專利名稱：用于制備金屬基質(zhì)復(fù)合體的熔模澆注法及其由此方法生產(chǎn)的產(chǎn)品的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制備金屬基質(zhì)復(fù)合體的新方法及其由此生產(chǎn)的新產(chǎn)品。首先制備一個(gè)負(fù)型或空腔，該負(fù)型或空腔與待生產(chǎn)的所需金屬基質(zhì)復(fù)合體相互補(bǔ)。然后，將所形成的空腔用填料的可滲透體填充。然后再使熔融基質(zhì)金屬自發(fā)地滲入填充的空腔中。特別是，使?jié)B透增強(qiáng)劑和/或滲透增強(qiáng)劑前體和/或滲透氣氛至少在工藝過程的某一時(shí)刻與填料相聯(lián)系，使基質(zhì)金屬在熔化時(shí)自發(fā)地滲入在工藝過程的某一段時(shí)間內(nèi)可以變成自支承的填料可滲透體。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，空腔可以通過所謂的失蠟鑄造法相似的方法制造。
含有金屬基質(zhì)和加強(qiáng)或增強(qiáng)相(如陶瓷顆粒、晶須、纖維等)的復(fù)合產(chǎn)品對于許多應(yīng)用顯示出廣闊的前途，因?yàn)樗鼈兙哂性鰪?qiáng)相的部分剛性和耐磨性以及金屬基質(zhì)的可延伸性和韌性。一般來說，金屬基質(zhì)復(fù)合體與整塊基體金屬相比，將表現(xiàn)出在強(qiáng)度、剛性、接觸耐磨性和高溫強(qiáng)度保持性等性能方面的改進(jìn)，但是對任何給出的性能可能被改進(jìn)的程度主要取決于特定的組分，它們的體積或重量比，以及在形成該復(fù)合體中如何處理這些組分。在某些情況下，這種復(fù)合體在重量上還可能比基質(zhì)金屬本身更輕。例如，用陶瓷(如顆粒、片晶或晶須狀的碳化硅)增強(qiáng)的鋁基復(fù)合體是令人感興趣的，因?yàn)橄鄬τ阡X而言，它們的具有更高的剛性、耐磨性和高溫強(qiáng)度。
許多冶金方法被介紹用于生產(chǎn)鋁基復(fù)合體，這些方法包括以使用加壓澆鑄、真空澆鑄、攪拌和潤濕劑的粉末冶金技術(shù)和液體-金屬滲透技術(shù)為基礎(chǔ)的方法。采用粉末冶金技術(shù)時(shí)，使粉末狀的金屬和粉末、晶須、切斷的纖維等形式的增強(qiáng)材料混合，然后進(jìn)行冷壓和燒結(jié)或進(jìn)行熱壓。已報(bào)道出用這種方法生產(chǎn)的碳化硅增強(qiáng)的鋁基復(fù)合體中最大的陶瓷體積比在晶須情況下約為25%(體積)，在顆粒的情況下約為40%(體積)。
利用常規(guī)工藝方法通過粉末冶金技術(shù)生產(chǎn)金屬基質(zhì)復(fù)合體對可得到的產(chǎn)品的性能產(chǎn)生一定的限制。該復(fù)合體中陶瓷相的體積比在顆粒情況下典型地限制為約40%。另外，加壓操作還會(huì)對可得到的實(shí)際尺寸產(chǎn)生限制。在沒有后續(xù)加工(如成形或機(jī)械加工)或不借助于復(fù)雜壓制的條件下，只有可能產(chǎn)生相對簡單的產(chǎn)品形狀。再有，由于壓實(shí)體中的分凝和晶粒生長會(huì)造成顯微結(jié)構(gòu)的非均勻性外，在燒結(jié)期間會(huì)發(fā)生不均勻收縮。
在1976年7月20日授予J.C.Cannell等人的美國專利第3，970，136號中，敘述了一種形成金屬基質(zhì)復(fù)合體的方法，所說的復(fù)合體中結(jié)合有具有預(yù)定纖維取向模式的纖維增強(qiáng)材料，如碳化硅或氧化鋁晶須。這種復(fù)合體的制備是通過在一個(gè)具有熔融基質(zhì)金屬(如鋁)的儲(chǔ)池的模中在至少部分板之間放置共平面纖維的平行板或氈，然后對熔融金屬施加壓力使其滲入所說的板并環(huán)繞在定向纖維周圍。也可能把熔融金屬倒在所說板的堆積體上，然后施加壓力使其流入板之間。已報(bào)道出在這種復(fù)合體中增強(qiáng)纖維的填充量高達(dá)約50%(體積)。
鑒于上述滲透方法取決于施加在熔融基質(zhì)金屬上使其通過纖維板堆積體的外部壓力，因此該方法受到壓力誘導(dǎo)的流動(dòng)過程的多變性的影響，即可能形成非均勻性基體，孔隙等。即使熔融金屬可能在纖維堆積體中的許多位置引入，也可能造成性能的不均勻性。因此，需要提供復(fù)雜的板/儲(chǔ)池排列和流動(dòng)通道，以實(shí)現(xiàn)在纖維板堆積體上的充分均勻滲透。另外，上述壓力滲透法只使得到的基質(zhì)體積獲得較低量的增強(qiáng)材料，這是由于滲入一個(gè)大板體積中所固有的困難性所致。再有，要求模具在壓力下盛裝熔融金屬，這就增加了工藝過程的費(fèi)用。最后，僅限于滲透排列好的顆?；蚶w維的上述方法不能用來形成用無規(guī)則取向的顆粒、晶須或纖維形式材料增強(qiáng)的鋁金屬基復(fù)合體。
在鋁基氧化鋁填充的復(fù)合體的制造中，鋁不能容易地潤濕氧化鋁，因此難于形成粘結(jié)產(chǎn)品。針對這一問題，曾建議過使用各種溶液。一種方法是用一種金屬(如鎳或鎢)涂敷所說氧化鋁，然后使其與鋁一同進(jìn)行熱壓。在另一種方法中，使所說的鋁與鋰合金化，并且可以用二氧化硅涂敷所說的氧化鋁。但是，這些復(fù)合體在性能方面表現(xiàn)出各種變化，或者，所說的涂層會(huì)降低填料的質(zhì)量，或者所說的基體含有能影響基體性能的鋰。
授予R.W.Grimshaw等人的美國專利4，232，091克服了在生產(chǎn)鋁基氧化鋁復(fù)合體中遇到的某些困難。這一專利敘述了對熔融鋁(或熔融鋁合金)施加75～375kg/平方厘米的壓力使其滲入已預(yù)熱到700～1050℃的氧化鋁纖維或晶須的板中。在得到的固體鑄體中氧化鋁對金屬的最大體積比為0.25/1。由于取決于完成滲透的外界壓力，所以這種方法受到許多與Cannell等人專利的同樣缺點(diǎn)的影響。
歐洲專利公報(bào)115，742敘述了通過用熔融鋁充填預(yù)成型的氧化鋁基質(zhì)的孔隙來制造鋁-氧化鋁復(fù)合體的方法，這種鋁-氧化鋁復(fù)合體特別適用于電解池組分。該申請強(qiáng)調(diào)了鋁對氧化鋁的非潤濕性，因此采用各種方法來潤濕整個(gè)預(yù)型體中的氧化鋁。例如，用一種潤濕劑，即鈦、鋯、鉿或鈮的二硼化物或者用一種金屬，即鋰、鎂、鈣、鈦、鉻、鐵、鈷、鎳、鋯或鉿來涂敷氧化鋁。采用惰性氣氛(如氬氣)以促進(jìn)潤濕。這一參考文獻(xiàn)還表示出施加壓力導(dǎo)致熔融鋁滲入未涂敷的基質(zhì)中。在這一方面，滲透是在惰性氣氛(如氬氣)中通過抽空氣孔，然后向所說的熔融金屬施加壓力來實(shí)現(xiàn)。另一方面，這種預(yù)型體也以在用熔融鋁滲透來填充空隙之前，通過氣相鋁沉積來潤濕其表面的方法來滲透。為了保證鋁保留在預(yù)型體的氣孔中，需要在真空或氬氣氣氛下進(jìn)行熱處理，例如在1400～1800℃下進(jìn)行處理。否則，壓力滲透材料暴露于氣體或者滲透壓力的除去都將造成鋁從復(fù)合體中的損失。
在歐洲專利申請公報(bào)94353中還表示了使用潤濕劑來實(shí)現(xiàn)用熔融金屬滲透電解池中的氧化鋁組分的方法。該公報(bào)敘述了用一個(gè)以陰極電流供給器作為電池襯里或基質(zhì)的電池，通過電積法生產(chǎn)鋁的方法，為了保護(hù)這種基質(zhì)免受熔融冰晶石的作用，在電池啟動(dòng)前或者將其浸在用該電解法生產(chǎn)的熔融鋁中對氧化鋁基質(zhì)施加一種潤濕劑和溶解性抑制劑的混合物的薄涂層，所公開的潤濕劑有鈦、鉿、硅、鎂、釩、鉻、鈮或鈣，而鈦為優(yōu)選的潤濕劑。據(jù)描述，硼、碳和氮的化合物對于抑制這種潤濕劑在熔融鋁中的溶解性是有用的。但是，該參考文獻(xiàn)既沒有建議生產(chǎn)金屬復(fù)合物，也沒有建議，例如在氮?dú)鈿夥罩?，形成這種復(fù)合體。
除采用壓力和潤濕劑外，還公開了采用的真空條件將有助于熔融鋁滲入多孔陶瓷壓塊。例如，1973年2月27日授予R.L.Landingham的美國專利3，718，441敘述了在小于10-6乇的真空條件下，使熔融的鋁、鈹、鎂、鈦、釩、鎳或鉻滲透陶瓷壓塊(例如碳化硼，氧化鋁滲透和氧化鈹)。10-2～10-6乇的真空壓強(qiáng)使這種熔融金屬對所述涂層的潤濕性很差，以致于該金屬不能自由地流到陶瓷的孔隙中去。但是，當(dāng)真空壓強(qiáng)降低到低于10-6乇時(shí)，潤濕情況有所改善。
1975年2年4日授于G.E.Gazza等人的美國專利3，864，154還公開了采用真空以達(dá)到滲透的方法。該專利敘述了將一個(gè)AlB12粉末的冷壓塊放在一個(gè)冷壓鋁粉床上。然后再將一部分鋁置于Al B12粉末壓塊的頂上。將裝有夾在鋁粉層之間的AlB12壓塊的坩堝放在一個(gè)真空爐中。然后將該爐抽空到約10-5乇進(jìn)行脫氣。再將爐溫提高到1100℃并保持3小時(shí)。在這些條件下，這種熔融鋁金屬滲透了多孔Al B12壓塊。
