KR19990045037A - 질화 알루미늄-알루미늄계 복합재료 및 그 제조방법 - Google Patents

질화 알루미늄-알루미늄계 복합재료 및 그 제조방법 Download PDF

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게이 다카쓰
신스케 히라노
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이데이 노부유끼
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Abstract

내열성, 내산화성(耐酸化性), 내부식성이 우수하고, 더욱이 높은 열전도율과 낮은 선팽창률(線膨脹率)을 가질 것이 요구되는 구조체의 부분이나 부품 또는 제품의 소재로서 바람직하게 이용될 수 있는 질화(窒化) 알루미늄-알루미늄계 복합재료의 제조방법을 제공한다.
질화 알루미늄-알루미늄계 복합재료의 제조방법에서는 용탕(溶湯)가압장치내에 배설된 용기(10)내에 질화 알루미늄분말(11)을 넣고, 이어서 용기(10)내의 질화 알루미늄분말(11)에 압력을 가한 후, 용융알루미늄계 재료(13)를 용기 내에 흘려 넣고, 그 후 용기(10)내의 용융알루미늄계 재료(13)를 가압함으로써 질화 알루미늄분말 사이에 알루미늄계 재료(13)를 충전한다.

Description

질화 알루미늄-알루미늄계 복합재료 및 그 제조방법
본 발명은 질화 알루미늄-알루미늄계 복합재료 및 그 제조방법에 관한 것이다.
금속분말을 소결(燒結)한 다공질(多孔質)금속 소결체를 사용하여, 이 다공질금속 소결체의 기공(氣孔)부분에 알루미늄계 재료를 함침(含浸), 고화시킨 복합재료가 예를 들면, 일본국 특개평 3(1991)-189063호 공보 또는 특개평 3-189064호 공보에서 공지되고 있다. 이와 같은 복합재료는 신규재료로서 주목되고 있으며, 자동차의 내연기관 부품을 비롯한 각종의 산업분야에서의 실용화가 기대되고 있다.
또, 이와 같은 복합재료는 영(Young)율을 밀도(密度)로 나눈 값인 비(比)영율을 크게 하는 것이 가능하므로, 큰 고유음속을 가져 우수한 진동감쇠 특성을 구비하고 있다. 따라서, 이와 같은 우수한 제진성(制震性)을 가지는 복합재료를 예를 들면, 로봇의 고속이동암에 응용하는 것이 가능하다.
그러나, 상기 특허공개공보에 개시된 복합재료에, 예를 들면 한층 우수한 내산화성(耐酸化性)이나 내부식성을 부여할 필요가 있는 경우, 이 복합재료의 표면을 Al2O3나 질화 알루미늄이라고 하는 세라믹스재료로 이루어지는 피복층으로 피복할 필요가 있다. 그런데, 이와 같은 피복층으로 피복된 복합재료의 온도를 급변시켰을 때, 복합재료와 세라믹스재료와의 선팽창률(線膨脹率)의 상위(相違)에 기인하여, 피복층에 균열이 생긴다고 하는 문제가 있다. 또한, 이 복합재료는 자동차의 내연기관 부품이나 로봇의 암 외에도, 특성에 따라서는 각종의 응용 용도가 고려되지만, 제조코스트를 억제하는 것도 중요하다.
따라서, 본 발명의 목적은 내열성, 내산화성, 내부식성이 우수하고, 더욱이 높은 열전도율과 낮은 선팽창률을 가질 것이 요구되는 구조체의 부분이나 부품 또는 제품의 소재로서 바람직하게 이용될 수 있는 질화 알루미늄-알루미늄계 복합재료 및 그 제조방법을 제공하는 것에 있다.
도 1은 본 발명의 제1 양태에 관한 질화(窒化) 알루미늄-알루미늄계 복합재료의 제조방법을 설명하기 위한 용기 등의 모식도.
도 2는 도 1에 이어서, 본 발명의 제1 양태에 관한 질화 알루미늄-알루미늄계 복합재료의 제조방법을 설명하기 위한 용기 등의 모식도.
도 3은 본 발명의 제2 양태에 관한 질화 알루미늄-알루미늄계 복합재료의 제조방법에 의해 제조된 질화 알루미늄-알루미늄계 복합재료의 모식적인 단면도.
도 4는 본 발명의 제3 양태에 관한 질화 알루미늄-알루미늄계 복합재료의 제조방법을 설명하기 위한 용기 등의 모식도.
