KR20050058344A - 금속 매트릭스 복합재 및 그의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 적어도 하나의 삽입물을 고정시키기 위한 적어도 하나의 부분을 포함하는 삽입물 홀더를 포함하는 물품에 관한 것이고, 삽입물 홀더는 알루미늄, 그의 합금 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 제1 금속을 포함하고, 삽입물 홀더는 외측 표면을 갖고, 삽입물 홀더는 제1 금속의 외측 표면 상의 제2 금속을 또한 포함하고, 제2 금속은 적어도 200℃ 위에서 양의 깁스 산화 자유 에너지를 갖고, 제2 금속은 적어도 8 마이크로미터의 두께를 갖고, 강화 삽입물을 포함한 적어도 하나의 금속이 적어도 하나의 삽입물을 고정시키기 위한 적어도 하나의 부분 내에 고정된다. 본 발명은 금속 매트릭스 복합재 물품을 강화하기 위한 삽입물을 포함하는 홀더 및 그의 제조 방법에 관한 것이다. 다른 태양에서, 본 발명은 삽입물로 강화된 금속 매트릭스 복합재 물품 및 그의 제조 방법을 제공한다. 삽입물을 포함한 유용한 금속 매트릭스 복합재 물품은 브레이크 캘리퍼를 포함한다.
Description
본 발명은 금속 매트릭스 복합재 삽입물 홀더 및 금속 매트릭스 복합재 삽입물 홀더를 사용하여 제조된 금속 매트릭스 복합재 물품에 관한 것이다.
세라믹에 의한 금속 매트릭스의 강화가 기술 분야에 공지되어 있다 (예를 들어, 미국 특허 제4,705,093호(오기노), 제4,852,630호(하마지마 등), 제4,932,099호(코윈 등), 제5,199,481호(코윈 등), 제5,234,080호(팬테일) 및 제5,394,930호(케네르크네히트)와, 각각 1987년 5월 28일 및 1988년 9월 14일자로 공고된 영국 특허 제2,182,970 A 및 B호와, 2002년 4월 4일자로 공개된 PCT 출원 공개 WO 02/26658호, WO 02/27048호, 및 WO 02/27049호 참조). 강화용으로 사용되는 세라믹 재료의 예는 입자, (위스커를 포함한) 불연속 섬유, 및 연속 섬유와, 세라믹 예비 성형체를 포함한다.
전형적으로, 세라믹 재료는 금속 내로 통합되어, 세라믹 재료가 없이 금속으로 제조된 물품에 비해 개선된 기계적 특성을 갖는 금속 매트릭스 복합재(MMC)를 제공한다. 예를 들어, 종래의 자동차(예를 들어, 승용차 및 트럭)용 브레이크 캘리퍼는 전형적으로 주철로 제조된다. 차량의 총 중량, 특히 브레이크 캘리퍼와 같은 스프링밑 중량을 감소시키기 위해, 경량 부품 및/또는 재료를 사용하기 위한 요구가 있다. 세라믹 산화물 재료의 배치를 포함하며 특정 용도에 대해 필요한 세라믹 산화물 재료의 양을 최소화하는 것을 포함한, MMC의 설계를 지원하기 위한 한 가지 기술은 유한 요소 분석이다.
주조 알루미늄으로 제조된 브레이크 캘리퍼는 주철로 제조된 동일한 (즉, 동일한 크기 및 구성의) 캘리퍼보다 약 50 중량%가 더 가볍다. 주조 알루미늄과 주철의 기계적 특성은 동일하지 않다 (예를 들어, 주철의 탄성 계수는 100 - 170 GPa이며, 주조 알루미늄에 대해서는 약 70 - 75 GPa이고, 주철의 항복 강도는 300 - 700 MPa이며 주조 알루미늄에 대해서는 200 - 300 MPa이다.) 따라서, 주어진 크기 및 형상에 대해, 주조 알루미늄으로 제조된 브레이크 캘리퍼는 주철 캘리퍼보다 현저하게 낮은 기계적 특성, 예를 들어 굽힘 강성 및 항복 강도를 갖는다. 전형적으로, 그러한 알루미늄 브레이크 캘리퍼의 기계적 특성은 주철 브레이크 캘리퍼에 비해 허용 불가능하게 낮다. 주철 브레이크 캘리퍼와 동일한 구성 및 적어도 동일하거나 (더 양호한) 기계적 특성, 예를 들어 굽힘 강성 및 항복 강도를 갖는 알루미늄 금속 매트릭스 복합재 재료(예를 들어, 세라믹 섬유로 강화된 알루미늄)로 제조된 브레이크 캘리퍼가 바람직하다.
몇몇 MMC 물품에 대해 한 가지 고찰은 성형후 가공(예를 들어, 원하는 형상을 제공하기 위한 구멍 또는 나사산의 추가 또는 그렇지 않으면 재료의 절삭) 또는 다른 처리(예를 들어, 복잡한 형상의 부품을 제조하기 위한 두 MMC 물품의 용접)에 대한 요구이다. 많은 종래의 MMC는 전형적으로 가공 또는 용접을 비현실적으로 또는 더욱 불가능하게 만들기에 충분한 세라믹 강화 재료를 함유한다. 그러나, 성형후 가공 또는 처리를 거의 요구하지 않는 "실제 형상의" 물품을 제작하는 것이 바람직하다. "실제 형상의" 물품을 제조하기 위한 기술은 기술 분야에 공지되어 있다 (예를 들어, 미국 특허 제5,234,045호(시스코) 및 제5,887,684호(될 등) 참조). 추가적으로 또는 선택적으로, 가능한 한도까지, 세라믹 강화는 가공 또는 용접과 같은 다른 처리를 방해할 수 있는 영역 내에서 감소되거나 사용되지 않을 수 있다.
MMC를 설계하고 제조하는데 있어서의 다른 고찰은 세라믹 강화 재료의 비용이다. 미네소타주 세인트 폴 소재의 쓰리엠 컴퍼니(3M Company)에 의해 "NEXTEL 610"이라는 상표로 시판되는 것과 같은 연속적인 다결정 알파-알루미나 섬유의 기계적 특성은 알루미늄과 같은 저밀도 재료에 비해 높다. 또한, 다결정 알파-알루미나 섬유와 같은 세라믹 산화물 재료의 비용은 알루미늄과 같은 금속보다 대체로 더 크다. 따라서, 사용되는 세라믹 산화물 재료의 양을 최소화하고, 세라믹 산화물 재료에 의해 부가되는 특성을 최대화하기 위해 세라믹 산화물 재료의 배치를 최적화하는 것이 바람직하다. 더욱이, 금속 매트릭스 복합재 물품을 제조하는데 비교적 쉽게 사용될 수 있는 패키지 또는 형태로 세라믹 강화 재료를 제공하는 것이 바람직하다.
(2002년 4월 4일자로 공개된) PCT 출원 공개 WO 02/26658호, WO 02/27048호, 및 WO 02/27049호가 금속 매트릭스 복합재 물품을 제조하는데 비교적 쉽게 사용될 수 있는 패키지 또는 형태의 세라믹 강화 재료에 대한 요구를 처리하는 실시예에 대한 설명을 포함한다. 이러한 출원들은 또한 금속 매트릭스 복합재 물품(예를 들어, 브레이크 캘리퍼)의 형성 중에 주형 내에서 강화를 위해 사용되는 연속적인 세라믹 섬유를 위치시키는 것에 대한 언급을 포함한다.
강화 섬유를 위치시키기 위한 기술은 기술 분야에 공지된 금속 매트릭스 복합재이지만, 추가의 기술도 바람직하다.
도1은 본 발명에 따른 제4 또는 제5 금속 매트릭스 복합재 물품을 제조하는데 유용한 본 발명에 따른 예시적인 물품의 사시도이다.
도1A는 도1의 일부의 절결도이다.
도2 및 도3은 본 발명에 따른 물품 내에서 사용되는 예시적인 삽입물의 사시도이다.
도4는 본 발명에 따른 물품 내에서 사용되는 삽입물을 포함한 예시적인 세라믹을 제조하는데 사용되는 세라믹 섬유 리본의 사시도이다.
도5는 본 발명에 따른 물품 내에서 사용되는 삽입물을 포함한 예시적인 세라믹을 제조하기 위한 장치의 사시도이다.
도6은 본 발명에 따른 삽입물 홀더 및 예시적인 삽입물을 갖는 브레이크 캘리퍼의 사시도이다.
도7A 및 도7B는 본 발명에 따른 예시적인 브레이크 캘리퍼의 평면도이다.
도8A, 도8B 및 도8C는 본 발명에 따른 예시적인 삽입물 홀더의 평면도이다.
도9는 본 발명에 따른 삽입물 홀더를 사용하여 제조된 본 발명에 따른 금속 매트릭스 복합재 물품의 삽입물과 금속 사이의 피크 결합 강도값을 결정하는데 사용되는 압축 전단 테스트 장비의 개략도이다.
도10은 2002년 8월 20일자로 출원되어 공동 계류 중인 미국 특허 출원 제60/404,672호의 예3의 금속 매트릭스 복합재 물품의 연마된 단면의 광학 현미경 사진이다.
도11은 2002년 8월 20일자로 출원되어 공동 계류 중인 미국 특허 출원 제60/404,672호의 비교예H의 금속 매트릭스 복합재 물품의 연마된 단면의 광학 현미경 사진이다.
도12는 예2에 설명된 삽입물을 사용하여 제조된 예2의 금속 매트릭스 복합재 물품을 제조하는데 사용되는 다이 공동의 개략도이다.
일 태양에서, 본 발명은 금속 매트릭스 복합재 물품을 강화하기 위해 삽입물(예를 들어, 강화 삽입물(예를 들어, 금속 매트릭스 복합재 삽입물)을 포함한 금속 및/또는 강화 삽입물을 포함한 세라믹)을 유지하기 위한 삽입물 홀더와, 그의 제조 방법을 제공한다.
일 실시예에서, 본 발명은,
적어도 하나의 삽입물을 고정시키기 위한 적어도 하나의 부분을 포함하는 삽입물 홀더와,
적어도 하나의 강화 삽입물(예를 들어, 강화 삽입물(예를 들어, 금속 매트릭스 복합재 삽입물)을 포함한 금속) 및/또는 적어도 하나의 삽입물을 고정시키기 위한 적어도 하나의 부분 내에 고정된 강화 삽입물을 포함한 세라믹을 포함하는 제1 물품(예를 들어, 금속 매트릭스 복합재 물품을 강화하기 위한 물품)을 제공하고,
삽입물 홀더는 알루미늄, 그의 합금(예를 들어, 200, 300, 400, 700 및/또는 6000 시리즈(몇몇 실시예에서, 양호하게는 6000 시리즈)의 알루미늄 합금) 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 제1 금속을 포함하고, 삽입물 홀더는 외측 표면을 갖고, 삽입물 홀더는 적어도 200℃ 위에서 양의 깁스 산화 자유 에너지를 갖는 제1 금속의 외측 표면 상의 제2 금속을 또한 포함하고, 제2 금속은 적어도 8 마이크로미터(몇몇 실시예에서, 양호하게는 10 마이크로미터, 12 마이크로미터, 또는 15 마이크로미터, 더욱 양호하게는 12 내지 15 마이크로미터 범위 내)의 두께를 갖는다. 선택적으로, 제1 금속 매트릭스 복합재 물품은 제2 금속과 제1 금속의 외측 표면 사이에 금속(예를 들어, 니켈)을 더 포함한다. 선택적으로, 삽입물 홀더는 삽입물을 고정시키기 위한 하나 이상의 추가의 (예를 들어, 제2, 제3, 제4, 제5, 제6 등의) 부분과, 대응하여 하나 이상의 추가의 (예를 들어, 제2, 제3, 제4, 제5, 제6 등의) 삽입물(예를 들어, 강화 삽입물(예를 들어, 금속 매트릭스 복합재 삽입물)을 포함한 금속)과, 그리고/또는 삽입물을 고정시키기 위한 추가의 부분 내에 위치된 강화 삽입물을 포함한 세라믹을 더 포함한다. 선택적으로, 삽입물 홀더는 대응하여 하나 이상의 (예를 들어, 제1, 제2, 제3, 제4, 제5, 제6 등의) 추가의 삽입물(강화 삽입물(예를 들어, 금속 매트릭스 복합재 삽입물)을 포함한 금속)을 더 포함한다.
몇몇 실시예에서, 본 발명은,
적어도 하나의 삽입물을 고정시키기 위한 적어도 하나의 부분을 포함하는 삽입물 홀더와, 적어도 하나의 삽입물을 고정시키기 위한 적어도 하나의 부분 내에 고정된 적어도 하나의 금속 매트릭스 복합재 삽입물을 포함하는 제2 물품을 제공하고,
삽입물 홀더는 알루미늄, 그의 합금(예를 들어, 200, 300, 400, 700 및/또는 6000 시리즈(몇몇 실시예에서, 양호하게는 6000 시리즈)의 알루미늄 합금) 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 제1 금속을 포함하고, 삽입물 홀더는 외측 표면을 갖고, 삽입물 홀더는 제1 금속의 외측 표면 상의 제2 금속을 또한 포함하고, 제2 금속은 적어도 200℃ 위에서 양의 깁스 산화 자유 에너지를 갖고,
그러한 삽입물 중 적어도 하나는 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유와, 알루미늄, 그의 합금(예를 들어, 200, 300, 400, 700 및/또는 6000 시리즈(몇몇 실시예에서, 양호하게는 200 시리즈)의 알루미늄 합금) 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 제3 금속을 포함하고, 제3 금속은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유를 제 위치에 고정시키고, 제3 금속은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유의 길이의 적어도 일부를 따라 연장되고, 제3 금속은 외측 표면을 갖고,
그러한 삽입물 중 적어도 하나는 제3 금속의 외측 표면 상의 제4 금속을 또한 포함하고,
제4 금속은 적어도 200℃ 위에서 양의 깁스 산화 자유 에너지를 갖고, 제4 금속은 적어도 8 마이크로미터(몇몇 실시예에서, 양호하게는 10 마이크로미터, 12 마이크로미터, 또는 15 마이크로미터, 더욱 양호하게는 12 내지 15 마이크로미터 범위 내)의 두께를 갖는다.
