FI95460B - Äkillisen lämpötilan muutoksen kestävä kappale ja sen valmistusmenetelmä - Google Patents

Description

x - '95460 Äkillisen lämpötilan muutoksen kestävä kappale ja sen valmistusmenetelmä 5 Esillä oleva keksintö liittyy yleisesti itsekantavaan huokoiseen keraamikomposiittikappaleeseen ja menetelmään sellaisen kappaleen valmistamiseksi puhtaana tai lähes puhtaana muotona, jolloin kappaleella on entistä paremmat termiset ja mekaaniset ominaisuudet. Keksintö koskee myös huokoisen keraamikomposii-10 tin valmistamista, joka on tarkoitettu liitettäväksi metalli-komponen11 i in.

Historiallisesti katsoen on tehty useita yrityksiä suhteellisen halvan keraamisen aineen aikaansaamiseksi, jolla on toi-15 vottavia ominaisuuksia, kuten kestävyys äkillisiä lämmönvaih-teluja vastaan, kyky toimia lämmöneristeenä, suuri mekaaninen lujuus, pieni lämpölaajenemiskerroin, kyky muodostaa keraaminen aine puhtaana tai lähes puhtaana muotona, mahdollisuus saavuttaa vähän tai ei lainkaan kutistumista polttamisessa 20 (ts. sintrauksessa) ja ominaisuus sellaisen kappaleen taloudellista tuotantoa varten. Kaikkien edellä mainittujen toivottujen ominaisuuksien saavuttaminen on vaikea suunnittelutehtävä. Tähän saakka haasteeseen ei ole vastattu toivotulla tavalla.

25 /; Edellä mainitut ominaisuudet omaavan keraamikappaleen ensim mäinen käytännöllinen sovellutus on kappaleen käyttäminen läm-möneristysputkena tai -muotona metallikappaleessa. Esimerkiksi sellaisissa sovellutuksissa, joissa kuumien kaasujen on kul-30 jettava metallikappaleen läpi, voidaan keraamiputkea tai -kanavaa käyttää metallikappaleeseen suljettuna vuorauksena, joka määrittää kanavan kuumien kaasujen virtaukselle sen läpi. Sei- . · · laisissa sovellutuksissa keraamisella esineellä on oltava sopivat lämmöneristysominaisuudet.

35 Käytännöllinen ja halpa tapa sellaisen komposiittikappaleen muodostamiseksi, jossa samakappaleista keräämiä ympäröi metal-: . limassa, käsittää sulan metallivalun jähmettämisen keraamiesi- 2 - 95460 neen ympärille. Keraaminen kappale kuitenkin usein säröilee valun aikana esiintyvän äkillisen lämpötilan vaihtelun johdosta. Kun valettu metalli jähmettyy ja jäähtyy keraamiesineen ympärille, saattaa lisäksi esiintyä ympäröivän metallin supis-5 tumista, niin että keraamiesineeseen saattaa syntyä suuria puristusjännityksiä, jotka myös saattavat johtaa keraamin murtumiseen. Erityisesti, keraamin ja metallin lämpölaajenemis-kertoimet poikkeavat tyypillisesti toisistaan, niin että keraamiesineeseen vaikuttavat jännitykset voivat johtaa halkea-10 man syntymiseen ja/tai keraamin täydelliseen murtumiseen. Sellainen halkeaman syntyminen ja/tai murtuminen ovat olleet erityisen merkittäviä pienen lujuuden ontoilla keraamiesineillä. Halkeaman syntyminen ja/tai murtuminen valumetallissa on myös ollut ongelmana määrätyissä sovellutuksissa. Kun esimerkiksi 15 keräämiä ympäröivä metalli on ohutta, voi metallin suurempi supistuminen sen jäähtyessä johtaa metallin vetojännityksiin, jotka voivat johtaa sen myötäämiseen tai murtumiseen.

Asiaan liittyvien ei-toivottujen jännitysten poistamiseksi 20 tunnetaan alalla eräs menetelmä, joka vaatii sellaisten keraa-miesineiden käyttämistä, joilla on suhteellisen paksuja, huokoisia päällystyksiä tai ainekerroksia. Keraami-metalli-kom-posiittikappaleet, joissa käytetään paksuja päällystyksiä keraamiesineen päällä, voivat herkästi vioittua fyysisesti, me-25 tallin ja keraamin välisestä suhteellisen paksusta ja heikosta ,· kerroksesta johtuen. Sellaisten päällystysten levittäminen voi lisäksi olla vaikeata, ja määrätyissä tapauksissa kallista. Edelleen joissakin sovellutuksissa ei ehkä päällystyksen läsnäoloa lainkaan voida hyväksyä. Lisäksi voi keraamin erityis-30 ten mekaanisten ominaisuuksien vaatimus vähentää mahdollisuuksia toivottujen termisten ominaisuuksien aikaansaamiseksi.

• v · '

Eräs määrätty sovellutus, johon sisältyy keraamiesineen asettaminen metallimassaan, on moottorin pakoaukko (esim. poltto-35 moottorissa). Tarkemmin sanottuna olisi sellainen keraamiesi-ne, joka voitaisiin ympäröidä sulalla metallilla valutoimenpi-teellä (esim. ympäröidä sulalla metallilla, kuten alumiinilla **' tai raudalla) sen johtamatta keraamin tai valetun ja jäähty- 3 95460 neen metallin oleelliseen vaurioon, edullinen tuotettaessa sellaisia esineitä, kuten auton pakoaukon vuorauksia.

Siten on olemassa tarve halvan, luotettavan ainekoostumuksen 5 aikaansaamiseksi, jolla varmistetaan että keraamiesine kestää metallin valuun liityyvät jännitykset, niin että saadaan rakenteellisesti ehjiä keraami-metalli-komposiittikappaleita. Erityisesti on olemassa tarve varmistaa, että voidaan valaa sulaa metallia keraamiesineen ympärille heikentämättä keraamin 10 mekaanisia ominaisuuksia ja heikentämättä keraami-metalli-kom-posiitin tai -kokoonpanon mekaanisia ominaisuuksia. Sen lisäksi on olemassa tarve varmistaa, sulaa metallia keraamiesineen ympärille valettaessa ja jäähtyvän metallin ollessa ohutta keraamiesineen paksuuteen nähden ja/tai metallin vetolujuuden 15 ollessa pieni verrattuna keraamin puristuslujuuteen, ettei metalli särölle siinä syntyvien vetojännitysten takia.

Toinen käytännön sovellutus keraamikomposiittiaineelle, jolla on edellä kuvatut mekaaniset ominaisuudet, on aineen käyttämi-20 nen turbiinikoneen kehällä. Kehä on pyörimätön sylinterin muotoinen kokoonpano, joka ympäröi turbiinin siipien kärkiä. Turbiinin kehään kohdistuvat olosuhteet vaativat, että kappale on lämpöä eristävää, että sillä on suuri äkillisten lämpötilanvaihtelujen kestävyys, pieni lämpölaajenemiskerroin, jne. Li-25 säksi turbiinikoneen turbiinin siivet voivat lämpöenergian • vuoksi laajentua ja koskettaa (ts. hangata) turbiinikoneen kehää. Esimerkiksi turbiinikoneen käyttöönotossa on turbiinin siivet eräissä tapauksissa suunniteltu sellaisiksi, että ne koskettavat turbiinikoneen kehää. Tämä tahallinen kosketus 30 toteutetaan siten, että turbiinin siivet hiovat eli koneistavat kehän niin, että siiven kärkien ja kehän välinen välys minimoidaan. Minimoimalla sellainen välys minimoidaan tehollisen juoksevan aineen ei-toivottu ohitus. Kun sellaista kosketusta esiintyy, voivat koneen turbiinisiivet vahingoittua ja 35 murtua. Jos turbiinisiivet vahingoittuisivat on mahdollista, että siitä johtuu turbiinisiipien suurempi vahinko (kone voi esim. tuhoutua). Siten on insinööreillä ollut ongelmana tur-** . biinisiipien kosketus koneen kehään, jolloin sellainen koske- 4 95460 tus johtaa mahdolliseen turbiinikoneen vikaan ellei kehää voida helposti koneistaa tai hioa siipien kärjillä. Vastaavasti on olemassa tarve parannettujen aineiden aikaansaamiseksi, joilla on kaikki edellä mainitut ominaisuudet. Toisin sanoen 5 tulisi aineen kestää turbiinikoneessa; ja kun turbiinin pyörivät siivet koskettavat koneen kehää, ne koneistavat kehää, eivätkä koneen kehä tai turbiinisiivet kärsi sellaisesta koneistuksesta.

10 Esillä oleva keksintö liittyy toisiin rinnakkaisiin patentti-hakemuksiimme ja patentteihimme. Erityisesti näissä muissa patenttihakemuksissa ja patenteissa (joihin alla joskus viitataan keraamimatriisi-rinnakkais-patenttihakemuksina) kuvataan uusia menetelmiä keraami- ja keraamikomposiittiaineiden val-15 mistamiseksi.

Uutta menetelmää keraamikomposiitin valmistamiseksi selitetään US-patentissamme 4 956 137. Tämän patentin mukaisesti voidaan metallihiukkasia sekoittaa täyteaineeseen ja tämä sekoitus 20 muovata esimuotiksi. Esimuotti kuumennetaan hapettavassa atmosfäärissä, niin että se johtaa hapetustuotteen syntymiseen, joka kasvaa täyteaineen läpi ja ympäröi sen. Täyteaineen ympä-röimisen prosessia jatketaan, kunnes hapetusreaktion tuote on kasvanut esimuotin rajoille, jolloin hapetusreaktion tuote 25 kasvaa ulos ainakin osasta esimuottia muodostaen siten hape-’ tusreaktion tuotteen tiiviin pintakerroksen ainakin esimuotin yhden pinnan osalle.

Menetelmää keraamiesineen sulkemiseksi valumetallikappaleeseen 30 kuvataan US-patentissamme 4 849 266. Mainitussa julkaisussa kuvataan menetelmää keraamiesineen murtumien (ts. katastrofaa-lisen vian) estämiseksi, erityisesti pienen lujuuden keraami-esineellä. Erityisesti sijaitsee mukautuva kerros ainakin keraamisen kappaleen pinnan osalla ennen kuin sula metalli kos-35 kettaa keraamikappaletta ja/tai mukautuvaa kerrosta. Mukautuva kerros tuo parannuksen lämpö- ja/tai puristusjännityksiin, joita esiintyy sulan metallin kaatamisessa, jähmettymisessä ja • · · • jäähtymisessä, kun sitä on valettu keraamiesineen päälle.

s 95460

Monet rinnakkaiset keraamimatriisi-patenttihakemuksemme kuvaavat uusia menetelmiä, joilla luotettavasti tuotetaan keraami-aineita ja keraamikomposiittlaineita. Lähtökohtana olevaa menetelmää on selitetty US-patentissamme 4 713 360, joka vastaa 5 EP-julkaisua 0 155 831. Tässä patentissa kuvataan menetelmä, jolla tuotetaan itsekantavia keraamikappaleita, jotka kasvatetaan sulan esiaste-perusmetallin hapetusreaktiotuotteena, jolloin metalli saatetaan reagoimaan kaasufaasissa olevan hapet-timen kanssa hapetusreaktiotuotteen muodostamiseksi. Sula me-10 talli kulkeutuu muodostuneen hapetusreaktiotuotteen läpi reagoiden hapettimen kanssa, jolloin jatkuvasti syntyy keraamista monikiteistä kappaletta, joka haluttaessa voi sisältää yhteen-liittyneen metallisen aineosan. Prosessia voidaan edistää, tai joissakin tapauksissa se voidaan mahdollistaa, käyttämällä 15 yhtä tai useampaa lisäainetta, joita on sekoitettu perusmetalliin. Hapetettaessa esimerkiksi alumiinia ilmassa on toivottavaa seostaa magnesiumia ja piitä alumiiniin, niin että tuotetaan alfa-alumiinioksidia olevia keraamisia rakenteita.

