KR20050058342A - 금속 매트릭스 복합재 및 이의 제조 방법 - Google Patents

금속 매트릭스 복합재 및 이의 제조 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20050058342A
KR20050058342A KR1020057002724A KR20057002724A KR20050058342A KR 20050058342 A KR20050058342 A KR 20050058342A KR 1020057002724 A KR1020057002724 A KR 1020057002724A KR 20057002724 A KR20057002724 A KR 20057002724A KR 20050058342 A KR20050058342 A KR 20050058342A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
metal
matrix composite
insert
metal matrix
composite article
Prior art date
Application number
KR1020057002724A
Other languages
English (en)
Inventor
카말 이. 아민
Original Assignee
쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
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 쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니 filed Critical 쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
Publication of KR20050058342A publication Critical patent/KR20050058342A/ko

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C47/00Making alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments
    • C22C47/02Pretreatment of the fibres or filaments
    • C22C47/06Pretreatment of the fibres or filaments by forming the fibres or filaments into a preformed structure, e.g. using a temporary binder to form a mat-like element
    • C22C47/062Pretreatment of the fibres or filaments by forming the fibres or filaments into a preformed structure, e.g. using a temporary binder to form a mat-like element from wires or filaments only
    • C22C47/068Aligning wires
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C47/00Making alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments
    • C22C47/02Pretreatment of the fibres or filaments
    • C22C47/06Pretreatment of the fibres or filaments by forming the fibres or filaments into a preformed structure, e.g. using a temporary binder to form a mat-like element
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22DCASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D19/00Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B22D19/14Casting in, on, or around objects which form part of the product the objects being filamentary or particulate in form
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C47/00Making alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments
    • C22C47/08Making alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments by contacting the fibres or filaments with molten metal, e.g. by infiltrating the fibres or filaments placed in a mould
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C47/00Making alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments
    • C22C47/08Making alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments by contacting the fibres or filaments with molten metal, e.g. by infiltrating the fibres or filaments placed in a mould
    • C22C47/12Infiltration or casting under mechanical pressure
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2998/00Supplementary information concerning processes or compositions relating to powder metallurgy
    • B22F2998/10Processes characterised by the sequence of their steps
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16DCOUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
    • F16D55/00Brakes with substantially-radial braking surfaces pressed together in axial direction, e.g. disc brakes
    • F16D2055/0004Parts or details of disc brakes
    • F16D2055/0016Brake calipers
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16DCOUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
    • F16D2200/00Materials; Production methods therefor
    • F16D2200/0004Materials; Production methods therefor metallic
    • F16D2200/0026Non-ferro
    • F16D2200/003Light metals, e.g. aluminium
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16DCOUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
    • F16D2200/00Materials; Production methods therefor
    • F16D2200/0034Materials; Production methods therefor non-metallic
    • F16D2200/0039Ceramics
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16DCOUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
    • F16D2200/00Materials; Production methods therefor
    • F16D2200/006Materials; Production methods therefor containing fibres or particles

Landscapes

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

Abstract

금속 매트릭스 복합재 제품은 제1 금속과 제1 금속을 보강하기 위한 인서트를 포함하고, 제1 금속은 알루미늄, 그 합금 및 그 조합을 포함하는 그룹으로부터 선택되고, 인서트는 대략 연속적인 세라믹 산화물 섬유와 알루미늄, 그 합금 및 그 조합을 포함하는 그룹으로부터 선택된 제2 금속을 포함하고, 제2 금속은 대략 연속적인 세라믹 산화물 섬유를 제위치에 고정시키고, 제2 금속은 대략 연속적인 산화물 섬유의 길이의 적어도 일부를 따라 연장하고, 경계층이 제1 금속과 인서트 사이에 존재하고, 제1 금속과 인서트 사이의 경계층 피크 결합 강도값은 적어도 100 MPa이다. 금속은 금속 매트릭스 복합재 제품을 보강하기 위한 인서트와 이를 만들기 위한 방법을 포함한다. 다른 태양에서, 본 발명은 인서트로서 보강된 금속 매트릭스 복합재 제품과 이를 만들기 위한 방법을 제공한다. 유용한 금속 매트릭스 복합재 제품은 항공 우주 적용예를 위한 구조적 구성 요소를 포함한다.

