HU205051B

HU205051B - Process for producing compositions of aluminium matrix and of complex structure

Info

Publication number: HU205051B
Application number: HU882396A
Authority: HU
Inventors: Danny Ray White; Michael K Aghajanian; Andrew W Urquhart; David K Creber
Original assignee: Lanxide Technology Co Ltd
Priority date: 1987-05-13
Filing date: 1988-05-13
Publication date: 1992-03-30
Also published as: BG60257B2; BG60257B1; TW209880B; CZ284399B6; KR960008725B1; PT87466B; PL158056B1; YU46981B; FI882217A0; US4828008A; SU1838441A1; YU91688A; DK261288D0; CA1321905C; IE881434L; NO882093L; DE3850523T2; JPS6452040A; CZ322088A3; EP0291441B1

Description

A találmány szerinti eljárással úgy állítunk elő fémtartalmú készítményeket, hogy áteresztő kerámia töltőanyagot spontán átitatunk valamilyen olvadt fémmel, elsősorban olvadt alumíniummal, nitrogéngáz jelenlétében. A találmány szerinti készítmény szilárd alumíniumötvözetbe beágyazott kerámia töltőanyagból vagy kerámiabevonatú töltőanyagból áll. A készítmény az alumíniumötvözet részben nem folytonos fázisú alumínium-nitridet és/vagy a külső felülete(i)n alumíniumnitrid bevonatot tartalmazhat.

A fémet és erősítő vagy szilárdságot kialakító fázist, mint például szemcsés kerámiát, tűszerű- vagy szálas anyagot tartalmazó készítmények alkalmazástechnikai jelentősége egyre növekszik, mivel ezek az anyagok egyesítik a szilárdító fázis szilárdságának és keménységének előnyeit a fémrész ellenállásának és hajlíthatóságának előnyeivel. Általában ezen fémtartalmú készítmények bizonyos tulajdonságai, mint például szilárdságúk, merevségük, érintkezési kopásállóságuk és magas hőmérsékleten mutatott szilárdságuk a szakterületen korábban ismert fémkészítményekhez képest jobbak, azonban bármelyik tulajdonság javulásának mértéke függ a jellemző alkotóelemektől, az alkotóelemek térfogat- vagy tömegrészétől és a készítmény előállítási eljárásától. Néhány esetben az előállított készítmény tömege is csökkenhet. A kerámiával, mint például szemcsés, lemezes vagy tűformájú szilícium-karbiddal erősített alumíniumtartalmú készítmények például az alumíniummal szemben mutatott nagyobb szilárdságuk, kopásállóságuk és magas hőmérsékleten mutatott szilárdságuk következtében jelentősek.

Alumíniumtartalmű készítmények előállítására különböző kohászati eljárások ismertek a porkohászati eljárásoktól kezdve a folyékony fémmel történő átitatásig. Ilyen eljárás például a nyomás alatti öntés is. A porkohászati eljárásokban a porformájú fémet és a por, tű- vagy aprított szálformájú erősítő anyagot összekeverik, majd hidegen préselik és zsugorítják, vagy melegen préselik. Az ilyen eljárással előállított, szilíciumkarbiddal erősített, alumíniumtartalmú készítményekben a kerámiarész legnagyobb térfogata tűformájú erősítő anyag esetében 25 térfogat%, és szemcsés erősítő anyag esetében 40 térfogat%.

A hagyományos, porkohászati eljárásokkal előállított, fémtartalmú készítményeknél az eljárás bizonyos mértékben korlátozza az előállítandó tennék jellemzőit. Az ilyen készítmények kerámiarészének térfogata általában 40 térfogat%-ra korlátozódik. A nyomás alatti eljárás pedig a gyakorlatban elérhető méretet korlátozza. Csak a viszonylag egyszerű formájú termékek állíthatók elő az előállítást követő megmunkálás (például alakítás, esztergálás) vagy összetett sajtoló műveletek nélkül. Hátrány az is, hogy a zsugorítás folyamán az összehúzódás egyenetlen lehet, és a tömör anyag és a szemcsenövekedés elkülönülése miatt egyenetlen mikroszerkezet alakulhat ki.

J. C. Cannel és munkatársai az 1976. július 20-án megadott, 3 970 136 számú, amerikai egyesült államokbeli szabadalmi leírásban olyan, szálas erősítő anyaggal, mint például tűformájú szilícium-karbiddal vagy alumínium-oxiddal társított, fémtartalmú készítmény előállítási eljárást ismertetnek, amelyben a szál elrendezése előre meghatározott. A készítményt úgy állítják elő, hogy szalagszerű szálakból kialakított szövet- vagy nemezlapokat egymással párhuzamosan tartályban lévő olvadt fémbe, például alumíniumba helyeznek úgy, hogy legalább néhány lap között olvadt fém legyen, majd az olvadt fémet átsajtolják a lapokon. Az átsajtolt olvadt fém átitatja, és körülveszi az irányított szálakat. Az olvadt fém az egymásra rétegezett szövet- vagy nemezlapokra is önthető és nyomás alatt az irányított szálak közé kényszeríthető. Az így előállított készítmények erősítőszál-tartalma körülbelül 50 térfogat% lehet.

A fent ismertetett átitató eljárással előállított készítmények tulajdonságai, például szerkezete, porozitása egyenetlenek az olvadt fém átnyomására alkalmazott külső nyomás hatására az egymásra rétegezett szövetvagy nemezlapokban bekövetkező különböző áramlási folyamatok miatt. Az egyenetlenségek annak következtében is kialakulnak, hogy az olvadt alapfém bevezetése a szálakból kialakított anyagok között sok helyen történik. Emiatt az egyenletes és megfelelő átitatáshoz bonyolult fonat-, fémrészelrendezést kell kialakítani. Ezen túlmenően a nyomás alatti átitató eljárással előállított készítményben viszonylag kis térfogatú az erősítő anyag, mert a nagy szövettérfogat átitatása nehéz. Emellett az olvadt fém nyomás alatt tartása költségnövelő tényező. Végül a fenti eljárás csak sorba rendezett, szemcsés vagy szálas anyagok átitatására alkalmas, nem használható véletlenszerű elrendezésű, szemcsés, tűszerű vagy szálas anyagokkal erősített, alumíniumtartalmú készítmények előállítására.

Alumíniumtartalmú alumínium-oxid készítmények előállítása esetén az alumínium nehezen nedvesíti át az alumínium-oxidot, ezért összefüggő termék előállítása nem könnyű. A szakterületen különböző eljárásokat ismertek a probléma megoldására. Az egyik ilyen eljárás szerint az alumínium-oxidot valamilyen illő fémmel, például nikkellel vagy volfrámmal, bevonják, majd az alumíniummal melegen sajtolják. Egy másik eljárásban az alumíniumot lítiummal ötvözik, és az alumíniumot adott esetben szilícium-dioxiddal vonják be. Hátrányos, hogy az ilyen készítmények nem egyforma tulajdonságúak, előfordulhat, hogy a bevonatok elporlasztják a töltőanyagot, vagy a lítiumtartalom befolyásolja a fémrész tulajdonságait.

Az R. W. Grimshaw és munkatársai által bejelentett, 4323 091 számú, amerikai egyesült államokbeli leírásban ismertetett eljárással az alumíniumtartalmú alumínium-oxid készítmények gyártása területén korábban előforduló nehézségek egy részét sikeresen leküzdötték. Ebben a szabadalmi leírásban olyan eljárást ismertetnek, amelyben 0,75-3,75 MPa nyomással kényszerítik a 700-1050 °C-ra előhevített szálas vagy tűformájú alumínium-oxid szöveten keresztül az alumíniumot vagy alumíniumötvözetet. A kapott szilárd öntvényben az alumínium-oxid fémhez viszonyított térfogataránya 0,25:1. Mivel az átitatás itt is külső erőtől függ, az eljárásnak számos, Connell és

HU 205 051 Β munkatársai eljárásának ismertetésénél említett hátránya van.

