KR101420901B1 - 내화성 세라믹 및 금속의 결합 방법 - Google Patents

내화성 세라믹 및 금속의 결합 방법 Download PDF

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Abstract

금속 콤포넌트(component)의 일 표면의 적어도 제 1 부위에 부착된, 앵커 물질(anchor material)을 포함하는 금속 콤포넌트(component)를 제공하는 단계; 제 1 표면 및 제 2 표면을 갖는 세라믹 물질을 제공하는 단계로서, 상기 세라믹 물질은 상기 제 1 표면에서 상기 제 2 표면으로 확장된 적어도 하나의 도관(conduit)을 한정(define)하며, 여기서 상기 적어도 하나의 도관은 상기 제 1 표면으로 한정(defined)된 제 1 개구말단, 제 2 표면으로 한정된 제 2 개구 말단, 연속 측벽 및 단면 영역을 가지는 단계; 상기 적어도 하나의 도관의 제 1 및/또는 제 2 개구 말단 중 적어도 하나의 적어도 일 부분이 상기 앵커 물질의 적어도 일 부분과 겹침 레지스트레이션(overlying registration) 되도록 상기 세라믹 물질을 배치하는 단계; 및 결합제를 상기 적어도 하나의 도관의 적어도 일 부위에 적용하는 단계를 포함하는 금속 콤포넌트를 세라믹 물질에 기계적으로 결합하는 방법이 개시되어 있다.

Description

내화성 세라믹 및 금속의 결합 방법{METHOD FOR BONDING REFRACTORY CERAMIC AND METAL}
본 발명은 2007년 11월 29일에 출원된 미국 가출원 일련번호 제61/004,648호의 우선권 이익을 주장한다. 상기 문헌의 내용 및 본 명세서에 언급된 공개특허, 등록특허, 및 특허문헌 전체는 참조문헌으로서 본 명세서에 삽입된다.
본 발명은 내화성 세라믹에 관한 것이며, 보다 상세하게는 유리 형성 및/또는 운반 시스템에 사용되는 내화성 세라믹에 관한 것이다.
융합 공정(fusion process)은 시트 유리를 제조하는데 사용되는 기본적인 기술 중의 하나로, 대체 공정, 예컨대 플로트(float) 공정 및 슬롯 드로운(slot drawn) 공정에 의해 제조된 시트유리와 비교하여, 평면성(flatness) 및 평활성(smoothness)이 우수한 표면을 갖는 시트 유리를 제조할 수 있다. 그 결과, 융합 공정은 액정 디스플레이(LCDs)와 같은 발광 디스플레이 제조분야에서 사용되는 유리 기판을 제조하는데 있어서 이용가능하다는 장점이 있다.융합 공정, 특히 오버플로우 다운드로우(overflow downdraw) 융합 공정은 아이소파이프(isopipe)로 알려진 내화성구조체 안에 형성된 수집통(collection trough)에 용융 유리(molten glass)를 제공하는 공급 파이프(supply pipe)를 포함하고 있다. 오버플로우 다운드로우 융합 공정 동안, 용융 유리는 상기 공급 파이프을 통과해 상기 통으로 이동하고, 상기 통 상층부의 양 면으로 넘쳐 흐르며, 그 결과 아래로 흐르다 아이소파이프의 외부 표면을 따라서 내부로 흐르게 되어 2개의 유리 시트가 형성된다.
용융 유리와 접촉하는 유리 형성 및/또는 운반 시스템의 표면은 통상적으로 백금과 같은 귀금속을 포함하고 있다. 유리 공급 파이프 및 다른 콤포넌트(component)의 안정성은 물질 및 설계 기술에 의존될 수 있다. 약 1,000℃ 이상의 작업 온도에 놓여지면, 종래의 물질에 처짐(sag), 크리프(creep), 및/또는 변형이 발생되어, 시스템 및/또는 콤포넌트가 파손될 수 있다.
유리 형성 및/또는 운반 시스템과 관련된 상기 문제점 및 단점, 그리고 유리 성형 및/또는 운반 시스템에 사용되는 콤포넌트를 제조하는 종래의 접근방법을 주목할 필요가 있다. 이러한 요구사항 및 다른 요구사항은 본 발명의 방법 및 제품을 통해 만족된다.
본 발명은 내화성 세라믹에 관한 것이며, 보다 상세히는 유리 형성 및/또는 운반 시스템에 사용되는 내화성 세라믹에 관한 것이다.
제 1 양태에서, 본 발명은 금속 콤포넌트(component)의 일 표면의 적어도 제 1 부위에 부착된 앵커 물질(anchor material)을 포함하는 금속 콤포넌트(component)를 제공하는 단계; 제 1 표면 및 제 2 표면을 갖는 세라믹 물질을 제공하는 단계로서, 상기 세라믹 물질은 상기 제 1 표면에서 상기 제 2 표면으로 확장된 적어도 하나의 도관(conduit)를 한정하며, 여기서 상기 적어도 하나의 도관은 상기 제1 표면으로 한정된 제 1 개구 말단, 제 2 표면으로 한정된 제 2 개구 말단, 연속 측벽 및 단면 영역을 가지고 있는 단계; 상기 적어도 하나의 도관의 제 1 및/또는 제 2 개구 말단 중 적어도 하나의 적어도 일 부분이 상기 앵커 물질의 적어도 일 부분과 겹침 레지스트레이션 되도록 상기 세라믹 물질을 배치하는 단계; 및 결합제를 상기 적어도 하나의 도관의 적어도 일 부위에 적용하는 단계를 포함하는 금속 콤포넌트를 세라믹 물질에 기계적으로 결합시키는 방법을 제공한다.
제 2 양태에서, 본 발명은 상기 기술된 방법에 의해 제조된 제품을 제공한다.
제 3 양태에서 본 발명은 금속 콤포넌트; 상기 금속 콤포넌트의 적어도 일 부위에 부착된 앵커 물질; 및 제 1 표면 및 제 2 표면을 가지는 세라믹 물질로서, 여기서 상기 제 1 및 제 2 표면은 상기 제 1 표면에서 상기 제 2 표면으로 확장된 적어도 하나의 도관(conduit)를 한정하고, 여기서 상기 적어도 하나의 도관은 연속 측벽 및 단면 지역을 가지며, 상기 세라믹 물질은 상기 금속 콤포넌트의 외부면의 적어도 일 부위에 배치되어, 상기 앵커 물질의 적어도 일 부분과 겹침 레지스트레이션 되는 세라믹 물질을 포함하는 제품으로서, 여기서 상기 적어도 하나의 도관의 적어도 일 부위는 결합제를 포함하고, 여기서 상기 앵커 물질의 적어도 일 부위는 상기 결합제의 적어도 일 부위에서 실질적으로 임베드(embedded)되는 것인 제품을 제공한다.
수반된 도면은 본 명세서에 삽입 및 그 일부를 구성하면서 본 발명의 특정 양태를 도시하는 것으로, 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 제한함 없이 설명하고 있다. 도면 전체에 걸쳐 동일한 숫자는 동일한 요소를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 다양한 양태에 따른 메시 패치(mesh patches)가 용접(welded)된 금속 콤포넌트 및 다공성 클램셀(holey clam shell)을 개략적으로 보여주는 분리도이다.
도 2는 본 발명의 다양한 양태에 따른 다공성 클램셀(holey clam shell)을 개략적으로 보여주는 조립도이다.
도 3은 본 발명의 다양한 양태에 따른 다공성 클램셀 콤포넌트 및 복수의 캐스팅 홀(casting holes)을 개략적으로 보여주는 평면도로서, 메시 패치(mesh patches) 및 열가소성 용접 패드(welding pad)가 보여진다.
도 4는 본 발명의 다양한 양태에 따른, 개별 캐스팅 홀의 단면도로서, 금속 콤포넌트 및 클램셀 콤포넌트를 기계적으로 함께 결합한, 캐스터블(castable) 리벳 형상의 세라믹이 도시되어 있다.
도 5는 본 발명의 다양한 양태에 따른, 다른 구조의 분해 조립도로서, 2개의 평탄 다공성 플레이트가 각각 금속 콤포넌트의 반대측에 위치하고 있다.
