專(zhuān)利名稱(chēng)：采用阻擋層制備金屬基體復(fù)合物的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及關(guān)于制備定形金屬基體復(fù)合物的方法。具體說(shuō)，本發(fā)明所涉及的制備定形金屬基體的方法是采用熔融鋁合金自發(fā)滲透可滲性陶瓷塊填充料，直至熔融鋁合金與用來(lái)形成表面、周邊及邊界的阻擋層接觸以便產(chǎn)生網(wǎng)形。
復(fù)合物制品包括金屬基體及諸如陶瓷顆粒、晶須、纖維之類(lèi)加強(qiáng)相，可廣泛應(yīng)用于多種場(chǎng)合，因?yàn)檫@種制品兼?zhèn)浼訌?qiáng)相的強(qiáng)度、硬度與金屬基體的延展性和韌性。一般說(shuō)，金屬基體復(fù)合物跟基體金屬本身相比，下列性能有改善強(qiáng)度、硬度、抗接觸磨損及高溫殘留強(qiáng)度等，但任一特定性能改善的程度則大體取決于具體組分，其體積或重量比，以及如何加工形成復(fù)合物的方式。有時(shí)，復(fù)合物也可能重量更輕一些。用諸如碳化硅之類(lèi)陶瓷以顆粒、片晶、或晶須形式加強(qiáng)的鋁基體復(fù)合物是有意義的，因?yàn)樗鼈兿鄬?duì)鋁來(lái)說(shuō)，硬度、抗磨損性與高強(qiáng)度都比較好。
為制備鋁基體復(fù)合物，已經(jīng)介紹過(guò)幾種冶金工藝，從粉末冶金技術(shù)到液態(tài)金屬滲透的技術(shù)，例如加壓澆鑄、用真空或增濕劑將金屬滲入陶瓷體內(nèi)。
1987年5月13日以艾格加寧(Aghajanian)等人的名義提出的題為“金屬基體復(fù)合物”的共同擁有與在申請(qǐng)的美國(guó)申請(qǐng)序列號(hào)049，171披露了采用熔融金屬滲入可滲性陶瓷塊填充料來(lái)制備金屬基體復(fù)合物的方法。根據(jù)該發(fā)明的方法，滲入可滲性陶瓷塊填充料的熔融鋁中，含有至少大約1%重量的鎂，并且最好是含至少大約3%重量的鎂。滲入自發(fā)進(jìn)行而不需外壓或高真空。熔融金屬合金與填充塊料的接觸條件是溫度最低大約700℃左右，在有含10%至100%(最好至少約含50%)體積的氮?dú)?、其余為非氧化氣體即氬氣的氣氛中接觸。在這些條件下，熔融鋁合金在常規(guī)氣壓下滲入陶瓷塊而形成鋁基體復(fù)合物。一旦適量的陶瓷材料已被熔融合金所滲透，就降低溫度，使合金固化，從而生成嵌入加強(qiáng)的陶瓷材料中的固態(tài)金屬基體結(jié)構(gòu)。通常，最好是所用熔融金屬的供應(yīng)量足以使?jié)B透基本進(jìn)到陶瓷塊的臨界面。這一共同擁有的專(zhuān)利申請(qǐng)的全部披露特意在此寫(xiě)入以供參考。
采用已有技術(shù)的方法及上述共同擁有的在申請(qǐng)的申請(qǐng)的方法來(lái)制備網(wǎng)狀或近似網(wǎng)狀金屬基體復(fù)合物的一個(gè)關(guān)鍵是減少或阻止金屬基體傳遞或滲透到超出可滲性陶瓷填充塊料或預(yù)制品的確定表面臨界層的地方。控制金屬基體至任何確定表面臨界層的滲透，例如采用預(yù)定量的金屬，抽掉含氮?dú)怏w的氣氛，或?qū)囟冉抵两饘俚娜埸c(diǎn)之下可基本防止表面臨界層的過(guò)滲透，但是上述任一步驟都需要精密控制、高度留心以便基本上不讓金屬基體傳遞超出陶瓷塊填充料確定的表面臨界層，而且還不能形成最理想的網(wǎng)狀或近網(wǎng)狀，或需要額外的加工或拋光。
本發(fā)明提供了在大氣壓力下形成金屬基體復(fù)合物的方法，同時(shí)可靠地建立臨界面，或基本上防止過(guò)滲透或者說(shuō)傳遞超出滲透金屬基體的臨界面，這是在金屬基體復(fù)合物中形成網(wǎng)狀所需的。
本發(fā)明的方法包括用熔融鋁合金滲入可滲性陶瓷塊填充料而制備金屬基體復(fù)合物，所述陶瓷塊至少有一個(gè)電阻擋層建立或確定的表面臨界層。熔融鋁合金至少包含重量為大約1%的鎂，最好不低于3%左右。滲透自發(fā)產(chǎn)生而不需外壓或高真空。熔融金屬合金區(qū)與可滲性陶瓷塊填充料接觸，其溫度最低為700℃左右，在含有10%至100%(最好至少約為50%)體積的氮?dú)?、其余為非氧化氣體即氬氣的氣氛中接觸?？蓾B性物質(zhì)與熔融金屬合金接觸，使得阻擋層起碼要部分跟接觸區(qū)隔開(kāi)。在這些操作條件下，熔融金屬合金在正常氣壓下自發(fā)滲入可滲性陶瓷塊，直至與阻擋層接觸為止。當(dāng)熔融金屬合金與阻擋層接觸后，超出表面臨界層的傳遞或滲透基本中止。熔融合金滲入陶瓷材料抵達(dá)阻擋層之后，降低溫度，使合金固化，從而形成嵌入正在強(qiáng)化的陶瓷材料的表面臨界層的固態(tài)金屬基體結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明制備的鋁基體復(fù)合物中，陶瓷填充料的量可能非常高。在這方面，陶瓷填充料與合金比率可高于1∶1。
