專利名稱：用于形成金屬基質(zhì)復(fù)合體的懸浮方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種形成金屬基質(zhì)復(fù)合體的新方法。特別是將填料的可滲透體制成預(yù)型體。隨后，至少在該過程期間的某一時刻將預(yù)型體材料在滲透增強劑和/或滲透增強劑前體和/或滲透氣氛存在下放置在熔融基質(zhì)金屬池內(nèi)或其表面上，于是熔融基質(zhì)金屬便自發(fā)滲透預(yù)型體。在基質(zhì)金屬滲透預(yù)型體期間，預(yù)型體至少部分地沉入基質(zhì)金屬池中，這樣便說明滲透已經(jīng)發(fā)生。
含有金屬基質(zhì)和加強或增強相(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，因為它們具有增強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)出在強度、剛性、接觸耐磨性和高溫強度保持性等性能方面的改進，但是對任何給出的性能可能被改進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)增強的鋁基復(fù)合體是令人感興趣的，因為相對于鋁而言，它們的具有更高的剛性、耐磨性和高溫強度。
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，使粉末狀的金屬和粉末、晶須、切斷的纖維等形式的增強材料混合，然后進行冷壓和燒結(jié)或進行熱壓。已報道出用這種方法生產(chǎn)的碳化硅增強的鋁基復(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，加壓操作還會對可得到的實際尺寸產(chǎn)生限制。在沒有后續(xù)加工(如成形或機械加工)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，由于壓實體中的分凝和晶粒生長會造成顯微結(jié)構(gòu)的非均勻性外，在燒結(jié)期間會發(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具有熔融基質(zhì)金屬(如鋁)的儲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。已報道出在這種復(fù)合體中增強纖維的填充量高達約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/儲池排列和流動通道，以實現(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材料，這是由于滲入一個大板體積中所故有的困難性所致。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的影響。
歐洲專利公報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)以促進潤濕。這一參考文獻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行熱處理，例如在1400～1800℃下進行處理。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94353中還表示了使用潤濕劑來實現(xiàn)用熔融金屬滲透電解池中的氧化鋁組分的方法。該公報敘述了用一個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，為了保護這種基質(zhì)免受熔融冰晶石的作用，在電池啟動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，該參考文獻既沒有建議生產(chǎn)金屬復(fù)合物，也沒有建議，例如在氮氣氣氛中，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)。10～10乇的真空壓強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)真空壓強降低到低于10乇時，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到滲透的方法。該專利敘述了將一個AlB粉末的冷壓塊放在一個冷壓鋁粉床上。然后再將一部分鋁置于AlB粉末壓塊的頂上。將裝有夾在鋁粉層之間的AlB壓塊的坩堝放在一個真空爐中。然后將該爐抽空到約10乇進行脫氣。再將爐溫提高到1100℃并保持3小時。在這些條件下，這種熔融鋁金屬滲透了多孔AlB壓塊。
1968年1年23日授予JohnN.Reding等人的美國專利3，364，976公開了在一個物體內(nèi)產(chǎn)生自生真空以促進熔融金屬向該物體中的滲透的觀點。具體地說，將一物體，例如一個石墨模、一個鋼?；蛞粋€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小孔相接觸，當(dāng)這種模浸在熔體中時，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。首先必須將模具機加工成一個特殊的形狀;然后精加工，在該模上產(chǎn)生一個可行的鑄造表面;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，回收時很可能包括對模具表面進行再次精加工，如果該模不能再繼續(xù)使用的話，就將其放棄。將一個模具機加工成復(fù)雜的形狀是很貴的并且很費時間。另外，從一個復(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會發(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，因為在不使用容器模具時，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，其典型特征是四處分散或浮動)。另外，如果希望滲透顆粒材料或疏松地形成的預(yù)型體時，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)合體所需的最終機械加工量達最小。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)滲透機理滿足了這些希望。其中所說的材料可形成一個預(yù)型體。這種自發(fā)滲透是在常壓，滲透氣氛(如氮氣)存在下進行的，并且在工藝過程中至少在某一處存在滲透增強劑。
