KR0134959B1 - 제2물체에 제1세라믹 복합체를 접합시켜 자체 지지체를 제조하는 방법 - Google Patents

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Description

제2물체에 제1세라믹 복합체를 접합시켜 자체 지지체를 제조하는 방법

본 발명은 일반적으로 복합체를 제조하는 새로운 방법에 관한 것이다. 특히 본 발명은 탄화붕소와 임의의 하나 이상의 불활성 충전재를 함유하는 층속으로 용융 모금속을 반응용침시키고 잔류의 또는 과다한 모금속을, 형성된 자체 지지체에 접합시켜 붕소화물 또는 탄화물과 붕소화물과 같은 하나 이상의 붕소함유 화합물로 구성되는 자체 지지체를 제조하는 방법에 관한 것이다. 이때 잔류의 또는 과다한 금속은 형성된 복합체와 다른 물체(예를 들어 금속 또는 세라믹체) 사이를 접합시키는 데 사용될 수 있다.

최근, 구조물 분야에 금속대신 세라믹을 사용하고자 하는 경향이 높아지고 있다. 그 이유는 금속에 비해 세라믹이 내부식성, 경모, 내마모성, 탄성계수 및 내화성 등의 특성 면에서 우수하기 때문이다.

그러나, 구조물의 제조에 세라믹을 사용하고자 하는 경향이 높아지고 있다. 그 이유는 금속에 비해 세라믹이 내부식성, 경도, 내마모성, 탄성계수 및 내화성 등의 특성 면에서 우수하기 때문이다.

그러나, 구조물의 제조에 세라믹을 사용함에 있어 문제가 되는 것은 제조가능성과 제조비용이다. 예를 들면, 세라믹 붕소화물 체(ceramic boride body)는 고온프레스법, 반응소결법 및 반응 고온 프레스법으로 제조하게 되는데 고밀도의 붕소화물 함유 재료를 제조하기 위해서는 위에 열거한 방법에 비해 효과면 및 경제성 면에서 개선된 방법이 필요하였다.

또한, 구조적 용도면에서 세라믹 재료는 인성(즉, 내손상성 또는 파괴인성)이 매우 부족하므로 다소 중간 정도의 인장응력을 요구하는 용도들에 있어서 약간의 인장응력만 가해도 쉽게 그리고 급격하게 파괴된다는 문제점이 있다. 이러한 경향은 일체형 세라믹 붕소화물체의 경우에 특히 심하다.

위와 같은 문제점들을 해결하기 위한 한가지 방법은 서메트(cermet) 또는 금속기질 복합체와 같이 세라믹과 금속을 조합하여 사용하는 것이다. 즉, 세라믹의 우수한 특성(예, 경도 및/또는 강성)과 금속의 우수한 특성(예, 전성)의 조합을 얻는 것이다. 그런데도 붕소화물 화합물을 제조하는 서메트 분야에서는 위의 방법이 부분적으로 성공밖에 거두지 못했고, 여전히 더욱 효과적이고 경제성 있는 방법이 요구되었다.

미합중국 특허 출원 제073,533호(Process for Preparing Self-Supporting Bodies and Products Made Thereby라는 명칭하에 대니 알. 화이트, 마이클 케이. 아가자니안 및 티. 데니스 클라르의 명의로 1987년 7월 15일자로 출원됨)에는 위에서 설명한 바와 같은 붕소화물 함유 재료 제조시의 여러가지 문제점이 제시되어 있다.

위의 미합중국 특허 출원 제073,533호에서는 탄화붕소의 존재하에서 모금속 용침반응법(즉, 반응용침법)을 이용하여 자체 지지성 세라믹체를 제조한다. 즉, 용융 모금속을 탄화붕소층에 용침 및 반응시키면 이 탄화붕소층이 탄화붕소로 주로 구성되어 있어 하나 이상의 모금속 붕소 함유 화합물을 함유하는 자체지지성 세라믹체가 얻어진다. 위 붕소 함유 화합물에는 모금속 붕소화물 및/또는 모금속 탄화붕소 및 모금속 탄화물이 포함된다. 위 특허에서는 또한 용침될 탄화붕소체에 탄화 붕소와 혼합된 하나 이상의 불활성 충전재를 함유시킴에 의해, 생성된 복합체에는 모금속의 반응용침에 의해 생성된 기질이 함유된다. 이 기질에는 1종이상의 붕소함유 화합물이 포함되며, 또한 모금속 탄화물 및 불활성 충전재를 개재한 기질이 포함될 수도 있다. 위의 두가지 양태(즉, 충전재 함유 양태 또는 충전재 무함유 양태)에서 제조된 복합체에는 원래의 모금속의 1종 이상의 금속 성분이 잔류 금속으로서 존재한다.

