PL156407B1 - A method of self-supporting ceramic block production - Google Patents

Abstract

1. Sposób wytwarzania wyrobu ceramicznego, majacego stopniowana mikrostrukture, charakteryzujaca sie istnieniem wielu stref rózniacych sie od siebie skladem i/lub jedna lub kilkoma innymi wlasciwosciami, przez utlenianie metalu macierzystego, polega jacy na ogrzewa- niu metalu macierzystego w obecnosci utleniacza w fazie pary, poddaniu reakcji roztopionego metalu z utleniaczem przy odpowiedniej temperaturze, aby powstal produkt reakcji utleniania, który jest w styku z i rozciaga sie pomiedzy roztopionym metalem a utleniaczem w fazie pary, nastepnie transportowaniu w tej temperaturze roztopionego metalu poprzez produkt reakcji utleniania w kierunku do utleniacza w fazie pary, tak ze produkt reakcji utleniania stale powstaje na powierzchni miedzyfazowej pomiedzy utleniaczem w fazie pary a poprzednio wytworzonym produktem reakcji utleniania, dzieki czemu powstaje stopniowo coraz wieksza ilosc produktu reakcji utleniania i kolejno kontynuowaniu tej reakcji przez czas wystarczajacy dla wytworzenia wyrobu ceramicznego, znamienny tym, ze warunki procesu zmienia sie tak, aby strefa produktu reakcji utleniania wytworzona po zmianie róznila sie pod wzgledem skladu i/lub jednej lub kilku innych wlasciwosci od strefy produktu reakcji utleniania wytworzonej przed zmiana. PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania wyrobu ceramicznego przez utlenianie roztopionego metalu macierzystego utleniaczem w fazie pary, przy czym wyrób ten ma wiele stref różniących się od siebie jedną lub kilkoma właściwościami.

W ostatnich latach pojawiło się rosnące zainteresowanie zastępowaniem metali materiałami ceramicznymi ze względu na to, że pewne właściwości materiałów ceramicznych są lepsze niż metali. Istnieje jednak kilka znanych ograniczeń lub trudności w takim zastępowaniu, np. różnorodność skali, możliwość wytwarzania skomplikowanych kształtów, uzyskiwanie właściwości żądanych dla końcowego zastosowania oraz koszty. Wiele z tych ograniczeń lub trudności wyeliminowano poprzez sposoby według wynalazków opisanych w zgłoszeniach patentowych omówionych poniżej, które przedstawiają nowe sposoby niezawodnego wytwarzania materiałów ceramicznych, łącznie z kształtowymi kompozytami.

Następujące zgłoszenia patentowe opisują nowe sposoby wytwarzania wyrobów ceramicznych przez utlenianie metalu macierzystego w celu wytworzenia materiału polikrystalicznego złożonego z produktu reakcji utleniania i ewentualnie składników metalicznych; (A) opis patentowy US nr 4713 360, (B) zgłoszenie US nr 822 999 z 27 stycznia 1986, (C) zgłoszenie PL nr P 257 812 oraz (D) zgłoszenie PL nr P 267 780 .

Przedmiotowe zgłoszenie nawiązuje do całości opisów wszystkich wymienionych zgłoszeń patentowych.

