HU198430B - Process for producing shaped pieces of self carrying structure of ceramic material and ceramic shaped pieces of self carrying structure - Google Patents

Description

A találmány tárgya eljárás önhordó szerkezetű, kerámia anyagú, alakos munkadarab előállítására és önhordó szerkezetű, kerámia anyagú, alakos munkadarab. Az eljárás során fém alapanyagot oxidálőszenel - melynek a reakció hőmérsékletén gáz halmazállapotú összetevője is van - oxidatív reakcióba viszünk és a reakció eredményeként kapott anyag alapján a munkadarab felületét meghatározó felülettel határolt térben kerámia szerkezetű anyagot alakítunk ki. Az élj árassal is előállítható javasolt kerámia anyagú munkadarab oxidatív reakció eredményeként fém alapanyagból létrejött polikristályos szerkezetű kerámia anyagból épül fel. A találmány szerinti eljárással előállított munkadarabokat a jó alakhűség, az egyszerű előállíthatóság jellemzi.

Az elmúlt évek során egyre növekvő érdeklődés mutatkozik a kerámia anyagok felhasználása iránt mindazokon a helyeken, ahol mindeddig elsősorban fém szerkezeti anyagok felhasználása jött szóba. Az érdeklődés növekedését elsősorban az indokolja, hogy a kerámia anyagok több tulajdonságukat tekintve, például korrózióállóság, keménység, rugalmassági modulus és hőállóság szempontjából a fémeknél előnyösebb jellemzőket mutatnak.

A nagyobb szilárdságú, megbízhatóságú, az ismerteknél kevéssé merev szerkezetű kerámia anyagok előállítására irányuló erőfeszítések az ismertté vált törekvések alapján vagy a monolitikus szerkezetű kerámia anyagok előállítási eljárásainak tökéletesítésére, vagy pedig olyan összetett szerkezetű anyagok kialakítására összpontosulnak, amelyben kerámia mátrix van. Az összetett anyagszerkezeteket olyan anyagoknak tekinljük, amelyekben két vagy több összetevő egymással integrális kapcsolatban van és tulajdonságaik a kívánt módon egymást kiegészítik. Az összetett szerkezetű kerámia jellegű anyagokból ismert munkadarabok előállítása is, amikor is az egyik anyag például egy másik kerámia jellegű anyag mátrixába van beágyazva. A kerámia mátrixra épülő összetett szerkezetű testekben a kerámia mátrix egy vagy több töltőanyaggal, például szemcsés, szálas, fonalszerű vagy hasonló összetevővel egészíthető ki.

A kerámia anyagú termékek előállítására ismertté vált hagyományos élj árások általában a következő lépéseket ölelik fel·. (1) a kerámia tennék kiindulási anyagait porrá őrlik, vagy más módon kívánt finomszemcsézettségű kiindulási anyaggá alakítják; (2) az előállított szemcséket szükség szerint tovább őrlik vagy aprítják, amíg a szükséges szemcsézettséget el nem érik; (3) a megfelelő finomságú porokat kívánt alakzattá egyesítik, adott esetben figyelembe véve az egyesítést követő előkészítő lépések során bekövetkező zsugorodást — az egyesítéshez számos ismert technológia áll rendelkezésre, mint az izosztatikus összenyomás, az egytengelyes összenyomás, a fröccsöntés, a szedimentációs öntés, az öntési eljárások számos egyéb ismert változata stb.; (4) az egyesítéssel kapott nyers testet tömörítik, mégpedig á hőmérséklet megemelésével, aminek révén a por alakú alapanyagok részecskéi egymással összekapcsolódva koherens struktúrát alkotnak - ennél a lépésnél sok esetben alkalmaznak nyomást, de ismert például a szinterelésnek az a változata, amikor külső nyomást nem használnak fel;

(5) az összetömörített testet szükség szerint további finom megmunkálásnak vetik alá, például gyémánttal csiszolják vagy más módon felületét kialakítják. A (4) lépés során a nyomást szükség szerint egytengelyesen vagy izosztatikusan alkalmazzák, tehát a mintát egy vagy több oldalról nyomják össze a megemelt hőmérséklet biztosítása mellett.

A kerámia anyagok hagyományosan ismertté vált előállítási eljárásainak alkalmazása mellett számos nehézséggel kell számolni. A legkomolyabb problémák a fentiekben a (4) jellel ellátott tömörítési lépéssel kapcsolatosak. Általában az anyagokat külön külső nyomás al- kalmazása nélkül szinterelik, hiszen ez a legkevesebb nehézséggel jár. Hátránya viszont, hogy az anyagok kö- * zül nem mindegyik hajlamos arra, hogy a másikkal a szinterelés feltételei között jól összekapcsolódjon. Még fontosabb, hogy a hagyományos szinterelés a szálas szerkezetű összetevőt tartalmazó anyagkompozícióknál még akkor is kizárt, ha az anyagok kompatibilitása jó, hiszen a részecskék egymáshoz kapcsolódását a szálak megnehezítik vagy lehetetlenné te szik, ugyanis megakadályozzák azt, hogy az összetömörödő anyagrészecskék egymással elmozdulva kapcsolódhassanak. Ezt a nehézséget számos anyag esetében részben el lehet kerülni, ha a tömörítési folyamatot magas hőmérsékleten külső nyomás alkalmazásával gyorsítjuk. Ezek az eljárások azonban számos műszaki jellegű problémát vetnek fel, ezenkívül fennáll annak veszélye, hogy a külső erők hatására a szerkezet mechanikai tulajdonságainak javítására alkalmazott szálak eltörnek vagy elszakadnak. További hátrányt jelent az is, hogy különösen egytengelyes összenyomás esetében nehéz komplex alakzatokat előállítani, maguk a termékek az egyedi jellejjű gyártás következtében költségesek és számos esetben a végtermék további munkaigényes megmunkálásra szorul.

A fentiekben megadott (3) jelű lépés esetén is lehet nehézségekkel számolni, különösen ha a porokat szálakkal, huzatokkal kell homogén keverékké alakítani.

Ennek oka az, hogy a kerámia mátrix létrejöttéhez az összetevőket egyenletes eloszlásban kell a keverékbe vinni. így a huzatokkal erősített összetett szerkezetű kerámia anyagok esetében a por és a huzalok között a keverés során olyan folyamatok játszódhatnak le, aminek következménye a kapott nyers test felépítésének egyenetlen volta, a szálak nemkívánatos orientációja, vagyis a végtermék nem mindenben megfelelő mechanikai p araméte rei.

A 2 702 750 lsz. US szabadalmi leírás fémoxid alapú tűzálló anyagok előállítására ismertet oxidációs és redukciós (redoxi) reakcióra épülő eljárást. A szabadalmi leírás szerint szilícium-dioxid anyagú testet merítenek megolvadt fémből álló fürdőbe, például folyékony alumíniumba, esetleg a szilícium-dioxid anyagú test felületét fémporral vonják be és hevítik. A szilícium-dioxidot adott esetben semleges tulajdonságú anyaggal, például alummium-trioxiddal keverik ki. A fém oxidálása biztosítja a tűzálló tulajdonsága anyag előállítását, miközben a szilícium-dioxid redukáli5dik, oxigénje a fém oxidálásá-21

198 430 hoz használódik fel, míg a szilícium felszabadul. A 3 973 977 lsz. US szabadalmi leírás kerámia-fém jellegű összetett szerkezetű anyag előállítására ismertet eljárást, mégpedig alapvetően magnézium-aluminátSpinell alapján. A leírás szerint különböző oxidok tömörítvényét kell folyékony alumíniumot tartalmazó fürdőbe meríteni. Mindkét eljárás nehézkes, segítségével csak kerámia jellegű anyag állítható elő, alakos tennék nem.

A találmány feladata olyan eljárás kidolgozása, amelynek segítségével adott esetben bonyolult alakzatú kerámia anyagú munkadarabok nagy tömegben, olcsón állíthatók elő.

A találmány alapja az a felismerés, hogy önhordó szerkezetű kerámia jellegű anyag készíthető, ha fém alapanyagot megfelelő feltételek között oxidálunk, az oxidatív reakció eredményeként kapott anyagot a fém alapanyag felületén tartjuk és ott növesztjük. Maga az eljárás ebben az. alakjában még nem alkalmas az alakos termékek előállítására. Felismertük azonban, hogy a fém alapanyag oxidatív reakciójával létrehozott oxidációs reakciótennék növekedés folyamata megfelelő ötvöző anyag alkalmazásával elősegíthető. Az ötvöző anyagon túlmenően alkalmazhatók dópoló anyagok a fém alapanyag felületére feháve is. Egy további felismerésünk, hogy a fém alapanyag oxidatív reakcióját a megolvadt fémmel nedvesíthető anyagú és a megolvadt fémmel átjárható szerkezetű előmintával érintkezésben lefolytatva a fém alapanyag képes az előminta szerkezetét átjárni, benne az oxidációs reakciótennék szilárd kerámia mátrixát létrehozni. Ennek feltétele, hogy a fém alapanyagot olvadáspontját meghaladó, de az adott oxidatív reakcióban létrejövő oxidációs reakciótermék olvadáspontja alatt maradó hőmérsékleten tartsuk. Ekkor ugyanis további felismerésünk szerint a fém alapanyag a kapilláris hatások révén képes az oxidációs reakciótermék anyagába behatolni, és azon át addig vándorol, amíg az oxidálószer hatására oxidációja be nem következik, illetve ameddig az oxidatív reakció előbbiekben ismertetett feltételei fennállnak.

A jelen találmány alapfelismerése ennek megfelelően az, hogy a bonyolult térbeli szerkezetű kerámia anyagok is a szükséges alakzatban hozhatók létre, ha az oxidatív reakció feltételeit az előzőeknek megfelelő módon biztosítjuk, megolvadt fém alapanyagot előminta és különösen a kívánt alaknak megfelelő előminta felületével hozzuk kapcsolatba és a megfelelő hőmérséklettel a megolvadt fém alapanyagot rákényszerítjük az előmintába való behatolásra.

A találmány célja olyan eljárás kidolgozása, amellyel egyetlen munkadarabként bonyolult alakzatú kerámia termékek megbízhatóan, szükség szerint nagy sorozatban állíthatók elő, a kapott termékek méreteinek, falvastagságának gyakorlati korlátozása nélkül, vagyis elkerülve a hagyományos kerámia előállítási technológiák egyik legfontosabb hiányosságát.

A találmány célja ugyancsak a kívánságoknak megfelelően felépülő, adott esetben nagy falvastagságú és nagyméretű kerámia anyagú munkadarab kialakítása.

A kitűzött cél elérésére, vagyis önhordó szerkezetű kerámia anyagú alakos munkadarab előállítására eljárási dolgoztunk ki, amelynek során a fém alapanyagot oxidálósztrrel oxidatív reakcióba visziink és a reakció eredményeként kapott anyag alapján a munkadarab felületét megliatározó felülettel határolt térben kerámia szerkezetű anyagot alakítunk ki, amikor is a találmány szerint a fém alapanyag legalább egy részéhez legalább egy, az előállítani kívánt munkadarabnál: megfelelő mintafelüIstteí kialakított permeábilis szerkezetű előmintát illesztünk, a fém alapanyaghoz legalább egy gőz vagy gáz halmazállapotú oxidálószert választunk, a fém alapanyagot az előmintával érintkezésben tartva a fém alapanyag olvadáspontját meghaladó, de az cxidálószerrel létrejövő oxidációs reakciótermék olvadáspontja alatt maradó hőmérsékleten megolvasztjuk, a megolvasztott fém és az oxidálószer között az oxidatív reakciót lefolytatjuk, a fémből kialakuló oxidációs reakcióterméknek legalább egy részét az oxidálószer és a megolvadt fém alapanyag között, mindkettővel érintkezésben tartjuk, ezzel a fém alapanyagból az oxidációs reakcióterméknek az oxidálószenei kitöltött gáztér felé legalább részben a mintafelülettel kijelölt térben növekvő rélegét az oxidálószenei reakcióba vitt fém alapanyagból létrehozzuk, aminek révér a fém alapanyag és az oxidiílószer oxidációs reakciótermékéből, valamint előnyösen a fém alapanyagból, és sz ikség szerint a kerámia anyag létrehozásában résztvevő egyéb anyagokból származó egy vagy több fémes összetevőből álló, kerámia mátrixra épülő polikristályos szerkezetű anyagot állítunk elő, majd a reakciót a polikristályos szerkezetű oxidációs reakcióterméknek az előmintán keresztül az előállítani kívánt munkadarab felületét meghatározó mintafelületig történő növekedéséig, és az előmintának az oxidációs reakcióterm&kel való kitöltéséig folytatjuk.

