198432. lajstromszámú szabadalom • Eljárás összetett szerkezetű önhordó kerámia termék előállítására, valamint összetett szerkezetű önhordó kerámia termék
1 2 A találmány tárgya eljárás összetett szerkezetű önhordó kerámia termék előállítására, valamint összetett szerkezetű önhordó kerámia termék. Az eljárás értelmében porózus magrészt és ezt borító, a magrésznél nagyobb sűrűségű, avval anyagával kapcsolódó felületi réteget hozunk létre, míg a terméknek önhordó teste és a testet borító, annál nagyobb sűrűségű külső borítása van. A találmány szerinti eljárással előállított kerámia termékek vékonyfalú, adott esetben hálós szerkezetűek lehetnek, kopási szilárdsági és termikus jellemzőik kiválóak. Az elmúlt években fokozatosan növekvő érdeklődés mutatkozik a kerámia anyagok alkalmazására olyan szerkezetekben, is amelyekben mindeddig kizárólag fémes anyagú elemeket építettek be. Az érdeklődés növekedésének okát abban kell látni, hogy a kerámia anyagok számos tulajdonságukat tekintve, így korrózióállóság, keménység, rugalmassági modulus, hőszigetelés vagy hővezető képesség és tűzállóság szempontjából igen jó jellemzőket mutatnak, amelyek a fémekénél jobbak. Mindezek eredményeként próbálkozások történtek olyan kerámia anyagok kiválasztására, illetve kifejlesztésére, amelyek alkalmasak belsőégésű motorok, hőcserélők, fémmegmunkáló szerszámok, csapágyak, hordozófelületek, szivattyúk, tengeri hajófelszerelések kialakítására. A számos alkalmazási lelietőséget tekintve különösen nagy figyelmet érdemel a kerámia anyagok beépítése a belsőégésű motorokba, mivel az ilyen anyagok révén várhatóan jelentős mértékben lehet javítani a belsőégésű motor működési jellemzőit, illetve eredő hatásfokát. A kerámia anyagok súrlódási tényezője kicsire alakítható ki, mégpedig a fémekénél is kisebbre, ezzel az egymáson súrlódó fém alkatrészekhez viszonyítva nagyobb élettartalom érhető el, a kedvező súrlódási tényező a belsőégésű motor belső terében uralkodó megnövelt hőmérsékleten is megmarad. Alaktartásukat tekintve a kerámia anyagok szintén előnyösebbek a fémeknél, mivel széles értéktartományban eredeti méreteiket nagy pontossággal megőrzik. A fémekhez viszonyítva kialakíthatók jó hőszigetelő tulajdonságú kerámia anyagok is, ami jelentős mértékben elősegítheti a belsőégésű motorok termikus hatásfokának javítását, egyes mérések szerint akár 75%-os hatásfok is elérhető, amikoris a felhasznált tüzelőanyag energiatartalma viszonylag kis mértékben jelentkezik hőveszteségként, a maradék nagyobb rész hasznos teljesítmény előállítására fordítódik. Ez az alapvető oka annak, hogy kerámia anyagokat igyekeznek az adiabatikus belsőégésű motorokban alkalmazni, mivel kis hővezetésük jó alakiratással kapcsolódik és elősegíti a tüzelőanyag elégetési hatásfokának javítását. Tekintettel ezekre a tulajdonságokra, a kerámia anyagok fejlesztési hosszútávú pragmatikus célokat szolgál. A kerámia anyagokat azonban több olyan tulajdonság is jellemzi, amelyek teljeskörű hasznosításukat korlátozzák. A legtöbb kerámia anyag koptató hatású eróziós tényezőkkel, különösen gravitációval szemben kevéssé ellenálló. Ez mindenekelőtt a porózus szerkezetű kerámia anyagokra vonatkozik, bár ismertek a tömör szerkezetű, sűrű kerámia anyagok is. Ez utóbbiak előállítása nehézkes. Az ismert eljárásokkal csak komoly költségek árán lehet komplex, bonyolult alakzatokat előállítani, a rendelkezésre álló technológiák a tömegtermelést nem teszik lehetővé. 