A 115 742 számú, közzétett európai szabadalmi bejelentésben elsősorban elektrolit cella komponensként alkalmazható, alumíniumtartalmú alumínium-oxid készítmények előállítási eljárását ismertetik. Az eljárás során valamilyen, előformált alumínium-oxid anyag üregeit olvadt alumíniummal töltik meg. A leírásban hangsúlyozzák, hogy az alumínium-oxid nem nedvesíthető az alumíniummal, ezért különböző eljárásokat alkalmaznak az előformált alumínium-oxid teljes egészének átnedvesítésére. így például az alumínium-oxidot bevonják valamilyen nedvesítőszerrel, mint például titán-, cirkónium- hafnium- vagy niobium-diboriddal vagy valamilyen fémmel, mint például lítiummal, magnéziummal, kalciummal, titánnal, krómmal, vassal, kobalttal, nikkellel, cirkóniummal vagy hafniummal. A nedvesítés és az átitatás elősegítésére valamilyen inért gázt, például argongázt alkalmaznak. Ebben a leírásban is ismertetnek olyan eljárást, amelyben nyomás alkalmazásával itatnak át olvad alumíniummal bevonatlan előformát. Ebben az eljárásban úgy végzik az átitatást, hogy a pórusokból a levegőt kiszívják, majd inért atmoszférában, például argongázban átnyomatják az olvadt alumíniumot.

Egy másik kivitelezés szerint az előformát a felület megnedvesítésére az üregek olvadt alumíniummal történő megtöltése előtt, gőzfázisú alumíniummal való átitatással nedvesítik meg. Az alumínium megtartására az előfonna pórusaiban vákuumban vagy argonban 1400-1800 °C-on alkalmazott hőkezelés szükséges. Hátrányos, hogy mind az átitatott anyag nyomás alá helyezése, mind a nyomás megszüntetése alumínium veszteséget okoz.

Elektrolizáló cellában használatos alumínium-oxid komponens átitatásának elősegítésére nedvesítőszert alkalmaznak a 94 353 számon közzétett, európai szabadalmi leírásban is. Ebben a leírásban olyan, az alumíniumgyártásban alkalmazott, redukáló cellát ismertetnek, amelyben a cellabélés vagy szubsztrátum szolgál katódos áramvezetékként. A szubsztrátum megvédésére az olvadt kriolittól az alumínium-oxid szubsztrátumra nedvesítőszert és oldhatóságfékező szert tartalmazó keveréket visznek fel a cella indítása előtt vagy az elektrolízises alumínium-előállítás folyamán az olvadt alumíniumba merítéskor. Nedvesítőszerként titánt, cirkóniumot, hafniumot, szilíciumot, magnéziumot, vanádiumot, krómot, niobiumot vagy kalciumot, előnyösen titánt ismertetnek. A nedvesítőszer olvadt alumíniumban való oldódásának visszaszorítására bőr-, szén- és nitrogénvegyületeket használnak. A leírásban azonban nem ismertetnek fémtartalmú készítményt, és az ilyen készítmények nitrogénatmoszférában való előállítását sem.

A nyomás és nedvesítőszer alkamazásán túlmenően olyan eljárást is ismertetnek, amelyben vákuum alkalmazásával segítik elő az olvadt alumínium behatolását porózus kerámiaanyagba. Például az R. L. Landingham által bejelentett, 1973. február 27-én megadott, 3 718 441 számú amerikai egyesült államokbeli szabadalmi leírásban olyan eljárást ismertetnek, amelyben valamilyen kerámiatestet 0,1 Pa-nál kisebb nyomáson itatnak át olvadt alumíniummal, berilliummal, magnéziummal, titánnal, vanádiummal, nikkellel vagy krómmal. Ha az alkalmazott vákuum 0,1-1000 Pa között van, a kerámiatest olvadt fémmel való nedvesítése olyan csekély, hogy a fém nem áramlik szabadon a kerámiatest üregeiben. Azonban ha az alkalmazott nyomás 0,1 Pa-nál kisebb, a nedvesítés megnő.

A G. E. Gázzá és munkatársai által bejelentett, 1975. február 4-én megadott, 3 864154 számú amerikai egyesült államokbeli szabadalmi leírásban is olyan eljárást ismertetnek, amelyben az átitatás elősegítésére vákuumot alkalmaznak. Az ismertetett eljárásban hidegen sajtolt A1B₁₂ port töltenek hidegen sajtolt alumíniumpor ágyba. Ezt követően az A1B₁₂ por Összeállítás tetejére további alumíniumot behelyeznek. Az ily módon két alumíniumpor réteg közé helyezett A1B _l2 port tartalmazó olvasztótégelyt ezután a vákuumkemencébe helyezik. A kemencét ezután közel 1 Pa értékig evakuálják. Ezt követően a hőmérsékletet 1100 °C-ra emelik, és ezen a hőmérsékleten tartják 3 órán át. Ilyen körülmények között az olvadt alumínium átitatja a porózus A1B₁₂ testet.

Amint a fentiekben ismertettük, az eddig ismert eljárásokban nyomást, vákuumot vagy nedvesítőszert alkalmaznak kerámiatestek fémmel való átitatására. Egyik fent idézett eljárásban sem ismertetnek vagy javasolnak olyan eljárást, amelyben kerámiatestek olvadt alumíniumötvözetekkel való, spontán átitatását atmoszferikus nyomáson végeznék.

A találmányunk szerinti eljárással áteresztő kerámia töltőanyagot legalább 1 tömeg%, előnyösen 3 tömeg% magnéziumtartalmú, olvadt alumíniummal itatunk át. Az átitatás spontán, külső nyomás vagy nagy vákuum alkalmazása nélkül megy végbe. Az eljárásban töltőanyaggal olvadt fémötvözetet érintkeztetünk legalább 700 °C hőmérsékleten, olyan gáz jelenlétében, amely körülbelül 10-100 térfogat%, előnyösen legalább 50 térfogat% nitrogént és valamilyen nem oxidáló, kiegészítő gázt, például argongázt tartalmaz. Ilyen körülmények között az olvadt alumíniumötvözet normál atmoszferikus nyomáson átitatja a kerámiaanyagot, és így alumíniumtartalmú készítmény képződik. Amikor a kívánt mennyiségű kerámiaanyag átitatódott olvadt ötvözettel, a hőmérsékletet csökkentjük, így az ötvözet megszilárdul és a kerámiaanyagot beágyazó, szilárd fémkészítmény alakul ki. Általában és előnyösen az olvadt ötvözet mennyisége annyi, hogy lényegében a kerámiaanyag határáig biztosítja a töltőanyag átitatását. A találmányunk szerinti eljárással előállított, alumíniumtartalmú készítményben a kerámia töltőanyag mennyisége rendkívül nagy lehet. Ez azt jelenti, hogy a töltőanyag ötvözethez viszonyított tömegaránya 1:1 értéknél nagyobb is lehet.

A találmányunk szerinti eljárás egyik megvalósításánál alumíniumötvözetet helyezünk kerámia töltőanyag áteresztő ágy mellé vagy azzal érintkeztetve. Az Ötvözetet és az ágyat nitrogéntartalmú gázzal érintkeztetjük az ötvözet olvadáspontja feletti hőmérsékleten,

HU 205 051 Β nyomás vagy vákuum alkalmazása nélkül. Ilyen körülmények között az olvadt ötvözet spontán átitatja a szomszédos vagy a körülvevő ágyat. Ha a hőmérsékletet az ötvözet olvadáspontja alatti hőmérsékletre csökkentjük, az alumíniumötvözet megszilárdul és a kerámiát beágyazó szilárd ötvözet készítményt kapjuk. Megjegyezzük, hogy az alumíniumötvözetet szilárd állapotban a töltőanyag mellé és ezt követően olvasztjuk meg, majd hagyjuk, hogy átitassa a töltőanyagot; vagy az ötvözetet külön is megolvaszthatjuk, és ezután önthetjük a töltőanyagra.