Ugyancsak kitűzött cél elérésére dolgoztuk ki azt az eljárást, amikor az előzőekben ismertetett lépéseket alumínium fém alapanyagot választva hajtjuk végre, az ahiminit mhoz ötvöző komponensként bevitt étvágy az alumínium fém alapanyag felületére felvitt ésjvagy az előminta anyagába bekevert dópoló anyagot adagolunk, és az oxidatív reakciót, amelynek segítségével ahnnínium trioxidot mint oxidációs reakcióterméket készítünk, 850 °C és 1450 °C, előnyösen 900 °C és 135O^eC közöl ti hőmérséklettartományban folytatjuk le, aminek révén az előmintát az oxidációs reakciótermékkel tejesen kitöltjük és benne az alumíniumból és szükség szerint ez utóbbiban jelen levő, illetve a dópoló anyuból származó egy vagy több fémes összetevőből álló, kerámia mátrixra épülő polikristályos szerkezetű anyagot álhtunk elő.

Az oxidálószer általában gáz vagy gőz halmazállapotú anyag, különösen levegő. Ezt célszerűen lehet tíe^ésáteni szilárd vagy a reakció feltételei között folyékony halmazállapotú oxidálószerrel. Adott esetben ac oxidatív reakció előnyösen lefolytatható nitrogéntartalmú gázzal is.

Igen előnyös, ha fém alapanyagként ahimántan mellett szilíciumot, titánt, ált, cirkóniumot vagy hafniumot ''álasztunk. Az oxidálószerek között szerepéi a leÍ3

198 430 vegő, de előnyös a halogénelemek, kén, foszfor, arzén, szén, bór, szelén, tellúr, metán, etán, propán, acetilén, etilén, propilén, H₂/H₂O, illetve CO/CO₂ keverék alkalmazása.

Az oxidatív reakció feltételei kedvezően befolyásolhatók oly módon, hogy az előminta térfogatának legalább egy részében az oxidatív reakció feltételei között folyékony vagy szilárd halmazállapotú oxidáló összetevőt viszünk be az előminta anyagába, a megolvasztott fém alapanyagot ezzel a kiegészítő oxidáló összetevővel, például szilícium-dioxiddal, borral vagy redukálható bór-vegyülettel oxidatív reakcióba visszük és ezzel a fém alapanyag és a kiegészítő oxidálószer közötti reakció termékét is tartalmazó polikristályos szerkezetű anyagot állítunk elő.

Az előmintát célszerűen szemcsés, porszerű anyagból hozzuk létre, de ezek mellett más alakú termékek is használhatók. Az előminta anyaga általában alumínium, cérium, hafnium, lantén, neodímium, prazeodímium, szamárium, szkandium, tórium, urán, ittrium és cirkónium, ezek egy vagy több oxidja, karbidja, nitride, esetleg vasötvözet, például vas—króm—alumínium ötvözet.

Az előminta anyagába célszerű lehet az oxidatív reakció feltételei között anyagi integritását legalább korlátos ideig megőrző bevonattal ellátott karbonszálat keverni.

Az oxidatív reakció befolyásolása szempontjából célszerű, ha az előminta térfogatán belül ehhez a reakcióhoz kedvezőbb kinetikai feltételeket teremtünk, mint az előminta határfelületén kívül, amivel az oxidatív reakciót az előminta határfelületének elérésekor lefékezzük.

Az oxidatív reakdó lefolyását célszerűen lehet a dópoló anyagok bevitelével szabályozni. Ennek lehetőségei sokrétűek, így a dópoló anyag ötvözetként adagolható a fém alapanyagba, rétegként elhelyezhető az előminta szerkezetében és/vagy a dópoló anyag felületén, vele az előminta anyaga szintén kikeverhető. Általában két vagy több dópoló anyagot használunk, amelyeket fémes formában vagy fém felszabadítására alkalmas vegyületként viszünk be. A fémek között van a magnézium, cink, szilícium, germánium, ón, ólom, bór, nátrium, lítium, kalrium, ittrium, lantán, cérium, prazeodímium, neodímium vagy szamárium, de ugyanúgy a nemfémes elemek közül is használhatók egyesek, például a foszfor.

Ugyancsak a kitűzött cél elérésére dolgoztunk ki önhordó szerkezetű kerámia anyagú alakos munkadarabot, amely oxidatív reakció eredményeként fém alapanyagból létrejött polikristályos szerkezetű kerámia anyagból van kialakítva, ahol a találmány szerint a kerámia anyag legalább egy meghatározott, a munkadarab alakjának megfelelő mintafelülettel létrehozott előminta infiltrációjával van kiképezve, a kerámia mátrix előnyösen alumínium, mint fém alapanyag és célszerűen levegő, esetleg más oxigéntartalmú gáz mint oxidálószer között a fém alapanyag olvadáspontját meghaladó, de a fém alapanyag és az oxidálószer közötti oxidatív reakdóban kialakuló oxidációs reakciótermék olvadáspontja alatt maradó hőmérsékleten végrehajtott oxida4 tív reakdóban keletkezet: polikristályos anyagból és az oxidálószer jelenlétében lezajló oxidatív reakcióból kimaradt egy vagy több fémes összetevőből és/vagy üres terekből áll, míg a polikristályos szerkezetet egymással kapcsolódó krisztallitok alkotják. A fémes öszszetevők részaránya általában a kerámia mátrixhoz viszonyítva 1 ...40 tf%.

Igen előnyös megoldás, amikor a kerámia anyag felületén a fém alapanyaghoz adagolt dópoló anyag jelenléte miatt keletkezett spinellt tartalmazó iniciáló felület van.

A legelőnyösebb eredményeket az biztosítja, ha az előminta kerámia mátrixszal átjárt szerkezet szilíciumdioxidból, szih'cium-karbidból vagy alumínium-trioxidból, illetve ezek valamilyen keverékéből áll.

A találmány szerinti eljárással előállított anyagot az jellemzi, hogy benne az anyag eloszlása egyenletes, a tulajdonságok homogén paramétereloszlást mutatnak, míg az anyag olyan vastagságig növeszthető, amit a hagyományos technológiákkal aligha lehet biztosítani. Az eljárás foganatosításával járó költségek viszonylag alacsonyak, hiszen elkerülhetők a hagyományos kerámiagyártási műveletek költséges lépései, mint a finomszemcsés, nagy tisztaságú, egyenletes szemcsézettségű porok előállítása, a kiindulási test gondos formázása, a kötőanyag kiégetése, a szín tereléses, nyomást alkalmazó vagy nyomás nélküli tömörítés.

A találmány szerinti eljárás segítségével előállított termékek, illetve a javasolt felépítésű kerámia anyagú munkadarabok igen széles körben alkalmazhatók az iparban, a mindennapi életben és általában műszaki célokra mindazokon a helyeken, ahol a kívánt elektromos, szilárdsági, termikus, strukturális vagy más jellemzők biztosíthatók. A találmány szerinti eljárásnak általában nem célja olyan hulladékanyagok felhasználása, amelyek fém alapanyagok megolvasztásával járó folyamatokban keletkeznek.

A találmány szerinti eljárás további ismertetése során, illetve az igénypontokban alkalmazott fogalmak értelmezése a következő:

A „kerámia test” vagy .kerámia anyag” fogalma a jelen találmány értelmezésében egyáltalában nem korlátozható a klasszikus értelemben vett kerámia anyagokra, amelyek lényegében teljes térfogatukban nemfémes és más szervetlen összetevőkből állnak. A találmány szerint előállított és alkalmazott kerámia anyag, illetve test olyan szerkezetű, hogy legfontosabb, domináns jellemzőit és/vagy összetételét tekintve lényegében a kerámia testre emlékeztet, de kisebb vagy akár nagyobb mennyiségekben, különálló szigetekben vagy járatokban tartalmazhat egy vagy több fémes összetevőt, valamint öszszekötött járatokat vagy egymástól elválasztott üregeket alkotó porozitást. A fém összetevők megjelenése, illetve a porozitás kialakulása a fém alapanyag, oxidálószer^ esetleg dópoló anyag jelenlétének, esetleges beadagolásának következménye; a térfogatban részarányuk 1... 40 tf%, de lehet nagyobb is.

Az „oxidádós reakciótermék” fogalma a találmány értelmében fém(ek) egy vagy több oxidálószerrel való érintkcztetésének eredményét jelöli, ahol a fémet más

198 430 binációjának elektront leadni vagy azzal elektront megosztani képes összetevőnek tekintjük. Ennek megfelelően a definícióval értelmezett oxidációs reakciótermék egy vagy több fém és valamilyen, a leírásban kifejtett feltételeket teljesítő oxidáló hatású anyag között kialakult reakdó eredménye.

Az „oxidálószer” fogalma elektron befogadására, íHetve elektron megosztás útján történő befogására alkalmas egy vagy több összetevőt takar, amely a reakció feltételei között lehet szilárd, folyékony vagy általában gáz halmazállapotú (ez utóbbi esetben gőz állapotú is lehet), de ezek keveréke (így többek között folyadék és gáz keveréke) szintén használható.

A „fém alapanyag” olyan viszonylag tiszta vagy nagy tisztaságú fémes tulajdonságú, általában a kereskedelmi forgalomban beszerezhető anyag, amely a fémes összetevőket a szokásos szennyezésekkel, adott esetben ötvözőanyagokkal,. ötvöző vegyületekkel és intermetallikus vegyületekkel együtt tartalmazza. Ha a leírás fém alapanyagként egy meghatározott fémet, például alumíniumot említ, akkor a találmány a fenti tisztasági feltételeknek megfelelő fémre (alumíniumra) vonatkozik, hacsak a leírás ezzel kapcsolatban más feltételeket nem említ.

A találmány tárgyát a továbbiakban példakénti foganatosítási mód, illetve kiviteli alakok kapcsán, a csatolt rajzra való hivatkozással ismertetjük részletesen. A rajzon az

1. ábra négyszögletes nyílást meghatározó két előmintából álló együttessel borított, fém alapanyagból álló téglatestet tartalmazó, tűzálló anyagú edény keresztmetszete, semleges anyagú ággyal, a találmány szerinti eljárás foganatosításához, a

2a. ábra lánckerék alakú előminta elölnézete a találmány szerinti eljárás foganatosításával készülő kerámia anyagú termék előállításához, a

2b. ábra a 2a. ábra szerinti lánckerék 2b—2b metszete, a

3. ábra a 2a. ábrán bemutatott lánckerék alakú előminta elrendezése fém alapanyag rétegén, keresztmetszetben, a

4. ábra a 3. ábra szerinti elrendezés tűzálló anyagú edényben levő semleges anyagba beágyazva, keresztmetszetben, az

5. ábra a 4. ábra szerinti elrendezésben előállított lánckerék elölnézeti fényképe, a

6a. ábra a 2. példa szerint előállított összetett szerkezetű kerámia termék keresztmetszetének fényképe, a

6b. ábra a 2. példa szerint előállított másik összetett szerkezetű test keresztmetszeti fényképe, a

7a. ábra a 3. példa szerinti összetett szerkezetű kerámia anyagú munkadarab előállításához használt előminta felülnézeti fényképe, a

7b. ábra a 7a. ábra szerinti előminta oldalnézeti fényképe, míg a

7c. ábra a 7a. és 7b. ábra szerinti előminta alkalmazásával a 3. példa szerint létrehozott összetett szerkezetű kerámia anyagú munkadarab.