도 5는 도 4에 이어서, 본 발명의 제3 양태에 관한 질화 알루미늄-알루미늄계 복합재료의 제조방법을 설명하기 위한 용기 등의 모식도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 용기, 11: 질화 알루미늄분말, 12: 프레스기, 13: 용융(용탕(溶湯))알루미늄계 재료, 14: 규소, 15: 모재(母材), 16: 피복층, 20: 프리폼(preform)
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1 양태에 관한 질화 알루미늄-알루미늄계 복합재료의 제조방법은,
(A) 용탕(溶湯)가압장치 내에 배설한 용기 내에 질화(窒化) 알루미늄 분말을 넣는 공정과,
(B) 용기 내의 질화 알루미늄 분말에 압력을 가하는 공정과,
(C) 용융 알루미늄계 재료를 용기 내에 유입하는 공정과,
(D) 용기 내의 용융 알루미늄계 재료를 가압함으로써 질화 알루미늄분말 입자 사이의 공간에 알루미늄계 재료를 충전하는 공정과로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제2 양태에 관한 질화 알루미늄-알루미늄계 복합재료의 제조방법은,
(A) 질화 알루미늄분말을 소성(燒成)하여 얻어진 프리폼(preform)을 준비하는 공정과,
(B) 용탕가압장치내에 배설한 용기 내에 상기 프리폼을 수납하는 공정과,
(C) 용융 알루미늄계 재료를 용기 내에 유입하는 공정과,
(D) 용기 내의 용융 알루미늄계 재료를 가압함으로써 프리폼의 기공(氣孔) 내에 알루미늄계 재료를 충전하는 공정과로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제3 양태에 관한 질화 알루미늄-알루미늄계 복합재료의 제조방법은,
(a) 용탕가압장치 내에 배설한 용기 내에 질화 알루미늄 분말을 넣고, 이어서 용기 내의 알루미늄 분말에 압력을 가한 후, 용융 알루미늄계 재료를 용기 내에 유입하고, 그 후 용기 내의 용융 알루미늄계 재료를 가압함으로써 질화 알루미늄분말 입자 사이의 공간에 알루미늄계 재료를 충전하여 모재(母材)를 제작하는 공정과,
(b) 상기 모재의 표면을 세라믹 재료로 이루어지는 피복층으로 피복하는 공정으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제4 양태에 관한 질화 알루미늄-알루미늄계 복합재료의 제조방법은,
(a) 질화 알루미늄분말을 소성하여 얻어진 프리폼을 준비하여 용탕가압장치내에 배설한 용기 내에 수납하고, 이어서 용융 알루미늄계 재료를 용기 내에 유입하고, 그 후 용기 내의 용융 알루미늄계 재료를 가압함으로써 프리폼의 기공 내에 알루미늄계 재료를 충전하여 모재를 제작하는 공정과,
(b) 상기 모재의 표면을 세라믹 재료로 이루어지는 피복층으로 피복하는 공정으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1 양태에 관한 질화 알루미늄-알루미늄계 복합재료는,
(A) 용탕가압장치 내에 배설한 용기 내에 질화 알루미늄분말을 넣는 공정과,
(B) 용기 내의 질화 알루미늄분말에 압력을 가하는 공정과,
(C) 용융 알루미늄계 재료를 용기 내에 유입하는 공정과,
(D) 용기 내의 용융 알루미늄계 재료를 가압함으로써 질화 알루미늄분말 입자사이의 공간에 알루미늄계 재료를 충전하는 공정과에 의해 제조되는 것을 특징으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제2 양태에 관한 질화 알루미늄-알루미늄계 복합재료는,
(A) 질화 알루미늄 분말을 소성하여 얻어진 프리폼을 준비하는 공정과,
(B) 상기 프리폼을 용탕가압장치내에 배설한 용기 내에 수납하는 공정과,
(C) 용융 알루미늄계 재료를 용기 내에 유입하는 공정과,
(D) 용기 내의 용융 알루미늄계 재료를 가압함으로써 프리폼의 기공 내에 알루미늄계 재료를 충전하는 공정과 에 의해 제조되는 것을 특징으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제3 양태에 관한 질화 알루미늄-알루미늄계 복합재료는,
(a) 용탕가압장치내에 배설한 용기 내에 질화 알루미늄 분말을 넣고, 이어서 용기 내의 질화 알루미늄 분말에 압력을 가한 후, 용융 알루미늄계 재료를 용기 내에 유입하고, 그 후 용기 내의 용융알루미늄계 재료를 가압함으로써 질화 알루미늄분말 입자 사이의 공간에 알루미늄계 재료를 충전하여 얻어진 모재, 및