1968年1年23日授予JohnN.Reding等人的美國專利3，364，976公開了在一個(gè)物體內(nèi)產(chǎn)生自生真空以促進(jìn)熔融金屬向該物體中的滲透的觀點(diǎn)。具體地說，將一物體，例如一個(gè)石墨模、一個(gè)鋼模或一個(gè)多孔耐久材料，全部浸在熔融金屬中。在模的情況下，充有可以與該金屬反應(yīng)的氣體的模的空腔與外部的熔融金屬通過模中至少一個(gè)小孔相接觸，當(dāng)這種模浸在熔體中時(shí)，空腔的充填在空腔中的氣體與該熔融金屬反應(yīng)產(chǎn)生自生真空時(shí)發(fā)生。具體地說，這種真空是該金屬的固體氧化物形成的結(jié)果。因此，Reding等人公開了重要的是誘導(dǎo)空腔中的氣體與該熔融體之間的反應(yīng)。但是，由于與模有關(guān)的固有限制，利用模具來產(chǎn)生真空可能是不理想的。首先必須將模具機(jī)加工成一個(gè)特殊的形狀;然后精加工，在該模上產(chǎn)生一個(gè)可行的鑄造表面;然后在使用之前安裝好;在使用后將其折卸以從中取出鑄件;之后回收模具，回收時(shí)很可能包括對模具表面進(jìn)行再次精加工，如果該模不能再繼續(xù)使用的話，就將其放棄。將一個(gè)模具機(jī)加工成復(fù)雜的形狀是很貴的并且很費(fèi)時(shí)間。另外，從一個(gè)復(fù)雜形狀的模具上取出形成的鑄件也是困難的(即，具有復(fù)雜形狀的鑄件在從模具中取出時(shí)會(huì)發(fā)生破裂)。另外;雖然有人建議多孔耐火材料可以直接浸在熔融金屬中，不需要模具，但是這種耐火材料將必須是整塊的，因?yàn)樵诓皇褂萌萜髂＞邥r(shí)，不存在向疏松或分散的多孔材料浸透的條件(即，一般認(rèn)為，這種顆粒材料放在熔融金屬中時(shí)，其典型特征是四處分散或浮動(dòng))。另外，如果希望滲透顆粒材料或疏松地形成的預(yù)型體時(shí)，應(yīng)該引起注意的是這種滲透金屬至少不能置換顆?；蝾A(yù)型體的一部分，而導(dǎo)致不均勻的顯微結(jié)構(gòu)。
因此，長期以來一直希望有一種簡單而又可靠的生產(chǎn)成型金屬基質(zhì)復(fù)合體的方法，該方法不依靠使用壓力和真空(無論是外部施加的還是內(nèi)部產(chǎn)生的)條件，或者損失潤濕劑來生產(chǎn)嵌在另一種材料如陶瓷材料中的一種金屬基質(zhì)。另外;長期以來一直希望使生產(chǎn)金屬基質(zhì)復(fù)合體所需的最終機(jī)械加工量達(dá)最小。本發(fā)明通過提供一種用熔融基質(zhì)金屬(如鋁)滲透一種材料(如陶瓷材料)的自發(fā)滲透機(jī)理滿足了這些希望。其中所說的材料可形成一個(gè)預(yù)型體。這種自發(fā)滲透是在常壓，滲透氣氛(如氮?dú)?存在下進(jìn)行的，并且在工藝過程中至少在某一處存在滲透增強(qiáng)劑。
本申請的主題涉及一些其它共同未決或共同所有的專利申請的主題。特別是這些其它共同未決專利申請描述了制造金屬基質(zhì)復(fù)合材料的方法(以下有時(shí)稱“共同所有的金屬基質(zhì)專利申請”)。
在1987年5月13日，以White等人的名義提交的，現(xiàn)已在美國審定的題目為“金屬基質(zhì)復(fù)合體”的共同所有美國專利申請系列號049，171的申請中，公開了一種生產(chǎn)金屬基質(zhì)復(fù)合材料的新方法。根據(jù)White等人的發(fā)明的方法，通過用熔融鋁滲透一種可滲透填料(如，陶瓷或用陶瓷涂敷的材料)體來生產(chǎn)金屬基質(zhì)復(fù)合體，其中所用的熔融鋁含有至少約1%(重量)的鎂，優(yōu)選的是含有至少約3%(重量)的鎂。在不采用外部壓力和真空的條件下，自發(fā)地發(fā)生滲透。于至少約675℃的溫度下，在一種含有約10～100%，最好至少約50%(體積)氮?dú)獾臍怏w存在下，使一定量的熔融金屬合金與填料體接觸，其中的氣體，除氮?dú)馔猓绻械脑挒榉茄趸詺怏w，如氬氣。在這些條件下，這種熔融鋁合金在常壓下滲透所說的陶瓷體形成鋁(或鋁合金)基質(zhì)復(fù)合體。當(dāng)所需量的填料已被這種熔融鋁合金滲透時(shí)，降低溫度使該合金固化，因此形成嵌有該增強(qiáng)填料的固體金屬基質(zhì)結(jié)構(gòu)。通常，供給的一定量熔融合金最好足以使這種滲透基本進(jìn)行到填料體的邊緣。根據(jù)White等人的發(fā)明生產(chǎn)的鋁基復(fù)合體中填料的量可以非常高。在這方面，填料對合金的體積比可達(dá)到1∶1以上。
在上述White等人發(fā)明的工藝條件下，氮化鋁可以形成一種分散在整個(gè)鋁基體中的不連續(xù)相。鋁基體中氮化物的量可隨溫度、合金組成、氣體組成和填料等因素而變化。因此，通過控制反應(yīng)體系因素的一個(gè)或多個(gè)，可能調(diào)節(jié)這種復(fù)合體的某些性能。但是，對于某些實(shí)際應(yīng)用來說，可能希望這種復(fù)合體含有少量的或基本不含氮化鋁。
已觀察到較高的溫度有利于滲透，但使得該方法更有助于氮化物的形成。White等人的發(fā)明提供了平衡滲透動(dòng)力學(xué)和氮化物形成的選擇。
在以Michel K.Aghajanian等人的名義于1988年1月7日提交的，題目為“用阻擋元件制造金屬基質(zhì)復(fù)合體的方法”的共同所有和共同未決美國專利申請系列號為141，624的申請中，敘述了一個(gè)適用于形成金屬基質(zhì)復(fù)合體的阻擋元件的例子。根據(jù)Aghajanian等人的發(fā)明方法，將阻擋元件(例如，顆粒狀二硼化鈦或石墨材料如Union Carbide公司以Grafoil
為商品名出售的軟石墨帶產(chǎn)品)放置于填料的限定界表面，并且基質(zhì)合金滲透到該阻擋元件限定的邊界處。這種阻擋元件被用來抑制、防止或中止該熔融合金的滲透，由此為得到的金屬基質(zhì)復(fù)合體提供了基本的或大致的形狀。因此，所形成的金屬基質(zhì)復(fù)合體具有一個(gè)基本符合于該阻擋元件內(nèi)部形狀的外形。
1988年3月15日以MichaelK.Aghajanian和MarcS.Newkirk名義提交的題目為“金屬基質(zhì)復(fù)合體及其生產(chǎn)方法”的共同所有，共同未決美國專利申請系列號168，284對系列號為049，171的美國專利申請的方法進(jìn)行改進(jìn)，根據(jù)在該美國專利申請中公開的方法，基質(zhì)金屬以一個(gè)第一金屬源和一個(gè)例如由于重力流動(dòng)與該第一金屬源相聯(lián)的基質(zhì)金屬合金儲(chǔ)備源形式存在。具體地說，在該專利申請中所述的條件下，在常壓下這種第一熔融金屬合金源首先滲入填料體中，由此開始形成金屬基質(zhì)復(fù)合體。這種第一熔融基質(zhì)金屬合金源，在其滲入填料體期間被消耗掉，如果需要的話，當(dāng)自發(fā)滲透繼續(xù)進(jìn)行時(shí)，可以從所說的熔融基質(zhì)金屬儲(chǔ)備源進(jìn)行補(bǔ)充，這種補(bǔ)充最好通過一個(gè)連續(xù)方式進(jìn)行。當(dāng)所需量的可滲透填料已被這種熔融基質(zhì)合金自發(fā)滲透時(shí)，使溫度降低以使該熔融合金固化，因此形成一種嵌有該增強(qiáng)填料的固體金屬基質(zhì)結(jié)構(gòu)。應(yīng)該明白的是這種金屬儲(chǔ)備源的使用僅僅是本專利申請中所述的發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，并不是在所述的發(fā)明的每個(gè)其它實(shí)施方案中都必須采用該金屬儲(chǔ)備源，但是將本發(fā)明儲(chǔ)備源用于部分實(shí)施方案中還是有利的。
這種金屬儲(chǔ)備源應(yīng)提供足夠量的金屬，以使其滲透該填料的可滲透體至預(yù)定的程度。另一方面，可以選擇阻擋元件與該可滲透填料體的至少一個(gè)側(cè)面接觸，以限定出一個(gè)表面邊界。
另外，雖然提供的一定量熔融基質(zhì)合金應(yīng)至少足以使自發(fā)滲透基本進(jìn)行到可滲透填料體的邊界(如阻擋元件)，但是所說的儲(chǔ)備源中存在的合金量應(yīng)超過這個(gè)這個(gè)足夠量，以使得不僅有足夠是的合金用于完全滲透，而且有過量的熔融金屬合金保留并與該金屬基質(zhì)復(fù)合體相連。因此，當(dāng)過量的熔融合金存在時(shí)，所得到的物體將是一個(gè)復(fù)雜的復(fù)合體(例如，一個(gè)大復(fù)合體)，其中具有金屬基質(zhì)的滲透陶瓷體將會(huì)直接粘結(jié)到該儲(chǔ)備中剩余的過量金屬上。
每個(gè)上述討論的共同所用的金屬基質(zhì)專利申請都敘述了生產(chǎn)金屬基質(zhì)復(fù)合體的方法和由此生產(chǎn)的新型金屬基質(zhì)復(fù)合體。將所有上述共同所有的金屬基質(zhì)專利申請的公開內(nèi)容結(jié)合在此以供參考。
金屬基質(zhì)復(fù)合體可以通過滲透一種填料的可滲透體來生產(chǎn)，其中的填料的可滲透體在工藝過程的某一時(shí)刻可變成自支承體(即，可形成一個(gè)預(yù)型體)。將這種填料置于用特殊方法形成的空腔中。具體地說，在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案中，制備一個(gè)低熔點(diǎn)或可揮發(fā)的型芯(例如，一個(gè)蠟?zāi)?，以使得該蠟?zāi)５闹辽僖徊糠衷谛螤钌舷鄳?yīng)于所要制備的金屬基質(zhì)復(fù)合體。這種蠟?zāi)？梢酝ㄟ^適當(dāng)?shù)姆椒ㄓ?例如)耐火材料涂敷，該材料可以通過(例如)刷涂、噴涂、浸涂等方法施用。
一旦在這種蠟?zāi)５谋砻嫔贤糠罅诉m當(dāng)厚度的(例如)陶瓷材料，使涂敷的耐火材料變成自支承狀態(tài)后，這種蠟?zāi)？梢酝ㄟ^，例如，熔化，揮發(fā)等方法離開涂敷層，剩下的涂敷層在其中帶有一個(gè)基本相應(yīng)于從中除去的蠟?zāi)Ｐ螤畹目涨弧?br> 在一個(gè)實(shí)施方案中，所形成的空腔可以通過適當(dāng)?shù)姆椒ㄓ眠m當(dāng)?shù)淖钃醪牧贤糠?，以有助于限定待制備的金屬基質(zhì)復(fù)合體的最終形狀。一旦適當(dāng)?shù)胤胖眠@種阻擋材料后，可以將填料放入至少一部分空腔內(nèi)。
