Керамический материал и способ его получения

 

Изобретение относится к способам модифицирования металлического компонента керамического тела. Цель обеспечение возможности изменения свойств материала и обеспечение гибкости модифицирования. Способ получения керамических тел, имеющие модифицированный металлосодержащий компонент, включает образование керамического тела, содержащего поликристаллический продукт реакции окисления, образующийся при окислении расплавленного исходного вещества основного металла, и взаимосвязанный металлосодержащий компонент, по крайней мере частично выходящий на одну или несколько поверхностей указанного керамического тела. Поверхность или поверхности керамического тела контактируют с инородным металлом, отличающимся от указанного взаимосвязанного металлосодержащего компонента, при температуре и времени, достаточных для обеспечения взаимной диффузии, вследствие чего по крайней мере часть указанного металлосодержащего компонента замещается упомянутым инородным металлом. Конечное керамическое тело, имеющее измененный металлосодержащий компонент,, проявляет модифицированные или улучшенные свойства 2 с. и 6 з.п. ф-лы, 1 табл., 2 ил. И (С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„Я2„„1676457 А3 (s )s С 22 С 1/02, 29/12, 1/05, С 04 В 35/71

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ 1О ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР, ясиИ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ !." " ми I l f) i)u

К ПАТЕНТУ (21) 4202941/02 (22) 20.07.87 (31) 896481 (32) 13.08.86 (33) US (46) 07.09.91. 6юл, М 33 (71) Ланксид Текнолоджи Компани Л,П. (US) (72) Марк С.Ньюкирк, Гарри P.Çâèêåð и Эндрю В.Юркухарт (US) (53) 669.018.95:621.762.8(088.8) (56) ЕР N . 155831, кл. С 04 В 35/71, 25.09.85. (54) КЕРАМИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ (57) Изобретение относится к способам модифицирования металлического компонента керамического тела. Цель — обеспечение возможности изменения свойств материала и обеспечение гибкости модифицирования, Способ получения керамических тел, имеющих. модифицированный металлосодержащий компонент, включает образование

Изобретение относится к способу модифицирования металлического компонента керамического тела и модифицированному иэделию, конкретнее к керамически- телам, образованным как продукт реакции окисления основного металла и имющим ь эимосвяэанный металлический компонент, модифицируемый на стадии последующего образования.

Целью изобретения является возможность изменения свойств материала и обеспечение гибкости модифицирования.

Изобретение касается способа замены значительного количества взаимосвязанного металлического компонента, который керамического тела, содержащего поликристаллический продукт реакции окисления, образующийся при окислении расплавленного исходного вещества основного металла, и взаимосвязанный металлосодержащий компонент, по крайней мере частично выходящий на одну или несколько поверхностей укаэанного керамического тела. Поверхность или поверхности керамического тела контактируют с инородным металлом, отличающимся от указанного взаимосвязанного металлосодержащего компонента, и ри температуре и времени, достато;ных для обеспечения взаимной диффузии, вследствие чего по крайней мере часть указанного металлосодержащего компонента замещается упомянутым инородным металлом. Конечное керамическое тело, имеющее измененный металлосодержащий компонент, проявляет модифицированные или улучшенные свойства. 2 с. и 6 з.п. ф-лы, 1 табл., 2 ил. вводится в керамическое тело во время его формирования, другим (инородным) металлом на последующей стадии изготовления.

Инородный металл подбирается с тем, что, бы изменить свойства первоначально образованного керамического тела для его конечного использования по назначению, Согласно предлагаемому способу керамическое тело образуется посредством реакции окисления исходного вещества при помощи окислителя, например, основного металла.

Керамическое тело имеет взаимосвязанный металлсодержащий компонент, который распределен в части керамического тела в одном или более измерениях и, по

1676457 крайней мере, частично открыт или доступен с наружной поверхности тела. Керамическое тело контактирует на этой поверхности с количеством инородного металла иэ постороннего источника, который отличается по составу от взаимосвязанно о металлического компонента и который может с ним йэаимно диффундировать.

Происходит взаимная диффузия двух металлов (т.е. диффузия, направленная наружу металлсодержащего компонента первоначально в керамическом теле и внутрь инородного металла), Предпочтительно один или оба металла расплавлены для упрощения взаимной диффузии металла. Объем инородного металла, площадь контакта с инородным металлом, температурные интервалы и время контакта керамического тела с инородным меTBJl/lorn подбираются так, чтобы обеспечить требуемую степень взаимной диффузии обоих металлов. Значительная часть металлсодержащего компонента первоначально в керамическом теле по крайней мере частично замещается одной или несколькими составляющими инородного металла, которые затем становятся неотъемлемой частью керамического тела.