A találmány szerinti eljárás foganatosítása során oxidatív reakcióval feldolgozandó és ennek megfelelően oxidációs reakciótermék kiindulási anyagát jelentő, szükség szerint a későbbiekben még ismertetendő módon dópolt fém alapanyagot öntvény, rúd, tuskó, lemez vagy hasonló elemként használjuk fel, semleges anyagú ágyban, tűzálló anyagú edényben helyezzük el. A továbbiakban részletesen bemutatandó módon elkészített permeábilis szerkezetű, a munkadarabnak megfelelő alakú előmintát legalább egy meghatározott határfelülettel készítjük el és biztosítjuk, hogy anyagában gőz vagy gáz halmazállapotú oxidálószer áramlása lehetséges legyen. A permeábilis szerkezettel egyúttal azt is lehetővé tesszük, hogy az oxidációs reakciótermék infiltrációja az ílőmintába bekövetkezhessen. Az előmintát a fém alapanyaggal szomszédosán helyezzük el. Célszerűen a fém alapanyag és az előminta között érintkezést biztosítunk, mégpedig oly módon, hogy a kijelölt határfelület a fém alapanyag felületétől távolabbra, attól az előminta anyagával elválasztottan helyezkedjen el. Az előminta anyagát célszerűen nagyobb felületen érintkezietjük a fém alapanyaggal. A.dott esetben a felületi érin ikezést akár úgy is létrehozliatjuk, hogy az előmintát -észben a megolvasztott fém alapanyagba merítjük, de nem teljes térfogatában, mer! ekkor a gőz vagy gáz halmazállapotú oxidálószer útját a fém alapanyag felé lezájuk vagy erőteljesen megnehezítjük, ami a találmáry szerinti eljárás foganatosítását gyakorlatilag lehetetlenné tenné. Az oxidáción reakciótermék növekedése ilyen feltételek között a kijelölt határfelület irányában történik. A fém alapanyagból és a permeábilis szerkezetű előmintából álló elrendezést megfelelő tartályba helyezzük és a tartályt kemence belső terében helyezzük el. A kemencében biztosítjuk a gőz vágj' gáz halmazállapotú oxidálószer behatolásának lehetőségét, miközben a hőmérsékletet a fém alapanyag olvadáspontja fölötti, de az oxidálószerrel létrejövő oxidációs reakciótermék olvadáspontja alatti értéken tartjuk. A megadott értéktartományban a hőmérsékletet szükség szerint változtatni, szabályozni lehet.

A találmány szerinti eljárás foganatosítása során alkalmazott előmintának elegendő mértékben porózusnak vagy permeábilis szerkezetűnek kell lennie ahhoz, hogy a gőz vagy gáz halmazállapotú oredálószer anyagába behatolhasson, azon keresztül a férti alapanyaggal érintkezésre kerülhessen. Az előminta permeábilis szerkezetének biztosítania kell azt is, hogy az oxidációs reakciótermék növekedése során mátrixként magába fogadja az előndnta szerkezetét, de annak anyagát ne károsítsa, a részecskéket lényegében ne mozgassa el, vagyis az előminta konfigurációját, alakját a növekvő oxidációs reak dótennék ne befolyásolhassa, ne változtathassa meg

A gőz vagy gáz halmazállapotú oxidálószemek nem feltétlenül kell ilyan halmazállapotú anyagként a folyamat teljes ideje alatt jelen lenni;. Az oxidatív reakció kívánt hőmérsékletén gázzá vág;/ gőzzé alakuló anyagok jól használhatók, de különösen előnyös a légkörből számazó levegő felhasználása. Az oxidálószerek között emlí hetjük a következőket: oxigén, nitrogén, halogénelem, kén, foszfor, arzén, szén, bór, szelén, tellúr, ezek

198 430 vegyületei és keverékei, mint például a szilícium-dioxid (ez kiváló oxigénfonás), metán, etán, propán, acetilén, etilén és propilén (mint szén forrásai), továbbá keverékek, mint levegő, H₂/H₂O és CO/CO₂, illetve ez utóbbi kettő (tehát H₂/H₂O és CO/CO₂) keveréke, amelyek különösen alkalmasak a környezet oxigénaktivitásának csökkentésére. így a gáz halmazállapotú oxidálószerek közül mindenekelőtt az oxigén és az oxigéntartalmú gázok alkalmazása a legcélszerűbb (ideértve a levegőt), és ha a fém alapanyag alumínium, a kerámia terméket alumínium-oxidból kell előállítani, akkor nyilvánvaló gazdasági meggondolások miatt a levegő a lekedvezőbb oxidálószer. Ha az oxidálószert úgy azonosítjuk, hogy az egy megadott gázt vagy gőzt tartalmaz, esetleg ebből az anyagból áll, ez annyit jelent, hogy a megadott gőz vagy gáz a reakció feltételei között az oxidálószerben a kizárólagos, a túlnyomó vagy legalábbis a nagyobb részt alkotó oxidáló összetevő, amely az oxidációs reakció feltételei között a fém alapanyag oxidálását biztosítja. így például a levegő általában nitrogéntartalmú gáznak minősül, hiszen nitrogéntartalma sokkal nagyobb, mint benne az oxigén mennyisége, mégis a levegőt a találmány vonatkozásában oxigéntartalmú gáznak tekintjük, mivel a fém alapanyag oxidációs reakciójának lefolytatásánál levegő alkalmazása esetében a hatás mindenekelőtt az oxigén jelenlétének köszönhető. Ennek megfelelően a levegő ez esetben az oxigéntartalmú gáz kategóriájába esik, a nitrogéntartalmú gázok között a jelen találmány értelmében oxidálószerként nem említhető meg. A nitrogéntartalmú gáz, mint oxidálószer példája lehet a 96 tf% nitrogént és 4 tf% hidrogént tartalmazó formázó gáz.

A találmány szerinti eljárásban szükséges oxidatív reakció feltételei között folyékony vagy szilárd halmazállapotú oxidálószer ugyancsak használható. Ez a gáz vagy gőz halmazállapotú oxidálószer hatását egészíti ki és hozzájárulhat a fém alapanyag oxidációjának gyorsításához az előminta térfogatán belül, míg azon kívül általában ilyet nem alkalmazunk. A szilárd vagy folyékony halmazállapotú kiegészítő oxidálószer ennek megfelelően az előmintán belül az oxidatív reakció kinetikáját kedvezően befolyásolja, nem járul hozzá az előmmta térfogatán kívül a reakció folytatásához. Ez a környezet abból a szempontból különösen előnyös, hogy az előmintán belül a mátrix fejlődését elősegíti, annak a határfelületig történő növekedését gyorsítja, de minimalizálja a határfelületen túl történő növekedés lehetőségét. A felhasznált szilárd halmazállapotú oxidálószert általában az előminta teljes térfogatában oszlatjuk el, de célszerű lehet az a megoldás is, amikor csak az elő mintának a fém alapanyaghoz közel eső részeibe keverjük be azt. A szilárd halmazállapotú oxidálószer az előminta létrehozásához alkalmazott anyag részecskéin létrehozott bevonatként is felhasználható. A gőz vagy gáz halmazállapotú oxidálószer anyagi minőségétől függően szokás a szilárd halmazállapotú oxidálószert megválasztani. Az alkalmas anyagok között vannak eleinek, mint a bór vagy a szén, de találhatók a reakció feltételei között redukálható vegyületek is, mint az oxigénforrásként számba jöhető szilícium-dioxid vagy egyes bór vegyületek, ha azok termodinamikai stabilitása kisebb, mint a fém alapanyag boridjáé.

Ha folyékony halmazállapotú oxidálószert használunk, akkor annak anyagál általában célszerűen az előminta anyagának teljes egészében eloszlatjuk. Célszerű lehet az a megoldás is, amikor a folyékony halmazállapotú oxidálószer csak az előminta kijelölt területére kerül, de mindenkor feltétel, hogy a folyékony halmazállapotú oxidálószer ne záija le a gőz vagy gáz halmazállapotú oxidálószer elől a megolvasztott fém alapanyaghoz vezető utakat. Amikor folyékony halmazállapotú oxidálószert említünk, ezen olyan anyagot értünk, amely az oxidatív reakció feltételei között folyékony, függetlenül attól, hogy a folyékony halmazállapotot szilárd halmazállapotból kiindulva a megemelt hőmérséklet hatásával értük el. Ezért az oxidatív reakció hőmérsékletén megolvadó sók is folyékony halmazállapotú oxidálószemek minősülnek. Ugyanígy használhatók olyan folyékony halmazállapotba kerülő vegyületek, amelyek az előminta porózus felületének egy részét vagy teljes egészét borítják és amelyek az oxidatív reakció feltételei között megolvadnak vagy felbomlanak és ezzel biztosítják a szükséges oxidatív összetevőt. A folyékony halmazállapotú oxidálószerek pé'Ídái között kell említeni az alacsony olvadáspontú üvegeket.

A fém alapanyagot és a permeábilis szerkezetű előmintát tartalmazó elrendezést összeállítását követően kemencébe helyezzük. A kemencében biztosítjuk a gőz vagy gáz halmazállapotú oxidálószer jelenlétét és szükség szerinti utánpótlását, miközben az elrendezés hőmérsékletét a fém alapanyag olvadáspontját meghaladó, de az oxidatív reakcióban létrejövő oxidációs reakciótermék olvadáspontja alatt maradó értéken tartjuk. Ha például a fém alapanyag alumínium, az oxidálószer pedig levegő, a hőmérséklet általában 850 °C és 1450 °C között lehet, célszerűen azonban 900 °C és 1350 °C között van. Az oxidatív reakció kijelölt hőmérséklet-tartományában tartva a hőmérsékletet a fém alapanyagot megolvasztjuk és olvasztott állapotát folyamatosan biztosítjuk. Ennek során ha szükséges, a hőmérséklet értékét a megadott tartományban szabályozzuk. A megmelet hőmérséklet biztosítja az oxidatív reakció lezqlását, amikor is a fém alapanyag felületén oxidációs reakciótermékéből réteg alakul ki. Az oxidatív környezet folyamatos hatására, a megemelt hőmérsékleti környezetben a fém alapanyag a kapilláris jelenségek hatására fokozatosan felszívódik az oxidációs reakciótermék anyagába és azon belül a gőz vagy gáz halmazállapotú oxidálószer irányába mozog. Amikor oxidáló hatású anyaggal találkozik, a fém alapanyag oxidatív reakciója lezajlik, ennek eredményeként az oxidációs reakdótermék rétege növekszik, vastagodik. Az oxidációs reakdótermék egy része mindenkor a megolvasztott fém alapanyaggal kapcsolódik, egy másik része pedig a gőz vagy gáz halmazállapotú oxidálószerrel érintkezik, aminek következménye az, hogy az oxidációs reakdótermék fokozatosat, átnövi az előminta szerkezetét. Ez az infiltrációs folyamat olyan polikristályos

198 430 szerkezetű anyag létrejöttét eredményezi, amely az előminta összetevőit magába foglalja, feltételezve, hogy elegendő mennyiségű fém alapanyag áll rendelkezésre, illetve az oxidálószer jelenlétét, továbbá szükség szerinti utánpótlását biztosítottuk. Ha oxidálószerként, illetve annak gáz vagy gőz halmazállapotú összetevőjeként levegőt használunk, az utánpótlás különösen egyszerű, ha a kemencét ismert módon szeleppel látjuk el.

