HU204241B - Process for producing self-carrying ceramic product of fine microstructure - Google Patents

Description

A találmány alumínium alapiéin és oxigéntartalmú, gőzfázisú oxidálószer oxidációs reakciótermékeként képződő, egy vagy több átmenetifém hozzáadása következtében finom mikroszerkezetű, önhordó kerámiatestek előállítási eljárására vonatkozik.

Az utóbbi években a korábban használt fémek helyett növekszik a kerámiák szerkezeti anyagként való alkalmazása· Ez leginkább annak köszönhető, hogy a kerámiák hizonyos tulajdonságai, elsősorban például a korróziós ellenállásuk, keménységűk, rugalmassági modulusuk, túzállőságuk sokkal jobbak, mint a fémek hasonló tulajdonságai.

Az erősebb, megbízhatóbb, keményebb kerámiák előállítására irányuló, jelenlegi törekvések célja:

1. monolitikus kerámiák korábbiaknál jobb előállítási eljárásának kifejlesztése;

2. új, összetett anyagok, nevezetesen összetett kerámiaszerkezetek (kerámia mátrix készítmények) előállítása.

Az összetett kerámiaszerkezetek két vagy több különböző, az összetett kerámiaszerkezetkívánt tulajdonságainak eléréséhez megfelelően kombinált anyagot, úgy kombinálható megfeleően, ha egyik anyag állománya beépül a másikéba. Az összetett kerámiaszeikezeíek,álíalában egy vagy több, különböző fajta töltőanyagot, mint például szemcsés, szálas vagy rúd alakú

Afémek kerámiákkal való helyettesítésének számos, ismert akadálya vagy nehézsége van, mint például a rétegképződés változékonysága, a komplex forma kialakítás nehézségei, a végtermék felhasználásával kapcsolatos követelmények, valamint a költségek.

Számos, ugyancsak a tulajdonunkban lévő, bejelentett, függő szabadalmi leírásban (a továbbiakban közös szabadalmi bejelentések) ismertetnek olyan űj, megbízható kerámia anyag - többek között összetett kerámiaszericezet - előállítási eljárásokat, amelyek legyőzik ezeket az akadályokat, illetve nehézségeket.

Találmányunk tárgya kapcsolódik a 818 943 számú, 1986. január 15-én bejelentett, függő, közös, amerikai egyesült államokbeli szabadalmi leírás tárgyához, amely bejelentés folytatása („continuation-in-pait”) az 1985. szeptember 17-én bejelentett, 776964 számú szabadalmi bejelentésnek, és ez folytatása az 1985. február 26-án bejelentett, 705787 számú szabadalmi bejelentésnek; ami folytatása az 1984. március 16-án bejelentett 591392 számú szabadalmi bejelentésnek. Fenti szabadalmi bejelentések mindegyikét Marc S. Newkiik és munkatársai tették „Új kerámia anyagok és ezek előállítási eljárása” címen. Ezek a szabadalmi bejelentések valamilyen alapfém prekurzor oxidációs termékéként létrehozott önhordó kerámiatestek előállítási eljárásra vonatkoznak. Az eljárás során olvadt fémet reagáltatunk gőzfázisú oxidálószerrel, így oxidált reakdótennék keletkezik. A fém az oxidált terméken keresztül az oxidálószer irányába vándorol, így olyan folyamatos növekvő, polikristályos kerámiatest alakul ki, amelyben összefüggő fémkomponens van. Az eljárást, mint például az alumínium alapfém levegővel történő oxidációját módosíthatjuk valamilyen ötvözet adalékanyag alkalmazásával, mint például alumínium alapfémet ötvözhetünk magnéziummal és szilíciummal. Azt az eljárást, amelyben a prekurzor alapfém 5 felületére kívülről alkalmazzuk az adalékanyagot, az 1986. január 27-én bejelentett, függő, közös, 822999 számú, amerikai egyesült államokbeli szabadalmi leírásban ismertetjük, amely folytatása („continuationin-parf’) az 1985. szeptember 17-én bejelentett,

776 965 számú szabadalmi bejeleutésnék, ez folytatása az 1985. június 25-én bejelentett, 747788 számú szabadalmi bejelentésnek, és ez folytatása az 1984. július 20-án bejelentett 632 636 számú szabadalmi bejelentésnek. Ffenti szabadalmi bejelentések mindegyikét 15 Marc S. Newkirk és munkatársai tették „Eljárás önhordó kerámia anyagok előállítása címen.”

Kerámiatestek oxidációs úton történő előállítására vonatkozik továbbá az 1986. január 17-én bejelentett, függő, közős, 819397 számú, amerikai egyesült álla20 mokbeli szabadalmi bejelentés is, ami folytatása az 1985. február 4-én bejelentett 697 876 számú szabadalmi bejelentésnek. Mindkét bejelentést Marc S. Newkirk és munkatársai tették „Összetett kerámia termékek előállítási eljárása” címen. Ezekben a szabadalmi leírá25 sokban olyan új, önhordó kerámia készítmények előállítására szolgáló eljárást ismertetnek, amely során az oxidált reakciőtermék az alapfémtől kiindulva az áteresztő töltőanyagba növekedve alakul ki.

Az így kapott, összetettkerámiaszefkezetekgeomet30 riája, formája, kialakítása azonban nem meghatározott vagy előre meghatározott.

