PL156828B1

PL156828B1 - Sposób wytwarzania kompozytu z osnowa metaliczna PL PL PL

Info

Publication number: PL156828B1
Application number: PL1989277121A
Authority: PL
Original assignee: Lanxide Technology Co Ltd
Priority date: 1988-01-11
Filing date: 1989-01-09
Publication date: 1992-04-30
Also published as: US4871008A; CN1034688A; IL88868A0; DK7989A; PT89417B; EP0324706B1; AU2670488A; BG60294B2; FI93945C; NZ227522A; BR8900067A; FI890121A0; IL88868A; ATE94522T1; NO890013D0; JP3247363B2; MX165625B; RO103408B1; DE68909061D1; CA1321055C

Abstract

1. Sposób wytwarzania kompozytu z osnowa metaliczna, znamienny tym, ze formuje sie zasadniczo nieprzepuszczalna forme tworzac przepuszczalna forme wstepna z wneka, wykonana z pierwszego mate- rialu wypelniacza, doprowadzajac roztopiony metal macierzysty do styku z ta forma i z utleniaczem, aby nastapila reakcja roztopionego metalu macierzystego z utleniaczem, i powstal produkt reakcji utleniania w zakresie temperatury od temperatury powyzej temperatury topnienia metalu macierzystego do tempera- tury ponizej temperatury topnienia produktu reakcji utleniania, nastepnie utrzymujac przynajmniej czesc produktu reakcji utleniania w styku z i pomiedzy roztopionym metalem macierzystym a utleniaczem, aby progresywnie przeciagac roztopiony metal macierzysty przez produkt reakcji utleniania w kierunku do utleniacza i w forme wstepna, tak ze produkt reakcji utleniania ciagle powstaje w tej formie wstepnej na powierzchni miedzyfazowej pomiedzy utleniaczem a poprzednio wytworzonym produktem reakcji utle- niania, kontynuujac reakcje utleniania w tym zakresie temperatury, aby objac przynajmniej czesc formy wstepnej w produkcie reakcji utleniania przez wzrost produktu reakcji utleniania, aby uzyskac przez to nieprzepuszczalna forme z wymieniona wneka, usuwajac przynajmniej czesci nadmiaru metalu z tej wneki, jezeli metal nie przereagowal z utleniaczem dla utworzenia produktu reakcji utleniania, umieszcza- jac przepuszczalna mase drugiego materialu wypelniacza w wymienionej wnece nieprzepuszczalnej formy i doprowadza ta mase drugiego wypelniacza do styku z przynajmniej jednym roztopionym metalem wybranym z grupy zlozonej z aluminium i magnezu, hermetycznie uszczelniajac zawartosc formy na czas wystarczajacy dla spontanicznej infiltracji tego przynajmniej jednego roztopionego metalu w mase dru - giego wypelniacza, oraz powodujac zakrzepniecie tego przynajmniej jednego roztopionego metalu, aby otrzymac kompozyt z osnowa metaliczna. PL PL PL

Description

RZECZPOSPOLITA

POLSKA

Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej •22? Numer zgłoszenia: 277121

Data z^głoszenia: 09.01.1989 &? IntCl⁵: C04B 35/10 C04B 35/56

Sposób wytwarzania kompozytu z osnowa metaliczna.

Pierwszeństwo:

11.01.1988, US, 142 385

Uprawniony z patentu:

Lanxide Technology Company LP, Newark, US

22? Pełnomocnik:

PATROL Spółka z o.o.,, Warszawa, PL

Zgłoszenie ogłoszono:

24.07.1989 BUP 15/89

O udzieleniu patentu ogłoszono: 30.04.1992 WUP 04/92

PL 156828 BI

1. Sposób wytwarzania kompozytu z osnową metaliczną, znamienny tym, że formuje się zasadniczo 57) nieprzepuszczalną formę tworząc przepuszczalną formę wstępną z wnęką, wykonaną z pierwszego materiału wypełniacza, doprowadzając roztopiony metal macierzysty do styku z tą formą i z utleniaczem, aby nastąpiła reakcja roztopionego metalu macierzystego z utleniaczem, i powstał produkt reakcji utleniania w zakresie temperatury od temperatury powyżej temperatury topnienia metalu macierzystego do temperatury poniżej temperatury topnienia produktu reakcji utleniania, następnie utrzymując przynajmniej część produktu reakcji utleniania w styku z i pomiędzy roztopionym metalem macierzystym a utleniaczem, aby progresywnie przeciągać roztopiony metal macierzysty przez produkt reakcji utleniania w kierunku do utleniacza i w formę wstępną, tak że produkt reakcji utleniania ciągle powstaje w tej formie wstępnej na powierzchni międzyfazowej pomiędzy utleniaczem a poprzednio wytworzonym produktem reakcji utleniania, kontynuując reakcję utleniania w tym zakresie temperatury, aby objąć przynajmniej część formy wstępnej w produkcie reakcji utleniania przez wzrost produktu reakcji utleniania, aby uzyskać przez to nieprzepuszczalną formę z wymienioną wnęką, usuwając przynajmniej części nadmiaru metalu z tej wnęki, jeżeli metal nie przereagował z utleniaczem dla utworzenia produktu reakcji utleniania, umieszczając przepuszczalną masę drugiego materiału wypełniacza w wymienionej wnęce nieprzepuszczalnej formy i doprowadza tą masę drugiego wypełniacza do styku z przynajmniej jednym roztopionym metalem wybranym z grupy złożonej z aluminium i magnezu, hermetycznie uszczelniając zawartość formy na czas wystarczający dla spontanicznej infiltracji tego przynajmniej jednego roztopionego metalu w masę drugiego wypełniacza, oraz powodując zakrzepnięcie tego przynajmniej jednego roztopionego metalu, aby otrzymać kompozyt z osnową metaliczną.

SPOSÓB WTWAAZANIA KOMPOZYTU Z OSNOWĄ METALICZNĄ

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób wyywrizinia kompozytu z osnową metaliczną, znamienny tym, że formuje się zasadniczo nieprzepuszczalną formę tworząc przepuszczalną formę wstępną z wnęką, wgraną z pierwszego mieriału wP^eeniacza; doprowdzając roztopiony me^l maierzysty do styku z tą formą i z utleniaceem, aby nastąpiła reakcja roztopionego meealu maierzystego z utleniaczem, i powsał produkt reakcji utleniania w zakresie temperatury od tem peratury pow^ej temperatury topnienia mmtalu maieΓcystego do temperatury poniżej tempera tury topnienia produktu reakcji utleniania, następnie utrzymując przynajmniej części produktu reakcji utleniania w styku z i pomiędzy roztopionym metalem ιeciercystym a utleniaczem, aby progresywnie przeciągać roztopiony meal macerzysty przez produkt reakcji utleniania w kierunku do utleniacza i w formę wtępną, tak że produkt reakcji utleniania ciągle powt^je w tej formie wstępnej na powierzchni międz^/fazowej pomiędzy utleniaczem a poprzednio wytworzonym produktem reakcji utleniania, kontynuując reakcję utleniania w tym zakresie temperatury, aby objąć przynajmniej część formy wstępnej w produkcie reakcji utleniania przez wzrost produktu reakcji utleniania, aby uzyska;, przez to nieprzepuszczalną formę z wynmenioną wnęką, usuwając przynajmniej części nadmiaru meealu z tej wnęki, jeżeli meeal nie prze^ago-wał z utleniaztee dla utworzenia produktu reakcji utleniania; umie szczając przepuszczalną msę drugiego maeriału wypełniacza w wyminionej wnęce nieprzepuszczalnej formy i doprowadza tą misę drugiego wypełniacza do styku z przynajmniej jednym rtctopionye metalem wybranym z grupy złożonej z aluminium i mgnezu, hermetycznie uszczelniając zawirtość formy na czas wysadzający dla spontanicznej infiltracji tego przynajmniej jednego rtctopionegd metalu w msę drugiego wypełniacza, oraz powndując zakrzepnięcie tego przynajmniej jednego roztopionego meealu, aby otrzmać kompozyt z osnową eeealiicną.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się przynajmniej jeden roztopiony meeal dla spowodowaia hermetycznego uszczelnienia w etapie /c/.
3. Sposób w^wrzania kompozytu z osnową meealiczną, znamienny tym, że formuje się zasadniczo nieprzepuszczalną formę, tworząc przepuszczalną formę wstępną złożoną z pierwszego maeriału wypełniacza i posiadającą wewintrz wnękę i przynajmniej jeden otwór na swej powieΓZihni zewnętrznej, doprowdając roztopiony macerzysty do styku z formą wtępną i z utleniaczem w celu spo^do-wnia reakcji roztopionego imealu eeaCeΓcystego z utleniaczem w zakresie temperatury od temperatury poważaj temperatury topnienia metalu mićerzystego do temperatury poniżej temperatury topnienia produktu reakcji utleniania; utrzymując przynajmniej część produktu reakcji utleniania w styku z i pomiędzy roztopięnym metalem mcitrzystye a utleniaczem, aby progresywnie przeciągać roztopiony metal macerzysty poprzez produkt reakcji utleniania w kierunku do utleniacza i w formę wstępną, tak że produkt reakcji utleniania ciągle powsaje w formie wstępnej na powierzchni między^z^/ej pomiędzy utleniaczem a poprzednio utworzonym produktem reakcji utleniania; oraz kontynuując reakcję utleniania w tym zakresie temperatur, aby objąć przynajmniej część formy wstępnej, która otacza wymienioną wnękę, produktem reakcji utleniania przez wzrost produktu reakcji utleniania, tak aby utworzyć w^minioną nieprzepuszczalną formę z wnęką i przynajmniej jednym otworem, usuwając przynajmniej część nadrisiru meealu, który nie przereagowł z utlenaaztem, by utworzyć produkt reakcji utleniania, z formy umieszczając przepuszczalną msę drugiego wypełniacza we wnęce nieprzepuszczalnej formy; uprowdzając przynajmniej jeden roztopiony meeal wbrany z grupy złożonej z aluminium i mgnezu w wynmeniony przynajmniej jeden otwór, by hermetycznie uszczelnić msę mieriiłu drugiego

156 828 wypełniacza we wnęce i spowodować tam styk maeriału drugiego wypełniacza z tym przynajmniej jednyr roztopionym metalem przez czas wyssarczający dla spontanicznej infiltracji tego przynajmniej jednego roztopionego meealu w m-aS·^ maeriału drugiego wypeniacza, aby uzyskać przez to roztopiony rmtoriał zawierający rozproszony w nim maeriał drugiego wypełniacza, oraz powodując zakrzepnięcie tego przynajmniej jednego roztopionego meealu, aby uzyskać kompozyt z osnową metaliczną.
4. Sposób według zastrz. 1 albo 2 albo 3, znamienny tym, że jako rmteriał pierwszego wpełniaczt stosuje się maeriał wybrany z grupy złożonej z tlenku glinowego i wglika krzemu, przy czym metal rmaćerzysty zawiera aluminium, maerń^iał drugiego wyyetniaczt zawiera węglik krzemu, a wymieniony przynajmniej jeden roztopiony metal zawiera aluminium.
5. Sposób według zastrz. 1 albo ?. albo 3, znamienny tym, że obejmuje się produktem reakcji utleniania przynajmniej tej części formy wstępnej, która tworzy wnękę.

o. Sposób według zastrz. 1 albo 2 albo 3, znamienny tym, że styk odbywa się w wplietionej ww^ce przepuszczalnej formy wstępnej.
7. Sposób według zastrz. 1 albo 2 albo 3, znamienny tym, że nadmiar metalu usuwa się z wnęki jako roztopiony meeal maći^irzy^-ty.
8. Sposób według zastrz. 1 albo 2 albo 3, znamienny tym, że określa się przynajmniej część kształtu geometrycznego zasadniczo nieprzepuszczalnej formy przez powiązanie przynajmniej jednej bariery z msą pierwszego '.yypełniacza, aby określić przynajmniej jedną granicę wzrostu produktu reakcji utleniania.
9. Sposób według zastrz. 4, znamienny tym, że określa się przynajmniej część kształtu geometrycznego zasadniczo nieprzepuszczalnej formy przez powiązanie przynajmniej Jednej bariery z msą maeriału pierwszego wypalacza, aby określić przynajmniej jedną granicę wzrostu produktu reakcji utleniania.
10. Sposób według zastrz. 1 albo 2 albo 3, znamienny tym, że stosuje się msę maeriału pierwszego wpełniaczt zawierającą przepuszczalne złoże formowanego materiału wypalacza a ścianka ukształtownej wnęki w tym złożu jest utworzona przez zastosownie ukształoownego meealu macerzystego, mjącego część będącą modelem pozytwoowym, która ma taki kształt, że Jej odwOtne odworownie określa żądany kształt gtomeeΓycziy wnęki formy, przy czym umieszcza się przynajmniej tę część stanowiącą model pozytywkowy w złożu foraowlnego maeriału wypełniacza, a następnie ogrzewa się ten meial· macerzysty do zakresu temperatury w^'^ⁱ^‘n^°nego powP^J, aby utworzyć z niego roztopiony η^Ι macerzysty w styku ze ścianką ukształoownej wnęki.
11. Sposób według zastrz. 1 albo 2 albo 3, znamienny tym, że stosuje się msę maeriału pierwszego wy palacza zawierającą przepuszczalne złoże formowlnego mteriału wypełniacza, a ścianka ukształtowanej więki w złożu jest utworzona przez zastosowanie usuwlnej bryły m>o.elowej, która mi taki kształt, że Jej odwrotne odwzorowanie określa żądany kształt geometryczny wnęki formy i umieszcza się tę usuwlną bryłę mcoelową w tym złożu formowlnego maeriału wypełniacza, a wstępnie zastępuje się tak umieszczoną bryłę modelową roztoptonym metalem mcierzystym w styku ze ścianką ukształtowanej wnęki.
12. Sposób wiedług zastrz. 4, znamienny t y m, że stosuje się msę maeriału pierwszego wypin-acza zawierającą przepuszczalne złoże foΓiowlotgo maeriału wypłoitizα, a ścianka ukształtowanej wnęki w tym złożu jest utworzona przez zastosowanie ukształtownego meealu macerzystego mijącego część będącą mielem p°zySw°>wym, która ma taki kształt, że jej odwrotne odwzorowinie określa żądany kształt geomei-yczny wnęki formy i umieszcza się przynajmniej tę część będącą modelem p°zytwowwm w złożu formowlnego materiału wypeniacza, po czym ogrzewa się tak umieszczony meżal macerzysty do ws^ⁱ^^I^li°nego zakresu temperatury, aby utworzyć z niego roztopiony meeal maci^irzy^ty w styku z ukształtowaną ścianką wnki.

u

156 828

15. Spasób według zastrz. d, znamienny tym, że stosuje się masę materiału pierwszego wye^iacra zawierającą przepuszczalne rłtże ftrmtwalnegt maeriału wflP^eeniacra, a ścianka ukształtowanej wnęki w tym złożu Jest utworzona przez zastosowanie usuwlnej bryły rmdeeowee, która mm taki kształt, że jej odwrotne odworownie określa żądany kształt geomeeryczny więki formy i umieszcza się tę usuwilną bryłę modelową w złożu formowlnego mteriału wppeniacza, a następnie zastępuje się tak umieszczoną usuwalną bryłę modelową roztopionym metalem mcierzystym w styku ze ścianką ukształtowanej wnęki.
14. Sposób według zastrz. 1 albo 2 albo 3, znamienny tym, że oddziela się kompozzyt z osnową meealiczną od formy. ·
15. Sposób według zastrz. 14, znamienny tym, że oddziela się kompozyt z osnową meealiczną od formy przez kruszenie formy udarem termicznym przy zanurzeniu formy, kiedy mm ona podw^szoną temperaturę, w cieczy chłodzącej.
16. Sposób według zastrz. 1 albo 2 albo 3, znamienny tym, że przeprowadza się krzepnięcie w warunkach spajania przez utrzmywnie krzepnącego roztopionego mteriału w styku z przynajmniej częścią nieprzepuszczalnej formy, a tym samym wy^wrza się kompozy z osnową metaliczną integralnie z przynajmniej częścią nieprzepuszczalnej formy.
17. Sposób według zastrz. 1 albo 2 albo 3, znamienny tym, że wnękę kształtuje się tak, aby mała warany kształt geommearyczny, który jest odwotnie odwzorowywany przez kompozyt z osnową meetliczną.
18. Sposób według zastrz. 1 albo 2 albo 3, znamienny tym, że stosuje się maeriał drugiego wyełniacza ^l^arany z grupy złożonej z przynajmniej jednego tlenku, węglika, borku i azotku.
19. Sposób według zastrz. 1 albo 2 albo 3, znamienny tym, że Jako metal maierzysty stosuje się aluminiowy meeal mccerzysty.
20. Sposób według zastrz. 19, znamienny tym, że jako utleniacz stosuje się powietrze.
21. Sposób według zastrz. się powietrze.
22. Sposób według zastrz.

