【技术实现步骤摘要】
本专利技术一般涉及改善自承陶瓷体金属成分的方法和改善后的制品。尤其是，本专利技术涉及这样的自支承陶瓷体，它以母金属的氧化反应产物形成并具有在后成形阶段改善的互相连接的含金属的成分。本专利技术还涉及生产这种陶瓷体的方法。本申请的要点与1986年1月15日申请的共同未决和共同所有的美国专利申请系列号818，943有关，该申请是1985年9月17日申请的系列号776，964的部分继续申请，系列号776，964是1985年2月26日申请的系列号705，787的部分继续申请，系列号705，787是1984年3月16日申请的系列号591，392的部分继续申请，所有都以Marc S.Newkirk等人的名义，题目为“新型的陶瓷材料及其制造方法”。这些申请披露了生产自支承陶瓷体的方法，该陶瓷体是从母金属前体生长成的氧化反应产物，熔融母金属和气相氧化剂反应，形成一种氧化反应产物，而该金属经过氧化反应产物向氧化剂迁移，从而继续形成生产出陶瓷多晶体，它能够生长成具有互相连接的金属成分。通过采用的熔合的掺杂剂可以加强该工艺过程，例如在空气中氧化的铝母金属的情况。通过采用施加于前体金属表面上的外部掺杂剂可以改善这种方法，如在1986年1月27日申请的共同所有的美国专利申请系列号822，999中所披露的。系列号822，999是1985年9月17日申请的系列号776，965的部分继续申请，系列号776，965是1985年6月25日申请的系列号747，788的部分继续申请，系列号747，788是1984年7月20日申请的系列号632，636的部分继续申请，所有都以Marc S....
【技术保护点】
一种生产含有改善金属组分的自承陶瓷的方法，该方法包括以下步骤：（ａ）提供一种自承陶瓷体，该陶瓷体包括（ｉ）由一种熔融母金属前体与一种氧化剂氧化形成的多晶体氧化反应产物，（ｉｉ）互相连接的含金属组分，至少能部分地从上述的陶瓷体的一个或多个 表面看见；（ｂ）上述陶瓷体的一个表面或多个表面与不同于上述的互相连接的含金属组分的许多外来金属接触，在一定的温度下，并经过能足够互相扩散的时间，从而至少上述含金属组分的一部分由上述外来金属置换；（ｃ）回收具有改善的含金属组分的陶瓷体 。
【技术特征摘要】
US 1986-8-13 896481中采用的下面的术语定义如下“陶瓷”不是不适当地局限于经典意义的陶瓷体，也就是说其意义是完全由非金属材料和无机材料组成，相反指的是一种物体，它是就组成或者主要性质而论以陶瓷为主的，虽然该物体含有少量或大量一种或多种金属成分(互相连接的和分离的)，这是来源于母金属或来自氧化剂、掺杂剂或填料，按体积计最典型的范围约在1-40%，但可能包含有更多的金属。“氧化反应产物”通常是指任何处于氧化状态的一种或多种金属、化合物或其混合物，在氧化状态下，该金属放出电子给予另一元素，或与其共有电子。所以，在这个定义下，“氧化反应物”包括一种或多种金属与诸如本申请的描述的氧化剂的反应产物。“氧化剂”意思是指一种或多种合适的电子受主或电子共用体，并且在工艺过程条件可以是固体、液体或气态(蒸气)或它们的组合(例如一种固体和一种气体的组合)。用于“母金属”一词中和外来金属一词中的“金属”意指相当纯的金属，其中带有杂质和/或合金成分的市售金属，以及合金和金属的金属间化合物。当讲到一种特定的金属时，要在思想中带有这个定义来理解该标定的金属，除非在上下文中另有说明。例如，当铝为母金属时，该铝可以是相当纯的金属(例如市售的99.7%纯度的铝)，或具有按重量计的约1%硅和铁标称杂质的1100铝，或例如像5052之类的铝合金。图1是按照本发明工艺过程处理类型的陶瓷体的示意图。图2是代表本发明的方法的实施方案的图解。图3a为一陶瓷体的光学照片，放大1000倍，是在试验系列1中生产出的陶瓷体，并且在其金属成分改善以前用于实例1。图3b为图3a计算机放大X射线图，放大1000倍，图中采用能量扩散分光法照射存在的铝金属。