Az oxidatív reakciót addig folytaljuk, amíg az oxidációs reakciótermék az előminta alkotóelemeit egészen a kijelölt határfelületig magába ágyazza, de célszerűen nem lép azon túl, hiszen ez a polikristályos mátrix anyagának „túlnövését” jelentené. A folyamat eredményeként kapott összetett szerkezetű kerámia anyag befogadja a határfelületéig kitöltött előmintát, a kerámia mátrix olyan polikristályos anyagból áll, amely alapvetően a fém alapanyag és a gőz vagy gáz halmazállapotú oxidálószer közötti oxidatív reakció révén létrejött anyagból áll, de emellett szükség szerint kisebb vagy nagyobb mennyiségben tartalmazhat fémes összetevőket is. Ez utóbbiak fonása a fém alapanyag, a benne jelen levő összetevők, illetve redukálható oxidálószer alkalmazása esetén az utóbbi fémes komponensei. Az előminta határfelülete lényegében kijelöli a polikristályos kerámia mátrix határfelületét. Az előminta felületén azonban előfordulhatnak kiemelkedések vagy bemélyedések, ami annyit jelent, hogy a kerámia mátrix anyaga egy-egy ponton túllépi a határfelületet, míg más pontokon nem éri el. Nyilvánvaló, hogy a folyamat eredményeként létrejövő polikristályos szerkezetű kerámia mátrix porozitást is tartalmazhat, amely a fémes fázis teljes vagy részleges eltávolításának eredménye, de a porozitás mértéke, azaz a pórusok által elfoglalt térfogat számos tényezőtől függ, elsősorban a hőmérséklettől, az oxidatív reakció időtartamától, a fém alapanyag minőségétől és a dópoló anyagoktól, illetve ez utóbbiak koncentrációjától. A polikristályos kerámia struktúra egy kritikus megjelenési formája az, amikor az oxidációs reakciótermék egymással legalább kettő, célszerűen három dimenzióban összekötött, tehát térbeli szerkezetet létrehozó kriaztallitokból áll, ahol a krisztalKtok által kijelölt szerkezeten belül a fémes fázisok és/vagy a pórusok egymással kapcsolódó járatokat is alkothatnak. A találmány szerinti eljárással előállított összetett szerkezetű kerámia munkadarab határfelületét általában az előállításkor jól biztosítani lehet, ez a határfelület az eredeti előminta méreteinek megfelelően, a geometriai konfigurációt visszaadó helyeken alakul ki

A találmányt a továbbiakban mindenek előtt alumínium, mint fém alapanyag alkalmazása mellett írjuk le. Ez azonban csak egy igen hasznos foganatosítási módot jelent, hiszen a találmány szerinti eljárás más fém alapanyagból kiindulva is megvalósítható. így a szilícium, titán, ón, cirkónium és sok más fém alkalmazható, amelyek önmagukban vagy dópoló anyagokkal kiegészítve eleget tesznek a találmány szerinti eljárásban fellépő igénybevételekkel járó követelményeknek. A találmány szerinti eljárás foganatosításához szükséges élőmintát is számos anyagból lehet elkészíteni. Az anyagmegválasztás a fém alapanyagtól és az ehhez kiválasztott oxidatív rendszertől függ, így a lehetőségek száma igen nagy. Említsük meg egyebek között az alumíniumtrioxidot, a szilícium-kaibidot, a szilícium—alumíniumoxinitridet, a cirkónium-dioxidot, a cirkónium-boridot, a titán-nitridet, a bárium-titanátot, a bór-nitridet, a szilícium-nitridet, a vas különböző ötvözeteit, például a va:—króm—alumínium ötvözetet, a szenet, az alumíniumot, számos agyagfajtát és ezek keverékeit is. A felsorolás messze nem teljes, az előminta anyagának kiválasztása az adott feltételektől függ. Ha például alumínium a kiindulási alapanyag és alcmírrium-nitridet kívánunk az oxidatív reakció révén előállítani, az előminta anyagát általában alumínium-nitridből és/vagy ahinúiium-oxidból készítjük el. Ha a fém alapanyagot cirkóniumként választjuk meg, az oxidatív reakció eredményeként cirkónium-nitride : kívánunk előállítani, az előminta anyagát célszerűen szemcsézett cirkóniumdiboiidból hozzuk létre. Ugyanígy, ha a fém alapanyag titán, míg az oxidatív reakció eredményeként titánnitridből kívánjuk a kerámia anyagú munkadarabot létrehozni, az előminta szemcséinek létrehozásához alumínium trioxidból és/vagy titán-díboridból indulunk. Ugyancsak jól használható alapanyag az ón, amelynek oxidációs reakcióterméke adott esetben az ón-oxid. Ilyenkor az előmintát célszerűen alumínium-trioxid részecskékből hozzuk létre. Ha viszont a fém alapanyag szilícium és az oxidatív reakció eredményeként szflícium-nitridet kívánunk előállítani, az előmintát legcélszerűbb titán-nitrid részecskéinél: egyesítésével létrehozni

A találmány szerinti eljárás foganatosításában elengedhetetlenül szükséges permeábilis szerkezetű előmintát a hagyományos formázási módszerek bármelyikével lehet elkészíteni. így az előre meghatározott, kívánt ahkzat szedimentációs öntéssel, fröccsöntéssel, vákuumformázással vagy más alkalmas módon készíthető el, amicv is alkalmas kiindulási anyagot ismert módon feldo^>> zunk. A permeábilis szerkezetű előminta anyagában jelen lehet egyenletes eloszlásban vagy különálló rétes» alkotva, esetleg mindkét formában valamilyen sriUrd és/vágy folyékony halmazállapotú oxidálószer, amelyet az előzőekben már említett módon a gőz vagy gáz halmazállapotú oxidálószenei együtt használunk. Az tX&mintár legalább egy jól meghatározott határfráüleWeí kell létrehozni, annak alaktartása és nyers állapotban mérhető szilárdsága elegendően najjy kell legyen ahhoz, hogy a kerámia mátrix infiltrációja során, illetve az ess megelőző műveletekben az alak megmaradón, a kezimfe mátrix a kívánt méreteket érhesse el. A találmány snmati eljárás foganatosítása során célszerűen 5...90 t)f% porozitással jellemzett elő mintákat használunk, aboC * porozrtásra legelőnyösebbnek a 25...50tf% értéktortM»mány bizonyult. A porózus előminta anyagát úgy kot megválasztani, hogy azt a fém alajianyag átjárhass! b?/ általában azt jelenti, hogy az előminta anyaga a fématom anyaggal célszerűen nedvesíthető, legalábbis az tív reakció hőmérsékletén és ez elősegíti a polikristAb'··

198 430 szerkezetű kerámia mátrix kifejlődését az előmintán belül, vagyis a nagy integritású és jól meghatározott határfelületekkel kijelölt kerámia tennék létrehozását.

A kívánság szerinti méretekben és alakban létrehozott előmintának legalább egy olyan jól meghatározott határfelülete kell, hogy legyen, amely a növekvő polikristályos kerámia mátrix számára á növekedés célját, a határfelületet jelöli ki. így például lehetséges olyan félgömb alakú előminta létrehozása, amelynek sima felülete a fém alapanyaggal érintkezik, mig dómszerű görbült felülete jelöli ki azt a határt, ameddig a fém alapanyagból keletkező polikristályos anyagnak növekednie kell. Egy másik lehetőség szerint kockaszerű előmintát hozunk létre, amelynek egyik négyzetes felülete a fém alapanyag fémes felületével érintkezik, mig a további öt négyzetes felület adja azt a határt, ameddig az oxidációs reakcióterméknek növekednie kell. Az oxidációs reakciótennék olyan mátrix szerkezetű polikristályos anyag, amely az előminta permeábilis szerkezetű anyagába behatol, infiltrációja során az előminta összetevőit magába ágyazza és növekedésével a kijelölt határfelületekig teqeszkedik, anélkül, hogy az előminta anyagi integritását lerontaná. Ennek értelmében az előminta alkotóelemei a polikristályos mátrix növekedése során helyüket nem változtatják. A találmány szerinti eljárás foganatosítása során tehát nincsenek olyan külső erők, amelyek az előmintát károsítanák, a hőmérséklet hatására az előminta zsugorodása kisméretű, vagy egyáltalában nem is következik be, az oxidatív reakció feltételei között az előminta eredeti alakja egy adott tűrési mezőn túl nem változik, ezért az oxidatív reakció általában viszonylag nem túl magas hőmérsékletén nagy nyomások és az ezek létrehozásához szükséges költséges berendezések nélkül lehet az összetett szerkezetű kerámia testet előállítani. Igen előnyös vonása a találmány szerinti eljárásnak, hogy a szemcsézett összetett szerkezetek kisnyomású vagy nyomás nélküli szmterelésénél az anyagokkal szemben állított különleges kémiai és fizikai kompatibilitás követelményeket itt egyáltalában nem keO betartani.

A találmány szerinti eljárás foganatosításához szükséges permeábilis szerkezetű előmintát kerámia jellegű és/vagy fémes anyagokból vagy más alkalmas alapanyagokból kiindulva lehet kialakítani. Az alapanyagok jelen lehetnek szemcsés, porszerű, szálas, huzalszerű, drót alakú, tömörítvényként létrehozott, üreges vagy tömör testek formájában, de ugyancsak alkalmazhatók a fémszövetek, a tűzálló anyagból álló szövetek, a szilárd gömbök stb. és ezek kombinációi. Az előminta anyagé': általában megfelelő módon összekötött elemekből is létrehozhatjuk, ahol az elemek között lehetségesek járatok, nyílások, egymással kapcsolódó terek és hasonlók, amelyek biztosítják az előmintának az oxidálóezerrel szembeni permeabilitását valamint,az oxidációs reakció termék behatolásának olyan feltételeit, 'amikor az oxidációs reakciótermék az előminta szerkezetének, konfigurációjának változtatása nélkül növi át a szerkezetet. Az előmintában rácsszeiűen a szerkezetet erősítő rudak, pálcikák, csövek, csövecskék, lemezek, huzalok, gömbök és más szemcsés termékek, lemezkék, huzalkötegek, tűzálló anyagú kerámia szövetek és hasonlók, valamint ezek kombinációi lehetnek, ha a kivánt alakra hozhatók. Az előminta létrehozásában nem feltétel a homogén anyageloszlás biztosítása. A kerámia alapú púderek vagy szemcsés anyagok jól kapcsolhatók alkalmas kötőanyaggal, pl. pohvirúl-aBtoholial, ha a kötőanyag a találmány szerinti eljárás foganatosítása során a keletkező oxidációs reakciótennék tulajdonsáéit kedvezőtlenül nem befolyásolja, illetve a kerámia anyag keletkezése során a végtermék minőségét károsan befolyásoló maradványokat nem hagy maga után. Az előminta anyagát különböző szemcsézettségű frakciókból ugyanúgy ki lehet alakítani, mint azonos .szemcsézettségű anyagokból. Így a szflícium-karbid étvágy alumínium-trioxid esetén a 10... 1000 mesh szemcsézettség! tartomány bizonyult különösen kedvezőnek, de adott esetben ennél finomabb szemcsézettségű anyagok is használhatók. A szemcsézett anyagot kívánság szerint ismert és hagyományos technológiai eljárásokkal önteni lehet, például szerves kötőanyaggal készítünk belőlük keveréket, ezt a zagyszerű anyagot mintába öntjük, majd hagyjuk megkötni és a megkötött mintát megemelt hőmérsékleten kiszárítjuk.

A permeábilis szerkezetű előminta létrehozásához alkalmas anyagoknak lényegében három osztályát különböztethetjük meg.

Az előminta kialakításához felhasználható anyagok egyik alkalmas osztálya azokat a vegyületeket öleli fel, amelyek a kerámia test előállítási folyamatának hőmérsékletén és oxidáló környezetében nem illékonyak, jó termodinamikai stabilitáírt mutatnak és a fém alapanyaggal, annak olvadt állapotában nem lépnek reakcióba, abban nem oldódnak. A szakember az ilyen kritériumoknak eleget tevő anyagok sokaságából tud választani. Jól ismert, hogy alumínium esetében és levegőt vagy oxigén oxidálószerként feltételezve az előminta alkalmas anyaga lehet például fémoxid, mint alumínium-trioxid (AI2O3), kalcium-oxid (CaO), cérium-oxid (CeO₂), hafnium-dioxid (HfO₂), lantán-trioxid (La₂ Os), lítiumoxid (Li₂O), magnézium-oxid (MgO), neodimiumtrioxid (Nd₂O₃), prazeodínium különböző oxidjai, szamárium-trioxid (Sm₂0₃), szkandium-trioxid (ScjOj), tórium-dioxid (ThO₂), urán-dioxid (UO₂), ittrium-trioxid (Y₂O₃) és cirkőnium-dioxid (ZnO₂); ugyancsak alkalmasak erre a célra a magasabb rendű (binér, temér stb.) fémes vegyületek, mint pl. a magnézium—ahimínium-oxid-spinell (MgO*Al₂O₃), valamint a különböző tűzálló vegyületek, anyagok.