在本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例中，形成的可滲性陶瓷塊填充料至少有一個(gè)確定的表面臨界層。阻擋層，即一軟性石墨片或二硼化鈦顆粒。安置在確定的表面臨界層上。熔融鋁合金被遞送到可滲性陶瓷塊填充料或預(yù)制品，是通過(guò)將合金體安置在靠近或接觸可滲性材料的位置來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這樣，熔融鋁合金的滲透即向所述阻擋層方向進(jìn)行。在含氮?dú)夥罩屑訜岷辖鹋c可滲性陶瓷塊至合金熔點(diǎn)以上，熔融合金在此溫度即自發(fā)滲入鄰接的或周?chē)沾商畛湮镏敝磷钃鯇?。阻擋層可防止?jié)B透超出可滲性陶瓷塊的確定的表面臨界層。熔融合金大致全部滲入陶瓷塊直至確定的表面臨界層之后，將已滲透的陶瓷結(jié)構(gòu)冷卻至合金熔點(diǎn)以下的溫度，以便產(chǎn)生鋁合金固態(tài)基體，所述鋁合金嵌入陶瓷塊直至確定的表面臨界層，而且沒(méi)有任何固態(tài)鋁合金超出確定的表面臨界層。
按照本發(fā)明制備的鋁基體復(fù)合物通常具有原來(lái)陶瓷填充料或預(yù)制品的形狀，而且所述填充料或預(yù)制品有阻擋層阻止在表面臨界層外形成鋁基體，這樣就可獲得一個(gè)網(wǎng)狀或近似網(wǎng)狀陶瓷體。鋁基體復(fù)合物一般含有氮化鋁，它在鋁基體中呈不連續(xù)相的形式。鋁基體中氮化物的含量因如下因素而變所選擇的溫度，合金成分，氣體成分與陶瓷填充料的不同。彌散的氮化鋁量的改變是通過(guò)控制系統(tǒng)中的一個(gè)或多個(gè)因素來(lái)實(shí)現(xiàn)的，例如，通過(guò)控制溫度，可以改變復(fù)合物的某些性能。
這里所用的所謂“其余非氧化氣體”是指除元素氮以外出現(xiàn)的任何氣體，或者是惰性氣體或是還原性氣體，在此工藝過(guò)程情況下它們基本上不與鋁發(fā)生反應(yīng)。在所用氣體中可能以雜質(zhì)形式出現(xiàn)的任何氧化性氣體(除氮?dú)庵?都不足以使金屬有任何實(shí)際程度的氧化。
應(yīng)當(dāng)理解，如下術(shù)語(yǔ)“陶瓷”、“陶瓷材料”、“陶瓷填充料”或“陶瓷填充材料”，是試圖包括多種陶瓷填充料，例如氧化鋁或碳化硅纖維，及陶瓷瓷涂敷的填充材料，象用氧化鋁或碳化硅涂敷使碳不被熔融金屬浸蝕的碳纖維。還應(yīng)當(dāng)理解，此過(guò)程中所用的鋁，除與鎂形成合金之外，基本上是純的或商品級(jí)純的鋁，或可跟其他組分象鐵、硅、銅、錳、鉻之類(lèi)形成合金。


圖1為側(cè)截面立面示意圖，示出了商標(biāo)為Grafoil 石墨的雙層軟石墨片，裹在陶瓷填充材料周?chē)?，填充料又與上疊放著一塊鋁合金，整個(gè)裝置浸在惰性基液(bed)中，放在耐火容器中以便按照最佳實(shí)施例1的程序進(jìn)行加工。
圖2為圖1陶瓷填充材料的垂直截面圖，鋁合金基體已經(jīng)滲透到該填充材料確定的臨界層。
圖3為側(cè)截面立面示意圖，示出了具有截頂錐體斷面的一個(gè)陶瓷預(yù)制品支撐著矩形鋁合金錠的情形，該陶瓷預(yù)制品浸在二硼化鈦粒子中，而TiB2則盛在耐火容器中，以便按照最佳實(shí)施例2的程序進(jìn)行加工。
圖4為圖3陶瓷預(yù)制品的垂直截面圖，鋁合金基體已經(jīng)滲透到該預(yù)制品確定的臨界層，還畫(huà)出了外邊的未反應(yīng)的鋁合金。
圖5為截面立面示意圖，示出了陶瓷預(yù)制品與鋁合金錠疊加，此裝置浸入盛在耐火容器內(nèi)的TiB2粒子中，以使按照最佳實(shí)施例3的程序進(jìn)行加工。
圖6為圖5陶瓷預(yù)制品的垂直截面圖，鋁合金基體已滲透到該預(yù)制品確定的臨界層。