본 발명은 하기의 상세한 설명, 도면, 실시예 및 청구항, 그리고 앞에 기술한 설명 및 아래의 설명을 참조함으로써 보다 용이하게 이해될 수 있다. 그러나, 본 발명의 조성물, 제품, 기기 및 방법을 개시 및 기술하기에 앞서서, 본 발명은 달리 특정되지 않는한 개시된 특정 조성물, 제품, 기기 및 방법에 제한되는 것이 아님을 이해하여야 한다(물론 이들은 다양할 수 있다). 또한 본 명세서에서 사용된 용어는 오직 특정 양태를 설명하기 위한 목적을 가지는 것으로, 한정하고자 한 것이 아님을 이해하여야 한다.
본 발명의 하기의 설명은 현재까지 알려진 양태에 따라 본 발명을 이해시키고자 제공한 것이다. 결국, 관련 분야에서 기술을 가진자는 본 발명에 의한 유리한 결과들을 계속 보유하면서도 다양한 변화들이 명세서에서 기술된 본 발명의 다양한 측면에 따라 얻어질 수 있음을 인식 및 이해하여야 한다. 또한, 본 발명의 원하는 이점 중 일부는 다른 특징들을 이용하지 않고 본 발명의 일부 특징을 선택함으로써 얻어질 수 있다는 사실은 자명할 것이다. 따라서, 당업계에서 종사하는 자는 본 발명에는 수많은 변경(modifications) 및 채택(adaptations)이 가능하다는 사실, 특정 환경에서는 이것이 보다 바람직하다는 사실 및 이는 본 발명의 일부일 수 있다는 사실을 인식할 수 있을 것이다. 따라서, 하기의 기술은 본 발명의 원리를 설명하고자 제공된 것으로, 이를 제한하는 것은 아니다.
사용될 수 있거나, 결합하여 사용될 수 있거나, 제조하는데 있어 사용될 수 있는 물질, 합성물, 조성물 및 콤포넌트, 또는 개시된 방법 및 조성물의 제품들이 개시되어 있다. 상기 물질 및 다른 물질이 본 명세서에 개시되어 있다. 그리고 이들 물질의 조합(combination), 서브셋(subset), 상호작용(interaction), 그룹(group)등이 개시되는 경우, 비록 각각의 다양한 개별적 및 집합적 조합들의 특정 관계(reference) 및 이러한 화합물들의 치환(permutation)들이 명백하게 개시되지는 않더라도, 각각은 특히 본 명세서에서 고려되고 기술되어 있음을 이해하여야 한다. 따라서, 치환기 D, E 및 F 클래스 뿐만아니라, 치환기 A, B 및 C 클래스가 개시되어 있고, 조합의 예시인 A-D가 개시되어 있다면, 각각은 개별적이고, 집합적으로 고려된다. 따라서, 상기 예의 경우 A, B, 및 C; D, E, 및 F; 및 예시 조합인 A-D의 개시로부터 조합 A-E, A-F, B-D, B-E, B-F, C-D, C-E, 및 C-F의 각각들이 특징적으로 고려되고, 개시된 것으로 여겨져야 한다. 이와같이, 이들의 하부 또는 조합들도 특징적으로 고려되어야 하며, 개시된 것이다. 따라서, 예를들면, 개시된 A, B, 및 C; D, E, 및 F; 및 예시 조합인 A-D로부터 하부-그룹 A-E, B-F, 및 C-E가 특히 고려되고, 개시된 것으로 여겨져야 한다. 이러한 개념은 상기 조성물의 특정 콤포넌트, 그리고 상기 개시된 조성물을 제조 및 이용하는 방법 내의 단계를 포함하는 모든 측면에 적용되어야 하나 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 수행될 수 있는 다양한 추가적인 단계들이 있다면, 이러한 추가적인 단계들 각각은 개시된 방법의 특정 측면 또는 특정 조합과 함께 수행될 수 있음을 이해하여야 하며, 이들 각각의 조합은 특히 고려되고 개시된 것으로 여겨져야 함을 이해하여야 한다.
본 상세한 설명 및 아래의 청구항에서 사용된 수많은 용어는 다음과 같은 의미를 갖는다:
본 명세서에서 사용한 것처럼 단일 형태 "a", "an" 및 "the"에는 내용에서 달리 명시하지 않는 한, 복수의 지시대상을 포함한다. 따라서 예를들어 "콤포넌트(a component)"와 관련하여, 이는 내용에서 달리 명시하지 않는 한 2개 이상의 상기 콤포넌트를 갖는 양태를 포함하고 있다.
"임의의(optional)" 또는 "임의로(optionally)"는 이후 설명될 사건 또는 환경이 발생할 수도, 발생하지 않을 수도 있음을 의미하며, 이와같은 표현에는 사건 또는 환경이 발생하는 경우 및 발생하지 않는 경우를 포함하고 있다. 예를들어, "임의의 치환 콤포넌트"에는 콤포넌트가 치환될 수도, 치환되지 않을 수도 있음을 의미하는 것으로, 이와같은 설명에는 본 발명의 비치환 및 치환 양태를 모두 포함하고 있다.
범위는 "약" 특정 수치로부터 및/또는 "약" 다른 특정 수치까지로 표현될 수 있다. 이와같은 범위가 표현되는 경우, 다른 양태에는 하나의 특정 수치로부터 및/또는 다른 특정 수치까지를 포함한다. 유사하게, 수치가 대략적으로 표현되는 경우, 앞의 "약"의 사용에 의해, 특정 수치는 다른 측면을 형성함을 이해할 것이다. 상기 범위의 각각의 종점(endpoint)은 다른 종점과 관련하여 중요할 뿐만 아니라, 다른 종점과는 독립적으로도 중요함을 이해할 것이다.
본 명세서에서 사용된 한 콤포넌트의 "중량 %" 또는 "중량 퍼센트" 또는 "중량에 의한 퍼센트"는 특히 달리 언급되지 않는 한, 상기 콤포넌트의 질량 대 상기 콤포넌트가 포함된 조성물 총 중량 비를 퍼센트로 표현한 것을 의미한다.
앞에서 도면과 관련하여 간략히 소개하였 듯이, 본 발명은 예컨대, 유리 형성 시스템의 운반 파이프에서 금속 콤포넌트와 세라믹 물질을 기계적으로 결합하는 방법을 제공한다. 하기에서 도면과 관련하여 상세히 기술된 다른 양태 중에서, 본 방법은 금속 콤포넌트(20) 및 세라믹 물질(50)간에 기계적으로 강한 결합을 제공하기 위한, 유리 콤포넌트(20), 세라믹 물질(50), 및 예컨대 금속 메스(43)과 같은 앵커 물질 또는 복수의 금속 입자(32)의 사용을 포함한다.
본 발명의 방법을 특정 응용에 제한하고자 의도한 것은 아니나, 본 발명의 방법은 유리 형성 및/또는 운반 시스템의 콤포넌트의 처짐을 감소 및/또는 제거하는데 사용될 수 있다. 유리 형성 및/또는 운반 시스템에서 사용되는 종래의 물질은 작동 온도에서의 기계적 강도가 통상적으로 콤포넌트 자체의 하중을 충분히 지탱할 수 없기에, 사용 중에 실질적으로 처짐이 발생할 수 있다. 본 발명은 앵커물질을 사용하여 세라믹 물질을 금속 콤포넌트에 결합시키는데 도움을 줌으로써 유리 형성 및/또는 운반 콤포넌트의 강성 및 내구성을 향상시키는 방법을 제공한다.