20 US-patentin 4 713 360 menetelmää parannettiin levittämällä lisäaineita perusmetallin pinnalle, kuten selitetään rinnakkaisessa US-patentissamme 4 853 352 tai vastaavassa EP-jul-kaisussa 0 169 067.

25 Samanlaista hapetusilmiötä käytettiin hyväksi tuotettaessa ' ^ keraamikomposiittikappaleita, kuten selitetään rinnakkaisessa US-patentissamme 4 851 375 tai vastaavassa EP-julkaisussa 0 193 292. Näissä julkaisuissa kuvataan uusia menetelmiä itse-kantavan keraamikomposiittikappaleen tuottamiseksi kasvatta-30 maila hapetusreaktiotuotetta perusmetalliesiasteesta täyteaineen läpäisevään massaan (esim. piikarbidia olevaan hiukkas-:* maiseen täyteaineeseen tai alumiinioksidia olevaan hiukkasmai-seen täyteaineeseen), jolloin tapahtuu täyteaineseen tunkeutuminen tai sen ympäröiminen keraamimatriisilla.

35

Menetelmää keraamikomposiittikappaleiden tuottamiseksi, joilla on ennalta määrätty geometria eli muoto, selitetään rinnakkai-.·. . sessa US-patentissamme 5 017 526 sekä vastaavassa EP-julkai- 6 95460 sussa O 245 192). Tämän julkaisun menetelmän mukaisesti kehittyvä hapetusreaktiotuote tunkeutuu läpäisevään itsekantavaan, täyteainetta (esim. alumiinioksidia tai piikarbidia olevaa esimuottiainetta) olevaan esimuottiin kohti määriteltyä raja-5 pintaa tuottaen ennalta määritellyn geometrisen eli muotoillun kompos i i 11 ikappaleen.

Jokaisessa edellä mainitussa rinnakkaisessa keraamimatriisi-patenttijulkaisussa kuvataan menetelmiä keraami- ja/tai keraa-10 mimatriisi-komposiittikappaleiden tuottamiseksi sekä niillä tuotettuja uusia keraami- ja/tai keraamimatriisi-komposiitti-kappaleita. Kuten näissä keraamimatriisi-patenttijulkaisuissa selitetään, tuotetaan uusia monikiteisiä keraamiaineita tai monikiteisiä keraamikomposiittiaineita perusmetallin ja hapet-15 timen (esim. kiinteä, nestemäinen ja/tai kaasua oleva aine) välisessä hapetusreaktiossa. Näissä keraamimatriisi-patentti-hakemuksissamme kuvatun perusmenetelmän mukaisesti kuumennetaan perusmetallia (esim. alumiini) korkeaan lämpötilaan sen sulamispisteen yläpuolelle, mutta hapetusreaktiotuotteen sula-20 mispisteen alapuolelle, sulan perusmetallin määrän muodostamiseksi, joka koskettaessaan reagoi hapettimen kanssa muodostaen hapetusreaktiotuotetta. Tässä lämpötilassa hapetusreaktiotuote, tai ainakin sen osa, on kosketuksessa perusmetallin määrään ja hapettimeen ja ulottuu niiden väliin, ja sulaa metal-25 lia imeytyy tai sitä kulkeutuu muodostuneen hapetusreaktio-tuotteen läpi kohti hapetinta. Kulkeutunut sula metalli muodostaa lisää tuoretta hapetusreaktiotuotetta koskettaessaan hapetinta aikaisemmin muodostuneen hapetusreaktiotuotteen pinnalle .

30

Prosessin jatkuessa kulkee tämän muodostuneen monikiteisen :* hapetusreaktiotuotteen läpi lisää metallia, "kasvattaen" siten jatkuvasti yhteenliittyneiden kristalliittien keraamista rakennetta. Tuloksena oleva keraamikappale voi sisältää metalli-35 aineosia, kuten hapettumattomia perusmetallin aineosia, ja/tai ontelolta. Hapettumista käytetään kaikissa keraamimatriisi-pa-tenttihakemuksissamme ja tässä patenttihakemuksessa sen laa-*· jassa mielessä, ja se viittaa metallin elektronien menettämi- 7 95460 seen tai jakamiseen hapettimelle, joka voi olla yhtä tai useampaa alkuainetta ja/tai yhdistettä. Vastaavasti voivat muut alkuaineet kuin happi toimia hapettimena.

5 Määrätyissä tapauksissa voi perusmetalli vaatia yhtä tai useampaa lisäainetta läsnäolevaksi, jotta vaikutettaisiin edullisesti tai mahdollistettaisiin hapetusreaktiotuotteen kasvaminen. Sellaiset seosaineet voivat ainakin osaksi seostua perusmetalliin jossakin vaiheessa ennen hapetusreaktiotuotteen 10 kasvamista tai sen aikana. Esimerkiksi siinä tapauksessa, että perusmetallina on alumiini ja hapettimena ilma, voidaan sellaisia lisäaineita kuin magnesium ja pii, ainoastaan kahden mainitsemiseksi suuremmasta seosaineiden luokasta, seostaa alumiiniin ja muodostettua kasvuseosta käytetään perusmetalli-15 na. Sellaisen kasvuseoksen tuloksena oleva hapetusreaktiotuote käsittää alumiinioksidia, tyypillisesti alfa-alumiinioksidia.

Uusia keraamikomposiittistruktuureja ja menetelmiä niiden valmistamiseksi kuvataan ja esitetään patenttivaatimuksissa myös 20 määrätyissä edellä mainituissa keraamimatriisi-patenttijulkai suissamme, joissa käytetään hapetusreaktiotuotteen muodostamista oleellisesti inertin täyteaineen ympäröimiseksi, jolloin tuloksena on keraamikomposiittistruktuureja (huom: eräissä tapauksissa kiinteän hapettimen käyttäminen saattaa olla toi-25 vottavaa, esim. sellaisen aineen, joka ainakin osittain voi reagoida etenevän hapetusreaktiotuotteen ja/tai perusmetallin kanssa). Erityisesti sijoitetaan perusmetalli lähelle läpäisevää täyteainetta, tai se voidaan jakaa ainakin osaksi täyteaineeseen, jos sitä järjestetään jauhemaisena perusmetallina, 30 jolloin täyteaine voidaan muotoilla ja käsitellä vapaasti seisovaksi (ts. muotoilla esimuotiksi) ja kuumentaa sulan perus-metallin määrän muodostamiseksi, joka sitten saatetaan reagoi- k , · > maan hapettimen kanssa, kuten edellä selitettiin, hapetusreaktiotuotteen muodostamiseksi. Hapetusreaktiotuotteen kasvaessa 35 ja tunkeutuessa lähellä olevaan täyteaineeseen imeytyy sulaa perusmetallia aikaisemmin muodostuneen hapetusreaktiotuotteen läpi täyteainemassaan, jossa se reagoi hapettimen kanssa muodostaen lisää tuoretta hapetusreaktiotuotetta aikaisemmin muo- 8 95460 dostuneen hapetusreaktiotuotteen pinnalle, kuten edellä selitettiin. Tuloksena oleva hapetusreaktiotuotteen kasvaminen tunkeutuu täyteaineeseen tai ympäröi sen ja johtaa keraamikoin -posiittistruktuurin muodostumiseen, joka käsittää täyteainetta 5 ympäröivän monikiteisen keraamimatriisin.

Esillä oleva keksintö liittyy uuteen menetelmään äkillisen lämpötilan muutoksen kestävän ja mukautuvan keraamikappaleen valmistamiseksi ja sillä saatavaan uuteen keraamikappaleeseen.

10 Menetelmälle on tunnusomaista se, että siinä: a) sekoitetaan perusmetallia käsittävää jauhetta ainakin yhden aineen kanssa, joka on alumiinititanaatti tai alumiinititanaa-tin esiaste; b) lisätään stabiloimisainetta; 15 c) muodostetaan vaiheessa b) saadusta seoksesta keraamiaihio; ja d) suoritetaan aihion hapetus ja sintraus.

Keraamikappaleelle on puolestaan tunnusomaista se, että se käsittää alumiinititanaattia, jonka lämpölaajenemiskerroin on 20 pienempi kuin noin 2,0 x 10'6/°C ja lämmön johtavuus alle noin 2,0 W/m°K ja että se on saatu perusmetallia sisältävän jauheen, alumiinititanaatin tai sen esiasteen ja stabiloimisaineen seoksesta muodostetun keraamiaihion hapetuksella ja sintrauk-sella.

25

Keraamikappaleen muodostamiseksi käytetty koostumus sisältää jauhettua alumiinititanaattia tai sen esiastetta perusmetallina (esim. alumiinia) ja stabiloimisainetta. Stabiloimisainetta on tyypillisesti läsnä määrinä välillä noin 5 - 20 painopro-30 senttiä, ja niihin sisältyy aineita kuten Si02, MgO, kromimal-mi, rautaoksidi (Fe203) , ilmeniitti (FeTi03) , jne., joita lisä-” tään alumiinititanaatin (tai alumiinititanaatin esiasteiden) ja perusmetallin (esim. alumiinin) sekoitukseen. Stabiloimis-aineet voivat reagoida alumiinititanaatin tai sen esiasteen 35 kanssa muodostaen kompleksista oksidia niitä kuumennettaessa. Lisäksi stabiloimisaineet voivat edesauttaa tuloksena olevan keraamikappaleen määrättyjen toivottujen ominaisuuksien ylläpitämisessä (esim. estää Al2Ti05:n hajoamista) . Erityisesti 9 95460 voivat stabiloimisaineet korostaa alumiinititanaattifaasin stabiilisuutta myös sen jälkeen kun keraamikappaleeseen on toistetusti kohdistettu kuumennus- ja jäähdytysvaiheita, esimerkiksi kun on jaksotettu lämpötilaa huoneenlämpötilan ja 5 noin 900 - 1200°C:n välillä. Edullisesti muodostuneessa kerää-mikappaleessa olevaa alumiinititanaatt if aasia on määränä ainakin 50 painoprosenttia ja edullisimmin ainakin 75 painoprosenttia.

10 Lopullisessa keraamikappaleessa läsnä oleva alumiinititanaatti voi alunperin olla alumiinititanaattina tai se voi muodostua alumiinititanaatti-esiasteiden välisessä reaktiossa. Esimerkiksi A1203, Ti02, alumiini ja/tai titaani-metallijauhe voivat sekoitettuna ja kuumennettuna sopivassa ympäristössä (esim.

15 happea sisältävässä atmosfäärissä) toimia sopivina esiasteina AI2Ti05-faasin muodostamiseksi muodostettuun keraamikappaleeseen. Vastaavasti voidaan Al2Ti05-faasin muodostamiseksi käyttää erilaisia Al2Ti05:n, Al203:n, Ti02:n, ilmeniitin, alumiinin ja titaanimetallijauheen sekoituksia. Nämä aineet eivät mah-; 20 dollisesti kokonaan reagoi ja niitä voi olla läsnä jäännösai- neina muodostuneessa keraamikappaleessa (esim. jonkin verran Al203:a, Ti02:a, alumiinia ja/tai titaanimetallia voi jäädä muodostettuun keraamikappaleeseen).

25 Perusmetallin (esim. alumiinin) määrää, jota syötetään lähtökohtana olevaan, esillä olevan keksinnön mukaisen keraamikap-paleen tuottamiseksi olevaan koostumukseen, voidaan vaihdella riippuen niistä erityisistä ominaisuuksista, joita toivotaan tuotetulta keraamikappaleelta. Esimerkiksi voidaan perusmetal- 30 li (esim. alumiini) järjestää jauhemaisena metallina ja sitä voi olla läsnä määränä välillä noin 5-35 painoprosenttia, ‘1 niin että saadaan alumiinititanaattikappale, jossa on toivot tavaa huokoisuutta. Kun käytetään jauhemaisen perusmetallin pienempää paino-osuutta (esim. noin 5 tilavuusprosenttia alu- 35 miinia), voi tuotetussa kappaleessa olla pienempi määrä huokoisuutta (esim. noin 5 tilavuusprosenttia huokoisuutta). Jos taas alkuperäiseen lähtökoostumukseen järjestetään suurempi paino-osuus jauhemaista perusmetallia (esim. noin 20 paino- 10 95460 prosenttia alumiinia) , niin muodostuneeseen keraamikappalee-seen syntyvän huokoisuuden määrä kasvaa (esim. noin 50 tilavuusprosenttia huokoisuutta). Vastaavasti voidaan keraamikap-paleen huokoisuuden määrää ja siihen liittyviä ominaisuuksia, 5 esim. lämmönjohtavuutta, sovittaa (ts. säätää) säätämällä järjestetyn jauhemaisen perusmetallin (esim. alumiinin) määrää.

