KR0183974B1 - 자기 발생식 진공 공정에 의한 금속 기질 복합체의 제조 방법 및 그것으로부터 제조된 제품 - Google Patents

자기 발생식 진공 공정에 의한 금속 기질 복합체의 제조 방법 및 그것으로부터 제조된 제품 Download PDF

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마이클 재이. 홀린스
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Abstract

내용 없음.

Description

자가 발생 진공법에 의한 금속 매트릭스 복합체의 제조 방법
제1a도는 본 발명의 방법에 따라서 외부 밀봉 수단을 이용한 전형적인 레이업(lay-up)의 단면도이다.
제1b도는 비교용 레이 업의 단면도이다.
제2도는 표준 레이 업에 적용되는 본 발명 방법을 단순화시킨 플로우 챠트이다.
제3a도는 제1a도에 따라서 형성된 제품의 사진이다.
제3b도는 제1b도에 따라서 형성된 제품의 사진이다.
제4a도는 제1a도에 따라서 제조된 청동 금속 매트릭스 복합체의 사진이다.
제4b도는 제1b도의 청동 매트릭스 금속으로 얻은 결과에 해당하는 것이다.
제5도는 샘플 P를 제조하기 위하여 사용된 레이 업의 단면도이다.
제6도는 샘플 U를 제조하기 위하여 사용된 레이 업의 단면도이다.
제7도는 실시예 3에 따라서 제조된 샘플을 나타내는 일련의 현미경 사진이다.
제8도는 실시예 6에 해당하는 일련의 현미경 사진이다.
제9도는 실시예 7에 해당하는 일련의 현미경 사진이다.
제10도는 실시예 8에 해당하는 일련의 현미경 사진이다.
제11도는 실시예 9에 해당하는 일련의 현미경 사진이다.
제12a도 및 제12b도는 실시예 10에 따라서 사용된 레이업의 단면도이다.
제13도는 샘플 AK와 샘플 AL에 따른 진공의 양을 시간의 함수로서 플롯한 것이다.
제14a도 및 제14b도는 샘플 AK와 AL에 따라서 각각 제조된 제품을 나타낸다.
제15도는 실시예 14에 대한 진공의 양 대 시간의 플롯이다.
제16도는 실시예 18, 샐플 AU에 따라서 사용된 레이업의 단면도를 나타낸다.
본 발명은 금속 매트릭스 복합체의 제조에 관한 것이다. 특히, 용융 매트릭스 금속은 반응성 대기(atmosphere)의 존재하에 충전물 또는 예비성형체와 접촉되며, 상기 처리 과정 중 적어도 일부 지점에서, 용융 매트릭스 금속은 반응성 대기와 부분적으로 도는 거의 완전히 반응함으로써, 용융 매트릭스 금속이 적어도 부분적으로는 자가(self)발생된 진공에 의해 충전물 또는 예비 성형체에 침투하게 된다. 이러한 자가 발생된 진공 침투는 어떠한 외부 압력 또는 진공을 가하지 않고도 발생한다.
세라믹 미립자, 위스터, 섬유 등과 같은 보가 상 또는 강화 상 및 매트릭스 금속으로 구성된 복합 제품들은, 매트릭스 금속의 연성과 인성, 그리고 보강상의 약간의 강성 및 내마모성을 조합하여 지니고 있으므로, 각종 용도에 적합하다. 일반적으로 금속 매트릭스 복합체는 모노리틱형의 매트릭스 금속에 비해, 강도, 강성, 접촉 내마모성, 및 승온에서 강도 보유성과 같은 성질은 향상되지만, 특정한 성질이 향상되는 정도는 주로 특정 성분, 그 부피 또는 중량 분율에 따라 그리고 복합체의 형성시 처리법에 따라 다르다. 일부 경우에 있어서, 복합체는 매트릭스 급속 자체보다 중량이 가벼울 수도 있다. 예를 들면, 미립자, 소판, 또는 위스커 형태의 탄화규소 등과 같은 세라믹으로 보강된 알루미늄 매트릭스 복합체는, 알루미늄에 비해 강도, 내마모성 및 고온 강도가 높아서 주목받고 있다.
알루미늄 매트릭스 복합체의 제조에 대해서는 가압 주조, 진공 주조, 교반 및 습윤제를 사용한 분말 금속 가공법 및 액체 금속 침투법을 기초로 한 방법을 비롯하여 각종 금속 가공 방법이 있다.
분말 금속 가공법에서, 분말 형태의 금속 및 분말, 위스커, 섬유 절단물 형태의 보강 물질을 혼합한 다음, 냉각 압축하고 소결하거나, 또는 고온 압축한다. 종래의 공정을 이용한 분말 금속 가공법에 의해 금속 매트릭스 복합체의 제조는 수득 가능한 제품의 특성면에서 일정한 한계가 있다. 복합체에서 세라믹상의 부피 분율은 미랍자의 경우, 통상적으로 약 40%까지 한정되어 있다. 또한 압축 조작도 수득 가능한 실제 크기에 한계를 지닌다. 비교적 단순한 제품형 만이 후속 가공(예를 들면, 성형 또는 기계 가공) 없이 또는 복잡한 압축기를 사용하지 않고 수득 가능하다. 또한, 입자 성장 및 압축품(compact)에서 격리에 의한 미세구조의 불균일성 뿐만 아니라 소결동안에 불균일한 수축이 일어날 수 있다.
1976년 7월 20일자 제이. 씨. 켄넬 외 다수의 미국 특허 제3,970,136호에서는 소정의 섬유 배향 패턴을 가진 섬유 보강재(예, 탄화규소, 알루미나 위스커)를 혼입하여 금속 매트릭스 복합체를 형성하는 방법에 대하여 기술하고 있다. 복합체는, 적어도 매트(mat)의 일부 사이에 알루미늄 등의 용융 매트릭스 금속의 저장기를 갖는 주형에 공평면 섬유의 평행한 매트 또는 팰트를 놓고, 압력을 가하여 용융 금속을 매트에 침투시킨 후, 배향 섬유를 에워싸게 하여 제조한다. 용융 금속은 매트 적층체 위에 부어 가압하에 매트 사이를 흐르도록 할 수 있다. 복합체 내에 약 50부피% 이하의 보강 섬유를 적재할 수 있는 것으로 보고됐다.
용융 매트릭스 금속을 섬유 매트 적층체에 붓기 위해 외부 압력에 의존한다는 관점에서 볼 때 상기 언급한 침투 공정은 압력에 의해 유도된 흐름 공정의 불규칙성으로 인한 문제점, 즉, 매트릭스 형성시의 불균일 조직, 다공성 등이 생긴다. 용융 금속을 섬유 배열내의 다수의 부위에 도입할 때 조차도 성질이 불균일하게 될 수 있다. 따라서, 섬유 매트 적층을 충분하고 균일하게 침투하기 위해서는 복잡한 매트/저장기 배열 및 흐름 통로가 제공될 필요가 있다. 상기 언급한 압력 침투 방법도, 큰 부피의 매트를 침투시키는데 있어서의 어려움 때문에 매트릭스의 부피불율에 대해 비교적 적은 보강만 허용한다. 더우기, 주형은 가압하에 용융 금속을 함유해야 하므로, 이는 공정의 비용을 증가시킨다. 최종적으로, 상기 언급한 공정은 일정하게 배열된 입자 또는 섬유를 침투시키는 것에 한정되며, 무작위하게 배향된 입자, 위스커 또는 섬유 형태의 물질로 보강된 금속 매트릭스 복합체를 형성하는 것과는 관련되어 있지 않다.
알루미늄 매트릭스-알루미나 충전 복합체의 제조에 있어서, 알루미늄은 알루미나를 쉽게 습윤시키지 않으므로, 응집 생성물을 형성하는데 어려움이 있다. 다른 매트릭스 금속-충전제 결합물도 상기와 동일한 문제점을 지닌다. 이러한 문제를 해결하는 방법중의 하나는 금속(예를 들면, 니켈 또는 텅스텐)으로 알루미나를 피복한 다음, 알루미늄과 함께 고온 압축하는 방법이다. 또 다른 방법은 리튬과 알루미늄을 합금시킨 다음 알루미나를 실리카로 피복하는 것이다. 그러나, 이들 복합체는 다양한 특성을 지니거나, 또는 피복물이 충전제 품질을 저하시키거나, 또는 매트릭스는 그것의 성질에 영향을 미칠 수 있는 리튬을 함유한다.
그림쇼 외 다수의 미국 특허 제4,232,091호에서는 알루미늄 매트릭스-알루미나 복합체의 제조시 발생하는 기술상의 어려움을 해결하고 있다. 상기 특허에서는 용융 알루미늄(또는 용융 알루미늄 합금)을 700℃-1050℃의 온도로 예열된 알루미나의 섬유 또는 위스커 매트로 침투시키기 위해 75-375kg/㎠의 압력을 가하는 것이 기술되어 있다. 생성된 고체 주조물에서 알루미나 대 금속의 최대 부피비율은 1/4이다. 침투 공정을 야기하기 위해 외부 힘에 의존하기 때문에, 상기 공정은 컨넬 외 다수의 특허에서와 동일한 많은 결함을 지닌다.
유럽 특허 출원 공보 제115,742호에서는 특히, 전해 전지 부품으로서 유용한 알루미늄-알루미나 복합체를 제조하는 것에 대하여 기술하고 있는데, 이것은 예비성형된 알루미나 매트릭스의 공극을 용융 알루미늄으로 충전시킴으로써 성취될 수 있다. 상기 출원은 알루미늄에 의한 알루미나의 비습윤성을 강조하면서, 예비성형체 전체를 통해 알루미나를 습윤시키기 위해 각종 기술을 사용하고 있다. 예를 들면, 티타늄, 지르코늄, 하프늄 또는 니오븀의 이붕화물의 습윤제로 알루미나를 피복하거나, 또는 리튬, 마그네슘, 칼슘, 티탄, 크롬, 철, 코발트, 니켈, 지르코늄 또는 하프늄 등과 같은 금속으로 알루미나를 피복한다. 이르곤 등의 불활성 대기는 습윤을 용이하게 하는데 사용된다. 또한, 상기 문헌은 용융 알루미늄을 미피복 매트릭스에 침투시키기 위하여 압력을 가하는 것을 개시하고 있다. 이러한 관점에서, 침투 공정은, 기공을 비운 다음, 아르곤 등의 불활성 대기 중에서 용융 알루미늄에 압력을 가함으로써 이루어진다. 대안적으로, 예비성형체는 용융 알루미늄 용착으로 침투시킬 수 있다. 예비성형체의 기공에 알루미늄을 보유하기 위하여, 진공 또는 아르곤내에서 열처리, 예를 들면 1400℃-1800℃로 열처리하는 것이 필요하다. 그렇지 않으면, 가압 침투 물질을 기체에 노출시키거나 또는 침투압의 제거로 인해 성형체로부터 알루미늄이 손실되기 때문이다.
전해 전지내에 있는 알루미나 성분에 용융금속을 침투시키기 위하여 습윤제를 사용하는 것도 유럽 특허 출원 공보 제94353호에 기술되어 있다. 상기 공보에서는 전지 라이너 또는 기판으로서 음극 전류 급전기를 갖는 전지로 전해 채취함으로써 알루미늄을 제조하는것에 대하여 기술하고 있다. 용융 방정석으로부터 이러한 기판을 보호하기 위하여, 습윤제 및 용해 억제제의 혼합물의 얇은 피막은 전해 공정에 의해 제조된 용융 알루미늄에 침지되거나, 또는 전지를 가동시키기 전에 알루미나 기판에 도포된다. 상기 개시된 습윤제는 티탄, 지르코늄, 하프늄, 규소, 마그네슘, 바나듐, 크롬, 니오븀 또는 칼슘 등이며, 티탄이 바람직한 습윤제이다. 붕소, 탄소 및 질소의 화합물은 용융 알루미늄에 대한 습윤제의 용해도를 억제하는데 유용한 것으로 기술되어 있다. 그러나, 상기 문헌은 금속 매트릭스 복합체의 제조에 대해서는 암시하고 있지 않다.
압력과 습윤제의 사용 이외에도, 진공을 가하면 다공성 세라믹 콘팩트에 용융 알루미늄이 침투하는 것을 돕는다는 것이 기술되어 있다. 예를 들면 미국 특허 제3,718,441호(알. 엘. 랜딩엄. 1973년 2월 27일)에서는 10-6토르 이하의 진공하에 용융 알루미늄, 베릴륨, 마그네슘, 타탄, 바나듐, 니켈 또는 크롬을 세라믹 콤캑트(예, 탄화붕소, 알루미나 및 베릴리아)에 침투시키는 것에 대하여 기술하고 있다. 10-2내지 10-6토르의 진공을 사용하면, 용융 금속에 의해 세라믹이 충분히 습윤되지 않아, 금속은 세라믹 공극 구간으로 자유롭게 유동하지 못한다. 그러나, 진공을 10-6토르 이하로 감압시켰을 때, 습윤이 향상되는 것으로 알려져 있다.
지. 이. 가자(Gazza) 외 다수의 1975년 2월 4일자 미국 특허 제3,864,154호에서는 침투를 위하여 진공을 사용하는 것에 대하여 기술하고 있다. 상기 특허에서는 냉각 압축된 알루미늄 분말층 위에 AℓB12냉각 압축 콤팩트를 잠입시키는 것에 대하여 기술하고 있다. 그후 부가의 알루미늄은 AℓB12분말 콤팩트의 상부에 위치하고 있다. 알루미늄 분말층 사이에 샌드위치된 AℓB12콤팩트로 장입된 도가니를 진공 로에 넣는다. 기체를 방출시켜 로를 약 10-5토르로 감압시켰다. 온도를 1100℃로 승온시키고 3시간 도안 유지시킨다. 이러한 조건으로, 용융 알루미늄을 다공성 AℓB12콤팩트로 침투시킨다.
성유, 와이어, 분말 또는 위스커 등의 보강 물질을 함유한 복합 물질을 제조하는 방법은 1982년 2월 3일자 유럽 특허 출원 공보 제045,002호(Donomoto)에 기술되어 있다. 복합 물질은 대기 및 용융 금속(예, 마그네슘 또는 알루미늄)에 비반응성인 다공성 보강 물질(예, 알루미나, 탄소, 또는 붕소의 규칙적으로 배열된 섬유 등)을 개방부를 구비한 용기에 넣고, 거의 순수한 산소를 용기에 송풍시킨 후 용융 금속의 푸울(pool)에 용기를 침지시켜 용융 금속이 보강 물질의 간극에 침투함으로써, 제조된다. 상기 공보에서는 용융 금속이 용기에 존재하는 산소와 반응하여 금속의 고체 산화 형태를 형성하고, 용융 금속을 보강 물질의 간극으로 통과시켜 용기로 인발하는, 용기에 진공을 발생시키는 공정을 기술하고 있다. 대안적인 구체예에서, 상기 공보에서는 용기내에 산소 게터(getter)원소(예, 마그네슘 등)을 넣은 후 용기내 산소와 반응시켜 진공을 발생시키고, 상기 진공은 용융 금속의 50kg/㎠ 아르곤 가압의 도움으로 용융 금속(예, 알루미늄 등)을 보강 물질(예, 규칙적으로 배열된 탄소 섬유)로 충전된 용기에 끌어당기는 것을 개시한다.
1975년 2월 18일자 제이. 제이. 오트 외 다수의 미국 특허 제3,867,177호에서는 금속 활성제와 다공체를 접촉시킨 다음, 상기 다공체를 금속 충전제에 침지시킴으로써 금속으로 다공체를 함침하는 방법에 대하여 기술하고 있다. 특히, 하기 기술되는 레딩 외 다수의 미국 특허 제3,364,976호의 방법에 의해 용융 금속 활성제로 다공체의 간극을 완전히 충전시키는데 충분한 시간 동안 용융 금속 활성제에 충전물의 다공성 매트 또는 압축체를 침지시킨다. 그 다음,금속 활성제를 고화시키자마자, 복합체를 제2 금속에 완전히 침지시키고, 제2 금속이 원하는 만큼 금속 활성제를 대신하는데 충분한 신간 동안 유지시킨다. 그 다음, 형성된 복합체를 냉각시킨다. 또한, 다공체로부터 금속 충전제 최소한 부분적으로 제거한 후, 소정의 양의 치완 금속이 다공체로 용해 또는 확산하는데 충분한 시간 동안 용융 치환 금속에 다공체를 부분적으로 또는 전체적으로 침지함으로써 상기 금속 충전제를 적어도 제3의 금속으로 대치하는 것도 가능하다. 생성된 다공체로 충전물사이의 간극에 금속의 금속간 물질을 함유할 수 있다. 소정의 조성을 갖는 복합체를 형성하기 위한 금속 활성제의 사용을 포함하는 다단계 공정을 사용하는 것은, 시간과 경비가 많이 소요된다. 더우기, 금속의 양립성(즉, 용해도, 융점, 반응성 등) 등에 기초한 처리 공정의 한계는, 소정의 목적에 맞는 물질의 특성을 조절하는 능력을 제한시킨다.