按照本發(fā)明的方法，一個(gè)滲性陶瓷塊填充料即陶瓷粒子，晶須或纖維，做成至少有一個(gè)確定的表面臨界層的形狀，而且此臨界層起碼有一部分被阻擋層包圍或疊加?！疤畛淞稀边@一術(shù)語(yǔ)理解為包括最終粘接在整個(gè)復(fù)合物之中的預(yù)制品或預(yù)制品部件。陶瓷填充料置于靠近鋁鎂合金表面處或者與之接觸，使得被阻擋層包圍或疊加的確定表面臨界層至少有一部分遠(yuǎn)離或在與陶瓷填充料接觸的鋁鎂合金的外表面。熔融鋁鎂合金將向陶瓷填充料滲入，并朝著具有阻擋層的確定表面臨界層的方向滲透?？蓾B性陶瓷塊填充材料是此增強(qiáng)材料的一部分，在爐子里至少加熱至鋁鎂合金熔點(diǎn)溫度之上，在有含氮?dú)怏w氣氛中鋁合金熔化，熔融鋁合金自發(fā)地漸漸滲入可滲性陶瓷塊。這種自發(fā)滲透一直進(jìn)行直至金屬基體與被阻擋層包圍或疊加的表面確定的臨界層接觸為止。通常，陶瓷填充材料與金屬基體的臨界層基本重合，但陶瓷填充材料的單個(gè)組分可能從金屬基體暴露出或突出來(lái)，因此，從用金屬基體完全包圍或封閉陶瓷填充材料這點(diǎn)來(lái)說(shuō)，滲透與嵌入是不完善的。熔融鋁合金與阻擋層一旦接觸，阻擋層就能防止、阻止、中止熔融鋁合金的遷移或運(yùn)動(dòng)。因此熔融鋁合金基本上不含再傳遞或“過(guò)滲透”超過(guò)確定的表面臨界層。金屬基體形成的程度也隨工藝條件而變，下面將詳細(xì)解釋。熔融鋁合金滲入可滲性陶瓷塊填充材料至阻擋層之后，此增強(qiáng)材料可以冷卻，即在鋁合金熔點(diǎn)之下從爐中取出。使熔融鋁合金在可滲性陶瓷塊內(nèi)固化。生成的基體復(fù)合物包括一個(gè)由鋁合金滲入或嵌入達(dá)到臨界層的陶瓷塊材料。從而，本發(fā)明的阻擋層有助于制備界限明確的網(wǎng)狀或近網(wǎng)狀金屬基體復(fù)合物。
本發(fā)明的阻擋方式可以是任何干涉、阻止、防止或中止熔融鋁合金的遷移運(yùn)動(dòng)超出陶瓷填充材料的確定表面臨界層的適應(yīng)方式。適當(dāng)?shù)淖钃鯇涌梢允侨魏尾牧?，化合物、元素及合成物等，它們?cè)诒景l(fā)明的工藝條件下保持某種完整性，不揮發(fā)，最好能滲透含氮?dú)怏w，并能局部禁止、停止、干涉、防止超出陶瓷填充料的確定表面臨界層的繼續(xù)滲透或任何方式的移動(dòng)。
適當(dāng)?shù)淖钃鯇硬牧?，?dāng)在所采用的工藝條件下基本上不被遷移的熔融合金沾濕。這類(lèi)阻擋層似乎對(duì)熔融鋁合金只有很小或沒(méi)有親和力，因而阻擋層防止或阻止了超出陶瓷填充材料的確定表面臨界層的移動(dòng)。阻擋層減少了金屬基體陶瓷復(fù)合物所要求的磨光或加工。如上所述，阻擋層最好是可滲透的或多孔的，或刺孔面使之滲透，使含氮?dú)怏w與熔融鋁合金接觸。
本發(fā)明中特別有用的適當(dāng)阻擋層是含碳，尤其是碳的同素異形晶體-石墨的物質(zhì)，石墨基本上不被遷移的熔融鋁合金所沾濕。最理想的石墨是商標(biāo)號(hào)為Grafoil 的石墨帶(聯(lián)合碳化物公司注冊(cè))。這種石墨帶具有流體封閉特性，防止了熔融鋁合金移動(dòng)超出陶瓷填充材料確定的表面臨界層。此石墨帶又耐熱，并且在化學(xué)上呈惰性。Grafoil 石墨材料呈軟性、兼容、一致而有彈性。它可作成多種形狀來(lái)滿足任何阻擋層的應(yīng)用。石墨阻擋層可用于陶瓷填充材料的臨界層上或周?chē)暮齽⑾{、甚至涂料膜。Grafoil 為軟性石墨片形狀，因此尤為理想。使用中，在爐中加熱之前像紙一樣的石墨就在鋁合金、陶瓷填充材料增強(qiáng)材料周?chē)苋菀椎爻尚?。?dāng)增強(qiáng)材料加熱至鋁合金的熔點(diǎn)溫度后，產(chǎn)生穿過(guò)陶瓷填充材料的自發(fā)滲透，但當(dāng)?shù)竭_(dá)軟性石墨片時(shí)即停止。
其他理想的阻擋層為過(guò)渡金屬硼化物，即二硼化鈦(TiB2在所用的工藝條件下這種材料通常是不被熔融金屬合金所沾濕的。這種阻擋層，工藝溫度不應(yīng)超過(guò)875℃左右，否則阻擋層材料的效果就會(huì)大大降低，事實(shí)上溫度再升高，就將發(fā)生透進(jìn)阻擋層的情況。過(guò)渡金屬硼化物一般為顆粒狀(1～30微米)。阻擋材料既可用作合金、陶瓷填充料增強(qiáng)材料的周?chē)坎剂?，也可作為稀漿或糊劑用作可滲性陶瓷塊填充料的臨界層，所述陶瓷塊填充料最好是預(yù)成型制成預(yù)制品。
其他阻擋層還有用作陶瓷填充材料或預(yù)制品上的膜或?qū)拥牡蛽]發(fā)性有機(jī)化合物。在氮?dú)庵腥紵?，尤其在本發(fā)明的工藝條件下燃燒，有機(jī)化合物分解，留下了碳黑膜。有機(jī)化合物的涂敷可用普通方法，如涂、噴、浸等。
另外，經(jīng)細(xì)磨的顆粒材料可充當(dāng)阻擋層，條件是顆粒材料的滲透速率低于陶瓷填充材料的滲透速率。
