FI93946B - Menetelmä itsekantavan keraamisen kappaleen tuottamiseksi ja itsekantava keraaminen kappale - Google Patents

Description

93946

Menetelmä itsekantavan keraamisen kappaleen tuottamiseksi ja itsekantava keraaminen kappale Förfarande för producering av en självbärande keramisk kropp 5 och självbärande keramisk kropp

Keksinnön kohteena on menetelmä itsekantavan keraamisen kappaleen 10 tuottamiseksi, joka käsittää seuraavaa: (a) perusmetallia kuumennetaan sulamispisteensä yläpuolella mutta hapettumisreaktiotuotteensa sulamispisteen alapuolella olevaan lämpötilaan sulan perusmetallin massan muodostamiseksi, ja sanotussa läm-15 pötilassa (1) sulan perusmetallin annetaan reagoida hapettimen kanssa perusmetallin hapettumisreaktiotuotteen muodostamiseksi, 20 (2) ainakin osa hapettumisreaktiotuotteesta pidetään kosketuksessa sulan metallimassan ja hapettimen kanssa näiden välillä, jotta sulaa metallia vetäytyisi vähitellen sulasta metallimassasta hapettumisreaktiotuotteen läpi ja kos- 25 ketukseen hapettimen kanssa, jolloin tuoretta hapettumis- reaktiotuotetta muodostuu hapettimen ja aikaisemmin muodostuneen hapettumisreaktiotuotteen välisellä rajapinnalla, ja 30 (3) jatketaan reaktiota niin kauan, että muodostuu ensim mäinen keraaminen kappale.

• ·

Keksinnön kohteena on myös itsekantava keraaminen sekarakennekappale, joka käsittää keraamisen sekarakennesubstraatin, joka käsittää perus-35 metallin ja hapettimen hapettumisreaktiotuotteen.

Tämän keksinnön kohteena on tarkemmin menetelmä suojakerroksen tuottamiseksi keramiikkaan tai keraamiseen sekarakennekappaleeseen saat- 2 93946 tamalla tällaiset kappaleet alttiiksi ympäristölle, joka saa aikaan suojakerroksen muodostumisen ainakin osaan tällaisten kappaleiden pinnasta. On tarkemmin sanottuna havaittu, että kun itsekantava keramiikka tai keraaminen sekarakennekappale, joka käsittää perusmetallin 5 hapettumisreaktiotuotteen, saatetaan alttiiksi tietylle ilmakehälle tai ympäristölle, tällaisten kappaleiden päälle muodostuu suojakerros, jolloin tulokseksi saadaan odottamattomia ja erittäin toivottavia ruosteenesto-ominaisuuksia. Suojakerros muodostetaan käyttämällä hyväksi hapettumisreaktiotuotteessa olevaa, yhtenäistä jäännösperus-10 metallia, joka tulee myös kosketukseen keraamisen sekarakennekappa- leen ainakin yhden pinnan kanssa.

Viime vuosina on esiintynyt yhä lisääntyvää mielenkiintoa käyttää keramiikkaa rakennesovelluksissa, joissa on aikaisemmin käytetty 15 metalleja. Sysäyksenä tälle mielenkiinnolle on ollut keramiikan pa remmuus metalleihin verrattuna tiettyjä ominaisuuksia ajatellen, joita ovat esimerkiksi ruosteenesto, lujuus, kimmomoduuli ja tulen-kesto-ominaisuudet.

20 Nykyiset yritykset tuottaa lujempia, luotettavampia ja sitkeämpiä keraamisia tuotteita ovat keskittyneet pääasiassa (1) parempien prosessointimenetelmien kehittämiseen monoliittiselle keramiikalle ja (2) uusien materiaaliseosten, erityisesti keraamisten matriisisekara-kenteiden, kehittämiseen. Sekarakenne on rakenne, joka käsittää kah-25 · desta tai useammasta eri materiaalista valmistetun heterogeenisen materiaalin, kappaleen tai tuotteen, jotka eri materiaalit on tiiviisti yhdistetty sekarakenteen toivottujen ominaisuuksien aikaansaamiseksi. Kaksi erilaista materiaalia voidaan yhdistää tiiviisti keskenään esimerkiksi upottamalla toinen toisen matriisiin. Keraaminen 30 ,, matriisisekarakenne käsittää tyypillisesti keraamisen matriisin, joka sisältää yhtä tai useampaa erityyppistä täyteainetta, kuten hiukkasia, kuituja, sauvoja ja vastaavia.

Kun metalleja korvataan keramiikalla, tunnetaan useita erilaisia 35 rajoituksia tai vaikeuksia, joita ovat esimerkiksi mittojen muunnet tavuus, kyky tuottaa monimutkaisia muotoja, lopulliselta käyttökoh- 3 93946 teelta vaadittavien ominaisuuksien täyttäminen ja kustannukset.

Useissa hakijan patenteissa voitetaan nämä rajoitukset tai vaikeudet ja tuotetaan uusia menetelmiä, joiden avulla voidaan luotettavasti tuottaa keraamisia materiaaleja sekarakenteet mukaanlukien. Menetelmä 5 on esitetty yleisesti hakijan US-patentissa 4,713,360, joka on jul kaistu 15.12.1987 nimellä Marc S. Newkirk et ai ja nimeltään "Uudet keraamiset materiaalit ja menetelmät niiden valmistamiseksi". Tässä patentissa esitetään menetelmä itsekantavien keraamisten kappaleiden tuottamiseksi kasvatettuina sulan perusmetalliesiasteen hapettumis-10 reaktiotuotteena, jonka annetaan reagoida kaasufaasihapettimen kanssa hapettumisreaktiotuotteen muodostamiseksi. Sula metalli siirtyy muodostuneen hapettumisreaktiotuotteen läpi ja reagoi siinä hapettimen kanssa, jolloin se kehittää jatkuvasti keraamista monikiteistä kappaletta, joka voi haluttaessa sisältää yhtenäistä metallia. Prosessia 15 voidaan edistää käyttämällä yhtä tai useampaa perusmetallin kanssa lejeerattua lisäainetta. Hapetettaessa esimerkiksi alumiinia ilmassa on toivottavaa sekoittaa magnesiumia ja piitä alumiinin kanssa a-alu-miinioksidisten keraamisten rakenteiden tuottamiseksi. Tätä menetelmää parannettiin levittämällä lisäaineita perusmetallin pintaan, 20 kuten on kuvattu hakijan US-patentissa 4,853,352 nimellä Marc S. New kirk et ai ja nimeltään "Menetelmät itsekantavien keraamisten materiaalien valmistamiseksi".

Tätä hapettumisreaktiota käytettiin hyväksi tuotettaessa keraamisia 25 * sekarakennekappaleita, kuten on kuvattu hakijan US-patentissa 4,851,375 nimellä Marc S. Newkirk et ai ja nimeltään "Keraamiset sekarakennekappaleet ja menetelmät niiden valmistamiseksi". Tässä patentissa esitetään uusia menetelmiä itsekantavan keraamisen sekara-kennekappaleen tuottamiseksi kasvattamalla hapettumisreaktiotuote 30 . perusmetallista läpäisevään täyteainemassaan (esim. hiukkasmainen piikarbiditäyteaine tai hiukkasmainen alumiinioksiditäyteaine), jolloin täyteaine suodattuu keraamisella matriisilla. Saatavalla sekara-kenteella ei kuitenkaan ole mitään määritettyä tai ennaltamäärättyä geometriaa, muotoa tai rakennetta.