선택적으로, 제2 금속 매트릭스 복합재 물품은 제2 금속과 제1 금속의 외측 표면 사이에 금속(예를 들어, 니켈)을 더 포함한다. 추가적으로 또는 선택적으로, 제3 금속 매트릭스 복합재 물품은 제4 금속과 제3 금속의 표면 사이에 금속(예를 들어, 니켈)을 더 포함한다. 선택적으로, 삽입물 홀더는 삽입물을 고정시키기 위한 하나 이상의 추가의 (예를 들어, 제2, 제3, 제4, 제5, 제6 등의) 부분과, 대응하여 하나 이상의 추가의 (예를 들어, 제2, 제3, 제4, 제5, 제6 등의) 삽입물(예를 들어 강화 삽입물(예를 들어, 금속 매트릭스 복합재 삽입물)을 포함한 금속)과, 그리고/또는 삽입물을 고정시키기 위한 추가의 부분 내에 위치된 강화 섬유를 포함한 세라믹을 더 포함한다.
몇몇 실시예에서, 본 발명은,
적어도 하나의 삽입물을 고정시키기 위한 적어도 하나의 부분을 포함하는 삽입물 홀더와, 적어도 하나의 삽입물 홀더를 고정시키기 위한 적어도 하나의 부분 내에 위치된 적어도 하나의 금속 매트릭스 복합재 삽입물을 포함하는 양호한 제3 물품을 제공하고,
삽입물 홀더는 알루미늄, 그의 합금(예를 들어, 200, 300, 400, 700 및/또는 6000 시리즈(몇몇 실시예에서, 양호하게는 6000 시리즈)의 알루미늄 합금) 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 제1 금속을 포함하고,
삽입물은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유와, 알루미늄, 그의 합금(예를 들어, 200, 300, 400, 700 및/또는 6000 시리즈(몇몇 실시예에서, 양호하게는 200 시리즈)의 알루미늄 합금) 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 제2 금속을 포함하고,
제2 금속은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유를 제 위치에 고정시키고, 제2 금속은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유의 길이의 적어도 일부를 따라 연장되고,
적어도 하나의 삽입물을 고정시키기 위한 적어도 하나의 부분 내에 고정된 적어도 하나의 삽입물을 갖는 삽입물 홀더는 총괄적으로 외측 표면과, 외측 표면 상의 제3 금속을 갖고,
제3 금속은 적어도 200℃ 위에서 양의 깁스 산화 자유 에너지를 갖고, 제3 금속은 적어도 8 마이크로미터(몇몇 실시예에서, 양호하게는 10 마이크로미터, 12 마이크로미터, 또는 15 마이크로미터, 더욱 양호하게는 12 내지 15 마이크로미터 범위 내)의 두께를 갖는다.
선택적으로, 제3 금속 매트릭스 복합재 물품은 제3 금속과 외측 표면 사이에 금속(예를 들어, 니켈)을 더 포함한다. 선택적으로, 삽입물 홀더는 삽입물을 고정시키기 위한 하나 이상의 추가의 (예를 들어, 제2, 제3, 제4, 제5, 제6 등의) 부분과, 대응하여 하나 이상의 추가의 (예를 들어, 제2, 제3, 제4, 제5, 제6 등의) 삽입물(예를 들어, 강화 삽입물(예를 들어, 금속 매트릭스 복합재 삽입물)을 포함한 금속)과, 그리고/또는 삽입물을 고정시키기 위한 추가의 부분 내에 위치된 강화 삽입물을 포함한 세라믹을 더 포함한다.
몇몇 실시예에서, 본 발명은 제1 금속(예를 들어, 알루미늄, 그의 합금(예를 들어, 200, 300, 400, 700 및/또는 6000 시리즈(몇몇 실시예에서, 양호하게는 300 또는 400 시리즈)의 알루미늄 합금) 및 이들의 조합)과, 적어도 하나의 삽입물을 고정시키기 위한 적어도 하나의 부분을 포함하는 삽입물 홀더를 포함하는 양호한 제4 금속 매트릭스 복합재 물품을 제공하고,
삽입물 홀더는 알루미늄, 그의 합금(예를 들어, 200, 300, 400, 700 및/또는 6000 시리즈(몇몇 실시예에서, 양호하게는 6000 시리즈)의 알루미늄 합금) 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 제2 금속과, 적어도 하나의 강화 삽입물(예를 들어, 강화 삽입물(예를 들어, 금속 매트릭스 복합재 삽입물)을 포함한 금속) 및/또는 적어도 하나의 삽입물을 고정시키기 위한 적어도 하나의 부분 내에 고정된 강화 삽입물을 포함한 세라믹을 포함하고,
제1 금속과 삽입물 홀더 사이에 계면층이 있고, 적어도 100 MPa(몇몇 실시예에서, 적어도 125 MPa, 적어도 150 MPa, 적어도 175 MPa, 또는 적어도 180 MPa)의 제1 금속과 삽입물 홀더 사이의 계면층 피크 결합 강도값이 있다.
선택적으로, 삽입물 홀더는 삽입물을 고정시키기 위한 하나 이상의 추가의 (예를 들어, 제2, 제3, 제4, 제5, 제6 등의) 부분과, 대응하여 하나 이상의 추가의 (예를 들어, 제2, 제3, 제4, 제5, 제6 등의) 삽입물(예를 들어, 강화 삽입물(예를 들어, 금속 매트릭스 복합재 삽입물)을 포함한 금속)과, 그리고/또는 삽입물을 고정시키기 위한 추가의 부분 내에 위치된 강화 삽입물을 포함한 세라믹을 더 포함한다.
본 발명에 따른 제4의 양호한 금속 매트릭스 복합재 물품에 관한 다른 태양에서, 몇몇 실시예에서, 양호하게는 계면층은 산소가 없다. 다른 태양에서, 계면층은 적어도 200℃ 위에서 양의 깁스 산화 자유 에너지를 갖는 금속(예를 들어, 은, 금, 그의 합금 및 이들의 조합)의 평균량을 포함하고, 그러한 금속의 평균량은 계면층 내에서 제1 금속 내에서보다 더 높다 (예를 들어, 적어도 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 또는 50 중량%). 다른 태양에서, 계면층은 제1 금속 내에 존재하는 것보다 더 높은 은 및 니켈의 평균량(예를 들어, 각각의 은 및 니켈의 적어도 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 또는 50 중량%)을 포함할 수 있다. 다른 태양에서, 제1 및 제2 금속은 각각 융점을 가질 수 있고, 제2 금속의 융점은 제1 금속의 융점보다 적어도 10℃, 15℃, 20℃, 25℃, 30℃, 35℃, 40℃, 45℃, 또는 50℃가 더 높다. 다른 태양에서, 제1 금속 및 제2 금속은 상이할 수 있다 (예를 들어, 알루미늄 및 알루미늄 합금, 또는 상이한 알루미늄 합금).
몇몇 실시예에서, 본 발명은 제1 금속(예를 들어, 알루미늄, 그의 합금(예를 들어, 200, 300, 400, 700 및/또는 6000 시리즈(몇몇 실시예에서, 양호하게는 300 또는 400 시리즈)의 알루미늄 합금) 및/또는 이들의 조합)과, 적어도 하나의 삽입물을 고정시키기 위한 적어도 하나의 부분을 포함하는 삽입물 홀더를 포함하는 양호한 제5 금속 매트릭스 복합재 물품을 제공하고,
삽입물 홀더는 알루미늄, 그의 합금(예를 들어, 200, 300, 400, 700 및/또는 6000 시리즈(몇몇 실시예에서, 양호하게는 6000 시리즈)의 알루미늄 합금) 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 제2 금속과, 적어도 하나의 삽입물을 고정시키기 위한 적어도 하나의 부분 내에 고정된 적어도 하나의 금속 매트릭스 복합재 삽입물을 포함하고,
금속 매트릭스 복합재 삽입물은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유와, 알루미늄, 그의 합금(예를 들어, 200, 300, 400, 700 및/또는 6000 시리즈(몇몇 실시예에서, 양호하게는 200 시리즈)의 알루미늄 합금) 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 제3 금속을 포함하고,
제3 금속은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유를 제 위치에 고정시키고, 제3 금속은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유의 길이의 적어도 일부를 따라 연장되고,
제1 금속과 삽입물 홀더 사이의 계면층이 있고, 계면층은 산소가 없고, 계면층은 적어도 200℃ 위에서 양의 깁스 산화 자유 에너지를 갖는 제4 금속의 평균량을 포함하고, 계면층 내의 제4 금속의 평균량은 계면층 내에서 제1 금속 내에 존재하는 것보다 더 높다. 몇몇 실시예에서, 양호하게는 제4 금속의 평균량은 계면층 내에서 제1 금속 내에서보다 적어도 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 또는 50 중량%가 더 높다. 다른 태양에서, 계면층은 제1 금속 내에 존재하는 것보다 더 높은 니켈의 평균량(예를 들어, 각각의 은 및 니켈의 적어도 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 또는 50 중량%)를 또한 포함할 수 있다. 다른 태양에서, 제1 및 제2 금속은 각각 융점을 가질 수 있고, 제2 금속의 융점은 제1 금속의 융점보다 적어도 10℃, 15℃, 20℃, 25℃, 30℃, 35℃, 40℃, 45℃, 또는 50℃가 더 높다. 다른 태양에서, 제1 및 제2 금속은 상이할 수 있다 (예를 들어, 알루미늄 및 알루미늄 합금, 또는 상이한 알루미늄 합금).
선택적으로, 삽입물 홀더는 삽입물을 고정시키기 위한 하나 이상의 추가의 (예를 들어, 제2, 제3, 제4, 제5, 제6 등의) 부분과, 대응하여 하나 이상의 추가의 (예를 들어, 제2, 제3, 제4, 제5, 제6 등의) 삽입물(예를 들어, 강화 삽입물(예를 들어, 금속 매트릭스 복합재 삽입물)을 포함한 금속)과, 그리고/또는 삽입물을 고정시키기 위한 추가의 부분 내에 위치된 강화 삽입물을 포함한 세라믹을 더 포함한다.
다른 태양에서, 본 발명은 금속 매트릭스 복합재 물품의 제조 방법을 제공하고, 방법은,
삽입물(예를 들어, 강화 삽입물(예를 들어, 금속 매트릭스 복합재 삽입물)을 포함한 금속) 및/또는 강화 삽입물을 포함한 세라믹을 포함하는 삽입물 홀더(예를 들어, 본 발명에 따른 제1, 제2, 제3, 제4, 또는 제5 물품)를 위치시키는 단계와,
알루미늄, 그의 합금(예를 들어, 200, 300, 400, 700 및/또는 6000 시리즈(몇몇 실시예에서, 양호하게는 300 또는 400 시리즈)의 알루미늄 합금 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 용융된 금속을 주형 내로 제공하는 단계와,
금속 매트릭스 복합재 물품을 제공하기 위해 용융된 금속을 냉각시키는 단계를 포함한다.
놀랍게도, 본 발명의 실시예는 주형 내의 용융된 금속이 75초 미만(몇몇 실시예에서, 양호하게는 60초 미만) 동안 용융된 상태로 있는 금속 매트릭스 복합재 물품을 제조하는데 사용될 수 있다. 대조적으로, 종래의 방법은 주형 내의 용융된 금속이 200초 이상 동안 용융된 상태로 있도록 요구하는 경향이 있다. 이론에 의해 제한되지 않기를 바라지만, 적어도 200℃ 위에서 양의 깁스 산화 자유 에너지를 갖는 금속의 존재는 금속 매트릭스 복합재 물품의 삽입물과 금속 사이의 (몇몇 실시예에서, 양호하게는 계면에서 산화물 층이 없는) 결합의 형성을 가능케 하고, 따라서 금속 결합을 달성하기 위해 산화물 층을 제거하려는 시도로 적절하게는 용융된 알루미늄 또는 알루미늄 합금에 의한 연장된 기간의 계면의 가열을 요구하지 않는다고 믿어진다.
본 출원에서,
"적어도 200℃ 위에서 양의 깁스 산화 자유 에너지"는 ΔG0 rxn = ΔH0 rxn - TΔS0 rxn이고, 여기서 ΔH0 rxn는 kJ/mol 단위의 산화 반응의 엔탈피이고, T는 절대 온도 K이고, ΔS0 rxn는 200℃(473K)를 초과하는 온도에 대해 양으로 유지되는 산화 반응의 엔트로피(kJ/mol·K)이다.
"피크 결합 강도값"은 아래에서 설명되는 "피크 결합 강도" 테스트에 의해 결정되는 피크 결합 강도값을 말한다.
"산소가 없는"은 예3에서 설명되는 바와 같이 광학 현미경으로 250X로 관찰되었을 때, 계면에서 시각적으로 분별 가능한 연속적인 산화물 층이 없는 것을 의미한다.
"대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유"는 적어도 5 cm의 길이를 갖는 세라믹 산화물 섬유를 말한다.
본 발명에 따른 제1, 제2, 제3, 제4 또는 제5 금속 매트릭스 복합재 물품은 예를 들어 금속 매트릭스 복합재 물품 내에 강화 재료를 제공하는데 유용하다. 본 발명의 태양의 한 가지 장점은 (원래의) 금속(예를 들어, 주철)으로 제조된 기존의 물품이 대체로 연속적인 섬유로 강화된 다른 금속(예를 들어, 알루미늄)으로부터 제조되도록 재설계되는 것을 허용하며, 후자(즉, 물품의 금속 매트릭스 복합재 버전)는 원래의 금속으로부터 제조된 원래의 물품의 용도에 대해 요구되는 것과 적어도 동일한 원하는 특성(예를 들어, 탄성 계수, 항복 강도 및 인성)을 갖는다. 선택적으로, 물품은 원래의 물품과 동일한 물리적인 치수를 갖도록 재설계될 수 있다.