在形成金屬基體復(fù)合物時(shí)，為使熔融合金只有極小或基本上沒(méi)有滲透、移動(dòng)或過(guò)滲透超過(guò)確定的表面臨界層，阻擋層可在坩堝中在合金、陶瓷填充料四周形成，或放置、配置、定位在緊靠可滲性陶瓷塊填充料或預(yù)制品的確定表面臨界層處。阻擋層可采用任何適應(yīng)方式覆蓋，在應(yīng)具有此阻擋層的確定表面臨界層上形成層狀組織。這種阻擋層可采用涂、浸、絲網(wǎng)漏印、蒸發(fā)法形成，或用液體、稀漿形式，或?yàn)R射可蒸發(fā)的阻擋層，或干脆沉積一層固態(tài)粒子阻擋層，或?qū)⒐虘B(tài)阻擋層薄片或薄膜布在確定表面的臨界層上。有了阻擋層，一旦自發(fā)滲透到達(dá)確定表面的臨界層并與阻擋層接觸時(shí)實(shí)際上就停止了。
在本發(fā)明采用的工藝條件下，陶瓷塊或體可滲性很大，足以使氮?dú)獯┩柑沾蓧K與熔融金屬接觸，滲氮陶瓷材料由熔融鋁合金自發(fā)滲透而形成鋁基體復(fù)合物。自發(fā)滲透并形成金屬基體的程度則隨特定工藝條件而改變，這些工藝條件是鋁合金中的鎂含量，出現(xiàn)外加合金元素，填充材料的尺寸，表面條件及類(lèi)型，氮?dú)鉂舛?、時(shí)間與溫度。為使熔融鋁自發(fā)產(chǎn)生滲透，鋁與至少1%左右，最好至少約3%左右重量的鎂形成合金。一種或幾種輔助合金元素，如硅、鋅或鐵可包括在此合金內(nèi)，這些元素可影響合金中所用的極少量的鎂。已知，某些元素會(huì)從鋁熔體中揮發(fā)掉，這種揮發(fā)與時(shí)間、溫度有關(guān)。因此，在本發(fā)明過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生鎂與鋅的揮發(fā)。所以，采用最初至少含1%左右重量的鎂的合金為好。此工藝進(jìn)行的條件是有含氮體積至少10%，左右的氮?dú)夥沾嬖?，其余為此工藝條件下的非氧化性氣體。陶瓷塊基本完全滲透之后，冷卻氮?dú)夥?，使金屬固化，從而形成基本上嵌入陶瓷填充材料的固態(tài)金屬基體。由于鋁鎂合金沾濕了陶瓷，在金屬和陶瓷之間形成良好的粘結(jié)，因此反過(guò)來(lái)又改進(jìn)了復(fù)合物的性能。
為產(chǎn)生陶瓷填充金屬基體復(fù)合物所用鋁合金中的最小鎂含量取決于一個(gè)或幾個(gè)變量，如處理溫度、時(shí)間，是否有硅或鋅之類(lèi)的輔助合金元素存在，陶瓷填充材料的性質(zhì)、氣體流的氮含量。合金中鎂含量增加時(shí)，可使用較低的溫度或較短的加熱時(shí)間。同樣，對(duì)于一定的鎂含量，添加某種輔助合金元素(象鋅之類(lèi))就可使用較低的溫度。例如，在工作范圍低端的鎂含量，即1%至3%重量與如下至少一個(gè)條件配合使用比最低值高的處理溫度，高氮濃度，一種或幾種輔助合金元素?？紤]到工藝條件在一個(gè)較大范圍內(nèi)變化，采用含大約3%至5%重量的鎂的鋁合金最為有效，當(dāng)采用較低的溫度與較短的時(shí)間時(shí)最好采用5%左右的重量比。為調(diào)節(jié)滲透所需的溫度條件，鋁合金中的鎂含量重量比可超過(guò)10%左右。當(dāng)與輔助合金元素配合使用時(shí)也可降低鎂含量，然而，這些元素僅僅也就是因?yàn)榕c上述規(guī)定的鎂量結(jié)合使用時(shí)才起輔助作用的。例如，標(biāo)定純鋁僅與10%的硅組成的合金，在1000℃放入500目的39號(hào)碳化硅(Norton公司的99%純碳化硅)基床中，實(shí)際上不產(chǎn)生滲透。
使用一種或幾種輔助合金元素與包圍氣體中的氮濃度在一定溫度下也影響合金基體的氮化程度。例如，可提高合金中鋅或鐵之類(lèi)輔助合金元素的濃度，以降低滲透溫度，從而減少氮化物的形成，而提高氣體中氮的濃度則會(huì)促進(jìn)氮化物的形成。
在一定的溫度下，鎂在合金中的濃度也會(huì)影響滲透的程度。最好是在合金中含大約3%重量的鎂。若低于這一含量，如1%重量的鎂，為了滲透就需要較高的工藝溫度或增添輔助合金元素。當(dāng)合金中的鎂含量增加，即至少大約為5%重量時(shí)，或在鋁合金中存在另一元素(鋅或鐵)時(shí)，影響本發(fā)明自發(fā)滲透過(guò)程所需的溫度可以降低。此溫度也隨不同陶瓷材料而變。一般說(shuō)來(lái)，自發(fā)漸進(jìn)的滲透至少在大約700℃工藝溫度時(shí)發(fā)生，最好在至少大約800℃時(shí)發(fā)生。一般，溫度超過(guò)1200℃時(shí)似乎對(duì)此工藝沒(méi)有好處。業(yè)已發(fā)現(xiàn)，特別適宜的溫度范圍為800℃左右至1200℃左右。
