KR100216333B1 - 얇은 금속 매트릭스 복합체와 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 얇은 금속 매트릭스 복합체들을 성형하는 새로운 공정에 관한 것이다. 특히, 침투촉진제 및 침투성 분위기는, 용융매트릭스금속이 충전재나 예비성형체를 자발적으로 침투할 수 있도록 하는 공정동안의 적어도 어느 시점에서, 충전재나 예비성형체와 연결된다. 그런 자발적인 침투는 어떤 압력이나 진공의 적용없이 일어난다. 본 발명의 실시예에 있어서, 충전재는 매트릭스 금속의 얇은 시트위에 스프레이 될 수 있다. 또한, 충전재는 얇은 예비성형체를 제공하기 위하여, 테이프형주입, 슬립주입 등을 통해 형상화될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 매트릭스 금속의 본체는 자발적인 침투때에 금속 매트릭스 복합체가 매트릭스 금속 본래의 형태를 역으로 복제함으로써 생성되도록 충전재로 피복할 수 있다.

Description

[발명의 명칭]

얇은 금속 매트릭스 복합체와 그 제조방법

[기술분야]

본 발명은 얇은 금속 매트릭스 복합체(metal matrix composite body)를 제조하기 위한 새로운 방법에 관한 것이다. 특히, 형상화된 맨드렐(mandrel)이나 주형 상에 충전재 소재의 얇은 예비성형체(preform)나 충전재 소재의 코팅을 우선 여러 가지의 방법으로 형성한다. 용침 촉진제(infiltration enhancer) 및/또는 용침 촉진제 선구물질(precursor) 및/또는 용침 분위기는, 또한 공정 중에 적어도 몇 번의 시점에서 얇은 예비성형체나 코팅과 통(通)하는 상태에 있게 되는데, 이로 인해 용융 매트릭스 금속이 예비성형체나 코팅물에 자발적으로 용침(침투)할 수 있게 함으로써 얇은 금속 매트릭스 복합체를 형성한다. 이러한 자발 용침은 어떠한 압력이나 진공을 사용하지 않고도 발생한다.

[배경기술 ]

금속 매트릭스와 보강상(reinforcing phase)(예, 세라믹 입자, 휘스커, 섬유 등)을 포함하는 복합체는 그 용도가 매우 광범위한 데, 그 이유는 경성과 내마모성을 가지는 보강상과, 전성과 인성을 가지는 금속 매트릭스와의 복합체이기 때문이다. 일반적으로, 금속 매트릭스 복합체는 강도, 경도, 내마모성, 열팽창 계수(CTE), 밀도, 열전도도, 고온 강도 등과 같은 특성이 단일(monolithic) 금속에 비해 우수하며, 우수성은 주로 특정 성분, 특정 성분의 체적, 중량 분율 및 복합체 제조 방법에 따라 달라진다. 어떤 경우에는, 복합체의 중량이 매트릭스 금속 자체보다도 가벼워질 수도 있다. 탄화규소(예, 입자 형태, 판 형태 또는 휘스커 형태)와 같은 세라믹으로 보강시킨 알루미늄 매트릭스 복합체는 알루미늄 자체보다 비경도(specific stiffness)(예, 탄성 계수/밀도), 내마모성, 열전도도, 낮은 열팽창 계수, 고온 강도 및/또는 비강도(specific strength) 등이 우수하므로 관심의 대상이 된다.

알루미늄 매트릭스 복합체를 제조하기 위한 여러 가지 방법이 공지되어 있는데, 예를 들면, 분말 야금법 및 용융 금속 용침법이 있다. 용융 금속 용침법은 가압 캐스팅, 진공 캐스팅, 교반 및 습윤제 등을 사용한다. 분말 야금법은 금속 분말과 보강 물질(예, 분말 형태, 휘스커 형태, 절단한 섬유 형태 등)을 혼합한 다음, 냉간 압축 및 소결, 또는 열간 압축하는 방법이다. 이 분말 야금법에 의해 제조된 알루미늄 매트릭스 복합체(탄화규소로 보강시킨 것)의 최대 세라믹 체적 분율은 보강재가 휘스커 형태인 경우에 약 25 체적%이고, 보강재가 입자 형태인 경우에 약 40 체적%인 것으로 보고되어 있다.

종래의 분말 야금법을 이용한 금속 매트릭스 복합체의 제조 방법에 따라 제조된 복합체는 그것의 특성과 관련한 제약을 수반한다. 예를 들면, 복합체내의 세라믹상(입자 형태인 경우)의 체적 분율은 보강재가 입자 형태인 경우에 약 40%로 제한되는가 하면, 압축 공정에 의해 얻어지는 제품의 치수에도 제한이 수반된다. 또한, 후속 공정(예, 성형 또는 기계가공)이나 복잡한 압축 장치의 도움 없이는 비교적 단순한 형태의 제품밖에는 생산할 수가 없다. 또한, 압분체(壓紛體: Compact)내의 편석 및 결정립 성장에 기인하여 미세 구조가 불균일해지는가 하면, 소결 작업시 불균일한 수축이 발생하기도 한다.

1976년 7월 20일자 제이. 씨. 캔넬 외 다수의 미국 특허 제3,970,136호에는 섬유 보강재(예, 탄화규소 또는 알루미나 휘스커)로 보강하여 보강 섬유가 소정의 지향 패턴을 가지는 금속 매트릭스 복합체의 제조 방법이 개시되어 있다. 이 복합체는 용융 매트릭스 금속(예, 알루미늄) 저장부(reservoir)를 구비한 주형 내에 평행한 매트(mat) 또는 보강 섬유로된 펠트를 설치한 다음, 용융 금속이 상기 매트 내로 용침하도록, 그리고, 상기와 같이 지향된 보강 섬유를 둘러싸도록 압력을 가하여 제조한다. 용융 금속을 적층된 매트에 주입시킴과 동시에, 매트 사이로 용융 금속이 용침하도록 압력을 가할 수도 있다. 이 복합체내의 보강 섬유의 체적 분율은 약 50체적%로 보고되어 있다.

전술한 용침 공정에서는 적층된 섬유 매트 내에 용융 매트릭스 금속을 강제 용침시키기 위해 외부에서 압력을 가해주므로 압력 변화에 따른 유동 특성의 변화에 의해 불균일한 매트릭스가 형성될 수 있고, 기공 등의 결함이 발생할 수 있으며, 용융 금속을 섬유 매트내의 다수의 위치에서 도입시키더라도 성질이 불균일해질 수 있다. 따라서, 적층된 섬유 매트 내에 용융 금속이 균일하게 용침하도록 하기 위해서는 복잡한 매트/용융 금속 저장부의 배열 및 복잡한 용융 금속 유통로를 필요로 한다. 또한, 이와 같은 가압 용침법에서는 매트의 체적이 커지면 용융 금속의 침투(용침)가 어려워지기 때문에 매트릭스의 체적에 대한 보강재의 체적 비율이 비교적 낮아지는 문제점이 있고, 가압하에서 주형 내에 용융 금속을 주입시켜야 하므로 공정에 드는 비용이 증가하는 문제가 있다. 또한, 전술한 방법은 보강 입자나 보강 섬유가 규칙적으로 배열되었을 때에만 용침이 가능하므로 불규칙하게 배열된 보강재(입자, 휘스커 또는 섬유)를 사용한 알루미늄 매트릭스 복합체는 제조할 수 없다.

알루미늄 매트릭스-알루미나 충전 복합체를 제조하는 경우, 알루미늄이 알루미나에 용이하게 습윤(wetting)되지 못하므로 긴밀하게 응집된 제품의 생산이 곤란해진다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 여러 가지 방법이 제안되어 있는데, 그 중 하나의 해결 방법으로서 알루미나를 금속(예, 니켈 또는 텅스텐)으로 코팅한 다음, 알루미늄과 함께 열간 압축하는 것을 들 수 있다. 다른 하나의 방법은 알루미늄을 리튬과 합금하고, 알루미나를 실리카로 코팅시키는 것이다. 그러나, 이런 방법으로 제조한 복합체는 그 특성이 일정하지 않으며, 코팅 피막이 충전재의 특성을 해치거나, 아니면 알루미늄과 합금된 리튬이 매트릭스의 특성에 악영향을 끼치는 수가 있다.

알. 떠블유. 그림쇼우 등의 명의로 허여된 미국 특허 제4,232,091호는 상기한 알루미늄 매트릭스-알루미나 복합체 제조시의 몇 가지 문제점을 해소한 것으로서, 이 특허에서는 700-1050℃의 온도로 예열시킨 알루미나 섬유 매트나 알루미나 휘스커 매트 내로 용융 알루미늄(또는 용융 알루미늄 합금)을 75-375㎏/㎠의 압력으로 강제로 용침시키고 있다. 그 결과, 제조된 주물내의 알루미나 대 금속의 최대 체적 비율은 0.125:1이다. 이 특허에서도 용침을 위해 외력에 의존하므로 전술한 미국 특허 제3,970,136호의 문제점과 동일한 문제점이 존재한다.

유럽 특허 출원 공개 제115,742호에는 예비성형체인 알루미나 매트릭스내의 공극에 용융 알루미늄을 충전시킴에 의해 전해조의 부품으로 특히 유용한 알루미늄-알루미나 복합체를 제조하는 방법이 개시되어 있다. 이 출원에서는 알루미늄에 의한 알루미나의 비습윤성이라는 사실을 강조하고 있고, 이에 따라, 예비성형체 전체에 걸쳐 알루미나를 습윤시키기 위한 여러 가지 방법을 이용하고 있다. 예를 들면, 알루미나를 티타늄, 지르코늄, 하프늄 또는 니오븀 등의 디보라이드로 이루어지는 습윤제, 또는 리튬, 마그네슘, 칼슘, 티타늄, 크롬, 철, 코발트, 니켈, 지르코늄 또는 하프늄과 같은 금속으로 코팅하는 것을 들 수 있다. 또한, 습윤이 용이하게 이루어지도록 아르곤과 같은 불활성 분위기도 사용된다. 이 특허 출원에서는 또한 코팅되지 않은 매트릭스 내에 용융 알루미늄을 용침시키기 위해 압력을 가해주게 되는데, 이 경우의 용침은 기공을 배기(排氣:evacuating)한 후, 불활성 분위기(예, 아르곤 기체) 중에서 용융 알루미늄에 압력을 가함으로써 달성된다. 다른 방법으로는, 용융 알루미늄을 용침시킴으로써 예비성형체의 기공에 용융 알루미늄을 충전시키기 전에 예비성형체의 표면에 알루미늄을 기상 증착법으로 용침시켜 표면을 습윤시킬 수 있다. 용융 알루미늄을 예비성형체의 기공 내에 확실하게 유지되도록 하기 위해서는 진공 또는 아르곤 분위기 중에서 열처리(예, 1400 내지 1800℃의 온도) 하는 것이 필요하다. 이와 같은 열처리를 하지 않은 경우, 예비성형체에 용침된 물질을 기체에 노출시키거나 용침 압력을 제거하게 되면, 예비성형체로부터 알루미늄이 소실된다.

유럽 특허 출원 공개 제94353호에서도 전해조 내의 알루미나 성분 내로의 용융 금속의 용침을 촉진하기 위해 습윤제를 사용하고 있다. 이 출원에서는 전해조 라이너(liner) 또는 전해조 기판으로서의 음극 전류 공급체를 구비한 전해조에서 전해채취(electrowinning)에 의해 알루미늄을 생산한다. 전해조 기판을 용융 빙정석으로부터 보호하기 위해서, 전해조의 시동전, 또는, 전해공정에 의해 생성된 용융 알루미늄에 침지하는 동안, 알루미나 기판에 습윤제와 용해 억제제의 혼합물을 얇게 코팅한다. 습윤제로서는 티타늄, 지르코눔, 하프늄, 실리론, 마그네슘, 바나듐, 크롬, 니오븀, 또는 칼슘을 들 수 있으며, 특히 티타늄이 바람직한 습윤제로 되어 있다. 또한, 붕소, 탄소 및 질소의 화합물은 용융 알루미늄에 대한 습윤제의 용해도를 억제시키는데 유용한 것으로 개시되어 있다. 그러나, 이 출원에는 금속 매트릭스 복합체의 제조를 시사하고 있지 않을 뿐만 아니라, 예를 들면, 질소 분위기 중에서의 복합체를 제조하는 것도 전혀 시사하고 있지 않다.

압력의 인가 및 습윤제의 코팅 이외에도, 진공을 사용하면 용융 알루미늄의 다공성 세라믹 압분체 내로의 용침을 촉진시킬 수 있다는 것도 공지되어 있다. 예를 들면, 1973년 2월 27일 알. 엘. 랜딩햄의 미국 특허 제3,718,441호가 그것인데, 이 특허에서는 10^-6torr 미만의 진공하에서 세라믹 압분체(예, 탄화붕소, 알루미나 및 베릴리아(beryllia))에 용융 금속(예, 알루미늄, 베릴륨, 마그네슘, 티타늄, 바나듐, 니켈 또는 크롬)을 용침시키고 있다. 10^-2내지 10^-6torr의 진공하에서는 용융 금속이 세라믹 압분체의 기공 내로 자유롭게 유동할 수 없을 정도로 세라믹 압분체체 대한 용융 금속의 습윤성이 불충분하지만, 진공이 10^-6torr 미만인 경우에는 습윤성이 향상되는 것으로 개시하고 있다.

1975년 2월 4일 쥐. 이. 가자 등의 미국 특허 제3,864,154호도 용침을 달성하기 위해 진공을 사용하는 것을 개시하고 있다. 이 특허에서는 냉간 압축된 알루미늄 분말층(bed)상에 AlB₁₂로 구성된 냉간 압분체를 위치시키고, 이어서 AlB₁₂분말 성형체의 상부에 알루미늄을 추가로 덮었다. 알루미늄 분말층 사이에 샌드위치된(sandwiched) AlB₁₂압분체를 장입한 도가니를 진공로에 설치한 다음, 이 진공로를 약 10^-5torr로 배기하여 기체를 방출했다. 이어서, 온도를 1100℃로 승온 시키고, 이 온도에서 3시간 동안 유지했다. 이러한 조건하에서, 용융 알루미늄이 통기성의 다공질 AlB₁₂압분체 내로 용침해 들어갔다.

1968년 1월 23일 존 엔. 레딩 등의 미국 특허 제3,364,976호에는 소정의 성형체내로의 용융 금속의 용침을 촉진시키기 위하여 그 성형체내에 자체적으로 진공을 발생시키는 개념이 개시되어 있다. 특히, 상기 특허에서는 성형체(예, 흑연 주형, 강 주형, 또는 다공질의 내화 물질)를 용융 금속 내에 완전히 침지시키고 있는데, 주형을 사용하는 경우, 용융 금속과 반응하는 기체가 충전되어 있는 주형의 공동(cavity)은 주형내의 적어도 하나의 구멍을 통해 주형 외측의 용융 금속과 통(通)하는 상태가 된다. 이 주형을 용융 금속 내에 침지시키면 주형 공동내의 기체와 용융 금속 사이의 반응에 의해 자체적으로 진공이 형성됨에 따라 주형 공동이 금속으로 충전하게 된다. 특히, 진공은 고체 금속 산화물이 생성된 결과 형성된 것이다. 따라서, 주형 공동내의 기체와 용융 금속 사이의 반응을 유발시키는 것이 필수적인 것으로 설명되어있다. 그러나, 진공을 형성하기 위해 주형을 사용하는 기술은 주형의 사용과 관련된 고유의 한계 때문에 바람직하지 않다. 즉, 우선 주형을 특정의 형상으로 기계 가공한 다음, 마무리 가공하여 주형상에 허용 가능한 주조 표면을 형성하고, 주형으로서 사용하기 위해 조립하며, 사용 후에는 주물을 취출하기 위해 주형을 분해하고, 분해한 후에는 주형 표면을 재가공하여 그 주형을 재생하거나, 혹은 주형을 더 이상 사용 불가능한 경우에는 폐기 처분해야 한다. 주형을 복잡한 형상으로부터 성형된 주물을 취출해 내는 것도 매우 어렵다(즉, 주물의 형상이 복잡하므로 주형으로부터 제거해낼 때 부서지기 쉽다). 또한, 주형을 사용할 필요 없이 다공질 내화재를 용융 금속 내로 직접 침지시키는 기술도 제시되어 있으나, 이 경우에는 상기 내화재를 하나의 덩어리로 성형해 주어야 하는데, 왜냐하면, 용기의 역할을 하는 주형 없이 푸석푸석하거나 분리된 통기성 재료를 용침시키는 설비는 없기 때문이다(즉, 입상 재료들은 용융 금속 내에 위치되면, 입자들이 하나하나 분리되거나 용융금속의 상부로 떠오르게 되는 문제가 있다). 또한, 입자재료, 혹은 푸석푸석하게 성형된 예비성형체를 용침시키기 위해서는 용융 금속에 의해 예비성형체의 적어도 일부가 흩뜨려지지 않도록, 그리하여 불균일한 미세구조가 초래되지 않도록 상당한 주의가 필요하다.

따라서, 세라믹 재료와 같은 다른 재료를 매립(embedding)하는 금속 매트릭스를 생성하기 위하여, 압력이나 진공, 또는 손상을 초래하는 습윤제를 사용할 필요가 없는 간단하고 신뢰성 있는 성형 금속 매트릭스 복합체 제조 방법 및 제조된 금속 매트릭스 복합체의 최종 마무리 가공을 최소화 할 수 있는 기술이 오래 전부터 요청되어 왔다. 본 발명은 이 같은 요청에 부응하는 기술로서, 제조 공정중의 적어도 일부에 걸쳐 용침 촉진제, 선구물질 및/또는 용침 촉진제가 존재하는 한, 대기압하의 용침 분위기(예, 질소 분위기)에서 예비성형체를 이루는 어떤 재료(예, 세라믹 재료)를 용융 금속(예, 알루미늄)으로 용침시키기 위해 자발 용침 기구(spontaneous infiltration mechanism)를 제공함으로써 전술의 요청을 충족시킨다.

[관련 미국 특허 및 특허 출원들의 설명]

본 출원은 1990년 5월 9일의 미국 특허출원 제07/520,912호의 계속 출원인 1990년 7월 10일의 특허출원 제07/550,777호의 계속 출원으로서, 상기 두개의 출원은 얇은 금속 매트릭스 복합체를 제조하는 방법 및 그 제조품(Methods For Making Thin Metal Matrix Composite Bodies and Articles Produced Thereby) 라는 명칭으로 마크 에스. 뉴커크(Marc S. Newkirk) 등의 이름으로 출원되었다. 이들 특허 출원의 주제는 본 명세서에 참조되었다.

본 발명은 금속 매트릭스 복합체 제조 방법에 관한 다수의 다른 특허 출원과 관련이 있는 발명으로서, 이하의 기재에서는 이들 다른 특허 출원을 단순히 금속 매트릭스 특허 출원으로 약칭한다.

1987년 5월 3일자 미국 특허 출원 제049,171호(1989. 5, 13일자 특허 허여된 특허 제4,828,008호, 1988년 11월 17일자 공개버호 제0291441호로 유럽 특허청(EPO)에 공개)에는 금속 매트릭스 복합체의 제조 방법이 기재되어 있는데, 이 출원 발명에 따르면, 통기성 충전재 소재 덩어리(permeable mass of filler material)( 예, 세라믹 재료 또는 코팅된 세라믹 재료)에 최소 약 1중량%(바람직하게는 최소 약 3 중량%)의 마그네슘을 함유하는 용융 알루미늄을 용침시킴에 의해 금속 매트릭스 복합체를 제조한다. 용침은 외부로부터 압력이나 진공을 가하지 않은 상태하에서 자발적으로 발생한다. 약 10-100 체적%(바람직하게는 최소 약 50%)의 질소와, 경우에 따라서는 비산화성 기체(예, 아르곤 기체)를 함유한 기체의 존재하에서, 그리고 최소 약 675℃의 온도에서, 용융 합금 공급원은 충전재 소재와의 접촉을 유지한다. 이와 같은 조건에서 용융 알루미늄 합금은 대기압하에서 세라믹체내로 용침되어 알루미늄(또는 알루미늄 합금) 매트릭스 복합체를 형성한다. 충전재 소재에 용융 알루미늄 합금이 소정량 용침된 후에, 온도를 강하시켜 합금을 응고시킴으로써 보강 충전재 소재를 함유한 고체 금속 매트릭스 구조체가 형성된다. 용융 합금 공급원의 양은 충전재 소재의 계면까지 용침이 달성될 수 있도록 충분한 양으로 한다. 상기 출원 발명에 따르면, 제조된 알루미늄 매트릭스 복합체내의 충전재 소재의 양이 지나치게 많으므로 충전재 대 합금의 체적비가 1:1 이상이 된다.

전술한 미국 특허 제4,828,008호의 제조 공정 조건하에서 질화 알루미늄은 알루미늄 매트릭스 전체에 걸쳐 분산된 불연속상을 형성할 수 있다. 알루미늄 매트릭스내의 질화물의 양은 온도, 합금의 조성, 분위기 기체의 조성 및 충전재 소재 등과 같은 여러 인자의 변화에 따라 달라진다. 따라서, 위와 같은 인자들중 하나 이상의 인자를 제어함에 의해 복합체의 특성을 조절할 수 있다. 그러나, 최종 사용 목적을 위해 복합체내에 질화 알루미늄이 거의 함유되지 않도록 하는 것이 바람직하다.

온도가 높아지면 용침이 촉진되지만, 질화물의 생성이 용이해지므로, 상기 미국 특허 제4,828,008호에서는 용침의 가속화와 질화물의 생성이 균형을 이루도록 하고 있다.

차단 수단(barrier)을 이용한 금속 매트릭스 복합체 제조 방법이라는 명칭의 1988년 1월 7일자 미국 특허 출원 제141,642호(1990년 6월 19일자 특허 허여된 미국 특허 제4,935,055호,(1989년 7월 12일자 유럽 특허 공개 제0323945호)) 에는 금속 매트릭스 복합체의 제조시 사용할 수 있는 적절한 차단 수단의 일예가 개시되어 있다. 이 특허 출원에 따르면, 차단 수단(예, 티타늄 디보라이드 입자 또는 유니온 카바이드사에서 GRAFOIL 라는 상표명으로 시판하는 가요성 흑연 호일(foil))을 충전재 소재의 표면상의 정해진 경계에 배치하여, 매트릭스 금속 합금을 상기 차단 수단에 의해 차단된 표면까지 용침시킨다. 상기 차단 수단은 용융 합금의 용침의 진행을, 억제, 방지, 혹은 종료시켜 금속 매트릭스 복합체가 궁극적인 형태에 가깝거나 혹은 그 최종의 형태를 이루도록 한다. 따라서, 생성된 금속 매트릭스 복합체의 외형은 차단 수단의 내면의 형상과 거의 일치하게 된다.

미국 특허 제4,828,008호에 개시된 방법은 1989년 9월 20일 유럽 특허 공고 제0333629호로 공개되고, 금속 매트릭스 복합물 및 그 제조 방법이라는 명칭으로 마이클 케이. 아그해자니언과 마크 에스. 뉴커크 등이 출원한 미국 특허 출원 제168,284호(1988년 3월 15일)의 계속 출원이고 공동 명의의 계류중인 미국 특허 출원 제517,541호(1990년 4월 24일)에 의해 개선되었다. 이에 따르면, 매트릭스 금속 합금은 제1용융 금속 공급원으로서, 그리고 매트릭스 금속 합금 저장부로서 존재한다. 이 매트릭스 금속 합금 저장부는, 예를 들면 중력에 의해 금속을 제1용융 금속 공급원에 공급할 수 있게 되어있다. 특히, 이 특허 출원에 개시되어 있는 조건하에서, 제1용융 매트릭스 금속 합금 공급원은 대기압하에서 충전재 소재 내로의 용침을 개시하여 금속 매트릭스 복합체의 생성을 개시한다. 상기 제1용융 매트릭스 금속 합금 공급원은 충전재 소재로의 용침 중에 완전히 고갈되므로, 필요한 경우 자발 용침의 진행 중에 용융 매트릭스 금속 저장부와 통하는 연결 수단을 이용하여 재공급할 수 있다. 통기성 충전재가 용융 매트릭스 금속으로 원하는 양만큼 자발 용침되면, 온도를 강하시켜 합금을 응고시키고, 이에 의해 보강용 충전재 소재를 함유한 고체상의 금속 매트릭스 구조를 얻는다. 이와 같이 금속 저장부를 사용하는 것은 상기 특허 출원에 개시된 발명의 일실시예로서, 이 실시예를 상기 특허 출원의 타실시예와 조합할 필요는 없으나, 상기 특허 출원의 다른 실시예들 중 일부를 본원 발명과 조합하여 사용하면 유리하다.

금속 저장부의 양은 그것이 다공질, 즉 충전재 소재의 통기성 덩어리의 소정의 원하는 범위까지 충분히 용침될 수 있는 앙으로 존재할 수도 있다. 또한, 충전재 소재의 통기성 덩어리의 적어도 일표면에는 차단 수단을 첩촉되게 설치하여 표면의 경계를 형성할 수도 있다.

용융 매트릭스 금속 합금 공급원의 양은 적어도 이 합금이 통기성 충전재 소재의 경계(예, 차단 수단)까지 자발 용침되기에 층분한 양으로 함과 동시에, 용융 합금 저장부내의 합금의 양은 용침을 완료하기에 충분할 뿐만 아니라 과잉의 용융 합금이 금속 매트릭스 복합체에 부착되어 남아있을 수 있는 양으로 할 수 있다. 이와 같이 과잉의 용융 합금이 금속 매트릭스 복합체에 부착되어 남아있게 되면, 최종 생성물은 금속 매트릭스를 지니는 용침된 세라믹체가 저장부에 남아있는 과잉의 금속에 직접 결합하게 되는 복잡한 형태의 복합체(매크로(macro) 복합체)가 된다.

금속 매트릭스 기술에서의 추가적인 개선은 계류중인 미국 특허출원 제521,043호(1990.5.9)에 개시되어 있는데, 상기 특허 출원은 미국 특허 출원 제484,753호(1990. 2. 23)의 일부 계속출원이고, 이 출원은 미국 특허 출원 제432,661호(1989. 11. 7)(현재는 포기됨)의 일부 계속출원이고, 이 출원은 미국 특허 출원 제416,327호(1989,10.6)(현재는 포기됨)의 일부 계속출원이며, 이 출원은 미국 특허 출원 제349,590호(1989.5.9)(현재는 포기됨)의 일부 계속출원이며, 이 출원은 미국 특허 출원 제269,311호(1988,11.10)의 일부 계속출원으로서, 그 모든 특허출원은 마이클 케이. 아그해자니언에 의해 자발 용침 공정에 의한 금속 매트릭스 복합체의 형성 방법과 그 제품이라는 명칭으로 출원되었다(미국 특허 출원 제416,327호에 대하는 EPO출원은 공개번호 제0375588호로 1990년 6월 27일 공개됨). 아그해자니언 등의 출원들에 따르면, 충전재나 예비성형체의 통기성 덩어리(mass)로 매트릭스 금속의 자발 용침은 용침 촉진제 및/또는 용침 촉진제 선구물질 및/또는 용침 분위기를 이용함으로써 이루어지는데, 이들은 공정 과정 중에 몇 번의 시점에서 충전재 소재 혹은 예비성형체와 통하는 상태에 있게 되는데 이로 인해 용융 매트릭스 금속이 충전재 소재 혹은 예비성형체에 자발적으로 용침할 수 있게 된다. 아그해자니언 특허에는 자발 용침을 나타내는 다수의 특정의 계(系), 즉 매트릭스 금속/용침 촉진제 선구물질/용침 분위기 계가 개시되어 있다. 특히, 상기 특허에서 자발 용침의 거동은 알루미늄/마그네슘/질소 계: 알루미늄/스트론튬/질소 계: 알루미늄/아연/산소 계: 및 알루미늄/칼슘/질소 계에 있어서 관찰되었다. 그러나, 자발 용침의 거동은 그 외의 매트릭스 금속/용침 촉진제 선구물질/용침 분위기 계에서도 일어날 수 있다.

전술한 금속 매트릭스 특허들과 특허 출원들 각각은 금속 매트릭스 복합체의 제조 방법과 이 방법으로 제조된 신규의 금속 매트릭스 복합체들을 개시하고 있다. 상기 특허 출원 내용은 본원에 참고로 인용한다.

[본 발명의 요약]

얇은 금속 매트릭스는, 얇은 예비성형체(또는 복수개의 얇은 예비성형체) 형으로 형성된 충전재 소재의 통기성 덩어리에 용융 매트릭스 금속을 자발적으로 용침시킴으로써 제조될 수 있다. 구체적으로 말하자면, 용침 촉진제 및/또는 용침 촉진제 선구물질 및/또는 용침 분위기는, 용융 매트릭스 금속이 얇은 예비성형체(또는 그 집합체)에 자발적으로 용침할 수 있도록 하는 공정 중에 적어도 몇 번의 시점에서 얇은 예비성형체(들)와 통하는 상태에 있게 된다. 선택적으로, 예를 들면 얇은 시트상의 매트릭스 금속의 적어도 한 표면의 일부에, 혹은 맨드렐이나 주형 재료의 적어도 일부에 충전재 소재의 얇은 코팅 혹은 층을 형성시킨 후, 용융 매트릭스 금속에 의해 자발적으로 용침시킬 수 있다. 이러한 얇은 시트상의 매트릭스 금속, 맨드렐 또는 주형의 형상은 소정의 형상일 수 있다.

본 발명의 제1실시예에 따르면, 충전재 소재의 통기성 덩어리는 테이프 캐스팅법(tape casting)에 의해 얇은 예비성형체로 성형될 수 있다. 구체적으로 말하면, 충전재 소재(예, 탄화규소 미립자)를 적절한 바인더(binder), 가소제, 현탁제 등을 함유하는 혼합물에 혼합시켜 충전재 소재의 슬러리(slurry)를 만들 수 있다. 충전재 소재의 슬러리는 또한 용침 촉진제 및/또는 용침 촉진제 선구물질을 포함할 수 있다(예, 알루미늄 매트릭스 금속의 경우, 마그네슘 금속 분말이 사용될 수 있다). 충전재 소재의 슬러리를 테이프 캐스팅에 의해 얇고(즉, 수천 분의 일 in내지 수백 분의 일 in의 두께) 유연한 시트(들)로 성형시켜 취급이 용이하거나 또는 후에 소정의 형상의 예비성형체로 성형할 수 있다. 예를 들면, 충전재 소재의 테이프 캐스팅 시트는, 그 시트를 프레스 성형시키거나, 또는 소망의 금속 매트릭스 복합체 형상을 갖는 맨드렐 둘레에서 그 맨드렐의 모형과 동일한 모양을 갖게 만듦으로써 예비성형체로 형성될 수 있다. 더욱이, 1매의 테이프 캐스팅 시트를 복수개의 예비 성형체들로(적절한 수단으로 절단함으로써) 분할시킬 수 있다. 추가해서, 동일하거나 서로 다른 조성을 갖는 복수개의 개별적인 테이프 캐스팅 시트들은 집합체(예, 테이프 캐스팅 예비성형체들의 적층 집합체)로서 매트릭스 금속으로 자발적으로 용침될 수 있는 동일하거나 서로 다른 형상으로 형성될 수 있다. 더욱이, 충전재 소재의 테이프 캐스팅 시트의 유연성 때문에, 본 발명을 따라 적절한 종래의 성형 방법을 사용하여 이 테이프 캐스팅 시트를 바람직한 금속 매트릭스 복합체의 형상과 닮은 얇은 예비성형체(또는 예비성형체들의 집합체)로 성형시킬 수 있다.

본 발명의 제2실시예에 따르면, 충전재 소재의 덩어리는 적당한 종래의 성형 방법, 예컨대 슬립 캐스팅법, 드레인 캐스팅법, 건식 프레스법, 침강 캐스팅법, 정수압 프레스법, 압출법, 스프레이 도포법, 사출 성형법에 의해 얇은 예비성형체로 성형될 수 있다. 예를 들면, 슬립 캐스팅법은 중공의 공동이나 셸(shell)을 형성하는 얇은 예비성형체를 제조하기 위해 특히 유용한 방법이다. 충전재 소재(예, 탄화 규소 미립자)를 포함하는 슬러리 또는 슬립은 적합한 현탁제, 해교제를 사용함으로써 조정될 수 있다. 용침 촉진제 및/또는 용침 촉진제 선구물질을 포함할 수 있는 슬립은 예비성형체에 대해 소망의 형상을 갖는 다공질의 주형(예, 석고형(Plaster of Paris))으로 주입된다. 슬립의 성질(예, 고체 함유량, 점도 등)과, 슬립을 주형 내에 보지하는 시간은 완성된 예비성형체의 두께를 결정한다.

더욱이, 예비성형체가 전술한 종래의 방법으로 제조될 경우, 예비성형체로의 자발 용침이 일어나기 전에 예비성형체를 경화 또는 건조시켜 바인더, 용제 등을 예비성형체로부터 제거하여 자발 용침에 악영향이 미치지 않도록 할 필요가 있다. 또한, 주형으로서 그리고 차단체 재료로서 양방 기능을 갖는 재료 상에 충전재 소재를 배치함으로서 얇은 예비성형체가 제조될 수 있다. 예를 들면, 특정의 형상으로 성형된 흑연과 같은 재료는 용융 매트릭스 금속의 자발 용침에 견딜수 있고, 또한 제조된 금속 매트릭스 복합체의 적어도 일면을 형성하는 차단체로서의 역할도 한다. 따라서, 예비성형체의 자발 용침 전에 주형으로부터 예비성형체를 반드시 제거할 필요가 없다.

본 발명의 제3실시예에 따르면, 예비성형체가 본질적으로 필요치 않다. 구체적으로 말하면, 충전재 소재의 형상, 궁극적으로 금속 매트릭스 복합체의 형상은 매트릭스 금속의 형상에 의해 결정될 수 있다. 예를 들면, 매트릭스 금속의 얇은 시트(또는 시트들의 집합체)는 적어도 1층의 충전재 소재로 피복될 수 있다. 또한, 복수개의 충전재 소재의 층들을 도포할 수 있는데, 각 층은 이전에 도포된 충전재 소재의 층으로부터 동일하거나 다른 특징을 가질 수 있다. 더욱이, 매트릭스 금속 시트나 본체에 충전재 소재를 도포하기 위해 종래의 적당한 방법이 사용될 수 있다.

이러한 도포 방법은 허용 가능한 표면의 질, 두께, 밀도 등을 갖는 코팅을 제공하기 위한 방법에 의해 조정될 수 있다. 특히, 매트릭스 금속의 본체나 시트의 적어도 일면의 적어도 일부를 침적, 닥터 블래딩(doctor blading), 스프레잉 처리 함으로써 매트릭스 금속의 본체 상에 충전재 소재의 층을 도포할 수 있다. 더욱이, 매트릭스 금속의 본체는 충전재를 도포하기 전에 소정의 특별한 형상(즉, 원뿔형, 판형, 구형 등)으로 성형될 수 있다. 이러한 매트릭스 금속 성형제가 충전재 소재로 피복되거나 그것과 접촉하는 적어도 일면을 구비하고 자발 용침 분위기로 노출될 때, 매트릭스 금속 본체의 원래 형상을 적어도 부분적으로(또는 완전하게) 반전시켜 복제한 금속 매트릭스 복합체가 얻어지게 된다(즉, 매트릭스 금속 본체의 원래 형상을 반전되게 복제하여 2방향 또는 3방향 이상의 공동과 얇은 벽들이 구비되어 있는 금속 매트릭스 복합체가 제조될 수 있다.

더욱이, 경우에 따라, 금속 매트릭스 복합체에 형성된 공동에 제2의 재료를 배치시켜 상승 효과(synergistic effect)를 얻을 수 있다. 예를 들면, 단량체 또는 폴리머 재료를 단독 또는 섬유상이나 입상의 충전재 소재와 같은 강화재와 조합되게, 형성된 공동에 배치시켜 여러 가지 소망의 결과를 얻을 수 있다.

더욱이, 매트릭스 금속의 성형체에 많은 다른 특징들을 조합시켜 복잡한 형상의 금속 매트릭스 복합체를 얻을 수 있다. 예를 들면, 매트릭스 금속의 얇은 원통체에 복수개의 관통 구멍을 천공한 다음, 매트릭스 금속의 성형체를 충전제 소재 혼합물에 포위시킴으로써, 충전재 소재 중에 매트릭스 금속이 자발적으로 용침하게 된다. 따라서, 충전재 소재를 원통체 내부의 각 측면에 접촉시키거나 매트릭스 금속 원통체의 관통 구멍 내에 배치시킬 경우, 자발 용침이 일어날 때 2층의 실질적으로 동심인 원통체 사이를 보강재가 연결하게 되는 금속 매트릭스 복합체가 얻어진다(즉, 금속 매트릭스 복합체의 2층 원통 내의 공동은 매트릭스 금속 본체의 원래 형상에 실질적으로 대응하는 형상이 되며, 보강재는 충전재로 충전되는 관통 구멍의 크기, 형태, 위치에 대응하게 된다).

용침 촉진제 선구물질은 충천재 소재 또는 예비성형체 및/또는 매트릭스 금속 및/또는 용침 분위기 중의 적어도 하나에 공급될 수 있다. 그 후, 이렇게 공급된 용침 촉진제 선구물질은, 충전재 소재 또는 예비성형체의 표면 또는 적어도 일부에 용침 촉진제를 생성시키기 위해 충전재 소재 흑은 예비성형체 및/또는 매트릭스 금속 및/또는 용침 분위기 중의 적어도 하나와 반응한다. 결국, 적어도 자발 용침 중에는, 용침 촉진제는 충전재 소재 혹은 예비성형체의 최소한 일부에 접촉되어야 한다.

본 발명의 또 다른 양호한 실시예에 있어서, 용침 촉진제 선구물질을 충전재 소재에 공급하기보다는 용침 촉진제를 예비성형체 및/또는 매트릭스 금속 및/또는 용침 분위기중 적어도 하나에 직접 공급할 수도 있다. 결국, 적어도 자발 용침 중에는, 용침 촉진제는 충전재 소재 흑은 예비성형체의 최소한 일부에 접측되어야 한다.

본 명세서에는, 금속 매트릭스 복합체의 제조 과정 중의 몇몇 시점에서, 용침 분위기 하에서, 응침 촉진제 선구물질과 접촉하는 매트릭스 금속의 여러 실시예 들이 제시되어 있다. 따라서, 자발 용침을 나타내는 특정의 계(系) 즉, 매트릭스 금속/용침 촉진제 선구물질/용침 분위기 계가 참조될 것이다. 그러나, 그 외의 매트릭스 금속/용침 촉진제 선구물질/용침 분위기 계가 동일한 방식으로 거동될 수 있다. 예를 들면, 동일한 자발 용침의 거동은 알루미늄/마그네슘/질소 계, 알루미 늄/스트론튬/질소 계, 알루미늄/아연/산소 계, 및 알루미늄/칼슘/질소 계에서 관찰되었다. 따라서, 본 명세서에서는 이러한 계에 대해서 주로 설명되었지만, 그 밖의 매트릭스 금속/용침 촉진제 선구물질/용침 분위기 계도 동일한 방식으로 거동을 할 수 있다.

충전재 소재 혹은 예비성형체의 통기성 덩어리로의 자발 용침을 달성하기 위한 일실시예에 있어서, 용융 매트릭스 금속은 예비성형체와 접촉된다. 예비성형체는 용침 촉진제 선구물질과 혼합 및/또는 제조 과정 중의 몇몇 시점에서, 용침 촉진제 선구물질에 노출된다. 더욱이, 일실시예에 있어서, 용융 매트릭스 금속 및/또는 예비성형체는 제조 과정 중에 적어도 몇 번의 시점에서 용침 분위기와 통(通)하는 상태에 있게 된다. 또 다른 실시예에 있어서, 매트릭스 금속 및/또는 예비성형체는 거의 전체 제조 공정에서 용침 분위기와 통하는 상태에 있게 된다. 예비성형체에는 매트릭스 금속이 자발적으로 용침되며, 금속 매트릭스 복합체의 그러한 자발적인 용침 정도, 즉 자발 용침 및 복합체 형성 속도는 예를 들면, 용침 계(용융 매트릭스 합금 및/또는 충전재 소재 및/또는 용침 분위기)에 제공되는 용침 촉진제 선구물질의 농도, 충전재 소재에서 예비성형체의 크기 및/또는 조성, 예비성형체로의 용침을 위한 기공도, 용침 시간 및/또는 용침 발생 온도와 같은 주어진 공정 조건에 따라 변화하게 된다. 전형적으로, 자발적인 용침은 예비성형체를 완전히 매립하기에 충분한 정도까지 발생하게 된다.

더욱이, 매트릭스 금속의 조성 및/또는 공정 조건들을 변화시킴으로써, 형성된 금속 매트릭스 복합체의 물리적 특성 및 기계적 특성은 특정의 사용 목적에 부합되도록 조절될 수 있다. 또한, 형성된 금속 매트릭스 복합체에 후속 처리 공정 (예, 방향성 응고, 열처리 등)을 실행함으로써, 최종 사용 목적에 부합되는 물리적 성질 및/또는 기계적 성질을 얻을 수 있다. 또한, 금속 매트릭스 복합체 형성시의 공정 조건을 제어함으로써, 형성된 금속 매트릭스 중의 질소 함량을 광범위한 사용 목적에 부합되도록 조절할 수 있다.

더욱이, 예비성형체를 구비한 충전재 소재의 조성 및/또는 치수(예, 입경) 및/또는 형상을 제어함으로써, 형성된 금속 매트릭스 복합체의 물리적 성질 및/또는 기계적 성질을 사용 목적에 부합되도록 조절할 수 있다. 예를 들면, 충전재 소재의 내마모성이 매트릭스 금속의 내마모성보다 큰 경우, 충전재 소재의 치수를 증가시킴으로써(예를 들면, 충전재 소재의 평균 입경을 증가시킴) 금속 매트릭스 복합체의 내마모성이 증가될 수 있다는 것이 밝혀졌다. 그러나, 강도 및/또는 인성은 충전재 소재의 치수를 감소시켰을 때, 증가하는 경향이 있다. 또한, 충전재의 열팽창 계수가 매트릭스 금속의 열팽창 계수보다 작을 경우, 충전재의 양을 증가시킴에 의해 금속 매트릭스 복합체의 열팽창 계수는 감소될 수 있다. 또한, 예비성형체에서의 충전재 소재의 배합량에 따라, 형성된 금속 매트릭스 복합체의 기계적 성질 및/또는 물리적 성질(예, 밀도, 탄성계수 및/또는 비탄성 계수, 강도 및/또는 비강도 등)이 조절될 수 있다. 예를 들면, 충전재의 밀도가 매트릭스 금속 보다 크며 다양한 치수 및/또는 다양한 형상의 충전재 입자의 혼합물을 함유한 예비성형체를 제공함으로써, 충전재 소재의 충진율(packing)이 증가함에 따라 충전재의 배합량이 높아져서 밀도가 증가된 금속 매트릭스 복합체가 얻어질 수 있다. 본 발명을 이용함으로써, 용침이 가능한 예비성형체의 충전재 소재 체적%는 광범위하게 변화될 수 있다. 용침될 수 있는 충전재의 체적%의 하한치(예, 약 10체적%)는 주로 다공질 예비성형체를 형성할 수 있는 능력에 좌우되며, 상한치(예, 약95체적%)는 적어도 약간의 상호 연결된 기공을 구비한 밀도가 높은 예비성형체를 형성할 수 있는 능력에 좌우 된다. 이에 따라, 소정의 특성을 구비하는 금속 매트릭스 복합체를 얻을 수 있다.

[사용되는 용어의 정의]

알루미늄이라 함은 순수만 금속(예, 시판되는 비교적 순수한 비합금 알루미늄) 또는 철, 실리콘, 동, 마그네슘, 망간, 크롬, 아연 등과 같은 합금 성분 및/또는 불순물을 함유한 금속과 같은 여러 가지 등급의 시판되고 있는 합금 및 금속을 의미한다. 이러한 정의에 따르면, 알루미늄 합금은 알루미늄이 주성분을 이루는 합금 또는 금속간 화합물이 된다.

잔부의 비산화성 기체라 함은 제조 공정 조건하에서 매트릭스 금속과 거의 반응하지 않는 불활성 기체 또는 환원성 기체로서, 용침 분위기를 포함한 주요 기체 이외의 임의의 기체를 의미한다. 사용되는 기체 내에 불순물로서 존재할 수도 있는 산화성 기체의 양은 제조 공정 조건하에서 매트릭스 금속을 산화시키지 않을 정도로 유지해야 한다.

차단체(barrier) 또는 차단 수단이라 함은 용융 매트릭스 금속이 충전재 혹은 예비성형체의 통기성 덩어리의 표면 경계를 벗어나 용침되는 것을 방해, 억제, 방지 또는 종료시켜주는 수단을 의미하는 것으로서, 적절한 차단 수단으로 공정 조건하에서 그 형태를 유지할 수 있고 또한 실질적으로 휘발성이 없는 임의의 물질을 선택할 수 있다.

적절한 차단 수단에는 또한 채용된 공정 조건하에서 용융 매트릭스 금속에 의해 거의 습윤되지 않는 물질이 포함된다. 이러한 종류의 차단 수단은 용융 매트릭스 금속과의 친화력이 거의 없으며, 이 차단 수단에 의해 용융 매트릭스 금속이 충전재 혹은 예비성형체의 통기성 덩어리의 표면 경계를 초과하여 용침되는 것이 방지된다. 또한, 이 차단 수단은 최종 기계 가공 또는 연삭 가공을 줄일 수 있고, 생성된 금속 매트릭스 복합체의 적어도 일부의 표면을 형성되게 된다. 경우에 따라서, 차단 수단이 통기성 혹은 다공성이거나 그 차단 수단에 구멍(예, 드릴 구멍 또는 펀치 구멍)을 형성하여 용융 매트릭스 금속이 기체와 접촉할 수 있게 할 수도 있다.