Előre meghatározott formájú, összetett kerámiaszerkezetek előállítási eljárását ismertetjük az 1986. május 8-án bejelentett, közös, függő, 861025 számú amerikai 35 egyesült államokbeli szabadalmi leírásban. Ebben a leírásban olyan eljárást ismertetünk, amelyben a kialakuló oxidációs reakciőteimék meghatározott felületi határréteg irányába haladva áteresztő előformába szívódik fel. Felismertük, hogy a forma jobban követhető, ha az előformát gátló anyagokból készítjük, amint azt az 1986. május 8-án bejelentett, 861024 számú, közös, függő, amerikai egyesült államokbeli szabadalmi leírásban ismertetjük. Ebben az eljárásban olyan, formált, önhordó kerámiatesteket, többek között összetett 45 kerámiaszeikezeteket állíthatunk elő, amelyben az alapfémből képződő oxidációs reakciőtermék növéke- <

. dése a fémhez képest meghatározott helyen elhelyezett, a kívánt réteget vagy felületet jelölő gátló anyagig leged. Az 1986. január 27-én bejelentett, közös, függő,

823542 számú, amerikai egyesült államokbeli és az 1986. augusztus 13-án bejelentett, 896157 számú, amerikai egyesült államokbeli szabadalmi bejelentésben olyan összetett, üreges kerámiaszeikezeteket ismertetünk, amelyek belső geometriája fordított máso55 lata a pozitív öntvény vagy minta formájának.

A fentiekben említett közős szabadalmi leírásokban a fémek helyettesítésére szolgáló kerámia termékek olyan előállítási eljárásait ismertetjük, amelyek leküzdik a hagyományos eljárásoknál mutatkozó akadályo60 kát és nehézségeket

HU 204241 Β

A fentiekben ismertetett közös szabadalmi bejelentések olyan kerámiatestek előállítási eljárására vonatkoznak, amelyek valamilyen, egy vagy több irányban (rendszerint három irányban) összefüggő, oxidált reakcióteiméket és egy vagy több fémes alkotórészt vagy komponenst tartalmaznak. A fém térfogata - amely fém magában foglalja a nem oxidált alapfém összetevőit és/vagy az oxidálószerből vagy a töltőanyagból redukálódott fémet is - függ többek között az oxidált reákciótennék képződési hőmérsékletétől az oxidáció idejétől, az alapfém összetételétől, az alkalmazott adalékanyagoktól, és az oxidálószerből vagy töltőanyagból redukálódott alkotórészektől.

Annak ellenére, hogy a fémkomponensek egy része elszigetelődik vagy bezáródik, gyakorlatilag a fém többi része összefüggő, a kerámiatest külső felületéről hozzáférhető formában van. Ezekben a kerámiatestekben az összefüggő fémkomponens vagy összetevő térfogata 1-40 tf%, de néhány esetben, mint például borid-kompozíciók esetében ennél nagyobb is lehet

Az összefüggő fémkomponenst tartalmazó kerámiatestek alkalmazásánál a fémkomponens számos esetben befolyásolja, kedvezően módosítja a kerámiatest tulajdonságait A fénikomponens, elsősorban nagyobb formálhatósága miatt a kerámiatest keménységének, illetve repedéssel szembeni ellenállásának kialakításában játszik fontos szerepet A fémkomponenst alkalmazhatjuk a kerámiatest elektromos vezetőképességének a kívánt mértékű beállítására is.

Találmányunk olyan kerámiatestek előállítási eljárására vonatkozik, amelyek módosító anyagok hozzáadása következtében a módosító anyagok nélkül készült kerámiatestekhez képest finomabb mikroszerkezetűek. A finom mikroszerkezet javítja vagy fokozza a kapott kerámiatest bizonyos tulajdonságait

A találmányunk leírásában és a szabadalmi igénypontokban alkalmazott kifejezések jelentéseit az alábbiakban értelmezzük:

A „kerámia” kifejezés alatt nemcsak olyan, klasszikus értelemben vett kerámia anyagokat értünk, amelyek teljes egészében nem fémes és szervetlen anyagokat tartalmaznak, hanem olyan testeket is, amelyek vagy összetételben, vagy jellemző tulajdonságaikban alapvetően kerámiák, de a test kisebb vagy nagyobb mennyiségben, egy vagy több, az alapfémből származó vagy az oxidálószerből vagy egy adalékanyagból redukálódott fémes összetevőt tartalmaz 1-40 térfogatiéban vagy ennél nagyobb mennyiségben.

Az „oxidációs reakciótennék” kifejezést általában olyan, egy vagy több, valamilyen oxidált állapotban lévő fémre alkalmazzuk, amelyben a fém elektront adott le valamilyen más elemnek, vegyületnek vagy ezek kombinációinak vagy ezekkel elektront osztott meg. Ennek megfelelően az „oxidációs reakciótermék” kifejezés magában foglalja egy vagy több fém és egy oxidálószer reakciójában keletkező reakciótennékeket.

Az oxidálószer lehet oxigén, nitrogén, halogén, kén, foszfor, arzén, szén, bór, szelén, tellúr és ezek vegyületei, vagy kombinációi, mint például oxigénforrásként SiO₂, bórfoirásként az alapfém által redukálható borid, szénforrásként metán, etán, propán, acetilén, etilén, propilén. Alkalmazhatunk keverékeket is, mint például levegőt, H₂/H₂O és CO/CO₂ keveréket vagy az utóbbi kettő (H₂/H₂O és CO/CO₂. keveréket.

„Gőzfázisú oxidálőszer” kifejezés alatt gáz vagy gőz formájú az alapfém oxidálására az alkalmazott körülmények között egyedül, alapvetően vagy túlnyomórészt alkalmas oxidálószert értűnk. Bár a levegő fő alkotórésze a nitrogéngáz, mégis a benne lévő oxigént tekintjük egyedüli oxidálószemek, mivel sokkal erősebb oxidálószer mint a nitrogén. A levegő ezért az „oxigén tartalmú gáz” oxidálószer definícióval illethető és nem a „nitrogén tartalmú gáz” oxidálószer definícióval.

