專利名稱:經(jīng)改進(jìn)的用浮渣生產(chǎn)復(fù)合陶瓷結(jié)構(gòu)的方法
本發(fā)明涉及在生產(chǎn)復(fù)合陶瓷結(jié)構(gòu)中浮渣的新應(yīng)用。更具體地講，本發(fā)明涉及由母體金屬氧化反應(yīng)產(chǎn)物組成的多晶材料長(zhǎng)入金屬熔融時(shí)產(chǎn)生的滲透性廢渣粉填充物中以使生產(chǎn)復(fù)合結(jié)構(gòu)陶瓷的方法改進(jìn)。
當(dāng)某種金屬或金屬合金在爐子或坩鍋中再熔化或保持熔融狀態(tài)時(shí)，金屬會(huì)部分氧化，形成主要含有該金屬和其氧化物，及少量雜質(zhì)和熔融金屬中存在的合金元素，和/或這些雜質(zhì)和合金元素的化合物(如氧化物和囟化物)的浮渣。浮渣在熔融金屬表面上，用撇掉法或其它技術(shù)可將其分離。在金屬工業(yè)，一般認(rèn)為它是廢渣。雖已有從浮渣回收金屬或其它有價(jià)值的東西的技術(shù)，但是，大量的浮渣的堆積仍然是個(gè)問(wèn)題。已知回收技術(shù)的實(shí)例有，從浮渣得到有用的活化氧化鋁的工藝(如美國(guó)專利4075284)，以及用壓緊和在窯中焙燒的方法將浮渣轉(zhuǎn)變成有用的耐火材料(見(jiàn)美國(guó)專利4523949)。
本文所用“浮渣”一詞指的是固相材料，常富含氧化物或氮化物，它是在熔融金屬時(shí)，在熔融金屬表面或者在爐壁、熔融金屬和環(huán)境氣體三相相交的地方形成的。它是氧化形成的陶瓷質(zhì)和夾雜在其中的金屬的物質(zhì)的混合物。浮渣是不結(jié)實(shí)的表面薄浮層，一般當(dāng)作廢物用物理方法從熔融金屬中分離除去，如用撇掉法。從熔融金屬表面撇出的浮渣可含高達(dá)60%(重量)的金屬，某些浮渣形成大塊的沒(méi)有特定形狀的夾雜物。一般是將浮渣破碎，將較大的金屬塊用物理方法從脆性陶瓷質(zhì)中分離，再將分離的金屬送回熔爐。浮渣的另一個(gè)來(lái)源是玻璃廠的操作，如，熔體中的活潑金屬屬成分氯化，或添加助熔劑。這樣得到的浮渣含有可熔性鹽，它對(duì)其它應(yīng)用有防礙。
近年來(lái)，由于在某些性質(zhì)上陶瓷優(yōu)于金屬，人們對(duì)用陶瓷代替金屬的興趣愈來(lái)愈濃。但是，對(duì)于作這樣的代替有一些眾所周知的限制和困難，例如，規(guī)格多樣性的問(wèn)題，作成復(fù)雜形狀的問(wèn)題，滿足最終應(yīng)用所需的性能的問(wèn)題以及成本問(wèn)題。這些限制和困難中的很多項(xiàng)已經(jīng)由和本申請(qǐng)轉(zhuǎn)讓給相同受讓人的專利申請(qǐng)所披露的發(fā)明和下文討論的發(fā)明所克服，這些發(fā)明為可靠地生產(chǎn)包括成形復(fù)合陶瓷材料陶瓷提供了新方法。為了得到所需要的最終性能，對(duì)于復(fù)合陶瓷需要相匹配的填充料。
下述相同所有人的專利申請(qǐng)描述了通過(guò)母體金屬氧化形成氧化產(chǎn)物和選擇保留的金屬成分組成多晶材料的方法生產(chǎn)自身維持的陶瓷體的新方法。
1.在美國(guó)紐科科等人(Marc S.Newkirk et al)的標(biāo)題為“新型陶瓷材料及其制備方法”的系列部分繼續(xù)中申請(qǐng)，有1984，3，16提交的591，392號(hào)，有1985，2，26提交的705，787號(hào)，1985，9，17提交的776，964號(hào)，1986，1，15提交的818.953號(hào);
2.在美國(guó)紐科科等人(Marc S.Newkirk et al)的標(biāo)題“制作自身維持陶瓷材料的方法”的系列部分繼續(xù)申請(qǐng)，有1984，7，20提交的632636號(hào)，1985，6，25提交的747788號(hào)，1985，9，17提交的776，965號(hào)，1986，1，27提提交的822999號(hào);
3.在美國(guó)紐科克等人(Marc S.Newkirk et al)的標(biāo)題為“復(fù)合陶瓷制品及其制作方法”的申請(qǐng)697876號(hào)，于1985，2，4提交，以及其部分繼續(xù)申請(qǐng)819397號(hào)，于1986，1，17提交;
4.在美國(guó)紐科克等人(Marc S.Newkirk et al)的標(biāo)題為“制作具有屏障用途的成形復(fù)合陶瓷的方法”的申請(qǐng)861024號(hào)，于1986，5，8提交。
上述每個(gè)專利申請(qǐng)中所示公開(kāi)的全部?jī)?nèi)容都引并在此。
如這些相同所有者的專利申請(qǐng)所敘述，新型多晶陶瓷材料或復(fù)合多晶陶瓷材料是通過(guò)母體金屬和氣相氧化劑之間的氧化反應(yīng)產(chǎn)生的，所說(shuō)的氣相氧化劑指經(jīng)氣化或通常為氣體的氧化氣體。在前述專利申請(qǐng)1組一般性地公開(kāi)了這種方法。根據(jù)這樣的一般性方法，母體金屬，如鋁，加熱到高于鋁的熔點(diǎn)但低于氧化反應(yīng)產(chǎn)物的熔點(diǎn)的高溫，形成熔融母體金屬實(shí)體，它在與氣相氧化劑接觸時(shí)發(fā)生反應(yīng)形成氧化反應(yīng)產(chǎn)物。在該溫度下，氧化反應(yīng)產(chǎn)物或至少它的一部分與熔融金屬實(shí)體和氧化劑之間接觸，并在其之間擴(kuò)展，而熔融金屬被吸向，或通過(guò)形成的氧化產(chǎn)物朝氧化劑滲透。在剛形成的氧化產(chǎn)物表面，滲透來(lái)的熔融金屬在與氧化劑接觸時(shí)形成新的氧化反應(yīng)產(chǎn)物。隨著這個(gè)過(guò)程的不斷進(jìn)行，通過(guò)形成多晶氧化反應(yīng)產(chǎn)物，金屬不斷地滲透過(guò)來(lái)，由此連續(xù)地長(zhǎng)大成相互交連的晶體陶瓷結(jié)構(gòu)。得到的陶瓷體可能含有金屬成分，如沒(méi)有氧化的母體金屬成份和/或空隙。在氧化物為氧化反應(yīng)產(chǎn)物的情況，氧氣或含氧氣態(tài)混合物(包括空氣)是適用的氧化劑，由于經(jīng)濟(jì)的原因，空氣為首選。但是，在所有相同所有者的專利申請(qǐng)和本申請(qǐng)中，氧化反應(yīng)是指廣義的氧化反應(yīng)，是指使金屬失去電子或與氧化劑共享電子，氧化劑可以是一種或多種單質(zhì)或者是化合物。因此，非氧元素或化合物也可用作氧化劑，如下文所詳述。
