KR0146339B1 - 금속기질 복합체를 이용하여 다수의 몸체를 결합시키는 방법 - Google Patents

금속기질 복합체를 이용하여 다수의 몸체를 결합시키는 방법

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KR0146339B1
KR0146339B1 KR1019890014424A KR890014424A KR0146339B1 KR 0146339 B1 KR0146339 B1 KR 0146339B1 KR 1019890014424 A KR1019890014424 A KR 1019890014424A KR 890014424 A KR890014424 A KR 890014424A KR 0146339 B1 KR0146339 B1 KR 0146339B1
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케보크 아가자니안 마이클
파크 상무
로빈 켄네디 크리스토퍼
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마이클 제이. 홀린스
랜자이드 테크놀로지 컴패니. 엘피
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Abstract

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Description

금속 기질 복합체를 이용하여 다수의 몸체를 결합시키는 방법
제1도는 실시예 1에 의해 처리되는 물질의 조립체를 나타낸 개략 단면도이다.
제2도는 실시예 1에 의해 제조된 결합부의 단면을 100배 확대한 광현미경 사진이다.
제3도는 실시예 2에 의해 제조된 결합부의 단면을 100배 확대한 광현미경사진이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 결합되는 세라믹 복합체 2 : 용침가능한 덩어리
3 : 알루미늄 합금 4 : 도가니 또는 보트
본 발명은 유사하거나 상이한 화학 조성을 갖는 두 개 이상의 몸체 사이에 금속 기질 복합체를 형성시키는 방법에 관한 것으로서, 상기 금속 기질 복합체는 이들 몸체를 서로 결합시키거나 부착시키는 결합 수단으로서 작용한다. 구체적으로, 공정 중간의 몇몇 시점 이상에서 충전재 또는 예비형체(preform)와 상호작용하는 용침촉진체(infiltration enhancer) 및/또는 용침촉진제 전구물질(infiltration enhancer precursor) 및/또는 용침 분위기를 공급하는, 자발적 용침기술에 의해 금속 기질 복합체가 제조된다. 용융된 기질 금속은 이어서 충전재 또는 예비성형체에 자발적으로 용침하여 금속 기질 복합체가 둘 이상의 몸체를 함께 결합시킨다.
금속 기질과 보강상(reinforcing phase), 예를들어, 세라믹입자, 휘스커, 섬유등으로 구성된 복합체 생성물은 금속 기질의 전성 및 인성과 보강상의 강성 및 내구성을 모두 지니기 때문에 그 용도가 매우 광범위하다. 일반적으로, 금속 기질 복합체는 강도, 경도, 내-접촉 마모성, 및 고온강도 등과 같은 특성이 모놀리스 형태의 기질금속에 비해 우수하나, 그 특성의 우수성은 대개 특정 성분, 특정 성분의 체적 또는 중량 분율, 및 복합체 제조방법에 따라 달라진다. 어떤 경우에는, 복합체의 중량이 기질금속 자체보다 가벼울 수도 있다. 예를들어, 입자형, 판형, 또는 휘스커 형태의 탄화규소와 같은 세라믹이 강화된 알루미늄 기질 복합체는 알루미늄 자체보다 경도, 내마모성 및 고온강도가 우수하므로 관심의 대상이 된다.
분말야금술 및 액체-금속 용침술을 기초로 한 방법을 비롯하여 알루미늄 기질 복합체를 제조하기 위한 여러가지 방법이 공지되어 있는데, 여기에서는 압축성형제, 진공성형제, 교반제, 및 습윤제를 사용한다. 분말야금술에서는 금속 분말과 분말형태, 휘스커형태, 절단된 섬유형태 등의 보강물질을 혼합한 다음, 냉-압축 및 소결, 또는 고온-압축 성형시킨다. 이 분말야금술에 의해 제조된, 탄화규소-보강 알루미늄 기질 복합체의 최대 세라믹 체적분율은 보강재가 휘스커 형태인 경우에 약 25체적%이고, 보강재가 입자 형태인 경우에 약 40체적%인 것으로 보고되었다.
종래의 분말야금술을 이용한 금속 기질 복합체의 제조방법은, 제조되는 생성물의 특성에 따라 여러가지 제한이 가해진다. 입자형태인 경우에는, 복합체내의 세라믹상(입자형태인 경우)의 체적분율이 약40%로 제한되는가 하면, 압축공정에 의해 얻어지는 제품의 실제 크기에도 제한이 있다. 또한, 후속공정(예, 성형 또는 기계가공)이나 복잡한 압축 공정 없이는 비교적 단순한 형태의 제품밖에는 생산할 수가 없다. 또한, 압축물들의 분리 및 입자 성장으로 인해 미세구조가 불균일해지는가 하면, 소결작업시 불균일한 수축이 발생하기도 한다.
미합중국 특허 제3,970,136호에는, 섬유보강재(예, 탄화규소 또는 알루미나 휘스커)로 보강하여 소정의 섬유 연신패턴을 가지는 금속 기질 복합체를 제조하는 방법이 기재되어 있다. 이 복합체는 용융기질 금속(예, 알루미늄) 공급원을 구비한 주형내에 평행한 매트 또는 보강섬유로 된 펠트를 설치한 다음, 용융금속이 상기 매트내로 침투하도록 그리고 상기 연신된 섬유를 둘러싸도록 압력을 가하여 제조한다. 용융금속을 매트 사이에 침투하도록 압력을 가하면서 매트 적층체에 주입시킬 수 있다. 이 복합체내의 보강섬유의 체적 분율은 약 50체적%로 보고되어 있다.
전술한 용침공정에서는, 섬유매트 적층체를 통해 용융기질금속을 강제 용침 시키기 위한 외부 압력에의 의존성에 비추어 보면, 압력에 의해 유동과정이 변화될 수 있다. 즉, 기질 형성 및 기공 등의 불균일성이 발생할 수 있다. 용융금속을 섬유매트내의 다수의 위치에서 도입시키더라도 불균일한 성질이 얻어질 수 있다. 따라서, 섬유매트 적층체내에 용융금속이 균일하게 침투하도록 하기 위해서는 복잡한 매트/공급원 배열 및 복잡한 유동로가 필요하다. 또한, 이와같은 가압용침법에서는 매트의 체적이 커지면 용융금속의 용침이 어려워지기 때문에 기질의 체적에 대한 보강재의 체적비율이 비교적 낮아질 수 있고, 가압하에서 용융금속을 주입시키는데 주형이 필요하므로 공정에 드는 비용이 추가된다. 또한, 전술한 방법은 정렬된 보강입자나 보강섬유를 용침시키는 것에만 국한되며, 불규칙하게 배열된 입자, 휘스커 또는 섬유형태의 물질이 보강된 알루미늄 금속 기질의 복합체를 제조하는 것에는 사용되지 않는다.
알루미늄 기질-알루미나 충전 복합체를 제조하는 경우, 알루미늄이 알루미나를 용이하게 습윤화시키지 못하므로 정합성 제품의 생산이 곤란하다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 여러가지 방법이 제안되어 있는데, 그중 하나의 해결방법은 알루미나를 금속(예, 니켈 또는 텅스텐)으로 코팅한 다음, 알루미늄과 함께 고온-압연시키는 방법이며, 다른 하나의 방법은 알루미늄을 리튬과 합금시키고, 알루미나를 실리카로 코팅시키는 것이다. 그러나, 이런 방법으로 제조한 복합체는 그 특성이 일정하지 않으며, 코팅물질이 충전재의 특성을 해칠 수 있으며, 기질 특성에 영향을 줄 수 있는 리튬을 기질이 포함한다.
미합중국 특허 제4,232,091호(알, 더블유, 그림쇼외 다수)는 상기 알루미늄 기질-알루미나 복합체 제조시의 몇가지 문제점을 해소한 것으로서, 이 특허에서는 700-1050℃의 온도로 예열시킨 알루미나 섬유매트 또는 알루미나 휘스커 매트내로 용융 알루미늄(또는 용융 알루미늄 합금)을 75-375㎏/㎠의 압력으로 강제로 용침시키고 있다. 그 결과 제조된 주물내의 알루미나 대 금속의 최대 체적 비율은 0.25/1 이다. 이 특허에서도 용침을 수행하기 위해 외력이 필요하므로 전술한 미합중국 특허 제3,970,136호의 문제점과 동일한 문제점이 존재한다.
유럽특허출원공고 제115,742호에는 예비성형된 알루미나 기질의 공극내에 용융 알루미늄을 충전시키므로써 전해조의 부품으로 특히 유용한 알루미늄-알루미나 복합체를 제조하는 방법이 기재되어 있다. 상기 출원에서는 알루미늄에 의한 알루미나의 비-습윤성을 강조하고 있으며, 따라서 예비형체 전체에서 알루미나를 습윤시키기 위해 여러가지 기술을 사용하고 있다. 예를 들면, 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 또는 니오븀 등의 이붕소화물(diboride)과 같은 습윤제나, 리튬, 마그네슘, 칼슘, 티타늄, 크롬, 철, 코발트, 니켈, 지르코늄, 또는 하프늄과 같은 금속으로 알루미나를 코팅시키는 방법을 들 수 있다. 또한, 습윤을 촉진시키기 위해 아르곤과 같은 불활성 분위기도 사용한다. 상기 특허출원에서는 또한 코팅되지 않은 기질내에 용융 알루미늄을 용침시키기 위해 압력을 가하는데, 이 경우의 용침은 기공을 비우고 불활성 분위기(예, 아르곤)하에서 용융알루미늄에 압력을 가함으로써 달성된다. 또 다르게는, 예비형체의 표면을 증기상 알루미늄 침착에 의해 습윤시킨 후, 용융 알루미늄으로 용침시켜서 예비형체내의 기공을 충전시킴으로써, 예비형체를 용침시킬 수 있다. 알루미늄이 예비형체의 기공내에 확실하게 유지되도록 하기 위해서는, 진공 또는 아르곤 분위기하에서의 열처리(예, 1400-1800℃의 온도)가 필요하다. 그렇지 않으면, 용침된 예비형체에 기체압력을 가하거나 용침압력을 제거함에 따라 용침된 예비형체로 부터 알루미늄이 유실된다.