35 4 93946

Menetelmä keraamisten sekarakennekappaleiden tuottamiseksi, joilla on ennaltamääritetty geometria tai muoto, on esitetty hakijan US-paten-tissa 5,017,526 nimellä Marc S. Newkirk et ai. Tämän US-patentin menetelmän mukaisesti kehittyvä hapettumisreaktiotuote suodattuu 5 täyteaineen läpäisevään esimuottiin (esim. piikarbidiseen esimuotti- materiaaliin) kohti määritetyn pintarajan suuntaa. Havaittiin, että suuri muototarkkuus saavutetaan helpommin varustamalla esimuotti rajoittimella, kuten on esitetty hakijan US-patentissa 4,923,832 nimellä Marc S. Newkirk et ai. Tämän menetelmän avulla tuotetaan 10 muotoiltuja itsekantavia keraamisia kappaleita, mukaanlukien muotoil lut keraamiset sekarakenteet, kasvattamalla perusmetallin hapettumisreaktiotuote metallista erillään olevaan rajoittimeen rajan tai pinnan määrittämiseksi. Keraamisia sekarakenteita, joilla on ontelo, jonka sisägeometria toistaa käänteisesti positiivisen muotin tai 15 mallin muodon, on kuvattu hakijan US-patentissa 4,828,785 nimellä

Marc S. Newkirk et ai, ja US-patentissa 4,859,640 nimellä Marc S. Newkirk.

« * Kuten ylläkuvatuissa hakijan patenteissa on selvitetty, lisäaineiden 20 käyttäminen voi vaikuttaa suotuisasti tai edistää hapettumisreaktiop- rosessia. Pii on hyödyllinen lisäaine alumiiniperusmetallin yhteydessä erityisesti yhdessä muiden lisäaineiden kanssa, ja sitä voidaan lisätä ulkoisesti perusmetalliin esimerkiksi alkuainepiinä tai piidioksidina. Kuten on selvitetty hakijan patentissa 4,847,220 nimellä 25 · H. Daniel Lesher et ai ja nimeltään "Menetelmä keraamisten sekaraken nekappaleiden valmistamiseksi", piikarbidihiukkaset voivat toimia täyteaineena, koska saatavan sekarakenteen ominaisuudet ovat edulliset ja koska piikarbiditäyteaine on erityisen yhteensopiva mat-riisikasvuprosessin kanssa. Tämä yhteensopivuus johtuu korkeassa 30 lämpötilassa tapahtuvasta piidioksidikalvon muodostumisesta piikarbi- dihiukkasten ulkopinnoille. Piikarbidiesimuotti voi näin olla erityisen hyödyllinen, koska se toimii sekä täyteaineena että tuottaa myös lisäaineen lähteen sisältäessään piitä ja siten luontaisista lisäai-neominaisuuksistaan johtuen. Tarkemmin sanottuna piikarbidimateriaa-35 Iin päälle muodostunut piidioksidikalvo voidaan pelkistää sulalla alumiiniperusmetallilla piidioksidilisäaineen aikaansaamiseksi, joka I! 93946 5 edistää monikiteisen matriisin kasvua piikarbiditäyteaineen läpi. Piikarbidihiukkasten päällä oleva piidioksidipäällyste on edullinen siinä mielessä, että tällöin AlilC3:n muodostuminen pyrkii vähenemään perusmetallin hapettumisreaktiotuotteen kasvun aikana. Al4C3:n muo-5 dostuminen ei ole toivottavaa, koska se on epästabiili tuote kosteus- tasojen yhteydessä, joita esiintyy tavallisesti ympäristön ilmassa, mikä johtaa metaanin kehittymiseen ja saatavan sekarakennekappaleen mekaanisten ominaisuuksien heikentymiseen.

10 Kuten hakijan US-patentissa 4,837,232 nimellä Stanley J. Luszcz, et ai. ja nimeltään "Tiivis keraaminen kuori ja menetelmä sen valmistamiseksi", on lisäksi kuvattu, raja-alue voidaan muodostaa yhteiseksi ensimmäisen alueen kanssa. Tarkemmin sanottuna ensimmäinen alue muodostetaan antamalla sulan perusmetallin reagoida hapettimen kanssa 15 hapettumisreaktiotuotteen muodostamiseksi, joka voi valinnaisesti sulkea sisäänsä täyteaineen, muodostaen näin keraamisen sekarakennekappaleen. Ensimmäisen alueen muodostamiseen käytetyn sulan perusmetallin kulkua rajoitetaan tämän jälkeen tai se pysäytetään, minkä ’ jälkeen ensimmäisen alueen annetaan myöhemmin reagoida hapettimen 20 kanssa hapettumisreaktiotuotteen raja-alueen muodostamiseksi ainakin osaan ensimmäisen alueen pinnasta. Muodostuneella raja-alueella voi olla hienompi mikrorakenne ja/tai erilainen kemiallinen koostumus kuin ensimmäisellä alueella, josta raja-alue muodostettiin.

25 · Ylläkuvatuissa hakijan patenteissa esitetään menetelmiä keraamisten tuotteiden ja/tai keraamisten sekarakenneartikkeleiden tuottamiseksi, joiden avulla voitetaan joitakin tavanomaisia rajoituksia tai vaikeuksia, joita esiintyy silloin, kun lopullisiin käyttökohteisiin tuotetaan keraamisia tuotteita korvikkeiksi metalleille.

30

Yhteistä kaikille hakijan patenteille on keraamisen kappaleen suoritusmuotojen esittäminen, joka kappale käsittää yhdessä tai useammassa ulottuvuudessa (tavallisesti kolmessa ulottuvuudessa) yhdistyneen hapettumisreaktiotuotteen sekä haluttaessa yhden tai useamman aines-35 osan tai komponentin. Metallin volyymi, joka sisältää tyypillisesti perusmetallin hapettumattomia ainesosia ja/tai hapettimesta tai reak- 6 93946 tiivisesta täyteaineesta pelkistynyttä metallia, riippuu sellaisista tekijöistä kuin lämpötila, jossa hapettumisreaktiotuote muodostetaan, ajanjakso, jonka aikana hapettumisreaktion annetaan edetä, perusmetallin koostumus, lisäaineiden läsnäolo, minkä tahansa hapettimen tai 5 reaktiivisen täyteaineen pelkistyneiden ainesosien läsnäolo. Jotkut metalliainesosat voivat olla eristyneitä tai sisäänsuljettuja, mutta myös huomattava tilavuusprosentti metallia voi olla yhdistynyttä ja käytettävissä tai tehty käytettäväksi keraamisen kappaleen ulkopinnalta. Näiden keraamisten kappaleiden yhteydessä on havaittu, että 10 tätä metallia sisältävää komponenttia tai ainesosaa (sekä eristynyttä että yhdistynyttä) voi olla alueella noin 1-40 tilavuusprosenttia tai joskus enemmän. Metalliainesosa voi tuottaa monissa tuotesovelluksis-sa tiettyjä suotuisia ominaisuuksia keraamisille artikkeleille tai parantaa näiden tuotteiden suorituskykyä. Metallin läsnäolo keraami-15 sessa rakenteessa voi olla esimerkiksi erittäin hyödyllistä, koska se parantaa murtolujuutta, lämmönjohtavuutta tai sähkönjohtavuutta keraamiseen kappaleeseen.

* Kaikkien yllämainittujen hakijan patenttien kuvauksiin viitataan 20 tämän hakemuksen yhteydessä.

Tässä erittelyssä ja myöhemmin esitettävissä patenttivaatimuksissa käytettyinä allaolevat termit määritetään seuraavasti: 25 · Termin "keraaminen" ei tule virheellisesti olettaa olevan rajoitetun keraamiseen kappaleeseen termin klassisessa merkityksessä, eli siinä merkityksessä, että se muodostuisi kokonaan ei-metallisista ja epäorgaanisista materiaaleista, vaan se viittaa pikemminkin kappaleeseen, joka on pääasiassa keraaminen joko koostumukseltaan tai hallitsevilta 30 ominaisuuksiltaan, vaikka kappale voi sisältää vähäisiä tai huomatta via määriä yhden tai useamman metallin ainesosia (eristynyttä ja/tai yhdistynyttä), tyypillisimmin alueella noin 1-40 tilavuusprosenttia tai mahdollisesti sitä enemmän.