1970년 9월 22일자 지.디. 로렌스의 미국 특허 제3,529,655호에서는 마그네슘 또는 마그네슘 합금과 탄화규소 위스커의 복합체를 형성하는 방법에 대하여 기술하고 있다. 특히, 대기로의 하나 이상의 개방부를 갖고 주형의 내부 용적에 탄화규소 위스커를 함유하는 주형을 용융 마그네슘 배쓰에 침지시켜, 주형 중공의 나머지 용적을 마그네슘으로 충전하는데 충분한 시간 동안 주형의 모든 개방부가 용융 마그네슘 표면의 밑에 있게 한다. 용융 금속이 주형 중공에 들어갈 때, 이에 함유되어 있는 공기와 반응하여 산화 마그네슘과 질화 마그네슘 소량을 형성함으로써, 부가적인 용융 금속을 중공 및 탄화규소 위스커 사이로 인발하는 진공을 형성한다. 그 후 충전된 주형을 용융 마그네슘 배쓰로부터 꺼내어, 주형내의 마그네슘을 고형화시켰다.
1968년 1월 23일자 존 엔. 레딩 외 다수의 미국 특허 제3,364,976호에서는 다공체에 용융 금속의 침투를 향상시키기 위하여 다공체에 자가 발생된 진공을 야기하는 방법에 대하여 기술하고 있다. 특히, 흑연, 또는 강철 주형, 혹은 다공성 내화 물질 등과 같은 다공체가 용융 금속, 예컨대, 마그네슘, 마그네슘 합금 또는 알루미늄 합금에 전부 침지된다. 주형의 경우, 용융 금속과 반응성인 기체(예, 공기)로 충전되는 주형 중공은, 주형내의 하나 이상의 오리피스를 통해 외부에 위치한 용융 금속과 연통된다. 주형을 용융물에 침지할 때, 진공이 중공내의 기체와 용융 금속 사이의 반응으로부터 생성될 때, 중공은 충전된다. 특히, 진공은 금속의 고형 산화 형태가 형성된 결과이다.
1968년 8월 13일자 존 엔. 레딩 쥬니어 외 다수의 미국 특허 제3,396,777호에서는 충전제에 용융 금속의 침투를 향상시키는 자가 발생 진공법에 대하여 기술하고 있다. 특히, 상기 특허에서는 한쪽 단부가 대기에 개방되어 있는 강철 또는 철 용기를 개시하고 있는데, 이 용기는 다공성 미립 고체(예, 코우크스 또는 철)를 함유하며, 다공성 고형 충전제의 입자 크기 보다 작은 직경의 천공 또는 호올(hole)을 갖는 뚜껑이 상기 개방 단부에 덮혀있다. 상기 용기는 또한, 마그네슘, 알루미늄 등의 용융 금속과 최소한 부분적으로 반응성이 있는 고형 충전제의 다공도내에 공기 등의 대기를 수용하고 있다. 용기의 뚜껑은 용융 금속의 표면 아래에 충분한 거리로 침지되어, 공기가 용기에 들어오는 것을 방지하며, 상기 뚜껑은 용기내의 대기가 용융 금속과 반응하는데 충분한 시간 동안 표면밑에 유지되어 고형 생성물을 형성한다. 대기와 용융 금속 사이의 반응으로 인해 다공성 고체와 용기내에서 저압 또는 진공을 형성하여, 다공성 고체의 기공과 용기로 용융 금속을 인발한다.
레딩, 쥬니어의 공정은 유럽 공보 제045,002호와 미국 특허 제3,867,177호, 제3,529,655호 및 제3,364,976호에 기술된 공정과 다소 관계가 있다. 특히, 상기 레딩 주니어의 특허는, 충전물을 포함한 용기가 충분히 깊게 침지되어 용융 금속과 중공내 기체 사이의 반응을 유도하며, 용융 금속으로 중공을 밀봉하게 하는 용융 금속의 배쓰에 대하여 기술하고 있다. 상기 특허의 또 다른 양상으로, 주위 공기와 접촉시 용융 상태에서 산화될 수 있는 매트릭스 금속의 용융 배쓰 표면을 보호층 또는 플럭스로 도포한다. 플럭스는 용기가 용융 금속에 도입될 때 제거되지만, 그럼에도 불구하고 플럭스로부터 의 오염물이, 용융 매트릭스 금속 배쓰 및/또는 용기 및 침투되는 다공성 고형물에 혼입될 수 있다. 이러한 오염물이 매우 낮은 농도로 함유되더라도, 용기내에 진공의 형성 및 생성된 복합체의 물성에 해로운 영향을 미친다. 더우기, 용기를 용융 매트릭스 금속 배쓰에서 꺼내고, 과잉의 매트릭스 금속을 용기로부터 배출시킬 때, 침투체로부터 매트릭스 금속이 중력에 의해 손실될 수 있다.
따라서, 상기한 바와 같은 단점을 지니기 때문에 외부적으로 적용된 압력 또는 진공을 사용하거나, 해로운 습윤제를 사용하거나, 용융 매트릭스 금속의 푸울을 사용하는 것에 의존하지 않는 간단하고 재현성있는 금속 매트릭스 복합체 제조 방법에 대하여 연구할 필요가 있었다. 이외에도, 금속 매트릭스 복합체를 제조하는데 필요한 최종 기계 처리 공정을 최소화하는 방법도 계속 요구되어 왔다. 본 발명은 통상의 대기압하에서 반응성 대기(예, 공기, 질소, 산소 등)의 존재하에 용융 매트릭스 금속(예, 알루미늄, 마그네슘, 청동, 구리, 주철 등)으로, 예비성형체로 형성될 수 있는 물질(예, 세라믹 물질)을 침투시키기 위한 자가 발생되는 진공과 관련된 방법을 제공하여, 상기 문제점 및 다른 필요성들을 충족시킨다.
세라믹 매트릭스 복합체 주형에 함유된 투과성 충전물의 침투에 의해 금속 매트릭스 복합체를 형성하는 신규 방법은 금속 매트릭스 복합체의 제조방법으로서 뒤베디 외 다수의 1988년 1월 11일자 미국 특허 출원 번호 제142,385호에 기술되어 있으며, 현재 특허허여 되어 있다. 뒤베디 외 다수의 방법에 따라서, 주형은 산화제로 용융 금속 전구체 또는 모금속을 직접 산화시켜, 적합한 충전제(제1충전제)로 구성되어 있는 예비성형체의 최소한 일부를 매립시킨 다결정형 산화 반응 생성물로 진행 또는 성장시켜 형성된다. 형성된 세라믹 매트릭스 복합체의 주형에는 제2 충전제가 제공되며, 제2 충전제 및 주형은 용융 금속과 접촉하고, 주형 내용물은 통상적으로 주형을 밀봉하는 입구 또는 개구로 하나 이상의 용융 금속을 투입함으로써 밀봉된다. 밀봉된 층(bedding)은 포획된 공기를 함유할 수도 있지만, 포획된 공기 및 주형 내용물은, 외부 또는 주위 공기를 배제 또는 차단하기 위하여 격리 또는 밀봉된다. 밀봉 환경을 제공함으로써, 적합한 용융 금속 온도에서 제2충진제의 유효한 침투가 이루어지므로, 용융 매트릭스 금속에 특별한 합금 성분을 사용하거나, 습운제를 사용하거나, 기계압, 진공, 특정 기체 대기 또는 다른 침투 촉진 수단을 가할 필요가 없다.
상기 기술된 특허 출원에서는 세라믹 매트릭스 복합체에 결합될 수 있는 신규한 금속 매트릭스 복합체와 그 복합체의 제조 방법을 기술한다. 그러므로, 상기 특허 출원 내용은 본원에 참고로 인용한다.
본 발명의 방법에서, 신규 금속 매트릭스 복합체는 신규한 자가 발생 진공법에 의해 제조되며, 이때, 용융 매트릭스 금속은 불투과성 용기내에 배치된 투과성 충전물 또는 예비성형체를 침투한다. 특히, 용융 매트릭스 금속 및 반응성 대기는 둘다 공정중 적어도 일부 지점에서 투과성 물질과 접촉하고 있으며, 반응성 대기와 매트릭스 금속 및/또는 충전물 또는 예비성형체 및/또는 불투과성 용기 사이의 접촉시, 진공이 발생되어, 용융 매트릭스 금속이 충전물 또는 예비성형체로 침투된다.
제1의 양호한 실례로서, 반응계는 불투과성 용기, 및 반응성 대기의 존재하에 용융 매트릭스 금속과 접촉하는 충전물, 그리고 주위 대그로부터 반응계를 밀봉하는 밀봉 수단을 포함한다. 반응성 대기는 용융 매트릭스 금속 및/또는 충전물 및/또는 불투과성 용기와 부분적으로 또는 거의 완전히 반응하여, 진공을 발생시킬 수 있는 반응 생성물을 형성하는데, 상기 진공은 최소한 부분적으로 용융 매트릭스 금속을 충전물로 끌어당긴다. 반응성 대기 및 용융 매트릭스 금속 및/또는 충전물 및/또는 불투과성 용기를 포함하는 반응은, 용융 매트릭스 금속이 충전물 또는 예비성형체에 부분적으로 또는 거의 완전히 침투하는데 충분한 시간 동안 계속될 수 있다. 반응계를 밀봉하여 매트릭스 금속과는 다른 조성을 갖는 외부 밀봉 수단도 제공될 수 있다.
제2의 양호한 실례로서, 매트릭스 금속은 주위 대기와 반응하여 주위 대기로부터 반응계를 밀봉하며, 매트릭스 금속과는 다른 조성을 갖는 내부 화학 밀봉 수단을 형성한다.
본 발명의 제3의 양호한 실례로서, 반응계를 밀봉하는 외부 밀봉 수단을 제공하기 보다는, 불투과성 용기를 습윤시키는 매트릭스 금속에 의해 내부의 물리적 밀봉이 형성되어 주위 대기로부터 반응계를 밀봉시킨다. 더우기, 매트릭스 금속에 의한 불투과성 용기의 습윤을 촉진시키는 합금 첨가제를 매트릭스 금속에 혼입시켜, 주위 대기로부터 반응계를 밀봉시키는 것도 가능하다.
제4의 양호한 실례로서, 충전물은 최소한 부분적으로 반응성 대기와 반응하여, 충전물 또는 예비성형체로 용융 매트릭스 금속을 끌어당기는 진공을 발생시킬 수 있다. 더우기, 첨가제를 충전물에 혼입하여 반응성 대기와 부분적으로 또는 거의 완전히 반응시킴으로써 진공을 발생시킬 뿐만 아니라, 생성된 복합체의 성질을 개량할 수도 있다. 더우기, 충전물 및 매트릭스 금속 이외에도, 또는 그 대신에 불투과성 용기는 반응성 대기와 최소한 부분적으로 반응하여 진공을 발생시킬 수도 있다.
본 명세서 및 특허청구의 범위에 사용된 용어를 다음과 같이 정의한다: 합금 면(side)이란 용융 금속이 충전물 또는 예비성형체의 투과물에 침투하기 전에 용융 매트릭스 금속과 초기에 접촉하는 금속 매트릭스 복합체의 합금 면을 의미한다.
알루미늄이란 거의 순수한 금속(예, 비교적 순도가 높은 시판용 비합금 알루미늄)또는 다른 등급의 금속 및 합금(예, 철, 규소, 구리, 마그네슘, 망간, 크롬, 아연 등의 합금 성분 및/또는 불순물을 포함한 시판용 금속)을 말한다. 이러한 정의의 목적으로 알루미늄 합금은 알루미늄이 주성분인 합금 또는 금속간 화합물이다.
주위 대기란 충전물 또는 예비성형체 및 불투과성 용기 외부의 대기를 말하며, 그것은 반응성 대기와 거의 동일한 성분 또는 다른 성분을 포함할 수 있다.
차단제 또는 차단 수단이란 금속 매트릭스 복합체와 관련하여, 충전물 또는 예비성형체의 투과성 물질의 표면 경계를 넘어 용융 매트릭스 금속의 이동을 방해, 억제, 방지, 또는 종결시키는데 적합한 수단을 의미하며, 이러한 표면 경계는 차단 수단에 의해 구획된다. 적합한 차단 수단은 처리 조건하에 상당한 완전성을 유지하며, 실제적으로 휘발성이 아닌(즉, 차단물이 차단제로서 작용할 수 없을 정도로 휘발하지 않는)물질, 화합물, 원소, 조성물 등일 수도 있다.
또한 적합한 차단 수단의 예로는, 차단 수단의 습윤이 차단물의 표면(즉, 표면 습윤)의 이상으로 진행되지 않는 한, 사용된 처리 조건하에 이동하는 용융 매트릭스 금속에 의해 습윤가능한 또는 습윤불가능한 물질일 수 있다. 이러한 형태의 차단제는 용융 매트릭스 금속에 대해 친화성이 거의 없거나 전혀 없으며, 충전물 또는 예비성형체의 구획된 표면 경계 이상으로의 이동은 차단 수단에 의해 저해 또는 억제된다. 차단제는 요구될 수도 있는 최종적인 기계 가공 또는 연마 가공을 감소시키고, 생성되는 금속 매트릭스 복합 제품의 최소한 일부의 표면을 구획한다.
청동이란 구리가 많음 합금으로서, 철, 주석 아연, 알루미늄, 규소, 베릴륨, 마그네슘 및/또는 납을 포함한다. 특정한 청동 합금은 구리의 비가 약 90 중량%, 규소의 비가 약 6 중량%, 철의 비가 약 3중량%인 합급이다.
카르카스(Carcass) 또는 매트릭스 금속의 카르카스란 금속 매트릭스 복합체의 형성 동안에 소모되지 않고 남아 있는 매트릭스 금속의 원체를 말하며, 통상적으로, 냉각된 경우 형성된 금속 매트릭스 복합체와 최소한 부분적으로 접촉하여 남아 있다. 카르카스도 제2 금속 또는 이종 금속을 그속에 포함할 수 있다.
주철(cast iron)이란 탄소비가 최소한 약 2 중량%인 주철 합금군을 의미한다.
구리란 다양한 함량의 불순물이 함유되어 있는 시판용 등급의 거의 순수한 금속, 예를 들면 99 중량%의 구리를 의미한다. 또한, 그것은 구리를 주성분으로 함유하며, 청동의 정의에 들어가지 않는 합금 또는 금속간 금속을 의미한다.
충전제란 매트릭스 금속과 거의 반응성이 없으며 및/또는 매트릭스 금속내에서 제한된 용해도를 가지고 있는 단일성분 또는 여러 성분의 혼합물로서, 단일상 또는 다중상 일 수도 있다. 충전제는 분말, 플레이크, 소판, 미소구, 위스커, 버블 등과 같은 각종 형태로 제공되며, 치밀하거나 다공성일 수도 있다. 충전제의 예는 섬유, 섬유 절단물, 미립자, 위스커, 버블, 구형, 섬유 매트 등으로서 세라믹 충전제(예, 알루미나 또는 탄화규소), 및 알루미나 또는 탄화규소로 피복된 탄소 섬유 등과 같은 세라믹 피복된 충전제가 있으며 여기서 상기 충전제는 용융 알루미늄 모금속에 의한 공격으로 부터 탄소를 보호한다. 충전제의 예로 금속을 포함할 수 있다.
불투과성 용기란 공정조건하에서 반응성 대기 및 충전물(또는 예비성형체) 및/또는 용융 매트릭스 금속 및/또는 밀봉 수단을 구비하며, 주위 대기와 반응성 대기 사이에 압력차이가 일어날 수 있도록 용기를 통한 기체 또는 증기의 이동에 대해 충분히 불투과성인 용기를 의미한다.
매트릭스 금속 또는 매트릭스 금속 합금이란 금속 매트릭스 복합체를 형성하는데 이용되는 금속(예, 침투 전의 금속) 및/또는 금속 매트릭스 복합체를 형성하기 위하여 충전물과 혼합되는 금속(예, 침투 후의 금속)을 의미한다. 매트릭스 금속으로서 특정 금속을 언급한 경우, 이러한 매트릭스 금속은 거의 순수한 금속, 불순물 및/또는 합금 성분을 포함한 시판용 금속, 금속간 화합물 또는 합금(금속이 주성분임)을 포함한다.
금속 매트릭스 복합체 또는 M M C 는 예비성형체 또는 충전물이 매립된 2 또는 3 차원 결합 합금 또는 매트릭스 금속을포함하는 물질을 의미한다. 매트릭스 금속은 생성된 복합체에 소정의 기계적 및 물리적 성질을 제공하는 각종 합금 원소를 포함한다.