4, znamienny tym, że jako utleniacz stosuje

1 albo 2 albo 3, znamienny tym, że styk rozto pionego aluminium z drugim wp>ełnicczey przeprowadza się przy temperaturze od około 700°C

22, znamienny tym

4, znamienny że stosuje się zakres tempet y m, że stosuje się zakres tempedo 1000°C.
23. Sposób według zastrz. ratur 85O°C do 95O°C.
24. Sposób według zastrz. ratur 850°C do 950°C.
25. Sposób według zastrz. 1 aioo 2 albo 3, znamienny t m m, że stosuje sęę roztopiony mees! maci^r-zy.^ty zawierający aluminium, maeriał drugiego wρ>ełniaiza zawiera cząstki wglika krzemu, a te cząstki wglika krzemu są powleczone NagO.

Przedmiotem wynlazku jest sposób wyważania kompoo^u z osnową metaliczną w ceramicznej formie wtępnej, przez spontaniczną infiltrację przepuszczalnej msy wy^niecza umieszczonej w formie wstępnej roztopiopyy aluminium lub mgnezem a Ho ich stopami.

Niektpre wyroby kompozytowe zawierające osnowę yetaliizną otaczającą fazę iZIyaiiaCącą zawierającą wP^:>eenicir taki jak iercyiiznt cząstki, wskery, włókna itp. są bardzo przydatne dla wielu różnych zastosowań, ponieważ łączą one wyrzymlość i twardość fazy izπya-iiającej z ciągli^wośclą i wiązkością osnowy yeealicznej. Zw^le bryła kompozytowa z osnową meealiczną jest lepsza pod takimi względami jak wyrzymłość, sztywność, odporność na ścieranie stykowe i odporność na podwyższone temperatury w stosunku do osnowy yet^liiznej per se.

156 828

W pewnych przypadkach bryły kompozytowe mogą mleć tmiejszy ciężar niż analogicznych wymiarów bryły z meealu osnowy per se. Jednakże stopień polepszenia danej właściwości zależny bardzo od zastosowanych składników, ich udziału objętoścoowego lub wagowego w bryłach kompozytowych i od tego jak są one obrabiane przy foi^mowniu brył kompozyto^ch. Komm°oyty z osnową aluminiową wzmmonione wypełniaczami ceramicznymi takimi jak węglik krzemu w postaci cząstek, płatków lub wiskerów są przykładowo interesujące ze względu na swą większą sztywność i większą odporność na ścieranie oraz na temperaturę w stosunku do aluminium bez wypełniacza .

Znane są różne procesy metalurgiczne dla wytworzenia kompozytów z osnową aluminiową, łącznie ze sposobami opartymi na metalurgii proszków oraz sposobami, opartymi na infiltracji roztopionym metale® materiałów wnaanlijących, np. przez odlewanie.

W przypadku sposobów metalurgii proszków meal w postaci proszku i ceramiczny materiał wsntóanóijący w postaci proszku, wiskerów, włókien siekanych itd. miesza się i następnie albo prasuje na zimno i spieka, albo prasuje się na gorąco. Produkcja kompozytów z osnową metaliczną sposobami metalurgii proszków przy użyciu konwnonoro3lonch sposobów nakłada pewne ograniczenia jeśli chodzi o właściwości produktów tnooiiwe do uzyskania. Udział objętościowy fazy ceramicznej w kompooycie jest ograniczony, typowo do 40%, przy czym operacja prasowania nakłada ograniczenie na praktycznie możliwą do osiągnięcia wielkość i mooiiwe są tylko stosurkoowo proste kształty wyrobu bez późniejszej obróbki /np. formownie lub obróbka skrawaniem/ lub uciekania się do skomplikowanych pras. Może również wstąpić nierównomierny skurcz podczas spiekania, jak również niejidnorodność milkostruktury na skutek segregacji zawrtości i wi-t^situ ziarna.

Gdy roztopione aluminium stosuje się do wbwrzania np. kompozytów z osnową aluminiową i wypełniaczem z tlerkcu glinowego, roztopione aluminium nie zwilża łatwo tlenku glinowego stanowiącego maeriał w,n>ołniaJącn, przez co trudno jest utworzyć spójny wyrób. Znane są różne rozwiązania tego problemu, łącznie z powlekaniem tlenku glnnowego /lub innego maeriału wyOeniacza/ środkiem zwilżającym, przykładanie ciśnienia w celu włoczenia roztopionego aluminium w maeriał wzIMrnOajtnn lub aam>otniacz, przykładanie podciśnienia w celu wciągnięcia roztopionego aluminium w w'y^|oenianz, obróbka w bardzo wysokich temperaturach, znacznie pow^j temperatury topnienia rluminium oraz kombirncje tych sposobów. Sposoby te mją tendencję do kompOikiwnlr procesu, wym^aa^ drogiego wypasienia, takiego jak prasy, urządzenia podciśnieniowe, układy sterowania itd, ograniczają wielkości kształtek wyrobów, które można wionąć i czasami w?riwarzają niepożądane składniki do produktu w postaci czynników zwilżających itp.

Zastosowanie atmosfery reakcyjnej zr®kόittJ w formie dla ułatwienia infiltracji roztopionego meealu jest znane z opisu prtenioweai USA nr 3 364 976. W tym opisie pαtenOawyra jest ujawniony sposób odlewania meeali takich jak aluminium i mgnez w stopach, przy którym wnęka formy, ewenncuilnie zawierająca odpowiedni w'Potniacz, zawiera atmosferę, która reaguje z roztopίonym metalem odlewanym i tworzy produkt reakcji stały o młej objętości. Forma jest skutecznie uszczelńiinr, tak że reakcja z roztopionym metalem powoduje zużycie za^knętej atmosfery i wytwrza podciśnienie wewnntrz formy, co powoduje wciąganie roztopionego metalu. Ponadto w opisie tym ujawniono reakcję roztopionego magnezu z tlnnem i azotem zawartym w powietrzu w celu utworzenia tlenku mgnezu i azotku magnezu, przez co powstaje o^<ii^clśnitole wrt1WιrMJtnt dla zasadniczo całkowitego wn?oenieoir formy riztopioyym magnezem. Z tego samego opisu jest znana forma z ooJ^<dnOczyπ! otworem prowadzącym do wnęki zawierającej atmosferę, która jest zdolna do reakcji z riztopionym metalem. Zanurzenie formy w bryle roztopionego meealu pozwla na to, by forma nie musała być całkowicie gazo= i nienzoszcztlor, a reakcja atmosfery zamknit^ej wewiOtΓz formy powoduj, że roztopiony meeal wyplnia formę. Zgodnie z tym opisem zachodzi infiltracja ziarna tleniu glinowego roztopouym stopem mgnezu przy 704°C i infiltracja węglika krzemu roztop^nym stopem aluminium zawierającym 5% mgnezu przy 760°C.

156 828

Z kolei zgłoszenie patentowe USA nr 049 171 dotyczy sposobu, w którym roztopione aluminium zawierające przynajmniej około 1% wagowy ragnezu, a korzystnie przynajmniej około 3% wagowo ragnezu doprowadza się do styku z przepuszczalną trasą ceramicznego iw/pełniacza w obecności gazu zawierającego od około 10 do 100% objętościowych azotu, a resztę gazu nieutleniającego, np. argonu lub wodoru. Roztopiony stop aluminium, który może mieó temperaturę około 700 - 1200°C, spontanicznie infiltruje przepuszczalny wypeniacz, to znaczy infiltruje ten wyeeniacz bez konieczności stosowania mechanicznego ciśnienia lub podciśnienia dla wspotragania infiltracji. Roztopionemu mtalowi umooiiwia się krzepnięcie, aby powstała bryła meetlicznej osnowy obejmującej ceramiczny wP^eeniacz, to znaczy bryła kompozytu z osnową metaliczną. Ceramiczne wy^płr^i.acze obejmują np. tlenki, wggiki, borki i azotki, np. tlenek glinowy.

Zasadniczo przedmiotowy w^lazek daje sposób w^wrzania kompozytów z osnową meealiczną przez spontaniczną infiltrację roztopionego aluminium lub ragnezu w trasę lub złole wypeł niacza /zwanego dalej drugim wypełniaczem/ umieszczonego w formie, która jest trzymana w zasadniczo hermetycznym środowisku. Forma Jest utworzona przez kierowane utlenienie roztopionego meealu prekursora lub meralu raaierzystego utleniaczem w celu spowodownia wzrostu polikrystalizznego produktu reakcji utleniania, który obejmuje przynajmniej część formy wstępnej złożonej z odpowiteiniego wypełniacza /zwanego pierwszym wy⁾ełniiicem/. Hermeeycznie zamknęte złole może zawierać powietrze, ale pow-etrze to i zawartość formy są odizolowane lub szczelnie zamnnęte, tak aby wyuczyć powietrze zewnztΓcze z otoczenia. Formę dopełnia się drugim wypełniaczem i doprowadza do styku z roztopóonym metalem, a zawrtość formy jest hermetycznie zamcnżęta,, najbardziej typowo przez szczelne zamkięcie w^eścia lub otworu formy. Przez zastosowanie hermetycznego środowiska uzyskuje się skuteczną spontaniczną infiltrację drugiego wypełniacza przy umiarkowanych temperaturach roztopionego metalu i dlatego unika się konieczności stosowania środków zwilżających, zwłaszcza składników stopowych w roctopiznym metalicznym aluminium lub metalicznym m^nnete, meł^hιnnczzego nacisku, stosowania podciśnienia, atmosfer specjalnego gazu lub innych środków wspomagania infiltracji.

Najpierw wykonuje się zatem zasadniczo nieprzepuszczalną formę przez kierowane utlenianie opisane w zgłoszeniach patentowych tego samego właściciela podanych poniżej. Przepuszczalną formę wstępną złoloną z pierwszego wypełniacza i posiadającą wnękę o lądanym kształcie doprowadza się do styku z roztopionym metalem racierzystym i przeprowadza się reakcję z utlenaazzem. Reakcja ta powoduje powianie nieprzepuszczalnego produktu reakcji utleniania i jest przeprowadzana w zakresie temperatur od temperatury powżej temperatury topnienia meealu ro^erzystego do temperatury poniżej temperatury topnienia produktu reakcji utleniania. Podczas tej reakcji przynajmniej część produktu reakcji utleniania utrzymuje się w styku z 1 pomiędzy roztoponami metalem racierzystym a utleniaczem, aby progresywnie przecinać roztopiony metal racieΓcpstp poprzez produkt reakcji utleniania w kierunku do utleniacza i w formę wstępną, tak le produkt reakcji utleniania ciągle pow^aje w formie wstępnej na powierzchni międzyfazowej pomiędzy utleniaczem a poprzednio utworzonym produktem reakcji utleniania. Reakcja utleniania jest kontynuowana w podanym zakresie temperatur do objęcia produktem reakcji utleniania przez wzrost tego ostatniego przynejmnnej części formy wstępnej, przez co powtaje nieprzepuszczalna forma jako bryła ceramiczna obejmująca pierwszy wr^eniaca. Przykładowo, przynajmniej ta część formy wstępnej, która tworzy wnękę, może być objęta produktem reakcji utleniania. W kaldym przypadku utworzona więka nieprzepuszczalnej formy jest wypełniona przynajmniej częściowo przepuszczalną rasą drugiego wpeeniacza, a następnie jest doprowadzana do styku z rΌctopiznym aluminium na czas wptarczθjącp dla spontanicznej infiltracji rasy drugiego wypełniacza przy utrzymaniu tego zestawu w hermetycznym środowisku. Po zakończeniu spontanicznej infiltracji roztopiony me^l krzepnie, by utworzyć bryłę kompozytu w osnową mełθliicną.

156 828

Według jednego aspektu w^nlazku stojącą bryłą lub zbiornik roztopionego aluminium lub mgnezu sięgającego poza wnękę formy wykorzyySuje się do uzyskania hermetycznego środowiska dla zawrtości formy. Typowo otwór lub wejście formy zamyka się szczelnie stojącą bryłą lub słupem roztopionego aluminium.