Description

금속 매트릭스 복합재 및 이의 제조 방법 {METAL MATRIX COMPOSITES, AND METHODS FOR MAKING THE SAME}
본 발명은 금속 매트릭스 복합재 제품을 보강하기 위한 인서트를 포함하는 금속과 인서트로써 보강되는 금속 복합재 제품에 관한 것이다.
세라믹으로써 금속 매트릭스를 보강하는 것은 본 기술 분야에서 공지되어 있다[예를 들면 오지노(Ogino)에 의한 미국 특허 제4,705,093호, 하마지마(Hamajima et al.) 등에 의한 제4,852,630호, 코르윈(Corwin et al.) 등에 의한 제4,932,099호, 코르윈 등에 의한 제5,199,481호, 판탈(Pantale)에 의한 제5,234,080호와 케너크네크트(Kennerknecht)에 의한 제5,394,930호와, 1987년 5월 28일 및 1988년 9월 14일에 각각 공개된 영국 특허 공개 제2,182,970 A 및 B호 및 2002년 4월 4일에 공개된 국제 공개 공보 제WO 02/26658호, 제WO 02/27048호 및 WO 02/27049호의 공개 번호를 갖는 PCT 출원을 참조). 보강을 위해 사용되는 세라믹 재료의 예는 입자, 세라믹 예비 형성물 뿐만 아니라 세라믹 불연속 섬유[위스커(whisker)를 포함함] 및 연속 섬유를 포함한다.
일반적으로, 세라믹 재료는, 세라믹 재료없이 금속으로만 만들어진 제품과 비교되는 개선된 기계적 특성을 갖는 금속 매트릭스 복합재(MMC)를 제공하도록 금속 내에 혼입된다. 예를 들면, 모터 차량(예를 들면 승용차 및 트럭)을 위한 통상적인 브레이크 캘리퍼는 일반적으로 주철로 만들어진다. 특히 브레이크 캘리퍼와 같은 스프링 하체 중량(unsprung weight) 뿐만 아니라 차량의 전체 중량을 감소시키도록, 보다 가벼운 부품 및/그리고 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 세라믹 산화물 재료의 위치 설정을 포함하고 특정 적용예를 위해 요구되는 산화물 재료의 양을 최소화하는, MMC의 설계에서 도움을 주기 위한 하나의 기술은 유한 요소 해석법이다.
캐스트 알루미늄으로 만들어진 브레이크 캘리퍼는 주철로 만들어진 동일한(즉 동일한 구성 및 크기) 캘리퍼보다 약 50 중량% 가볍다. 캐스트 알루미늄 및 주철의 기계적 특성(예를 들면, 주철의 영률은 100 내지 170 GPa인 반면, 캐스트 알루미늄의 영률은 약 70 내지 75 GPa이고, 주철의 항복 강도는 약 300 내지 700 MPa인 반면, 캐스트 알루미늄의 항복 강도는 약 200 내지 300 MPa임)은 동일하지 않다. 따라서, 주어진 크기와 형상에 대해, 캐스트 알루미늄으로 만들어진 브레이크 캘리퍼는 주철 캘리퍼보다 굽힘 강성 및 항복 강도와 같은 기계적 특성이 상당히 열등하다. 일반적으로, 그러한 알루미늄 브레이크 캘리퍼의 기계적 특성은 주철 캘리퍼와 비교하여 허용할 수 없을 정도로 낮다. 주철 브레이크 캘러퍼와 동일한 구성을 갖고 굽힘 강성 및 항복 강도에서 적어도 동일한(또는 보다 나은) 기계적인 특성을 갖는 알루미늄 금속 매트릭스 복합재 재료(예를 들면, 세라믹 섬유로써 보강된 알루미늄)로 만들어진 브레이크 캘리퍼가 바람직하다.
몇몇 MMC 제품에 대해 고찰해야 하는 점은, 예비 형성 가공(예를 들면, 구멍 또는 나사산을 첨가시키고 또는 그렇지 않다면 원하는 형상을 제공하도록 재료를 절단하는 것) 및 다른 공정(예를 들면, 복잡한 형상의 부품을 만들도록 두개의 MMC 제품을 함께 용접하는 것)의 필요성이다. 많은 통상적인 MMC는 일반적으로 가공 또는 용접하는 것이 비실용적이거나 또는 불가능할 정도로 많은 세라믹 보강 재료를 포함한다. 그러나, 사후 형성 가공 또는 처리를 요구하지 않는, 있다 하더라도 거의 요구하지 않는 "정형 가공된(net-shaped)" 제품을 생산하는 것이 바람직하다. "정형 가공된" 제품을 만들기 위한 기술은 본 기술 분야[예를 들면, 시스코(Cisko)에 의한 미국 특허 제5,234,045호 및 될(Doell) 등에 의한 제5,887,684호를 참조]에 공지되어 있다. 부가적으로 또는 다르게, 실행 가능한 정도로, 세라믹 보강물은 가공 또는 용접과 같은 다른 처리를 방해할 수도 있는 영역 내에 감소되거나 위치되지 않을 수도 있다.
MMC의 설계 및 제조에서 추가로 고찰해야 하는 점은 세라믹 보강 재료의 비용이다. 세인트 폴 미네소타(St. Paul, MN)에 위치한 3M 컴퍼니에 의해 상표명 "넥스텔(NEXTERL) 610"으로 판매되는 연속적인 다결정질 알파 알루미나 섬유의 기계적 특성은 알루미늄과 같은 낮은 밀도의 금속과 비교하여 우수하다. 또한, 다결정질 알파 알루미나 섬유와 같은 세라믹 산화물 재료의 비용은 알루미늄과 같은 금속보다 대략 높다. 따라서, 사용되는 세라믹 산화물 재료의 양을 최소화하고 세라믹 산화물 재료에 의해 얻어지는 특성을 최대화하도록 세라믹 산화물 재료의 위치 설정을 최적화하는 것이 바람직하다.
또한, 패키지 내에서 세라믹 보강 재료를 제공하고 또는 그로부터 금속 매트릭스 복합재 제품을 만드는 데 상대적으로 용이하게 사용될 수 있도록 형성하는 것이 바람직하다.
2002년 4월 4일에 공개된 국제 출원 번호 제WO 02/26658호, 제WO 02/27048호 및 제WO 02/27049호의 공개 번호를 갖는 PCT 출원은, 패키지 내에 세라믹 보강 재료에 대한 필요성을 언급하고 또는 그로부터 금속 매트릭스 복합재 제품을 만드는 데 상대적으로 용이하게 사용할 수 있도록 형성하는 실시예의 설명과, 부가적인 해결책의 설명 뿐만 아니라 그리고/또는 금속 매트릭스 복합재 제품을 제공하는 다른 새로운 방법을 포함하고 있지만, 바람직하게 통상적인 금속 매트릭스 제품보다 우수한 특성을 갖는 것이 요구되고 있다.
도1 내지 도3은 본 발명에 따른 금속 매트릭스 복합재 제품의 실시 형태를 만들기 위한 예시적인(금속 매트릭스 복합재) 인서트의 사시도이다.
도4는 도3에 도시된 (금속 매트릭스 복합재) 인서트로부터 만들어진 예시적인 금속 매트릭스 복합재 제품의 사시도이다.
도5 내지 도7은 본 발명에 따른 금속 매트릭스 복합재 제품의 실시 형태를 만들기 위한 예시적인(금속 매트릭스 복합재) 인서트의 사시도이다.
도8a 및 도8b는 각각 실시예의 작업에서 사용되는 샌드 캐스팅 몰드의 개략적인 측면도 및 평면도이다.
도9a, 도9b 및 도9c는 테스트 시편의 평면도, 측면도, 단부도이다.
도10은 비교 실시예 A의 금속 매트릭스 복합재 제품의 파괴 표면의 약 4X의 광학 현미경 사진이다.
도11은 비교 실시예 A의 금속 매트릭스 복합재 제품 단면의 주사 오제 전자(SAM) 현미경 사진이다.
도12는 비교 실시예 A의 금속 매트릭스 복합재 제품 단면의 주사 오제 전자(SAM) 현미경 사진 및 전자 마이크로 프로브 구리 라인 스캔이다.
도13은 비교 실시예 C의 금속 매트릭스 복합재 제품 단면의 주사 오제 전자(SAM) 현미경 사진이다.
도14는 비교 실시예 C의 금속 매트릭스 복합재 제품 단면의 주사 오제 전자마이크로 프로브 산소 라인 스캔이다.
도15는 비교 실시예 C의 금속 매트릭스 복합재 제품의 x 레이 방사선의 현미경 사진이다.
도16은 실시예 1의 금속 매트릭스 복합재 제품의 x 레이 방사선의 현미경 사진이다.
도17은 실시예 1의 금속 매트릭스 복합재 제품의 20X의 광학 현미경 사진이다.
도18은 실시예 1의 금속 매트릭스 복합재 제품 단면의 주사 오제 전자(SAM) 현미경 사진 및 전자 마이크로 프로브 산소 라인 스캔이다.
도19는 실시예 4의 금속 매트릭스 복합재 제품의 파괴 표면의 약 4X의 광학 현미경 사진이다.
도20은 실시예 4의 금속 매트릭스 복합재 제품 단면의 주사 오제 전자(SAM) 현미경 사진 및 전자 마이크로 프로브 산소 라인 스캔이다.
일 태양에서, 본 발명은 제1 금속과 제1 금속을 보강하기 위한 인서트(몇몇 실시예에서는, 적어도 두개, 세개 또는 그 이상의 인서트)를 포함하는 금속 매트릭스 복합재 제품을 제공하고, 제1 금속은 알루미늄, 그 합금 및 그 조합을 포함하는 그룹으로부터 선택되고, 인서트는 대략 연속적인 세라믹 산화물 섬유와 알루미늄, 그 합금 및 그 조합을 포함하는 그룹으로부터 선택된 제2 금속을 포함하고, 제2 금속은 제위치에 대략 연속적인 세라믹 산화물 섬유를 고정시키고, 제2 금속은 대략 연속적인 산화물 섬유의 길이의 적어도 일부를 따라 연장하고, 경계층이 제1 금속과 인서트 사이에 존재하고, 제1 금속과 인서트 사이의 경계층 피크 결합 강도값은 적어도 100 MPa(몇몇 실시예에서는, 적어도 125 MPa, 150 MPa, 175 MPa 또는 적어도 200 MPa)이다. 몇몇 실시예에서, 경계층은 바람직하게 산소가 제거된다.
다른 태양에서, 본 발명은 본 발명에 따른 금속 매트릭스 복합재 제품을 만들기 위한 방법을 일 실시예로 제공하고, 상기 방법은,
몰드 내에 인서트를 위치시키는 단계와,
알루미늄, 그 합금 및 그 조합을 포함하는 그룹으로부터 선택된 용융된 제3 금속을 몰드 내부에 제공하는 단계와,
용융된 제3 금속을 냉각하여 제품을 제공하는 단계와,
제품을 열간 등압 가압하여 본 발명에 따른 금속 매트릭스 복합재 제품을 제공하는 단계를 포함하고,
인서트는 대략 연속적인 세라믹 산화물 섬유와 알루미늄, 그 합금 및 그 조합을 포함하는 그룹으로부터 선택된 제1 금속을 포함하고, 제1 금속은 대략 연속적인 세라믹 산화물 섬유를 제위치에 고정시키고, 제1 금속은 대략 연속적인 세라믹 산화물 섬유의 길이의 적어도 일부를 따라 연장하고, 제1 금속은 외부 표면과 제1 금속의 외부 표면 상에 제2 금속(예를 들면, Cu, Au, Ni, Ag, Zn 및 그 조합)을 갖고, 제2 금속은 적어도 5 마이크로미터(몇몇 실시예에서는, 바람직하게 적어도 10 마이크로미터, 적어도 15 마이크로미터 또는 적어도 20 마이크로미터, 보다 바람직하게는 5 마이크로미터로부터 20 마이크로미터까지의 범위)의 두께를 갖는다. 캐스팅은 공기 중에서 행해지지만, 몇몇 실시예에서는, 아르곤[예를 들면, 분위기의 총 체적에 기초하여, 어도 90 체적%(적어도 95 체적%, 99 체적% 또는 100 체적%)의 Ar과 분위기의 총 체적에 기초하여, 일반적으로 10 체적%, 5 체적%, 1 체적% 또는 0 체적% 보다 많지 않은 O2]을 포함하는 분위기 하에서 행해지는 것이 바람직할 수도 있다.
다른 태양에서, 본 발명은 본 발명에 따른 금속 매트릭스 복합재 제품을 만들기 위한 방법을 제공하고, 상기 방법은,
몰드 내에 인서트를 위치시키는 단계와,
알루미늄, 그 합금 및 그 조합을 포함하는 그룹으로부터 선택된 용융된 제3 금속을 몰드 내부에 제공하는 단계와,
용융된 제3 금속을 냉각하여 본 발명에 따른 금속 매트릭스 복합재 제품을 제공하는 단계를 포함하고,
인서트는 대략 연속적인 산화물 섬유와 알루미늄, 그 합금 및 그 조합을 포함하는 그룹으로부터 선택된 제1 금속을 포함하고, 제1 금속은 대략 연속적인 세라믹 산화물 섬유를 제위치에 고정시키고, 제1 금속은 대략 연속적인 세라믹 산화물 섬유의 길이의 적어도 일부를 따라 연장하고,
분위기의 총 체적에 기초하여, 적어도 90 체적%(적어도 95 체적%, 99 체적% 또는 100 체적%)의 Ar과 분위기의 총 체적에 기초하여, 일반적으로 10 체적%, 5 체적%, 1 체적% 또는 0 체적% 보다 많지 않은 O2를 포함하는 분위기는, 몰드 내부에 용융된 제3 금속이 제공되는 단계가 상기 분위기 하에서 행해지도록 제공된다. 몇몇 실시예에서, 제1 금속은 외부 표면과, 제1 금속의 표면 상에 제2 금속(예를 들면, Cu, Au, Ni, Ag, Zn 및 그 조합)을 갖고, 제2 금속은 적어도 5 마이크로미터(몇몇 실시예에서는, 바람직하게 적어도 10 마이크로미터, 적어도 15 마이크로미터 또는 적어도 20 마이크로미터, 보다 바람직하게는 5 마이크로미터로부터 20 마이크로미터까지의 범위)의 두께를 갖는다. 몇몇 실시예에서, 상기 방법은 용융된 제3 금속을 적어도 부분적으로 냉각하여 금속 매트릭스 복합재 제품을 제공하는 열간 등압 가압(HIP)을 포함한다.
본 출원에서, "피크 결합 강도값"이란 용어는 다음의 비교 실시예 A 또는 실시예 4 중 적어도 하나에서 판별된 피크 결합 강도값을 칭한다.
"산소가 제거된" 이라는 용어는 "산소 층 테스트"에서 설명된 바와 같이 250X의 광학 현미경으로 관찰했을 때, 눈으로 식별 가능한 연속적인 산화물 층이 경계부에 없다는 것을 의미한다.
"대략 연속적인 세라믹 산화물 섬유"는 적어도 5 cm의 길이를 갖는 세라믹 산화물 섬유를 칭한다.
본 발명에 따른 금속 매트릭스 복합재 제품의 예는 항공 우주 적용예, 브레이크 캘리퍼, 고속 회전 링 및 산업 기계용의 고속 기계 아암을 위한 구조적 부품을 포함한다.
본 발명은 적어도 하나의 금속을 포함하는 금속 매트릭스 복합재 제품 또는 대략 연속적인 세라믹 산화물 섬유를 제공한다. 일반적으로, 본 발명에 따른 금속 매트릭스 복합재 제품은 선택적인 또는 적어도 허용 가능한 밸런스를 갖는 원하는 특성과 낮은 비용 및 제조의 용이성을 달성하도록 특정 실시예를 위해 설계된다.
일반적으로, 인서트와 같은 본 발명에 따른 금속 매트릭스 복합재 제품은 특정 실시예를 위해 그리고/또는 임의의 특성 및/또는 특징을 갖도록 설계된다. 예를 들면, 하나의 금속(예를 들면, 강)으로 만들어진 현재의 제품은 대략 연속적인 세라믹 산화물 섬유를 포함하는 재료로써 보강된 다른 금속(예를 들면 알루미늄)으로 만들어지게 재설계되도록 선택됨으로써, 후자(즉, 금속 매트릭스 복합재 변형 제품)는 제1 금속으로만 만들어진 원래 제품의 사용에서 요구되는 것과 적어도 동일한 임의의 원하는 특성(예를 들면, 영률, 항복 강도, 연성)을 갖는다.
