HUT52013A - Process for production of chemical products with selfcarrying structure - Google Patents

Description

A találmány tárgya eljárás önhordó szerkezetű kerámia termék előállítására. A javasolt eljárás során fém alapanyagot választunk és azt olvasztott állapotban kerámia anyaggá alakítjuk át. A találmány révén önhordó szerkezetű, egy vagy több bórtartalmű vegyületet, például boridot és célszerűen borid mellett karbidot tartalmazó önhordó szerkezetű testet állítunk elő, amikoris a fém alapanyag megolvadt tömegét bór-karbidot, szén leadására alkalmas donor anyagot (pl. széntartalmú anyagot) tartalmazó ággyal vagy tömeggel hozzuk kapcsolatba és eközben egy vagy több semleges hatású töltőanyagot is a bór-karbidot tartalmazó anyag mellett felhasználunk.

Az elmúlt évek során egyre növekvő érdeklődés mutatkozik a kerámia anyagok felhasználására mindazon területeken, ahol eddig a konstrukciós anyagokat elsősorban fémből készítették. Az érdeklődés növekedésének indokát abban kell látni, hogy a kerámia anyagok számos jellemzőjüket tekintve, például korrózióval szembeni ellenállás, keménység, kopásállóság, rugalmassági modulus vagy megemelt hőmérséklettel szembeni ellenállás vonatkozásában a fémeknél előnyösebb jellemzőket mutatnak.

A kerámia anyagok ilyen célú felhasználásával szemben akadályként mutatkozik a kívánt bonyolult struktúrák előállításának nehézkes volta és viszonylag nagy költsége. így például borid alapú kerámiák előállítására az ismert eljárások a megemelt hőmérsékletű összenyomás, a szintereléses módszerek, a kémiai reakciót is igénybe vevő nagy hőmérsékletű összenyomás. A megemelt hőmérséklet alkalmazása során a • · · · ·

kerámia anyag előállítása céljából például a kívánt boridot finomszemcsés por alakjában felmelegítjük és nagy nyomásnak vetjük alá. A porhoz egyéb szükséges adalékanyagokat is adunk, például megfelelő fémtartalmú por alakjában. Borid alapú test megemelt hőmérsékletű összenyomás segítségével történő eljárást ismertet a 3 937 619 lsz. US szabadalmi leírás, amikoris a kerámia anyagot porított fém és ugyancsak porított diborid keverékéből készítik el. A 4 512 946 lsz. US szabadalmi leírás ezzel szemben ugyanerre a célra porított bór és megfelelő összetételű fémhidrid alkalmazását javasolja.

A nagy nyomást alkalmazó és megemelt hőmérsékletet igénylő eljárások különleges anyagkezelést és bonyolult célberendezéseket tesznek szükségessé, de ennek ellenére sem lehet bonyolult alakzatokat előállítani, még viszonylag egyszerűbb felületi kialakítás mellett is a termelékenység alacsony, az előállítási költségek viszont igen magasak.

A különböző gépi szerkezetekben a kerámia anyagok ismert változatainak alkalmazását korlátozza az a tény is, hogy ezek az anyagok igen ridegek. Ez annyit jelent, hogy a mérettűrések csak igen kicsik lehetnek, az anyagok meghatározott erők hatására könnyen törnek. Ezek a tulajdonságok kizárják azt, hogy az ismert kerámia anyagokat az erősen változó mechanikai igénybevételt jelentő gépalkatrészek alapanyagaként figyelembe vehessük. A ridegség különösen jellemző a monolitikus szerkezetű borid alapú kerámia testekre.

- 4 A szerkezeti törékenység problémájának megoldására az egyik kísérlet a kerámia anyagok kombinálása fémekkel volt. Ez annyit jelent, hogy a kerámia szerkezetet cermettel vagy fémes mátrixszal egészítették ki. Az ilyen kombináció eredményeként azt várták, hogy a kerámia és a fém kedvező tulajdonságai egymást kiegészítik, azaz a kerámia keménysége, kopásállósága a fém rugalmasságával párosul. így a 4 585 618 lsz. US szabadalmi leírás olyan eljárást ismertet, amelyben cermet előállítására szemcsézett anyagok keverékének tömegében reakciót indítanak el és a reakció eredményeként önhordó jellegű színtereit kerámia anyag jön létre, amelyet olvasztott fémmel tartanak kapcsolatban. A kerámia test legalább egy részébe a megolvasztott fém behatol. A létrehozott keverékek példái között lehet említeni a titánt, az alumíniumot és a bór-trioxidot szemcsézett formában tartalmazó anyaghalmazt, amelyet megolvasztott alumíniummal érintkezésben hevítenek fel. A szemcsézett anyagok között lezajló reakciók eredményeként a kerámia fázisban titán-diborid és alumínium-trioxid alakul ki, amelyet a fém alumínium megolvasztott állapotban átjár. Ebben az eljárásban a reakciókeverék összetevői között az alumínium redukálószerként van jelen. A megolvasztott fémes alumíniumot nem használják fel borid képzésére, a kerámia test alumínium-boridot alig tartalmaz, a fémes alumínium jelenlétével a cél inkább a létrejövő kerámia struktúra pórusainak kitöltése. így a megolvasztott alumíniummal nedvesíthető, de annak hatásával szemben ellenálló cermetek készíthetők. Az így előállított cermeteket különösen az alumíniumgyártásban szükséges cellák létrehozására használják fel, hiszen az anyagában jelen levő alumínium a gyártott alumíniumba átmegy, de maga a cermet az alumíniumgyártásban szükséges kriolittal gyakorlatilag nem lép reakcióba. Az így kialakított bór-karbidos kerámia más alkalmazására nem tudunk példát.

A 0 113 249 szám alatt közzétett EP-szabadalmi bejelentés olyan módszert ismertet, amelynek segítségével megolvadt fém alapján állítanak elő cermetet. A megolvasztott fémet kerámia fázisú részecskékkel keverik ki, az így diszpergált anyagot megolvasztott állapotban tartják és ezt az állapotot kerámia jellegű hálós szerkezet létrejöttéig fenntartják. A kerámia fázis kialakulását példaként titán és bőr egy-egy sójának reakciója alapján mutatják be, ahol a megolvadt fémet alumínium jelenti. A kerámia szerkezetű borid in situ alakul ki és belőle hálós szerkezet jön létre. Ezt a szerkezetet azonban a fém nem járja át és a borid a megolvasztott fémből precipitáció útján képződik. A leírás egyértelműen kimondja, hogy lényegében TiAl}, AlE^ vagy AlB^ szemcsék a létrejött anyagban nem voltak megfigyelhetők, ezzel szemben T1B2 részecskék alkották a kerámia fázist, vagyis az alumínium ebből a reakcióból, azaz a borid képződéséből lényegében kimaradt. A leírás nem utal arra, hogy a folyamatban bór-karbid is felhasználható lenne.

A 3 864 154 lsz. US szabadalmi leírás infiltráció útján létrehozott kerámia-fém rendszert mutat be. Megolvadt fémes alumíniumot vákuumban AlB^ tömörítvénnyel hoznak • · · · ·

- 6 kapcsolatba, a fémes alumínium ezt a tömörítvényt átjárja és így vegyes rendszer jön létre. A szabadalom szerint ugyanilyen jellegű rendszer létrehozható SiB^-Al, B-Al, B^C-Al/Si és A1B^₂-B-A1 összetevőkkel. A leírás nem utal valamiféle kémiai reakcióra és olyan javaslatot sem tartalmaz, hogy összetett szerkezetű testet ilyen anyagok felhasználásával kémiai reakció hatásainak figyelembevételével állítsanak elő. Ugyancsak nincs szó a rendszer összetevőivel szemben kémiailag semleges töltőanyag közbeiktatásáról.

A 4 605 440 lsz. US szabadalmi leírás B^C-Al összetevőkből álló összetett szerkezetű test előállítására mutat be javaslatot. Az összetevőkből, így B^C és Al por alakú részecskékből létrehozott homogén keverékéből hideg összenyomással tömörítvényt hoznak létre és azt vákuumban vagy lényegében argonból álló atmoszférában szinterelik. A szinterelés mellett nincs szó fém alapanyag megolvasztott tömegének bevezetéséről, az előminta fém alapanyaggal való érintkeztetéséről. A leírás nem utal az összetevőkkel semben semleges kémhatású töltőanyag alkalmazására, amely esetleg lehetővé tenné kívánt alakú, a töltőanyag tulajdonságait is mutató végtermék előállítását.

A cermetek előállítására ismertté vált eljárások képesek korlátos körben az igények jó színvonalú kielégítésére. Ettől függetlenül továbbra is kívánatos olyan eljárások létrehozása, amelyekkel borid tartalmú anyagok az eddigieknél hatékonyabban és gazdaságosabban lennének kialakíthatók.

····· ·· ·· ···· • · · · · · · • 9 · · · · · · · · ·· · ···· ·· ·

A találmány feladata ennek megfelelően olyan eljárás kidolgozása, amelynek révén újszerű önhordó szerkezetű kerámia testek állíthatók elő nagy termelékenységgel, alacsony költségszint mellett.

A találmány értelmében olyan eljárást dolgoztunk ki, amikoris az önhordó szerkezetű kerámia test előállítására fém alapanyaggal történő átjáratást és kémiai reakciót egyidejűleg alkalmazunk, mégpedig bór-karbid jelenlétében. Ehhez először fém alapanyagot választunk, azt megolvasztjuk és a megolvasztott fém alapanyagot bór-karbidot tartalmazó ággyal hozzuk kapcsolatba. Ez az ágy akár teljes egészében állhat bór-karbidból. A folyamat eredményeként olyan önhordó szerkezetű kerámia test alakul ki, amely a fém alapanyag egy vagy több bórtartalmú vegyületéből jön létre, és ezek a vegyületek például a fém alapanyag boridja, a fém alapanyag borokarbidja és általában jelen van a fém karbidja is. A megolvasztott fém alapanyaggal átjáratott ágy anyaga a bór-karbid mellett egy vagy több, a reakció feltételei között semleges hatású töltőanyagot is tartalmazhat, és így olyan összetett szerkezetű kerámia test jön a reaktív infiltráció révén létre, amely a bórtartalmú egy vagy több különböző összetevő mellett a töltőanyagot és a fém alapanyag karbidját is tartalmazza. Mindkét esetben a végtermékben a fém alapanyag egy vagy több fémes összetevője fémes anyagként is jelen lehet. Ezen túlmenően egyes esetekben igen célszerű saén leadására képes összetevő bekeverése a folyamatba, például széntartalmú anyagként. Ez az összetevő a bór-karbiddal együtt van jelen az anyagok között, a fém • « • · ·· ·

- 8 alapanyaggal képes fémkarbidot eredményező reakcióba lépni és így a létrejövő összetett szerkezetű kerámia test tulajdonságai kívánt mértékben, különösen mechanikai szempontból, módosíthatók. A reakcióban résztvevő anyagok koncentrációi, a folyamat feltételei úgy változtathatók vagy szabályozhatók, hogy a kerámia összetevőket, a féme(ke)t és/vagy porozitást kívánt térfogatarányban tartalmazó kerámia termék jöjjön létre, amely a kívánt alakot ölti.