Az „alapfém” kifejezésben szereplő „fém” alatt viszonylag tiszta, kereskedelemben beszerezhető, szennyező és/vagy ötvöző anyagokat tartalmazó fémeket és fémek ötvözeteit - amelyben az alapfém a' főkomponens - értjük. A leírásunkban említett fémeket fenti értelmezés szerint használjuk, kivéve, ba a szövegben valamilyen külön meghatározást adunk.

Találmányunk olvadt alumínium alapfém és oxigéntartalmú, gőzfázisú oxidálószer reakciójában keletkező, önhordó kerámiatestek olyan előállítási eljárására vonatkozik, amely során az alapfémet társítva vagy kombinálva valamilyen eljárásmódosító anyagot alkaldosító anyag az alapfém legalább egy részét alkotja az oxidálás előtt. Az említett eljárásmódosító anyag jelenléte következtében a keletkező, aluminium-oxid reakciótermék mikroszerkezete sokkal finomabb (a későbbiekben részletesen ismertetjük) a hasonló eljárással, de eljárásmódosító anyag nélkül készített termék mikroszerkezeténél.

A kapott önhordó kerámiatest az alapfém és a gőzfázisú oxidálószer oxidációs reakcióteimékét, valamint adott esetben nem oxidált fémes összetevőket tartalmaz.

Általában a találmányunk szerinti eljárásban alkalmazott eljárásmódosító anyagokat (amelyeket a következőkben részletesen ismertetünk) az alumínium alapfémmel együtt alkalmazzuk. Az alapfémet oxigéntartalmú oxidálószer jelenlétében olvadáspontja feletti, de a keletkező oxidációs reakciótermék olvadáspontja alatti hőmérsékletre hevítjük, olvadt fém keletkezése céljából. Ezen a hőmérsékleten vagy hőmérséklettartományban az olvadt alapfém reagál a gőzfázisú oxidálószerrel, ennek következtében az olvadt alapfémmel és a gőzfázisú oxidálószerrel legalább részben érintkezésben lévő, és közöttük kialakuló aluminium-oxid oxidációs reakciótermék keletkezik. Ezen a hőmérsékleten az olvadt alapfém az oxidációs reakcióterméken keresztül az oxidálőszer irányába halad. Amikor az olvadt alapfém a korábban keletkezett oxidációs reakciótermék és a gőzfázisú oxidálószer határfelületén érintkezik az oxidálószerrel, oxidálódik, és így folyamatosan polikristályos, oxidációs reakciótermék keletkezik. Az oxidációs reakciót annyi ideig folytatjuk, amennyi idő alatt az oxidációs reakcióteimékét és adott esetben nem oxidált, fémes összetevőket tartalmazó önhordó

HU 204241 Β kerámiatest kialakul. A találmányunk szerinti eljárásban olyan, finom mikroszerkezetű kerámiatest képződik, amely a polikristályos, oxidációs reakcióterméket, továbbá fémes összetevőket vagy üregeket vagy mindkettőt tartalmaz (a finom mikroszeikezetet a későbbi- 5 ekben részletesen ismertetjük).

A módosító anyag társítása az alapfémmel számos, különféle eljárással vagy kombinált eljárással történhet így a módosító anyag

1. ötvözhető az alapfémmel valamilyen előműveletben, de ennek megfelelően alkalmazhatunk a kereskedelemben hozzáférhető, a kívánt módosító anyagot megfelelő mennyiségben tartalmazó alapfém ötvőzetetis;

2. felvihető az alapfémre, vagy érintkeztethető az alapfém egy vagy több felületével - előnyösen a növekvő felületével; vagy

3. keverhető a töltő-vagy előformálő anyaggal.

Ezen eljárások jelölésére akár önmagukban, akár kombinációban alkalmazzuk, általában „az alapfémmel társítva módosító anyagot alkalmazunk” kifejezést használjuk.

A találmányunk szerinti eljárás egyik megvalósítási módjában a módosító anyagot előműveletben ötvözzük az alapfémmel. Alkalmazhatunk a kereskedelemben hozzáférhető, a kívánt módosító anyagot megfelelő mennyiségben tartalmazó alapfém ötvözetet is. Az alapfém oxidációjával keletkező kerámiatermék finom mikroszerkezetű.

A találmányunk szerinti eljárás egy másik megvalósítási módjában olyan kompozíciót készítünk, amely előállításánál az oxidációs reakciótermék töltőanyag masszába vagy valamilyen, formált előformába növekedve alakul ki, és a módosító anyagot a töltőanyaggal vagy az előformálő anyaggal összekeverve, vagy ezek egy vagy több - előnyösen az alapfémmel érintkező felületére alkalmazzuk. Amint az oxidációs reakciótermék átitatja a töltőanyagot, és az olvadt alapfém áthalad a kialakuló, oxidációs reakdóterméken, az olvadt alapfém érintkezik és összekapcsolódik az általában ötvözet vagy intermetallikus formájú módosító anyaggal. Az így kapott kerámiatennék finom mikroszefkezetff.

A találmányunk szerinti eljárás egy további megvalósítási módjában a módosító anyagot olyan vegyület vagy keverék formájában alkalmazzuk, amely reakcióba lép az olvadt alapfémmel, és/vagy az eljárás körülményei között disszociál, és az így felszabadult módosító anyag kapcsolódik az alapfémhez. Ilyen vegyület lehet például az alapfémmel redukálható valamilyen fémoxid. A vegyületet az alapfémtest tetejére rétegezhetjük, vagy a töltő vagy előfonnáló anyaggal összekeverhetjük vagy ezekre lélegezhetjük.

Az ábrák rövid ismertetése

1. ábra; az 1. példa szerint előállított, nem módosított oxidációs reakciótermék mikroszeikezete 400-szoros nagyítású fotomikrográfon; az alkalmazott alapfém ötvözőanyagként 5 tö- 60 meg% szilíciumot, 3 tömeg% magnéziumot tartalmaz, és a gőzfázisú oxidálószer levegő.