매트릭스 금속과 상이한 금속이란, 매트릭스 금속과 동일한 금속을 주된 성분으로서 함유하지 않는 금속을 의미한다(예를 들어 매트릭스 금속의 주된 성분이 알루미늄이라면, 상이한 금속은 예를 들어 니켈이 주된 성분이 될 수 있다).
예비성형체 또는 투과성 예비성형체란 매트릭스 금속에 의해 침투되기 전에 외부의 지지체 수단 없이 안정한 치수를 제공하는데 충분한 형상 완전성 및 그린 강도를 유지하며, 침투하는 매트릭스 금속에 대한 경계를 주로 구획하고 있는 하나이상의 표면경계를 구비하는 충전제 또는 충전물의 다공성 물질을 의미한다. 상기 물질은 매트릭스 금속이 침투할 정도로 충분히 다공성이어야 한다. 예비성형체는 통상적으로 균일 또는 불균일한 충전제의 결합 배열을 포함하며, 적합한 물질(예, 세라믹 및/또는 금속 미립자, 분말, 섬유, 위스커 및 상기의 조합물 등)로 구성되어 있다. 예비성형체는 단독으로 또는 조합물로서 존재할 수 있다.
반응계란 용융 매트릭스 금속을 자가 발생된 진공에의해 충전물 또는 예비성형체로 침투시킬 수 있는 물질의 조합으로서, 적어도 충전물 또는 예비성형체의 투과성 물질, 반응성 대기 및 매트릭스 금속을 지닌 불투과성 용기를 포함한다.
반응성 대기란 매트릭스 금속 및/또는 충전물(또는 예비성형체) 및/또는 불투과성 용기와 반응하여 자가 발생되는 진공을 형성함으로써 자가 발생된 진공이 형성될 때 용융 매트릭스 금속을 충전물(또는 예비성형체)로 침투시킬 수 있는 대기를 말한다.
저장기란 금속이 용융되었을 때, 충전제 또는 예비성형체와 접촉하고 있는 매트릭스 금속원 또는 금속 분절을 보충하거나, 또는 일부 경우에 상기 금속원을 초기에는 제공하고 나중에는 보충하기 위해 유동할 수 있으며, 충전제 또는 예비성형체 물질에 대해 이격되어 배치된 별도의 매트릭스 체를 의미한다.
밀봉 또는 밀봉수단이란 반응성 대기로 부터 주위 대기를 격리시키는 것으로서, 반응계(예, 내부 밀봉)에 의해 형성되거나, 독립적으로 형성(예, 외부 밀봉)되건 간에 처리 조간하에서의 기체 불투과성 밀봉물을 의미한다. 밀봉 또는 밀봉 수단은 매트릭스 금속과는 다른 조성물을 가질 수 있다.
밀봉 촉진제란 주위 대기 및/또는 불투과성 용기 및/또는 충전물 또는 예비성형체와 매트릭스 금속의 반응시 밀봉물 형성을 촉진시키는 물질을 의미한다. 이들 물질은 매트릭스 금속에 첨가될 수 있으며, 매트릭스 금속내에 밀봉 촉진제가 존재하면 생성되는 복합체의 성질을 개량할 수 있다.
습윤 증진제란 매트릭스 금속 및/또는 충전물 또는 예비성형체에 첨가되었을 때, 용융 매트릭스 금속에 의한 충전물 또는 예비성형체의 습윤을 증진시키는 (예, 용융 매트릭스 금속의 표면 장력을 감소시킴) 물질을 의미한다. 습윤 증진제가 존재함으로써, 매트릭스 금속과 충전물 사이의 결합력 향상으로 인해 금속 매트릭스 복합체의 성질을 향상시킬 수 있다.
본 도면은 본 발명의 이해를 돕고자 제공한 것이지, 본 발명의 범위를 제한하고자 제공한 것이 아니다. 유사한 참조번호는 유사 성분을 나타내기 위해, 각 도면 어디에서나 사용했다.
제1a도에서는 본 발명에 따른 자가 발생된 진공법에 의해 금속 매트릭스 복합체를 형성하는 대표적인 레이 업(30)을 나타내고 있다. 특히, 후술된 적합한 물질로 구성되는 충전물 또는 예비성형체(31)는, 용융 매트릭스 금속(33)과 반응성 대기를 수용할 수 있는 불투과성 용기(32)내에 배치된다. 예를 들면, 충전물(31)은, 반응성 대기(예, 충전물 또는 예비성형체의 다공 내에 존재하는 대기)가 불투과성 용기(32)내에서 충전물(31)을 부분적으로 또는 거의 완전히 투과하는데 충분한 시간 동안 반응성 대기와 접촉할 수 있다. 용융 형태 또는 고형 잉곳 형태의 매트릭스 금속(33)은 충전물(31)과 접촉하게 된다. 하기 기술되는 바와 같이, 바람직한 구체예에서, 외부 밀봉물 또는 밀봉 수단(34)은 예를 들면 매트릭스 금속(33)의 표면 위에 제공되어 주위 대기(37)로 부터 반응성 대기를 격리할 수 있다. 외부 밀봉 수단이건 또는 내부 밀봉 수단이건 간에 밀봉 수단은 실온에서는 밀봉 수단으로서 작용을 할 수도 있고 하지 않을 수 도 있지만, 처리 조건(예, 매트릭스 금속의 융점 이상)에서는 밀봉 수단으로서 작용을 해야 한다. 차후에 레이 업(30)을 실온이거나 또는 처리 온도로 예열된 로에 넣는다. 처리 조건하에서 로를 매트릭스 금속의 융점이상의 온도에서 작동시켜, 자가 발생된 진공의 형성에 의해 충전물 또는 예비 성형체로 용융 매트릭스 금속을 침투시킨다.
제2도에서는 본 발명의 방법을 수행하는 처리 단계의 단순화된 플로우 챠트를 나타내고 있다. 단계(1)에서, 적합한 불투과성 용기를 제조할 수 있거나, 그렇지 않으면, 후술되는 적합한 성질을 가진 용기를 제조할 수 있다. 예를 들면, 간단한 오픈 탑 강철(예, 스테인레스 강) 실린더는 주형으로서 적합한다. 강철 용기는 임의로 그라호일
Figure kpo00002
흑연 테이프(그라호일
Figure kpo00003
은 유니온 카바이드의 등록상표 임)로 라이닝 처리하여 용기 내에 형성되는 금속 매트릭스 복합체의 제거를 용이하게 할 수도 있다. 하기 상술되는 바와 같이, 용기 내부에 분진된 B2O3또는 매트릭스 금속에 첨가되는 주석 등과 같은 기타 물질을 사용하여 용기 또는 주형으로 부터 금속 매트릭스 복합체의 이형을 용이하게 할 수 있다. 용기는 임으로, 그라호일
Figure kpo00004
테이프의 또 다른 층에 의해 적어도 부분적으로 도포될 수 있는 적합한 충전물 또는 예비성형체를 소정의 양으로 장입할 수 있다. 흑연 테이프 층은, 충전물의 침투후에 남아있는 매트릭스 금속의 카르카스로 부터 금속 매트릭스 복합체의 분리를 용이하게 한다.
그 후, 알루미늄, 청동, 구리, 주철, 마그네슘 등의 용융 매트릭스 금속의 소정량을 용기에 붓는다. 용기의 온도는 실온이거나, 또는 적합한 온도로 예열시킬 수 있다. 더우기, 매트릭스 금속은 초기에는 고형 잉곳 형태로 제공한 후 가열하여 잉곳을 용융시킬 수 있다. 외부 및 내부 밀봉 수단으로 구성된 군으로부터 선택된 적합한 밀봉 수단(하기에 상술됨)을 성형할 수 있다. 예를 들면, 외부 밀봉물을 성형 시켜야 할 경우, 유리(예, B2O3) 프릿 등과 같은 외부 밀봉 수단을 용기 내의 용융 매트릭스 금속 푸울의 표면에 적용할 수 있다. 그 다음, 프릿은 용융되어 푸울의 표면을 덮는 것이 통상적이지만, 하기 기술되는 바와 같이, 전체를 덮을 필요는 없다. 용융 매트릭스 금속을 충전물 또는 예비 성형체와 접촉시키고, 매트릭스 금속 및/또는 충전물을 주위 대기와 격리되도록 외부 밀봉 수단에 의해 밀봉시킨 후, 필요에 따라 침투가 일어나는데충분한 시간 동안 처리 온도로 예열시킨 적절한 로내에 용기를 고정시킨다. 로의 처리 온도는 상이한 매트릭스 금속에 대해서 다를 수 있다(예를 들면, 알루미늄 합금에 대해서는 약 950℃, 청동 합금에 대해서는 약 1100℃가 바람직하다). 적합한 처리 온도는, 매트릭스 금속의 융점과 기타 특성,뿐만 아니라 반응계 내의 성분 특성과 밀봉 수단에 따라 다르다. 로내의 온도에서 적합한 시간 경과 후에, 충전물 또는 예비성형체 내에 진공이 발생하여, 용융 매트릭스 금속이 충전물 또는 예비성형체에 침투하게 된다. 그 다음, 용기를 로에서 꺼내고, 예를 들면 용기를 냉각판 위에 놓아 냉각시킴으로써 매트릭스 금속을 배향(directionally)고화시킨다. 금속 매트릭스 복합체를 임의의 편리한 방법으로 용기에서 꺼내어, 매트릭스 금속의 카르카스(존재하는 경우)로 부터 분리시킬 수 있다.
제1도와 제2도의 상기 설명은 본 발명의 가장 중요한 특징을 간단히 설명한 것이다. 더욱 상세한 설명은 하기와 같다.
특정 이론 또는 논리에 국한시키고자 하는 것은 아니지만, 통상적으로 용융상태에 있는 적합한 매트릭스 금속이 불투과성 용기내에서 적합한 반응성 대기의 존재하에 적합한 충전물 또는 예비성형체와 접촉할 때, 반응성 대기와 용융 매트릭스 금속 및/또는 충전물 또는 예비성형채 및/또는 불투과성 용기 사이에서 반응이 일어나서, 반응 성분이 차지하는 초기 부피 보다 적은 부피를 차지하는 반응 생성물(예, 고체, 액체 또는 증기)이 제조된다고 여겨진다. 반응성 대기를 주위 대기로부터 격리시키면, 투과성 충전물 또는 예비성형체내에 진공이 발생하여 용융 매트릭스 금속을 충전물의 공극쪽으로 끌어당긴다. 또한 진공이 발생됨으로써 습윤이 촉진된다. 반응성 대기와 용융 매트릭스 금속 및/또는 충전물 또는 예비성형체 및/또는 불투과성 용기 사이의 반응이 계속되면 부가적인 진공이 발생하므로 매트릭스 금속이 충전물 또는 예비성형체를 침투하게 된다. 상기 반응은 용융 매트릭스 금속물이 충전물 또는 예비성형체를 부분적으로 또는 거의 완전히 침투하는데 충분한 시간 동안 지속된다. 충전물 또는 예비성형체는 충분히 투과성이어서 반응성 대기가 최소한 부분적으로 충전물 또는 예비성형체를 투과할 수 있어야 한다.
본 출원은 금속 매트릭스 복합체의 형성중에 몇몇 지점에서 반응성 대기와 접촉하고 있는 각종 매트릭스 금속을 기술한다. 다양한 문헌이 자가 발생되는 진공을 형성하는 구체적인 매트릭스 금속/반응성 대기의 조합 또는 시스템에 대해 참조될 수 있다. 특히, 자가 발생된 진공은, 알루미늄/공기 계, 알루미늄/산소 계, 알루미늄/질소 계, 청동/공기 계, 청동/질소 계, 구리/공기 계, 구리/질소 계 및 주철/공기 계에서 관찰될 수 있다. 그러나,본 출원에서 상기 기술된 것 이외의 매트릭스 금속/반응성 대기계도 유사한 방법으로 작동할 수 있다.
본 발명의 자가 발생되는 진공 기법을 수행하기 위해서는 주위 대기로 부터 이동되는 기체가, 침투중에 존재하는 반응성 대기의 감압에 역효과를 일으키지 않도록, 주위 대기로 부터 반응성 대기를 물리적으로 격리시킬 필요가 있다. 본 발명의 방법에 이용할 수 있는 불투과성 용기는, 임의의 크기, 형상일 수 있고/있거나, 매트릭스 금속 및/또는 반응성 대기와 비반응성이거나 또는 반응성인 조성을 가질 수 있고, 처리 조건하에서 주위 대기에 불투과성이다. 특히 불투과성 용기는 크기 및 형상을 유지할 수 있도록 처리조건에 견딜 수 있을 뿐만 아니라, 주위 대기가 용기를 통해 이동하는 것을 방지 또는 충분히 저해하는 임의의 물질(예, 세라믹, 금속, 유리, 중합체 등)을 포함할 수 있다. 용기를 통한 대기의 이동에 충분히 불투과성인 용기를 사용함으로써, 용기 내에 자가 발생식 진공을 형성하는 것도 가능하다. 더우기, 사용되는 구체적인 반응계에 따라서, 반응성 대기 및/또는 매트릭스 금속 및/또는 충전물과 최소한 부분적으로 반응성이 있는 불투과성 용기는, 용기내에서 자가 발생식 진공을 일으키거나 이를 촉진하는데 사용할 수 있다.
적합한 불투과성 용기의 특성은, 자가 발생된 진공의 형성 또는 유지를 방해할 수 있는 기공, 크랙 또는 환원성 산화물이 없는 것이다. 그러므로, 각종 물질을 불투과성 용기를 형성하는데 사용할 수 있다. 예를 들면, 성형 또는 주조 알루미나 또는 탄화규소도 사용할 수 있다. 또한, 알루미늄, 구리 및 청동 매트릭스 금속용 스테인레스 강 등과 같이, 매트릭스 금속에 대한 용해도가 제한되거나 낮은 금속도 사용할 수 있다.
이외에도, 다공성 물질(예, 세라믹체) 등과 같은 부적합한 물질도 최소한 그 일부 위에 적합한 코팅을 형성함으로써 불투과성이 되게 할 수 있다. 이러한 불투과성 코팅은 상기 다공성 물질을 결합 및 밀봉하는 데 적합한 각종 유약 및 겔일 수 있다. 더우기, 적합한 불투과성 코팅은, 예를 들면 코팅물이 용기 또는 충전물 또는 예비성형체에 점성부착됨으로써 자가 발생된 진공하에 불투과성을 유지하기 위해 충분히 안정해야 하는 경우에는 처리온도에서 액체일 수도 있다. 적합한 코팅물은 유리질(예,B2O3) 염화물, 탄산물 등을 포함하며, 단, 충전물 또는 예비성형체의 기공 크기는 충분히 작아서 코팅이 기공을 유효하게 차단하여 불투과성 코팅을 형성해야 한다.
본 발명의 방법에 사용되는 매트릭스 금속은, 처리 조건하에서 용융되었을 때, 충전물 내에 진공이 생기면 충전물 또는 예비성형체에 침투하는 매트릭스 금속일 수 있다. 예를 들면, 매트릭스 금속은 처리 조건하에서 반응성 대기와 부분적으로 또는 거이 완전히 반응함으로써 적어도 부분적으로는 진공의 형성에 의해 용융매트릭스 금속이 충전물 또는 예비성형체로 침투하는 임의의 금속 또는 금속내의 구성 성분일 수 있다. 더우기, 사용되는 계에 따라서,매트릭스 금속은 반응성 대기와 부분적으로 또는 거의 비반응성일 수도 있으며, 반응성 대기와 반응계 중의 임의의 1개 이상의 다른 성분의 반응에 의해 진공을 생성하여 매트릭스 금속을 충전물에 침투시킬 수 있다.양호한 구체예에서, 매트릭스 금속을 습윤 증진제와 합금하여 매트릭스 금속의 습윤성을 촉진시키고, 예를 들면 매트릭스 금속과 충전제 사이의 결합 형성을 촉진하며, 형성된 금속 매트릭스 복합체에서 다공도로 감소시키고 , 완전히 침투하는데 필요한 시간을 단축시킬 수 있다. 더우기, 습윤 증진제를 구성하는 물질은 밀봉 촉진제로서 작용하여, 주위 대기로부터 반응성 대기를 격리하는 것을 도와준다. 더우기, 또 다른 양호한 구체예로서, 습윤 증진제는 매트릭스 금속과 합금되는 것 보다는 충전물에 직접 혼입될 수도 있다.
그러므로, 매트릭스 금속에 의한 충전물의 습윤은, 생성되는 복합체의 성질(예, 인장강도, 내부식성 등)을 향상시킬 수도 있다.더우기 용융 매트릭스 금속에 의해 충전물을 습윤시키면, 형성된 금속 매트릭스 복합체 전체에 충전제를 균일하게 분산시킬 수 있으며, 매트릭스 금속에 대ㅎ나 충전제의 결합을 향상시킬 수 있다. 알루미늄 매트릭스 금속에 대한 유용한 습윤 증진제로는 마그네슘, 비스무트, 납, 주석 등이 있으며, 청동 및 구리용 습윤 증진제로는 셀레늄, 텔루륨, 황 등을 들 수 있다. 더우기 상기 언급한 바와 같이, 하나이상의 습윤 증진제를 매트릭스 금속 및/ 또는 충전물에 첨가하여 상기 생성된 금속 매트릭스 복합체에 소정의 성질을 부여할 수도 있다.