A találmány szerinti eljárás foganatosítása során bór-karbidot tartalmazó anyagot megolvadt fémből vagy fémötvözetből létrehozott olvadéktest szomszédságában, vagy azzal érintkezésben helyezünk el. A megolvasztáshoz lényegében semleges atmoszférát és környezetet hozunk létre, a hőmérsékletet viszonylag specifikusan megválasztva. A megolvasztott fém a bór-karbidot tartalmazó anyagba hatol át, azt átjárja és eközben a bór-karbiddal reakcióba lép. Ennek során egy vagy több reakciótermék keletkezik, mivel a bór-karbid viszonylag jól-redukálható. A megolvasztott fém alapanyag és a bór-karbid közötti reakciók hatására bórtartalmú vegyület jön létre, például a fém alapanyag boridja és/vagy valamilyen összetett bórvegyülete, amit a megemelt hőmérséklet biztosít. Általában a fém alapanyag karbidja is létrejön, adott esetben kisebb vagy nagyobb mennyiségben a fém alapanyag borokarbidja szintén kialakul. A reakcióterméknek legalább egy része a fémmel érintkezésben marad, a fém alapanyagot a reakcióból kimaradt bór-karbid fizikai folyamatok révén elszállítja. Ilyen fizikai folyamat például a kapilláris hatás. Az elszállított fém alapján boridja, karbidja és/vagy borokarbidja további mennyiségben is keletkezik, így a kerámia test külső felületének alakulása és belső szerkezetének fejlődése mindaddig zajlik, amíg a fém alapanyag vagy a bór-karbid kiindulási mennyisége el nem fogy, vagy esetleg a reakció folytatásához szükséges hőmérsékletet megszüntetjük, azt a kitűzött tartományon kívüli értékre változtatjuk. A létrejövő összetett struktúra ennek megfelelően egy vagy több fém-boridot, a fém alapanyag fémes összetevőinek egy vagy több bórvegyületét, a fém alapanyag karbidját, valamint fémet és/vagy üres tereket (porozitásokat) tartalmaz. A fém alapanyag általában tiszta fém, de ugyanúgy alkalmazhatók ötvözetek és intermetallikus vegyületek is. A különböző fémes és nemfémes fázisok egy vagy több dimenzióban összefüggő szerkezeteket is alkothatnak. A bórtartalmú vegyületek, a széntartalmú vegyületek és a fémes fázisok részaránya a végtermékben, egymáshoz kapcsolódásuk mértéke egy vagy több feltétel változtatásával befolyásolható, vagyis például a bór-karbid kiindulási sűrűségének, a fém alapanyag mennyiségéhez viszonyított részarányának megválasztásával, a fém alapanyag ötvözésével, a bór-karbid töltőanyaggal történő kiegészítésével, a hőmérséklet és a reakcióidő megválasztásával a létrejövő termék tulajdonságai alapvetően módosíthatók.

Ha a bór-karbid tartalmú anyagba szén leadására képes donor anyagot, elsősorban porított grafitot vagy megfelelő minőségű kormot adagolunk, a fém alapanyag boridjának és karbidjának egymáshoz viszonyított mennyiségei jól sza• · · ·

- 10 bályozhatók. így például fém alapanyagként cirkóniumot választva a cirkónium-borid és cirkónium-karbid ZrBg/ZrC aránya például úgy módosítható, hogy a ZrC mennyisége a donor anyag jelenléte miatt növekszik, vagyis a bór-karbidba adagolt és szén leadására képes kiegészítő donor anyag hatására a cirkónium-karbid mennyisége nagyobb lesz.

A bór-karbid tömegében általában bizonyos mértékig porózus ömlesztett masszát alkot, így a reakcióterméken keresztül a fém alapanyag viszonylag könnyen átszívható. Ez minden bizonnyal annak következménye, hogy a reakció következtében létrejövő térfogatváltozások nem képesek a pórusok teljes mértékű lezárására, így azokon keresztül a fém mozoghat, de az is lehetséges, hogy a reakciótermék a megolvadt fémmel szemben áteresztő jellegű marad, például a felületi feszültség által kiváltott hatások miatt és így a szemcsék határfelületei a fém alapanyagot vezető csatornákat határoznak meg.

Egy másik foganatosítási mód szerint az összetett szerkezetű kerámia terméket előnyösen úgy állítjuk elő, hogy a fém alapanyag olvadéktestéből a fém transzportját egy vagy több semleges kémhatású töltőanyaggal kikevert bór-karbiddal létrehozott ágyba biztosítjuk. Ennél a foganatosítási módnál a bór-karbid célszerűen a töltőanyag részei is lehet, az így kapott ágyat a megolvasztott fém alapanyaggal érintkezve, célszerűen annak szomszédságában helyezzük el. Az elrendezést célszerűen a fém alapanyag által a reakció feltételei között nem nedvesíthető és a fém alapanyaggal ugyanekkor reakcióba sem lépő anyagból • · · · · • · · · álló alapzaton hozzuk létre, amely támaszként szolgál.

A fém alapanyag megolvasztott állapotában átjárja a bór-karbidból és töltőanyagból álló keveréket, a bór-karóiddal reakcióba lép és így egy vagy több bőr alapú vegyület keletkezik. A létrejövő önhordó szerkezetű összetett kerámia test olyan sűrű mikrostruktúrájú anyag amelyben a bőr alapú vegyület(ek) mátrixot alkot(nak), a mátrixba ágyazódik be a töltőanyag, a mátrixban kisebb vagy nagyobb mennyiségben karbid és tiszta fém is jelen lehet. A bór-karbidból alapvetően kis mennyiség is elegendő a reaktív infiltrációs folyamat beindításához. Ez annyit jelent, hogy a létrejövő mátrixszerkezet összetétele jelentős mértékben szabályozható, az adott esetben tisztán fémes összetevőkből létrejövő és a fém alapanyagra jellemző tulajdonságokat mutató szerkezet mellett, amikor a bór-karbid mennyisége kicsi, létrehozhatók olyan szerkezetek is, amikor a mátrix tulajdonságait a jelen levő viszonylag nagy mennyiségű bór-karbid miatt a lényegében bór alapú vegyületekből álló fázisok határozzák meg, amelyek az esetlegesen létrehozott széntartalmú vegyületek mellett a mátrix tulajdonságai szempontjából domináns jellegűek. A töltőanyag felhasználható az összetett szerkezetű kerámia termék tulajdonságainak kívánság szerinti befolyásolására, előnye az, hogy az összetett szerkezetű termék összetevői között általában ez a legolcsóbb. A töltőanyag a bórtartalmú és/vagy a széntartalmú vegyület(ek) kifejlődési folyamatát is kedvező értelemben befolyásolhatja, például a reakció lassításával a hőképződési folyamatokat mérsékli.

• · · · ·

- 12 A találmány szerinti eljárás egy még további előnyös foganatosítási módjánál az infiltrációhoz előkészített, tehát a fém alapanyaggal érintkező, vagy annak szomszédságában elrendezett porózus szerkezetű anyagot a kívánt végtermék alakjára hozzuk ismert formakészítési eljárások segítségével. Az így létrehozott előmintát a fém alapanyaggal átjáratjuk, aminek eredményeként olyan összetett szerkezetű kerámia terméket nyerünk, amely az előminta alakját, felületi kialakítását nagy hűséggel, attól legfeljebb csak kis mértékű eltéréssel követi. A javasolt megoldásnál tehát a kapott végtermék költséges mechanikai megmunkálására vagy nincs szükség, vagy az csak kisebb mértékű munkát igényel. Ezen túlmenően, a kívánt pontos alak elkészítéséhez szükséges mechanikai megmunkálási és alakítási műveletek köre jelentős mértékben tovább csökkenthető, ha az előmintát a kerámia anyag előállítása közben gátló anyaggal vesszük körül. Ha a fém alapanyag például cirkóniu, akkor a grafitból készült öntőminta különösen alkalmas ilyen gátló anyag biztosítására. Ugyanez a helyet, ha a fém alapanyag titán vagy hafnium, és az előminta bór-karbidból, bór-nitridből, borból és szénből legalább egyet tartalmazó keverékként van kiképezve. Ha a grafitból készült öntőmintában további intézkedésként egy vagy több átmenő nyílást alakítunk ki, amelyek nagyságát és méretét célszerűen választjuk meg, akkor a végtermékként kapott kerámia termékben a találmány szerinti eljárással előkészített testben egyébként szinte mindig jelen levő porozitás mértéke csökkenthető. További előnyös intézkedés az is, ha az előmintát befogadó öntőminta alsó részében, vagy • · · · · · · ·· ···· • · · · · · · • ····· · · · · ♦· · ···· ·· ·

- 13 az öntőmintának a megolvasztott fém alapanyag behatolási irányába eső részein sok kisebb vagy nagyobb nyílást alakítunk ki. Ezek a nyílások ugyanis szelepként működnek, lehetővé teszik, hogy az előmintában a fém alapanyag infiltrációja során a reakció környezetét képező atmoszférából bezáródott gázmaradványok, például argonzárványok gáztartalmát a megolvadt fém előrehaladó inflitráció frontja maga előtt az előmintából kihajtsa.

A találmány szerinti eljárás segítségével olyan polikristályos szerkezetű, kerámia típusú anyag jön létre, amelynek előnyös mechanikai és más jellemzőit a kerámia anyagú mátrix, valamint az abban eloszlatott egyéb összetevők biztosítják és amelyből gépelemek is létrehozhatók, akár nagy alakhűségű elemekként is.

A találmány további ismertetése során és az igénypontokban alkalmazott néhány alapfogalmon a következőkben az alábbiakat értjük:

A fém alapanyag fogalma a polikristályos reakciótermékként létrejövő kerámia alapanyagát, például cirkóniumot jelenti, amelyből a reakció során borid, egyéb bórvegyület illetve más vegyület jön létre. A fém alapanyag tiszta vagy viszonylag tiszta fém, kereskedelmi forgalomban beszerezhető, a gyártómű által specifikált mennyiségű szennyező és/vagy ötvöző összetevőt tartalmazó fémes anyag vagy olyan ötvözet, amely a fém alapanyagot alapvető összetevőként tartalmazza. Amikor a továbbiakban fém alapanyagról van szó, akkor azt a fenti meghatározással együtt kell érteni, hacsak a leírás más kikötést nem tesz.

