KR100502773B1 - 복합 재료를 제조하기 위한 반응 용기 및 이를 이용한 복합 재료의 제조 방법 - Google Patents

복합 재료를 제조하기 위한 반응 용기 및 이를 이용한 복합 재료의 제조 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR100502773B1
KR100502773B1 KR10-2002-0072797A KR20020072797A KR100502773B1 KR 100502773 B1 KR100502773 B1 KR 100502773B1 KR 20020072797 A KR20020072797 A KR 20020072797A KR 100502773 B1 KR100502773 B1 KR 100502773B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
composite material
aluminum
reaction vessel
porosity
hole
Prior art date
Application number
KR10-2002-0072797A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20030042425A (ko
Inventor
기다마사히로
이시카와다카히로
신카이마사유키
이케마츠다카토시
Original Assignee
니뽄 가이시 가부시키가이샤
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 니뽄 가이시 가부시키가이샤 filed Critical 니뽄 가이시 가부시키가이샤
Publication of KR20030042425A publication Critical patent/KR20030042425A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100502773B1 publication Critical patent/KR100502773B1/ko

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F7/00—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression
    • B22F7/06—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression of composite workpieces or articles from parts, e.g. to form tipped tools
    • B22F7/08—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression of composite workpieces or articles from parts, e.g. to form tipped tools with one or more parts not made from powder
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/10—Alloys containing non-metals
    • C22C1/1036—Alloys containing non-metals starting from a melt
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/24—After-treatment of workpieces or articles
    • B22F3/26—Impregnating
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/10—Alloys containing non-metals
    • C22C1/1036—Alloys containing non-metals starting from a melt
    • C22C1/1057—Reactive infiltration
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/12—All metal or with adjacent metals
    • Y10T428/12007—Component of composite having metal continuous phase interengaged with nonmetal continuous phase
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/249921—Web or sheet containing structurally defined element or component
    • Y10T428/249924—Noninterengaged fiber-containing paper-free web or sheet which is not of specified porosity
    • Y10T428/249927—Fiber embedded in a metal matrix

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)

Abstract

본 발명은 치밀한 미세 구조를 갖는 동시에 제조비용의 저감이 이루어지고 있는 복합 재료를 제공하는 것을 목적으로 한다.
매트릭스(6) 속에 분산재(7)를 분산시켜 이루어지는 복합 재료(5)이다. 2 이상의 용기 요소(1a, 1b)가 합체됨으로써 혼합 재료(2)가 충전되는 공간을 형성하 도록 구성된 반응 용기(1)를 이용하여, 혼합 재료(2)를 용기 요소(1a)의 공간 형성 영역(25) 내에 충전하는 동시에, 용기 요소(1b)를, 혼합 재료(2)를 소정의 형상으로 고정한 상태로 합체시키고, 반응 용기(1)의 상부에 형성된 1 이상의 구멍(10)을 경유하여 혼합 재료(2) 내부 공극(3) 속에 알루미늄(Al; 4)을 용융 함침시키며, 금속 분말과 알루미늄(Al; 4)과의 자기 연소 반응에 의해 알루미나이드 금속간 화합물을 생성시킴으로써 매트릭스(6) 속에 분산재(7)를 분산시켜 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