카아커스(carcass) 혹은 매트릭스 금속의 카아커스라 함은 금속 매트릭스 복합체의 생성 중에 소모되지 않고, 냉각된 금속 매트릭스 복합체에 적어도 부분적으로 접촉된 채 유지되는 매트릭스 금속 본체(original body)를 의미하는 것으로서, 이 카아커스에는 제2금속 또는 이종 금속이 포함될 수 있다.

충전재라 함은 매트릭스 금속과 반응하지 않는 재료 및/또는 매트릭스 금속에 제한된 용해도를 갖는 물질로서, 단일 성분이나 여러 가지 성분의 혼합물을 포함하며, 단일상(single-phase) 또는 다상으로 할 수 있다. 충전재는 분말 형태, 조각 형태, 판 형태, 미세한 구 형태, 휘스커 형태, 기포 형태 등과 같이 다양한 형태로 제공될 수 있으며, 치밀하거나 혹은 다공성의 조직으로 형성 될 수 있다. 충전재에는 또한 섬유 형태, 짧게 절단한 섬유 형태, 입자 형태, 휘스커 형태, 기포 형태, 구 형태, 섬유 매트 형태 등의 형태를 가진 알루미나 또는 실리콘 카바이드와 같은 세라믹 충전재 및 용융 금속에 의한 탄소의 침식을 방지하기 위해 알루미나 또는 실리콘 카바이드로 코팅한 탄소섬유와 같은 세라믹 코텅 충전재가 포함된다. 또한 금속도 충전재로 사용할 수 있다.

핫토핑(Hot-Topping)이라 함은 매트릭스 금속 및/또는 충전재 소재 및/또는 토핑 단부에 공급된 다른 물질들 중 적어도 하나와 발열 반응하는 적어도 부분적으로 형성된 금속 매트릭스 복합체의 일단부(토핑 단부)상에 하나의 물질을 배치하는 것을 의미한다. 이러한 발열 반응에 의해 토핑 단부의 매트릭스 금속을 용융 상태로 유지할 수 있는 충분한 열이 제공되며, 복합체내의 나머지 매트릭스 금속은 응고 온도까지 냉각된다.

용침 분위기라 함은 매트릭스 금속 및/또는 예비성형체(또는 충전재) 및/또는 용침 촉진제 선구물질 및/또는 용침 촉진제와 상호 작용하는 기체를 의미하는 것으로서, 이 분위기에 의해 매트릭스 금속의 자발 용침이 촉진된다.

용침 촉진제라 함은 충전재 소재 또는 예비성형체내로의 매트릭스 금속의 자발 용침을 촉진 또는 보조하는 물질을 의미한다. 용침 촉진제는 용침 촉진제 선구물질과 용침 분위기 사이의 반응에 의해 (1) 기체종 및/또는 (2) 용침 촉진제 선구물질과 용침 분위기 사이의 반응 생성물 및/또는 (3) 용침 촉진제 선구물질과 충전재 또는 예비성형체 사이의 반응 생성물을 생성함에 의해 형성될 수 있다. 또한, 용침 촉진제가 예비성형체 및/또는 매트릭스 금속 및/또는 용침 분위기 중 적어도 하나에 직접 공급되어, 용침 촉진제 선구물질과 다른 종(species)과의 사이의 반응에 의해 생성된 용침 촉진제와 동일한 기능을 할 수 있다. 결국, 적어도 자발 용침 중에는 용침 촉진제 소재를 충전재 또는 예비성형체의 적어도 일부에 위치시켜 자발 용침을 달성하도록 해야 한다.

용침 촉진제 선구물질이라 함은 이 물질을 매트릭스 금속, 예비성형체 및/또는 용침 분위기와 조합하여 사용했을 때, 충전재 또는 예비성형체내로의 매트릭스 금속의 자발적인 용침을 촉진 또는 보조하는 용침 촉진제를 생성하는 물질을 의미한다. 어떤 이론이나 설명을 동원하지 않더라도 용침 촉진제 선구물질은 용침 분위기 및/또는 예비성형체 또는 충전재 및/또는 금속과 반응할 수 있는 위치에 배치하는 것이 필요하다. 예를 들면, 매트릭스 금속/용침 촉진제 선구물질/용침 분위기 계에 있어서, 용침 촉진제 선구물질이 매트릭스 금속의 용융 온도보다 다소 높은 온도에서 휘발하는 것이 바람직하다.

이같이 용침 촉진제 선구물질이 휘발하게 되면, (1) 매트릭스 금속에 의한 충전재 또는 예비성형체의 습윤성을 촉진시키는 물질인 기체종(gaseous species)을 생성하기 위한 용침 촉진제 선구물질과 용침 분위기 사이의 반응: 및/또는 (2) 적어도 일부의 충전재 또는 예비성형체에 습윤성을 촉진시키는 고체, 액체 또는 기체상의 용침 촉진제를 생성하기 위한 용침 촉진제 선구물질과 용침 분위기 사이의 반응: 및/또는 (3) 적어도 일부의 충전재 또는 예비성형체내에 습윤성을 촉진시키는 고체, 액체 또는 기체상의 용침 촉진제를 생성하기 위한 용침 촉진제 선구물질과 충전재 또는 예비성형체 사이의 반응이 발생한다.

매트릭스 금속 또는 매트릭스 금속 합금 이라 함뜬 금속 매트릭스 복합체를 생성하는데 사용되는 금속(예, 용침전의 금속) 및/또는 충전재와 혼합되어 금속 매트릭스 복합체를 생성하는 금속(예, 용침후의 금속)을 의미한다. 특정의 금속을 매트릭스 금속으로 선택했을 때, 이 특정 매트릭스 금속은 순수한 금속, 불순물 및/또는 합금 성분을 함유한 시판되는 금속, 상기 특정 금속이 주성분을 이루고 있는 금속간 화합물 또는 합금을 모두 지칭하는 것으로 이해해야 한다.

매트릭스 금속/용침 촉진제 선구물질/용침 분위기 계, 또는 자발 용침 계(spontaneous system) 라 함은 예비성형체 또는 충전재로 자발적인 용침을 일으키는 물질의 조합을 의미한다. / 표시는 예시하는 매트릭스 금속, 용침 촉진제 선구물질 및, 용침 분위기 사이에 삽입되어, 이들 인자를 원하는 바에 따라 선택 조합할 경우에, 예비성형체 또는 충전재로의 자발 용침을 유발하는 계 또는 물질의 조합을 표현하기 위하여 사용된다.

금속 매트릭스 복합체(metal matrix composite) 또는 ㎜C라 함은 예비성형체 또는 충전재를 매립하는(덮는), 2차원 또는 3차원적으로 상호 연결된 합금 또는 매트릭스 금속을 의미한다. 완성된 복합체에 원하는 기계적 물리적 특성을 부여하기 위해서, 상기 매트릭스 금속에 여러 가지 합금 성분을 포함시킬 수도 있다.

매트릭스 금속과 다른 금속이라 함은 매트릭스 금속의 성분과 다른 성분의 금속을 의미하는 것으로서, 예를 들면 알루미늄을 매트릭스 금속으로 선택한 경우 니켈은 매트릭스 금속과 다른 금속이 된다.

매트릭스 금속을 수용하는 비반응성 용기라 함은 공정 조건하에서 충전재 소재(또는 예비성형체) 및/또는 용융 매트릭스 금속을 수용할 수 있고, 또한 매트릭스 금속 및/또는 용침 분위기 및/또는 용침 촉진제 선구물질 및/또는 충전재(또는 예비성형체)와는 자발 용침 기구에 현저한 악영향을 미칠 정도로 반응하지 않는 용기를 의미한다. 비반응성 용기는 용융 매트릭스 금속의 자발 용침이 완료된 이후 폐기 및 제거될 수 있다.

예비성형체 또는 통기성 예비성형체라 함은 적어도 하나의 표면을 가지도록 제조된 충전재 또는 다공성의 충전재 성형체를 의미하는 것으로서, 이러한 예비성형체는 매트릭스 금속에 의해 용침되기 전에 치수 안정성(dimensional fidelity)을 확보하기 위해 층분한 형태 보전성(shape integriy)과 성형체 강도(green strength)를 유지하고 있다. 또한, 이 예비성형체는 매트릭스 금속에 의한 자발 용침을 허용할 수 있도록 충분한 기공도를 가져야 한다. 예비성형체는 전형적으로 충전재를 균질 또는 비균질 상태로 점결시킨 것이며, 적절한 재료(예, 세라믹 및/또는 금속의 입자, 분말, 점유 휘스커 등, 그리고 이들을 조합한 어떤 재료)로 구성될 수 있다. 또한, 이 예비성형체는 일체형으로 하거나 복수개의 예비성형체를 조립한 형태로 할 수 있다.

매트릭스 금속 저장부라 함은, 용융시, 충전재(또는 예비성형체)와 접촉하고 있는 매트릭스 금속의 부분, 세그먼트 혹은 공급원을 보충하거나 또는, 초기에 매트릭스 금속을 공급하고 차후에 계속해서 보충하기 위하여 유동하는, 충전재 또는 예비성형체 덩어리에 대해서 소정 위치에 배치한 매트릭스 금속 재료로 이루어진 별도의 물체를 의미한다.

자발 용침(spontaneous infiltration)이라 함은 압력이나 진공을 인가하지 않아도 매트릭스 금속이 충전재 또는 예비성형체내로 자발적으로 용침되는 현상을 의미 한다.

얇은 코팅, 얇은 금속 매트릭스 복합체, 얇은 예비성형체 또는 얇은 시트 라 함은 특정의 물체의 상대적인 치수 특성을 의미한다. 얇은 치수는 수밀(즉, 충전재 소재 입자의 직경)로부터 몇 in 또는 몇 피트까지 수치적인 값의 범위일 수 있다. 얇은 금속 매트릭스 복합체판 또는 예비성형체의 경우, 얇다는 것은 판의 길이와 폭에 따라 결정되는 상대적인 관계인 판의 두께를 의미하고, 반면에 공동 또는 중공의 금속 매트릭스 복합체 또는 예히성형체에 있어서, 얇다는 것은 공동이나 중공의 셸을 형성하는 벽들의 두께(즉, 벽들의 두께는 공동을 포함하거나 중공의 셸에 의해 확정되는 금속 매트릭스 복합체의 길이, 폭, 직경에 대해 얇다)를 언급한 것이다. 또한 얇다는 것은 본래의 매트릭스 금속의 형태를 역형상으로 복제한 금속 매트릭스 복합체 벽들의 상대적인 두께에 대해 언급한 것이다.

[도면의 간단한 설명]

이하의 도면은 본 발명의 이해를 돕고자 제공된 것으로, 본 발명의 범위를 제한하려는 것은 아니다. 유사한 구성 요소를 지시하는 도면 부호는 동일하게 표시하였다.

제1a도는 본 발명을 따른 예비성형체를 성형하기 위해 사용할 수 있는 암 주형부분의 개략적인 평면도,

제1b도는 제1a도에 도시된 암 주형부분의 개략적인 측면도,

제1c도는 본 발명의 제1실시예에 따른 금속 매트릭스 복합체를 형성하기 위해 사용된 조립체의 횡단면도,

제2도는 본 발명의 제2실시예에 따른 금속 매트릭스 복합체를 형성하기 위해 사용된 조립체의 횡단면도,

제3도는 본 발명의 제3실시예에 따른 금속 매트릭스 복합체를 형성하기 위해 사용된 조립체의 횡단면도,

제4도는 본 발명의 제4실시예에 따른 금속 매트릭스 복합체를 형성하기 위해 사용된 조립체의 횡단면도,

제5도는 본 발명의 제5실시예에 따른 금속 매트릭스 복합체를 형성하기 위해 사용된 조립체의 횡단면도,

제6a도 및 제6b도는 본 발명의 제6실시예에 따른 금속 매트릭스 복합체를 형성하기 위해 사용된 조림체의 횡단면도,

제7도는 본 발명의 제7실시예에 따른 금속 매트릭스 복합체를 형성하기 위해 사용된 조립체의 횡단면도,

제8a, 8b, 8c도는 본 발명의 제8실시예에 따른 금속 매트릭스 복합체를 형성하기 위해 사용된 조립체의 횡단면도,

제9도는 본 발명의 제9실시예에 따른 A형 프레임 금속 매트릭스 복합체를 제조하기 위해 사용된 레이 업(lay-up)의 횡단면도,

제10도는 본 발명의 제9실시예에 따라 형성된 금속 매트릭스 복합체의 사진,

제11도는 본 발명의 제10실시예에 따른 금속 매트릭스 복합체 튜브를 형성하기 위해 사용된 레이 업의 횡단면도,

제12도는 본 말명의 제10실시예에 따라 형성된 금속 매트릭스 복합체 튜브의 사진,

제13도는 본 발명의 제11실시예에 따른 금속 매트릭스 복합체 튜브를 제조하기 위해 사용된 레이-업의 횡단면도,

제14도는 본 발명의 제11실시예에 따라 형성된 금속 매트릭스 복합체 튜브의 사진,

제15a도는 본 발명의 제12실시예에 따른 금속 매트릭스 복합체를 제조하기 위해 사용된 레이-업의 횡단면도,

제15b도는 본 발명의 제11실시예에 따라 형성된 금속 매트릭스 복합체 튜브의 사진,

제16a도 및 제16b도는 본 발명의 제13실시예에 사용된 매트릭스 금속 성형체의 개략적인 도면,

제17a도 및 제17b도는 본 발명의 제13실시예에 따라 제조된 매트릭스 복합체 구조물의 횡단면도 및 정면도를 나타내는 사진,

제18도는 본 발명의 제14실시예에 따른 금속 매트릭스 복합체를 형성하기 위해 사용된 레이 업의 개략적인 횡단면도,

제19a도 및 제19b도는 본 발명의 제14실시예에 따른 매트릭스 금속 잉곳(ingot) 상에 형성된 금속 매트릭스 복합재 코팅의 약 1000배로 찍은 현미경 사진,

제20도는 본 발명의 제15실시예에 따른 금속 매트릭스 복합체를 제조하기 위해 사용된 레이-업의 개략적인 횡단면도,

제21도는 본 발명의 제15실시예에 따른 형성된 매트릭스 금속 기질 상에 형성된 금속 매트릭스 복합재 층의 약 400배로 찍는 현미경 사진,

제22도는 본 발명의 제16실시예에 따른 금속 매트릭스 복합체를 제조하기 위해 사용된 레이-업의 개략적인 횡단면도,

제23도는 본 발명의 제16실시예를 따라 형성된 금속 매트릭스 복합체의 사진,

제24도는 본 발명의 제17실시예에 따른 금슥 매트릭스 복합체를 형성하기 위하여 사용된 레이-업의 횡단면도,

제25도는 본 발명의 제17실시예에 따라 형성된 금속 매트릭스 복합체의 사진,

제26도는 본 발명의 제18실시예에 따라 형성된 금속 매트릭스 복합체의 사진,

제27도는 본 발명의 제19실시예에 따라 형성된 금속 매트릭스 복합체의 사진,

제28도는 본 발명의 제20실시예에 따라 금속 매트릭스 복합체를 형성하기 위해 사용된 레이-업의 개략적인 횡단면도,

제29도는 본 발명의 제21실시예에 따라 형성된 중합체 충전 금속 매트릭스 복합체의 사진,

제30도는 본 발명의 제22실시예에 따라 형성된 벌집형 금속 매트릭스 복합 재 구조물의 사진,

제31도는 본 발명의 제22실시예에 따라 형성된 벌집형 복합체의 일부 단면을 약 50배로 찍은 사진,

제32도는 본 발명의 제23실시예에 따라 3개의 얇은 금속 매트릭스 복합체들을 제조하기 위해 사용된 레이 업의 개략적인 횡단면도,

제33도는 본 발명의 제24실시예에 따른 얇은 금속 매트릭스 복합체를 제조하기 위해 사용된 레이 업의 개략적인 횡단면도,

제34도는 본 발명의 제25실시예에 따른 얇은 금속 매트릭스 복합체를 제조하기 위해 사용된 레이 업의 개략적인 횡단면도,

제35도는 본 발명의 제27실시예에 따른 얇은 금속 매트릭스 복합체를 제조하기 위해 사용된 레이 업의 개략적인 횡단면도.

[본 발명과 양호한 실시예들의 상세한 설명]

얇은 금속 매트릭스 복합체는 얇은 예비성형체(들)로 성형된 충전재 소재의 통기성 덩어리에 용융 매트릭스 금속을 자발적으로 용침시킴으로써 제조될 수 있다. 구체적으로 말하면, 용침 촉진제 및/또는 용침 촉진제 선구물질 및/또는 용침 분위기는, 용융 매트릭스 금속이 얇은 예비성형체(또는 얇은 예비성형체의 집합체)에 자발적으로 용침할 수 있도록 하는 공정 중에 몇 번의 시점에서 얇은 예비성형체(들)와 통하는 상태에 있게 된다. 또한, 충전재 소재의 코팅 또는 층은, 예를 들면 매트릭스 금속의 얇은 시트의 적어도 1표면의 적어도 일부에 피복될 수 있다. 따라서, 본 발명은 소망의 금속 매트릭스 복합체의 형상을 갖도록 성형된 매트릭스 금속의 본체 및/또는 예비성형체를 이용할 수 있다(즉, 충전재 소재는 매트릭스 금속의 성형된 본체에 도포될 수 있고, 매트릭스 금속은 예비성형체에 도포될 수 있다).

제1의 양호한 실시예에 따르면, 충전재 소재의 통기성 재료는 테이프 캐스팅법에 의해 얇은 예비성형체로 형성할 수 있다. 특히, 충전재 소재(예, 탄화규소 미립자)는 용침 촉진제 및/또는 용침 촉진제 선구물질(마그네슘 금속 분말)을 포함할 수 있는 적당한 바인더, 가소제 등의 슬러리에 배합될 수 있다. 충전재 소재의 슬러리를 테이프 캐스팅에 의해 얇고(예, 0,035in(0,89㎜)의 두께) 유연한 시트(들)로 성형시켜 취급이 용이하거나 또는 후에 소정의 형상의 예비성형체로 성형할 수 있다. 예를 들면, 충전재 소재의 테이프 캐스팅 시트는, 그 시트를 프레스 성형시키거나, 또는 소망의 금속 매트릭스 복합체 형상을 갖는 맨드렐 둘레에서 그 맨드렐의 모형과 동일한 모양을 갖게 만듦으로써 예비성형체로 형성될 수 있다, 더욱이, 1매의 테이프 캐스팅 시트를 복수개의 예비성형체들로(적절한 수단으로 절단함으로써) 분할시킬 수 있는데, 이 예비성형체들은 매트릭스 금속이 개별적으로 혹은 그룹으로 자발 용침될 형상으로 성형될 수 있다. 더욱이, 동일하거나 서로 다른 조성을 갖는 복수개의 개별적인 테이프 캐스팅 시트들은 집합체(예, 테이프 캐스팅 예비성형체들의 적층 집합체)로서 매트릭스 금속으로 자발적으로 용침될 수 있는 동일하거나 서로 다른 형상으로 형성될 수 있다. 더욱이, 충전재 소재의 테이프 캐스팅 시트의 유연성 때문에, 본 발명을 따라 적당 종래의 성형 방법을 사용하여 이 테이프 캐스팅 시트를 바람직한 금속 매트릭스 복합체의 형상과 닳은 얇은 예비성형 체(또는 예비성형체들의 집합체)로 성형시킬 수 있다.

특정의 테이프 캐스팅의 태양에 따르면, 복수의 테이프 캐스텅 예비성형체들에 단일의 자발 용침 공정 중에 매트릭스 금속을 용침시킬 수 있다. 특히, 차단물 (즉, 흑연 박막)에 의해 분리된 복수개의 얇은 테이프 캐스팅 예비성형체들은 용융 매트릭스 금속의 공급원과 통하는 상태에서 매트릭스 금속에 의해 자발 용침될 수 있다. 구체적으로 말하면, 만곡 부분, 파형의 시트 등으로 성형될 수 있는 복수개의 테이프 캐스팅 예비성형체들은 몇 개의 테이프 캐스팅 예비성형체와 흑연 박막의 시트(즉, 예비성형체를 분리시키기 위한 차단물 역할을 하는 흑연 각막 시트)를 구비하는 샌드위치식 구조물 내에 혼합될 수 있다 예를 들면, 샌드위치식 구조물의 한 모서리의 적어도 일부분은 테이프 캐스팅 예비성형체들의 각각에 자발 용침 될 수 있도록 용융 매트릭스 금속과 통해야만 한다. 예를 들어, 매트릭스 금속이 용융될 때, 그것이 예비성형체들과 통하면서 예비성형체에 자발 용침되도록, 매트릭스 금속의 잉곳은 샌드위치식 구조물에 인접한 곳(즉, 샌드위치식 구조물의 정부)에 배치될 수 있다. 테이프 캐스팅 예비성형체들을 샌드위치한 차단물(즉, 흑연 박막) 들은 용융 매트릭스 금속이 유입되어 자발 용침될 수 있는 경계들을 획정한다. 이러한 획정에 의해, 복수개의 얇은 테이프 캐스팅 예비성형체(즉, 15개 이상)를 망상(net shape)이나 망상에 가까운 형상의 얇은 금속 매트릭스 복합체로 제조하는 것을 가능하게 해준다.

제2의 테이프 캐스팅 태양으로는, 테이프 캐스틴 예비성형체를 매트릭스 금속 함금과 접촉하도록 배치시킴으로써, 테이프 캐스팅 예비성형체(들)를 매트릭스 금속 본체의 표면 특징과 일치시킬 수 있다. 구체적으로 말하면, 테이프 캐스팅 예비성형체는 매트릭스 금속 본체의 내부 및/또는 외부 치수로 형성되거나 또는 그 치수와 일치되도록 통상 충분한 유연성을 가져야만 한다. 예를 들면, 테이프 캐이스팅 예비성형체는 튜브처럼 감겨질 수 있고, 매트릭스 금속의 중공 원통체에 삽입될 수 있다(즉, 자발적인 용침시 관상의 금속 매트릭스 복합체가 형성됨). 또한, 테이프 캐스팅 예비성형체는 매트릭스 금속 튜브의 외면 주위에 배치될 수 있다. 추가해서, 테이프 캐스팅 예비성형체들은 매트릭스 금속 본체의 내부와 외부 표면에 배치될 수 있다. 경우에 따라, 테이프 캐스팅 예비성형체를 매트릭스 금속의 표면(즉, 바인더를 사용하여)에 접착시키는 것이 유리하다. 더욱이, 테이프 캐스팅 예비성형체가 매트릭스 금속 본체에 대해 적절한 방향으로 배치되었을 때, 차단물(즉, 흑연 박막, 분말 등)은 성형된 금속 매트릭스 복합제의 표면을 획정하기 위하여 테이프 캐스팅 예비성형체(들)의 노출 표면(들)에 배치될 수 있다.

더욱이, 튜브의 형상은 금속 매트릭스 복합체를 형성하기 위해 테이프 캐스팅 예비성형체와 접촉될 수 있는 형상만은 아니다. 구체적으로 말하면, 매트릭스 금속의 단일체나 또는 복수개의 단편들을 포함하는 복잡한 형상(즉, 복수개의 관상 구조 부재들의 결합 또는 접합)은, 용융 매트릭스 금속이 자발 용침될 수 있는 테이프 캐스팅 예비성형체에 의해 외부 및/또는 내부에 피복될 수 있다(즉, 매트릭스 금속의 본체를 감싸고 있는 테이프 캐스팅 충전재 소재의 리본).

더욱이, 테이프 캐스팅 예비성형체에 매트릭스의 얇은 층이나 시트를 자발 용침시킬 수 있다. 예를 들면, 테이프 캐스팅 예비성형체의 적어도 1표면의 적어도 일부에 스프레이 또는 다른 방법으로 매트릭스 금속의 미립자 층을 형성시킬 수 있다. 매트릭스 금속은 용융되어 테이프 캐스팅 예비성형체에 자발 용침될 수 있다. 이로부터 완성된 금속 매트릭스 복합체는 그 후에 예비성형체의 형상에 상응하는 형상을 가질 수 있다.

제2의 양호한 실시예에 따르면, 충전재 소재의 덩어리는 슬립 캐스팅에 의해 예비성형체로 성형될 수 있다. 슬립 캐스팅, 특히 드레인 캐스팅법은 중공의 공동이나 셸을 구비하는 얇은 예비성형체를 제조하기 위해 특히 유용하다. 특히, 드레인 캐스팅법은 복잡반 외부 또는 내부의 기하학적 형상(즉, 가늘고 끝이 잘린 형태의 돌출부를 구비한 물체)을 갖는 예비성형체를 제조하기 위해 사용될 수 있다.

충전재 소재(예, 볼 밀링(ball-milled)된 탄화규소 입자)를 포함하는 슬립은 적당한 현탁제, 해교제를 사용함으로써 조정될 수 있다. 용침 촉진제 및/또는 용침 촉진제 선구물질을 포함할 수 있는 슬립은 예비성형체에 대해 소망의 형상을 갖는 주형(즉, 석고, CaCO₃, SiO₂, B₄C, SiC 등의 주형)에 주입된다. 슬립의 성질(예, 고체 함유량, 점도 등)과 슬립을 주형 내에 보지하는 시간은, 완성된 예비성형체의 두께(즉, 구형 셸의 벽 두께)를 결정한다.

특정의 드레인 캐스팅법의 실시예에 따르면, 슬림을 캐스팅하기 위한 주형은 왁스 패턴으로부터 제조될 수 있다. 구체적으로 말하면, 소망의 금속 매트릭스 복합체의 표면 형상과 조직을 지닌 왁스 패턴은 인베스트먼트 셸 재료(즉, CaCO₃)로 피복될 수 있다. 인베스트먼트 셸의 피복물은 확스 패턴에 고착되고, 왁스 패턴을 반전시켜 복제하는 셸을 형성한다. 인베스트먼트 셸 재료는 드레인 캐스팅을 위한 주형을 제조하기 위해 왁스 패턴을 제거(즉, 응융 또는 소각)하도록 충분한 온도로 가열된다. 완성된 주형 상에 또는 주형 내에 충전재 소재의 슬립을 주입시켜, 매트릭스 금속을 자발 용침시키게 될 얇은 예비성형체(즉, 공동이나 중공의 물체)를 제조한다.

기존의 어떠한 물품이라도 금속 매트릭스 복합체를 제조하기 위한 디자인(원형)으로 이용될 수 있다. 특히, 금속매트릭스 복합체이거나 또는 복합체가 아닌 기존의 물품은 적당한 용기 내에 담긴 실리콘 고무 성형 재료 중에 침적될 수 있다. 실리콘 고무 성형 재료가 용기 내에서 원래의 물품 주위를 따라 경화 또는 건조된 후에, 원래의 물픔은 그 물품을 역형상으로 복제시킨 주형을 제공하기 위해 제거된다. 용융된 왁스 패턴 재료는 실리콘 고무 주형으로 주입될 수 있다. 이로부터 얻어진 왁스 패턴은 주형으로부터 취출되어 전술한 바와 같이, 인베스트먼트 셸 재료로 피복되어 주형을 형성할 수 있다. 이렇게 얻어진 인베스트먼트 셸 주형에서 드레인 캐스팅이나 슬러리 캐스팅시켜 얇은 예비성형체를 성형할 수 있다. 이런 절차에 따라 성형된 얇은 예비성형체에 용융 매트릭스 금속을 자발 용침시킴으로써, 원래 물품의 표면의 형상 및 조직을 복제한 얇은 금속 매트릭스 복합체가 형성된다. 따라서, 드레인 성형이나 슬러리 캐스팅은 실질적인 어떠한 형상이나 조직을 갖는 얇은 금속 매트릭스 복합체를 제조하기 위해 사용될 수 있다. 명확화를 위해, 슬러리 캐스팅은, 슬러리 성형체의 표면이 성형체의 건조 중에 주형 표면으로부터 수축 되지 않는다는 점에서 슬립 캐스팅과 구별될 수 있다.

더욱이, 드레인 캐스팅 예비성형체로의 자발 용침에 의해 성형된 얇은 금속 매트릭스 복합체는 공정 조건하에서 용융 매트릭스 금속에 의해 용침될 수 없는 다른 물질로 적어도 부분적으로 충전될 수 있는 내부 공동을 구비할 수 있다. 특히, 매트릭스 금속이 드레인 캐스팅 예비성형체로 자발 용침되기 전에, 공정 조건하에서 용융 매트릭스 금속에 의해 용침될 수 없는 물질은 예비성형체의 내부 공등에 배치 될 수 있다. 불침투성의 물질은 예비성형체와 유사하거나 다른 화학 조성을 가질 수 있다(예, 공동 내의 물질은 처음에는 용침 촉진제 또는 용침 촉진제 선구물질을 포함할 수 없고, 또는 공정과정 동안에 그것들에 노출될 수 있으며, 및/또는 공동 내의 물질은 공정 조건하에서 용침할 수 없는 입자 크기를 가지는 물질을 포함할 수 있다).

불침투성의 물질은 (1) 자발 용침 중에 예비성형체를 지지하고: (2) 형성된 금속 매트릭스 복합체 내부의 표면 질을 향상시키고: (3) 형성된 금속 매트릭스 복합체의 내부 공동에 배치되는 잔류 매트릭스 금속에 관련되는 문제를 경감시키고: 4) 예비성형체 형성 재료를 추가로 캐스팅하는 주형의 일부 역할을 하는 표면을 제공하는 역할을 할 수 있다. 형성된 금속 매트릭스 복합체에 포함되는 불침투성의 물질은 임의적으로 자발 용침 후 제거된다. 또한, 형성된 금속 매트릭스 복합체에 포함된 불침투성의 물질을 용침 가능케 하여(즉, 용침 촉진제 및/또는 용침 촉진제 선구물질의 적어도 하나를 제공함으로써), 용융 매트릭스가 자발 용침될 수 있다. 초기에 불침투성의 물질로 자발 용침되어 있는 매트릭스 금속은 드레인 캐스팅 예비성형체에 자발 용침되도록 원래 사용되었던 매트릭스 금속과 화학 조성이 상이할 수 있다.

또한, 형성된 금속 매트릭스 복합체 내에 마련된 공동 부분은 특정의 최종 용도에 대한 요건을 만족시키기 위하여 소정의 물질(예, 중합체, 금속, 세라믹, 유리 등, 또는 이들의 적어도 1종 이상과, 섬유상 및/또는 입상의 충전재 소재 등의 적어도 1종 이상의 보강재의 조합)로 적어도 부분적으로 채워질 수 있다. 예를 들면, 금속 매트릭스 복합체의 공동 부분(예, 중공 원통체 또는 튜브의 공동 부분)은 금속 매트릭스 복합체의 기계적인 특징을 개선시키기 위해 중합체로 충전될 수 있다.

드레인 캐스팅 예비성형체에 카발 용침하는 용융 매트릭스 금속은 소정의 조속한 방법으로 연통될 수 있다. 예를 들면, 매트릭스 금속은 주형의 공동 내에 수용되어, 그 주형의 공동이 자발 용침될 예비성형체를 획정하는 주형의 부분과 유체 연통한다. 또한, 매트릭스 금속의 1 또는 2 이상의 층(즉, 화학 조성이 동일하거나 상이한)은 드레인 캐스팅 예비성형체의 외부 및/또는 내부 표면 상에 침적될 수 있다.

더욱이, 테이프 캐스팅, 드레인 캐스팅, 슬러리 캐스팅 등으로 예비성형체를 제조할 경우, 용융 매트릭스 금속의 자발 용침이 발생하기 전에 예비성형체를 경화(바인더, 용제 등의 제거)시키거나 건조시키는 것이 필요하다는 것을 알 수 있다.

더욱이, 매트릭스 금속에 의해 자발 용침될 얇은 예비성형체는 적절한 성질(예, 표면의 질, 두께 등)을 갖도록 적당한 방법으로 제조될 수 있다. 구체적으로 말하면, 적당한 예비성형체는 원심 분리, 압출 성형, 사출 성형, 정수압 프레스, 침강 캐스팅, 스프레이 도포 등에 의해 제조될 수 있다, 구체적으로 말하면, 충전재 소재는 라인더와 혼합될 수 있고, 랜드렐 상에 스프레이, 얻어진 예비성형체의 형상을 획정하는 주형 내에 스프페이 될 수 있다. 차단물, 예컨대 흑연 주형, 맨드렐 등에 충전재 소재를 스프레이 함으로써 사용 가능한 얇은 예비성형체 제조할 수 있는데, 이때 그 차단물에는 임의적으로 접착제를 피복될 수 있다. 또한, 차단물을 포함하지 않는 주형은 차단울로 피복될 수 있고, 그 후, 주형의 내부의 형상에 대응하는 예비 성형체를 제공하기 위하여 충전재 소재로 피복될 수 있다. 주형에 충전재 소재를 부착하기 위해서 임의의 접착제를 사용할 수 있다.

더욱이, 차단물(예, 흑연 박막)을 구비하는 주형에는 충전재 소재를 피복시킨 후, 추가로 매트릭스 금속의 층을 피복시킬 수 있다. 충전재 소재와 매트릭스 금속의 복수개의 층들은 각각 서로 다른 특성을 구비하도록 함으로써(예, 입상, 충전재 소재 및/또는 매트릭스 금속의 적어도 2이상의 층이 두께 및/또는 조성 중 적어도 1이상이 상이하도록 구성), 향상된 미세 조직을 갖는 금속 매트릭스 복합체를 형성할 수 있다. 코팅된 차단물을 구비하는 주형은 매트릭스 금속이 충전재 소재의 인접한 층(들)으로 자발 용침할 수 있도록 하는 조건에서 견딜 수 있기 때문에, 자발 용침 고정에 이용될 수 있다. 또한, 차단물을 구비하는 주형을 사용함으로써, 균질의 미세 조직을 갖는 금속 매트릭스 복합체를 제조할 수 있다(예컨대, 형성된 복합체 중의 매트릭스 금속의 패색이나 채널이 차단될 수 있다). 더욱이, 차단물을 구비하는 주형을 사용함으로써, 자발 용침에 의해 비교적 금속 매트릭스 복합체를 제조할 수 있다.

본 발명의 제3의 양호한 실시예에 따르면, 예비성형체가 본질적으로 필요치 않다. 구체적으로 말하면, 충전재 소재의 형상, 궁극적으로 금속 매트릭스 복합체의 형상은 매트릭스 금속에 의해 결정될 수 있다. 예를 들면, 매트릭스 금속의 얇은 시트(들), 박막 등은, 허용 가능한 특성(예, 표면의 질, 두께 등)을 갖는 피복물을 제공하기 위해 조절될 수 있는 적당한 방법을 사용하여, 적어도 1층의 충전재 소재로 피복될 수 있다(예, 복수개의 층들은 유사하거나 다른 특성을 갖도록 피복될 수 있다). 더욱이, 매트릭스 금속의 얇은 시트는, 충전재 소재를 소망의 형상(예, 파형, 박막, 와이어 등의 형상)으로 적용하기 전에 성형될 수 있다. 성형된 충전재 소재를 피복시킨 매트릭스 금속은 적합한 조건으로 가열되어, 피복된 매트릭스 금속체의 형상과 유사한 금속 매트릭스 복합체를 형성하기 위하여 매트릭스 금속이 충전재 소재에 자발 용침되도록 해준다. 예를 들면, 매트릭스 금속체가 충전재 소재로 모든 면에 피복되어 있는 얇은 시트를 구비할 때, 매트릭스 금속의 자발 용침에 의해 원래의 매트릭스 금속체의 형상을 역형상으로 복제한 내부 공동을 포함하는 얇은 2중벽의 금속 매트릭스 복합체를 갖는 금속 매트릭스 복합체가 얻어진다.

더욱이, 금속 매트릭스 복합체 구조물은 실질적으로 비제한적인 형상(예, 판상, 원통상, 원추상, 상자형)의 배열을 형성하기 위하여 매트릭스 금속체의 형상을 역형상으로 복제함으로써 제조될 수 있다. 구체적으로 말하면, 매트릭스 금속체의 형상은, 용융 매트릭스 금속에 의한 자발 용침이 가능한 소정의 충전재 소재와 접촉하도록 매트릭스 금속의 성형체를 배치시킴으로써 역형상으로 복제될 수 있다. 충전재 소재의 특성(즉, 입경)에 따라, 얻어진 금속 매트릭스 복합체는 원래의 매트릭스 금속체 형상을 역형상으로 복제하는 공동 또는 공극을 형성할 수 있다. 더욱이. 매트릭스 금속의 성형체의 일부만이 충전재 소재 내에 배치(예, 매설)될 수 있다. 이 경우, 충전재 소재에 매설된 매트릭스 금속의 상기 일부는, 포위된 충전재 소재 안으로 매트릭스 금속이 주위의 충전재 소재에 자발 용침될 때 역형상으로 복제될 수 있다.

더욱이, 매트릭스 금속 성형체를 역형상으로 복제함으로써 형성된 금속 매트릭스 복합체는, 그 안에 형성된 공동의 적어도 일부 내에 보강재 또는 지지 수단을 포함하도록 제조될 수 있다. 특히, 매트릭스 금속 시트를 천공한 다음 천공된 매트릭스 금속 시트에 충전재 소재를 완전하게 피복시켜, 천공된 시트의 구멍에 충전재 소재를 완전히 채워 현장(즉, 금속 매트릭스 복합체의 성형 중에)에서 강체의 지지 수단을 형성할 수 있다. 구체적으로 말하면, 피복된 매트릭스 금속의 시트를 자발 용침 분위기에 노출시킬 때, 매트릭스 금속은, (1) 외측의 충전재 소재의 피복물로 향해 자발 용침되어 매트릭스 금속의 형상을 역형상으로 복제한 공동을 잔류시키고, (2) 매트릭스 금속의 구멍에 존채하는 충전재 소재로 향해 내측으로 자발 용침되어 상기 공동 내에 위치된 공동의 적어도 1이상 벽에 적어도 부분적으로 부착된 강체의 지지 수단을 형성한다(예컨대 그 지지 수단은 공동의 전체 폭에 걸쳐 공동의 적어도 2이상의 벽과 접촉할 수 있다). 역형상으로 복제하여 제조된 금속 매트릭스 복합체 중의 보강재 또는 지지 수단은 매트릭스 금속 시트의 구멍에 대응하는 위치에 형성될 수 있다(예컨대, 매트릭스 금속의 구멍 위치는 지지 수단이 공동의 적어도 2이상의 벽과 접촉할 수 있는 위치를 결정한다). 따라서, 예컨대, 매트릭스 금속 시트에 구멍을 천공함으로써, 형성된 금속 매트릭스 복합체 내의 소망의 위치, 즉 기계적 일체성의 증가가 요구되는 부분에 지지 수단을 설치할 수 있다. 더욱이, 원한다면, 형성된 금속 매트릭스 복합체의 공동 부분은 그 복합체의 특성을 향상시 키기 위해 다른 물질로 충전될 수 있다. 예를 들면, 공동의 적어도 일부에 중합체 재료(또는 중합체 재료의 선구물질, 이것은 후에 중합체를 생성하거나 생성하지 않을 수 있음)를 배치시켜 복합체의 기계적 특성을 양호하게 향상시키게 된다.

또한, 지지 수단을 공동 내에 형성시켜, 형성된 금속 매트릭스 복합체 중에 적어도 하나의 채널 또는 통로를 형성한다. 추가해서, 지지 수단은 원래의 매트릭스 금속체 구멍의 형상을 조절함으로써 간단히 소망의 단면(즉, 원형, 직사각형 등) 혹은 형상을 가질 수 있다. 따라서, 지지 수단에 의해 생성된 내부 공동과, 형성된 금속 매트릭스 복합체의 벽들이, 예를 들어 유체(즉, 액체 또는 증기)의 제어된 통과를 허용하는 방법으로 상호 연결되는 것이 가능하다. 따라서, 본 발명은 과다, 복잡, 고가의 기계 가공을 필요로 하지 않고, 금속 매트릭스 복합체 중에 복잡한 공동 혹은 통로를 형성하기 위한 비교적 간단한 방법을 제공한다. 그러므로, 형성된 금속 매트릭스 복합체 중의 공동이나 통로는 많은 산업상의 다양한 용도를 지닐 수 있다.

본 발명의 또 다른 특정의 실시예에 따르면, 얇은 매트릭스 금속체의 형상을 역형상으로의 복제에 의해 형성된 얇은 이중벽형 금속 매트릭스 복합체의 외부 또는 가시 표면의 질은, 매트릭스 금속을 충전재 소재에 자발 용침시키기 전에 충전재 소재 외부의 적어도 일부에 차단물(즉, 흑연)의 시트나 피복을 도포함으로써 개선될 수 있다. 예를 들면, 매트릭스 금속 시트는 매트릭스 금속체의 전체 표면을 피복하기 위해 충전재 소재로 피복될 수 있다. 피복된 매트릭스 금속체는 차단물과 접촉 될 수 있기 때문에(예, 흑연의 두 시트들 사이에 샌드위치 됨), 충전재 소재든 차단물과 직접적으로 접촉된다. 그 다음, 매트릭스 금속을 충전재 소재 중에서 차단물에 의해 획정된 평활 표면까지 자발적으로 용침시킴으로써, 평활한 외부 평면을 갖는 금속 매트릭스 복합체가 얻어진다.

더욱이, 예를 들면, 매트릭스 금속의 얇은 시트를 충전재 소재, 차단물 등으로 피복시킨 다음, 자발 용침하는 방법은 연속적으로 실행될 수 있다. 예를 들면, 충전재 소재의 층을 매트릭스 금속 시트에 도포(예, 스프레이 도포)하는 중에, 매트릭스 금속 시트는 적당한 차단 수단(즉, 흑연 시트)에 의해 지지될 수 있다. 또한, 차단 수단을 구비하는 지지체 상에 충전재 소재를 도포(즉, 테이프 캐스팅)시킨 후, 그 차단 수단 상의 충전재의 층에 매트릭스 금속의 시트를 접촉시킨다. 이들 두 실시예에 따르면, 형성된 금속 매트릭스 복합체의 적어도 1표면이 차단 수단에 의해 획정되도록, 매트릭스 금속은 충전재 소재의 층으로 자발 용침된다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 비보강 금속체(예, 충전재 소재를 포함하지 않은 매트릭스 금속)에 일체적으로 결합된 금속 매트릭스 복합체를 포함하는 매크로 복합체(macrocomposite)가 형성될 수 있다. 구체적으로 말하면, 자발 용침 중에 과잉량의 매트릭스 금속을 제공하여, 용침 후 잔류 매트릭스 금속을, 예컨대 형성된 금속 매트릭스 복합체 내의 매트릭스 금속과 일체로 결합시킨다. 과잉량의 매트릭스 금속은 용침 계의 외부(즉, 로의 외측)에 있는 저장부 수단을 통해 공급될 수 있다. 더욱이, 과잉의 매트릭스 금속의 화학 조성은 원래의 매트릭스 금속 공급원과 상이할 수 있다(예컨대, 저장부는 원래의 매트릭스 금속의 공급원과 화학적으로 상이한 매트릭스 금속을 공급하는 데 이용될 수 있다). 형성된 매크로 복합체의 비보강 금속 부분의 형상은 원래의 매트릭스 금속체와 일반적으로 상응할 수 있다. 또한, 비보강 금속 부분은 매크로 복합체의 금속 매트릭스 부분의 비교적 작은 영역에만 일체로 결합될 수 있고, 예정된 방법으로 금속 매트릭스 부분의 표면으로부터 외측으로 연장할 수 있다(예컨대, 골프 클럽 헤드로부터 연장하는 샤프트).

특정의 이론이나 설명에만 한정되지 않지만, 용침 촉진제 선구물질은 매트릭스 금속 및/또는 충전재 소재(또는 예비성형체) 및/또는 용침 분위기중의 적어도 하나와 조합하여 사용될 경우, 용침 촉진제 선구물질은 용융 매트릭스 금속이 충전재 소재 또는 예비성형체에 자발 용침되는 것을 유발 또는 보조하는 용침 촉진제를 형성하도록 반응할 수 있다. 더욱이, 용침 촉진제 선구물질은, 용침 분위기 및/또는 충전재 소재(또는 예비성형체) 및/또는 용융 매트릭스 금속중 적어도 하나와 상호 작용하는 위치에 배치, 위치 또는 이동할 필요가 있다. 예를 들면, 몇몇 매트릭스 금속/용침 촉진제 선구물질/용침 분위기 계(系)에 있어서, 용침 촉진제 선구물질은 매트금속의 융점보다 다소 높은 온도에서 휘발하는 것이 바람직한데, 용침 촉진제 선구물질이 휘발하게 되면, (1) 매트릭스 금속에 의한 충전재 소재 또는 예비성형체의 습윤(wetting)을 촉진시키는 물질인 기체종을 생성하기 위한 용침 촉진제 선구물질과 용침 분위기 사이의 반응 및/또는 (2) 적어도 일부의 충전재 소재 또는 예비성형체내에 습윤을 촉진시키는 고체, 액체 또는 기체상의 용침 촉진제를 생성하기 위한 용침 촉진제 선구물질과 용침 분위기 사이의 반응 및/또는 (3) 적어도 일부의 충전재 소재 또는 예비성형체내에 습윤을 촉진시키는 고체, 액체, 또는 기체상의 용침 촉진제를 생성하는 용침 촉진제 선구물질과 충전재 소재 또는 예비성형체 사이의 반응이 발생한다.