• · · · · • · • · ♦ · ♦ · · • · · · · · · • ····· · · · · • · · ·· · · ·· ·

- 14 A fém alapanyag boridvegyülete vagy bórvegyülete a fém alapanyag és a bőr között létrejött olyan reakció eredménye, ahol a bór forrása bór-karbid. Ilyen vegyületek közé tartoznak a fém alapanyag biner, ternier, vagy magasabb rendű bórvegyületei.

A fém alapanyag karbidja olyan vegyület, amely a fém alapanyag és szén leadására képes, a találmány szerinti eljárás foganatosítása során szükséges anyag közötti reakcióban keletkezik.

A találmány tárgyát a továbbiakban példakénti kiviteli és foganatosítási módok kapcsán, a csatolt rajzra hivatkozással ismertetjük részletesen. A rajzon az

1. ábra a találmány szerinti eljárás foganatosításá- huz előkészített tűzálló anyagú edény keresztmetszete a benne elrendezett bór-karbid szemcsés réteggel és fém alapanyagból álló önteccsel, a

2. ábra a találmány szerinti eljárás foganatosításá- hoz előkészített tűzálló anyagú edény keresztmetszete a benne elrendezett semleges anyagú ággyal, bór-karbidból létrehozott előmintával és az előminta mellett elrendezett fém alapanyagú önteccsel, a

3. ábra az I. példa szerint előállított összetett szerkezetű kerámia test egy részletének

1000-szeres nagyítású mikrofényképe, a

4. ábra a VI. példa szerint előállított összetett szerkezetű kerámia test egy részletének ····· · · ·· ···· • ♦ · · · · · • ····· · · · · • · · ···· *· *

- 15 1500-szoros nagyítású mikrofényképe, az

5. ábra a VIII. példa szerinti eljárással előál- lított összetett szerkezetű kerámia test egy részletének 1500-szoros nagyítású mikrofényképe, a

6. ábra fém alapanyaggal érintkezésben tartott előmintával megvalósított találmány szerinti eljárás foganatosításához szükséges elrendezés keresztmetszete, a befogadó tűzálló anyagú edénnyel, míg a

7. ábra a 6. ábrán bemutatott tűzálló anyagú edény alúlnézete.

A találmány szerinti eljárás alapvető célja önhordó szerkezetű kerámia anyagú termék létrehozása, mégpedig fém alapanyag és bór-karbid közötti reaktív infiltrációs folyamat felhasználásával. A folyamat során a fém alapanyag bór-karbidot jár át, ezzel a fém alapanyag és a bór-karbid között lejátszódó reakciók legalább egy reakciótermékét tartalmazó, polikristályos szerkezetű kerámia anyagú test jön létre, amely alkalmas adott esetben egy vagy több fémes összetevő (a fém alapanyag fémes összetevőinek) befogadására. A reaktív infiltrációs folyamatot szilárd halmazállapotú bór-karbiddal hajtjuk végre, amelyet finomszemcsés, esetleg púderszerű formában alakítunk ki. A folyamat környezete, vagy atmoszférája olyan, hogy az a folyamat feltételei között alapvetően semleges viselkedésű, a folyamatban résztvevő anyagokkal reakcióba nem lép. így a találmány szerinti eljárást célszerűen argonatmoszférában vagy vákuumban hajtjuk • ♦ · ·· ·· ···· • · · · · • · · · • · · · •··· ·· ·

- 16 végre. A javasolt eljárással kapott termék ennek megfelelően (a) a fém alapanyag egy vagy több összetevőjének boridját, (b) a fém alapanyag egy vagy több összetevőjének egyéb boridvegyületét, (c) a fém alapanyag egy vagy több összetevőjének karbidját és (d) a fém alapanyag egy vagy több összetevőjét fémes formában tartalmazza. Az említett összetevők közül egy vagy több adott esetben hiányozhat is. A termék összetevőinek anyagi minősége és részaránya alapvetően a fém alapanyag összetételétől és anyagi minőségétől valamint a reakció feltételeitől függ. A kapott összetett szerkezetű kerámia termékben belső üregek, illetve porozitások is lehetnek.

A találmány szerinti eljárás egy előnyös foganatosítási módjánál a fém alapanyag és a bór-karbidból kialakított ágy vagy befogadó massza egymással szomszédosán helyezkedik el úgy, hogy a reaktív infiltráció folyamata a fém alapanyagból kiindulva a bór-karbid tömege felé irányuljon. Ha a bór-karbidot ágyba rendezzük, azt előzetesen meghatározott alakra is hozhatjuk, amikoris célszerűen töltőanyaggal egészítjük ki. A töltőanyag általában a szerkezeti stabilitás javítását szolgálja, összetétele olyan, hogy a fém alapanyag megolvadt állapotában kialakuló reakció során lényegében semleges maradjon. A reakciótermék a bór-karbidos ágyat átjárja, annak anyagába úgy hatol be, hogy szerkezetét lényegében nem változtatja meg, az ágy helyzete és belső felépítése nem változik. Ennek megfelelően nincs szükség semmiféle olyan külső hatásra, amely az ágy szerkezetét • · · · · • · · · · · • · · · · · • ····· · · · · • · · ···· ·· ·

- 17 leronthatná vagy tönkretehetné, ugyancsak nincs szükség a megnövelt hőmérséklet mellett végrehajtandó nagynyomású folyamatokra, az ezek feltételeit biztosító és igen költséges berendezésekre. A bór-karbidot, mint említettük, finomszemcsés, esetleg púderszerű formában használjuk. Ennek tömegébe a fém alapanyag a reaktív infiltrációs folyamat során behatol, a bór-karbidot redukálja és a fémes összetevők boridot, esetleg más bórvegyületeket képeznek. Ha a fém alapanyag alumínium, a kapott kerámia anyagú termék legfontosabb összetevői az alumínium-borokarbidok (pl. Al-jB^Í^, A1B^₂C₂, AlB^C^), de a fém alapanyag legfontosabb összetevője, az alumínium fémes, azaz oxidálatlan formában is jelen lehet. A fém alapanyag további fémes összetevői szintén megjelenhetnek a maguk fémes minőségében. Ha a fém alapanyag cirkónium, a kapott összetett szerkezetű kerámia test alapját a cirkónium-borid és a cirkónium-karbid jelentik, de ebben az esetben szintén biztosítható az, hogy a kerámia struktúra a fém alapanyagból kívánt mértékben többet vagy kevesebbet tartalmazzon.

Bár a továbbiakban a találmány szerinti eljárást olyan előnyös kiviteli alakok kapcsán ismertetjük, amelyeknél a fém alapanyag alapvetően cirkóniumból vagy alumíniumból áll, ez azonban csak egy előnyös megvalósítási módot jelent, a találmány jobb bemutatását szolgálja. Megállapításaink szerint a találmány szerinti eljárás foganatosításához kiválóan alkalmas a szilícium, a titán, a hafnium, a lantán, a vas, a kalcium, a vanádium, a nióbium, a magnézium, a króm és a berillium. A további példákban adott esetben • · · · · ·· ·· ···· • · · · · · · • · · · · · · • · ···· · · · · ·· · ···· ·· · utalunk ezeknek a most felsorolt fémeknek a felhasználására is.

A találmány szerinti eljárás foganatosítása során az 1. ábra szerinti elrendezést, vagy elvileg ehhez hasonló elrendezést használunk. Itt 10 fém alapanyag, amely például cirkónium, öntecset alkot. Emellett a fém alapanyag felhasználható rúd, lemez vagy más tömbszerű formában is. A 10 fém alapanyag legalább részbeni adott esetben teljes térfogatával bór-karbidból álló 12 ágyba merül, amelyben a részecskenagyság előnyösen 0,1 ... 100 ^um. Ezt az elrendezést vagy összeállítást 14 semleges anyag veszi körül, amely általában szintén szemcsés szerkezetű. A 14 semleges anyagot a fém alapanyag megolvadt állapotában nem képes nedvesíteni, a fém alapanyaggal az a találmány szerinti eljárás foganatosítása során nem vagy csak elhanyagolható mértékben lép reakcióba. A 10 fém alapanyagot, a 12 ágyat és a 14 semleges anyagot 16 tűzálló anyagú edénybe vagy más, magas hőmérsékletű megmunkáláskor alkalmazott tartályba helyezzük. A 10 fém alapanyag 18 felületét adott esetben a bór-karbiddal nem vonjuk be, az a környező atmoszférával érintkezik, de ha kívánatos, a 10 fém alapanyag teljes térfogatában eltemethető a 12 ágyban. A 14 semleges anyagra sem minden esetben van szükség, az adott körülmények között elhagyható. Az 1. ábrán bemutatott elrendezést ezt követően kemencébe helyezzük, amelyben a hőmérsékletet célszerűen semleges kémhatású atmoszférát fenntartva, emeljük. Az atmoszféra általában argonból áll. A hőmérséklet emelésével a fém alapanyagot megolvasztjuk, de előnyösen a kívánt ·· ··♦ * • · · • · · • · · • · · • 4·· · ·· • · · · • · · · • · ···· · «· · ···· reakciótermék olvadáspontja alatt maradó hőmérsékletet biztosítunk, amelyen lényegében csak a fém alapanyag van jelen megolvadt állapotban, belőle olvadéktestet alakítunk. A találmány szerinti eljárás foganatosítása során célszerűen állandó jelleggel az említett tartományba eső hőmérsékletet biztosítunk, azt nem lépjük túl, illetve az alá a hőmérsékletet nem csökkentjük. Az alkalmazott hőmérsékletet mindenek előtt a fém alapanyag anyagi minőségétől és összetételétől, valamint a létrehozni kívánt összetett szerkezetű kerámia termék célul kitűzött fázisösszetételétől függően választjuk meg. A megolvasztott 10 fém alapanyag a 12 ágy bór-karbidjával érintkezik és reakciótermékként a fém alapanyag boridja (mint pl. cirkónium-diborid) alapú anyag jön létre. A megolvasztott fém alapanyag a bór-karbiddal folyamatosan érintkezésben maradva fokozatosan kiáramlik kiindulási helyéből, a képződött reakcióterméken keresztül a bór-karbidba hatol be és így a reakciótermék tömege a megolvasztott fém alapanyag és a bór-karbid határfelületén folyamatosan növekszik. A találmány szerint javasolt eljárás foganatosításával előállított kerámia anyag tehát a fém alapanyag és a bór-karbid között lejátszódó különböző reakciók egy vagy több reakciótermékét tartalmazza, de ezen túlmenően fémes összetevőket is tartalmazhat, illetve benne megjelenhet a fém alapanyagnak a reakció során reakcióba nem lépett része is. Az eljáráshoz az anyagok mennyiségét úgy választjuk meg, hogy a bór-karbidnak legalább 50 %-a, de adott esetben célszerűen legalább 90 %-a vegyen részt a reakcióban, biztosítsa a boridok képződését. Az eljárás során olyan kerámia • · · • · ···· · · · · ·· · ···· ·· ·

