HUT63128A - Process for producing refractory self-carrying ceramic elements of composite structure and refractory ceramic element for operations with melted metals - Google Patents

Description

A találmány tárgya eljárás összetett szerkezetű tűzálló anyagú önhordó kerámia elemek előállítására, amikoris fémes alapanyagból kiindulva megemelt hőmérséklet alkalmazásával kerámia anyagot állítunk elő, továbbá tűzálló anyagú kerámia elem megolvadt fémekkel végzett műveletekhez. A találmány szerinti eljárással mindenekelőtt fémkohászatban, acélöntésben szükséges tűzálló anyagú elemek állíthatók elő.

A tűzálló anyagok jelentős része kerámia anyagú.

Ezek számos hiányossága említhető meg, különösen viszonylag gyors elhasználódásuk kedvezőtlen, a magas hőmérsékletű fémolvadékokkal érintkezve szerkezetileg lebomlanak, törékennyé válnak, könnyen porladnak. Ennek ellenére alkalmazásuk széleskörben elterjedt.

Az acélgyártásban jól ismert a kerámia anyagú szabályozó elemek felhasználása, amelyek a megolvadt acél áramlásának befolyásolására szolgálnak. Ilyenek például a csúszóelemes szelepek, a befúvó elemek, az öntőüstök kiömlései. A csúszóelemes szelepek általában öntőüst kiömlésén vannak elrendezve. Ezek mozgatható lemezben elhelyezett, illetve ilyen lemezzel kapcsolódó rögzített helyzetű áteresztő elemet, valamint elforgató elemeket tartalmaznak. A lemez mozgatásával a megolvadt fémnek az öntőüstből való kiáramlása szabályozható, hiszen ez a mozgatás a nyílást teljes mértékben vagy részlegesen szabaddá teszi. Az öntőüst feltöltésekor, a munkák leállásakor a nyílásokat zárva tartjuk. A hagyományos elzáró rendszerekkel szemben a csúszóelemes szelepek megbízhatósága nagyobb, képesek • · • · ···· ·· • · · · · • · · · · • · · • «· «·«·

- 3 a megolvadt fém áramlásának kedvező befolyásolására, továbbá nem okozzák az áramló folyadék levegősödését. Az ismert csúszóelemes szelepek nagy tisztaságú alumínium-trioxid alapú kerámiából készülnek fel, hátrányuk,, hogy több fémfajtánál, különösen a kis széntartalmú, nagy mangántartalmú különleges acéloknál nem használhatók. Az ilyen acélok erőteljesen korróziós hatást fejtenek ki és ez a legjobb minőségű csúszóelemeket is tönkreteszi, bármilyen nagy tisztaságú alumínium-trioxid kerámiából is készüljenek.

Az Egyesült Államok piacán a csúszóelemes szelepek többsége vagy impregnált alumínium-trioxidból vagy kiégetett magnézium-oxid alapú anyagokból készülnek. Ezek hiányossága a termikus sokkhatásokkal szemben csökkent ellenállóképesség, a viszonylag nagy mértékű korrózió és erózió hosszú időtartamú érintkezés során, vagyis a fémkohászatban ezek rövid élettartamuk miatt kevéssé használható anyagok.

A találmány feladata olyan tűzálló kerámia anyag létrehozását biztosító eljárás, illetve olyan tűzálló anyagú kerámia elem kidolgozása, amellyel lehetővé válik korróziós és eróziós hatásokkal szemben erőteljesen ellenálló, a termikus sokkhatásokat jól tűrő tűzálló készítmények létrehozása, különösen a fémkohászat szükségleteire. A kidolgozandó eljárásnak és kerámia elemnek a hosszú időtartamú érintkezést a magas hőmérsékletű megolvadt fémekkel, a viszonylag hosszú előmelegítési időtartamokat jól kell türniök és alkalmasaknak kell lenniük a nagy hőmérséklettel járó sokkhatások és más igénybevételek tűrésére.

A találmány alapja az a felismerés, hogy a kerámia • · • · · · · · ···· ·· · ·· ····

- 4 anyagok létrehozására szolgáló eljárások új változata hozható létre,ha oxidációs reakcióterrnéket saját fémjével érintkezésben hozunk létre. Ez annyit jelent, hogy fém alapanyagot, különösen alumíniumot olvadáspontját meghaladó, de adott oxidálószer jelenlétében létrejövő oxidációs reakciótermék olvadáspontja alatt maradó hőmérsékletre hevítünk, a hevítést oxidálószer jelenlétében folytatjuk és ezzel a fémet részben vagy teljesen oxidáljuk. Ezzel olyan polikristályos kerámia szerkezetet hozunk létre, amelyben az oxidációs reakciótermék háromdimenzióban kifejlesztett struktúrában épül fel, ebben a fém alapanyag oxidálatlan részecskéi, üres terek, pórusok maradhatnak vissza. A fémes zárványok és/vagy az üregek, illetve pórusok egymással kapcsolódhatnak is, az oxidációs reakció lefolytatási feltételeitől függően, a fém alapanyag kiindulási összetételétől, dópoló anyagok jelenlététől és más tényezőktől szintén függésben. Az oxidációs folyamatot lényegében a fémes összetevő teljes megszűnéséig is lehet folytatni, amikor a kerámia szerkezetű test belsejében a fémes fázist lényegében teljes egészében porozitások váltják fel, míg a test felületén sűrű kerámia szerkezetű bevonat hozható létre. Ilyenkor a porozitások olyan egymással összefüggő járatokat alkotnak, amelyek a polikristályos szerkezet növesztésének kiindulási felületétől részben hozzáférhetők. A felismeréshez tartozik az is, hogy a polikristályos kerámia szerkezetet az oxidációs reakciótermék folyamatos transzportja hozza létre. A megolvadt fém ugyanis az adott feltételek között létrejövő oxidációs reakciótermék anyagában vándorol, itt vagy az anyag felületén az oxidálószerrel kapcsolatba lép, oxidálódik. Ez a folyamat megfelelő ·:.· *·.* · ··’ ··

- 5 dópoló anyagok bevitelével elősegíthető. A dópoló anyagok bevihetők mind ötvöző összetevőként, mind pedig a fém alapanyag felületére, az oxidációs reakciótermék kifejlődésének közegébe bevitt, bekevert anyagként. A felismeréshez tartozik az a lehetőség is,hogy töltőanyag alkalmazásával a polikristályos mátrix anyaga bővíthető. Ilyenkor az oxidációs reakciótermék növesztését a töltőanyag befogadásával folytatjuk le.

A találmány szerinti eljárás alapját jelentő felismerésekhez tartozik az is, hogy a javasolt növesztési eljárással fém alapanyag alakját követő geometriai felületek is létrehozhatók. Megfelelő módon egy adott felület reprodukálható, hozzá illeszkedő felületek hozhatók létre kerámia anyagból. Erre a célra permeábilis szerkezetű töltőanyagból létrehozott alakos előminta felhasználása lehetséges, amelyet megolvadt fém alapanyaggal oxidálószer jelenlétében érintkeztetünk. A folyamat során jól használhatók olyan gátló elemek vagy anyagok, amelyek egy sdott határfelületet kijelölve biztosítják az oxidációs reakciótermék kifejlődésének leállítását vagy jelentős mértékű lefékezését, amikor a reakciótermék fejlődése során eléri ezt a határfelületet.

A kitűzött feladat megoldására olyan eljárást dolgoztunk ki, amelynek segítségével alumínium-cink ötvözetet tartalmazó fém alapanyag oxidálásával kapott kerámia mátrixra felépülő tűzálló tulajdonságú önhordó szerkezetű összetett kerámia test hozható létre, ahol a kerámia mátrix lényegében a fém alapanyag és egy vagy több oxidálószer oxidációs reakciótermékéből és a kerámia mátrixba beágyazódott egy ··· ····· • ··· · ··· · • · · · · · ···· ·· · ·· ····

- 6 vagy több töltőanyag részecskéiből áll.

