專利名稱：使用合金陰模制備金屬復合體的方法及由該方法生產的產品的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種制備金屬基質復合體的新方法及由此方法生產的金屬基質復合體。具體地講，該方法通過首先在一種基質金屬中形成內空穴，然后將填料的可滲透體放入該空穴之中將填料的可滲透體制成預型體。將滲透增強劑和/或其前體和/或滲透氣氛在工藝中某一階段與填料相聯系，使基質金屬熔融時自發滲入可滲透的填料體中。在工藝中某一階段，填料變成自支撐狀態。
含有金屬基質和加強或增強相(如陶瓷顆粒、晶須、纖維等)的復合產品對于許多應用顯示出廣闊的前途，因為它們具有增強相的部分剛性和耐磨性以及金屬基質的可延伸性和韌性。一般來說，金屬基質復合體與整塊基體金屬相比，將表現出在強度、剛性、接觸耐磨性和高溫強度保持性等性能方面的改進，但是對任何給出的性能可能被改進的程度主要取決于特定的組分，它們的體積或重量比，以及在形成該復合體中如何處理這些組分。在某些情況下，這種復合體在重量上還可能比基質金屬本身更輕或更重。例如，用陶瓷(如顆粒、片晶或晶須狀的碳化硅)增強的鋁基質金屬復合體是令人感興趣的，因為相對于鋁而言，它們的具有更高的剛性、耐磨性和高溫強度。
許多冶金方法被介紹用于生產鋁基復合體，這些方法包括以使用加壓澆鑄、真空澆鑄、攪拌和潤濕劑的粉末冶金技術和液體-金屬滲透技術為基礎的方法。采用粉末冶金技術時，使粉末狀的金屬和粉末、晶須、切斷的纖維等形式的增強材料混合，然后進行冷壓和燒結或進行熱壓。已報道出用這種方法生產的碳化硅增強的鋁基復合體中最大的陶瓷體積比在晶須情況下約為25%(體積)，在顆粒的情況下約為40%(體積)。
利用常規工藝方法通過粉末冶金技術生產金屬基質復合體對可得到的產品的性能產生一定的限制。該復合體中陶瓷相的體積比在顆粒情況下典型地限制為約40%。另外，加壓操作還會對可得到的實際尺寸產生限制。在沒有后續加工(如成形或機械加工)或不借助于復雜壓制的條件下，只有可能產生相對簡單的產品形狀。再有，由于壓實體中的分凝和晶粒生長會造成顯微結構的非均勻性外，在燒結期間會發生不均勻收縮。
在1976年7月20日授予J.C.Cannell等人的美國專利第3，970，136號中，敘述了一種形成金屬基質復合體的方法，所說的復合體中結合有具有預定纖維取向模式的纖維增強材料，如碳化硅或氧化鋁晶須。這種復合體的制備是通過在一個具有熔融基質金屬(如鋁)的儲池的模中在至少部分板之間放置共平面纖維的平行板或氈，然后對熔融金屬施加壓力使其滲入所說的板并環繞在定向纖維周圍。也可能把熔融金屬倒在所說板的堆積體上，然后施加壓力使其流入板之間。已報道出在這種復合體中增強纖維的填充量高達約50%(體積)。
鑒于上述滲透方法取決于施加在熔融基質金屬上使其通過纖維板堆積體的外部壓力，因此該方法受到壓力誘導的流動過程的多變性的影響，即可能形成非均勻性基體，孔隙等。即使熔融金屬可能在纖維堆積體中的許多位置引入，也可能造成性能的不均勻性。因此，需要提供復雜的板/儲池排列和流動通道，以實現在纖維板堆積體上的充分均勻滲透。另外，上述壓力滲透法只使得到的基質體積獲得較低量的增強材料，這是由于滲入一個大板體積中所故有的困難性所致。再有，要求模具在壓力下盛裝熔融金屬，這就增加了工藝過程的費用。最后，僅限于滲透排列好的顆粒或纖維的上述方法不能用來形成用無規則取向的顆粒、晶須或纖維形式材料增強的鋁金屬基復合體。
在鋁基氧化鋁填充的復合體的制造中，鋁不能容易地潤濕氧化鋁，因此難于形成粘結產品。針對這一問題，曾建議過使用各種溶液。一種方法是用一種金屬(如鎳或鎢)涂敷所說氧化鋁，然后使其與鋁一同進行熱壓。在另一種方法中，使所說的鋁與鋰合金化，并且可以用二氧化硅涂敷所說的氧化鋁。但是，這些復合體在性能方面表現出各種變化，或者，所說的涂層會降低填料的質量，或者所說的基體含有能影響基體性能的鋰。
授予R.W.Grimshaw等人的美國專利4，232，091克服了在生產鋁基氧化鋁復合體中遇到的某些困難。這一專利敘述了對熔融鋁(或熔融鋁合金)施加75～375kg/平方厘米的壓力使其滲入已預熱到700～1050℃的氧化鋁纖維或晶須的板中。在得到的固體鑄體中氧化鋁對金屬的最大體積比為0.25/1。由于取決于完成滲透的外界壓力，所以這種方法受到許多與Cannell等人專利的同樣缺點的影響。
歐洲專利公報115，742敘述了通過用熔融鋁充填預成型的氧化鋁基質的孔隙來制造鋁-氧化鋁復合體的方法，這種鋁-氧化鋁復合體特別適用于電解池組分。該申請強調了鋁對氧化鋁的非潤濕性，因此采用各種方法來潤濕整個預型體中的氧化鋁。例如，用一種潤濕劑，即鈦、鋯、鉿或鈮的二硼化物或者用一種金屬，即鋰、鎂、鈣、鈦、鉻、鐵、鈷、鎳、鋯或鉿來涂敷氧化鋁。采用惰性氣氛(如氬氣)以促進潤濕。這一參考文獻還表示出施加壓力導致熔融鋁滲入未涂敷的基質中。在這一方面，滲透是在惰性氣氛(如氬氣)中通過抽空氣孔，然后向所說的熔融金屬施加壓力來實現。另一方面，這種預型體也以在用熔融鋁滲透來填充空隙之前，通過氣相鋁沉積來潤濕其表面的方法來滲透。為了保證鋁保留在預型體的氣孔中，需要在真空或氬氣氣氛下進行熱處理，例如在1400～1800℃下進行處理。否則，壓力滲透材料暴露于氣體或者滲透壓力的除去都將造成鋁從復合體中的損失。
在歐洲專利申請公報94353中還表示了使用潤濕劑來實現用熔融金屬滲透電解池中的氧化鋁組分的方法。該公報敘述了用一個以陰極電流供給器作為電池襯里或基質的電池，通過電積法生產鋁的方法，為了保護這種基質免受熔融冰晶石的作用，在電池啟動前或者將其浸在用該電解法生產的熔融鋁中對氧化鋁基質施加一種潤濕劑和溶解性抑制劑的混合物的薄涂層，所公開的潤濕劑有鈦、鉿、硅、鎂、釩、鉻、鈮或鈣，而鈦為優選的潤濕劑。據描述，硼、碳和氮的化合物對于抑制這種潤濕劑在熔融鋁中的溶解性是有用的。但是，該參考文獻既沒有建議生產金屬復合物，也沒有建議，例如在氮氣氣氛中，形成這種復合體。
除采用壓力和潤濕劑外，還公開了采用的真空條件將有助于熔融鋁滲入多孔陶瓷壓塊。例如，1973年2月27日授予R.L.Landingham的美國專利3，718，441敘述了在小于10-6乇的真空條件下，使熔融的鋁、鈹、鎂、鈦、釩、鎳或鉻滲透陶瓷壓塊(例如碳化硼，氧化鋁滲透和氧化鈹)。10-2～10-6乇的真空壓強使這種熔融金屬對所述涂層的潤濕性很差，以致于該金屬不能自由地流到陶瓷的孔隙中去。但是，當真空壓強降低到低于10-6乇時，潤濕情況有所改善。