따라서, 공정 과정중 적어도 몇 번의 시점에서 용침 촉진제 선구물질이 용융 매트릭스 금속에 포함 또는 조합되어 있는 경우에는, 용침 촉진제는 용융 매트릭스 금속으로부터 휘발하여 충전재 소재(또는 예비성형체) 및/또는 용침 분위기중 적어도 하나와 반응한다. 이와 같은 반응에 의해 고체종(solid species)이 생성되며, 이 고체종은 용침 온도에서 안정될 수만 있다면 충전재 소재(또는 예비성형체)의 적어도 일부에 예를 들면, 피막으로서 부착될 수 있다. 또한, 이러한 고체종은 충전재 소재(또는 예비성형체)의 적어도 일부에 식별 가능하게 존재할 수 있다. 이와 같은 고체종이 생성되면, 용융 매트릭스 금속은 반응하는 경향(즉, 고체종을 환원시키는 반응)이 있기 때문에, 용침 촉진제 선구물질은 용융 매트릭스 금속과 상호 관련되는 상태(즉, 용융 매트릭스 금속 내에 용해되거나 이 용융 매트릭스 금속에 합금되는 등의 상태)로 있게된다. 따라서, 추가의 용침 촉진제 선구물질이 휘발될 수 있고, 다른 종(예, 충전재 소재(또는 예비성형체) 및/또는 용침 분위기)과 반응하여 유사한 고체종을 재차 생성할 수 있다. 추가의 용침 촉진제를 재차 생성하기 위해, 용융 매트릭스 금속과의 용침 촉진제의 환원 반응에 후속하여 용침 촉진제 선구물질이 용침 촉진제로 계속 전환되는 공정은, 자발 용침된 금속 매트릭스 복합체가 얻어질 때까지 계속 진행된다는 것을 알 수 있다.

충전재 소재 또는 예비성형체내로의 매트릭스 금속의 자발 용침을 실행시키기 위해서는, 자발 용침 계에 용침 촉진제를 제공하여야 한다. 용침 촉진제는 용침 촉진제 선구물질로부터 생성될 수 있다. 용침 촉진제 선구물질은 (1)매트릭스 금속에 및/또는 (2)충전재 소재 또는 예비성형체에 및/또는 (3)용침 분위기로부터 및 /또는 (4)외부의 용침 촉진제 선구물질 공급원으로부터 자발 용침 계에 제공될 수 있다. 또한, 용침 촉진제 선구물질을 공급하는 대신, 충전재 소재 또는 예비성형체 및/또는 매트릭스 금속 및/또는 용침 분위기중 적어도 어느 하나에 직접 용침 촉진제를 공급할 수도 있다. 결국, 적어도 자발 용침 중에는 용침 촉진제가 충전재 소재 또는 예비성형체의 적어도 일부에 배치되어야 한다.

본 발명의 일실시예에 있어서, 용침 촉진제 선구물질은, 충전재 혹은 예비성 형체와 매트릭스 금속과의 접촉이 일어나기 전이나 또는 실질적으로 연속하여 용침 촉진제가 충전재 소재 혹은 예비성형체의 최소한 일부를 형성할 수 있도록 용침 분위기와 최소한 부분적으로 반응할 수 있다(즉, 마그네슘이 용침 촉진 선구물질이고 질소가 용침 분위기가 될 경우, 용침 촉진제는 충전재 소재 혹은 예비성형체의 표면이나 또는 그것의 최소한 일부에 위치되는 질화 마그네슘일 수 있다).

매트릭스 금속/용침 촉진제 선구물질/용침 분위기 계의 일례로는 알루미늄/마그네슘/질소 계를 들 수 있다. 구체적으로 말하면, 알루미늄 매트릭스 금속은, 공정 조건들 하에서 알루미늄이 용융되었을 때, 이 알루미늄 매트릭스 금속 및/또는 충전재 소재 혹은 예비성형체와 부적절하게 반응하지 않는 적당한 내화 용기에 담길 수 있다. 그후, 충전재 소재 혹은 예비성형체는 용융 알루미늄 매트릭스 금속과 접촉할 수 있고 자발적으로 용침하게 될 것이다.

더욱이, 용침 촉진제 선구물질은 공급하기보다는, 예비성형체 또는 충전재 소재 및/또는 매트릭스 금속 및/또는 용침 분위기 중 적어도 어느 하나에 직접 용침 촉진제를 공급할 수도 있다. 결국, 적어도 자발 용침 중에는 용침 촉진제가 충전재 소재 또는 예비성형체의 적어도 일부에 배치되어야 한다.

본 발명에서 채택한 공정 조건하의 알루미늄/마그네슘/질소로 이루어진 자발 용침 계의 경우에 있어, 충전재 소재 혹은 예비성형체는 공정 과정중의 몇몇 시점에서 질소 함유 기체가 이 예비성형체를 투과하여 용융 매트릭스 금속과 접촉할 수 있을 정도로 충분한 통기성을 가져야한다. 또한, 통기성의 충전재 소재 혹은 예비 성형체는 용융 매트릭스 금속의 침입을 허용하기 때문에, 질소가 투과된 충전재 소재 혹은 예비성형체로 용융 매트릭스금속의 자발 용침을 유발시켜 금속 매트릭스 복합체를 제조할 수 있고, 그리고 질소가 용침 촉진제 선구물질과의 반응을 허용함으로써 충전재 소재 혹은 예비성형체에 용침 촉진제가 형성되도록 하여 자발 용침이 일어나게 한다. 자발 용침 및 금슥 매트릭스 복합체의 생성 속도는 알루미늄 합금내의 마그네슘 함량, 예비성형체 혹은 충전재 소재내의 마그네슘 함량, 충전재 소재 혹은 예비성형체내의 질화 마그네슘의 양, 추가의 합금 원소(예, 실리콘, 철, 구리, 망간, 크롬, 아연 등)의 존재 여부, 충전재 소재의 평균 치수(입경), 충전재 소재 혹은 예비성형체의 표면 상태 및 그 종류, 용침 분위기중의 질소 농도, 용침 시간 및 용침 발생 온도를 포함하는 일련의 처리 조건들에 따라 달라진다. 예를 들면, 용융 알루미늄 매트릭스 금속의 자발적인 용침을 발생시키기 위해, 알루미늄은 합금의 중량을 기준으로 최소 약 1중량%의 마그네슘, 바람직하게는 최소 약 3 중량%의 마그네슘(용침 촉진제 선구물질로서 작용함)을 합금시킬 수 있다. 전술한 바와 같이 매트릭스 금속의 특성을 조절하기 위해, 보조 합금 원소들을 매트릭스 금속에 함유시킬 수도 있다. 또한, 그 보조 합금 원소는 알루미늄 매트릭스 금속을 충전재 소재 또는 예비성형체에 자발 용침을 유발시키는데 요구되는 마그네슘의 최소량에 영향을 줄 수 있다. 자발 용침 계로부터 마그네슘이 소실(예를 들어, 휘발에 의한 소실)되어 용침 촉진제가 생성될 수 없을 정도가 되어서는 안된다. 따라서, 휘발에 의해 자발 용침 반응이 악화되지 않도록 초기에 매트릭스 금속 내에 충분한 양의 합금 원소를 부가하는 것이 바람직하다. 또한, 예비성형체와 매트릭스 금속 양쪽에 또는 예비성형체 내에 마그네슘이 존재하면, 자발 용침에 요구되는 마그네슘의 양을 감소시킬 수 있다(이하의 설명 참조).

용침 분위기 내에서 질소의 체적 백분율도 또한 금속 매트릭스 복합체의 형성 슥도에 영향을 미친다. 특히, 질소 분위기 내에 약 10체적% 이하의 질소가 함유되어 있으면 자발 용침이 매우 늦게 일어나거나 거의 일어나지 않게 되며, 최소 약 50체적%의 질소가 함유되어 있으면, 용침 속도가 매우 빨라져서 용침에 소요되는 시간이 짧아지는 것으로 밝혀져 있다. 용침 분위기(예, 질소 함유 기체)는 충전재 소재(또는 예비성형체) 및/또는 매트릭스 금속에 직접 부가될 수 있으며, 또한 어떤 물질의 분해에 의해 생성될 수도 있다.

용융 매트릭스 금속이 충전재 소재 흑은 예미성형체에 용침되는데 요구되는 최소 마그네슘 함량은, 처리 온도, 시간, 실리콘 또는 아연과 같은 보조 합금 원소의 존재 여부, 충전재 소재의 특성, 자발 용침 계의 하나 이상의 구성 성분들 중 마그네슘의 위치, 용침 분위기내의 질소의 함량 및 질소 분위기의 유동 속도 등과 같은 하나 이상의 변수에 따라 달라진다. 합금 및/또는 예비성형체의 마그네슘 함량이 증가함에 따라, 보다 낮은 온도 또는 보다 짧은 가열 시간을 사용하여 완전한 용침을 달성할 수도 있다. 또한 마그네슘의 함량이 일정한 경우, 아연과 같은 보조 함금 원소를 부가하면 보다 낮은 온도를 사용하여 용침을 달성할 수도 있다. 예를 들면, 매트릭스 금속내의 마그네슘의 함량이 사용 범위의 하한치 즉, 약 1-3 중량 %인 경우도, 전술한 최소 처리 온도, 높은 질소 농도, 또는 하나 이상의 보조 합금 원소와 같은 인자중 적어도 하나의 인자와 함께 사용할 수 있다. 더욱이, 예비성형체에 마그네슘을 전혀 부가하지 않은 경우, 약 3-5 중량%의 마그네슘을 함유한 합금을 사용하는 것이 광범위한 처리 조건을 적용할 수 있다는 점에서 바람직하며, 보다 낮은 온도 및 보다 짧은 시간을 채용한 경우에는 최소 약 5 중량%의 마그네슘을 함유한 합금을 사용하는 것이 바람직하다. 용침에 필요한 온도 조건을 조절하기 위해서는 약 10 중량%(알루미늄 합금의 중량을 기준으로 함) 이상의 마그네슘을 사용할 수도 있다. 보조 합금 원소와 함께 사용하는 경우에는 마그네슘의 함량을 줄일 수도 있으나, 이들 보조 합금 원소는 단지 보조적인 기능만을 할뿐이며, 이들 보조 합금 원소는 적어도 전술한 최소량의 마그네슘과 함께 사용된다. 예를 들면, 10 중량%의 실리콘이 합금된 공칭의 순수한 알루미늄은 1000C의 온도에서 500 메쉬(mesh)의 39 크리스톨론(Crystolon)(Norton Co.에서 시판하는 99% 순도의 실리콘 카바이드)으로 구성된 베드(bedding) 내로 거의 용침되지 않으나, 마그네슘이 존재하면 실리콘이 용침 반응을 촉진시킨다는 사실이 밝혀졌다. 또 다른 예로서, 마그네슘을 예비성형체 또는 충전재 소재에만 공급해주면 마그네슘의 양이 변화하게 된다. 공급된 마그네슘 총량의 적어도 일부를 예비성형체 혹은 충전재 소재에 배치하면, 자발 용침계에 공급된 적은 중량%의 마그네슘과 함께 자발 용침반응이 일어난다는 사실이 밝혀졌다. 완성된 금속 매트릭스 복합체내에 원하지 않은 금속간 화합물이 생성되는 것을 방지하기 위해서는 보다 적은 양의 마그네슘을 사용하는 것이 바람직하다. 최소 약 1 중량%의 마그네슘을 함유한 실리콘 카바이드로된 예비성형체의 경우, 거의 순수한 질소 분위기 하에서 이 예비성형체를 알루미늄 매트릭스 금속에 접촉시키면 이 매트릭스 금속이 예비성형체내로 자발적으로 용침되는 것으로 밝혀졌다. 알루미나로 된 예비성형체의 경우, 자발 용침을 일으키는데 요구되는 마그네슘의 양은 다소 많아진다. 특히, 알루미늄 매트릭스 금속의 실리콘 카바이드 예비성형체내로 용침시와 동일한 온도와 동일한 질소 분위기 하에서 알루미나 예비성형체를 알루미늄 매트릭스 금속에 접촉시키는 경우, 바로 위에서 설명한 실리콘 카바이드 예비성형체내로의 알루미늄 매트릭스 금속의 용침과 동일한 용침 정도를 달성하는데 최소 약 8 중량%의 마그네슘이 필요한 것으로 밝혀졌다.

또한, 매트릭스 금속이 충전재 소재 혹은 예비성형체내로 용침하기 전에, 합금의 표면 및/또는 예비성형체 혹은 충전재 소재의 표면 및/또는 예비성형체 혹은 충전재 소재 내에 용침 촉진제 및/또는 용침 촉진제 선구물질을 공급할 수 있다는 것이 밝혀졌다(즉, 용침 촉진제 또는 용침 촉진제 선구물질을 매트릭스 금속에 합금시킬 필요 없이 단순히 자발 용침 계에 공급하여도 된다). 예를 들면, 알루미늄/마그네슘/질소 계에 있어서, 매트릭스 금속의 표면 상에 마그네슘을 도포하는 경우, 상기 매트릭스 금속의 표면은 충전재 소재의 통기성 덩어리에 가장 인접한 표면, 바 람직하게는 충전재 소재와 접촉한 표면이 되어야 하며: 그렇지 않으면 이러한 마그네슘은 예비성형체 혹은 충전재 소재의 최소한 일부와 혼합될 수 있다 또한, 매트릭스 표면 상에 마그네슘을 도포하는 방법, 예비성형체의 적어도 일부분만 마그네슘을 위치 및 합금시키는 방법 등을 조합한 마그네슘 부가 방법도 사용할 수 있다. 용침 촉진제 및/또는 용침 촉진제 선구물질 부가하기 위한 이와 같이 조합된 방법에 의하면 예비성형체내에 매트릭스 알루미늄 금속이 용침되는 것을 촉진시키는데 필요한 총 마그네슘의 양이 감소되며, 또한 보다 낮은 온도에저 용침반응이 일어난다. 또한, 마그네슘의 존재에 기인하여 생성되는 원하지 않는 금속간 화합물의 양도 최소화된다.

추가의 합금 원소 및 분위기 기체내의 질소의 농도 또한 주어진 온도에서 매트릭스 금속의 질화의 정도에 영향을 준다. 예를 들면, 아연 또는 철과 같은 추가의 합금 원소를 합금 내에 포함시키거나 합금의 표면 창에 배치하면 용침 온도가 감소되고, 이에 의해 질화물의 생성량이 감소된다. 이에 반해, 분위기 기체내의 질소의 농도를 상승시키면 질화물의 생성이 촉진될 수 있다.

합금내의 마그네슘의 농도 및/또는 합금의 표면상 배치된 마그네슘의 농도 및/또는 충전재 소재 혹은 예비성형체에 결합된 마그네슘의 농도 역시 주어진 온도에서 용침의 정도에 영향을 준다. 따라서, 마그네슘이 예비성형체(또는 충전재 소재)와 거의 접촉하지 않는 경우, 합금내의 마그네슘의 농도는 최소 약 3 중량%는 되어야 한다. 만일 마그네슘의 농도가 3 중량% 이하(예로써, 1 중량%)이면 용침을 달성하는데 보다 높은 처리 온도 또는 추가의 합금 원소가 필요해진다. (1) 합금내의 마그네슘 함량이 예로써 최소 약 5 중량%까지 증가하는 경우 및/또는 (2) 합금 성분을 예비성형체의 통기성 덩어리와 혼합한 경우 및/또는 (3) 알루미늄 합금 내에 아연 또는 철과 같은 다른 원소가 존재하는 경우에는 본 발명의 자발 용침 반응을 일으키는데 필요한 온도가 낮아질 수 있다. 또한, 충전재 소재의 종류가 달라지면, 자발 용침 반응은 온도가 달라진다. 일반적으로는 최소 약 675℃의 온도에서, 바람직하게는 최소 약 750-800℃의 온도에서, 알루미늄/마그네슘/질소 계의 자발적이고도 점진적인 용침 반응이 일어나며, 온도가 1200℃를 초과하면 용침 반응에 불리하다. 특히, 유용한 용침 반응의 온도 범위는 약 675℃ 내지 1000℃의 범위인 것으로 밝혀졌다. 그러나, 일반적으로 자발 용침 온도는 매트릭스 금속의 융점 이상의 온도 내지 기화 온도 이하의 온도 범위이며, 또한, 충전재 소재의 융점 이하의 온도로 해야 한다. 온도가 높아짐에 따라 매트릭스 금속과 용침 분위기 사 이에서 반응 생성물이 생성되는 경향이 증가한다(예를 들면, 매트릭스 금슥으로서 알루미늄을 사용하고, 용침 분위기로서 질소를 사용하는 경우, 질화 알루미늄이 생성된다). 이와 같은 반응 생성물은 제조된 금속 매트릭스 복합체의 사용 목적에 따라 바람직한 경우도 있고 바람직하지 않은 경우도 있다 또한, 용침 온도를 얻기 위해 전기 저항 가열 방식을 사용하기도 한다. 그러나, 매트릭스 금속을 용해시킬 수 있고, 자발 용침에 악영향을 주지 않는 한 어떠한 가열 방식을 사용해도 무방하다.

본 발명의 방법에서는, 예를 들면, 통기성을 지닌 예비성형체 흑은 충전재 소재를 질소 함유 기체의 존재하에서, 그리고 공정 과정중의 적어도 몇 번의 시점에서 용융 알루미늄에 접촉시킨다. 질소 함유 기체는 예비성형체 혹은 충전재 소재 및/또는 용융 알루미늄 매트릭스 금속중 적어도 어느 하나와 계속해서 접촉하는 연속적인 유동 상태를 유지하면저 공급될 수 있다. 질소 함유 기체의 유속은 결정적인 사항은 아니지만, 임의의 질화물이 생성됨에 따라 분위기로부터의 질소의 손실 양을 보상할 수 있을 만큼 층분한 유속으로, 그리고, 용융 금속 및/또는 용침 촉진제 및/또는 용침 촉진제 선구물질을 산화시키는 공기의 혼입을 방지할 수 있을 정도의 충분한 유속으로 해주어야 한다.

본 발명의 금속 매트릭스 복합체의 제조 방법은 여러 가지 종류의 충전재 소재에 적용할 수 있으며, 충전재 소재는 매트릭스 금속 합금, 공정 조건, 용융 매트릭스 금속 합금의 충전재 소재에 대한 반응성, 원하는 최종 복합체의 특성 등과 같은 여러 가지 인자에 따라 다양하게 선택할 수 있다. 예를 들면, 알루미늄이 매트릭스 금속인 경우의 적절한 충전재 소재로서는 (a)산화물(예, 알루미나, 마그네시아, 지르코니아), (b)탄화물(예, 실리콘 카바이드), (c)붕화물(예, 알루미눔 도데카보라이드, 티타늄 디보라이드), (d)질화물(예, 질화 알루미늄) 및 (e)이들의 혼합물 등을 들 수 있다. 충전재 소재가 용융 알루미늄 매트릭스 금속과 반응하는 경향이 있는 경우에는, 용침 시간 및 용침 온도를 최소화하거나 충전재 소재 위에 비반응성 코팅을 도포함으로써 위와 같은 반응을 방지할 수 있다. 충전재 소재로서는 기층 위에 세라믹 코팅을 하여 침식 또는 열화되지 않도록 한 탄소 또는 비세라믹 재료와 같은 기질(substrate)이 포함될 수 있다. 적절한 세라믹 코팅 물질로서는 산화물, 탄화물, 붕화물 및 질화물이 포함된다. 본 발명의 제조 방법에 적합한 세라믹에는 입자 형태, 플레이트리트(platelet) 형태, 휘스커 형태 및 섬유 형태의 알루미나 및 실리론 카바이드가 포함된다. 섬유 형태의 세라믹은 짧게 자른 불연속 형태로 하거나 멀티필라멘트와 같은 연속 형태로 할 수 있다. 또한, 충전재 소재 혹은 예비성형체는 균질로 하거나 비균질로도 할 수 있다.

어떤 종류의 충전재 소재는 유사한 화학 조성을 가진 다른 충전재 소재에 비해 용침성이 우수하다는 것이 밝혀졌다. 예를 들면, 미국 특허 제4,713,360호 및 미국 특허 출원 제819,397호에 개시되어 있는 방법에 의해 제조된 분쇄 알루미나는 시판되는 일반 알루미나에 비해 우수한 용침성을 나타낸다. 1987년 12월 15일자로 마크 에스. 뉴커크 등에게 허여된 새로운 세라믹 물질과 그 제조 방법 이라는 명칭의 미국 특허 제4,713,360호에 개시된 방법으로 만들어진 분쇄된 알루미나는 상업적으로 유용한 알루미나 생성물에 비하며 양호한 용침 특성을 나타내고 있다. 더욱이, 1989년 7 월 25일자로 마크 에스. 뉴커크 등에게 허여된 끼워진 충전재 소재를 구비한 복합 세라믹 물체의 제조 방법 이라는 명칭의 공동 명의의 미국 특허 제4,851,375호에 개시된 방법으로 만들어진 분쇄된 알루미나는 또한 상업적으로 유용한 알루미나 생성물에 비하여 양호한 용침 특성을 나타내고 있다. 이들 특허의 특징은 본 발명에 참조하였다. 따라서, 상기 미국 특허 및 특허 출원의 방법에 의해 제조된 분쇄된 알루미나를 사용하면 보다 낮은 용침 온도 및/또는 보다 낮은 용침 시간에 용침이 완료될 수 있다.

충전재 소재(혹은 예비성형체)의 치수, 형상, 화학적 성질 및 체적%에 따라 완성된 복합체의 특성은 달라진다. 충전재 소재의 형태에 의해 용침 반응이 제한을 받는 것은 아니므로, 충전재 소재는 입자 형태, 휘스커 형태, 플레이트리트 형태 또는 섬유 형태 등의 형태를 취할 수 있으며, 이 밖에도 구 형태, 세관(tubule) 형태, 펠리트 형태, 내화 섬유의 직물 형태 등도 사용할 수 있다. 또한, 입자가 큰 충전재 소재에 비해 입자가 작은 충전재 소재가 그 용침을 완료하는데 더 높은 온도와 긴 시간이 필요하며, 특정의 반응은 조건에 따라 반대가 될 수 있다. 본 발명에서는 평균 직경이 1㎛ 이하 내지 약 1100㎛ 인 충전재 소재를 성공적으로 사용 할 수 있으며, 약 2㎛ 내지 1000㎛ 의 평균 입경을 가진 충전재 소재는 공업용으로 광범위하게 사용할 수 있다. 또한, 용침될 충전재 소재(혹은 예비성형체)의 덩어리는 침투성이 있어야 한다(즉, 적어도 용융 매트릭스 금속 및/또는 용침 분위기가 용침할 수 있을 정도의 상호 연결된 기공을 구비해야 한다). 또한, 충전재 소재 또는 예비성형체를 구성하고 있는 물질의 치수(예, 입경) 및/또는 기하학적 형태 및/또는 조성을 제어함으로써, 형성된 금속매트릭스 복합체의 물리적 특성 및 기계적 특성은 사용 목적에 알맞게 조절될 수 있다. 예를 들면, 충전재 소재의 내마모성이 매트릭스 금속의 내마모성보다 큰 경우, 충전재 소재의 치수를 증가시킴에 의해(예, 충전재 소재 입자의 평균 직경을 증가시킴에 의해) 금속 매트릭스 복합체의 내마모성을 증가시킬 수 있다. 그러나, 강도 및/또는 인성은 충전재의 치수를 감소시킴에 따라 증가하는 경향이 있다. 또한, 충전재의 열팽창 계수가 매트릭스 금속의 열팽창 계수보다 작은 경우, 금속 매트릭스 복합체의 열팽창 계수는 충전재의 배합량이 증가함에 따라 감소한다. 또한, 형성된 금속 매트릭스 복합체의 기계적 특성 및/또는 물리적 특성(예, 밀도, 열팽창 계수, 탄성 계수 및/또는 비탄성 계수, 강도 및/또는 비강도 등)은 결합력이 느슨한 덩어리 또는 예비성형체내의 충전재 소재의 배합량에 의해 조절할 수 있다 예를 들면, 다양한 치수 및/또는 다양한 형상의 충전재 입자의 혼합물을 포함하는 결합력이 느슨한 덩어리 또는 예비성형체(여기에서, 충전재의 밀도는 매트릭스 금속의 밀도보다 큼)를 제공하면, 충전재 소재의 충진율이 향상됨에 따라, 증대된 밀도를 가진 금속 매트릭스 복합체를 얻을 수 있다. 본 발명에 따르면, 용침될 수 있는 충전재 소재 또는 예비성형체의 체적%는 광범위하게 변화될 수 있다. 용침될 수 있는 충전재의 체적%의 하한치(예, 약 10체적%)는 다공질 충전재 소재 또는 예비성형체를 형성하는 능력에 의해 기본적으로 제한되며, 그 상한치(예, 약 95체적%)는 적어도 연속 가공을 갖는 높은 밀도의 충전재 소재 또는 예비성형체를 형성하는 능력에 의해 제한된다. 따라서, 전술한 방법들을 독자적으로 혹은 조합하여 실행함으로써, 소망의 성질을 갖는 금속 매트릭스 복합체를 설계할 수 있다.

용융 매즈릭스 금속을 예비성형체 또는 충전재 소재 덩어리 내에 강제적으로 혹은 압압식으로 용침시키기 위해 압력을 사용하지 않는 본 발명의 금속 매트릭스 복합체 제조 방법에 의하면, 충전재 소재의 체적 분율이 높은 그리고 기공도가 낮은 거의 균일한 금속 매트릭스 복합체를 제조할 수 있다. 기공도가 낮은 충전재 소재 덩어리를 사용하면 충전재 소재의 체적 분율이 높은 복합체를 얻을 수 있으며, 또한, 용융 합금에 의한 용침이 방해되지 않을 정도로 충전재 소재 덩어리를 압축 성형 또는 치밀화시킴으로써 충전재 소재의 체적 분율이 높은 복합체를 얻을 수 있다. 특히, 진동 충진법, 입자 크기의 분포 제어법 등과 같은 방멉을 이용하며 약 60-80 체적%를 달성할 수 있다. 그러나, 이 보다 높은 체적 분율을 얻기 위해서는 다른 방법을 사용할 수도 있다. 본 발명에 따른 가열 성형을 위해 충전재의 체적 분율은 40-50% 정도가 바람직하다. 이 정도의 체적 분율에서, 용침된 복합체는 그것의 형상을 유지할 수 있기 때문에 후속하는 2차 가공이 용이해진다 그러나, 가열 성형 후 원하는 최종 복합체의 배합량에 따라 더 높거나 낮은 입자의 배합량 혹은 체적 분율이 사용될 수 있다. 더욱이, 보다 낮은 입자 배합량을 얻기 위해 본 발명의 가열 성형 공정과 연관지어 입자 배합량을 감소시키는 방법이 사용될 수 있다.

알루미늄의 용침 및 세라믹 충전재 주위의 매트릭스 형성에 있어서, 알루미늄 매트씩스 금속에 의한 세라믹 충전재의 습윤성은 용침 기구(infiltration mechanism)에서 중요한 역할을 하는 것으로 밝혀졌다. 더욱이, 용융 매트릭스 금속에 의해 충전재의 습윤성은, 형성된 금속 매트릭스 복합체를 통해 충전재가 균일하게 분포될 수 있도록 해주며, 그리고 매트릭스 금속에 대한 충전재의 결합력을 향상시킨다. 또한, 낮은 처리 온도에서는 무시할 수 있을 정도의 금속의 질화 반응이 일어나고, 그 결과 소량의 질화 알루미늄 불연속상이 금속 매트릭스 내에 분산상으로서 존재하게 된다. 반대로, 용침 온도가 고온이 되면 금속의 질화가 용이하게 발생하게 된다. 따라서, 용침 온도를 변화시켜 주면 금속 매트릭스내의 질화물 상의 양은 조절될 수 있다. 또한, 질화물의 생성이 더욱 현저해지는 구체적인 처리 온도는, 사용한 매트릭스 알루미늄 합금, 충전재 또는 예비성형체의 체적에 대한 매트릭스 알루미늄의 양, 용침될 충전재 소재 및 용침 분위기내의 질소의 농도 등과 같은 인자에 따라 달라진다. 예를 들면, 합금이 충전재를 습윤시키는 능력이 감소할수록 그리고 용침 분위기중의 질소 농도가 증가할수록, 주어진 공정 온도에서 질화 알루미늄의 생성 정도는 증가한다고 밝혀졌다.

따라서, 복합체의 생성중의 금속 매트릭스의 구성 상태를 조절해 줌으로써 완성된 복합체에 원하는 특성을 부여할 수 있게 된다. 하나의 주어진 계에 있어서, 질화물의 생성을 제어하도록 공정 조건을 선택할 수 있다. 질화 알루미늄 상을 함유한 복합체는 제품의 성능에 유리하거나 혹은 그것을 개선할 수 있는 우수한 특성을 나타낸다. 또한, 알루미늄 합금의 자발 용침을 위한 온도 범위는 사용한 세라믹 물질에 따라 달라진다. 충전재 소재로서 알루미나를 사용한 경우, 질화물의 생성에 기인된 매트릭스 금속의 전성의 감소를 방지하려면 용침 온도가 약 1000℃를 초과해서는 안된다. 그러나, 전성은 약하지만 강성(stiffness)이 우수한 성질을 가진 복합체를 제조하고자 하는 경우에는 1000℃를 초과하는 용침 온도를 사용할 수 있다. 충전재 소재로서 실리콘 카바이드를 사용하고, 매트릭스 금속으로서 알루미늄을 선택한 경우에는 약 1200℃의 고온을 사용할 수 있는데, 이는 충전재 소재로서 알루미나를 사용한 경우보다는 실리콘 카바이드를 사용한 경우가 알루미늄 합금의 질화 정도가 낮기 때문이다.

더욱이, 금속 매트릭스 복합체의 금속상은, 금속 매트릭스 복합체의 금속상 중에 천이 금속(즉, Ni, Co, Fe, Ti, Zr 등) 또는 선구물질을 배합함으로써 개선될 수 있다. 예를 들면, 천이 금속은 충전재 소재의 적어도 일부에 배합될 수 있다. 더욱이, 천이 금속은, 용융 매트릭스 금속과 접촉할 때, 천이 금속을 방출하는 환원 가능한 화합물로부터 제공될 수 있다. 또한, 전이 원소는 매트릭스 금속의 합금 성분이 될 수 있다.

일실시예에 따르면, 천이 금속은 매트릭스 금속과의 금속간 화합물(예, NiAl, Ni₂Al, Fe₃Al, TiAl, Co₃Al, Zr₃Al 등)을 생성할 수 있다. 더욱이, 금속 매트릭스 복합체의 금속상 표면의 적어도 일부는 탄화, 질화, 붕화 등에 의해 개질 될 수 있다. 더욱 중요한 것은, 형성된 금속 매트릭스 복합체 내의 금속상을 개질시킴으로써, 개질된 금속상을 갖지 않는 금속 매트릭스 복합체와 비교하여 향상된 내부식성, 내침식성 및 내열성을 갖는 금속 매트릭스 복합체의 제조가 가능하다.

또한, 금속 매트릭스 복합체내의 매트릭스 금속의 구성 상태 및 기공도와 같은 결함은, 금속 매트릭스 복합체의 냉각 속도를 제어함에 따라 개질시킬 수 있다. 예를 들면, 금속 매트릭스 복합체는 각종의 방법들에 의해 방향성 응고될 수 있다. 이러한 방향성 응고법의 예로는, 금속 매트릭스 복합체를 담고 있는 용기를 냉각판(chill plate)에 배치시키는 방법 및/또는 용기의 주위에 단열재를 선택적으로 배치시키는 것을 들 수 있다. 또한, 금속 매트릭스의 구성 상태는 금속 매트릭스 복합체를 형성한 후에 변경될 수 있다. 예를 들면, 금속 매트릭스 복합체에 열처리를 가하면 금속 매트릭스 복합체의 인장 강도가 향상된다(표준 인장 강도 시험법은 ASTM-D3552-77(1982년에 재승인 됨)이다).

매트릭스 금속으로서 520.0 알루미늄 합금을 함유한 금속 매트릭스 복합체를 위한 바람직한 열처리의 예로는, 금속 매트릭스 복합체를 고온(예, 430℃)으로 가열하여 이 온도에서 장시간(예, 18-20시간) 유지하는 열처리를 들 수 있다. 그 다음, 이 금속 매트릭스를 약 100℃의 열탕 중에서 약 20초간 급랭(quenching: 즉, T-4 열처리)시킴으로써, 복합체가 인장 응력에 저항하는 능력을 적절히 조절 및 향상시킬 수 있다.

또한, 충전재 소재에 대한 용침 반응의 완료 및/또는 제1매트릭스 금속과 다른 포성의 제2매트릭스 금속의 공급을 위해 매트릭스 금속 저장부를 사용할 수 있다. 특히, 어떤 경우에는 제1매트릭스 금속과 그 조성이 다른 제2매트릭스 금속을 사용하는 것이 바람직할 경우도 있다. 예를 들면, 알루미늄 합금을 제1매트릭스 금속으로서 사용할 경우, 처리 온도에서 용융 상태인 다른 금속 또는 다른 합금을 제2매트릭스 금속으로서 사용할 수 있다. 일반적으로, 용융 금속은 적절한 시간 동안 방치해 두면 서로 혼합되는 성질이 있다. 본 발명에 따르면, 자발 용침중인 예비성형체, 즉 제1매트릭스 금속에 의해 부분적으로 용침된 예비성형체는, 기체 흐름 또는 기타의 기구(mechanism)에 의해, 제2매트릭스 금속을 포함한 매트릭스 금속 저장부내로 도입될 수 있다. 또한, 일반적 용융 금속은 적절한 시간 동안 방치해 두면 서로 혼합되는 성질이 있으므로 제1매트릭스 금속과는 조성이 다른 제2매트릭스 금속 저장부를 사용하면 여러 가지 사용 목적에 부합되는 특성을 가진 금속 매트릭스를 얻을 수 있고, 따라서 완성된 금속 매트릭스 복합체의 특성도 조절할 수 있다.

본 발명에서는 또한 차단 수단(barrier means) 사용할 수 있다. 특히, 본 발명에서 사용하는 차단 수단은 용융 매트릭스 금속 합금(예, 알루미늄 합금)이 충전재 소재 또는 예비성형체의 소정의 경계면을 초과하여 유동하는 것을 방지할 수 있는 것이라면 어떠한 수단도 가능하다. 적절한 차단 수단으로서는 본 발명의 처리 조건하에서 그 형태를 유지할 수 있고, 휘발하지 않으며, 처리에 사용된 기체가 용침할 수 있으며, 세라믹 충전재 소재의 소정의 경계면을 초과하는 용침을 방지할 수 있는 임의의 물질, 화합물, 원소, 조성물 등을 들 수 있다. 차단 수단은 자발 용침 중에 사용하거나, 이하에 후술된 바와 같이, 자발 용침된 금속 매트릭스 복합체의 가열 성형 공정과 관련하여 사용되는 기타의 고정 구조물 또는 임의의 주형 내에서 사용할 수 있다.

적절한 차단 수단에는, 채용된 처리 조건하에서 용침하는 용융 매트릭스 금속 합금에 의해 거의 습윤되지 않는 재료가 포함된다. 이러한 종류의 차단 수단은 용융 매트릭스 금속에 대한 친화력이 거의 없으므로 충전재 소재 또는 예비성형체의 소정의 경계면을 초과하는 용융 매트릭스 금속의 용침을 차단하게 된다. 또한, 차단 수단을 사용하면 금속 매트릭스 복합체에 요구되는 최종 기계 가공이나 연삭 가공의 필요성을 감소시킬 수 있다. 전술한 바와 같이, 분위기 기체가 용융 매트릭스 합금에 접촉할 수 있도록, 차단 수단이 통기성을 가지는 것이 바람직하다.

특히, 알루미늄 매트릭스 금속 합금에 대해 유용한 차단 수단은 탄소를 함유한 차단 수단이며, 특히 탄소의 동소체인 흑연을 함유한 차단 수단이다. 흑연은 처리 조건하에서 용융 알루미늄 합금에 의해 습윤되지 않으며, 특히 바람직한 흑연으로서는 유니온 카바이드사의 상표명 GRAFOIL로 시판되는 흑연 호일(foil)을 들 수 있다. 이 흑연 박막은 용융 알루미늄 합금이 충전재 소재의 소정의 경계면을 초과하여 유동하는 것을 방지해주는 차단 특성을 발휘한다. 이 흑연 박막은 또한 내열성이 우수하며 화학적으로 불활성이다. 또한 이 GRAFOIL흑연 박막은 가요성 및 탄력성이 있으므로 임의의 다양한 형상으로의 성형이 가능하다. 그러나, 슬러리 또는 페이스트 형태의 흑연 차단 수단을 사용할 수도 있으며, 경우에 따라 충전재 소재 또는 예비성형체의 주위에 박막 형태로 흑연 차단 수단을 도포할 수도 있다. GRAFOIL을 사용하는 것이 바람직한 이유는, 이것이 가요성의 흑연 시트(sheet)로서 충전재 소재 또는 예비성형체의 둘레에 쉽게 설치할 수 있기 때문이다.

질소 분위기 하에서의 알루미늄 매트릭스 금속 합금에 대해 바람직한 그 밖의 차단 수단으로 천이 금속 붕화물(예, 티타늄 디보라이드(TiB2))이 있는데, 이 물질은 채응한 처리 조건하에서 용융 알루미늄 합금에 의해 습윤되지 않는다. 그러나, 이러한 종류의 차단 수단을 사용하는 경우, 처리 온도가 약 875℃를 초과해서는 안되며, 만일 이 온도를 초과하면 차단 수단의 기능이 떨어지며, 온도가 상승함에 따라 차단 수단 내로의 용침도 발생하게 된다. 더욱이, 차단 수단의 입자 크기는 자발 용침을 저지하는 물질의 능력에 영향을 미친다. 상기 천이 금속 붕화물은 전형적으로 입자 형태(1-30㎛)이며, 이는 세라믹 충전재 소재 성형체(또는 예비성형체)의 소정의 경계면에 슬러리 또는 페이스트 상태로 도포될 수 있다.

질소 분위기 하에서의 알루미늄 매트릭스 금속 합금에 대해 유용한 그 밖의 차단 수단으로는 충전재 소재 또는 예비성형체의 외면상에 박막 또는 층상으로 설치되는 휘발성이 낮은 유기 화합물이 포함된다. 질소 분위기 하에서, 특히 본 발명의 처리 조건하에서 가열되면, 이 유기 화합물은 분해되며 탄소 박막이 남는다. 유기 화합물은 페인팅법, 스프레이법, 디핑법(dipping) 등과 같은 종래의 기술을 이용하여 도포할 수 있다.

또한, 충전재 소재보다 용침이 느리게 발생하는 미세하게 분쇄한 미립자 물질도 차단 수단으로 사용할 수 있다.

차단 수단은 소정의 경계면상에 차단층(layer)을 마련하는 등의 임의의 적절한 방법으로 형성할 수 있으며, 페인팅법, 디핑법, 실크 스크린법, 증착법, 액상 도포법, 슬러리 도포법, 페이스트 도포법, 기화성 있는 차단 수단의 스퍼터링법, 고체입자 형태의 차단층의 용착법, 고체 박막 형태의 차단 수단을 마련하는 등의 방법으로 형성할 수 있다. 이와 같은 차단 수단을 설치한 경우, 용융 매트릭스 금속이 소정의 경계면과 이 차단 수단에 접촉하면 자발 용침은 중지된다.

이하, 본원 발명의 몇 가지 실시예에 대해 설명한다. 본 실시예는 본원 발명의 일예로서 본원 발명이 본 실시예에 한정되는 것은 아니다.

[실시예 1]

본 실시예는, 본 발명의 방법을 사용하여, 테이프 캐스팅 예비성형체의 용침을 행암으로써, 예비성형체의 형상과 닮은 금속 매트릭스 복합체를 제조할 수 있다는 것을 예시한다. 용침을 행하기 위해 사용되는 설비는 제1a도-제1c도에 개략적으로 도시되어 있다.

수 주형 절반부(22)와 암 주형 절반부(10)로 나누어진 흑연 주형을 사용하여, 표준 테이프 캐스팅법에 따라 펜실베이니아주 모리스빌 소재의 Keramos Industries, Inc. 사의 테이프 캐스팅 시트(14)를 성형하였다. 흑연 주형의 외부 치수는 약 Tin(178㎜) × 9in(229㎜) × 2in(51㎜)로 측정되었다. 흑연 주형의 내부는 유체 유동을 허용하기에 충분하도록 상호 연결된 상부 공동(20)과 하부 공동(18)을 각각 구비하고 있다. 주형의 외부로 향해 개방된 상부 공동(20)은 용침 전에 매트릭스 금속을 수용한다. 하부 공동(18)은, 직사각형 주변에 대해 수직이고 그 둘레에 연접하는 립(lip)을 구비한 직사각형의 조형물로 테이프 캐스핑 시트 재료(14)를 압축 성형하기 위해 사용되었다.

테이프 캐스팅 시트 재료(14)를 예비성형체로 성형하기 위하여, 두 부분으로 나누어진 흑연 주형의 상부(20) 및 하부(18) 공동을, 콜로이드상의 흑연(12)(미시간주의 포트 휴론(Port Huron) 소재의 아케슨 콜로이드 컴패니(Acheson Colloid Company)사의 디 에이 쥐 154(DAG 154)제품) 슬러리로 피복시켰다.

약 6중량% 마그네슘 분말(펜실베이니아주의 타마쿠아 소재의 하트 코오포레이숀 사의 제품으로, 입경 325 메쉬(45㎛) 이하)과 28중량%의 500 그릿(17㎛의 입경)의 미가공된 탄화규소(매사츄세츠주의 워세스터 소재의 노턴 컴패니사의 등록 상표) 39 CRYSTOLON및 잔부가 220 그릿(입경: 66㎛)의 미가공된 탄화규소(매사츄세츠주 워세스터 소재의 노턴 컴패니의 등록상표인 39 CRYSTOLON)을 포함하고, 각 변의 길이가 약 5.5in(140㎜)이고 두께가 약 35 mil(0.9㎜)인 테이프 캐스팅 시트 재료(14)를, 흑연 주형의 암 주형 절반부(10)의 피복된 하부 공동(12, 18)에 마주하여 위치시켰다. 하부 공동(18)의 치수는 테이프 캐스팅 시트 재료(14)보다 더 작고, 전술한 직사각형 형상과 일치한다. 흑연 주형의 수 주형 절반부(22)는 암 주형 절반부(10) 내의 테이프 캐스팅 시트(14)쪽으로 이동시켰다. 흑연 주형의 두 부분은 암 주형 절반부(10)의 하부 공동(18)의 형상으로 유연한 테이프 캐스팅 시트(14)를 변형시키기 위해 외력이 가해져 소정의 위치에서 클램핑 된다.

성형된 테이프 캐스트 재료로 완성된 예비성형체(18)의 연부는 상부 공동(20)을 향해 하부 공동(18)으로부터 연장되었다. 테이프 캐스팅 예비성형체의 노출 연부를 마그네슘 분말(16)(펜실베이니아주 타마쿠아 소재의 하트 코오포레이숀사의 제품으로, 입경 100 메쉬(150㎛) 이하)의 층으로 피복시켰다. 상부 공동(20)이 상향으로 향하도록 흑연 주형과 그 내용물을 배향시켰다. 흑연 주형(10, 22)의 상부 공동(20)의 치수는 약 5in(127㎜) × 3in(76㎜) × 1in(25㎜)이다. 그 다음, 흑연 주형(10, 22)과 그 내용물을 약 4in(102㎜) × 15in(381㎜) × 1in(25㎜)의 치수를 갖는 흑연 보트(26)에 배치시켰다. 흑연 주형의 상부 공동은 매트릭스 금속 합금(24)의 치수와 거의 동일한 치수의 공급 박스(28)를 형성하기 위하여 흑연 박막(오하이오주의 클리브랜드 소재의 유니온 카바 이드사의 카본 프로덕츠 사업부(Carbon Products Div,)의 등록상표인 GRAFOIL)을 일렬로 나란하게 늘어 세웠다. 특히, 흑연 박막 공급 박스(28)는 흑연 주형(10, 22)의 상부 공동(20) 내부에 배치되기 때문에, 폭 약 2.5(65㎜), 길이 약 0.5in(13㎜)이 더 작은 통로나 슬롯은 마그네슘으로 코팅된 예비성형체의 연부(16)에 인접해 있다. 약 500g의 중량을 갖고, 약 15중량%의 실리콘과, 5 중량%의 마그네슘, 잔부가 알루미늄으로 되는 매트릭스 금속(24)의 잉곳을 상부 공동(20) 내의 흑연 박막 공급 박스(28) 안에 배치시켰다.

흑연 보트(26)와 그 내용물을 진공로 내부에 배치시켰다. 로 분위기를 약 30in의 수은 진공으로 배기시킨 후, 대기압에서 질소 가스를 다시 채웠다. 로내의 질소 가스 유량을 분당 약 5리터로 유지시켰다. 로 온도를 시간당 약 200℃ 의 속도로 실온으로부터 약 200℃ 까지 상숭시켰다. 약 200℃ 에서 약 4.5 시간 유지 시킨 후, 온도를 시간당 약 50℃의 속도로 약 825℃ 까지 상승시켰다. 약 825℃ 에서 약 15시간 유지시킨 후, 흑연 보트(26)와 그 내용물을 로에서 취출하여 방향성 응고를 할 수 있도록 수냉식 알루미늄 켄칭판의 상부에 놓았다. 흑연 주형 (10, 22)의 상부 공동(20) 내의 용융 매트릭스 금속(24)의 상부에 핫토핑 재료의 입상 혼합물(오하이오주의 클리브랜드 소재의 포세코 인코오포레이티드(Foseco, Inc.)의 등록상표인 FEEDOL9)를 주입시킴으로써 방향성 응고를 증가시켰다. 실온에서 냉각시킨 후에, 흑연 주형(10, 22)을 분해하여, 매트릭스 금속(24)의 적어도 일부를 테이프 캐스팅 세라믹 예비성형체(14)에 용침시켜 거의 망상(net shape)의 금속 매트릭스 복합체 물질을 제조하였다.

[실시예 2]

본 실시예에는, 본 발명에 따라 매트릭스 금속의 하나의 저장부로부터 복수개의 예비성형체를 용침시킴으로써 여러 개의 얇은 금속 매트릭스 복합체를 제조하는 방법이 예시되어 있다. 용침을 행하기 위해 사용되는 설비는 제2도에 개략적으로 도시되어 있다.