유럽특허출원공고 제94353호에서도 전해조내의 알루미나 성분내로의 용융금속의 용침을 촉진하기 위해 습윤제를 사용하고 있다. 이 출원에서는 전해조 라이너 또는 전해조 기판으로서의 음극 전류 공급체를 구비한 전해조로 전해채취(electrowinning)하므로써 알루미늄을 생성한다. 용융 빙정석으로부터 전해조 기판을 보호하기 위해서, 전해조의 조업 개시전이나 전해공정에 의해 생성된 용융 알루미늄내에 알루미나 기판을 침지시킴과 동시에 습윤제와 용해 억제제의 혼합물로 위 알루미나 기판을 얇게 코팅한다. 습윤제로는 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 실리콘, 마그네슘, 바나듐, 크롬, 니오븀, 또는 칼슘이 개시되어 있으며, 특히 티타늄이 바람직한 습윤제로 되어 있다. 또한, 붕소, 탄소 및 질소의 화합물은 용융 알루미늄에 대한 습윤제의 용해도를 억제시키는데 유용하다고 기재되어 있다. 그러나, 위 출원에는 금속 기질복합체의 제조도 기재되어 있지 않고, 가령, 질소분위기하에서의 복합체 제조에 대해서도 전혀 기재되어 있지 않다.
압력 및 습윤제를 사용하는 방법 이외에도, 진공을 사용하면 용융 알루미늄을 다공성 세라믹 성형체내로 용이하게 용침시킬 수 있다는 것이 알려져 있다. 예를들어, 알.엘. 랜딩검의, 1973. 2. 27 자 미합중국 특허 제3,718,441호에는 10-6토르(torr) 미만의 진공하에서 세라믹 성형체(예, 탄화붕소, 알루미나 및 베릴리아)에 용융 알루미늄, 베릴륨, 마그네슘, 티타늄, 바나듐, 니켈 또는 크롬을 용침시키는 방법이 보고되어 있다. 10-2내지 10-6토르의 진공하에서는 용융금속이 세라믹 성형체의 기공내로 자유롭게 유동할 수 없을 정도로 용융금속에 의한 세라믹 성형체의 습윤이 불충분하지만, 진공이 10-6토르미만으로 감소된 경우에는 습윤도가 향상된다고 기재하고 있다.
지.이. 가자외 다수의, 1975. 2. 4 자 미합중국 특허 제3,864,154호에서도 용침을 달성하기 위해 진공을 사용하고 있다. 이 특허에서는 냉각압연된 알루미늄 분말층상에 AlB12분말의 냉각압연 성형체를 로딩(loading)시키고, 이어서 AlB12분말 성형체의 상부에 알루미늄을 추가로 로딩시켰다. 알루미늄분말층 사이에 삽입된 AlB12성형체가 로딩된 도가니를 진공로(vacuum furnace)에 설치한 다음, 이 진공로를 약 10-5토르로 진공화하여 기체를 방출시켰다. 이어서 온도를 1100℃로 승온시키고, 이 온도에서 3시간동안 유지시켰다. 이러한 조건하에서는 용융알루미늄이 다공질 AlB12성형체내로 용침된다.
죤 엔. 레디외 다수의, 1968. 2. 23 자 미합중국 특허 제3,364,976호에는 성형체내에서 진공을 자체 발생시켜서 성형체 내로의 용융금속의 용침을 촉진시키는 개념이 기재되어 있다. 구체적으로, 위 특허에서는 성형체, 예를 들어 흑연 주형, 강주형, 또는 다공질의 내화성 물질을 용융금속내에 완전히 침지시키고 있다. 주형을 사용하는 경우에는, 용융금속과 반응하는 기체로 충전된 주형의 공동부는 주형내의 적어도 하나의 구멍을 통해 주형 외측의 용융금속과 서로 통해 있게 된다. 위 주형을 용융금속내에 침지시키면 주형공동부의 기체와 용융금속이 반응함에 따라 자체 발생 진공이 형성되어, 결과적으로 주형공동부가 충전된다. 특히, 진공은 고체 금속산화물이 생성된 결과 형성된 것이다. 따라서, 주형 공동부의 기체와 용융금속 사이에 반응을 유발시킬 필요가 있다. 그러나, 진공을 형성하기 위해 주형을 사용하는 기술은 주형 사용에 관련된 고유의 한계 때문에 바람직하지 않다. 즉, 주형은 먼저 특정 형태로 기계가공한 다음, 마무리 가공하고, 주형상에 주조표면을 형성하고, 주형으로 사용하기 위해 조립하고, 사용후에는 주물을 제거하기 위해 주형을 분해하고, 분해한 후에는 재사용을 위해 주형을 재생해야 하며, 재생시 주형의 표면을 재가공하거나 주형을 더이상 사용불가능한 경우에는 기계 처분해야 한다. 주형을 복잡한 형태로 기계가공하기 위해서는 비용이 많이 들고 시간도 많이 소비되며, 이같이 복잡한 형태의 주형으로부터 성형된 주물을 제거해 내는 것도 매우 어렵다(즉, 주물의 형상이 복잡하므로 주형으로부터 제거해낼 때 부서지기 쉽다). 또한, 주형을 사용하지 않고 다공질 내화물질을 용융금속내로 직접 침지시키는 기술도 제시되어 있으나, 이 경우에는 위 내화물질을 하나의 덩어리로 성형하여야 한다. 그렇게 하지 않으면 내화물질의 입자들이 하나하나 분리되거나 용융금속의 상부로 떠오르게 되는 문제가 있다. 또한, 입자로 구성된 예비형체, 즉 입자간의 결합성이 없는 예비형체를 용침시키기 위해서는 용융금속에 의해 예비형체의 적어도 일부가 이동되지 않도록 주의하여 불균일한 미세구조가 되지 않도록 해야한다.
따라서, 압력(외적으로 가하거나 내부생성된 압력)이나 진공을 사용할 필요가 없는, 그리고 세라믹물질과 같은 다른 물질내에 매립된 금속 기질을 생성하기 위한 감쇄습윤제를 사용할 필요가 없는 간단하고 신뢰성 있는 성형 금속 기질 복합체 제조방법 및 제조된 금속 기질복합체의 최종 마무리가공을 최소화할 수 있는 기술이 오래전부터 요구되어 왔다. 본 발명은 이같은 요구에 부응하는 기술로서, 제조 공정중의 적어도 몇몇 단계에서 용침촉진제가 존재하면, 대기압 및 용침분위기(예, 질소)하에서 예비 성형체로 성형되는 어떤 물질(예, 세라믹 물질)에 용융 기질금속(예, 알루미늄)을 용침시킬 수 있는 자발용침기구를 제공한다.
본 발명은 금속 기질복합체 제조방법에 관한 다수의 다른 특허 출원과 관련이 있는 발명으로서, 이하의 기재에서는 이들 다른 특허 출원을 단순히 금속 기질특허출원으로 약칭한다.
화이트외 다수의, 미합중국 특허출원 제049,171호(1987. 5. 13)에는 금속 기질복합물질의 신규 제조방법이 기재되어 있는데, 이 출원발명에 따르면 최소 약 1중량%(바람직하게는 최소 약 3중량%)의 마그네슘을 함유한 용융 알루미늄으로 용침가능한 충전재(예, 세라믹물질 또는 세라믹코팅 물질)을 용침시키므로써 금속 기질복합체를 제조한다. 용침은 외압이나 진공을 가하지 않은 상태에서 자발적으로 일어난다. 약 10-100체적%(바람직하게는 최소 약 60%)의 질소와 임의의 비산화성기체(예, 아르곤기체)를 함유한 기체의 존재하에서, 그리고 최소 약 675℃의 온도하에서, 용융 합금 공급원은 충전재와 접촉을 유지한다. 이같은 조건에서 용융 알루미늄 합금은 대기압하에서 세라믹체내로 용침되어 알루미늄(또는 알루미늄 합금) 기질 복합체를 형성한다. 충전재에 용융알루미늄 합금이 소정량만큼 용침된 후에는 온도를 강하시켜 합금을 응고시켜 보강충전 물질을 함유한 고체의 금속 기질구조체를 얻는다. 용융합금 공급원의 양은 충전재의 계면까지 용침이 달성될 수 있도록 충분한 양으로 한다. 상기 출원 발명에 따르면, 제조된 알루미늄 기질복합체내의 충전재의 양이 지나치게 많아서 충전재 대 합금의 체적비가 1 : 1 이상이 된다.
상기 미합중국 특허출원 제049,171호의 제조공정 조건하에서 질화 알루미늄은 알루미늄 기질내에서 분산상을 형성할 수 있다. 알루미늄 기질내의 질화물의 양은 온도, 합금의 조성, 기체의 조성 및 충전물질 등과 같은 여러 요인에 따라 달라진다. 따라서, 위와같은 요인들중 하나이상의 요인을 제어하여 복합체의 특성을 조절할 수 있다. 그러나, 최종 사용목적을 위해 복합체내의 질화알루미늄이 거의 함유되지 않도록 하는 것이 바람직하다.
온도가 높아지면 용침이 촉진되지만, 반면에 질화물의 생성이 용이해지므로, 상기 미합중국 특허 제049,171호에서는 용침작용과 질화물의 생성이 균형을 이루도록 하고 있다.
차단체(Barrier)를 이용한 금속 기질복합체의 제조방법 이라는 명칭의 마이클 제이. 아가자니안외 다수의 미합중국 특허 출원 제141,642호(1988. 1. 7)에는 금속 기질복합체의 제조시 사용할 수 있는 적절한 차단수단의 실례가 기재되어 있다. 상기 특허출원에 따르면, 차단수단(예, 티타늄 디보라이드 입자 또는 유니온 카바이드사에서 Grafoil
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이라는 상품명으로 시판하는 가요성 흑연테이프)은 충전물질의 표면상에 배치되고, 기질합금은 이 차단수단에 의해 차단된 표면까지 용침된다. 상기 차단 수단은 용융합금의 용침의 진행을 차단하여 금속 기질복합체가 그 최종 형태를 이루도록 한다. 따라서, 생성된 금속 기질복합체의 외형은 차단수단의 내면의 형상과 거의 일치하게 된다.