위 미합중국 특허 출원 제073,533호에서 탄화붕소 함유체는 특정 온도하의 용기내에서 불활성 분위기하에서 용융된 용융금속체 또는 용융합금체에 인접 배치되거나 접촉 배치된다. 용융금속은 탄화붕소체내로 용침하여 탄화붕소와 반응함으로써 하나 이상의 반응 생성물을 형성한다. 탄화붕소는 용융 모금속에 의해 일부 이상이 환원될 수 있으며, 이 환원 반응에 의해 모금속 붕소 함유 화합물(예, 처리 온도하의 모금속 붕소화물 및/또는 붕소 화합물)을 생성한다. 전형적으로 모금속 탄화물이 또한 생성되며, 경우에 따라서는 모금속 탄화붕소도 생성된다. 반응 생성물의 적어도 일부분은 금속과 접촉 상태를 유지하며, 용융 금속은 모세관 현상에 의해 미반응 탄화붕소쪽으로 이동한다. 유동한 금속은 모금속, 붕소화물, 탄화물 및/또는 탄화붕소를 추가로 생성시키며, 이와 같은 반응은 모금속 또는 탄화붕소가 완전히 소모될때까지 또는 반응온도가 이 반응 온도 외부의 온도와 같아질 때까지 계속된다. 이 결과 제조된 복합체내에는 하나 이상의 모금속 붕소화물, 모금속 붕소 화합물, 모금속 탄화물, 금속(위 미국 출원 '533호에서와 같이 합금 및 금속 간 화합물도 포함함) 또는 기공, 또는 이들의 조합이 포함된다. 또한 이들 다수의 상들은 복합체 전체를 통해서 1차원 이상의 구조로 상호 연결되거나 연결되지 않은 상태로 존재한다. 최종적인 붕소 함유 화합물(즉, 붕소화물 및 붕소 화합물), 탄소함유 화합물, 빛 금속의 체적 비율과 상호연결 정도 등은 탄화붕소체의 초기밀도, 탄화붕소와 모금속의 상대적인 양, 모금속 합금, 충전재에 의한 탄화붕소의 희석정도, 온도 및 처리시간 등과 같은 처리조건 중 하나 이상의 처리조건을 변경함에 의해 조절할 수 있다. 탄화붕소가 모금속 붕소화물, 모금속 붕소화물 및 모금속 탄화물로 전환되는 비율은 약 50% 이상, 바람직하게는 약 90% 이상이다.

위 미합중국 특허 출원 제073,533호에서 사용한 전형적인 분위기는 처리조건에서 비교적 불활성이거나 비반응성인 분위기이다. 예를 들면, 아르곤 기체나 진공이 특히 적합하다. 또한, 모금속으로서 지르코늄을 사용하는 경우, 생성된 복합체는 이붕소화 지르코늄, 탄화 지르코늄 및 잔류 지르코늄 금속을 함유한다. 모금속으로서 알루미늄을 사용하는 경우, 생성물은 Al₃B₄₈C₂, AlB₁₂C₂및/또는 AlB₂₄B₄와 같은 알루미늄 붕소탄화물이며, 알루미늄 모금속 및 잔류 모금속의 미반응 미산화 성분을 포함한다. 기타 사용할 수 있는 모금속은 규소, 티타늄, 하프늄, 란타늄, 철, 칼슘, 바나늄, 니오븀, 마그네슘 및 베릴륨 등이다.

미합중국 특허 출원 제137,044호(이하, 044호 출원이라 약칭함, Process for Preparing Self-Supporting Bodies and Products Made Thereby라는 명칭하에 1987.12.23일자로 테리 데니스 클라르, 스티븐 마이클 메이슨, 케빈 피터 포초피엔 및 대니 레이 화이트 명의로 출원됨)는 위 533호 출원의 일부 계속 출원으로서, 이 출원에는 용융 모금속이 용침될 탄화붕소체에 탄소 제공물질(즉, 탄소함유 화합물)을 첨가하는 것이 바람직하고 기재되어 있다. 특히, 이 탄소제공 물질은 모금속과 반응하여 모금속-탄화물상을 생성하며, 이 모금속-탄화물상에 의해 이것이 이용되지 않은 복합체에 비해 복합체의 기계적 특성이 변화될 수 있다고 기재하고 있다.