另外，還使?jié)B透增強(qiáng)劑和/或滲透增強(qiáng)劑前體和/或滲透氣氛至少在工藝過程期間的某一階段與填料相聯(lián)系，以使基質(zhì)金屬熔化時(shí)自發(fā)滲入一種填料的可滲透體，該填料的可滲透體在工藝過程的某一階段可以變成自支承狀態(tài)。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，可以直接向填料和/或基質(zhì)金屬和/或滲透氣氛中的至少一種提供滲透增強(qiáng)劑。不論提供滲透增強(qiáng)劑前體還是滲透增強(qiáng)劑，總之，至少在自發(fā)滲透期間，滲透增強(qiáng)劑應(yīng)位于至少一部分填料中。
應(yīng)指出的是本申請主要討論鋁基質(zhì)金屬，該金屬在金屬基質(zhì)復(fù)合體形成過程的某一時(shí)刻，在起滲透氣氛作用的氮?dú)獯嬖谙拢c起滲透增強(qiáng)劑前體作用的鎂接觸。從而，這種鋁/鎂/氮的基質(zhì)金屬/滲透增強(qiáng)劑前體/滲透氣氛體系顯示出自發(fā)滲透。但是，其它基質(zhì)金屬/滲透增強(qiáng)劑前體/滲透氣氛體系也可能表現(xiàn)出與鋁/鎂/氮體系相似的行為。例如，在鋁/鍶/氮體系;鋁/鋅/氧體系和鋁/鈣/氮體系已觀察到相似的自發(fā)滲透現(xiàn)象。因此，雖然在此主要討論了鋁/鎂/氮體系，應(yīng)理解的是其它基體金屬/滲透增強(qiáng)劑前體/滲透氣氛體系可以以相似的方式產(chǎn)生作用。
當(dāng)基質(zhì)金屬包括鋁合金時(shí)，形成的空腔可以用一種填料(例如，氧化鋁或碳化硅顆粒)填料，所說的填料其中混有作為滲透增強(qiáng)劑前體的鎂或在工藝過程的某一階段受到鎂的作用。另外，這種鋁合金和/或填料在工藝過程的某一階段暴露于作為滲透氣氛的氮?dú)夥罩?，而在一個(gè)優(yōu)選方案中在基本整個(gè)工藝過程中均暴露在氮?dú)夥罩?，在另一種情況下，如果填料中混有作為滲透增強(qiáng)劑的氮化鎂，或在工藝過程的某一階段中受到氮化鎂的作用，可以免去上述要求。另外;在工藝過程的某一階段，填料將變成至少部分自支承體。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，這種填料在基質(zhì)金屬接觸填料之前或基本同時(shí)變成自支承體(例如，該基質(zhì)金屬可以以熔融基質(zhì)金屬形式首先接觸填料，或者基質(zhì)金屬可以以固體材料形式首先接觸填料，然后在加熱時(shí)熔融)。自發(fā)滲透的程度的速度以及基質(zhì)金屬復(fù)合體的形成將隨給定的工藝條件的不同而變化，所說的工藝條件包括，(例如)提供于體系(例如，鋁合金中和/或填料中和/或滲透氣氛中)的鎂的濃度，填料的尺寸和組成，滲透氣氛中的氮的濃度，滲透時(shí)間，和/或滲透溫度。自發(fā)滲透典型地進(jìn)行到足以基本全部嵌入填料或預(yù)型體的程度。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，當(dāng)滲透完成后，可以除去周圍的涂敷的陶瓷材料，暴露出一個(gè)完整或近似完整形狀的金屬基質(zhì)復(fù)合體。
在此所用的“鋁”的意思是指并且包括基本純的金屬(例如，一種相對純的市售非合金化的鋁)或者其它等級的金屬和金屬合金，如含有雜質(zhì)和/或合金成分(如鐵、硅、銅、鎂、錳、鉻、鋅等)的市售金屬。這一定義下的鋁合金是一種以鋁為主要成分的合金或金屬互化物。
在此所用的“平衡非氧化性氣體”的意思是除構(gòu)成所說滲透氣氛的主要?dú)怏w之外存在的任何氣體，在所用工藝條件下，或者是惰性的或者是基本不與所述基質(zhì)金屬反應(yīng)的還原性氣體。在所用工藝條件下可能以雜質(zhì)形式存在于所用氣體中的任何氧化性氣體應(yīng)不足以使所用的基質(zhì)金屬氧化到任何顯著的程度。
在此所用的“阻擋元件”的意思是妨礙、抑制、防止或中止熔融基質(zhì)金屬超過可滲透填料體或預(yù)型體表面邊界的移動(dòng)、運(yùn)動(dòng)等，其中的表面界(界表面)是由所說的阻擋元件所限制的。適用的阻擋元件可以是在工藝條件下，保持某種程度的完整性并且基本不揮發(fā)(即，阻擋材料沒有揮發(fā)到使其失去作為阻擋元件的程度)的任何適當(dāng)?shù)牟牧?、化合物、元素、組合物等。
另外，適用的“阻擋元件”包括在所利用的工藝條件下基本不能被運(yùn)動(dòng)的熔融基質(zhì)金屬潤濕的材料。這種類型的阻擋元件顯示出對所說的熔融基質(zhì)金屬具有很小的親合力或沒有親合力。用這種阻擋元件阻止或抑制了超越該填料體或預(yù)型體的限定界面的運(yùn)動(dòng)。這種阻擋元件減少了可能需要的任何最終機(jī)械加工或研磨加工，并且限定了至少所得到的金屬基質(zhì)復(fù)合產(chǎn)物的一部分表面。這種阻擋元件在某些情況下，可以是可滲透的或多孔的，或者例如通過鉆孔或穿孔使其可滲透，以使得氣體與所說的熔融基質(zhì)金屬接觸。
在此所用的“殘余物”或“基質(zhì)金屬殘余物”是指任何在所說的金屬基質(zhì)復(fù)合體形成期間沒有被消耗掉的原始基質(zhì)金屬殘余物，并且在典型情況下如果將其復(fù)合體相接觸的形式保留下來。應(yīng)該理解為這種殘余物還可以包括第二種或外來金屬。
在此所用的“填料”是指單一成分或多種成分的混合物，所說的成分基本不與所說的基質(zhì)金屬反應(yīng)和/或在所說基質(zhì)金屬中具有限定溶解性的，并且可以是單相或者多相的。填料可以各種形式提供，例如粉末、片、片晶、微球、晶須、液體等，并且可以是密實(shí)也可以是多孔的。“填料”還可以包括陶瓷填料，如纖維、切斷纖維、顆粒、晶須、泡體、球、纖維板等形狀的氧化鋁或碳化硅，和陶瓷涂敷的纖維，如用氧化鋁或碳化硅涂敷的碳纖維，例如通過用熔融的母金屬鋁涂敷以保護(hù)碳免受腐蝕。填料還可以包括金屬。
在此所用的“滲透氣氛”意思是指存在的與所用的基質(zhì)金屬和/或預(yù)型體(或填料)和/或滲透增強(qiáng)劑前體和/或滲透增強(qiáng)劑相互作用并且使或促進(jìn)所用的基質(zhì)金屬發(fā)生自發(fā)滲透的氣氛。
在此所用的“滲透增強(qiáng)劑”是指一種能促進(jìn)或有助于一種基質(zhì)金屬自發(fā)滲透到一種填料或預(yù)型體中的材料。滲透增強(qiáng)劑可以由下述方法形成，例如一種滲透增強(qiáng)劑前體與滲透氣氛反應(yīng)形成(1)一種氣體物質(zhì)和/或(2)該滲透增強(qiáng)劑前體和滲透氣氛的反應(yīng)物和/或(3)該滲透增強(qiáng)劑前體和填料或預(yù)型體的反應(yīng)物。另外，這種滲透增強(qiáng)劑可能直接向預(yù)型體和/或基質(zhì)金屬和/或滲透氣氛中至少一種提供并起著與滲透添加劑前體和另一物質(zhì)反應(yīng)而形成的滲透增強(qiáng)劑的基本相同的作用。歸根到底，在該自發(fā)滲透期間，至少該滲透增強(qiáng)劑應(yīng)放在至少一部分所用的填料或預(yù)型體中，以完全自發(fā)滲透。
此處所用的“滲透增強(qiáng)劑前體”是指這樣一種材料，當(dāng)使其與基質(zhì)金屬、預(yù)型體和/或滲透氣氛相結(jié)合使用時(shí)能形成促使或有助于基質(zhì)金屬自發(fā)地滲透填料或預(yù)型體的滲透增強(qiáng)劑。由于不希望受到任何特定理論或說明的限制，對于滲透增強(qiáng)劑前體來說似乎必要的是使該滲透增強(qiáng)劑前體能夠被定位于或可移動(dòng)至允許與滲透氣氛和/或預(yù)型體或填料和/或金屬發(fā)生反應(yīng)的部位。舉例來說，在某些基質(zhì)金屬/滲透增強(qiáng)劑前體/滲透氣氛體系中，對于滲透增強(qiáng)劑前體來說，必要的是使其處于、接近于、或者在某些情況下甚至稍高于基質(zhì)金屬熔融溫度下?lián)]發(fā)。這一揮發(fā)過程可以導(dǎo)致(1)滲透增強(qiáng)劑前體與滲透氣氛發(fā)生反應(yīng)形成一種有助于基質(zhì)金屬潤濕填料或預(yù)型體的氣態(tài)物質(zhì);和/或(2)滲透增強(qiáng)劑前體與滲透氣氛反應(yīng)生成處于至少一部分填充物或預(yù)形體之中、有助于潤濕的固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)滲透增強(qiáng)劑;和/或(3)滲透增強(qiáng)劑前體與填料或預(yù)型體反應(yīng)，該反應(yīng)形成處于至少一部分填充料或預(yù)型體之中、有助于潤濕的固體、液態(tài)或氣態(tài)滲透增強(qiáng)劑。
在此所用的“可除去的型芯”或“可除去的復(fù)制體”指的是這樣一種材料或物體，該物體能被成型并在用一種能形成耐火殼的材料涂敷時(shí)能保持其形狀，并且通過(例如)熔化或揮發(fā)或物理分離方法能完整地從形成的耐火殼中取出。
此處所用的“基質(zhì)金屬”或“基質(zhì)金屬合金”指的是可與填料混合形成金屬基質(zhì)復(fù)合體的金屬。當(dāng)指定一種特定的金屬為基質(zhì)金屬時(shí)，應(yīng)理解的是這種基質(zhì)金屬包括基本純的金屬、含有雜質(zhì)和/或合金組分的市售金屬，以該金屬為主要組分的金屬互化物或合金。
