JPH0436112B2 - - Google Patents
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- Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
Description
〔産業上の利用分野〕
本発明は新規なセラミツク金属複合材料の製造
方法に関する。本発明のセラミツク金属複合材料
は緻密で多結晶性の微細構造を有し、従来のセラ
ミツクスよりも格段の強度及び破断靭性を示す。
〔発明の背景及び発明の概要〕
本発明のセラミツク金属複合材料を形成する方
法はセラミツク物質の驚くべき酸化反応を創造す
る条件の発見に基づいている。適当な金属又は合
金(以後記載のような)がそれらの融点以上の特
定温度で酸化雰囲気にさらされた時、液体金属は
その外側の表面から酸化し、その他の点で不浸透
性の酸化物構造中で高エネルギー粒界に代つて形
成されるチヤンネルに沿つて酸化雰囲気の方向に
進行する。新しい酸化反応生成物は液体金属と酸
化性蒸気の反応により連続的に形成され、従つて
低エネルギー粒界に沿つて連結したセラミツク酸
化物構造が成長する。得られる物質では、親金属
又は親金属の成分の幾つか又は全てが微細構造中
に連結又は分離された状態で分散しており、反応
条件によりその存在程度は異なる。得られるセラ
ミツクスの破断靭性が高いのは、均一に分散した
金属性物質及び酸化物−金属構造の緻密な性質に
よるものと思われる。
本発明の物質は緻密なセラミツク構造を形成す
る従来の方法では達成できなかつた厚さまで断面
方向に実質的に均一な割合で成長させる。これら
の物質を得る方法は従来のセラミツク製造方法の
特長であつた均一微粉の製造及び圧縮技術に伴な
うコスト増を除くこともできる。
近年、セラミツクスは金属に代る構造材料とし
て考えられるようになつた。その理由は、金属と
比較して、腐食抵抗、硬度、弾性率及び耐火性等
の性質が優れていること、及び従来の材料はこれ
らの性質の点で近年の多くの部品及び系の性能に
限界があること等である。このような期待できる
交換分野の例として、エンジン部品、熱交換器、
切削工具、ベヤリング及び摩耗表面、ポンプ、及
び機械類などがある。
しかし、構造材料として金属とセラミツクスが
交換し得るポイントは、引張荷重、振動及び衝撃
を含む所定環境で確実に使用し得るような改良さ
れた強度及び破断靭性を持つセラミツクスの開発
がコストに見合うか否かであつた。今日、高強度
でモノリシツクなセラミツクスの製造努力は粉末
処理技術に集中しているが、セラミツクス性能の
改善が達成される一方で、これらの技術は複雑で
あつて一般にコスト効率が低かつた。このような
従来の粉末処理技術における重要性は以下の2点
である:(1)ゾル−ゲル、プラズマ及びレーザー技
術を使用する超微細均一粉末物質の改良された製
造法、及び(2)焼結技術、ホツトプレス及びホツト
アイソスタテイツクプレスを含む改良された緻密
化及び圧粉化法。かかる努力は緻密で、微細粒子
化され、無欠陥の微細構造を作ることを目的と
し、かかる方法は事実セラミツクスの構造的性能
を改善した。しかし、改善されたセラミツクス構
造が得られた反面、これらの開発でエンジニヤリ
ング材料としてのセラミツクスのコストが劇的に
増大した。
解決されないばかりか最近更に悪化しているセ
ラミツク物質における他の制限は寸法の多様性で
ある。緻密化(即ち、粉末粒子間の空〓除去)に
向けられた従来法はセラミツクスを炉ライナー、
圧力シエル、ボイラー及びスーパーヒーター管の
ような大型の一体構造物を適用できない。これら
の寸法の増大に伴つて圧力保持時間及び成形圧力
が極端に増加するからである。同じく、圧力チヤ
ンバーの壁厚(ホツトアイソスタテイツクプレス
において)及びダイ寸法(ホツトプレスにおい
て)も著しく増大する。
本発明は前記した従来の方法に比較して簡単で
且つコストが低いメカニズムを使用し、緻密で高
強度及び高破断靭性のセラミツク微細構造を形成
する目的を達成するものである。本発明では大型
の及び/又は断面の厚いセラミツクスの製造も可
能であり、従来予測できなかつた方面へのセラミ
ツクスの適用が期待できる。
従来、酸化物セラミツク体の製造に、金属の酸
化が概念的に魅力あるアプローチとして期待され
てきた。ここに使用する「酸化反応生成物」の用
語は1種又は2種以上の金属のあらゆる酸化状態
を意味し、従つて金属が他の任意の元素又は元素
の組合せに電子を与えるか又は電子を共有して化
合物を形成する場合を含む、及び、例えば、金属
と酸素、窒素、ハロゲン、炭素、ホウ素、硫黄、
リン、ヒ素、セレン、テリウム及びこれらの化合
物又は混合物との化合物、例えばメタン、エタ
ン、プロパン、アセチレン、プロピレン、及び空
気、H2/H2O及びCO/CO2のような混合物を含
むことを意味する。
本願明細書で使用する用語「酸化剤」は上記
「酸化反応生成物」の定義に対応して、広義の酸
化剤、すなわち金属に対して酸化還元反応の酸化
を行う化合物、金属から電子を奪う化合物を意味
する。
本発明のセラミツク物質を製造する基本的方法
は金属の驚くべき酸化挙動を創出する必要且つ十
分な条件の発見に始まる。この発見の意義を正し
く評価するために、金属の一般的酸化挙動及び金
属酸化の以前の限られた用途について理解してお
くことが有益であろう。
従来、金属の一般的な4つの方法のいずれかで
酸化された、第1は、酸化雰囲気にさらされた時
にフレーク状、破砕粉状又は多孔性の酸化物が形
成され、金属表面が酸化雰囲気に連続的にさらさ
れるものである。この方法では、金属酸化物とし
てそのままの形の酸化物体が得られず、酸化物の
フレーク、粒子等が形成される。例えば、鉄はこ
のようにして酸化される。
第2に、ある金属(例えば、アルミニウム、マ
グネシウム、クロム、ニツケル等)は酸化して比
較的薄い保護酸化膜を形成し、下層金属をそれ以
上の酸化から保護する。このメカニズムでは十分
な厚さの酸化物構造が得られない。
第3に、ある金属は酸素を透過するために下層
金属を保護できない固体又は液体の酸化膜を形成
することが知られている。酸素透過膜は下層金属
の酸化速度を遅らせるが、完全に保護するわけで
はない。このタイプの酸化は例えばケイ素で起
り、高められた温度で空気にさらされると酸素透
過性の二酸化ケイ素のガラス状膜を形成する。典
型的には、これらの方法はセラミツク酸化物を有
用な厚さに形成するために十分に早い速度で実施
できない。
最後に、他の金属は気化して連続的に酸化条件
にさらされ、酸化物を形成する。タングステンは
この様にして酸化される金属の例である。
これらの従来の酸化方法は上記理由により酸化
物セラミツク物質の形成に十分なものではない。
しかし、上記第2法の変形として、金属表面にフ
ラツクスを添加して酸化物を溶解又は破壊し、そ
れらに酸素又は金属を輸送させて、通常よりも厚
い酸化膜を形成させることができる。それでも、
酸化物構造の形成は比較的制限された強度の薄い
部分に限られる。これらの技術は金属粉に使用さ
れ、他の粉末との混合物中で表面を酸化して多孔
質で低強度のセラミツクスを得るもので、H.
Talsmaの米国特許第3255027号及びW.A.Haerの
米国特許3299002号に記載されている。別法とし
て、類似の方法が薄壁Al2O3耐火構造物(D.R.
Sowardsの米国特許3473987号及びR.E.Oberlinの
米国特許3473938号)又は薄壁中空耐火物粒子
(L.E.Seufertの米国特許第3298842号)の製造に
使用される。しかし、これらの方法の特長は反応
生成物として形成される酸化物の厚さが限られる
ことであつて、この原因はフラツクス剤の効果が
短かく、酸化物が限られた量だけ成長した後ゆつ
くり成長する保護膜に逆戻りするためである。一
層厚い酸化物膜の成長を促すためにフラツクス濃
度を増すと、生成物が低強度、低耐火性、低硬度
になる。
金属の酸化によつてセラミツクスを作るために
使用できるひとつの方法は酸化還元反応である。
ある金属が他の金属酸化物を還元して、新しい酸
化物と原酸化物の還元物とを作ることは古くから
知られていた。かかる酸化還元反応をセラミツク
物質の製造に使用することは、例えばL.E.
