NO173862B

NO173862B - Sammenfoeyet, fast gjenstand omfattende karbid, borid, nitrid, silicid og/eller sulfid samt fremgangsmaate for fremstilling derav

Info

Publication number: NO173862B
Application number: NO85852376A
Authority: NO
Inventors: Louis John Manfredo
Original assignee: Corning Inc
Priority date: 1984-06-13
Filing date: 1985-06-12
Publication date: 1993-11-08
Also published as: NO173862C; ES542752A0; CA1253674A; AU4345085A; EP0164830A2; DE3586971D1; EP0164830B1; JPS6131365A; NO852376L; AU592532B2; DE3586971T2; EP0164830A3; ATE84513T1; BR8501545A; ES8603797A1

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører generelt en sammenføyet, fast gjenstand omfattende karbid, borid, nitrid, silicid og/eller sulfid, samt en fremgangsmåte for fremstilling derav.

De faste gjenstandene nevnt ovenfor kan være cermet-gjenstander som har en første fase, eller faser, av en ikke-oksydholdig keramisk forbindelse og en andre fase, eller faser, av metall, legering og/eller en intermetallisk forbindelse. De ikke-oksydholdige keramiske forbindelsene er de tidligere nevnte borid-, karbid—, nitrid-, silicid- og sulfidforbindelsene, eller kombinasjoner derav. Kombi-nasjonene av disse forbindelsene kan være enten to adskilte faser (f.eks. et borid og et karbid) eller en enkel sammensatt fase (f.eks. et borkarbid). Cermet-gjenstander av denne typen er beskrevet i et beslektet patent, US-4746363. I dette patentet beskrives visse nye, meget sterke og hårde, reaksjonssintrede cermet-gjenstander (og metoder for fremstilling av disse). Disse cermet-gjenstandene er reaksjonssintrede og gir flere faser av en finkornet homogen, omhyggelig blanding av utvalgte borider, nitrider, karbider, silicider eller sulfider og utvalgte metaller, legeringer eller intermetalliske forbindelser.

Slike cermet-gjenstander, som fremstilles ved blanding, formgiving og oppvarming av partikkelformet ildfast metall-borid, med enten pulverformet eller smeltet aluminiummetall eller —legering, slik at man får faste cermet-gjenstander av det nevnte boridet og metallet eller legeringsfåsene. Se TJS-patent nr. 3037857. Det er også kjent å kaldpresse titandiborid -pulver slik at det dannes et porøst legeme som impregneres med smeltet aluminium, se US-patent nr. 3274807. Belgisk patent nr. 644066, US-patent nr. 3178807 og US-patent nr. 3459515 beskriver blanding, kompaktering og oppvarming av partikkelformige blandinger av aluminium og visse karbider og/eller borider, slik at man får gjenstander med i det vesentlige de samme aluminium— og karbid— og/eller borid-fasene. US-patent nr. 3328280 beskriver en blanding og, enten samtidig eller trinnvis, pressing og oppvarming av partikkelformede blandinger av aluminiumnitrid og titandiborid og/eller aluminium.

Foreliggende oppfinnelse vedrører også sammenføyning av faste gjenstander, hvorav minst én er en oksydborid-keramisk gjenstand som kan ha én eller flere oksydfaser og én eller flere boridfaser. Slike oksydborid-keramiske gjenstander er beskrevet i det beslektede US-patent 4605634. I dette beslektede patentet beskrives nye reaksjonssintrede keramiske gjenstander og fremgangsmåten til fremstilling derav, hvor gjenstandene fremstilles ved reaksjonssintring av en finkornet, omhyggelig sammenblanding av utvalgte borid— og oksydfaser.

Slike oksydborid-keramiske gjenstander er av den typen som fysisk dannes av bestanddeler som svarer til de krystallinske fasene i de keramiske gjenstandene. For eksempel beskriver US-patent nr. 2270607 blanding, formgiving og sintring av minst 10 vekt-# av oksyder av Ål, Zr, Be og/eller Th med borider av W, Fe og lignende, slik at man får keramiske gjenstander som inneholder de samme fasene. US-patent nr. 3067146 beskriver varmpressing eller trykksintring av blandinger av TiB2> AI2O3 og 0203, slik at det dannes keramiske gjenstander av i det vesentlige de samme fasene. US-patent nr. 3296002 beskriver brenning av porøse formgitte blandinger av aluminium og legeringer derav, med borider av Cr, Mo, Ti, W og Zr i en oksyderende atmosfære, slik at det dannes porøse aluminiumoksyd-boridkeramiske gjenstander. US-patent nr. 4022584 beskriver varmpressede eller formgitte og sintrede blandinger av AI2O3, MgO og borider av metaller fra gruppene 4b, 5b og 6b, slik at det tilveiebringes keramiske gjenstander i det vesentlige av de samme fasene. US-patent nr. 4110260 beskriver sintring av formgitte blandinger av en lang rekke bestanddeler innbefattet isolerende keramiske materialer, som f.eks. aluminiumoksyd og zirkoniumoksyd, og ledende forbindelser som f.eks. borider av Ti og Zr. US-patent nr. 4343909 beskriver sintring av pressede blandinger av AI2O3, ZrC>2, TiB2 og kornvekstinhibitorer, slik at man får et produkt som i det vesentlige inneholder de samme fasene.

Foreliggende oppfinnelse vedrører også sammenbinding av faste gjenstander, hvorav minst én er en keramisk gjenstand som inneholder én eller flere nitridfaser av Al og/eller Si pluss én eller flere faser av borid, karbid, silicid og/eller sulfid av gruppene 3b, 4b, 5b og 6b. En kombinasjon av de sistnevnte forbindelsene kan være enten to adskilte faser eller en enkelt sammensatt fase. Gjenstander av denne typen er beskrevet i det beslektede US-patent 4605663. I dette beslektede patentet beskrives en ny reaksjonssintret keramisk gjenstand og en fremgangsmåte til fremstilling derav, gjenstanden fremstilles ved reaksjonssintring av en finkornet, homogen, intim blanding av en nitridfase, eller faser, og en borid—, karbid—, silicid—, sulfid-fase, eller faser, av ett eller flere av elementene i gruppene 3b, innbefattet lantanide— og aktinide serieelementene, 4b, 5b og 6b, slik at det dannes en gjenstand som inneholder mindre enn 4 vekt-# oksygen.