예비성형체(52)로는, 약 24시간 보올 밀(ball-milled) 건조된 220 그릿(평균 입도 66㎛)의 미가공된 탄화규소 분말(매사츄세츠주 워세스터 소재의 노턴 컴패니사의 등록상표인 39 CRYSTOLON)과 500그릿(평균 입도 66㎛)의 미가공된 탄화규소 분말과의 약 70:30의 배합을 사용하였다. 약 6중량% 의 마그네슘 분말(뉴저지주 레이크허스트 소재의 리드 매뉴팩츄어링 컴패니(Reade Manufacturing Co.)의 -325 메쉬(모든 입자의 직경은 45㎛ 이하임))을 탄화규소의 배합물에 첨가하여, 그 배합물을 통상의 테이프 캐스팅법에 따라 펜실베이니아 주의 모리스빌 소재의 케라모스 인더스트리즈, 인코포레이티드사에서 시판하는 얇은 예비성형체로 테이프 캐스팅시켰다. 테이프 캐스팅 예비성형체(52)의 치수는 약 3.4375in(87㎜)의 폭, 약 3.25in(83㎜)의 길이, 약 0.5in(13㎜)의 두께이다. 예비성형체와 박막(50)을 각각의 치수가 3.4375in(87㎜)의 폭, 3.25in(83㎜)의 길이, 0.035in(0.89㎜)의 두께인 2매의 흑연 박막(50)(오하이오주의 클리브랜드 소재의 유니온 카바이드 컴패니의 카본 프로덕츠 사업부의 등록상 표인 GRAFOIL)상에 번갈아 적층시킴으로써, 복수개의 테이프 캐스팅 예비성형체(52)로 이루어진 집합체(50, 52, 54, 56)를 제조하였다. 2매의 흑연 박막 시트를 폭 3.4375in(87㎜), 길이 3.25in(83㎜), 두께 0.5in(13㎜)의 치수를 가진 제1의 흑연 타일(tile)(56) 위에 놓았다 흑연 박막(50)의 제1의 2층과 동일한 치수를 각각 구비하는 흑연 박막(50)의 2층을 각각 테이프 캐스팅 예비성형체(52) 상에 배치시켰다. 1매의 테이프 캐스팅 충전재 소재(52)와 2매의 흑연 박막(50)으로 된 이러한 층배열을 반복시켜 19매의 테이프 캐스팅 예비성형체로 이루어진 집합체(50, 52, 54, 56)를 제조하였다. 제1흑연 타일과 동일한 치수를 갖는 제2의 흑연 타일(54)을, 최후 2매의 흑연 박막(50) 상에 배치시켜 예비성형체 집합체(51, 52, 54, 56)를 완성하였다.

또한, 평균 입도가 약 216㎛ 인 미가공된 탄화규소 분말(62)(90그릿의 39 CRYSTOLON)을, 박스(60)의 벽에 인접하고 각 변의 길이 약 6in(152㎜) 이고 깊이가 10in(254㎜)의 GRAFOIL흑연 박막 박스(60) 중에 배치시켰다. 특히, 각 변의 길이가 4.5in(114㎜)이고 높이가 9in(229㎜)이고 양단부가 개방된 박스 형상의 GRAFOIL흑연 박막 성형품(도시되지 않음)을, GRAFOIL흑연 박막 박스의 바닥 중심에 배치시켰다. 평균 입도가 216㎛인 탄화규소 분말(62)을, 박스와 흑연 박막 성형품에 의해 획정된 공동 내의 흑연 박막 박스에 약 4in(102㎜)의 깊이까지 주입시켜 평평하게 만들었다. 약 15중량% 의 붕규산염 유리 원료(오하이오주의 캐롤톤(Carrollton) 소재의 퓨전 세라믹스, 인코오포레이티드(Fusion Ceramics, Inc.)의 제품인 F-12)와 잔부가 90그릿(평균 입도: 약 216㎛)의 알루미나(매사츄세츠주 워세스터 소재의 노턴 컴패니의 등록상표인 ElALUNDUM)로 된 입상 혼합물(58)을 흑연 박막 박스(60)(GRAFOIL)에서 약 0.125in(3㎜)의 깊이가 될 때까지 흑연 박막 성형품의 내부에 주입시킨다.

전술한 예비성형체 집합체(50, 52, 54, 56)를 약 90도 회전시켜 테이프 캐스팅 예비성형체(52)의 장축이 실질적으로 수직이 되도록 한다. 그 다음, 예비성형체 집합체(50, 52, 54, 56)를 GRAFOIL박스(60) 내의 입상 혼합물(58) 상의 중앙에 배치시켰다. 입상 혼합물(58)을 첨가하여, 예비성형체 집합체의 상부와 실질적으로 동일 평면으로 예비성형체 집합체 측면 주위에 주입시켰다. 예비성형체 집합체(50, 52, 54, 56)의 노출된 상면에, 마그네슘 분말(뉴저지주의 레이크허스트 소재의 리드 매뉴팩츄어링 컴패니의 제품인 -325메쉬(입경이 45㎛ 이하임) 2%를 첨가한 54그릿(평균 입도가 430㎛ 임)의 미가공된 탄화규소(39 CRYSTOLON) 와 90그릿(평균 입도가 216㎛ 임)의 미가공된 탄화규소(39 CRYSTOLON)의 건조 입상 70 : 30 중량비인 혼합물(64)로 된 층(대략 0.13in(3㎜)의 두께)으로 피복하였다. 그 다음, 마그네슘 분말(66)(펜실베이니아주 타마쿠아 소재의 하트 컴패니의 제품으로, 입도 100 메쉬(150㎛) 이하)로 된 약 0,138in(3㎜) 두께의 층을, 그 입상 혼합물층(64)의 상부에 배치하였다.

길이 4in(101㎜), 폭 2in(51min), 두께 0.5in(13㎜)이고, 15중량%의 실리콘과 5중량%의 마그네슘 및 잔부가 알루미늄으로 이루어진 매트릭스 금속(68)의 잉곳을, 매트릭스 금속 저장부 역할을 하기 위해 마그네슘 분말층(66)의 상부에 배치하였다. 추가의 유리 원료와 알루미나와의 입상 혼합물(58)을, 유리 원료 혼합물(58)의 레벨이 매트릭스 금속 잉곳(68)의 상부와 동일한 높이가 될 때까지, 흑연 박막 박스(60)의 매트릭스 금속 잉곳(68) 주위에 배치하였다. 그 다음, 각 변의 길이가 약 4.5in(114㎜) 인 GRAFOIL성형품을 설비로부터 취출하였다.

그 다음, 흑연 박막 박스(60)와 그 내용물은, 흑연 박막 박스(60)보다 약간 더 큰 스테인레스강 보트(70) 중에 배치하였다. 그 다음, 흑연 보트(70)와 그 내 용물을, 저항 가열식 조절 로 내부에 배치하였다. 로 챔버를 약 30in(762㎜)의 진공까지 배기시킨 후, 시판되는 순수 질소 가스로 다시 채웠다. 질소 가스를 분당 약 5리터의 유량으로 로를 통과시켰다. 로 온도를 시간당 약 50℃ 의 속도로 약 200℃까지 상승시키고, 약 42.5시간 동안 약 200℃ 로 유지시켰다 그 다음, 온 도를 시간당 약 50℃의 속도로 약 450℃까지 상승시키고, 약 5시간 동안 약 450℃로 유지시켰다. 그 후, 온도를 시간당 약 200℃ 의 속도로 약 825℃까지 상승시키고, 약 0.6시간동안 약 825℃로 유지시켰다. 스테인레스강 보트(70)와 그 내용물을 로에서 취출하였다. 흑연 박막 박스(60)와 그 내용물을 스테인레스강 보트(70) 에서 취출시키고, 수냉식 알루미늄 겐칭판 상에 배치시켜 용융 금속을 방향성 응고 시켰다. 온도 구배의 유지를 보조하기 위해, 핫토핑 혼합물(오하이오주 클리브랜드 소재의 포세코 인코오포레이티드의 등록상표인 FEEDOL9)을 용융 매트릭스 금속 저장부(68)의 상부에 주입시켰다. 실온까지 냉각시킨 후, 흑연 박막 박스(60)를 분해하여 매트릭스 금속 잉곳(68)이 테이프 캐스팅 예비성형체(50)에 용침된 19매의 앎은 금속 매트릭스 복합체가 형성되었다는 것이 확인되었다. 각각의 금속 매트릭스 복합체 시트(50)를 매트릭스 금속 잉곳(68)의 잔해로부터 분리시켰다.

[실시예 3]

본 실시예는 매트릭스 금속을 테이프 캐스팅 예비성형체에 용침지킴으로써 금속 매트릭스 복합체를 형성하는 다른 방법을 예시한다. 용침을 행하기 위해 사용되는 설비는 제3도에 개략적으로 도시되어 있다.

길이 약 4in(102㎜), 외경 약 2.5in(64㎜), 벽 두께 약 0,25in(6㎜) 이고, 중량%로 약 0.4∼0.8% Si, 0.7% Fe, 0.15∼0.40% Cu, 0.15% Mn, 0.8 ∼1.2% Mg, 0.04∼0 35% Cr, 0.25% Zn, 0.15% Ti, 잔부가 알루미늄인 매트 릭스 금속 튜브(80)를, 우선 그 내부를 샌드블래스트(sandblast)치킨 후, 240그릿 (평균 입도: 약 63㎛)의 샌드페이퍼를 사용하여 손으로 닦았다. 약 33중량% 의 마그네슘 입상물(펜실베이니아주 타마쿠아 소재의 하트 코오포레이숀 제품인 -325메쉬(입도 45㎛ 이하임))과 잔부가 에틸 알코올로 이루어진 슬러리(82)를 매트릭스 금속 튜브의 내부에 코팅시키고, 약 0.5 시간 공기 중에서 건조시켰다.

테이프 캐스팅 세라믹 시트(84)를 알루미늄 매트릭스 금속 튜브(80)의 내부 치수와 거의 일치하게 절단하여 예비성형체를 준비하였다. 테이프 캐스팅 세라믹 시트(84)를 약 0.035in(0.89㎜)의 두께를 갖고, 실시예 2의 테이프 캐스팅 시트 에서와 동일한 방법으로 만들고, 약 6중량% 의 마그네슘 분말(펜실베이니아주 타 마쿠아 소재의 하트 코오포레이숀 제품인 -325메쉬(입도≤45㎛))과 28중량%의 500그릿(평균 입도: 약 17㎛)의 미가공된 탄화규소(매사츄세츠주, 워세스터 소재의 노턴 컴패니의 등록상표인 39 CRYSTOLON)와, 잔부가 220그릿(평균 입도: 약 66㎛)의 미가공된 탄화규소(39 CRYSTOLON)로 구성되게 하였다. 예비성 형체의 형상은 매트릭스 금속의 튜브(80)의 내부 벽과 접촉하도록 테이프 캐스팅 세라믹 시트(84)를 위치시킴으로써 정한다. 0.035in(0.089㎜)두께의 테이프 캐스팅 세라믹인 제2 시트(86)를 제1 시트(84)와 유사하게 절단하여, 매트릭스 금속의 튜브(80) 내부에서 제1 시트(84)의 노출면과 접촉되도록 배치하였다.

흑연 박막의 시트(88)(오하이오주 클리브랜드 소재의 유니온 카바이드 컴패 니의 카본 프로덕츠 사업부의 등록상표인 GRAFOIL)를 절단하여 매트릭스 금속 튜브(80)의 테이프 캐스팅 세라믹의 제2 시트(86)의 노출면을 덮었다. 매트릭스 금속의 튜브(80)와 예비성형체 재료의 피복층을, 튜브의 장축을 수직으로 하여 각 변의 길이가 약 6in(152㎜), 깊이가 약 4in(102㎜)인 흑연 보트(90) 내에 배치시켰다. 그 다음, 약 216㎛의 평균 입도를 갖는 알루미나(매사츄세츠주 워세스터 소재의 노턴 컴패니의 등록상표인 90그릿의 38 ALUNDUM)로 이루어져 흩어져 있는 입상 베드 재료(92)를, 매트릭스 금속 튜브의 상부와 실질적으로 평면이 되도록 하여 튜브(80)의 내부와 흑연 보트(90) 내에 주입시켰다.

흑연 보트(90)와 그 내용물을 저항 가열식 조절 로 내부에 배치하였다. 로 챔버를 약 30in(762㎜)의 진공까지 배기시킨 후, 시판되는 순수 질소 가스로 다시 채웠다. 질소 가스를 분당 약 3리터의 유량으로 로를 통과시켰다. 로 온도를 시간당 약 50℃ 의 속도로 실온에서 약 425℃까지 상승시켰다. 약 5시간 동안 약 425℃ 로 유지시킨 다음, 온도를 시간당 약 100℃의 속도로 약 800℃까지 상승시켰다. 약 5시간동안 약 800℃ 로 유지시킨 후, 온도를 시간당 약 200℃ 의 속도로 약 675℃까지 상승시켰다. 약 675℃에서, 스테인레스강 보트(90)와 그 내용물을 로에서 취출시켜, 수냉식 알루미늄 겐칭판 상에 배치시켜 용융 금속을 방향성 응고시켰다. 입상의 핫토핑 혼합물(오하이오주 클리브랜드 소재의 포세코 인코오포레이티드의 등록상표인 FEEDOL9)을 알루미나 베드 재료(92)와 용융 매트릭스 금속(80)의 상부에 주입시켰다. 두께가 약 2 in(51㎜)이고, 흑연 보트를 전체를 덮기에 충분히 큰 세라믹 섬유상의 블랭킷(콜로라도주 덴버 소재의 맨빌 리프랙토을 흑연 보트(90)의 상부에 배치시켰다. 거의 실온까지 냉각시킨 후, 매트릭스 금속 튜브(80)를 흑연 보트(90)로부터 취출하고 흑연 박막층(88)을 매트릭스 금속튜브(80) 내부에서 취출함으로써, 매트릭스 금속(80)이 2층의 테이프 캐스팅 세라믹 예비성형체 재료(84, 86)의 적어도 일부에 용침하여 금속 매트릭스 복합체가 형성되었다는 것이 확인되었다. 형성된 금속 매트릭스 복합체는 관상으로 되며, 원래의 매트릭스 금속의 형상과 유사하였다.

[실시예 4]

본 실시예는, 입상 매트릭스 금속의 코팅을 얇은 예비성형체나 충전재 소재의 본체에 피복시켜 그 매트릭스 금속을 충전재 소재에 자발 용침시킴으로서 얇은 금속 매트릭스 복합체를 제조하는 것을 예시한 것이다. 용침을 행하기 위해 사용되는 설비는 제4도에 개략적으로 도시되어 있다.

실시예 1 내지 3의 예비성형체의 테이프 캐스팅에 사용한 것과 실질적으로 동일한 방법으로 충전재 소재의 슬러리를 테이프 캐스팅시킴으로써, 길이 약 9in(229㎜), 폭 약 6in(152㎜), 두께 약 0.035in(0.89㎜)인 충전재 소재로 이루어진 얇은 예비성형체(140)를 제작하였다. 테이프 캐스팅에 사용된 충전재 소재는 220그릿(평균 입도 : 66㎛)의 39 CRYSTOLON(매사츄세추주 워세스터 소재의 노턴 컴패니)와 500그릿(평균 입도: 17㎛)의 39 CRYSTOLON의 미 가공된 탄화규소 입상물로 이루어진 약 70:30의 배합물로, 이 배합물은 직경이 약 0.94in(24㎜)인 알루미나 밀링 미디어(펜실베이니아주 피츠버그 소재의 스텐다드 세라믹 써플라이 컴패너(Standard Ceramic Supply Company)의 쳄-클래이 코 오포레이숀(Chem-Clay Corporation)사업부)가 함유되어 있는 자기 볼 밀(미국 스톤웨어 코오포레이숀(Stoneware Corporation))에서 약 24시간 동안 볼 밀 건조된 것이다. 바인더, 가소제 등과, 마그네슘 입상물(뉴저지주 레이크허스트 소재의 리드 매뉴팩츄어링 컴패니의-325 메쉬(입도≤45㎛)) 약 6중량%를 충전재 소재에 첨가시켜 테이프 캐스팅함으로써 예비성형체가 만들어졌다.

테이프 캐스팅 예비성형체(140)를, 두께가 약 0.015in(0.89㎜)이고 길이와 폭이 테이프 캐스팅 예비성형체(140) 보다 약간 더 큰 GRAFOIL흑연 박막 (오하이오주 클리브랜드 소재의 유니온 카바이드 컴패니의 카본 프로덕츠 사업부의 등록상표)의 제1 시트(142) 상에 평평하게 배치시켰다. 약 33중량%의 아세톤과 잔부가 AESAR알루미늄 분말(뉴햄프셔주 시브룩 소재의 존슨 매트헤이 컴패니 (Johnson Matthey Company)의 AESAR 그룹에서 시판하는 순도 99.5% 크기 -325메쉬(입도≤45㎛)인 분말)로 이루어진 매트릭스 금속의 슬러리(154)를, 테이프 캐스팅 예비성형체(140)의 9in(229㎜) x 6in(153㎜) 노출면 상에 두께가 약 0.020in(0.50㎜)로 될 때까지 페인팅 시켰다. GRAFOIL흑연 박막의 제1 시트(142)와 실질적으로 동일한 치수들을 갖는 GRAFOIL흑연 박막의 제2 시트(144)를 테이프 캐스팅 예비성형체(140) 위의 매트릭스 금속 슬러리(154)에 배치시켰다.

1매의 GRAFOIL흑연 박막을 절단하여 접어 일단이 개방되는 박스를 형성함으로써, 각 변의 길이가 약 2.75in(70㎜), 높이가 약 3in(76㎜)인 추가의 매트릭스 금속을 수용하기 위한 GRAFOIL흑연 박막 박스(146)를 제작하였다. 그 접은 부분을 RIGIDLOCLK흑연 시멘트(캘리포니아주 발렌시아 소재의 폴리카본 코오포레이숀(Polycarbon Corporation)의 등록상표)로 접합하고, 흑연 시멘트를 보강하기 위해 스테이플을 사용하였다. 박스 바닥에는 각 변의 길이가 대략 1in(25㎜)인 구멍을 천공하였다. 그 다음, GRAFOIL박스(146)를 피복된 테이프 캐스팅 예비성형체(140, 154)에 놓인 GRAFOIL흑연 박막의 2 시트(144) 위에 배치함으로써, 흑연 박스의 구멍을 제2 시트의 구멍과 거의 일치되도록 하였다. 약 1-2g의 마그네슘 입상물(148)(펜실베이니아주 타마쿠아 소재의 하트 코오포레이숀의 제품으로, 입도 100메쉬(150㎛ 이하)을 GRAFOIL박스(146)의 사각 구멍과 흑연 박막의 제2 시트(144)에 평평하게 살포하였다. 약 2829 의 중량을 갖고, 각 변의 길이가 약 1,75in(44㎜), 높이가 약 2in(51㎜)이며, 매트 릭스 금속 슬러리(154)와 동일한 화학 조성을 갖는 매트릭스 금속의 딩곳(150)을 GRAFOIL박스(146) 내에서 마그네슘 입상물(148)층 상에 배치하여 조립체를 형성하였다.

상기 조립체를 수용하기 위한 흑연 보트(152)는 길이 약 14in(356㎜), 폭 10.25in(260㎜), 높이 약 1.5in 이며, 벽 부께는 약 0.25in(6㎜)이었다. 조립체를 흑연 보트(152)에 배치하고, 흑연보트(152)와 그 내용물을 실온에서 로 내의 증류기(retort)에 배치하였다. 이 증류기는 밀봉되어 있고, 약 30in (762㎜)의 수은 진공까지 배기시킨 후, 대기압까지 시판되는 순수 질소 가스로 다시 채웠다. 질소 가스를 분당 약 4리터의 유량으로 증류기를 통과시켰다. 증기류 온도를 시간당 약 50℃의 속도로 실온에서 약 425℃까지 상승시켰다. 약 5 시간 동안 약 450℃로 유지시킨 다음, 온도를 시간당 약 200℃의 속도로 약 810C까지 상승시켰다. 약 5시간 동안 약 810℃ 로 유지시킨 후, 흑연 보트(152)와 그 내용물을 증류기에서 취출시켜, 흑연 겐칭판 상에 배치시켰다. 입상의 핫토핑 혼합 물 FEEDOL9 를 잔류의 용융 매트릭스 금속(150)의 상부에 주입시켰다. 실온 까지 냉각시킨 후, 상기 조립체를 흑연 보트(152)에서 취출하였다. 원래의 테이프 캐스팅 예비성형체(140)로 되어 있었던 것에 인접한 GRAFOIL시트(142, 144) 와, 분말상의 매트릭스 금속(150, 154)을 벗겨, 분말상의 매트릭스 금속(150, 154) 의 적어도 일부가, 테이프 캐스팅 예비성형체(140)의 적어도 일부에 용침되어 얇은 금속 매트릭스 복합체가 생성되었다는 것이 판명되었다. 더욱이, 생성된 금속 매트릭스 복합체에는, 일면 상에 매트릭스 금속으로 이루어진 얇은 잔류층이 존재하여 얇은 금속 매트릭스 복합체와 치밀하게 밀착되었다(즉, 복합체는, 미강화 매트릭스 금속의 얇은 층이, 금속 매트릭스 복합체로 이루어지는 얇은 층에 일체적으로 밀착 된 매크로복합체(macrocomposite)로 이루어져 있다).

[실시예 5]

본 실시예는 드레인 세라믹 예비성형체에 용침시킴으로써 얇은 금속 매트릭 스 복합체가 제조될 수 있다는 것을 예시한 것이다. 제5도는 이러한 용침을 행하기 위해 사용되는 설비를 개략적으로 도시하고 있다. 예비성형체는 예비 소성된(profiled) 및 수용한 대로(as-received)의 탄화규소로 되어 있다. 예비 소성된 탄화규소는 부분 산화의 수용한 대로 의 탄화규소로 구성되어 입자 표면상에 보호 실리카(SiO2)층을 형성하였다. 특히, 500 메쉬(17㎛)의 탄화규소 입상물(매사츄세츠주 웨세스터 소재의 노펀 컴패니의 등록상표인 39 CRYSTOLON)을, 치수가 약 14in(356㎜) x 11in(279㎜) x 6in(152㎜)이고 세라믹 종이(뉴욕 나이아가라 폴즈 소재의 소하이오/카보런덤 컴 패니(SOHIO/Carborundum Co.)의 등록상표인 FIBERFRAX)와 일렬로 나란하게 늘어 세운 내화 보트에 약 3in(75㎜) 깊이까지 첨가하였다. 보트를 전기 저항로 내에 배치하여, 약 15시간 동안 약 1325℃까지 가열하고, 약 1325℃에서 약 24시간 동안 유지시켜 실온까지 냉각시킨다. 산화 분말의 릴리카 함량은, 분말 의 총중량의 약 15 내지 25%이다. 부분 산화 분말을, 조오 크러싱(jaw crushing)에 의해 분쇄한 후, 응집물(형성될 수가 있다)이 최초의 입도로 감소될 때까지 채질하였다.

소성을 약 1250℃의 온도로 약 3.5 시간 동안 담그고 있을 수 있도록 로의 실행 계획을 변경시키는 것을 제외하고는, 1000 메쉬(6㎛)의 탄화규소 입상 재료(뉴욕주 토나완다 소재의 Exolon-ESK의 등록상표인 CARBOLONF1000)에 유사한 처리를 행하여 보호 실리카 층을 형성하였다.

탄화규소 고체 약 72중량%를 함유하는 분산액을 드레인함으로써 관상 예비 성 형체를 제조하였다. 구체적으로 말하면, 탈이온수 약 1400g 을 직경 0.5in(13㎜) x 높이 0.5in(13㎜)의 원통형 알루미나 분쇄 매개물(뉴저지주 마와 소재의 U.S, Stoneware 사의 등록상표인 BURUNDUM) 약 10,000g을 수용하는 약 4 리터의 플라스틱 단지내에 주입하여 그곳에 분산제(코네티컷주 노워크 소재의 R.T, Vanderbilt Company의 Darvan 821-A) Ig을 첨가하였다. 그 다음, 0.6㎛의 탄화규소 분말(일리노이주 시카고 소재의 Superior Graphite Company의 100GL) 약 270g 과, 500 메쉬(17㎛)의 산화 상태의 탄화규소 분말(매사츄세츠주 웨세스터 소재의 노턴 컴패니의 등륵상표인 39 CRYSTOLON) 약 180g과, 1000메쉬(6㎛)의 산화 상태의 탄화규소 분말(뉴욕 토나완다 소재의 Exolon-ESK의 등록상표인 CARBOLONF1000) 약 2700g 을 플라스틱 단지 에 첨가하였다.

슬립을 약 48시간 동안 보올 밀 분쇄하고, 그 후 분쇄 매개물을 취출하여 슬립을 추가로 약 24시간 동안 로울 밀 혼합하였다. 슬립을 진공 챔버(텍사스주 달라스 소재의 Swest Corporation 의 Super Vacmac 모델명 제160-015번) 내에 서 약 30in(762㎜)의 수은 진공까지 5분간 배기시켰다. 슬립의 용기를 진공 챔버 로부터 취출하여, 알브이티 브룩필드(Model RVT Brookfield) 점도계(매사츄세츠주 스타프톤 소재의 Brookfield Engineering Laboratories, Inc의 제품)의 제4번 스핀들을 사용하여 점도를 측정하였다. 슬림의 점도는 약 50-100 센티푸아즈 였다.

높이가 약 5in(127㎜) 이고 직경이 약 1.75in(44㎜)의 원통형 공동을 구비하고 2개로 구성된 구운 석고 주형의 표면 위를 물로 미리 가습시켰다. 슬립에 공기가 잔류하지 않도록 주형의 측면에 슬립을 천천히 주입시켜, 구운 석고 주형의 공동에 슬림을 캐스팅시킴으로써 예비성형체를 제작하였다. 공동 용적의 거의 전부가 슬립으로 채워졌다. 두께가 약 0.44in(11㎜)의 탄화규소 입상물 케이크 (cake)가 구운 석고 주형의 벽에 퇴적된 후, 잔류 슬립을 주형으로부터 주입시켜 드레인 캐스팅 예비성형체를 노출시켜, 주형의 내부를 약 45분 동안 부분적으로 건조시켰다. 이러한 부분 건조 단계 동안, 예비성형체는, 주형의 절반부가 예비성형체를 파괴시키지 않을 정도로 분리시키기에 충분한 양으로 주형의 벽으로부터 수축하였다. 그 후, 예비성형체를 주형으로부터 취출하여, 대기중에서 주위 온도로 건조 랙(drying rack) 상에서 적어도 16시간 건조 후, 압입 공기 건조 오븐 내에서 약 40℃ 의 온도로 적어도 약 6시간 동안 건조시켰다.

캐스트·건조 예비성형체를 샌드페이로 문질러 닦아 주형 라인이 없는 깨끗하 고 부드러운 표면들을 형성하였다. 그 후, 다듬질된 예비성형체를, 구멍 뚫린 내화 벽돌 상부에 배치하여 실온에서 전기 저항 가열 공기 분위기 노 내에 넣었다. 상기 로를, 약 8시간 동반 실온에서부터 약 1025℃까지 가열하여, 약 1025℃ 에서 약 24시간 동안 유지한 후, 전력을 끊고 로를 실온까지 자연 냉각시켰다. 로에서부터 취출한 후, 소성한 드레인 캐스팅 예비성형체의 바닥을 톱으로 제거하여 양단이 개방되고 길이가 약 3.5in(89㎜)인 관상 예비성형체(100)를 형성하였다.

제5도에 도시된 바와 같이, 직경이 약 3in(76㎜)이고 두께가 약 15mi1(0.38㎜) 인 흑연 박막 시트(102)(오하이오주 클리브랜드 소재의 유니온 카바이드 컴패니의 카본 프로덕츠 사업부의 등록상표인 GRAFOIL)를, 직경이 약 3in(76㎜)이고 높이가 5in(127㎜)이고, 두께가 약 1/8in(3㎜) 인 흑연 도가니(104)의 저부에 배치시켰다. 관상 예비성형체(100)를 흑연 도가니(104)에 놓고, 도가니(104)의 바닥부에 있는 흑연 박막 시트(102)의 중앙에 배치시켰다. 관상 예비성형체(100)를 한 쪽 개방단을 노출시킨 상태로 수직으로 세웠다. 붕규산 유리 프릿(메릴랜드주 볼티모어 소재의 Mobay Chemical Corporation의 Inorganic Chemicals 사업부의 P54) 약 15중량%, 잔부가 동일한 비율(평균 입도가 각각 216, 66, 17㎛) 이고 90, 220, 500 그릿의 알루미나(매사츄세츠주 워세스터 소재의 노턴 컴패니의 등록상표인 E1 ALUNDUM)로 되어 있는 입상 혼합체 베드(106)를, 흑연 도가니(104)와 판상 예비성형체(100)에 주입시켜 예비 성형체의 상부와 거의 수평이 되도록 하였다. 입상 마그네슘 금속(108)(펜실베이니아주 타마쿠아 소재의 하트 코오포레이숀의 제품으로 입도가 50 메쉬(300㎛) 이하)을, 예비성형체 튜브의 노출 단부상에 평방 센티 미터당 약 0.01g의 농도가 되도록 평평하게 살포하였다. 직경이 약 3.25in(83㎜), 높이가 약 1in(25㎜), 중량이 362g로 되는, 실리콘 약 15중량%, 마그네슘 5중량% 및 잔부가 알루미늄 으로 되는 매트릭스 금속(110)의 잉곳을 예비성형체 튜브(100) 상의 마그네슘 입상 코팅(108) 상에 직접 배치하였다.

흑연 도가니(104)와 그 내용물을, 전기 저항 제어 분위기 로 내에 배치하였다. 로 챔버를 배기한 후, 대략 대기압까지 시판되는 순수 질소 가스로 다시 채웠다. 질소 가스를 분당 약 3리터의 유량으로 로를 통과시켰다. 로의 온도를 거의 실온에서 약 825℃까지 시간당 약 150℃의 속도로 승온시켰다. 약 825℃의 온도로 약 20시간 동안 유지한 후, 시간당 약 200℃의 속도로 약 675℃까지 저하시켰다. 약 675℃의 온도에서, 흑연 도가니(104)와 그 내용물을 로에서 취출하여, 흑연 도가니(104)를 수냉 알루미늄 겐칭판 상에 배치하여 방향성 응고시켰다. 입상의 핫토핑 재료(오가이오주 클리브랜드 소재의 포세코 인코오포레이티드의 등록상 표인 FEEDOL9)를 용융 매트릭스 금속(110) 상에 배치하여 방향성 응고 중의 온도 구배를 향상시켰다. 세라믹 섬유 절연재(콜로라도주 덴버 소재의 Manville Refractory Products 사의 등록상표인 CERABLANKET)로 되고 두께가 대략 2in(51㎜) 인 층을, 흑연 도가니(104)의 상부에 배치하였다. 거의 실온까지 냉각시킨 후, 흑연 도가니(104)의 내용물을 취출해 보았더니, 매트릭스 금속(110)이 드레인 캐스트 예비성형체(100)의 적어도 일부분에 용침하여 금속 매트릭스 복합체가 생성된 것이 판명되었다.

[실시예 6]

본 실시예는 중긍 금슥 매트릭스 복합체를 제조하는 방법을 예시한 것이다. 구체적으로 말하면, 본 실시예는 충전재 소재 혼화물을 슬러리 캐스팅에 의해 예비 성형체를 제조한 후, 수득한 슬러리 주조물의 내부에 불침투성 입상 재료를 충전시 킴으로써 중공 셀상의 금속 매트릭스 복합체가 제조될 수 있다는 것을 예지한 것이 다. 제6a도와 제6b도는 이러한 용침을 행하기 위해 사용되는 설비를 개략적으로 도시하고 있다.

경이 약 3in(76㎜)이고, 그리고 각각 직경이 약 0.69in(17㎜)로 규칙적으로 간격을 두고 배치된 12개의 절단부를 구비한 구체(球體)를, 그레이드가 MS-122인 탄화플루오르 이탈제 건조 윤활유(코네티컷주 댄버리 소재의 Miller Stevenson Company, InC. 사의 제품)로 스프레이 코팅시켰다. 그레이드가 G1-1000 인 고무 성형용 콤파운드(펜실베이니아주 에스톤 소재의 Plastic Tooling Supply Company 사의 제품)를 스프레이 코팅된 구체 주위에 캐스팅시켜, 구체의 반전 형상을 복제하여 고무 주형을 형성하였다. 고무 성형 화합물을 공기 중에서 약 12시간 동안 경화시킨 후, 스프레이 코팅된 구체를 주형으로부터 분리시킨다. 그 다음, 그레이드가 5550-K.GRN. FLK. 인 용융 왁스(일리노이주 시카고 소재의 Yates Manufacturing Company 사의 제품)를, 약 110℃의 온도에서 구체를 취출한 후에 잔류한 고무 주형 공동에 캐스팅함으로써, 원래 구체의 정착한 왁스 모형을 제작하였다. 그 후, 왁스를 실질적으로 실온까지 냉각시켰다. 왁 스가 실질적으로 실온까지 냉각한 후, 왁스 주형을 고무 주형으로부터 분리시켰다. 유사한 공정으로, 후속하는 인베스트먼트 주조의 매트릭스 금속 저장부 부분용의 왁스 모형을 제작하였다. 저장부는 직경이 약 4in(102㎜)이고, 높이차 약 3in(76㎜)인 치수를 갖는다. 그러나, 용융 왁스 저장부 모형의 응고 전에, 강제 맨드렐을 왁스에 삽입하고, 후속하여 왁스의 응고로 맨드렐을 소정의 위치에 고착하였다.

2개의 왁스 모형, 즉 구체 자체의 왁스 모형파 매트릭스 금속 저장부의 왁스 모형을, 구체 상의 평평한 원형의 절단부들 중 1개로 접합시켜 인베스트먼트 패턴을 형성하였다. 2개의 왁스 모형을 접합하는 수단으로서, 추가의 용융 왁스에 의한 용접을 사용하였다.

그 다음, CaCO₃로 이루어지는 인베스트먼트 셀(102)을 왁스 인베스트먼트 패턴의 표면에 구성하였다. 즉, 왁스 인베스트먼트 패턴을, NYACOLR1430AT의 콜로이드상 실리카(매사츄세츠주 애쉬랜드 소재의 PQ Corporation의 계열 회사 Nyacol Products, Inc. 사의 제품) 약 30.0중량% 와, HUBERCARBQ325 탄산칼슘(일리노이주 퀸시 소재의 J,M Huser Corporation 사의 칼슘카보네이트 사업부의 제품으로, 입도가 325 메쉬 이하임) 약 66.1중량% 과, 500 그릿의 TETRABOR탄화붕소(뉴욕주 토나완다 소재의 Exolon-Esk Corporation 사의 제품) 약 3.0중량%와, VICTOWET12 습윤제(오하이오주 마우미 소재의 Ransom and Randolph, Inc. 사의 제품) 약 0.6 중량%와 DCH ANTIFOAM소포제(Ransom and Randolph, Inc, 사의 제품) 0.3 중량%로 되는 슬립 혹은 슬러리로 침적하였다. 그 다음, 슬립 코팅된 왁스 모형을, 90 그릿의 건조 RANCOSIL A 규사(Ransom and Randolph, Inc. 사의 제품) 살포하거나 도포하였다. 그 후, 왁스 모형과 그것의 발전된 인베스트먼트 셀(102)을, 약 65℃의 온도로 약 0.5시간 동안 건조시켰다. 그 후, 건조된 인베스트먼트 셀(102)을, 약 2초 동안 NYACOL1430 AT 콜로이드상 실리카 욕에 침적시켰다. 그 후, 이러 한 침적-살포-건조-습윤을 직접 반복하였다. 그 다음, 도포된 왁스 인베스트먼트 패턴을, REDIP인디케이터(Ransom and Randolph, Inc. 사의 제품) 약 1 중량부와, VICTOWET12 습윤제 약 2 중량부와, 증류수 약 56 증량부와, NYACOL830 콜로이드상 실리카 약 274 중량부와, RANCOSIL 제2번 실리카 분말(Ransom and Randolph, Inc. 사의 제품) 약 700 중량부로 이루어지는 제2 의 인베스트먼트 슬러리에 침적시켜, 잔 넘버 4 컵(Zahn number 4 cup)에서 약 15초에 대응하는 슬러리 점도로 하였다. 그 후, 슬러리 코팅 인베스트먼트 셀을, 약 30 그릿의 RANCOSIL B 규사(Ransom and Randolph, Inc, 사의 제품)로 이루어진 유동 베드에 도장 또는 침적시켰다. 도장된 인베스트먼트 셀을, 다시 약 65℃의 온도로 약 0.5시간 동안 건조시키거나 셀 중의 REDIP인더케이터의 색이 황녹색에서 진한 오렌지색으로 변할 때까지 건조시켰다. 이러한 제2의 침적- 도장-건조의 시퀸스를, 계속 4-5회 반복시켰다. 제2 인베스트먼트 셀 슬러리의 침적 사이에 콜로이드상 실리카로 인베스트먼트 셀을 예비 습윤할 필요는 없다. 그 후, 코팅된 왁스 인베스트먼트 패턴을, 증기 오토클래이브(autoclave) 내에 배치하여 주위의 인베스트먼트 셀로부터 왁스 패턴을 취출하였다. 약 100psi(690kPa) 의 수증기압에 대응하는 온도로 약 5 분간 오토클래이빙 처리한 후, 거의 모든 왁스를 주위의 인베스트먼트 셀(102)로부터 취출하였다. 인베스트먼트 셀(102)을, 증기 오토클래이브로부터 취출하여 실질적으로 실온의 저항 가열 공기 분위기로 내에 배치하였다. 그 후, 로 온도를 시간당 약 800℃의 속도로 약 850℃까지 승온 시켰다. 약 850℃의 온도에서 약 4.5 시간 유지시켜 인베스트먼트 셀(102)을 경 질화시킨 후, 셀을 약 600℃의 온도까지로 냉각하였다. 인베스드먼트 셀 주형(102)을, 자발 용침 공정에 사용하기 직전까지 약 600℃의 로 내에 잔류시켰다. 얻어진 주형은 구상의 단부를 구비하며, 이 구상의 단부는 관상 관부를 매개로 개방단 실린더에 접속되어 있다.

500 그릿의 미가공된 탄화규소(매사츄세츠주 워세스터 소재의 노턴 컴패니의 등록상표인 39 CRYSTOLON) 약 53.3 중량%와, 1000 그릿의 39 CRYSTOLON미가공된 탄화규소 약 13.3 중량%와, 아세톤 약 31.1 중량%와, 마그네슘 입상물(뉴저지주 레이크허스트 소재의 리드 매뉴팩츄어링 컴패니 사의 제품으로 입도가 325메쉬 이하임) 약 2.0중량%와, Q-PAC탄산폴리프로필렌 바인더(펜실베이니아주 엠마우스 소재의 에어프로덕츠 앤드 케미칼스, 인코오포레이티드 사의 제품)으로 이루어진 슬러리 약 1.126g 조제하였다. 구세적으로 말하면, 미가 공된 탄화규소와 마그네슘 입상물을, 직경이 0.94in(24㎜)인 밀링 매개물(펜실베이니아주 피츠버그 소재의 스탠다드 세라믹 써플라이 컴패니의 쳄-클래이 코오포레이숀 사업부의 제품) 약 4000g을 넣은 내용적 8.3 리터의 건조 자성 보올 밀(뉴저지주 마와 소재의 유.에스. 스톤웨어 코오포레이숀 사의 제품)내에 배치하였다. 입상물을 약 1시간 보올 밀 분쇄한 후, 보올 밀 분쇄한 입상물을 거의 전부, 즉 약 772g 볼 밀로부터 취출하였다. 취출된 보올 밀 분쇄된 입상물을, NALGENE플라스틱 단지(뉴욕주 로체스터 소재의 Nalge Company 사의 제품) 내에 밀봉한 후 사용할 때가지 보존하였다. 아세톤과 Q-PAC^TM바인더를 자성 보올 밀에 첨가 하여 슬러리를 형성하였다. 슬러리를 약 1시간 보올 밀 된다.

슬러리를 전술한 주형의 구형 부분에 주입하였다. 주형의 구형 부분을 슬러리로 채웠다. 고무 스토퍼(stopper)를 주형의 구형 부분과, 주형의 부속 원통형 부분 사이에 있는 목 부분(104)에 삽입하였다. 이러한 상태에서, 주형의 두 부분을 분리시키고, 주형을 회전시켜 주형의 구형 부분의 표면을 슬러리로 균등하게 코팅시켰다. 고무 스토퍼를 정기적으로 취출시키고 슬러리 캐스팅 공정을 관찰해 보면, 약 5분 후 두께가 0.38in(10㎜)-0.5in(13㎜)의 코팅이 주형의 구형 부분의 내벽에 퇴적된 것이 밝혀졌다. 남은 슬러리를 주형으로부터 주입하였다 얻어진 코팅은 내표면이 거의 구형이고, 외표면의 크기와 형상이 원래의 왁스 인베스트먼트 패턴의 절단된 구형 부분의 것과 거의 일치하는 예비성형체(106)로 이루어졌다.

그 다음, 느슨한 500 그릿(17㎛)의 알루미나 분말(108)(노턴 컴패니의 등록상표인 38 ALUNDUM)을 주형내의 예비성형체 내부에 주입시켜 목 부분 (104)의 바닥과 실질적으로 수평이 되도록 하였다. 이 재료는 마그네슘 분말을 함유하지 않기 때문에 38 ALUNDUM알루미나에는 매트릭스 금속이 실질적으로 용침하지 않게 될 것이다. 그 후, 추가의 슬러리(110)를 목 부분(104)에 주입시켜, 주형물의 두께가 약 0.38in(10㎜)-0.5in(13㎜)로 될 때까지 38 ALUNBUM알루미나에 대해 캐스팅 처리함으로써, 셀(106) 중의 불연속성을 없앴다.

슬러리를 만들기 위해 이용한 것과 동일한 조성의 건조 충전재 혼화물(112) 을, 깊이가 약 0.25in(6㎜)로 될 때까지 주형의 원통부의 바닥에 주입시켰다. 그 후, 마그네슘 입상물(114)(리드 매뉴팩츄어링 컴패니 사의 제품으로, 입도가 50 메쉬(300㎛) 이하)을, 상기 건조되고 느슨한 충전재 혼화물의 상부에 농도가 약 6㎎/㎡ 로 될 때까지 균등하게 살포하였다.

실리콘 약 12 중량%와, 잔부가 시판되는 순수 알루미늄으로 이루어진 매트 릭스 금속(116)의 잉곳 몇 개(총중량: 약 1200g)를, 잉곳이 마그네슘 입상물층 (114) 및 주형의 원통형 부분의 바닥에 있는 충전재 소재 혼화물(112) 위로 매달리게 되도록 저장부 챔버의 측면 상에 절곡된 구리 박막 슬링(sling)의 상부에 배치하였다. 주형의 원통형 부분의 개방단을 덮기에 충분히 큰 PERMA FOIL 덮개 시트(120)(PERMA FOIL은 오래곤주 포틀랜드 소재의 TT America 에서 시판하는 유연한 흑연 박막 제품의 상표명임)를 매트릭스 금속 위에 배치하였다.

인베스트먼트 셀 주형(102)과 그 내용물을 스테인레스강 홀더(122) 상에 배치하고 구리 박막 스트랩(Strap)(124)으로 고정하였다. 그 다음, 스테인레스강 홀더(122)와 그 내용물을 길이 약 10in(254㎜) x 폭 10in(254㎜) x 높이 약 10in (254㎜) 의 스테인레스 강제의 캔(126)에 배치하였다. 그 캔의 바닥을, 그 캔의 길이 및 폭과 동일한 치수를 갖는 흑연 박막 시트(128)로 피복하였다. 그레이드가 RMC-3인 마그네슘 터닝(turning)(130)(리드 매뉴팩츄어링 컴패니 사의 제품)과 TI-LOY 97 티타늄 스폰지(134)(펜실베이니아주 브라언 마우어의 Chemalloy Company 사의 제품) 각각 약 10g을, 스테인레스강 홀더의 캔 외측에 배치하였다. 티타늄 스폰지와 마그네슘 터닝은, 산소와 수분을 흡수하기 위한 채집기 역할을 한다. 길이 약 16in(406㎜) x 폭 약 14in(356㎜) x 두께 약 0.006in(0.15㎜) 으로 된 2매의 구리 박막 시트(132)를, 스테인레스강 캔(126) 의 개구부 상에 배치하였다. 캔(126)의 측면 상으로 연장한 구리 시트(132)의 일부를 캔(126)의 측면 대해 절곡하여 독립의 챔버를 형성하였다. 질소 가스 퍼지관 (136)을 캔(126)의 일측면을 관통하여 설치하였다.

스테인레스강의 캔(126)과 그 내용물을 전기 저항 제어 분위기로 내에 배치하였다. 시판되는 질소 가스를, 분당 약 15 리터의 유량드로 퍼지관(136)을 통해 스테인레스강 캔(126)으로 유동시켰다. 로를 실질적으로 실온으로부터 시간당 약 400℃의 속도로 약 200℃의 온도까지 가열하였다. 약 200℃의 온도를 약 1시간 동안 유지한 후, 시간당 약 400℃의 속도로 약 520℃까지 승온시켰다. 약 520℃의 온도를 약 1시간 동안 유지한 후, 시간당 약 400℃의 속도로 약 780℃까지 승온시켰다. 약 780℃의 온도를 약 3시간 동안 유지한 후, 질소 가스 퍼지관(136)을 폐쇄하였다. 스테인레스강 캔(126)과 그 내용물을 로에서 취출하였다.