在本發(fā)明所用的方法中，為獲得滲透所需的整個(gè)時(shí)間內(nèi)，在含氮?dú)怏w始終存在的情況下，將熔融鋁合金遞送給可滲性陶瓷塊材料塊。只要讓氣體源源不絕地流動(dòng)，跟陶瓷材料與熔融鋁合金的增強(qiáng)材料相接觸，就能實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程。盡管含氣體流速不是關(guān)鍵的，然而，建議最好使流量足以補(bǔ)償在合金基體中由于生成氮化物在氣氛中所消耗的氮，而且也要防止并阻止空氣進(jìn)入，以免對(duì)熔融金屬起氧化作用。
綜上所述，含氮?dú)怏w至少含大約10%體積的氮。業(yè)已發(fā)現(xiàn)，氮濃度可影響滲透速率。尤其是當(dāng)?shù)獫舛葴p少時(shí)滲透所需的時(shí)間周期要增加。如1987年5月13日提出申請(qǐng)的序列號(hào)為049，171.題為“金屬基體復(fù)合物”的在申請(qǐng)的申請(qǐng)中所示，在100℃時(shí)用含5%的鎂、5%硅的熔融鋁合金滲透氧化鋁所需的時(shí)間隨氮濃度的降低而延長(zhǎng)。采用含50%體積的氮，5個(gè)小時(shí)完成滲透。若氣體中含30%體積的氮，該時(shí)間周期增加到24小時(shí)，氣體含10%體積的氮。時(shí)間增至72小時(shí)。最好是氣體中含100%的氮。在有效范圍低端的氮濃度，即低于30%左右體積時(shí)，由于滲透所需的加熱時(shí)間較長(zhǎng)，一般并不可取。
本發(fā)明的方法適用于多種品種的陶瓷材料，陶瓷填充材料的選擇取決于如下因素鋁合金、工藝條件，熔融鋁跟填充材料的反應(yīng)性以及最終復(fù)合物的性能。這些材料包括(a)氧化物，如氧化鋁、氧化鎂、氧化鈦、氧化鋯與二氧化鉿;(b)碳化物，如碳化硅與碳化鈦;(c)硼化物，如二硼化鈦與十二硼化鋁;以及(d)氮化物，如氮化鋁、氮化硅與氮化鋁。如果陶瓷填充料與熔融鋁合金有反應(yīng)的傾向，可以通過(guò)縮短滲透時(shí)間與降低溫度，或?yàn)樘畛淞咸峁┎环磻?yīng)的覆蓋層來(lái)抑止。填充材料可以包括一個(gè)襯底，如碳或其他非陶瓷材料，表面帶有陶瓷覆蓋層以保護(hù)襯底不受浸蝕或退化。合適的陶瓷覆蓋層包括氧化物、碳化物、硼化物與氮化物。本方法中選用的陶瓷是顆粒狀、晶片、晶須與纖維狀的氧化鋁與碳化硅。纖維可以是不連續(xù)的(斷開(kāi)形式)或連續(xù)多絲形式，象多絲纖維束，并且，陶瓷塊或預(yù)制品可以是同質(zhì)或異質(zhì)的。
碳化硅與熔融鋁反應(yīng)生成碳化鋁，如果碳化硅用作陶瓷填充材料，需要防止或使這一反應(yīng)減至最小。碳化鋁易受水氣的腐蝕，因而可能弱化復(fù)合物。所以，為了防止或使這一反應(yīng)減至最小，將碳化硅在空氣中預(yù)燃燒而在其上形成二氧化硅層，或?qū)X合金進(jìn)一步與硅形成合金，或進(jìn)行以上兩種方式。不論哪一種情況，結(jié)果都是增加合金中硅的含量，減緩碳化鋁的形成。還能用類(lèi)似的方法來(lái)防止與其他陶瓷填充材料的不符需要的反應(yīng)。
陶瓷材料的形狀與尺寸可以是獲得復(fù)合物理想性能所要求的任何形狀尺寸。這樣，材料可以是顆粒、晶須、晶片或纖維形式，因?yàn)闈B透不受填充材料的形狀所限制，其他形狀，如球形、管狀、丸狀，耐熔纖維布之類(lèi)也可采用。此外，材料尺寸不限制滲透。然而，如果完成滲透，較小顆粒的塊比滲透大粒子所需的溫度高，時(shí)間長(zhǎng)。而且，待滲透的陶瓷塊材料應(yīng)是可滲性的，即對(duì)熔融鋁合金與含氮?dú)怏w可滲透。陶瓷材料可以具有澆注密度或壓縮至適中密度。
本發(fā)明的方法，與使熔融金屬壓入陶瓷塊材料所用的壓力無(wú)關(guān)，能生產(chǎn)出基本上均一的鋁合金基體復(fù)合物，它具有高體積比的陶瓷材料及低孔隙度?？赏ㄟ^(guò)使用低孔陶瓷材料原塊的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)陶瓷的高體積比。如果陶瓷塊在所提供的壓力下是致密的也可獲得高體積比。只要陶瓷塊沒(méi)有轉(zhuǎn)換成帶密閉單元孔度的壓塊或成為致密結(jié)構(gòu)，因?yàn)閴簤K或致密結(jié)構(gòu)會(huì)阻止熔融合金的滲透。
