KR0121457B1

KR0121457B1 - 투하정밀주조(investment casting) 기법에 의해 금속 기질 복합체를 제조하는 방법

Info

Publication number: KR0121457B1
Application number: KR1019890014469A
Authority: KR
Inventors: 토마스 버크 죤
Original assignee: 마이클 제이.홀린스; 랜자이드 테크놀로지 컴패니, 엘피
Priority date: 1988-11-10
Filing date: 1989-10-10
Publication date: 1997-12-03
Also published as: JPH02241642A; BR8905754A; AU624859B2; CN1042490A; DE68910280T2; DK559289D0; RO107931B1; PT92246B; NO893989D0; EP0369929A1; NO175849C; PT92246A; AU4164889A; KR900007525A; US5010945A; DK559289A; IL91736A0; MX173563B; NZ231072A; FI894936A0

Abstract

본 발명은 금속 매트릭스 복합체를 제조하는 신규의 방법 및 그 방법으로부터 제조된 신규의 복합체 제품에 관한 것이다. 본 발명의 방법에서는 제조하고자 하는 금속 매트릭스 복합체에 역대응하는 네가티브 형상 또는 공동부를 먼저 형성시킨다. 이어서 형성된 공동부내에 투과성 충전재 소재를 충전시킨다. 이어서 용융된 기질 금속을 충전된 공동부에 자발적으로 침투시킨다. 구체적으로, 침투 촉진제 및/또는 칩투 촉진제 전구물질 및/또는 침투 대기를, 공정의 적어도 일부의 기간동안에 충전재와 함께 사용하므로써, 기질 금속에 용융되었을 때, 공정의 적어도 일부의 시점에서는 자립성이 될 수 있는 투과성 충전재 소재내로 그 금속을 침투시킬 수 있다. 바람직한 실시예에서 공동부는 소위 로스트-왁스 방법과 유사한 방법에 의해 형성된다.

Description

투하정밀주조(investment casting) 기법에 의해 금속 기질 복합체를 제조하는 방법

본 발명은 금속 기질 복합체를, 제조하기 위한 신규 방법 및 그로부터 제조된 신규한 생성물에 관한 것이다. 먼저, 제조하고자 하는 소정의 금속 기질 복합체에 대해 역대응하는 네가티브(negitve) 형태 또는 공동부가 제조된다. 제조된 공동부는 그후 투과성 충전재 소재로 충전된다. 그 후, 용융된 기질 금속은 충전된 공동부내로 자발적으로 침투한다. 특히, 이와 같은 처리과정중에 적어도 일부의 시점에서는 침투 촉진제 및/또는 침투 촉진제 전구체 및/또는 침투 가스체를 충전재와 상호 작용시키므로써, 기질 금속이 용융되었을 때 이를 투과성 충전재 소재내로 자발적으로 침투시킬 수 있으며, 상기 충전재의 투과성 소재는 처리 과정중 일부의 시점에서는 자립성을 갖게 될 수 있다. 바람직한 실시 태양에서 공동부는 소위, 로스트-왁스(lost-wax) 공정과 유사한 공정에 의해 제조될 수 있다.

금속 기질과 보강성 상(reinforcing phase)(예, 세라믹 미립자, 휘스커, 섬유등)을 포함한 복합체 제품은 그 용도가 매우 광범위한데, 그 이유는 복합체가 보강성 상의 경성과 내마모성 및 금속 기질의 연성과 인성을 겸비하기 때문이다. 일반적으로, 금속 기질 복합체는 강도, 경도, 내마모성, 고온 강도 등과 같은 특성이 일체헝의 기질 금속에 비해 우수하지만, 그러한 특성의 개질 정도는 주로 특정 성분, 특정 성분의 체적 또는 중량 분율 및 복합체 제조 방법의 양태에 따라 달라진다. 어떤 경우에는, 복합체의 중량이 기질 금속 그 자체보다도 가벼워질 수도 있다. 실리콘 카바이드(예, 미립자 형태, 박판 형태 또는 휘스커 형태)와 같은 세라믹으로 보강된 알루미늄 기질 복합체는 알루미늄 자체보다 경도, 내마모성 및 고온 강도 등이 우수하므로 관심의 대상이 된다.

알루미늄 기질 복합체를 제조하기 위한 여러가지 방법에 공지되어 있는데, 예를 들면, 가압 주조, 진공 주조, 교반 및 습윤제 등을 사용하는 분말 야금법 및 액상-금속 침투 기법이 있다. 분말 야금법은 금속 분말과 보강재(예, 분말 형태, 휘스커 형태, 절단 섬유 형태등)을 혼합한 다음, 냉간 압연 및 소결, 또는 열간 압연시키는 방법이다. 이 분말 야금법에 의해 제조된 알루미늄 기질 복합체(실리콘 카바이드로 보강된 것)의 최대 세라믹 체적 분율은, 보강재가 휘스커 형태인 경우에 약 25부피%이고, 미립자 형태인 경우에 약40부피%인 것으로 보고되어 있다.

종래의 분말 야금법을 이용한 금속 기질 복합체의 제조 방법에는 얻을 수 있는 제품의 특성과 관련하여 여러가지 제한이 따른다. 복합체내의 세라믹 상의 부피 분율은, 미립자의 경우, 약 40%로 제한된다. 또한, 압연 공정에 의해 얻어지는 제품의 치수에도 제한이 있다. 또한 후속 공정(예, 성형 또는 기계 가공)이나 복잡한 압연 장치의 도움 없이는 비교적 단순한 형태의 제품밖에 생산할 수가 없다. 또한, 압축성형체(compact)내의 석출 및 입자 성장에 기인하여 미세 구조가 불균일해질 뿐만 아니라, 소결 작업시 불균일한 수축이 발생할 수도 있다.

1976년 7월 20일자 미합중국 특허 제3,970,136호(j. C. 캐널)에는 소정의 섬유 배향 패턴을 가지는 섬유 보강재(예, 실리콘 카바이드 또는 알루미나 휘스커)가 혼입되어 있는 금속 기질 복합체의 제조 방법이 기재되어 있다. 이 복합체는 적어도 일부의 매트 사이에 용융 기질 금속(예, 알루미늄) 저장원을 구비한 주형내에 동일 평면상의 섬유로 된 평행한 매트(mat) 또는 펠트를 놓은 다음, 용융 금속이 상기 매트내에 강제침투하여 상기 배향된 보강 섬유를 둘러싸도록 압력을 가하여 제조한다. 용융 금속을 매트 적층체상에 주입 시키면서 압력을 가하여 매트 사이에서 유동시킨다. 이 복합체내의 보강 섬유의 하중량은 약 50부피%에 이르는 것으로 보고되어 있다.

전술한 침투 공정에서는 섬유 매트 적층제를 통해 용융 기질 금속을 강제 침투시키기 위해 외부 압력을 사용하므로 압력에 의해 유발된 유동 과정의 변화, 즉, 기질 형성, 다공성 등의 불균일성을 일으킬 수 있다. 용융 금속을 섬유 배열내의 다수의 위치에서 도입시키더라도 불균일한 성질이 얻어질 수 있다. 따라서, 섬유 매트 적층제의 적절하고 균일한 침투를 달성하기 위해서는 복잡한 매트/용융 금속 저장원 배열 및 유동 경로가 필요하다. 또한 이와 같은 가압 침투법에서는 매트의 부피가 커지면 용융 금속의 침투가 어려워진다는 고유한 문제 때문에 기질의 부피에 대한 보강재의 부피 비율이 비교적 낮을 수 밖에 없다. 이외에도, 가압하에서 주형내에 용융 금속을 주입시켜야 하므로 공정에 드는 비용이 증가하는 문제가 있다. 또한, 전술한 방법은 정렬된 입자나 보강 섬유의 침투에만 제한되며, 불규칙하게 배향된 입자, 휘스커 또는 섬유 형태의 재료로 보강된 알루미늄 기질 복합체는 제조할 수 없다.

알루미늄 기질-알루미나 충전된 복합체를 제조하는 경우, 알루미늄이 알루미나를 용이하게 습윤시키지 못하므로 응집성(coherent)이 있는 제품의 생산이 곤란해진다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 여러가지 방법이 제안되어 있는데, 그중 하나의 해결 방법으로서 알루미나를 금속(예, 니켈 또는 텅스텐)으로 피복한 다음, 알루미늄과 함께 열간 압연시키는 것을 들 수 있다. 다른 방법은 알루미늄을 리튬과 합금시키고, 알루미나를 실리카로 피복시키는 것이다. 그러나, 이런 방법으로 제조한 복합체는 그 특성상 변화를 나타내며, 피복물이 충전재의 특성을 열화시키거나, 기질이 당해 기질의 특성에 악영향을 미칠 수 있는 리튬을 함유한다.

미합중국 특허 제4,232,091호(R. W. 그림쇼의 다수)는 상기한 알루미늄 기질-알루미나를 복합체 제조에 있어서 당분야에서 당면하는 몇가지 문제점을 해소한 것이다. 상기 특허에서는 700 내지 1,050℃의 온도로 예열된 알루미나 섬유 매트나 알루미나 휘스커 매트내로 용융 알루미늄(또는 용융 알루미늄 합금)을 75 내지 375kg/cm²의 압력을 가해서 강제로 침투시키는 방법을 개시하고 있다. 그 결과 제조된 고체 주조물에서 알루미나 대 금속의 최대 부피 비율은 0.25/1이다. 이 특허에서도 침투를 달성하기 위해 외력이 필요하므로 전술한 미합중국 특허 제3,970,136호의 문제점과 동일한 문제점이 존재한다.

유럽 특허 출원 공개 번호 제115,742호에는 예비 성형된 알루미나 기질의 공극에 용융 알루미늄을 충전시키므로써 전해조의 부품으로 특히 유용한 알루미늄-알루미나 복합채를 제조하는 방법이 개시되어 있다. 상기 출원에서는 알루미나가 알루미늄에 의해 습윤되지 않는다는 사실을 강조하고 있고, 이에 따라 알루미나 예비성형체를 습윤시키기 위한 여러가지 기법을 사용하고 있다. 예를 들면, 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 또는 니오븀 등의 이붕화물과 같은 습윤제나 리튬, 마그네슘, 칼슘, 티타늄, 크롬, 철, 코발트, 니켈, 지르코늄 또는 하프늄과 같은 금속으로 알루미나를 피복하는 것을 들 수 있다. 또한, 습윤을 촉진시키기 위해 아르곤과 같은 불활성 가스체도 사용한다. 상기 특허 출원에서는 또한 피복되지 않은 용융 알루미늄을 침투시키기 위해 압력을 가하는 방법을 시사하고 있다. 이 경우에 침투는 기공을 배기시키고(evacuating), 이어서 불활성 가스체(예, 아르곤 기체)하에서 용융 알루미늄에 압력을 가하므로써 달성된다. 다른 방법으로는, 예비성형체의 표면을 알루미늄 증착에 의해 침투시킨 후, 용융 알루미늄으로 침트시키므로써, 예비성헝체내의 기공을 충전시키는 방법이 있다. 알루미늄이 예비성형체의 기공내에 확실하게 유지되도록 하기 위해서는 진공 또는 아르곤하에서의 열처리(예, 1,400 내지 1,800℃의 온도)가 필요하다. 이와 같은 열처리를 하지 않을 경우, 가압 침투된 예비성형체가 기체에 노출되거나 침투 압력을 제거하게 되면 침투된 예비성형체로부터 알루미늄이 손실된다.

