PL154183B1

PL154183B1 - A ceramic composite moulder and a method of its production

Info

Publication number: PL154183B1
Application number: PL1987265519A
Authority: PL
Priority date: 1986-05-08
Filing date: 1987-05-06
Publication date: 1991-07-31
Also published as: EP0245192A2; NO871337D0; IL82179A0; BR8702283A; AU592432B2; YU46674B; CA1294764C; CS323587A3; ES2000418T3; KR950002336B1; NO175301B; ES2000418A4; ATE74338T1; HUT46616A; FI85848B; YU81287A; CS276180B6; JPS6330376A; PT84844A; DE3777870D1

Description

RZECZPOSPOLITA OPIS PATENTOWY 154 183

POLSKA

URZĄD

PATENTOWY

RP

Patent dodatkowy do patentu nr--Zgłoszono: 87 05 06 (P. 265519)

Pierwszeństwo: 86 05 08 Stany Zjednoczone Ameryki

Int. Cl.⁵ C04B 35/10 C04B 35/56

Zgłoszenie ogłoszono: 88 07 21

Opis patentowy opublikowano: 1992 01 31

Twórca wynalazku-Uprawniony z patentu: Lanxide Technology Company, LP,

Newark (Stany Zjednoczone Ameryki)

Sposób wytwarzania wyrobu z kompozytu ceramicznego

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania wyrobu z kompozytu ceramicznego.

Istnieje znaczące zainteresowanie zastosowaniem materiałów ceramicznych na konstrukcje, które zazwyczaj są wykonywane z metali. To zainteresowanie jest spowodowane wyższością materiałów ceramicznych pod względem pewnych właściwości, takich jak odporność na korozję, tawardość, moduł sprężystości oraz ogniotrwałość w porównaniu z metalami.

Wysiłki mające na celu wyprodukowanie bardziej wytrzymałych, bardziej niezawodnych i odporniejszych na obciążenia dynamiczne są skupione głównie na opracowywaniu lepszych technologii wytwarzania monolitycznych materiałów ceramicznych i na opracowywaniu nowych struktur kompozytów z osnową ceramiczną. Struktura kompozytowa jest materiałem niejednorodnym, złożonym z dwóch lub więcej różnych materiałów, które są ściśle ze sobą powiązane, aby uzyskać pożądane właściwości kompozytu. Przykładowo, dwa różne materiały mogą być ze sobą ściśle powiązane przez wtopienie jednego z nich w osnowę z drugiego materiału. Struktura ceramicznego kompozytu zwykle zawiera osnowę ceramiczną otaczającą cząstki jednego lub więcej materiałów stanowiących wypełniacze. .

Tradycyjne sposoby wytwarzania wyrobów ceramicznych obejmują zwykle przygotowanie materiału osnowy w postaci proszku, mielenia proszku w celu uzyskania bardzo małych cząstek oraz formowanie z proszku bryły o żądanym kształcie geometrycznym (z naddatkiem na skurcz podczas późniejszej obróbki). Przykładowo etap formowania można zrealizować przez prasowanie jednoosiowe, prasowanie izostatyczne, formowanie wtryskowe, odlewanie taśmowe, odlewanie z gęstwy lub innymi sposobami. Po formowaniu przeprowadza się zagęszczanie bryły przez podgrzanie jej do podwyższonej temperatury, w której poszczególne cząstki proszku łączą się ze sobą tworząc spójną strukturę. Korzystnie etap ten przeprowadza się bez podwyższonego ciśnienia, chociaż w pewnych przypadkach potrzebna jest dodatkowa siła napędzająca i może być zastosowane ciśnienie zewnętrzne albo jednoosiowo (prasowanie na gorąco), albo izostatycznie (prasowanie izostatyczne na gorąco). W końcu jest dokonywane wykończanie, najczęściej przez szlifowanie diamentem.