Seufertの米国特許3437468号及びL.E.Wilsonの米
国特許3973977号に記載されている。この両米国
特許に記載された酸化還元反応の主な欠点は単一
で硬い耐火性酸化物相の形成が困難なことであ
る;即ち、このような酸化還元反応の生成物は複
数の酸化物相を含み、所望の単一酸化物相のみを
含む構造に比較して硬度、破断率及び摩耗抵抗が
劣る。
本発明は従来のいずれかの酸化方法とも異な
り、それらの困難性及び制限を克服する新規な酸
現象を含むものであり、これを以下に説明する。
〔発明の具体的開示〕
本発明の要旨は、(1)気相酸化剤の存在下で通常
不動態被覆を形成する親金属に、そのような不動
態被覆の形成を防止しかつ溶融状態における該親
金属と該気相酸化剤とを伴う反応において反応の
継続を許容する少なくとも1種のドーパントを合
し、(2)該気相酸化剤の存在下に、該ドーパント含
有親金属をその融点以上に加熱し、かつその温度
で、(3)親金属と該気相酸化剤とを反応させて酸化
反応生成物を生成させ、(4)該酸化反応生成物の少
なくとも1部の表面が、該気相酸化剤と接触しか
つ該気相酸化剤と該溶融親金属との間に存在する
状態を維持し、よつて該親金属が該酸化反応生成
物中を通して該気相酸化剤側に輸送されて新鮮な
酸化反応生成物が該気相酸化剤側に成長するよう
にし、そして(5)上記反応を継続して、酸化反応生
成物と金属を含むセラミツクス金属複合材料を得
る工程からなるセラミツクス金属複合材料の製造
方法にある。
この発明は有用なセラミツクス金属複合材料
(これは主としてセラミツクスを含むので以下簡
単のために「セラミツク」、「セラミツク生成物」
とも称する。)が溶融金属と気相酸化剤との界面
における新規な酸化反応によつて形成されること
を見い出したことに基づくものである。適当な処
理条件下において、溶融金属は酸化反応生成物の
間に引き込まれ、生成物/雰囲気間の界面での酸
化反応生成物の成長を連続的に生じさせる。その
結果得られるセラミツク生成物は比較的小さいエ
ネルギーの粒界を介して主として接合した酸化物
相(即ち、酸化反応生成物)と、少なくとも部分
的に接合した金属相(又は金属相に換る空〓)と
からなつている。
本願明細書における用語「セラミツク」又は
「セラミツク生成物」は典型的な意味のセラミツ
ク即ち完全に非金属かつ非有機物からなる意味に
限定されず、組成或いは特性の点で主としてセラ
ミツクである物体を指称し、この物体の親金属か
ら由来する1種又は2種以上の金属を少量または
実質的な量、典型的には約1〜40体積%、さらに
はより以上を含むことができる。本願明細書にお
ける用語「親金属」は、多結晶酸化反応生成物の
前駆体(プリカーサ)である金属、例えばアルミ
ニウムを指称し、比較的純粋な金属、不純物及
び/又は合金成分を含む市販の金属、又は金属前
駆体が主成分である合金を含み、特定の金属例え
ばアルミニウムについて記載されている場合に
は、特記されない限りこのことに留意して読まれ
るべきである。本願明細書における用語「酸化
剤」及び「酸化反応生成物」は前に定義した通り
広義の意味である。 この発明の特殊な条件下に
おいて、溶融金属は酸化反応生成物結晶体の接点
のある部分に沿つて運ばれる。これは適当な濡れ
現象によつて生ずるものであり、酸化反応生成物
の比較的高い表面エネルギーが形成されるような
粒界に液状金属のチヤンネルが形成されるのであ
る。この適当な濡れ現象は2つの界面エネルギー
についての条件が関係する。すなわち、(1)液体金
属が酸化反応生成物に濡れる必要があること、す
なわちδSL<δSG(δSLは酸化反応生成物−溶融金
属界面のエネルギーを意味し、δSGは酸化反応生
成物とガス雰囲気との間の界面のエネルギーを意
味する)であること、(2)粒界の一部のエネルギ
ー、δBが固体−液体界面エネルギーの2倍以上
大きいこと、すなわちδBMAX>2δSL(ここで
δBMAXは酸化反応生成物中の最大粒界エネルギ
ーを意味する)であることである。このような条
件下では粒界は形成されず、2つの酸化反応生成
物−金属界面間の溶融金属チヤンネルが優先的に
形成され、粒界は自然に分解してしまう。
すべての多結晶物質は2つの隣接する結晶粒間
の角度不整合の度合に応じた粒界エネルギーを示
す。たとえば一般に、小さい角度不整合の粒界は
小さい表面エネルギーを示し、逆に大きい角度不
整合の粒界は大きい表面エネルギーを示す。この
関係は通常そう単純な一本調子にその角度に依存
して増減するものではない。これは中間の角度に
おいて、より優先的な原子の整合がしばしば生ず
るからである。
ある適当な処理条件下では大きい角度不整合の
大きい結晶子が交差する酸化反応生成物の部位が
溶融金属の吸上げ作用による移動通路となる。こ
のチヤンネルは多結晶物質の粒界が連結する如く
互いに連結されているので、溶融金属はその酸化
反応生成物を通り抜けて酸化剤雰囲気との界面ま
で運ばれ、そこで酸化されるので酸化反応生成物
の成長が連続的に起ることになる。さらに溶融金
属のチヤンネルに沿う吸上げ作用が通常の酸化現
象におけるイオン導通機構より可成り早いため、
本発明における酸化反応生物の成長速度は他の酸
化現象の場合より著るしく早くなる。また、これ
により密な反応生成物層が形成される。
本発明の酸化反応生成物は高エネルギー粒界部
位に沿つて金属により介入されるので、酸化反応
生成物自体、比較的小さい角度の粒界(すなわち
δB>2δSLの条件に合わない)に沿つて三次元的
に連結されている。したがつて本発明の製品は純
粋な固体酸化物の好ましい特性(たとえば固さ、
耐火性、強度)を示すとともに、分配された金属
相の存在による利点(特に強じん性および破壊強
度)をも有する。
ある種の純粋金属は温度および酸化剤雰囲気を
適当に組合せることにより本発明の酸化現象に必
要な界面エネルギー条件を自然に満すことができ
る。しかし、金属に特定の元素(促進剤ドーパン
ト)を添加することにより、上述の如き界面エネ
ルギーについての条件をより容易に満すように影
響することが見出された。たとえば固体−液体界
面エネルギーを減少させるドーパント又はその組
合せは保護的な多結晶酸化物フイルムを溶融金属
が移動するチヤンネルを含むものを変換すること
を助長する。
本発明の他の重要な特徴は表面エネルギーを変
化させることにより、得られるセラミツク生成物
の微細構造および特性を制御し得ることである。
たとえば、酸化反応生成物中の粒界エネルギーの
範囲との関連で固体−液体界面エネルギーを減少
させるような処理条件をつくることにより金属の
量が多く、酸化物相の連結度の小さい構造のもの
をつくることができる。また、その反対方向に相
関表面エネルギーを変えることにより、当然連結
度の大きい酸化物構造で金属相の少ないもの(金
属移動チヤンネルがより少ない)をつくることが
できる。このようにして、得られる製品の特性を
高精度を以つて制御することができる。すなわ
ち、特性が純粋なセラミツクに近いものから金属
相が25〜30%、あるいはさらに高いもので強じん
性、導電性の良いものなど任意のものをつくるこ
とができる。
さらに、他の種類の元素(開始剤ドーパント)
は上述の酸化反応生成物成長現象の開始に対し重
要な役割りを果たすことが見い出された。これは
安定な酸化物結晶化の形成における核剤となり、
あるいは当初において不動態状の酸化物層をある
種の作用により崩壊させるものと思われる。この
開始剤ドーパントは本発明において酸化反応生成
物成長現象を生じさせるために必須のものではな
いが、ある種の親金属システムについては酸化反
応生成物成長開始に至るまでの時間を実用上差支
えない程度にまで短縮させるうえで極めて重要と
なる。
〔本発明の好ましい形態〕
本発明は親金属としてアルミニウム又はその合
金を用い相互連結された酸化反応生成物としてα
−アルミナを形成する方法(気相酸化剤は空気又
は酸素)においても見出されたものであり、以下
の説明も、これに基づいているが、本発明は他の
多くの親金属(例、ジルコニウム、チタン、ケイ
素、錫など)および酸化剤システム(上記の如
く)についても適用し得るものである。
本発明は金属又は合金にある種のドーパントを
加えることにより従来の金属、たとえばアルミニ
ウムの酸素機構を変えることができ、完全に新規
な酸化機構が得られることを見出したことに基づ
くものである。このドーパントは金属が融点以上
のある温度範囲に加熱されたとき、その金属の通
常不透過性の多結晶酸化物殻をその金属が通り抜
けることを可能にする。この通り抜けた金属は酸
化雰囲気に触れて酸化反応生成物をつくり、さら
にその酸化反応生成物の別の溶融金属が通り抜け
酸化されるという課程が繰り返され、酸化反応生
成物層が成長することになる。
この酸化機構は通常アルミニウムが酸化られる
と、その酸化物により、基板がさらに酸化される
のを防ぐという従来のアルミニウムの機構と全く
対照的なものである。アルミニウムの場合、この
従来の酸化機構は事実であり、固体の場合、零度
以下温度でも十分に酸化がおこなわれ、液体アル
ミニウムでも酸化物の融点(2050℃)に至るまで
そのアルミニウム酸化物の皮殻によつて保護され
る。なお、酸化物の融点を超えるとその下のアル
ミニウムは発火することになる。
この移行金属よおび液相/気相反応についての
上記機構はその形成される物質とともに従来の酸
化機構およびセラミツク製品と比較した場合、極
めて特異なものである。
本発明により、高密度、高硬度、非気孔質、良
耐火性、強じん性のセラミツクを任意の厚みに文
字通り生長させることが可能となる。
この特異な酸化現象により得られるセラミツク
製品は第一感としてはサーメツトの分類に含まれ
るかも知れないが、その物性は従来の金属および
セラミツク粉をプレスし、焼結させて得られるサ
ーメツトとは可成り異なる。すなわち、従来はサ
ーメツトの物性は含まれる金属結合相とセラミツ
ク粒体の特性が結合したものとして予測すること
ができた。たとえば従来のサーメツトの軟化点お
よび導電性はサーメツト内の金属相の特性を反影
したものとして予測することができた。
しかし、本発明のセラミツク含有体には、その
ような従来のサーメツトの物性が見られない。す
なわち、ドープされたアルミニウム合金を本発明
の酸化機構で処理したセラミツク含有体は1500℃
(親金属の融点より約840℃高い)での破壊係数
(MOR)は室温でのMOR値の60〜70%である。
この発明で得られるアルミニウム系セラミツク含
有体は一般に室温MORは30ないし60kpsiである。
また導電性についてもドーパント、プレス温度、
処理雰囲気で変るが、金属自体の導電率(1/2イ
ンチ平方の断面の棒体で0.05オーム/インチより
小さい)のものから酸化物セラミツク自体の導電
率(同様な棒体で10MΩ/インチ以上)の範囲で
形成することができる(実施例2、表2B参照)。
本発明のセラミツク含有体の特異な物性はセラ
ミツク体の酸化反応生成物相の高度な連結性によ
るものと思われる。このセラミツク含有体中にお
いて金属相も少なくとも一部が連結されている
が、従来のサーメツトとは異なり、結合された酸
化反応生成物結晶子に対するバインダーとして作
用しているとは限らない。さらに金属相をできる
だけ多く酸化させるように処理を続行することに
より、結合された金属は新らたな酸化反応生成物
生長を優先するようにして取り除かれ、酸化反応
生成物中に空〓を残すことになる。この事実は本
発明の物質の高温強度(MOR値)および種々の
導電性の発現と一致する。
粒体間の金属移行および酸化反応生成物生長を
つくり出すドーピングシステムは親金属としてア
ルミニウム又はアルミニウム合金を用い、酸化剤
として空気又は酸素を用いた場合、2成分ドーピ
ングシステムが有効であることが見い出された。
その一つの成分、“開始剤”ドーパントは金属の
移行機構の開始を促進させ、その結果酸化反応生
成物の生長がなされる。他方の成分、“促進剤”
ドーパントは主として、金属の移行運動、したが
つて生長速度に主として刺激を与える。双方のド
ーパントの濃度も生長形態に影響を与えることが
見い出された。
親金属としてアルミニウム又はその合金を用
い、酸化反応生成物としてα−アルミナを形成す
る場合、マグネシウム金属及び/又は亜鉛金属が
効果的な開始剤ドーパントとなることが見い出さ
れた。このドーパントの濃度は金属の移行および
酸化反応生成物生長開始作用を生じさせるうえで
重要であることが見い出された。さらにこの開始
剤ドーパントの濃度が酸化反応生成物製品の生長
形態にも影響を与える。このマグネシウム及び/
又は亜鉛開始剤ドーパントはアルミニウム系親金
属に900℃以下の温度で添加される。この場合の
マグネシウム及び亜鉛ドーパントの濃度は製品全
体に対し0.1ないし15重量%の場合、セラミツク
生長の開示に対し特に有効となる。しかし、一般
に所望とする生長形態および速度を得るために
0.1〜3重量%の範囲のマグネシウム及び/又は
亜鉛が好ましい。
アルミニウム系親金属を用いる場合、反応速度
を促進する種々の促進剤ドーパントが見い出され
た。たとえば周期表中の第B族の金属、たとえ
ばSi、Ge、Sn、Pbである。なお、炭素は炭化ア
ルミニウムを生成させる傾向があるので本発明で
は有効ではない。
これらの第B族ドーパント又はその組合せは
アルミニウム親金属の系に合金化することにより
適用することができる。鉛を用いる場合は他の溶
解性合金化成分(たとえば錫)を添加しない限り
においては少なくとも1000℃の温度で親金属に添
加する必要がある。これは鉛のアルミニウムに対
する溶解度が小さいからである。促進剤ドーパン
トの添加量はアルミニウム合金全体の重量に対し
0.5〜15重量%、より好ましくは生長速度、形態
の点からして1〜10重量%程度である。
アルミニウム親金属に有用なドーパント材料の
別の例にはナトリウム、リチウム、カルシウム、
硼素、燐及びイツトリウムがあり、これらは酸化
剤及び処理条件に応じた単独或いは1種以上のド
ーパントと混合して用いることができる。ナトリ
ウム及びリチウムは非常に少量、約100〜200ppm
のように低いppmのオーダーでも使用でき、かつ
それぞれは単独又は混合して或いは他のドーパン
トと混合して用いることができる。セリウム、ラ
ンタン、プラセオジウム、ネオジウム及びサマリ
ウムのような稀土類元素もまた有用なドーパント
であり、とくに他のドーパントと混合して用いる
場合にそうである。
本発明で親金属としてアルミニウム又はアルミ
ニウム合金を用いる場合、2成分ドーパント(開
始剤および促進剤)を親金属に添加し、ついでこ
の親金属をるつぼその他の耐火容器に入れ、その
金属表面を酸化剤雰囲気(通常、大気圧で空気
中)にさらすようにする。この親金属はついで炉
内で一般に850℃〜1450℃、より好ましくは900℃
〜1350℃(α−アルミナを酸化反応生成物として
得る場合)で加熱され、それにより、親金属が酸
化反応生成物皮殻を破つて移行することになる。
このように親金属が連続的に露出され酸化反応生
成物が次第に厚くなり、他方、この形成された高
エネルギーの酸化反応生成物粒界となるべき部分
に沿つて親金属の微細網状構造が形成される。こ
の酸化物は十分な空気(又は酸化剤雰囲気)の換
気がなされ酸化剤源が一定に保たれる限り一定の
割合で(すなわち、一定の厚み増加速度)で生長
する。この空気の換気は炉に換気口を設けること
によつて行なうことができる。この酸化物生長は
以下の3つの条件の少なくとも一つが満されるま
で続行する。(1)親金属が全て消費された場合、(2)
酸化剤雰囲気が非酸化雰囲気で置換されるか、酸
化剤が除去又は排気された場合、(3)炉内温度を変
え、反応温度範囲外の温度にさらすようにした場
合(反応温度は850〜1450℃である)である。
第1図は、開始剤ドーパントとして種々の濃度
のマグネシウムを用い、促進剤ドーパントとして
3%のシリコンをドープした、空気中で酸化され
たアルミニウム親金属系の、炉の設定温度の関数
としての相対的重量増加を示す。第2図は、開始
剤ドーパントとして2%の濃度のマグネシウムを
用いて、同じ親金属オキシダント系の炉の設定温
度の関数としての、促進剤ドーパントである種々
の%のシリコンに対する重量増加を示す。第1図
および第2図のサンプルに対するトータルの処理
時間は24時間であり、オキシダントとしては標準
大気圧の空気が採用された。比較のため、マグネ
シウム開始剤ドーパントを含まず、0〜3%のシ
リコン促進剤ドーパントを含むアルミニウム親金
属系のサンプルは、いずれも無視し得る程度の重
量の増加しか示さず、従つてセラミツクの生長は
無視し得る程度であつた。
この酸化反応生成物の成長が生ずる操作条件の
範囲内において、多くの、種々の、再現性のある
生成物の微構造および表面形態が観察された。典
型的には、急速運動領域は、基本的には平滑な平
面の生長を示す。第3図は、マグネシウム/シリ
コンがドープされたアルミニウム親金属系の断面
の成長状態を示す。第4図は、そうでなければ、
400倍の倍率で示される構造では高度の角度の不
整合の粒界を示すようなものに沿つたアルミニウ
ムからなるウエブを有する、非気孔質の酸化アル
ミニウム(コランダム)の多結晶酸化物構造の一
例を示す。この点に関して、Al2O3(コランダ
ム)、アルミニウム、および本発明のセラミツク
物質のX線回折パターンを比較して示す第9a−
9c図に注意する必要がある。
第11図は、第4図の条件に匹敵する条件で製
造された試料の微構造の詳細を示す。第11a図
は、サンプルの大面積においてAl2O3構造を示す
ように、ラウエの後方反射法を用いたX線回折パ
ターンである(この構造の金属相は、X線分析を
行なう前にエツチングにより除去された。)。第1
1a図のパターンは、小さな角度(約5°まで)配
向がずれた多数の粒界を含む結晶質物質の典型例
を示す。第11b〜e図は、より高倍率の透過形
電気顕微鏡を用いて観察した微構造の詳細を示
す。第11bおよびc図は、この物質中に一般に
観察される典型的な低角度粒界を示す。これらの
低角度粒界は、どの場合にも明確に示されてお
り、何ら別の粒界の存在を証明するものは無かつ
た。高角度の粒界が観察されるのは、この試料で
は極くまれであつた。第11cおよびe図は、そ
こに見られる2つの高角度粒界の顕微鏡写真であ
る。双方の場合において、2つの粒子間の界面は
比較的広い溝(即ち100〜200μm)の固化金属相
を含んでいる。
明らかに、第4図および第11図で与えられる
情報は、本発明の酸化メカニズムと結びついた微
構造の効果を良く示している。特に、セラミツク
生成物は、低角度粒界に沿つて、金属相で埋めら