35 "Hapettumisreaktiotuote" tarkoittaa yhtä tai useampaa metallia missä tahansa hapettuneessa tilassa, jossa metalli on luovuttanut (metallit

II

93946 7 ovat luovuttaneet) elektroneja toiselle alkuaineelle, yhdisteelle tai näiden yhdistelmälle tai on yhteisiä elektroneja viimeksimainittujen kanssa. Tämän määritelmän mukaisesti "hapettumisreaktiotuote" sisältää siis yhden tai useamman metallin reaktiotuotteen hapettimen 5 kanssa, joita ovat mm. happi, typpi, halogeeni, rikki, fosfori, ar seeni, hiili, boori, seleeni, telluuri ja niiden yhdisteet ja yhdistelmät, kuten metaani, etaani, propaani, asetyleeni, eteeni, propee-ni, (hiilivety hiilen lähteenä) ja seokset kuten ilma, H2/H20 ja C0/C02 (hapen lähteinä), joista kaksi viimeksimainittua (eli H2/H20 ja 10 C0/C02) ovat hyödyllisiä vähentämään ympäristön happiaktiviteettia.

"Kaasufaasihapetin", joka tunnistaa hapettimen tietyn kaasun tai höyryn sisältäväksi tai käsittäväksi, tarkoittaa hapetinta, jossa tunnistettu kaasu tai höyry on esiastemetallin ainoa, hallitseva tai 15 ainakin merkittävä hapetin käytettävässä hapettavassa ympäristössä vallitsevissa olosuhteissa. Vaikka esimerkiksi ilman pääainesosa on typpi, ilman happipitoisuus on perusmetallin ainoa hapetin, koska happi on huomattavasti voimakkaampi hapetin kuin typpi. Tämän vuoksi ilma määritetään "happea sisältäväksi kaasuhapettimeksi" muttei "typ-20 peä sisältäväksi kaasuhapettimeksi", kuten näitä termejä tässä yh teydessä ja patettivaatimuksissa käytetään. Esimerkki "typpeä sisältävästä kaasuhapettimesta" on "muodostuskaasu”, joka sisältää tyypillisesti noin 96 tilavuusprosenttia typpeä ja noin 4 tilavuusprosenttia vetyä.

25 "Perusmetalli" viittaa siihen metalliin (esim. alumiiniin), joka on esiaste monikiteiselle hapettumisreaktiotuotteelle ja sisältää tämän metallin suhteellisen puhtaana metallina tai kauppallisesti saatavana metallina epäpuhtauksineen ja/tai siihen lisättyine ainesosineen tai 30 .. seoksena, jossa tämä metalliesiaste on pääainesosa; ja kun tietty me talli mainitaan esiastemetallina, esim. alumiini, tunnistettu metalli tulisi tulkita tämän määritelmän mukaisesti, ellei tekstin asiasisäl- · tö muuta osoita.

35 "Jäännösperusmetalli" tarkoittaa mitä tahansa jäljellä olevan perus metallin alkuperäistä massaa, joka ei ole kulunut loppuun keraamisen 8 93946 sekarakennekappaleen muodostumisen aikana ja joka jää tyypillisesti ainakin osittaiseen kosketukseen muodostuneen keraamisen sekarakennekappaleen kanssa. Tulisi ymmärtää, että runko voi sisältää tyypillisesti joitakin perusmetallin hapettuneita ainesosia.

5

Termin "täyteaine" on tässä yhteydessä tarkoitus sisältää joko yksittäisiä ainesosia tai ainesosien seoksia, jotka ovat olennaisesti reagoimattomia ja voivat olla yksi- tai monifaasisia. Täyteaineet voidaan järjestää useassa eri muodossa, kuten jauheina, hiutaleina, 10 levykkeitä, mikropalloina, karvoina, kuplina, jne., ja ne voivat olla joko tiheitä tai huokoisia.

Tämän keksinnön kohteena on menetelmä suojakerroksen tuottamiseksi keramiikkaan tai keraamiseen sekarakennekappaleeseen sekä menetelmä 15 keramiikan tai keraamisen sekarakennekappaleen käyttämiseksi ympäris tössä, jossa kappale tulee ainakin osittain päällystetyksi kaasumaisen poistovirtauksen mukana kulkeutuneilla hiukkasilla.

Keksinnön mukaisen menetelmän ensimmäinen suoritusmuoto on pääasiassa 20 tunnettu siitä, että (b) saatetaan ensimmäinen keraaminen kappale alttiiksi ympäristölle, joka sisältää lasimaisia hiukkasia, ja annetaan ensimmäisessä keraamisessa kappaleessa olevan yhtenäisen jäännösperusmetallin reagoida 25 * tämän ympäristön kanssa kerroksen kasvun aikaansaamiseksi ainakin osalle ensimmäistä keraamista kappaletta; ja (c) jatketaan vaihetta (b) niin kauan, että ainakin osalle ensimmäistä keraamista kappaletta muodostuu suojakerros.

30

Keksinnön mukaisen menetelmän toinen suoritusmuoto on pääasiassa tunnettu siitä, että (c) saatetaan ensimmäinen keraaminen kappale alttiiksi ympäristölle, 35 joka sisältää lasimaisia hiukkasia, ja annetaan ensimmäisessä keraa misessa kappaleessa olevan yhtenäisen jäännösperusmetallin reagoida li 9 9 3946 tämän ympäristön kanssa kerroksen kasvun aikaansaamiseksi ainakin osalle ensimmäistä keraamista kappaletta; ja (d) jatketaan vaihetta (c) niin kauan, että ainakin osalle ensimmäis-5 tä keraamista kappaletta muodostuu suojakerros.

Keksinnön mukainen itsekantava keraaminen kappale on pääasiassa tunnettu siitä, että se myös käsittää suojakerroksen, joka peittää ainakin osan substraatista, joka suojakerros muodostetaan substraatissa 10 olevan jäännösperusmetallin ja lasimaisia hiukkasia käsittävän ympä ristön välisellä reaktiolla.

Lyhyyden vuoksi tässä yhteydessä viitataan pääasiassa keraamisiin sekarakennekappaleisiin. Tulisi kuitenkin ymmärtää, että keraamisia 15 kappaleita (eli kappaleita, jotka eivät sisällä täyteainetta) voidaan myös muuntaa tämän keksinnön mukaisella menetelmällä ja käyttää yllämainitussa ympäristössä, mikä johtaa suojakerroksen muodostumiseen.

" Keraamisia sekarakennekappaleita saadaan suodattamalla täyteaine, 20 joka on konfiguroitu joko sitomattomaksi massaksi tai esimuotiksi, sulan perusmetallin (esim. alumiinin) ja hapettimen välisellä hapet-tumisreaktiotuotteella.