Slike keramiske gjenstander innbefatter den typen som fysisk dannes av bestanddeler som svarer til de krystallinske fasene i de keramiske gjenstandene. For eksempel beskriver US-patent nr. 3108887 varmpressede partikkelformede blandinger av A1N og andre forbindelser, hvorav nevnes forbindelsene MX, hvor M er forskjellig fra X, og velges fra aluminium, bor, silisium, sjeldne jordartsmetaller, titan, zirkonium, hafnium, thorium, vanadium, niob, tantal, protactinium, krom, molybden og uran (selv om ingen eksempler gis på noen av disse MX-forbindelsene). UK-patent nr. 954272 beskriver gjenstander som enten er sintrede eller varmpressede, av partikkelformede blandinger av A1N og et borid av titan, zirkonium, krom eller molybden. US-patent nr. 3251700 og 3328280 beskriver varmpressede eller sintrede partikkelformede blandinger av TiBg og A1N. I dette henseende vises også til US-patent nr. 3243413 som beskriver reaksjonsvarmpressede keramiske materialer med faser av ZrN og enten ThS, VaC eller ZrC, som fremstilles ved hjelp av en uvanlig reaksjonsvarmpressingsfremgangsmåte som innbefatter passasje av elektrisk strøm gjennom reaksjonsblandingen under fremstillingen.

De tidligere nevnte gjenstandene vil, selv om de bare delvis består av karbider, nitrider eller borider, være vanskelige å binde sammen eller til andre materialer, f.eks. metaller eller oksyder, fordi de ikke lett sintrer og lett oksyderes. Videre er mange av disse gjenstandene sprø, og når de bindes til gjenstander som har en annen termisk utvidelseskoef-fisient vil det ofte oppstå sprekker forårsaket av termiske spenninger. Selv i de tilfellene hvor sammenbindinger av egnet mekanisk integritet oppnås, kan de elektriske egenskapene for slike sammenføyninger være uønskede.

Tallrike fremgangsmåter er beskrevet for sammenbinding av forskjellige nitrid-, karbid-, borid-, silicid- og/eller sulf id-gjenstander. I Chemical Abstracts, nr. 84:125906<*>r

(1976) beskrives oppsprukne silisiumnitridgjenstander og en fremgangsmåte til reparasjon av oppsprukne silisiumnitridgjenstander ved at sprekken fylles med en blanding av pulverisert Si i et plastisk bindende middel, etterfulgt av nitrering. I Chemical Abstracts nr. 94:144214m (1981) beskrives en fremgangsmåte til sammenbinding av spesielle keramiske materialer til ildfaste metallkomponenter ved å benytte sammenklebede materialer fremstilt fra keramiske materialer, (Sis^, SIC), og ildfaste metaller (MoW, Cr, Ni), fremstilt ved faststoff-sammenbinding i høyvakuum. I Chemical Abstracts nr. 92:98204s (1980), beskrives sammenbindingen av gjenstander av karbid og karbid-grafitt med celleformede, porøse strukturer ved at det benyttes en behandling av sammenbindingsarealet med en metallsmelte som inneholder en karbid-dannende komponent, som deretter varmebehandles. I Chemical Abstracts nr. 81:53649x (1974), beskrives eksotermt reaktive materiale, spesielt støkiometriske og ikke-støkio-metriske blandinger av Sn og Te, idet de reagerer under dannelsen av metallurgiske og kjemiske bindinger mellom komponentene. Det beskrives at den eksoterme varmegene-reringen tilveiebringer den energien som medgår til den metallurgiske sammenbindingen, fremgangsmåten sies å være spesielt nyttig ved fremstilling av termoelektriske koplinger til termoelektriske generatorer. I Chemical Abstracts nr. 71:32872p (1969), som vedrører "US-patent nr. 3480492, beskrives klebemidler som inneholder additiver som undergår eksoterme reaksjoner, og disse aktiveres ved ultralydenergi som oppvarmer klebemiddelet og initierer den eksoterme reaksjonen. Den eksoterme reaksjonen fremmer vedhenget ved at den øker fuktevirkningen av klebemiddelet og forårsaker at ikke-polare overflater blir polare. I Chemical Abstracts nr\ 71:33040g (1969) beskrives en diffusjonsbindingsfremgangsmåte ved vakuumvarmpressing for binding av ildfaste metallfor-bindelser til hverandre og til oksydholdige keramiske materialer. Sammenføyninger ble fremstilt av ZrC til ZrB2» ZrN til ZrB2, ZrC til ZrN og ZrC, ZrN og ZrB2 til A1203. Hver av de beskrevne sammenføyningene inneholdt et lag som innbefattet 50 vekt-# av hver av de to forbindelsene. Dette laget som lå mellom de to forbindelsene forbedret bindingen og glattet ut den termiske ekspansjonsgradienten som var tilstede mellom de to delene. Også innbefattet i disse sammenføynings f or søkene var TIC til TiB2, TIC til TiN, TiB2 til TiN og TiC til ZrB2-sammenføyninger.

Forskjellige sammenføyningsfremgangsmåter er også beskrevet i patentlitteraturen. Se f.eks. japansk patent nr. 57179082'; britisk patent nr. 2091763A; USSR-patent nr. 700299; britisk patent nr. 1417169; US-patent nr. 3808.670; US-patent nr. 3628233; US-patent nr. 3367811; britisk patent nr. 1047421; US-patent nr. 3372732 og US-patent nr. 3020632. Se også Roettenbacher et al. DVS Ber., 66:108-12 (1981); Muller-Zell et al., Energy Res. Abstr. 1980, 5(17), Abstract nr. 27500: J.E. Kelly et al., Nucl. Sei. Abstr. 1969, 23(7), 12391.

