PL234766B1 - Sposób wytwarzania elementów kompozytowych z gradientem fazy metalicznej - Google Patents
Sposób wytwarzania elementów kompozytowych z gradientem fazy metalicznej Download PDFInfo
- Publication number
- PL234766B1 PL234766B1 PL418862A PL41886216A PL234766B1 PL 234766 B1 PL234766 B1 PL 234766B1 PL 418862 A PL418862 A PL 418862A PL 41886216 A PL41886216 A PL 41886216A PL 234766 B1 PL234766 B1 PL 234766B1
- Authority
- PL
- Poland
- Prior art keywords
- rpm
- minutes
- shapes
- sintered
- amount
- Prior art date
Links
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title description 22
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 71
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 28
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N Zirconium dioxide Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 22
- 238000009750 centrifugal casting Methods 0.000 claims description 22
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 18
- KRKNYBCHXYNGOX-UHFFFAOYSA-N citric acid Chemical compound OC(=O)CC(O)(C(O)=O)CC(O)=O KRKNYBCHXYNGOX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 15
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 15
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 claims description 12
- 239000000178 monomer Substances 0.000 claims description 12
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 11
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 claims description 10
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- ROOXNKNUYICQNP-UHFFFAOYSA-N ammonium persulfate Chemical compound [NH4+].[NH4+].[O-]S(=O)(=O)OOS([O-])(=O)=O ROOXNKNUYICQNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 10
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 claims description 10
- 229910052593 corundum Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 229910001845 yogo sapphire Inorganic materials 0.000 claims description 9
- OWPUOLBODXJOKH-UHFFFAOYSA-N 2,3-dihydroxypropyl prop-2-enoate Chemical compound OCC(O)COC(=O)C=C OWPUOLBODXJOKH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- KZHJGOXRZJKJNY-UHFFFAOYSA-N dioxosilane;oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Si]=O.O=[Si]=O.O=[Al]O[Al]=O.O=[Al]O[Al]=O.O=[Al]O[Al]=O KZHJGOXRZJKJNY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 229910052863 mullite Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 239000012190 activator Substances 0.000 claims description 6
- 238000000265 homogenisation Methods 0.000 claims description 6
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 6
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 229910001870 ammonium persulfate Inorganic materials 0.000 claims description 5
- KLOIYEQEVSIOOO-UHFFFAOYSA-N carbocromen Chemical compound CC1=C(CCN(CC)CC)C(=O)OC2=CC(OCC(=O)OCC)=CC=C21 KLOIYEQEVSIOOO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 239000003999 initiator Substances 0.000 claims description 5
- 238000005245 sintering Methods 0.000 claims description 5
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- CIWBSHSKHKDKBQ-JLAZNSOCSA-N Ascorbic acid Chemical compound OC[C@H](O)[C@H]1OC(=O)C(O)=C1O CIWBSHSKHKDKBQ-JLAZNSOCSA-N 0.000 claims description 4
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-M acrylate group Chemical group C(C=C)(=O)[O-] NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 4
- -1 monosaccharide acrylates Chemical class 0.000 claims description 3
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 3
- OMIGHNLMNHATMP-UHFFFAOYSA-N 2-hydroxyethyl prop-2-enoate Chemical compound OCCOC(=O)C=C OMIGHNLMNHATMP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- HRPVXLWXLXDGHG-UHFFFAOYSA-N Acrylamide Chemical compound NC(=O)C=C HRPVXLWXLXDGHG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-O Ammonium Chemical compound [NH4+] QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-O 0.000 claims description 2
- 239000002211 L-ascorbic acid Substances 0.000 claims description 2
- 235000000069 L-ascorbic acid Nutrition 0.000 claims description 2
- KWYHDKDOAIKMQN-UHFFFAOYSA-N N,N,N',N'-tetramethylethylenediamine Chemical group CN(C)CCN(C)C KWYHDKDOAIKMQN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- CWDPMIMCYNOTNT-HSLWUYEYSA-N [(2r,3s,4r,5r)-2,4,5,6-tetrahydroxy-1-oxohexan-3-yl] prop-2-enoate Chemical compound OC[C@@H](O)[C@@H](O)[C@@H]([C@@H](O)C=O)OC(=O)C=C CWDPMIMCYNOTNT-HSLWUYEYSA-N 0.000 claims description 2
- 229960005070 ascorbic acid Drugs 0.000 claims description 2
- 150000002016 disaccharides Chemical class 0.000 claims description 2
- 239000002905 metal composite material Substances 0.000 claims description 2
- FQPSGWSUVKBHSU-UHFFFAOYSA-N methacrylamide Chemical compound CC(=C)C(N)=O FQPSGWSUVKBHSU-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910003465 moissanite Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 150000002772 monosaccharides Chemical class 0.000 claims description 2
- 239000006259 organic additive Substances 0.000 claims description 2
- 229920005646 polycarboxylate Polymers 0.000 claims description 2
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 claims description 2