본 발명은 세라믹 물질을 금속과 기계적으로 결합시키는 신규의 접근방법을 제공한다. 본 발명은 앵커 물질을 금속 콤포넌트에 부착한 후, 세라믹 물질이 금속 콤포넌트의 위 또는 그 부근에 위치하도록 부착시키는 방법을 제공한다. 세라믹 물질은 결합제를 세라믹 물질의 하나 이상의 홀 또는 도관(conduits)에 넣어 금속 콤포넌트와 부착될 수 있으며, 여기서 결합제의 적어도 일 부분은 금속 콤포넌트 위의 앵커 물질과 기계적으로 결합된다. 세라믹 물질은 금속 콤포넌트를 지지함으로써, 그 결과 금속 콤포넌트의 사용 수명을 연장시킬 수 있고, 보다 얇은 금속 콤포넌트를 사용할 수 있도록 한다. 유리 형성 시스템처럼 금속 콤포넌트가 귀금속을 포함하는 경우, 보다 얇은 금속 콤포넌트를 사용하게되면 비용을 상당히 절감시킬 수 있다.
세라믹 물질
본 발명의 세라믹 물질은 금속 콤포넌트와 결합하는데 적절한 모든 세라믹 물질일 수 있다. 세라믹 물질은 ZrO2, SiO2, CaO, MgO, Al2O3, 다른 내화성 산화물, 및/또는 이들의 혼합물과 같은 내화성 물질을 포함할 수 있다. 세라믹 물질은 다양한 조성물, 입자 크기, 및 상(phase)을 갖는 개별 또는 복수의 세라믹 물질을 포함할 수 있다. 세라믹 물질은 또한 첨가제 및/또는 소결조제를 포함할 수도 있다. 일 양태에서, 세라믹 물질은 종래의 유리 형성 및/또는 운반 시스템과 호환성이 있다. 다양한 양태에서, 세라믹 물질은 유리 형성 및/또는 운반 시스템의 통상 온도, 예컨대 최대 약 1,400, 1,450, 1,500, 1,600, 1,650, 또는 1,700℃ 또는 그 이상의 온도를 견딜 수 있다. 세라믹 물질은 상업적으로 구입가능하며, 당업계에서 기술을 가진 자는 특정 제품 및/또는 응용에서 사용하는데 적절한 세라믹 물질을 용이하게 선택할 수 있다. 일 양태에서, 세라믹 물질은 엠하트 유리 제조사(Emhart Glass Manufacturing, Inc., Enfield, Connecticut, USA.)로부터 구입가능한 고 밀도, 고 순도 알루미나 또는 지르코니아와 같은 알루미나 및/또는 지르코니아 물질을 포함한다.
본 발명의 세라믹 물질은 동일 또는 다른 개별 세라믹 물질을 하나 또는 복수 조각(piece)을 포함할 수 있다. 복수 조각(multiple piece)을 사용하는 경우, 각각의 개별 조각은 복수-층의 셀 (shell)을 형성하도록 다른 조각 근처에 정렬되거나, 다른 조각과 일부 또는 완전히 겹침 레지스트레이션(overlying registration)을 형성하도록 배열될 수 있다.
일 양태에서, 세라믹 물질은 의도된 응용의 작동온도에서 변형 및/또는 처짐을 충분히 견딜 수 있는 물질 강도를 가지고 있다. 예를들어, 유리 운반 시스템에서 사용되는 세라믹 물질은 크리프 또는 처짐 없이 약 1,400℃ 이상의 온도에서 저항하기에 적당한 강도를 가져야 한다.
세라믹 물질은 의도된 사용에 적당한 모든 형태 및/또는 형상으로 제공될 수 있다. 일 양태에서, 세라믹 물질은 평탄 플레이트와 같은 시트 제품이다. 상기 하나 이상의 플레이트는 예컨대 구조적인 지지를 제공하기 위하여 금속 콤포넌트의 하나 이상의 표면에 부착될 수 있다. 일 양태에서, 세라믹 물질을 포함하는 단일 플레이트가 금속 콤포넌트의 하나의 표면에 배치 및 부착된다. 다른 양태에서 2개 이상의 플레이트가 금속 콤포넌트의 다양한 표면에 배치 및 부착된다. 플레이트와 같은 2개 이상의 세라믹 물질 조각이 동일한 외형(geometry) 및/또는 조성물을 가질 필요는 없으며, 동일 및 다양한 외형 및 조성물 모두를 갖는 양태가 본 발명의 일부로 포함되는 것으로 의도된다. 특정 실시예에서, 금속 콤포넌트는 플렉시블 튜브(flexible tube)이며, 2개의 세라믹 플레이트가 플렉시블 금속 튜브의 반대 외부면에 배치 및 부착된다.
다른 양태에서, 세라믹 물질은 예컨대, 하나 이상의 세라믹 물질 조각의 내부 치수가 이들이 부착되는 금속 콤포넌트의 외부 치수의 윤곽(profile)과 매치되도록, 미리 정해진 형상으로 형성된 하나 이상의 세라믹 물질 조각이다. 특정 양태에서, 세라믹 물질은 도 1, 2, 3에 도시된 바와 같이, 플렉시블 금속 튜브 주위에 클램 셀(clam shell)을 형성하는 하나 이상의 조각을 포함한다. 상기 특정 양태에서, 세라믹 물질의 각 개별 조각은 클램 셀 구조의 상단 반 또는 하단 반을 형성할 수 있다. 상기의 양태에서, 각각의 개별 조각은 예컨대, 약 6 인치 내지 약 36 인치의 다양한 길이를 가질 수 있다. 일 특정 양태에서, 각 개별 조각은 약 12 인치 길이이다.
세라믹 물질의 두께는 의도된 응용에 적당한 두께일 수 있으며, 예컨대 상기 물질이 노출되는 작동온도, 크리프 강성, 및 물질의 형상 및 외형 구조와 같은 요인에 따라 다양할 수 있다. 다양한 양태에서, 세라믹 물질의 두께는 약 0.25 인치 내지 약 4 인치의 범위인, 예컨대 약 0.25, 0.35, 0.4, 0.5, 0.55, 0.6, 0.75, 0.8, 0.9, 0.95, 1, 1.25, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5, 또는 4 인치의 범위를 가질 수 있다. 특정 양태에서, 세라믹 물질의 두께는 약 0.5인치이다. 다른 양태에서, 세라믹 물질의 두께는 0.25 인치 미만 또는 약 4 인치 초과이며, 본 발명은 특정 두께에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 세라믹 물질(50) 또는 그 개별 조각 모두는 제 1 표면에서 제 2 표면으로 확장되는 하나 이상의 홀(hole)(52)을 가질 수 있다. 상기 홀은 세라믹 물질에 의해 한정된 도관(52)으로 기술될 수 있으며, 하나 이상의 각 도관은 세라믹 물질의 제 1 표면에 의해 한정(defined)된 제 1 개구말단(open end), 세라믹 물질의 제 2표면에 의해 한정(defined)된 제 2 개구말단을 가진다. 하나 이상의 도관 각각은 연속 측벽 및 단면 영역을 가진다. 2개 이상의 도관은, 존재시, 동일하게 다른 크기, 형상, 윤곽, 및/또는 단면 영역을 가질 수 있다.
일 양태에서, 세라믹 물질의 주어진 조각은 상기 홀 또는 도관이 전혀 없는 평평한 고체 물질로 제공될 수 있거나, 예컨대 세라믹 물질을 주조 또는 형성하는 동안에 미리-형성된, 하나 이상의 홀 또는 도관이 있는 세라믹 물질로 제공될 수 있다(도 5). 홀 또는 도관은 도관의 적어도 일부가 금속 콤포넌트(20)에 부착된 앵커 물질의 적어도 일부와 정렬되고, 이에 세라믹 물질이 고정될 수 있도록 미리 정해진 지점에 배치될 수 있다. 세라믹 물질을 금속 콤포넌트에 확고하게 부착하는 도관이 없거나, 확고히 부착하기에 불충분한 도관을 가지는 경우, 하나 이상의 도관은 예컨대, 세라믹 물질의 제 1표면에서 제 2 표면으로 확장되는 홀을 드릴링(drilling)하여 생성될 수 있다.
