HU203857B - Process for producing selfcarrying ceramic product with metal basic material' oxidation, and serfcarrying ceramic product - Google Patents

Description

A találmány tárgya eljárás önhordó szerkezetű kerámia test. A találmány szerinti eljárás során fém alapanyagot gáz vagy gőz halmazállapotú oxidálószer jelenlétében felmelegítünk és megemelt hőmérsékleten olvasztott testet hozunk létre, amelyet az oxidálószerrel érintkezésbe hozunk, ezzel oxidációs reakcióterméket állítunk elő, amelyet egyrészt az olvasztott testtel, másrészt a gőz vagy gáz halmazállapotú oxidálószerrel érintkezésben tartunk, a megemelt hőmérsékleten a megolvasztott fémet mozgásba hozzuk oxidációs reakciótermékén keresztül az oxidálószer irányában, az oxidálószerrel az oxidációs reakciótermék felületén érintkezésbe hozzuk és ezzel az oxidációs reakciótennék vastagságát növeljük, majd a reakciót folytatjuk és ezzel oxidációs reakciótermékből és fémes összetevőből állí kerámia test fém alapanyag és gőz vagy gáz fázisú oxidálószer jelenlétében a fém alapanyag megolvasztásával és oxidálásával létrehozott polikristályos oxidációs terméket és a fém alapanyag oxidálatlan részecskéit tartalmazza.

Az elmúlt évek során egyre növekvő érdeklődés mutatkozik a kerámia anyagok felhasználása iránt olyan alkalmazási lehetőségekben, ahol hagyományosan mindeddig fémeket használtak. Az érdeklődés alapja az a tény, hogy a kerámia anyagok több tulajdonságukat tekintve, mint például korrózióállóság, keménység, rugalmassági modulus vagy hőállóság a fémekkel összehasonlítva igen kedvezőek.

A nagyobb szilárdságú, megbízhatóságú, kevéssé rideg kerámia termékek előállításár airányuló erőfeszítések két irányban folynak Az egyik a monolitikus szerkezetű kerámia anyagok előállítási módszereinek tökéletesítése, míg a másik új típusú anyagkompozíciők kidolgozása, amelyek alkalmasak összetett szerkezetű, mátrixra épülő kerámia termékek létrehozására. Az összetett szerkezetű, más szóval kompozit termékek heterogén anyageloszlású struktúrával jellemezhetők, ezek olyan testek, termékek vagy anyagok, amelyekben két vagy több összetevő szorosan összekapcsolódik, integrális egységben biztosítja a kívánt tulajdonságokat. Két különböző anyag ilyen belső kombinációja az, amikor az egyikből mátrixszerkezetet hozunk létre és a másikat ebben a mátrixszerkezetben eloszlatjuk. A mátrixszerkezetű kerámia kompozit termékek általában ezért olyan kerámia mátrixot tartalmaznak, amelyben egy vagy több különböző jellegű töltőanyag, például szálak, pálcikák, huzalok, szemcsés részek vannak eloszlatva.

A kerámia anyagok azonban nem minden vonatkozásban képesek a fémeket helyettesíteni. Számos hátrányos vonás jellemzi előállításukat Különösen nagy gondot okoz, hogy bonyolult felületi kialakítású alakzatok esetében igen nagyok az előállítási költségek.

A találmány feladata a bonyolult kialakítású kerámia termékek előállítására szolgáló eljárások jelentős leegyszerűsítése.

Felismertük, hogy önhordó szerkezetű kerámia testek létrehozására fém alapanyag oxidációs reakciótermékének szabályozott növekedése használható. A fém alapanyagot megfelelő oxidálószerrel, általában gőz vagy gáz halmazállapotú oxidálószerrel reakcióba visszük, ezzel a fém alapanyag határfelületén oxidréteget hozunk létre, és ez az oxidációs reakciótermék olyan feltételeket biztosít, hogy a fém alapanyag az oxidációs reakciótennék részecskéi között vándorol el eredeti helyéről. Az oxidációs reakciótennék felületére jutva a fém alapanyag oxidálódik és így folyamatosan polikristályos szerkezetű test alakul ki, amelyben a fémes összetevő is megmaradhat Megfelelő ötvözök és dópoló anyagok alkalmazásával a folyamat gyorsítható, így például alumínium fém alapanyag oxidálásánál, ha az oxidálást levegőben vagy oxigénben hajtjuk végre, a magnézium és a szilícium előnyösen befolyásolja az alfa-módosulatú alumínium-trioxidra épülő kerámia struktúrák létrejöttét. A dópoló anyag a fém alapanyag felületére is felvihető, hatását üy módon is képes kifejteni.

Ha az oxidációs reakciót úgy hajtjuk végre, hogy a fém alapanyagot töltőanyag permeábilis tömegébe ágyazzuk, akkor a megolvadt fém az oxidációs reakció közben átnövi a töltőanyagot és azt is felölelő mátrixot hoz létre. Az így létrejövő összetett szerkezetű termék külső alakja azonban nem meghatározott.

Az oxidációs reakció alapján lehetőség van azonban olyan összetett szerkezetű kerámia testek létrehozására is, amelyek külső alakja egy előre meghatározott geometriát vagy formál követ Ilyenkor a fém alapanyagot megfelelő előminta felületével hozzuk kapcsolatba és biztosítjuk, hogy az oxidációs reakciótermék az előminta felületének irányába fejlődjön ki. Az is a felismeréshez tartozik, hogy megfelelő gátló elem alkalmazásával, amely az oxidációs reakciótemék növekedésének irányában van elrendezve, lehetőség van az alakhűség további fokozására. Ilyenkor a kerámia anyag kiépülése a gátló elemig folytatódik, és az eljárás végrehajtható úgy is, hogy inverz módon reprodukálunk egy előre kialakított mintát, amivel belső üreggel, bonyolult belső felületi kialakítással jellemzett kerámia termékek is létrehozhatók. Ezek az eljárások a jelen találmány szerintivel egyidejűleg váltak ismertté és közös számukra, hogy a kerámia test fém alapanyag több (általában három) dimenzióban egymással összekapcsolódó részecskékből felépülő oxidációs reakcióterméket és egy vagy több fémes komponenst tartalmaz. A kerámia termékben a fém alapanyag oxidálatlan részecskéi és/vagy más az oxidálőszerből, esetleg a töltőanyagból redukált fémek részecskéi által elfoglalt térfogat számos tényezőtől függ, különösen az oxidációs reakció hőmérsékletétől, időtartamától, a fém alapanyag összetételétől, az alkalmazott dópoló anyagtól, az oxidálószerből és/vagy a töltőanyagból származó redukált összetevők jelenlététől, stb. A fémes összetevők egy része zárványként vagy egymástól elszigetelt elemként van jelen, de az előállítás feltételeitől függően lehetséges, hogy a kerámia anyagban egymással nagyobb mértékben összefüggő és kívülről hozzáférhető vagy hozzáférhetővé tehető fémes felületek alakulnak ki. A vizsgálatok tanúsága szerint a kerámia testben a fémeket tartalmazó területek részaránya kb. 1... 40 tf%, esetleg még nagyobb is lehet Ez

HU 203 857 Β a térfogat mind a zárvány formájában beépül, mind pedig a nagyobb tömegeket alkotó fémes részeket felöleli. A fémes összetevő a kerámia anyag számos tulajdonságát képes javítani, de sok esetben az alakíthatóság szempontjából is fontos a jelenléte. így például a kerámia struktúrában jelenlevő fém javíthatja a törékenységet, a hővezetőképességet, az elektromos ellenállást vagy vezetőképességet, stb.

Az említett jellemzőket egyetlen fém alapanyag alkalmazása mellett nem mindig lehet megfelelően biztosítani, ezért találmányunk feladata a megfelelő mechanikai jellemzők mellett mindenek előtt a hőfizikai, illetve elektromos jellemzők befolyásolására alkalmas szerkezet létrehozása, amit felismerésünk szerint egy belülről bevitt további fémes komponens beépítésével érünk el.

A találmány szerinti eljárás és kerámia test további ismertetésében a következő értelmezéssel bíró kifejezéseket használjuk:

A „kerámia test” vagy „kerámia anyag” fogalma a jelen találmány értelmezésében egyáltalában nem korlátozó a klasszikus értelemben vett kerámia anyagokra, amelyek lényegében teljes térfogatukban nemfémes és más szervetlen összetevőkből állnak. A találmány szerint előállított és alkalmazott kerámia anyag, illetve test olyan szerkezetű, hogy legfontosabb, domináns jellemzőit, és/vagy összetételét tekintve lényegében a kerámia testre emlékeztet, de kisebb vagy akár nagyobb mennyiségekben tartalmazhat egy vagy több fémes összetevőt, valamint összekötött járatokat alkotó vagy elszigetelt porozitást, amely a fém alapanyag, oxidálószer vagy dópoló anyag jelenlétének következtében alakul ki és a térfog&tbvan részaránya 1.. 40 tf%, de lehet nagyobb is.