图3c为一陶瓷体的光学照片，放大1000倍，是在试验系列1中生产出的陶瓷体，并且在按照实例1改善其金属成分之后用于实例1。图3d为图3c的计算机放大X射线图，放大1000倍，图中采用能量扩散分光法照射存在的镍金属。图4a为一陶瓷体的光学照片，放大1000倍，是在试验系列3中生产出的陶瓷体，并且在其金属成分改善之前用于实例3。图4b为图4a的计算机放大X射线图，放大1000倍，图中采用能量扩散分光法照射存在的铝金属。图4c为一陶瓷体的光学照片，放大1000倍，是在试验系列3中生产出的陶瓷体，并且按照实例3改善其金属成分之后用于实例3。图4d为图4c的计算机放大X射线图，放大1000倍，图中采用能量扩散分光法照射存在的铜金属。按照本发明的方法，一种自承陶瓷体，具有互相连接的金属成分，至少部分明露或从一个外表面(或多个外表面)可以看到，该陶瓷体与造成浓度梯度的外来金属接触。特别是，将陶瓷体和外来金属加热到一个温度，高于陶瓷体内互相连接的金属的熔点或高于外来金属的熔点，或高于两者。因为浓度梯度而在金属成分和外来金属之间发生互相扩散。显著数量的含金属成分被外来的金属所置换，该外来金属成为最终陶瓷体的聚集体，从而改善或改变陶瓷体的性质。虽然本发明下面的描述特别涉及以铝作为母金属，但应清楚，像硅、钛、锡、锆和铪等也可用作母金属。参考图1，首先提供一自承陶瓷体10，它的制作，例如，是通过任一上面提到的共同所有的专利申请的方法。所以，提供一种母金属，例如可能掺杂的铝(如下面所详细说明的)作为氧化反应产物的前体。将母金属在一个合适的或邻近氧化环境内的温度范围内进行熔化。在该温度下，或在该温度范围内，熔融的金属与氧化剂反应形成多晶氧化反应产物。至少部分氧化反应产物保持与熔融金属和氧化剂接触并在两者的中间，将熔融金属吸引出来经过氧化反应产物与氧化剂接触以便氧化反应产物继续在氧化剂和以前形成的氧化反应产物之间的界面上形成。反应继续进行一段足以形成多晶陶瓷体的时间，多晶陶瓷体主要由氧化反应产物12和互相连接的金属成分14组成，成分14分散或分布于该多晶体材料的部分或全部。在多晶体氧化反应产物形成期间就地形成的金属成分，至少是部分地明露或从至少陶瓷体的一个表面，如在表面15，可以看见。应当了解，多晶体陶瓷体可以呈现出某些孤立的金属以及孔隙或气孔(图上未表示出来)，该孤立的金属和气孔可能已取代了某些互相连接的金属成分，但金属(互相连接的和弧立的)和气孔的体积百分数将主要取决于像温度、时间、掺杂剂，和母金属类型这样一些条件。随后将该陶瓷体的表面15的一个或多个表面与来自外部来源的第二或外来金属16相接触，并可保持在一合适的容器或坩埚18内，在其中发生互相扩散(见图2)。应当清楚，在多晶体氧化反应产物形成期间就地形成的金属成分和来自外部来源的金属之间的互相扩散，可以是固体-固体、固体-液体、液体-固体、或液体-液体，其中这些词是分别指外部金属和原始陶瓷体的金属成分的状态。液体-液体的情况通常较佳，因为这样的体系能在较短的期间产生有利变化的最后产物。即使在固体-固体的互相扩散的情况下，如果互相扩散的温度高于化合的金属最低熔点，如低共熔点体系的情况，可能发生液相传速。外来金属可以是相当纯的金属、合金、或金属间化合物，其选择条件是能改变互相连接的含金属成分的组成，从而改善最终陶瓷产品的性质。所改善的性质典型地包括例如断裂韧性、硬度、磨耗、导电率、或化学稳定性(即抗腐蚀、或气化等等)等性能、供特殊用途的陶瓷体需通过特殊外来金属的选择进行改善或优化来决定其性质。所选定第二或外来金属将主要取决于需求的最终性能，还取决于像温度、时间、互溶性等等，如下面更详细的说明。