세라믹 물질 안의 하나 이상의 도관의 크기 및 윤곽은 다른 도관과 동일하거나 다를 수 있다. 일 양태에서, 세라믹 물질 안의 복수의 도관 모두는 동일하거나 실질적으로 동일한 크기이며, 동일하거나 실질적으로 동일한 측벽 윤곽을 가지고 있다. 다른 양태에서, 2개 이상의 도관은 다른 크기 및/또는 다른 측벽 윤곽을 가지고 있다. 다양한 양태에서, 하나 이상의 도관의 직경은 약 0.75 인치 내지 약 1 인치인, 예컨대 약 0.75, 0.8, 0.85, 0.9, 0.95, 또는 1 인치일 수 있다. 다른 양태에서, 하나 이상의 도관의 직경은 약 0.75 인치 미만 또는 약 1 인치 초과일 수 있으며, 본 발명은 특정 직경에 한정되는 것으로 의도되지 않는다.
하나 이상의 도관의 측벽 윤곽은 세라믹 물질이 금속 콤포넌트 및 이에 부착된 앵커 물질과 정렬되는 경우, 결합제가 도관의 적어도 일 부분에 적용될 수 있어, 앵커 물질의 적어도 일 부분을 통과 및/또는 주변으로 흐를 수 있도록 하며, 경화(cured) 및/또는 고화(solidified)되는 경우 세라믹 물질을 금속 콤포넌트에 부착시켜 기계적 결합을 제공하는데 적절한 구조일 수 있다. 다양한 양태에서, 하나 이상의 도관의 측벽 윤곽은 직선, 곡선, 각진형(angled) 또는 계단형일 수 있다. 일 양태에서 하나 이상의 도관의 측벽 윤곽은 직선이다. 다른 양태에서, 도관의 측벽 프로파일은 모따기형(chamgered)이다. 다른 양태에서 도관의 측벽 윤곽은 덤벨(dumbbell) 형상이다.
또 다른 양태에서, 하나 이상의 도관의 측벽 윤곽은 계단형으로, 제 1 표면 및/또는 제 2 표면의 단면 영역은 도 4에 도시된 바와 같이, 도관의 다른 지점에서의 단면영역보다 크다. 특정 양태에서, 제 1 표면 및 제 2 표면에서의 도관의 단면영역은 도관 중앙의 단면영역보다 크다. 이와같은 측벽 윤곽은 예컨대 제 1 표면 및/또는 제 2 표면 중 한 지점에서 도관의 축과 정렬되고, 도관보다 큰 직경을 가지는, 카운터보어(counterbore)를 드릴링하여 얻을 수 있다.
하나 이상의 도관의 측벽 윤곽은 결합제를 경화 및/또는 소성하면, 리벳 형체의 결합제가 그 지점서 형성될 수 있는 구조를 가지는 것이 바람직하다. 이러한 맞물림 연결(interlocking connection)은 금속 콤포넌트 및 세라믹 콤포넌트 간에 보다 단단한 맞춤을 야기할 수 있다.
금속 콤포넌트
본 발명의 금속 콤포넌트(20)는 세라믹 물질을 기계적으로 결합시키는데 적당한 모든 콤포넌트일 수 있다. 본 명세서에 기술된 양태가 유리 형성 및/또는 운반 시스템에 관한 것이나, 본 발명은 금속 콤포넌트가 세라믹 물질에 기계적으로 결합할 수 있는 모든 응용에 유용할 수 있으며, 본 발명은 유리 형성 및/또는 운반 시스템에 한정되도록 의도되지 않는다. 금속 콤포넌트는, 일 양태에서, 유리 형성 시스템에서 통상적으로 고온에 노출시 변형되는 금속 콤포넌트이다. 일 양태에서, 금속 콤포넌트는 유리 형성 시스템의 일부이다. 특정 양태에서 금속 콤포넌트는 유리 운반 파이프의 금속 부분이다. 다른 양태에서, 금속 콤포넌트는 유리 형성 및/또는 운반 시스템의 일부로 설계될 수 있는 시트와 같은 콤포넌트이다. 금속 콤포넌트의 특정 치수 및/또는 외형은 의도된 응용에 따라 다양할 수 있다. 일 양태에서, 금속 콤포넌트는 약 0.010 인치 두께 내지 약 0.125 인치 두께 또는 그 이상으로, 예컨대 약 0.01, 0.015, 0.02, 0.025, 0.03, 0.035, 0.04, 0.05, 0.06, 0.08, 0.9, 0.1, 또는 0.125 인치 두께일 수 있다. 특정 일 양태에서, 금속 콤포넌트는 약 0.040 인치 두께일 수 있다. 다른 양태에서, 금속 콤포넌트는 약 0.010 인치 두께일 수 있다. 다른 다양한 양태에서, 금속 콤포넌트는 0.010 인치보다 얇거나 0.125 인치 두께보다 두꺼울 수 있으며, 본 발명은 특정 두께에 한정되도록 의도되지 않는다. 하나 이상의 금속 콤포넌트의 두께는 다양할 수 있고, 개별 금속 콤포넌트의 두께는 금속 콤포넌트의 다양한 부분에서 다양할 수 있다.
금속 콤포넌트의 특정 형태는 예컨대, 튜브 또는 시트처럼 의도된 응용에 적당한 모든 형태일 수 있다. 일 양태에서 금속 콤포넌트는 튜브이다. 특정 양태에서 금속 콤포넌트는 본 명세서에서 기술된 것처럼 금속 시트로부터 형성된 튜브이다. 상기 튜브는 튜브가 형성되도록 금속 시트의 모서리를 시임 용접(seam welding)하여 제조될 수 있다. 튜브 단면의 특정 외형 및/또는 형상은 다양할 수 있으며, 본 발명은 특정 외형에 한정되도록 의도되지 않는다. 일 양태에서 튜브는 플렉시블하며, 그 안에 흐르는 하나 이상 유체의 부피가 변함에 따라 형상이 이동 및/또는 변화될 수 있다.
본 발명의 금속 콤포넌트는 예컨대, 유리 형성 시스템과 같은 의도된 응용에서 사용하는데 적당한 금속 모두를 포함할 수 있다. 다양한 양태에서, 금소 콤포넌트는 적어도 하나의 귀금속 및/또는 귀금속 합금, 적어도 하나의 백금족 금속 및/또는 백금족 금속 합금, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 일 양태에서, 금속 콤포넌트는 금, 은, 탄탈륨, 백금, 팔라듐, 또는 로듐과 같은 귀금속을 포함한다. 다른 양태에서, 금속 콤포넌트는 예컨대, 루테늄, 로듐, 백금, 팔라듐, 오스뮴, 또는 이리듐과 같은 백금족 금속을 포함한다. 다른 양태에서, 금속 콤포넌트는 적어도 하나의 내화성 금속, 예컨대 텅스텐, 몰리브데늄, 니오븀, 탄탈륨, 레늄, 및 이들의 합금을 포함할 수 있다. 다양한 특정 양태에서, 금속 콤포넌트는 백금 및/또는 90/10 중량% 또는 80/20 중량% 백금/로듐 합금과 같은 백금/로듐 합금을 포함한다. 금속 콤포넌트 및 금속 콤포넌트를 제조하는 물질은 상업적으로 구입가능하며, 당업계에서 기술을 가진 자는 적절한 금속 콤포넌트를 용이하게 선택할 수 있다.