2. ábra: finom mikroszerkezetű kerámia 400-szoros nagyítású fotomikrogiáfja; az alapfémmel együtt alkalmazott módosító anyag, az 1. ábra szerinti példában alkalmazott ötvöző anyagok mellett, 5,6 tÖmeg% réz.

3. ábra; finom mikroszerkezetű kerámia 400-szoros nagyítású fotomikrográfja; az alapfémmel együtt alkalmazott módosító anyag, az 1. ábra szerinti példában alkalmazott ötvöző anyagok mellett, 2 tömeg% nikkel.

A találmányunk szerinti eljárásban rendszerint adalékanyagot tartalmazó, az oxidációs reakciótermék prekurzorát képező alumínium alapfémből (a későbbiekben ezt részletesen ismertetjük) buga, hasáb, rúd, lemez vagy egyéb, hasonló formát készítünk, majd ezt inért ágyba, olvasztó tégelybe vagy más tűzálló edénybe helyezzük. Azt tapasztaltuk, hogy ha az alapfémmel együtt valamilyen eljárásmódosító anyagot alkalmazunk, finomabb mikroszerkezetű oxidációs ieakciőtermék keletkezik, mint az olyan, egyébként ugyanilyen eljárásban, amelyben nem alkalmazunk módosító anyagot

A találmány szerinti eljárásban módosító anyagként egy vagy több, előnyösen átmeneti fémet vagy ezek prekurzorait alkalmazzuk. Előnyösen a periódusos rendszer I-B, IV-B, VI-B, VH-B és VIII-B csoportjába tartozó átmeneti fémeket alkalmazzuk.

Az alapfémet a tűzálló edényt és adott esetben töltőanyagot vagy előformát tartalmazó összeállításhoz a megfelélő mennyiségű, egy vagy több eljárásmódosító anyag hozzáadása történhet

1. ötvözéssel, ebben az esetben a módosító anyagot előműveletben ötvözzük az alapfémmel, vagy megfelelő mennyiségű módosító anyagot tartalmazó, kereskedelemben hozzáférhető ötvözetet alkalmazunk;

2. az alapfém egy vagy több felületének módosító anyaggal való érintkezteíésével, vagy

3. kompozíció készítés esetén a megfelelő mennyiségű módosító anyag töltő vagy előformálő anyagba való keverésével (ezt az eljárást a későbbiekben részletesen ismertetjük).

Az olvadt alapfém és oxigéngáz oxidálőszer oxidációs reakciójával képződő kerámiatest egy vagy több fémes alkotórészt és/vagy porózus részt tartalmazó, polikristályos, oxidációs reakcióteimék. Az ilyen, finom mikroszerkezetű kerámia-fém anyagok - nevezetesen olyan anyagok, amelyeknek mikroszerkezeti jellemzői méretükben vagy a télkitöltésben redukáltak tulajdonságai, elsősorban mechanikai tulajdonságai várhatóan a nem módosított anyagokhoz képest jobbak. A leírásunkban a „finomabb mikroszeikezet” meghatározást különböző mikroszerkezeti geometriai jellemzőkre, mint például fém csatorna méretre, fém csatorna elhelyezkedésre, pórus méretre és elhelyezkedésre alkalmazzuk két gőzfázisú oxidációval előállított kerámiatest, melyek közül az egyiket standardnak tekintjük összehasonlításában. Valamely mikroszerkeze4

HU 204241 Β tű anyag mikroszerkezeti geometriai tulajdonságainak mennyiségi meghatározása a példában ismertetésre kerülő, hagyományos, metallografikus, mennyiségi meghatározási módszerekkel történhet

Azt tapasztaltuk, hogy ha a kerámiatest készítésénél az alapfémmel együtt viszonylag kis mennyiségű eljárásmódosító anyagot alkalmazunk, finomabb mikroszerkezetű kerámiatesf keletkezik, mint az olyan, egyébként teljesen azonos eljárásokban, amelyekben mínium alapfémhez 0,1-10 tömeg% egy vagy több átmeneti fémet például rezet, nikkelt wolframot, nióbiumot, cirkóniumot vasat krómot titánt vagy kobaltot vagy ezek prekurzorait adunk, a belőle készített alumínium-oxid kerámiatest mikroszerkezete finomabb, mint az olyan eljárásokban készített kerámiatesteké, amelyekben nem alkalmazunk módosító anyagot A leírásunkban alkalmazott „alapfémmel társítjuk” vagy hasonló kifejezés alatt azt értjük, hogy az alapfémet ötvözzük vagy érintkeztetjük a módosító anyaggal vagy más, olyan módon helyezzük el (például a töltőanyaghoz adjuk) a módosító anyagot, hogy az oxidációs reakciótermék képződése folyamán érintkezzen az alapfémmel.