用来置换互相连接金属(包括合金和金属间化合物)的合适的外来金属可以包括，例如，镍、银、铁、钛、铜、铀、铬、钴、钒、硅、钼、钨、锗、锡、镁、钇、锆、铪、铌、锰、铂、钯、金、锌、铝和铅，以及它们的合金和金属间化合物，其中包括不锈钢，碳素钢，和特殊目的的合金，例如铬镍铁合金(Inconels)、耐蚀耐热镍基合金(Hastelloys)、耐高热镍基合金(Waspalloys)、蒙乃尔高强耐蚀铜合金(Monels)、和钨铬钴合金(Stellites)。在一优选实施方案中，例如在图1和2中所示，陶瓷体10浸入或没入装在坩埚18的熔融外来金属16的池中。在需要的场合，该陶瓷体可以部分地浸入熔融外来金属的池中，以便限制在该陶瓷体内置换金属的深度，特别限制这种置换只在或邻近的一个表面上。例如，如果外来金属混合进陶瓷体以改善其抗腐蚀性或硬度，则可必须或要求只改善该一个表面(或多个表面)。外来金属16的体积比在陶瓷体10内原始形成的能够看见的互相连接的含金属的组分要大的多。用这样的方式，含金属的组分与外来金属的最大的或最优的置换更容易得到。也就是说，有利于得到足够数量的外来金属，以便当达到平衡时，原始含金属的组分整个浓度要比外来金属的显著为低，从而可得到原始金属组分与外来金属更完全的置换。外来金属的体积比互相连接的金属组分的体积或者至少比互相连接的金属被置换的那部分一般要大5到50倍，但可能更大。该体积的差别取决于像要求置换的百分数、和在陶瓷体内需要置换的深度这样一些因素。例如，由铝母金属通过空气氧化形成的并且有显著数量含铝组分的α-氧化铝的陶瓷体用镍进行置换，最好是至少按体积计多出20倍的镍外来金属去置换按体积约95%的，原始互相连接的含铝组分，从而加强最终陶瓷体的韧性和抗腐蚀的性能。在必要的场合，当需要置换较少的原始含金属的组分时，在工艺过程中可以采用较低比例的外来金属，也就是说，特意地使原始含金属的组分在陶瓷内留下显著的数量。这个结果会是所需要的，例如，当在外来金属和原始金属组分之间形成合金时，合金会具有不同于外来金属和原始金属组分的性质，或具有优于原始组分或外来金属的性质。在与体积比例相联系的确定置换中，另一个因素是外来金属与含金属的组分的溶解度或互溶性。因此，互相扩散和一种金属置换另一种金属随溶解度或互溶性的增大而增大。互相扩散的数量或程度可以通过陶瓷体与外来金属接触时间的长短来控制。对于置换只发生在或接近陶瓷体表面这种方案，接触时间可以相当短。这就是说，在陶瓷体一个或多个表面上含金属的组分会被外来金属所置换，从而使其余或内部的陶瓷体实际上没有变化。选择温度以及时间来控制互相扩散深度和互相扩散发生的速度。例如，温度可以维持在低于一种金属或两种金属的熔点，以提供固体-固体扩散或固体-液体扩散，这两种扩散通常都比液-液扩散要慢。当置换打算在或靠近陶瓷表面进行而不是遍布整个物体时，较低的温度是非常有用的。此外，可选择温度来改变(降低或增大)金属的粘度和/或互溶性，从而改变互相扩散的速度。温度还可用来促进在最终产品中出现有特种合金或金属化合物。因此，工艺系统进行的温度和时间可能取决于若干因素，诸如在原始形成的陶瓷体中含金属组分的组成，外来金属的组成、所需互相扩散的数量，以及在陶瓷体内所需要置换的深度等。最好是在大多数情况下，所采用的温度应当高于至少一种金属的熔点，而尤其好的是在大多数情况下，比两种金属的熔点都高。此外，可以选择更高的温度以便增加互相扩散发生的速度。在该实施方案中，由铝母金属和空气形成α-氧化铝陶瓷体，从而遗留下含金属铝的组分，镍用作外来的金属，对液体-液体互相扩散的最优温度范围约为1650℃，这个温度等于或稍高于镍、铝以及在工艺过程中形成的金属间化合物的熔点。同样，当镍对含金属组分的体积比率约为20∶1时，含金属组分的约95%可以用镍置换，在约55到75小时或更少的时间内得出的样品约0.100-0.125英寸厚具有互相连接的金属试样。然而，应当清楚，这些体积比率和时间以及温度条件仅仅是举例说明的，而该工艺过程条件是能够加以改善的。在低于镍的熔点下但高于铝的熔点下可以导致固体-液体的互相扩散，但互相扩散的速度会更慢。