Az „oxidációs reakciótermék” fogalma a találmány értelmében egy vagy több oxidált állapotú fémet jelöl, ahol a fémet más elemnek vagy vegyületnek, illetve azok valamilyen kombinációjának elektront leadó vagy azzal elektront megosztó összetevőnek tekintjük. Ennek megfelelően az oxidációs ieakciótermék egy vagy több fém és oxidálőszer reakciójának eredménye, ahol alkalmas oxidálőszer a következő: oxigén, nitrogén, halogének, kén, foszfor, arzén, szén, bőr, szelén, tellur, ezek vegyületei és keverékei, mint például a szilícium-dioxid (ez kiváló oxigénfonás), metán, etán, propán, acetilén, etilén és propilén (mint szén forrásai), továbbá keverékek, mint levegő, Hj/í^O és CO/CO₂, illetve ez utóbbi kettő (tehát ^/HjO és CO/COg) keveréke, amelyek különösen alkalmasak a környezet oxigénaktivitásának csökkentésére.

A „góz vagy gáz halmazállapotú oxidálószer” olyan oxidálószer, amely egy megadott gázt vagy gőzt tartalmaz, esetleg ebból az anyagból áll, ez annyit jelent, hogy a megadott gőz vagy gáz a reakció feltételei között az oxidálószerben a kizárólagos, a túlnyomó, vagy legalábbis a nagyobb részt alkotó oxidáló összetevő, amely az oxidációs reakció feltételei között a fém alapanyag oxidálását biztosítja így például a levegő általában nitrogéntartalmú gáznak minősül, hiszen nitrogéntartalma sokkal nagyobb, mint benne az oxigén mennyisége, mégis a levegőt a találmány vonatkozásában oxigéntartalmú gáznak tekintjük, mivel a fém alapanyag oxidációs reakcíójánek lefolytatásánál levegő alkalmazása esetében a hatás mindenekelőtt az oxigén jelenlétének köszönhető. Ennek megfelelően a levegő ez esetben az oxigéntartalmú gáz kategóriájába esik, a nitrogéntartalmú gázok között a jelen találmány értelmében oxidálószerként nem említhető meg. A nitrogéntartalmú gáz, mint oxidálószer példája lehet a 96 tf% nitrogént és a 4 tf% hidrogént tartalmazó formázó gáz.

A „fém alapanyag” olyan viszonylag tiszta fémes tulajdonságú anyag, amely kereskedelmi forgalomban beszerezhető fémes összetevőket tartalmaz a szokásos szennyezésekkel, adott esetben ötvözőanyagokkal, ötvöző vegyületekkel és intermetallikus vegyületekkel. Ha a leírás egy meghatározott fémet, például alumíniumot említ, akkor a találmány a fenti tisztasági feltételeknek megfelelő fémre vonatkozik, hacsak a leírás ezzel kapcsolatban más feltételeket nem említ.

A „második fém” vagy „idegen fém” fogalma olyan fémes anyagot, fémek kombinációját, ötvözetet vagy intermetallikus vegyületet, illetve az említettek bármelyikének olyan forrását jelenti, amely alkalmas arra, hogy a keletkező kerámia test fémes komponensei közé a reakció előtt vagy a reakció feltételei között beépüljön, a fém alapanyag részecskéit felváltsa, kiegészítse, vagy azokkal kapcsolódjon. A definíció vonatkozik azokra az intermetallikus vegyületekre, ötvözetekre, szilárd oldatokra és hasonló képződményekre, amelyek a fém alapanyag és a második fém között lejátszódó folyamatok eredményeként jönnek létre.

A „mozgás” fogalmát a jelen találmány értelmében megolvadt fémmel kapcsolatban használjuk, és ez a megolvadt fémnek az oxidációs reakció feltételei között az oxidációs reakciótermékben kialakuló áramlását, migrációját jelenti.

A kitűzött feladat megoldása érdekében eljárást dolgoztunk ki önhordó szerkezetű kerámia test előállítására fém alapanyag oxidálásával, valamint önhordó szerkezetű kerámia testet is létrehoztunk.

A javasolt eljárás során fém alapanyagot gáz vagy gőz halmazállapotú oxidálószer jelenlétében felmelegítünk és megemelt hőmérsékleten olvasztott testet hozunk létre, amelyet az oxidálószerrel érintkezésbe hozunk, ezzel oxidációs reakcióterméket állítunk elő, amelyet egyrészt az olvasztott testtel, másrészt a gőz vagy gáz halmazállapotú oxidálószerrel érintkezésben tartunk, a megemelt hőmérsékleten a megolvasztott fémet mozgásba hozzuk oxidációs reakciótermékén keresztül az oxidálószer irányában, az oxidálószenei az oxidációs reakciótermék felületén érintkezésbe hozzuk és ezzel az oxidációs reakciótérmék vastagságát növeljük, majd a reakciót folytatjuk és ezzel a fém alapanyag oxidációs reakciótermékéből és a mozgásba hozott fém megszilárdulásával kialakuló fémes összetevőt tartalmazó kerámia testet hozunk létre, ahol a találmány szerint a fémet a megemelt hőmérséklet alkalmazása előtt vagy közben második (idegen) fémmel

HU 203 857 Β egészítjük ki, hozzá második (idegen) fémet adagolunk, a fém alapanyagot mozgásba hozzuk, az oxidációs reakciót folytatjuk és ezzel a mozgásba hozott fémben a fém alapanyag mennyiségét lecsökkentjük, a kerámia testben a második fémmel és a fém alapanyag- 5 gal feldúsult egy vagy több fémes fázist hozunk létre, és ezzel a fémes fázisokat tartalmazó fémes komponenssel létrejött, lényegében spinellektól mentes, vagy az oxidációs reakciótermék kezdő felületére korlátozott jelenlétű spinellt befogadó kerámia testet készí- 10 tünk. A találmány szerinti eljárással készült kerámia testben a második fém jelenlétével és tulajdonságaival biztosítja a kerámia test jellemzőinek kívánt megváltoztatását és mindenekelőtt azt, hogy jelenlétük csak az oxidációs reakciótermék keletkezésének kezdeti 15 időszakában létrejött felületre korlátozódjon.

A találmány szerinti eljárás egy előnyös foganatosítási módjában a második fémet a fém alapanyag ötvözésével visszük be a folyamatba, de lehetséges a második fém elrendezése a fém alapanyagon a megemelt 20 hőmérséklet alkalmazása előtt is. Ha töltőanyagot használunk, célszerű foganatosítási mód adódik alakos termékek előállítására. Ilyenkor a második fémet a töltőanyaggal keverjük ki, vagy annak rétegként úgy hozzuk létre, hogy az oxidációs reakciótermék átnövé- 25 se, a fém alapanyag mozgása során az a kerámia szerkezetbe be tudjon épülni.

A fém alapanyag környezetébe a második fémet célszerű lehet a reakció feltételei között felbomló fémtartalmú vegyületként bevinni. 30

Az oxidációs reakció időtartamát célszerűen úgy választjuk, hogy ezzel az oxidációs reakciótermékben több fémes fázis alakulhasson ki. A fémes fázist adott esetben a fém alapanyag nélkül vagy annak minimális mennyiségével is létre lehet hozni, ha a reakciót ele- 35 gendő hosszú ideig tartjuk fenn.

A fém alapanyagot célszerű lehet a megemelt hőmérséklet alkalmazása előtt vagy közben dópolni, mivel ily módon az eljárás feltételei javulnak.

Ugyancsak a kitűzött feladat megoldására dolgoz- 40 tünk ki önhordó szerkezetű kerámia testet, amely fém alapanyag és gőz vagy gáz fázisú oxidálószer jelenlétében a fém alapanyag megolvasztásával és oxidálásával létrehozott polikristályos oxidációs terméket és a fém alapanyag oxidálatlan részecskéit tartalmazza. A ta- 45 lálmány szerint a polikristályos reakciótermékben belső forrásból származó második fém részecskéi vannak eloszlatva és szükség szerint benne töltőanyag van, ahol a fémes összetevők részaránya 1... 40 tf%. A második fém lehet egyenletesen eloszlatva a termé- 50 ken, de célszerű lehet a reakció feltételeit úgy megválasztani, hogy a kerámia test egy részében koncenttálatlan legyen jelen.

A találmány szerinti eljárásban és kerámia testben célszerűen alumínium fém alapanyagot alkalmazunk, 55 míg a második (idegen) fém alumínium, titán, vas, nikkel, réz, cirkónium, hafnium, kobalt, mangán, szilícium, germánium, ón, ezüst, arany vagy platina, illetve ezek ötvözetei, keverékei, intermetallikus vegyületei, stb. 60

A találmány szerinti eljárás segítségével olyan kerámia test állítható elő, amelynek második fémes öszszetevője biztosítja a kívánt tulajdonságokat Ez a fémes összetevő általában olyan mennyiségben van jelen, amennyire a kívánt tulajdonságok eléréséhez szükség van.

A találmány tárgyát a továbbiakban példakénti foganatosítási módok, kiviteli példák alapján mutatjuk be részletesen.