따라서, 반응제의 농도 및 처리 조건을 변경시킴에 의해 복합체내의 세라믹 화합물, 금속 및/또는 기공도의 체적%를 다양하게 변경시킬 수 있다. 예를 들면, 탄화붕소체에 탄소제공 물질(예, 흑연 분말 또는 카본블랙)을 첨가함에 의해, 모금속-붕소화 물/모금속-탄화물의 비율을 조절할 수 있다. 구체적으로 설명하면, 모금속으로서 지르코늄을 사용한 경우 ZrB₂/ZrC비가 감소될 수 있다(즉, 탄화 붕소체내에 탄소제공물질을 첨가함에 의해 ZrC가 더 많이 생성될 수 있다).

위 044호 출원에는 또한 특정한 치수 및 특정한 형상의 다수의 구멍을 특정한 위치에 구비한 흑연주형을 사용하고 있는데 이 구멍은 모금속 반응용침 선단부(front)가 예비성형체내로 용침할 때 예비성형체 또는 충전물질내에 포획되어 있던 임의의 기체를 방출시키는 통기공 역할을 하는 것이다.

미합중국 특허 출원 제137,382호(이하, 382호 출원이라 약칭함; A Method of Modifying Ceramic Composite Bodies By a Carburization Process and Articles Made Thereby 명칭하에 1987. 12. 23일자로 테리 데니스 클라르 및 게르하르트 한스 시로키 명의하에 출원됨)에는 더욱 변화시킨 기술이 기재되어 있다. 이 382호 출원에 의하면 533호 출원의 기술에 의해 제조된 세라믹 복합체를 기체상의 탄화제에 노출시킴으로써 개질시킬 수 있다. 기체상 탄화제는 흑연층내에 복합체를 매립시키고, 제어된 분위기의 노내에서 흑연층이 적어도 일부를 수분 또는 산소와 반응시킴에 의해 제조할 수 있다. 그러나, 노 분위기는 아르곤과 같은 비반응성 기체를 주로 포함해야 한다. 아르곤내에 존재하는 불순물이 탄화제 생성용 O₂를 제공하는 것인지 또는 아르곤 기체가 흑연층 또는 복합체내에 존재하는 성분들의 휘발에 의해 생성된 불순물을 함유하는 단순한 담체로서 작용하는 것인지는 분명하지 않다. 또한, 기체상의 탄화제는 복합체의 가열중에 제어된 분위기의 노내로 직접 도입시킬 수 있다.

일단 기체상의 탄화제를 제어된 분위기하에 노내에 도입하면 입자간에 결합력이 없는 흑연분말내에 미립된 복합체 표면의 적어도 일부에 탄화제가 접촉할 수 있도록 복합체 제조용 조립체를 설계해야 한다. 탄화제내의 탄소 또는 흑연층내의 탄소는 상호 연결된 탄화지르코늄 상태로 용해되며, 용해된 탄소는 바람직하다면, 공공 확산반응에 의해 복합체내에 골고루 분산된다고 믿어진다. 또한, 382호에 출원에는 복합체의 탄화제에의 노출시간 및/또는 탄화반응 온도를 제어함에 의해 복합체의 표면상에 탄화층을 형성할 수 있다고 기재되어 있다. 이같은 방법에 의해 제조된 복합체의 표면은 경도 및 내마모성이 우수하며, 금속의 함량이 많으므로 파괴인성 또는 큰 복합체가 된다.

따라서, 약 5~30체적%의 잔류 모금속상을 가지는 복합체를 제조하는 경우, 후탄화처리에 의해 약 0~2체적%, 전형적으로 약 1/2~2체적%의 잔류 모금속상을 가지는 복합체로 개질시킬 수 있다.

상기 인용 문헌들은 본 출원인이 그 소유권을 갖고 있는 것으로, 본원에 인용 참고하였다.

본 발명은 상술한 종래 기술의 결점을 해소하기 위하여 개발되었다. 본 발명은 반응용침 기술(반응용침된 물체라고도 칭함)에 의하여 만들어진 복합체에 금속층을 접합시키는 방법을 제공한다. 즉 금속층은 세라믹체 또는 금속체 같은 제2물체에 접합될 수 있다. 이 제2물체는 유사한 기술 또는 완전히 다른 기술에 의하여 만들어진 다른 세라믹체이다. 게다가 제2물체는 반응용침된 물체에 접합된 금속과 유사하거나 다른 화학성분을 갖는 금속이 될 수 있다.

