Способ получения изделий, содержащих композицию с металлической матрицей

 

Сущность изобретения: способ включает введение расплавленного алюминия в контакт с проницаемой массой основного наполнителя внутри керамической непроницаемой формы, полученной вращиванием поликристаллического продукта окислительной реакции в первый дополнительный наполнитель. Благодаря герметичному закупориванию основного наполнителя внутри формы посредством тела расплавленного алюминия последний самопроизвольно пропитывает массу этого наполнителя при умеренных температурах, например около 900°С, и при этом не требуется применения каких-либо других средств обеспечения пропитки. Расплавленную массу, содержащую пропитанный керамический наполнитель , отверждают и получают композицию с металлической матрицей, которая может, быть извлечена из формы. Отверждение может проводиться в условиях, обеспечения связывания, включающих поддерживание отверждающегося материала в непосредственном контакте с керамической формой, для получения композиции с металлической матрицей, связанной с формой или частью ее, выполняющей функцию конструктивного элемента. 14 з.п. ф-лы, 10 ил. С о

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕHTY ф

L" (21) 4613210/02 (22) 06;01.89 (31) 14285 (32) 11,01.88 (33) US (46) 23,02.93. Бюл. N. 7 (71) Ланксид Текнолод>ки Компани, ЛП (US) (72) PaTHGUJ Кумар Двиведи (IN) и Вирджил

Ирик, мл. {US) (56) Европейский патент

N 0193292, кл. С 04 В 35/65, 1986.

Патент США N 3364976, кл. 164 — 63, 1968. (54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ, СОДЕРЖАЩИХ КОМПОЗИЦИЮ С МЕТАЛЛИЧ Е СКОЙ МАТРИЦЕЙ (57) Сущность изобретения: способ включает введение расплавленного алюминия в контакт с проницаемой массой основного наполнителя внутри керамической непроницаемой формы, полученной вращиванием поликристаллического продукта окислис

Изобретение относится к способу формования композиции на основе металла в предварительно заготовленной керамической форме путем самопроизвольного насыщения помещенной в указанную форму проницаемой массы наполнителя расплавленным алюминием или магнием или их сплавами.

Целью изобретения является расшире ние технологических возможностей способа за счет расширения номенклатуры изделий и повышение эффективности.

На фиг. 1 схематическое иэображение поперечного сечения устройства в сборе, состоящего из тела расплавленного алюми„„5U „„1797603 АЗ (я )ю С 04 В 35/71, С 22 С 1/09, В 22 Р 3/26

2 тельной реакции в первый дополнительный наполнитель. Благодаря герметичному закупориванию основного наполнителя внутри формы посредством тела расплавленного алюминия последний самопроизвольно пропитывает массу этого наполнителя при умеренных температурах, например около

900 С, и при этом не требуется применения каких-либо других средств обеспечения пропитки. Расплавленную массу, содержащую пропитанный керамический наполнитель, отверждают и получают композицию с, металлической матрицей, которая может быть извлечена из формы. Отверждение может проводиться в условиях, обеспечения связывания, включающих поддерживание отверждающегося материала в непосредственном контакте с керамической формой, для получения композиции с металлической матрицей, связанной с формой или частью ее, выполняющей функцию конструктивного элемента. 14 з.п, ф-лы, 10 ил. ния и непроницаемой формы, внутри которой находится масса второго наполнителя, в проме>куточной стадии процесса самопроизвольной пропитки расплавленным алюминием, в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения; на фиг, 2 — вид, соответствующий виду на фиг. 1, показывающий конструкцию согласно одному варианту осуществления изобретения, содержащую композицию на основе металла, заключенную в керамический рукав или подложку и связанную с ним; на фиг, 3— поперечный разрез другого варианта выполнения устройства в сборе, состоящего из тела расплавленного алюминия и непрони1797603 цаемой керамической формы или оболочки, содержащей внутри себя второй наполнитель; на фиг, 4 — схематическое изображение вертикального поперечного разреза устройства для осуществления еще одного варианта изобретения путем погружения массы второго наполнителя в расплавленный алюминий с изоляцией наполнителя от окружающего воздуха; на фиг. 5 — схематическое изображение вертикального поперечного разреза устройства. состоящего из тела основного металла .и предварительно отформованной заготовки, для обеспечения возможности применения формы при отливке композиции на основе металла в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения; на фиг, 6 — схематическое изображение вертикального поперечного разреза устройства расширяемого фигурного тела, внедренного в массу первого наполнителя, используемоt o для создания композиционной керамической формы, в соответствии с еще одним вариантом осуществления настоящего изобретения; на фиг. 7 — вид, соответствующий виду на фиг, 6, показывающий более поздний этап в процессе использования устройства на фиг. 6 при создании композиционной керамической формы; на фиг. 8 — схематическое изображение поперечного разреза формы из композиционного материала с керамическим наполнителем, получаемая и ри использовании устройства, показанного на фиг; 6 и фиг. 7; на фиг, 9 — схематическое изображение поперечного разреза устройства из основного металла и предварительно отформованной заготовки с первым наполнителем, используемой для создания композиционной керамической формы в соответствии со следующим вариантом осуществления изобретения; на фиг. 10— фотография кулачкового вала, выполненная в соответствии с примером 10.

При осуществлении изобретения расплавленный алюминий или магний вводят s соприкосновение или подают к повЕрхности проницаемой массы наполнителя, например, массы керамических частиц, нитевидных кристаллов или волокна. Наполнитель вводят в контакт с расплавленным металлом в герметических условиях, при которых возможен захват воздуха, но, поскольку форма является по существу непроницаемой, воздух не пополняется по мере того, как он реагирует с расплавленным алюминием или магнием, Хотя в описании и говорится о воздухе, но понятно, что в качестве захваченной газовой среды могли бы использоваться любые газы, способные ре= агировать, по крайней мере, с одним компо-. нентом расплавленного металла. При указанных условиях расплавленный алюминий или магний самопроизвольно и последовательно заполняет поры массы наполнителя внутри формы, в результате чего получают композиционный продукт на основе металла, в котором наполнитель пропитан металлической основои. Композиционный продукт на основе металла принимает конфигурацию формы и может содержать при- .

10 мерно от 10 до 45% по объему наполнителя, а предпочтительнее — от 45 до 65%

Обычно при введении в форму наполнителя, захватывается воздух, который прони"5 кает в массу или внедряемый компонент, Кроме того, указанная масса обладает достаточной проницаемостью, чтобы быть заполненной расплавленным алюминием или магнием в условиях данно о процесса, Од0 нако, если воздух не пополняется внутри формы, то происходит самопроизвольное заполнение второго наполнителя расплавленным алюминием или магнием, даже если этот наполнитель нормально не смачивает25

30 ся расплавленным алюминием в присутствии воздуха. и при умеренных температурах расплавенного металла получают композиционный продукт на основе алюминия или магния, Пропитку осуществляют, не прибегая к использованию высоких температур, вакуума, механического давления, специальных газовых сред; смачивателей и т.п;, применяемых для проведенйя пропитки.

Процесс проводят по существу в условиях

35 воздухонепроницаемости, обеспечиваемой ируется в зависимости от.заданной совокупности условий процесса, например, .от легирующих элементов и содержания алюминия или магния; наличия по возможности применймых смачивающих веществ; разме50 ра, поверхностного состояния и вида используемого материала второго наполнителя; периода времени контактной пропиточной обработки и используемой температуры металла. Температура, которую поддерживают в контактирующем расплавленном алюминии или магнии, может колебаться в зависимости от применяемых сплавов металла и наполнителей. В случае применения расплавленного. алюминия самопроизвольное и йоследовательное пропитывание, как путем герметичного закрытия емкостей непроницаемой формы и всех ее отверстий или путем погружения формы, содержащей в себе массу наполнителя в тело расплав-.

40 ленного алюминия или магния для защиты или прикрытия второго наполнителя от окружающего воздуха.

Степень самопроизвольной пропитки и формирования металлической основы варь1797603 правило, происходит при рабочей температуре, по меньшей мере примерно 700 С, а предпочтительнее — при по меньшей мере

80Q0C ипи больше. в зависимости от условий, Нет необходимости использовать температуры, превышающие 1000 С, и установлено, что особенно выгодным является диапазон температур от 800 С до приблизительно

1000 С, а предпочтительнее от примерно

850 С до 950 С.

Способ, соответствующий настоящему изобретению, будучи независимым от применения прилагаемого извне механического давления для принудительного внедрения расплавленного металла в массу керамического материала, позволяет получать композиции с равномерно распределенным в них алюминием или магнием в качестве металлической основы, имеющие высокое объемное содержание наполнителя и обладающие малой пористостью. Объемное содержание наполнителя при некоторой совокупности условий может быть изменено или увеличено путем использования массы наполнителя с низкой степенью пористости, то есть, с малым междуузельным объемом. Но можно обеспечивать и большие содержания наполнителя,,если его массу уплотнять обычными техническими средствами до ввода его в соприкосновение с расплавленным металлом, при условии, что масса наполнителя не будет превращена ни в плотную массу с пористостью, при которой ячейки перекрыты, ни в структуру, столь плотную, что она не допускает заполнение пор расплавленным алюминием или магнием, Обнаружено, что для случая внедрения алюминия или магния и формирования основы при использовании данной системы

"металл-наполнитель" смачивание наполнителя расплавленным металлом или создание вакуума в закрытой емкости при реагировании расплавленного металла либо с кислородом, либо с азотом в закрытых окружающих условиях, составляют преимущественные механимы осуществления пропитки. Если воздух пополняется в системе и если процесс проводят при относительно низких температурах, например не более

1000 С, то наблюдается пренебрежимо малая или минимальная степень смачиваемости или пропитки наполнителя. Однако в случае применения расплавленного алюминия в результате герметичного закрытия наполнителя внутри формы и исключения тем самым возможности пополнения воздуха, то есть осуществления процесса внедрения в герметично закрытой емкости, пропитку осуществляют при температуре, не превышающих 1000ОС, а предпочтительнее—

В на фиг. 1. Стенки непроницаемой формы

25 12 состоят из керамического материала, созданного при применении одного или не30

55

950 С. Например, установлено, что во многих случаях удовлетворительной является температура порядка 900 С, поскольку она достаточно высока, чтобы обеспечивать пропитку в течение приемлемого периода времени, не вызывая нежелательного ухудшения свойств второго наполнителя и не оказывая агрессивного воздействия на жаропрочные сосуды, конструктивные компоненты и т,и.