복합 재료를 제조하기 위한 반응 용기 및 이를 이용한 복합 재료의 제조 방법{REACTION CONTAINER FOR PRODUCTION OF COMPOSITE MATERIAL AND METHOD FOR PRODUCTION OF THE COMPOSITE MATERIAL}
본 발명은 복합 재료 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
복합 재료란 복수 개의 소재를 거시적으로 혼합한 조성 집합체로서, 각 소재가 갖는 기계적 특성을 상보적으로 이용하여, 단독 소재로는 실현할 수 없던 특성 발현을 가능하게 한 것이다. 기본적으로는 재료와 재료를 조합시키는 기술 수법으로서, 매트릭스와 강화재(분산재), 사용 목적 또는 비용 등에 따라 여러 가지 조합이 존재한다.
그 중에서도 금속기 복합 재료, 혹은 금속간 화합물기 복합 재료란 Al, Ti, Ni, Nb 등의 금속 또는 TiAl, Ti3Al, Al3Ti, NiAl, Ni3Al, Ni2Al 3, Al3Ni, Nb3Al, Nb2Al, Al3Nb 등의 금속간 화합물을 매트릭스로 하고, 세라믹스 등의 무기 재료를 강화재로서 복합 재료화한 것이다. 따라서, 금속기(基) 복합 재료, 혹은 금속간 화합물기 복합 재료는 경량 또한 고강도를 갖는다고 하는 특성을 활용하여, 우주·항공 분야를 비롯하여 다방면에서의 이용이 도모되고 있다.
또한, 일반적으로, 금속간 화합물기 복합 재료는 금속기 복합 재료에 비하여 파괴 인성(靭性)이 낮다고 하는 결점은 있지만, 반면 매트릭스의 기계적·물리적 특성에 기인하여, 내열 특성, 내마모 특성이 우수하며, 또한 저열팽창, 고강성이라고 하는 특징도 갖고 있다.
금속간 화합물기 복합 재료의 제조 방법으로서는, 미리 금속간 화합물 분말을 기계적 합금(MA) 등으로써 제조하고, 강화재가 되는 섬유 및/또는 입자 등과 함께 고온·고압 조건 하에 있어서 핫 프레스(HP) 혹은 열간 등방압 성형(HIP)하는 방법을 들 수 있다.
금속간 화합물기 복합 재료를 제조하는 종래의 제조 방법에 있어서의 문제점으로서, 치밀한 금속간 화합물기 복합 재료의 제조를 행하기 위해서는 주로 분말 야금적인 HP법 및 HIP법 등의 제조 방법에 의해 고온·고압을 가하고, 금속간 화합물을 소결시킴으로써 복합 재료의 치밀화를 행할 필요성이 있는 것을 들 수 있다. 이 때문에, 전처리(前處理) 공정의 필요성이 있을 뿐만 아니라, 제조 장치의 성능이나 규모에 제약이 있고, 대형 혹은 복잡 형상의 복합 재료의 제조가 매우 곤란한 동시에, 최종 제품의 형상을 고려한 니어넷 쉐이프화(near net shape)를 할 수 없고, 그 후의 공정에서 기계 가공 처리가 필요하게 된다는 문제점도 갖고 있다.
또한, 전처리 공정으로서, 미리 MA 등에 의한 금속간 화합물 분말의 합성이 필요하고, 제조 공정의 다단계·번잡화라고 하는 문제점을 갖고 있다. 따라서, 상술한 바와 같이, 종래의 금속간 화합물기 복합 재료의 제조에 있어서는 다단계에 걸친 공정이 필요한 동시에, 고온·고압 조건하에 있어서 행하는 제조 방법이기 때문에 매우 고비용의 제조 방법이다.
또한, 금속기 복합 재료의 제조 방법으로서도, 고상법(固相法)인 HP법이나 HIP법 등과 같은 시트형 또는 박형의 금속과, 섬유형 또는 입자형 세라믹스를 고압으로써 확산 접합하는 수법이나, 금속 분말을 이용하는 전술한 분말 야금적인 수법이 일반적으로 알려져 있다. 더욱이, 액상법으로서는, 습성(濕性)이 양호하지 않은 세라믹스와 용융 금속과의 조합을 고려하여 고압을 부여하는 등, 기계적인 에너지를 이용하여 강제적으로 복합 재료화시키는 가압 함침법이나 용탕 단조법 등이 알려져 있지만, 고상법, 액상법, 모두 고온·고압을 필요로 하는 프로세스이다. 또한, 복합 재료화된 제품은 모두 평판이나 원판 등의 단순한 형상이며, 최종 제품으로까지 마무리하기 위해서는 소성 가공 처리나 기계 가공 처리가 필요하게 되지만, 세라믹스상을 포함하고 있기 때문에, 가공 비용이 높아, 매우 고비용의 제조 방법이다.
이러한 문제를 해소하기 위한 관련 기술, 특히 복합 재료의 저비용화를 목적으로 하여 종래의 고압법에 의한 합성 프로세스가 아닌 압력을 필요로 하지 않는 금속기 복합 재료의 제조 방법이 개시되어 있다. 구체적으로는, 액상법인 용융 금속을 무가압 함침시키는 수법으로서, 미세편 형태를 이룬 강화재와, 산소 및 질소의 게터 효과(getter effect)를 갖는 티탄(Ti) 등의 미세편으로 이루어진 성형체를 형성하고, 이것을 알루미늄(Al) 등의 용탕 속에 침지함으로써 알루미늄(Al) 등의 금속을 매트릭스로 하는 금속기 복합 재료의 제조 방법이 개시되어 있다(예컨대, 특허 문헌 1 참조).
그러나, 상기 제조 방법에 따르면, 제조 과정에서 혼합분(混合粉)에 압력을 걸어 성형체를 만들고, 이 성형체를 알루미늄(Al) 등의 용탕 속에 침지하여 유지해야 하기 때문에, 성형체에 핸드링 가능하게 될 정도의 강도를 부여할 필요가 있다. 따라서, 성형체를 제작할 때의 성형 압력을 고압으로 할 필요가 생기고, 얻어지는 제품 형상에는 일정한 제약이 있다. 또한, 얻어지는 복합 재료는 금속간 화합물을 가능한 한 함유하지 않는 금속을 매트릭스로 하는 금속기 복합 재료에 한정된다. 더욱이, 티탄(Ti)-알루미늄(Al) 사이에서의 발열 반응에 기인하여 성형체(시료)가 팽창하기 때문에, 성형체를 용탕 속에 침지하면 강화재 체적율이 저하해 버리고, 강화재 체적율이 보다 높은 복합 재료를 제조하는 것이 곤란하며, 보다 고강도라는 재료 특성을 제어한 복합 재료를 제조하는 것이 곤란하다고 하는 문제가 있었다.
또한, 다른 수법으로서, 질소 가스 중에서 마그네슘(Mg)을 휘발시켜, 기상 반응에 의해 Mg3N2를 세라믹스 입자 표면에 인시투(in-situ; 제자리) 생성시킴으로써 세라믹스와 금속과의 습성을 향상시키고, 모세관 압력에 의해 세라믹스 다공체에 용융 알루미늄(Al)을 비가압 침투시키는 수법이 알려져 있다(예컨대, 특허 문헌 2, 3 참조). 그러나, 이 수법에 따르면, 기상 반응에 의해 세라믹스 입자 표면에 Mg3N2를 인시투(제자리) 코팅함으로써 함침 속도가 매우 느리고, 또한 비가압 침투시키는 분위기 조정에 시간을 요한다고 하는 문제가 있다. 또, 미리 세라믹스 입자를 고온으로 하소(calcination)하는 것 등에 의해 세라믹스 다공체를 합성해야 하기 때문에, 복합 재료의 저비용화를 꾀할 수 없다고 하는 문제가 있다.
전술한 여러 가지 문제를 해소하기 위한 관련 기술로서, 소정의 강화재에 혼합한 금속 분말과 알루미늄(Al) 용탕에 의한 자기 연소 반응을 일으키는 금속간 화합물기 복합 재료의 제조 방법이 개시되어 있다(예컨대, 특허 문헌 3 참조). 이 제조 방법에 따르면, 도 2에 도시한 바와 같이, 반응 용기(1) 내에 충전된 분산재와 금속 분말로 이루어지는 혼합 재료(2)의 간극(3)에 알루미늄(Al; 4)을 용융 함침시킴으로써 자기 연소 반응을 인시투(제자리)에서 일으키기 위해서, 저온 및 무가압 조건 하에서 고융점인 금속간 화합물기 복합 재료 등의 복합 재료(5)를 매우 단시간에 완결하는 함침 프로세스에 의해 최종 제품 형상을 모의한 니어넷 쉐이프화를 달성할 수 있고, 종래법에 비하여 각별히 에너지량이 적고, 제조 비용이 저감된 복합 재료의 제조 방법이라고 할 수 있다.
그러나, 원소간의 자기 연소 반응(대표적으로는 연소 합성 반응(SHS 반응))을 이용한 상기 제조 방법에 유사한 재료 합성 프로세스는 발생하는 매우 큰 반응열을 자유롭게 제어할 수 없는 점에서, 세라믹스나 고융점 화합물의 분말 합성(예컨대, 알루미늄(Al)이나 규소(Si)를 출발원료로 한 질소 가스 분위기 속에서의 AlN 및 Si3N4 분말의 합성 프로세스(직접 질화법) 등)에는 이용되고 있는 것에 반하여, 벌크체 제조의 경우에 있어서는 발열 반응에 따른 기공 생성에 기인하여, 얻어지는 벌크체에 치밀성을 부여하는 것이 매우 곤란한 것이 알려져 있고, 상기 제조 방법에 있어서도 높은 치밀성을 갖는 복합 재료의 합성이 곤란하였다. 그 때문에, 상기 제조 방법에 의해 얻어지는 금속간 화합물기 복합 재료보다도, 더욱 치밀한 미세 구조를 갖는 동시에, 이것에 기인하는 우수한 재료 특성을 구비한 복합 재료 및 그 제조 방법을 창출하는 것이 산업계에서 요망되고 있었다.
[특허 문헌 1]
일본 특허 제3107563호 공보
[특허 문헌 2]
일본 특허 공개 평성 제1-273659호 공보
[특허 문헌 3]
일본 특허 공개 평성 제2-240227호 공보
[특허문헌 4]
일본 특허 공개 제2002-47519호 공보
본 발명은 이러한 종래 기술이 갖는 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 바는 치밀한 미세 구조를 갖는 동시에 제조 비용이 저감되는 복합 재료 및 제조 공정이 삭감되고 있는 동시에, 소망으로 하는 최종 형상, 특히 대형·복잡 형상으로 하는 것이 가능하고, 또한, 치밀한 미세 구조를 갖는 복합 재료의 제조 방법을 제공하는 데에 있다.
즉, 본 발명에 따르면, 반응 용기 속에, 알루미늄(Al)과 접촉함으로써 자기 연소 반응을 일으킬 수 있는 금속 분말과 분산재를 포함하는 혼합 재료를 충전하는 동시에, 상기 혼합 재료 내부 공극 속에 상기 알루미늄(Al)을 용융 함침시키고, 매트릭스 속에 분산재를 분산시켜 이루어진 복합 재료로서, 상기 반응 용기로서, 2 이상의 용기 요소로 이루어지고, 상기 용기 요소가 합체됨으로써 상기 혼합 재료가 충전되는 공간을 형성하도록 구성된 반응 용기를 이용하여, 상기 혼합 재료를 1 이상의 상기 용기 요소의 상기 공간을 형성하는 영역(공간 형성 영역) 내에 충전함 과 동시에, 1 이상의 상기 용기 요소를, 상기 공간 형성 영역 내에 충전된 상기 혼합 재료를 소정의 형상으로 고정한 상태로 합체시키고, 상기 반응 용기의 상부에 형성된 1 이상의 구멍을 경유하여 상기 혼합 재료 내부 공극 속에 상기 알루미늄(Al)을 용융 함침시키며, 상기 금속 분말과 상기 알루미늄(Al)과의 자기 연소 반응에 의해 알루미나이드 금속간 화합물을 생성시킴으로써 상기 매트릭스 속에 상기 분산재를 분산시켜 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합 재료가 제공된다.
본 발명에 있어서는, 매트릭스에 포함되는 알루미늄(Al)의 매트릭스 전체에 대한 비율이 60 질량% 이하인 것이 바람직하고, 금속 분말이 티탄(Ti), 니켈(Ni) 및 니오븀(Nb)군에서 선택되는 적어도 1종의 금속으로 이루어진 분말인 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서는 구멍이 응력 완충 효과를 갖는 환상 부재에 의해 형성되는 것이 바람직하고, 구멍 내측의 하부에 혼합 재료가 충전된 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서는, 용융 함침된 알루미늄(Al)의 최대 침투 거리(Y)에 대한 구멍의 내경(X)의 비의 값(X/Y)이 0.06∼0.5인 것이 바람직하고, 분산재의 복합 재료 전체에 차지하는 비율(체적 비율)이 10∼70 체적%인 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서는, 분산재가 섬유, 입자 및 위스커(whisker)로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종의 형상을 갖는 무기 재료인 것이 바람직하고, 무기 재료가 Al2O3, AlN, SiC 및 Si3N4로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종인 것이 바람직하다. 본 발명에 있어서는, 분산재의 평균 입자 직경에 대한 금속 분말의 평균 입자 직경의 비율(%)이 5∼80%인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따르면 반응 용기 속에, 알루미늄(Al)과 접촉함으로써 자기 연소 반응을 일으킬 수 있는 금속 분말과 분산재를 포함하는 혼합 재료를 충전하는 동시에, 상기 혼합 재료 내부 공극 속에 상기 알루미늄(Al)을 용융 함침시키고, 매트릭스 속에 분산재를 분산시킨 복합 재료를 제조하는 방법으로서, 상기 반응 용기로서, 2 이상의 용기 요소로 이루어지고, 상기 용기 요소가 합체됨으로써 상기 혼합 재료가 충전되는 공간을 형성하도록 구성된 반응 용기를 이용하여, 상기 혼합 재료를 1 이상의 상기 용기 요소의 상기 공간을 형성하는 영역(공간 형성 영역) 내에 충전하는 동시에, 1 이상의 상기 용기 요소를 상기 공간 형성 영역 내에 충전된 상기 혼합 재료를 소정의 형상으로 고정한 상태로 합체시키고, 상기 반응 용기의 상부에 형성된 1 이상의 구멍을 경유하여 상기 혼합 재료 내부 공극 속에 상기 알루미늄(Al)을 용융 함침시키며, 상기 금속 분말과 상기 알루미늄(Al)과의 자기 연소 반응에 의해 알루미나이드 금속간 화합물을 생성시킴으로써 상기 매트릭스 속에 상기 분산재를 분산시켜 이루어지는 복합 재료를 얻는 것을 특징으로 하는 복합 재료의 제조 방법이 제공된다.
본 발명에 있어서는, 금속 분말이 티탄(Ti), 니켈(Ni) 및 니오븀(Nb)으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종의 금속으로 이루어지는 분말인 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서는, 금속 분말이 티탄(Ti) 분말인 경우에, 용융 함침시키는 알루미늄(Al)과, 티탄(Ti) 분말의 질량비(Al:Ti)가 1:0.17∼1:0.57인 것이 바람직하고, 또한, 금속 분말이 니켈(Ni) 분말인 경우에, 용융 함침시키는 알루미늄(Al)과, 니켈(Ni) 분말의 질량비(Al:Ni)가 1:0.20∼1:0.72인 것이 바람직하고, 마찬가지로, 금속 분말이 니오븀(Nb) 분말인 경우에, 용융 함침시키는 알루미늄(Al)과, 니오븀(Nb) 분말의 질량비(Al:Nb)가 1:0.27∼1:1.13인 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서는, 구멍이 응력 완충 효과를 갖는 환상 부재에 의해 형성되어 이루어지는 것이 바람직하고, 혼합 재료를 구멍 내측의 하부에 충전하는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서는, 용융 함침시키는 알루미늄(Al)의 최대 침투 거리(Y)에 대한 구멍 내경(X)의 비의 값(X/Y)이 0.06∼0.5인 것이 바람직하고, 분산재가 섬유, 입자 및 위스커로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종의 형상을 갖는 무기 재료인 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서는, 무기 재료가 Al2O3, AlN, SiC 및 Si3N4로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종인 것이 바람직하고, 분산재의 평균 입자 직경에 대한 금속 분말의 평균 입자 직경의 비율(%)이 5∼80%인 것이 바람직하다. 본 발명에 있어서는 반응 용기가 적어도 그 내벽이 카본재에 의해 구성되어 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서는, 반응 용기가 그 측부에 반응 용기의 상방에서 하방으로 경사진 슬로프형의 탕도와, 탕도로 연결되어 통해진 1 이상의 제2 구멍을 더 가지며, 구멍과 제2 구멍을 각각 독립적으로 경유하여 혼합 재료 내부 공극 속에 알루미늄(Al)을 용융 함침시키는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서는, 금속 분말이 티탄(Ti) 분말, 분산재가 AlN, Si 및 Si3N4로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종의 세라믹스로 이루어지는 입자(세라믹스 입자)인 경우에, 세라믹스 입자의 체적에 대한 티탄(Ti) 분말의 체적비의 값(Ti/세라믹스)과, 반응 용기의 공간 용적에 대한 공극의 비율(공극율(%))이 아래의 (1)∼(6)에 나타내는 어느 하나의 관계를 충족시키는 것이 바람직하다.
(1) 0.1≤(Ti/세라믹스)<0.14, 25≤공극율(%)≤60
(2) 0.14≤(Ti/세라믹스)<0.27, 25≤공극율(%)≤70
(3) 0.27≤(Ti/세라믹스)<0.53, 25≤공극율(%)≤75
(4) 0.53≤(Ti/세라믹스)<1, 30≤공극율(%)≤75
(5) 1≤(Ti/세라믹스)<1.4, 45≤공극율(%)≤80
(6) 1.4≤(Ti/세라믹스)≤2, 50≤공극율(%)≤80
본 발명에 있어서는, 금속 분말이 티탄(Ti) 분말, 분산재가 Al2O3 입자인 경우에, Al2O3 입자의 체적에 대한 티탄(Ti) 분말의 체적비의 값(Ti/Al2O 3)과, 반응 용기의 공간의 용적에 대한 공극의 비율(공극율(%))이 아래의 (7)∼(12)에 나타내는 어느 하나의 관계를 충족시키는 것이 바람직하다.
(7) 0.1≤(Ti/Al2O3)<0.14, 25≤공극율(%)≤60
(8) 0.14≤(Ti/Al2O3)<0.27, 25≤공극율(%)≤70
(9) 0.27≤(Ti/Al2O3)<0.53, 25≤공극율(%)≤75
(10) 0.53≤(Ti/Al2O3)<1, 30≤공극율(%)≤75
(11) 1≤(Ti/Al2O3)<1.4, 45≤공극률(%)≤80
(12) 1.4≤(Ti/Al2O3)≤2, 50≤공극율(%)≤80
이하, 본 발명을 실시예에 기초하여 상세히 설명하지만, 본 발명은 이들 실시예에 한정되는 것이 아니다.