業(yè)已觀察到，對(duì)于特定鋁合金陶瓷系統(tǒng)中鋁的滲透與基體形成，陶瓷被鋁合金沾濕是主要的滲透機(jī)理。在低的處理溫度時(shí)，發(fā)生忽略不計(jì)的或極小量金屬的氮化，結(jié)果形成極小的不連續(xù)相的氮化鋁，散布在金屬基體中。當(dāng)接近該溫度范圍的上端，金屬的氮化更容易發(fā)生。因此，金屬基體中氮化物相的量可通過(guò)改變處理溫度來(lái)控制。氮化物形成更明顯時(shí)的處理溫度也隨如下因素而變所用的鋁合金、鋁合金相對(duì)于填充料體積的量、被滲透的陶瓷材料以及所用氣體的氮濃度。例如，在特定工藝溫度下，據(jù)認(rèn)為氮化鋁形成的程度隨合金沾濕陶瓷填充料的能力的減小及氣體氮濃度的增加而提高。
因而，在復(fù)合物形成過(guò)程中，可能調(diào)整金屬基體的組分，以使最終產(chǎn)物具有某種特性。對(duì)于特定的系統(tǒng)，可以選擇工藝溫度來(lái)控制氮化物的形成。包含氮化鋁相的復(fù)合產(chǎn)物呈現(xiàn)出某種性能。這種性能有利于改善最終網(wǎng)狀金屬基體復(fù)合物產(chǎn)品的性質(zhì)。而且，鋁合金的自發(fā)滲透所用的溫度范圍隨所用陶瓷材料的不同而異。氧化鋁用作填充料時(shí)，滲透溫度最好不超過(guò)1000℃左右，以保證基體的延展性不因氮化物明顯形成而減小。然而，如果要制備延展性較小、較硬的基體時(shí)，所用溫度可超過(guò)1000℃。為滲透其他陶瓷，如碳化硅，可用1200℃左右的較高溫度，因?yàn)橛锰蓟枳魈畛洳牧?，與用氧化鋁作填充料相比，鋁合金氮化的程度較小。
正如下面幾個(gè)最佳實(shí)施例所示，熔融鋁鎂合金自發(fā)滲透可滲性陶瓷塊材料，這是由于此合金有沾濕已被氮?dú)鉂B透的陶瓷材料的傾向。在放有阻擋層的確定表面臨界層處滲透停止。鋁合金中可包含硅、鋅之類(lèi)的輔助合金元素，這樣就能采用較低溫度，較低的鎂濃度。用包含10～20%或更多硅的鋁鎂合金滲透末經(jīng)燃燒的碳化硅較好，因?yàn)楣柃呌谑谷廴诤辖鸶蓟璺磻?yīng)生成碳化鋁這一過(guò)程減至最小。另外，本發(fā)明中所用的鋁合金可包含其他各種合金元素來(lái)提供合金基體專(zhuān)門(mén)要求的機(jī)械與物理性能。例如，合金中可包含銅添加劑，以便形成的基體可進(jìn)行熱處理以增強(qiáng)硬度與強(qiáng)度。
本發(fā)明的第一個(gè)最佳實(shí)施例參照?qǐng)D1，用10表示的3.5吋×3.5吋×0.5吋的預(yù)制品，具有表面臨界層12、14、16和18。預(yù)制品的制備方法是將220號(hào)粒度的Al2O3顆粒熔融(38鋼玉Norton公司提供)與膠狀A(yù)l2O3(Nyacol Al-20膠狀氧化鋁溶液，PQ公司提供)澆鑄進(jìn)硅橡膠(基床GI-1000，塑料工具供應(yīng)公司，Exton，PA)模，此后凝結(jié)并干燥這一混合物，所得沉積物即為預(yù)制品。表面臨界層12與一個(gè)尺寸為2吋×3吋×1/2吋含5%重量的硅、5%重量鋅，5%重量鎂、其余為鋁的錠塊20疊加。在鋁合金錠塊20與陶瓷預(yù)制品10構(gòu)成的增強(qiáng)材料周?chē)纬呻p阻擋層22(每層為厚0.015吋的Grafoil 軟性石墨帶，由聯(lián)合碳化物公司提供)，然后將此裝置放在24號(hào)粒度的38號(hào)鋼玉(Norfon公司)的基床24中處置，所述鋼玉盛在10吋×10吋×4吋的石墨舟26中AGSX級(jí)，聯(lián)合碳化物公司提供)。石墨舟26及其裝載物在石墨真空爐中加熱，爐內(nèi)有流率為1.5升/分鐘的10%的氮?dú)猓訜徇^(guò)程如下，5小時(shí)內(nèi)以恒定速率升溫至865℃，在865℃保溫20小時(shí);然后在3小時(shí)內(nèi)以恒定速率降溫至環(huán)境溫度。在溫度上升到865℃之前，將石墨舟26及其裝載物在同一爐內(nèi)，在真空中200℃。烘烤三個(gè)半小時(shí)，除去吸收的水氣。如圖2所示，鋁合金自發(fā)滲透預(yù)制品10至表面臨界層14、16與18，形成金屬基體復(fù)合物28。表面臨界層12被一些殘留的固態(tài)鋁合金復(fù)蓋，它在圖2中用30表示。殘留鋁合金很容易用機(jī)加工或磨光方法除去。