Det gjenstår fremdeles et behov for en fremgangsmåte til sammenbinding av faste karbid—, nitrid—, silicid— eller sulfidgjenstander, slik at det dannes sammenføyde produkter som viser gode mekaniske, termiske og elektriske egenskaper, og som kan muliggjøre enkel og økonomisk fremstilling av disse gjenstandene i en lang rekke former og størrelser vefl oppvarming til relativt lave temperaturer. Det kan f.eks. være vanskelig ved en gitt fremstillingsfremgangsmåte å fremstille gjenstander med stor variasjon i størrelse og/eller volum. Det kan også være vanskelig å fremstille gjenstander som har den ønskede kompleksitet i formen ved slike femgangsmåter. Følgelig eksisterer det et behov for en enkel og økonomisk sammenføyningsmetode som kan redusere eller overvinne slike vanskeligheter.

Det er et formål med foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe sammenføyede, faste gjenstander omfattende karbid, borid, nitrid, silicid og/eller sulfid.

Det er et ytterligere formål med foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe fremgangsmåter til sammenføyning av faste karbid—, borid—, nitrid—, silicid— eller sulfidgjenstander, som i det vesentlige overvinner de nevnte begrensningene ved tidligere kjent teknikk og muliggjør praktisk oppnåelse av større teknisk og økonomisk fleksibilitet ved fremstilling av slike gjenstander med spesifikt valgte og forbedrede egenskaper som beskrevet nedenfor.

Oppfinnelsen er kjennetegnet ved den oppdagelsen at visse faste karbid-, borid-, nitrid-, silicid— eller sulfid-gjenstander som vanskelig lar seg sammenføye, kan sammenføyes ved at det benyttes en blanding av utvalgte forstadiefor-bindelser som omsettes eksotermt, slik at det tilveiebringes en sterk elektrisk kontinuerlig sammenføyning.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer følgelig en sammen-føyet, fast gjenstand omfattende karbid, borid, nitrid, silicid og/eller sulfid, kjennetegnet ved at den innbefatter: (A) en første gjenstandsdel bestående hovedsakelig av: (1) 5 til 100 mol-% av første fase, eller faser, valgt fra gruppen bestående av: et borid, karbid, nitrid, silicid eller sulfid., eller kombinasjoner derav, av elementer i grupper 2a, 3a, 4a, 2b, 3b (innbefattende lantanide- og aktinide-seriene), 4b, 5b, 6b, 7b og 8; og (2) 0-95 mol-56 av andre fase, eller faser, av metall, intermetallisk forbindelse, legering, eller oksyd, eller kombinasjoner derav;

(B) en andre gjenstandsdel bestående hovedsakelig av materiale med fase, eller faser, valgt fra gruppen

bestående av: borid, oksyd, karbid, nitrid, silicid, eller sulfid, eller kombinasjoner derav, av elementer i grupper 2a, 3a, 4a, 2b, 3b (innbefattende lantanide- og aktinide-seriene), 4b, 5b, 6b, 7b og 8; et metall; en legering; en intermetallisk forbindelse^ eller karbon; eller kombinasjoner derav; og

(C) en sammenføyning anbragt og dannet in situ mellom nevnte første og andre på forhånd fremstilte

gjenstandsdeler omfattende et eksotermt reaksjonsprodukt av en gjensidig blanding av faste forstadiereaktanter, hvor produktet er valgt fra gruppen bestående av:

(1) produktet bestående i det vesentlige av:

(a) 30-95 mol-# av minst ett karbid, nitrid,

sulfid eller en kombinasjon derav av ett eller flere elementer fra gruppene 2a, 3a bortsett fra B, 4a, 2b, 3b, innbefattende

lantanide- og aktinide-serieelementene, 4b, 5b, 6b, 7b og 8, og (b) 5-70 mol-% av en andre fase, eller faser, av metall, legering, intermetallisk forbindelse, eller kombinasjoner derav, av ett eller flere av elementene fra gruppene 3a, bortsett fra B, 4a, lb, 2b, 4b, 5b, 6b, 7b og 8; og (c) nevnte sammenføyning inneholdende mindre enn 4 vekt-# oksygen;

(2) produktet bestående i det vesentlige av:

(a) 10-90 mol-% boridfase, eller -faser, som utgjøres av borid av ett eller flere av elementene fra grupper 3b innbefattende lantanide- og aktinide-serieelementene, 4b, 5b og 6b, og (b) 10-90 mol-# oksydfase, eller -faser, som utgjøres av oksyd av ett eller flere av elementene fra grupper 3a, 4a, 3b, 4b, 5b", 6b og 8, og

(3) produktet bestående i det vesentlige av:

(a) 5-95 mol-% nitridfase, eller -faser, som utgjøres av nitrid av en eller begge av Al og Si, og (b) 5-95 mol-% av en andre fase, eller faser, som utgjøres av borid, karbid, silicid, sulfid eller en kombinasjon derav, av ett eller flere av elementene fra gruppe 3b, innbefattende lantanide- og aktinide-serieelementene, 4b, 5b og 6b; og (c) nevnte sammenføyning inneholdende mindre enn 4 vekt-56 oksygen.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer videre en fremgangsmåte for fremstilling av en sammenføyet, fast gjenstand omfattende karbid, borid, nitrid, silicid og/eller sulfid, kjennetegnet ved at den innbefatter trinnene: (A) tilveiebringelse av en første gjenstandsdel bestående hovedsakelig av: (1) 5 til 100 mol-% av første fase, eller faser, valgt fra gruppen bestående av: et borid, karbid, nitrid, silicid eller sulfid, eller kombinasjoner derav, av elementer i gruppene 2a, 3a, 4a, 2b, 3b (innbefattende lantanide- og aktinideseriene), 4b, 5b, 6b, 7b og 8; og (2) 0-95 mol-% andre fase, eller faser, av metall, intermetallisk forbindelse, legering, eller oksyd, eller kombinasjoner derav; (B) tilveiebringelse av en andre gjenstandsdel bestående hovedsakelig av materiale med fase, eller faser,

valgt fra gruppen bestående av:

borid, oksyd, karbid, nitrid, silicid eller sulfid, eller kombinasjoner derav, av elementer i grupper 2a, 3a, 4a, 2b, 3b (innbefattende lantanide- og aktinide-seriene), 4b, 5b, 6b, 7b og 8; et metall; en legering; en intermetallisk forbindelse; eller karbon; eller kombinasjoner derav; (C) tilveiebringelse av en innbyrdes blanding av faste forstadier som er i stand til å reagere eksotermt,

hvor forstadiene er valgt slik at de gir en sammen-føyning in situ mellom nevnte første og andre gjenstandsdeler omfattende et eksotermt reaksjonsprodukt valgt fra gruppen bestående av: .