Keksinnön yhdessä suoritusmuodossa itsekantava keraaminen sekaraken-25 · nekappale voidaan tarkemmin sanottuna tuottaa muodostamalla sopiva täyteaine, kuten alumiinioksidinen täyteaine tai esikuumennettu pii-karbidinen täyteaine, esimuottiin sopivalla muodostustekniikalla, joita ovat esim. liukuvalu, sedimenttivalu, kuivapuristus, jne. Esi-muotti voi olla ainakin osittain päällystetty rajoittimella, joka 30 s auttaa määrittämään saatavan keraamisen sekarakennekappaleen ulko pinnan ehkäisemällä tai heikentämällä hapettumisreaktiotuotteen kasvua. Esimuotiksi muotoiltu täyteaine sijoitetaan tai asetetaan tämän jälkeen perusmetallin viereen siten, että perusmetallin hapettumisreaktiotuotteen muodostuminen tapahtuu kohti hapettimen suuntaa ja 35 esimuottiin sekä lisäksi kohti rajoitinta, jos sitä käytetään. Perus metalli kuumennetaan sulamispisteensä yläpuolella mutta hapettumis- 10 93946 reaktiotuotteensa sulamispisteen alapuolella olevaan lämpötilaan sulan metallin massan muodostamiseksi. Tässä lämpötilassa tai tällä lämpötila-alueella sula metalli reagoi hapettimen kanssa muodostaen hapettumisreaktiotuotteen. Ainakin osa hapettumisreaktiotuotteesta 5 pidetään kosketuksessa sulan metallin ja hapettimen kanssa näiden välillä, jotta sulaa metallia vetäytyisi hapettumisreaktiotuotteen läpi kohti hapetinta ja sen kanssa kosketukseen siten, että tuore hapettumisreaktiotuote jatkaa muodostumistaan hapettimen ja aikaisemmin muodostuneen hapettumisreaktiotuotteen välisellä rajapinnalla 10 suodattuen näin viereiseen esimuottiin. Reaktiota jatketaan niin kauan, että ainakin osa esimuotista suodattuu monikiteisellä materiaalilla, joka muodostuu olennaisesti perusmetallin hapettumisreaktiotuotteesta ja valinnaisesti ainakin yhden metallin hapettumatto-masta ainesosasta, joka on hajautuneena tai levinneenä läpi koko 15 monikiteisen materiaalin. Esimuotin tulisi olla riittävän läpäisevä salliakseen tai mahdollistaakseen hapettumisreaktiotuotteen kasvun esimuotissa sekä salliakseen sen, että kaasumainen hapetin läpäisee esimuotin ja tulee kosketukseen sulan metallin kanssa. Tulisi ymmärtää, että monikiteisessä matriisimateriaalissa voi olla aukkoja tai 20 huokoisuutta metallifaasin tilalla, mutta aukkojen tilavuusprosentti riippuu sellaisista tekijöistä kuin lämpötila, aika, lisäaineet ja perusmetallin tyyppi. Jos käytetään rajoitinta, keraaminen sekaraken-nekappale jatkaa kasvamistaan rajoittimeen asti edellyttäen, että läsnä on riittävästi perusmetallia tällaisen kasvun sallimiseksi.

25

Ylläkuvattujen menetelmien mukaisesti tuotettu saatava keraaminen sekarakennekappale saatetaan tämän jälkeen alttiiksi ympäristölle, joka käsittää lasimaisia hiukkasia, mikä saa suojakerroksen muodostumaan ainakin osaan keraamisen sekarakennekappaleen ulkopinnasta.

30

On havaittu, että kun ylläkuvattu keraaminen sekarakennekappale saatetaan alttiiksi hapetusaineelle, joka sisältää luonnonkaasun ja ilman välisen reaktion stökiömetrisen palamistuotteen yhdessä nat- li 93946 11 riumsilikaattiliuoksen kanssa muodostaen siten yhdessä kaasumaisen ulosmenovirran, joka on lisätty siihen, esimerkiksi natriumsilikaat-tihiukkasia, jolloin ainakin osaan ylläkuvattujen sekarakennekappa-leiden ulkopinnasta muodostuu suojakerros. Tämä havainto on merkit-5 tävä, ja se on huomattava apu aikaisemmin tunnetulle tekniikan tasol le.

Kuvio 1 on poikkileikkaus koosteesta, jota käytetään keraamisen seka-rakennekappaleen tuottamiseen; 10

Kuvio 2 on kaaviomainen piirustus laitteesta, jota voidaan käyttää saattamaan keraaminen sekarakennekappale alttiiksi tietylle kaasumaiselle ympäristölle; ja 15 Kuviot 3-5 ovat 50-kertaisesti suurennettuja optisia mikrovalokuvia, jotka esittävät suojakerroksen kasvua keraamisesta sekarakennekappa-leesta.

Keraamisen sekarakennekappaleen muodostamiseksi, jota käytetään tämän 20 keksinnön menetelmän mukaisesti, perusmetalli, johon on voitu sekoit taa lisäainetta, kuten alla yksityiskohtaisemmin selvitetään, ja joka on esiaste hapettumisreaktiotuotteelle, muodostetaan harkoksi, bille-tiksi, sauvaksi, levyksi tai vastaavaksi ja sijoitetaan inerttiseen petiin, upokkaaseen tai muuhun tulenkestävään säiliöön. Perusmetalli 25 voi sisältää yhden tai useamman kappaleen sekä olla sopivasti muo toiltu millä tahansa sopivalla tavalla. Täyteaineen läpäisevä massa, tai suositeltavassa suoritusmuodossa läpäisevä, muotoiltu esimuotti (jota kuvataan alla yksityiskohtaisemmin) valmistetaan siten, että sillä on ainakin yksi määritetty pintaraja ja että se on läpäisevä 30 kaasufaasihapettimelle tällaista kaasufaasihapetinta käytettäessä ja että se on läpäisevä suodattuvalle hapettumisreaktiotuotteelle. Esimuotti sijoitetaan perusmetallin ainakin yhden pinnan tai pinnan osan viereen ja suositeltavasti sen kanssa kosketukseen siten, että ainakin osa esimuotin määritetystä pintarajasta on sijoitettu yleensä 35 välimatkan päähän tai ulospäin erilleen perusmetallin pinnasta. Esi muotti on suositeltavasti kosketuksessa perusmetallin päällisen pinnan kanssa; mutta haluttaessa esimuotti voi olla osittain upotettu, 12 93946 muttei kokonaan upotettu sulaan metalliin. Täydellinen upottaminen katkaisisi tai estäisi kaasufaasihapettimen pääsyn esimuottiin ja estäisi näin esimuotin sisäänsä sulkevan hapettumisreaktiotuotteen oikean kehittymisen. Jos kaasufaasihapetinta ei kuitenkaan käytetä 5 (eli ainoa prosessiolosuhteissa käytettävä hapetin on kiinteä hapetin tai nestemäinen hapetin), esimuotin täydellisestä upottamisesta sulaan perusmetalliin tulee tarvittaessa mahdollinen vaihtoehto. Hapettumisreaktiotuotteen muodostuminen tapahtuu kohti määritetyn pintara-jan suuntaa. Perusmetallin ja läpäisevän esimuotin kooste sijoitetaan 10 sopivaan säiliöön ja uuniin. Uunissa oleva ilmakehä on hapetin, jotta sulan perusmetallin kaasufaasihapettuminen voi tapahtua. Uuni kuumennetaan tämän jälkeen prosessiolosuhteisiin.

Sekarakennekappaleen valmistamisessa hyödyllinen esimuotti, kun aina-15 kin yksi hapetin on kaasufaasihapetin, on sellainen, joka on riit tävän huokoinen tai läpäisevä, jotta kaasufaasihapetin voi tunkeutua esimuottiin ja tulla kosketukseen perusmetallin kanssa. Esimuotin tulisi myös olla riittävän läpäisevä, jotta se voisi mahdollistaa hapettumisreaktiotuotteen kehittymisen tai kasvun matriisina esimuo-20 tissa häiritsemättä, järkyttämättä tai muutoin olennaisesti muunta matta esimuotin rakennetta tai geometriaa.