Ahogyan azt a fentiekben ismertettük, a találmányunk szerinti eljárásban a kerámiatest készítése előtt megfelelő mennyiségű módosító anyaggal ötvözhetjük az alapfémet Például, ha alumínium alapfém és gőzfázisú oxidálószer reakciójával állítunk elő alumíniumoxid oxidációs reakcióterméket az alapfémet titán, wolfram, réz, nikkel, vas, kobalt, cirkónium, nióbium, króm vagy egyéb átmeneti fém módosító anyaggal ötvözhetjük. Kívánatos lehet például eljárásmódosító anyagként réz alkalmazására a lézíartalmú alumínium ötvözetek egyszerű kereskedelmi beszerezhetősége miatt. A rezet általában 0,25-10 tömeg% mennyiségben alkalmazzuk az alumínium alapfém tömegére számolva. Az alumínium alapfém és réz módosító anyag ötvözetét az előállítandó alumínium-oxid oxidációs reakciótermék olvadáspontja alatti, de az alumínium és réz ötvözet olvadáspontja feletti hőmérsékletre hevítjük fel (amint azt a fent ismertetett, közös szabadalmi leírásokban ismertetik). Amikor a megfelelő hőmérséklettartományban az olvadt alumínium prekurzor fém érintkezik az oxidálószerrel, az olvadt alapfém számára áteresztő, oxidációs reakciótermék réteg képződik. Bizonyos, olyan esetekben, ha az alumínium alapfémet magnézium adalékanyaggal együtt alkalmazzuk (a későbbiekben részletesen ismertetjük), az oxidációs reakciótermék képződését elősegítő magnézium-aluminát spinell keletkezhet. Mindegyik esetben az olvadt alapfém a képződő oxidációs reakcióterméken keresztül az oxidálószer irányába halad. Amikor az olvadt fém érintkezik az oxidálószerrel, az ötvözet alumínium fémtartalma legalább részben oxidálódik, és folyamatosan vastagodó oxidációs reakciótermék képződik. Az olvadt ötvözetben lévő módosító fém is a képződő oxidációs reakcíótermékbe vándorol. Azonban a réz típusú módosító fém, például réz, az oxidáció alatt nem fogy ki az olvadt fémből, mivel oxidjának szabad képződési energiája kevésbé negatív, mint az alumíniumoxidé. Ennek megfelelően a módosító anyag relatív koncentrációja az alumínium oxidálásával és így annak az olvadt ötvözetből való kifogyásával növekedhet Az alumínium oxidálása annyi ideig folytatódik, amennyi idő alatt a kívánt mennyiségű oxidációs reakciótermék képződik. Módosító anyag jelenléte esetén a keletkező kerámiatest finomabb mikroszerkezetű.

Abban az esetben, ha az alumínium alapfémre rétegelve vagy egy vagy több felületével érintkeztetve a kívánt mennyiségű módosító fémet alkalmazzuk, és az alapfémet gőzfázisú oxidálószenei érintkeztetjük, a megfelelő módosító fémet, például kobaltot, cirkóniumot, nikkelt, wolframot, titánt, nióbiumot vasat, rezet vagy krómot, előnyösen por vagy szemcse formájában szétterítjük az alapfémen, vagy érintkeztetjük egy vagy több felületével. A találmányunk szerinti kerámiatermék előállításánál jól alkalmazható módosító anyag például a nikkel. Az alkalmazott nikkel por mennyisége az alumínium alapfémre számítva 0,5-10 tömeg%. Ezt a nikkel port az alumínium alapfém test növekvő felületén terítjük szét Amint az olvadt alumíniumfém prekurzor a nikkelfémmel érintkezik, valamennyi nikkel kapcsolódik az olvadt alumíniumfémhez. Az olvadt fém ezután az oxidációs reakciótermékbe jut Az így kapott oxidációs reakciótermék finom mikroszerkezetű.

Abban az esetben, ha az alumínium alapfém mellett elhelyezett töltőanyagba vagy áteresztő előformába növesztve állítunk elő oxidációs reakcióterméket, a módosító anyagot ötvözhetjük az alapfémmel, vagy összekeverhetjük a töltő vagy előformált anyaggal, vagy rétegelheíjük ezek egy vagy több felületére. Ha teljes egészében mikroszerkezetű kerámiatestet akarunk előállítani, gondoskodni kell arról, hogy a bekevert módosító anyag legalább egy része érintkezzen az alapfém testtel. Például abban az esetben, ha alumínium-oxid kerámia kompozíciót akarunk előállítani, szemcsés, adott esetben nyersen előformált szilícium-karbid ágyat átitató alumínium, alapfém gőzfázisú oxidációjával, a szilícium-karbid töltőanyagot összekeverhetjük por vagy szemcse formájú módosító anyaggal, mint például titánnal, vassal, nikkellel, rézzel vagy krómmal. Kívánatos lehet a finom mikroszerkezetű kerámiatest kialakításához nikkel alkalmazása. Ilyenkor a szilícium-karbid töltőanyaghoz megfelelő roenynylségű fémet keverünk. Az alumínium alapfém 100 gjára számolva 0,1-10 g nikkelt alkalmazunk. Amint a képződő alumínium-oxid reakciótermék beágyazza a szilícium-karbid szemcséket, és az olvadt alumínium áthatol rajta, az olvadt alumínium érintkezik a bekevert nikkelfémmel és feloldja azt. A módosító anyag bizonyos mennyisége így az olvadt alapfémhez kapcsolódik. Néhány esetben, a módosító anyag egy része, ami nem kapcsolódik az olvadt alapfémhez, de az oxidációs reakciótermékkel átitatódó töltőanyagban vagy előformált anyagban jelen van, izolált módosító anyag zárványokat képezhet A módosító anyag alkalmazása történhet a töltőanyag vagy a formált előfonna egy vagy több felületére.

HU 204241 Β adalékanyaggal együtt A 3. alatt felsorolt esetben, amikor a töltőanyaghoz további adalékanyago(ka)t adunk, a kivitelezést bármelyik, a közös szabadalmi leírásokban ismertetett módon végezhetjük.

Az adalékanyag funkdó(i)ja számos tényezőtől függ. így befolyásolni lehet például két vagy több adalékanyag alkalmazása esetében azok kombinációival, külső és egyúttal ötvözet formájú adalékanyag alkalmazásával, az adalékanyag mennyiségével, az oxidádó körülményeivel és módosító anyag (fém) típusával, illetve mennyiségével.