구리 박막 시트(132), 스테인레스강 홀더(122) 및 그 내용물을 스테인레스 강 캔(126)으로부터 취출하였다. 스테인레스강 홀더(122)와 그 내용물을 수냉식 구리 겐칭판 상에 배치하여 방향성 응고시켰다. 매트릭스 금속의 방향성 응고를 촉진시키기 위해, 수냉식 구리 겐칭판에 인접한 스테인레스강 홀더(122)의 바닥 주위에 공기를 취입시켰다. FEEDBL9 핫토핑 입상 혼합물(오하이오주 클리브랜드 소재의 포세코, 인코오포레이티드 사의 제품)을 용융 매트릭스 금속(116)의 상부에 주입하였다. 스테인레스강 홀더(122)와 그 내용물을 실온까지 냉각한 후, 인베스트먼트 셀 주형(102)과 그 내용물을 홀더(122)에서 취출하였다. 인베스트먼트 셀 주형(102)을 저력 해머 블로어를 사용하여 취출하여 관찰하였을 때, 매트릭스 금속(116)의 적어도 일부분이 인베스트먼트 셀(102)에 인접한 슬러리 캐스팅 충전재 혼화물(106)에 용침하여, 본래의 구형에 가까운 왁스 인베스트먼트 패턴과 실질적으로 동일한 형상을 갖는 금속 매트릭스 복합체가 형성된 것이 판명되었다. 잔류 매트릭스 금속(116)을 다이아몬드 톱을 사용하여 금속 매트릭스 복합체로부터 제거 하였다. 그 다음, 직경이 약 0.38in(10㎜)의 구멍을, 칙초에 목 부분(104, 110) 으로 되어 있었던 곳을 드릴링 하여 금속 매트릭스 복합체 셀의 내부에 있는 용침 되지 않은 알루미나 분말(108)을 압축 공기를 사용하여 취출하였다. 최종적으로, 금속 매트릭스 복합체를 다이아몬드 톱을 사용하여 반으로 절단하여 보았을때, 금속 매트릭스 복합체 셀의 내부의 표면이 거칠게 형성되어 있는 것이 판명되었다. 중공의 슬러러 캐스트 예비성형체의 내부에 있는 마그네슘 분말을 함유하지 않은 500 그릿(17㎛)의 38 ALUNBUM알루미나 분말로의 매트릭스 금속의 용침은 0.031in(0.8㎜) 미만으로 되었다.

[실시예 7]

본 실시예는 1매의 얇은 금속 매트릭스 금속 시트의 일면에 세라믹 충전재 소재 분말을 코팅함으로써, 금속 매트릭스 복합체를 형성할 수 있는 것을 예시한 것이다. 본 실시예는 또한, 본 발명에 의해 형성된 금속 매트릭스 복합체가 평평한 시트에만 한정되는 것이 아니라 복잡한 형상의 시트에도 적용될 수 있다는 것을 예시한 것이다. 제7도는 이러한 용침을 행하기 위해 사용되는 설비를 개략적으로 도시하고 있다.

매트릭스 금속(30)의 얇은 시트에 도포된 코팅물(32, 34)을, 건조 알루미나 편평 분말(알칸사스주 복사이트 소재의 Alcoa의 인더스트리얼 케미칼 사업부의 제품 T-64, 입도 325메쉬(45㎛) 이하) 약 450g 으로부터 조제하였다. 건조 알루미나 편평 분말을, 내용적이 약 8.3 리터의 건조 자성 보올 밀 내에 배치하였다. 직경이 약 0.94in(24㎜)인 고밀도의 알루미나 밀링 매개물 약 900g 을 밀에 첨가하고, 알루미나를 약 6시간 동안 보올 밀 분쇄하였다. 보올 밀 분쇄한 편평 알루미나 약 61 중량%와, 마그네슘 분말(뉴저지주 레이크허스트 소재의 리드 매뉴팩츄 어링 컴패니의 제품, 입도 325메쉬(45㎛) 이하) 약 5중량%와, 에탄올 약 23중량%, 그리고 XUS 40303.00 실험용 바인더(미시간주 미드랜드 소재의 Dow Chemical Company 사이 제품)를 혼합하여 슬러리를 형성하였다.

코팅될 매트릭스 금속 시트(30)는, 실리콘 약 0.4-0.6 중량%, 구리 0.15 중량% 이하, 철 0,7 중량% 이하, 마그네슘 0.8-1.0 중량%, 망간 0.15 중량% 이하, 아연 0.15 중량% 이하, 크롬 0.15-0.35 중량%, 잔부가 알루미늄으로 이루어지고, 각 변의 길이 약 7in(178㎜) x 두께 약 63mil(1.6㎜)으로 하였다. 매트릭스 금속 시트(30)는 3회 절곡시켜 M 자 또는 지그재그 형상으로 만들었다. 절곡된 매트릭스 금속 시트(30)의 일측면을, 그릿 브래스팅(grit blasting)을 사용하여 세정하였다. 그릿 브래스팅 처리된 표면에 마그네슘 분말(32)(리드 매뉴팩츄 어링 컴패니 사의 제품으로, 입도 325메쉬(45㎛) 이하) 약 67 중량%와, 에탄올로 이루어진 슬러리를 도포하였다. 상기 코팅을, 공기 중에서 주위 온도로 약 1시간 건조시켰다. 건조 ·코팅된 매트릭스 금속 시트(30, 32)의 중량을 측정하여 보면, 약 1g의 마그네슘 분말(32)이 시트(30)의 표면에 적용되었다는 것이 판명되었다.

상기 보올 밀 분쇄한 알루미나 편평 분말을 함유하는 슬러리(34)를, 마그네슘 분말 코팅(32)의 상부에 스프레이 코텅시졌다. 도포 ·절곡된 매트릭스 금속 시트(30, 32, 34)를, 다시 공기 중에서 주위 온도로 약 3∼5 시간 동안 건조시켰다. 제2 코팅(34)의 건조 중량은 약 180g 이었다. 각 변의 길이가 약 49in(178㎜) 이고, 두께가 약 0.01in(0.2㎜)이고, 1매의 흑연 박막(36)(오하이오주 클리브랜드 소재의 유니온 카바이드 컴패니 카본 프로덕츠 사업부의 등록상표인 GRAFOIL) 시트를, 코팅된 매트릭스 금속 시트의 형상과 일치하도록 절곡하였다. 절곡된 흑연 박막(36)을, 매트릭스 금속 시트(30)의 미피복면과 접촉되도록 배치하였다.

미가공된 탄화규소 입상물(매사츄세츠주 워세스터 소재의 노턴 컴패터의 등록상표인 90 그릿(216㎛)의 39 CRYSTOLON)로 이루어진 지지 베드(38)를, 길이 약 14in(356㎜) x 폭 약 11in(279㎜) x 높이 약 8in(203㎜)의 흑연 보트(40) 내에 약 3in(76㎜)의 깊이까지 주입하였다. 피복된 매트릭스 금속 시트(30, 32, 34)와 흑연 박막(36) 조립체를, 흑연 보트(40) 내의 미가공된 탄화규소 지지 베드(38) 상에 흑연 박막(36)이 탄화규소(38)에 접촉하도록 배치하였다. 매트릭스 금속 시트(30)의 상부의 코팅(34)을 대기에 노출시켜 유지하였다.

흑연 보트(40)와 그 내용물을 전기 저항 제어 분위기로 내에 배치하였다. 로 분위기를 수은 진공 약 30in(762㎜)까지 배기한 후, 시판되는 순수 질소 가스로 채웠다. 질소 가스를 분당 약 3 리터의 유량으로 로 속으로 유동시켰다. 로 온도를 시간당 약 200℃의 속도로 실온에서 약 200℃의 온도까지 승온시키고, 약 200℃로 약 46 시간 동안 유지하였다. 온도를 시간당 약 200℃의 속도로 약 460℃까지 승온시키고 약 460℃로 약 5시간 동안 유지하였다. 그 후, 온도를 시간당 약 10℃의 속도로 약 490℃까지 승온시키고, 약 490℃로 약 1시간 유지시켰다. 온도를 시간당 약 150℃의 속도로 약 550℃까지 승온시키고, 약 550℃로 약 1시간 유지시켰다.

그 온도를 시간당 약 150℃의 속도로 약 775℃ 까지 승온시키고, 약 775℃로 약 5시간 유지시켰다. 그 온도는 시간당 약 150℃의 속도로 약 760℃로 저하시켰다. 약 760℃ 까지 온도를 저하시키면, 흑연 보트(40)를 로에서 취출하여 수냉 알루미늄 겐칭판 상에 배치하였다. 거의 실온까지 냉각한 후, 내용물을 흑연 보트(40)로부터 제거하여 관찰하였다. 그 결과, 매트릭스 금속 시트(30)가, 알루미나(34) 코팅의 표면에 용침한 것이 판명되었다. 또한, 매트릭스 금속(30)의 일부가 흑연 박막(36)과 접촉하여, 그 아래의 탄화규소 지지 베드(38)의 일부분에 용침한 것이 밝혀졌다.

[실시예 8]

본 실시예는 원형의 매트릭스 금속체의 형상을 반전시켜 복제한 채널(channel)을 구비하는 얇은 금속 매트릭스 복합체를, 본 발명을 다라 제조될 수 있다는 것을 예시한 것이다. 제8c도는, 반전 형상 복제 공정을 행하기 위한 설비를 개략적으로 도시하고 있다.

매트릭스 금속체의 시트(120)로 이루어진 시트는, 길이 약 7in(178㎜) ×폭약 3.5in(89㎜) ×두께 약 1.025in(3㎜)으로 되어 있다. 매트릭스 금속 시트는 중량이 약 127g이고, 제8a도 및 제8b도에 도시된 바와 같이 규칙적으로 간격을 둔 직경 0.375in(10㎜)의 관통 구멍(122) 12개가 마련되어 있다. 매트릭스 금속 시트는, 실리콘 약 0.4-0.8 중량%, 철 0.7 중량%, 구리 약 0.15-0.40 중량%, 망간 0.15 중량%, 마그네슘 약 0.8-1.2 중량%, 크롬 약 0.04-0.35 중량%, 아연 0.25 중량%, 티타늄 0.15 중량%, 잔부가 알루미늄으로 이루어져 있다. 금속 매트릭스 시트(120)는, 샌드 브래스팅 처리하여 표면의 산화물을 제거한 후, 에틸알코올로 세정하여 샌드 브래스팅 처리로부터 생성된 파편을 제거하였다.

매트릭스 금속 시트를 코팅하기 위한 충전재 소재의 슬러리는, 그레이드가 T-64 이고 알루미나 편평 분말(알칸사스주 복사이트 소재의 알코아 인더스트리얼 케미칼스 사업부의 제품으로, 입도가 325메쉬(45㎛) 이하) 약 3000g 과, 마그네슘 입상물(뉴저지주 레이크허스트 소재의 리드 매뉴팩츄어링 컴패니 사의 제품으로, 입도가 325메쉬(45㎛) 이하) 약 240g 과, 그레이드가 XUS 40303,00 이고 실험용 바인더(미시간주 미드랜드 소재의 다우 케미칼 코오포레이숀 사의 제품) 약 162g과, 에틸알코올 약 1038g로 이루어져 있다. 슬러리는, 바인더를 에틸알코올에 용해시켜 편평 알루미나 입상물 중으로 교반시킴으로써 조제하였다.

전술한 매트릭스 금속 시트(120)를 슬러리에 침지하여, 매트릭스 금속(120) 시트 상에 충전재 소재(124)의 접착성 코팅을 형성하였다. 그 후, 코팅된 매트릭스 금속 시트(120, 124)를, 강제식 공기 건조 오븐에 배치하여 약 78℃의 온도로 약 15-30분 동안 건조시켰다. 침지 코팅과 건조 작업을 반복하여, 매트릭스 금속 시트(120) 상에 합계 3층의 충전재 소재(124) 층을 형성하였다. 매트릭스 금속 시트의 규칙적인 간격을 두고 설치된 0.375in(10㎜)의 관통 구멍 12개를 충전재 소재(124)로 거의 채웠다. 건조 충전재 소재의 총중량은 약 131g 이다.

그 다음, 매트릭스 금속의 코팅 시트(120, 124)를, 두께가 약 0.015in(0.38㎜)인 1매의 GRAFOIL흑연 박막(126)(오하이오주 클리브랜드 소재의 유니온 카바이드 컴패니 카본프로덕츠 사업부 사의 제품)의 케이스 내에 넣었다. 코팅 매트릭스 금속(120, 124) 시트는, 코팅 시트 주위에 GRAFOIL을 포장 및 절곡시킴으로써 케이스 내에 수용하였다. 매트릭스 금속(120, 124, 126)의 코팅 ·포장 시트를, 길이 약 8in(203㎜) x 폭 약 4in(102㎜) x 두께 약 0.5in(13㎜)의 2매의 흑연 판(128) 사이에, 접합될 표면에 RIGIDLOCK흑연 시멘트(129)(캘리포니아주 발렌시아 소재의 폴리카본 코오포에이숀 사의 제품)를 도포함으로써 접합하여 조립체를 형성하였다.

외부 치수가 길이 약 14in(356㎜) x 폭 약 10.25in(260㎜) x 높이 약 1.5in(38㎜) 이고, 두께가 약 0.25in(6㎜) 인 흑연 박스(130) 내에, 흑연 판(128) 사이에 샌드위치된 매트릭스 금속(120)의 코팅(124) ·포장(126) 시트를 포함하는 조립체를, 조립체의 장축을 중심으로 수직방향으로 세웠다. 길이 약 8in(203㎜) x 폭 약 4in(102㎜) x 높이 약 6in(152㎜) 이고, 두께가 약 0.25in(6㎜) 인 양단이 개당되어 있는 흑연 고정구(132)를 흑연 박스(130) 내에 서 조립체(120, 124, 126, 128)주위에 배치하였다. 그레이드가 F-69 인 유리 프릿(오하이오주 캐롤톤 소재의 퓨전 세라믹스 인코오포레이티드 사의 제품) 약 15 중량%와, 잔부가 동일한 중량비의 90 그릿(216㎛), 220 그릿(66㎛), 500 그릿 (17㎛)의 El ALUNDUM알루미나(매사츄세츠주 워세스터 소재의 노턴 컴패니 사의 제품)로 이루어진 베드 재료(133) 흔화물을, 흑연 고정구(132)와 조립체 (120, 124, 126, 128) 사이의 영역에 베드 재료(133)의 깊이가 약 4in(102㎜) 될 때까지 주입하였다.

흑연 박스(130)와 그 내용물을 거의 실온의 로 내의 증류기에 배치하였다. 증류기를 밀봉하고, 수은 진공 약 30in(762㎜)까지 배기시킨 후, 시판되는 순수 질소 가스로 실질적으로 대기압까지 다시 채웠다. 질소 가스를 분당 약 5 리터로 로를 통과시켰다. 증류기 내의 온도를 실온으로부터 약 460℃까지 시간당 약 200℃C의 속도로 승온시켰다. 약 460℃의 온도를 약 5시간 유지한 후, 시간당 약 10℃ 의 속도로 약 490℃까지 승온시켰다. 약 490℃의 온도를 약 1시간 유지한 후, 그 온도를 시간당 약 200℃의 속도로 약 800℃까지 승온시켰다. 약 800℃의 온도 를 약 6시간 유지한 후, 그 온도를 시간당 약 200℃의 속도로 약 675℃까지 저하 시켰다. 약 675℃의 온도에서 흑연 박스(130)와 그 내용물들이 증류기로부터 취출하여 수냉 알루미늄 겐칭판 상에 배치하였다.

실온까지 냉각한 후, 조립체(120, 124, 126, 128)를 베드 재료(133)로부터 취 출하여 분해하였을 때, 실질적으로 전부의 매트릭스 금속(120)이 충전재 소재 혼화물 코팅(124)에 용침하여 이증벽의 금속 매트릭스 복합체가 생성되었다는 것이 판명되었다. 금속 매트릭스 복합체 사이에 형성된 영역은, 충전재 소재(124)로 충전된 매트릭스 금속(120) 본래의 시트에 있는 직경이 약 0.375in(10㎜)의 관통 구멍(122)의 위치에 상당하는 영역을 제외한 공간으로 이루어졌다. 그 다음, 관통 구멍(122) 내의 충전재 소재(124)에, 무압력 금속 용침 공정 중에 매트릭스 금속 (120)을 자발 용침시켜 직경이 약 0.375in(10㎜)이고 형성된 금속 매트릭스 복합체의 2벽을 접합하는 브릿지(bridge) 또는 접합부를 형성하였다. 따라서, 본 실시예에 따르면, 반전 복제된 금속 매트릭스 복합 구조체를 구비한 얇은 이중벽 금속 매트릭스 복합체를 형성할 수 있다는 것이 밝혀졌다.

[실시예 9 ]

본 실시예는, 인베스트먼트 셀 주형의 인베스트먼트 패턴 선구물질이 베이스 우드(basswood)의 얇은 시트로 이루어지는 본 발명에 따른 인베스트먼트 주형 내에 수용된 충전재 재료의 비가열 용침에 의해 복잡한 형상을 갖는 얇은 금속 매트릭스 복합체를 제조할 수 있는 것을 예시한 것이다. 제9도는 인베스트먼트 셀의 단련과 그 내용물을 개략적으로 도시하고 있다.

개방단 1개를 구비하고 추가의 구조 부재가 들어 있는 삼각 단면의 중공체를, 두께가 약 0.063in(1.6㎜)의 베이스우드 시트를 접착함으로 조립하였다. 삼각면의 길이는 각각 4in(102㎜), 4in(102㎜), 3in(76㎜) 이다. 중공체의 길이는 약 3in(76㎜) 로 하였다. 삼각 물체의 내부는, 각각 길이가 약 3in(76㎜) 인 8개의 추가 베이스우드 시트들로 둘러싸고, 그 중 2개는 삼각형의 밑면과 평행하게 나머지는 밑면에 수직하고 인접하도록 배치하였다. 베이스우드 시트를, ELMER'S목공 접착제(오하이오주 콜롬버스 소재의 (Borden Company) 의 프로페셔널 카펜터스 우드 글루(Professional Carpenters Wood Glue))를 사용하여 서로 접합하였다. 실온으로 약 2-3시간 대기 중에서 바인더를 경화시킨 후, 베이스우드의 고정되지 않은 인베스트턴트 패턴을 RED DEVILHI-GLOSS 70 폴리우레탄(뉴욕 마운트버논 소재의 Insilco Company의 레드 데블 페인츠 앤드 케미칼스 사업부의 등록상표 임)의 보호 코팅으로 밀봉하였다. 브러쉬된 폴리우레탄 코팅물을 약 0.5 시간 건조시킨 후, 추가로 2회의 코팅을 도포하였다. 이 때, 각각의 코팅 후에 약 0.5 시간의 건조 기간을 설정하였다. 그 후, 완성된 베이스우드 패턴을 그레이드가 5550-K, GRN, FLK, 인 왁스 패턴에 접합시켰다. 이러한 왁스 패턴은 소망의 매트릭스 금속 저장부의 형상을 구비하고, 높이가 약 3in(76㎜)이고, 상부 직경이 약 Sin(76㎜)이고, 그리고 베이스우드 인베스트먼트 패턴과 접촉하는 저부의 직경이 약 2in(51㎜) 이다. 베이스우드 인베스트먼트 패턴을 용융 왁스를 사용하여 왁스 저장부 패턴에 접합하였다.

그 다음, 실시예 6에 기재된 것과 실질적으로 동일한 방법으로, 베이스우드 왁스 패턴 조립체에 인베스트먼트 셀 코팅을 적층하였다. 그러나, 본 실시예에서는, 2개 대신에 3개의 일차 인베스트먼트 셀 코팅을 도포하였다. 더욱이, 제3의 2차 인베스트먼트 셀 코팅을 도포한 후, 발전된 인베스트먼트 셀에 강도를 증대시키기 위해 소정 길이의 와이어로 권취하였다. 그 다음, 2차 인베스트먼트 셀 코팅 조성을 갖는 2층을, 와이어를 권취한 인베스트먼트 셀의 상부에 도포하였다.

인베스트먼트 셀(300)에, 후속하는 플래쉬 소성 중에 베이스우드로부터 발생하는 가스가 통기되는 것을 보조할 수 있도록 적당한 위치에 여러 개의 구멍을 뚫었다. 그 다음, 코팅된 베이스우드 왁스 저장부 인베스트먼트 패턴을 가열 공기 분위기 로 내에 배치하여, 약 890℃ 의 온도로, 그리고 그 온도로 약 15 분간 유지 시켜 베이스우드와 왁스를 완전 연소되도록 함으로써 플래쉬 소성하였다. 그 다음, 잔존하는 인베스트먼트 셀(300)을 890℃의 가스 로에서부터 취출하여, 즉시 약 850℃ 의 저항 가열 공기 분위기 로 내에 배기하였다. 인베스트먼트 셀(300)을, 약 850℃의 온도로 약 6 시간 소성하여 화학적으로 결합한 물을 제거하여, 셀을 경 질화시킨 후 인베스트먼트 셀(300)을 약 850℃의 로에서부터 취출하여 실온의 내화판 상에 배치하여 냉각하였다.

220 그릿(평균 입경이 약 66㎛)의 입상물 약 770g 과, 500 그릿(평균 입경이 약 17㎛)의 입상물 약 193g 로 이루어지는 39 CRYSTOLON미가공된 탄화규소 입상물(매사츄세츠주 워세스터 소재의 노턴 컴패너 사의 제품) 배합물을, 내용적 약 1.1 리터로, 직경 약 0.5in(13㎜)의 건조 BURUNDUM스톤(유.에 스. 스톤웨어 코오포레이숀의 제품) 약 2000g 이 담겨 있는 내용적 약 1.1 리터의 건조 자성 보올 밀(뉴저지주 마와 소재의 유.에스. 스톤웨어 코오포레이숀의 제품) 에 배치하였다. 보올 밀, 보올 밀의 뚜껑(밀로부터 제거됨) 및 그 내용물을 수은 진공 약 30in(762㎜)에서 약 150℃의 온도로 약 4시간 진공 건조시켰다. 보올 밀과 그 내용물을 진공 건조기로부터 취출하여, 입경이 약 45㎛ 미만인 마그네슘 입상물(뉴저지주 레이크허스트 소재의 리드 매뉴팩츄어링 컴패니 사의 제품으로, 입도 325메쉬 이하)을 보을 밀 중의 탄화규소 입상물에 첨가하여 충전재 소재 혼화물 (302)을 제조하였다. 그 다음, 보올 밀의 뚜껑을 고정하고, 충전재 소재 혼화물(302)을 약 2시간 분쇄하였다. 그 후, 보올 밀의 뚜껑을 알루미나 보올 밀로부터 취출하여, 보올 밀과 그 내용물을 수온 진공 약 30in(762㎜) 하에서 약 150℃의 온도로 적어도 약 4시간 2회 진공 건조하였다.

인베스트먼트 셀(300)의 통기 구멍에 FIBERFRAX세라믹 점유(304)(뉴욕주 나이아가라 폴즈 소재의 카보런덤 컴패니 사의 제품)를 충전하였다. 그 다음, 분쇄 ·건조 충전재 소재 혼화물 약 138g을 인베스트먼트 셀(300) 내에 주입하여 셀을 전후로 흔들어 혼화물(302)을 좁은 벽에 가능한 많은 공간에 충전시켰다. 모든 혼화물(302)을 인베스트먼트 셀(300)에 주입한 후, 셀을 경질 표면상으로 약 5 회 정도 두드려 혼화물(302)을 완전히 충전시켰다. 입도가 약 300㎛ 미만의 추가의 마그네슘 입상물 재료(306)(리드 매뉴팩츄어링 컴패니 사의 제품으로, 입도 50메쉬 이하)를, 충전재 소재의 표면 1평방 센티미터 당 농도가 약 6㎎에 도달할 때 까지 평평하게 살포하였다. 그 다음, 중량이 약 901g 이고, Si 약 11.-13.0 중량%, Fe 2.0중량% 이하, Cu 1.0 중량%, Mn 0.35 중량% 이하, Mg 0.10 중량% 이하, Ni 0.50 중량% 이하, Zn 0.50 중량% 이하, Sn 0.15 중량% 이하, 잔부가 알루미늄으로 이루어진 매트릭스 금속(308)의 잉곳을, 충전재 소재 혼화물(302)의 표면상의 마그네슘 입상물(306) 살포 표면에 걸쳐 있는 몇 개의 구리 박막 스트립으로 이루어진 슬링(310) 상에 배치하였다. 구리 스트립 슬링(310)의 말단을 인베스트먼트 셀(302)의 벽상에 권취시켰다. 구리 박막 슬링(310)은, 매트릭스 금속(308)이 용융 상태로 될 때가지, 매트릭스 금속(308)이 충전재 소재 혼화물(302)과 접촉하지 못하도록 하는 역할을 한다. 각 변의 길이가 약 4in(102㎜)의 PERMA FOIL 흑연 박막 시트(321)(오래곤주 포틀랜드 소재의 TT America 사의 제품)를 인베스트먼트 셀(300)의 상부에 있는 통로 위로 배치하였다.

그 후, 인베스트먼트 셸(300)과 그 내용물을 폭 약 10in(254㎜) ×길이 약 10in(254㎜) ×높이 약 10in(254㎜)의 스테인레스강 캔(314) 내에 배치 하였다. 그레이드가 RMC-3인 마그네슘 터닝(316)(뉴저지주 레이크허스트 소재의 리드 매뉴팩추어링 컴패니 사의 제품) 약 7g과, Tl-LOY97 티타늄 스폰지(318)(펜실베이니아주 브린마르 소재의 케말로이 컴패니 사의 제품) 약 12g을, 스테인레스강 캔(314) 속으로 인베스트먼트 셀(300)의 외측에 삽입하였다. 마그네슘 터닝(316)과 티타늄 스폰지(318)는, 산소 채집기로서 사용하였다. 각각의 치수가 약 14in(356㎜) x 16in(406㎜) x 두께 6mil(0.15㎜) 인 2매의 구리 박막(320) 시트를 스테인레스강 캔(314)의 개구부 상에 배치하였다. 캔(314)의 측면 위로 연장한 시트의 일부를 캔(314)의 측면에 대해 단단하게 아래로 절곡하여 독립된 챔버를 형성하였다.

스테인레스강 캔(314)과 그 내용물을 저항 가열 공기 분위기로 내에 배치 하였다. 시판되는 순수 질소 가스를 분당 약 15 리터의 유량으로 캔(314)의 일측 면을 관통하는 공급관(322)을 매개로 캔(314)의 내부로 공급하였다. 그 다음, 로를 시간당 약 400℃의 속도로 실온에서부터 약 790℃의 온도까지 가열하였다. 약 790℃의 온도를 약 3.5시간 유지한 후, 질소 가스 공급관(322)을 스테인레스강 캔으로부터 단절하여, 캔과 그 내용물을 로에서 취출하여 수냉 구리 냉각판 상에 배치 하였다. 구리(320)와 흑연 박막(312) 시트를 스테인레스강 캔(314)과 인베스트먼트 셀(300)로부터 각각 취출하여, FEEDOL제9번 핫토핑 입상 혼화물을, 인베스트먼트 셀(300) 내에 담겨 있는 잔류 용융 매트릭스 금속(308)의 상부에 주입하여 발열 반응이 일어나도록 잔류 용융 매트릭스 금속(308)의 표면에 열을 공급함으로써, 인베스트먼트 셀(300) 내에 담겨 있는 용융 매트릭스 금속(308)의 방향성 응고를 촉진시켰다.

스테인레스강 캔(314)과 그 내용물을 약 200℃까지 냉각한 후, 인베스트먼트 셀(300)과 그 내용물을 스테인레스강 캔(314)으로부터 취출하였다. 인베스트 먼트 셸(300)을 취출하여 보았을 때, 매트릭스 금속(308)이 충전재 소재 혼화물 (302)에 용침하여 금속 매트릭스 복합체가 형성되어 있는 것이 판명되었다. 추가 관찰을 하면, 형성된 금속 매트릭스 복합체는, 인베스트먼트 셸(베이스우드와 왁스 패턴의 형상에 의해 형성되어 있음)에 의해 형성되어 있는 주형 공동과 크기 및 형 상이 실질적으로 동일하다는 것이 판명되었다. 부착된 매트릭스 금속 저장부를 다이아몬드 가공에 의해 제거한 후의 형성된 금속 매트릭스 복합체의 사진을 제10도에 도시하였다. 따라서, 본 실시예에 따르면, 얇은 금속 매트릭스 복합체는, 인베스트먼트 패턴이 베이스우드 시트로 이루어져 있는 인베스트먼트 패턴/주형 기술을 이용하여 제조될 수 있다는 것이 밝혀졌다.

[실시예 10]

본 실시예에는, 조형 조밀 물체를 금속 매트릭스 복합체의 형성 중에 물리적인 차단체로서 사용하여, 최종 금속 매트릭스 복합체의 표면을 형성할 수 있다는 것을 예시한 것이다. 그 물체를 제조하기 위해 사용된 설비의 단면이 제11도에 개략적으로 도시되어 있다.

구체적으로 말하면, 그레이드가 A-17 인 알루미나 분말(알칸사스주 복사이트 소재의 알코아 인더스트리얼 케미칼스 사업부의 제품)을, DARVAN821A 분산제(코네티컷주 노워크 소재의 알.티. 반데르빌트 컴패니 인코오포레이티드 사의 제품)를 함유하는 소정량의 물로 교반하여 물 약 15 중량%와, 분산제 약 0.1 중량 %와, 잔부가 알루미나로 이루어지는 슬러리를 조제하였다. 슬러리 약 500㎖ 를 1 리터의 플라스틱 단지에 주입하여, 약 16시간 로울 믹스(roll mixed)하여 슬러 리를 형성하였다. 그 다음, 슬러리를 높이가 먁 9in(229㎜)이고, 최초의 부분 6in(152㎜)의 직경은 약 2in(51㎜)이고, 상부 3in(76㎜)의 직경은 약 3in(76㎜) 인내측 공동을 구비하고 2개의 부분으로 구성된 구운 석고 주형에 캐스팅 처리하였다.

주형 벽상의 캐스팅이 두께가 약 0.254in(6㎜)에 도달할 때, 과잉의 슬립을 2개의 부분으로 구성된 주형으로부터 배출하여 캐스팅을 공기 중으로 수 시간 실온에서 건조시켰다. 그 다음, 2개의 절반 주형을 분리시킴으로써, 그 캐스팅(알루미늄 차단체 셸)(160)을 2개로 구성된 주형으로부터 취출하였다. 그 후, 드레인 캐스트 차단체 셸을 공기 중에서 추가로 24시간 건조시켰다. 건조 후, 드레인 캐스트 차단체 셸을, 약 6in(152㎜) × 약 1lin(279㎜) × 두께 약 1in(25㎜) 의 코오디어라이트 내화판(cordierite refractory plate)에 의해 지지된 90 그릿(평균 입경은 약 216㎛) 38 ALUNDUM알루미나(매사츄세츠주 워세스터 소재의 노턴 컴패니사의 제품)로 이루어진 층 상에 배치하였다. 드레인 캐스트 차단 체 셸을 지지하고 있는 내화판을, 저항 가열 공기 분위기로 내에 배치하여 약 24시간 이상 약 1050℃로 가열하였다. 로 온도를 약 1050℃로 약 2시간 유지하고, 그 후 로를 자연 냉각시켰다. 로 온도를 일단 실질적으로 실온까지 회복시킨 후, 소성 드레인 차단체 셸(160)을, 로에서 취출하였다. 그 후, 알루미나 차단체 셸 (160)의 내부를, AERODAGG 콜로이드상 흑연(162)(미시간주 포트 휴론 소재의 Acheson Colloids Company 사이 제품)으로 에어졸 스프레이 코팅하고, 약 0.5 시간 주위 온도로 대기 중에서 건조시켰다. 2개의 추가 콜로이드상 흑연 코팅(162)을, 코팅 도포 사이에서 0.5 시간 건조시켜, 유사한 방식으로 도포하였다. 최종 콜로이트상 흑연 코팅의 도포 후, 코팅된 알루미나 차단체 셸(160, 162)을 공기중에서 주위 온도로 약 3-5 시간 건조시켰다.

실질적으로 전체의 입자의 직경이 약 300㎛ 미만인 마그네슘 입상물 (164)(펜실베이니아주 타마쿠아 소재의 하트 코오포레이숀 사의 제품으로, 입도 50 메쉬) 약 0.5g 을 코팅된 드레인 알루미나 차단체 셸(160, 162)의 바닥에 평평하게 살포하였다. 외경이 약 1.375in(35㎜)이고, 높이가 약 4in(102㎜) 인 중공의 흑연 튜브(166)를, 코팅된 알루미늄 차단체 셸(160, 162) 내에 배치하여, 마그네슘 입상물 층(164)의 상부에 중심을 맞춰 배치하였다. 용침 촉진제 선구물질을 함유 하지 않는 500 그릿(평균 입경: 약 17㎛)의 38 ALUNBUM알루미나(168)(노턴 컴패니 사의 제품)를 흑연 튜브(166)의 내부에 충전하여, 흑연 튜브 내부에 금속 매트릭스 복합체가 생성되지 않도록 하였다. 마그네슘 분말(하트 코오포레이숀 사의 제품으로, 입도 325메쉬 이하) 약 4 중량%와, 잔부가 실질적으로 모든 입경이 45㎛ 미만으로 되어 있는 그레이드가 T-64 인 편평 알루미나(알칸사스주 복사이트 소재의 알코아 인더스트리얼 케미칼스 사업부의 제품으로, 입도 325메쉬 이하)로 이루어진 입상 충전재 소재 배합물(170) 약 100g을, 실시예 6에 예시된 것과 실질적으로 동일한 기술로 처리한 후, 코팅된 알루미나 차단체 셸(160, 162) 내의 흑연 튜브(166) 주위에 넣음과 동시에 약 1in(25㎜)의 깊이까지 튜브의 상부를 피복하였다. 충전재 혼화물(170)의 표면을 평평하게 만든 후, 마그네슘 입상 물(172)(하트 코오포레이숀 사의 제품으로, 입도 50메쉬(300㎛) 이하) 약 0.5g을, 충전재 소재 혼화물(170)의 표면상에 평평하게 살포하였다. Mg 약 9.5-10.6 중량%, Si 2.5 중량% 이하, Fe 0.3 중량% 이하, Cu 0,25 중량% 이하, Mn 0.15 중량% 이하, Zn 0.15 중량% 이하, Ti 0.25 중량% 이하, 잔부가 Al로 이루어지고, 그리고 직경이 약 2in(51㎜)이고, 높이가 약 1.625in(41㎜) 인 매트릭스 금속(174)의 잉곳 약 225g 을, 코팅된 알루미나 차단체 셸(160, 162) 내에 배치하고, 그리고 충전재 혼화물(170)의 마그네슘 입상물 살포 표면(172) 상에 중심을 둔 레이 업을 형성아였다. 그 다음, 코팅된 알루미나 차단체 셸과 그 내용물로 이루어진 레이 업을, 각 변의 길이가 약 4in(102㎜) 이고 높이가 약 7in(178㎜) 인 스테인레스강 박스(176)내에 배치하였다. 그 후, 강으로 구성된 박스(176)와 차단체 셸(160) 사이의 공간에, 차단체 셸(160)의 지지 재료로 역할을 하는 220 그릿(평균 입경 : 약 66㎛)의 38 ALUNDUM알루미나(178)(노턴 컴패니 사의 제품)로 충전시켰다.

스테인레스강 박스(176)와 그 내용물을, 저항 가열 공기 분위기 로 내에 배치하였다. 로 챔버를 수은 진공 약 20in(508㎜)까지 배기한 후, 시판되는 순수 질소 가스로 거의 대기압에서 다시 충전시켰다. 질소를 분당 약 4리터의 유량으로 통과시켰다. 로 온도를 시간당 약 200℃의 속도로 실온에서 약 550℃의 온도 까지 승온시켰다. 약 550℃의 온도를 약 1시간 유지한 후, 온도를 시간당 약 150℃의 속도로 약 775℃까지 승온시켰다. 약 775℃의 온도를 약 15시간 유지한 후, 온도를 시간당 150℃의 속도로 약 760℃까지 저하시켰다. 가열 사이클을 통해 질소 가스를 분당 약 4리터의 유량으로 유지시켰다. 약 760℃의 온도에서, 스테인레스강 박스(176)와 그 내용물을 로에서 취출하여 수냉식 알루미늄 냉각판 상부에 배치하였다. FEEDOL제9번 핫토핑 입상 혼화물(오하이오주 클리브랜드 포세코 인코오포레이티드 사의 제품)을, 레이 업 내에 들어 있는 잔류 용응 매트릭스 금속(174) 상부에 주입하여 발열 반응을 일으켜, 그 열을 잔류 용윤 매트릭스 금속의 표면에 공급하였다. 두께가 약 2in(51㎜) 인 CERABLANKET세라믹 섬유 절연체(콜로라도주 덴버 소재의 Manville Refractory Products 사의 제품)를, 레이 업 상부에 캐치하여 레이 업의 상부로 고온을 유지시켜 레이 업에 함유되어 있는 용응 금속의 방향성 응고를 촉진시켰다. 스테인레스강 박스(176)와 그 내용 물을 실온에서 냉각한 후, 코팅된 알루미나 차단체 셸(160, 162)과 그 내용물을 스 테인레스강 박스(176)로부터 취출하였다. 차단체 셸(160)을, 레이 업에서 취출하여 보면, 매트릭스 금속이 충전재 입상 혼화물(170)에 용침하여 관상의 금속 매트릭스 복합체가 형성된 것이 판명되었다. 또, 매트릭스 금속의 일부분이 흑연 튜브 내에 들어 있는 알루미나 분말(168)의 일부에 용침하였다. 성형된 금속 매트릭스 복합체 튜브의 사진을 제12도에 도시하였다. 금속 매트릭스 복합체 튜브의 외경은, 코팅된 알루미나 차단체 셸(160, 162)의 내면에 의해 형성되고, 금속 매트릭스 복합체 튜브의 내경은 흑연 튜브(166)의 외부면에 의해 형성되어 있다. 따라서, 본 실시예에 따르면, 흑연으로 된 고체를 금속 매트릭스 복합체의 형성 중의 물리적인 차단체로서 사용하여, 매트릭스 금속 복합체의 표면을 형성할 있다는 것이 밝혀 졌다.

[실시예 11]

본 실시예는, 매트릭스 금속의 직원형 실린더에 슬러리 형상의 충전재 소재 혼화물로 코팅함으로써, 금속 매트릭스 복합체 재료의 직원형 실린더의 형성을 예시 하고 있다. 제13도는 이러한 용침을 행하기 위해 사용되는 설비를 개략적으로 도시하고 있다.

액체와 충전재 소재 혼화물(180)로 이루어진 슬러리를, 실질적으로 전 입자의 직경이 약 45㎛ 미만인 건조된 그레이드 T-64 알루미나 편평 분말(알칸사스 주 복사이트 소재의 알코아 인더스트리얼 케미칼스 사업부의 제품으로, 입도 325 메쉬 이하) 약 450g 으로 조제하였다. 건조 알루미나 편평 분말을, 내용적이 약 9리터인 건조 자성 보올을 밀 내에 배치하였다. 각각 직경이 약 0.938in(24㎜)인 보올 밀 스톤(펜실베이니아주 피츠버그 소재의 스탠다드 세자믹 써플라이 컴패니의 쳄-클래이 코오포레이숀 사업부의 제품) 약 900g을 보올 밀에 첨가하여, 약 6시간 동안 보올 밀 건조하였다. 분쇄 매개물을 취출하고, 그리고 실질적으로 전 입자가 약 45㎛ 보다 작은 마그네슘 입상물(뉴저지주 레이크허스트 소재의 리드 매뉴팩 츄어링 컴패니 사의 제품으로, 입도 325메쉬 이하) 약 36g을 보올 밀에 첨가하였다. 밀의 뚜껑을 다시 고정하고, 그리고 알루미나 편평 분말과 마그네슘 입상물을, 약 2시간 로울 혼합하였다. 그 다음, 로울 혼합된 충전재 혼화물을, XUS 40303,00 실험용 바인더(미시간주 미드랜드 소재의 다우 케미칼 컴패니 사의 제품) 약 4.9g와, 에틸알코을 약 245g로 이루어진 용액을 담고 있는 NALGENE플라스틱 비이커(뉴욕주 로체스터 소재의 날게 컴패니 사의 제품)에 천천히 첨가하 였다. 충전재 혼화물을 바인더와 에틸알코을 용액에 천천히 교반시킴으로써, 슬러리를 조제하였다. 직경이 약 2.375in(60㎜), 길이가 약 3in(76㎜), 중량이 약 131g 이며, 시판되는 순수 알루미늄(알루미늄 어소시에이숀 합금 제170,1번)으로 이루어진 직원형 튜브 형상의 매트릭스 금속(182)을, 외면을 샌드 브래스팅 처리하고, 샌드 브래스팅에 이해 생성된 파편을 깨끗이 씻었다. 그 다음, 샌드 브래스팅 처리된 표 면에 마그네슘 입상물(184)(리드 매뉴팩츄어링 컴패니 사의 제품으로, 입도 325메 쉬 이하) 약 67 중량%와 에틸알코올로 이루어진 슬러리를 도포하였다. 마그네슘 입상물(184)로 이루진 코팅을, 공기 중에서 주위 온도로 약 1시간 건조하였다. 건조·코팅 매트릭스 금속 튜브(182, 184)의 중량을 계산하면, 마그네슘 입상물(184) 약 1g이 튜브의 외면에 적용된다는 것이 판명되었다.

보올 밀 분쇄된 알루미나 편평 분말과 마그네슘 입상물로 이루어진 전술한 충전재 소재(180)의 슬러리를, 마그네슘 입상물 코팅(184) 상에 스프레이 코팅하였다. 구체적으로 말하면, 충전재 소재(180)의 얇은 코팅에, 모델 번호 SG212G 스피디 스프레이어(Speedy Sprayer) 스프레이 페인트 건(일리노이주 시카고 소재의 W.R. Brown, Inc. 사이 제품)을 사용하여 약 25psi(172kPa)의 압력을 가하 였다. 충전재 소재(180)의 코팅을, 공기 중에서 주위 온도로 약 10분간 건조시켰다. 그 후, 상기 코팅과 건조 조작을 약 5회 반복시켜, 약 100g의 충전재 소재 (180)를, 매트릭스 금속(182)으로된 튜브의 상부에 있는 마그네슘 입상물 층(184) 상에 침적시켰다. 직경이 약 3in(76㎜)인 GRAFOIL흑연 박막(186)(오하이오주 클리브랜드 소재의 유니온카바이드 컴패니, 카본프로덕츠 사업부의 제품)을, RIGIDLOCK콜로이드상 흑연 시멘트(캘리포니아주 발렌시아 소재의 폴리카본 코오포레이숀 사의 제품)로 코팅된 매트릭스 금속 튜브의 일단에 접착시켰다. 길이가 약 8in(203㎜), 폭이 약 3in(76㎜)이고, 두께가 약15mil(0.38㎜)인 별도의 GRAFOIL흑연 박막(188)(유니온 카바이드 컴패니 사의 제품) 시트를, 코팅된 매트릭스 금속 튜브(182)에 권취시켜, RIGIDLOCK콜로이드상 흑연 시멘트(폴리카본 코오포레이숀 사의 제품)에 의해 소저의 위치에 고정시켜 레이 업을 형성하였다.

90 그릿(평균 입도: 약 216㎛)의 39 CRYSTOLON미가공된 탄화규소 입상물(매사츄세츠주 워세스터 소재의 노턴 컴배니 사의 제품)로 이루어진 지지 베드(190)를, 길이 약 14in(356㎜) × 폭 약 1lin(279㎜) × 높이 약 8in(203㎜)의 흑연 보트(192) 내에 깊이 약 2in(76㎜) 까지 주입하였다. 권취 ·코팅 매트릭스 금속 튜브로 구성된 레이 업(180, 182, 184, 186, 188)을 흑연 보트(192) 내의 미가공된 탄화규소 지지 베드(190) 상에 배치하여, 튜브의 축이 실질적으로 수직으로 향하도록 하였다. 추가로, 90 그릿(평균 입도: 216㎛)의 39 CRYSTOLON미가공된 탄화규소 입상물(190)을 튜브가 완전하게 채워질 때 까지 주입하였다. 추가로, 90 그릿(평균 입도: 216㎛) 39 CRYSTOLON미가공된 탄화규소(190)를, 흑연 보트(192) 내의 튜브 조립체 주위에, 흑연 보트 (192)의 탄화규소(190)의 총 깊이가 약 3.5in(89㎜)에 토달할 때까지 주입하였다. 흑연 보트(192)와 그 내용물을, 전기 저항 제어 분위기로 내에 배치하였다.

로의 분위기를 수은 진공 약 30in(762㎜)까지 배기하고, 시판되는 순수 질소 가 스로 다시 채웠다. 질소 가스를, 분당 약 3리터의 유량으로 로를 통과시켰다. 로 온도를 시간당 약 200℃의 속도로 실온으로부터 약 200℃의 온도까지 승온시키고, 약 200℃에서 46시간 동안 유지하였다. 온도를 시간당 약 200℃의 속도로 약 460℃까지 승온시키고 약 460℃로 약 5시간 유지시켰다. 그 후, 온도를 시간당 약 10℃ 속도로 약 490℃까지 승온시키고 약 490℃로 약 1시간 유지하였다. 온도를 분당 약 150℃의 속도로 약 550℃까지 승온시키고, 약 550℃로 약 1시간 유지하였다. 그 후, 온도를 시간당 약 150℃의 속도로 약 775℃까지 승온시키고, 약 775℃로 약 5시간 유지하였다. 그 온도를 시간당 약 150℃의 속도로 약 760℃까지 저하시켰다. 온도가 약 760℃까지 저하되면, 흑연 모트(192)를 로에서 취출하여 수냉식 알루미늄 겐칭판에 배치하였다. FEEBOL9 핫토핑 입상 혼화물(오하이오주 클리브랜드 소재의 포세코 인코오포레이티드 사의 제품)을, 레이 업 (180, 182, 184, 186, 188)의 상부에 주입하여, 매트릭스 금속(182)의 방향성 응고를 촉진시켰다. 거의 실온까지 냉각한 후, 내용물을 흑연 보트(192)로부터 취출하여 관찰하였다. 그 결과, 매트릭스 금속 튜브(182)가 충전재 소재(180)의 코팅 표면에 용침하여, 금속 매트릭스 복합체가 형성되었다는 것이 밝혀졌다. 이렇게 제조된 금속 매트릭스 복합체 튜브의 사진을 제14도에 도시하였다. 따라서, 관상의 금속 매트릭스 복합체는, 매트릭스 금속의 튜브에 대해 형성된 드레인 캐스트 튜브 예비 성형체 혹은 테이프 캐스트 예비성형체로의 용침뿐만 아니라, 매트릭스 금속 튜브에 충전재 소재 혼화물을 스프레이 코팅 처리함으로써 제조될 수 있다는 것이 밝혀졌다.