- 20 anyagú krisztallitok képződnek, amelyek egymástól függetlenül is elhelyezkedhetnek a végtermékben, de célszerűen háromdimenziós összefüggő struktúrát alkotnak. Ugyanígy a fémes anyagok és a belső üregek is kisebb-nagyobb összefüggő járatként vannak jelen. Ha a reakciótermékek keletkezését tartjuk alapvető célnak, vagyis a kiindulási fémes alapanyagú fázist teljes mértékben kimerítjük, a porozitások mennyisége növekszik. Ez akkor következik be, amikor a bór-karbid mennyisége a boridképződéshez szükséges sztöchiometriai aránnyal meghatározott mennyiséget túllépi. A porozitás mértéke azonban még ebben az esetben is függ az alkalmazott hőmérséklettől, a reakció időtartamától, a fémes alapanyag anyagi minőségétől és összetételétől, a bór-karbidból létrehozott 12 ágy kiindulási porozitásától.

Megfigyelhető volt, hogy a találmány szerinti eljárást cirkóniummal, titánnal és hafniummal, mint fém alapanyaggal foganatosítva a fém alapanyag boridjai lemezke szerű struktúraként keletkeztek. Ezek a lemezkék általában véletlenszerű irányokban rendeződtek el, közöttük kapcsolat nincs, amint ezt a 3., 4. és 5. ábra mutatja. A lemezkék mellett megjelenő fémes fázisnak és magának a lemezkés szerkezetnek tudható be, hogy az így előállított összetett szerkezetű kerámia test ütőszilárdsága rendkívül nagy, általában biztositható a 12 MPa m érték, vagyis ez a struktúra jelentős mértékű hajlítást is kibír.

A találmány szerinti eljárás egy további foganatosítási módja szerint olyan önhordó szerkezetű kerámia testet hozunk létre, amelynek célszerűen összetett struktúrájában a mégha···· · ·· ·· ···· • · · · · · ·

- 21 • ····· · · · · ·· · ···· ·· · tározó jellegű a reakciótermék mátrixa, amely adott esetben fémes összetevőket is tartalmazhat és amely lényegében semleges töltőanyagot fogad be. Ilyenkor a reakciótermék mátrixa úgy jön létre, hogy a fém alapanyagot megolvasztott állapotban a bór-karbiddal kikevert, vele homogén egységet alkotó töltőanyagot tartalmazó ágyba juttatjuk, a reaktív infiltráció közege a töltőanyaggal homogén keveréket alkotó bór-karbid. A töltőanyag alakjával, méreteivel szemben különösebb megkötés nincs, az a fém alapanyaghoz viszonyítva a kívánt módon helyezhető el, ha biztosítható ezzel, hogy a reakciótermék fejlődése a töltőanyag felé zajlik és ebben a folyamatban a töltőanyagnak legalább egy részét a töltőanyag szerkezetének megbontása nélkül befogadó kerámia szerkezet alakul ki. A töltőanyag létrehozásához különböző anyagok használhatók, így a kerámiából álló és/vagy fémes szálak, rudak, huzalok, szemcsék, porok, fonalak, szövött vagy szövésmentes szövetek, tűzálló anyagok, lemezek, lemezkék, áttört habos szerkezetek, tömör vagy üreges gömbszerű elemek, stb. A töltőanyag létrehozásához különösen ajánlatos az alumínium-trioxid felhasználása, de ugyanígy más oxidok vagy kerámia jellegű töltőanyagok is használhatók. A töltőanyag megválasztásában a kerámia jellegű végtermék kiindulási anyagai és kívánt tulajdonságai a meghatározóak. A töltőanyag térfogatában lehet laza szerkezetű, adott irányokban elrendezett, benne létrehozhatók járatok, nyílások, egymással kapcsolódó üregek vagy hasonlók, amik révén a fém alapanyag megolvasztott állapotban képes a töltőanyagot átjárni, a reaktív infiltrációs folyamat ···· · ·· ·· ···· • · · · · · · • ♦ ♦ » · · · • ····· · * · · • · · ·· ·· ·· *

- 22 lefolytatható. A töltőanyag homogenitása nem követelmény, az lehet inhomogén is. Összetevőit megfelelő kötőanyaggal, például a FMC Co. által gyártott Avicil PH 105 jelű készítménnyel többé-kevésbé tartósan össze lehet fogni. A kötőanyaggal szemben azonban követelmény, hogy az infiltráció folyamatában, a reakció során utána ne maradjanak nemkívánatos végtermékek, amelyek a végtermékbe bejutva annak tulajdonságait lerontják. Ha a töltőanyagot valamilyen oknál fogva olyan anyagból kell létrehozni, amely hajlamos a bőr-karóiddal vagy a megolvasztott fém alapanyaggal a javasolt eljárás feltételei között intenzív reakcióba lépni, akkor részecskéit célszerű olyan bevonattal ellátni, amely a reaktív infiltráció feltételeinek legalább egy meghatározott ideig képes ellenállni. így például a töltőanyag lehet szénszál, amely nyilvánvalóan nem képes a megolvadt alumínium, mint fém alapanyag hőmérsékletén hosszabb ideig fennmaradni, hiszen a megolvadt fémmel viszonylag gyors reakcióba lép. Ha viszont a találmány szerinti eljárás foganatosítása előtt a szén anyagú szálakat például alumínium-trioxid bevonattal látjuk el, akkor a reakció feltételei között a szál anyagi integritása megmarad, az töltőanyagként felhasználható.

A fém alapanyagot és a szükség szerint töltőanyaggal kikevert bór-karbidból álló ágyat vagy masszát hordozó tűzálló anyagú tartályt úgy kell elrendezni, hogy a fém alapanyag reaktív infiltrációja a töltőanyag ágyába bekövetkezhessék és a kívánt összetételű összetett szerkezetű kerámia test kifejlődjék. A tartályt kemencébe helyezzük ···· · • · ·· • · · · · · · • · · · · · · • · ···» · · · · •· · ···· ·· ·

- 23 el és a kemencén belül biztosítjuk a fém alapanyag megolvasztásához szükséges megnövelt hőmérsékletet. A megnövelt hőmérsékleteken a megolvadt fém alapanyag a permeábilis szerkezetű töltőanyagba felszívódik, abba behatol, a bór-karbiddal reakcióba lép és így a kívánt összetételű, adott esetben fémet is tartalmazó kerámia anyagú összetett terméket nyerjük. Az előminta mellett, az előállított kerámia anyagú végtermék végső megmunkálásához szükséges mechanikai és egyéb műveletek mennyiségének lecsökkentése céljából célszerű lehet gátló anyag vagy gátló elem beépítése az előmintába. Ha gátló elemként grafitból készült öntőmintát használunk, akkor különösen cirkónium, titán és hafnium fém alapanyag esetében előnyös gátló elemet nyerünk. Előnyei tovább fokozódnak, ha az előminta anyagában a bór-karbidon kívül bór-nitrid, bőr és szén is jelen van. Ha a különösen grafitból készült öntőminta egy vagy több oldalfelületén átmenő lyukakat készítünk és azok mennyiségét, alakját célszerűen választjuk, jelentős mértékben le lehet csökkenteni annak a porozitásnak a mértékét, amely a találmány szerinti eljárás foganatosítása során készített kerámia terméket egyébként általában jellemzi. így az átmenő nyílásokat az öntőminta alsó részén, vagy pedig azzal a részével szemben alakítjuk ki, amelyen a reaktív infiltrációs folyamat során a megolvadt fém alapanyag transzportja bekövetkezik. Ez utóbbi esetben a nyílások szinte szelepként működnek, amelyeken keresztül az előmintában a fém alapanyag reaktív infiltrációs frontjának előrehaladása közben beragadt gáz eltávozhat. így az előmintából az argon vagy más gázból ···· · ··

V · · • · ···· ·· ·

····

- 24 képződött zárványok kihajthatok. A 6. és 7. ábra tanúsága szerint a 42 előminta fém alapanyagból készült 43 önteccsel van érintkezésben és mindkettő grafit anyagú 41 tűzálló edényben van elhelyezve. A 41 tűzálló edény grafit anyagának 44 alsó részében 45 átmenő nyílások vannak kiképezve, amelyek az említett szelepszerű hatást biztosítani képesek. Általában nagyobb számú 45 átmenő nyílást használunk, amelyek révén az előmintába bezáródott gáz (pl. argon) képes eltávozni, vagyis ezt a gázt a fém alapanyag reaktív infiltrációs frontja az előminta átjárása közben kihajtja. A 6. ábrán látható módon a fém alapanyag reaktív infiltrációja az előmintába A nyíl irányában hatol be. Ezzel a megoldással az előminta porozitása jelentősen redukálható.