1975年2年4日授于G.E.Gazza等人的美國專利3，864，154還公開了采用真空以達到滲透的方法。該專利敘述了將一個Al B12粉末的冷壓塊放在一個冷壓鋁粉床上。然后再將一部分鋁置于Al B12粉末壓塊的頂上。將裝有夾在鋁粉層之間的Al B12壓塊的坩堝放在一個真空爐中。然后將該爐抽空到約10-5乇進行脫氣。再將爐溫提高到1100℃并保持3小時。在這些條件下，這種熔融鋁金屬滲透了多孔Al B12壓塊。
1968年1年23日授予JohnN.Reding等人的美國專利3，364，976公開了在一個物體內產生自生真空以促進熔融金屬向該物體中的滲透的觀點。具體地說，將一物體，例如一個石墨模、一個鋼模或一個多孔耐久材料，全部浸在熔融金屬中。在模的情況下，充有可以與該金屬反應的氣體的模的空腔與外部的熔融金屬通過模中至少一個小孔相接觸，當這種模浸在熔體中時，空腔的充填在空腔中的氣體與該熔融金屬反應產生自生真空時發生。具體地說，這種真空是該金屬的固體氧化物形成的結果。因此，Reding等人公開了重要的是誘導空腔中的氣體與該熔融體之間的反應。但是，由于與模有關的固有限制，利用模具來產生真空可能是不理想的。首先必須將模具機加工成一個特殊的形狀;然后精加工，在該模上產生一個可行的鑄造表面;然后在使用之前安裝好;在使用后將其折卸以從中取出鑄件;之后回收模具，回收時很可能包括對模具表面進行再次精加工，如果該模不能再繼續使用的話，就將其放棄。將一個模具機加工成復雜的形狀是很貴的并且很費時間。另外，從一個復雜形狀的模具上取出形成的鑄件也是困難的(即，具有復雜形狀的鑄件在從模具中取出時會發生破裂)。另外;雖然有人建議多孔耐火材料可以直接浸在熔融金屬中，不需要模具，但是這種耐火材料將必須是整塊的，因為在不使用容器模具時，不存在向疏松或分散的多孔材料浸透的條件(即，一般認為，這種顆粒材料放在熔融金屬中時，其典型特征是四處分散或浮動)。另外，如果希望滲透顆粒材料或疏松地形成的預型體時，應該引起注意的是這種滲透金屬至少不能置換顆粒或預型體的一部分，而導致不均勻的顯微結構。
因此，長期以來一直希望有一種簡單而又可靠的生產成型金屬基質復合體的方法，該方法不依靠使用壓力和真空(無論是外部施加的還是內部產生的)條件，或者損失潤濕劑來生產嵌在另一種材料如陶瓷材料中的一種金屬基質。另外;長期以來一直希望使生產金屬基質復合體所需的最終機械加工量達最小。本發明通過提供一種用熔融基質金屬(如鋁)滲透一種材料(如陶瓷材料)的自發滲透機理滿足了這些希望。其中所說的材料可形成一個預型體。這種自發滲透是在常壓，滲透氣氛(如氮氣)存在下進行的，并且在工藝過程中至少在某一處存在滲透增強劑。
本申請的主題涉及一些其它共同未決或共同所有的專利申請的主題。特別是這些其它共同未決專利申請描述了制造金屬基質復合材料的方法(以下有時稱“共同所有的金屬基質專利申請”)。
在1987年5月13日，以White等人的名義提交的，現已在美國審定的題目為“金屬基質復合體”的共同所有美國專利申請系列號049，171的申請中，公開了一種生產金屬基質復合材料的新方法。根據White等人的發明的方法，通過用熔融鋁滲透一種可滲透填料(如，陶瓷或用陶瓷涂敷的材料)體來生產金屬基質復合體，其中所用的熔融鋁含有至少約1%(重量)的鎂，優選的是含有至少約3%(重量)的鎂。在不采用外部壓力和真空的條件下，自發地發生滲透。于至少約675℃的溫度下，在一種含有約10～100%，最好至少約50%(體積)氮氣的氣體存在下，使一定量的熔融金屬合金與填料體接觸，其中的氣體，除氮氣外，如果有的話為非氧化性氣體，如氬氣。在這些條件下，這種熔融鋁合金在常壓下滲透所說的陶瓷體形成鋁(或鋁合金)基質復合體。當所需量的填料已被這種熔融鋁合金滲透時，降低溫度使該合金固化，因此形成嵌有該增強填料的固體金屬基質結構。通常，供給的一定量熔融合金最好足以使這種滲透基本進行到填料體的邊緣。根據White等人的發明生產的鋁基復合體中填料的量可以非常高。在這方面，填料對合金的體積比可達到1∶1以上。
在上述White等人發明的工藝條件下，氮化鋁可以形成一種分散在整個鋁基體中的不連續相。鋁基體中氮化物的量可隨溫度、合金組成、氣體組成和填料等因素而變化。因此，通過控制反應體系因素的一個或多個，可能調節這種復合體的某些性能。但是，對于某些實際應用來說，可能希望這種復合體含有少量的或基本不含氮化鋁。
已觀察到較高的溫度有利于滲透，但使得該方法更有助于氮化物的形成。White等人的發明提供了平衡滲透動力學和氮化物形成的選擇。
在以Michel K.Aghajanian等人的名義于1988年1月7日提交的，題目為“用阻擋元件制造金屬基質復合體的方法”的共同所有且未決的美國專利申請系列號為141，624的申請中，敘述了一個適用于形成金屬基質復合體的阻擋元件的例子。根據Aghajanian等人的發明方法，將阻擋元件(例如，顆粒狀二硼化鈦或石墨材料如Union Carbide公司以Grafoil
為商品名出售的軟石墨帶產品)放置于填料的限定界表面，并且基質合金滲透到該阻擋元件限定的邊界處。這種阻擋元件被用來抑制、防止或中止該熔融合金的滲透，由此為得到的金屬基質復合體提供了完整或基本完整的形狀。因此，所形成的金屬基質復合體具有一個基本符合于該阻擋元件內部形狀的外形。
1988年3月15日以MichaelK.Aghajanian和MarcS.Newkirk名義提交的題目為“金屬基質復合體及其生產方法”的共方式作用。例如，已觀察到鋁/鍶/氮體系，鋁/鋅/氧體系，和鋁/鈣/氮體系中存在類似自發滲透現象。所以，即使本文主要討論的是鋁/鎂/氮體系，但應理解，其它基質金屬/滲透增強劑前體/滲透氣氛的體系也能以類似方式作用。
當基質金屬含有鋁合金時，用陶瓷填料(如氧化鋁或碳化硅粒)填充鋁合金中的空穴。在第一個優選方案中，填料與作為滲透增強劑前體的鎂混合，或在工藝的某一階段暴露于該鎂之下。此外，使鋁合金和/或填料在工藝的某一階段受到作為滲透氣氛的氮氣作用。在一個優選方案中，基本在全工藝過程內均有這種作用，以使滲透增強劑前體轉變為滲透增強劑。并且在工藝的某一階段，預型體至少變為部分自支撐體。在一個優選方案中，預型體大致在基質金屬開始熔化時或之前變為自支撐體。在另一方案中，直接在填料中提供滲透增強劑，這樣就不需要滲透氣氛。此外，滲透增強劑或其前體除了在填料中提供外(或不在填料中提供)，也可以在基質金屬或合金中提供。由此預型體可被自發滲透。金屬基質的形成和自發滲透的過程或速度隨給定的工藝條件而變，例如這些條件包括向體系(如鋁合金和/或填料和/或滲透氣氛)提供的鎂的濃度，預型體中顆粒的大小和/或組成，滲透氣氛中的氮氣濃度，滲透時間，和/或發生滲透的溫度。自發滲透一般發生至足以基本全部嵌入填料中的程度。