Az önhordó szerkezetű kerámia testek előállítására szolgáló találmány szerinti eljárás foganatosításakor fém alapanyag oxidációs reakcióját valósítjuk meg. A fém alapanyagot oxidálőszer, különösen gőz vagy gáz halmazállapotú oxidálószer jelenlétében hevítjük és belőle olvasztott testet hozunk létre. Az olvasztott test az oxidálószerrel reakcióba lép és alkalmas hőmérsékleten olyan oxidációs reakciótermék jön létté, amely a fém alapanyag olvasztott testének határfelületét borítja. Ez kezdetben mind az oxidálószerrel, mind pedig a fém alapanyaggal kapcsolatban van. Ezen a hőmérsékleten az olvasztott testet a fém alapanyag képes megfelelő transzport folyamat révén az oxidációs reakcióterméken keresztül elhagyni és az oxidálószer felé vándorolni. A megolvadt fémet második vagy idegen fémmel egészítjük ki, amikor ez a mozgása megkezdődik és ennek megfelelően egy második fémet is a folyamatba viszünk. Ennek eredményeként olyan fémes összetevője lesz a kerámia testnek, amely a megolvadt fém alapanyagot és az idegen fémet tartalmazza, ez a komponens az oxidációs reakcióterméken keresztül mozog és amikor a fém alapanyag eléri az oxidációs reakciótermék határfelületét, a gőzfázisú oxidálószerrel reakcióba lép, aminek révén a polikristályos szerkezetű kerámia test tömege folyamatosan növekszik. Az oxidációs reakciót addig folytatjuk, amíg a szükséges nagyságú, illetve alakú oxidációs reakciótermék ki nejn alakul. Ez a fémes összetevőket anyagában eloszlatva homogén vagy inhomogén módon tartalmazza. A fémes összetevők között szerepel a fém alapanyag, valamint a második (idegen) fém, amelynek mennyisége elegendő ahhoz, hogy a kerámia test egy vagy több tulajdonságát megfelelő módon biztosítsuk. A kívánt tulajdonságot a fém jelenléte és/vagy tulajdonságai képesek biztosítani.

A második fémet a fém alapanyag mozgásához a kerámia test kialakulási folyamatában adjuk hozzá, a második fémet a fém alapanyag szállítja az oxidációs reakciőterméken keresztül. Míg az oxidálószenei kapcsolatba kerülő fém alapanyag lényegében oxidálódik / és az oxidációs reakciótermék anyagát növeli, addig a második fém lényegében oxidálatlan marad és általában fémes formában oszlik meg a kerámia anyag szerkezetében. A kerámia test kialakulása közben a második fém annak integrális részévé válik, biztosítja egy vagy több terméktulajdonság módosítását, szükség szerinti javítását.

A második fémet a fém alapanyag alkotórészeként is bevihetjük, vagyis ilyenkor az olvadt fém alapanyag azt az olvasztott testből viszi a kerámia testbe. Az oxidációs reakciótennék kialakulása folyamán a fém

HU 203 857 Β alapanyag oxidálódik és beépül a kerámia anyagba, mintha a reakciót elengedő ideig folytatjuk, a mozgásba hozott fém mennyiségben a fém alapanyag gyakorlatilag megszűnik jelen lenni, a második fémhez viszonyítva mennyisége elhanyagolhatóvá válik és ezért egy vagy több olyan fémes fázis alakul ki, amelyek a második fém mellett a fém alapanyag kisebb vagy nagyobb mennyiségét tartalmazzák. A kívánt fázisok az oxidációs reakció hőmérsékletén vagy az arra kijelölt hőmérséklettartományban jönnek létre, de kialakításuk elérhető a kerámia test fűtése, lehűtést követő hőkezelése vagy pedig az előállítást követő megmunkálása révén. A kapott kerámia termék fémes komponense egy vagy több fémes fázist tartalmaz, amely a kívánt tulajdonságok létrehozására szolgálnak.

A második fémet a fém alapanyaghoz, illetve a kerámia test szerkezetéhez sokféle módon lehet adagolni. Az egyik lehetőség a fém alapanyag ötvözése még az oxidációs reakció megkezdése előtt, amikoris kívánt összetételű, esetleg kereskedelmi forgalomban is beszerezhető fém ötvözetet használunk. Egy másik lehetőség szerint a második fémet a fém alapanyag egy vagy több felületére, különösen arra a felületére viszszük fel, amelyen át az oxidációs reakciótermék növekedését előidézzük. Az oxidációs reakció folyamatának menetében a második fémet a fém alapanyag árama magával viszi, mozgásával azt az oxidációs reakciótermék belső részébe, illetve felületére viszi el és így a második fém a fémes komponens integrális része, a kerámia test alkotó anyaga lesz.

Egy másik kiviteli alakban kompozit jellegű testet hozunk létre, amikoris az oxidációs reakcióterméket megfelelően választott töltőanyag vagy előminta anyagán növesztjük át, és ilyenkor célszerű megoldásnak bizonyul a második fémnek a töltőanyaghoz vagy az előminta anyagához való keverése, esetleg a töltőanyagban vagy az előmintán kialakított felületen való elhelyezése. Ebben az esetben az oxidációs reakciótermék növekedése során átjárja a töltőanyagot, vagyis a benne mozgó fém alapanyag képes a második fémmel kapcsolatba lépni, illetve annak forrására úgy hatni, hogy a második fémnek legalább egy része a fém alapanyag mozgásával haladjon tovább. így a fém alapanyaggal kapcsolódó vagy azzal szállított második fém be tud épülni a kerámia mátrixba. A fém alapanyag, vagy legalábbis annak egy része a góz vagy gáz halmazállapotú oxidálószer hatására az oxidációs reakciótermék és az oxidálószer közötti határfelületen oxidálódik, ezzel az oxidációs reakciőtermék tömege növekszik, míg a második fém a kialakuló kerámia tennék belsejében oszlik el.

Egy további lehetőség szerint a fém alapanyag mellett olyan vegyületet vagy keveréket használunk, amely tartalmazza a második (idegen) fémet és amely az oxidációs reakció feltételei között reakcióba lép a fém felszabadul, kapcsolódhat a fém alapanyag részecskéivel vagy azok mozgása során távozhat. Ilyen vegyület lehet például a megolvadt fém alapanyag ál tál redukálható fémoxid. A vegyület alkalmazható bevonatként vagy rétegként a fém alapanyag felületén, de célszerű megoldás annak bekeverése a töltőanyagba vagy az előminta anyagába.

A találmány szerinti eljárás foganatosítása során szükség szerint dópolt — erről a későbbiekben még részletesen szó lesz — fém alapanyagot semleges anyagból készült ágyat tartalmazó csónakba vagy más tűzálló edénybe helyezzük. A fém alapanyagot, amely a találmány értelmében oxidációs reakció kiindulási anyaga, tuskó, rúd, lemez vagy hasonló alakban készítjük eló. Belőle oxidációs reakcióterméket állítunk elő, mégpedig megemelt hőmérsékleten oxidálószerrel hozzuk kapcsolatba és ezzel polikristályos terméket növesztünk. Megállapítottuk, hogy a megemelt hőmérsékleten megolvadt fém alapanyagba a kerámia szerkezet test kialakulása folyamán második vagy idegen fémet lehet beadagolni. Az így kapott szerkezet az előállítás során alkalmassá válik a fém alapanyag és a második fém transzportjának biztosítására az oxidációs reakciótennék rétegén keresztül, mégpedig a kapilláris jelenségek révén. A fém alapanyag a második fémet magával viszi, így az a kialakuló kerámia test integrális részévé válik.

A második fém szükséges mennyiségét a kiindulási fém alapanyagot, a tűzálló anyagból készült edényt és szükség szerint töltőanyagot vagy előmintát tartalmazó összeállításba többféle módon lehet bejuttatni. Az egyik lehetőség szerint a második fémet a fém alapanyaggal kikeverjük vagy eleve olyan kiindulási anyagot választunk, amely a szükséges második fémet ötvözőanyagként tartalmazza és kereskedelemben beszerezhető. A második lehetőség szerint az idegen fémet a fém alapanyag egy vagy több felületén is el lehet helyezni. Ha összetett szerkezetű kerámia testet kívánunk előállítani, egy harmadik lehetőség szerint a második fémet a töltőanyagba vagy az előminta anyagába keverjük és így, mint erről a későbbiekben még szó lesz, a második fém kívánt mennyisége átadható a mozgó megolvadt fém alapanyagnak, amely azt az oxidációs reakcióterméken keresztül magával viszi. Az eljárás révén kapott kerámia test szerkezeti vizsgálata azt mutatja, hogy abban a második fém és a fém alapanyag oxidálatlan összetevői jelen vannak. A kerámia testben a fémes összetevő alkothat összefüggő járatokat, de jelen lehet zárványok formájában is.