Jak wyjaśniono w tych zgłoszeniach patentowych, nowe polikrystaliczne materiały ceramiczne lub polikrystaliczne ceramiczne materiały kompozytowe wytwarza się przez reakcję utleniania pomiędzy metalem macierzystym a utleniaczem w fazie pary, to znaczy materiałem zamienionym w parę lub normalnie gazowym, tworzącym atmosferę utleniającą. Sposób ten jest ogólnie opisany w wymienionym powyżej opisie patentowym (A). Według tego ogólnego procesu metal macierzysty np. aluminium, ogrzewa się do podwyższonej tempratury powyżej jego tempratury topnienia, ale poniżej temperatury topnienia produktu reakcji utleniania, aby wytworzyć roztopiony metal macierzsty, który reaguje po zetknięciu z utleniaczem w fazie pary tworząc produkt reakcji utleniania. Przy tej temperaturze produkt reakcji utleniania lub przynajmniej jego część jest w styku z i rozciąga się pomiędzy roztopionym metalem macierzystym a utleniaczem i roztopiony metal jest przeciągany lub transportowany poprzez powstały produkt reakcji utleniania i w kierunku do utleniacza. Transportowany metal roztopiony tworzy dodatkowy produkt reakcji utleniania po zetknięciu się z utleniaczem na powierzchni poprzednio wytworzonego produktu reakcji utleniania. Gdy proces ten trwa, dodatkowy metal jest transportowany poprzez takie tworzenie polikrystalicznego prduktu reakcji utleniania, przez co ciągle „rośnie struktura ceramiczna ze złączonych krystalitów. Końcowy wyrób ceramiczny może zawierać składniki metaliczne, takie jak, np. nieutlenione składniki metalu macierzstego i/lub puste przestrzenie.

W przypadku tlenku jako produktu reakcji utleniania odpowiednimi utleniaczami są tlen lub mieszaniny gazowe zawierające tlen (łącznie z powietrzem), przy czym powietrze jest zwykle korzystne z oczywistych względów ekonomicznych. Jednakże we wszystkich zgłoszeniach patentowych określenie „utlenianie zastosowano w szerokim sensie podobnie jak w przedmiotowym zgłoszeniu i określenie to odnosi się do utraty elektronów przez metal na rzecz utleniacza , którym może być jeden lub kilka pierwiastków lub związków. Jako utleniacz, jak wyjaśniono poniżej bardziej szczegółowo, mogą służyć zatem pierwiastki inne niż tlen lub związki.

W pewnych przypadkach metal macierzysty może wymagać obecności jednej lub kilku domieszek w celu uzyskania korzystnego wpływu lub ułatwiania wzrostu produktu reakcji utleniania, przy czym domieszki stosuje się jako składniki stopowe metalu macierzystego. Przykładowo, w przypadku aluminium jako metalu macierzystego i powietrza jako utleniacza, domieszki takie jak magnez i krzem, by wymienić tylko dwa z dużej klasy materiałów domieszkującyh, są wprowadzane stopowo w aluminium i wykorzystywane jako metal macierzysty. Wynikowy produkt reakcji utleniania zawiera tlenek glinowy, typowy tlenek glinowy alfa.

Wymienione wyżej zgłoszenie patentowe (B) opisuje dalsze rozwinięcie oparte na odkryciu, że odpowiednie warunki wzrostu jak opisano powyżej dla metali macierzystych wymagających domieszek można powodować przez nakładanie jednego lub kilku materiałów domieszkujących na powierzchnię lub powierzchnie metalu macierzystego, przez co unika się konieczności stapiania metalu macierzystego z materiałami domieszkującymi, np. metalami takimi jak magnez, cynk, krzem, w przypdku, gdy metalem macierzystym jest aluminium, a utleniaczem jest powietrze. Przy tym ulepszeniu łatwo jest stosować metale dostępne w handlu lub stopy, które w innym przypadku nie zawierały by albo nie miały by odpowiednio domieszkowanego składu. Odkrycie to jest korzystne również dlatego, że wzrost ceramiczny można uzyskać w jednym lub kilku wybranych obszarach powierzchni metalu macierzystego, a nie w sposób nieokreślony, przez co proces jest wykorzystywany bardziej skutecznie, np. przez domieszkowanie tylko jednej powierzchni lub tylko części powierzchni metalu macierzystego.