바람직한 제1양태에서, 용침될 탄화붕소체의 완전한 반응용침을 얻는데 필요한 모금속의 양을 초과하는 용융 모금속을 공급하여 접합을 얻는다. 따라서, 과다한 용융 모금속이 존재한다면 그 결과로서 만들어진 물체는 복합한 복합체가 될 것이며, 반응용침에 의하여 만들어진 물체는 과다한 모금속에 직접 접합될 것이다. 또한 반응용침된 물체는 금속기질 위의 내부 또는 외부표면으로서 형성되며 반응용침된 물체에 대한 금속의 상대 두께는 변화될 수 있다. 따라서 두꺼운 벽 또는 얇은 벽의 금속 및/또는 반응용침된 물체가 형성될 수 있다.

반응용침된 물체에 금속을 접합시키기 위한 바람직한 제2방법에 있어서, 예를 들어 미합중국 특허 출원 제073,533호의 기술에 따라 먼저 물체를 형성시킨다. 이런 반응용침된 물체는 반응용침 공정중에 모금속으로서 사용된 금속과 유사한, 때로는 아주 다른 금속에 대해 특별한 친화력을 갖는다. 형성된 물체에 대한 이런 금속의 친화력 때문에 금속은 용융되어 적어도 반응용침된 물체의 표면과 접촉되므로 금속과 반응용침된 물체 사이를 직접 접합시킨다. 바람직한 제2양태에서, 금속이 다른 세라믹체 또는 다른 금속체에 접합된 마크로복합체가 만들어질 수 있다.

따라서, 본 발명은 마크로복합체(유사하거나 다른 성분의 2개 물체를 접합한 것)를 만드는 방법을 제공한다.

본 발명에 따라서, 용융 모금속을 탄화붕소에 반응용침하여 모금속과 탄화붕소의 반응 생성물로 구성된 다결정 세라믹 함유체를 만들어 자체 지지체가 제조될 수 있으며, 또한 이 지지체는 하나 이상의 모금속 성분을 가질 수 있다. 제조 공정중에 보통 고체인 탄화붕소는 미세한 입자이거나 분말 형태인 것이 바람직하다. 제조 공정의 환경이나 분위기는 비교적 불활성이거나 비반응성이 되도록 선택한다. 예를 들어 아르곤 또는 진공이 적절한 제조 공정 분위기가 될 것이다. 그 결과로서의 제품은 하나 이상의 (a) 모금속 붕소화물, (b)붕소화합물, (c) 모금속 탄화물, (d) 금속으로 구성된다. 제품중의 성분과 비율은 모금속과 반응 조건의 선택과 성분에 크게 의존한다. 또한, 자체 지지체는 기공을 갖도록 제조될 수도 있다.

본 발명의 바람직한 양태에 있어서, 탄화붕소로 구성된 층과 모금속은 서로 인접하여 층속으로 반응용침이 진행될 것이다. 소정의 형상을 갖는 층은 보강충전재 같은 충전재를 가질 수 있으며, 이 충전재는 제조 공정 조건에서 실질적으로 불활성인 것이다. 반응 생성물은 층을 교란시키거나 이동시키지 않고 층속으로 성장할 수 있다. 따라서, 층의 배열을 손상시키거나 방해하는 외부의 힘이 필요하지 않고 부적절한 높은 고용의 고온, 고압공정 및 시설이 반응제품을 만드는데 필요하지 않다. 입자 또는 분말 형태가 적당한 탄화붕소속으로의 모금속의 반응용침은 보통 모금속 붕소화물과 모금속 붕소 화합물로 구성된 복합체를 형성한다. 모금속으로서의 알루미늄을 사용하면, 제품은 알루미늄 붕소 탄화물(예를 들어, Al₃B₄₈C₂AlB₁₂C₂, AlB₂₄C₄)로 구성되며, 또한 알루미늄과 다른, 미반응되거나 또는 미산화된 모금속의 성분을 포함할 수 있다. 만일 지르코늄이 모금속이라면 그 결과로서 만들어진 복합체는 붕소화 지르코늄과 탄화 지르코늄으로 구성된다. 또한 지르코늄 금속이 복합체속에 존재할 수 있다. 다른 방법으로, 만일 티타늄/지르코늄 합금이 모금속으로서 사용된다면 그 결과로서 만들어진 복합체는 붕소화 티타늄, 탄화 티타늄, 붕소화 지르코늄 및 탄화 지르코늄으로 구성된다. 또한 약간의 티타늄/지르코늄 합금이 잔류의 또는 반응되지 않은 모금속으로서 복합체내에 존재할 수도 있다.