A fém alapanyagot és a töltőanyagból készült permeábilis szerkezetű masszát egymáshoz viszonyítva úgy rendezzük el, hogy a fém alapanyag oxidációs reakciójából keletkező polikristályos szerkezet a töltőanyagba behatolóan, annak részecskéit befogadóan alakuljon ki. A töltőanyagot azonban a folyamat megkezdése előtt legalább egy jól meghatározott határfelülettel alakítjuk ki, és az összetett szerkezetű kerámia anyagot addig fejlesztjük, növesztjük, amíg ezt a határfelületet el nem éri. A találmány szerinti eljárásban előírt feltételek mellett a megolvadt fém alapanyag kiindulási (az oxidálószerrel érintkező) felületéből kiindulva az oxidálószerrel kitöltött térbe behatolóan oxidálódik, ennek során átjárja a töltőanyagból álló masszát és a megolvadt fém alapanyag részecskéinek az oxidációs reakcióterméken való áthaladása révén növekszik. Az oxidációs reakciótermék tehát a töltőanyag permeábilis szerkezetű masszájába behatolóan, azt átölelően fejlődik ki. Az így létrejövő újszerű kerámia elem olyan tűzálló anyagból épül fel, amelynek polikristályos kerámia anyagú mátrixa a találmány értelmében a töltőanyag részecskéit is befogadja.

A találmány szerint a javasolt eljárás lefolytatásához olyan alumínium ötvözetet használunk, amely legalább 1 t% cinket tartalmaz. Az alumínium ötvözetet, mint fém alapanyagot olvadáspontját meghaladó, de az adott feltételek között lezajló oxidációs reakció során létrejövő oxidációs reakciótermék olvadáspontja alatt maradó első hőmérsékletre hevítjük. Az első hőmérséklet fenntartásával a fém alapanyagot megolvasztjuk, a megolvadt fémtestet oxidálószerrel, célszerűéi

- 7 gőz vagy gáz halmazállapotú oxidatív hatású anyaggal, például levegővel érintkezésbe hozzuk és ezzel az oxidációs reakcióterméket fokozatosan kifejlesztjük. Az első hőmérsékletet úgy is meghatározhatjuk, mint a fém alapanyag megolvasztásához szükséges értéktartományba eső, de az oxidálószer szilárd halmazállapotát biztosító hőmérsékletet. Az első hőmérséklet fenntartásával a megolvasztott fém alapanyagot az oxidációs reakcióterméknek legalább egy részével kapcsolatban tartjuk. Az oxidációs reakciótermék másik része az oxidálószerrel érintkezik. Az oxidációs reakciótermék anyagán keresztül a megolvadt fém a fémtestet elhagyja, az oxidációs reakciótermék tömegében vándorol és az oxidálószerrel érintkezve oxidálódik. Ha az oxidációs folyamat a töltőanyag részecskéinek környezetében zajlik, a létrejövő oxidációs reakciótermék a töltőanyag részecskéit körbefogja. Az oxidációs reakciótermék növekedése az oxidálószer és a már létrejött szilárd oxidációs reakciótermék határfelületein zajlik. A töltőanyagban meghatározott felület felé növekvő oxidációs reakciótermék kifejlesztését a határfelület eléréséig folytatjuk, amikoris olyan szerkezetet kapunk, amelyben a kiindulási fém alapanyag oxidálatlan fémes részecskéi is jelen vannak.

A találmány szerinti eljárás foganatosításával létrejött összetett szerkezetű kerámia anyagot ezután második hőmérséklet hatásának tesszük ki, mivel célunk a benne megmaradt oxidálatlan fémes részecskék eltávolítása, különösen az alumínium és a cink fémes jelenlétének megszüntetése.

Ezért a második hőmérsékletet az első hőmérsékletnél nagyobbra

- 8 • ··· · · · · · • · · · ' · · ···· ·· · ·· ···· választjuk, de a második hőmérsékletet is az oxidációs reakciótermék olvadáspontja alatti hőmérsékletként határozzuk meg. A második hőmérséklet alkalmazásának célja az, hogy a szerkezetben visszamaradt oxidálatlan fémes összetevőket, vagy legalábbis azok túlnyomó részét eltávclítsuk, oxidáljuk, adott esetben elpárologtatással vagy az oxidálószerrel való érintkeztetéssel. így a kijelölt határfelület mögött az oxidációs reakcióterméket gyakorlatilag fémmentes polikristályos anyaggá alakítjuk át. A második hőmérsékleten való kezelést célszerű lehet vákuumban, semleges hatású légkörben végrehajtani, de a legelőnyösebbnek oxigéntartalmú atmoszféra, különösen levegőből álló környezet biztosítása tűnik. Az így kezelt szerkezetben a fémekkel kitöltött térfogatok helyén lényegében üres terek, porózus járatok maradnak vissza. Vannak olyan fémes fázisok is, amelyek a második hőmérséklet hatására az adott helyen oxidálódnak, így fémes jellegük megszűnik. A kapott anyag struktúrája végülis kerámia mátrixból és töltőanyagból épül fel, ahol a kerámia mátrix gyakorlatilag csak az oxidációs reakcióterméket tartalmazza, amelyben egymással többé-kevésbé összekapcsolódó porozitások alkotnak járatokat. A porozitások az összetett szerkezetű kerámia test legalább egy felületéről hozzáférhetőek. Előnyösen az eljárást úgy folytatjuk le, hogy a felületi porozitás átlagos belső átmérője nem nagyobb 0,006 mm-nél, mivel ilyen méretű pórusok mellett biztosítható, hogy a megolvadt fémekkel kapcsolatba kerülő kerámia anyagba a megolvadt fém ne hatolhasson be.

A találmány szerinti eljárás foganatosítása során ··· ····· • ··· · ··· · • · · · · · ···· ·· · ·♦ ····

- 9 a cink mellett célszerű lehet egyéb dópoló anyagok alkalmazása is. Az első hőmérséklet általában a 850 ... 1450 °C tartományba esik, de előnyösen legfeljebb 1100 °C értékben választjuk meg. A második hőmérséklet általában legalább 1250, esetleg 1400 °C. A töltőanyag célszerűen 3 ... 10 t% szilícium-dioxidot tartalmaz, de jelen lehetnek benne alumínium, cérium, hafnium, lantén, neodímium, prazeodímium, szamárium, szkandium, tórium, urán, titán, ittrium vagy cirkónium oxidjai, boridjai, nitridei vagy karbidjai, illetve a szilícium boridja, nitride vagy karbidja.

A találmány elé kitűzött cél elérésére kidolgozott, megolvadt fémekkel végzett műveletekhez alkalmazott tűzálló anyagú kerámia elem a találmány szerint legalább 1 t% cinktartalmú alumínium ötvözet, mint fém alapanyag oxidálásával kapott, lényegében a fém alapanyag és oxidálószer oxidációs reakciótermékéből felépülő kerámia mátrixszal és egy vagy több töltőanyagnak a kerámia mátrixba beépülő részecskéd el van kialakítva. Az így kapott kerámia elem szerkezetét tekintve lényegében szervetlen, fémektől mentes anyag, amelyben a fém mennyisége legfeljebb jelentéktelen lehet. Ezek az elemek tűzálló anyagú szerkezetként is létrehozhatók, például fémkohászatban alkalmazott csúszóelemes szelepként, amelyek öntőüst kimenetére szerelve alkalmasak a megolvadt acél áramlásának szabályozására.

A találmány szerinti eljárás és kerámia elem további ismertetése során, az igénypontokban alkalmazott kifejezések értelme röviden a következő:

Az oxidációs reakciótermék fogalma fém és megfelelő • · · ····· • ··· · ··· · • · · · · · ···· ·· · · · · · · ·

- 10 oxidálószer között lezajló reakció eredményét fedi, amely általában oxid.

Az oxidálószer itt és a továbbiakban olyan vegyület, amely elektron befogadására, illetve megosztására képes, halmazállapotában szilárd, folyékony vagy gáz formájú, esetleg ezek kombinációja. Az oxidálószer lehet gőz halmazállapotú is.

A fém alapanyag a jelen találmány esetében olyan alumíniumot jelent, amelyet célszerűen ötvözéssel legalább 1 t% cinkkel egészítünk ki. A cink részaránya általában legfeljebb 10 t% és az így kapott fém alapanyag alkalmas polikristályos szerkezetű oxidációs reakciótermék létrehozására, amelyben a második hőmérséklet alkalmazása előtt viszonylag nagyobb mennyiségű alumínium, ötvözött alumínium is lehet. A fém alapanyagot választhatjuk a kereskedelmi forgalomban hozzáférhető, 1 ... 10 t% cinket és emellett meghatározott mennyiségű egyéb ötvöző összetevőket, illetve szokásos szennyezéseket tartalmazó alumínium ötvözetként is.

