kun muotti upotetaan sulan metallin massaan kuvion 3 mukaisesti, vältetään se tarve, että muotti on kokonaan kaasu- tai nestetiivis (kappale 2, rivit 57-61), ja muottiin sulkeutuneen kaasuke-20 hän reaktio saa sulan metallin täyttämään muotin. Esimerkit 5 ja 10 havainnollistavat tässä järjestyksessä alumiinioksidirakeiden suodattamista sulan magnesiumseoksen kanssa lämpötilassa 1300eF (704eC) sekä piikarbidin suodattamista 5 % magnesiumia sisältävän sulan alumiiniseoksen kanssa lämpötilassa 1400°F (760eC).

25

Hakijan US-patentissa 4,828,008 nimellä Danny R. White, et ai. ja nimeltään "Metallimatriisisekarakenteet" esitetään menetelmä alumiinimat-riisisekarakenteiden tuottamiseksi. Tämän menetelmän mukaisesti sula alumiini, joka sisältää ainakin noin 1 painoprosenttia magnesiumia ja 30 suositeltavasti ainakin noin 3 painoprosenttia magnesiumia, saatetaan ·. kosketukseen läpäisevän keraamisen täyteaineen massan kanssa kaasun läsnäollessa, joka käsittää noin 10-100 tilavuusprosenttia typpeä lopun ollessa hapettamatonta kaasua, kuten argonia tai vetyä. Sula alumiiniseos, joka voi olla lämpötilassa noin 700-1200°C, suodattuu spontaanis-35 ti läpäisevään täyteaineeseen, eli suodattuu täyteaineeseen ilman, että tarvitaan mekaanisen paineen tai tyhjön asettamista suodattumisen aut- 4 93945 tamiseksi. Sulan massan annetaan jähmettyä keraamisen täyteaineen sisäänsä sulkevan metallimatriisin muodostamiseksi, eli metallimatriisi-sekarakennekappaleen muodostamiseksi. Keraamisia täyteaineita ovat esimerkiksi oksidit, karbidit, boridit ja nitridit, kuten alumiini-5 oksidi.

Keksinnön mukainen menetelmä on pääasiassa tunnettu siitä, että se käsittää seuraavaa: 10 (a) muodostetaan olennaisesti läpäisemätön muotti seuraavien vaiheiden avulla: (i) järjestetään läpäisevä massa, joka käsittää ensimmäistä täyteainetta tai esimuotin, joka koostuu ensimmäisestä täyteaineesta ja jossa 15 massassa on ontelo ja ainakin yksi aukko ulkopinnallaan; (ii) saatetaan sula perusmetalli kosketukseen läpäisevän massan ja hapettimen kanssa läpäisevän massan ontelossa tai läpäisevän massan ainakin yhdellä ulkopinnalla, jotta sula perusmetalli voi reagoida ha- 20 pettimen kanssa hapettumisreaktiotuotteen muodostamiseksi lämpötila- alueella, joka on perusmetallin sulamispisteen yläpuolella ja hapettumisreaktiotuotteen sulamispisteen alapuolella; (iii) pidetään ainakin osa hapettumisreaktiotuotteesta kosketuksessa 25 sulan perusmetallin ja hapettimen kanssa näiden välillä, jotta sulaa perusmetalli voisi vetäytyä vähitellen hapettumisreaktiotuotteen läpi kohti hapetinta ja esimuottiin siten, että hapettumisreaktiotuotteen muodostuminen jatkuu esimuotissa hapettimen ja aikaisemmin muodostuneen hapettumisreaktiotuotteen välisellä rajapinnalla; 30 *. (iv) jatketaan hapettumisreaktiota sanotulla lämpötila-alueella, jotta voidaan upottaa ainakin osa läpäisevästä massasta, joka ympäröi onteloa, hapettumisreaktiotuotteeseen hapettumisreaktiotuotteen kasvun avulla, jolloin saadaan aikaan läpäisemätön muotti, jossa on ontelo ja 35 ainakin yksi aukko; 1! 5 93945 (v) poistetaan ainakin osa ontelossa mahdollisesti olevasta liiasta metallista, joka ei ole reagoinut hapettimen kanssa hapettumisreaktio-tuotteen muodostamiseksi; 5 (b) sijoitetaan toisen täyteaineen käsittävä läpäisevä massa läpäise mättömän muotin onteloon; (c) järjestetään ainakin yksi sula metalli, joka valitaan alumiinin ja magnesiumin käsittävästä ryhmästä, onteloon johtaviin aukkoihin, jotta 10 voidaan tiivistää hermeettisesti ontelossa oleva toista täyteainetta käsittävä läpäisevä massa ja saattaa siinä kosketukseen sanottu täyteaine ainakin yhden sulan metallin kanssa niin pitkäksi aikaa, että voidaan suodattaa toista täyteainetta käsittävä läpäisevä massa ainakin yhdellä sulalla metallilla ja tuottaa näin sula materiaali, joka sisäl-15 tää toista täyteainetta siihen hajautuneena; ja (d) vaiheen (c) päätyttyä jähmetetään tämä ainakin yksi sula metalli metallimatriisisekarakenteen muodostamiseksi läpäisemättömän keraamisen muotin onteloon.

20

Keksinnön mukaisella menetelmällä valmistettu tuote on pääasiassa tunnettu siitä, että se käsittää: a) itsekantavan keraamisen sekarakenteen, joka käsittää noin 2-95 tila-25 vuus-% kolmiulotteisesti kytkettyä keraamista matriisia ja noin 5 - noin 98 tilavuus-% ainakin yhtä keraamista täyteainetta, joka on sisällytetty mainittuun matriisiin, matriisi käsittää noin 60 - noin 99 paino-% kolmiulotteisesti kytkettyä hapetusreaktiotuotetta, ja noin 1 -noin 40 paino-% kytkettyä metallista ainesosaa; ja 30 ' b) itsekantavan metallimatriisisekarakenteen, joka on ainakin osittain sisällytetty itsekantavaan keraamiseen sekarakenteeseen, jolloin it-sekantava metallimatriisisekarakenne käsittää ainakin yhden matriisime-tallin, joka on valittu ryhmästä, johon kuuluu alumiini ja magneesiumi, 35 ainakin yhden keraamisen täyteaineen, jota ympäröi edellä mainittu mat-riisimetalli, ainakin yhden keraamisen täyteaineen käsittäessä ainakin 6 93945 yhden materiaalin, joka on valittu ryhmästä, johon kuuluu oksidit, karbidit, boridit ja nitridit.

Yleisesti ottaen tämän keksinnön avulla järjestetään menetelmä metal-5 limatriisisekarakenteiden muodostamiseksi suodattamalla sula alumiini tai magnesium spontaanisti muottiin sijoitettuun täyteainepetiin tai massaan (johon viitataan alla "toisena täyteaineena"), jota muottia pidetään olennaisesti hermeettisessä ympäristössä. Muotti muodostetaan hapettamalla sula esiastemetalli tai perusmetalli ohjatusti hapettimen 10 kanssa monikiteisen hapettumisreaktiotuotteen kehittämiseksi tai kasvattamiseksi, joka sulkee sisäänsä ainakin osan sopivan täyteaineen käsittävästä esimuotista (johon täyteaineeseen viitataan alla "ensimmäisenä täyteaineena"). Hermeettisesti tiivistetty peti voi sisältää sulkeutunutta ilmaa, mutta sulkeutunut ilma ja muotin sisältö on eris-15 tetty tai tiivistetty siten, että ulkoinen tai ympäröivä ilma voidaan jättää tai sulkea pois. Muotti täydennetään toisella täyteaineella ja saatetaan kosketukseen sulan metallin kanssa, ja muotin sisältö tiivistetään hermeettisesti, mikä tapahtuu tyypillisesti tiivistämällä muotin sisääntulo-osa tai -aukko. Järjestämällä hermeettinen ympäristö saadaan 20 aikaan toisen täyteaineen tehokas spontaani suodattuminen alumiini- tai magnesiumetallilla sulan metallin kohtuullisissa lämpötiloissa, jolloin ei tarvita kostuttimia ja erityisiä lisäainesosia sulassa alumiinime-tallissa tai magnesiummetallissa, mekaanista painetta, tyhjöä, erityistä kaasuilmakehää tai mitä tahansa muuta suodattamiskeinoa.

25 Näin muodostetaan siis ensin olennaisesti läpäisemätön muotti ohjatulla hapettumismenetelmällä, joka kuvataan alla hakijan patenteissa. Läpäisevä esimuotti, joka käsittää ensimmäistä täyteainetta ja on varustettu toivotulla konfiguraatiolla varustetulla ontelolla, saatetaan 30 kosketukseen sulan perusmetallin kanssa ja ja sen annetaan reagoida * hapettimen kanssa. Tämä reaktio muodostaa läpäisemättömän hapettumis reaktiotuotteen, ja se toteutetaan lämpötila-alueella, joka ulottuu perusmetallin sulamispisteen yläpuolella olevasta lämpötilasta hapettumisreaktiotuotteen sulamispisteen alapuolella olevaan lämpötilaan.

35 Reaktion aikana ainakin osa hapettumisreaktiotuotteesta pidetään kosketuksessa sulan perusmetallin ja hapettimen kanssa näiden välillä, jotta

II

7 93945 sulaa perusmetallia voi vetäytyä progressiivisesti hapettumisreak-tiotuotteen läpi kohti hapetinta ja esimuottiin siten, että hapettumis-reaktiotuote jatkaa muodostumistaan esimuotissa hapettimen ja aikaisemmin muodostuneen hapettumisreaktiotuotteen välisellä rajapinnalla.

5 Hapettumisreaktiota jatketaan yllämainitulla lämpötila-alueella, jotta ainakin osa esimuotista voidaan upottaa hapettumisreaktiotuotteeseen jälkimmäisen kasvun avulla, jolloin saadaan aikaan läpäisemätön muotti keraamisena kappaleena, joka sisältää siihen upotettua ensimmäistä täyteainetta. Esimerkiksi ainakin osa ontelon määrittävästä esimuotista 10 voidaan upottaa hapettumisreaktiotuotteeseen. Läpäisemättömään muottiin muodostunut ontelo täytetään joka tapauksessa ainakin osittain toisen täyteaineen läpäisevällä massalla ja saatetaan tämän jälkeen kosketukseen sulan alumiinin kanssa niin pitkäksi aikaa, että toinen täyteaine voi suodattua spontaanisti, kun tätä koostetta pidetään yllä hermeetti-15 sessä ympäristössä. Kun spontaani suodattuminen on päättynyt, sula perusmetalli jähmettyy tuottaen metallimatriisisekarakennekappaleen.

Keksinnön yhden suoritusmuodon mukaisesti käytetään sulan alumiinin tai magnesiumin massaa tai säiliötä, joka ulottuu muottiontelon ulkopuolel-20 le, saamaan aikaan hermeettinen ympäristö muotin sisältöä varten. Ontelon aukko tai sisääntulo-osa on tiivistetty tyypillisesti sulalla alumiinilla.

Keksinnön toisen suoritusmuodon mukaisesti metallimatriisisekarakenne-25 kappale sidotaan muottiin sulan metallin jähmettymisen jälkeen. Proses-siolosuhteissa jähmettyvää sulaa metallia pidetään kosketuksessa läpäisemättömän muotin kanssa tai sen osan kanssa, jotta saatava metalli-matriisisekarakenne voidaan sitoa ainakin muotin osaan. Tällä tavoin metallimatriisisekarakenne muodostetaan kiinteästi muotin kanssa tai 30 sen osan kanssa metallimatriisisekarakenne-keramiikkalaminaatin tai -rakenteen muodostamiseksi.

Toisessa suoritusmuodossa muotin ontelo esimuovataan siten, että sillä on ennaltamääritetty geometria, ja saatava metallimatriisisekarakenne 35 mukautuu tähän geometriaan. Kun muotti erotetaan metallimatriisisekara-kenteesta, metallimatriisisekarakenteen pinnat toistavat käänteisesti 8 93945 ontelon geometrian. Tämän keksinnön mukaisesti on näin ollen mahdollista valmistaa muotoiltuja metallimatriisisekarakennekappaleita.

Tässä yhteydessä ja patenttivaatimuksissa käytettyinä seuraavat termit 5 merkitsevät seuraavaa.

Termit "alumiini" ja "magnesium" tarkoittavat ja sisältävät olennaisesti puhdasta metallia, esim. suhteellisen puhdasta, kaupallisesti saatavaa alumiinia tai magnesiumia ilman lisäaineita, sekä muita metal-10 lilaatuja ja metalliseoksia, kuten kaupallisesti saatavia metalleja epäpuhtauksineen ja/tai siihen lisättyine ainesosineen, joita ovat esimerkiksi rauta, pii, kupari, magnesium, mangaani, kromi, tina, jne. Tämän määritelmän yhteydessä alumiiniseos tai magnesiumseos on seos, jossa alumiini tai magnesium tässä järjestyksessä on pääainesosa.

15

Termi "perusmetalli" tarkoittaa sellaista metallia, esim. alumiinia, piitä, titaania, tinaa tai sirkoniumia, joka on monikiteisen hapettu-misreaktiotuotteen esiaste ja sisältää tämän metallin olennaisesti puhtaana metallina tai kaupallisesti saatavana metallina epäpuhtauksineen 20 ja/tai siihen lisättyine ainesosineen. Tämän määritelmän yhteydessä metalliseos on seos, jossa tämä esiasteperusmetalli on pääainesosa.

Termi "keraaminen" käsittää ja sisältää termin klassisen määritelmän, muttei ole siihen rajoittunut siten, että se on materiaali, joka muo-25 dostuu kokonaan ei-metallisista ja epäorgaanisista materiaaleista, vaan « se sisältää myös tässä yhteydessä materiaalia, joka on pääasiassa keraamista joko koostumukseltaan tai hallitsevilta ominaisuuksiltaan, vaikka kappale voi sisältää huomattavia määriä perusmetallista saatua yhtä tai useampaa metallia, tyypillisimmin alueella noin 1-40 tilavuus-30 prosenttia tai vieläkin enemmän.

t

Termi "täyteaine" tarkoittaa ja sisältää mitä tahansa täyteaineita, jotka ovat sopivia käytettäviksi tämän keksinnön yhteydessä mukaanlukien keraamiset täyteaineet sinänsä. kuten alumiinioksidin tai piikarbi-35 din kuituina, silputtuina kuituina, hiukkasina, karvoina, kuplina, palloina, kuitumattoina tai vastaavina, sekä keramiikkapäällysteiset

II

9 93945 täyteaineet, kuten alumiinioksidilla tai piikarbidilla päällystetyt hiilikuidut hiilen suojelemiseksi sulaa alumiinimetallia vastaan.

Termi "ensimmäinen täyteaine" tarkoittaa ainakin yhtä täyteainetta, 5 joka sopii upotettavaksi monikiteiseen hapettumisreaktiotuotteeseen, joka on saatu perusmetallin ohjatulla hapettamisella, kuten alla tarkemmin kuvataan.

Termi "toinen täyteaine" tarkoittaa ainakin yhtä täyteainetta, joka 10 soveltuu suodatettavaksi sulalla alumiini- tai magnesiummetallilla ja upotettavaksi jähmettyneen metallin matriisiin.

Termi "läpäisemätön", kun sitä käytetään kuvaamaan muottia tai muuta materiaalia, rakennetta tai ympäristöä, tarkoittaa olennaisesti ilmalle 15 läpäisemätöntä, eli olennaisesti ilmatiivistä.

Kuvio 1 on kaaviomainen poikkileikkauksellinen kuva sulan alumiinimas-san ja läpäisemättömän muotin koosteesta, jossa toisen täyteaineen massa on esitetty välivaiheessa, jossa se suodatetaan spontaanisti 20 sulalla alumiinimetallilla tämän keksinnön yhden suoritusmuodon mukaisesti .

Kuvio 2 on kuviota 1 vastaava kuva, jossa esitetään tämän keksinnön yhden suoritusmuodon mukainen rakenne, joka käsittää metallimatriisi-25 sekarakenteen, jota ympäröi keraaminen holkki tai substraatti ja joka on siihen yhdistetty.

Kuvio 3 on poikkileikkauksellinen kuva, joka esittää sulan alumiini-metallimassan ja läpäisemättömän keraamisen muotin tai kuoren koosteen, 30 jossa muotissa tai kuoressa on toista täyteainetta.