(b) 상기 모재의 표면을 피복한 세라믹 재료로 이루어지는 피복층으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제4 양태에 관한 질화 알루미늄-알루미늄계 복합재료는,
(a) 질화 알루미늄 분말을 소성하여 얻어진 프리폼을 준비하여, 이 프리폼을용탕가압장치 내에 배설한 용기 내에 수납하고, 이어서 용융 알루미늄계 재료를 용기 내에 유입하고, 그 후 용기 내의 용융 알루미늄계 재료를 가압함으로써 프리폼의 기공 내에 알루미늄계 재료를 충전하여 얻어진 모재, 및
(b) 상기 모재의 표면을 피복한 세라믹 재료로 이루어지는 피복층으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제1 또는 제2 양태에 관한 질화 알루미늄-알루미늄계 복합재료 및 그 제조방법에서는, 질화 알루미늄-알루미늄계 복합재료의 선팽창률을 제어하기 위해, 또 본 발명의 제3 또는 제4 양태에 관한 질화 알루미늄-알루미늄계 복합재료 및 그 제조방법에서는, 질화 알루미늄-알루미늄계 재료로 이루어지는 모재의 선팽창률을 제어하기 위해, 규소를 첨가한 용융알루미늄계 재료를 용기 내에 흘려 넣는 것이 바람직하다. 이 경우, 알루미늄계 재료와 규소의 합계를 100중량%로 했을 때, 규소를 10 내지 35중량%, 바람직하게는 16 내지 35중량%, 한층 바람직하게는 20 내지 35중량% 첨가하는 것이 바람직하다. 그리고, 다음에 본 발명의 제1 또는 제2 양태에 관한 질화 알루미늄-알루미늄계 복합재료 및 그 제조방법에서의 질화 알루미늄-알루미늄계 복합재료, 및 본 발명의 제3 또는 제4 양태에 관한 질화알루미늄-알루미늄계 복합재료 및 그 제조방법에서의 질화 알루미늄-알루미늄계 재료로 이루어지는 모재를 총칭하여 「복합재료 등」이라고 부르는 경우가 있다.
본 발명의 제3 또는 제4 양태에 관한 질화알루미늄-알루미늄계 복합재료 또는 그 제조방법에서는, 모재의 선팽창률을 α1[단위: 10-6/K], 피복층을 구성하는 세라믹스재료의 선팽창률을 α2[단위: 10-6/K] 로 했을 때, (α1- 4)≤α2≤(α1+ 4)을 만족시키는 것이 질화 알루미늄-알루미늄계 복합재료의 온도를 급변시켰을 때, 모재와 피복층을 구성하는 세라믹스재료와의 선팽창률의 상위에 기인하여 피복층에 균열이 생긴다고 하는 문제의 발생을 회피하는 점에서 바람직하다. 그리고, 피복층을 구성하는 세라믹스재료로서는 알루미늄계 재료가 바람직하고, 예를 들면 Al2O3나 질화 알루미늄(AIN)을 들 수 있다. 또, 피복층을 구성하는 세라믹스재료의 선팽창률이나 전기(電氣) 특성을 제어하기 위해, 예를 들면 TiO2를 첨가해도 된다. 모재의 표면을 세라믹스소재로 이루어지는 피복층으로 피복하기 위해서는, 예를 들면 피복층을 용사법(溶射法)으로 모재의 표면에 형성하면 되고, 또는 미리 시트(판)형으로 제작된 피복층을, 예를 들면 납땜법으로 모재의 표면에 부착해도 된다. 피복층으로 모재의 표면 전체를 피복해도 되고, 표면의 일부분을 피복해도 된다. 그리고, 일반적으로 선팽창률 α는 물체의 길이를 L, 0℃에서의 물체의 길이를 L0, θ를 온도로 했을 때, α=(dL/dθ)/L0로 표시할 수 있다.
모재를 구성하는 알루미늄계 재료로서는, 순알루미늄 외에 Si, Mg, Ni, Cu, Mg 등을 적절히 함유하는 알루미늄합금 등을 예시할 수 있다.
질화 알루미늄-알루미늄계 재료의 용적비는 4/6 내지 8/2, 바람직하게는 6/4 내지 7/3으로 하는 것이 적합하다. 이와 같은 용적비로 함으로써, 복합재료 등의 선팽창률의 적절한 제어가 얻어질 뿐만 아니라, 복합재료 등은 순수한 세라믹스의 전기전도도나 열전도도보다도 금속에 근접한 값을 가지게 된다.
용기 내에 용융알루미늄계 재료를 흘려 넣을 때의 질화 알루미늄분체(粉體) 또는 질화 알루미늄으로 제작된 프리폼의 온도는, 500 내지 1000℃, 바람직하게는 700 내지 800℃로 하는 것이 바람직하다. 또, 용기 내에 흘려 넣을 때의 용융알루미늄계 재료(용탕알루미늄계 재료)의 온도는, 700 내지 1000℃, 바람직하게는 750 내지 900℃로 하는 것이 적합하다. 또한, 용기 내의 용융알루미늄계 재료의 가압은 고압주조법으로 행하는 것이 바람직하다. 이 경우의 용융알루미늄계 재료에 가하는 절대압은 200 내지 1500kgf/㎠, 바람직하게는 800 내지 1000kgf/㎠로 하는 것이 적절하다.