在某些情況下，為了利于氧化反應(yīng)產(chǎn)物的生長(zhǎng)，母體金屬需要有一種或多種摻雜劑，摻雜劑可以合金的形式或母體金屬中的成分的形式提供。例如，母體金屬為鋁，空氣為氧化劑時(shí)，如鎂和鋁為摻雜劑，此時(shí)不稱之為二類摻雜材料，而是與鋁或合金作為母體金屬。得到的氧化反應(yīng)產(chǎn)物含有氧化鋁，一般為α-氧化鋁。
基于發(fā)展了上述的生長(zhǎng)條件，前面所說(shuō)的第二組相同所有者的專利申請(qǐng)公開(kāi)了進(jìn)一步的改進(jìn)，對(duì)于需要摻雜劑的母體金屬可用將一種多種摻雜劑材料加到母體金屬表面的方法摻雜，這樣就避免了將母體金屬與摻雜劑作成合金的必要性。例如，在鋁為母體金屬，空氣為氧化劑，鎂，鋅，硅等金屬為摻雜劑的情況。應(yīng)用這樣的改進(jìn)，就能夠使用商品金屬或合金，而不需要必需含有特定適用的摻雜成份。這一發(fā)現(xiàn)還有好處，即，可在母體金屬表面，選定一或幾塊面積中生長(zhǎng)陶瓷，而不是沒(méi)有區(qū)別的生長(zhǎng)陶瓷;由此，可更有效地應(yīng)用這種工藝方法，例如，只在母體金屬的一個(gè)表面或一個(gè)表面的一部分生長(zhǎng)陶瓷。
在前述相同所有者的專利申請(qǐng)第三組，公開(kāi)了新型復(fù)合陶瓷結(jié)構(gòu)和它們的制造方法，它利用氧化反應(yīng)產(chǎn)生含有經(jīng)過(guò)多晶陶瓷基質(zhì)滲透的惰性填料的復(fù)合陶瓷結(jié)構(gòu)。將與可滲透填料團(tuán)毗鄰的母體金屬加熱成熔融體，再與氣相氧化劑反應(yīng)形成氧化反應(yīng)產(chǎn)物。隨著氧化產(chǎn)物生長(zhǎng)并滲入毗鄰的填料，通過(guò)已經(jīng)形成氧化產(chǎn)物的熔融母體金屬被吸到填料團(tuán)中并與氧化劑反應(yīng)，在原來(lái)形成的產(chǎn)物表面形成新的氧化反應(yīng)產(chǎn)物。氧化反應(yīng)產(chǎn)物的生長(zhǎng)滲透或包嵌了填料，結(jié)果形成多晶陶瓷基質(zhì)包嵌了填料的復(fù)合陶瓷結(jié)構(gòu)。
如美國(guó)861024號(hào)未決專利申請(qǐng)所述，在填料體的端面，涂布在該處能防止或抑制生長(zhǎng)過(guò)程繼續(xù)進(jìn)行的阻擋材料，可將陶瓷質(zhì)氧化反應(yīng)產(chǎn)物的生長(zhǎng)實(shí)際上限制在可滲透填料體上。當(dāng)鋁為母體金屬時(shí)，含鈣的物質(zhì)，如能提供滲透性的石膏(Plastes of Paris)，硫酸鈣-碳酸鈣混合物，卜特蘭水泥(硅鋁酸鈣)，硅灰石等都是有用的阻擋材料。已經(jīng)證明，304號(hào)不銹鋼，典型的如304號(hào)不銹鋼(AISI 304)22號(hào)綱也是有用的阻擋材料。
這樣，前述相同所有者的專利申請(qǐng)描述了包括復(fù)合陶瓷的多晶陶瓷產(chǎn)品的生產(chǎn)，很容易地生長(zhǎng)到所需的厚度，這對(duì)于常規(guī)陶瓷技術(shù)來(lái)講，如果不是不可能的，那么也是十分困難的。本發(fā)明對(duì)生產(chǎn)復(fù)合陶瓷提供了進(jìn)一步的改進(jìn)。
本發(fā)明涉及生產(chǎn)復(fù)合多陶瓷的改進(jìn)方法，如前文專利申請(qǐng)所概括，該方法也是通過(guò)熔融母體金屬的氧化，使含有生長(zhǎng)的多晶氧化反應(yīng)產(chǎn)物的陶瓷基質(zhì)滲透可滲透的填料團(tuán)或床中。在熔化金屬和熔化玻璃時(shí)，不希望產(chǎn)生的廢料或付產(chǎn)品金屬浮渣提供了適用的填料來(lái)源，如下所述，還提供了改進(jìn)的動(dòng)力學(xué)和形態(tài)學(xué)性質(zhì)在實(shí)施本發(fā)明中，在氧化劑存在的情況下，將母體金屬加熱成與可滲透的填料相接觸的熔融體。其中的氧化劑可是固體，液體，氣體，或它們的混合物，如下文所詳細(xì)。隨著熔融金屬與氧化劑相接觸，形成氧化反應(yīng)產(chǎn)物;維持工藝條件，使熔融金屬不斷地通過(guò)形成的氧化反應(yīng)產(chǎn)物被吸向氧化劑，這樣就不斷地形成滲透填料的氧化反應(yīng)產(chǎn)物。加熱使溫度高于母體金屬的熔點(diǎn)低于氧化反應(yīng)產(chǎn)物的熔點(diǎn)，加熱應(yīng)一直進(jìn)行到產(chǎn)生所需尺寸的復(fù)合多晶陶瓷所需要的時(shí)間。得到的陶瓷體可能含有一或多種金屬成分，如，未氧化的母體金屬，和/或空洞。
本發(fā)明的改進(jìn)是基于這樣的發(fā)現(xiàn)，即能夠用粉碎了的熔化金屬時(shí)產(chǎn)生的浮渣作為所說(shuō)的填料來(lái)生產(chǎn)自身維持的復(fù)合陶瓷。這樣的填料團(tuán)或床能形成滲透體，也就是母體金屬的氧化產(chǎn)物能滲透進(jìn)去的滲透體，它可以是顆粒床形式，也可是予加工品。金屬浮渣可按下文制備，(1)將浮渣粉碎成細(xì)粒，過(guò)篩得到適當(dāng)大小的顆粒;(2)分析浮渣并調(diào)整成份，使它具有希望的化學(xué)組成;(3)制備滲透體團(tuán)塊，其中可混入其它填料成份和/或摻雜劑，也可制成予成形體。需要時(shí)，與母體金屬接觸的予加工品的表面可用另外的摻雜材料涂敷。而且，予加工品的端面和底面可涂布阻擋材料，使復(fù)合陶瓷成確定的形狀。填料團(tuán)，最好是具有滲透性的予成形品，放在與母體金屬相鄰或相對(duì)母體金屬就位，經(jīng)受氧化反應(yīng)過(guò)程。反應(yīng)連續(xù)進(jìn)行的時(shí)間要足以使多晶氧化反應(yīng)產(chǎn)物滲透，或至少是滲透部分填料體，這樣才能得到所需尺寸的復(fù)合陶瓷結(jié)構(gòu)。更具體地講，母體金屬的位置，或者相對(duì)于可滲透填料團(tuán)的位置應(yīng)當(dāng)使氧化反應(yīng)產(chǎn)物正朝著并能滲入填料團(tuán)的方向上形成。生成的氧化反應(yīng)產(chǎn)物滲透了或包嵌了填料團(tuán)，由此形成所希望的復(fù)合陶瓷結(jié)構(gòu)。填料可安排成松散或聯(lián)結(jié)的形式，其特點(diǎn)是有間隔型，通道型或插入型的間隔，填料團(tuán)或床能讓氧化性氣體和生長(zhǎng)的氧化反應(yīng)產(chǎn)物透過(guò)。此處和所附權(quán)利要求