Alumínium alapfém esetén, különösen, ha az oxidálószer levegő, hatásosan alkalmazhatjuk a következő adalékanyagokat magnézium, cink, szilícium, melyek akár önmagnkhan, akár egymással kombinálva, akár egyéb, a következőkben bemutatásra kerülő adalékanyagokkal kombinálva is használhatók. Ezeket a fémeket vagy megfelelő forrásukat ötvözhetjük az alumínium alapfémmel olyan koncentrációban, hogy a kapott, adalékanyagtaitalmú fém teljes tömegére vonatkoztatva, külön-külön számolva 0,1-10 íömeg%-ban legyenek jelen. Ezeket az adalékanyagokat vagy megfelelő fonásaikat (például magnéztum-oxid, cink-oxid, szilítíum-oxid) kívülről is alkalmazhatjuk az alapfémre. így alumínium-oxid kerámia szerkezetet állíthatunk elő alumínium-szilícium ötvözetből mint alapfémből levegővel végzett oxidálással magnézium-oxid felületi adalékanyaggal, melynek mennyisége az oxidálandó alapfém egy grammjára számolva legalább 0,0008 g, és az alapfém 1 cm² felületére számolva legalább 0,003 g.

Levegővel oxidált alumínium alapfém esetén a következő adalékanyagok is hatásosan alkalmazhatók: nátrium, germánium, ón, ólom, lítium, kaldum, bőr foszfor és ittrium, melyek alkalmazhatók önmagukban vagy egy vagy több, egyéb adalékanyaggal kombinálva az oxidálószertől és a technológiai körülményektől függően. Adalékanyagként hatásosan alkalmazhatók a következő ritka földfém elemek is: cérium, lantán, prazeodímium, neodimium és szamárium elsősorban más adalékanyagokkal kombinálva. Ezen kívül a fent ismertetett közös szabadalmi leírásokban említett adalékanyagok is alkalmazhatók az alumíniumalapú alapfémből kiinduló rendszerben a polikristályos, oxidádós reákcióteimék növekedésének az elősegítésére.

A töltőanyaggal vagy az előformával együtt alkalmazhatunk olyan gátló anyagokat, amelyek segítségével, ha a kerámiatest előállítására gőzfázisú oxidálószert alkalmazunk, megszűnik az oxidációs reakciőtermék képződése vagy növekedése a gáttal elválasztott térben. Megfelelő gát lehet bármilyen anyag, vegyület, elem, kompozíciós vagy egyéb anyag, amely a találmányunk szerinti eljárás körülményei között sértetlen maiad, nem illékony és előnyösen a gőzfázisú oxidálószer számára átjárható, emellett képes helyileg gátolni, mérgezni, leállítani, zavarai, megelőzni vagy egyéb módon megakadályozni az oxidációs reákciótemték továbbnövekedését Alumínium alapfém esetében jól alkalmazható gátló anyagok például a kaldum-szulfát (párizsi cement), kalcium-szilikát, Portland cement és ezek kePéldául nikkel port alkalmazhatunk a szilícium-karbid ágy vagy előfonna felületére rétegelve. Amint az olvadt alumínium prekurzor fém érintkezik ezzel a felülettel, bizonyos mennyiségű nikkelfém kapcsolódik hozzá. A találmányunk szerinti eljárással, abban az 5 esetben, ha a töltőanyag massza vagy előfonna egy vagy több külső felületére alkalmazzuk a módosító anyagot, olyan kompozíciós testet kapunk, amelynek külső rétege mikroszerkezetű kerámia.

A találmányunk szerinti eljárás olyan gyakorlati 10 megvalósításban, amikor a módosító anyagot az alapfém külső felületére alkalmazzuk, a módosító anyagot felvihetjük keverék vagy vegyület formájában, ami reagál az olvadt fémmel és/vagy az eljárás körülményei között disszociál, és a felszabadult módosító fém 15 tünk az olvadt alapfém hatására redukálódó vagy azzal a módosító fém felszabadulása közben reagáló fémoxidot Például, ha alumínium-oxid tartalmú kerámia kompozíciőtestet készítünk úgy, hogy alumínium alap- 20 fémet oxidálunk szemcsés alumínium-oxid töltőanyag ágyban, megfelelő módosító anyagot például nikkelt vasat vagy krómot keverhetünk az alumínium-oxid ágyba, vagy rétegelhetiink az alumínium alapfém tetejére. Krómfém módosító anyagként való alkalmazása- 25 kor például króm-oxidot keverhetünk az ágy anyagához. Ha az olvadt alumínium érintkezik a króm-oxiddal, redukálja a króm-oxidot és felszabadítja a krőmfémet A felszabadított krómfém egy része ezután, a fentiekben ismertetetteknek megfelelően, az olvadt 30 alumíniumhoz kapcsolódik.

Ahogyan már a közős szabadalmi bejelentések ismertetésénél is említettük, az alapfémmel együtt alkalmazott adalékanyagok előnyösen befolyásolhatják az oxidációs reakciófolyamatot Ily módon előnyös a mó- 35 dosító anyag mellett egy vagy több adalékanyag alkalmazása is. Megemlítjük, hogy az adalékanyag és a módosító anyag^egymás hatását és/vagy funkcióját befolyásolhatják. így ha a találmány szerinti eljárásban adalékanyagot is alkalmazunk, ezek relatív koncenfrá- 40 dóját a kívánt hatás elérése szempontjából kell megválasztani.