유럽 특허 출원 공고 제94353호에서도 전해조내의 알루미나 성분내로의 용융 금속의 침투를 달성하기 위해 습윤제를 사용하고 있다. 상기 출원에서는 전해조 라이너 또는 기판으로서의 음극 전류 공급체를 구비한 전지에서 전자 획득에 의해 알루미늄을 생산한다. 용융 빙정석으로부터 전해조 기판을 보호하기 위해서, 전해조의 조업 개시전이나 전해 공정에 의해 생성된 용융 알루미늄내에 알루미나 기판을 침지시킴과 동시에 습윤제와 용해 억제제의 혼합물의 박층을 알루미나 기판에 도포한다. 습윤제로서는 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 실리콘, 마그네슘, 바나듐, 크롬, 니오븀, 또는 칼슘이 개시되어 있으며, 특히 티타늄이 바람직한 습윤제로 제시되어 있다. 또한 붕소, 탄소 및 질소의 화합물은 알루미늄중에서 습윤제의 용해도를 억제시키는데 유용하다고 기재되어 있다. 그러나, 상기 출원에는 금속 기질 복합체의 제조나, 예컨대 질소 가스체하에서의 복합체 제조에 대해서는 전혀 시사한 바가 없다.

압력 및 습윤제를 사용하는 방법 이외에도, 진공을 사용하여 용융 알루미늄을 다공성 세라믹 압축 성형체내로 침투시키도록 도모할 수 있는 것으로 개시된바 있다. 예를 들면, 1973년 2월 27일자 미합중국 특허 제3,718,441호(R. L. 랜딩햄)가 그것인데, 상기 특허에서는 10^-6토르 이하의 진공하에서 세라믹 압축 성형체(예, 탄화붕소, 알루미나 및 베릴리아(beryllia)에 용융 금속(예, 알루미늄, 베릴륨, 마그네슘, 티타늄, 바나듐, 니켈, 또는 크롬)을 침투시킨다. 10^-2내지 10^-6토르의 진공하에서는 용융 금속이 세라믹의 기공내로 자유롭게 유동할 수 없을 정도로 용융 금속에 의한 세라믹의 습윤이 불량한 결과가 초래된다. 그러나, 진공이 10^-6토로 이하인 경우에는 습윤이 개선된다고 설명하고 있다.

또한 1975년 2월 4일자 미합중국 특허 제3,864,154호(G. G. 가자외 다수)는 침투를 위해 진공을 사용하는 방법을 개시하고 있다. 상기 방법에서는 냉간 압연된 알루미늄 분말층(bed)상에 AlB₁₂로 구성된 냉간 압연 압축 성형체를 설치한다 이어서 AlB₁₂분말 압축 성형체의 상단위에 알루미늄을 추가로 설치한다. 알루미늄 분말의 층들 사이에 개재된(sandwiched) AlB₁₂의 압축 성형체를 담은 도가니를 진공 요로에 넣는다. 요로를 약 10^-5토르로 진공화하여 기체를 방출시킨다. 이어서 온도를 1,100℃로 승온시키고, 이 온도에서 3시간 동안 유지시킨다. 이러한 조건하에서 용융 알루미늄은 다공성 AlB₁₂압축 성형체내로 침투된다.

1968년 1월 23일자 미합중국 특허 제3,364,976호(존 엔. 리딩외 다수)에는 재료내로의 용융 금속의 침투를 촉진시키기 위해 그 재료내에 자체 발생 진공을 생성하는 것에 대한 개념이 기재되어 있다. 특히, 상기 특허에서는 성형체(예, 흑연 주형, 강철 주형, 또는 다공성 내화 재료)를 용융 금속내에 완전히 침지시키는 방법이 개시되어 있다. 주형의 경우, 용융 금속과의 반응성이 있는 기체가 충전되어 있는 주형의 공동부는 주형내의 하나 이상의 구멍을 통해 외부에 위치한 용융 금속과 연결된 상태로 된다. 상기 주형을 용융 금속내로 침지시키면 주형 공동부내의 기체와 용융 금속 사이의 반응에 의해 자체 발생 진공이 형성됨에 따라 주형 공동부가 충전된다. 특히, 진공은 고체 금속 산화물이 형성된 결과이다. 따라서, 공동부내의 기체와 용융 금속 사이의 반응을 유발시키는 것이 필수적이다. 그러나, 진공을 형성하기 위해 주형을 이용하는 기법은 주형의 사용과 관련된 고유한 제한때문에 바람직하지 않다. 즉, 주형은 먼저 특정의 형태로 기계 가공한 다음, 마무리 가공하고, 주형상에 주조 표면을 형성하고, 이어서 주형을 사용하기 전에 조립하고, 사용후에는 주조물을 제거하기 위해 분해되고, 분해된 후에는 재사용을 위해 주형을 재생해야 하며 재생시 주형의 표면을 재가공하거나 주형이 더이상 사용 불가능한 경우에는 폐기 처분해야 한다. 주형을 복잡한 형태로 기계 가공하기 위해서는 비용이 많이 들고 시간도 많이 소비된다. 또한 복잡한 형태의 주형으로부터 성형된 주조물을 제거해 내는 것도 매우 어렵다(즉, 주조물의 형상이 복잡하므로 주형으로부터 제거해낼 때 부서지기 쉽다). 또한 주형을 사용할 필요없이 다공성 내화 재료를 용융 금속내로 직접 침지시키는 기법도 제시되어 있으나, 이 경우에는 상기 내화 재료를 일체형 부품으로 만들어야 하는데, 콘테이너 주형을 사용하지 않는 저밀도 또는 분리된 다공성 재료를 침투하기 위한 대안이 없기 때문이다(즉, 일반적으로 미립자 재료가 용융 금속에 배치될 때 해리되거나 표류하게 되는 문제가 있다). 또한 , 미립자 재료 또는 저밀도로 형성된 예비성형체를 침투시키기 위해서는, 금속의 침투에 의해 미립자 또는 예비성형체의 적어도 일부가 변위되어 불균일한 미세 구조를 형성하는 일이 없도록 상당한 주의가 필요하다.

따라서, 압력이나 진공(외부적으로 가한 것 또는 내부적으로 발생된 것 )을 사용할 필요가 없거나, 세라믹 재료와 같은 다른 재료를 매립한 금속 기질을 생성시키기 위한 감쇄 습윤제를 사용할 필요가 없는, 간단하고 신뢰성 있게 성형된 금속 기질 복합체를 제조하는 방법이 요구되고 있다. 또한 기질 복합체를 제조하는데 필요한 최종 마무리 가공을 최소화할 수 있는 기법이 오래전부터 요구되어 왔다. 본 발명은 이와 같은 요구에 부합하는 것으로서, 본 발명에 의하면, 제조 과정중의 적어도 일부의 시점에 침투 촉진제가 존재하는 한 대기압 및 침투 가스체(예, 질소)의 존재하에서 예비성형체로 성형된 재료(예, 세라믹 재료)에 용융 기질 금속(예, 알루미늄)을 침투시키기 위한 자발 침투 메카니즘이 제공된다.

본 출원은 몇 개의 본건과 함께 계류중이고 공유되어 있는 특허 출원의 주제와 관련되어 있다. 구체적으로, 본건과 함께 계류중인 다른 특허 출원들은 금속 기질 복합 재료의 신규 제조 방법(이하에서는 “공유된 금속 기질 특허 출원들″로 언급하기도 함)을 개시하고 있다.

공유된 1987년 5월 13일자로 금속 기질 복합체 라는 명칭하에 출원된 미합중국 특허 출원 제049,171호(화이트외 다수)에는 금속 기질 복합 재료의 신규한 제조 방법이 기재되어 있으며, 그 출원은 현재 미국에서 특허 허여되었다. 상기 방법에 따르면, 약 1중량% 이상, 바람직하게는 약 3중량% 이상의 마그네슘을 함유한 용융 알루미늄으로 투과성 충전재의 소재(예, 세라믹 또는 세라믹-피복된 재료)를 침투시키므로써 금속 기질 복합체를 제조한다. 침투는 외부로부터 압력이나 진공을 가하지 않은 상태하에서 자발적으로 발생한다. 약 10 내지 100부피%, 바람직하게는 약 50부피% 이상의 질소와, 잔여량의 기체, 경우에 따라 비산화성 기체(예, 아르곤)를 함유한 기체의 존재하에서, 약 675℃의 온도하에, 용융 합금 공급원을 충전재와 접촉시킨다. 이러한 조건하에서 용융 알루미늄 합금은 대기압하에서 세라믹 체내로 침투되어 알루미늄(또는 알루미늄 합금) 기질 복합체를 형성한다. 충전재에 용융 알루미늄 합금이 소정량 만큼 침투된 후에는 온도를 강하시켜 합금을 응고시키므로써, 보강 충전재가 매립된 고체 금속 기질 구조물을 형성한다. 전달되는 용융 합금 공급원의 양은 충전재 소재의 경계까지 침투가 진행할 수 있도록 충분한 양으로 하는 것이 통상적이고도 바람직하다. 상기 출원 발명에 따르면, 제조된 알루미늄 기질 복합체내의 충전재의 양이 지나치게 높을수도 있다. 이때 충전재 대 합금의 부피비는 1 : 1 이상이 될 수 있다.

상기 특허 출원 제049,171호의 제조 공정 조건하에서 질화 알루미늄은 알루미늄 기질을 통해 분산된 불연속 상으로서 형성될 수 있다. 알루미늄 기질내의 질화물의 양은 온도, 합금의 조성, 기체의 조성 및 충전재 등과 같은 여러 인자의 변화에 따라 달라진다. 따라서, 이와 같은 인자들중 하나 이상의 인자를 제어함으로써 복합체의 특성을 개질할 수 있다. 그러나, 최종 사용 목적을 위해서는, 복합체가 질화 알루미늄을 거의 또는 전혀 함유하지 않는 것이 바람직하다.

온도가 높을수록 침투가 촉진되는 반면에 질화물이 형성되는 경향이 더 큰 것으로 밝혀졌다. 상기 특허출원 제049,171호에서는 침투 반응속도와 질화물의 형성이 균형을 이루도록 하고 있다.

마이클 케이. 아가자니안 등이 1988년 1월 7일자 출원한 “차단수단(Barrier)을 이용한 금속 기질 복합체 제조 방법″이라는 명칭으로 본건과 함께 계류중인 공유된 미합중국 특허 출원 제141,642호에는 금속 기질 복합체의 제조에 유용한 적절한 차단 수단의 일예가 기재되어 있다. 상기 아가자니안 등의 방법에 따르면, 차단 수단(예, 티타늄 디보라이드 미립자 또는 유니온 카바이드사에서 Grafoil이라는 상표명으로 시판하는 가요성 흑연 테이프와 같은 흑연 재료)은 충전재의 한정된 표면 경계상에 배치되고, 기질 합금은 차단 수단에 의해 한정된 표면 경계까지 침투한다. 상기 한정된 수단을 사용하여 용융 합금의 침투를 차단, 방해 또는 중지시키므로써, 사용하여 생성된 금속 기질 복합체에 그 최종, 또는 거의 최종적인 형태를 제공하도록 한다. 따라서, 형성된 금속 기질 복합체의 외형은 차단 수단의 내부의 형상과 거의 상응하게 된다.

금속 기질 복합체 및 그 제조 방법이라는 명칭의 미합중국 특허 출원 제049,171호는 미합중국 특허 출원 제168,284호(1988년 3월 15일, 마이클 케이, 아가자니안 및 마크 에스, 투 커크)의 개량 발명이다. 상기 특허에 개시된 방법에 따르면, 기질 금속 합금은 제1용융 금속 공급원으로서, 그리고 기질 금속 합금 저장원으로서 제공되며, 이 기질 금속 합금 저장원은 예컨대 중력에 의해 제1용융 금속 공급원과 연결된다. 특히, 상기 특허 출원에 기재되어 있는 조건하에서, 제1용융 기질 합금 공급원은 대기압하에서 충전재 소재에 침투되기 시작하여 금속 기질 복합체의 형성을 개시한다. 상기 제1용융기질 금속 합금 공급원은 충전내로의 침투 기간동안 완전히 고갈되므로, 필요한 경우 자발침투가 계속될때 용융 기질 금속 저장원으로부터, 바람직하게는 연속적인 방식으로 재충전시킬 수 있다. 투광성 충전재가 용융 기질 금속에 의해 목적하는 양만큼 자발 침투되었을 때, 온도를 강하시켜 합금을 응고시키므로써, 보강성 충전재를 매립한 고체 금속 기질 구조물을 형성한다. 이와 같이 금속 저장원을 사용하는 방법은 상기 특허 출원의 한 실시예이며, 이 실시예를 상기 특허 출원에 개시된 발명의 다른 실시예와 병행할 필요는 없으나, 그 실시예들중 일부를 본 발명과 함께 사용하는 것이 유리할 수 있다.