본 발명의 제1 측면은 반응 용기 속에 알루미늄(Al)과 접촉함으로써 자기 연소 반응을 일으킬 수 있는 금속 분말과 분산재를 포함하는 혼합 재료를 충전하는 동시에, 혼합 재료 내부 공극 속에 자기 연소 반응에 의해 생기는 반응열을 구동력으로서 알루미늄(Al)을 자발적으로 용융 함침시키고, 매트릭스 속에 분산재를 분산시켜 이루어지는 복합 재료이며, 반응 용기로서, 2 이상의 용기 요소로 이루어지고, 용기 요소가 합체됨으로써 혼합 재료가 충전되는 공간을 형성하도록 구성된 반응 용기를 이용하여, 혼합 재료를 1 이상의 용기 요소의 공간을 형성하는 영역(공간 형성 영역) 내에 충전하는 동시에, 1 이상의 용기 요소를, 공간 형성 영역 내에 충전된 혼합 재료를 소정의 형상으로 고정한 상태로 합체시키며, 반응 용기의 상부에 형성된 1 이상의 구멍을 경유하여 혼합 재료 내부 공극 속에 알루미늄(Al)을 용융 함침시키고, 금속 분말과 상기 알루미늄(Al)과의 자기 연소 반응을 일으키는, 즉, 인시투(제자리) 합성으로 알루미나이드 금속간 화합물을 합성시킴으로써 매트릭스 속에 분산재를 분산시켜 이루어지는 것을 특징으로 하는 것이다. 이하, 그 상세한 내용에 관해서 설명한다.
도 1은 본 발명의 복합 재료의 제조 방법의 일례를 설명하는 모식도이다. 도 1에 있어서는, 적당한 사이즈 및 형상의 용기 요소(1a)의 공간 형성 영역(25) 내에 분산재 및 금속 분말을 혼합하여 이루어지는 혼합 재료(2)가 충전되어 있고, 그 상면에 용융한 알루미늄(Al)이 함침되는 구멍(10)(주탕구)을 갖는 덮개 용기 요소(1b)(덮개 부재)가 얹어 놓아져 혼합 재료(2)가 소정의 형상으로 고정되고, 공극(3), 즉, 인접하는 혼합 재료(2)끼리에 의해 형성되는 공극(3)에 구멍(10)을 통하여 알루미늄(Al; 4)이 용융 함침되는 상태가 도시되어 있다. 또, 부호 1은 반응 용기, 부호 21은 외부 삽입체를 나타낸다.
본 실시예에서는 알루미늄(Al; 4)이 용융 함침됨으로써 혼합 재료(2)를 구성하는 금속 분말(도시하지 않음)과 용융 상태의 알루미늄(Al; 4)이 접촉하여 자기 연소 반응이 일어나게 되고, 알루미늄(Al; 4)은 알루미나이드 금속간 화합물로 치환된다. 이 결과, 알루미나이드 금속간 화합물을 포함하는 매트릭스(6)에 분산재(7)가 분산되어 이루어지는 본 실시예의 복합 재료(5)를 얻을 수 있다.
또한, 본 실시 형태의 복합 재료는 알루미늄(Al)과 각종 금속 분말과의 자기 연소 반응열을 이용하여 알루미나이드 금속간 화합물의 생성이 추진된다. 즉, 원소 사이에서의 발열 반응을 함침 구동력으로서 혼합 재료 속에 용융 알루미늄(Al)이 침투하고, 또한, 그 내부 에너지를 이용하기 위해 저온 조건 하에서 제조된다. 따라서, 종래의 제조 방법인 가압 함침법, HP법 또는 HIP법과 같은 고압이 필요하지 않게 되고, 무가압에서의 침투 프로세스에 의해 제조된다. 또한, 본 실시예의 복합 재료는 제조 장치의 성능상 곤란하던 비교적 크거나 혹은 복잡한 형상에도 적합하게 대응할 수 있고, 알루미늄(Al) 함침 후의 가공 처리의 시간을 대폭 저감시킨 제품의 니어넷 쉐이프화가 가능해진다.
더욱이, 도 1에 도시된 바와 같이, 1 이상의 구멍(10)을 갖는 용기 요소(1b)가 혼합 재료(2)의 상면에 얹어 놓여지고, 구멍(10)을 경유하여 알루미늄(Al; 4)이 함침된다. 이 때, 용기 요소(1a)의 공간 형성 영역 내에 충전된 혼합 재료(2)는 용기 요소(1b)에 의해 소정 형상이 되도록 고정되어 있고, 알루미늄(Al; 4)이 함침되어도 혼합 분체(2)의 소정 형상은 유지된다. 더욱이, 공극(3)의 세부로까지 알루미늄(Al; 4)이 함침되기 쉽고, 예컨대 도 2에 도시한 바와 같이, 용기 요소(1b)(도 1 참조)를 사용하지 않고서 알루미늄(Al; 4)이 함침되며, 얻어진 복합 재료(5)에 비하여 개기공율이 저감되어 있고, 보다 치밀하다고 하는 특성을 갖고 있다. 또한, 알루미늄(Al; 4)이 함침된 후에 휘어짐 등의 문제가 발생하기 어렵고, 소망으로 하는 형상이 부여되어 있는 복합 재료이다.
더욱이, 알루미늄(Al)의 용융 함침시에 붕괴되지 않을 정도의 강도를 갖춘 예비성형체(preform)를 제조하기 위한 하소나 가압 성형 등의 번잡한 공정이 불필요하고, 간편한 조작에 의해 제조되는 복합 재료이다.
또, 혼합 재료(2)를 소정 형상이 되도록 고정하기 위해서는 도 1에 도시한 바와 같이, 예컨대 나사부(8)를 용기 요소(1a)에 설치하는 등의 수단을 들 수 있고, 이것에 의해, 소망으로 하는 적절한 압력이 혼합 재료(2)에 대하여 부여되도록 미세조정할 수 있다. 단, 혼합 재료를 고정하기 위한 수단은 도 1에 도시한 형태로 한정되는 것이 아님은 물론이다.
본 발명에 있어서는, 매트릭스에 포함되는 상기 알루미늄(Al)의 상기 매트릭스의 전체에 대한 비율이 60 질량% 이하인 것이 바람직하고, 2∼50 질량%인 것이 더욱 바람직하다. 즉, 형성되는 매트릭스 속에 알루미늄(Al)이 잔존하고 있는 경우에는, 본 실시예의 복합 재료는 우수한 파괴 인성을 나타내는 것임과 동시에, 알루미늄(Al)의 침투 패스가 혼합 재료의 공극으로서 존재하고 있었기 때문에, 알루미늄(Al)이 양호하게 침투되어 이루어지는 것이다. 또, 매트릭스에 포함되는 알루미늄(Al)의 매트릭스 전체에 대한 비율이 60 질량%을 초과하면, 이 복합 재료의 파괴 인성은 높아지는 반면, 영률이 저하되어 고강성 재료로서의 매력이 저하되고, 또한 알루미늄(Al)의 융점 영역에 있어서 강도 저하 등의 현상이 발생하기 쉽게 되기 때문에 바람직하지 못하다. 더욱이, 보다 알루미늄(Al)의 비율을 높인 경우에 있어서는 함침 구동력이 되는 금속 분말의 양의 저하에 의해 침투성의 저하가 생기기 때문에 바람직하지 못하다.
본 발명에 있어서 이용되는 금속 분말은 용융 상태의 알루미늄(Al) (알루미늄(Al) 용탕)과 접촉시킴으로써 자기 연소 반응이 일어나게 되고, 알루미나이드 금속간 화합물이 형성되는 것이다. 구체적으로는 티탄(Ti), 니켈(Ni) 및 니오븀(Nb)으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종의 금속으로 이루어지는 분말이 이용되고, 이들 금속 분말은 반응성이 양호한 동시에, 알루미나이드 금속간 화합물이 형성되기 쉽기 때문에 바람직하다. 이들 금속 분말이 이용된 경우의 반응의 대표예를 아래의 식 (1)∼(3)에 나타낸다. 아래의 식 (1)∼(3)에 있어서 나타낸 바와 같이, 이들 반응은 발열 반응(자기 연소 반응)이며, 이 반응열이 이용됨으로써 본 발명의 복합 재료를 얻을 수 있다.
[식 1]
3Al + Ti -> Al3Ti : ΔH298=-146 kJ/mol --- (1)
ΔH: 생성 반응열(Δ<0으로써 발열 반응)
[식 2]
3Al + Ni -> Al3Ni : ΔH298=-150 kJ/mol --- (2)
ΔH: 생성 반응열(Δ<0으로써 발열 반응)
[식 3]
3Al + Nb -> Al3Nb : ΔH298=-160 kJ/mol --- (3)
ΔH: 생성 반응열(Δ<0으로써 발열 반응)
도 3은 본 발명의 복합 재료의 제조 방법의 별도의 예를 설명하는 모식도이다. 본 실시예에 있어서는, 반응 용기(1)(용기 요소(1b))에 여러 개의 구멍(10)이 형성되어 있는 것이 바람직하고, 보다 다량의 혼합 재료가 이용되는 경우, 즉, 복합 재료가 보다 대형인 경우에 적합하다. 즉, 알루미늄(Al)의 공급이 여러 개의 구멍을 통하여 효율적으로 행해져 이루어지는 것으로서, 대형이어도 치밀한 미세 구조를 갖는 것이다.
또한, 도 4에 도시한 바와 같이, 구멍(10)이 응력 완충 효과를 갖는 환상 부재(15)에 의해 형성되어 있는 것이 복합 재료가 보다 대형인 경우에 바람직하다. 여기서 말하는 「응력 완충 효과」란, 알루미늄(Al)을 용융 함침한 후, 온도를 내릴 때에 생긴 열수축에 의해 발생하는 응력을 완충하는 효과를 말한다. 즉, 구멍(10) 부근에 잔류한 알루미늄(Al)이 수축 저항하여 구멍(10)과 복합 재료와의 조합부(접속부)에 있어서 응력이 집중하고, 얻어지는 복합 재료에 파손 등의 문제를 발생시키는 경우도 상정되지만, 구멍(10)이 응력 완충 효과를 갖는 환상 부재(15)로 형성되어 있음으로써 상기 문제의 발생이 회피될 수 있다. 또, 이러한 응력 완충 효과를 갖춘 환상 부재(15)를 구성하는 재료의 구체적인 예로서는, 다공성 카본이나, 단열재로서 사용되는 세라믹스 파이버 등을 들 수 있다. 또한, 구멍의 최하부, 즉, 구멍이 복합 재료와 접하는 부분에 C를 빼거나 R을 붙임으로써 수축시의 응력을 완화하는 것도 가능하다.
본 발명에 있어서는, 성형체에 접촉하는 구멍 내측의 하부에 혼합 재료가 추가 충전되어 있는 것이 바람직하다. 구멍의 바로 아래에 해당하는 부분에서는, 함침하는 용융 알루미늄(Al)의 공급부가 되기 때문에, 얻어지는 복합 재료의 조직이 알루미늄(Al) 과잉이 되어 불균질하게 되는 경우가 있다. 따라서, 구멍 내측의 하부에 혼합 재료가 충전된 본 발명의 복합 재료는 알루미늄(Al)을 용융 함침시킨 후, 구멍 내측에 해당하는 지점만이 용이하게 제거될 수 있는 것으로, 함침 전에 구멍의 바로 아래에 설치되어 있던 성형체 부분, 즉, 함침에 의해 복합 재료가 된 부분을 가공 제거할 필요가 없어지기 때문에, 제조시의 수율 향상 및 제조 비용의 저감이 이루어질 수 있었던 것이다. 또, 본 발명에 있어서의 「구멍 내측의 하부」란, 구멍 높이의 1/4∼1/3까지의 위치를 말한다.
본 발명에 있어서는, 용융 함침된 알루미늄(Al)의 최대 침투 거리(Y)에 대한 구멍 내경(X)의 비의 값(X/Y)이 0.06∼0.5인 것이 바람직하고, 0.08∼0.4인 것이 더욱 바람직하며, 0.1∼0.35인 것이 특히 바람직하다. X/Y가 0.06 미만인 경우에는 구멍이 너무 작기 때문에 알루미늄(Al) 공급이 충분히 이루어지지 않고 침투성이 향상되기 어렵게 되기 때문에 바람직하지 못하다. 한편, X/Y가 0.5를 초과하는 경우도 마찬가지로 알루미늄(Al)의 침투성 향상 효과가 발휘되기 어렵게 되기 때문에 바람직하지 못하다.
또, 본 발명에서 말하는 알루미늄(Al)의 「최대 침투 거리」란, 도 1에 도시하는 부분의 구멍(10)의 단부로부터 반응 용기(1) 내에 충전된 혼합 재료(2)의 최단부까지의 거리를 말하는 것으로 한다. 또한, 본 발명에 있어서, 구멍의 형상에 관해서는 특별히 한정되는 일은 없고, 원형, 타원형, 다각형, 또는 부정형 등을 비롯한 어느 형상이어도 좋다. 또, 구멍의 내경은 구멍의 형상이 원형인 경우는 그 내경, 타원형인 경우는 그 장경(長徑)과 단경(短徑)의 평균치, 다각형 또는 부정형인 경우는 이들의 최대 개구경과 최소 개구경의 평균치를 말하는 것으로 한다.
본 발명에 있어서는, 분산재의 복합 재료 전체에 차지하는 비율(체적 비율)이 10∼70 체적%인 것이 바람직하고, 30∼60 체적%인 것이 더욱 바람직하다. 분산재의 체적 비율이 10 체적%를 충족시키지 못하는 경우에는, 복합 재료로서 충분한 강도를 발휘할 수 없고, 또한, 70 체적%를 초과하는 경우에는, 알루미늄(Al) 용탕의 침투에 문제가 생기는 것이 상정되어, 알루미나이드 금속간 화합물의 생성이 곤란해지고, 불균질한 조직이 형성되기 때문에 바람직하지 못하다. 또, 본 발명에 있어서 용융 함침되는 알루미늄(Al)은 순알루미늄(Al)에 한하지 않고, 각종 알루미늄(Al) 합금을 이용하여도 지금까지 기술해 온 효과가 발휘되는 것은 물론이다.
본 발명에 있어서는, 분산재가 섬유, 입자 및 위스커로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종의 형상을 갖는 무기 재료인 것이 바람직하고, 이러한 형상의 무기 재료가 이용되고 있기 때문에, 본 발명의 복합 재료는 최종 제품으로서의 사용 용도에 따른 물리적 특징 등을 갖는 것이다.
또한, 본 발명에 있어서는, 전술한 무기 재료가 Al2O3, AlN , SiC 및 Si3N 4로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종인 것이 바람직하다. 복합 재료는 이것을 구성하는 매트릭스에 포함되는 금속간 화합물과 분산재의 조합에 의해 여러 가지 특성을 나타내는 것으로, 용도에 따라 특성을 나타내는 복합 재료가 되는 조합이 적절하게 선택된다. 표 1에 각종 무기 재료로 이루어진 분산재의 종류와, 금속간 화합물과 조합한 경우에 있어서의 복합 재료의 특징의 일례를 나타낸다.
분산재 좌측에 기재한 분산재를 사용하여 제조한 복합 재료의 특징
Al2O3 내산화성, 고강도, 내마모성, 저열팽장계수
AlN 고열전도성, 고강도, 내마모성, 저열팽창계수
SiC 고열전도성, 도전성, 고강도, 내마모성, 저열팽창계수
Si3N4 고강도, 내마모성, 저열팽창계수
본 발명에 있어서는, 분산재의 평균 입자 직경에 대한 금속 분말의 평균 입자 직경의 비율(%)이 5∼80%인 것이 바람직하고, 10∼60%인 것이 더욱 바람직하다. 금속 분말의 평균 입자 직경이 분산재의 평균 입자 직경의 5% 미만인 경우에는, 금속 분말 자체의 입수가 곤란하고 분진 폭발의 위험성이 따라 오는 점에서 취급이 불편해지고, 80%를 초과한 경우에는 자기 연소 반응의 활성도를 충분히 높일 수 없으며, 얻어지는 복합 재료가 치밀화되기 어렵게 되기 때문에 바람직하지 못하다. 구체적으로는, 분산재의 평균 입자 직경이 50 ㎛인 경우에는, 금속 분말의 평균 입자 직경은 2∼40 ㎛인 것이 바람직하고, 5∼30 ㎛인 것이 더욱 바람직하다.
다음에, 본 발명의 제2 측면에 대해서 설명한다. 본 발명의 제2 측면은 반응 용기 속에, 알루미늄(Al)과 접촉함으로써 자기 연소 반응을 일으킬 수 있는 금속 분말과 분산재를 포함하는 혼합 재료를 충전하는 동시에, 혼합 재료 내부 공극 속에 알루미늄(Al)을 용융 함침시키고, 매트릭스 속에 분산재를 분산시킨 복합 재료를 제조하는 방법이며, 반응 용기로서, 2 이상의 용기 요소로 이루어지고, 용기 요소가 합체됨으로써 혼합 재료가 충전되는 공간을 형성하도록 구성된 반응 용기를 이용하여, 혼합 재료를 1 이상의 용기 요소의 공간을 형성하는 영역(공간 형성 영역) 내에 충전하는 동시에, 1 이상의 용기 요소를, 공간 형성 영역 내에 충전된 혼합 재료를 소정의 형상으로 고정한 상태로 합체시키고, 반응 용기의 상부에 형성된 1 이상의 구멍을 경유하여 혼합 재료 내부 공극 속에 알루미늄(Al)을 용융 함침시키며, 금속 분말과 알루미늄(Al)과의 자기 연소 반응에 의해 알루미나이드 금속간 화합물을 생성시킴으로써 매트릭스 속에 분산재를 분산시켜 이루어지는 복합 재료를 얻는 것을 특징으로 하는 것이다. 이하, 그 상세한 내용에 대해서 설명한다.
본 발명의 복합 재료의 제조 방법에서는, 도 1에 도시한 바와 같이, 적당한 사이즈 및 형상의 용기 요소(1a)의 공간 형성 영역(25) 내에, 분산재 및 금속 분말을 혼합하여 얻은 혼합 재료(2)를 충전하고, 그 상면에 용융한 알루미늄(Al)을 함침시키는 구멍(10)이 있는 용기 요소(1b)(덮개 부재)를 얹어놓아 혼합 재료(2)를 소정의 형상으로 고정하고, 공극(3), 즉, 인접하는 혼합 재료(2)끼리에 의해 형성되는 공극(3)에, 구멍(10)을 경유하여 알루미늄(Al; 4)을 용융 함침시킨다. 본 실시예에서는, 알루미늄(Al; 4)을 용융 함침시킴으로써 혼합 재료(2)를 구성하는 금속 분말(도시하지 않음)과 용융 상태의 알루미늄(Al; 4)을 접촉시켜 자기 연소 반응을 일으키고, 알루미늄(Al; 4)을 알루미나이드 금속간 화합물로 치환시킨다. 이 결과, 알루미나이드 금속간 화합물을 포함하는 매트릭스(6)에 분산재(7)가 분산되어 이루어지는 복합 재료(5)를 제조할 수 있다.
또한, 본 실시예에서는, 알루미늄(Al)과 각종 금속 분말과의 자기 연소 반응열을 이용하여 알루미나이드 금속간 화합물의 생성을 추진시키기 위해서, 저온 조건 하에 있어서 복합 재료를 제조할 수 있다. 더욱이, 종래의 제조 방법인 HP법 또는 HIP법과 같은 고압을 필요로 하지 않기 때문에, 무가압 침투에 의해 복합 재료를 제조할 수 있다. 이것에 의해, 제조 장치의 성능상 곤란하였던 비교적 크거나 복잡한 형상을 갖는 복합 재료의 제조가 가능해진다.
더욱이, 도 1에 도시한 바와 같이, 본 실시예에서는 1 이상의 구멍(10)을 갖는 용기 요소(1b)를 혼합 분체(2)의 상면에 얹어 놓고, 구멍(10)을 경유하여 알루미늄(Al; 4)을 함침시킨다. 이 때, 용기 요소(1a)의 공간 형성 영역(25) 내에 충전된 혼합 재료(2)는 용기 요소(1b)에 의해 소정 형상이 되도록 고정되어 있기 때문에, 알루미늄(Al; 4)이 함침되어도 혼합 분체(2)의 소정 형상을 유지할 수 있다. 더욱이, 공극(3)의 세부로까지 알루미늄(Al; 4)을 함침시킬 수 있어, 예컨대 도 2에 도시한 바와 같이, 용기 요소(1b)(도 1 참조)를 사용하지 않고서 알루미늄(Al; 4)을 함침하여 얻은 복합 재료(5)에 비하여 개기공율을 저감할 수 있고, 고밀도인 동시에 보다 치밀한 복합 재료를 제조할 수 있다. 또한, 알루미늄(Al)을 함침한 후에도 변형 등의 문제가 발생하기 어렵고, 얻어지는 복합 재료에 소망으로 하는 형상을 부여할 수 있다.
또, 혼합 재료(2)를 소정 형상이 되도록 고정하기 위해서는 도 1에 도시한 바와 같이, 예컨대 나사부(8)를 용기 요소(1a)에 마련하는 등의 수단을 들 수 있고, 이것에 의해, 소망으로 하는 적절한 압력을 혼합 재료(2)에 대하여 부여하도록 미세 조정할 수 있다. 단, 혼합 재료를 고정하기 위한 수단은 도 1에 도시한 형태에 한정되는 것이 아닌 것은 물론이다.