本文所述的“基質(zhì)金屬/滲透增強(qiáng)劑前體/滲透氣氛體系”或“自發(fā)體系”是指能夠自發(fā)地滲透到預(yù)型體或填料之中的材料組合體。應(yīng)該理解的是無論在供列舉的基質(zhì)金屬、滲透增強(qiáng)劑前體和滲透氣氛之間何時(shí)出現(xiàn)“/”，“/”均被用于表示當(dāng)以某一特定方式組合而成之時(shí)便能夠自發(fā)滲透進(jìn)入預(yù)型體或填料體系或組合體。
本文所述的“金屬基質(zhì)復(fù)合體”或是指包含嵌入預(yù)型體或填料的二維或三維互連合金或基質(zhì)金屬的材料。該基質(zhì)金屬可以包括各種合金元素以便使所得到的復(fù)合體具有特別需要的機(jī)械物理特性。
“不同于”基質(zhì)金屬的金屬是指這樣一種金屬，其中不含有作為主要成分的與基質(zhì)金屬相同的金屬(例如，若基質(zhì)金屬的主要成分為鋁，那么“不同的”金屬，舉例來說，可以含有主要成分鎳)。
“用于容納基質(zhì)金屬的非反應(yīng)性容器”是指能夠在加壓條件下容納或包含熔融基質(zhì)金屬并且不與基質(zhì)金屬和/或滲透氣氛和/或滲透增強(qiáng)劑前體以可能嚴(yán)重妨礙自發(fā)滲透機(jī)理的方式而發(fā)生反應(yīng)的任何容器。
本文所述的“預(yù)型體”或“可滲透預(yù)型體”是指組成后具有至少一個(gè)表面界面的多孔狀填料體或填充物體，其中表面邊界基本上限定了滲透基質(zhì)金屬的邊界，該多孔狀物質(zhì)在被基質(zhì)金屬滲透之前充分地保持了形狀的完整性與生坯強(qiáng)度從而達(dá)到了尺寸精確度的要求。該多孔狀物質(zhì)應(yīng)該具備足夠高的多孔性以便使基質(zhì)金屬能夠自發(fā)地滲透進(jìn)去。預(yù)型體典型地包含結(jié)合排列而成的填料，可以是均相的或非均相的，并且可以由任何適宜的材料構(gòu)成(例如，陶瓷和/或金屬的顆粒、粉末、纖維、晶須等以及它們的任意組合體)。預(yù)型體可以單獨(dú)地存在或以集合體的形式存在。
本文所述的“儲(chǔ)備源”是指一個(gè)基質(zhì)金屬的分離體，其所處的位置與填料物質(zhì)或預(yù)形體相關(guān)聯(lián)，這樣，當(dāng)金屬熔化時(shí)，它可以流動(dòng)以便補(bǔ)充與填料或預(yù)形體相接觸的基質(zhì)金屬部分或源，或者是在某些情況下開始時(shí)先進(jìn)行提供隨后進(jìn)行補(bǔ)充。
。此所用的“殼”或“熔模殼”指的是用一種材料涂敷可除去的型芯生產(chǎn)的耐火材料體，所說的材料可以制成自支承的(例如，通過加熱)，以使得除去型芯時(shí)，所形成的耐火材料體包括基本相應(yīng)于可除去的型芯的原始形狀的空腔。
本文所述的“自發(fā)滲透”是指在無需加壓或抽真空(無論是外部施加或內(nèi)部產(chǎn)生)的條件下基質(zhì)金屬向填料或預(yù)型體的可滲透部分所產(chǎn)生的滲透現(xiàn)象。
提供下列附圖以有助于理解本發(fā)明，但是并非意味著對本發(fā)明的范圍的限定。各圖中采用相同的參考號數(shù)表示同一組分，其中

圖1a表示多個(gè)用于形成溶模芯的可除去的復(fù)制體;
圖1b表示出形成熔模殼的可除去樹形體;
圖2表示出本發(fā)明的熔模殼;
圖3a表示出含有接觸適當(dāng)?shù)幕|(zhì)金屬的適當(dāng)填料的熔模殼;
圖3b表示出熔模殼和被自發(fā)滲透的填料;以及圖4表示在實(shí)施例1中形成的金屬基質(zhì)復(fù)合體的照片。
本發(fā)明涉及通過用熔融基質(zhì)金屬自發(fā)滲透填料形成金屬基質(zhì)復(fù)合體，所說的填料成型為特殊形狀。特別是，至少在工藝過程的某一階段，使?jié)B透增強(qiáng)劑和/或滲透增強(qiáng)劑前體和/或滲透氣氛與填料相聯(lián)系，使基質(zhì)金屬熔化時(shí)自發(fā)滲透填料的可滲透體，該填料的可滲透體在工藝過程的某一階段可變成自承狀態(tài)。根據(jù)本發(fā)明，首先制備一個(gè)低熔點(diǎn)的或揮發(fā)的或可除去的型芯。然后用一種可以固化形成在其中含有一個(gè)空腔的殼的材料涂敷這種型芯，其中的空腔在形狀上與可除去的型芯互補(bǔ)。然后可以將該型芯從形成殼中除去。當(dāng)殼形成之后，可以選擇地用一種適當(dāng)?shù)淖钃醪牧贤糠髿さ膬?nèi)空腔部分，所說的適當(dāng)?shù)淖钃醪牧掀鸬交|(zhì)金屬滲透的阻擋元件的作用。然后，可以使填料至少部分地放入形成的空腔內(nèi)，以使得當(dāng)使熔融基質(zhì)金屬自發(fā)滲透填料時(shí)，產(chǎn)生一種金屬基質(zhì)復(fù)合體。所生產(chǎn)的金屬基質(zhì)復(fù)合體具有基本相應(yīng)于可除去的型芯的形狀。
用于本發(fā)明的熔模殼可以通過首先制造一個(gè)或多個(gè)所需金屬基質(zhì)復(fù)合體的復(fù)制體(1)來制備，如圖1a所示。這種復(fù)制體(1)可以是由蠟涂敷的熟石膏、所有的蠟或其它適當(dāng)?shù)牟牧?，這些材料可以(例如)通過熔化或揮發(fā)等方法從后面形成的熔模殼中除去。如果這種復(fù)制體的形狀允許或者這種殼制備成兩塊或多塊的殼的話，這種復(fù)制體可以用物理手段除去并且可以將其放棄或再次使用。另外，可以將一個(gè)或多個(gè)可除去的復(fù)制體(1)連接到主干(2)上形成一個(gè)樹狀體(3)，如圖16所示。主干(2)也可以用蠟涂敷的熟石膏、所有的蠟或其它的適用的可除去的材料制備。最好，還將一個(gè)杯狀部分(4)連接到主干(2)上。從下面的討論可以理解的是，杯狀部分(4)是由適當(dāng)?shù)牟豢沙サ牟牧先缪趸X、不銹鋼等制成的。
然后，可以將樹狀體(3)反復(fù)和連續(xù)地浸入，例如，陶瓷漿或泥漿中以及用陶瓷粉涂敷以便在樹狀體周圍形成耐火材料熔模殼(5)，如圖2所示。盡管這種殼應(yīng)是足夠堅(jiān)固的，以承受住進(jìn)一步的澆注工藝步驟的作用，但是，這樣形成的熔模殼的厚度和組成并不是很關(guān)鍵的。取決于殼的尺寸和形狀以及所利用的涂敷材料，也可以通過涂敷，噴涂或任何其它適當(dāng)?shù)姆椒ㄐ纬蓺?5)。當(dāng)殼(5)形成后，例如通過熔化蠟除去樹狀體(3)，由此在殼(5)中留下一個(gè)空腔(6)，該空腔(6)的形狀精確地相當(dāng)于可除去的型芯的形狀。
正如下面更詳細(xì)討論的，這種殼(5)最好對熔融基質(zhì)是不可滲透的。對滲透氣氛是可滲透的殼是特別有利的，但對于本發(fā)明的實(shí)施不是必須的。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)用于形成殼的適當(dāng)耐火材料有氧化鋁、二氧化硅和碳化硅，但是也可以使用其它耐火材料。熔模殼應(yīng)是堅(jiān)固的，(如需要的話)還應(yīng)是易于除去的，并且不會(huì)對其中形成的金屬基質(zhì)復(fù)合體施加過量的應(yīng)力。例如，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)玻璃狀材料如硼硅酸鋁，盡管它們對基質(zhì)金屬是不可滲透的，但是由于(例如)它們的熱膨脹系數(shù)不一致，在它們形成期間，會(huì)給復(fù)合體施加應(yīng)力。另外，玻璃狀的殼相對來說較難從復(fù)合體上除去。
然后可以用一種適當(dāng)?shù)奶盍咸畛淇障?6)，其中可以裝有滲透增強(qiáng)劑前體和/或滲透增強(qiáng)劑，并且使其在滲透氣氛存在下加熱。最好將填料只填入相當(dāng)于復(fù)制體(1)的空腔的部分，在該情況下，相當(dāng)于主干(2)的空腔(6)的部分可保持未填充狀態(tài)。
如圖3a所示，適當(dāng)?shù)匕才湃廴诨|(zhì)金屬使其與填料(7)接觸，例如，通過將基質(zhì)金屬(8)通過杯狀部分(4)倒入殼(5)中?？梢詫⑷勰?5)方便地放入選擇性地含有襯底材料(11)的耐火容器(9)中，該容器被連續(xù)吹入滲透氣氛。在下面討論的適當(dāng)條件下，如圖3b所示，通過推進(jìn)滲透面(10)基質(zhì)金屬(8)自發(fā)地滲入填料(7)。應(yīng)該理解的是在加工期間，填料可以形成固化的預(yù)型體，但是這種熔模殼(5)為足夠強(qiáng)以致于能保持最終金屬基質(zhì)復(fù)合體所需形狀時(shí)，換句話說，這種填料不會(huì)失去所需的形狀時(shí)這種預(yù)型體的形成是不必要的。另外，可以使固體金屬與填料接觸，接著再使其液化，而不是將熔融基質(zhì)金屬倒入殼中。再有，當(dāng)滲透面向前推進(jìn)時(shí)，可以通過一個(gè)附加基質(zhì)金屬源或引入附加基質(zhì)金屬改變基質(zhì)金屬，由此改變所得到的金屬基質(zhì)復(fù)合體的不同部分的性能。
自發(fā)滲透完成之后，使殼(5)冷卻，并通過物理方法或者通過與該殼反應(yīng)的但不與復(fù)合體反應(yīng)的化學(xué)介質(zhì)除去該殼(5)。然后可以從任何保留下來的基質(zhì)金屬殘余物中分離出相當(dāng)于復(fù)制體(1)的金屬基質(zhì)復(fù)合體。已發(fā)現(xiàn)至少對于某些基質(zhì)金屬，需要快速冷卻以保持復(fù)合替的良好微觀結(jié)構(gòu)。這種冷卻可以通過，例如，除去熱殼并將其埋入室溫下的砂床中實(shí)現(xiàn)。
可以理解的是熔模殼澆注是一種廉價(jià)的生產(chǎn)成型金屬基質(zhì)復(fù)合體的方法?？梢酝瑫r(shí)生產(chǎn)幾種復(fù)合體，并且熔模殼本身可以用廉價(jià)的材料快速生產(chǎn)。用這種方法生產(chǎn)出來的復(fù)合體還可表現(xiàn)出良好的完整形狀(即，它們可需要最小量的精加工)。