A találmány tárgyát a továbbiakban példaként! foganatosítás! mód, illetve kiviteli alakok kapcsán, a csatolt rajzra hivatkozással ismertetjük részletesen. A mellékelt rajzon az

1. ábra alumínium ötvözetből álló fém alapanyag, ezt bevonó töltőanyag és tűzálló anyagú edényben kialakított támasztóréteg együttese vázlatos keresztmetszetben, míg a

2. ábra csúszóelemes szelep függőleges keresztmet- szete vázlatos ábrázolásban, ahol a csúszó··· ····« • · · · · · · · · • · · · · · ···· ·· · ·· ····

- 11 elem öntőüst kiömlését záró lemez és az öntőüstöt elhagyó olvasztott fémet továbbító csővezetéket tartalmazó tartószerkezet között van elrendezve.

A találmány szerinti eljárás foganatosításakor alkalmazott elrendezés vázlatosan az 1. ábrán látható. 18 tűzálló anyagú edény 10 fém alapanyagot fogad be, amely 1 ... 10 t% cinket tartalmazó alumínium ötvözet. A 10 fém alapanyag lehet öntecs, rúd, lemez vagy más hasonló. A 10 fém alapanyagon permeábilis szerkezetű 12 töltőanyag van elrendezve, amelynek legalább egy 14 kijelölt határfelülete van. A 12 töltőanyag és a 10 fém alapanyag egymáshoz viszonyítva úgy van elrendezve, hogy a fém alapanyag oxidálásával keletkező oxidációs reakciótermék a 12 töltőanyagon keresztül a 14 kijelölt határfelület felé növekedjen és eközben a 12 töltőanyagot, vagy legalábbis annak egy részét magába fogadhassa. A 10 fém alapanyag és a 12 töltőanyag olyan 16 támasztórétegen és rétegben van elhelyezve, amely az oxidációs reakció feltételei között lényegében semleges anyagként viselkedik és ezért az oxidációs reakció a 16 támasztórétegben nem fog lezajlani. A 12 töltőanyagot általában úgy rendezzük el, hogy azt a 16 támasztóréteg szintén körbevegye, mint ez az 1.ábrán látható. A 16 támasztóréteg alkalmas anyagként említhető a Norton Co. 38 Alundum jelű szemcsézett alumínium-trioxidja vagy legalábbis annak néhány szemcsézettségi frakciója. Az egész elrendezés a 18 tűzálló anyagú edényben helyezkedik el.

A 12 töltőanyag általában kerámia vagy tűzálló

- 12 anyag masszájaként van létrehozva. Részecskéinek alakja, formája, szemcsézettsége kevésbé lényeges, így kialakítható szemcsékből, granulátumból, porból, tömörítvényből, szálas anyagként, csövekből, rúdszerű elemekből, pelletekből, forgácsszerű anyagból, stb., ahol az egyes részecskék azonos alakja nem feltétel. A 12 töltőanyag egy vagy több különböző frakcióból állhat. Az egyes frakciók lehetnek lazák vagy szorosan kapcsolódhatnak egymáshoz, közöttük lehetséges belső járatok, nyílások, összefüggő pórusok meghagyása. Ez elősegíti az oxidálószer áramlását és megkönnyíti az oxidációs reakció lefolytatását. Az előállítani kívánt végtermék szükséges tulajdonságaitól függően a töltőanyag anyagi minősége is változtatható. Különböző fémek, mint alumínium, cérium, hafnium, lantán, szilícium,neodímium, prazeodímium, szamárium, szkandium, tórium, urán, titán, ittrium és cirkónium oxidjai, boridjai, nitridjei vagy karbidjai bizonyultak a legcélszerűbbnek. A töltőanyagok egy részénél célszerű lehet védőbevonat létrehozása is, amivel megelőzzük, hogy a töltőanyag részecskéi az oxidációs reakció folyamatában résztvegyenek, illetve más módon reakcióba léphessenek. A találmány szerinti eljárás egy előnyös foganatosítási módjánál a töltőanyag 3 ... 10 1¾ szilícium-dioxidot tartalmaz,amely az alumínium-trioxid hatását erősíti. Különösen előnyösnek bizonyult az USA szabványai szerinti 5 ... 500 mesh szemcsézettségű alumínium-trioxidből álló töltőanyag alkalmazása. A szilícium-karbid, mint töltőanyag célszerűen 500 ... 1000 mesh szemcsézettségű keverékként bizonyult igen előnyösnek (a szemcsézettség az USA

- 13 szabványai szerint).

A leírt elrendezést úgy alakítjuk ki, hogy az oxidációs reakciótermék a 12 töltőanyagon keresztül fejlődik ki, maga az anyag kitölti a részecskék között maradó üres részeket, de lényegében nem bontja meg a töltőanyag struktúráját. A fém alapanyagból ily módon előállított polikristályos szerkezetű mátrix a 12 töltőanyag részecskéit fokozatosan befogadóan növekszik, a 14 kijelölt határfelületig növekedve az oxidációs reakciótermék a 12 töltőanyag részecskéit lényegében nem mozdítja el, nem viszi magával. Ez annyit jelent, hogy a 12 töltőanyag elrendezésének károsodását vagy megzavarását okozó külső erőkre nincs szükség ahhoz, hogy az eddig szokásos nagy hőmérsékletű és nagy nyomású eszközök segítségével az ismert hagyományos eljárásokban a sűrű szerkezetű összetett kerámia testeket előállítsuk.

A találmány szerinti eljárással a túlnyomást nem alkalmazó szinterelési folyamatoknál a kívánt minőségű összetett szerkezetű kerámia testek előállításához szükséges kémiai és fizikai kompatibilitási feltételek szigorú betartása feleslegessé válik.

A találmány szerinti eljárás foganatosításában a szilárd, a folyékony és a gőz vagy gáz halmazállapotú oxidálószerek egyaránt alkalmazhatók. A gőz vagy gáz halmazállapotú oxidálószerek igen előnyösek, közöttük szerepel az oxigén, az oxigén-argon keverék, az oxigén más semleges gázokkal alkotott keveréke, továbbá a levegő.

A szilárd halmazállapotú oxidálószerek között mindenekelőtt a redukálható oxidokat kell megemlíteni. Ilyenek a szilícium-dioxid, az ón-oxid vagy a cink-oxid. A szilárd oxidálószereket általában a töltőanyag ágyában oszlatjuk el vagy a fém alapanyagot tartalmazó ágyon belül keverjük el, de lehetséges a töltőanyag kiegészítése a szilárd oxidálószer szemcséivel, esetleg a töltőanyag részecskéinek bevonása szilárd oxidálószerrel.

A folyékony halmazállapotú oxidálószerek viszonylag egyszerűen vihetők be a töltőanyagba, elegendő azt vagy annak a fém alapanyaghoz közelebbi részét az oxidálószerbe bemeríteni. Ezzel a töltőanyag részecskéi impregnálhatok, azok az oxidálószert anyagukban tartalmazzák. A folyékony oxidálószerek különösen előnyös példái a kis olvadáspontú üvegek.

A dópoló anyagként az alábbiakban még további részletek leírásával ismertetett módon alkalmazott cink feladata az oxidációs reakciótermék növekedésének elősegítése, illetve a növekedési folyamat megkönnyítése, továbbá az oxidációs reackiótermékből az ott az első hőmérséklet alkalmazásakor visszamaradt fémes, oxidálatlan összetevők eltávolításának megkönnyítése. A cinket általában ötvöző összetevőként adagoljuk az alumíniumhoz, részaránya 1 ... 10 t% között változik, a legelőnyösebbnek a 4 ... 7 t% határok közötti értékek bizonyultak. A cink mellett a 10 fém alapanyagot további dópoló összetevőkkel is kiegészíthetjük, amikoris ezek az összetevők ugyancsak ötvöző összetevőként lehetnek jelen, de adott esetben célszerű felvitelük a 10 fém alapanyag felületére vagy/és a dópoló összetevők bekeverése a 12 töltőanyag teljes térfogatába vagy egy részébe. A ··· · · · · · • « · · · ·· · ·· · · · ·

- 15 12 töltőanyag részecskéit bemerítéssel vagy más ismert módon szintén ki lehet egészíteni a dópoló összetevőkkel. A cink mellett különösen jó hatású a magnézium alkalmazása.