[실시예 12]

본 실시예에는, 본 발명의 비가압 금속 용침 공정을 사용하여 매트릭스 금속 시트 상에 충전재 소재 혼화물 코팅을 용침시키는 또 다른 실시 태양을 예시하고 있다.

액체와 충전재 소재 혼화물(200)로 이루어진 슬러리를 조제하였다. 구체적으로 말하면, 거의 전 입자가 약 45㎛ 미만이고, 그레이드가 T-64인 건조 관상 알루미나 입상물(알칸사스주 복사이트 소재의 알코아 인더스트리얼 케미칼스 사업부의 제품으로, 입도가 325메쉬 이하) 약 850g 을, 내용적 약 9리터의 건조 자성 보올 밀 내에 배치하였다. 각각 직경이 약 0.938in(24㎜)인 보올 밀링된 스톤(펜실베이니아주 피크버그 소재의 스탠다드 세라믹 써플라이 컴패니의 쳄-클레이 코오포레이숀 사업부의 제품) 약 1700g을 보올 밀에 첨가하여 알루미나 편평 분말을 약 6시간 동안 보올 밀 건조시켰다. 보올 밀링 스톤을 취출하여, 그레이드가 A-1000인 알루미나 분말(알코아 인더스트리얼 케미칼 사업부의 제품) 약 150g과, 실질적으로 전 입자의 크기가 45㎛보다 작은 마그네슘 입상물(뉴저지 주 레이크허스트 소재의 리드 매뉴팩츄어링 사의 제품으로, 입도 325메쉬 이하) 약 40g를 보올 밀에 첨가하였다. 밀 뚜껑을 재고정하고, 알루미나 편평 분말과 마그네슘 입상물을 약 2시간 동안 로울 혼합하였다. 그 다음, 로울 혼합된 층 전재 소재 혼화물(200)을 XUS 40303,00실험용 바인더(미시간주 미드랜드 소재의 다우 케미칼 컴패니 사의 제품) 약 7.8g과, 에틸알코올 약 520g으로 이루어진 용액을 담고 있는 NALGENE플라스틱 미이커(뉴욕주 로체스터 소재의 날게 컴패니 사의 제품)에 첨가하였다. 충전재 소재 혼화물을 바인더와 에틸알코을 용액에 천천히 교반 첨가하여 슬러리를 조제하였다.

제15a도는, 본 명세서에 기재된 샘플 A와 샘플 B의 2개의 금속 매트릭스 복합체를 제조하는데 사용한 레이 업의 단면도를 도시한 것이다.

[샘플 A]

두께가 약 0.125in(3㎜), 중량이 약 344g 이고, Cu 약 0.05-0.20 중량 %, Si+ Fe 0.95 중량% 이하 , Mn 0.05 중량% 이하, Zn 0.10 중량% 이하, 잔부가 알루미늄(알루미늄 어소시에이숀 합금 제1100번)으로 이루어진 매트릭스 금속 시트(202)를 성형하여, 일단이 개방되고 각 변의 길이 약 5in(127㎜) × 깊이 약 2in(51㎜)의 박스(202)로 만들었다. 박스(202)의 내두를, 샌드 브래스팅 처리로 청정한 후, 에틸알코올로 세정하였다. 그 다음, 박스(202)의 내부에 마그 네슘 입상물(204)(리드 매뉴팩츄어링 컴패니 사의 제품으로, 입도 325메쉬(45㎛) 이하) 약 67 중량% 와, 잔부가 에틸알코올로 이루어진 슬러리를 브러쉬 코팅 하였다. 코팅된 매트릭스 금속 박스(202, 204)를 공기 중에서 주위 온도로 약 1시 간 건조한 후, 코팅된 매트릭스 금속 박스(202, 204)의 중량을 측정하면, 약 1g의 마그네슘 입상물(204)이 박스 내면에 도포된 것이 판명되었다.

알루미나와 마그네슘 입상물로 이루어지는 전술한 충전재 소재(200)의 슬러리를, 박스(202)의 내부에 토포된 마그네슘 입상물 코팅(204)의 상부에 브러쉬 코팅시켰다. 구체적으로 말하면, 충전재 소재(200)의 얇은 슬러리 코팅을 도포하고, 공기 중에서 약 10분 동안 주위 온도로 건조시켰다 그 후, 이러한 코팅과 건조의 시퀸스를 약 330g의 충전재 소재(200)가 매트릭스 금속 박스(202) 내부의 마그네슘 입상물 층(204) 상에 침적될 때까지 계속하였다. 그 후, 코팅된 매트릭스 금속 박스(200, 202, 204)를, 공기 중에서 주위 온도로 약 3-5시간 건조시켜, 전 에틸알 코올을 확실히 증발시켰다. 그 따음, 매트릭스 금솔 박스(200, 202, 204)의 코팅된 표면에, 모델 번호 SG212G 스피디 스프레이어 스프레이 페인트 건(일리노이주 시카고 소재의 떠블유.알. 브라운. 인코오포레이티드 사의 제품)을 사용하여 약 25psi(172kPa)의 압력을 가하여, AERODAGG 콜로이드상 흑연(206)(미시간주 포트휴론 소재의 아케슨 콜로이즈 컴패니 사의 제품)을 스프레이 코팅하였다.

[샘플 B]

크이와 조성이 전술한 박스와 실질적으로 동일한 제2 매트릭스 금속 박스 (202)를, 상기 방법과 유사하게 청정화하여, 마그네슘 입상물(204)로 된 층파, 층 전재 소재 혼화물(202)과, 콜로이드상 흑연 차단체 코팅(206)을 도포하였다. 다만, 이러한 코팅과 그 조작은 박스 내부가 아니라 외부에 적용하였다.

길이 약 12in(305㎜) × 폭 약 8in(203㎜) × 높이 약 6in(152㎜)의 흑연 보트(208)에, 90 그릿(평균 입도: 180㎛)의 39 CRYSTOLON(스캔작업) 미가공된 탄화규소 입상물(매사츄세츠주 워세스터 소재의 노턴 컴패리 사의 제품)로 이루어 진 베드 재료(210)를 깊이 약 1in(25㎜)으로 충전하여 평평하게 만들었다. 박스 (샘플 B)의 외면에 코팅을 적용한 매트릭스 금속 박스(202)를, 그 후에 흑연 보트 (208) 내의 탄화규소 베드(210)의 상부에 배치하고, 그리고 박스(200, 202, 204, 206)의 약 5in(127㎜)의 저면이 베드 재료(210)에 접촉하도록 배치하였다. 그 다음, 90그릿(216㎛) 39 CRYSTOLON미가공된 탄화규소(210)를, 추가로 흑연 보트(208) 내의 샘플 B의 코팅된 매트릭스 금속 박스 안과 그 주위에, 박스의 상단과 실질적으로 동일한 높이가 되도록 주입하여 평평하게 하였다. 마그네슘 입상물 용침 촉진제 선구물질(204)과, 충전재 소재 혼화물(200) 및 박스(샘플 A)의 내부에 도포된 차단 고팅(206)을 구비한 매트릭스 금속 박스 (202)를, 박스(202)의 개방단이 아래로 향하도록 흑연 보트(208) 내에 배치하여, 90 그릿(216㎛)의 39 CRYSTOLON탄화규소 베드(210) 내에 베드 재료 (210)의 상부가 박스(202)의 저면과 실질적으로 동일한 평면이 되도록 한 깊이까지 압박하였다.

흑연 보트(208)와 그 내용물을, 전기 저항 저어 분위기 로 내에 배치하였다, 로의 분위기를 수은 진공 약 30in(762㎜)으로 배기 후, 시판되는 순수 질소 가스로 거의 대기압까지 다시 충전하였다. 질소 가스를 분당 약 2.5리터의 유량으로 로 내에 유동시켰다. 로 온도를 시간당 약 200℃의 속도로 실온으로부터 약 460℃의 온도까지 승온시키고, 약 460℃로 약 5시간 유지시켰다. 그 후, 온도를 시간 당 약 10℃의 속도로 약 490℃까지 승온시켜 약 490℃로 약 1시간 유지지켰다. 그 다음, 온도를 시간당 약 150℃의 속도로 약 775℃까지 숭온시키고, 약 775℃로 약 5시간 유지시켰다. 온도를 시간당 약 150℃의 속도로 약 760℃까지 저하시켰다. 온도가 약 760℃로 저하되면, 흑연 보트(208)를 로에서 취출하여 수냉식 알루 미늄 겐칭판에 배치하였다. FEEDOL9 핫토핑 입상 혼합물(오하이오주 클리브 랜드 소재의 포세코 인코오포레이티드 사의 제품)을 노출된 잔류 용융 매트릭스 금속(202) 상부에 주입하였다. 흑연 보트(208)의 상부와 측면을, CERABLANKET세라믹 섬유 절연체(콜로라도주 덴버 소재의 맨빌 리프렉토리 프로덕츠 사의 제 품)로 되는 두께 약 2in(51㎜)의 층으로 피복하였다. 실질적으로 실온까지 냉각 한 후, 흑연 보트(208)의 내용물을 흑연 보트(208)로부터 취출하여 관찰하였다. 콜로이드상 흑연 차단체 코팅(206)을 샌드 브래스팅에 의해 제거하면, 박스 모양의 매트릭스 금속(202)이 박스의 내표면 및 외표면 상의 충전재 소재 혼화물 코팅 (200)에 용침하여, 제15b도의 샘플 A와 샘플 B의 사진으로 나타난 매트릭스 금속 박스의 형상을 복제한 금속 매트릭스 복합체가 형성된다는 것이 판명되었다. 따라서, 본 실시예에 따르면, 본 발명의 비가압 용침 공정을 실시함으로써, 매트릭스 금속으로 이루어진 얇은 시트에 충전재 소재 혼화물을 도포하고, 그리고 연접하는 매트릭스 금속을 충전재 소재 혼화물에 용침시켜 얇은 금속 매트릭스 복합체를 제조할 수 있다는 것이 밝혀졌다.

[실시예 13]

본 실시예는, 벽 사이의 반전 복제된 채널을 특징으로 하는 얇은 이중벽 금속 매트릭스 복합체를, 충전재 소재 혼화물 코팅을 용침함으로써 제조될 수 있는 것을 예시한 것이다. 용침을 행하는데 사용한 설비는 실시예 8에서 사용한 것과 실질적으로 유사하며, 그 설비를 제8도에 개략적으로 도시하고 있다.

길이 약 3in(76㎜) × 폭 약 2in(51㎜) × 두께 약 0.050in(1.3㎜)이고, 실리콘 약 0.4-0.8 중량%, 철 0,7 중량% 이하, 구리 약 0.15-0,40 중량% 이하, 망간 0,15 중량% 이하, 마그네슘 약 0.8-1,2 중량%, 크롬 약 0.04-0.35 중량%, 아연 0.25 중량% 이하, 티타늄 0 15 중량% 이하, 잔부가 알루미늄으로 이루어진 매트릭스 금속 시트(120)에, 직경 약 0.156in(4㎜)의 8개의 관통 구멍 (122)을 제16a도에 도시된 바와 같은 배열로 마련하였다. 구멍이 마련된 금속 매트릭스 시트의 표면을, 먼저 샌드 브래스팅 처리하여 부착된 표면 산화물을 제거한 후, 에틸알코올로 청정하여 샌드 브래스팅 처리로 생성된 파편을 제거하였다.

매트릭스 금속 시트를 코팅하기 위한 충전재 소재(124) 슬러리는, 실질적으로 전부의 입자가 직경 약 45㎛ 미만이고 그레이드가 T-64 인 알루미나 편평 분말(알칸사스주 복사이트 소재의 알코아 인더스트리얼 케미칼스 사업부의 제품으로, 입도 325메쉬(45㎛) 이하) 약 3000g 과, 실질적으로 전부의 입자가 직경 약 45㎛ 미만인 마그네슘 입상물(뉴처지주 레이크허스트 소재의 리드 매뉴팩츄어링 컴패니 사의 제품으로, 입도 325메쉬(45㎛) 이하) 약 240g와, 그레이드가 XUS 40303.00인 실험용 바인더(미시간주 미드랜드 소재의 다우 케미칼 코오포레이숀 사의 제품) 약 2g 으로 이루어져 있다 이 슬러리는, 바인더를 에틸알코올에 용해시켜, 알루미나 평편 분말과 마그네슘의 입상물에 교반시킴으로써 조제하였다.

전술한 매트릭스 금속 시트(120)를 슬러리에 침지하여 충전재 소재(124)의 시트에 접착성 코팅을 형성하였다. 그 후, 코팅된 매트릭스 금속 시트(120, 124)를 강제 공기 건조 로내 배치하여, 약 78℃의 온도로 약 15-30 분간 건조하였다. 퀀칭 코팅과 건조 조작을 2회 반촉하여 매트릭스 금속 시트(120) 상에 하계 3층의 충전재 소재 층(124)을 형성하였다. 매트릭스 금속 시트(120)의 관통 구멍(122)을 충전재 소재(124)로 거의 충전하였다. 건조된 충전재 소재(124)의 총중량은 약 49g 이었다.

그 후, 매트릭스 금속의 코팅된 시트(120, 124)를, 두께가 약 15mil(0.38㎜) 이고 1매의 GRAFOIL흑연 박막(126)에 넣었다. 코팅된 매트릭스 금속 시트를, GRAFOIL을 코팅 시트의 주위에 권취시키고 절곡하여 RIGIDLOCK콜로이드상 흑연 시멘트(캘리포니아주 발렌시아 소재의 폴리카본 코오포레이숀 사의 제품)로 봉합부를 밀봉하였다. 매트릭스 금속(120)의 코팅 (124) 및 권취(126) 시트를, 각각 길이 약 8in(203㎜) × 폭 약 4in(102㎜) × 두께 약 0,5in(13㎜) 인 2매의 흑연판(128)들 사이에 배치하여, 조립체 (120, 124, 126, 128)를 형성하였다.

흑연판(128) 사이에 샌드위치된 매트릭스 금속(120)의 코팅(124)·권취(126)시트로 이루어진 조립체를, 외측 치수가, 길이 약 14in(356㎜) × 폭 약 10.25in(260㎜) × 높이 약 1.5in(38㎜)이고, 두께가 약 0.25in(6㎜)인 흑연 보트(130) 내에 조립체(120, 124, 126, 128)의 장축을 중심으로 수직하게 세웠다. 길이 약 8in(203㎜) × 폭 약 4in(102㎜) × 높이 약 6in(152㎜) 이 고, 두께가 약 0.25in(6㎜)인, 양단이 개방된 흑연 고정구(132)를, 흑연 보트 내와, 조립체(120, 124, 126, 128)의 주위에 배치하였다. 그레이드가 F-69 유리 프릿(오하이오주 캐롤톤 소재의 퓨전 세라믹스 인코오포레이티드 사의 제품) 약 15 중량%와, 잔부가 동일한 중량비의 90 그릿(평균 입경: 216㎛)과, 220 그릿(66㎛)과, 500 그릿(17㎛)의 El ALUNDUM알루미나(매사츄세츠주 워세스터를 소재의 노턴 컴패니 사의 제품)로 이루어진 베드 재료 혼화물(133)을, 흑연 고정구(132)와 조립체(120, 124, 126, 128) 사이의 영역에 베드 재료(133)의 깊이가 약 4in(102㎜) 될 때까지 주입하였다.

흑연 보트(130)와 그 내용물을 실질적으로 실온의 전기 저항 제어 분위기로 내에 배치하였다. 로 챔버를 밀봉하고, 수은 진공 약 30in(762㎜)까지 배기한 후, 시판되는 순수 질소 가스로 대기압까지 다시 채웠다 질소 가스를 분당 약 5리터의 유량으로 로를 통과시켰다. 로 내의 온도를 시간당 약 200℃의 속도로 약 100℃까지 승온시켰다 약 100℃의 온도를 약 44시간 유지한 후, 그 온도를 시간당 약 200℃의 속도로 다시 약 460℃까지 승온시켰다. 약 460℃의 온도를 약 5시간 유지한 후, 그 온도를 시간당 약 10℃의 속도로 약 490℃까지 승온시켰다. 약 490℃의 온도를 약 1시간 유지한 후, 그 온도를 시간당 약 200℃의 속도로 약 800℃까지 승온시켰다. 약 800℃의 온도를 약 6시간 유지한 후, 충전재 소재 혼 화물 코팅으로의 매트릭스 금속의 용침이 실질적으로 완료하였다. 그 다음, 로 온도를 시간당 200℃의 속도로 약 700℃까지 저하시켰다. 약 700℃의 온도에서 흑연 보트(130)와 그 내용물을 로에서 취출하여 수냉식 알루미늄겐칭판 상에 배치하였다.

거의 실온까지 냉각한 후, 조립체(120, 124, 126, 128)를 베드 재료 혼화물 (133)로부터 제거 분석해 보면, 실질적으로 전체의 매트릭스 금속(120)이, 충전재 소재 혼화물 코팅(124)에 용침하여 이중벽의 금속 매트릭스 복합체가 생성된 것이 판명되었다. 금속 매트릭스 복합체의 벽 사이에 형성된 영역은, 본래의 매트릭스 금속 시트(120)에서의 직경 약 0.156in(4㎜)의 관통 구멍의 위치에 상당하는 영역을 제외한 공간이었다. 그 후, 비가압 금속 용침 공정 중에 매트릭스 금속(120)을 충전재 소재(124)에 충전시켜 매트릭스 금속(120) 시트에서의 관통 구멍(122)에 자발 용침시켜, 형성된 금속 매트릭스 복합체의 2개의 벽을 접합하는 직경이 약 0.156in(4㎜)인 브릿지 또는 접합 조인트를 형성하였다. 형성된 금속 매트릭스 복합체의 구조의 단면과 정면의 사진을, 제17a도와 제17b도에 도시하였다. 따라서, 본 실시예에 따르면, 추가로 벽 사이에 반전 복제된 금속 매트릭스 복합체 구고 를 갖는 얇은 이중벽 매트릭스 복합체가 제조될 수 있다는 것이 밝혀졌다.

실시예 14

본 실시예는, 본 발명의 방법에 따라 얇은 금속 매트릭스 복합체 코팅이 매트릭스 금속의 표면상에 형성될 수 있다는 것을 예시한 것이다. 제18도는, 코팅을 제조하기 위해 사용되는 설비를 개략적으로 도시하고 있다.

[샘플 C]

그레이드차 A-17 인 알루미나 입상물(알칸사스주 복사이트 소재의 알코아 인더스트리얼 케미칼스 사업부의 제품) 약 2000g 을, 브이형 블랜드(포타 셸 램 블랜러(Porta Shell Lab Blender) : 조오지아주 토카 소재의 Banner Industries, Inc.의 자회사 Patterson Pump Co, 의 제품)의 혼합실(용적: 약 10리터)에 넣었다. 커버를 고정하여 믹서를 시동시켰다. 약 5분간 혼합하여 큰 덩어리의 응집물을 고속 회전 증압 바아로 폐쇄한 후, 혼합을 일시적으로 정지하였다. 실질적으로 전체의 입자가 직경 약 45㎛ 미만인 마그네슘 입상물(뉴저지주 버겐필드 소재의 Atlantic Equipment Engineers의 제품으로, 입도 325메쉬 이하) 약 1000g 을 혼합실에 첨가하여, 그리고 혼화물을 약 10분간 배합하였다. 믹서를 정지시키고, 혼합실을 열어 입상물 혼화물 약 20g을 취출하여, 에틸알코올 약 20g이 담겨 있는 알루미늄 샘플 컵(내용적 : 약 50 ㎖) 넣어 교반하여, 충전재 소재(220)의 슬러리를 형성하였다. 잔류한 건조 입상물 혼화물을 다음에 사용을 위해 내용적 약 4리터의 NALGENE플라스틱 단지(220)(뉴욕주 로체스터 소재의 날게 컴패니 사의 제품)에 보존하였다.

각 변의 길이 약 2in(51㎜) ×두께 0.5in(13㎜)이고, 규소 약 0.4-0.8 중량%, 철 0,7 중량% 이하, 구리 약 0.15-0.40 중량%, 망간 0.15 중량%, 마그네슘 약 0.8-1.2 풍량%, 크롬 약 0.04-0.35 중량%, 아연 0.25 중량%, 티타늄 0.15 중량%, 잔부가 알루미늄으로 이루어진 매트릭스 금속 잉곳(222)을 샌드 브래스팅 처리하여 부착한 표면 산화물을 제거한 후, 에틸알코올로 세정하고, 샌드 브래스팅 처리에 의해 생성된 파편을 제거하였다 그 후, 매트릭스 금속 잉곳 (222)을, 길이 약 16in(406㎜) × 폭 약 12in(305㎜) × 깊이 약 0.5in(13㎜)의 스테인레스강으로 된 팬(pan) 내에 배치하여, 2in(51㎜) × 2in(51㎜)의 1매의 면이 스테인레스강에 접촉하도록 배치하였다. HIGHLAND셸로판 테이프(미네소타주 세인트 폴 소재의 3엠 코오포레이숀의 커머셜 오피스 써플라이 사업부의 제품)를, 페이프가 잉곳의 연부로부터 약 0.25in(6㎜) 연장되도록 매트릭스 금속 잉곳(222)의 2in(51㎜) × 0.5in(13㎜)의 4개의 면에 도포함으로써, 각 변의 길이가 2in(51㎜)인 2개의 면 중 1개의 면 주위에 얕은 저장부를 생성하였다. 그 후, 충전재 소재(220)의 슬러리를, 형성된 저장부 내의 매트릭스 금속 잉곳(222) 상에 주입하여, 공기 중에서 주위 온도로 약 3-5시간 건조시켰다. 셀로판 테이프를 코팅된 매트릭스 금속 잉곳(222)으로부터 제거하였다.

[샘플 D]

평균 입도가 약 0.3㎛인 CERALOX HPA알루미나(아리조나주 턱슨 소재의 Ceralox Corp. 사의 제품)와, 실질적으로 전 입자의 크기가 약 45㎛ 미만인 마그네슘 입상물(뉴저지주 버겐필드 소재의 애틀란틱 이큅먼트 엔지니어즈 사의 제품으로, 입도 325메쉬(45㎛) 이하)로 이루어진 건조 입상물 혼화물을, 샘플 C의 입상물 혼화물과 실질적으로 유사한 방법으로 조제하였다. 그 후, 입상물 혼화물(224)을, 샘플 C와 실질적으로 유사한 방법으로 슬러리화 하였다. 샘플 C에 사용한 것과 크기 및 조성이 실질적으로 동일한 매트릭스 금속(226)의 잉곳(226)을, 샘플 C의 잉곳과 유사한 방식으로 청정하였다. 그 후, 충전재 소재(224)의 코팅을, 샘플 C의 매티릭스 금속 잉곳 상에 도포한 것과 실질적으로 유사한 방법으로 매트릭스 금속 잉곳(226)상에 형성하였다.

GRAFOIL흑연 박막 상자(228)(오하이오주 유니온 카바이드 컴패니의 카본 프로덕츠 사업부의 제품)를, 두께가 약 15mil(0.8㎜)인 1매의 GRAFOIL에 소정의 위치를 절단 및 절곡하여 제작하였다. 흑연 박막의 절곡된 부분을 스태플로 고정시킴으로써 박스의 형상을 유지하였다. GRAFOIL박스(228)의 치수는, 길이 약 11in(279㎜)×폭 약 8in(203㎜)×높이 약 3in(76㎜) 이었다. 그 박스를, 길이 약 12in(305㎜)×폭 약 9in(229㎜)×높이 약 11in(279㎜)인 스테인레스강 보트(230) 내에 배치하였다. 그레이드가 A-17 인 알루미나 입상물(알코아 인더스트리얼 케미칼스 사업부의 제품)로 되는 베드 재료(232)를, GRAFOIL박스(228)내에 깊이가 약 0.5in(13㎜)로 될 때까지 주 입시켜 평평하게 하였다. 2개의 코팅된 매트릭스 금속 잉곳(220, 222, 224, 226)(샘플 C 및 샘플 D)을, GRAFOIL박스(228) 내의 알루미늄 분말 베드 재료(232)상에 배치하여, 양방의 코팅이 알루미나 분말 베드 재료(232)에 대해 하향되도록 하였다. 그레이드가 A-17인 알루미나 입상물 베드 재료(232)를, GRAFOIL박스(228)의 코팅된 매트릭스 금속 잉곳(220, 222, 224, 226) 주위에, 코팅된 잉곳 위로 약 0.5in(13㎜)의 레벨까지 주입하였다. 그레이드가 RMC-3인 마그네슘 터닝(234)(뉴저지주 레이크허스트 소재의 리드 매뉴팩츄어링 컴패러 사의 제품)과, 그레이드가 Tl-LOY 97인 티타늄 스폰지(236)(펜실베이니아주 브린마르 소재의 케말로이 컴패니 사의 제품)를 각각 체적 약 30㎖씩 스테인레스 강 캔(230) 속으로 GRAFOIL박스(228)의 외측에 삽입하였다. 마그네슘 터닝 (234)과 티타늄 스폰지(236)는, 산소 및 수분을 흡수하는 채집기로서 사용하였다. 길이 약 14in(356㎜) × 폭 13in(330㎜) ×두께 6mil(0,15㎜)인 구리 박막 시트(238)를 스테인레스강 캔의 개구부 상에 배치하였다. 캔의 측면 위로 연장 한 구리의 일부를 캔의 측면에 대해 단단하게 아래로 절곡하여 독립된 챔버를 형성하였다. 질소 가스 퍼지관(240) 용의 구멍을 캔의 일면을 통과시켜 설치하였다.

스테인레스강 캔(230)과 그 내용물을 저항 가열 공기 분위기로 내에 배치 하였다. 순수 질소 가스를 분당 약 19리터의 유량으로 퍼지관(240)을 통해 캔 내부로 공급하였다. 그 다음, 로를 약 15분간 거의 실온으로부터 약 200℃의 온도까지 가열하였다. 온도가 약 200℃에 도달하면, 로를 약 3시간 약 400℃까지 승온시켰다, 그 후, 온도를 약 7시간 약 400℃에서 약 475℃까지 승온시켰다. 그 후, 온도를 7시간 약 475℃에서 약 540℃까지 승온시켰다. 그 후, 온도를 약 3시간 약 540℃에서 약 725℃까지 승온시켰다. 약 725℃의 온도를 약 2시간 유지한 후, 실질적으로 전체의 충전재 소재(220, 224)에 매트릭스 금속(222, 226)을 용침시켰다. 질소 가스 퍼지관(240)을 단절하고, 스테인레스강 캔(230)과 그 내용물들은 로에서 취출하였다. 구리 시트(238)를 스테인레스강 캔(230)의 상부로부터 취출 하여 그 내용물을 거의 실온까지 냉각시켰다. 그 후, 코팅된 매트릭스 금속 잉곳 (220, 222, 224, 226)을 알루미나 베드 재료(232)로부터 취출하였다. 각 타일의 코너를, 다이아몬드 톱으로 제거하져 열경화성 중합체 재료 중에 배치하고, 그리고 다이아몬드 연석으로 연마하였다 제19a도 및 제19b도에 도시된 광학 현미경 사진으로 알 수 있는 바와 같이, 매트릭스 금속(222, 226)이 실제로 충전재 소재 (220, 224)의 각각의 코팅에 용침하여 매트릭스 금속 기재의 표면상에 얇은 금속 매트릭스 복합체 퍼복이 생성된 것이 판명되었다.

[실시예 15]

본 실시예는, 매트릭스 금속의 표면상에 금속 매트릭스 복합체 층을 형성하는 것을 예시하고 있다. 본 실시예에 따르면, 매트릭스 금속은 느슨한 충전재 소재의 얇은 층에 용침하여 금속 매트릭스 복합체를 형성한다. 제20도는 이러한 용침을 행하기 위해 사용되는 설비를 개략적으로 도시하고 있다.

실질적으로 전 입자의 크기가 약 45㎛미만이고 그레이드가 T-64 인 알루 미나 편평 충전재 소재(250)(알칸사스주 복사이트 소재의 알코아 인더스트리얼 케미칼스 사업부의 제품으로, 입도 325메쉬(45㎛) 이하) 약 300g 을, 내용적이 약 4리터인 전조 자성 보올 밀 내에 배치하였다. 각각의 직경이 약 0.937in(24㎜)인 보올 밀링 스톤(펜실베이니아주 피츠버그 소재의 스텐다드 세라식 써플라이 컴패니의 쳄-클레이 코오포레이숀 사업부의 제품) 약 150g을 보올 밀 내에 넣고 보올 밀의 뚜껑을 고정하였다. 알루미나 편평 분말의 충전재 소재(250)를 약 2시간 건조 보올 밀 분쇄한 후, 보올 밀 분쇄한 알루미나 편평 분말 충전재 소재(250) 약 150g를, 각 변의 길이가 약 6in(152㎜)이고, 높이가 약 4in(102㎜) 인 GRAFOIL흑연 박막 박스(252)(오하이오주 클리브랜드 소재의 유니온 카바이드 컴패니의 카본 프로덕츠 사업부 제품)내에 주입하여 평평하게 하였다.

두께가 약 15rni1(0.38㎜)인 1매의 GRAFOIL에 소정의 위치를 절단 및 절곡하여, 절곡된 부분을 스태플로 고정시켜, 6in(152㎜) ×6in(152㎜)의 면의 1개가 개방되어 있는 5변의 박스를 제작함으로써 GRAFOIL박스(252)를 제작하였다. GRAFOIL박스(252)를, 내부 치수가 GRAFOIL박스(252)와 실질적으로 동일한 흑연 보트(254)의 내부에 위치시켰다. 각각 길이 약 3in(76㎜) × 폭 약 2in(51㎜) × 두께 약 1in(25㎜)이고, 마그네슘 약 10,5 중량%, 잔부가 알루미늄으로 이루어지는 2개의 금속 매트릭스 금속 잉곳 (256)을 샌드 브래스팅 처리하여, 부착한 표면 산화물을 제거한 후, 에틸알코올로 세척하여 샌드 브래스팅으로부터 생긴 파편을 제거하였다. 그 후, 잉곳을 GRAFOIL박스(252) 내의 알루미나 편평 분말 충전재 재료(250)의 상부에 배치 하여 각 매트릭스 금속 잉곳(256)의 3in(76㎜) × 2in(51㎜)인 1개의 면이 충전재 소재(250)에 접촉하고, 그리고 3in(76㎜) × 1in(25㎜)인 1개의 면이 다른 매트릭스 금속(256)의 잉곳과 접촉하도록 배치하였다. 흑연 보트(254)와 그 내용물을, 길이 약 10in(254㎜) × 폭 약 8in(203㎜) × 깊이 약 10in(254㎜)의 스테인레스강 캔(258) 내에 배치하였다. 그레이드가 RMC-3인 마그네슘 터넝(260)(뉴저지주 레이크허스트 소재의 리드 매뉴팩츄어링 컴패니 사의 제품) 약 15g과, T1-LOY 97 티타늄 스폰지(262)(펜실베이니아주 브린마르 소재의 케말로이 코오포레이숀 사의 제품) 약 30g을, 스테인레스강 캔(258) 내의 흑연 보트(254)의 외측에 배치하였다. 마그네슘 터넝(260)과 티타늄 스폰지(262)는, 실험 중에 스테인레스강 캔(258) 내의 수분 또는 산소를 흡수하는 채집기 역할을 한다. 길이 약 12in(305㎜) × 폭 약 10in(254㎜) × 두께 약 6mil(0.15㎜)이 되는 구리 박막 시트(264)를 스테인레스강 캔(258)의 개구부 상에 배치하였다. 캔(258)의 측면 상으로 연장하는 구리 박막 시트(264)의 부분을, 캔(258)의 측면에 대해 절곡시켜 독립한 챔버를 형성하였다. 질소 가스 퍼지관용의 구멍을 캔(258)의 저면 근처의 일면을 판통시켜 형성하였다.

스테인레스강 캔(258)과 그 내용물을 전기 저항 가열 공기 분위기 로 내에 배치하였다. 질소 가스를 분당 15리터의 유량으로 퍼지 통로(266)를 통해 공급하였다. 그 후, 로를 약 4시간 동안 실온에서 약 800℃의 온도까지 가열하였다, 약 800℃의 온도를 약 4시간 유지한 후, 질소 가스 퍼지 튜브(266)를 단절하고, 스테인레스강 캔(258)과 그 내용물을 로에서 취출된다. 구리 박막 시트(264)를 캔 (258)에서 취출하고, 흑연 노트와 그 내용물을 또한 캔(258)으로부터 취출하여 내화물 판상에 설치하였다. 두께가 약 2in(51㎜)의 CARBORUNDUMFIBERFRAX세라믹 섬유 절연체의 블랭킷을 흑연 보트(254)의 상부 또는 측면 주위에 배치하여 매트릭스 금속(256)의 방향성 응고를 촉진시켰다. 실질적으로 실온까지 냉각 후, GRAFOIL박스(252)와 그 내용물을 흑연 보트(254)로부터 취출하였다. 그 후, GRAFOIL박스(252)를 분해하여 오면, 매트릭스 금속(256)이 알루미나 편평 분말 충전재 소재(250)의 얇은 층에 용침하여, 얇은 금속 매트릭스 복합체층이 생성된 것이 판명되었다. 금속 매트릭스 복합체와 잔류 매트릭스 금속(256)으로 이루어진 응고된 층의 코너중 하나의 수직 단면을, 다이아몬드 톱을 사용하여 제작하였다. 그 후, 수직 횡단면을 열경화성 중합체 재료 중에 고정하고, 다이아몬드 연석으로 연마하여 광학 현미경을 사용하여 관찰하였다. 제21도의 광학 현미경 사진을 통해 알 수 있는 바와 같이, 얇은 금속 매트릭스 복합체 층이 알루미나 편평 분말 충전재 소재(250)의 용침 후 잔존하고 있는 잔류 매트릭스 금속(256)에 금속학적으로 결합되어 있는 것이 판명되었다. 따라서, 본 필시예에 따르면, 또한 매트릭스 금속 재료를 충전재 소재의 얇은 층에 용침될 수 있도록 함으로써, 금속 매트릭스 기재로의 고정이 극히 우수한 금속 매트릭스 복합체 층을, 매트릭스 금속 기재의 표면에 형성할 수 있다는 것이 밝혀졌다.

[실시예 16]

본 실시예는, 슬러리 캐스트 셸에 매트릭스 금속이 용침되도록 함으로써 얇은 금속 매트릭스 복합체의 성형물이 제조될 수 있다는 것을 예시한 것이다. 용침 후, 잔류 매트릭스 금속은 용침된 셸과 접촉한 상태로 잔존하여, 아래의 매트릭스 금속 기재에 금속학적으로 결합한 금속 매트릭스 복합재 셸로 이루어진 매크로 복합체가 제조된다. 제22도는 이러한 용침을 행하기 위해 사용되는 설치를 개략적으로 도시하고 있다.

인베스트먼트 셸 주형(270)을, 실시예 6에 상세히 기재한 것과 실질적으로 유사한 조작으로 제작하였다. 본 실시예에 따르면, 인베스트먼트 패턴은, 구체(球體) 대신에 골프 클럽 헤드로 되어 있다. 더욱이, 실시예 6에 따른 인베스트먼트 셸은, 약 850℃의 은도로 약 4.5시간 소성하여 인베스트먼트 셸을 경질화시킨 것과 달리, 본 실시예에서는 인베스트먼트 셸 주형(270)을 약 800℃의 온도로 약 6시간 소성하였다.

실질적으로 전체의 입자의 크기가 약 45㎛미만인 마그네슘 입상물(뉴저지주 버겐필드 소재의 애틀란트 이큅먼트 엔지니어즈의 제품으로, 입도 325메쉬 이하) 약 8중량%와, 잔부가 입도가 약 0.3㎛인 마이크로 연마 그레이드 (micropolish grade)의 α-알루미나(밀리노이주 레이크 블러프 소재의 Buehler Limited 사의 제품)로 이루어진 충전재 소재 혼화물(272)을, 내용적이 약 1리터인 건조 NALGENE플라스틱 단지(뉴욕주 로체스터 소재의 날게 컴패니 사의 제품) 내에 배치하였다. 충전재 소재 혼화물의 중량은 합계 약 24g이었다. 충전재 소재 혼화물(272)을 약 0.5시간 로울 혼합 건조한 후, 톨루엔 약 48g을 플라스틱 단지에 첨가하여 슬러리를 만들었다. 그 다음, 이 슬러리를 약 0.5 시간 로울 혼합하였다. 슬러리 캐스팅 공정 중의 벽부의 퇴적을 저해하기 위해, 슬러리 캐스팅 전에 인베스트먼트 셸 주형(270)을 톨루엔으로 침지시켰다. 그 다음, 슬러리를 인베스트먼트 셸 주형의 인베스트먼트 패턴 내에 주입하였다. 슬러리 중의 충전재 소재 혼화물(272)을 인베스트먼트 셸 주형(270)의 벽에 두께가 0.062-0.125in(1.6-3㎜)로 적층한 후, 인베스트먼트 셸 주형(270) 내에 잔존 슬러리를 배출시켰다. 얻어진 충전재 소재 혼화물(272)의 슬러리 캐스팅 코팅은, 외표면의 크기 및 형상이 본래의 골프 클럽 헤드의 것과 거의 일치하는 예비성형체로 이루어졌다. 내부 코팅(272)을 구비하는 인베스트먼트 셸 주형(270)에 있어서, 두 형(270)과 그 내용물을 로 내에 넣을 때 실질적으로 전체의 톨루엔이 셸 주형 (270)으로부터 휘발되기 때문에 어떠한 의도적인 건조 조작을 행하지 않았다.

총중량이 약 364g이고, 마그네슘 약 9.5-10.6 중량%, 실리콘 0.25 중량 % 이하, 구리 0.25 중량% 이하, 티타늄 0.25 중량% 이하, 철 0.30 중량% 이하, 망간 0.15 중량% 이하, 아연 0.15 중량% 이하, 잔부가 알루미늄으로 이루어진 매트릭스 금속(274) 잉곳을, 인베스트먼트 셸 주형(270)의 상반부에서의 매트릭스 금속 저장 챔버(276) 내에 배치하고, 셸 주형의 가장자리로 지탱하였다. 인베스트 먼트 셸 주형(270)의 매트릭스 금속 저장 챔버(276) 부분의 개방단을 덮기에 충분히 큰 PERMA FOIL흑연 박막 커버 시트(278)(오래곤주 포틀랜드 소재의 티티 아메리카사의 제품)를, 매트릭스 금속 잉곳(274) 사에 배치하였다.

인베스트먼트 셸 주형(270)과 그 내용물을 스테인레스강 홀더(280) 내에 배치하여 구리 박막 스트랩(strap)(282)으로 고정하였다. 그 다음, 스테인레스강 홀더(280)와 그 내용물을 길이 약 10in(254㎜) × 폭 10in(254㎜) × 높이 약 10in(254㎜)의 스테인레스강 캔(284) 내에 배치하였다. 캔의 바닥을, 각 변의 길이가 약 10in(254㎜)이고, 두께가 약 15mil(0.38㎜)인 흑연 박막 시트(286)로 덮었다. 그레이드가 RMC-3인 마그네슘 터닝(288)(리드 매뉴팩츄어링 컴패니 사의 제품)과 T1-LOY 97 티타늄 스폰지(290)(펜실베리니아주 브린마르의 케말로이 Chemalloy Company 사의 제품) 각각 약 10g를, 스테인레스강 캔 (284)내의 스테인레스강 홀더(380)와 그 내용물의 외측에 배치하였다. 티타늄 스폰지(290)와 마그네슘 터닝(288)은, 스테인레스강 캔(284) 중의 잔류 산소와 수분을 흡수하는 역할을 한다. 각 변의 길이가 약 12in(305㎜)이고, 두께가 약 6mil(0.15㎜)인 구리 박막 시트(292)를 스테인레스강 캔(284)의 개구부 상에 배치하였다. 캔(284)의 측면 상으로 연장한 구리 시트(292)의 일부를, 캔(284)의 측면에 대해 절곡하여 독립한 챔버를 형성하였다. 질소 가스 퍼지판(294)용의 구멍을 캔(284)의 저면 근처의 일면을 관통시켜 형성하였다.

스테인레스강 캔(284)과 그 내용물을 전기 저항 가열 분위기 로 내에 배치 하였다. 질소 가스를, 분당 약 12리터의 유량으로 퍼지관(294)을 통해 스테인레 스강 캔(284) 내에 공급하였다. 로를 시간당 약 600℃의 속도로 실온에서 약 700℃의 온도까지 가열하였다. 약 650℃의 온도에서, 질소 가스를 분당 약 12리터의 유량을 분당 약 4리터의 유량으로 저하시켰다. 약 760℃의 온도를 약 1시간 유지한 후, 용융 매트릭스 금속(274)에 의해 충전재 소재(272)의 비가압 용침이 실질적으로 완료하였다. 따라서, 질소 가스 퍼지관(294)을 스테인레스강 캔(284)으로 부터 단절하고, 캔과 그 내용물을 로에서 취출하였다.

구리 박막 시트(292)와 스테인레스강 홀더(280)와 그 내용물을 스테인레스 강 캔(284)으로부터 취출하였다. 스테인레스강 홀더(280)와 그 내용물을 내화판 상에 배치하여, 실온의 공기를 스테인레스강 홀더(280)의 저면에 도입하였다. FEEDOL9 핫토핑 입상 혼화물(오하이오주 클리브랜드 소재의 포세코 인코오포레이티드 사의 제품)을, 잔류 용융 매트릭스 금속(274)의 상부에 주입하여, 복합체에서의 매트릭스 금속의 방향성 응고를 촉진시켰다. 스테인레스강 홀더(280)와 그 내용물을 실온까지 냉각한 후, 인베스트먼트 셸 주형(270)과 그 내용물을 홀더 (280)로부터 취출하였다. 인베스트먼트 셸 주형(270)을 저력(底力) 해머 블로어를 사용하여 형성된 금속 매트릭스 복합체로부터 제거하였다. 인베스트먼트 셸 주형(270)의 내용물로부터, 매트릭스 금속(274)이 실제로 인베스트먼트 셸 주형 (270)에 인접한 충전재 소재 혼화물(272)에 용침하여 본래의 골프 클럽 왁스 인베스트먼트 패턴과 실질적으로 동일한 형상을 갖는 금속 매트릭스 복합체가 형성된다 는 것이 밝혀졌다. 더욱이, 잔류 매트릭스 금속(274)은, 얇은 금속 매트릭스 복합체 골프 클럽 헤드 내부의 공동(296)을 거의 충전하고 있다. 1개의 금속 매트릭스 복합체 표면층을 파괴하는데 필요한 해머 블로어의 강도의 심한 정도와 강도로부터 금속 매트릭스 복합체 표면층이 내부에 함유되어 있는 잔류 매트릭스 금속에 충분히 결합되어 있는 것이 판명되었다. 따라서, 본 실시예에 따르면, 충전재 소재의 슬러리 캐스트 셸의 용침에 의해 중공 금속 매트릭스 복합체를 제작하는 실시예 6에서 이용한 방법을 약간 변형하여, 충전재 소재의 슬러리 주입 셸의 용침을 행하고 그리고 매트릭스 금속을 충전재 소재의 슬러리 캐스트 셸의 내부의 공동에 충전할 수 있도록 함으로써 유사한 고체가 제조될 수 있다는 것이 밝혀졌다. 본질적으로, 아래의 미강화 매트릭스 금속 기재에 충분히 결합된 금속 매트릭스 복합체로 이루어진 매크로 복합체가 생성되었다. 전술한 것과 유사하게 금속 매트릭스 복합체 골프 클럽 헤드의 사진을 제23도에 도시하였다.

[실시예 17]

본 실시예는, 중공 슬러리 캐스트 예비성형체 매트릭스 금속을 용침시켜 중공 금속 매트릭스 복합체를 제조하는 방법의 또 다른 실시예를 예시하고 있다. 이러한 용침을 행하기 위해 사용되는 설비는, 제6b도에 예시한 것과 실질적으로 동일하다. 인베스트먼트 셸과 그 내용물의 상세한 단면도를 제24도에 도시하였다.