A találmány szerinti eljárás foganatosításával kapott összetett szerkezetű testet mutat a 2. ábra. A bór-karbidból, amelyet szükség szerint kívánt összetételű semleges töltőanyaggal egészítünk ki, olyan előmintát formázunk, amely alakjában teljes mértékben megfelel az előállítani kívánt kerámia anyagú végtermék geometriai formájának. A 10 fém alapanyagot ez esetben tehát 20 előmintával hozzuk kapcsolatba, amely a 10 fém alapanyag alatt helyezkedik el. Ezt az elrendezést 14 semleges anyag veszi körül, amely 16 tűzálló anyagú tartály belső terét tölti ki. A 10 fém alapanyag 18 felső szintje a 14 semleges anyagból kiállhat, de az kerülhet a 14 semleges anyag felszíne alá is. A 20 előmintát a kerámia testek formázására ismert hagyományos módszerek bármelyikével elkészíthetjük. Ilyen módszer például az egytengelyes összenyomás, az izosztatikus préselés, ·· · ···· ··

- 25 szedimentációs öntés, egyéb öntési technikák, mint fröccsöntés, vagy szálas anyagból kialakított tekercselés, stb. Az alkalmazott módszert a töltőanyag anyagi minőségétől függően választjuk meg. A reaktív infiltrációt megelőzően a töltőanyag részecskéit, a szálszerű vagy fonalas töltőanyagot kis mértékben szinterelhetjük is, ezzel biztosítva a kezdeti szilárdságot. Természetesen a részecskék összekapcsolásához szerves vagy szervetlen kötőanyagok szintén használhatók, amelyek a reakció feltételei között az összetevőkkel nem lépnek káros reakciókba, illetve amelyek nem okozzák a végtermék minőségének leromlását. A 20 előmintát úgy hozzuk létre, hogy a reaktív infiltráció feltételei között szükséges alaktartás, kiindulási szilárdság biztosított legyen, szerkezete lehetővé tegye a fém alapanyag behatolását, transzportját. Az előminta porozitása általában 5 ... 90 tf% mértékű, a tapasztalat a 25 ... 75 tf%-os tartományt mutatta a legkedvezőbbnek. Ha a fém alapanyag alumínium, a töltőanyagok széles körből választhatók, például különösen megfelel erre a célra a szilícium-karbid, a titán-diborid, az alumínium-trioxid és az alumínium-dodekaborid. A töltőanyag szemcsézettsége általában a 14 ... 1000 mesh tartományba esik, de ettől eltérő mesh tartomány, illetve ettől eltérő nagyságú összetevők szintén használhatók. A 20 előmintát a megolvasztott fém alapanyaggal egy vagy több felületén hozzuk kapcsolatba. A kapcsolatot elegendően hosszú ideig tartjuk fenn ahhoz, hogy az előminta határfelületeiig létrejöjjön a kerámia alapú mátrixszerkezet.

Az előmintát hasznosító foganatosítási mód révén a találmány • · · · · · • · szerinti eljárással olyan összetett szerkezetű kerámia alapú termék nyerhető, amelynek alakja nagy pontossággal, adott esetben teljes hűséggel követi a kívánt alakot, minimálissá téve vagy akár ki is küszöbölve a végső alak előállításához adott esetben szükséges költséges megmunkálási, illetve csiszolási folyamatokat.

Megállapítható volt, hogy a fém alapanyagnak a permeábilis szerkezetű töltőanyagba való behatolását a töltőanyag bór-karbid összetevője jelentős mértékben képes elősegíteni. Már kisebb mennyiségű bőr is hatásosnak bizonyult, de itt nehéz a minimumot meghatározni, mivel az például a bór-karbid szemcsézettségétől és szemcsenagyságától, a fém alapanyag anyagi minőségétől és összetételétől, a töltőanyég típusától, továbbá a reakció lefolytatásának feltételeitől függ. így a töltőanyagba kisebb vagy nagyobb mennyiségben feltétlenül célszerű a bór-karbid alkalmazása, megállapítható, hogy a bór-karbid koncentrációjának csökkenésével a kerámia mátrix oxidálatlan fémtartalma növekszik. Ha például a bór-karbid és a töltőanyag együttes tömegéhez viszonyítva a bór-karbid részaránya kicsi, például a tömegarány 1 : 3, a kapott mátrixban a fém összefüggő járatokat alkot, a fém alapanyag boridja és karbidja korlátos mennyiségben a fémben magában oszlik el. Ha bór-karbidot egyáltalában nem használunk, előfordulhat, hogy a töltőanyag reaktív infiltrációja nem következik be, esetleg ennek elősegítéséhez különleges eszközöket kell igénybevenni, például külső nyomással késztetni a fémet arra, hogy a töltőanyagba behatoljon.

- 27 Tekintettel arra, hogy a találmány szerinti eljárás foganatosítása során a bór-karbid koncentrációját, adott esetben a töltőanyagban, széles tartományban lehet változtatni, lehetőség nyílik a végtermék tulajdonságainak kívánt irányú befolyásolására, illetve módosítására, ha a bór-karbid koncentrációját és/vagy a töltőanyag ágyának összetételét változtatjuk. Ha a fém alapanyag mennyiségéhez képest kis mennyiségben alkalmazunk bór-karbidot, vagyis a bór-karbid részaránya a töltőanyagban kicsi, a létrejövő összetett szerkezetű kerámia test, illetve mátrix tulajdonságait mindenek előtt a fém alapanyag határozza meg, vagyis viszonylag rugalmas és kevéssé törékeny anyagot kapunk, tekintettel a fém túlsúlyára. Az ilyen termék különösen a kisebb és közepes hőmérsékletű alkalmazásokhoz célszerű. Ha viszont a bór-karbid mennyiségét növeljük, például a töltőanyagot sűrűn körbevesszük bór-karbid részecskékkel, vagy a bór-karbiddal a töltőanyag egy jelentős részét hozzuk létre, a javasolt eljárással létrehozott kerámia test, illetve mátrix tulajdonságát a fém alapanyag boridja határozza meg elsősorban. Ebben természetesen a fém alapanyag karbidja is szerepet játszik, így alakul ki a nagyobb keménység, a kisebb rugalmasság, a rosszabb törékenység. A sztöchiometriai arányok jól befolyásolhatók és így viszonylag könnyen el lehet érni a fém alapanyag teljes mértékű felhasználását a folyamatban. Az így kapott végtermék ennek megfelelően legfeljebb csak elenyésző mennyiségű tiszta fémet tartalmaz, ami elsősorban a végtermék magas hőmérsékletű közegekben való felhasználása szempontjából • · · · · • ····· · · • · · · · · ·

- 28 kedvező. A megolvadt fém alapanyag teljes mennyiségének átalakítása különösen boriddá elsősorban a nagy hőmérsékletű alkalmazások igényeit figyelembe véve fontos, mivel a boridos reakció terméke ilyen feltételek között a bór-karbidnál nagyobb stabilitású és a bór-karbid mindig hajlamos a termékben a találmány szerinti eljárás foganatosítása során visszamaradt maradék vagy oxidálatlan fémes összetevővel reakcióba lépni. Ha kívánatos, a bór-karbidhoz az ágyban elemi szén is keverhető, de ugyanígy a szén bevihető a bór-karbidból és töltőanyagból álló előmintába is. A szén feleslege általában az ágy teljes tömegéhez képest mintegy 5 ... 10 t%, így feltételek jönnek létre ahhoz, hogy a fém alapanyag teljes mennyiségét a szénnel való reakció is elfogyassza. A fém és a szén között kialakuló reakció mindenek előtt a felhasznált szén relatív mennyiségétől, de ezen túlmenően a szén jellegétől és kristályosságától függ. A szén jellegén azt értjük, hogy grafitot vagy kormot vagy mást használunk. A különböző jellemzők közötti választás igen célszerű lehet, ha figyelembe vesszük, hogy milyen sokrétű alkalmazási lehetőséget nyújtanak a találmány szerinti eljárással előállított anyagok. így például a bór-karbidból (B^C) előállított előmintához 5 ... 75 t%, előnyösen 5 ... 50 t% kormot adagolva és fém alapanyagként cirkóniumot használva, az előállított összetett szerkezetű kerámia testben a ZrB2/ZrC arány jelentősen lecsökkenthető, hiszen a cirkónium-karbid (ZrC) mennyisége növekszik.

- 29 A bór-karbid ágyhoz, akár tartalmaz töltőanyagot, akár nem, elemi bór is keverhető, amely különösen alumínium fém alapanyag esetében könnyíti meg a reaktív infiltrációs folyamatot. Az így felépített keverék a bór-karbidhoz viszonyítva olcsóbb, segítségével olyan termék állítható elő, amely borokarbidokat tartalmaz, például alumínium-borokarbidot, amely tulajdonságait tekintve az alumínium-boriddal hasonlítható össze, de egyidejűleg megelőzhető a nedvesség jelenlétében instabilissá váló és ennek következtében a késztermék strukturális jellemzőit adott esetben lerontó alumínium-karbid keletkezése. A keverékben a fém alapanyag az elemi borral reakcióba lép, ennek eredményeként a fém boridja mellett egyéb bórvegyületei is az adott feltételek mellett kialakulnak.

A találmány szerinti eljárással kapott összetett szerkezetű termék tulajdonságai akkor is jól befolyásolhatók, ha az infiltrációs folyamat feltételeit megfelelő módon vezéreljük. Itt figyelembe lehet venni a bór-karbid anyagi minőségét, részecskenagyságát, szemcseeloszlását, továbbá az infiltrációs folyamat hőmérsékletét és időtartamát. Ha például a folyékony fém alapanyagot rövid ideig hozzuk kapcsolatba nagyobb bór-karbid részecskékkel, ennek eredményeként a bór-karbidnak csak egy része alakul át a fém alapanyag boridjává, illetve a fém alapanyag karbidjává. így a végtermék mikrostruktúrájában viszonylag nagy szemcsékben jelen van a bór-karbidnak a reakcióban részt nem vett része és így a végtermék egy adott szempontból igen kedvező tulajdonságokkal ruházható fel. A nagyobb • · ·

- 30 hőmérsékletek és hosszabb időtartamok felhasználásával, amikor a hőmérsékletet az infiltrációs folyamat befejezése után is még rövidebb-hosszabb ideig fenntartjuk, a bór-karbid részecskék és a fém alapanyag találkozásának eredményeként a sztöchiometriai arányoknak megfelelően létrejön a fém alapanyag teljes konverziója boriddá és karbiddá, illetve bőr- és széntartalmú vegyületekké. A tapasztalat szerint igen célszerű megoldás, ha a folyamatba bevitt bór-karbidot legalább 50 tf% részarányban, de adott esetben akár 90 tf%-ot meghaladó arányban a fém alapanyag boridjává, egy vagy több bórvegyületévé valamint karbidjává alakítjuk át. A nagyobb hőmérsékletek fenntartása az infiltrációs folyamat során, majd szükség szerint ezt követően is, a végtermék sűrűségét növelheti, ugyanis bizonyos mértékű szinterelési folyamat az adott feltételek között szintén lejátszódhat. Ezen túlmenően, mint azt már említettük, ha a fém alapanyag rendelkezésre álló mennyiségét lecsökkentjük ahhoz képest, amennyire a borid és karbidvegyületek keletkezéséhez szükség van, az anyagban a kapcsolódási helyeket kitöltjük, ezzel olyan porózus testet állíthatunk elő, amelynek szintén sokrétű előnyös alkalmazásai lehetnek. Általában az 1 ... 25 tf%-os porozitásokat tekintik előnyösnek, de adott esetben ennél nagyobb porozitás is előállítható, ha ezt a felhasználás szempontjai igénylik.