れた溝により置換された高角度粒界と連結する酸
化物構造であるように示されている。アルミニウ
ムを主体とする金属包含物10が第4図に見るこ
とができ、そのような包含物は、2つのプロセス
温度領域およびドーパントの型と濃度により変化
するプロセスの成長形態に応じて、より多く又は
より少なく形成される。より荒れた、より高表面
積成長面は、より大きい、より複雑な親金属包含
物を与える。それは、成長面の突出部を周期的に
つなぐことによつて、その構造が空〓を発達させ
るに従つて生ずる。これらの空〓は、金属の移動
によつて満たされる。(そのような場合、このよ
うな形成された空〓はもはや酸化雰囲気に接近す
ることはできず、また酸化反応生成物の粒界を通
してそこに移動した金属は酸化されないままであ
る。)もし、プロセス条件が、親金属の全酸化反
応生成物成長変換を越える点に維持されるなら
ば、これらの金属包含物は再移動し、酸化反応生
成物をより成長させる上で好ましい空〓が残され
る。形成された閉鎖セル気孔質構造の一例が第5
図の顕微鏡写真に示される。それに示されるよう
に、金属包含物は、上述の移動により空〓12か
ら除去された。しかし、多結晶酸化物粒界に沿つ
て位置する親金属の非連通包含物は除去されず、
安定な状態で留まる。
第6および7図の400倍の顕微鏡写真に示すよ
うに、アルミニウム親金属系から得られた本発明
のセラミツク生成物には、種々の他の微構造が観
察可能である。第6図は、好ましい配向とほぼ25
−35容量%の開放セル気孔率(第6図で数字14
で示される)を有する多結晶微構造を示す。第7
図は、極く小さい金属包含物(第7図で数字16
で示される)を有する緻密な低気孔率の微構造を
示す。第8図は、プロセスパラメーターの特定の
部分において可能な、極端な形態成長の変形例を
示す。
本発明のプロセスの実質的な特徴は、空〓の無
いセラミツク物質を得ることであり、成長プロセ
スが親金属の消費を越えて行なわれる限り、緻密
で空〓のないセラミツクが得られる。
マグネシウム開始剤がドープされたアルミニウ
ム親金属が空気中又は酸素雰囲気中で酸化される
場合には、プロセス温度成長領域が例えば約820
〜950℃になる前に、マグネシウムは少なくとも
1部酸化される。ここでは、マグネシウムは、溶
融アルミニウム合金の表面に、酸化マグネシウム
および/またはマグネシウムアルミネートスピネ
ル相を形成する。成長プロセス中において、その
ようなマグネシウム化合物は、親金属化合の初期
表面(初期表面)に主として留まり、残りは得ら
れた酸化反応生成物/金属セラミツク構造の成長
前面(成長面)に沿つて移動する。
本発明のセラミツク物質の種々の初期表面が
CuKαを用いたX線回折によりテストされた。そ
の結果を以下の表1に示すが、そのデータは純粋
のMgAl2O4(スピネル)に対応する。更に、初期
面におけるスピネル型の存在は、第10図におけ
るマグネシウムのピークに一致する。第10図
は、本発明のセラミツク物質の走査型電子顕微鏡
写真を重ね合せたX線プローブ(エネルギー散乱
X線分析)を示す。
[Industrial Field of Application] The present invention relates to a method for producing a novel ceramic-metal composite material. The ceramic-metal composite of the present invention has a dense, polycrystalline microstructure and exhibits significantly greater strength and fracture toughness than conventional ceramics. BACKGROUND OF THE INVENTION AND SUMMARY OF THE INVENTION The method of forming ceramic metal composites of the present invention is based on the discovery of conditions that create a surprising oxidation reaction of ceramic materials. When suitable metals or alloys (as hereinafter described) are exposed to an oxidizing atmosphere at a specified temperature above their melting point, the liquid metal oxidizes from its outer surface and forms an otherwise impermeable oxide. It proceeds in the direction of the oxidizing atmosphere along channels that are formed in place of high-energy grain boundaries in the structure. New oxidation reaction products are continuously formed by the reaction of the liquid metal with the oxidizing vapor, thus growing a connected ceramic oxide structure along the low energy grain boundaries. In the resulting material, some or all of the parent metal or components of the parent metal are dispersed in a fine structure in a connected or separated state, and the extent of their presence differs depending on the reaction conditions. The high fracture toughness of the resulting ceramics is believed to be due to the uniformly dispersed metallic substance and the dense nature of the oxide-metal structure. The materials of the present invention can be grown at substantially uniform rates cross-sectionally to thicknesses unattainable by conventional methods of forming dense ceramic structures. The method for obtaining these materials also eliminates the increased cost associated with the production of uniform fine powder and compaction techniques that are characteristic of conventional ceramic manufacturing methods. In recent years, ceramics have come to be considered as structural materials that can replace metals. The reason for this is that compared to metals, they have superior properties such as corrosion resistance, hardness, elastic modulus, and fire resistance, and that conventional materials have improved the performance of many modern parts and systems in terms of these properties. There are limitations, etc. Examples of such promising replacement fields include engine parts, heat exchangers,
Examples include cutting tools, bearings and wear surfaces, pumps, and machinery. However, the point at which metals and ceramics can be interchanged as structural materials is whether it is cost-effective to develop ceramics with improved strength and fracture toughness that can be reliably used in a given environment, including tensile loads, vibration, and shock. The answer was no. Today, efforts to manufacture high strength, monolithic ceramics have focused on powder processing techniques, but while improvements in ceramic performance have been achieved, these techniques have been complex and generally not cost effective. The importance of these traditional powder processing techniques is twofold: (1) improved methods of manufacturing ultra-fine homogeneous powder materials using sol-gel, plasma, and laser techniques, and (2) sintering. Improved densification and compaction methods including compaction techniques, hot presses and hot isostatic presses. Such efforts aimed at creating dense, fine-grained, defect-free microstructures, and such methods have in fact improved the structural performance of ceramics. However, while improved ceramic structures have been obtained, these developments have dramatically increased the cost of ceramics as engineering materials. Another limitation in ceramic materials that is not only unresolved but has recently become even worse is dimensional diversity. Conventional methods directed at densification (i.e., removal of voids between powder particles) include ceramics in furnace liners,
Large integral structures such as pressure shells, boilers and superheater tubes cannot be applied. This is because as these dimensions increase, the pressure holding time and molding pressure increase dramatically. Similarly, the wall thickness of the pressure chamber (in hot isostatic presses) and the die size (in hot presses) also increase significantly. The present invention uses a mechanism that is simpler and less expensive than the conventional methods described above to achieve the objective of forming a dense, high strength, and high fracture toughness ceramic microstructure. With the present invention, it is possible to manufacture large-sized ceramics and/or ceramics with thick cross-sections, and it is expected that ceramics will be applied to areas that could not be predicted in the past. Traditionally, metal oxidation has been viewed as a conceptually attractive approach to the production of oxide ceramic bodies. As used herein, the term "oxidation reaction product" means any oxidation state of one or more metals, such that the metal donates or loses electrons to any other element or combination of elements. including cases where they covalently form a compound, and, for example, metals and oxygen, nitrogen, halogen, carbon, boron, sulfur,
Compounds with phosphorus, arsenic, selenium, terium and compounds or mixtures thereof, such as methane, ethane, propane, acetylene, propylene, and mixtures such as air, H 2 /H 2 O and CO/CO 2 means. The term "oxidizing agent" used in this specification corresponds to the definition of "oxidation reaction product" above, and is defined as an oxidizing agent in a broad sense, i.e., a compound that performs a redox reaction on a metal, depriving the metal of electrons. means a compound. The basic method of producing the ceramic materials of the present invention begins with the discovery of the necessary and sufficient conditions that create the surprising oxidation behavior of the metal. To appreciate the significance of this discovery, it would be helpful to understand the general oxidation behavior of metals and the limited previous uses of metal oxidation. Traditionally, metals have been oxidized in one of four general ways: first, when exposed to an oxidizing atmosphere, a flake-like, crushed powder-like, or porous oxide is formed; It is something that is continuously exposed to. In this method, an oxide object cannot be obtained in the form of a metal oxide as it is, but oxide flakes, particles, etc. are formed. For example, iron is oxidized in this way. Second, some metals (eg, aluminum, magnesium, chromium, nickel, etc.) oxidize to form a relatively thin protective oxide film that protects the underlying metal from further oxidation. This mechanism does not provide a sufficiently thick oxide structure. Third, certain metals are known to form solid or liquid oxide films that are permeable to oxygen and therefore cannot protect the underlying metal. Oxygen-permeable membranes slow the rate of oxidation of the underlying metal, but do not completely protect it. This type of oxidation occurs, for example, with silicon, forming a glassy film of silicon dioxide that is permeable to oxygen when exposed to air at elevated temperatures. Typically, these methods cannot be performed at a rate fast enough to form ceramic oxides to useful thicknesses. Finally, other metals are vaporized and exposed to continuous oxidizing conditions to form oxides. Tungsten is an example of a metal that is oxidized in this manner. These conventional oxidation methods are not sufficient for forming oxide ceramic materials for the reasons mentioned above.