본 발명의 제1 또는 제3 양태에 관한 질화 알루미늄-알루미늄계 복합재료 또는 그 제조방법에서는, 질화 알루미늄분말의 평균 입경(粒徑)은 10 내지 100㎛인 것이 바람직하다. 그리고, 상이한 평균 입경을 가지는 질화 알루미늄분말을 혼합하여 질화 알루미늄-알루미늄계 복합재료 또는 모재의 제조에 이용해도 된다. 평균 입경이 상이한 질화 알루미늄분말을 혼합함으로써, 복합재료 등의 기공율(공극율(空隙率))의 제어를 행할 수 있다. 이 경우에는, 평균 입경 R1을 가지는 질화 알루미늄분말과, 평균 입경 3R1∼5R1을 가지는 질화 알루미늄분말을, 전자에 대하여 후자를 3∼5배의 체적(體積)비율로 혼합하여, 질화 알루미늄-알루미늄계 복합재료 또는 모재의 제조에 이용하는 것이 바람직하지만, 이와 같은 값에 한정되는 것이 아니다. 평균 입경이 상이한 질화 알루미늄분말을 이와 같은 조건으로 혼합함으로써, 복합재료 등의 기공율의 극소치화를 도모할 수 있다. 그리고, 질화 알루미늄분말을 넣기 위한 용기는 질화 알루미늄에 압력을 가했을 때 원하는 형상으로 성형할 수 있는 용기, 구체적으로는 주형(鑄型)으로 하는 것이 바람직하다. 용기 내의 질화 알루미늄분말에 가하는 절대압은 가압 후의 질화 알루미늄분말에 요구되는 기공율에 따라 결정하면 되고, 50kgf/㎠ 내지 3톤f/㎠, 바람직하게는 100kgf/㎠ 내지 5톤f/㎠로 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 제2 또는 제4 양태에 관한 질화 알루미늄-알루미늄계 복합재료 또는 그 제조방법에서는, 질화 알루미늄분말을 소성하여 프리폼을 제작하지만, 이러한 프리폼은 예를 들면, 금형프레스성형법, 정수압(靜水壓)성형법, 주입(鑄入)성형법, 또는 이장(泥漿)주입성형법에 의해 질화 알루미늄분말을 성형한 후, 500 내지 1000℃, 바람직하게는 800 내지 1000℃의 온도로 소성을 행함으로써 얻을 수 있다. 프리폼을 수납하기 위한 용기도, 구체적으로는 주형으로 하는 것이 바람직하다.
알루미늄계 재료는 높은 열전도율을 가지지만, 내열성이나 내산화성, 내부식성에 문제가 있고, 선팽창률도 23×10-6/K로 높다. 한편, 질화 알루미늄(AIN)은 주지하는 바와 같이, 세라믹스로서는 높은 열전도율(0.235cal/cm·초·K, 98.3W/m·K), 및 낮은 선팽창률(5.1×10-6/K)을 가지고, 또 세라믹스이므로 높은 내열성이나 내산화성, 내부식성을 가진다. 본 발명에서, 질화 알루미늄-알루미늄계 복합재료는 질화 알루미늄과 알루미늄계 재료의 2성분, 원하는 바에 따라, 질화 알루미늄과 알루미늄계 재료와 규소의 3성분으로 구성되어 있다. 따라서, 본 발명의 질화 알루미늄-알루미늄계 복합재료는 질화알루미늄이 가지는 성질과 알루미늄계 재료가 가지는 성질의 중간적인 성질을 가진다.
그런데, 세라믹스재료와 알루미늄계 재료로 구성된 복합재료의 제조방법으로서, 비가압함침법(非加壓含浸法)이 알려져 있다. 이 비가압함침법은 세라믹스제의 프리폼을 1200℃ 전후로 가열한 상태에서, 세라믹스재료의 습성(濕性) 향상을 위해 Mg분위기(예를 들면, Mg분압이 5hPa 이상의 분위기)로 하여, 압력을 가하지 않고, 용융알루미늄계 재료를 프리폼의 기공 안에 함침, 충전시킨다. 그러나, 함침, 충전에 장시간을 요하므로, 복합재료의 제조코스트가 상승한다고 하는 문제가 있다.
그런데, 본 발명에서는 이른바 고압주조법을 채용하고 있으므로, 단시간에 복합재료를 제작할 수 있다.
또, 본 발명의 제2 또는 제4의 양태에 관한 질화 알루미늄-알루미늄계 복합재료의 제조방법에서는, 미리 주형을 제작하여 두고, 이러한 주형을 사용하여 질화 알루미늄으로 이루어지는 프리폼을 제작하면 되므로, 복합재료의 제조코스트의 저감을 도모할 수 있다.