금속 기질복합체 및 그 제조방법 이라는 명칭의 미합중국 특허출원 제049,171호는 마이클 케이. 아가자니안 및 마크 에스. 뉴커크의, 미합중국 특허 출원 제168,248호(1988. 3. 15)의 개량방법으로서, 이에 따르면, 기질금속합금은 제1용융 금속공급원 및 기질금속합금 공급체(reservoir)로서 제공되며, 이 기질금속합금 공급체는 예를들어 중력에 의해 제1용융 금속공급원과 서로 통하게 된다. 특히, 상기 특허출원에 기재되어 있는 조건하에서, 제1용융기질합금 공급원은 대기압하에서 충전물질내로 용침을 개시하여 금속 기질복합체의 생성을 개시한다. 상기 제1용융기질합금 공급원은 충전물질내로의 용침중에 고갈되므로, 필요한 경우, 자발 용침 진행중에 용융기질금속공급체로부터, 바람직하게는 연속 수단에 의해 재공급시킬 수 있다. 충전재가 용융기질금속에 의해 원하는 양만큼 자발 용침되면, 온도를 강하시켜 합금을 용고시키고, 이로써 보강용 충전물질을 함유한 고체의 금속 기질구조를 얻게 된다. 이같이 금속공급체를 사용하는 것은 상기 특허출원의 일례이며, 이 실시예를 상기 특허출원의 다른 실시예와 결합할 필요는 없지만, 본 발명과 상기 특허 출원의 다른 실시예를 결합하여 사용하면 유리하다.
금속 공급체의 양은 금속공급체가 충전재의 소정범위까지 충분히 용침될 수 있는 양으로 한다. 또한, 충전재의 적어도 한 표면에는 차단수단을 접촉설치하여 표면의 경계면을 형성할 수도 있다.
용융 기질합금의 양은 이 합금이 충전재의 경계면(예, 차단체)까지 자발용침될 수 있는 양으로 함과 동시에, 용융합금 공급체내의 합금의 양은 용침을 완성시키는 데 충분할 뿐만 아니라 과잉의 용융합금이 금속 기질 복합체에 부착되어 남아있을 수 있는 양으로 할 수 있다. 이같이 과잉의 용융합금의 금속 기질복합체에 부착되어 남아있게 되면 최종 생성물의 과잉의 금속은 용융합금공급체와 직접 연결되게 된다.
전술한 각 금속 기질특허출원 에는 금속 기질복합체 제조방법 및 이 제조방법에 의한 금속 기질복합체가 기재되어 있는데, 본원 발명의 명세서에서는 이들 금속 기질특허출원을 참고사항으로 기재하였다.
금속 기질복합체는 충전재 또는 예비형체내로의 용융기질금속의 자발적인 용침에 의해 생성된다. 특히, 제조공정중의 적어도 몇몇 단계에서, 충전재 또는 예비 형체는 용침촉진제 및/또는 용침촉진체 전구물질 및/또는 용침분위기와 상호작용하여 용융기질금속이 충전재 또는 예비형체내로 자발적으로 용침되도록 한다. 또한, 충전재 또는 예비형체를 적어도 두 병렬배치된 몸체 사이의 적어도 일부에 위치시키고 병렬배치된 각 몸체의 적어도 일부와 맞물리거나 또는 접촉하도록 한다. 따라서, 용융 기질금속의 자발적 용침이 일어날 때 금속 기질 복합체가 병렬배치된 몸체들 사이에 형성되어, 금속 기질 복합체가 각 인접 몸체의 적어도 일부와 접촉하게 된다. 결국, 금속 기질 복합체는 병렬배치된 몸체 사이에서 결합 수단으로 작용하는 것이다.
결합수단으로 작용하는 금속 기질 복합체의 크기는 상호 결합되는 몸체들보다 작을 수 있고, 상호결합되는 몸체들보다 클 수도 있다. 모든 경우에 금속 기질 복합체의 기본적인 목적은 적어도 두개의 부가 몸체들을 서로 결합시켜 주는 것이다.
또한, 잔류 기질 금속 또는 기질 금속의 잔부가 상호결합되는 몸체들 사이에 존재할 수도 있다. 예를 들면, 기질금속체가 충전재 또는 예비형체의 적어도 두면 사이에 끼워지고, 공급된 기질금속의 양이 각 충전재 또는 예비형체를 실제적으로 완전히 용침하는데 필요한 양을 초과하였을 때 결과적으로 각각 적어도 하나의 부가 몸체에 결합된 적어도 두 개의 금속 기질 복합체 사이에 끼워져 있는 기질 금속의 잔부가 남을 수 있다. 이러한 기질금속의 잔부는 상호 결합되어 있는 몸체들간의 응력을 줄일 수 있게 한다.
금속 기질 복합체는 여러가지 몸체 또는 물질들을 상호결합시키는 이상적인 결합 수단이 된다. 예를 들면, 금속 기질복합체는 금속과 금속, 금속과 세라믹, 세라믹과 세라믹을 결합시키는데 사용될 수 있기 때문이다. 본 발명에 따라 제조된 금속 기질 복합체는 두 물질간의 적용가능한 결합을 이룰 수 있는 충전재 및/또는 기질금속을 다양하게 선택할 수 있기 때문에 결합 수단으로서 유일하게 가능한 것이다. 또한, 기질금속의 잔부를 포함시키는 경우 형태의 유연성을 더욱 증가시킬 수 있다. 예를 들면, 상호 결합되어 있는 몸체들이 서로 크게 다른 열팽창 계수를 가짐으로써 종래의 수단으로는 몸체들을 상호 결합시키기가 어려운 경우에, 금속 기질 복합체는 완전하게 적합할 수 있다. 특히, 금속 기질 복합체는 두 몸체의 중간치인 열팽창 계수를 갖도록 제조할 수 있다. 또한, 금속 기질 복합체내에 충전물질 및 기질금속이 존재하기 때문에, 상기 복합체는 세라믹(또는 세라믹 복합체)을 금속에 결합시키는 유일한 수단이 된다. 이러한 결합은 종래의 방법으로는 달성하기 어렵다.
충전물질 또는 예비형체는 상호 결합되는 몸체의 적어도 하나에 접촉 또는 고정되도록 위치시킬 수 있다. 예를들면, 충전 물질은 분사, 도포 및/또는 침지피복등이 가능한 슬러리 또는 페이스트로 하여 결합되는 적어도 한 몸체의 적어도 한면에 공급할 수 있다. 기질 금속의 호일 또는 플레이트를 슬러리 또는 페이스트 위에 위치시킬 수 있다. 적당한 알루미늄 합금은 약 5-10중량%의 실리콘 및/또는 마그네슘을 포함하는 것이다. 슬러리는 충전물질과, 예를들어 질화마그네슘 및/또는 초산아연을 포함하는 수성용액을 혼합하여 만들 수 있다. 또한, 예비형체는 모든 적합한 형태(예, 웨이퍼, 디스크 등)로 만들어 결합시킬 몸체들과 접촉시킬 수 있다. 따라서 결합될 각 몸체의 적어도 한면에 충전물질 또는 예비형체가 접촉되면 적합한 금속 기질 복합체 결합 수단이 형성된다.
결합부를 제공하기 위하여, 금속 기질 복합체내의 기질금속을 결합시킬 몸체와 화학적으로 반응시키거나 및/또는 금속 기질 복합체 내의 침투 가능한 충전재와 반응시킬 수 있다. 또한, 기질금속은 (1) 결합되는 몸체를 용해시키거나, 및/또는 (2) 결합되는 몸체속에 흡수될 수 있다. 이때, 결합되는 몸체들이 동일 물질일 필요는 없다.
본 발명의 바람직한 실시예에서 용융기질 금속이 용침 가능한 충전재 또는 예비형체에 자발적으로 용침하도록 하기 위해, 직접 용침촉진제를 예비형체 및/또는 기질금속 및/또는 용침분위기중 적어도 하나에 공급한다. 결국, 적어도 자발용침 중에는 용침촉진제가 충전재 또는 예비형체의 적어도 일부에 접촉 유지되어야 한다.
본 발명의 다른 실시예에서는 용침촉진제 전구 물질이 충전재 또는 예비형체에 공급되거나 함께 혼합된다. 그 다음, 용침 촉진제 전구물질은 일반적으로 충전재 또는 용침분위기 및/또는 상호결합되는 몸체중의 적어도 하나와 반응하여 충전재 또는 예비형체의 표면 또는 적어도 일부에서 용침촉진제가 생성된다.
본 출원에서는 기본적으로 알루미늄 기질금속이 금속 기질 복합체 제조공정 중 일부 지점에서, 용침분위기로서 작용하는 질소 존재하에 용침 촉진제 전구물질로 작용하는 마그네슘과 접촉되는 것을 기술하고 있다. 따라서, 기질금속/용침 촉진제 전구 물질/용침분위기 시스템으로서 알루미늄/마그네슘/질소 시스템이 자발적으로 용침을 달성하게 된다. 그러나, 다른 기질 금속/용침촉진제 전구물질/용침분위기 시스템도 본원 발명의 시스템과 유사한 기능을 할 수 있다. 특히, 자발 용침작용은 알루미늄/스트론튬/질소 시스템, 알루미늄/아연/산소 시스템, 및 알루미늄/칼슘/질소 시스템에서 발생하는 것이 관찰되었다. 본원 명세서에서는 알루미늄/칼슘/질소 시스템에 대해서 기재하고 있지만, 그 밖의 다른 기질금속/용침촉진제 전구물질/용침분위기 시스템도 본원 명세서에 기재된 시스템과 동일한 작용을 할 수 있다.
기질금속이 알루미늄 합금을 포함할 때 알루미늄 합금은 충전재(예, 알루미나 또는 탄화규소)를 포함하는 예비 형체 또는 충전재와 접촉유지된다. 예비형체 또는 충전재는 마그네슘과 혼합 및/또는(제조공정중의 몇몇 단계에서) 용침 촉진제 전구 물질에 노출된다. 또한, 한 실시예에서 제조공정중의 적어도 일부에서는 알루미늄 합금 및/또는 예비형체 또는 충전재가 질소분위기와 상호작용한다. 상기 예비형체에는 용융기질 금속이 자발적으로 용침되며, 시스템(예, 알루미늄 합금 및/또는 충전재 또는 예비형체 및/또는 용침분위기)에 제공된 마그네슘의 농도, 충전재의 크기 및/또는 조성, 예비형체내의 입자의 크기 및/또는 조성, 용침 분위기로서 질소의 농도, 용침시간, 및/또는 용침발생 온도와 같은 제조공정 조건에 따라 자발용침의 범위 및 금속 기질복합체의 생성 정도 및 속도라 달라진다. 전형적으로 자발용침은 용융기질 합금의 예비형체 또는 충전재를 거의 완전히 매립시킬 수 있는 정도까지 발생한다.