본 발명에 있어서 이용하는 금속 분말은 용융 상태의 알루미늄(Al) (알루미늄(Al) 용탕)과 접촉함으로써 자기 연소 반응을 일으키고, 알루미나이드 금속간 화합물을 형성하는 것이다. 구체적으로는 티탄(Ti), 니켈(Ni) 및 니오븀(Nb)으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종의 금속으로 이루어지는 분말을 이용할 수 있다. 이들 금속 분말은 반응성이 양호함과 동시에, 안정한 알루미나이드 금속간 화합물을 형성하고, 또한, 입수나 취급도 용이하기 때문에 바람직하다. 이들 금속 분말을 이용한 경우의 반응의 대표예를 아래의 식 (4)∼(6)에 나타낸다. 아래의 식 (4)∼(6)에 나타낸 바와 같이, 이들 반응은 발열 반응(자기 연소 반응)이며, 본 발명에 있어서는 이 반응열을 이용한다.
[식 4]
3Al + Ti →Al3Ti : ΔH298=-146 kJ/mol
ΔH: 생성 반응열(Δ<0으로써 발열 반응)
[식 5]
3Al + Ni →Al3Ni : ΔH298=-150 kJ/mol
ΔH: 생성 반응열(Δ<0으로써 발열 반응)
[식 6]
3Al+Nb→Al3Nb : ΔH298=-160 kJ/mol
ΔH: 생성 반응열(Δ<0으로써 발열 반응)
또한, 일본 특허 제2609376호 공보 및 일본 특허 공개 평성 제9-227969호 공보에 개시되는 다른 인시투 복합 재료의 제조 방법에 있어서는, 분산재와 매트릭스를 함께 인시투 합성하는 것에 대하여, 본 발명에서는 인시투 합성하는 것은 매트릭스뿐이다. 따라서, 분산재의 종류에 대해서는 자유롭게 선택 가능하고, 원하는 물리적 특성을 갖는 복합 재료를 제조할 수 있다. 더욱이, 분산재의 종류 및 체적 비율을 임의로 선택·설정함으로써 반응열을 제어하는 것도 가능해진다.
본 발명에 있어서는, 금속 분말이 티탄(Ti) 분말인 경우에, 용융 함침시키는 알루미늄(Al)과, 티탄(Ti) 분말의 질량비(A1:Ti)가 1:0.17∼1:0.57인 것이 바람직하다. 이것에 의해, 매트릭스에 포함되어 있는 알루미늄(Al)의 매트릭스 전체에 대한 비율을 60 질량% 이하, 즉, 고파괴 인성인 동시에 치밀한 미세 구조를 갖는 복합 재료를 얻을 수 있다.
또한, 금속 분말이 니켈(Ni) 분말인 경우에, 용융 함침시키는 알루미늄(Al)과, 니켈(Ni) 분말의 질량비(Al:Ni)가 1:0.20∼1:0.72인 것이 바람직하다. 이것에 의해, 매트릭스에 포함되어 있는 알루미늄(Al)의 매트릭스 전체에 대한 비율을 60 질량% 이하, 즉, 고파괴 인성인 동시에 치밀한 미세 구조를 갖는 복합 재료를 얻을 수 있다.
더욱이, 금속 분말이 니오븀(Nb) 분말인 경우에, 용융 함침시키는 알루미늄(Al)과, 니켈(Ni) 분말의 질량비(Al:Ni)가 1:0.27∼1:1.13인 것이 바람직하다. 이것에 의해, 매트릭스에 포함되어 있는 알루미늄(Al)의 매트릭스 전체에 대한 비율을 60 질량% 이하, 즉, 고파괴 인성인 동시에 치밀한 미세 구조를 갖는 복합 재료를 얻을 수 있다.
본 발명에 있어서는, 반응 용기에 여러 개의 구멍이 형성되어 있는 것이 바람직하고, 구멍의 수가 1개인 경우에 비하여 다량의 혼합 재료를 이용하는 것이 가능해진다. 즉, 알루미늄(Al) 용탕의 침투성이 양호해지기 때문에, 대형이어도 치밀한 미세 구조를 갖는 복합 재료를 제조할 수 있다.
본 발명에 있어서는, 특히 대형 부재를 제조하는 경우에, 구멍이 응력 완충 효과를 갖는 환상 부재에 의해 형성되어 이루어지는 것이 바람직하다. 여기서 말하는 「응력 완충 효과」란, 이미 설명한 바와 같다. 즉, 구멍 부근에 잔류한 알루미늄(Al)이 복합 재료의 수축 저항이 되고, 구멍과 복합 재료와의 조합부(접속부)에 있어서 응력이 집중하여, 얻어지는 복합 재료에 파손 등의 문제가 발생하는 경우도 상정되지만, 구멍이 응력 완충 효과를 갖춘 환상 부재에 의해 형성되어 있음으로써 상기 문제의 발생이 회피될 수 있다. 또, 이러한 응력 완충 효과를 갖춘 환상 부재를 구성하는 재료의 구체적인 예로서는, 다공성 카본이나, 단열재로서 사용되는 세라믹스 파이버 등을 들 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서는, 구멍 내측의 하부에 혼합 재료를 충전하는 것이 바람직하다. 구멍 바로 아래에 해당하는 부분에서는, 얻어지는 복합 재료의 조직이 알루미늄(Al) 과잉이 되어 불균질하게 되는 경우가 있다. 따라서, 구멍 내측의 하부에 혼합 재료를 충전한 경우에는, 알루미늄(Al)을 용융 함침시킨 후, 구멍의 내측에 해당하는 지점만을 용이하게 제거할 수 있고, 전체적으로 균질한 조직을 갖는 복합 재료를 제조할 수 있다.
본 발명에 있어서는, 용융 함침시키는 알루미늄(Al)의 최대 침투 거리(Y)에 대한 구멍의 내경(X)의 비의 값(X/Y)이 0.06∼0.5인 것이 바람직하고, 0.08∼0.4인 것이 더욱 바람직하며, 0.1∼0.35인 것이 특히 바람직하다. X/Y를 0.06 미만으로 한 경우에는, 구멍이 너무 작기 때문에 알루미늄(Al)의 침투성이 향상되기 어렵게 되므로 바람직하지 못하다. 한편, X/Y를 0.5를 초과하는 경우도 마찬가지로 알루미늄(Al)의 침투성 향상 효과가 발휘되기 어렵게 되기 때문에 바람직하지 못하다.
다음에, 제조 방법의 일례를 들어 본 발명의 상세한 내용을 설명한다. 소정형상의 분산재, 소정의 평균 입자 직경을 갖는 금속 분말, 예컨대, 티탄(Ti), 니켈(Ni), 니오븀(Nb) 등 및 반응 용기내의 혼합 재료의 공극에 함침시키는 금속으로서 알루미늄(Al)을 준비한다. 이 때, 분산재의 평균 입자 직경에 대한 금속 분말의 평균 입자 직경의 비율(%)이 5∼80%인 것이 바람직하고, 10∼60%인 것이 더욱 바람직하다. 금속 분말의 평균 입자 직경이 분산재의 평균 입자 직경의 5% 미만인 경우에는 금속 분말 자체의 입수가 곤란하고 분진 폭발의 위험성이 따라 오는 점에서 취급이 불편해지고, 80% 초과인 경우에는, 자기 연소 반응의 활성도를 충분히 높일 수 없으며, 복합 재료의 치밀화를 이룰 수 없기 때문이다. 구체적으로는, 평균 입자 직경 50 ㎛의 분산재에 대해서는 평균 입자 직경 2∼40 ㎛의 금속 분말을 이용하는 것이 바람직하고, 5∼30 ㎛의 금속 분말을 이용하는 것이 더욱 바람직하다.
본 발명에 있어서는, 분산재가 섬유, 입자 및 위스커로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종의 형상을 갖는 무기 재료인 것이 바람직하다. 이들 형상을 갖는 무기 재료를 이용함으로써 최종 제품으로서의 사용 용도에 따른 강도나 특징을 갖는 복합 재료를 제조할 수 있다.
또, 본 발명에 있어서 「평균 입자 직경 10∼150 ㎛의 분산재」라고 할 때는 분산재의 형상이 입자형인 경우에 있어서는, 「평균 입자 직경 10∼150 ㎛의 입자」를 말하고, 또한 입자형이 아닌 섬유, 위스커 등의 경우에 있어서는, 「길이/직경의 비가 150 미만의 경우에, 직경이 0.1∼30 ㎛의 섬유, 위스커 등」, 또는 「길이/직경의 비가 150 이상의 경우에, 직경이 0.5∼500 ㎛의 섬유 및 위스커 등」을 말한다.
또한, 본 발명에 있어서는, 전술한 무기 재료가 Al2O3, AlN , SiC 및 Si3N 4로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종인 것이 바람직하다. 복합 재료는 이것을 구성하는 매트릭스에 포함되는 금속간 화합물과 분산재의 조합에 의해 여러 가지 특성을 나타내는 것으로, 용도에 따른 특성을 나타내는 복합 재료가 되는 조합을 적절하게 선택하면 좋다.
또, 얻어지는 복합 재료의 매트릭스에 포함되는 알루미늄(Al)과 알루미나이드 금속간 화합물과의 질량비를 조정하기 위해서는 반응 용기 내에 충전하는 혼합 재료의 금속 분말:분산재의 비(체적비)를 변화시키고, 더욱이, 충전 후의 혼합 재료의 두께를 측정함으로써 혼합 재료의 공극율을 측정하며, 그 공극 속에 알루미늄(Al)이 완전히 침투하는 것으로 하여 알루미늄(Al)의 필요량을 산출한다. 이에 따라, 금속 분말:분산재의 체적비 및 혼합 재료의 공극율에 의해 분산재의 입자 체적율 및 매트릭스의 조성(질량비)을 산출할 수 있다.
또한, 알루미늄(Al)을 함침하기 전에 있어서 목표로 하는 매트릭스의 조성은 함침한 후의 실제 매트릭스 조성과는 완전히 일치하지 않고, 약간 변동하는 경우가 있다. 다음에, 함침한 후의 실제 매트릭스 조성의 산출 방법에 대해서 설명한다. 매트릭스에 포함되는 알루미늄(Al):알루미나이드 금속간 화합물의 질량비는 특허 문헌 4에 있어서 기재된 수법인 XRD 분석으로써 미리 소정의 질량비로 조정한 알루미늄(Al) 및 알루미나이드 금속간 화합물의 혼합 분체를 이용하여 검량선을 작성해 두고, 이것을 바탕으로 하여 매트릭스 조성을 변화시킨 시료를 XRD 분석하며, 얻어진 측정 결과의 X선 강도로부터 산출하는 것이 가능하다.
분산재와 금속 분말을 혼합하여 얻은 혼합 재료를, 반응 용기를 구성하는 용기 요소의 공간 형성 영역 내에 충전하는 동시에, 혼합 재료가 소정의 형상 및 공극율이 되도록 적당한 압력으로 성형을 행한다. 또, 미리 적당한 압력을 부여함으로써 혼합 재료의 성형을 행하고, 이것을 반응 용기 속에 충전하여도 좋다. 또한, 공극율에 관해서는, 성형하는 압력을 변화시킴으로써 임의로 제어할 수 있다. 계속해서, 1 이상의 구멍을 갖는 용기 요소를 통해 상기 성형체를 용기 요소 끼리로써 고정한 상태로 조합함으로써 합체시키고, 그 후에 용기 요소를 통해 알루미늄(Al)을 배치한다. 이 때 이미 설명한 바와 같이, 혼합 재료를 구멍 내측의 하부에 충전하여도 좋다. 또, 배치하는 알루미늄(Al)은 순알루미늄(Al)에 한하지 않고, 약 90% 이상의 순도라면 지장 없이 사용할 수 있으며, 또한, 각종 알루미늄(Al) 합금을 사용하여도 좋다. 계속해서 적절한 감압 조건, 예컨대 진공 조건 하에서, 알루미늄(Al)이 용해하는 온도(약 660℃)보다 수십 ℃ 높은 온도, 구체적으로는 약 700℃까지 가열하고, 구멍을 경유하여 혼합 재료의 공극에 용융 상태의 알루미늄(Al)을 함침시킨다. 금속 분말과 접촉한 알루미늄(Al)은 자기 연소 반응을 일으키는 동시에 모세관 침투가 유발되어 일어나고, 목적으로 하는 복합 재료의 매트릭스가 순간적으로 형성된다.
매트릭스의 형성 자체는 매우 단시간에 완료되기 때문에, 가열에 요하는 시간은 수분 정도로 충분하다. 더욱이, 자기 연소 반응이 종료된 후에, 얻어진 복합 재료의 매트릭스의 균질화 및 안정화를 꾀하기 위해서, 적절하게 등온 유지나 가열 유지를 행하여도 좋다. 이 때의 유지 온도는 재료계에 따라 약간 좌우되지만, 자기 연소 반응이 생긴 온도와 동일한 온도로부터 약 400∼500℃ 정도 높은 온도로 실시하는 것이 바람직하고, 또한 유지 시간은 약 1시간에서 필요에 따라 수시간 실시하면 좋다.
또한, 본 발명에 있어서는, 도 11에 도시한 바와 같이, 반응 용기(1)가 적어도 그 내벽이 카본재(22)에 의해 구성되어 이루어지는 것이 바람직하다. 내벽이 이와 같이 구성된 반응 용기(1)를 이용하면, 알루미늄(Al)을 용융 함침시켜 냉각한 후, 얻어진 복합 재료를 반응 용기(1)로부터 용이하게 꺼낼 수 있다. 즉, 복합 재료의 반응 용기(1)로부터의 이형성(離型性)이 매우 양호해지기 때문에, 반응 용기(1)의 내구성도 향상되어 복합 재료의 제조비용을 저감할 수 있다. 또, 도 11에 있어서는 반응 용기(1)의 내벽만을 카본재(22)에 의해 구성한 상태를 도시하고 있지만, 반응 용기(1) 전체가 카본재에 의해 구성되어 있어도 좋고, 적어도 알루미늄(Al)이나, 제조되는 복합 재료가 접촉하는 지점이 카본재에 의해 구성되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 한층 더 이형성의 향상을 꾀하기 위해서, 용융 알루미늄(Al)이 접촉하는 부위에, BN 스프레이 등에 의한 코팅을 행하는 것, 카본 시트 등을 배치하는 것도 바람직하다. 또, 부호 24는 고정용 볼트를 나타낸다.
본 발명에 있어서는, 도 13에 도시한 바와 같이, 반응 용기(1)가 그 측부에, 반응 용기(1)의 상방에서 하방으로 경사진 슬로프형의 탕도(23)와, 이 탕도(23)로 연결되어 통해진 하나 이상의 제2 구멍(20)을 더 갖는 것으로, 상부의 구멍(10)과 측부의 제2 구멍(20)을 각각 독립적으로 경유하여, 혼합 재료(2)의 내부 공극에 알루미늄(Al; 4)을 용융 함침시키는 것이 바람직하다. 즉, 제2 주탕구(20)를 적절하게 증가·형성한 반응 용기(1)를 준비하여, 각각의 구멍(10), 제2 구멍(20)으로부터 알루미늄(Al; 4)을 용융 함침시킴으로써 두께가 두꺼워도(도 13의 좌우 방향으로 긴 경우) 그 전체에 걸쳐 치밀한 미세 구조를 갖는 복합 재료를 제조할 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서는, 금속 분말이 티탄(Ti) 분말, 분산재가 AlN, Si 및 Si3N4로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종의 세라믹스로 이루어지는 입자(세라믹스 입자)인 경우에, 세라믹스 입자의 체적에 대한 티탄(Ti) 분말의 체적비의 값(Ti/세라믹스(이하, 단순히 「(Ti/세라믹스)값」이라고 기재함))과, 용기내의 용적에 대한 공극의 비율(공극율(%))과 아래의 (1)∼(6)에 나타내는 어느 하나의 관계를 충족시키는 것이 바람직하다.
(1) 0.1≤(Ti/세라믹스)<0.14, 25≤공극율(%)≤60
(2) 0.14≤(Ti/세라믹스)<0.27, 25≤공극율(%)≤70
(3) 0.27≤(Ti/세라믹스)<0.53, 25≤공극율(%)≤75
(4) 0.53≤(Ti/세라믹스)<1, 30≤공극율(%)≤75
(5) 1≤(Ti/세라믹스)<1.4, 45≤공극율(%)≤80
(6) 1.4≤(Ti/세라믹스)≤2, 50≤공극율(%)≤80
즉, 혼합 재료의 (Ti/세라믹스)값과, 공극율을 상술한 어느 하나의 관계가 되도록 조합함으로써 이 혼합 재료의 간극에 알루미늄(Al)을 용융 함침시키는 데에 있어서 그 침투성이 매우 양호해지고, HP법 또는 HIP법과 같이 고가압 조건 하에서가 아니더라도 보다 치밀하고 개기공율이 저감된 복합 재료를 제조할 수 있다. 또, 알루미늄(Al)의 침투성을 더욱 향상시켜, 보다 치밀하게 개기공율이 저감된 복합 재료를 제조하는 관점에서는, (Ti/세라믹스)값과, 공극율(%)이 아래의 (7)∼(14)에 나타내는 어느 하나의 관계를 충족시키는 것이 더욱 바람직하다.
(7) 0.1≤(Ti/세라믹스)<0.14, 30≤공극율(%)≤45
(8) 0.14≤(Ti/세라믹스)<0.18, 25≤공극율(%)≤55
(9) 0.18≤(Ti/세라믹스)<0.27, 25≤공극율(%)≤60
(10) 0.27≤(Ti/세라믹스)<0.4, 35≤공극율(%)≤65
(11) 0.4≤(Ti/세라믹스)<0.53, 35≤공극율(%)≤70
(12) 0.53≤(Ti/세라믹스)<0.77, 40≤공극율(%) ≤70
(13) 0.77≤(Ti/세라믹스)<1, 45≤공극율(%)≤75
(14) 1≤(Ti/세라믹스)<2, 50≤공극율(%)≤80
또한, 본 발명에 있어서는, 금속 분말이 티탄(Ti) 분말, 분산재가 Al2O3 입자인 경우에, Al2O3 입자의 체적에 대한 티탄(Ti) 분말의 체적비의 값(Ti/Al2O 3(이하, 단순히 「(Ti/Al2O3)값」이라고 기재함))과, 금형 용기내의 용적에 대한 공극의 비율(공극율(%))이 아래의 (15)∼(20)에 나타내는 어느 하나의 관계를 충족시키는 것이 바람직하다.
(15) 0.1≤(Ti/Al2O3)<0.14, 25≤공극율(%)≤60
(16) 0.14≤(Ti/Al2O3)<0.27, 25≤공극율(%)≤70
(17) 0.27≤(Ti/Al2O3)<0.53, 25≤공극율(%)≤75
(18) 0.53≤(Ti/Al2O3)<1, 30≤공극율(%)≤75
(19) 1≤(Ti/Al2O3)<1.4, 45≤공극율(%)≤80
(20) 1.4≤(Ti/Al2O3)≤2, 50≤공극율(%)≤80
즉, 혼합 재료의 (Ti/Al2O3)값과, 공극율을 상술한 어느 하나의 관계가 되도록 조합함으로써, 이 혼합 재료의 간극에 알루미늄(Al)을 용융 함침시키는 데에 있어서 그 침투성이 매우 양호해지고, HP법 또는 HIP법과 같이 고가압 조건 하에서가 아니더라도 보다 치밀하게 개기공율이 저감된 복합 재료를 제조할 수 있다. 또, 알루미늄(Al)의 침투성을 더욱 향상시켜, 보다 치밀하게 개기공율이 저감된 복합 재료를 제조하는 관점에서는, (Ti/Al2O3)값과, 공극율(%)이 아래의 (21)∼(29)에 나타내는 어느 하나의 관계를 충족시키는 것이 더욱 바람직하고, 아래의 (30)∼(37)에 나타내는 어느 하나의 관계를 충족시키는 것이 특히 바람직하다.
(21) 0.1≤(Ti/Al2O3)<0.14, 30≤공극율(%)≤45
(22) 0.14≤(Ti/Al2O3)<0.18, 30≤공극율(%)≤55
(23) 0.18≤(Ti/Al2O3)<0.27, 30≤공극율(%)≤60
(24) 0.27≤(Ti/Al2O3)<0.4, 35≤공극율(%)≤65
(25) 0.4≤(Ti/Al2O3)<0.53, 35≤공극율(%)≤70
(26) 0.53≤(Ti/Al2O3)<0.77, 40≤공극율(%)≤70
(27) 0.77≤(Ti/Al2O3)<1, 45≤공극율(%)≤75
(28) 1≤(Ti/Al2O3)<1.4, 50≤공극율(%)≤75
(29) 1.4≤(Ti/Al2O3)≤2, 55≤공극율(%)≤80
(30) 0.14≤(Ti/Al2O3)<0.18, 35≤공극율(%)≤45
(31) 0.18≤(Ti/Al2O3)<0.27, 35≤공극율(%)≤55
(32) 0.27≤(Ti/Al2O3)<0.4, 40≤공극율(%)≤60
(33) 0.4≤(Ti/Al2O3)<0.53, 40≤공극율(%)≤65
(34) 0.53≤(Ti/Al2O3)<0.77, 45≤공극율(%)≤65
(35) 0.77≤(Ti/Al2O3)<1, 50≤공극율(%)≤70