對于用于熔模殼的某些材料，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)基質(zhì)金屬可連續(xù)滲透穿過填料進(jìn)入殼的本身。例如，當(dāng)填料和/或基質(zhì)金屬包括鎂時(shí)，用氧化鋁或二氧化硅泥漿以及碳化硅粉末制成的多孔熔模殼可以被基質(zhì)金屬滲透。為了防止這種過度滲透，可以在殼內(nèi)的空腔的至少一部分表面上形成阻擋元件。這種至少對基質(zhì)金屬不可滲透的阻擋元件可防止基質(zhì)金屬自發(fā)滲透穿過填料，由此使得復(fù)合體的生產(chǎn)需要最小量的形狀精加工。適當(dāng)?shù)淖钃踉缦滤觥?br> 為了使基質(zhì)金屬自發(fā)地滲透進(jìn)入填料或預(yù)型體，應(yīng)該將滲透增強(qiáng)劑加至自發(fā)體系之中。滲透增強(qiáng)劑可以由滲透增強(qiáng)劑前體形成，它可以(1)在基質(zhì)金屬中;和/或(2)在填料或預(yù)形體中;和/或(3)由滲透氣氛;和/或(4)由熔模殼;和/或(5)外界來源被提供給自發(fā)體系。此外，除了提供滲透增強(qiáng)劑前體以外，還可以直接向填料或預(yù)形體、和/或基質(zhì)金屬、和/或滲透氣氛和/或熔模殼之中至少一種提供滲透增強(qiáng)劑。歸根結(jié)底，至少在自發(fā)滲透期間，滲透增強(qiáng)劑應(yīng)該位于至少一部分填料或預(yù)型體之中。
在一優(yōu)選實(shí)施方案中，滲透增強(qiáng)劑前體可能至少是部分地與滲透氣氛反應(yīng)使得在先于或基本上接近于預(yù)型體與熔融基質(zhì)金屬接觸之時(shí)在至少一部分填料或預(yù)型體中形成滲透增強(qiáng)劑(例如，若鎂是滲透增強(qiáng)劑前體而氮為滲透氣氛的話，那么滲透增強(qiáng)劑則可以是位于至少一部分預(yù)型體或填料之中的氮化鎂)。
基質(zhì)金屬/滲透增強(qiáng)劑前體/滲透氣氛體系的實(shí)例為鋁/鎂/氮體系。具體地講，可將鋁基金屬裝在一個(gè)在工藝條件下鋁被熔化時(shí)不會(huì)與鋁基金屬反應(yīng)的適宜的耐火容器之中。可以使含有鎂或受鎂作用的，并且至少在工藝過程的某一時(shí)刻暴露于氮?dú)夥盏奶盍吓c熔融的鋁基質(zhì)金屬接觸。然后，這種基質(zhì)金屬將自發(fā)滲透填料或預(yù)型體。
此外，除了提供滲透增強(qiáng)劑前體以外，還可以直接向預(yù)型體和/或基質(zhì)金屬和/或滲透氣氛之中至少一種提供滲透增強(qiáng)劑。歸根結(jié)底，至少在自發(fā)滲透期間，滲透增強(qiáng)劑應(yīng)該位于至少一部分填料或預(yù)型體之中。
在本發(fā)明方法所選用的條件下，在鋁/鎂/氮自發(fā)滲透體系的情況下，填料或預(yù)型體應(yīng)該具備足夠的可滲透性以便于含氮?dú)怏w在過程進(jìn)行期間某一時(shí)刻穿透或滲透填料和/或與熔融基質(zhì)金屬接觸。此外，可滲透填料或預(yù)型體能夠適應(yīng)熔融基質(zhì)金屬的滲透，從而使得被氮?dú)鉂B透的填料或預(yù)型體被熔融基質(zhì)金屬自發(fā)滲透從而形成金屬基質(zhì)復(fù)合體和/或使氮?dú)馀c滲透增強(qiáng)劑前體反應(yīng)從而在填料或預(yù)型體內(nèi)形成滲透增強(qiáng)劑并且導(dǎo)致自發(fā)滲透。自發(fā)滲透的程度或速度以及金屬基質(zhì)復(fù)合體的形成將隨著給定的工藝條件而發(fā)生變化，這些條件包括鋁合金、填料或預(yù)型體和/或熔模殼中的鎂含量;鋁合金、預(yù)型體或填料或熔模殼中的氮化鎂含量、附加合金元素(例如硅、鐵、銅、錳、鉻、鋅等)的存在;填料的平均粒度(例如粒徑)、填料的表面狀況和類型、滲透氣氛中的氮濃度、滲透時(shí)間和滲透溫度。舉例來說，對于熔融鋁基金屬所進(jìn)行的自發(fā)滲透來說，鋁可以與以合金重量為基準(zhǔn)計(jì)至少大約1%(重)、以至少大約3%(重)為佳的鎂(起著滲透增強(qiáng)劑前體的作用)形成合金。如上所述，基質(zhì)金屬中還可以包括輔助合金元素以便使其具備特定的性能。另外，輔助合金元素會(huì)改變基質(zhì)鋁金屬中進(jìn)行自發(fā)滲透填料或預(yù)型體所需的最低鎂量。由于，舉例來說，揮發(fā)所造成的鎂損失不應(yīng)該發(fā)展到?jīng)]有用于形成滲透增強(qiáng)劑的鎂這一程度。因此，有必要使用足量的初始合金元素以保證自發(fā)滲透不會(huì)受到揮發(fā)作用的不利影響。再說，當(dāng)鎂同時(shí)存在于填料或預(yù)型體和基質(zhì)金屬和熔模殼之中或者存在于基質(zhì)金屬，填料或預(yù)型體和熔模殼中的任何兩種或多種中時(shí)均會(huì)使進(jìn)行自發(fā)滲透所需的鎂量有所減少(下文將對此作更詳細(xì)的討論)。
氮?dú)夥罩械捏w積百分比同樣會(huì)對金屬基質(zhì)復(fù)合體的形成速率有所影響。具體地說，該氣氛中若存在低于大約10%(體積)氮的話，自發(fā)滲透就會(huì)非常緩慢或者幾乎未發(fā)生自發(fā)滲透。業(yè)已發(fā)現(xiàn)，該氣氛中以存在至少50%(體積)左右的氮為佳，因而使得，舉例來說，滲透時(shí)間由于滲透速率大大加快而更加短暫。
應(yīng)通過任何適當(dāng)?shù)姆绞较蚝袧B透增強(qiáng)劑前體的填料中提滲透氣氛，所說的合適方法例如有在填料接觸熔融基質(zhì)金屬之前使其滲透，通過熔模殼和任何基質(zhì)金屬阻擋元件擴(kuò)散進(jìn)入填料，通過熔融基質(zhì)金屬溶解或吹泡。另外，可以在任何阻擋元件和溶模殼上提供通道和孔以使?jié)B透氣氛直接進(jìn)入體系中。再有，這種滲透氣氛可以由一種或多種材料的分解或重新組合產(chǎn)生。
熔融基質(zhì)金屬滲透填料或預(yù)型體所需的最低鎂量取決于一種或多種諸如加工溫度、時(shí)間、輔助合金元素如硅或鋅的存在、填料的性質(zhì)、在一種或多種自發(fā)體系中鎂所處的位置、氣氛中氮含量以及氮?dú)夥盏牧鲃?dòng)速率之類的變量。隨著合金和/或預(yù)型體的鎂含量增加，可以選用更低的溫度或更短的加熱時(shí)間以實(shí)現(xiàn)完全滲透。此外，對于給定的鎂含量來說，添加特定的輔助合金元素如鋅允許選用較低的溫度。舉例來說，當(dāng)基質(zhì)金屬的鎂含量處于可操作范圍下端例如大約1～3%(重)的時(shí)候，與其組合選用的至少為下列因素之一高于最低加工溫度、高氮含量或者一種或多種輔助合金元素。當(dāng)填料或預(yù)型體中未加鎂時(shí)，以通用性為基礎(chǔ)，在寬范圍的加工條件下合金以含有大約3～5%(重)鎂為佳，當(dāng)選用較低溫度和較短時(shí)間時(shí)以至少大約5%為佳?？梢圆捎贸^大約10%(鋁合金重量)的鎂含量以調(diào)節(jié)滲透所需溫度條件。當(dāng)與輔助合金元素結(jié)合使用時(shí)可以降低鎂含量，不過這些元素僅具有輔助功能并且與至少上述最低鎂量共同投入使用。舉例來說，僅與10%硅形成合金的足夠純的鋁于1000℃下基本上不滲透500目39Crystolon(99%純度碳化硅，Norton公司出品)的墊層。然而，在鎂存在下，業(yè)已發(fā)現(xiàn)硅有助于滲透過程。再舉一個(gè)例子，如果鎂僅僅被提供給預(yù)型體或填料，其數(shù)量會(huì)有所改變。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)被供給自發(fā)體系的全部鎂中至少有一部分被置于預(yù)型體或填料中時(shí)，自發(fā)滲透將借助較低重量百分率所供給的鎂進(jìn)行。必要的是提供轉(zhuǎn)少量的鎂以防止在金屬基質(zhì)復(fù)合體內(nèi)形成不必要的金屬互化物。在碳化硅預(yù)型體的情況下，業(yè)已發(fā)現(xiàn)，當(dāng)該預(yù)型體與鋁基質(zhì)金屬接觸時(shí)，在該預(yù)型體含有至少約1%(重)鎂和有基本上純的氮?dú)夥沾嬖跅l件下，基質(zhì)金屬自發(fā)滲透該預(yù)形體。在氧化鋁預(yù)型體的情況下，實(shí)現(xiàn)可被接受的自發(fā)滲透所需鎂量稍有增加。具體地說，業(yè)已發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氧化鋁預(yù)型體與類似鋁基質(zhì)金屬接觸時(shí)，在大約與鋁滲透碳化硅預(yù)型體相同的溫度以及有相同氮?dú)夥沾嬖诘臈l件下，需要至少約3%(重)鎂實(shí)現(xiàn)與上述在碳化硅預(yù)型體中類似的自發(fā)滲透。
同樣應(yīng)該注意的是在基質(zhì)金屬滲入填料或預(yù)型體之前可以將滲透增強(qiáng)劑前體和/或滲透增強(qiáng)劑以置于合金表面和/或預(yù)型體或填料表面和/或置于預(yù)型體或填料之中的方式提供給自發(fā)體系(即不必使被提供的滲透增強(qiáng)劑或滲透增強(qiáng)劑前體與基質(zhì)金屬形成合金，而是被簡單地提供給自發(fā)體系)。如果將鎂施用于基質(zhì)金屬表面，則該表面優(yōu)選地是十分接近于、或者最好是與填料的可滲透部分相接觸，反之亦然;或者是這種鎂混合于至少一部分預(yù)型體或填料之中。此外，還可以采用表面施用、形成合金與將鎂置于至少一部分預(yù)形體中三種應(yīng)用方式的某一組合形式。這一應(yīng)用滲透增強(qiáng)劑和/或滲透增強(qiáng)劑前體的組合方式不僅能夠減少促進(jìn)基質(zhì)鋁金屬滲透預(yù)型體所需鎂的總重百分比，同時(shí)還能夠降低滲透溫度。此外，還能夠?qū)⒂捎诖嬖阪V而形成的不需要的金屬互化物數(shù)量減少至最低限度。