본 발명은 앞으로 모금속이 지르코늄 또는 알루미늄으로 구성되는 바람직한 특정 양태를 참고로 하여 설명하겠지만 이것은 이해를 돕기 위한 것 뿐이다. 규소, 티타늄, 하프늄, 란타늄, 철, 칼슘, 바나듐, 니오븀, 마그네슘, 크롬, 베릴륨 및 티타늄/지르코늄 합금같은 다른 모금속도 사용될 수 있으며, 몇가지 이런 모금속의 예가 앞으로 설명된다.

조작 온도 범위 또는 바람직한 온도는 모금속의 용융점 보다는 높지만 반응 생성물의 용융점 보다는 낮은 온도범위를 초과하지 않는 것으로 이해될 것이다. 이 온도범위는 모금속의 성분과 생산된 복합체내의 바람직한 상 같은 인자에 따라 크게 달라질 것이다. 용융금속은 탄화붕소와 접촉하여, 반응 생성물로서 모금속 붕소화물(예를 들어, 이붕소화 지르코늄)과 모금속 탄화물(예를 들어, 탄화 지르코늄)을 형성한다. 탄화붕소에 계속 노출시키면, 잔류 용융금속은 탄화붕소를 함유하는 층속으로 반응 생성물을 통하여 점차적으로 유인되므로 용융금속과 탄화붕소 사이의 계면에서 반응 생성물이 계속 형성된다. 이 방법으로 만들어진 제품은 탄화붕소를 갖는 모금속의 반응 생성물(들)로 구성되거나, 하나 이상의 반응되지 않거나 산화되지 않은 모금속 성분을 추가로 포함하는 세라믹-금속 복합체로 구성될 수 있다. 탄화붕소의 대부분의 양은 반응하여 반응 생성물(들)을 만드는데 이 탄화붕소의 양은 약 50% 이상이며 가장 바람직하게는 약 90% 이상이다. 이 방법에 의하여 반응 생성물로서 형성된 세라믹 결정체는 서로 연결되거나 연결되지 않을 수 있으나, 3차원 형상으로 서로 연결되는 것이 바람직하며, 제품 속의 금속상과 기공은 적어도 일부가 서로 연결되는 것이 일반적이다. 부가의 반응 생성물의 형성을 위하여 모금속상의 일부 또는 거의 전부가 소모되어 기공이 생기지만(화학양론적 반응물 또는 과량의 탄화붕소가 존재하는 경우) 기공의 체적 %는 온도, 시간, 모금속의 종류, 탄화붕소층의 기공같은 인자에 따라 달라진다.

모금속으로서 지르코늄, 티타늄 및 하프늄을 사용하는 본 발명에 따라 만들어진 제품은 관상 구조를 특징으로 하는 모금속 붕소화물을 형성하는 것으로 발견되었다. 이 판상 구조물과 금속상은 적어도 많은 부분에서 나타나므로 균열의 편향 및/또는 풀-아웃 기작(pull-out mechanism)때문에, 약 12메가 파스칼 미터^1/2이상에 해당하는 매우 높은 복합체의 파괴인성을 갖는다.

본 발명의 다른 특징에 따라서, 반응 생성물의 기질과 임의의 금속성분으로 구성되고 실질적으로 불활성인 충전재를 개재한 복합체로 이루어진 자체 지지체가 제공된다. 이 기질은 탄화붕소와 충분히 혼합된 충전재층 속으로 모금속을 반응용침시켜 형성된다. 충전재는 소정의 크기 또는 형상을 가지며, 반응 생성물의 성장 방향이 충전재를 교란시키거나 이동시키지 않으면서 적어도 충전재의 일부쪽으로 향하는 한 모금속에 대하여 어떤 방식으로도 배향될 수 있다. 충전재는 세라믹 및/또는 금속섬유, 위스커, 입자, 분말, 봉, 와이어, 와이어 직물, 내와 직물, 판, 소판, 망상 발포 구조물, 속이찬 구 또는 중공구 등과 같은 적절한 재료로 구성된다. 특히 유용한 충전재는 알루미나지만, 사용된 재료와 바라는 최종 성질에 따라 다른 산화물과 세라믹 충전재가 사용될 수 있다. 충전재의 형태는 느슨하거나 접합된 배열을 가지며, 이 배열은 틈새, 구멍, 개재공간 등을 가지므로 충전재가 용융 모금속으로 용침하게 된다. 또한 충전제는 동종물질이나 이종물질이다. 원한다면 이들 충전재는 본 발명의 반응을 방해하지 않거나 최종 복합체 제품 사이에 바람직하지 못한 잔류 부산물을 남기지 않는 적절한 결합제(예를 들어, FMC Co.에서 제조되는 Avicil PH 105)와 접합될 수 있다. 제조중에 탄화붕소 또는 용융금속과 지나치게 반응하는 충전재는 제조공정 상테에서 충전재가 불활성이 되도록 피복될 수 있다. 예를 들어 탄소섬유가 알루미늄과 함께 충전재로서 사용된다면 모금속은 용융 알루미늄과 반응하지만 섬유가 예컨대, 알루미나로 일차 피복된다면 이 반응이 방지될 수 있다.