На фиг. 1 показано устройство в сборе, обозначенное в целом позицией 10, состоящее из непроницаемой оболочки игл формы

12, имеющей цилиндрическую, рукавообразную конфигурацию с центральным цилиндрическим отверстием В, проходящим сквозь форму, и с выполненной в ней парой отстоящих одна от другой дискообразных камер "а" и "в", диаметр которых больше диаметра отверстия В. Нижняя часть отзерстия В (как показано на фиг. 1) закрыта днищем 14 формы 12, показанным пунктирной линией, изображающей профиль отверстия скольких известных способов, описанных ниже, Следовательно, непроницаемая форма 12 содержит керамический поликристаллический продукт окислительной реакции, включающий пригодный наполнитель, называемый в описании дополнительным наполнителем, например, глинозем, карбид кремния или любой другой пригодный керамический наполнитель или комбинации наполнителей. Дополнительный наполнитель может использоваться, например, в виде частиц, пузырьков, шарниров, нитевидных кристаллов, рубленного волокна, таблеток, волоконных матов и т,п. или их комбинаций.

Отверстие В и камеры "а" и "в" увеличенного диаметра заполняют наполнителем

22, который, как и дополнительный наполнитель, может представлять собой любой подходящий на полн ител ь и может иметь физическую форму частиц, шариков, нитевидных кристаллов, волокон, рубленного волокна, пузырьков, таблеток, волоконных матов и т.п. или сочетания этих форм. Помещение наполнителя вовнутрь отверстия В формы 12 может осуществляться без обеспечения специальной газовой среды, то есть, такое заполнение может проводиться при наличии воздуха так, чтобы воздух увлекался во внутрь наполнителя, содер>кащегося в отверстии В непроницаемой формы 12.

Сверху формы 12, как показано на фиг.

1, расположен огнеупорный резервуар 16 с кольцевым отверстием 18, выполненным в

1797603 его основании или днище, в котором уплотнительное кольцо 24 обеспечивает воздухонепроницаемое (т.е. по крайней мере металлонепроницаемое) уплотнение между резервуаром 16 и формой 12. Резервуар 16, расположенный над формой 12, затем за полняют расплавленным. алюминием. Или внутрь резервуара 16 может помещаться алюминий. в твердом состоянии, после чего устройства в сборе нагревают для расплавления алюминия в резервуаре 16, В данном описании конкретно указывается на приме.нение алюминия, однако следует иметь в виду, что также применим и магний. В любом случае тело расплавленного металла 20 закрывает единственное отверстие или вход в непроницаемую форму 12 от окружа ющего воздуха, в результате чего наполнитель 22 надежно и герметично изолирован от окружающего воздуха, и расплавленный металл вступает в контакт с верхним поверхностным слоем наполнителя 22 в отверстии

В. При указанных условиях расплавленный алюминий самопроизвольно проникает в наполнитель 22, перемещаясь сверху вниз через него. Устройство в сборе 10 при рабочем процессе может помещаться в нормальную воздушную среду, не допуская вредных влияний на процесс cBMonpoèçâoëüíoé пропитки.

На фиг, 1 показана промежуточная стадия процесса самопроизвольной пропитки, при которой расплавленный алюминий 20 пропитал приблизительно половину тела наполнителя 22, дойдя до точки, лежащей посередине.между камерами "а" и "в". Через некоторый период времени по достижении температуры, достаточно высокой, чтобы поддерживать алюминий 20 в расплавленном состоянии, например 900 С. алюминий самопроизвольно пропитает весь слой наполнителя 22 до днища 14 формы 12. Такая самопроизвольная пропитка не требует применения смачивающих веществ к наполнителю (хотя таковые по желанию могут. использоваться), приложения механического давления к металлу 20 или вакуума к слою наполнителя 22, использования - повышенных температур, например, значительно превышающих 1000 С, очистки слоя наполнителя 22 инертной или другой специальной газовой средой или применения других средств обеспечения пропитки. Способ имеет большое преимущество, заключающееся в том, что вся операция, включая подготовку формы 12, заполнение формы наполнителем 22 и нагрев для осуществления пропитки, может осуществляться в воздушной среде, не требуя применения специально приготовленных газовых сред, влекущее за собой соответствующие расходы и неудобства, Кроме того. полагаем, что самопроизвольная:пропитка наполнителя 22 расплавленным алюминием достигается за счет того, что воздух,. находящийся в промежуточных пустотах второго наполнителя 22, вступает в реакцию с расплавленным алюминием и расходуется им, а герметично закрытая, непроницаемая форма 12

10 предотвращает восстановление увлеченного или захваченного воздуха. Однако если бы израсходованный воздух пополнялся, что могло бы происходить, если бы форма 12

15 была проницаемой для воздуха либо из-эа присущей ей пористрсти либо из-за наличия в ней негерметичных отверстий, трещин, разрывов, то восстановленный воздух пре- пятствовал бы осуществлению такой само20 произвольной пропитки. Ниже даны сравнительные примеры для подтверждеНИЯ ЭТОГО.

По окончании пропитки наполнителя 22 температуру снижают как путем извлечения последней, и расплавленный материал остужают и отверждают в непроницаемой форме

12, Полученная композиционная конструкция

26, содержащая форму и металлическую ком30 позиционную сердцевину, показанные на фиг. 2, отделяют затем от устройства, показанного на фиг, 1. Как видно на чертеже, конструкция 26 может включать по существу всю форму 12 (обозначенную как конструк35 тивный элемент или форма или оболочковый компонент 12 на фиг. 2) или, если это требуется, только часть ее, а также композиционный стержень 28 с металлической матрицей.

Пропитка расплавлейным металлом и

40 его отверждение могут осуществляться в соответствующих условиях, обеспечивающих сцепление между формой и стержнем, Сцепление может обеспечиваться, например, путем некоторого смачивания зоны между расплавленным металлом и формой

12, поддерживания расплавленного материала в непосредственном контакте с внутренними стенками формы 12 посредством регулирования скорости охлаждения (т.е. снятия внутренних напряжений в реэультате отжига), регулирования относительных коэффициентов теплового расширения формы и композиционного материала с металлической матрицей и/или поддерживания значительного напора резервуара с металлом, чтобы исключить возможность отделения отверждающегося расплавенного металла от стенок формы. Коэффициент теплового расширения у композиции с металлической матрицей выше, чем у керамической

25 устройства из печи, так и путем отключения

1797603

10 формы, и если эта разница будет слишкой большой и смачивание — минимальным, то прочность сцепления окажется недостаточной, чтобы выдержать это несоответствие в термической усадке, т.е. композиционный материал с металлической матрицей при охлаждении, делая усадку, может отступать от внутренней стенки формы. Материал наполнителя, используемый при формировании композиции на основе металла, снижает тепловое расширение композиционного материала с металлической матрицей и, следовательно, снижает степень несоответствия в тепловом расширении между стержнем и формой. Влияние, которое наполнитель оказывает на тепловое расширение. вызывая его понижение, может в основном зависеть от вида, геометрии и отношения длины к диаметру наполнителя. Хорошее сцепление может обеспечиваться, когда коэффициенты теплового расширения не имеют слишком большой разницы. Предпочтительно, чтобы стержень с металлической матрицей имел несколько больший коэффициент теплового расширения, чем оболочка, чтобы на последнюю воздействовали сжимающие напряжения. Обнаружно, что равноосные частицы карбида кремния (24 меш), составляющие примерно 477, по объему в алюминии, снижают коэффициент теплового расширения беспримесного алюминия с примерно 25х10 б дйюм/дюйм/ С до приблизительно 12 — 16 х 10 дюйм/дюйм/ С, Нитевидные кристаллы из карбида кремния оказывают такое же воздействие, но при значительно меньших загрузках, Таким образом, путем регулирования одного или нескольких условий обеспечивают связь отвержденного материала, то есть, композиционного материала с металлической матрицей с конструктивным элементом 12 конструкции 26 (фиг. 2). В конструкции 26 стержень, представляющий собой композиционный материал с металлической матрицей 28, заключен в форму или в оболочковый компонент 12 и связан с нею.

8 другом случае после охлаждения и отверждения расплавленного материала форма 12 может врыть разрушена или иным способом отделена от композиционного стержня 28 с металлической матрицей для получения последнего как отдельного, не заключенного в форму 12 тела. B этом случае форму 12, как правило, выполняют насколько это возможно, тонкой с обеспечением ею непроницаемостью и с поддер>канием констачктивной цельности при рабочем процессе. Кроме гого, в этом случае процесс следует проводить в условиях, обеспечивающих минимальное сцепление между формой 12 и композиционным стержнем 28 с металли-, ческой основой для облегчения извлечения стержня. При осуществлении процесса пропитки форма 12 может находиться в соответ5 ствующем корпусе (не показан на фиг. 1), упрочняющем и поддерживающим ее.

Обратимся снова к фиг. 1. Вместо того, чтобы применять соответствующее уплотнительное средство, например, уплотни10 тельное кольцо 24, может быть использован резервуар 16, выполненный как одно целое с непроницаемой формой по одному или нескольким известным способам. flqcne охлаждения и отверждения -расплавленного

15 материала из цельной конструкции, состоящей из формы и резервуара, можно вырезать требуемый продукт. Цельная конструкция, состоящая из формы и резервуара, показана, например, на фиг. 3, где иллюстрируется

20 другой вариант выполнения устройства в сборе, используемый в соответствии с настоящим изобретением. Обозначенное в целом позицией 30 полое тело любой требуемой конфигурации, содержит оболоч25 ку из непроницаемого керамического метариэла. например, композиционного керамического материала, полученного по известным способам, описанным ниже. Полое тело 30 подушкообразной формы в по-

30 перечном сечении имеет кольцевой периферический край 30а, опоясывающий основную часть тела, а также расположенный соосно цилиндрический вэл 30в и втулку 30 с, выступающие на противоположных

35 сторонах тела. Вал 30в имеет раструб 30, образующий воронкообразную конструкцию, через которую может заливаться расплавленный алюминий 20 для вступления в контакт со слоем 22 второго наполнителя.