更进一步，升高温度但低于铝的熔点，可以使固体-固体互相扩散的工艺过程进行，对只置换陶瓷体很有限的表面深度的情况，固-固互相扩散是理想的。在需要的场合，可将陶瓷体的系统和/或外来金属体进行搅拌或振动来促进混合，并且从而加强互相扩散过程。特别是，可以向盛装陶瓷体和外来金属的坩埚或熔融施加超声波能，从而增大互相扩散的速度。另外的方法是在全部或部分过程中机械地震荡或摇动坩埚或容器。在采用液体-液体互相扩散的优选实施方案中，当外来金属仍为熔融状态时，将陶瓷体从盛装的坩埚中取出。令多余的金属从陶瓷体表面上流掉。发现润湿和/或毛细作用一般足够在陶瓷内保持改善的含金属的组分。陶瓷体的表面可以通过研磨、切削、喷砂、腐蚀等等最后加工或清理，或者令其保持原样不动。正如上面所说明的，该陶瓷体是按照在共同所有的专利申请中披露的工艺过程从一种合适的母金属制造出来的。在本发明的一个优选实施方案中，通过采用将填料块体放置在与该母金属相邻近并相接触的方法生产出一种复合体，并且将此工艺过程继续进行直到氧化反应产物已经渗透过填料床到达受到隔离装置限制的边界上为止。该填料块体，最好预先成型为一定形状，是充分多孔的或可渗透的能在气相氧化剂的场合，使氧化剂渗透进填料并与金属接触，适应填料内氧化反应产物的生长。另一方面，氧化剂可以容纳在填料内或者包含着填料。该填料可以包括任何合适的材料，诸如颗粒状、粉状、片状、空心体、球状、纤维状、晶须状等等它们一般是陶瓷材料。如果用涂层方法防止与外来金属互相扩散，或者如果还需要通过与外来金属互相扩散改善填料的性质，则可采用金属填料像金属的颗粒或纤维。进而，填料床可以包括网状、棒状加强筋、板状筋或丝状筋。一般在这些多晶体陶瓷结构，包括陶瓷复合体中，氧化反应产物晶体是互相连接的，并且合金属的成分至少部分地互相连接而从该陶瓷体的一个外表面上可以看见。正如在共同所有的专利申请所说明的，与母金属一同使用的掺杂剂材料，在某些场合下，对氧化反应过程有促进作用，特别是在采用铝作为母金属的体系中。掺杂剂的一种作用或多种作用可能取决于除了掺杂剂本身以外的许多因素。这类因素包括，例如，当采用两种或多种掺杂剂时的特殊组合，外部施加的同与母金属熔合的掺杂剂组合的掺加剂的使用、一种或几种掺杂剂的浓度、氧化的环境、和工艺过程条件。与母金属一同使用的一种或多种掺杂剂(1)可以作为铝母金属的合金成分，(2)可以施加到至少母金属的一部分表面上，或(3)可以施加到或混合进填料材料或预制件一部分或全部内，或者可以采用工艺技术(1)、(2)或(3)的任何组合。例如，一种熔合的掺杂剂可以单独用，或者与第二个外部施加的掺杂剂结合使用。在工艺技术(3)的情况下，外加的一种或几种掺杂剂是施加于填料的，可以像在共同所有的专利申请中所说明的任一合适方法进行操作。对铝母金属非常有用的掺杂剂，特别是用空气作为氧化剂，包括镁、锌、和硅，或单独或彼此组合，或者与其他掺杂剂组合，如下面所描述的。这些金属或这些金属的合适来源，可以熔合进铝基母金属内，每一种的浓度以所得掺杂的金属的总重为基础约0.1～10%，这些掺杂剂材料或其合适的来源(例如Mg O，Zn O或Si O2)也可用来外加到母金属上。此外，以铝硅合金作母金属，用空气作氧化剂，通过采用Mg O作为表面掺杂剂，掺杂量约比每克要氧化的母金属0.0008克还大，并且比要施加MgO的母金属每平方厘米0.003克还大，这样可以得到氧化铝陶瓷结构。另外一些与用空气氧化的铝母金属非常有效的掺杂剂材料实例有钠、锗、锡、铅、锂、钙、硼、磷、和钇，这些可以单个使用，或和一种或多种其他掺杂剂组合使用，取决于氧化剂和工艺...
【专利技术属性】
技术研发人员：马克S纽克尔克，安德鲁W厄尔克哈特，哈利R兹威克尔，
申请(专利权)人：兰克西敦技术公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]
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