Kuvio 4 on poikkileikkauksellinen kaaviomainen pystykuva koosteesta keksinnön toisen suoritusmuodon toteuttamiseksi upottamalla toisen täyteaineen massa sulaan alumiiniin täyteaineen eristämiseksi ympäröi-35 västä ilmasta.

10 93945

Kuvio 5 on kaaviomainen poikkileikkauksellinen pystykuva perusmetallin ja esimuotin koosteesta muotin valmistamiseksi, jota voidaan käyttää metallimatriisisekarakenteen valamiseen tämän keksinnön tiettyjen suoritusmuotojen mukaisesti.

5

Kuvio 6 on kaaviomainen poikkileikkauksellinen pystykuva koosteesta, jossa poistuvan mallin massa on upotettuna ensimmäisen täyteaineen massaan, jota koostetta voidaan käyttää keraamisen sekarakennemuotin valmistamiseen tämän keksinnön toisen suoritusmuodon mukaisesti.

10

Kuvio 7 on kuviota 6 vastaava kuva, jossa esitetään prosessin myöhempi vaihe käytettäessä kuvion 6 koostetta keraamisen sekarakennemuotin valmistamiseksi.

15 Kuvio 8 on kaaviomainen poikkileikkauksellinen kuva keraamisesta seka-rakennemuotista, joka on saatu käyttämällä hyväksi kuvioiden 6 ja 7 koostetta.

Kuvio 9 on kaaviomainen poikkileikkauksellinen pystykuva perusmetallin 20 ja ensimmäinen täyteaine-esimuotin koosteesta, jota voidaan käyttää keraamisen sekarakennemuotin valmistamiseen keksinnön toisen.suoritusmuodon mukaisesti.

Kuvio 10 on valokuva esimerkin 10 mukaan valmistetusta nokka-akselista. 25 * Tämän keksinnön yhtä suoritusmuotoa sovellettaessa sula alumiini tai magnesium saatetaan kosketukseen toisen läpäisevän täyteainemassan pinnan kanssa tai toimitetaan siihen, joka toinen täyteaine sisältää esimerkiksi keraamisten hiukkasten, karvojen tai kuitujen massan. Toi-30 nen täyteaine saatetaan kosketukseen sulan metallin kanssa hermeetti- % \ sessä ympäristössä, jossa voi olla ilmaa, mutta koska muotti on olen naisesti läpäisemätön, siinä olevaa ilmaa ei täydennetä, kun se reagoi sulan alumiinin tai magnesiumin kanssa tai kun sula alumiini tai magnesium kuluttaa sen muutoin loppuun (vaikka ilmaan viitataan erityi-35 sesti tässä yhteydessä läpi koko tekstin, tulee ymmärtää, että mitä tahansa kaasuja, jotka ovat reaktiivisia sulassa metallissa olevan

II

11 93945 ainakin yhden ainesosan kanssa, voitaisiin käyttää sulkeutuneena kaasumaisena aineena). Näissä olosuhteissa sula alumiini tai magnesium suodattuu spontaanisti ja vähitellen edeten muotissa olevaan läpäisevään toiseen täyteaineeseen, mikä johtaa metallimatriisisekarakennetuotteen 5 muodostumiseen, jossa metallimatriisi sulkee sisäänsä toista täyteainetta. Metallimatriisisekarakenne saa muotin muodon ja voi käsittää noin 10-45 tilavuusprosenttia toista täyteainetta, suositeltavasti noin 45-65 tilavuusprosenttia toista täyteainetta.

10 Tämän keksinnön menetelmässä käytetyissä olosuhteissa toista täyteainetta muottiin lisättäessä ilmaa tunkeutuu tyypillisesti sisään ja kyllästää massan tai pedin. Täyteaineen tämä massa on lisäksi riittävän läpäisevä salliakseen sulan alumiinin tai magnesiumin suodattumisen prosessiolosuhteissa. Vaikka muotissa olevaa ilmaa ei kuitenkaan täy-15 dennetä, toinen täyteaine, jota sula alumiini ei kuitenkaan normaalisti kostuta ilman läsnäollessa, suodattuu spontaanisti sulalla alumiinilla tai magnesiumilla muodostaen alumiinin metallimatriisisekarakenteen tai magnesiumin metallimatriisisekarakenteen kohtuullisissa sulan metallin lämpötiloissa. Suodattuminen tapahtuu ilman, että on välttämätöntä 20 käyttää korkeita lämpötiloja, asetettua tyhjöä, mekaanista painetta, erityisiä kaasuilmakehiä, kostuttimia tai vastaavia suodattumisen aikaansaamiseksi. Yleisesti ottaen prosessi on läpäisemätön ulkoiselle ilmalle, koska läpäisemättömän muotin sisältö tiivistetään hermeettisesti ja koska muottiin johtavat kaikki aukot tiivistetään tai koska *! 25 toisen täyteaineen massan sisältävä muotti upotetaan sulan alumiinin tai magnesiumin massaan, jotta toista täyteainetta voidaan suojella tai suojata ympäröivältä ilmalta.

Spontaanin suodattumisen määrä ja metallimatriisin muodostuminen vaih-30 televat tietyissä prosessiolosuhteissa, joita ovat esimerkiksi alumiiniin ja magnesiumiin lisätyt ainesosat ja pitoisuus; valinnaisesti käytettävien kostuttimien läsnäolo; käytetettävän toisen täyteaineen koko, pinnan tila ja tyyppi; suodattumiskosketuskäsittelyn aika; ja käytettävä metallin lämpötila. Lämpötila, jossa kosketukseen tulevaa 35 sulaa alumiinia tai magnesiumia pidetään yllä, voi vaihdella eri metalliseosten yhteydessä ja eri toisten täyteaineiden yhteydessä. Sulan 12 93945 alumiinimetallin tapauksessa spontaani ja vähitellen etenevä suodattuminen tapahtuu yleensä prosessilämpötilassa ainakin noin 700eC, ja suositeltavasti ainakin noin 800°C:ssa tai ylemmässä lämpötilassa olosuhteista riippuen. Yli 1000eC ylittäviä lämpötiloja ei yleensä tarvi-5 ta, ja on havaittu, että erityisen hyödyllinen lämpötila-alue on noin 800-1000eC ja suositeltavasti noin 850-950°C.

Koska tämän keksinnön mukainen menetelmä ei ole riippuvainen ulkoisesti asetetun mekaanisen paineen käytöstä sulan metallin pakottamiseksi 10 keraamisen materiaalin massaan, se sallii olennaisesti yhtenäisten alumiinin metallimatriisisekarakenteiden tai magnesiumin metallimat-riisisekarakenteiden tuottamisen, jotka sisältävät korkean tilavuusosan toista täyteainetta ja joilla on alhainen huokoisuus. Toisen täyteaineen tilavuusosaa tietyissä olosuhteissa voidaan muuntaa tai lisätä 15 käyttämällä toisen täyteaineen massaa, jolla on alhainen huokoisuus, eli alhainen huokostilavuus. Toisen täyteaineen korkeampia tilavuusosia voidaan saada myös aikaan, jos toisen täyteaineen massa puristetaan yhteen tavanomaisten tekniikoiden avulla ennen kuin se saatetaan kosketukseen sulan metallin kanssa edellyttäen, että toisen täyteaineen 20 massaa ei muunneta suljetulla soluhuokoisuudella varustetuksi yhteenpu-ristetuksi massaksi tai rakenteeksi, joka on niin tiheä, että se estää suodattumisen sulalla alumiinilla tai magnesiumilla.

On havaittu, että alumiinin tai magnesiumin suodattumisen yhteydessä ja 25 matriisin muodostumisen yhteydessä, kun käytetään tiettyä metallin ja toisen täyteaineen järjestelmää, toisen täyteaineen kostuttaminen sulalla metallilla tai tyhjön luominen suljetussa ympäristössä antamalla sulan metallin reagoida suljetusta ympäristöstä olevan joko hapen tai typen kanssa tai näiden kahden mekanismin yhdistelmä ovat hallitsevia 30 suodattamismekanismeja. Jos ilmaa täydennetään järjestelmään ja jos ‘ prosessi toteutetaan suhteellisen alhaisissa lämpötiloissa, eli alle 1000°C:en lämpötiloissa, tapahtuu toisen täyteaineen mitätön tai minimaalinen kostuttaminen ja suodattuminen. Sulan alumiinimetallin yhteydessä saavutetaan kuitenkin tiivistämällä toinen täyteaine muottiin 35 siten, että ilmaa ei täydennetä, eli antamalla suodattamisprosessin tapahtua hermeettisesti suljetussa ympäristössä, spontaani suodattumi-

II

13 93945 nen lämpötiloissa, jotka eivät ylitä noin 1000°C:tta ja jotka eivät mielellään ylitä noin 950°C:tta. Esimerkiksi noin 900°C:en lämpötilan on havaittu olevan tyydyttävä monissa tapauksissa, koska lämpötila on tällöin kyllin korkea, jotta voidaan saada aikaan spontaani suodattumi-5 nen hyväksyttävän ajanjakson aikana ilman, että toinen täyteaine huonontuu tarkoituksettomasti tai että vaikutetaan vahingollisesti tulenkestäviin astioihin, rakenteellisiin ainesosiin ja vastaaviin.

Kuviossa 1 on esitetty läpäisemättömän suojuksen tai muotin 12 kooste, 10 johon viitataan yleisesti numerolla 10 ja jolla on yleisesti lieriömäinen, holkkimainen konfiguraatio varustettuna sen läpi ulottuvalla, keskeisellä lieriömäisellä reiällä B ja johon on muodostettu pari pituussuuntaan toisistaan erillään olevia, kiekonmuotoisia kammioita "a" ja "b", joiden halkaisija on suurempi kuin reikä B. Reiän B sulkee 15 muotin 12 pohja 14, kuten on osoitettu kuvion 1 reiän B profiilin katkoviivojen avulla. Läpäisemättömän muotin 12 seinämät (numeroimattomat) koostuvat keraamisesta materiaalista, joka on tuotettu käyttämällä hyväksi tiettyjen hakijan patenttien tekniikoita, joita kuvataan alla. Näin ollen läpäisemätön muotti 12 käsittää keraamisen monikiteisen 20 hapettumisreaktiotuotteen, joka sulkee sisäänsä sopivan täyteaineen, johon viitataan tämän jälkeen ensimmäisenä täyteaineena, kuten alumiinioksidina, piikarbidina tai minä muuna tahansa sopivana keraamisena täyteaineena tai niiden yhdistelmänä. Ensimmäinen täyteaine voi esiintyä missä tahansa toivotussa muodossa, joita ovat esimerkiksi hiukka-·; 25 set, pallot, karvat, silputut kuidut, kuplat, kuulat, kuitumatot, jne.

tai mitkä tahansa näiden yhdistelmät.

Reikä B ja suurennetuilla halkaisijoilla varustetut kammiot "a" ja "b" täytetään sopivalla toisella täyteaineella 22, joka ensimmäisen täyte-30 aineen tavoin voi käsittää minkä tahansa sopivan täyteaineen ja voi * olla hiukkasten, pallojen, karvojen, kuitujen, silputtujen kuitujen, kuplien, kuulien, kuitumattojen, jne. tai minkä tahansa niiden yhdistelmien fysikaalisessa muodossa. Toisen täyteaineen sijoittaminen muotin 12 reikään B voidaan suorittaa käyttämättä erityistä kaasuilmake-35 hää, eli tällainen täyttäminen voidaan suorittaa ilmassa siten, että e 14 93945

Ilma voi poistua toiseen täyteaineeseen ja sisältyä läpäisemättömän muotin 12 reikään B.

Tulenkestävä säiliö 16, jonka pyöreä aukko 18 on muodostettu sen poh-5 jaan tai pohjakerrokseen, sijoitetaan muotin 12 yläpuolelle kuvion 1 mukaisesti, jossa pohjassa tiivistysrengas 24 tuottaa olennaisesti ilmatiiviin (eli ainakin metallitiivin) tiivistyksen säiliön 16 ja muotin 12 välille. Muottia 12 ympäröivä säiliö 16 täytetään tämän jälkeen sulalla alumiinilla, tai kiinteän alumiinin massa voidaan sijoit-10 taa haluttaessa säiliöön 16 ja kooste voidaan kuumentaa säiliössä 16 olevan alumiinimetallin sulattamiseksi. Vaikka keksintöä kuvataan viitaten erityisesti alumiiniin, tulisi ymmärtää, että voidaan käyttää myös magnesiumia. Kummassakin tapauksessa sulan alumiinimetalli 20 massa tiivistää ainoan aukon tai pääsyosan läpäisemättömään muottiin 12 15 ympäröivää ilmaa vastaan siten, että toinen täyteaine 22 tiivistyy tehokkaasti hermeettisesti ympäröivältä ilmalta ja sula metalli on kosketuksessa toisen täyteaineen 22 kanssa sen yläpinnalla reiässä B. Näissä olosuhteissa sula alumiini suodattuu spontaanisti tämän keksinnön mukaisesti toiseen täyteaineeseen 22 edeten alaspäin sen läpi.

20 Koostetta 10 voidaan pitää normaalissa ilman ilmakehässä prosessoinnin aikana ilman, että se vaikuttaa haitallisesti spontaaniin suodattumi-seen.

Kuviossa 1 esitetään spontaanin suodattumisen välivaihe, jossa sula 25 alumiini 20 on suodattanut noin puolet toisen täyteaineen 22 pedistä pisteeseen, joka sijaitsee noin puolivälissä kammioiden "a" ja "b" välillä. Tietyn ajanjakson jälkeen ja lämpötilan ollessa kyllin korkea, jotta alumiini 20 voidaan pitää sulassa tilassa, eli noin 900eC:ssa, alumiini suodattuu spontaanisti toisen täyteaineen 22 koko petiin, 30 muotin 12 pohjaosaan 14. Tämä spontaani suodattuminen tapahtuu ilman, että kostuttimia täytyy syöttää täyteaineeseen (vaikka tätä menetelmää voidaan käyttää valinnaisesti) ilman, että mekaanista painetta tarvitsee asettaa metalliin 20 tai tyhjöä toisen täyteaineen 22 petiin, ilman, että tarvitsee toimia korkeissa lämpötiloissa, kuten olennaisesti 35 1000°C ylittävissä lämpötiloissa, ilman, että toisen täyteaineen 22 peti puhdistetaan inerttisellä tai muutoin erityisellä kaasuilmakehäl-

II

15 93945 lä, ja ilman että käytetään muita suodattamiskeinoja. Tämän keksinnön menetelmä on erittäin hyödyllinen siinä mielessä, että koko prosessi, mukaanlukien muotin 12 valmistamisen (kuten alla on kuvattu), muotin 12 täyttämisen toisella täyteaineella 22 ja kuumentamisen suodattamisen 5 toteuttamiseksi, voidaan suorittaa ilmassa tarvitsematta tukeutua erikoisten kaasuilmakehien käyttämiseen, joihin liittyy korkeita kustannuksia ja muita hankaluuksia.

Vaikka tarkoitus ei ole sitoutua liiallisesti tähän teoriaan, uskotaan, 10 että toisen täyteaineen 22 spontaani suodattuminen sulalla alumiinilla saavutetaan, koska toisen täyteaineen 22 pedin välitiloihin sulkeutunut ilma reagoi sulan alumiinin kanssa ja sula alumiini kuluttaa tämän ja koska ympäröivän tai sulkeutuneen ilman täydentäminen jää pois läpäisemättömän muotin 12 ansiosta. Jos kulutettua ilmaa täydennettäi-15 siin, mikä tapahtuisi silloin kun muotti 12 olisi läpäisevä ilmalle siihen muodostuneen luontaisen huokoisuuden, tai siihen muodostuneiden tiivistämättömien aukkojen tai halkeamien tai rakojen johdosta, täyden-nysilma estäisi tällaisen spontaanin suodattumisen. Alla esitetyt vertailevat esimerkit tukevat ilmeisesti tätä selitystä.

20

Kun toisen täyteaineen suodattuminen on saatettu loppuun, lämpötilaa alennetaan poistamalla kooste uunista ja sulkemalla uuni, ja sulan materiaalin annetaan jäähtyä ja jähmettyä läpäisemättömässä muotissa 12. Saatava sekarakenne 26, joka käsittää muotin ja metallimatriisi-25 sekarakenteen keernan kuvion 2 mukaisesti, erotetaan tämän jälkeen kuvion 1 koosteesta. Kuten on havainnollistettu, rakenne 26 voi sisältää olennaisesti koko muotin 12 (joka on esitetty rakenne-elimenä tai muottina tai kuoriosana 12' kuviossa 2) tai haluttaessa ainoastaan sen osan ja sisältää edelleen metallimatriisikomponentin keernan 28.