Nowe ceramiczne wyroby kompozytowe i sposoby , ich ' wytwarzania opisano i zastrzeżono w wymienionym wyżej zgłoszeniu patentowym (C), gdzie wykorzystuje się reakcję utleniania dla wytworzenia ceramicznych wyrobów kompozytowych zawierających zasadniczo obojętny wypełniacz infiltrowany przez polikrystaliczną osnowę ceramiczną. Metal macierzysty usytuowany przy masie przepuszczalnego wypełniacza ogrzewa się, aby powstał roztopiony metal macierzsty, który reaguje z utleniaczem w fazie pary, jak opisano powyżej, tworząc produkt reakcji utleniania. Gdy produkt reakcji utleniania rośnie i infiltruje w sąsiedni materiał wypełniacza, roztopiony metal macierzysty jest przeciągany poprzez poprzednio wytworzony produkt reakcji utleniania w masę wypełniacza i reaguje z utleniaczem tworząc dodatkowy produkt reakcji utleniania na powierzchni poprzednio wytworzonego produktu, jak opisano powyżej. Uzyskiwany rosnący produkt reakcji utleniania infiltruje lub obejmuje złoże i daje w wyniku powstanie ceramicznego wyrobu kompozytowego z polikrystalicznej osnowy ceramicznej obejmującej wypełniacz. Jak opisano w zgłoszeniu patentowym (D), w połączeniu z metalem macierzystym można zastosować modyfikator procesu, aby uszlachetnić mikrostrukturę wynikowego produktu w porównaniu z produktem z procesu bez modyfikacji. Takie uszlachetnienie może powodować ulepszone właściwości, takie jak odporność na kruche pękanie.

Wymienione wyżej zgłoszenia patentowe opisują wytwarzanie produktów reakcji utleniania łatwo „hodowanych do żądanych grubości dotychczas uważanych za trudne, jeżeli nie niemożliwe do osiągnięcia za pmocą konwencjonalnych sposobów obróbki ceramicznej.

Wynalazek dotyczy dalszego ulepszenia sposobu „hodowania wyrobu ceamicznego zawierającego wiele obszarów umieszczonych ściśle obok siebie, które różnią się od siebie jedną lub kilkoma właściwościami, takimi jak skład lub mierzalne parametry, przez co unika się konieczności dodatkowej obróbki dla uzyskania spójnego niejednorodnego wyrobu ceramicznego.

Sposób wytwarzania wyrobu ceramicznego mającego stopniowaną mikrostrukturę, charakteryzującą się istnieniem wielu stref różniących się od siebie składem i/lub jedną lub kilkoma innymi właściwościami, przez utlenianie metalu macierzystego, polegający na ogrzewaniu metalu macierzystego w obecności utleniacza w fazie pary i poddaniu reakcji roztopionego metalu z utleniaczem przy odpowiedniej temperaturze, aby powstał produkt reakcji utleniania, który jest w styku z i rozciąga się pomiędzy roztopionym metalem a utleniaczem w fazie pary, następnie transportowaniu w. tej temperaturze roztopionego metalu poprzez produkt reakcji utleniania w kierunku do utleniacza w fazie pary, tak że produkt reakcji utleniania stale powstaje na powierzchni międzyfazowej pomiędzy utleniaczem w fazie pary a poprzednio wytworzonym produktem reakcji utleniania, dzięki czemu powstaje stopniowo coraz większa ilość produktu reakcji utleniania i kolejno kontynuowaniu tej reakcji przez czas wystarczający dla wytworzenia wyrobu ceramicznego, według wynalazku charakteryzuje się tym, że warunki procesu zmienia się tak, aby strefa produktu reakcji utleniania wytworzona po zmianie różniła się pod względem składu i/lub jednej lub kilku innych właściwości od strefy produktu reakcji utleniania wytworzonej przed zmianą.

Przed ogrzewaniem wypełniacz orientuje się względem metalu macierzystego tak, że produkt reakcji utleniania infiltruje w wypełniacz tworząc wyrób ceramiczny zawierający produkt reakcji utleniania i wypełniacz.

W sposobie według wynalazku stosuje się źródło drugiego utleniacza w fazie pary, a zmiana warunków procesu polega na zastępieniu utleniacza w fazie pary tym drugim utleniaczem w fazie pary i prowadzeniu reakcji metalu macierzystego z tym drugim utleniaczem w fazie pary, aby powstała strefa zawierająca produkt reakcji utleniania metalu macierzystego i drugiego utleniacza w fazie pary.