제조할 질화 알루미늄-알루미늄계 복합재료의 형상에도 따르지만, 경우에 따라서는, 용기 내의 용융알루미늄계 재료를 가압했을 때 질화 알루미늄으로 제작된 프리폼에 크랙이 발생하고, 이 크랙의 부분에는 알루미늄계 재료만이 존재한다고 하는 문제가 발생하는 일이 있다. 이와 같은 경우에는, 본 발명의 제1 또는 제3의 양태에 관한 질화 알루미늄-알루미늄계 복합재료의 제조방법을 채용하면 된다. 즉, 원재료로서 질화 알루미늄의 분말을 사용하여, 용기 내의 질화 알루미늄분말에 압력을 가함으로써 원하는 형상으로 성형한 후, 또는 질화 알루미늄분말을 고밀도화하여 굳게 한 후, 용기 내의 용융알루미늄계 재료를 가압하므로, 크랙의 발생을 확실하게 방지할 수 있어, 복합재료의 제조 수율의 향상을 도모할 수 있다. 또, 용기(예를 들면 주형)내에서 질화 알루미늄분말을 원하는 형상으로 성형할 수 있으므로, 복합재료의 제조코스트의 저감을 도모할 수 있다.
그리고, 순알루미늄 90중량%에 대하여 규소를 10중량% 첨가한 알루미늄계 재료의 선팽창률은 21×10-6/K로, 순알루미늄의 선팽창률보다도 낮아진다. 이와 같이 규소의 첨가비율에 의해 복합재료 등의 선팽창률의 제어를 행할 수 있어, 어느 정도 원하는 선팽창률을 가지는 복합재료 등을 제조하는 것이 가능하게 된다.
다음에, 도면을 참조하여 발명의 실시의 형태(이하, 실시의 형태라고 약칭함)에 따라 본 발명을 설명한다.
(실시의 형태 1)
실시의 형태 1은 본 발명의 제1 양태에 관한 질화 알루미늄-알루미늄계 복합재료 및 그 제조방법에 관한 것이다. 실시의 형태 1에서는, 먼저 도 1의 (A)에 모식도를 나타낸 용탕가압장치내에 배설한 용기(주형)(10)내에 질화 알루미늄분말(11)을 넣었다(충전했다). 질화 알루미늄분말로서는 평균 입경 10㎛의 질화 알루미늄분말과, 평균 입경 40㎛의 질화 알루미늄분말을, 전자를 25체적%, 후자를 75체적% 혼합한 것을 사용했다. 그리고, 용기(10)내의 질화 알루미늄분말을 도시하지 않은 히터에서 약 700℃로 가열한 상태에서, 용기(10)내의 질화 알루미늄분말에 절대압 100kgf/㎠의 압력을 프레스기(12)에 의해 가했다(도 1의 (B)의 모식도 참조). 이로써, 질화 알루미늄분말(11)은 고밀도화되고 굳어져, 원하는 형상으로 성형되었다.
그 후, 약 800℃의 용융(용탕)알루미늄계 재료(13)(실시의 형태 1에서는, 순알루미늄을 사용)를 용기(10)내에 흘려 넣었다. 그리고, 용융알루미늄계 재료(13)를 용기(10)내에 흘려 넣을 때, 용융알루미늄계 재료(13)에 괴형(塊形)의 규소(14)를 첨가했다(도 2의 (A)의 모식도 참조). 규소의 첨가비율은 순알루미늄 75중량%/규소 25중량%로 했다. 이어서, 고압주조법을 실행했다. 즉, 용기(10)내의 용융알루미늄계 재료를 절대압 1톤/㎠로 프레스기(12)에 의해 가압했다(도 2의 (B)의 모식도 참조). 이로써, 질화 알루미늄분말 사이(기공내)에 알루미늄계 재료가 함침, 충전된 질화 알루미늄-알루미늄계 복합재료를 얻을 수 있었다. 이렇게 하여 얻어진 질화 알루미늄-알루미늄계 복합재료의 열전도율은 176W/m·K이고, 선팽창률은 6.7×10-6/K였다.
(실시의 형태 2)
실시의 형태 2는 본 발명의 제3의 양태에 관한 질화 알루미늄-알루미늄계 복합재료 및 그 제조방법에 관한 것이다. 실시의 형태 2에서는, 실시의 형태 1에서 제작된 질화 알루미늄-알루미늄계 복합재료를 모재(15)로 하고, 이 모재(15)의 표면을 세라믹스재료(실시의 형태 2에서는 Al203를 사용)로 이루어지는 피복층(16)으로 피복했다. 이와 같은 구조를 가지는 질화 알루미늄-알루미늄계 복합재료의 모식적인 단면도를 도 3에 나타냈다. 피복방법은 진공용사법으로 했다. 구체적으로는, 두께 약 0.2mm의 Al203로 이루어지는 피복층을 진공용사법으로 모재의 표면에 형성했다. 그리고, Al203의 선팽창률은 약 8×10-6/K이다. 따라서, α2는 약 8이다. 한편, 모재의 선팽창률은 6.7×10-6/K이고, (α1- 4)≤α2≤(α1+ 4)의 관계를 만족시키고 있다. 그리고, 용사바탕층으로서 예를 들면 알루미늄을 약 5중량% 함유한 니켈(Ni-5중량%Al)을 모재 표면에 용사해 두고, 그 용사바탕층 상에 세라믹스재료로 이루어지는 피복층을 진공용사법으로 형성해도 된다.