- YWYZEGXAUVWDED-UHFFFAOYSA-N triammonium citrate Chemical compound [NH4+].[NH4+].[NH4+].[O-]C(=O)CC(O)(CC([O-])=O)C([O-])=O YWYZEGXAUVWDED-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000001393 triammonium citrate Substances 0.000 claims description 2
- 235000011046 triammonium citrate Nutrition 0.000 claims description 2
- DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M Ilexoside XXIX Chemical compound C[C@@H]1CC[C@@]2(CC[C@@]3(C(=CC[C@H]4[C@]3(CC[C@@H]5[C@@]4(CC[C@@H](C5(C)C)OS(=O)(=O)[O-])C)C)[C@@H]2[C@]1(C)O)C)C(=O)O[C@H]6[C@@H]([C@H]([C@@H]([C@H](O6)CO)O)O)O.[Na+] DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M 0.000 claims 1
- WPKYZIPODULRBM-UHFFFAOYSA-N azane;prop-2-enoic acid Chemical compound N.OC(=O)C=C WPKYZIPODULRBM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 229920000193 polymethacrylate Polymers 0.000 claims 1
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 claims 1
- 239000011734 sodium Substances 0.000 claims 1
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N nickel Substances [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 20
- 239000000463 material Substances 0.000 description 9
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 6
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 5
- 238000005266 casting Methods 0.000 description 5
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 description 5
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 5
- 238000007569 slipcasting Methods 0.000 description 5
- 239000004809 Teflon Substances 0.000 description 4
- 229920006362 Teflon® Polymers 0.000 description 4
- 238000010526 radical polymerization reaction Methods 0.000 description 4
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 3
- 238000006116 polymerization reaction Methods 0.000 description 3
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 description 3
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 3
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 238000005056 compaction Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000010304 firing Methods 0.000 description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- 239000002923 metal particle Substances 0.000 description 2
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 2
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 description 2
- 238000004062 sedimentation Methods 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 2
- CERQOIWHTDAKMF-UHFFFAOYSA-M Methacrylate Chemical compound CC(=C)C([O-])=O CERQOIWHTDAKMF-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 description 1
- 229910005091 Si3N Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000005294 ferromagnetic effect Effects 0.000 description 1
- 229910052602 gypsum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010440 gypsum Substances 0.000 description 1
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 1
- 238000000462 isostatic pressing Methods 0.000 description 1
- 239000011156 metal matrix composite Substances 0.000 description 1
- 239000013528 metallic particle Substances 0.000 description 1
- 229920005596 polymer binder Polymers 0.000 description 1
- 239000002491 polymer binding agent Substances 0.000 description 1
- 239000003505 polymerization initiator Substances 0.000 description 1
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 description 1
- 229920000915 polyvinyl chloride Polymers 0.000 description 1
- 239000004800 polyvinyl chloride Substances 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 230000008719 thickening Effects 0.000 description 1
- 230000007306 turnover Effects 0.000 description 1
- 238000003826 uniaxial pressing Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Powder Metallurgy (AREA)
- Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)
Description
Opis wynalazku
Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania elementów kompozytowych z gradientem stężenia fazy metalicznej.
Znana jest metoda odlewania żelowego, która łączy ze sobą tradycyjne odlewanie z gęstw do form z reakcją polimeryzacji rodnikowej. Metoda ta polega na wymieszaniu proszków z rozpuszczalnikiem, odpowiednimi środkami upłynniającymi oraz odpowiednio dobranym monomerem, a następnie dodaniu aktywatora i inicjatora polimeryzacji. Monomer w masie lejnej ulega polimeryzacji rodnikowej tworząc pomiędzy cząstkami proszków makromolekularną sieć. Rodzaj i ilość inicjatora i aktywatora polimeryzacji oraz rodzaj stosowanego monomeru pozwalają na kontrolę tzw. czasu jałowego polimeryzacji monomeru w masie lejnej. Metoda ta nie wymaga skomplikowanego sprzętu, dzięki czemu jest ona stosunkowo tania (Omatete O., Janney M., Nunn S., Gelcasting: From Laboratory Development Toward Industrial Production, J. Eur. Ceram. Soc. 1997, 17, 407-413). Nie można jednak za pomocą tej metody wytwarzać elementów kompozytowych z gradientem stężenia fazy metalicznej.
Wśród metod formowania elementów kompozytowych z gradientem stężenia fazy metalicznej można wyróżnić m.in. metodę odlewania z mas lejnych z zastosowaniem pola magnetycznego (ang. Magnetic Field Induced Sedimentation) oraz metodę odlewania odśrodkowego z mas lejnych (ang. Centrifugal Slip Casting).