154 183

W opisanym procesie technologicznym najpoważniejsze problemy wiążą się z etapem zagęszczania. Normalnie spiekanie bezciśnieniowe może być trudne lub niemożliwe do przeprowadzenia przy przygotowywaniu kompozytów cząstkowych, jeżeli materiały nie wykazują żadnego powinowactwa. Co ważniejsze konwencjonalne spiekanie jest niemożliwe w większości przypadków związanych z kompozytami włóknistymi, nawet jeżeli materiały te wykazują powinowactwo, ponieważ łączenie się cząstek ze sobą jest uniemożliwione przez włókna, które mają tendencję do przeciwstawiania się niezbędnemu przemieszczaniu cząstek proszku przy zagęszczaniu. Problem ten może być w niektórych przypadkach rozwiązany przez zastosowanie podczas zagęszczania zewnętrznego ciśnienia w wysokiej temperaturze. Jednakże w pewnych przypadkach warunki te mogą powodować pękanie lub uszkadzanie się włókien pod wpływem przyłożonych sił zewnętrznych, ograniczoną zdolność do wytwarzania skomplikowanych kształtów (zwłaszcza w przypadku jednoosiowego prasowania na gorąco) oraz wysokie koszty wynikające z małej wydajności wytwarzania.

Dodatkowe trudności mogą również pojawiać się przy mieszaniu proszków i wiskerów lub włókien oraz w fazie formowania, w której jest ważne utrzymanie równomiernego rozkładu jednego składnika kompozytu w osnowie. Przykładowo, przy przygotowywaniu kompozytu ceramicznego wzmocnionego wiskerami zjawiska płynięcia proszku i wiskera w procesie mieszania oraz podczas formowania wyrobu mogą powodować niejednorodności i niewłaściwą orientację wiskerów, co w konsekwencji powoduje pogorszenie parametrów kompozytu.

Z polskiego opisu patentowego nr 152 839 jest znany sposób wytwarzania kompozytu ceramicznego przez wzrost produktu reakcji utleniania z metalu macierzystego w przepuszczalną masę wypełniacza, przy czym uzyskiwany w wyniku kompozyt nie ma jednak określonego kształtu geometrycznego.

Z polskiego zgłoszenia P 263 840jest znany sposób wytwarzania wyrobu z kompozytu ceramicznego z wykorzystaniem zjawiska utleniania, które można wspomóc przez zastosowanie domieszki stopowej.

Z opisu patentowego USA nr 2 702 750 jest ponadto znany sposób wytwarzania materiałów ogniotrwałych z tlenków metali przez reakcję utlenia (redukcje) metali z krzemionką. Zgodnie z tym sposobem bryłę krzemionkową albo zanurza się w kąpieli roztopionego metalu takiego jak aluminium, albo proszek metalu rozprowadza się w bryle krzemionki i następnie ogrzewa. W zależności od potrzeby do bryły krzemionkowej można dodać materiał obojętny, taki jak tlenek glinowy. Zatem proces ten sprowadza się do utleniania metalu do jego tlenku, przy równoczesnym redukowaniu krzemionki w celu uwolnienia krzemu.

Ponadto z opisu patentowego USA nr 3973977 jest znany sposób wytwarzania cermetu złożonego głównie ze spinelu magnezowo-glinowego, przez zanurzanie aglomeru kilku tlenków w kąpieli roztopionego aluminium.

Zadaniem wynalazku jest opracowanie sposobu wytwarzania wyrobu z kompozytu ceramicznego o założonym i dowolnie skomplikowanym kształcie geometrycznym, o dużej wytrzymałości i odporności na pękanie pod działaniem obciążeń dynamicznych.

Sposób wytwarzania wyrobu z kompozytu ceramicznego, z zastosowaniem formy wstępnej infiltrowanej przez osnowę ceramiczną otrzymywaną przez utlenianie metalu macierzystego do postaci materiału polikrystalicznego, zawierającego produkt reakcji utleniania metalu macierzystego jednym lub kilkoma utleniaczami, zawierającymi utleniacz w fazie pary i ewentualnie jeden lub kilka składników metalicznych, zgodnie z wynalazkiem charakteryzuje się tym, że ogrzewa się metal macierzysty do temperatury powyżej jego temperatury topnienia, ale poniżej temperatury topnienia produktu reakcji utleniania, aby wytworzyć bryłę roztopionego metalu i przy tej temperaturze przeprowadza się reakcję roztopionego metalu z utleniaczem, aby wytworzyć produkt reakcji utleniania, a ponadto utrzymuje się przynajmniej część produktu reakcji utleniania w styku z i pomiędzy roztopionym metalem a utleniaczem, aby stopniowo przepuszczać roztopiony metal poprzez produkt reakcji utleniania w kierunku do utleniacza tak, że produkt reakcji utleniania stale wytwarza się na powierzchni międzyfazowej pomiędzy utleniaczem a uprzednio uzyskanym produktem reakcji utleniania, który infiltrował w formę wstępną, oraz kontynuuje się tę reakcję, aż dokona się infiltracja materiału polikrystalicznego w formę wstępną do określonej powierzchni granicznej, by powstał wyrób z kompozytu ceramicznego o kształcie formy wstępnej. Jako metal

154 183 macierzysty stosuje się aluminium, podaje się domieszkę do lub na aluminium albo w formie wstępnej lub też w sposób kombinowany, przy czym ogrzewa się aluminium do temperatury 850-1450°C.