40 Раструб 20 образует единственное отверстие у полого тела 30, которое герметично закрыто от окружающей среды постоянным напором расплавленного алюминия 20, благодаря чему второй наполнитель 22 эффек45 тивно герметично изолирован от окружающего

I или внешнего воздуха.

Самопроизвольная пропитка наполни.теля 22 осуществляется так же, как показано на фиг. 1. Согласно фиг. 1, расплавленный

50 металл 20 пополняется в количестве, достаточном для завершения пропитки и поддерживания вертикально стоящего тела 20 расплавленного алюминия для герметичного изолирования раструба 30, единственно55 го входа или отверстия полого тела 30 от окружающего воздуха, пока не будет завершена самопроизвольная пропитка. После отверждения, в условиях образования связей, расплавленного материала, полученного путем пропитки наполнителя 22, получают

1797603 конструкцию, содержащую полое тело 30 как конструктивный компонент, заключающий в себе композиционный материал с металлической матрицей. В другом случае полое тело 30 может устраняться путем разрушения, в результате чего получают композиционное тело с металлической основой; наружная поверхность которого в обратном порядке повторяет форму или геометрию внутренней поверхности полого тела 30, После отверждения полученную конструкцию можно разрезать по линии С вЂ” С и получить конструкцию, заканчивающуюся валом 30в.

Повторно отвержденный алюминий может быть оставлен внутри вала 30в, В другом случае повторно отвержденный алюминий внутри вала 30в может частично или целиком извлекаться и заменяться другим материалом, например, другим металлом, который может быть подан в расплавленном состоянии, а затем отверждаться внутри этого вала.

При другом варианте вал 30в можно было бы частично или полностью заполнять сначала наполнителем 22 так, чтобы получаемый композиционный материал с металлической матрицей, простирался по валу 30в.

В последнем случае для удерживания рас.плавленного алюминия используют удлинение вала в или отдельный сосуд (подобно резервуару 16 в варианте на фиг. 1).

Фиг. 4 иллюстрирует способ †протот проведения самопроизвольной пропитки, при котором используют огнеупорный сосуд

32, содержащий в себе тело расплавленного алюминия 30; в которое погру>кен огнеупорный перфорированный контейнер 34. Контейнер 34 отдален.на некоторое расстояние от внутренних стенок (не обозйачены позициями) огнеупорного сосуда 62 с тем, чтобы контейнер 34 и его содержимое были полно.стью прикрыты или изолированы расплавленным алюминием 20 от окружающей среды. Перфорированный контейнер 34 имеет множество отверстий 36 и поддерживается тросом или стержнем 38, крепящимся к контейнеру при помощи соответствующего соединительного элемента 40. Внутри контейнера 34 содержится масса наполнителя, помещенная в подходящую форму с имеющимся в ней одним или несколькими отверстиями. {Форма и наполнитель не видны на фиг. 4). Отверстия 36 позволяют расплавленному алюминию 33 проникать в. контейнер 34 и вступать в нем в контакт с массой . наполнителя для осуществления пропитки.

Перфорированный контейнер 34; трос или стержень 38 и соединительный элемент 40 могут изготавливаться иэ подходящего огнеупорного материала, способного выдерживать длительное контактирование с расплавленным алюминием 33. При желании может быть исключено применение контейнера 34, и тогда осуществляют погружение формы, имеющей сверху отверстие и содержащей внутри второй наполнитель, в расплавленный металл. Затем проводят пропитку и извлекают полученное композиционное тело с металлической матрицей, 10 как описано выше.

Фиг, 5 — 9 иллюстрируют подготовку непроницаемой. керамической формы в соответствии с практикой осуществления настоящего изобретения, однако при этом

15 следует иметь в виду, что данный способ подготовки формы также применим и к другим вариантам осуществления изобретения.

Подготовленная таким образом форма, как указывалось выше, может быть либо разру20 шена для извлечения из нее отвержденного композиционного тела с металлической матрицей, либо сохранена как конструктивный элемент изделия, соединенного или связанного с композиционным материалом

25 с металлической основой

Известны способы создания таких, рассмотренных выше, керамических материалов, описаны в ряде заявок на патент с обычным правом владения, переданных

30 правопреемнику настоящей заявки, котосодержит соответствующий дополнительный наполнитель.

Способ получения керамического продукта в результате окислительной реакции, описан главным образом в заявке N.

0155831 на Европейский патент, кл, С 04 В

35/71, опубликованной 25 сентября 1985 года от имени Марка С, Ньюкирка и др. под названием "Новые керамические материалы и способы их изготовления".

Известен также способ создания само45 поддерживающихся керамических композиций путем вращивания продукта окислительной реакции основного металла в проницаемый слой наполнителя, описан50 ный в заявке и 0193292Я на Евпропейский патент, кл. С 04 В 35/65, опубликованный 3 сентября 1986 года и другие способы.

В настоящем изобретенйи наполнитель, в который вращивают продукт окислительной реакции в соответствии со способами по одной или нескольким вышеуказанным заявкам на патент для создания воздухонепроницаемой композиционной керамической формы, рассматривается как дополнительный наполнитель с тем, чтобы рые раскрывают новые способы создания самоподдерживающихся керамических материалов, включая керамические компози-. ционныЕ материалы, в которых керамика

14

1797603

13 отличить его от основного наполнителя, который самопроизвольно пропитывается расплавленным алюминием или магнием, в результате чего получают композицию с металлической матрицей. Имеется много материалов, пригодных для использования в качестве как дополнительного, так и основного наполнителя; следовательно, в данном случае эти наполнители могут быть одинаковые или разные, и, как правило, наполнители в сущности не способны реагировать с расплавленным основным металлом и расплавленным алюминием или магнием в рабочих условиях процесса.

На фиг..5 показано устройство в сборе

42 для изготовления керамического композиционного тела, пригодного для использования либо в качестве ломкой формы, из которой извлекают композиционное изделие с металлической матрицей либо как формы — конструктивного элемента, связанного с композицией на основе металла. Устройство 42 включает имеющее преграждающее средство контейнер 44, имеющий по существу цилиндрическую форму и внутренняя поверхность которого образована экраном.

46(что лучше всего видно на фиг. 5э), размещенным в перфорированном цилиндре 48 и усиленный им, который служит в качестве наружного жесткого элемента, усиливающего цилиндрический экран 46. Вместо экрана 46 может размещаться перфорированный металлический лист, например, перфорированный лист из нержавеющей стали. Перфорированный цилиндр 48 имеет выполненную в его поверхности группу перфораций 50, и он обладает достаточной жесткостью, чтобы при проведении процесса поддерживать форму массы или тела дополнительного нэполнителя 52, который может быть фор.муемым наполнителем, то есть, который может содержать частицы, нитевидные кристаллы,.волокна и т,п. в массе, форма которой будет соответствовать форме тела 66 основного металла, внедренного в слой первого наполнителя 52. Формуемый наполнитель 52, кроме того, соответствует по форме внутренней поверхности цилиндрического экрана 46. Слой наполнителя 52 таким образом содержит проницаемую предварительно отформованную заготовку, имеющую полость требуемой конфигурации; образованную в ней телом основного металла 66, причем полость заполняется основным металлом вначале..В другом случае наполнитель

52 можно предварительно формировать в связанную массу. применяя, например, таким способом как шликерное литье и т.п., и используя частицы, вОлокна, порошки и т.д.

С возможным добавлением подходящего связующего для обеспечения когезионной прочности, В этом случае основной металл может вводиться в полость предварительно отформованной заготовки в расплавленном

СОСТОЯНИИ

45 ного металла 66 таким образом простирается в виде стержня в границах слоя первого наполнителя 52 и находится в контакте с ним. Для ускорения реакции окисления основного металла в последний могут вво50 диться одна или несколько добавок.

После нагрева устройства 42 при наличии окислителя до температуры в пределах от температуры выше точки плавления продукта окислительной реакции и при поддер55 живании у устройства 42, подвергаемого воздействию окислительной среды, например, воздуха, температуры в указанных пределах на границе раздела между телом расплавленного металла 66 и слоем первого наполнителя 52 получают продукт окислиОтверстия (не обозначены позицией) экрана 46 расположены на одной прямой с множеством перфораций 50 в цилиндре 48 тэк, что контейнер 44 открыт для доступа в

10 него окружающей среды, В отдаленных одна от другой точках и по окружности наружной поверхности цилиндра 48 расположено множество угловых связей 54, закрепленных с помощью зажимных колец 56, служа15 щих для упрочнения конструкции 42, Самое нижнее из зажимных колец 56 показано частично на фиг. 5, а остальные на этой же фиг, 5 и те, что показаны на фиг. 5а, представлены в поперечном сечении. Дно контейнера

20 44 закрывает основание 56. В верхней части контейнера 44 с заградительным средством имеется резервуар 60 для основного металла, размещенный внутри слоя инертного материала 62, который отделен от слоя

25 первого наполнителя 52 пластиной 64. Слой инертного материала 62 может содержать слой инертного материала в виде частиц (например, крупнозернистый алунд 90 (фирма "Нортон" ), когда в качестве основного

30 металла используется алюминий), который не поддерживает выращивание поликристаллического продукта окислительной реакции в нем при рабочих условиях протекания процесса, 35 Пластина 64 имеет центральное отверстие (не обозначено позицией), обеспечивающее проход верхней части основного металла 66, внедряемого в слой дополнительного наполнителя 52. Тело основного

40 металла 66 имеет удлиненную цилиндрическую форму и снабжено парой дискообразных выступающих элементов 66а, 66в, расположенных в отдаленных одна от другой по длине устройства точках, Тело, основ15