A jól használható anyagok második osztályába azok a vegyületek tartoznak, amelyek az oxidatív reakció feltételei és mindenekelőtt nagy hőmérséklete mellett ugyan nem teljes mértékben stabilisak, de degradációs folyamatuk viszonylag lassú kinetikával zajlik, és amelyek az oxidációs reakciótermék növekedése során képesek az előminta anyagaként a keletkező kerámia szerkezetbe beépülni. Ezeknek az anyagoknak egyik tipikus példája a szSicium-karbid (SiC), amely az oxidatív reakció feltételei között - alumíniumot és oxidálószerként oxigént vagy levegőt használta - teljes mértékben oxidálódni

-81 198 430 képes lenne, ha nem alakúba ki rajta a szih'cium-dioxidnak olyan rétege, amely az oxidációs folyamatot lelassítja, esetleg megállítja. A szilicium-dioxidból álló védőréteg hatására a szilícium-karbid részecskék szinterelődnek, egymással összekapcsolódhatnak, és ugyancsak kap- 5 csolódni tudnak az előminta létrehozásához felhasznált esetleges további anyagok részecskéivel.

Az előminta kialakításában jól használható anyagok harmadik osztályát azok alkotják, amelyek termodinamikai vagy kinetikai okoknál fogva nem lennének képesek a találmány szerinti eljárás foganatosításakor alkalmazott oxidatív reakció feltételeit, illetve a megolvasztott fémmel való érintkezést túlélni. Ezek az anyagok azonban módosíthatók úgy, hogy a találmány szerinti eljárás foganatosítása során anyagi minőségüket megőrzik. Az előminta ilyen jellegű anyagát a találmány szerinti eljárás feltételeinek megfelelővé lehet tenni, ha (1) a környezet-oxidatív hatását le csökkentjük, például oxidálószerként H₂/H₂O vagy CO/CO₂ keverékeket 20 használunk, vagy (2) az előminta létrehozásához alkalmazott anyagot olyan bevonattal látjuk el, amely a folyamat feltételei között ezt az anyagot kinetikailag reakcióképtelenné teszi. Ilyan alkalmas bevonóanyag 25 meg. A 18 bemélyedés és a 22 nyílás felületeire adott az alumínium-trioxid. így például karbonszál jól használható az előmintá létrehozására, ha a fém alapanyag alumínium. Ilyenkor a kaibonszálra alumínium-trioxid bevonatot viszünk fel. Ha az oxidatív reakciót levegővel vagy oxigénnel 1250 °C hőmérsékleten folytatjuk le 30 és a karbonszálakkal kialakított előmintát kívánjuk a kerámia mátrix infütráciéjával az összetett szerkezetű munkadarab alapjává tenni, a karbonszál mind az alumíniummal, mind pedig az oxidáló környezettel képes kapcsolatba lépni. Bevonat nélkül a reakció terméke aluminium-karbid, illetve szén-dioxiddá oxidált szénmonoxid, esetleg szén-monoxid lehet. Ha a karbonszálat alumínium-trioxid bevonattal látjuk el, akkor erős oxigéntartalmú oxidálószer alkalmazása mellett is 40 reakciója mind az alumínium fém alapanyaggal, mind pedig az oxidálószerrel elkerülhető. Ebben az esetben az oxidatív reakcióban CO/CO₂ keveréket használva a reakció intenzitása csökkenthető, hiszen ez a keverék a kaibönszálat alig károsítja, míg az alumínium oxidálására jól használható.

A találmány szerinti eljárás foganatosítása során alkalmazott előminta kialakítható egyetlen testként is, de összeállítható több részelemből, amikor is komplex, 50 bonyolult alakú test nyerhető. A kísérletek bizonyították, hogy a polikristályos mátrix szerkezet növekedése szempontjából az előminta alkotóelemeinek szilárd összekapcsolása lényegtelen, ha az előmintát több egymáshoz viszonylag lazán illesztett alkotóelemből hoz- ⁵⁵ zuk létre, a kerámia anyag növekedése az érintkezési felületeken keresztül biztosított, ennek révén egységesen integrális szerkezetű kerámia tennék jön létre.

Az előmintákból álló elrendezést ilyenkor úgy helyez- gQ zük el, hogy az oxidációs reakciótermék a fém alapanyagból kiindulva viszonylag egyenletesen haladhasson keresztül az előminták anyagán, az elrendezést fokozatosan átjárhassa és képes legyen elérni az előmintákból álló elrendezés határfelületét. Ez is mutatja, hogy egy- ⁶⁵ séges szerkezetű összetett felépítésű kerámia munkadarabok gyárthatók a találmány szerinti eljárás segítségével és ennek során olyan alakok biztosíthatók, amelyeket a hagyományos kerámiagyártási eljárások során nem lehet elérni. Ennek megfelelően itt és az igénypontokban, illetve az előzőekben is az előminta fogalmán nemcsak egyetlen testet kell érteni, hanem olyan alkotóelemekből összeállított testet is, amely végül is egymáshoz lazán kapcsolt, illesztett előminták együttesét képezik. Az ilyen több alkotóelemből összeállítható előminta egy lehetséges megoldására az 1. ábra mutat példát. Az itt látható elrendezésben tűzálló any agú 10 kádban semleges anyigból létrehozott 12 ágy van, amely fém alapanyag 14 testét fogadja be. Ennek felső szintjén 18 bemélyedéssel ellátott 16 alsó előminta, illetve ez utóbbit fedő és 22 nyílással ellátott 20 felső előminta van. A 20 felső előminta 21 felső határfelülettel a 12 ágyból kiáll, míg a 18 bemélyedés és a 22 nyílás egymáshoz illeszkedik. A 20 felső előminta tehát úgy kapcsolódik a 16 alsó elő mintához, hogy a 18 bemélyedés és a 22 nyílás körvonalai egymással kapcsolódnak közösen 24 kocka alakú belső nyílást határoznak esetben célszerű lehet gátló elem felvitele, vagyis például alabástromgipsz réteg felhordása, amellyel az oxidációs reakciótennék növekedése korlátozható, elérhető, hogy a 24 kocka alakú belső nyílás felületei teljesen simák legyenek. A fentiekben bemutatott eljárást foganatosítva a fém alapanyag 14 testének anizaga a 16 alsó előminta és a 20 felső előminta anyagát teljesen kitölti, egécn a 21 felső határfelületig, a 16 alsó előmintát és a 20 felső előmintát egymáshoz kapcsolja, közöttük azonb»” a 24 kocka alakú belső nyílás megmarad és megfeleld kialakítás esetén jól hozzáférhető .

Ha az összetett szerkezetű kerámia anyagú munkadarabot az előminta eredeti alakját és méreteit pontosan megőrző módon kívánjuk előállítani, a kerámia mátrix növekedését az előminta meijhatározott felületemet eléréséig kell folytatni. A kerámia mátrix növekedés^ a határfelületen le lehet állítani, esetleg erőte|esen le lehet lassítani vagy szabályozni lehet, amihez a következő lehetőségek állnak rendelkezésre: (1) az előminta térfogatán belül, például szilárd és/vagy folyékony oxidálószer bekeverésével, olyan feltételeket teremtünk, amikor is a kerámia anyag növekedése az előmintán belül sokkal intenzívebb, mint azon kívül; (2) a fém alapanyagnak egy pontosan mej^iatározott mnnyiségét használjuk fel oly módon, hogy azzal a kivánt nagyságú polikristályos szerkezet jöjjön létre, vagyis a fém alapanyag mennyiségének megválasztásakor az oxidációs reakciótermék kivánt térfogatát vesszük fjgyefcfflbe; (3) íz oxidálószer mennyiségét szabályozzuk és szükség szernt korlátozzuk; (4) az előminta felületére olyan gátló anyagot viszünk fel, amely az oxidatív reakció feltételeit lokálisan jelentősen megváltoztatja, például amely a fém alapanyaggal nem nedvesíthető (Dyen anyag pl. az alabástromgipsz); (5) a reakcióhoz szükséges oxidálószert egy adott időpontban eltávolítjuk és/vagy a hőmérsékletet az előzőekben meghatározott és az oxidatív reakcióhoz szükséges tartományon kfvül-91

198 430 re visszük, pl. a fém alapanyag olvadáspontja alá csökkentjük. Az említett tehetőségek közül egyszerre többet is fel tehet használni, de általában a hőmérsékletcsökkentés bizonyult a teghasznosabbnak, miután az anyagot el lehet távolítani a kemencéből. Ennek a fenti (5) jelű lépésnek az a hátránya, hogy a folyamatot ellenőrző személy részéről nagy gyakorlottságot igényel a kerámia mátrix túlnövekedésének megakadályozása.

A találmány szerinti eljárás foganatosítása során kapott Összetett szerkezetű kerámia test általában olyan sűrű koherens termék, amelynek kerámia anyagában az előminta anyaga a polikristályos szerkezettel együtt általában 5...98 tf%-ot foglal el. A fém alapanyagot alumíniumként, az oxidálószert levegőként vagy oxiI génként megválasztva a polikristályos kerámia mátrixban az egymással kapcsolódó alfa-módosulatú alumíniumtrioxid részecskék 60...99 t%-ot képviselnek (a polikristályos mátrix tömegére vonatkoztatva), míg a maradék, tehát 1...40 tf% az oxidatív reakcióból kimaradt fém részaránya.

A találmány szerinti eljárás foganatosítása során igen jó hatással vethetők be a dópoló anyagok. Ezek az oxidációs reakciót kedvezően befolyásolják. A fém alapanyagot kiegészítő dópoló anyagok számos példája ismeretes, és ezek hatása igen sok tényezőtől függ, maga a dópoló anyag egyedül a hatás meghatározásához nem elegendő. Ilyen tényezők például a fém alapanyag minősége, a kívánt végtermék tulajdonságai, a dópoló anyagok választéka, ha több dópoló anyagot használunk, koncentrációik, az oxidálószer minősége, összetétele, valamint a reakció lefolytatásának fettételei.

A dópoló anyago(ka)t általában a fém alapanyag ötvöző összetevőiként visszük be a folyamatba, de ugyanúgy tehetséges az előminta vagy az előminta egy részének kiegészítése a dópoló összetevőkkel. Ez utóbbi esetben különösen célszerű a dópoló anyag bevitele a fém alapanyaghoz közeli zónákba. Maga a dópoló anyag sokféle módon vihető be az előminta szerkezetébe. Az egyik tehetőség a dópoló anyag eloszlatása az előminta anyagának egészében, például a részecskékre felvitt bevonat és/vagy a részecskék közé bekevert külön összetevő formájában, amikor is különösen célszerű a dópoló anyagot az előminta közelében egy rétegben nagyobb mértékben feldúsítani. Az előmintán belül vagy az előminta felületén a dópoló anyag különálló rétegeket alkothat, de ilyenkor szükség szerint belső nyílásokat, járatokat, perforációt, üres tereket és hasonlókat hozunk létre az átjárhatóság biztosítására. Igen hasznos megoldás az is, amikor a dópoló anyagból vagy összetevőkből folyadékot, pl. oldatot készítünk és ezzel az előminta anyagát átitatjuk. A dópoló anyag merev testként elhelyezhető a fém alapanyag és az előminta közötti térben is. Igen célszerű pl. szilicium-dioxid tartalmú vékony üvegréteg elhelyezése a fém alapanyag felületén, hiszen ez alumínium esetén az oxidatív reakciót előnyösen befolyásoló szilíciumnak a reakcióba való bevitelére alkalmas. A fém alapanyagot (ennek belső dópolása pl. ötvözet kialakításával szintén tehetséges) és a dópoló anyagot is tartalmazó együttest oxidatív környezetben adott esetben levegő jelenlétében felhevítjük (alumínium 10 esetében 850...1450 °C, előnyösen 900...1350 °C tartományba eső hőmérsékletet biztosítunk), ezzel a polikristályos kerámia szerkezetet kialakítjuk és azt az előminta szerkezetének infiltrációjával növesztjük. Ha a dópoló anyag a fém alapanyag és az előminta között van elrendezve,a polikristályos kerámia mátrix a dópoló anyag rétegét átnőve hatol be az előminta anyagába, vagyis növekedése során a dópoló anyag rétege végül is felületi réteggé alakulhat át. Az előminta felületéhez illesztve, benne eloszlatva, valamint a fém alapanyaghoz kapcsolva több anyagot is tehet dópolásra használni. A fém alapanyag tulajdonságainak kedvező befolyásolását teszi tehetővé az ötvözés, amikor a dópoló összetevők egy részét ötvöző komponensként visszük be, míg szükség szerint mennyiségüket a felszínen alkalmazott anyagrétegekkel egészítjük ki. Természetesen a fordított módszer is jól használható.