직경 약 3in(76㎜)인 구체에, 그레이드가 MS-122안 탄화플루오르 이형제 건조 윤활제(코네티컷주 댄버리 소재의 Miller Stevenson Company, Inc. 사의 제품)를 스프레이 코팅하였다. 그레이드가 G1-1000인 고무 성형용 콤파운드(펜실베이니아주 엑스톤 소재의 Plastic Tooling Supply Company 사의 제품)을, 스프레이 코팅된 구체의 주위에 캐스팅하여 구체의 형상을 반전 복제한 고무 주형을 형성하였다. 고무 성형용 콤파운드를 공기 중에 약 12시간 경화시킨 후, 스프레이 코팅된 구체를 주형에서 분리하였다. 그 후, 구체를 취출한 후에 잔류한 고무 주형 공동에, 그레이드가 5550-K. GRN. FLK. 용융 왁스(일리노이주 시카고 소재의 Yates Manufacturing Company 사의 제품)를 약 110℃의 온도에서 캐스팅 처리함으로써 원래의 구체의 정학한 왁스 모델을 제작하였다. 그 후, 왁스를 거의 실온까지 냉각시켰다. 왁스를 거의 실온까지 냉각시킨 후, 왁스 모델을 고무 주형으로부터 분리하였다. 유사한 공정을 사용하여, 인베스트먼트 셸의 매트럭스 금속 저장부용의 왁스 모델을 제작하였다. 이 저장부의 치수는, 직경이 약 4in(102㎜)이고, 높이가 약 3in(76㎜)이었다. 그러나, 용융 왁스 저장부 모델을 응고시키기 전에, 목형 맨드렐을 왁스에 삽입하고, 그 후 왁스의 응고에 의해 맨드렐을 소정의 위치에 고정하였다.

2개의 왁스 모델, 즉 구체 자체의 왁스 모델과 매트릭스 금속 저장부의 왁스 모델을 접합하여, 인베스트먼트 패턴을 제조하였다. 2개의 왁스 모델의 접합은, 추가의 용유 왁스의 용착에 의해 행해졌다.

그 다음, CaCO₃로 이루어진 인베스트먼트 셸(102)을, 왁스 인베스트먼트 패턴의 표면에 퇴적시켰다. 구체적으로 말하면, 왁스 인베스트먼트 패턴을, NYACOL1430 AT 콜로이드상 실리카(매사츄세츠주 애쉬랜드 소재의 PQ Corporation의 자회사인 Nyacol Products, Inc. 사의 제품) 약 30.0 중량%와, 실질적으로 전 입자의 크기가 약 45㎛미만인 HUBERCARBQ 325 탄산칼슘 (일리노이주 퀸시 소재의 J.M Huber Corporation의 칼슘카보레이트 사업부의 제품으로, 입도 325 메쉬 이하) 약 66,1 중량%와, 500 그릿(평균 입도: 약 17㎛)의 TETRABOR 탄화 붕소(코네티컷주 뉴 카난 소재의 ESK Engineered Ceramics 사의 제품) 약 3.0 중량%와, VICTOWET 12습윤제(오하이오주 마우미 소재의 Ransom and Randolph Inc. 사의 제품) 약 0.6 중량%와, DCH ANTIFOAM 소포제(Ransom and Randolph Inc, 사의 제품) 약 0,3 중량%로 이루어진 슬립이나 슬러리에 용침하였다. 그 후, 슬립 코팅된 왁스 모델에, 건조 90 그릿(평균 입도: 약 216㎛) RANCOSIL A 규사(랜덤 앤드 랜돌프 인코오 포레이티드 사의 제품)를 살포되거나 도포하였다. 그 다음, 왁스 모델과 그것의 발전된 인베스트먼트 셸(102)을 약 65℃의 온도로 약 0.5시간 건조하였다. 그 후, 건조 인베스트먼트 셸(102)을 약 2초 간 NYACOL1430 AT 콜로이드상 실리카 에 침지하였다. 그 후, 침지-살포-건조-습윤 시퀸스를 즉시 반복하였다. 다음에, 피복된 왁스 인베스트먼트 패턴을, 즉시 REDIP 지시약(Ransom and Randolph, Inc. 사의 제품) 약 1 중량부와, VICTOWET12 습윤제 약 2중량부와, 증류수 약 56 중량부와, NYACO830 콜로이드상 실리카 약 274 중량부와, RANCO SIL 제2번 실리카 분말(Ransom and Randolph, Inc. 사의 제품) 약 700 중량부로 되는, 잔(Zahn) 넘버 4 컵에서의 약 15초에 상당하는 슬러리 점도를 갖는 제2 인베스트먼트 슬러리에 침지시켰다. 다음에, 슬러리 코팅된 인베스트먼트 셸을, 약 30 그릿(평균 입도: 약 930㎛) RANCOSIL B 규사((Ransom and Randolph, Inc. 사의 제품)의 유동 베드에 도장(Stucco) 또는 침지지켰다. 도장된 인베스트먼트 셸을, 다시 약 65℃의 온도로 약 0.5시간 건조하거나, 또는 셸 내의 REDIP지시약의 색이 황녹색에서 진한 오렌지색으로 변할 때까지 건조하였다. 그 후, 제2 침지-도장-건조 시겐스를 추가로 4-5시간 반복하였다. 인베스트먼트 셸을, 제2 인베스트먼그 셸 슬러리의 용침 사이에 콜로이드상 실리카로 미리 습윤할 필요가 없다. 그 후, 코팅된 왁스 인베스트먼트 패턴을, 증기 오토클래이브(auto-clave) 내에 배치하여 포위되어 있는 인베스트먼트 셸로부터 왁스 패턴을 제거하였다. 증기압 약 100psii(690KPa)에 상당하는 온도로 약 5분간 오토클래이빙(auto claying)한 후, 실질적으로 전체의 왁스가, 포위되어 있는 인베스트먼트 셸(102)로부터 제거되었다. 생성된 인베스트먼트 셸(102)에 의해, 관형 목 부분(104)을 통해 개방단 실린더(105)에 내부 접속된 구형 단부(103)가 형성되어 있다. 그 다음, 인베스트먼트 셸(102)을 증기 오토 클레이브로부터 취출하여, 실온 에서 저항 가열 공기 분위기 로 내에 배치하였다. 그 후, 로 온도를 시간당 약 800℃의 속도로 약 850℃까지 승온시켰다. 약 850℃의 온도를 약 4시간 유지하여 인베스트먼트 셸(102)을 경질화시킨 후, 셸을 약 600℃의 온도로 냉각하였다. 인베스트먼트 셸(102)을, 자발 용침 공정에 사용하게 될 때까지 약 600℃의 로 내에 잔류시켰다.

1000 그릿(평균 입도: 약 6㎛) 미가공된 탄화규소(매사츄세츠주 워세스터 소재의 노턴 컴패니의 등록상표인 39 CRYSTOLON) 약 53.3 중량%, 500 그릿 (평균 입도: 약 17㎛) 39 CRYSTOLON미가공된 탄화규소 13.3 중량%, 아 세톤 약 31.1 중량%, 마그네슘 입상물(펜실베이니아주 타마쿠아 소재의 하트 코오포레이숀의 제품으로, 입도 325메쉬(45㎛) 이하) 약 2.0 중량%, Q-PAC탄산 폴리프로필렌 바인더(펜실베이퍼아주 엠마우스 소재의 에어프로덕츠 앤드 케미칼스 인코오포레이티드 사의 제품) 약 0.3 중량%로 이루어진 슬러리 약 1.126g을 조제하였다. 구체적으로 말하면, 39 CRYSTOLON미가공된 탄화규소 약 1942g과, 마그네슘 입상물 약 58g을, 직경 0,938in(24㎜)인 밀링 매개물(펜실베이니아주 피츠버그 소재의 스탠다드 세라믹 써플라이 컴패니의 쳄-클래이 코오포레이숀 사업부의 제품) 약 4000g을 담고 있는 내용적 8.3리터의 자성 보올 밀(뉴저지주 마와 소재의 유.에스. 스톤웨어 코오포레이숀 사의 제품) 내에 배치하였다. 입상물을 약 1시간 보올 밀 분쇄한 후, 보올 밀 분쇄한 입상물의 거의 전량인 약 772g을 보올 밀로부터 취출하였다. 취출된 보올 밀 분쇄 입상을, NALGENE플라스틱 단지(뉴욕주 로체스터 소재의 Nalge Company 사의 제품) 내에 밀봉하여, 사용할 때까지 보존하였다. 아세톤파 Q-PAC^TM바인더를, 용액의 형태로 보올 밀 분쇄 혼합물에 첨가하고, 손으로 혼합하여 슬러리를 형성하였다.

슬러리를, 전술한 인베스트먼트 셸(102)의 상부 챔버(105)와 하부 챔버(103)을 연결하는 목 부분(104)의 상부까지 인베스트먼트 셸(102)의 하부 챔버나 구형 부분에 주입하였다. 슬러리 캐스팅 공정 중에, 슬러리를 추가로 하부 챔버(103)에 첨가하여, 인베스트먼트 셸(102)의 벽에 의해 흡수된 량의 액체를 보충하였다. 약 2분 후, 인베스트먼트 셸(102)의 벽상에 퇴적한 충전재 소재(106)의 케이크(cake)는, 두께 약 0,125in(3㎜)에 도달하여 잔류 슬러리를 인베스트먼트 셸(102)로부터 주입하였다. 생성된 슬러리 주입 코팅은, 직경이 약 0,375in(10㎜)인 개구를 구비하고, 건조되었을때의 중량이 약 150g인 구형 인베스트먼트 셸(106)로 이루어졌다.

그 후, 평균 입도가 약 17㎛인 느슨한 500 그릿 알루미나 분말(108)(노턴 컴패니의 등록상표인 38 ALUNDUM을, 인베스트먼트 셸(102) 내의 슬러리 캐스트 예비성형체(106)의 내부에, 목 부분(104)의 바닥과 거의 수평으로 될 때까지 주입하였다. 느슨한 38 ALUNDUM알루미나 분말도 매트릭스 금속도 현저한 양의 마그네슘 용침 촉진제 선구물질을 함유하지 않기 때문에, 38 ALUNDUM알루미나 분말 매트릭스 금속에 의해 용침되지 않는다.

그 다음, 슬러리를 조제하는데 사용한 혼화물과 동일한 조성을 구비하는 건조 충전재 혼화물(112)을, 인베스트먼트 셸(102)의 목부분(104)의 느슨한 38 ALUNDUM알루미나 입상물(108)의 상부에 주입하였다. 건조 충전재 혼화물(112)은, 실질적으로 목 부분(104)에 충전하고, 그리고 인베스트먼트 셸의 상부(105)의 바닥을 약 0.25in(6㎜) 깊이까지 충전되었다. 실질적으로 전체의 입자가 직경 약 300㎛미만이고 마그네슘 입상물(114)(리드 매뉴팩츄어링 컴패러 사의 제품으로, 입도 50메쉬 이하)을, 건조 느슨한 충전재 소재 혼화물(112)의 상부 에, 농도가 약 6㎎/㎡으로 될 때까지 평평하게 살포하였다.

실리콘 약 12중량%, 잔부가 시판되는 순수 알루미늄으로 이루어진, 총중량 약 1225g 인 매트릭스 금속(116)의 수 개의 잉곳을, 잉곳이 마그네슘 입상물 층(114) 상에 매달린 채로, 충전재 소재 혼화물(112)이 인베스트먼트 셸(102)의 상부 또는 원통 부분의 바닥에 위치하도록 저장부 챔버의 측면 상에 절곡된 구리 박막 슬링(118)의 상부에 배치하였다. 인베스트먼트 셸(102)의 원통부(105)의 개방 단을 덮기에 충분히 큰 PERMA FOIL흑연 박막 커버 시트(120)(오래곤주 포틀 랜드 소재의 TT America의 제품)를 매트릭스 금속(116)상에 배치하였다. 인베스트먼트 셸(102)과 그 내용물을 스테인레스강 홀더(122)상에 배치하여 구리 박막 스트랩(124)으로 고정하였다. 그 후, 스테인레스강 홀더(122)와 그 내용물을 길이 약 10in(254㎜) × 폭 약 10in(254㎜) × 높이 약 10in(254)의 스테인레스강으로 된 보트(126) 내에 배치하였다. 스테인레스강 보트(126)의 바닥을, 보트(126)의 길이 및 폭과 동일한 치수를 갖는 흑연 박막 이트(128)로 덮었다. 그레이드가 RMC-3인 마그네슘 터닝(130)(리드 매뉴팩츄어링 컹패니 사의 제품)과, T1-LOY 97 티타늄 스폰지(134)(펜실베이니아주 브린마르의 케말로이 Chemalloy Company 사의 제품) 각각 약 10g를, 스테인레스강 보트(126) 내의 스테인레스강 홀더(122) 외측에 배치하였다. 티타늄 스폰지와 마그네슘 터텅들은 산소와 수분을 흡수하는 채집기 역할을 한다. 갈각 길기 약 16in(406㎜) × 폭 약 14in(356㎜) × 두께 약 6mil(0.15㎜)인 2개의 구리 박막 시트(132)를, 스테인레스강 보트(126)의 개구부 상에 배치하였다. 보트(126)의 측면 상으로 연장하는 구리 시트(132)의 일부를 보트(126)의 측면에 대해 절곡하여 독립된 챔버를 형성하였다.

스테인레스강 보트(126)와 그 내용물을 전기 저항 공기 분위기로 내에 배스테인레스강 보트(126)와 15리터의 유량으로 퍼지관(136)을 통해 스테인 레스강 보트(126)로 공급하였다. 로를 시간당 약 400℃의 속도로 실온에서 약 220℃의 온도까지 가열하였다. 약 220℃의 온도를 약 2시간 유지한 후, 그 온도를 시간당 약 400℃의 속도로 약 520℃까지 승온시켰다. 약 520℃의 온도를 약 1시간 유지한 후, 그 온도를 시간당 약 400℃의 속도로 약 780℃까지 승온시켰다. 약 780℃의 온도를 약 3시간 유지한 후, 질소 가스의 퍼지관(136)을 폐쇄하였다. 스테인레스강 보트(126)와 그 내용물을 로에서 취출하였다.

구리 박막 시트(132), 스테인레스강 홀더(122) 및 그 내용물을 스테인레스강 보트(126)로부터 취출하였다. 형성된 금속 매트릭스 복합체가 담겨 있는 인베 스트먼트 셸(102)을 스테인레스강 홀더(122)로부터 취출하여, 방향성 응고가 일어 날 수 있는 고속으로 유동하는 강제 공기의 경로 내의 내화 벽돌 상에 배치하였다. FEEDOL9 핫토핑 입상 혼합물(오하이오주 클리브랜드 소재의 포세코 인코오포 레이티드 사의 제품)은 용융 매트릭스 금속(116)의 상부에 주입하였다. 거의 실온까지 냉각한 후, 인베스트먼트 셸(102)을, 저력 해머 블로어를 사용하여 제거하여 관찰하였을 때, 매트릭스 금속(116)이, 느슨한 충전재 혼화물(112)과, 인베스트먼트 셸(102)에 인접한 슬러리 캐스팅 충전재 혼화물(106)에 용침하여, 본래의 구형에 가까운 왁스 인베스트먼트 패턴과 실질적으로 동일한 형상을 갖는 금속 매트릭스 복합체가 형성된 것이 판명되었다. 잔류 매트릭스 금속(116)을 다이아모드 톱을 사용하여 금속 매트릭스 복합체로부터 제거하였다. 최후에, 금속 매트릭스 복합체를, 다이아몬드 톱을 사용하여 절반으로 절단하여 금속 매트럭스 복합체 셸의 내부의 알루미나 분말(108)을 압축 공기로 불어 날려 보았을 때, 표면 형상이 망상으로 느슨한 38 ALUNDUM알루미나 분말에는 매트럭스 금속이 실질적인 전혀 용침하지 않았다는 것이 밝혀졌다. 절단한 중공 금속 매트릭스 복합체 구체의 사진을, 제25도에 도시하고 있다. 금속 매트릭스 복합체는, 절단한 용침되지 않은 느슨한 분말을 취출하기 위해 절단할 필요가 없어졌다. 실시예 6으로부터, 본체의 형상 일체성은, 대개 물체에 구멍을 뚫고 느슨한 분말을 압축 공기로 불어 날림으로써 보존될 수 있다는 것이 판명되었다.

[실시예 18]

본 실시예는, 매트릭스 금속을 중공 슬러리 캐스트 예비성형체에 용침시켜 중공 금속 매트릭스 복합체를 제조하기 위한 방법을 개시한 실시예 17과 실질적으로 유사한 것이다. 본 실시예와 실시예 17과의 중요한 차이는 이하에 설명될 것이다.

실시예 17에 기재된 슬러리와 실질적으로 유사한 방법으로 조제한 슬러리 약 350g을, 인베스트먼트 셸(102)읜 구상 또는 하부 챔버(103)에 인베스트먼트 셸 (102)의 상부 챔버(105)와 하부 챔버(103)를 접합하고 있는 목 부분(104)의 상부까지 주입하였다. 고무 스토퍼를 목 부분(104)에 삽입하고, 그리고 인베스트 먼트 셸을 전체 방향으로 약 2분간 회전시켜, 슬러리를 하부 챔버(103) 내의 모든 벽 부분에 균일하게 코팅하였다. 그 후, 인베스트먼트 셸(102)을, 그 수평축을 중심으로 하여 약 13분간 손으로 회전시켰다. 합계 약 15분간 슬러리 캐스팅을 한 후, 실질적으로 모든 액체가 다공성 인베스트먼트 셸에 의해 흡수되었다. 고무 스 토퍼를 인베스트먼트 셸(102)의 목 부분(104)으로부터 취출하여, 인베스트먼트 셸 (102)과 그 발색 슬러리 캐스트 예비성형체(106)를 약 90℃의 온도의 공기 분위기 오븐 내에 배치하였다. 약 90℃의 온도로 약 1시간 건조한 후, 인베스트먼트 셸 (102)과 그 내용물을 건조 오븐으로부터 취출하여 냉각하였다. 그 후, 느슨한 500 그릿(17㎛) 알루미나 분말(108)(노턴 컴패니의 등록상표인 38 ALUNDUM)을, 인베스트먼트 셸(102) 내의 슬러리 캐스트 예비성형체(106) 내부에 목 부분 (104)의 바닥파 실질적으로 수평한 높이가 되도록 주입하였다. 느슨한 38 ALUNDUM알루미나 분말도 매트릭스, 금속도 현저한 양의 마그네슘 용침 촉진제 선구물질을 함유하지 않기 때문에, 38 ALUNDUM알루미나 분말은 매트릭스 금속에는 거의 용침하지 않았다.

그 후, 중공 구형 예비성형체 조형물(106)을 인베스트먼트 셸(102)의 하부 (104)에 캐스팅 처리하기 위해 사용된 슬러리와 동일한 조성을 추가의 슬러리 재료를, 인베스트먼트 셸(102)의 목 부분(104)의 느슨한 38 ALUNDUM알루미나 입상물(108)의 상부에 슬러리 캐스팅하였다. 캐스팅의 진행파 동시에, 충전재 소재(112)의 케이크가 인베스트먼트 셸(102)의 목 부분(104)에 실질적으로 충전될 때까지, 추가의 슬러리를 저장부에 주기적으로 주입하였다. 그 후, 실질적으로 전체의 입자의 크기가 약 300㎛ 미만인 마그네슘 입상물(114)(뉴저지주 레이크허스트 소재의 리드 매뉴팩츄어링 컴패니 사의 제품)을, 농도가 약 100㎎/㎠로 될 때까지, 제2의 슬러리 캐스트 충전재 혼화물(112)의 상부에 균일하게 살포하였다.

실리콘 약 12 중량%와, 잔부가 시판되는 순수 알루미늄도 이루어지고, 총중량이 약 1378g인 매트릭스 금속(116)의 수 개의 잉곳을, 잉곳이 마그네슘 입상물 층(114) 상에 매달린 채로, 충전재 소재 혼화물(112)이 인베스트먼트 셸(102)의 상부 또는 원통 부분(105)의 바닥에 위치하도록 저장부 챔버의 측면 상에 절곡된 구리 박막 슬링(118)(오하이오주 브룩클린 하이츠 소재의 All Foils Inc, 의 합금 110)의 상부에 배치하였다. 인베스트먼트 셸(102)의 원통부(105)의 개방단을 덮기에 충분히 큰 PERMA FOIL흑연 박막 커버 시트(120)(오래곤주 포틀랜드 소재의 TT America의 제품)를 매트릭스 금속(116)상에 배치하였다.

예비성형체에서 건조한 충전재 소재의 총중량은 약 319g이었다. 본 실시예와 실시예 17과의 실질적인 차이는 로의 가열 단계에 있다. 본 실시예에는, 최종 처리 온도로 가열하여 저항 가열 공기 분위기 로를 220℃의 온도 에서 약 11시간 유지하였다. 실시예 17에서, 온도를 약 220℃로 약 2시간 유지하였다.

자발 용침 공정을 실시하여, 형성된 금속 매트릭스 복합체를 방향성 응고시켜 상기 물체를 거의 실온까지 냉각한 후, 인베스트먼트 셸(102)을 저력 해머 블로 어를 사용하여 제거하여 관찰하였을 때, 매트릭스 금속(116)의 적어도 일부가, 인 베스트먼트 셸(102)에 인접한 슬러리 캐스팅 충전재 혼화물(112, 106)에 용침하여, 본래의 왁스 인베스트먼트 패턴과 실질적으로 동일한 형상을 갖는 금속 매트릭스 복합체가 형성된 것이 판명되었다. 잔류 매트릭스 금속(116)을 다이아모드 톱을 사용하여 금속 매트릭스 복합체로부터 제거하였다. 각각 직경이 약 0.344in(8.7㎜)인 복수개의 구멍을, 다이아몬드 톱을 사용하여 금속 매트릭스 복합체 구형 셸 내의 특정한 위치에 뚫었다. 금속 매트릭스 촉합체 구형 셸의 내부의 느슨한 미용침 38 ALUNDUM알루미나 분말을 압축 공기를 사용하여 불어 날렸다. 최후에, 볼트 나사산을, 제26도의 사진에 도시된 바와 같이 다이아몬드 가공 구멍에 형성하였다.

[실시예 19]

본 실시예는, 인베스트먼트 셸 구속 수단 내에서, 느슨한 충전재 소재 혼화물에 매트릭스 금속을 용침시킴으로써 복잡한 형상의 금속 매트릭스 복합체를 제조하는 방법을 예시하고 있다. 이렇게 형성된 트러스 핏팅(truss fitting) 구조체의 사진을 제27도에 도시하고 있다. 용침을 행하는데 사용되는 설비는 제6b도에 도시 된 것과 동일하다.

트러스 핏팅 구조체의 크기 및 형상을 복제한 왁스 모델을, 실시예 17에서 기재한 왁스 모델과 실질적으로 동일한 방법으로 제작하였다. 그 다음, 인베스트먼트 셸을, 왁스 모델 주위에 형성하였다. 인베스트먼트 셸의 조성과 조립체는, 전술한 실시예에 기재한 것과 실질적으로 동일하다. 왁스 모델 주위에 인베스트먼트 셸을 성형한 후, 왁스를 실시예 17과 실질적으로 동일한 소성 공정에 의해 왁스를 제거하였다.

생성된 인베드트먼트 셸(102)에, 실시예 9에 사용된 것과 동일한 방법에 의해 충전재 소재 혼화물을 충전하였다. 충전재 소재 혼화물(106)의 조제와 조성도 또한 실시예 9에 개재된 것과 동일하게 하였다. 충전재 소재 혼화물을, 인베스트먼트 셸(102)의 상부 또는 저장부 부분(105)의 바닥 깊이가 약 0.5in로 될 때까지 인베스트먼트 셸에 첨가하였다. 그 후, 실질적으로 전체의 입자의 크기가 약 300㎛인 마그네슘 입상물(114)(리드 매뉴팩츄어링 컴패니의 제품으로, 입도 50메쉬 이하)을, 농도가 약 14㎎/㎠로 될 때까지, 느슨한 충전재 소재 혼화물(106)의 상부에 평평하게 살포하였다.

실리콘 약 12중량%, 잔부가 시판되는 순수 알루미늄으로 이루어지고, 건조 중량이 약 2264g인 매트릭스 금속(116)의 잉곳 수 개를, 인베스으먼트 셸(102)의 상부 또는 저장부 부분(105)내에 놓인 마그네슘 입상물의 층 위에 배치하였다. 매트릭스 금속의 잉곳을, 직접 인베스트먼트 셸(102)의 목 부분(104) 상에 오지 않도록 배치하였다. 인베스트먼트 셸(102)의 저장부 부분(105)의 개방단을 덮기에 충분히 큰 PERMA FOIL흑연 박막 덮개 시트(120)(오래곤주 포틀랜드 소재의 티티 아메리카 사의 제품)를 매트릭스 금속(116) 상에 배치하였다.

인베스트먼트 셸 주형(102)과 그 내용물을 스테인레스강 홀더(122) 위에 배치하고, 구리 박막 스트랩(124)으로 고정하였다. 그 후, 스테인레스강 홀더(122)와 그 내용물을 길이 약 10in(254rnm) ×폭 약 10in(254㎜) × 높이 약 10in(254) 의 스테인레스강 캔(126)내에 배치하였다. 스테인레스종 캔(126)의 바닥을, 캔(126)의 길이와 폭과 동일한 치수의 흑연 박막 시트(128)로 덮었다. 그 레이드가 RMC-3인 마그네슘 터닝(130)(뉴저지주 레이크허스트 소재의 리드 매뉴 팩츄어링 컴패니 사의 제품)과 T1-LOYY97 티타늄 스폰지(134)(펜실베이니아주 브린마르의 Chemalloy Company 사의 제품) 각각 약 10g를, 스테인레스강 홀더 (122)의 외부에 있는 스테인레스강 캔(126)에 배치하였다. 티타늄 스폰지와 마그 네슘 터닝은 채집기 역할을 하여, 산소와 수분을 흡수한다. 길이 약 16in(406㎜) × 폭 약 14in(356㎜) × 두께 약 6mil(0.15㎜)로 되어 있는 2매의 구리 박막 시트(132)를, 스테인레스강 캔(126)의 개구부 상에 배치하였다. 캔(126)의 측면 상으로 연장하는 구리 시트(132)의 일부를, 캔(126)의 측면에 대하여 절곡시켜 독립한 챔버를 형성하였다. 질소 가스 퍼지관(136)을, 캔(126)의 일측면을 관통하도록 설치하였다.

스테인레스강 캔(126)과 그 내용물을, 저항 가열 공기 분위기 로 내에 배치 하였다. 질소 가스를, 분당 약 15리터의 유량으로 퍼지관(136)을 통해 스테인레스강 캔(126)으로 유동시켰다. 로를 시간당 약 400℃의 속도로 실온에서 약 220℃의 온도까지 가열하였다. 약 220℃의 온도를 약 10시간 유지한 후, 그 온도를 시간당 약 400℃의 속도로 약 520℃까지 승온시켰다. 약 520℃의 온도를 약 1시간 유지한 후, 그 온도를 시간당 약 400℃의 속도로 약 780℃까지 승온시켰다. 약 780℃의 온도를 약 20.5시간 유지한 후에, 질소 가스의 퍼지관(136)을 폐쇄하였다. 스테인레스강 캔(126)과 그 내용물을 로에서 취출하였다.

구리 박막 시트(132), 스테인레스강 홀더(122), 및 그 내용물을 스테인레스강 캔(126)에서 취출하였다. 인베스트먼트 셸(102)과 그 내용물을 스테인레스 강 홀더(122)로부터 취출하여 2매의 내화물 홀더 사이에 배치하였다. 공기를 인베스트먼트 셸(102)의 바닥 근처에 불어넣어 복합체 안의 매트릭스 금속을 방향성 응고시켰다. FEEDOL9 핫토핑 입상 혼합물(오하이오주 클리브랜드 소재의 포세코 인코오포레이티드 사의 제품)을 용융 매트릭스 금속(116)의 상부에 주입하였다. 인베스트먼트 셸(102)과 그 내용물을 실온까지 냉각한 후, 인베스트먼트 셸(102)을 저력 해머로 제거함으로써 매트릭스 금속(116)이 느슨한 충전재 소재 혼화물 (106)에 용침하여 트러스 핏팅 구조체의 원래의 왁스 인베스트먼트 패턴과 실질적으로 동일한 크기와 형상을 구비한 금속 매트릭스 복합체가 형성되었다는 것이 판명되었다. 다이아몬드 톱을 이용하여, 잔류 개트릭스 금속(116)을 금속 매트릭스 복합체로부터 제거하였다.

[실시예 20]

본 실시예는, 반전 복제한 채널을 포함하는 금속 매트릭스 복합체를 형성하는 개념의 또 다른 실시 태양을 예시한 것이다. 이러한 복합체를 형성하기 위해 사 되는 설비의 개략적인 단면도를 제28도에 도시하였다.

외경 약 1,31in(33㎜) ×내경 약 1.05in(27㎜) × 높이 약 6in(152㎜)의 매트릭스 금속관(400)에, 각각 직경이 약 0.17in(43㎜)이고 약 1in(25㎜)의 간격으로 서로 엇갈리게 배열된 약 36개의 관통 구멍을 형성하였다. 매트릭스 금속은, 규소 약 0.40-0.8 중량%, 철 0.7 중량% 이하, 구리 약 0.15-0.40 중량%, 망간 0.15 중량% 이하, 마그네슘 약 0.8-1.2 중량%, 크롬 약 0.04-0.35 중량%, 아연 0.25 중량% 이하, 티타늄 0.15 중량% 이하, 잔부가 알루미늄(알루미늄 어소시에이숀 합금 제6061번)인 조성으로 되어있다. 샌드 브래스 팅에 의해 표면의 산화물을 제거한 후, 에틸알코올로 세척하여 샌드 브래스팅 처리로 생성된 파편을 제거함으로써, 매트릭스 금속관(400)을 제작하였다. 그 후, 구멍이 형성된 해트릭스 금속판(400)에, 마그네슘 입상물(펜실베이니아주 타마쿠아 소재의 하트 코오포레이숀 사의 제품으로, 325메쉬 이하) 약 33중량%와, XUS 40303.00 실험용 바인더(미시간주 미드랜드 소재의 다우 케미칼 컴패니 사의 제품) 약 1중량%와, 잔부가 에틸알코올로 이루어진 슬러리(402)를 스프레이 코팅하 였다. 매트릭스 금속관(400)의 전체 표면을 코팅한 후, 코팅된 관(400, 402)을 강제 공기 건조 오븐 중에 약 70℃의 온도로 약 15분간 건조하였다. 매트릭스 금속 관(400)의 중량을 코팅 작업의 전후에 계측해 보면, 마그네슘 입상물 약 0.26g이 매트릭스 금속관(400)의 표면에 부착한 것이 판명되었다.

이하의 공정의 시겐스를, 금속 매트릭스 복합체 형성 공정을 행하는데 사용되는 레이 업의 조립체를 설명한 것이다. 길이 약 3.5in(89㎜) × 폭 약 2.625in(67㎜) × 두께 약 0.5in(13㎜)이고, 그레이드가 AGSX인 흑연 베이스판(406)(유니온 카마이드 코오포레이숀 사의 제품)의 상부에, DAG154 콜로 이드상 흑연(410)(미시간주 포트휴론 소재의 아케슨 콜로이즈 사의 제품) 약 50체적%과, 잔부가 에틸알코올로 이루어진 수용액을 코팅하였다 그 후, 코팅된 베이스판은 약 3시간 동안 대기 중에서 약 400℃의 온도로 경화 건조하였다. 이와 유사한 코팅·건조 조작을, 외경 약 0.625in(16㎜) × 내경 약 0.5625in(14.3㎜) × 높이 약 6in(152㎜)이고 그레이드가 AGXS인 흑연 튜브의 외부에서 행하였다. 그 다음, 이렇게 코팅된 흑연 튜브를, 흑연 베이스판 (406)의 상면에 놓고 깊이 약 0,12inl(31nm)의 함몰부 혹은 오목부에 삽입하였다. 금속 매트릭스 복합체의 내경용의 경계를 형성하였다. 외경 약 2in(51㎜) × 내경 약 1,5in(88㎜) × 높이 약 6.250in(159㎜)이고, 그레이드가 AGSX 인 흑연관(404)(코네티컷주 댄버리 소재의 유니온 카바이드 컴패니의 카본 프로덕츠 사업부 제품)을, 흑연관(412)과 동심의 흑연 베이스 판(406)의 상부에 접합하였다 2개의 흑연 접합은, 180 그릿의 미가공된 탄화규소 입상물(매사츄세츠주 워세스터 소재의 노턴 컴패니의 39 CRYSTOLON과 RIGIDLOCK콜로이드상 흑연 시멘트(캘리포니아주 발렌시아 소재의 폴리카본 코오포레이숀)의 중량비 약 2 : 1의 혼합물(408)에 의해 실행되었다.

길이 약 6in(152㎜)이고, 두께 약 15mil(0.41㎜)인 1매의 GRAFOIL흑연 박막(414)(오하이오추 클리브랜드 소재의 유니온 카바이드 컴패니의 카본 프로덕츠 사업부 제품)을, 보다 큰 직경의 흑연관(404)의 내경보다 약간 적은 직경을 갖는 로드 형상의 맨드렐 주위에 권취하였다. GRAFOIL의 폭은, 약 0.25in(6㎜)의 중첩부분이 생기도록 하였다. 중첩된 GRAFOIL의 부분을, RIGIDLOCK콜로이드상 흑연 시멘트(캘리포니아주 발렌시아 소재의 폴리카본 코오포레이숀 사의 제품)를 사용하여 상호 접합하였다. GRAFOIL시트(414)의 외측도, RIGIDLOCK콜로이드상 흑연 시멘트(416)의 얇은 층으로 피복하였다. 콜로이드상 흑연 시멘트가 경화되기 전에, 맨드렐과 그 GRJIFOIL시트층(414) 을, 코팅된 GRAFOIL시트(414)가 큰 직경의 흑연관(404)의 내부로 이동될 수 있도록 형성중의 레이 업에 삽입하였다. 구체적으로 말하면, GRAFOIL시트 (414)를, 흑연 튜브의 태부에 대하여 시트(414)를 소정의 위치에 지지하면서 맨드 렐을 제거항으로써 이동하였다. 맨드렐을 인출 후, GRAFOIL시트(414)를, 큰 직경의 흑연 튜브(404)의 내부에 대하여 단단하게 압박하여, GRAFOIL시트(414)와 흑연 튜브(404) 사이의 공기 공극을 제거하여 RIGIDLOCK흑연 시멘 트(416)로 두 부분을 접착하였다. 그 후, 코팅된 매트릭스 금속판(400, 402)을, 큰 직경의 흑연 튜브(404)와 적은 직경의 흑연 튜브(412) 사이의 공동에 삽입하여, 그 두 부분의 중앙에 배치하였다.

혼화물 약 1000g 을 약 6시간, 각각 직경이 약 0,938in(24㎜)이고 고밀도 알루미나 밀링 분쇄 매개물(펜실베이니아주 피츠버그 소재의 스탠다드 세라믹 써플라이 컴패니의 켐 클레이 코오포레이숀 사업부 제품) 약 2000g이 들어 있는 내용적 약 8.3리터의 건조 자성 보올 밀 중에 보올 밀 분쇄함으로써, 충전재 소재 혼화물(418)을 조제하였다. 충전재 소재 혼화물(418)은 마그네슘 입상물(뉴저지주 레이크허스트 소재의 리드 매뉴팩츄어링 컴패니 사의 제품으로, 입도 325 메쉬 이하) 약 7,4 중량%와, 잔부는 그레이드가 T-64인 관형 알루미나(알칸사스주 복사이트 소재의 알코아 인더스트리얼 케미칼스 사업부의 제품으로, 입도 325 메쉬 이하)로 되어 있다. 그 후, 형성중의 레이 업을, 진동 페이블의 상부에 배치하여 저강도의 진동을 가하기 시작하였다. 보올 밀 분쇄한 충전재 소재 약 98.37g을, 매트릭스 금속관의 주위에 주입하였다. 저강도 진동에 의해, 느슨한 충전재 소재 혼화물(418)에 의해 매트릭스 금속관(400)의 전체 구멍이 충전되었다. 충전재 소대 혼화물(418)의 상면은, 내부의 흑연 튜브(412)의 상면과 실질적으로 수평으로 하였다. GRAFOIL흑연 박막 링(420)(코네티컷주 댄버리 소재의 유니온 카바이 드 컴패니의 카본 프로덕츠 사업부 제품)을, 충전재 소재 혼화물(418)의 노출부를 실질적으로 완전히 피복할 수 있도록 절단하여, 상기 혼화물의 노출된 상부 표면상 에 배치하였다. 최종적으로, 평균 입경이 약 1-3㎛인 질화 알루미늄 입상물 (422)(뉴욕 소재의 Hermann C. Starck, Inc 사의 Starck B)을, 질화 알루미늄 입상물(422)의 일부가 레이 업의 상부 표면의 나머지를 덮어 넘쳐흐르는 시점까지, 흑연 튜브 내부의 공동 내에 주입하였다.

레이-업을, 전기 저항 제어 분위기 로 내에 배치하였다. 로 분위기를, 수은 진공 약 30in(762㎜)까지 배기한 후, 질소 가스로 다시 채웠다, 질소 가스를, 분당 약 5리터의 유량으로 로에 통과시켰다. 로 온도를 시간당 약 200℃의 속도로 실온에서 약 475℃의 온도까지 숭온시켰다. 약 475℃의 온도를 약 5시간 유지한 후, 그 온도를 시간당 약 10℃의 속도로 약 500℃까지 숭온하였다. 약 500℃의 온도를 약 1시간 유지한 후, 그 온도를 시간당 약 200℃의 속도로 약 800℃까지 승온시켰다. 약 800℃의 온도를 약 5시간 유지한 후, 매트릭스 금속에 의한 충전재 소재 혼화물의 무압력 용침을 완료하고, 로의 동력을 끊었다. 레이 업을 로 안에서 냉각하였다. 실온까지 냉각한 후, 레이 업을 로에서 취출하여 분리하였다. 회수된 금속 매트릭스 복합체로부터, 실질적으로 전부의 충전재 소재(418)에 매트 릭스 금속(400)이 용침하여, 그리고 최초에 매트릭스 금곡(400)이 점유하고 있었던 레이 업의 부분은 공동으로 되었다는 것이 밝혀졌다. 따라서, 얻어진 금슥 매트릭스 복합체는, 최초의 매트릭스 금속관(400)의 관통 구멍이었던 위치에서 추가의 금속 매트릭스 복합 재료의 채널에 의해 접합된 2개의 동심 튜브로 이루어졌다.

[실시예 21]

본 실시예는, 금속 매트릭스 매크로 복합체를 중함체 보강 물질의 배합에 의해 제조될 수 있다는 것을 예시한 것이다. 매크로 복합체의 금속 매트릭스 복합체 부분을 제작하기 위해 사용된 설비는 제28에 개략적으로 도시되어 있다.

금속 매트릭스 복합체 재료의 브릿지 조인트 혹은 채널에 의해 여러 위치에서 결합된 한 쌍의 동심 금속 매트릭스 복합체 튜브를, 이하의 점을 제외하고는 실시예 20 에 기재된 방법과 실질적으로 동일한 방법으로 제작하였다. 본 실시예에 따르면, 마그네슘 입상물로 코팅된 매트릭스 금속관의 주위에 진동 충전한 충전재 소재 혼화물은, 약 125g에 달한다. 전술한 실시예와 유사하게, 매트릭스 금속판의 치수는, 외경 약 1.25in(32㎜) × 내경 약 1.075in(27㎜) × 길이 약 5.0in(127㎜)이고, 충전재 재료의 질량은 약 62g이었다.

연결된 동심의 금속 매트릭스 복합체 튜브의 제작 후, 연결된 튜브에 주어진 세정 조작을 행하였다. 구체적으로 말하자면, 연결된 튜브의 외주와 내주를, 그릿 브래스트(grit-blast)처리 후, 탈수 에틸알코올로 세척하여 그릿 브래스트 처리 조작으로 생성된 파편을 제거하였다. 그 후, 세척된 금속 매트릭스 복합체를 공기 중에서 주위 온도로 건조시켰다.

그 다음, 고분자 발포 재료를 제조하여 연결한 동심 금속 사이의 공동을 충전하였다. 즉, FLEXlPOLFP 252A(조오지아주 마리에타 소재의 The Flexible Products Company 사의 제품) 약 51.2g을, 500㎖의 플라스틱 비이커에 담은 FLEXIPOLFP 252B에 첨가하여, 설상 억제제(tongue depressor)를 사용하여 손으로 혼합하였다. 완전히 혼합한 후에, 혼합물을 설상 억제제를 사용하여 30초간 교반하였다. 연결 금속 매트릭스 복합재의 동심 튜브 조립체를 수직으로 세워 종이 타월 상에 배치하였다. 그 후, 동심 금속 매트릭스 복합체 튜브 사이에 노출된 공동을, 중합체 혼합물로 충전하였다. 금속 매트릭스 복합체의 동심 튜브 조립체는, 실질적으로 완전히 충전하였다. 그 후, 액상 중합체 충전 금속 매트릭스 복합체 튜브 조립체를 약 30분간 교반을 정지시켜 액상 중합체 를 경화시켰다. 경화 후, 액상 중합체 선구물질 화합물인 FLEXIPOLFP 252A 와 FLEXIPOLFP 252 B에 의해, 자기 지지형 폴리우레탄 폼을 생성하였다.

이렇게 생성된 매크로 복합체는, 금속 매트릭스 복합체 재료의 동심 튜브가 추가의 금속 매트릭스 복합체 재료에 의해 여러 위치에서 연결되어, 튜브의 나머지 공간이, 형성된 플리우레탄 폼으로 충전되었다.

따라서, 본 실시예로부터, 반전 복제 채널을 구비하는 금속 매트릭스 복합체를 제작하는 개념을 연장하여 전술한 채널을 고분자 재료로 충전함으로써, 중합체 강화 금속 매트릭스 매크로 복합체가 제작될 수 있다는 것이 판명되었다. 형성된 매크로 복합체의 사진은 제29도에 도시되어 있다.

[실시예 22]

본 실시예는 벌집 구조체를 갖는 금속 매트릭스 복합체를 제작할 수 있다는 것을 예시한 것이다.

실질적으로 전체 입자의 직경이 약 45㎛미만이고 그레이드가 T-64인 알루미나 편평 분말(알칸사스주 복사이트 소재의 알코아 인더스트러얼 케미칼스 사업부 제품으로, 입도 325 메쉬 이하) 약 3000g과, 실질적으로 전체 입자의 직경이 약 45㎛미만인 마그네슘 입상물(뉴저지주 레이크허스트 소재의 리드 매뉴팩츄어링 컴패니 사의 제품으로, 입도 325 메쉬 이하) 약 240g과, XUS 40303.00 실험 용 바인더(미시간주 미드랜드 소재의 다우 케미칼 컴패니 사의 제품) 약 162g과, 에틸알코올 약 1038g을, 용적이 약 1갤론인 폴리에틸렌 단지 중에 혼합함으로써 슬러리화된 충전재 재료 혼화물을 조제하였다. 직경이 약 0.25in(6㎜)이고 알루미나 밀링 분쇄 매개물을, 폴리에틸렌 단지 중의 슬러리에 첨가하여, 그리고 그 슬러리를 약 65rpm의 속도로 밀 랙(mill rack)에 의해 약 2시간 로울 혼합하였다.

벌집 구조체(메릴랜드주 제섭 소재의 Pollux Corporation 사의 제품)를 구비하고, 구리 약0,05-0.2중량%, 망간 약1.0-1.5중량% 이하, 실리콘0.6중량 % 이하, 철0.7 중량% 이하, 아연0.1중량% 이하, 잔부가 알루미늄(알루미늄 어소시에이션 합금 제3003번)로 되는, 길이 약3in(76㎜) x 폭 약 0.9in(23㎜) x 높이 약 1.1in(28㎜) 이고, 중량이 약4.73g인 매트릭스 금속을, 충전재 소재의 로울 혼합된 슬러리에 1회 딥 코팅하였다. 과잉의 슬러리를 압축된 공기로 불어넣고, 코팅된 매트릭스 금속의 벌집 구조체를, 길이 약4.25in(108㎜) x 폭 약1in(25㎜) x 높이 약1.25in(32㎜) 인 GRAFOIL흑연 박막 박스 내에 배치하였다. 흑연 박막 박스를, 두께 약15mil(0.38㎜)인 1매의 GRAFOIL시트로부터 절단 절곡을 소정의 위치에 행하여, RIGIDLOCK콜로이드상 흑연 시멘트(캘리포니아주 발렌시아 소재의 폴리카본 코오포레이숀 사이 제품)를 사용하여 상호 절곡 부분을 결합함으로써 제작하였다. GRAFOIL박스의 일단을 개방 되어 있다. GRAFOIL박스와 그 내용물을 약70℃의 온도에서 강제 건조 오븐 내에 배치하여, 약15분간 건조하였다. 전술한 박스와 실질적으로 동일한 수단에 의해, 전술한 GRAFOIL박스를 제작하였다. 이 박스의 치수는, 길이 약4.375in(111㎜) x 폭 약1.125in(29㎜) x높이 0.5in(13㎜) 이었다. GRAFOIL뚜껑을, GRAFOIL박스의 개구부 상에 배치하고, 그리고 밀폐 박스와 그 내용물을, 외부의 치수가 길이 약9in(229㎜) x 폭 약5in(127㎜) x 높이 약4in(102㎜) 이고 그레이드가 AGSX 인 흑연 보트 내에 빼치하였다. 상기 흑연 보트의 뚜껑을, GRAFOIL박스의 뚜껑과 실질적으로 동일한 방법으로 흑연 박막으로부터 제작하였다 흑연 보트와 그 내용물을 저항 가열 제어 분위기로 내에 배치하였다. 로 챔버를 수은 진공 약30in(762㎜)까지 배기시키고, 그리고 질소 가스로 다시 채웠다. 질소 가스를, 분당 약2.5리터의 유량으로 로에 통과시켰다. 로 온도를 시간당 약 200℃의 속도로 실온에서 약475℃의 온도까지 승온시켰다. 약475℃의 온도를 약5시간 유지한 후, 그 온도를 시간당 약10℃의 속도로 약500℃까지 증가하였다. 약500℃의 온도를 약1시간 유지한 후, 그 온 도를 시간당 약200℃의 속도로 약810℃까지 승온시켰다. 약810℃의 온도를 약5시간 유지한 후, 매트릭스 금속에 의한 충전재 소재 혼화물의 비가압 용침이 실질적으로 완료되었다. 따라서, 로 온도를 시간당 약200℃의 속도로 약 760℃의 온도까지 저하시켰다. 약760℃의 온도에서, 흑연 보트와 그 내용물을 로에서 취출 하여, 수냉식 알루미늄 겐칭판 위에서 냉각시켰다. 실온까지 냉각한 후, 흑연 보트 와 그 내용물을 분해하여 보았을 때, 매트릭스 금속의 벌집 구조체가 실제로 충전재 소재 흔화물 코팅 층에 용침하여 벌집 모양의 금속 매트릭스 복합체가 형성된 것이 밝혀졌다.