더우기, 매트릭스 금속을 충전물에 완전히 침투시키고/키거나, 매트릭스 금속의 제1공급원과 다른 조성을 갖는 제2금속을 공급하기 위하여 매트릭스 금속의 저장기를 사용하는 것도 가능하다. 특히, 몇가지 경우에 있어서, 매트릭스 금속의 제1공급원과 조성이 다른 매트릭스 금속을 저장기에서 사용하는 것도 바람직하다.
예를 들면, 알루미늄 합금을 매트릭스 금속의 제1공급원으로서 사용한 경우, 처리온도에서 용융되는 다른 금속 또는 금속 합금도 저장기 금속으로 사용할 수 있다.용융 금속은 종종 서로 잘 혼화되어, 혼합이 일어나기에 충분한 시간이 주어진다면, 매트릭스 금속의 제1공급원과 저장기 금속의 혼합이 일어나기도 한다. 그러므로, 매트릭스 금속의 제1공급원과 조성이 다른 저장기 금속을 사용함으로써, 각종 조작 요건과 부합하도록 매트릭스 금속의 성질을 조절하고, 금속 매트릭스 복합체의 성질을 조절하는 것도 가능하다.
반응계가 노출되는 온도(예, 처리온도)는 어떤 충전물 또는 예비성형체, 매트릭스 금속 및 반응성 대기가 사용되느냐에 따라 다르다. 예를 들면, 알루미늄 매트릭스 금속에 있어서, 본원의 자가 발생된 진공 공정은 일반적으로 약 700℃ 이상, 바람직하게는 약 850℃ 또는 그 이상의 온도에서 진행된다. 1000℃ 이상의 온도는 일반적으로 필요하지 않으며, 특히 유용한 범위는 850℃~1000℃이다. 청동 또는 구리 매트릭스 금속의 경우는 약 1050℃~약 1125℃의 온도가 유용하며, 주철의 경우 약 1250℃~약 1400℃의 온도가 바람직하다. 일반적으로, 매트릭스 금속의 융점 이상이면서 휘발점 이하의 온도를 사용할 수 있다.
복합체의 형성 동안에 매트릭스 금속의 조성 및/또는 미세 구조를 조절하여 생성물에 소정의 특성을 부여하는 것도 가능하다. 예를 들면, 주어진 계에서 처리 조건은 예를 들면 금속간 화합물, 산화물, 질화물 등의 형성을 조절하도록 선택할 수 있다. 더우기, 복합체의 조성을 조절하는 것 이외에도, 다른 물성(예를 들면 다공도)은 금속 매트릭스 복합체의 냉각 속도를 조절함으로써 변형할 수 있다. 몇가지 경우에 있어서, 예를 들면 형성된 금속 매트릭스 복합체를 포함하는 용기를 냉각판 위에 위치시키고, 및/또는 용기 주위에 절연물을 선택적으로 위치시킴으로써 금속 매트릭스 복합체를 배향 고화시키는 것도 바람직하다. 더우기, 형성된 금속 매트릭스 복합체의 부가적인 성질(예, 인장 강도)은, 열처리(예를 들면, 매트릭스 금속만을 열처리하는 것에 상응하는 표준 열처리 방법 또는 부분적으로 또는 거의 완전히 변형된 표준 열처리 방법)에 의해 조절할 수 있다.
본 발명의 방법에 사용하는 조건하에, 충전물 덩어리 또는 예비성형체는 충분히 투과성이어서, 반응성 대기로부터 주위 대기를 격리시키기 전에, 공정중의 몇몇 지점에서 반응성 대기가 충전물 또는 예비성형체를 침투 또는 투과해야 한다. 하기 실시예에서, 충분한 양의 반응성 대기가, 약 54 내지 220 그릿의 입도를 가진 비조밀 충전된 입자내에 함유된다. 이러한 충전물을 제공함으로써, 반응성 대기는 용융 매트릭스 금속 및/또는 충전물 및/또는 불투과성 용기와 접촉하자 마자 부분적으로 또는 거의 완전히 반응하여, 용융 매트릭스 금속을 충전물내로 끌어당기는 진공을 형성시킨다.더우기, 충전물 내의 반응성 대기의 분포는 완전히 균일할 필요는 없으나, 반응성 대기의 거의 균일한 분포는 바람직한 금속 매트릭스 복합체의 형성에 도움을 준다.
금속 매트릭스 복합체를 형성하는 본 발명의 방법은 다양한 충전물에 적용할 수 있으며, 그 재료의 선택은 주로 매트릭스 금속, 처리 조건, 반응성 대기와 용융 매트릭스 금속의 반응성, 반응성 대기와 충전물의 반응성, 불투과성 용기와 용융 매트릭스 금속의 반응성, 및 최종 복합 생성물에 필요한 성질 등과 같은 인자에 따라 변화한다. 예를 들면, 매트릭스 금속이 알루미늄을 포함할 때, 적합한 충전물로는 (a) 산화물(예, 알루미나),(b) 탄화물(예, 탄화 규소), (c) 질화물(예, 질화 티탄)을 들 수 있다. 충전물이 용융 매트릭스 금속과 해로운 반응을 하는 경향이 있다면, 이러한 반응은 침투 시간 및 온도를 최소화하거나, 충전제상에 비반응성 코팅을 제공함으로써 조종된다. 충전물은, 기판을 공격 또는 분해로부터 보호하는 세라믹코팅을 구비한 기판(예, 탄소 또는 기타의 비세라믹 물질)을 포함할 수 있다. 적합한 세라믹 코팅으로는 산화물, 탄화물, 질화물을 들 수 있다. 본 발명의 방법에 사용하기에 양호한 세라믹으로는 입자, 소판, 위스커 및 섬유 형태의 탄화규소 및 알루미나를 들 수 있다. 섬유는 불연속(절단물 형태)이거나, 또는 다중 필라멘트 토우 등의 연속 필라멘트 형태이다. 더우기, 충전물 또는 예비성형체의 조성 및/또는 형태는 균일 또는 불균일 일 수 있다.
충전물의 크기 및 형태는, 복합체에 필요한 성질을 얻기 위해 요구되는 임의의 크기 및 형태일 수 있다. 충전물의 형태에 의해 침투가 제한되지 않으므로, 충전물은 입자, 위스커, 소판 또는 섬유의 형태일 수 있다. 구형, 튜브형, 펠릿형, 내화 섬유천 등의 기타 형태에도 사용할 수 있다. 이외에도, 큰 입자보다 작은 입자 덩어리를 완전히 침투하기 위해서는 더 고온 또는 장시간이 필요할 수는 있지만, 충전물의 크기가 침투를 제한하지는 않는다. 24 그릿 이하 내지 약 500 그릿의 평균 충전물 크기가 대부분의 기술적 적용에 있어서 양호하다. 더우기, 충전물 또는 예비성형체의 투과성 덩어리의 크기(예, 입자 직경)를 조절함으로써, 형성된 금속 매트릭스 복합체의 물성 및/또는 기계적 성질은 무한한 산업적 용도에 부합하도록 조절될 수 있다. 다양한 입도의 충전제를포함하는 충전물을 혼입 함으로써,복합체를 조절하기 위해 치밀하게 충전된 충전물을 얻을 수 있다. 또한, 바람직한 경우, 침투중에 충전물을 교반(예, 용기를 흔들음)하거나 및/또는 침투전에 충전제와 매트릭스 금속 분말을 혼합함으로써 보다 적은 입자 장입물을 얻는 것도 가능하다.
본 발명의 방법에 이용되는 반응성 대기는 용융 매트릭스 금속 및/또는 충전물 및/또는 불투과성 용기와 적어도 부분적으로 또는 거의 완전히 반응하여, 반응하기 전에 대기 및/또는 반응 성분이 차지하는 부피보다 적은 부피를 차지하는 반응 생성물을 형성하는 임의의 대기일 수 있다. 특히, 용융 매트릭스 금속 및/또는 충전물 및/또는 불투과성 용기와 접촉할 때 반응성 대기는 반응계 중의 1이상의 성분과 반응하여, 개개의 성분의 합보다 작은 부피를 차지하는 고체상, 액체 상 또는 증기상 반응 생성물을 형성함으로써, 충전물 또는 예비성형체 내로 용융 매트릭스 금속을 끌어당기는 공극 또는 진공을 발생시킨다. 반응성 대기와 1개 이상의 매트릭스 금속 및/또는 충전물 및/또는 불투과성 용기 사이의 반응은, 매트릭스 금속을 최소한 부분적으로 또는 거의 완전히 충전물에 침투시키는데 충분한 시간 동안 계속 될 수 있다. 예를 들면, 반응성 대기로서 공기를 사용할 때, 매트릭스 금속(예, 알루미늄 등)과 공기 사이의 반응으로 인해 반응 생성물(예, 알루미나 및/또는 질화 알루미늄)이 형성된다. 처리 조건하에서, 반응 생성물(들)은 반응물인 용융 알루미늄과 공기가 차지하는 전체 부피보다 작은 부피를 차지하는 경향이 있다. 반응의 결과로서 진공이 발생하고, 용융 매트릭스 금속은 충전물 또는 예비성형체에 침투한다, 사용되는 계에 따라서, 충전물 및/또는 불투과성 용기는 유사한 방식으로 반응성 대기와 반응하여 진공을 형성시켜서, 용융 매트릭스 금속이 충전물로 침투하는 것을 돕는다. 자가 발생된 진공 반응은 금속 매트릭스 복합체가 형성되는데 충분한 시간 동안 지속될 수 있다.
이외에도, 밀봉물 또는 밀봉 수단을 제공하여, 주위 대기로부터 충전물 또는 예비성형체 내로의 기체 흐름을 방지 또는 억제(예, 주위 대기가 반응성 대기로 흐르는 것을 방지)해야 한다. 제1a도에 있어서, 불투과성 용기(32)와 충전물(31)내의 반응성 대기는 주위 대기(37)로부터 충분히 격리되어, 반응성 대기와 용융 매트릭스 금속(33) 및/또는 충전물 또는 예비성형체(33) 및/또는 불투과성 용기(32)사이의 반응이 진행됨에 따라, 반응성 대기와 주위 대기 사이에서 압력차이가 발생하여 소정의 침투를 달성시킨다. 반응성 대기와 주위 대기와의 격리가 완벽해야 할 필요는 없고, 순수한 압력 차이가 존재하기에 충분해야 한다(예, 반응성 대기를 보충하기 위해 즉시 필요로 하는 유속보다 유속이 낮기만 하다면 주위 대기로부터 반응성 대기로 증기상 흐름이 존재할 수 있다). 상기 기술한 바와 같이,반응성 대기로부터의 주위 대기의 필요한 격리는 용기(32)의 불투과성에 의해 제공된다. 대부분의 매트릭스 금속도 주위 대기에 대해 충분하게 불투과성이므로, 용융 매트릭스 금속 푸울(33)은 또다른 격리부분을 제공한다. 그러나 불투과성 용기(32)와 매트릭스 금속 사이의 경계면은 주위 대기와 반응성 대기 사이에 누출 통로를 제공할 수 있다는 것에 주의해야 한다. 따라서, 이러한 누출을 충분히 억제 또는 방지하도록 밀봉을 제공해야 한다.
적합한 밀봉 또는 밀봉 수단은 기계적, 물리적, 또는 화학적 수단으로 분류될 수 있으며, 이들 각각은 외부 또는 내부로 추가 분류될 수 있다. 외부란 밀봉작용이 용융 매트릭스 금속과 독립적으로 일어나거나, 또는 용융 매트릭스 금속에 의한 밀봉 작용에 부가하여 제공된다는 것을 의미한다(예, 반응계의 다른 원소에 첨가된 물질). 내부란 밀봉 작용이 전적으로 매트릭스 금속의 1개 이상의 특성으로부터 발생한다는 것을 의미한다(예, 매트릭스 금속이 불투과성 용기를 습윤시키는 능력). 용융 매트릭스 금속의 푸울을 충분히 깊게 제공하거나, 또는 충전물 또는 예비성형체를 침지시킴으로써 내부의 기계적 밀봉을 형성할 수 있으며, 이것은 레딩 및 레딩 외 다수의 상기 특허 및 관련 특허에 기술되어 있다.
그럼에도 불구하고, 레딩, 쥬니어 특허에 교시된 바와 같이 내부의 기계적 밀봉은 각종 용도에 비효과적이며, 과량의 용융 매트릭스 금속을 필요로 할 수도 있다. 본 발명에 따르면, 외부 밀봉과, 물리적 및 화학적 분류의 내부 밀봉은 내부 기계적 밀봉의 단점을 극복한다. 외부 밀봉의 양호한 실례로서, 밀봉 수단은 처리 조건하에서 매트릭스 금속과 거의 비반응성인 고체 또는 액체 물질이 형태로 매트릭스 금속 표면에 외부적으로 가해질 수 있다. 이러한 외부 밀봉은, 주위 대기로부터 반응성 대기로의 증기상 성분의 이동을 방지하거나 또는 적어도 충분히 억제한다는 것이 밝혀졌다. 외부의 물리적 밀봉 수단으로 사용하는데 적합한 물질은 고체 또는 액체일 수 있고, 처리 조건하에서 주위 대기가 반응성 대기로 이동하는 것을 충분히 저해하는 유리(예, 붕소 또는 규소 유리, B2O3, 용융 산화물 등) 또 다른 물질일 수 있다.
주위 대기와 반응성 대기 사이의 기체 이동을 충분히 억제하기 위하여 매트릭스 금속의 푸울과 접촉하고 있는 불투과성 용기의 내부 표면을 형성하거나, 또는 미리 다듬어서 외부의 기계적 밀봉을 형성할 수 있다. 용기를 불투과성으로 하기 위해 용기에 가해질 수 있는 B2O3등과 같은 유약 및 코팅도 적합한 밀봉을 제공할 수 있다.
외부의 화학적 밀봉은, 예를 들면 불투과성 용기와 반응성이 있는 용융 매트릭스 금속의 표면 위에 물질을 배치시킴으로써 제공될 수 있다. 반응 생성물은 금속간 화합물, 산화물, 탄화물 등일 수 있다.
내부의 물리적 밀봉의 양호한 실례로서, 매트릭스 금속은 주위 대기와 반응하여, 매트릭스 금속의 조성과는 다른 조성을 갖는 밀봉 또는 밀봉 수단을 형성할 수 있다. 예를 들면, 주위 대기와 매트릭스 금속의 반응시, 주위 대기로부터 반응성 대기를 밀봉할 수 있는 반응 생성물(예, 공기와 반응하는 A l-M g 합금의 경우에는 M gO 및/또는 마그네슘 알루미네이트 스피넬, 또는 공기와 반응하는 청동 합급의 경우에 구리 산화물)이 형성될 수 있다. 내부의 물리적 밀봉의 양호나 구체적 실레로서, 밀봉 촉진제를 매트릭스 금속에 첨가하여 매트릭스 금속과 주위 대기 사이의 반응시 밀봉의 형성을 촉진시킬 수 있다(예, 알루미늄 매트릭스 금속에 대해서는 마그네슘, 비스무트, 납 등의 첨가에 의해, 구리 또는 청동 매트릭스 금속에 대해서는 셀레늄, 텔루륨, 황 등의 첨가에 의해). 내부이 화학적 밀봉 수단의 형성시, 매트릭스 금속은 불투과성 용기와 반응하여(예, 용기 또는 그(내부) 코팅의 부분 용해에 의해 또는 반응 생성물 또는 금속간 화합물의 형성에 의해) 주위 대기로부터 충전물을 밀봉시킬 수 있다).
더우기, 밀봉은, 주위 대기가 충전물로의 흐름(예, 반응성 대기로의 흐름)없이 반응계 내에서의 부피 변화(즉, 팽창 또는 수축) 또는 다른 변화에 순응할 수 있어야 한다. 특히, 용융 매트릭스 금속이 충전물 또는 예비성형체의 투과성 덩어리에 침투될 때, 용기내의 용융 매트릭스 금속의 깊이는 감소화되는 경향이 있다. 이러한 계에 대해 적당한 밀봉 수단은, 용기 내의 용융 매트릭스 금속의 수준이 감소함에 따라 주위 대기로부터 충전물로의 기체 이동을 방지하기에 충분하게 순응성이어야 한다.