在此所用的“鋁”的意思是指并且包括基本純的金屬(例如，一種相對純的市售非合金化的鋁)或者其它等級的金屬和金屬合金，如含有雜質和/或合金成分(如鐵、硅、銅、鎂、錳、鉻、鋅一個復雜的復合體(例如，一個大復合體)，其中具有金屬基質的滲透陶瓷體將會直接粘結到該儲備中剩余的過量金屬上。
每個上述討論的共同所用的金屬基質專利申請都敘述了生產金屬基質復合體的方法和由此生產的新型金屬基質復合體。將所有上述共同所有的金屬基質專利申請的公開內容結合在此以供參考。
金屬基質復合體通過滲透一種填料的可滲透體得到。這種可滲透體在工藝中某一階段變成自支撐狀態(即可以形成預型體)。具體地講，通過首先在基質金屬中形成空穴，然后用填料充填之可將填料的可滲透體制成預型體。可以按照金屬基質復合體所需的形狀適當地形成空穴。填料在例如高溫和/或粘結劑和/或反應劑等的作用下可變為自支撐體。這樣形成空穴的基質金屬在熔融時則自發滲入保持著金屬中空穴形狀的填料，而形成金屬基質復合體。
采用本文討論的各種技術都可以在基質金屬中形成空穴。但是空穴應能接收和盛裝填料，使得當填料放在空穴中時，填料基本呈空穴的形狀。此外，填料應該至少在工藝中某一階段與滲透增強劑和/或其前體和/或滲透氣氛中至少一種接觸。例如，滲透增強劑和/或其前體可以與填料混合和/或被放在空穴表面和/或由基質金屬提供和/或由滲透氣氛提供。將填料，基質金屬，和一種或多種滲透增強劑和/或其前體和/或滲透氣氛結合可使基質金屬自發滲入已基本呈基質金屬中形成空穴的形狀的預型體。
在基質金屬中形成空穴可采用允許技術，如在基質金屬錠上機加工出空穴，將多塊基質金屬或其錠組裝在一起形成空穴，使基質金屬圍繞一型芯鑄型，用合適的苛性材料清洗至少部分基質金屬，同所有，共同未決美國專利申請系列號168，284對系列號為049，171的美國專利申請的方法進行改進，根據在該美國專利申請中公開的方法，基質金屬以一個第一金屬源和一個例如由于重力流動與該第一金屬源相聯的基質金屬合金儲備源形式存在。具體地說，在該專利申請中所述的條件下，在常壓下這種第一熔融金屬合金源首先滲入填料體中，由此開始形成金屬基質復合體。這種第一熔融基質金屬合金源，在其滲入填料體期間被消耗掉，如果需要的話，當自發滲透繼續進行時，可以從所說的熔融基質金屬儲備源進行補充，這種補充最好通過一個連續方式進行。當所需量的可滲透填料已被這種熔融基質合金自發滲透時，使溫度降低以使該熔融合金固化，因此形成一種嵌有該增強填料的固體金屬基質結構。應該明白的是這種金屬儲備源的使用僅僅是本專利申請中所述的發明的一個實施方案，并不是在所述的發明的每個其它實施方案中都必須采用該金屬儲備源，但是將本發明儲備源用于部分實施方案中還是有利的。
這種金屬儲備源應提供足夠量的金屬，以使其滲透該填料的可滲透體至預定的程度。另一方面，可以選擇阻擋元件與該可滲透填料體的至少一個側面接觸，以限定出一個表面邊界。
另外，雖然提供的一定量熔融基質合金應至少足以使自發滲透基本進行到可滲透填料體的邊界(如阻擋元件)，但是所說的儲備源中存在的合金量應超過這個這個足夠量，以使得不僅有足夠量的合金用于完全滲透，而且有過量的熔融金屬合金保留并與該金屬基質復合體相連。因此，當過量的熔融合金存在時，所得到的物體將是最好加熱至少部分基質金屬，以使這部分基質金屬熔融;和/或結合使用這些或其它技術，使基質金屬形成空穴。
在一個優選方案中，圍繞一個成形的型芯制成橡膠模具，該芯基本呈待制備的金屬基質復合體的形狀。例如，該成形型芯可以是所需待制備的金屬基質復合體的金屬，粘土或塑料仿形體。從橡膠模具中取出型芯，由此在該模具中形成大體與型芯的大小和形狀相同的空穴。向模具的空穴中充填可形成空穴形狀并經加工可形成高溫型芯的材料。例如，用石膏和陶瓷粒材料的混合物形成高溫型芯，然后將高溫型芯放在合適的耐火容器中，并在其周圍澆注熔融基質金屬。因此，應理解高溫型芯，必須有足夠的強度和形狀完整性，以便能經受住由于與熔融基質金屬接觸和該金屬在其周圍冷卻而產生的熱，機械和化學作用。此外，型芯應對基質金屬基本無反應性。
使熔融基質金屬在高溫型芯周圍固化，固化后應立即從固化的基質金屬中取出高溫型芯。例如，采用下述技術從基質金屬中取出高溫型芯用一種液體溶解高溫型芯，最好用噴砂或噴粒方法從金屬中取出高溫型芯，在基質金屬上機加工出型芯，和/或組合采用上述或其它技術從基質金屬周圍取出高溫型芯。
應注意到，本申請主要討論了鋁基質金屬，該金屬在形成金屬基質復合體過程中的某一時刻，在作為滲透氣氛的氮氣存在下，與作為滲透增強劑前體的鎂接觸。因此，鋁/鎂/氮的基質金屬/滲透增強劑前體/滲透氣氛體系顯示出自發滲透。然而其它基質金屬/滲透增強劑前體/滲透氣氛體系也可以類似于鋁/鎂/氮體系的等)的市售金屬。這一定義下的鋁合金是一種以鋁為主要成分的合金或金屬互化物。
在此所用的“平衡非氧化性氣體”的意思是除構成所說滲透氣氛的主要氣體之外存在的任何氣體，在所用工藝條件下，或者是惰性的或者是基本不與所述基質金屬反應的還原性氣體。在所用工藝條件下可能以雜質形式存在于所用氣體中的任何氧化性氣體應不足以使所用的基質金屬氧化到任何顯著的程度。
在此所用的“阻擋元件”的意思是妨礙、抑制、防止或中止熔融基質金屬超過可滲透填料體或預型體表面邊界的移動、運動等，其中的表面界(界表面)是由所說的阻擋元件所限制的。適用的阻擋元件可以是在工藝條件下，保持某種程度的完整性并且基本不揮發(即，阻擋材料沒有揮發到使其失去作為阻擋元件的程度)的任何適當的材料、化合物、元素、組合物等。
另外，適用的“阻擋元件”包括在所利用的工藝條件下基本不能被運動的熔融基質金屬潤濕的材料。這種類型的阻擋元件顯示出對所說的熔融基質金屬具有很小的親合力或沒有親合力。用這種阻擋元件阻止或抑制了超越該填料體或預型體的限定界面的運動。這種阻擋元件減少了可能需要的任何最終機械加工或研磨加工，并且限定了至少所得到的金屬基質復合產物的一部分表面。這種阻擋元件在某些情況下，可以是可滲透的或多孔的，或者例如通過鉆孔或穿孔使其可滲透，以使得氣體與所說的熔融基質金屬接觸。
在此所用的“殘余物”或“基質金屬殘余物”是指任何在所說的金屬基質復合體形成期間沒有被消耗掉的原始基質金屬殘余物，并且在典型情況下如果將其復合體相接觸的形式保留下來。應該理解為這種殘余物還可以包括第二種或外來金屬。