Voidaan käyttää kiinteää, nestemäistä tai kaasufaasihapetinta tai tällaisten hapettimien yhdistelmää. Tyypillisiä hapettimia ovat ra-25 joituksitta esimerkiksi happi, typpi, halogeeni, rikki, fosfori, arseeni, hiili, seleeni, telluuri ja/tai niiden yhdisteet tai yhdistelmät, kuten piidioksidi tai silikaatit (hapen lähteinä), metaani, etaani, propaani, asetyleeni, eteeni ja propeeni (hiilen lähteinä) sekä seokset kuten ilma, H2/H20 ja C0/C02 (hapen lähteinä), joista 30 kaksi jälkimmäistä (eli H2/H20 ja C0/C02) ovat hyödyllisiä vähentämään ympäristön happiaktiviteettia. Näin ollen keksinnön mukainen keraaminen rakenne voi käsittää hapettumisreaktiotuotteen, joka sisältää yhden tai useamman oksidin, nitridin, karbidin, boridin ja oksinit-ridin. Tarkemmin sanottuna hapettumisreaktiotuote voi olla esimerkik-35 si yksi tai useampi seuraavista: alumiinioksidi, alumiininitridi, piikarbidi, piiboridi, alumiiniboridi, titaaninitridi, sirkoniumnit-ridi, titaaniboridi, sirkoniumboridi, piinitridi, hafniumboridi ja I! 93946 13 tinaoksidi. Vaikka hapettamisreaktiota kuvataan tavallisesti kaasu-faasihapetinta käyttävänä, joko yksin tai yhdessä hapettimen kanssa, joka on kiinteä tai nestemäinen prosessiolosuhteissa, tulisi ymmärtää, että kaasufaasihapettimen käyttäminen ei ole välttämätöntä en-5 simmäiseksi muodostuvan keraamisen kappaleen tuottamiseksi. Kun kaa- sufaasihapetinta ei käytetä ja prosessiolosuhteissa kiinteää tai nestemäistä hapetinta käytetään, esimuotin ei tarvitse olla läpäisevä ympäröivälle ilmakehälle. Esimuotin tulisi kuitenkin olla riittävän läpäisevä, jotta se voi mahdollistaa hapettumisreaktiotuotteen kehit-10 tymisen tai kasvun matriisina esimuotissa häiritsemättä, järkyttämät tä tai muutoin olennaisesti muuntamatta esimuotin rakennetta tai geometriaa.

Kiinteiden tai nestemäisten hapettimien käyttäminen esimuotissa voi 15 saada aikaan ympäristön, joka on suotuisampi perusmetallin hapettu- miskinetiikalle kuin esimuotin ulkopuolella oleva ympäristö. Tämä parannettu ympäristö on hyödyllinen edistämään matriisin kehittymistä esimuotissa rajalle asti ja minimoimaan ylikasvua. Kun käytetään kiinteää hapetinta, se voi olla hajautuneena koko esimuotin läpi tai 20 perusmetallin viereisen esimuotin osan läpi esimerkiksi hiukkasten muodossa ja esimuottiin sekoitettuna, tai sitä voidaan käyttää hyväksi päällysteinä esimuotin käsittävien hiukkasten päällä. Sopivia kiinteitä hapettimia voivat olla sopivat alkuaineet, kuten boori tai hiili, tai sopivat pelkistyvät yhdisteet, kuten piidioksidi (hapen 25 . lähteenä) tai tietyt boridit, joiden termodynaaminen stabiliteetti on alhaisempi kuin perusmetallin boridireaktiotuotteella.

Jos käytetään nestemäistä hapetinta, nestemäinen hapetin voi olla hajautuneena läpi koko esimuotin tai sulan metallin viereisen esi-30 muotin osan läpi. Kun viitataan nestemäiseen hapettimeen, sillä tar koitetaan hapetinta, joka on neste hapettamisreaktio-olosuhteissa, ja näin ollen nestemäisellä hapettimella voi olla kiinteä esiaste, kuten suola, joka on sulassa muodossa tai nestemäinen hapettamisreaktio-olosuhteissa. Nestemäisellä hapettimella voi olla vaihtoehtoisesti 35 nestemäinen esiaste, esim. materiaalin liuos, jota käytetään päällys tämään esimuotin kaikki huokoiset pinnat tai osa niistä ja joka sulatetaan ja hajotetaan prosessiolosuhteissa sopivan hapetinosuuden 14 93946 aikaansaamiseksi. Esimerkkejä nestemäisistä hapettimista ovat näiden määritysten mukaisesti alhaissulatteiset lasit.

Kuten hakijan patenteissa on selvitetty, lisäaineiden lisääminen esi-5 merkiksi alumiiniperusmetallin yhteyteen voi vaikuttaa suotuisasti hapettamisreaktioprosessiin. Lisäaineen toiminta tai toiminnot voivat riippua useista muistakin tekijöistä kuin itse lisäaineesta. Näitä tekijöitä ovat esimerkiksi toivottava lopputuote, lisäaineiden tietty yhdistelmä kahta tai useampaa lisäainetta käytettäessä, ulkoisesti 10 lisätyn lisäaineen käyttäminen yhdessä lejeeratun lisäaineen kanssa, lisäaineen pitoisuus, hapettava ympäristö ja prosessiolosuhteet.

Perusmetallin yhteydessä käytettävä lisäaine tai käytettävät lisäaineet (1) voidaan järjestää perusmetalliin sekoitettavina ainesosina 15 tai (2) voidaan levittää ainakin osaan perusmetallin pinnasta, tai voidaan käyttää mitä tahansa tekniikoiden (1) ja (2) yhdistelmää. Lejeerattua lisäainetta voidaan käyttää esimerkiksi yhdessä ulkoisesti lisätyn lisäaineen kanssa. Lisäaineen lähde voidaan järjestää sijoittamalla joko lisäainejauhe tai lisäaineen jäykkä massa kosketuk-20 seen ainakin perusmetallin pinnan osan kanssa. Esimerkiksi ohut kalvo piitä sisältävää lasia voidaan sijoittaa alumiiniperusmetallin pinnalle. Kun piitä sisältävällä materiaalilla päällystetty alumiinipe-rusmetalli (joka voi sisältää sekoitettua Mg:ia) kuumennetaan hapettavassa ympäristössä (esim. alumiini ilmassa, noin 850-1450°C:ssa, 25 suositeltavasti noin 900-1350°C:ssa), tapahtuu monikiteisen keraami sen materiaalin kasvua. Kun lisäaine on lisätty ulkoisesti ainakin osaan alumiiniperusmetallin pinnasta, monikiteinen alumiinioksidira-kenne kasvaa olennaisesti lisäainekerroksen ulkopuolelle (eli lisätyn lisäainekerroksen syvyyden ulkopuolelle. Perusmetallin pintaan voi-30 daan lisätä ulkoisesti joka tapauksessa yksi tai useampi lisäaine.

Lisäksi mitä tahansa perusmetallin kanssa lejeerattujen lisäaineiden pitoisuuksien puutteellisuuksia voidaan kompensoida vastaavan lisäai- . * neen (vastaavien lisäaineiden) lisäpitoisuudella, jotka lisäaineet on lisätty perusmetalliin ulkoisesti.

Alumiiniperusmetallille hyödyllisiä lisäaineita ovat erityisesti ilman ollessa hapettimena esimerkiksi magnesium, sinkki ja pii yhdes-

II

35 93946 15 sä toistensa kanssa tai yhdessä alla kuvattavien muiden lisäaineiden kanssa. Nämä metallit tai metallien sopiva lähde voidaan lejeerata alumiinipohjaiseen perusmetalliin pitoisuuksina noin 0,1-10 painoprosenttia, mikä perustuu saatavan sekoitetun metallin kokonaispainoon.

5 Tällä alueella olevien pitoisuuksien on havaittu aloittavan keraami sen kasvun, edistävän metallin kulkua ja vaikuttavan suotuisasti saatavan hapettumisreaktiotuotteen kasvumorfologiaan. Minkä tahansa yhden lisäaineen pitoisuusalue riippuu sellaisista tekijöistä kuin lisäaineiden yhdistelmä ja prosessilämpötila.

10

Muita lisäaineita, jotka ovat tehokkaita edistämään alumiinioksidisen monikiteisen hapettumisreaktiotuotteen kasvua alumiiniperusmetalli-järjestelmistä, ovat esimerkiksi germanium, tina ja lyijy käytettyinä erityisesti yhdessä magnesiumin kanssa. Yksi tai useampi tällainen 15 muu lisäaine tai sen sopiva lähde lejeerataan alumiiniperusmetalli- järjestelmään pitoisuuksina noin 0,5-15 painoprosenttia kokonaisseok-sesta; toivottavampi kasvukinetiikka ja kasvumorfologia saavutetaan kuitenkin lisäaineiden pitoisuuksilla alueella noin 1-10 painoprosenttia kokonaisperusmetalliseoksesta. Lisäaineena käytettävä 20 lyijy lejeerataan yleensä alumiinipohjaiseen perusmetalliin ainakin noin 1000°C:en lämpötilassa, jotta voidaan kompensoida sen alhainen liukenevuus alumiiniin; muiden sekoitettavien ainesosien, kuten tinan, lisääminen parantaa kuitenkin lyijyn liukenevuutta ja sallii sekoitettavien materiaalien lisäämisen alhaisemmassa lämpötilassa.