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)氮氣的氣體存在下，使一定量的熔融金屬合金與填料體接觸，其中的氣體，除氮氣外，如果有的話為非氧化性氣體，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，降低溫度使該合金固化，因此形成嵌有該增強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)體系因素的一個或多個，可能調(diào)節(jié)這種復(fù)合體的某些性能。但是，對于某些實際應(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力學(xué)和氮化物形成的選擇。
在以MichelK.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”的共同所有美國專利申請系列號為141，624的申請中，敘述了一個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UnionCarbide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行改進，根據(jù)在該美國專利申請中公開的方法，基質(zhì)金屬以一個第一金屬源和一個例如由于重力流動與該第一金屬源相聯(lián)的基質(zhì)金屬合金儲備源形式存在。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)進行時，可以從所說的熔融基質(zhì)金屬儲備源進行補充，這種補充最好通過一個連續(xù)方式進行。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，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備源的使用僅僅是本專利申請中所述的發(fā)明的一個實施方案，并不是在所述的發(fā)明的每個其它實施方案中都必須采用該金屬儲備源，但是將本發(fā)明儲備源用于部分實施方案中還是有利的。
這種金屬儲備源應(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側(cè)面接觸，以限定出一個表面邊界。
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)滲透基本進行到可滲透填料體的邊界(如阻擋元件)，但是所說的儲備源中存在的合金量應(yīng)超過這個這個足夠量，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，所得到的物體將是一個復(fù)雜的復(fù)合體(例如，一個大復(fù)合體)，其中具有金屬基質(zhì)的滲透陶瓷體將會直接粘結(jié)到該儲備中剩余的過量金屬上。
每個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。
通過滲透已經(jīng)形成預(yù)型體的填料的可滲透體來制造金屬基質(zhì)復(fù)合體。具體地說，將基質(zhì)金屬熔化并將其裝在適合的非反應(yīng)性容器(例如，適宜的耐火材料容器)內(nèi)從而形成熔融基質(zhì)金屬池。在第一優(yōu)選實施方案中，在滲透氣氛存在下，將預(yù)型體置于基質(zhì)金屬池的表面上。此外，至少在該過程期間的某一時刻使?jié)B透增強劑前體和/或滲透增強劑和/或滲透氣氛也與預(yù)型體接觸，這樣，當(dāng)預(yù)型體被置于熔融基質(zhì)金屬之中時使熔融基質(zhì)金屬自發(fā)滲透預(yù)型體。由于相對于熔融基質(zhì)金屬而言其本身固有的浮力，預(yù)型體可以漂浮于熔融基質(zhì)金屬的表面上或懸浮于熔融基質(zhì)金屬內(nèi)某處。此外，預(yù)型體可以可拆卸地連接在有助于預(yù)型體漂浮的漂浮裝置之上。在另一個可供選擇的實施方案中，在基質(zhì)金屬被熔化之前可以使預(yù)型體與基質(zhì)金屬接觸，舉例來說，可將預(yù)型體埋入固體基質(zhì)金屬顆粒或碎塊之中，隨后熔化基質(zhì)金屬。
在預(yù)型體的自發(fā)滲透期間，無論該預(yù)型體是否與漂浮裝置連接，均會開始至少部分地沉入熔融基質(zhì)金屬池中，因此表明滲透已經(jīng)發(fā)生。進一步地講，在自發(fā)滲透之前，預(yù)型體在熔融基質(zhì)金屬中可能具有負(fù)浮力，隨后其浮力發(fā)生變化。因此，預(yù)型體可以上升、下降或保持其處在熔融基質(zhì)金屬池中的位置，由此說明滲透已經(jīng)發(fā)生。
應(yīng)該注意的是本申請主要討論鋁基質(zhì)金屬在金屬基質(zhì)復(fù)合體形成期間的某一時刻，在用作滲透氣氛的氮存在下，與用作滲透增強劑前體的鎂相互接觸。因此，這種鋁/鎂/氮的基質(zhì)金屬/滲透增強劑前體/滲透氣氛體系顯示出自發(fā)滲透現(xiàn)象。然而，其它基質(zhì)金屬/滲透增強劑前體/滲透氣氛體系同樣會以與鋁/鎂/氮體系類似的方式發(fā)生變化。舉例來說，在鋁/鍶/氮體系、鋁/鋅/氧體系和鋁/鈣/氮體系中已觀察到類似的自發(fā)滲透現(xiàn)象。因此，雖然本文主要討論鋁/鎂/氮體系，但是應(yīng)該理解其它基質(zhì)金屬/滲透增強劑前體/滲透氣氛體系也會產(chǎn)生類似的現(xiàn)象。
此外，可以直接向預(yù)型體和/或基質(zhì)金屬和/或滲透氣氛中的至少一種提供滲透增強劑而不是提供滲透增強劑。歸根到底，至少在自發(fā)滲透期間，應(yīng)該將滲透增強劑置于至少一部分填料或預(yù)型體之中。