A találmányunk szerinti eljárással előállított, alumíniumtartalmú készítmények alumíniumanyaga (alumínium mátrix) általában nem folytonos fázisú alumínium-nitridet tartalmaz. Az alumíniumanyagban (mátrixban) lévő nitrid mennyisége függ például az alkalmazott hőmérséklettől, az ötvözet összetételétől, a gáz összetételétől és a kerámia töltőanyagtól. Ezen túlmenően, ha az átitatás befejezése után is folytatjuk a nitridképző atmoszférával való, magas hőmérsékletű érintkeztetést, a készítmény atmoszférával érintkező felületén alumínium-nitrid alakulhat ki. A diszpergálódott alumínium-nitrid mennyiségét, valamint a külső felületeken kialakult nitridréteg mélységét az eljárás egy vagy több paraméterével, mint például a hőmérséklettel szabályozhatjuk. így a készítmény bizonyos jellemzői előre meghatározhatók, vagy például olyan alumúiium-nitrid burkolatú, alumíniumtartalmú készítmény állítható elő, amelynek felülete kopásálló.

A leírásunkban alkalmazott „nem oxidáló, kiegészítő gáz” kifejezés alatt olyan, a nitrogén mellett jelen lévő inért vagy redukáló gázt értünk, amely az eljárás körülményei között nem reagál az alumíniummal. A gáz(ok)ban esetleg szennyezésként jelen lévő (nitrogéntől eltérő) oxidáló gáz lényeges mértékben nem oxidálja a fémet.

A „kerámia”, „kerámiaanyag”, „kerámia töltőanyag” kifejezéseken, a szakterületen önmagukban ismert töltőanyagokat, mint például alumínium-oxidot vagy szilícium-karbid szálakat és kerámiabevonatű töltőanyagokat, mint például alumínium-oxiddal vagy szilícium-karbiddal bevont szénszálakat, ahol a bevonat az olvadt fém elleni védelemre szolgál, értünk.

Az eljárásunkban alkalmazott alumínium lényegében tiszta, vagy kereskedelmi tisztaságú alumínium, vagy magnéziummal vagy egyéb más ötvözőanyaggal, mint például vassal, szilíciummal, rézzel, mangánnal, krómmal, ötvözött alumínium lehet.

A találmányunk szerinti eljárással előállított alumíniumtartalmú készítmények mikroszerkezetét a következő ábrákon mutatjuk be:

1. ábra: a 3. példa szerinti eljárással, 850 °C hőmérsékleten előállított alumínium-oxiddal erősített alumíniumtartalmú készítmény 400-szoros nagyítású fotomikrográfját mutatja.

2. ábra: a lényegében a 3a) példa szerinti eljárással, de 900 °C hőmérsékleten és 24 óra alatt előállított, alumínium-oxiddal erősített alumíniumtartalmú készítmény 400szoros nagyítású fotomikrográfját mutatja.

3. ábra: a lényegében a 3b) eljárással, de 1000 °C hőmérsékleten, 24 óra alatt előállított alumínium-oxiddal (durvább, szemcsés, mint például 60-170 pm szemcseméretű alumínium-oxiddal) erősített alumíniumtartalmú készítmény 400-szoros nagyítású fotomikrográfját mutatja.

A találmányunk szerinti eljárásban olvadt alumínium-magnézium-ötvözetet érintkeztetünk áteresztő kerámiaanyaggal, mint például szemcsés, tűszerű vagy szálformájú kerámiaanyaggal vagy vezetünk a kerámiaanyaghoz, nitrogéntartalmú gáz jelenlétében. Az olvadt alumíniumötvözet spontán és fokozatosan átitatja a kerámia töltőanyagot. A spontán átitatás és a fémtartalmú készítmény képződése az eljárás körülményeitől függ, amint azt a későbbiekben részletesebben ismertetjük. A kerámiaanyag ötvözettel való spontán átitatása olyan készítmény képződését eredményezi, amelyben az alumíniumötvözet beágyazza a kerámiaanyagot.

Az M. S. Newkirk és munkatársai által 1986. január 15-én bejelentett, 818 943 számú, közös, függő, amerikai egyesült államokbeli szabadalmi bejelentés leírása szerint szerzők már korábban rájöttek, hogy ha az olvadt alumíniumötvözet szabad felületét nitridképző atmoszférával, mint például formálógázzal (96 térfogata nitrogén és 4 térfogat% hidrogén elegye) érintkeztetik, a felületen alumínium-nitrid képződik, és növekszik. Ezen túlmenően, az M. S. Newkirk és munkatársai által 1986. január 17-én bejelentett, 819 397 számú, közös, függő, amerikai szabadalmi bejelentésben ismertetett eljárásnál azt tapasztalták, hogy formálógázzal átitatott, porózus töltőanyagban összefüggő, alumínium-nitrid kristályok alakultak ki, amikor a töltőanyagot olvadt alumíniumötvözettel érintkeztették. Ezzel összehasonlítva meglepő volt az a tapasztalatunk, hogy nitridképző atmoszférában olvadt alumínium-magnézium-ötvözettel spontán átitatott kerámiaanyag fémtartalmú készítménnyé alakul át.

A találmányunk szerinti eljárásban olyan kerámiaanyagot alkalmazunk, amely az eljárás körülményei között annyira áteresztő, hogy lehetővé válik a gázalakú nitrogén áthatolása a testen és érintkezése az olvadt fémmel, valamint az átitató olvadt fém befogadása. így a nitrogénnel átjárt kerámiaanyag spontán átitatódik olvadt alumíniumötvözettel, és alumíniumtartalmú készítmény képződik. A spontán átitatás mértéke és a fémtartalmú készítmény kialakulása az eljárás körülményeitől, mint például az alumíniumötvözet magnéziumtartalmától, a jelen lévő, további ötvöző anyagoktól, a mérettől, a töltőanyag típusától és felületétől, a gáz nitrogéntartalmátől, az időtől és a hőmérséklettől függ. Az alumínium spontán átitatásához olyan alumíniumötvözetet alkalmazunk, ami legalább 1 tömeg%, előnyösen legalább 3 tömeg% magnéziumot tartalmaz. Az ötvözet tartalmazhat még egy vagy több olyan további ötvöző anyagot, mint például szilíciumot, cinket vagy vasat, amelyek befolyásolják az alkalmazott magnézium minimális mennyiségét. Ismeretes, hogy az időtartamtól és a hőmérséklettől függően bizonyos

HU 205 051 Β anyagok elpárologhatnak az olvadt alumíniumból, ennek megfelelően a találmányunk szerinti eljárásban is előfordulhat magnézium-, valamint cinkelpárolgás.

Ezért kívánatos, hogy az ötvözetben lévő magnézium mennyisége legalább 1 tömeg% legyen. Az eljárást legalább 10 térfogat% nitrogéntartalmú gáz jelenlétében kivitelezzük, az alkalmazott gáz kiegészítő komponense az eljárás körülményei között nem oxidáló gáz. A kerámiaanyag átitatásának befejezése után a fémet nitrogénatmoszférában megvalósított hűtéssel megszilárdítjuk, így a kerámia töltőanyagot lényegében beágyazó, szilárd, fémtartalmú készítmény alakul ki. Mivel az alumínium és magnézium ötvözet átitatja a kerámiát, a fém és a kerámiaanyag között várhatóan jó kötés alakul ki, ami a korábbiaknál jobb tulajdonságú kerámia készítményt eredményez.