在此所用的“填料”是指單一成分或多種成分的混合物，所說的成分基本不與所說的基質金屬反應和/或在所說基質金屬中具有限定溶解性的，并且可以是單相或者多相的。填料可以各種形式提供，例如粉末、片、片晶、微球、晶須、液體等，并且可以是密實也可以是多孔的。“填料”還可以包括陶瓷填料，如纖維、切斷纖維、顆粒、晶須、泡體、球、纖維板等形狀的氧化鋁或碳化硅，和陶瓷涂敷的纖維，如用氧化鋁或碳化硅涂敷的碳纖維，例如通過用熔融的母金屬鋁涂敷以保護碳免受腐蝕。填料還可以包括金屬。
本文中“高溫型芯”是指由下述材料形成的物體，即這種材料成型后能成為所需金屬基質復合體的仿形體，并且在基質金屬熔融溫度下能基本保持其形狀。此外高溫型芯應能夠經得住熔融基質金屬與其直接接觸時的化學或物理侵蝕;例如，高溫型芯應能經受住基質金屬在其周圍冷卻時產生的壓縮應力。最好當基質金屬在型芯周圍固化后，能容易地從基質金屬中取出型芯。
在此所用的“滲透氣氛”意思是指存在的與所用的基質金屬和/或預型體(或填料)和/或滲透增強劑前體和/或滲透增強劑相互作用并且使或促進所用的基質金屬發生自發滲透的氣氛。
在此所用的“滲透增強劑”是指一種能促進或有助于一種基質金屬自發滲透到一種填料或預型體中的材料。滲透增強劑可以由下述方法形成，例如一種滲透增強劑前體與滲透氣氛反應形成(1)一種氣體物質和/或(2)該滲透增強劑前體和滲透氣氛的反應物和/或(3)該滲透增強劑前體和填料或預型體的反應物。另外，這種滲透增強劑可能直接向預型體和/或基質金屬和/或滲透氣氛中至少一種提供并起著與滲透添加劑前體和另一物質反應而形成的滲透增強劑的基本相同的作用。歸根到底，在該自發滲透期間，至少該滲透增強劑應放在至少一部分所用的填料或預型體中，以完全自發滲透。
此處所用的“滲透增強劑前體”是指這樣一種材料，當使其與基質金屬、預型體和/或滲透氣氛相結合使用時能形成促使或有助于基質金屬自發地滲透填料或預型體的滲透增強劑。由于不希望受到任何特定理論或說明的限制，對于滲透增強劑前體來說似乎必要的是使該滲透增強劑前體能夠被定位于或可移動至允許與滲透氣氛和/或預型體或填料和/或金屬發生反應的部位。舉例來說，在某些基質金屬/滲透增強劑前體/滲透氣氛體系中，對于滲透增強劑前體來說，必要的是使其處于、接近于、或者在某些情況下甚至稍高于基質金屬熔融溫度下揮發。這一揮發過程可以導致(1)滲透增強劑前體與滲透氣氛發生反應形成一種有助于基質金屬潤濕填料或預型體的氣態物質;和/或(2)滲透增強劑前體與滲透氣氛反應生成處于至少一部分填充物或預形體之中、有助于潤濕的固態、液態或氣態滲透增強劑;和/或(3)滲透增強劑前體與填料或預型體反應，該反應形成處于至少一部分填充料或預型體之中、有助于潤濕的固體、液態或氣態滲透增強劑。
本文中“型芯”一詞是指基本呈所需金屬基質復合體形狀的物體。
此處所用的“基質金屬”或“基質金屬合金”是指用于形成金屬基質復合體(例如，于滲透之前)的金屬和/或用于與填料互相混合從而形成金屬基質復合體(例如，于滲透之后)的材料。當指定某一特定金屬為基質金屬時，應該理解為該基質金屬包括基本上純的金屬、其中含有雜質和/或合金成分的市售金屬、其中該金屬為主要成分的金屬互化物或合金。
本文所述的“基質金屬/滲透增強劑前體/滲透氣氛體系”或“自發體系”是指能夠自發地滲透到預型體或填料之中的材料組合體。應該理解的是無論在供列舉的基質金屬、滲透增強劑前體和滲透氣氛之間何時出現“/”，“/”均被用于表示當以某一特定方式組合而成之時便能夠自發滲透進入預型體或填料體系或組合體。
本文所述的“金屬基質復合體”或是指包含嵌入預型體或填料的二維或三維互連合金或基質金屬的材料。該基質金屬可以包括各種合金元素以便使所得到的復合體具有特別需要的機械物理特性。
“不同于”基質金屬的金屬是指這樣一種金屬，其中不含有作為主要成分的與基質金屬相同的金屬(例如，若基質金屬的主要成分為鋁，那么“不同的”金屬，舉例來說，可以含有主要成分鎳)。
本文所述的“預型體”或“可滲透預型體”是指組成后具有至少一個表面界面的多孔狀填料體或填充物體，其中表面邊界基本上限定了滲透基質金屬的邊界，該多孔狀物質在被基質金屬屬透之前充分地保持了形狀的完整性與生坯強度從而達到了尺寸精確度的要求。該多孔狀物質應該具備足夠高的多孔性以便使基質金屬能夠自發地滲透進去。預型體典型地包含結合排列而成的填料，可以是均相的或非均相的，并且可以由任何適宜的材料構成(例如，陶瓷和/或金屬的顆粒、粉末、纖維、晶須等以及它們的任意組合體)。預型體可以單獨地存在或以集合體的形式存在。
本文中“耐火盤”一詞是指這樣的容器或材料它在工藝條件下能容納自發體系并且不與自發體系中的任何成份以嚴重破壞自發滲透歷程的方式進行反應。
本文所述的“儲備源”是指一個基質金屬的分離體，其所處的位置與填料物質或預形體相關聯，這樣，當金屬熔化時，它可以流動以便補充與填料或預形體相接觸的基質金屬部分或源，或者是在某些情況下開始時先進行提供隨后進行補充。
本文所述的“自發滲透”是指在無需加壓或抽真空(無論是外部施加或內部產生)的條件下基質金屬向填料或預型體的可滲透部分所產生的滲透現象。
本文中“體系純化劑”一詞是指任何滿足下述要求的材料當將其用于自發體系時，它能使滲透氣氛純化，排出在滲透氣氛中或從自發體系中逸出的任何能對自發滲透歷程產生不良影響的成份。
提供下列附圖以有助于理解本發明，但是并非意味著對本發明的范圍的限定。各圖中采用相同的參考號數表示同一組分，其中

圖1是帶有空穴的基質金屬件的剖面圖，其中空穴的形狀相當于所需預型體的構型。
圖2表示的是本發明的裝有基質金屬件并且其中充填有填料的耐火盤。
圖3舉例說明裝有熔融基質金屬和預型體的盤。
圖4舉例說明盤，基質金屬熔池和其中經完全自發滲透的金屬基質復合體。
本發明涉及通過在基質金屬件中形成空穴并用填料充填空穴制備金屬基質復合體的方法。其中的填料在工藝過程的某一階段形成至少部分自支撐的預型體。應向基質金屬件和/或預型體中提供滲透增強劑和/或其前體和/或滲透氣氛中的至少一種，以便發生基質金屬向預型體中的自發滲透。
參照圖1，這里表示的是限定空穴(2)的基質金屬件(1)。空穴(2)最好仿制成所需的金屬基質復合體產品的形狀。根據如復合體的復雜程度和基質金屬的組成，可采用一種或多種技術制出有形狀的空穴(2)。采用對基質金屬件機加工(如用立銑刀)，放電和其它方法可制出合適的空穴。對于更復雜的復合體形狀，則最好通過在適合的高溫型芯(其形狀相當于所需復合體的形狀)周圍成形或澆鑄基質金屬件(1)來制出空穴(2)。
高溫型芯可通過將合適的材料在具有所需復合體形狀的仿形體或型芯周圍成形而得到。這種仿形體可以是金屬的，石膏的，粘土的，塑料的或其它模具，甚至可以是前面形成的基質復合體，在這一步驟中使用的合適材料是硅酮橡膠。也可以使用其它材料，如可增強的封裝化合物，石蠟等。制成一種合適材料，如硅酮橡膠的物體后，將仿形體從其中取出，得到的空穴可用來制成高溫型芯。