형성된 금속 매트릭스 복합체의 벌집 구조체의 사진은 제30도에 도시되어 있다. 벌집 구조체의 육각 셀의 측면들 중1개의 단면 사진(약50X배 확대)을 제31도에 도시하였다. 금속 매트릭스 복합체 재료(450)와 잔류 금속(452)의 영역이 명확하게 나타나 있다.

[실시예 23]

본 실시예에는, 각각 상이한 양의 용침 촉진제 선구물질을 포함하지만, 입상 용침 촉진제 선구물질로 이루어진 예비성형체의 전체 표면상의 외부 코팅에 특징이 있는 8개의 테이프 캐스트 예미성형체의 동시 용침을 예시한 것이다.

제32도에 도시한 바와 같이, 3개의 얇은 예비성형체(330, 332, 334)는, 종래 의 테이프 캐스팅법을 사용하여 펜실베이니아주 모리스빌 소재의 케라모스 인더스 트리즈 인코오포레이티드(Keramos Industries, Inc)에서 제작한 제품으로, 그 조성은 마그네슘 입상물(뉴저지주 레이크허스트 소재의 리드매뉴팩츄어링 컴패니 사의 제품으로, 입도 325 메쉬 이하)을 각각 0 중량%, 3 중량%, 5 중량% 함유하는 것을 제외하고는 실시예 2에서 사용되는 것과 실질적으로 동일한 것으로 하였다.

그 후, 각각의 테이프 캐스트 예비성형체(330, 333, 334)에, 하기에서와 같이 마그네슘을 코팅하였다. 마그네슘을 함유하지 않는 테이프 캐스트 예비성형체 (330)를, 두께가 약 0.015in(0.89㎜), 길이와 폭이 예비성형체보다 약간 큰 GRAFOIL흑연 박막(오하이오주 클리브랜드 소재의 유니온 카바이드 컴패니의 카본 프로덕츠 사업부 제품)의 제1시트 상에 평평하게 배치하였다. 마그네슘 입 상물(리드 매뉴팩츄어링 컴패니 사의 제품으로, 입도325메쉬 이하)을, 테이프 캐스트 예비성형체의 노출된 면상에 농도가 약16㎎/㎠ 될 때까지 살포하였다. 흑연 박막의 제1시트와 실질적으로 동일한 치수를 갖는 GRAFOIL흑연 박막의 제2시트를, 테이프 캐스트 예비성형체의 슬러리 코팅된 상부 면파 접촉시켜 배치하였다. 흑연 박막의 제2시트를, 흑연 박막의 제1시트와 실질적으로 일렬이 되도록 하였다. 그 후, 상기 조립체를 역으로 하고 그리고 흑연 박막의 제1시트를 제거하여, 테이프 캐스팅 예비성형체의 반사면(즉, 하면)을 노출시켰다. 그 다음, 나머지 면에, 제1도와 동일한 농도로 흑연 입상물을 코팅시켜, 그 코팅된 예비성형체를 대기 중에 놓고 주위 온도로 건조지켰다.

그 후, 3개의 코팅된 테이프 캐스팅 예비성형체를 조립하여, 각각의 부분 (52, 54, 56) (실시예2에 기재된 부분) 및 (330, 332, 334) (전술한 부분)으로 이루어진 예비성형체 조립체가 되도록 하였다. 상기 예비성형체 조립체는, 실시예2의 예비성형체 조립체와 상이한 형상을 갖지만, 실시예2에 기재된 방법과 동일한 방법 으로 제작하였다. 예컨대, 실시예2의 예비성형체 조립체와는 달리, 본 실지예의 예비성형체 조립체는 각각의 예비성형체 사이의 1매의 흑연 박막 시트를 구비한다. 붕규산 유리 프릿(오하이오주 캐롤톤 소재의 퓨전 세라믹스 인코오포레이티드 사의 F-69) 약15중량%와, 잔부가 평균 입도 216㎛인 90 그릿 El ALUNDUN알루미나(매사츄세츠주 워세스터 소재의 노턴 컴패니 사의 제품)로 이루어진 입상 혼합물(336)을, 흑연 박막(338)을 일렬로 늘어 세운 강철 보트(340) 내에 약1in(25㎜) 깊이까지 주입하였다. 강철 보트는 일반적으로 일단이 개방되고, 길이 약7in(178㎜) x 폭 약5in(127㎜)이고, 깊이가 약 7in(178㎜) 인 박스로 이루어져 있다. 예비성형체 조립체를, 깊이 약1in(25㎜)의 알루미나/유리 프릿 입상 혼합물(336)의 상부에, 실시예2의 조립체와 동일하게 향하도록 배치하 였다. 그 후, 추가의 알루미나/유리 프릿 입상 흔합물(336)을, 흑연 코팅된 강철 보트(340) 내의 예비성형체 조립체의 주위에 조립체의 정부로부터 약1in(25㎜) 내까지 주입하여 평평하게 하였다. 양단부가 개방되어 있고, 높이가 약2in(51㎜), 내부 길이 및 폭이 예비성형체 조립체의 외부 길이 및 폭과 실질적으로 동일한 CRYSTOLON흑연 박막 박스(342)를, 제32도에 도시된 예비성형체 조립체의 상면 주위에 끼워 넣었다. 양단부가 개방되어 있고, 높이가 제1GRAFOIL박스(342)와 실질적으로 동일하지만, 길이와 폭의 모두가 제1의 박스(342)의 치수 보다 약1.5in(38㎜)정도 큰 제2의 흑연 박막 박스(344)를, 제1의 박스(342)주위의 중앙에 배치하였다. 그 후, 평균 입도가 약216㎛인 39CRYSTOLON미가가공된 탄화규소 분말(62) (매사츄세츠주 워세스터 소재의 노턴 컴패니의 90그릿)을, 흑연 박막 박스(342) 및 (344) 사이의 공동에 충분하게 주입하였다. 그 다음, 추가의 알루미나/유리 프릿 입상 혼합물(336)을, 흑연 박막(338)과 정렬된 강철 보트(340) 내의 외부 박스(344)와 보트의 벽 사이의 공간에 주입하여 그 공간을 실질적으로 충전하였다. 그 후, 예비성형체 조립체의 노출된 상부 표면을, 54그릿의 39 CRYSTOLON미가공된 탄화규소와, 90그릿의 39CRYSTOLON미가공된 탄화규소와의 중량비 70 : 30 혼합물에, 마그네슘 입상물(리드 매뉴팩츄어링 컴패니 사의 제품으로, 입도325메쉬 이하)을, 탄화규소의 중량의 약 중량%에 동등한 양으로 첨가한 건조 입상 혼합물(64)로 이루어지고 두께가 약0.125in(3㎜)의 층으로 피복하였다. 마그네슘 입상물(66) (펜실베이니아주 타마쿠아 소재의 하트 코오포레이숀 사의 제품으로, 입도100메쉬 이하)로 이루어지고 두께가 약0.125in(3㎜)인 층을, 그 입상 혼화물 층(64)의 상부에 배치하여 평평하게 하였다. 실리콘 약15중량%와, 마그네슘5중량%와, 잔부가 알루미늄으로 이루어지고, 중량이 150g인 매트릭스 금속(68)의 잉곳을, 매트릭스 금속 저장부 역할을 하는 마그네슘 입상층의 상면에 배치하여 레이 업을 완성하였다.

흑연 박막(338)을 일렬로 배열한 강철 보트(340)로 이루어진 레이 업과 그 내용물을 증류기 내에 배치하고, 그리고 증류기 챔버를 밀봉하였다. 상기 증류기를 수은 진공 약30in(762㎜)까지 배기 후, 시판되는 순수 질소 가스로 다시 채워 실질적으로 대기압으로 하였다. 이러한 배기와 채움 조작을 반복한 후, 질소 가스를 분당 약5리터의 일정 유량으로 증류기를 통과시켜 그 상태로 유지하였다 그 후, 증류기의 온도를 시간당 약50℃의 속도로 실온으로부터 약450℃의 온도까지 승온시켰다. 약450℃의 온도를 약 5시간 유지한 후, 그 온도를 시간당 약200℃ 의 속도로 약795℃의 온도까지 승온시켰다. 약795℃의 온도플 약10시간 유지한 후, 증류기를 개방하고 레이 업을 증류기로부터 취출하여, 수냉식 구리 겐칭판에 배치하여 용융 매트릭스 금속의 방향성 응고를 행하였다. 방향성 응고 증의 온도 구배의 유지가 용이해지도록, 두께 약2in(51㎜)의 FIBERFRAX (스캔작업) 세라믹 섬유 블랭킷(뉴욕주 나이아가라 소재의 카보런덤 컴패니 사의 제품)을, 레이 업의 상부에 배치하였다. 실온까지 냉각한 후에, 레이 업을 분해하여 보았을 때, 용응 매트릭스 금속이 3개의 테이프 캐스트 예비성형체(330, 332, 334)에 용칭하여 3개의 얇은 금속 매트릭스 복합체가 생성되었다는 것이 판명되었다.

[실시예 24]

본 실시예는, 예비성형체를 용융 매트릭스 금속의 푸울(pool) 표면상에 부유 시키고, 그리고 예비성형체를 소성된 탄화규소 입상물 입자를 상호 결합하여 세라믹 층의 상호 접속 3차원 골격으로 형성한 탄화규소로 이루어진 얇은 금속 매트릭스 복합체의 제작을 예시한 것이다. 제33도에는, 전술한 방법에 의해 얇은 금속 매트릭스 복합체를 제작하기 위해 사용되는 레이 업의 개략적인 단면도가 도시되어 있다.

길이 약33in(838㎜) x 폭 약10.5in(267㎜) x 두께 약0,125in(3㎜) 인 테이프 캐스트 예비성형체는, 종래의 테이프 캐스팅법을 사용하여 케라모스 인더스트리즈 인코오포레이티드 사에서 제작한 것이다. 본 실시예의 테이프 캐스트 예비성형체는, 평균 그릿의 크기가 약66㎛, 17㎛, 9㎛, 5㎛ 의 39 CRYSTOLON탄화규소 입상물(매사츄세츠주 워세스터 소재의 노턴 컴패니 사의 제품)의 중량비 약 70 : 10 : 10 : 10 혼합물로 되며, 마그네슘을 함유하지 않는 것이다. 실험을 위해, 약7.5in(191㎜) x 6.75(171㎜)의 샘플을, 큰 테이프 캐스트 예비성형체로 절단하였다.

그 후, 미가공된 테이프 캐스팅 예비성형체를 소성하여 예비성형체를 경질 상태가 되도록 하였다. 즉, 미가공된 예비성형체를, 치수가 약13in(330㎜) x 폭 약 l0in(254㎜) x 두께 약0.5in(13㎜)의 관통 코오디머라이트 판(cordierite plate) 상에, 예비성형체의 약33in(838㎜) x 약10.5in(267㎜) 면의 1개가 관통된 코오디어라이트 판에 접촉하도록 배치하였다. 두께가 약0.125in(3㎜) 이고, 길이 및 폭이 미가공된 테이프 캐스트 예비성형체와 실질적으로 동일한 FIBERFRAX세라믹 섬유지(뉴욕주 나이아가라 폴즈 소재의 카보런 덤 컴패니 사의 제품)를, 예비성형체와 거의 합치되어 맞물려 있는 예비성형체의 상면 상에 배치하였다. 그 후, 제1판과 실질적으로 동일한 치수를 갖는 제2의 관통 된 코오디어라이트 판을, 세라믹 섬유지의 상면에 배치하여 소성용의 조립체를 완성하였다. 그 후, 조립체를, 약50℃의 온도 분위기로 내에 배치하여, 소성하고 노 온도를 시간당 약50℃의 속도로 약425℃의 온도까지 승온시켰다. 약425℃의 온도에 달하였을 때, 온도를 시간당 200℃의 속도로 악1050℃의 온도까디 승온시켰다. 약 1050℃의 온도를 약1시간 유지한 후, 로 가열 요소의 전원을 차단하여, 로 및 그 내용물을 냉각하였다. 로와 그 내용물이 거의 실온까지 냉각되면, 로를 개방하고, 그리고 조립체를 취출 분해하여 소성 예비성형체를 회수하였다.

그 후, 소성된 예비성형체(350)를, 자발 용침 공정에 사용하기 위한 준비하였다. 특히, 소성된 예비성형체(350)의 전체 표면을, KRYLON아크릴릭 스프레 이(오하이오주 콜롬버스 소재의 보던 인코오포레이티드 사의 제품)로 에어졸 코팅 하여, 일시적으로 표면을 밀봉하였다. 그 후, 아크릴 코팅한 예비성형체(350)를, 강제 공기 오븐 중으로, 약68℃의 온도로 약5-10분간 건조시켰다. 아크릴 코팅 된 예비성형체(350)를 건조 오븐으로부터 회수하여, 실온까지 냉각된 후, 예비성형체를 콜로이드상 흑연으로 에어졸 코팅하였다. 즉, DAG154 콜로이드상 흑연 (미시간주 포트 휴론 소재의 아케슨 콜로이즈 컴패니 사의 제품)을, 에틸알코올을 사용하여 중량비 50 : 50 으로 희석하여 압축 공기 스프레이 도장 장치를 사용하여 스프레이될 수 있도록 하였다. 아크릴 코팅된 예비성형체의 전체 표면을 콜로이드상 흑연 현탁제로 에어 브러싱 처리를 하였다. 콜로이드상 흑연(352)의 약0.7g을 연속적으로 용응 매트릭스 금속과 접촉하는 예비성형체의 표면에 도포하고, 그리고 예비성형체의 다른 5개의 표면에는, 콜로이드상 흑연(354) 약1.1g 을 균일하게 적용하였다. 나머지 예비성형체 5개 표면 상의 콜로이드상 흑연(354)의 균일한 코팅은, 매트릭스 금속에 의한 예비성형체로의 용침을 완료시키는 역할을 한다. 그러나, 자발 용침 공정 중에 용융 매트릭스 금속과 접촉하는 예비성형체의 표면상의 매우 가벼운 코팅(352)은, 더욱 게이트(gating) 수단로서의 역할을 하여, 용융 매트릭스 금속과 예비성형체와의 면접촉을 제한하여, 자발 용침 공정에 있어서 잔류 매트릭스 금속의 제거를 보조하게 된다. 그 후, 콜로이드상 흑연 코팅된 예비성형체를, 대기 중에서 주위의 온도로 거의 전부의 에틸알코올 매개물이 휘발할 때까지 건조시켰다.

그 후, 자발 용침 공정을 행하기 위해 레이 업을 조립하였다. 특히, 길이 약 9,25in(235㎜) x 폭 약13,25in(337㎜) x 두께 약0.015in(0,38㎜)의 GRAFOIL흑연 박막 시트(356) (오하이오주 클리브랜드 소패의 유니온 카바이드 코오포레이숀의 카본프로덕츠 사업부 제품)를, 내부 길이와 폭이 흑연 박막 시트 (356)와 실질적으로 동일하고, 높이가 약1.5in(38㎜) 인 얕은 흑연 보트(358)의 바닥에 배치하였다. 흑연 보트(358)의 벽 두께는 약0.5in(13㎜)이었다. 그레이드가 F-69 인 유리 프릿(오하이오주 캐롤톤 소재의 퓨전세라믹스 인코오포레이 티드 사의 제품) 약13중량%와, 평균 입도가 약 216㎛ 이고 90 그릿 El ALUNDUM알루미나(노턴 컴패니 사의 제품) 약 26중량%와, 잔부가 평균 입도 약710㎛의 36 그릿 38 ALUNDUM용융 알루미나(노턴 컴패니 사의 제품)로 이루어진 입상 혼합물(360)을, 얕은 흑연 보트(358) 내에 깊이 약0.375in(10㎜) 주입하여 평평하게 하였다. 중량이 약1273g 이고, 실리콘 약 20중량%, 마그네슘 약5중량%, 잔부가 알루미늄으로 이루어지고, 폭이 예비성형체(350) 보다 약간 큰 매트릭스 금속(362)의 잉곳을, 보트(358) 내의 입상 혼합 물(360)의 상면에 배치하였다. 그 후, 매트릭스 금속 잉곳의 상면(364)을, KRYLON아크럴(보던 인코오포레이티드 사의 제품)로 스프레이 코팅하였다. 아크릴 코팅을 건조시킨 후, 흑연 박막 프레임(366)과 마그네슘 입상물(368)로 이루 어진 층을, 매트릭스 금속(362) 코팅 잉곳의 상면에 리치하여, 잉곳에 접착하였다. 즉, 두께가 약 0.005in(0.13㎜)이고, 내부 길이와 폭이 소성 예비성형체(350)의 길이와 폭 보다 작은 약0.125in(3㎜)이고, 외부 길이와 폭이 소성 예비성형체(350) 보다 큰 약0.25in(6㎜)인 장방형의 흑연 박막 프레임(366)을, 아크릴 코팅된 잉곳(362)의 표면상에 배치하였다. 마그네슘 입상물(펜실베이니아주 타마쿠아 소재의 하트 코오포레이숀의 제품으로, 입도 50 메쉬(300㎛) 이하)을, 흑연 박막 프레임(366) 내의 매트릭스 금속 잉곳(362)의 노출한 아크릴 코팅 표면상에, 매트릭스 금속 잉곳(362)과 대향하는 예비성형체 표면의 I㎠ 당 마그네슘 약 16㎎ 의 농토로 될 때까지 살포하였다. 그 후, 소성 ·코팅된 예비성형체(350)를, 흑연 박막 프레임(366) 상의 중앙에 위치시켜 레이 업을 완성시켰다.

그 후, 흑연 보트(358)와 그 내용물로 이루어진 레이 업을, 증류기 내에 배치하고, 그리고 증류기 챔버를 외부 환경으로 밀봉하였다. 증류기 챔버를, 수은 진공 약 29in(737㎜)까지 배기한 후, 시판되는 순수 질소 가스로 다시 채워 실질적 으로 대기압으로 하였다. 질소 가스를, 분당 약5리터의 유량으로 증류기를 통과 시켰다. 증류기의 온도를 시간당 약200℃의 속도로 실온으로부터 약225℃의 온도까지 승온시켰다. 약 225℃의 온도를 약48.5시간 유지한 후, 온도를 시간당 약200℃의 속도로 약850℃의 온도까지 숭온시켰다. 약850℃의 온도를 약10시간 유지한 후, 온도를 시간당 약200℃의 속도로 약825℃의 온도까지 저하시켰다. 약825℃의 온도로, 증류기 챔버를 개방하고, 그리고 흑연 보트(358)와 그 내용물을 증류기로부터 취출하여, 두께가 약2in(51㎜)인 FIBERFRAX세라믹 섬유 블랭킷(카보런덤 컴패니 사의 제품) 상에 배에 배치하였다. 냉각 작업 중에, 예비성형체(350)가 매트릭스 금속(362)의 잔류물로부터 분리되어, 마그네슘 입상물 (368) 및 매트릭스 금속(362)과 접촉한 예비성형체(350)의 표면에 부착한 잔류 매트릭스 금속이 발견되지 않았다. 예비성형체의 나머지 5개의 표면을, 글라스 비드 매개물(glass bead media)을 사용하여 가볍게 그릿 브래스트 처리하여 흑연 코팅(354)을 제거하였다. 흑연 코팅(354)의 제거로부터, 매트릭스 금속(362)이 소성 예비성형체(350)에 완전히 용침하여 얇은 금속 매트릭스 복합체가 생성되었다는 것이 판명되었다. 소성 예비성형체의 평평도가 자발 용침 공정을 통해 유지(즉, 최종 예비성형체의 뒤틀림이 발생하지 않음)되는 것이 관찰되었다. 형성된 얇은 금속 매트릭스 복합체의 표면 다듬질의 정도를, 표면 프로필로미터(profilometer)를 이용하여 측정하여, Ra가 약25μin(0.6㎛)로 된다는 것이 밝혀졌다.

본 실시예에는, 테이프 캐스트 예비성형체가 소성 조작으로 경질화되어, 후속하여 예비성형체를 용융물의 표면에 부유시킴으로써 예비성형체가 용융 매트릭스 금속으로 용침되는 것이 판명되었다. 표면 다듬질 정도와 예비성형체의 평면도는, 자발 용침 공정 중에는 충분히 유지되어, 최종의 얇은 금속 매트릭스 복합체에 실질 적으로 복제되었다.

[실시예 25]

본 실시예에는, 공정의 자발 용침 부분을 반 연속법으로 행하는 공정에 의해, 얇은 금속 매트릭스 복합체를 제조할 수 있다는 것을 예시한 것이다. 제34도는 자발 용침 공정을 행하는 데 사용되는 레이 업의 개략적인 단면도이다.

각 변의 길이 약4in(102㎜) x 두께 약0.125in(3㎜) 인 다수의 얇은 예비성형체는, 종래의 테이프 캐스팅법을 이용하여 케라모스 인더스트리즈 인코오포 레이티드 사에서 제작한 것을 사용하였다. 테이프 캐스트 예비성형체의 세라믹 성분은, 평균 입도가 약17㎛ 이고 39 CRYSTOLON미가공된 탄화규소 입상물 (매사츄세츠주 워세스터 소재의 노턴 컴패니 사의 제품) 약5중량%와, 평균 입도가 약0.6㎛인 100GL 탄화규소 입상물(일리노이주 사카고 소재의 Superior Graphite Co.) 약20중량%와, 잔부가 평균 입도 약5㎛ 인 39 CRYSTOLON미가공된 탄화규소 입상물로 되었다.

이러한 2개의 예비성형체를, 소성 스케줄이 약간 상이한 것만 제외하고, 실시예 24에 기재한 테이프 캐스트 예비성형체와 실질적으로 동일한 방법으로 소성하였다. 특히, 제1예비성형체(370)의 소성 스케줄은, 관련 레이 업파 함께 예비성형체를 시간당 약174℃의 속도로 실온에서 약900℃의 온도까지 가열하여, 약900℃의 온도를 약5시간 유지하고, 후속하여 로 가열 요소의 전원을 끊고, 그리고 그 내용물을 거의 실온까지 냉각시키는 것으로 이루어져 있다. 제2의 테이프 캐스트 예비성형체(372)의 소성 스케줄은, 공기 분위기 로와 그 내용물을 시간당 약194℃의 속도로 실온에서 약1000℃의 온도까지 가열하고, 약1000℃의 온도를 약5시간 유지하고, 후속하여 로 가열 요소의 전원을 끊고 그리고 로와 그 내용물을 거의 실온까지 다시 냉각시키는 것으로 이루어져 있다. 그 후, 소성 예비성형체를 각각 로에서 회수하였다.

자발 용침 공정 중에 매트릭스 금속과 접촉하는 각 예비성형체의 면을 코팅 되지 않고 남아 있는 것 이외에는, 실시예24에 기재된 층과 실질적으로 동일한 비율 및 방법으로 아크릴 및 콜로이드상 흑연(374)의 층을, 2개의 예비성형체(370, 372)에 각각 에어졸 코팅하였다.

그 후, 레이 업을 이하의 방법에 의해 조립하였다. 그레이드가 F-69 인 유리 프릿(오하이오주 캐롤톤 소재의 퓨전 세라믹스 인코오포레이티드 사의 제품) 약15중량% 와, 평균 입도가 약216㎛인 El ALUNDUM알루미나 입상물(매사츄세츠주 워세스터 소재의 노턴 컴패니 사의 제품) 약13중량% 와, 잔부가 평균 입도710㎛의 38 ALUNDUM용융 알루미나 입상물(노턴 컴패니 사의 제품)로 되는 입상물 혼합물(360)을, 외부 치수와 내부 치수가 실지예24에 기재된 것과 실질적으로 동일하게 얕은 흑연 보트(358) 내에 깊이가 약0.5in(13㎜) 될 때까지 주입시켜 평평하게 하였다. 각 변의 길이가 약6in(152㎜), 두께가 약1in(25㎜) 이고, 실리론 약15중량%, 마그네슘 약5중량%, 잔부가 알루미늄으로 이루어진 매트릭스 금속(376)의 잉곳을, 흑연 보트(358) 내의 입상 혼합물 (360) 베드의 상면에 배치하였다. 그 후, 추가의 알루미나/유리 프릿 입상물 혼합물(360)을, 흑연 보트(358) 내용물의 매트릭스 금속의 잉곳(376) 주위에, 높이가 잉곳(376)의 상면과 실질적으로 수평이지만, 매트릭스 금속(376)이 일단 용융 되면 매트릭스 금속용의 저장부로 되도록 흑연 보트(358)의 벽 방향으로 약간 높게 배치하였다. 마그네슘 입상물(368) (펜실베이니아주 타마쿠아 소재의 하트코오포레이숀 사의 제품 : 입도 50메쉬 이하, 실질적으로 전체의 입자의 직경은 약300㎛ 미만)로 이루어진 층을, 매트릭스 금속 잉곳(376)의 노출 표면상의 각 변의 길이 약4in(152㎜)인 용역에 농도가 약16㎎/㎠ 될 때까지 평평하게 살포하였다. 그 후, 제1콜로이드상 흑연 코팅 예비성형체(370)를, 마그네슘 입상물(368)로 되는 층의 상면에, 예비성형체의 피복되지 않은 표면이 마그네슘 층에 접촉하도록 배치하여 레이 업을 완성하였다.

그 후, 흑연 보트(358)와 그 내용물로 이루어진 레이 업을, 증류기 내에 배치하고, 그리고 증류기 챔버를 외부 환경으로부터 밀봉하였다. 증류기를 수은 진공 약 30in(762㎜)까지 배기시킨 후, 시판되는 질소 가스로 다시 채워 실질적으로 대기압으로 하였다. 그 후, 질소 가스를 분당 약5리터의 유량으로 중류기로 통과 시켰다. 증류기의 온도를, 시간당 약200℃의 속도로 실온에서부터 약200℃의 온도까지 가열하였다. 약 200℃의 온도를 약7.5시간 유지한 후, 그 온도를 시간당 약200℃의 속도로 약823℃의 온도까지 승온시켰다. 약823℃의 온도를 약5시간 유지한 후, 증류기 챔버를 개방하고, 예비성형체(370)를 레이 업에서 취출하였다. 예비성형체(370)에 아직 부착되어 있는 잔류 용융 매트릭스 금속을, FIBERFRAX세라믹 섬유 블랭킷 재료로 닦아내고, 그리고 예비성형체를 거의 실온에서 두께가 약2in(51㎜)의 FIBERFRAX세라믹 섬유 블랭킷(뉴욕주 나이아가라 폴즈 소재의 카보런덤 컴패니 사의 제품)으로 피복하여 실온에서 큰 흑연 판상에 거꾸로 배치하였다. 그 후, 예비성형체를 실온으로 냉각하였다. 레이 업으로부터 제1예비성형체(370)를 취출한 직후에, 제2소성 ·코팅 예비성형체(372)를 동일한 레이 업으로부터의 용융 매트릭스 금속(376)의 표면에 배치하여 제1예비성 형체(370)에 용침시키고, 그리고 증류기 챔버를 다시 밀봉하였다. 약6시간 후, 증류기는 재개방하고, 그리고 제2예비성형체(372)를 레이 업으로부터 취출하여 잔류 부착된 매트릭스 금속을 닦아내어 제1예비성형체(370)와 동일한 방법으로 냉각 시켰다. 거의 실온까지 냉각한 후, 예비성형체(370), (372) 모두를, 글라스 비드 매개물을 이용하여 그릿 브래스트 처리하여, 콜로이드상 흑연 코팅(374)을 제거하였다. 흑연 코팅(374)의 제거로부터, 매트릭스 금속이 양쪽 예비성형체에 용침하여 얇은 금속 매트릭스 복합체가 생성된 것이 판명되었다.

본 실시예로부터, 주위의 온도에서 일련의 얇은 예비성형체를, 산소 함유분 위기 중에 매트릭스 금속의 용융체의 표면상에 순차적으로 배치하고, 그리고 분위기를 연속하여 용침 분위기로 전환시키는 것을 조건으로 하여, 예비성형체가 용융 매트릭스 금속에 의해 자발 용침되어 얇은 금속 매트릭스 복합체를 생성하는 반연속법으로의 얇은 금속 매트릭스 복합체가 제조될 수 있다는 것이 밝혀졌다.

[실시예 26]

본 실시예에는, 사출 성형 예비성형체를 용융 매트릭스 금속의 충전재 표면 에 부유시킴으로써 얇은 금속 매트릭스 복합체를 제조할 수 있다는 것을 예시한 것 이다. 자발 용침 공정을 행하는 데 사용되는 레이 업은 제33도에 도시되고 실시예24에 기재된 것과 동일하다.

평균 입도가 약5㎛ 인 39 CRYSTOLON탄화규소 입상물(매사츄세츠 주 워세스터 소재의 노턴 컴패니 사의 제품) 약25중량%과, 잔부가 평균 입도 약66㎛ 인 39 CRYSTOLON탄화규소 입상물 혼화물 약55.g을, 종래의 사출 성형법을 이용하여 조오지아주 알파레타 소재의 테크니칼 세라믹스 레이보러토리즈 (Technical Ceramics Laboratories)에서 사출 성형하여, 일단이 개방되어 있고 거의 장방형의 박스로 이루어진 예비성형체를 형성하였다. 상기 박스는, 길이 약2.5in(64㎜) x 폭 약 0.55in(14㎜) x 높이 약0.28in(7㎜) 이고, 박스의 전체 길이에 걸쳐 박스의 베드의 중앙을 따라 연장하고, 박스의 높이와 거의 동등한 높이를 갖는 추가의 수직 벽을 특징으로 하고 있다.

그 다음, 1050℃ 에서의 정지 시간이 약0.5시간으로 하는 것만 제외하고, 실시예24에 기재한 소성 작업파 실질적으로 동일한 방법으로, 상기 사출 성형 예비성형체를 소성 조작하여 미가공된 물체로부터 경질 물체로 전환하였다.

실시예24의 테이프 캐스트 예비성형체와 실질적으로 동일한 방법으로, 소성 예비성형체에 아크릴 및 콜로이드상 흑연을 도포하였다.

실시예24에 기재된 레이 업과 실질적으로 동일한 방법으로 레이 업을 조립 하였다.

제33도에 따르면, 얕은 흑연 보트(358)와 그 내용물로 되어 있는 레이 업을 증류기 내에 배치하였다. 증류기 챔버를 외부 환경으로부터 밀봉하고, 그리고 증류기를 수은 진공 약30in(762㎜)까지 배기한 후, 증류기를 시판되는 순수 질소 가스로 다시 채웠다. 그 후, 질소 가스를 분당 약5리터의 증류기로 통과시켰다. 그 다음, 증류기의 온도를 시간당 약200℃의 속도로 실온으로부터 약225℃의 온도까지 승온시켰다. 약225℃의 온도를 약2시간 유지한 후, 온도를 시간당 약200℃의 속도로 약850℃의 온도까지 승온시켰다. 약850℃의 온도를 약10시간 유지한 후, 온도를 시간당 약200℃의 속도로 약 825℃의 온도까지 저하시켰다. 약825℃의 온도에저, 증류기 챔버를 개방하고, 예비성형체를 용융 매트릭스 금속(362)의 표면으로부터 취출하여, 두께 약2in(51㎜)의 FIBERFRAX세라믹 섬유 블랭킷(뉴욕주 나이아가라 폴즈 소재의 카보런덤 컴패니 사의 제품) 상에 배치하였다. 그 후, 예비성형체를 거의 실온까지 냉각시켰다. 실온까지 냉각한 후, 콜로이드상 흑연 코팅(354)을, 글라스 비드 매개물을 사용하여 그릿 브래스팅 처리함으로써 콜로이드상 흑연 코팅(354)을 제거하여 관찰해 보면, 매트릭스 금속이 사출 성형 예비성형체에 용침하여 예비성형체의 형상에 실질적으로 일치하는 얇은 금속 매트릭스 복합체가 생성되었다는 것이 밝혀졌다.

본 실시예로부터, 사출 성형에 의해 제작하고, 그 후 용융 매트릭스 금속의 표면에 부유되게 하여 얇은 예비성형체를 자발 용침지킴으로써 복잡한 형상의 얇은 금속 매트릭스 복합물을 제조할 수 있다는 것이 밝혀졌다.

[실시예 27]

본 실시예는, 용융 매트릭스 금속을 침강 캐스팅 공정(sedimentation casting process)에 의해 제조한 예비성형체에 자발 용칭시킴으로써 얇은 금속 매트릭스 복합체를 형성하는 방법을 예시한 것이다. 자발 용침을 행하기 위한 레이 업은, 또한 예비성형체를 용융 매트릭스 금속의 표면상에서 부유될 수 있도록 하는 지지체 수단을 포함한다.

총량 약61.6g의 BLUONICA 콜로이드상 알루미나(버어지니아주 리브리 소재의 Buntrock Industries 사의 제품) 수용액을, 탈염수 약122.6g으로 희석하고, 그리고 약500㎖의 NALGENE플라스틱 단지(뉴욕주 로체스터 소재의 날게 컴패니사) 내에 배치하였다. 220 그릿(평균 입경 : 약66㎛임)의 39 CRYSTOLON미가공된 탄화규소 입상물(매사츄세츠주 워세스터 소재의 노펀 컴패니 사의 제품) 약430.4g 과, 500 그릿(평균 입경 : 약66㎛임)의 39 CRYSTOLON탄화규소 입상물 약184.8g을 단지에 첨가하였다. 상당량의 다우 케미칼 상이 실험용 세라믹 바인더 XUS0303.00(미시간주 미드랜드 소재의 다우 케미칼 컴패니 사의 제품) 약0.6g를 단지에 비하였다. 단지와 그 내용물을 약2시간 로울 배치하여 약2시간 혼합하였다.

직경 약6in(15㎜) X 깊이 약0.064in(1.61㎜) 이고 원형 내부 공동을 구비하는 그레이드가 GI-1000인 실리콘 고무 주형(펜실베니아주 엑스톤 소재 플라스틱 툴 스플라이 컴패니 사의 제품)을, 평평한 경질 알루미늄 판상에 배치하였다. 충전재 소재 슬러리를, 주형이 실질적으로 완전히 채워질 때까지 주형 내에 주입하였다. 그 후, 알루미늄 판/주형 조림체와 그 내용물을, 진공 챔버 내에 배치하고, 그리고 챔버의 진공 레벨을 수은 진공 약28in(711㎜)로 하였다. 진공 챔버 내부를 다시 대기압으로 하고, 알루미늄 판/주형 조립체 및 그 내용물을 진공 챔버로부터 취출하였다. 주형과 그 내용물을 신트론 마그네틱 진동기(Syntron magnetic vibrator) (펜실베이니아주 웨스트리딩 소재의 FMC 사의 제품) 상에 배치하였다. 진동 테이블을 켜고, 조절 손잡이를 약5에 설정하였다. 약 1분 후, 조절 손잡이를 약3까지 떨어지도록 돌리고, 슬러리 혼합체를 플라스틱 주걱을 이용하여 주형의 중앙으로 휘저었다. 조절 손잡이를 3의 위치에 놓고, 약4분간 진동시킨후, 잔류물을 슬러리 혼합체의 상부로 휘저어, 진동 테이블을 끄고 주형 내의 예비성형체를 약3시간 실온으로 건조하였다.

건조시킨 후, 예비성형체를 주형으로부터 취출하여, 각 변의 길이 약6.5in (165㎜) x 두께 약0.5in(13㎜)의 지르코늄판 상에 배치하였다. 지르코늄 판과 예비성형체를 실온 공기 분위기 로 내에 배치하였다. 로 내의 온도를 약1시간 실온에서 약100℃까지 승온시켰다. 약100℃의 온도를 약1시간 유지한 후, 로 의 온도를 약8시간 약1100℃까지 증가하였다. 약1100℃의 온도를 약2시간 유지한 후, 로 온도를 약5시간 거의 실온까지 저하시켰다. 지르코늄 판과 예비성형체를 로에서 취출하였다.

DAG154 콜로이드상 흑연(미시간주 포트휴론 소재의 아케슨 콜로이즈 컴 패니 사의 제품) 약50체적%와, 변성 알코을 약50체적% 로 이루어진 차단 코 팅으로 사용하기 위한 혼합체를 준비하였다. 에어 브러쉬를 사용하여 예비성형체의 일면에 차단 코팅의 얇은 층을 도포하였다. 차단 코팅을 건조시키고, 그리고 차단 코팅의 추가의 얇은 층을 동일한 방법으로 도포하였다. 이런 절차를 차단 코팅이 약0.28g 까지 도포될 때까지 반복하였다.

제35도에 도시된 바와 같이, 내부 치수가, 각 변의 길이 약9in(229㎜) x 높이 약 tin(102m)이며 두께가 약0.5in(13㎜) 인 흑연 보트(380)를 다음과 같은 방법으로 변경하였다. 약 8.5in(216㎜) × 약4in(102㎜)의 단편을, 흑연 보트(380)의 일측벽(382)으로부터 절단하였다. 두께가 약0.188in(5㎜) 의 홈을, 흑연 보트의 측면부와 바닥부에 형성하여, 슬라이딩 도어 기구를 수용할 수 있도록 하였다. 폭 약9in(229㎜) x 높이 약 6in(152㎜) 의 치수이고, 두께가 약0.188in(5㎜) 인 흑연판(384)을 홈에 배치하여 슬라이딩 도어 기구를 형성하였다. 흑연 보트(380)의 일부분의 내표면을, 절단 절곡을 소정의 위치에 형성하고 두께가 약0.015in(0.38㎜) 인 1매의 GRAFOIL흑연 박막(386) (오하이 오주 클리브랜드 소재의 유니온 카바이드 코오포레이숀의 카본프로덕츠 사업부 제품)으로 정렬시켰다. 또한, 슬라이딩 도어 기구도 GRAFOIL흑연 박막으로 정렬시켰다. 내부 치수가 약1.5in(38㎜) x 8in(203㎜)이고, 내측 두께가 약 0.5in(13㎜) 인 제2의 흑연 보트(388)를, 흑연 보트(380) 내의 슬라이딩 도어에 대향하는 벽의 홈에 배치하였다. 직경이 약0.313in(8㎜)인 4개의 구멍(390) 을, 슬라이딩 도어 기구와 대면하는 제2의 흑연 보트(380)의 측벽의 바닥부에 관통시켜 형성하였다. 높이 약0.25in(6㎜)이고, 직경 약0.754in(19㎜)인 6개의 흑연 라이저 닝(riser ring : 392)을, 예비성형체의 지지 수단으로서, 제1의 흑연 보트(380) 내의 소정의 위치에 배치하였다. 흑연 라이저 링(392) GRAPHIBONDTM 551-B 흑연 시멘트(뉴욕주 오씨닝 소재의 아렘코 프로덕츠 인 코오포레이티드 사의 제품)를 이용하여 GRAFOIL시트에 접착하였다.

예비성형체(394)를, 흑연 보트(380)내의 흑연 라이저 링(392)상에 예비성형체(394)의 피복되지 않은 면이 흑연 라이저 딩(392)에 접촉하도록 배치하였다. 실리콘 약 I5중량% 와, 마그네슘5.5중량% 및 잔부가 알루미늄으로 이루어진 , 총중량 약1496.5g 인 매트릭스 금속 잉곳(396)을 제2의 흑연 보트(388) 내에 배치하였다. 흑연 보트(380)와 그 내용물을 실온에서 저항 가열 제어 분위기로 내에 배치하였다. 로를 밀봉하고, 수은 진공 약 30in(762㎜)까지 배기하고, 그리고 시판되는 순수 질소 카스로 다시 채워 거의 대기압으로 하였다. 이러한 작업을 2회 반복하였다. 질소 가스를 분당 약5리터의 유량으로 로를 통과시켰다. 로 내의 온도를 약800℃까지 시간당 약200℃의 속도로 승온시켰다. 약800℃의 온도를 약16시간 유지한 후, 로의 문을 개방하여 한 쌍의 스테인레스강 집게를 사용하여 슬라이딩 도어 기구를 인출하여 잔류 용융 매트릭스 금속을, 모래가 담겨 있는 강철 보트로 배출시켰다. 실질적으로 전체의 잔류 용융 매트릭스 금속을 로 내에 배출시킨 후, 슬라이딩 도어 기구를 최초의 위치로 복귀시키고, 예비성형체 (394)를 흑연 보트(380)에서 취출하고, 그리고 길이와 폭이 예비성형체에 보다 큰1매의 GRAFOIL흑연 박막 상에 거꾸로(본래 매트릭스 금속에 최초 접촉하고 있 었던 면을 위로 향하게) 배치하였다. 예비성형체(394)를 약15분간 거의 실온으로 냉각하였다. 그 후, 예비성형체(394)를, 글라스 비드 매개물을 사용하여 가볍게 그릿 브래스팅 처리하여 콜로이드상 흑연 차단 코팅을 취출하여 관찰하였을 때, 용융 매트릭스 금속(396)이 예비성형체(394)에 자발 용침되어 얇은 금속 매트릭스 복합체가 생성된 것이 밝혀졌다.

본 실시예로부터, 예비성형체와 매트릭스 금속 모두를 담고 있는 보트의 예비성형체와 바닥 사이의 접촉을 방지하는 지지체와 예비성형체가 최초 접촉하고 있는 레이 업을 이용하여, 용융 매트릭스 금속을 침강 캐스트 공정에 의해 제작된 얇은 예비성형체에 용침시킴으로써, 얇은 금속 매트릭스 복합체를 형성할 수 있다는 것이 판명되었다. 자발 용침 공정 중, 예비성형체는 용융 금속 매트럭스 금속에 의해 그 지지체로부터 부유하여 벗어났다.

Claims (8)

1. 테이프 캐스팅, 슬립 캐스팅, 드레인 캐스팅, 침강 캐스팅, 건조 프레싱, 정수압프레싱, 압출, 스프레이 코팅을 포함한 코팅, 및 사출 성형으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 공정에 의해 하나 이상의 비반응성 충전재 소재를 포함하는 하나 이상의 얇은 통기성 덩어리를 예비성형체로 성형하는 단계와, 용융된 매트릭스 금속원을 제공하는 단계와, 통기성 덩어리로의 매트릭스 금속의 자발 용침이 유발되도록 하기 위해, 공정 중에 적어도 몇 번의 시점에서 상기 매트릭스 금속과 상기 예비성형체 중 하나 이상에 용침 촉진제와 용침 촉진제 선구물질 중 하나 이상과 용침 분위 기를 제공하는 단계와, 그리고 상기 예비성형체의 적어도 일부에 용융 매트릭스 금속을 자발 용침시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 얇은 금속 매트릭스 복합체의 제조 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 통기성 예비성형체를 차단 재료에 접촉시켜, 용침이 상기차단 재료의 위치까지 발생하는 것을 특징으로 하는 얇은 금속 매트릭스 복합체의 제조 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 통기성 덩어리는 중공의 슬립 캐스트 예비성형체로 이루어지며, 상기 중공의 슬립 캐스트 예비성형체의 외측 표면 전체는 차단 재료와 접촉하며, 상기 중공의 슬립 캐스트 예비성형체의 내측 표면 전체는 공정 조건하에서 용침하지 않은 재료와 접촉하며, 상기 중공의 슬립 캐스트 예비성형체의 일부만 용융 매트릭스 금속과 접촉하는 것을 특징으로 하는 얇은 금속 매트릭스 복합체의 제조 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 통기성 덩어리는 상기 매트릭스 금속의 적어도 두 표면 이상에 도포되는 것을 특징으로 하는 얇은 금속 매트릭스 복합체의 제조 방법 .
5. 제1항에 있어서, 복수의 통기성 덩어리를 차례로 적층하고, 그 통기성 덩어리 각각의 사이가 차단 재료에 의해 분리되는 것을 특징으로 하는 얇은 금속 매트릭스 복합체의 제조 방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 얇은 금속 매트릭스 복합체는 얇은 공동을 구비하며, 상기 금속 매트릭스 복합체의 제조 방법은, 얇은 시트상의 매트릭스 금속을 제공하는 단계와, 하나 이상의 충전재 소재를 함유하는 코팅 혹은 예비성형체 형태의 얇은 통기성 덩어리로 상기 얇은 시트상의 매트릭스 금속을 적어도 부분적으로 포위 하는 단계와, 상기 통기성 덩어리의 적어도 일부에 용융 매트릭스 금속을 용침시켜, 상기 얇은 시트상의 매트릭스 금속의 형상을 반전 복제한 얇은 금속 매트릭스 복합체를 형성하는 단계를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 얇은 금속 매트릭스 복합체의 제조 방법.
7. 제6항에 있어서, 상기 얇은 시트상의 매트릭스 금속은 하나 이상의 관통 구멍을 구비하며, 상기 용침 전에 상기 관통 구멍 중에 어느 정도의 충전재가 존재하며, 얇고 이중벽의 금속 매트릭스 복합체 구조체가 제작되며, 상기 공동은 상기 하나 이상의 관통 구멍에 대응하는 위치에 하나 이상의 보강 부재를 포함하며, 상기 하나 이상의 보강 부재는 상기 공동을 횡단하여 상기 이중벽 각각과 접촉하는 것을 특징으로 하는 얇은 금속 매트릭스 복합체의 제조 방법 .
8. 제7항에 있어서, 단량체, 폴리머, 폴리머 매트릭스 복합재, 금속, 세라믹 및 유리로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 재료가 상기 공동의 적어도 일부에 배치되는 것을 특징으로 하는 얇은 금속 매트릭스 복합체의 제조 방법 .