Jauhemaisen perusmetallin koostumus ja/tai rakenne (esim. halkaisija ja muoto) voivat lisäksi olla tärkeitä. Erityisesti 10 kun alumiinia käytetään perusmetallina, kuten edellä mainittiin mainittujen patenttien yhteydessä, saattaa eräissä tapauksissa olla toivottavaa saattaa jauhemainen alumiini ainakin prosessin jossakin vaiheessa koskettamaan ainakin yhtä lisäainetta. Sellaisen lisäaineen yhtyminen alumiinimetalliin 15 ei kuitenkaan ehkä ole oleellista, koska alumiinimetallin reaktiossa hapettimen kanssa syntyvä huokoisuus saattaa olla riittävä aikaansaamaan toivotut tulokset muodostuneeseen ke-raamikappaleeseen ilman lisäaineiden merkittävän määrän läsnäoloa. Edelleen voi järjestetyn perusmetallin määrä vaikuttaa 20 muodostuneen hapetusreaktiotuotteen määrään.

Alumiinititanaattiainetta tai sen esiasteita, jauhemaista perusmetallia (esim. alumiinia, kun sitä ei ole läsnä alumiini-titanaatin esiasteena) ja ainakin yhtä stabiloimisainetta kä-25 eittävä sekoitus muotoillaan haluttuun muotoon, jossa edullisesti sekoituksen aineosat ovat oleellisesti tasaisesti jakaantuneina. Tyypilliset muotoilu-valmistusmenetelmät sekoituksen muotoilemiseksi halutuksi keraamiaihioksi sisältävät kuivapuristuksen, lietevalun, sedimenttivalun, suulakepuris-30 tuksen, ruiskuvalun, jne. Aihion muodostaminen lietevalulla on osoittautunut erityisen edulliseksi. Kun keraamiaihio on muo-·; dostettu, voidaan aihio kuivata, hapettaa ja sintrata ainakin noin 1400 - 1700°C:ssa, edullisesti noin 1500 - 1600°C:ssa, alumiinititanaattia käsittävän huokoisen kappaleen aikaansaa-35 miseksi.

Esillä olevan keksinnön mukaisesti muodostetulle alumiinit!-tanaattikappaleelle, jossa esimerkiksi käytetään sopivaa mää-

Il ' Iti*» Hill M I M

u 95460 rää alumiinia perusmetallina, on tunnusomaista pieni lampolaa-jenemiskerroin (esim. 1,9 x 10'6/°C) , pieni lämmönjohtavuus (esim. 1,0 W/mK), suhteellisen korkea myötöjännitys (esim. 30 x 10"4) ja toivottava Youngin moduli (esim. 20 GPa) . Lisäksi 5 alumiinititanaattikappale on hyvin työstettävää ja sillä on suuri äkillisen lämpötilan muutoksen kestävyys (esim. sulaa rautaa voidaan valaa alumiinititanaattikappaleen ympäri). Edelleen voidaan esillä olevalla keksinnöllä muodostaa uusi kappale, joka käsittää alumiinititanaattimatriisin vahvistet-10 tuna alumiinirakeilla, jolloin mainittu kappale sisältää oleellisesti tasaisen kokoisia huokosia siihen jakaantuneena. Lisäksi voi kappaleessa olla määrätty määrä mikrosäröilyä ainakin osissa kappaletta johtuen ainakin osaksi alumiiniti-tanaattifaasin anisotrooppisesta luonteesta. Siten keksinnön 15 mukaisesti tuotettu alumiinititanaattikappale voidaan saattaa koskettamaan (esim. upottaa tai ympäröidä) sulan metallin massaa, joka voidaan jäähdyttää sen ympärille, ilman keraamin tai metallin murtumista äkillisen lämpötilan muutoksen tai mekaanisten rasitusten johdosta.

20

Siten esillä olevan keksinnön mukaisesti muodostettu alumiinititanaattikappale voi ideaalisesti sopia käytettäväksi palotilan vuorauksena, poistoaukon vuorauksena, poistoaukon jakoputkena, männän huipun sisäkkeenä ja/tai turboahtimen run-25 kona jne. Kaikki nämä ovat esimerkkejä lämpövoimakoneiden osista, jotka vaativat pientä lämmönjohtavuutta estääkseen vaurioita vähemmän kuumuutta kestävillä osilla ja/tai estääkseen lämpöhäviöitä; suhteellisen suurta lujuutta ja/tai pientä kimmomodulia kestääkseen sellaisia rasituksia, kuten palotilan 30 paineita, tai rasituksia, jotka aiheutuvat sellaisten osien kuten sisäkkeiden valamisesta metalliin; hyvää kulutuksen kes-" tävyyttä ympäristössä, joka käsittää palamattomia palamistuot- teita, kuten hiiltä (kuten poistoaukon vuorauksen tapauksessa) , ja pientä painoa.

Lisäksi voidaan esillä olevan keksinnön alumiinititanaattikap-paletta myös käyttää koneen kehänä turbiinikoneessa. Erityisesti on esillä olevan keksinnön mukaisesti tuotettu alumiini- 35 12 95460 titanaattikappale erityisen edullinen johtuen sen lämmöneris-tysominaisuuksista (esim. pieni lämmönjohtavuus), äkillisten lämpötilan muutosten kestävyydestä ja koska sitä voidaan koneistaa turbiinin siivillä. Kun turbiinikone ensimmäisen ker-5 ran käynnistetään, pyrkivät turbiininsiivet laajenemaan lämpö-energiasta johtuen nopeudella, joka on suurempi kuin ympäröivän kehän lämpölaajeneminen. Vastaavasti voivat turbiinin siivet koskettaa kehää. Sellainen kosketus tapahtuu todennäköisemmin, kun kone on juuri koottu tai uusittu. Esillä olevan 10 keksinnön mukaista alumiinititanaattikappaletta (esim. kehänä käytettäessä) voidaan hioa tai koneistaa turbiinin siivillä lastuamatta kehää tai sen murtumatta ei-toivotulla tavalla ja voidaan myös korjata mahdollisia ei-toivottuja vaikutuksia turbiinin siipien koskettaessa kehää.

15

Lisäksi esillä olevan keksinnön ominaisuudet ja edut ilmenevät seuraavasta yksityiskohtaisesta selityksestä.

Määritelmiä 20 "Alumiinititanaattisekoitus" merkitsee tässä käytettynä niitä aineita, jotka yhdessä ja kuumennettuna korkeaan lämpötilaan sopivan ympäristön läsnäollessa (esim. happea sisältävässä atmosfäärissä) muodostavat kappaleen, joka käsittää ainakin 50 paino-% alumiinititanaattia.

25 ' ' "Perusmetalli" merkitsee ja sisältää tässä käytettynä oleelli sesti puhtaan metallin (esim. suhteellisen puhtaan, kaupallisesti saatavan seostamattoman alumiinin) tai metallin ja metalliseosten muut laadut, kuten kaupallisesti saatavat metal-30 lit, joissa on epäpuhtauksia ja/tai seosaineita, kuten rautaa, piitä, kuparia, magnesiumia, mangaania, kromia, sinkkiä, jne.

“ Tämän määritelmän tarkoituksiin oleva perusmetalliseos on seos tai metallien välinen yhdiste, jossa perusmetalli (esim. alumiini) on pääasiallisena aineosana. Perusmetallin tyypilliset 35 esimerkit käsittävät alumiinin, titaanin, zirkoniumin, jne.

"Hapetusreaktiotuote" merkitsee tässä käytettynä yhtä tai useampaa metallia missä tahansa hapettuneessa tilassa, jossa 95460 13 metalli on luovuttanut tai jakanut elektroneja toiseen alkuaineeseen, yhdisteeseen tai niiden yhdistelmään. Vastaavasti sisältää "hapetusreaktiotuote" tämän määritelmän mukaisesti yhden tai useamman metallin reaktiotuotteen hapettimen kanssa, 5 kuten tässä hakemuksessa selitetyt. Hapetin, jota käytetään muodostamaan hapetusreaktiotuotetta, merkitsee yhtä tai useampaa sopivaa elektronien vastaanottajaa tai elektronien jakajaa ja se voi olla kiinteä aine, neste tai kaasu (höyry) tai jokin yhdistelmä näistä (esim. kiinteä aine ja kaasu) proses-10 sin olosuhteissa. Vastaavasti sisältää tämän määritelmän mukainen hapetusreaktiotuote yhden tai useamman metallin reaktiotuotteen sellaisen hapettimen kanssa, kuten happi, typpi, halogeeni, rikki, fosfori, arseeni, hiili, boori, seleeni, telluuri, ja näiden yhdisteet ja yhdistelmät, mukaanlukien 15 esimerkiksi pelkistyvät metalliyhdisteet, metaani, etaani, propaani, asetyleeni, eteeni, propeeni ja sellaiset seokset, kuten ilma, H2/H20 ja C0/C02. Tuloksena olevaa hapetusreaktiotuotetta voidaan käyttää keraamina keraami-metalli-kom-posiittikappaleessa.

20 i

Kuvio 1 on optinen mikrovalokuva 200-kertaisena suurennuksella esimerkin 2 mukaisesti tuotetun kappaleen leikkauksesta.

Kuvio 2 on kaaviollinen esitys kokoonpanosta, jota voidaan 25 käyttää alumiinititanaattikappaleen valamiseksi me talliin.

Kuvio 3 on varsinainen valokuva alumiinititanaattiputkesta, joka on valettu alumiiniin.

Kuvio 4 on rasituksen ja jännityksen välinen diagrammi, jossa 30 verrataan kahta esillä olevan keksinnön mukaisesti tuotettua huokoista alumiinititanaattikappaletta kau-*; pallisesti saatavaan alumiinititanaattikappaleeseen.

Kuvio 5 on lämpötilan ja lämmönjohtavuuden välinen diagrammi, jossa verrataan esillä olevan keksinnön mukaisesti 35 tuotettua huokoista alumiinititanaattikappaletta kau pallisesti saatavaan alumiinititanaattikappaleeseen.

14 95460

Kuvio 6 on varsinainen valokuva alumiinititanaattiputken poikkileikkauksesta, jolloin putkea ympäröi sen ympärille valettu valurauta.

5 Esillä oleva keksintö perustuu siihen havaintoon, että toivottu huokoinen keraamikappale voidaan muodostaa sekoittamalla toisiinsa alumiinititanaattia (tai kuumennettaessa alumiiniti-tanaattia muodostavia aineita), perusmetallia (esim. alumiinia) , ellei sitä ole läsnä alumiinititanaatin esiasteena ja 10 ainakin yhtä stabiloimisainetta, joka sekoitus kuumennettuna hapettuvaan ja/tai sintrautuvaan lämpötilaan sopivan ympäristön läsnäollessa (esim. hapetinta sisältävä atmosfääri) tuottaa keraamikappaleen, jolla on pieni lämpölaajenemiskerroin, pieni lämmönjohtavuus ja toivottu mekaaninen lujuus ja joka 15 tyypillisesti vastustaa murtumista, esimerkiksi halkeilua tai murtumista, jotka johtuvat rasituksista, joita saattaa esiintyä keraamiesineen ympärille metallia kaadettaessa ja sen jäähtyessä. Lisäksi keraamikappaleella on kyky absorboida tai keventää rasituksia (esim. terminen relaksaatio) noin 20 1300°C:ssa ja sen yli, joka sallii valamisen tai liittämisen sulaan rautaan tai sen seoksiin. Lisäksi edellä mainittu rasitusten absorboimisen tai keventämisen kyky voi johtaa korkean lämpötilan lujuuden ja kovuuden kasvamiseen verrattuna huoneenlämpötilassa havaittuihin arvoihin.