A 10 fém alapanyagot a rajta a 12 töltőanyagból kialakított réteggel együtt 18 tűzálló anyagú edényben helyezzük el, mégpedig úgy, hogy a 10 fém alapanyag legalább egy fémes felületét a 12 töltőanyag közvetlen szomszédságában alakítjuk ki, illetve a két anyag egymással érintkezik. Ha gőz vagy gáz halmazállapotú oxidálószert használunk, a 12 töltőanyag masszáját úgy kell létrehozni, hogy azon az oxidáló hatású gázkörnyezet oxidáló összetevője minden további nélkül áthatolhasson. Célszerűen a gázkörnyezetet levegő alkotja, amely légköri nyomású is lehet. Az így kapott összeállítást ezt követően az oxidálószer jelenlétében például kemencében (ezt az ábra nem mutatja) első hőmérsékletre hevítjük fel. Ez a hőmérséklet általában - levegő mint oxidálószert feltételezve - 850 ... 1450 °C értéktartományba esik, célszerűen a 950 ... 1100 °C tartományba eső értékeket használjuk. A megemelt hőmérséklet hatásával a felhevített fém alapanyagot megolvasztjuk, belőle olvadéktestet hozunk létre. A hőmérséklettartományt általában a 12 töltőanyag, a dópoló összetevő vagy dópoló anyagok anyagi minőségétől, az oxidálószertől és az esetleges kombinatív hatásoktól függően határozzuk meg. A helyesen megválasztott hőmérséklettartományba eső hevítési hőmérséklet hatására a megolvasztott alumínium fém alapanyag felületén normál feltételek között kialakuló oxidrétegen keresztül megkezdődik a fém alapanyag transzportja.

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

- 16 Ha a 10 fém alapanyagot a hevítés megemelt hőmérsékletén, vagyis az első hőmérsékleten az oxidálószer hatásának folyamatosan kitesszük, ezzel az olvadéktestből elszállított fém alapanyag oxidációját biztosítjuk. Az oxidációs reakció révén növekvő vastagságú, polikristályos struktúrájú oxidációs reakciótermék jön létre. Ez a növekedő oxidációs reakciótermék fokozatosan behatol a 12 töltőanyag masszájába, abban egymással kapcsolódóan az oxidációs reakciótermék járatai jönnek létre, ezek anyagában több vagy kevesebb mennyiségű oxidálatlan fém összetevőkkel, amelyek forrása a 10 fém alapanyag. Az így képződő jól összetartó összetett szerkezetű polikristályos mátrix a 12 töltőanyagot befogadva növekszik, a növekedési folyamat lényegében állandó sebességgel zajlik, feltéve, hogy a folyamathoz a szükséges hőmérsékletet és az oxidálószer folyamatos utánpótlását biztosítjuk. Ez annyit jelent, hogy a kemencében a levegő vagy más oxidatív környezet állandó intenzitású jelenlétét biztosítva az oxidációs reakciótermék időbeni növekedése állandó sebességgel zajlik. A levegő, mint oxidálószer különösen kedvező, hiszen utánpótlását a kemencébe beépített egyszerű eszközökkel lehet biztosítani. A polikristályos struktúrájú kerámia mátrix növekedését addig tartjuk fenn, amíg a 12 töltőanyag részecskéit 14 kijelölt határfelületig az oxidációs reakciótermék be nem fogadja és ezt célszerűen úgy biztosítjuk, hogy a 14 kijelölt határfelület elérésekor a 10 fém alapanyag teljes mennyisége elfogy, vagyis a 10 fém alapanyag teljes mennyisége a polikristályos struktúrájú kerámia mátrix létrehozására fordítódott.

• · · ····· • ··· · ··· · ···*·· ···· ·· · · · ·· · ·

- 17 Az alumínium ötvözetként létrehozott fém alapanyag oxidálószerrel történő feldolgozásával előállított összetett szerkezetű kerámia elem anyagában a töltőanyag egy vagy több összetevője a kijelölt határfelületig jelen van a polikristályos struktúrájú oxidációs reakciótermékben, amelyben a fém alapanyag és az oxidálószer reakciójából kimaradt, vagyis oxidálatlan összetevők is jelen vannak. Ilyen összetevők az alumínium és a cink, valamint a fém alapanyag egyéb fémes komponensei. Az oxidálatlan fémes összetevők a fém alapanyag maradékjaként a kapott elemben széles határok között változó részarányt képviselhetnek. Ez a részarány függ attól is, hogy az oxidációs reakcióban a fém alapanyag utánpótlását milyen mértékben biztosítottuk. Ha például a fém alapanyag teljes mennyiségét felhasználjuk és mintegy 50 tf% töltőanyagot használunk, 1000 °C hőmérsékleten levegőt mint oxidálószert feltételezve a kapott elemekben a fém alapanyag visszamaradó mennyisége általában 0,5 ... 10 tf%.

Több alkalmazásban előnytelen a fémes összetevő nagyobb mennyisége. Ezért a fémtől gyakorlatilag mentes összetett szerkezetű kerámia test előállítása céljából, amilyenre szükség van a csúszóelemes szelepeknél, az anyag szerkezetében visszamaradt oxidálatlan fémes összetevőket amennyire lehetséges el kell távolítani. Ezt vagy a fém mint olyan eltávolításával, vagy pedig oxidálásával biztosítjuk. Az eltávolítás és az oxidálás egyidejű folyamat is lehet, amihez újólag megemelt hőmérsékletet használunk. A találmány értelmében az első hőmérséklet alkalmazásával • ··

- 18 létrejött összetett szerkezetű kerámia elemet második hőmérsékletre hevítjük, amely az első hőmérsékletnél magasabb. Ezen a második hőmérsékleten a fémes összetevők egy részét elpárologtathatjuk, más részük pedig oxidálódik. A fémes összetevőktől függően a második hőmérsékletre való hevítést oxigéntartalmú atmoszférában vagy semleges atmoszférában, esetleg vákuumban hajtjuk végre. Az oxigéntartalmú atmoszféra azért tekinthető különösen előnyösnek, mert oxidáláshoz általában kisebb hőmérsékletre van szükség, mint az elpárologtatáshoz, akár vákuumban, akár semleges hatású atmoszférában. Gazdasági megfontolásokat tekintve a légköri nyomású levegő alkalmazása a legelőnyösebb.

A második hőmérsékletre való hevítést a kívánt környezet létrehozása után szintén kemencében hajtjuk végre. Ennek hőmérséklettartománya általában 1250 ... 2000 °C, célszerűen a legalább 1400 °C, az 1400 ... 1600 °C tartományba eső hőmérsékleteket használjuk. Ez a hőmérséklet, mint említettük, az első hőmérsékletnél magasabb. Ezen a megemelt hőmérsékleten a fém alapanyag, tehát az alumínium ötvözet visszamaradó oxidálatlan fémes összetevői majdnem teljes mennyiségben eltávolíthatók, illetve oxiddá alakíthatók anélkül, hogy a kapott kerámia elem az előzőleg felvett kijelölt határfelületen túl növekedne. Tapasztalatunk szerint a visszamaradó oxidálatlan fémes összetevők többségét a cink alkotja, amely ezen a hőmérsékleten elpárolog. Az alumínium visszamaradó része is megszűnik fémes anyagként tovább jelen lenni, mivel a szerkezetben, a határfelület elérése nélkül, oxidálódik. A cink ennek megfelelően nemcsak • ·· · • · · · · ···· ·· · ··

- 19 az oxidációs reakciótermék növekedését segíti elő, illetve könnyíti meg, hanem megemelt hőmérsékleten könnyen elpárolog, aminek következménye a porozitás javulása, a fajlagos felület növekedés és így az alumínium visszamaradó mennyiségének könnyebb oxidálhatósága, illetve az alumínium fém alapanyagban jelen levő, a szerkezetbe átment fémek oxidálásának megkönnyítése. így az összetett szerkezetű kerámia elemmel a visszamaradó fémes összetevők részaránya minimális.