30

Sulan metallin suodattuminen ja jähmettyminen voidaan toteuttaa sopivien olosuhteiden vallitessa, jotta voidaan saada aikaan sitoutuminen muotin ja keernan välillä. Sitoutuminen voidaan saada aikaan esimerkiksi järjestämällä jonkinlaista kostumista sulan metallin ja muotin 12 35 välille, pitämällä sula materiaali suorassa kosketuksessa muotin 12 sisäseinämien kanssa säätämällä jäähdytysnopeutta (eli lämpökäsittelys- 16 93945 tä johtuvaa jännityksenpoistoa), säätämällä muotin 12 ja metallimat-riisisekarakenteen lämpölaajenemisen suhteellisia kertoimia ja/tai pitämällä yllä metallisäiliön olennaista yläosaa, jotta voidaan eliminoida tai vähentää jähmettyvän sulan materiaalin erottumista muotin 5 seinämistä. Metallimatriisisekarakenteen lämpölaajenemiskerroin on suurempi kuin keraamisen muotin vastaava kerroin, ja jos tämä ero on liian suuri ja kostutus on minimaalista, sidelujuus ei riitä kestämään lämpökutistumisen epäsopivuutta. Toisin sanoen metallimatriisisekara-kenne voi jäähdytettäessä kutistua pois muotin sisäseinämästä. Toinen 10 täyteaine, jota käytetään muodostettaessa metallimatriisisekarakennet-ta, vähentää metallimatriisisekarakenteen lämpölaajenemista ja vähentää tätä myötä keernan ja muotin välisen lämpölaajenemisen epäsopivuutta. Täyteaineen vaikutus lämpölaajenemisen vähenemiseen voi riippua paljolti täyteaineen tyypistä, geometriasta ja kuvasuhteestä. Hyvä sidos 15 voidaan saada aikaan, kun lämpölaajenemiskertoimet eivät eroa toisistaan liikaa. Metallimatriisin keernalla on suositeltavasti suurempi laajenemiskerroin kuin kuorella, jotta kuoreen voidaan saada aikaan puristusjännityksiä. On havaittu, että yksiakseliset piikarbidihiukka-set (seulamitta 24 - n. 730 mikronia), joita on alumiinissa noin 47 20 tilavuusprosenttia, alentavat lämpölaajenemiskerrointa puhtaan alumiinin kertoimesta (noin 25 x 10'6 cm/cm/eC) arvoon noin 12-16 x 10*6 cm/cm/°C. Piikarbidikarvoilla on sama vaikutus, mutta paljon alemmilla kuormituksilla. Kun yhtä tai useampaa olosuhdetta tällä tavoin säädetään, jähmettynyt sula materiaali, eli metallimatriisisekarakenne, 25 sitoutuu rakenteen 26 rakenne-elimeen 12’ (kuvio 2). Rakenteessa 26 metallimatriisisekarakenteesta 28 koostuvaa keernaa ympäröi muotin tai kuoren ainesosa 12'ja keerna on siihen sitoutunut.

Sulan materiaalin jäähdyttämisen ja jähmettymisen jälkeen muotti 12' 30 voidaan vaihtoehtoisesti murtaa tai muulla tavoin poistaa metallimatriisisekarakenteen keernasta 28, jotta jälkimmäinen voidaan järjestää erilliseksi kappaleeksi, jota muotti 12' ei rasita. Tässä tapauksessa muotti 12' valmistetaan tyypillisesti mahdollisimman ohueksi samalla kun se voi olla läpäisemätön ja pitää yllä rakenteellista yhtenäisyyttä 35 prosessoinnin aikana. Myös tässä tapauksessa prosessi tulisi toteuttaa sellaisissa olosuhteissa, että voidaan minimoida sitoutuminen muotin li 17 93945 12' ja metallimatriisisekarakenteen keernan 28 välillä keernan talteenoton helpottamiseksi. Sopiva kotelo (ei esitetty kuviossa 1) voidaan sijoittaa muotin 12' ympärille täyttämisen ja prosessoinnin aikana, jotta sitä voidaan vahvistaa ja tukea mekaanisesti.

5

Viitaten edelleen kuvioon 1, sen sijaan, että järjestetään sopiva tii-vistyselin kuten tiivisterengas 24, säiliökammio 16 voidaan muodostaa yhtenäiseksi läpäisemättömän muotin 12 kanssa esimerkiksi käyttämällä hyväksi yhtä tai useampaa tekniikkaa, joita on kuvattu hakijan paten-10 teissä. Sulan materiaalin jäähdyttämisen ja jähmettymisen jälkeen toivottu tuote voidaan leikata yhtenäisestä muotista/säiliöstä. Esimerkiksi kuviossa 3 on esitetty yhtenäinen muotti/säiliö, joka kuvio 3 havainnollistaa koosteen toista suoritusmuotoa, jota voidaan käyttää tämän keksinnön mukaisesti. Millä tahansa toivotulla konfiguraatiolla 15 varustettu ontto kappale, johon viitataan yleisesti numerolla 30, käsittää läpäisemättömän keraamisen materiaalin, kuten sekarakenteisen keraamisen materiaalin, kuoren, joka on valmistettu myöhemmin esitettävien, hakijan patenttien tekniikoiden mukaisesti. On lisäksi mahdollista muodostaa läpäisemättömän keraamisen materiaalin kuori menetelmien 20 mukaisesti, jotka on esitetty hakijan US-patentissa 4,956,137 nimellä Ratnesh K. Dwivedi ja nimeltään "Huokoinen keraaminen sekarakenne, jolla on tiivis pinta", jonka asiasisältöön viitataan tässä yhteydessä. Jonkin verran poikkileikkaukseltaan tyynymäisellä ontolla kappaleella 30 on pyöreä kehämäinen reuna 30a pääkappaleosansa ympärillä ja sama-• 25 akselisesti suunnattu lieriömäinen akseli 30b ja napa 30c, joka etenee sen vastakkaisilta puolilta. Akselilla 30b on ulospäin leviävä suu 30d, jonka avulla saadaan aikaan suppilomainen rakenne, johon sula alumiini 20' voidaan sijoittaa toisen täyteaineen pohjan 22' päälle ja sen kanssa kosketukseen. Suu 30d tuottaa onton kappaleen 30 ainoan aukon, ja se 30 tiivistetään ympäristön ilmakehältä tai ilmalta sulan alumiinin 20' kiinteällä pääosalla, jolloin toinen täyteaine 22' voidaan tiivistää tehokkaasti hermeettisesti ympäröivältä tai ulkoiselta ilmalta.

Toisen täyteaineen 22' spontaani suodattuminen saadaan aikaan kuvatulla 35 tavalla liittyen kuvion 1 suoritusmuotoon, ja kuten kuvion 1 suoritusmuodossa sulan metallin 20' säiliötä voidaan täydentää tarvittaessa 18 93945 riittävän alumiinimetallin järjestämiseksi, jotta suodattuminen voidaan saattaa loppuun ja jotta voidaan pitää yllä sulan alumiinin kiinteätä massaa 20' suun 30d, onton kappaleen 30 ainoan sisääntulon tai aukon, pitämiseksi tiivistettynä ympäristön ilmaa vastaan, kunnes spontaani 5 suodattuminen on saatettu loppuun. Kun sula materiaali, joka on saatu toisen täyteaineen 22' suodattumisella, on jähmettynyt sidosolosuhteis-sa, saadaan aikaan onton kappaleen 30 käsittävä rakenne rakennekomponenttina, joka koteloi metallimatriisisekarakenteen. Ontto kappale 30 voidaan vaihtoehtoisesti poistaa esimerkiksi murtamalla metallimat-10 riisisekarakennekappaleen tuottamiseksi, jonka ulkopinta toistaa käänteisesti onton kappaleen 30 sisäpinnan muodon tai geometrian. Jähmettymisen jälkeen saatava rakenne voidaan leikata linjaa C-C pitkin rakenteen aikaansaamiseksi, joka päättyy akselin 30b kanssa. Uudelleen jähmettynyt alumiini voidaan jättää akseliin 30b tai akselissa 30b oleva 15 uudelleen jähmettynyt alumiini voidaan vaihtoehtoisesti osittain tai kokonaan poistaa ja korvata toisella materiaalilla, kuten toisella metallilla, joka voidaan syöttää sulassa muodossa ja jonka annetaan jähmettyä siihen.

20 Toisessa vaihtoehdossa akseli 30b voitaisiin täyttää aluksi osittain tai kokonaan toisella täyteaineella 22' siten, että saatava metalli-matriisisekarakennekappale ulottuu akselin 30b läpi. Jälkimmäisessä tapauksessa akselin 30b pidennystä tai erillistä säiliötä (kuten kuvion 1 suoritusmuodon säiliötä 16) käytetään pidättämään sulaa alumiinime-25 tallia.

Kuviossa 4 esitetään vaihtoehtoinen tekniikka toisen täyteaineen spontaanin suodattamisen toteuttamiseksi, jossa tulenkestävä astia 32 sisältää sulan alumiinin 20'' massan, johon on upotettu tulenkestävä 30 rei'itetty säiliö 34. Säiliö 34 sijaitsee erillään tulenkestävän astian 32 sisäseinämistä (numeroimattomia) siten, että rei'itetty säiliö 34 ja sen sisältö on täysin suojattu tai eristetty sulan alumiinimetallin 20'' avulla ympäristön ilmakehästä. Revitetyllä säiliöllä 34 on useita reikiä 36 siihen muodostettuina, ja sitä tukee kaapeli tai sauva 38, 35 joka on kiinnitetty siihen sopivalla liittimellä 40. Toisen täyteaineen massa, joka on sijoitettu yhdellä tai useammalla aukolla varustettuun

II

19 93945 sopivaan muottiin, sijoitetaan säiliöön 34. (Muotti ja toinen täyteaine eivät näy kuviosta 4.) Reiät 36 saavat aikaan sulan alumiinin 33 sisäänpääsyn säiliöön 34 kosketukseen toisen täyteaineen massan ja siitä johtuvan spontaanin suodattumisen kanssa. Rei'itetty säiliö 34, kaapeli 5 tai sauva 38 ja liitin 40 voidaan valmistaa sopivasta tulenkestävästä materiaalista, joka pystyy kestämään pitkäaikaista kosketusta sulan alumiinin 33 kanssa. Säiliö 34 voidaan haluttaessa eliminoida, ja muotti, jolla on aukko yläpäässä ja joka sisältää toisen täyteaineen, upotetaan tai kastetaan sulaan metalliin. Tällöin suodattuminen etenee, ja 10 metallimatriisisekarakennekappale otetaan talteen, kuten yllä on kuvattu.

Kuviot 5-9 havainnollistavat läpäisemättömän keraamisen muotin valmistamista tämän keksinnön suoritustavan mukaisesti, mutta tulisi ymmär-15 tää, että muotin valmistamismenetelmä soveltuu myös tämän keksinnön muihin suoritusmuotoihin. Kuten yllä on mainittu, näin järjestetty muotti voidaan joko murtaa sen talteenottamiseksi jähmettyneestä me-tallimatriisisekarakenteesta tai säilyttää tuotteen rakenteellisena komponenttina, joka tuote on liitetty tai sidottu metallimatriisiseka-20 rakenteeseen.

Tekniikoita tällaisten ylläkäsiteltyjen keraamisten materiaalien tuottamiseksi on esitetty useissa hakijan patenteissa, joissa esitetään uusia menetelmiä itsekantavien keraamisten materiaalien tuottamiseksi, • t ' 25 mukaanlukien itsekantavat keraamiset sekarakennemateriaalit, joissa keramiikka sulkee sisäänsä sopivan ensimmäisen täyteaineen.

Menetelmä keraamisen hapettumisreaktiotuotteen kasvattamiseksi on esitetty yleisesti hakijan US-patentissa 4,713,360 (joka vastaa julkaistua 30 eurooppalaista patenttihakemusta 0155831, julkaistu 25.9.1985) nimellä «

Marc S. Newkirk et ai. ja nimeltään "Uudet keraamiset materiaalit ja menetelmät niiden valmistamiseksi". Tällaisella hapettamisilmiöllä, jota voidaan korostaa käyttämällä perusmetalliin lejeerattua lisäainetta, saadaan aikaan itsekantavia keraamisia kappaleita, jotka on kasva-35 tettu esiasteperusmetallin hapettumisreaktiotuotteena.

i 20 93945

Edelleen on kehitetty uusi menetelmä itsekantavan keraamisen sekaraken-teen tuottamiseksi kasvattamalla hapettumisreaktiotuote perusmetallista läpäisevään täyteainepetiin, kuten on esitetty hakijan US-patentissa 4,851,375, nimellä Marc. S. Newkirk et ai. ja nimeltään "Keraamiset 5 sekarakennekappaleet ja menetelmät niiden valmistamiseksi".

Ylläolevia menetelmiä parannettiin käyttämällä ulkoisia lisäaineita levitettyinä esiasteperusmetallin pintaan, kuten on esitetty hakijan US-patentissa 4,853,352, nimellä Marc S. Newkirk et ai. ja nimeltään 10 "Menetelmät itsekantavien keraamisten materiaalien valmistamiseksi".

Tekniikka täyteaineen sisäänsä sulkevien itsekantavien keraamisten sekarakennemateriaalien tuottamiseksi, kuten on esitetty yllämainitussa US-patentissa 4,851,375, on hyödyllinen, mutta siinä ei ole esitetty 15 esivalitun muodon tai geometrian toistamista saatavaan keraamiseen sekarakennekappaleeseen. Tämä tarve täytettiin kuitenkin yllämainittujen menetelmien lisäkehitysmuodoissa, jotka mahdollistavat keraamisten sekarakenteiden muodostamisen, jotka toistavat käänteisesti esiasteperusmetallin positiivisen mallin. Näitä menetelmiä on kuvattu hakijan 20 US-patentissa 4,828,785, nimellä Marc S. Newkirk et ai. ja nimeltään "Käänteinen muodontoistomenetelmä keraamisten sekarakennekappaleiden valmistamiseksi ja menetelmällä valmistetut tuotteet”, ja hakijan US-patentissa 4,859,640, nimellä Marc S. Newkirk et ai. ja nimeltään "Menetelmä keraamisten sekarakennekappaleiden valmistamiseksi, joilla on ; 25 muodoltaan toistetut pinnat ja menetelmällä valmistetut tuotteet”.

Käänteisen muodon toistoa käyttämällä poistettavan mallin massaa on kuvattu myös hakijan US-patentissa 4,818,454 nimellä Andrew W. Urqu-hart, et ai. ja nimeltään "Menetelmä keraamisten sekarakennekappaleiden valmistamiseksi poistettavan mallin käänteisellä muodon toistolla".

30

On myös kehitetty muitakin menetelmiä keraamisten sekarakennekappaleiden tai rakenteiden valmistamiseksi, joilla on esivalittu muoto tai geometria. Näihin menetelmiin kuuluu läpäisevän täyteaineen muotoillun esimuotin hyväksikäyttö, johon keraaminen matriisi kasvatetaan hapetta-35 maila perusmetalliesiaste, kuten on kuvattu hakijan US-patentissa 5,017,526, nimellä Marc S. Newkirk et ai. ja nimeltään "Muotoillut

II

21 93945 keraamiset sekarakenteet ja menetelmät niiden valmistamiseksi". Toinen menetelmä tällaisten muotoiltujen keraamisten sekarakenteiden valmistamiseksi käsittää rajoittimen käyttämisen, jotta voidaan pidättää tai ehkäistä hapettumisreaktiotuotteen kasvu valitulla rajalla keraamisen 5 sekarakenteen muodon tai geometrian määrittämiseksi. Tätä tekniikkaa kuvataan hakijan US-patentissa 4,923,832, joka on jätetty 8.5.1986, nimellä Marc S. Newkirk, et ai. ja nimeltään "Menetelmä muotoiltujen keraamisten sekarakennekappaleiden valmistamiseksi käyttämällä rajoi-tinta".