[용어 정의]
여기서 알루미늄이라 함은 순수한 금속(예, 비교적 순수한 시판되는 비합금 알루미늄) 또는 철, 실리콘, 구리, 마그네슘, 망간, 크롬, 아연 등과 같은 합금성분 및/또는 불순물을 함유한 시판되는 금속과 같은 여러가지 등급의 합금 및 금속을 의미한다. 이러한 정의에 따르면, 알루미늄 합금은 알루미늄이 주성분을 이루는 합금 또는 금속간 화합물이 된다.
잔부의 비산화성 기체라 함은 제조공정 조건하에서 기질금속과 거의 반응 하지 않는 불활성 기체 또는 환원성 기체로서, 용침분위기와 같은 제1차 기체 이외의 임의의 기체를 의미한다. 사용되는 기체내에서 불순물로 존재하는 산화성 기체의 양은 제조공정 조건하에서 기질금속을 산화시키지 않을 정도로 유지해야 한다.
차단체 또는 차단수단 이라 함은 용융 기질금속이 충전재 또는 예비형체의 표면을 초과하여 용침되는 것을 방지해 주는 수단을 의미하는 것으로서, 적절한 차단수단으로는 공정조건하에서 그 형태를 유지할 수 있고, 또한 거의 휘발성이 없는 임의의 물질을 선택할 수 있다.
적절한 차단수단 에는 또한 채용된 공정조건하에서 용융기질금속에 의해 거의 습윤되지 않는 물질이 포함된다. 이러한 종류의 차단수단은 용융기질 금속과의 친화력이 거의 없으며, 이 차단수단에 의해 용융 기질 금속이 충전재 또는 예비형체의 표면을 초과하여 용침되는 것이 방지된다. 또한, 이 차단수단을 사용하면 최종 기계가공 또는 연삭 가공을 줄일 수 있고, 생성된 금속 기질복합체의 적어도 일부의 표면을 일정하게할 수 있게 된다. 경우에 따라서는 차단수단에 구멍(예, 드릴구멍 또는 펀치구멍)을 형성하여 용융기질금속이 기체와 접촉할 수 있게 할 수도 있다.
결합 몸체 또는 결합되는 몸체 또는 병렬배치된 몸체라 함은 금속 기질 복합체에 결합될 수 있는 2 이상의 몸체를 의미하며, 금속, 세라믹, 세라믹 복합체, 서어메트(cermet), 유리 및 이들의 조합물이 있으나, 이것들에 국한되는 것은 아니다.
부착(carcass) 기질 금속 이라 함은 금속 기질복합체의 생성중에 소모되지 않고, 냉각된 금속 기질복합체에 부분적으로 부착되어 있는 과잉의 기질 금속을 의미하는 것으로서, 이 부착 기질 금속에는 제2금속 또는 이종 금속이 포함될 수 있다.
충전재 라 함은 기질금속과 반응하지 않는 물질 및/또는 기질중에서 제한된 용해도롤 갖는 물질로서, 단일성분이나 여러 성분들의 혼합체를 포함하며, 단일상 또는 다중상일 수 있다. 충전재는 분말형태, 얇은 조각형태, 판형, 미세한 구형, 휘스커 형태, 기포 형태 등과 같이 다양한 형태로 제공될 수 있으며, 조밀한 구조이거나 기공이 있는 구조일 수도 있다. 충전재 에는 또한 섬유형태, 짧게 절단한 섬유형태, 입자형태, 휘스커형태, 기포형태, 구형태, 섬유 매트형태 등의 형태를 가진 알루미나 또는 탄화규소와 같은 세라믹 충전재 및 용융금속에 의한 탄소의 침식을 방지하기 위해 알루미나 또는 탄화규소로 코팅한 탄소섬유와 같은 세라믹 코팅 충전재가 포함된다. 또한 금속도 충전재로 사용될 수 있다.
용침분위기 라 함은 기질금속 및/또는 예비형체(또는 충전재) 및/또는 용침촉진제 전구물질 및/또는 용침촉진제와 상호작용하는 분위기를 의미하는 것으로서 이 용침분위기에 의해 기질금속의 자발용침이 촉진된다.
용침촉진제 라 함은 충전재 또는 예비형체내로 기질금속의 자발 용침을 촉진하는 물질을 의미한다. 용침촉진제는 용침촉진제 전구물질과 용침분위기 사이의 반응에 의해 (1) 기체류 및/또는 (2) 용침촉진제 전구물질과 용침분위기 사이의 반응 생성물 및/또는 (3) 용침촉진제 전구물질과 충전재 또는 예비형체 사이의 반응생성물을 생성함으로써 생성될 수 있다. 또한, 용침촉진제를 직접 예비형체 및/또는 기질금속 및/또는 용침분위기중 적어도 하나에 가하면 용침촉진제 전구물질과 기타 물질 사이의 반응에 의해 생성된 용침촉진제와 동일한 기능을 한다. 결국, 적어도 자발용침 중에는 용침촉진제를 충전재 또는 예비형체의 적어도 일부에 가하여 자발용침을 달성하도록 해야한다.
용침촉진제 전구물질 이라 함은 이 물질을 기질금속, 예비형체 및/또는 용침분위기와 조합하여 사용했을 때, 충전재 또는 예비형체내로의 기질금속의 자발적인 용침을 촉진하는 용침촉진제를 생성하는 물질을 의미한다. 어떤 이론이나 설명을 동원하지 않더라도 용침촉진제 전구물질은 용침분위기 및/또는 예비형체 또는 충전재 및/또는 금속과 반응할 수 있는 위치에 설치하는 것이 필요하다. 예를 들면, 기질금속/용침촉진제 전구물질/용침분위기 시스템에 있어서, 용침촉진제 전구물질이 기질금속의 용융 온도보다 다소 높은 온도에서 휘발하는 것이 바람직하다. 이같이 용침촉진제 전구물질이 휘발하게 되면, (1) 기질금속에 의한 충전재 또는 예비형체의 습윤을 촉진시키는 물질인 기체류를 생성하기 위한 용침촉진제 전구물질과 용침 분위기 사이의 반응 및/또는 (2) 적어도 일부의 충전재 또는 예비형체내에 습윤을 촉진시키는 고체, 액체 또는 기체상의 용침촉진제를 생성하기 위한 용침촉진제 전구 물질과 용침분위기 사이의 반응 및/또는 (3) 적어도 일부의 충전재 또는 예비형체내에 습윤을 촉진시키는 고체, 액체 또는 기체상의 용침촉진제를 생성하는 용침촉진제 전구물질과 충전재 또는 예비형체 사이의 반응이 발생한다.
기질금속 또는 기질합금 이라 함은 금속 기질복합체를 생성하는데 사용되는 금속(예, 용침전의 금속) 및/또는 충전재와 혼합되어 금속 기질복합체를 생성하는 금속(예, 용침후의 금속)을 의미한다. 특정 금속을 기질금속으로 선택했을 때, 이 특정 금속의 기질금속은 순수한 금속, 불순물 및/또는 합금성분을 함유한 시판되는 금속, 위 특정금속이 주성분을 이루고 있는 금속간 화합물 또는 합금을 모두 지칭하는 것으로 이해해야 한다.
기질금속/용침촉진제 전구물질/용침분위기 시스템 또는 자발성 시스템이라 함은 예비형체 또는 충전재내로의 자발적인 용침을 일으키는 물질의 조합을 의미한다. 각 물질사이에 사용한 / 는, 특정 방식으로 합성했을 때 예비형체 또는 충전재내로 자발 용침되는 시스템 또는 물질의 조합을 표시하기 위한 것이다.
금속 기질복합체 라 함은 예비형체 또는 충전재를 매립하고 있는(감싸고 있는), 2차원 또는 3차원적으로 상호연결된 합금 또는 기질금속을 의미한다. 완성된 복합체에 원하는 기계적, 물리적 특성을 부여하기 위해서 상기 기질금속에 여러가지 합금 성분을 포함시킬 수 있다.
기질금속과 다른 금속이라 함은 기질금속의 성분과 다른 성분의 금속을 의미하는 것으로서, 예를 들면 알루미늄을 기질금속으로 선택한 경우 니켈은기질금속과 다른 금속이 된다.
기질금속을 수용하는 비반응성 용기 라 함은 공정조건하에서 충전재(또는 예비형체) 및/또는 용융기질금속을 수용할 수 있고, 또한 기질금속 및/또는 용침분위기 및/또는 용침촉진제 전구물질 및/또는 충전재(또는 예비형체)와 자발용침기구를 해칠 정도로는 반응하지 않는 용기를 의미한다.
예비형체 또는 침투성 예비형체라 함은 적어도 하나의 표면을 가지도록 제조된 다공질 충전물질을 의미하는 것으로서, 이러한 예비 형체는 기질금속에 의해 용침되기 전에 치수안정성을 확보하기 위해 충분한 형태 보전성과 강도를 유지하고 있다. 또한, 이 예비형체는 기질금속에 의한 자발용침을 허용할 수 있도록 충분한 기공을 가져야 한다. 예비형체는 전형적으로 충전재를 균질한 상태로 또는 불균질한 상태로 결합 배열시킨 것이며, 적합한 물질(예, 세라믹 및/또는 금속입자, 분말, 섬유, 휘스커 등, 그리고 이들을 조합한 물질)로 구성된다. 또한 이 예비형체는 일체형으로 하거나 다수의 예비형체를 조합한 형태로 할 수 있다.
기질금속 공급원이라 함은 충전재(또는 예비형체)와 접촉하고 있는 기질금속을 보충해 주는 별도의 기질금속체를 의미하는 것이다. 기질금속 공급원은 기질금속과 다른 금속을 제공하는데 사용될 수 있다.
자발적 용침 이라 함은 압력이나 진공의 도움없이 기질금속이 충전재(또는 예비형체)내로 자발적으로 용침되는 현상을 의미한다.
본 발명은 상호결합되는 적어도 둘 이상의 몸체사이에 금속 기질 복합체의 결합층을 제조하는 방법에 관한 것이다. 금속 기질 복합체는 충전재 또는 예비형체 내로의 용융기질금속의 자발용침에 의한다. 특히, 용침촉진제 및/또는 용침촉진제 전구물질 및/또는 용침분위기는 제조공정 중의 적어도 몇몇 단계에서 충전재 또는 예비형체와 상호작용하여 용융기질금속이 충전재 또는 예비형체내로 자발적으로 용침할 수 있도록 한다. 2 이상의 결합물질의 적어도 일부사이에 위치한 충전재 또는 예비형체의 자발용침으로 인해 결합물질이 상호 결합 또는 접착된다.