본 발명에 따른 제4 및 제5 금속 매트릭스 물품의 예는 브레이크 캘리퍼, 고속 회전 링, 및 산업용 기계를 위한 고속 기계식 아암을 포함한다.
본 발명에 따른 제1, 제2, 제3, 제4 및 제5 물품은 원하는 특성, 저비용 및 제조의 용이성의 최적 또는 적어도 허용 가능한 균형을 달성하도록 특정 용도에 대해 설계될 수 있거나 전형적으로 그에 대해 설계된다.
전형적으로, 본 발명에 따른 제1, 제2, 제3, 제4 및 제5 물품은 특정 용도를 위해 그리고/또는 특정 특성 및/또는 특징을 갖도록 설계된다. 예를 들어, 하나의 금속(예를 들어, 주철)으로 제조된 기존의 물품은 삽입물을 포함한 금속 및/또는 세라믹으로 강화된 다른 금속(예를 들어, 알루미늄)으로부터 제조되도록 재설계되도록 선택되며, 후자(즉, 물품의 금속 매트릭스 복합재 버전)는 제1 금속으로부터 제조된 원래의 물품의 용도에 대해 요구되는 것과 적어도 동일한 원하는 특성(예를 들어, 탄성 계수, 항복 강도 및 인성)을 갖는다. 선택적으로, 물품은 원래의 물품과 동일한 물리적인 치수를 갖도록 재설계될 수 있다.
원하는 금속 매트릭스 복합재 물품 구성, 원하는 특성, 그가 제조되기에 바람직할 수 있는 가능한 금속 및 세라믹 산화물 재료와, 그러한 재료의 관련 특성은 가능한 적합한 구성을 제공하도록 수집되고 사용된다. 몇몇 실시예에서, 가능한 구성을 생성하기 위한 양호한 방법은 (중앙 연산 장치(CPU) 및 입출력 장치의 사용을 포함한) 종래의 컴퓨터 시스템의 지원으로 실행되는 FEA 소프트웨어의 사용을 포함한, 유한 요소 분석(FEA)의 사용이다. 적합한 FEA 소프트웨어는 펜실베니아주 캐논스버그 소재의 안시스, 인크.(Ansys, Inc.)에 의해 "ANSYS"라는 상표로 시판되는 것을 포함하여 상업적으로 구입 가능하다. FEA는 물품을 역학적으로 모델링하고 연속적인 세라믹 산화물 섬유의 배치가 예를 들어 원하는 특성 수준을 제공하는 영역을 식별하는 것을 보조한다. 전형적으로, 더욱 양호한 설계를 얻기 위해 FEA를 여러 번 반복 실행하는 것이 필요하다. 그러한 결과는 예를 들어 금속 매트릭스 복합재 물품을 제조하는데 사용되는 홀더 및 삽입물을 설계하고 준비하는데 사용될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 홀더는 여러 (예를 들어, 둘, 셋, 넷, 다섯 개 등의) 개구들 중 하나를 더 포함할 수 있다. 그러한 개구는 예를 들어 용융된 금속이 홀더의 일부를 통해 유동하는 것을 허용함으로써 주조 중에 유용할 수 있다.
홀더는 본 발명에 따른 제4 및 제5 금속 매트릭스 물품을 제조할 때 강화 삽입물의 위치를 용이하게 할 수 있다. 내부에 삽입물이 위치된 예시적인 홀더가 도1 및 도1A에 도시되어 있다. 도1을 참조하면, 본 발명에 따른 물품(10)은 삽입물(13A, 13B, 13C)을 고정시키기 위한 홀더(11) 부분(12A, 12B, 12C, 12D)을 포함한다. 도1A를 참조하면, 홀더(11)는 알루미늄 및/또는 그의 합금(14), 외측 표면(15), 적어도 200℃ 위에서 양의 깁스 산화 자유 에너지를 갖는 금속(17), 선택적인 추가의 금속(예를 들어, 니켈)(16), 및 선택적인 금속(16)의 외측 표면(18)을 포함한다.
홀더는 알루미늄, 그의 합금(예를 들어, 200, 300, 400,, 700, 및/또는 6000 시리즈(몇몇 실시예에서, 양호하게는 6000 시리즈)의 알루미늄 합금), 더욱 전형적으로 알루미늄 및/또는 그의 합금(예를 들어, 200, 300, 400, 700, 또는 6000 시리즈) 및 그들의 조합을 포함한다.
적합한 알루미늄 및 알루미늄 합금은 예를 들어 펜실베니아주 피츠버그 소재의 알코아(Alcoa) 및 뉴욕주 뉴욕 소재의 벨몬트 메탈즈(Belmont Metals)로부터 상업적으로 구입 가능하다. 몇몇 실시예에서, 양호한 알루미늄 합금의 예는 적어도 98 중량%의 Al과 적어도 1.5 중량%의 Cu를 함유하는 합금(예를 들어, 합금의 총 중량에 기초하여 1.5 내지 2.5, 양호하게는 1.8 내지 2.2 중량% 범위 내의 Cu를 함유하는 알루미늄 합금)과, 200 시리즈(예를 들어, A201.1 알루미늄 합금, 201.2 알루미늄 합금, A206.0 알루미늄 합금, 및 224.2 알루미늄 합금)과, 300 시리즈(예를 들어, A319.1 알루미늄 합금, 354.1 알루미늄 합금, 355.2 알루미늄 합금, 및 A356.1 알루미늄 합금), 및/또는 400 시리즈(예를 들어, 443.2 알루미늄 합금 및 444.2 알루미늄 합금), 700 시리즈(예를 들어, 713 알루미늄 합금), 및 6000 시리즈(예를 들어, 6061 알루미늄 합금)의 알루미늄 합금을 포함한다. 몇몇 실시예에서, 홀더는 양호하게는 300, 400, 6000 시리즈 알루미늄 합금(예를 들어, A319.1 알루미늄 합금, 354.1 알루미늄 합금, 355.2 알루미늄 합금, A356.1 알루미늄 합금, 443.2 알루미늄 합금, 444.2 알루미늄 합금, 및 6061 알루미늄 합금)을 포함한다.
홀더는 알루미늄 및/또는 그의 합금의 시트를 절단하고 절단된 시트를 원하는 홀더 구성을 얻기 위해 구부리는 것과 같은 종래의 기술을 사용하여 제조될 수 있다. 선택적으로, 시트는 예를 들어 알루미늄 및 그의 합금 또는 둘 이상의 상이한 알루미늄 합금 등의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 시트는 알루미늄 합금의 시트에 라미네이팅되거나 그와 함께 주조된 알루미늄의 시트를 포함할 수 있다.
선택적으로, 홀더는 예를 들어 홀더의 강화를 지원하기 위해 세라믹 산화물 섬유를 더 포함한다. 예를 들어, 섬유는 그의 형성 중에 시트 내로 통합될 수 있다. 섬유는 시트가 절단되어 원하는 구성으로 구부러진 후에 섬유가 예를 들어 홀더의 선택된 위치에 위치되도록 시트 내에서 선택적으로 위치될 수도 있다. 적합한 섬유의 예는 삽입물을 제조하기 위한 아래에서 설명되는 것을 포함한다.
적어도 200℃ 위에서 양의 깁스 산화 자유 에너지를 갖는 금속의 규정값 이외의 두께도 유용할 수 있지만, 두께가 너무 작으면, 홀더가 예비 가열될 때 코팅이 확산되는 경향이 있으며 결과적으로 계면을 산화로부터 보호하지 않거나 그렇지 않으면 계면에서의 산화를 감소시키는 것을 지원하지 않을 수 있고, 과도한 두께는 홀더의 금속과 금속 매트릭스 복합재 물품의 금속 사이의 바람직한 결합 강도의 확립을 방해하는 경향이 있다. 적어도 200℃ 위에서 양의 깁스 산화 자유 에너지를 갖는 금속을 침착시키기 위한 기술은 기술 분야에 공지되어 있으며 전해 도금을 포함한다.
전형적으로, 선택적인 니켈의 두께는 약 1 마이크로미터를 초과하고, 더욱 전형적으로 2 마이크로미터를 초과하거나, 또는 3 마이크로미터를 초과한다. 다른 태양에서, 전형적으로 그러한 금속의 두께는 약 10 마이크로미터 미만이고, 더욱 전형적으로 약 5 마이크로미터 미만이다. 이러한 값 이외의 두께도 유용할 수 있지만, 두께가 너무 작으면, 코팅은 적어도 200℃ 위에서 양의 깁스 산화 자유 에너지를 갖는 금속의 홀더에 대한 부착을 지원하는데 유용하지 않은 경향이 있고, 과도한 두께는 홀더의 금속과 금속 매트릭스 복합재의 금속 사이의 바람직한 결합 강도의 확립을 방해하는 경향이 있다. 몇몇 실시예에서, 니켈은 무전해 도금에 의해 침착된다.
생성된 홀더는 예를 들어 홀더의 표면 상에서 산화를 제거하거나 감소시키기 위해, 더욱 처리될 수 있다 (예를 들어, (예를 들어 수직 스핀들 다이아몬드 연삭기에 의한) 샌드 블라스팅 및/또는 표면 연삭). 홀더는 또한 (워터 제트로 절단되는 것을 포함하여) 원하는 형상을 제공하도록 필요한대로 절단될 수 있다. 다음으로, 홀더는 적어도 200℃ 위에서 양의 깁스 산화 자유 에너지를 갖는 금속으로 코팅된다. 선택적으로, 니켈과 같은 금속이 적어도 200℃ 위에서 양의 깁스 산화 자유 에너지를 갖는 금속을 코팅하기 전에 홀더 상으로 코팅된다. 니켈의 사용은 은과 같은 금속의 홀더에 대한 부착을 지원하는 경향이 있다.
본 발명의 실시예를 실시하기 위한 강화 삽입물의 예는 강화 삽입물(예를 들어, 금속 매트릭스 복합재 삽입물)을 포함한 금속과, 강화 삽입물을 포함한 세라믹을 포함한다.
몇몇 실시예에서, 양호한 금속 매트릭스 복합재 삽입물은 금속(예를 들어, 알루미늄 및/또는 그의 합금)과, 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유를 포함한다. 몇몇 실시예에서, 삽입물을 포함한 양호한 세라믹은 세라믹(전형적으로 다공성 세라믹(예를 들어, 알파 알루미나))과, 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유를 포함한다. 도2를 참조하면, 예시적인 삽입물(20)은 (도시된 바와 같이 종방향으로 정렬된) 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유(22), 세라믹 또는 금속(예를 들어, 알루미늄 및/또는 그의 합금)(24), 적어도 200℃ 위에서 양의 깁스 산화 자유 에너지를 갖는 금속(26), 외측 표면(25), 외측 표면(25)과 적어도 200℃ 위에서 양의 깁스 산화 자유 에너지를 갖는 금속(26) 사이에 위치된 선택적인 추가의 금속(예를 들어, 니켈)(28)을 포함하고, 적어도 200℃ 위에서 양의 깁스 산화 자유 에너지를 갖는 금속(26)이 외측 표면(27) 상에 있도록 외측 표면(27)을 갖는다.
삽입물은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유의 하나 이상의 그룹(예를 들어, 두 개의 그룹, 세 개의 그룹 등)을 포함하고, 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유의 하나의 그룹은 예를 들어 다른 그룹으로부터 그들 사이의 금속 또는 세라믹에 의해 이격된다. 예를 들어, 도3을 참조하면, 삽입물(30)은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유(32)의 그룹(32A, 32B, 32C) 및 금속 또는 세라믹(34), 알루미늄 및/또는 그의 합금(35), 외측 표면(36), 적어도 200℃ 위에서 양의 깁스 산화 자유 에너지를 갖는 금속(37), 및 선택적인 추가의 금속(예를 들어, 니켈)(38), 및 선택적인 금속(38)의 외측 표면(39)을 포함한다.
본 발명의 몇몇 예시적인 실시예에서, 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유는 서로에 대해 대체로 평행하도록 대체로 종방향으로 정렬된다. 세라믹 산화물 섬유는 개별 섬유로서 금속 매트릭스 복합재 삽입물 내로 통합될 수 있지만, 전형적으로 다발 또는 묶음 형태의 섬유의 그룹으로서 금속 매트릭스 복합재 삽입물 내로 통합된다. 다발 또는 묶음 내의 섬유들은 서로에 대해 종방향으로 정렬되어 (즉, 대체로 평행하게) 유지될 수 있다. 다중 다발 또는 묶음이 이용될 때, 섬유 다발 또는 묶음은 또한 서로에 대해 종방향으로 정렬되어 (즉, 대체로 평행하게) 유지된다. 몇몇 실시예에서, 연속적인 세라믹 산화물 섬유 모두가 본질적으로 종방향으로 정렬된 구성으로 유지되는 것이 양호하고, 개별 섬유 정렬은 그들의 평균 종방향 축의 ±10°, 더욱 양호하게는 ±5°, 가장 양호하게는 ±3° 내에 유지된다.
또한, 세라믹 산화물 섬유가 직선인 것에 반해 만곡되는 것(즉, 평탄한 방식으로 연장되지 않는 것)이 본 발명의 범주 내에 있다. 따라서, 예를 들어, 세라믹 산화물 섬유는 섬유 길이 전반에 걸쳐 평탄할 수 있거나, 섬유 길이 전반에 걸쳐 비평탄(즉, 만곡)할 수 있거나, 몇몇 부분에서는 평탄하고 다른 부분에서는 비평탄(즉, 만곡)할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유는 금속 매트릭스 복합재 물품의 만곡된 부분 전반에 걸쳐 대체로 교차하지 않는 곡선 배열로 (즉, 종방향으로 정렬되어) 유지된다. 몇몇 실시예에서, 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유는 삽입물의 만곡된 부분 전반에 걸쳐 서로 대체로 등간격으로 유지된다.