W przypadku metody odlewania z mas lejnych z zastosowaniem pola magnetycznego wytworzenie struktury gradientowej jest uzależnione od ferromagnetycznych właściwości proszków metalicznych. Proszki nieposiadające takich właściwości nie zostaną wprawione w ruch pod działaniem pola magnetycznego, przez co uzyskanie kompozytu gradientowego nie będzie możliwe. Dodatkowo, ograniczeniem tej metody jest trudność w wytworzeniu elementów o dużych rozmiarach, z powodu ograniczonego zasięgu działania pola magnetycznego.
Metoda odlewania odśrodkowego mas lejnych łączy w sobie klasyczne odlewanie z gęstwy z działaniem siły odśrodkowej. W wyniku zastosowania porowatych form gipsowych następuje usunięcie ciekłego medium z zawiesiny, co w konsekwencji prowadzi do zagęszczenia materiału. Dodatkowo zastosowanie siły odśrodkowej powoduje jednoczesne zmienne rozlokowanie cząstek metalu w ceramicznej osnowie. Dotychczasowe badania własne [Zygmuntowicz J., Miazga A., Konopka K., Jędrysiak K., Kaszuwara W., Alumina matrix ceramic-nickel composites formed by centrifugal slip casting., Processing and Application of Ceramics, 2015, 9 (4), 199-202; Zygmuntowicz J., Miazga A., Konopka K., Kaszuwara W., Structural and mechanical properties of graded composite AbO3/Ni obtained from slurry of different solid content. Procedia Structural Integrity, 2016, 1, 305-312] pokazują, iż metoda ta pozwala na zastosowanie mniejszych wartości przyspieszenia odśrodkowego niż w klasycznej metodzie odlewania odśrodkowego kompozytów o osnowie metalicznej. Technologia ta umożliwia uzyskanie gotowego wyrobu w kształcie wydrążonego walca. Dodatkowo gotowy wyrób uzyskany tą metodą charakteryzuje się wysoką gęstością względną po procesie spiekania.
Materiały po zagęszczaniu wirówkowym wykazują mniejsze zdefektowanie w stosunku do materiałów formowanych metodami prasowania jednoosiowego czy izostatycznego (Maleksaeedi S., Paydar M. H., Ma J., J. Am. Ceram. Soc. 2010, 93(2), 413-419; Sato K., Hotta Y., Yilmaz H., Watari K., J. Eur. Ceram. Soc., 2009, 29, 1323-1329). Zaobserwowano również, iż działanie siły odśrodkowej może spowodować usunięcie pęcherzyków powietrza, które zaadsorbowały się na powierzchni proszków i ich aglomeratów w trakcie procesów przygotowywania masy, a także jej mieszania, dzięki czemu nie jest konieczne dodatkowe odgazowywanie mas lejnych z pomocą pomp próżniowych (Maleksaeedi S., Paydar M., Ma J., J. Am. Ceram. Soc. 2009, 92(12), 2861-2869). Brak pęcherzy powietrza poprawia również jakość elementów w stanie surowym: zwiększone jest zagęszczenie materiału oraz lepsza jest jakość powierzchni otrzymanego elementu - nie jest konieczna dodatkowa obróbka wykańczająca.
Przy zastosowaniu metody odlewania odśrodkowego kompozyty z gradientem wytwarzane są z wykorzystaniem form porowatych, które mają za zadanie usunąć w trakcie odlewania medium ciekłe. Niestety, zastosowanie tego typu form powoduje, że powyższa metoda nie daje możliwości uzyskania kompozytów z gradientem o ciągłej zmianie zawartości fazy zbrojącej. Bezpośrednio przy powierzchni powstaje warstwa o jednorodnym rozmieszczeniu cząstek metalicznych, ponieważ już w początkowej fazie procesu siły kapilarne intensywnie odprowadzają rozpuszczalnik zagęszczając masę uniemożliwiając tym samym ruch cząstek metalu. Wytwarzane kompozyty charakteryzują się maksymalną zawartością fazy zbrojącej w środkowej części materiału. Bardziej korzystne jest jednak, jeśli najwyższa zawartość fazy metalicznej znajduje się w zewnętrznej części elementu.
PL 234 766 B1
Sposób według wynalazku pozwala na wyeliminowanie powyżej przedstawionych ograniczeń, w wyniku zastosowania połączenia odlewania odśrodkowego z metodą odlewania żelowego do wytwarzania kompozytów ceramiczno-metalowych, w tym materiałów z gradientem stężenia cząstek.