中“填料”或“填充物質(zhì)”一詞意指由一種或多種材料組成的均勻組合物或不均勻組合物。這樣，從浮渣得到的填料有可能要摻加一種或多種其它生產(chǎn)復(fù)合陶瓷的常規(guī)填料。另外，在生產(chǎn)最后復(fù)合產(chǎn)品中使用的母體金屬可能在成分上實(shí)際與產(chǎn)生作為填料的浮渣的金屬相同，但也可不同。
氧化反應(yīng)產(chǎn)物是在沒(méi)有間斷和移位的條件長(zhǎng)入填料，其結(jié)果是能形成相對(duì)致密的復(fù)合陶瓷結(jié)構(gòu)，而沒(méi)有采用其它生產(chǎn)陶瓷基質(zhì)復(fù)合物工藝的高溫高壓特點(diǎn)。按本發(fā)明生產(chǎn)的復(fù)合陶瓷有很理想的電學(xué)，熱學(xué)、結(jié)構(gòu)學(xué)、耐摩特性，而且可進(jìn)行機(jī)械加工、拋光、研磨等，能提供多種工業(yè)應(yīng)用產(chǎn)品。
在本說(shuō)明書(shū)和權(quán)利要求
書(shū)中，下述詞語(yǔ)有下述意義“陶瓷”不是使傳統(tǒng)概念中強(qiáng)調(diào)只限于由陶瓷質(zhì)構(gòu)成，也就是不是完全由非金屬無(wú)機(jī)材料構(gòu)成，而是指在成份上或主要性質(zhì)上主要是陶瓷質(zhì)的物體，其中含有少量的或一定量的從母體金屬產(chǎn)生的、或從氧化劑、摻雜劑，混入浮渣的可還原填料還原出的一種或多種金屬成份，典型的含量為1-40%(體積)，有時(shí)含量可能更高。
“氧化反應(yīng)產(chǎn)物”指處于氧化態(tài)的一種或多種金屬，其中的金屬已失去電子，或與其它元素、化合物、或這兩者共享電子。因此，在這個(gè)意義中的“氧化反應(yīng)產(chǎn)物”包括一種或多種金屬與下文例舉的氧化劑的反應(yīng)產(chǎn)物，氧、氮、囟素、硫、磷、砷、碳、硼、硒、碲;一些化合物、或它們的組合，氨、甲烷、乙烷、丙烷、乙炔、乙烯、丙烯;及一些混合物，空氣，N2/H2，H2/H2O，CO/CO2，最后例子在減少環(huán)境中氧的活性方面很有用處。
“氧化劑”指一個(gè)或多個(gè)電子的受體，或共享電子體。它可是一種元素，也可是元素化合物的組合，在工藝條件下可是氣體、固體或液體。
“母體金屬”，指為多晶氧化反應(yīng)產(chǎn)物的前身的金屬，如鋁，它包括比較純的金屬，含雜質(zhì)和/或合金成份的商品金屬，或所說(shuō)的前身為主要成分的合金;而且，當(dāng)將某具體金屬如鋁稱為母體金屬時(shí)，除非另有上下文的說(shuō)明，應(yīng)用上述定義認(rèn)定該金屬。
本發(fā)明更進(jìn)一步的特征和進(jìn)步會(huì)在下文的詳細(xì)說(shuō)明中給出。
根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)“自己維持復(fù)合陶瓷”，要在氧化劑存在下將母體金屬加熱成熔融狀態(tài)，形成滲透填料團(tuán)或床的氧化反應(yīng)產(chǎn)物。使用的填料含有經(jīng)粉碎并篩選成適當(dāng)大小的金屬浮渣。一般熔融時(shí)能產(chǎn)生浮渣而且又適用于本發(fā)明的商品金屬或合金的實(shí)例主要是鋁、鈦、鋅、錳和銅。從合金產(chǎn)生的浮渣特別適合作填料使用，如，從鋁鎂合金，銅錫合金，銅鋁合金，銅鋅合金，銅鎳合金，銅鎳鐵合金得到的浮渣。如下文所述，由于合金元素常提供陶瓷基質(zhì)生長(zhǎng)所需要的摻雜成份，所以用合金的浮渣更為有利。
對(duì)于在氮?dú)鈿夥罩杏萌廴诮饘傺趸磻?yīng)生產(chǎn)復(fù)合陶瓷材料，氮化物浮渣很有用，如前面的相同所有者的專利申請(qǐng)第3組所述。在熔融金屬的過(guò)程中，熔融金屬或合金與產(chǎn)生氮?dú)獾臍夥战佑|，就會(huì)形成氮化物浮渣，如氮?dú)狻?、合成?H和N的混合物)。容易形成氮化物浮渣的合金的主體金屬為鋁、硅、鈦和鋯。應(yīng)用氮化物浮渣使一般認(rèn)為是廢物的東西成了有價(jià)值的填料。
含有浮渣的填料在生產(chǎn)最后產(chǎn)品的過(guò)程中生長(zhǎng)出的氧化反應(yīng)產(chǎn)物表現(xiàn)出親合性，顯然，這是歸于在該工藝條件下相似者相親的原因;也就是，對(duì)氧化產(chǎn)物生長(zhǎng)到適當(dāng)相應(yīng)的金屬浮渣中存在明顯的親合力。由于有這個(gè)親合力，我們觀察到生長(zhǎng)動(dòng)力加強(qiáng)，結(jié)果，比使用基本為惰性的填料的相同工藝，生產(chǎn)速度加快。