결합 수단으로서 금속 기질복합체의 크기는 상호 결합되는 몸체들보다, 작을 수 있고 상호결합되는 몸체들보다 클 수도 있다. 모든 경우에 금속 기질 복합체의 기본적은 목적은 적어도 두개의 부가 몸체들을 서로 결합시켜 주는 것이다.
또한, 잔류 기질금속 또는 기질금속의 잔부가 상호 결합되는 몸체들 사이에 존재할 수 있다. 예를 들면, 기질 금속체가 충전재 또는 예비형체의 적어도 두면 사이에 끼워지고, 공급된 기질금속의 양이 각 충전재 또는 예비형체를 실질적으로 완전히 용침시키는데 필요한 양을 초과하였을 때 결과적으로 각각 적어도 하나의 부가 몸체에 결합된 적어도 두개의 금속 기질 복합체 사이에 끼워져 있는 기질금속의 잔부가 남을 수 있다. 이러한 기질금속의 잔부는 상호 결합되어 있는 몸체들간의 응력을 줄일 수 있게 한다.
금속 기질 복합체는 여러가지 몸체 또는 물질들을 상호 결합시키는 이상적인 결합 수단이 된다. 예를 들면, 금속 기질 복합체는 금속과 금속, 금속과 세라믹, 세라믹과 세라믹을 결합시키는데 사용될 수 있기 때문이다. 본 발명에 따라 제조된 금속 기질 복합체는 두 물질간에 적용가능한 결합을 이룰 수 있는 충전재 및/또는 기질금속을 다양하게 선택할 수 있기 때문에 결합 수단으로서 유일하게 가능한 것이다. 또한 기질금속의 잔부를 포함시키는 경우 형태와 유연성을 더욱 증가시킬 수 있다. 예를들면, 상호 결합되어 있는 몸체들이 서로 크게 다른 열팽창 계수를 가짐으로써 종래의 수단으로는 몸체들을 상호 결합시키기가 어려운 경우에, 금속 기질 복합체는 완전하게 적합할 수 있다. 특히, 금속 기질 복합체는 두 몸체의 중간치인 열팽창계수를 갖도록 제조할 수 있다. 또한 금속 기질 복합체내에 충전재 및 기질 금속이 존재하기 때문에, 상기 복합체는 세라믹(또는 세라믹 복합체)을 금속에 결합시키는 유일한 수단이 된다. 이러한 결합은 종래의 방법으로는 달성하기 어렵다.
충전재 또는 예비형체는 상호 결합되는 몸체의 적어도 하나에 접촉 또는 고정되도록 위치시킬 수 있다. 예를 들면, 충전재는 분사, 도포 및/또는 침지 피복등이 가능한 슬러리 또는 페이스트로 하여 결합되는 적어도 한 몸체의 적어도 한면에 공급할 수 있다. 기질금속의 호일 또는 플레이트를 슬러리 또는 페이스트 위에 위치시킬 수 있다. 적당한 알루미늄 합금은 약 5-10중량%의 실리콘 및/또는 마그네슘을 포함하는 것이다. 슬러리는 충전재와, 예를 들어 질화 마그네슘 및/또는 초산아연을 포함하는 수성용액을 혼합하여 만들 수 있다. 또한, 예비형체는 모든 적합한 형태(예, 웨이퍼, 디스크 등)로 만들어 결합시킬 몸체들과 접촉시킬 수 있다. 따라서 결합될 각 몸체의 적어도 한면에 충전재 또는 예비형체가 접촉되면 적합한 금속 기질 복합체 결합 수단이 형성된다.
결합부를 제공하기 위하여, 금속 기질 복합체내의 기질금속을 결합시킬 몸체와 화학적으로 반응시키거나 및/또는 금속 기질 복합체내의 침투 가능한 충전재와 반응시킬 수 있다. 또한, 기질금속은 (1) 결합되는 몸체를 용해시키거나, (2) 결합되는 몸체 속에 흡수될 수 있다. 이때 결합되는 몸체들이 동일 물질일 필요는 없다.
충전재 또는 예비형체내로의 기질금속의 자발용침을 유발시키기 위해서는 자발 용침 시스템에 용침촉진제를 부여해 주어야 한다. 용침촉진제는 용침촉진제 전구물질로부터 생성될 수 있다. 용침촉진제 전구물질은 (1) 기질금속 및/또는 (2) 충전재 예비형체 및/또는 용침분위기 및/또는 (4) 외부의 용침 촉진제 전구물질 공급원에 부여할 수 있다. 또한, 용침촉진제 전구물질을 첨가하는 대신, 충전재 또는 예비형체 및/또는 기질금속 및/또는 용침 분위기중 적어도 어느 하나에 직접 용침촉진제를 첨가할 수도 있다. 결국, 적어도 자발 용침 중에는 충전재 또는 예비형체의 적어도 일부에 용침촉진제를 첨가해 주어야 한다.
본 발명의 한 실시예에 있어서, 충전재 또는 예비형체가 용융기질 금속과 접촉하기 전 또는 이와 실질적으로 동시에 충전재 또는 예비형체의 적어도 일부에 용침촉진제를 생성시킬 수 있도록 용침촉진제 전구물질은 용침분위기와 적어도 부분적인 반응이 가능하다(예를들면, 용침촉진제 전구물질로서 마그네슘을 사용하고, 용침분위기로서 질소를 사용하는 경우, 예비형체 또는 충전재의 적어도 일부에 생성되는 질화마그네슘이 용침 촉진제이다).
기질금속/용침촉진제 전구물질/용침분위기 시스템의 일례로서 알루미늄/마그네슘/질소 시스템을 들 수 있다. 특히, 알루미늄 기질 금속은, 공정조건하에서 알루미늄이 용융될 때, 알루미늄 기질금속 및/또는 충전재와 반응하지 않는 적절한 내화용기내에 수용시키고, 이어서 용융 알루미늄 기질금속에, 마그네슘을 포함하거나 마그네슘에 노출되고, 적어도 공정의 몇 단계에서, 질소분위기에 노출되는 충전재를 접촉시킴으로써 자발용침이 이루어진다.
또한, 용침촉진제 전구물질을 첨가해 주는 대신, 예비형체(또는 충전재) 및/또는 기질금속 및/또는 용침분위기중 적어도 하나에 직접 용침촉진제를 첨가시킬 수도 있다. 궁극적으로는, 적어도 자발용침 중에는 충전재 또는 예비형체의 적어도 일부에 용침촉진제가 위치해 있어야 한다.
본 발명의 제조방법에서 사용한 처리조건하에서 자발용침 시스템이 알루미늄/마그네슘/질소 시스템인 경우, 제조공정중의 몇몇 단계에서 충전재 또는 예비형체 내로의 질소함유 기체의 투과 및/또는 용융기질금속과 질소함유 기체와의 접촉을 가능하게 하려면 상기 예비형체 또는 충전재가 충분한 침투성을 가져야 한다. 또한, 충전재 또는 예비형체는 용융기질금속의 용침을 허용해야 하며, 이에 의해 질소가 침투되어 있는 충전재 또는 예비형체내로 용융기질금속이 용침하여 금속 기질 복합체가 생성되고, 질소는 용침촉진제 전구물질과 반응하여 충전재 또는 예비형체내에 용침촉진제를 생성함으로써 자발용침 반응을 촉진시키게 된다. 자발용침의 정도 및 속도와 금속 기질복합체의 생성 정도는 알루미늄 합금내의 마그네슘 함량, 예비형체 또는 충전재내의 마그네슘 함량, 예비형체 또는 충전재내의 질화마그네슘의 함량, 추가의 합금원소(예, 실리콘, 철, 구리, 망간, 크롬, 아연 등)의 존재여부, 충전재의 평균크기(예, 입도), 충전재 또는 예비형체의 표면상태 및 그 종류, 용침 분위기중의 질소 농도, 용침시간 및 용침반응의 온도 등과 같은 일련의 처리조건에 따라 달라진다. 예를 들면, 용융 알루미늄 기질금속의 자발용침을 위해서는 최소 약 1중량%(합금 중량을 기준으로 함)의 마그네슘, 바람직하게는 최소 약 3중량%의 마그네슘을 알루미늄에 합금시킬 수 있는데, 마그네슘은 용침촉진제 전구물질의 역할을 한다. 기질금속에 원하는 제품의 최종 특성에 따라 위에 열거한 추가 합금원소를 함유시킬 수 있다. 또한, 위의 추가 합금원소들은 기질 알루미늄금속의 충전재 또는 예비형체내로의 자발용침을 위해 요구되는 마그네슘의 최소량에 영향을 미칠 수도 있다. 용침촉진제를 생성시킬 수 없을 정도까지 자발 시스템으로부터 마그네슘이 상실(예를 들면, 휘발에 의한 손실)되어서는 안된다. 따라서, 자발용침이 휘발에 의해 악영향을 받지 않도록, 초기에 충분한 양의 합금원소를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 예비형체(또는 충전재) 및 기질금속 둘 다 또는 예비형체(또는 충전재)에 마그네슘이 존재하면 자발용침을 달성하는데 필요한 마그네슘의 양을 감소시킬 수 있게 된다. 이에 대해서는 후술한다.
질소분위기내의 질소의 체적%도 또한 금속 기질 복합체의 생성율에 영향을 준다. 특히, 용침분위기내에 약 10체적% 미만의 질소아 함유되어 있으면 자발용침이 매우 늦게 일어나거나 거의 일어나지 않게 되며, 최소 약 50체적%의 질소가 함유되어 있으면 자발용침이 매우 늦게 일어나거나 거의 일어나지 않게 되며, 최소 약 50체적%의 질소가 함유되어 있으면 용침속도가 매우 빨라져서 용침에 소요되는 시간이 짧아진다는 것이 밝혀져 있다. 용침분위기(예, 질소함유 기체)는 충전재(또는 예비형체) 및/또는 기질금속에 직접 첨가시킬 수 있으며, 또한 물질의 분해에 의해 생성시킬 수도 있다.