Korzystnie stosuje się co najmniej jeden dodatkowy utleniacz stały lub ciekły zawarty w przynajmniej części formy wstępnej i przeprowadza się reakcję roztopionego metalu z tymi dodatkowymi utleniaczami.

Jako utleniacz stały stosuje się krzemionkę, bor i redukowalne borki. Korzystnie można stosować utleniacz zawierający gaz z tlenem lub azotem.

Jako metal macierzysty stosuje się krzem, tytan, cynę, cyrkon i hafn.

Możliwe jest również stosowanie utleniacza w postaci gazu zawierającego tlen, gazu zawierającego azot, chlorowca, siarki, fosforu, arsenu, węgla, boru, selenu, telluru, metanu, etanu, propanu, acetylenu, etylenu, propylenu, powietrza, H2O/H2O, CO/CO2, lub ich mieszanin.

Zgodnie z wynalazkiem stosuje się na formę wstępną materiał w postaci wydrążonych bryłek, cząstek, proszków, włókien, wiskerów, kulek, pęcherzyków, waty metalowej, płytek, agregatów, drutów, prętów, drążków, tkaniny drucianej, płytek, granulek, rurek, tkaniny z włókien ogniotrwałych, albo ich mieszanin. Korzystnie, jako materiał na formę wstępną stosuje się tlenki aluminium, ceru, hafnu, lantanu, neodymu, prazeodymu, samaru, skandu, toru, uranu, itru i cyrkonu.

Alternatywnie, jako materiał na formę wstępną stosuje się tlenek glinowy, węglik krzemu, tlenoazotek krzemowoglinowy, tlenek cyrkonu, tytanian baru, azotek boru, azotek krzemu, glinian magnezowy, stopy żelaza, stop żelaza z chromem i aluminium oraz aluminium i ich mieszaniny.

Korzystnie, jako materiał na formę wstępną stosuje się krzemionkę, węglik krzemu, tlenek glinowy i ich mieszaniny. Według wynalazku stosuje się materiały mające wielkość cząstek odpowiadającą numerowi sita D-1000.

W sposobie według wynalazku, jako utleniacz stosuje się gaz zawierający tlen, a ogrzewanie przeprowadza się w temperaturze 900-1350°C.

Zgodnie z wynalazkiem stosuje się co najmniej jedną domieszkę w połączeniu z metalem macierzystym. Korzystnie, domieszkę wprowadza się stopowo w metal macierzysty, albo alternatywnie co najmniej jedną domieszkę nakłada się warstwą na powierzchnię metalu macierzystego, albo też stosuje się domieszkę przynajmniej częściowo w formie wstępnej. Jako domieszkę stosuje się magnez, cynk, krzem, german, cynę, ołów, bor, sód, lit, wapń, fosfor, itr oraz metale ziem rzadkich i ich związki.

Korzystnie, jako metal ziem rzadkich stosuje się lantan, cer, prazeodym, neodym i samar.

Zgodnie z wynalazkiem do materiału formy wstępnej dodaje się powleczone włókna węglowe.

Materiały wytwarzane sposobem według wynalazku mogą wzrastać z zasadniczo jednorodnymi właściwościami w całym swym przekroju do grubości trudnych do osiągnięcia konwencjonalnymi procesami wytwarzania gęstych struktur ceramicznych. Sposób dający w wyniku te materiały pozwala również na uniknięcie wysokich kosztów związanych z konwencjonalnymi sposobami produkcji ceramiki, z przygotowywaniem drobnoziarnistego, jednorodnego proszku o wysokiej czystości.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób wytwarzania wyrobu z kompozytu ceramicznego, z zastosowaniem formy wstępnej infiltrowanej przez osnowę ceramiczną otrzymywaną przez utlenianie metalu macierzystego do postaci materiału polikrystalicznego zawierającego produkt reakcji utleniania metalu macierzystego jednym lub kilkoma utleniaczami zawierającymi utleniacz w fazie pary i ewentualnie jeden lub kilka składników metalicznych, znamienny tym, że ogrzewa się metal macierzysty do temperatury powyżej jego temperatury topnienia, ale poniżej temperatury topnienia produktu reakcji utleniania, aby wytworzyć bryłę roztopionego metalu, styka się obszar przepuszczalnej formy wstępnej z tą bryłą roztopionego metalu, a przy tej temperaturze przeprowadza się reakcję roztopionego metalu z utleniaczem, aby wytworzyć produkt reakcji utleniania, utrzymuje się przynajmniej część produktu reakcji utleniania w styku z i pomiędzy roztopionym metalem a utleniaczem, aby stopniowo przepuszczać roztopiony metal poprzez produkt reakcji utleniania w kierunku do utleniacza tak, że produkt reakcji utleniania stale wytwarza się na powierzchni międzyfazowej pomiędzy utleniaczem a uprzednio uzyskanym produktem reakcji utleniania, który infiltrował w