Sposób wytwarzania elementów kompozytowych ceramika-metal z gradientem stężenia cząstek według wynalazku polega na tym, że mieszaninę proszków metalicznego i ceramicznego w ilości 65-85 cz. wag., przy stosunku wagowym proszków metalicznego do ceramicznego 0,01-0,55, miesza się z wodą w ilości 15-35 cz. wag., z dodatkiem monomeru organicznego w ilości 0,5-10 cz. wag., upłynniacza w ilości 0,05-5,0 cz. wag., aktywatora w ilości 0,01-0,1 cz. wag., a następnie poddaje się homogenizacji. Po procesie homogenizacji dodaje się do masy lejnej inicjator w ilości 0,1-7,0 cz. wag. Przygotowaną mieszaninę miesza się w młynie planetarnym z prędkością obrotową od 100 obr/min do 400 obr/min, korzystnie w czasie 1-5 minut, lub w homogenizatorze wysokoobrotowym z prędkością obrotową od 500 obr/min do 2200 obr/min. Następnie jednorodną masę wylewa się do formy i poddaje odlewaniu odśrodkowemu, podczas którego zachodzi reakcja polimeryzacji wewnątrz masy. Proces żelowego odlewania odśrodkowego prowadzi się przy obrotach w zakresie od 800 obr/min do 10000 obr/min, w czasie od 5 minut do 180 minut, w zależności od składu masy lejnej. Następnie, kształtkę wyjmuje się z formy i poddaje się procesowi wypalenia dodatków organicznych i spieczenia wytworzonej kształtki.
Korzystnie jako proszek ceramiczny stosuje się: AI2O3, ZrO2, mullit, ZnO, TiO2, SiC, Si3N4.
Korzystnie jako proszek metaliczny stosuje się Ni lub Fe lub Mo.
Korzystnie jako mieszaninę proszków stosuje się AbO3/Ni, AbO3/Mo, AbO3/Fe, ZrO2/Ni, ZrO2/Mo, ZrO2/Fe, ZnO/Ni, ZnO/Mo, ZnO/Fe, TiO2/Ni, TiO2/Mo, TiO2/Fe, SiC/Ni, SiC/Mo, SiC/Fe, Si3N4/Ni, Si3N4/Mo, Si3N4/Fe.
Korzystnie stosuje się proszek ceramiczny o wielkości cząstek poniżej 1 gm, zaś proszek metaliczny o wielkości cząstek poniżej 50 gm.
Korzystnie jako monomer stosuje się akrylan najkorzystniej wybrany z grupy zawierającej: monoakrylan glicerolu lub akrylan 2-hydroksyetylu lub akryloamid lub metakryloamid lub 3-O-akryloilo-D-glukozę lub akrylany monosacharydów.
Korzystnie jako upłynniacz stosuje się: kwas cytrynowy, wodorocytrynian diamonu, cytrynian triamonu, poliakrylan amonu, polimetakrylan sodu), sól amonową polikarboksylanów, mono- i disacharydy lub ich mieszaniny.
Korzystnie jako aktywator stosuje się Ν,Ν,Ν’,Ν’-tetrametyloetylenodiaminę lub kwas L-askorbinowy.
Korzystnie jako inicjator stosuje się nadsiarczan amonu.
Korzystnie, w przypadku homogenizacji w młynie planetarnym homogenizację prowadzi się z prędkością obrotową od 200 obr/min do 400 obr/min, w czasie od 30 minut do 2 godzin. Natomiast w przypadku wysokoobrotowego homogenizatora proces prowadzi się w czasie od 1 minuty do 15 minut, kilkuetapowo.
Korzystnie stosuje się formę z: teflonu, poli(chlorku winylu), polipropylenu.
Kształtki z układu AbO3/Ni, AbO3/Mo, AbO3/Fe, spieka się w temperaturze 1200-1600°C, w atmosferze ochronnej/redukującej typu Ar/H2, N2/H2.
Kształtki z układu ZrO2/Ni, ZrO2/Mo, ZrO2/Fe spieka się w temperaturze 1400-1600°C, w atmosferze ochronnej/redukującej typu Ar/H2, N2/H2.
Kształtki z układu mullit/Ni, mullit/Mo, mullit/Fe spieka się w temperaturze 1300-1600°C, w atmosferze ochronnej/redukującej typu Ar/H2, N2/H2.
Kształtki z układu SiC/Ni, SiC/Mo, SiC/Fe spieka się w temperaturze 2100-2200°C, w atmosferze ochronnej/redukującej typu Ar/H2, N2/H2.
Kształtki z układu Si3N/Ni, Si3N4/Mo, Si3N4/Fe spieka się pod ciśnieniem 20-50 MPa, w temperaturze 1650-1750°C, w atmosferze ochronnej/redukującej typu Ar/H2, N2/H2.