Według innego wariantu realizacji wynlazku bryła knmpzjytu z osnową metaliczną jest spojona z formą po zakrzepnięciu roztopionego meealu· W warunkach procesu krzepnący roztopiony jest utrzymywany w styku z nieprzepuszczalną formą lub jej częścią, w celu spojenia uzyskanego w wz^Ou kompozytu z osnową meealiczną z przynajmniej częścią formy· W ten sposób kompozyt z osnową meealiczną powstaje integralnie wraz z formą lub jej częścią, by ^tworzyć lub konstrukcję typu kompozyt z osnową me^J-iczną - ceramika·

W jeszcze innym wariancie realizacji wnękę formy kształtuje się wtępnie tak, aby miała określony kształt ge^^erycmy, a uzyskiwany w wyniOuu kompozyt z osnową meealiczną jest zgodny z tym kształtem geometrycznym· Kiedy formę oddzieli się od kompoo^u z osnową metaliczną, powierzchnie kompozytu z osnową metaliczną odowr^or^JLe odwzorowują kształt geomee:ryczny węki· Dzięki wynalazkowi można więc o^orzać kształtki z kompozytu z osnową meealiczną·

Użyte w opisie terminy mją następujące znaczenie·

Aluminium i mgnez oznaczają i obejmują zasadniczo czysty rneeal, np· stosunkowo czyste, dostępne w handlu niesoopowe aluminium lub mgnez, jak również inne gatunki me^lu i stopów, takie jak dostępne w handlu meeale z zanieczyszczeniami i/lub składnikami stopowymi takimi jak żelazo, krzem, miedź, mgnez, mngan, chrom, zynk itd. Stop aluminium lub stop mgnezu dla celów tej definicji to stop, w którym aluminium lub mgnez jest głównym składnikiem·

Meal maierzysty oznacza ten mieal, np· aluminium, krzem, tytan, cynę lub cyrkon, który jest prekursorem o^olikrystalizznego produktu reakcji utleniania i zawiera ten meeal jako zasadniczo czysty meeal lub dostępny w handlu z zanieczyszczeniami i/lub składnikami stopowymi w nim· Stop meealu dla celów tego okreslenia jest to stop, w którym ten metal prekursor jest głównym składnikiem·

Ceramiczny oznacza i obejmuje /ale bez ograniczenia/ klasyczną definicję tego określenia, jako maeriał składający się całkowicie z maeriałóo niemetalicznych i nieorganicznych, ale obejmuje również w swym znaczeniu maeriał, który jest głównie ceramiczny pod względem albo składu, albo dominu jących ołaściocści, chociaż bryła może zawerać znaczne ilości jednego lub kilku meetli pochodzące z meealu eeαierzysttgo, najbardziej typowo w zakresie od około 1 do 40% objętościowych, ale może zawierać jeszcze więcej me^-lu· ^^ζ^πϊθ^ oznacza i obejmuje wszelkie w^rP^ełniaczj nadające się do stosowania przy praktycznej realizacji przedmiotowego w^lazku łącznie z wyełniaczami ceramicznymi per se, takimi jak tlenek glinowy lub wgHk krzemu w postaci włókien, włókien ciętych, cząstek, wiskerów, pęcherzyków, kulek, rat włólk-listyih itp oraz wT^ełiiairami z powłoką ceramiczną, tak:!mi jak włókna węglowe powleczone tlenkeem ιΙ^ο^ζμ lub węglikiem krzemu w celu zabezpieczenia ich przed działaniem roztopionego metalicznego aluminium,

Pierwszy wpeeniacz oznacza conajmniej jeden maeriał wy^>eeniaira, który jest odpowiedni do objęcia go o^olikΓystaliCizmm produktem reakcji utleniania otrzeernym przez kierowane utlenianie metalu maierzystegr jak opisano bardziej szczegółowo poniżej·

Drugi wz^ełⁿiacz oznacza conajmniej jeden maeriał wz>oeniaiza, który jest odpowiedni do infiltrowania go roztopinym aluminium lub metalicznym mgnezem o celu objęcia w osnowie z zakrzepłego meealu·

Nieprzepuszczalny używa się dla opisania furmy lub innego matr^^łu, struktury lub środooiskca i oznacza zasadniczo nieprzepuszczalny dla powóetrza, tzn· zasadniczo szczelny dla powietrza·

WyziaartO; zostanie dokładniej opisany na podstawie rysunku, na którym fig· 1 przedstawia zestaw złożony z bryły roztopionego aluminium i nieprzepuszczalnej formy, o której

156 828 masa drugiego jest pokazana w fazie pośredniej podczas spontanicznej infiltracji roztopionym aluminium w&iług jednego przykładu realizacji wmlazku w schematycznym przekroju, fig. 2 - strukturę według tego piewszego przykładu realizacji w-mlazku, zawierającą kompozyt z osnową metaliczną objęty przez i złączony z ceramiczną tuleją lub podłożem, w widoku podobnym jak na fig. 1, fig. 3 - inny przykład wykomnia zestawu złożonego z bryły roztopionego meHulu aluminiowego i nieprzepuszczalnej formy lub skorupy ceramicznej, w której znajduje się drugi wypełniacz, w przekroju, fig. 4 - zestaw do przeprowadzenia innego przykładu realizacji w/mlazku przez zanurzenie rasy drugiego wypeniacza w Γoztopίonym aluminium, by izolować wn^>ołniacz od powietrza otoczenia, w schematycznym przekroju, fig. 5 - zestaw złożony z meealu maaierzystego i formy wstępnej dla uczynienia formy użyteczną przy odlewaniu kompozytu z osnową metaliczną według niektórych przykładów w^onania przedmiotowego wmlazku, w schematycznym przekroju, fig. 6 - zestaw złożony z usuwlnej bryły modelowej zanurzonej w rasie pierwszego wn>oeniacza, która jest użyteczna dla warzenia ceramicznej formy kompoiytiwej według innego przykładu wżerania przedmiotowego wnnlazku, w schematycznym przekroju, fig. 7 - późniejszy etap procesu stosowania zestawu z fig. 6 dla wywożenia formy z ceramicznego w widoku podobnym jak na fig. 6, fig. 8 - ceramiczną formę kompozytową otrzymaną przy zastosowaniu zestawu z fig. 6 i 7 w schematycznym przekroju, fig. 9 - zestaw złożony z meealu raaierzystego i formy wstępnej z pierwszego wy>ołniaiza, który nadaje się do wtwoozenia formy z kompozytu ceramicznego według innego przykładu realizacji wnnlazku w schematycznym przekroju, a fig. 10 przedstawia fotografię włka krzywkowego wgranego według przykładu 10.

Według pierwszego przykładu praktycznej realizacji przedmiotowego wmlazku roztopione aluminium lub ragnez doprowadza się do styku lub do powierzchni przepuszczalnej rasy drugiego wppeniacza, np. masy cząstek idΓsmiiznyih, wiskerów lub włókien. Drugi wyaełniacz styka się z roztopżonym metalem w hermetycznym środowisku, w którym może być zamknięte powietrze, ale ponieważ forma Jest zasadniczo nieprzepuszczalna, zamknnęte powwetrze nie Jest uzupełniane gdy bierze udział w reakcji lub jest inaczej zużywne przez roztopione aluminium lub ragnez /kiedy dalej mówi się o powwetrzu, należy rozumieć, że wzelkie gazy, które mogą reagować z przynajmniej Jednym składnikiem roztopionego meealu, mogą być wykorzystywane jako zamennęty czynnik gazow/· W tych w runkach roztopione aluminium lub magnez spontanicznie i progresywnie infiltruje w przepuszczalną rasę drugiego wypełniacza w formie, co daje w wniku powtanie produktu z kompoo^u z osnową mes^l-iczną, w którym osnowa meealiczra obejmuje drugi wno-dniacz. Καιοι^/ί z osnową metaliczną przyjmie kształt formy i może zawierać od około 10% objętoścoowych do około 45% objęi^c^£^(iżovy'ch drugiego w^_pdłoiscza, korzystnie od około 45% objętoścoowch do około 65% ibjętościowih drugiego wypełniacza.

W warunkach stosowanych w sposobie według przedmiotowego wmaiazku, gdy drugi wypełniacz jest dodany do formy, powietrze jest zamknóęte i przenika rasę lub złoże. Ponadto ta masa wpodnisiza jest wytarczająco przepuszczalna by umoiżiiisć infiltrację roztopionego aluminium lub ragnezu w wrunkach procesu. Jeżeli jednak powwetrze w formie nie jest uzupełniane, drugi wy^eniac-z, nawet jeśli normlnie nidzwilżslny przez roztopione aluminium w obecności powietrzs Jest spontanicznie infiltrowany przez roztopione aluminium lub ragnez, by utworzyć kompozyt z osnową z medalicznegi aluminium lub kompozyt z osnową z metaliconego mgmezu przy średnich temperaturach roztopionego metalu. Infiltracja zachodzi bez potrzeby stosowania w^s°kich temperatur, podciśnienia, nacisku medihaιOczπdgo, specjalnych atmosfer gazowych, czynników zwilżających ltp, by spowodować infiltrację.

Ogólnie proces ten Jest nieprzepuszczalny dla powietrzs zewnętrznego na skutek hermetycznie szczelnego zamknięcia zawrtości formy w nieprzepuszczalnej formie i szczelnego zamknięcia wszystkich otworów w formie lub przez zanurzenie formy zawieΓ^jącdj rasę drugiego wypełniacza w bryle roztopionego aluminium lub tmjgnezu, by chronić lub osłonić drugi wypełniacz przed powietrzem z otoczenia.

156 828

Zasięg spontanicznej infiltracji i tworzenia metalicznej osnowy będzie zmieniać się waz z danym zestawem wrrunków procesu, takich jak składniki stopowe i zawrtość aluminium lub mgnezu; obecność ewentaulnie stosowanych czynników zwilżających, wielkość, stan powierzchni i typ zastosowanego maeriału drugiego w/yeeniacza, czas obróbki w styku infiltracyjnym oraz zastosowana temperatura metalu. Temmeertura, w której utrzymywane jest stykające się roztopione aluminium lub mgnez, może zmieniać się bardzo z różnymi stopami metali i z różnymi drugimi wypełniaczami. Ogóónie, w przypadku roztopionego meealicznego aluminium spontaniczna i progresywna infiltracja ustąpi w temperaturze procesu przynajmniej około 700°C, a korzystnie przynajmniej około 800°C lub więcej, zależnie od warunków. Temperatury powyżej 1000°C zwykle nie są konieczne i jak stwierdzono szczególnie korzystnym zakresem temperatury jest 800°C - 1000°C, korzystnie 850°C - 950°C.

Sposób według wfmlazku, nie będąc zależnym od stosowania przykładanego z zewiątrz nacisku meclanicznego dla wtłoczenia meealu w misę maeriału ceramicznego, umooliwia wytwarzanie zasadniczo jednorodnych kompozytów z osnową z meealicznego aluminium lub kompozytów z osnową z meealicznego mgnezu, mjących duży udział objętościowy drugiego wypełniacza i charakteryzujących się młą porowaaością. Udział objętościowy drugie go wypełniacza dla danego zestawu warunków można zmieniać lub zwiększać przez użycie msy drugiego wypełniacza o młej porowaaosci, to znaczy o młej objętości międzywwęłowej. Większe udziały objętościowe drugiego wypełniacza można również osiągnąć, jeżeli msa drugiego wypełniacza jest zagęszczona kotwwtcjora9lnymi sposobami przed doprowadzeniem do styku z roztop^nym metalem, pod warunkiem, że msa drugiego wypełniacza nie ulegnie przetworzeniu w zbitą mr^ę o zamkniętych porach lub w strukturze, która jest tak gęsta, że uniemożliwia infiltrację przez roztopione aluminium lub mgnez.

Zaobserwowano, że dla aluminium lub mgnezu .infiltracja i tworzenie osnowy z danym systmniem meeal - drugi wypłnlacz, zwilżanie drugiego wypeniacza roztop^nym metalem lub powstawanie podciśnienia, w zamkniętym środowisku na skutek reakcji roztopionego metalu z tlenem lub azotem z tego zamniętegi środowiska, albo jakaś kimmil'nιcja tych dwóch mechanizmów są przeważającym mechanizmem infiltracji. Jeżeli powwetrze jest uzupełnione w systemie i jeżeli proces jest prowadzony przy stosunkowo niskich temperaturach, tzn. nie więcej niż około 1000°C, następuje pimiJalnt lub mnimlne zwilżanie i inf iltrac ja drugiego wypern-acza. Jednakże w przypadku roztopionego meealicznego aluminiim przez szczelne zamk^ęcie drugiego wyp^n-acza w formie tak, że powietrze nie jest uzupełniane, to jest przez hermetycznie szczelne zamknięcie procesu infiltracji, uzyskuje się spontaniczną infiltrację przy temperaturach, które nie przewyższają około 1000°C, a korzystnie nie przewyższają około 95O°C. Przykładowo temperatura około 900°C jest jak stwierdzono zadoiwlająca w wielu przypadkach do przeprowadzenia spontanicznej infiltracji w możliwym do przyjęcia czasie bez nieodpowiedni ej degracdcji drugiego wypełniacza lub atakowania naczyń ogniotrwałych, elementów konstrukcji itp.

Na fig. ł pokazano zestaw 10 złożony z nieprzepuszczalnej osłony lub formy 12, która jest zasadniczo cylindryczna w kształcie tulei z centr-annym otworem cylindyycznym B przechodzącym przez nią i z wykonaną w niej parą usytuowanych w odstępie od siebie dyskowych komór a i b o średnicy większej niż średnica otworu B. Dolna część otworu b/ patrząc na fig. 1/ jest zam^ęta przez dno 14 formy 12, jak zaznaczono linią przerywaną obramowania profilu otworu B na fig. 1. ścianki nieprzepuszczalnej formy 12 są wykonane z ma^rdału ceramicznego. OdpowiednUo, nieprzepuszczalna forma 12 zawiera ceramiczny polikrystyczny produkt reakcji utleniania obejmujący odpowiedni wypeniacz, zwany to pierwszym wypeniaczem, taki Jak tlenek glinowy, węglik krzemu lub dowolny inny odpowiedni wypełniacz ceramiczny albo ich nimmi.-uιcja. Pierwszy wypeniacz może być w dowolnej pożądanej postaci, np. jako cząstki, kulki, wiskery, włókna cięte, pęcherzyki, płatki, m^y włókniste itd, albo dow^l.ne ich kimZinucje.

Otwór B i komory a i b o zwiększonej średnicy są wypełnione odpowiednim drugim wypł10

156 828 niaczem 22, który podobnie jak pierwszy wP^niacz może zawierać dowolny pożądany odpowiedni wPelniacz i może mieć postać fizyczną cząstek, kulek, wiskerów, włókien, włókien ciętych, pęcherzyków, płatków, mt; włótaiistych itd. lub dowolnej ich kombinacji. Umieszczenie drugiego wypełniacza w otworze B formy 12 można przeprowadzić bez stosowania specjalnej atmosfery gazowej, to znaczy takie napełnienie można przeprowadzić w powietrzu, tak że powietrze zostanie wprowadzone w drugi wypeniacz i będzie zcwc1;s w otw^i-ze B nieprzepuszczalnej formy 12.