금속 저장원은 그 금속 저장원이 목적하는 범위까지 투과성 충전재 소재를 충분히 침투할 수 있는 양으로 존재한다. 또한, 충전재의 적어도 한 표면상에는 임의의 차단 수단을 접촉 설치하여 표면 경계를 한정할 수도 있다.

전달되는 용융 기질 합금의 양은 최소한 충전재의 투과성 소재의 경계면(예, 차단수단)까지 자발적인 침투가 진행할 수 있는 양으로 함과 동시에, 용융 합금 저장원내에 존재하는 합금의 양이 침투를 완결시키는 데 충분할 뿐 아니라 과잉의 용융 합금이 금속 기질 복합체에 잔류하여 부착되어 있을 수 있는 충분한 양으로 할 수 있다. 따라서 과잉의 용융 합금이 금속 기질 복합체에 존재할 경우, 형성된 재료는 복잡한 복합체(예 : 매크로복합체)로서, 금속 기질을 가진 침투된 복합체는 저장원내에 잔류하는 과잉의 금속에 직접 결합될 것이다.

진술한 각각의 “금속 기질 특허 출원″에는 금속 기질 복합체의 제조 방법 및 이 제조 방법에 의해 제조된 금속 기질 복합체가 기재되어 있다. 전술한 바와 같은 공유된 “금속 기질 특허 출원″의 모든 기술 내용을 본 명세서에 참고 인용하였다.

금속 기질 복합체는 제조 공정중의 적어도 일부의 시점에서, 자립성을 갖게 될 수 있는, 즉, 예비성형체로 성형될 수 있는 투과성 충전재 소재의 침투에 의해 제조된다. 충전재는 특정한 공정에 의해 형성된 공동부내에 위치한다. 구체적으로, 본 발명의 바람직한 실시 태양에서, 저융점 또는 저휘발성의 맨드렐(mandrel)(예, 왁스 주형)은 그 왁스 주형의 적어도 일부분이 형성시키고자 하는 금속 기질 복합체와 그 형상이 일치하도록 제조할 수 있다. 왁스 주형은 적절한 방법에 의해 내화성 재료로 피복될 수 있는데, 예를 들면 페인팅, 분무, 침지-피복법 등이 적용될 수 있다.

일단 적절한 두께의 세라믹 재료를 왁스 주형의 표면상에 형성시키고 피복된 내화성 재료를 자립성이 되도록 한 후, 왁스 주형을 용융, 휘발 등에 의해 피복층으로부터 제거할 수 있으며, 피복층은 그것으로부터 제거된 왁스와 모양이 거의 일치되는 공동부를 그 내부에 가질 수 있다.

한가지 실시 태양에서, 형성된 공동부는 형성시키고자 하는 금속 기질 복합체의 최종 형상을 한정하도록 도모하는 적절한 차단 수단 재료로 적절한 기법에 의해 피복된다. 일단 차단 수단 재료가 적절하게 위치되면 충전재는 최소한 공동부의 일부분에 위치될 수 있다.

또한, 제조 과정중의 적어도 일부의 시점에서 충전재는 침투 촉진제 및/또는 침투 촉진제 전구체 및/또는 침투 가스체와 상호 작용하여, 기질 금속의 용융되었을 때, 이를 제조 과정중의 일부의 시점에서는 자립성을 갖게될 수 있는 투과성 충전재 소재내로 자발적으로 침투시킬 수 있다.

바람직한 실시 태양에서, 침투 촉진제는 하나 이상의 충전재 및/또는 기질 금속 및/또는 침투 가스체에 직접 공급될 수 있다. 궁극적으로, 침투 촉진제 전구체 또는 침투 촉진제의 공급과는 별도로, 자발적인 침투 기간동안 최소한 일부의 충전재내에 침투 촉진제가 존재해야 한다.

이하에서 본 출원은 주로 금속 기질 복합체를 형성하는 과정중에 적어도 일부의 시점에서 침투 가스체로 작용하는 질소의 존재하에 침투 촉진제 전구체로서 작용하는 마그네슘과 접촉되는 알루미늄 기질 금속에 관해 논의할 것이다. 알루미늄/마그네슘/질소로 이루어진 기질 금속/침투 촉진제 전구체/침투 가스체 시스템은 자발적인 침투 작용을 나타낸다. 그러나 다른 기질 금속/침투 촉진제 전구체/침투 가스체의 시스템도 알루미늄/마그네슘/질소 시스템과 유사한 방식으로 작용할 수 있다. 예를 들면, 유사한 자발적 침투 작용이 알루미늄/스트론튬/질소 시스템; 알루미늄/아연/산소 시스템; 및 알루미늄/칼슘/진소 시스템내에서 관찰된다. 따라서, 비록 알루미늄/마그네슘/질소 시스템을 본 명세서에서 일차적으로 논의하고 있으나, 그밖의 다른 기질 금속/침투 촉진제 전구체/침투 가스체 시스템도 유사한 방식으로 작용함을 알아야 한다.

기질 금속이 알루미늄 합금을 포함할 때, 형성된 공동부는 충전재(예컨대, 알루미나 또는 실리콘 카바이드 입자)로 충전될 수 있으며, 상기 충전재는 함께 혼합되거나 제조 공정중의 일부의 시점에서 침투 촉진제 전구체인 마그네슘에 노출된다. 또한, 알루미늄 합금 및/또는 충전재는 제조 공정상의 일부의 시점에서, 바람직한 실시예에서는 제조 공정상의 거의 모든 기간동안 침투 가스체인 질소 가스체에 노출된다. 대안으로서, 충전재가 침투 촉진제인 질화 마그네슘과 혼합되거나 제조 공정상의 일부의 시점에서, 질화 마그네슘에 노출되는 경우 이러한 요건은 생략될 수 있다. 또한 제조 공정상의 일부의 시점에서 충전재는 최소한 부분적으로 자립성을 갖게 될 것이다. 바람직한 실시예에서 충전재는 기질 금속과 접촉하는 것과 거의 동시에 또는 접촉전에 자립성을 갖게 된다(예컨대, 기질 금속은 용융 기질 금속 상태로 처음에 충전재와 접촉되거나, 고형 물질 상태로 먼저 충전재와 접촉된 후 가열시 용융 될 수 있다 ). 자발적 침투 및 금속 기질 복합체의 형성의 범위 또는 속도는 해당된 공정의 조건에 따라 다양한데, 그러한 조건의 예를 들면, 시스템(예컨대, 알루미늄 합금 및/또는 충전재 및 또는 침투 가스체내)에 제공된 마그네슘의 농도, 충전재의 크기및/또는 조성, 침투 가스체내의 질소의 농도, 침투에 허용된 시간, 및/또는 침투가 발생하는 온도와 같은 것이다. 자발적 침투는 용융 기질 합금이 예비성형체 또는 충전재를 완전히 매립시킬 수 있는 정도까지 발생된다.

바람직한 실시예에서, 일단 침투가 이루어지면 주변의 피복된 세라믹 물질을 제거하여 최종 형태의 금속 기질 복합체 또는 거의 최종 형태의 금속 기질 복합체를 노출시킬 수 있다.

본 명세서에서“알루미늄″이라 함은 순수한 금속(예컨대, 비교적 순수한 시판되는 비합금 알루미늄) 또는 철, 실리콘, 구리, 마그네슘, 망간, 크롬, 아연 등과 같은 합금 성분 및/또는 불순물을 함유한 시판되는 금속과 같은 기타 등급의 합금 및 금속을 의미한다. 이러한 정의에 따르면, 알루미늄 합금은 알루미늄을 주성분으로 하는 이루는 합금 또는 금속간 화합물이다.

잔량의 비산화성 기체라 함은 제조 공정 조건하에서 기질 금속과 거의 반응하지 않는 불활성 기체 또는 환원성 기체로서, 침투 가스체를 포함하는 주요 기체이외에 존재하는 임의의 기체를 의미한다. 사용되는 기체내에 불순물로서 존재하는 산화성 기체의 양은 제조 공정 조건하에서 기질 금속을 상당히 산화시킬 정도로 충분하지는 않아야 한다.

차단체또는 차단수단이라 함은 용융 기질 금속이 그 차단 수단에 의해 한정된 충전재 또는 예비성 형체의 투과성 소재의 표면 경계를 초과하여 유동, 이동하는 것 등을 간섭, 억제, 방지 또는 중단하는 임의의 적절한 수단을 의미하는 것이다. 적절한 차단 수단은 공정조건하에서 그 형태 보전성을 유지할 수 있고 또한 거의 휘발성이 없는 임의의 물질, 화합물, 원소, 조성물등일 수 있다.(즉, 차단체 물질은 차단 수단으로서 작용하지 못할 정도로 휘발되지는 않는다).

적절한 차단 수단에는 또한 이용된 공정 조건하에서 용융 기질 금속에 의해 거의 습윤될 수 없는 물질이 포함된다. 이러한 종류의 차단 수단은 용융 기질 금속과의 친화력이 거의 또는 전혀 없으며, 그 차단 수단에 의해 용융 기질 금속이 충전재 또는 예비성형체 소재의 표면 경계를 초과하여 이동하는 것이 방지 또는 억제된다. 또한, 이러한 차단 수단은 요구되는 최종 기계 가공 또는 연삭 가공을 줄일 수 있고, 형성된 금속 기질 복합체 제품의 적어도 일부의 표면을 형성시킨다. 경우에 따라서는 차단 수단이 투과성이거나, 예를 들면 드릴로 천공하거나 펀치로 천공하므로써 다공성을 부여하여 용융 기질 금속이 기체와 접촉하도록 할 수도 있다.

“금속 잔류물” 또는 “기질 금속 잔류물”이라 함은 금속 기질 복합체가 형성되는 동안 소모되지 않고, 통상 냉각시킬 경우 형성된 금속 기질 복합체에 적어도 부분적으로 접촉되어 있는 상태로 유지되는, 잔류하는 원래의 기질 금속체를 의미한다. 금속 잔류물은 제2금속 또는 이종 금속을 포함할 수 있다.

본 명세서에 사용된 “ 충전재”라는 용어는 기질 금속과의 반응성이 거의 없는 물질 및/또는 기질 금속에서 제한된 용해도를 갖는 물질로서, 단일 성분이나 여러 성분들의 혼합물을 포함하며, 단일상(singlephase) 또는 다수 상일 수 있다. 충전재는 분말 형태, 박편 형태, 박판 형태, 미소구 형태, 휘스터 형태, 기포 형태 등과 같이 다양한 형태로 제공할 수 있으며, 고밀도 또는 다공성 구조일 수 있다. “충전재”에는 또한 섬유 형태, 절단한 섬유 형태, 미립자 형태, 휘스커 형태, 기포 형태, 구 형태, 섬유 매트 형태등의 형태를 가진 알루미나 또는 실리콘 카바이드와 같은 세라믹 충전재 및 예컨대, 용융 알루미늄 모재 금속에 의한 공격으로부터 탄소를 보호하기 위해 알루미나 또는 실리콘 카바이드로 피복된 탄소 섬유와 같은 세라믹-피복된 충전재가 포함될 수 있다. 또한 충전재는 금속을 포함할 수 있다.

“침투 가스체”라 함은 기질 금속 및/또는 예비성형체(또는 충전재) 및/또는 침투 촉진제 전구체 및/또는 침투 촉진제와 상호 작용하여 기질 금속의 자발적 침투를 가능하게 하거나 촉진하는 가스체를 의미한다.