25

On ymmärrettävä, että vaikka tässä on pääasiassa viitattu alumiinia käsittävään perusmetalliin, on alumiini vain yksi edullinen perusmetalli, jota voidaan käyttää keksinnön muitten ominaisuuksien yhteydessä.

30

Lopullisessa tuotteessa läsnä oleva alumiinititanaatti voidaan ·· alussa järjestää alumiinititanaattina tai sitä voi muodostua alumiinititanaatin esiasteen tai esiasteiden reaktiossa. A1203, Ti02, alumiinimetalli ja/tai titaanimetalli voivat esimerkiksi 35 sekoitettuina ja kuumennettuina hapettavassa ympäristössä toimia sopivina esiasteina Al2Ti05-faasin muodostamiseksi muodostuneeseen keraamikappaleeseen. On huomattava että alumiinime-tallijauhe voi reagoida muodostaen alumiinititanaattia (esim.

15 95460 2 AI + 3/2 02 + Ti02 —> Al2Ti05) . Siten Ai voi olla sekä perusmetallina että Al2Ti05:n esiasteena. Vastaavasti voidaan Al2Ti05-faasin muodostamiseksi käyttää erilaisia Al2Ti05:n, Al203:n, Ti02:nf ilmeniitin, alumiinin ja titaanimetallijauheen 5 sekoituksia. Nämä aineet eivät mahdollisesti kokonaan reagoi ja niitä voi olla keraamikappaleessa läsnä Al203:n, Ti02:n ja/-tai reagoimattoman metallin, tms. muodossa.

Lähtökoostumukseen syötetyn alumiinin määrää, jota koostumusta 10 käytetään esillä olevan keksinnön mukaisen keraamikappaleen muodostamiseksi, voidaan vaihdella riippuen tuloksena olevalta keraamikappaleelta halutuista erityisistä ominaisuuksista. Alumiinia voidaan esimerkiksi järjestää jauhemaisena metallina ja sitä voi olla läsnä määrinä välillä noin 5-35 paino-15 prosenttia niin, että saadaan lopullinen alumiinititanaatti-kappale, jossa on toivottu huokoisuustaso. Käytettäessä jauhemaisen perusmetallin pienempää paino-osuutta (esim. noin 5 tilavuusprosenttia alumiinia), voi tuotetussa kappaleessa olla pienempi määrä huokoisuutta (esim. noin 5 tilavuusprosenttia ·· 20 huokoisuutta). Lisäksi jos alkuperäiseen lähtökoostumukseen järjestetään suurempi paino-osuus jauhemaista perusmetallia (esim. noin 20 painoprosenttia alumiinia), niin muodostuneeseen keraamikappaleeseen syntyvän huokoisuuden määrä kasvaa (esim. noin 50 tilavuusprosenttia). Vastaavasti voidaan lopul-25 lisen keraamikappaleen huokoisuuden määrää ja siihen liittyviä ominaisuuksia (esim. lämmönjohtavuutta ja lämpölaajenemista) sovittaa eli säätää säätämällä alkuperäiseen sekoitukseen alumiinin määrää (esim. sekoitettuna lähtösekoitukseen tai keraa-miaihioon).

30

Jauhemaisen alumiinimetallin koostumus voi lisäksi myös olla :* tärkeä. Kuten erityisesti selitetään keraamimatriisi-patentti- hakemuksessamme, saattaa eräissä tapauksissa olla toivottavaa saattaa jauhemainen perusmetalli koskettamaan ainakin yhtä 35 lisäainetta. Sellaisen lisäaineen yhtyminen perusmetalliin (esim. alumiiniin) ei kuitenkaan ehkä ole oleellista, koska alumiinimetallin reaktiossa hapettimen kanssa syntyvä huokoisuus saattaa olla riittävä aikaansaamaan toivotut tulokset 16 95460 muodostuneeseen keraamikappaleeseen ilman lisäaineiden merkittävän määrän läsnäoloa. Lisäaine voidaan seostaa perusmetalliin (esim. lisätä erillisenä jauhemaisena aineosana alumiini-titanaattikappaleen muodostamiseksi käytettyihin aineisiin).

5 Lisäksi voidaan lisäaineita järjestää epäpuhtauksina tai aineosina, jotka ovat läsnä yhdessä tai useammassa aineosassa, joita käytetään alumiinititanaattifaasin muodostamiseksi (esim. ilmeniitti).

10 Alumiinititanaattisekoitukseen lisätty perusmetalli (esim alumiini ja/tai alumiiniseos) voidaan kuumennettuna hapettaa huokoisuuden aikaansaamiseksi tuloksena olevaan alumiinititanaat-tikappaleeseen ja/tai se voi reagoida alumiinititanaattisekoi-tuksessa olevien muiden aineosien kanssa muodostaen alumiini-15 titanaattia. Lisäksi muodostunut hapetusreaktiotuote (esim.

alumiinioksidia olevan hapetusreaktiotuotteen muodostuminen) voi kompensoida ja/tai vähentää sitä kutistumisen määrää, joka sekoituksella normaalisti olisi sintrauksen aikana. Sellainen kompensoiminen voi edistää tarkkojen puhtaiden tai lähes puh-20 taiden muotojen muodostumista, joilla voi olla kokonaisuudessa nolla-kutistumista. Erityisesti niissä lämpötiloissa joita käytetään alumiinititanaattisekoituksen kuumentamiseksi alu-miinititanaattikappaleen muodostamiseksi (esim. noin 1400 -1600°C) voi alumiiniseos reagoida hapettimen kanssa muodostaen 25 hapetusreaktiotuotetta. Hapetusreaktion tuloksena muodostuu huokoisuutta sellaisissa pisteissä, jotka vastaavat alunperin läsnäollutta alumiinihiukkasta. Vastaavasti tulisi alumiinin hapetusreaktiotuotteen (esim. A1203) muodostamiseen käytettyjen alumiinihiukkasten olla läsnä jauhemaisessa muodossa, sel-30 laisena kokona, joka edistää huokoisuuden muodostumista, jolloin huokoisuuden koko vastaa hiukkaskokoa (esim. alueella ·· noin 10 - 50 mikrometriä). Vaikka voitaisiin käyttää pienem piäkin alumiinihiukkasia, nämä pienemmät hiukkaset voisivat johtaa räjähdykseen. On huomioitava että esillä olevassa kek-35 sinnössä voidaan käyttää muitakin perusmetalleja kuin alumiinia. Sellaiset metallit, kuten tina, titaani, jne, jotka hapettuvat sopivalla tavalla, kuten esimerkiksi selitetään edellä mainitussa US-patentissamme 4 713 360, ja jotka eivät hai- ,1 SH» It· li il'»*»' ·

17 9546G

tallisesti vaikuta alumiinititanaatin muodostumiseen muodostuneessa keraamikappaleessa, voidaan yhdistää stabiloimisaineen ja alumiinititanaatin (tai aliuniinititanaatin esiasteiden) kanssa. Jauhemaisen perusmetallin (esim. alumiinin) jakautumaa 5 alumiinititanaattisekoituksessa ja/tai käytetyssä hapettimessa voidaan säätää järjestämällä sellainen alumiinititanaattia käsittävä kappale, jolla voi olla vaihtelevat ominaisuudet, esimerkiksi sisäisesti jakaantunut mikrostruktuuri. Esimerkiksi huokoisuuden määrää voitaisiin säätää kappaleen toiselta 10 puolelta toiselle muuttuvaksi (esim. räätälöidä sitä kappaleen poikkileikkauksen alueella).

Stabiloimisaineet edistävät keraamikappaleen morfologian ja kidefaasien ylläpitämistä. Erityisesti voivat stabiloimisai-15 neet, kun niitä on lähtöaineiden sekoituksessa läsnä määrinä välillä noin 5-20 painoprosenttia, sisältäen sellaisia aineita kuten kromimalmi, Fe203, Si02, MgO, ilmeniitti (FeTi03) jne., avustaa alumiinititanaattifaasin ylläpitämistä ja/tai estää alumiinititanaattifaasia hajoamasta. Tyypillisesti il-.. 20 meniitti käsittää FeO x Ti02 tai FeTi03, sekä pieniä määriä

MgO, Si02, A1203, Nb05 ja/tai V05:a myös ollessa läsnä. Kromimalmi sisältää tyypillisesti kromiittia, joka käsittää rautaoksidia ja kromioksideja. Jos esimerkiksi Al2Ti05:a sisältävään kappaleeseen kohdistetaan toistuvasti kuumennus- ja jäähdytys-25 jaksoja (esim. 900 - 1200°C), saattaa Al2TiOs hajota muodostaen Al203:a ja Ti02:a. Sellainen hajoaminen voisi haitallisesti vaikuttaa mekaanisiin ominaisuuksiin, ja siten keraamikappaleen suorituskykyyn. Toisena esimerkkinä Al2Ti05:a sisältävään kappaleeseen saatetaan kohdistaa jatkuva lämpötila alueella noin 30 400 - 1450°C. Sellainen altistuminen johtaa Al2Ti05:n hajoami seen. Vastaavasti on edullista lisätä stabiloimisaineita toivotun Al2Ti05-faasin ylläpitämiseksi ja keraamikappaleen fyysisten ominaisuuksien yhdenmukaisuuden varmistamiseksi.

35 Kappaleen alumiinititanaattifaasin järjestämiseen käytettyjen aineosien, esimerkiksi esiasteiden osuuksia voidaan vaihdella. Esimerkiksi alumiinititanaatin määrää, joka syntyy alumiinititanaatin esiasteiden reagoidessa ja/tai sintrautuessa, voidaan ie 95460 vaihdella edullisesti ainakin noin 50 painoprosentista niinkin suureksi kuin noin 95 painoprosenttiin. Läsnä olevan kulloisenkin aineen määrän rajat määräävät käytännölliset näkökohdat, kuten keraamiaihion muodostamiseen käytetyt menetelmät, 5 lopulliselta tuotteelta toivotut ominaisuudet, kustannukset, jne. Lisäksi voi jauhemainen, alumiinia oleva perusmetalli toimia useammalla kuin yhdellä tavalla. Erityisesti voidaan alumiinia järjestää hapettumaan paikallaan, niin että aikaansaadaan huokoisuutta lopulliseen kappaleeseen, ja sitä voidaan 10 käyttää esiasteaineena alumiinititanaatin muodostamiseksi.

Esimerkiksi alumiini- ja titaanimetallia voidaan käyttää esillä olevassa keksinnössä. Tarkemmin sanottuna, kun näitä metalleja kuumennetaan hapettavassa ympäristössä lämpötilaan, joka on niiden vastaavan sulamispisteen lähellä, muodostuu hapetus-15 reaktiotuotetta. Hapetusreaktiotuotteet (ts. A1203 ja Ti02) voivat reagoida muodostaen Al2Ti05:a. Kun lämpöä lisätään ja läsnä on stabiloimisainetta, voi muodostua stabiloitu ja sintrattu Al2Ti05-kappale. Lisäksi voi alumiini reagoida stabiloimisai-neen kanssa muodostaen kompleksista oksidia. Muodostuvan komp- ·. 20 leksisen oksidin luonteesta johtuen, se voi korostaa tai lai- » mentaa muodostuneen alumiinititanaattikappaleen fysikaalisia/-mekaanisia ominaisuuksia.

Seuraavat kaksi koostumusta ovat sopivia keraamiaihion muodos-25 tamiseksi, joka sen jälkeen voidaan polttaa alla olevan esimerkin 2 mukaisesti. Näitä koostumuksia tulisi pitää ainoastaan havainnollistavina, eikä keksinnön suoja-alaa rajoittavina.