A kerámiával töltött, fémtartalmú készítmények előállítási eljárásában alkalmazott alumíniumötvözet minimális magnéziumtartalma egy vagy több paramétertől függ, ilyen paraméterek például az eljárás hőmérséklete, az idő, járulékos ötvöző anyagok, mint például szilícium vagy cink jelenléte, a kerámia töltőanyag természete, a gázáram nitrogéntartalma. Az ötvözetben lévő magnézium mennyiségének növelésével alacsonyabb hőmérséklet vagy rövidebb hevítési idő alkalmazható. Emellett, adott magnéziumtartalom esetén, bizonyos járulékos ötvöző anyagok, mint például cink hozzáadása alacsonyabb hőmérséklet alkalmazását teszi lehetővé. így például, ha az 1-3 tömeg% magnéziumtartalom-tartomány alsó határának megfelelő magnéziummennyiséget alkalmazzuk, akkor a következő paraméterek legalább egyikét kell betartani:

- minimum feletti eljárás-hőmérséklet,

- nagy nitrogénkoncentráció, vagy egy vagy több járulékos ötvöző elem.

Általában széles határok között változó eljáráskörülmények között 3-5 tömeg% magnéziumtartalmú ötvözetek alkalmazása előnyös. Alacsonyabb hőmérséklet és rövidebb idő alkalmazásakor az előnyös magnéziumkoncentráció 5 tömeg%. Ha az átitatáshoz mérsékelt hőmérséklet szükséges, körülbelül 10 tömeg% magnéziumtartalmú alumíniumötvözetet kell alkalmazni. A magnéziumtartalom járulékosan alkalmazott ötvöző elemekkel csökkenthető, de ezeknek az elemeknek csak kiegészítő szerepük van, és a fentiekben meghatározott magnéziummennyiségekkel együtt alkalmazhatók. így például olyan névlegesen tiszta alumíniumötvözettel, amely csak 10 t% szilíciumot tartalmazott, egy 65 pm-es szemcseméretű 39 Crystolon-ágyat (Norton Co. gyártmányú, 99%-os tisztaságú szilíciumkarbid) 1000 °C hőmérsékleten sem tudtunk átitatni.

Az ötvözet nitridképződésének mértékét egy vagy több, járulékos ötvöző elem és a nitrogénatmoszféra nitrogénkoncentrációja is befolyásolja egy adott hőmérsékleten. Például a járulékosan alkalmazott ötvöző elemek, mint például cink vagy vas koncentrációjának növelésével csökkenthetjük az átitatási hőmérsékletet és ezáltal a nitridképződést, vagy pedig a nitrogénkoncentráció növelésével elősegíthetjük a nitridképződést.

Az ötvözetben lévő magnéziumkoncentráció adott hőmérsékleten szintén befolyásolja az átitatást. Emiatt előnyösen legalább 3 tömeg% magnéziumtartalmú ötvözetet alkalmazunk. Ennél kisebb, mint például 1 tömegbe magnéziumtartalmú ötvözet nagyobb eljárást hőmérsékletet vagy járulékos ötvöző elem alkalmazását teszi szükségessé az átitatáshoz. A találmányunk szerinti eljárásban a spontán átitatáshoz szükséges hőmérséklet az ötvözet magnéziumtartalmának például legalább 5 tömeg%-ra való növelésével vagy az ötvözetben lévő egyéb elemek, mint például cink vagy vas jelenlétével csökkenthető. A hőmérséklet a különböző kerámiaanyagok függvényében is változhat. Általában spontán és fokozatos átitatódás legalább 700 °C, és előnyösen legalább 800 °C hőmérséklet jön létre. Nem tapasztaltunk kedvező hatást a hőmérséklet 1200 °C fölé történő emelésénél. Tapasztalatunk szerint a hatásosan alkalmazható hőmérséklettartomány 800-1200 °C.

A találmányunk szerinti eljárásban nitrogéntartalmú gáz jelenlétében olvadt alumíniumötvözetet szállítunk az áteresztő kerámiaanyagba az átitatás létrejöttéhez elegendő időn keresztül. Ezt úgy érjük el, hogy folytonos gázáramot tartunk érintkezésben a kerámiaanyaggal és az olvadt alumíniumötvözettel. A nitrogéntartalmú gáz áramlási sebessége nem kritikus, de az alkalmazott áramlási sebesség előnyösen annyi, hogy' kiegyenlíti az ötvözetben létrejövő nitridképződés miatt a gáztérben bekövetkező nitrogénveszteséget, és megelőzi vagy megakadályozza az olvadt fém esetle-, ges oxidálását előidéző levegőbehatolást.

Amint azt a fentiekben ismertettük, a találmány szerinti eljárásban nitrogéntartalmú gázként legalább 10 térfogat% nitrogént tartalmazó gázt alkalmazunk. Azt tapasztaltuk, hogy a nitrogénkoncentráció befolyásolhatja az átitatást. Közelebbről a nitrogénkoncentráció csökkenésével nő az átitatáshoz szükséges időtartam.

Amint azt a következőkben ismertetésre kerülő 1. táblázatban bemutatjuk, az 5-7. példa szerinti eljárásban alumínum-oxid átitatásra 5 t% magnézium- és 5 t% szilíciumtartalmú olvadt alumíniumötvözetet alkalmaztunk, 1000 °C hőmérsékleten. Az átitatáshoz szükséges idő a nitrogéntartalom csökkenésével növekedett. 50 térfogat% nitrogéntartalmú gáz alkalmazásával az átitatódás 5 óra alatt fejeződött be. Ez az átitatási időtartam 24 órára nőtt 30 térfogat% nitrogéntartalmú gáz alkalmazásával, és 72 órára 10 térfogat% nitrogéntartalmú gáz alkalmazásával. Az alkalmazott gáz nitrogéntartalma előnyösen 100 térfogat%. A nitrogénkoncentráció alsó határértékénél, például 30 tf%-nál kisebb nitrogéntartalmú gáz alkalmazása nem előnyös, mert ebben az esetben hosszabb lesz az átitatáshoz szükséges hevítési időtartam.

A találmányunk szerinti eljárásban számtalan kerámiaanyagot alkalmazhatunk és a töltőanyag megválasztása olyan tényezők függvénye, mint például az alkalmazott alumíniumötvözet, az eljárás körülményei, az olvadt alumínium reakcióképessége a töltőanyaggal és a késztermékkel szemben támasztott minőségi követelmények. Kerámiaanyagként alkalmazhatunk

HU 205 051 Β

a) oxidokat, mint például alumínium-oxidot, magnézium-oxidot, titán-oxidot, cirkónium-oxidot és hafnium-oxidot;

b) karbidokat, mint például szilícium-karbidot és titán-karbidot;

c) boridokat, mint például titán-diboridot, alumíniumdodekaboridot; és

d) nitrideket, mint például alumínium-nitridet, szilícium-nitridet és cirkónium-nitridet.

Ha a töltőanyag hajlamos az olvadt alumíniumötvözettel való reakcióra, ez az átitatási idő és hőmérséklet csökkentésével vagy a töltőanyagon képzett, nem reakcióképes bevonattal előzhető meg. A töltőanyag tartalmazhat egy szubsztrátumot, mint például szenet vagy egyéb nem kerámiaanyagot, amelyen a szubsztrátum megtámadását vagy bomlását megakadályozó kerámiabevonat van. Uyen kerámiabevonatok lehetnek például oxidok, karbidok, boridok és nitridek. A találmányunk szerinti eljárásban előnyösen alkalmazható kerámiaanyagok például a szemcse-, lemez-, tűszerű- vagy szálformájú alumínium-oxid és szilícium-karbid. Szálas anyagként alkalmazhatunk nem folytonos (aprított) vagy folytonos (sok szálas kóc) rostanyagot. Ezen túlmenően az alkalmazott kerámiaanyag lehet homogén vagy heterogén.

A szilícium-karbid olvadt alumíniummal reagáltatva alumínium-karbidot képez, ezért ha töltőanyagként szilícium-karbidot alkalmazunk, kívánatos ennek a reakciónak a megakadályozása vagy minimalizálása. Az alumínium-karbid nedvességgel szembeni érzékenysége ugyanis a készítményt gyengítheti. Ezért, a reakció minimalizálására vagy megelőzésére a szilícium-karbidot levegőn előhevítjük, hogy reakcióképes szilíciumdioxid bevonat alakuljon ki rajta és/vagy az alumíniumötvözetet tovább ötvözzük szilíciummal. Az ötvözet szilíciumtartalmának növekedése mindkét esetben az alumínium-karbid-képződés kiküszöbölését eredményezi. Hasonló eljárásokat alkalmazhatunk egyéb töltőanyagok nemkívánatos reakcióinak elkerülésére is.