앵커 물질
본 발명의 앵커 물질은 금속 콤포넌트의 적어도 일부분에 부착되어, 결합제의 적어도 일부분과 기계적 결합을 형성할 수 있는 표면을 제공할 수 있다. 본 발명의 앵커 물질은 금속/세라믹 결합 응용에서의 사용에 적절하며, 금속 콤포넌트에 부착할 수 있는 모든 물질일 수 있다. 앵커 물질은 금속 콤포넌트에 부착하여, 이에 부착된 결합제와 기계적 결합을 형성할 수 있는 외형 모두를 포함할 수 있다. 일 양태에서, 앵커 물질은 임베드(embeded)되거나, 결합제(60)의 적어도 일 부분과 맞물린다. 앵커 물질은 예컨대, 금속 메시(34), 복수의 금속 입자, 시트 금속 구조, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
일 양태에서, 앵커 물질은 금속 메시와 같은 메시이다. 금속 메시 앵커 물질은 결합제가 통과해 흐를 수 있는 다수의 개구(opening)를 가질 수 있다. 결합제는, 일 양태에서, 개구의 적어도 일부를 채우고, 고화하여, 금속 콤포넌트 및 고화 결합제 사이에 기계적 결합을 형성할 수 있다. 금속 메시 앵커 물질은 금속 콤포넌트에 부착할 수 있고, 결합제의 적어도 일부를 흡장(occulding)할 수 있는 금속 메시 모두를 포함할 수 있다. 다양한 양태에서, 금속 메시는 예컨대 약 3 메시 내지 약 80 메시, 예컨대 약 3, 4, 5, 8, 10, 12, 14, 18, 20, 22, 24, 28, 30, 36, 40, 44, 48, 50, 52, 56, 58, 60, 62, 64, 68, 70, 72, 74, 76, 78, 또는 80 메시; 약 10 내지 약 40 메시, 예컨대, 약 10, 12, 14, 18, 20, 22, 24 28, 30, 32, 34, 36, 38, 또는 40 메시; 또는 약 10 내지 약 25 메시, 예컨대, 10, 12, 14, 18, 20, 22, 24, 또는 25 메시의 메시 크기를 가질 수 있다. 본 명세서에서 사용된 용어 “메시 크기(mesh size)”는 물질의 선형 인치당 개구의 수를 의미하는 것으로 의도된다. 일 양태에서, 금속 메시는 20 메시 스크린(mesh screen)이다. 다른 양태에서, 메시 금속은 10 메시 스크린이다. 다양한 다른 양태에서, 금속 매시는 3 미만 또는 80 초과의 메시 크기를 가질 수 있으며, 본 발명은 메시 금속이 결합제가 이를 통과해 흐르거나, 메시 개구의 적어도 일부분을 채우고, 고화하여, 기계적 결합을 형성할 수 있다면 특정 메시 크기에 한정되도록 의도되지는 않는다. 일 양태에서, 앵커 물질은 결합제의 적어도 일부분에 임베드되거나 또는 실질적으로 임베드될 수 있다.
다양한 양태에서, 금속 메시는 예컨대 약 0.003 인치 내지 약 0.060 인치, 예컨대, 약 0.003, 0.006, 0.009, 0.012, 0.015, 0.018, 0.020, 0.025, 0.030, 0.036, 0.040, 0.044, 0.050, 0.058, 또는 0.060 인치; 또는 약 0.005 인치 내지 약 0.020 인치, 예컨대, 약 0.005, 0.008, 0.010, 0.012, 0.018, 또는 0.020 인치의 공칭 직경(nominal diameter)을 가지는 와이어(wire)를 포함할 수 있다. 일 양태에서, 금속 메시는 0.008 인치의 공칭 직경을 가지는 와이어를 포함한다. 다른 양태에서, 금속 메시는 0.010 인치의 공칭 직경을 가지는 와이어를 포함한다. 다양한 다른 양태에서, 금속 메시는 0.03 인치 미만 또는 0.020 인치 초과의 공칭 직경을 가지는 와이어를 포함하며, 본 발명은 특정 와이어 직경에 한정되도록 의도되는 것은 아니다. 금속 메시는 예컨대 직조(woven), 직물(knitted), 또는 다른 물리적 형태일 수 있고, 본 발명은 금속 메시의 특정 형태에 한정되는 것은 아니다. 일 양태에서 금속은 직조된다. 예컨대, 금속 메시의 크기는 금속 메시가 결합제로 하여금 메시 개구의 적어도 일부를 통과해 흐르고 및/또는 채우고, 고화하여 기계적 결합을 형성할 수 있는 한, 원하는 제품 및 결합제의 성질(예, 유변학적 특성(rheological properties))에 따라서 다양할 수 있다. 일 양태에서, 금속 메시는 이에 적용된 결합제의 적어도 일부분과 맞물리거나 임베드될 수 있다. 다른 양태에서, 결합제의 적어도 일부분이 메시 개구의 적어도 일 부분을 통과해 흐르고 및/또는 충분히 낮은 점도를 갖는 유체 결합제(fluid bonding agent)를 사용하는 경우, 작은 메시 크기를 지닌 금속 메시가 이용된다. 다른 양태에서, 보다 큰 점도의 결합제를 사용하는 경우, 보다 큰 메시 크기를 지닌 금속 메시가 이용된다. 금속 메시의 메시 크기 및 와이어 직경은 예컨대, 작동 조건 하에서의 특정 응력에 저항할 수 있도록 선택될 수 있다.
본 발명의 앵커 물질은 금속 콤포넌트에 부착될 수 있는 금속 입자를 포함할 수 있다. 앵커 물질은 금속 콤포넌트의 일 표면의 적어도 일부분에 분산된 복수의 금속 입자를 포함할 수 있다. 앵커 물질이 금속 입자를 포함하는 경우, 앵커 물질의 금속 입자는 규칙, 비규칙 및/또는 다양한 형상을 가질 수 있다. 금속 입자가 특정 형상을 가지거나, 모든 금속 입자가 동일한 형상을 가질 필요는 없다. 복수의 금속 입자의 적어도 일부분은, 존재시, 이에 적용된 결합제를 기계적으로 결합시킬 수 있는 형상을 가지는 것이 바람직하다. 일 양태에서, 결합제가 복수의 금속 입자의 적어도 일부분 주위를 흐르고, 고화하여, 기계적 결합을 형성할 수 있도록 복수의 금속입자가 부착 및 배치된다. 다른 양태에서, 복수의 금속 입자는 이에 적용되는 결합제와 맞물리거나 흡장(occlude)할 수 있다. 다양한 양태에서, 앵커 물질의 금속 입자는 예컨대 약 0.003 인치 내지 약 0.060 인치, 예컨대, 약 0.003, 0.006, 0.009, 0.012, 0.015, 0.018, 0.020, 0.024, 0.030, 0.036, 0.040, 0.048, 0.050, 0.052, 또는 0.060 인치; 또는 약 0.008 내지 약 0.020 인치, 예컨대, 약 0.008, 0.012, 0.014, 0.016, 0.018, 또는 0.020 인치의 직경을 가질 수 있다. 일 양태에서 금속 입자는 약 0.016 인치의 직경을 가진다. 다른 양태에서, 금속 입자는 약 0.020 인치의 직경을 가진다. 다양한 다른 양태에서, 금속 입자는 0.003 인치 미만 또는 0.020 인치 초과의 직경을 가질 수 있다. 본 명세서에서 사용된 용어 “직경(diameter)”은 예컨대, 금속 입자의 평균 직경을 의미한다. 금속 입자의 크기 및 형상은 다양할 수 있고, 통상적으로 분포 성질이 있음을 이해하여야 한다. 예컨대 입자 크기의 분포에 있어서, 분포범위의 말단은 상기 범위, 그 위 또는 그 아래일 수 있다. 따라서,일 양태에서 금속 입자는 약 0.020 인치의 평균 직경을 가지며, 약 0.015 인치 내지 약 0.025 인치의 범위일 수 있다.
본 발명의 앵커 물질은 시트 금속 구조를 포함할 수 있다. 시트 금속 구조는 예컨대, 금속 콤포넌트에 부착될 수 있고, 결합제를 수용 및 맞물릴 수 있는 파형(corrugated) 금속 조각 또는 형성된 금속 조각을 포함할 수 있다. 일 양태에서 시트 금속 구조는 결합제가 이의 적어도 일부분을 통과해, 주변에, 및/또는 위로 흐르고, 고화하여, 기계적 결합을 형성할 수 있도록 디자인 및 배치된다.
본 발명의 앵커 물질은 예컨대, 유리 형성 시스템과 같은 의도된 응용에 이용되는데 적당한 금속 모두를 포함할 수 있다. 다양한 양태에서, 앵커 물질은 적어도 하나의 귀금속 및/또는 귀금속 합금, 적어도 하나의 백금족 금속 및/또는 백금족 금속 합금, 적어도 하나의 내화성 금속 및/또는 내화성 금속 합금, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 일 양태에서, 앵커 물질은 금, 은, 탄탈륨, 백금, 팔라듐, 또는 로듐과 같은 귀금속을 포함한다. 다른 양태에서, 앵커물질은 루테늄, 로듐, 백금, 팔라듐, 오스뮴 또는 이리듐과 같은 백금족 금속을 포함한다. 다른 양태에서, 앵커 물질은 텅스텐, 몰리브데늄, 니오븀, 탄타륨, 또는 레늄과 같은 내화성 금속을 포함한다. 다양한 양태에서, 앵커 물질은 백금 및/또는 백금/로듐 합금을 포함한다. 특정 양태에서, 앵커 물질은 백금이다. 다른 특정 양태에서, 앵커 물질은 백금/로듐(80/20) 합금이다. 또 다른 특정 양태에서, 앵커 물질은 백금/로듐(90/10) 합금이다.