원하는 금속 매트릭스 복합재 제품 구성과, 원하는 특성과 가능한 금속 및 그러한 재료의 관련된 특성을 갖도록 만들어지는 것이 바람직한 세라믹 산화물 재료가 가능한 적당한 구조를 제공하도록 수집되고 사용된다. 몇몇 실시예에서, 가능한 구조를 발생시키기 위한 바람직한 방법은 통상적인 컴퓨터 시스템[중앙 처리 유닛(CPU)과 입력 및 출력 장치의 사용을 포함함]의 도움으로써 구동되는 FEA 소프트 웨어의 사용을 포함하는 유한 요소 해석법(FEA)을 사용한다. 적절한 FEA 소프트 웨어는 상업적으로 입수 가능하고, 펜실베니아 카논스버그(Canonsburg)에 위치한 안시스사(Ansys Inc.)에 의해 판매되는 상표명 "ANYSYS"를 포함한다. FEA는 수학적으로 제품을 모델링하고 연속적인 세라믹 산화물 섬유, 금속(들) 및 가능한 다른 재료의 위치 설정이 원하는 특성 레벨을 제공하는 검증 구역을 모델링하는 것을 돕는다.
도1을 참조하면, 본 발명에 따른 금속 매트릭스 복합재 제품을 만들기 위한 예시적인(금속 매트릭스 복합재) 인서트(10)는 대략 연속적인(도시된 바와 같이 종방향으로 정렬된) 세라믹 산화물 섬유(12)와 알루미늄 또는 그 합금(14)을 포함한다. 몇몇 실시예에서, 알루미늄 또는 그 합금(14)의 외부 표면(15)은 그 위에 제1 금속(16, 예를 들면, Cu, Au, Ni, Ag, Zn 및 그 조합)을 갖는다. 또한, 몇몇 실시예에서, 제2 선택적 금속(18)의 외부 표면(17)은 그 위에 제2 선택적 금속(18, 예를 들면, Ni)을 갖는다. 제2 선택적 금속은 제1 선택적 금속이 Cu 및/또는 Ag라면 일반적으로 사용된다. Ni의 사용은 Cu 및/또는 Ag와 같은 금속이 인서트 표면에 부착되는 것을 돕는 경향이 있다.
도2를 참조하면, 본 발명에 따른 금속 매트릭스 복합재 제품을 만들기 위한 다른 예시적인(금속 매트릭스 복합재) 인서트(10)는 대략 연속적인(도시된 바와 같이 종방향으로 정렬된) 세라믹 산화물 섬유(22)와 알루미늄 또는 그 합금(24)을 포함한다. 몇몇 실시예에서, 알루미늄 또는 그 합금(24)의 외부 표면(25)은 그 위에 제1 금속(26, 예를 들면, Cu, Au, Ni, Ag, Zn 및 그 조합)을 갖는다. 또한, 몇몇 실시예에서, 제2 선택적 금속(28)의 외부 표면(27)은 그 위에 제2 선택적 금속(28, 예를 들면, Ni)을 갖는다.
본 발명에 따른 몇몇 예시적인 실시예에서, 연속적인 세라믹 산화물 섬유는 서로에 대해 일반적으로 평행하도록 대략 종방향으로 정렬된다. 세라믹 산화물 섬유는 개별적인 섬유로서 인서트 내부에 혼입될 수도 있는 반면, 보다 번들 또는 토우(tow)의 형태로 섬유의 그룹으로서 인서트 내부에 일반적으로 혼입된다. 번들 또는 토우 내부의 섬유는 서로 종방향으로 정렬된(즉, 일반적으로 평행인) 관계로 유지될 수도 있다. 복수의 번들 또는 토우가 사용될 때, 또한 섬유 번들 또는 토우는 서로 종방향으로 정렬된(즉, 일반적으로 평행인) 관계로 유지된다. 몇몇 실시예에서, 모든 연속적인 세라믹 섬유는 개별적인 섬유 정렬이 그 평균 종축 방향에 대해 ± 10도, 보다 바람직하게는 ± 5도, 가장 바람직하게는 ± 3도 내로 유지되는 대략 종방향으로 정렬된 구성으로 유지되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 몇몇 금속 매트릭스 복합재 제품에 대해서, 세라믹 산화물 섬유가 직선에 대해 대향될 때(즉, 평면식으로 연장되지 않은), 만곡되는 것이 바람직하거나 필수적이다. 따라서, 예를 들면, 세라믹 산화물 섬유는 섬유 길이 전체를 걸쳐 평면식 또는 섬유 길이 전체를 걸쳐 비평면식(즉, 만곡식)일 수도 있고 몇몇 부분에서 평면식일 수도 있고 다른 부분에서는 비평면식(만곡식)일 수도 있다. 몇몇 실시예에서는, 대략 연속적인 세라믹 산화물 섬유는 금속 매트릭스 복합재 제품의 만곡된 부분 전체를 걸쳐 대략 비교차식, 곡선 배열(즉, 종방향으로 정렬됨)로 유지된다. 몇몇 실시예에서, 대략 연속적인 세라믹 섬유는 금속 매트릭스 복합재 제품의 만곡된 부분 전체를 걸쳐 서로와 대략 등간격인 관계로 유지된다.
예를 들면, 도3을 참조하면, 본 발명에 따른 금속 매트릭스 복합재 제품을 만들기 위한 예시적인 인서트(50)는 대략 연속적인(도시된 바와 같이 종방향으로 정렬된) 세라믹 산화물 섬유(52)와 알루미늄 또는 그 합금(54)을 포함하고, 대략 연속적인 세라믹 섬유(52)는 그 길이 전체를 걸쳐 만곡된다. 몇몇 실시예에서, 알루미늄 또는 그 합금(54)의 외부 표면(55)은 그 위에 제1 금속(56, 예를 들면, Cu, Au, Ni, Ag, Zn 및 그 조합)을 갖는다. 또한, 몇몇 실시예에서, 제2 선택적 금속(58)의 외부 표면(57)은 그 위에 제2 선택적 금속(58, 예를 들면, Ni)을 갖는다. 후자 타입의 인서트로 만들어질 수 있는 금속 매트릭스 복합재 제품의 예는 도4에 도시된 바와 같이, 금속 매트릭스 복합재 링이다. 링(60)은 알루미늄 또는 그 합금(54) 및 세라믹 산화물 섬유(52, 도3을 참조)를 포함한다. 그러한 링은, 예를 들면 큰 원심력을 받기 쉬운 고속 회전 기계 내에서 유용하다.
다른 태양에서는, 본 발명에 따른 몇몇 금속 매트릭스 복합재 제품에 대해, 대략 연속적인 세라믹 산화물 섬유의 두개, 세개, 네개, 또는 그 이상의 플라이(ply)[즉, 플라이(ply)는 대략 연속적인 세라믹 산화물 섬유의 적어도 하나의 층임(몇몇 실시예에서는 바람직하게 대략 연속적인 세라믹 산화물 섬유를 포함하는 적어도 하나의 층의 토우)]를 갖는 것이 바람직할 수도 있다. 플라이는 임의의 다양한 방식으로 서로에 대해 배향될 수도 있다. 서로에 대한 플라이의 관계의 예는 도5 및 도6에 도시된다. 도5를 참조하면, 인서트(70)는 연속적인(도시된 바와 같이 종방향으로 정렬된) 세라믹 산화물 섬유(71 및 72)의 제1 및 제2 플라이와 알루미늄 또는 그 합금(74)을 대략 포함한다. 몇몇 실시예에서, 알루미늄 또는 그 합금(74)의 외부 표면(75)은 그 위에 제1 금속(76, 예를 들면, Cu, Au, Ni, Ag, Zn 및 그 조합)을 갖는다. 또한 몇몇 실시예에서, 제2 선택적 금속(78)의 외부 표면(77)은 그 위에 제2 선택적 금속(78, 예를 들면, Ni)을 갖는다. 대략 연속적인 세라믹 산화물 섬유(71)의 제1 플라이는 대략 연속적인 산화물 섬유(72)의 제2 플라이에 대해 45도로 위치되지만, 특정 실시예에 따라서는 다른 플라이(들)에 대한 플라이의 위치의 차이는 대략 0도 보다 크고 90도 사이일 수도 있다. 그러한 플라이의 배열은 예를 들면 금속 매트릭스 복합재 제품이 사용 중 2축 및 3축 부하를 만나게 된다면 유용할 수도 있다. 선택적으로 본 발명에 따른 금속 매트릭스 복합재 제품은 두개 이상의 플라이를 가질 수 있다.
섬유의 그룹은 또한 도6에 도시된 바와 같이 대략 연속적인 세라믹 산화물 섬유로써 둘러싸이는 것으로부터 이점을 가질 수도 있고, 인서트(80)는 대략 연속적인(도시된 바와 같이 종방향으로 정렬된) 세라믹 산화물 섬유(81) 주위로 나선형으로 둘러싸인 연속적인(도시된 바와 같이 종방향으로 정렬된) 세라믹 산화물 섬유(82)와 알루미늄 또는 그 합금(84)을 대략 포함한다. 몇몇 실시예에서, 알루미늄 또는 그 합금(74)의 외부 표면(75)은 그 위에 제1 금속(76, 예를 들면, Cu, Au, Ni, Ag, Zn 및 그 조합)을 갖는다. 또한, 몇몇 실시예에서, 제2 선택적 금속(78)의 외부 표면(77)은 그 위에 제2 선택적 금속(78, 예를 들면, Ni)을 갖는다. 대략 연속적인 세라믹 산화물 섬유의 플라이에 의해 제공되는 특성으로부터 이점을 가질 수도 있는 금속 매트릭스 복합재 재료의 예는 사용중 두개의 수직축 주위로 굽힘력을 받기 쉬운 제품을 포함한다.
일반적으로, 대략 연속적인 세라믹 산화물 섬유는 적어도 10 cm(종종 적어도 15 cm, 20 cm, 25 cm 또는 그 이상)의 길이를 갖는다. 본 발명의 몇몇 실시예에서는, 대략 연속적인 세라믹 산화물 섬유는 토우(즉, 토우는 대략 연속적인 세라믹 산화물 섬유를 포함함)의 형태이다. 일반적으로, 토우를 포함하는 대략 연속적인 세라믹 산화물 섬유는 적어도 10 cm(종종 적어도 15 cm, 20 cm, 25 cm 또는 그 이상)의 길이를 갖는다.
세라믹 산화물 섬유는 대략 연속적인, 종방향으로 정렬된, 세라믹 산화물 섬유를 포함하거나 또는 필수적으로 포함하고, "종방향으로 정렬된"이란 용어는 섬유의 길이 방향에 대해 섬유의 일반적인 평행한 정렬을 칭한다.
몇몇 실시예에서, 본 발명에 따른 금속 매트릭스 복합재 제품을 만드는 데 사용되는 대략 연속적인 세라믹 산화물 섬유는 바람직하게 적어도 약 10 마이크로미터의 평균 직경을 갖는다. 몇몇 실시예에서, 평균 섬유 직경은 약 200 마이크로미터보다 크지 않으며, 보다 바람직하게는 100 마이크로미터보다 크지 않다. 섬유의 토우에 대해, 몇몇 실시예에서, 평균 섬유 직경은 바람직하게 50 마이크로미터보다 크지 않으며, 보다 바람직하게는 25 마이크로미터보다 크지 않다.
몇몇 실시예에서, 대략 연속적인 세라믹 산화물 섬유는 적어도 약 1.4 GPa, 보다 바람직하게는 적어도 1.7 GPa, 보다 바람직하게는 적어도 약 2.1 GPa, 가장 바람직하게는 적어도 약 2.8 GPa의 평균 인장 강도를 갖지만, 특정 실시예에 따라서는 보다 낮은 평균 인장 강도를 갖는 섬유가 또한 유용할 수도 있다.
연속적인 세라믹 산화물 섬유는 단일 필라멘트로서 또는 함께 그룹화(예를 들면 얀 또는 토우)되어 상업적으로 입수 가능하다. 얀 또는 토우는, 예를 들면 토우 당 적어도 420개의 개별적인 섬유, 토우 당 적어도 720개의 개별적인 섬유, 토우 당 적어도 2600개 또는 그 이상의 섬유를 포함할 수도 있다. 토우는 섬유 기술 분야에서 매우 잘 공지되어 있고 정렬된 꼬임 풀림 형태(untwisted form)로 수집된 복수의(개별적인) 섬유(일반적으로 100개의 섬유, 보다 일반적으로는 적어도 400개의 섬유)로 칭하는 반면 얀은 어느 정도의 꼬임 또는 로프 구조를 의미한다. 세라믹 산화물 섬유의 토우를 포함하는 세라믹 산화물 섬유는 다양한 길이로 사용될 수 있다. 섬유는 원형 또는 타원형의 단면 형상을 가질 수도 있다.
유용한 세라믹 산화물 섬유의 예는 알파 알루미늄 섬유, 알루미노 규산염(aluminosilicate) 섬유 및 알루미노 붕규산염(aluminoborosilicate) 섬유를 포함한다. 다른 유용한 산화물 섬유는 본 명세서를 재검토한다면 본 기술 분야에 숙련된 사람에게는 명백할 것이다.
알루미나 섬유를 만들기 위한 방법은 본 기술 분야에 공지되어 있고 우드 등(Wood et al.) 등에 의한 미국 특허 제4,954,462호에 개시된 방법을 포함한다. 몇몇 실시예에서, 바람직한 알루미나 섬유는 다결정질 알파 알루미나계 섬유이고, 알루미나 섬유의 총 중량에 기초하여, 이론적인 산화물을 바탕으로 약 99 중량% 보다 큰 Al2O3 및 약 0.2 내지 0.5 중량% 보다 큰 SiO2를 포함한다. 다른 태양의 다른 실시예에서는, 바람직한 다결정질, 알파 알루미나계 섬유는 1 마이크로미터(보다 바람직하게는 0.5 마이크로미터) 보다 작은 평균 입자 크기를 갖는 알파 알루미나를 포함한다. 다른 태양의 다른 실시예에서는 바람직한 다결정질, 알파 알루미나계 섬유는 적어도 1.6 GPa(바람직하게 적어도 2.1 GPa, 보다 바람직하게는 적어도 2.8 GPa)의 평균 인장 강도를 갖는다. 알파 알루미나 섬유는 예를 들면 미네소타주의 세인트 파울에 위치한 3M으로부터 상표명 "NEXTEL 610"으로 상업적으로 입수 가능하다. 섬유의 총 중량에 기초하여, 약 89 중량%의 Al2O3와, 약 10 중량%에 달하는 ZrO3 및 약 1 중량%의 Y2O3를 포함하는 다른 알파 알루미나 섬유는 3M사로부터 상표명 "NEXTEL 650"으로 상업적으로 입수 가능하다.
알루미노 규산염 섬유를 만들기 위한 방법은 본 기술 분야에 공지되어 있고 카르스트 등(Karst et al.) 등에 의한 미국 특허 제4,047,965호에 개시된 방법을 포함한다. 몇몇 실시예에서, 바람직한 알루미노 규산염 섬유는 알루미노 규산염 섬유의 총 중량에 기초하여, 이론적인 산화물을 바탕으로 약 67 중량%로부터 85 중량%까지 범위의 Al2O3 및 약 33 중량%로부터 15 중량%까지 범위의 SiO2를 포함한다. 몇몇 실시예에서는, 바람직한 알루미노 규산염 섬유는 알루미노 규산염 섬유의 총 중량에 기초하여, 이론적인 산화물을 바탕으로 약 67 중량%로부터 77 중량%까지 범위의 Al2O3 및 33 중량%로부터 23 중량%까지 범위의 SiO2를 포함한다. 다른 실시예에서, 이론적인 산화물을 바탕으로 바람직한 알루미노 규산염 섬유는 알루미노 규산염 섬유의 총 중량에 기초하여, 약 85 중량%의 Al2O3 및 약 15 중량%까지의 SiO2를 포함한다. 다른 실시예에서, 바람직하게 알루미노 규산염 섬유는 알루미노 규산염 섬유의 총 중량에 기초하여, 이론적인 산화물을 바탕으로 약 73 중량%의 Al2O3 및 약 27 중량%까지의 SiO2를 포함한다. 알루미노 규산염 섬유는 예를 들면 3M사로부터 상표명 "NEXTEL 440", "NEXTEL 720" 및 "NEXTEL 550"으로 상업적으로 입수 가능하다.
알루미노 붕규산염 섬유를 만들기 위한 방법은 본 기술 분야에 공지되어 있고 소우만(Sowman)에 의한 미국 특허 제3,795,524호에 개시된 방법을 포함한다. 몇몇 실시예에서, 바람직한 알루미노 붕규산염 섬유는 알루미노 붕규산염 섬유의 총 중량에 기초하여, 약 75 중량%(또는 예를 들면 약 55 중량% 내지 약 75 중량%)의 Al2O3와 약 0 중량%(또는 예를 들면 약 15 중량%) 이상이고 약 50 중량%(또는 예를 들면 45 중량%보다 작은 또는 44 중량%보다 작은) 이하의 SiO2와 약 5 중량%(또는 예를 들면 25 중량%보다 작고, 약 1 중량% 내지 약 5 중량%보다 작고, 또는 당 2 중량% 내지 약 20 중량%보다 작은) B2O3를 이론적인 산화물을 바탕으로 포함한다. 알루미노 붕규산염 섬유는 예를 들면 3M으로부터 상표명 "NEXTEL 312"로 상업적으로 입수 가능하다.