一種或多種輔助合金元素的應(yīng)用以及周圍氣體中氮的濃度同樣會(huì)對在給定溫度下進(jìn)行的基質(zhì)金屬的氮化程度產(chǎn)生影響。舉例來說;包含在合金之中或被置于合金表面的輔助合金元素如鋅或鐵可被用于降低滲透溫度從而減少氮化物的生成量，但是提高氣體中氮?dú)獾臐舛瓤捎糜诖龠M(jìn)氮化物形成。
合金中和/或被置于合金表面之上和/或結(jié)合于填料或預(yù)型體之中的鎂的濃度同樣易于影響在給定溫度下的滲透的程度。因此，在某些幾乎沒有或完全沒有鎂與預(yù)型體或填料直接相接觸的情況下，以合金中至少包含大約3%(重)鎂為佳。若合金含量低于此數(shù)值如含有1%(重)鎂，則需要較高的加工溫度或輔助合金元素進(jìn)行滲透。在下列情況下進(jìn)行本發(fā)明的自發(fā)滲透方法所需溫度較低(1)當(dāng)只有合金的鎂含量增加例如達(dá)到至少5%(重)左右時(shí);和/或(2)當(dāng)合金成分與填料或預(yù)型體的可滲透部分混合時(shí);和/或(3)當(dāng)鋁合金中存在另一種元素如鋅或鐵時(shí)。溫度還可以隨著填料的不同而有所變化。一般說來，自發(fā)和漸進(jìn)滲透的工藝溫度至少約為675℃、以至少約750～800℃為佳。一般情況下，當(dāng)溫度超過1200℃時(shí)似乎對該工藝過程不會(huì)產(chǎn)生任何益處，業(yè)已發(fā)現(xiàn)，特別適用的溫度范圍約為675～1200℃。然而，作為一般規(guī)律，自發(fā)滲透溫度高于基質(zhì)金屬的熔點(diǎn)但是卻低于基質(zhì)金屬的揮發(fā)溫度。此外，自發(fā)滲透溫度應(yīng)該低于填料的熔點(diǎn)。再說，隨著溫度升高，基質(zhì)金屬與滲透氣氛之間相互反應(yīng)形成產(chǎn)物的傾向性也會(huì)有所增強(qiáng)(例如，在鋁基質(zhì)金屬與氮滲透氣氛的情況下，會(huì)形成氮化鋁)。這類反應(yīng)產(chǎn)物可以是必要的也可以是不需要的，這要取決于金屬基質(zhì)復(fù)合體的目的應(yīng)用。另外，電阻加熱是達(dá)到滲透溫度的典型途徑。然而，任何能夠使基質(zhì)金屬熔化卻對自發(fā)滲透不會(huì)產(chǎn)生不利影響的加熱方式均適用于本發(fā)明。
在本方法中，舉例來說，至少是在該工藝過程期間的某一時(shí)刻在含氮?dú)怏w存在下使可滲透的填料或預(yù)型體與熔融鋁相接觸，通過保持一連續(xù)的氣流提供含氮?dú)怏w，使其與填料或預(yù)型體和/或熔融鋁基質(zhì)金屬中的至少一種相互接觸。雖然含氮?dú)怏w的流量并非至關(guān)重要，但是該量以足以補(bǔ)償由于合金基質(zhì)中形成氮化物而在氣氛中造成的氮損失。并且足以防止或抑制空氣侵入從而對熔融金屬產(chǎn)生氧化效果為佳。
形成金屬基質(zhì)復(fù)合體的方法適用于許多填料，而填料的選擇取決于諸如基質(zhì)合金、工藝條件、熔融基質(zhì)合金與填料的反應(yīng)能力以及目的復(fù)合體產(chǎn)物應(yīng)具備的特性之類因素。舉例來說，當(dāng)基質(zhì)金屬為鋁時(shí)，適宜的填料包括(a)氧化物，例如氧化鋁;(b)碳化物，例如碳化硅;(c)硼化物，例如十二硼化鋁;以及(d)氮化物，例如氮化鋁。如果填料易于與熔融鋁基質(zhì)金屬反應(yīng)，這可以通過最大限度地縮短滲透時(shí)間與最大限度地降低滲透溫度或者通過向填料提供非反應(yīng)涂層來加以調(diào)節(jié)。填料可以包含一種基體如碳或其它非陶瓷材料，該基體帶有陶瓷涂層以防受到化學(xué)侵蝕與老化作用。適宜的陶瓷涂層包括氧化物、碳化物、硼化物和氮化物。用于本方法的優(yōu)選陶瓷材料包括呈顆粒、片晶、晶須和纖維狀的氧化鋁和碳化硅。纖維可以是不連續(xù)的(被切斷)或以連續(xù)單位如多絲束的形式存在。此外，陶瓷體或預(yù)型體可以是均相的或非均相的。
業(yè)已發(fā)現(xiàn)的還有，某些填料相對于具備類似化學(xué)組成的填料，其滲透性有所增強(qiáng)。舉例來說，按照美國專利No.4713360(題目為“新型陶瓷材料及其制備方法”，MarcS.Newkirk等人，于1987年12月15頒發(fā))所述方法組成的粉碎的氧化鋁主體相對于市售氧化鋁產(chǎn)品具有理想的滲透特性。此外，按照共同未決與共同所有的申請系列No.819397(題目為“復(fù)合陶瓷制品及其制造方法”，MarcS.Newkirk等人)所述方法組成的粉碎氧化鋁主體相對于市售氧化鋁產(chǎn)品同樣具有理想的滲透特性。頒布專利及其共同未決專利申請的各自主題在此引用僅供參考。因此，業(yè)已發(fā)現(xiàn)，陶瓷材料的可滲透體的徹底滲透可通過采用上述美國專利和專利申請的方法再次的粉碎或細(xì)碎主體于較低的滲透溫度下和/或較短的滲透時(shí)間內(nèi)進(jìn)行。
填料可以呈現(xiàn)達(dá)到復(fù)合體必要特性所需的任何尺寸和形狀。因此，既然滲透并非受到填料形狀的限制，所以填料可以呈顆粒、晶須、片晶或纖維狀。也可以選用諸如球體、小管、丸粒、耐火纖維布之類形狀的填料。另外，雖然與較大的顆粒相比，較小顆粒進(jìn)行完全滲透需要更高的溫度或更長的時(shí)間，但是材料的大小并不限制滲透。此外，有待滲透的填料(被加工成預(yù)型體)應(yīng)該是可滲透的(即可被熔融基質(zhì)金屬和包括含氮?dú)怏w的滲透氣氛所滲透)。
本發(fā)明的形成金屬基質(zhì)復(fù)合體的方法并不依賴于施加壓力迫使或擠壓熔融金屬基質(zhì)進(jìn)入預(yù)型體填料之中從而產(chǎn)生具有高體積百分比填料和低孔隙率、基本上均勻的金屬基質(zhì)復(fù)合體。通過采用低孔隙率的原始填料可以獲得體積百分比較高的填料。只要不會(huì)將填料轉(zhuǎn)化為有礙于熔融合金滲透具有閉孔多孔性的壓塊或完全密實(shí)的結(jié)構(gòu)，通過將填料壓實(shí)或以其它方式進(jìn)行致密處理同樣會(huì)獲得體積百分比較高的填料。
已經(jīng)觀察到對于在陶瓷填料周圍發(fā)生的鋁滲透和基質(zhì)形成來說，鋁基質(zhì)金屬對陶瓷填料的潤濕在滲透機(jī)理中起著重要的作用。此外，在低加工溫度下，可忽略不計(jì)或極少量金屬的氮化導(dǎo)致有極少量不連續(xù)相的氮化鋁分散于金屬基質(zhì)之中。然而，當(dāng)溫度達(dá)到上限時(shí)，金屬的氮化更容易發(fā)生。因此，可以通過改變滲透溫度來控制金屬基質(zhì)中氮化物相的數(shù)量。當(dāng)?shù)锏男纬筛鼮槊黠@時(shí)的特定加工溫度同樣會(huì)隨著下列因素發(fā)生變化，這些因素有如所使用的基質(zhì)鋁合金，及其相對于填料或預(yù)型體體積的數(shù)量、有待滲透的填料和滲透氣氛中的氮濃度。舉例來說，人們認(rèn)為在給定加工溫度下氮化鋁生成的多少隨著合金潤濕填料能力的下降以及隨著氣氛中氮濃度的增大而增加。
因此，能使金屬基質(zhì)的組成在產(chǎn)生復(fù)合體的過程中賦予所得到的產(chǎn)物以特定的特性。對于一給定的體系來說，可以選擇工藝條件控制氮化物的形成。含有氮化鋁相的復(fù)合體產(chǎn)物具有對于產(chǎn)物的性能起促進(jìn)作用或能夠改善產(chǎn)物性能的特性。此外，鋁合金進(jìn)行自發(fā)滲透的溫度范圍可以隨著所用的陶瓷材料而有所變化。在選用氧化鋁作為填料的情況下，如果想要使基質(zhì)的延展性不因形成大量氮化物而有所下降那么滲透溫度以不超過大約1000℃為佳。然而，如果希望形成含有延展性較差而硬度較高的基質(zhì)復(fù)合體那么滲透溫度可以超過1000℃。當(dāng)選用碳化硅作為填料時(shí)，相對于使用氧化鋁作為填料的情況，由于所形成的鋁合金氮化物較少，所以，為了滲透碳化硅可以選用1200℃左右的較高溫度。
此外，可以使用一種基質(zhì)金屬儲(chǔ)備源，以保證填料全部滲透，和/或提供與第一基質(zhì)金屬源的組成不同的第二種金屬。具體地講，就是在某些情況下，可能需要使用該儲(chǔ)備源中與第一基體金屬源組成不同的基質(zhì)金屬。例如，如果鋁合金用做第一基質(zhì)金屬源，那么實(shí)質(zhì)上任何其它在加工溫度下能熔融的金屬或金屬合金都可以用做儲(chǔ)備源金屬。熔融金屬通常具有良好的互溶性，因此，只要混合時(shí)間適當(dāng)，儲(chǔ)備源金屬就會(huì)與第一基質(zhì)金屬源混合。所以，通過使用不同于第一基質(zhì)金屬源組成的儲(chǔ)備源金屬，就可能使金屬基質(zhì)的性能滿足各種操作要求，由此調(diào)節(jié)金屬基質(zhì)復(fù)合體的性能。
本發(fā)明中也可以結(jié)合使用阻擋元件。具體地講，應(yīng)用本發(fā)明的阻擋元件可以在任何適于干擾、抑制、防止或中止熔融基質(zhì)合金(如鋁合金)超出由填料限定的界表面而形成的遷移，運(yùn)動(dòng)等的元件。合適的阻擋元件可以是滿足下述要求的任何材料，化合物，元素或組合物等能夠局部抑制，停止，干擾或防止(及其它類似作用)超出陶瓷填料的限定界表面的連續(xù)滲透或任一其它類型的運(yùn)動(dòng)，在本發(fā)明的加工條件下，能保持某種整體性，不揮發(fā)，最好能使過程中使用的滲透氣氛滲透。