“침투 촉진제”라 함은 충전재 또는 예비성형체내로의 기질 금속의 자발 침투를 촉진하는 물질을 의미한다. 침투 촉진제는, 예를 들면 침투 촉진제 전구체와 침투 가스체 사이의 반응에 의해 (1) 기체종(gaseous species) 및/또는 (2) 침투 촉진제 전구체와 침투 가스체 사이의 반응 생성물 및/또는 (3) 침투 촉진제 전구체와 충전재 또는 예비성형체 사이의 반응 생성물을 생성하므로써 형성될 수 있다. 또한, 직접 침투 촉진제를 예비성형체 및/또는 기질 금속 및/또는 침투 가스체중 적어도 하나에 공급하여 침투 촉진제 전구체와 기타의 물질 사이에 반응의 의해 생성된 침투 촉진제와 거의 유사한 방식으로 작용할 수도 있다. 결국, 적어도 자발 침투중에는 침투 촉진제가 충전재 또는 예비성형체의 적어도 일부에 존재하여 자발 침투를 달성하도록 해야 한다.

“침투 촉진제 전구체”또는 “침투 촉진제에 대한 전구물질”이라 함은 이 물질을 기질 금속, 예비성형체 및/또는 침투 가스체와 조합하여 사용했을 때, 충전재 또는 예비성형체내로의 기질 금속의 자발적인 침투를 유발하거나 도모하는 침투 촉진제를 형성하는 물질을 의미한다. 어떤 이론을 고수하려는 의도는 아니지만, 침투 촉진제 전구체는 침투 가스체 및/또는 예비성형체 또는 충전재 및/또는 금속과 반응할 수 있는 위치로 설치, 배치 또는 수송가능할 필요가 있다. 예를 들면, 일부의 기질 금속/침투 촉진제 전구체/침투 가스체 시스템에 있어서, 침투 촉진제 전구체가 기질 금속이 용융되는 온도에서, 그 온도 부근에서, 또는 경우에 따라 그 온도보다 다소 높은 온도에서 휘발하는 것이 바람직하다. 이와 같이 침투 촉진제 전구체가 휘발하게 되면, (1) 기질 금속에 의한 충전재 또는 예비성형체의 습윤을 촉진시키는 물질인 기체종을 형성하기 위한 침투 촉진제 전구체와 침투 가스체 사이의 반응; 및/또는 (2) 적어도 일부의 충전재 또는 예비성형 체내에 습윤을 촉진시키는 고체, 액체 또는 기체상의 침투 촉진제를 형성하기 위한 침투 촉진제 전구체와 침투 가스체 사이의 반응; 및/또는 (3) 적어도 일부의 충전재 또는 예비성형체내에 습윤을 촉진시키는 고체, 액체 또는 기체상의 침투 촉진제를 형성하는 침투 촉진제 전구체와 충전재 또는 예비성형체 사이의 반응이 발생한다.

“제거 가능한 맨드렐(mandrel)”또는 “제거 가능한 복사물”이란 내화성 쉘을 형성할 수 있는 물질로 피복될 때 성형되어 그 형태를 유지할 수 있으며, 형성된 내화설 쉘로부터, 예컨대 용융 또는 휘발 또는 물리적 제거에 의해 그대로의 부품으로서 제거할 수 있는 재료 또는 물체를 의미한다.

“기질 금속”또는 “기질 금속 합금”이라 함은 충전재와 혼합되어 금속 기질 복합체를 형성하는 금속을 의미한다. 특정의 금속을 기질 금속으로서 언급했을 때, 이 특정 금속의 기질 금속은 순수한 금속, 불순물 및/또는 합금 성분을 함유한 시판되는 금속, 상기 특정의 금속을 주성분 또는 주요 성분으로 하는 금속간 화합물 또는 합금을 모두 포함하는 것으로 이해해야 한다.

“기질 금속/침투 촉진제 전구체/침투 가스체 시스템”또는 “자발성 시스템(spontaneous system)”이라 함은 예비성형체 또는 충전재내로의 자발적인 침투를 일으키는 물질의 조합을 의미한다. 기질 금속, 침투 촉진제 전구체 및 침투 가스체 사이에 사용한 “/”은 특정의 방식으로 상기 재료들이 조합되었을 때 예비성형체 또는 충전재내의 자발 침투를 나타내는 물질의 시스템 또는 물질의 조합을 표시하기 위한 것이다.

“금속 기질 복합체”또는 “MMC”라 함은 예비성형체 또는 충전재를 매립하고 있는, 2차원 또는 3차원적으로 연속된 합금 또는 기질 금속을 의미한다. 완성된 복합체에 원하는 기계적 및 물리적 특성을 부여하기 위해서는 상기 기질 금속이 여러가지 합금 성분을 포함할 수도 있다.

기질 금속과 “다른 ”금속이라 함은 기질 금속과 동일한 금속을 주성분으로서 함유하지 않는 금속을 의미하는 것이다. 예를 들면 기질 금속의 주성분이 알루미늄인 경우 “다른”금속은 예컨대 니켈을 주성분으로 할 수 있다.

“기질 금속을 수용하는 비반응성 용기”라 함은 공정 조건하에서 용융 기질 금속을 수용 또는 포함할 수 있고, 또한 기질 및/또는 침투 가스체 및/또는 침투 촉진제 전구체와는 자발적 침투 메카니즘을 크게 해칠 정도로는 반응하지 않는 용기를 의미한다.

“예비성형체”또는 “투과성 예비성형체”라 함은 기질 금속의 침투에 대한 경계를 실질적으로 한정하는 적어도 하나의 표면 경계를 가지도록 제조된 다공성 충전제 또는 충전재 소재를 의미하는 것으로서, 이러한 소재는 기질 금속에 의해 침투되기 전에 치수 안정성(dimensional fidelity)을 확보하기 위해 충분한 형태 보전성(shape integrity)과 미처리 강도를 유지한다. 또한 그 소재는 기질 금속에 의한 자발 침투를 허용할 수 있도록 충분한 다공성을 가져야 한다. 예비성형체는 전형적으로 균질한 상태로 또는 불균질한 상태로 결합된 충전재의 배열을 포함하며, 임의의 적절한 물질(예, 세라믹 및/또는 금속 미립자, 분말, 섬유, 휘스커 등, 및 이들의 배합물로)구성될 수 있다. 또한 예비성형체는 일체형이나 또는 조합체 형태로 존재할 수 있다.

“저장원”이라 함은 금속이 용융되었을 때, 유동하여 충전재 또는 예비성형체와 접촉된 기질 금속의 부분, 단편 또는 공급원을 보충하거나, 경우에 따라서는 처음에 공급하고 차후에 보충하는 충전재 또는 예비 성형체의 소재에 대향하여 배치된 별도의 기질 금속체를 의미한다.

“쉘”또는 “투하용 쉘”이란 자립성을 갖도록 제조될 수 있는(예, 가열에 의해)물질로 제거 가능한 맨드렐을 피복하므로써 제조되는 내화성 물체로서, 맨드렐을 제거할 경우 상기 내화성 물체는 제거 가능한 맨드렐의 원형에 거의 일치하는 공동부를 포함하게 된다.

“자발 침투”라 함은 외부에서 가한 것 또는 내부적으로 형성된 것인지에 무관하게 압력이나 진공을 사용할 필요없이 기질 금속이 충전재 또는 예비성형체의 투과성 소재내로 침투되는 현상을 의미한다.

본 발명은 용융 기질 금속을 입자형태로 성형된 충전재에 자발적으로 침투시켜 금속 기질 복합체를 제조하는 방법에 관한 것이다. 구체적으로, 침투 촉진제 및/또는 침투 촉진체 및/또는 침투 가스체가 제조 공정중 적어도 일부의 시점에서 충전재와 상호 작용하여, 기질 금속이 용융되었을 때 이를 제조 공정중 적어도 일부의 시점에서 자립성을 가질 수 있는 투과성 충전재 소재에 자발적으로 침투시킬 수 있다. 본 발명에 있어서 저용융성 또는 휘발성 또는 제거 가능한 맨드렐이 먼저 형성된다. 그후, 이 맨드렐은 그 내부에 제거가능한 맨드렐과 형태면에서 역대응하는 공동부를 함유하는 쉘을 형성하기 위해 경화가능한 물질로 피복된다. 이어서, 맨드렐은 쉘로부터 제거될 수 있다. 일단 쉘이 형성되면, 임의로 쉘은 그 내부 공동 부분상에서 적절한 차단 수단 재료로 피복할 수 있는데, 이 차단 수단은 금속 기질의 침투에 대한 차단제로 작용한다. 그후, 충전제를 형성된 공동부내에 적어도 부분적으로 배치하여 용융 기질 금속이 자발적으로 충전재에 침투했을 때, 금속 기질 복합체를 형성시킨다. 제조된 금속 기질 복합체는 대체로 그 형태가 제거 가능한 맨드렐에 대응한다.

본 발명에 사용되는 투하용 쉘은 먼저 제1a도에 도시된 바와 같이 바람직한 금속 기질 복합체의 한개 이상의 복사물(1)을 제작하므로써 제조될 수 있다. 상기 복사물(1)는 왁스-피복된 소석고, 모든 왁스 또는 차후에 형성된 투하용 쉘로부터, 예를 들면 용융 또는 휘발시켜 제거할 수 있는 기타 적절한 물질로 제조된다. 만일 쉘이 두 조각 또는 여러 조각의 쉘로 형성되거나, 복사물의 형태가 이를 허용할 경우 복사물을 물리적으로 제거시켜 폐기하거나 재사용할 수 있다. 또한, 한개 이상의 제거 가능한 복사물(1)를 트링크(2)에 부착시켜 제1b도에 도시된 바와 같이 트리(3)를 형성한다.

트렁크(2)는 왁스-피복된 소석고, 모든 왁스 또는 기타 적절한 제거 가능한 물질로 제조될 수 있다. 바람직하게는 컵부분(4) 또한, 트렁크(2)에 부착된다. 후술되는 바와 같이 컵부분(4)은 알루미나, 스테인레스스틸 등과 같은 적절한 제거 불가능한 물질로 제조된다.

이어서 트리(3)를 반복 연속적으로 세라믹 슬립(slip) 또는 슬러리에 침지시키고 세라믹 분말을 살포하며, 제2도에 도시된 바와 같이 트리 주위에 내화성 투하용 쉘(5)을 구성한다. 매몰 쉘(5)의 두께 및 조성은 그리 중요하지 않으나 쉘은 주조 과정중의 후속 단계를 견딜 수 있도록 충분히 강해야 한다. 또한, 쉘(5)은 쉘의 크기 및 배열 및 사용된 피복 물질에 따라 페인팅, 분무 또는 다른 편리한 공정에 의해 형성될 수 있다. 일단 쉘(5)이 형성되면, 예를 들어 왁스를 용융시키므로써 트리(3)을 제거하여, 쉘(5) 내부에 제거가능한 맨드렐의 형태와 충분히 일치하는 공동부(6)를 남긴다.

후술되는 바와 같이 투하용 쉘(5)은 용융 기질 금속에 대해 불투과성인 것이 바람직하다. 침투 가스체에 대해 투과성이 있는 쉘이 특히 본 발명의 실시에 유리하지만 필수적인 것은 아니다. 쉘을 형성하기 위한 적절한 내화성 물질은 알루미나, 실리카 및 실리콘 카바이드인 것으로 알려졌으나, 다른 내화성 물질도 사용될 수 있다. 투하용 쉘은 강해야 하나, 필요에 따라 그 내부에 형성시키고자 하는 금속 기질 복합체상에 과도한 응력을 발휘하지 않고 쉽게 제거할 수 있어야 한다. 예를 들면, 알루미늄 보로실리케이트 같은 유리류 물질은 기질 금속에 대해 불투과성이라는 점에서는 유리하나, 그들이 형성되는 동안 그 열팽창 계수가 불균일하기 때문에 복합체에 응력을 유발할 수 있는 것으로 알려졌다. 또한 유리류 쉘은 복합체로부터 제거하기가 비교적 어렵다.