Alumíniumot mint fém alapanyagot és levegőt mint oxidálószert alkalmazva, a dópoló anyagok különösen javasolható példái a magnézium és a cink, amelyek hatásait a továbbiakban leírt egyéb anyagok előnyösen fokozzák. Ezeket a fémeket v agy megfelelő forrásaikat az alumínium alapú kiindulási fémbe ötvöző összetevőként visszük be, részarányuk a létrejövő anyag tömegéhez viszonyítva 0,1...10 t%, mindegyikre külön-külön. A dópoló anyagok koncentrációját általában olyan egyéb tényezőktől függően határozzuk meg, mint a dópoló anyag koncentrációja, az alapanyag, az oxidatív reakció lefolytatásának felt ételei. A megfelelően választott koncentrációban jelen levő dópoló anyag elősegíti a kerámia anyag növekedését, a fémes alapanyag transzportját és hozzájárul ahhoz, hogy az oxidációs reakció eredményeként kapott kerámia anyag növekedési morfológiája kedvező tegyen.

A polikristályos oxidációs reakciótermék növekedését, különösen alumínium alapanyagra épülő és oxigéntartalmú oxidálószerrel, így pl. levegővel létrehozott rendszerekben számos más anyag is képes kedvezően befolyásolni. A hasznos dópoló fémek között van például a szilícium, a germánium, az ón és az ólom, különösen magnéziummal vagy cinkkel kombinálva. Ezeket a fémeket vagy alkalmas forrásaikat az alumínium fém alapanyagba úgy ötvözzük, hogy a kapott anyagban részarányuk kb. 0,5 t% és kb. 15 t% között tegyen. A tapasztalatok azt mutatják a:»nban, hogy a legjobb növekedési kinetikai és növekedési morfológiai hatásokkal akkor tehet számítani, ha ezek a dópoló anyagok az ötvözetben 1.. .10 tf%-os arányban vannak jelen. Az ólom például ugyan hasznos dópoló anyag, de csak nehezen ötvözhető az alumíniumba, ebből a célból legalább 1000 °C hőmérsékletet kellene biztosítani, mivel egyébként oldhatósága alumíniumban nagyon kicsi. Ismert viszont az a megoldás, hogy az ólmot más ötvöző összetevőkkel, különösen ónnal együtt visszük be, ami oldhatóságát jelentősen javítja és biztosítja, hogy ezt az ötvöző összetevőt alacsonyabb hőmérsékleten tudjuk az alumíniumba bevinni.

Az oxidatív reakció feltételeitől függően a fentieknek megfelelően egy vagy több dópoló anyag használható. Ha a fém alapanyag alumínium és az oxidálószer levegő,

-101

198 430 a dópoló anyagok különösen jól használható kombinációi a következők: (a) magnézium és szilícium vagy (b) cink és szilícium. Ezeknél a kombinációknál a magnéziumjavasolt koncentrációja kb. 0,1 t% és kb. 3 t% között van, a cinké a kb. 1 t% és a kb. 61% közötti tartományba esik, míg szilíciumra a kb. 1 t%-tól akb. 101%ig terjedő tartomány bizonyult hasznosnak.

Az alumínium fém alapanyag tulajdonságainak szükség szerinti befolyásolását biztosító további dópoló anyagok példái a nátrium, lítium, kalcium, bór, foszfor és ittrium, amelyek szintén felhasználhatók külön-külön vagy kombinációban egy vagy több dópoló anyaggal is, az oxidálószertől és a folyamat feltételeitől függően. A nátrium és lítium részaránya általában igen kicsi, az esetek többségében legfeljebb 0,1...0,2 ezrelék; ezek külön és együtt vagy más dópoló anyagokkal kombinálva használhatók. A ritkaföldfémek, mint például a cérium, lantán, prazeodímium, neodímium és szamárium különösen más dópoló anyagokhoz keverve szintén jó dópoló anyagok.

Mint már említettük, a dópoló anyagok bevezetésének nem egyetlen módja a fém alapanyag ötvözése. A dópoló anyagot, akár egy vagy több fémes vagy nem fémes összetevőből áll, célszerű lehet vékony rétegben felvinni a fémalapariyag felületére vagy felületének egy részére. Ezzel ugyanis lokálisan lehet a fém alapanyagból keletkező kerámia test növekedését befolyásolni, a kerámia szerkezet polikristáíyos összetevője a kijelölt felületeknél a többieknél erőtelesebben képes az előminta anyagába átnőni. A polikristáíyos szerkezetű kerámia anyag növekedési folyamatát tehát a dópoló anyag lokalizált elrendezésével is elő lehet segíteni, amikor az előminta kijelölt felületénél beépített dópoló anyag hatására az előmintában a kerámia, az anyag növekedése szabályozott módon zajlik. A dópoló anyagot tartalmazó bevonat vagy réteg általában viszonylag vékony, különösen, ha az elkészítendő kerámia termék méreteihez viszonyítjuk és ezért az oxidációs reakciótermék növekedése során hatásosan képes a dópoló anyag rétegén áthatolni, sokkal vastagabb lesz, mint amilyen mélységet a dópoló anyag rétege elfoglal. A dópoló anyag rétegét kialakíthatjuk festéssel, szórással, gőzölögtetéssel, szitanyomással vagy más olyan módszerrel, amely alkalmas a szükséges vastagságú réteg létrehozására. Különösen célszerű a szuszpenziók vagy paszták alkalmazása, de adott esetben a szilárd szemcsés dópoló anyag vagy vékony üvegszerű rétege, esetleg filmje az előminta felületével érintkezve is elhelyezhető. A dópoló anyagban lehetnek szerves vagy szervetlen kötőanyagok, vivőanyagok, oldószerek és/vagy egyéb szerkezeti anyagok. A fém alapanyag felületére febzórt, azzal jól kötődő bevonatot alkotó porszerű dópoló anyag szintén ismert megoldás vagy a porlasztásos felvitel is alkalmazható a felület egészére vagy csak egy részére. A folyékony szuszpenzió, amely vízzel és szükség szerinti szerves kötőanyaggal készült szórással vihető fel a fém alapanyag vagy az előminta felületére, belőle az oldó- és kötőszer nedves összetevőjének elpárologtatása után jól tapadó bevonat alakul ki, amely az előmintának és a fém alapanyagnak a megmunkálás előtti kezelését nem zavaija.

A kívülről felvitt dópoló anyagok általában a felület egy részét borítják, a fém alapanyagon kialakított egysége; vastagságú réteg formájában. A tapasztalat szerint a dópoló anyag mennyisége igen széles értéktartományban változhat, pl. fém alapanyagként alumíniumot használva a kísérletek során nem sikerült olyan alsó vagy felső határt meghatározni, amely alatt, illetve fölött a dópoló anyag hatása nem lenne észlelhető. így pl. alumíniumot és magnéziumot tartalmazó fém alapanyag esetiin, ha az oxidálószer levegő vagy oxigén, a szilíciuni-dioxid réteg alkalmas arra, hogy szilícium forrása légy m. Az egyik mérés szerint a fém alapanyag minden grammjára viszonyított 0,00003 g szilícium, vagy ami ezzel egyenértékű, a fém alapanyag felületének minden négy zetcentiméterére felvitt 0,01X11 g szilícium megfelelő dópoló hatást fejt ki. Ebben az esetben a dópoló anyagot a felület egészére vagy csak egy részére visszük fel e s a felületi részarány a dópoló anyaggal bevont felületre vonatkozik. Egy másik kísérletben alumíniumot és szili :iumot tartalmazó fém alapanyagból oxigén vagy levegő mint oxidálószer jelenlétében alakítottunk ki kerámia struktúrát és azt találtuk, hogy a magnézium, min: dópoló anyag magnézium-oxid (MgO) formában már a fém alapanyag minden grammjára számított 0,0CO8 körüli mennyiségben, vagy ami ezzel egyenértékű, a magnézium-oxiddal bevont felület minden négy zetcentiméterére felvitt kb. 0,003 g magnézium a kívánt hatást kifejtette. Úgy tűnik, hogy a dópoló anyagok mennyiségének növelése egy bizonyos határig az öszszet ;tt szerkezetű kerámia test előállításához szüksége^1, reakció időtartamát csökkenti, de ez a hatás nem egyértelmű, függ a dópoló anyag minőségétől, a fém alapanyagtól és az oxidativ reakció feltételeitől.

Ha a fém alapanyag alumínium, amelyet belülről magnéziummal dópohmk, míg oxidáló közegként levegőt vagy oxigént választunk, a melegítés során a kb. 820 °C és kb. 950 °C közötti hőhérséklet-tartományban a magnézium egy része oxidként kivált az ötvözetnek tekinthető fém alapanyagból. Ilyenkor a megolvasztott alumínium felszínén a magnéziumból mint dópoló öszszet3vől részben magnézium-oxidot és/vagy magnéziumahininát-spinellt tartalmazó fázis alakul ki, amely a kerámia szerkezetű anyag növekedési folyamatában megőrzi eredeti helyét, azaz a fém alapanyagon mintegy „iniciáló felületet” képez. Ez végül is a kapott kerámia anyagú munkadarab felszíni oxil alakú rétegét képezi, így a magnéziummal dópolt rendszerek egy részében az .dumínium-trioxid bázisú kerámia mátrix a munkadarab teljes térfogatát egy viszonylag kis résztől, a ma&nézium-ahiminát-spinellből álló iniciáló felülettől eltekintve tölti ki. Ez a felület szükség esetén viszonylag könnyen eltávolítható, pl. csiszolással, ismert anyagmegmunkálási technikákkal, poürozással vagy homokfúvással.

A találmány tárgyát a továbbiakban példakénti fog! natosítási alakok kapcsán mutatjuk be még részletesebben, ahol a példák inkább a lehetőségekre kívánΠ

-111

198 430 ják felhívni a figyelmet, semmint útmutatásul szolgálni konkrét feladat megoldására.

1. példa

A következőkben a 2.-5. ábrákra hivatkozunk, amelyekben ugyanazokkal a számokkal azonos részelemeket, összetevőket jelöltünk. A példa foganatosításakor a cél a 2a. és 2b. ábrán látható 30 előminta alapján az

5. ábrán fényképen bemutatott kerámia anyagú 38 lánckerék előállítása volt. A 30 előminta külső átmérője 76(2 mm, vastagsága 4,8 mm volt, benne kulcsnyílással ellátott 31 központi nyílás volt a kulcsnyílástól eltekintve kör alakban létrehozva. Az előminta létrehozásához szilícium-kaibid kiindulási anyagot választottunk. Ebből 80 tömeg%-ot 20 tömeg% szerves kötőanyaggal kevertünk ki. Az egyenletes eloszlású keverékben a szilícium-kaibid 70 t%-a 500 mesh és 30 t%-a 220 mesh szemcsézettségű frakciókból állt. A szerves kötőanyag Elmer-féle ragasztó enyvés víz 4:1 arányú keveréke volt. Az igy kapott nyersanyagot szilikongumiból készült öntőmintába juttattuk, majd hagytuk megkötni. A meO rév szerkezetű 30 előmintát ezt követően az öntőmintából kinyertük.