合適的阻擋元件由在所采用的加工條件下，基本不被滲透的熔融基質(zhì)合金潤濕的材料構(gòu)成。這種阻擋元件對熔融基質(zhì)合金幾乎沒有或沒有親合力，因此阻擋元件防止或抑制了超出填料或預(yù)型體的限定界表面的運(yùn)動(dòng)。這種阻擋元件有助形成具有金屬基質(zhì)復(fù)合體所需最終形狀的物體。如上所述，這種阻擋元件最好是可滲透的或多孔的，以使得滲透氣氛的氣體與熔融基質(zhì)合金相接觸。另一方面，可以在該阻擋元件上提供穿孔等以有利于滲透氣氛的流動(dòng)。
特別適用于鋁基質(zhì)合金的阻擋元件含有碳，尤其是稱為石墨的同素異形結(jié)晶碳。在上述加工條件下，石墨基本不被熔融的鋁合金濕潤。特別優(yōu)選的石墨是一種以商標(biāo)為Grafoil
(注冊在“聯(lián)合碳化物公司”名下)銷售的石墨條產(chǎn)品。這種石墨條具有防止熔融金屬移出填料的限定界表面的封閉特性，它也耐熱，化學(xué)惰性性能變形的，可配伍的，整合的并且有彈性的材料。它能夠被制成各種形狀來滿足對阻擋元件的使用要求。但是石墨阻擋元件也可以以淤漿或糊，甚至漆膜的形式用于填料或預(yù)型件界面之上及四周，以這種形式可以使阻擋元件容易地施用到熔模殼的空腔中。對于簡單的復(fù)合體形狀Grafoil是最好的，因?yàn)樗且钥勺冃蔚氖?，由此可以容易地施用到平表面上?br> 另一種較好的、用于在氮?dú)庵械匿X金屬基質(zhì)合金的阻擋元件是過渡金屬硼化物[如二硼化鈦(Ti B2)]。在使用時(shí)的某些加工條件下，它一般不被熔融鋁金屬合金潤濕。用這種阻擋元件時(shí)，加工溫度不應(yīng)超過約875℃，否則阻擋元件就會(huì)失效。事實(shí)上，隨著溫度的增加，會(huì)發(fā)生向阻擋元件的滲透。過渡金屬硼化物一般呈粒狀(1～30微米)。可以以泥漿或糊膏的形式向熔模殼中的空腔中施用形成金屬硼化物，由此限定陶瓷填料可滲透體的邊界。
另外，含有鎂的自發(fā)體系的一種適用阻擋材料的氧化鎂，這種氧化鎂可以通過在氮?dú)獯嬖谙录訜嵊煤V混合物充填的空腔，然后例如在空氣存在下除去該混合物而在熔模殼的空腔的表面上形成。由此將在殼的空腔表面處形成的氮化鎂轉(zhuǎn)變?yōu)檎掣降娇涨槐砻嫔系难趸V。因?yàn)樵诒景l(fā)明所利用的工藝溫度下，鎂是易揮發(fā)的，鎂蒸發(fā)可以滲入多孔性熔模殼，導(dǎo)致基質(zhì)金屬自發(fā)滲入熔模殼中。氧化鎂的存在明顯地消耗位于殼的空腔表面處的鎂滲透增強(qiáng)劑前體和/或氮化鎂滲透增強(qiáng)劑的來源，由此相反地影響基質(zhì)金屬自發(fā)滲入該消耗的區(qū)域。
另外，在殼的空腔表面處存在的消耗材料如氧化鎂或下述任何其它適用的消耗材料，只能暫時(shí)地在有限時(shí)間內(nèi)阻止基質(zhì)金屬滲透熔模殼，所說的有限時(shí)間是由例如在基質(zhì)金屬固化前在其表面處可得到的消耗材料的量和滲透增強(qiáng)劑和/或滲透增強(qiáng)劑前體和/或滲透氣氛的量來限制的。
應(yīng)理解的是不允許滲透增強(qiáng)劑和/或滲透增強(qiáng)劑前體和/或滲透氣氛滲透即使被滲透，也不會(huì)被基質(zhì)金屬自發(fā)滲透的熔模殼，將不需要在殼的空腔表面上包括阻擋元件。的確，只有含有揮發(fā)性鎂的自發(fā)體系，和在這些體系中只有含有多于完全自發(fā)滲透填料所需的鎂的那些體系，當(dāng)與多孔性溶模殼結(jié)合使用時(shí)，這些阻擋元件似乎顯示出有利作用。由此根據(jù)在其它根據(jù)在其它地方描述的這種熔模殼的其它性質(zhì)，不可滲透的玻璃狀熔模殼可以有利地與含鎂的自發(fā)體系結(jié)合使用。另外還應(yīng)理解的是包括在工藝溫度下具有低揮發(fā)性的組分的自發(fā)體系也不需要這種阻擋元件。
用于氮?dú)庵械匿X金屬基質(zhì)合金的其它有用的阻擋元件包括以薄膜或?qū)拥男问绞┯迷谔盍匣蝾A(yù)型體外表面上的低揮發(fā)性有機(jī)化合物。當(dāng)在氮?dú)庵徐褵龝r(shí)，特別是在本發(fā)明的工藝條件下，這種有機(jī)化合物分解留下一層碳黑。這種有機(jī)化合物也可以常規(guī)的方法如涂敷，噴涂、浸漬等方法施用。
此外，只要經(jīng)過細(xì)磨的粒狀材料的滲透速率低于填料的滲透速率，該粒狀材料就能起到阻擋元件的作用。
這種阻擋元件可以通過任何適當(dāng)?shù)姆椒ㄊ┯?，例如，通過在限定的表面邊界上形成阻擋元件層。這種阻擋元件層可以通過下述方法施用涂敷、浸漬、絲網(wǎng)印刷、蒸發(fā)或其它施用液體、泥漿或糊狀阻擋元件的方法，或者濺射可揮發(fā)的阻擋元件或者簡單地沉積一層固體顆粒阻擋元件或者向限定表面邊界上施用阻擋元件的固體薄片或膜。在放置阻擋元件的情況下，當(dāng)自發(fā)滲透達(dá)到限定表面邊界和接觸阻擋元件時(shí)基本終止。
下面緊接著是實(shí)施例，其中包括了對本發(fā)明的各種不同的實(shí)施方案。但是，應(yīng)該理解這些實(shí)施例是說明性的，不應(yīng)將其解釋為是對如所附權(quán)利要求書所定義的本發(fā)明范圍的限定。
實(shí)施例1制備一個(gè)可除去的型芯，該型芯包括一個(gè)齒輪的蠟涂敷的熟石膏復(fù)制體，直徑為7.6厘米，厚為6.4厘米。石膏蠟得自Bonolex公司，蠟涂層為CSHMax-EWax，得自紐約州，紐約市的CastingSupply公司。
將這種可除去的型芯浸入包括基本等重量比的膠態(tài)20%氧化鋁(由RemetCo公司提供的)和1000粒度的碳化硅粉末(由NortonCo公司提供，商品名為37Crystolon)的漿或泥漿中。也可以使用其它細(xì)粒碳化硅。然后將主軸涂漿的可除去的型芯用90粒度的干碳化硅粉粘附到泥漿層上。然后繼續(xù)重復(fù)浸一涂步驟三次，然后將涂粉換成24粒度的碳化硅(37Crystolon)。然后再連續(xù)重復(fù)浸-涂步驟三次。在每次浸一涂步驟之后，使產(chǎn)生的熔模殼在約65℃下干燥1/2小時(shí)。
在最后一次浸-涂之后，將形成的熔模殼在約900℃的空氣爐中燒制1小時(shí)。這種燒制使可除去的型芯上的蠟涂層揮發(fā)掉并使孰石膏弱化;將其冷卻到室溫后，可容易地使熟石膏液化，并從熔模殼中沖洗出來。然后使該殼充分地在約75℃下空氣干燥約12小時(shí)。
在熔模殼中的空腔的表面上形成一種阻擋層，方法是其中的空腔首先用1000粒度的碳化硅粉(來自NortonCo公司的39Crystolon)和約10%(重量)的50目的鎂粉(得自JohnsonMatheyCo公司的Aesar)的混合物填充。然后將這樣填充的熔模殼放入一個(gè)316不銹鋼罐中，該罐用薄銅箔(得自AtlanticEngineer-ingCo公司)蓋住。將一個(gè)不銹鋼管穿過該銅箔，并以約0.25升/分鐘的流量向罐的內(nèi)部吹入基本純的氮?dú)馇逑?。然后在約1小時(shí)的時(shí)間內(nèi)在預(yù)熱電阻加熱爐中將連續(xù)清洗的罐從600加熱到750℃。并將其保持在約750℃下約1小時(shí)。然后將罐及其內(nèi)含物從爐中取出，使空腔在熱的狀態(tài)下用水清洗干凈。由此在空腔的表面上形成一種黑色涂層。當(dāng)除去填充混合物時(shí)，該涂層的一些小部分從熔模殼上剝落掉。
徹底干燥之后，將阻擋層涂敷的熔模殼的空腔用一種包括氧化鋁粉(得自AlcanChemicalProducts，Co公司的C75-RG)和約5%(重量)的325，目的鎂粉(得自JohnsonMatheyCo公司的Aesar)的混合物的填料填充。其總重約為337克。手工壓實(shí)使填料的體積減少約一半，這種壓實(shí)具有產(chǎn)生較高填料體積比和更均勻結(jié)構(gòu)的復(fù)合體的作用。
然后將這種用填料填充的熔模殼放入一個(gè)316不銹鋼罐中，并將一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的520鋁合金的722g鋁合金錠放入罐內(nèi)使其與填料接觸。將該罐用薄銅箔封住，并以約2升/分鐘的流量向罐的內(nèi)部連續(xù)吹入純氮?dú)狻?br> 同時(shí)約2小時(shí)，將該罐在一個(gè)電阻加熱爐從室溫加熱到約800℃，并在約800℃下保持約0.5小時(shí)，保溫0.5小時(shí)后，鋁合金被液化，并自發(fā)滲入填料。然后在約2小時(shí)內(nèi)將爐溫降低到約室溫，由此固化金屬復(fù)合體齒輪，并從爐中取出爐熔模殼。將該殼于室溫下被砂床支撐，并且用錘擊將其從金屬基使復(fù)合體齒輪剝落掉。
如圖4所示，得到的金屬基質(zhì)復(fù)合體齒輪表示出良好的形狀保真度，并且除去剝落阻當(dāng)層的空腔表面區(qū)域鄰近的那些區(qū)域之外需最小的表面精加工量。通過那些區(qū)域有一些鋁基質(zhì)金屬滲入熔模殼中。
實(shí)施例2通過實(shí)施例1中同樣的浸-涂工序在由熱塑性泡沫杯構(gòu)成的可除式型芯的周圍形成一個(gè)熔模殼。通過將該殼在約850℃下燒制約1小時(shí)，從該熔模殼中除去杯型芯之后，將殼中的空腔用高氯酸鎂的飽和水溶液(得自MortonThiokolCo公司)填充。使該溶液浸漬殼空腔表面約2分鐘，然后將該溶液從空腔中排出。將得到的熔模殼在一個(gè)溫度約為100℃的爐子空氣干燥。然后將溫度在約2小時(shí)內(nèi)提高到約750℃，將該殼在約750℃下燒制約1小時(shí)，再用約2小時(shí)將溫度降下來。
然后，將熔模殼的空腔用實(shí)施例1中所用的填料填滿約一半，再使其進(jìn)行實(shí)施例1中相同的后續(xù)加工步驟。