Naczynie ogniotrwałe 16 posiadające kołowy otwór 18 wykonany w swym dnie jest um^szczone na formie 12 w sposób pokazany na fig· 1, przy czym pierś cień uszczelniający 24 tworzy zasadniczo szczelne dla powietrza /to jest przynajmniej szczelne dla mS^^u/ uszczelnienie pomiędzy naczyniem 16 a formą 12. Naczynie 16 umi^szczons na formie 12 napełnia się następnie roztopony»? aluminium lub, jeśli trzeba, bryłę stałego aluminium można umieścić w naczyniu 16 i cały zestaw ogrzać do roztopienia meSalicznego aluminium w naczyniu 16. Chociaż wrynlazek opisano w odniesieniu zwłaszcza do aluminium, należy rozumieć, że można również stosować mgnez. W każdym przypadku bryła roztopionego aluminium 20 uszczelnia jedyny otwór lub weSścis nieprzepuszczalnej formy 12 w stosunku do powietrza otoczenia tak, że drugi wypełniacz jest skutecznie szczelnie zamknńęty względem powietrza otoczenia, a roztopiony meSal jest w styku z drugim wypełniaczem 22 przy jego górnej powieΓZjhae w otworze B. W tych wrunkach według wynłazku roztopione aluminium będzie spontanicznie infittroyrać w drugi ^yplniacz 22, przemieszczając się w nim do dołu. Zestaw- 10 może być utrrzmnywany w normlnej atmosferze powóetrza podczas obróbki bez szkodliwego yraływu na spontaniczną infiltrację.

Fig. 1 przedstawia pośrednią fazę spontanicznej infiltracji, gdzie dokonała się infiltracja roztopionego meealu 20 w przybliżeniu do połowy złoża drugiego wypełniacza 22 do punktu w przybliżeniu w połowie drogi pomiędzy komorami a i b. Po pewnym czasie, przy utryjmy-waniu temperatury dostatecznie ^sokiej by aluminium 20 zachowało stan roztopiony, np. około 900°C, aluminium będzie spontanicznie infi-ttow^ać w całe złoże drugiego wypłniacza 22 do dna 14 formy 12. Ta spontaniczna infiltracja odbywa się bez konieczności dostarczania czynników zwilżających do wypełniacza /chociaż można to swesi^utLais zrobić/ lub przykładania mechanicznego nacisku do metalu lub podciśnienia do złoża drugiego wypeniacza 22, obróbki w podwyżzonej temperaturze, takiej jak temperatura znacznie pow^ej 1000°C, przepłukiwanie złoża drugiego wypełniacza 22 atmosferą gazu obojętnego lub innego gazu specjalnego lub stosowania innych środków przyśpieszających infiltrację. Sposób według wyaalαrku jest bardzo korzystny, ponieważ cała operacja, łącznie z przygotowaniem form 12 /jak opisano poniżej/, napeł.nianeem formy 12 drugim wypełniaczem 22 i ogrzewaniem w celu przeprowadzenia infiltracji może być przeprowadzona w powietrzu bez konieczności stosowania atmosfer specjalnego gazu wraz ze związanymi z tyra kosztami i niedogodnościami.

Nie chcąc być związanym przez to, uważa się, że spontaniczna infiltracja drugiego pełniacza 22 przez roztopione aluminium uzyskiwana jest, ponieważ powietrze zamknęte w przestrzeniach międzywęzłowych złoża drugiego wypełniacza 22 reaguje z roztop^nym aluminium i jest przez nie zużywane, a uzupełnianie zamknętego prwietrza jest unismo01ioiane przez szczelną, nieprzepuszczalną formę 12. Jeśli jednak zużyte powietΓzs zostałoby uzupełnione, jak w przypadku gdyby forma 12 była przepuszczalna dla powieerza, albo na skutek własnej porowitości, albo ze względu na nieszczelne otwory lub pęknięcia w niej, uzupełnione powietrze unismorliwiłrby taką spontaniczną infiltrację. Porównawcze przykłady podane poniżej ^pomgaaą to wyZaśnisnis.

Po zakończeniu infiltracji drugiego wypełniacza 22 temperatura zostaje rmniejszoaa przez wyście zestawu z pieca lub otworzenie pieca i roztopiony matriał może ochłodzić się i zakrzepnąć w nieprzepuszczalnej formie 12. Uzyskaną strukturę kompozytową 26 zawierającą formę i rdzeń kompozytowy z osnową meSalecraą, przedstawioną na fig. 2, oddziela się potem od zestawu z fig. 1. Jak pokazano struktura 26 może zawierać zasadniczo całą

156 828 formę 12 /zaznaczoną jako człon konstrukcyjny lub forma, albo skorupa 12’ na fig. 2/, albo jeśli trzeba tylko jej część, a ponadto zawiera rdzeń 28 z kompozytu z osnową metaliczną.

Infiltracja roztopionego meealu i krzepnięcie ważna przeprowadzać w odpowiednich wirunkach dla spowodonwnia spojenia pomiędzy formą i rdzeniem. Spojenie można uzyskać przykładowo przez oLi-zy^inLe pewnego zwilżenia pomiędzy roztopżonym metalem a formą 12, przez trzymanie roztopionego maeriału w bezpośrednim styku z wewwętrznymi ściankami fonty 12, przez kontrolowanie prędkości chłodzenia /to jest zmnęetszanie naprężeń przez odpuszczenie/, przez regulację współczynników względnej rozszerzalności cieplnej formy 12 i kompozytu z osnową meealiczną i/lub przez utrzymywanie znacznej wysokoźci zbiornika meealu, by zasadniczo wyeliminować lub zonnejszyć oddzielanie się krzepnącego roztopionego maeriału od ścianek formy. Współczynnik rozszerzalności cieplnej kompozytu z osnową metaliczną jest większy niż dla formy ceramicznej, a jeżeli różnica ta jest za duża, 3 zwilżanie jest minimlne, wytrzymłość spojenia się nie wystarcza dla uniknięcia przestawienia na skutek skurczu cieplnego. Oznacza to, że kompozyt z osnową metaliczną po ochłodzeniu może kurczyć się odejść od we^^rznej ścianki formy. Drugi mteriai wypełniacza stosowany przy w^wrzaniu kompoz^u z osnową meegliczną zmidejsza rozszerzalność cieplną kom^t^^yrtłu z osnową meealiczną i dlatego zmniejsza niedopasowanie rozszerzalności cieplnej pomiędzy rdzeniem a formą. Wpływ tego wypełniacza na zmnęejszeęie rozszerzalności cieplnej lamże znacznie zależeć od typu, kształtu geomej^-ycznego i współczynnika kształtu wypeniacza. Dobre spojenie można uzyskać, kiedy współczynniki rozszerzalności cieplnej niezbyt różnią się od siebie. Korzystnie rdzeń z osnowy me^l-icznej ma nieco większy współczynnik rozszerzalności cieplnej niż skorupa, by spowodować naprężenie ściskające na skorupie. Stwierdzono, że zasadniczo rłwęzosiowe cząstki węglika krzemu /sito nr 24/ w ilości około 47% objętościowych w aluminium, zmnejszają w>Ip>łczyręęik rozszerzalności cieplnej w stosunku do czystego aluminium /około ²5 x 10^-6 c^cmFcZ ^do o^koło 12 - ¹⁶ x 10^-^ c^cm^C. Itfiskery z węg^ka krzemu mją takń sam w>ływ, ale przy znacznie mnęe,j^sztj ilości. Tak więc, przez kontrolowanie jednego lub kilku trunków zakrzepły roztopiony maeriał, to jest kompozyt z osnową metaliczną, jest spojony w człon strukturalny 12’ struktury 26 /fig. 2/. W strukturze 26* rdzeń utworzony z kompozytu 28 z osnową metaliczną jest otoczony przez i spojony z formą lub skorupą 12’.

Alternatywnie po ochłodzeniu i zakrzepnięciu roztopionego maeriału formę 12’ można połamać lub inaczej usunąć z rdzenia 28 z koypoz:d;u z osnową metaliczną, by uzyskać ten ostatni jako oddzielną kształtkę bez formy 12’. W takim przypadku forma 12’ jest typowo wykonana jako naoiiwie jak najcieńsza, aby tylko była nieprzepuszczalna i utrzymywała strukturalną integralność podczas procesu. W tym przypadku proces należy przeprowadzać w takich wrunkach, aby do minimum zimne jszyć spojenie pomiędzy formą 12’ a rdzeniem 28 z kompozytu z osnową metaliczną, by ułatwić oddzielenie rdzenia. Odpowiednią osłonę /nie pokazano na fig. l/ miżna umieścić wnkół formy 12 podczas napełniania i obróbki, aby yecbhnęcznie izmyznić i podeprzeć ją.

.Nawwąziując znowu do fig. 1, zamiast stosowania odpon^i^r^iich środków uszczelniających takich jak pierścień uszczelniający 24, komora zbiornikowa 16 może być utworzona integralnie z nieprzepuszczalną formą 12. Po ochłodzeniu i zakrzepnięciu roztopionego mmaeriału, żądany produkt i^żna odciąć od integralnej formy/zbiornika. Przykładowo integralna form/zbiornik pokazana jest na fig. 3, gdzie przedstawiono inny przykład wykonania zestawu nadającego się do zastosowania według przedmiotowego wfmlszku. 'Wctrążona bryła oznaczona przez 30 o dowolnym żądanym kształcie zawiera skorupę z nieprzepuszczalnego maeriału ceramicznego, takiego jak kompozytowy maeriał ceramiczny. Wydrążona bryła 30 o nieco poduszkowym kształcie przekroju poprzecznego m kołową krawędź obwodową 30a wokół swej głównej części i współosiowy włek cylindryczny 30b oraz piastę 30c odchodzące od jej przeciwległych stron. Wałek 30b na rozchylone na zewnątrz zagłębienie 30d, który tworzy lejkową konstrukcję, w której roztopione aluminium 20’ może być umieszczone na wierzchu i w styku ze złożem 22’ drugiego iiyetręi.acza. Zagłębienie 30d stanowi je12

156 828 dyny otwór wydrążonej bryły 30 i jest szczelnie zamknięte względem atmosfery otaczającej lub powietrza przez słup roztopionego aluminium 20', na skutek czego drugi wfeeniacz jest skutecznie hermetycznie szczelnie zamuilęte w stosunku do otoczenia lub powietrza zewnętrznego.

Spontaniczna infiltracja drugiego wfeeniacza 22’ odbywa się jak opisano w odmiesieniu do przykładu wyko ranią z fig. 1 i podobiuLe jak w przykładzie realizacji z fig. 1 zbiornik roztopionego meealu 20’ może być uzupełniany w ń^ię potrzeb, aby było wysarczająco dużo meealicznego aluminium dla zakończenia infiltracji i utrzymania stojącej bryły 20’ roz topionego aluminium, by zagłębienie 30d, jedyne wejście lub otwór wydrążonej bryły 30 było szczelnie zamknnęte względem powietrza otoczenia aż do zakończenia spontanicznej infiltracji. Po zakrzepnięciu w warunkach spajania roztopionego imaeriału otrzymanego przez infiltrację drugiego wTOemiacza 22’ otrzymuje się strukturę zawierającą w^^c^^r’ąźoną bryłę 30 jako element strukturalny obejmujący kompozyt z osnową metaliczną. Alternatywnie wydrążoną bryłę 30 można usunąć, np. przez odłamanie jej, aby uzyskać bryłę kompozyytu z osnową metaliczną, której zewnętrzna powierzchnia odwotnie oiw^^c^iOw^je kształt lub geomeerię wewnętrznej powierzchni wydrążonej bryły 30. Po zakrzepnięciu uzyskaną strukturę m^iżna ciąć wzdłuż linii C-C, aby otrzymać strukturę zakończoną włkiem 30b. Zakrzepłe z powrotem aluminium można pozostawić wewnntrz wałka 30b lub alternatywnie można częściowo lub całkowicie usunąć i zastąpić innym umacniałem, takim jak inny Μΐ^!., który może być worowdzont w postaci roztopionej, po czym u^^oi-i^^a się mu zakrzepnięcie.

Jako inna altenaaywa wałek 30b może być częścoowo lub całkowicie początkowo wypełniony drugim wypełniaczem 22’, tak że wynikowa bryła tempc^y^ z osnową meealiczną wftaje poprzez wiek 30b. V tym ostatnim przypadku przedłużenie wałka 30b lub oddzielne naczynie zbiornikowe /podobnie jak zbiornik 16 z przykładu wyko minia z fig. l/ ^Pkoz^yrytuuje się dla utrzymywnia roztopionego metalicznego aluminium.

Na fig. 4 pokazano al¢^^rnstwmt sposób prowadzenia spontanicznej infiltracji drugiego wypełniacza, gdzie naczynie ogniotrwałe 32 zawiera bryłę roztopionego aluminium 20, w którym zanurzony jest ogniotrwały perforowany pojemnik 34. Pojemnik 34 jest usytuowany w odstępie od wewwntrznych ścianek ogniotrwałego naczynia 32, tak że perforowany pojemnik 34 i jego zawrtość są całkowicie osłonięte lub uszczelnione przez roztopione metaliczne aluminium 20 od otaczającej atmosfery. Perforowany pojemnik 34 mi wiele perforacji 36 utworzonych w nim i jest wsjprty przez pręt lub drążek 38 przymocowany do niego przez odpowiednie złącze 40. tesa drugiego ^płniacza zawrta w odpowiee!.niej formie posiadającej jeden lub kilka otworów umieszczona jest w pojemniku 34. /Forma i drugi wtpoeniacz nie są widoczne na fig. 4/. Perforacje 36 zapewnnają wejcie roztopionego aluminium 33 w pojemnik 34 dla styku w nim z misą drugiego ^^^^i^uiacza i w wynkuu dla spontanicznej infiltracji. Perfoocwny pojemnik 34, kabel lub drążek 38 i złącze 40 mogą być wikoieM z odpowiedniego imaeriału ogniotrwałego zdolnego do wtrzymywnia długotrwałego styku z roztopowym alumin.ium 33. Jeżeli jest to potrzebne, pojemnik 34 można wyeliminować i forma posiadająca otwór u góry i zawierająca drugi wypełniacz jest zanurzona w roztopowym [mealu. Następuje infiltracja i ttryeeywana jest bryła ktmpozytti z osnową metaliczną jak opisano powyżej.

Fig. 5-9 przedstawiają przygotowanie nieprzepuszczalnej formy ceramicznej według praktycznej realizacji przedmiotowego w^lazku, ale należy rozumieć, że sposób przygotowania formy można stosować również do innych przykładów realizacji ^rnlazku. Forma przygotowana tak jak wspominano powyżej może być albo rozto-uszona dla zdjęcia z zakrzepł ego kompozytu z osnową metaliczną, albo może być zachowana jako element strukturalny produktu złączony lub spojony z kompozytem z osnową meealiczną.

Weeług przedmiotowego wynlazku wt⁾ołniacz, w który wzrasta produkt reakcji utleniania, aby otrzymać nieprzepuszczalną dla powwetrza formę z itmpotyy;i ceramicznego, nazywany jest piewuszym wypełniaczem dla odróżnienia go od drugiego wy?ołniacza, w który rozto156 828 pione aluminium lub tmgnez infiltruje spontaiUcznie, aby utworzyć kompozyt z osnową metaliczną. Wiele rateriałów nadaje się do stosowania zarówno jako pierwszy wypełniacz jak i jako drugi wyełniacz, w związku z czym w pewnych przypadkach pierwszy i drugi wybełnLacz mogą być takie same lub różne, a typowo wT?eeniacze te zasadniczo nie reagują z roztopionym metalem racierzystym i z roztopionym aluminium lub ragnezem w wrunkach procesu.

