NO169646B - Fremgangsmaate for fremstilling av gjenstander av komposittmaterialer - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en ny fremgangsmåte for fremstilling av komposittmaterialer som omfatter aluminiumnitrid og aluminiummetall. Komposittmaterialer av keramiske partikler eller fibre med metallisk matriks har i flere tiår vært benyttet for ulike formål. Materialene fremstilles gjerne ad pulvermetallurgisk vei ved at man fremstiller en pulver-blanding av de aktuelle komponentene, former de aktuelle gjenstandene med kjente formgivningsmetoder og derefter sintrer gjenstandene ved optimale temperaturer i en ovnsatmosfære med ønsket gass-sammensetning og totaltrykk. Alternativt kan man blande inn de keramiske partiklene i flytende metall og derefter formgi materialet ved f.eks. støping.

En tredje metode - som spesielt anvendes for fiberholdige kompositter - er infiltrering av flytende metall i en fibermasse som er pakket til ønsket tetthet i en beholder (preform).

Komposittmaterialer av aluminiumnitrid og aluminiummetall er tidigere beskrevet i US patentskrift 3.328.280 (1967) og 3.408.312 (1968), begge tilhørende N. E. Richards, J.S. Berry og T. J. Johnston (Reynold Metals). I disse angis at slike materialer kan fremstilles ved kjente metoder - som angitt ovenfor - ut fra blandinger av aluminiumnitrid-pulver og aluminiummetall-pulver. En foretrukket metode ifølge de nevnte patenter er varmpressing av pulverblandingen i grafittformer og sintring under trykk på 1600 psi (~ 11 MPa) ved temperatur ca. 1750°C ± 50°C. Materialene angis å ha relativt høy elektrisk ledningsevne og god bestandighet overfor flytende aluminium og alkalifluoridsmelter.

I henhold til oppfinnelsen tilveiebringes en fremgangsmåte for fremstilling av gjenstander av komposittmaterialer som omfatter aluminiumnitrid og aluminiummetall. Fremgangsmåten karakteriseres ved at en porøs silisiumnitrid-gjenstand infiltreres med flytende aluminium eller aluminiumlegering, og omsetning mellom silisiumnitrid og inntrengt aluminium frembringes ved en temperatur over smeltepunktet for aluminium.

Foreliggende oppfinnelse er således basert på konvertering in situ av silisiumnitrid til aluminiumnitrid ved tilsats av flytende aluminium, slik som kan illustreres ved reaksjons-ligningen

Termodynamiske data for henholdsvis silisiumnitrid og aluminiumnitrid viser at ved temperaturer over smeltepunktet for rent aluminium (660°C) er likevekten sterkt forskjøvet mot høyre. Laboratorieforsøk har vist at ved å velge et egnet silisiumnitrid-materiale lar det seg gjøre å infiltrere dette fullstendig med flytende aluminium ved å holde silisiumnitridmaterialet nedsenket i flytende aluminiummetall i en viss tid. Silisiumnitridet omsettes med infiltrert metall som angitt ovenfor, slik at det dannes et kompositt-materiale som hoved-sakelig består av aluminiumnitrid og en silisiumholdig aluminiumlegering. Legeringens silisiuminnhold vil være avhengig av bl.a. eksponeringstid, temperatur og metallpermeabiliteten av den opprinnelige silisiumnitrid-gjenstanden.

Silisiumnitrid-utgangsmaterialet kan fremstilles på flere måter, men det foretrekkes å la silisiummetall reagere med nitrogen ved forhøyet temperatur som i og for seg kjent. Silisiumpulveret kan hensiktsmessig gis en form nær den ønskede sluttform, hvorefter sammensintring og nitrering finner sted. Det er ikke nødvendig at alt silisium blir nitrert, idet eventuelle rester av Si i silisiumnitridet ikke har noen uheldig virkning. I enkelte tilfeller synes det til og med som om det kan være gunstig for den påfølgende konvertering.

Det settes her ikke spesielt store krav til tetthet og mekanisk styrke av silisiumnitridmaterialet, som derfor kan fremstilles med relativt lave omkostninger. Konverteringen er også en enkel prosess, og følgelig vil det ved bruk av den her beskrevne fremgangsmåte være mulig å produsere de aktuelle kompositter med relativt lave kostnader.

Et sterkt fordyrende ledd i produksjonen er ofte efter-bearbeiding av ferdig sintrede keramer eller keram/metall-komposittet. Dette skyldes at de fleste slike materialer er meget hårde og vanskelig lar seg bearbeide med tradisjonelt slipe- og maskineringsutstyr. Ved fremstilling av reaksjons-bundne silisiumnitrid-gjenstander kan bearbeidingsproblemene forenkles vesentlig hvis sintringen foretas i to trinn. Først foretas en delvis sintring og nitrering ved 1100-1200°C, derefter foretas nødvendig maskinell bearbeiding og så foretas sluttnitreringen ved ca. 1400°C. Nitreringen medfører bare ubetydelige endringer i ytre dimensjoner.