1797603 через перфорации 50, а затем через экран

46 и слой дополнительного наполнителя 52 20 и вступающим после этого в контакт с перевоздуха. По мере протекания окислительной реакции в границах слоя даполнитель- 30 тела основного металла 66 будет образован слой кристаллического продукта окислительнай реакции подходящей толщины, на- 50 тельной реакции, Как описано в известных заявках на патент, окислитель может быть твердым, жидким или газообразным или же в виде комбинации этих состояний. Например, может использоваться воздух B сочетании с твердым окислителем, включенным в первый напалнитель (например, кремнозем, смешенный с глиноземным наполнителем), и расплавленный металл будет подвергаться окислению при вступлении в контакт с обоими окислителями, Расплавленный основной металл из тела основного металла 66, пополненный в требуемом количестве из ванны 60 основого металла, поддерживают в контакте с выращиваемым продуктом окислительной реакции. контактирующим с кислородом или другим окисляющим газам, проходящим в цилиндр 48 дней частью растущего продукта реакции окисления, Окружающая окислительная среда восстанавливается или пополняется путем циркуляции внутри печи воздуха, в которую помещено устройство 42, например, путем снабжения печи соответствующей вентиляцией; обеспечивающей впуск ного наполнителя, в зоне поверхности. раздела между окислителем и раиее сформированным продуктом окислительнай реакции, непрерывно происходит формирование продукта реакции окисления, и в процессе этой реакции па крайней мере часть слоя дополнительного наполнителя 52 внедряется в продукт окислительнай реакции, При желании реакцию можно заканчивать после того, как выращиваемый продукт окислительнай реакции BbfpQc, примерно, до размеров, показанных пунктирной линией 68 на фиг, 5. Хотя пунктирная линия 69 и вычерчена с большей или меньшей геометрической точностью на фиг, 5, но следует иметь в виду, что, если окислительную реакцию приостанавливать после того, как из ружная форма керамического элемента может быть несколько неправильной, однако это не окажет вредного влияния на применение полученного керамического элемента в качестве непроницаемой формы для формирования композиции с металлической матрицей. Как сказано в соответствующих известных заявках на патент, внутренняя часть выращенного керамического элемента в обратном виде повторяет

40 форму тела основного металла 66. В другом случае используют заградительный материал, содержащий раствор карбоната кальция, или материал, изготовленный, например, из материала, из которого выполнен экран 46, которому придают некоторую форму для получения полой емкости, имеющей по существу форму, вычерченную пунктирной линией 68, с целью приостановления или ограничения роста продукта окислительной реакции и создания оболочки из керамического материала, в обратном виде копирующей форму внутренней поверхности заградительного элемента, до которого она, доросла. Таким образом, можно строго контролировать геометрическую форму наружной поверхности получаемой керамической композиционной оболочки, в результате чего получают керамическую композиционную оболочку, пригодную для применения в качестве постоянного конструктивного элемента, соединенного с композиционным телом с металлической матрицей. В варианте на фиг, 5 геометрическую конфигурацию наружной поверхности выращенного керамического элемента контролируют формой внутренней стороны экрана 48.

Если керамическую композиционную оболочку используют лишь как фррму, из которой будут извлекать композиционное тело на основе металла, то оболочку нормально выполняют лишь такой толщины, которая достаточна для обеспечения конструкционной прочности и непроницаемости, необходимых при осуществлении процесса. После отверждения и охлаждения композиционного тела с металлической матрицей форму разрушают, отделяя ее от композиционного тела на металлической основе. Например, после отверждения расплавленного металла, когда устройство попрежнему находится при повышенной температуре, например. при температуре

300-500 С, композиционное тело на основе металла, заключенное в форму, можно резко охлаждать путем погру>кения его в охлаждающую жидкость, например, воду, с тем, чтобы под воздействием резкого изменения температуры произошло разрушение тонкостенной формы, содержащей в себе композиционное тело с металлической мэтрицей.

В другом случае форма может разрушаться механическим средством. Поверхности полученного композиционного тела на основе металла по существу в обратном виде повторяют внутреннюю геометрию формы, Кроме того, в целях облегчения извлечения композиционного тела из оболочки целесообразно не допускать сцепления между композиционным телом на основе металла и оболочкой, 17

1797603

30

40

В случае, когда керамическая композиционная оболочка или же часть ее выполняет функцию конструктивного компонента конечного продукта, оболочку соединяют или связывают с композицией с металлической матрицей. Керамический конструктивный элемент может выполняться заданной формьь Например, как представлено на фиг, 5 и 5а, окислительную> реакцию можно непрерывно проводить для внедрения всего слоя дополнительного наполнителя 52 в растущий поликристаллический продукт окислительной реакции так, чтобы ограничительное средство 44 приостанавливало или ограничивало рост продукта окислительной реакции, определяя тем самым на- ружную геометрию конечного продукта в виде круглого цилиндра. Если ограничительное средство содержит экран или перфорированный материал, то наружная поверхность полученного керамического цилиндра будет шероховатой. Наружная поверхность цилиндра может механически обрабатываться, шлифоваться, полироваться и т.д.

В другом случае ограничительное средство 44 может иметь относительно ровную поверхность, придавая тем самым гладкость наружной поверхности композиционного тела. Например, суспензия чистого гипса (предпочтительно, смешиваемая с карбонатом кальция или силикатом кальция) может прилагаться к пограничной поверхности слоя 52 для внедрения в него, Слой чистого гипса предотвращает черезмерное наращивание поликристаллического продукта оксилительной реакции, и по завершении процесса ограничительное средство легко устраняется, например, путем обдувки абразивными зернами, соскабливанием или аналогичными средствами, после чего получают композицию с относительно гладкой поверхностью, В любом случае керамиче. скую оболочку создают для обеспечения применимости конструкции и надежного сцепления с композицией на основе металла для получения цельной конструкции, Если тело основного металла 66 пополняется йз резервуара 60 в процессе окислительной реакции, то внутренняя полость полученного рукавообразного керамического тела будет заполнена стержнем основного металла. Этот основной металл может извлекаться, будучи по-прежнему в расплавленном состоянии, путем обычного слива или сцеживания его иэ полученного керамического рукава, Если проводится повторйое отверждение стержня основного расплавленного металла, или если отверждается всякий остаточный металл, то по крайней мере желаемое количество оставшегося металла может извлекаться иэ полученной керамической втулки путем механического и/или кислотного травления, например, соляной кислотой, в случае использования алюминия в качестве основного металла, получая после этого керамическую втулку с полой сердцевиной, которая в обратном виде повторяет форму тела основного металла 66. Эта полая сердцевина может быть затем использована в качестве литьевой полости, в которую помещают основной наполнитель, вводят его в контакт с расплавленными алюминием или магнием . для образования композиции с металлической основой.

Фиг. 6 — 8 схематически иллюстрируют подготовку непроницаемой керамической композиционной формы, создаваемой по способу, включающему применение расходующейся модели. Фиг. 6 показывает огнеупорный сосуд 70, например, сосуд из . глинозема, в котором содержится слой поддающегося формова нию дополнительного наполнителя 72, в который внедрена модель

74, в результате чего внутри слоя 72, на границе раздела между наполнителем и расходующейся моделью 74, получают фигурную стенку полости в слое 72. Геометрия этой стенки соответствует геометрии наружной поверхности расходующейся модели 74, т.е, в обратном виде повторяет ее форму, Модель 74, которая может выполняться иэ любого испаряемого или сгораемого материала, например пенополистерола или воскового материала, имеет центральную часть 76, которая является цилиндрической по форме, и концевую. часть 78, которая в осевом направлении короче, но с диаметром, большим, чем у центральной части 76

Соответствующее ограничительное средство 80 (вычерченное на чертеже без соблюдения масштаба), которое может представлять собой экран из нержавеющей стали или перфорированный цилиндр, устанавливает наружные границы керамического. композиционного тела. В другом случае ограничительное средство 80 может представлять собой элемент из чистого гипса и силикатного кальция, котарый обычно можно изготавливать путем приложения суспензии материала к подложке или полотну, например к фанере, и отверждения ее. В любом случае конструкция ограничительного средства 80 такова, что она тормозит наращивание продукта окислительной реакции и тем самым определяет пределы объема продукта.

Как показано на фиг. 7, расплавленный металл 82 можно выливать из соответствующего сосуда 84 непосредственно во внед19

1797603

20 рый прорастает через предварительно 25

40 ренное тело расходующейся модели 74.

Расплавленный основной металл выпаривает пенополистерол или другой выпариваемый материал расходующейся модели 74, выпаренный материал покидает устройство либо через слой наполнителя 72, либо, поднимаясь вверх, через ту же самую зону, через которую вводится расплавленный основной металл, либо через отделанное вентиляционное отверстие (не показано), которое может иметься в устройстве. После того как расплавленный основной металл заместил все расходующееся тело модели

74, устройство нагревают или поддерживают в нем повышенную температуру в пределах от температуры выше точки плавления основного металла, но ниже точки плавления продукта окислительной реакции, Окислитель в правой фазе проникает в проницаемый слой наполнители 72 и вступает в контакт с расплавленным металлом для окисления последнего для образования поликристаллического продукта окислительной реакции, описанного выше, котоотформованную заготовку и вступает в контакт с ограничительным материалом 80, При желании в слой 72 или в ту часть его, которая граничит с ограничительным элементом 80,. может быть введен окислитель в твердом состоянии или в жидком. Расплавленный металл вступает в реакцию с окислителем, помещенным в слой, в результате чего создается продукт окислительной реакции.

Кроме того, могут использоваться в сочетании два или большее число окислителей, например, может применяться реакционноспособный силикат с проведением процесса в воздушной среде, При необходимости может пополняться расплавленный основной металл 82 и тем самым поддерживаться его уровень в верхней части слоя наполнителя 72, Как указано ранее для предотвращения разрушения или деформации стенки полости используют слой иаполнителя 72 или по крайней мере опорную зону его 86, охватывающую расходящееся тело модели 74, для которых характерно свойство самосвязывания при или вь:ше температуры самосвязывания, которая предпочтительно, близка к температуре окислительной реакции, но ниже ее, Таким образом, при нагреве до температуры самосвязывания наполнитель 72 или его опорная зона 86 спекается или иначе самосвязывается, прикрепляясь к нарастающему продукту реакции окисления и тем самым обретая должную механическую прочность, необходимую в условиях, при которых он окружает расплавленный основной метала на начальных стадиях наращивания продук

55 та окислительной реакции. Самосвязывающийся наполнитель своей механической прочностью оказывает сопротивление разности давлений и способствует поддержанию конструктивной цельности полости, пока не будет создан керамический композиционный материал достаточной толщины.