탄화붕소와 혼합된 충전재층과 모금속을 보유하는 적당한 내화용기를 적절하게 배향시켜 충전재층 속으로 모금속이 만응용침하게 하여 복합체가 로에서 적절하게 발달하게 하며, 이 충적물을 모금속의 용융점 이상의 온도가지 가열한다. 이런 고온에서 용융 모금속은 위킹 공정(wicking process)에 의하여 투과성 충전재에 용침하고 탄화붕소와 반응하므로 원하는 세라믹 또는 세라믹-금속 복합체를 만든다. 또한 최종 기계가공 및 마무리 조작을 줄이기 위하여 차단물질이 예비성형체를 둘러싸을 수 있다. 예를 들어 탄화붕소, 질화붕소, 붕소 및 탄소로 만들어진 예비성형체와 함께 사용될 때 지르코늄, 티타늄 또는 하프늄 같은 모금속의 차단물질로서 흑연주형을 사용하는 것이 특히 적합하다. 또한 상술한 흑연 주형속에 적당한 크기와 형태를 갖는 적정수의 관통구멍을 만들면 본 발명에 제조된 복합체내에서 보통 생기는 기공의 양이 감소된다. 전형적으로 다수의 구멍은 주형의 바닥부분이나 반응용침이 발생하는 쪽의 주형부분에 만들어진다. 이 구멍들은 모금속 반응용침의 선단부가 예비성형체에 용침할 때 예비성형체내에 붙잡힌 아르곤 가스를 제어하는 배기수단으로 작용한다.

본 발명에서 사용하기 위한 예비성형체는 충전재의 특징에 따라 광범위한 종래의 세라믹체 제조방법중 어느 한 방법(예컨대, 단일 방향 압축, 등압축, 슬립주조, 침전주조, 테이프주조, 사출성형, 섬유재료의 피라멘트 와인딩 등)에 의하여 만들어질 수 있다. 반응용침전에 충전재 입자, 위스커, 섬유 등의 초기 접합은 약한 소결에 의하여 얻을 수 있거나 제조공정을 방해하지 않고 완성된 물질에 바람직하지 못한 부산물을 만들지 않는 다양한 유기질 또는 무기질 접합재를 사용하여 얻을 수 있다. 예비성형체는 충분히 완전한 형상과 생강도를 갖도록 제조되며, 바람직하게는 5~90체적%, 보다 바람직하게는 25~75체적%의 기공도를 가져, 용융금속이 이동할 수 있도록 침투성을 가져야 한다. 알루미늄 모금속의 경우에는 14~1000메시 크기를 갖는 입자로서 적절한 충전재로는 예를 들어 탄화규소, 이붕소화 티타늄, 알루미나 및 12붕소화 알루미늄 등을 들 수 있지만, 다른 메시크기와 충전재료의 혼합물이 사용될 수도 있다. 그 다음 예비성형체는 한면 이상의 표면에서 용융 모금속과 충분한 시간 동안 접촉하여 기질을 예비성형체의 표면경계에 완전히 용침시킨다. 이 예비성형체 방법으로 인하여 최종 제품에서 원하는 정확한 형상의 세라믹-금속복합체가 얻어지므로 비용이 많이 드는 최종 기계가공 또는 그라인딩 조작을 최소화하거나 제거할 수 있다.

모금속에 의한 침투성 충전재의 용침은 충전재속에 존재하는 탄화붕소에 의해 촉진되는 것이 발견되었다. 소량의 붕소원이 효과적인 것으로 발견되었지만, 탄화붕소의 형태와 입자크기, 모금속의 형태, 충전재의 형태, 제조 공정 조건은 많은 인자에 따라서 최소량이 결정된다. 따라서, 여러가지 농도의 탄화붕소가 충전재속에 제공될 수 있지만, 탄화붕소의 농도가 짙을수록 기질속에서 금속의 체적%가 커진다. 매우 소량의 탄화붕소가 사용된다면, 즉 탄화붕소와 충전재의 총 중량에 대하여 1~3중량%가 사용된다면, 그 결과로서 생기는 기질은 서로 연결된 금속과 이 금속내에 분산된 한정된 양의 모금속 붕소화물 및 모금속 탄화물이 된다. 탄화붕소가 없다면, 충전재속으로 금속을 압박하도록 외부의 압력을 가하는 것 같은 특별한 공정없이 용침은 불가능하다.