10

Perusmetallin säiliön hyväksikäyttäminen keraamisten sekarakennekappaleiden tai -rakenteiden, erityisesti muotoiltujen kappaleiden tai rakenteiden, valmistamisen helpottamiseksi oli lisäkehitysmuoto, koska tällöin järjestettiin sulan perusmetallin säiliö virtausyhteyteen pe-15 rusmetallin massan kanssa esiasteena hapettumisreaktiolle. Täydentämällä perusmetallin syöttöä tekniikka mahdollistaa hapettumisreaktiotuotteen suurempien tilavuuksien kasvun paikoilta, jotka pystyvät pitämään ainoastaan rajoitettuja määriä perusmetallia. Säiliösyöttötekniikka on esitetty hakijan US-patentissa 4,900,699, nimellä Marc S. Newkirk, et 20 ai. ja nimeltään "Säiliönsyöttömenetelmä keraamisten sekarakennekappaleiden valmistamiseksi ja menetelmällä tehdyt rakenteet".

Kaikkien yllämainittujen hakijan US-patenttien koko kuvauksiin viitataan nimenomaan tässä yhteyssä.

: 25 Tämän keksinnön yhteydessä täyteaineeseen, johon hapettumisreaktiotuote kasvatetaan ylläkuvattujen, yhden tai useamman hakijan patentin tekniikoiden mukaisesti ilmalle läpäisemättömän keraamisen sekarakenne-muotin tuottamiseksi, viitataan ensimmäisenä täyteaineena sen erottami-30 seksi toisesta täyteaineesta, johon sula alumiini tai magnesium suodatetaan spontaanisti metallimatriisisekarakenteen tuottamiseksi. Monet materiaalit sopivat käytettäviksi ensimmäisinä ja toisina täyteaineina; tietyssä tapauksessa ensimmäinen ja toinen täyteaine voivat olla siis samanlaisia tai erilaisia, ja täyteaineet eivät tyypillisesti reagoi 35 sulan perusmetallin ja sulan alumiinin tai magnesiumin kanssa proses -siolosuhteissa.

22 93945

Kuvioissa 5 ja 5A on esitetty kooste 42 keraamisen sekarakennekappaleen valmistamiseksi, joko soveltuu käytettäväksi joko särjettävänä muottina, josta metallimatriisisekarakenne otetaan talteen, tai muottina/ra-kenne-elimenä, joka sidotaan metallimatriisisekarakenteeseen. Kooste 42 5 sisältää rajoitinsäiliön 44, joka on rakenteeltaan olennaisesti lieriömäinen ja jonka sisäseinämää rajoittaa seula 46 (kuten voidaan parhaiten havaita kuviosta 5A), joka sisältyy rei'itettyyn lieriöön 48 ja on sen vahvistama, joka lieriö 48 toimii ulkoisena, jäykkänä elimenä vahvistaen lieriömäistä seulaa 46. Seula 46 voidaan korvata rei'itetyl-10 lä metallilevyllä, kuten revitetyllä ruostumattomasta teräksestä koostuvalla teräslevyllä. Rei'itetty lieriö 48 on muodostanut läpi koko pintansa reikien 50 mallin ja on kyllin jäykkä säilyttääkseen prosessoinnin aikana ensimmäisen täyteaineen 52 massan tai kappaleen muodon, joka täyteaine voi olla muotitettava täyteaine, eli täyteaine, joka voi 15 käsittää hiukkasia, karvoja, kuituja tai vastaavia massassa, joka mukautuu muodoltaan perusmetallin massan 66 muotoon, joka perusmetalli on upotettu ensimmäisen täyteaineen petiin. Muotitettava ensimmäinen täyteaine 52 mukautuu myös lieriömäisen seulan 46 sisäosan muotoon. Muoti-tettavan ensimmäisen täyteaineen 52 peti käsittää näin ollen läpäisevän 20 esimuotin, jonka ontelolla on siihen perusmetallin massan 66 muodostamat toivotut rakenteet, joka ontelo täytetään perusmetallin massaa syötettäessä. Vaihtoehtoisessa suoritusmuodossa ensimmäinen täyteaine 52 voidaan esimuotittaa koherentiksi massaksi tavanomaisten menetelmien avulla, joita ovat esimerkiksi liukuvalu tai jne., käyt-tämällä hyväksi 25 hiukkasia, kuituja, jauheita, jne., jotka voivat sisältää sopivan side-neen lisäämisen raakalujuuden järjestämiseksi. Tällaisessa tapauksessa perusmetalli voidaan syöttää esimuotin onteloon sulassa tilassa.

Seulan 46 aukot (numeroimattomat) ovat samassa rivissä lieriössä 48 30 olevien useiden reikien 50 kanssa siten, että rajoitinsäiliö 44 on avoin ympäröivän ilmakehän sisääntulolle. Useita ruostumattomasta teräksestä valmistettuja kulmavahvistuksia 54 on sijoitettu toisistaan erilleen suunnilleen lieriön 48 ulkopinnan kehän ympärille, ja niitä pitävät paikoillaan kiristysrenkaat 56, joiden tehtävänä on tukea ra-35 kenteellisesti koostetta 42. Kuviossa 5 alin kiristysrengas 56 on esitetty osittain murretussa muodossa, ja kuvion 5 jäljelläolevat kiristi 23 93945 tysrenkaat 56 sekä kuvion 5A kiristysrenkaat on esitetty on esitetty poikkileikkauksena. Pohja 58 sulkee rajoitinsäiliön 44 pohjan. Perusmetallin säiliömassa 60 on sijoitettu interttisen materiaalin petiin 62, joka on sijoitettu rajoitinsäiliön 44 yläosaan ja erotettu ensimmäisen 5 täyteaineen 52 pedistä levyllä 64. Inerttisen materiaalin peti 62 voi käsittää inerttisen hiukkasmaisen materiaalin pedin (kuten El Alundum, seulamitta 90, joka vastaa n. 165 mikronia, Norton Co.) alumiinin ollessa perusmetallina, joka ei tue siinä olevan monikiteisen hapettumis-reaktiotuotteen kasvua prosessiolosuhteissa.

10

Levyllä 64 on keskiaukko (numeroimaton), jotta se voi sallia perusmetallin massan 66 yläosan kulun lävitseen, joka massa 66 on upotettu ensimmäisen täyteaineen 52 massaan. Havainnollistetussa suoritusmuodossa perusmetallin massalla 66 on pitkänomainen lieriömäinen konfi-15 guraatio sekä pari kiekon muotoisia ulkonemia 66a,66b pituussuunta!-sesti toisistaan erillään olevissa paikoissa. Perusmetallin massa 66 ulottuu näin perusmetallin keernana ensimmäisen täyteaineen 52 pedissä ja sen kanssa kosketuksessa. Perusmetallin hapettumisreaktion helpottamiseksi yksi tai useampi lisäaine voidaan lejeerata perusmetallin 20 massan 66 ja perusmetallin säiliömassan 60 kanssa, ja/tai ne voidaan lisätä ulkoisesti perusmetallin massaan 66 ja/tai lisätä tai sijoittaa ensimmäiseen täyteaineeseen 52 ainakin perusmetallin massan 66 läheisyyteen.

: 25 Kun koostetta 42 kuumennetaan hapettimen läsnäollessa lämpötila-alueel le, joka on perusmetallin sulamispisteen yläpuolella ja siitä muodostettavan hapettumisreaktiotuotteen sulamispisteen alapuolella, ja kun lämpötilaa pidetään tällä alueella koosteen 42 ollessa alttiina hapettavalle ympäristölle, kuten ilmalle, hapettumisreaktiotuote muodostuu 30 sulan perusmetallin massan 66 ja ensimmäisen täyteaineen 52 pedin väliselle rajapinnalle. Kuten yhdessä tai useammassa hakijan patentissa on kuvattu, hapetin voi olla kiinteä aine, neste tai kaasu tai näiden yhdistelmä. Esimerkiksi ilmaa voidaan käyttää yhdessä ensimmäiseen täyteaineeseen sisällytetyn kiinteän hapettimen kanssa (esim. piidiok-35 sidia sekoitettuna alumiinioksidisen täyteaineen kanssa), ja sula perusmetalli käy läpi hapettumisen tullessaan kosketukseen molempien 24 93945 hapettimien kanssa. Perusmetallin massasta 66 saatava sula perusmetalli, jota täydennetään tarvittaessa perusmetallin säiliömassasta 60, pidetään kosketuksessa kasvavan hapettumisreaktiotuotteen kanssa, joka tulee kosketukseen hapen tai muun hapetinkaasun kanssa, joka kulkee 5 lieriössä 48 olevien reikien 50 läpi ja tämän jälkeen seulan 46 läpi sekä ensimmäisen täyteaineen 52 pedin läpi kosketukseen hapettumisreaktiotuotteen kasvavan rintaman kanssa. Ympäröivää hapettavaa ilmakehää täydennetään tai korvataan esimerkiksi kierrettämällä ilmaa uunissa, johon kooste 42 on sijoitettu, kuten varustamalla uuni yksinkertaisesti 10 sopivalla ilmanvaihdolla ilman sisääntuloa varten. Hapettumisreaktion jatkuessa hapettumisreaktiotuote jatkaa muodostumistaan ensimmäisen täyteaineen 52 pedissä hapettimen ja aikaisemmin muodostuneen hapettumisreaktiotuotteen välisellä rajapinnalla, ja reaktiota jatketaan, jotta ainakin osan ensimmäisen täyteaineen 52 pedistä voidaan upottaa 15 hapettumisreaktiotuotteeseen.

Reaktio voidaan haluttaessa lopettaa, kun kasvava hapettumisreaktiotuote on kasvanut suunnilleen niihin mittoihin, jotka on esitetty kuviossa 5 katkoviivalla 68. Vaikka katkoviiva 68 on piirretty kuviossa 5 20 enemmän tai vähemmän geometrisen tarkasti, huomautettakoon, että jos hapettamisreaktio pysäytetään sen jälkeen, kun sopivan paksuinen kerros monikiteistä hapettumisreaktiotuotetta on muodostunut perusmetallin massasta 66, keraamisen elimen ulkoisesta muodosta tulee jonkin verran epäsäännöllinen, mutta tämä ei vaikuta negatiivisesti saatavan keraami-; 25 sen elimen käyttämiseen läpäisemättämänä muottina metallimatriisiseka- rakenteen muodostamiseksi. Kuten asiaan liittyvissä, hakijan patentissa on selvitetty, kasvaneen keramiikan sisäosa toistaa käänteisesti perusmetallin massan 66 muodon. Rajoitinmateriaali, joka käsittää kipsin ja kalsiumkarbonaatin tai esimerkiksi seulan 46 materiaalista koostetun 30 materiaalin, voidaan vaihtoehtoisesti konfiguroida tuottamaan olennaisesti katkoviivan 68 muodolla varustetun onton ontelon, jotta voidaan pysäyttää hapettumisreaktiotuotteen kasvu tai rajoittaa sitä keraamisen materiaalin kuoren tuottamiseksi, jolla on rajoittimen sisäpinnan muodon käänteinen muoto, johon se on kasvatettu. Tällä tavoin saatavan 35 keraamisen sekarakenteen kuoren geometristä rakennetta voidaan säätää tarkasti, mikä tekee keraamisen sekarakenteen kuoresta hyödyllisen

II

25 93945 pysyvänä rakenteellisena komponenttina, joka on yhdistetty metallimat-riisisekarakennekappaleeseen. Kuvion 5 suoritusmuodossa kasvaneen keramiikan ulkopinnan geometristä rakennetta säädetään seulan 46 sisäosan muodolla.

5

Jos keraamisen sekarakenteen kuorta käytetään yksinkertaisesti muottina, josta metallimatriisisekarakennekappale otetaan talteen, kuori tehdään ainoastaan riittävän paksuksi siten, että sillä on riittävä rakenteellinen lujuus ja että se on läpäisemätön prosessissa käytet-10 täväksi. Kun metallimatriisisekarakennekappale on jähmetetty ja jäähdytetty, muotti murretaan ja eristetään tai erotetaan metallimatrii-sisekarakennekappaleesta. Kun sula materiaali on esimerkiksi jähmettynyt, mutta kooste on yhä korkeassa lämpötilassa alumiinimetallin sulamispisteen alapuolella, esim. lämpötilassa noin 300-500°C, muotin 15 ympäröimä metallimatriisisekarakennekappale voidaan jäähdyttää upottamalla se jäähdytysnesteeseen, kuten veteen, siten, että syntyvä läm-pöshokki murtaa metallimatriisisekarakennekappaletta ympäröivän ohuen kuorimuotin. Muotti voidaan vaihtoehtoisesti murtaa mekaanisesti. Saatavan metallimatriisisekarakenteen pinnat toistavat käänteisesti muotin 20 sisägeometrian. Voi olla lisäksi toivottavaa välttää sitoutumista me-tallimatriisisekarakennekappaleen ja kuoren välillä, jotta voidaan helpottaa kuoren poistamista sekarakennekappaleesta.

Kun keraaminen sekarakennekuori tai -massa tai sen osa toimii loppu-; 25 tuotteen rakenteellisena komponenttina, kuori liitetään tai sidotaan metallimatriisisekarakenteeseen. Keraaminen rakennekomponentti voi olla esimuotoiltu rakenteeksi, jota tarvitaan toivotun lopullisen käyttökohteen yhteydessä. Esimerkiksi kuvioissa 5 ja 5A esitetyssä suoritusmuodossa hapettumisreaktiota voidaan jatkaa, jotta ensimmäisen täyteai-30 neen 52 koko peti voidaan upottaa kasvavaan monikiteiseen hapettumisreaktio-tuotteeseen siten, että rajoitin 44 pysäyttää tai ehkäisee ha-pettumisreaktiotuotteen kasvun määrittäen näin lopputuotteen ulkoge-ometrian pyöreäksi lieriöksi. Jos rajoitin käsittää seulan tai rei'ite-tyn materiaalin, saatavan keraamisen lieriön ulkopinta on karkea tai 35 siinä on kuvioita. Lieriön ulkopinta voidaan työstää, hioa, kiillottaa, jne.

26 93945

Rajoittimella 44 voi olla vaihtoehtoisesti suhteellisen sileä pinta, mikä saa aikaan sileän ulkopinnan sekarakennekappaleeseen. Esimerkiksi kipsilietettä (joka on suositeltavasti sekoitettu kalsiumkarbonaatin tai kalsiumsilikaatin kanssa), voidaan lisätä pedin 52 rajalle ja antaa 5 kovettua. Kipsikerros estää monikiteisen hapettumisreaktiotuotteen ylikasvun, ja kun prosessi on saatettu loppuun, rajoitin voidaan poistaa helposti esimerkiksi hiekkapuhalluksella, kaapimalla, jne. Keraaminen kuori on joka tapauksessa suunniteltu tuottamaan rakenteellisen käytettävyyden ja saamaan aikaan hyvän sidoksen metallimat-10 riisisekarakenteen kanssa yhtenäisen rakenteen muodostamiseksi.

Jos perusmetallin massaa 66 täydennetään sopivasti säiliömassasta 60 hapettumisreaktioprosessin aikana, saatavan hoikin muotoisen keraamisen kappaleen sisäosa täyttyy perusmetallin keernalla. Tämä perusmetalli 15 voidaan poistaa sen ollessa vielä sulassa tilassa yksinkertaisesti tyhjentämällä tai kaatamalla se pois saatavasta keraamisesta hoikista. Jos sulan perusmetallin keernan annetaan jähmettyä uudelleen tai jos mitä tahansa metallin jäänteitä jää jäljelle ja jähmettyy, ainakin toivottava määrä jäljellä olevasta metallista voidaan poistaa saatavas-20 ta keraamisesta hoikista työstämällä ja/tai happosyövyttämällä esimerkiksi kloorivetyhappoliuoksella alumiinin ollessa perusmetallina, jolloin jäljelle jää keraaminen holkki varustettuna ontolla keernalla, joka toistaa käänteisesti perusmetallin massan 66 muodon. Onttoa keer-naa voidaan käyttää tämän jälkeen muottiontelona, johon toinen täyteai-; 25 ne sijoitetaan ja saatetaan kosketukseen sulan alumiinin tai mag nesiumin kanssa metallimatriisisekarakenteen muodostamiseksi.