또한, 세라믹 산화물 섬유가 둘, 셋, 넷 또는 그 이상의 가닥으로 존재하는 것이 본 발명의 범주 내에 있다 (즉, 가닥은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유의 적어도 하나의 가닥(몇몇 실시예에서, 양호하게는 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유를 포함하는 묶음의 적어도 하나의 층)이다). 가닥은 다양한 방식 중 하나로 서로에 대해 배향될 수 있다. 예를 들어, 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유의 제1 가닥은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유의 제2 가닥에 대해 0° 내지 90° 사이에 위치될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 몇몇 용도를 위한 하나의 가닥의 다른 가닥에 대한 양호한 위치는 약 30° 내지 약 60°, 또는 예를 들어 약 40° 내지 약 50°의 범위 내에 있을 수 있다.
전형적으로, 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유는 적어도 10 cm(종종 적어도 15 cm, 20 cm, 25 cm, 또는 그 이상)의 길이를 갖는다. 본 발명의 몇몇 실시예에서, 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유는 묶음의 형태이다 (즉, 묶음은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유들을 포함한다). 전형적으로, 묶음을 포함하는 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유는 적어도 10 cm(종종 적어도 15 cm, 20 cm, 25 cm, 또는 그 이상)의 길이를 갖는다.
세라믹 산화물 섬유는 대체로 연속적인 종방향으로 정렬된 세라믹 산화물 섬유를 포함하거나 본질적으로 그로 구성될 수 있고, "종방향으로 정렬된"은 섬유의 길이에 대한 섬유의 대체로 평행한 정렬을 말한다.
몇몇 실시예에서, 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유는 양호하게는 적어도 약 5 마이크로미터의 평균 직경을 갖는다. 몇몇 실시예에서, 평균 섬유 직경은 약 200 마이크로미터 이하, 양호하게는 약 100 마이크로미터 이하이다. 섬유의 묶음에 대해, 몇몇 실시예에서, 평균 섬유 직경은 양호하게는 약 50 마이크로미터 이하, 더욱 양호하게는 약 25 마이크로미터 이하이다.
몇몇 실시예에서, 양호하게는 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유는 약 70 GPa 이상, 더욱 양호하게는 적어도 100 GPa, 적어도 150 GPa, 적어도 200 GPa, 적어도 250 GPa, 적어도 300 GPa, 또는 적어도 350 GPa의 탄성 계수를 갖는다.
몇몇 실시예에서, 양호하게는 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유는 적어도 약 1.4 GPa, 더욱 양호하게는 적어도 약 1.7 GPa, 훨씬 더 양호하게는 적어도 약 2.1 GPa, 가장 양호하게는 적어도 약 2.8 GPa의 평균 인장 강도를 갖지만, 더 낮은 평균 인장 강도를 갖는 섬유가 특정 용도에 의존하여 유용할 수도 있다.
연속적인 세라믹 산화물 섬유는 단일 필라멘트로서 또는 서로 그룹화되어 (예를 들어, 얀 또는 묶음으로서) 상업적으로 구입 가능하다. 얀 또는 묶음은 예를 들어 묶음당 적어도 420개의 개별 섬유, 묶음당 적어도 760개의 개별 섬유, 묶음당 적어도 2600개의 개별 섬유, 또는 그 이상을 포함할 수 있다. 묶음은 섬유 기술 분야에 공지되어 있으며, 정렬되어 꼬이지 않은 형태로 모아진 복수의 (개별) 섬유(전형적으로, 적어도 100개의 섬유, 더욱 전형적으로 적어도 400개의 섬유)를 말하고, 얀은 어느 정도 꼬이거나 로프형인 구성을 의미한다. 세라믹 산화물 섬유의 묶음을 포함한 세라믹 산화물 섬유는 다양한 길이로 구입 가능하다. 섬유는 원형 또는 타원형인 단면 형상을 가질 수 있다.
유용한 세라믹 산화물 섬유의 예는 알파 알루미나 섬유, 알루미노실리케이트 섬유, 및 알루미노보로실리케이트 섬유를 포함한다. 다른 유용한 세라믹 산화물 섬유는 본 개시 내용을 검토한 후에 당업자에게 명백할 수 있다.
알루미나 섬유를 제조하기 위한 방법은 기술 분야에 공지되어 있으며, 미국 특허 제4,954,462호(우드 등)에 개시된 방법을 포함한다. 몇몇 실시예에서, 양호하게는 알루미나 섬유는 다결정 알파 알루미나계 섬유이고, 이론적인 산화물에 기초하여, 알루미나 섬유의 총 중량에 기초하여 약 99 중량%를 초과하는 Al2O3 및 약 0.2 - 0.5 중량%의 SiO2를 함유한다. 다른 태양에서, 몇몇 실시예에서, 양호한 다결정 알파 알루미나계 섬유는 1 마이크로미터 미만 (더욱 양호하게는, 0.5 마이크로미터 미만)의 평균 입자 크기를 갖는 알파 알루미나를 함유한다. 다른 태양에서, 몇몇 실시예에서, 양호한 다결정 알파 알루미나계 섬유는 적어도 1.6 GPa(양호하게는 적어도 2.1 GPa, 더욱 양호하게는 적어도 2.8 GPa)의 평균 인장 강도를 갖는다. 알파 알루미나 섬유는 예를 들어 미네소타주 세인트 폴 소재의 쓰리엠 컴퍼니로부터 "NEXTEL 610"이라는 상표로 상업적으로 구입 가능하다. 섬유의 총 중량에 기초하여 약 89 중량%의 Al2O3, 약 10 중량%의 ZrO2, 및 약 1 중량%의 Y2O3를 함유하는 다른 알파 알루미나 섬유는 쓰리엠 컴퍼니로부터 "NEXTEL 650"이라는 상표로 상업적으로 구입 가능하다.
알루미노실리케이트 섬유를 제조하기 위한 방법은 기술 분야에서 공지되어 있으며, 미국 특허 제4,047,965호(카스트 등)에 개시된 방법을 포함한다. 몇몇 실시예에서, 양호하게는 알루미노실리케이트 섬유는 이론적인 산화물에 기초하여, 알루미노실리케이트 섬유의 총 중량에 기초하여 약 67 내지 약 85 중량% 범위 내의 Al2O3 및 약 33 내지 약 15 중량% 범위 내의 SiO2를 함유한다. 몇몇 실시예에서, 양호한 알루미노실리케이트 섬유는 이론적인 산화물에 기초하여, 알루미노실리케이트 섬유의 총 중량에 기초하여 약 67 내지 약 77 중량% 범위 내의 Al2O3 및 약 33 내지 약 23 중량% 범위 내의 SiO2를 함유한다. 몇몇 실시예에서, 양호한 알루미노실리케이트 섬유는 이론적인 산화물에 기초하여, 알루미노실리케이트 섬유의 총 중량에 기초하여 약 85 중량%의 Al2O3 및 약 15 중량%의 SiO2를 함유한다. 몇몇 실시예에서, 양호한 알루미노실리케이트 섬유는 이론적인 산화물에 기초하여, 알루미노실리케이트 섬유의 총 중량에 기초하여 약 73 중량%의 Al2O3 및 약 27 중량%의 SiO2를 함유한다. 알루미노실리케이트 섬유는 예를 들어 쓰리엠 컴퍼니로부터 "NEXTEL 440", "NEXTEL 720", 및 "NEXTEL 550"이라는 상표로 상업적으로 구입 가능하다.
알루미노보로실리케이트 섬유를 제조하기 위한 방법은 기술 분야에 공지되어 있으며, 미국 특허 제3,795,524호(소우만)에 개시된 방법을 포함한다. 몇몇 실시예에서, 양호하게는 알루미노보로실리케이트 섬유는 이론적인 산화물에 기초하여, 알루미노보로실리케이트 섬유의 총 중량에 기초하여 약 35 중량% 내지 약 75 중량% (또는 예를 들어, 약 55 중량% 내지 약 75 중량%)의 Al2O3와, 0 중량%를 초과(또는 예를 들어, 적어도 약 15 중량%)하고 약 50 중량% 미만(또는 예를 들어, 약 45 중량% 미만 또는 약 44 중량% 미만)인 SiO2와, 약 5 중량%를 초과하거나 (또는 약 25 중량% 미만, 약 1 중량% 내지 약 5 중량% 미만, 또는 약 2 중량% 내지 약 20 중량% 미만인) B2O3를 함유한다. 알루미노보로실리케이트 섬유는 예를 들어 쓰리엠 컴퍼니로부터 "NEXTEL 312"라는 상표로 상업적으로 구입 가능하다.
상업적으로 구입 가능한 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유는 종종 취급 중에 윤활성을 제공하고 섬유 스트랜드를 보호하기 위해 제조 중에 섬유에 추가되는 유기 사이징 재료를 포함한다. 사이징 재료는 예를 들어 직물로의 변환 중에 섬유의 파단을 감소시키고 정전기를 감소시키고 먼지의 양을 감소키는 경향이 있다고 믿어진다. 사이징은 예를 들어 그를 용해시키거나 연소시킴으로써 제거될 수 있다.
세라믹 산화물 섬유 상에 코팅을 갖는 것도 본 발명의 범주 내에 있다. 코팅은 예를 들어 섬유의 습윤성을 향상시키고 섬유와 용융된 금속 매트릭스 재료 사이의 반응을 감소시키거나 방지하는데 사용될 수 있다. 그러한 코팅 및 그러한 코팅을 제공하기 위한 기술은 섬유 세라믹 복합재 및 금속 매트릭스 복합재 기술 분야에 공지되어 있다.
삽입물을 포함한 금속에 대해, 몇몇 실시예에서, 금속 매트릭스 복합재 삽입물은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유를 포함한다. 전형적으로, 알루미늄 및/또는 그의 합금이 대체로 연속적인 세라믹 산화물의 길이의 일부를 따라 연장되어 세라믹 산화물 섬유를 제 위치에 고정시킨다.
금속 매트릭스 복합재 삽입물을 포함한 삽입물을 포함하는 금속을 제조하는데 사용되며 그를 포함하는 알루미늄 및 알루미늄 합금이 불순물을 함유할 수 있지만, 몇몇 실시예에서 비교적 순수한 금속(즉, 0.1 중량% 미만, 또는 0.05 중량% 미만의 불순물(즉, 0.25 중량%, 0.1 중량%, 또는 0.05 중량% 미만의 Fe, Si 및/또는 Mg))을 사용하는 것이 양호할 수 있다. 고순도의 금속이 고인장 강도 재료를 제조하기에 양호한 경향이 있지만, 덜 순수한 형태의 금속도 유용하다.
적합한 알루미늄 또는 알루미늄 합금은 상업적으로 구입 가능하다. 예를 들어, 알루미늄은 펜실베니아주 피츠버그 소재의 알코아(Alcoa)로부터 "SUPER PURE ALUMINUM: 99.99% Al"이라는 상표로 구입 가능하다. 알루미늄 합금(예를 들어, Al-2 중량% Cu(0.03 중량%의 불순물))은 뉴욕주 뉴욕 소재의 벨몬트 메탈즈(Belmont Metals)로부터 구입할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 삽입물은 양호하게는 200 시리즈의 알루미늄 합금(예를 들어, A201.1 알루미늄 합금, 201.2 알루미늄 합금, A206.0 알루미늄 합금, 및 224.2 알루미늄 합금)을 포함한다.
몇몇 실시예에서, 금속 매트릭스 복합재 삽입물을 포함하는 본 발명에 따른 제1, 제2 및 제3 물품은 대체로 연속적인 세라믹 섬유를 포함한 영역 내에서, 영역의 총 체적에 기초하여, 약 30 내지 약 45 체적%(몇몇 실시예에서, 양호하게는 약 35 내지 약 45%, 또는 약 35 내지 약 40%) 범위 내의 금속과, 약 70 내지 약 55 체적%(양호하게는, 약 65 내지 약 55%, 더욱 양호하게는 약 60 내지 약 65%) 범위 내의 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유를 포함한다. 더욱이, 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유를 고정시키는 금속을 포함한 영역은 전형적으로 영역의 총 체적에 기초하여, 약 20 내지 약 95 체적%(양호하게는 약 60 내지 약 90%, 더욱 양호하게는 약 80 내지 약 85%) 범위 내의 금속과, 약 80 내지 약 5 체적%(몇몇 실시예에서, 양호하게는 약 60 내지 약 10%, 더욱 양호하게는 약 15 내지 약 5%) 범위 내의 금속을 포함한다.
몇몇 실시예에서, 삽입물은 삽입물의 총 체적에 기초하여, 약 30 내지 약 70 체적%(몇몇 실시예에서, 양호하게는 약 35 내지 약 60%, 또는 약 35 내지 약 45%) 범위 내의 금속과, 약 70 내지 약 30 체적%(몇몇 실시예에서, 양호하게는 약 65 내지 약 40%, 또는 약 65 내지 약 55%) 범위 내의 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유를 포함한다. 몇몇 실시예에서, 양호하게는 삽입물은 삽입물의 총 체적에 기초하여, 적어도 50 체적%의 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유를 포함한다.
금속 매트릭스 복합재 삽입물을 포함하는 본 발명에 따른 제1, 제2 및 제3 물품에 대해, 대체로 연속적인 섬유 영역 내의 삽입물의 섬유 및 금속 체적 함량은 대체로 금속 침윤 중에 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유의 현저한 이동이 없이 균질한 복합재를 생성하기 위한 요구에 의해 지배된다. 섬유 함량이 너무 낮으면, 금속 침윤 중에 대체로 연속적인 섬유의 이동을 방지하거나 최소화하기가 더욱 어렵다. 몇몇 실시예에서, 삽입물을 포함한 금속은 양호하게는 매트릭스 재료가 예를 들어 섬유 외부 상에 보호 코팅을 제공하는 요구를 제거하기 위해 세라믹 산화물 재료, 특히 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유와 화학적으로 현저하게 반응하지 않도록 (즉, 금속성 내열 재료에 대해 비교적 화학적으로 불활성이도록) 선택된다.