Na fig. 5 i 5A pokazano zestaw 42 do wyważania ceramicznej bryły kompozytowej odpowiedniej do stosowania albo jako krucha forma, z której otrzymuje się kompozyt z osnową metaliczną, albo jako forma - człon struktura lny spojony z kompozytem z osnową metaliczną. Zestaw 42 zawiera pojemnik barierowy 44, który jest zasadniczo kształtu cylindrycznego, a jego powierzchnia w^emnętrzna jest określona przez sisgkę 46 /jak najlepiej widać na fig.

5A/ usytuowaną wewnątrz i wzmomioną przez perforowany cylinder 48, który służy jako zewnętrzny sztywny człon wramnający cylindryczną siatkę 46. Zamiast siatki 46 można zastosować perforowany arkusz metalowy taki jak perforowana blacha ze stali nierdzewnej. Perfororna ny cylinder 48 osi wykonany w>kół swej powierzchni mór perforacji 50 i jest wystarczająco sztywny dla utrzymywania podczas procesu kształtu msy lub bryły pierwszego wjy^eł^ri:iacza 52, który może być formalnym nypełniactor¾ to znaczy mciże zawierać cząstki, wiskery, włókna itp. w rasie, która będzie drstoonwmsć swój kształt do kształtu bryły 66 z meealu racierzystego zatopionej w złożu pierwszego wpetniaizs 22. Formowilny pierwszy wreeni-acz 52 dostosowuje się również do kształtu wn^tirzs cylindrycznej siatki 46. Złoże formowanego pierwszego wP^eeniaczs 52 stanowi zatem przepuszczalną formę wstępną z wnęką o żądanych kształtach utworzoną w niej przez bryłę imeslu raaierzystego 66, przy czym wnęka ta Jest wypełniona, początkowo bryłą meealu racieΓZSStego. W altenrlatynnyo przykładzie pierwszy wypełniacz 52 może być uksztsłrnwaoy w spójną rasę, np. konwencjonalnymi sposobami takimi Jak odlewnie z gęstwy itp, przy zastosowaniu cząstek, włókien, proszków itd, które mogą zawierać dodatek odpowiedniego spoiwa, by zapewnić nyS;rzs'm^łiść w stanie surowym· W takim przypadku meeal mιsieΓzysts m<oże być weriwdzaos we wnękę formy wstępnej w stanie roztopionym.

Otwory 3istki 46 są usytuowane zgodnie z wieloma perforacjami 50 w cylindrze 48, tak że pojemnik bar^erony 44 jest otwarty dls wchodzenia w niego otaczającej atmosfery. W^le wsporników kątownikowych 54 ze stali nierdzewnej umieszczonych jest w odstępach wokół obwodu zew^ę^nej powierzchni cylindra 48 i są one trzymane na miejscu przez pierścienie zaciskowe 56, które służą do strukturalnego mrasiOanis zestawu 42. Najniższy z pierścieni zaciskowych 56 jest częściowo wyrwany ns fig. 5, s pozostałe pierścienie zaciskowe 56 na fig. 5 i pokazane na fig. 5A są przedstawione w przekroju. Podstawa 58 zamyka dni pojemnika barierowego 44. Bryła zbiornikowa 60 meealu rascerzystego jest umieszczona w złożu 62 obojętnego rateriału, który jest usytuowany W’Wl0tΓz górnej części pojemnika barierowego 44 i jest oddzielony od złoża pierwszego wpełniacza 52 płytą 64. Złoże 62 obojętnego imterisłu może zawierać złoże obojętnego miterisłu cząstkowego, który nie będzie wspierał wzrostu polaiΓystslicznego produktu reakcji utleniania w niego w w runkach procesu

Płyta 64 rai centralny otwór, tby umooiiwić przechodzenie górnej części bryły 66 meealu raacerzystego, która jest umieszczona w złożu pierwszego wpełniacza 52. W przedstawionym przykładzie lmrkoiąnis bryła 66 metalu rascerzystego ma podłużny kształt cylindryczny i posiada psrę dyskowych występów 66a, 66b w miejscach usytuowanych w odstępie wzdłużnym na niej. Bryła 66 meealu rascerzystego przebiega zatem jako rdzeń z metalu rascerzystego wewnntrz i w styku ze złożem pierwszego wpeenisiza 52. Jedną lub więcej domieszek, by ułatwić reakcję utleniania meealu rascerzystego, [można wprowadzić stopniowo w bryłę metalu rasieΓzssttgi 66 i bryłę zbiornika 60 meealu mscerzystego i/lub można je doprowadzać z zewnątrz do bryły 66 m^lu Imaierzsstegi i/lub doprowadzać do lub umieszczać w pierwszym ws?eeniaizu 52, przynajmniej w sąsi^ztwie bryły mejlu msierzsstegi 66.

Po ogrzaniu zestawu 42 w obecności utleniacza do zakresu temperatury powyżej temperatury topnienia meealu ^msίerzy6tegi tle poniżej teo;p^Γatιurs topnienia produktu reakcji

156 828 utleniania powstającego z niego i utrzymywniu temperatury w tym zakresie z zestawem 42 wystawionym na środowisko utleniające, takie jak powietrze, produkt reakcji utleniania będzie powstawać na powierzchni międzyfazowej pomiędzy bryłą 66 roztopionego maCerzystego a złożem pierwszego wypełniacza 52. Utleniacz może być stały, ciekły lub gazowy, albo też możliwa jest kommiracja tych stanów. Przykładowo powietrze można stosować w połączeniu z utlenaaczem stayym zawartym w piewwszym wypełniaczu /np. krzemionka zmieszana z wT^eeniaczem z tlenku glinowego/ i roztopiony m1^1 maacerzysty będzie ulegać utlenianiu po styku z oboma utleniaczami. Roztopiony metal macerzysty z bryły meealu macerzystego 66 uzupełniany w miarę potrzeby z bryły zbiornika 60 meealu mcćerzystego jest ułamywany w styku z rosnącym produktem reakcji utleniania, który styka się z tlenem lub innym gazem utleniającym przechodzącym przez perforacj4 50 w cylindrze 48, a następnie przez siatkę 46 i poprzez złoże pierwszego wypełniacza 52 do styku z frontem wzrostu produktu reakcji utleniania. Otaczająca atmosfera utleniająca Jest uzupełniana lub zastępowana przez powietrze cyrkulacyjne w piecu, w którym zestaw 42 Jest umieszczony, np. przez zapewnenie w piecu wentylacji odpowiedniej dla wchodzenia powietrza. W trakcie trwania reakcji utleniania produkt reakcji utleniania nadal powitaje w złożu pierwszego wypalacza 52 na powierzchni między fazowej pomiędzy utlenaazzem a poprzednio wtworzonym produktem reakcji utleniania i reakcja jest kontynuowana do objęcia przynajmniej części złoża pierwszego wypełniacza 52 w produkcie reakcji utleniania.

Jeżeli jest to potrzebne, reakcja może być zakończona, kiedy rosnący produkt reakcji utleniania wzrośnie w przybliżeniu do wymiarów zaznaczonych linią przerywaną 68 na fig. 5. Chociaż linia przerywana 68 jest narysowana na fig. 5 z większą lub miejszą dokładnością geometryczną, należy zauważyć, że jeśli reakcja utleniania zat^mnia się po utworzeniu odpowiedniej grubości wrstwy polikΓystalCzinego produktu reakcji utleniania wywarzanego z bryły 66 meealu macerzystego, kształt zewnętrzny bryły ceramicznej może być nieco nieregularny, ale nie będzie to ujemnie w>ływać na stosowanie uzyskiwanego członu ceramicznego w charakterze nieprzepuszczalnej formy dla tworzenia kompozytu z osnową meealiczną. Wnnti^ze rosnącej ceramiki będzie odwrotnie odwzorowywać kształt bryły 66 metalu macerzystego. Alternatywnie, maeriał bariery zawierający gips mdeearski i węglan wynia lub zbudowany z maeriału takiego Jak maeriał siatki 46 może być ukształtowany tak, aby utworzyć wydrążoną wnękę zasadniczo o kształcie zaznaczonym linią przerwaną 68 w celu zatrzymania lub ograniczenia wzrostu produktu reakcji utleniania, by otrzymać skorupę z maeriału ceramicznego odwrotnie odwzorowującą kształt wet,'iiętznej powierzchni członu barierowego, do którego ona wzrasta. W ten sposób kształt geomeeryczny zew^ę^nej powierzchni uzyskiwanego członu skorupowego z kompozytu ceramicznego można ściśle kontrolować, co czyni tę skorupę z kompozytu ceramicznego użyteczną jako trwały element strukturalny złączony z bryłą z kompozytu z osnową mit liczną. W przykładzie realizacji z fig. 5 kształt geometryczny ztiilitrziθj powierzchni hodownej ceramiki jest kontrolowany przez kształt wnętrza siatki 46.

Jeżeli ceramiczną siatkę kompozytową stosuje się po prostu jako formę, z której odbierana będzie bryła z koipozytu z osnową meealiczną, skorupa ta jest normalnie wykonywana tylko jako tak gruba jak to jest konieczne, by miała wysarczającą wtrzymłość strukturalną i była nieprzepuszczalna dla zastosowania w tym procesie. Po zakrzepnięciu 1 ochłodzeniu bryły z kompozytu z osnową iiealiczią formę tę kruszy się i oddziela od bryły z kompzytu z osnową metaliczią» Przykładowo, po zakrzepnięciu roztopionego maeriału, ale kiedy zestaw jest jeszcze w podwyższonej temperaturze poniżej temperatury topnienia metalicznego alurniniim, np. 300 - 500°C, bryłę z kompozytu z osnową meealiczną otoczoną formą można schłodzić przez zanurzenie jej w ciekłym chłodziwie takim Jak woda, tak że szok termiczny spowoduje popękanie cienkiej formy skorupowej otaczającej bryłę z kzmρezytu z osnową metaliczną. Alternatywnie formę można pokruszyć środkami iitChlnicziz·ii. Powierzchnie wynikowego kom^^^złytu z osnową metaliczną zasadniczo odwrotnie odwzorowują wew^ęT^zny kształt geometryczny formy. Ponadto może być pożądane unikanie spojenia pomiędzy bryłą kompozytu z

156 828 osnową metaliczną a skorupą, aby ułatwić usuwanie skorupy z bryły kompozytowej.

Kiedy skorupa lub bryła z kompozytu ceramicznego, albo Jej część służy jako element strukturalny końcowego produktu, skorupa ta Jest złączona lub spojona z kompozytem z osnową meealiczną. Ceramicznemu elementowi mże być nadany kształt iwyragany przez żądane zastosowanie końcowe. Przykładowo w przykładzie realizacji pokazanym na fig. 5 i 5A reakcja utleniania może być kontynuowa ra do objęcia całego złoża pierwszego wypełniacza 52 w rosnącym polikrystalicznmm produkcie reakcji utleniania, tak że bariera 44 służy do zatrzymania lub unltmoOllwitzia wzrostu produkcji reakcji utleniania, przez co określa się zewnętrzny kształt geonetryizny produktu korcowego jako kołowy cylinder. Jeżeli barierę stanowi siatka lub rnaaeriał perforowany, wówzas zewnętrzna powierzchnia Ϋeynikowtgo cylindra ceramicznego będzie szorstka lub teksturowana. Powierzchnię zewnętrzną cylindra można obrabiać skrawaniem, sd-ioować, polerować itp. Alternatywnie bariera 44 może mieć stosurkoowo gładką poweerzchnię, przez co uzyskuje się gładką powierzchnię ^w^trzną bryły kompozytzwej. Przykładowo, zawiesinę gipsu moeeai^iskiego, korzystnie w mieszaninie z węglanem wapnia lub krzemianem wapnia, można nakładać na granicę złoża 52 i umooliwić utwardzenie. Warstwa gipsu uniemożliwia przerastanie o^ollkrystalizznegz produktu reakcji utleniania, a po zakończeniu procesu barierę łatwo usuwa się np. przez piaskownie, zdrapywanie itp. przez co uzyskuje się kompozyt o stosunkowo gładkiej poweerzchni. W każdym przypadku skorupa ceramiczna jest przewidziana do użytku struktuIIaZnegz i dla zapewnienia dobrego spojenia z kompozytem z osnową meealiczną, tak aby powsała integralna struktura.

Jeżeli bryła 66 meealu maierzystego jest odpowiednio uzupełniana z bryły zbiornika 60 podczas reakcji utleniania, wnęęrze uzyskiwanej tulejowej bryły ceramicznej będzie 'wypełzizze rdzeniem z meealu racieΓcystegz. Ten meeal raccerzysty można usunąć w stanie jeszcze roztoponym przez zwykłe spuszczenie lub zlanie z wyiż-kowej tulei ceramicznej. Jeżeli rdzeń roztopionego meealu IMlciercystego pozostawi się do zakrzepnięcia lub jeśli pozostaną jakieś resztki metalu i zakrzepną, w^i^w^s przynajmniej żądaną ilość pozostałego meealu można usunąć z wynikowi tulei ceramicznej przez obróbkę skrawaniem i/lub przez trawienie kwasem, np. roztworem kwasu solnego w przypadku aluminiowego metalu maci^irzystego, pozostawając ceramiczną tuleję z wydrążonym rdzeniem, która odwOinie odwzorowuje kształt bryły 66 metalu waierzystegz. Wydrążony rdzeń można potem stosować jako wnękę formy, w której umieszcza się drugi w/dołniciz i doprowadza się do styku z roztopżonym aluminium lub ragnezem, by powstał kompozyt z osnową metaliczną.

Fig. 6 i 8 przedstawiają scheratycznie przygotowanie nieprzepuszczalnej formy z kompozytu ceramicznego w/korninej sposobem, który obejmuje użycie usuwlnej bryły γκ^Ιο^^ Nc fig. 6 pokazano naczynie ogniotrwałe 70, np. z tlerku glinowego, które zawiera złoże dostosowującego się do kształtu pierwszego ^ρβΙ^Ι^Μ 72, w którym umieszczona jest usuwalna bryła ικάβ^ 74, aby utworzyć w złożu 72 na powierzchni międzyfccowej pomiędzy pierwszymi wypełniaczem a usuwalną bryłą mdelową 74 ukształoowaną ściankę wr^ki złoża 72. Kształt geometryczny ścianki wnęki jest przystający do kształtu zew^^nej powierzchni usuwlnej bryły εożelowej 74, to znaczy jest jej odwrotnym odwzorowaniem. Usuw Ina bryła modelowa 74, która może byó wykonana z dowolnego odpowiedniego maeriału lotnego lub palnego, zc część środkową 76, która jest zasadniczo cylindryczna oraz część środkową 78, która jest osiowo krótsza, ale ma większą średnicę ziż część śrotkuowa 76. Odpowi«tenia bariera 80, która może zawierać siatkę ze stali nierdzewnej lub perforowany cylinder staZowd, określa zewnętrzne granice ieramiicnej bryły kżmpożzy:owet, która m być utworzona. Bariera 80 alternatywnie może zawierać człon z gipsu mZetarskiego i siarczanu wapnia, który typowo może być ztcdmf¾wand przez założenie zawiesiny tego maeriału za podłoże lub raaeriał taki jak tektura i pozostawienie do utwardzenia zawiesiny. W każdym przypadku konstrukcja bariery 80 jest taka, że będzie ona uniemożliwiać wzrost produktu reakcji utlenia zia i określać przez to granicę produktu.