После того как продукт окислительной реакции вырос до пределов, ограниченных ограничительным средством 80, остаточный или непрореагировавший расплавленный металл 82 может быть удален из керамической композиционной формы 88 (фиг, 8), изготовленный данным способом. Керамическая композиционная форма 88 имеет суженную часть 90 и основную часть 92, диаметр которой больше, чем у суженной части 90. Внутри формы 88 образована полость 94 с отверстием 94а, обеспечивающим доступ в полость.

Полость 94, как видно на чертеже, в обратном виде повторяет геометрию расходуемого тела 74 модели.

На фиг, 9 показан вариант, в котором устройство, состоящее из огнеупорного сосуда 96. имеет проницаемый слой инертного материала 98, в который внедрено твердое тело 100 из основного металла и предварительно отформованная заготовка 102, составляющая первый наполнитель.

Предварительно отформованная заготовка

102 выполнена в виде связанного, имеющего определенную форму изделия с когезионной прочностью, достаточной, чтобы она могла выдерживать нагрузки при перемещении и внедрении в слой инертного материала 98, Частицы дополнительного наполнителя могут быть внедрены в предварительно отформованную заготовку 102 смешением соответствующего связующего с частицами наполнителя и формования из них предварительно отформованной заготовки 102, Предварительно отформованная заготовка 102 может состоять из одной или нескольких деталей. Например, основная деталь 102а предварительно отформованной заготовки 102 может иметь чашеобразную форму и таким образом криволинейная стенка 104 полости заготовки образует полость 106 требуемой геометрии. Крышечная деталь 102в заготовки имеет отверстие 106а и расположена сверху основной детали

102а. Заготовка 102 является проницаемой для наращиваемого продукта реакции окисления, Устройство, показанное на фиг. 9, нагреваетдотемпературы наращивания в пределах выше точки плавления основного металла 98, но ниже точки плавления получаемого из него продукта окислительной реакции. Слой 98 инертного материала не

1797603

22 стого сырого карбида кремния "Карболон

F1000", 19,8% по весу сырого карбида крем- 35

50 выдерживает нарастания продукта окислительной реакции, а продукт окислительной реакции прорастает в заготовку 102 первого наполнителя. Эту операцию проводят в течение времени, достаточного, чтобы произошло внедрение всей заготовки 102 в керамический продукт окислительной реакции и была создана керамическая композиционная форма, имеющая литейную полость 106 и отверстие 106а, обеспечивающее доступ в эту полость. Возможно, необходимо предусматривать в устройстве ограничительное средство (описанное выше) 150, чтобы препятствовать разрастанию продукта окислительной реакции, Как показано в данных примерах, относящихся к случаю применения алюминиевых металлов, расплавленные алюминиевые металлы самопроизвольно пропитывают проницаемую массу основного наполнителя, помещенного в непроницаемую форму, в условиях изоляции массы от окружающей среды, т.е, окружающего воздуха. Как правило, алюминий, используемый при осуществлении настоящего изобретения, может включать различные легирующие элементы, например медь.

Пример 1. По способам, описанным в известных заявках на патент, были изготовлены воздухонепроницаемые цилиндрической формы керамические композиционные тела, Сначала из шликерной массы, содержавшей смесь иэ 49% по весу крупнозерниния "100С1" и 30,7% по весу дистиллированной воды, были изготовлены три воздухопроницаемые цилиндрические заготовки, каждая высотой 6 дюймов и наружным диаметром 2 дюйма. Средний размер частиц материала

"Карболон F1000" составлял примерно 4 микрона, а материал "100C1" — примерно 0,8 микрона, Шликер пригтавливали сначала измельчением в шаровой мельнице материала

"10ОС1", воды, небольшого количества материала "Дарван-7" и небольшого количества альгината аммония в течение 1 ч. Материал

"Дарван-7" вводили в количестве приблизительно 1,6 г на 1228 r воды, а альгинат аммония — в количестве приблизительно 4 r на . 1228 г воды. После этого смесь перемешивали в шаровой мельнице в течение 1 ч.

Затем в нее добавили примерно половину общего количества "Карболона F 1000" и снова перетирали в течение получаса в шаровой мельнице. В этот момент ввели аставшуюся часть "Карболона F 1000" и всю смесь перетирали в шаровой мельнице в течение 24 ч. В конце 24-часового периода измерялись рН и вязкость. которые коррек5

30 тировались постепенным добавлением небольших количеств "Дарвана-7", пока вязкость не составляла приблизительно

200-500 сП, а рН вЂ” примерно 6-7. По достижении этих показателей полученную смесь перетирали в шаровой мельнице в течение

48 часов, прежде чем использовать в качестве шликера.

Полученные из шликера цилиндры проо сушивали в печи при температуре 90 С, обжигали в воздушной среде при температуре

1100 С в течение 10 ч и затем охлаждали до температуры окружающей среды. Скорость нагрева составляли 200 С/ч, а скорость охлаждения — приблизительно 100 С/ч. После обжига и охлаждения каждый цилиндр изнутри покрывали промежуточным слоем крупнозернистого порошка кремния 500.

Снаружи цилиндрические заготовки покрывали ограничительным слоем, содержащим

35% по весу суспензии чистого гипса "Бондекс", 15% крупнозернистого материала

"Манусил" и 50% воды, Подготовленнь|е заготовки затем нагревали до 900 C в электропечи для термической обработки и затем в каждую заготовку заливали 450 г расплава ленного алюминиевого сплава при 900 С.

Алюминиевый сплав содержал по весу примерно 2,5-3,5% цинка, 3 — 4% меди, 7,5—

9,5% кремния, 0,8 — 1,5% железа, 0,2 — 0,3% магния, и минимум, примерно 0,5% марганца, 0,5% никеля. 0,001% бериллия, 0,01% кальция и 0,35% олова: остальное составлял алюминий. Воздух, проходящий через проницаемую перегородку и заготовку, окислял расплавленный сплав алюминия, в результате чего получали поликристаллический продукт окислительной реакции, Эту окислительную реакцию проводили в течение

100 ч. За этот период времени происходило вращивание продукта окислительной реакции в цилиндрическую заготовку с полной пропиткой последней. В конце 100-часового периода протекания реакции оставшийся расплавленный сплав сливали и получали полые керамические композиционные цилиндры, непроницаемые для окружающей среды. Эти цилиндры закрывали с одного конца и оставляли открытыми с другого. Все при той же температуре в 900 С каждый керамический композиционный цилиндр затем заполняли основным наполнителем до уровня ниже его верха, оставляя свободный обьем в 100 мл внутри каждого цилиндра выше слоя наполнителя. Использованные в трех цилиндрах соответственно три вторых наполнителя включали 150-граммовый слой из крупнозернистых частиц сырого карбида кремния 24 (Кристолон 39), 200-граммовый слой из 24 крупнозернистых частиц электро23

1797603

24 корунда 38, 100-граммовый слой песка, содержащий крупнозернистые частицы размером 100 двуокиси кремния, На верх каждого слоя основного наполнителя в цилиндрах выливали приблизительно 100 мл . (приблизительно 220 г) номинально чистого алюминиевого сплава 1100 в расплавленном состоянии. Полученные вертикально направленные тела расплавленного алюминия заполнили свободный объем в цилиндрах выше слоев наполнителя и перекрывали . лишь отверстие цилиндров в процессе пропитки, тем самым герметически закрывая или изолируя слои второго наполнителя от окружающего воздуха, В конструкциях поддерживали температуру 900 С, по достижении которой почти сразу начиналась самопроизвольная пропитка слоев основного наполнителя расплавленным алюминием, обычно продолжавшаяся в течение 20 мин, После поддерживания в устройствах температуры 900 С в течение 5 ч нагрев прекращался, и конструкции остужали до температуры окружающей среды, В результате были получены композиционные тела с металлической матрицей, содержащие алюминиевый сплав с внедрением в него различными наполнителями. Однако в системе, использующей песок в качестве наполнителя, вся содержавшаяся в песке двуокись кремния вступала в реакцию с .просочившимся алюминием и получали металл с содержанием глинозема и кремния. Металл, содержащий кремний, полученный в ходе этой реакции, примешивался к расплавленному алюминию, в результате чего получали сплав из алюминия и кремния, Таким образом, конечное композиционное тело с металлической основой, полученное в ходе этой реакции, содержало сплав из алюминия и кремния с внедренным в него глиноземным наполнителем. Описанные выше процессы пропитки проводились в воздушной среде без использования прилагаемого извне вакуума, меанического давления, смачивателей и других средств, облегчающих процесс пропитки.

Таким образом, пример 1 показывает формирование композиций с металлической матрицей путем самопроизвольного проникновения расплавленного металла в слой наполнителя, включающегО захваченный воздух, Пропитка осуществлялась в непроницаемой форме или контейнере, содержащем второй наполнитель, причем упомянутая и непроницаемая форма или контейнер были герметично изолированы от окружающеи среды при помощи расплавлейного металла.

10

Пример 2, Выполненный из глины пористый тигель объемом 150 мл заполняли

300 r расплавленного алюминиевого сплава в качестве основного металла. Алюминиевый сплав имел тот же самый состав, что и первый алюминиевый сплав в примере 1..

Конструкцию из тигеля и расплавленного алюминиевого сплава нагревали в электронагревательной печи при 900 С в течение 3 ч в воздушной среде для вращивания полученного в результате окислительной реакции расплавленного основного алюминиевого металла продукта в предварительно отформованную заготовку в соответствии с технологией, описанной в вышеупомянутых заявках на патент. Оставшийся расплавленный основной алюминиевый металл затем сливали из тигля, При этом было обнаружено, что внутренние поверхности тигля про-.