용융기질금속이 충전재 또는 예비형체내로 용침하는데 요구되는 최소 마그네슘 함량은 처리온도, 시간, 실리콘, 또는 아연과 같은 추가 합금원소의 존재여부, 충전물질의 특성, 자발 시스템을 구성하는 하나이상의 성분내의 마그네슘의 위치, 용침분위기내의 질소 함량 및 질소분위기의 유동속도 등과 같은 하나이상의 변수에 따라 달라진다. 합금 및/또는 예비형체내의 마그네슘 함량이 증가함에 따라 보다 낮은 온도 또는 보다 짧은 가열시간을 사용하여 완전한 용침을 달성할 수도 있다. 또한, 마그네슘의 함량이 일정한 경우, 아연과 같은 추가 합금원소를 첨가해 주면 보다 낮은 온도를 사용하여 용침을 달성할 수도 있다. 예를 들면, 기질금속내의 마그네슘 함량이 약 1-3 중량%인 경우도, 전술한 최소 처리온도, 높은 질소농도, 또는 하나이상의 추가 합금원소와 같은 요인중 적어도 하나의 요인과 함께 사용할 수 있다. 예비형체의 마그네슘을 전혀 첨가하지 않은 경우, 약 3-6중량%의 마그네슘을 함유한 합금을 사용하는 것이 광범위한 처리조건을 적용할 수 있다는 점에서 바람직하며, 보다 낮은 온도 및 보다 짧은 시간을 이용한 경우에는 최소 약 5%의 마그네슘을 함유한 합금을 사용하는 것이 바람직하다. 용침에 필요한 온도조건을 조절하기 위해서는 약 10중량%(알루미늄 합금의 중량을 기준으로 함) 이상의 마그네슘을 사용할 수 있다. 추가 합금원소와 함께 사용하는 경우에는 마그네슘의 함량을 줄일 수도 있으나, 이들 추가 합금원소는 단지 보조적인 기능만을 할 뿐이며, 또한 이들 추가 합금원소는 적어도 전술한 최소량의 마그네슘과 함께 사용된다. 예를 들면, 10%의 실리콘이 합금된 명목상 순수한 알루미늄은 1000℃의 온도하에서 500 메쉬의 39 크리스톨론(Crystolon)(노턴 컴패니에서 시판하는 99% 순도의 탄화규소)으로 구성된 층내로 거의 용침되지 않으나, 마그네슘이 존재하면 실리콘이 용침반응을 촉진시킨다는 사실이 밝혀졌다. 또 하나의 예로서, 마그네슘을 예비형체 또는 충전재에만 첨가해주면 마그네슘의 양이 변화하게 된다. 첨가된 총 마그네슘중 적어도 일부가 예비형체 또는 충전재에 위치하면 자발용침 시스템에 보다 적은 양의 마그네슘을 첨가시켜도 자발용침반응이 일어난다는 사실이 밝혀졌다. 완성된 금속 기질 복합체내에 원하지 않은 금속간 화합물이 생성되는 것을 방지하기 위해서는, 보다 적은 양의 마그네슘을 사용하는 것이 바람직하다. 최소 약 1중량%의 마그네슘을 함유한 탄화규소로 된 예비형체의 경우, 거의 순수한 질소분위기하에서 이 예비형체를 알루미늄 기질금속에 접촉시키면 이 기질금속이 예비형체내로 자발적으로 용침되다는 것이 밝혀졌다. 알루미나로 된 예비형체의 경우, 자발용침을 일으키는데 요구되는 마그네슘의 양은 다소 많아진다. 특히, 알루미늄 기질금속의 탄화규소 예비형체내로의 용침시와 동일한 온도와 동일한 질소분위기하에서 알루미나 예비형체를 알루미늄 기질 금속에 접촉시키는 경우, 바로 위에서 설명한 탄화규소 예비형체내로의 알루미늄 기질금속의 용침과 동일한 용침정도를 달성하는데 최소 약 3중량%의 마그네슘이 필요함이 밝혀졌다.
또한, 기질금속이 예비형체(또는 충전재)내로 용침하기 전에 합금의 표면 및/또는 예비형체(또는 충전재)의 표면 및/또는 예비형체(또는 충전재)의 내부에 용침촉진제 전구물질을 첨가하는 것도 가능하다. 다시 말해서, 용침촉진제 또는 용침촉진제 전구물질을 기질금속에 합금시킬 필요없이, 단순히 자발용침 시스템에 첨가시켜도 된다. 기질금속의 표면상에 마그네슘을 첨가하는 경우 기질금속의 표면은 충전재에 가장 인접한 표면, 바람직하게는 충전재와 접촉하는 표면이 되어야 한다. 또한, 예비형체의 표면에 마그네슘을 첨가하는 방법, 예비형체에 마그네슘을 합금시키는 방법 및 예비형체의 적어도 일부에 마그네슘을 설치하는 방법 등을 조합한 마그네슘 첨가방법도 사용할 수 있다. 용침촉진제 및/또는 용침촉진제 전구 물질을 첨가하기 위한 이와 같은 조합된 방법에 의하면, 예비형체내로 알루미늄금속 기질의 용침을 촉진시키는데 요구되는 총 마그네슘의 양이 감소되며, 또한 보다 낮은 온도에서 용침반응이 일어난다. 또한, 마그네슘의 존재로 인하여 형성되는 원하지 않는 금속간 화합물의 양도 최소화될 수 있다.
추가 합금원소 및 분위기 기체내의 질소 농도 또한 주어진 온도하에서 기질 금속의 질화 정도에 영향을 준다. 예를 들면, 아연 또는 철과 같은 추가 합금원소를 합금내에 포함시키거나 합금의 표면상에 가해주면 용침온도가 감소되고, 이로써 질화물의 생성량이 감소된다. 이에 반해 분위기 기체내의 질소 농도를 감소시키면 질화물의 생성이 촉진된다.
합금내의 마그네슘의 농도 및/또는 합금의 표면상에 첨가한 마그네슘의 농도 및/또는 예비형체(또는 충전재)와 결합시킨 마그네슘의 농도 역시 주어진 온도하에서 용침의 정도에 영향을 준다. 따라서, 마그네슘이 예비형체(또는 충전재)와 거의 접촉하지 않는 경우, 합금내의 마그네슘 농도는 최소 약 3중량%는 되어야 한다. 만일 마그네슘의 농도가 3 중량% 미만(예로써, 1 중량%)이면 용침을 달성하는데 보다 높은 처리 온도 또는 추가 합금원소가 필요해진다. (1) 합금내의 마그네슘 함량이 예를들어 최소 약 5중량%까지 증가하는 경우 및/또는 (2) 합금성분을 예비형체(또는 충전재)와 혼합한 경우 및/또는 (3) 알루미늄 합금내에 아연 또는 철과 같은 다른 원소가 존재하는 경우에는 본 발명의 자발용침반응을 일으키는데 필요한 온도가 낮아질 수 있다. 또한, 충전재의 종류가 달라지면 자발용침반응 온도가 달라진다. 일반적으로는 최소 약 675℃의 온도에서, 바람직하게는 최소 약 760-800℃의 온도에서 자발적이고도 점진적인 용침반응이 일어나며, 온도가 1200℃를 초과하면 용침반응에 불리하다. 특히 유용한 용침반응의 온도범위는 약 675-1200℃의 범위로 밝혀졌다. 그러나, 일반적으로 자발용침 온도는 기질금속의 융점이상의 온도 내지 기화온도 이하의 온도범위이며, 또한 충전재의 융점이하의 온도로 해야한다. 온도가 높아짐에 따라 기질금속과 용침분위기 사이에서 반응 생성물이 생성되는 경향이 증가한다. 예를 들면, 기질금속으로서 알루미늄을 사용하고, 용침분위기로서 질소를 사용하는 경우, 질화 알루미늄이 생성된다. 이와 같은 반응생성물은 제조된 금속 기질복합체의 사용 목적에 따라 바람직한 경우도 있고, 바람직하지 않은 경우도 있다. 또한, 용침온도를 얻기 위해 전기저항 가열방식을 사용하기도 한다. 그러나, 기질금속을 용해시킬 수 있고, 자발용침에 악영향을 주지 않으면, 어떠한 가열수단을 사용해도 무방하다.
본 발명의 방법에서는, 예를들어, 침투성이 있는 예비형체(또는 충전재)를 제조공정중의 적어도 몇몇 단계에서 질소함유 기체의 존재하에서 용융 알루미늄과 접촉시킨다. 질소함유 기체는 예비형체(또는 충전재) 및/또는 용융 알루미늄 기질금속 중 적어도 어느하나와 계속해서 접촉하는 상태인 연속적인 유동상태를 유지하면서 공급한다. 질소함유 기체의 유속은 비록 중요한 사항은 아니지만, 합금기질내에서 질화물이 생성됨에 따른 분위기로부터의 질소의 손실양을 보상할 수 있을 정도의 충분한 유속으로 그리고 용융금속을 산화시키는 공기의 혼입을 방지할 수 있을 정도의 충분한 유속으로 해 주어야 한다.
본 발명의 금속 기질 복합체의 제조방법은 여러가지 종류의 충전재에 적용시킬 수 있으며, 충전재는 기질합금, 처리조건, 용융기질합금의 충전재에 대한 반응성, 기질금속에 대한 충전재의 적합성, 원하는 최종 복합체의 특성 등과 같은 여러가지 요인에 따라 다양하게 선택할 수 있다. 예를들면, 알루미늄이 기질금속인 경우 적절한 충전재로는 (a) 산화물(예, 알루미나), (b) 탄화물(예, 탄화규소), (c) 붕화물(예, 알루미늄 도데카 보라이드), 및 (d) 질화물(예, 질화 알루미늄) 등을 들 수 있다. 충전재가 용융알루미늄 기질금속과 반응하는 경향이 있는 경우에는, 용침시간 및 용침 온도를 최소화하거나 충전재 위에 비반응성 코팅을 가함으로써 상기 반응을 방지할 수 있다. 충전재로서는 탄소 또는 비세라믹 물질과 같은 기질위에 세라믹코팅을 하여 기질이 침식 또는 열화되지 않도록 한 충전재가 포함된다. 적절한 세라믹 코팅물질로서는 산화물, 탄화물, 붕화물 및 질화물이 포함된다. 본 발명의 제조방법에 적합한 세라믹에는 입자형태, 판형태, 휘스커형태 및 섬유형태의 알루미나 및 탄화규소가 포함된다. 섬유형태의 세라믹은 짧게 자른 불연속형태로 하거나 다중필라멘트와 같은 연속형태로 할 수 있다. 또한, 충전재 또는 예비형체는 균질 또는 비균질일 수 있다.