Sposób według wynalazku polega na konsolidacji proszków w wyniku działania siły odśrodkowej oraz jednoczesnym przeprowadzeniu wewnątrz kompozytowej masy lejnej reakcji polimeryzacji rodnikowej monomeru organicznego. Połączenie metody odlewania żelowego z odlewaniem odśrodkowym, a zatem zastosowanie nowej metody - żelowego odlewania odśrodkowego, pozwala na otrzymanie kompozytów z gradientem o ciągłej zmianie zawartości fazy zbrojącej, przy czym najwyższa zawartość fazy metalicznej znajduje się w zewnętrznej części elementu.
Dzięki sposobowi według wynalazku cząstki, pod wpływem siły odśrodkowej, upakowują się w wolnych przestrzeniach, przy obniżonych współczynnikach tarcia, co praktycznie ogranicza naprężenia mechaniczne w próbce do minimum. Naprężenia mechaniczne negatywnie wpływają na właściwości
PL 234 766 B1 fizyczne i mechaniczne kształtek, gdyż ich relaksacja ma wpływ na rozprężenie wyprasek łącznie ze zmianą ich wymiarów. W rezultacie uzyskuje się więc sztywny odlew kompozytowy odznaczający się wysoką wytrzymałością mechaniczną oraz obecnością gradientu fazy metalicznej w materiale.
Metoda ta pozwala na wytworzenie elementów kompozytowych o długości od 4 cm do 50 cm w kształcie tulei z gradientem fazy metalicznej w kompozycie.
Na rysunku przedstawiono:
Fig. 1 - Schemat urządzenia do żelowego odlewania odśrodkowego wykorzystanego w opisanych niżej przykładach realizacji wynalazku.
Fig. 2 - Mikrostruktura próbki ALO3/Ni wykonanej poprzez żelowe odlewanie odśrodkowe zgodnie z Przykładem 1, z widocznym gradientowym rozmieszczeniem fazy metalicznej.
Fig. 3 - Mikrostruktura próbki AI2O3/MO wykonanej poprzez żelowe odlewanie odśrodkowe zgodnie z Przykładem 2, z widocznym gradientowym rozmieszczeniem fazy metalicznej.
Przedmiot wynalazku został bliżej przedstawiony w przykładach wykonania.
P r z y k ł a d 1
W formowaniu kształtek kompozytowych z ALO3/Ni metodą żelowego odlewania odśrodkowego według wynalazku zastosowano monomer monoakrylan glicerolu. Sporządzono masę lejną zawierającą 35,64 g AI2O3 o średniej wielkości cząstek 133 nm, 8,9 g Ni o średniej wielkości cząstek 27 μm, 10 g wody, 1,34 g monoakrylanu glicerolu, 0,14 g wodorocytrynianu diamonu, 0,05 g kwasu cytrynowego oraz 0,013 g Ν,Ν,Ν’,Ν’-tetrametyloetylenodiaminy. Masę mieszano w wysokoobrotowym homogenizatorze Thinky ARE-250 w procesie kilkuetapowym: w pierwszym etapie mieszanie trwało 8 minut z szybkością 2100 obr/min, następnie mieszaninę podano mieszaniu w czasie 5 minut z szybkością 1500 obr/min, w kolejnym kroku masa lejna została poddana mieszaniu w czasie 2 minut z szybkością 500 obr/min. Do tak przygotowanej masy lejnej dodano 0,068 g 5% wodnego roztworu nadsiarczanu amonu i mieszano przez 1 minutę z szybkością 1500 obr/min.
Do odlewania odśrodkowego wykorzystano urządzenie przedstawione na Fig. 1. Otrzymaną zawiesinę 1 wlano do formy 2 z teflonu, którą umieszczono komorze 3 wirówki, umieszczonej w metalowej obudowie urządzenia 4 i zamkniętej pokrywą 5. Wirówka była napędzana silnikiem 6. Proces żelowego odlewania odśrodkowego przebiegał w temperaturze 25°C przez 90 minut, proces prowadzono z szybkością 2000 obr/min. Otrzymano kształtki w formie tulei z gradientem stężenia fazy metalicznej (Ni) w całej objętości materiału. Uzyskane kształtki suszono przez 48 godzin w temperaturze 30°C, a następnie poddano procesowi wypalania polimerowego spoiwa i spiekania w temperaturze 1400°C w atmosferze N2/H2.
Uzyskane kształtki w stanie surowym charakteryzowały się gęstością względną 62,25%.
Uzyskane spieki charakteryzowały się gęstością względną 95,06%.