A kerámiaanyag bármilyen, olyan formájú és méretű lehet, amely a kívánt tulajdonságú készítmény kialakításához szükséges. így, mivel az átitatódást a töltőanyag formája nem korlátozza, alkalmazhatunk szemcsés, tűszerű, lemez- vagy szálformájú töltőanyagot. Alkalmazhatók egyéb, mint például gömb-, cső-, pellet- formájú vagy tűzálló szálból készült szővetanyagok is. Az anyag mérete nem korlátozza az átitatást, de kisebb részekből álló anyagok teljes átitatásához nagyobb hőmérséklet vagy hosszabb idő szükséges, mint nagyobb részekből álló anyagok esetében. Emellett az átitatandó kerámiaanyaggal szemben az is követelmény, hogy áteresztő legyen olvadt alumíniumötvözetek és nitrogéntartalmú gázok számára. A kerámiaanyagot alkalmazhatjuk az eredeti, kis sűrűségű formában vagy mérsékelt sűrűségűre összenyomott formában.

A találmányunk szerinti eljárásban az olvadt alapfém kerámiaanyagba való bekényszerítése nem nyomással történik, ezért a képződő alumíniumötvözet készítmény lényegében egységes, nagy térfogatrészt betöltő kerámiaanyagot tartalmaz, és kis porozitású. Ha a kiindulási kerámiaanyag kisebb porozitású, nagyobb térfogatrészt betöltő kerámiaanyag-tartalmú készítményt nyerünk. A nagyobb térfogatrészt betöltő kerámiaanyag-tartalmú készítményt úgy is előállíthatjuk, hogy a kerámiaanyagot összesajtoljuk. Az összesajtolást úgy végezzük, hogy az anyag porozitása kellő mértékű maradjon, vagyis ne alakuljon ki olyan sűrű szerkezet, amely megakadályozza az olvadt ötvözettel történő átitatását.

Megfigyeltük, hogy egy adott alumíniumötvözetből és kerámiából álló rendszer esetén az alumíniummal való átitatás és a fémtartalmú készítmény előállításának legfontosabb művelete a kerámia átnedvesítése az alumíniumötvözettel.

Alacsony eljárási hőmérsékleten előfordul elhanyagolható vagy minimális mennyiségű fémnitridképződés, amely a fémben nem folytonos diszpergálódott fázist eredményez. Az alkalmazott hőmérséklettartomány felső határánál a fém nítrídálódása sokkal valószínűbb. Ennek megfelelően a fémben lévő nitridfázis mennyisége az eljárási hőmérséklet változtatásával szabályozható. Az az eljárás-hőmérséklet, amelynél a nitridképzódés jelentékennyé válik, szintén számos tényező függvénye, ilyenek például az alkalmazott alumíniumötvözet, az alumíniumötvözet mennyisége a töltőanyag térfogatához viszonyítva, az átitatandó kerámiaanyag, az alkalmazott gáz nitrogénkoncentráciőja. így például, ismereteink szerint, valamilyen, adott eljárási hőmérsékleten az alumínium-nitríd-képződés mértéke növekszik az ötvözet kerámiatöltőanyag nedvesítőképességének csökkenésével és a gáz nitrogénkoncentrációjának növekedésével.

Ennek megfelelően a találmány szerinti eljárásban a készítmény kialakulása folyamán lehetőség van a fémrész összetételének, és ezáltal bizonyos késztermék jellemzőknek a beállítására. Adott rendszernél a hőmérséklet megválasztásával szabályozhatjuk a nitridképződést. Egy alumínium-nitrid-fázist tartalmazó készítmény bizonyos, olyan tulajdonságokat mutat, amely a késztermék jellemzőit előnyösen befolyásolja vagy javítja. Emellett az alumíniumötvözet spontán átitatódására alkalmazott hőmérséklet változhat az alkalmazott kerámiaanyagtól függően is. Alumínium-oxid töltőanyag alkalmazása esetében az alkalmazott átitatási hőmérséklet előnyösen nem haladja meg az 1000 °Cot, azért, hogy lényeges mennyiségű nitridképzódés ne csökkentse az anyag rugalmasságát. Ha kevésbé hajlékony, merevebb készítmény előállítása kívánatos, 1000 °C feletti hőmérséklet alkalmazható. Egyéb kerámiák, mint például szilícium-karbid töltőanyag átitatásához 1200 °C feletti hőmérséklet alkalmazható, mivel ebben az esetben az alumíniumötvözet nitridképzódése kisebb mértékű, mint alumínium-oxid esetén.

A találmányunk szerinti eljárás egy másik megvalósítási módjában alumínium-nitrid héjú vagy felületű készítményt állítunk elő. Az eljárásban az ötvözetet olyan mennyiségben alkalmazzuk, hogy az meghatározott határig teljesen átitassa a kerámiaanyag ágyat. Azonban ha az olvadt ötvözet szállítása megszűnik, mielőtt a teljes ágy vagy előfonna átitatódna, és a

HU 205 051 Β hőmérsékletet nem csökkentjük annyira, hogy az ötvözet megszilárduljon, a készítmény külső felületén vagy felülete mentén alumínium-nitrid-réteg vagy zóna képződhet, annak következtében, hogy az átitató alumíniumötvözet felületi rétegeiben nitrid képződik. Az ágy be nem ágyazódott része például homokfúvással könnyen eltávolítható. A határáig átitatott ágy vagy előfonna felületén is kialakíthatunk „nitridhéjat” az eljárás körülményeinek fenntartásával. Például olvadt alumínium ötvözettel nem nedvesíthető, nyitott edényt áteresztő kerámia töltőanyaggal töltünk meg, és a kerámiaágy felső felületét nitrogéngázzal érintkeztetjük. Miután az ágy az edény faláig és felső felületéig átitatódott, és a hőmérsékletet, valamint a gázáramlást az előző értékeken tartjuk, az olvadt alumíniumból a nitrogénatmoszférával érintkező felületen nitrid képződik.

A nitridképződést szabályozhatjuk, és akár folytonos, akár nem folytonos fázist alakítunk ki belőle a héjrétegben. A készítmény felületén kialakuló nitridképződés mértékének szabályozásával a készítmény tulajdonságait változtathatjuk. így például olyan alumínium-nitrid felületi réteget tartalmazó készítményt állíthatunk elő, amely a fémtartalmú készítménynél kopásállóba

Amint a következő példákban bemutatjuk, olvadt alumínium-magnézium-ötvözetek spontán átitatják az áteresztő kerámiaanyagot annak következtében, hogy képesek a nitrogéngázzal átjárt kerámiaanyagok benedvesítésére. Alacsonyabb hőmérséklet és kisebb magnéziumkoncentráció alkalmazását az alumíniumötvözethez adott, járulékos ötvöző elemek, mint például szilícium és cink segítségével érhetjük el. Ki nem égetett szilícium-karbid átitatásához előnyösen 10-20 térfogat% vagy ettől több szilíciumtartalmú alumínium-magnézium-ötvözetet alkalmazhatunk, mivel ennek hatására az alumínium-karbidot eredményező reakció az olvadt ötvözet és szilícium-karbid között minimalizálódik. Ezen túlmenően a találmányunk szerinti eljárásban alkalmazott alumíniumötvözetek a kész ötvözetkészítmény kívánt, különleges mechanikai és fizikai tulajdonságainak beállítására tartalmazhatnak különböző, egyéb ötvöző elemet is. Például az ötvözetben lévő réz adalékanyag olyan készítmény előállítását teszi lehetővé, amely a keménységének és szilárdságának növelésére hőkezelhető.