Az előmintát 33 felületén keresztül 76,2 mm átmérőjű hengeres 32 lemezre helyeztük, amely a fém alapanyagot szolgáltatta. A 32 lemez 380.1 jelű, a Belmont Metals Inc. cég által gyártott alumíniumból készült, amelyet 6 t% ólommal ötvöztünk. A 380.1 jelű alumínium ötvözet összetételét a gyártómű a következőkben adja meg: 8...8,5 t% szilícium, 2...3 t% cink és 0,1 t% magnézium mint aktív dópoló összetevő, továbbá 3,5 t% réz, valamint vas, mangán és nikkel; az általunk végzett mérések szerint egyes mintákban a magnézium részaránya 0,17...0,18 t%-ot is elért. A 32 lemeznek a 30 előmintától távolabbi lapjánál 34 tuskót helyeztünk el, amely szintén a 380.1 jelű alumíniumból készült és mennyisége akkora volt, hogy a 32 lemez 28 felületén keresztül biztosítani tudta az elfogyó fém alapanyag utánpótlását. A 32 lemez és a 34 tuskó együttesen 100 gramm tömegű volt. Az igy kapott elrendezést, vagyis a 3. ábrán látható módon elrendezett, alumínium ötvözetből készült 34 tuskót és hengeres alakú 32 lemezt, valamint a 30 előmintát minden szabad felületén a Bondex International (St. Louis) által gyártott és 35 t% kalcium-karbonátot tartalmazó alabástromgipsz vizes masszájával borítottuk be, aminek feladata az előminta által meghatározott határfelületen túl a kerámia mátrix keletkezésének megakadályozása, fgy a 3. ábrának megfelelően az elrendezést 35 bevonat vette körül, amelynek alabástromgipsz anyagát hagytuk megkötni, majd az így kapott együttest alumínium-trioxid részecskékből álló 36 ágyba helyeztük (4. ábra). A 36 ágy anyaga a Norton Co. 90 mesh szemcsézettségű El Alundum jelű terméke volt, amelyet tűzálló anyagú 37 edénybe helyeztünk.

A 4. ábrán bemutatott elrendezést levegő jelenlétében 250 °C/óra hőmérsékletváltoztatási ütem mellett 200 °C hőmérsékletről indulva 1000 °C hőmérsékletre hevítettük, majd az oxidatív reakciónak ezt a hőmérsékletét 66 órán keresztül tartottuk, miközben a levegő 12 utánpótlását biztosítottuk. Ezt követően a kemencét ugyanilyen hőmérsékletváh oztatási sebesség mellett lehűtöttük és a kb. 600 °C hőmérsékletű mintát belőle kinyertük. A kemencéből kinyert együttes vizsgálata azt mutatta, hogy a szilicium-karbid részecskéket az alumínium te|es mértékben magába fogadta, kialakult a kívánt alakú lánckerék, amelynek felületét a gátló anyagként használt alabástromgipsz határozta meg. A röntgendiffrakciós vizsgálatok tanúsága szerint a keletkezett kerámia szerkezetű termékben az ahrmínium-trioxid alfa módosulatú mátrixa alkotta azt a vázszerkezetet, amely az előminta anyagát átjárta. A lánckerék 33 felületén az alumínium feleslege, ezen túlmenően az alabástromgipsz rétege mechanikai eszközökkel könnyen eltávolithatónak bizonyult. Mint az az 5. ábrán is látható, a 38 lánckerék kerámia anyaga nagy hűséggel követte a 30 előminta alakját, a lánckeiék anyagának átlagos keménysége a Rockwell-féle skálán 793 volt.

2. példa

Két előmintát készítettünk, mindegyiket 95 t% alumínium-trioxidot (a Norton Co. 90 mesh szemcsézettségű E38 Alundum jelű termékét és 5 t% szüíciumdioxidot tartalmazó alapanyagból. Az előmintákat

63,5 mm oldalélű négyzetes keresztmetszettel és 6,4... 93 mm vastagsággal alakítottuk ki, mégpedig úgy, hogy az alumínium-trioxid részecskéket először a FMC Co. által gyártott Avecü PH-105 jelű szerves kötőanyagával kevertük ki, majd a keveréket 5,5· 10⁷ Pa nyomáson a kívánt alakra hoztuk és az így kapott terméket 1375 °C hőmérsékleten 24 órán keresztül hevítettük. Mindkét előmintát a Norton Co. 24 mesh szemcsézettségű E38 Alundum jelű alumrnium-trioxidjából készült ágyba és ezen keresztül tűzálló edénybe helyeztük. Mindkét előminta felületére 50,8 mm oldalélű négyzetes keresztmetszetű és 12,7 mm vastag alumínium tömböt helyeztünk, ezek voltak a fém ala panyag forrásai. Az egyik előmintára 99 t% tisztaságú alumíniumból, míg a másik előmintára az 1. példában leírt névleges összetételű, tehát ólommal nem ötvözött 380.1 jelű alumíniumból álló blokkot raktunk.

Az így kapott elrendezéseket 900 °C hőmérsékletre hevítettük, mégpedig levegő jelenlétében és ezt a hőmérsékletet 36 (kán keresztül tartottuk. Ez az idő teljes mértékben elegendőnek bizonyult ahhoz, hogy az alumínium oxidálásával az előmintákat a fém alapanyaggal szembeni határfelületig átjáró, a röntgendiffrakciós szerkezeti elemzés tanúsága szerint az alumínium-trioxid alfa módosulatából létrejövő kerámia mátrix járja át. Az igy kapott termékek keresztmetszetét a 6a. és 6b. ábra mutatja. A 99 t% tisztaságú alumíniumból kapott 45 test, illetve a 380.1 jelű alumínium ötvözetből előállított 47 test az előtúrnia térfogatát teljesen kitöltő és az alumínium-trioxid alfa módosulatából álló kerámia mátrix alapján épült fel. A kerámia mátrix túlnövése az alumínium-trioxidból álló ágyra támaszkodó felületen volt megfigyelhető és a két rendszer esetében eltérő mértékű volt. A 99 t% tisztaságú alumínium felhasználásával előállított minta esetében az előmintán túl kifejlődő kerámia anyag mennyisége elhanyagolhatóan

-121

198 430 kicsi volt, a túlnövést viszonylag könnyen el lehetett távolítani fémmegmunkáló szerszámmal vagy csiszolással. Ezt a tényt a 6a. ábra bizonyítja, ahol az alumíniumtrioxid ágyra támaszkodó 46 felület viszonylag egyenletes. A 380.1 jelű ötvözet alapján elkészített kerámia anyagú test esetében láthatóan a fém alapanyag oxidatív reakciója gyorsabban folyt le, az előminta anyagát a kerámia szerkezet teljesen átjárta és az alumínium-trioxid anyagú ágyba 48 felületén a kerámia mátrix jelentős túlnövekedése következett be. Ez a példa bizonyítja, hogy a reakció fekételeinek beállításával elérhető, hogy a kerámia mátrix az előminta meghatározott felületein túlnővően ne alakuljon ki.

3. példa

A 7a., 7b. és 7c. ábrán bemutatott 50 előmintát készítettük el, amely felülnézetben trapézszerű, 51 oldalfelülete 214 mm széles és 63,5 mm magas, ezzel szemben 52 négyszögletes felülete van, amely 219 mm széles és 693 mm magas, míg az 50 előminta vastagsága 44,5 mm vök. Az előmintát 32 t% alumínium-trioxidot (a Norton Co. E67 Alundum jelű, 1000 mesh szemcsézettségű termékét) , 35 t% 500 mesh szemcsézettségű szilíciumdioxidot, 0,5 t% szilíciumot, az előminta kialakításához felhasznált vízben előzetesen feloldott anyag formájában 0,5 t% nátrium-sziikátot és 32 t% Greencast 94 jelű kötőanyagot (az AJP.Green Refractories Co., Mexikó legfeljebb 100 mesh szemcsézettségű termékét) tartalmazó keverékből készkettük el. Ezt a keveréket nátriumsziikátot oldatban tartalmazó vízzel kevertük ki és a kapott zagyot a kívánt geometriájú öntőmintába tököttük. Levegőn hagytuk a keveréket megkötni, majd ekávolitottuk az öntőminta tartalmát és így a merev trapézszerű testet alkotó 50 előmintát nyertük. Az előminta 52 négyszögletes felületén „LANXIDE” feliratot készkettünk (7b. ábra), majd az előmintát levegő jelenlétében 1 órán keresztül 1000 °C hőmérsékleten kiégettük.

A kapott előmintákat 5052 jelű, a kereskedelemben hozzáférhető és a specifikáció szerint 2,5 t% magnéziumot_?továbbá 1 t% egyéb fémet, mint vas, króm, szilícium és réz tartalmazó alumínium ötvözettel hoztuk kapcsolatba. Ugyanilyen előmintát 99 t% tisztaságú alumíniummal is kapcsoltunk, ahol a fém alapanyagokat

215,9 mm hosszú, 63,5 mm széles és 12,7 mm vastag rudak alakjában használtuk fel. A tiszta alumíniumból készült rudat a két 5052 jelű alumíniumból álló rúd közé helyeztük, majd az elrendezést tűzálló anyagú edényben 24 mesh szemcsézettségű szilícium-karbid részecskékből kialakított vékony rétegre helyeztük. A trapéz alakú előminta az alumíniumból készült rudak felszínére került úgy, hogy az 51 oldalfelület az alumínium ötvözetből készült rudak 215,9 mmX 63,5 mm méretű felületével volt teljes mértékben kapcsolatban, vagyis az előmintát végeredményben a fém támasztotta alá.

Az (gy kapott elrendezést a tűzálló anyagú edényben 14 mesh szemcsézettségű szilícium-karbid részecskékkel fekököttük, mégpedig úgy, hogy az alumínium fém alapanyagot ez a töltőanyag teljesen borította, de az előminta öt felülete szabadon maradt, tehát az alumíniummal nem érintkező részeken az előmintához a levegő szabadon hozzá tudott férni.

A tűzálló anyagú edényt az előmintákkal együtt a kemencébe helyeztük, ahol a levegő utánpótlásának biztosítása mellett hevítettük. Az oxidatív reakció 1000°C hőmérsékletét 5 órás felmelegítéssel értük el, majd a beállított hőmérsékletet 144 órán keresztül tartottuk. Ezt követően a kemence belső terét lehűtöttük, a szobahőmérséklet elérése után újból 1000 °C hőmérsékletre felmelegítettük és ezt a hőmérsékletet még 6 órán át tartottuk, és ezzel az elömintt anyagának átjáratását a kerámia mátrixszal teljessé tettük.

A megolvadt fém alapanyag az oxidálószerrel érintkezett, vagyis az alumínium a le vegőben jelen levő oxigénnel és a szüícium-dioxidból felszabaduló oxigénnel reál:dóba lépett, ennek eredményeként az alumíniumtrioxid alfa módosulatú mátrixa alakult ki, amely teljes mértékben átjárta az előmintát, az abban felhasznált anyagok részecskéit magába fogadta. A kerámia mátrix kialakulása az előminta felületéig történt meg, a felület kijelölte azt a határt, ameddig a kerámia mátrix létrejött, Az eljárás foganatosításával kapott összetett szerkezetű kerámia anyagú 53 munkadarab az előminta alakját teljes mértékben követte, a rajta levő felirat (7 c. ábra) nagy hűséggel volt reprodukálható és a kerámia mátrix a határfelületeken csak elhanyagolható mértékben nőtt túl.

Az előzőekben elmondottak azt bizonyítják, hogy a találmány szerinti eljárás foganatosítása során az előminta összetételének megválasztásával biztosítható, hogy a kerámia szerkezet csak a kijelölt határfelületekig növekedjen. Ez a megoldás biztosítja, hogy a túlnövekedés csak minimális mértékű lehessen, hiszen az 53 munkadarab az 50 előminta trapézszerű alakját nagy hűségg' adtí vissza és ez máselőmintáknál is biztosítható.

Az előzőekben a találmány szerinti eljárást néhány példa bemutatásával ismertettük részletesen. Nyilvánvaló azonban, hogy ezek csak példakénti lehetőségeket mulatnak be, szakember az itt foglalt kitanítás alapján számos további foganatosítási lehetőséget tud találni.