앵커 물질은 개별 또는 복수의 금속을 포함할 수 있다. 또한, 앵커 물질이 예컨대, 복수의 금속 입자, 하나 이상의 금속 메스 조각, 또는 이들의 조합처럼 복수의 개별 조각을 포함하는 경우, 각각의 개별 조각은 동일 또는 다른 조성물을 포함할 수 있다. 예컨대, 금속 메시와 같은 하나 이상의 앵커 물질의 크기 및/또는 형상은 다양할 수 있고, 다른 앵커 물질의 조각과 동일 또는 다를 수 있다. 다양한 양태에서, 앵커 물질은 사각형, 디스크형(disc), 또는 스트립형(strip)의 금속 메시 물질일 수 있으며, 본 발명은 특정 크기 및/또는 형상에 한정되도록 의도되지 않는다. 특정 앵커 물질의 조성물은 앵커 물질이 금속 콤포넌트에 부착가능 하다면, 금속 콤포넌트의 조성물과 동일하거나 다를 수 있다. 특정 양태에서, 앵커 물질은 20 메시 스크린 크기, 약 008 인치의 공칭 와이어 직경의 금속 메시를 포함하고, 백금/로듐(90/10)합금을 포함한다. 예컨대, 백금 메시 및 백금 입자와 같은 앵커 물질은 상업적으로 구입가능하고(예, Alfa Aesar, Ward Hill, Massachusetts, USA), 당업계에서 기술을 가진 자는 적절한 앵커 물질을 용이하게 선택할 수 있다.
앵커 물질의 부착
본 발명의 금속 콤포넌트는, 일 양태에서, 본 명세서에 기술된 것처럼, 금속 콤포넌트의 적어도 하나의 표면에 부착된 하나 이상의 앵커물질과 함께 제공될 수 있다. 다른 양태에서, 금속 콤포넌트는 앵커 물질이 없거나, 이에 불충분하게 부착된 앵커 물질과 함께 제공될 수 있으며, 여기서 하나 이상의 앵커 물질이 이후에 부착될 수 있다.
본 발명의 앵커 물질은 금속 콤포넌트의 일 표면의 적어도 일부분에 부착될 수 있다. 앵커 물질이 결합제의 적어도 일부분과 기계적 결합을 형성하는데 충분한 양 및 위치로만 존재할 필요가 있기에, 금속 콤포넌트를 완전히 커버할 필요는 없다. 일 양태에서, 앵커 물질은 금속 콤포넌트의 적어도 일부분에 비연속적으로 부착되어, 앵커 물질이 연촉 층으로 존재하지 않는다.
백금 합금 시트와 같은 금속 콤포넌트는 부착에 앞서서, 오일 및 다른 표면 오염물질 및 불순물을 제거하도록 임의로 세척될 수 있다. 상기 세척 단계는 예컨대, 종래의 세제, 계면활성제, 및/또는 용매를 사용하여 수행될 수 있다.
금속 콤포넌트의 표면은 예컨대 화학적 및/또는 기계적 기술을 사용하여 부착에 앞서서 임의로 조면화(roughened)될 수 있다. 일 양태에서, 앵커 물질이 부착되는 금속 콤포넌트의 표면은 모래 및/또는 비드 블라스팅(bead blasting)에 의해 조면화 될 수 있다. 다른 양태에서 앵커 물질이 부착되는 금속 콤포넌트의 표면은 화학적 에칭 기술에 의해 조면화될 수 있다. 부착에 앞서서 세척 또는 조면화 단계의 수행이 필수적인 것은 아니다.
본 발명의 앵커 물질은 금속 콤포넌트의 일 표면의 적어도 일부분에 분포될 수 있다. 일 양태에서, 앵커 물질은 금속 콤포넌트 표면의 적어도 일 부분 위의 복수의 이산 지점(discrete locations)에 위치할 수 있다. 예를들어, 금속 메시를 포함하는 앵커 물질은 금속 콤포넌트의 표면 위에 위치한 단일 금속 메시 조각 또는 복수의 금속 메시 조각일 수 있다. 일 양태에서, 금속 콤포넌트의 표면에 부착된 하나 이상의 앵커 물질 조각은, 금속 콤포넌트가 부착되는 세라믹 물질의 하나 이상의 도관에 대응하는 미리 정해진 지점에 배치될 수 있다. 일 양태에서, 앵커 물질의 조각은 앵커 물질의 적어도 일 부분이 도관의 개구 말단의 적어도 일 부분과 겹침 레지스트레이션에 있도록 배치된다. 다른 양태에서, 앵커물질 조각은 앵커 물질 및 이에 부착된 세라믹 물질의 도관의 개구 말단이 완전히 겹침 레지스트레이션에 있도록 배치된다.
일 양태에서, 금속 메시의 조각은 금속 콤포넌트의 크기 및 형상과 유사 및/또는 매치되는 크기 및 형상으로 절단될 수 있다. 다른 양태에서 금속 메시의 조각은 금속 콤포넌트 보다 작을 수 있다. 금속 입자를 포함하는 앵커 물질은 일정한 패턴, 또는 균일한 방식으로 금속 콤포넌트의 표면 위에 분포될 수 있다. 일 양태에서, 금속 입자 앵커 물질은 결합제가 적용되는 금속 콤포넌트 표면의 일부분을 가로질러 균일하게 분포된다. 다른 양태에서, 금속 입자 앵커 물질은 결합을 강화하도록 미리 정해진 패턴으로 분포되며, 그 결과 특히 고-응력 지역에서의 결합 제품의 강도를 강화시킬 수 있다.
앵커물질을 금속 콤포넌트의 일 부분과 접촉한 후에, 앵커 물질은 적절한 기술을 이용하여 부착될 수 있다. 다양한 양태에서, 금속 물질은 예컨대, 아크 용접(arc welding), 저항 용접(resistance welding), 융합 용접(fusion welding), 스폿 용접(spot welding), 시임 용접(seam welding), 전자 빔 용접(electron beam welding), 초음파 용접(ultrasonic welding), 레이저 용접(laser welding), 또는 이들의 조합 등 하나 이상의 용접 기술을 사용하여 부착될 수 있다. 특정 양태에서, 앵커 물질의 적어도 일부분은 조립 도중 앵커물질의 움직임을 차단하도록 하나 이상의 지역에서 금속 콤포넌트와 스폿 용접된다. 일 양태에서, 앵커 물질은 앵커 물질의 적어도 일부분을 콤포넌트의 적어도 일부분과 융합시키는데 충분한 시간 및 온도에서 금속 콤포넌트 및 앵커 물질을 가열함으로써 금속 콤포넌트에 부착될 수 있다. 앵커 물질의 충분한 양이 융합되어 세라믹 물질 결합이 이루어지는 한, 앵커 물질은 금속 콤포넌트와 완전히 융합될 필요는 없다.