A továbbiakban több példán mutatjuk be a találmány szerinti eljárással előállított reakciótermékeket, részletesen ismertetve a reakciók feltételeit. Ezeket a példákat azonban csak a találmány alapgondolatának illusztrációjaként • · · · · • · · · · • ····· · φ * · · · · · ·

- 31 soroljuk fel, semmiképpen sem szolgálhatnak az oltalmi igény korlátozására.

A példák szerint előállított anyagmintáknak az előállítást követő vizsgálata során a következő ellenőrzési technikákat használtuk:

A hajlító próbákat szobahőmérsékleten, négypontos alátámasztást biztosító berendezéssel végeztük, amely az Instron cég által gyártott 1123 típusjelű készülék volt. Ezzel az USA hadserege által elfogadott MIL-STD-1942 számú előírásban rögzített vizsgálati eljárást hajtottuk végre. A mérések céljára 3 x 4 x 50 mm nagyságú próbatesteket hoztunk létre, amelyek felületeit 500 grit finomságú gyémánttal csiszoltuk le. A próbatestek sarkait legömbölyítettük, ezzel az ott visszamaradt kiálló részeket, illetve folyamatossági hiányokat megszüntettük. A hajlítószilárdság megállapításához 20 mm belső és 40 mm külső méretekkel jellemzett befogófejeket használtunk. A szilárdság keresett értékeit a törést okozó csúcsterhelés alapján, figyelembe véve a próbatest és a befogás méreteit, a megfelelő szilárdságtani egyenletek alapján határoztuk meg.

A törésszilárdság megállapításához 5 x 4 x 50 mm-es méretekkel jellemzett rúdszerű próbatesteket hoztunk létre. A próbatestek hosszának középső tartományában 60°-os hajlásszöggel gúlaszerű bemélyedést képeztünk ki, amihez 0,3 mm széles gyémánt élű kést használtunk. Ezt követően a hajlítószilárdság megállapításához elfogadott előírásban rögzített módszert követtük és a szilárdsági értékeket szintén négypontos alátámasztással végzett vizsgálatokkal ····· ·· ·· ···· • · · · · · · • · · · · · · • · ···· · « · · ·· · ··♦· ·· ·

- 32 határoztuk meg.

A sűrűséget számítás útján állapítottuk meg, amihez először a téglatest alakú próbatestek méreteit és tömegét megmértük.

A rugalmassági modulust az ASTM C623-71 szabványban leírt ultrahangos eljárással mértük meg. Ehhez 5 x 4 x 45 mm-es próbatesteket készítettünk, amelyeket gyémánt élű késsel vágtunk ki és amelyek felületét lecsiszoltuk. Minden rúdszerű próbatestben három vibrációs módust valósítottunk meg, mégpedig a flexurális módust az 5 mm széles élre, a flexurális módust a 4 mm széles élre és a torziós módust.

Mindhárom esetben a rezonancia alapfrekvenciáját mértük meg. A flexurális rezonancia alapján a Young-modulus (E), a torziós rezonanciák alapján pedig a nyírási modulus (G) volt meghatározható.

A próbatestek keménységét Rockwell-keménység megállapítására alkalmas berendezés A skáláján határoztuk meg, mégpedig az ASTM-E18-84 szabványban leírt eljárást követve. A teszt vizsgálatok célja az volt, hogy a keménységre az egész próbatestre és nemcsak annak egy-egy szakaszára jellemző értéket nyerjünk.

A következőkben példakénti foganatosítási módok mutatják a találmány szerinti eljárás megvalósításának néhány kedvező lehetőségét.

I. Példa

Előmintát készítettünk 95 t³» B^C-t (1000 grit) és 5 t% szerves kötőanyagot (a Lonsa cég Acrawax-C jelű termékét) tartalmazó keverékből, mégpedig 50,8 x 50,8 x

- 33 χ 9,5 mm méretekkel. A keveréket acél korongok között, megfelelően méretezett lapokat használva 3,5 . 10? Pa nyomást alkalmazva hidegen préseltük. Ugyancsak

50,8 x 50,8 x 9,5 mm méretű kocka alakú téglatestet készítettünk cirkóniumból, amelyet négyzetes felületével a B^C anyagú előminta felületére helyeztünk, majd az így kapott együttest grafit öntőedényben rendeztük el.

A grafit öntőedényt és a benne levő elemeket vákuumos ellenálláskemencébe helyeztük, amelynek belső terébe liter/perc intenzitással argont áramoltattunk. A kemence belső terében mintegy 2,5 órás felfűtési idővel 450 °C hőmérsékletet tartottunk fenn, amivel a szerves kötőanyagot kiégettük. Ezt követően a megmunkálás 1950 °C hőmérsékletét mintegy 5 órás felfűtési idővel értük el, majd ezt a hőmérsékletet mintegy 2 órán keresztül tartottuk. Mielőtt a terméket a kemencéből kivettük volna, 5 órás időtartammal lehütöttük.

A kapott terméket a kemencéből eltávolítva a cirkóniumnak a reakcióból kimaradt részét a felületről csiszolással eltávolítottuk. A kapott összetett szerkezetű kerámia test egy részét porként levettük és azt röntgendiffrakciós analízisnek vetettük alá. Ennek révén megállapítható volt, hogy a kerámia test összetételében a cirkónium-diborid (ZrB₂), a cirkónium-kar.bid (ZrC) és a fémes cirkónium volt jelen.

A már leírt alapelvek szerint elvégzett mechanikai vizsgálatok eredményei szerint a kapott kerámia termék átlagos sűrűsége mintegy 6,2 g/cm^ volt, a rugalmassági modulusra 380 GPa, a hajlítószilárdságra 875 MPa, míg a törésszilárdságra ··♦· • · · · ♦ ·

- 34 15 MPa . adódott.

A 3. ábra az így kapott összetett szerkezetű test keresztmetszetének 1000-szeres nagyítású mikrofényképét mutatja, ahol jól látható, hogy 22 ZrBg, 24 ZrC és 26 Zr összetevők vannak jelen. A ZrBg fázis elsősorban egymással csak véletlenszerűen kapcsolódó, sztochasztikusan orientált lemezkékből állt.

II. Példa

Cirkóniumból 12,7 mm átmérőjű és 19,1 mm vastag hengerszerű öntecset hoztunk létre, amelyet a Atlantié Equipment Engineers cég (Bergenfield, New Jersey) által gyártott és 99,7 tfVban 1___5 yum nagyságú szemcsékből álló B^C bór-karbidot tartalmazó ágyba merítettünk. Az együttest alumínium-trioxid anyagú tűzálló edénybe helyeztük és így indukciós kemencében rendeztük el, amelynek belső terében 300 cm^/perc intenzitással argongázt áramoltattunk. A felfűtési folyamatot optikai pirométerrel követve mintegy 6 perc alatt biztosítottuk a folyamathoz szükséges 1800 °C hőmérséklet elérését, ezt a hőmérsékletet 4 percen keresztül tartottuk, majd az összeállítást hagytuk lehűlni.

A szobahőmérsékletre lehűlt együttest a kemencéből eltávolítottuk, majd a kapott kerámia anyagú termék egy részét porítottuk és ezt követően röntgendiffrakciós analízisnek vetettük alá. A szerkezeti vizsgálat itt is a ZrBg, ZrC és Zr jelenlétét mutatta. Ugyanúgy, mint a I. példában, a boridos fázis ez esetben is lemezkék formájában ···· ·♦·· · ·· • · · • · · · • ····· · · · φ ·♦ · ···· ·· ·

- 35 volt jelen.

III. Példa

Előmintát készítettünk 57,2 mm oldalélű négyzetekkel határolt és 12,7 mm vastag téglatest formájában, mégpedig 93 t% bór-karbidból (B^C, 320 mesh szemcsézettséggel) és 7 t% szerves kötőanyagból (az FMC Co. terméke, Avicil PH 105 típusjellel). Ezt a keveréket acél pofák között az adott geometria biztosítására 6,9 . 10⁷ Pa nyomást alkalmazva összepréseltük. Az elkészült előminta felső négyzetes lapjára 51,4 x 51,4 x 12,7 mm méretű testet helyeztünk el fém alapanyagból, amely 1100 jelű alumínium ötvözetből készült. A két test között felületi érintkezést biztosítottunk, majd együttesüket tűzálló anyagú edénybe helyeztük, a 2. ábra szerinti elrendezésben. A tűzálló anyagú edény belső terét a fém alapanyagot is beborítóan alumínium-trioxid szemcsékből álló ággyal töltöttük ki, amelyből az előminta alá is került. Az ágy anyaga a Norton Co. E 38 Alundum jelű, 90 grit szemcsézettségű terméke volt.

A tűzálló anyagú edényt teljes tartalmával együtt mintegy 10 órás felfűtéssel melegítettük 1200 °C hőmérsékletre, amely a reaktív infiltráció kijelölt hőmérsékletét jelentette. Ennek közege vákuumos ellenálláskemence volt, amelyben 1 liter/perc intenzitással argongázt áramoltattunk. A kijelölt 1200 °C hőmérsékletet 24 órán keresztül tartottuk, majd a kemence belsejét mintegy 6 óra alatt szobahőmérsékletre hűtöttük le.

- 36 Ezt követően az együttest eltávolítottuk a kemencéből, az alumíniumnak a reakcióban részt nem vett mennyiségét mechanikus úton eltávolítottuk és a kapott összetett szerkezetű kerámia test egy részét röntgendiffrakciós vizsgálatok céljából porítottuk. A kapott poron elvégeztük az összetétel elemzését, ami a következő összetevők jelenlétét igazolta: Al, B^C, A1₂0-j és AlgB^Cy. A már leírt módon elvégzett mechanikai vizsgálatok szerint a kapott anyag sűrűsége 2,58 g/cm\ rugalmassági modulusa 189 GPa, Rockwell A keménysége 46, hajlítószilárdsága 254 +_ 3 MPa, míg törés1/2 szilárdsága 10,2 _+ 0,1 MPa . m volt.

IV. Példa

Homogén keveréket készítettünk 94 t% B^C/B keverékből és 6 t% szerves kötőanyagból, ahol a B^C/B keverék fele (tömegét tekintve) 320 mesh szemcsézettségű B^C bór-karbidból és másik fele 38 /um szemcsézettségű elemi bőrből állt, míg a szerves kötőanyag az FMC Co. Avicil PH 105 jelű terméke volt. Az előmintát ebből a keverékből alakítottuk ki, 57,2 x 57,2 x 12,7 mm méretekkel jellemzett téglatestként, mégpedig 6,9 . 10? Pa nyomást alkalmazva hideg préseléssel acél pofák között. Az acél pofák a kívánt alaknak megfelelően voltak kialakítva. Ezt követően 1100 jelű alumínium ötvözetből 51,4 mm oldalélű négyzetekkel határolt és 12,7 mm vastag testet készítettünk, amelyet a B^C/B összetételű előminta négyzetes felületével felületi érintkezésben rendeztünk el. Tűzálló anyagú, alumínium-trioxidból készült edényben a Norton Co. 24 grit szem- 37 csézettségű 38 Alundum jelű alumínium-trioxidjából ágyat hoztunk létre, amelybe az előminta és a fém alapanyag együttesét a 2. ábra szerinti módon beágyaztuk.