25

Perusmetallin yhteydessä voidaan käyttää yhtä tai useampaa lisäainetta. Esimerkiksi alumiinin ollessa perusmetallina ja ilman ollessa hapettimena erityisen hyödyllisiä lisäaineiden yhdistelmiä ovat esimerkiksi (a) magnesium ja pii tai (2) magnesium, sinkki ja pii. Näis-30 sä esimerkeissä suositeltava magnesiumpitoisuus jää alueelle noin 0,1-3 painoprosenttia, sinkkipitoisuus alueelle noin 1-6 painoprosenttia ja pii-pitoisuus alueelle noin 1-10 %.

Lisäesimerkkejä alumiiniperusmetallin yhteydessä hyödyllisistä lisä-35 aineista ovat natrium ja litium, joita voidaan käyttää yksittäin tai yhdessä yhden tai muun lisäaineen kanssa prosessiolosuhteista riippuen. Natriumia ja litiumia voidaan käyttää hyvin pieninä määrinä 16 93946 (alueella osia per miljoona, tyypillisesti noin 100-200 osaa per miljoona), ja kumpaakin voidaan käyttää yksin tai yhdessä tai yhdistelmänä toisen lisäaineen (muiden lisäaineiden) kanssa. Kalsium, boori, fosfori, yttrium ja harvinaiset maametallit, kuten serium, 5 lantaani, praseodyymi, neodyymi ja samarium, ovat myös hyödyllisiä lisäaineita, ja tässä yhteydessä jälleen käytettyinä yhdessä muiden lisäaineiden kanssa.

Ulkoisesti käytettyinä lisäaineet levitetään tavallisesti osaan pe-10 rusmetallin pinnasta sen päällä olevana yhtenäisenä kerroksena. Lisä aineen määrä on tehokas laajalla alueella suhteessa perusmetallin määrään, johon se lisätään, ja alumiinin yhteydessä kokeilla ei ole pystytty osoittamaan ylempiä eikä alempia käyttörajoja. Kun käytetään esimerkiksi piitä piidioksidin muodossa, joka on lisätty ulkoisesti 15 alumiinipohjaisen perusmetallin lisäaineena, ja ilmaa tai happea hapettimena, niinkin alhaiset määrät kuin 0,00003 grammaa piitä per gramma perusmetallia tai noin 0,0001 grammaa piitä per neliösentti-metri paljaana olevaa perusmetallin pintaa yhdessä magnesiumin toisen lisäainelähteen kanssa ovat mahdollisia monikiteisen keraamisen kas-20 vuilmiön tuottamiseksi. On myös havaittu, että keraaminen rakenne voidaan saavuttaa alumiini-piidioksidiseoksisesta perusmetallista ilman tai hapen ollessa hapettimena käyttämällä Mg0:ta lisäaineena määrässä, joka on suurempi kuin noin 0,0008 grammaa magnesiumia per neliösenttimetri perusmetallin pintaa, jolle MgO levitetään. On il-25 mennyt, että lisäaineiden määrän lisääminen vähentää jossakin määrin reaktioaikaa, joka tarvitaan keraamisen kappaleen tuottamiseksi, mutta tämä riippuu sellaisista tekijöistä kuin lisäaineen tyyppi, perusmetalli ja reaktio-olosuhteet.

30 Kun perusmetallina on magnesiumia sisältävä alumiini ja hapettavana aineena on ilma tai happi, on havaittu, että magnesium haihtuu ainakin osittain seoksesta noin 820-950°C:en lämpötiloissa. Tällaisten magnesiumia sisältävien järjestelmien yhteydessä magnesium muodostaa magnesiumoksidin ja/tai spinellifaasin sulan alumiiniseoksen pintaan, 35 ja kasvuprosessin aikana tällaiset magnesiumyhdisteet jäävät kasva vassa keraamisessa rakenteessa pääasiassa perusmetalliseoksen lähtö-oksidipintaan (eli "lähtöpintaan"). Tällaisissa magnesiumia sisältä-

II

93946 17 vissä järjestelmissä alumiinioksidipohjainen rakenne tuotetaan näin ollen erillään lähtöpinnalla olevasta suhteellisen ohuesta spinelli-kerroksesta. Lähtöpinta voidaan haluttaessa helposti poistaa esim. hiomalla, työstämällä, kiilloittamalla tai hiekkapuhaltamalla ennen 5 monikiteisen keraamisen tuotteen käyttöönottoa.

Eräässä suoritusmuotossa keraaminen sekarakennekappale muodostetaan ensin täysin, ja tämän jälkeen täysin muodostunut keraaminen sekarakennekappale saatetaan alttiiksi hapettimelle,Imielellään "erilai-10 selle" hapettimelle kuin mitä käytettiin hapettumisreaktiotuotteen muodostamiseksi, joka toimii keraamisessa sekarakennekappaleessa matriisina upotetulle täyteaineelle. Tässä suoritusmuodossa keraamisessa sekarakennekappaleessa oleva yhdistynyt jäännösperusmetalli vedetään kohti keraamisen sekarakennekappaleen ainakin yhtä pintaa ja 15 annetaan reagoida "erilaisen" hapettimen kanssa. Yhdessä suositel tavassa suoritusmuodossa keraaminen sekarakennekappale on alttiina ympäristölle, joka käsittää luonnonkaasun ja hapen palamistuotteen sekoitettuna natriumsilikaattihiukkasten kanssa, jotka laitetaan palamistuotevirtaan. Tällainen altistaminen johtaa suojakerroksen 20 muodostumiseen keraamisen sekarakennekappaleen päälle. Tämä keraami sen sekarakennekappaleen päällä oleva suojakerros voidaan muodostaa ohuena tai paksuna kerroksena ensin muodostetun keraamisen sekarakennekappaleen pinnalle, ja se saa aikaan erittäin toivottavan ruoste-suojan esim. lasiammeuunissa esiintyvää syövyttävää lasikuonaa vas-25. taan. Näin ollen muodostetun keraamisen sekarakennekappaleen sijoit taminen ylläkuvattuun kaasumaiseen ympäristöön voi johtaa ruosteen-kestävän suojakerroksen muodostumiseen ainakin ensin muodostuneen sekarakennekappaleen pinnan osaan.

30 Esimerkit

Seuraava kuvaus on yleinen kaikille seuraaville esimerkille, ellei teksti toisin osoita. Kuviossa 1 esitetään poikkileikkaus tyypillisestä koosteesta, jota käytettiin keraamisen sekarakennekappaleen 35 muodostamiseksi. Tarkemmin sanottuna tulenkestävä veneenmuotinen kappale (1) täytettiin osittain wollastoniittihiukkasilla (2) (karkea kuitu - Nyad SP, NYCO, Inc.), jotka toimivat rajoittimena hapettamis- 18 93946 reaktion rajaamiseksi. Alumiiniseosharkko sijoitettiin tämän jälkeen wollastoniittipedin päälle. Alumiiniharkkojen koko ei ollut esimerkeille kriittinen paitsi että riittävä määrä alumiinia oli oltava läsnä esimuotin täydellistä suodattumista varten. Seuraavissa esimer-5 keissä käytettiin kolmea erilaista alumiiniseosta. Näiden kolmen erilaisen alumiiniseoksen koostumus määritettiin kemiallisella analyysillä yhdenmukaiseksi kunkin seoksen nimellismäärityksen kanssa. Tarkemmin sanottuna Seos n:o 1 käsitti 7,5-9,5 % Si, 3,0-4,0 % Cu, <2,9 % Zn, <1,5 % Fe, <0,5 % Mn, <0,5 % Ni, <0i35 % Sn ja <0,1 % Mg 10 paitsi että magnesiumpitoisuuden havaittiin olevan noin 0,17-0,18 painoprosenttia. Korkeamman Mg-tason uskotaan olevan tärkeä, kun ajatellaan Mg:n vakiintunutta asemaa lisäaineena tai hapettamisreak-tion edistäjänä. Seos n:o 2 käsitti 5,0-6,5 % Zn, <0,25 % Cu, 0,4-0,6 % Cr, <0,15 % Si, <0,40 % Fe, 0,50-0,65 % Mg, <0,10 % Mn ja 0,15-15 0,25 % Ti; ja Seos n:o 3 sisälsi <0,03 % Zn, <0,10 % Cu ja Sn yhdis tettynä, 9,0-10,0 % Si, 10,2 % Fe, 2,4-3,0 % Mg ja <0,05 % Be.