對(duì)于這樣的改進(jìn)特征有貢獻(xiàn)的另一個(gè)元素是與填料緊密相關(guān)的摻雜材料。例如，形成浮渣的金屬可能含有一或多種合金成份，這些成份作為摻雜劑對(duì)促進(jìn)母體金屬氧化是有用的。它們分散于部分或全部浮渣中，也可緊密地與浮渣中陶瓷成份的微結(jié)構(gòu)相結(jié)合，還可與浮渣中的主要金屬成份形成合金。當(dāng)將浮渣粉碎當(dāng)作填料使用時(shí)，這樣的摻雜物質(zhì)也一起作為填料的一部分，而在生產(chǎn)最終的復(fù)合產(chǎn)品過(guò)程中起有用的摻雜劑的作用。例如，鋁合金中硅是常見(jiàn)成份，而對(duì)鋁在空氣中氧化，硅是良好的摻雜劑。在浮渣中，相當(dāng)大比例的硅與鋁形成合金。當(dāng)這種浮渣作為填料時(shí)，它就含有制造氧化鋁復(fù)合結(jié)構(gòu)的內(nèi)在摻雜劑。另一個(gè)例子，從含鎂鋁合金得到的浮渣(MgO、MgAl2O4，金屬鋁和含量較高的鎂)。就含有鎂的有效成份，這樣的鎂就能對(duì)鋁與氧或氮的氧化反應(yīng)起有效的摻雜作用。
浮渣中主要金屬對(duì)氧化劑的親合作用也應(yīng)屬于本發(fā)明。經(jīng)常稱金屬是惰性的與否，此時(shí)，“惰性”是指金屬對(duì)特定氧化劑的親合性，即惰性越大越不容易被氧化。這樣，當(dāng)金屬合金表面形成一層浮渣時(shí)，合金中惰性低的組分就容易濃集在浮渣的陶瓷相中。例如，當(dāng)鋁-鎂-硅合金氧化時(shí)，浮渣的陶瓷相傾向于含有鎂和鋁的氧化物。
如上所述，浮渣的鎂值對(duì)鋁氧化提供了高效摻雜作用，而且進(jìn)一步促使母體金屬鋁濕潤(rùn)填料和氧化產(chǎn)物。較惰性的硅容易濃集于嵌在浮渣中的剩余金屬中。還有，當(dāng)惰性大的金屬氧化物與惰性較小的熔融金屬接觸時(shí)，它就被還原，形成惰性較低的金屬的氧化物和還原出來(lái)的高惰性金屬與剩余的低惰性金屬的合金。合金中還可能形成這兩種金屬的金屬間化合物。例如，當(dāng)含有形成浮渣合金成份的氧化物的銅鐵鎳合金浮渣與熔融母體金屬鋁相接觸時(shí)，其結(jié)果形成鋁氧化物陶瓷相和鋁銅鐵鎳合金。冷卻時(shí)，合金內(nèi)形成鋁/銅金屬間化合物的沉積物。還有，高惰性金屬的氧化物還提供了固體氧化劑源，它容易促進(jìn)氣相氧化過(guò)程的迅速均勻引發(fā)。復(fù)合陶瓷的剩留金屬相中添加了合金元素還可改進(jìn)復(fù)合體的性質(zhì)，如強(qiáng)度，在某溫度下強(qiáng)度保持性，以及最高使用溫度。在某些情況，也有可能用高熔點(diǎn)的金屬，如Fe，Ni，Cu或Si完全代替低熔點(diǎn)的母體金屬鋁。
根據(jù)所需要的粒度和多晶材料的組成，可用沖擊磨、輥磨、紋磨、碾磨或其它常規(guī)方法，將作為最后復(fù)合產(chǎn)品的填料源使用的浮渣粉碎成所需要的尺寸。粉碎后的浮渣經(jīng)篩選后回收，用作填料。可能希望，先用腭式破碎機(jī)或錘磨機(jī)將浮渣破碎成的1/4～1/2英寸碎塊，再用沖擊磨加工成50目或更細(xì)的顆粒。一般用篩分法得到所需粒度的部分。根據(jù)要生產(chǎn)的復(fù)合陶瓷及其用途，適用的填料的粒度可在100～500目或更細(xì)。
如上所述，浮渣中可含金屬部分，如，沒(méi)有氧化的形成浮渣的金屬。金屬的量可在很寬范圍內(nèi)變化，一般在30～60%(重量)之間，或更高。這依賴于金屬撇分的效果。有時(shí)也希望，在浮渣當(dāng)填料使用之前，至少將浮渣中的部分金屬?gòu)奶沾少|(zhì)中分離出去。浮渣經(jīng)粉碎后，這種分離操作可很方便地進(jìn)行。浮渣中的陶瓷質(zhì)比金屬更容易破碎，因此，在很多情況下，能夠通過(guò)粉碎過(guò)篩部分分離這兩種成份。含陶瓷質(zhì)的量比原來(lái)大的已經(jīng)粉碎的部分可再經(jīng)一或幾步化學(xué)處理，以除去金屬。例如，粉碎后的材料可先經(jīng)酸浸取，以除去某些金屬，如鋁;洗滌后再經(jīng)堿浸取以除去另外的金屬，如硅;洗滌后得到相對(duì)來(lái)講不含金屬的浮渣。
還有，在浮渣填料中的任何未氧化的金屬都是細(xì)顆粒形，如果形成浮渣的金屬與母體金屬相同，或者對(duì)氧化劑的親合性更高，也就是沒(méi)有母體金屬惰性高，經(jīng)氧化反應(yīng)這樣的金屬會(huì)在復(fù)合陶瓷質(zhì)中留下與金屬顆粒大小相一致的空洞。依據(jù)復(fù)合陶瓷的性能和用途，這樣貫穿分布在陶瓷質(zhì)中的空洞可能是所希望的，也可能是不希望的。如果為了增加復(fù)合陶瓷的隔熱性能，希望最后產(chǎn)品中有較大體積比的空洞，那么大量使用含未氧化母體金屬的填料會(huì)更有利。只要通過(guò)形成(1)含有顆粒金屬，或含有(2)相對(duì)純的(除去金屬的)填料或其它填料的一層填料床，就能將內(nèi)部空洞限制在部分復(fù)合陶瓷體內(nèi)。
依賴于浮渣的具體金屬合金前身，浮渣成份是可變的。為在復(fù)合陶瓷中使用浮渣為填料，希望控制它的成份。為使其成份均勻，將浮渣粉碎后，可在細(xì)顆粒狀態(tài)進(jìn)行混配。然后進(jìn)行化學(xué)分析，如需要，按組成目標(biāo)，添加已知成份的其它粉末或液體進(jìn)行成份調(diào)整。成份已知并經(jīng)調(diào)整的浮渣可和其它填料混合，形成可滲透予成形體，其它填料的實(shí)例有，顆粒，纖維片，棒，細(xì)絲，球，泡;金屬毛、線、團(tuán)、塊、網(wǎng)、碎塊、管;耐火纖維、片、粉、空心體等，及類似物。需要時(shí)，可將滲透性填料體成形。
根據(jù)本發(fā)明，可觀察到，形成浮渣的氧化劑與生產(chǎn)最終復(fù)合陶瓷的氧化劑可相同，也可不同。按希望，這樣才能采用具有上述列舉好處的填料，但氧化反應(yīng)產(chǎn)物在化學(xué)組成上是不同的。例如，具體應(yīng)用這點(diǎn)，可以制備氧化鋁浮渣填料，用鋁母體金屬的氮化反應(yīng)產(chǎn)物滲透該填料體形成復(fù)合陶瓷產(chǎn)品，得到填充了氧化鋁的氮化鋁質(zhì)復(fù)合陶瓷，如例中所詳述。
雖然在敘述本發(fā)明中特別強(qiáng)調(diào)了鋁或鋁合金作為母體金屬，氧化鋁為實(shí)際上的氧化產(chǎn)物的體系，但是這只是舉例說(shuō)明的目的，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明也能在其它體系應(yīng)用，此處所說(shuō)的系統(tǒng)，如，錫、硅、鈦、鋯等為母體金屬，母體金屬的氧化物，氮化物，硼化物，碳化物等為氧化反應(yīng)產(chǎn)物的體系。