A találmány szerinti eljárás foganatosítása során a második fémet elsősorban egy vagy több olyan tulajdonság alapján választjuk, amelyet az elkészült kerámia testnek kölcsönözni kell. A fémes összetevő alkalmas ugyanis arra, hogy a kerámia test néhány jellemzőjét javítsa, teljesítményét növelje. így például a kerámia testben eloszlatott fém előnyösen javíthatja a törékenységet, a rugalmasságot, a hővezetőképességet, a környezetre való veszélyesség fokát, valamint az elektromos vezetőképességet, ahol a szükséges változtatásokat, módosítárökat egy részt a második fán megválasztásával, másrészt mennyiségének és eloszlatásának módjával biztosítjuk. Ha a kerámia testben a fém alapanyagtól eltérő fémes összetevőket is jelentősebb mennyiségben alkalmazunk, akkor a kerámia testek alkalmazási lehetőségeit jelentős mértékben bő5

HU 203 857 Β vítjük. A kialakuló kerámia test kívánt tulajdonságainak biztosítására kívánatos, hogy a második fém lényegében ne lépjen kémiai reakcióba a gőz vagy gáz halmazállapotú oxidálószenei. Éppen ezért a második fémet olyan körből kell választani, amelyből a fém alapanyagból való kerámiaelőállítás specifikus feltételei között nem keletkezik jelentősebb mennyiségű oxidációs reakciótermék. Tipikus választási mód az, hogy a fémeket az adott oxidálószemek megfelelően szabad entalpiájuk szerint rangsoroljuk és közülük olyat választunk, amely a reakció hőmérsékletén a fém alapanyaggal kevéssé hajlamos az oxidálószerrel reakcióba lépni.

A második fémet olyan körből is lehet választani, amely a fém alapanyaggal vegyületeket képez, alkalmas annak ötvözésére vagy intermetallikus vegyületek létrehozására. Ezzel a megoldással is lehet a kerámia test kívánt tulajdonságait biztosítani. A jelen találmány értelmében a fém alapanyagot és a második fémet tartalmazó egy vagy több kívánt fémes fázis előállítása is lehetséges. Ezekben a fémes fázisokban intermetallikus vegyületek, szilárd oldatok, ötvözetek vagy ezek kombinációi vannak jelen. A megfelelő második fémet ennek megfelelően tehát kazok közül választjuk, amelyek az előzőekben ismertetett feltételeknek eleget tesznek és képesek a fém alapanyaggal a reakció hőmérsékleten, az adott koncentrációviszonyok mellett egy vagy több olyan fémes fázist létrehozni, amelyek a kerámia test kívánt tulajdonságait biztosítják. A második fémet a fém alapanyag megolvasztása után annak áramában kisebb viszonylagos koncentrációval juttatjuk be, mint amekkorára szükség van a fémes fázisok kialakulására. Amikor a fém alapanyag a gőz vagy gáz halmazállapotú oxidálószenei az adott hőmérséklettartományban reakcióba lép és ezzel oxidációs reakcióterméke létrejön, a fém alapanyag viszonylagos koncentrációja a fémeket tartalmazó együttesben csökken. Ennek megfelelően a második fém relatív koncentrációja növekszik, a kerámia test fémes részeiben a második fém mennyiségileg feldúsul. Ha a rakciót addig folytatjuk, amíg a fém alapanyag lényegében eltűnik az oxidációs reakciótermék mellett létező fémes összetevőből, akkor a kerámia test belső szerkezetében a fém alapanyaghoz képest viszonylag nagy mennyiségű második fémet tartalmazó fémes fázisok jönnek létre. Egy másik lehetőség szerint az oxidációs reakciót a fém alapanyag lehetőség szerint teljes elfogyasztásáig folytatjuk, majd a kívánt fémes fázisokat a reakció hőmérsékletén végrehajtott redukcióval vagy megfelelő hűtéssel hozzuk létre, aminek eredményeként a második fémben feldúsult a fém alapanyagot kisebb mennyiségben tartalmazó kívánt tulajdonságú fémes fázisok létrejönnek.A fémes fázis a kerámia test kívánt tulajdonságait biztosíthatja jelenlétével, de összetétele olyan is lehet, hogy a fém alapanyaggal egy vagy több kiegészítő fázist hoz létre, amelyek a reakció hőmérsékletén kialakulva biztosít, ák a kerámia termék kívánt tulajdonságát, jellemzi'' í. Ha a reakció paramétereit, tehát időtartamát, h- > nérsékletét, stb. megfelelően változtat6 juk, vagy a fém alapanyag és a második fém mellett további fémeket alkalmazunk, a fémes fázisokat tovább lehet alakítani, például a fémes komponensen belül kívánt összetételű ötvözhet hozható létre.

A jelen találmány szerinti eljárás foganatosítása során szükség lehet a második fém nagyobb mennyiségének felhasználására, mégpedig a kerámia test fémes komponensének létrehozásához szükségesnél vagy kívánatosnál több bevezetésével. Az összeállításba bevezetendő második fém mennyiségét, ha ezzel a megolvadt fém alapanyag megfelelő kiegészítését kívánjuk biztosítani és ennek révén a kerámia testbe való beépülést, általában attól függően választjuk, hogy milyen második fémről van szó, ez milyen kapcsolatba lép a fém alapanyaggal, különösen a reakció feltételei között hogyan viselkedik és milyen módon juttatható be a reakcióba.

Mivel a jelen találmány szerinti eljárás során a második fémet a kerámia tennék fémes komponensének integrális alkotórészeként kell létrehozni, amely fémes komponens két vagy több fémből állhat, nyilvánvaló, hogy a második fémnek az azonosságával, mennyiségével, felhasználási formájával és/vagy koncentrációjával szemben az alapanyaghoz viszonyított követelmények azoktól a fémes összetevőktől függően határozandók meg, amelyek a kész kerámia termékbe beépülnek. Ennek során figyelembe kell venni az oxidációs reakciótermék kialakulásához vezető reakció feltételeit. A kívánt fémes összetevő kialakulását és/vagy zárványként való beépülését a szerkezetbe legalábbis részben szabályozni lehet, ha a fellépő fémek között a reakció 'sajátos feltételei között kialakuló kapcsolatokat és kölcsönhatásokat ismerjük, továbbá megfelelően megválasztjuk a második fémnek a fém alapanyaghoz való adagolásának módját. A fémeknek ez a kombinációja különböző fémes fázisok kialakulását biztosíthatja. A fémes fázisok között vannak az ötvözetek, az intermetallikus vegyületek, a szilárd oldatok, a precipitátumok vagy keverékek, amelyek jelenlétét és tulajdonságait, koncentrációit a szennyezések, illetve a dópoló anyagok jelenléte komoly mértékben képes befolyásolni. A találmányunk szerinti eljárásban alkalmazott fémek révén olyan szerkezetek jönnek létre, amelyek a kiindulási fémektől jelentős mértékben eltérő tulajdonságokat mutathatnak. így például a fém alapanyag és a második fém kombinációjaként fémes fázisok jönnek létre, mégpedig szilárd oldatok, ötözetek vagy egy vagy több intermetallikus vegyület formájában, amelyek olvadáspontja a fém alapanyagénál magasabb és így a kerámia termék magasabb hőmérsékleten üzemeltethető ilyen anyagok jelenlétében, mintha ezek nem lennének jelen. Nyilvánvaló azonban, hogy a létrejövő fémes fázis vagy fázisok olvadáspontja az oxidációs reakciótermék kialakulásához szükséges hőmérséklet fölött van. Ezen túlmenően a fém alapanyag és a második fém meghatározott arányú kombinációjaként létrejövő fémes fázisok a fém alapanyag viszkozitását a reakció hőmérsékletén megnövelheti, legalábbis a második fém hozzáadása nélkül kialakított fém alapanyaghoz viszonyítva és

-6HU 203 857 Β ennek megfelelően előfordulhat, hogy a kialakuló oxidációs reakciótermékben a megolvadt fém migrációja nem tud bekövetkezni, vagy csak nagyon lassú. Éppen ezért a reakció megtervezésekor óvatosan kell eljárni, mivel sokféle fémes kombináció jöhet létre, de egyidejűleg biztosítani kell a kerámia test fémes összetevőjének folyékony állapotát a reakció folyamatában, mivel ez a fém alapanyag áramlását megkönnyíti azon a hőmérsékleten, amely az oxidációs reakció hőmérsékletén fellép.

Ha a második fémet a fém alapanyagnak a reakció előtti oxidálásával biztosítjuk, vagy olyan ötvözetet választunk, amely a kereskedelmi forgalomban beszerezhető és a kívánt összetételt mutatja, a második fémet a kerámia test szerkezetébe a fém alapanyag olvasztott testéből a fémalapanyag maa viszi be. Ezzel a második fém a kialakuló oxidációs reakciótermék részévé válik. A második fémnek a fém alapanyaggal való továbbvitelét a reakció hőmérséklete, a kialakult olvasztott test fizikai feltételei határozzák meg. A transzport folyamatot ezen túlmenően olyan tényezők is meghatározzák, mint a fémes kiindulási anyag homogenitása, az adott fémek adott összetétele mellett létrejövő fémes fázisok tulajdonságai a reakció hőmérsékletén, stb.