상업적으로 입수 가능한 대략 연속적인 세라믹 산화물 섬유는 종종 윤활성을 제공하고 처리 중 섬유 스트랜드를 보호하도록 그 제조 중 섬유에 부가되는 유기물 사이징(sizing) 재료를 포함한다. 상기 사이징은, 섬유의 파괴를 감소시키고 정전기를 감소시키고 예를 들면 직물로의 변환 중 먼지의 양을 감소시키는 경향이 있다고 알려져 있다. 상기 사이징은 예를 들면 분해 또는 연소에 의해 제거될 수 있다.
또한 본 발명이 범위 내에서 세라믹 산화물 섬유 상에 코팅을 가질 수도 있다. 코팅은 예를 들면 섬유와 용융된 금속 매트릭스 재료 사이의 반응을 감소시키고 또는 방지하도록 섬유의 습윤성(wettability)을 보강하는 데 사용될 수도 있다. 그러한 코팅과 그러한 코팅을 제공하기 위한 기술은 섬유 및 금속 매트릭스 복합재 기술 분야에서 공지되어 있다.
인서트 주위의 금속 캐스트는 연속적인 세라믹 산화물 섬유를 고정시키는 금속과 동일하거나 또는 다를 수도 있다. 본 발명에 따른 인서트 및 금속 매트릭스 복합재 제품을 만드는 데 사용되고 이를 포함하는 알루미늄 및 알루미늄 합금은 불순물을 포함할 수도 있고, 몇몇 실시예에서는 상대적으로 순수한 금속[즉, 0.1 중량%보다 작고, 또는 0.05 중량%보다 작은 불순물(즉, 0.25 중량% 보다 작고, 0.1 중량% 보다 작고, 또는 중량당 0.05 % 보다 작은 Fe, Si 및/또는 Mg)]을 사용하는 것이 바람직할 수도 있다. 보다 높은 순도의 금속은 보다 높은 인장 강도 재료에 대해 바람직한 경향이 있지만, 보다 낮은 순도의 금속 형태가 또한 유용할 수도 있다.
적절한 알루미늄 및 알루미늄 합금은 상업적으로 입수 가능하다. 예를 들면, 알루미늄은 펜실베니아, 피티츠버그(Pittsburg)의 알코아(Alcoa)로부터 상표명 "Al 99.99 %의 수퍼 퓨어 알루미늄(SUPER PURE ALUMINUM)"으로 입수 가능하다. 알루미늄 합금[예를 들면, Al-2 중량%의 Cu(0.03 중량%의 불순물)]이 뉴욕주, 뉴욕(New York, NY)의 벨몬트 메탈즈(Belmont Metals)로부터 얻어질 수 있다. 몇몇 실시예에서, 바람직한 알루미늄 합금의 예는 적어도 98 중량%의 Al을 포함하고, 알루미늄 합금은 적어도 1.5 중량%의 Cu(예를 들면, 알루미늄 합금은 합금의 총 중량에 기초하여, 1.5 중량% 내지 2.5 중량%, 보다 바람직하게는 1.8 중량% 내지 2.2 중량% 범위의 Cu를 포함함)를 포함한다. 유용한 알루미늄 합금 시리즈는 200(예를 들면, 201 알루미늄 합금, A201.1 알루미늄 합금, 201.2 알루미늄 합금, 203 알루미늄 합금, 206 알루미늄 합금, A206.0 알루미늄 합금, 224 알루미늄 합금 및 224.2 알루미늄 합금), 300(예를 들면, A319.1 알루미늄 합금, 354.1 알루미늄 합금, 355.2 알루미늄 합금, A356 알루미늄 합금, D356 알루미늄 합금, A356.1 알루미늄 합금, A357 알루미늄 합금 및 D357 알루미늄 합금), 400(예를 들면, 413 알루미늄 합금, 443 알루미늄 합금, 443.2 알루미늄 합금 및 444.2 알루미늄 합금), 700(예를 들면, 713 알루미늄 합금 및 771 알루미늄 합금), 2000(예를 들면, 2036 알루미늄 합금 및 2618 알루미늄 합금), 6000(예를 들면, 6061 알루미늄 합금, 6063 알루미늄 합금, 6101 알루미늄 합금, 6151 알루미늄 합금 및 6201 알루미늄 합금) 및/또는 7000(예를 들면, 7072 알루미늄 합금) 시리즈 알루미늄 합금을 포함한다.
몇몇 실시예에서, 인서트(들)를 위한 바람직한 알루미늄 합금의 예는 적어도 98 중량%의 Al을 포함하는 합금을 포함하고, 알루미늄 합금은 적어도 중량당 1.5 %의 Cu(예를 들면, 알루미늄 합금은 합금 총 중량에 기초하여, 1.5 중량% 내지 2.5 중량%, 바람직하게는 1.8 중량% 내지 2.2 중량%의 범위의 Cu를 포함함)를 포함한다. 몇몇 실시예에서는, 인서트(들)를 위한 바람직한 알루미늄 합금의 예는 2000(예를 들면, 2036 알루미늄 합금 및 2618 알루미늄 합금), 6000(예를 들면, 6061 알루미늄 합금, 6063 알루미늄 합금, 6101 알루미늄 합금, 6151 알루미늄 합금 및 6201 알루미늄 합금) 및/또는 7000(예를 들면, 7072 알루미늄 합금) 시리즈 알루미늄 합금을 포함한다.
몇몇 실시예에서는, 인서트(들) 주위의 바람직한 알루미늄 합금 캐스트는 200(예를 들면, 201 알루미늄 합금, 203 알루미늄 합금, 206 알루미늄 합금 및 224 알루미늄 합금), 300(예를 들면, A356 알루미늄 합금, D356 알루미늄 합금, A357 알루미늄 합금 및 D357 알루미늄 합금), 400(예를 들면, 413 알루미늄 합금, 및 443 알루미늄 합금), 700(예를 들면, 771 알루미늄 합금), 및/또는 6000(예를 들면, 6061 알루미늄 합금) 시리즈 알루미늄 합금을 포함한다.
특정값을 벗어난 Cu, Au, Ni, Ag, Zn 및 그 조합과 같은 금속의 두께가 유용할 수도 있지만, 두께가 너무 얇으면, 코팅은 인서트가 예비 가열될 때 확산하는 경향이 있고 결국 산화로부터 경계부를 보호하지 못할 수도 있고 그렇지 않다면 경계부에서 산화를 감소시키는 데 도움을 주지 못할 수도 있는 반면, 과도한 두께는 인서트의 금속과 금속 매트릭스 복합재 제품의 금속 사이의 원하는 결합 강도를 보장하는 것을 방해하는 경향이 있다. Cu, Au, Ni, Ag, Zn 및 그 조합과 같은 금속을 증착하기 위한 기술은 본 기술 분야에 공지되어 있으며, 전기 도금 및 진공 증착 기술을 포함한다.
일반적으로 선택적인 Ni의 두께는 약 1 마이크로미터보다 크고, 보다 일반적으로는 2 마이크로미터보다 크다. 다른 태양에서, 그러한 금속의 일반적인 두께는 약 10 마이크로미터보다 작고, 보다 일반적으로는 약 5 마이크로미터보다 작다. 이러한 값을 벗어나는 두께가 또한 유용할 수도 있지만, 두께가 너무 얇으면, 코팅은 Cu, Au, Ag, Zn 및 그 조합과 같은 금속을 인서트에 부착시키는 것을 돕는 데 유용하지 않을 수도 있는 반면, 과도한 두께는 인서트의 금속과 금속 매트릭스 복합재 제품의 금속 사이의 원하는 결합 강도를 보장하는 것을 방해하는 경향이 있다. 몇몇 실시예에서, Ni는 무전해 증착(electroless deposition)을 통해 증착된다.
인서트는 예를 들면, 의도된 금속 인서트 설계를 위해 원하는 치수 및 형상을 갖는 맨드릴(mandrel) 상에 복수의 연속적인 세라믹 산화물 섬유[몇몇 실시예에서, 바람직하게 함께 그룹화(예를 들면, 얀 또는 토우)됨]을 권취함로써 만들어진다. 몇몇 실시예에서, 바람직하게 권취된 섬유는 사이징된다. 예시적인 사이징은 물(몇몇 실시예에서, 바람직하게 탈이온화된 물), 왁스(예를 들면, 파라핀) 및 폴리비닐 알콜(PVA)을 포함한다. 사이징이 물이라면, 섬유는 일반적으로 맨드릴 상에 권취된다. 권취가 완료된 후, 맨드릴은 권취기로부터 제거되고 그 후 권취된 섬유가 동결될 때까지 냉동 쿨러 내에 위치된다. 동결되고 권취된 섬유는 필요에 따라 절단될 수 있다. 예를 들면, 섬유가 4개의 인접 플레이트로 구성된 맨드릴 주위로 권취된다면, 직사각형 플레이트는 동결된 섬유의 예비 형성물을 제공하도록 제거될 수 있다. 예비 형성물은 작은 예비 형성물을 제공하도록 부분으로 절단될 수도 있다. 일반적으로 사이징은 인서트를 형성하는 데 사용되기 전에 제거된다. 사이징은, 예를 들면 다이(몇몇 실시예에서, 바람직하게 그래파이트 또는 모래) 내부에 형성된 섬유를 위치시킴으로써 제거될 수 있고, 그 후 다이를 가열한다. 다이는 인서트를 만드는 데 사용된다.
인서트를 형성하도록, 사이징이 제거된 후, 존재한다면, 다이는 일반적으로 스테인레스 스틸 캔, 바람직하게는 한 단부만이 개방된 캔 내부에 위치된다. 몇몇 실시예에서 캔의 내부는 바람직하게 질화 붕소(boron nitride) 또는 그 유사한 물질로 코팅되어, 이를 보호하고, 연속적인 캐스팅 중 알루미늄/알루미늄 합금과 캔 사이의 반응을 최소화하고, 그리고/또는 몰드로부터 금속 매트릭스 복합재 제품의 방출을 촉진시킨다. 내부에 다이를 갖는 캔은 압력 캐스팅 기계의 압력 용기 내부에 위치된다. 이어서, 알루미늄 및/또는 알루미늄 합금(예를 들면, 알루미늄 및/또는 알루미늄 합금의 일부는 잉곳으로부터 절단됨)은 캔의 상단에 위치된다. 그 후 압력 용기는 공기가 제거되어 진공화되고 알루미늄 및/또는 알루미늄 합금의 용융점[일반적으로 액상선 온도(liquidus temperature) 이상의 약 50 ℃ 내지 약 120 ℃] 이상으로 가열된다. 원하는 온도에 도달할 때, 가열기는 작동 중지되고 그 후 압력 용기는 일반적으로 아르곤(또는 유사한 불활성 가스)으로써 약 8.5 MPa 내지 9.5 MPa의 압력으로 가압되어, 예비 형성물에 침투하도록 용융된 알루미늄/알루미늄 합금을 가압한다. 압력 용기 내의 압력은 온도가 하강할 때 느리게 감소되게 한다. 제품의 고체화(즉, 그 온도가 약 500 ℃ 이하로 떨어질 때)될 때, 챔버가 개방되고 캐스트 금속 매트릭스 복합재 제품(들)[예를 들면, 인서트(들)]이 다이로부터 제거되고 그 후 공기 중에서 추가로 냉각되게 한다.
또한 인서트는 예를 들면, 스퀴즈 캐스팅(squeeze casting)을 포함하는 본 기술 분야에서 공지된 다른 기술로써 만들어질 수 있다. 스퀴즈 캐스팅에 대해, 예를 들면, 형성된 세라믹 산화물 섬유는 다이(예를 들면 스틸 다이) 내에 위치될 수 있고, 존재하는 임의의 사이징이 연소되고, 용융된 알루미늄/알루미늄 합금은 다이 공동 내부로 도입되고, 캐스트 제품의 고체화가 완료될 때까지 압력이 인가될 수 있다.
최종 인서트는 예를 들면, 인서트의 표면 상에 산화를 제거하거나 감소시키도록 추가로 처리될 수 있다[예를 들면 모래 분사 및/또는 (예를 들면 수직 스핀들 다이아몬드 연삭기를 갖는) 표면 연삭]. 또한, 인서트는 필요에 따라 원하는 형상[워터 젯(water jet)으로써 절단된 것을 포함함]을 제공하도록 절단될 수도 있다. 다음에, 또한 인서트는 원한다면, Cu, Au, Ni, Ag, Zn 및 그 조합과 같은 제1 금속으로써 코팅될 수 있다. 선택적으로, Ni와 같은 제2 금속은 제1 금속이 코팅되기 전 코팅된다. 이론에 구속받는 것을 원하지 않지만, Ni의 사용은 인서트 상에 Cu 및 Ag과 같은 금속의 인서트 상으로의 부착을 돕는다고 여겨진다.
특정한 대략 연속적인 세라믹 산화물 섬유, 매트릭스 재료 및 인서트 및/또는 금속 매트릭스 복합재 제품을 만들기 위한 공정 단계는 갖는 금속 매트릭스 복합재 제품에 원하는 특성을 제공하도록 선택된다. 예를 들면, 대략 연속적인 세라믹 산화물 섬유 및 금속 매트릭스 재료는 원하는 제품을 만들도록 서로와 충분히 양립 가능하고 그리고 제품 제조 공정에 충분히 적합하도록 선택된다. 몇몇 실시예에서 본 발명에 따른 인서트 및/또는 금속 매트릭스 복합재 제품의 영역을 포함하는 금속은 금속 매트릭스가, 예를 들면 섬유 외부 상에 보호 코팅을 제공할 필요성을 제거하기 위해, 대략 연속적인 세라믹 산화물 섬유(즉, 용융된 금속에 대해 상대적으로 화학적으로 불활성임)로써 화학적으로 거의 반응하지 않도록 선택되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 금속 매트릭스 복합재 제품은 일반적으로 본 기술 분야(예를 들면 중력 주조 다이 캐스팅 및 스퀴즈 캐스팅)에서 공지된 기술을 사용한 인서트로써 캐스트될 수 있다. 유한 요소 해석법(FEA) 모델링이 예를 들면, 원하는 성능 특성을 만족시키기 위해 세라믹 산화물 섬유의 선택적인 위치 및 양을 검증하도록 사용될 수 있다. 그러한 해석법은 예를 들면 사용된 인서트의, 예를 들면 치수(들), 수 및 위치를 선택하는 데 도움을 주도록 사용될 수 있다. 인서트(들) 및/또는 다이는 캐스팅 전에 예비 가열될 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 바람직하게 인서트(들)는 약 500 ℃ 내지 600 ℃로 예비 가열된다. 몇몇 실시예에서, 바람직하게 다이는 200 ℃ 내지 500 ℃로 예비 가열된다.
FEA가 예를 들면 본 발명에 따른 인서트 및/또는 금속 매트릭스 복합재 재품을 캐스팅하기 위한 캐스팅 기술, 캐스팅 조건 및/또는 몰드 설계를 선택하는 데 도움을 주도록 사용될 수도 있다. 적절한 FEA 소프트 웨어는 메릴랜드주 아나폴리스(Annapolis, MD)의 UES에 의해 상표명 "PROCAST"로 판매되는 것을 포함하여, 상업적으로 입수 가능하다.
공기 중에서 캐스팅되는 본 발명에 따른 금속 매트릭스 복합재 제품에 대해, 인서트는 일반적으로 선택적인 Cu, Au, Ni, Ag, Zn 또는 그 조합을 포함한다. 예를 들면 아르곤을 포함하는 분위기 중에서 캐스팅되는 본 발명에 따른 금속 매트릭스 복합재 제품에 대해, 캐스팅 분위기를 캐스팅 전 아르곤으로써 1회 이상 정화시키는 것이 일반적으로 보다 바람직하다.