금속 매트릭스 복합재 삽입물은 예를 들어 의도된 금속 삽입물 설계에 대해 원하는 치수 및 형상을 갖는 맨드릴 상으로 복수의 연속적인 세라믹 산화물 섬유(몇몇 실시예에서, 양호하게는 (예를 들어, 얀 또는 묶음으로서) 서로 그룹화됨)를 권취함으로써 제조될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 양호하게는 권취된 섬유는 사이징된다. 예시적인 사이징제는 물(몇몇 실시예에서, 양호하게는 탈이온수), 왁스(예를 들어, 파라핀), 및 폴리비닐 알코올(PVA)을 포함한다. 사이징제가 물이면, 섬유는 전형적으로 맨드릴 상으로 권취된다. 권취가 완료된 후에, 맨드릴은 권취기로부터 제거된 다음 권취된 섬유가 동결될 때까지 냉각된 냉각기 내에 위치된다. 동결된 권취 섬유는 필요한대로 절단될 수 있다. 예를 들어, 섬유가 네 개의 인접된 판으로 구성된 맨드릴 둘레에 권취되면, 사각형판이 제거되어 동결된 섬유 예비 성형체를 제공할 수 있다. 예비 성형체는 조각으로 절단되어 작은 예비 성형체를 제공할 수 있다. 전형적으로, 사이징은 금속 매트릭스 복합재 삽입물을 형성하는데 사용되기 전에 제거된다. 사이징은 예를 들어 성형된 섬유를 다이(몇몇 실시예에서, 양호하게는 그래파이트) 내로 위치시킨 다음 다이를 가열함으로써 제거될 수 있다. 다이는 금속 매트릭스 복합재 삽입물을 제조하는데 사용된다.
금속 매트릭스 복합재 삽입물을 형성하기 위해, 사이징이 제거된 후에, 다이는 존재한다면 양호하게는 일 단부에서만 개방된 캔, 전형적으로 스테인리스강 캔 내에 위치된다. 캔의 내부는 몇몇 실시예에서, 양호하게는 이후의 주조 중에 알루미늄/알루미늄 합금과 캔 사이의 반응을 보호하고 최소화하기 위해 그리고/또는 주형으로부터의 금속 매트릭스 복합재 물품의 이형을 용이하게 하기 위해 질화붕소 또는 유사한 재료로 코팅된다. 내부에 다이가 있는 캔은 압력 주조 기계의 압력 용기 내에 위치된다. 이후에, 알루미늄 및/또는 알루미늄 합금(예를 들어, 잉곳으로부터 절단된 알루미늄 및/또는 알루미늄 합금의 조각)은 캔의 상부 상에 위치된다. 압력 용기는 그 다음 공기가 배출되고, 알루미늄/알루미늄 합금의 융점(전형적으로, 액상 온도 위의 약 80℃ 내지 약 120℃) 위로 가열된다. 원하는 온도에 도달하면, 가열기는 꺼지고, 압력 용기는 그 다음 전형적으로 아르곤 (또는 유사한 불활성 기체)에 의해 약 8.5 내지 약 9.5 MPa의 압력으로 가압되어, 용융된 알루미늄/알루미늄 합금이 예비 성형체를 침윤시키도록 한다. 압력 용기 내의 압력은 온도가 떨어짐에 따라 천천히 감소하게 된다. 물품이 고화되면 (즉, 그의 온도가 약 500℃ 아래로 강하되면), 챔버는 배기되고 주조 금속 매트릭스 복합재 물품(예를 들어, 삽입물)은 다이로부터 제거된 다음 공기 중에서 더욱 냉각되게 된다.
금속 매트릭스 복합재 물품(예를 들어, 삽입물)은 또한 예를 들어 스퀴즈 주조를 포함한 기술 분야에 공지된 다른 기술에 의해 제조될 수 있다. 스퀴즈 주조에 대해, 예를 들어, 성형된 세라믹 산화물 섬유는 다이(예를 들어, 강철 다이) 내에 위치되고, 존재하는 임의의 사이징이 연소되고, 용융된 알루미늄/알루미늄 합금이 다이 공동 내로 도입되고, 압력이 주조 물품의 고화가 완료될 때까지 인가될 수 있다. 냉각 후에, 생성된 금속 매트릭스 복합재 물품 삽입물은 다이로부터 제거된다.
생성된 삽입물은 예를 들어 삽입물의 표면 상에서 산화를 제거하거나 감소시키기 위해, 더욱 처리될 수 있다 ((예를 들어, 수직 스핀들 다이아몬드 연삭기에 의한) 샌드 블라스팅 및/또는 표면 연삭). 삽입물은 또한 (워터 제트로 절단되는 것을 포함하여) 원하는 형상을 제공하기 위해 필요한대로 절단될 수 있다.
아래에서 설명되는 것과 같은 삽입물을 포함하는 세라믹으로부터 삽입물을 포함한 금속 매트릭스 복합재를 제조하는 것이 본 발명의 범주 내에 있다.
몇몇 실시예에서, 양호하게는 금속 매트릭스 복합재 삽입물은 적어도 200℃ 위에서 양의 깁스 산화 자유 에너지를 갖는 금속으로 코팅된다. 니켈과 같은 금속이 적어도 200℃ 위에서 양의 깁스 산화 자유 에너지를 갖는 금속을 코팅하기 전에 금속 매트릭스 복합재 물품 삽입물 상으로 코팅될 수 있다. 니켈의 사용은 은과 같은 금속의 삽입물에 대한 부착을 지원하는 경향이 있다.
적어도 200℃ 위에서 양의 깁스 산화 자유 에너지를 갖는 금속의 규정값 이외의 두께도 유용할 수 있지만, 두께가 너무 작으면, 코팅이 예비 가열될 때 코팅이 확산되는 경향이 있으며 결과적으로 계면을 산화로부터 보호하지 않거나 그렇지 않으면 계면에서의 산화를 감소시키는 것을 지원하지 않을 수 있고, 과도한 두께는 삽입물의 두 개의 금속과 금속 매트릭스 복합재 물품의 금속 사이의 바람직한 결합 강도의 확립을 방해하는 경향이 있다.
전형적으로, 선택적인 니켈의 두께는 약 1 마이크로미터를 초과하고, 더욱 전형적으로 2 마이크로미터를 초과하거나, 또는 3 마이크로미터를 초과한다. 다른 태양에서, 전형적으로 그러한 금속의 두께는 약 10 마이크로미터 미만이고, 더욱 전형적으로 약 5 마이크로미터 미만이다. 이러한 값 이외의 두께도 유용할 수 있지만, 두께가 너무 작으면, 코팅은 적어도 200℃ 위에서 양의 깁스 산화 자유 에너지를 갖는 금속의 삽입물에 대한 부착을 지원하는데 유용하지 않은 경향이 있고, 과도한 두께는 삽입물의 금속과 금속 매트릭스 복합재의 금속 사이의 바람직한 결합 강도의 확립을 방해하는 경향이 있다.
금속 매트릭스 복합재 삽입물의 실시예에 대한 추가의 설명에 대해서는 2002년 8월 20일자로 출원되어 공동 계류 중인 미국 특허 출원 제60/404,672호를 참조하면 된다.
삽입물을 포함한 세라믹에 대해, 몇몇 실시예에서, 양호한 실시예는 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유를 포함하는 (예를 들어, 하소되거나 소결된) 다공성 세라믹 산화물을 포함한다. 전형적으로, 다공성 세라믹 산화물은 대체로 연속적인 세라믹 산화물의 길이의 적어도 일부를 따라 연장되어 세라믹 산화물 섬유를 제 위치에 고정시킨다. 몇몇 실시예에서, 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유는 제1 탄성 계수를 갖고, 세라믹 예비 성형체를 포함하는 세라믹 산화물 재료는 제2 탄성 계수를 갖고, 제1 탄성 계수는 제2 탄성 계수보다 더 크다.
직조되거나 짜여진 섬유 구성 형태의 연속적인 강화 섬유는 전형적으로 종방향으로 정렬된 섬유에 의해 실현되는 높은 섬유 충전 밀도를 달성할 수 없다. 따라서, 직조되거나 짜여진 섬유 구성을 이용한 예비 성형체에 기초한 금속 침윤 물품은 전형적으로 종방향으로 정렬된 연속적인 강화 섬유를 갖는 금속 침윤 물품보다 낮은 강도 특성을 보이며, 따라서 덜 양호하다.
삽입물을 포함한 다공성 세라믹 산화물은 예를 들어 대체로 연속적인 섬유 둘레에 (위스커를 포함한) 연속적인 세라믹 산화물 섬유의 슬러리를 주조함으로써 제조될 수 있다. 전형적으로, 대체로 연속적인 섬유가 공동(예를 들어, 주형) 내에 위치되고, 슬러리가 주형에 추가된다. 대체로 연속적인 섬유는 생성되는 세라믹 산화물 재료 내에 적절하게 위치되도록 공동 내에 위치된다. 공동은 원하는 형상을 제공하도록 구성되지만, 삽입물을 포함한 세라믹 산화물의 원하는 구성을 제공하기 위해, 예를 들어 생성된 세라믹 산화물 재료를 가공에 의해 재형성하는 것도 본 발명의 범주 내에 있다.
(위스커를 포함하는) 적합한 연속적인 세라믹 산화물 섬유는 알파 알루미나 및 (델타 알루미나와 같은) 전이 알루미나를 포함한 알루미나와, 알루미노실리케이트 섬유와, 알루미노보로실리케이트 섬유로 제조된 것을 포함하고, 그러한 재료의 제조 방법 및/또는 공급원은 기술 분야에 공지되어 있다. 불연속적인 섬유는 예를 들어 (전술한 대체로 연속적인 섬유를 포함하는) 연속적인 섬유를 절단하거나 세단함으로써 제조될 수 있다. 상업적으로 구입 가능한 불연속적인 세라믹 산화물 섬유의 예는 영국 위드니스 소재의 제이 & 제이 다이슨(J & J Dyson)으로부터 "SAFFIL"이라는 상표로, 조지아주 오거스타 소재의 써멀 세라믹스 인크.(Thermal Ceramics Inc.)로부터 "KAOWOOL"이라는 상표로, 그리고 뉴욕주 나이아가라 폴즈 소재의 유니프락스(Unifrax)로부터 "FIBERFRAX"라는 상표로 시판되는 것을 포함한다.
몇몇 실시예에서, 불연속적인 섬유는 약 1 마이크로미터 내지 약 20 마이크로미터, 양호하게는 약 3 마이크로미터 내지 약 12 마이크로미터 범위 내의 직경을 가지며, 약 2.5 cm까지의 길이, 양호하게는 1.2 cm 미만의 길이이지만, 위스커는 전형적으로 약 6 마이크로미터 내지 약 12 마이크로미터 길이 범위 내의 길이를 갖는다.
선택적으로, 슬러리는 (알파 알루미나를 포함한) 알루미나 입자, 알루미노실리케이트 입자, 알루미노보로실리케이트 입자와 같은 세라믹 산화물 입자를 더 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 입자의 양호한 평균 입자 크기는 약 0.05 마이크로미터 내지 약 50 마이크로미터 범위 내에 있다. 슬러리는 (예를 들어, 다른 상을 제조하기 위해 다공성 세라믹 산화물 예비 성형체를 제조하는데 사용되는 다른 성분과의 반응에 의해 (예를 들어, 실리카는 알루미나와 반응하여 멀라이트를 형성할 수 있음)) 완결성을 향상시키는 것을 지원할 수 있는 콜로이드 실리카, 콜로이드 알루미나 등과 같은 세라믹 산화 결합 재료를 더 포함할 수 있다.
적합한 슬러리는 기술 분야에 공지된 기술을 사용하여 형성될 수 있다. 전형적으로, 슬러리는 물과 같은 액체 매체 내에 불연속적인 섬유를 분산시킴으로써 형성된다. 대체로 연속적인 섬유의 취급 및 배치를 지원하기 위해, 섬유 삽입물(예를 들어, 리본)이 사용될 수 있다. 섬유 삽입물은 결합제 재료와 함께 유지되는 복수의 대체로 연속적인 섬유를 포함한다. 도4를 참조하면, 섬유 리본(40)은 대체로 연속적인 종방향으로 정렬된 알파 알루미나 섬유(42)와, (묶음(43)으로 도시된) 섬유(42)를 섬유 리본(40)으로부터 고정시키도록 역할하는 임시 결합제 재료(44)를 포함한다. 결합제 재료(44)는 섬유 리본(40)을 형성하는데 필요한 정도로만 섬유와 접촉하며, 반드시 모든 섬유와 접촉할 필요는 없다. 예를 들어, 내부 섬유는 결합제 재료와 접촉하지 않을 수 있다.
섬유 삽입물용 결합제 재료를 선택하는데 있어서, 결합제 재료가 삽입물을 포함한 세라믹 산화물의 특성에 대해 가질 수 있는 악영향과 결합제 재료가 삽입물을 포함한 세라믹 산화물의 사용에 대해 가질 수 있는 충격이 고려된다 (예를 들어, 결합제 재료가 삽입물을 포함한 세라믹 산화물을 사용하여 제조되는 금속 매트릭스 복합재 물품의 특성에 대해 가질 수 있는 악영향이 고려된다).
결합제 재료는 대체로 연속적인 섬유들을 서로 일시적으로 결합시키는데 사용되고, 섬유를 취급하여 궁극적으로 이를 삽입물을 포함한 세라믹 산화물 내에 위치시키는 것을 지원한다. 몇몇 실시예에서, 결합제 재료는 양호하게는 예비 성형체 제조 공정의 하소 단계 중에 비교적 낮은 온도에서 연소되어 잔류물 또는 재를 남기지 않는 임시 재료일 수 있다. 몇몇 실시예에서, 양호한 임시 결합제 재료는 그의 융점 위로 가열되어 섬유에 도포된 다음 섬유를 원하는 대로 유지하도록 고화될 수 있는 왁스(예를 들어, 파라핀)이다. 몇몇 실시예에서, 양호한 임시 결합제 재료는 폴리비닐 알코올(PVA), 폴리비닐 피롤리딘(PVP)과 같은 수용성 중합체와 이들의 조합을 포함한다. 다른 적합한 임시 결합제 재료는 (이전에 미네소타주 세인트 폴 소재의 쓰리엠 컴퍼니에 의해 "SP381 SCOTCHPLY ADHESIVE"라는 상표로 시판되었던) 뉴저지주 웨스트 패터슨 소재의 사이텍 인더스트리즈(Cytec Industries)에 의해 시판되는 것과 같은 에폭시를 포함할 수 있다.