156 828

Jak pokazano na fig. 7 roztopiony metal mcierzysty 82 można wiewać z odpowiedniego naczynia 84 bezpośrednio na usuwalną bryłę modelową 74. Roztopiony meeal mderzysty powoduje 'wy^ai-owani-e pianki polisyyeenowej lub innego lotnego maeriału usuwlnej bryły modelowej 74 i odparowany maeriał wychodzi z zestawu albo przez złoże pierwszego wypełniacza 72, albo do góry przez ten sam obszar, w którym dodawany jest roztopiony meeal maierzysty, albo też przez oddzielny otwór wentylacyjny /nie pokazano/, który może byó wykonany. Gdy roztopiony metal maierzysty zastąpi już całą usuwalną bryłę modelową 74, zestaw ogrzewa się do lub utrzymuje się w temperaturze wzrostu powyżej temperatury topnienia meealu mcierzystego, ale poniżej temperatury topnienia produktu reakcji utleniania. Utleniacz w fazie pary przenika przez przepuszczalne złoże wypełniacza 72 i styka się z roztopoornym metalem dla utlenienia go w celu utworzenia polikrystalCcznegd produktu reakcji utleniania jak opisano powyżej, który rośnie poprzez formę wstępną i do styku z maeriałem bariery 80. Jeśli trzeba, stały utleniacz lub ciekły utleniacz może byó zawity w złożu 72, albo w tej części złoża, która jest związana przez barierę 80. Roztopiony meeal reaguje z utleniaczem w złożu, przez co powstaje produkt reakcji utleniania. Można również stosować kombinację dwóch lub więcej utleniaczy, np. stosując zdolny do reakcji krzemian w złożu z prowadzeniem procesu w powśetrzu. Jeśli trzeba, roztopiony meeal macerzysty 82 można uzupełniać w celu utrzymania jego poziomu na wierzchu złoża wypeniacza 72.

Aby uniknąć zapadnięcia się lub odkształcenia ścianki wnęki, złoże wypełniacza 72 lub przynajmniej jego strefa wsporcza 86 otaczająca usuwilną bryłę modeldwą 74 jest saroóstnie scmodpajalnc przy lub powyżej temperatury samospaJania, która korzystnie leży blisko, ale poniżej temperatury reakcji utleniania. Tak więc, po ogrzaniu do swej temperatury samospajania pierwszy wypeniacz 72 lub jego strefa wsporcza 86 spieka się lub inaczej spaja i łączy się z rosnącym produktem reakcji utleniania w^yte^iOzajć^co by zapewnić odpowiednią wytrzymałość metl»niczną pierwszego wypeniacza otaczającego roztopiony meeal macerzysty podczas początkowych faz wzrostu produktu reakcji utleniania. Wynrznrałość mecłhaniczna samospajalnego wypełniacza znosi różnicę ciśnień i utrzymuje integralność strukturalną wnęki, aż pow5sanie wysadzająca grubość maeriału kompozytu ceramicznego.

Gdy produkt reakcji utleniania wzrośnie do granicy określonej przez barierę 80, resztkowy lub nieprzanegowany roztopiony meeal 82 można usunąć z ceramicznej formy kompozytowej 88 /fig. 8/ utworzonej w tym procesie. Ceramiczna forma kompozytowa 88 mi część szyjkową 90 i część podstawową 92 o średnicy większej niż część szyjkowa 90. Wnęka formy 94 jest określona w formie 38 i mi otwór 94a umodllsia jący dostęp do niej. Wnęka formy 94 odwrotnie odwzorowuje kształt geometryczny usuwlnej bryły modelosej 74.

ka fig. 9 pokazano inny przykład realizacji, w którym zestaw złożony z naczynia ogniotrwałego 96 ma wewnątrz przepuszczalne złoże obojętnego maeriału 98, w którym zanurzona jest bryła stałego metalu mderzystego 100 i forma wstępna 102 wykonana z pierwszego wypełniacza. Forma wstępna 102 jest wykonana jako spójny, ^sztabow-wany produkt o wytrzymałości w stanie surowym w/ysarczającej, by można nią było mnipulować i umieścić ją w złożu maeriału obojętnego 98. Z cząstek pierwszego wypełniacza można zatem utworzyć formę wstępną 102 przez zmieszanie odpowiedniego spoiwa z cząstkami pierwszego wypełniacza i uformowanie z nich formy wstępnej 102. Forma wstępna 102 może zawierać jeden lub kilka fragmentów. Przykładowo część dolna 102a formy- wstępnej 102 może mieć kształt kubkowy, tak że jej i^kształom/ana ścianka wnęki 104 określa wnękę 106 o żądanym kształcie geometrycznym. Część pokrywowa 102b formy wstępnej mi otwór 106a wykonany w niej nad częścią denną 102a. Forma wstępna 102 jest przepuszczalna dla wzrostu produktu reakcji utleniania w nią.

Zestaw pokazany na fig. 9 jest ogrzewany do temperatury wzrostu w zakresie powyżej temperatury topnienia meealu mcierznstegd 98, ale poniżej temperatury topnienia produktu reakcji utleniania otrnymynanegd z niego. Złoże 98 obojętnego maeriału nie będzie podtraymyrnać wzrostu produktu reakcji utleniania, ale produkt reakcji utleniania będzie przerastać przez i w formę wstępną 102 z pierwszego wyyeeniacza. Operację tę przeprowadza się przez czas wy156 828 starczający dla objęcia całej formy wstępnej 102 w ceramicznym produkcie reakcji utleniania, aby otrzymać ceramiczną formę kompozytową posiadającą wnękę formy 106 i otwór 106a zapewniający dostęp do niej. Może być również konieczne zastosowanie bariery 150 /jak omówiono powż^ej/ aby uniemożliwić wrost produktu reakcji utleniania.

Jak pokazano w podanych poniżej przykładach związanych zwłaszcza z metalami aluminiowymi, roztopione metalu aluminiowego spontanicznie infiltrują przepuszczalną msę drugiego wypełniacza zawaatą w nieprzepuszczalnej formie, kiedy msa ta jest izolowana od atmosfery oto czenia, to jest powietrza otoczenia. Ogólnie aluminium stosowane według wnralazku może zawierać różne pierwiastki stopowe, aby uzyskać żądane właściwości mechaniczne 1 fizyczne w bryle kompozytu z osnową meealiczną. Przykładowo dodatki miedzi mogą być zawarte w metalu al^i^mi^niwy^m, aby uzyskać osnowę, która może być obrabiana cieplnie w celu zwiększenia twardości i wyrzymaości.

Przykład I. Przygotowano przepuszczalne dla powweerza, cylindryczne bryły z komppzytu ceramicznego. W szczególności trzy przepuszczalne dla powietrza cylindryczne formy wstępne, każda o ^sokoóci 152 mm i o średnicy zewięęrznej 51 mm odlano najpierw z gęstwy stanowiącej mieszaninę 49,5% wagowych zielonego węglika krzemu o ziarnie 1000 pod nazwą handlową Carbolon F1000, 19,8% wago^ch zielonego wglika krzemu Ϊ100 GL oraz 30,'% Mj^ow^ch wody destylowanej, średnia wielkość cząstek Carbolon F1000 była około 4 yum, a 100 GL około 0,8 jim. Gęstwę przygotowano najpierw przez mielenie w młynie kulowym wglika 100 GL, z dodatkiem wody i niewielkiej ilości Darvan-7 oraz maej ilości alginianu amonowego przez godzinę. Ilość dodanego Dervan-7 była około 1,6 g na 1228 g widy a ilość użytego alginianu amonowego była około 4 g na 1228 g użytej wody. Po zmieleniu tej mieszaniny w młynie kulowym do mieszaniny dodano około połowy całości Carbolon F1000 i tę nową mieszaninę mielono następnie w młynie kulonym przez pół godziny. Następnie dodano resztę Carbolon F1000 i całą mieszaninę melono w młynie kulowym przez 24 h. Przy końcu tego okresu 24 h sprawdzono iwpółczynnik pH i lepkość i ustawiono te wielkości przez powolne dodawanie młych ilości Darvan-7 aż lepkość była około 200 - 500 CPS a współczynnik pH był koło 6-7. Kiedy to uzyskano, końcową mieszaninę mielono w młynie kulowym przez 48 h zanim zastooowano Ją jako gęstwę.

Cylindry odlane z gęstwy suszone przy 9O°C w piecu i następnie ^^pilano w powietrzu przy 1100°C przez 10 h, po czym chłodzono do temperatury otoczenia. Prędkość nagrzewania Wnooiła 200°C/h, natomiast prędkość chłodzenia była około 100°C/h. Po wypleniu i ochłodzeniu więęrze każdego cylindra powleczono proszkiem krzemowym o ziarnie 500. Zewnętrzną stronę cylindrycznych form wstępnych powleczono warstwą bariery zawierającą wagowo zawiesinę 35% gipsu moeelrskiego, 15% Minusil ziarno 500 i 50% wody. Przygotowane formy wstępne ogrzano następnie do 900°C w piecu oporowym i potem 450 g roztopionego stopu aluminium o temperaturze 900°C wlano w każdą formę. Stop aluminium zawierał normanlnie wagowo około 2,5 - 3,5% Zn, 3-4 % Cu, 7,5 - 9,5% Si, 0,8 - 1,% Fe, 0,2 - 0,% Mg i mksimse około 0,5% Mn, 0,i% Ni, 0,001% Be, 0,0% Ca oraz 0,35% Sn, a resztę stanow-ło aluminium.

Powietrze dyfundujące poprzez przepuszczalną barierę i formę wstępną utleniało roztopiony stop aluminium by utworzyć polikrystaliczny produkt reakcji utleniania. Ta reakcja utleniania była kontynuowana przez 100 h, a w tym czasie produkt reakcji utleniania roztopionego aluminium rósł i zasadniczo całkowicie infiltrował każdą cylindryczną foa^mę wstępną. Przy końcu okresu reakcji 100 h resztę roztopionego stopu spuszczono, by utworzyć wydrążone cylindry z Sóepooytu ceramicznego, które są nieprzepuszczalne dla otaczającej atmosfery. Cylindry te były zamknęte z jednego końca i otwarte z drugiego. Na<d! Jeszcze przy 900°C każdy cylinder z kómpoóytu ceramicznego napełniono częścoowo drugim wypełniaczem do głębokości poniżej jego wierzchu, tak aby zostawić w>lną przestrzeń 100 mm w każdym cylindrze nad złożem wypełniacza.

156 828

Trzy odpowiednie drugie wypalacze zastosowane w tych trzech cylindrach zawierały złoże 150 g cząstek zielonego wglika krzemu ziarno 24 /Crystolon 39/, złoże 200 g cząstek Alundum 38, ziarno 24, złoże 100 g piasku złożonego z dwUlenku krzemu, cząstki o Wielkości ziarna 100. Około sto milimetrów /lub około 220 g/ stopu aluminium o nomiralnej czystości 1100 w stanie roztopionym wlano na wierzch każdego złoża drugiego wypełniacza w cylindrach. Uzyskane w ^niku stojące bryły roztopionego aluminium wyeeniły winą przestrzeń w cylindrach nad złożami wypełniacza i szczelnie zamknęły jedyny otwór cylindrów przez proces infiltracji, uszczelniając przez to lub izolując złoża drugiego wypeniacza od powietrza otoczenia. Zestaw takie Λ^μπρ^^ w temperaturze 900°C i spontaniczna infiltracja roztopionego metalu aminiowego w złoża drugiego wypalacza rozpoczęła się prawie natychmiast i została zakończona w ciągu 20 minut. Po trzymaniu 5 h w 900°C grzanie przerwano i pozwolono zestawom na ochłodzenie do temperaturp otoczenia. Otrzymano bryły z kompozytu z osnową metaliczną zawierające stop aluminium obejmujący różne wypełniacze. Jednakże w systemie, gdzie zastosowano piasek jako drugi wypeniacz, cały daaltltntk krzemu z piasku przereagował z iofilruująpy^n aluminium, tworząc tlenek glinowy i metaliczny krzem. Metaliczny krzem uwolniony przez tę reakcję rozpuścił się w roztopóonm aluminium tworząc stop aluminium - krzem. Tak więc końcowa bryła z kompooytu z osnową meealiczną otrzymana przez tę reakcję zawierała stop aluminium - krzem obejmujący w3petniacz z tlenku glinowego. Proces infiltracji opisany pow^ej był prowadzony w otaczającej atmosferze powietrza bez zewnnęrznie przyłożonego podciśnienia, nacisku mectenόczoegi, czynników zwilżających lub stosowania innych sposobów ułatwiających infiltrację.

Przykład ten ilustruje więc tworzenie kompozytów z osnową meealiczną przez spontaniczną infiltrację roztopionego meealu w złoże ^^pei^iLacza zawierające zamknnęte powwetrze. Infiltracja była prowadzona w nieprzepuszczalnej formie lub pojemniku zawierająym drugi wypełniacz, przy czym ta nieprzepuszczalna forma lub pojemnik był hermetycznie szczelnie zamcniLęty w stosunku do atmosfery przez roztopiony metal.

Przykład II. 150 μ tygiel z porowtej glinki napełniono 300 g roztopionego stopu aluminium jako metalem macierzystym. Stop aluminium miał taki sam skład jak pierwszy stop aluminium ^sieniony w przykładzie I. Zestaw złożony z tygla i roztopionego stopu aluminium ogrzano w piecu oporowm przez 3 h przy 900°C w atmosferze oowietrzt, aby hodować polikrystaliczny produkt reakcji utleniania z roztopiionego aluminiowego metalu macerzystego w formę wstępną. Resztę roztopionego aluminiowego metalu MCierzpstegi zlano następnie z tygla i zaobserwowano, że powierzchnia wew^^^rzna tygla była infiltriwana przez poie-krystalćczny produkt reakcji utlenianiia do głębokości około 1-2 mm, przez co uzyskano nieprzepuszczalny dla powietrza tygiel ważony ceramiką. Należy zauważyć, że roztopiony aluminiowy metal mcieΓzpsty reagował zarówno z powietrzem jak i z samym tyglem podczas tej infiltracji. Jeszcze przy 900°C 130 g cząstek zielonego węglika krzemu o wielkości ziarna 24 /Crystolon 9/ umieszczono w 150 ml tyglu do głębokości poniżej wierzchu tygla, aby utworzyć złoże wypalacza z węglika krzemu z wolną przestrzenią około 60 ml w tyglu nad złożem. Około 130 g roztopionego aluminium 1100 /nominalna czystość/ nalano na wierzch złoża wpotni3cza z węglika krzemu, aby uszczelnić otwrtą górę tygla i odizolować złoże wypełniacza z węglika krzemu od powietrza otoczenia.