當(dāng)基質(zhì)金屬含有鋁合金時，該鋁合金與含有填料(例如氧化鋁或碳化硅)的預(yù)型體相接觸，該填料此外已經(jīng)與鎂混合或者在進行該方法期間的某一時間與鎂相接觸。此外，在一個優(yōu)選實施方案中，在至少工藝過程的一部分時間內(nèi)，鋁合金和/或預(yù)型體和/或填料處于氮氣氛中?；|(zhì)金屬將自發(fā)地滲透預(yù)型體，自發(fā)滲透與金屬基質(zhì)的形成的程度或速率將隨著給定的工藝條件的不同而變化，這些條件包括，舉例來說，提供于體系(例如，鋁合金和/或預(yù)型體和/或滲透氣氛)的鎂的濃度、預(yù)型體中顆粒的大小和/或組成、滲透氣氛中氮的濃度、滲透時間和/或滲透溫度。所發(fā)生的自發(fā)滲透典型地進行到足以基本上完全埋入預(yù)型體的程度。
再者，一旦滲透基本上完成時，有時可觀察到預(yù)型體至少部分地沉入基質(zhì)金屬合金源中。在優(yōu)選實施方案中，預(yù)型體一開始至少部分地漂浮于熔融基質(zhì)合金的表面上，當(dāng)預(yù)型體基本上全部沉降至大約位于或低于基質(zhì)金屬合金的表面之時，便表明滲透已經(jīng)基本上完成。
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氣體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、運動等，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動的熔融基質(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動。這種阻擋元件減少了可能需要的任何最終機械加工或研磨加工，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，并且可以是密實也可以是多孔的?！疤盍稀边€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/或滲透增強劑前體和/或滲透增強劑相互作用并且使或促進所用的基質(zhì)金屬發(fā)生自發(fā)滲透的氣氛。
在此所用的“滲透增強劑”是指一種能促進或有助于一種基質(zhì)金屬自發(fā)滲透到一種填料或預(yù)型體中的材料。滲透增強劑可以由下述方法形成，例如一種滲透增強劑前體與滲透氣氛反應(yīng)形成(1)一種氣體物質(zhì)和/或(2)該滲透增強劑前體和滲透氣氛的反應(yīng)物和/或(3)該滲透增強劑前體和填料或預(yù)型體的反應(yīng)物。另外，這種滲透增強劑可能直接向預(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，對于滲透增強劑前體來說似乎必要的是使該滲透增強劑前體能夠被定位于或可移動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/滲透增強劑前體/滲透氣氛體系中，對于滲透增強劑前體來說，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)滲透增強劑;和/或(3)滲透增強劑前體與填料或預(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)滲透增強劑。
此處所用的“基質(zhì)金屬”或“基質(zhì)金屬合金”是指用于形成金屬基質(zhì)復(fù)合體(例如，于滲透之前)的金屬和/或用于與填料互相混合從而形成金屬基質(zhì)復(fù)合體(例如，于滲透之后)的金屬。當(dāng)指定某一特定金屬為基質(zhì)金屬時，應(yīng)該理解為該基質(zhì)金屬包括基本上純的金屬、其中含有雜質(zhì)和/或合金成分的市售金屬、其中該金屬為主要成分的金屬互化物或合金。
本文所述的“基質(zhì)金屬/滲透增強劑前體/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、滲透增強劑前體和滲透氣氛之間何時出現(xiàn)“/”，“/”均被用于表示當(dāng)以某一特定方式組合而成之時便能夠自發(fā)滲透進入預(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填料(或預(yù)形體)和/或熔融基質(zhì)金屬并且不與基質(zhì)金屬和/或滲透氣氛和/或滲透增強劑前體和/或填充物或預(yù)形體以可能嚴(yán)重妨礙自發(fā)滲透機理的方式而發(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度從而達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)型體可以單獨地存在或以集合體的形式存在。
本文所述的“儲備源”是指一個基質(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，它可以流動以便補充與填料或預(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先進行提供隨后進行補充。
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1所示為用于制造本發(fā)明預(yù)型體的可重復(fù)使用模具的截面圖;
圖2所示為用于本發(fā)明的預(yù)型體;
圖3所示為懸浮于熔融基質(zhì)金屬池中的本發(fā)明預(yù)型體;
圖4所示為懸浮于熔融基質(zhì)金屬池中的金屬基質(zhì)復(fù)合體;
圖5所示為本發(fā)明另一實施方案中的自耗模具和預(yù)型體;
圖6所示為在實施例1的用于容納基質(zhì)金屬的非反應(yīng)性容器中被基質(zhì)金屬鑄塊包圍的自耗模具;
圖7所示為用于按照實施例2通過將物體懸浮于熔融基質(zhì)金屬而進行自發(fā)滲透的組合體和裝置的截面圖;
圖8所示為用于按照實施例3通過將物體懸浮于熔融基質(zhì)金屬而進行自發(fā)滲透的組合體和裝置的截面圖。