Вследствие этого содержание металла в керамическом теле, а значит, и некоторые его свойства изменяются.

Керамический материал представляет собой поликристаллический продукт реакции окисления, состоящий из взаимосвязанных кристаллитов продукта реакции, образующихся в результате окисления расплавленного основного металла окислитслем и взаимосвязанного металлсодержэщего компонента, по крайней мере частично выходящей на поверхность (или поверхности) керамического тела. По меньшей мере, часть этого металлического компонента замещается некоторым количеством инородного rneTaRlla, отличающегося по составу (т,е. по компонентам и/или пропорциям) от первоначально образованного взаимосвязанного h1eталлического компонента, вследствие чего изменяется одно илМ несколько свойств керамического тела, первоначально образованного в результате реакции окисления металла окислителем.

Под термином "керамический" подразумевается не только керамическое тело в классическом понимании, т,е. состоящее исключительно иэ неметаллических и неорганических материалов, rro в большей; тепени, этот термин относится к телам, ко орые являются керамическими по составу,1ли основным свойствам, хотя они содержат небольшое или значительное количестве одного или нескольких металлических ком10

55 понентов (взаимосвязанных и изолированных),попученных из основного металла или иэ окислителя присадочного материала или наполнителя, причем большая их часть находится в пределах 1 — 40 от объема, но может включать еще больше металла.

Термин "Продукт реакции окисления" в основном подразумевает один или более металлов в любом окисленном состоянии, при котором металл отдает или делит электроны с другим элементом, соединением или их сочетанием, Таким образом, термин

"Продукт реакции окисления" включает продукт реакции одного или нескольких металлов с окислителем.

Термин "Окислитель означает один или несколько соответствующих акцепторов ипи разделителей электронов и при условиях процесса он может быть твердым телом, жидкостью, газом (паром} или их со. четанием (например, твердое тело и газ), "Металл" при использовании в терминах "основной металл" ипи "инородный металл" относится к сравнительно чистым металлам, промышленным металлам с примесями и/или легирующими компонентами и сплавом и интерметаллическим соединениями металлов. Korea упоминают конкретный металл, то он должен быть описан в таком определении, если не указан, иным способом в контексте, Например, когда алюминий — основной металл, то им может быть сравнительно чистый металл (например, алюминий чистотой 99,7%), ипи алюминий марки 1100, имеющий номинальное количество примесей около 1 мас, в виде кремния и жепеээ, ипи алюминиевый сплав, например, марки 5052.

На фиг,1 показано керами еское тело, обработанное в соответствии с предлагаемым способом; нэ фиг.2 — сосуд.

Керамическое тело, име1ощее вэаимоСВЯЭа Н НЫй МЕтЭЛЛИЧЕСКИй КОл1ПОНЕНт, ХОТЯ бы частично выходящий нэ внешн1ою поверхность (или поверхности), приводят в соприкосновение с инородным металлом, вbзыBàÿ Kîнцентрационный градиент.

Обычно керамическое тело и инородный металл нагревают до температуры выше пика плавления связанного металла в керамическом теле или в инородном металле,или в обоих. Взаимная диффузия между металлическим компонентом и инородным металлом происходит из-эа перепада в концентрации. Значительное количество металлического компонента замещается инорсдным металлом, который становится неотьемлемой частью конечного керамического тела, в результате изменяются свойства керамического тела. Кроме алюминия, 1676457 как основного металла, могут быть пригодны кремний, титан, олово, цирконий и гафний.

Сначала изготавливается керамическое тело 1. Основной металл, например алюминий, в который могут добавляться присадки, приготовляют в качестве источника продукта реакции окисления. Основной металл плавят в емкости с соответствующей температурой в окислительной среде или в непосредственной близости от нее. При этой температуре или в интервале указанных температур жидкий металл вступает в реакцию с окислителем для образования поликристаллического продукта реакции окисления По меньшей мере часть продукта реакции окисления поддерж -а тся в контакте и между расплавленным ме.аллом и окислителем для вытягивания жидкого металла через продукт реакции окисления и в контакте с окислителем так, что продукт реакции окисления продолжает образовываться на поверхности раздела между окислителем и ранее обоазованным ïðoдуктом реакции окисления. Реакция про должается в течение временного интервала. достаточного для образования поликристаллического керами <еского тела состоящего в основном из проу,укта 2 реакции окисления и взаимосвязанного металлического компонента 3, распределенного в части или во всем поликристаллическом материале. Этот металлический компонент, образующийся на месте в процессе формирования поликристаллического поодукта реакции окисления по крайней мере частично выходит хотя бы на одну поверхность керамического тела, например на поверхность 4. Поликристаллический материал может содержать некоторый изолированный металл, а также раковины и порис1ость (не показаны), которые могут заполняться связанным металлическим компонентом, но обьемный процент металла (взаимосвязанного и изолированного) и пустот зависит главным образом от таких условий как температура, время, присадочные материалы и т и основного металла.