Az adalékanyag szerepe nem annyira magától az adalékanyag anyagától, inkább számos, egyéb tényezőtől függ. Ezek a tényezők például a következők: egy 45 vagy két adalékanyag alkalmazása esetén az adalékanyagok speciális kombinádója, egy külső adalékanyag és egy, az alapfémmel ötvözött adalékanyag kombinádója, az adalékanyagok) koncentrációja, az oxidádó körülményei és az eljárás körülményei. 50

Az alapfémmel együtt alkalmazott adalékanyag vagy adalékanyagok

1. lehetnék az alumínium alapfém ötvözetei,

2. alkalmazhatók az alapfém felületének legalább egy részére, vagy 55

3. keverhetők vagy társíthatok a töltőanyag vagy az előformált töltőanyag legalább egy részével, vagy az 1., 2. vagy 3. alatt felsoroltak kombinádója is használható. Például valamilyen ötvözött adalékanyag alkalmazható önmagában vagy egy második, külső 60

HU 204 241 Β vétókéi. Ezeket a töltőanyag felületén általában szuszpenzió vagy pasztafonnában alkalmazzuk. Ezek a gátló anyagok megfelelő bomlékony vagy illékony anyagokat is tartalmazhatnak, amelyek hő hatására elpárolognak vagy elbomlanak, ezáltal növelik a gátló anyagok porozitását és áthatolhatóságát. Ezen túlmenően a gátló anyagok tartalmazhatnak megfelelő, szemcsés tűzálló anyagot is, az eljárás közben esetleg fellépő zsugorodás vagy tördelődés megakadályozására. A találmány szerinti eljárásban gátanyagként elsősorban olyan szemcsés anyagot alkalmazunk, amelynek ugyanolyan az expanziós koefficiense, mint a töltőágynak vagy az előformázott anyagnak. Például, abban az esetben, ha az előformázott anyag alumínium-oxidot tartalmaz, és a kapott kerámiai anyag is alumínium-oxidot tartalmaz, a gátló anyagot alumínium-oxid szemcsékkel keverhetjük, a kívánatos szemcseméret 0,025-1,27 mm, de még ettől kisebb is lehet Alkalmazhatók olyan gáüó anyagok is, amelyek tűzálló kerámiát vagy legalább az egyik végükön nyitott fémhüvelyeket tartalmaznak, ezek lehetővé teszik, hogy a gőzfázisú oxidálószer áthatoljon az ágyon, és érintkezzen az alapfémmel.

Bizonyos esetekben a módosító anyag forrása a gátló anyag lehet Például bizonyos saválló acél kompozíciókból megfelelő oxidációs körülmények között magas hőmérsékleten, oxigéntartalmú atmoszférában oxidálva a saválló acél összetételétől függő oxidok, például vas-oxid, nikkel-oxid vagy krőm-oxid keletkeznek. Ennek megfelelően, néhány esetben az olvadt alapfémmel érintkező gátló anyag, mint például saválló acéltok szolgáltatja a módosító fémet Ez az eljárás finomító hatású lehet a kerámiatest külső mikroszerkezetére.

A találmányunk szerinti eljárást részletesen az alábbi példán keresztül mutatjuk be.

Példa

Eljárásmódosító anyagokat adtunk két, különböző alumínium ötvözethez. Az egyik ötvözet 3 tömeg% szilíciumot és 3 tömeg% magnéziumot a másik 5 tömeg% szilíciumot és 3 tőmeg% magnéziumot tartalmazott Ezekből az anyagokból a fenti, közös szabadalmi leírásokban ismertetett eljárás szerint olvadt alapfém gőzfázisú oxidálásával kerámiaszeikezetet készítettünk. Ezzel egyidejűleg összehasonlítási célból ugyanolyan eljárással 3 tömeg% szilícium- és 3 tömeg% magnézium-, és 5 tömeg% szilícium- és 3 tömeg% magnéziumtartalmú ötvözetből módosító anyag hozzáadása nélkül készítettünk kerámiatesteket

A 110,25 x 49 x 12,24 mm méretű, módosított ötvözetből készült rudakat és két kontroll rudat különálló, tűzálló edényekben lévő, szemcsés alumínium-oxid ágyba helyeztünk (az alumínium-oxid szemcsemérete: 90 mesh, márkaneve: Norton El Alundum) úgy, hogy a rúd 110,25 x 49 mm-es felülete az ággyal egy szintben legyen, és érintkezzen az oxidáló atmoszférával. Mindegyik rúd felületén egyenletesen szétosztottunk egy réteg, 140 mesh szemcseméretü szilícium-dioxidot (emsénként 0,01-0,04 g szilícium-dioxidot terítettünk szét). Az így készített összeállításokat ezután kemencébe tettük, és 5 óra alatt 1250 °C-ra hevítettük fel. Ezután a kemencét 20 órán át 1250 °C-on tartottuk, majd 5 óra alatt szobahőmérsékletre hűtöttük le. Az összeállításokat kivettük a kemencéből, és a kapott kerámiatesteket a kővetkező vizsgálatoknak vetettük alá.

Mindegyik kerámiatestből keresztmetszetet készítettünk, és mikroszerkezetükről ugyanolyan nagyítású foromikrográfot készítettünk. Az eljárásmódosító anyag alkalmazásával készült kerámia anyagok mikroszerkezete finomabb volt, mint a kontroll mintáké. A finomság mérését átlagos, lineáris koordinátakülönbség módszerrel végeztük. Ennél a mérési eljárásnál valamely mikroszerkezet adott összetevőjének átlagos méretét az adott alkotóelem koordinátakülönbségénék átlagos hosszával határozzuk meg valamely, rögzített nagyítású fotomikrográfon átfektetett véletlen vonalzó sorozat segítségével. Ebben az esetben a mérésre kiválasztott mikroszerkezetű összetevők azok az oxidációs reakciótermékben lévő járatok voltak, amelyeket a fotomilüOgráfon nem oxidált fém- és/vagy üregtartománynak jelölünk. A mérési eredményeket a táblázatban mutatjuk be.