具體地講，用能夠可靠地仿制空穴尺寸并具有下述所需特性的一種可硬化材料填充空穴。一種可硬化材料是熟石膏。應理解，本方案中以上步驟的結果是生產出能夠可靠地模仿金屬基質復合體產品形狀的高溫型芯。
在由熟石膏制成的高溫型芯周圍使基質金屬件(1)成形時，最好將型芯充分干燥，如通過烘干。然后將高溫型芯放在澆注熔融基質金屬的非反應性耐火容器中，冷卻時形成件(1)，并取出高溫型芯。在使用熟石膏高溫型芯的情況下，用水蒸汽使型芯水化，取出型芯。根據型芯的組成，可采用其它技術取出高溫型型，由此得到基質金屬件(1)中的空穴(2)。
參照圖2，制成件(1)和空穴(2)后，在空穴(2)中填充將自發滲入基質金屬的所需填料(5)。如下面更詳細地討論那樣，填料(5)可以含有任何作為自發體系的成份的填料，其中的成份包括構成件(1)的基質金屬或第二種或附加基質金屬。填料中也可以含有合適的滲透增強劑和/或其前體，和/或基質金屬和/或滲透氣氛中也可以含有滲透增強劑和其前體中的一種或二種。
然后將填料(5)和基質金屬件(1)放在由合適設備如電阻加熱爐加熱的耐火盤(6)中。最好在盤(6)內部保持一種合適的滲透氣氛，以使自發滲透過程進行。應理解，如果以其它方式向自發體系提供了滲透增強劑，就可以向盤6中提供足以防止自發體系變質的惰性氣氛。
參照圖3，將盤(6)適當加熱，使基質金屬件(1)液化成基質金屬池(7)。在基質金屬件(1)液化之前，填料應轉變為預型體(8)。不論是否通過本文其它部分討論的那樣燒結填料或填料的其它化學反應，這種轉變都可以在滲透或惰性氣氛存在下，在加熱件(1)使其形成池(7)時就地發生。例如，可將填料先與一種滲透增強劑前體混合。當在滲透氣氛下加熱時，該前體可至少部分轉變為能將填料粘結成為預型體的滲透增強劑。一旦形成池(7)，基質金屬即自發滲入預型體(8)，最后形成如圖4所示的金屬基質復合體(9)。應理解，在暴露于基質金屬下的預型體的所有表面上都能夠產生自發滲透。
為了使基質金屬自發地滲透進入預型體，應該將滲透增強劑加至自發體系之中。滲透增強劑可以由滲透增強劑前體形成，它可以(1)在基質金屬中;和/或(2)在預形體中和/或(3)由滲透氣氛;和/或(4)由外界來源被提供給自發體系。此外，除了提供滲透增強劑前體以外，還可以直接向預形體、和/或基質金屬、和/或滲透氣氛之中至少一種提供滲透增強劑。歸根結底，至少在自發滲透期間，滲透增強劑應該位于至少一部分填料或預型體之中。
在一優選實施方案中，滲透增強劑前體可能至少是部分地與滲透氣氛反應使得在先于或基本上同時于預型體與熔融基質金屬接觸之時在至少一部分預型體中形成滲透增強劑(例如，若鎂是滲透增強劑前體而氮為滲透氣氛的話，那么滲透增強劑則可以是位于至少一部分預型體或填料之中的氮化鎂)。
基質金屬/滲透增強劑前體/滲透氣氛體系的一個例子是鋁/鎂/氮體系。具體地講，用合適的填料填充帶有空穴的鋁基質金屬件。最好在滲透增強劑或其前體中至少一種存在下，在基質金屬熔融之前，假設填料保持了基質金屬中空穴的形狀。在這種情況下，將產生填料的成形預型體，并與熔融基質金屬接觸。由于預型體相對于熔融基質金屬的固有浮力，成形預型體可以在鄰近熔融基質金屬的表面或在該表面上浮動，或者位于熔融基質金屬內的某一處。總之，至少在自發滲透期間，滲透增強劑應位于至少部分填料或預型體之上或之中。
在本發明方法所選用的條件下，在鋁/鎂/氮自發滲透體系的情況下，預型體應該具備足夠的可滲透性以便于含氮氣體至少在過程進行期間某一時刻穿透或滲透預型體并與熔融基質金屬接觸。此外，可滲透填料或預型體能夠允許熔融基質金屬的滲透，從而使得被氮氣滲透的預型體被熔融基質金屬自發滲透從而形成金屬基質復合體和/或使氮氣與滲透增強劑前體反應從而在預型體內形成滲透增強劑并且導致自發滲透。自發滲透的程度以及金屬基質復合體的形成將隨著給定的工藝條件而發生變化，這些條件包括鋁基質金屬合金中的鎂含量、和/或預型體中的鎂含量、預型體和/或鋁基質金屬中的氮化鎂含量、附加合金元素(例如硅、鐵、銅、錳、鉻、鋅等)的存在構成預型體的填料或填料的平均粒度(例如粒徑)、填料或預型體的表面狀況和類型、滲透氣氛中的氮濃度、滲透時間和滲透溫度。
舉例來說，對于熔融鋁基金屬所進行的自發滲透來說，鋁可以與以合金重量為基準計至少大約1%(重)、以至少大約3%(重)為佳的鎂(起著滲透增強劑前體的作用)形成合金。如上所述，基質金屬中還可以包括輔助合金元素以便使其具備特定的性能。另外，輔助合金元素會改變基質鋁金屬中進行自發滲透填料或預型體所需的最低鎂量。
舉例來說，由于揮發所造成的鎂損失應該避免，達到使一些鎂保留下來用于形成滲透增強劑這一程度，因此，有必要使用足量的初始合金元素以保證自發滲透不會受到揮發作用的影響。再說，當鎂同時存在于預型體與基質金屬之中或者僅存在于預型體中時均會使進行自發滲透所需的鎂量有所減少(下文將對此作更詳細的討論)。
氮氣氛中氮的體積百分比同樣會對金屬基質復合體的形成速率有所影響。具體地說，該氣氛中若存在低于大約10%(體積)氮的話，自發滲透就會非常緩慢或者幾乎未發生自發滲透。業已發現，該氣氛中以存在至少50%(體積)左右的氮為佳，因而使得，舉例來說，滲透速率大大增加。
熔融基質金屬滲透填料或預型體所需的最低鎂量取決于一種或多種諸如加工溫度、時間、輔助合金元素如硅或鋅的存在、填料的性質、在一種或多種自發體系中鎂所處的位置和氣氛中氮含量等變量。隨著基質金屬合金和/或預型體的鎂含量增加，可以選用更低的溫度或更短的加熱時間以實現完全滲透。此外，對于給定的鎂含量來說，添加特定的輔助合金元素如鋅允許選用較低的溫度。舉例來說，當基質金屬的鎂含量處于可操作范圍下端例如大約1～3%(重)的時候，與其組合選用的至少為下列因素之一高于最低加工溫度、高氮含量或者一種或多種輔助合金元素。當預型體中未加鎂時，以通用性為基礎，在寬范圍的加工條件下基質金屬合金以含有大約3～5%(重)鎂為佳，當選用較低溫度和較短時間時以至少大約5%為佳。可以采用超過大約10%(鋁合金重量)的鎂含量以調節滲透所需溫度條件。