1-10. példák

Ezekben a példákban alumíniumötvözet-tartalmú készítmények előállítási eljárását mutatjuk be. Az eljárásban különböző alumínium-magnézium-ötvözet, alumínium-oxid, nitrogéntartalmú gáz, hőmérséklet és idő eljárás paraméter kombinációkat alkalmazunk. A különböző kombinációkat a következőkben ismertetésre kerülő 1. táblázatban mutatjuk be.

Az 1-9. példák szerinti eljárásokban legalább 1 tömeg% magnéziumot és egy vagy több, járulékos ötvöző elemet tartalmazó, olvadt alumínium-magnéziumötvözetet vezettünk az áteresztő, szemcsés, laza alumínium-oxidhoz úgy, hogy az alümínium-oxiddal érintkeztettük a szilárd ötvözettestet. A kis sűrűségű, szemcsés alumínium-oxidot tűzálló csónakba helyeztük. Az ötvözettest mérete 2,5 x 5 x 1,3 m volt. Az ötvözet- és kerámia-összeáljítást ezután 200-300 cm³/perc áramlási sebességű, nitrogéntartalmú gáz jelenlétében kemencében felhevítettük. Az 1. táblázatban ismertetett körülmények között a 2. példa kivételével az olvadt ötvözet spontán átitatta az alumínium-oxid ágyat; a 2. példa szerinti eljárásban az átitatódás csak részleges volt. Azt tapasztaltuk, hogy 43-45 g tömegű ötvözettestek általában teljesen átitatták a 30-40 g tömegű kerámiaanyagokat.

Amint azt a fentiekben ismertettük, az alumíniumoxid töltőanyag átitatódása alatt alumínium-nitrid képződhet. Az alumínium-nitrid-képződés mértéke az ötvözet tömegnövekedés %-os értékével határozható meg, azaz az ötvözet tömegének növekedését az átitatáshoz alkalmazott ötvözet tömegéhez viszonyítjuk.

A magnézium vagy cink nagymértékben hőmérsékletfüggő elpárolgása következtében tömegcsökkenés is előfordulhat. Ilyen párolgási effektusokat nem mértünk közvetlenül, és a nitridképződés mértékének meghatározásakor ezt a tényezőt nem vettük figyelembe. Ha az alumíniumból teljes egészében nitrid képződik, elméletileg 52 tömeg% tömegnövekedés következik be. Kísérleteinkben azt tapasztaltuk, hogy az alumíniumban képződő nitrid mennyisége a hőmérséklet növekedésével nőtt. Például a 8. példában alkalmazott 5 Mg-10 Si ötvözet (lásd az 1. táblázatban) tömegnövekedése 1000 °C hőmérsékleten 10,7% volt, de amikor lényegében ugyanezt a kísérletet 900 °C hőmérsékleten megismételtük (az 1. táblázatban ezt nem tüntettük fel), a százalékos tömegnövekedés 3,4% volt. Hasonló eredményeket kaptunk a következőkben ismertetésre kerülő 14. példában. Ezt figyelembe véve a készítmény fémrészének összetétele és ennélfogva a készítmény tulajdonságai előre meghatározhatók bizonyos hőmérséklet-tartományban való működtetéssel.

Áteresztő, szemcsés anyagok átitatása mellett, szálas szerkezetű anyagok átitatásával is előállíthatunk készítményt. Amint a 10. példában ismertetjük, 2,2 cm hosszú, 2,5 cm átmérőjű és 29 g tömegű, Al-3 t% Mg ötvözet hengert 3,27 g tömegű, Du Pont gyártmányú, szálas szerkezetű, FP alumínium-oxid szövettel burkoltunk be. Az ötvözet-szövet összeállítást ezután formáló gáz jelenlétében hevítettük. Ilyen körülmények között az ötvözet spontán átitatta az alumínium-oxid szövetet, és fémtartalmú készítményt kaptunk.

Anélkül, hogy bármiféle elmélethez kötnénk magunkat, megjegyezzük, hogy nyilvánvalónak látszik, hogy a nitrogénatmoszféra idézi elő a kerámiaanyag ötvözettel való spontán átitatását. A nitrogén fontosságának meghatározására nitrogénmentes gáz alkalmazásával kontrollkísérletet végeztünk. Amint az 1. táblázatban látható, az 1. sz. kontrollkísérletet a 8. példa szerinti eljárásnak megfelelően végeztük, de nitrogénmentes gázt alkalmaztunk. Azt tapasztaltuk, hogy ilyen körülmények között az olvadt alumíniumötvözet nem itatta át az alumínium-oxid ágyat.

Néhány alumíniumtartalmú készítményben letapo7

HU 205 051 Β gató elektronmikroszkóppal meghatároztuk a kerámia töltőanyag térfogatrészét, a fémötvözetrészt és a porozitást. Az eredmények azt mutatják, hogy a kerámia töltőanyag térfogatarány az ötvözethez képest általában nagyobb, mint 1:1. Például a 3. példa szerint előál- 5 lított készítmény esetében azt kaptuk, hogy a készítmény 60 térfogat% alumínium-oxidot, 39,7 térfogat% fémötvözetet tartalmazott, és porozitása 0,3 térfogat% volt.

Az 1. ábrán a 3. példa szerint előállított készítmény 10 fotomikrográfját láthatjuk. A szemcsés alumínium-oxid (10) láthatóan beágyazódik az alumíniumötvözetbe (12). Amint a fázishatárok vizsgálatából láthatjuk, az alumínium-oxid-szemcsék és az ötvözet szorosan érintkeznek. Ha a 2. és 3. ábrákat összehasonlítjuk, nyilván- 15 valóvá válik, hogy 850 °C hőmérsékleten végzett átitatáskor az ötvözet minimális nitridálása lépett fel. A fémrészben lévő nitrid mennyiségét röntgen-diffrakciós elemzéssel határoztuk meg, a diffraktogramon jól elkülönülnek az alumínium és az alumínium-oxid fő- 20 csúcsok, valamint az alumínium-nitrid mellékcsúcsok.

Adott alumíniumötvözet-kerámia-nitridképző gáz rendszer esetén egy adott időperiódusban a nitridképződés mértéke a hőmérséklet növekedésével nő. Ilyen módon, ha az 1. ábrán bemutatott készítmény előállttá- 25 sí paramétereivel, de 900 °C hőmérsékleten és 24 óra alatt állítottunk elő készítményt, azt tapasztaltuk, hogy a nitridképződés lényegesen megnőtt, amint ezt a 2. ábrán láthatjuk. Erre a kísérletre a továbbiakban 3 a) példaként hivatkozunk. Ha az 1. és 2. ábrákat összeha- 30 sonlítjuk, a sötétszürke területek (14) növekedéséből megállapíthatjuk a nagyobb mértékű nitridképzódést.

Azt tapasztaltuk, hogy a készítmény tulajdonságai előre meghatározhatók a töltőanyag típusának és méretének, valamint az eljárás körülményeinek megválasztásával. Ennek bemutatására a 3. példa szerinti eljárásban alkalmazott ötvözetből és eljárás paraméterekkel állítottunk elő készítményt, de a hőmérsékletet 1000 °C-ra állítottuk be, az időperiódus 24 óra volt, és a 60 pm-es töltőanyag helyett 170 pm-es töltőanyagot használtunk. Ennek az ún. 3b) példa szerinti készítménynek és a fenti 3a) példa szerinti készítménynek a sűrűségét és rugalmassági moduluszát a következő táblázatban mutatjuk be:

Példa száma	Hőmérséklet (°C)	Sűrűség (g/cm³)	Young modulusz (GPa)
3a)	900	3,06	154
3b)	1000	3,13	184

Amint a fenti eredményekből látszik, a töltőanyag és az eljárás körülményeinek kiválasztása a készítmény tulajdonságainak módosítására alkalmazható. A táblázatban bemutatott eredményekkel ellentétben az alumínium Young-modulusza 70 GPa. Ha a 2. és 3. ábrákat összehasonlítjuk, azt is láthatjuk, hogy a 3b) példa szerinti eljárásban sokkal több alumínium-nitrid képződött, mint a 3a) ábrán bemutatott eljárásban. Annak ellenére, hogy a két példában különböző szemcseméretű töltőanyagot alkalmaztunk, úgy gondoljuk, hogy a nagyobb mennyiségben képződött alumínium-nitrid a nagyobb eljárás-hőmérséklet· eredménye, és elsődlegesen ez okozza a 3b) példában előállított készítmény nagyobb Young-moduluszát (az alumínium-nitrid Young-modulusza 345 GPa).