Rajapintakerros (5) sijoitettiin tämän jälkeen seoksen (3) yläpinnan päälle. Rajapintakerros (5) asetettiin paikoilleen noin 0,08-0,16 cm 20 (1/32 - 1/16 tuumaa) paksuna. Seuraavissa esimerkeissä käytetyt neljä erilaista rajapintakerrosta olivat: (1) jauhemainen nikkelimetalli (tämän jälkeen "nikkelimetalli-jauhe"), Atlantic Engineers, seulamitta -325, joka vastaa 25. hiukkasia s 45 mikronia; (2) jauhemainen materiaali, joka muodostuu pääasiassa piidioksidista ja jota myydään kauppanimellä Leecote Lx-60 WPS, Acme Resin Corporation, Madison, OH; 30 ; (3) jauhemainen piimetalli (tämän jälkeen "piimetallijauhe"),

Atlantic Equipment Engineers, Bergenfield, NJ, seulamitta -325 (< 45 mikronia); ja 35 (4) jauhemainen hiekkamateriaali (tämän jälkeen "hiekka"),

Pennsylvania Foundry Supply and Sand Company, Phila- I) 93946 19 delphia, PA, raekoko 100 US standardin mukaan, joka vastaa 150 mikronia.

Esimuotti (4) sijoitettiin tämän jälkeen alumiiniseosharkon (3) pääl-5 le, joka sisälsi rajapintakerroksen (5). Esimuotti valmistettiin sedimenttivalutekniikalla, kuten yllämainituissa hakijan patenteissa on esitetty. Tarkemmin sanottuna sopivia täyteaineita, jotka olivat kooltaan ja kemialliselta koostumukseltaan erilaisia, kuten alla on selvitetty, lietettiin vedessä, joka sisälsi noin 2 painoprosenttia 10 polyvinyyliasetaattilateksisideainetta (Elmer's Wood Glue). Esimuotit valmistettiin kaatamalla liete sopivaan muottiin, jolla oli toivottu sisähalkaisija. Lietteen annettiin seistä häiriöttä, jolloin kiinteät hiukkaset asettuivat sopivan paksuiseksi kerrokseksi [esim. noin 1,27 cm (1/2 tuumaa) paksuksi kerrokseksi]. Valuprosessissa oleva liika 15 vesi kaadettiin pois pinnalta ja kuivattiin sienellä.

Seuraavissa esimerkeissä käytetyt erilaiset täyteaineet olivat: (1) piikarbidihiukkaset (tämän jälkeen "n:o 1 SiC", Norton 20 Co., Wooster, MA, alkuperäinen raekoko noin 1000 (- n. 13 mikronia); (2) piikarbidihiukkaset (tämän jälkeen "n:o 2 SiC"), Norton

Co., Wooster, MA, alkuperäinen raekoko noin 500 (- 25 mik- 25 ronia); (3) jauhamattomat C-75 -alumiinioksidihiukkaset (tämän jälkeen "n:o 1 A1203"), Alcan, Cleveland, OH, seulamitta noin -100 (< 150 mikronia); 30 (4) jauhamattomat C-73 -alumiinioksidihiukkaset (tämän jälkeen "n:o 2 A1203"), Alcan, Cleveland, OH, seulamitta noin -100 (< 150 mikronia); 35 (5) 38 Alundum -alumiinioksidihiukkaset (tämän jälkeen "n:o 3 A1203"), Norton Co., Wooster, MA, raekoko noin 24 (n. 740 mikronia); j a 20 93946 (6) E 28 Alundum -alumiinioksidihiukkaset (tämän jälkeen "nro 4 Al203) Norton Co., Wooster, MA, raekoko noin 90 (n. 165 mikronia).

5 Huomataan, että kun käytettiin piikarbiditäyteainetta (esim. n:o 1

SiC tai n:o 2 Sic), täyteainetta esikuumennettiin ensin noin 1250eC:en lämpötilassa noin 24 tuntia ennen lietteen muodostamista. Esikuumennettu täyteaine jauhettiin tämän jälkeen seulamittaan noin -200 (< 75 mikronia). i 10

Lisävollastoniittihiukkasia (2) sijoitettiin tämän jälkeen esimuot-ti/metalli -koosteen ympärille ja päälle, jotka wollastoniittihiuk-kaset rajasivat hapettamisreaktion esimuotissa (4) olevaan tilavuuteen. Tulenkestävä laiva (1) ja sen sisältö sijoitettiin vastusuuniin 15 ja kuumennettiin sopivaan lämpötilaan (kuten myöhemmin selvitetään) sopivan ajanjakson aikana (kuten myöhemmin selvitetään) hapettumis-reaktiotuotteen kasvun edistämiseksi.

Koostetta uunista poistettaessa havaittiin, että alumiinioksidinen 20 keraaminen matriisi oli kasvanut sulan alumiiniseoksen pinnasta ja suodattunut esimuotteihin.

Taulukossa 1 esitetään kunkin keraamisen sekarakennekappaleen muodostamisessa käytetyt ainesosat sekä keraamisten sekarakennekappaleiden 25f muodostamisessa käytetyt valmistusparametrit (esim. lämpötila ja aika). Taulukossa 1 esitetään lisäksi muodostuneissa keraamisissa sekarakennekappaleissa oleva täyteaineprosentti ja matriisiprosentti sekä siinä oleva jäännösmetalliprosentti.

30 I! 2, 93946 »e ’ o o ° ;0 — O" UI o M ~ C« ro o o *n £ :« ^ iM ·“ **" ^ ^ :<Q 4»

-> E

X O **

X

¢) t i/^ .f 'Z t «.' ^ * * x * *

tO — ·- ΙΛ O

V - ^ ** u (V O* \f> ~ ro · :«J β β ® — X — ™ -"

IA

V -* >. w 2-00000000 « .* *- ·“ ·- *” ^ :« ·— ^ <0

IS

.“«JCJOOUCJCJO

„.,<···· . :0 0000000^ οαοοοοοοιη^ ~E O o o o o o o __ Q. —

.C

°^oooooooo .. o «o Ό Ό Ό ^ g *°

Ol 10 *"* ^ *“ ^ w c <0 e

—· .M

Z Z ooooooo^ a *- E M :is O _j c

ΚΊ PO »O fO PO

o o o o o u (J u CM IM iVJ ^ C |ΛΙΛΙΛ<<<<< ; 2oooooooo « c e c c c e e c ►* a αο«ι»**ο*^ = « *- u „ _ av v Z a acm. -* _

• E

_ _ _ ro — ™ ~ ~ ^ 4»