Uzyskane spieki charakteryzowały się gradientowym rozmieszczeniem fazy metalicznej w całej objętości materiału kompozytowego. Wytworzone kompozyty cechowały się trójstrefową budową. Wyróżniono umownie przyjęte trzy strefy. Jako strefę I przyjęto najbardziej zewnętrzną część próbki. Strefę I wyróżnia maksymalna zawartość fazy metalicznej. Strefa II (środkowa) charakteryzuje się zawartością zbrojenia równą zawartości fazy metalicznej w masie wyjściowej. Natomiast strefa III (wewnętrzna) zawierała głównie AI2O3 oraz znikome ilości Ni (ok. 1% obj. Ni), gdyż większość fazy metalicznej została rozmieszczona w strefie zewnętrznej oraz środkowej, co przedstawiono na Fig. 2. Uzyskane spieki charakteryzowały się następującą twardością: w przypadku strefy I - 7,09 ± 1,25 GPa, w strefie II - 13,16 ± 1,35 GPa, zaś w strefie III - 17,05 ± 1,24 GPa.
P r z y k ł a d 2
W formowaniu kształtek kompozytowych z ALO3/Mo metodą żelowego odlewania odśrodkowego zastosowano monomer monoakrylan glicerolu. Sporządzono masę lejną zawierającą 35,64 g AI2O3 o średniej wielkości cząstek 133 nm, 10,25 g Mo o średniej wielkości cząstek 5 μm, 10 g wody, monoakrylan glicerolu w postaci 3% wodnego roztworu, 0,14 g wodorocytrynianu diamonu, 0,05 g kwasu cytrynowego oraz 0,013 g N,N,N’,N’-tetrametyloetylenodiaminy. Masę mieszano w wysokoobrotowym homogenizatorze Thinky ARE-250 w procesie kilkuetapowym: w pierwszym etapie mieszanie trwało 8 minut z szybkością 2100 obr/min, następnie mieszaninę poddano mieszaniu w czasie 5 minut z szybkością 1500 obr/min, w kolejnym kroku masa lejna została poddana mieszaniu w czasie 2 minut z szybkością 500 obr/min. Do tak przygotowanej masy lejnej dodano 0,042 g 5% wodnego roztworu nadsiarczanu amonu i mieszano przez 1 minutę z szybkością 1500 obr/min. Otrzymaną zawiesinę wlano do formy z teflonu, którą umieszczono w metalowej obudowie urządzenia pozwalającego na odlewanie odśrodkowe. Proces żelowego odlewania odśrodkowego przebiegał w temperaturze 25°C przez 130
PL 234 766 B1 minut, proces prowadzono z szybkością 2000 obr/min. Otrzymano kształtki w formie tulei z gradientem stężenia fazy metalicznej (Mo) w całej objętości materiału. Uzyskane kształtki suszono przez 48 godzin w temperaturze 30°C, a następnie poddano procesowi wypalania polimerowego spoiwa i spiekania w temperaturze 1400°C w atmosferze Ar/H2.
Uzyskane kształtki w stanie surowym charakteryzowały się gęstością względną 71,25%.
Uzyskane spieki charakteryzowały się gęstością względną 97,06%.
Uzyskane spieki charakteryzowały się gradientowym rozmieszczeniem fazy metalicznej w całej objętości materiału kompozytowego. Wytworzone kompozyty cechowały się trójstrefową budową. Wyróżniono umownie przyjęte trzy strefy. Jako strefę I przyjęto najbardziej zewnętrzną część próbki. Strefę I wyróżnia maksymalna zawartość fazy metalicznej. Strefa II (środkowa) charakteryzuje się zawartością zbrojenia równą zawartości fazy metalicznej w masie wyjściowej. Natomiast strefa III (wewnętrzna) zawierała głównie AI2O3 oraz znikome ilości Mo, gdyż większość fazy metalicznej została rozmieszczona w strefie zewnętrznej oraz środkowej, co przedstawiono na Fig. 3. Uzyskane spieki charakteryzowały się następującą twardością: w przypadku strefy I - 2,75 ± 0,23 GPa, w strefie II - 9,27 ± 0,22 GPa, zaś w strefie III - 12,31 ± 0,79 GPa.
P r z y k ł a d 3, porównawczy.