20 питаны поликристаллическим продуктом окислител ьной реакции на глубину примерно 1 — 2 мм, благодаря чему получали непроницаемый и облицованный керамический тигель, Используемый в качестве основного металла расплавленный алюминий вступал в реакцию как с воздухом, так и с самим тигелем в процессе пропитки. При все той же температуре 900 С в тигель объемом 150 мл на глубину с уровнем ниже верка этого тигля вводили 130 г частиц карбида кремния с размером зерен 24 (Кристалон 39), созда- вая слой наполнителя из карбида кремния со свободным объемом в примерно 60 мл в тигле выше слоя. На sepx слоя наполнителя из карбида кремния выливали около 130 r расплавленного алюминия 1100 (условно чистого), создавая вертикально направленное тело расплавленного алюминия, изолирующее слой карбида кремния от

40 окружающей воздушной среды, Заполненный тигель затем нагревали до 900 С в такой же печи, что и в примере 1, и поддерживали эту температуру в течение 10 ч. За этот период времени расплавленный алюминий пропитывал весь слой наполнителя из карбида кремния. Конструкцию затем охлаждали до температуры, достаточной, чтобы произошло отверждение ал1оминия, При температуре приблизительно 500 С всю

50 конструкцию погружали в воду, вызывая тем самым разрушение тигля, включая и тонкую керамическую обкладку, расположенную на внутренней поверхности тигля. Извлекалось композиционное тело с металлической основой, содержащее алюминиевый сплав

1100, причем полученная композицйя имела наружную поверхность, которая посуществу повторяла в обратном аиде форму или геометрию внутренней полости выполненного иэ глины тигля.

1797603

Пример 2 показывает, что пористый материал, такой кэк тигель из глины, может использоваться в качестве формы, если ему придают воэдухонепроницаемость путем наращивания на тигле тонкого слоя продукта окислительной реакции, причем продукт окислительной реакции получают путем направленного окисления основного металла воздухом согласно заявкам на патент, упомянутым выше. Полученный тонкий слой воздухонепроницаемого керамического композиционного материала делал проницаемый в противном случае тигель из глины непроницаемым для воздуха, благодаря чему тигль мог выполнять функцию непроницаемой оболочки и формы для композиционного материала на основе металла.

Пример 3. Процесс, описанный в примере 2, повторяли дважды с применением разных алюминиевых сплавов и одного и того же вида основного наполнителя. При первом испытании использовали алюминиевый сплав, содержавший по весу примерно

2,5 — 3,5% цинка, 3 — 4% меди, 7,5 — 9,5% кремния, 0,8 — 1,5% железа, 0,2-0,3 % магния, и максимум 0,5% марганца, 0,5% никеля, . 0 001% бериллия, 0 01% кальция и 0 35% олова, остальное составлял алюминий, с использованием в качестве основного наполнителя, содержащего глиноземные частицы алунда 38 с размером зерен 90. Была получена композиция с металлической матрицей, содержащая сплав алюминия с внедренными в него глиноземными частицами. При втором испытании использовали номинально чистый алюминиевый сплав

1100 вместе с основным наполнителем, содержащим алунд 38 с размером зерен 90.

Этот пример. показывает, что возможно использование глиноземного наполнителя с зернами более мелкого по сравнению со случаем в примере 2 размера, и при этом возможно получение композиционных материалов с металлической матрицей согласно настоящему изобретению.

Пример н о 4. Повторяли процесс, описанный в примере I, с использованием основйого наполнителя, состоящего из частиц сырого карбида кремния с размером зерен 100. В качестве пропиточного алюминиевого сплава использовался алюминиевый сплав 1100, содер>кэщий примерно 1 по весу лития. Примерно за 5 мин с момента заливки расплавленного алюминиевого сплава на bepx слоя наполнителя был получен композиционный материал с металлической основой, содержащий алюминиевый сплав с внедренными в него частицами карбида кремния.

20

25 меняли в качестве наполнителя частицы сырого карбида кремния с размером зерен

45

5

Процесс, описанный в настоящем примере, повторяли с применением основного наполнителя, состоящего из сырого карбида кремния с размером зерен 220. И в этом случае композиция с металлической матрицей, содержащая алюминиевый сплав с вредненными в него частицами карбида кремния, была получена примерно за 5 мин с момента заливки расплавленного алюминиевого сплава на верх слоя наполнителя, Этот пример показывает, что возможно формирование композиций с металлической основой согласно настоящемуиэобретению с применением наполнителей разной зернистости, когда в качестве пропиточного металла используют алюминиевый сплав, содержащий 1% по весу лития.

Пример 5. Целью описываемых ниже экспериментов было определить, способствует ли покрытие частиц напол нителя натрийсодержащим веществом формированию композиции с металлической основой, Проводили процесс, описанный в примере 1, за исключением того, что в данном случае при220, покрытые Na0, Это покрытие наносилось вымачиванием частиц карбида кремния в растворе гидроокиси натрия в течение

3 — 4 ч, При таком вымачивании частицы покрывались слоем гидроокиси натрия, который по их извлечении из раствора и просушке в печи становился покрытием из

Na20. Эти покрытые частицы измельчали с помощью пестика и ступки, ликвидируя ком-. ки, образовавшиеся при сушке. Когда покрытые частицы карбида кремния снова обрели форму мелкомолотых частиц, их использовали в качестве наполнительного материала при проведении процесса, описанного в примере 1. Примененный пропиточный:алюминиевый сплав номинально содержал по весу 2,5-3,5% цинка, 3 — 4% меди, 7,5 — 9,5% кремния, 0,8 — 1,5% железа, 0,2 — 0,3% магния, и максимум, примерно 0,5 марганца, 0,5% никеля, 0,001% бериллия, 0,01% кальция и 0;35% олова; остальной процент составляет алюминий. В результате получили композицию с металлической матрицей с внедренными в нее частицами карбида кремния с покрытием.

Описанный эксперимент проводили повторно с применением сырых частиц карбида кремния без покрытия, с размером зерен

220. Алюминиевый сплав не проник в слой из частиц карбида кремния, и, следовательно, не была сформирована композиция с металлической основой, Этот пример показывает, что при осуществлении способа, согласно настоящему изобретению, возможно

1797603

50

55 применение частиц наполнителя с покрытием из Na20, допускающее просачивание алюминиевого сплава даже в слой из более мелких частиц.

Пример 6. Процесс, описанный в примере 1, проводили с применением основного наполнителя, состоящего из карбида кальция с зернистостью 54, и алюминиевого сплава 1100 с примерно 5 -ной добавкой магния. За 5 мин с момента заливки расплавленного алюминиевого сплава на верх слоя была сформирована композиция на основе металла, включающая частицы карбида кремния. Описанный выше процесс проводили повторно с применением в качестве наполнителя частиц карбида кремния . зернистостью 90, И в этом случае композиция с металлической матрицей, содержащая алюминиевый сплав с распределенными в нем частицами карбида кальция формировалась в течение 5 минут с момента заливки расплавленного алюминиевого сплава на верх слоя наполнителя, Пример 7. Процесс, описанный в примере 1, проводили при более низких температурах пропитки для определения влияния температуры на время пропитки, Пропиточные операции осуществляли при

800 С, 750 С и 700 С и в течение соответственно 10, 40 и 90 мин. Этот пример показывает, что время, необходимое для обеспечения полной пропитки наполнителя расплавленным металлом увеличивается по мере снижения температуры процесса. ,Пример 8. Проводили процесс, описанный в примере 1, с использованием в качестве наполнителя сырого карбида кремния с зернистостью 90. Этот материал нэполнителя более тонкий по сравнению с наполнителем из карбида кремния с зернистостью 24, используемым в примере 2. Через

5 мин с момента заливки расплавленного алюминиевого сплава на верх слоя наполнителя был получен композиционный материал с металлической матрицей, содержащий алюминиевый сплав 1100 с внедренными в него частицами карбида кремния. Наруж- ная поверхность полученной композиции по существу повторяла в обратном виде форму или геометрию внутренней полости исходного тигля из глины, Этот пример показывает, что возможно использование наполнителя с более мелкими зернами с номинально чистым алюминием 110 и при этом возможно получение композиций на металлической основе согласно настоящему изобретению, Пример 9. В целях сравнения в этом примере соблюдены условия осуществления способа согласно настоящему изобре5

45 тению, за исключением условия герметичного изолирования слоя наполнителя, поме- щенного в предварительно отформованную заготовку.

А, В тигель из глины и графита (обозначенный как "b") до уровня ниже верха тигля, помещали приблизительно 100 r частиц карбида кремния с размером зерна 24 (Кристалон 39), такие, кэк использовались в примере 2, образуя свободный объем, примерно 90 мл, в тигле выше слоя наполнителя, Сверху слоя наполнителя из карбида кремния помещали приблизительно 190 r первого алюминиевого сплава, описанного в примере 1, после чего конструкцию устанавливали в электронагревательную печь и нагревали в воздушной среде в течение 15 ч до 900 С для расплавления алюминия. Использовали достаточное количество алюминиевого сплава для создания вертикально направленного тела расплавленного алюминия, расположенного сверху слоя наполнителя, закрывая тем самым верх тигля так, чтобы обеспечивалэсь изоляция наполнитег ля от окружающей воздушной среды посредством расплавленного алюминиевого сплава только в верхней части тигля. После выдержки 15 ч при 900 С конструкцию охлаждали для отверждения алюминиевого сплава, Ло извлечении содержимого из тигля было обнаружено, что слой наполнителя из карбида кремния по существу не пропитался расплавленным металлом, В. Проводили эксперимент, описанный под п.А, за исключением использования в качестве наполнителя 50 r предварительно обожженных частиц карбида кремния (Кристолон 39), помещенных в цилиндр объемом

100 мл из рекристаллизирован ного глинозема, которому путем выполнения трещины в днище была придана.воздухопронйцаемость. Конструкцию нагревали до 900 С в электронагревательной печи, а затем на верх наполнителя выливали 150 г расплавленного алюминия 1100 (номинально чистого) для закрывания слоя наполнителя вертикально направленным телом расплавленного алюминия и тем самым герметичного запечатывания верха тигля, Тигель вместе с расплавленным алюминием, закрывающим отверстие тигля, выдерживали в течение 5 ч при 900 С, а затем с помощью стального прутка перемешивали частицы карбида кремния с расплавленным элюминием; Несмотря на перемешивание, карбид кремния не пропитывался или не смачивался расплавленным алюминием.