154 183 formę wstępną, oraz kontynuuje się tę reakcję, aż dokona się infiltracja materiału polikrystalicznego w formę wstępną do określonej powierzchni granicznej, by powstała bryła kompozytu ceramicznego o kształcie formy wstępnej.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako metal macierzysty stosuje się aluminium, podaje się domieszkę do lub na aluminium albo w formie wstępnej lub też w sposób kombinowany, przy czym ogrzewa się aluminium do temperatury 850-1450°C.
3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się co najmniej jeden dodatkowy utleniacz stały lub ciekły zawarty w przynajmniej części formy wstępnej i przeprowadza się reakcję roztopionego metalu z tymi dodatkowymi utleniaczami.
4. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że jako utleniacz stały stosuje się krzemionkę, bor i redukowalne borki.
5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się utleniacz zawierający gaz z tlenem lub azotem.
6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako metal macierzysty stosuje się krzem, tytan, cynę, cyrkon i hafn.
7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako utleniacz stosuje się gaz zawierający tlen, gaz zawierający azot, chlorowiec, siarkę, fosfor, arsen, węgiel, bor, selen, tellur, metan, etan, propan, acetylen, etylen, propylen, powietrze, H2O/H2O; CO/CO2, lub ich mieszaniny.
8. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się na formę wstępną materiał w postaci wydrążonych bryłek, cząstek, proszków, włókien, wiskerów, kulek, pęcherzyków, waty metalowej, płytek, agregatów, drutów, prętów, drążków, tkaniny drucianej, płytek, granulek, rurek, tkaniny z włókien ogniotrwałych, albo ich mieszanin.
9. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako materiał na formę wstępną stosuje się tlenki aluminium, ceru, hafnu, lantanu, neodymu, prazeodymu, samaru, skandu, toru, uranu, itru i cyrkonu.
10. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako materiał na formę wstępną stosuje się tlenek glinowy, węglik krzemu, tlenoazotek krzemowoglinowy, tlenek cyrkonu, tytanian baru, azotek boru, azotek krzemu, glinian magnezowy, stopy żelaza, stop żelaza z chromem i aluminium oraz aluminium i ich mieszaniny.
11. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako materiał na formę wstępną stosuje się krzemionkę, węglik krzemu, tlenek glinowy i ich mieszaniny.
12. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się materiały mające wielkość cząstek odpowiadającą numerowi sita 10-1000.
13. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako utleniacz stosuje się gaz zawierający tlen, a ogrzewanie przeprowadza się w temperaturze 900-1350°C.
14. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się co najmniej jedną domieszkę w połączeniu z metalem macierzystym.
15. Sposób według zastrz. 14, znamienny tym, że domieszkę wprowadza się stopowo w metal macierzysty.
16. Sposób według zastrz. 14, znamienny tym, że co najmniej jedną domieszkę nakłada się warstwą na powierzchnię metalu macierzystego.
17. Sposób według zastrz. 14, znamienny tym, że stosuje się domieszkę przynajmniej częściowo w formie wstępnej.
18. Sposób według zastrz. 14, znamienny tym, że jako domieszkę stosuje się magnez, cynk, krzem, german, cynę, ołów, bor, sód, lit, wapń, fosfor, itr oraz metale ziem rzadkich i ich związki.
19. Sposób według zastrz. 18, znamienny tym, że jako metal ziem rzadkich stosuje się lantan, cer, prazeodym, neodym i samar.
20. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że do materiału formy wstępnej dodaje się powleczone włókna węglowe.

Zakład Wydawnictw UP RP. Nakład 100 egz.

Cena 3000 zł