Laboratorieforsøk har vist at også den ovenfor beskrevne konvertering av silisiumnitrid til aluminiumnitrid bare ledsages av meget små endringer i ytre dimensjoner. Ved å foreta en kostnadsmessig sett rimelig bearbeiding av den delvis nitrerte silisiumnitrid-gjenstand kan bearbeidingskostnadene for den ferdige aluminiumnitrid/aluminiummetall-kompositt reduseres til et minimum.

En annen fordel som oppnås ved hjelp av den beskrevne fremstillingsmåte er at det i det ferdige produkt foreligger sterke direkte-bindinger mellom de enkelte aluminiumnitrid-partiklene slik at den mekaniske fasthet ikke endres drastisk ved temperaturer over metallfasens smeltepunkt. Disse bindingene er etablert ved nitreringen av silisium under fremstillingen av silisiumnitrid-gjenstanden, og bindingene synes å opprettholdes under konverteringen til aluminiumnitrid.

Den elektriske ledningsevne av materialet er sterkt avhengig av bl.a. mengdeforholdet mellom nitrid- og metallfase. Ved bruk av foreliggende oppfinnelse kan således den elektriske ledningsevne varieres innen vide grenser ved f.eks. å velge silisiumnitridmaterialer med forskjellig porøsitet og pore-fordeling. Hvis det aktuelle komposittmateriale primært skal tjene som et strømførende materiale, vil det være riktig å benytte et relativt porøst silisiumnitridmateriale. Skal derimot materialet i første rekke tjene som konstruksjons-materiale er det logisk å foreta konvertering av et tettere og sterkere silisiumnitrid-materiale.

Istedenfor å foreta infiltrasjonen av silisiumnitrid-utgangsmaterialet med aluminium, kan den også foretas med en aluminiumlegering, og en rekke legeringselementer er her mulige, f.eks. magnesium, kobber, sink etc. Man vil da kunne oppnå en bedre inntrengning i silisiumnitrid-utgangsmaterialet, og vil også kunne få tilført visse ønskede egenskaper så som øket ledningsevne.

Eksempel 1

Et prøvestykke av sintret silisiumnitrid (RBSN) med dimensjoner ca. 10 x 9 x 24 mm ble plassert i en grafittdigel sammen med ca. 40 g aluminiummetall og oppvarmet til 900°C i en laboratorieovn med ovnsatmosfære bestående av argon. Digelen med innhold ble holdt ved 900°C i 7 døgn. Prøven ble så tatt ut av digelen med aluminiumsmelte, og mineralsammensetningen ble analysert kvalitativt ved røntgendiffraksjon. Fig. la og lb viser røntgendiffraktogrammer for prøven hhv. før og efter eksponering. Som det fremgår av diagrammene er det foregått en praktisk talt fullstendig konvertering av silisiumnitrid til aluminiumnitrid.

Volumvekt av prøvestykket før og efter konvertering var henholdsvis 2,32 g/cm<3> og 3,09 g/cm<3>. Totalporøsiteten av silisiumnitridprøven var ca. 25%, åpen porøsitet var 17%. Åpen porøsitet av konvertert materiale var 1-2%.

Eksempel 2

Et prøvestykke av reaksjonssintret Si3N4 (RBSN) med dimensjoner 10 x 10 x 20 mm ble eksponert i 3 døgn i en smelte av aluminiumlegering 2004 (AA 7001) under forøvrig samme betingelser som angitt i eksempel 1. Røntgendiffraktogrammet av eksponert materiale viser at praktisk talt all Si3N4 er omsatt, kfr. fig. 2

Claims (4)

1. Fremgangsmåte for fremstilling av gjenstander av komposittmaterialer som omfatter aluminiumnitrid og aluminiummetall, karakterisert ved at en porøs silisiumnitrid-gjenstand infiltreres med flytende aluminium eller aluminiumlegering, og omsetning mellom silisiumnitrid og inntrengt aluminium frembringes ved en temperatur over smeltepunktet for aluminium.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at det anvendes et sintret silisiumnitrid-utgangsmateriale med tilnærmet samme dimensjoner som den ønskede kompositt-gjenstand.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at det anvendes et silisiumnitrid-utgangsmateriale som er sintret i to trinn med be-arbeidning mellom trinnene.

4. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 1 til 3, karakterisert ved at infiltreringen foretas med en aluminiumlegering.