Mint már előzőleg is említettük, az alumíniumot, mint fém alapanyagot célszerűen 4 ... 10 t% cinkkel ötvözzük (a tömeg% az alumínium fém alapanyag mennyiségére vonatkozik). A cinket közvetlenül ötvözhetjük az ötvözetlen kereskedelmi tisztaságú, vagyis 99 t%, 99,5 t% vagy 99,7 t% tisztaságú alumíniummal. Az ötvözet létrehozásához természetesen az említetteknél tisztább, például 99,9 t%-os tisztaságú vagy ennél tisztább alumínium is használható. Ez utóbbiak ötvözése akkor kívánatos, ha a tűzálló anyagú kerámia elemet olyan olvasztott fémekkel végzett műveletekhez kívánjuk felhasználni, amelyekkel szemben nagy tisztasági követelményeket állítunk, vagyis a velük kapcsolódó elemeket is a szennyezők össztartalma alapján válogatjuk meg. A találmány szerinti eljárás foganatosításakor természetesen felhasználhatók a kereskedelmi forgalomban beszerezhető cinkötvözetek vagy azok az ötvözetek, amelyek cinktartalma legalább 1,0 t%, előnyösen 4,0 t% fölött van, és ahol a kiegészítő egyéb ötvöző összetevők jelenléte a felhasználás szempontjából nem káros. Ilyenek lehetnek az Alumínium Association cég 700 és 7000 sorozatú ötvözetei. így pl. a 7021 jelű ötvözet igen jól használható

- 20 fém alapanyagként a találmány szerinti eljárás foganatosításakor. Ez az ötvözet 5,0 ... 6,0 t% cinket, 1,2 ... 1,8 t% magnéziumot, 0,08 ... 0,18 t% cirkóniumot tartalmaz, benne legfeljebb Q25 t% szilícium, 0,40 t% vas, 0,25 t% réz, 0,10 t% mangán, 0,05 t% króm, 0,10 t% titán és legfeljebb 0,15 t% egyéb összetevő lehet (ez utóbbiak mennyisége egyenként a 0,05 t%-ot nem haladhatja meg), míg a fennmaradó rész alumínium. Ez az ötvözet azért is különösen előnyös, mert a cink hatását kedvezően kiegészítő magnéziumot is tartalmaz.

A találmány szerinti eljárás foganatosításával előállított kerámia elemet a szükséges műveletek elvégzése után lehűtjük és a kemencéből kiemeljük. Lehűtés után ismert módon megmunkálhatjuk, például csiszolással, polírozással, őrléssel, stb., aminek révén egy vagy több felületet a kívánt tűréssel és felületi simasággal hozhatunk létre. Erre különösen szükség van akkor, ha a kapott kerámia elemmel szemben szigorú méretkövetelmények vannak, tehát csak kis tűrések engedhetők meg.

A találmány szerinti eljárás egy előnyös foganatosítási módját úgy alakítjuk ki, hogy az összetett szerkezetű kerámia elem tűzálló anyagú csúszóelemes szelepet alkosson. Mint a 2. ábrán látszik, 20 csúszóelemes szelep 22 felső lemezzel vagy 24 öntőüst alsó részével van kapcsolaban, ahol a 24 öntőüstöt folyékony fém (általában olvadt acél) befogadására használjuk. A 22 felső lemez a 24 öntőüsttel szorosan kapcsolódik, benne 28 felső lemeznyílás van kialakítva, amely 30 üstkiömlés meghosszabbítását jelenti, így a 24 • · · ·

- 21 öntőüst belső terével kapcsolódik. A 20 csúszóelemes szelep csúszó záróelemmel van ellátva, amelyben legalább egy záróelemnyílás van. A 20 csúszóelemes szelep megfelelő 36 csőtartó elemmel, mint meghajtó eszközzel kapcsolódik, amely alkalmas a 32 csúszó záróelem mozgatására a 22 felső lemez síkja mentén, amivel a 34 záróelemnyílás kapcsolatba hozható a 28 felső lemeznyílással és ezen keresztül a 30 üstkiömléssel. A 36 csőtartó elem 38 csövet fog meg és egyúttal megtámasztja a 20 csúszóelemes szelepet is, vele együtt a 22 felső lemezt, vagyis a 24 öntőüst szoros kapcsolatba hozható a 22 felső lemezzel. A 38 cső feladata 26 megolvadt fém elvezetése a 24 öntőüstből, amikor a megfelelő nyílások egymást fedve utat engednek. A 26 megolvadt fém a 20 csúszóelemes szelep alkalmazása révén elvezethető és eközben a 32 csúszó záróelem kerámia struktúrájába nem tud behatolni. Amikor a 20 csúszó záróelemet úgy állítjuk be, hogy a 22 felső lemez mentén a 24 öntőüst 30 üstkiömlése, a 22 felső lemez 28 felső lemeznyílása és a 34 záróelemnyílás egy vonalba kerül, a 26 megolvadt fém a 24 öntőüstöt elhagyja és a 38 csövön keresztül távozik.

A kohászatban követelményként állítják, hogy a csúszó záróelem és a vele kapcsolódó felelületek rendkívül simák legyenek. Általában feltétel, hogy a felületi egyenetlenségek 0,012 mm alatt maradjanak. Ezzel egyidejűleg szoros kapcsolatot is kell biztosítani a 22 felső lemezzel, hogy a felületek közötti távolság elegendően kicsi legyen a fém szétáramlásának megakadályozásához. A 32 csúszó záróelem és a 22 felső lemez tűzálló anyagból áll és ezt az anyagot ···« ·· ·· ···· ·· • · · · · · • ··· · ··· • · · · · ···· ·· · ··

- 22 úgy kell megválasztani, hogy abból a szükséges simaságé felület létrehozható legyen, de egyidejűleg a megolvadt fémbe ne juthassanak ezen elemek részecskéi, amelyek a 36 csőtartó elem meghajtó, mozgató funkcióinak gyakorlásakor keletkezhetnének. A 20 csűszóelemes szelep 32 csúszó záróelemében nem lehetnek nagyobb pórusok sem, mert ebben az esetben a megolvadt fém a pórusokba behatolhatna és az anyag struktúráját gyengíthetné. A 32 csúszó záróelemet ezen kívül a hősokkal szembeni nagy ellenállású anyagból is kell készíteni, tűzálló anyaga, illetve összetevője a kémiai korrózív hatásokkal szemben elegendően nagy ellánállást kell, hogy mutasson, továbbá feltétel, hogy az áramló megolvaldt fém összetevői felületét ne erodálják. Az említett tulajdonságokkal rendelkező, a kívánt kritériumoknak megfelelő 32 csúszó záróelem előállítása céljából olyan kerámia anyagot kell tudni előállítani, amelynek kerámia mátrixa gyakorlatilag mentes a fémes összetevőktől, azt lényegében nemfémes, szervetlen anyagok alkotják. Ha az összetett szerkezetű kerámia elem szerkezetében fémes összetevő, például alumínium van jelen, ez az anyag tulajdonságait leronthatja, hiszen a megemelt hőmérséklettel szembeni ellenállást csökkenti, előfordulhat a kívánt méreteken túl létrejövő oxidáció, vagyis mind a méretek, mind pedig a termikus tulajdonságok leromlása. Ilyen esetben a 20 csúszóelemes szelep nem lenne képes funkcióját ellátni, illetve rövid használat után kicserélésre szorulna, mivel felületén repedések jelennének meg, esetleg méretei a megengedett tűréshatáron túl nőnének.

A találmány szerinti eljárással előállított összetett szerkezetű kerámia elemben az első lépésben visszamaradt oxidálatlan fémes összetevők eltávolítása és/vagy oxidálása után koherens összetett kerámia struktúra jön létre. Ennek 5 ... 98 tf%-át olyan struktúra alkotja, amely a polikristályos kerámia mátrixba ágyazott egy vagy több töltőanyagból jön létre. A polikristályos kerámia mátrix önmagában az anyag 94,5 tVában van jelen (a polikristályos oxidációs reakciótermék térfogatára számítva), ezt lényegében az alumínium-trioxid alfa módosulata alkotja. A kerámia mátrix legfel jeb 5 tVát cink-aluminát alkot ja,míg legfeljebb 0,5 tVban van jelen a fém alapanyag oxidálatlan összetevője, tehát például alumínium.