Kuviot 6-8 havainnollistavat kaaviomaisesti läpäisemättömän keraamisen sekarakennemuotin valmistamista valmistettuna menetelmällä, johon si-30 sältyy poistettavan mallin massan hyväksikäyttäminen. Kuviossa 6 esitetään tulenkestävä astia 70, kuten alumiinioksidinen astia, joka sisältää mukautuvan ensimmäisen täyteaineen 72 massan, johon poistettavan mallin massa 74 upotetaan, jotta voidaan määrittää pedissä 72 ensimmäisen täyteaineen ja poistettavan mallin massan 74 välisellä rajapin-35 nalla pedin 72 muotoiltu onteloseinämä. Onteloseinämän geometria on yhdenmukainen poistettavan mallin massan 74 ulkopinnan geometrian kans-

II

27 93945 sa, eli muodostaa sen käänteisen kaksoiskappaleen. Poistettavan mallin massalla 74, joka voidaan valmistaa mistä tahansa sopivasta haihtuvasta tai palavasta materiaalista, kuten polystyreenivaahdosta tai vahamate-riaalista, on keskiosa 76, joka on rakenteeltaan yleisesti lieriömäi-5 nen, sekä päätyosa 78, joka on aksiaalisesti lyhyempi kuin halkaisijaltaan suurempi kuin keskiosa 76. Sopiva rajoitin 80 (jota ei ole välttämättä ole piirretty mittakaavan mukaisesti), joka voi käsittää ruostumattoman terässeulan tai rei'itetyn teräslieriön, määrittää valmistettavan keraamisen sekarakennekappaleen ulkorajat. Rajoitin 80 voi käsit-10 tää vaihtoehtoisesti kipsi- ja kalsiumsilikaattielimen, joka voidaan saada tyypillisesti aikaan levittämällä materiaalin liete substraattiin tai levylle, kuten pahville, ja antamalla lietteen kovettua. Rajoitti-men 80 rakenne on joka tapauksessa sellainen, että se estää hapettumis-reaktiotuotteen kasvun ja määrittää näin tuotteen rajan.

15

Kuten kuviossa 7 on havainnollistettu, sula perusmetalli 82 voidaan kaataa sopivasta astiasta 84 suoraan upotetun poistettavan mallin massan 74 päälle. Sula perusmetalli höyrystää polystyreenivaahdon tai poistettavan mallin massan 74 muun haihtuvan materiaalin, ja höyrysty-20 nyt materiaali poistuu koosteesta joko ensimmäisen täyteaineen 72 pedin läpi tai ylöspäin saman alueen läpi, johon sula perusmetalli lisätään, tai erillisen, järjestettävän poistoaukon kautta (ei esitetty). Kun sula perusmetalli korvaa koko poistuvan mallin massan 74, kooste kuumennetaan kasvulämpätilaan tai pidetään siinä alueella, joka on perus-25 metallin sulamispisteen yläpuolella mutta hapettumisreaktiotuotteen sulamispisteen alapuolella. Kaasufaasihapetin läpäisee läpäisevän täy-teainemassan 72 ja tulee kosketukseen sulan metallin kanssa sen hapet-tamiseksi, jotta voidaan muodostaa monikiteinen hapettumisreaktiotuote ylläkuvatulla tavalla, joka kasvaa esimuotin läpi ja kosketukseen ra-30 joittimen 80 kanssa. Kiinteä hapetin tai nestemäinen hapetin voidaan haluttaessa sisällyttää petiin 72 tai siihen osaan petiä, jota rajoitin 80 sitoo. Sula metalli reagoi pedissä olevan hapettimen kanssa kehittäen näin hapettumisreaktiotuotteen. Kahta tai useampaa hapetinta voidaan käyttää myös yhdessä, kuten käyttämällä pedissä reaktiivista silikaat-35 tia ja toteuttamalla prosessi ilmassa. Sulaa perusmetallia 82 voidaan tarvittaessa täydentää, jotta voidaan säilyttää sen taso täyteainepedin 28 93945 72 päällä. Kuten aikaisemmin esitetyissä US-patenteissa 4,828,785 ja 4,818,454 on selvitetty, täyteaineen 72 peti tai ainakin sen tukivyöhy-ke 86, joka ympäröi poistettavan mallin massaa 74, on luontaisesti it-sesitoutuva itsesitoutumislämpötilassa tai sen yläpuolella, joka on 5 suositeltavasti lähellä hapettumisreaktiolämpötilaa mutta sen alapuolella, jotta voidaan estää onteloseinämän luhistuminen tai epämuodostuminen. Kun ensimmäinen täyteaine 72 tai sen tukivyöhyke 86 kuumennetaan tällä tavoin itsesitoutumislämpötilaansa, se sintrautuu tai sitoutuu muulla tavoin itseensä ja kiinnittyy kasvavaan hapettumisreaktiotuot-10 teeseen riittävästi siten, että se voi tuottaa sopivan mekaanisen lujuuden sulaa perusmetallia ympäröivälle ensimmäiselle täyteaineelle hapettumisreaktiotuotteen kasvun alkuvaiheiden aikana. Itsesitoutuvan täyteaineen mekaaninen lujuus kestää paine-eron ja pitää yllä ontelon rakenteellista yhtenäisyyttä, kunnes keraamisen sekarakennemateriaalin 15 riittävä paksuus on kehittynyt.

Kun hapettumisreaktiotuote on kasvanut rajottimen 80 määrittämälle rajalle, jäljellejäänyt tai reagoimaton sula metalli 82 voidaan poistaa prosessista muodostetusta keraamisesta sekarakennemuotista 88 (kuvio 20 8). Keraamisella sekarakennemuotilla 88 on kaulaosa 90 ja pohjaosa 92, jonka halkaisija on suurempi kuin kaulaosan 90 halkaisija. Muottiontelo 94 määrittyy muottiin 88, ja sillä on sisäänpääsyn järjestävä aukko 94a. Muottiontelon 94 havaitaan toistavan käänteisesti poistettavan mallin massan 74 geometrian.

25 «

Kuviossa 9 on esitetty toinen suoritusmuoto, jossa tulenkestävän astian 96 koosteella on siihen sijoitettuna inerttisen materiaalin 98 läpäisevä peti, johon on upotettu kiinteä perusmetallin massa 100 ja ensimmäisestä täyteaineesta valmistettu esimuotti 102. Esimuotti 102 on 30 muodostettu koherentiksi, muotoilluksi kappaleeksi varustettuna riittävällä raakalujuudella, jotta se voi kestää käsittelyn ja upottamisen inerttisen materiaalin 98 petiin. Näin ollen ensimmäisen täyteaineen hiukkaset voidaan muodostaa esimuottiin 102 sekoittamalla sopiva sideaine ensimmäisen täyteaineen hiukkasilla ja muovaamalla tai muutoin 35 muodostamalla siitä esimuotti 102. Esimuotti 102 voi käsittää yhden tai useampia kappaleita. Esimerkiksi esimuotin 102 pohjakappale 102a voi • li 29 93945 olla yleisesti kupin muotoinen siten, että sen muotoiltu onteloseinämä 104 määrittää toivotulla geometrialla varustetun ontelon 106. Esimuotin päälikappaleella 102b on siihen muodostettuna aukko 106a, ja se on sijoitettu pohjakappaleen 102a yläpuolelle. Esimuotti 102 on läpäisevä 5 hapettumisreaktiotuotteen kasvulle.

Kuvion havainnollistettu kooste kuumennetaan kasvulämpötilaan perusmetallin 98 sulamispisteen yläpuolelle, mutta siitä saatavan hapettumisreaktiotuotteen sulamispisteen alapuolelle. Kuten yllä on havaittu 10 ja kuten on yksityiskohtaisesti kuvattu joissakin yllämainituissa hakijan patenteissa, inerttisen materiaalin peti 98 ei kestä hapettumisreaktiotuotteen kasvua, vaan hapettumisreaktiotuote kasvaa ensimmäisen täyteaineen esimuotin 102 läpi ja esimuottiin 102. Prosessia pidetään yllä niin kauan, että voidaan upottaa koko esimuotti 102 keraamiseen 15 hapettumisreaktiotuotteeseen keraamisen sekarakennemuotin tuottamiseksi, jolla on muottiontelo 106 ja aukko 106a sisäänpääsyn mahdollistamiseksi. Saattaa myös olla välttämätöntä järjestää rajoitin 150 (kuten yllä on selvitetty), jotta voidaan estää tai ehkäistä hapettumisreaktiotuotteen kasvua.

20

Kuten seuraavissa esimerkeissä on esitetty, jotka kohdistuvat erityisesti alumiinimetalleihin, sulat alumiinimetallit suodattuvat spontaanisti läpäisemättömään muottiin sijoitetun toisen täyteaineen läpäisevään massaan, kun massa eristetään ympäristön ilmakehästä, eli 25 ympäristön ilmasta. Yleisesti ottaen keksinnön yhteydessä käytettävä alumiini voi sisältää useita siihen lisättyjä alkuaineita, jotta metal-limatriisisekarakennekappaleeseen voidaan saada aikaan toivotut mekaaniset ja fysikaaliset ominaisuudet. Esimerkiksi kuparilisäaineita voidaan sisällyttää alumiinimetalliin matriisin tuottamiseksi, joka 30 voidaan lämpökäsitellä kovuuden ja lujuuden lisäämiseksi.

Esimerkki 1

Ylläkuvattujen hakijan patenttien tekniikoiden mukaisesti valmistettiin 35 ilmalle läpäisemättömiä, lieriömäisiä muotoiltuja keraamisia sekaraken-nekappeleita. Tarkemmin sanottuna kolme ilmalle läpäisevää lieriömäistä 4 9 30 93945 esimuottia, jotka olivat kukin 15,24 cm (6 tuumaa) korkeita ja ulkohal-kaisijaltaan 5,08 cm (2 tuumaa), liukuvalettiin ensin käyttämällä seosta, joka käsitti 49,5 painoprosenttia 1000 raekoon (vastaa n. 12 mikronia) raakapiikarbidia (jonka oli toimittanut Exolon-ESK Company, Tona-5 wanda, N.Y., kauppanimellä Carbolon F1000), 19,8 painoprosenttia "100 GL" -raakapiikarbidia (jonka oli toimittanut Superior Graphite Company, Chicago, IL) ja 30,7 painoprosenttia tislattua vettä. Carbolon F1000:n keskimääräinen hiukkaskoko oli noin 4 mikronia ja 100 GL:n vastaava hiukkaskoko oli noin 0,8 mikronia. Liukuvalanne valmistettiin ensin 10 kuulamyllyjauhattamalla 100 GL, vesi, pieni määrä ainetta "Darvan-7" (jonka oli toimittanut R.T. Vanderbilt and Company, Norwalk, CT) ja pieni määrä ammoniumalginaattia yhden tunnin ajan. Lisätyn Dervan-7:n määrä oli noin 1,6 grammaa per 1228 grammaa käytettävää vettä, ja käytetyn ammoniumalginaatin määrä oli noin 4 grammaa per 1228 käytettävää 15 vettä. Kun tätä seosta oli kuulamyllytetty yhden tunnin ajan, noin puolet Carbolon F1000:n kokonaismäärästä lisättiin seokseen, ja tätä uutta seosta kuulamyllytettiin tämän jälkeen noin puoli tuntia. Tässä vaiheessa jäljellä oleva Carbolon F1000 lisättiin, ja kokonaisseosta kuulamyllytettiin 24 tunnin ajan. 24 tunnin ajanjakson kuluttua umpeen 20 pH ja viskositeetti tarkistettiin ja säädettiin lisäämällä pieniä määriä Darvan-7:ää, kunnes viskositeetti oli noin 200-500 CPS ja pH oli noin 6-7. Kun tämä oli saatu aikaan, lopullista seosta kuulamyllytettiin 48 tunnin ajan ennen kuin sitä käytettiin liukuvalanteena.

'· 25 Valanteesta valmistetut liukuvaletut lieriöt kuivattiin 90°C:ssa uunis- 4 sa ja kuumennettiin myöhemmin ilmassa 1100°C:ssa kymmenen tunnin ajan, minkä jälkeen ne jäähdytettiin ympäristön lämpötilaan. Kuumennusnopeus oli 200°C/h ja jäähdytysnopeus oli noin 100°C/h. Kuumentamisen ja jäähdyttämisen jälkeen kunkin lieriön sisäosa päällystettiin 500-raekokoi-30 sella (n. 25 mikronia) piijauheen (Atlantic Equipment Engineers, Ber- genfield, N.J.) rajapintapäällysteellä. Lieriömäisten esimuottien ulkopuoli päällystettiin rajoitinkerroksella käsittäen painoprosentteina lietteen, joka sisälsi 35 % kipsiä ("Bondex", International Inc., Brunswick, OH), 15 % "Minusil"-materiaalia raekokoa 500 (n. 25 mikro-35 nia) (U.S. Silica Co., Berkeley Spring, W.Va.) ja 50 % vettä. Valmistetut esimuotit kuumennettiin tämän jälkeen 900eC:en vastuskuumennetavas-

II

31 93945 sa uunissa, ja myöhemmin 900°C:ssa oleva, 450 grammaa painava sula alumiiniseos kaadettiin kuhunkin esimuottiin. Alumiiniseos käsitti nimellisesti painoprosentteina seuraavaa: noin 2,5-3,5 % Zn, 3-4 % Cu, 7,5-9,5 % Si, 0,8-1,5 % Fe, 0,2-0,3 % Mg, ja maksimaalisesti noin 0,5 % 5 Mn, 0,5 % Ni, 0,001 % Be, 0,01 % Ca ja 0,35 % Sn lopun ollessa alumiinia. Ilma, joka hajaantui läpäisevän rajoittimen ja esimuotin läpi, hapetti sulan alumiiniseoksen muodostaen monikiteisen hapettumisreak-tiotuotteen. Hapettamisreaktiota jatkettiin 100 tunnin ajan, jona aikana sulan seoksen hapettumisreaktiotuote kasvoi kuhunkin lieriömäiseen 10 esimuottiin ja suodattui olennaisesti täysin näihin esimuotteihin. 100-tuntisen reaktioajan lopussa jäljellä oleva sula seos kaadettiin talteen onttojen keraamisten sekarakennelieriöiden tuottamiseksi, jotka olivat läpäisemättömiä ympäröivälle ilmakehälle. Nämä lieriöt olivat toisesta päästään suljettuja ja toisesta päästään avoimia. Kunkin ke-15 raamisen sekarakennelieriön ollessa vielä 900eC:ssa ne täytettiin osittain toisella täyteaineella pääliosan syvyyden alapuolelle, jotta kuhunkin lieriöön voitiin jättää 100 millimetriä "vapaata" tilavuutta täyteaineen pedin yläpuolelle. Näissä kolmessa lieriössä käytetyt vastaavat kolmet toiset täyteaineet käsittivät (1) 150 gramman pedin rae-20 kokoa 24 (n. 720 mikronia) olevia piikarbidihiukkasia (Crystolon 39, Norton Company, (2) 200 gramman pedin raekokoa 24 (n. 720 mikronia) olevia 38 Alundum -hiukkasia (Norton Company) ja (3) 100 gramman pedin hiekkaa, joka koostui raekokoa 100 (n. 150 mikronia) olevista piidiok-sidihiukkasista (Pennsylvania Foundry Supply and Sand Co., Phila- : 25 delphia, PA). Noin 100 millimetriä (tai noin 220 grammaa) sulassa ti lassa olevaa, nimellisesti puhdasta 1100-alumiiniseosta, joka sisältää n. 99 p-% alumiinia, 0,10 p-% sinkkiä, 0,05 p-% kuparia, 0,05 % mangaania ja muita epäpuhtauksia mukaanlukien rautaa ja piitä, kaadettiin lieriöissä olevien toisten täyteaineiden kunkin pedin päälle. Sulan 30 alumiinin saatavat kiinteät massat täyttivät lieriöissä olevan vapaan • » : tilan täyteaineiden petien yläpuolella ja tiivistivät lieriöiden ainoan aukon läpi koko suodattamisprosessin tiivistäen tai eristäen näin toisen täyteaineen pedit ympäröivältä ilmalta. Koosteet pidettiin noin 900°C:en lämpötilassa, ja sulan alumiinimetallin spontaani suodattu-35 minen toisen täyteaineen peteihin alkoi lähes välittömästi ja tapahtui tavallisesti täydellisesti noin 20 minuutin aikana. Kun koosteita oli « 32 93945 pidetty 900eC:ssa noin viisi tuntia, kuumentaminen lopetettiin ja koosteiden annettiin jäähtyä ympäristön lämpötilaan. Saatiin metallimat-riisisekarakennekappaleet, jotka käsittivät eri täyteaineet sisäänsä sulkeva alumiiniseos. Järjestelmässä, jossa hiekkaa käytettiin toisena 5 täyteaineena, kaikki hiekassa oleva piidioksidi reagoi kuitenkin suodattuneen alumiinin kanssa muodostaen alumiinioksidia ja piimetallia. Piimetalli, joka vapautui tämän reaktion avulla, hajautui sulaan alumiiniin muodostaen alumiini-pii -seoksen. Näin ollen tämän reaktion avulla saatu lopullinen metallimatriisisekarakennekappale käsitti alu-10 miinioksidisen täyteaineen sisäänsä sulkevan alumiini-pii -seoksen. Ylläkuvatut suodattamisprosessit toteutettiin ympäröivän ilman ilmakehässä ilman ulkoisesti asetettavaa tyhjöä, mekaanista painetta, kos-tuttimia tai muita tekniikoita suodattamisen helpottamiseksi.