更詳細(xì)地說(shuō)，為使氧化反應(yīng)產(chǎn)物會(huì)朝著填料的方向生長(zhǎng)，而且會(huì)順序滲透到填料或部分填料中并且會(huì)包嵌填料，母體金屬和含金屬浮渣的可滲透填料團(tuán)要相互毗鄰就位并且定好相互之間的取向。簡(jiǎn)單地將母體金屬體放入顆粒填料床中，或者將一個(gè)或多個(gè)母體金屬體放在填料床或填料組合中、上、或與之相鄰的位置，就能完成母體金屬和填料之間的位置和方向上的安排。填料組合的安排要使氧化反應(yīng)產(chǎn)物按生長(zhǎng)的方向正好滲透至少部分填料。舉例來(lái)說(shuō)，其中的填料可含有添加的粉末，或其它顆粒，團(tuán)，耐熱纖維、管、細(xì)絲、球片等，或其組合，另外，適用的填料實(shí)例可包括金屬氧化物、氮化物、碳化物、和氧化鋁、氧化鎂、氧化鉿、氧化鋁、碳化硅、氮化硅、氮化鋯、氮化鈦等，如前文未決專利申請(qǐng)所述。
將放在適當(dāng)耐火容器中的組合母體金屬和填料放入有氧化劑，如氧化氣氛的爐中。將這套加熱到低于氧化反應(yīng)產(chǎn)物熔點(diǎn)高于母體金屬熔點(diǎn)的溫度，例如，用空氣氧化鋁的情況，溫度一般為850℃～1450℃，最好900～1350℃。在此操作溫度范圍，形成熔融金屬池(或體)，與氧化劑接觸熔融金屬會(huì)反應(yīng)形成一層氧化產(chǎn)物。繼續(xù)暴露于氧化環(huán)境，熔融金屬在朝氧化劑的方向被不斷吸入并通過(guò)已形成的氧化反應(yīng)產(chǎn)物，并朝向且進(jìn)入毗鄰的填料團(tuán)。與氧化劑接觸，熔融金屬會(huì)反應(yīng)形成新的氧化產(chǎn)物，而且繼續(xù)在填料團(tuán)中形成，這樣，逐漸形成加厚的氧化產(chǎn)物，同時(shí)選擇性地余留下通過(guò)多晶氧化反應(yīng)產(chǎn)物材料分散的金屬成份。反應(yīng)過(guò)程一直進(jìn)行，直到足以使氧化產(chǎn)物至少滲透部分填料床，或者滲透到所希望的予加工體的邊界，這就制成復(fù)合陶瓷。應(yīng)注意到，本發(fā)明的方法中，雖然浮渣保持了一定量的未反應(yīng)的鋁，但形成陶瓷基質(zhì)的反應(yīng)主要在從母體金屬滲透來(lái)的金屬和提供的氧化劑之間發(fā)生。得到的多晶復(fù)合基質(zhì)材料表現(xiàn)出由部分或幾乎全部金屬相置換形成多孔性，但空洞的體積比主要依賴于下述條件，如溫度、時(shí)間、母體金屬的型式，摻雜劑濃度。在這樣的多晶陶瓷結(jié)構(gòu)中，氧化反應(yīng)產(chǎn)物晶體一般在一維以上的方向交聯(lián)，最好三維交聯(lián)，而金屬可能至少部分地相互交聯(lián)。
如前文，可使用固、液或氣體氧化劑，也可使用它們的組合。例如，典型的氣體氧化劑有氧、氮?dú)狻⒇端?、硫、磷、砷、碳、硼、硒、?化合物及其組合的例子有，硅石(氧源)，甲烷、氧氣、乙烷、丙烷、乙炔、乙烯、丙烯(烴為碳源);混合物的例子有空氣，H2/H2O，CO/CO2，最后一種對(duì)減少環(huán)境中氧的活性很有用。雖然可采用任何適當(dāng)?shù)难趸瘎?，下述本發(fā)明的具體實(shí)例使用了蒸氣相氧化劑。如果使用氣體或蒸氣氧化劑，也就是氣相氧化劑，氣相氧化劑要能透過(guò)填料，這樣，當(dāng)填料床暴露于氧化劑時(shí)，氣相氧化劑透過(guò)填料床與其中的熔融母體接觸。名詞“蒸氣相氧化劑”是指蒸發(fā)成氣體或原來(lái)就是氣體的氧化性物質(zhì)，它提供了氧化氣氛。例如，氧氣或包括空氣在內(nèi)的含氧氣態(tài)混合物都是可取氣相氧化劑;當(dāng)鋁為母體金屬時(shí)，由于經(jīng)濟(jì)的原因，空氣是較好的氧化劑。當(dāng)用含有某種具體的氣體或蒸汽來(lái)區(qū)分氧化劑時(shí)，其意義是，在所使用的氧化環(huán)境條件下，氧化劑中用來(lái)標(biāo)識(shí)的氣體或蒸氣是母體金屬唯一的，起主要作用的或者至少是起重大作用氧化劑。例如，雖然空氣的主要成份是氮?dú)猓捎谘醯难趸员鹊獜?qiáng)得多，所以對(duì)母體金屬空氣中的氧是唯一的氧化劑。因此，稱空氣含氧氧化劑，而不叫含氮氧化劑。本文中使用的含氮氧化劑的例子是“合成氣體”，它一般含有的96%(體積)的氮?dú)夂图s4%的氫氣。
當(dāng)使用固體氧化劑時(shí)，或以顆粒的形式與填料混合，或以填料顆粒的涂層的形式將其分散于整個(gè)填料床或與母體金屬相鄰的部分填料床。任何適當(dāng)?shù)墓腆w氧化劑都可采用，可是單質(zhì)，如硼，碳，也可是可被還原的化合物，如二氧化硅，還可是比硼化母體金屬產(chǎn)物熱力學(xué)穩(wěn)定性低的某種硼化物。例如，當(dāng)用硼或可還原的硼化物為母體金屬鋁的固體氧化劑時(shí)，得到的氧化反應(yīng)產(chǎn)物是硼化鋁。
在某些情況下，用固體氧化劑使氧化反應(yīng)進(jìn)行得如此之快，由于放熱而致使氧化產(chǎn)物熔化。這種現(xiàn)象出現(xiàn)會(huì)降低陶瓷體微結(jié)構(gòu)的均勻性。通過(guò)將較惰性的浮渣混入作為填料的混合物，降低了填料的反應(yīng)活性，這就可避免上述快速放熱反應(yīng)。這樣的填料吸收反應(yīng)熱，減少了熱失控的后果。還可將其它惰性填料，與粉碎的浮渣填料結(jié)合使用以進(jìn)一步改進(jìn)復(fù)合物的性能和/或緩和放熱反應(yīng)過(guò)程。
如用液體氧化劑，將全部填料或與熔融母體金屬毗鄰的部分填料浸到氧化劑中，使填料浸漬或涂敷氧化劑。稱為液體氧化劑的意義是指在氧化反應(yīng)的條件下為液體的氧化劑，當(dāng)然其前身可能是固體，如在氧化反應(yīng)條件下熔化的鹽類。相應(yīng)地，液體氧化劑的前身也可是液體，如某種物質(zhì)的溶液，用它使全部或部分填料浸漬或涂敷，而在氧化反應(yīng)條件下它可熔化或分解，提供起氧化作用的部分。此處限定的液體氧化劑包括低熔點(diǎn)的玻璃。