當(dāng)取出金屬基質(zhì)復(fù)合體杯后，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)具有良好的形狀保真度，并需要最小的表面精加工量。沒有發(fā)生鋁基質(zhì)金屬對熔模殼的過度滲透。
實(shí)施例3使用一個(gè)由熱塑泡沫杯構(gòu)成的可除去的型芯來制備熔模殼。首先將該型芯浸入等比值的純碳酸鈣(得自StandardCeramicSupplyCo公司)和膠態(tài)的20%(重量)的二氧化硅(得自NyacolCo公司)的漿液或泥漿中。然后用實(shí)施例1中所用的碳化硅涂粉，并且按實(shí)施例1進(jìn)行后續(xù)浸-涂工序。進(jìn)一步加工形成如實(shí)施例1得到的熔模殼只是不通過加熱形成單獨(dú)的阻擋元件并且除去碳化硅/鎂的混合物。一般來說，形成熔模殼的優(yōu)選材料在二氧化化硅，因?yàn)樗纬傻臍け容^結(jié)實(shí)而且比較堅(jiān)固。氧化鋁是優(yōu)選的形成如實(shí)施例1中形成空腔表面阻擋層的殼的原料。
然后，將該空腔用包括如實(shí)施例2中所述的混合物的填料填充，并進(jìn)行如實(shí)施例2所述的后續(xù)加工，得到的金屬基質(zhì)復(fù)合體同樣表現(xiàn)出良好的完整形狀性能。
實(shí)施例4如實(shí)施例3那樣制備一個(gè)熔模殼，不同的是在燒制之前，將該殼中的空腔的表面用一種高溫鋁涂料(得自SherwinWilliamsCo公司，商品多為Hi-EnamelAluminumColorSprayPaint)噴涂。該涂料包括硅酸鹽載體中的No.2鋁糊。然后將這種涂敷的熔模殼燒制約2小時(shí)，但其它與實(shí)施例3中的燒制相同。如實(shí)施例3那樣進(jìn)行后續(xù)加工。
得到的金屬基質(zhì)復(fù)合體的完整形狀性能，即對可除去的型芯的保真度以及不需要表面精加工方面甚至優(yōu)于在實(shí)施例1～3中形成的復(fù)合體。
權(quán)利要求
1.一種生產(chǎn)金屬基質(zhì)復(fù)合體的方法，該方法包括形成一個(gè)基中具有空腔的熔模殼；向所形成的空腔中提供一種基本非反應(yīng)性的填料；以及用熔融基質(zhì)金屬自發(fā)滲透至少一部分所說的填料。
2.一種如權(quán)利要求1所述的方法，該方法還包括提供一種在至少一部分滲透時(shí)間內(nèi)與填料和基質(zhì)金屬中的至少一種相聯(lián)的滲透氣氛的步驟。
3.一種如權(quán)利要求2所述的方法，該方法還包括向基質(zhì)金屬、填料和滲透氣氛中的至少一種提供至少一種滲透增強(qiáng)劑前體和滲透增強(qiáng)劑的步驟。
4.一種如權(quán)利要求1所述的方法，該方法還包括向基質(zhì)金屬和填料中的至少一種提供至少一種滲透增強(qiáng)劑前體和滲透增強(qiáng)劑的步驟。
5.一種如權(quán)利要求3所述的方法，其中所說的滲透增強(qiáng)劑前體和滲透增強(qiáng)劑中至少一種是從外界來源提供的。
6.一種如權(quán)利要求1所述的方法，該方法還包括在至少一部分滲透期間內(nèi)使至少一部分填料與滲透增強(qiáng)劑前體和滲透增強(qiáng)劑中至少一種相接觸的步驟。
7.一種如權(quán)利要求3所述的方法，其中的滲透增強(qiáng)劑是通過一種滲透增強(qiáng)劑前體和至少一種選自滲透氣氛、填料和基質(zhì)金屬中的物質(zhì)反應(yīng)形成的。
8.一種如權(quán)利要求7所述的方法，其中在滲透過程中，滲透增強(qiáng)劑前體揮發(fā)。
9.一種如權(quán)利要求8所述的方法，其中揮發(fā)的滲透增強(qiáng)劑前體在至少一部分填料中反應(yīng)形成一種反應(yīng)產(chǎn)物。
10.一種如權(quán)利要求9所述的方法，其中所說的反應(yīng)產(chǎn)物是至少可部分地被所說的熔融基質(zhì)金屬還原的。
11.一種如權(quán)利要求10所述的方法，其中所說的反應(yīng)產(chǎn)物涂敷在至少一部分所說的填料上。
12.一種如權(quán)利要求1所述的方法，其中的填料包括一種預(yù)型體。
13.一種如權(quán)利要求1所述的方法，該方法還包括用一種阻擋元件限定填料的表面邊界的步驟，其中的基質(zhì)金屬自發(fā)地滲透到所說的阻擋元件。
14.一種如權(quán)利要求13所述的方法，其中所說的阻擋元件包括一種選自碳、石墨和二硼化鈦中的材料。
15.一種如權(quán)利要求13所述的方法，其中所說的阻擋元件基本不被所說的基質(zhì)金屬潤濕。
16.一種如權(quán)利要求13所述的方法，其中所說的阻擋元件包括至少一種材料，該材料使得滲透氣氛與基質(zhì)金屬、填料、滲透增強(qiáng)劑和滲透增強(qiáng)劑前體中的至少一種相通。
17.一種如權(quán)利要求1所述的方法，其中的填料包括至少一種選自粉末、片晶、微球、晶須、泡體、纖維、顆粒、纖維墊、切斷纖維、球、丸粒、管狀物和耐火布中的材料。
18.一種如權(quán)利要求1所述的方法，其中的填料在熔融基質(zhì)金屬中有有限的溶解度。
19.一種如權(quán)利要求1所述的方法，其中的填料包括至少一種陶瓷材料。
20.一種如權(quán)利要求3所述的方法，其中的基質(zhì)金屬包括鋁，滲透增強(qiáng)劑前體包括至少一種選自鎂、鍶和鈣中的材料，滲透氣氛包括氮?dú)狻?br> 21.一種如權(quán)利要求3所述的方法，其中的基質(zhì)金屬包括鋁，滲透增強(qiáng)劑前體包括鋅，滲透氣氛包括氧氣。
22.一種如權(quán)利要求4所述的方法，其中在所說的填料和所說的基質(zhì)金屬之間的界面處提供至少一種選自所說的滲透增強(qiáng)劑和所說的滲透增強(qiáng)劑前體的物質(zhì)。
23.一種如權(quán)利要求1所述的方法，其中滲透增強(qiáng)劑前體在所說的基質(zhì)金屬中合金化。
24.一種如權(quán)利要求1所述的方法，其中所說的基質(zhì)金屬包括鋁和至少一種選自硅、鐵、銅、錳、鉻、鋅、鈣、鎂和鍶中的合金元素。
25.一種如權(quán)利要求4所述的方法，其中在所說的基質(zhì)金屬和所說的填料中提供所說的滲透增強(qiáng)劑前體和滲透增強(qiáng)劑中的至少一種。
26.一種如權(quán)利要求3所述的方法，其中在一種以上的所說的基質(zhì)金屬，所說的填料和所說的滲透氣氛中提供所說的滲透增強(qiáng)劑前體和滲透增強(qiáng)劑中的至少一種。
27.一種如權(quán)利要求1所述的方法，其中自發(fā)滲透期間的溫度高于基質(zhì)金屬的熔點(diǎn)，但低于基質(zhì)金屬的揮發(fā)點(diǎn)和填料的熔點(diǎn)。
28.一種如權(quán)利要求2所述的方法，其中的滲透氣氛包括選氧氣和氮?dú)庵械囊环N氣氛。
29.一種如權(quán)利要求3所述的方法，其中的滲透增強(qiáng)劑前體包括選自鎂、鍶和鈣中的一種材料。
30.一種如權(quán)利要求1所述的方法，其中的基質(zhì)金屬包括鋁，填料包括選自氧化物、碳化物、硼化物和氮化物中的一種材料。
31.一種如權(quán)利要求1或3所述的方法，其中的熔模殼是通過用一種耐火材料涂敷可除去的型芯，使該耐火材料自支承，并除去可除去的型芯形成的。
32.一種如權(quán)利要求31所述的方法，其中可除去的型芯包括一個(gè)蠟?zāi)！?br> 33.一種如權(quán)利要求31所述的方法，其中可除去的型芯為可再次使用的。
34.一種如權(quán)利要求31所述的方法，其中的可除去的型芯是通過相反地拆分熔模殼從熔模殼中除去。
35.一種如權(quán)利要求31所述的方法，其中的耐火材料包括氧化鋁，二氧化硅和碳化硅中的至少一種。
36.一種如權(quán)利要求31所述的方法，其中的可除去的型芯通過涂敷、噴涂和浸涂中的至少一種方法涂敷。
37.一種如權(quán)利要求31所述的方法，還包括用一種用于抑制熔融基質(zhì)金屬自發(fā)滲透的阻擋材料涂敷空腔的步驟。
38.一種如權(quán)利要求2所述的方法，其中的滲透氣氛通過熔模殼與填料和基質(zhì)金屬中的至少一種相聯(lián)系。
39.一種如權(quán)利要求1所述的方法，還包括冷卻熔模殼和自發(fā)滲透的填料，以及從自發(fā)滲透的填料上除去熔模殼的步驟。
40.一種如權(quán)利要求1或3所述的方法，還包括放置固體基質(zhì)金屬使其與空腔中的填料接觸和使固體基質(zhì)金屬熔化，形成所說的熔融基質(zhì)金屬的步驟。
41.一種如權(quán)利要求1所述的方法，還包括提供至少一種第二種基質(zhì)金屬，并用熔融的第二種基質(zhì)金屬自發(fā)地滲透至少一部分填料的步驟。
全文摘要
本發(fā)明涉及制備金屬基質(zhì)復(fù)合體的新方法及其由此生產(chǎn)的新產(chǎn)品。首先制備一個(gè)負(fù)型或空腔，該負(fù)型或空腔與待生產(chǎn)的所需金屬基質(zhì)復(fù)合體相互補(bǔ)。然后，將所形成的空腔用填料的可滲透體填充。然后再使熔融基質(zhì)金屬自發(fā)地滲入填充的空腔中。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，空腔可以通過所謂的失蠟鑄造法相似的方法制造。
文檔編號C22C1/10GK1042490SQ8910807
公開日1990年5月30日 申請日期1989年10月21日 優(yōu)先權(quán)日1988年11月10日
發(fā)明者約翰·托馬斯·布克 申請人:蘭克西敦技術(shù)公司