삽입물을 포함한 세라믹은 전형적으로 특정 목적으로 설계되고, 결과적으로 특정 특성 및 특정 구성을 가지며 특정 재료로 제조되는 것이 바람직하다. 전형적으로, 주형은 삽입물을 포함한 세라믹의 원하는 형상을 제공하도록 선택되거나 제조될 수 있다. 삽입물을 포함한 실제 형상 또는 실제에 가까운 형상의 세라믹은 예를 들어 삽입물의 이후의 가공 또는 다른 주조후 처리에 대한 요구 및 비용을 최소화하거나 제거할 수 있다. 공동은 삽입물을 포함한 생성된 세라믹에 대해 원하는 형상을 갖도록 선택되거나 제조된다. 전형적으로, 공동은 대체로 연속적인 섬유가 삽입물을 포함한 생성된 세라믹 내에서 적절하게 위치되도록 대체로 연속적인 섬유를 원하는 위치에 유지하도록 제조되거나 적응된다. 적합한 공동을 제조하기 위한 기술은 당업자에게 공지되어 있다. 그러한 공동은 목재, 플라스틱, 그래파이트, 및 강철(예를 들어, 스테인리스강)과 같은 강성 재료로 제조될 수 있다. 슬러리로부터의 액체의 제거를 용이하게 하기 위해, 하나 이상의 개구가 주형 내에 제공될 수 있다.
삽입물을 포함한 세라믹은 예를 들어 대체로 연속적인 섬유를 공동 내에 위치시키고 불연속적인 세라믹 산화물 섬유를 공동 내로 도입하고 슬러리로부터 액체를 제거함으로써 제조될 수 있다. 전형적으로, 액체는 공동 내의 개구를 통해 제거된다. 개구를 통한 액체의 제거는 공동 외부의 압력을 감소시킴으로써 (예를 들어, 1000 mbar 미만, 몇몇 실시예에서 양호하게는 850 mbar 미만) 향상될 수 있다.
미가공 삽입물이 공동 내에서 건조되지 않으면, 이는 전형적으로 공동으로부터 제거된 후에 하소되거나 소결되기 전에 건조된다. 몇몇 실시예에서, 양호하게는, 미가공 삽입물은 약 70℃ 내지 약 100℃, 더욱 양호하게는 약 85℃ 내지 약 100℃의 범위 내의 적어도 하나의 온도로, 그리고 전형적으로 가장 양호하게는 약 100℃에서 건조된다.
미가공 삽입물은 전형적으로 소결 이전에 하소된다. 하소는 자유수, 몇몇 실시예에서 양호하게는 소결과 대조적으로 임의의 결합된 휘발성 성분의 적어도 약 90 중량%를 용융시키지 않고서 제거하기 위한 온도로 재료를 가열한다.
전형적인 하소 온도는 400℃ 내지 약 800℃, 몇몇 실시예에서 양호하게는 약 600℃ 내지 약 800℃의 범위 내에 있다. 전형적인 소결 온도는 900℃ 내지 약 1150℃, 몇몇 실시예에서 양호하게는 약 950℃ 내지 약 1100℃, 더욱 양호하게는 약 950℃ 내지 약 1100℃의 범위 내에 있다.
건조, 하소 및 소결 시간은 예를 들어 관련 재료 및 삽입물을 포함한 세라믹의 (크기를 포함한) 구성에 의존할 수 있다.
대체로 연속적인 섬유의 길이에 대한 불연속적인 섬유의 배향은 삽입물을 포함한 세라믹을 제조하는데 사용되는 제조 공정에 의해 조정될 수 있다. 예를 들어, (측면과 대조적으로) 공동의 바닥 (또는 상부)로부터 액체를 양호하게 제거하기 위해 슬러리를 유지하는데 사용되는 공동의 바닥 내의 위치 설정 개구는 공동의 측면의 길이에 대해 평행하게 위치된 연속적인 섬유의 길이에 대해 평행하기보다는 양호하게는 더욱 직교하는 불연속적인 섬유의 최대 치수를 생성할 수 있다. 예를 들어, 도5를 참조하면, 결합제 재료(53)에 의해 서로 유지되는 복수의 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유(52)를 포함한 섬유 리본(51)이 공동(54) 내에 위치된다. 연속적인 섬유(52)의 길이는 공동의 측면에 대해 평행하고, 공동의 바닥(56)에 대해 직교한다. 슬러리(57)로부터의 액체는 개구(58)를 거쳐 제거되어, 불연속적인 섬유의 최대 치수는 양호하게는 연속적인 섬유(52)의 길이에 대해 평행하기보다는 더욱 직교한다.
양호하게는, 액체의 제거는 주형 외부의 압력을 감소시킴으로써 지원될 수 있다. 예를 들어, 섬유 삽입물은 섬유 삽입물의 각 단부에서 클립에 의해 원하는 위치에 유지되도록 주형 내에 고정될 수 있다. 하나의 예시적인 기술에서, 스크린이 감압(예를 들어, 몇몇 실시예에서 1000 mbar 미만) 하에서 물 제거를 위해 주형의 측면 상에 위치된다. 스크린의 배치는 불연속적인 섬유의 원하는 배향에 의해 결정된다. 예를 들어, 연속적인 종방향으로 정렬된 섬유에 대해 직교하도록 불연속적인 섬유를 양호하게 정렬하는 것이 필요하다면, 스크린은 섬유의 길이에 대해 직교하여 섬유의 길이의 단부들 중 하나에 위치될 수 있다. 슬러리는 예를 들어 주형을 슬러리 내에 침지시킨 다음 주형으로부터 슬러리를 제거하거나 펌핑함으로써 추가될 수 있다. 감압은 액체를 취출하기 위해 주형의 스크린 측면에 인가될 수 있다. 액체가 제거될 때, 불연속적인 섬유는 대체로 연속적인 섬유의 길이에 대해 양호하게 정렬된다. 이후의 압력이 더 많은 물을 취출하기 위해 섬유에 인가될 수 있으며, 또한 불연속적인 섬유를 조밀화하는 것을 지원할 수 있다.
유사하게, 예를 들어, (상부 및 바닥과 대조적으로) 공동의 측면으로부터 액체를 양호하게 제거하기 위해 슬러리를 유지하는데 사용되는 공동의 측면 내의 개구 또는 구멍을 위치시키는 것은 공동의 측면의 길이에 대해 평행하기보다는 직교하게 위치된 연속적인 섬유의 길이에 대해 양호하게는 직교하는 불연속적인 섬유의 최대 치수를 생성할 수 있다.
삽입물을 포함한 세라믹의 형성에 관한 추가의 세부 사항에 대해서는 1987년 5월 28일 및 1988년 9월 14일자로 각각 공고된 미국 특허 제5,394,930호(케네르크네히트) 및 영국 특허 제2,182,970A 및 B호와, 2001년 9월 27일자로 출원되어 공동 계류 중인 미국 특허 출원 제09/966,946호, 제09/967,401호, 및 제09/967,562호와, 2002년 4월 4일자로 공개된 PCT 특허 공개 WO 02/26658호, WO 02/27048호, 및 WO 02/27049호를 참조하면 된다. 다른 기술 및 다른 양호한 조건은 본 개시 내용을 검토한 후에 당업자에게 명백할 수 있다.
본 발명에 따른 제1, 제2 및 제3 물품은 본 발명에 따른 제4 및 제5 금속 매트릭스 복합재 물품을 제조하는데 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 제5 금속 매트릭스 복합재 물품의 일례는 차량(예를 들어, 승용차, 레저용 차량, 밴, 또는 트럭)용 브레이크 캘리퍼이다. 도6을 참조하면, 예시적인 브레이크 캘리퍼(60)는 삽입물 홀더(61)와, 삽입물(62A, 62B)을 포함한다.
전형적으로, 본 발명에 따른 제4 및 제5 금속 매트릭스 복합재 물품은 연속적인 세라믹 섬유를 포함하는 영역 내에서, 영역의 총 체적에 기초하여, 약 30 내지 약 45 체적%(몇몇 실시예에서, 양호하게는 약 35 내지 약 45%, 더욱 양호하게는 약 35 내지 약 40%) 범위 내의 금속과, 약 70 내지 약 55 체적%(몇몇 실시예에서, 양호하게는 약 65 내지 약 55%, 더욱 양호하게는 약 60 내지 약 65%) 범위 내의 연속적인 세라믹 산화물 섬유를 포함한다. 더욱이, 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유를 고정시키는 적절하게는 세라믹 산화물 재료 및/또는 금속을 포함하는 영역은 전형적으로 영역의 총 체적에 기초하여, 약 20 내지 약 95 체적%(몇몇 실시예에서, 양호하게는 약 60 내지 약90%, 더욱 양호하게는 약 80 내지 약 85%) 범위 내의 금속과, 약 80 내지 약 5 체적%(몇몇 실시예에서, 양호하게는 약 60 내지 약 10%, 더욱 양호하게는 약 15 내지 약 5%) 범위 내의 세라믹 산화물 재료 및/또는 금속을 포함한다.
몇몇 실시예에서, 삽입물은 삽입물의 총 체적에 기초하여, 약 30 내지 약 70 체적%(몇몇 실시예에서, 양호하게는 약 35 내지 약 60%, 또는 약 35 내지 약 45%) 범위 내의 금속과, 약 70 내지 약 30 체적%(몇몇 실시예에서, 양호하게는 약 65 내지 약 40%, 또는 약 65 내지 약 55%) 범위 내의 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유를 포함한다. 몇몇 실시예에서, 양호하게는 삽입물은 삽입물의 총 체적에 기초하여, 적어도 50 체적%의 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유를 포함한다.
대체로 연속적인 섬유 영역 내의 제4 및 제5 금속 매트릭스 복합재 물품의 섬유 및 금속 체적 함량은 대체로 금속 침윤 중에 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유의 현저한 이동이 없이 균질 복합재를 생성하기 위한 요구에 의해 지배된다. 섬유 함량이 너무 낮으면, 금속 침윤 중에 대체로 연속적인 섬유의 이동을 방지하거나 최소화하는 것이 더욱 어렵다. 불연속적인 섬유를 포함한 삽입물에 대해, 불연속적인 섬유 영역 내에서, 복합재의 섬유 및 금속 체적 함량은 대체로 증가된 강도 및 강성과 감소된 인성 및 가공성 사이의 균형에 의해 지배된다.
특수한 섬유, 매트릭스 재료, 홀더 등과 금속 매트릭스 복합재 물품을 제조하기 위한 공정 단계는 원하는 특성을 갖는 금속 매트릭스 복합재 물품을 제공하도록 선택된다. 예를 들어, 섬유 및 금속 매트릭스 재료는 서로에 대해 그리고 원하는 물품을 제조하기 위한 물품 제조 공정과 충분히 호환 가능하도록 선택된다. 금속 매트릭스 복합재를 포함하는 금속은 몇몇 실시예에서 양호하게는 매트릭스 재료가 예를 들어 섬유 외부 상에 보호 코팅을 제공하기 위한 요구를 제거하기 위해 세라믹 산화물 재료, 특히 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유와 화학적으로 현저하게 반응하지 않도록 (즉, 금속성 내열 재료에 대해 화학적으로 비교적 불활성이도록) 선택된다.
알루미늄 및 알루미늄 합금 매트릭스 복합재를 제조하기 위한 몇몇 기술에 관한 추가의 세부 사항은 예를 들어 1995년 6월 21일자로 출원되어 공동 계류 중인 미국 특허 출원 제08/492,960호와, 2000년 7월 14일자로 출원된 미국 특허 출원 제09/616,589호, 제09/616,593호, 및 제09/616,594호와, 2002년 8월 20일자로 출원된 미국 특허 출원 제60/404,672호와, 1997년 1월 9일자로 공개된 PCT 특허 출원 공개 WO 97/00976호에 개시되어 있다.
본 발명에 따른 제4 또는 제5 금속 매트릭스 복합재 물품의 삽입물, 홀더, 및/또는 금속을 포함한 금속을 포함하는 금속은 동일하거나 상이할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 홀더는 양호하게는 6000 시리즈 알루미늄 합금을 포함하고, 본 발명에 따른 제4 또는 제5 금속 매트릭스 복합재 물품의 금속은 6000 시리즈 알루미늄 합금을 포함한다. 삽입물이 삽입물을 포함한 금속이면, 몇몇 실시예에서, 삽입물을 포함한 금속은 양호하게는 200 시리즈 금속이다.
본 발명에 따른 제4 및 제5 금속 매트릭스 복합재 물품은 기술 분야에 공지된 기술(예를 들어, 스퀴즈 주조 및 영구적 공구 중력 주조)을 사용하여 본 발명에 따른 제1, 제2 및 제3 물품을 사용하여 제조될 수 있다. 다공성 삽입물에 대해, 그러한 제조는 다공성 삽입물을 용융된 금속으로 침윤시키는 것을 포함한다. 유한 요소 분석(FEA) 모델링이 예를 들어 원하는 성능 사양을 만족시키기 위해 세라믹 산화물 섬유의 최적 위치 및 양을 식별하는데 사용될 수 있다. 그러한 분석은 또한 예를 들어 사용되는 본 발명에 따른 제1, 제2 및 제3 물품의 구성, 성분, 개수, 및 위치를 선택하는 것을 지원하는데 사용될 수 있다. 전형적으로, 삽입물 및/또는 다이는 주조 이전에 예비 가열된다. 이론에 의해 제한되지 않기를 바라지만, 본 발명에 따른 제1, 제2, 제3 및 제4 물품을 예비 가열하는 것은 제4 또는 제5 금속 매트릭스 복합재 물품의 홀더 및/또는 삽입물과 알루미늄 또는 알루미늄 합금 사이의 바람직한 금속 결합을 용이하게 한다고 믿어진다. 삽입물을 포함한 금속의 몇몇 실시예에서, 양호하게는 삽입물은 약 500℃ - 600℃로 예비 가열된다. 삽입물을 포함한 세라믹의 몇몇 실시예에서, 양호하게는 삽입물은 약 750℃ - 800℃로 예비 가열된다. 주조가 전형적으로 공기 중에서 수행될 수 있지만, 다른 분위기(예를 들어, 아르곤) 내에서 주조하는 것도 본 발명의 범주 내에 있다.