Керамическое тело в дальнейшг л контактирует с одной 11ли несколькими 1оверхностями 4, с вторым, или инорь ным металлом 5, полученным из внешнего источника, причем оно может быть помещено в соответствующий сосуд или тигель 6, где происходит взаимная диффузия (фиг.2).

Взаимная диффузия между металлическим компонентом исходного керамического тела, образующим.;я в процессе формирования поликристаллического продукта реакции окисл н я и мсталлом из внешнего источника,мо к ..; роисходить в следующих

55 состояниях металлов: твердое тело — твердое тело, твердое тело — жидкость, жидкость— твердое тело или жидкость - жидкость. Состояние жидкость — жидкость предпочтительнее, так как такая система обеспечивает благоприятно измененный конечный продукт за более короткий отрезок времени.

Даже в случае взаимной диффузии в состоянии твердое тело — твердое тело может происходить перенос в жидкой фазе, если температура взаимной диффузии выше нижней точки плавления соединенных металлов, как например, я случае эвтектоидной системы. Инородный металл, который может быть относительно чистым металлом, сплавом или интерметаллическим соединением, подбирается так, чтобы изменить состав взаимосвязанного металлического компонента, вследствие чего изменяются свойства конечного керамического изделия.

Обычно изменяемые свойства следующие: вязкость при разрушении, твердость, износостойкость, электропроводность. теплопроводность или химическая стабильность (т.е. корроэионная стойкость, стойкость к окислению и т.д.). Специальное применение, для которого предназначается керамическое изделие, определяет, какие свойства необходимо изменить или улучшить путем подбора особого инородного глеталла.

Выбор второго или инородного металла зависит, в основном, от желаемых конечных свойств, а также от ряда других факторов, таких, как температура. время, растворимость и т.д., что обьясняется более подробно ниже, Подходящие инородные металлы для замещения взаимосвязанного r.Iåràëëà (включая сплавы и интерметаллиды) могут включать. например, никель, серебро, железо, титан, медь, уран, хром, кобальт, ванадий, к ремний, молибден, вольфрам, германий, олово, магний, иттрий, цирконий, гафний, ниобий, марганец, платину, палладий, золото, цинк, алюминий, свинец и их сплавы и интерметаллические соединения, включая нержавеющие стали, углеродистые стали и сплавы спецназначения, такие как

Inconels, Hastelloys. Waspalloys, Mouels u

Stel! тз.

О и ы т 1. Керамическое тело 1 погружают в ванну жидкого инородного металла 5, находящегося в тигле 6. Где зто i-,åoáxoäëмо, керамическое тело может быть частично погружено в ванну жидкого иноуоднога металла для того, чтобы ограничить глубину замещения металла в керамическом rene, особенно если надо ограничить такое замещение только поверхностью. Например. если инородный металл вводится в керамическое изделие, чтобы улучшить его

1676457 коррозийную стойкость или твердость может быть достаточно модифицировать только поверхность (поверхности), Объем инородного металла 5 обычно больше, чем объем выходящего на поверхность взаимосвязанного металлического компонента, первоначально образованного в керамическом теле 1,. Таким образом, макси лальное или оптимальное замещение металлического компонента инородным металлом легче достижимо, т.е. лучше иметь достаточное количество инородного металла с тем, чтобы после достижения равновесия полная . концентрация первоначального металлического компонента была значительно меньше, чем концентрация инородного металла, вследствие чего достигается более полное замещение исходного металлического компонента инородным металлом. Объем инородного металла обычно в 5--50 раз больше, чем объем взаимосвязанного металлического компонента, или по крайней мере, <ас«< взаимосвязанного металлического ко лпонента, который должен замещаться, но может бы rb и больше. Такое различие в объемах зависит от таких факторов, как желаемыЙ процент замещения, .-ребуемая глубина проникновения в керамическое изделие. Наприглер, в керамическом иэделии из а= AlzOB образованном при окислении основного ме1алла алюминия на воздухе и имеющем значительное количество алюминийсодержащего компонента, замещают никелем, причем предпочтительно иметь, по крайней мере, 20-кратный объем инородного петалла никеля, чтобы заместить 95% от объема исходного взаимосвязанного алюминийсодержащего компонента, вследствие чего улучшаются вязкость и корроэионная стойкость конечного керамического изделия, При необходимости можно использовать меньшее количество инородного металла в процессе, если ну>кно заместить меньше металлического:.Olëïoнента, т.е. специально оставить в керамичесКоМ иэделии значительное количество исходного металлического компонента. Такой вариант может быть желателе -;, например, когда формируют сплавы между инородным металлом и исходным металлическим компонентом и эти сплавы должны иметь свойства, отличные или превосходящие свойства исходного компонента и инородного металла.