A találmány szerinti eljárás oly módon is foganatosítható, hogy a második fém, vagy annak alkalmas forrása a fém alapanyaghoz képest kívül helyezkedik el. Ilyenkor további tényezőket, paramétereket is figyelembe kell venni. így egyebek között fontos szerepet játszhatnak a fém alapanyag és a második fém közötti kapcsolatot befolyásoló metallurgia jellemzők, amelyek egyértelműen befolyásolják, hogy a második fém milyen mennyiségben képes a megolvadt fém alapanyagba átmenni. Ha a második fémet a fém alapanyaghoz képest kívül helyezzük el, az utóbbi megolvasztása után az érintkezés biztosítja, hogy a második fém a fém alapanyaggal a kerámia szerkezetbe távozhasson. A két fém között lehet oldási kapcsolat, egymással kapcsolódhatnak fizikai vagy kémiai folyamat révén, közöttük intermetallikus vegyületek vagy más fémes fázisok jöhetnek létre. Ennek megfelelően a második fémnek a fém alapanyagba való bevezetése, illetve a bevezetési folyamat intenzitása számos tényezőtől függhet . Uyen tényező lehet a második fém fizikai állapota a reakció hőmérsékletén, a diffúziós kölcsönhatás intenzitása a fém alapanyag és a második fém között, a második fém oldhatósága vagy oldékonysági rátája a fém alapanyagra vonatkoztatva vagy fordítva, a fém alapanyag oldhatósága a második fémben, továbbá az intermetallikus vegyületek vagy más fémes fázisok kialakulása a fém alapanyag és a második fém között. Ennél a megoldásnál tehát ana kell vigyázni, hogy a reakció hőmérsékletével biztosítsuk, a második fémnek a fém alapanyagba adagolt mennyisége révén olyan fémes an - ag jöjjön létre, amely legalább részben folyékony é‘ amely képes a kialakuló oxidációs reakcióterméke ' belül vándorolni, vagyis biztosítani a fém alapanyagnak a gőz vagy gáz halmazállapotú oxidálószerhez \: ló eljutását és ezzel a kerámia test növekedését. A találmány értelmében a második fémet a mozgásban levő fém alapanyagba bevezetve, vagy a mozgásban levő fém keverékből az oxidációs reakció miatt a fém alapanyagot az oxidációs reakciótermékbe átvíve és ezzel mennyiségét csökkentve olyan fémes anyag vagy fémes fázis alakul ki, aminek eredményeként a fém alapanyagból és a második fémből egy vagy több különböző fémes fázis jön létre. Figyelembe kell azonban venni, hogy a fém alapanyag és a második fém egyes kombinációi jelentős mértékben növelhetik a keverék folyékonyságát, csökkenthetik viszkozitását, vagy esetleg más mechanizmusok révén okozhatják, hogy a fém a gőz vagy gáz halmazállapotú oxidálószer felé olyan intenzitással kezd áramolni, amely mellett a kívánt oxidációs reakciótennék kialakulása nem biztosított. Ilyen esetekben az oxidációs reakció lelassulhat, esetleg leállhat, vagyis a második fém megválasztásakor az ilyen jelenségeket is gondosan figyelembe kell venni.

A fentiek értelmében a második fém szükséges mennyiségét a kerámia fém alapanyag előállítási folyamata előtti ötvözéssel is lehet biztosítani. Ha a fém alapanyag alumínium, vagy túlnyomórészt alumíniumot tartalmazó fém, az oxidálószer pedig levegő, tehát az oxidációs reakciótermék túlnyomórészt alumínium-trioxidból jön létre, a második fémet általában a titánt, rézt, nikkelt, szilíciumot, vasat és krómot tartalmazó csoportból választjuk, mennyiségét pedig a fentieknek megfelelően, a konkrét reakciófeltételeket figyelembe véve határozzuk meg. így például célszerű lehet a kerámia test anyagát rézzel vagy rézt tartalmazó fémes fázisokkal kiegészíteni. A kerámia test fémes összetevőjének tulajdonságait vagy magának a testnek a tulajdonságait vagy magának a testnek a tulajdonságait olyan fém adagolásával kívánatos javítani, amely a fém alapanyaggal kombinálva a szükséges hőmérsékleten, vagyis a létrejött kerámia test alkalmazásának körülményei között nem okozza a test tulajdonságainak leromlását. Az alumíniumot és rezet tartalmazó fémek fázisok között vannak olyanok, mint például a C119AI4 összetételű fázis, amelynek hőmérséklete magasabb lehet, mint az alumíniumé. Ennek megfelelően a kerámia testben rézben íly módon feldúsított fázisokat létrehozva biztosítható, hogy a kerámia test megemelt hőmérsékleteken is mutatja kedvező tulajdonságait. A szükséges fázisátalakulások feltételeinek létrehozásához, vagyis a kívánt rézmennyiség beviteléhez és így a Cu<, Al₄ összetételű fémes fázisok kialakításához célszerű olyan alumínium ötvözetet használni, amely lOt%rezet tartalmaz. Természetesen a réz mennyisége nem minden esetben ennyi, az a feltételektől függően változik. Az alumíniumot mint fém alapanyagot, és a rezet, mind második fémet tartalmazó ötvözetet a kívánt oxidációs reakciótermék létrehozásához szükséges hőmérséklet alá hevítjük, de ez a hőmérséklet túllépi a réz-alumínium ötvözet olvadáspontját. Ez a hőmérséklet tehát az ötvözet olvadáspontja és az alumínium-trioxid olvadáspontja közötti tartományba esik. Amikor a megolvadt alumínium az oxidálószerrel reakcióba lép, közöttük

HU 203 857 Β oxidációs folyamat zajlik le és így alumínium-trioxidban feldúsult réteg keletkezik. A megolvadt ötvözet ezen az oxidációs reakcióterméken keresztül vándorol az olvadt fém tömegéből az oxidációs reakció felé. Amikor a levegővel, mint oxidálószerrel érintkezik, az ötvözet alumínium összetevője legalábbis részben oxidálódik és így az oxidációs rekaiótermék rétege fokozatosan vastagodik. A második fém, tehát a réz, amely szintén az ötvözet alkotóeleme, hasonlóképpen az alumíniummal együtt az oxidációs reakcióterméken keresztül vándorol. A gőz vagy gáz halmazállapotú oxidálószer azonban nem képes a rezet megfelelő mértékben oxidálni, az alumíniumhoz képest a fémes fázisban a réz részaránya növekszik, és az alumínium oxidálódásának mértékében oxidálni, az alumíniumhoz képest a fémes fázisban a réz részaránya növekszik, és az alumínium oxidálódásának mértékében belőle egyre kevesebb van a megolvadt fémben. A fémes alumínium oxidációját addig folytatjuk, amíg a szükséges összetételű, a kívánt mennyiségű fémes fázis jön létre. Ha az alumínium-réz rendszerekre érvényes bináris fázisdiagrammokat követjük, jól látszik, hogy a Cu₉ Al₄ összetételű fémes fázis akkor jön létre, amikor a fémes keverékben a réz mennyisége 80:851% az alumínium mellett, míg a hőmérséklet kb. 780 C értéket nem lép túl.

Ha a második fém szükséges mennyiségét a fém alapanyag, például alumíniumból készült test egy vagy több felületével érintkező rétegként vagy érintkező testként biztosítjuk, majd a fémes alapanyagot megfelelő gőz vagy gáz halmazállapotú oxidálószerrel, célszerűen levegővel reakcióba visszük, a második fém szintén széles körből választható. Alkalmasnak bizonyult a szilícium, a nikkel, a titán, a vas, a réz és a króm, különösen ha porszerű formában alkalmazzuk őket. A nikkel szintén alkalmas arra, hogy megfelelő tulajdonságú kerámia terméket hozzunk létre. A NiAl, Ni₂Al₃ vagy NiAl₃ összetételű nikkel alumínium intermetallikus vegyületek igen hasznosan járulnak hozzá a kerámia test és különösen a test fémes összetevőjének korrózióállóságához. Ennek megfelelően a megnövelt korrózióállóság biztosítására nikkelt kell szükséges mennyiségben bevinni és jelenlétével nikkel-alumínium intermetallikus vegyületeket, fémes fázisokat létrehozni. A porszerű nikkelt ebből a célból az alumínium fém alapanyag felületére visszük fel. Amikor a megolvadt fém érintkezésbe lép a fémes nikkellel, ez utóbbi adott mennyiségét a mozgó alumínium magával viszi. A fémáramlás alkotórészeként a nikkel az alumínium-trioxid alapú oxidációs reakciótermékben vándorol. A fenti példához hasonlóan az alumínium alapanyag oxidációs folyamata során a nikkel koncentrációja szintén növekszik a növekvő kerámia anyag fémes fázisában, a megfelelő összetételű fázisok biztosítják a kívánt tulajdonságokat.