Napełniony tygiel ogrzano do 900°C w tym samym piecu oporowm utrpyiaoi w temperaturze 900°C przez 10 h. W tym czasie roztopiony Meal aluminiowy infiltioaał całe złoże wypalacza z wgUka krzemu. Następnie pozwolono zestawowi ochłodzić się wytarczająco, by meeal aluminiow zakrzepł. Nadal przy temperaturze około 500°C cały zestaw zanurzono w wodzie, na skutek czego tygiel gliniany popękał waz z cienką powloką ceramiczną uformowaną na aewaotrznej oiwierzchoi tygla. Otrzymano kiipoiyt z osnową mea^l-iczną zawierający stop aluminium 1100 obejmujący cząstki węglika krzemu, a powierzchnia zewnętrzna kompozytu odwrotnie odazor'iwwiłt kształt geometryczny wnntrza oryginalnego tygla glinianego.

156 828

W związku z tym stwierdzono, że porowaty materiał, taki jak gliniany tygiel, można stosować Jako formę, jeżeli uczyni się go nieprzepuszczalnym dla powietrza przez wzrost cienkiej warst^ry produktu reakcji utleniania w tygiel gliniany, przy czym produkt reakcji utleniania jest tworzony przez kierowane utlenianie metalu maCerzystego powietrzem. Uzykkana w wrnlku cienka wrstwa nieprzepuszczalnego dla powietrza maeriału z komjp>zytu ceramicznego czyni przepuszczalny tygiel gliniany nieprzepuszczalnym dla powietrza, przez co tygiel może służyć Jako nieprzepuszczalna osłona i forma dla imaeriału kompozytowego z osnową metaliczną.

Przykład III. Proces z przykładu TI po^órzono diwikrotnle stosując dwa różne sto py aluminium i ten sam typ drugiego maeriału wpełniacza. W pierwszym przypadku stop alu minium, który nomiralnie zawierał wagowo około 2,5 - 3,5% Zn, 3-4% Cu, 7,5 - 9,5% Si,

0,8 - 1,5% Fe, 0,2 - 0,j% Mg, i miksimum około 0,5% Mn, 0,5% Ni, 0,(01% Be, 0,0% Ca i 0,35% Sn, a resztę aluminium, zastosowano z drugim wpełniaczem zawierającym cząstki tlenku glinowego 38 Alundum ziarno 90. Wytwwrzony został kompozyt z osnową metaliczną zawierający stop aluminium, który obejmuje cząstki tlerku glinowego. W drugim przypadku użyto stop aluminium nominalnej czystości 1100 z drugim wypełniaczem 38 Alundum ziarno 90. Rówież tu powstał kompozyt z osnową metaliczną zawierający stop aluminium obejmujący cząstki tlenku glinowego. Przykład ten pokazuje, że można stosować m^eria^ wypełniacza z tlenku glinowego o miejszej wielkości ziarna niż użyto w przykładzie II, a nadal otrzyma się kompozyty z osnową meealiczną wdług przedmiotowego ^ynlazku. Ponadto przykład ten wslkzuje, że można stosować ten raatrisł wypełniacza z tlenku glinowego o mniejszym ziarnie ze stopem aluminium 1100 i nadal otrzymuje się kompozyty z osnową meealiczną ^dług przedmiotowego ^ulazku.

Przykład IV. Proces opisany w przykładzie I powtórzono z drugim ^ynełniaczem z cząstek zielonego wgłika krzemu ziarno 100. Zas^oc^nym infiltuujątm stopem aluminium był stop aluminium 1100 z dodatkiem około 1% wgowego litu. W ciągu 5 min od chwili wlania roztopionego stopu aluminium na wierzch złoża powwtał kompozyt z osnową liczną zawierający stop aluminium obejmujący cząstki wglika krzemu.

Proces według tego przykładu powtórzono z drugim wypełniaczem złożonym z zielonego wglika krzemu ziarno 220. Tu również w ciągu 5 min. od chwili talania roztopionego stopu aluminium na złoże powiał kompozyt z osnową met^JLiczną zawierający stop aluminium obejm^^^ący cząstki wgłika krzemu.

Przykład ten pokazuje, że można tworzyć kompozyty z osnową mealiczną według przedmiotowego wyrnlazku z drugiego wyeeniacza o różnych wielkościach ziarna, kiedy jako meeal infiltrujący stosuje się stop aluminium 1100 zawierający około 1% wagowy litu.

Przykład V. Celem eksperymentów opisanych poniżej było stwierdzenie, czy powleczenie cząstek wyyełniacza związkiem zawierającym sód ułatwi powstawanie kompozytu z osnową meealiczną. Proces opisany w przykładzie I powtórzono z tym ^y^tkJ^i^o, że użyto cząstki wypełniacza z zielonego węglika krzemu ziarno 220 z powłoką NajO. Powłokę tę utworzono przez zanurzenie cząstek wąglika krzemu w roztworze wodozotlenku sodu na 3-4 h. Na skutek tego na cząstkach tych powiała powłoka z woZozotltiku sodu, która po wyjęciu z roztworu i ^suszeniu w piecu przemieniła się w powłokę NagO. Te powleczone cząstki zmielono w moodzierzu, by usunąć bryłki pow^ałe po suszeniu. Kiedy powleczone cząstki węglika krzemu miały znowu postać cząstkową, zostały rastępnie użyte jako maeriał wy^en^cza w procesie opisanym w przykładzie I. Zastosowany infiltuujący stop aluminium był nomii-alnie złożony wagowo z 2,5 - 3,5% Zn, 3-4% Cu, 7,5 - 9,5% Si, 0,8 - 1,5% Fe, 0,2 - 0,3% Mg i maksimum około 0,5% Mn, 0,5% Ni, 0,001% Be, 0,01% Ca i 0,35% Sn, a resztę stanowiło aluminium. Utworzony został kompozyt z osnową meealiczną zawierający stop aluminium obejmujący powleczone cząstki węglika krzemu.

Eksperyment opisany powyżej powtórzono z niepowleczonymi cząstkami zielonego wgłika krzemu, ziarno 220. Stop aluminium nie infi^ltoował w złoże cząstek węglika krzemu, a zatem nie po^^sał kompozyt z osnową meealiczną. Przykład ten pokazuje, że można użyć powłok

156 828

Μ^β?0 na cząstkach wyyełniacza dla wspomamia infiltracji stopu aluminium w nawet drobniejsze cząstki, stosując proces według wyrnlazku.

Przykład VI. Proces opisany w przykładzie I przeprowadzono z drugim wOpeniaczem zawierającym węglik krzemu o ziarnie 54 i ze stopem osnowy ze stopu aluminium 1100 z dodatkiem około 5% mgnezu. V ciągu 5 min. od chwili wlania roztopionego stopu aluminium na wierzch złoża powitał kompozyt z osnową metaliczną zawierający stop aluminium obejmujący cząstki węgika krzemu. Procedurę opisaną po^yej powtórzono stosując jako raterlał wypełniacza cząstki węglika krzemu o ziarnie 90. Znowu w ciągu 5 min. od chwili wlania roztopionego stopu aluminium na wierzch złoża powwtał komjpzyt z osnową meealiczną zawierający stop aluminium obejmujący cząstki węęgika krzemu.

Przykład VII. Proces opisany w przykładzie I poWórzono przy trzech niższych temperaturach infiltracji, próbując określić wpływ temperatury na czas infiltracji. Procesy infiltracji prowadzono przy 800°C, 750°C i 700°C, a odpowiednie czasy infiltracji wznosły 10 min, 40 min i 90 min. Przykład ten pokazie, że czas potrzebny dla całkowitej infiltracji roztopionego meealu w złoże wT?^elniacza zwiększa się, gdy temperatura procesu maeje.

Przykład VIII. Proces opisany w przykładzie I powtórzono 2 wpełniaczem z zielonego węglika krzemu o ziarnie 90. Mateiał ten był znacznie bardziej drobnoziarnisty niż maeriał wypalacza z wglika krzemu o ziarnie 24 użyty w przykładzie II. W ciągu 5 min. od chwili wlania roztopionego stopu aluminium na wierzch złoża wypełniacza powitał kompozyt z osnową meealiczną zawierający stop aluminium 1100 obejmujący cząstki wglika krzemu. Powierzchnia zewnętrzna kompooytu odwrotnie odwzorowywła kształt geometryczny wnętrza piewotnego tygla glinianego. Przykład ten ilustruje, że można stosować maeriał wypełniacza o miejszych ziarnach z aluminium o nomirnlnej czystości 1100 i nadal otrzynywać kompozyty z osnową mtaliczną według przedmiotowego wynlazku.

Przykład IX. Dla celów porównawczych w tym przykładzie powerza się warunki sposobu według przedmiotowego wmalazku z tym wjątkiem, że nie zapewnia hermetycznej izolacji złoża wpeeniacza umieszczonego w formie wstępnej. ·

A. Około 100 g cząstek zielonego węglika krzemu o ziarnie 24 /Crystolon 59/, jak w przykładzie II, umieszczono w przepuszczanymi dla powietrza tyglu gliniano - graftoiwm do głębokości poniżej wierzchu tygla, aby utworzyć w nim złoże wypełniacza z wolną przestrzenią około 90 ml w tyglu nad złożem. Około 190 g pierwszego stopu aluminium opisanego w przykładzie I umieszczono n3 wierzchu złoża w)yotniaci.a z węglika krzemu, zestaw taki umieszczono w piecu oporow-zm i ogrzewano w powietrzu do 900°C przez 15 h, by roztopić aluminium. Zas^oc^no wyztaΓCitjąco dużo stopu aluminium by utrzymać stojącą bryłę roztopionego metalu aluminiowego na wierzchu złoża wypalacza, przez co szczelnie zaml-kinęto wierzch tygla, tak że wpoeniaci był szczelnie zamk^ęty w stosunku do powietrza otoczenia przez roztopiony stop aluminium tylko na wierzchu tygla. Po 15 h w temperaturze 900°C zestawowi umożliwiono ochłodzenie w celu zakrzepnięcia stopu aluminium. Po wZ^o^u zawrtości z tygla zaobserwowano, że zasadniczo nie nastąpiła infiltracja roztopionego metalu w złoże wypełniacza z wglika krzemu.

B. Eksperyment z punktu A powtórzono z tym, że użyto jako wyyoenitci 50 g cząstek wypalonego węglika krzemu o ziarnie 500 /Crystol^on 59/, które umieszczone były w 100 ml cylindrze ze irtkrysaalżzrwanego tlenku glinowego, który był przepuszczalny dla powietrza poprzez pęknięcie w dnie cylindra. Zestaw taki nagrzano do 900°C w piecu oporowym i następnie około 150 g roztopionego aluminium n.oπιiinιliej czystości 1100 w^ano na złoże wmełniacza, by przykryć je stojącą bryłą roztopionego aluminium i zamknąć przez to szczelnie otwarty wierzch tygla. Tygiel tzzymano w piecu przez 5 h przy 900°C z roztoponzym metalem aluminiowym uszcielniająyym otwór, a potem cząstki wglika krzemu i roztopione aluminium wyrnieszano ttaZrwyffi prętem. Węglik krzemu nie był infiltoiwny lub zwilżany przez roztopiony meeal aluminiowy mimo mieszania.

156 828

C. Eksperyment z punktu B powtórzono w przepuszczalnym dla powietrza tyglu glinianografitowym typu opisanego w punkcie A, przy czyn jego powierzchnie wewwntrzne były powleczone przepuszczalnym dla powietrza siarczmen wapnia, aby uniemożliwić wzrost produktu reakcji utleniania roztopionego aluminium z powietrzem w ścianki tygla jak opisano w przykładzie 2. Otrzymano takie same wyniki Jak w punkcie B, to znaczy osnowa ^^pełniacza z węglika krzemu nie była infittrwwna lub zwilżana przez roztopiony metal aluminiowy.

D. Eksperyment z punktu B powtórzono z tym, ie po fazie styku trwającej 5 h do roztopionego aluminium dodano stopowo 1,!% w^t^^e^go ragnezu. Uzyskany w wmiku stop aliminium - magnez mógł potem pozostawać w styku z wypełniaczem przez dodatkowe 3 h przy 900°C. Obserwcje nie wdrażały zasadniczo infiltracji lub zwilżania wypełniacza z węglika krzemu roztopimym metalem.

E. Eksperyment z punktu B powtórzono, z tym że jako wreeniacz zastoiowalo 50 g cząstek zielonego węglika krzemu o ziarnie 24 /Crystolon 39/.

Zamiast ragnezu 2 - % wagowe krzemu wprowadzono stopowo do roztopionego aluminium po początkowej fazie styku trwającej 5 h. Uzyskanemu roztopiionemu stopowi aluminium - krzem umożliwiono pozostanie w styku z wypełniaczem przez dodatkowe 3 h przy 900°C. Obserwacje wykazały zasadniczo brak zwilżania lub infiltracji wypełniacza z węglika krzemu roztopilnym metalem.

Przykład X. Przykład ten przedstawia sposób ^^i^wa^j^sinia włków krzywkowych posiadających skorupy z kompeiyC;u z osnową ceramiczną z rdzeniami z kompozytu z osnową meealiczną. Najpierw przygotowano formy wstępne skorupy wilków krzywkowych przez wlanie gęstwy w formę wałka krzywkowego wykonaną z gipsu m>ietlr3kIego. Gęstwa użyta w tym przykładzie miała taki sam skład jak opisana w przykładzie I i była przygotowana takim samym sposobem, średnia wielkość cząstek 100 GL była około 0,8 yum, a Carbolon F1000 - 4 yum. Formy wstępne wałka krzywkowego odlane z gęstwy suszono przy 90°C przez minimln' czas 4 h, najczęściej 20 h. Formy wstępne wykonane tym spposobem miały grubość około 5 mm a ich ciężar wahał się w zakresie 380 - 480 g zależnie od ich grubości. Te formy wstępne były zamnnąte przy jednym końcu i otwrte przy drugim końcu, przy czym otwarty koniec miał kształt lejka.

Po zakończeniu fazy suszenia formy wstępne wałka krzywkowego umieszczono zamkniętą stroną do góry w piecu i ^plano przez 5 - 20 h przy 1025 - 1100°C. Najczęściej stosowana temperatura vwφelania w^Γylii·łj 1O25°C przez 20 h. Tempetrturt w piecu zawierającym formy' wstępne podnoszono od temperatury otoczenia do temperatury ww^>ejanij przez 5 h, a chłodzono od temperatury ww⁾el^lij do temperatury otoczenia przez 5 h przy końcu tego procesu.