Другим фактором, определяющим замещение в связи с соотношением объемов, является растворимость или смешиваемость. Взаимная диффузия или замещение

5Г; одно|о металла другим возрастает с увеличением растворимости или смешиваемости.

Величину или степень взаимной диффузии можно регулировать по времени контактирования керамического тела с инородным металлом. Время контакта может быть QTHoсительно коротким в тех случаях, когда замещение происходит только на поверхности керамического тела, т.е, металлический компонент на поверхности керамического тела должен быть замещен инород IEIM металлом, а оставшаяся или внутренняя часть керамического тел;I по существу не изменяется.

Те лпера1ура, как и время, используется

ДЛЯ Реl Ули РОванив л у t>I1Hbl и скоРОсти юзаимноьл диффузии. I l;i!Ipимер, температуру гложно поддеp>I IIBBT t ниже точки плавления одного или обоих меl аллОв,для Tого, чтобы обеспе IvlBaib Bзаимную диффузию в состояниях твердое тело — тверд0(тело или ТВердое тело — жидкость, обе из которых прогекаютоб I IIIurne;IIIOI4ee, !em взаимная диффузия жидкость-жидкость. Более низкую температуру правильнее IicriorlbBOBB TI и ри замещении на ooBepxIIocTI1 кера лического тела, чем по всему телу. Кроме того, температуру можно выбирлгь для изменения (понижения или попь шения) вязкости и/или смешиваемости мегаплов, вследствие чего изгленяется скорость взаимнои диффузии.

Температуру можно использовать для образования специальных сплавов и интерме1аллических соединений B конечном продукте, I;IvI1rn образом, температура и время, при которых происходит процесс, зависят от нескольких факторов, таких как состав металлического компоненпга в кера лическом теле B исходtlor" состоянии, состав инородного мегапла, желаемая с1епень и глубина взаимной диффузии, Предпочтительно B бол,loin!4cTBe случаев испольэовать темпеРа1 г>У выше точки плавпениЯ, по крайней мере, одного из ме аллов, а еще лучше, обоих металлов. Кроме того, более высокая температура может быпгь использована для пОBышенl1я скороciи взаимной диффузии. В том случае, когда керамическое тело иэ а == Мр0з образовывается из основного алюминиевого металла и воздуха

anIolnln» IeB0ro компонента, а Никель используют в качестве инородного леталла, то предпочтительным .гемпературным пределом для взаи лной диффузии жидкость— жидкость является температура 1650 С, которая является Terni-:ер турoll плаВления или несколько выше ее для никеля, I:ar и ал10миния, и любых интерметэллических соединений, образующихся пр; процeoñå.

1676457

5

Кроме того, когда соотношение объемов никеля и металлического компонента равно примерно 20:1, то около 95ь металлического компонента может быть замещено никелем за 55-75 ч или менее в образце толщиной примерно 2,54 — 3,2 мм, имеющего взаимосвязанный металл. Однако эти условия соотношения объемов, времени и температуры взяты только для иллюстрации, и что условия процесса могут быть изменены.

Взаимную диффузию в состоянии твердое тело — жидкость можно проводить при температуре ниже точки плавления никеля, но выше точки плавления алюминия, но скорость взаимной диффузии будет меньше.

Процесс можно вести при повышенной температуре, но нижв точки плавлени:.; алюминия в состоянии твердое тело — твердое тело, которое может быть желательным для взаимной диффузии только на очень ограниченную глубину поверхности керамического тела.

Систему керамическое тело и/или инородный металл можно перемешивать или вибрировать, чтобы улучшить процесс взаимной диффузии. В частности, можно прилагать ультразвуковую энергию к тиглю или емкости, содержащей керамическое тело и инородный металл, для увеличения скорости взаимной диффузии. Тигель или керамическое тело можно встряхивать или перемешивать механически во время всего процесса или части его.

Используя взаимную диффузию в состоянии жидкость — жидкость, керамическое тело вынимают из тигля, когда инородный металл еще жидкий. Избыточному металлу дают стечь с поверхности керамического тела. Смачивания и/или капиллярного действия достаточно, чтобы удержать измененный металлический компонент в керамическом теле. Поверхности керамического тела можно очищать шлифовкой, травлением и т,д.