차단 수단도 본 발명과 결합하여 이용될 수 있다. 특히, 본 발명의 방법에 사용될 수 있는 차단 수단은, 충전물의 구획된 표면 경계를 넘어 용융 매트릭스 금속이 이동하는 것을 방해, 억제 또는 종결시킬 수 있는 임의의 적합한 수단이다. 적합한 차단 수단은, 본 발명의 처리 조건하에서 구조적 완전성을 유지하며, 비휘발성이고, 충전물의 한정된 표면 경계를 넘어 계속 침투 또는 이동하는 것을 국소적으로 억제, 중단, 방해 또는 방지할 수 있는 물질, 화합물, 원소, 조성물 등이 될 수 있다. 차단 수단은 후술하는 바와 같이 금속 매트릭스 복합체를 형성하는 자가 발생 진공 기법과 관련하여 사용되는 불투과성 용기 내에서 또는 자가 발생 진공 침투동안에 사용할 수 있다.
적합한 차단 수단으로는, 차단 수단의 습윤이 차단물의 표면을 넘어 진행(즉, 표면 습윤)하지 않는 한, 사용된 처리 조건하에서 이동하는 용융 매트릭스 금속에 의해 습윤성이거나, 비습윤성인 물질을 포함한다. 이러한 형태의 차단제는 용융 매트릭스 합금에 대해 친화도가 거의 없거나 전혀 없으며, 충전물 또는 예비성형체의 한정된 표면 경계를 넘어 이동하는 것은 차단 수단에 의해 방지된다. 차단제는 금속 매트릭스 복합 제품에 필요한 최종 기계 가공 또는 분쇄의 필요성을 감소시킨다.
알루미늄 매트릭스 금속에 특히 유용한 차단제는 탄소를 함유한 차단제, 특히 흑연으로 공지되어 있는 탄소의 결정 동소체를 함유한 것들이다. 흑연은 상기처리 조건하에서 용융 알루미늄 합금에 의해 거의 비습윤성이다. 특히 양호한 흑연은, 충전물의 한정된 표면 경계를 넘어 용융 알루미늄 합금이 이동하는 것을 방지하는 특성을 나타내는 그라호일 흑연 테이프 제품이다. 이러한 흑연 테이프는 내열성이며, 화학적으로 거의 불활성이다. 그라호일 흑연 테이프는 가요성, 양립성, 순응성 및 탄성이 있으며, 차단 용도에 적합한 각종 형태로 제조될 수 있다. 흑연 차단수단은, 충전물 또는 예비성형체의 경계위에 또는 주위에 페인트 필름으로서, 슬러리로서 또는 페이스트로서 사용할 수도 있다. 그라호일 테이프는 가요성 흑연 사이트의 형태로 되어 있기 때문에 특히 양호하다. 이러한 종이와 유사한 흑연 시이트 물질을 사용하는 하나의 방법은, 그라호일 물질의 층내에 침투되는 충전물 또는 예비성형체를 포장하는 것이다. 대안적으로, 흑연 시이트 물질은 금속 매트릭스 복합체에 바람직한 형태의 음각 주형내로 성형될 수 없으며, 이러한 음각 주형은 충전물로 충전될 수 있다.
이외에도, 500 그릿 알루미나 등과 같은 다른 미세 분쇄된 미립물은, 미립차단물이 침투되는 속도가 충전물이 침투되는 속도보다 낮은 속도로 일어나는 한 일부 상황에서는 차단제로서 작용할 수 있다.
차단 수단은, 구획된 표면 경계를 차단 수단 층으로 덮는 것 등과 같은 적합한 수단으로 사용될 수 있다. 액체, 슬러리 또는 페이스트 형태의 차단 수단을 페인트, 침지, 실크 스크리닝, 증발 또는 다른 방법으로 적용하거나, 기화성 차단 수단을 스퍼링하거나, 고체 미립자차단 수단층을 단순히 침착시키거나, 또는 한정된 표면 경계 위에차단 수단의 고형 박층 필름 또는 시이트를 적용함으로써, 이러한 차단 수단의 층을 적용할 수 있다. 차단 수단의 설치에 의해, 침투하는 매트릭스 금속이 한정된 표면 경계에 도달하여 차단 수단과 접촉할 때 자가 발생된 진공 침투는 실제적으로 종결된다.
차단 수단의 사용과 결합하여 자가 발생 진공법에 의해 금속 매트릭스 복합체를 형성하는 본 발명은, 종래의 기술보다 우수한 장점을 갖는다. 특히, 본 발명의 방법을 사용함으로써, 금속 매트릭스 복합체는 고가의 공정 또는 복잡한 공정 처리를 할 필요 없이 제조할 수 있다. 본 발명의 하나의 양태로서, 특정 목적으로 조절되거나 시판되는 불투과성 용기는, 소정 형태의 충전물 또는 예비성형체, 반응성 대기, 및 성형된 복합체의 표면을 넘는 금속 매트릭스 복합체의 침투를 중지신키는 차단 수단을 포함할 수 있다. 처리 조건하에서 불투과성 용기 및/또는 충전물에 부어질 수 있는 매트릭스 금속과 반응성 대기가 접촉하자 마자, 자가 발생되는 진공이 형성됨으로써 용융 매트릭스 금속이 충전물로 침투하게 된다. 본 방법은 복잡한 공정 단계, 예를 들면, 복잡한 형태로 주형을 기계 가공하는 단계, 용융 금속 배쓰를 유지하는 단계, 복잡한 형태의 주형으로부터 성형된 단편을 제거하는 단계 등을 사용하지 않아도 된다. 더우기, 용융 매트릭스 금속에 의한 충전물의 대치는, 금속의 용융 배쓰내에 침지되지 않는 안정한 용기를 제공함으로써 최소화된다.
본 발명은 하기의 실시예에서 다양하게 예시된다. 그러나, 이들 실시예는 본 발명을 예시하고자 기술하는 것이지, 본 발명의 목적 및 범위를 제한할 의도로 기술하는 것은 아니다.
[실시예 1]
본 실시예는 알루미늄 금속 매트릭스 복합체의 형성에 도움을 주는 외부 밀봉 사용의 실행성 및 중요성을 예시하고 있다. 특히, 두개의 유사한 레이업을 제조했다. 두개의 레이업사이의 차이는 한개의 레이 업에는 외부 밀봉 형성 물질이 제공되고, 다른 하나는 외부 밀봉 형성 물질이 제공되지 않는다는 점이다.
제1a도 및 제1b도는 실시예 1에 따라 사용되는 시험적 레이 업의 단면도이다. 여기서, 레이 업은 제1a도가 외부 밀봉부(34)을 사용하는 것을 제외하곤, 서로 동일하다. 제1a도 및 제1b도에서 나타난 바와 같이, 약 23/8 인치(60 mm)의 내부직경과 약 2.5 인치(64mm)의 높이를 가진 두개의 불투과성 용기(32)는 16게이지(1.6mm 두께) AISI 304 형 스테인레스 강으로 형성되었다. 각각의 용기(32)는 약 23/8 인치( 60mm)의 내부직경과 약 2.5인치(64mm)의 길이를 가진 16 게이지(1.6 mm 두께) 스테인레스 강 튜브(35)를 3.25 인치(83mm) ×33.25 인치(83mm)의 16게이지(1.6 mm 두께) 스테인레스 강 판(36)에 용접하여 만들었다. 각각의 불투과성 용기(32)를 노톤 컴파니의 38 앨런덤
Figure kpo00005
로서 공지된 90그릿의 알루미나 제품을 포함하는 약 150 g의 충전물(31)로 충전시켰다. 170.1로 표시된 시판용 알루미늄 합금을 포함하는 약 575g 의 용융 매트릭스 금속(33)을 실온의 용기(32) 각각에 부어, 충전물(31)을 덮는다. 용융 매트릭스 금속의 온도는 약 900℃이다. 제1a도의 레이 업에 있어서, 용융 매트릭스 금속(33)을 밀봉 성형물(34)로 덮는다. 특히, 미국, 뉴 햄프셔, 씨브룩에 소재하는 에사 컴파니의 약 20g의 B2O3분말을 용융 알루미늄 매트릭스 금속(33)위에 부었다 . 각각의 실험 레이업을, 약 900℃의 온도로 예열된 내열성 공기 대기 박스 로에 넣었다. 상기 온도에서 약 15분 후, B2O3재료(34)를 거의 완전히 용융시켜 유리층을 형성시킨다. 더우기, B2O3에 포획됐던 물을 거의 완전히 탈기시켜, 기체 불투과성 밀봉물을 형성시킨다. 제1a도 내지 제1b도에 도시된 레이업을 각각 900℃에서 부가적으로 약 2시간 동안 로내에 유지시킨다. 그 후, 두개의 레이 업을 로에서 꺼내고, 용기(32)의 판(36)을 물로 냉각된 구리냉각판과 직접 접촉시켜 매트릭스 금속을 배향 고화시킨다.
각각의 레이 업을 실온으로 냉각하고, 단면 절단하여 매트릭스 금속(33)이 충전물(31)을 침투하여 금속 매트릭스 복합체가 형성되었는지를 측정한다. 밀봉물(34)을 사용한 제1a도의 레이업은 금속 매트릭스 복합체를 형성한 반면, 밀봉물(34)을 사용하지 않은 제1b도의 레이업은 금속 매트릭스 복합체를 형성하지 않는다. 특히, 제3a도는 제1a도에 따라서 형성된 제품에 상응하는 사진이며, 제3b도는 제1b도의 결과에 상응하는 사진이다. 제3a도는 알루미늄 금속 매트릭스 복합체(40)가 형성되고 소량의 잔류 매트릭스 금속(33)이 거기에 부착되어 있는 것을 나타낸다. 더우기, 제3b도는 금속 매트릭스 복합체가 형성되지 않은 것을 나타낸다. 특히, 제3b도는 제1b도에서 나타난 충전물(31)의 원래 위치에 해당하는 부분에 중공(41)이 있음을 나타낸다. 용기(32)를 단면 절단했을 때, 충전물(31)은 매트릭스 금속(33)에 의해 침투되지 않았으므로 용기(32)로 부터 떨어져 나갔다.
[실시예 2]
본 실시예는 청동 금속 매트릭스 복합체의 형성을 돕는 외부 밀봉의 실행성 및 중요성을 나타낸다. 매트릭스 금속(33)이 약 93 중량%의 구리, 약 6 중량%의 Si 및 약 1중량%의 Fe의 청동 합금인 것을 제외하곤, 실시예 1과 같은 실험 공정 및 레이 업을 반복한다. 충전물(31)의 조성 및 양은 실시예 1에서와 거의 같다.
더우기, 스테인레스 강 용기(32)와 B2O3밀봉 성형물(34)은 실시예 1의 것과 거의 동일하다. 청동 매트릭스 금속(33)을 약 1025℃의 온도로 예열하여 용융시킨 후 실온의 용기(32)에 부었다. 약 1025℃의 온도로 로를 예열시킨 것을 제외하곤, 스테인레스 강 용기(32)와 그것의 내용물을 포함한 각각의 레이 업을 실시예 1과 동일한 내열 공기 대기 박스 로에 넣는다. 약 20분간에 걸쳐 로의 온도를 약 1100℃로 승온시키는데, 그 동안 B2O3분말은 거이 용융, 탈기되어 기체 불투과성 밀봉물을 형성한다. 두개의 레이 업을 약 2 시간 동안 약 1100℃로 유지한다. 로에서 각각의 레이 업을 꺼낸 다음, 용기(32)의 판(36)을 물로 냉각된 구리 냉각판과 직접 접촉시켜 매트릭스 금속을 배향 고화시킨다.
각각의 레이 업을 실온으로 냉각하고, 단면 절단하여 청동 매트릭스 금속(33)이 충전물(31)을 투과하여 금속 매트릭스 복합체를 형성했는지를 측정한다. 실시예 1에서 관찰된 것과 유사하게, B2O3밀봉물(34)을 이용한 레이 업은 청동 금속 매트릭스 복합체를 형성한 반면, B2O3밀봉물(34)이 없는 용기는 금속 매트릭스 복합체를 형성하지 않는다. 특히, 제4a도는 제1a도의 레이 업을 사용하여 형성된 청동 금속 매트릭스 복합체(42)를 나타내며, 제 4b도는 제1b도의 충전물(31)의 원위치에 해당하는 중공을 나타낸다. 실시예 1과 유사하게, 침투되지 않은 충전물(31)은 용기(32)를 단면 절단할 때 용기(32)에서 떨어져 나갔다.
[실시예 3]
본 실시예는 알루미늄 금속 매트릭스 복합체의 형성을 도와주는 기체 불투과성 용기 사용의 중요성을 나타내고 있다. 특히, 1개의 기체 투과성 용기와 4개의 기체 불투과성 용기를 비교하였다. 4개이 불투과성 용기는 불투과성 16 게이지 AISI 304형 스테인레스 강 캔 시판용 광택 커피 컵, 내부면이 B2O3로 코팅된 16 게이지 AISI 304형 스테인레스 강 캔 및 광택 Al2O3체를 포함한다. 투과성 용기는 다공성 클레이 도가니를 포함하며, 표 1은 관계되는 실험 변수를 나타내고 있다.
[샘플]
약 23 / 8 인치(60mm)의 내부 직경과 약 2.5 인치(64mm)의 높이를 가진 304형 스테인레스 강 캔을, 노튼 컴파니이 약 150g의 90메쉬 38앨런덤으로 충전시켰다. 7.5-9.5% Si, 3.0-4.0% Cu, 2.9% Zn, 2.2-2.3% Mg, 1.5% Fe, 0.5% Mn, 0.35% Sn 및 잔량 Al로 구성된 조성(중량%)을 가진 알루미늄 매트릭스 금속을 약 900℃의 내열 공기 대기 박스 로에서 용융시키고, 스테인레스 강 캔에 부었다. 에사 컴파니의 분말 B2O3를 사용하여 용융 알루미늄 표면을 피복했다(레이 업은 제1a도에 나타난 것과 동일). 용기 및 그것의 내용물을 포함하는 레이 업을 900℃의 내열 공기 대기 박스 로에 넣었다. 상기 온도에서 약 15분 후, B2O3분말을 거의 완전히 용융시키고, 탈기시켜 알루미늄 매트릭스 금속 표면위에 기체 불투과성 밀봉물을 형성하였다. 레이 업을 부가적으로 2 시간 동안 로내에 유지했다. 로에서 레이업을 꺼낸 다음, 물로 냉각된 구리 냉각판과 접촉시켜 매트릭스 금속을 배향 고화시켰다.
[샘플 B]
제1a도에 기술된 용기(32)가 시판용 광택 커피컵인 것을 제외하곤, 샘플 A의 방법을 반복하였다.
[샘플 C]
약 1.7인치(43mm)의 내부직경과 약 2.5 인치(64mm)의 높이를 가진 불투과성 용기를 16게이지(1.6mm 두께) AISI 304형 스테인레스 강으로부터 형성하고, 미국, 뉴 햄프셔, 씨브룩에 소재하고 있는 에사 컴파니의 B2O3분말층으로 그것의 내부를 코팅하였다. 특히, 약 1/2 인치(13mm)의 B2O3분말을 용기에 놓고, 용기를 약 1000℃의 내열 공기 대기 로에 넣는다. 충분한 시간 동안 방치하여 B2O3를 용융시키고, 탈기시킨다. 일단 용융되면, 용융된 B2O3를 포함한 스테인레스 강 용기를 로에서 꺼내고 회전시켜 용융 B2O3가 스테인레스 강 용기의 거의 모든 내부에 흐르게 한다. 표면을 거의 완전히 코팅한 후, 노톤 컴파니의 54 그릿 SiC 39 크리스톨론을 포함한 충전물을 용기 내부에 넣은 다음, 약 3/4 인치(19 mm)의 깊이, 약 90℃의 온도로 유지시켰다. 시판용 순수한 알루미늄과 합금 1100으로 구성된 용융 매트릭스 금속을 약 3/4 인치(19 mm)의 깊이로 용기에 부어 충전물을 덮었다. B2O3코팅된 용기와 그것의 내용물을 약 1000℃의 내열 공기 대기 박스 로에 넣고, 약 15분 동안 방치했다. 약 20g의 B2O3분말을 용융 매트릭스 금속의 표면 위에 놓는다. 상기 온도에서 약 15분 후, B2O3분말을 거의 완전히 용융시키고, 탈기시켜 밀봉물을 형성했다. 레이 업을 부가적으로 1 시간 동안 로에서 유지시켰다. 스테인레스 강 용기 및 그것의 내용물을 로에서 꺼내어 실온으로냉각시켜 고화시켰다.
[샘플 D]
약 6 인치(152 mm)의 높이와 2 인치(51 mm)의 외부직경을 가진 불투과성 실린더 형 용기를 만들었다. 특히, 용기는 약 84.2 중량%의 Al2O3(미국, 펜실베이니아, 피츠버그에 소재하는 앨코아의 Al-7), 약 1 중량%의 다르반 821A(미국, 코네티컷, 노웍에 소재하는 알.티. 밴더빌트 앤드 컴파니 시판), 및 약 14.8 중량%의 증류수의 혼합물을 포함하는 슬립을 슬립 캐스트하여 제조되었다. 슬립은, 약 2시간 동안 약 1/2 인치(13 mm)의 알루미나 분쇄 매질로 약 1/4 충전된 5갈론(18.9ℓ) 날진(nalgene) 자아내에서 볼 밀링으로 제조하였다.