However, as a variation of the second method, a flux can be added to the metal surface to dissolve or destroy the oxides and cause them to transport oxygen or metal, forming a thicker oxide film than normal. nevertheless,
The formation of oxide structures is limited to thin sections of relatively limited strength. These techniques are used on metal powders to oxidize their surfaces in mixtures with other powders to obtain porous, low-strength ceramics, such as H.
No. 3,255,027 to Talsma and US Pat. No. 3,299,002 to WAHaer. Alternatively, a similar method can be used for thin-walled Al 2 O 3 refractory structures (DR
Sowards, US Pat. No. 3,473,987 and REOberlin, US Pat. No. 3,473,938) or thin-walled hollow refractory particles (LESeufert, US Pat. No. 3,298,842). However, a feature of these methods is that the thickness of the oxide formed as a reaction product is limited. This is because the protective film grows slowly. Increasing the flux concentration to promote the growth of thicker oxide films results in products with lower strength, lower refractory properties, and lower hardness. One method that can be used to make ceramics by oxidizing metals is a redox reaction.
It has long been known that certain metals reduce oxides of other metals to form new oxides and reduced products of the original oxides. The use of such redox reactions in the production of ceramic materials is, for example, LE
Seufert, US Pat. No. 3,437,468 and LE Wilson, US Pat. No. 3,973,977. The main drawback of the redox reactions described in both US patents is the difficulty in forming a single, hard, refractory oxide phase; i.e., the products of such redox reactions are composed of multiple oxides. phase, which has inferior hardness, fracture rate, and wear resistance compared to structures containing only the desired single oxide phase. The present invention differs from any prior oxidation methods and involves a novel acid phenomenon that overcomes their difficulties and limitations, as described below. [Specific Disclosure of the Invention] The gist of the present invention is (1) to provide a parent metal that normally forms a passive coating in the presence of a gas-phase oxidizing agent with a method that prevents the formation of such a passive coating and that (2) combining the parent metal with at least one dopant that allows the continuation of the reaction in the reaction involving the parent metal and the gas-phase oxidizing agent; (3) react the parent metal with the gas phase oxidant to produce an oxidation reaction product; (4) the surface of at least a portion of the oxidation reaction product is The state is maintained in contact with the vapor phase oxidant and between the vapor phase oxidant and the molten parent metal, so that the parent metal passes through the oxidation reaction product to the vapor phase oxidant side. transported so that the fresh oxidation reaction product grows on the side of the gas phase oxidant, and (5) continuing the above reaction to obtain a ceramic-metal composite material containing the oxidation reaction product and metal. A method for manufacturing ceramic-metal composite materials. This invention discloses useful ceramic-metal composite materials (which mainly include ceramics and will be hereinafter referred to as "ceramics" and "ceramic products" for simplicity).
Also called. ) is formed by a novel oxidation reaction at the interface between molten metal and a gas-phase oxidizing agent. Under appropriate processing conditions, molten metal is drawn between the oxidation reaction products, causing continuous growth of the oxidation reaction products at the product/atmosphere interface. The resulting ceramic product consists of an oxide phase (i.e., the oxidation reaction product) bound primarily through relatively low-energy grain boundaries and a metallic phase (or voids replacing the metallic phase) at least partially bound. 〓). As used herein, the term "ceramic" or "ceramic product" refers to an object that is primarily ceramic in composition or properties, but is not limited to the typical meaning of ceramic, i.e., consisting entirely of non-metallic and non-organic materials. However, it may contain small or substantial amounts of one or more metals derived from the parent metal of the object, typically from about 1 to 40% by volume, and even more. As used herein, the term "parent metal" refers to a metal that is a precursor of a polycrystalline oxidation reaction product, such as aluminum, and refers to a relatively pure metal, a commercially available metal containing impurities and/or alloying components. , or alloys in which metal precursors are the main component, and where a particular metal, such as aluminum, is mentioned, this should be read with this in mind, unless specified otherwise. As used herein, the terms "oxidizing agent" and "oxidation reaction product" have the broad meaning as previously defined. Under the particular conditions of this invention, molten metal is carried along a portion of the oxidation reaction product crystal contact. This is caused by appropriate wetting phenomena, which result in the formation of channels of liquid metal at grain boundaries where relatively high surface energies of oxidation reaction products are formed. This proper wetting phenomenon is related to two interfacial energy conditions. In other words, (1) the liquid metal must be wetted by the oxidation reaction product, that is, δSL < δSG (δSL means the energy of the oxidation reaction product-molten metal interface, and δSG is the relationship between the oxidation reaction product and the gas atmosphere). (2) The energy of part of the grain boundary, δB, is more than twice as large as the solid-liquid interface energy, that is, δBMAX>2δSL (here, δBMAX is the oxidation reaction (meaning the maximum grain boundary energy in the product). Under such conditions, grain boundaries are not formed, and a molten metal channel between the two oxidation reaction product-metal interfaces is preferentially formed, and the grain boundaries spontaneously decompose. All polycrystalline materials exhibit grain boundary energies that are a function of the degree of angular mismatch between two adjacent grains. For example, grain boundaries with small angle mismatch generally exhibit low surface energy, and conversely, grain boundaries with large angle mismatch exhibit high surface energy. This relationship is usually not so simple that it increases or decreases depending on the angle. This is because at intermediate angles more preferential alignment of atoms often occurs. Under certain appropriate processing conditions, the sites of the oxidation reaction product where large crystallites of large angular mismatch intersect provide paths for the wicking of molten metal. These channels are connected to each other in the same manner as the grain boundaries of the polycrystalline material are connected, so the molten metal passes through the oxidation reaction products to the interface with the oxidizing agent atmosphere, where it is oxidized, so the oxidation reaction products growth will occur continuously. Furthermore, the wicking action along the channel of molten metal is much faster than the ionic conduction mechanism in normal oxidation phenomena.