A javasolt eljárással előállított polikristályos kerámia mátrix porozitása általában legalább 2 tf%, adott esetben akár 25 tfVot is elérhet, de előnyösen a polikrT§tályos szerkezet térfogatához viszonyítva legfeljebb 10 tfVot tesz ki. A tapasztalat azr a következtetést sugallja, hogy bizonyos mértékű porozitásra mindenképpen szükség van ahhoz, hogy a tűzálló anyagú kerámia elem a hősokknak megfelelő módon ellen tudjon állni. A porozitásnak legalább egy része az elkészült kerámia elem felületéről és hozzáférhető és az ilyen kívülről hozzáférhető porozitás nyílásainak nagysága mintegy 5 Vban 0,001 ... 0,008 mm. Az átlagos átmérő célszerűen legfeljebb 0,06 mm, legalábbis a felületről hozzáférhető porozitásokat tekintve, ahol az átlagot a normál Gauss-eloszlás alapján határozzuk meg. Az olyan alumínium-trioxid alapú összetett szerkezetű kerámia elem, amelynek • ·

- 24 felületén átlagosan legfeljebb 0,006 mm nagyságú átmérővel jellemzett pórusok vannak, különösen jól használható a fémkohászatban szükséges csúszóelemes szelepek létrehozására, mivel a megolvadt fémek és különösen az acél az ilyen nagyságú nyílásokba nem képesek behatolni.

A találmány szerinti eljárással előállított összetett szerkezetű kerámia elem tulajdonságait a következő adatok is jellemzik. 1400 °C hőmérsékleten hárompontos alátámasztási teszttel meghatározva a szakítószilárdság értéke 24,2 MPa és 44,9 MPa között van. a vizsgálatot nitrogénatmoszférában végrehajtva, az alumínium-trioxid töltőanyag méreteitől függően a hősokkal szembeni ellenállást jellemző paraméter mintegy 60 °F/in^^, a térfogati stabilitás az ASTN E228.71 módszerrel meghatározva szobahőmérsékletről 1500 °C hőmérsékletre való felhevítéssel majd lehűtéssel legfeljebb 0,15 ΐ%, ahol a változás lineáris jellegű, mechanikai igénybevétel mellett a linearitás változása nem figyelhető meg; a korróziós ellenállásra jellemző méretváltozás Legfeljebb 1 mm, amikor 20 perces, a példában leírt módon végrehajtott vizsgálatot végzünk 25,4 . 25,4 mm nagysággal jellemzett rúdon, amelyet alumíniummal kiegészített acél áramába helyezünk.

A találmány szerinti eljárással előállított összetett szerkezetű kerámia elem határozott szemcsehatárokkal jellemzett test, ahol a szemcsehatárokon a krisztallitok kapcsolódási helyeinél egyéb fázisok nincsenek jelen. A szemcsehatárok láthatóan mentesek mindenféle szilíciumos fázistól. Ez különösen fontos az acélkohászatban, hiszen szinte minden hagyományos módon előállított alumínium-trioxid alapú tűzálló • · · · • · · ·

- 25 anyagnál a kis olvadáspontű szilikátok jelen vannak, és ezek az összetevők a folyékony acéllal érintkezve abban feloldódnak, ami az anyag minőségének leromlásához, szilárdságának csökkenéséhez vezet.

A jelen találmány szerirt előállított kerámia elemek további előnye, hogy nincs szükség az összekötő fázisok oxidációját megakadályozó intézkedésekre, mivel a kerámia mátrix teljes mértékben oxidálódott anyagból áll és ez is alapvető különbséget képez azokhoz a tűzálló anyagokhoz viszonyítva, amelyeket ma pl. Japánban használnak a csúszóelemes szelepek létrehozására és amelyekben az alumínium-trioxid szemcsék között karbon fázis található.

A találmány szerinti eljárás foganatosításának egy különösen előnyös lehetőséget adja a töltőanyag előmintába való formázása. Ilyenkor a tzltőanyag a kívánt végtermék alakját, méreteit veszi fel. A kerámiaiparban ismert módok bármelyikén az előminta jól előállítható. A töltőanyag minőségétől, tulajdonságaitól f.ggcen az ismert módszerek használhatók, így az egytengelyes összenyomás, az izosztatikus nyomás, a szedimentációs öntés, a folyadékos öntés, a fröccsöntés, a szálas anyagok felhasználása, stb. A töltőanyag részecskéit az oxidációs folyamat megkezdése előtt könnyű szintereléssel, szerves vagy szervetlen kötőanyagok alkalmazásával egyesíthetjük, de ez utzobiaknál vigyázni kell arra, hogy a folyamatot nem befzlyssoló, kedvezőtlen hatású melléktermékeket nem visszahagyd vegyületeket, készítményeket alkalmazzunk. Az előminta megmuzKálásával a kívánt mértékű alaktartást és nyers állapotú szilárdságot kell biztosítani, • · • ·

- 26 míg anyagában a porozitás akkora legyen, hogy ezzel az oxidációs reakciótermék kifejlődése akadálytalanul lezajolhasson, ami általában az 5 ... 90 tfVos, célszerűen a 25 ... 50 tfVos porozitást jelenti. A porozitást a teljes térfogathoz viszonyítjuk. Ennek megfelelően különböző töltőanyagok és azok különböző nagyságú frakciói használhatók. Az elkészült előmintát a megolvadt fém alapanyaggal egy vagy több felületén kapcsolatba hozzuk és a megemelt hőmérsékletet - a találmány szerint előírt értékben - elegendő ideig tartjuk fenn ahhoz, hogy az előmintát az oxidációs reakciótermék teljes térfogatában kitölthesse.

Az előminta és/vagy a töltőanyag alkalmazása esetén jól használhatók különböző gátló hatású anyagok. Ezek célja az oxidációs reakciótermék növekedésének leállítása vagy jelentős mértékű lefékezése egy adott vonal, felület mentén. Ha ilyen anyagot építünk be a töltőanyagba (az előmintába), a második hőmérséklet alkalmazása előtt az célszerűen valamilyen ismert eljárással elátovolítjuk. A javasolt eljárás foganatosítása során gátló anyagként használható minden olyan anyag, vegyület, elem, keverék vagy hasonló, amely a találmány szerinti eljárás foganatosítása során integritását megtartja, nem illékony, a gáz vagy gőz halmazállapotú oxidálószert átengedi, míg lokálisan képes az oxidációs reakciótermék növekedésének lefékezésére, megállítására, a reakció megfelelő befolyásolásával, mérgezésével. Az ötvözött alumínium mint fém alapanyag alkalmazása mellett a gátló anyagok közé sorolható a kalcium-szulfát (alabástromgipsz), a kalcium-szilikát és a portlandcement, valamint

- 27 ezek keverékei. A gátló anyagból célszerűen pasztát vagy diszpergált oldatot készítünk és ezt alkalmazzuk a töltőanyaghoz. Az egyik célszerű megoldás az alabástromgipsz és a kalcium-szilikát 50 - 50 t%-os keveréke. A gátló anyagba egyébként szükség szerint az első hőmérséklet elérése során maradéktalanul eltávozó (elégő vagy elpárolgó) összetevő is bekeverhető, hiszen ez az anyag eltávozásával (felbomlásával) porozitást hagy maga után, ami a gátló anyag gázzal szembeni áteresztőképességét javíthatja. A gátló anyagot az összetett szerkezetű kerámia felületéről ismert módon, például homokfúvással, csiszolással, stb. távolíthatjuk el.

Az előminta alkalmazásának eredményeként, különösen, ha felületét gátló anyaggal borítjuk be, olyan kerámia elemet kapunk, amely az előminta kialakításának pontosságával rendelkezik, vagyis nagy pontosságú előminta létrehozásakor nincs szükség vagy csak igen kis mértékben van igény végső megmunkálási, például csiszolási műveletek végrehajtására.