Claims (32)

1. Szabadalmi igénypontok

   1. Eljárás önhordó szerkezetű, kerámia anyagú, alakos munkadarab előállítására, amikor is fém alapanyagot oxidálószerrel - melynek a reakdó hőmérsékletén gáz halmazállapotó összetevője is van - oxidatív reakcióba viszünk és a reakdó eredményeként kapott anyag alapján a munkadarab felületét meghatározó felülettel határolt térben kerámia szerkezetű anyagot alakítunk ki, azzal jellemezve, hogy a fém alapanyag legalább egy részéhez legalább egy, az előállítani kívánt munkadarabnak megfeleld mintafelülettel kialakított, permeábilis szerkezetű előmintát illesztünk, a fém alapanyagot az életmintával érintkezésben tartva a fém alapanyag olvadáspontját neghaladó, de az oxidálószerrel létrejövő oxidációs reak dótermék olvadáspontja alatt maradó hőmérsékleten, szükség szerint a hőmérséklet szabályozása mellett, megolvasztjuk, a megolvasztott fém és az oxidálószer között az oxidatív reakdót lefolytatjuk, a fémből kialakuló oxidációs reakcióterméknek legalább egy részét az oxidálószer és a megolvadt fém alapanyag között, mindkettővel érintkezésben tartjuk, ezzel a fém ahp13

   -131

   198 433 anyagból az oxidációs reakcióterméknek az oxidálószer gáz vagy gőz halmazállapotú összetevőjével kitöltött gáztér felé legalább részben a mintafelülettel kijelölt térben növekvő rétegét az oxidálószerrel reakcióba vitt fém alapanyagból létrehozzuk, aminek révén a fém alapanyag és az oxidálószer közötti oxidációs reakciótermékből, valamint előnyösen a fém alapanyagból és szükség szerint a kerámia anyag létrehozásához felhasznált egyéb anyagokból származó egy vagy több fémes összetevőből álló, kerámia mátrixra épülő polikristályos szerkezetű anyagot állítunk elő, majd a reakciót a polikristályos szerkezetű oxidációs reakcióterméknek az előmintán keresztül az előállítani kívánt munkadarab felületét meghatározó mintafelületig történő növekedéséig, és az előmintának az oxidációs reakciótermékkel való kitöltéséig folytatjuk.
2. 2. Az 1. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy fém alapanyagként alumíniumot vagy alumíniumötvözetet választunk.
3. 3. Az 1. vagy 2. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy az oxidálószer gáz vagy gőz halmazállapotú összetevőjeként oxigéntartalmú gázt, különösen levegőt, vagy nitrogéntartalmú gázt választunk.
4. 4. Az 1. vagy 3. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy fém alapanyagként szilíciumot, titánt, ónt, cirkóniumot vagy hafniumot választunk.
5. 5. Az 1.-4. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy az oxidálószer gáz vagy gőz halmazállapotú összetevőjeként az oxidativ reakció feltétételei között gáz vagy gőz halmazállapotba vihető illékony anyagot, vegyületet, elemet vagy keveréket használunk, amelyet különösen oxigéntartalmú gázzal, nitrogéntartalmú gázzal, halogén elemmel, kénnel, foszforral arzénnel, szénnel, bórral, szelénnel, tellúrral, metánnal, etánnal, propánnal, acetilénnel, etilénnel, propilénnel, levegővel, H₂/H₂O, illetve CO/CO₂ keverékkel hozunk össze.
6. 6. Az 1 .-4. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy oxidálószerként levegőt választunk.
7. 7. A 2.-5. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy oxidálószerként levegőt választunk és az oxidativ reakciót 900 °C és 1350 °C közötti hőmérsékleten folytatjuk le.
8. 8. Az 1.-7. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy az oxidálószer gáz vagy gőz halmazállapotú összetevőjeként H₂/H₂O keveréket vagy CO/CO₂ keveréket választunk.
9. 9. Az 1.-8. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy az oxidálószer egyik összetevőjeként formázó gázt használunk.
10. 10. Eljárás önhordó szerkezetű kerámia anyagú, alakos munkadarab előállítására, amikor is fém alapanyagot oxid ál ószerrel - melynek a reakcióhőmérsékletén gáz halmazállapotú összetevője is van — oxidativ reakcióba viszünk és a reakció eredményeként kapott anyag alapján a munkadarab felületét meghatározó felülettel határolt térben kerámia szerkezetű anyagot alakítunk ki, azzal jellemezve, hogy alumínium fém alapanyagnak 14 legalább egy részéhez, legalább egy, az előállítani kívánt munkadarabnak megfelelő mintafelülettel kialakított permeábilis szerkezetű előmintát illesztünk, az alumínium fém alapanyaghoz dópoló összetevőt adagolunk, azt a fém alapanyagba ötvöző komponensként beötvözzük és/vagy az alumínium fém alapanyag felületére felvisszük és/vagy az előminta anyagába bevisszük, az alumínium fém alapanyagot az előmintával érintkezésben tartva a 850 °C és az 1450 °C közötti, célszerűen a 900 °C és az 1350 °C közötti tartományba eső hőmérsékleten megolvasztjuk, a megolvasztott fém alapanyag és az oxidálószer között az oxidativ reakciót lefolytatjuk, a fémből kialakuló alumínium-trioxid anyagú oxidációs reakcióterméknek legalább egy részét az oxidálószer és a megolvasztott alumínium fém alapanyag között, mindkettővel érintkezésben tartjuk, ezzel az alumínium fém alapanyagból az ahimínium-trioxidnak mint oxidációs reakcióterméknek az oxidálószerrel kitöltött gáztér felé legalább részben az előminta felületével kijelölt téren keresztül növekvő rétegét az oxigéntartalmú gáz tlakú oxidálószerrel reakcióba vitt alumínium fém alapanyagból létrehozzuk, aminek révén a fém alapanyag és a oxidálószer oxidációs reakciótermékéből, valamint, előnyösen alumíniumból és szükség szerint a benne jelen levő, illetve a dópoló anyagból származó egy vagy több fémes összetevőből álló, kerámia mátrixra épülő polikristályos szerkezetű anyagot állítunk elő, majd a reakciót a polikristályos szerkezetű oxidációs reakcióterméknek a permeábilis szerkezetű előmintán keresztül az előállítani kívánt munkadarab felületét meghatározó mintafelületig történő növekedéséig és az előrüntának az oxidációs reakciótermékkel való teljes k költéséig folytatjuk.
11. 11. Az 1 .-10. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy az előminta térfogatának legalább egy részében az oxidativ reakció feltételei között folyékony vagy szilárd halmazállapotú oxidáló összetevőt viszünk be az előminta anyagába, a megolvasztott fém alapanyagot ezzel az összetevővel, mint kiegészítő oxidálószerrel oxidativ reakcióba visszük és ezzel a fém alapanyag és a kiegészítő oxidálószer közötti oxidativ reakció termékét is tartalmazó polikristályos szerkezetű kerámia anyagot állítunk elő.
12. 12. A 11. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a kigészítő oxidálószerként szilícium-dioxidot.bórt vagy redukálható bórvegyületet választunk.
13. 13. Az 1.-12. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy az előmintát üreges testecskékből, szemcsékből, porokból, szálakból, fonalakból, golyókból, tömörítvényekből, gömböcskékből, fémgyapotból, lemezekből, huzalokból, rudacskákból, pálcikákból, huzalszövetből, golyócskákból, lemezkékből, pillétekből, hengeres teste ekékből, tűzálló anyagú szálakból készült anyagokból, tablettázott anyagból és az említettek keverékéből alakítjuk ki.
14. 14. Az 1.-13. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy az előmintát egy vagy több fém egy vagy több oxidját tartalmazó anyagként hozzuk létre, ahol a fémet vagy a fémeket alumínium, cérium, hafnium, lantán, neodímium, prazeodímium, szamárium,

    -141

    198 430 szkandium, tórium, urán, ittrium és cirkónium közül választjuk.
15. 15. Az 1.-14. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy az előmintát alumínium-trioxid, szilícium-karbid, szilícium—alummium-oxinitrid, cirkó- 5 nium-dioxid, bárium-titanát, bór-nitrid, szilícium-nitrid, magnézium-aluminát, vasötvözet, vas-króm-alumíniumőtvözet, valamint alumínium közül legalább egyet, vagy a felsoroltak valamilyen keverékét tartalmazó anyagból hozzuk létre.
16. 16. Az 1.-14. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy az előmintát szflícium-dioxidból, szilícium-karbidból, aluminium-trioxidból, vagy ezek valamilyen keverékéből alakítjuk ki. 15
17. 17. A 13.-16. igénypontok bármelyike szerinti élj árás, azzal jellemezve, hogy az előmintát 10 mesh és 1000 mesh közötti szemcsézettségű szemcsés anyagból alakítjuk ki.
18. 18. Az 1 .-17. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy az előminta anyagába az oxidatív reakció feltételei között anyagi integritását legalább korlátos ideig megőrző bevonattal ellátott karbonszálat keverünk. 25
19. 19. Az 1 .-18. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy az előminta térfogatán belül a környezetéhez viszonyítva az oxidatív reakció számára kedvezőbb kinetikai feltételeket hozunk létre, ezzel a kerámia anyagú mátrix növekedését az előminta térfogatán belül intenzifikáljuk, míg a rajta kívül eső területen, a mintafelületen túl minimalizálj uk.
20. 20. Az 1—19. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a fém alapanyaggal kapcsolódóan 35 legalább egy dópoló anyagot alkalmazunk kiegészítő összetevőként.
21. 21. A 20. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a dópoló anyagot ötvöző összetevőként a fém alapanyagba visszük be. 40
22. 22. A 20. vagy 21. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a fém alapanyag felületére legalább egy dópoló anyagot tartalmazó réteget vistzük fel él az oxidációs reakcióterméket a dópoló anyagot tartalmazó rétegen túlnővően, annál sokkal nagyobb mélységig növesztve állítjuk elő.
23. 23. Az 1 .-22. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy legalább egy dópoló anyagot az előminta anyagát kiegészítő komponensként alkalma- 50 zunk.
24. 24. A 10.-23. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a dópoló anyagot két vagy több összetevőből alakítjuk ki, ahol az összetevőket, mint magnéziumot, cinket, szilíciumot, germániumot, ónt, ólmot, bőrt, nátriumot, lítiumot, kalciumot, foszfort, ittriumot és valamilyen ritkaföldfémet elemi formában, vagy⁷ az adott elem felszabadítására alkalmas vegyületként alkalmazzuk.
25. 25. A 24. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy ritkaföldfémként lantánt, cériumot, prazeodímiumot, neodímiumot vagy szamánumot alkalmazunk dópoló összetevőként.
26. 26. A 10.-25. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azztl jellemezve, hogy a poükristályos szerkezetű kerámia anyagot a fém alapanyag, a dópoló anyag és az oxidálószer között lezajlott reakció eredményeként keletkezett spinellt tartalmazó iniciáló felülettel alakítjuk ki.
27. 27. A 26. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a dópoló anyagot magnéziumként, a fém alapanyagot alumíniumként, mig az oxidálószert oxigéntartalmú gázként visszük reakcióba.
28. 28. önhordó szerkezetű, kerámia anyagú, alakos tnunkadrrab, amely oxidatív reakció eredményeként fém alapanyagból létrejött polikristáiyos szerkezetű kerámia anyagból van kialakítva, azzal jellemezve, hogy a kerámia anyag legalább egy meghatározott, a munkadarab alakjának megfelelő mintafelülettel létrehozott előminta inffltrációjával van kialakítva, ahol a kerámia mátrix fém alapanyag és oxidálószer között a fém alapanyag olvadáspontját meghaladó, de a közte és az oxidálószer közötti reakcióban kialakuló oxidációs reakciótermék olvadáspontja alatt maradó hőmérsékleten végrehajtott oxidatív reakcióban keletkezett polikristáiyos anyagból és a gáz vagy gőz halmazállapotú oxilálószer jelenlétében lezajló reakcióból kimaradt egy vagy több fémes összetevőből és/vagy üres terekből áll, inig a polikristáiyos szerkezetet egymással kapcsolódó krisztalHtok alkotják.
29. 29. A 28. igénypont szerinti munkadarab, azzal jetemezve, hogy a fém alapanyag alumínium.
30. 30. A 28. vagy 29. igénypont szerinti munkadarab, azzal jellemezve, hogy az oxidációs reakcióterm& alf»módosulatú alumínium-trioxidot tartalmaz.
31. 31. A 28.-30. igénypontok bármelyike szerinti munkadarab, azzal jellemezve, hogy az oxidatív reakcióból kimaradt fémes összetevők részaránya a kerámia mátrixhoz viszonyítva 1. 40 tf%.
32. 32. A 28.-31. igénypontok bármelyike szerinti munkadarab, azzal jellemezve, hogy az előminta kerámia mátrixszal átjárt szerkezete szüícium-dioxidböl, szát ciuimkarbidból vagy aluminium-trioxidból, illetve eaak vak milyen keverékéből álló szemcsés anyagból ésfagy alakos termékekből van kialakítva.