W formowaniu kształtek kompozytowych z AI2O3/M metodą żelowego odlewania odśrodkowego zastosowano monomer monoakrylan glicerolu. Sporządzono masę lejną zawierającą 39,20 g AI2O3 o średniej wielkości cząstek 133 nm, 9,79 g Ni o średniej wielkości cząstek 27 ąm, 9 g wody, monoakrylanu glicerolu w postaci 3% wodnego roztworu, 0,14 g wodorocytrynianu diamonu, 0,05 g kwasu cytrynowego oraz 0,013 g Ν,Ν,Ν’,Ν’-tetrametyloetylenodiaminy. Masę mieszano w wysokoobrotowym homogenizatorze Thinky ARE-250 w procesie kilkuetapowym: w pierwszym etapie mieszanie trwało 8 minut z szybkością 2100 obr/min, następnie mieszaninę podano mieszaniu w czasie 5 minut z szybkością 1500 obr/min, w kolejnym kroku masa lejna została poddana mieszaniu w czasie 2 minut z szybkością 500 obr/min. Do tak przygotowanej masy lejnej dodano 0,073 g 5% wodnego roztworu nadsiarczanu amonu i mieszano przez 1 minutę z szybkością 1500 obr/min w homogenizatorze wysokoobrotowym. Otrzymaną zawiesinę podzielono na dwie próbki, które wlano do formy z teflonu. Następnie umieszczono w metalowej obudowie urządzenia pozwalającego na odlewanie odśrodkowe. Proces żelowego odlewania odśrodkowego przebiegał w temperaturze 25°C przez 100 minut, proces prowadzono z dwoma różnymi szybkościami, odpowiednio: 450 obr/min i 20000 obr/min. W przypadku niższych obrotów nie uzyskano struktury gradientowej. Dla wyższej prędkości obrotowej (2000 obr./min) w masie lejnej nie zaszła polimeryzacja rodnikowa, a fazy (stała i ciekła) uległy rozdzieleniu.
Claims (16)
- Zastrzeżenia patentowe1. Sposób wytwarzania elementów kompozytowych ceramika-metal z gradientem stężenia cząstek, z wykorzystaniem odlewania odśrodkowego, znamienny tym, że mieszaninę proszków metalicznego i ceramicznego w ilości 65-85 cz. wag., przy stosunku wagowym proszków metalicznego do ceramicznego 0,01-0,55, miesza się z wodą w ilości 15-35 cz. wag., z dodatkiem monomeru organicznego w ilości 0,5-10 cz. wag., upłynniacza w ilości 0,05-5,0 cz. wag., aktywatora w ilości 0,01-0,1 cz. wag., a następnie poddaje się homogenizacji, po czym dodaje się do masy lejnej inicjator w ilości 0,1-7,0 cz. wag. i mieszaninę miesza się młynie planetarnym z prędkością obrotową od 100 obr/min do 400 obr/min, lub w homogenizatorze wysokoobrotowym z prędkością obrotową od 500 obr/min do 2200 obr/min, a następnie jednorodną masę wylewa się do formy i poddaje odlewaniu odśrodkowemu, przy obrotach w zakresie od 800 obr/min do 10000 obr/min, w czasie od 5 minut do 180 minut, po czym kształtkę wyjmuje się z formy i poddaje się procesowi wypalenia dodatków organicznych i spieczenia wytworzonej kształtki.
- 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako proszek ceramiczny stosuje się: AI2O3, ZrO2, mullit, ZnO, TiO2, SiC, Si3N4.
- 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako proszek metaliczny stosuje się Ni lub Fe lub Mo.
- 4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się proszek ceramiczny o wielkości cząstek poniżej 1 ąm, zaś proszek metaliczny o wielkości cząstek poniżej 50 ąm.
- 5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako monomer stosuje się akrylan.PL 234 766 B1
- 6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że akrylan jest wybrany z grupy zawierającej: monoakrylan glicerolu, akrylan 2-hydroksyetylu, akryloamid, metakryloamid, 3-O-akryloilo-D-glukozę, akrylany monosacharydów.
- 7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że upłynniacz jest wybrany z grupy zawierającej: kwas cytrynowy, wodorocytrynian diamonu, cytrynian triamonu, poliakrylan amonu, polimetakrylan sodu), sól amonowa polikarboksylanów, mono- i disacharydy lub ich mieszaniny.
- 8. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako aktywator stosuje się N,N,N’,N’-tetrametyloetylenodiaminę lub kwas L-askorbinowy.
- 9. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako inicjator stosuje się nadsiarczan amonu.
- 10. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w przypadku młyna planetarnego homogenizację prowadzi się z prędkością obrotową od 200 obr/min do 400 obr/min, w czasie od 30 minut do 2 godzin.
- 11. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w przypadku wysokoobrotowego homogenizatora homogenizację prowadzi się w czasie od 1 minuty do 15 minut, kilkuetapowo.
- 12. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że kształtki z układu ALO3/Ni, AbO3/Mo, ALO3/Fe, spieka się w temperaturze 1200-16OO°C, w atmosferze ochronnej/redukującej typu Ar/H2, N2/H2.
- 13. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że kształtki z układu ZrO2/Ni, ZrO2/Mo, ZrO2/Fe spieka się w temperaturze 1400-16OO°C, w atmosferze ochronnej/redukującej typu Ar/H2, N2/H2.
- 14. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że kształtki z układu mullit/Ni, mullit/Mo, mullit/Fe spieka się w temperaturze 1300-16OO°C, w atmosferze ochronnej/redukującej typu Ar/H2, N2/H2.