(36) 1≤(Ti/Al2O3)<1.4, 55≤공극율(%)≤75
(37) 1.4≤(Ti/Al2O3)≤2, 60≤공극율(%)≤75
전술한 본 발명의 복합 재료의 제조 방법에 따르면, 그 특징을 살려 대형 혹은 복잡 형상인 동시에, 치밀한 미세 구조를 가지며, 또한, 그 치밀화된 미세 구조에 기인한 우수한 재료 특성을 구비하는 복합 재료를 매우 간편하게 제조할 수 있다. 또한, 최종 제품의 형상을 고려한 니어넷 쉐이프화를 행할 수 있기 때문에, 그 후의 공정에 있어서 기계 가공 처리가 불필요하다. 더욱이, 전처리 공정인 알루미나이드 금속간 화합물의 조제도 불필요해지기 때문에, 제조 비용의 삭감을 용이하게 달성할 수 있다.
이하, 본 발명의 구체적인 실시 결과를 설명한다.
(각종 물성치의 측정 방법, 각종 평가 방법)
[개기공율]:
측정 대상으로부터 소정 형상의 시료를 잘라내어 아르키메데스법에 의해 측정하였다.
[4점 굽힘 강도]:
측정 대상으로부터 소정 형상의 시료를 잘라내어 JIS R 1601에 따라 4점 굽힘 실험을 실시함으로써 측정하였다.
[영률]:
얻어진 복합 재료로부터 소정 형상의 시료를 잘라내어 JIS R 1601에 따라 4점 굽힘 시험을 실시함으로써 영률을 측정하였다.
[파괴 인성치]:
얻어진 복합 재료로부터 절삭부(노치)를 도입한 소정 형상의 시료를 제작하여 4점 굽힘 시험 강도를 측정하고, 쉐브론 노치법에 따라 파괴 인성치를 산출하였다.
[침투율]:
아래의 식 (7)에 따라 산출하였다.
[식 7]
침투율(%)=100×침투 거리/최대 침투 거리
(단, 「침투 거리」란, 실제로 알루미늄(Al)이 침투한 거리(구멍의 내경을 제외함)로서, 미침투 영역에 있어서 관찰되는 기공이 많은 부분을 제외한 거리를 말하고, 「최대 침투 거리」란, 구멍의 단부로부터 반응 용기 속에 충전된 혼합 재료의 최단부까지의 거리를 말함)
[공극율]:
함침 전의 공극율에 대해서는 조합량 및 성형 후에 있어서의 시료 두께를 측정하여, 아래의 식 (8)에 따라 산출하였다. 또한, 함침 후의 공극율에 대해서는 조합량 및 함침 후에 있어서의 시료 두께를 측정하여, 아래의 식 (8)에 따라 산출하였다.
[식 8]
공극율 ε(%) = Vpore / (VD + Vmetal powder + Vpore )
(단, Vpore는 공극 체적, VD는 분산재의 체적, Vmetal powder는 금속 분말의 체적을 나타낸다)
[침투성의 평가]:
침투율이 100%인 경우를 「◎」, 침투율이 85% 이상인 경우를 「○」, 침투율이 60% 이상인 경우를 「△」, 침투율이 60% 미만인 경우를 「×」로서 평가하였다.
[치밀성의 평가]:
개기공율이 0.1% 이하인 경우를 「◎」, 개기공율이 0.5% 이하인 경우를「○」, 개기공율이 1.0% 미만인 경우를 「△」, 개기공율이 1.0 % 이상인 경우를 「×」로서 평가하였다.
(실시예 1)
평균 입자 직경이 약 47 ㎛인 Al2O3 입자, 평균 입자 직경이 약 10 ㎛인 티탄(Ti) 분말 및 용융 함침시키는 알루미늄(Al)(시판되고 있는 순Al(Al050, 순도> 99.5%))을 준비하였다. 다음에, 티탄(Ti) 분말과 Al2O3 입자를 (Ti/Al2O 3) 체적비의 값이 0.53이 되도록 배합하고, V형 혼합기에 의해 혼합을 행하였다. 혼합에 의해 얻어진 혼합 재료를 내경 50 ㎜φ의 카본제 용기에 충전하여, 그 형상에 따른 형태로 압축성형을 행하고, 공극율 약 49%의 성형체로 하였다. 다음에, 내경 10 ㎜φ 구멍(주탕구)을 갖는 카본제 덮개 부재를 성형체의 상면에 얹어 놓고, 이 카본제 덮개 부재를 그 외측에 배치하는 카본제 용기로 고정하며, 그 후, 구멍에 용융한 알루미늄(Al)이 유입되도록 알루미늄(Al)(고체)을 배치하였다. 0.013 Pa 이하의 진공 분위기 하에서 700℃까지 가열하여 용융한 알루미늄(Al)을 무가압 함침시켜, 약 1시간 유지 후에 서서히 냉각하여 복합 재료를 제조하였다(실시예 1). 얻어진 복합 재료를 절단·연마한 후, 광학현미경으로써 단면 관찰을 행한 결과, 알루미늄(Al)이 용기와 덮개 부재에 둘러싸인 공간을 따른 형상으로 단부까지 양호하게 함침되어 있었다. 개기공율(%) 및 4점 굽힘 강도의 측정 결과를 표 2에 나타낸다.
(비교예 1)
덮개 부재를 이용하지 않고서, 성형체의 상면의 전면으로부터 알루미늄(Al)을 용융 함침시키는 것 이외에는 실시예 1과 동일한 조작에 의해 복합 재료를 제조하였다(비교예 1). 개기공율(%), 밀도 및 4점 굽힘 강도의 측정 결과를 표 2에 나타낸다.
(비교예 2)
핫 프레스(HP)법을 이용하여 용융 알루미늄(Al)의 가압 함침에 의해 복합 재료의 제조를 행하였다. 즉, 덮개 부재를 이용하지 않는 것 및 알루미늄(Al)의 가압 함침에 있어서 약 30 MPa의 압력을 부하하는 것 이외에는 실시예 1과 동일한 조작에 의해 복합 재료를 제조하였다(비교예 2). 개기공율(%), 밀도 및 4점 굽힘 강도의 측정 결과를 표 2에 나타낸다.
개기공율(%) 밀도(g/cm3) 4점 굽힘 강도(MPa)
실시예 1 0.03 3.44 421
비교예 1 0.45 3.38 218
비교예 2 0.09 3.42 230
표 2에 나타내는 결과로부터, 성형체를 덮개 부재에 의해 고정한 것(실시예1)에 의해 성형체 내부 공극에 용융 알루미늄(Al)이 무가압 함침되고, 자발적으로 치밀화가 촉진되는 것이 판명되었다. 또, 실시예 1과 같이, 반응열을 이용한 알루미늄(Al)의 자발적인 침투 현상이 일어남으로써 비교예 2에 표시되는 HP법에 의한 강제적인 치밀화를 행한 경우와 동등한 개기공율로 할 수 있었다. 이 때문에, 실시예 1의 복합 재료는 비교예 1의 복합 재료에 비하여 밀도가 높고, 개기공율을 비교하여도 치밀성이 향상되고 있었다. 또한, 4점 굽힘 강도에 대해서는 비교예 1, 2의 복합 재료가 약 200 MPa였던 것에 반하여, 실시예 1의 복합 재료는 400 MPa 이상으로 고강도였다. 이것은 복합 재료 내부의 폐기공이 감소한 것 및 분산재와 매트릭스와의 계면 강도가 증가한 것에 기인하는 것으로 생각된다. 따라서, 본 발명에 따르면, 구성 원소 사이에서 생기는 자발적인 내부 에너지를 이용함으로써 보다 치밀화된 복합 재료를 제조하는 것이 가능하고, 복합 재료 제조에 있어서의 에너지비용의 저감 등에 기여한다고 생각된다.
(실시예 2∼29, 비교예 3∼7)
표 3에 나타내는 평균 입자 직경의 Al2O3 입자 및 티탄(Ti) 분말과, 용융 함침시키는 알루미늄(Al)(시판되고 있는 순Al(Al050, 순도> 99.5%))을 준비하였다. 다음에, 티탄(Ti) 분말과 Al2O3 입자를 (Ti/Al2O3) 체적비의 값이 표 3에 나타내는 값이 되도록 배합하고, V형 혼합기에 의해 혼합을 행하였다. 혼합에 의해 얻어진 혼합 재료를 내경 50 ㎜φ의 카본제 용기에 충전하여, 그 형상에 따른 형태로 압축성형을 행하고, 표 3에 나타내는 공극율의 성형체로 하였다. 다음에, 내경 10 ㎜φ의 구멍을 갖는 카본제 덮개 부재를 성형체의 상면에 얹어 놓고, 이 카본제 덮개 부재를 그 외측에 배치하는 카본제 용기로 고정하며, 그 후, 구멍에 용융한 알루미늄(Al)이 유입되도록 알루미늄(Al)(고체)을 배치하였다. 0.013 Pa 이하의 진공 분위기 하에서 700℃까지 가열하여 용융한 알루미늄(Al)을 무가압 함침시켜, 약 1시간 유지한 후에 서서히 냉각하여 복합 재료를 제조하였다(실시예 2∼29, 비교예 3∼7). 침투성 및 치밀성의 평가 결과를 표 3에 나타낸다.
분산재(세라믹스 입자) 금속 분말 Ti/Al2O3(체적비) 공극율(%) 침투성 치밀성
종류 평균입경(㎛) 종류 평균입경(㎛)
실시예2 Al2O3 47 Ti 10 1 55 O ◎
실시예3 Al2O3 47 Ti 10 0.87 52 ◎ ◎
실시예4 Al2O3 47 Ti 10 0.53 50 ◎ ◎
실시예5 Al2O3 47 Ti 10 0.4 49 ◎ ◎
실시예6 Al2O3 47 Ti 10 0.27 48 ◎ ◎
실시예7 Al2O3 47 Ti 10 0.18 48 ◎ ◎
실시예8 Al2O3 47 Ti 10 0.14 47 ◎ O
실시예9 Al2O3 47 Ti 10 0.1 45 O △
실시예10 Al2O3 47 Ti 10 0.53 70 O △
실시예11 Al2O3 47 Ti 10 0.53 60 ◎ ◎
실시예12 Al2O3 47 Ti 10 0.53 45 ◎ ◎
실시예13 Al2O3 47 Ti 10 0.53 35 O O
비교예3 Al2O3 47 Ti 10 0.53 25 X △
실시예14 Al2O3 47 Ti 10 2 69 ◎ ◎
비교예4 Al2O3 47 Ti 10 2 45 X △
실시예15 Al2O3 47 Ti 10 1 65 ◎ ◎
실시예16 Al2O3 47 Ti 10 1 50 O ◎
비교예5 Al2O3 47 Ti 10 1 35 X △
실시예17 Al2O3 47 Ti 10 0.18 40 ◎ ◎
실시예18 Al2O3 47 Ti 10 0.18 35 O ◎
실시예19 Al2O3 47 Ti 10 0.14 40 ◎ ◎
실시예20 Al2O3 47 Ti 10 0.14 35 O ◎
실시예21 Al2O3 47 Ti 10 0.14 25 O △
비교예6 Al2O3 47 Ti 10 0.1 60 △ X
비교예7 Al2O3 47 Ti 10 0.1 20 X △
실시예22 Al2O3 47 Ti 20 1 58 O ◎
실시예23 Al2O3 47 Ti 20 0.53 51 ◎ ◎
실시예24 Al2O3 47 Ti 20 0.4 50 ◎ O
실시예25 Al2O3 80 Ti 20 1 60 O ◎
실시예26 Al2O3 80 Ti 20 0.53 53 ◎ ◎
실시예27 Al2O3 80 Ti 20 0.4 51 ◎ O
실시예28 Al2O3 30 Ti 10 0.53 53 ◎ ◎
실시예29 Al2O3 10 Ti 10 1 58 O ◎
표 3에 나타내는 결과로부터, (Ti/Al2O3) 체적비의 값이 커도 공극율이 어느 정도 작은 경우에는, 알루미늄(Al)의 침투성이 저하하는 것이 판명되었다. 또한, (Ti/Al2O3) 체적비의 값이 작은 경우에는, 함침 구동력이 되는 티탄(Ti) 분말의 양이 너무 작기 때문에, 얻어지는 복합 재료의 개기공율이 증대하는 것이 판명되었다. 따라서, 치밀한 미세 구조를 갖는 복합 재료를 (Ti/Al2O3) 체적비의 값과 공극율과의 관계를 규정함으로써 적합하게 제조 가능한 것이 판명되었다.
(실시예 30∼35)
Al2O3 입자의 평균 입자 직경이 약 47 ㎛인 것, 티탄(Ti) 분말의 평균 입자 직경이 약 10 ㎛인 것 및 혼합 재료의(Ti/Al2O3) 체적비의 값과 공극율을 표 4에 나타내는 값으로 하는 것 이외에는 실시예 2∼29와 동일한 조작에 의해 복합 재료를 제조하였다(실시예 30∼35). 매트릭스 조성의 분석 결과 및 침투율, 개기공율, 4점 굽힘 강도, 영률 및 파괴 인성치의 측정 결과를 표 4에 나타낸다. 또한, 도 5∼8에 실시예 30의 복합 재료의 마이크로 조직을 나타내는 주사전자현미경 사진(배율 ×100, ×500), 실시예 34의 복합 재료의 마이크로 조직을 나타내는 주사전자현미경 사진(배율×100, ×500)을 나타낸다. 또, 표 4에 있어서의 「공극율」 중, 「함침전」이란, 성형후의 성형체 두께로부터 계산되는 공극율을 의미하며, 「함침후」란, 함침 후에 얻어진 복합 재료의 두께로부터 계산되는 실공극율을 의미한다.
(비교예 8, 9)
분산재가 되는 평균 입자 직경 47 ㎛의 Al2O3 입자를 1축 프레스기로 약 80 MPa의 압력으로 가압 성형하여 성형체를 제작하였다. 이 성형체를 대기중에서 760℃로 예열하고, 500℃로 예열한 금형 내에 설치하였다. 그 후, 850℃에서 용해한 시판되고 있는 순알루미늄(Al)(Al050)을 금형 내에 넣어, 50 MPa의 압력으로써 가압 함침시킴으로써 복합 재료를 제조하였다(비교예 8). 또한, 비교예 9로서, Al 합금(A5052(Al-2.5% Mg(질량%)))을 준비하였다. 얻어진 복합 재료의 물리적 특성의 측정 결과를 표 4에 나타낸다.
(비교예 10, 11)
분산재가 되는 평균 입자 직경 47 ㎛의 Al2O3 입자와, 평균 입자 직경 45 ㎛의 티탄(Ti) 분말을 (Ti/Al2O3) 체적비의 값이 1.0이 되도록 배합한 후, 1축 프레스기로 약 100 MPa의 압력으로 가압 성형하여 직경 34 ㎜φ×6 ㎜, 공극율 약 30%의 성형체를 제작하였다. 이 성형체를 0.013 Pa 이하의 진공 분위기 하에서 850℃까지 가열하여 용융한 알루미늄(Al) 합금(A5052) 속에 침지시키고, 성형체 내에 용융 알루미늄(Al) 합금을 무가압 함침시킴으로써 복합 재료를 제조하였다(비교예 10). 또한, Al2O3 입자 대신에 평균 입자 직경 약 50 ㎛의 SiC 입자를 분산재로 하고, (Ti/SiC) 체적비의 값이 1.0이 되도록 배합하고, 직경φ34 ㎜×7.5 ㎜의 공극율 약 30%의 성형체를 제작하여 이용한 것 이외에는 상기 비교예 10의 경우와 동일한 조작에 의해 복합 재료를 제작하였다(비교예 11). 얻어진 복합 재료의 물리적 특성의 측정 결과를 표 4에 나타낸다. 또, 도 9, 도 10에 비교예 10의 복합 재료의 마이크로 조직을 나타내는 주사전자현미경 사진(배율 ×100, × 500)을 도시한다.
분산재(세라믹스 입자) 금속 분말 Ti/세라믹스*1(체적비) 공극률 입자체적률(체적 %)
종류 평균입경(㎛) 종류 평균 입경(㎛) 침투전(%) 침투후(%)
실시예 30 Al2O5 47 Ti 10 0.53 51.2 52.6 31
실시예 31 Al2O5 47 Ti 10 0.4 49.8 50.7 35
실시예 32 Al2O5 47 Ti 10 0.27 48.4 48.9 40
실시예 33 Al2O5 47 Ti 10 0.18 46.2 46.9 45
실시예 34 Al2O5 47 Ti 10 0.14 44.6 44.8 48
실시예 35 Al2O5 47 Ti 10 0.1 43.5 43.7 51
비교예 8 Al2O5 47 - - - - - 40
비교예 9 - - - - - - - -
비교예 10 Al2O5 47 Ti 45 1 30 83.5 8
비교예 11 SiC 50 Ti 45 1 30 84.2 9
매트릭스 조성 침투율(%) 개기공율(%) 4점 굽힘 강도(MPa) 영율(GPa) 파괴 인성치(MPa/m1/2)
알루미나이드 금속간 화합물(질량%) 알루미늄(질량%)
실시예 30 94.1 5.9 100 0.02 450 215 6.2
실시예 31 87.8 12.2 100 0.04 404 212 7.4
실시예 32 75 25 100 0.05 390 208 8.5
실시예 33 61.6 38.4 100 0.09 382 198 10.3
실시예 34 56.9 43.1 100 0.52 373 193 11.2
실시예 35 44 56 100 5 - - -
비교예 8 - 100 - 0.06 - 120 16.3
비교예 9 - - - - - 71 -
비교예 10 39.6 60.4 - - - - -
비교예 11 42.2 57.8 - - - - -
*1 : 또는 Ti/Al2O3 (체적비)
표 4에 나타내는 결과로부터, 소정의 범위 내에서(Ti/Al2O3) 체적비의 값을 변화시킨 경우(실시예 30∼35)에, 침투율 100%의 복합 재료를 제조할 수 있었다. 그러나, (Ti/Al2O3) 체적비의 값을 0.10으로 낮게 한 경우에는, 함침 구동력이 되는 Ti 분말량이 감소하기 때문에 개기공율의 증가가 확인되었다. 또한, 도 5∼8에 도시한 바와 같이, (Ti/Al2O3) 체적비의 값을 변화시킴으로써 복합 재료의 Al2 O3 입자체적율, 매트릭스 조성(알루미나이드 금속간 화합물과 Al상)을 제어 가능한 것이 판명되었다. 이것에 대하여, 비교예 8의 복합 재료는 Al2O3 입자 체적율을 제어하는 것만으로, 복합 재료의 특성을 제어하는 것이었다. 이 때문에, 실시예의 수법은 비교예 8의 수법과 비교한 경우, 각 상의 양비(量比)를 제어함으로써 다양한 재료 특성 제어가 가능하였다.
특히, 알루미나이드 금속간 화합물은 알루미늄(Al)에 비하여 강성이 높은 반면, 파괴 인성치가 낮은 것이지만, 본 발명에서는, 표 4에 나타낸 바와 같이, (Ti /Al2O3) 체적비의 값을 작게 함으로써, 크랙 진전시의 파괴 저항으로서 작용할 수 있는 알루미늄(Al)의 함유량을 매트릭스 속에 증가시켜, 파괴 인성치가 대폭 향상된 복합 재료를 제조할 수 있었다. 또한, 영률에 관해서도, Al2O3 입자에 부가하여 매트릭스 내에 알루미나이드 금속간 화합물이 포함되어 있기 때문에, 비교예 8의 매트릭스가 알루미늄(Al)만으로 이루어지는 가압 함침법에 의해 제작한 금속기 복합 재료나, 비교예 9의 알루미늄(Al) 합금에 비하여 높고, 약 200 GPa 전후의 값을 나타내는 것이었다.
비교예 10, 11의 복합 재료는 분산재와 티탄(Ti) 분말로 이루어진 성형체를 용융한 알루미늄(Al) 합금에 침지하여 이루어지는 것으로, 도 9에 도시한 바와 같은 무가압 함침은 가능하였다. 그러나, 비교예 10의 (Ti/세라믹스) 체적비의 값이 1.0인 복합 재료의 미세 구조 조직(도 9)은 보다 티탄(Ti)량을 저감시키고 있는 실시예 30, 34의 (Ti/세라믹스) 체적비의 값이 0.53, 0.14인 복합 재료의 미세 구조 조직(도 5, 도 7)과 비교해 보아도 Al2O3 입자 체적율은 저감하고, 또한, 매트릭스 속에 함유되는 알루미늄(Al) 양이 과잉이 되어 함침 후의 입자 체적율과 매트릭스 조성은 당초 목적으로 한 값으로는 되지 않았다(표 4). 이것은 함침시의 발열에 기인하여 성형체가 펼쳐지도록 팽창함으로써, 지나치게 용융 알루미늄(Al)이 공급되어, 공극율이 크게 변화되었기 때문이라고 생각된다. 따라서, 비교예 10, 11의 복합 재료는 무가압 함침으로 제조된 것이기는 하지만, 입자 체적율 및 매트릭스 조성의 제어에 곤란성을 수반한 것이다. 이것에 대하여, 실시예 30∼35의 복합 재료는 함침시에 성형체가 고정되어 있고, 또한, (Ti/Al2O3) 체적비의 값과 공극율이 적합한 관계로 규정되어 있기 때문에, 소망으로 하는 재료 조성 및 치밀한 미세 구조를 갖는 복합 재료이다.