本發(fā)明涉及通過將漂浮著的預(yù)型體置于靠近或處于熔融基質(zhì)金屬池表面或者將其置于熔融基質(zhì)金屬池內(nèi)某處并且用熔融基質(zhì)金屬自發(fā)滲透預(yù)型體直至所需程度為止從而制備金屬基質(zhì)復(fù)合體的方法。為了實現(xiàn)基質(zhì)金屬進入預(yù)型體的自發(fā)滲透，應(yīng)該向自發(fā)體系提供滲透增強劑。滲透增強劑可以由提供于(1)基質(zhì)金屬之中;和/或(2)預(yù)型體之中;和/或(3)由滲透氣氛提供和/或(4)由外部來源供給自發(fā)體系的滲透增強劑前體形成。此外，可以直接向預(yù)型體、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劑而不是提供滲透增強劑前體。歸根結(jié)底，至少在自發(fā)滲透期間，滲透增強劑應(yīng)該位于至少一部分填料或預(yù)型體內(nèi)。
根據(jù)本發(fā)明，采用圖1所示模具通過適當(dāng)?shù)啬Ｖ铺盍峡梢灾谱黝A(yù)型體。舉例來說，填料可以含有諸如碳化硅之類陶瓷材料的混合物(或下文詳述的其它適宜的填料)。填料可以與金屬基質(zhì)復(fù)合體成品所需特性相符的用量充填到模具(2)的腔體(1)中。隨后，最好將填料轉(zhuǎn)化為預(yù)型體(例如，在加工條件下能夠保持形狀完整性與生坯強度的硬化體)。預(yù)型體可以含有諸如鎂之類的在加工期間可被轉(zhuǎn)化為滲透增強劑的滲透增強劑前體。另外，滲透增強劑可以在浸沒于熔融基質(zhì)金屬之前在預(yù)型體之中形成。舉例來說，作為滲透增強劑前體的鎂在氮存在下可被轉(zhuǎn)化為作為滲透增強劑的氮化鎂從而形成其中具有滲透增強劑的預(yù)型體。作為另一個可供選擇的方案，預(yù)型體可以不含有滲透增強劑或滲透增強劑前體，在這種情況下必須在自發(fā)體系的其它部位提供或形成滲透增強劑。
如圖2所示，隨后可以取出模具(2)中的預(yù)型體(3)，從而使得由諸如塑模石膏或硅氧橡膠之類任何適宜材料形成的模具(2)再次被使用，這樣便為填料提供了形狀精度。傳統(tǒng)的對開模、多件模、熔模鑄造殼型模等適用于這一目的。另外，預(yù)型體(3)可以保存在，舉例來說，由在后續(xù)加工步驟中可被消耗的金屬箔制成的模具之中。任何情況下，都應(yīng)適宜地處理預(yù)型體(3)，通過將預(yù)型體保持在滲透或惰性氣氛之中以防滲透增強劑降解并且防止在金屬基質(zhì)復(fù)合體完全形成之前發(fā)生其它物理破壞。
如圖3所示，隨后可以使預(yù)型體(3)與被容納于適宜耐火材料容器(5)中的熔融基質(zhì)金屬池(4)相互接觸。基質(zhì)金屬自發(fā)地滲入至少一部分預(yù)型體(3)之中從而在被滲透的預(yù)型體(4)部分產(chǎn)生金屬基質(zhì)復(fù)合體(6)。通過簡單地將預(yù)型體(3)置于熔融金屬池(4)的表面將預(yù)型體(3)引入熔融基質(zhì)金屬。另外，預(yù)型體可被放置于適宜的坩堝或其它用于容納基質(zhì)金屬的非反應(yīng)性容器之中，其周圍有許多基質(zhì)金屬鑄塊，將其加熱至預(yù)型體周圍的基質(zhì)金屬熔融為止。將預(yù)型體加到現(xiàn)成的基質(zhì)金屬池可以使金屬基質(zhì)復(fù)合體成品更快地形成，原因是無需花費時間熔化基質(zhì)金屬。然而，有必要預(yù)熱預(yù)型體以免發(fā)生熱沖擊以及所產(chǎn)生的預(yù)型體的破裂或降解將會被理解的是，對于最初含有陶瓷材料和滲透增強劑前體的預(yù)型體來說，應(yīng)該將至少一部分滲透增強劑前體轉(zhuǎn)化為滲透增強劑。例如，隨著通過使預(yù)型體于加熱期間暴露于滲透氣氛之中而加熱預(yù)型體和基質(zhì)金屬鑄塊，便完成了這一轉(zhuǎn)化過程。
在一優(yōu)選實施方案中，滲透增強劑前體可以至少部分地與滲透氣氛反應(yīng)從而在預(yù)型體與熔融基質(zhì)金屬相互接觸之前或幾乎同時在至少一部分預(yù)型體內(nèi)形成滲透增強劑(例如如果鎂是滲透增強劑前體，而氮是滲透氣氛，那么氮化鎂便是處于至少一部分預(yù)型體之中的滲透增強劑)。另外，滲透氣氛(例如鋁/鎂/氮體系中的氮氣)可被鼓泡通入熔融基質(zhì)金屬之中從而使預(yù)型體與滲透增強劑前體接觸并反應(yīng)以便在浸沒于基質(zhì)金屬浴之后形成滲透增強劑。此外，預(yù)型體可隨著它漂浮于熔融基質(zhì)金屬表面而被暴露于滲透氣氛之中，從而將滲透增強劑前體轉(zhuǎn)化為滲透增強劑。
基質(zhì)金屬/滲透增強劑前體/滲透氣氛體系的一個例子為鋁/鎂/氮體系。具體地說，鋁基質(zhì)金屬可被容納在于加工條件下鋁熔化時不會與鋁基質(zhì)金屬反應(yīng)的適宜的耐火材料容器內(nèi)。然后使預(yù)型體與熔融鋁基質(zhì)金屬接觸。由于預(yù)型體相對于熔融基質(zhì)金屬的固有浮力，該預(yù)型體可以漂浮于或靠近熔融基質(zhì)金屬的表面、或者漂浮于熔融基質(zhì)金屬內(nèi)部某處、或者甚至沉降至熔融基質(zhì)金屬的底部。此外，預(yù)型體可被可拆卸地連接于有助于或?qū)е骂A(yù)型體漂浮的漂浮裝置。該漂浮裝置含有不會與自發(fā)體系反應(yīng)并且足以在熔融基質(zhì)金屬中產(chǎn)生正或負(fù)浮力從而抵消預(yù)型體或金屬基質(zhì)復(fù)合體的任何負(fù)或正浮力達到所需程度的任何適宜材料。進一步講，預(yù)型體可以在基質(zhì)金屬熔被化之前與基質(zhì)金屬相接觸，或者預(yù)型體埋藏固體基質(zhì)金屬顆粒或碎塊。隨后，加熱基質(zhì)金屬使其熔化。
在預(yù)型體的滲透期間，無論是否被連接于漂浮裝置之上，預(yù)型體均可以開始至少部分地沉入熔融基質(zhì)金屬池中，因此，如圖4所示表明滲透已經(jīng)發(fā)生。將會被理解的是這一沉降過程會根據(jù)隨著基質(zhì)金屬滲入預(yù)型體的程度而變化的預(yù)型體的浮力而進行。因此，依據(jù)滲透之前與之后的復(fù)合體的相對浮力，復(fù)合體可以在滲透完成之后在熔融基質(zhì)金屬浴內(nèi)上升、沉降或改變位置。