1. táblázat

Alumíniumtartalmú alumínium-oxid készítmények

Példa száma	Kontrollpéldaszám	Alumíniumötvözet összetétele t%	Szemcseméret	Gázössze tétel (tf%)	Átitatási hőmérséklet (°C)	Átitatási idő (óra)
1.		2 Mg-5 Si	60 pm	formáló gáz^b	1000	5
2.		1 Mg-5 Si	60 pm	formáló gáz	1000	5
3.		3 Mg-5 Si-6 Zn	60 pm	formáló gáz	850	18
4.		5 Mg-5 Sí	60 pm	formáló gáz	900	5
5.		5 Mg-5 Si	170 pm	50/50 N₂/Ar	1000	5
6.		5 Mg-5 Si	170 pm	30/70 N₂/Ar	1000	24
7.		5 Mg-5 Si	170 pm	10/90 N₂/Ar	1000	72
8.		5 Mg-10 Si	60 pm	formáló gáz	1000	10
9.		5 Mg-10 Si	170 pm	n₂	1000	10

HU 205 051 Β

Példa száma	Konlrollpéldaszám	Alumíniumötvözel összetétele t%	Szemcseméret	Gázösszetétel (tf%)	Átitatási hőmérséklet (°C) .	Átitatási idő (óra)
10.		3 Mg	szálas szerkezet	formáló gáz	1100-1200	2
	1	6 Mg-10 Si	60 pm	96/4Ar/H₂	1000	10

⁹ a többi alumínium ^b 96 tf% N₂ és 4 tf% H₂11-21. példák

A találmányunk szerinti eljárásban az alumíniumoxidtól eltérő kerámiaanyagok is alkalmazhatók. Amint a 11-21. példákban alkalmazott, a 2. táblázat- 15 bán bemutatott reakciókörülményekből kitűnik, szilícium-karbiddal erősített alumíniumötvözet-tartalmú készítmények is előállíthatók. A bemutatott készítmények előállításához különböző magnéziumtartalmú alumíniumötvözet, szilícium-karbid erősítő anyag, nit- 20 rogéntartalmú gáz, valamint hőmérséklet és idő kombinációk alkalmazhatók. A készítményeket az 1-9. példák szerinti eljárással, de az alumínium-oxid helyett szilícium-karbid alkalmazásával állítottuk elő. A gáz áramlási sebessége 200-350 cm³/perc volt. A 11-21, 25 példákhoz tartozó 2. táblázatban bemutatott reakciókörülmények alkalmazásával azt tapasztaltuk, hogy az ötvözet spontán átitatta a szilícium-karbidot.

A fenti példák szerinti eljárásban előállított készítményekben a szilícium-karbid térfogataránya az alu- 30 míniumötvözethez képest általában 1:1 értéknél nagyobb volt. A 13. példában előállított készítmény letapogató elektronmikroszkópiás elemzése (amint azt fent ismertettük) azt mutatja, hogy a készítmény 57,4 térfogat% szilícium-karbidot, 40,5 térfogat% fémet 35 (alumíniumötvözet és szilícium) tartalmazott, és porozitása 2,1 térfogat% volt.

Az alkalmazott ötvözet magnéziumtartalma fontos a spontán átitatáshoz. Azt bizonyítják a 2. táblázatban bemutatott 2. és 3. kontrollkísérletek eredményei, 40 amelyekből látható, hogy milyen hatással van az alumíniumötvözet magnéziumhiánya az ötvözet spontán átitatóképességére. A kontrollkísérletek körülményei között azt tapasztaltuk, hogy az ötvözetben nincs magnézium, a spontán átitatódás nem jön létre.

A nitrogéngáz jelenléte szintén nagyon fontos. Ennek bizonyítására a 17. példa szerinti körülmények között hajtottuk végre a 4. kontrollkísérletet, azzal a különbséggel, hogy nitrogénmentes gázt, azaz argongázt alkalmaztunk. Ilyen körülmények között azt tapasztaltuk, hogy az olvadt ötvözet nem itatta át a szilícium-karbid töltőanyagot.

Amint a fentiekben ismertettük, a hőmérséklet hatással lehet a nitridképződésre, amint azt az öt, különböző hőmérsékleten végzett 14. péjda kísérletei is alátámasztják. A 2. táblázat adataiból láthatjuk, hogy a 800 °C hőmérsékleten végzett kísérlet esetében a tömegnövekedés 1,8% volt, a 900, 1000 és 1100 °C hőmérsékleten végzett kísérletek esetében a tömegnövekedés rendre 2,5%, 2,8% és 3,5% volt, és jelentős tömegnövekedés volt tapasztalható, amikor 1200 °C hőmérsékleten végeztük a kísérletet. Megfigyelhető, hogy az ezekben a kísérletekben tapasztalt tömegnövekedés kisebb volt, mint azokban a példákban, ahol alumínium-oxid töltőanyagot alkalmaztunk. .

A találmányunk szerinti eljárásban töltőanyagként alumínium-oxidtól és szilícium-karbidtól eltérő töltőanyagok is alkalmazhatók.

Ilyen töltőanyagokat mutatunk be a 22-24. példákban, amelyekben rendre cirkónium-oxidot, alumíniumnitridet és titán-diboridot alkalmazunk.

2. táblázat

Alumíniumtartalmú szilícium-karbid készítmények

Példa száma	Kontrollpél- daszám	Alumíniumötvözet összetétele	SiC típus	Gázösszetétel	Hőmérséklet (’C)	Idő (óra)
11.	-	3 Mg	35 pm-es szemcseméret^a'^b	formáló gáz	1000	24
12.	-	3 mg-10 Si	35 pm-es szemcseméret	formáló gáz	1000	24
	2	tiszta Al	35 pm-es szemcseméret	formáló gáz	1000	24
	3	10 Si	35 pm-es szemcseméret	formáló gáz	1000	24
13.	-	3 Mg-15 Si	35 pm-es szemcseméret^b	formáló gáz	950	24

HU 205 051 B

Példa száma	Kontrollpél- daszám	Alumíniumőtvőzet összetétele	SiC típus	Gázösszetétel	Hőmérséklet (’C)	Idő (óra)
14.	-	5 Mg-15 Si	35 pm-es szemcseméret¹	b	formáló gáz	800
15.	-	5 Mg-15 Si	35 pm-es szemcseméret⁶	formáló gáz	1000	10
16.	-	5 Mg-15 Si	35 pm-es szemcseméret	n₂	1000	10
-	4	5 Mg-15 Si	35 pm-es szemcseméret	argon	1000	10
17.	-	5Mg-17Si	35 pm-es szemcseméret	formáló gáz	1000	10
18.	-	lMg-3Si	35 pm-es szemcseméret	formáló gáz	1200	10
19.	-	5 Mg-15 Si	laza SiC szál¹5,6 mm	formáló gáz	950	18
20.	-	5 Mg-15 Si	SiCtfl^d	formáló gáz	850	24
21.	-	5 Mg-15 Si	aprított SiC szál⁶	formáló gáz	900	24

Megjegyzések a 2. táblázathoz:

¹ elöhevícve 1250 °C-on, 24 őrán át ⁶ 39 Crystolon (99 t% feletti tisztaságú SiC-Norton Company) ^c Avco Specialty Materials Co. gyártmányú ^d ZrO₂ ágyba helyezett sajtolt előfonna, A1₂O₃ csónakban, a tűformájú töltőanyag Nippon Light Metals Co., Ltd. gyártmányú ^e Nippon Carbon gyártmányú Nicalon szál

22. példa t% magnézium- és 10t% szilíciumtartalmú alumíniumötvözetet olvasztottunk meg szemcsés cirkóniumoxid (60 pm, SCMg₃, Magnézium Electron, Inc. gyártmány) ágy felületével érintkeztetve, formáló gáz atmoszférában, 900 °C hőmérsékleten. Ilyen körülmények között az olvadt ötvözet spontán átitatta a cirkónium-oxid ágyat, és fémtartalmú készítmény képződést eredményezett.