Amikor a folyamat célja összetett szerkezetű kerámia test előállítása, amikoris az oxidációs reakciótermék megfelelő töltőanyag lehet például áteresztő tulajdonságú előminta, amely a fém alapanyag szomszédságában van elrendezve, a második fémet célszerű a töltőanyagban vagy az előfonna anyagában eloszlatni, de alkalmazható úgy is, hogy belőle a töltőanyagban vagy a töltőanyagon egy vagy több réteget hozunk létre. Ha az előállítani kívánt kerámia test alumíniumtrioxid alapú mátrixra épül, és azt alumínium fém alapanyagnak gőz vagy gáz halmazállapotú oxidálószerrel szilícium-karbid részecskékből készült ágyon biztosított oxidációs reakciójával állítjuk elő, ahol a szilícium-karbid részecskék előformaként is elrendezhetők, a második fémet porszerű vagy szemcsézett anyagként visszük be a folyamatba. A választék ebben az esetben célszerűen a titánt, a vasat, az ólmot, a nikkelt, a rezet, a krómot és a szilíciumot öleli fel. A kerámia testben jelen levő szilícium pédául azért lehet kívánatos, mivel az összetett szerkezet kerámia test a szilícium hatására jobban bírja a nagyobb hőmérsékletű alkalmazásokat, mint szilícium nélkül. Éppen ezért a szilícium-karbid töltőanyag részecskéi közé por alakú szilíciumot keverünk. Amikor az alumínium oxidációs reakcióterméke növekszik és a szilíciumkarbid részecskéket magába fogadja, a kialakuló szerkezetben a megolvadt alumínium transzportja jön létre, az olvadt fém pedig érintkezésbe kerül a porított szilíciummal. Az érintkezés következményeként a szilícium egy része eredeti helyéről a megolvadt alumíniummal távozik és az összetett szerkezetű kerámia test alkotó elemévé válik. Ennek a megoldásnak egyik következménye az, hogy a megolvadt fém a második fémnek nem teljes mennyiségét viszi magával, a töltőanyag egy részében, vagy az előmintában a szilícium érintetlenül megmarad, az összetett szerkezetű kerámia testben zárványt alkot. A második fémet a töltőanyag vagy az előminta egy vagy több felületére fel lehet vinni. Ilyenkor a szilícium részecskéket vagy a szilícium port a szilícium-karbid részecskékből készült ágy vagy az ilyen részecskéket tartalmazó előminta egy felületére szóljuk. Amikor a megolvadt fém alapanyag, tehát az alumínium ezt a felületet eléri, a szilícium egy része a mozgásba jövő alumíniumba kerül és így az elkészült kerámia termék fémes összetevőjének egyik alkotóelemévé válik. Ha a jelen kiviteli alak szerint a második fémet a töltőanyag vagy az előminta több felületére visszük fel, az eredményül kapott összetett szerkezetű kerámia testben olyan területek jönnek létté, amelyekben a második fém mennyisége az összetett szerkezetű kerámia test többi részéhez viszonyítva viszonylag nagy.

A találmány szerinti eljárásnak abban a megvalósítási módjában, amikor a második (idegen) fémet a fém alapanyaghoz viszonyítva kívül helyezzük el, ezt olyan keverékként vagy vegyületként alakíthatjuk ki, amely a megolvadt fémmel reakcióba lép és/vagy a reakció feltételei között disszociálódik, vagyis belőle a második fém kiszabadul és a fentiekben ismertetett módon a megolvadt fém alapanyaggal együtt vándorol. Az alkalmas vegyületek között szerepelnek azok a fémoxidok, amelyek a fém alapanyaggal a megemelt hőmérsékleten redukálhatók vagy a fém alapanyaggal reakcióba lépnek és ennek eredményeként a második fém felszabadul. Ha például az összetett szerkezetű kerá-81

HU 203 857 Β mia testet alumínium-trioxid kerámia mátrixszal hozzuk létre, vagyis alumínium kiindulási fém alapanyagot választunk és azt oxigénnel hozzuk reakcióba, valamint a kerámia szerkezetben alumínium-trioxidot alkalmazunk töltőanyagként, a második fém lehet például a szilícium, a nikkel, a vas vagy a króm, amelyek oxidját az alumínium-trioxid töltőanyag ágyába keveijiik, vagy avval az alumínium fém alapanyagot bevonjuk. Ha tehát laumínium fém alapanyag mellett például krómot kívánunk második fémként alkalmazni, azt a megolvadt fém alapanyag mozgása közben úgy viheti magával, hogy a töltőanyag ágyába kevert króm-oxidot lebontja. Amikor ugyanis az alumínium megolvadt állapotban a króm-oxiddal érintkezik, azt redukálja és a króm fémes alakban felszabadul. így a króm fémként jut be a megolvadt alumínium mozgó áramába és a transzport jelenségek révén jut be az oxidációs reakciótermékbe, szükség szerint annak a felületéig is vándorol, miközben a megolvadt alumínium fém alapanyag a gőz vagy gáz halmazállapotú oxidálószerrel kapcsolatba lépve az oxidációs reakciótermék rétegét növeli.

A találmány szerinti eljárás foganatosítása során igen hasznosnak bizonyultak azok a dópoló anyagok, amelyek az oxidációs reakció előnyös befolyásolására képesek. A jelen találmány szerinti eljárás foganatosítása során a tópoló anyag tulajdonságait tekintve olyan fém vagy fémes vegyület, fázis lehet, amely a második fémmel kapcsolatos vagy olyan anyagforrást alkot, amelyből a második fém képes a kerámia test szerkezetébe átmenni. így például a szilícium igen alkalmas dópoló anyag, amely a kerámia test fémes összetevőjének kívánt karakterisztikájához lényeges módon képes hozzájárulni, ha ez a karakterisztika a hőmérséklettel kapcsolatos tényezőkre vonatkozik. A szilíciumot alkalmazhatjuk elemi fémként, szilfciumdioxidként, s mindkét esetben a dópoló anyag funkciója mellett a második fém forrásaként is szerepel. Bizonyos esetekben azonban nem áll rendelkezésre olyan dópoló anyag, amely egyidejűleg a második fém forrása is lehetne, így biztosítva a szükséges szerkezeti jellemzőket Uyen esetekben a dópoló anyagot a második fémnek megfelelően kell megválasztani, de mindenkor figyelembe kell venni, hogy a második fémmel kapcsolatos dópoló anyag alkalmazása a fém alapanyag oxidációs reakciótermékének tulajdonságaira is hat. Ezért a jelen találmány szerinti eljárás foganatosításakor, amikor egy vagy több olyan fémes fázist kell létrehozni, amely a fém alapanyagot és a második fémet tartalmazza, de egyidejűleg dópoló anyagra is szükség van, a fém alapanyag és a második fém koncentrációit annak figyelembevételével kell meghatározni, hogy üyen esetekben a csak a fém alapanyagot és a második fémet tartalmazó bináris rendszerékben meghatározottaktól eltérő koncentrációkra is szükség lehet a kívánt fémes fázisok létrehozásához. Ennek megfelelően a fémek közötti kölcsönhatást tekintetbe véve kell a koncentrációkat meghatározni, mivel a több fém kötött lezajló folyamatok hatásaként az eredetileg elképzelt fémes fázisoktól eltérőek alakulhatnak ki. A dópoló anyagok alkalmazása a fém alapanyag esetében is szokásos. Ennek lehetőségei a következők: (1) a fém alapanyag ötvöző anyagát adják, (2) a fém alapanyag felületének legalább egy részét borítják, (3) a töltőanyag vagy előminta egészében vagy egy részében vannak eloszlatva. Ezek a lehetőségek egymást kiegészítőkig is alkalmazhatók. így célszerűnek bizonyult az a megoldás, hogy a dópoló anyagot ötvöző összetevőként bevisszük a fém alapanyagba és egyúttal a töltőanyagba egy vagy több dópoló anyagot keverünk. Ezzel együtt lehetséges a fém alapanyag felületének egy részére is megfelelő dópoló anyag felvitele.

A dópoló anyagok feladata és szerepe számos tényezőtől függ. Ilyen tényező például a dópoló anyagok kombinációja, a kívülről a fém alapanyag feliileltére felvitt (tópoló anyag jelenléte ötvözött fém alapanyag alkalmazásakor, a dópoló anyag koncentrációja, az oxidáló környezel azok a feltételek, amelyek között a reakció zajlik, valamint az adott eljárás esetében a második fém minősége és jelenléte, illetve koncentrációja.

Alumíniumot mint fém alapanyagot és levegőt mind oxidálószert használva a leghasznosabbnak a megnézium, a cink és a szilícium alkalmazása bizonyult Ezek a dópoló anyagok együttesen vagy bármilyen koncentrációban egymással, illetve további dőpoló anyagokkal együtt használhatók. Az alumíniumba ezeket a dópoló fémeket vagy alkalmas fonásukat ötvözetként vihetjük be és általában részarányuk az ötvözött anyaghoz viszonyítva 0,1 ... 10 t%. A dópoló anyagok, vagy alkalmas forrásaik, mint az oxidok (MgO, ZnO vagy SiO₂) a fém alapanyagba kívülről is bevihetők. Alumínium-oxid alapú kerámia struktúrát állítottunk elő például alumínium-szilícium ötvözetből oxidálószerként levegőt használva és ekkor a felületre az oxidálandó fém alapanyag minden g-jára számítva legalább 0,0008 g magnézium-oxidot vittünk fel, ami a felületre számítva cm²-enként mintegy 0,003 g-ot jelentett.