The growth rate of oxidative organisms in the present invention is significantly faster than in other oxidative phenomena. This also results in the formation of a dense reaction product layer. Since the oxidation reaction products of the present invention are interposed by metals along the high-energy grain boundary sites, the oxidation reaction products themselves are intercalated along grain boundaries with relatively small angles (i.e., which do not meet the condition of δB > 2δSL). connected three-dimensionally. The products of the invention therefore have the desirable properties of pure solid oxides (e.g. hardness,
fire resistance, strength) and also has advantages (especially toughness and fracture strength) due to the presence of a distributed metallic phase. Certain pure metals can naturally satisfy the interfacial energy conditions necessary for the oxidation phenomenon of the present invention by appropriate combinations of temperature and oxidant atmosphere. However, it has been found that the addition of certain elements (promoter dopants) to the metal influences the interfacial energy requirements as described above to be more easily met. For example, dopants or combinations thereof that reduce the solid-liquid interfacial energy help convert the protective polycrystalline oxide film to include channels through which molten metal travels. Another important feature of the invention is that by varying the surface energy, the microstructure and properties of the resulting ceramic product can be controlled.
For example, by creating processing conditions that reduce the solid-liquid interfacial energy in relation to the range of grain boundary energies in the oxidation reaction products, structures with high amounts of metal and low connectivity of the oxide phase can be created. can be created. Furthermore, by changing the correlated surface energy in the opposite direction, it is possible to create an oxide structure with a high degree of connectivity and less metal phase (fewer metal transfer channels). In this way, the properties of the resulting product can be controlled with high precision. In other words, it is possible to create any material with properties that are close to those of pure ceramic, such as those with a metal phase content of 25 to 30%, or even higher, with good toughness and conductivity. Additionally, other types of elements (initiator dopants)
was found to play an important role in initiating the above-mentioned oxidation reaction product growth phenomenon. This acts as a nucleating agent in the formation of stable oxide crystals,
Alternatively, it is thought that the initially passive oxide layer is destroyed by some kind of action. Although this initiator dopant is not essential for producing the oxidation reaction product growth phenomenon in the present invention, for certain parent metal systems, there is no practical problem in the time required to initiate oxidation reaction product growth. This is extremely important in reducing the time to a certain degree. [Preferred embodiment of the present invention] The present invention uses aluminum or its alloy as a parent metal and α as an interconnected oxidation reaction product.
- Although it has also been found in the process of forming alumina (gas phase oxidant is air or oxygen), and the following description is also based on this, the present invention applies to many other parent metals (e.g. zirconium, titanium, silicon, tin, etc.) and oxidizer systems (as described above). The invention is based on the discovery that the oxygen mechanism of conventional metals, such as aluminum, can be altered by adding certain dopants to the metal or alloy, resulting in a completely new oxidation mechanism. This dopant allows the metal to pass through its normally impermeable polycrystalline oxide shell when the metal is heated to a certain temperature range above its melting point. This metal passing through comes into contact with an oxidizing atmosphere and creates an oxidation reaction product, and another molten metal of the oxidation reaction product passes through and is oxidized, and the process is repeated, resulting in the growth of an oxidation reaction product layer. . This oxidation mechanism is in stark contrast to the conventional aluminum mechanism, where once aluminum is oxidized, its oxide protects the substrate from further oxidation. In the case of aluminum, this conventional oxidation mechanism is true; in the case of solid aluminum, sufficient oxidation occurs even at temperatures below zero, and even in liquid aluminum, the shell of aluminum oxide remains until the melting point of the oxide (2050°C) is reached. protected by Note that if the melting point of the oxide is exceeded, the aluminum underneath will ignite. The above mechanism for this transition metal and liquid phase/vapor phase reactions, as well as the materials formed, are quite unique when compared to conventional oxidation mechanisms and ceramic products. The present invention makes it possible to literally grow high-density, high-hardness, non-porous, good fire resistance, and tough ceramic to any desired thickness. Ceramic products obtained through this unique oxidation phenomenon may at first glance be classified as cermets, but their physical properties are far different from those obtained by pressing and sintering conventional metal and ceramic powders. They are different. That is, conventionally, the physical properties of cermets could be predicted as a combination of the properties of the metal binder phase and ceramic particles contained therein. For example, the softening point and conductivity of conventional cermets can be predicted as a reflection of the properties of the metallic phase within the cermet. However, the ceramic-containing body of the present invention does not have such physical properties of conventional cermets. That is, a ceramic-containing body obtained by treating a doped aluminum alloy with the oxidation mechanism of the present invention can be heated to 1500°C.
The modulus of rupture (MOR) at temperatures (approximately 840°C above the melting point of the parent metal) is 60-70% of the MOR value at room temperature.
The aluminum-based ceramic containing body obtained by this invention generally has a room temperature MOR of 30 to 60 kpsi.
Regarding conductivity, dopant, pressing temperature,
Although it varies depending on the processing atmosphere, the electrical conductivity of the metal itself (less than 0.05 ohm/inch for a bar with a 1/2 inch square cross section) to the electrical conductivity of the oxide ceramic itself (more than 10 MΩ/inch for a similar bar) ) (see Example 2, Table 2B). The unique physical properties of the ceramic-containing body of the present invention are believed to be due to the high degree of connectivity of the oxidation reaction product phase of the ceramic body. The metal phase is also at least partially bound in this ceramic-containing body, but unlike conventional cermets, it does not necessarily act as a binder for the bound oxidation reaction product crystallites. By continuing the process to oxidize as much of the metal phase as possible, the bound metal is removed in favor of new oxidation reaction product growth, leaving voids in the oxidation reaction product. It turns out. This fact is consistent with the high temperature strength (MOR value) and various conductivity developments of the materials of the invention. A doping system that creates intergranular metal migration and oxidation reaction product growth has been found to be effective as a two-component doping system when aluminum or aluminum alloys are used as the parent metal and air or oxygen is used as the oxidizing agent. Ta.
One component, the "initiator" dopant, facilitates initiation of the metal migration mechanism, resulting in the growth of oxidation reaction products. The other component, the “accelerator”
Dopants primarily stimulate the migration movement of the metal and therefore the growth rate. The concentration of both dopants was also found to influence growth morphology. It has been found that when aluminum or its alloys are used as the parent metal and alpha-alumina is formed as the oxidation reaction product, magnesium metal and/or zinc metal are effective initiator dopants. It has been found that the concentration of this dopant is important in effecting metal migration and oxidation reaction product growth initiation. Furthermore, the concentration of the initiator dopant also influences the growth morphology of the oxidation reaction product. This magnesium and/or
Alternatively, the zinc initiator dopant is added to the aluminum-based parent metal at a temperature below 900°C. In this case, a concentration of magnesium and zinc dopants of 0.1 to 15% by weight, based on the total product, is particularly effective for the disclosure of ceramic growth. However, in order to obtain the desired growth form and speed,
Preference is given to magnesium and/or zinc in the range 0.1 to 3% by weight. A variety of promoter dopants have been found to enhance reaction rates when using aluminum-based parent metals. For example, metals of group B in the periodic table, such as Si, Ge, Sn, and Pb. Note that carbon is not effective in the present invention because it tends to produce aluminum carbide. These Group B dopants or combinations thereof can be applied by alloying with the aluminum parent metal system. If lead is used, it must be added to the parent metal at a temperature of at least 1000° C. unless other soluble alloying components (such as tin) are added. This is because the solubility of lead in aluminum is low. The amount of accelerator dopant added is based on the weight of the entire aluminum alloy.
It is 0.5 to 15% by weight, more preferably about 1 to 10% by weight in terms of growth rate and morphology. Other examples of useful dopant materials for aluminum parent metals include sodium, lithium, calcium,
Boron, phosphorus, and yttrium can be used alone or in combination with one or more dopants depending on the oxidizing agent and processing conditions. Sodium and lithium are present in very small amounts, approximately 100-200ppm
can be used in low ppm order, and each can be used alone or in combination or with other dopants. Rare earth elements such as cerium, lanthanum, praseodymium, neodymium and samarium are also useful dopants, especially when used in combination with other dopants. When aluminum or an aluminum alloy is used as the parent metal in the present invention, a two-component dopant (initiator and promoter) is added to the parent metal, the parent metal is then placed in a crucible or other refractory container, and the metal surface is coated with an oxidizing agent. Exposure to atmosphere (usually air at atmospheric pressure). This parent metal is then heated in a furnace at typically 850°C to 1450°C, more preferably 900°C.
~1350° C. (if α-alumina is obtained as the oxidation reaction product), which causes the parent metal to break through the oxidation reaction product shell and migrate.
In this way, the parent metal is continuously exposed and the oxidation reaction product gradually becomes thicker, while a fine network structure of the parent metal is formed along the areas that should become the grain boundaries of the formed high-energy oxidation reaction product. be done. This oxide grows at a constant rate (ie, constant rate of thickness increase) as long as sufficient air (or oxidant atmosphere) ventilation is provided and the oxidant source is held constant. Ventilation of this air can be achieved by providing a ventilation hole in the furnace. This oxide growth continues until at least one of the following three conditions is met: (1) If all the parent metal is consumed, (2)
(3) When the oxidizing atmosphere is replaced with a non-oxidizing atmosphere or the oxidizing agent is removed or evacuated; (3) When the temperature inside the furnace is changed and exposed to a temperature outside the reaction temperature range (the reaction temperature is 1450℃). Figure 1 shows the relative performance of an aluminum parent metal system oxidized in air using various concentrations of magnesium as an initiator dopant and doped with 3% silicon as a promoter dopant as a function of furnace set temperature. It shows an increase in weight. FIG. 2 shows the weight gain for various percentages of silicon as promoter dopant as a function of furnace set temperature for the same parent metal oxidant system using a 2% concentration of magnesium as the initiator dopant. The total processing time for the samples in Figures 1 and 2 was 24 hours, and air at standard atmospheric pressure was used as the oxidant. For comparison, samples with an aluminum parent metal system without magnesium initiator dopant and with 0-3% silicon promoter dopant both showed negligible weight increase, thus inhibiting ceramic growth. was negligible. Within the range of operating conditions at which this oxidation reaction product growth occurred, many different and reproducible product microstructures and surface morphologies were observed. Typically, rapidly moving regions exhibit essentially smooth planar growth. FIG. 3 shows the cross-sectional growth of a magnesium/silicon doped aluminum parent metal system. Figure 4 shows that otherwise,
An example of a polycrystalline oxide structure of non-porous aluminum oxide (corundum) with webs of aluminum along such that the structure shown at 400x magnification shows highly angular mismatched grain boundaries. shows. In this regard, Section 9a-9 shows a comparison of the X-ray diffraction patterns of Al 2 O 3 (corundum), aluminum, and the ceramic material of the present invention.