(1) produktet bestående hovedsakelig av:

(a) 30-95 mol-5é av minst et karbid, nitrid,

sulfid eller en kombinasjon derav av ett eller flere elementer fra grupper 2a, 3a,

"bortsett fra B, 4a, 2b, 3b, innbefattende elementer fra lantanide- og aktinide-seriene, 4b, 5b, 6b, 7b og 8, og

(b) 5-70 mol-Sé av en andre fase, eller faser,

av metall, legering, intermetallisk forbindelse, eller kombinasjoner derav, av ett eller flere av elementene fra gruppene 3a, bortsett fra B, 4a, lb, 2b, 4b, 5b, 6b,

7b og 8; og

(c) nevnte sammenføyning inneholdende mindre

enn 4 vekt-# oksygen;

(2) produktet bestående hovedsakelig av:

(a) 10-90 mol-# av boridfase eller -faser, som utgjøres av borid av ett eller flere av elementene fra gruppene 3b innbefattende lantanide- og aktinide-serieelementene, 4b,

5b og 6b, og

(b) 10-90 mol-# av oksydfase eller -faser, som utgjøres av oksyd av ett eller flere av elementene fra gruppene 3a, 4a, 3b, 4b, 5b,

6b og 8, og

(3) produktet bestående hovedsakelig av:

(a) 5-95 mol-# av nitridfase eller -faser, som utgjøres av nitrid av en eller begge av Al og Si, og

(b) 5-95 mol-# av en andre fase eller -faser,

som utgjøres av borid, karbid, silicid,

sulfid eller en kombinasjon derav, av. ett eller flere av elementene fra gruppe 3b, innbefattende lantanide- og aktinideserieelementene, 4b, 5b og 6b; og

(c) nevnte sammenføyning inneholdende mindre

enn 4 vekt-# oksygen;

(D) laminering av nevnte blanding av forstadier mellom deler av de nevnte faste gjenstandene som skal

sammenføyes slik at det dannes et mellomliggende laminat; og

(E) oppvarming av nevnte laminat i fravær av atmosfæriske reaktanter til en temperatur som er tilstrekkelig til

å initiere en eksoterm reaksjon som gir nevnte sammenføyning in situ og som sammenføyer nevnte faste gjenstander.

Fortrinnsvis utføres sammenføyningsfremgangsmåten ifølge oppfinnelsen ved at det anbringes et lag av reaktiv blanding mellom rensede, motstående overflater av gjenstanden som skal sammenføyes. Dette laminatet utsettes så for et trykk på minst 35, fortrinnsvis 140-420 kg/cm<5>, hvorpå oppvarming til høyst 1600°C finner sted, enten i vakuum eller i en inert atmosfære. I visse av utførelsene som her skal beskrives, frigjøres hydrogen og fjernes fra laminatet under denne oppvarmingen før den eksoterme reaksjonen som danner sammenføyningen starter. Foreliggende fremgangsmåter er spesielt egnet for sammenbindinger av reaksjonsvarmpressede stykker av T1B2/Å1-kompositter ved relativt lave temperaturer. Disse fremgangsmåtene benytter de store energimengdene som frigjøres når det meget stabile boridet dannes. Ifølge en foretrukket fremgangsmåte plasseres en blanding av forstadiene, kalsinert TiH2 og AIB2, mellom stykker av T1B2/A1-kompositt, sammensetningen plasseres i en varmpresse, trykk pålegges og sammensetningen oppvarmes i vakuum. Ved ca. 1000°C reagerer Ti og A1B2 under dannelsen av TiB£ og Al.. Temperaturen for sammenføyningen stiger brått mange hundre grader, og under påvirkningen av den lokalt høye temperaturen og trykket dannes en sterk, elektrisk kontinuerlig binding uten at ovnstemperaturen heves over 1000°C.

Naturligvis styres reaksjonstemperaturen ved de spesifikke reaktantene og den kjente reaksjonstemperaturen ved det trykket som velges for utførelsen av oppvarmingstrinnet. Andre formål og utførelser av foreliggende oppfinnelse vil fremgå av den følgende, mer detaljerte beskrivelsen.

Foreliggende oppfinnelse vedrører en ny fremgangsmåte til sammenføyning av faste karbid—, borid—, nitrid—, silicid— eller sulfidgjenstander. Ifølge foreliggende oppfinnelse er en av gjenstandene som kan sammenføyes en gjenstand som vanskelig lar seg sammenføye, bestående av borid, karbid, nitrid, silicid eller sulfid. Nærmere bestemt består denne første gjenstanden i det vesentlige av 5 til 100 mol-% av en første fase, eller faser, valgt fra gruppen bestående av et borid, karbid, nitrid, silicid eller sulfid, eller kombinasjoner derav, av elementer i gruppene 2a, 3a, 4a, 2b, 3b, innbefattende lantanide— og actinide-seriene, 4b, 5b, 6b, 7b og 8; og 0,95 mol-56 av en annen fase, eller faser, av metall, legering, intermetallisk forbindelse, oksyd, eller blandinger derav. Den første, faste gjenstanden kan sammenføyes med en andre fast gjenstand bestående hovedsakelig av et materiale med fase, eller faser, valgt fra gruppen bestående av borid, oksyd, karbid, nitrid, silicid eller sulfid, eller kombinasjoner derav, av elementer i gruppene 2a, 3a, 4a, 2b, 3b, innbefattet lantanide— og aktinide-seriene, 4b, 5b, 6b, 7b og 8, et metall, en legering og et intermetallisk materiale eller karbon, eller kombinasjoner derav.