實(shí)施本發(fā)明的具體方法中還涉及到將填料制成具有相應(yīng)于最后的復(fù)合陶瓷產(chǎn)品的幾何形狀的予加工品。可用任何常規(guī)的形成陶瓷體的技術(shù)(如單向擠壓、漿澆鑄，沉積澆鑄、tape澆鑄、注模、纖維狀材料的纏繞法等)制備予加工體。(但其方法主要取決于填料的特性)。氧化反應(yīng)產(chǎn)物滲透以前，可用輕燒結(jié)，也可用多種有機(jī)或無(wú)機(jī)粘結(jié)材料使顆粒初步聯(lián)結(jié)，但所用的粘結(jié)材料不要影響反應(yīng)，不要給最終產(chǎn)物帶來(lái)不希望的付產(chǎn)物。予加工體應(yīng)做得有足夠的形狀完整性和坯強(qiáng)度，對(duì)氧化反應(yīng)產(chǎn)物的輸送應(yīng)具有通透性，可具有5～90%(體積)的空隙度，最好有25～50%。還可使用多種填充材料和多種粒度的混合物。然后，再使予加工體的一個(gè)或幾個(gè)表面與熔融體接觸足夠的時(shí)間，完成生長(zhǎng)和滲透到予加工體的邊界面的過(guò)程。
如未決美國(guó)專利申請(qǐng)861024中所述，阻擋層可與填料或予加工體一起結(jié)合使用，以防止氧化反應(yīng)產(chǎn)物長(zhǎng)過(guò)或延伸到阻擋以外。只要能夠在確定區(qū)域使氧化反應(yīng)產(chǎn)物繼續(xù)生長(zhǎng)停止，受到抑制、毒化，受到破壞，得到防止等，可采用任何適當(dāng)?shù)淖钃醪牧?，如化合物、單質(zhì)、組合物等，但在本發(fā)明的反應(yīng)條件下，它應(yīng)能保持完整性，不揮發(fā)，而且最好能使氣相氧化劑透過(guò)。對(duì)母體金屬鋁，合適的阻擋材料有硫酸鈣(石膏)，硅酸鈣，卜特蘭水泥，及其組合，通常將其漿或膏涂敷在填料表面。為了增加阻擋層的孔隙度和氧化劑通透性，這些阻擋材料還可含有適當(dāng)?shù)募訜釙r(shí)能除去的可燃或揮發(fā)性材料，或加熱時(shí)可分解的材料。另外，阻擋層施還可含有適當(dāng)?shù)哪突痤w粒，用來(lái)減少在反應(yīng)過(guò)程中出現(xiàn)收縮和破裂的可能性。與填料床或予加工體具有相同得熱脹系數(shù)的顆粒特別適用。例如，若加工體含氧化鋁而最后產(chǎn)物陶瓷也含氧化鋁，可將氧化鋁顆粒摻入阻擋材料，其粒度最好在20-1000目之間，但也可更細(xì)。
由于使用了予加工體，特別是與阻擋層結(jié)合，結(jié)果得到所希望的不同準(zhǔn)確形狀最后產(chǎn)品，這樣減少或省掉了耗資的后加工或研磨處理。
本發(fā)明的另一個(gè)具體問(wèn)題，如同屬專利申請(qǐng)所述，與母體金屬結(jié)合添加摻雜劑能有利地影響氧化反應(yīng)過(guò)程。摻雜劑的功能依賴于除摻雜劑本身以外的多種因素，如具體的母體金屬，所希望的最終產(chǎn)品，在使用兩種以上的摻雜劑時(shí)的具體組合情況，與合金摻雜劑結(jié)合使外加摻雜劑，摻雜的濃度，氧化環(huán)境，及工藝條件。
與母體金屬結(jié)合使用的摻雜劑可(1)以母體金屬的合金成份提供，(2)施加到母體金屬的至少部分表面，(3)施加到填料床或予加工體，或其一部分，如施加到予加工體的支承區(qū)，或者(1)(2)(3)中各項(xiàng)的任何組合。例如，合金摻雜可與外部施加摻雜劑結(jié)合使用。在上述第(3)項(xiàng)中，當(dāng)將摻雜劑施加到填料床或予加工體時(shí)，可用任何適用的方法施加，例如，以涂敷或顆粒的方式將摻雜劑分散到全部或部分予加工體材料，最好還至少包括與母體金屬毗鄰的予加工部分。也可通過(guò)向予加工體或在其內(nèi)施加一層一或多種摻雜材料，包括施加到其內(nèi)部提供通透性的開(kāi)口、縫隙、通道、間隔空間等，以完成任何摻雜劑向予加工體施加的工作。施加任何摻雜劑的簡(jiǎn)便方法是將整個(gè)填料床浸泡在液體摻雜材料中(如溶液)。如上所述，摻雜劑可加在產(chǎn)生最后的復(fù)合陶瓷所使用的填料中。但是，也可將剛性摻雜劑體置于至少部分母體金屬和予加工體表面之間與之接觸，以提供摻雜源。例如，可將一含硅玻璃片(對(duì)鋁母體金屬氧化是有用的摻雜劑)置于母體金屬的一個(gè)表面上。當(dāng)蓋上了含硅材料的母體金屬鋁(可能已用鎂內(nèi)摻雜)在氧化環(huán)境熔化時(shí)，(如鋁在空氣中，溫度為85～1450℃，最好為900～1350℃)，多晶陶瓷質(zhì)長(zhǎng)入可透性予加工體。在將摻雜劑外施加到至少部分母體金屬表面的情況，在滲透性予加工體內(nèi)多晶氧化物結(jié)構(gòu)實(shí)際上生長(zhǎng)到摻雜層之外。(即長(zhǎng)到施加的摻雜層的深度之外)?？傊蓪⒁换蚨喾N摻雜劑外施加到母體金屬表面和/或予加工體上。另外，向予加工體施加摻雜劑可加強(qiáng)在母體金屬內(nèi)的摻雜劑和/或外施加到母體金屬的摻雜劑的作用。這樣，合金在母體金屬內(nèi)的和/或外施加到母體金屬的任何摻雜劑，只要濃度不足，都可用在予加工體施加相應(yīng)的摻雜劑，增加濃度;也可反過(guò)來(lái)應(yīng)用。
對(duì)鋁為母體金屬，特別是空氣為氧化劑，有用的摻雜劑實(shí)例有金屬鎂或鋅，及它們的組合，或它們與下述其它摻雜劑的組合。這些金屬或其適當(dāng)?shù)膩?lái)源可按每種濃度在0.1～10%(重量)的量做成鋁基合金。在此濃度范圍表現(xiàn)出引發(fā)陶瓷生長(zhǎng)，增強(qiáng)金屬遷移，及有利地影響氧化反應(yīng)產(chǎn)物生長(zhǎng)形態(tài)的作用。任何一種摻雜劑的濃度范圍都受到如摻雜劑的組合情況，反應(yīng)溫度等因素的影響。