С, Проводили эксперимент, описанный в п.В, с применением воздухопроницаемого тигля из глины и графита, использованного

1797603

5

20

30

55 в случае, рассмотренном в п.А, внутренние поверхности которого покрывали воздухопроницаемым сульфатом кальция (чистым гипсом. "Бондекс"), чтобы не допускать вращивания продукта реакции окисления расплавленного алюминия воздухом в стенки тигля, о чем сказано в примере 2, Получены те же самые результаты, что и в п.3, т.е. наполнитель из карбида кремния не пропитывался или не смачивался расплавленным алюминием, D. Проводили эксперимент, описанный в п.В, за исключением того, что после 5-часового контактного периода в расплавленный алюминий добавляли 1,5 по весу магния. Полученный расплавленный сплав алюминия и магния выдерживали в контакте с наполнителем при 900 С в течение еще 3 ч. Обследование показало, что по существу не произошло пропитки или смачивания наполнителя из карбида кремния расплавленным металлом, Е. Проводили эксперимент, описанный в п.В, за исключением того, что в данном случае применяли B качестве наполнителя

50 г частиц сырого карбида кремния с размером зерен 24 (Кристолон 39). Вместо магния в расплавленный алюминий после начального 5-часового контактного периода вводили 2 — З по весу кремния, Полученный расплавленный сплав из алюминия и кремния выдерживали в контакте с наполнителем еще в течение 3 ч при 900 С. Обследование показало, что наполнитель из карбида кремния по существу не пропитывался или не смачивался расплавленным металлом, Пример 10, В данном примере раскрывается способ создания кулачковых валов, имеющих композиционную оболочку с керамической матрицей и композиционный стержень с металлической основой, Сначала путем вливания шликеров в гипсовую форму для кулачкового вала формировали оболочковые заготовки для кулачкового вала. Шликер, использованный в данном примере, имел тот же самый состав, что и шликер, упомянутый в примере 1, и приготавливали тем же способом. Среднии раз. мер частиц материала "100 С1" составлял приблизительно 0,8 микрон, а Карболона F

1000 — 4 микрона. Полученные шликерным литьем оболочковые заготовки для кулачкового вала просушивали при 90 С в течение по меньшей мере 4 ч, учитывая, что общее . время просушки 20 ч. Заготовки, выполненные по этому способу, имели толщину приблизительно 5 мм, а их вес колебался в пределах 380-480 г в зависимости от толщины. Эти заготовки закрывали с одного конца и открывали с другого, причем открытй конец имел форму воронки.

По завершении просушки заготовки устанавливали закрытой стороной вверх в печи и подвергали обжигу при 1025 — 1100 С в течение 5 — 20 ч. Наиболее часто использовали температуру обжига 1025 С при обжиге в течение 20 ч, Печь с помещенными в ней заготовками доводили до температуры обжига за 5 ч и охлаждали до температуры окружающей среды в течение 5 ч в конце эксперимента, В результате обжига каждая заготовка для формования кулачкового вала увеличилась в весе приблизительно на 11 .

Линейное и диаметральное расширением каждой заготовки при предварительном об-. жиге составило приблизительно 3, а расширение по толщине — примерно 8 .

После обжига всю внутреннюю поверхность каждой заготовки покрывали суспензией, содержащей кремний с размером зерна 500. Толщина индивидуальных кулачковых валов колебалась в пределах от отсутствия покрытия вообще до максимальной толщины — примерно 0,1 дюйм. Толщины покрытия изменяли для определения оптимальной толщины покрытия с точки зрения обеспечения равномерного наращивания и скорости наращивания. Определяли, что оптимальная толщина колеблется в пределах от 0,005 до 0,01 дюйма. После покрытия заготовок суспензией, включающей кремнесодержащий металл, их просушивали, а затем покрывали снаружи суспензией, содержащей 35 по весу "Бондекса" (чистый гипс), и 60 дистиллированной воды, 15 SI02 с размером зерен 500 ("Минусил").

Это, второе покрытие просушивали в печи при 90 С в течение примерно 2 ч, после чего заготовки помещали в печь и нагревали до

900 С в течение 5 ч, После нагрева печи до

900 С заготовки выдерживали и ри этой температуре в течение некоторого периода, предшествующего заливке расплавленного алюминиевого сплава в каждую заготовку.

При обработке индивидуальных заготовок период времени от момента нагрева печи до

900 С до момента ввода расплавленного алюминиевого сплава намеренно изменяли.

В одни заготовки расплавленный алюминиевый сплав вводили сразу после нагрева печи до 900 С, а в другие — позже. Максимальный период, продолжающийся от момента нагрева печи до 900 С до момента ввода расплавленного алюминиевого сплава, составил 4 ч.

Количество расплавленного алюминиевого сплава, вводимого в каждую заготовку, равнялось 330 г, Этот алюминиевый сплав имел такой же состав, что и у первого алю31

1797603

32 миниевого сплава, указанного в примере 1, Расплавленный алюминиевый сплав вводили в заготовки путем заливки его в воронкообразную верхнюю часть заготовки, находящейся при этом в печи при 900 С.

Наличие у верхней части воронкообразной. формы облегчало заливку расплавленного металла г заготовки, а также образовывало ванну для расплавленного металла. Поскольку сквозь проницаемые стенки заготовок проходил воздух, то происходило окисление расплавленного алюминия. Наращивающийся продукт окислительной реакции, получаемый в результате окисления расплавленного алюминиевого сплава, просачивался в стенки ка>кдой заготовки в соот. ветствии с процессами, описанными в известных заявках на патент. По мере наращивания продукта израсходованный алюминиевый сплав восстанавливали подачей расплавленного алюминия 1100 при 900 С, Процесс наращивания проводили втечение

100 — 150 ч, Хотя большая часть наращивания происходила в первые 30 ч, но в течение дополнительного времени на реакцию создавали более равномерный продукт сточки зрения фазы наращивания.

После того как продукт окислительной реакции полностью пропитал стенки каждой заготовки для создания керамических композиционных оболочек для кулачковых валов, расплавленный алюминиевый сплав выливали из оболочки, имевших по-прежнему температуру 900 С. Керамические композиционные оболочки для кулачковых валов по-прежнему при 900 С заполняли сырым карбидом кремния (Кристалон 39) с размером зерна 24 в качестве основного наполнителя, и закрывали сплавам — металлической матрицей при 900 С. Может использоваться н;cKoll bKo легкоплавких сплавов, B их число входят; алюминиевый сплав 1100, алюминиевый сплав, упомянутый в примере 1; алюминиевые сплав, содержащий алюминиевый сплав 1100 с добавкой 0,25-3 Д лития, алюминиевый сплав, содержащий алюминиевый сплав

1100 с присадкой примерно 0,5 — 5;ь магния; алюминиевый сплав, содержащий алюминиевый сплав, упомянутый в примере 1, с присадкой примерно 0,25-3;4 лития; и алюминиевый сплав, упомянутый в примере 1, C .присадкой 0,5-5;ь магния, Как только слой из SiC в каждой заготовке закрывали сплавом-матрицей, почти сразу происходило просачивание сплава-матрицы в слой, которое завершалось примерно через 20 мин. В течение этого 20-мин. периода по необходимости в каждую заготовку подавали дополнительное количество сплава-матрицы с

35. сердцевину на металлической основе путем

50

2,0

30 тем, чтобы каждый слой был закрыт сплавом-матрицей, По завершении периода пропитки кулачковые валы охлаждали до температуры окружающей среды в течение

12 — 15 ч, очищали, разрезали и шлифовали, доводя их до требуемого состояния. Наращенные кулачковые валы очищали струей песка и разрезали на части требуемой длины при помощи алмазного абразивного отрезного круга. Шлифование цилиндрических поверхностей осуществляли с помощью вулканитовых шлифовальных кругов из алмазной крошки с размером зерна 100.

Шлифование кулачка проводили с помощью вулканитовых шлифовальных кругов иэ алмазной крошки с размером зерно 200. Скорость подачи составляла примерно .

0,002 — 0,003 дюйма для резки и 0,0005—

0,0008 дюйма для шлифовки. Кулачковый вал, изготовленный f10 этому способу, показан на фиг. 10.

Пример 10 показывает, что возможно изготовление устройства со сложной геометрией, но при этом оно должно состоять из композиционной оболочки с керамической матрицей и композиционной сердцевины на металлической основе. Композицйонную оболочку с керамической матрицей готовят первоначально путем пропитки фасонной предварительно отформованной заготовки, состоящей из дополнительного наполнителя, продуктом, полученным в результате окисления алюминиевого сплава воздухом, .

Затем приготавливают композиционную самопроизвольной пропитки герметично закрытого основного наполнителя, содержащего захваченный воздух, расплавленным алюминием, причем основной наполнитель расположен во внутренней полости композиционной оболочки с керамической матрицей. Этот способ позволяет получать конечный продукт с комбинацией свойств композиции с керамической матрицей и композиции с металлической основой

Способы согласно данному изобретению предусматриваЮт использование множества различных основных наполнителей, в частности, керамических наполнителей, и выбор основного наполнителя зависит от таких факторов, KBK применяемый конкретный алюминиевый или магниевый сплав, условия проведения процесса, вид и размер наполнителя и свойства, которые хотят придать конечному композиционному прбдукту на металлической основе. Предпочтительно, чтобы основной наполнитель, то есть упрочняющий или усиливающий элемент для композиции с металлической матрицей, был не способен реагировать с расплавлен33

1797603

20 ным алюминиевым или магниевым металлом в условиях процесса, В число пригодных наполнителей входят, например, (а) окислы, например глинозем, магнезия, окись титана. окись циркония и окись гафния; (в) карбиды, например карбид кремния и карбид титана; (с) бориды, например диборид титана, додекаборид алюминия, и (d) нитриды, например нитрид алюминия, нитрид кремния и нитрид циркония. Если же основной наполнитель реагирует с расплавленным алюминием или магнием, то это могло бы быть компенсировано сведением к минимуму времени пропитки и температуры или нанесением на наполнитель нереакционноспособного покрытия. Основной наполнитель может содержать материал, например, углерод или другой некерамический материал, несущий керамическое покрытие для защиты основы от агрессивного воздействия или деградации. Керамические материалы, пригодные для использования при осуществлении данного способа, включают глинозем и карбид кремния в виде частиц, нитевидных кристаллов и волокон, Волокно может представлять собой преры.. вистую нить, например, многонитевые жгуты. Кроме того. второй наполнитель может представлять собой либо однородную, либо неоднородную массу или предварительно отформованную заготовку.

Карбид кремния вступает в реакцию с беспримесным расплавленным алюминием с получением карбида алюминия. Если кар; бид кремния используют в качестве основного наполнителя, то желательно воспрепятствовать этой реакции или свес1и ее к минимуму, так как карбид алюминия восприимчив к агрессивному воздействию влаги, что потенциально ослабляет композиционное с металлической матрицей. В связи с этим с целью сведения этой реакции до минимума или воспрепятствования ей можно произвести предварительный обжиг карбида кремния в воздушной среде для формирования на нем нереакционноспосабного покрытия из двуокиси кремния, или же можно легировать алюминий кремнием или осуществлять и то и другое. В любом случае результатом являвтся повышение содержания кремния в сплаве и устранение образования из карбида алюминия. Аналогичные способы могут быть применены для предотвращения нежелательных реакций с другими наполнительными материалами, Основной наполнитель может быть любого размера и формы, необходимого для достижения свойств, которые желают получить в композиционном продукте или теле с металлической матрицей. Следовательно, 25

55 основной наполнитель может быть в виде частиц, нитевидных кристаллов или волокон, поскольку пропитка основного наполкителя расплавленным алюминием не ограничивается формой наполнителя. Могут использоваться и другие формы, например шарики, трубочки, таблетки, ткань из жаропрочного волокна и т.п. Следует также заметить, что для обеспечения полной пропитки массы более мелких частиц может потребоваться обеспечение более высокой темпера.туры и больший период времени .по сравнению со случаем пропитки, частиц больших размеров. Основной наполнитель может быть насыпной плотности либо умеренной плотности.

По сравнению с обычной технологией формирования композиции с металлической матрицей данный способ исключает необходимость использования специальных газовых сред и высоких давлений, высоких температур, прилагаемого извне вакуума или механического давления для принудительного внедрения расплавленного алюминия или магния во второй наполнитель. Он позволяет проводить процесс в окружающей воздушной среде и дает возможность создавать композиции с алюминиевой матрицей или композиции с магниевой матрицей при использовании множества различных наполнителей, диапазона загрузок наполнителей и с низкой степенью пористости.

Пример 11. Этот пример показывает изменение процесса для создания фасонной детали с металлической матрицей, В этом случае пенопластовую модель размером 4 х 2 х 1 покрывали суспензией Ли!! II II кота путем погружения модели в чашу с суспензией. Затем модель извлекали уже с тонким слоем суспензии Ликота на ее наружной поверхности. Липкую модель обсыпали алундом 38 с размером зерен 90, который прилипал к покрытию из суспензии

Ликота. Модель с покрытием из суспензии

Ликота просушивали, и процесс с нанесением покрытия методом погружения и обсыпанием алундом 90 повторяли несколько раз для нанесения на пенопластовую модель покрытия из суспензии Ликота и алунда 38 с размером зерен 90 толщиной приблизительно 1/8 . Модель с покрытием затем

И просушивали и нагревали примерно до

900 С в течение 4 ч. Пенопластовая модель в процессе нагрева улетучивалась и в результате за нею оставалась полость, которая в обратном виде повторяла наружную форму пенопластовой модели.

После по существу полного улетучивания пенопластовой модели в полученную

1797603 полость заливали расплавленный основной металл-сплав, номинально содержавший по весу 2,5-3,5% ц и н к а, 3-4% меди, 7,5-9,5% кремния, 0,8 — 1,5% железа, 0,2 — 0,3% магния и максимум 0,5% ммааррггааннццаа, 0,5% никеля, 0,01% бериллия, 0,01% кальция и 0,35% олова; остальное составлял алюминий, и подвергали его окислению в течение 24 ч для создания непроницаемой формы, предназначенной для формирования композиционного тела с металлической матрицей, . Таким образом, форму создавали в соответствии со способами, описанными в указанных зая.вках на патент. Остаточный основной металл-сплав, т.е. основной металл-сплав, который не был превращен в продукт окислительной реакции, сливали затем из выполненной формы, а форму заполняли 166 г карбида кремния с.размером зерна 24 (Кристалон 39} и закрывали 100 г алюмийиевого сплава, номинально содержавшего по весу 2,5-3,5% цинка, 3 — 4% меди, 7,5 — 8,5% кремния, 0,8 — 1,5% железа, 0,2-0,3 % магния и максимум 0,5% марганца, 0,5% никеля, 0,01% бериллия, 0,01% кальция и 0,25% олова; остальной процент составлял алюминий, За 5 мин этот алюминиевый сплав пропитал слой наполнителя и в результате получили композицию с металлической матрицей, заключенную в непроницаемую форму. Форму с ее содержимым охлаждали до температуры ниже 550 С, а затем подвергали резкому охлаждению в воде, вызывая разрушение ее вследствие резкого изменения температуры. Полученная композиция определенной формы с металлической основой имели по существу ту же самую форму, что и исходная пенопластовая модель. Этот пример иллюстрирует способ создания компонентов на металлической основе, имеющих сложную форму.

Предполагается, что тот же самый результат мог бы быть достигнут и в случае применения других моделей вместо пенопластовой или восковой моделей.

Пример 12. Повторяют процесс, описанный в примере 11, эа исключением того, что в данном случае в качестве наполнителя испольэовали алунд 38 с размером зерен 500, контейнер представлял собой сварной цилиндр из нержавающей стали

304 (2 х 2 х 4 } и сплав-матрица содержал условно 12.5% кремния, 6% магния, 5% цинка, остальное — алюминий. В этом случае пропитка происходила в течение 2 ч, после чего металл охлаждали. Обнаружено, что сплав алюминия пропитал слой наполнителя иэ алунда.

Таким образом, осуществление данного способа позволяет получать широкую номенклатуру изделий улучшенными свойс вами без применения избыточного давле ния и защитной атмосферы.

5 Формула изобретения

1. Способ получений изделий, содержащих композицию с металлической матрицей, включающий изготовление непроницаемой формы, размещение проницаемой массы ос10 новного наполнителя в полости формы, осуществление контакта в полости формы массы наполнителя с расплавом на основе магния или алюминия, герметизацию формы расплавом, пропитку массы наполните15 ля тем >ке расплавом с последующим охлаждением до отверждения композиции, отличающийся тем, что, с цель ю расширения технологических возможностей эа счет расширения номенклатуры из20 делий и повышения эффективности способа, непроницаемую форму изготавливают путем формования из дополнительного наполнителя проницаемой заготовки с . полостью и по крайней мере одним отвер25 стием, введения расплава дополнительного металла в контакт с заготовкой в присутствии окислителя и формирования продукта окислительной реакции между расплавом и окислителем при температуре выше темпе30 ратуры плавления дополнительного металла, но ниже темпера туры плавления продукта акислительной реакции, выдержки при этой температуре, по крайней мере, . части продукта окислительной реакции в

35 контакте с расплавом дополнительного металла для непрерывного формирования продукта окислительной реакции на границе раздела между окислителем и ранее полученным продуктом реакции окисления для

40 внедрения, по крайней мере, части заготовки в продукт окислительной реакции с последующим удалением из полости заготовки, по крайней мере части дополни тельного металла, не прореагировавшего с

45 окислителем, 2. Способ по п.1, î v л и ч а ю шийся тем, что при формовании проницаемой заготовки в качестве дополнительного наполнителя берут глииазем или карбид кремния, 50 при введении заготовки в контакт с допЬлнительным металлическим расплавом используют расплав алюминия, . при -размещении массы основного наполнителя в полости формы в качестве основного наполнителя используют карбид кремния, а в качестве расплава для его пропитки — алюминий.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в продукт реакции окисления внедряют, по крайней мере, ту часть заготовки. которая образует полость.

38

1797603

4, Способ по п.1, отличающийся тем, что часть дополнительного металла, не прореагировавшего с окислителем, удаляют из полости в виде расплава.

5. Способ по и 1, отличающийся 5 тем, что при изготовлении непроницаемой формы, по крайней мере часть ее поверхности формируют путем связывания по крайней мере одного ограничительного средства с массой дополнительного напол- 10 нителя для ограничения наращивания продукта окислительной реакции.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что формирование .полости заготовки осуществляют путем формования массы до- 15 полнительного наполнителя на металлической модели из дополнительного металла, при этом поверхность модели в обратном виде повторяет требуемую геометрию полости, а вводят в контакт заготовку и расплав 20 дополнительного металла путем нагрева указанной модели выше температуры ее плавления.

7..Способ по п1,отл ича ющи йся тем, что формирование полости заготовки 25 осуществляют путем формования массы до полнительного наполнителя на модели из расходуемого модельного тела, при этом поверхность модели в обратном виде повторяет требуемую геометрию полости, а затем 30 расходуемое модельное тело замещают расплавом дополнительного металла.

8. Способ по п.1, о т л и ч à ю шийся тем, чтб после отверждения композиции с металлической матрицей проводят ее отде- 35 ление от формы.

9. Способ по п.8, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что отделение композиции с металлической матрицей от формы проводят путем разрушения формы резким изменением ее температуры путем погружения неостывшей формы в охлаждующую жидкость.

10. Способ поп,1.отл ича ю щийся тем, что при охлаждении дополнительно проводят выдержку расплава в контакте с по крайней мере, частью непроницаемой формы для связывания композиции с металлической матрицей с по крайней мере частью непроницаемой формы в единое целое, для получения многослойного изделия, 11. Способ по п.1, отличающийся тем, что материал основного наполнителя выбирают из группы, включающей, по крайней мере, один оксид, карбид, борид и нитрид.

12, Способ по п,1, о т л.и ч а ю шийся тем, что окислителем является воздух.

13, Способ по п.1, отл и ча ю щий ся тем, что контакт массы основного наполнителя в полости формы с расплавом на основе алюминия проводят при 700-1000 С.

14. Способ по п.13, о тл ич а ю щи и ся тем, что контакт основного наполнителя в полости формы с расплавом на основе алюминия проводят при 850 — 950 С.

15. Способ по п.1, отличающийся тем, что при осуществлении контакта основ-, ного наполнителя полости формы с расплавом на основе алюминия в качестве основного наполнителя выбирают карбид кремния с покрытием из Ма20.

1797603

1797603

1797603

80 86 74 76 72

1797603

1 3УХХ. Я

Составитель Е,Хромушина

Техред М,Моргентал Корректор И.Шулла

Редактор

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

Заказ 664 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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