(실시의 형태 3)
실시의 형태 3은 본 발명의 제2의 양태에 관한 질화 알루미늄-알루미늄계 복합재료 및 그 제조방법에 관한 것이다. 실시의 형태 3에서는, 먼저 도 4에 모식도를 나타낸 용탕가압장치내에 배설한 용기(주형)(10)내에, 질화 알루미늄분말을 소성하여 얻어진 프리폼(20)을 수납했다. 프리폼은 평균 입경 15㎛의 질화 알루미늄분말을 이장주입성형법으로 성형한 후, 약 500℃의 온도로 소성을 행함으로써 얻었다.
그리고, 용기(10)내의 프리폼(20)을 도시하지 않은 히터로 약 800℃로 가열한 상태에서, 괴형의 규소를 16중량% 함유하는 약 800℃의 용융(용탕)알루미늄계 재료(13)(실시의 형태 3에서도, 순알루미늄을 사용)를 용기(10)내에 흘려 넣었다(도 5의 (A)의 모식도 참조). 이어서, 고압주조법을 실행했다. 즉, 용기(10)내의 용융알루미늄계 재료를 절대압 1톤/㎠로 프레스기(12)에 의해 가압했다(도 5의 (B)의 모식도 참조). 이로써, 프리폼의 기공 안에 알루미늄계 재료가 함침, 충전된 질화 알루미늄-알루미늄계 복합재료를 얻을 수 있었다. 이렇게 하여 얻어진 질화 알루미늄-알루미늄계 복합재료의 열전도율은 185W/m·K이고, 선팽창률은 7.3×10-6/K였다.
(실시의 형태 4)
실시의 형태 4는 본 발명의 제4의 양태에 관한 질화 알루미늄-알루미늄계 복합재료 및 그 제조방법에 관한 것이다. 실시의 형태 4에서는, 실시의 형태 3에서 제작된 질화 알루미늄-알루미늄계 복합재료를 모재로 하고, 이 모재의 표면을 세라믹스재료(실시의 형태 4에서도 Al2O3를 사용)로 이루어지는 피복층으로 피복했다. 피복방법은 진공용사법으로 했다. 구체적으로는 두께 약 0.2mm의 Al2O3로 이루어지는 피복층을 진공용사법으로 모재의 표면에 형성했다. 그리고, Al2O3의선팽창률은 약 8×10-6/K이다. 따라서, α2는 약 8이다. 한편, 모재의 선팽창률은 7.3×10-6/K이고, (α1- 4)≤α2≤(α1+ 4)의 관계를 만족시키고 있다. 그리고, 용사바탕층으로서 예를 들면, 알루미늄을 약 5중량% 함유한 니켈(Ni-5중량%A1)을 모재 표면에 용사해 두고, 그 용사바탕층 상에 세라믹스재료로 이루어지는 피복층을 진공용사법으로 형성해도 된다.
(실시의 형태 5)
실시의 형태 1의 질화 알루미늄-알루미늄계 복합재료의 제조방법에 따라, 자동차의 내연기관용 실린더블록을 제작했다. 얻어진 실린더블록은 높은 내마모성을 가지고 있었다. 또, 실시의 형태 2의 질화 알루미늄-알루미늄계 복합재료의 제조방법에 따라, 자동차의 내연기관용 피스톤부를 제작했다. 그리고, 모재의 표면을 질화 알루미늄(A1N)으로 이루어지는 피복층으로 피복했다. 피복방법으로서 진공용사법을 채용했다. 얻어진 피스톤부는 종래의 피스톤부와 비교하여 열 부하에 대한 내성이 대폭 향상되어, 피스톤부의 마모를 방지할 수 있었다. 더욱이, 선팽창률 α1과 α2와의 차는 약 2×10-6/K이므로, 고온 하의 내연기관으로 사용했을 때라도 선팽창률에 기인한 피스톤부의 손상 발생을 방지할 수 있었다.
(실시의 형태 6)
실시의 형태 2의 질화 알루미늄-알루미늄계 복합재료의 제조방법에 따라, 자동차의 내연기관용 자동연료분사장치의 제어용 전자부품을 장착하기 위한 기판을 제작했다. 얻어진 기판은 높은 열전도율을 가지고, 더욱이 높은 내구성을 가지고 있어, 기판의 신뢰성이 대폭 향상되었다.