De tidligere nevnte første og andre faste gjenstandene kan sammenføyes eller bindes ved at det tilveiebringes blandinger av forstadiematerialer som er i stand til å reagere eksotermt. Fagmannen vil vite at slike eksoterme reaksjoner kan resultere i en reaksjonssintring av de aktuelle forstadiematerialene, og en resulterene binding av disse forstadiematerialene til tilstøtende materialer som et resultat av en reaksjon som har en betydelig negativ dannelsesvarme som drivende kraft. Produktene eller gjenstandene som dannes må følgelig ha en lavere dannelses-frienergi enn reaktantene de er fremstilt fra. Elementene i gruppene i den periodiske tabell, som her er beskrevet, er valgt for anvendelse som forstadiematerialer, slik at de samsvarer med disse prinsip-pene. Spesielt velges slike forstadiematerialer, slik at man får et eksotermt reaksjonsprodukt som innbefatter minst 5 til 100 mol-56 av en første reaskjonsproduktfase, eller faser, av borid, karbid, nitrid, silicid, sulfid, eller kombinasjoner derav, av elementer i gruppene 2a, 3a, 4a, 2b, 3b, innbefattet lantanide— og aktinide-seriene, 4b, 5b, 6b, 7b og 8; og 0-95 mol-# av en andre reaksjonsproduktfase eller faser av metall, intermetallisk forbindelse, legering, oksyd eller kombinasjoner derav. Nærmere bestemt er det i følgende liste oppført reaksjoner, egnede forstadiematerialer står på venstre side, og de resulterende eksoterme reaksjonsproduktene på høyre side (bortsett fra i tilfelle med E£ eller 02 som fjernes som gasser): Sammenføyningsfremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse utføres ved laminering, og fortrinnsvis pressing, av en blanding av de ovenfor angitte forstadiematerialer, mellom deler av de nevnte faste gjenstandene som skal sammenføyes, slik at det dannes et mellom liggende laminat. Det fore-trekkes på det nåværende tidspunkt å rense motstående overflater av gjenstandene som skal sammenføyes, før dette pressetrinnet. For eksempel kan rensingen utføres ved å sandblåse og flatslipe overflatene med et silisiumkarbid-slipemiddel, etterfulgt av ultralydrensing i alkohol og tørking. Tykkelsen av forstadiemateriallaget som anbringes mellom overflatene som skal sammenføyes, bør velges med utgangspunkt i overflatearealet av sammenføyningen, de termiske egenskapene for hver av gjenstandene som skal sammenføyes, den planlagte anvendelsen, de eksoterme egenskapene for de spesielle forstadiematerialene som anvendes og sammensetningen av hver av gjenstandene som skal sammenføyes. Som det fremgår av de følgende eksemplene har lag av forstadiepulveret med en tykkelse på ca. 0,3 cm vist seg å være velegnet for de angitte betingelsene.

Når det mellomliggende laminatet er dannet, bør laminatet oppvarmes, uten at atmosfæriske reaktanter er tilstede, til en temperatur som er tilstrekkelig til å initiere en eksoterm reaksjon som binder de faste gjenstandene sammen. Dette oppvarmingstrinnet kan utføres i en inert atmosfære som f.eks. argon, eller kan, mer foretrukket, utføres 1 vakuum. Utførelsen av sammenføyningsprosessen i vakuum er spesielt ønskelig når oksygen- eller hydrogengass frigjøres fra et av forstadiematerialene før, eller under, den eksoterme reaksjonen.

Ved valg av partikkelformige reaktanter som er nyttige til sammenføyning av spesifikke faste gjenstander, må den fysiske og kjemiske kompatibiliteten mellom det resulterende eksoterme reaksjonsproduktet og de faste gjenstandene vurderes. For eksempel kan en sammenføyningsreaksjon som gir dannelse av en fri aluminium-metallfase ikke være kompatibel med et oksyd, som kan reduseres av aluminium som et silikat. Visse kjemiske reaksjoner med delene som skal sammenføyes er imidlertid ønskelige for at det skal dannes en spesifikk binding. En spesielt viktig fysisk betraktning er forskjellen i termisk utvidelse mellom den første og den andre faste gjenstanden som skal sammenføyes, og mellom sammenføynings-materialet. Alvorlig mistilpasning i termisk ekspansjonskoef-fisient kan forårsake spenninger som gjør at sammenføyningen brytes. På den annen side kan omhyggelig valg av en bindings-reaksjon oppveie forskjeller i ekspansjonskoeffisienten mellom de faste gjenstandene som skal sammenføyes. For eksempel er den termiske ekspansjonskoeffisienten for polykrystallinsk alfa-aluminiumoksyd ca. 80 x 10~<7>/°C. En spesiell god sammenføyningsreaksjon for faste gjenstander bestående av de tidligere nevnte materialene ville derfor være:

Den resulterende sammenføyningen bør følgelig tilveiebringe en sammensetningsmessig gradert buffer som minimaliserer spenningen som forårsakes ved forskjellen i termisk utvidelse. En overlegen sammenføyning kan også oppnås når sammensetningen av første og andre faste gjenstand, og av det eksterne reaksjonsproduktet, er den samme.

Generelt blandes de partikkelformede forstadiereaktantene ifølge de ovenfor angitte molare forhold i støkiometriske andeler, slik at de ønskede eksoterme reaksjonsproduktene dannes. Imidlertid kan ikke-støkiometriske andeler benyttes for å variere egenskapene av sammenføyningen eller for å kontrollere reaksjonsforløpet. Pulverformede fortynnings-materialer kan også tilsettes ved dannelsen av enten gjenstandene som skal sammenføyes, eller til forstadiematerialene som gir selve sammenføyningen. Fortynningsmiddelet kan være, eller inneholde, et av elementene i reaktantene, eller kan være det samme som en av reaksjonsproduktfasene i produktene, eller kan være andre egnede materialer som kan benyttes til å kontrollere reaksjonssintringen eller egenskapene av det resulterende produktet. Mengden av fortynningsmiddelet, eller fortynningsmidler, må ikke være så stor at den negativt påvirker oppnåelsen av en egnet binding mellom første og andre gjenstand.