본 발명에서 충전재내에 여러가지 농도의 탄화붕소가 사용될 수 있기 때문에 탄화붕소의 농도 및/또는 층의 성분을 변화시켜 최종 생성물의 성질을 조절하거나 변화시킬 수 있다. 모금속의 양에 비하여 소량의 탄화붕소가 존재할 때, 층은 저밀도의 탄화붕소로 구성되며, 따라서, 기질이 주로 금속으로 구성되기 때문에 복합체 또는 기질의 특성은 전성과 인성같은 모금속의 특성에 의하여 좌우된다. 이런 제품은 낮은 온도 또는 중간온도에서 사용되는 용도들에 바람직하다. 많은 양의 탄화붕소가 사용될때, 예를 들어 탄화붕소 입자를 갖는 화합물(들)이 충전재 둘레에 치밀하게 적층되거나 충전재의 성분들 사이에 많은 공간을 차지할 때, 그 결과로서 만들어지는 복합체 또는 기질의 성질은 모금속 붕소화물과 모금속 탄화물에 의하여 지배받아 복합체 또는 기질은 보다 단단해지나 전성 또는 인성이 작아진다. 모금속을 거의 완전히 전환시키기 위하여 화학양론을 주의 깊게 조절한다면 그 결과로서 만들어지는 제품은 금속을 거의 함유하지 않을 것이며 고온용도의 제품에 이로울 것이다. 또한, 모금속의 거의 완전한 전환은 일부 고온 용도면에서 특히 중요한데, 이것은 탄화붕소가 제품속에 존재하는 알루미늄 같은 잔류의 또는 산화되지 않은 금속과 반응한다는 점에서 탄화붕소보다 붕소화물인 반응제품이 보다 안정하기 때문이다.

원한다면, 탄소공급재(예, 탄소원자)가 탄화붕소층과 혼합되거나 탄화붕소와 임의의 충전재를 함유하는 예비성형체와 혼합될 수 있다. 전형적으로 전체층의 약 5~10중량%를 차지하는 과다한 탄소는 모금속과 반응하여 금속이 실질적으로 완전하게 반응하게 한다. 이런 금속과 탄소의 반응은 사용된 탄소의 상대적인 양, 카본 블랙 또는 흑연 같은 탄소의 종류 및 결정도에 크게 좌우된다. 이들 제품들에 대한 서로 다른 요구조건에 따라 상기 특성중에서 일부를 선택하는 것이 매우 바람직하다. 예를 들어 약 5~75중량%, 바람직하게는 약 5~50중량%의 카본블랙을 B₄C 예비성형체에 첨가하고 이 예비성형체를 지르코늄 금속과 반응용침하면, ZrB₂/ZrC의 비율이 작아질 수 있다(즉, 보다 많은 ZrC가 형성된다).

또한, 붕소공급제(예, 붕소원소 또는 붕소분말)는 탄화붕소층 또는 예비성형체와 혼합될 수 있다. 특히, 반응용침은 알루미늄이 모금속으로서 사용될 때 쉬워진다. 이런 혼합물은 전체가 탄화붕소인 층에 비하여 층의 비용을 절감시켜 붕소화 알루미늄에 상당하는 특정 성질을 갖는 탄화붕소 알루미늄 같은 탄화붕소를 함유하는 제품을 형성시키며, 수분이 존재할 때 불안정하고, 이에 따라 제품의 구조적 성질을 악화시키는 탄화 알루미늄의 생성을 방지한다. 그러나, 붕소 공급재가 존재하면 모금속 붕소화물, 모금속 탄화물의 비율을 변화시킬 수 있다. 예를 들어, 지르코늄이 모금속으로서 사용될 때 ZrB₂/ZrC의 비율이 커질 수 있다(즉, 보다 많은 ZrB₂가 형성된다).