다양한 양태에서, 접촉된 앵커 물질 및 금속 콤포넌트는 앵커물질의 적어도 일부분이 금속 콤포넌트의 적어도 일부분에 부착하는데 충분한 기간인 적어도 약 0.25시간, 예컨대 약 0.25, 0.5, 0.75, 1, 2, 4, 6, 8, 10, 12, 16, or 24 시간; 적어도 약 2 시간, 예컨대, 약 2, 4, 6, 8, 10, 12, 16, 또는 24 시간, 또는 적어도 약 5 시간, 예컨대, 약 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 14, 18, 또는 24 시간 동안, 적어도 약 1,300 ℃, 에컨대, 1,300, 1,400, 1,500, 1,600, 1,650, 1,700 ℃ 또는 그 이상의 온도에서 가열될 수 있다. 특정 가열 시간 및 온도는 다양할 수 있다. 앵커 물질의 적어도 일부분이 금속 콤포넌트의 적어도 일부분에 부착할 정도로 온도가 충분히 높은 경우, 예컨대 약 20분의 짧은 가열 시간을 이용할 수 있다. 일 양태에서, 접촉된 앵커 물질 및 금속 콤포넌트는 약 1,650℃에서 약 2시간 동안 가열된다. 다른 양태에서, 접촉된 앵커 물질 및 금속 콤포넌트는 약 1,700℃에서 약 20분 동안 가열된다. 앵커 물질 및 금속 콤포넌트는 가열 상승이 물질 및/또는 물질이 결합제와 융합 및 맞물리는데 악영향을 주지 않는다면, 보다 높은 온도 및/또는 보다 장 시간동안 가열될 수 있다. 앵커 물질 및 금속 콤포넌트는 앵커 물질의 적어도 일부분이 금속 콤포넌트의 적어도 일부분에 융합할 수 있는 한, 보다 낮은 온도 및/또는 보다 짧은 시간동안 가열될 수 있다.
가열하는 동안, 부착 공정을 강화하고 및/또는 촉진하도록 앵커 물질 및 금속 콤포넌트에 예컨대 압축력(compressive force)과 같은 압력이 임의로 적용될 수 있다. 적용되는 압력은, 특정 물질 및 가열 조건에 따라 다양할 수 있다. 일 양태에서, 가열하는 동안 적어도 약 1 psi의 압력이 앵커 물질 및 금속 콤포넌트에 적용된다. 다른 양태에서, 가열하는 동안 적어도 약 10psi의 압력이 앵커 물질 및 금속 콤포넌트에 적용된다.
물질을 부착하기 위한 다른 기술, 예컨대 용접 및/또는 접착 기술은 상기 기술을 이용하여 부착된 물질이 금속 콤포넌트가 노출되는 온도에서 안정하다면 이용 가능하다. 하나 이상의 기술이 앵커물질을 금속 콤포넌트에 부착시키는데 사용될 수 있다. 금속 융합 및 용접 기술은 당업계에 공지되었으며, 당업계에 기술을 가진 자는 앵커 물질을 금속 콤포넌트에 부착시키는데 적절한 기술 및 조건을 용이하게 선택할 수 있다.
금속 콤포넌트가 본래 의도된 응용에 적당한 형태 또는 형상으로 제공되지 않으면, 부착 공정에 앞서서, 동시에 또는 이후에 원하는 형상으로 임의로 형성될 수 있다. 일 양태에서, 백금 시트가 제공되며, 이는 부착 공정에 앞서서 파이프로 형성된다. 다른 양태에서 백금 시트가 제공되며, 이는 부착 공정 후에 파이프로 형성된다.
결합제
본 발명의 결합제는 앵커 물질 및 세라믹 물질 간에 기계적 및/또는 맞물림 결합을 형성할 수 있는, 의도된 응용에 적절한 모든 제제일 수 있다. 상기 결합제는 앵커 물질을 통과 및/또는 주위에 흐를 수 있어, 금속 메시 또는 금속 입자가 건조, 소성, 및/또는 경화되는 경우, 결합제의 적어도 일부분이 앵커 물질의 적어도 일 부분에 임베드 또는 실질적으로 임베드된다.
일 양태에서, 결합제는 예컨대 ZrO2, SiO2, CaO, MgO, Al2O3, 다른 내화성 산화물, 및/또는 이들의 혼합물과 같은 캐스터블(castable) 세라믹 물질이다. 본 명세서에서 사용된 용어 결합제는 고화되지 않은 물질로 예컨대, 세라믹 콤포넌트 슬러리 또는 혼합물이거나, 세라믹 물질 내 도관의 적어도 일부분을 채우고, 앵커 물질의 적어도 일부분에서 임베드 또는 실질적으로 임베드되는 건조, 소성, 및/또는 경화된 물질을 의미할 수 있다. 다른 양태에서, 결합제는 세라믹 물질과 동일 또는 실질적으로 동일한 조성물을 포함한다.
결합제는 조성물, 입자 크기, 및 상(phase)이 다양한 개별 또는 복수의 결합제를 포함할 수 있다. 결합제는 또한 첨가제 및/또는 소결조제를 포함할 수도 있다. 일 양태에서 결합제는 예컨대 결합제의 점도과 같은 유변학적 특성을 제어 및/또는 조절할 수 있는 적어도 하나의 첨가제를 포함할 수 있다. 다른 양태에서, 결합제는 종래의 유리 형성 및/또는 운반 시스템과 호환성이 있다. 다양한 양태에서, 결합제는 유리 형성 및/또는 운반 시스템에서의 일반적인 온도, 예컨대 최대 약 1,400, 1,450, 1,500, 1,550, 1,600, 1,650, 또는 1,700℃ 또는 그 이상의 온도를 견딜 수 있다. 결합제는 상업적으로 이용가능하며, 당업계에서 기술을 가진 자는 특정 제품 및/또는 응용에서 사용하기에 적절한 결합제를 용이하게 선택할 수 있다.
결합제의 응용
하나 이상의 세라믹 물질 조각 및 금속 콤포넌트를 조립하기에 앞서서, 하나 이상의 세라믹 물질 조각은 유리 프릿제와 같은 페이스트 시멘트(paste cement), 캐스터블 세라믹, 밀봉제 중 적어도 하나를 이용하여 임의로 밀봉될 수 있다. 상기 밀봉 단계는, 수행되면, 산소가 물질로 확산되는 것을 차단하여 세라믹 물질의 작동 수명 시간을 개선시킬 수 있다. 하나 이상의 세라믹 물질 조각은 금속 콤포넌트와 조합하여, 도2 및 3에 도시한 바와 같이, 적어도 하나의 도관의 적어도 일 부분이 앵커 물질의 적어도 일 부분과 겹침 레지스트레이션에 있도록 한 후에, 본 발명의 결합제를 적절한 기술을 이용하여 세라믹 물질의 적어도 일 도관의 적어도 일부분에 적용할 수 있다. 일 양태에서, 결합제는 세라믹 물질의 외부면으로부터 적용되어, 결합제의 적어도 일 부분이 도관의 반대 말단에 위치한 앵커 물질의 적어도 일부분을 통과해, 주위에 및/또는 위로 흐르도록 한다. 유변학(rheology)과 같은 물리적 특성에 따라, 결합제는 충분한 양의 결합제가 도관에 남아 금속 콤포넌트 위에 위치한 앵커 물질의 적어도 일 부분과 원하는 맞물림 결합을 제공하는 한, 예컨대 세라믹 물질 및 금속 콤포넌트를 조립하기 전처럼 다양한 시간을 적용할 수 있다.
세라믹 물질의 하나 이상의 도관에 결합제를 적용하는 것은 동시 또는 순차적으로 수행될 수 있다. 모든 도관이 결합제로 채워지거나, 결합제가 동시에 모든 도관에 적용될 필요는 없다. 상기 디자인은 종래의 방법보다 조립하는 동안 보다 큰 유연성(flexibility)을 제공할 수 있다.
일 양태에서, 예컨대, 지르코니아와 같은 캐스터블 세라믹 결합제는 바인더와 혼합한 후, 하나 이상의 도관에 발라질(pasted) 수 있다. 결합제의 점도는 결합제의 적어도 일부가 금속 콤포넌트에 부착된 금속 메시 앵커 물질의 메시 개구로 흐르고, 채워질 수 있어야 한다. 바람직한 양태에서, 결합제의 양은 앵커 물질의 적어도 일부분을 통과해 또는 주위를 흐르는데 충분할 정도로 사용되어, 리벳 형상의 결합제 플러그(plug)가 형성되도록 한다.
도관 및 세라믹 물질의 외부면을 넘은 결합제의 일부는 예컨대 스크리빙(scrubbing), 스크래핑(scraping), 및/또는 그라인딩(grinding)을 통해 임의로 제거되어, 세라믹 물질의 외부면이 실질적으로 평평하도록 한다.