在本發(fā)明方法中所采用的條件下，在采用鋁/鎂/氮自發(fā)滲透體系的條件下，預(yù)型體可以具有充分的可滲透性使得含氮氣體穿透或滲透預(yù)型體并且與熔融基質(zhì)金屬相接觸。此外，這種可滲透的預(yù)型體還可以適應(yīng)熔融基質(zhì)金屬的滲透，從而使經(jīng)過氮氣滲透的預(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。自發(fā)滲透與金屬基質(zhì)復(fù)合體形成的程度將隨著給定的工藝條件的不同而變化，這些條件包括鋁基質(zhì)金屬合金和/或預(yù)型體的鎂含量、預(yù)型體和/或鋁基質(zhì)金屬中的氮化鎂含量、附加合金元素(例如硅、鐵、銅、錳、鉻、鋅等)的存在、包含預(yù)型體在內(nèi)的填料的平均大小(例如粒徑)、填料的表面狀態(tài)及類型、滲透氣氛的氮濃度、滲透時間及滲透溫度。
例如，為使熔融鋁基質(zhì)金屬的滲透自發(fā)地發(fā)生，可以使鋁基質(zhì)金屬與以合金重量為基準(zhǔn)計至少1%(重)左右、以至少3%(重)左右為佳的鎂(用作滲透增強劑前體)形成合金。上述輔助合金元素也可以被包含在基質(zhì)金屬之中從而賦予其特定的性質(zhì)。另外，輔助合金元素會對鋁基質(zhì)金屬所需的導(dǎo)致自發(fā)滲透填料或預(yù)型體的最小鎂量有所影響。當(dāng)鋁基質(zhì)金屬中含有足夠的鎂和/或氮化鎂時，便沒有必要分別地補充預(yù)型體或滲透氣氛中的鎂或氮化鎂。
應(yīng)該避免由于，舉例來說，揮發(fā)而導(dǎo)致的自發(fā)體系中鎂的損失，使得某些鎂保留下來形成滲透增強劑。因此，有必要在基質(zhì)金屬中使用足量的初始合金元素以保證自發(fā)滲透不會因揮發(fā)而受到不利影響。此外，存在于預(yù)型體和基質(zhì)金屬中的鎂或單獨存在于預(yù)型體中的鎂都會導(dǎo)致實現(xiàn)自發(fā)滲透所需鎂的用量的減少(下文將進行更詳細的討論)。
氮氣氛中氮的體積百分比同樣會對金屬基質(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，滲透時間由于滲透速率大大加快而更加短暫。滲透氣氛(例如含氮氣體)可被直接提供給填料或預(yù)型體和/或基質(zhì)金屬，或者它可以由某一材料分解而成。
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氣氛的流動速率之類的變量。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間以實現(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)預(yù)型體中未加鎂時，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間時以至少大約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。再舉一個例子，如果鎂僅僅被提供給預(yù)型體或填料，其數(shù)量會有所改變。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，自發(fā)滲透將借助較低重量百分率所供給的鎂進行。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，在該預(yù)型體含有至少約1%(重)鎂和有基本上純的氮氣氛存在條件下，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，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氣氛存在的條件下，需要至少約3%(重)鎂實現(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劑前體和/或滲透增強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劑或滲透增強劑前體與基質(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)用滲透增強劑和/或滲透增強劑前體的組合方式不僅能夠減少促進基質(zhì)鋁金屬滲透預(yù)型體所需鎂的總重百分比，同時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對在給定溫度下進行的基質(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，但是提高氣體中氮氣的濃度可用于促進氮化物形成。
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行滲透。在下列情況下進行本發(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到至少5%(重)左右時;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;和/或(3)當(dāng)鋁合金中存在另一種元素如鋅或鐵時。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℃時似乎對該工藝過程不會產(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。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)物的傾向性也會有所增強(例如，在鋁基質(zhì)金屬與氮滲透氣氛的情況下，會形成氮化鋁)。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刻在含氮氣體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)的氣流提供含氮氣體，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。雖然含氮氣體的流量并非至關(guān)重要，但是該量以足以補償由于合金基質(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，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，填料或預(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。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日頒發(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碎主體于較低的滲透溫度下和/或較短的滲透時間內(nèi)進行。