FEA는 예를 들어 본 발명에 따른 삽입물 및/또는 금속 매트릭스 복합재 물품을 주조하기 위한 주조 기술, 주조 조건, 및/또는 주형 설계를 선택하는 것을 지원하는데 사용될 수 있다. 적합한 FEA 소프트웨어는 메릴랜드주 아나폴리스 소재의 유이에스(UES)에 의해 "PROCAST"라는 상표로 시판되는 것을 포함하여 상업적으로 구입 가능하다. 전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 물품은 전형적으로 특정 목적으로 설계되고, 결과적으로 특정한 특성을 갖고 특정한 구성을 갖고 특정한 재료로 제조되는 것 등이 필요하다. 전형적으로, 주형은 실제 형상 또는 실제에 가까운 형상을 제공하기 위해 주조되도록 제4 또는 제5 금속 매트릭스 복합재 물품의 원하는 형상을 제공하도록 선택되거나 제조된다. 실제 형상 또는 실제에 가까운 형상의 물품은 예를 들어 주조된 금속 매트릭스 복합재 물품의 이후의 가공 또는 다른 주조후 처리에 대한 요구 및 비용을 최소화하거나 제거할 수 있다. 전형적으로, 주형은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유가 생성되는 금속 매트릭스 복합재 물품 내에서 적절하게 위치되도록 삽입물을 원하는 위치에 유지하도록 제조되거나 적응된다. 적합한 공동을 제조하기 위한 기술 및 재료가 당업자에게 공지되어 있다. 특정 주형이 제조될 수 있는 재료는 예를 들어 금속 매트릭스 복합재 물품을 제조하는데 사용되는 금속에 의존하여 제조될 수 있다. 일반적으로 사용되는 주형 재료는 그래파이트 또는 강철을 포함한다.
다시, 놀랍게도, 본 발명에 따른 제1, 제2 및 제3 물품은 주형 내의 용융된 금속이 75초 미만(몇몇 실시예에서, 양호하게는 60초 미만) 동안 용융된 상태로 있는 금속 매트릭스 복합재 물품을 제조하는데 사용될 수 있다. 주형 내의 용융된 금속을 용융된 상태로 유지하기 위한 더 시간이 유용할 수도 있지만, 더 짧은 시간 (즉, 75초 미만) 및 이론에 의해 제한되지 않기를 바라지만, 더 긴 시간은 홀더 및/또는 삽입물을 포함한 금속의 변형으로 이어질 수 있다고 믿어진다. 몇몇 실시예에서, 양호하게는 홀더 및 삽입물은 금속 매트릭스 복합재 물품의 주조 중에 현저하게 변형되지 않는다 (즉, 홀더 및 삽입물은 주조 이전에 제1 외측 치수 구성(즉, 크기 및 형상)을 갖고, 주조 후에 제2 외측 치수 형상을 갖고, 각각의 제1 및 제2 외측 치수 구성은 동일하고, 적어도 200℃ 위에서 양의 깁스 산화 자유 에너지를 갖는 금속 및 니켈과 같은 선택적인 금속은 주조 금속의 금속 (및 양호하게는 삽입물의 금속) 내로 확산되는 경향이 있다).
삽입물과 삽입물 둘레에 주조된 금속 사이의 계면에서 원하는 양보다 더 높은 산화를 갖는 금속 매트릭스 복합재 물품에 대해, 물품은 원치 않는 산화를 감소시키거나 제거하기 위해 고온 등압 압축 성형(HIP)을 사용하여 더욱 처리될 수 있다. HIP는 또한 금속 매트릭스 복합재 물품 내의 세공을 감소시키는데 사용될 수 있다. HIP를 위한 기술은 기술 분야에 공지되어 있다. 본 발명의 실시예에 대해 유용할 수 있는 HIP 온도, 압력, 및 시간의 예는 각각 500℃ 내지 600℃, 25 MPa 내지 50 MPa, 및 4 내지 6시간을 포함한다. 이러한 범위 이외의 온도, 압력 및 시간이 유용할 수도 있다. 더 낮은 온도는 예를 들어 조밀화를 덜 제공하고 그리고/또는 HIP 시간을 증가시키는 경향이 있고, 더 높은 온도는 금속 매트릭스 복합재 물품을 변형시킬 수 있다. 더 낮은 압력은 예를 들어 조밀화를 덜 제공하고 그리고/또는 HIP 시간을 증가시키는 경향이 있고, 더 높은 압력은 예를 들어 불필요하거나, 몇몇의 경우에 금속 매트릭스 물품을 손상시킬 수 있다. 더 짧은 시간은 예를 들어 조밀화를 덜 제공하는 경향이 있고, 더 긴 시간은 예를 들어 불필요할 수 있다.
금속 매트릭스 복합재 물품을 제조하기 위한 예시적인 삽입물 및 기술에 대한 추가의 설명에 대해서는 2002년 8월 20일자로 출원되어 공동 계류 중인 미국 특허 출원 제60/404,704호를 참조하면 된다.
금속 매트릭스 복합재 물품을 제조하기 위한 다른 기술은 본 개시 내용을 검토한 후에 당업자에게 명백할 수 있다.
금속 매트릭스 복합재에 관한 추가의 세부 사항은 예를 들어 미국 특허 제4,705,093호(오기노), 제5,234,080호(팬테일), 및 제5,394,903호(케네르크네히트)에서 찾을 수 있다.
더욱이, 삽입물을 포함한 세라믹의 형성 및 세라믹 산화물 예비 성형체로부터 제조되는 금속 매트릭스 복합재 물품에 관한 추가의 세부 사항에 대해서는, 예를 들어 (2000년 9월 28일자로 출원된 미국 특허 출원 제60/236,091호, 제60/236,092호, 및 제60/236,110호에 기초하여 우선권을 주장하는) 2001년 9월 27자로 출원된 미국 특허 출원 제09/966,946호, 제09/967,401호, 및 09/677,562호와, 2002년 4월 4일자로 공개된 PCT 출원 공개 WO 02/26658호, WO 02/27048호, 및 WO 02/27049호를 참조하면 된다.
본 발명에 따른 몇몇 금속 매트릭스 복합재 물품의 실시예는 적어도 100 MPa(몇몇 실시예에서, 양호하게는 적어도 125 MPa, 적어도 150 MPa, 적어도 175 MPa, 또는 적어도 180 MPa)의 다음의 "피크 결합 강도값 테스트"에 의해 결정되는, 적절하게는 (즉, 테스트되는 것에 의존하여) 삽입물 또는 홀더와 삽입물 둘레에 주조된 알루미늄 또는 알루미늄 합금 사이의 "피크 결합 강도값"을 갖는다. 압축 전단 테스트 장비의 개략도가 도9에 도시되어 있으며, 압축 전단 테스트 장비(140)는 밀어내기 공구(141), 테스트 샘플(142), 지지 블록(143), 및 100,000 뉴톤(22,482 파운드)의 압축 하중 셀(147)을 포함한다. 테스트되어야 하는 금속 매트릭스 복합재는 적절하게는 삽입물 또는 홀더의 종방향 축에 직교하여 단면 형성되고, 삽입물에 대한 단면의 두께는 1.16 cm(0.46 인치)이고, 홀더에 대한 단면의 두께는 0.4 cm이고, 각각의 직경은 2.5 cm(1 인치)이다.
밀어내기 공구(141)는 적절하게는 삽입물 또는 홀더(144)의 테스트 샘플(142)과의 접촉 지점에서 대응하는 단면을 갖지만, 밀어내기 공구(141)의 단면적이 10%가 작다 (즉, 밀어내기 공구(141) 및 적절하게는 삽입물 또는 홀더(144)의 단면 형상은 동일하지만, 밀어내기 공구(144)의 단면의 크기가 더 작다). 밀어내기 공구(141)는 10.34 MPa(1500 lb/in2)의 수압으로 수압식 처크의 상부 조오(145) 내에 클램핑된다. 지지 블록(143)은 2.54 cm(1.0 인치) 직경 x 0.15 cm(0.06 인치) 깊이의 카운터보어를 갖는다. 1.1 cm(0.435 인치) 직경의 관통 구멍이 수압식 처크(146)의 바닥의 개방 조오(145)의 상부 상에 위치된다.
테스트되어야 하는 샘플(142)은 지지 블록(143)의 상부 상에 위치되어, 관통 구멍 위에서 적절하게는 삽입물 또는 홀더의 중심 설정을 위한 카운터보어 내에 포개진다. 수압식 처크 지지부(146)의 바닥(148)은 상부 밀어내기 공구(141)와 밀어내져야 하는, 적절하게는 삽입물 또는 홀더 (즉, 테스트되어야 하는 샘플(144)) 사이의 갭이 0.025 cm(0.01 인치)가 될 때까지 상승된다. 시편 내의, 적절하게는 노출된 삽입물 또는 홀더는 그 다음 지지 블록(143)을 수평 및 회전식으로 수동으로 활주시킴으로써 밀어내기 공구(141)의 정합 팁과 함께 두 요소의 단면이 정합될 때까지 시각적으로 위치된다.
테스트는 그 다음 하부 수압식 지지 처크를 고정식 밀어내기 공구(141)를 향해 분당 0.05 cm(0.020 인치)의 속도로 이동시키며, 동시에 하중 및 변형을 감시함으로써 수행된다. 이에 의해, 적절하게는 삽입물 또는 홀더는 고정식 밀어내기 공구면과 접촉하고, 둘 사이의 접촉력이 변위의 함수로서 기록된다. 테스트는 피크력이 도달되고 약 0.05 cm(0.020 인치)의 총 변형이 얻어진 직후에 중단된다.
테스트의 완료 후에, 시편은 적절하게는 테스트 삽입물 또는 홀더 및 밀어내기 팁이 그들의 단면이 중첩되도록 적절하게 정렬되었는지를 확인하기 위해 광학 현미경 하에서 100X 배율로 조사된다.
평균 전단 응력은 다음과 같은 공식을 사용하여 계산된다.
하중은 삽입물 변위의 함수로서 플로팅된다. 밀어내기 곡선이 불연속부를 갖는 (즉, 적절하게는 삽입물 또는 홀더와 삽입물 또는 홀더 둘레에 주조된 알루미늄 또는 알루미늄 합금 사이의 계면에서의 초기 슬립이 있는 곳에서의) 하중이 피크 결합 강도값이다.
피크 결합 강도는 유한 요소 분석(FEA)을 사용하여 계산된다. (펜실베니아주 캐논스버그 소재의 안시스 인크.로부터 "ANSYS"라는 상표로 구입 가능한) 유한 요소 분석(FEA) 소프트웨어는 적절하게는 삽입물 또는 홀더를 모델링하는데 사용되고, 측정된 평균 전단 응력에 대한 피크 결합 강도의 비율이 대략 3.0이라는 것을 보여준다.
FEA 계산은 다음과 같이 행해진다. 테스트 시편의 기하학적 형상의 유한 요소 모델이 생성된다. 적절하게는, 삽입물 또는 홀더는 메시 크기가 모든 치수에서 0.02 cm인 적절하게는 삽입물 또는 홀더의 상부를 제외하고는, 0.02 cm x 0.02 cm x 0.05 cm(0.01 인치 x 0.01 인치 x 0.02 인치) 치수의 입방체의 요소로 메시가 형성된다. 적절하게는, 삽입물 또는 홀더 둘레에 주조된 알루미늄/알루미늄 합금은 적절하게는 삽입물 또는 홀더 주위에서 0.05 cm(0.02 인치) 그리고 성형된 테스트 시편 내에서는 모두 0.10 cm(0.04 인치)의 크기를 갖는 입방체로 메시가 형성된다. FEA 소프트웨어는 (2900 파운드의 밀어내기 테스트 하중에 대응하는) 533.3 MPa의 인가 압력에 대해 적절하게는 삽입물 또는 홀더의 표면을 따른 지점에서의 전단 응력을 계산한다. 계산은 적절하게는 삽입물 또는 홀더의 표면의 모든 지점을 가로지른 피크 전단 응력 및 적절하게는 삽입물 표면 또는 홀더 표면을 가로지른 평균 전단 응력을 결정한다. 따라서, 피크 결합 강도 대 평균 전단 응력의 비율은 약 3 대 1이다.
본 발명에 따른 몇몇의 금속 매트릭스 복합재 물품의 실시예는 다음의 "산소 층 테스트"에 의해 결정되는 바와 같이, 적절하게는 삽입물 또는 홀더와 삽입물 또는 홀더 둘레에 주조된 알루미늄 또는 알루미늄 합금 사이의 계면에서 산소가 없다. 금속 매트릭스 복합재 물품의 일부는 삽입물 또는 홀더와 삽입물 또는 홀더 둘레에 주조된 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 단면을 얻기 위해 절단된다. 그 다음 단면은 (오하이오주 클리브랜드 소재의 스트루어즈, 인크.(Struers, Inc.)로부터 "ABRAMIN"이라는 상표로 구입한) 반자동 금속 연삭/연마 장비로 연마된다. 연마 속도는 150 rpm이다. 연마는 다음의 연속된 6단계로 행해진다. 연마력은 단계6에서 250 N인 것을 제외하고는 150 N이다.
- 단계1
샘플은 (일리노이주 노쓰브룩 소재의 페이스 테크놀로지스(Pace Technologies)로부터 구입한) 120 그릿 실리콘 카바이드 종이를 사용하여 45초 동안 연마되고, 동시에 연마 중에 융삭 패드 상으로 자동으로 물을 적하한다. 연마 후에, 샘플은 물로 완전히 헹궈진다.