15 Esimerkki 1 havainnollistaa täten metallimatriisisekarakenteiden muodostamista suodattamalla sula metalli spontaanisti täyteaineen petiin, joka sisältää mukana kulkeutuneen ilman. Suodattaminen suoritettiin toisen täyteaineen sisältävässä läpäisemättömässä muotissa tai säiliössä, joka sanottu läpäisemätön muotti tai säiliö oli hermeettisesti 20 tiivistetty ilmakehää vastaan sulan metallin avulla.

Esimerkki 2 150-millimetrinen huokoinen saviupokas (DFC-upokas #28-1000, J. H.

| 25 Berge Co., South Plainfield, N.J.) täytettiin 300 grammalla sulaa alu miiniseosta perusmetallina. Alumiiniseoksella oli sama koostumus kuin ensimmäisellä alumiiiniseoksella, joka esitettiin esimerkissä 1. Upokkaasta ja sulasta alumiiniseoksesta muodostuvaa koostetta kuumennettiin vastuskuumennettavassa uunissa kolmen tunnin ajan 900°C:ssa ilman ilma-30 kehässä, jotta voitiin kasvattaa monikiteinen hapettumisreaktiotuote • · sulasta alumiiniperusmetallista esimuottiin yllämainittujen hakijan patenttien tekniikoiden mukaisesti. Jäljellä oleva sula alumiiniperus-metalli tyhjennettiin tämän jälkeen upokkaasta, ja havaittiin, että upokkaan sisäpinnat olivat suodattuneet monikiteisellä hapettumisreak-35 tiotuotteella noin 1-2 millimetrin syvyyteen, jolloin saatiin aikaan ilmalle läpäisemätön, keramiikan rajoittama upokas. Tulisi huomata,

II

95945 33 että sula alumiiniperusmetalli reagoi sekä ilman että itse upokkaan kanssa tämän suodattamisen aikana. Koosteen ollessa vielä 900eC:ssa 130 grammaa raakoja piikarbidihiukkasia (raekooltaan 24 (n.735 mikronia), Crystolon 39, Norton Company) sijoitettiin 150 millimetrin upokkaaseen 5 upokkaan pääliosan alapuolella olevaan syvyyteen, jotta voitiin saada aikaan piikarbidisen täyteaineen peti, jonka vapaa tilavuus oli noin 60 millimetriä upokkaassa pedin yläpuolella. Noin 130 grammaa sulaa 1100-alumiinia, joka käsittää 99 p-% alumiinia, 0,10 p-% sinkkiä, 0,05-0,20 % kuparia, 0,05 p-% mangaania ja muita epäpuhtauksia mukaanlukien rau-10 taa ja piitä, (nimellisesti puhdasta) kaadettiin piikarbiditäyteaineen pedin päälle sulan alumiinin pysyvän massan aikaansaamiseksi, joka tiivisti upokkaan avoimen pääliosan ja eristi piikarbiditäyteaineen pedin ympäröivästä ilmasta. Täytetty upokas kuumennettiin 900°C:en esimerkissä aikaisemmin mainitussa samassa uunissa, sitä pidettiin 15 900°C:ssa 10 tunnin ajan. Tänä aikana sula alumiinimetalli suodattui piikarbiditäyteaineen koko petiin. Tämän jälkeen koosteen annettiin jäähtyä riittävästi alumiinimetallin jähmettämiseksi. Koko koosteen ollessa vielä noin 500eC:ssa se upotettiin veteen, jolloin voitiin murtaa saviupokas mukaanlukien ohuen keraamisen kuoren, joka sijaitsi 20 upokkaan sisäpinnassa. Metallimatriisisekarakenne, joka käsitti pii- karbidihiukkaset sisäänsä sulkevan 1100-alumiiniseoksen, joka käsittää 99 p-% alumiinia, 0,10 p-% sinkkiä, 0,05-0,20 % kuparia, 0,05 p-% mangaania ja muita epäpuhtauksia mukaanlukien rautaa ja piitä, otettiin talteen, ja sekarakenteella oli ulkopinta, joka toisti olennaisesti | 25 käänteisesti alkuperäisen saviupokkaan sisäosan muodon tai geometrian.

Esimerkki 2 osoittaa, että huokoista materiaalia, kuten saviupokasta, voidaan käyttää muottina, kun se on tehty ilmalle läpäisemättömäksi kasvattamalla ohut kerros hapettumisreaktiotuotetta saviupokkaaseen, 30 joka hapettumisreaktiotuote tuotetaan hapettamalla perusmetalli ohja- tusti ilman kanssa yllämainittujen hakijan patenttien mukaisesti. Saatu ohut kerros ilmalle läpäisemätöntä keraamista sekarakennemateriaalia sai muutoin läpäisevän saviupokkaan läpäisemättömäksi ilmalle, jolloin upokas pystyi toimimaan läpäisemättömänä kuorena ja muottina metalli-35 matriisisekarakennemateriaalille.

34 93945

Esimerkki 3

Esimerkin 2 prosessi toistettiin kahdesti käyttämällä kahta erilaista alumiiniseosta ja samantyyppistä toista täyteainetta. Ensimmäisessä 5 erässä alumiiniseosta, joka käsitti nimellisesti painoprosentteina seuraavaa: noin 2,5-3,5 % Zn, 3-4 % Cu, 7,5-9,5 % Si, 0,8-1,5 % Fe, 0,2-0,3 % Mg ja max. noin 0,5 % Mn, 0,5 % Ni, 0,001 % Be, 0,01 % Ca ja 0,35 % Sn, loppuosan ollessa alumiinia, käytettiin toisen täyteaineen kanssa, joka käsitti noin 90-raekokoista (n. 165 mikronia) 38-Alundum 10 -alumiinihiukkasia, jotka oli toimittanut Norton Company. Muodostui metallimatriisi-sekarakenne, joka käsitti alumiinioksidihiukkaset sisäänsä sulkevan alumiiniseoksen. Toisessa erässä käytettiin nimellisesti puhdasta 1100-alumiiniseosta, joka käsittää 99 p-% alumiinia, 0,10 p*% sinkkiä, 0,05-0,20 % kuparia, 0,05 p-% mangaania ja muita epäpuh-15 tauksia mukaanlukien rautaa ja piitä, toisen, 90-raekokoista (n. 165 mikronia) 38-Alundum -täyteaineen (Norton Company, Worcester, Massachusetts) kanssa. Tällöin muodostui myös metallimatriisisekarakenne, joka käsitti alumiinioksidihiukkaset sisäänsä sulkevan alumiiniseoksen. Tämä esimerkki osoittaa, että on mahdollista käyttää alumiinioksidista 20 täyteainetta, jonka raekoko on hienompi kuin esimerkissä 2 käytetty raekoko, ja saavuttaa silti tämän keksinnön mukaisia metallimatriisi-sekarakenteita. Esimerkki osoittaa lisäksi, että on mahdollista käyttää tätä hienompaa alumiini-oksidista täyteainetta 1100-alumiiniseoksen, joka käsittää 99 p-% alumiinia, 0,10 p-% sinkkiä, 0,05-0,20 % kuparia, *, 25 0,05 p-% mangaania ja muita epäpuhtauksia mukaanlukien rautaa ja piitä, kanssa ja saavuttaa silti tämän keksinnön mukaisia metallimatriisiseka-rakenteita.

Esimerkki 4 30 *. Esimerkissä 1 kuvattu prosessi toistettiin toisella täyteaineella, joka käsitti 100-raekokoa (n. 150 mikronia) olevia raakapiikarbidihiukkasia. Käytetty suodattuva alumiiniseos oli 1100-alumiiniseos, joka käsittää 99 p-% alumiinia, 0,10 p-% sinkkiä, 0,05-0,20 % kuparia, 0,05 p-% man-35 gaania ja muita epäpuhtauksia mukaanlukien rautaa ja piitä, johon oli lisätty noin 1 painoprosentti litiumia. Metallimatriisisekarakenne,

II

35 93945 joka käsitti piikarbidihiukkaset sisäänsä sulkevan alumiiniseoksen, muodostui noin viiden minuutin aikana siitä, kun sula alumiiniseos oli kaadettu pohjan päälle. Tämän esimerkin prosessi toistettiin toisen täyteaineen kanssa, joka muodostui raekokoa 220 (n. 65 mikronia) ole-5 vasta raa'asta piikarbidista. Myös tässä yhteydessä metallimat- riisisekarakenne, joka käsitti piikarbidihiukkaset sisäänsä sulkevan alumiiniseoksen, muodostui noin viidessä minuutissa siitä, kun sula alumiiniseos oli kaadettu pedin päälle.

10 Tämä esimerkki osoittaa, että on mahdollista muodostaa tämän keksinnön mukaisia metallimatriisisekarakenteita toisten, erilaista raekokoa olevien täyteaineiden kanssa, kun 1100-alumiiniseosta, joka käsittää 99 p-% alumiinia, 0,10 p-% sinkkiä, 0,05-0,20 % kuparia, 0,05 p-% mangaania ja muita epäpuhtauksia mukaanlukien rautaa ja piitä, joka sisältää 15 noin 1 painoprosenttia litiumia, käytetään hyväksi suodattavana metallina.

Esimerkki 5 20 Allakuvattujen esimerkkien tarkoituksena oli määrittää, helpottaisiko täyteainehiukkasten päällystäminen natriumia sisältävällä yhdisteellä metallimatriisisekarakenteen muodostamista. Käytettiin esimerkissä 1 kuvattua prosessia paitsi, että täyteainehiukkaset käsittivät raekokoa 220 (n. 65 mikronia) olevia piikarbidihiukkasia varustettuina Na20- ; 25 päällysteellä. Tämä päällyste muodostettiin liottamalla ensin piikarbi dihiukkasia natriumhydroksidiliuoksessa noin 3-4 tuntia. Tällainen liottaminen muodosti natriumhydroksidipäällysteen hiukkasten päälle, joka liuoksesta poistamisen ja myöhemmin uunissa tapahtuvan kuivatuksen jälkeen muodosti olennaisesti Na20-päällysteen. Nämä päällystetyt hiuk-30 kaset jauhettiin huhmarissa hiertämällä kokkareiden poistamiseksi, • t : jotka olivat muodostuneet kuivatuksen yhteydessä. Kun päällystetyt pii karbidihiukkaset olivat taas hiukkasten muodossa, niitä käytettiin tämän jälkeen täytemateriaalina esimerkissä 1 kuvatun prosessin mukaisesti. Käytetty suodattava alumiiniseos käsitti nimellisesti paino-35 prosentteina seuraavaa: 2,5-3,5 % Zn, 3-4 % Cu, 7,5-9,5 % Si, 0,8-1.5 % Fe, 0,2-0,3 % Mg, ja max. noin 0,5 % Mn, 0,5 % Ni, 0,001 % Be, 0,01 % . · « 36 93945

Ca ja 0,35 % Sn, lopun ollessa alumiinia. Muodostui metallimatriisi-sekarakenne, joka käsitti päällystetyt piikarbidihiukkaset sisäänsä sulkevan alumiiniseoksen.

5 Ylläkuvattu koe toistettiin päällystämättömien, raekokoa 220 (n. 65 mikronia) olevien raakapiikarbidihiukkasten yhteydessä. Alumiiniseos ei suodattunut piikarbidihiukkasten petiin, ja näin ollen ei muodostunut mitään metallimatriisisekarakennetta. Tämä esimerkki osoittaa, että on mahdollista käyttää Na20-päällysteitä täyteaineen hiukkasten päällä, 10 jotta voidaan edistää alumiiniseoksen suodattumista hienompiinkin hiukkasiin käyttämällä tämän keksinnön mukaista prosessia.

Esimerkki 6 15 Esimerkissä 1 kuvattu prosessi toteutettiin toisen täyteaineen kanssa käsittäen raekokoa 54 (n. 255 mikronia) olevaa piikarbidia ja 1100-alumiiniseoksen, joka käsittää 99 p-% alumiinia, 0,10 p-% sinkkiä, 0,05-0,20 % kuparia, 0,05 p-% mangaania ja muita epäpuhtauksia mukaanlukien rautaa ja piitä, matriisiseoksen, johon oli lisätty noin 5 % 20 magnesiumia. Metallimatriisisekarakenne, joka käsitti piikarbidihiukkaset sisäänsä sulkevan alumiiniseoksen, muodostui noin viidessä minuutissa siitä, kun sula alumiiniseos oli kaadettu pedin päälle. Ylläkuvattu menettely toistettiin käyttämällä täyteaineena raekokoa 90 (n.

165 mikronia) olevia piikarbidihiukkasia. Metallimatriisisekarakenne, 25 joka käsitti piikarbidihiukkaset sisäänsä sulkevan alumiiniseoksen, muodostui jälleen viidessä minuutissa siitä, kun sula alumiiniseos oli kaadettu pedin päälle.

Esimerkki 7 30 • Esimerkissä 1 kuvattu prosessi toistettiin kolmessa alemmassa suodattu-mislämpötliassa, jotta voitiin yrittää määrittää lämpötilan vaikutus suodattumisaikaan. Suodattamiset toteutettiin lämpötiloissa 800°C, 750eC ja 700°C, ja vastaavat suodattumisajat olivat 10 minuuttia, 40 35 minuuttia ja 90 minuuttia tässä järjestyksessä. Tämä esimerkki osoit- • ·

II

93945 37 taa, että aika, joka tarvitaan sulan metallin täydelliseen suodattamiseen täyteaineen petiin, lisääntyy prosessilämpötilan laskiessa.

Esimerkki 8 5

Esimerkissä 1 kuvattu prosessi toistettiin käyttämällä raekokoa 90 (n. 165 mikronia) olevaa raakapiikarbiditäyteainetta. Tämä täyteaine oli paljon hienompaa kuin esimerkissä 2 käytetty, raekokoa 24 (n. 735 mikronia) oleva piikarbiditäyteaine. Metallimatriisisekarakenne, joka 10 käsitti piikarbidihiukkaset sisäänsä sulkevan 1100-alumiiniseoksen, joka käsittää 99 p-% alumiinia, 0,10 p-% sinkkiä, 0,05-0,20 % kuparia, 0,05 p-% mangaania ja muita epäpuhtauksia mukaanlukien rautaa ja piitä, muodostui viidessä minuutissa siitä, kun sula alumiiniseos oli kaadettu täyteaineen pedin päälle. Sekarakenteen ulkopinta toisti olennaisesti 15 käänteisesti alkuperäisen saviupokkaan sisäosan muodon tai geometrian.

Tämä esimerkki osoittaa, että on mahdollista käyttää hienompijakoisia täyteaineita nimellisesti puhtaan 1100-alumiinin, joka käsittää 99 p-% alumiinia, 0,10 p-% sinkkiä, 0,05-0,20 % kuparia, 0,05 p-% mangaania ja muita epäpuhtauksia mukaanlukien rautaa ja piitä, kanssa ja saada silti 20 aikaan tämän keksinnön mukaisia metallimatriisisekarakenteita.

Esimerkki 9 Tässä esimerkissä toistetaan vertailun vuoksi tämän keksinnön mukaisen : 25 menetelmän olosuhteet paitsi, että siihen ei ole järjestetty esimuot- tiin sijoitetun täyteaineen pedin hermeettistä eristystä.