유사한 화학 조성을 갖는 충전재에 비하여 어떤 충전재는 우수한 용침작용을 나타내는 것이 발견되었다. 예로서, 마크 에스. 뉴커트등에 의해 1987년 12월 15일 특허된 새로운 세라믹 물질 및 그 제조방법 명칭의 미합중국 특허 제4,713,360호에 의해 만들어진 분쇄된 알루미나 몸체가 있으며, 상기 특허는 본 출원에 참고로 인용된다(본 특허에 대한 외국 대응 출원은 1985년 9월 25일 EPO 에서 특허된 출원번호 제0,155,831호). 상기 특허는 산화반응 생성물을 제조하기 위하여 용융 모금속 전구물질을 증기상의 산화제와 반응시켜 제조된 산화반응 생성물을 성장시킨 자체-지지성 세라믹 몸체의 제조방법을 기재하고 있다. 용융금속은 형성된 산화반응 생성물을 통해 산화제와 반응하여 상호 연결된 금속성분을 포함할 수 있는 세라믹 다결정체를 계속 성장시킨다. 이 공정은 모금속과 합금되는 하나이상의 첨가제를 사용함으로써 강화되거나 어떤 경우는 가능해진다. 예로써 공기중의 산화 알루미늄인 경우, 마그네슘과 실리콘을 알루미늄과 합금시켜 알파-알루미나 세라믹 구조를 제조하는 것이 바람직하다.
또한, 마크 에스. 뉴커크등이 1985년 2월 4일 출원한 미합중국 특허 출원 제696,876호의 CIP 출원으로서, 복합 세라믹 제품 및 그 제조방법 이라는 명칭으로 1986년 1월 17일 출원한 계류중인 미합중국 특허출원 제819,397호에도 유사한 산화현상이 이용되었다(이 출원에 대응하는 외국출원은 1986년 9월 3일 EPO 에서 특허된 출원 제0,193,392호이며, 상기 출원은 본 발명에서 참고로 인용된다). 상기 출원은 모금속 전구물질로 부터 용침 가능한 충전재(예, 탄화규소 입자 충전재 또는 알루미나 입자 충전재)로 산화반응 생성물을 성장시켜 세라믹 기질이 충전재를 용침하거나 매립하도록 함으로써 자체 지지성 세라믹 복합체를 제조하는 신규 방법에 관한 것이다. 그러나, 생성된 복합체는 일정한 또는 예정된 형상, 모양 또는 형태를 갖지 않는다.
세라믹 또는 세라믹 복합물질의 용침 가능한 덩어리를 금속 기질이 완전히 용침하는 공정은, 상기 미합중국 특허 및 계류중인 미합중국 특허 출원에 기재된 방법에 의해 제조되는 분쇄된 몸체를 사용함으로써 낮은 용침 온도 및/또는 짧은 용침 시간에 일어날 수 있음이 발견되었다. 또한 본 발명은 결합 세라믹 또는 세라믹 복합체에 관한 것이며, 상기 몸체는 상기 산화 반응 성장공정에 의해 제조된 것이다. 특히, 모금속과 산화제의 산화 반응 생성물을 포함하는 세라믹 또는 세라믹 복합체는 상호 결합될 수 있다.
충전재의 치수 및 형상에 따라 완성된 복합체의 특성이 달라진다. 충전재의 형상에 의해 용침반응이 제한을 받는 것은 아니므로 충전재는 입자 형태, 휘스커 형태, 판 형태 또는 섬유 형태 등의 형태를 취할 수 있으며, 이밖에도 구 형태, 세관(tubule) 형태, 펠리트(pellet) 형태, 내화섬유의 직물형태 등도 사용할 수 있다. 또한, 입자가 큰 충전재로 된 충전재 물체에 비해 입자가 작은 충전재로 된 충전재 물체가 그 용침을 완료하는데 더 높은 온도와 긴 시간이 필요하다. 또한, 충전재 물체(예비형체로 성형한 것)는 침투성이 있어야 한다. 즉, 충전재 물체는 용융기질금속과 용침분위기가 침투할 수 있어야 한다.
용융 기질금속을 예비형체 또는 충전재내에 용침시킴에 있어 압력을 사용하지 않는 본 발명의 금속 기질복합체 제조방법에 의하면, 충전재의 체적분율이 높으면서 기공도가 낮은 거의 균일한 금속 기질 복합체를 제조할 수 있다. 기공도가 낮은 충전재를 사용하거나 크기가 다른 입자들을 사용하여 입자의 적층도를 높이면 충전재의 체적 분율이 높은 복합체를 얻을 수 있으며, 또한, 용융합금에 의한 용침이 방해되지 않을 정도로 충전재를 압축성형 또는 조밀화 시킴으로써 충전재의 체적 분율이 높은 복합체를 얻을 수 있다. 본 발명에 따른 가열 성형을 위해서는 충전재의 체적 분율이 40-50% 정도인 것이 바람직하다. 이러한 정도의 체적 분율에서는, 용침된 복합체가 그 형상이 유지되므로 후속되는 2차 처리가 용이해진다. 그러나, 필요에 따라 40-50% 보다 높거나 낮은 체적 분율을 사용할 수도 있으며, 낮은 체적 분율을 얻기 위해 본 발명의 가열성형공정과 관련하여 체적 분율을 감소시키는 방법을 채용할 수도 있다.
알루미늄의 용침 및 세라믹 충전재 주위에서의 기질의 형성에 있어서, 알루미늄 기질금속에 의한 세라믹 충전재의 습윤은 용침기구에서 중요한 역할을 한다는 것이 밝혀졌다. 또한, 낮은 처리온도에서는 무시할 수 있을 정도의 금속의 질화반응이 일어나고, 그 결과 소량의 질화알루미늄 불연속상이 금속 기질내에 분산상으로서 존재하게 된다. 반대로, 용침온도가 고온이 되면 금속의 질화가 용이하게 발생하게 된다. 따라서, 용침 온도를 변화시켜 주면 금속 기질 내의 질화물 상의 양을 조절할 수 있다. 또한, 질화물이 생성되는 온도는 사용한 기질알루미늄 합금, 충전재 또는 예비형체의 부피에 대한 기질 알루미늄 합금의 양, 용침될 충전재, 및 용침 분위기내의 질소 농도 등과 같은 요인에 따라 달라진다. 예를 들면, 주어진 처리온도하에서 충전재에 대한 알루미늄합금의 습윤능력이 감소할수록 그리고 용침분위기중의 질소농도가 증가할수록 알루미늄 질화물의 생성도는 증가한다고 생각된다.
그러므로, 복합체의 생성중에 금속 기질의 구성상태를 조절해 줌으로써 완성된 복합체에 원하는 특성을 부여할 수 있게 된다. 하나의 주어진 시스템에 있어서, 질화물의 생성을 제어하도록 처리조건을 선택할 수 있다. 질화 알루미늄상을 함유한 복합체는 우수한 특성을 가진다. 또한, 알루미늄 합금의 자발용침을 위한 온도범위는 사용한 세라믹 물질에 따라 달라진다. 충전재로서 알루미나를 사용한 경우, 질화물의 생성에 기인된 기질금속의 전성의 감소를 방지하려면 용침온도가 약 1000℃를 초과해서는 안된다. 그러나, 전성은 약하지만 강성(stiffness)이 우수한 기질을 가진 복합체를 제조하고자 하는 경우에는 1000℃를 초과하는 용침온도를 사용할 수 있다. 충전재로서 탄화규소를 사용하고, 기질금속으로서 알루미늄을 선택한 경우에는 약 1200℃의 고온을 사용할 수 있는데, 이는 충전재로서 알루미나를 사용한 경우보다는 탄화규소를 사용한 경우가 알루미늄 합금의 질화정도가 적기 때문이다.
또한, 충전재에 대한 용침반응의 완성 및/또는 제1기질금속과 다른 조성의 제2기질금속의 공급을 위해 기질금속 공급체를 사용할 수 있다. 특히, 어떤 경우에는 제1기질 금속과 조성이 다른 제2기질금속을 사용하는 것이 바람직할 때도 있다. 예를들면, 알루미늄 합금을 제1기질금속으로서 사용한 경우, 처리온도에서 용융상태인 다른 합금을 제2기질금속으로서 사용할 수 있다. 일반적으로 용융금속은 적절한 시간동안 방치해두면 서로 혼합되는 성질이 있으므로, 제1기질 금속과 그 조성이 다른 제2기질금속 공급체를 사용하면 여러가지 사용목적에 부합되는 특성을 가진 금속 기질을 얻을 수 있고, 따라서 완성된 금속 기질 복합체의 특성도 조절할 수 있다.
본 발명에서는 또한 차단수단을 사용할 수 있다. 특히, 본 발명에서 사용하는 차단수단을 용융기질합금(예, 알루미늄합금)이 충전재의 소정의 경계면을 초과하여 유동하는 것을 방지할 수 있는 것이라면 어떠한 수단도 가능하다. 적절한 차단수단으로는 본 발명의 처리조건하에서 그 형태를 유지할 수 있고, 휘발하지 않으며, 처리에 사용된 기체가 침투할 수 있으며, 세라믹 충전재의 소정의 경계면을 초과하는 용침을 방지할 수 있는 임의의 물질, 화합물, 원소, 조성물 등을 들 수 있다. 이 차단수단은 자발용침중에 사용하거나, 자발용침된 금속 기질복합체의 가열성형공정과 관련하여 사용되는 기타의 고정 구조물 또는 임의의 주형내에서 사용할 수 있다. 이에 대해서는 후술한다.
적절한 차단수단에는 채용된 처리조건하에서 유동하는 용융기질 합금에 의해 거의 습윤되지 않는 물질이 포함된다. 이러한 종류의 차단수단은 용융기질금속에 대한 친화력이 거의 없으므로 충전재 또는 예비형체의 소정의 경계면을 초과하는 용융기질금속의 용침을 차단하게 된다. 또한, 차단수단을 사용하면 금속 기질복합체에 요구되는 최종 기계 가공이나 연삭가공의 필요성을 감소시킬 수 있다. 전술한 바와 같이, 분위기 기체가 용융기질합금에 접촉할 수 있도록 차단수단이 침투성을 가지는 것이 바람직하다.