- 15. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że kształtki z układu SiC/Ni, SiC/Mo, SiC/Fe spieka się w temperaturze 2100-2200°C, w atmosferze ochronnej/redukującej typu Ar/H2, N2/H2.
- 16. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że kształtki z układu Si3N4/Ni, Si3N4/Mo, Si3N4/Fe spieka się pod ciśnieniem 20-50 MPa, w temperaturze 1650-1750°C, w atmosferze ochronnej/redukującej typu Ar/H2, N2/H2.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL418862A PL234766B1 (pl) | 2016-09-26 | 2016-09-26 | Sposób wytwarzania elementów kompozytowych z gradientem fazy metalicznej |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL418862A PL234766B1 (pl) | 2016-09-26 | 2016-09-26 | Sposób wytwarzania elementów kompozytowych z gradientem fazy metalicznej |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| PL418862A1 PL418862A1 (pl) | 2018-04-09 |
| PL234766B1 true PL234766B1 (pl) | 2020-03-31 |
Family
ID=61809837
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PL418862A PL234766B1 (pl) | 2016-09-26 | 2016-09-26 | Sposób wytwarzania elementów kompozytowych z gradientem fazy metalicznej |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| PL (1) | PL234766B1 (pl) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| PL441671A1 (pl) * | 2022-07-07 | 2024-01-08 | Politechnika Warszawska | Sposób wytwarzania kompozytów o osnowie ceramicznej wzmacnianych cząstkami metalicznymi |
| PL447801A1 (pl) * | 2024-02-18 | 2024-09-02 | Politechnika Warszawska | Sposób wytwarzania elementów kompozytowych ceramika-metal |
-
2016
- 2016-09-26 PL PL418862A patent/PL234766B1/pl unknown
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| PL441671A1 (pl) * | 2022-07-07 | 2024-01-08 | Politechnika Warszawska | Sposób wytwarzania kompozytów o osnowie ceramicznej wzmacnianych cząstkami metalicznymi |
| PL447801A1 (pl) * | 2024-02-18 | 2024-09-02 | Politechnika Warszawska | Sposób wytwarzania elementów kompozytowych ceramika-metal |
| PL248030B1 (pl) * | 2024-02-18 | 2025-10-06 | Politechnika Warszawska | Sposób wytwarzania elementów kompozytowych ceramika-metal |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| PL418862A1 (pl) | 2018-04-09 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Wu et al. | Research into the mechanical properties, sintering mechanism and microstructure evolution of Al2O3-ZrO2 composites fabricated by a stereolithography-based 3D printing method | |
| Li et al. | Digital light processing 3D printing of ceramic shell for precision casting | |
| Gilissen et al. | Gelcasting, a near net shape technique | |
| JP2604592B2 (ja) | 金属、セラミック粉末等の成形方法及びそのための組成物 | |
| US5009822A (en) | Alumina-or alumina/zirconia-silicon carbide whisker ceramic composites and methods of manufacture | |
| Tallon et al. | Recent trends in shape forming from colloidal processing: A review | |
| JPH05504599A (ja) | 無機短繊維含有形状体 | |
| CN102933519A (zh) | 取向性max相陶瓷及其制造方法 | |
| Yang et al. | Injection molding of ultra-fine Si3N4 powder for gas-pressure sintering | |
| KR20190115010A (ko) | 치밀한 소결물품 | |
| Leo et al. | Freeze casting for near‐net‐shaping of dense zirconium diboride ceramics | |
| RU2483043C2 (ru) | Способ получения пористой структуры керамического материала | |
| PL234766B1 (pl) | Sposób wytwarzania elementów kompozytowych z gradientem fazy metalicznej | |
| WO2010008596A1 (en) | Production of sintered three-dimensional ceramic bodies | |
| JPS61197474A (ja) | 短繊維強化セラミツク成形体の製法 | |
| US20190241440A1 (en) | Low-cost process of manufacturing transparent spinel | |
| Zhang et al. | High performance porous wave-transmitting silicon nitride ceramics by gel-casting technique | |
| Bandyopadhyay et al. | Mechanical properties of interconnected phase alumina-Al composites | |
| Jiang | Gelcasting of carbide ceramics | |
| Sun et al. | Influence of forming methods on the microstructure of 3Y-TZP specimens | |
| RU2443659C1 (ru) | Способ изготовления горячим прессованием изделий из керамического материала на основе нитрида кремния | |
| RU2513072C1 (ru) | Способ получения высокоплотного водного шликера на основе кварцевого стекла | |
| US20130106009A1 (en) | Production of sintered three-dimensional ceramic bodies | |
| Raju et al. | Investigations on colloidal and dry formed alumina parts under pressure and pressure-less conditions | |
| CN119038983B (zh) | 一种低温快速制备致密磷酸铝陶瓷的方法 |