Alumínium fém alapanyag tulajdonságainak javítására hatékonyak olyan dópoló anyagok, mint a nátrium, germánium, ón, ólom, lítium, kalcium, bór, foszfor és ittrium, ha az oxidációs reakció közege oxigén vagy levegő. Ezek a fémek külön-külön és egyéb dópoló anyagokkal keverve használhatók, alkalmazásuk során célszerűen az oxidációs reakció feltételeit vesszük figyelembe. Ugyancsak hasznosnak bizonyultak egyes ritkaföldfémek, mint a cérium, lantán, prazeodúiium, neodímium és a szamárium, amelyek különösen egyéb dópoló anyagokkal együtt fejtenek ki előnyös hatást Az említett dópoló anyagok az alumíniumra épülő kerámia szerkezetek polikristályos felépítésű oxidációs reakciótermékként való előállításakor a folyamatot jelentősen meg tudják gyorsítani, és ezzel azt nagyon előnyösen befolyásolják.

A találmány szerinti eljárás foganatosítása során célszerű lehet gátló elem alkalmazása is, amely képes olyan határfelületet meghatározni, melyet az oxidációs reakciótennék növekedési folyamata során nem lép túl, illetve amely képes az oxidációs reakciótennék

HU 203 857 Β növekedési folyamatát jelentősen lelassítani. Gátló elemként minden olyan anyag (vegyület), szerkezet, összeállítás, együttes, stb. használható, amely a találmány szerinti eljárás foganatosításához szükséges feltételek között integritását legalábbis korlátos mértékben megtartja, nem illékony és a gőz vagy gáz halmazállapotú oxidálószeit átengedni, de egyúttal alkalmas az oxidációs reakciótennék növekedésének megállítására, helyi késleltetésére, lassítására, az oxidációs folyamatban reakcióméregként képes működni, vagyis bármilyen módon az oxidációs reakciótennék növekedését korlátozni, megállítani. A alkalmas anyagok között említhetjük a kalcium-szulfátot (gipsz), a kalcium-szilikátot, a portlandcementet, ezek keverékeit, amelyek különösen alumínium fém alapanyag és oxigéntartalmú gáz mint oxidálószer alkalmazása esetén biztosítják a gátló elem funkciójának ellátását. Előnyük, hogy pasztaként vagy folyadékkal készült szuszpenzióban vihetők fel a szükséges felületekre, például a töltőanyag felületére. A gátló elem kialakításához célszerű lehet éghető vagy illő anyagok felhasználása is, amely hő hatására lebomlik, eltávozik és egyúttal a gátló elemben pórusokat hagy maga után. Ugyancsak célszerű lehet tűzálló anyag szemcséit a gátló elem kialakításához felhasználni, mivel ez megakadályozza, hogy az oxidációs reakció feltételei között a gáltó elem megrepedezzen, térfogata túlságosan megváltozzon. Kívánatos, hogy a gátló elemhez alkalmazott tűzálló anyag szemcséi a töltőanyagból készült ággyal azonos hőtágulási tényezőt biztosítsanak. így például, ha az előfonna alummium-trioxidot tartalmaz a létrejövő kerámia anyag szintén alumíníum-trioxid részecskékkel épül fel, a gátló elem előnyösen olyan alumínium-trioxid részecskéket tartalmazhat, amelyek a 20 ... 1000 mesh szemcsézettség! tartományba esnek. A gátló elemek más kedvező tulajdonságú példái a fémes tokozások, vagy a tűzálló anyagú kerámia szerkezetek, amelyek legalább egyik végüknél nyitottak és ezzel lehetővé teszik a gőz vagy gáz halmazállapotú oxidálószer számára a behatolást töltőanyag ágyába és az oxidációs reakcióban való részvételt a fém alapanyaggal.

Adott esetben a gátló elem is lehet a második fém fonása. így például vannak olyan rozsdamentes acélból készült rendszerek, amelyek meghatározott oxidációs feltételek között, általában nagy hőmérsékleten és oxigén jelenlétében, oxidokat, különösen vasoxidot, króm-oxidot és/vagy nikkel-oxidot hoznak létre, a rozsdamentes acél összetételétől függően. így tehát a gátló elem, tehát például az acélból készült tokozás a második fém fonása lehet és ez biztosíthatja, hogy a fém alapanyagot mozgása közben vas, nikkel, króm vagy más hasonló második fém egészítse ki.

A találmány szerinti eljárást a továbbiakban néhány kiviteli példa alapján ismertetjük.

1. példa

A ta’á’mány szerinti eljárás foganatosításával alumíniui i trioxid alapú kerámia testet hoztunk létre, ameb i ek fémes összetevőjében rezet és alumíniumot tartalmazó intermetallikus ötvözeteket biztosítottunk. Ennek megfelelően a rezet választottuk második fémként és bevitelének módja a fém alapanyag ötvözése volt az oxidációs reakció megkezdése előtt.

A kerámia anyag előállításához 101% rezet és 3 t% magnéziumot (ez utóbbit dópoló anyagként) tartalmazó alumínium ötvözetből 51x25x13 mm nagyságú rudat készítettünk, amelyet a Norton Co. El Alundum nevű alumínium-trioxidjából álló 90 mesh szemcsé10 zettségű részecskéket tartalmazó ágyba helyeztünk. Az ágyat tűzálló edényben készítettük elő oly módon, hogy a rúd 25x51 mm nagyságú felülete kiállt az ágyból, a környező légtérrel érintkezett. Erre a felületre vékony rétegben dópoló anyagként szilícium-dioxidot szórtunk fel. Az együttest ezt követően kemencébe helyeztük, amelynek belső hőmérsékletét 5 óra alatt 1400 ’C-ra emeltük. Ezt a hőmérsékletet 48 órán keresztül tartottuk, majd az együttest 5 óra alatt szobahőmérsékletre hűtöttük le. Az elkészült terméket a ke20 mencéből kivéve a kerámia anyagot az edényből kinyertük.

A kapott kerámia struktúrából keresztmetszetet készítettünk, azt a metallográfia és a fázisanalízis ismert módszerei szerint vizsgáltuk. A röntgendiffrak25 ciós mérések szerint a kerámia anyag fémes komponense a struktúra felső részében CuqA1₄ összetételű νοίζ míg a kerámia anyag kiindulási felületéhez közeledve a CuA1₂ összetételű intermetallikus δίνΟζβζ továbbá az oxidálatlan alumínium jelenléte volt elsősor30 bán megfigyelhető.

2. példa

Alumínium alapon készítettünk összetett szerkezetű kerámia testet, mégpedig nikkelben feldúsult fémes fázissal, abból a célból, hogy meghatározzuk milyenek az elkészült anyag mechanikai jellemzői. A kerámia anyagok előkészítése során öntéssel előmintát készítettünk, amely alumínium-trioxid részecskékből és fémes nikkelporból tevődött össze. Az előmintát ezt kö40 vetően alumínium-trioxid alapú kerámia mátrixszal járattuk át, és ezzel nikkelben feldúsult fémes összetevőt hoztunk létre az elkészült kerámia anyagban.

Először 70 t% 220 mesh és 30 t% 500 mesh szemcsézettségű alumínium-trioxid púderek (a Norton Co.

38 Alundum nevű terméke) keverékét 10 t%, illetve 301 % nikkel fémporral kevertük ki. Az oxidot és fémet tartalmazó keveréket vízben homogenizáltuk és 2 t% akril-latex kötőanyag (Elmer’s Wood Glue márkanevű termék) hozzáadásával szuszpenziót hoztunk létre. A por és a víz (+ kötőanyag) tömegaránya 2,5:1 νοίζ Ebből a szuszpenzióból előmintákat készítettünk oly módon, hogy azt 51x51 mm keresztmetszetű edénybe öntöttük és a szilárd részecskéket hozzávetőlegesen 13 mm vastag rétegben hagytuk leülepedni. A réteg felületéről a víz feleslegét leöntöttük.

Az előmintákat ezt követően 51x51x13 mm nagyságú 380.1 jelű alumínium ötvözetből készült rúdszerű elemmel hoztuk kapcsolatba, mégpedig oly módon, hogy a közöttük levő felületen, amely 51x51 mm nagy60 ságú volt, szilíciumot szórtunk fel vékony rétegben.

-101

HU 203 857 Β

Ennek feladata az oxidációs reakció elősegítése colt dópoló anyagként. A vizsgálatok megkezdése előtt vegyi elemzéssel ellenőriztük a 380.1 jelű ötvözet összetételét és azt a gyári adatokkal megegyezőnek találtuk, azzal a kivétellel, hogy 0,1 t% magnézium helyett 0,17 ...0,18 t%magnézium volt benne. Az egyéb összetevők részaránya: 7,5... 9,51%, szilícium, 3,0... 4,01% réz, 7,91% cink, 6,01% vas, 0,51% mangán, 0,51% Ni és 0,351% szilícium. A névlegesnél nagyobb magnézium koncentráció azért elfogadható és kívánatos, mert a magnézium az oxidációs reakciót elősegítő dópoló anyagként szerepel.