그후, 공동부(6)에 침투 촉진제 전구체 및/또는 침투 촉진제를 포함하는 적절한 충전제를 충전하고 침투 가스체의 존재하에 가열시킨다. 충전제를 복사물(1)에 상응하는 공동부의 일부에만 충전하고, 이 경우 트렁크(2)에 상응하는 공동부(6)의 부분은 충전되지 않은 상태로 남겨두는 것이 바람직하다.

이어서, 용융 기질 금속을 제3a도에 도시된 바와 같이 컵부분(4)를 통해 쉘(5)내에 기질 금속(8)을 주입하므로써 충전제(7)과 접촉된 상태로 적당히 배치한다. 투하용 쉘(5)은 매립 물질(11)을 임의로 포함하는 내화성 용기(9)내에 배치한 후 침투 가스체로 계속해서 소기시킨다. 후술하는 적절한 조건하에서 기질 금속(8)은 제3b도에 도시된 바와 같이 침투 전반부(10)를 전진시켜 충전제(7)에 자발적으로 침투시킨다. 충전제는 공정중에 강성 예비성형체를 형성할 수 있지만, 이런 형성 투하용 쉘(5) 자체가 최종 금속 기질 복합체에 대한 목적하는 형태를 유지할 수 있을 정도로 충분히 강한 경우, 예비성형체의 형성은 불필요하며, 그렇지 않은 경우, 충전제는 바람직한 형태를 상실할 수 없다. 또한 용융 기질 금속을 쉘내에 주입하기 보다는, 고형 기질 금속을 충전제와 접촉시킨 후 액화시킨다. 또한 침투 전반부가 전진함에 따라 기질 금속은 저장원을 통해 변화시키거나 추가의 또는 첨가적인 기질 금속을 도입시켜 변화시킬 수 있으며, 이로 인해 수득된 금속 기질 복합체의 다양한 부분의 특성을 변화시킬 수 있다.

자발적 침투가 완료된 후, 쉘(5)을 냉각하고, 물리적 제거 또는 쉘과 반응하나 복합체와는 반응하지 않는 화학적 수단을 이용해 제거시킨다. 그후, 복사물(1)에 상응하는 금속 기질 복합체를 기질 금속의 잔류물로부터 분리시킬 수 있다. 일부의 기질 금속에 대해서는 적어도 복합체내에 미세한 미소구조를 유지하도록 급냉시킬 필요가 있는 것으로 밝혀졌다. 이러한 냉각은 예컨대, 고온의 상태에서 쉘을 실온하에서 모래층에 매립시키면서 쉘을 제거하므로써 달성할 수 있다.

투하정밀주조는 일정한 형태의 금속 기질 복합체를 제조하기 위한 저렴한 공정이다. 여러 복합체를 동시에 제조할 수 있으며 투하용 쉘 자체는 저렴한 물질로부터 신속하게 제조될 수 있다. 이러한 방식으로 제조된 복합체는 양호한 최종 형태 보존능을 나타낸다(즉, 극소한 마무리만을 필요로 함).

투하용 쉘에 이용되는 몇가지 물질에 대해, 기질 금속은 쉘 자체내로 충전제를 초과하며 계속 침투될 수 있다는 것이 밝혀졌다. 예를 들면, 알루미나 또는 실리카 슬러리 및 실리콘 카바이드 분말로 제조된 다공성 투하용 쉘은 충전제 및/또는 기질 금속이 마그네슘을 포함할 때 기질 금속에 의해 침투될 수 있다. 이러한 과잉의 침투를 방지하기 위해 차단 수단을 쉘내의 공동부 표면의 적어도 일부에 형성시킬 수 있다. 최소한 기질 금속에 대해 불투과성인 차단 수단은 충전제를 초과하는 기질 금속의 자발 침투를 방지하여, 극소한 형태 마무리를 요구하는 복합체의 제조를 가능하게 한다. 적절한 차단 수단에 대해서는 후술한다.

기질 금속을 충전재 또는 예비성형체내로 자발 침투시키기 위해서는, 침투 촉진제가 자발 침투 시스템에 제공되어야 한다. 침투 촉진제는 (1) 기질 금속에; 및/또는 (2) 충전재 또는 알루미늄에; 및/또는 (3) 침투 가스체로부터 및/또는 (4) 투하용 쉘로부터 및/또는 (5) 외부 공급원으로부터, 자발 침투 계에 제공될 수 있는 침투 촉진제 전구체로부터 제조될 수 있다. 더욱이, 침투 촉진제 전구체를 공급하기 보다는, 침투 촉진제는 충전재 또는 예비성형체, 및/또는 기질 금속 및/또는 침투 가스체 및/또는 투하용 쉘중 적어도 하나에 직접 공급될 수 있다. 결국, 적어도 자발 침투되는 동안에는, 침토 촉진제는 충전재가 또는 예비성형체의 적어도 일부에 배치되어야 한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 예비성형체가 용융된 기질 금속과 접촉함과 거의 동시에, 또는 그전에 충전재 또는 예비성형체의 적어도 일부에 침투 촉진제를 생성시킬 수 있도록, 침투 촉진제 전구체는 침투 가스체와 적어도 부분적으로 반응할 수 있다(예를 들면, 침투 촉진제 전구레초로서 마그네슘을 사용하고, 침투 가스체로서 질소를 사용하는 경우, 예비성형체 또는 충전재의 적어도 일부에 존재하는 질화 마그네슘이 침투 촉진제가 될 수 있다).

기질 금속/침투 촉진제 전구체/침투 가스체 시스템의 일례로서 알루미늄/마그네슘 질소 시스템을 들 수 있다. 특히, 알루미늄 기질 금속은, 공정 조건하에서 알루미늄이 용융될 때, 알루미늄 기질 금속과 반응하지 않는 적절한 내화 용기내에 수용될 수 있다. 그후, 마그네슘을 함유하거나 이에 노출되고 공정중 적어도 일부의 시점에서 질소 가스체에 노출되는 충전재는 용융된 알루미늄 기질 금속과 접촉될 수 있다. 그 후 기질 금속은 충전재 또는 예비성형체에 자발적으로 침투될 것이다.

또한, 침투 촉진제 전구체를 공급하는 대신, 예비성형체 및/또는 기질 금속 및/또는 침투 가스체중 적어도 하나에 직접 침투 촉진제를 공급할 수도 있다. 궁극적으로는, 적어도 자발적 침투중에는 침투 촉진제가 충전재 또는 예비성형체의 적어도 일부에 위치해 있어야 한다.

본 발명의 제조 방법에서 채용한 처리 조건하에서, 알루미늄/마그네슘/질소로 된 자발 시스템의 경우, 제조 공정중의 적어도 일부 시점에서 충전재 또는 예비성형체에 질소 함유 기체가 투과 또는 침투하고, 및/또는 용융 기질 금속과 질소 함유 기체가 접촉하도록 위해 상기 예비성형체 또는 충전재는 충분한 투과성을 가져야 한다. 또한, 충전재 또는 예비성형체에 용융 기질 금속이 자발적으로 침투하여 금속 기질 복합체를 형성되고 및/또는 질소가 침투 촉진제 전구체와 반응하여 충전재 또는 예비성형체내에 침투 촉진제를 형성시켜서, 자발적 침투 반응이 일어날 수 있도록 해야 한다.

자발적 침투의 금속 기질 복합체의 형성의 정도 또는 속도는 알루미늄 합금내의 마그네슘 함량, 예비성형체 또는 충전재내의 마그네슘 함량, 및/또는 투하용 쉘의 마그네슘 함량; 알루미늄 합금, 예비성형체 또는 충전재 또는 투하용 쉘내의 질화 마그네슘의 함량, 추가의 합금 원소(예, 실리콘, 철, 구리, 망간, 크롬, 아연 등)의 존재 여부, 충전재의 평균 치수(예, 입도), 충전재의 표면 상태 및 그 종류, 침투 가스체중의 질소의 농도, 침투 시간 및 침투 반응의 온도 등과 같은 일련의 처리 조건에 따라 달라진다. 예를 들면, 용융 알루미늄 기질 금속의 자발적 침투를 위해서는 알루미늄이 합금 중량을 기준으로 하여 최소 약 1중량%(합금의 중량을 기준으로 함)의 마그네슘, 바람직하게는 최소 약 3중량%의 마그네슘과 합금될 수 있다(마그네슘은 침투 촉진제 전구체의 역할을 한다). 또한 기질 금속에는 원하는 제품의 최종 특성에 맞도록 전술한 보조의 합금 원소를 함유시킬 수 있다. 또한, 이러한 보조의 합금 원소들은 기질 알루미늄 금속이 충전제 또는 예비성형체내로 자발 침투하기 위해 요구되는 마그네슘의 최소량에 영향을 미칠 수도 있다. 침투 촉진제를 형성할 수 없을 정도까지 자발 시스템으로부터 마그네슘이 손실(예를 들면, 휘발에 의한 손실)되어 서는 안된다. 따라서, 자발 침투가 휘발에 의해 악영향을 받지 않도록, 초기에 충분한 양의 합금 원소를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 충전재 또는 예비성형체 및 기질 금속 및 투하용 쉘 또는 2종 이상의 기질 금속내에 마그네슘이 존재하면, 충전재 또는 예비성형체 및 투하용 쉘은 자발 침투를 달성하는데 요구되는 마그네슘의 양을 감소시킬 수 있다.(이에 대해서는 후술한다).

질소 가스체내의 질소의 부피% 또한 금속 기질 복합체의 형성 속도에 영향을 준다. 특히, 질소 가스체내에 약 10부피% 이하의 질소가 존재하면 자발 침투가 매우 늦게 일어나거나 거의 일어나지 않게 된다. 최소 약 50부피%의 질소가 가스체내에 존재하면, 예컨대 침투 속도가 매우 빨라져서 침투에 소요되는 시간이 짧아지는 것으로 밝혀졌다.

침투 가스체는 침투 촉진제 전구체를 함유하는 충전제에 적절한 수단을 이용해서 공급시키는데, 이를테면 충전제를 용융 기질 금속과 접촉시키기 전에 투과시키거나, 투하용 쉘 및 기질 금속 차단제를 통해 충전제까지 확산시키거나, 용융 기질 금속을 통해 융해 또는 발포시켜 공급한다. 또한 침투 가스체가 시스템에 직접 전달되도록 차단 수단 및 투하용 쉘에 채널 또는 구멍을 제공할 수 있다. 이외에도 침투 가스체는 한가지 이상의 물질의 분해 및/또는 재조합으로부터 형성될 수 있다.