슬립캐스팅 처리한 실린더를 약 1일 동안 대략 주위 온도에서 건조한 후, 약 200℃/시(hr)의 속도로 약 1400℃까지 가열하고, 2 시간 동안 약 1400℃에서 유지한 후, 주위온도로 다시 냉각하였다. 연소 및 냉각 후, 실린더 외부를 약 60 중량%의 FL-79프릿(미국, 오하이오, 캐롤리턴에 소재하는 퓨전 세라믹스 공급)과 잔량이 에탄올로 구성된 혼합물로 침지 코팅하였다. 그후 프릿 코팅된 실린더를 가열하고, 내열 로에서 1000℃까지 약 200℃/시의 속도로 냉각하여 Al2O3실린더를 광택 처리하고, 기체 불투과성으로 만들었다. 냉각되었을 때, 광택 코일된 쉘을 90그릿 39 크리스톨론 SiC로 충전하였다. 광택 코팅된 쉘과 그것의 내용물을 함유한 레이 업을 로에 넣고, 약 200℃/시의 속도로 약 950℃까지 가열한다. 로 내에서, 약 10 중량%의 마그네슘, 약 10 중량%의 규소 및 잔량이 알루미늄이 용융 매트릭스 금속을 주형에 부었다. B2O3분말을 용융 매트릭스 금속의 표면에 부었다. 약 950℃에서 약 1 시간 후, 로를 약 850℃로 냉각하고, 쉘 및 그것의 내용물을 로에서 꺼내고, 고화한 다음, 물로 급냉시켰다. 광택 코팅된 알루미나 체를 포함하는 쉘을 급냉중에 분해한 바, 매끄러운 표면의 금속 매트릭스 복합체가 생성됐다.
실온에서, 각각의 레이 업을 단면 절단하여 매트릭스 금속이 충전물에 침투하여 금속 매트릭스 복합체를 형성했는지를 측정하였다. 각각의 샘플 A-D에서 금속 매트릭스 복합체가 형성되었다.
[샘플 E]
제1a도의 용기(32)가 다공성 클레이 도가니(미국, 뉴저지, 사우쓰 플레인필드에 소재하는 제이.에이치. 버지 컴파니의 DFC 도가니 번호 28-1000)로 구성된 것을 제외하곤, 샘플 A의 방법을 실시하였다. 금속 매트릭스 복합체가 형성되지 않았다. 그러므로, 본 실시예는 불투과성 용기가 필요하다는 것을 예시한다.
[실시예 4]
본 실시예는 청동 금속 매트릭스 복합체의 형성을 돕는 기체 불투과성 용기사용의 중요성을 입증하고 있다. 특히, 1개의 기체 투과성 용기와 2개의 기체 불투과성 용기를 비교하였다. 두개의 불투과성 용기는 AISI 304형 스테인레스 강 캔, 및 콜로이드 흑연으로 코팅된 탄소 강 용기를 포함한다. 투과성 용기는 다공성 클레이 도가니로 구성되었다. 표1은 관계되는 실험 공정을 나타내고 있다.
[샘플 F]
약 2 3/8인치(60 mm)의 내부직경과 약 2.5 인치(64mm)의 높이를 가진 304형 스테인레스 강 캔을 노톤 컴파니의 약 150g의 90메쉬 38 앨런덤으로 충전했다. 약 6 중량%의 Si, 1 중량%의 Fe 및 잔량이 Cu인 매트릭스 금속을 약 1025℃로 공기 대기 박스 로에서 용융시킨 다음, 스테인레스 강 용기에 부었다. 에사 컴파니의 B2O3분말을 사용하여 용융 청동 표면을 피복했다. 레이업을 약 1025℃의 내열 박스 로에 넣었다. 로의 온도를 약 20분에 걸쳐 약 1100℃로 승온 시키고, 이동안 B2O3분말이 거의 완전히 용융, 탈기되고, 청동 매트릭스 금속 표면 위에 기체 불투과성 밀봉물을 형성했다. 부가적인 2시간 후, 레이 업을 로에서 꺼내고 물로 냉각된 구리 냉각판과 접촉시켜 매트릭스 금속을 배향 고화시켰다.
[샘플 G]
약 3 × 3 인치(76 × 76 mm)의 폐쇄 단부와 약 3.75 × 3.75 인치(92 × 92 mm)의 개방 단부, 및 약 2.5 인치(64 mm)의 높이를 갖는 사다리꼴 단면을 지닌 불투과성 용기를 개개의 단편을 용접함으로써,14게이지(2 mm두께) 탄소강으로 부터 제조했다. 용기의 내면을 약 1.5 부피부의 에탄올(미국, 뉴저지, 베이온에 소재하는 팜코 프로덕츠, 인코포레이티드 시판) 및 약 1부피부의 DAG-154콜로이드 흑연(미국, 미시간, 포트 호론에 소재하는 아테슨 콜로이드 시판)을 포함하는 흑연 혼합물로 코팅했다. 흑연 혼합물의 3개 이상의 코팅물을 공기 브러시로 용기의 내면 상에 도포했다. 각각의 흑연 혼합물 코팅은, 차후의 코팅을 도포하기 전에 건조했다. 코팅용기를 약 2 시간 동안 약 380℃의 내열 공기 대기 로에 넣었다. 노톤 컴파니의 90 그릿 E1 앨런덤을 포함한 약 1/2 인치(13 mm)의 알루미나 충전물을 용기 바닥에 놓고 거의 수평이 되게 하였다. 알루미나 충전물의 수평 표면을, 상표명 퍼마-호일로 시판되는 약 0.01 인치(0.25 mm)의 두께를 가진 흑연 테이프 제품(미국, 오리건, 포틀랜드에 소재하는 티티 어메리카, 인코포레이티드에서 시판하는 그레이드 PF-25-H 흑연 테이프 제품)으로 거의 완전히 피복했다. 약 6 중량%의 규소, 약 0.5 중량%의 Fe, 약 0.5 중량%의 Al 및 잔량이 구리인 약 1/2 인치(13 mm)의 용융 매트릭스 금속을 실온 용기내의 흑연 테이프 및 알루미나 충전물 위에 부었다. 약 20g의 B2O3분말을 용융 청동 매트릭스 금속에 부었다. 탄소 강 용기와 그것의 내용물을 함유한 레이 업을 약 1100℃ 온도의 내열 공기 대기 박스 로에 넣었다. 약 1100℃에서 약 2.25시간 후, B2O3가 거의 완전히 용융, 탈기되어 밀봉물을 형성하고, 탄소 강 용기 및 그것의 내용물을 로에서 꺼내어, 물로 냉각된 구리 냉각판 위에 놓고, 매트릭스 금속을 배향 고화시켰다. 용융 매트릭스 금속이 평면 탄소강 용기의 일부를 용해하였지만, 금속 매트릭스 복합체는 레이 업에서 완전히 회수되었다.
[샘플 H]
제1a도에 도시된 용기(32)가 다공성 클레이 도가니(미국, 뉴저지, 사우쓰플레인필드에 소재하는 제이. 에이치. 버지 컴파니의 DFC 도가니 번호 28-1000)이고, 레이 업을 1025℃가 아닌 1100℃의 로에 직접 넣은 후에 가열하는 것을 제외하곤, 샘플 F의 방법과 동일하게 수행하였다.
실온에서, 샘플 F,G 및 H애 해당하는 레이 업 각각을 단면 절단하여,매트릭스 금속이 충전물을 침투하여 금속 매트릭스 복합체를 형성했는지를 측정한다. 샘플 F 및 G에 해당하는 레이 업은 금속 매트릭스 복합체의 형성에 유리한 조건을 형성한 반면, 기체 불투과성 클레이 도가니를 사용한 샘플 H에 해당하는 레이 업은 금속 매트릭스 복합체의 형성에 유리한 조건을 형성하지 않았다.
본 실시예는 금속 매트릭스 복합체를 제조하는 자가 발생된 진공의 형성에 유리한 조건을 생성하기 위하여 기체 불투과성 밀봉물과 기체 불투과성 용기를 결합할 수 있다는 것을 예시한다.
Figure kpo00006
+ 미국, 매사츄세츠, 워세스터에 소재하는 노톤 컴파니의 38 앨런덤
++ 미국, 매사츄세츠, 워세스터에 소재하는 노톤 컴파니의 39 크리스톨론
+++ 미국, 매사츄세츠, 워세스터에 소재하는 노톤 컴파니의 E1 앨런덤
＃ 는 그릿을 표시한다.
SS 는 스테인레스 강을 표시한다.
(7.5-9.5% Si, 3.0-4.0% Cu, 2.9% Zn, 2.2-2.3% Mg, 1.5% Fe, 0.5 % Mn, 0.5% Ni, 0.35% Sn 및 잔량 Al)
[실시예 5]
본 실시예는 각종 매트릭스 금속(33)(제1a도 참조)이 기체 불투과성 용기(32) 및 기체 불투과성 밀봉물(34)와 조합되어 금속 매트릭스 복합체의 형성에 유리한 조건을 산출하는데 사용할 수 있다는 것을 입증한다. 표2는 각종 매트릭스 금속(33), 충전물(31)을 함유하는 수단(32), 처리 온도 및 처리 시간을 비롯하여, 다수의 금속 매트릭스 복합체를 형성하는 데 사용할 수 있는 실험 조건을 나타내고 있다.
[샘플 I-M]
샘플 I-M에서, 제1a도에 나타낸 레이 업 및 실시예 1의 단계를 거의 동일하게 반복하였다. 이들 각각의 레이 업에 사용된 충전제의 양은 약 150g인 반면, 합금의 양은 약 525g 이었다. 금속 매트릭스 복합체는 각각의 실험 레이업으로 부터 성공적으로제조되었다.
[샘플 N-O]
샘플 N 및 O는 로의 온도를 약 1100℃로 한 것을 제외하곤, 실시예 1의 방법을 반복하였다.
[샘플 P]
샘플 P에 사용된 실험 레이 업은, 전술한 실험 레이 업과 약간 다르다. 전체의 레이 업을 실온에서 만든 후 실온의 전기 저항 로에 넣는다. 특히, 제5도에 도시된 바와 같이, 약 4 인치(102 mm) 높이와 약 2.6 인치(66 mm) 내부 직경을 갖는 밀집형 소결 알루미나 도가니(32)(미국, 텍사스, 콘로에 소재하는 볼트 세라믹스 시판)를 불투과성 용기로서 이용했다. 노톤 컴파니의 90 그릿 38 앨런덤 AlO충전제(31)를 도가니(32)의 바닥에 넣는다. 회색 주철(ASTM A-48, 그레이드 30, 35)을 포함한 매트릭스 금속(33)의 고형 실린더 잉곳을 충전물의 상부에 놓아, 용기(32)의 측벽과 매트릭스 금속(33)의 사이에 간극(38)을 형성하였다. 소석고(39)(미국, 오하이오, 브룬스윅에 소재하는 인터내쇼날 인코포레이티드 시판 본덱스)를 용기(32)내의 주철 잉곳(33)의 상부 근처에 있는 간극(38)에 놓았다. 소석고(39)는, 매트릭스 금속(33)의 상부 표면 위에 놓인 BO분말(34)를 충전물(31)로부터 격리하는 작용을 하여, 처리 조건하에서 밀봉 수단이 형성되는 것을 돕는다. 제5도에 도시된 레이 업을 내열 공기 대기 로에 넣고, 약 7시간 동안 실온에서 약 1400℃로 가열하여, 그동안 BO(34)가 거의 용융, 탈기되어, 용융 주철(33)위에 기체 불투과성 밀봉물을 형성했다. 용융되면서, 용융 주철(33)의 수준은 온도에서 약 4시간 후에 강하된 것이 관찰되었다. 레이 업(30)을 로에서 꺼내어, 냉각시켰다.
[샘플 Q-T]
샘플 Q-T에서, 제1a도에 도시된 레이 업과 실시예 1의 단계를 반복하였다. 매트릭스 금속, 충전물, 용기, 온도 및 시간의 구체적인 변수는 표2에 나타낸다.
[샘플 U]
샘플 U에 사용되는 실험 레이 업은 전술한 실험 레이 업과는 다소 다르다. 샘플 P와 유사하게, 전체의 레이 업을 실온에서 만든 후, 실온의 전기 저항 가열로에 넣었다. 특히, 제6도에 도시된 바와 같이, 미국, 텍사스, 콘로에 소재하는 볼트 세라믹스사에서 시판하는, 약 1.5인치(38 mm) 높이와 약 1 인치(25 mm) 내부직경을 갖는 밀집형 소결 알루미나 도가니(32)를 불투과성 용기로서 사용하였다. 39 크리스톨론으로 공지되고, 54의 그릿 사이즈를 갖는 탄화규소 충전물(31)을 약 25 중량%의 -325메쉬 구리 분말(컨솔리데이티드 애스트러노틱스 시판)과 혼합하고, 그 혼합물을 약 1/2인치(13 mm) 깊이로 용기(32)에 부었다. 합금 C 811로부터의 구리 절단물(33)(즉, 여러개의 단편으로 절단된 거의 순수한 구리선)을 약 1/2 인치 깊이로 충전물(31)의 상부에 놓았다. 그라호일
Figure kpo00007
흑연 테이프(50)를 구리 절단물(33)의 상부에 놓아 구리 절단물(33)을 거의 덮는다. 에사 컴파니의 약 50 중량% B2O3분말 및 노톤 컴파니의 38 앨런덤으로 공지되어 있는 약 50 중량% 220 그릿 Al2O3의 혼합물인 밀봉 수단(34)을 흑연 테이프(50)의 상부에 놓아, 흑연 테이프(50)를 완전히 덮게 한다. 제6도의 레이 업(37)을 내열 공기 대기 로에 넣고, 약 6.5 시간 동안 실온에서 약 1250℃로 가열하는데, 이 동안 혼합물인 밀봉 수단(34)은 용융, 탈기되어 용융 구리 매트릭스 금속(33)상에 밀봉물을 형성한다. 그 후, 약 3시간 동안 약 1250℃로 유지하였다. 레이-업(30)을 로에서 꺼내고, 냉각시켰다. 각각의 샘플 I-U는 소정의 금속 매트릭스 복합체를 형성하였다. 이들 샘플의 물리적 성질을 표 2에 기록했다. 더우기, 약 400배로 찍은 현미경 사진은 제7도에서 몇개의 샘플에 대하여 나타나 있다. 특히, 제7a도는 샘플 I에 해당하는 현미경 사진을, 제7b도는 샘플 K에 해당하는 현미경 사진을, 제7c도는 샘플 L에 해당하는 현미경 사진을, 제7d도는 샘플 M에 해당하는 현미경 사진을, 제7e도는 샘플 N에 해당하는 현미경 사진을 나타낸다. 숫자(51)은 충전물을, 숫자(53)은 매트릭스 금속을 나타낸다.
Figure kpo00008
+ 미국, 매사츄세츠, 워세스터에 소재하는 노톤 컴파니의 38 앨런덤
++ 미국, 매사츄세츠, 워세스터에 소재하는 노톤 컴파니의 39 크리스톨론
＃ 미국, 텍사스, 콘로에 소재하는 볼트 세라믹스
* 미국, 웨스트 버지니아, 엘킨즈에 소재하는 켈리 파운드리.
(7.5-9.5% Si, 3.0-4.0% Cu, 2.9% Zn, 2.2-2.3% Mg, 1.5% Fe, 0.5% Mn, 0.5% Sn 및 잔량 Al)
[실시예 6]
본 실시예는 자가 발생된 진공법을 사용하여 일정한 온도범위에서 알루미늄 금속 매트릭스 복합체를 형성할 수 있다는 것을 나타낸다. 본 실시예의 레이 업은 제1a도와 거의 동일하다. 더우기, 매트릭스 금속이 약 7.5-9.5% Si, 3.0-4.0% Cu, 2.9% Zn, 2.2-2.3% Mg, 1.5% Fe, 0.5% Mn, 0.35% Sn 및 잔량 Al인 조성을 가진 알루미늄 합금인 것을 제외하곤, 실시예 1의 방법을 반복했다. 실시예 1에서와 같이, 노톤 컴파니의 90 그릿 38 앨런덤 AlO물질을 충전물(31)로서 사용하고, 알루미늄 매트릭스 금속(33)을 3가지 다른 온도에서 실온 용기(32)에 부었다. 특히, 매트릭스 금속(33)의 온도는 800℃, 900℃ 및 1000℃ 이었다. 실시예 1에서와 같이, 15분 동안 방치하여 BO분말을 용융하고, 탈기시킨 다음, 기체 불투과성 밀봉물을 형성하였다. 각각의 3개의 용기(32)를 전기 저항 가열 공기 로에 넣고, 용기(32)에 부어진 용융 매트릭스 금속(33)의 온도에 거의 상응하는 온도(즉, 800℃, 900℃ 및 1000℃)에서 상기 로를 작동시켰다. 2 시간 후, 각각의 레이 업을 로에서 꺼내고 물로 냉각된 구리 냉각판에 놓아 매트릭스 금속을 배향 고화시켰다.