當與輔助合金元素結合使用時可以降低鎂含量，不過這些元素僅具有輔助功能并且與至少上述最低鎂量共同投入使用。舉例來說，僅與10%硅形成合金的足夠純的鋁于1000℃下基本上不滲透500目39Crystolon(99%純度碳化硅，Norton公司出品)的墊層。然而，在鎂存在下，業已發現硅有助于滲透過程。此外，如果鎂僅僅被提供給預型體或填料，其數量會有所改變。已經發現，當被供給自發體系的全部鎂中至少有一部分被置于預型體或填料中時，自發滲透將借助較低重量百分率所供給的鎂進行。必要的是提供較少量的鎂以防止在金屬基質復合體內形成不必要的金屬互化物。在碳化硅預型體與鋁基質金屬接觸的情況下，業已發現，在該預型體含有至少約1%(重)鎂和有基本上純的氮氣氛存在條件下，基質金屬自發滲透該預形體。在氧化鋁預型體的情況下，實現可被接受的自發滲透所需鎂量稍有增加。具體地說，業已發現，當氧化鋁預型體與類似鋁基質金屬，在大約與鋁滲透碳化硅預型體相同的溫度以及有相同氮氣氛存在的條件下接觸時，需要至少約3%(重)鎂實現類似的自發滲透。
同樣應該注意的是在基質金屬滲入填料或預型體之前可以將滲透增強劑前體和/或滲透增強劑以置于合金表面和/或預型體或填料表面和/或置于預型體或填料之中的方式提供給自發體系(即不必使被提供的滲透增強劑或滲透增強劑前體與基質金屬形成合金，而是被簡單地提供給自發體系)。如果將鎂施用于基質金屬表面，則該表面優選地是十分接近于、或者最好是與填料的可滲透部分相接觸，反之亦然;或者是這種鎂混合于至少一部分預型體或填料之中。此外，還可以采用表面施用、形成合金與將鎂置于至少一部分預形體中三種應用方式的某一組合形式。這一應用滲透增強劑和/或滲透增強劑前體的組合方式不僅能夠減少促進基質鋁金屬滲透預型體所需鎂的總重百分比，同時還能夠降低滲透溫度。此外，還能夠將由于存在鎂而形成的不需要的金屬互化物數量減少至最低限度。
一種或多種輔助合金元素的應用以及周圍氣體中氮的濃度同樣會對在給定溫度下進行的基質金屬的氮化程度產生影響。舉例來說;包含在合金之中或被置于合金表面的輔助合金元素如鋅或鐵可被用于降低滲透溫度從而減少氮化物的生成量，但是提高氣體中氮氣的濃度可用于促進氮化物形成。
合金中和/或被置于合金表面之上和/或結合于填料或預型體之中的鎂的濃度同樣易于影響在給定溫度下的滲透的程度。因此，在某些幾乎沒有或完全沒有鎂與預型體或填料直接相接觸的情況下，以基質金屬合金中至少包含大約3%(重)鎂為佳。若合金含量低于此數值如含有1%(重)鎂，則需要較高的加工溫度或輔助合金元素進行滲透。在下列情況下進行本發明的自發滲透方法所需溫度較低(1)當只有合金的鎂含量增加例如達到至少5%(重)左右時;和/或(2)當合金成分與填料或預型體的可滲透部分混合時;和/或(3)當鋁合金中存在另一種元素如鋅或鐵時。溫度還可以隨著填料的不同而有所變化。一般說來，自發和漸進滲透的工藝溫度至少約為675℃、以至少約750～800℃為佳。一般情況下，當溫度超過1200℃時似乎對該工藝過程不會產生任何益處，業已發現，特別適用的溫度范圍約為675～1200℃。然而，作為一般規律，自發滲透溫度高于基質金屬的熔點但是卻低于基質金屬的揮發溫度。此外，自發滲透溫度應該低于填料的熔點。再說，隨著溫度升高，基質金屬與滲透氣氛之間相互反應形成產物的傾向性也會有所增強(例如，在鋁基質金屬與氮滲透氣氛的情況下，會形成氮化鋁)。這類反應產物可以是必要的也可以是不需要的，這要取決于金屬基質復合體的目的應用。另外，電阻加熱是達到滲透溫度的典型途徑。然而，任何能夠使基質金屬熔化卻對自發滲透不會產生不利影響的加熱方式均適用于本發明。
例如，在本發明方法中，將在工藝的某一階段可變為自支撐體(即成為預型體)的填料的可滲透體與熔融鋁在工藝的至少一段時間內存在含氮氣體的情況下進行接觸。填料的可滲透體可以含有滲透增強劑和/或其前體。通過保持一連續氣流與填料(預型體)和熔融鋁基質金屬中至少一種相接觸，可以提供含氮氣體。雖然含氮氣體的流量并非至關重要，但是該量最好足以補償由于合金基質中形成氮化物而在氣氛中造成的氮損失，并且足以防止或抑制能對熔融金屬產生產化作用的空氣侵入。
本發明形成金屬基質復合體的方法適用于許多填料，而填料的選擇取決于諸如基質金屬合金、工藝條件、熔融基質金屬合金與填料的反應能力以及目的金屬基質復合體產物應具備的特性之類因素。舉例來說，當基質金屬為鋁時，適宜的填料包括(a)氧化物，例如氧化鋁;(b)碳化物，例如碳化硅;(c)硼化物，例如十二硼化鋁;以及(d)氮化物，例如氮化鋁。如果填料易于與熔融鋁基質金屬反應，這可以通過最大限度地縮短滲透時間與最大限度地降低滲透溫度或者通過向填料提供非反應涂層來加以調節。填料可以包含一種基體如碳或其它非陶瓷材料，該基體帶有陶瓷涂層以防受到化學侵蝕與老化作用。適宜的陶瓷涂層包括氧化物、碳化物、硼化物和氮化物。用于本方法的優選陶瓷材料包括呈顆粒、片晶、晶須和纖維狀的氧化鋁和碳化硅。纖維可以是不連續的(被切斷)或以連續絲如多絲束的形式存在。此外，陶瓷體或預型體可以是均相的或非均相的。
業已發現的還有，某些填料相對于具備類似化學組成的填料，其滲透性有所增強。舉例來說，按照美國專利No.4713360(題目為“新型陶瓷材料及其制備方法”，MarcS.Newkirk等人，于1987年12月15日頒發)所述方法組成的粉碎的氧化鋁主體相對于市售氧化鋁產品具有理想的滲透特性。此外，按照共同未決與共同所有的申請系列No.819397(題目為“復合陶瓷制品及其制造方法”，MarcS.Newkirk等人)所述方法組成的粉碎氧化鋁主體相對于市售氧化鋁產品同樣具有理想的滲透特性。頒布專利及其共同未決專利申請的各自主題在此引用僅供參考。因此，業已發現，陶瓷材料的可滲透體的徹底滲透可通過采用上述美國專利和專利申請的方法再次的粉碎或細碎主體于較低的滲透溫度下和/或較短的滲透時間內進行。
填料可以呈現達到復合體必要特性所需的任何尺寸和形狀。因此，既然滲透并非受到填料形狀的限制，所以填料可以呈顆粒、晶須、片晶或纖維狀。也可以選用諸如球體、小管、丸粒、耐火纖維布之類形狀的填料。另外，雖然與較大的顆粒相比，較小顆粒進行完全滲透需要更高的溫度或更長的時間，但是材料的大小并不限制滲透。此外，有待滲透的填料(被加工成預型體)應該是可滲透的即至少可被熔融基質金屬滲透，并可能被滲透氣氛所滲透。
本發明的形成金屬基質復合體的方法并不依賴于施加壓力迫使或擠壓熔融金屬基質進入預型體填料之中從而產生具有高體積百分比填料和低孔隙率、基本上均勻的金屬基質復合體。通過采用低孔隙率的原始填料可以獲得體積百分比較高的填料。只要不會將填料轉化為有礙于熔融合金滲透具有閉孔多孔性的壓塊或完全密實的結構，通過將填料壓實或以其它方式進行致密處理同樣會獲得體積百分比較高的填料。