О п ы т 2, Композит получают с использованием массы наполнительного материала, помещенного смежно и в конт.-:кте с поверхностью основного металла, и процесс продолжается до тех пор, пока р "-кция окисления не проникнет в слой наполнителя до его границы, которая может быть определена соответствующей преградой. Масса наполнителя, которую предпочтительно формуют в виде брикета, является достаточно пористой или проницаемои для того., чтобы дать возможность окислителю, в случае газообразного окислителя, проникнуть в наполнитель и контакгировать с металлом и вмещать выращенный продукт реакции окис25

55 ления. Или окислитель может находиться внутри или содержать наполнитель. Наполнитель может включать любой соответствующий материал, например частицы, порошки, чешуйки, полые тела, сферы волокна, усы и т.д., которые обычно являются керамическими материалами. Металлический наполнитель может быть использован или в виде частиц или волокон металла, защищенных покрытием от взаимной диффузии синородным металлом,,или в том случае. если необходимо изменить свойства наполнителя взаимной диффузией с инородным металлом. Слой наполнителя может быть армирован прутками, пластинами или проволокой. Обычно в этих поликристаллических керамических конструкциях, включая керамические композиты, кристаллиты продуктов реакции окисления являются взаимосвязанными и металлический компонент, по меньшей мере, частично связан и имеет выход на внешнюю поверхность керамического тела.

Присадочные материалы, используемые вместе с основным металлом, могут в определенных случаях благоприятно влиять на процесс реакции окисления, особенно в системах, где в качестве основного металла используют алюминий. Функции присадочного материала могут зависеть от ряда факторов, а не от самого присадочного материала. Такие факторы включают, например, особую комбинацию присадок, при использовании двух или более присадок, применение помещенной снаружи присадки в комбинации с присадкой, легированной основным металлом, концентрацию присадки (присадок), окислительную среду и условия процесса.

Присадка или присадки, используемые вместе с основным металлом, могут быть использованы: как легирующие компоненты алюминиевого основного металла; помещены, по меньшей мере„на часть поверхности основного металла; нанесены или включены в часть или всего наполнителя, или брикета, или испольэовать их любую комбинацию, Например, легированная присадка может использоваться отдельно или вместе с второй присадкой, помещенной снаружи. Дополнительные присадки наносят на материал наполнителя, нанесение осуществляют любыми средствами.

Присадками, полезными дл>. алюминия как основного металла, особенно, если окислителем является воздух, являются магний, цинк и кремний отдельно и в сочетании друг с другом или с другими присадками.

Эти металлы могуг быть добаелень, как легирующие компоненты в основной и ета. л

1676457

12 на основе алюминия, причем концентрация каждого иэ них составляет 0.1 10 от общей массы легированного металла Эти присадочные металлы или их соответствующий источник (например, MgO, ZnO или SION) могут быть также использованы на основном металле. Керамическую конструкцию иэ окиси алюминия можно получить иэ сплава алюминия с кремнием как основного металла с использованием в качестве окислителя воздуха, применяя MgO как поверхностную присадку в количестве около 0.0008 r/ã окисляемого основного металла или свыше

0,003 г/см поверхности основного металг ла, на которую наносят MgO.

Дополнительные примеры присадочных материалов, являющихся эффективными с алюминиевыми основными металлами, окисляемыми на воздухе, являются натрий, германий, олово, свинец, литий, кальций, бор, фосфор, иттрий, которые могут быть использованы отдельно или в сочетании с другими присадками в зависимости от окислителя и условий процесса. Редкоземельные элементы, такие как церий, лантан, праэеодим, неодим и самарий, тоже полезны как присадки, и особенно, когда используются в сочетании с другими присадками.

Все присадочные материалы эффективно способствуют росту поликристаллического продукта реакции окисления для систем основного металла на основе алюминия.

Можно использовать твердые, жидкие или парообразные (газообразные) окислители или их сочетания. Например, типичные окислители включают без ограничений кислород, азот, галоген, серу, фосфор, мышьяк, углерод, бор, селен, теллур и их соединения, например, кремнезем (как источник кислорода), метан, этан, пропан, ацетилен, этилен, пропилен (как источник углерода), и смеси, такие как воздух, Нг/НгО и СО/СОг, причем две последние (Нг/НгО и СО/СОг) являются полезными в уменьшении активности кислорода в окислительной среде, Хотя можно применять любые соответствующие окислители, однако описано использование парообразных окислителей, Если газо- или парообразный окислитель, например воздух как окислитель, в первой фазе используют совместно с наполнителем, то последний должен быть проницаем для окислителя в первой фазе с тем, чтобы при выдержке слоя наполнителя в парообразном окислителе последний мог проникать через этот слой и контактировать (взаимодействовать) с ним с расплавленным основным металлом. Термин "Окислитель в паровой фазе" обозначает переведенное в пврообразное состояние или газообразное