填料可以呈現(xiàn)達到復(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，較小顆粒進行完全滲透需要更高的溫度或更長的時間，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的結(jié)構(gòu)，通過將填料壓實或以其它方式進行致密處理同樣會獲得體積百分比較高的填料。對于按照本發(fā)明所進行的熱成形來說，填料的體積百分比以40～50%為佳。當(dāng)體積百分比在此取值范圍內(nèi)時，經(jīng)過滲透的復(fù)合體保持或基本保持其形狀，這樣有助于進行二次加工?？梢赃x用更高或更低的顆粒含量或體積百分比，然而，這要取決于熱成形后所需的目的復(fù)合體含量。此外，可以與本發(fā)明的熱成形方法相關(guān)聯(lián)，采用降低顆粒含量的方法實現(xiàn)較低的顆粒含量。
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理中起著重要的作用。此外，在低加工溫度下，可忽略不計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)溫度達到上限時，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@時的特定加工溫度同樣會隨著下列因素發(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)物的性能起促進作用或能夠改善產(chǎn)物性能的特性。此外，鋁合金進行自發(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，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，只要混合時間適當(dāng)，儲備源金屬就會與第一基質(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，運動等的元件。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動，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氣體滲透。阻擋元件可用于自發(fā)滲透中，或用于在自發(fā)滲透金屬基質(zhì)復(fù)合體熱成型時所使用的任何模具或其它固定裝置中。對此更詳細的描述見下文。
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動。阻擋元件可縮短金屬基質(zhì)復(fù)合體產(chǎn)品可能需要的目的加工或研磨過程。如上所述，阻擋元件最好是可滲透的或多孔的，或通過穿孔使其變成可滲透的，以使氣體能夠與熔融基質(zhì)合金接觸。
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，并呈化學(xué)惰性。Grafoil
石墨材料是能變形的，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。Grafoil
是一種可變形的石墨片，因此在這里是特別優(yōu)選的。使用時，這種象紙一樣的石墨只是簡單地被固定在填料或預(yù)型件的周圍。
另一種較好的、用于在氮氣中的鋁金屬基質(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，加工溫度不應(yīng)超過約875℃，否則阻擋元件就會失效。事實上，隨著溫度的增加，會發(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)。阻擋元件也可以淤漿或糊的形式用于可滲透的陶瓷填料塊的界面，這種材料塊最好被預(yù)先成型，組成預(yù)型件。
另一種可用于在氮氣中的鋁金屬基質(zhì)合金的阻擋元件由低揮發(fā)性的有機化合物構(gòu)成，它以膜或?qū)拥男问酵糠笤谔盍匣蝾A(yù)型件的外表面上。在氮氣中燒成時，特別是在本發(fā)明的加工條件下燒成時，有機化合物分解，留下一層碳黑膜。也可以用常規(guī)方法，如刷涂，噴涂或浸漬等涂敷這種有機化合物。
此外，只要經(jīng)過細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。
由此看來，阻擋板元件可以任何合適的方式使用，例如在限定的界表面上覆蓋一層阻擋材料。將這樣一層阻擋元件施用在限定的界表面時，可通過刷涂，浸漬，絲網(wǎng)印制，蒸發(fā)等方式，或者通過使用液狀，漿狀或糊狀的阻擋元件，或者通過噴涂一種可蒸發(fā)的阻擋元件，或者通過簡單地沉積一層粒狀固體阻擋材料，或者通過使用阻擋元件的固體薄片或薄膜。放置好阻擋元件后，當(dāng)正在滲透的基質(zhì)金屬到達限定的界面并與阻擋元件接觸時，自發(fā)滲透則基本終止。
下面緊接著是實施例，其中包括了對本發(fā)明的各種不同的實施方案。但是，應(yīng)該理解這些實施例是說明性的，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。
實施例1通過使1000粒度碳化硅粉末(Norton公司提供的39Crystolon)與約2.5%(重)325目鎂粉(JohnsonMathey公司提供)混合制備填料。為了使其混合均勻，將這些粉末置于一密封的容器之中并且置于一球磨機中翻滾混合約12小時。借助球磨機只能使其混合均勻，不發(fā)生任何粉末的研磨或形變。
參照圖5，填料盡可能多地被手工填充至由被用于使填料成形的銅管組成的模具(2)之中。銅管(由通用銅公司提供)的壁厚約為0.8mm，該管呈鐘形，其較寬一端長3.8cm、寬2.5cm。管(2)的較寬端未被覆蓋而其較窄端卻被鋁箔覆蓋用以防止充填期間有填料被遺漏。