용융 기질 금속이 충전재 또는 예비성형체내로 침투하는데 요구되는 최소 마그네슘 함량은 처리 온도, 시간, 실리콘 또는 아연과 같은 보조 합금 원소의 존재 여부, 충전재의 특성, 자발 시스템을 구성하는 하나 이상의 성분내의 마그네슘의 위치, 침투 가스체내의 질소의 함량 및 질소 가스체의 유동 속도 등과 같은 하나 이상의 변수에 따라 달라진다. 합금 및/또는 예비성형체내의 마그네슘 함량이 증가함에 따라 보다 낮은 온도 또는 더 짧은 가열 시간을 사용하여 침투를 완걸할 수 있다. 또한, 주어진 마그네슘의 함량에 대해서, 아연과 같은 보조 합금 원소를 첨가해 주면 보다 낮은 온도를 사용할 수 있다. 예를 들면, 기질 금속내의 마그네슘의 함량이 작용가능한 범위의 하한, 예컨대 약 1 내지 3중량%의 함량을, 최소 처리 온도 이상의 온도, 높은 질소 농도, 또는 하나 이상의 보조 합금 원소와 같은 요건중 하나 이상의 요건과 함께 사용할 수 있다. 충전재 또는 예비성형체에 마그네슘을 전혀 첨가하지 않는 경우, 약 3내지 5중량%의 마그네슘을 함유한 합금을 사용하는 것이 광범위한 처리 조건을 적용할 수 있다는 점에서 바람직하며, 보다 낮은 온도 및 보다 짧은 시간을 이용할 경우에는 적어도 약 5%의 마그네슘을 함유한 합금을 사용하는 것이 바람직하다. 침투에 필요한 온도 조건을 조절하기 위해서는 알루미늄 합금의 중량의 약 10중량% 이상의 마그네슘을 사용할 수도 있다. 보조 합금 원소와 함께 사용하는 경우에는 마그네슘의 함량을 줄일 수도 있으나, 이러한 보조 합금 원소는 단지 보조적인 기능만을 할 뿐이며, 적어도 전술한 최소량의 마그네슘과 함께 사용된다. 예를 들면, 10%의 실리콘과 합금된 액면상 순수한 알루미늄 1,000℃의 온도하에서 500메쉬의 39 크리스톨론(Crystlon)(노르톤 컴패니에서 시판하는 99% 순도의 실리콘 카바이드)으로 구성된 충전(bedding)내로 거의 침투되지 않는다. 그러나, 마그네슘이 존재하면 실리콘이 침투, 반응을 촉진시킨다는 사실이 밝혀졌다. 또 하나의 예로서, 마그네슘을 예비성형체 또는 충전재에만 공급할 경우 마그네슘의 양이 달라진다. 공급된 총 마그네슘 중 적어도 일부가 예비성형체 또는 충전재에 공급될 경우 자발 시스템에 보다 적은 양의 마그네슘을 공급해도 자발 침투 반응이 일어난다는 사실이 밝혀졌다. 금속 기질 복합체내에 원하진 않는 금속간 화합물이 생성되는 것을 방지하기 위해서는 보다 적은 양의 마그네슘을 사용하는 것이 바람직하다. 최소 약 1중량%의 마그네슘을 함유한 실리콘 카바이드 예비성형체의 경우, 거의 순수한 질소 가스체의 존재하에서 상기 예비성형체를 알루미늄 기질 금속에 접촉시키면 상기 기질 금속이 예비성형체내로 자발적으로 침투된다는 것이 밝혀졌다. 알루미나 예비성형체의 경우, 자발 침투를 일으키는데 요구되는 마그네슘의 양은 다소 많아진다. 특히, 알루미늄 기질 금속이 실리콘 카바이드 예비성형체내로 침투될때와 동일한 온도와 동일한 질소 가스체하에서 알루미나 예비성형체를 유사한 알루미늄 기질 금속과 접촉시키는 경우, 바로 위에서 설명한 실리콘 카바이드 예비성형체내로의 알루미늄 기질 금속의 침투와 유사한 침투 정도를 달성하는데 약 3중량% 이상의 마그네슘이 필요한 것으로 밝혀졌다.

또한 기질 금속이 예비성형체 또는 충전재내로 침투하기 전에 힙금의 표면 및/또는 예비성형체 및/또는 충전재의 표면 및/또는 예비성형체 및/또는 충전재의 내부에서, 침투 촉진제 전구체 및/또는 침투 촉진제를 자발 시스템에 첨가할 수도 있다(다시 말해서, 침투 촉진제 또는 침투 촉진제 또는 침투 촉진제 전구체를 기질 금속과 합금 시킬 필요없이, 단순히 자발 시스템에 공급하기만 해도 된다). 기질 금속의 표면상에 마그네슘을 첨가하는 경우, 기질 금속의 표면은 충전재의 투과성 소재에 가장 인접한 표면, 바람직하게는 충전재와 접촉한 표면이 되거나 그 반대 경우도 마찬가지이고; 또는 마그네슘은 예비성형체 또는 충전재의 적어도 일부에 혼합 될 수 있다. 또한 예비성형체의 적어도일부에 혼합 될 수 있다. 또한, 예비성형체의 적어도 일부에 마그네슘을 부착시키는 방법,합금시키는 방법 및 설치하는 방법 등을 조합한 방법도 사용할 수 있다. 침투 촉진제 및/또는 침투 촉진제 전구체를 첨가하기 위한 이와 같이 조합된 방법에 의하면 예비성형체내로의 기질 알루미늄 금속의 침투를 촉진시키는데 요구되는 총 마그네슘의 양이 감소되며,또한 보다 낮은 온도에서 침투 반응을 달성할 수 있다. 또한, 마그네슘의 존재에 기인하여 생성되는 원하지 않은 금속단 화합물의 양도 극소화 될 수 있다.

하나 이상의 보조 합금 원소를 사용하는 방법 및 주위 가스체내의 질소의 농도 또한 주어진 온도하에서 기질 금속의 질화의 정도에 영향을 미친다. 예를 들면, 아연 또는 철과 같은 보조 합금 원소를 합금내에 포함시키거나 합금의 표면상에 배치하면 침투 온도가 감소되므로써, 질화물의 생성량이 감소되는 반면, 가스체내의 질소의 농도를 감소시키면 질화물의 생성이 촉진될 수 있다.

합금내의 마그네슘의 농도 및/또는 합금의 표면상에 배치된 마그네슘의 농도 및/또는 충전재 또는 예비성형체와 결합시킨 마그네슘의 농도는 주어진 온다하에서 침투의 정도에 영향을 미친다. 따라서, 마그네슘이 예비성형체 또는 충전재와 거의 또는 전혀 직접 접촉하지 않는 경우, 합금내에 마그네슘이 약 3중량% 이상 포함되는 것이 바람직할 수 있다. 만일 마그네숨의 농도가 3중량% 미만(예로써, 1중량%)이면 침투를 달성하는데 보다 높은 처리 온도 또는 보조 합금 원소가 필요해진다. (1) 합금내의 마그네슘 함량이 예로써 약 5중량% 이상까지 증가하는 경우; 및/또는 (2) 합금 성분을 예비성형체 또는 충전재와 혼합한 경우; 및/또는 (3) 알루미늄 합금내에 아연 또는 철과 같은 다른 원소가 존재하는 경우에는, 본 발명의 자발 침투 반응을 일으키는데 요구되는 온도가 낮아질 수 있다. 또한, 온도는 충전재의 종류에 따라 달라질 수 있다. 일반적으로는 약 675℃ 이상의 온도에서, 바람직하게는 약 750 내지 800℃ 이상의 온도에서 자발적이고도 점진적인 침투반응이 일어날 것이다. 온도가 1,200℃를 초과하면 침투 반응이 불리하며, 특히 유용한 침투 반응의 온도 범위는 약 675 내지 1,200℃의 범위인 것으로 밝혀졌다. 그러나, 일반적으로 자발 침투 온도는 기질 금속의 융점이상의 온도이되 기질 금속의 기화 온도 이하의 온도 범위이어야 한다. 또한, 자발 침투 온도는 충전재의 융점이하의 온도이어야 한다. 온도가 높아짐에 따라 기질 금속과 침투 가스체 사이에서 반응 형성물이 생성되는 경향이 증가한다(예를 들면, 기질 금속으로서 알루미늄을 사용하고, 침투 가스체로서 질소를 사용하는 경우, 질화 알루미늄이 형성할 수 있다.) 이와 같은 반응 생성물은 금속 기질 복합체의 사용 목적에 비추어 바람직한 경우도 있고 바람직하지 않은 경우도 있다. 또한, 침투 온도를 달성하기 위해 전기 저항가열 방식을 사용하는 것이 통상적이다. 그러나, 기질 금속을 용융시킬 수 있고, 자발 침투에 악 영향을 주지 않는 한 어떠한 가열 방식을 사용해도 무방하다.

본 발명의 방법에서는 ,예를 들면, 투과성 예비성형체 또는 충전재를 질소 함유-기체의 존재하에 제조 공정중의 적어도 일부의 시점에서 용융 알루미늄과 접촉시킨다. 질소- 함유 기체는 예비성형체 또는 충전재 및/또는 용융 알루미늄 기질 금속중 적어도 하나와 계속해서 접촉된 상태로 연속적인 흐르을 유지시키면서 공급할 수 있다. 질소- 함유 기체의 유속은 중요한 사항은 아니지만, 합금 기질내에서 질화물의 생성에 기인한 가스체로부터의 질소와 손실량을 보상할 수 있을 정도로, 그리고 용융 금속을 산화시킬 수 있는 공기의 혼입을 방지 또는 억제할 수 있을 정도의 충분한 유속이어야 한다.

본 발명의 금속 기질 복합체의 제조 방법은 여러가지 종류의 충전재에 적용할 수 있으며, 충전재는 기질 합금, 처리 조건, 용융 기질 합금의 충전재에 대한 반응성, 목적하는 최종 복합체 제품의 특성 등과 같은 여러 가지 인자에 따라 다양하게 선택할 수 있다. 예를 들면, 알루미늄이 기질 금속인 경우의 적절한 충전재료는 (a) 산화물(예, 알루미나), (b) 탄화물(예, 실리콘 카바이드), (c) 붕화물(예, 알루미늄 도데카보라이드), 및 (d) 질화물(예, 질화 알루미늄) 등을 들 수 있다. 충전재가 용융된 알루미늄 기질 금속과 반응하는 경향이 있는 경우에는 침투 시간 및 침투 온도를 최소화하거나 충전재상에 비반응성 피복층을 제공하므로써 상기 반응을 방지할 수 있다. 충전재로는 기재를 침해 또는 변성으로부터 보호하기 위한 세라믹 코팅을 가진 탄소 또는 비세라믹 재료와 같은 기재를 들 수 있다. 적절한 세라믹 코팅 물질로서는 산화물, 탄화물, 붕화물 및 질화물을 들 수 있다. 본 발명의 제조 방법에 사용하기에 적합한 세라믹에는 입자 형태, 박판 형태, 휘스커 형태 및 섬유 형태의 알루미나 및 실리콘 카바이드가 포함된다. 섬유는(절단 형태로) 불연속이거나 멀티필라멘트 토우와 같은 연속적인 필라멘트 형태일 수 있다. 또한, 세라믹은 균질하거나 불균질할 수 있다.

어떤 종류의 충전재는 유사한 화학 조성을 가진 다른 충전재에 비해 높은 침투성도를 나타내는 것으로 밝혀졌다. 예를 들면, 1987년 12월 15일자 발행된 “신규 세라믹 재료 및 이의 제조 방법″이란 제목의 미합중국 특허 제4,713,360호(마크 S. 뉴키르크외 다수)에 개시된 방법으로 제조된 분쇄된 알루미나 재료는 시판되는 알루미나 제품에 비해 바람직한 침투성을 나타낸다. 또한, “복합 세라믹 제품 및 이의 제조 방법″이란 명칭의 미합중국 특허 출원 제819,397호(마크 S. 뉴키르크 다수)에 기재되어 있는 방법에 의해 제조된 분쇄 알루미나 또한 시판되는 알루미나 제품에 비해 우수한 침투성을 나타낸다. 상기 미합중국 특허 및 특허 출원의 기술 내용은 본 명세서에 참고 인용하였다. 그러므로, 상기 미합중국 특허 및 특허 출원의 방법에 의해 제조된 분쇄된 알루미나를 사용하므로써, 보다 낮은 침투 온도 및/또는 보다 짧은 침투 시간하에 세라믹 물질의 투과성 소재의 침투를 완료할 수 있음이 밝혀져 있다.

충전재의 크기 및 형상은 복합체의 목적하는 특성을 달성하기 위해 요구되는 임의의 크기와 형상으로 할 수 있다. 그러므로, 충전재의 형상에 의해 침투 반응이 제한을 받는 것은 아니므로 충전재는 입자 형태, 휘스커 형태, 박판 형태, 또는 섬유 형태를 취할 수 있다. 이밖에도 구 형태, 세관(tubule) 형태, 펠릿 형태, 내화 섬유의 작물 형태 등도 사용할 수 있다. 또한, 입자가 큰 충전재의 소재에 비해 입자가 작은 충전재로 된 소재가 그 침투의 완료하는데 더 놓은 온도와 긴 시간을 소요할 수 있지만, 재료의 크기가 침투를 제한하는 것은 아니다. 또한, 충전재(예비성형체로 성형된 것)의 소재는 투과성이 있어야 한다.(즉, 충전재는 용융 기질 금속 및 질소-함유 기체를 포함하는 침투 가스체에 대해 투과성이 있어야 한다.)