A fémekből és az előformáből álló együttest több példányban állítottuk elő. Ezeket 1-1 tűzálló anyagú csónakba helyeztük és minden oldalról wollasztonit részecskékkel vettük körbe. Ennek feladata az, hogy az oxidációs reakciót csak az előminta térfogatának kitöltéséig tegye lehetővé. A csónakokat ezt követően kemencébe helyeztük és levegő jelenlétében felhevítve 80 órán keresztül tartottuk 1000 *C hőmérsékleten.

A termékeket a kemencéből eltávolítva és a kerámia testeket kinyerve megállapítottuk, hogy a megolvadt alumínium ötvözet felületéből kiindulva alumíniumtrioxid alapú kerámia mátrix jött létre, amely az előmintába behatolt, annak szerkezetét átnőtte. Az anyagokat átvágtuk, keresztmetszetüket metallográfiái módszerekkel vizsgáltuk. Megállapítottuk, hog a 38 Alundum jelű anyagból készült töltőanyagot az alumínium-trioxid mátrix jól összefogta, ebben fémes fázisként alumínium, szilícium és nikkel volt elsősorban jelen, tehát a fém alapanyagból, annak ötvöző és dópoló anyagként és az előminta anyagából a fémes összetevők itt is megjelennek. A fém alapanyagban jelen volt egyéb fémek kisebb mennyiségében szintén fellelhetők voltak a fémes fázisban. Az összetett szerkezetű kerámia testeket ezt követően mechanikai tulajdonságaik megállapítása céljából különböző vizsgálatoknak vetettük alá. A legjellegzetesebb a nikkelt tartalmazó anyag szívósságának növekedése volt, amit a szokásos vizsgálati módszerekkel állapítottunk meg. így a 101% nikkelt tartalmazó előmintával készült kerámia testeknél az átlagos szívósság 8,5 MPa.m^1/2 volt, míg a 30 t% nikkelt tartalmazó előminta alapján kapott termékeknél az átlagos érték 11,3 MPa.m^1/2 volt Hasonló anyagokkal nikkel bevitele nélkül elkészített mintáknál a szívósságra a 4 ... 7 MPa.m¹^ értéktartományba eső értékek adódtak.

Bár a találmányt a fentiekben még csak néhány kiviteli példa és foganatosítási mód alapján ismertettük részletesen, a megadott útmutatások alapaján szakember nyilvánvalóan még további, az igénypontokkal meghatározott oltalmi körbe eső megoldásokat tud kidolgozni.

Claims (16)

1. SZABADALMI IGÉNYPONTOK

   1. Eljárás önhordó kerámia test előállítására fém alapanyag oxidálásával, amikoris fém alapanyagot gáz vagy gőz halmazállapotú oxidálószer jelenlétében felmelegítünk és megemelt hőmérsékleten olvasztott testet hozunk létre, amelyet az oxidálószerrel érintkezésbe hozunk, ezzel oxidációs reakcióterméket állítunk elő, amelyet egyrészt az olvasztott testtel, másrészt a gőz vagy gáz halmazállapotú oxidálószerrel érintkezésben tartunk, a megemelt hőmérsékleten a megolvasztott fémet mozgásba hozzuk oxidációs reakciótermékén keresztül az oxidálószer irányában, az oxidálószerrel az oxidációs reakciótennék felületén érintkezésbe hozzuk és ezzel az oxidációs reakciótermék és fémes összetevőből álló kerámia testet hozunk létre, azzal jellemezve, hogy a fém alapanyagba megolvasztása után az oxidálószer jelenlétében második fémet adagolunk és ezzel alakítjuk ki az oxidációs reakcióterméket valamint fémes összetevőket tartalmazó kerámia testet, és ezzel spinellmentes kerámia testet hozunk létre úgy, hogy a második fém adott mennyiségével a spinell jelenlétét az oxidációs reakciótermék kezdő felületére korlátozzuk.
2. 2. Eljárás önhordó szerkezetű kerámia test előállítására fém alapanyag oxidálásával, amikoris fém alapanyagot gáz vagy gőz halmazállapotú oxidálószer jelenlétében felmelegítünk és megemelt hőmérsékleten olvasztott testet hozunk létre, amelyet az oxidálószerrel érintkezésbe hozunk, ezzel oxidációs reakcióterméket állítunk elő, amely egyrészt az olvasztott testtel, másrészt a gőz vagy gáz halmazállapotú oxidálószerrel érintkezésben tartunk, a megmeelt hőmérsékleten a megolvasztott fémet mozgásba hozzuk oxidációs reakciótermékén keresztül az oxidálószer irányában, az oxidálószenei az oxidációs reakciótermék felületén érintkezésbe hozzuk és ezzel az oxidációs reakciótermék vastagságát növeljük, majd a reakciót folytatjuk és ezzel a fém alapanyag oxidációs reakciótermékéből és a mozgásba hozott fém megszilárdulásával kialakuló fémes összetevőt tartalmazó kerámia testet hozunk létre, azzal jellemezve, hogy a mozgásba hozott fémet második fémmel egészítj ük ki, az oxidációs reakciót folytatjuk és ezzel a mozgásba hozott fémben a fém alapanyag mennyiségét lecsökkentjük, a kerámia testben a második fémmel és a fém alapanyaggal feldúsult egy vagy több fémes fázist hozunk létre, és ezzel a fémes fázisokat tartalmazó fémes komponenssel létrejött, lényegében spinellektől mentes, vagy az oxidációs reakciótermék kezdő felületére korlátozott jelenlétű spinellt befogadó kerámia testet készítünk.
3. 3. Az 1. vagy 2. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a második fémet a megemelt hőmérséklet létrehozása előtt a fém alapanyaggal ötvözzük és ezzel a mozgásba hozott fémet mozgása előtt a második fémmel kiegészítjük.
4. 4. Az 1-3. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a második fémet a fém alapanyag felületén kialakított egy vagy több rétegben helyezzük el a fém alapanyagon a megemelt hőmérséklet létrehozása előtt.
5. 5. Az 1-4.. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal j ellemezve, hogy a fém alapanyag mellett a megemelt hőmérséklet létrehozása előtt töltőanyagból lét11

   -111

   HU 203 857 Β rehozott ágyat vagy áteresztő anyagú előmintát helyezünk el, az oxidációs reakcióterméket a töltőanyagot átnövő módon hozzuk létre és így a második fémet a töltőanyagból visszük a fém alapanyag mozgása közben.
6. 6. Az 1-4. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal j ellemezve, hogy a második fémet töltőanyagtömegében kialakított, vagy előmintát határoló egy vagy több felületre visszük fel, az oxidációs reakcióterméket a töltőanyagot átnövő módon hozzuk létre és így a második fémet a töltőanyagból visszük a fém alapanyagba, a fán alapanyag mozgása közben.
7. 7. Az 1-6. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a második fémet az oxidációs folyamat feltételei között felbomló fémtartalmú vegyületként visszük be a fém alapanyag környezetébe és ezzel az oxidációs reakció közben a második fémet a mozgó fém alapanyagba adagolj uk.
8. 8. Az 1-7. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy az oxidációs reakció időtarta- 20 mának megválasztásával az oxidációs reakció megemelt hőmérsékletén az oxidációs reakciótermékben több fémes fázist hozunk létre.
9. 9. Az 1-8. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy az oxidációs reakció folytatá- 25 sával a mozgásba hozott fém áramából a fém alapanyagot elfogyasztjuk és a megemelt hőmérséklet alatti hőmérsékleten egy vagy több fémes fázist hozunk létre.
10. 10. Az 1-9. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a fém alapanyagot a megemelt 30 hőmérséklet létrehozása előtt vagy alatt dópoljuk.
11. 11. Az 1-10. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy fém alapanyagként alumíniumot, gőz vagy gáz halmazállapotú oxidálószerként levegőt választunk és ezzel alumínium-trioxid oxidációs reakcióterméket hozunk létre.
12. 12. Önhordó szerkezetű kerámia test, amely fém 5 alapanyag és gőz vagy gáz fázisú oxidálószer jelenlétében a fém alappany ag megolvasztásával és oxidálásával létrehozott polikristályos oxidációs terméket és a fém alapanyag oxidálatlan részecskéit tartalmazza,, azzal jellemezve, hogy a polikristályos reakciótermékben 10 belső forrásból származó második fém részecskéi vannak eloszlatva és szükségszerint benne töltőanyagvan.

    12. A 12. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a féms összetevők részaránya 1.. 40 tf%.
13. 14. A 12. vagy 13. igénypont szerinti eljárás, azzal 15 jellemezve, hogy a második fém egyenletesen van eloszlatva az oxidációs reakciótermékben jelenlevő fémben.
14. 15. A 12. vagy 13. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a második fém a kerámia test egy részében koncentráltan van jelen.
15. 16. A 12-15. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a második fém alumínium, titán, vas, nikkel, réz, cirkónium, hafnium, kobalt, mangán, szilícium, germánium, ón, ezüst, arany vagy platina.
16. 17. Az 1-11. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a fém alapanyaghoz második fémként alumíniumot, titánt, vasat, nikkelt, rezet, cirkóniumot, hafniumot, kobaltot, mangánt, szilíciumot, germániumot, ónt, ezüstöt, aranyat vagy platinát adagolunk, illetve azt ezek közül legalább eggyel egészítjük ki.