已經觀察到對于在填料周圍發生的鋁滲透和基質形成來說，鋁基質金屬對填料的潤濕在滲透機理中起著重要的作用。此外，在低加工溫度下，可忽略不計或極少量金屬的氮化導致有極少量不連續相的氮化鋁分散于金屬基質之中。然而，當溫度達到上限時，金屬的氮化更容易發生。因此，可以通過改變滲透溫度來控制金屬基質中氮化物相的數量。當氮化物的形成更為明顯時的特定加工溫度同樣會隨著下列因素發生變化，這些因素有如所使用的基質鋁合金，及其相對于填料或預型體體積的數量、有待滲透的填料和滲透氣氛中的氮濃度。舉例來說，人們認為在給定加工溫度下氮化鋁生成的多少隨著合金潤濕填料能力的下降以及隨著氣氛中氮濃度的增大而增加。
因此，能使金屬基質的組成在產生金屬基質復合體的過程中賦予所得到的產物以特定的特性。對于一給定的體系來說，可以選擇工藝條件控制氮化物的形成。含有氮化鋁相的復合體產物具有對于產物的性能起促進作用或能夠改善產物性能的特性。此外，鋁合金進行自發滲透的溫度范圍可以隨著所用的陶瓷材料而有所變化。在選用氧化鋁作為填料的情況下，如果想要使基質的延展性不因形成大量氮化物而有所下降那么滲透溫度以不超過大約1000℃為佳。然而，如果希望形成含有延展性較差而硬度較高的基質復合體那么滲透溫度可以超過1000℃。當選用碳化硅作為填料時，相對于使用氧化鋁作為填料的情況，由于所形成的鋁合金氮化物較少，所以，為了滲透碳化硅可以選用1200℃左右的較高溫度。
此外，可以使用一種基質金屬儲備源，以保證填料全部滲透，和/或提供與第一基質金屬源的組成不同的第二種金屬。例如，基質金屬件的大小可能不足以保證將預型體完全滲透，這樣就可以將該基質金屬件放入一個能使基質金屬件熔融的，已制好的大基質金屬池或儲備源中，以產生自發滲透。進一步講，在某些情況下有可能需要使用儲備源中的基質金屬，該金屬的組成不同于由基質金屬件構成的第一基質金屬源。例如，如果鋁合金用做第一基質金屬源，那么實質上任何其它在加工溫度下能熔融的金屬或金屬合金都可以用做儲備源金屬。熔融金屬通常具有良好的互溶性，因此，只要混合時間適當，儲備源金屬就會與第一基質金屬源混合。所以，通過使用不同于第一基質金屬源組成的儲備源金屬，就可能使金屬基質的性能滿足各種操作要求，由此調節金屬基質復合體的性能。
本發明中也可以結合使用阻擋元件。具體地講，應用本發明的阻擋元件可以是任何適于干擾、抑制、防止或中止熔融基質合金(如鋁合金)超出由填料限定的界表面而形成的遷移，運動等的元件。合適的阻擋元件可以是滿足下述要求的任何材料，化合物，元素或組合物等能夠局部抑制，停止，干擾或防止(及其它類似作用)超出陶瓷填料的限定界表面的連續滲透或任一其它類型的運動，在本發明的加工條件下，能保持某種整體性，不揮發，最好能使過程中使用的氣體滲透。這類材料是石墨及其它形式的碳和各種陶瓷，如氧化物，硼化物等。
可將阻擋元件放在預型體的一個或多個表面上，幫助預型體在加工中保持其形狀或保護預型體和/或金屬基質復合體。具體地講，如果按照圖1和2制成預型體，就可用一種合適的阻擋元件襯在或涂敷在件(1)的空穴(2)內，以使進一步支撐預型體或改善其在滲透之后的形狀完整性。可將阻擋元件適當成形，使其具有粗糙的表面，以利于從熔融基質金屬中抓住或取出金屬基質復合體，但又有利于復合體的成形，并需要最少的后續成形加工量。
下面緊接著的實施例說明了本發明的各個方面。但是這些例子應被理解為是說明性質的，而不應被解釋為是對由所附權利要求所限定的本發明范圍的限制。
實施例1用直徑約為7.6厘米的普通鋼齒輪作為金屬預型體復合體產品的仿形體或型芯。將GI-1000橡膠成型化合物(購自塑料工具供應公司)澆注在齒輪周圍，然后使其固化，使該齒輪嵌在該化合物體中。從固化的化合物中小心取出齒輪，得到一空穴。用約等份的熟石膏(如購自Bondex公司)和二氧化鈦混合物填充該空穴。二氧化鈦使熟石膏更象膠泥，但是它在混合物中的存在和存在量都不量至關重要的，因為任何可水化的熟石膏都可使用。熟石膏與二氧化鈦的比可以不同，如30/70至70/30。
在硬化時，熟石膏構成一高溫型芯，它可從橡膠成型化合物中取出。將高溫型芯放在爐內，在200℃下約充分干燥2小時。干燥后將高溫型芯放在約15cm高，10cm直徑，內襯石墨(如購自T.T.美國公司的Permafoil )的不銹鋼罐中。將一根起平衡器作用的石墨棍放在高溫型芯頂部，然后使裝有高溫型芯的罐預熱至約300℃。向罐中的高溫型芯上澆注800℃的熔融鋁合金，輕輕敲打罐壁，以使熔融金屬中的氣泡逸出。合金的組成為約77%(重)鋁，約12%(重)硅，約5%(重)鋅和約6%(重)鎂(即Al-12Si-5 Zn-6mg，以重量計)。應理解，根據使用的填料或所需最終復合體的性能可以選擇合金的組成。
將罐冷卻幾分鐘，使高溫型芯周圍的鋁合金固化，然后將合金固體從罐中取出。再用水潤濕型芯使其軟化，并清除掉固化的鋁合金。在合金中留下的空穴保持了齒輪的形狀。將該合金加熱至約150℃，充分干燥約1小時。
然后手工將含有1000目碳化硅粉(來自Norton公司的39Crystolon)和約2%(重)325目鎂粉的混合物的填料填入空穴。在填滿的空穴表面上撒布附加的鎂粉，這部分過量鎂加速了自發滲透，但對過程來說不是必須的。有時在用填料充填前，在空穴內部噴撒一些鎂也是有利的。
將含有齒輪形狀填料的合金體返送至石墨襯里的鋼罐內。向罐中加入數塊清洗過的鋁合金錠，這些錠具有同樣的合金組成。加入的合金錠與填充空穴的表面接觸。經噴射和用溶劑(如乙醇)清洗合金錠，以除去切削油和其它有機化合物，錠的數量并不重要，但是其量應足以滿足所需的自發滲透程度。
將其中放有一塊豆粒大小鈦(4目×30目，畸形粒子尺寸，購自Chemalloy公司)的小盒形敞口石墨(如Permafoil)盤放在合金錠的頂部。鈦在加工過程中起體系純化劑，那一種吸氧劑的作用。
用銅箔以卷邊方式部分密封地蓋在罐上，一根不銹鋼管穿入銅箔。將罐放入合適的爐內后，將基本純的氮氣以0.4升/分鐘或更高的流量通入管中，吹洗罐的內部，此時爐溫升至約120℃。約1小時后，于約12小時內，將電阻加熱爐從約120℃加熱至約800℃，然后在約800℃下保持約12小時。已經發現，在約500℃～600℃下，合金空穴中的填料硬化成預型體，這可能是由于氮化鎂的生成和/或燒結所致。當合金體和錠熔化時，合金從所有暴露于其下的預型體表面上滲入預型體，因此得到以充分迅速為特點的滲透。
在首先通過罐底部的開口排出過量熔融合金之后，從罐中取出生成的金屬基質復合體齒輪。盡管粘附在金屬基質復合體上的熔渣可在以后通過噴射處理復合體時除去，但是對于在合金池表面可能存在的熔渣，最好在排出之前清除掉，排出后，空氣冷卻金屬基質復合體齒輪。得到的復合體是被充分滲透的，并且具有鋼齒輪型芯的復制形狀。