如圖6所示，隨后將這樣兩個填充模具(2-1)、(2-2)置于含有許多鋁金屬鑄塊(7)的非反應(yīng)性容器(5)中。容器(5)由襯有兩個厚度為0.25mm左右、用以保證容器可再次使用的石墨箔層(例如由T.T.America公司提供的Permafoil
)的焊接300-系列不銹鋼盒子所組成。合金的組成約為85%(重)鋁、12%(重)硅和3%(重)鎂(Al-12Si-3Mg)，鑄塊(7)被配置在容器(5)中的管(2-1)和(2-2)周圍。將模具(2-1)之一置于容器底部附近，而另一模具(2-2)置于頂部附近。然后用0.7mm厚的銅箔(8)(由大西洋設(shè)備工程公司提供)覆蓋容器(5)并將其置于電阻加熱爐中。然后通過銅箔(8)上的一個孔眼以大約1.5 l/分鐘的流量導(dǎo)入氮氣，吹洗該容器內(nèi)部。
使?fàn)t溫在2～2.5小時的期間由室溫升至大約750℃，從而使填料硬化成為即使在無模具的條件下也會保持其形狀的預(yù)型體。將該容器及其內(nèi)含物在大約750℃下保持2.5小時左右，待結(jié)束時于容器中形成鋁合金池，硬化填料周圍的銅模具熔化并分散于熔融鋁合金之中，同時合金自發(fā)滲透填料從而形成金屬基質(zhì)復(fù)合體。應(yīng)該注意的是即使于銅模具被消耗后，填料仍保持其形狀不變，其原因大概是隨著溫度升高(或者是燒結(jié)的效果)填料中有氮化鎂生成以及由于金屬基質(zhì)復(fù)合體中存在高比例填料所致。
待這一2.5小時的期間結(jié)束時，金屬基質(zhì)復(fù)合體自然地漂浮于池表面下3～5cm處。位于容器頂部附近的模具(2-2)漂浮于池表面一段時間，隨后待模具熔于池中并且隨著自發(fā)滲透的進行而逐漸沉入池內(nèi)。位于容器底部的模具(2-1)最終溶解并滲透，硬化的預(yù)型體上升至大約與靠近頂部的預(yù)型體(2-2)于池中所處位置相同的深度。用不銹鋼刮勺輕輕地取出合金池中的金屬基質(zhì)復(fù)合體并置于實驗室的環(huán)境空氣中冷卻。所得到復(fù)合體被充分自發(fā)滲透并且顯示出良好的形狀完整性。
實施例2借助標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)對含有500粒度碳化硅粉末(39Crystolon，由Norton公司提供)的預(yù)型體進行沉降澆鑄并且將其預(yù)燒成半個活塞銷的形狀。這種半個活塞銷狀的預(yù)型體，有幾個被用于內(nèi)燃機中，基本上呈管形，其外徑約為4mm，內(nèi)經(jīng)約為3mm，長度約為5cm。參照圖7，預(yù)型體(2-3)被加至池(4)的表面上，池中含有稍有改進的380.1熔融鋁合金(來自BelmontMetals)的混合物，其組成約為7.5～9.5%Si、3.0～4.0%Cu、2.9%Zn、6.0%Fe、0.5%Ni、0.35%Sn和大約0.17～0.18%Mg，于大約700℃下向其中添加5%(重)Mg。
池(4)被裝在非反應(yīng)性容器(5)中，該容器包含300系列不銹鋼罐，該罐襯有由聯(lián)合碳化物公司生產(chǎn)并以商標(biāo)Grafoil
出售、厚度為15/1000英寸的品位GTB石墨帶狀產(chǎn)物。這樣，通過吹洗在一個300系列不銹鋼盒(9)與平板(10)之間形成的腔體(8)使容器(5)、預(yù)型體(2-3)和池(4)被保持于純氮氣氛之中。借助被插在與固定通過盒(9)中接合孔的不銹鋼管(11)將氮滲透氣氛導(dǎo)入腔體(8)中。將銅墊圈(12)插在盒(9)與板(10)之間以保持腔體(8)內(nèi)的氮氣氛。此外，將許多鈦小片(13)分布于腔體(8)內(nèi)以便使其與可以污染鋁/鎂/氮自發(fā)滲透體系中滲透增強劑前體和/或基質(zhì)金屬和/或滲透增強劑的任何氧或其它外來物質(zhì)反應(yīng)。
將裝有容器(5)、盒(9)和板(10)的反應(yīng)器置于電阻加熱爐中并將其從室溫加熱至700℃左右，歷時大約5小時，從而使基質(zhì)金屬合金熔化。隨后，將預(yù)型體(2-3)置于熔融鋁合金池(4)的表面上，與此同時暫時地提升盒(9)。將溫度保持在800℃左右，歷時25小時，待結(jié)束時，再次提升盒(9)，并且借助不銹鋼刮勺回收已經(jīng)沉入池中的半個活塞銷。然后使半個活塞銷在實驗室的空氣中冷卻。預(yù)型體經(jīng)鋁合金充分自發(fā)滲透后形成呈現(xiàn)良好完整形狀保真度的金屬基質(zhì)復(fù)合體。
實施例3參照圖8，通過將被埋置于許多粗粒硅灰石(14)(MyadSP，由NYCO，Inc.提供)中的石墨襯不銹鋼罐(5)放在純度為99.7%的氧化鋁坩堝中來制作反應(yīng)器。將一個包括不銹鋼吹掃管(11)的300系列不銹鋼罐(16)放在罐(5)之上。在罐(5)中形成含有熔融鋁合金混合物、組成與實施例2中的鋁合金相同的池(4)。
通過將反應(yīng)器和坩堝置于電阻加熱爐中經(jīng)加熱形成池(4)，同時將純氮氣不斷地吹入不銹鋼罐(16)中。在大約5小時的期間內(nèi)將該容器從室溫加熱至800℃左右。當(dāng)池(4)的合金溫度達到大約700℃時，提升不銹鋼罐并迅速地將預(yù)型體置于池表面，從而替換了不銹鋼罐(16)。隨后使該容器于800℃左右保持約30小時，此后由池中取出預(yù)型體并置于空氣中冷卻。
預(yù)型體包括其直徑約為1.3cm、長約為1.3cm、由220粒度碳化硅(39Crystolon，由Norton公司提供)形成的簡單園柱體。于700℃左右取出預(yù)型體并冷卻至室溫。待自發(fā)滲透完全呈現(xiàn)良好的完整形狀特性。
權(quán)利要求
1.一種制造金屬基質(zhì)復(fù)合體的方法，該方法包括由基本上非反應(yīng)性填料的可滲透體制備預(yù)型體；提供熔融基質(zhì)金屬池；使熔融基質(zhì)金屬自發(fā)滲透至少一部分預(yù)型體。
2.按照權(quán)利要求1所述的方法，其中還包括提供滲透氣氛的步驟，滲透氣氛與至少預(yù)型體和基質(zhì)金屬二者之一在滲透過程中至少一部分時間內(nèi)相互接觸。
3.按照權(quán)利要求2所述的方法，其中還包括將至少滲透增強劑前體和滲透增強劑二者之一供給至少基質(zhì)金屬、預(yù)型體和滲透氣氛三者之一的步驟。