A. Noin 100 grammaa esimerkin 2 mukaisia, raekokoa 24 (n. 735 mikronia) olevia raakapiikarbidihiukkasia (Crystolon 39, Norton Company) sijoi-30 tettiin ilman läpäisevään savi-grafiitti -upokkaaseen (#6, savi-gra- fiitti -upokas, Ferro Company, Inc., Buffalo, N.Y.) upokkaan pääliosan alapuolella olevaan syvyyteen, jotta siihen voitiin saada aikaan täyteaineen peti, jonka vapaa tilavuus oli 90 millimetriä pohjan yläpuolella olevassa upokkaassa. Noin 190 grammaa esimerkissä 1 kuvattua ensimmäis-35 tä alumiiniseosta sijoitettiin piikarbiditäyteaineen pedin päälle, ja kooste sijoitettiin vastuskuumennettavaan uuniin ja sitä kuumennettiin • · « 38 93945 ilmassa noin 900°C:en 15 tunnin ajan alumiinin sulattamiseksi. Käytettiin riittävästi alumiiniseosta, jotta voitiin pitää yllä sulan alu-miinimetallin pysyvää seosta täyteaineen pedin päällä, jolloin voitiin tiivistää upokkaan pääliosa siten, että täyteaine tiivistyi ympäröiväl-5 tä ilmalta sulan alumiiniseoksen avulla ainoastaan upokkaan yläosasta. Kun kooste oli ollut 15 tunnin ajan 900®C:ssa, sen annettiin jäähtyä alumiinimetalliseoksen jähmettämiseksi. Kun upokkaan sisältö oli otettu talteen, havaittiin, että sula metalli ei ollut suodattunut olennaisesti ollenkaan piikarbidisen täyteaineen petiin.

10 B. Kappaleen A koe toistettiin paitsi, että täyteaineena käytettiin 50 grammaa raekokoa 500 (n. 25 mikronia) olevia esikuumennettuja piikarbi-dihiukkasia (Crystolon 39, Norton Company), jotka oli sijoitettu uudelleen kiteytyneen alumiinioksidin (McDanel Refractory Company, Beaver 15 Falls, PA) 100-millimetriseen lieriöön, joka lieriö järjestettiin ilmalle läpäiseväksi tekemällä rako lieriön pohjaan. Kooste kuumennettiin 900°C:en vastuskuumennettavassa uunissa, ja noin 150 grammaa sulaa (nimellisesti puhdasta) 1100-alumiinia, joka käsittää 99 p-% alumiinia, 0,10 p-% sinkkiä, 0,05-0,20 % kuparia, 0,05 p-% mangaania ja muita 20 epäpuhtauksia mukaanlukien rautaa ja piitä, kaadettiin tämän jälkeen täyteaineen pedin päälle, jotta se voitiin peittää sulan alumiinin pysyvällä massalla ja tiivistää näin upokkaan avoin pääliosa. Upokasta pidettiin uunissa noin viiden tunnin ajan 900eC:ssa, jolloin sula alu-miinimetalli tiivisti aukon, ja tämän jälkeen piikarbidihiukkasia ja : 25 sulaa alumiinia hämmennettiin terässauvalla. Piikarbidi ei suodattunut tai kostunut sulan alumiinimetallin vaikutuksesta hämmentämisestä huolimatta.

C. Kappaleen B koe toistettiin ilmalle läpäisevässä savigrafiittiupok-30 kaassa, joka oli kappaleessa A kuvatun tyyppinen ja jonka sisäpinnat päällystettiin ilmalle läpäisevällä kalsiumsulfaatilla (kipsillä "Bon-dex", International, Inc., Brunswick, OH), jotta voitiin estää ilmassa hapetetun sulan alumiinin hapettumisreaktiotuotteen kasvaminen upokkaan seinämiin, kuten esimerkissä 2 on kuvattu. Saatiin samat tulokset kuin 35 kappaleessa B, eli sula alumiinimetalli ei suodattanut tai kostuttanut piikarbidista tayteainematriisia.

Il 39 93945 D. Kappaleen B koe toistettiin paitsi, että viiden tunnin kosketusajan-jakson jälkeen 1,5 painoprosenttia magnesiumia sekottui sulaan magnesiumiin. Saadun sulan alumiini-magnesium -seoksen annettiin olla kosketuksessa täyteaineen kanssa vielä kolmen tunnin ajan 900°C:ssa.

5 Havaittiin, että sula metalli ei ollut suodattanut tai kostuttanut olennaisesti lainkaan piikarbidista täyteainetta.

E. Kappaleen B koe toistettiin paitsi, että täyteaineena käytettiin 50 grammaa raekokoa 24 (n. 735 mikronia) olevia raakapiikarbidihiukkasia 10 (Crystolon 39, Norton Company). Magnesiumin sijasta 2-3 painoprosenttia piitä sekoitettiin sulaan alumiiniin alkuperäisen viiden tunnin koske-tusajanjakson jälkeen. Saadun alumiini-pii -seoksen annettiin olla kosketuksessa täyteaineen kanssa vielä kolmen tunnin ajan 900eC:ssa. Havaittiin, että sula metalli ei ollut suodattanut tai kostuttanut 15 olennaisesti lainkaan piikarbidista täyteainetta.

Esimerkki 10 Tässä esimerkissä esitetään menetelmä nokka-akseleiden tuottamiseksi 20 varustettuina keraamisten matriisisekarakennekuorilla, joilla on metal-limatriisisekarakennekeernat. Nokka-akseleiden kuorien esimuotit valmistettiin ensin kaatamalla valuja kipsiseen nokka-akselin muottiin. Nokka-akselin kipsimuotin oli valmistanut Holland Mold Company, Trenton, N.J. Tässä esimerkissä käytetyllä valulla oli sama koostumus kuin : 25 esimerkissä 1 kuvatulla valulla, ja se valmistettiin samalla menetel mällä. 100 GL:n keskimääräinen hiukkaskoko oli noin 0,8 mikronia ja Carbolon F1000:n hiukkaskoko oli 4 mikronia. Liukuvaletut nokka-akselin kuoren esimuotit kuivattiin 90°C:ssa min. neljä tuntia, kun taas yleisempi kuivausaika on 20 tuntia. Tämän prosessin mukaiset esimuotit 30 olivat noin 5 mm paksuja ja niiden paino vaihteli välillä 380-480 gram- » « : maa niiden paksuudesta riippuen. Nämä esimuotit olivat suljettuja toi sesta päästään ja avoimia toisesta päästään, joka avoin pää oli suppilon muotoinen.

35 Kun kuivausvaihe oli saatettu loppuun, nokka-akselin esimuotit sijoitettiin suljettu puoli ylöspäin uuniin ja kuumennettiin 5-20 tuntia • · 40 93945 lämpötilassa 1025-1100eC. Useimmin käytetty kuumentamislämpötila oli 1025°C ja aika oli 20 tuntia. Esimuotit sisältävän uunin lämpötila nostettiin ympäristön lämpötilasta kuumentamislämpötilaan viiden tunnin aikana, ja uuni jäähdytettiin kuumentamislämpötilasta ympäristön lämpö-5 tilaan viiden tunnin aikana erän lopussa. Tämän kuumentamisprosessin aikana kunkin nokka-akselin esimuotin paino nousi noin 11 %. Kunkin esimuotin lineaarinen ja halkaisijallinen laajeneminen esikuumentamisen aikana oli noin 3 % ja paksuuden laajeneminen oli noin 8 %.

10 Kuumentamisen jälkeen kunkin esimuotin koko sisäpinta päällystettiin piimetallia sisältävällä lietteellä (raekoko 500 (n. 25 mikronia), Atlantic Equipment Engineers, Bergenfield, N.J.). Päällysteen paksuus vaihteli erillisten nokka-akseleiden välillä siten, että päällystettä ei ollut lainkaan ja että päällysteen max. paksuus oli noin 0,254 cm 15 (0,1 tuumaa). Päällysteen paksuuksia vaihdeltiin, jotta voitiin määrit tää, mikä optimaalinen päällysteen paksuus oli yhtenäiseen kasvuun ja kasvunopeuteen nähden. Tämän optimaalisen päällysteen paksuuden määritettiin olevan välillä noin 0,005-0,01 tuumaa (0,0127-0,0254 cm). Kun esimuotit oli päällystetty sisäpuolelta piimetallilietteellä, esimuotit 20 kuivattiin ja päällystettiin myöhemmin ulkopuolelta lietteellä, joka käsitti 35 painoprosenttia "Bondexia" (kipsiä, jonka oli toimittanut International, Inc., Brunswick, OH), 15 painoprosenttia raekokoa 500 (n. 25 mikronia) olevaa Si02:ta ("Minusil", U.S. Silica Company, Berkeley Spring, W.Va.) ja 50 painoprosenttia tislattua vettä. Tämä toinen 25 päällyste kuivattiin uunissa 90eC:ssa noin kahden tunnin ajan, ja esimuotit sijoitettiin tämän jälkeen uuniin ja kuumennettiin ympäristön lämpötilasta 900°C:en viiden tunnin aikana. Kun uunin lämpötila oli saavuttanut 900°C, esimuotteja pidettiin tässä lämpötilassa, kunnes sula alumiiniseos kaadettiin kuhunkin esimuottiin. Sitä aikaa, kun uuni 30 oli saavuttanut 900°C ja kun sula alumiiniseos oli lisätty, vaihdeltiin . tarkoituksellisesti esimuottien välillä. Joihinkin esimuotteihin sula alumiiniseos lisättiin lähes välittömästi sen jälkeen, kun uunin lämpötila oli saavuttanut 900°C, kun taas toisiin esimuotteihin seos lisättiin myöhemmin. Maksimaalinen aika sillä välillä, kun uunin lämpötila 35 oli saavuttanut 900°C ja kun sula alumiiniseos oli lisätty, oli neljä tuntia.

, · I

II

41 93945

Kuhunkin esimuottiin lisätyn sulan alumiiniseoksen määrä oli 330 grammaa. Tällä alumiiniseoksella oli sama koostumus kuin esimerkissä 1 kuvatulla ensimmäisellä alumiiniseoksella. Sula alumiiniseos sijoitettiin esimuotteihin kaatamalla sula alumiiniseos esimuotin suppilomai-5 seen avoimeen päähän esimuotin ollessa uunissa 900°C:ssa. Avoimen pään suppilomainen muoto helpotti sulan metallin kaatamista esimuotteihin ja synnytti myös säiliön sulalle metallille. Koska ilma läpäisee esimuot-tien läpäisevät seinämät, sula alumiiniseos hapettui. Hapettumisreak-tiotuotteen kasvu, joka johtui tästä sulan alumiiniseoksen hapettumi-10 sesta, suodattui kunkin esimuotin seinämiin ylläkuvattujen, yhteisesti omistettujen patenttihakemusten tekniikoiden mukaisesti. Kasvun edettyä kulutettua alumiiniseosta täydennettiin sulalla 1100-alumiiniseoksella, joka käsittää 99 p-% alumiinia, 0,10 p-% sinkkiä, 0,05-0,20 % kuparia, 0,05 p-% mangaania ja muita epäpuhtauksia mukaanlukien rautaa ja piitä, 15 900°C:ssa. Kasvuprosessia toteutettiin noin 100-150 tunnin ajan. Vaikka suurin osa kasvusta tapahtui ensimmäisten 30 tunnin aikana, ylimääräinen reaktioaika tuotti yhtenäisemmän tuotteen kasvuvaiheeseen nähden.

Kun hapettumisreaktiotuote oli suodattunut täysin kunkin esimuotin 20 seinämiin luoden keraamiset sekarakenteiset nokka-akseleiden kuoret, sula alumiiniseos kaadettiin pois kuorista niiden ollessa yhä 900eC:ssa. Keraamiset sekarakenteiset nokka-akseleiden kuoret (jotka olivat yhä 900°C:ssa) täytettiin tämän jälkeen raekokoa 24 (n. 735 mikronia) olevalla raa'alla SiC:llä (Crystolon 39, Norton Company) ; 25 toisena täyteaineena ja peitettiin metallimatriisiseoksella 900eC:ssa.

Käytettiin useita metallimatriisiseoksia. Näitä olivat seuraavat seokset: alumiiniseos 1100, joka käsittää 99 p-% alumiinia, 0,10 p-% sinkkiä, 0,05-0,20 % kuparia, 0,05 p-% mangaania ja muita epäpuhtauksia mukaanlukien rautaa ja piitä; esimerkissä 1 kuvattu ensimmäinen alu-30 miiniseos; 1100-alumiiniseoksen käsittävä alumiiniseos, johon oli li-Γ sätty noin 0,25-3 % Li:tä; 1100-alumiiniseoksen käsittävä alumiiniseos, johon oli lisätty noin 0,5-5 % Mg:tä; alumiiniseos, joka käsitti esimerkissä 1 kuvatun ensimmäisen alumiiniseoksen ja johon oli lisätty 0,25-3 % Li:tä; ja esimerkissä 1 kuvattu ensimmäinen alumiiniseos, 35 johon oli lisätty noin 0,5-5 % Mg:tä. Kun kussakin esimuotissa oleva

SiC-peti oli peitetty matriisiseoksella, matriisiseoksen suodattuminen Φ · 42 93945 petiin tapahtui lähes välittömästi ja saatettiin loppuun noin 20 minuutissa. Näiden 20 minuutin aikana lisämatriisiseos lisättiin tarvittaessa kuhunkin esimuottiin siten, että kukin peti oli aina matriisiseoksen peittämä. Kun suodattaminen oli saatettu loppuun, nokka-akselit jääh-5 dytettiin ympäristön lämpötilaan noin 12-15 tunnin aikana, puhdistettiin ja hiottiin määritettyyn arvoon. Kasvaneet nokka-akselit puhdistettiin hiekkapuhalluksella ja leikattiin sopivaan pituuteen käyttämällä hiovaa timanttileikkauslaikkaa. Lieriömäisten pintojen hiominen suoritettiin käyttämällä resinoidisinoinnaisia, raekokoa 100 (n. 150 10 mikronia) olevia timattilaikkoja. Nokan hiominen suoritettiin käyttämällä residoinisinonnaisia, raekokoa 220 (n. 67 mikronia) olevia ti-manttihiomalaikkoja. Syöttöaste oli noin 0,005-0,0076 cm (0,002-0,003 tuumaa) leikkauksen yhteydessä ja noin 0,0013-0,0020 cm (0,0005-0,0008 tuumaa) hiomisen yhteydsessä. Tämän prosessin avulla tuotettu nokka-15 akseli on esitetty kuviossa 10.

Esimerkki 10 osoittaa, että monimutkaisella ja vaikealla geometrialla varustettu laite voidaan valmistaa siten, että sillä on keraaminen matriisisekarakenteinen kuori ja metallimatriisin sekarakenteinen keer-20 na. Keraaminen matriisisekarakenteinen kuori valmistetaan suodattamalla ensin ensimmäisestä täyteaineesta koostuva muotoiltu esimuotti alumiiniseoksen hapettumisreaktiotuotteen kanssa ilmalla. Tämän jälkeen metallimatriisin sekarakenteinen keerna valmistetaan suodattamalla sula alumiini spontaanisti mukana kulkeutuneen ilmaa sisältävän toisen täy-: 25 teaineen hermeettisesti tiivistettyyn petiin, joka toinen täyteaine sijaitsee keraamisen matriisin sekarakenteisen kuoren ontossa sisäosassa. Tämän menettelyn avulla saadaan aikaan lopullinen tuote, jolla on keraamisen matriisin sekarakenteen ja metallin matriisin sekarakenteen yhdistetyt ominaisuudet.

30 Tämän keksinnön mukaiset menetelmät soveltuvat käytettäviksi useiden erilaisten toisten täyteaineiden, erityisesti keraamisten täyteaineiden, kanssa, ja toisen täyteaineen valinta riippuu sellaisista tekijöistä kuin käytettävä alumiini- tai magnesiummetalli, käytettävät 35 prosessiolosuhteet, toisen täyteaineen tyyppi ja koko sekä ominaisuudet, joita halutaan lopulliselle metallimatriisisekarakennetuotteelle.

Il 43 93945

Toinen täyteaine, eli metallimatriisisekarakenteen vahvistava tai lujittava aine, on suositeltavasti reagoimaton sulan alumiinimetallin tai magnesiumille ta 11 in kanssa prosessiolosuhteissa. Sopivia toisia täyteaineita ovat esimerkiksi (a) oksidit, kuten alumiinioksidi, magnesiumok-5 sidi, titaanioksidi, sirkoniumoksidi ja hafniumoksidi; (b) karbidit, kuten piikarbidi ja titaanikarbidi; (c) boridit, kuten titaanidiboridi ja alumiinidodekaboridi; ja (d) nitridit, kuten alumiininitridi, pii-nitridi ja sirkoniumnitridi. Jos toinen täyteaine pyrkii reagoimaan sulan alumiinin tai magnesiumin kanssa, tämä voitaisiin kompensoida 10 minimoimalla suodattumisaika ja -lämpötila tai järjestämällä täyteaineen päälle reagoimaton päällyste. Toinen täyteaine voi käsittää materiaalin, kuten hiilen tai muun ei-keraamisen materiaalin, jolla on keraaminen päällyste substraatin suojelemiseksi syövytykseltä tai huonontumiselta. Keramiikka, joka on erityisen sopiva käytettäväksi tämän 15 keksinnön mukaisessa menetelmässä, sisältää alumiinioksidin ja piikar-bidin hiukkasten, levykkeiden, karvojen ja kuitujen muodossa. Kuidut voivat olla epäjatkuvia säikeitä, kuten monisäikeisiä liuskeita. Toinen täyteaine voi käsittää lisäksi homogeenisen tai heterogeenisen massan tai esimuotin.

20

Piikarbidi pyrkii reagoimaan puhtaan sulan alumiinin kanssa muodostaen alumiinikarbidia, ja jos piikarbidia käytetään toisena täyteaineena, on toivottavaa estää tai minimoida tämä reaktio, koska alumiinikarbidi on . altis kosteuden syövyttävälle vaikutukselle, mikä heikentää mahdolli- : 25 sesti metallimatriisisekarakennekappaletta. Jotta tätä reaktiota voi- daan siis minimoida tai estää se, piikarbidi voidaan esikuumentaa ilmassa, jolloin sen päälle voidaan muodostaa reaktiivinen piidioksidi-päällyste, tai alumiini voidaan sekoittaa piin kanssa, tai molemmat vaihtoehdot ovat mahdollisia. Kummassakin tapauksessa tarkoituksena on 30 nostaa seoksessa olevaa piipitoisuutta, jotta voidaan eliminoida alu-·’ miinikarbidin muodostuminen. Samanlaisia menetelmiä voidaan käyttää siten, että estetään ei-toivotut reaktiot toisten täyteaineiden kanssa.

Toinen täyteaine voi olla kooltaan ja muodoltaan vaadittavan koon tai 35 muodon mukainen, jotta metallimatriisin sekarakenteiseen tuotteeseen tai kappaleeseen voidaan saavuttaa toivotut ominaisuudet. Näin ollen 44 93945 toinen täyteaine voi olla hiukkasten, karvojen, levykkeiden tai kuitujen muodossa, koska toisen täyteaineen suodattumista sulalla alu-miinimetallilla ei rajoita toisen täyteaineen massan muoto. Voidaan käyttää myös muita muotoja, joita ovat pallot, pikkuputket, pelletit, 5 tulenkestävä kuitukangas tai vastaavat. Toisen täyteaineen massan koko ei myöskään rajoita suodattumista, vaikka voidaan tarvita korkeampaa lämpötilaa tai pidempää aikaa pienempien hiukkasten massan täydelliselle suodattumiselle kuin suurempien hiukkasten täydelliselle suodattumi-selle. Toinen täyteaine voi olla joko valutiheydessään tai puristettuna 10 pienempään tiheyteen.

Jos tätä keksintöä verrataan tavanomaiseen metallimatriisisekarakenne-teknologiaan, se poikkeaa siitä siten, että tämän keksinnön yhteydessä ei tarvita erityisiä kaasuilmakehiä, eikä korkeita paineita, korkeita 15 lämpötiloja, ulkoisesti asetettua tyhjöä tai mekaanista painetta sulan alumiinin tai magnesiumin pakottamiseksi toiseen täyteaineeseen. Tämä keksintö sallii toiminnot ympäröivän ilman ilmakehissä ja mahdollistaa alumiinimetallimatriisisekarakenteiden tai magnesiummetallimatriisi-sekarakenteiden tuottamisen useiden erilaisten, toisten täyteaineiden 20 yhteydessä, toisen täyteaineen kuormitusten erilaisilla alueilla sekä alhaisen huokoisuuden yhteydessä.

Esimerkki 11 | 25 Tässä esimerkissä esitetään variaatio prosessista, jonka avulla tuo tetaan muotoiltu metallimatriisiosa. Tässä tapauksessa vaahtomalline, mitoiltaan noin 10,2 cm x 5,08 cm x 2,54 cm (4" x 2" x 1"), päällystettiin Leecote-lietteellä (LX-60, Acme Resin Corp., Madison, OH) upottamalla malline Leecotea sisältävään kuortolasiin. Malline vedettiin 30 myöhemmin takaisin varustettuna ohuella kerroksella Leecotea, joka oli • · ' kiinnittynyt sen ulkopintoihin. Kun malline oli vielä tahmea, siihen roiskutettiin raekokoa #90 (n. 165 mikronia) olevaa 38-Alundumia (Norton Company), joka kiinnittyi Leecote-päällysteeseen. Leecote-päällysteellä varustettu malline kuivattiin, ja prosessi, johon kuului upotus-35 päällystäminen Leecotella ja roiskuttaminen #90-Alundumilla, toistettiin useita kertoja, jotta vaahtomallineen päälle voitiin saada noin « , a i

II

45 93945 0,32 cm (1/8 tuumaa) paksu Leecote/seulamitaltaan #90 oleva 38-Alun-dum -päällyste. Tämän jälkeen päällystetty malline kuivattiin ja kuumennettiin noin 900°C:en neljän tunnin aikana. Vaahtomalline haihtuu kuumentamisprosessin aikana jättäen näin jälkeensä ontelon, joka tois-5 taa käänteisesti vaahtomallineen ulkoisen muodon.

Kun vaahto oli olennaisesti täysin haihtunut, sula perusmetalliseos käsitti nimellisesti painoprosentteina seuraavia materiaaleja: noin 2,5-3,5 % Zn, 3-4 % Cu, 7,5-9,5 % Si, 0,8-1,5 % Fe, 0,2-0,3 % Mg, ja 10 max. noin 0,5 % Mn, 0,5 % Ni, 0,01 % Be, 0,01 % Ca ja 0,35 % Sn, lopun ollessa alumiinia, ja seos kaadettiin saatuun onteloon ja saatettiin alttiiksi hapettamiselle 24 tunnin ajan, jotta voitiin saada aikaan läpäisemätön muotti metallimatriisisekarakennekappaleen muodostamiseksi. Näin ollen muotti muotti muodostettiin ylläkuvattujen, hakijan 15 U.S.-patenttien tekniikoiden mukaisesti. Jäljelle jäänyt perusmetallin seos, eli perusmetallin seos, joka ei ollut muuntunut hapettumisreak-tiotuotteeksi, tyhjennettiin myöhemmin muodostuneesta muotista, ja muotti täytettiin noin 166 grammalla raekokoa 24 (n. 735 mikronia) olevalla piikarbidilla (Crystolon 39, Norton Company) sekä peitettiin 20 100 grammalla alumiiniseosta, joka käsitti painoprosentteina seuraavia materiaaleja: 2,5-3,5 % Zn, 3-4 % Cu, 7,5-9,5 % Si, 0,8-1,5 % Fe, 0,2-0,3 % Mg sekä max. noin 0,5 % Mn, 0,5 % Ni, 0,01 % Be, 0,01 % Ca ja 0,35 % Sn, lopun ollessa alumiinia. Tämä alumiiniseos suodattui pohjaan noin viiden minuutin kuluttua tuottaen metallimatriisisekarakenteen : 25 läpäisemättömään muottiin. Muotti ja sen sisältö jäähdytettiin 550°C:en alapuolelle ja karkaistiin tämän jälkeen vedessä muotin murtamiseksi johtuen lämpöshokin aikaansaamista lämpöjännityksistä. Saadulla muotoillulla metallimatriisisekarakenteella oli olennaisesti sama muoto alkuperäisellä vaahtomallineella. Tämä esimerkki havainnollistaa näin 30 ollen menetelmää monimutkaisilla muodoilla varustettujen metallimatrii-sikomponenttien tuottamiseksi. Oletetaan, että vaahtomallineen tai vahamallineen sijasta voitaisiin käyttää myös muita mallineita, ja saavutettaisiin olennaisesti sama tulos.

35 46 93945

Esimerkki 12

Esimerkki 12 toistettiin paitsi, että käytetty täyteaine oli #500 (n.

25 mikronia) Alundum 38, säiliö oli hitsattu, ruostumattomasta teräk-5 sestä 304 koostuva lieriö 5,08 cm x 5,08 cm x 10,2 cm (2" x 2" x 4") ja matriisiseos käsitti nimellisesti seuraavaa: 12,5 % - Si, 6 % - Mg, 5 % - Zn, lopun ollessa alumiinia. Tässä tapauksessa suodattuminen tapahtui noin kahden tunnin aikana, ja metalli jäähdytettiin myöhemmin. Havaittiin, että alumiiniseos oli suodattunut Alundum-petiin.

10 • · -

Claims (13)

1. 93945
2. 1. Menetelmä metallimatriisisekarakenteen tuottamiseksi, tunnettu siitä, että se käsittää seuraavaa: 5 (a) muodostetaan olennaisesti läpäisemätön muotti seuraavien vaiheiden avulla: (i) järjestetään läpäisevä massa, joka käsittää ensimmäistä täyteainet-10 ta tai esimuotin, joka koostuu ensimmäisestä täyteaineesta, ja jossa massassa on ontelo ja ainakin yksi aukko ulkopinnallaan; (ii) saatetaan sula perusmetalli kosketukseen läpäisevän massan ja hapettimen kanssa läpäisevän massan ontelossa tai läpäisevän massan 15 ainakin yhdellä ulkopinnalla, jotta sula perusmetalli voi reagoida hapettimen kanssa hapettumisreaktiotuotteen muodostamiseksi lämpötila-alueella, joka on perusmetallin sulamispisteen yläpuolella ja hapettumisreaktiotuotteen sulamispisteen alapuolella; • > 20 (iii) pidetään ainakin osa hapettumisreaktiotuotteesta kosketuksessa sulan perusmetallin ja hapettimen kanssa näiden välillä, jotta sulaa perusmetalli voisi vetäytyä vähitellen hapettumisreaktiotuotteen läpi kohti hapetinta ja esimuottiin siten, että hapettumisreaktiotuotteen muodostuminen jatkuu esimuotissa hapettimen ja aikaisemmin muodostuneen 25 hapettumisreaktiotuotteen välisellä rajapinnalla; (iv) jatketaan hapettumisreaktiota sanotulla lämpötila-alueella, jotta voidaan upottaa ainakin osa läpäisevästä massasta, joka ympäröi onteloa, hapettumisreaktiotuotteeseen hapettumisreaktiotuotteen kasvun 30 avulla, jolloin saadaan aikaan läpäisemätön muotti, jossa on ontelo ja ainakin yksi aukko; (v) poistetaan ainakin osa ontelossa mahdollisesti olevasta liiasta metallista, joka ei ole reagoinut hapettimen kanssa hapettumisreaktio- 35 tuotteen muodostamiseksi; 93945 (b) sijoitetaan toisen täyteaineen käsittävä läpäisevä massa läpäisemättömän muotin onteloon; (c) järjestetään ainakin yksi sula metalli, joka valitaan alumiinin ja 5 magnesiumin käsittävästä ryhmästä, onteloon johtaviin aukkoihin, jotta voidaan tiivistää hermeettisesti ontelossa oleva toista täyteainetta käsittävä läpäisevä massa ja saattaa siinä kosketukseen sanottu täyteaine ainakin yhden sulan metallin kanssa niin pitkäksi aikaa, että voidaan suodattaa toista täyteainetta käsittävä läpäisevä massa ainakin 10 yhdellä sulalla metallilla ja tuottaa näin sula materiaali, joka sisältää toista täyteainetta siihen hajautuneena; ja (d) vaiheen (c) päätyttyä jähmetetään tämä ainakin yksi sula metalli metallimatriisisekarakenteen muodostamiseksi läpäisemättömän keraamisen 15 muotin onteloon.
3. 2. Patettivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ensimmäinen täyteaine käsittää alumiinioksidia tai piikarbidia, perusmetalli käsittää alumiinia, toinen täyteaine valitaan ryhmästä, 20 johon kuuluu ainakin yksi oksidi, karbidi, boridi ja nitridi, vaiheen (b) ainakin yksi sula metalli käsittää alumiinia ja hapetin käsittää ilmaa.
4. 3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu 25 siitä, että vaiheessa (a)(iv) hapettumisreaktiotuote upotetaan ainakin siihen osaan läpäisevää massaa, joka ympäröi ontelon.
5. 4. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että vaiheessa (a) (v) liika metalli poistetaan ontelosta sulana 30 perusmetallina.
6. 5. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että määritetään ainakin osa olennaisesti läpäisemättömän muotin geometriasta käyttämällä ainakin yhtä rajoitinta ensimmäisen täyteai- 35 neen käsittävässä läpäisevässä massassa, jotta voidaan määrittää hapet-tumisreaktiotuotteen kasvulle ainakin yksi raja. Il 93945
7. 6. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ensimmäinen läpäisevä täyteainemassa käsittää muotitettavan läpäisevän täyteainepedin; ja pedissä oleva muotoiltu ontelo muodostetaan järjestämällä positiivisella mallilla varustettu muotoiltu perus- 5 metalli, joka malli on muotoiltu siten, että sen käänteisen muodon toistaminen määrittää muottiontelon toivotun geometrian, ja upotetaan ainakin positiivisen mallin osa muotitettavan läpäisevään täyteainepe-tiin; ja kuumennetaan tämän jälkeen upotettu perusmetalli sanotulle lämpötila-alueelle, jotta siitä voidaan muodostaa sula perusmetalli 10 kosketuksessa ontelon seinämän kanssa.
8. 7. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ensimmäinen läpäisevä täyteainemassa käsittää muotitettavan läpäisevän täyteainepedin; ja pedissä oleva onteloseinämä muodostetaan 15 järjestämällä poistettava mallinekappale, joka on muotoiltu siten, että sen käänteinen toistaminen määrittää muottiontelon toivotun geometrian, ja upotetaan poistettava mallinekappale muotitettavan läpäisevään täy-teainepetiin; ja korvataan tämän jälkeen upotettu poistettava malline-kappale sulalla perusmetallilla kosketukseen muotoillun onteloseinämän 20 kanssa.
9. 8. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että metallimatriisisekarakenne erotetaan muotista. ; 25 9. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että vaiheen (d) jähmettäminen toteutetaan sitomisolosuhteissa, joissa sitoutuminen voidaan saada aikaiseksi, joihin kuuluu se, että pidetään jähmettyvä sula materiaali kosketuksessa ainakin läpäisemättömäni muotin osan kanssa, jolloin voidaan muodostaa metallimatriisiseka-30 rakenne yhtenäiseksi ainakin läpäisemättömän muotin osan kanssa. • · »
10. 10. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ontelo on muotoiltu varustetuksi valitulla geometrialla, jonka toistaa käänteisesti metallimatriisisekarakenne. 35
11. 11. Minkä tahansa patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, 93945 tunnettu siitä, että sulan alumiinin kosketus toisen täyteaineen kanssa tapahtuu lämpötilassa noin 700-1000eC.
12. 12. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu 5 siitä, että sula perusmetalli käsittää alumiinia, toinen täyteaine käsittää piikarbidihiukkasia ja piikarbidihiukkaset päällystetään Na20:-11a.
13. 13. Jonkin patenttivaatimuksen 1-7 tai 9-12 mukaisella menetelmällä 10 tehty metallimatriisisekarakenne, tunnettu siitä, että se käsittää: a) itsekantavan keraamisen sekarakenteen, joka käsittää noin 2-95 tila-vuus-% kolmiulotteisesti kytkettyä keraamista matriisia ja noin 15 5 - noin 98 tilavuus-% ainakin yhtä keraamista täyteainetta, joka on sisällytetty mainittuun matriisiin, matriisi käsittää noin 60 - noin 99 paino-% kolmiulotteisesti kytkettyä hapetusreaktiotuotetta, ja noin 1 -noin 40 paino-% kytkettyä metallista ainesosaa; ja 20 b) itsekantavan metallimatriisisekarakenteen, joka on ainakin osittain sisällytetty itsekantavaan keraamiseen sekarakenteeseen, jolloin it-sekantava metallimatriisisekarakenne käsittää ainakin yhden matriisime-tallin, joka on valittu ryhmästä, johon kuuluu alumiini ja magneesiumi, ainakin yhden keraamisen täyteaineen, jota ympäröi edellä mainittu mat-; 25 riisimetalli, ainakin yhden keraamisen täyteaineen käsittäessä ainakin yhden materiaalin, joka on valittu ryhmästä, johon kuuluu oksidit, karbidit, boridit ja nitridit. 93945