本發(fā)明的第二個(gè)最佳實(shí)施例參照?qǐng)D3，具有截頂錐形斷面的陶瓷預(yù)制品用32表示，其尺寸為平均外徑1 1/2 吋，高1吋，厚大均1/16吋，其表面臨界層是33和34。預(yù)制品是鑄造沉積物(見(jiàn)實(shí)施例1)，澆鑄材料包括68%重量的220號(hào)粒度的38號(hào)剛玉、29%重量的500號(hào)粒度的38號(hào)剛玉以及3%重量的325目的硅金屬。用“Elmer”木膠(俄亥俄州哥倫布市Borden公司提供)羥基與水作粘結(jié)液。澆鑄沉積之后，將預(yù)制品放在碳化硅電阻加熱爐中，在空氣中1300℃預(yù)燒三小時(shí)。一個(gè)直徑2吋，高1吋的圓柱鋁合金錠塊42，包含5%重量的硅、5%重量的鋅、7%重量的鎂、其余為鋁，錠塊42放置于預(yù)制品32的頂端，將此裝置浸入5-6微米的TiB2基床44(HCT級(jí)。聯(lián)合碳化物公司提供)中，所述基床44被盛在99.7%Al2O3坩堝中(Bolt技術(shù)陶瓷公司制造，Conroe，德克薩斯州，樣本No6C)。坩堝46及其盛放物在電阻加熱管式爐中加熱，爐內(nèi)混合氣體包含96%氮?dú)夂?%氫氣，流速為500CC/分，加熱過(guò)程為以每小時(shí)150℃的速率升溫至875℃，在875℃保溫10小時(shí);然后以每小時(shí)200℃的速率降至環(huán)境溫度。如圖4所示，鋁合金自發(fā)滲透陶瓷預(yù)制品至表面臨界層33，制成鋁合金基體復(fù)合物48。表面臨界層34被殘留的固態(tài)鋁合金50復(fù)蓋。殘留鋁合金很容易用機(jī)加工或磨光除掉。
本發(fā)明的第三個(gè)最佳實(shí)施例參照?qǐng)D5，2吋×2吋× 1/2 吋預(yù)制品用52表示，用“Flmer”木膠混合物(俄亥俄州，哥倫布市，Borden公司提供)羥基及水作粘接劑，由C-75UNG煅燒Al2O3稀漿(Alcan鋁公司提供)沉積澆鑄而成。預(yù)制品形成后具有54，56，58與60表面臨界層。表面臨界層54與2吋×2吋× 1/2 吋的鋁合金錠塊62疊加，所述鋁合金內(nèi)含5%重量的硅，5%重量的鎂，其余為鋁，將此裝置浸入5-6微米的TiB2(聯(lián)合碳化物公司制造，HCT級(jí))的基床64，所述TiB2放在150毫米×65毫米×35毫米，含99.7%Al2O3的坩堝66中(德州，Conroe，Bolt技術(shù)陶瓷公司制造)，坩堝66及其盛放物在石墨真空爐中加熱，爐內(nèi)混合氣體包含96%氮?dú)夂?%氫氣，流速為1000cc/分，加熱過(guò)程如下10小時(shí)由以恒定速率升溫至875℃，在875℃保溫15小時(shí);然后在5小時(shí)內(nèi)以恒定速率降至環(huán)境溫度。在升溫升至875℃前，坩堝及其盛放物在同一爐中，真空200℃烘烤約6小時(shí)，以除去吸收的水氣。如圖6所示，鋁合金自發(fā)滲透陶瓷預(yù)制品52直至表面臨界層56、58與60，形成鋁合金基體復(fù)合物68。表面臨界層54被一些殘留的固態(tài)鋁合金(圖6中70所示)所復(fù)蓋。殘留鋁合金可用機(jī)加工或磨光法除去。
以上詳述的典型的最佳實(shí)施例展示了本發(fā)明的效用。它們可作各種組合及變種，凡此種種均屬本發(fā)明的技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種制備金屬基體復(fù)合物的方法，包括如下步驟(a)提供一種鋁合金以及至少一種材料，所述鋁合金包含鋁及至少約1%重量的鎂，而所述材料是從包括可滲性陶瓷塊材料及預(yù)制品的一組材料中選出的，它至少有一個(gè)由阻擋層確定的表面；(b)提供一種氣體，它包括大約10%至100%體積的氮?dú)?，其余為非氧化氣體；將熔融態(tài)的上述鋁合金與所述至少一種材料的一個(gè)區(qū)域接觸，使所述阻擋層至少部分與所述接觸區(qū)隔開(kāi)，于是所述熔融合金自發(fā)滲入所述至少一種材料直至所述阻擋層；c)使上述熔融鋁合金固化，形成固態(tài)金屬基體結(jié)構(gòu)，此金屬基體結(jié)構(gòu)嵌入所述的至少一種材料，并具有由所述阻擋層形成的表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征為，在此工藝條件下，所述阻擋層基本上不被所述熔融鋁合金沾濕;
3.一種制備金屬基體復(fù)合物的方法，包括如下步驟(a)形成至少一種材料，此材料是從包括可滲性陶瓷塊填充料與預(yù)制品的一組材料中選出的，所述至少一種材料至少有一個(gè)確定的表面臨界層;(b)在上述確定的表面臨界層配置軟石墨片;(c)將所述至少一種材料的一個(gè)區(qū)域與一塊鋁合金接觸，此合金包含鋁與至少約1%重量的鎂，使得所述軟石墨片起碼與所述接觸區(qū)域部分隔開(kāi)，于是熔融鋁合金將會(huì)朝著所述軟石墨片方向滲透;(d)將所述鋁合金加熱至熔點(diǎn)以上的溫度，提供一種氣體，它約含10%至100%體積的氮?dú)狻⑵溆酁榉茄趸詺怏w，在所述溫度，熔融鋁合金自發(fā)滲入所述至少一種材料直至所述軟石墨片為止，以便嵌入此種材料;(c)允許所述熔融鋁合金在所述至少一種材料中固化，以便形成金屬基體復(fù)合物，該復(fù)合物具有由上述軟石墨片形成的表面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征為，所述阻擋層包括二硼化鈦，并且所述鋁合金被加熱至不超過(guò)大約875℃的溫度;