다른 양태에서, 결합제는 부착된 결합 물질의 적어도 일 부분이 결합제의 적어도 일 부분에서 임베드 또는 실질적으로 임베드되도록 적용된다. 하나 이상의 앵커 물질이 세라믹 물질의 일부가 금속 콤포넌트의 적어도 일부분에 기계적으로 결합되는데 충분할 정도로 임베드되는 한, 앵커 물질은 결합제에 완전히 임베드될 필요는 없다. 일 양태에서, 적어도 하나의 앵커 물질은 결합제에 완전히 임베드된다. 다른 양태에서, 적어도 하나의 앵커 물질은 결합제에 실질적으로 임베드되어, 앵커 물질이 결합제와 맞물린다. 다른 양태에서, 금속 메시 앵커 물질은 결합제로 채워진 메시 개구의 적어도 일부를 가지고 있다. 또 다른 양태에서, 복수의 금속 입자의 적어도 일부는 결합제의 적어도 일부분에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸여 있다.
결합제의 유변학적 특성은 첨가제로 제어 및/또는 조절되어, 결합제의 적어도 일부가 앵커 물질의 적어도 일부분을 통해, 주변, 및/또는 위로 흐를 수 있다. 이와같은 방식으로 적용된 결합제는 고화 및 경화되어, 앵커 물질/금속 콤포넌트 조합 및 결합제 간에 기계적 결합이 형성될 수 있다.
이후, 결합제는 고화될 수 있다. 상기 고화는 일 양태에서 추가적인 단계없이 결합제를 건조, 강화, 및/또는 경화시키는 것을 포함할 수 있다. 다른 양태에서, 고화는 적용된 결합제의 가열 및/또는 소성(firing)를 포함할 수 있다. 일 양태에서, 사용된 결합제는 의도된 응용에 충분한 그린 바디(green body) 강도를 가질 수 있다. 일 양태에서, 소성에 앞서서 캐스트 결합제(cast bonding agent)가 약 10 내지 약 48시간 동안 건조될 수 있다.
실시예
본 발명의 원리를 보다 설명하기 위하여, 하기의 실시예를 기술하여 당업계에서 보통의 기술을 가진자에게 개시된 내용 및 설명을 통해 본 명세서에서 청구된 방법 및 제품, 기기가 어떠한 방식으로 만들어지고 평가되었는지를 설명하고자 한다. 이는 본 발명의 단지 일 예시에 지나지 않으며, 발명자가 그 발명으로 간주한 것의 범위를 한정하고자 의도된 것은 아니다. 숫자(예, 양, 온도, 등)와 관련하여 정확성을 부여하고자 노력하였다; 그러나 일부 오차 및 편차를 고려하여야 한다. 달리 명시하지 않은 한, 온도는 ℃ 또는 주변 온도이며, 압력은 대기압 또는 그 부근이다. 제품의 품질 및 성능을 최적화하는데 사용될 수 있는 공정 조건의 수많은 다양성 및 조합이 있다. 상기 공정조건을 최적화하는데 합리적이면서도 일상 실험이 요구될 것이다.
실시예 1- 백금 메시의 백금 플레이트에 부착( prophtic )
제 1 실시예에서, 0.008 인치의 공칭 와이어 직경을 가지는 백금/로듐(90/10 중량%) 합금의 20 메시 스크린, 약 10 조각이 백금 플레이트에 부착될 수 있다. 메시의 조각은 약 1 인치 대 1인치 사각형으로 절단되고, 백금 플레이트의 상단 위의 이산 지점(discrete locations)에 배치할 수 있다. 메시/플레이트 조합은 이후 플레이트에 스폿 용접될 수 있다.
실시예 2 - 세라믹 플레이트의 부착( prophetic )
제 2 실시예에서, 약 10 홀을 가지는 알루미나 플레이트가 제공되며, 여기서 홀은 실시예 1의 앵커 물질의 조각과 대략 동일한 패턴으로 배치되어 있다. 각각의 홀은 약 0.75인치 직경이며, 알루미나 플레이트의 양쪽 표면 위에서 보다 큰 접시머리(countersunk) 부위를 가질 수 있다. 알루미나 플레이트는 백금 플레이트 근처에 위치할 수 있어, 알루미나 플레이트 내 홀 각각의 적어도 일 부분이 금속 플레이트에 부착된 금속 메시에 정렬된다. 이후, 일정한 점도를 가지는 캐스터블 알루미나를 준비하여 캐스터블 알루미나가 금속 메시의 홀을 통해 흐르도록 할 수 있다. 알루미나 플레이트안의 홀 각각은 이후 캐스터블 알루미나로 채워질 수 있다. 캐스터블 알루미나는 이후 건조될 수 있다.

Claims (20)

  1. a. 금속 콤포넌트(component)의 일 표면의 적어도 제 1 부위에 부착된 앵커 물질(anchor material)을 포함하는 금속 콤포넌트(component)를 제공하는 단계;
    b. 제 1 표면 및 제 2 표면을 갖는 세라믹 물질을 제공하는 단계로서, 상기 세라믹 물질은 상기 제 1 표면에서 상기 제 2 표면으로 확장된 적어도 하나의 도관(conduit)을 한정(define)하며, 여기서 상기 적어도 하나의 도관은 상기 제 1 표면으로 한정(defined)된 제 1 개구 말단(open end), 제 2 표면으로 한정(defined)된 제 2 개구 말단(open end), 연속 측벽(continuous sidewall) 및 단면 영역(cross section area)을 가지는 단계;
    c. 상기 적어도 하나의 도관의 제 1 및/또는 제 2 개구 말단 중 적어도 하나의 적어도 일 부분이 상기 앵커 물질의 적어도 일 부분과 겹침 레지스트레이션(overlying registration) 되도록 상기 세라믹 물질을 배치하는 단계; 및
    d. 결합제(bonding agent)를 상기 적어도 하나의 도관의 적어도 일 부위에 적용하는 단계를 포함하는 금속 콤포넌트를 세라믹 물질에 기계적으로 결합하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 금속 콤포넌트는 복수의 앵커 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 콤포넌트를 세라믹 물질에 기계적으로 결합하는 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 세라믹 물질은 복수의 도관을 한정(define)하며, 여기서 각 도관은 제 1 표면으로 한정(defined)된 제 1 개구 말단, 제 2 표면으로 한정(defined)된 제 2 개구 말단, 연속 측벽, 및 단면 영역을 가지는 것을 특징으로 하는 금속 콤포넌트를 세라믹 물질에 기계적으로 결합하는 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 부착은 다음을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 콤포넌트를 세라믹 물질에 기계적으로 결합하는 방법:
    a. 상기 앵커 물질을 상기 금속 콤포넌트의 일 표면의 적어도 일 부위와 접촉시키는 단계; 및 이후
    b. 상기 접촉된 금속 콤포넌트 및 앵커 물질을 상기 앵커 물질이 상기 금속 콤포넌트의 적어도 일 부위와 융합하는데 충분한 시간 및 온도에서 가열시키는 단계.
  5. a. 금속 콤포넌트;
    b. 상기 금속 콤포넌트의 적어도 일 부위에 부착된 앵커 물질; 및
    c. 제 1 표면 및 제 2 표면을 가지는 세라믹 물질로서, 여기서 상기 제 1 및 제 2 표면은 상기 제 1 표면에서 상기 제 2 표면으로 확장된 적어도 하나의 도관(conduit)를 한정하고, 여기서 상기 적어도 하나의 도관은 연속 측벽 및 단면 영역을 가지며, 상기 세라믹 물질은 상기 금속 콤포넌트의 외부면의 적어도 일 부위에 배치되어, 상기 앵커 물질의 적어도 일 부분과 겹침 레지스트레이션 되는 세라믹 물질을 포함하는 제품으로서,
    여기서 상기 적어도 하나의 도관의 적어도 일 부위는 결합제를 포함하고, 여기서 상기 앵커 물질의 적어도 일 부위는 상기 결합제의 적어도 일 부위에서 실질적으로 임베드된 (embedded) 제품.
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