이상, 본 발명을 발명의 실시의 형태에 따라 설명했지만, 본 발명은 이들에 한정되는 것은 아니다. 발명의 실시의 형태에서 설명한 본 발명의 질화 알루미늄-알루미늄계 복합재료나 모재의 제작 조건은 예시이고, 적절히 변경할 수 있다. 또, 발명의 실시의 형태에서 설명한 본 발명의 질화 알루미늄-알루미늄계 복합재료의 적용분야도 예시이고, 제진성을 이용한 로봇의 암이나, 높은 열전도율과 고내압성을 이용한 복사기의 토너정착(현상)롤, 또는 로켓용 부품 등의 우주과학분야 등, 광범위한 기술분야에의 응용이 가능하다.
본 발명에 의해 내열성, 내산화성, 내부식성이 우수하고, 또한 높은 열전도율과 낮은 선팽창률을 가질 것이 요구되는 구조체의 부분이나 부품 또는 제품의 소재로서 바람직하게 이용될 수 있는 질화 알루미늄-알루미늄계 복합재료를 염가에 제공하는 것이 가능하게 된다. 또, 본 발명의 제1 또는 제3의 양태에 관한 질화 알루미늄-알루미늄계 복합재료의 제조방법을 채용하면, 복합재료 등에 크랙이 발생하는 것을 확실하게 방지할 수 있어, 복합재료의 제조 수율의 향상을 도모할 수 있다. 그리고, 용융알루미늄계 재료에의 규소의 첨가 비율에 의해 복합재료 등의 선팽창률의 제어를 행할 수 있으므로, 어느 정도 원하는 선팽창률을 가지는 복합재료 등을 제조하는 것이 가능하다.

Claims (24)

  1. (A) 용탕(溶湯)가압장치 내에 배설한 용기 내에 질화(窒化) 알루미늄 분말을 넣는 공정과,
    (B) 용기 내의 질화 알루미늄 분말에 압력을 가하는 공정과,
    (C) 용융 알루미늄계 재료를 용기 내에 유입하는 공정과,
    (D) 용기 내의 용융 알루미늄계 재료를 가압함으로써 질화 알루미늄분말 입자 사이의 공간에 알루미늄계 재료를 충전하는 공정과
    로 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄-알루미늄계 복합재료의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 규소를 첨가한 용융 알루미늄계 재료를 용기 내에 유입하는 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄-알루미늄계 복합재료의 제조방법.
  3. (a) 용탕가압장치 내에 배설한 용기 내에 질화 알루미늄 분말을 넣고, 이어서 용기 내의 알루미늄 분말에 압력을 가한 후, 용융 알루미늄계 재료를 용기 내에 유입하고, 그 후 용기 내의 용융 알루미늄계 재료를 가압함으로써 질화 알루미늄분말 입자 사이의 공간에 알루미늄계 재료를 충전하여 모재(母材)를 제작하는 공정과,
    (b) 상기 모재의 표면을 세라믹 재료로 이루어지는 피복층으로 피복하는 공정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄-알루미늄계 복합재료의 제조방법.
  4. 제3항에 있어서, 공정 (a)에서 규소를 첨가한 용융 알루미늄계 재료를 용기 내에 유입하는 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄-알루미늄계 복합재료의 제조방법.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 모재의 선팽창률(線膨脹率)을 α1[단위: 10-6/K], 피복층을 구성하는 세라믹 재료의 선팽창률을 α2[단위: 10-6/K] 로 했을 때, (α1- 4)≤α2≤(α1+ 4)을 만족시키는 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄-알루미늄계 복합재료의 제조방법.
  6. 제3항에 있어서, 피복층을 구성하는 세라믹 재료는 Al2O3또는 질화 알루미늄인 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄-알루미늄계 복합재료의 제조방법.
  7. (A) 질화 알루미늄분말을 소성(燒成)하여 얻어진 프리폼(preform)을 준비하는 공정과,
    (B) 용탕가압장치내에 배설한 용기 내에 상기 프리폼을 수납하는 공정과,
    (C) 용융 알루미늄계 재료를 용기 내에 유입하는 공정과,
    (D) 용기 내의 용융 알루미늄계 재료를 가압함으로써 프리폼의 기공(氣孔) 내에 알루미늄계 재료를 충전하는 공정과
    로 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄-알루미늄계 복합재료의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서, 규소를 첨가한 용융 알루미늄계 재료를 용기 내에 유입하는는 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄-알루미늄계 복합재료의 제조방법.