(실시예 36∼62)
표 5에 나타내는 분산재(세라믹스 입자)와, 티탄(Ti) 분말을 (Ti/세라믹스) 체적비의 값이 표 5에 나타내는 값이 되도록 배합하고, V형 혼합기에 의해 혼합을 행하였다. 혼합에 의해 얻어진 혼합 재료, 내경 50 ㎜φ의 카본제 용기에 충전하여, 그 형상에 따르는 형태로 압축성형을 행하고, 표 5에 나타내는 공극율의 성형체로 하였다. 다음에, 내경 10 ㎜φ의 구멍을 갖는 카본제 덮개 부재를 성형체의 상면에 얹어 놓고, 이 카본제 덮개 부재를 그 외측에 배치하는 카본제 용기로 고정하며, 그 후, 구멍에 용융한 알루미늄(Al)(Al050) 또는 알루미늄(Al) 합금(A5052)이 유입되도록 알루미늄(Al) 또는 알루미늄(Al) 합금(모두 고체)을 배치하였다. 0.013 Pa 이하 또는 13 Pa 이하의 진공 분위기 하에서 700℃까지 가열하여 용융한 알루미늄(Al)(Al050) 또는 알루미늄(Al) 합금(A5052)을 무가압 함침시켜, 약 1시간 유지한 후에 서서히 냉각하여 복합 재료를 제조하였다(실시예 36∼62). 침투성 및 치밀성의 평가 결과를 표 5에 나타낸다.
분산재(세라믹스 입자) 금속 분말 T1/세라믹스*1(체적비) 공극률(%) 알루미늄 함침분위기(Pa) 침투성 치밀성
종류 평균입경(㎛) 종류 평균입경(㎛)
실시예 36 SiC 50 Ti 10 1 58 A1050 < 0.013 O ◎
실시예 37 SiC 50 Ti 10 0.53 51 A1050 < 0.013 ◎ ◎
실시예 38 SiC 50 Ti 10 0.27 46 A1050 < 0.013 ◎ ◎
실시예 39 AlN 40 Ti 10 1 60 A1050 < 0.013 O ◎
실시예 40 AlN 40 Ti 10 0.53 53 A1050 < 0.013 ◎ ◎
실시예 41 AlN 40 Ti 10 0.27 45 A1050 < 0.013 ◎ ◎
실시예 42 Si3N6 45 Ti 10 1 61 A1050 < 0.013 O ◎
실시예 43 Si3N4 45 Ti 10 0.53 51 A1050 < 0.013 ◎ ◎
실시예 44 Si3N4 45 Ti 10 0.27 46 A1050 < 0.013 ◎ ◎
실시예 45 Al2O3 47 Ti 10 1 55 A1050 < 13 O ◎
실시예 46 Al2O3 47 Ti 10 0.87 52 A1050 < 13 ◎ ◎
실시예 47 Al2O3 47 Ti 10 0.53 50 A1050 < 13 ◎ ◎
실시예 48 Al2O3 47 Ti 10 0.4 49 A1050 < 13 ◎ ◎
실시예 49 Al2O3 47 Ti 10 0.27 48 A1050 < 13 ◎ ◎
실시예 50 Al2O3 47 Ti 10 0.18 48 A1050 < 13 ◎ O
실시예 51 Al2O3 47 Ti 10 0.14 47 A1050 < 13 ◎ △
실시예 52 Al2O3 47 Ti 10 1 55 A5052 < 0.013 O ◎
실시예 53 Al2O3 47 Ti 10 0.87 52 A5052 < 0.013 ◎ ◎
실시예 54 Al2O3 47 Ti 10 0.53 50 A5052 < 0.013 ◎ ◎
실시예 55 Al2O3 47 Ti 10 0.27 48 A5052 < 0.013 ◎ ◎
실시예 56 Al2O3 47 Ti 10 0.14 47 A5052 < 0.013 ◎ O
실시예 57 Al2O3 47 Ti 10 0.1 45 A5052 < 0.013 O △
실시예 58 Al2O3 47 Ti 10 1 55 A5052 < 13 O ◎
실시예 59 Al2O3 47 Ti 10 0.87 52 A5052 < 13 ◎ ◎
실시예 60 Al2O3 47 Ti 10 0.27 48 A5052 < 13 ◎ ◎
실시예 61 Al2O3 47 Ti 10 0.18 48 A5052 < 13 ◎ ◎
실시예 62 Al2O3 47 Ti 10 0.14 47 A5052 < 13 ◎ O
*1 : 또는 Ti/Al2O3 (체적비)
표 5에 나타내는 결과로부터 밝혀진 바와 같이, 분산재로서, 탄화물인 SiC, 질화물인 AlN 및 Si3N4를 사용한 경우도, 복합 재료를 제조하는 것이 가능하였다. 또한, 함침 분위기를 대충 뺀 상태가 되는 RP(로터리 펌프)로 배기한 레벨의 저진공(13 Pa 이하)으로 한 경우에 있어서도 양호하게 함침하였다. 또한, 알루미늄(Al) 합금을 사용한 경우에는, (Ti/세라믹스) 체적비의 값이 낮고, 또한, 알루미늄(Al) 및 티탄(Ti)의 산화가 염려되는 저진공(13 Pa 이하)에 있어서도, 치밀한 미세 구조를 갖는 복합 재료를 제조할 수 있었다. 이것은 알루미늄(Al) 합금에 포함되는 마그네슘(Mg)이 알루미늄(Al) 표면에 생기는 산화막을 환원시키는 효과를 나타냈기 때문이라고 생각된다.
(실시예 63∼69)
평균 입자 직경이 약 47 ㎛의 Al2O3 입자, 평균 입자 직경이 약 10 ㎛의 티탄(Ti) 분말 및 용융 함침시키는 알루미늄(Al)(Al050)을 사용하고, (Ti/Al2O3) 체적비의 값 및 혼합 재료(성형체)의 공극율을 표 6에 나타내는 값으로 하여 실시예 2∼29와 같은 조작에 의해 복합 재료를 제조하였다(실시예 63∼69). 또, 용융 함침시키는 알루미늄(Al)의 최대 침투 거리를 100 ㎜, 구멍의 내경을 20 ㎜로 하였다. 침투율의 측정 결과를 표 6에 나타낸다.
T1/Al2O3(체적비) 공극율(%) 주탕구내경(X : ㎜) X/Y 침투율(%)
실시예 63 0.87 52 20 0.2 51
실시예 64 0.53 50 20 0.2 63
실시예 65 0.27 48 20 0.2 82
실시예 66 0.14 47 20 0.2 94
실시예 67 1 65 20 0.2 52
실시예 68 0.53 59 20 0.2 79
실시예 69 0.27 42 20 0.2 93
표 6에 나타내는 결과로부터 밝혀진 바와 같이, 특히 (Ti/Al2O3) 체적비의 값이 작은 경우에는, 침투율이 향상되는 것이 판명되었다. 또한, (Ti/Al2O3) 체적비의 값이 큰 경우에는 공극율을 증가시키는 것이 (Ti/Al2O3) 체적비의 값이 작은 경우에는 공극율을 저하시키는 것이 침투율을 향상시키기 위해서 효과적인 것이라고 판명되었다.
(실시예 70∼73, 비교예 12, 13)
평균 입자 직경이 약 47 ㎛의 Al2O3 입자, 평균 입자 직경이 약 10 ㎛의 티탄(Ti) 분말 및 용융 함침시키는 알루미늄(Al)(Al050)을 사용하고, (Ti/Al2O3) 체적비의 값을 0.27, 혼합 재료(성형체)의 공극율을 48%로 하여 실시예 2∼29와 동일한 조작에 의해 복합 재료를 제조하였다(실시예 70∼73). 또, 용융 함침시키는 알루미늄(Al)의 최대 침투 거리는 100 ㎜로 고정하였다. 침투성의 평가 결과를 표 7에 나타낸다. 또, 표 7에 있어서의 「침투성 평가」는 얻어진 복합 재료를 절단하고, 그 단면을 연마한 후, 광학현미경 및 SEM 관찰을 행하여, 혼합 재료 속에 있어서 침투가 일률적으로 진행되고 있는지 여부를 관찰하여 평가한 결과이다.
Ti/Al2O3 (체적비) 공극율(%) 주탕구내경(X : ㎜) X/Y 침투성 평가
비교예 12 0.27 48 5 0.05 단부에 미함침부 발생
실시예 70 0.27 48 8 0.08 양호
실시예 71 0.27 48 10 0.1 양호
실시예 72 0.27 48 20 0.2 양호
실시예 73 0.27 48 40 0.4 양호
비교예 13 0.27 48 60 0.6 함침되지만 치밀성은 저하한다
표 7에 나타내는 결과로부터 밝혀진 바와 같이, X/Y를 0.08∼0.4로 한 경우에는 미함침부가 발생하는 일은 없지만, X/Y를 0.08 미만으로 한 경우에는, 미함침부가 발생하였다. 또한, X/Y를 0.4를 초과하는 경우에는, 얻어진 복합 재료의 치밀성이 저하하는 것이 판명되었다.
(실시예 74)
평균 입자 직경이 약 47 ㎛의 Al2O3 입자, 평균 입자 직경이 약 10 ㎛의 티탄(Ti) 분말 및 용융 함침시키는 알루미늄(Al) 합금(A5052)을 준비하였다. 다음에, 티탄(Ti) 분말과 Al2O3 입자를 (Ti/Al2O3) 체적비의 값이 0.27이 되도록 배합하고, V형 혼합기에 의해 혼합을 행하였다. 혼합에 의해 얻어진 혼합 재료를 내경 100 ㎜φ의 카본제 용기에 충전하여, 그 형상에 따르는 형태로 압축성형을 행하고, 두께 30 ㎜, 공극율 48.1%의 성형체로 하였다. 다음에, 7개의 구멍(20 ㎜φ)을 갖는 고밀도 카본으로 이루어진 덮개 부재를 성형체의 상면에 얹어 놓고, 이들 구멍에 용융한 알루미늄(Al) 합금이 유입되도록 알루미늄(Al) 합금을 배치하였다. 0.013 Pa 이하의 진공 분위기 하에서 800℃까지 가열하여 용융한 알루미늄(Al) 합금을 무가압 함침시켜, 약 1시간 유지한 후에 서서히 냉각하여 복합 재료를 제조하였다(실시예 74).
얻어진 복합 재료를 절단하고, 그 단면을 연마한 후, 광학현미경 및 SEM 관찰을 행하여 확인을 행한 결과, 기공이 확인되지 않고, 또한 혼합 재료 중에 있어서의 침투성도 매우 양호하였다. 이 때문에, 하나의 구멍뿐만 아니라 여러 개의 구멍을 통하여 알루미늄(Al)의 함침을 행한 경우에 있어서도 양호한 복합 재료를 얻을 수 있는 것이 확인되었다.
(실시예 75)
성형체에 접촉하는 구멍의 내측 하부에 혼합 재료를 추가 충전하는 것 이외에는 실시예 1과 동일한 조작에 의해 복합 재료를 제조하였다(실시예 75). 이 결과, 구멍의 바로 아래에 해당하는 지점에 알루미늄(Al)이 지나치게 함침된 불균일 조직이 형성되는 일 없이, 보다 조직적으로 균질한 복합 재료를 제조할 수 있었다.
(실시예 76∼79)
평균 입자 직경이 약 47 ㎛의 Al2O3 입자, 평균 입자 직경이 약 10 ㎛의 티탄(Ti) 분말 및 용융 함침시키는 알루미늄(Al) 합금(A5052)을 준비하였다. 다음에, 티탄(Ti) 분말과 Al2O3 입자를 (Ti/Al2O3) 체적비의 값이 0.27이 되도록 배합하고, V형 혼합기에 의해 혼합을 행하였다. 혼합에 의해 얻어진 혼합 재료를 도 11에 도시한 바와 같은 그 내부 치수가 길이 100 ㎜×폭 100 ㎜인, 그 내벽에 고밀도 카본으로 이루어진 카본재(22)가 설치된 SUS316제 금형 용기(30)에 혼합 재료를 충전하였다. 그 후, 상기 형상을 따른 형태로 압축성형을 행하여 두께 30 ㎜, 공극율 48.1%의 성형체로 하였다. 다음에, 7개의 구멍(20 ㎜φ) 및 4개의 구멍(10 ㎜φ)을 갖는 고밀도 카본으로 이루어진 덮개 부재를 성형체의 상면에 얹어 놓고, 이들 구멍에 용융한 알루미늄(Al) 합금이 유입되도록 알루미늄(Al) 합금을 배치하였다. 0.013 Pa 이하의 진공 분위기 하에서 800℃까지 가열하여 용융한 알루미늄(Al) 합금을 무가압 함침시켜, 약 1시간 유지한 후에 서서히 냉각하여 복합 재료를 제조하였다(실시예 76). 또한, (Ti/Al2O3) 체적비의 값을 0.18, 0.40, 또는 0.53으로 하는 것 이외에는 실시예 76과 동일한 조작에 의해 복합 재료를 제조하였다(실시예 77∼79). 이 결과, 제조된 복합 재료는 SUS316제 금형 용기(30)를 분해한 후, 카본재(22)로부터 용이하게 떨어져 반응 용기로부터의 이형성이 매우 우수한 것이 판명되었다.
(실시예 80)
도 12에 도시한 바와 같은 길이 100 ㎜×폭 100 ㎜, 바닥부의 형상이 요철 형상인, 그 내벽에 고밀도 카본으로 이루어진 카본재(22)가 설치된 금형 용기(30)를 사용하는 것 이외에는 실시예 78과 동일한 조작에 의해 복합 재료를 제조하였다(실시예 80). 이 결과, 반응 용기로부터의 이형성이 우수한 복잡 형상을 갖는 복합 재료를 제조할 수 있었다.
(실시예 81)
평균 입자 직경이 약 47 ㎛의 Al2O3 입자, 평균 입자 직경이 약 10 ㎛의 티탄(Ti) 분말 및 용융 함침시키는 알루미늄(Al) 합금(A5052)을 준비하였다. 다음에, 티탄(Ti) 분말과 Al2O3 입자를 (Ti/Al2O3) 체적비의 값이 0.27이 되도록 배합하고, V형 혼합기에 의해 혼합을 행하였다. 혼합에 의해 얻어진 혼합 재료를 내경 300 ㎜φ의, 내벽에 고밀도 카본을 설치한 SUS316제 금형 용기에 충전하여, 그 형상을 따른 형태로 압축성형을 행하고, 두께 30 mm, 공극율 48.1%의 성형체로 하였다. 다음에, 61개의 구멍(20 ㎜φ) 및 12개의 구멍(15 ㎜φ)을 갖는 고밀도 카본으로 이루어진 덮개 부재를 성형체의 상면에 얹어 놓고, 외주부의 용기로써 압분체를 고정시킨 구조로 하여, 이들 구멍에 용융한 알루미늄(Al) 합금이 유입되도록 알루미늄(Al) 합금을 배치하였다. 1.3 Pa 이하의 진공 분위기 하에서 600℃, 1시간의 균열화 처리를 행하고, 그 후 800℃로까지 가열하여 용융한 알루미늄(Al) 합금을 무가압 함침시켜, 약 1시간 유지한 후에 서서히 냉각하여 대형의 복합 재료를 제조하였다(실시예 81).
얻어진 300 ㎜φ×30 ㎜의 복합 재료를 임의로 절단하여, 각 절단면을 관찰한 결과, 대강 양호하게 복합 재료화되어 있고, 절단된 어느 한 부분에 있어서도 현저한 기공은 확인되지 않았다. 따라서, 본 발명에 따르면, 고압이 필요한 종래의 제조 프로세스에서는 곤란하던 대형의 복합 재료가 무가압 함침으로 제조 가능한 것을 확인할 수 있었다.
(실시예 82)
도 4에 도시한 바와 같은, 저응력으로 파괴되기 쉬운 재료인 다공성 카본으로 이루어진 환상 부재(15)에 의해 형성된 구멍(10)을 갖는 카본으로 이루어진 덮개 부재(용기 요소(1b))를 이용하는 것 이외에는 실시예 81과 동일한 조작에 의해 복합 재료를 제조하였다(실시예 82).
이 결과, 알루미늄(Al) 용융 함침 후의 서냉시에 구멍의 내측에 잔류하여 수축 저항이 된 알루미늄(Al)이 복합 재료의 열수축에 의해 환상 부재(15)를 파괴하였기 때문에, 얻어진 복합 재료의 구멍 바로 아래에 해당하는 지점에 크랙이 생기는 문제가 발생하는 일이 없었다.
(실시예 83)
도 13에 도시한 바와 같은, 그 내부 치수가 길이 100 ㎜×폭 100 ㎜×깊이 60 ㎜이며, 그 상부에 여러 개의 구멍(10)과, 그 측부에 반응 용기(1)의 상방에서 하방으로 경사진 슬로프형의 탕도(23) 및 탕도(23)에 연결되어 통해진 여러 개의 제2 구멍(20)을 갖는 반응 용기(1)를 사용하는 것 이외에는 실시예 76과 동일한 조작에 의해 복합 재료를 제조하였다(실시예 83). 이 결과, 두께가 두꺼우면서도 그 단부까지 치밀한 미세 구조를 갖는 복합 재료를 제조할 수 있었다.
(실시예 84)
도 14에 도시한 바와 같은 굴곡된 복잡한 내부 형상을 갖는 반응 용기(1)를 사용하는 것 이외에는 실시예 76과 동일한 조작에 의해 복합 재료를 제조하였다(실시예 84). 이 결과, 복잡 형상을 갖는 복합 재료(5)를 제조할 수 있었다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 복합 재료는 소정의 금속 분말과 분산재를 포함하는 혼합 재료를 소정의 반응 용기 속에 충전하여, 이것을 고정한 상태로 소정의 구멍을 경유하여 혼합 재료 내부 공극에 알루미늄(Al)을 용융 함침시키고, 매트릭스 속에 분산재를 분산시켜 이루어지는 것이기 때문에, 간편하게 치밀한 미세 구조가 형성되어 이루어지는 것인 동시에, 제조 비용의 저감이 이루어지고 있는 것이다.
또한, 본 발명의 복합 재료의 제조 방법에 따르면, 소정의 금속 분말과 분산재를 포함하는 혼합 재료를 소정의 반응 용기 속에 충전하여, 이것을 고정한 상태로 소정의 구멍을 경유하여 혼합 재료 내부 공극에 알루미늄(Al)을 용융 함침시키고, 매트릭스 속에 분산재를 분산시켜 이루어지는 복합 재료를 제조하기 위해서, 제조 공정이 삭감되어 있는 동시에, 소망으로 하는 최종 형상, 특히 대형·복잡 형상으로 하는 것이 가능하며, 또한, 치밀한 미세 구조를 갖는 복합 재료를 간편하게 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 복합 재료의 제조 방법의 일례를 설명하는 모식도.
도 2는 종래의 복합 재료의 제조 방법의 일례를 설명하는 모식도.
도 3은 본 발명의 복합 재료의 제조 방법의 다른 예를 설명하는 모식도.
도 4는 본 발명의 복합 재료의 제조 방법의 또 다른 예를 설명하는 모식도.
도 5는 실시예 30의 복합 재료의 마이크로 조직을 도시하는 주사전자현미경 사진(배율×100).
도 6은 실시예 30의 복합 재료의 마이크로 조직을 도시하는 주사전자현미경 사진(배율×500).
도 7은 실시예 34의 복합 재료의 마이크로 조직을 도시하는 주사전자현미경 사진(배율×100).
도 8은 실시예 34의 복합 재료의 마이크로 조직을 도시하는 주사전자현미경 사진(배율×500).
도 9는 비교예 10의 복합 재료의 마이크로 조직을 도시하는 주사전자현미경 사진(배율×100).
도 10은 비교예 10의 복합 재료의 마이크로 조직을 도시하는 주사전자현미경 사진(배율×500).
도 11은 본 발명의 복합 재료의 제조 방법의 또 다른 예를 설명하는 모식도.
도 12는 본 발명의 복합 재료의 제조 방법의 또 다른 예를 설명하는 모식도.
도 13은 본 발명의 복합 재료의 제조 방법의 또 다른 예를 설명하는 모식도.
도 14는 본 발명의 복합 재료의 제조 방법의 또 다른 예를 설명하는 모식도.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
1a, 1b : 용기 요소
1 : 반응 용기
2 : 혼합 재료
3 : 공극
4 : 알루미늄(Al)
5 : 복합 재료
6 : 매트릭스
7 : 분산재
8 : 나사부
10 : 구멍
15 : 환상 부재
20 : 제2 구멍
21 : 외부 삽입체
22 : 카본재
23 : 탕도
24 : 고정용 볼트
25 : 공간 형성 영역
30 : 금형 용기