용융 기질 금속을 예비성형체 또는 충전재내에 침투 또는 압착시킴에 있어 압력을 사용하지 않는 본 발명의 금속 기질 복합체 제조 방법에 의하면 충전재의 부피 분율이 높고 다공성이 낮은 거의 균일한 금속 기질 복합체를 제조할 수 있다. 또한, 다공성이 낮은 초기 충전재를 사용하면, 충전재의 높은 부피 분율을 얻을 수 있다. 용융 합금에 의한 침투가 방해되지 않을 정도의 고밀도 셀 다공성을 가진 압축성형체 또는 완전 고밀도 구조물로 전환시키지 않는다는 조건하에 충전재의 소재를 압축성형하거나 압축시키므로써 높은 부피 분율을 얻을 수 있다.

알루미늄의 침투 및 세라믹 충전재 주위에서의 기질의 형성에 있어서, 알루미늄 기질 금속에 의한 세라믹 충전재의 습윤은 침투 메카니즘에서 중요한 역할을 하는 것을 밝혀졌다. 또한, 낮은 처리 온도에서는 무시할 수 있을 정도의 소량의 금속의 질화 반응이 일어나고, 그 결과 소량의 질화 알루미늄 불연속 상이 금속 기질내에 분산된다. 그러나, 온도 범위의 상한에 접근하게 되면 금속의 질화가 용이하게 발생하게 된다. 따라서, 침투가 발생하는 처리 온도를 변화시키므로써, 금속 기질내의 질화물상의 양을 조절할 수 있다. 또한, 질화물이 생성되는 온도는 사용된 기질 알루미늄 합금, 충전재 또는 예비성형체의 부피에 대한 기질 알루미늄 합금의 양, 침투시키고자 하는 충전재, 및 침투 가스체내의 질소의 농도 등과 같은 인자에 따라 달라진다. 예를 들면, 주어진 처리 온도하에서 충전재를 습윤시키는 알루미늄 합금의 능력이 감소함에 따라, 그리고 침투 가스체중의 질소 농도가 증가함에 따라 질화 알루미늄의 형성 정도는 증가한다.

그러므로 복합체가 형성되는 동안 금속 기질의 성분을 조절하므로써 완성된 복합체에 목적하는 특성을 부여할 수 있다. 주어진 시스템에 있어서, 질화물의 생성을 제어하도록 처리 조건을 선택할 수 있다. 질화 알루미늄 상을 함유한 복합체는 제품의 성능을 개질하거나 그 성능에 유리할 수 있는 특성을 나타낸다. 또한, 알루미늄 합금의 자발 침투를 위한 온도 범위는 사용된 세라믹 재료에 따라 달라진다. 충전재로서 알루미나를 사용한 경우, 상당한 질화물의 형성에 의한 기질 금속의 연성의 감소글 감소시킬 필요가 있는 경우 침투 온도가 약 1,000℃를 초과하지 않는 것이 바람직하다. 그러나, 연성이 더 작고 강성(stiffness)이 더 큰 기질을 사용하며 복합체를 제조하고자 하는 경우에는 1,000℃를 초과하는 침투 온도를 사용할 수 있다. 실리콘 카바이드를 침투시키고자 하는 경우에는 약 1,200℃의 고온을 사용할 수 있는데, 이는 충전재로서 알루미나를 사용한 경우에 비해 실리콘 카바이드를 충전재로 사용한 경우가 알루미늄 합금의 질화 정도가 적기 때문이다.

또한, 충전재에 대한 침투 반응의 완결 및/또는 제1기질 금속의 공급원과 다른 조성의 제2기질 금속의 공급을 확보하기 위해 기질 금속 저장원을 사용할 수 있다. 특히, 경우에 따라서는 제1기질 금속의 공급원과 그 조성이 다른 제2기질 금속을 사용하는 것이 바람직할때도 있다. 예를들면 알루미늄 합금을 제1기질 금속공급원으로서 사용한 경우, 처리 온도에서 실질적으로 용융되는 다른 금속 또는 다른 합금을 저장원 금속으로서 사용할 수 있다. 용융된 금속들은 서로 혼화성이 큰 경우가 많으므로 혼합이 일어나기에 적절한 시간이 주어지는 한 제1기질 금속의 공급원은 저장원 금속과 혼합될 것이다. 따라서, 제1기질 금속 공급원과 그 조성이 다른 저장원 금속을 사용하면 여러가지 작동 요건에 부합되는 특성을 가진 금속 기질을 얻을 수 있고, 따라서 완성된 금속 기질 복합체의 특성도 개질할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 차단 수단을 사용할 수 있다. 특히, 본 발명에서 사용하는 차단 수단은 용융 기질 합금(예, 알루미늄 합금)이 충전재의 한정된 표면 경계를 초과하여 유동, 이동하는 것을 방지, 간섭, 억제 또는 중단할 수 있는 임의의 수단일 수 있다. 적절한 차단 수단으로서는 본 발명이 처리 조건하에서 형태 보전성을 유지할 수 있고, 휘발하지 않으며, 처리에 사용된 침투 가스체에 대해 투과성이 있을 뿐 아니라, 충전재의 한정된 표면 경계를 초과하는 계속되는 침투 또는 기타 다른 종류의 이동을 국소적으로 억제, 중지, 간섭, 또는 방지할 수 있는 임의의 물질, 화합물, 원소, 조성물, 등을 들 수 있다.

적절한 차단 수단에는 이용된 처리 조건하에서 유동하는 용융 기질 합금에 의해 거의 습윤되지 않는 물질이 포함된다. 이러한 종류의 차단체는 용융 기질 금속에 대한 친화력을 거의 또는 전혀 나타내지 않으므로 충전재 또는 예비성형체의 한정된 표면 경계를 초과하는 이동은 그 차단 수단에 의해 방지 또는 억제된다. 또한, 차단체는 금속 기질 복합체에 요구되는 최종 형상을 갖는 재료의 형성을 도모한다. 전술한 바와 같이, 침투 가스체의 기체가 용융 기질 합금에 접촉할 수 있도록 차단체는 투과성 또는 다공성을 갖는 것이 바람직하다. 대안으로서, 침투 가스체의 유동을 촉진하도록 차단 수단에 구멍 등을 제공할 수 있다.

특히, 알루미늄 기질 합금에 대한 적당한 차단 수단은 탄소를 함유한 차단 수단이며, 특히 탄소의 동소체인 흑연을 함유한 차단 수단이다. 흑연은 처리 조건하에서 용융 알루미늄 합금에 의해 습윤되지 않는다. 특히 바람직한 흑연으로서는 유니온 카바이드사에서 등록 상표명 Grafoil

로 시판하는 흑연 테이프를 들 수 있다. 상기 흑연 테이프는 용융 알루미늄 합금이 충전재의 한정된 표면 경계를 초과하여 이동하는 것을 방지해주는 차단 특성을 발휘한다. 상기 흑연 테이프는 내열성 또한 우수하며 화학적으로 불활성이고, 가요성, 형태일치성 및 탄력성이 있다. 그러나, 슬러리 또는 페이스트 형태의 흑연 차단 수단을 사용할 수도 있으며, 경우에 따라서는 충전재 또는 예비성형체의 주의 및 경계상의 페인트 층으로서 흑연 차단 수단을 사용할 수도 있으며, 이러한 형태로 투하용 쉘내의 공동부에 용이하게 적용될 수 있다. 단순한 복합체 형태로서 Grafoil

을 사용하는 것이 바람직한 이유는 이것이 가요성의 흑연 사이트의 형태로 존재하므로써 평면에 쉽게 부착될 수 있기 때문이다.

질소하에서 알루미늄 금속 기질 합금에 대해 바람직한 그밖의 차단체(들)로는 전이 금속 붕화물(예, 티타늄 디보라이드(TiB₂))가 있는데, 이 물질은 통상 사용된 특정의 처리 조건하에서 용융 알루미늄 금속 합금에 의해 습윤되지 않는다. 그러나 이러한 종류의 차단 수단을 사용하는 경우, 처리 온도가 약 875℃를 초과해서는 안되며, 만일 이 온도를 초과하면 차단 수단의 효율이 저하되어, 실제로 온도가 상승함에 따라 차단 수단내로의 침투도 발생하게 된다. 전이 금속 붕화물은 전형적으로 입자 형태(1-30μm)로 이용된다. 금속 붕화물은 투하용 쉘내의 공동부에 슬러리 또는 페이스트 상태로 적용되어 투과성 세라믹 충전재 소재의 경계를 한정할 수 있다.

또한, 마그네슘을 포함하는 자발 시스템에 적절한 차단체는 질소 존재하에 공동부를 충전하는 마그네슘-함유 혼합물을 가열하고, 그 혼합물을 예컨대, 공기 존재하에 제거하므로써 쉘 공동부의 표면상에 형성될 수 있는 마그네슘 산화물이다. 따라서 쉘 공동부의 표면에 형성된 질화 마그네슘은 공동부 표면에 집착되는 산화 마그네슘으로 전환된다. 본 발명에 사용된 공정 온도에서 마그네슘은 휘발성이 있기 때문에, 마그네슘 증기가 다공성 투하용 쉘을 침투하여 기질 금속을 쉘내로 자발적으로 침투시킬 수 있다. 산화 마그네슘이 존재하므로써 쉘 공동부 표면에 편재된 마그네슘 침투 촉진제 전구체 및/또는 질화 마그네슘 침투 촉진제의 공급량이 소모되므로써, 그 소모된 영역내로의 기질 금속의 자발적 침투에 역영향을 미친다.

또한, 쉘 공동부의 표면에 존재하는 산화 마그네슘과 같은 물질의 소모 또는 후술되는 다른 적절한 물질의 소모는, 예를 들면 기질 금속이 응고되기 전에 소모되는 침투 촉진제및/또는 침투 촉진제 전구체 및/또는 침투 가스체의 양 및 그 표면에서 이용 가능한 물질의 소모량에 의해 제한된 기간동안 기질 금속에 의한 쉘의 침투를 일시적으로만 예측할 수 있다.

침투 촉진제 및/또는 침투 촉진제 전구체 및/또는 침투 가스체의 침투를 허용하지 않거나, 비록 침투되었다 하더라도 기질 금속에 의해 자발 침투되지 않는 매몰 쉘은 쉘 공동부의 표면상에 차단 수단을 포함할 필요가 없다. 사실, 다공성 투하용 쉘을 사용하는 경우, 휘발성 마그네슘을 포함하는 자발 시스템 및 충전제의 완전한 자발 침투에 필요한 것 만큼의 마그네슘만을 함유하는 시스템은 상기 차단체의 장점을 갖는다. 따라서 불투과성 유리류 투하용 쉘은 전술한 바와 같은 다른 특성들을 전제로 하여 마그네슘-함유 자발 시스템과 함께 유리하게 사용될 수 있다. 또한 공정 온도에서 낮은 휘발성을 갖는 성분을 포함하는 자발 시스템은 차단 수단을 필요로 하지 않는다.

질소하에서의 알루미늄 기질 합금에 대해 유용한 그밖의 차단 수단에 충전재 또는 예비성형체의 외면상에 필름 또는 층상으로 도포되는 휘발성이 낮은 유기 화합물이 포함된다. 질소하에서, 특히, 본 발명의 처리 조건하에서 연소시킬때, 이 유기화합물은 분해되어 탄소 유연(soot)필름을 남긴다. 상기 유기화합물은 페인팅법, 분무법, 침지법(dipping)등과 같은 통상의 기법을 이용하여 도포할 수 있다. 또한, 충전재의 침투 속도보다 느린 속도하에서 미립자 재료의 침투가 발생하는 한, 미세하게 분쇄된 미립자 재료도 차단 수단으로 작용할 수 있다.