55 состояние вещество, которое обеспечивает окислительную атмосферу. Например, кислород или газовые смеси, содержащие кислород (включая воздух), являются предпочтительными парообразными окислителями, как в примере. когда основным металлом является алюминий, цричем воздух обычно более предпочтителен из соображений экономии. Когда окислитель определен, как содержащий данный газ или пар, то имеется в виду окислитель, в котором определенный газ или пар — единственный, доминирующий или по меньшей мере значительный окислитель основного металла при условиях, существующих в применяемой окислительной атмосфере. Например, хотя основным компонентом воздуха является азот, то кислород. содержащийся в воздухе, единственный окислитель основного металла,. так как кислород значительно более сильный окислитель, нежели азот. Поэтому воздух, в качестве окислителя, подпадает под определение "Кислородсодержащий газ", а не под определение "Азотсодержащий газ" как окислитель. Примером последнего является формующий газ, который содержит около 96 об. азота и около

4 об. водорода.

Когда используют твердый окислитель, то он обычно распределен во всем слое наполнителя или его части, прилегающий к основному металлу, в форме частиц, перемешанных с наполнителем или возможно как покрытия на частицах наполнителя.

Можно испольэовать любой твердый окислитель, содержащий такие элементы, как бор или углерод, или соединения, способные восстанавливаться, например диоксид кремния, или некоторые бориды, имеющие более низкое значение термодинамического равновесия, чем продукт реакции борида основного металла. Например, когда в качестве твердого окислителя используют бор или способный восстанавливаться борид, то результирующим продуктом окисления является борид алюминия.

В некоторых случаях окисление твердым окислителем может протекать так быстро, что продукт реакции окисления расплавляется благодаря экзотермическому характеру процесса. Это может нарушить однородность микроструктуры керамического тела. Этой быстрой экзотермической реакции можно избежать, добавив относительно инертные наполнители, которые обладают низкой реакционной способностью. Такие наполнители поглощают образующееся в результате реакции тепло, сводя к миниму му влияние быстро выделяющегося тепла, Примером такого инертного наполнителя

13

1676457

14 коэффициент расширения, как слой или брикет наполнителя. Например, если наполнитель и конечный керамический материал содержат окись алюминия, то к ингибитору можно поимешать частицы окиси алюминия, размером около 10-1000 меш, но можно и мельче. Другие соответствующие ингибиторы содержат огнеупорную керамику или металлические оболочки, которые находят

0 по крайней мере на торце для того, чтобы обеспечить проникновение парообраэного окислителя через наполнитель и его контакт с жидким металлом.

Керамический материал готовят следу5 ющим образом.

Керамические тела, содержащие а =

А!20з и взаимосвязанный алюминий, приготовлены для каждого из пя ги примеров, приведенных ниже, окисляя на воздухе алюминиевый сплав 5052 (как основной металл) о бы ч но содержи; 2,5 ма с. O ма гн ия и

ni .оло 1 мас, остальных добавок). Присадка из двуокиси кремния(-140 грит), нанесена на верхнюю поверхность каждой заготовки, и каждая отливка помещена в слой огнеупорного порошка окиси алюминия (алунд

Е1 размером 90 грит) так, что выращенная поверхность устанавливалась на одном уровне с поверхностью слоя и непосредственно подвергалась воздействию воздуха, Условия процесса для каждой партии приведены в таблице.

Рентгенография с использованием энергии рассеивающей спектрометрии (EDS) для показа элементарного распределения фаз в конечных керамических телах, подтвердила наличие металлического алюминия. Способность алюминия связыва (ься показана измерения ли электропровод««ости. Тот же способ рентгенографии EDS применен на керамических телах в OI1t.lrax и 2 после изменения металлического компонента в каждом.

Пример 1. Никелевую заготовку массой 20,6 г по лещают нз поверхность керамического тела 1 (таблица) массой 7,63 г и размером 17,5х11,1х4,8 мм. Эту систему никеля и керамики затем заворачивают в никелевую фольгу (толщина 0,127 мм), Д нную систему нагревают до 1200 С и выдерживают 69,5 ч в атмосфере аргона, расход которого составляет 25 см /мин. Конечное з керамическое тело содержит металлический компонент, состоящий из Ni-А! фаз, содержащ х 33,0-48.3 мас. Ni, 51,2-66,4 sec./

А! и следы кремния.