Forstadiereaktantene kan blandes på en hvilken som helst egnet måte som er kjent for fagmannen innen keramisk teknologi, slik at det oppnås en omhyggelig, homogen blanding av reaktantpartikler, f.eks. ved maling i kulemølle i tørr eller våt tilstand. For å oppnå en meget tett sammenføyning eller binding, kan det benyttes en høytrykks-pressefremgangs-måte innbefattet varmisostatisk pressing. De blandede forstadiereaktantene kan fylles i en form og, om ønsket, gis en forbehandling som f.eks. dehydrering, avgassing eller utbrenning av bindende midler, forutsatt at forbehandlings-temperaturen holdes under den temperaturen hvor den eksoterme reaksjonen starter. Det er fordelaktig å forpresse blandingen av forstadiereaktanter ved romtemperatur og ved 50 % til 100 % av varmpressingstrykket for å sikre et uniformt kompaktert lag av forstadiereaktanter, som lett kan plasseres mellom motstående overflater på de faste gjenstandene som skal sammenbindes.

Pressetrinnene ved foreliggende oppfinnelse kan utføres i en form som f.eks. innbefatter en rørformet presseform med øvre og nedre stempler. Formen kan være av hvilket som helst materiale som ikke er reaktivt med de faste delene som skal sammenføyes eller med forstadiereaktantblandingen, og som tåler trykk opp til 1055 kg/cm<2> eller mer. Grafitt-former er funnet å være meget velegnet for trykk opp til 700 kg/cm<2> . Fortrinnsvis innledes pressetrinnet ved foreliggende oppfinnelse før oppvarmingen begynner for å initiere den eksoterme sammenføyningsreaksjonen. Et moderat vakuum (f.eks. ca. 1 x 10~<4> TORR) er tilfredsstillende for fremstilling av sammenføyningene ved foreliggende oppfinnelse. Imidlertid kan det, som nevnt ovenfor, benyttes en atmosfære av inertgass for å beskytte reaktantene og formen mot uønsket luftoksyda-sjon. Når det er nødvendig bør pressingen økes til full belastning i løpet av oppvarmingen, eller ved den maksimale varmpressingstemperaturen. For å sikre en god sammenføyning bør det maksimale trykket være minst 140 kg/cm2 .

Oppvarmingen utføres i en hvilken som helst egnet varmpres-singsovn, som f.eks. en induksjonsoppvarmet ovn eller en ovn oppvarmet ved hjelp av elektrisk motstand, som benyttes til å fremstille prøver ifølge oppfinnelsen, som tilveiebringer en meget rask oppvarming. Oppvarmingshastigheter som med tilfredsstillende resultat kan anvendes varierer fra 30°C pr. minutt i den innledende fasen av oppvarmingen til 7°C pr. minutt når man nærmer seg den temperaturen hvor den eksoterme reaksjonen starter. Lavere oppvarmingshastigheter anvendes fortrinnsvis ved reaktantblandinger som utvikler gass, som f.eks. hydrogen, som suges av ved hjelp av vakuumsysternet før den eksoterme reaksjonen starter. Oppvarmingen fortsetter til en temperatur hvor reaksjonssintringen initieres og en egnet sammenføyning dannes. Dette punktet registreres ved en rask temperaturøkning i formen på grunn av den eksoterme varmen som utvikles fra reaksjonen. Når den maksimale temperaturen og trykket for reaksjonsvarmpressingen av sammenføyningen er nådd, holdes delene i en kort tid ved disse betingelsene slik at reaksjonssintringen fullføres, denne tiden er avhengig av størrelsen og volumet av sammenføyningen som skal fremstilles. Deretter avkjøles formene som inneholder prøvene i ovnen under en beskyttende atmosfære, og trykket holdes på prøvene inntil de er avkjølt til en egnet størkningstempe-ratur. Formene fjernes fra ovnen og prøvene presses ut av formene.

De foretrukne fremgangsmåten ved foreliggende oppfinnelse vedrører sammenbinding av stykker av reaksjonsvarmpresset TiB2/Al-kompositt ved relativt lav temperatur. Denne fremgangsmåten benytter de store energimengdene som frigjøres når det meget stabile boridet dannes. Nærmere bestemt innbefatter fremgangsmåten at det legges et lag av pulver av forstadiematerialene TiH2 pluss AIB2 mellom gjenstandene som skal sammenføyes, slik at det dannes en laminert enhet. Denne enheten plasseres i en varmpresse, trykk pålegges og enheten oppvarmes i vakuum. Når ovnens temperatur øker dekomponerer TiH2 og H£-gass pumpes bort, i samsvar med følgende reak-sjonslikning:

Reaksjonen som er angitt ved likning (I) er svakt eksoterm, men ikke tilstrekkelig til at det dannes en binding. Den andre reaksjonen som angis forårsaker sammenføyningen fordi den er meget eksoterm og in situ naturen for reaksjonen fremmer reaktiviteten og bindingen:

Derfor vil, ved temperaturer over 1000°C-llOO<0>C, temperaturen av sammenføyningen stige brått med mange hundre grader, og under påvirkning av den lokalt høye temperaturen og trykket dannes en sterk og elektrisk kontinuerlig binding uten at ovnstemperaturen heves over 1000"C.

En andre, mindre foretrukket klasse av reaksjoner er de som avgir en gass under sammenføyningsreaksjonen. Et eksempel på en slik reaksjon er følgende:

Foreliggende oppfinnelse er også spesielt nyttig ved sammenføyning av en første gjenstandsdel som i det vesentlige består av polykrystallinsk TiB2 og en andre metallisk gjenstandsdel, som f.eks. en ståldel, hvor det eksoterme reaksjonsproduktet i det vesentlige består av ett borid, karbid, nitrid eller silicid av Ti, Ål, Ni eller Fe, eller en kombinasjon derav. (Boridene av disse forbindelsene er foretrukket). En ytterligere fordelaktig utførelse innbefatter sammenføyningen av en første polykrystallinsk TiB2~ gjenstand med en andre silisium-nitrid-gjenstand med en sammenføyning bestående av et eksotermt reaksjonsprodukt som i det vesentlige består av et silicid, borid, nitrid eller karbid av Ti, Si eller B, eller blandinger derav.