S e ° ° e o O o e B

“c ccccccc χ o

X

X

3 41 3 >, f. — INifO^ IO *0 ^ 00

< O C

N» Z

22 93946

Kun kaikki, näytenumeroja 1-8 vastaavat keraamiset sekarakennekappa-leet oli muodostettu, kukin sekarakennekappale jälkikäsiteltiin tarvittaessa työstämällä ja saatettiin tämän jälkeen alttiiksi olennaisesti samalle kaasumaiselle ympäristölle. Tarkemmin sanottuna, kuten 5 kuviossa 2 on esitetty, näytteet n:o 1-8 (joihin on viitattu numerol la 12) sijoitettiin uuniin (IA). Uuni (IA) kuumennettiin polttimella (10), johon oli johdettu luonnonkaasu/ilma -seosta. Kaasuseos, jonka sai aikaan luonnonkaasun palaminen ilman kanssa, käsitti luonnon-kaasun stökiömetrisen palamisen ilman kanssa. Palamiskaasu muunnet-10 tiin suihkusuuttimen (11) avulla tapahtuvasta natriumsilikaattiliuok- sen suihkuttamisesta johtuen myötävirtaan polttimesta (10) (esim. muodostaen siten kaasuvirran, johon on lisätty natriumsilikaattihiuk-kasia. Natriumsilikaattiliuoksen tiheys oli noin 1,4 g/cm3, ja Na20:n ja Si02:n välinen suhde oli noin 0,A, ja liuos suihkutettiin nopeu-15 della noin 2,5 litraa tunnissa. Kaasun tulolämpötila polttimen (10) vieressä oli noin 1070°C, jolloin näytteiden (12) pintalämpötilaksi tuli noin 1000eC. Kaasun virtausnopeus uunin (IA) läpi kuvion 2 nuolien suuntaan (eli uuniin (IA) polttimen (10) kohdalta ja uunista (IA) pois poistoaukon (13) kautta) oli noin 15 m/s. Näytteiden (12) 20 koko alttiinaoloaika kaasumaiselle ympäristölle (15) oli noin 100 tuntia. Näytteet 1-8 poistettiin tämän jälkeen uunista (14) ja tutkittiin.

Kuviot 3,4 ja 5 ovat 50-kertaisesti suurennettuja optisia mikrovalo-25,’ kuvia näytteiden 1,3 ja A poikkileikkauksista tässä järjestyksessä sen jälkeen, kun näytteet olivat olleet alttiina kaasumaiselle ympäristölle (15). Alueet (20) vastaavat sekarakennekappaleita, jotka oli muodostettu ennen altistamista kaasumaiselle tai lasimaiselle kiin-teälle ympäristölle (15); alueet (21) vastaavat kerrosta, joka oli 30 muodostettu näytteisiin (12) niiden oltua alttiina kaasumaiselle ;* ympäristölle (15); ja alueet (22) vastaavat lasimaista faasia, joka kerrostui näytteisiin (12) uunin (IA) jäähdyttämisen jälkeen.

Vaikka tämä keksintö on esitetty sen suositeltavien suoritusmuotojen 35 mukaisesti, tulee ymmärtää, että keksintö ei rajoitu erityisesti näihin suoritusmuotoihin, koska alan asiantuntija havaitsee erilaisten muunnosten mahdollisuudet. Tätä keksintöä tulisi näin ollen tulkita seuraavien patenttivaatimusten mukaisesti.

Il

Claims (8)

93946

1. Menetelmä itsekantavan keraamisen kappaleen tuottamiseksi, jossa on lasimainen suojakerros, joka menetelmä käsittää seuraavaa: 5 (a) perusmetallia kuumennetaan sulamispisteensä yläpuolella mutta hapettumisreaktiotuotteensa sulamispisteen alapuolella olevaan lämpötilaan sulan perusmetallin massan muodostamiseksi, ja sanotussa lämpötilassa 10 (1) sulan perusmetallin annetaan reagoida hapettimen kanssa perusmetallin hapettumisreaktiotuotteen muodostamiseksi, 15 (2) ainakin osa hapettumisreaktiotuotteesta pidetään kos ketuksessa sulan metallimassan ja hapettimen kanssa näiden välillä, jotta sulaa metallia vetäytyisi vähitellen sulasta metallimassasta hapettumisreaktiotuotteen läpi ja kosketukseen hapettimen kanssa, jolloin tuoretta hapettumis-20 reaktiotuotetta muodostuu hapettimen ja aikaisemmin muo dostuneen hapettumisreaktiotuotteen välisellä rajapinnalla, ja (3) jatketaan reaktiota niin kauan, että muodostuu ensim-25, mäinen keraaminen kappale; tunnettu siitä, että (b) saatetaan ensimmäinen keraaminen kappale alttiiksi ympäristölle, 30 joka sisältää lasimaisia hiukkasia, ja annetaan ensimmäisessä keraa- : misessa kappaleessa olevan yhtenäisen jäännösperusmetallin reagoida tämän ympäristön kanssa kerroksen kasvun aikaansaamiseksi ainakin osalle ensimmäistä keraamista kappaletta; ja 35 (c) jatketaan vaihetta (b) niin kauan, että ainakin osalle ensimmäis tä keraamista kappaletta muodostuu suojakerros. 93946

2. Menetelmä itsekantavan keraamisen kappaleen tuottamiseksi, jossa on lasimainen suojakerros, joka menetelmä käsittää seuraavaa: (a) perusmetallia sijoitetaan täyteaineen läpäisevän massan viereen 5 ja asetetaan perusmetalli ja täyteaine suhteessa toisiinsa siten, että hapettumisreaktiotuotteen muodostuminen tapahtuu kohti täyteai-nemassan suuntaa ja -massaan; (b) kuumennetaan perusmetallimassa sulamispisteensä yläpuolella mutta 10 hapettumisreaktiotuotteensa sulamispisteen alapuolella olevaan lämpö tilaan sulan perusmetallin massan muodostamiseksi, ja sanotussa lämpötilassa (1) sulan perusmetallin annetaan reagoida hapettimen kans- 15 sa perusmetallin hapettumisreaktiotuotteen muodostamisek si, (2) ainakin osa hapettumisreaktiotuotteesta pidetään kosketuksessa sulan metallimassan ja hapettimen kanssa näiden 20 välillä, jotta sulaa metallia vetäytyisi vähitellen sulas ta metallimassasta hapettumisreaktiotuotteen läpi ja kosketukseen hapettimen kanssa sekä kohti täyteaineen viereistä massaa ja viereiseen massaan, jolloin tuoretta ha-pettumisreaktiotuotetta muodostuu jatkuvasti hapettimen ja 25, aikaisemmin muodostuneen hapettumisreaktiotuotteen väli sellä rajapinnalla, ja (3) jatketaan reaktiota niin kauan, että muodostuu ensimmäinen keraaminen kappale; 30 : tunnettu siitä, että I · (c) saatetaan ensimmäinen keraaminen kappale alttiiksi ympäristölle, joka sisältää lasimaisia hiukkasia, ja annetaan ensimmäisessä keraa- 35 misessa kappaleessa olevan yhtenäisen jäännösperusmetallin reagoida tämän ympäristön kanssa kerroksen kasvun aikaansaamiseksi ainakin osalle ensimmäistä keraamista kappaletta; ja II 95946 (d) jatketaan vaihetta (c) niin kauan, että ainakin osalle ensimmäistä keraamista kappaletta muodostuu suojakerros.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, 5 että täyteaineen läpäisevä massa käsittää ainakin yhtä materiaalia, joka on alumiinioksidi tai piikarbidi.

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että perusmetalli käsittää alumiinia. I 10

5. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että perusmetalli käsittää alumiinia.

6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, 15 että hapetin käsittää ainakin yhden hapettimen, joka on kaasufaasiha- petin, kiinteäfaasihapetin tai nestefaasihapetin.

7. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että hapetin käsittää ainakin yhden hapettimen, joka on kaasufaasiha- 20 petin, kiinteäfaasihapetin tai nestefaasihapetin.

8. Itsekantava keraaminen sekarakennekappale, joka käsittää perusmetallin ja hapettimen hapettumisreaktiotuotteen; tunnettu siitä, että se myös käsittää lasimaisen suojakerroksen, joka peittää 25,' ainakin osan substraatista, joka suojakerros muodostetaan substraa tissa olevan jäännösperusmetallin ja lasimaisia hiukkasia käsittävän ympäristön välisellä reaktiolla. . · 95946