Táblázat

Alumínium bázisú ötvözet (tömeg%)	Módosító anyag (tömeg%)	Átlagos koordinátakülönbség hossz (gm)
3 Mg, 3 Si			•4,8
3Mg,5Si			4,5
3 Mg, 5 Si	titán ,	2,8	2,9
3 Mg, 3 Si	cirkónium	3,0	3,2
3 Mg, 3 Sí	nióbium	3,0	3,3
3Mg,5Si	króm	4,7	2,7
3Mg,5Si	kobalt	5,3	1,7
3 Mg, 5 Si	vas	2,0	2,8
' 3Mg,5Si	réz	5,6	1,4
3 Mg, 5 Si	nikkel	2,0	1,6
3 Mg, 5Si	nikkel	4,1	2,1
3Mg,5Si	wolfram	5,0	3,8
3Mg,5Si	vas	0,3	1,7

A táblázatból világosan látható, hogy a mikroszerkezet finomodása az oxidációs reakciótermékben lévő járatok méretcsökkenésének eredménye, mivel a mikroszerkezet méretei csak kismértékben változtak; a módosító anyag hatására bekövetkező járat méretcsökkenés néhány esetben egészen drasztikus mértékű.

Az eredmények az 1-3. ábrákon láthatók. Az 1. ábrán a táblázatban a második kontrollként feltüntetett módosító anyag nélkül készült reakciótennék mikroszerkezetének 400-szoros nagyítású fotomikrográfját láthatjuk. A 2. és a 3. ábrán olyan, finom mikroszeikezetű kerámiatestek 400-szoros nagyítású fotomikrográfiáját láthatjuk, amelyek úgy készültek, hogy az oxidá7

HU 204241 Β helyezünk, majd az alapfémet gőzfázisú oxidálószer jelenlétében olvadáspontja feletti, de akialakuló oxidációs reakciótermék olvadáspontja alatti hőmérsékletre hevítjük, az olvadt alapfémet az oxidációs reakcióterméken keresztül az oxidálószer irányába difíundáltatjuk, és az oxidálőszer és a korábban kialakult oxidációs reakciófennék határfelületen folyamatosan vastagodó, a töltőanyag massza vagy aggregátum legalább egy részét beágyazó oxidációs reakcióterméket képezünk; a reakciót a finom mikroszerkezetű kerámiatest kialakulásáig folytatjuk, majd a finom mikroszerkezetű kerámiatestet kinyerjük.

3. Az 1. vagy 2. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy módosító anyagként a periódusos rendszer I-B, IV-B, V-B, VI-B, VH-B és Vfíl-B csoportjába tartozó, egy vagy több átmeneti fémet alkalmazunk.

4. Az 1, vagy 2. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy módosító anyagként rezet, nikkelt, vasat, cirkóniumot, krómot, titánt, wolframot, nióbiumot és kobaltot vagy ezek keverékeit alkalmazzuk.

5. Az 1. vagy 2. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a módosító anyagot a hevítési művelet előtt ötvözzük az alapfémmel.

6. Az 1. vagy 2. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a módosító anyagot az alapfém egy vagy több felületére visszük fel.

7. A 2. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy előfonnák töltőanyag masszát alkalmazunk.

8. A 2. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a módosító anyagot a töltőanyaghoz keverve alkalmazzuk.

9. Az 1. yagy 2, igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy módosító anyagként az alapfémre kívülről helyezett, az olvadt alapfémmel a módosító fém felszabadulása közben reagáló vegyületet alkalmazunk.

10. Az 1. vagy 2. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy oxidálószerként levegőt alkalmazunk.

ciós reakciófolyamatban a kontrollnak megfelelő alumínium ötvözettel együtt az egyik esetben 5,6 tőmeg% rezet, a másik esetben 2 tömeg% nikkelt alkalmaztunk.

A mechanikai tulajdonságok is mutatják a módosító anyag hatását Például, ha 3 tőmeg% magnézium - 5 5 tömeg% szilíciumtartalmú alumínium ötvözet oxidációs reakciójával készítünk kerámiaterméket a kapott termék makrokeménysége a Rockwell A skálán 73. Abban az esetben, ha 2 és 4 tömeg% nikkel módosító fém alkalmazásával készítünk kerámiaterméket az 10 ugyanazon a skálán mért keménység 78, illetve 82.

SZABADALMI IGÉNYPONTOK

Claims (2)

1. SZABADALMI IGÉNYPONTOK

   1. Eljárás alumínium alapfém és oxigéntartalmú, 15 gőzfázisú oxidálőszer reakciójában képződő alumínium-oxid oxidációs reakcióterméket; és adott esetben nem oxidált fémes összetevőket tartalmazó finom mikroszerkezetű, önhordó kerámiatest előállítására, azzal jellemezve, hogy egy vagy több eljárásmódosító anya- 20 got vagy ezek megfelelő forrásait az alapfémmel társítjuk, majd az alapfémet gőzfázisú oxidálószer jelenlétében olvadáspontja feletti, de az oxidációs reakciótermék olvadáspontja alatti hőmérsékletre hevítjük, az olvadt alapfémet az oxidációs ieakcióterméken kérész- 25 tül az oxidálőszer irányába difíundáltatjuk, és az oxidálőszer és a korábban kialakult oxidációs reakciótermék határfelületén folyamatosan vastagodó oxidációs reakciőterméketképezünk; a reakciótafínommikroszerkezető kerámiatest kialakulásáig folytatjuk, majd a finom 30 nnkroszerkezetűkerámiatestetkinyeqük.
2. 2. Eljárás összetett alumínium alapfém és oxigéntartalmn, gőzfázisú oxidálószer reakciójában képződő alumínium-oxid oxidációs reakcióterméket, töltőanyagot, és adott esetben nem oxidált, fémes összetevőket 35 tartalmazó finom mikroszerkezetű önhordó kerámiatest előállítására azzal jellemezve, hogy egy vagy több eljárásmődosítő anyagot vagy ezek megfelelő forrásait az alapfémmel társítjuk, az alapfém mellé töltőanyagot