30 Koostumus 1

Likimain 78 painoprosenttia alumiinititanaattia ja alumiiniti-*: tanaatin esisteita sisältävää jauhetta, tarkemmin noin 32 pai noprosenttia Al2Ti05:a lopun ollessa reagoimatonta Al203:a (noin 37 painoprosenttia) ja Ti02:a (noin 31 painoprosenttia). Alu-35 miinititanaattia sisältävän jauheen hiukkaskoko oli noin miinus 200 mesh (mesh = aukkojen lukumäärä 2,5 cm kohden), ja sen toimitti Mason Color and Chemical Works Inc., East Liverpool, Ohio, ja se sisälsi jäännösmääriä MgO, Si02 ja Fe203. Alumii- 19 95460 nititanaattia sisältävään jauheeseen sekoitettiin noin 10 painoprosenttia Fe203-jauhetta ja noin 12 painoprosenttia alumiiniseos jauhetta. Alumiiniseosjauhe oli kooltaan myös miinus 200 mesh, ja sillä oli alla esimerkissä 1 selitetty koostumus.

5 Fe203-jauhe oli kooltaan miinus 325 mesh, ja sen toimitti Fischer Scientific Company. Kuivapuristamisen jälkeen, jota seurasi hapettaminen ja sintraus noin 1500°C lämpötilassa, kappale sisälsi noin 91 painoprosenttia alumiinititanaattia, joka määritettiin kvantitatiivisella röntgen-dif fraktioanalyy-10 sillä.

Koostumus 2

Noin 69 painoprosenttiin alumiinititanaattia ja sen esiasteita (joita selitettiin edellä koostumuksessa 1) sekoitettiin noin 15 8 painoprosenttia alumiiniseosjauhetta, jota selitetään esi merkissä 1, sekä noin 17 painoprosenttia kromimalmia. Tähän sekoitukseen lisättiin noin 6 painoprosenttia titaanimetalli-jauhetta. Titaanimetallijauhe oli hiukkaskooltaan miinus 200 mesh, ja sen toimitti Atlantic Equipment Engineering, Bergen-·· 20 field, New Jersey. Kromimalmi saatiin Foote Minerals of

Extonilta, PA, ja sen hiukkaskoko oli miinus 200 mesh. Kuivapuristamisen jälkeen, jota seurasi hapettaminen ja sintraus noin 1500°C:ssa, kappale sisälsi noin 89 painoprosenttia Al2Ti05:a, joka määritettiin kvantitatiivisella röntgen-dif-25 fraktioanalyysillä.

Lisäksi keraamiaihion muodostamiseksi voidaan kuivapuristamisen lisäksi käyttää muita tavanomaisia puristusmenetelmiä, kuten lietevalua, sedimenttivalua, suulakepuristusta, ruisku-30 valua, jne. Sidosaineina tai lietteen muodostamisessa käytetyt erityiset aineet sisältävät sellaisia aineita, kuten poly-vinyylialkoholia, metyyliselluloosaa, deionoitua vettä, tertiääristä amidipolymeeriä, dispergoivia polyelektrolyyttlaineita, jne. Jauheiden hiukkaskoko ja käytettyjen sidosaineiden 35 määrä voi vaihdella. Pidetään kuitenkin edullisena, että jauhemaiset aineosat ovat kooltaan suuruusluokkaa noin miinus 200 mesh. Sen jälkeen kun keraamiaihio on muodostettu se kuivataan, hapetetaan ja edullisesti sintrataan alumiinititanaattia käsittävän kappaleen aikaansaamiseksi.

20 9546C

Haluttaessa voidaan esineen (esim. alumiinititanaattia) ympärille valaa sulaa metallia. Tarkemmin sanoen voidaan käyttää mukautuvaa kerrosta, kuten selitettiin edellä mainitussa US-patentissa 4 849 266, keraamiaihion vahinkojen vähentämiseksi 5 valun aikana. Tärkeämpää on esillä olevassa keksinnössä eräs erityinen etu, että esillä olevan keksinnön mukainen alu-miinititanaattikappale kestää äkillisiä lämpötilan vaihteluja, ja sulaa metallia (esim. rautaa tai alumiinia) voidaan valaa suoraan keraamikappaleen ympärille käyttämättä päällystystä 10 tai mukautuvaa kerrosta, esimerkiksi polttomoottorin sylinterin päässä olevan poistoaukon vuorausta varten.

Vastaavasti tarvitsematta käyttää päällystystä tai mukautuvaa kerrosta, voidaan esillä olevalla keksinnöllä tuotettuja esi-15 neitä helpommin käyttää moottorissa (esim. sylinterin pääksi polttomoottorissa), jossa on tiukat mittatoleranssit tai -rajoitukset .

Sen lisäksi saattaa olla edullista lisätä perusmetallin hape-.. 20 tusreaktiossa muodostunutta huokoisuutta lisäämällä haihtuvia aineita keraamiaihion tuottamisessa käytettyihin aineisiin.

Haihtuvat aineet sisältävät polystyreenipellettejä, sahajauhoa, maissitärkkelystä, kookospähkinähiiltä, jne. Nämä aineet haihtuvat tai palavat pois, kun ne kuumennetaan esillä olevan 25 keksinnön mukaisesti.

Haluamatta sitoutua mihinkään määrättyyn teoriaan tai selitykseen, uskotaan seuraavan selittävän sitä, miksi keksinnön mukaisesti muodostettu alumiinititanaattikappale: l) kestää 30 äkillisen lämpötilan muutoksen; 2) ei aiheuta valumetallin murtumista tai myötäämistä; ja 3) voidaan tuottaa puhtaana tai lähes puhtaana muotona ja ilman kutistumista tai hyvin pienellä kutistumisella sitä kuumennettaessa.

35 Kun jauhemaista perusmetallia (esim. alumiinia) ja alumiiniti-tanaattisekoitusta sekoitetaan ja sellaisenaan kuumennetaan noin 1400 - 1600°C lämpötilaan hapetinta (esim. ilmaa) sisältävässä ympäristössä, niin jauhemainen perusmetalli ainakin 2i 9546(] osittain hapettuu (esim alumiini muuttuu alumiinioksidiksi) . Tämä hapetusreaktio johtaa hapetusreaktiotuotteeseen (esim. Al203) , joka jättää jälkeensä ontelon tai aukon, jota ainakin osittain vuoraa tuloksena oleva Al203:a käsittävä faasi.

5

Lisäksi voi hapetusreaktiotuote jatkaa kasvamistaan metallihiukkasen alkuperäisen sijainnin ulkopuolelle johtaen vahvistettuun tai yhteenliittyneeseen alumiinititanaattifaasiin (-faaseihin) (esim. hapetusreaktiotuote voi olla ainakin osit-10 tain yhteenliittynyttä, mikä voi johtaa siihen, että hapetusreaktiotuote sitoo tai pitää koossa ainakin osia alumiiniti-tanaattikappaleesta) . Alumiiniseos jauheen hapettumisen kumulatiivinen vaikutus koko alumiinititanaattikappaleeseen johtuu toivotusta vahvistetusta huokoisuudesta. Uskotaan, että alu-15 miinititanaattikappaleen vahvistettu huokoisuus toivotulla tavalla vaikuttaa keksinnön mukaisesti tuotetun alumiiniti-tanaattikappaleen äkillisten lämpötilan muutosten kestävyyteen ja valuominaisuuksiin. Erityisesti alumiinititanaattikappaleen huokoisuus tekee sen lämpötilan äkillisiä vaihteluja kestäväk-·· 20 si ja mukautuvaksi, niin että kappale kestää valutoimenpitei- den rasitukset. Lisäksi voivat alumiinititanaattikappaleessa olevan mikrosäröt myös edullisesti vaikuttaa äkillisen lämpötilan muutosten kestävyyteen ja valuominaisuuksiin. Edelleen seuraa hapetusreaktiota (esim perusmetallin muuttumista perus-25 metallin oksidiksi) kappaleen laajeneminen, joka voi vaikuttaa sintrauskutistumista vastaan tai kompensoida sitä. Tämä ilmiö mahdollistaa puhtaiden tai lähes puhtaiden osien tuottamisen, joilla on lähes nolla-tasoa oleva kokonaiskutistuminen. Sellaiset puhtaan tai lähes puhtaan muodon ominaisuudet ovat mer-30 kittäviä siksi, että alumiinititanaattisekoitus voidaan muotoilla toivotuksi keraamiaihioksi ja kuumentaa, jolloin tuloksena oleva alumiinititanaattikappale on kooltaan oleellisesti yhtä suuri ja samanmuotoinen kuin aihio.

35 On myös havaittu, että hapettumisen ja sintrauksen aikana yli 1300 - 1600°C lämpötilassa saattaa esiintyä alumiinia sisältävien kompleksien oksidien muodostumista. Siten hapetusreak-tiossa syntynyt A1203-faasi voi reagoida ylimääräisen Ti02:n 95460 22 kanssa ja/tai stabiloimisaineen, kuten kromimalmin, ilmeniitin tai Fe203:n jne. kanssa, muodostaen stabiloitua kiinteän alu-miinititanaatin ratkaisua ja/tai komplekseja oksideja, kuten Al203-Cr203, Fe-, Mg-spinellejä jne., jotka myös voivat antaa 5 toivottuja mekaanisia ominaisuuksia muodostetulle alumiiniti-tanaattikappaleelle.

Jotta paremmin ymmärrettäisiin tapaa, jolla esillä olevaa keksintöä voidaan toteuttaa, annetaan seuraavat esillä olevan 10 keksinnön esimerkit. Nämä esimerkit on tarkoitettu ainoastaan havainnollistamaan erilaisia alumiinititanaattikappaleen valmistamisen näkökohtia. Erityisesti näitä esimerkkejä ei pitäisi käsittää keksinnön suoja-alaa rajoittaviksi.

15 Esimerkit 1 ja 2 havainnollistavat menetelmiä, joita voidaan käyttää alumiinititanaattikappaleen muodostamiseksi.

Esimerkki 1

Keksinnön mukainen alumiinititanaattikappale valmistettiin ..." 20 lietevalamalla erä, joka käsitti alumiinititanaattia, kromi- malmia, Fe203:a, ja jauhettua alumiiniseosta. Alumiinit itanaattia sisältävä jauhe oli kooltaan miinus 200 mesh ja sitä toimitti Mason Color and Chemical Works Inc., East Liverpool, Ohio, ja kuten edellä koostumuksen 1 yhteydessä selitettiin, 25 se käsitti noin 32 painoprosenttia Al2Ti05:a lopun ollessa reagoimatonta Al203:a ja Ti02:a, läsnä ollen jäännösmääriä MgO, Si02 ja Fe203. Kromimalmi oli miinus 200 mesh ja sen toimitti Foote Minerals of Exton, PA. Fe203 oli miinus 325 mesh ja sen toimitti Fischer Scientific Company. Muodostettiin liete-erä 30 sekoittamalla veteen jauhemaiset aineosat ja Darvan 7 -disper-gointiainetta sekä XUS 4030303 orgaanista sidosainetta. Darvan :* 7 dispergointiaineen toimitti RT Vanderbuilt Company, Norwalk,

Connecticut. XUS 4030303 -keraamisen sidosaineen toimitti Dow Chemical, USA, Midland, Michigan. Lietteen keraaminen jauheosa 35 sekoitettiin ja asetettiin muoviastiaan, joka sisälsi painon mukaan yhtä paljon alumiini-jauhamisainetta, jota toimitti Fischer Chemical Company, King of Prussia, PA. Lietteen neste-osa lisättiin. Tämä lietesekoitus täytti noin puolet - kolme ;i ! SH I 9:11: 1 ί f S» ! 23 95-460 neljännestä kahden litran astian tilavuudesta. Astiassa oleva liete käsitti seuraavat aineosat (likimain):

Deionoitua vettä 1475 g 5 Darvan 7 110 g

Etikkahappo (10 % väkevyys) 25 g XUS 4030303 sidosaine (5 % väkevyys) 81 g

Alumiinititanaattijauhe 29865 g

Kromimalmi 780 g 10 Fe203 225 g

Lietettä jauhettiin kuulamyllyssä noin 18 tuntia. Kuulajauha-misen aikana lietteen pH säädettiin etikkahapolla alueelle noin 6,9 - 7,3. Kuulajauhamisen jälkeen lisättiin noin 531 g 15 alumiiniseosjauhetta.