實施例2重復例1中的程度，但是不用鋼齒輪，而用楓樹葉形狀的物體為仿形體或型芯。此外，在鋁合金體中的空穴形成之后，在用325目鎂粉噴撒和用填料填充之前，噴砂清洗空穴。噴砂使合金粗糙，因此鎂粉易于附著其上。用這種方法，保證了在最后熔融合金和硬化的預型體之間的交界面處存在著鎂和/或氮化鎂，進而保證了甚至在葉表緣和各處均產生充分的自發滲透。
用氮氣以2.5升/分鐘的流量吹掃鋼罐內部。在爐溫于約2小時內升高之后，將罐內溫度在約750℃(相應的爐溫約為800℃)下保持約2小時。然后趁熱取出經滲透的復合體。為使爐子對罐的加熱均勻，將罐的外徑包裹一層3mm厚的無定形氧化硅墊(購自Mc Neil耐火材料公司的Fiberfrax
)。
此外，已經發現，在本例中需要將合金空穴和填料放置在鋼罐的底部，這是因為在自發滲透之前，預型體有足夠的浮力浮動至熔融合金池的表面。自發滲透是在表面發生的，池的表面張力和粘度以及寬葉形狀都使得被滲透的預型體保持在池的表面上，但是在清掃熔渣時，這個位置上的物體很可能被損壞。應注意到，具有其它形狀和浮力的復合體可能不被保持在合金池的表面。
以上述方式生產的金屬基質復合體葉具有逼真的復制形狀并經過充分的自發滲透。
權利要求
1.一種制備金屬基質復合體的方法，該方法包括將在固體基質金屬中形成一空穴；在空穴中放入基本非反應性填料；使填料變為基本符合空穴形狀的自撐體；溶融基質金屬；使熔融基質金屬至少自發滲入部分填料。
2.根據權利要求1的方法，該方法還包括至少在滲透的一段時間內，提供一種滲透氣氛，使其與填料和基質金屬中至少一種接觸的步驟。
3.根據權利要求2的方法，該方法還包括向基質金屬，填料和滲透氣氛中至少一種提供至少一種滲透增強劑前體和滲透增強劑中的物質的步驟。
4.根據權利要求1的方法，該方法還包括向基質金屬和填料中的至少一種物質提供滲透增強劑前體和滲透增強劑中至少一種物質的步驟。
5.根據權利要求3的方法，其中至少一種滲透增強劑前體和滲透增強劑中的物質是由外界來源提供的。
6.根據權利要求1的方法，該方法還包括至少在滲透的一段時間內使至少部分填料與至少一種滲透增強劑前體和滲透增強劑中的一種物質接觸的步驟。
7.根據權利要求3的方法，其中的滲透增強劑是由滲透增強劑前體與至少一種選自滲透氣氛，填料和基質金屬的物質反應形成的。
8.根據權利要求7的方法，在滲透期間，滲透增強劑前體揮發。
9.根據權利要求8的方法，其中揮發的滲透增強劑前體進行反應，在至少部分填料中形成反應產物。
10.根據權利要求9的方法，其中的反應產物至少是可被上述熔融基質金屬部分還原的。
11.根據權利要求10的方法，其中的反應產物至少涂敷在部分填料上。
12.根據權利要求1的方法，該方法還包括用阻擋元件限制填料界表面的步驟，其中基質金屬自發滲透到阻擋元件處。
13.根據權利要求12的方法，其中的阻擋元件包括一種選自石墨和二硼化鈦的材料。
14.根據權利要求12的方法，其中的阻擋元件是基本不被上述基質金屬潤濕的。
15.根據權利要求12的方法，其中的阻擋元件至少含有一種使滲透氣氛和至少一種基質金屬，填料，滲透增強劑和滲透增強劑前體中的物質接觸的金屬。
16.根據權利要求1的方法，其中的填料含有至少一種選自粉，片，晶片，微球，晶須，泡，纖維，粒，纖維墊，切削纖維，球，球粒，管和耐火布中的物質。
17.根據權利要求1的方法，其中的填料在熔融基質金屬中具有有限的溶解度。
18.根據權利要求1的方法，其中的填料至少含有一種陶瓷材料。
19.根據權利要求3的方法，其中的基質金屬含鋁，滲透增強劑前體至少含一種選自鎂，鍶和鈣的物質，并且滲透氣氛含氮氣。
20.根據權利要求3的方法，其中的基質金屬含鋁，滲透增強劑前體含鋅，并且滲透氣氛含氧。
21.根據權利要求4的方法，其中在填料和基質金屬之間的界面上至少提供一種滲透增強劑和滲透增強劑前體中的物質。
22.根據權利要求1的方法，其中的滲透增強劑前體在基質金屬中合金化。
23.根據權利要求1的方法，其中基質金屬含鋁和至少一種選自硅，鐵，銅，鎂，鉻，鋅，鈣，錳和鍶的合金元素。
24.根據權利要求1的方法，其中在上述基質金屬和填料中至少提供一種滲透增強劑前體和滲透增強劑中的物質。
25.根據權利要求3的方法，其中向基質金屬，填料，和滲透氣氛中至少一種物質中提供至少一種滲透增強劑前體和滲透增強劑中的物質。
26.根據權利要求1的方法，其中在自發滲透期間的溫度高于基質金屬的熔點，但是低于基質金屬的揮發溫度和填料的熔點。
27.根據權利要求2的方法，其中的滲透氣氛含有選自氧氣和氮氣的一種氣體。
28.根據權利要求3的方法，其中的滲透增強劑前體含有選自鎂、鍶和鈣中的一種物質。
29.根據權利要求1的方法，其中的熔融基質金屬含有鋁，填料含有選自氧化物，碳化物，硼化物和氮化物中的一種物質。
30.根據權利要求1或4的方法，其中通過將填料在熱源和粘結劑中至少一種的作用之下，使填料成為自支撐體。
31.根據權利要求1或4的方法，其中的填料在基質金屬基本熔融之前或同時變成自支撐體。
32.根據權利要求1或4的方法，其中的空穴是在基質金屬錠上機加工得到的。
33.根據權利要求1或4的方法，其中的空穴是將一組有形的基質金屬件組裝而得到的。
34.根據權利要求1或4的方法，其中的空穴是在型芯周圍鑄型基質金屬得到的。
35.根據權利要求1或4的方法，其中的空穴是通過侵蝕掉部分基質金屬錠得到的。
36.根據權利要求1或4的方法，其中的空穴最好熔化部分基質金屬錠得到。
37.根據權利要求1或4的方法，其中的空穴由下述方法形成在具有所需的金屬基質復合體形狀的型芯周圍形成一橡膠模具，從橡膠模具中取出型芯，用耐火材料填充橡膠模具，由耐火材料形成耐火型芯，使熔融基質金屬在耐火型芯周圍固化，從固化的基質金屬中取出耐火型芯。
38.根據權利要求37的方法，其中的耐火材料含熟石膏。
39.根據權利要求2的方法，其中的基質金屬在含有滲透氣氛的耐火容器中熔化。
40.根據權利要求1的方法，其中的填料至少通過部分燒結變成自支撐體。
41.根據權利要求3的方法，其中向填料提供至少一種滲透增強劑和其前體中的物質，使填料在滲透氣氛存在下被加熱時變成自支撐體。
全文摘要
本發明涉及一種制備金屬基質復合體的新方法和由該方法生產的金屬基質復合體。具體地講，首先在基質金屬內形成一個內空穴，然后將填料的可滲透體放入空穴中，使該滲透體變成預型體。在工藝中的某一階段，使滲透增強劑和/或其前體和/或滲透氣氛與填料相聯系，使基質金屬在熔融時自發滲入填料的可滲透體，該可滲透體在工藝中的某一階段可變為自撐體。
文檔編號C04B41/51GK1042498SQ8910808
公開日1990年5月30日 申請日期1989年10月21日 優先權日1988年11月10日
發明者庫爾特·J·貝克爾 申請人:蘭克西敦技術公司