인서트(들)와 인서트 주위의 금속 캐스트 사이의 경계부에서 원하는 산화의 양보다 높은 산화량을 갖는 금속 매트릭스 복합재 제품에 대해, 제품은 경계부로부터 산화물을 파괴하거나 멀리 발산시키고 보다 완벽하게 습윤화 및/또는 치밀화시키도록 열간 등압 가압(hot isostatic pressing, HIPing)을 사용하여 추가로 처리될 수도 있다. HIP를 위한 기술은 본 기술 분야에 매우 잘 공지되어 있다. 본 발명에 따른 실시예에 대해 사용될 수도 있는 HIP 온도, 압력 및 시간의 예는 500도 내지 600도, 25 MPa 내지 50 MPa 및 4 시간 내지 6시간을 포함한다. 이러한 범위를 벗어난 온도, 압력 및 시간이 또한 유용할 수도 있다. 보다 낮은 온도는 예를 들면, 낮은 치밀화를 제공하고 그리고/또는 HIP 시간을 증가시는 경향이 있는 반면, 보다 높은 온도는 금속 매트릭스 복합재 제품을 변형시킬 수도 있다. 보다 낮은 압력은 예를 들면 낮은 치밀화를 제공하고 그리고/또는 HIP 시간을 증가시키는 경향이 있는 반면, 보다 높은 압력은 예를 들면, 불필요하고 또는 몇몇 경우에서 금속 매트릭스 복합재 제품을 손상할 수도 있다. 보다 짧은 시간은 예를 들면 낮은 치밀화를 제공하는 반면, 보다 긴 시간은 예를 들면 불필요할 수도 있다.
상기 설명한 바와 같이, 금속 매트릭스 복합재 제품(인서트를 포함함)이 임의의 목적을 위해 일반적으로 설계되고, 그 결과로서 임의의 재료 등으로 만들어진 임의의 구성과 임의의 특성을 갖는 것이 바람직하다. 일반적으로, 몰드는 캐스팅된 원하는 형상의 금속 매트릭스 복합재 제품을 제공하도록 선택되거나 만들어져서, 정형 가공 또는 거의 정형 가공에 가깝게 제공한다. 정형 가공된 또는 거의 정형 가공에 가깝게 제품은 예를 들면, 캐스트 금속 매트릭스 복합재 제품의 일련의 가공 비용 또는 다른 사후 캐스팅 처리의 비용에 대한 필요성을 최소화시키고 제거할 수 있다. 일반적으로 몰드는 대략 연속적인 세라믹 산화물 섬유가 최종 금속 매트릭스 복합재 제품 내에 적절히 위치하도록 원하는 위치(들)에 인서트(들)를 보유하게 만들어지거나 개조된다. 적절한 공동을 만들기 위한 기술 및 재료는 본 기술 분야에서 숙련된 자에게는 공지되어 있다. 특정 몰드(예를 들면, 그래파이트, 스틸 및 모래)가 만들어질 수도 있는 재료(들)는 예를 들면 금속 매트릭스 복합재 제품을 만드는 데 사용되는 금속에 종속된다.
금속 매트릭스 복합재 제품을 만들기 위한 다른 기술은 본 명세서를 재검토한다면 본 기술 분야에 숙련된 자에게는 명백할 것이다.
본 발명에 따른 금속 매트릭스 복합재 제품은 대략 연속적인 세라믹 산화물 섬유의 하나 이상의 그룹(예를 들면, 두개의 그룹 또는 세개의 그룹)을 포함하고, 대략 연속적인 세라믹 산화물 섬유의 그룹은 다른 그룹으로부터 이격되고 금속은 대략 연속적인 세라믹 산화물 섬유를 그 사이의 위치에 고정시킨다. 예를 들면, 도7을 참조하면, 인서트(90)는 대략 연속적인(도시된 바와 같이 종방향으로 정렬된) 세라믹 산화물 섬유(92) 및 알루미늄 또는 그 합금(94)의 그룹(93A, 93b 및 93C)을 포함한다. 몇몇 실시예에서, 알루미늄 또는 그 합금(94)의 외부 표면(95)은 그 위에 제1 금속(예를 들면, Cu, Au, Ni, Ag, Zn 및 그 조합, 96)을 포함한다. 또한 몇몇 실시예에서는 제2 선택적인 금속(98)의 외부 표면(97)은 그 위에 제2 선택적인 금속(98, 예를 들면, Ni)을 갖는다.
본 발명에 따른 금속 매트릭스 복합재 제품은 로드(원형, 직사각형 또는 정사각형 단면을 갖는 로드를 포함함), I 빔, L 형상 또는 튜브를 포함하는 임의의 다양한 형상일 수도 있다. 본 발명에 따른 금속 매트릭스 복합재 제품은 기다랗고 대략 균일한 단면 영역을 가질 수도 있다.
몇몇 실시예에서, 본 발명에 따른 인서트 및 금속 매트릭스 복합재 제품은, 영역의 총 체적에 기초하여, 약 30 체적% 내지 약 70 체적%(몇몇 실시예에서는, 바람직하게 약 35 체적% 내지 약 60 체적% 또는 약 35 체적% 내지 약 45 체적%)의 범위의 금속 및 약 70 체적% 내지 약 30 체적%(몇몇 실시예에서는, 바람직하게 약 65 체적% 내지 약 40 체적% 또는 약 65 체적% 내지 약 55 체적%)의 범위의 대략 연속적인 세라믹 산화물 섬유를, 대략 연속적인 세라믹 산화물 섬유를 포함하는 영역에서 포함한다. 몇몇 실시예에서, 바람직하게 본 발명에 따른 인서트 및 금속 매트릭스 복합재 제품은, 영역의 총 체적에 기초하여, 적어도 50 체적%의 대략 연속적인 산화물 섬유를, 대략 연속적인 세라믹 산화물 섬유를 포함하는 영역에서 포함한다.
몇몇 실시예에서, 본 발명에 따른 인서트 및 금속 매트릭스 복합재 제품은, 인서트의 총 체적에 기초하여, 약 30 체적% 내지 약 70 체적%(몇몇 실시예에서는 바람직하게 약 35 체적% 내지 약 60 체적% 또는 약 35 체적% 내지 약 45 체적%)의 범위의 금속 및 약 70 체적% 내지 약 30 체적%(몇몇 실시예에서는, 바람직하게 약 65 체적% 내지 약 40 체적% 또는 약 65 체적% 내지 약 55 체적%)의 범위의 대략 연속적인 세라믹 산화물 섬유를 포함한다. 몇몇 실시예에서, 바람직하게 인서트는, 인서트의 총 체적에 기초하여, 적어도 50 체적%의 대략 연속적인 산화물 섬유를 포함한다.
본 발명에 따른 몇몇 금속 매트릭스 복합재 제품의 실시예는, 다음의 "산소층 테스트"에 의해 판별되는 바와 같이 인서트 또는 홀더와, 인서트 또는 홀더 주위의 알루미늄 또는 알루미늄 합금 캐스트 사이의 경계부에서 산소가 제거된다. 금속 매트릭스 복합재 제품의 일부는 인서트 또는 홀더와, 인서트 또는 홀더 주위의 알루미늄 또는 알루미늄 합금 캐스트의 단면을 얻도록 절단된다. 그 후, 단면은 반자동 금속 조직 연삭기/연마 장비[오하이오주 클레버랜드에 위치한 스트루어스사(Struers, Inc, Cleveland, OH)에 의해 상표명 "ABRAMIN"으로 입수 가능함)로써 연마된다. 연마 속도는 150 rpm이다. 연마는 다음의 연속적인 6 단계로 행해진다. 연마력은 제6 단계에서 250N인 것을 제외하고는 150 N이다.
-제1 단계
샘플은 120 그리트 실리콘 카바이드 페이퍼[일리노이즈주 노쓰부룩에 위치한 페이스 테크놀러지즈(Pace Technologies, Northbrook, IL)로부터 입수 가능함]를 사용하여 45초 동안 연마되면서, 연속적으로 연마 중 연마제 패드 상에 물을 자동적으로 낙하시킨다. 연마 후, 샘플은 물로써 완전히 헹궈진다.
-제2 단계
샘플은 220 그리트 실리콘 카바이드 페이퍼(페이스 테크놀러지즈로부터 입수 가능함)를 사용하여 45초 동안 연마되면서, 연속적으로 연마 중 연마제 패드 상에 물을 자동적으로 낙하시킨다. 연마 후, 샘플은 물로써 완전히 헹궈진다.
-제3 단계
샘플은 600 그리트 실리콘 카바이드 페이퍼(페이스 테크놀러지즈로부터 입수 가능함)를 사용하여 45초 동안 연마되면서, 연속적으로 연마 중 연마제 패드 상에 물을 자동적으로 떨어뜨린다. 연마 후, 샘플은 물로써 완전히 헹궈진다.
-제4 단계
샘플은 연마 패드(스트루어스사로부터 상표명"DP-MOL"로 입수 가능함)를 사용하여 4.5분 동안 연마되고, 윤활제(스트루어스사로부터 상표명 "PURON, DP-LUBICANT"로 입수 가능함)의 주기적인 액적으로 약간 습윤화되고 6 마이크로미터 다이아몬드 그리트(스트루어스사로부터 상표명 "DP-SPRAY, P-6 ㎛"로 입수 가능함)로써 1초 동안 스프레이된다. 연마 후, 샘플은 물로써 완전히 헹궈진다.
-제5 단계
샘플은 연마 패드("DP-MOL")를 사용하여 4.5분 동안 연마되고, 윤활제(스트루어스사로부터 상표명 "PURON, DP-LUBICANT"로 입수 가능함)의 주기적인 액적으로 약간 습윤화되고 3 마이크로미터 다이아몬드 그리트(스트루어스사로부터 상표명 "DP-SPRAY, P-6 ㎛"로 입수 가능함)로써 1초 동안 스프레이된다. 연마 후, 샘플은 물로써 완전히 헹궈진다.
-제6 단계
샘플은 다공성 합성 연마 천(스트루어스사로부터 상표명 "OP-CHEM"으로 입수 가능함)을 사용하여 4.5분 동안 연마되고, 물 및 콜로이드 실리카 현탁액(스트루어스사로부터 상표명 "OP-SUSPENSION"으로 입수 가능함)으로써 우선 습윤화시키고 천 상에 손으로써 주입된다. 샘플은 연마의 마지막 5초 중 물로써 씻어진다. 연마 후, 샘플은 건조된다.
최종 연마된 샘플은 눈으로 식별 가능한 연속적인 산화물 층이 인서트 또는 홀더와, 인서트 또는 홀더 주위의 알루미늄 또는 알루미늄 합금 캐스트 사이에 존재하는 지를 판별하도록 250X의 광학 현미경으로써 관찰된다. 참조의 목적으로, 2002년 8월 20일에 출원된 미국 연속 출원 시리얼 번호 제60/404,672호를 갖는 공동 계류 중인 출원의 실시예 3(도10을 참조)은, 이번 테스트로써 평가될 때 경계부에서 눈으로 식별 가능한 연속 산화물 층을 갖지 않는 반면, 동일한 출원의 비교 실시예(H, 도11 참조)는 갖는다. 도10을 참조하면, 실시예 3의 연마된 단면은 인서트 매트릭스(166)와 캐스팅 합금(163) 사이의 경계부에서 단열 경계부(abrupt boundary)를 나타내지 않는다. 도11을 참조하면, 비교 실시예(H)의 연마된 단면은 인서트 매트릭스(186)와 캐스팅 합금(183) 사이의 경계부(182)에서 산화물 층이라 여겨지는 단열 경계부를 나타낸다.
본 발명에 따른 금속 매트릭스 복합재 제품의 실시예는 브레이크 캘리퍼와 항공 우주 산업 적용예[예를 들면, 전기적 어세스 도어, 보강 구조 부재(예를 들면 I 빔 보강판 및 패널) 및 착륙 기어]를 포함한다.
본 발명은 다음의 실시예에 의해 추가로 설명되지만, 특정 재료 및 이 실시예에서 인용된 그 양 뿐만 아니라 다른 조건 및 상세는 본 발명을 부당하게 제한하도록 해석되어서는 안된다. 본 발명의 다양한 변경 및 변화는 본 기술 분야에서 숙련된 자에게는 명백할 것이다. 모든 부분 및 퍼센티지는 중량 당으로 나타낸다.
실시예
비교 실시예(A)
두개의 알루미늄 매트릭스 복합재 제품(비교 실시예 A1 및 A2)은 다음과 같이 만들어진다. 연속적인 알파 알루미늄 섬유(미네소타 세인트 파울에 위치한 3M사로부터 상표명 "NEXTEL 610"으로 입수 가능함, 3,000 데니어, 약 370 GPa의 영률, 약 3 GPa의 평균 인장 강도, 11 마이크로미터의 평균 직경)의 토우는 탈이온화된 물 사이징을 사용하여 권취되고, 섬유의 토우는 섬유의 49.5 % 체적 하중을 갖는 섬유 예비 형성물을 생산하도록 네면이 20.3 cm(8 인치)인 정사각형 맨드릴 상에 권취되기 바로 전에 중탕 수조(water bath) 내에 담겨진다. 섬유는 8.25 cm(3.25 인치) X 20.3 cm(8 인치) X 0.254 cm(0.1 인치 두께)의 직사각형의 예비 형성물 플레이트를 형성하도록 인장 하[인장 측정기(보울더 CO, 텐시트론으로부터 상표명 "CERTEN"으로 입수 가능함)에 의해 측정되는 바와 같이 약 75 g]에서 권취된다. 그 후 맨드릴은 물을 동결시키고 최종 예비 형성물을 안정화시키도록 쿨러 내에 위치된다. 동결될 때, 예비 형성물의 에지는 손질되고 플레이트는 7.6 cm X 15.2 cm(3 인치 X 6인치)의 예비 형성물로 절단된다.
최종 7.6 cm X 15.2 cm X 0.254 cm의 섬유 예비 형성물은 질화 붕소로써 코팅된 그래파이트 몰드 내부에 위치된다. 예비 형성물을 포함하는 그래파이트 몰드는 한 단부에서 개방된 스테인레스 스틸 캔 내부에 위치된다. 그 후 캔 조립체는 통상적인 가스 압력 캐스팅 기계의 실린더형 용기 내부에 위치된다. 알루미늄 합금(필라델피아, 피티스버그의 알코아로부터 입수 가능한 6061 알루미늄 합금)은 캔의 상단에 위치된 잉곳으로부터 절단된다. 캔은 균일한 용융 온도를 보장하도록 가열 구역을 나타내는 압력 용기 내부에 위치된다. 그 후 압력 용기는 공기가 제거되어 진공화되고 알루미늄 합금의 액상점(715 ℃) 이상으로 가열된다. 원하는 온도에 도달할 때, 가열기는 작동 중지되고 압력 용기는 약 9 MPa(1300 psi)의 압력으로 아르곤으로써 가압되고, 예비 형성물에 침투되도록 용융된 알루미늄을 가압한다. 용기 내의 압력은 온도가 하강할 때 느리게 감소되게 한다. 인서트 온도가 약 500 ℃ 이하일 때, 챔버는 개방되고, 캔은 압력 용기로부터 제거되고, 캐스트 금속 매트릭스 복합재 제품(인서트 플레이트)은 캔으로부터 제거되고 공기 중에서 냉각되게 한다.
이러한 인서트 플레이트는 길이 방향으로 톱으로써 절단되고 0.9525 cm(0.375 인치) X 15.3 cm(6 인치) X 0.254 cm(0.1 인치)의 치수를 갖는 완성된 인서트를 형성하도록 밀링된다.
완성된 인서트의 표면은 표면을 깨끗이 하고 그 위에 임의의 산화물을 제거하도록 모래 분사된다. 그 후 인서트는 통상적인 설파민산 니켈(nickel sulfamate) 도금 수용액 내에 침지되고 1.5 A의 전류가 인서트의 표면 상에 1 마이크로미터의 Ni층을 증착하도록 4.5분 동안 인가된다. 그 후 인서트는 통상적인 구리 황산염 도금 수용액 내에 침지되고, 4.4 A의 전류가 1 마이크로미터의 Cu층을 증착하도록 3분 동안 인가된다.
네 개의 구리 코팅된 인서트가 모래 몰드 내에 위치된다. 도8a 및 8b를 참조하면, 몰드(100)는 실선으로 도시되고 네 개의 인서트(101)는 가상선으로 도시된 모래 몰드 내에 위치된다. 완성된 금속 매트릭스 복합재 제품을 한정하는 플레이트(102)는 15.2 cm X 20.3 cm X 2.54 cm의 치수를 갖는 우측 직사각형 프리즘이다. 몰드(100)는 폭 63 mm를 갖는 넓은 테이퍼진 런너(runner, 108)에 제공되는 12.5 cm X 19 mm의 초크(106)를 갖는 탕구(sprue)를 갖는다. 런너(108)는 런너(108) 상에 위치된 25.4 mm 직경의 라이저로부터 방출되는 인 게이트(in-gate, 112) 내의 7.6 mm 폭의 블레이드를 차례로 갖는, 25.4 mm 직경의 네 개의 라이저(100)를 제공한다. 금속 매트릭스 복합재 제품은 탕구에서 몰드 내부로 746 ℃(1375 ℉)에서 용융된 알루미늄 합금 D357을 주입함으로써 공기 중에서 캐스트된다. 인서트는 예비 가열되지 않는다. 냉각을 가속하도록, 금속 칠은 샌드 몰드 내부에 매립된다. 용융된 알루미늄 합금이 고체화된 이후에, 최종 금속 매트릭스 복합재 제품은 모래 몰드로부터 제거되고 몰드 쓰레기는 제품으로부터 절단된다.
네개의 최종 금속 매트릭스 복합재 제품 중 하나는 도10에 도시된 단면 파괴 표면을 제공하도록 부서질 때까지 굽혀진다.
네개의 최종 금속 매트릭스 복합재 제품 중 하나는 약 10 cm 크기로 단면을 갖도록 절단되고, 에폭시 내에 장착되고 반자동 금속 조직 연삭기/연마 장비(오하이오주 클레버랜드의 스트루어스사로부터 상표명 "ABRAMIN"으로 입수 가능함)를 사용하여 다음과 같이 연마된다. 연마 속도는 150 rpm이다. 연마는 다음의 연속적인 6 단계로 행해진다. 연마력은 제6 단계에서 250N인 것을 제외하고는 150 N이다.
- 제1 단계
샘플은 120 그리트 실리콘 카바이드 페이퍼[일리노이즈주 노쓰부룩에 위치한 페이스 테크놀러지즈(Pace Technologies, Northbrook, IL)로부터 입수 가능함]를 사용하여 45초 동안 연마되면서, 연속적으로 연마 중 연마제 패드 상에 물을 자동적으로 낙하시킨다. 연마 후, 샘플은 물로써 완전히 헹궈진다.
-제2 단계
샘플은 220 그리트 실리콘 카바이드 페이퍼(페이스 테크놀러지즈로부터 입수 가능함)를 사용하여 45초 동안 연마되면서, 연속적으로 연마 중 연마제 패드 상에 물을 자동적으로 낙하시킨다. 연마 후, 샘플은 물로써 완전히 헹궈진다.
-제3 단계
샘플은 600 그리트 실리콘 카바이드 페이퍼(페이스 테크놀러지즈로부터 입수 가능함)를 사용하여 45초 동안 연마되면서, 연속적으로 연마 중 연마제 패드 상에 물을 자동적으로 떨어뜨린다. 연마 후, 샘플은 물로써 완전히 헹궈진다.
-제4 단계
샘플은 연마 패드(스트루어스사로부터 상표명"DP-MOL"로 입수 가능함)를 사용하여 4.5분 동안 연마되고, 윤활제(스트루어스사로부터 상표명 "PURON, DP-LUBICANT"로 입수 가능함)의 주기적인 액적으로 약간 습윤화되고 6 마이크로미터 다이아몬드 그리트(스트루어스사로부터 상표명 "DP-SPRAY, P-6 ㎛"로 입수 가능함)로써 1초 동안 스프레이된다. 연마 후, 샘플은 물로써 완전히 헹궈진다.
-제5 단계
샘플은 연마 패드("DP-MOL")를 사용하여 4.5분 동안 연마되고, 윤활제(스트루어스사로부터 상표명 "PURON, DP-LUBICANT"로 입수 가능함)의 주기적인 액적으로 약간 습윤화되고 3 마이크로미터 다이아몬드 그리트(스트루어스사로부터 상표명 "DP-SPRAY, P-6 ㎛"로 입수 가능함)로써 1초 동안 스프레이된다. 연마 후, 샘플은 물로써 완전히 헹궈진다.
-제6 단계
샘플은 다공성 합성 연마 천(스트루어스사로부터 상표명 "OP-CHEM"으로 입수 가능함)을 사용하여 4.5분 동안 연마되고, 물 및 콜로이드 실리카 현탁액(스트루어스사로부터 상표명 "OP-SUSPENSION"으로 입수 가능함)으로써 우선 습윤화시키고 천 상에 손으로써 주입된다. 샘플은 연마의 마지막 5초 중 물로써 씻어진다. 연마 후, 샘플은 건조된다.
연마된 단면은 그 위에 금 스퍼터링을 통해 몇 옹그스트롬(Å)의 금 층으로써 코팅된다. 최종 샘플은 주사 오제 전자(SAM) 현미경(scanning auger electron microscope)[미네소타주 에덴 프레리에 위치한 피지컬 일렉트로닉스 컴퍼니(이전에 퍼킨스엘머로서 알려진)로부터 상표명 "SAM 600"으로 입수 가능함]으로써 관찰된다. 도11을 참조하면, SAM의 현미경 사진은 인서트(111), 경계부(112) 및 캐스트 알루미늄 합금(113)을 도시한다. 또한, 전자 마이크로 프로브 구리 라인 스캔은 인서트, 경계부 및 캐스트 알루미늄 합금을 가로질러 라인 내로 안내된다. 결과는 도12에 도시되고, 도면 부호 121은 인서트이고, 122는 경계부이고, 123은 캐스트 알루미늄 합금이고, 구리 라인 스캔은 도면 부호 124이다.
네개의 최종 금속 매트릭스 복합재 제품 중 하나는 네 개의 부분으로 다이아몬드 톱에 의해 세로로 절단되고, 각각은 테스트 시편(test coupon)을 형성하도록 그 안에 하나의 인서트를 갖는다. 그 후 각각의 부분은 도9a, 도9b 및 도9c에 도시된 바와 같이 최종 테스트 시편(130)으로 밀링되고, 인서트는 도면 부호 135로써 나타내고, 치수(d1)는 5.08 cm(2 인치), 치수(d2)는 2.54 cm(1 인치), 치수(d3)는 0.25 cm(0.1 인치), 치수(d4)는 1 cm(0.4 인치), 치수(d5)는 0.9525 cm(0.375 인치) 및 치수(d6)는 공칭적으로 0.254 cm(0.1 인치)이지만, 실제적으로 부하를 전달하는 경계부의 영역("경계부 영역")(도9a, 도9b 및 도9c에서 도면 부호 "z"로서 도시됨)을 판별하도록 각각의 샘플에서 측정된다. 그 후 테스트 시편은 만능 시험 기계[universal test machine, 마이애미주 칸톤(Canton, MA)에 위치한 인스트론 코오포레이션(Instron Corporation)으로부터 모델 8500-133으로 입수 가능함] 내에 위치된다. 보다 구체적으로, 테스트 시편은 테스트 기계의 하부 조오(jaw) 내부에 클램프된다. 약 10 MPa(1.5 Ksi)의 유압이 테스트 시편을 클램프하는 조오를 이동시키도록 인가된다(서보에 연결된 풋 페달을 사용함). 그 후 상부 횡단 헤드는 하강하고 테스트 시편은 약 10 MPa의 압력을 사용하여 다시 상부 조오에 의해 클램프된다. 테스트 시편 결합 평면과 하중 축의 양호한 정렬을 보장에 주의를 기울여야 한다. 테스트 시편은 0.017 mm/sec의 속도로 당겨지고, 모든 변위 및 부하("로드")는 경계부의 완전한 분리 지점까지 기록된다. 피크 결합 강도는 "경계부 영역"에 의해 최대 "부하"를 분할함으로써 판별된다. 실시예 1a 및 1b의 결과는 표1에 아래의 도시된다.
표1
실시예 금속, 두께, 마이크로미터 캐스팅 분위기 열간 등압가압 피크 결합 강도, MPa(Ksi)
비교 실시예 A1비교 실시예 A2 Cu, 20Cu, 20 공기공기 없음없음 20.0(2.9)34.5(5.0)
비교 실시예 B1비교 실시예 B2비교 실시예 B3 Cu, 5Cu, 5Cu, 5 공기공기공기 없음없음없음 38.0(5.5)54.0(7.8)69.0(10.0)
비교 실시예 C1비교 실시예 C2비교 실시예 C3비교 실시예 C4 없음없음없음없음 공기공기공기공기 없음없음없음없음 18(2.5)19(2.75)25(3.6)28(4.1)
1a1b1c1d1e1f1g1h 없음없음없음없음없음없음없음없음 아르곤아르곤아르곤아르곤아르곤아르곤아르곤아르곤 없음없음없음없음없음없음없음없음 86(12.5)64(9.2)94(13.6)114(16.5)91(13.6)68(9.9)114(16.5)114(16.5)
2a2b Cu, 5Cu, 5 공기공기 있음있음 60(8.75)*112(16.25)
3a3b Cu, 20Cu, 20 공기공기 있음있음 144(20.9)203(29.3)
* 이론에 의해 구속되기를 원하지는 않지만, 이 샘플의 현미경 관찰은 제품을 만드는 데 사용되는 재료의 오염을 일으킬 수도 있는 심각한 편석(segregation)을 경계부에서 나타낸다.
비교 실시예 B
세개의 다른 금속 매트릭스 복합재 제품(즉, 비교 실시예 B1, B2 및 B3)은 구리 도금이 8분 동안 행해지고 최종 Cu 코팅이 약 20 마이크로미터의 두께라는 점을 제외하고는 실시예 1에서 설명된 바와 같이 준비된다. 비교 실시예 B1, B2 및 B3의 각각의 결합 강도는 Cu의 두께에 따라 위의 표1에 제공된다.
비교 실시예 C
네개의 비교 실시예 A(즉, 비교 실시예 C1, C2, C3 및 C4)의 금속 매트릭스 복합재 제품은 인서트가 모래 분사되지 않고 Ni 또는 Cu 코팅이 제공되지 않는다는 점을 제외하고는 비교 실시예 A에서 설명된 바와 같이 준비된다. 비교 실시예 C1, C2, C3 및 C4의 각각의 결합 강도는 위의 표1에 제공된다.
네 개의 최종 금속 매트릭스 복합재 제품 중 하나는 단면 절단되고 연마되고 비교 실시예 A에 설명된 바와 같이 SAM으로써 관찰된다. 도13을 참조하면, SAM의 현미경 사진은 인서트(131), 경계부(132) 및 캐스트 알루미늄 합금(133)을 도시한다. 또한, 전자 마이크로 프로브 산소 라인 스캔은 도14에 도시된 바와 같이 인서트(131), 경계부(132) 및 캐스트 알루미늄 합금(133)을 가로질러 라인 내로 안내되고 도면 부호 145는 산소 라인 스캔을 나타낸다. 약 3 마이크로미터 폭의 날카로운 산화물 피크(알루미늄 산화물로 여겨짐)는 인서트와 캐스트 알루미늄 합금 사이에 결합을 억제하는 것으로 여겨진다.
네 개의 최종 금속 매트릭스 복합재 제품 중 하나는 통상적인 x 레이 방사선 사진 기계 내에 위치된다. 제품은 기계 챔버 내부의 턴테이블 상에 위치되고 x 레이 빔의 경로 내에 위치 설정되도록 중앙에 위치된다. 보호 프레임 내에 비노출된 x 레이 필름[뉴욕주 로체스터(Rochester, NY)에 위치한 이스트만 코닥 컴퍼니(Esatman Kodak Company)에 의해 입수 가능한 중간 속도 필름)은 제품 뒤에 위치된다. x 레이 광원은 작동 개시되고 약 3 내지 5분 동안 3.5 암페어에서 90 KV로 노출된(ASTM 표준 E94-88) 제품은 약 3의 필름 밀도를 이어서 제공한다. 노출된 필름은 통상적인 기술을 사용하여 처리된다. 프린트는 도15에 도시되고, 도면 부호 151은 인서트를 나타내고, 153은 캐스트 알루미늄 합금을 나타낸다. 인서트(151)와 캐스트 알루미늄 합금(153) 사이의 탈결합(debonding)이 명백하게 보여진다.
실시예 1
8개의 실시예 1(즉, 실시예 1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f, 1g 및 1h)의 금속 매트릭스 복합재 제품은 Ni 또는 Cu 코팅이 제공되지 않고 몰드가 아르곤 가스(즉, 아르곤은 약 15분 동안 몰드를 통과하여 유동함)로 정화된다는 점을 제외하고는 비교 실시예 A에서 설명된 바와 같이 준비된다. 실시예 1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f, 1g 및 1h의 각각의 결합 강도는 위의 표1에 제공된다.
네 개의 최종 금속 매트릭스 복합재 제품 중 하나는 비교 실시예 C에 설명된 바와 같이 x 레이 투과된다. 도16을 참조하면, 인서트는 도면 부호 161이고 캐스트 알루미늄 합금은 도면 부호 163이다. 도15와 대조적으로, 경계부 탈결합은 도16에 나타나지 않고 인서트(161)와 캐스트 알루미늄 합금(163) 사이의 완전한 결합을 나타낸다.
네 개의 최종 금속 매트릭스 복합재 제품 중 하나는 비교 실시예 A에 설명된 바와 같이 단면 절단되고 연마된다. 연마된 단면은 비교 실시예 A에 설명된 바와 같이 몇 옹그스트롬의 금으로써 코팅된다. 최종 샘플은 주사 전자 현미경(SEM)(미네소타주 에덴 프레리에 위치한 피지컬 일렉트로닉스로부터 모델 600으로 입수 가능함)으로써 관찰된다. 도17을 참조하면, 광학 현미경 사진은 인서트(171)와 캐스트 알루미늄 합금(173)을 도시한다.
네 개의 최종 금속 매트릭스 복합재 제품 중 하나는 단면 절단되고 연마되고 비교 실시예 A에 설명된 바와 같이 SAM으로써 관찰된다. 또한, 전자 마이크로 프로브 산소 라인 스캔은 인서트, 경계부 및 캐스트 알루미늄 합금을 가로질러 라인 내로 안내된다. SAM의 현미경 사진은 인서트(181), 경계부(182) 및 캐스트 알루미늄 합금(183)을 도시한다.
실시예 2
두개의 다른 금속 매트릭스 복합재 제품(즉, 실시예 2a 및 2b)은 제품이 열간 등압 가압에 의해 처리된다는 점을 제외하고는 비교 실시예 A에서 설명된 바와 같이 준비된다. 제품은 약 4시간 동안 1010 ℉(543 ℃)의 온도와 34.5 MPa(5.0 Ksi)의 압력으로 아르곤 내에서 열간 등압 가압된다. 실시예 2a 및 2b의 각각의 결합 강도는 Cu의 두께에 따라 위의 표1에 제공된다.
실시예 3
두개의 다른 금속 매트릭스 복합재 제품(즉, 실시예 3a 및 3b)은 제품이 실시예 3에 설명된 바와 같이 열간 등압 가압에 의해 추가로 처리된다는 점을 제외하고는 실시예 2에서 설명된 바와 같이 준비된다. 실시예 3a 및 3b의 각각의 결합 강도는 Cu의 두께에 따라 위의 표에 제공된다.
네 개의 최종 금속 매트릭스 복합재 제품 중 하나는 도19에 도시된 바와 같이 단면 파괴 표면을 제공하도록 부서질 때까지 구부려진다.
실시예 4
8개의 금속 매트릭스 복합재 제품(즉, 실시예 4a, 4b, 4c, 4d, 4e, 4f, 4g 및 4h)은 이러한 제품으로부터 가공된 테스트 시편이 d4에서 5 mm(0.2인치)의 치수의 두께를 갖는다는 점을 제외하고는 비교 실시예 A에서 설명된 바와 같이 준비된다. 실시예 4a, 4b, 4c, 4d, 4e, 4f, 4g 및 14의 각각의 결합 강도는 Cu의 두께에 따라 아래의 표2에 제공된다.
네 개의 최종 금속 매트릭스 복합재 제품 중 하나는 단면 절단되고 연마되고 비교 실시예 A에 설명된 바와 같이 SAM으로써 관찰된다. 또한, 전자 마이크로 프로브 산소 라인 스캔은 인서트, 경계부 및 캐스트 알루미늄 합금을 가로질러 라인 내로 안내된다. 도20을 참조하면 SAM의 현미경 사진은 인서트(201), 경계부(202), 캐스트 알루미늄 합금(203) 및 산소 라인 스캔(205)을 도시한다.
표2
실시예 금속,두께,마이크로미터 캐스팅분위기 열간 등압가압 피크 결합 강도, MPa(Ksi)
4a4b4c4d4e4f4g4h Cu, 20Cu, 20Cu, 20Cu, 20Cu, 20Cu, 20Cu, 20Cu, 20 공기공기공기공기공기공기공기공기 있음있음있음있음있음있음있음있음 212.3(30.8)212.3(30.8)179.2(26.0)178.6(25.9)166.8(24.2)144.0(20.9)143.4(20.8)106.5(15.5)
본 발명의 다양한 변경 및 변화가 본 발명의 범위와 사상을 벗어나지 않고 본 기술 분야에서 숙련된 자에게는 가능할 것이고, 본 발명은 여기에 개시된 도식적인 실시예에만 제한되지 않는다는 것을 이해할 것이다.

Claims (27)

  1. 제1 금속 및 제1 금속을 보강하는 인서트를 포함하는 금속 매트릭스 복합재 제품이며,
    제1 금속은 알루미늄, 그 합금 및 그 조합을 포함하는 그룹으로부터 선택되고, 인서트는 대략 연속적인 세라믹 산화물 섬유와 알루미늄, 그 합금 및 그 조합을 포함하는 그룹으로부터 선택된 제2 금속을 포함하고, 제2 금속은 대략 연속적인 세라믹 산화물 섬유를 제위치에 고정시키고, 제2 금속은 대략 연속적인 세라믹 산화물 섬유의 길이의 적어도 일부를 따라 연장하고, 경계층이 제1 금속과 인서트 사이에 존재하고, 제1 금속과 인서트 사이의 경계층 피크 결합 강도값은 적어도 100 MPa인 금속 매트릭스 복합재 제품.
  2. 제1항에 있어서, 대략 연속적인 세라믹 산화물 섬유는 종방향으로 정렬되는 금속 매트릭스 복합재 제품.
  3. 제1항에 있어서, 제1 금속과 인서트 사이의 경계층 피크 결합 강도값은 적어도 150 MPa인 금속 매트릭스 복합재 제품.
  4. 제1항에 있어서, 제1 금속과 인서트 사이의 경계층 피크 결합 강도값은 비교 실시예 A에서 판별된 바와 같이 적어도 150 MPa인 금속 매트릭스 복합재 제품.
  5. 제1항에 있어서, 제1 금속과 인서트 사이의 경계층 피크 결합 강도값은 실시예 4에서 판별된 바와 같이 적어도 150 MPa인 금속 매트릭스 복합재 제품.
  6. 제1항에 있어서, 제1 금속과 인서트 사이의 경계층 피크 결합 강도값은 적어도 200 MPa인 금속 매트릭스 복합재 제품.
  7. 제1항에 있어서, 제1 금속과 인서트 사이의 경계층 피크 결합 강도값은 비교 실시예 A에서 판별된 바와 같이 적어도 200 MPa인 금속 매트릭스 복합재 제품.
  8. 제1항에 있어서, 제1 금속과 인서트 사이의 경계층 피크 결합 강도값은 실시예 4에서 판별된 바와 같이 적어도 200 MPa인 금속 매트릭스 복합재 제품.
  9. 제1항에 있어서, 대략 연속적인 산화물 섬유는 다결정질 알파 알루미나 섬유인 금속 매트릭스 복합재 제품.
  10. 제9항에 있어서, 다결정질 알파 알루미나 섬유는 적어도 2.8 GPa의 평균 인장 강도를 갖고, 다결정질 알파 알루미나 섬유는 알루미나 섬유의 총 중량에 기초하여, 이론적인 산화물을 바탕으로 약 99 중량% 보다 큰 Al2O3 및 약 0.2 내지 0.5 중량% 보다 큰 SiO2를 포함하고, 다결정질 알파 알루미나 섬유 내에 존재하는 알파 알루미나는 1 마이크로미터 보다 작은 평균 입자 크기를 갖는 금속 매트릭스 복합재 제품.
  11. 제9항에 있어서, 알파 알루미나 섬유는 금속 매트릭스 복합재 제품의 총 체적에서 적어도 50 체적%를 포함하는 금속 매트릭스 복합재 제품.
  12. 제1항에 있어서, 대략 연속적인 세라믹 산화물 섬유는 금속 매트릭스 복합재 제품의 총 체적에서 적어도 50 체적%를 포함하는 금속 매트릭스 복합재 제품.
  13. 제1항에 있어서, 제1 금속은 알루미늄 합금의 총 중량에 기초하여, 적어도 1.5 중량%의 Cu를 포함하는 알루미늄 합금인 금속 매트릭스 복합재 제품.
  14. 제1항에 있어서, 제1 금속은 알루미늄 합금의 총 중량에 기초하여, 적어도 1.5 중량% 내지 2.5 중량%의 Cu를 포함하는 알루미늄 합금인 금속 매트릭스 복합재 제품.
  15. 제1항에 있어서, 제1 금속은 알루미늄 합금의 총 중량에 기초하여, 적어도 1.8 중량% 내지 2.2 중량%의 Cu를 포함하는 알루미늄 합금인 금속 매트릭스 복합재 제품.
  16. 제1항에 있어서, 제1 금속은 6061 알루미늄 합금인 금속 매트릭스 복합재 제품.
  17. 제16항에 있어서, 제2 금속은 200, 300, 400 또는 700 시리즈 알루미늄 합금 중 하나인 금속 매트릭스 복합재 제품.
  18. 금속 매트릭스 복합재 제품의 제조 방법이며,
    몰드 내에 인서트를 위치시키는 단계와,
    알루미늄, 그 합금 및 그 조합을 포함하는 그룹으로부터 선택된 용융된 제3 금속을 몰드 내부에 제공하는 단계와,
    용융된 제3 금속을 냉각하여 제품을 제공하는 단계와,
    제품을 열간 등압 가압하여 제1항에 따른 금속 매트릭스 복합재 제품을 제공하는 단계를 포함하고,
    인서트는 대략 연속적인 세라믹 산화물 섬유와 알루미늄, 그 합금 및 그 조합을 포함하는 그룹으로부터 선택된 제1 금속을 포함하고, 제1 금속은 대략 연속적인 세라믹 산화물 섬유를 제위치에 고정시키고, 제1 금속은 대략 연속적인 세라믹 산화물 섬유의 길이의 적어도 일부를 따라 연장하고, 제1 금속은 외부 표면과, 제1 금속의 외부 표면 상에 Cu를 갖고, 제2 금속은 적어도 5 마이크로미터의 두께를 갖는 금속 매트릭스 복합재 제품의 제조 방법.
  19. 제18항에 있어서, 제2 금속은 적어도 15 마이크로미터의 두께를 갖는 금속 매트릭스 복합재 제품의 제조 방법.
  20. 제18항에 있어서, 제2 금속은 적어도 20 마이크로미터의 두께를 갖는 금속 매트릭스 복합재 제품의 제조 방법.
  21. 금속 매트릭스 복합재 제품의 제조 방법이며,
    몰드 내에 인서트를 위치시키는 단계와,
    알루미늄, 그 합금 및 그 조합을 포함하는 그룹으로부터 선택된 용융된 제3 금속을 몰드 내부에 제공하는 단계와,
    용융된 제3 금속을 냉각하여 제1항에 따른 금속 매트릭스 복합재 제품을 제공하는 단계를 포함하고,
    인서트는 대략 연속적인 산화물 섬유와 알루미늄, 그 합금 및 그 조합을 포함하는 그룹으로부터 선택된 제1 금속을 포함하고, 제1 금속은 대략 연속적인 세라믹 산화물 섬유를 제위치에 고정시키고, 제1 금속은 대략 연속적인 세라믹 산화물 섬유의 길이의 적어도 일부를 따라 연장하고,
    분위기의 총 체적에 기초하여, 적어도 90 체적%의 아르곤 및 10 체적%를 넘지 않는 O2를 포함하는 분위기는 몰드 내부에 용융된 제3 금속이 제공되는 단계가 상기 분위기 하에서 행해지도록 제공되는 금속 매트릭스 복합재 제품의 제조 방법.
  22. 제21항에 있어서, 대략 연속적인 세라믹 산화물 섬유는 다결정질 알파 알루미나 섬유인 금속 매트릭스 복합재 제품의 제조 방법.
  23. 제22항에 있어서, 다결정질 알파 알루미나 섬유는 적어도 2.8 GPa의 평균 인장 강도를 갖고, 다결정질 알파 알루미나 섬유는 알루미나 섬유의 총 중량에 기초하여, 이론적인 산화물을 바탕으로 약 99 중량% 보다 큰 Al2O3 및 약 0.2 내지 0.5 중량% 보다 큰 SiO2를 포함하고, 다결정질 알파 알루미나 섬유 내에 존재하는 알파 알루미나는 1 마이크로미터 보다 작은 평균 입자 크기를 갖는 금속 매트릭스 복합재 제품의 제조 방법.
  24. 제22항에 있어서, 알파 알루미나 섬유는 금속 매트릭스 제품의 총 체적에서 적어도 50 체적%를 포함하는 금속 매트릭스 복합재 제품의 제조 방법.
  25. 제21항에 있어서, 제3 금속은 알루미늄 합금의 총 중량에 기초하여, 적어도 1.5 중량% 내지 2.5 중량% 범위의 Cu를 포함하는 알루미늄 합금인 금속 매트릭스 복합재 제품의 제조 방법.
  26. 제21항에 있어서, 제3 금속은 6061 알루미늄 합금인 금속 매트릭스 복합재 제품의 제조 방법.
  27. 금속 매트릭스 복합재 제품의 제조 방법이며,
    몰드 내에 인서트를 위치시키는 단계와,
    알루미늄, 그 합금 및 그 조합을 포함하는 그룹으로부터 선택된 용융된 제3 금속을 몰드 내부에 제공하는 단계와,
    용융된 제3 금속을 냉각하여 제품을 제공하는 단계와,
    제품을 열간 등압 가압하여 제1항에 따른 금속 매트릭스 복합재 제품을 제공하는 단계를 포함하고,
    인서트는 대략 연속적인 산화물 섬유와 알루미늄, 그 합금 및 그 조합을 포함하는 그룹으로부터 선택된 제1 금속을 포함하고, 제1 금속은 대략 연속적인 세라믹 산화물 섬유를 제위치에 고정시키고, 제1 금속은 대략 연속적인 세라믹 산화물 섬유의 길이의 적어도 일부를 따라 연장하고,
    분위기의 총 체적에 기초하여, 적어도 90 체적%의 아르곤 및 10 체적%를 넘지 않는 O2를 포함하는 분위기는 몰드 내부에 용융된 제3 금속이 제공되는 단계가 상기 분위기 중에서 행해지도록 제공되는 금속 매트릭스 복합재 제품의 제조 방법.
KR1020057002724A 2002-08-20 2003-07-08 금속 매트릭스 복합재 및 이의 제조 방법 KR20050058342A (ko)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US40470402P 2002-08-20 2002-08-20
US60/404,704 2002-08-20
US40331403A 2003-03-31 2003-03-31
US10/403,314 2003-03-31

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20050058342A true KR20050058342A (ko) 2005-06-16

Family

ID=31949852

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020057002724A KR20050058342A (ko) 2002-08-20 2003-07-08 금속 매트릭스 복합재 및 이의 제조 방법

Country Status (6)

Country Link
EP (1) EP1540025A1 (ko)
JP (1) JP2005536355A (ko)
KR (1) KR20050058342A (ko)
CN (1) CN1675394A (ko)
AU (1) AU2003248844A1 (ko)
WO (1) WO2004018726A1 (ko)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060021729A1 (en) * 2004-07-29 2006-02-02 3M Innovative Properties Company Metal matrix composites, and methods for making the same
US20060024489A1 (en) * 2004-07-29 2006-02-02 3M Innovative Properties Company Metal matrix composites, and methods for making the same
US20060024490A1 (en) * 2004-07-29 2006-02-02 3M Innovative Properties Company Metal matrix composites, and methods for making the same
DE102007004531A1 (de) * 2007-01-24 2008-07-31 Eads Deutschland Gmbh Faserverbundwerkstoff mit metallischer Matrix und Verfahren zu seiner Herstellung
FR2970266B1 (fr) * 2011-01-10 2013-12-06 Snecma Procede de fabrication d'une piece metallique annulaire monobloc a insert de renfort en materiau composite, et piece obtenue
GB201223198D0 (en) * 2012-12-21 2013-02-06 Jaguar Cars Sleeve member and method of casting
CN111360269B (zh) * 2020-04-03 2022-05-06 浙江蓝天知识产权运营管理有限公司 一种多级纳米结构增强的叠层状镍基复合材料及其制备方法

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004510056A (ja) * 2000-09-28 2004-04-02 スリーエム イノベイティブ プロパティズ カンパニー 金属基複合体、その製造方法、およびディスクブレーキ
EP1326814A1 (en) * 2000-09-28 2003-07-16 3M Innovative Properties Company Fiber-reinforced ceramic oxide pre-forms, metal matrix composites, and methods for making the same
WO2002027048A2 (en) * 2000-09-28 2002-04-04 3M Innovative Properties Company Ceramic oxide pre-forms, metal matrix composites, methods for making the same and disc brakes

Also Published As

Publication number Publication date
WO2004018726A1 (en) 2004-03-04
AU2003248844A1 (en) 2004-03-11
CN1675394A (zh) 2005-09-28
EP1540025A1 (en) 2005-06-15
JP2005536355A (ja) 2005-12-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20060024490A1 (en) Metal matrix composites, and methods for making the same
WO2006023070A1 (en) Metal matrix composites, and methods for making the same
CA1325706C (en) Process for obtaining a metallurgical bond between a metal material, or a composite material having a metal matrix, and a metal casting or a metal-alloy casting
WO2006023069A1 (en) Metal matrix composites, and methods for making the same
JP4284444B2 (ja) 繊維強化アルミニウムマトリックス(基)複合材料
US5130209A (en) Arc sprayed continuously reinforced aluminum base composites and method
US20020088599A1 (en) Ceramic oxide pre-forms, metal matrix composites, and methods for making the same
KR20050058344A (ko) 금속 매트릭스 복합재 및 그의 제조 방법
KR20050058350A (ko) 금속 매트릭스 복합재 및 그의 제조 방법
KR20050058342A (ko) 금속 매트릭스 복합재 및 이의 제조 방법
JP2004509831A (ja) 繊維強化セラミック酸化物プリフォーム、金属基複合材料、およびその製造方法
JP2004510056A (ja) 金属基複合体、その製造方法、およびディスクブレーキ
US5207263A (en) VLS silicon carbide whisker reinforced metal matrix composites
US5229165A (en) Plasma sprayed continuously reinforced aluminum base composites
US5141145A (en) Arc sprayed continuously reinforced aluminum base composites
Zantout The production and evaluation of squeeze cast A1-alloy matrix-short ceramic fibre composites
Dumant et al. Designing the microstructure of squeeze-cast Al composites
Hofmann et al. Effects of Process Parameters and Surface Conditioning on the bonding between MMC-Inserts and Matrix
CA2040499A1 (en) Vls silicon carbide whisker reinforced metal matrix composite by the squeeze casting process
JPH04367365A (ja) 繊維強化金属筒状体およびその製造方法
JPH02197537A (ja) 傾斜金属基複合材料の製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
WITN Application deemed withdrawn, e.g. because no request for examination was filed or no examination fee was paid