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征為，所述阻擋層包括碳;
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征為，所述阻擋層包括石墨;
7.根據(jù)權(quán)利要求1或3中任何一項(xiàng)所述的方法，其特征為所述鋁合金與所述至少一種材料在至少約700℃的溫度接觸;
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征為，所述溫度至少約為800℃;
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征為，該溫度為800℃左右至1200℃左右;
10.根據(jù)權(quán)利要求1或3中的任何一項(xiàng)所述的方法，其特征為，該氣體包括至少50%體積氮?dú)?，其余部分至少包括一種選自含氬氣與氫氣組成的氣體;
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征為，該氣體基本上全部是氮?dú)?
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征為，所述溫度為800℃左右至1200℃左右;
13.根據(jù)權(quán)利要求1或3中的任何一項(xiàng)所述的方法，其特征為該鋁合金至少包含3%左右重量的鎂;
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征為，該鋁合金至少包含一種附加的輔助合金元素;
15.根據(jù)權(quán)利要求1或3中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征為，上述至少一種材料包括選自氧化物、碳化物、硼化物及氮化物系的一種材料;
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征為，上述至少一種材料包含氧化鋁，并且該溫度約為1000℃;
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征為，上述至少一種材料包含碳化硅，并且該溫度約為1200℃;
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征為，上述至少一種材料包含氧化鋯;
19.根據(jù)權(quán)利要求1或3中任何一項(xiàng)所述的方法，其特征為，上述至少一種材料包含二硼化鈦，并且該溫度略高于875℃左右;
20.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征為，上述至少一種材料包含氮化鋁;
21.根據(jù)權(quán)利要求1或3中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征為，氮化鋁在鋁基體中形成不連續(xù)相;
22.根據(jù)權(quán)利要求1或3中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征為，至少一種材料是由具有陶瓷復(fù)蓋面的填充料襯底組成，所述覆蓋層選自氧化物、碳化物、硼化物與氮化物系。
全文摘要
一網(wǎng)狀陶瓷增強(qiáng)的鋁基體復(fù)合物制法如下，先做出一塊可滲性陶瓷塊材料，其確定的表面臨界層具有阻擋層，再在含10％至100％左右氮?dú)怏w積、其余為非氧化氣體即氬氣或氫氣的氣體中，將熔融鋁鎂合金與該可滲性陶瓷塊材料接觸。在常壓下，熔融合金自發(fā)滲入陶瓷塊直至達(dá)到阻擋層為止。合金固體可置于具有阻擋層的可滲性陶瓷材料基床附近，并加熱至熔融態(tài)，最好是至少700℃左右，以便用滲透法形成網(wǎng)狀鋁基體復(fù)合物。除鎂之外，輔助合金元素可與鋁同用。生成的復(fù)合物可在鋁基體中包含不連續(xù)的氮化鋁相。
文檔編號(hào)C04B41/88GK1033987SQ8810824
公開(kāi)日1989年7月19日 申請(qǐng)日期1988年12月2日 優(yōu)先權(quán)日1988年1月7日
發(fā)明者邁克爾·凱弗克·阿格海杰寧, 特里·丹尼斯·克萊爾 申請(qǐng)人:蘭克西敦技術(shù)公司