실온에서, 3개의 레이 업을 단면 절단하여 매트릭스 금속이 충전물에 침투하여 금속 매트릭스 복합체를 형성했는지를 나타냈다. 특히, 제8a도, 제8b도 및 제8c도는 각각 800℃, 900℃ 및 1000℃에서 형성되는 알루미늄 금속 매트릭스 복합체에 해당하는 400배의 현미경 사진이다. 숫자(51)은 충전물을 나타내고, 숫자 (53)은 매트릭스 금속을 나타낸다.
[실시예 7]
본 실시예는 자가 발생된 진공법을 사용하여 일정한 온도범위에서 청동 금속 매트릭스 복합체를 형성할 수 있다는 것을 나타낸다. 본 실시예에서 사용된 레이 업은 제1a도에 나타낸 것과 거의 동일하다. 더우기, 매트릭스 금속이 약 93 중량%의 구리, 약 6 중량%의 Si 및 약 1 중량%의 Fe 조성을 가진 구리 합금(즉, 청동 합금)인 것을 제외하곤, 실시예 1의 방법을 반복했다. 실시예 1에서와 같이, 노톤 컴파니의 90 그릿 38 앨런덤 AlO를 충전물(31)로서 사용하고, 청동 매트릭스 금속(33)을 두개의 다른 온도에서 2개의 실온 용기(32)에 부었다. 특히, 매트릭스 금속(33)의 온도는 1050℃와 1100℃이었다. 실시예 1에서와 같이, 15분간 방치하여 BO분말을 용융, 탈기시켜 기체 불투과성 밀봉물을 형성했다. 각각의 두개의 용기(32)를 전기 저항 가열 공기 로에 넣은 후, 이것을 용기(32)에 부어진 용융 매트릭스 금속(33)의 온도에 거의 상응하는 온도에서 작동시켰다. 2 시간 후, 각각의 레이 업을 로에서 꺼내고, 물로 냉각된 구리 냉각판 위에 놓아 매트릭스 금속을 배향 고화시킨다.
실온에서, 레이 업을 단면 절단하여, 매트릭스 금속이 충전물에 침투하여 금속 매트릭스 복합체를 형성했는지를 결정한다. 특히 제9a도 및 제9b도는 각각 1050℃와 1100℃에서 형성된 청동 금속 매트릭스 복합체에 해당하는 50배의 현미경 사진이다. 숫자(51)은 충전물을, 숫자(53)은 매트릭스 금속을 나타낸다.
[실시예 8]
본 실시예는 각종 충전물이 자가 발생된 진공법을 사용하여 알루미늄 매트릭스 금속으로 침투될 수 있다는 것을 입증하고 있다. 특히, 제1a도와 유사한 레이 업은 본 실시예에서도 사용한다. 더우기, 알루미늄 매트릭스 금속이 7.5-9.5% Si, 3.0-4.0% Cu, 2.9% Zn, 2.2-2.3% Mg, 1.5% Fe, 0.5% Mn, 0.35% Sn 및 잔량 Al의 조성을 갖는 것을 제외하곤, 실시예 1과 유사한 실험방법을 사용했다. 실시예 8의 충전물(33)의 조성 및 그릿 크기, 그리고, 다른 관련 실험 변수는 표 3에 기록되어 있다.
각각의 레이 업(30)이 실온으로 냉각될 때, 이들을 단면 절단하여, 금속 매트릭스 복합체가 형성되었는지를 결정한다. 본 실시예의 모든 샘플 V-AB는 알루미늄 금속 매트릭스 복합체를 형성한 것을 관찰되었다. 특히, 제10a도는 샘플 V에 해당하는 400배의 현미경 사진을, 제10b도-제10e도는 샘플 X-AA에 해당하는 400배의 현미경 사진을, 제10F도는 샘플 AB에 해당하는 50배의 현미경 사진을 나타낸다. 숫자(51)은 충전물을, 숫자(53)은 매트릭스 금속을 나타낸다.
Figure kpo00009
** 미국, 매사츄세츠, 워세스터에 소재하는 노톤 컴파니, MCA 1360
+++ 미국, 매사츄세츠, 워세스터에 소재하는 노톤 컴파니, E1 앨런덤
++ 미국, 매사츄세츠, 웨스터에 소재하는 노톤 컴파니, 39 크리스톨론
+ 미국, 매사츄세츠, 웨스터에 소재하는 노톤 컴파니, 38 앨런덤
# 미국 뉴저지, 버겐필드에 소재하는 애틀랜틱 이큅먼트 엔지니어즈
* 미국 펜실베니아, 피츠버그에 소재하는 앨코아
Figure kpo00010
미국, 코네티컷, 뉴저지 콘난에 소재하는 왁커 케미칼, ESK 엔지니어드 세라믹스.
1(7.5-9.5% Si, 3.0-4.0% Cu, 2.9% Zn, 2.2-2.3% Mg, 1.5% Fe, 0.5% Mn, 0.5% Ni, 0.35% Sn 및 잔량 Al)
[실시예 9]
본 실시예는 각종 충전물이 자가 발생된 진공법을 사용하여 청동 매트릭스 금속으로 침투될 수 있다는 것을 나타낸다. 특히, 제1a도와 유사한 레이 업을 본 실시예에서 사용한다. 더우기, 청동 매트릭스 금속은 약 93 중량%의 Cu, 6중량% Si 및 1 중량%의 Fe로 구성된 것을 제외하곤, 실시예 1의 실험방법과 동일하다. 용융 매트릭스 금속 및 로의 온도는 약1100℃이다. 본 실시예에서 사용된 충전물(33)의 조성 및 그릿 크기, 그리고 다른 관련 실험 변수는 표 4에 기록되어 있다.
각각의 레이 업(30)을 실온으로 냉각할 때, 이들을 단면절단시켜 매트릭스 금속이 충전물(33)에 침투하여 상응하는 금속 매트릭스 복합체를 형성 했는지를 결정한다. 본 실시예의 모든 샘플 AC-AI는 금속 매트릭스 복합체를 형성했다. 특히 제11a도-제11d도는 샘플 AC-AF에 해당하는 400배의 현미경 사진이며, 제11E도는 샘플 AG에 해당하는 50배의 현미경 사진이다. 숫자(51)은 충전물을, 숫자(53)은 매트릭스 금속을 나타낸다.
Figure kpo00011
** MGA 1360
+ 미국, 매사츄세츠, 워세스터에 소재하는 노톤 컴파니, MCA 1360
++ 미국, 매사츄세츠, 워세스터에 소재하는 노톤 컴파니, E1 앨런덤
+++ 미국, 매사츄세츠, 웨스터에 소재하는 노톤 컴파니, 39 크리스톨론
+ 미국, 매사츄세츠, 웨스터에 소재하는 노톤 컴파니
# 미국, 앨러배머, 터스컴비아에 소재하는 머슬 쇼율 미네럴즈
* 미국 펜실베니아, 피츠버그에 소재하는 앨코어
Figure kpo00012
미국, 코네티컷, 뉴 콘난에 소재하는 왁커 케미칼, ESK 엔지니어드 세라믹스.
## 미국, 조지아, 애틀랜터에 소재하는 세라믹 필러즈 인코오포레이티드
[실시예 10]
본 실시예는 본 발명의 자가 발생 진공법에 의해 생성되는 진공의 양을 측정하는 방법 및 장치를 나타낸다. 더우기, 동일한 장치를 사용하여 불투과성 용기내에서 특정하게 조절된 대기를 만들 수 있다. 그러므로, 자가 발생된 진공은 대기의 함수로 관찰될 수 있다.
또한 본 실시예는 기술된 처리 조건하에 외부의 물리적 밀봉 수단을 사용하는 중요성을 정량적으로 나타내고 있다.
진공 측정 장치는, 16 게이지(1.6 mm 두께) AISI 304 형 스테인레스 강으로부터 불투과성 용기를 구성하여 제조된다. 특히, 스테인레스 강 용기는 실시예 1의 용기와 유사하다. 그러나, 상기 용기에는, L 형으로서 전체 길이가 약 21 인치(533 mm)이고 외부 직경이 1/8 인지(3 mm)이며 내부 직경이 1/16 인치(1.6 mm)인 스테인레스 강 관이 장착되어 있다. 특히, 제12a도는 스테인레스 강 관(61)이 연장되어 용기(32)의 측벽(64)에 용접되어 있는 스테인레스 강 용기(32)를 포함하는 진공 측정 장치(60)를 나타내고 있다. 용기(32)에 연장된 관(61)의 일부는 약 3.5 인치(89 mm)인 반면에, 관의 높이는 약 17.5 인치(445 mm)였다. 관(61)의 크기는 중요하지는 않지만, 상기 관은 한쪽 단부가 용기(32)내에 위치되고, 다른쪽 단부가 로의 외부에 위치하기에 적당한 크기 및 형태를 가지고 있어야 한다. 진공 게이지(63)는 금속 매트릭스 복합체 성형 온도를 견딜 수 없는 시판용 진공 게이지이다. 그러므로, 로밖으로 연장된 상기 관(61) 단부에 용접되어 있는 나사 선(62)에 의해 진공 게이지(63)에 착탈식으로 부착되어 있다. 제12a도는 사용된 레이 업이, 용기(32)의 기부가 스테인레스 강관(61)을 덮는 데 사용된 비조밀하게 충전된 500 그릿 Al2O3(38 앨런덤)(65) 층을 함유한 것을 제외하곤 실시예 1의 레이업과 유사하다는 것을 보여준다. 본 공정의 특정 조건 하에, 매트릭스 금속이 분말(65)을 침투할 수 없기 때문에, 침투 공정 동안에 상기 분말(65)은 상기 관(61)이 용기(32)의 내부 반응실과 연통되도록 한다. 90 그릿 알루미나 물질(38 앨런덤, 노톤 컴파니)(31)은 분말(65)의 상부에 약 1.5 인치(38 mm)의 깊이로 위치한다. 약 900℃ 온도에서 용융 알루미늄 매트릭스 금속(33)을 실온 용기(32)에 부었다. 알루미늄 금속은 시판용 170.1 합금으로서 거의 순수한 알루미늄이다. 그 다음 B2O3분말층을 용융 금속(33)의 표면에 위치시키고, 전체의 조합물(60)을 약 900℃의 온도에서 작동하는 전기 저항 가열 로에 위치시킨다(그러나, 진공 게이지(63)는 로의 외부에 위치함).
제12a도의 레이 업과 유사한 실험 레이 업을 상기 레이업의 경우와 동일한 로에 위치시켰다. 제2 레이 업은, 비교용 레이 업의 밀봉층(34)(예, B2O3)이 없는 것을 제외하곤, 제1 레이 업과 동일하였다. 그러므로, 본 실시예는 레이 업 사이의 유일한 차이점이 하나의 레이 업에는 밀봉 수단(34)을 사용하고 다른 레이업에는 사용하지 않은 것인, 2 개의 레이 업 사이에서의 정량적 비교를 가능케 한다.
특히, 각 용기(32)에서 발생되는 진공은 시간의 함수로 측정한다. 제13도는 두 개의 레이 업 각각에서 시간의 함수로서 진공(Hg 인치)의 플롯을 나타낸 것이다. 특히, AL 플롯은 밀봉층(34)을 사용하지 않은 비교용 레이 업(샘플 AL)에 해당하며, AK 플롯은 밀봉층(34)(샘플 AK)을 사용한 레이 업에 해당한다. 비교용 레이 업에서는 진공이 발생되지 않았지만, 밀봉층(34)을 사용한 레이 업에서는 약 26 인지(660 mm) 수은의 진공이 발생했다는 것을 제13도에서 명백히 알 수 있다.
약 900℃에서 대략 2 시간 경과 후, 샘플 AK와 AL에 해당하는 각각의 용기(32)를 로에서 꺼내고, 물로 냉각된 구리 냉각판을 사용하여 배향 고화시킨 다음, 샘플을 단면 절단하여 사진을 찍었다. 샘플 AK에 해당하는 제14a도는 금속 매트릭스 복합체(40)가 형성되었다는 것을 나타내고 있다. 금속 매트릭스 복합체가 형성되지 않은 유일한 곳은, 500 그릿 분말(65)이 위치했던 곳에 해당한다. 더우기, 500 그릿 분말(65)내에 위치한 관(61) 말단을 명백히 볼 수가 있었다. 샘플 AL에 해당하는 제14b도는 침투가 일어나지 않았다는 것을 나타낸다. 특히, 중공(43), 매트릭스 금속(33) 및 관(61) 만이 샘플 AL을 단면 절단한 후 남아 있었다(즉, 모든 충전물(31)은 단면 절단 동안 용기(32)로부터 빠져나갔다).
[실시예 11]
본 실시예는 공기 이외의 대기가 알루미늄 매트릭스 금속과 관련하여 사용될 수 있다는 것을 나타낸다. 제12b도에 나타낸 장치(66)는 제12a도에 나타낸 장치(60)와 유사하다. 그러나, 관(61)은 진공 게이지(63)가 아니라, 질소 기체원(67)과 연통하고 있다. 약 180 cc/분의 속도로 관(61)을 통해 질소를 흐르게 함으로써 질소 대기는 충전물(31)에 도입된다. 특히 실시예 10에서 논의된 용융 170.1 합금을 실시예 10에서 논의된 충전물(31)에 붓는다. 질소를 용기(32)의 기부에 도입하고, 그 동안에 용융 알루미늄 매트릭스 금속(33)은 고화되고 질소는 그 후 소정 시간 동안 계속 흐른다(즉, 질소는, 용융 알루미늄(33)을 충전물(31)에 부은 후 전체 약 1 시간 동안 흐르게 된다). 총 약 1 시간 동안 질소가 흐른 후, 질소원(67)을 관(61)로부터 분리시키고, 진공 게이지(63)로 즉시로 대치한다. 그 직후, 용융 B2O3층을 고화된 매트릭스 금속(33)의 표면 위에 붓고, 레이 업(66)을 제12a도의 레이 업(60)과 거의 동일하게 변형시킨다. 그 다음, 레이 업을 약 900℃로 예열한 내열 공기 대기 박스 로에 넣고, 약 2시간 동안 로에서 레이 업을 유지하며 그 동안 진공 게이지를 감시한다.
2시간 동안에 성취된 최대 진공은 약 12 인치 Hg(305 mmHg)이다.
약 2시간 후 레이 업을 로에서 꺼내고, 물로 냉각된 구리 냉각판위에 놓아, 잔류 매트릭스 금속을 배향 고화시킨다. 실온으로 냉각한 후, 레이 업을 단면 절단하여, 매트릭스 금속이 충전물을 침투하여 금속 매트릭스 복합체를 형성한 것을 밝혔다.
[실시예 12]
매트릭스 금속의 조성을 170.1 합금으로부터, 7.5-9.5% Si, 3.0-4.0% Cu, 2.9% Zn, 2.2-2.3% Mg, 1.5% Ni 및 ,0.35% Sn, 그리고 잔량 Al 인 조성의 합금으로 바꾼 것을 제외하곤 실시예 11의 방법을 반복하였다. 금속 매트릭스 복합체는 성공적으로 형성되었다.
[실시예 13]
질소 대신 산소를 사용한 것을 제외하곤, 실시예 11의 방법을 반복하였다. 2 시간 동안 900℃에서 얻은 최대 진공은 약 10 인치 Hg(254 mmHg)이었다. 등온에서 2 시간 유지한 후, 로에서 레이 업을 꺼내어 물로 냉각된 구리 냉각판에 놓고 매트릭스 금속을 배향 고화시켰다.
실온에서, 레이 업을 단면 절단하여, 매트릭스 금속이 충전물을 침투하여 금속 매트릭스 복합체를 형성한 것을 밝혔다.
[실시예 14]
매트릭스 금속이 청동 매트릭스 금속이고, 로의 조작 온도가 약 1100℃ 인것을 제외하곤, 실시에 11의 방법을 반복하였다. 매트릭스 금속은 약 6 중량% Si, 1 중량% Fe 및 잔량 Cu 인 특정한 조성을 가지고 있다.
제15도는 본 실시예에 따라서 제조한 샘플 AM에 해당하는 AM 플롯을 나타낸 것으로, 약 29 인지 Hg(737 mmHg)의 최대 진공을 얻었다는 것을 보여준다. 약 1100℃ 에서 약 2시간 후, 레이 업을 로에서 꺼내고, 물로 냉각된 구리 냉각판위에 놓아 매트릭스 금속을 배향 고화시켰다.