Пример 2. Способ, описанныи в примере 1, с использованием керами«еского блока иэ второй серии массой 6,36 r u никелевого блока мзссой 5.9 г, Темп.-;p òóможет служигь соответствующий инертный наполнитель, который идентичен требуемому продукту реакции окисления.

Если используют жидкий окислитель, то весь слой наполнителя или его часть, приле- 5 гающук к основному металлу, пропитывают ок слителем. Например, наполнитель для его пропитывания могут наносить как покрытие или сплачивать, опустив в окислитель для пропитки наполнителя. Ссылка на жид- 1 кий окислитель означает тот окислитель, который вляется жидким в условиях реакции окислен "«, причем такой жидкий окислитель может иметь твердое исходное вещество, напри:лер соль, которая жидкая в 1 условиях реакции окисления. Либо хидким окислителем может быль жидкое исходное вещество, например раствор материа ia, который используioT длii пропи1ывания всего или части наполнителя и когорыи расплав- 20 ляется или Разлагается в условиях реакции окисления, чтобы обеспечить необходимую для процесса часть окислителя. Примеры жидких окислителей включают стекло с низкой температурои плавления. 25

В сочета1«ии с ««апол««ителем или брикетом могут исг«ользоваться ингибиторы для того, «тобы тормо:ить Рост или Развитие продук1ов окисле.1ия за барьерным cnoer«в том случае, когда в формировании кера ли- 30 ческого Tera у lacTBóroò парообразные окисли ели. Подходящим ингибитором может быль любой материал, соединение, элемент, смесь или т,п., которые при условиях процесса сохраняют свою целостность, не ис- 35 паряются и предпочтительно являются проницаемыми для парообразного окислителя, и в то же время способны в определенном месте тормозить, травить, замедлять, препятствовать, предотвращать и т.п, про- 40 должение роста продукта Реакции окислеПодходящи ли ингиби roparnv применения в случае с алюминие 1 в качестве основного металла является сульфат кальция (обожженный гипс). силикат каль- 45 ция, портландцемент и их смеси, которые обычно наносят в виде суспензии или пасты на поверхность материала наполнителя.

Эти ингибиторы могут содержать со .тветс вующие горючие или летучие иещес1в,;oто- 50 рые улетучиваются при нагреве или вещества, которые разлагаются при нагреве для того, ч1обы увеличить пористость и пnони««аомость иi" гибиторов. Ингибиторы могут содержать соответствующие огне- 55 упорные част. цы с L,eëüþ уменьшить воз можную усадку или растрескивание, которые, в г1роти:",ном случае могут и леть место во вре ля проц оса. Особенно важно, чтобы такая ««: ица имела почти такой же

1676457

16 рэ нагрева 1525"C и время выдержки 66,5 ч.

Рентгенографическим анализом определен состав металлического компонента.мас.%:

Ni 94,5; Al 5,5.

Пример 3. Керамический образец 3 массой 2,70 r (размеры 23,8х9,5х3,2 мм) помещают в керамическую лодочку и засыпают медным порошком чистотой 99,9%, массой 39,9 г. Блок иэ окиси алюминия массой 4,9 г помещают на поверхность порошка, чтобы предотвратить всплытие образца.

Систему выдерживают в течение 24 ч при

1250"С в атмосфере аогона, расход которого составляет 5-10 см /мин. Среднее содержание меди в металлическом компоненте конечного керамического продукта составляет около 41,2 мас.%, а алюминия — около

57,8 маc.%, остальное — следы кремния и магния, Пример 4. Керамический образец 4 массой 1,92 г (размеры 20,бх7,9х3,2 мм) помещают в закрытый контейнер иэ стали

1018 общей массой 19,55 r, нагревают до

1350 С и выдерживают 48,25 ч. Металлический компонент конечного керамического продукта содержит только около 66,1 мас.% алюминия и значительное количество железа и магния из стали 1018, показывая, что исходный металлический компонент был частично замещен инородным металлом.

Пример 5. Керамический образец 5 размером 12,7х2, 54х9,5 мм помещают в керамический тигель и засыпают очищенной дробью серебра массой 125 г (марка S-166 фирмы Fisher Scintlflc). Поперечина, закрепленная на кромках тигля, предотвращает всплытие образца. Систему нагревают до

1000 С в течение 16 ч. При анализе металлический компонент конечного продукта содержит около 97 мас.% серебра и около 3 мас.% алюминия.

Пример 6. Алюминиевый сплав, имеющий размер слитка приблизительно

8 х9 (203,2х228,6 мм) и 1/2 толщиной (12,7 мм), помещают в послойную укладку иэ частиц окиси алюминия размером 90, содержащихся в огнеупорной лодке из окиси алюминия размером 90, в целях формирования слоистого пакета. Одна поверхность алюминиевого слитка оставлена открытой.