특히, 알루미늄 기질합금에 대해 유용한 차단수단은 탄소를 함유한 차단 수단이며, 특히 탄소의 동소체인 흑연을 함유한 차단수단이다. 흑연은 처리조건하에서 용융알루미늄 합금에 의해 습윤되지 않으며, 특히 바람직한 흑연으로서는 유니온 카바이드사의 상표명 Grafoil
Figure kpo00003
으로 시판되는 흑연테이프를 들 수 있다. 이 흑연 테이프는 용융 알루미늄 합금이 충전재의 소정의 경계면을 초과하여 유동하는 것을 방지해주는 차단 특성을 나타낸다. 이 흑연 테이프는 또한 내열성이 우수하며, 화학적으로 불활성이다. 또한 이 Grafoi
Figure kpo00004
l 흑연 테이프는 가요성 및 탄력성이 있으므로 임의의 다양한 형상으로의 성형이 가능하다. 그러나, 슬러리 또는 페이스트 형태의 흑연차단수단을 사용할 수도 있으며, 경우에 따라서는 충전재 또는 예비형체의 주위에 박막형태로 흑연차단 수단을 도포할 수도 있다. Grafoil
Figure kpo00005
흑연 테이프를 사용하는 것이 바람직한 이유는 이것이 가요성의 흑연 시트로서 충전재 또는 예비형체의 주위에 쉽게 설치될 수 있기 때문이다.
질소분위기하에서의 알루미늄 기질합금에 대해 바람직한 그밖의 차단 수단에는 전이금속 붕화물(예, 티타늄 디보라이드(TiB2))이 있는데,이 물질은 채용한 처리조건하에서 용융 알루미늄합금에 의해 습윤되지 않는다. 그러나, 이러한 종류의 차단수단을 사용하는 경우, 처리온도가 약 875℃를 초과해서는 안되며, 만일 이 온도를 초과하면 차단수단의 기능이 떨어지며, 온도가 상승함에 따라 차단수단내로의 용침도 발생하게 된다. 상기 전이금속 붕화물은 전형적인 입자형태(1-30㎛)이며, 이는 세라믹 충전재(또는 예비형체)의 소정의 경계면에 슬러리 또는 페이스트 상태로 도포할 수 있다.
질소분위기하에서의 알루미늄 기질합금에 대해 유용한 그밖의 차단수단에는 충전재 또는 예비형체의 외면상에 박막 또는 층상으로 설치되는 휘발성이 낮은 유기화합물이 포함된다. 질소분위기하에서, 특히 본 발명의 처리조건하에서 가열되면, 이 유기화합물은 분해되어 탄소박막이 남는다. 위 유기화합물은 페인팅법, 스프레이법, 침지법 등과 같은 종래 기술을 이용하여 도포할 수 있다.
또한, 충전재보다 용침이 느리게 발생하는 미세하게 분쇄된 미립자 물질도 차단수단으로 사용할 수 있다.
차단수단을 소정의 경계면상에 차단층을 설치하는 등의 임의의 적절한 방법으로 설치할 수 있으며, 페인팅법, 침지법, 실크 스크린법, 증착법, 액상 도포법, 슬러리 도포법, 페이스트 도포법, 기화성 있는 차단수단의 스퍼터링법(sputtering), 고체입자 형태 차단층의 용착법, 고체 박막형태의 차단수단 설치법 등의 방법으로 설치할 수 있다. 이와같은 차단 수단을 설치한 경우, 용융기질금속이 소정의 경계면과 이 차단수단에 접촉하면 자발용침은 중지된다.
본 발명의 여러가지 설명이 다음의 실시예에 포함되어 있다. 그러나, 이 실시예들은 예시적인 것이며, 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
상기 계류중인 미합중국 특허출원 제819,397호에 기재된 공정과 유사한 공정을 사용하여 두개의 자체-지지성 세라믹 복합체를 제조하였다. 특히, 결합되는 세라믹 복합체는 알루미나 산화 반응 생성물을 알루미나를 포함하는 충전재로 성장시켜 제조한 것이다(예, 알루미나/알루미나 세라믹 복합체가 생성되었다). 제1도는 금속 기질 복합체를 사용하여 두 세라믹 복합체를 상호 결합시키는 조립체의 단면을 나타낸 것이다. 결합되는 세라믹 복합체(1)의 표면을 세척하였다. 이 세척과정은 젖은 연마패드로 결합 표면을 연삭함으로써 수행했다. 용침 가능한 덩어리(2)를 결합표면에 접촉시켰다. 용침 가능한 덩어리는 약 20% 질화마그네슘 수용액으로 노턴사에서 제조하여 38 Alundum 이라는 상품명으로 판매되는 220 그릿 알루미나 입자의 슬러리 혼합물을 만들어 제조하였다. 그 다음 슬러리를 세척한 후 각 결합면에 약 0.5㎜ 두께로 부가하였다. 두께 약 0.5㎜이고, 약 10중량%의 실리콘과 약 3중량%의 마그네슘을 포함한 호일 또는 플레이트를 복합체의 습한 슬러리위에 배치하였다. 세라믹 복합체(1)를 피복한 다른 슬러리를 호일 또는 플레이트(3)의 상부에 위치시켜 결합될 조립체(10)를 형성시켰다. 그 다음 슬러리를 건조시켰다. 내화층(5)을 포함하는 도가니 또는 보트(boat)(4)를 제조하였다. 조립체(10)를 보트 또는 도가니(4)내의 내화층(5) 위에 배치하였다. 내화층은 상업적으로 판매되는 그릿 알루미나이다. 또한, 사용된 상기 층은 절대적인 것은 아니며, 스테인레스 스틸을 포함하는 내화 플레이트로 대체할 수도 있다. 또한 보트의 조성도 절대적인 것은 아니지만, 결합 또는 용침 공정중에 비반응성인 것이어야 한다.
조립체(12)를 포함한 보트(4)를 기압조절로(controlled atmosphere furnace)에 배치하였다. 질소 공급원을 제공하여 가열중 질소가 로를 통과하게 하였다. 로의 온도를 약 900℃까지 승온시켰다. 알루미늄 합금(3)이 각 용침가능한 덩어리(2)로 자발 용침하는 약 1시간 동안 이 온도를 유지시켰다. 자발용침이 종결된 후, 상기 로를 자연스럽게 실온으로 냉각시켰다. 로에서 상기 조립체(12)를 꺼내어 몸체(1) 사이에 단단한 결합이 이루어졌는가를 관찰하였다.
100배 확대한 광현미경 사진인 제2도에 나타난 바와 같이 알루미늄 합금은 용침가능한 충전재로 자발적 용침하여 알루미나 합금과 세라믹 복합체 사이에 치밀하고 결함이 거의 없는 결합부를 형성시켰다. 특히 (6) 부분은 제1도의 하부세라믹 복합체(1)에 해당한다. (7) 부분은 상기 합금(3)이 용침가능한 덩어리(2)로 자발 용침함에 따라 형성된 금속 기질 복합체를 포함한다. (8) 부분은 금속 기질 복합체의 제조에 사용되지 않은 잔류 기질금속(예, 부착 기질금속)에 해당한다. 기질금속(3)은 용침가능한 덩어리(2) 각각에 용침되었다. 따라서, 다른 금속 기질 복합체는 제2몸체에 결합된(제2도에 도시되지 않음) 잔류의 모금속(제2도에 도시되지 않음)에 결합된다. 결국 생성된 결합 물질은 상부로부터 하부에, 제1도에 나타난 바와 같이 결합되는 제1몸체, 제1금속 기질 복합체, 잔부 기질금속, 제2금속 기질 복합체, 및 결합되는 제2몸체를 순서대로 포함한다. 또한, 원하는 경우, 충전재/기질금속의 비를 조절하여 더 많거나 적은 기질금속을 공급하도록 할 수 있다(예, 원하는 경우 잔부 기질금속이 거의 완전히 제거되도록 할 수 있다).
[실시예 2]
실시예 1에 기재된 형태의 두 세라믹 복합체를 실시예 1과 같이 동일한 물질을 사용하여 결합시키되, 슬러리에 부가하여 노턴사에서 판매되는 용융 알루미나 생성물인 E1 Alundum(상표명)를 포함하도록 하였다. 유사한 조립체(12)를 제조하고 로내에 배치한 후 실시예 1과 같이 가열하였다. 그 다음 로를 냉각시키고 조립체(12)를 꺼냈다. 몸체(1)들이 서로 단단히 결합되어 있는 것이 관찰되었다.
실시예 2에 의해 제조된 결합부를 100배 확대한 광 현미경 사진을 나타낸 제3도에서와 같이, 결합부는 치밀하고 결함이 거의 없었다. 특히 제3도의 (9-11) 부분은 E1 Alundum(상표명)를 포함하는 제3도의 (10) 부분을 제외하고는 제2도의 (6-8) 부분에 각각 해당한다.
특별히 본 실시예들을 기재하였지만, 이 실시예들의 여러가지 변경도 가능하며, 이러한 변경들은 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술 사상내에 포함되는 것이다.

Claims (4)

  1. 결합될 두개 이상의 몸체의 적어도 일부사이에 비-반응성인 충전재의 침투가능 덩어리를 제공하는 단계; 상기 충전재의 침투가능 덩어리에 인접하여 용융기질 금속원을 제공하는 단계; 공정 중간의 적어도 일부 시점에서 기질금속의 자발적 용침을 가능하게 하거나 강화하는 용침 분위기, 및 하나 이상의 용침 촉진제 또는 용침 촉진제 전구물질을 제공하는 단계; 및 용융된 기질 금속을 상기 충전재의 적어도 일부에 자발적으로 용침시켜 상기 두개 이상의 몸체사이에 금속 기질 복합체를 형성시키는 단계를 포함하는, 복수개의 결합시키는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 충전재가 예비형체를 포함하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 결합시킬 상기 몸체 사이에 가열시 상기 용융된 기질 금속원을 제공하는 기질 금속 덩어리를 공급하는 단계가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 결합시킬 상기 몸체가 금속, 세라믹, 세라믹 복합체, 서메트 및 유리로 구성된 군중에서 선택된 물질들의 조합물을 포함하는 방법.
KR1019890014424A 1988-11-10 1989-10-07 금속기질 복합체를 이용하여 다수의 몸체를 결합시키는 방법 KR0146339B1 (ko)

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US269,307 1988-11-10

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