Mint már említettük, a fém alapanyag és a vele együtt szükséges ötvöző összetevő tulajdonságait a kerámia elem előállítása szempontjából kedvezően lehet befolyásolni dópoló összetevők beépítésével. A dópoló összetevők egy vág több feladatot is elláthatnak, amelyek nemcsak a dópoló anyagtól magától függenek. így a különböző dópoló anyagok eltérő hatást fejthetnek ki, attól függően, hogy milyen a fém alapanyag minősége, milyen végterméket kell előállítani, illetve több dópoló anyag esetén azok esetleges kombina

- 28 tív hatását is figyelembe kell venni. A dópoló anyag koncentrációja, az oxidáló hatású környezet anyagi minősége, a kerámia anyag előállítási folyamatának feltételei szintén igen fontos tényezők lehetnek. A találmány szerinti eljárás foganatosításakor alkalmazott dópoló anyagokat úgy kell megválasztani, hogy azok a második hőmérséklet alkalmazása során teljes mértékben eltávozzanak, illetve oxidálódjanak, de ez utóbbi esetben se maradjon vissza olyan összetevő, amely a végtermék kívánt tulajdonságait károsan befolyásolná.

A fém alapanyaggal együtt alkalmazott egy vagy több dópoló összetevőt többféle módon vihetjük be a folyamatba. Az egyik lehetőség a fém alapanyag ötvözése az erre alkalmas dópoló anyagokkal, a másik a fém alapanyag felületének részleges vagy teljes beborítása a dópoló anyag alkalmas forrásával, míg a harmadik a töltőanyagból álló ágy vagy az előminta térfogatában a dópoló összetevő megfelelő eloszlatása, esetleg csak a térfogat egy részében. Mindhárom lehetőség kombinációban is szóba jöhet. így például az ötvözetként bevitt dópoló összetevők hatását a kívülről felhordott anyag is elősegítheti. Ha a dópoló összetevőt a töltőanyag ágyába vagy az előminta anyagába keverjük, ez ugyancsak többféle módon hajtható végre. Lehetséges például a dópoló összetevő eloszlatása az előminta teljes térfogatában, adott esetben bevonat vagy bekevert összetevő formájában, de az is elképzelhető, hogy a dópoló összetevőt csak a fém alapanyag felületéhez közeli rétegekbe visszük be. Amikor alumínium-trioxid töltőanyagot alkalmazunk, a szilícium-dioxid igen előnyös, ha az oxidációs folyamatot

- 29 levegőben hajtjuk végre. Az előmintán belül is lehetséges a dópoló anyag rétegének létrehozása, amikoris a megfelelő dópoló összetevőket tartalmazó rétegben a permeabilitást nyílások, járatok, összekapcsolódó folyosók, üregek létrehozásával biztosítjuk.

A találmány lényegének még közelebbi megvilágítására az alábbiakban példát ismertetünk.

PÉLDA

Az Aluminum Association cég 712.2 jelű öntési célra kialakított ötvözetéből 25,4 mm . 63,5 mm . 215,9 mm nagyságú tömböt készítettünk, amelyet vízszintesen fektettünk kereskedelmi forgalomban beszerezhető, a Norton Co. által gyártott 38 Alundum jelű tiszta alumínium-trioxid 8-14 nagyságú frakciójából és ehhez 5 t% arányban bekevert 500 mesh szemcsézettségű, a Pennsylvania Glass & Sand Co. által előállított szilícium-dioxidból álló rétegre. Az említett anyagból ezt követően mintegy 75 mm vastagságú réteget készítettünk a tömbön. A 712.2 jelű ötvözet a gyártómű szerint 5 ... 6,5 t% cinket, kb. 0,25 t%, vagy kevesebb rezet, 0,4 ... 0,6 t% krómot, legfeljebb kb. 0,15 t% szilíciumot, legfeljebb kb. 0,40 vasat, legfeljebb 0,50 t% magnéziumot, legfeljebb 0,10 t% mangánt, 0,15 ... 0,25 t% titánt és legfeljebb 0,20 t% mennyiségben egyenként legfeljebb 0,05 íVnyi egyéb fémeket tartalmaz az alumínium mellett.

Az alumínium-trioxid réteggel bevont tömböt és az alumínium-trioxid ágyat tartalmazó együttest tűzálló edényben hoztuk létre. Az együttest az edénnyel együtt levegő utánpótlásával létrehozott kemencébe helyeztük.

♦ · ·

- 30 A kemence falában megfelelő helyeken nyílások voltak, amelyeken keresztül a környezetből konvekciós és diffúziós folyamatok révén a levegő viszonylag szabadon áramlott a kemence belső terébe. Mintegy 8 órás melegítéssel biztosítottuk a kívánt 1000 °C reakcióhőmérséklet elérését. Ezt követően 144 órán keresztül a reakcióhőmérsékletet fenntartottuk,majd 8 órás hűtéssel a kemence belső terének hőmérsékletét 600 °C alá csökkentettük. A csökkentett hőmérsékletű kemencéből az összetett szerkezetű kerámia elemet kinyertük. Megállapítottuk, hogy ennek anyagában viszonylag jelentős mennyiségű cink, alumínium és szilícium maradt vissza.

A fémes összetevők legalább egy jelentős részének eltávolítása céljából a kapott összetett szerkezetű kerámia elemet újból a tűzálló anyagú edénybe helyeztük, az edényt a kemencébe visszaraktuk és 8 órás melegítéssel értük el a további megmunkáláshoz kijelölt 1400 °C második hőmérsékletet. Ez utóbbit 8 órán keresztül tartottuk fenn, majd mintegy 8 órás hűtéssel csökkentettük le a kerámia elem hőmérsékletét 600 °C alá, majd ezután a végterméket a kemencéből eltávolítottuk. Megállapítottuk, hogy a kiindulási szürkés, fémes színű kerámia mátrix fehér színűvé vált, az 1400 °C nagyságú második hőmérséklet hatására a maradék fém jelentős mennyiségben eltávozott. Az anyag mikrostruktúráját is megvizsgáltuk, jól láthatóan igen homogén, porózus, finomszemcsés alumínium-trioxid mátrix alakult ki, amelyben a szemcseátmérő mintegy 0,006 mm volt. A cink maradéka teljes mértékben elpárolgott, magával vitte az alumínium és a szilícium jelentős részét is, helyet hagyva a vissza

- 31 maradó alumínium oxidálásához, aminek eredményeként az 1400 °C hőmérsékleten végrehajtott második hevítés után a kiindulásinál nagyobb porozitást de sokkal kisebb fémtartalmat mutató kerámia szerkezetet kaptunk. A második hevítés az eredetileg létrejött határfelületen túlmenő növekedést nem okozott, kiegészítő oxidációs reakciótermék nem keletkezett, bár alumínium, cink és szilícium, tehát a találmány szerinti alapfelismerést jelentő oxidációs folyamatban hatékonyan feldolgozható több fém volt jelen. A végtermékre a szobahőmérsékleten mintegy 28 MPa hajlítószilárdságot kaptunk, míg ötszöri gyors hevítési és lehűtési ciklus után (ez 10 perces hőntartásokkal a szobahőmérséklet és 1200 °C közötti gyors homérsékletváltozásokat jelentett) a szilárdság mintegy 17 MPa-nak adódott. A kerámia termék röntgendiffrakciós szerkezeti elemzése az alumínium-trioxid mellett kis mennyiségű cink-aluminát jelenlétét mutatta.

A kapott kerámia elemnek folyékony acél jelenlétében mutatott viselkedését is megvizsgáltuk. Ebből a célból a kerámia tömböt négy darabra vágtuk fel, csapágyazott tengelyre szerelt mintatartóba erősítettük a négy mintát, ahol a tengely pörgési vizsgálat elvégzése céljából acélkeretbe foglalt változtatható fordulatszámú villamos géphez csatlakozott. A négy kerámia darabot a mintatartókkal együtt a tengely forgatásával mozgattuk. A kerámia darabok mindegyikének külső széle 0,8 sec fordulatszámmal forgott és így percenként nagyjából 15,2 m utat tesz meg. Lemezhengerlésre alkalmas minőségű, tehát kis szén, kén, foszfor és oxigéntartalmú acélt 1593 °C-ra hevítettünk és felületét salakta

- 32 lanítottuk, mielőtt a vizsgálatot megkezdtük volna. A kerámia termékeket 1093 °C hőmérsékletre hevítettük, ezt követően a folyékony acélba merítettük és a készülékkel 20 percen keresztül 0,8 s”l fordulatszámot tartva forgattuk. Az acélból való kivétel után a kerámia testeket eltávolítottuk a tartóból, lehűtöttük és megvizsgáltuk abból a szempontból, milyen hatást fejtett ki rájuk a folyékony acél. Megállapítható volt, hogy a kerámia termékbe az acél nem tudott behatolni, a kerámia anyag és a folyékony acél között reakcióra nem került sor, a termikus gradiens hatására repedés vagy törés nem alakult ki. Ez arra utal, hogy a találmány szerinti eljárással előállított kerámia elemek alkalmasak tűzálló anyagként folyékony fémekkel végzendő műveletek végrehajtására, például folyékony acél csapolásánál szükséges csúszóelemes szelepek létrehozására.