Ponadto stosuje się modyfikator procesu, a zmiana warunków procesu polega na połączeniu metalu macierzystego z tym modyfikatorem i kontynuowaniu reakcji utleniania, aby wytworzyć strefę zawierającą produkt reakcji utleniania metalu macierzystego i utleniacza w fazie pary, posiadającą mikrostrukturę uszlachetnioną w porównaniu z produktem reakcji utleniania wytworzonym przed zmianą warunków.

Jako metal macierzysty stosuje się metal wybrany z grupy złożonej z aluminium, tytanu, cyrkonu, hafnu, krzemu i cyny.

Jako utleniacz w fazie pary stosuje się utleniacz wybrany z grupy złożonej z powietrza i gazowego azotu.

Zmiana warunków procesu polega na zmianie temperatury do innej wartości temperatury i na kontynuowaniu reakcji utleniania przy tej temperaturze, aby wytworzyć strefę zawierającą produkt reakcji utleniania wytworzony przy zmienionej temperaturze.

W sposobie według wynalazku zmiana warunków procesu polega na (1) zastosowaniu źródła drugiego utleniacza w fazie pary i zastąpieniu utleniacza w fazie pary tym drugim utleniaczem w fazie pary oraz prowadzeniu reakcji metalu macierzystego z drugim utleniaczem w fazie pary, aby wytworzyć strefę zawierającą produkt reakcji utleniania metalu macierzystego i drugiego utleniacza w fazie pary i/lub (2) zastosowaniu źródła modyfikatora procesu i połączeniu metalu macierzystego z tym modyfikatorem oraz kontynuowaniu reakcji utleniania, aby wytworzyć strefę zawierającą produkt reakcji utleniania metalu macierzystego i utleniacza w fazie pary posiadającą mikrostrukturę uszlachetnioną w porównaniu z produktem reakcji utleniania wytworzonym przed zmianą, i/lub (3) zmianie temperatury i kontynuowaniu reakcji przy zmienionej temperaturze, aby wytworzyć strefę zawierającą produkt reakcji utleniania wytworzony przy zmienionej temperaturze.

Zmianę warunków procesu przeprowadza się co najmniej dwa razy. Otrzymuje się wyrób ceramiczny posiadający przynajmniej dwa obszary produktu reakcji utleniania, które różnią się od siebie pod względem jednej lub kilku właściwości i oddzielnie wynikają z odpowiednich procesów reakcji utleniania następujących przed i po określonej zmianie. Według‘wynalazku właściwość lub właściwości, które są różne dla wielu obszarów produktu reakcji utleniania, mogą różnić się składem lub mierzalnymi parametrami.

Według wynalazku metal macierzysty, który może być domieszkowany (jak wyjaśniono poniżej bardziej szczegółowo)* i jest prekursorem produktu reakcji utleniania, kształtuje się w postaci wlewka, kęsa, pręta, płyty-itp. i umieszcza się w zestawie złożonym ze złoża obojętnego, tygla lub innego pojemnika ogniotrwałego. Zestaw taki ogrzewa się w obecności utleniacza w · fazie pary do temperatury powyżej temperatury topnienia metalu macierzstego, ale poniżej tmperatury topnienia produktu reakcji utleniania, aby powstał roztopiony metal macierzysty. Przy tej temperaturze roztopiony metal macierzysty reaguje z utleniaczem w fazie pary tworząc warstwę produktu reakcji utleniania. Jednakże w pewnych przypadkach, kiedy stosuje się pewne domieszki, np. magnez jako domieszkę metalu macierzystego aluminium-krzem i kiedy jako utleniacz stosuje się powietrze, przed powstaniem produktu reakcji utleniania może nastąpić wytwarzanie cienkiej warstwy spinelu, np. spinelu magnezowo-glinowego, który powstaje zasadniczo w całości w warstwie inicjacji.

Przy tej temperaturze lub w tym zakresie temperatur roztopiony metal jest transportowany w i poprzez produkt reakcji utleniania (jak opisano w zgłoszeniach patentowych) oraz w kierunku do utleniacza w fazie pary. Roztopiony metal macierzysty nadal reaguje z utleniaczem w fazie pary na powierzchni międzyfazowej pomiędzy poprzednio wytworzonym produktem reakcji utleniania a utleniaczem w fazie pary, tworząc stopniowo coraz grubszą warstwę produktu reakcji utleniania.