Alumiiniseoksen toimitti Belmont Metals, ja se käsitti noin 2,5 - 3,5 painoprosenttia Zn, 3,0 - 4,0 painoprosenttia kuparia, 7,5 - 9,5 painoprosenttia Si, 0,8 - 1,5 painoprosenttia 20 Fe, 0,2 - 0,3 painoprosenttia Mg, 0 - 0,5 painoprosenttia Mn, 0 - 0,001 painoprosenttia Be, ja 0 - 0,35 painoprosenttia Sn.

Lietettä jauhettiin jälleen noin 1 tunti, jonka aikana pH jälleen säädettiin tarpeen mukaan alueelle 6,9 - 7,1. Säätämällä 25 pH:ta stabiloitiin alumiinin ja veden välinen reaktio, vähentäen siten vetykaasun muodostumista. Käytetyn lietteen ominaispaino ja viskositeetti olivat noin 2,1 - 2,2 ja vastaavasti noin 250 - 750 cP, joka saavutettiin säätämällä veden ja Darvan 7 dispergointiaineen määrää.

30

Liete valettiin kipsimuottiin, jonka toimitti Holland Mold Company, Trenton, NJ, joka käänteisesti toisti poistoaukon vuorauksen muodon. Liete valettiin muottiin ja jäännösliete poistettiin, niin että saatiin seinämäpaksuus alueella noin 35 2,5 - 3,8 mm.

Noin kahden tunnin jälkeen kappale poistettiin muotista ja sitä pidettiin sähkövastuksin kuumennettavassa kuivausuunissa 24 95 m noin 18 tuntia uunin lämpötilassa noin 100°C. (Huomattakoon, että kappale voidaan kuivata muotissa asettamalla koko kokoonpano kuivausuuniin.) 5 Kuivauksen jälkeen keraamiaihio hapetettiin ja sintrattiin ilmaa käyttävässä sähkövastustyyppiä olevassa uunissa, jota toimittaa Harrop Company, Columbus, OH. Käytettiin seuraavaa kuumennusj ärj estystä: 10 Aika. h Lämpötila 5 huoneenlämpötilasta - 105°Creen

10 105 °C

5 105°C:sta 350°C:een

5 350°C

15 5 350°C:sta 450°C:een

5 450°C

17 450°C:sta 1500°C:een

12 1500 °C

10 1500°C:sta 500°C:een 20 10 500°C:sta huoneenlämpötilaan Lämpötilassa, joka on ainakin 1500°C, on tärkeätä sallia riittävän Al2Ti05:n muodostuminen kappaleessa. Tämän esimerkin mukaisesti tuotettu alumiinititanaattikappale oli sopiva valet-25 tavaksi sulaan alumiiniin ja/tai rautaan, esimerkiksi esimerkin 3 mukaisesti. Lisäksi, kuten edellä mainittiin, säädettiin pH: ta vetykaasun muodostumisen vähentämiseksi. Tätä ominaisuutta voidaan kuitenkin käyttää hyväksi sellaisen kappaleen aikaansaamiseksi, joka synnyttää itse huokoset johtuen kaasun 30 kehittymisestä (esim. sisäinen vaahdotus) ja joka voidaan sen jälkeen sintrata.

• ·

Taulukossa 1 luetellaan esimerkin 1 mukaisesti tuotetun alu-miinititanaattikappaleen tyypillisiä ominaisuuksia. Taulukossa 35 1 lueteltujen ominaisuuksien lisäksi on esimerkin 1 mukaisesti tuotetulla kappaleella myös taulukossa 2 mainitut ominaisuudet.

il ·Μ:i liiti m « m 95460 25

Taulukko 1; Esimerkin 1 alumiinititanaattikappaleen teknilliset ominaisuudet

Lämmönj ohtavuus 1,0 W/mK

5 Lämpölaajenemiskerroin 1,5 - 2,0 x lO^/K

Murtovenymä 1,2 - 1,3 %

Puristuslujuus 320 - 350 MPa

Taivutuslujuus 20 MPa

Irtotiheys 2,6 g/cm3 10

Taulukko 2: Esimerkin 1 mukaisesti tuotetun kappaleen mekaaniset ominaisuudet huoneenlämpötilassa ja korkeassa lämpötilassa

Taivutusluj uus, MPa: 15 huoneenlämpötilassa keskim. 19,8 keskihaj onta 3,4 näyte-erä 15 1000°C keskim. 71,6 keskihaj onta 13,1 20 näyte-erä 15

Weibullin moduli huoneenlämpötilassa 5,2 1000°C 5,3 . 25 '· Murtovenymä. 10^ huoneenlämpötilassa keskim. 115 keskihajonta 16 näyte-erä 15 30 1000°C keskim. 398 keskihaj onta 3 3 näyte-erä 15

Lujuus. MPa m1/2 35 huoneenlämpötilassa keskim. 0,66 keskihaj onta 0,07 näyte-erä 14 1000°C keskim. 2,5 keskihajonta 0,6 40 näyte-erä 13 * Esimerkki 2 • t

Esillä olevan keksinnön mukainen alumiinititanaattikappale valmistettiin kuivapuristamalla levy, jonka halkaisija oli 45 noin 33 mm ja paksuus noin 10 mm. Puristetut jauheet käsittivät noin 71 painoprosenttia jauhesekoitusta, joka sisälsi noin 32 painoprosenttia Al2Ti05:a lopun ollessa reagoimatonta Al203:a (noin 37 painoprosenttia) ja Ti02:a (noin 31 painoprosenttia) , 26 95460 läsnä ollen jäännösmääriä MgO, Si02 ja Fe203. Alumiinititanaat-tia sisältävään jauheeseen kuivasekoitettiin noin 17 painoprosenttia kromimalmia ja 12 painoprosenttia alumiiniseosta. Jauheet olivat samankokoisia, ja niiden toimittajat samat kuin 5 esimerkissä 1. Lisättiin väkevyydeltään 15 % vesipitoista po-lyvinyyli-alkoholi -sidosainetta (Elvanol 75-15), jota toimitti E.I.Du Pont de Nemours and Company, Wilmington, DE. Tämä sekoitus sekoitettiin perinpohjaisesti, kunnes se oli valmis puristettavaksi. Sekoitus puristettiin käyttäen kuivapuristin-10 ta ja teräsmeistiä. Kuivapuristimen painetta nostettiin, kunnes kuivapuristetussa kappaleessa alkoi esiintyä laminoin-tisäröjä (esim. noin 34 - 52 MPa).

Puristetut kappaleet asetettiin pedille Alundum 38, sulatettua 15 alumiinioksidia, jota toimitti Norton Company, Worchester, MA, kuumennusta varten. Kappaleet kuumennettiin käyttäen esimerkin 1 mukaista uunia ja kuumennusjärjestystä. Tämän esimerkin mukaisesti tuotetut alumiinititanaattikappaleet olivat sopivia valettavaksi esimerkiksi sulaan alumiiniin ja/tai rautaan, 20 esimerkin 3 mukaisesti.

Kuvio 1 on optinen mikrovalokuva 200-kertaisella suurennuksella tämän esimerkin mukaisesti tehdyn kappaleen poikkileikkauksesta. Tummemmat alueet 1 käsittävät huokosia tai ontelolta, 25 joita on muodostunut hapetusreaktion aikana ja vaaleammat alu-/<·. eet 2 käsittävät Al2TiOs:a. Harmaat alueet 3 edustavat komplekseja oksideja. Huomattakoon, että ainakin osa alueesta 3 sisältää mikrosäröilleitä alueita 4.

30 Esimerkki 3 osoittaa menetelmän, jota voidaan käyttää sulan metallin (esim. alumiinin) valamiseksi alumiinititanaattia käsittävän kappaleen ympärille tai sen ympäröimiseksi.

Esimerkki 3 35 Kuten kuviossa 2 esitetään, sisällytettiin valumenettelyllä alumiiniin pääasiassa esimerkin 2 mukaisesti kuivapuristettu alumiinititanaattiputki 15. Noin 127 mm korkea ja ulkohal- • ·· kaisi]altaan 86 mm sekä sisähalkaisijaltaan 69 mm oleva gra-

Il M·» Hi! Ιιίΐβ i : 27 95460 fiittiputki 11 sekä ulkohalkaisijaltaan noin 152 mm ja noin 25 mm korkea grafiittilevy 12, jossa oli upotettu renkaan muotoinen alue 13 ja korkeampi pyöreä keskiosa 14 alumiinititanaat-tiputken 15 kohdistamiseksi, käytettiin sulan alumiinin vala-5 miseksi putken 15 ympärille. Noin 95 mm pitkä ja ulkohalkaisi-jaltaan noin 44 mm olevan alumiinititanaattiputki asetettiin grafiittilevyn 15 korotetulle osalle 14. Putki 15 täytettiin hiekalla 16. Grafiittilevy 12 ja putki 15 -kokoonpano esiläm-mitettiin noin 60°C:een. Alumiiniseoksella (ei esitetty) jota 10 käytettiin ympäröimään alumiinititanaattiputkea 15, oli edellä esimerkissä 1 mainittu koostumus. Alumiiniseos kuumennettiin noin 750°Creen. Alumiinititanaattiputki 15 ja grafiittilevy 12 kuumennettiin noin 70°C:n päähän valulämpötilasta (esim. 70°C:n päähän 750°C:sta). Alumiinititanaattiputken 15 lämpöti-15 laa valvottiin kosketuspyrometrilla. Grafiittiputki 11, esi-kuumennettuna 600°C:een, asetettiin putken 15 ympärille gra-fiittilevyn 12 syvennykseen 13 niin, että niiden väliin muodostui alue 17.

20 Sula alumiiniseos kaadettiin nopeasti ja jatkuvasti grafiitti-putken 11 sisälle ja putken 15 ympärille alueeseen 17, kunnes putki 15 oli kokonaan ympäröity. Koko kokoonpanon annettiin hitaasti jäähtyä huoneenlämpötilaan peittämällä se keraamikui-tuhuovalla.

25

Sen jälkeen kun koekokoonpano oli jäähtynyt kokonaan ympäristön lämpötilaan, poistettiin grafiittiputki 11 ja hiekka 16 poistettiin keraamisesta putkesta 15. Putki 15 tarkastettiin mahdollisesti kokeen aikaisten säröjen, pintasäröilyn, tai 30 siirtymien varalta. Havaittiin, että alumiinititanaattiputki 15 ei säröillyt sulan alumiinin valamisen aikana eikä sen jäähtyessä huoneenlämpötilaan.

Kuvio 3 on todellinen valokuva poikkileikatusta poistoaukon 35 alumiiniin valetusta vuorauksesta (ts. putkesta), joka muodostettiin esimerkin 3 mukaisesti. Tarkemmin ottaen alumiinit!-tanaattikappaletta 21 ympäröi alumiinimetallia valu (22). Ku- • « 9 28 9 5 4 6 0 ten kuviossa 3 esitetään, on metalli samaa kappaletta sintra-tun alumiinititanaattikappaleen kanssa.

Käyttäen pääasiassa esimerkin 3 mukaista menetelmää on lisäksi 5 mahdollista valaa alumiinititanaattikappale, joka esimerkiksi on pääasiassa muodostettu esimerkin 1 mukaisesti sulaan rautaan. Tässä mielessä kuvio 6 on varsinainen valokuva esimerkin 1 mukaisesti tuotetun alumiinititanaattikappaleen poikkileikkauksesta, jonka ympäri on sulana valettua valurautaa, jonka 10 on annettu jäähtyä.