Foreliggende oppfinnelse kan videre forstås ved referanse til følgende eksempler:

Eksempel 1:

To skiver med diameter 10,2 cm og tykkelse 2,54 cm av reaksjonsvarmpresset TiB2/Al-kompositt ble sammenføyet ved å benytte sammenføyningsreaktantene i likningene (I) og (II) ovenfor. Blandingen av T1H2 og AIB2 ble kalsinert ved 650"C for å fjerne hydrogenet. De to stykkene som skulle sammen-føyes var identiske og sammenføyningsreaksjonen ga et sammenføyningsmateriale som var kjemisk identisk med de to stykkene som skulle sammenføyes.

Overflatene av de to stykkene som skulle sammenføyes ble sandblåst og flatslipt med et SiC slipemiddel. Overflatene ble renset ved ultralyd i alkohol og stykkene ble omhyggelig tørket. Et lav av reaktantpulver med tykkelse 0,3 cm ble anbragt mellom de to stykkene i en karbonform. Reaktantpulveret var en blanding av Tiltø og A1B£ i molart forhold 1:1 som var kalsinert ved 650°C for å fjerne hydrogenet, formen ble passert i en varmpresse. Presserommet ble evakuert, og et trykk på 422 kg/cm<2> ble pålagt på den sammensatte delen. Temperaturen ble hevet med en hastighet på 30° C pr. minutt til 500° C og med 7° pr. minutt til den temperaturen hvor den eksoterme reaksjonen startet. Den eksoterme reaksjonen fant sted ved 1100°C hvoretter den sammensatte delen ble avkjølt. Trykket ble fjernet etter at den sammensatte delen var avkjølt til en temperatur under frysepunktet for aluminium.

Denne fremgangsmåten ga en godt sammenbundet gjenstand som var sterk og elektrisk kontinuerlig. Staver av materialet som inneholdt sammenføyningen ble brukket i ett bøyningsforsøk, og av 6 prøver som ble undersøkt fant ikke i noen tilfeller bruddet sted i sammenføyningen.

Målinger av elektrisk motstand ved romtemperatur og ved 1000"C viste utmerket elektrisk kontinuitet over sammen-føyningene. Prøver med en sammenføyning viste en gjennom-snittlig motstand (mikro ohm cm) på 14 ved 25° C og 78 ved 1000°C. Dette er gunstig sammenlignet med prøver uten en sammenføyning som hadde en motstand på 10 ved 25°C og 62 ved 1000°C.

Eksempel 2:

En skive med diameter 10,2 cm og tykkelse 2,54 cm av reaksjonsvarmpresset TiB2/Ål-kompositt ble bundet til en skive med tykkelse 0,64 cm og diameter 10,2 cm, av den reaksjonsvarmpressede kompositten TiB2/AlN. Reaktantpulveret og fremgangsmåten var identisk med det som er beskrevet i eksempel 1. De to stykkene ble fast bundet til hverandre. De ble plassert i en korroderende atmosfære bestående av kryolitt, aluminium og karbon ved 1000°C i et elektrisk felt, og etter 3 måneder var bindingen fortsatt god. Dette eksempelet demonstrerer at foreliggende oppfinnelse er egnet til fremstilling av godt bundne produkter bestående av forskjellige boridsammensetninger.

Fremgangsmåten og produktene ifølge foreliggende oppfinnelse er nyttige ved en rekke anvendelser. For eksempel kan det ved sammenføyning av korte segmenter av T1B2/A1-komposittmaterialer fremstilles en lang stav som kan benyttes som en elektrisk strømsamler i Hall-Heroult-céller.

Claims

1. Sammenføyet, fast gjenstand omfattende karbid, borid, nitrid, silicid og/eller sulfid, karakterisert ved at den innbefatter: (A) en første gjenstandsdel bestående hovedsakelig av: (1) 5 til 100 mol-% av første fase, eller faser, valgt fra gruppen bestående av: et borid, karbid, nitrid, silicid eller sulfid, eller kombinasjoner derav, av elementer i grupper 2a, 3a, 4a, 2b, 3b (innbefattende lantanide- og aktinideseriene), 4b, 5b, 6b, 7b og 8; og (2) 0-95 mol-# av andre fase, eller faser, av metall, intermetallisk forbindelse, legering, eller oksyd, eller kombinasjoner derav; (B) en andre gjenstandsdel bestående hovedsakelig av materiale med fase, eller faser, valgt fra gruppen bestående av: borid, oksyd, karbid, nitrid, silicid, eller sulfid, eller kombinasjoner derav, av elementer i grupper 2a, 3a, 4a, 2b, 3b (innbefattende lantanide- og aktinideseriene), 4b, 5b, 6b, 7b og 8; et metall; en legering; en intermetallisk forbindelse; eller karbon; eller kombinasjoner derav; og (C) en sammenføyning anbragt og dannet in situ mellom nevnte første og andre på forhånd fremstilte gjenstandsdeler omfattende et eksotermt reaksjonsprodukt av en gjensidig blanding av faste forstadiereaktanter, hvor produktet er valgt fra gruppen bestående av: (1) produktet bestående i det vesentlige av: (a) 30-95 mol-% av minst ett karbid, nitrid, sulfid eller en kombinasjon derav av ett eller flere elementer fra gruppene 2a, 3a bortsett fra B, 4a, 2b, 3b, innbefattende lantanide- og aktinide-serieelementene, 4b, 5b, 6b, 7b og 8, og (b) 5-70 mol-% av en andre fase, eller faser, av metall, legering, intermetallisk forbindelse, eller kombinasjoner derav, av ett eller flere av elementene fra gruppene 3a bortsett fra B, 4a, lb, 2b, 4b, 5b, 6b, 7b og 8; og (c) nevnte sammenføyning inneholdende mindre enn 4 vekt-# oksygen; (2) produktet bestående i det vesentlige av: (a) 10-90 mol-# boridfase, eller -faser, som utgjøres av borid av ett eller flere av elementene fra grupper 3b innbefattende lantanide- og aktinideserieelementene, 4b, 5b og 6b, og (b) 10-90 mol-% oksydfase, eller -faser, som utgjøres av oksyd av ett eller flere av elementene fra grupper 3a, 4a, 3b, 4b, 5b, 6b og 8, og (3) produktet bestående i det vesentlige av: (a) 5-95 mol-% nitridfase, eller -faser, som utgjøres av nitrid av en eller begge av Ål og Si, og (b) 5-95 mol-% av en andre fase, eller faser, som utgjøres av borid, karbid, silicid, sulfid eller en kombinasjon derav, av ett eller flere av elementene fra gruppe 3b, innbefattende lantanide- og aktinideserieelementene, 4b, 5b og 6b; og (c) nevnte sammenføyning inneholdende mindre enn 4 vekt-# oksygen.