Odkryto, że jeden lub kilka warunków procesu można zmieniać podczas tego stopniowego procesu, tak że produkt reakcji utleniania powstały po lub w wyniku takiej zmiany różni się pod względem jednej lub kilku właściwości od produktu reakcji utleniania wytworzonego przed zmianą. Właściwość lub właściwości mogą różnić się pod względem składu, np. azotek w stosunku do tlenku, albo pod względem mieszalnych parametrów takich jak twardość lub odporność na kruche pękanie, albo pod względem parametrów metalograficznych mikrostruktury. Jedną lubkilka właściwości można zmieniać raz lub kilka razy. Otrzymany spoisty wyrób zawiera przynajmniej dwie strefy, z których każda zawiera produkt reakcji utleniania metalu macierzystego i utleniacza w fazie pary.

Zmianę warunków procesu można zrealizować dowolnym z kilku sposobów lub poprzez kombinację środków. Zmiana taka może obejmować (1) zastosowanie drugiego utleniacza w fazie pary i zastępienie pierwotnego utleniacza w fazie pary tym drugim utleniaczem w fazie pary, (2) zastosowanie jednego lub kilku modyfikatorów procesu i połączenie metalu macierzystego z modyfikatorem procesu, aby wytworzyć uszlachetnioną mikrostrukturę lub (3) zwiększanie lub zmniejszanie temperatury reakcji albo też kombinacje sposobów (1), (2) lub (3).

Zgodnie z jednym przykładem wykonania wynalazku źródło drugiego utleniacza w fazie pary stosuje się, aby zrealizować zmianę. Reakcja utleniania pomiędzy roztopionym metalem macierzystym a pierwotnym utleniaczem w fazie pary jest kontynuowana przez czas wystarczający dla powstania warstwy lub strefy zawierającej produkt reakcji utleniania metalu macierzystego i pierwotnego utleniacza w fazie pary oraz nieutlenione składniki metaliczne. Pierwotny utleniacz w fazie pary zastępuje się następnie drugim utleniaczem w fazie pary i utlenianie roztopionego metalu macierzystego kontynuuje się z drugim utleniaczem w fazie pary. Reakcję tę kontynuuje się przez czas wystarczający dla powstania strefy produktu reakcji utleniania metalu macierzystego i drugiego utleniacza w fazie pary o żądanej grubości. Wyrób ceramiczny jest więc złożony ze spoistej kombinacji odpowiednich produktów reakcji utleniania. Przykładowo, aluminiowy metal macierzysty może najpierw reagować z powietrzem, aby powstał tlenek glinowy. Następnie proces można zmieniać przez zastosowanie gazowego azotu i powstaje wtedy azotek aluminium. Warunki procesu można odwrócić. Otrzymany wyrób ceramiczny stanowi spoisty monolit.

Według innego przykładu wykonania wynalazku zmiana polega na połączeniu modyfikatora procesu (jak opisano w zgłoszeniu patentowym (D)) z metalem macierzystym. W przypadku stosowania aluminiowego metalu macierzystego i powietrza jako utleniacza odpowiednie modyfikatory obejmują nikiel, żelazo, kobalt, cyrkon, tytan, niob, miedź i chrom. Modyfikator korzystnie jest w postaci proszku lub materiału cząstkowego i jest rozproszony na lub w styku z jedną lub kilkoma powierzchniami metalu macierzystego albo powstającego wyrobu ceramicznego. Niemodyfikowany proces reakcji utleniania jest kontynuowany przez czas wystarczający dla powstania warstwy lub strefy zawierającej produkt reakcji utleniania z reakcji niemodyfikowanej, o żądanej grubości. Następnie z metalem macierzystym łączy się odpowiednią ilość modyfikatora procesu i dalszy proces reakcji utleniania modyfikuje się wytwarzając mikrostrukturę ceramiczną, która jest uszlachetniona w stosunku do struktury wytwarzanej przed połączeniem. Ten modyfikowany proces kontynuuje się przez czas wystarczający dla powstania strefy uszlachetnionego produktu reakcji utleniania o żądanej grubości. Wyrób ceramiczny złożony jest więc ze spoistej kombinacji różnych mikrostruktur.