Claims (19)

1. Szabadalmi igénypontok

   1. Eljárás összetett szerkezetű tűzálló anyagú önhordó kerámia elemek előállítására, amikoris fémes alapanyagból kiindulva megemelt hőmérséklet alkalmazásával kerámia anyagot állítunk elő, azzal jellemezve, hogy (1) alumíniumból szükség szerinti ötvözéssel létrehozott fém alapanyagnak polikristályos szerkezetű, mindenek előtt a fém alapanyag egy vagy több oxidálószerrel alkotott egy vagy több oxidációs reakciótermékével felépülő kerámia mátrixot és (
2. 2) a mátrixba beépülő egy vagy több töltőanyagot tartalmazó kerámia anyag előállítására (a) alumíniumból szükség szerint ötvözéssel előállított és legalább 1 t% cinket tartalmazó fém alapanyagot legalább egy kijelölt határfelület mentén elrendezett egy vagy többkomponensű töltőanyaggal felépülő permeábilis szerkezetű massza mellett rendezünk el, a fém alapanyagot és a töltőanyag masszáját egymáshoz viszonyítva oxidációs reakcióterméknek oxidálószer jelenlétében a töltőanyagba való behatolására alkalmasan helyezzük el oly módon, hogy a behatolás a kijelölt határfelület irányában történik, (b) a fém alapanyagot olvadáspontját meghaladó, de az oxidálószerrel létrejövő oxidációs reakciótermék olvadáspontja alatt maradó első hőmérsékletre hevítjük, ezzel a fém alapanyagot megolvasztjuk, az első hőmérséklet fenntartása mellett a fém alapanyagot az oxidálószerrel reagáltatjuk és ezzel oxidációs reakcióterméket hozunk létre, az első hőmérsékleten az oxidációs terméknek legalább egy részét a megolvadt fém alapanyag és az oxidálószerrel • · · kitöltött tér között tartjuk, azt mind az oxidálószerrel, mind pedig a megolvadt fém alapanyaggal érintkeztetjük, ezzel a megolvadt fémet eredeti helyéről az oxidálószerrel kitöltött tér felé szállítjuk, miközben a szállított fém alapanyagot a már kialakult oxidációs reakciótermék belsejében és az utóbbinak az oxidálószerrel alkotott határfelületén az oxidálószerrel reagáltatjuk, amivel az oxidációs reakciótermék tömegét az oxidálószer és a nár kialakult oxidációs reakciótermék határfelületein növeljük, majd a reakciót az oxidációs reakcióterméknek a kijelölt határfelület eléréséig, az ott levő töltőanyag befogadásával történő növekedéséig folytatjuk, aminek révén a fém alapanyag oxidálatlan részecskéit és összetevőit tartalmazó kerámia mátrixot hozunk létre, (c) a határfelületig a töltőanyag befogadásával növesztett kerámia anyagot oxigéntartalmú atmoszférában, semleges atmoszférában vagy vákuumban az első hőmérsékletet meghaladó, de a kerámia mátrixot alkotó oxidációs reakciótermék olvadáspontja alatt maradó második bámérsékletre hevítjük és ezzel a fém alapanyag visszamaradt oxidálatlan részecskéit túlnyomórészt vagy teljesen eltávolítjuk vagy oxidáljuk, aminek révén a határfelületen belül maradcan az oxidációs reakciótermékből összetett szerkezetű örhordó kerámia testet hozunk létre.

   ; 2. Az 1. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a cink mellett legalább egy dcpoló anyagot tartalmazó fém alapanyagot használc-k.
3. 3. Az 1. vagy 2. igénypont szerinti eljárás, azzal • · • · jellemezve, hogy a töltőanyag 3 ... 10 t% szilícium-dioxidot tartalmazó keverék.
4. 4. Az 1.-3. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy oxidálószerként oxigéntartalmú gázt alkalmazunk és oxidációs reakciótermékként túlnyomórészt alumínium-trioxidot állítunk elő.
5. 5. A 4. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy oxidálószerként légköri nyomású levegőt használunk.
6. 6. Az 1.-5. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy az első hőmérsékletet a 850 ... 1450 °C tartományból választjuk.
7. 7. A 6. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy az első hőmérsékletet a 950 ... 1100 °C tartományból választjuk.
8. 8. Az 1.-7. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy 1250 °C-nál magasabb második hőmérsékletet használunk.
9. 9. A 8. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy 1400 °C-nál magasabb második hőmérsékletet használunk.
10. 10. Az 1.-9. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a második hőmérsékleten való hevítést légköri nyomású levegőben hajtjuk végre.
11. 11. Az 1.-10. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a töltőanyagot egy vagy több oxidot, boridot, nitridet vagy karbidot tartalmazó keverékként hozzuk létre, ahol fémként alumíniumot, cériumot, • · ·

    - 36 hafniumot, lantánt, szilíciumot, neodímiumot, prazeodíniumot, szamáriumot, szkandiumot, tóriumot, uránt, titánt, ittriumot vagy cirkóniumot használunk.
12. 12. Az l.-ll. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a töltőanyagot szemcsézett anyagból, részecskékből, porból, szálakból, tömörítvényekből, pelleteikből, forgácsokból, csőszerű elemekből, tűzálló anyagú szövetből vagy ezek keverékéből készítjük el.
13. 13. Az 1.-12. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a töltőanyagot alumínium-trioxidot és/vagy szilícium-karbidot tartalmazó anyagként állítjuk össze.
14. 14. Az 1-13. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a második hőmérsékleten a hevítést az összetett szerkezetű kerámia test legalább egy felületről hozzáférhető porozitások összekapcsolódó láncolatának eléréséig folytatjuk.
15. 15. A 14. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy az összekapcsolódó porozitásokat legfeljebb 0,006 mm átlagos átmérőjű nyílások kialakításával hozzuk létre.

    ( 1&. Tűzálló anyagú kerámia elem megolvadt fémekkel végzett műveletekhez, azzal jellemezve, hogy (1) legalább 1 t% cinktartalmú alumíniumötvözet, mint fém alapanyag oxidálásával kapott, lényegében a fém alapanyag és az oxidálőszer oxidációs reakciótermékéből felépülő kerámia mátrixszal és (2) a kerámia mátrixba beépülő egy vagy több töltőanyag részecskéivel van kialakítva.
16. 17. A 16. igénypont szerinti tűzálló anyagú kerámia elem, azzal jellemezve, hogy csúszóelemes szelepként (20) van kialakítva, amelynek öntőüst (24) kiömlését záróelemnyílással (34) összekötő sima felületű csúszó záróeleme (32) van, ahol a záróelemnyílás (34) megolvadt fémnek az öntőüst (24) kiömlésén keresztül való kiáramlását szabályozoan van kialakítva.
17. 18. A 16. vagy 17. igénypont szerinti tűzálló anyagú kerámia elem, azzal jellemezve, hogy a kerámia mátrixba 3 ... 10 t% szilícium-dioxidot tartalmazó töltőanyag részecskéi vannak beágyazva.
18. 19. A 16.-18. igénypontok bármelyike szerinti tűzálló anyagú kerámia elem, azzal jellemezve, hogy a töltőanyag 5 ... 500 mesh szemcsézettségű alumínium-trioxid részecskéket tartalmaz.
19. 20. A 16.-19. igénypontok bármelyike szerinti tűzálló anyagú kerámia elem, azzal jellemezve, hogy szerkezetében egymással kapcsolódó pórusokat tartalmazó kerámia mátrixszal van kialakítva, ahol a pórusok a kerámia mátrix legalább egy felületéről hozzáférhetően vannak létrehozva, míg bennük az átlagos átmérő legfeljebb 0,006 mm.