Podczas tego 'wyplania ciężar każdej formy wstępnej wałka krzywkowego zwiększył się w przybliżeniu o 11%. Rozszerzenie Urnowe i średnicowe każdej formy wstępnej podczas wypalania było około 3% a wzrost grubości był około 8%. Po wcejeniu całą powierzchnię wewnętrzną każdej formy wstępnej pokryto zawiesiną zawierającą mesaU^czny krzem /ziarno 500/. Grubość powłoki zmieniała się dla poszczególnych wałków krzywkowych od braku powłoki w ogóle do maksy na.anej grubości około 2,54 mm. Grubość powłoki zmieniano, aby określić jaka jest optymalna grubość powłoki w warunkach równomiernego wzrostu i prędkości wzrostu. Stwierdzono, że optymalna grubość powłoki 0,13 mm - 0,25 mm. Po pokryciu wnętrza formy wstępnej zawiesiną meielicznego krzemu formy te w^uszono i następnie powleczono po stronie zeonltrzlej zawiesiną zawierającą 35% wagowych gipsu moietarsSitgi, 15% SiOg, ziarno 500 i 50% wody destylowanej. Tę drugą powłokę suszono w piecu przy 90°C przez około 2 h, a .n^sttelit formy wstępne umieszczono w piecu i ogrzewano od temperatury otoczenia do 900°C przez 5 h. Kiedy temperatura pieca osiągnęła 900°C, formy wstępne trzymano w tej temperaturze przez pewien czas zanim roztopione aluminium wrlano w każdą formę. Czas pomiędzy chwilą osiągnięcia przez piec temperatury 900°C a dodaniem roztopionego stopu aluminium w sposób zamierzony zmieniano dla poszczególnych form wstępnych. Do niektórych form wstępnych roztopiony stop aluminium dodano prawie natychmiast po osiągnięciu przez piec temperatury

156 828

900°C, natomiast w innych stop dodano później. Maksymlny czas upływający od osiągnięcia przez piec temperatury 900°C do dodania ciekłego stopu aluminium wnoośł 4 h.

Ilość roztopionego stopu aluminium dodana do każdej formy wstępnej wyncisiła 330 g. Ten stop aluminium miał taki sam skład jak pierwszy stop aluminium opisany w przykładzie 1. Roztopiony stop aluminium wprowadzono w formy wstępne przez wterar^i.e go w lejkowato otwarty koniec formy wstępnej, podczas gdy forma znajdowała się w piecu o temperaturze 900°C. Lejkowy kształt otwartego końca ułatwiał w.ewnl.e roztopionego meealu w formy wstępne oraz tworzył zbiornik dla roztopionego metalu. Ponieważ powietrze przechodziło przez przepuszczalne ścianki form wstępnych, roztopiony stop aluminium był utleniony. Rosnący produkt reakcji utleniania roztopionego stopu aluminium infiltoował w ścianki każdej formy. Podczas trwania wzrostu zużyty stop aluminiowy jest uzupełniany roztopSonym stopem aluminium 1100 o temperaturze 900°C. Proces wzrostu prowadzono przez 100 - 150 h. Chociaż większość wzrostu miała miejsce w ciągu pierwszych 30 h, dodatkowy czas reakcji dawał bardziej jednolity wrrób jeśli chodzi o fazę wzrostu.

Kiedy dokonała się całkowicie infiltracja produktu reakcji utleniania w ścianki każdej formy wstępnej tworzącej skorupę wałka krzywkowego z kompozyntu ceramicznego, roztopiony stop aluminium wlano z tych skorup, gdy miały one jeszcze temperaturę 900°C. Skorupy wałków krzywkowych z kom^c^^l^yłu ceramicznego /nadal o temperaturze 900°C/ napełniono następnie zieoonym SiC, ziarno 24, jako drugim wyeeniaczem i zamklęto stopem osnowy metl^jLcznej przy 900°C. Użyto pewną liczbę stopów na osnowę met^J-iczną. Były to stop aluminium 1100, pierwszy stop aluminium opisany w przykładzie I, stop aluminium 1100 z dodatkiem około 0,25-% Li, stop aluminium 1100 z dodatkiem 0,5 - 5% Mi, stop aluminium zawierający pierwszy stop aluminium opisany w przykładzie I z dodatkiem około 0,25 - 3% Li oraz pierwszy stop aluminium opisany w przykładzie I z dodatkiem około 0,5 - 5% Mg. Kiedy złoże SiC w każdej formie zamtrnęto stopem osnowy, infiltracja stopu osnowy w złoże następowała prawie natychmiast i była zakończona w ciągu 20 min. W tym czasie 20 min do każdej formy wstępnej podano w miarę potrzeb dodatkowy stop osnowy, tak że każde złoże było zawsze przykryte stopem osnowy. Po zakończeniu okresu infiltracji wałki krzywkowe ochłodzono do temperatury otoczenia przez 12 - 15 h, oczyszczono, pocięto i oszliOoiaoo. Uzyskane włki krzywkowe czyszczono przez piaskowanie i cięto na odpowiednią długość stosując ściernicę diamentową do przecinania. Szlifowianie powierzchni cylindrycznych prowadzono stosując ściernice diamentowe spojone żywicą o ziarnie 100. Szlifowanie krzywek przeprowadzono stosując ściernice diamentowe spojone żywicą o ziarnie 220. Posuw wpoo!! około 0,5 - 0,8 mm dla cięcia i około 0,01 - 0,2 mm dla szlioowania.

Przykład X pokazuje, że urządzenie o skomplikowanym kształcie geometrycznym można przygotować tak, że mi ono skorupę kompozytową z osnową ceramiczną i rdzeń kompozytowy z osnową met^I-iczną. Najpierw przez infiltrację ukształtoowanej formy wstępnej złożonej z pierwszego mteriału wpełniacza przygotowuje się skorupę kompozytową z osnową ceramiczną z produktu reakcji utleniania stopu aluminium z powietrzem. Następnie rdzeń kompozytowy z osnową met^lliczną przygotowuje się przez spontaniczną infiltrację roztopionego aluminium w hermetycznie zairknnęte złoże drugiego wpetniacza zawierającego zam^ęte powwetrze, przy czym ten drugi wyyciułacz usytuowany jest w wydrążonym wnętrzu skorupy komposy^Γtswej z osnową ceramiczną. Procedura ta daje w wyniku produkt końcowy posiadający połączone właściwości kompozytu z osnową ceramiczną i kompozytu z osnową meealeczną.

Sposoby według wrnlazku nadają się do stosowania z wieloma drugimi wpetniaczami, zwłaszcza ceramicznymi, a wybór drugiego wpetnitczt będzie zależeć od takich czynników jak zastosowany meeal aluminiowy lub magnezowy, użyte wrunkl procesu, typ i wielkość drugiego wypełniacza oraz właściwości ztm.^I’zoot dla końcowego produktu z rsmposytu z osnową meeaUczną. Korzystnie drugi wypeniacz, to jest czynnik ^^^nraanói^.jący dla rsmpesytu z osnową meealinzoą, nie reaguje z rsztopSonym metalem tlumInSiwm lub iragnezowym w warunkach procesu. Odpowiednimi, ’nnteritłarai drugiego wpetnitnzt są przykładowo /a/ tlenki, r.p. tlenek

156 828 glinowy, m^ą^nezow/, tytanowy, cyrkonowy, i hafnowy; /b/ węgliki, np. -wąglik krzemu i węglik tytanu; /c/ borki, np. dwuborek tytanu, dwunaatoborek glinu i /d/ azotki, np. azotek glinu, azotek krzemu i azotek cyrkonu. Jeżeli drugi matriał wypeniacza ma tendencję do reagowania z roztopionym aluminium lub mgnezem, przy czym zjawisko to można złagodzić przez zimie, szenie do minimum czasu infiltracji i temperatury lub przez zastosowanie nie reagującego pokrycia na wyypłniaczu. Drugi mit^rl^ni wypełniacza może stanowić mteriał, taki jak wgie· lub inny maeriał nieceramiczny, z ceramiczną powłoką dla ochrony podłoża przed atakiem lub degradacją. ^MteΓit3aii ceramicznymi, które są szczególnie dobrze dostosowane do sposobu według wyrnlazku, są tlenek glinowy i węglik krzemu w postaci cząstek, płatków, wiskerów i włókien. Włókna mogą być nieciągłe, takie jak pasma wielowłóknóste. Ponadto drugi wypełniacz może stanowić albo Jednorodną, albo niejednorodną rasę lub formę wstępną.

Węggik krzemu ma tendencję do reagowania z czystym riztopίonym aluminium by wytworzyć węglik aluminium i Jeśli węglik krzemu zastosuje się jako drugi wypełniacz, pożądane jest uniemożliwienie lub zminimalizowanie tej reakcji, poniiważ węglik aluminium jest podatny na działanie wilgoci, co potencjalnie osłabia bryłę kompozytową z osnową metaliczną.

W konsekwencji, aby zimnejszyć do minimum lub uniemożliwić tę reakcję, wglik krzemu można wypalać w powwetrzu, by postała na nim reakcyjna powłoka krzemionkowa, albo też aluminium można stapiać z krzemem, lub też można stosować oba te sposoby razem. W każdym przypadku w wyniku uzyskuje się zwiększenie zawartości krzemu w stopie, by wyeliminować powstawanie wąglika aluminium. Podobne sposoby można użyć, by uniemożliwić niepożądane reakcje z innymi drugimi maoriałem! wypeniacza.

Wielkość i kształt drugiego wypełniacza mogą być dowolne pożądane dla uzyskania potrzebnych właściwości w produkcie lub bryle z kompozytu z osnową meealiczną. Drugi w^oełrtacz może więc być w postaci cząstek, wiskerów, płatków lub włókien, ponieważ infiltracja drugiego wypełniacza roztop^nym aluminium nie jest ograniczona przez kształt drugiego wypełniacza. Można stosować inne kształty, takie jak kulki, rurki, pastylki, tkanina z włókien ogniotrwałych ltp. Ponadto wielkość rasy drugiego wypeniacza nie ogranicza infiltracji, chociaż mogą być potrzebne w^sze temperatury lub dłuższy czas dla zakończenia infiltracji rasy mnejszych cząstek niż w przypadku cząstek większych. Drugi wypeeniacz może mieć albo swą gęstość nasypową, albo też może być um^rkownie zagęszczony.

W porównaniu z konwetOjOrnlną technologią kompozytów z osnową meealiczną przymiotowy wyrnltzek. pozwala na uniknięcie konieczności stosowania atmosfer gazu specjalnego i wysokich ciśnień, wrogich temperatur, przyT^Cii^onego z zewnątrz podciśnienia lub nacisku mechanicznego, by wtłoczyć roztopione aluminium lub magnez w drugi wypeniacz. Wyroa^zek um^żliwia operowanie w atmosferach powwetrza otoczenia i wyważanie kompozytów z osnową z meaaljconegi aluminium lub kompozytów z osnową z metaliczntgi aluminium lub kompozytów z osnową z metalijzntgi ragnezu z wieloma różnymi drugimi wPPtniajzami, w pewnym zakresie obciążenia drugim wypeniaczem i przy imiłej poro^^ści.

Przykład XI. Przykład ten przedstawia wriant procesu dla wytwarzania ukształtowanej części z osnową metaliczną. W tym przypadku model piankowy o wymiarach 10 cm x 5 cm x 2,5 cm powleczono zawiesiną Leecote przez zanurzenie mOelu w naczyniu zawierającym tę zawiesinę. Model ten następnie wyciągnięto z cienką powłoką z Leecote przywierającą do Jego zewnętrznej pdweerzchni. MoOdl, jeszcze lepki, natryśnięto 38 Alundum nr 90 /ziarno/, który przywr! do powłoki z Leecote. Mociel z powłoką z Leecote w^uszono i proces powlekania zanurzeniowego Leecote i natryskiwania Alundum nr 90 powtórzono kilka razy, aby otrrm)tć powłokę z Leecote i 38 Alundum nr ziarna 90 o grubości około 3 mm na mmcielu piankowm. Powleczony mociel rastępnie wysuszono i ogrzewano przez 4 h do około 900°C. Mociel piankowy ułatnia się podczas ogrzewania pozostawiając wnękę, która odwrotnie oe^^oroeUt zewnętrzny kształt mlelu piankowego.

Po zasadniczo całkowitym ulotnieniu się pianki roztopiony stop metalu ratjerzrstego zawierający wagowo około 2,5 - 3,5% Zn, 3 - % Cu, 7,5 - 9,!% Si, 0,8 - 1,!% Fe, 0,2-0,% Mg

156 828 i maksimum około 0,5% Mn, 0,5% Ni, 0,01% Se, 0,01 Ca i 0,035% Sn, przy czym resztę stanowiło aluminium, wlano w uzyskaną wnękę i poddano utlenianiu przez 24 h by otrzymać nieprzepuszczalną forraę dla ^karania bryły kompozytowej z osnową meetliczną. Resztę stopu meealu rrmaierzystego, to jest stop metalu mcćerzystego, który nie został przetworzony w produkt reakcji utleniania, spuszczono następnie z formy i formę napełniono około 166 g węglika krzemu, ziarno 24 i zaśnięto 100 g stopu aluminium, który nomiinlnie zawierał wagowo około 2,5-5,5% Zn, 3-4% On, 7,5-9,% Si, 0,8-1,% Fe, 0,2-0,3% Mg i mksimum około 0,% Mn, 0,% Ni, 0,d% Be, 0,01 Ca i 0,3% Sn, a resztę stanowiło aluminium. Infiltracja tego stopu w złoże dokoimła się po około 5 min, dając w wyniku kompozyt z osnową metaliczną w nieprzepuszczalnej formie. Formę i Jej zawartość ochłodzono poniżej 55O°C i następnie chłodzono w wodzie dla pokreszenia formy na skutek naprężeń cieplnych powodownych przez udar cieplny. Wynikowy ukształoowany kompozyt z osnową meealrizią miał zasadniczo taki sam kształt jak początkowy model piankowy. Przykład ten ilustruje zatem sposób wywarzania kompleksowo ukształOootinih części z osnową metaliczną. Oczekuje się, że zamiast modelu piankowego lub woskowego można będzie stosować również inne modele by uzyskać zasadniczo taki sam wynik.

Przykład XII. PoNwórzono przykład XI z tym w^ntkiem, że użytym materia eem wypełniacza był Alundum 38 nr 500, pojemnikiem był spawany cylinder ze stali nierdzewnej 305 /5 x 5 x 10 cm/, a stop osnowy zawierał iomirnliit 12,!% Si, 6% Mg, 5% Zn, a resztę stanowiło Al.

W tym przypadku infiltracja zaszła po około 2 h, po czym metal ochłodzono. Zaobseiwowano, że Alundum było infiltrowane przez stop aluminium.