Należy rozumieć, według wynalazku, że w pewnych przypadkach określone zmienione warunki procesu wynikające z określonego wybranego sposobu zmiany mogą niszczyć lub degenerować początkową strefę lub jedną albo kilka poprzednich stref produktu reakcji utleniania. Przykładowo, pewne warunki utleniania będą zasadniczo niszczyć pewne produkty reakcji utleniania. Z tego względu trzeba uważać, by zapewnić kompatybilność stosowanych warunków reakcji utleniania ze strefą lub strefami produktu reakcji utleniania wytworzonego przed określoną zmianą. Ponadto, ponieważ reakcje utleniania według wynalazku przeprowadza się przy wysokich temperaturach, przy projektowaniu określonego systemu trzeba starać się uwzględnić różnice współczynników rozszerzalności cieplnej pomiędzy zestawionymi lub sąsiednimi strefami oddzielnych produktów reakcji utleniania. Duża różnica rozszerzalności cieplnej pomiędzy strefami może spowodować pęknięcie jednej strefy. Jednakże pewne niedopasowanie rozszerzalności cieplnej pomiędzy sąsiednimi strefami może powodować własne naprężenia wstępne w wyrobie ceramicznym jak przy poddawaniu strefy wewnętrznej produktu reakcji utleniania ściskaniu przez wytworzenie wokół niej strefy produktu reakcji utleniania, który ma większy współczynnik rozszerzalności cieplnej. Takie naprężenia wstępne mogą w pewnych końcowych zastosowaniach dawać w wyniku lepsze właściwości produktu końcowego.

Jak wyjaśniono w zgłoszeniach patentowych, materiały domieszkujące stosowane w połączeniu z metalem macierzystym mają korzystny wpływ na proces reakcji utleniania, zwłaszcza w systemach, gdzie stosuje się aluminium jako metal macierzysty. Dlatego w pewnych przypadkach oprócz modyfikatora trzeba stosować materiał domieszkujący. Domieszkę lub domieszki stosowane w połączeniu lub w związku z metalem macierzystym (1) można stosować jako składniki stopowe metalu macierzystego (2) można nakładać na przynajmniej część powierzchni metalu macierzystego lub (3) można wprowadzać w część lub całość wypełniacza lub w formę wstępną, albo też można stosować dowolną kombinację dwóch lub więcej sposobów (1), (2) lub (3). Przykładowo, domieszkę stopową można stosować oddzielnie lub w połączeniu z drugą domieszką podawaną z zewnątrz. W przypadku sposobu (3), kiedy dodatkową domieszkę lub domieszki podaje się do wypełniacza, podawanie takie może odbywać się w dowolny odpowiedni sposób jak opisano w zgłoszeniach patentowych.

Funkcja lub funkcje określonego materiału domieszkującego mogą zależeć od wielu czynników. Czynniki takie obejmują przykładowo określoną kombinację domieszek, kiedy stosuje się dwie lub więcej domieszek, zastosowanie domieszki podawanej z zewnątrz w połączeniu z domieszką stopową z metalem prekursora, stężenie stosowanej domieszki, środowisko utleniające, warunki procesu i jak stwierdzono powyżej typ i stężenie zastosowanego metalu modyfikującego.