A tűzálló anyagú edényt tartalmával együtt ellenállásfűtésű csokemencébe helyeztük, amelynek belső terében 300 cm^/perc intenzitással argongázt áramoltattunk. A kemence belső terét 10 órás felfűtéssel 1200 °C hőmérsékletre emeltük, majd ezt a hőmérsékletet 36 órán keresztül fenntartottuk. A fűtést ezt követően kikapcsoltuk és a kemence belső terét 10 óra alatt szobahőmérsékletre hűtöttük le.

A kemencéből a kapott terméket eltávolítottuk, a felületről az alumíniumnak a reakcióban részt nem vett maradékát mechanikai úton eltávolítottuk, majd az alul elhelyezkedő kerámia anyag egy részét röntgendiffrakciós összetételvizsgálat céljából porítottuk. A porított minta elemzése azt mutatta,hogy az lényegében a következő összetevőkből állt: Al, béta-módosulatú AlB^, ^^3^40^2 azonosíthatatlan fázis, ahol a sávszélességek 29,26, 26,79, 20,87, 18,4 és 17,45 nm értékűek voltak, amelyekhez 100, 36, 40, 20 és 73 értékű relatív intenzitások tartoztak. A már leírt módon elvégeztük a mechanikai jellemzők mérését is, amiből a sűrűségre 2,58 g/cm\ a rugalmassági modulusra 215 GPa, a hajlítószilárdságra 196 +. 9 MPa

1/2 és a törésszilárdságra 8,1 _+ 0,3 MPa . m érték adódott.

V. Példa

Az I. példában leírt eljárással azonos módon

57,2 x 57,2 x 12,7 mm nagyságú téglatest formájú előmintát

- 38 • · · · · · • ····· · · · « •· · ···· ·« · készítettünk, azzal a különbséggel, hogy a homogén keverék t%-ban B^C/B keveréket és 6 t%-ban a már előzőleg specifikált szerves kötőanyagot tartalmazta. A B^C/8 keverék tömegének felét 320 mesh szemcsézettségű bór-karbid, másik felét 38 /um-nél nem nagyobb szemcsézettségű elemi bőr alkotta.

Ehhez fém alapanyagként 50,8 x 50,8 x 12,7 mm méretű téglatestet készítettünk 10 t% Si-t, 3 t% Mg-t tartalmazó alumínium ötvözetből, és az így előállított kockaszerű elemet a B^C/B szemcsékből formázott előminta nagyobb felületével felületi érintkezésben helyeztük el. A 2. ábrán bemutatott módon tűzálló anyagból készült edény belső terét alumínium-trioxidból, a Norton Co. 24 grit szemcsézettségű E 38 Alundum jelű termékéből készült ággyal töltöttük ki és ebbe helyeztük az előminta és a fém alapanyag együttesét.

A tűzálló anyagú edényt tartalmával együtt vákuumos ellenálláskemencében helyeztük el, amelyben 1 liter/perc intenzitással argonáramlást tartottunk fenn. Eközben mintegy 10 óra alatt a kemence belső terét 1200 °C hőmérsékletre fűtöttük fel, majd ezt a hőmérsékletet 12 órán keresztül tartottuk. Mielőtt a kapott terméket a kemencéből eltávolítottuk volna, a kemence belső terét 5 óra alatt hagytuk lehűlni, illetve szobahőmérsékletre hűtöttük.

A kemencéből eltávolított termék felső felületén az alumíniumnak a reakcióban részt nem vett maradványa volt, ezt mechanikai eszközökkel eltávolítottuk. Az alatta megjelenő kerámia fázis egy részét porítottuk és a porított mintán röntgendiffrakciós analízist hajtottunk végre. Az analízis tanúsága szerint az összetett szerkezetű kerámia ···· *··· · ·· ·· • · · · · · • · · · · · • ····· · · · φ •· · ···· ·· ·

- 39 test alapvető szerkezeti összetevői a következők voltak: Al, Si, B^C, béta-módosulatú AlB^, A^O-j és AlgB^Cy. A további tesztvizsgálatokat a már leírt módon a mechanikai jellemzők megállapítása céljából végeztük el, amikoris a következő eredmények adódtak: A sűrűség 2,55 g/cm\ a rugalmassági modulus 213 GPa, a Rockwell keménység az A skála szerint 57, a hajlítószilárdság 231 +, 31 MPa, míg 1/2 a töresszilardsag 9,1 +. 0,1 MPa . m érték volt.

VI. Példa

Alumínium-trioxid anyagú tűzálló edény belső terében szemcsézett bór-karbidból ágyat készítettünk és ebbe

15,9 mm átmérőjű és 19 mm magasságú korong alakú titán öntecset helyeztünk el. Az öntecs anyaga 99,64 t% tisztaságú titán volt, míg az ágyat az Atlantié Equipment Engineers cég (Bergenfield, New Jersey) által gyártott 1 ... 5 ^um szemcsézettségű, 99,7 t% tisztaságú B^C bór-karbidjából készítettük. Az így kapott elrendezést, tehát a tűzálló edényt és tartalmát indukciós kemencébe helyeztük, amelynek belső terében argongáz 300 cm^/perc intenzitású áramlását tartottuk fenn. Az összeállítást 4 perc alatt a titán megolvasztásához szükséges hőmérsékletre hevítettük (ez az optikai pirométeres vizsgálat szerint kb. 1700 ... 1750 °C érték volt), majd a fűtést megszüntetve az együttest hagytuk lehűlni.

A kemencéből kivett tűzálló edényből a kapott terméket kiemeltük, az előállított összetett szerkezetű kerámia test egy részét porítottuk és ezt a porított mintát röntgen···· ·· ····

- 40 diffrakciós elemzésnek vetettük alá. Ennek eredményeként kitűnt,hogy a kapott anyagot elsősorban TiB₂, TiB, TiC és fémes Ti frakciók alkották.

A VI. példa szerint előállított kerámia termék keresztmetszetének 1500-szoros nagyítású mikrofényképe a 4. ábrán látható. Jól megkülönböztethetően a felület 28 TiB₂, 30 TiB, 32 TiC és 34 Ti részecskéket tartalmaz. A TiB₂ frakció különálló, lemezkeszerű struktúrákból felépülő fázist alkot.

VII. Példa

Alumínium-trioxidból álló tűzálló anyagú edény belső felében a már specifikált bór-karbid 1000 grit szemcsézettségű keverékéből ágyat készítettünk. Ebbe 15,9 mm átmérőjű és 19 mm magasságú hengeres alakú titán öntecset helyeztünk el, amelynek anyaga 99,64 t% tisztaságú (2-es fokozatú) titán volt. Az alumínium-trioxid anyagú edényt tartalmával együtt ellenálláskemencébe helyeztük, amelyben vákuum volt fenntartható. Az ellenálláskemence belső terén 500 cm^/perc intenzitással argont áramoltattunk keresztül. A kemence belső terét mintegy 3 órás felfűtéssel 1750 °C hőmérsékletre hevítettük fel, majd ezt követően 3 óra 20 percen (200 percen) keresztül ezt a megmunkálási hőmérsékletet fenntartottuk.

Lehűlés után a kapott terméket a kemencéből kivettük, szobahőmérsékletre lehűtöttük, a kerámia anyagot az ágyból kinyertük. A kerámia anyag egy részét porítottuk és a porból mintát vettünk, amelyet röntgendiffrakciós analízisnek • · ···· · ·« β, • · · · V • · · · · • · ···· · · ·· · ···· ··

- 41 vetettünk alá. Az analízis tanúsága szerint a kapott anyag

TiB₂, TiC és Ti-jB^ frakciókból állt.

Ezt követően az ASTM-E 384-73 vizsgálati módszere szerint Κποορ-féle keménység! mikrovizsgálatnak vetettük alá, amelynek során 2 N terheléssel, aminek alapján

1815 ... 1950 kg/mm tartományba eső mikrokeménység volt megállapítható.

VIII. Példa

Alumínium-trioxidból készült tűzálló anyagú edényben

-325 mesh szemcsézettségű bór-karbid részecskékből álló ágyat készítettünk, amelybe 9,5 mm átmérőjű és 19 mm hosszú rúd alakú hafnium öntecset helyeztünk. Az öntecs anyaga 98,20 t% tisztaságú hafnium fém volt. Az alumínium-trioxid anyagú tűzálló edényt tartalmával együtt indukciós kemencébe helyeztük, amelyben 500 cm'Vperc intenzitással 1 tf% hidrogént és 99 tf% argont tartalmazó gázkeveréket áramoltattunk. Az összeállítást - a hőmérsékletet optikai pirométerrel követve - 2300 °C hőmérsékletre hevítettük, 8 perces felfűtési időszakkal. Ezt követően az alumínium-trioxid anyagú edény tartalmát hagytuk lehűlni.

A lehűlt kerámia anyagú terméket az edényből a kemencéből való kivétel után kinyertük, először szemrevételeztük. Megállapítottuk, hogy a hafnium anyagú rúd helyén rendkívül sima felületű üreg maradt vissza. Ez annyit jelent, hogy ezzel a rendszerrel igen jó alakvisszaadás érhető el. A leírt eljárással előállított összetett szerkezetű kerámia anyag egy részét porítottuk és a porból röntgen- 42 ···· · ·· ·· ··· • · · · · « • · · · · · · • ····· · · a a • · · ···· · · · diffrakciós analízis céljára mintát vettünk. A mintán elvégzett elemzés tanúsága szerint a kerámia termék elsősorban

ΗίΒ2> HfC és Hf összetevőket tartalmazott, de kisebb mennyiségben a B^C is jelen volt.

Az előzőekben már elmondottaknak megfelelően a fentiekben ismertetett fém alapanyagoktól eltérő fémek, a kiindulási anyagok eltérő koncentrációi, az elrendezés különböző jellemző adatai használhatók, vagyis a bór-karbid részecskék sűrűsége, elrendezési módja, a hevítés időtartama és hőmérsékleti menetrendje az előzőektől jelentős mértékben eltérhet. Az eltérések általában a végtermék kívánt jellemzői miatt szükségesek. Az így előállított anyagok elsősorban belsőégésű motorok és rakéta hajtóművek elemeiként használhatók, vagyis a találmány szerinti eljárással igen nagy termikus igénybevételű gépelemek, alkatrészek készíthetők.