Kun keraamiesinettä ympäröivä sula metalli jähmettyy ja alkaa jäähtyä ja supistua, voi keraamiesineeseen tyypillisesti syntyä esimerkiksi puristavaa leikkausjännitystä ympäröivän me-15 tallin ja keraamikappaleen lämpölaajenemiskertoimien eron johdosta. Vastaavasti voi alumiinititanaattikappale, keksinnön alumiinititanaattikappaleen ominaisuuksien (ts. mekaanisten ja termisten käyttäytymisominaisuuksien) johdosta kestää sulan metallin valamisesta johtuvat äkilliset lämpötilan muutokset 20 ja puristusjännitykset.

Määritettiin useiden keksinnön mukaisesti tuotettujen ja edellä esimerkin 2 mukaisesti muodostettujen alumiinititanaatti-kappaleiden ominaisuudet. Vertailun vuoksi saatiin Hochst 25 Inc. :lta kaupallisesti saatavilla oleva alumiinititanaattikap-pale. Kaupallisesti saatava alumiinititanaattikappale oli putki, jonka pituus oli noin 152 mm ja ulkohalkaisija noin 44 mm ja seinämän paksuus noin 3,2 mm. Putki käsitti noin 100 painoprosenttia Al2Ti05:a. Koestusmenettelyt, joita käytettiin mää-30 rittämään keskimääräiset mekaaniset ominaisuudet molemmille edellä mainituille kahdelle aineryhmälle olivat seuraavat: Lämpölaai enemiskerroin: Käytettiin Adamel-Lhomargy Dilatometer -laitetta määrittämään 1 ämpö 1 aa jenemi s omi naisuudet huoneenläm-35 pötilasta noin 1400 °c:een sauvalla, joka oli noin 38 - 51 mm pitkä ja jonka pääty oli sivultaan noin 6 mm neliö. Testikap-paleen päädyn ei tarvitse olla neliömäinen, vaan se voi olla esimerkiksi pyöreä.

:i «m t mu me I

29 95460 Lämmöniohtavuus: Nämä arvot määritettiin laskemalla lämpötilan diffuusiokertoimen, ominaislämmön ja irtotiheyden tulosta. Lämpötilan diffuusiokerroin määritettiin käyttäen laserpulssi-menetelmää neliön muotoisella levyllä, joka oli koneistettu 5 sivuiltaan noin 9 muuksi ja noin 2,5 mm paksuksi. Koe käsitti näytteen (ts. levyn) kuumentamisen typellä täytetyssä kammiossa, toisen puolen valaisemisen lasersäteellä ja lämpötilan mittaamisen toiselta puolelta inf rapuna-pyrome tr il lä. Mittauksen yksiköt ovat cm2/s. Tämä menettely toistettiin valituissa 10 lämpötiloissa huoneenlämpötilasta noin 1000°C:een 100°C portaissa, niin että saatiin verrannollisuus lämpötilaan.

Ominaislämpö: Ominaislämpö määritettiin koneistetulla sivuiltaan 4 mm ja paksuudeltaan 1 mm neliön muotoisella levyllä 15 kalorimetriä käyttäen. Näyte kuumennettiin huoneenlämpötilasta 600°C:een 100°C portaissa. Yksikkönä on J/g/eC.

Irtotihevs: Irtotiheys määritettiin jakamalla näytteen paino sen tilavuudella. Yksikkönä on g/cm3.

20

Mekaaniset ominaisuudet: Lujuus ja myötöraja määritettiin yksisuuntaisessa puristuksessa. Pyöreistä levyistä (esim. kuten esimerkissä 2 muodostetut) leikattuja renkaita ja lohkoja käytettiin puristuskokeisiin. Renkaat leikattiin pyöreän putken 25 osuuksista (esim. poistoaukon vuoraus). Renkaiden korkeus oli ·, noin 13 mm ja ulkohalkaisija noin 43 mm. Lohkojen mitat olivat noin 18 mm x 25 mm x 8 mm.

Renkaat ja lohkot koneistettiin päältä ja alta samansuuntais-30 ten pintojen varmistamiseksi. Kappaleet testattiin huoneenlämpötilassa Tinius Olsen mekaanisella koestuslaitteella, joka oli varustettu Zygo-laseranturijärjestelmällä näytteen kokeen aikaisten poikkeamien mittaamiseksi ja diagrammin muodostamiseksi .

Näytteet testattiin kuormitusnopeudella 136 kg/min murtumiseen saakka.

35 * i 30 95460

Kokonaisjännitys oli murtokohdassa mitattu jännite. Myötöjän-nitys määritettiin kuormitus/jännitys-käyrästä (ts. kuviossa 4 katkoviivoin esitetty, selitetään yksityiskohtaisemmin alla) ekstrapoloimalla jokaisen viivan yläosaa niin pitkälle, että 5 se leikkaa diagramman X-akselin. Puristuslujuus on kuormitus murtumishetkellä jaettuna näytteen poikkialalla. Youngin moduli on kuormitus/jännitys-käyrän yläosan suoran kaltevuus.

Äkillisen lämpötilan muutoksen kestävyys: Äkillisen lämpötilan 10 muutoksen kestävyyskoe suoritettiin upottamalla alumiinitita-naattikappaleet sulaan rautaan, jonka lämpötila oli noin 1400°C, ja havaitsemalla murtuuko kappale tätä seuraavan lämpötilan muuttumisen aikana.

15 Taulukossa 3 luetellaan keskimääräiset arvot koestetulle kahden aineen ryhmälle. Taulukko 4 osoittaa esillä olevan keksinnön alumiinititanaatti-aineen kyvyn kompensoida ainakin osittain kutistumista sintrauksen aikana, niin että aikaansaadaan lähes puhtaan muotoinen esine. Sintrauksen aikaisesta kutistu-20 misesta ei ole käytettävissä tietoja kaupallisesti saatavalle alumiinititanaattikappaleelle, koska se saatiin valmistajalta (ts. Hoechst) viimeisteltynä tuotteena.

< i · « · • · 1 · · 3i 95460 c ~ Q) n C I rt <e -H -H 01 ® E to to w 3 <0 0) ··

4-> M 0) U

M I M - 0

3 -P 3 -H -H C

2 Ή 4-> (1) 0) « g ·· in

U rH

C ° - 10 <0

O' Ή S? >1 E

C 3 £ « « g 3 Ό m ^ j 0 0(¾ ο CM - jm g U rs ro "j Eh·— «Ν 0) (Ö

r-H

η ω ,c =° Μ oi 2 P- ή -h eto **

3 3 3 s t-. cn .5 Ϊ U

ft 4J -H H (N g° 1 S3 -P ο ΓΜ to S e 3 0- 3 2 « 3mm

» « ^ o e B - I

" Bf i JS g M -H O ϋ

3 0 --Η Ο ΙΟ -Π Ό U

ρ, > . ro CM -H :0 2 0 PS1 “ ° H .5 a< o oo I d -2 «β rf - . I S ^ (¾ r-t ro

g -d » C

Λ C κι T oo r- ‘c Ϊ

0 :rt >i o m «η 3 R

« -i-» +> .- rH -h Crn-H <#> <0 tn <—I „ - -ro .. -H “

1 2 nU νβ -8 U

C I _ «β 0 ·« 3 O

(0 fl Μ Γλ (-. || 3 6 -P to 1 ‘2 2 1' gooi |ä3Eoo eSS o • :rt 0 3^-- .5 1/1 R c m id J -n > S h tN 3 .¾ rt ^ > 4-> 01 1? . II -P « „ , , d <0 M “ <-> - "H M 4-> I 0 -«» « 1 X S 1 o λ; i σι in rt 1-1 rHoro I—I o -- 3 „ „ —» (0 'S· -

O r—H H O Η ΟΙ Ο 3 H O

4-)

•H

4->

CN C -H CN

. COl 0) C

. · ·. -H C -Η -H

Ο Μ ·Η ·Η -rt1 A!

Ai A! f—I H Αί

Ai Mr-4 3 O M

3 Q) rt H Ai 0)

•H O) E Qj rt Ai O) E

3 C -H 3 3 C -H

<0 ·Η 0) rt ·—I 1H 01

H < W « 3 < W

rt

H

95460 32

Yleensä esimerkin 2 mukaisesti tuotetuilla kappaleilla oli pienemmät tiheydet ja oleellisesti samanlainen tai pienempi lämmöjohtavuus kuin kaupallisesti saatavalla alumiinititanaa-tilla. Kaupallisella alumiinititanaatilla oli tyypillisesti 5 suurempi puristusvoima. Kaupallisesti saatavalla alumiiniti-tanaatilla oli samanlainen kokonaisjännityskyky ja myötöjänni-tys. Vaikka kaupallisesti saatava alumiinititanaatti kesti äkilliset lämpötilan muutokset, nämä testatut kappaleet eivät kestäneet liittämistä (ts. valua) sulaan metalliin. Erityises-10 ti ilmenee, että kaupallisiin kappaleisiin kohdistuneet jännitykset olivat liian suuria kappaleiden kestettäviksi, kun sen sijaan keksinnön mukaisesti tuotetut kappaleet kestivät saman valutoimenpiteen.

15 Kuvio 4 edustaa rasitus/jännitys-käyriä kaupallisesti saatavalle alumiinititanaattikappaleelle, joka saatiin Hoechstilta sekä alumiinititanaattikappaleelle, joka tuotettiin esimerkin 2 mukaisesti. Kahta eri koekappaletta (jotka vastaavat taulukon 1 tietoja saataessa käytettyä kahta näytettä) käytettiin 20 kuvion 4 käyrien A ja B luomiseksi. Erityisesti viiva A edustaa rasitus/jännitys-käyrää esimerkin 2 mukaisesti tuotetulla huokoisella alumiinititanaatti-komposiittikappaleen lohkolla; kun taas viiva B edustaa rasitus/jännite-käyrää kaupallisesti saatavalla Hoechst-alumiinititanaattikappale-renkaalla; kun 25 taas viiva C edustaa rasitus/jännite-käyrää kappaleelle, joka ,on tuotettu oleellisesti esimerkin 1 mukaisesti. Näille kappaleille viivan A (ts. esillä oleva esimerkki 2) maksimipuris-* tuslujuus oli 163 MPa, maksimijännitys oli 126 x 10-4, ja myö- töjännitys 34. Viivalla B (ts. kaupallisella kappaleella) mak-30 simipuristuslujuus oli 288 MPa, jännitys 101 x 10"4 ja maksimi -myötöjännitys oli 28. Viivalla C (ts. esillä oleva esimerkki *: 1) oli maksimipuristuslujuus 345 MPa, maksimijännitys 129 x 10-4 ja maksimimyötöjännitys 45. Valutoimille on aineen muodon-muutoskyky kriittinen mekaaninen ominaisuus, mitattuna maksi-35 mijännityksen ja myötöjännityksen avulla. Esimerkissä 2 tuo tettu kappale on selvästi ylivoimainen.

il Itt-i- tili; I i i ill 95460 33

Alumiiniseoksen läsnäolon tärkeä kokonaisvaikutus on kyky aikaansaada huokoinen alumiinititanaattikappale, jossa edullisessa suoritusmuodossa voi olla mikrosäröjä parannetuin läm-möneristysominaisuuksin verrattuna tällä hetkellä kaupallises-5 ti saataviin suhteellisen tiiviisiin aineisiin. Mihinkään määrättyyn teoriaan sitoutumatta uskotaan, että alumiinititanaa-tin mikrosäröily saattaa olla perusteena kuviossa 4 esitettyihin epätavallisiin ominaisuuksiin. Erityisesti kun alumiinit!-tanaattikappaleeseen kohdistetaan voimaa, voivat mikrosäröt 10 absorboida sellaisen voiman puristumalla yhteen (esim. sulkeutumalla) . Lopuksi voivat mikrosäröt oleellisesti kokonaan hävitä, mikä aiheuttaa kappaleen mekaanisten ominaisuuksien muutoksen (ts. kuvion 4 käyrien mutkan tai epäjatkuvuuden). Vastaavasti on mahdollista räätälöidä kappaletta haluttujen rasi-15 tus/jännitys-ominaisuuksien aikaansaamiseksi ennalta määrätyllä voimalla, joka kohdistetaan kappaleeseen.