對(duì)鋁基體金屬，空氣或氧氣為氧化劑(的體系)能有效地促進(jìn)多晶氧化反應(yīng)產(chǎn)物生長(zhǎng)的其它摻雜劑的實(shí)例還有硅、鍺、錫和鉛，特別是與鎂或鋅組合使用。一種或幾種這些摻雜劑或其適當(dāng)?shù)脑丛诤辖鸬戒X母體金屬系中時(shí)，其每種的濃度約為0.5～15%(重量);但是，當(dāng)摻雜劑的濃度為1～10%(重量)時(shí)，能得到更為理想的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)和形態(tài)學(xué)效果。為解決鉛在鋁中溶解度低的矛盾，一般至少要在1000℃將鉛合金摻雜到鋁基母體金屬中;但當(dāng)添加其它合金組分時(shí)，如錫，一般會(huì)增加鉛的溶解度，允許在較低溫度加入合金材料。
如上所述，根據(jù)情況可使用一或多種摻雜劑。例如，當(dāng)鋁為母體金屬、空氣為氧化劑時(shí)，特別適用的摻雜劑組合有(a)鎂和硅，(b)鎂、鋅和硅。在此實(shí)例中，比較理想的鎂的濃度在0.1～3%(重量)范圍內(nèi)，鋅在1～6%之內(nèi)，硅在1～10%之內(nèi)。
對(duì)鋁母體金屬，有效的其它摻雜劑的例子還有鈉、鋰、鈣、硼、磷和釔，依賴于氧化劑和工藝條件它們可單獨(dú)使用，也可和其它一種或幾種摻雜劑組合使用。
鈉和鋰的用量非常小，可在百萬(wàn)分之多少的范圍，一般約為百萬(wàn)分之100～200，每種都可單獨(dú)或一起使用，也可與其它摻雜劑組合使用。稀土元素如鈰、鑭、鐠、釹和釤也是有效的摻雜劑，特別是在與其它摻雜劑組合使用的情況下。
如上文指出的，沒(méi)有必要把任何一種摻雜劑都以合金形式加入母體金屬中。例如，選擇性地將薄層形的一或幾種摻雜材料施加到母體金屬的全部或部分表面，也能夠從母體金屬表面或部分表面使陶瓷生長(zhǎng)，并使多晶陶瓷質(zhì)自己在限定的區(qū)域長(zhǎng)入予加工體。這樣，可通過(guò)限定母體金屬表面摻雜材料的位置來(lái)控制多晶陶瓷質(zhì)的生長(zhǎng)。所施加的摻雜劑涂層或薄層比母體金屬體薄，而且向滲透性予加工體生長(zhǎng)或形成的氧化反應(yīng)產(chǎn)物遠(yuǎn)遠(yuǎn)延展到摻雜層之外，即超過(guò)施加的摻雜層的厚度。這樣的一層摻雜材料，可用涂布、浸蘸、絲網(wǎng)、蒸發(fā)法，或者施加液體或漿膏形式的摻雜劑的其它方法，也可用淺射法或簡(jiǎn)單地沉積一層固體顆粒摻雜劑或摻雜劑薄膜的方法，將其施加到母體金屬表面。所說(shuō)的摻雜材料可以含有，但非必需含有有機(jī)或無(wú)機(jī)粘合劑，載劑，溶劑和/或稠化劑。更為可取的是，將摻雜劑以粉末的形式施加到母體金屬表面，或者至少分散于部分填料。將摻雜劑施加到母體金屬的一個(gè)特別好的方法是將摻雜劑材料在水/有機(jī)粘合混合物中的懸浮液噴涂到母體金屬表面，得到粘結(jié)涂層，使反應(yīng)前的母體金屬的摻雜處理簡(jiǎn)化。
當(dāng)外用時(shí)，一般以均勻涂層的方式將摻雜材料涂在母體金屬的部分表面。相對(duì)于要摻雜的母體金屬的量，摻雜劑的量在很寬的范圍內(nèi)都起作用，對(duì)于鋁，實(shí)驗(yàn)沒(méi)能確定其上下限。例如，對(duì)使用空氣或氧氣為氧化劑的鋁基母體金屬，用二氧化硅形式的硅摻雜劑外摻雜時(shí)，與含有鎂或鋅源的第1摻雜劑使用，低到0.00003克硅/每1克鋁或約0.0001克硅/每cm母體金屬暴露表面，就能造成多晶陶瓷的生長(zhǎng)。還發(fā)現(xiàn)，用MgO為摻雜劑，其量大于約0.0008克Mg/每克要氧化的母體金屬，或大于0.003gMg/每cm施加了MgO的母體金屬表面，就能從使用空氣或氧氣為氧化劑的鋁基母體金屬得到陶瓷結(jié)構(gòu)。正極摻雜材料的量會(huì)使生產(chǎn)復(fù)合陶瓷所必需的反應(yīng)時(shí)間縮短一定的程度，但是這也依賴摻雜劑的類型，母體金屬及反應(yīng)條件等因素。
當(dāng)母體金屬為內(nèi)摻雜了鎂的鋁，且空氣或氧為氧化介質(zhì)時(shí)，可觀察到，在約820～950℃，合金中至少部分鎂被氧化掉。在這種摻雜鎂的體系的實(shí)例中，在熔融鋁合金表面鎂形成氧化鎂和/或鎂鋁尖晶石相，而且在生長(zhǎng)過(guò)程中，這些鎂的化合物主要保留在生產(chǎn)的陶瓷結(jié)構(gòu)中的母體金屬的初始氧化物表面。就是，在這類鎂摻雜體系中，離開(kāi)初始表面的鎂鋁尖晶石薄層產(chǎn)生氧化鋁基結(jié)構(gòu)。需要時(shí)，用研磨、機(jī)加工、拋光或砂打很容易除去此初始表面。
還發(fā)現(xiàn)，生長(zhǎng)的氧化反應(yīng)產(chǎn)物和氣相氧化劑，很容易透過(guò)鋁浮渣床或予加工體，很適于用上述方法形成復(fù)合陶瓷制品。浮渣的主要惰性成份，如氧化鋁，是加到所說(shuō)的制品中的理想填充材料。雖然前文說(shuō)過(guò)，但對(duì)原來(lái)存在于浮渣中的未反應(yīng)金屬不必介意，因本發(fā)明的陶瓷基質(zhì)的形成主要涉及氣相氧化劑與母體金屬的反應(yīng)。
金屬浮渣作為填料的好處在于，至少在很多情況下，它含有能起到摻雜劑的作用的物質(zhì)和能配和形成陶瓷一金屬?gòu)?fù)合制品中的金屬成份的物質(zhì)。在需要的情況下，使用浮渣中的成份為摻雜劑省掉用合金法在母體金屬中摻雜或用其它方法摻雜的步驟。還有，浮渣中未反應(yīng)的金屬給最后產(chǎn)品提供了一或多種可能是所希望的特性，如破裂強(qiáng)度，韌性，導(dǎo)熱性，導(dǎo)電性等。所用的浮渣可按照它的成份選擇，這也就是按照它的提高母體金屬的質(zhì)量能力，影響最終產(chǎn)品的性質(zhì)和成本的能力選擇。
另一優(yōu)越性是浮渣所固有的能被母體金屬和氧化反應(yīng)所浸潤(rùn)的性質(zhì)。填料的浸潤(rùn)性對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物滲入填料和形成緊湊連貫的復(fù)合陶瓷是要條件。在使用鋁的工藝條件下，浮渣常常存在的成份，如MgO和堿金屬氧化物，是強(qiáng)潤(rùn)濕劑。
實(shí)例將作為母體金屬的鋁塊埋在經(jīng)粉碎的從鋁熔體得到浮渣床中;經(jīng)在N氣氛中加熱并保持1550℃進(jìn)行氧化反應(yīng)消耗掉全部鋁塊，留下與鋁塊的形狀基本相應(yīng)的空洞。其中的浮渣粉碎到小于65目(泰勒標(biāo)準(zhǔn))的粒度。填料床已被N和鋁的反應(yīng)產(chǎn)物滲透，X-射線衍射分析證明得到的復(fù)合陶瓷體中有氮化鋁和鋁尖晶石。