Claims (40)

  1. 반응 용기 속에, 알루미늄(Al)과 접촉함으로써 자기 연소 반응을 일으킬 수 있는 금속 분말과 분산재를 포함하는 혼합 재료를 충전하는 동시에, 상기 혼합 재료 내부 공극 속에 상기 알루미늄(Al)을 용융 함침시키고, 매트릭스 속에 분산재를 분산시켜 이루어지는 복합 재료를 제조하기 위한 반응 용기로서,
    상기 반응 용기는 2개 이상의 용기 요소로 이루어지고, 상기 용기 요소가 합체됨으로써 상기 혼합 재료가 충전되는 공간을 형성하도록 구성되는데, 상기 혼합 재료를 1개 이상의 상기 용기 요소의 상기 공간을 형성하는 영역(공간 형성 영역) 내에 충전하는 동시에,
    1개 이상의 상기 용기 요소를, 상기 공간 형성 영역 내에 충전된 상기 혼합 재료를 소정의 형상으로 고정한 상태로 합체시키고, 상기 반응 용기의 상부에 형성된 1개 이상의 구멍을 경유하여 상기 혼합 재료 내부 공극 속에 상기 알루미늄(Al)을 용융 함침시키며, 상기 금속 분말과 상기 알루미늄(Al)과의 자기 연소 반응에 의해 알루미나이드 금속간 화합물을 생성시킴으로써 상기 매트릭스 속에 상기 분산재를 분산시켜 복합 재료가 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합 재료를 제조하기 위한 반응 용기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 매트릭스에 포함되는 상기 알루미늄(Al)의 상기 매트릭스 전체에 대한 비율이 60 질량% 이하인 것을 특징으로 하는 복합 재료를 제조하기 위한 반응 용기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 금속 분말은 티탄(Ti), 니켈(Ni) 및 니오븀(Nb)으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종의 금속으로 이루어지는 분말인 것을 특징으로 하는 복합 재료를 제조하기 위한 반응 용기.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 구멍은 응력 완충 효과를 갖는 환상 부재에 의해 형성되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합 재료를 제조하기 위한 반응 용기.
  5. 제3항에 있어서, 상기 구멍은 응력 완충 효과를 갖는 환상 부재에 의해 형성되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합 재료를 제조하기 위한 반응 용기.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 구멍 내측의 하부에 상기 혼합 재료가 충전된 것을 특징으로 하는 복합 재료를 제조하기 위한 반응 용기.
  7. 제3항에 있어서, 상기 구멍 내측의 하부에 상기 혼합 재료가 충전된 것을 특징으로 하는 복합 재료를 제조하기 위한 반응 용기.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 용융 함침된 상기 알루미늄(Al)의 최대 침투 거리(Y)에 대한 상기 구멍 내경(X)의 비의 값(X/Y)이 0.06∼0.5인 것을 특징으로 하는 복합 재료를 제조하기 위한 반응 용기.
  9. 제3항에 있어서, 용융 함침된 상기 알루미늄(Al)의 최대 침투 거리(Y)에 대한 상기 구멍 내경(X)의 비의 값(X/Y)이 0.06∼0.5인 것을 특징으로 하는 복합 재료를 제조하기 위한 반응 용기.
  10. 제4항에 있어서, 용융 함침된 상기 알루미늄(Al)의 최대 침투 거리(Y)에 대한 상기 구멍 내경(X)의 비의 값(X/Y)이 0.06∼0.5인 것을 특징으로 하는 복합 재료를 제조하기 위한 반응 용기.
  11. 제5항에 있어서, 용융 함침된 상기 알루미늄(Al)의 최대 침투 거리(Y)에 대한 상기 구멍 내경(X)의 비의 값(X/Y)이 0.06∼0.5인 것을 특징으로 하는 복합 재료를 제조하기 위한 반응 용기.
  12. 제6항에 있어서, 용융 함침된 상기 알루미늄(Al)의 최대 침투 거리(Y)에 대한 상기 구멍 내경(X)의 비의 값(X/Y)이 0.06∼0.5인 것을 특징으로 하는 복합 재료를 제조하기 위한 반응 용기.
  13. 제7항에 있어서, 용융 함침된 상기 알루미늄(Al)의 최대 침투 거리(Y)에 대한 상기 구멍 내경(X)의 비의 값(X/Y)이 0.06∼0.5인 것을 특징으로 하는 복합 재료를 제조하기 위한 반응 용기.
  14. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 분산재의 상기 복합 재료 전체에 차지하는 비율(체적 비율)이 10∼70 체적%인 것을 특징으로 하는 복합 재료를 제조하기 위한 반응 용기.
  15. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 분산재는 섬유, 입자 및 위스커로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종의 형상을 갖는 무기 재료인 것을 특징으로 하는 복합 재료를 제조하기 위한 반응 용기.
  16. 제15항에 있어서, 상기 무기 재료는 Al2O3, AlN, SiC 및 Si3N4로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종인 것을 특징으로 하는 복합 재료를 제조하기 위한 반응 용기.
  17. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 분산재의 평균 입자 직경에 대한 상기 금속 분말의 평균 입자 직경의 비율(%)이 5∼80%인 것을 특징으로 하는 복합 재료를 제조하기 위한 반응 용기.
  18. 반응 용기 속에, 알루미늄(Al)과 접촉함으로써 자기 연소 반응을 일으킬 수 있는 금속 분말과 분산재를 포함하는 혼합 재료를 충전하는 동시에, 상기 혼합 재료 내부 공극 속에 상기 알루미늄(Al)을 용융 함침시키고, 매트릭스 속에 분산재를 분산시키는 복합 재료의 제조 방법으로서,
    상기 반응 용기로서 2개 이상의 용기 요소로 이루어지고, 상기 용기 요소가 합체됨으로써 상기 혼합 재료가 충전되는 공간을 형성하도록 구성된 반응 용기를 이용하는데,
    상기 혼합 재료를 1 개 이상의 상기 용기 요소의 상기 공간을 형성하는 영역(공간 형성 영역) 내에 충전하는 단계;
    1개 이상의 상기 용기 요소를, 상기 공간 형성 영역 내에 충전된 상기 혼합 재료를 소정의 형상으로 고정한 상태로 합체시키는 단계;
    상기 반응 용기의 상부에 형성된 1 개 이상의 구멍을 경유하여 상기 혼합 재료 내부 공극 속에 상기 알루미늄(Al)을 용융 함침시키는 단계; 및
    상기 금속 분말과 상기 알루미늄(Al)의 자기 연소 반응에 의해 알루미나이드 금속간 화합물을 생성시킴으로써 상기 매트릭스 속에 상기 분산재를 분산시켜 이루어지는 복합 재료를 얻는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 재료의 제조 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 금속 분말은 티탄(Ti), 니켈(Ni) 및 니오븀(Nb)으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종의 금속으로 이루어지는 분말인 것을 특징으로 하는 복합 재료의 제조 방법.
  20. 제18항 또는 제19항에 있어서, 상기 금속 분말이 티탄(Ti) 분말인 경우에,
    용융 함침시키는 상기 알루미늄(Al)과 상기 티탄(Ti) 분말의 질량비(Al:Ti)가 1:0.17∼1:0.57인 것을 특징으로 하는 복합 재료의 제조 방법.
  21. 제18항 또는 제19항에 있어서, 상기 금속 분말이 니켈(Ni) 분말인 경우에,
    용융 함침시키는 상기 알루미늄(Al)과, 상기 니켈(Ni) 분말의 질량비(Al:Ni)가 1:0.20∼1:0.72인 것을 특징으로 하는 복합 재료의 제조 방법.
  22. 제18항 또는 제19항에 있어서, 상기 금속 분말이 니오븀(Nb) 분말인 경우에,
    용융 함침시키는 상기 알루미늄(Al)과, 상기 니오븀(Nb) 분말의 질량비(Al:Nb)가 1:0.27∼1:1.13인 것을 특징으로 하는 복합 재료의 제조 방법.
  23. 제18항 또는 제19항에 있어서, 상기 구멍은 응력 완충 효과를 갖는 환상 부재에 의해 형성되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합 재료의 제조 방법.
  24. 제20항에 있어서, 상기 구멍은 응력 완충 효과를 갖는 환상 부재에 의해 형성되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합 재료의 제조 방법.
  25. 제21항에 있어서, 상기 구멍은 응력 완충 효과를 갖는 환상 부재에 의해 형성되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합 재료의 제조 방법.
  26. 제18항 또는 제19항에 있어서, 상기 혼합 재료를 상기 구멍 내측 하부에 충전하는 것을 특징으로 하는 복합 재료의 제조 방법.
  27. 제20항에 있어서, 상기 혼합 재료를 상기 구멍 내측 하부에 충전하는 것을 특징으로 하는 복합 재료의 제조 방법.
  28. 제21항에 있어서, 상기 혼합 재료를 상기 구멍 내측 하부에 충전하는 것을 특징으로 하는 복합 재료의 제조 방법.
  29. 제18항 또는 제19항에 있어서, 용융 함침시키는 상기 알루미늄(Al)의 최대 침투 거리(Y)에 대한 상기 구멍 내경(X)의 비의 값(X/Y)이 0.06∼0.5인 것을 특징으로 하는 복합 재료의 제조 방법.
  30. 제20항에 있어서, 용융 함침시키는 상기 알루미늄(Al)의 최대 침투 거리(Y)에 대한 상기 구멍 내경(X)의 비의 값(X/Y)이 0.06∼0.5인 것을 특징으로 하는 복합 재료의 제조 방법.
  31. 제21항에 있어서, 용융 함침시키는 상기 알루미늄(Al)의 최대 침투 거리(Y)에 대한 상기 구멍 내경(X)의 비의 값(X/Y)이 0.06∼0.5인 것을 특징으로 하는 복합 재료의 제조 방법.
  32. 제23항에 있어서, 용융 함침시키는 상기 알루미늄(Al)의 최대 침투 거리(Y)에 대한 상기 구멍 내경(X)의 비의 값(X/Y)이 0.06∼0.5인 것을 특징으로 하는 복합 재료의 제조 방법.
  33. 제26항에 있어서, 용융 함침시키는 상기 알루미늄(Al)의 최대 침투 거리(Y)에 대한 상기 구멍 내경(X)의 비의 값(X/Y)이 0.06∼0.5인 것을 특징으로 하는 복합 재료의 제조 방법.
  34. 제18항 또는 제19항에 있어서, 상기 분산재는 섬유, 입자 및 위스커로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종의 형상을 갖는 무기 재료인 것을 특징으로 하는 복합 재료의 제조 방법.
  35. 제34항에 있어서, 상기 무기 재료는 Al2O3, AlN, SiC 및 Si3N4로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종인 것을 특징으로 하는 복합 재료의 제조 방법.
  36. 제18항 또는 제19항에 있어서, 상기 분산재의 평균 입자 직경에 대한 상기 금속 분말의 평균 입자 직경의 비율(%)이 5∼80%인 것을 특징으로 하는 복합 재료의 제조 방법.
  37. 제18항 또는 제19항에 있어서, 상기 반응 용기는 적어도 그 내벽이 카본재에 의해 구성되어 이루어지는 것임을 특징으로 하는 복합 재료의 제조 방법.
  38. 제18항 또는 제19항에 있어서, 상기 반응 용기는, 그 측부에, 상기 반응 용기의 상방에서 하방으로 경사진 슬로프형의 탕도와, 상기 탕도로 연결되어 통해진 1 이상의 제2 구멍을 더 가지며, 상기 구멍과 상기 제2 구멍을 각각 독립적으로 경유하여, 상기 혼합 재료 내부 공극 속에 상기 알루미늄(Al)을 용융 함침시키는 것을 특징으로 하는 복합 재료의 제조 방법.
  39. 제18항 또는 제19항에 있어서, 상기 금속 분말은 티탄(Ti) 분말, 상기 분산재는 AlN, Si 및 Si3N4로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종의 세라믹스로 이루어지는 입자(세라믹스 입자)인 경우에,
    상기 세라믹스 입자의 체적에 대한 상기 티탄(Ti) 분말의 체적비의 값(Ti/세라믹스)과, 상기 반응 용기의 상기 공간의 용적에 대한 상기 공극의 비율(공극률(%))이 아래의 (1)∼(6)에 나타내는 어느 하나의 관계를 만족시키는 것을 특징으로 하는 복합 재료의 제조 방법.
    (1) 0.1≤(Ti/세라믹스)<0.14, 25≤공극률(%)≤60
    (2) 0.14≤(Ti/세라믹스)<0.27, 25≤공극률(%)≤70
    (3) 0.27≤(Ti/세라믹스)<0.53, 25≤공극률(%)≤75
    (4) 0.53≤(Ti/세라믹스)<1, 30≤공극률(%)≤75
    (5) 1≤(Ti/세라믹스)<1.4, 45≤공극률(%)≤80
    (6) 1.4≤(Ti/세라믹스)≤2, 50≤공극률(%)≤80
  40. 제18항 또는 제19항에 있어서, 상기 금속 분말은 티탄(Ti) 분말, 상기 분산재가 Al2O3 입자인 경우에,
    상기 Al2O3 입자의 체적에 대한 상기 티탄(Ti) 분말의 체적비의 값(Ti/Al2O 3)과, 상기 반응 용기의 상기 공간의 용적에 대한 상기 공극의 비율(공극률(%))이 아래의 (7)∼(12)에 나타내는 어느 한 항의 관계를 만족시키는 것을 특징으로 하는 복합 재료의 제조 방법.
    (7) 0.1≤(Ti/Al2O3)<0.14, 25≤공극률(%)≤60
    (8) 0.14≤(Ti/Al2O3)<0.27, 25≤공극률(%)≤70
    (9) 0.27≤(Ti/Al2O3)<0.53, 25≤공극률(%)≤75
    (10) 0.53≤(Ti/Al2O3)<1, 30≤공극률(%)≤75
    (11) 1≤(Ti/Al2O3)<1.4, 45≤공극률(%)≤80
    (12) 1.4≤(Ti/Al2O3)≤2, 50≤공극률(%)≤80
KR10-2002-0072797A 2001-11-22 2002-11-21 복합 재료를 제조하기 위한 반응 용기 및 이를 이용한 복합 재료의 제조 방법 KR100502773B1 (ko)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2001358459 2001-11-22
JPJP-P-2001-00358459 2001-11-22
JP2002327153 2002-11-11
JPJP-P-2002-00327153 2002-11-11