차단 수단은 한정된 표면 경계상에 차단 수단의 층(layer)을 설치하는 등의 임의의 적절한 방법으로 설치 할 수 있다. 차단수단의 층은 페인팅법, 침지법, 실크 스크린법, 증발법, 액상 도포법, 슬러리 도포법, 페이스트 도포법, 기화성 있는 차단 수단의 스퍼터링법, 고체 미립자 형태의 차단층의 부착법, 고체 박막 시이트 또는 필름 형태의 차단 수단의 부착법등의 방법으로 설치할 수 있다. 차단 수단을 적소에 설치한 경우, 용융 기질 금속이 한정된 표면 경계에 도달하여 차단 수단에 접촉하면 자발 침투는 실질적으로 중지된다.

이하에서는 실시예에 의거하여 본 발명을 설명한다. 그러나 하기 실시예들은 설명을 목적으로 하는 것이며 첨부된 특허청구범위에 의해 정해지는 본 발명의 보호 범위를 한정하는 것은 아니다.

실시예 1

직경 7.6cm와 두께 6.4센티미터의 기어의 복사물로 된 왁스-피복 소석고를 포함하는 제거 가능한 맨드렐을 제조했다. 상기 소석고 왁스는 본덱스사(Bondex Co.) 제품이고 왁스 피복은 CHS Max-E-Wax로서, 캐스팅 서플라이 컴패니(뉴욕주 뉴욕 소재) 제품이다.

제거가능한 맨드렐을 레메트사(Remet Co) 제품인 콜로이드질 20% 알루미나 및 노턴사에서 37 Crystolon이라는 상표명으로 시판하는 1000그리트(grit)의 실리콘 카바이드 분말을, 거의 같은 중량비로 포함하는 슬립 또는 슬러리내에 침지 시켰다. 다른 미세한 실리콘 카바이드 그리트를 사용할 수도 있다. 슬립-피복된 제거가능한 맨드렐을 슬러리 피복물에 접착된 무수 90그리트의 실리콘 카바이드 분말(37Crystolon)살포 처리했다. 이와 같은 침지-살포 단계를 3회 반복 실시한 후 살포분말을 24그리트의 실리콘 카바이드(37 Crystolon)로 교체하였다. 다시 일련의 침지-살포 단계를 3회 반복 실시했다. 각각의 침지-살포 단계 이후에 형성된 투하용 쉘을 1/2시간 동안 약 65℃에서 건조시켰다.

최종 침지-살포 단계이후, 투하용 쉘을 공기 요로에서 약 900℃ 온도로 1시간동안 열처리했다. 이로써 제거가능한 맨드렐상에서 왁스 피복층을 휘발시켜 소석고를 약화시키고; 실온으로 냉각시킨 후 소석고는 쉽게 액화되었으며, 투하용 쉘로부터 세정·제거되었다. 이 쉘은 75℃의 온도에서 약 12시간 동안 완전히 공기 건조시켰다. 차단체는 먼저 1000그리트의 실리콘 카바이드 분말(노턴사 제품 39 Crystolon) 및 약 10중량%의 50메쉬 마그네슘 분말(죤슨 매치사 제품, Aesar)의 혼합물을 공동부에 충전시키므로써 투하용 쉘내의 공동부 표면상에 형성하였다. 그렇게 충전된 투하용 쉘을 얇은 구리 호일(아틀란틱 에지니어링사 제품)로 피복한 316 스테인레스 스틸 캔내에 배치했다. 스테인레스 스틸 튜브를 구리 호일을 통해 삽입시키고 그 캔 내부를 약 0.25ℓ/분의 유속으로 순수한 질소 기체를 사용해 소기하였다. 연속 소기한 캔을 약 1시간 동안 약 600℃내지 750℃의 예열된 전기 저항-가열 요로내에서 가열하고, 약 1시간 동안 약 750℃를 유지했다. 캔과 그 내용물을 상기 요로에서 제거하고 공동부는 여전히 고온 상태에서 물로 세척했다. 공동부의 표면상에 검은 피막이 형성되었다. 충전 혼합물이 제거됨에 따라 소량의 피복물이 투하용 쉘에서 제거되었다.

완전히 건조시킨 후, 투하용 쉘의 차단체-피복 공동부를 알루미나 분말(알칸 케미칼 프로덕츠사 제품, C75-RG) 및 약 5중량%의 325메쉬 마그네슘 분말(죤슨 매치사 제품, Aesar)로 구성된 혼합물 약 337g을 포함하는 충전재로 충전했다. 수동 충전시키므로써 충전제의 부피를 대략 절반으로 감소시킬 수 있으며, 이는 충전재의 부피 분율 더 높게 하며 더 균일한 구조의 복합체를 형성하는 효과를 갖는다.

이어서, 충전제로 충전된 투하용 쉘을 316 스테인레스 스틸 캔에 위치시키고 표준 520 알루미늄 합금의 알루미늄 합금 주괴(ingot) 722g을 충전재와 접촉된 상태로 캔내에 위치시켰다. 캔은 얇은 구리 호일로 덮고 그 캔의 내부를 약 2ℓ/분의 유속하에 순수한 질소 기체를 사용해서 연속 소기시켰다.

캔을 전기 저항 가열 요로내에서 약 2시간에 걸펴 실온에서 약 800℃로 가열하고 약 0.5시간 동안 약 800℃를 유지시키면, 그 기간의 종료점에서 알루미늄 합금은 액화되어 자발적으로 충전재에 침투된다. 그 후 , 요로의 온도를 약 2시간에 걸쳐 실온 부근으로 감소시켜 금속 기질 복합체 기어를 응고시키고 투하용 쉘을 요로에서 제거했다. 이 쉘을 실온에서 모래속에 넣고 금속 기질 복합체 기어는 헤머를 사용해 가볍게 쳤다.

제 4 도에 도시된 바와 같이 수득한 금속 기질 복합체 기어는 우수한 형태 보전성을 나타내며 차단체 피복층이 떨어져 나간 공동부의 표면에 인접한 영역을 제외하고는 극소한 표면 마무리가 필요하였다. 투하용 쉘내로의 알루미늄 기질 금속의 침투는 이런 영역을 통해 발생한다.

실시예 2

투하용 쉘을 열가소성 발포체 컵으로 구성된 제거 가능한 맨드렐 주위에 실시예 1에서와 같은 침지-발포 순서로 제조했다. 약 1시간 동안 약 850℃로 쉘을 열처리하여 투하용 쉘에서 컵 맨드렐을 제거한 후, 쉘내의 공동부에 마그네슘 퍼클로레이트 포화 수용액(모르톤 티오콜사 제품)등을 충전시켰다. 상기 용액중에 약 2분간 쉘 공동부 표면을 침지시키고 그 후 용액을 쉘 공동부로부터 제거하였다. 투하용 쉘을 요로내에서 약 100℃의 온도로 공기 건조시켰다. 온도를 약 2사간에 걸쳐 750℃로 증가시키고, 쉘을 약 1시간 동안 약 750℃의 온도에서 가열한 후 2시간에 걸쳐 하강시켰다.

이어서 투하용 쉘 공동부를 실시예 1과 같은 충전재로 절반가량 충전하고 실시예 1과 동일한 후속 단계를 실시했다.

금속 기질 복합체 컵을 제거했을 때, 극소한 표면 마무리를 필요로 하는 양호한 형태 보존성이 관찰되었다. 알루미늄 기질 금속에 의한 투하용 쉘의 외인성 침투는 발생하지 않았다.

실시예 3

열가소성 발포체 컵으로 구성된 제거가능한 맨드렐을 사용해서 투하용 쉘을 제조했다. 먼저, 이 맨드렐을 동량의 순수한 탄산칼슘(스탠다드 세라믹 서플라이사 제품)과 20중량%의 콜로이드질 실리카(나아콜사 제품)로 구성된 슬립 또는 슬러리중에 침지시켰다. 슬러리- 피복된 맨드렐을 실시예 1 에서와 같이 실리콘 카바이드로 살포시킨 뒤 후속하는 침지-살포 단계를 실시예 1에서와 같이 실시했다. 실리콘 카바이드/마그네슘 혼합물을 가열해서 제거하여 별도의 차단체 형성을 수행하지 않는 것을 제외하고는 실시예 1에서 실시한 쉘의 추가 처리 단계를 그대로 실시했다. 일반적으로, 투하용 쉘을 제조하는데 실리카를 사용하는 것이 바람직한데, 이러한 쉘이 더 강하고 강성이 더욱 크기 때문이다.

알루미나는 실시예 1에서와 같은 공동부의 표면 차단체 형성을 경유하는 쉘의 경우에 바람직하다.

쉘을 실시예 2에서와 같은 혼합물을 포함하는 충전제로 충전하고, 실시예 2에서 실시한 후속 공정을 실시한 후, 얻어진 기질 금속 복합체는 마찬가지로 우수한 최종 형태 성능을 나타내었다.

실시예 4

열처리하기 전에 쉘내의 공동부 표면을 알루미늄 페인트(Hi-Enanel Aluminum Color Spray Paint라는 상표명으로 셔윈-윌리암사 제품으로 시판되는 것)로 분무한 것 이외에는 실시예 3과 동일하게 투하용 쉘을 제조하였다. 페인트는 실리케이트 부형제중에 2호의 알루미늄 페이스트를 포함한다. 페인트된 투하용 쉘을 약 2시간 동안 열처리하고, 그 밖에는 실시예 3에서와 유사하게 열처리했다. 실시예 3과 동일한 후석 공정을 실시했다.

얻어진 금속 기질 복합체의 제거가능한 맨드렐에 대한 보존성 및 필요한 표면 마무리의 불필요와 같은 최종 형태 성능은 실시예 1-3에서 제조된 복합체보다 더 우수했다.

제1a도는 투하용 쉘(investment shell)을 제조하기 위한 다수의 제거 가능한 복사물(replicate)을 도시한 것이다.

제1b도는 투하용 쉘을 제조하기 위한 제거 가능한 트리(tree)를 도시한 것이다.

제2도는 본 발명에 의한 투하용 쉘을 나타낸 것이다.

제3a도는 적절한 기질 금속에 의해 접촉시킨 적절한 충전제를 함유하는 투하용 쉘을 나타낸 것이다.

제3b도는 자발적으로 침투된 충전제와 투하용 쉘을 나타낸 것이다.

제4도는 실시예 1에 의해 제조된 금속 기질 복합체의 사진이다.

Claims

내부에 공동부를 갖는 투하용(investment) 쉘을 제조하는 단계; 상기 공동부내에 거의 비-반응성인 충전제를 제공하는 단계; 상기 충전제를 용융된 기질 금속과 접촉시키는 단계; 침투 촉진제 전구체 및 침투 촉진제중 하나 이상을 제공하는 단계; 및 상기 충전제의 적어도 일부에 상기 용융 기질 금속을 자발적으로 침투시키는 단계를 포함하여, 금속 기질 복합체를 제조하는 방법.
제1항에 있어서, 침투 기간중 적어도 일부의 기간 동안에 충전제 및 기질 금속중 하나 이상과 상호 작용하는 침투 가스체를 제공하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
제2항에 있어서, 기질 금속, 충전제 및 침투 가스체중 하나 이상에 침투 촉진제 전구체 및 침투 촉진제중 하나 이상을 공급하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 제거가능한 맨드렐을 내화성 물질로 피복하여, 내화성 물질에 자립성을 부여하고, 제거가능한 맨드렐을 제거하므로써, 투하용 쉘을 형성하는 방법.
제4항에 있어서, 용융 기질 금속의 자발적 침투를 억제하기 위해 공동부를 차단제로 피복하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 하나 이상의 제2기질 금속을 제공하고, 충전제의 일부 이상을 용융된 제2기질 금속으로 자발적으로 침투시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.