使用兩種粉碎到小于65目(泰勒)的浮渣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其一是經(jīng)常規(guī)氯化步驟純化的99.7%的純鋁熔體浮渣，另一種是Al和5%的Mg的合金的浮渣。在每個(gè)實(shí)驗(yàn)中都以鋁作母體金屬，N2氣氛為氧化劑。對(duì)從純鋁得到的浮渣復(fù)合結(jié)構(gòu)中滲入浮渣的體積比用從含5%Mg的合金得到的浮渣更大。
在前一試驗(yàn)中，埋入的鋁錠6.8mm×8mm×21mm，坩鍋中間內(nèi)徑30mm，坩鍋填料體是從99.7%純鋁中得到的浮渣，在溫度為1550℃氮化8小時(shí)，氮?dú)饬魉?00cm/分。氮?dú)庖呀?jīng)干燥并已除氧。冷卻時(shí)看到浮渣床中心有一空洞，填料床已被氧化反應(yīng)產(chǎn)物滲透，形成本發(fā)明的復(fù)合結(jié)構(gòu)。X-射線衍射證明其中有氮化鋁存在。
在后一試驗(yàn)中，使用了同樣浮渣和氮?dú)饬魉伲X塊直徑10mm，高24mm，埋在坩鍋內(nèi)的浮渣中，氮化按下述加熱時(shí)間進(jìn)行700℃1小時(shí)，1100℃1小時(shí)，1500℃7小時(shí)，其結(jié)果與前一試驗(yàn)相同。
應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明并非限制在前文具體所述的特征和實(shí)例之中，而可在不脫離本發(fā)明的構(gòu)思的情況下按其它方式實(shí)施。
權(quán)利要求
1.為商業(yè)目的，生產(chǎn)含有(A)通過(guò)母體金屬氧化形成多晶材料而得到的陶瓷基質(zhì)，(其中所說(shuō)的多晶材料主要由母體金屬和一或幾種氧化劑的氧化反應(yīng)產(chǎn)物(a)和選擇性存在的一或幾種金屬成份(b)組成)，和(B)被所說(shuō)的陶瓷基質(zhì)包嵌的一或幾種填料的自身維持陶瓷或復(fù)合陶瓷結(jié)構(gòu)體的方法，該方法包括步驟(1)，將母體金屬和可滲透性填料團(tuán)相對(duì)互相定位，使所說(shuō)的氧化反應(yīng)產(chǎn)物的形成會(huì)在朝著且進(jìn)入填料團(tuán)的方向上發(fā)生，步驟(2)，將母體金屬加熱到高于其熔點(diǎn)、低于氧化反應(yīng)產(chǎn)物的熔點(diǎn)形成熔融母體金屬，并且使熔融母體金屬在該溫度與一或多種氧化劑反應(yīng)形成所說(shuō)的氧化反應(yīng)產(chǎn)物，同時(shí)在該溫度至少保持部分氧化反應(yīng)產(chǎn)物在熔融金屬母體和氧化劑之間與之接觸并延伸，使熔融金屬通過(guò)氧化反應(yīng)產(chǎn)物吸向一或幾種氧化劑，而且吸向并進(jìn)入毗鄰的填料團(tuán)，由此造成，在填料內(nèi)一或幾種氧化劑和已經(jīng)形成的氧化產(chǎn)物之間的界面上繼續(xù)形成氧化反應(yīng)產(chǎn)物，這樣的反應(yīng)進(jìn)行的時(shí)間應(yīng)足以使所說(shuō)的多晶物質(zhì)至少滲透部分填料，其方法的改進(jìn)在于，提供從加工熔融金屬時(shí)得到的浮渣，粉碎所說(shuō)的浮渣，將浮渣做成可滲透的填料團(tuán)供上述步驟(1)使用。
2.權(quán)利要求
1所述的方法，其中的浮渣是從下述能形成浮渣的金屬中得到的，鋁，鈦，鋅，鎂或銅，或者它們的合金。
3.權(quán)利要求
1或2所述的方法，其中的浮渣是用空氣氧化所說(shuō)的金屬和合金得到的。
4.權(quán)利要求
1或2所述的方法，其中的浮渣是通過(guò)形成浮渣的金屬與氮化氣體接觸而得到。
5.權(quán)利要求
1所述的方法，其中的滲透性填料團(tuán)是含有金屬浮渣的予加工體。
6.權(quán)利要求
1、2、3、4或5所述的方法，其中的滲透性填料團(tuán)為含有浮渣和一種或幾種其它填料的混合物。
7.權(quán)利要求
6所述的方法，其中所說(shuō)的其它填料選自顆粒，毛絲、板片、球、泡;金屬毛、線、團(tuán)、塊、網(wǎng)、碎塊、管，耐火線織物、纖維小管、粉末、薄片、中空管和其組合。
8.權(quán)利要求
1所述的方法，其中母體金屬是鋁。
9.權(quán)利要求
8所述的方法，其中的氧化劑是氮化氣氛，氧化反應(yīng)產(chǎn)物是氮化鋁。
10.權(quán)利要求
8所述的方法，其中的氧化劑是含氧氣體，氧化反應(yīng)產(chǎn)物是氧化鋁。
11.權(quán)利要求
1、8、9或10所述的方法，其中的浮渣含有鎂、硅、鐵或鎳，或其組合。
12.權(quán)利要求
1、2、8、9或10所述的方法，其中使用了摻雜劑。
13.權(quán)利要求
12所述的方法，其中的浮渣中含有摻雜材料。
14.權(quán)利要求
5所述的方法，其中的滲透性予加工體中包括能限定其所需要的端面的阻擋層。
15.權(quán)利要求
1或2所述的方法，其中的氧化劑選自含氧氣體，含氮?dú)怏w，囟素、硫、磷、砷、碳、硼、硒、碲、H2/H2O混合物、甲烷、乙烷、丙烷、乙炔、乙烯、丙烯、二氧化硅，或CO/CO2混合物，或它們的化合物或混合物。
專利摘要
通過(guò)用金屬與氧化劑進(jìn)行氧化反應(yīng)產(chǎn)生的多晶陶瓷基質(zhì)滲入滲透性填料床或滲透性預(yù)加工體生產(chǎn)復(fù)合陶瓷，其中的填料床或預(yù)加工體中含有浮渣。
文檔編號(hào)C22C29/14GK87106231SQ87106231
公開(kāi)日1988年3月30日 申請(qǐng)日期1987年9月10日
發(fā)明者S.K.納德卡尼, 納拉斯姆哈·S·拉格哈溫 申請(qǐng)人:蘭克西敦技術(shù)公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan