KR0121461B1

KR0121461B1 - 가변성 충전재 적하량을 가진 금속 기질 복합체의 형성 방법

Info

Publication number: KR0121461B1
Application number: KR1019890014478A
Authority: KR
Inventors: 케보크 아가자니안 마이클; 스코트 나겔베르그 알란; 로빈 케네디 크리스토퍼
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: ATE113996T1; AU623174B2; FI894935A0; IE893181L; PT92252A; DK559189A; CN1042486A; IL91735A0; BR8905759A; FI89014C; JPH02247068A; TR27193A; DE68919331D1; FI89014B; NO176349B; ZA898542B; CA2000801A1; EP0369928A1; RO107402B1; NO176349C

Abstract

본 발명은 금속 기질 복합체를 형성하는 신규의 방법과 이 방법으로 제조된 신규의 생성물에 관한 것이다. 상기 방법은 기질 금속 분말과 거의 비반응성인 충전재를 혼합하여 투과성 체를 형성하는 단계; 및 상기 투과성 체의 적어도 일부분에 용융 기질 금속을 자발 용침시키는 단계를 포함하며, 이때 기질 금속 분말과 용융 기질 금속은 상이한 금속으로 구성되거나 거의 동일한 금속으로 구성된다.

Description

가변성 충전재 적하량을 가진 금속 기질 복합체의 형성 방법

제1도는 실시예 1-4에 따른 입자 적하량이 저하된 금속 기질 복합체를 제조하기 위한 조립체의 도식적인 횡단면도이다.

제2-5도는 실시예 1-4에 따라서 제조된 샘플 각각에 대한 현미경 사진이다

본 발명은 금속 기질 복합체를 형성하는 신규의 방법과 이 방법으로 제조된 신규의 생성물에 관한 것이다. 특히, 투과성 충전재 체(mass) 또는 예비성형체(preform)는 그 내부에 적어도 일부의 기질 금속 분말을 함유한다. 더구나, 용침 촉진제 및/또는 용침 촉진제 선행물질 및/또는 용침 분위기가 충전재 또는 예비성 형체와 상호 작용하게 되어, 이 공정중의 적어도 몇몇 시점에서 용융 기질 금속이 충전재 또는 예비성형체내로 자발적으로 용침할 수 있게 된다. 예비성형체 또는 충전재내에 분말화된 기질 금속이 존재하면 기질 금속에 대한 충전재의 상대적인 부피 분율이 감소된다.

금속 기질 및 강화 또는 보강성(reinforcing phase)(예, 세라믹 입자, 휘스커, 섬유 등)을 포함하는 복합체 제품은 그 용도가 매우 광범위한데, 그 이유는 복합체가 경성과 내마모성을 가지는 보강성과 연성과 인성을 가지는 금속 기질의 복합체이기 때문이다. 일반적으로, 금속 기질 복합체는 강도, 경성, 내접촉마모성, 고온강도 등과 같은 특성이 단일체형 기질 금속에 비해 향상되나, 그 특정 성질이 얼마나 향상되었는지를 주로 특정 성분, 특정 성분의 부피, 중량 분율 및 복합체 형성 방법에 따라 크게 달라진다. 어떤 경우에는, 복합체의 중량이 기질 금속 그 자체보다도 가벼워질 수도 있다. 실리콘 카바이드(예, 입자 형태, 혈소판 형태 또는 휘스커 형태)와 같은 세라믹으로 보강시킨 알루미늄 기질 복합체는 알루미늄 자체보다 경도, 내마모성 및 고온강도 등이 우수하므로 관심의 대상이 된다.

알루미늄 기질 복합체를 제조하기 위한 여러가지 금속학적 방법이 공지되어 있는데, 예를들면, 분말야금법 및 가압 주조, 진공 주조, 교반 및 습윤제등을 사용하는 액체 금속 용침법에 근거한 방법을 들 수 있다. 분말야금법은 금속 분말과 보강재(예, 분말 형태, 휘스커 형태, 절단한 섬유 형태 등)를 혼합한 다음, 상온 성형하여 소결하던가, 또는 고온 가압하는 방법이다. 이 분말야금법에 의해 제조된, 실리콘 카바이드로 보강된 알루미늄 기질 복합체의 최대 세라믹 부피 분율은 보강재가 휘스커 형태인 경우에 약 25부피%이고, 보강재가 입자 형태인 경우에 약 40부피%임이 보고되어 있다.

종래의 분말야금법을 이용한 금속 기질 복합체의 제조 방법은 수득되는 제품의 특성과 관련하여 여러가지 제한이 가해진다. 예를들면, 복합체내의 세라믹상(입자형태인 경우)의 부피 분율이 약 40%로 제한되는가 하면, 가압공정에 의해 얻어지는 제품의 실제 치수에도 제한이 있다. 또한, 후속공정(예, 성형 또는 기계가공)이나 복잡한 가압장치의 도움없이는 비교적 단순한 형태의 제품밖에는 생산할 수가 없다. 또한, 성형체의 응리와 입자 성장에 기인되어 미세구조가 불균일해지는가 하면, 소결작업시 불균일한 수축이 발생하기도 한다.

미합중국 특허 제3,970,136호(제이. 씨. 캐넬, 1976년 7월 20일 특허허여됨)에는 소정의 패턴의 섬유 배향을 갖는 섬유 보강재(예, 실리콘 카바이드 또는 알루미나 휘스커)를 병입시킨 금속 기질 복합체의 제조 방법이 기재되어 있다. 이 복합체는 공면 섬유의 평행 매트 또는 펠트를 주형에 넣고 매트의 적어도 일부분의 사이에 용융 기질 금속, 예컨대, 알루미늄 공급원을 배치하고, 용융금속이 상기 매트내로 용침시키고, 상기 배향된 섬유를 둘러싸도록 압력을 가하여 제조한다. 용융금속을 매트 적층체상으로 주입시킴과 동시에, 매트사이로 흐르도록 압력을 가할 수도 있다. 이 복합체내의 보강섬유의 적하량은 약 50부피% 이하로 보고되어 있다.

전술한 용침 공정에서는 섬유 매트 적층체내에 용융 기질 금속을 강제 용침시키기ㅣ 위해 외부에서 압력을 가해주므로 압력 변화에 따른 유동 특성의 변동, 즉 기질 형성, 다공률등이 불균일해질 가능성이 있다. 또 용융금속을 섬유 배열내의 다수의 위치에 도입시키더라도 성질이 불균일해질 수 있다. 따라서, 섬유 매트 적층체내에 용융 금속이 균일하게 침투하도록 하기 위해서는 복잡한 매트/공급원 배치 및 유동로가 필요해진다. 또한, 이와 같은 가압 용침법에서는 매트의 부피가 커지면 용융 금속의 침투가 어려워지기 때문에 기질의 부피에 대한 보강재의 부피비율이 비교적 낮아진다. 또한, 가압하에서 주형내에 용융 금속을 주입시켜야 하므로 공정에 드는 비용이 증가한다. 또한, 정렬된 입자나 정렬된 섬유로의 용침으로 한정되는 상기 방법은 불규칙하게 배열된 입자, 휘스커 또는 섬유 형태의 물질로 보강된 알루미늄 금속 기질의 복합체의 형성에는 이용할 수 없다.

알루미늄 기질-알루미나 충전 복합체를 제조하는 경우, 알루미늄은 알루미나를 용이하게 습윤(wetting)시키지 못하므로 응집(coherent)된 제품의 생산이 곤란해진다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 여러가지 방법이 제안되었다. 그 중 하나의 해결방법으로서 알루미나를 금속(예, 니켈 또는 텅스텐)으로 코팅한 다음, 알루미늄과 함께 고온 가압하는 것을 들 수 있다. 다른 하나의 방법은 알루미늄을 리튬으로 합금시키고, 알루미나를 실리카로 코팅시키는 것이다. 그러나, 이런 방법으로 제조한 복합체는 그 특성이 일정하지 않거나, 코팅물질이 충전재를 분해하거나, 기질이 이것의 성질에 영향을 미칠 수 있는 리튬을 함유할 수 가 있다.

미합중극 특허 제4,232,091호(알. 더블유. 그림쇼우 등)는 상기한 알루미늄 기질-알루미나 복합체 제조시의 몇가지 문제점을 해소한 것이다. 이 특허에서는 700-1050℃의 온도로 예열시킨 알루미나 섬유매트나 알루미나 휘스커 매트내로 용융 알루미늄(또는 용융 알루미늄 합금)을 75-375㎏/㎠의 압력으로 강제 용침시키는 방법을 기술하고 있다. 그 결과 제조된 주물내의 알루미나 대 금속의 초대 부피 비율은 0.25/1이다. 이 특허에서도 용침을 위해 외력이 필요하므로 전술한 미합중국 특허 제3,970,136호의 문제점과 동일한 문제점이 존재한다.

유럽 특허 출원 공개 번호 제115,742호에는 예비성형된 알루미나 기질내의 용융 알루미늄을 충전시킴에 의해, 특허 전해조의 부품으로 특히 유용한 알루미늄-알루미나 복합체를 제조하는 방법이 기재되어 있다. 위 출원에서는 알루미나가 알루미늄에 의해 습윤(wetting)되지 않는다는 사실을 강조하고 있고, 이에 따라 예비성형체를 통해 알루미나를 습윤시키기 위한 여러가지 기술을 사용하고 있다. 예를들면, 티타늄, 지르코늄, 하프늄 또는 니오븀 등의 이붕소화물과 같은 습윤제나 리튬, 마그네슘, 칼슘, 티타늄, 크롬, 철, 코발트, 니켈, 지르코늄 또는 하프늄과 같은 금속으로 알루미나를 코팅시키는 것을 들 수 있다. 또한, 습윤화를 촉진시키기 위해 아르곤과 같은 불활성 분위기도 사용한다. 위 특허 출원에서는 또한 코팅되지 않은 기질내에 용융 알루미늄을 침투시키기 위해 압력을 가하는 것을 나타내고 있다. 이 경우의 용침은 기공을 탈기시킨 다음 불활성 분위기(예, 아르곤기체)하에서 용융 알루미늄에 압력을 가함에 의해 달성된다. 다른 방법으로는, 예비성형체의 표면을 증기상 알루미늄 용착에 의해 습윤시킨후, 용융 알루미늄으로 예비 성형체내의 기공을 충만시키기도 한다. 알루미늄이 예비성형체의 기공내에 확실하게 보유되도록 하기 위해서는 진공 또는 아르곤 분위기하에서의 열처리(예, 1400-1800℃의 온도)가 필요하다. 이와 같은 열처리를 하지 않을 경우, 가압 용침된 물질의 기체에 대한 노출이나 침투압력의 제거로 인해 예비성형체로부터 알루미늄이 유실될 것이다.

유럽 특허 출원 공개 번호 제943,353호에는 전해조내의 알루미나 성분에 용융 금속을 용침 촉진하기 위해 습윤제를 사용하는 것을 개시하고 있다. 위 출원에서는 전해조 라이너 또는 전해조 기판으로서 음극 전류 공급기를 구비한 전해조에서 전해채취에 의한 알루미늄의 생성을 기술하고 있다. 용융 방정석으로부터 전해조 기판을 보호하기 위해서, 전해조의 시동개시전이나 전해공정에 의해 생성된 용융 알루미늄내에 알루미나 기판을 침지시킴과 동시에 습윤제와 가용성 억제제의 혼합물로 상기 알루미나 기판을 얇게 코팅한다. 개시된 습윤제로서는 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 실리콘, 마그네슘, 바나듐, 크롬, 니오븀, 또는 칼슘을 들고 있으며, 특히 티타늄이 바람직한 습윤제로 되어 있다. 또한, 붕소, 탄소 및 질소의 화합물은 용융된 알루미늄중의 습윤제의 가용성을 억제시키는데 유용하다고 기재되어 있다. 그러나, 상기 출원에는 금속 기질 복합체의 제조나, 예컨대 질소분위기하에서의 복합체 제조에 대해 전혀 기재된 바 없다.

가압 및 습윤제를 사용하는 방법 이외에도 진공을 사용하면 용융 알루미늄을 다공성 세라믹 성형체내로 용이하게 용침시킬 수 있다는 것이 알려져 있다. 예를들면, 미합중국 특허 제3,718,441호(1973년 2월 27일자로 알. 엘. 랜딩햄에게 허여됨)에서는 10^-6torr 미만의 진공하에서 세라믹 성형체(예, 탄화붕소, 알루미나 및 베릴리아(beeryllia)에 용융된 알루미늄, 베릴륨, 마그네슘, 티타늄, 바나듐, 니켈, 또는 크롬을 용침시키는 것을 보고하고 있다. 10^-2내지 10^-6torr의 진공하에서는 용융 금속이 세라믹의 기공내로 자유롭게 유동할 수 없을 정도로 용융 금속에 의한 세라믹의 습윤화가 불충분했다. 그러나, 진공이 10^-6torr 이하인 경우에는 습윤화가 향상된다고 기재하고 있다.

미합중국 특허 제3,864,154호(1975년 2월 4일자로 지. 이. 가자등에게 허여됨)도 용침을 달성하기 위해 진공을 사용하고 있다. 이 특허에서는 상온 가압된 알루미늄 분말 층(bed) 상이 AlB₁₂분말로 구성된 상온 가압된 성형체를 적하하는 것을 기술하고 있다. 이어서 AlB₁₂분말 성형체의 상부에 알루미늄을 추가로 위치시킨다. 이 알루미늄 분말층 사이에 게재된(sandwiched) AlB₁₂성형체를 담은 도가니를 진공로에 설치했다. 이 진공로를 약 10^-5torr로 진공화하여 기체를 방출시킨다. 이어서 온도를 1100℃로 승온시키고, 이 온도에서 3시간 동안 유지시킨다. 이러한 조건하에서 용융 알루미늄은 다공질 AlB₁₂성형체내로 용침된다.

미합중국 특허 제3,364,976호(1968년 1월 23일자로 존 엔. 레딩등에게 하여됨)에는 성형체내로의 용융 금속의 용침을 촉진시키기 위한 성형체내의 자체 발생식 진공의 생성에 대한 개념이 기재되어 있다. 특히, 상기 특허에서는 성형체(예, 흑연 주형, 강철 주형, 또는 다공질의 내화물질)를 용융 금속내에 완전히 침지시키는 것을 개시하고 있다. 주형을 사용하는 경우, 금속과 반응하는 기체가 충만되어 있는 주형의 공동부(cavity)는 주형내의 적어도 하나의 개구부(orifice)를 통해 주형 외측에 위치한 용융 금속과 상호 작용하는 상태가 된다. 위 주형을 용융 금속내에 침지시키는 경우, 주형 공동부내의 기체와 용융 금속 사이의 반응에 의해 자체 발생식 진공이 형성됨에 따라 주형 공동부가 충만되게 된다. 특히, 진공은 고체 금속 산화물이 생성된 결과 형성된 것이다. 따라서, 레딩등은 주형 공동부내의 기체와 용융 금속 사이의 반응을 유발시키는 것이 중요하다는 것을 개시하고 있다. 그러나, 진공을 형성하기 위해 주형을 사용하는 기술은 주형의 사용과 관련된 고유의 한계 때문에 바람직하지 않다. 즉, 주형은 먼저 특정의 형태로 기계 가공한 다음; 마루리 가공하고, 주형상에 주조표면을 형성하기 위해 기계 가공하고; 주형으로서 사용하기 위해 조립한 다음; 사용후에는 주물을 제거하기 위해 주형을 분해하고; 분해한 후에는 재사용하며, 재사용시에는 주형의 표면을 재가공하거나, 주형이 더이상 사용 불가능한 경우에는 폐기 처분해야 한다. 주형을 복합한 형태로 기계가공하는 것은 비용이 많이 들고 시간도 많이 소비된다. 이같이 복잡한 형태의 주형으로부터 성형된 주물을 제거해 내는 것도 매우 어렵다(즉, 주물의 형상이 복잡하므로 주형으로부터 분리해낼때 부서지기 쉽다). 또한, 주형을 사용하지 않고 다공성 내화물질을 용융 금속내에 직접 침지시키는 기술도 제시되어 있으나, 이 경우에는 상기 내화물질을 하나의 덩어리로 성형해 주어야 한다. 그 이유는 주형 용기를 사용하지 않고 약하게 결착되어 있거나, 분리된 다공성 물질을 용침시키기 우한 부재가 없기 때문이다(즉, 일반적으로 내화물질의 입자들이 용융 금속내에 위치할때 분리되거나 부유하게 된다고 한다). 또한, 입자로 구성된 물질, 또는 입자간의 결착성이 없는 예비성형체에 용침시키기 위해서는 용침되는 금속에 의해 입자 물질이나 예비성형체의 적어도 일부가 제거되지 않도록, 그리하여 불균일한 미세구조가 되지 않도록 주의가 필요하다.

따라서, 압력이나 진공을 사용할 필요가 없는(외부에서 부가되든가, 내부에서 발생하든가에 무관계), 그리고 습윤제를 손상시키지 않고도 세라믹 물질과 같은 다른 물질을 매립시킨 금속 기질을 생성하기 위한 간단하고 신뢰성 있는 성형된 금속 기질 복합체 제조 방법에 대한 필요성이 오랫동안 요구되어 왔다. 더우기, 금속 기질 복합체를 생성하는데 필요한 최종 기계 가공의 정도를 최소화 할 수 있는 기술이 오래전부터 요청되어 왔다. 본 발명은 이같은 요청에 부응하는 기술로서, 제조 공정중의 적어도 몇몇 단계에 용침 촉진제를 제공하기만 한다면 대기압 및 용침 분위기(예, 질소)하에서 예비성형체로 형성되어 있는 물질(예, 세라믹 물질)에 용융된 기질 금속(예, 알루미늄)을 용침시키기 위한 자발 용침 기작(mechanism)을 제공한다.

본 발명은, 본 출원인에 의해 특허 출원되고 특허청에 계류중인 몇개의 또다른 특허 출원과 관련이 있다. 본 발명의 출원과 동시계류중인 이들 특허들은 금속 기질 복합체 재료를 제조하기 위한 신규 방법을 기술하고 있다(이하, 동일 출원인에 의한 금속 기질 특허 출원이라 약칭함).

본 출원인에 의한 미합중국 특허 출원 제049,171호(화이트 등의 명의로 1987년 5월 13일, 금속 기질 복합체라는 명칭으로 출원됨)에는 금속 기질 복합체의 제조 방법이 기재되어 있고, 현재 미합중국에서 특허된 것이다. 이 화이트 등의 발명에 의한 방법에 따르면 약 1중량% 이상(바람직하게는 약 3중량% 이상)의 마그네슘을 함유하는 용융 알루미늄으로 투과성 충전 물질체(예, 세라믹 물질 또는 세라믹 코팅된 물질)를 용침시켜 금속 기질 복합체가 제조된다. 용침은 외부로부터 압력이나 진공을 가하지 않은 상태하에서도 용침이 자발적으로 발생한다. 약 10-100부피%(바람직하게는 약 50부피% 이상)의 질소와 경우에 따라 비산화성 기체(예, 아르곤)를 함유한 나머지 기체의 존재하에서, 그리고 약 675℃ 이상의 온도하에서, 용융 금속합금의 공급원을 충전 물질체와 접촉시킨다. 이같은 조건에서 용융 알루미늄 합금은 대기압하에서 세라믹체내로 용침되어 알루미늄(또는 알루미늄 합금) 기질 복합체를 형성한다. 소정양의 충전 물질이 용융 알루미늄 합금으로 용침된 후에는 온도를 저하시켜 합금을 고형화하고, 이로써 보강 충전 물질을 함유한 고체의 금속 기질 구조를 형성시킨다. 용융 합금 공급량은 충전물질체의 계면까지 용침이 거의 진행되기에 충분한 양으로 한다. 화이트 등에 의한 발명에 따르면, 제조된 알루미늄 기질 복합체내의 충전 물질의 양이 지나치게 많을 수 있다. 이런 점에서 충전재 대 합금의 부피비가 1 : 1 이상이 될 수 있다.

상술한 화이트 등에 의한 발명의 제조 처리 조건하에서 질화 알루미늄은 알루미늄 기질 전체에 분산된 불연속상으로서 형성될 수 있다. 알루미늄 기질내의 질화물의 양은 온도, 합금의 조성, 기체의 조성 및 충전 물질등과 같은 여러 인자에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 시스템에서 위와 같은 인자들 중 하나 이상의 인자를 제어함에 의해 복합체의 특성을 조절할 수 있다. 그러나, 최종 사용 목적을 위해 복합체내에 질화 알루미늄이 거의 함유되지 않도록 하는 것이 바람직하다.

온도가 높아지면 용침이 촉진되지만 반면에 질화물의 생성이 더욱 용이해진다. 화이트등에 의한 발명은 용침 역학과 질화물의 생성이 균형을 이루도록 하고 있다.

본 출원인에 의해 출원된, 동시계류중인 차단체(Barrier)를 이용한 금속 기질 복합체 제조 방법이라는 명칭의 미합중국 특허 출원 제141,642호(마이클 케이. 아가자니안등의 명의로 1988년 1월 7일 출원됨)에는 금속 기질 복합체의 제조시 사용할 수 있는 적절한 차단 수단의 일예가 기재되어 있다. 이 특허 출원에 따르면, 차단 수단(예, 이붕소화 티타늄 입자 또는 유니온 카바이드사에서 Grafoil

이라는 상품명으로 시판하는 가요성 흑연테이프 제품)은 충전 물질의 일정한 표면 경계상에 배치되고, 기질 합금은 상기 차단 수단에 의해 한정된 경계까지 용침된다. 상기 차단 수단은 용융 합금의 용침을 억제시키거나, 방지하거나, 또는 종지시키는데 사용되며, 이로 인해 수득되는 금속 기질 복합체중에서 망상 또는 망상과 유사한 형상을 이루도록 한다. 따라서, 생성된 금속 기질 복합체의 외형은 차단 수단의 내부 형상과 거의 일치하게 된다.

미합중국 특허 출원 제049,171호의 방법은 금속 기질 복합체 및 그 제조 방법이라는 명칭으로 마이클 케이. 아가자니안 및 마크 에스. 뉴커크의 명의하에 1988년 3월 15일 출원된 본 출원인에 의한 동시계류중인 미합중국 특허 출원 제168,284호 보다 개량된 것이다. 이에 따르면, 기질 금속 합금은 제1용융 금속 공급원으로서 그리고 기질 금속 합금 공급체(reservoir)로서 제공되며, 이 기질 금속 합금 공급체는 예를 들어, 중력류에 의해 제1용융 금속 공급원과 상호작용한다. 특히, 이 특허 출원에 기재되어 있는 조건하에서, 제1용융 기질 합금 공급원은 표준 대기압하에서 충전 물질체내로의 용침을 개시하여 금속 기질 복합체의 형성을 개시한다. 위 제1용융 기질 합금 공급원은 충전 물질체내로의 용침중에 소비되고, 자발 용침의 진행중에, 필요한 경우, 바람직하게는 연속 수단에 의해 용융 기질 금속 공급체로부터 보충될 수 있다. 소정량의 투과성 충전 물질체에 용융 기질 금속이 자발 용침되면, 온도를 저하시켜 합금을 응고시키고, 이에 의해 보강용 충전물질을 매립시킨 고형 금속 기질 구조를 형성한다. 이같은 금속 공급체를 사용하는 것은 상기 특허 출원의 하나의 실시예이며, 일 실시예를 상기 특허 출원의 타실시예와 조합을 필요는 없으나, 본 발명과 상기 특허 출원의 타실시예를 조합하여 사용하는 것이 유리할 수도 있다.

금속 공급체는 이 금속이 투과성 충전 물질체의 소정범위까지 충분히 용침할 수 있는 양으로 제공될 수 있다. 또한, 충전 물질체의 적어도 한면에 임의의 차단 수단을 접촉시켜 표면 경계면을 형성시킬 수도 있다.

제공되는 용융 기질 합금의 양은 이 합금이 투과성 충전 물질체의 경계면(예, 차단체)까지 실질적으로 자발 용침할 수 있는 양이어야 하는 반면, 용융 합금 공급체내의 합금의 양은 용침을 완성시키는데 충분한 양일 뿐아니라 과량의 용융 합금이 금속 기질 복합체(예, 거대 복합체)에 부착되어 남아있을 수 있는 양으로 제공될 수 있다. 이같이 과량의 용융 합금이 제공되는 경우, 수득되는 체는 복잡한 복합체(예, 거대 복합체)가 되고, 이때 금속 기질을 지닌 침투성 세라믹체는 공급체중에 잔존하는 과량의 금속에 직접 결합되게 된다.

전술한 본 출원인에 의한 각 금속 기질 특허 출원에는 금속 기질 복합체 제조 방법 및 이 제조 방법에 의한 신규한 금속 기질 복합체가 기재되어 있다. 본원 발명의 명세서에서는 이들 금속 기질 특허 출원을 참고 문헌으로 포함하고 있다.

가변성이고 조절 가능한 충전 물질의 부피 분율을 가진 금속 기질 복합체는 적어도 일부가 분말화된 기질 금속 충전재와 충전 물질 또는 예비성형체를 혼합한 후 상기 충전 물질 또는 예비성형체에 용융 기질 금속이 자발 용침됨으로써 형성된다. 특히, 용침 촉진제 및/또는 용침 촉진제 선행물질 및/또는 용침 분위기가 충전 물질 또는 예비성형체와 상호 작용하게 되는데, 이 과정의 적어도 몇몇 시점에서 용융 기질 금속이 충전 물질 또는 예비성형채내로 자발적으로 용침할 수 있게 된다.

상기 예비성형체 또는 충전 물질에 첨가된 기질 금속 충전재 분말은 충전재간의 간극 물질로서 작용함으로써, 기질 금속에 대한 충전 물질의 부피 분율을 감소시키는 역할을 한다. 특히, 충전 물질 또는 예비성형체는, 불가능하지 않다면, 그것의 낮은 강도로 인해 취급이 난이하게 되기 전에 제한된 양의 다공성만을 가질 수 있다. 그러나, 기질 금속 충전재 분말이 충전 물질 또는 예비성형체와 혼합된다면, 효과적인 다공성을 수득할 수 있다(즉, 보다 높은 다공성을 지닌 충전 물질 또는 예비성형체를 제공하기 보다는 기질 금속 충전재 분말을 상기 충전재 또는 예비성형체에 첨가할 수 있다). 이 점에 관해서, 기질 금속 충전재 분말이 충전 물질 또는 예비성형체에 자발 용침하는 용융 기질 금속과 바람직한 합금 또는 금속간 화합물을 형성하고자 자발 용침시 해로운 효과가 나타나지 않는한, 결과적으로 수득되는 금속 기질 복합체는 다공성이 큰 충전물질 또는 예비성형체로써 제조된 외관을 가질 것이다.

충전 물질 또는 예비성형체내에 혼합된 기질 금속 충전재 분말은 충전 물질 또는 예비성형체에 자발적으로 용침하는 기질 금속과 완전히 동일한, 또는 어느 정도 상이한 화학 조성을 가질 수 있다. 그러나, 기질 금속 충전재 분말이 충전 물질 또는 예비성형체에 용침되는 기질 금속과 조성이 상이하다면, 바람직한 금속간 화합물 및/또는 합금은 기질 금속과 기질 금속 충전재 분말의 혼합물로 형성되어 기질 금속 복합체의 특성을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 바람직한 구체예에서, 용침 촉진제 선행물질은 기질 금속 및/또는 기질 금속 충전재 분말 및/또는 충전 물질 또는 예비성형체 및/또는 용침 분위기중 적어도 하나에 공급될 수 있다. 용침 촉진제에 대한 선행물질은 자발 용침 시스템내의 다른 종과 반응하여 용침 촉진제를 형성할 수 있다.

본원은 용침 분위기로서 역할하는 질소 존재하에, 금속 기질 복합체의 형성 과정동안 몇몇 시점에서 용침 촉진제 선행물질로 작용하는 마그네슘과 접촉하는 일차적으로 알루미늄 기질 금속에 관하여 기술하고 있다. 따라서, 알루미늄/마그네슘/질소의 기질 금속/용침 촉진제 선행물질/용침 분위기 시스템 또한 알루미늄/마그네슘/질소 시스템과 유사한 방식으로 그 기능을 수행하는 것으로 믿어진다. 예를들어, 유사한 자발 용침 양태가 알루미늄/스트론튬/질소 시스템; 알루미늄/아연/산소 시스템; 알루미늄/칼슘/질소 시스템에서 관측된다. 따라서, 알루미늄/마그네슘/질소 시스템이 본원에서 주로 기술된다 할지라도 다른 기질 금속/용침 촉진제 선행물질/용침 분위기 시스템이 유사한 양태로 수행될 수 있는 것으로 이해되어야 한다.

더우기. 용침 촉진제 선행물질을 공급하기 보다는 용침 촉진제를 충전 물질 또는 예비성형체, 및/또는 기질 금속, 및/또는 기질 금속 충전재 분말, 및/또는 용침 분위기 중 적어도 하나에 직접 공급할 수 있다. 궁극적으로, 적어도 자발 용침 과정중에, 용침 촉진제는 충전 물질 또는 예비성형체의 적어도 일부분에 배치되어 있어야만 한다.

기질 금속이 알루미늄 합금을 포함할때, 상기 알루미늄 합금은 예비성형체 또는 충전 물질(예, 알루미나, 또는 실리콘 카바이드)과 접촉되고, 이때, 상기 충전 물질은 이미 마그네슘과 혼합되어 있거나 또는 공정중에 몇몇 단계에서 마그네슘에 노출된다. 더우기, 바람직한 구체예에서 상기 알루미늄 합금 및/또는 예비성형체 또는 충전 물질은 공정의 적어도 일부분에 있어서 질소 분위기에 함유된다. 예비성형체는 기질 금속에 의해 자발 용침되고 이 자발 용침, 및 금속 기질의 형성 속도 또는 정도는 예를들어, 상기 시스템(예, 알루미늄 합금 및/또는 기질 금속 충전재 합금 분말 및/또는 충전 물질 또는 예비성형체 및/또는 용침 분위기)에 공급된 마그네슘의 농도, 예비성형체 또는 충전 물질내에 존재하는 입자의 크기 및/또는 조성, 용침 분위기내의 질소 농도, 용침 허용시간, 및/또는 예비성형체 또는 충전 물질내의 기질 금속 충전재 분말의 크기, 및/또는 조성, 및/또는 양, 및/또는 용침이 일어나는 온도를 포함하여 일련의 제시된 공정의 조건에 따라 변한다. 자발 용침은 예비성형체 또는 충전 물질을 거의 완전하게 함침하기에 충분할 정도로 수행한다.

본원 명세서에서 사용된 알루미늄은 거의 순수한 금속(예, 비교적 순수한 시판용 비합금된 알루미늄) 또는 철, 실리콘, 구리, 마그네슘, 망간, 크롬, 아연 등과 같은 합금 성분 및/또는 불순물을 함유하는 시판용 금속과 같은 다른 등급의 합금 및 금속을 포함하는 의미이다. 이러한 정의에 따르면, 알루미늄 합금은 알루미늄이 주성분을 이루는 합금 또는 금속간 화합물이다.

본원 명세서에서 사용된 잔부 비산화성 기체는 용침 분위기를 구성하는 주요 기체외에도 존재하는 임의의 기체가 제조 처리 조건하에서 기질 금속과 거의 반응하지 않는 불활성 기체 또는 환원성 기체인 것을 의미한다. 사용되는 기체(들)내에 불순물로서 존재할 수 있는 임의의 산화성 기체의 양은 제조 처리 조건하에서 기질 금속을 산화시키지 않을 정도로 유지해야 한다.

본원 명세서에서 사용된 차단체 또는 차단 수단은 용융 기질 금속이 투과성 충전 물질체 또는 예비성형체의 표면 경계 이상까지 이동, 전달되는 것을 방해, 억제, 방지 또는 종지시키는 임의의 적합하 수단을 의미하는 것으로서, 상기 표면 경계는 상기 차단 수단으로 한정된다. 적절한 차단 수단으로는 처리 조건하에서 그 형태를 유지할 수 있고 또한 거의 휘발성이 없는(즉, 차단 물질은 차단체로서 작용할 수 없을 정도로 휘발하지 않아야 함) 임의의 물질, 화합물, 인자, 조성물등일 수 있다.

적절한 차단 수단에는 또한 사용된 처리 조건하에서 확산하는 용융 기질 금속에 의해 거의 습윤화되지 않는 물질이 포함된다. 이러한 종류의 차단 수단은 용융 기질 금소과의 친화력이 거의 없거나 전혀 없으며, 이 차단 수단에 의해 용융 기질 금속이 충전 물질체 또는 예비성형체의 일정 표면 경계를 초과하여 이동되는 것이 방지된다. 또한, 이 차단 수단은 필요할 수도 있는 최종 기계가공 또는 연마 가공을 줄일 수 있고, 생성되는 금속 기질 복합체의 적어도 일부의 표면을 제한하게 된다. 경우에 따라서는 차단 수단은 투과성 또는 다공성이거나, 차단 수단에 예컨대, 구멍을 뚫거나 천공시킴으로써 투과성을 부여하여 용융 기질 금속에 기체가 접촉할 수 있도록 할 수도 있다.

본원 명세서에서 사용된 카카스(carcass) 또는 기질 금속의 카카스는 금속 기질 복합체의 생성중에 소모되지 않는 잔존하는 최초의 금속체를 의미하며, 일반적으로 냉각시키면, 형성된 금속 기질 복합체와 적어도 부분적으로 접촉 상태를 유지한다. 이 카카스에는 또한 제2금속 또는 이종 금속이 포함될 수도 있다.

본원 명세서에서 사용된 충전재는 기질금속과 실질적으로 반응하지 않는 물질 및/또는 기질 금속에 제한된 용해도를 갖는 단일 성분이나 여러 성분들의 혼합물을 포함하며, 단일상(single-phase) 또는 다중상일 수 있다. 충전재는 분말 형태, 박편 형태, 혈소판 형태, 미소구 형태, 휘스커 형태, 기포 형태등과 같이 다양한 형태로 제공할 수 있으며, 치밀한 구조이거나 다공성 구조일 수 있다. 충전재에는 또한 섬유 형태, 짧게 절단한 섬유 형태, 입자 형태, 휘스커 형태, 기포 형태, 구 형태, 섬유 매트 형태등의 형태를 가진 알루미나 또는 실리콘 카바이드와 같은 세라믹 충전재 및 용융 금속에 의한 탄소의 침식을 방지하기 위해 알루미나 또는 실리콘 카바이드로 코팅한 탄소 섬유와 같은 세라믹 코팅된 충전재가 포함된다. 또한 금속도 충전재로 사용할 수 있다.

본원 명세서에서 사용된 용침 분위기는 기질 금속 및/또는 예비성형체(또는 충전 물질체) 및/또는 용침 촉진제 선행물질 및/또는 용침 촉진제와 상호 작용하는, 존재하는 분위기를 의미하는 것으로서 이 용침 분위기에 의해 기질 금속의 자발 용침이 허용 또는 증강된다.

본원 명세서에서 사용된 용침 촉진제는 충전 물질체 또는 예비성형체내로의 기질 금속의 자발 용침을 촉진하거나 보조하는 물질을 의미한다. 용침 촉진제는 용침 촉진제 선행물질과 용침 분위기 사이의 반응에 의해 (1) 기체류 및/또는 (2) 용침 촉진제 선행물질과 용침 분위기 사이의 반응 생성물 및/또는 (3) 용침 촉진제 선행물질과 충전 물질체 또는 예비성형체 사이의 반응 생성물을 생성하므로써 생성될 수 있다. 또한, 용침 촉진제를 예비성형체 및/또는 기질 금속 및/또는 용침 분위기중 저어도 하나에 직접 제공할 수 있고, 용침 촉진제 선행물질과 기타의 물질 사이의 반응에 의해 생성된 용침 촉진제와 실질적으로 유사한 기능을 한다. 결국, 적어도 자발 용침중에는 용침 촉진제를 충전 물질 또는 예비성형체의 적어도 일부에 가하여 자발 용침을 달성하도록 해야 한다.

본원 명세서에서 사용된 용침 촉진제 선행물질은 이 물질을 기질 금속, 예비성형체 및/또는 용침 분위기와 조합하여 사용했을 때, 충전 물질 또는 예비성형체내로의 기질 금속의 자발적인 용침을 촉진하거나 보조하는 용침 촉진제를 생성하는 물질을 의미한다. 어떤 이론이나 설명을 동원하지 않더라도 용침 촉진제 선행물질은 용침 분위기 및/또는 예비성형체 또는 충전 물질 및/또는 금속과 반응할 수 있는 부위에 위치시키는 것이 필요하다. 예를 들면, 기질 금속/용침 촉진제 선행물질/용침 분위기 시스템에 있어서, 용침 촉진제 선행물질은 기질 금속의 용융 온도에서, 용융 온도 부근에서, 또는 임의 경우에는 용융 온도 보다 다소 높은 온도에서 휘발하는 것이 바람직하다. 이같이 용침 촉진제 선행물질이 휘발하게 되면, (1) 기질 금속에 의한 충전 물질체 또는 예비성형체의 습윤화를 촉진시키는 물질인 기체류(gaseous species)를 생성하기 위한 용침 촉진제 선행물질과 용침 분위기 사이의 반응; 및/또는 (2) 적어도 일부의 충전 물질 또는 예비성형체내에 습윤화를 촉진시키는 고체, 액체 또는 기체상의 용침 촉진제를 생성하기 위한 용침 촉진제 선행물질과 용침 분위기 사이의 반응; 및/또는 (3) 적어도 일부의 충전 물질 또는 예비성형체내의 습윤화를 촉진시키는 고체, 액체 또는 기체상의 용침 촉진제를 생성하는 충전 물질체 또는 예비성형체내의 용침 촉진제 선행물질의 반응이 발생한다.

본원 명세서에서 사용된 저입자 적하량 또는 충전 물질의 저 부피 분율은 충전 물질에 대한 기질 금속 또는 기질 금속 합금 또는 금속간 화합물의 양이 충전 물질 또는 예비성형체에 기질 금속 충전재 분말을 첨가하지 않고 자발적으로 용침된 충전 물질 또는 예비성형체에 비하여 증가되었다는 것을 의미한다.

본원 명세서에서 사용된 기질 금속 또는 기질 금속 합금은 충전 물질과 혼합되어 금속 기질 복합체를 형성하는 금속을 말한다. 상기 기질 금속으로서 특정 금속이 거론될때, 그러한 기질 금속은 본질적으로 순수한 금속, 내부에 불순물 및/또는 합금 성분을 가진 시판용 금속, 상기 금속이 주요 또는 주된 성분인 금속간 화합물 또는 합금을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본원 명세서에서 사용된 기질 금속/용침 촉진제 선행물질/용침 분위기 시스템 또는 자발 용침 시스템(spontaneous system)은 예비성형체 또는 충전 물질내로의 자발적인 용침을 일으키는 물질의 조합을 의미한다. 예시된 기질 금속, 용침 촉진제 선행물질 및 용침 분위기 사이에 사용한 /는 특정 방식으로 조합될 때 예비성형체나 충전 물질내로 자발 용침을 일으키는 시스템 또는 물질의 조합을 표시하기 위한 것이다.

본원 명세서에서 사용된 금속 기질 복합체(Metal Matrix Composite, (MMC))는 비성형체 또는 충전 물질체를 매립하고 있는 (감싸고 있는), 2차원 또는 3차원적으로 상호 결합된 합금 또는 기질 금속을 함유하는 물질을 의미한다. 완성된 복합체에 특이적으로 목적하는 기계적, 물리적 특성을 부여하기 위해서는 상기 기질 금속에 여러가지 합금 성분을 포함시킬 수도 있다.

기질 금속과 상이한 금속이라 함은 주성분으로서 기질 금속과 동일한 금속을 함유하지 않는 금속을 의미하는 것으로서, 예를 들면 알루미늄을 기질 금속으로 선택한 경우 상이한 금속은 주성분이 예컨대, 니켈인 것이다.

기질 금속을 수용하는 비반응성 용기라 함은 처리 하에서 충전 물질체(또는 예비성형체) 및/또는 용융 기질 금속을 함유하거나 수용할 수 있고, 또한 기질 및/또는 용침 분위기 및/또는 용침 촉진제 선행물질과는 자발 용침 기작(mechanism)을 해칠 정도로 반응하지 않는 용기를 의미한다.

본원 명세서에 사용된 기질 금속 분말은 분말화되고 충전 물질 또는 예비성형체의 적어도 일부분에 포함된 기질 금속을 의미한다. 상기 기질 금속 분말은 충전 물질 또는 예비성형체를 용침시키는 기질 금속과 동일하거나, 유사하거나 또는 상당히 상이한 조성물을 가질 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 그러나, 사용될 기질 금속 분말은 충전 물질 또는 예비성형체를 용침시키는 기질 금속과 바람직한 합금 또는 금속간 화합물을 형성할 수 있는 것이어야 한다. 더우기, 기질 금속 충전재 분말은 용침 촉진제 및/또는 용침 촉진제 선행물질을 포함할 수 있다.

본원 명세서에서 사용된 예비성형체 또는 투과성 예비성형체는 질적으로 용침성 기질 금속에 대한 경계를 의미하는 적어도 하나의 표면 경계를 가지도록 제조된 다공성 충전재 또는 충전 물질체를 의미하는 것으로서, 이러한 다공성체는 기질 금속에 의해 용침되기 전에 치수 안정성(dimentional fidelity)을 제공하기에 충분한 형태 보전성(shape integrity)과 미처리 강도를 보유하고 있다. 또한, 이 예비성형체는 기질 금속에 의한 자발 용침을 허용할 수 있도록 충분한 다공성이어야만 한다. 예비성형체는 전형적으로 균질하거나 불균질한 충전재의 결합 배열이나 정렬로 이루어지며, 적절한 물질(예, 세라믹 및/또는 금속의 입자, 분말, 섬유, 휘스커 등, 그리고 이들의 조합물)로 구성된다. 또한 상기 예비성형체는 일체형 또는 조합형으로 존재할 수 있다.

본원 명세서에서 사용된 기질 금속 공급원은 속이 용융될때 제공급되거나, 또는 어떤 경우에는 충전재 또는 예비성형체와 접촉해 있는 기질 금속의 부, 부분 또는 원천에 처음으로 제공되고 연속적으로 재공급될 수 있는 충전재 또는 예비성형체에 대해 별도로 위치한 별도의 기질 금속체를 의미하는 것이다.

본원 명세서에서 사용된 자발 용침(spontaneous infiltration)은 압력이나 진공을 적용할 필요없이 기질 금속이 투과성 충전재 또는 예비성형체내로 자발적으로 용침되는 현상을 의미한다.

첨부 도면은 본 발명의 영역을 제한하는 것이 아니고 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제공된 것이다. 유사한 참조 번호는 유사한 구성 부재를 나타내기 위해 각 도면에 사용했다.

본 발명은 충전 물질의 가변적인 부피 분율을 조절할 수 있는 금속 기질 복합체를 형성하는 것에 관한 것이다. 구체적으로, 약간의 기질 금속 충전재 분말을 충전 물질 또는 예비성형체와 혼합함으로써 기질 금속에 대한 충전 물질의 부피 분율을 저하시킬 수 있고, 따라서 형성된 금속 기질 복합체의 입자 적하량과 다른 특성을 조절할 수 있는 능력을 초래한다.

비록 입자의 고 적하량(예, 약 40 내지 60부피% 정도)이 예를들어, 1987년 5월 13일자 출원된 본 출원인에 의한 미합중국 특허 제049,171호에 개시된 바와 같이, 자발 용침법에 의해 달성될 수 있다 할지라도, 상기 방법에 의해서 입자의 저적하량(1 내지 40부피%)을 달성하는 것은 불가능한 것은 아니지만 매우 어렵다. 특히, 상기 개시된 기술을 사용한 입자의 저 적하량을 수행하는 데는 예비성형체 또는 충전 물질에 고도의 다공성을 부여해야 한다는 것이 요구된다. 그러나, 궁극적으로 수득할 수 있는 다공성은 충전 물질 또는 예비성형체에 의해 제한되고 그러한 다공성은 사용된 특정 충전 물질과 선택된 입자의 크기 또는 입도와의 함수이다.

본 발명에 따라서, 기질 금속 충전재 분말을 충전 물질과 균일하게 혼합하여 충전 물질 입자의 분산 거리를 향상시키므로써 더욱 낮은 다공성을 지닌 용침되는 체를 제공한다. 예비성형체 또는 충전 물질이 1 내지 75부피% 또는 그 이상, 바람직하게는 25 내지 75부피%를 포함할 수 있는 바, 기질 금속 분말은 수득할 생성물에 대하여 바람직한 최종 입자 적하량(부피%)에 따라서 용침되도록 제공될 수 있다. 하기 기술된 것과 실시예로부터 더욱 명백해지는 바와 같이, 기질 금속 분말의 부피%가 증가하면 최종 생성물중에서 수득되는 세라믹 입자 적하량의 부피%가 상대적으로 감소한다. 따라서, 최종 생성물의 세라믹 입자 적하량은 상기 예비성형체 또는 충전 물질의 기질 금속 분말 성분을 조절함으로써 조절될 수 있다.

기질 금속 분말은 예비성형체 또는 충전재를 자발 용침시키는 기질 금속과 동일할 필요는 없지만 같을 수 있다. 기질 금속 분말과 기질 금속에 대하여 동일한 금속을 사용하면, 자발 용침후에, 충전재(예, 세라믹 충전재) 또는 예비성형체와 기질 금속의 상호 분산된 입방체적으로 연결된 기질(하기 설명된 대로 가능한 제2질화물 상을 지님)을 지닌 실질적으로 2상인 복합체를 수득한다. 대안적으로, 기질 금속과 상이한 기질 금속 분말은 바람직한 기계적, 전기적, 화학적, 또는 다른 특성을 가지는 합금이 용침에 따라서 형성될 수 있도록 선택될 수 있다. 따라서 충전 물질 또는 예비성형체내에 혼합된 기질 금속 분말의 화학 조성은 자발적으로 용침된 기질 금속과 완전히 동일하거나, 거의 동일하거나, 또는 약간 상이할 수 있다.

더우기, 예비성형체 또는 충전 물질과 내부에 혼합된 기질 금속 분말은 상기 기질 금속 분말의 용융점 이상으로 가열할지라도, 동일하거나 거의 동일한 관계를 유지한다. 따라서, 예를들어, 알루미늄과 혼합된 산화 알루미늄 충전재 또는 예비성형체 가열시, 비록 산화 알루미늄이 알루미늄보다 무겁다할지라도, 상기 산화 알루미늄은 가열시 정착되지 않고 거의 균일한 분산을 유지한다. 특정 이론에 국한됨이 없이, 알루미늄은 입자의 정착을 방지하는 외측 산화물 표면(또는 용침 분위기에 의해 접촉된 후의 질소 표면과 같은 다른 표면)을 가지기 때문에 균일한 분산이 초래된다.

거의 균일한 분산을 유지하기 때문에 용침시 균일한 생성물을 수득한다. 더구나, 가열중에도 입자 분포가 본래대로 유지되기 때문에 특정 기질 금속 분말을 특정 생성물에서 변경 또는 변환시켜 복합체내의 상이한 위치에서 상이한 특성을 가지는 상이한 기질 금속 및/또는 합금 및/또는 금속간 화합물을 생성할 수 있다.

나아가, 여러가지 충전재 입자 대 기질 금속 분말 적하량을 특정 체의 상이한 부에 따라 사용하여 생성물의 특정 취약 위치에서 마모, 부식 또는 침식 내성을 최적화시키고, 및/또는 특정 용도에 적합하도록 상이한 위치에서 체의 특성을 변경시킬 수 있다.

전술한 바에서 증명되는 것처럼, 기질 금속 분말은 간극체(Spacer)로 작용하여 고도의 다공성 충전 물질 또는 예비성형체 형성시 조우하게 되는 강도 및 다른 물리적 제한점을 극복한다. 용침후에 수득한 금속 기질 복합체는 부수적인 장애 또는 단점없이, 다공성이 큰 충전 물질 또는 예비성형체로부터 제조된 외관을 가진다.

충전 물질 또는 예비성형체 및 기질 금속 혼합물은 여러 통상적인 수단중 하나에 의해서 바람직한 형태로 형성되고 유지될 수 있다. 예를 들어, 상기 충전 물질 또는 예비성형체 및 기질 금속 분말 혼합물은 왁스, 아교, 물과 같은 휘발성 결합체에 의해 결합될 수 있고, 슬립-주조, 분산-주조, 건조-압연 또는 불활성층에 위치 또는 차단체 구조내에서 형성될 수 있다(상세한 설명은 후술함). 또한, 자발 용침에 적합한 임의의 주형을 이용하여 상기 기질 금속과 기질 금속 분말 혼합물을 성형해서 용침후에 망상 또는 거의 망상 형태를 수득할 수 있다. 그러나, 예비성형체 또는 충전 물질 및 기질 금속 분말 혼합물은 기질 금속 및/또는 용침 분위기 및/또는 용침 촉진제 및/또는 충전 물질 및 기질 금속 분말 혼합물은 기질 금속 및/또는 용침 분위기 및/또는 용침 촉진제 및/또는 용침 촉진제 선행물질이 자발 용침이 일단 시작되면 용침될 수 있도록 충분히 다공성으로 남아 있어야 한다.

더우기, 기질 금속 분말이 분말 형태일 필요는 없지만, 그 대신 목적하는 최종 기질 구조에 따라서 혈소판형, 섬유형, 입자형, 휘스커형등의 형태일 수 있다. 그러나, 기질 금속 분말 형태로 사용된다면 최종 생성물내에 분산의 최대 균일성을 달성할 수 있다.

덧붙여, 상기 충전재 또는 예비성형체에 대한 기질 금속 분말의 첨가 대신 또는 이에 더하여, 충전 물질 자체에 기질 금속을 코팅하여 충전 물질 또는 예비성형체에 충분한 저다공성 및 가공할 수 있을 정도로 충분한 강도의 충전 물질 또는 예비성형체를 제공하면서 입자간의 간극을 넓힐 수 있다.

예비성형체내로의 기질 금속의 자발 용침을 유발시키기 위해서는 자발 용침 시스템에 용침 촉진제를 부여해 주어야 한다. 용침 촉진제는 용침 촉진제 선행물질로부터 생성될 수 있고, 용침 촉진제 선행물질은 (1) 기질 금속내에; 및/또는 (2) 예비성형체 또는 충전 물질내에; 및/또는 (3) 외부 공급원으로부터 자발 용침 시스템내로; 및/또는 (4) 기질 금속 분말내에; 및/또는 (5) 용침 분위기로부터 부여될 수 있다. 또한, 용침 촉진제 선행물질을 첨가하는 대신, 예비성형체, 및/또는 기질 금속, 및/도는 용침 분위기, 및/또는 기질 금속 충전재 분말중 적어도 어느 하나에 직접 용침 촉진제를 첨가시킬 수도 있다. 결국, 적어도 자발 용침 중에는 충전 물질 또는 예비성형체의 적어도 일부에 용침 촉진제를 첨가해 주어야 한다.

본 발명의 바람직한 양태에 있어서, 충전 물질 또는 예비성형체가 기질 금속과 접촉하기 전에 또는 거의 인접할 때 충전 물질 또는 예비성형체 및/또는 기질 금속 충전재 분말의 적어도 일부에서 용침 촉진제를 생성시킬 수 있도록 용침 촉진제 선행물질은 용침 분위기와 적어도 부분적인 반응이 가능하다(예를 들면, 용침 촉진제 선행물질로서 마그네슘을 사용하고, 용침 분위기로서 질소를 사용하는 경우, 예비성형체 또는 충전 물질의 적어도 일부분에 생성되는 질화 마그네숨이 용침 촉진제이다).

기질 금속/용침 촉진제 선행물질/용침 분위기 시스템의 일례로서 알루미늄/마그네슘/질소 시스템을 들 수 있다. 특히, 알루미늄 기질 금속은, 처리 조건하에서 이 알루미늄이 용융될 때, 이 알루미늄 기질 금속 및/또는 충전 물질 및/또는 기질 금속 분말과 반응하지 않는 적절한 내화 용기내에 수용될 수 있다. 상기 처리 조건하에서, 알루미늄 기질 금속은 충전 물질 또는 예비성형체를 자발 용침하도록 유도된다.

또한, 용침 촉진제 선행물질을 첨가해 주는 대신, 예비성형체 및/또는 기질 금속 및/또는 용침 분위기 및/또는 기질 금속 충전재 분말중 적어도 하나에 직접 용침 촉진제를 첨가시킬 수도 있다. 궁극적으로는, 적어도 자발 용침중에는 용침 촉진제가 충전 물질 또는 예비성형체의 적어도 일부에 위치해 있어야 한다.

본 발명의 제조 방법에서 채용한 처리 조건하에서 자발 용침 시스템이 알루미늄/마그네슘/질소 시스템인 경우, 제조 공정중의 몇몇 단계에서 충전 물질 또는 예비성형체내로의 질소 함유 기체의 투과 및/또는 용융 기질 금속과 질소 함유 기체와의 접촉을 가능케 하기 위해 상기 예비성형체 또는 충전 물질은 충분한 투과성을 가져야 한다. 또한, 투과성 충전 물질 또는 예비성형체는 용융 기질 금속의 용침을 허용해야 하며, 이에 의해 질소-투과성 예비성형체내로 용융 기질 금속이 자발적으로 용침하여 금속 기질 복합체가 생성되고, 및/또는 질소를 용침 촉진제 선행물질과 반응시켜 충전 물질 또는 예비성형체내에 용침 촉진제를 생성시킴으로써 자발 용침 반응을 유도한다. 자발 용침의 정도와 금속 기질 복합체의 생성 정도는 알루미늄 합금내의 마그네슘 함량, 예비성형체 또는 충전 물질내의 마그네슘 함량, 기질 금속 분말내의 마그네슘 함량, 예비성형체 또는 충전 물질내의 질화 마그네슘의 함량, 추가의 합금 원소(예, 실리콘, 철, 구리, 망간, 크롬, 아연 등)의 존재 여부, 충전 물질이나 예비성형체내의 입자의 평균 치수(예, 입자 직경), 충전 물질의 표면 상태 및 그 종류, 기질 금속 분말의 평균 치수, 기질 금속 분말의 표면 상태 및 그 종류, 용침 분위기중의 질소의 농도, 용침 허용 시간 및 용침 발생 온도 등과 같은 일련의 처리 조건에 따라 달라진다. 예를 들면, 용융 알루미늄 기질 금속의 자발 용침을 위해서는 알루미늄에 최소 약 1중량%(합금의 중량을 기준으로 함)의 마그네슘, 바람직하게는 최소 약 3중량%의 마그네슘을 합금시킬 수 있는데, 마그네슘은 용침 촉진제 선행물질의 역할을 한다. 기질 금속에는 원하는 제품의 최종 특성에 따라 위에 열거한 추가의 합금 원소를 함유시킬 수 있다. 또한, 상기의 추가 합금 원소들은 기질 알루미늄 금속의 충전 물질 또는 예비성형체내로의 자발 용침을 위해 요구되는 마그네슘의 최소량에 영향을 미칠 수도 있다. 용침 촉진제를 생성시킬 수 없을 정도까지 자발 용침 시스템으로부터 마그네슘이 손실(예를 들면, 휘발에 의한 손실)되어서는 안된다. 따라서, 자발 용침이 휘발에 의해 악영향을 받지 않도록, 초기에 충분한 양의 합금 원소를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 예비성형체, 기질 금속 분말 및 기질 금속중의 두개 또는 그 이상에, 또는 예비성형체에만 또는 기질 금속 분말에만 마그네슘이 존재하면 자발 용침을 달성하는데 요구되는 마그네슘의 양을 더 감소시킬 수 있게 된다. 이에 대해서는 후술한다. 질소 분위기내의 질소의 부피%도 또한 금속기질 복합체의 생성율에 영향을 준다. 특히, 질소 분위기내에 약 10부피% 이하의 질소가 함유되어 있으면 자발 용침이 매우 느게 일어나거나 거의 일어나지 않게 된다. 약 50부피% 이상의 질소가 용침 분위기중에 함유되어 있으면 용침 속도가 매우 빨라져서 용침에 소요되는 시간이 짧아져 바람직하다는 것이 밝혀져 있다. 용침 분위기(예, 질소 함유 기체)는 충전 물질 또는 예비성형체 및/또는 기질 금속에 직접 첨가하거나, 물질의 분해에 의해 생성시킬 수도 있다.

용융 기질 금속이 충전 물질 또는 예비성형체내로 용침하는데 요구되는 최소 마그네슘 함량은 처리 온도, 시간, 실리콘, 도는 아연과 같은 추가 합금 원소의 존재 여부, 충전 물질의 특성, 기질 금속 분말의 특성, 자발 용침 시스템을 구성하는 하나 이상의 성분내의 마그네슘의 위치, 용침 분위기내의 질소의 함량 및 질소 분위기의 유동 속도 등과 같은 하나 이상의 변수에 따라 달라진다. 합금 및/또는 예비성형체내의 마그네슘 함량이 증가함에 따라 보다 낮은 온도 또는 보다 짧은 가열시간을 사용하여 완전한 용침을 달성할 수도 있다. 또한, 마그네슘의 함량이 일정한 경우, 아연과 같은 추가의 합금 원소를 첨가해 주면 보다 낮은 온도를 사용하여 용침을 달성할 수도 있다. 예를 들면, 기질 금속내의 마그네슘의 함량이 낮은 경우, 예컨대 약 1 내지 3중량%인 경우에는, 전술한 최소 처리 온도, 높은 질소 농도, 또는 하나 이상의 추가 합금 원소와 같은 인자중 적어도 하나의 인자와 함께 사용할 수 있다. 예비성형체에 마그네슘을 전혀 첨가하지 않은 경우, 약 3 내지 5중량%의 마그네슘을 함유한 합금을 사용하는 것이 광범위한 처리 조건에서 일반적으로 적용할 수 있다는 점에서 바람직하며, 보다 낮은 온도 및 보다 짧은 시간을 채용한 경우에는 약 5%이상의 마그네슘을 함유한 합금을 사용하는 것이 바람직하다. 용침에 필요한 온도 조건을 조절하기 위해서는 약 10중량%(알루미늄 합금의 중량을 기준으로 함) 이상의 마그네슘을 사용할 수도 있다. 추가의 합금 원소와 함께 사용하는 경우에는 마그네슘의 함량을 줄일 수도 있으나, 이들 추가의 합금 원소는 단지 보조적인 기능만을 할 뿐이며, 또한 이들 추가의 합금 원소는 적어도 전술한 최소량의 마그네슘과 함께 사용된다. 예를들면, 10%의 실리콘이 합금된 공칭 순수한 알루미늄은 1000℃의 온도하에서 500메쉬의 39크리스톨론(Crystolon)(Norton Co. 에서 시판하는 99% 순도의 실리콘 카바이드)으로 구성된 층(bedding)내로 거의 용침되지 않으나, 마그네슘이 존재하면 실리콘이 용침 반응을 촉진시킨다는 사실이 밝혀졌다. 또 하나의 예를 들어, 마그네슘을 예비성형체 또는 충전 물질에만 첨가하면 마그네슘의 양이 변화하게 된다. 첨가된 총 마그네슘을 첨가시켜도 자발 용침 반응이 일어난다는 사실이 밝혀졌다. 완성된 금속 기질 복합체내에 원하지 않은 금속간 화합물이 생성되는 것을 방지하기 위해서는 보다 적은 양의 마그네슘을 사용하는 것이 바람직하다. 약 1중량% 이상의 마그네슘을 함유한 실리콘 카바이드로 된 예비성형체의 경우, 거의 순수한 질소 분위기하에서 이 예비성형체를 알루미늄 기질 금속에 접촉시키면 이 기질 금속이 예비성형체내로 자발적으로 용침된다는 것이 밝혀졌다. 알루미나로 된 예비성형체의 경우, 자발 용침을 일으키는데 요구되는 마그네슘의 양은 다소 많아진다. 특히, 알루미늄 기질 금속의 실리콘 카바이드 예비성형체내로의 용침시와 동일한 온도와 동일한 질소 분위기하에서 알루미나 예비성형체를 유사한 알루미늄 기질 금속에 접촉시키는 경우, 바로 위에서 설명한 실리콘 카바이드 예비성형체내로의 알루미늄 기질 금속의 용침과 유사한 용침 정도를 달성하는데 약 3중량% 이상의 마그네슘이 필요함이 밝혀졌다.

또한, 기질 금속이 예비성형체 또는 충전 물질내로 용침하기 전에 합금의 표면, 및/또는 예비성형체 또는 충전 물질의 표면, 및/또는 예비성형체 또는 충전 물질의 내부에, 및/또는 기질 금속 분말 표면상 또는 표면내의 용침 촉진제 선행물질 및/또는 용침 촉진제를 자발 용침 시스템에 첨가하는 것도 가능하다(다시 말해서, 공급된 용침 촉진제 또는 용침 촉진제 선행물질을 기질 금속에 합금시킬 필요없이, 단순히 자발 용침 시스템에 첨가시켜도 된다). 기질 금속의 표면상에 마그네슘을 첨가하는 경우 기질 금속의 표면은 투과성 충전 물질체에 가장 인잡한 표면, 바람직하게는 충전 물질체와 접촉한 표면이 되어야 하거나; 또는, 예비성형체의 표면에 마그네슘을 적용하는 방법, 예비성형체에 마그네슘을 합금시키는 방법 및 예비성형체의 적어도 일부내로 마그네슘을 첨가하는 방법등을 조합한 마그네슘 첨가 방법도 사용할 수 있다. 용침 촉진제(들) 및/또는 용침 촉진제 선행물질(들)을 첨가하기 위한 상기와 같이 조합된 방법에 의하면 예비성형체내로의 기질 알루미늄 금속의 용침을 촉진시키는데 요구되는 총 마그네슘의 함량(중량%)이 감소되며, 또한 보다 낮은 온도에서 용침 반응이 일어난다. 또한, 마그네슘의 존재에 기인되어 생성되는 바람직하지 않은 금속간 화합물의 양도 최소화 될 수 있다.

하나 이상의 추가의 합금 원소 및 주위 기체내의 질소의 농도 또한 주어진 온도하에서 기질 금속의 질화의 정도에 영향을 준다. 예를들면, 아연 또는 철과 같은 추가의 합금 원소를 합금내에 포함시키거나 합금의 표면상에 첨가하므로써 용침 온도를 감소시킬 수 있고, 이에 의해 질화물의 생성량이 감소된다. 이에 반해 주위 기체내의 질소의 농도를 증가시켜 질화물의 생성을 촉진시킬 수 있다.

합금내의 마그네슘의 농도, 및/또는 합금의 표면상에 첨가한 마그네슘의 농도, 및/또는 예비성형체 또는 충전 물질내에 혼합시킨 마그네슘의 농도 역시 주어진 온도하에서 용침의 정도에 영향을 준다. 따라서, 마그네슘이 예비성형체(또는 충전 물질)와 직접적으로 거의 또는 전혀 접촉하지 않는 경우, 합금내의 마그네슘의 농도는 약 3중량% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 만일 마그네슘의 농도가 3중량% 이하(예를 들어, 1중량%)이면 용침을 달성하는데 보다 높은 처리 온도 또는 추가의 합금 원소가 필요해진다. 본 발명의 자발 용침 반응을 일으키는데 요구되는 온도는 (1) 합금내의 마그네슘 함량이 예를 들어, 약 5중량% 이상까지 증가하는 경우; 및/또는 (2) 합금 성분을 투과성 예비성형체 또는 충전 물질체와 혼합한 경우; 및/또는 (3) 알루미늄 합금내에 아연 또는 철과 같은 다른 원소가 존재하는 경우 낮아질 수 있다. 또한, 충전 물질의 종류가 달라지면 자발 용침 반응 온도가 달라진다. 일반적으로 약 675℃ 이상의 온도, 바람직하게는 약 750 내지 800℃ 이상의 온도에서 자발적이고도 점진적인 용침 반응이 일어난다. 온도가 일반적으로 1200℃를 초과하면 용침 반응에 불리하게 작용하며, 특히 유용한 용침 반응의 온도 범위는 약 675℃ 내지 약 1200℃의 범위로 밝혀졌다. 그러나, 일반적으로 자발 용침 온도는 기질 금속의 융점 이상의 온도 내지 기화 온도 이하의 온도 범위이며, 또한, 충전 물질의 융점이하의 온도로 해야 한다. 온도가 높아짐에 따라 기질 금속과 용침 분위기 사이에서 반응 생성물이 생성되는 경향이 증가한다(예를들면, 기질 금속으로서 알루미늄을 사용하고, 용침 분위기로서 질소를 사용하는 경우, 질화 알루미늄이 생성된다). 이와 같은 반응 생성물은 제조된 금속 기질 복합체의 사용 목적에 따라 바람직한 경우도 있고 바람직하지 않은 경우도 있다.

예를 들어, 본 발명의 방법에서는, 투과성이 있는 예비성형체 또는 충전 물질을 적어도 제조 공정중의 몇몇 단계에서 질소 함유 기체의 존재하에서 용융 알루미늄과 접촉시킨다. 질소 함유 기체는 충전 물질 또는 예비성형체 및/또는 용융 알루미늄 기질 금속중 적어도 어느 하나와 기체의 연속류를 계속해서 접촉시킴으로써 공급한다. 질소 함유 기체의 유속이 비록 결정적인 사항은 아니지만, 합금 기질내에서 질화물의 생성에 기인하는, 상기 분위기로부터의 질소의 손실량을 보상할 수 있을 정도의 충분한 유속 및 용융 금속을 산화시키는 공기의 혼입을 방해할 수 있을 정도의 충분한 유속으로 공급해 주어야 한다. 또한 전기 저항 가열 방식을 사용하여 용침 온도를 얻는다. 그러나 기질 금속을 융해시킬 수 있고, 자발 용침에 역영향을 주지 않는한 어떠한 가열 방식을 사용해도 무방하다.

본 발명의 금속 기질 복합체의 제조 방법은 여러 가지 종류의 충전 물질에 적용할 수 있으며, 충전 물질은 기질 합금, 처리 조건, 용융 기질 합금과 충전 물질의 반응성, 목적하는 최종 복합체의 특성 등과 같은 여러 가지 인자에 따라 다양하게 선택할 수 있다. 예를들면, 알루미늄이 기질 금속인 경우의 적절한 충전물질로는 (a) 산화물(예, 알루미나); (b) 탄화물(예, 실리콘 카바이드); (c) 붕소화물(예, 십이붕소화 알루미늄); 및 (d) 질화물(예, 질화 알루미늄)등을 들 수 있다. 충전 물질이 용융 알루미늄 기질 금속과 반응하는 경향이 있는 경우에는 용침 시간 및 용침 온도를 최소화하거나 충전 물질위에 비반응성 코팅을 가함으로써 위의 반응을 조절할 수 있다. 충전 물질로는 탄소 또는 기타 비세라믹 물질과 같은 기질위에 세라믹 코팅을 하여 기질이 침식 또는 열화되지 않도록 한 충전 물질이 포함된다. 적절한 세라믹 코팅 물질로서는 산화물, 탄화물, 붕소화물 및 질화물이 포함된다. 본 발명의 제조 방법에 적합한 세라믹에는 입자 형태, 혈소판 형태, 휘스커 형태 및 섬유 형태의 알루미나 및 실리콘 카바이드가 포함된다. 섬유 형태의 세라믹은 짧게 자른 불연속 형태로 하거나 다중필라멘트와 같은 연속 형태일 수 있다. 또한, 세라믹체 또는 예비성형체는 균질성이거나 또는 비균질성일 수 있다.

어떤 종류의 충전 물질은 화학 조성이 유사한 다른 충전 물질에 비해 증강된 용침 반응성을 나타내는 것으로 밝혀진바 있다. 예를들면, 1987년 12월 15일자로 허여된 마크 에스. 뉴커크 등의 명의의 신규 세라믹 재료 및 이를 제조하는 방법이라는 명칭의 미합중국 특허 제4,713,360호에 기재되어 있는 방법에 의해 제조된 분쇄 알루미나 체는 시판되는 알루미나 제품에 비해 바람직한 용침 특성을 나타낸다. 또한, 마크 에스, 뉴커크등의 명의로 복합 세라믹 제품 및 이를 제조하는 방법이라는 명칭하에 동시계류중이고 본 출원인에 의해 출원인 제819,397호에 기술된 방법에 의해 제조된 분쇄 알루미나 체는 시판되는 알루미나 제품에 비해 바람직한 용침 특성을 나타낸다. 상기 허여된 특허와 동시계류중인 특허 출원 각각의 주제는 본원에 명백히 포함된다. 따라서, 상기 허여된 특허 및 동시계류중인 특허 출원의 방법에 의해 제조된 분쇄되거나 미분된 알루미나 체를 사용하면 보다 낮은 용침 온도 및/또는 보다 낮은 용침 시간에서 용침이 완료될 수 있다.

충전 물질의 치수 및 형태에 따라 완성된 복합체의 특성이 달라질 수 있다. 따라서, 용침 반응이 충전물질의 형태에 의해 제한을 받는 것은 아니므로 충전 물질은 입자 형태, 휘스커 형태, 혈소판 형태 또는 섬유 형태 등의 형태를 취할 수 있으며, 이밖에도 구 형태, 세관(tubule) 형태, 펠리트 형태, 내화 섬유의 직물 형태 등도 사용할 수 있다. 또한, 입자가 큰 충전 물질로 된 충전 물질체에 비해 입자가 작은 충전 물질로 된 충전 물질체가 그 용침의 완료에 더 높은 온도가 긴 시간이 필요하지만, 그 충전 물질의 치수가 용침을 제한하지는 않는다. 또한, 용침될 충전 물질체(예비성형체로 성형한 것)는 용융 기질 금속과 용침 분위기에 대해 투과성이어야만 한다.

용융 기질 금속을 예비성형체 또는 충전 물질체내에 용침시킴에 있어서 압력을 사용하지 않는 본 발명의 금속 기질 복합체 제조 방법에 의하면 충전 물질의 부피 분율이 높고, 다공성이 낮은 거의 균일한 금속 기질 복합체를 제조할 수 있다. 다공성이 낮은 초기 충전 물질체를 사용하면 충전 물질의 부피 분율이 높은 복합체를 얻을 수 있으며, 또한, 용융 합금에 의한 용침이 방해되지 않을 정도로 충전 물질체를 충분히 치밀한 구조로 또는 밀접한 셀 다공성을 지닌 성형체로 전환시키지 않는다는 조건하에 충전재를 압축 성형 또는 치밀화시킴으로써 충전 물질의 부피 분율이 높은 복합체를 얻을 수 있다. 본 발명에 의해서 저 부피분율의 충전 물질을 또한 제조할 수 있고, 따라서 총 범위가 1 내지 75% 또는 그 이상인 부피 분율을 수득할 수 있다.

세라믹 충전제 주위로 알루미늄의 용침 및 기질의 형성에 있어서, 알루미늄 기질 금속에 의한 세라믹 충전재의 습윤화는 용침기작(infiltration mechanism)의 중요한 부분이다. 더우기, 낮은 처리 온도에서 무시할 수 있을 정도이거나 또는 최소량의 질화 금속은 금속 기질내에 분산된 최소량의 질화 알루미늄 불연속상을 산출시킨다. 그러나, 용침 온도 범위의 상한선까지 온도가 높아지면 금속의 질화가 더 용이하게 발생하게 된다. 따라서, 용침이 발생하는 용침 온도를 변화시켜 주면 금속 기질내의 질하물상의 양을 조절할 수 있다. 또한, 질화물이 더욱 현저히 생성되는 특정의 처리 온도는 사용한 기질 알루미늄 합금, 충전재 도는 예비성형체의 부피에 대한 기질 알루미늄 합금의 양, 용침될 충전 물질, 사용되는 기질 금속 분말, 및 이것의 충전재 또는 예비성형체의 부피에 대한 상대적인 양 및 용침 분위기내의 질소의 농도 등과 같은 인자에 따라 달라진다. 예를 들면, 주어진 처리 온도하에서 충전재에 대한 알루미늄 합금의 습윤화 능력이 감소할수록, 용침 분위기중의 질소 농도가 증가할수록 알루미늄 질화물의 생성 정도는 증가한다고 생각된다.

그러므로 복합체의 생성중에 금속 기질의 구성 상태를 조절해 줌으로써 완성된 복합체에 원하는 특성을 부여할 수 있게 된다. 하나의 주어진 시스템에 있어서, 질화물의 생성을 제어하도록 처리 조건을 선택할 수 있다. 질화 알루미늄상을 함유한 복합체는 그 제품의 성능을 증진시키거나, 바람직한 특성을 나타낼 수 있다. 또한, 알루미늄 합금의 자발 용침을 위한 온도 범위는 사용한 세라믹 물질에 따라 달라진다. 충전 물질로서 알루미나를 사용한 경우, 상당한 질화물의 생성에 기인된 기질 금속의 연성의 감소를 방지하려면 용침 온도가 약 1000℃를 초과해서는 안된다. 그러나, 연성은 약하지만 강성(stiffness)이 우수한 기질을 가진 복합체를 제조하고자 하는 경우에는 1000℃를 초과하는 용침 온도를 사용할 수 있다. 충전 물질로서 실리콘 카바이드를 사용하는 경우에는 약 1200℃의 고온을 사용할 수 있는데, 이는 충전 물질로서 알루미나를 사용한 경우보다는 실리콘 카바이드를 사용한 경우가 알루미늄 합금의 질화 정도가 적기 때문이다.

또한, 충전 물질에 대한 용침 반응의 완료 및/또는 제1기질 금속과 다른 조성의 제2기질 금속의 공급을 위해 기질 금속 공급원(reservoir)을 사용할 수 있다. 특히, 어떤 경우에는 제1기질 금속과 그 조성이 다른 공급원중의 기질 금속을 사용하는 것이 바람직할때도 있다. 예를 들면, 알루미늄 합금을 제1기질 금속으로서 사용한 경우, 처리 온도에서 용융 상태인 사실상 다른 금속 또는 다른 합금을 공급원 금속으로서 사용할 수 있다. 일반적으로 용융 금속은 서로 혼화성이 커서 적절한 시간 동안 방치해 주면 서로 혼합되는 성질이 있으므로 제1기질 금속과 공급원 금속이 혼합하게 된다. 따라서, 제1기질 금속과 그 조성이 다른 공급원 금속을 사용하면 여러가지 사용 목적에 부합되는 특성을 가진 금속 기질을 얻을 수 있고, 따라서 완성된 금속 기질 복합체의 특성도 조절할 수 있다.

본 발명에서는 차단 수신(barrier means)을 사용할 수 있다. 특히, 본 발명에서 사용하는 차단 수단은 용융 기질 합금(예, 알루미늄 합금)이 충전 물질의 소정의 경계면을 초과하여 유동하는 것을 방지할 수 있는 것이라면 어떠한 수단도 가능하다. 적절한 차단 수단으로서는 본 발명의 처리 조건하에서 그 형태를 유지할 수 있고, 휘발하지 않으며, 바람직하게는 처리에 사용된 기체가 투과할 수 있으며, 뿐만 아니라 세라믹 충전 물질의 소정의 표면 경계를 초과하는 지속된 용침 또는 임의의 다른 유동을 국소적으로 방지할 수 있는 임의의 물질, 화합물, 원소, 조성물 등을 들 수 있다.

적절한 차단 수단에는 사용된 처리 조건하에서 유동하는 용융 기절 합금에 의해 거의 습윤화되지 않는 물질이 포함된다. 이러한 종류의 차단 수단은 용융 기질 금속에 대한 친화력이 거의 없거나 전혀 없으므로 충전 물질 또는 예비성형체의 소정의 표면 경계면을 초과하는 유동을 차단하게 된다. 또한, 차단 수단을 사용하면 금속 기질 복합체에 요구되는 최종 기계 가공이나 연마 가공의 필요성을 감소시킬 수 있다. 전술한 바와 같이, 기체가 용융 기질 합금에 접촉할 수 있도록 차단 수단은 투과성 또는 다공성이거나, 천공에 의해 투과성이 부여되는 것이 바람직하다.

특히, 알루미늄 기질 합금에 대해 유용한 차단 수단은 탄소를 함유한 차단 수단이며, 특히 탄소의 동소체인 흑연을 함유한 차단 수단이다. 흑연은 상술한 처리 조건하에서 용융 알루미늄 합금에 의해 습윤화되지 않는다. 특히 바람직한 흑연으로서는 유니온 카바이드사의 상표명 Grafoil

로 시판되는 흑연 테이프를 들 수 있다. 이 흑연 테이프는 용융 알루미늄 합금이 충전 물질의 소정의 표면 경계면을 초과하여 유동하는 것을 방지해주는 밀봉 특성을 발휘한다. 이 흑연 테이프는 또한 내열성이 우수하며, 화학적으로 불활성이다. 또한 이 Grafoil

흑연 테이프는 가요성, 화합성, 정합성 및 탄성이 있으므로 임의의 다양한 형상으로의 성형이 가능하다. 그러나, 슬러리 또는 페이스트 형태의 흑연 차단 수단을 사용할 수도 있으며, 경우에 따라서는 충전 물질 또는 예비성형체의 주위 및 경계면의 착색 필름으로서 사용될 수도 있다. Grafoil

흑연 테이프를 사용하는 것이 바람직한 이유는 이것이 가요성의 흑연 시트(sheet)형으로서 충전 물질 또는 예비성형체의 주위에 쉽게 형성될 수 있기 때문이다.

질소 분위기하에서의 알루미늄 기질 합금에 대해 바람직한 그밖의 차단 수단(들)에는 전이 금속 붕소화물(예, 이붕소화 티타늄(TiB₂))이 있는데, 이 물질은 사용한 처리 조건하에서 용융 알루미늄 합금에 의해 습윤화되지 않는다. 그러나 이러한 종류의 차단 수단을 사용하는 경우, 처리 온도가 약 875℃를 초과해서는 안되며, 만일 이 온도를 초과하면 차단 수단의 기능이 떨어지며, 온도가 상승함에 따라 차단 수단내로의 용침도 발생하게 된다. 상기 전이 금속 붕소화물은 전형적으로 입자 형태(1-30미크론)이며, 이는 바람직하게는 예비성형체로 예비성형된 투과성 세라믹 충전 물질체(또는 예비성형체)의 경계면에 슬러리 또는 페이스트 상태로 도포할 수 있다.

질소 분위기하에서의 알루미늄 기질 합금에 대해 유용한 그밖의 차단체에는 충전 물질 또는 예비성형체의 외면상에 박막 또는 층상으로 도장되는 휘발성이 낮은 유기 화합물이 포함된다. 질소 분위기하에서, 특히 본 발명의 처리 조건하에서 가열되면, 이 유기 화합물은 분해되어 탄소 박막이 남는다. 상기 유기 화합물은 페인팅법, 분무법, 침지법(dipping)등과 같은 종래의 기술을 이용하여 도포할 수 있다. 또한, 미세하게 분쇄한 미립자 물질도 충전 물질보다 용침이 느리게 일어난다면 차단 수단으로 사용할 수 있다.

차단 수단은 소정의표면 경계면을 차단 스단층(layer)으로 도포하는 등의 임의의 적절한 방법으로 도포할 수 있으며, 페인팅법, 침지법, 실크스크린법, 증착법, 액상 도포법, 슬러리 도포법, 페이스트 도포법, 기화성 있는 차단 수단의 스퍼터링법, 고체 입자 형태의 차단층의 용착법, 고체 박막 시트 또는 필름의 차단 수단을 소정의 표면 경계면에 도장하는 방법으로 도포할 수 있다. 이와 같은 차단 수단을 도포한 경우, 용침기질 금속 분위기가 소정의 경계면에 도장하는 방법으로 도포할 수 있다. 이와 같은 차단 수단을 도포한 경우, 용침기질 금속 분위기가 소정의 경계면에 도달하여 이 차단 수단에 접촉하면 자발 용침은 실질적으로 중지된다.

본 발명의 다양한 예증이 하기 실시예에 제공된다. 그러나, 이 실시예는 예시용으로서 첨부되는 특허청구의 범위에 기술된 본 발명의 영역을 제한하는 것으로서 추론되어서는 안된다.

실시예 1-4

실시예는 예비성형체로 형성된 충전 물질을 기질 금속 분말의 가변적인 양과 혼합함으로써, 가변적이고 조절 가능한 세라믹 입자 적하량을 가지는 기질 금속 복합체의 형성을 설명한다. 이하의 각 실시예에서(표(1)에 요약된 것처럼), 자발 용침이 수행되고 기질 금속 분말을 첨가(실시예 2-4)함으로써 형성된 체는 입자 적하량의 차이를 제외하고는 기질 금속 분말 없이(실시예 1) 충전 물질로 자발 용침된 체와 유사한 구조 및 외관을 나타냈다.

제1도는 실시예 1-4에 대하여 사용된 조립체(10)의 개략도이다.

예비성형체(1)를 각 실시예 1-4에 대하여 먼저 제조하였다. 실시예 1에서, 예비성형체는 100% 220그리트 알루미나(노튼 컴패니(Norton Company) 제품의 220그리트 38 Alindum)으로 구성되었다. 실시예 2-4에서, 예비성형체는 동일한 220그리트 알루미나 및 약 10중량% 실리콘, 3중량% 마그네슘과 나머지가 알루미늄(Al-10Si-3Mg)의 조성을 가지고 통상적인 분말화 기술로써 약 200메쉬로 분말화된 알루미늄 합금 분말의 혼합물로 구성되었다. 알루미나와 알루미늄 합금의 상대적인 중량%는 실시예 2-4에서 가변적이며, 표(1)에 수록하였다.

실시예 2-4에서 알루미나와 알루미늄 합금을 건조 혼합한 다음, 다른 결합제의 첨가없이 경성 강철 다이에서 약 5인치 두께의 1인치×2인치 장방형으로 약 10psi에서 압연시켰다. 상기 알루미늄 합금은 충분히 연질이어서 충전재를 예비성형된 형태에 결합시킬 수 있었다. 유사한 장방형 알루미나를 압연하여 실시예 1의 예비성형체를 형성하였다.

실시예 1-4의 예비성형된 장방형체를 용침시에 차단체로서 역할하는 550그리트 알루미나(노튼 컴패니 제품의 500그리트 38 Alundum)의 층(2)에 배치하였다. 상기 층은 내화 보트(3)(Bolt Technical Ceramics, BTS-Al-99.7% Alumina Sagger 10mm L, 45mm W 19mm H)에 내장되어 있다. 실험용으로서 더 효과적인 차단체를 공급할 필요는 없다. 그러나, 막상 형태 또는 망상 유사 형태는 상술한 유형의 더욱 효과적인 차단체 수단(예, Grafoil

테이프)으로써 수득될 수도 있다.

상기 장방형 예비성형체(1)와 유사한 크기의 알루미늄 합금(Al-10Si-3Mg)의 잉곳(4)을 각 예비성형체 디스크(1)의 정상부에 위치시켰다.

상기 조합체(10)를 밀봉된 3인치의 전기 저항성 튜브 노에 위치시켰다. 형성 가스(90부피% 질소-4부피% 수소)를 약 250cc/분의 유속으로 상기 노를 통해 유동시켰다. 상기 노의 온도를 시간당 약 150℃에서 약 825℃까지 상승시키고 약 825℃에서 약 5시간 유지시켰다. 다음, 상기 노의 온도를 시간당 200℃로 강하시키고 샘플을 분리해낸 뒤, 부품을 장착하고 세정하였다.

실시예 1-4의 샘플의 현미경 사진을 제2-5도에 나타내었다. 형상 분석도 수행하여 각 실시예에 대하여 기질 금속에 대한 세라믹 입자의 면적%를 결정하고, 표(1)에 수록하였다.

표(1)에 기재되고 제2-5도에서 예시된 바와 같이, 자발 용침은 각 샘플에서 수행되었고 입자 적하량은 예비성형체내의 기질 금속 분말의 양에 비하여 감소한다는 것을 발견하였다.

[표 1]

Claims

기질 금속 분말과 거의 비반응성인 충진재를 혼합하여 투과성 채(mass)를 형성하는 단계, 및 상기 투과성 체의 적어도 일부분에 용융 기질 금속을 자발 용침시키는 단계를 포함하며, 여기에서 기질 금속 분말과 용융 기질 금속은 상이한 금속으로 구성되거나 거의 동일한 금속으로 구성된 것인 금속 기질 복합체를 제조하는 방법.
제1항에 있어서, 적어도 일부의 용침 과정중에 투과성 체와 용융 기질 금속중 하나 이상과 상호 작용하는 용침 분위기를 제공하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
제2항에 있어서, 용침 촉진제 선행물질과 용침 촉진제중 하나 이상을 용융 기질 금속, 기질 금속 분말, 충전재 및 용침 분위기중 하나 이상에 공급되는 단계를 추가로 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 투과성 체가 예비성형체를 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 기질 금속이 차단체까지 자발 용침되는 충전재의 표면 경계를 상기 차단체로써 한정하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 기질 금속 분말과 충전재가 거의 균일하게 혼합되어 투과성 체를 형성하고, 상기 투과성 체가 1 내지 75부피%의 기질 금속 분말을 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 충전재에 대한 기질 금속 분말의 비율이 투과성 체내에서 가변적이고, 그 결과, 가변적인 입자 적하량을 가지는 금속 기질 복합체가 산출되는 방법.