IX. Példa

Az I. példa szerinti módon előmintát készítettünk, amely 50,8 mm oldalélű kocka alakú és 12,7 mm vastag téglatest volt. A különbség az volt, hogy a kb. 95 t% B^C bór-karbid (az ESK cég 1000 grit szemcsézettségű terméke) mellett a mintegy 5 tVnyi maradékot a Cancard Inc. cég által gyártott szénkorom alkotta, amely egyrészt szén leadására képes donor anyagként, másrészt kötőanyagként funkcionált. Az előmintát acél pofák között mintegy 6,9 . 10^ Pa nyomás alkalmazásával hidegen préseltük. A Teledyne Wah Chang, Albany cég által gyártott 702 fokozatú cirkóniumból 50,8 mm oldalélű négyzetekkel határolt 9,6 mm vastag lemezt készí« · tettünk, amelyet kocka alakú felületével a hidegen préselt B^C anyagú előminta szintén kocka alakú felületével hoztunk érintkezésbe. A 6. ábra szerinti elrendezésben ezt az együttest grafitból készült öntőmintába helyeztük. Az öntőmintát szükség szerint 45 átmenő nyílásokkal alakítottuk ki, de erre nem feltétlenül volt szükség. A 41 tűzálló anyagú edény grafit anyaga a Unión Carbide ATJ fokozatú grafitja volt, amelyben a 42 előminta a 43 önteccsel, azaz a B^C anyagú előminta a cirkónium alapú fém alapanyaggal érintkezett.

A grafit öntőmintát és tartalmát ellenálláskemencébe helyeztük. A hermetikusan lezárt kemencét először kb. 1 . 10“⁴ torr vákuumra leürítettük, majd argonnal feltöltöttük. Ezt követően a belső térből a gázt elszívtuk, _2 ott 1 . 10 torr nyomást hoztunk létre. A belső teret ezt követően mintegy 30 perc alatt 250 °C hőmérsékletre hevítettük, majd óránként 100 °C emelést biztosítva a hőmérsékletet 450 °C körüli értékre emeltük. Ezután a kemence belső terét argonnal töltöttük fel és az argont mintegy 1 liter/perc intenzitással áramoltattuk, miközben

1,4 . 10 Pa nyomást tartottunk fenn. Ezután kezdődött meg a tulajdonképpeni megmunkálás, amikoris a belső tér hőmérsékletét 5 ara alatt 1900 °C-ra emeltük és ezt a hőmérsékletet mintegy 2 órán keresztül tartottuk. A hevítés befejezését követően 5 órás időtartammal a kemence belső terét lehűtöttük.

A tűzálló anyagú edényt a kemencéből eltávolítottuk, majd a kapott kerámia terméket kinyertük és adatait elemez- 45 44 alsó részen összesen kilenc 45 átmenő nyílást alakítottunk ki, ezek mindegyike a 41 tűzálló anyagú edény grafitjában

1,6 mm átmérőjű lyukakat jelentettek.

A grafit öntőedényt tartalmával együtt vákuumos ellenálláskemencében helyeztük el. A kemence belső terét -4 először 1 . 10 torr nyomásra evakuáltuk, majd argonnal töltöttük fel. Ezt követően a belső tér gáztartalmát _2 . 10 torr nyomásra leszívtuk és mintegy 30 perc alatt a hőmérsékletet 250 °C-ra emeltük. Ezt követően a hőmérsékletet 100 °C/óra ütemben addig emeltük, amíg hozzávetőlegesen 450 °C-t el nem értünk. A kemence belső terét ezt követően újból argonnal töltöttük fel és az argon áramlását 2 liter/perc intenzitással, 1,4 . 10^ Pa nyomás fenntartásával biztosítottuk. A kemence belső terét 5 óra alatt 1900 °C hőmérsékletre emeltük, majd ezt a megmunkálási hőmérsékletet mintegy 2 órán keresztül tartottuk.Ezt követően a kemence belső terét 5 óra alatt lehűtöttük.

Összehasonlítási célból teljesen ugyanolyan összeállítást készítettünk, mint amilyet az előzőekben ismertettünk, de azzal a különbséggel, hogy a grafit öntőedény alsó részében nem alakítottunk ki átmenő nyílásokat.

Mindkét elrendezést egyidejűleg távolítottuk el a kemencéből és összehasonlítottuk a kapott kerámia termékek porozitását. Megállapítottuk, hogy az átmenő nyílásokkal ellátott grafit öntőedényben létrehozott összetett szerkezetű kerámia testben a tömör alsó részű grafit öntőedényben előállított testhez viszonyítva a porozitás mértéke sokkal kisebb volt. Ez annyit jelent, hogy a grafit öntőedény

- 46 vagy más anyagú befogadó tűzálló edény alsó részén, illetve oldalfelületein átmenő nyílásokat létrehozva a fém alapanyagnak a bór-karbid előminta reaktív infiltrációjával előállított kerámia termékben az összetett szerkezetet szabályozható mennyiségű porozitással lehet elkészíteni.

Bár a találmány tárgyát az előzőekben példakénti foganatosítási módok alapján viszonylag részletesen ismertettük, nyilvánvaló, hogy szakember az itt adott útmutatások alapján az előzőektől eltérő anyagválasztás, elrendezés és technológiai feltételek mellett a kívánt tulajdonságú végtermék előállítását biztosítani tudja.

Claims (12)

1. Szabadalmi igénypontok

   Eljárás önhordó szerkezetű kerámia termék előállítására, azzal jellemezve, hogy fém alapanyagot választunk, a fém alapanyagot lényegében semleges atmoszférában olvadáspontját meghaladó hőmérsékletre hevítjük, ezzel belőle olvadéktestet hozunk létre, majd az olvadéktestet bór-karbidot és szén leadására képes donor anyagot tartalmazó permeábilis szerkezetű anyagkeverékkel hozzuk érintkezésbe, a hőmérsékletet elegendő ideig fenntartjuk ahhoz, hogy az olvadéktestből a fém alapanyag átvándoroljon a permeábilis szerkezeté anyagkeverékbe, azt átjárja, a megolvasztott fém alapanyag és a bór-karbid között reakciót biztosítunk, ezzel legalább egy bórtartalmú vegyületet hozunk létre, és a permeábilis szerkezetű anyagkeverékbe a fém alapanyag bejuttatását és a reakciót legalább egy, a fém alapanyag és bór között létrejött vegyületet tartalmazó összetett szerkezetű önhordó kerámia termék létrehozásáig folytatjuk.
2. 2. Az 1. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a szén leadására képes donor anyag grafitpor vagy szénkorom.
3. 3. Az 1. vagy 2. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy az összetett szerkezetű kerámia testet a fém alapanyag legalább egy boridjával és karbidjával hozzuk létre, ahol a karbidot és a boridot a fém alapanyag és a bór-karbid közötti reakcióval alakítjuk ki.
4. 4. Az 1.—3. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy fém alapanyagként titánt, cirkóniumot, hafniumot, vanádiumot, krómot és nióbiumot alkalmazunk.
5. 5. Az 1.—4. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy fém alapanyagként cirkóniumot alkalmazunk, míg az összetett szerkezetű kerámia testet cirkónium-boridot és/vagy cirkónium-borid és cirkónium-karbid keverékét tartalmazó fázisként létrejött kerámia fázissal alakítjuk ki.
6. 6. Az 1.—5. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy az összetett szerkezetű kerámia testet 5... 75 t%-ban szénkormot tartalmazó donor anyaggal hozzuk létre.
7. 7. Az 1.—6. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a permeábilis szerkezetű anyagkeverékben 5... 50 t%-nyi szénkormot tartalmazó, szén leadására képes donor anyagot alkalmazunk.
8. 8. Az 1.—7. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy az összetett szerkezetű kerámia testet mintegy 5 t% szénkormot tartalmazó, szén leadására alkalmas donor anyaggal hozzuk létre.
9. 9. Az 1.—8. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy az összetett szerkezetű kerámia testet cirkóniummal mint fém alapanyaggal hozzuk létre, amelyben a donor anyag mennyiségének megválasztásával a ZrE^/ZrC mennyiségi arányát mintegy 1 értékűre állítjuk be.

   • ·

   - 49 ^lüyÉljárás önhordó szerkezetű kerámia termék előállítására, sí z z a 1 jellemezve, hogy fém alapanyagot választunk, a fém alapanyagot lényegében semleges atmoszférában olvadáspontját meghaladó hőmérsékletre hevítjük, ezzel belőle olvadéktestet hozunk létre, majd az olvadéktestet bór-karbidot tartalmazó, célszerűen permeábilis szerkezetű anyagkeverékkel hozzuk érintkezésbe, a bór-karbidot tartalmazó anyagkeveréket és a fém alapanyagot grafit öntőedényben rendezzük el, célszerűen a grafit öntőedény falát szelepszerűen alakítjuk ki, a hőmérsékletet elegendő ideig fenntartjuk ahhoz, hogy az olvadéktestből a fém alapanyag átvándoroljon a permeábilis szerkezetű anyagkeverékbe, azt átjárja, a megolvasztott fém alapanyag és a bór-karbid között reakciót biztosítunk, ezzel legalább egy bórtartalmú vegyületet hozunk létre, és a bór-karbidot tartalmazó anyagkeverékbe a fém alapanyag bejuttatását és a reakciót legalább egy, a fém alapanyag és bőr között létrejött vegyületet tartalmazó összetett szerkezetű önhordó kerámia termék létrehozásáig folytatjuk.
10. 11. A 10. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a grafit öntőedény falát szelepszerűen alakítjuk ki és ebből a célból oldalfelületén és/vagy alsó részén egy vagy több átmenő nyílást (45) hozunk létre.
11. 12. A 10. vagy 11. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a grafit öntőedény falain a fém alapanyagnak a célszerűen permeábilis szerkezetű anyagkeverék behatolási irányával szembeni, illetve alsó falrészein több átmenő nyílás van kialakítva.
12. 13. A 10.—12. igénypontok bármelyike szerinti eljárás , azzal jellemezve, hogy a az olvadéktesttel való érintkeztetést megelőzően a bór-karbidot tartalmazó anyagkeverékbe szén leadására alkalmas donor anyagot, különösen kormot és/vagy grafitport keverünk, és a keveréket permeábilis szerkezetben, homogén anyageloszlással alakítjuk ki, amivel az összetett szerkezetű kerámia testet karbidvegyület előre meghatározott arányával hozzuk létre.