1 Akár homogén anyageloszlású, akár összetett szerkezetű sűrű kerámia testek előállításáról van szó, többféle próbálkozás történt a technológiai problémák megoldására. így a 2 ,437,468 lsz. US szabadalom (bejelentője Seufert) olyan alumínium-trioxid/spinell szerkezetű kerámia anyag előállítására mutat be eljárást, amely összetett szerkezetével kedvező mechanikai tulajdonságokat mutat. Az eljárás szerint az alumíniumot megolvasztják, az olvadék felületére finom eloszlásban porított magnézium-szulikátot tartalmazó por vastag rétegét szólják. A megolvadt alumíniumot átkényszerítik a részecskék rétegén, amikoris bekövetkezik az alumínium és a magnézium-szilikát oxidációs redukciós reakciója, továbbá az atmoszférikus-oxigén jelenléte miatt az oxidációs folyamat. A javasolt eljárással vegyes oxidokat és fémeket tartalmazó fázisok állíthatók elő, amelyek az összetett szerkezetet alkotják. Az így létrejött fázisok között van a spinell, alfa-alumínium-oxid, a fémes szilícium és/vagy a szilícium-alumínium fázis, ahol az utóbbi általában tiszta alumíniumot és befogadó intermetallikus vegyidéiként jön létre. Ez a reakció lassú, az oxidáció elősegítéséhez általában alkálifém oxidját is a keverékhez adagolják. Ezt követően a terméket kinyerik, kívánt szcmcsézcttségű frakciókra őrlik, majd alkalmas kötőanyagokkal keverve formákba öntik és így erősen kopásálló termékeket hoznak létre. Kívánt térbeli alakzat jó közelítését biztosító eljárások kidolgozására is történtek próbálkozások. Alakhű kerámia termékek gyártására mutat be eljárást a 3,355,027 lsz. US, a 3,473,938 lsz. US és a 3,473,987 lsz. US szabadalmi leírás, amelyek szerint lehetséges vázszerű stniktúrákat, például habosított elemeket kerámia anyagból előállítani. A 3,255,027 lsz. US szabadalom (bejentője Talsma) szemcsézett alumínium vagy alumínium-ötvözet alkalmazását javasolja fémoxidox folyasztószer hozzáadagolásával, amelyhez szemcsézett tűzálló töltőanyag is járulhat. A keveréket úgy oxidálják, hogy az alumíniumból korund keletkezzék. Így porózus struktúra jön létre, amelynek szilárdsági jellemzői szerkezetéből adódóan nem túlságosan jók. A bejelentő szerint a 3,255,027 lsz.-US szabadalmi leírás szerinti terméket be lső üreg jelenléte jellemzi. A 3 473 938 lsz. US szabadalmi leírás (bejelentője Oberlin) olyan eljárást javasol, amellyel a belső hiányok kialakulása elkerülhető, mégpedig oly módon, hogy a kiindulási keverékbe vanádium vegyületet kevernek, amely a folyamat feltételei között alumínium-trioxid hidak keletkezését okozzák. A 3473987 lsz. US szabadalmi leírás (bejelentője Sowards) -a 3 255 027 lsz US szabadalmi leírás szerint előállított kettősfalú alumínium-tríoxid termékek szilárdságának javítására javasolja alumíniumból készült sablonok oxidálását, amikoris a sablonok alumíniumporral, folyasztószerrel és tűzálló töltőanyaggal borítják be. A 3,298,842 lsz. US szabadalmi leírás (bejelentő Seufert) olyan eljárást ismertet, amellyel üreges tűzálló anyagok állíthatók elő, például alumínium-trioxidból. Ebben az esetten alumínium vagy alumínium-ötvözet szemcséiből, tűzálló anyagszemcsékből és katalizátorból porózus keveréket készítenek, azt levegőben 650 °C fölötti hőmérsékletre melegítik, de vigyáznak arra, hogy a he mérséklet a tűzálló összetevő összetömörödési vagy szinterelési hőmérséklete alatt maradjon. A fémes részecskék felületükön oxidálódnak, a fémes anyag fokozatosan elfogy és helyén 98.432 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 2