실온에서, 레이 업을 단면 절단하여 매트릭스 금속이 충전물을 침투하여 금속 매트릭스 복합체를 형성했다는 것을 밝혔다.
[실시예 15]
본 실시예는 본 발명의 외부 밀봉 성형물로서 각종 물질을 사용할 수 있다는 것을 나타낸다. 실험 레이 업은 제1a도에서 사용한 것과 동일하고, 실험 방법은 실시예 1과 동일하였다. 유일한 차이점은, 매트릭스 금속이 약 93 중량% Cu, 6 중량% Si 및 1 중량% Fe를 포함하는 청동 합금이고, 로와 합금의 온도는 약 1100℃ 이며, 다른 밀봉 성형물을 사용하였다는 것이다. 특히, 3개의 별도의 밀봉 성형물은, 미국, 뉴햄프셔, 씨브룩에 소재하는 에사 컴파니의 B2O3(실시예 1의 밀봉 성형물(34)와 동일), 유리 V212 및 유리 V514(미국, 펜실베이니아, 그린즈버그에 소재하는 비트리펑션즈 시판)를 포함하였다. 약 1100℃에서 약 2 시간 후, 샘플을 로에서 꺼내고, 물로 냉각된 구리 냉각판 위에 놓아, 매트릭스 금속을 배향 고화시켰다. 각각의 이들 실시예는 성공적으로 금속 매트릭스 복합체를 형성하였다.
밀봉 성형물의 또 다른 실시예를 수행하였다. 특히, 실시예 1의 불투과성 용기(32)에, 약 20 중량%의 90 그릿 Al2O3(38 앨런덤)을 가한 54 그릿(37 크리스톨론 SiC)을 함유한 약 1 인치(25 mm)의 충전 혼합물(31)로 충전하였다. 약 6 중량% Si, 약 1 중량% Fe 및 잔량 구리인 약 1 인치(25mm)의 용융 매트릭스 금속(33)을 용기(32)에 붓고, 깨어진 유리병의 파편을 용융 매트릭스 금속(33)의 표면에 분사했다. 스테인레스 강 용기(32)와 그것의 내용물을 함유한 레이 업을 약 1100℃의 내열 공기 대기 박스 로에 넣고, 약 1100℃에서 약 3~4 시간 후, 세트 업을 로에서 꺼내어 냉각하였다. 실온에서 세트 업을 해체하여 금속 매트릭스 복합체의 형성을 확인했다.
[실시예 16]
2개의 부가적인 샘플에 대하여 제1b도의 레이 업과 실시예 2의 단계를 반복하였다. 특히, 레이 업에 B2O3를 첨가하지 않았다. 실험 방법의 유일한 차이점은, 하나의 샘플은 약 2시간 동안 로에 유지시키고(실시예 2와 동일), 다른 한개의 샘플은 약 3시간 동안 로에 유지시켰다는 것이다. 각각 2시간 및 3시간이 지난 후, 각각의 레이 업을 꺼내고, 물로 냉각된 구리 냉각판에 놓아 매트릭스 금속을 배향 고화시켰다. 실온에서, 레이 업을 단면 절단시켜 금속 매트릭스 복합체가 형성되었는지를 측정하였다. 3 시간 동안 상기 온도에서 유지된 용기는 금속 매트릭스 복합체를 형성한 반면, 2 시간 동안 상기 온도에서 유지된 용기는 금속 매트릭스 복합체를 형성하지 않았다. 또한 슬래그형 물질이 3 시간 동안 상기 온도에서 유지된 용기내에 형성되었다. 슬래그형 물질은 Cu2O 로서, 매트릭스 금속(33)과 용기(32) 사이의 경계면의 주변을 따라 위치한다. 매트릭스 금속의 하나의 성분이 주위 대기와 반응하여 기체 불투과성 밀봉물을 형성하는 것을 촉진하는 것도 가능하다.
[실시예 17]
본 실시예는 밀봉 촉진제를 사용하여 내부의 물리적 및/ 또는 화학적 밀봉물을 형성하는 것에 관한 것이다. 특히, 한개의 용기(32)에는 밀봉 촉진제를 함유한 합금을 제공하는 반면에 다른 용기에는 밀봉 촉진제가 없는 합금을 제공한다는 것을 제외하고는, 제1b도의 레이 업과 유사한 2개의 동일한 레이 업을 만들었다. 2개의 합금(33)은 B2O3또는 다른 외부 밀봉 성형물로 도포되지 않았다. 충전제의 조성, 충전물의 양 및 스테인레스 강 용기는 실시예 1에서와 동일하다. 시판용 170.1 알루미늄 합금을 포함하는 약 575 g의 용융 매트릭스 금속(33)으로 제1 용기(33)를 충전시키고, 제2 용기(32)는 7.5-9.5% Si, 3.0-4.0% Cu, 2.9 Zn, 2.2-2.3% Mg, 1.5% Fe, 0.5% Ni, 0.35% Sn 및 잔량 알루미늄인 약 575g의 용융 매트릭스 금속(33)으로 충전하였다. 스테인레스 강 용기(32)와 그것의 내용물을 함유하는 2개의 레이 업을, 약 900℃의 온도로 예열된 공기 대기 박스 로에 넣고, 약 15분 동안 방치시켜 상기 레이 업이 상기 온도가 되게 한 후, 추가로 약 2시간 동안 상기 온도에서 레이 업을 유지시키고, 로에서 꺼내어 물로 냉각된 구리 냉각판에 놓아 매트릭스 금속을 배향 고화시켰다.
실온에서, 2 개의 레이 업을 단면 절단하여 매트릭스 금속(들)(33)이 충전물(31)을 침투하여 금속 매트릭스 복합체를 형성했는지를 측정하였다.170.1 합금을 구비한 용기는 금속 매트릭스 복합체를 형성하지 않은 반면에, 합금(7.5-9.5% Si, 3.0-4.0% Cu, 2.9% Zn, 2.2-2.3% Mg, 1.5% Fe, 0.5% Ni, 0.35% Sn 및 잔량 Al의 조성)을 구비한 용기는 금속 매트릭스 복합체를 형성하였다. 이러한 제2합금은, 금속 매트릭스 복합체(33)이 스테인레스 강 용기(32)와 접촉한 지점에서 외피(skin)를 형성하였다는 것을 알았다. 이러한 외피는, X-레이 회전로 분석한 바, 주로 마그네슘 알루미네이트 스피넬(spinel)인 것으로 밝혀졌다. 그러므로, 본 실시예는 밀봉 촉진제 단독으로도(예, 외부 밀봉없이), 매트릭스 금속이 충전물을 침투하여 금속 매트릭스 복합체를 형성하기에 유리한 조건을 형성할 수 있다는 것을 보여준다.
[실시예 18]
본 실시예는 자가 발생 진공법을 이용하여 금속 매트릭스 복합체를 형성하는 것을 촉진하기 위하여 습윤 증진제를 사용하는 것을 예시하고 있다. 표 5에는 매트릭스 금속, 충전물, 온도, 처리 시간 및 본 실시예에 따라 수행된 각종 실험에 사용된 습윤 증진제의 양을 나타내고 있다.
Figure kpo00013
+ 미국, 매사츄세츠, 워세스터에 소재하는 노톤 컴파니의 38 앨런덤
++ 미국, 매사츄세츠, 워세스터에 소재하는 노톤 컴파니의 39 크리스톨론*
+++ 미국, 매사츄세츠, 워세스터에 소재하는 노톤 컴파니의 E1 앨런덤
1미국, 뉴저지, 버겐필드에 소재하는 애틀랜틱 이큅먼트 엔지니어즈
2미국, 뉴햄프셔, 씨브룩에 소재하는 에사 오브 존슨 매티
[샘플 AN]
약 1.6 인치(41mm)의 내부 직경과 약 2.5 인치(64 mm)의 높이를 가진 약 16 게이지(1.6 mm 두께)의 AISI 304 형 스테인레스 강으로부터 구조된 불투과성 용기(32)를 성형하여 제1a도와 유사한 레이 업을 제조했다. 용기(32)를, 220 그릿 Sic(39 크리스톨론, 노톤 컴파니)를 포함하는 충전물(31)로 충전했다. 약 6 중량% Si, 약 0.5 중량% Fe, 약 0.5 중량% Al 및 나머지가 구리인 약 1 인치(25 mm)의 용융 매트릭스 금속(33)을 실온의 용기(32)에 붓고, 미국, 뉴햄프셔, 씨브룩에 소재하는 에사 컴파니 오브 존슨 매티의 약 20 g의 B2O3분말을 용융 매트릭스 금속(33)의 표면에 부어 기체 불투과성 밀봉물을 형성했다. 스테인레스 강 용기(32)와 그것의 내용물을 포함하는 레이 업을 약 1100℃의 온도로 예열된 내열 공기 대기 박스 로에 넣고 상기 온도에서 약 2.25 시간 후, 스테인레스 강 용기(32)와 그것의 내용물을 로에서 꺼내고, 모래층에 놓아 매트릭스 금속을 고화시켰다. 실온에서 레이 업을 분해하여, 매트릭스 금속이 충전물을 침투하지 않았고, 따라서 금속 매트릭스 복합체를 형성하지 않았다는 것을 확인하였다.
[샘플 AO-AT]
다양한 양의 Se(셀레늄)를 표준 혼합 조작에 의해 충전물(31)에 첨가한 것을 제외하곤, 샘플 AN의 실험 방법을 이들 샘플에서도 반복하였다. 정확한 양의 충전물, 습윤 증진제, 처리 온도 및 처리 시간을 표 5에 기록하였다. 각각의 실시예 AO-AT는 금속 매트릭스 복합체를 성공적으로 형성하였다.
[샘플 AU]
본 실시예에서 사용된 레이 업은, 본 실시예에 사용된 다른 레이 업들과는 약간 다르다. 특히, 미국, 텍사스, 콘로에 소재하는 볼트 테크니칼 세라믹스, 인코 오포레이티드에서 시판하는 약 1 인지(25 mm) 내부 직경과 약 1.4 인지(36mm)의 높이를 가진 제16도의 알루미나 도가니(70)를 약 1/2 인치(13mm) 높이로 절단하고, 충전물(31)내에 넣었다. 도가니의 기부를 미국, 뉴저지, 버겐필드에 소재하는 애틀랜틱 이큅먼트 엔지니어즈의 -325 메쉬 Sn 분말(71)로 충전시키고, 나머지의 비충전된 알루미나 도가니(70) 부분에 38 앨런덤(노톤 캠패니)으로서 공지된 Al2O3를 포함하는 구성된 충전물(31)을 충전하였다. 도가니(70)내의 Sn(71)은 도가니내 총 내용물의 약 10 중량%를 차지한다. 도가니(70)내에서 충전물의 특성을 동일하게 가진 부가적인 충전물(31)을 도가니(70) 상부 주위에 위치시키고, 약 5 중량% Si, 약 2 중량% Fe, 약 3% Zn 및 잔량 구리인 약 1 인치(25mm)의 용융 매트릭스 금속(33)을 용기(32)에 부었다. 그 후 용융 매트릭스 금속(33)을 약 20 g의 B2O3분말(34)로 도포한 다음, 스테인레스 강 용기(32)와 그것의 내용물을 포함하는 레이 업을 약 1100℃로 고정된 내열 공기 대기 박스 로에 넣고, 약 1100℃에서 약 5시간 경과 후, 레이 업을 로에서 꺼내어 냉각시켰다.
실온에서, 레이 업을 절단하여 개방하고, 매트릭스 금속이 알루미나 도가니(70)내에서 220 그릿 38 앨런덤을 침투했다는 것을 관찰하였다. 그러나, 알루미나 도가니와 스테인레스 강 용기(Sn 분말과 접촉하지 않음) 사이의 공간을 차지한 220 그릿 38 앨런덤은, 매트릭스 금속에 의해 침투되지 않았다. 그러므로, Se 분말과 유사하게, Sn 분말은 청동 매트릭스 금속에 대한 습윤 증진제로서 작용하였다.
[실시예 19]
본 실시예는 일정 범위의 충전물 크기와 조성물을, 자가 발생 진공법에 의해 제조된 알루미늄 금속 매트릭스 복합체에 혼입할 수 있다는 것을 예시하고 있다.
실험 방법은 실시예 1과 거의 동일하고, 제1a에 나타난 것과 유사한 레이 업을 사용했다. 표 6은 본 실시예에 따라서 제조된 각종 샘플에 대하여 사용한 매트릭스 금속, 충전물, 온도 및 처리 시간을 나타내고 있다. 각각의 샘플 AV-AZ은 금속 매트릭스 복합체를 성공적으로 형성하였다.
Figure kpo00014
+ 미국, 매사츄세츠, 워세스터에 소재하는 노톤 컴파니의 38 앨런덤
++ 미국, 매사츄세츠, 워세스터에 소재하는 노톤 컴파니의 39 크리스톨론
* 미국, 펜실베니아, 피츠버그에 소재하는 앨코아
(7.5-9.5% Si, 3.0-4.0% Cu, 2.9% Zn, 2.2-2.3% Mg, 1.5% Fe, 0.5% Mn, 0.35% Sn 및 잔량 Al)
[실시예 20]
본 실시예는 일정 범위의 충전물 크기와 조성물을, 자가 발생 진공법에 의해 제조된 청동 금속 매트릭스 복합체에 혼입할 수 있다는 것을 나타내고 있다.
[샘플 BA-BE]
실시예 1과 거의 동일한 실험 방법 및 제1a도와 유사한 레이 업을 사용한다.
표 7은 본 실시예에 따라서 제조된 각종 샘플에 사용되는 매트릭스 금속, 충전물, 온도 및 처리 시간을 나타내고 있다.
Figure kpo00015
+ 미국, 매사츄세츠, 워세스터에 소재하는 노톤 컴파니의 38 앨런덤
++ 미국, 매사츄세츠, 워세스터에 소재하는 노톤 컴파니의 39 크리스톨론
미국, 뉴저지, 버겐필드에 소재하는 애틀랜틱 이큅먼트 엔지니어즈
미국, 뉴햄프셔, 씨브룩에 소재하는 에사 오브 존슨 매티
[샘플 BF]
실시예 18의 샘플 AP를 제조하는데 사용한 방법으로 본 샘플을 제조하였다.

Claims (7)

  1. 비조밀(loose) 충전제 물질 및 충전제의 예비성형체로 구성된 군에서 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 투과성 물질, 매트릭스 금속, 반응성 대기(stmosphere) 및 불투과성 용기를 포함하는 반응계를 형성시키는 단계; 상기 반응계를 반응계 외부에 있는 주위 대기와 격리되도록 적어도 부분적으로 밀봉시켜 상기 반응성 대기와 주위 대기 간에 순(net) 압력차를 형성시키되, 상기 밀봉은 하나 이상의 유리질 물질을 포함하는 외부 밀봉에 의해 제공되는 단계; 및 상기 밀봉된 반응계를 상기 매트릭스 금속의 융점보다 높으면서, 상기 매트릭스 금속의 휘발점 보다 낮고 상기 투과성 물질의 융점 보다 낮은 온도로 가열하여 매트릭스 금속을 용융시키고, 상기 투과성 물질에 상기 용융된 매트릭- 금속을 적어도 부분적으로 침투시켜서 금속 매트릭스 복합체를 형성시키는 단계를 포함하는 금속 매트릭스 복합체의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 매트릭스 금속이 알루미늄, 마그네슘, 청동, 구리 및 주철로 구성된 군에서 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 반응계에 습윤 증진제를 제공하는 단계를 추가로 포함하며, 상기 습윤 증진제는 마그네슘, 비스무트, 납, 셀레늄, 텔루륨, 황 및 주석으로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 반응성 대기가 산소 함유 대기 및 질소 함유 대기로 구성된 군에서 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 매트릭스 금속이 알루미늄을 포함하는 경우에는 약 70℃ 내지 1000℃, 상기 매트릭스 금속이 청동 또는 구리를 포함하는 경우에는 약 1050℃ 내지 1125℃, 상기 매트릭스 금속이 주철을 포함하는 경우에는 약 1250℃ 내지 1400℃의 온도로 상기 밀봉된 반응계를 가열하고 ; 상기 충전제는 알루미나, 탄화 규소, 지르코니아, 질화 티탄, 탄화 붕소 및 이의 혼합물로 구성된 군에서 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 방법.
  6. 제1항에 있어서,상기 하나 이상의 유리질 물질은, 상기 침투 과정의 적어도 일부 동안에 적어도 부분적으로 용융되는, B2O3, 규소 유리 및 붕소 유리로 구성된 군에서 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 방법.
  7. 제1항, 제2항 및 제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 차단 수단을 사용하여, 상기 침투 매트릭스 금속이 상기 차단 수단과 접촉할 때 상기 투과성 물질이 침투되는 것을 종결시킴으로써 성형 금속 매트릭스 복합체의 하나 이상의 한정된 표면 경계를 형성시키는 방법.
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