It is necessary to pay attention to Figure 9c. FIG. 11 shows details of the microstructure of a sample produced under conditions comparable to those of FIG. Figure 11a is an X-ray diffraction pattern using Laue's back reflection method to show an Al 2 O 3 structure in a large area of the sample (the metallic phase of this structure was etched before performing the X-ray analysis). ). 1st
The pattern in Figure 1a is typical of a crystalline material containing numerous grain boundaries that are misoriented by small angles (up to about 5°). Figures 11b-e show details of the microstructure observed using a higher magnification transmission electric microscope. Figures 11b and c show typical low angle grain boundaries commonly observed in this material. These low-angle grain boundaries were clearly visible in each case, and there was no evidence of the existence of any other grain boundaries. High-angle grain boundaries were very rarely observed in this sample. Figures 11c and e are micrographs of two high angle grain boundaries seen therein. In both cases, the interface between the two particles contains a relatively wide groove (i.e. 100-200 μm) of the solidified metal phase. Clearly, the information provided in FIGS. 4 and 11 provides a good indication of the microstructural effects associated with the oxidation mechanism of the present invention. In particular, the ceramic product has been shown to be an oxide structure with interlocking high-angle grain boundaries along which the low-angle grain boundaries are replaced by grooves filled with a metallic phase. Aluminum-based metal inclusions 10 can be seen in FIG. 4, and such inclusions may be more numerous depending on the growth regime of the process, which varies with the two process temperature regimes and dopant type and concentration. or less formed. Rougher, higher surface area growth surfaces give larger, more complex parent metal inclusions. It occurs as the structure develops voids by periodically connecting protrusions on the growth surface. These voids are filled by the movement of metal. (In such a case, such formed voids can no longer have access to the oxidizing atmosphere, and the metal that has migrated there through the grain boundaries of the oxidation reaction products remains unoxidized.) If process conditions are maintained at a point that exceeds the total oxidation reaction product growth conversion of the parent metal, these metal inclusions will be relocated, leaving a favorable void for further oxidation reaction product growth. . An example of the closed cell porous structure formed is the fifth
Shown in the micrograph in Figure. As shown therein, metal inclusions were removed from the cavity 12 by the movement described above. However, the discontinuous inclusions of the parent metal located along the polycrystalline oxide grain boundaries are not removed;
remain in a stable state. Various other microstructures are observable in the ceramic products of the present invention obtained from the aluminum parent metal system, as shown in the 400x photomicrographs of FIGS. 6 and 7. Figure 6 shows the preferred orientation and approximately 25
−35% open cell porosity by volume (number 14 in Figure 6)
) shows a polycrystalline microstructure. 7th
The figure shows extremely small metal inclusions (number 16 in Figure 7).
) exhibits a dense, low-porosity microstructure. FIG. 8 shows the extreme morphology growth variations that are possible for certain portions of the process parameters. A substantial feature of the process of the invention is to obtain a void-free ceramic material, and as long as the growth process is carried out beyond the consumption of the parent metal, a dense, void-free ceramic is obtained. When aluminum parent metal doped with magnesium initiator is oxidized in air or an oxygen atmosphere, the process temperature growth region is e.g.
Before reaching ~950°C, the magnesium is at least partially oxidized. Here, the magnesium forms a magnesium oxide and/or magnesium aluminate spinel phase on the surface of the molten aluminum alloy. During the growth process, such magnesium compounds mainly remain on the initial surface of the parent metal compound (initial surface), while the rest migrates along the growth front (growth surface) of the resulting oxidation reaction product/metallic ceramic structure. do. The various initial surfaces of the ceramic materials of the invention are
Tested by X-ray diffraction using CuKα. The results are shown in Table 1 below, and the data correspond to pure MgAl 2 O 4 (spinel). Furthermore, the presence of spinel type in the initial surface corresponds to the magnesium peak in FIG. FIG. 10 shows an X-ray probe (energy scattering X-ray analysis) superimposed with a scanning electron micrograph of the ceramic material of the invention.
【表】
酸化物成長メカニズムに対する親金属として特
定のアルミニウム合金を用い、かつ空気又は酸素
をオキシダントとして用いた場合には、アルミニ
ウム酸化反応生成物を主体とする構造が形成され
る(初期表面におけるマグネシウム−アルミネー
トスピネルの比較的薄い層は別として)ことがわ
かつた。典型的には、親金属(特に酸化物形成の
低い自由エネルギーを有する金属)中の無機の合
金成分は、金属粒界と金属包含相中に濃縮される
ことが終了する。少量のマンガン、鉄、銅、ホウ
素、亜鉛、タングステンおよび他の金属は、アル
ミニウムを主体とする親金属系の成長メカニズム
を妨害しない。親和性のある合金稀釈剤であるこ
とがわかつた。
以下に本発明の実施例を示し、本発明を具体的
に説明する。実施例は、(1)新規な酸化メカニズム
によるセラミツクの成長、および(2)本発明のメカ
ニズムによるセラミツクの成長に役立つ表面エネ
ルギーの関係をもともと示さない親金属/酸化反
応生成物系中にそのような成長を生じせしめる開
始剤および促進剤ドーパントの使用、を示すもの
である。
実施例 1
0〜10%のマグネシウム(開始剤ドーパント)
および3%のシリコン(促進剤ドーパント)を有
する7種のアルミニウム/マグネシウム/シリコ
ン合金を1125〜1400℃の温度で試験して、マグネ
シウム開始剤と温度が、アルミニウムを主体とす
る親金属から本発明のセラミツク物質への空気中
における成長に対して有する効果を求めた。
どの試験でも、1インチ長さ、1インチの径の
円筒状アルミニウム/マグネシウムインゴツトを
850℃で金属から鋳造し、適切な耐火るつぼ内の
220メツシユの酸化アルミニウム粒中に埋込んだ。
インゴツトの切断面を酸化アルミニウム面とほぼ
平らに、かつ、るつぼの上部からほぼ1/4インチ
下に置いた。炉サイクルは次の通りであつた。経過時間
温度(℃)
0〜5時間 30〜設定温度
5〜29時間 設定温度
29〜43時間 設定温度〜600
43時間以上 炉から除去
種々のサンプルを診断してるつぼと収容物の全
重量の重量増をテストした。「重量増」とは炉サ
イクルの前後のるつぼ/酸化アルミニウム/イン
ゴツトの全重量変化の、親金属の元の重量に対す
る比を意味し、g/gで表される。主要なアルミ
ニウムがAl2O3に変換された場合には、この比は
理論値0.89に向かつて増加し、理論値との差は親
金属中の未反応残留アルミニウム、プラス生成物
中の包含金属相のほぼ0から35〜40%である。選
択された炉の設定温度において、相又はるつぼか
らの水分の除去のための補正又は多の実験誤差の
ない、種々のアルミニウム/マグネシウム/シリ
コン合金の重量増が表2及び第1図に示されてい
る。アルミニウムを主体とする親金属系を採用し
て空気と反応させ本発明の酸化アルミニウム物質
を成長させる場合に、表2及び第1図から、開始
剤ドーパントの使用なしには、重量増は無く、セ
ラミツク構造は得られなかつたことがわかる。[Table] When a specific aluminum alloy is used as the parent metal for the oxide growth mechanism and air or oxygen is used as the oxidant, a structure consisting mainly of aluminum oxidation reaction products is formed (magnesium on the initial surface - apart from a relatively thin layer of aluminate spinel). Typically, inorganic alloying components in the parent metal (particularly metals with low free energies of oxide formation) end up being concentrated in metal grain boundaries and metal-inclusive phases. Small amounts of manganese, iron, copper, boron, zinc, tungsten and other metals do not interfere with the growth mechanism of the aluminum-based parent metal system. It was found to be a compatible alloy diluent. Examples of the present invention will be shown below to specifically explain the present invention. Examples demonstrate (1) the growth of ceramics by novel oxidation mechanisms, and (2) the growth of such ceramics in parent metal/oxidation reaction product systems that do not inherently exhibit surface energy relationships conducive to the growth of ceramics by the mechanisms of the present invention. The use of initiator and accelerator dopants to effect growth. Example 1 0-10% Magnesium (initiator dopant)
Seven aluminum/magnesium/silicon alloys with and 3% silicon (promoter dopant) were tested at temperatures from 1125 to 1400°C to demonstrate that the magnesium initiator and temperature ranged from the aluminum-based parent metal to the present invention. The effect of this on the growth of ceramic materials in air was determined. In all tests, cylindrical aluminum/magnesium ingots 1 inch long and 1 inch diameter were used.
Cast from metal at 850℃ and in a suitable refractory crucible
Embedded in 220 mesh aluminum oxide grains.
The cut side of the ingot was placed approximately flush with the aluminum oxide surface and approximately 1/4 inch below the top of the crucible. The furnace cycle was as follows. Elapsed time temperature (℃) 0 to 5 hours 30 to set temperature 5 to 29 hours Set temperature 29 to 43 hours Set temperature to 600 More than 43 hours Removed from furnace Diagnose various samples and calculate the total weight of crucible and contents I tested the increase. "Weight gain" means the ratio of the total weight change of the crucible/aluminum oxide/ingot before and after the furnace cycle to the original weight of the parent metal, expressed in g/g. If the primary aluminum is converted to Al 2 O 3 , this ratio will increase towards the theoretical value of 0.89, the difference from the theoretical value being due to unreacted residual aluminum in the parent metal, plus included metals in the product. Almost 0 to 35-40% of the phase. The weight gain of various aluminum/magnesium/silicon alloys at selected furnace setpoint temperatures, without corrections for phase or moisture removal from the crucible or any experimental errors, is shown in Table 2 and Figure 1. ing. When adopting a parent metal system mainly consisting of aluminum to react with air to grow the aluminum oxide material of the present invention, it can be seen from Table 2 and FIG. 1 that there is no weight increase without the use of an initiator dopant. It can be seen that a ceramic structure was not obtained.
【表】
上記の炉実験(第1図に図示したもの)もドー
パントとしてマグネシウム及び/又は珪素を添加
しないアルミニウムのインゴツトを含んだ。アル
ミニウムインゴツトの重量増加率はすべての指定
の温度で無視できる程小さく、成長がないことを
示していた。この結果は表3に示す。TABLE The above furnace experiment (illustrated in FIG. 1) also involved aluminum ingots without the addition of magnesium and/or silicon as dopants. The weight increase rate of the aluminum ingot was negligible at all specified temperatures, indicating no growth. The results are shown in Table 3.