  9. (a) 질화 알루미늄분말을 소성하여 얻어진 프리폼을 준비하여 용탕가압장치내에 배설한 용기 내에 수납하고, 이어서 용융 알루미늄계 재료를 용기 내에 유입하고, 그 후 용기 내의 용융 알루미늄계 재료를 가압함으로써 프리폼의 기공 내에 알루미늄계 재료를 충전하여 모재를 제작하는 공정과,
    (b) 상기 모재의 표면을 세라믹 재료로 이루어지는 피복층으로 피복하는 공정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄-알루미늄계 복합재료의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서, 공정 (a)에서 규소를 첨가한 용융 알루미늄계 재료를 용기 내에 유입하는 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄-알루미늄계 복합재료의 제조방법.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서, 모재의 선팽창률을 α1[단위: 10-6/K], 피복층을 구성하는 세라믹 재료의 선팽창률을 α2[단위: 10-6/K] 로 했을 때, (α1- 4)≤α2≤(α1+ 4)을 만족시키는 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄-알루미늄계 복합재료의 제조방법.
  12. 제9항에 있어서, 피복층을 구성하는 세라믹 재료는 Al2O3또는 질화 알루미늄인 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄-알루미늄계 복합재료의 제조방법.
  13. (A) 용탕가압장치 내에 배설한 용기 내에 질화 알루미늄 분말을 넣는 공정과,
    (B) 용기 내의 질화 알루미늄 분말에 압력을 가하는 공정과,
    (C) 용융 알루미늄계 재료를 용기 내에 유입하는 공정과,
    (D) 용기 내의 용융 알루미늄계 재료를 가압함으로써 질화 알루미늄 분말 입자사이의 공간에 알루미늄계 재료를 충전하는 공정과
    에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄-알루미늄계 복합재료.
  14. 제13항에 있어서, 규소를 첨가한 용융 알루미늄계 재료를 용기 내에 유입하는 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄-알루미늄계 복합재료.
  15. (a) 용탕가압장치내에 배설한 용기 내에 질화 알루미늄 분말을 넣고, 이어서 용기 내의 질화 알루미늄 분말에 압력을 가한 후, 용융 알루미늄계 재료를 용기 내에 유입하고, 그 후 용기 내의 용융 알루미늄계 재료를 가압함으로써 질화 알루미늄분말 입자 사이의 공간에 알루미늄계 재료를 충전하여 얻어진 모재, 및
    (b) 상기 모재의 표면을 피복한 세라믹 재료로 이루어지는 피복층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄-알루미늄계 복합재료.
  16. 제15항에 있어서, 규소를 첨가한 용융 알루미늄계 재료를 용기 내에 유입하는 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄-알루미늄계 복합재료.
  17. 제15항 또는 제16항에 있어서, 모재의 선팽창률을 α1[단위: 10-6/K], 피복층을 구성하는 세라믹스재료의 선팽창률을 α2[단위: 10-6/K] 로 했을 때, (α1- 4)≤α2≤(α1+ 4)을 만족시키는 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄-알루미늄계 복합재료.
  18. 제15항에 있어서, 피복층을 구성하는 세라믹스재료는 Al2O3또는 질화 알루미늄인 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄-알루미늄계 복합재료.
  19. (A) 질화 알루미늄 분말을 소성하여 얻어진 프리폼을 준비하는 공정과,
    (B) 상기 프리폼을 용탕가압장치내에 배설한 용기 내에 수납하는 공정과,
    (C) 용융 알루미늄계 재료를 용기 내에 유입하는 공정과,
    (D) 용기 내의 용융 알루미늄계 재료를 가압함으로써 프리폼의 기공 내에 알루미늄계 재료를 충전하는 공정과
    에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄-알루미늄계 복합재료.
  20. 제19항에 있어서, 규소를 첨가한 용융알루미늄계 재료를 용기 내에 유입하는 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄-알루미늄계 복합재료.
  21. (a) 질화 알루미늄 분말을 소성하여 얻어진 프리폼을 준비하여, 이 프리폼을용탕가압장치 내에 배설한 용기 내에 수납하고, 이어서 용융 알루미늄계 재료를 용기 내에 유입하고, 그 후 용기 내의 용융 알루미늄계 재료를 가압함으로써 프리폼의 기공 내에 알루미늄계 재료를 충전하여 얻어진 모재, 및
    (b) 상기 모재의 표면을 피복한 세라믹 재료로 이루어지는 피복층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄-알루미늄계 복합재료.
  22. 제21항에 있어서, 규소를 첨가한 용융 알루미늄계 재료를 용기 내에 유입하는 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄-알루미늄계 복합재료.
  23. 제21항 또는 제22항에 있어서, 모재의 선팽창률을 α1[단위: 10-6/K], 피복층을 구성하는 세라믹스재료의 선팽창률을 α2[단위: 10-6/K] 로 했을 때, (α1- 4)≤α2≤(α1+ 4)을 만족시키는 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄-알루미늄계 복합재료.
  24. 제21항에 있어서, 피복층을 구성하는 세라믹스재료는 Al2O3또는 질화 알루미늄인 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄-알루미늄계 복합재료.
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