Domieszki użyteczne dla aluminiowego metalu macierzystego, zwłaszcza gdy utleniaczem jest powietrze, obejmują magnez, cynk, krzem, albo oddzielnie, albo w połączeniu z innymi domieszkami opisanymi poniżej. Metale te, albo odpowiednie źródło tych metali można wprowadzać stopowo w metal macierzysty na bazie aluminium zę stężeniami dla każdego z nich 0,1-10% wagowych całkowitego ciężaru wynikowego metalu ' domieszkowanego.Te materiały domieszku ce lub odpowiednie ich źródło (na przykład, MgO, ZnO lub SiO2) można stosować zewnętrznie na metal macierzysty. Strukturę ceramiczną -z tlenku glinowego można zatem uzyskać dla metalu macierzystego aluminium-krzem przy zastosowaniu powietrza jako utleniacza używając MgO jako domieszkę w ilości większej niż około .0,0008 g na gram metalu macierzystego, który ma być utleniany i większej niż 0,003 g na cm² metalu macierzystego, na który nakłada się MgO. Jednakże potrzebne stężenie domieszki, jak omówiono powyżej, może zależeć od typu, obecności i stężenia metalu modyfikującego.

Dodatkowe przykłady materiałów domieszkujących dla aluminiowego metalu macierzystego obejmują sód, german, cynę, ołów, lit, wapń, bor, fosfor i itr, które można stosować oddzielnie lub w połączeniu z jedną lub kilkoma domieszkami zależnie od utleniacza, typu i ilości metalu modyfikującego oraz od warunków procesu. Pierwiastki ziem rzadkich, takie jak cer, lantan, prazeodym, neodym i samar są również użytecznymi domieszkami, znowu zwłaszcza gdy są stosowane w połączeniu z innymi domieszkami. Wszystkie te materiały domieszkujące, jak wyjaśniono w zgłoszeniach patentowych, skutecznie wspomagają wzrost polikrystalicznego produktu reakcji utleniania dla systemów z metalem macierzystym na bazie aluminium.

Przykład . Spoisty wyrób ceramiczny zawierający strefę tlenku glinowego i strefę azotku glinu wytwarzano sposobem według wynalazku przez zmienianie składu utleniacza w fazie pary podczas wytwarzania wyrobu ceramicznego.

Cylindryczny wlewek ze stopu aluminium z Belmont Metals Inc. o składzie podanym niżej i o średnicy 25,4 mm oraz o wysokości 12,7 mm umieszczono w złożu z cząstek tlenku glinowego zawartych w tyglu ogniotrwałym, tak że jedna powierzchnia kołowa wlewka była odsłonięta do atmosfeery i usytuowana zasadniczo na jednym poziomie ze złożem. Zestaw taki umieszczono w piecu indukcyjnym z kontrolowaną atmosferą. Wlewek ogrzewano w przepływie tlenu (400 cm3/min.) do temperatury powierzchni 1000°C (pomiar za pmocą pirometru optycznego) przez 1 godzinę. Utlenianie w tlenie przeprowadzano w wymienionych wyżej warunkach przez 7 godzin. Następnie dopływ atmosfery przełączono na gaz formujący złożony z 96% azotu i 4% wodoru i kontynuowano utlenianie przez 5 godz. w gazie formującym. Uzyskany w wyniku wyrób ceramiczny został przekrojony, aby ujawnić spoistą strukturę zawierającą sąsiednie strefy. Rentgenowska analiza dyfrakcyjna oddzielnych stref potwierdziła obecność tlenku glinowego w pierwszej strefie i azotku glinu w późniejszej strefie.

Na figurze 1 przedstawiono mikrofotografię w powiększeniu 200 X pokazującą strefę tlenku glinowego 2 i strefę azotku glinu 4 bez żadnej nieciągłości w fizycznej mikrostrukturze.

Skład stopu aluminium stanowiącego metal macierzysty (nominalny): 3,7% cynk; 3,9% miedź; 1,1% żelazo; 8,3% krzem; 0,19% magnez; 0,04% nikiel; 0,02% cyna; 0,04% chrom; 0,20% mangan; 0,08% tytan; reszta aluminium.

FIG. I

Zakład Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz.

Cena 5000 zł.