【表】
実施例 2
第B族元素が本発明のセラミツク物質の形成
に与える効果を調べるために、2%のマグネシウ
ムおよび1〜10%のシリコンを含むアルミニウム
合金を空気中で1125〜1400℃の設定温度で処理し
た。本発明のセラミツツ物質の成長を示すサンプ
ルの重量増を表4及び第2図に示し、また硬度
(ロツクウエルA硬度)および電気伝導度をそれ
ぞれ表5A、5Bに示す。どの場合でも、炉サイク
ル、インゴツトサイズ、および層の組成および形
態は実施例1で用いられたものと同様であつた。
本発明において、第B族元素は、アルミニウム
を主体とする金属系およびα型酸化アルミニウム
の表面エネルギーの関係を修正するのに役立ち、
それによつて本発明のセラミツク成長メカニズム
を可能とすることが見出された。これらの元素
は、促進剤ドーパントとして役立つ。表6及び第
2図は、アルミニウム/マグネシウム/シリコン
親金属系中にシリコン促進剤ドーパントが無い場
合に、酸化反応生成物成長現象が生じないことを
明確に示している。[Table] Example 2 To investigate the effect of group B elements on the formation of the ceramic material of the present invention, an aluminum alloy containing 2% magnesium and 1-10% silicon was heated at 1125-1400°C in air. Processed at set temperature. The weight gain of samples showing growth of the ceramic material of the present invention is shown in Table 4 and Figure 2, and the hardness (Rockwell A hardness) and electrical conductivity are shown in Tables 5A and 5B, respectively. In each case, the furnace cycle, ingot size, and layer composition and morphology were similar to those used in Example 1.
In the present invention, the Group B element is useful for modifying the surface energy relationship of the metal system mainly consisting of aluminum and α-type aluminum oxide,
It has been found that this enables the ceramic growth mechanism of the present invention. These elements serve as promoter dopants. Table 6 and Figure 2 clearly show that in the absence of silicon promoter dopant in the aluminum/magnesium/silicon parent metal system, no oxidation reaction product growth phenomenon occurs.
【表】【table】
【表】【table】
【表】【table】
【表】【table】
【表】
実施例 3
促進剤ドーパントを除去もしくはほとんど除去
することが、アルミニウム系親金属からこの発明
のセラミツク材料を生成することに及ぼす影響を
調べるために、約2.4%の開始剤ドーパントマグ
ネシウムと0.4%未満の促進剤ドーパント(すな
わち、Si、Sn、GeおよびPb)とを含有するアル
ミニウム合金の試料(2インチ×9インチ×0.5
インチ)を耐火性容器中において試薬等級のアル
ミナ耐火粒子(90メツシユノートン(Norton)
E1)に埋設した。この試料を、10時間かけて室
温から処理設定温度1250℃に熱し、空気中におい
て該設定温度の下で48時間処理した。その後、お
よそ10時間かけて試料を冷却した。実施例1で定
義した通りの重量増加は無視しうる程度のもので
あり、0.05g/gと算出された。
実施例 4
B族元素Geのアルミニウム系親金属からこ
の発明のセラミツク材料を生成することに及ぼす
影響を調べるために、開始剤ドーパントとしての
マグネシウムと合金化しかつゲルマニウム3%ま
たは5%と合金化したアルミニウムを実施例1に
記載したようにインゴツトに鋳型した。試料を実
施例1および2に記載したと全く同様の方法で空
気中それぞれ1200℃および1325℃で処理してセラ
ミツク材料を得た。これらアルミニウム/マグネ
シウム/ゲルマニウム合金の1200℃および1325℃
における重量増加は以下の通りであつた。
重量増加
Ge含有率 1200℃ 1325℃
3% 0.04 0.73
5% 0.71 0.73
実施例 5
B族元素スズが、アルミニウム系親金属から
この発明のセラミツク材料を生成することに及ぼ
す影響を調べるために、マグネシウム2%と合金
化しかつスズ10%、5%または3%と合金化した
アルミニウムを直径1インチのインゴツトに鋳型
し、これを長さ1インチのビレツトに切断して実
施例1に記載したと全く同じ方法で1200℃および
1325℃で処理した。1200℃および1325℃における
重量増加は以下の通りであつた。
重量増加
Sn含有率 1200℃ 1325℃
10% 0.74 0.71
5% 0.56 0.22
3% 0.69 0.29
実施例 6
B族元素鉛が、アルミニウム系親金属からこ
の発明のセラミツク材料を生成することに及ぼす
影響を調べるために、マグネシウム3%および鉛
1ないし10重量%と合金化したアルミニウムを調
製した。試料は次のように準備した。97%アルミ
ニウム/3%マグネシウム合金に、1000℃で、鉛
5重量%を加え、得られた溶融合金を直径1イン
チ、長さ1ないし2.5インチのインゴツトに鋳型
した。10%鉛/10%スズ/Mg/Al合金の調製に
は、スズおよび鉛を1000℃において上記溶融アル
ミニウム/マグネシウム合金に添加した。これら
インドツトを90メツシユの酸化アルミニウム耐火
粒子に埋設し、その表面が該粒子と同一となるよ
うにした。したがつて、インゴツト表面は空気雰
囲気にさらされていた。処理は実施例1および2
の炉温スケジユールと全く同じであつたが、但
し、1250℃で48時間維持し、かつ600℃以下まで
に冷却するための時間を10時間とした。重量増加
は以下の通りであつた。ドーパント
重量増加(g/g)
10%Pb/10%Sn/3%Mg 0.46
5%Pb/3%Mg 0.49
1%Pb/3%Mg 0.25
1%Pb/0%Mg 0.03
実施例 7
この発明のセラミツク材料の生成に対して無視
し得る効果しか有さないので許容できる稀釈剤の
レベルを調べるために、以下の既知の稀釈剤を含
有するアルミニウム合金(開始剤マグネシウム1
%および促進剤シリコン0.6%含有)を処理した。稀釈剤種類
稀釈剤の重量%
銅 0.1
クロム 0.2
鉄 0.3
マンガン 0.1
チタン 0.2
適当な耐火性トレイ内において、上記アルミニ
ウム合金の試料(2インチ×9インチ×0.5イン
チ)を90メツシユ耐火性アルミナ粒子(メートン
38)に埋設し、その2インチ×9インチ表面をア
ルミナ粒子と同一平面となるようにして炉内空気
雰囲気にさらした。試料を4時間かけて処理設定
温度1325℃に熱し、この設定温度で30時間処理
し、その後10時間かけて室温に冷却した。実施例
1に定義した重量増加は、上記稀釈剤によつて影
響されず、0.6g/gであることが観察された。EXAMPLE 3 To investigate the effect of removing or nearly removing the promoter dopant on the production of the ceramic materials of this invention from an aluminum-based parent metal, about 2.4% of the initiator dopant magnesium and 0.4% of the initiator dopant magnesium. Samples of aluminum alloys (2 inches x 9 inches x 0.5
reagent grade alumina refractory particles (90 mesh Norton) in a fireproof container.
It was buried in E1). This sample was heated from room temperature to a treatment set temperature of 1250° C. over a period of 10 hours, and then treated in air at the treatment temperature setting for 48 hours. The sample was then cooled for approximately 10 hours. The weight increase as defined in Example 1 was negligible and was calculated to be 0.05 g/g. Example 4 In order to investigate the effect of the group B element Ge on the production of the ceramic materials of the invention from aluminum-based parent metals, it was alloyed with magnesium as an initiator dopant and with 3% or 5% germanium. Aluminum was cast into ingots as described in Example 1. The samples were treated in exactly the same manner as described in Examples 1 and 2 in air at 1200°C and 1325°C, respectively, to obtain ceramic materials. 1200℃ and 1325℃ for these aluminum/magnesium/germanium alloys.
The weight increase in was as follows. Weight increase Ge content 1200℃ 1325℃ 3% 0.04 0.73 5% 0.71 0.73 Example 5 In order to investigate the influence of group B element tin on the production of the ceramic material of the present invention from aluminum-based parent metal, magnesium 2 % and alloyed with 10%, 5% or 3% tin was cast into a 1 inch diameter ingot and cut into 1 inch long billets exactly as described in Example 1. At 1200℃ and
Processed at 1325°C. The weight increases at 1200°C and 1325°C were as follows. Weight increase Sn content 1200°C 1325°C 10% 0.74 0.71 5% 0.56 0.22 3% 0.69 0.29 Example 6 To investigate the influence of group B element lead on the production of the ceramic material of the present invention from aluminum-based parent metal Aluminum alloyed with 3% magnesium and 1 to 10% lead by weight was prepared. Samples were prepared as follows. 5% by weight lead was added to a 97% aluminum/3% magnesium alloy at 1000°C and the resulting molten alloy was cast into ingots 1 inch in diameter and 1 to 2.5 inches long. To prepare the 10% lead/10% tin/Mg/Al alloy, tin and lead were added to the molten aluminum/magnesium alloy at 1000°C. These ingots were embedded in 90 mesh aluminum oxide refractory particles so that the surface thereof was the same as that of the particles. Therefore, the ingot surface was exposed to the air atmosphere. The treatment was as in Examples 1 and 2.
The furnace temperature schedule was exactly the same as that of 1, except that the temperature was maintained at 1250°C for 48 hours, and the time for cooling to below 600°C was 10 hours. The weight increase was as follows. Dopant weight increase (g/g) 10%Pb/10%Sn/3%Mg 0.46 5%Pb/3%Mg 0.49 1%Pb/3%Mg 0.25 1%Pb/0%Mg 0.03 Example 7 In order to determine the level of diluent that is acceptable as it has a negligible effect on the production of ceramic materials, aluminum alloys containing the following known diluents (initiator magnesium 1
% and containing 0.6% promoter silicon). Diluent Type Diluent Weight % Copper 0.1 Chromium 0.2 Iron 0.3 Manganese 0.1 Titanium 0.2 In a suitable refractory tray, a sample of the above aluminum alloy (2 in.
38), and exposed to the furnace air atmosphere with its 2 inch x 9 inch surface flush with the alumina particles. The samples were heated to a treatment set temperature of 1325° C. over 4 hours, processed at this temperature for 30 hours, and then cooled to room temperature over 10 hours. The weight gain as defined in Example 1 was observed to be unaffected by the diluent and was 0.6 g/g.