복합체의 특징과 성질의 부가적인 변화는 용침조건을 조절하여 얻을 수 있다. 조작될 수 있는 변수로는 탄화붕소의 입자의 성질과 크기와 용침의 온도와 시간을 들 수 있다. 예를 들어 큰 탄화붕소 입자와 저온에서 최소의 노출시간을 수반하는 반응용침은 결국 탄화붕소를 모금속 붕소와 모금속 탄소 화합물로 일부 전환시킨다. 따라서, 반응하지 않은 탄화붕소가 미세구조속에 남게되어 특정용도의 완성된 물질에 바람직한 성질을 주게 된다. 탄화붕소 입자, 고온 및 오랜 노출시간(용침 완료후에도 온도 유지하는 시간)을 수반하는 용침은 모금속을 붕소화 모금속과 탄소 화합물로 완전히 전환시킨다. 탄화붕소의 붕소화 모금속, 모금속 붕소 화합물 및 탄화 모금속으로의 전환은 약 50% 이상인 것이 바람직하며, 약 90% 이상인 것이 더욱 바람직하다. 고온에서의 용침(또는 연속적인 고온처리)도 역시 소결공정에 의하여 복합체 성분의 일부를 조밀화시킨다. 게다가, 앞에서 언급했듯이 탄소화 붕소 화합물을 형성하고 틈새를 채우는데 필요한 양 이하로 모금속의 양이 줄어들면 유용한 용도를 갖는 다공성 물체가 만들어진다. 이런 복합체에서, 기공도는 앞에서 열거한 몇가지 인자 또는 조건에 따라서 약 1~25 체적%를 가지거나 때로는 그 이상의 체적%를 가질 수도 있다.

앞에서 설명한 각각의 양태에서, 반응용침을 위해 제공된 모금속의 양은 모든 탄화붕소 및/또는 여기에 첨가된 어떤 첨가제와 실질적으로 완전히 반응하는데 필요한 양 이상으로 제공될 수 있다. 바람직한 제1양태에서, 용침될 탄화붕소층의 거의 완전한 반응용침을 얻는데 필요한 모금속의 양을 초과하는 용융모금속을 공급하여 접합될 수 있다. 따라서, 이런 과다한 용융 모금속이 존재할 때 그 결과로서 만들어지는 복합체는 복잡한 복합체가 될 것이며, 반응용침에 의하여 만들어진 복합체는 과다한 모금속에 직접 접합될 것이다. 더욱이, 반응용침된 복합체는 금속기질 위의 외부 또는 내부 표면으로 형성되며, 반응용침된 복합체에 대한 금속의 상대 두께는 변할 수 있다. 따라서 두꺼운 벽 또는 얇은 벽의 금속 및/또는 반응용침된 복합체가 형성될 수 있다.

반응용침된 복합체에 금속을 접합하기 위한 바람직한 제2양태에서는, 예를 들어 미합중국 특허출원 번호 제073,533호의 기술에 따라 복합체를 먼저 만든다. 이런 반응 용침된 복합체는 반응용침중에 모금속으로서 사용된 금속과 유사하며 어떤 경우에는 아주 다른 금속에 대해 특이적인 친화력을 갖는다. 형성된 복합체에 대한 금속의 친화력 때문에 금속은 용융되며 반응용침된 복합체의 적어도 한 표면과 접촉하므로 금속과 반응용침된 복합체가 직접 접합된다. 바람직한 제2양태에서, 마크로복합체가 만들어질 수 있는데 여기서 금속은 다른 세라믹체 또는 다른 금속체에 접합된다.

따라서, 본 발명은 마크로 복합체의 제조방법(예, 유사하거나 서로 다른 성분의 두 물체를 접합하는 방법)을 제공한다.

Claims (3)

1. 모금속을 선택하는 단계, 용융 모금속을, 탄화붕소를 함유하는 층속에 용침시키고 용융 모금속을 상기 탄화붕소와 반응시켜 1종 이상의 붕소함유 화합물을 형성하도록 상기 모금속을 그 모금속의 용융점 이상의 온도까지 실질적으로 불활성인 분위기에서 가열하는 단계, 1종 이상의 모금속 붕소 함유 화합물을 포함하는 제1복합체를 만드는데 충분한 시간 동안 상기 용침 반응을 진행시키는 단계, 상기 제1복합체의 한면 이상의 표면에 과량의 금속을 제공하여 제2물체에 상기 제1복합체를 접합시키는 단계를 포함하여 제1복합체를 제조하는 것으로 구성되는, 자체 지지체의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 과량의 금속은, 냉각시, 상기 모금속이 반응용침된 물체에 접합되어 유지되도록 과량의 모금속을 함유하는 것을 특징으로 하는 자체 지지체의 제조방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 모금속은 알루미늄, 지르코늄, 티타늄, 규소, 하프늄, 란타늄, 철, 칼슘, 바나듐, 니오븀, 마그네슘, 크롬 및 베릴륨으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 함유하는 자체 지지체의 제조방법.