Claims (9)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób wytwarzania wyirobu ceramicznego, mającego stopniowaną mikrostrukturę, charakteryzującą się istnieniem wielu stref różniących się od siebie składem i/lub jedną lub kilkoma innymi właściwościami, przez utlenianie metalu macierzystego, polegjący na ogrzewaniu metalu macierzystego w obecności utleniacza w fazie pary, poddaniu reakcji roztopionego metalu z utleniaczem przy odpowiedniej temperaturze, aby powstał produkt reakcji utleniania, który jest w styku z i rozciąga się pomiędzy roztopionym metalem a utleniaczem w fazie pary, następnie transportowaniu w tej temperaturze roztopionego metalu poprzez produkt reakcji utleniania w kierunku do utleniacza w fazie pary, tak że produkt reakcji utleniania stale powstaje na powierzchni międzyfazowej pomiędzy utleniaczem w fazie pary a poprzednio wytworzonym produktem reakcji utleniania, dzięki czemu powstaje stopniowo coraz większa ilość produktu reakcji utleniania i kolejno kontynuowaniu tej reakcji przez czas wystarczający dla wytworzenia wyrobu ceramicznego, znamienny tym, że warunki procesu zmienia się tak, aby strefa produktu reakcji utleniania wytworzona po zmianie różniła się pod względem składu i/lub jednej lub kilku innych właściwości od strefy produktu reakcji utleniania wytworzonej przed zmianą.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że przed ogrzewaniem wypełniacz orientuje się względem metalu macierzystego tak, że produkt reakcji utleniania infiltruje w wypełniacz tworząc wyrób ceramiczny zawierający produkt reakcji utleniania i wypełniacz.
3. 3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że stosuje się źródło drugiego utleniacza w fazie pary, a zmiana warunków procesu polega na zastąpieniu utleniacza w fazie pary tym drugim utleniaczem w fazie pary i prowadzeniu reakcji metalu macierzystego z tym drugim utleniaczem w fazie pary, aby powstała strefa zawierająca produkt reakcji utleniania metalu macierzystego i drugiego utleniacza w fazie pary.
4. 4. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że stosuje się modyfikator procesu, a zmiana warunków procesu polega na połączeniu metalu macierzystego z tym modyfikatorem i kontynuowaniu reakcji utleniania, aby wytworzyć strefę zawierającą produkt reakcji utleniania metalu macierzystego i utleniacza w fazie pary, posiadającą mikrostrukturę uszlachetnioną w porównaniu z produktem reakcji utleniania wytworzonym przed zmianą warunków.
5. 5. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że jako metal macierzysty stosuje się metal wybrany z grupy złożonej z aluminium, tytanu, cyrkonu, hafnu, krzemu i cyny.
6. 6. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że jako utleniacz w fazie pary stosuje się utleniacz wybrany z grupy złożonej z powietrza i gazowego azotu.
7. 7. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że zmiana warunków procesu polega na zmianie temperatury do innej wartości temperatury i na kontynuowaniu reakcji utleniania przy tej temperaturze, aby wytworzyć strefę zawierającą produkt reakcji utleniania wytworzony przy zmienionej temperaturze.
8. 8. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że zmiana warunków procesu polega na zastosowaniu źródła drugiego utleniacza w afazie pary i zastąpieniu utleniacza w fazie pary tym drugim utleniaczem w fazie pary oraz prowadzeniu reakcji metalu macierzstego z drugim utleniaczem w fazie pary, aby wytworzyć strefę zawierającą produkt reakcji utleniania metalu macierzystego i drugiego utleniacza w fazie pary i/lub zastosowaniu źródła modyfikatora procesu i połączeniu metalu macierzystego z tym modyfikatorem oraz kontynuowaniu reakcji utleniania, aby wytworzyć strefę zawierającą produkt reakcji utleniania metalu macierzystego i utleniacza w fazie pary posiadającą mikrostrukturę uszlachetnioną w porównaniu z produktem reakcji utleniania wytworzonym przed zmianą, i/lub zmianie temperatury i kontynuowaniu reakcji przy zmienionej temperaturze, aby wytworzyć strefę zawierającą produkt reakcji utleniania wytworzony przy zmienionej temperaturze.

   156407 3
9. 9. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że. zmianę warunków procesu przeprowadza się co najmniej dwa razy.

   * * *