第1図は3%ケイ素ドープされ及び種々のマグ
ネシウム濃度を有し、空気中で酸化されたアルミ
ニウム親金属系についての、温度を関数とする重
量増を示すグラフである。第2図は種々のケイ素
ドーパント濃度及び一定のマグネシウム濃度を有
し、空気中で酸化されたアルミニウム親金属系に
ついての、温度を関数とする重量増を示すグラフ
である。第3図は10%ケイ素及び2%マグネシウ
ムをドープしたアルミニウムを用い、温度1300℃
で実施例2に従つて製造したセラミツク構造を示
す金属組織の顕微鏡写真図である。第4図は1%
ケイ素及び2%マグネシウムをドープしたアルミ
ニウム合金を用い、温度1150℃で実施例2に従つ
て製造したセラミツク構造を示す金属組織の顕微
鏡写真図(400倍)である。第5図は3%ケイ素
及び2%マグネシウムをドープしたアルミニウム
合金を用い、温度1300℃で実施例2に従つて製造
したクローズドセル形多孔質セラミツク構造を示
す金属組織の顕微鏡写真図(400倍)である。第
6図は10%ケイ素及び2%マグネシウムをドープ
したアルミニウム合金を用い、温度1300℃で実施
例2に従つて製造したオープセル形多孔質セラミ
ツク構造を示す金属組織の顕微鏡写真図(400倍)
である。第7図は5%ケイ素及び2%マグネシウ
ムをドープしたアルミニウム合金を用い、温度
1350℃で実施例2に従つて製造した緻密で低孔げ
き率のセラミツク構造を示す金属組織の顕微鏡写
真図(400倍)である。第8図は3%ケイ素及び
2%マグネシウムをドープしたアルミニウム合金
を用い、温度1400℃で実施例2に従つて製造した
セラミツク構造を示す金属組織の顕微鏡写真
(1.6倍)である。第9a〜9c図はAl2O3、元素
アルミニウム及び実施例2に従つて製造したセラ
ミツク構造のX線回折パターンである。第10図
はエネルギー分散X線分析で測定したマグネシウ
ム及びアルミニウム濃度分布を示す本発明のセラ
ミツク構造を示す金属組織の元素分布プロツト写
真図(80倍)である。第11a〜11e図は第4
図の実施に使用した条件と類似の条件で製造され
た実例に基づく別の微細構造であつて;aはアル
ミニウム相の除去後における物質の大領域の
LaueX線回折パターンを示すX線写真図;b及
びcは実例について観察された典型的な低アング
ルの粒界を示す金属組織を透過電子写真;d及び
eは粒界の間に金属相の存在を示す実例中に見ら
れる高アングルの粒界を示す金属組織の透過電子
写真である。
FIG. 1 is a graph showing weight gain as a function of temperature for aluminum parent metal systems doped with 3% silicon and having various magnesium concentrations and oxidized in air. FIG. 2 is a graph showing weight gain as a function of temperature for aluminum parent metal systems oxidized in air with various silicon dopant concentrations and constant magnesium concentration. Figure 3 shows aluminum doped with 10% silicon and 2% magnesium at a temperature of 1300°C.
FIG. 2 is a micrograph of a metallographic structure showing a ceramic structure manufactured according to Example 2. Figure 4 is 1%
1 is a micrograph (400x magnification) of a metallographic structure showing a ceramic structure manufactured according to Example 2 using an aluminum alloy doped with silicon and 2% magnesium at a temperature of 1150°C. Figure 5 is a micrograph (400x magnification) of a metallographic structure showing a closed-cell porous ceramic structure manufactured according to Example 2 at a temperature of 1300°C using an aluminum alloy doped with 3% silicon and 2% magnesium. It is. Figure 6 is a micrograph (400x magnification) of a metallographic structure showing an open-cell porous ceramic structure manufactured according to Example 2 at a temperature of 1300°C using an aluminum alloy doped with 10% silicon and 2% magnesium.
It is. Figure 7 shows an aluminum alloy doped with 5% silicon and 2% magnesium.
FIG. 2 is a micrograph (400x magnification) of a metallographic structure showing a dense, low-porosity ceramic structure produced according to Example 2 at 1350°C. FIG. 8 is a micrograph (1.6x magnification) of a metallographic structure showing a ceramic structure manufactured according to Example 2 at a temperature of 1400° C. using an aluminum alloy doped with 3% silicon and 2% magnesium. Figures 9a-9c are X-ray diffraction patterns of Al 2 O 3 , elemental aluminum and a ceramic structure prepared according to Example 2. FIG. 10 is a photograph (80x magnification) of the elemental distribution plot of the metal structure showing the ceramic structure of the present invention, showing the magnesium and aluminum concentration distribution measured by energy dispersive X-ray analysis. Figures 11a to 11e are the fourth
Another microstructure based on an example produced under conditions similar to those used for carrying out the figure; a is a large area of material after removal of the aluminum phase;
X-ray photographs showing the Laue X-ray diffraction pattern; b and c are transmission electron photographs showing the typical low-angle grain boundaries observed for the example; d and e are the presence of a metallic phase between the grain boundaries. This is a transmission electron photograph of a metal structure showing high angle grain boundaries seen in an example.
Claims (1)
形成する親金属に、そのような不動態被覆の形
成を防止しかつ溶融状態における該親金属と該
気相酸化剤とを伴う反応において反応の継続を
許容する少なくとも1種のドーパントを合し、 (2) 該気相酸化剤の存在下に、該ドーパント含有
親金属をその融点以上に加熱し、かつ その温度で、 (3) 該親金属と該気相酸化剤とを反応させて酸化
反応生成物を生成させ、 (4) 該酸化反応生成物の少なくとも1部の表面
が、該気相酸化剤と接触しかつ該気相酸化剤と
該溶融親金属との間に存在する状態を維持し、
よつて該親金属が該酸化反応生成物中を通して
該気相酸化剤側に輸送されて新鮮な酸化反応生
成物が該気相酸化剤側に成長するようにし、そ
して (5) 上記反応を継続して、酸化反応生成物と金属
を含むセラミツクス金属複合材料を得る工程か
らなるセラミツクス金属複合材料の製造方法。 2 前記親金属が少なくとも2種の前記ドーパン
トを含む請求項1記載の方法。 3 前記親金属がアルミニウムからなる請求項1
又は2記載の方法。 4 前記気相酸化剤が空気、窒素、ハロゲン、炭
素、硼素又はこれらの混合物からなる請求項1,
2又は3記載の方法。 5 前記親金属がアルミニウムであり、かつマグ
ネシウム、珪素、錫、ゲルマニウム及び鉛のうち
少なくとも1種のドーパントを含む請求項1記載
の方法。 6 前記温度が1000〜1450℃である請求項5記載
の方法。 7 溶融金属を使い果たすよりも実質的に長い期
間にわたつて前記反応を継続して多孔質のセラミ
ツクス金属複合体を得る請求項1〜6のいずれか
1項記載の方法。 8 前記セラミツク金属複合体が金属を包臓物と
して含むように前記反応を行う請求項1〜6のい
ずれか1項記載の方法。 9 前記親金属がアルミニウムからなり、該アル
ミニウム親金属が、該アルミニウム親金属の重量
を基準に、0.3〜10%の量のマグネシウムからな
る第1のドーパント0.5〜〜10%の量の珪素、錫、
ゲルマニウム及び鉛のうち少なくとも1種からな
る第2のドーパントを含む請求項1記載の方法。 10 前記セラミツク金属複合体に含まれる金属
の少なくとも一部が三次元的に連結している請求
項8記載の方法。 11 前記セラミツク金属複合体の少なくとも一
部が三次元的に連結している気孔を含む請求項7
記載の方法。 12 前記少なくとも1種のドーパントが前記親
金属に合金化されている請求項1記載の方法。 13 前記2種のドーパントが前記親金属に合金
化されている請求項2記載の方法。 14 前記親金属がアルミニウムからなり、前記
気相酸化剤が空気からなり、前記酸化反応生成物
がα−アルミナである請求項1記載の方法。 15 前記ドーパントがマグネシウム、珪素、
錫、ゲルマニウム及び鉛のうち少なくとも1種か
らなる請求項3記載の方法。[Scope of Claims] 1 (1) A parent metal that normally forms a passive coating in the presence of a gas phase oxidizing agent is provided with a method that prevents the formation of such a passive coating and that allows the parent metal and the gas in the molten state to form a passive coating. (2) heating the dopant-containing parent metal above its melting point in the presence of the gas phase oxidizing agent, and At that temperature, (3) the parent metal and the gas phase oxidant are reacted to form an oxidation reaction product, and (4) the surface of at least a portion of the oxidation reaction product is in contact with the gas phase oxidant. in contact with and maintaining a state between the vapor phase oxidant and the molten parent metal;
Thus, the parent metal is transported through the oxidation reaction product to the gaseous oxidant side, allowing fresh oxidation reaction product to grow on the gaseous oxidant side, and (5) continuing the reaction. A method for producing a ceramic-metal composite material comprising the steps of: obtaining a ceramic-metal composite material containing an oxidation reaction product and a metal. 2. The method of claim 1, wherein the parent metal includes at least two of the dopants. 3. Claim 1, wherein the parent metal is made of aluminum.
Or the method described in 2. 4. Claim 1, wherein the gas phase oxidizing agent comprises air, nitrogen, halogen, carbon, boron, or a mixture thereof.
The method described in 2 or 3. 5. The method of claim 1, wherein the parent metal is aluminum and includes at least one dopant among magnesium, silicon, tin, germanium, and lead. 6. The method according to claim 5, wherein the temperature is 1000 to 1450°C. 7. A method according to any one of claims 1 to 6, wherein the reaction is continued for a period substantially longer than the molten metal is used up to obtain a porous ceramic-metal composite. 8. The method according to any one of claims 1 to 6, wherein the reaction is carried out so that the ceramic metal composite contains metal as inclusions. 9 The parent metal is made of aluminum, the aluminum parent metal is a first dopant made of magnesium in an amount of 0.3 to 10%, silicon, tin in an amount of 0.5 to 10%, based on the weight of the aluminum parent metal. ,
2. The method of claim 1, including a second dopant comprising at least one of germanium and lead. 10. The method according to claim 8, wherein at least some of the metals contained in the ceramic metal composite are three-dimensionally connected. 11. Claim 7: At least a portion of the ceramic metal composite includes three-dimensionally connected pores.
Method described. 12. The method of claim 1, wherein the at least one dopant is alloyed with the parent metal. 13. The method of claim 2, wherein said two dopants are alloyed with said parent metal. 14. The method of claim 1, wherein the parent metal comprises aluminum, the gas phase oxidant comprises air, and the oxidation reaction product is alpha-alumina. 15 The dopant is magnesium, silicon,
4. The method according to claim 3, comprising at least one of tin, germanium, and lead.
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1985
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Also Published As
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| JPS616173A (en) | 1986-01-11 |
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