Затем слоистый пакет, состоящий из огнеупорной лодочки и ее содержимого, помещают в нагретую печь сопротивления и нагревают до 1125 С выше 6 ч. Перед охлаждением до комнатной температуры печь поддерживают при 1125 С в течение 336 ч, Атмосферой печи является воздух. После охлаждения печи до комнатной температуры, слоистый пакет удаляют из печи и демонтируют в целях получения самонесущего керэ5

55 мического материала, содержащего матрицу из продукта окисления окиси алюминия, которая содержит диффундировавший в нее определенный остаток алюминиевого сплава, Полученное керамическое тело содержит около 1 мас,% алюминиевого сплава, Пример 7. Слиток алюминиевого сплава размером приблизительно 1 х2 (25,45х50,8 мм) и толщиной 1/2 (12,7 мм), содержащий около 10 мас.% кремния и около 3 мас.% магния, помещают в слой с частицами иэ окиси алюминия, размером 90, содержащихся в огнеупорной лодочке из окиси алюминия, в целях формирования слоистого пакета. Этот слоистый пакет, состоящий из огнеупорной лодки и ее содержимого, помещают в печь сопротивления и нагревают до 1125 С выше б ч. Перед охлаждением до комнатной температуры печь поддерживают приблизительно при 1125 С втечение 24 ч. После охлаждения до комнатной температуры слоистый пакет демонтируют в целях получения саманесущего керамического материала, содержащего матрицу из продукта окисления окиси алюминия. которая содержит диффундировавшее в нее определенное количество алюминиевого сплава. Керамический материал содержит около 34,4 мас.% алюминиевого сплава.

Формула изобретения

1. Керамический материал, содержащий поликристэллический продукт реакции окисления и металлический компонент, по крайней мере частично выходящий на поверхность материала, отличающийся тем, что, с целью обеспечения возможности изменения свойств и обеспечения гибкости модифицирования, он содержит 1-40% металлического компонента, по крайней мере часть которого модифицирована инородным металлом.

2. Материал, поп.1, отл ич а ю щи йс я тем. что он содержит наполнитель, 3. Способ получения керамического материала с металлическим компонентом, включающий нагрев металла, выбранного из группы алюминий, кремний, олово, титан, цирконий и гафний, до его расплавлений и взаимодействия его с окислителем, находящимся в газообразной фазе, формирование поликристаллического продукта реакции окисления, содержащего металлический компонент, по крайней мере частично выходящий на одну или несколько поверхностей керамическогоматериала,отличающий с я тем, что, с целью обеспечения возможности изменения свойств и обеспечения гибкости модифицирования, осуществляют контактирование поверхности керамиче1676457

Наружная присадка, г

Температура процесса, С

Время выдержки при заданной темпе ат ре, ч р заготови, мм

17 дней

154

4,9

192

168 ского материала с инородным металлом при температуре и в течение времени, достаточных для осуществя -HklA взаимной диффузии металлического компонента с и <.:родным металлом с последующим отде- 5 лением их друг от друга.

4. Способ по п3, отличающийся тем, что инородный металл выбран иэ группы никель, железо, серебро, титан, ванадий, медь, уран. кобальт, хром, молибден, 10 кремний, вольфрам, германий, олово, магний, иттрий, цирконий, графний, ниобий, марганец, платина, палладий, золото, цинк и их сплавы, интерметаллиды, смеси.

5, Способ по п.3, отличающийся 15 тем, что обьем инородного металла по крайбруска х50,8x12,7

8 брусков

228,6х50,8х12,7

8 брусков

203,2х228,6х6,35

1 брусок

58,8х228,6х12,7

3 бруска

228,6х203,2х12,7 ней мере в пять раа больше, чем объем замещаемого компонента, 6. Способпоп3, отличающийся тем, что контактирование осуществляют при дополнительном перемешивании керамического тела и инородного металла, 7. Способ по п,3. отличающийся тем, что температуру во время контактирования поддерживают выше точки плавления инородного металла, металлического компонента или их комбинации, 8. Способ по и 3, от л и ч а ю шийся тем, что окисление проводят в присутствии на пол н ител я.

1125 (нагрев 5ч, охлаждение 5ч)

1125 (нагрев бч, охлаждение 20ч)

1125 (нагрев 10ч, охлаждение15ч)

1050 (нагрев 6ч, охлаждение 20ч)

1125(нагрев 10ч, охлаждение 30ч

1б76457

Фиг.2

Соста вител ь С. Багрова

Редактор Н,Рогулич Техред М,Моргентал Корректор С.Черни

Заказ 3017 Тираж 3S9 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб.. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101