4.按照權(quán)利要求1所述的方法，其中還包括將至少滲透增強劑前體和滲透增強劑二者之一供給至少基質(zhì)金屬與預(yù)型體二者之一的步驟。
5.按照權(quán)利要求3所述的方法，其中所述至少滲透增強劑與滲透增強劑前體二者之一由外部來源提供。
6.按照權(quán)利要求1所述的方法，其中還包括使至少一部分預(yù)型體與至少滲透增強劑前體與滲透增強劑二者之一在滲透期間至少一部分時間內(nèi)相互接觸的步驟。
7.按照權(quán)利要求3所述的方法，其中通過使?jié)B透增強劑前體與選自滲透氣氛、預(yù)型體和基質(zhì)金屬的至少一種反應(yīng)形成滲透增強劑。
8.按照權(quán)利要求7所述的方法，其中滲透增強劑前體在滲透期間揮發(fā)。
9.按照權(quán)利要求8所述的方法，其中經(jīng)過揮發(fā)的滲透增強劑前體發(fā)生反應(yīng)從而在至少一部分填料內(nèi)形成反應(yīng)產(chǎn)物。
10.按照權(quán)利要求9所述的方法，其中所述反應(yīng)產(chǎn)物可被所述熔融基質(zhì)金屬至少部分地還原。
11.按照權(quán)利要求10所述的方法，其中所述反應(yīng)產(chǎn)物涂敷至少一部分所述預(yù)型體。
12.按照權(quán)利要求1所述的方法，其中還包括借助阻擋元件限定預(yù)型體的表面邊界的步驟，其中基質(zhì)金屬自發(fā)滲透到達阻擋元件。
13.按照權(quán)利要求12所述的方法，其中阻擋元件含有選自碳、石墨和二硼化鈦的材料。
14.按照權(quán)利要求12所述的方法，其中所述阻擋元件基本上不被所述基質(zhì)金屬潤濕。
15.按照權(quán)利要求12所述的方法，其中所述阻擋元件含有至少一種能夠使?jié)B透氣氛與基質(zhì)金屬、預(yù)型體、滲透增強劑和滲透增強劑前體中的至少一種相互接觸的材料。
16.按照權(quán)利要求1所述的方法，其中填料含有至少一種選自粉末、薄片、片晶、微球體、須晶、氣泡、纖維、顆粒、纖維簇、切削纖維、球體、丸粒、小管和耐火布的材料。
17.按照權(quán)利要求1所述的方法，其中預(yù)型體在熔融基質(zhì)金屬中的溶解度有限。
18.按照權(quán)利要求1所述的方法，其中預(yù)型體含有至少一種陶瓷材料。
19.按照權(quán)利要求3所述的方法，其中基質(zhì)金屬含有鋁，滲透增強劑前體含有至少一種選自鎂、鍶和鈣的材料，滲透氣氛包括氮。
20.按照權(quán)利要求3所述的方法，其中基質(zhì)金屬含有鋁，滲透增強劑前體含有鋅，滲透氣氛含有氧。
21.按照權(quán)利要求4所述的方法，其中至少滲透增強劑和滲透增強劑前體二者之一被提供給預(yù)型體與基質(zhì)金屬的界面處。
22.按照權(quán)利要求1所述的方法，其中滲透增強劑前體在所述基質(zhì)金屬內(nèi)形成合金。
23.按照權(quán)利要求1所述的方法，其中所述基質(zhì)金屬含有鋁并且含有至少一種選自硅、鐵、銅、錳、鉻、鋅、鈣、鎂和鍶的合金元素。
24.按照權(quán)利要求4所述的方法，其中至少滲透增強劑前體和滲透增強劑二者之一被加到基質(zhì)金屬和預(yù)型體中。
25.按照權(quán)利要求3所述的方法，其中至少滲透增強劑前體和滲透增強劑二者之一被加到至少基質(zhì)金屬、填料和滲透氣氛三者之一之中。
26.按照權(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，但都低于基質(zhì)金屬的揮發(fā)溫度與填料的熔點。
27.按照權(quán)利要求2所述的方法，其中滲透氣氛含有選自氧和氮的氣氛。
28.按照權(quán)利要求3所述的方法，其中滲透增強劑前體含有至少一種選自鎂、鍶和鈣的材料。
29.按照權(quán)利要求1所述的方法，其中基質(zhì)金屬含有鋁，填料含有選自氧化物、碳化物、硼化物和氮化物的材料。
30.按照權(quán)利要求1或3所述的方法，其中熔融基質(zhì)金屬被容納于耐火材料容器之中。
31.按照權(quán)利要求1或3所述的方法，其中通過將預(yù)型體置于基質(zhì)金屬池表面使預(yù)型體與熔融基質(zhì)金屬接觸。
32.按照權(quán)利要求31所述的方法，其中還包括預(yù)熱預(yù)型體的步驟。
33.按照權(quán)利要求1所述的方法，其中池內(nèi)預(yù)型體的位置說明自發(fā)滲透已經(jīng)發(fā)生。
34.按照權(quán)利要求1所述的方法，其中還包括將在受熱時會形成預(yù)型體的填料埋置于固體基質(zhì)金屬之中，并且熔化固體基質(zhì)金屬從而形成基質(zhì)金屬池的步驟。
35.按照權(quán)利要求1、31或34所述的方法，其中還包括將漂浮裝置可移動地連接于預(yù)型體以便有助于預(yù)型體在基質(zhì)金屬池內(nèi)漂浮以及于預(yù)型體的自發(fā)滲透完成后拆卸該裝置的步驟。
36.按照權(quán)利要求4所述的方法，其中預(yù)型體借助可再次使用的模具形成。
37.按照權(quán)利要求4所述的方法，其中預(yù)型體借助在金屬基質(zhì)復(fù)合體形成期間被消耗的模具形成。
38.按照權(quán)利要求1所述的方法，其中還包括提供第二熔融基質(zhì)金屬并且使預(yù)型體于至少一部分被熔融基質(zhì)金屬自發(fā)滲透之后與第二熔融基質(zhì)金屬相互接觸的步驟。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種形成金屬基質(zhì)復(fù)合體的新方法。具體地講，在預(yù)型體中形成填料的可滲透體。然后將預(yù)型體置于基質(zhì)金屬合金的表面或內(nèi)部，此后基質(zhì)金屬合金自發(fā)地滲透預(yù)型體。待預(yù)型體基本被滲透完全后，預(yù)型體開始至少部分地沉入基質(zhì)金屬合金源中。滲入預(yù)型體的基質(zhì)金屬隨后冷卻，這樣便形成金屬基質(zhì)復(fù)合體。
文檔編號C04B41/51GK1042495SQ8910808
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)明者拉特尼什·庫馬·威外迪, 約翰·托馬斯·布克 申請人:蘭克西敦技術(shù)公司