Keksinnön mukaisesti tuotetulla kappaleella on lisäksi parannetut lämmöneristysominaisuudet (ts. pienempi lämmönjohtavuus) 20 verrattuna kaupallisesti saataviin alumiinititanaattikappalei-siin, kuten esitetään kuviossa 5. Tämä pienempi lämmönjohta-vuus sallii suuremman lämmön pidättämisen ja siten voidaan lämpöeristää lähellä esillä olevan keksinnön alumiinititanaat-tikappaleita olevia kappaleita korkeasta lämpötilasta. Erityi-25 sesti viiva D edustaa lämmönjohtavuutta samalla kaupallisesti '·. saavasta alumiinititanaattia olevalla putkella, jota käytettiin kuviossa 4. Viiva E edustaa lämmönjohtavuutta samalla alumiinititanaattia olevalla esimerkin 2 kappaleella, jota käytettiin kuviossa 4. Kuvio 5 osoittaa esillä olevan keksin-30 nön mukaisesti tuotettujen alumiinititanaattikappaleiden yleisesti pienemmän lämmönjohtavuuden.

• 4

Lisäksi esillä olevassa keksinnössä harkitaan uutta aineiden järjestelmää, joka perustuu aineisiin AI, Ti, A1203, Ti02 ja 35 Al2Ti05. Alumiinia tai alumiiniseosta käsittävä sekoitus saattaa esimerkiksi Al2Ti05:n kanssa sekoitettuna ja kuumennettuna noin 1500°Creen muodostaa lopullisen kappaleen, joka käsittää • · · * alkuperäisen Al2Ti05:n rakeita tai yhteenliittyneinä huokoisel- 9546ϋ 34 la Α1203-faasilla. Α1203-faasi käsittää alumiiniseoksen hapetus-reaktiotuotteen. Haluttaessa termistä stabiilisuutta, tulisi järjestää stabiloimisaineita. Vaihtoehtoisesti voi osa tai oleellisesti kaikki aluksi järjestetty alumiini lopuksi muo-5 dostaa alumiinititanaattia tai reagoida muodostaen kompleksisia oksideja. Reaktion määrää voidaan säätää missä tahansa laajuudessa. Esimerkiksi sellaisten aineiden kuten AI ja Ti02/ tai Ti ja A1203 sekoitukset (esim. alumiinititanaatin edeltäjän) voivat reagoida niitä kuumennettaessa hapettavassa atmos-10 fäärissä muodostaen kappaleen, joka sisältää Al2Ti05:a. Reaktion määrää voidaan säätää säätämällä lämpötilaa, hapettimia, ja/tai reaktion aikaa, jne.

Tapa, jolla perusmetalli hapettuu, sallii lisäksi sellaisen 15 lopullisen kappaleen muodostamisen, jolla on likimain samat mitat kuin keraamiaihiolla (ts. jolla kutistuminen on lähes nolla). Erityisesti kun hapetuskykyistä metallia sisältävä kappale reagoi muodostaen hapetusreaktiotuotetta, kappale pyrkii tulemaan huokoiseksi ja laajenemaan. Kuumennuksen jatkues-2 0 sa kappale voi alkaa sintrautua. Sintrautiimistä voi seurata kappaleen kutistuminen. Kokonaisvaikutus voi olla se, että kappale kutistuu sintrauksen johdosta sellaisen määrän, joka on oleellisesti yhtä suuri kuin hapetusreaktiotuotteen muodostumisesta johtuen kappaleella esiintynyt laajeneminen, jolloin 25 tuloksena on oleellisesti nollan suuruinen nettokutistuminen , aihiosta lopulliseen esineeseen. Lisäksi voidaan alumiinititanaattia käsittävään aihioon lisätä täyteainetta, esim. SiC, niin että voidaan säätää kuumennuksen aikana esiintyviä mittavaihtelulta.

30

Edelleen, kun alumiinititanaattia ja stabiloimisaineen komp-leksista oksidia käsittävä lopullinen kappale muodostuu, on tuloksena olevalla kappaleella parempi terminen stabiilisuus verrattuna kaupallisesti saataviin kappaleisiin (esim. 35 Al2TiOs-faasin kyky kestää toistuvaa kuumentamista ja jäähdyttämistä ilman oleellista hajoamista). Esimerkiksi pääasiassa edellä olevan esimerkin 2 mukaisesti tehty lopullinen kappale 1 - säilyttää, kuumennettuna noin ll00°C:een ja noin 100 h tässä 35 95^60 lämpötilassa pidettynä, noin 75 painoprosenttia alunperin läs-näolleesta Al2Ti05:sta. (Taulukossa 5 esitetään termisen sta-biilisuuden vertailu pääasiassa esimerkin 2 mukaisesti tuotetun kappaleen ja kaupallisesti saatavan Al2Ti05-kappaleen vä-5 Iillä.) Sen sijaan kaupallisen kappaleen näyte, joka esimerkiksi saatiin Hoechstilta, käsitti samalla tavalla kuumennettuna noin 0 % Al2Ti05:a. Tärkeämpää on, että esillä olevan keksinnön mukaisesti tuotetut alumiinititanaattikappaleet olivat edelleen koneistettavissa ja kestivät äkillistä lämpötilan 10 vaihtelua termisen stabiilisuuskokeen jälkeen, kun taas kaupallinen kappale ei sitä ollut. Erityisesti voidaan esillä olevan keksinnön alumiinititanaattikappaleita koneistaa käyttäen tavanomaista porakonetta ja poranterää.

15 Taulukko 5: Terminen stabiilisuus / jäljelle jäävän alu miinit itanaatin määrä, %

Kaupallinen

Esimerkki 2 alumiinititanaatti 900°C, 1000 h 80 63 20 1100°C, 100 h 75 0 1425°C, valettu valurautaan 100 84

Vastaavasti esillä oleva keksintö sallii huokoisen, mik-25 rosäröilevän alumiinititanaattia käsittävän kappaleen muodos-\ tamisen,joka on termisesti pysyvämpi ja joka voidaan tuottaa johdonmukaisesti puhtaaksi tai lähes puhtaaksi ennalta määrätyksi muodoksi kutistumisen ollessa lähes nolla prosenttia.

20 Vaikka esillä olevaa keksintöä on selitetty edullisissa suoritusmuodoissa, on ymmärrettävä, että keksintö ei rajoitu niihin sisältyvään tarkkaan selitykseen, vaan että sitä voidaan soveltaa erilaisin muutoksin, muunnelmin ja parannuksin, jotka saattavat tulla alan ammattilaisen mieleen poikkeamatta kek-35 sinnön suoja-alasta, sellaisena kuin se määritellään oheisissa patenttivaatimuksissa.

m m m m

Claims (16)

1. 36 9546U
2. 1. Menetelmä äkillisen lämpötilan muutoksen kestävän ja mukautuvan kappaleen valmistamiseksi, tunnettu siitä, että siinä: 5 a) sekoitetaan perusmetallia käsittävää jauhetta ainakin yhden aineen kanssa, joka on alumiinititanaatti tai alumiinititanaa-tin esiaste; b) lisätään stabiloimisainetta; c) muodostetaan vaiheessa b) saadusta seoksesta keraamiaihio; 10 ja d) suoritetaan aihion hapetus ja sintraus.
3. 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että perusmetalli käsittää alumiinia. 15
4. 3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että stabiloimisaine käsittää ainakin yhtä ainetta, joka valitaan kromimalmin, ilmeniitin ja Fe203:n käsittävästä ryhmästä.
5. 4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että aihio muodostetaan menetelmällä, joka valitaan kuumapu-ristuksen, lietevalamisen, ruiskuvalamisen, sedimenttivalami-sen ja suulakepuristamisen käsittävästä ryhmältä.
6. 5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, . että aihio muodostetaan lietevalulla ja että lietteen pH:ta säädetään lietettä kuulamyllyssä jauhettaessa. 1 2 ji m i nm i.i i a i Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, 30 että aihio sintrataan lämpötila-alueella noin 1300°C - ainakin 1500°C. • « • I 2 Patenttivaatimuksen 6 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että aihion hapettamista jatketaan niin kauan, että perusme- 35 tallista muodostuu ainakin jonkin verran hapetusreaktiotuotet-ta ja metalli täten tuottaa huokoisuutta saatavaan sintrattuun kappaleeseen. • · 1 95460
7. 8. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittu alumiinititanaatin esiaste käsittää ainakin yhtä ainetta, joka valitaan aineet Al203, Ti02, AI, Ti ja Al:n ja Ti:n seokset käsittävästä ryhmästä. 5
8. 9. Patenttivaatimuksen 7 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittu metalli käsittää alumiiniseosta, joka sisältää aineita Zn, Cu, Si, Fe ja Mg.
9. 10. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että se lisäksi käsittää sulan metallin valamisen saadun sint-ratun, alumiinititanaattia käsittävän keraamikappaleen ympärille .
10. 11. Patenttivaatimuksen 10 mukainen menetelmä, tunnettu sii tä, että sula metalli käsittää ainakin yhtä ainetta, joka valitaan alumiinin, raudan ja niiden seoksen käsittävästä ryhmästä.
11. 12. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukaisella menetel mällä valmistettu äkillisen lämpötilan muutoksen kestävä ja mukautuva kappale, tunnettu siitä, että se käsittää alumiinititanaattia, jonka lämpölaajenemiskerroin on pienempi kuin noin 2,0 x 10'V°C ja lämmönjohtavuus alle noin 2,0 W/m°K 25 ja että se on saatu perusmetallia sisältävän jauheen, alu-miinititanaatin tai sen esiasteen ja stabiloimisaineen seoksesta muodostetun keraamiaihion hapetuksella ja sintrauksella.
12. 13. Patenttivaatimuksen 12 mukainen kappale, tunnettu siitä, 30 että sen tiheys on pienempi kuin noin 3,30 g/cm1. ♦2; 14. Patenttivaatimuksen 12 mukainen kappale, tunnettu siitä, että se lisäksi käsittää ainakin yhtä ainetta, joka valitaan aineet Al203, Ti02, alumiini, alumiiniseos, Ti, Ti-seos, kromi-35 malmi, Cr203, Fe203 ja ilmeniitti käsittävästä ryhmästä.
13. 15. Patenttivaatimuksen 12 mukainen kappale, tunnettu siitä, • ·« 2 että se sisältää ainakin noin 50 paino-% Al2Ti05:a. 9546U
14. 16. Patenttivaatimuksen 12 mukainen kappale, tunnettu siitä, että se on ainakin osittain ympäröity metallilla.
15. 17. Menetelmä huokoisen keraamikomposiitin valmistamiseksi 5 valettavaksi metallikomponenttiin, tunnettu siitä, että siinä: a) sekoitetaan ainakin yhtä perusmetallia käsittävää jauhetta, joka perusmetalli on alumiini, titaani tai niiden seos, ja ainakin yhtä ainetta, joka on valittu aineet AljTiOi, A1203 ja Ti02 sisältävästä ryhmästä; 10 b) lisätään ainakin yhtä ainetta, joka valitaan kromimalmin, ilmeniitin ja Fe203: käsittävästä ryhmästä; c) muodostetaan keraamiaihio käyttäen menetelmää, joka valitaan kuumapuristuksen, lietevalamisen, ruiskuvalamisen, sedi-menttivalamisen ja suulakepuristamisen käsittävästä ryhmästä; 15 ja d) hapetetaan ja sintrataan mainittua aihiota ainakin 1300°C:n lämpötilassa niin kauan, että perusmetallista muodostuu ainakin jonkin verran reaktiotuotetta, jolloin saatava kappale kiinteytyy ja siihen aikaansaadaan huokoisuutta. 20