23. példa

Két kísérletet végeztünk az 1-9. példában ismertetett eljárások alkalmazásával, de az alumínium-oxid helyett 10 pm-nél kisebb szemcseméretű alumíniumnitrid port (Elektroschmelzwerk Kempton GmbH gyártmány) használtunk. Az ötvözet és ágy összehasonlítást nitrogénatmoszférában, 1200 °C hőmérsékleten hevítettük 12 órán áL Az ötvözet spontán átitatta az alumínium-nitrid ágyat, és fémtartalmú készítmény képződött. 3 Mg és 3 Mg-10 Sí ötvözetekkel minimális nitrxdképződés (amint azt tőmegnövekedésméréssel meghatároztuk) és kiváló átitatódás jött létre, és kiváló fémtartalmú készítmény képződött. Az egységnyi tömegnövekedés rendre 9,5 és 6,9% volt.

24. példa

A 23. példában ismertetett eljárást ismételtük meg azzal a különbséggel, hogy 5-6 pm szemcseméretű titán-diborid port (Grade HTC minőség, Union Carbide Co. gyártmány) alkalmaztunk az alumínium-nitrid por helyett. A 23. példa szerinti összetételű alumíniumötvözet spontán átitatta a port és porral kötődő egységes, fémtartalmú készítményt kaptunk, minimális nitridképződéssel az ötvözetben. Az Al-3 Mg ötvözet tömegnövekedése 11,3%, és az AI-3 Mg-10 Sí ötvözet tömegnövekedése 4,9% volt.

A fémtartalmú készítmények előállítására szolgáló találmányunk szerinti eljárás előnye a hagyományos eljáráshoz viszonyítva, hogy az eljárásban nem szükséges nagy nyomás vagy vákuum alkalmazása, az eljárással előállítható, alumíniumtartalmú készítmény kerámiatartalma széles határok között változtatható, a kapott készítmény porozitása kicsi, és a készítmény bizonyos tulajdonságai előre meghatározhatók.

Claims

SZABADALMI IGÉNYPONTOK

1. Eljárás alumínium mátrixú összetett szerkezetű készítmények előállítására, amikor is porózus szerkezetű, áteresztő kerámia töltőanyagot legalább 1 tőmeg% magnéziumtartalmú alumíniumőtvőzettel érintkeztetünk, azzal jellemezve, hogy az alumíniumötvözetet szilárd állapotban a porózus szerkezetű, áteresztő kerámia töltőanyag mellett, egymással érintkezésben, 10-100 tf% nitrogént és szükség szerinti mennyiségben kiegészítő gázt tartalmazó nem oxidáló gázatmoszférában helyezzük el, az alumíniumötvözet olvadáspontját meghaladó, a kerámia töltőanyag olvadáspontja alatt maradó hőmérsékletre hevítjük, majd az olvadt alumíniumötvözetet és a kerámia töltőanyagot ismert módon érintkeztetjük és a kívánt mértékű átjáratás után az olvadt alumíniumötvözetet hagyjuk megszilárdulni, végül a kerámia töltőanyagot beágyazva tartalmazó, szilárd összetett szerkezetű készítményt ismert módon kinyerjük.

HU 205 051 Β
2. Az 1. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy az alumíniumötvözetet az áteresztő kerámia töltőanyaggal legalább 700 °C hőmérsékleten érintkeztetjük.
3. Az 1. vagy 2. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy az érintkeztetést legalább 800 °C hőmérséklet fenntartása mellett hajtjuk végre.
4. Az 1-3. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy az érintkeztetést 800-1200 °C hőmérséklet fenntartása mellett hajtjuk végre.
5. A 2., 3. vagy 4. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy gázként teljes egészében nitrogéngázt alkalmazunk.
6. A 2., 3. vagy 4. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy gázként legalább 50 térfogat% nitrogént és kiegészítő gázként argon- vagy hidrogéngázt tartalmazó gázkeveréket alkalmazunk.
7. A 6. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy alumíniumötvözetként 3 tömeg% magnéziumot tartalmazó alumíniumötvözetet alkalmazunk.
8. A 2., 3. vagy 4. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy alumíniumötvözetként egy vagy több, további ötvöző elemet tartalmazó alumíniumötvözetet alkalmazunk.
9. A 2., 3. vagy 4. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy kerámia töltőanyagként oxidokat, karbidokat, boridokat vagy nitrideket alkalmazunk.
10. A 9. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy kerámia töltőanyagként alumínium-oxidot alkalmazunk, és az érintkeztetési hőmérséklet 1000 °C.
11. A 9. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy kerámia töltőanyagként szilícium-karbidot alkalmazunk, és az érintkeztetési hőmérséklet 1200 °C.
12. A 9. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy kerámia töltőanyagként cirkónium-oxidot alkalmazunk.
13. A 9. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy kerámia töltőanyagként titán-diboridot alkalmazunk.
14. A 9. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy kerámia töltőanyagként alumínium-nitridet alkalmazunk.
15. A 2., 3. vagy 4. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy az alumíniumrészben nem folytonos fázisú alumínium-nitridet alakítunk ki.
16. A15. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a hőmérséklet növelésével az alumíniumrészben lévő alumínium-nitrid mennyiségét növeljük.
17. A 2., 3. vagy 4. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy kerámia töltőanyagként oxid-, karbid-, borid- vagy nitrid kerámia bevonatú töltőanyag-szubsztrátumot alkalmazunk.
18. A17. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy töltőanyag szubs,ztrátumként széntartalmú anyagot alkalmazunk.
19. A17. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy töltőanyag szubsztrátumként szénszálat alkalmazunk.
20. Eljárás alumínium mátrixú összetett szerkezetű készítmények előállítására, amikor is porózus szerkezetű, áteresztő kerámia töltőanyagot legalább 1 tömeg% magnéziumtartalmú alumíniumötvözettel érintkeztetünk és nitridáljuk, azzal jellemezve, hogy az alumíniumötvözetet szilárd állapotban a porózus szerkezetű, áteresztő kerámia töltőanyag mellett, egymással érintkezésben, 10-100 tf% nitrogént és szükség szerinti mennyiségben kiegészítő gázt tartalmazó nem oxidáló gázatmoszférában helyezzük el, az alumíniumötvözet olvadáspontját meghaladó, a kerámia töltőanyag olvadáspontja alatt maradó hőmérsékletre hevítjük, majd az olvadt alumíniumötvözetet és a kerámia töltőanyagot ismert módon érintkeztetjük és a kívánt mértékű átjáratás után az alumíniumötvözet olvadt állapotát a vele átitatott kerámia töltőanyag legalább egy felületén kívánt vastagságú alumínium-nitrid bevonat kialakulásáig fenntartjuk, ezt követően az alumíniumötvözetet hagyjuk megszilárdulni, végül a kerámia töltőanyagot beágyazva tartalmazó, szilárd összetett szerkezetű, legalább részben alumínium-nitriddel bevont készítményt ismert módon kinyerjük.
21. A 20. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy az alumínium-nitrid bevonat vastagságát az alumíniumötvözet olvadt állapotának fenntartásával szükség szerinti mértékben megnöveljük.
22. A 20. vagy 21. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy az alumínium-nitrid bevonat vastagságát az alumíniumötvözet hőmérsékletének megnövelésével növeljük.