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20030042425A KR20030042425A (ko) 2003-05-28
KR100502773B1 true KR100502773B1 (ko) 2005-07-22

Family

ID=26624674

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR10-2002-0072797A KR100502773B1 (ko) 2001-11-22 2002-11-21 복합 재료를 제조하기 위한 반응 용기 및 이를 이용한 복합 재료의 제조 방법

Country Status (4)

Country Link
US (1) US6916355B2 (ko)
EP (1) EP1314498B1 (ko)
KR (1) KR100502773B1 (ko)
DE (1) DE60229198D1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101537406B1 (ko) * 2013-05-02 2015-07-16 한국기계연구원 고경도 복합재료 및 이의 제조방법

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4579574B2 (ja) * 2004-05-14 2010-11-10 太平洋セメント株式会社 嵌合体の製造方法
US7686904B2 (en) * 2006-10-20 2010-03-30 Honeywell International Inc. Carbon filament ignition of combustion synthesis materials
US8821567B2 (en) 2007-02-22 2014-09-02 Mohsin Saeed Apparatus and method for implantation of a bifurcated endovascular prosthesis
US20080288045A1 (en) * 2007-02-22 2008-11-20 Mohsin Saeed Apparatus and method for implantation of a bifurcated endovascular prosthesis
US8047260B2 (en) * 2008-12-31 2011-11-01 Baker Hughes Incorporated Infiltration methods for forming drill bits
RU2448808C1 (ru) * 2010-10-05 2012-04-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") Способ получения изделия из композиционного материала
RU2578617C2 (ru) * 2014-06-30 2016-03-27 Юлия Васильевна Вихорева Способ получения открытопористого наноструктурного никеля
CN106145773A (zh) * 2015-04-03 2016-11-23 徐林波 一种中空高强度材料及制品的制造方法
RU2733524C1 (ru) * 2019-12-02 2020-10-02 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Самарский государственный технический университет" Способ получения керамико-металлических композиционных материалов
CN116283454A (zh) * 2023-03-30 2023-06-23 中国工程物理研究院化工材料研究所 一种微纳米复合铝粉颗粒、成粒方法及其应用

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07197148A (ja) * 1994-01-10 1995-08-01 Toyota Motor Corp 金属炭化物粒子分散金属基複合材料の製造方法
JPH0881722A (ja) * 1994-09-14 1996-03-26 Suzuki Motor Corp Ｍｇ基部分強化複合部材の製造方法
KR19990045037A (ko) * 1997-11-06 1999-06-25 이데이 노부유끼 질화 알루미늄-알루미늄계 복합재료 및 그 제조방법
KR20000065269A (ko) * 1999-04-01 2000-11-06 정몽규 금속간 화합물로 강화된 복합재료 엔진 피스톤의 제조방법
KR20010064630A (ko) * 1999-12-29 2001-07-09 이계안 자동차 엔진의 피스톤 제조방법
KR20020071286A (ko) * 2001-03-06 2002-09-12 한국기계연구원 용탕함침법에 의한 고부피분율 알루미늄 복합재료 제조용조성물 및 그 복합재료의 제조방법

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0333629B1 (en) 1988-03-15 1993-12-22 Lanxide Technology Company, Lp. Metal matrix composites and techniques for making the same
US5119864A (en) * 1988-11-10 1992-06-09 Lanxide Technology Company, Lp Method of forming a metal matrix composite through the use of a gating means
US5000248A (en) 1988-11-10 1991-03-19 Lanxide Technology Company, Lp Method of modifying the properties of a metal matrix composite body
JP3107563B2 (ja) 1989-10-20 2000-11-13 トヨタ自動車株式会社 金属基複合材料の製造方法
JP2609376B2 (ja) 1991-06-28 1997-05-14 修 山田 金属間化合物およびセラミックスの製造方法
US5366686A (en) * 1993-03-19 1994-11-22 Massachusetts Institute Of Technology, A Massachusetts Corporation Method for producing articles by reactive infiltration
DE19605858A1 (de) 1996-02-16 1997-08-21 Claussen Nils Verfahren zur Herstellung von Al¶2¶O¶3¶-Aluminid-Composites, deren Ausführung und Verwendung
US6723279B1 (en) * 1999-03-15 2004-04-20 Materials And Electrochemical Research (Mer) Corporation Golf club and other structures, and novel methods for making such structures
DE10047384A1 (de) * 2000-02-02 2001-08-09 Nils Claussen Druckgießen von refraktären Metall-Keramik-Verbundwerkstoffen
JP4115682B2 (ja) 2000-05-25 2008-07-09 日本碍子株式会社 金属間化合物基複合材料の製造方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07197148A (ja) * 1994-01-10 1995-08-01 Toyota Motor Corp 金属炭化物粒子分散金属基複合材料の製造方法
JPH0881722A (ja) * 1994-09-14 1996-03-26 Suzuki Motor Corp Ｍｇ基部分強化複合部材の製造方法
KR19990045037A (ko) * 1997-11-06 1999-06-25 이데이 노부유끼 질화 알루미늄-알루미늄계 복합재료 및 그 제조방법
KR20000065269A (ko) * 1999-04-01 2000-11-06 정몽규 금속간 화합물로 강화된 복합재료 엔진 피스톤의 제조방법
KR100318773B1 (ko) * 1999-04-01 2001-12-28 이계안 금속간 화합물로 강화된 복합재료 엔진 피스톤의 제조방법
KR20010064630A (ko) * 1999-12-29 2001-07-09 이계안 자동차 엔진의 피스톤 제조방법
KR20020071286A (ko) * 2001-03-06 2002-09-12 한국기계연구원 용탕함침법에 의한 고부피분율 알루미늄 복합재료 제조용조성물 및 그 복합재료의 제조방법

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101537406B1 (ko) * 2013-05-02 2015-07-16 한국기계연구원 고경도 복합재료 및 이의 제조방법

Also Published As

Publication number Publication date
EP1314498A3 (en) 2005-01-05
DE60229198D1 (de) 2008-11-20
US6916355B2 (en) 2005-07-12
EP1314498A2 (en) 2003-05-28
EP1314498B1 (en) 2008-10-08
KR20030042425A (ko) 2003-05-28
US20030127212A1 (en) 2003-07-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Kota et al. Review on development of metal/ceramic interpenetrating phase composites and critical analysis of their properties
KR970001261B1 (ko) 자가 지지체 제조 방법 및 제조된 복합체
TWI362304B (en) Method for consolidating tough coated hard powders
KR100638228B1 (ko) 다이아몬드 복합체 제조방법 및 이 방법에 의해 제조된복합체
US4689077A (en) Method for manufacturing a reaction-sintered metal/ceramic composite body and metal/ceramic composite body
US7501081B2 (en) Nanostructured titanium monoboride monolithic material and associated methods
JPH09227969A (ja) 金属セラミック複合材料成形体の製造方法、機械製造、装置製造、モータ製造及びタービン製造分野におけるこれからなる構成部材、腐食条件下及び／又は酸化条件下での使用のための部材、及び機械的、電気的及び磁気的機能性材料
NO177583B (no) Framgangsmåte for framstilling av en makrokompositt
KR100502773B1 (ko) 복합 재료를 제조하기 위한 반응 용기 및 이를 이용한 복합 재료의 제조 방법
CN1065792C (zh) 用分散铸造技术制备金属基质复合体的方法
KR101749066B1 (ko) 신개념을 이용한 알루미늄 기지 복합재료의 제조방법 및 이에 의하여 제조된 알루미늄 기지 복합재료
WO1994021407A1 (en) Method for producing articles by reactive infiltration
NO176926B (no) Framgangsmåte for framstilling av en metallmatrisekompositt
CN1042494A (zh) 新型金属基质复合体的热成型方法及其由此生产的产品
CS277570B6 (en) Self-supporting ceramic body and process for preparing thereof
US6517953B1 (en) Metal matrix composite body having a surface of increased machinability and decreased abrasiveness
Soundararajan et al. Processing of mullite–aluminum composites
US6406516B1 (en) Method for making high volume reinforced aluminum composite by use of dipping process
JPH01273659A (ja) 金属マトリックス複合材料体の製造方法
JP2004346368A (ja) 複合材料の製造方法、及び複合材料
US20040202883A1 (en) Metal-ceramic composite material and method for production thereof
JP3834283B2 (ja) 複合材料及びその製造方法
KR102444652B1 (ko) 고체적율 알루미늄 복합재 및 그 제조방법
JP4552103B2 (ja) 窒化珪素コンポジット、及び窒化珪素コンポジットの製造方法
JPH11157965A (ja) 金属−セラミックス複合材料及びその製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20110629

Year of fee payment: 7

LAPS Lapse due to unpaid annual fee