2. Fast gjenstand ifølge krav 1, karakterisert ved at den første gjenstandsdelen består hovedsakelig av TiB2/Al-kompositt.

3. Fast gjenstand ifølge krav 1, karakterisert ved at den første gjenstandsdelen, den andre gjenstandsdelen og det nevnte eksoterme reaksjonsproduktet består i det vesentlige av den samme fasen, eller fasene.

4. Fast gjenstand ifølge krav 1, karakterisert ved at den første gjenstandsdelen og den andre gjenstandsdelen består i det vesentlige av den samme fasen eller fasene.

5. Fast gjenstand ifølge krav 1, karakterisert ved at den første gjenstandsdelen og det eksoterme reaksjonsproduktet består i det vesentlige av den samme fasen eller fasene.

6. Fremgangsmåte for fremstilling av en sammenføyet, fast gjenstand omfattende karbid, borid, nitrid, silicid og/eller sulfid, karakterisert ved at den innbefatter trinnene: (A) tilveiebringelse av en første gjenstandsdel bestående hovedsakelig av: (1) 5 til 100 mol-% av første fase, eller faser, valgt fra gruppen bestående av: et borid, karbid, nitrid, silicid eller sulfid, eller kombinasjoner derav, av elementer i gruppene 2a, 3a, 4a, 2b, 3b (innbefattende lantanide- og aktinide-seriene), 4b, 5b, 6b, 7b og 8; og (2) 0-95 mol-% andre fase, eller faser, av metall, intermetallisk forbindelse, legering, eller oksyd, eller kombinasjoner derav; (B) tilveiebringelse av en andre gjenstandsdel bestående hovedsakelig av materiale med fase, eller faser, valgt fra gruppen bestående av: borid, oksyd, karbid, nitrid, silicid eller sulfid, eller kombinasjoner derav, av elementer i grupper 2a, 3a, 4a, 2b, 3b (innbefattende lantanide- og aktinide-seriene), 4b, 5b, 6b, 7b og 8; et metall; en legering; en intermetallisk forbindelse; eller karbon; eller kombinasjoner derav; (C) tilveiebringelse av en innbyrdes blanding av faste forstadier som er i stand til å reagere eksotermt, hvor forstadiene er valgt slik at de gir en sammen-føyning in situ mellom nevnte første og andre gjenstandsdeler omfattende et eksotermt reaksjonsprodukt valgt fra gruppen bestående av: (1) produktet bestående hovedsakelig av: (a) 30-95 mol-% av minst et karbid, nitrid, sulfid eller en kombinasjon derav av ett eller flere elementer fra grupper 2a, 3a, bortsett fra B, 4a, 2b, 3b, innbefattende elementer fra lantanide- og aktinide-seriene, 4b, 5b, 6b, 7b og 8, og (b) 5-70 mol-36 av en andre fase, eller faser, av metall, legering, intermetallisk forbindelse, eller kombinasjoner derav, av ett eller flere av elementene fra gruppene 3a, bortsett fra B, 4a, lb, 2b, 4b, 5b, 6b, 7b og 8; og (c) nevnte sammenføyning inneholdende mindre enn 4 vekt-# oksygen; (2) produktet bestående hovedsakelig av: (a) 10-90 mol-# av boridfase eller -faser, som utgjøres av borid av ett eller flere av elementene fra gruppene 3b innbefattende lantanide- og aktinideserieelementene, 4b, 5b og 6b, og (b) 10-90 mol-% av oksydfase eller -faser, som utgjøres av oksyd av ett eller flere av elementene fra gruppene 3a, 4a, 3b, 4b, 5b, 6b og 8, og (3) produktet bestående hovedsakelig av: (a) 5-95 mol-# av nitridfase eller -faser, som utgjøres av nitrid av en eller begge av Al og Si, og (b) 5-95 mol-% av en andre fase eller -faser, som utgjøres av borid, karbid, silicid», sulfid eller en kombinasjon derav, av ett eller flere av elementene fra gruppe 3b, innbefattende lantanide- og aktinideserieelementene, 4b, 5b og 6b; og (c) nevnte sammenføyning inneholdende mindre enn 4 vekt-# oksygen; (D) laminering av nevnte blanding av forstadier mellom deler av de nevnte faste gjenstandene som skal sammenføyes slik at det dannes et mellomliggende laminat; og (E) oppvarming av nevnte laminat i fravær av atmosfæriske reaktanter til en temperatur som er tilstrekkelig til å initiere en eksoterm reaksjon som gir nevnte sammenføyning in situ og som sammenføyer nevnte faste gjenstander.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 6, karakterisert ved at trinn (A) innbefatter tilveiebringelse av en første fast gjenstand bestående hovedsakelig av en TiB2/Al-kompositt.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 6, karakterisert ved at nevnte første og andre gjenstand er valgt slik at de består av i det vesentlige den samme fasen eller fasene.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 6, karakterisert ved at det eksoterme reaksjonsproduktet velges slik at det består av i det vesentlige den samme fasen eller de samme fasene som en av nevnte gjenstander.

10. Fremgangsmåte «ifølge krav. 9, karakterisert ved at nevnte gjenstander og reaksjohsprodukt er valgt slik at reaksjonsproduktet består av fasen, eller fasene, i begge de omtalte gjenstandene.