- 단계2
샘플은 (페이스 테크놀로지스로부터 구입한) 220 그릿 실리콘 카바이드 종이를 사용하여 45초 동안 연마되고, 동시에 연마 중에 융삭 패드 상으로 자동으로 물을 적하한다. 연마 후에, 샘플은 물로 완전히 헹궈진다.
- 단계3
샘플은 (페이스 테크놀로지스로부터 구입한) 600 그릿 실리콘 카바이드 종이를 사용하여 45초 동안 연마되고, 동시에 연마 중에 융삭 패드 상으로 자동으로 물을 적하한다. 연마 후에, 샘플은 물로 완전히 헹궈진다.
- 단계4
샘플은 (스트루어즈로부터 "PURON, DP-LUBRICANT"라는 상표로 구입한) 윤활제의 주기적인 액적으로 약간 습윤된 (스트루어즈, 인크.로부터 "DP-MOL"이라는 상표로 구입한) 연마 패드를 사용하여 4.5초 동안 연마되고, (스트루어즈로부터 "DP-SPRAY, P-6 ㎛"라는 상표로 구입한) 6 마이크로미터 다이아몬드 그릿에 의해 1초 동안 분사된다. 연마 후에, 샘플은 물로 완전히 헹궈진다.
- 단계5
샘플은 (스트루어즈로부터 "PURON, DP-LUBRICANT"라는 상표로 구입한) 윤활제의 주기적인 액적으로 약간 습윤된 연마 패드("DP-MOL")를 사용하여 4.5초 동안 연마되고, (스트루어즈로부터 "DP-SPRAY, P-3 ㎛"라는 상표로 구입한) 3 마이크로미터 다이아몬드 그릿에 의해 1초 동안 분사된다. 연마 후에, 샘플은 물로 완전히 헹궈진다.
- 단계6
샘플은 천 위에 손으로 부어진 물과 (스트루어즈로부터 "OP-SUSPENSION"이라는 상표로 구입한) 콜로이드성 실리카 현탁액으로 1차 습윤된 (스트루어즈로부터 "OP-CHEM"이라는 상표로 구입한) 다공성 합성 연마천을 사용하여 4.5초 동안 연마된다. 샘플은 연마의 최종 5초 동안 물로 세척된다. 연마 후에, 샘플은 건조된다.
결과적으로 연마된 샘플은 시각적으로 분별 가능한 연속적인 산화물 층이 삽입물 또는 홀더와 삽입물 또는 홀더 둘레에 주조된 알루미늄 또는 알루미늄 합금 사이에 존재하는지를 결정하기 위해 광학 현미경에 의해 250X로 관찰된다. 참조를 목적으로, 2002년 8월 20일자로 출원되어 공동 계류 중인 미국 특허 출원 제60/404,672호의 예3(도10 참조)은, 이러한 테스트로 평가될 때, 계면에서 시각적으로 분별 가능한 연속적인 산화물 층을 갖지 않았지만, 동일 출원의 비교예H(도11 참조)는 그러한 층을 가졌다. 도10을 참조하면, 예3의 연마된 표면은 삽입물 매트릭스(166)와 주조 합금(163) 사이의 계면에서 갑작스런 경계를 보이지 않았다. 도11을 참조하면, 비교예H의 연마된 단면은 삽입물 매트릭스(166)와 주조 합금(183) 사이의 계면(182)에서 산화물 층으로 믿어지는 갑작스런 경계를 보였다.
자동차용 디스크 브레이크의 일례는 로터와, 로터의 대향 측면들 상에 배치되어 제동 결합되도록 이동 가능한 내측 및 외측 브레이크 패드와, 내측 브레이크 패드를 로터에 대해 압박하기 위한 피스톤과, 로터의 일 측면 상에 위치된 피스톤을 포함하는 실린더를 갖는 본체 부재, 로터의 타 측면 상에 위치되어 외측 브레이크 패드를 지지하는 아암 부재, 및 로터의 평면을 가로질러 본체 부재와 아암 부재 사이로 연장되는 브리지를 포함하는 브레이크 캘리퍼를 포함한다.
도7A 및 도7B를 참조하면, 디스크 브레이크 조립체(70)는 본체 부재(72), 아암 부재(73), 및 일 단부에서 본체 부재(72)에 타 단부에서 아암 부재(73)에 연결된 브리지(74)로 형성된 브레이크 캘리퍼 하우징(71)을 포함한다. 본체 부재(72)는 내측 브레이크 패드(77)가 가압되는 피스톤(76)을 활주식으로 수납하는 대체로 원통형의 리세스(75)를 내부에 갖는다. 아암 부재(73)의 내측면(78)은 내측 브레이크 패드(77)와 대면하는 외측 브레이크 패드(79)를 지지한다. 차량의 (도시되지 않은) 휠에 연결된 브레이크 로터(701)는 각각 내측 및 외측 브레이크 패드(77, 79) 사이에 놓인다. 브레이크 캘리퍼 하우징(71)은 계면(202A, 202B)을 갖는 삽입물(200A, 200B)을 포함한다. 피스톤(76)의 수압식 또는 다른 작동은 내측 브레이크 패드(77)가 로터의 일 측면에 대해 압박되게 하고, 반작용력에 의해 캘리퍼 하우징(71)이 부유하게 하고, 이에 의해 기술 분야에 공지된 바와 같이 외측 브레이크 패드(79)를 로터(701)의 타 측면과 결합하도록 브리징한다.
본 발명은 또한 다음의 예에 의해 설명되지만, 이러한 예에서 언급되는 특정 재료 및 그의 양과, 다른 조건 및 세부 사항은 본 발명을 부당하게 제한하는 것으로 해석되지 않아야 한다. 본 발명의 다양한 변형 및 변경이 당업자에게 명백해질 것이다. 모든 부 및 백분율은 달리 표시되지 않으면 중량에 의한 것이다.
예1
삽입물 홀더가 다음과 같이 제조되었다. (미네소타주 세인트 폴 소재의 빈센트 브래스 앤드 알루미늄(Vincent Brass and Aluminum)으로부터 "6061-T4"라는 상표로 구입한) 표준 T4 열처리로 열처리된 6061 알루미늄 합금으로 구성된 1.5 mm 두께의 알루미늄 시트 스톡이 레이저 절단되어 도8에 도시된 구성을 얻었다. 알루미늄 시트 스톡을 절단하기 위해 사용된 레이저는 (캘리포니아주 산타클라라 소재의 코히어런트, 인크.(Coherent, Inc.)로부터 얻어지고 위스콘신주 소머셋 소재의 레이저 매뉴팩처링, 인크.(Laser Manufacturing, Inc.)에 의해 수치 제어되는 레이저 절단 시스템 내로 통합된) 1500 와트의 수치 제어식 CO2 레이저였다. 삽입물 홀더는 72 mm x 15.5 mm x 5 mm의 치수를 갖는 것 두 개와 82 mm x 35 mm x 5 mm의 치수를 갖는 것 하나인 세 개의 삽입물을 유지하도록 설계되었다.
절단된 시트는 도8A에 도시된 접음선(a, b, c, d, e, f, g, h)을 따라 플라이어로 구부려져서 도8A 및 도8B에 도시된 형상을 만들어서 삽입물 홀더를 제공하였다. 치수 A는 158.2 mm이고, B는 35 mm이고, C는 126.2 mm이고, D는 13.6 mm이고, E는 28 mm이다. 삽입물 홀더는 그 다음 약 12 마이크로미터의 은의 전해 도금이 뒤따르는 약 3 마이크로미터의 니켈의 무전해 도금을 제공하도록, 미네소타주 세인트 폴 소재의 코-오퍼라티브 플레이팅 코.(Co-Operative Plating Co.)에 의해 코팅되었다.
삽입물(13A, 13B, 13C)은 홀더 내에 위치되어 도1에 도시된 굽힘 클램프(12A, 12B, 12C, 12D)에 의해 삽입물과 접촉할 때까지 제 위치에 체결되었다. 삽입물(13A, 13B, 13C)은 다음과 같이 제조되었다.
연속적인 알파 알루미나 섬유(미네소타주 세인트 폴 소재의 쓰리엠 컴퍼니로부터 "NEXTEL 610"이라는 상표로 구입 가능함; 3,000 데니어; 약 370 GPa의 탄성 계수; 약 3 GPa의 평균 인장 강도; 11 마이크로미터의 평균 직경)의 묶음이 탈이온수 사이징제를 사용하여 권취되었고, 섬유의 묶음은 4면 20.3 cm(8 인치) 정사각형 맨드릴 상으로 권취되기 직전에 수조 내로 침지되어 섬유의 65%의 체적 부하를 갖는 섬유 예비 성형체를 제작했다. 섬유는 장력((텐시트론, 보울더 코(Tensitron, Boulder CO)로부터 "CERTEN"이라는 상표로 구입한) 장력계에 의해 측정된 약 75 그램) 하에서 권취되어, (10.2 cm(4 인치) x 20.3 cm(8 인치) x 0.29 cm(0.115 인치) 두께의) 네 개의 사각형 예비 성형체 판을 형성했다. 맨드릴은 그 다음 -40℃(-40℉) 냉각기 내에 위치되어 물을 동결시키고 생성되는 예비 성형체를 안정화시켰다. 동결되었을 때, 판은 7.6 cm x 15.2 cm(3 인치 x 6 인치)의 예비 성형체로 절단되었다.
(위스콘신주 메노모니 폴즈 소재의 션크 그래파이트 테크놀로지, 인크.(Schunk Graphite Technology, Inc.)로부터 구입한) 그래파이트 다이 조립체가 알루미늄 매트릭스 복합재 판을 주조하는데 사용되었다. 그래파이트 다이의 폭은 9.64 cm였고, 길이는 15.24 cm였고, 높이는 4.90 cm였다. 다이는 슬롯들 사이에서 0.89 cm의 중심간 간격을 갖는 삽입물을 위한 네 개의 슬롯을 포함했다. 그래파이트 다이 조립체는 (미시건주 포트 허론 소재의 아케슨 콜로이즈 컴퍼니(Acheson Colloids Company)로부터 "AQUADAG"이라는 상표로 구입한) 수성 그래파이트 입자 분산액으로 코팅되었다. 동결된 7.6 cm x 15.2 cm의 예비 성형체 중 네 개가 그래파이트 다이 조립체 내에 위치되었고, 하나의 예비 성형체는 네 개의 공동 중 하나 내에 위치되었다. 내부에 예비 성형체가 위치된 다이 조립체는 그 다음 예비 성형체 내의 물이 증발할 때까지 약 16시간 동안 120℃(250℉)로 오븐 내에 위치되었다.
다이 조립체는 그 다음 일 단부에서 개방되고 (테네시주 오크 리지 소재의 제트와이피 코팅즈 인크.(ZYP Coatings Inc.)로부터 "RS 1000"이라는 상표로 구입한) 질화붕소 현탁액으로 코팅된 내부를 갖는 스테인리스강 캔(길이 102 mm, 폭 53 mm, 높이 500 mm) 내에 위치되었다. 이론에 의해 제한되지 않기를 바라지만, 질화붕소 코팅은 이후의 주조 작업 중에 스테인리스강과 용융된 알루미늄 사이의 반응을 억제한다고 믿어진다.
코팅이 건조된 후에, (뉴욕주 뉴욕 소재의 벨몬트 메탈로부터 "1980-A"라는 상표로 구입한) (각각 5.1 cm x 2.5 cm x 30.5 cm(1인치 x 2 인치 x 12 인치)의 두 개의 조각으로 절단된) 2500 그램의 알루미늄-2% 구리 합금 잉곳이 그 다음 조립체의 상부 상에서 스테인리스강 캔 내에 위치되었다. (코넷티컷주 스탬포드 소재의 오메가 엔지니어링 인크.(Omega Engineering Inc.)로부터 구입한) 타입-K 열전쌍이 주조 공정 중에 용융된 알루미늄-2% 구리의 온도를 감시하기 위해 다이 조립체의 상부에 위치되었다. 장착용 로드가 조립체가 또한 주조 중에 용융된 알루미늄 내에서 부유하는 것을 방지하기 위해 그래파이트 조립체의 상부에 고정되었다. 스테인리스강 캔은 그 다음 (뉴햄프셔주 플레이스토우 소재의 프로세스 엔지니어링 테크놀로지스(Process Engineering Technologies)로부터 구입한) 압력 주조 기계의 압력 용기 내부에 위치되었고, 압력 용기는 폐쇄되었다. 압력 주조 용기의 크기는 약 16.9 cm(내경) x 88.9 cm(길이)였다.
폐쇄된 주조 용기는 그 다음 1 토르 미만의 압력이 달성될 때까지 진공 펌프에 의해 공기가 배출되었다. 압력 주조기의 전기로로의 전력이 그 다음 켜지고, 그래파이트 다이 조립체 및 Al-2% Cu 합금 잉곳은 710℃(합금의 융점 위의 약 100℃)의 온도로 가열되었다. 평균 가열 속도는 시간당 약 340℃였다. 710℃의 용융 온도가 도달된 후에, 전기로 전력은 꺼지고, 용기의 진공 밸브가 폐쇄되고, 이에 의해 용기를 진공 펌프로부터 격리시켰다.
가압 충전된 아르곤 탱크에 연결된 저압 밸브가 그 다음 개방되어 용기를 아르곤으로 1.79 MPa(260 psi)의 초기 저압으로 재충전하였다. 이러한 압력이 도달되었을 때, 저압 밸브는 폐쇄되었고, 고압 아르곤 밸브가 8.96 MPa(1300 psi)의 압력이 도달될 때까지 개방되었다. 압력은 15 - 20분 동안 8.96 MPa ±1%(1300 psi ±15 psi)로 유지되어, 용융된 알루미늄-2% 구리 합금이 예비 성형체를 완전히 침윤시키게 했다.
다음으로, 압력은 500℃로의 온도와 함께 감소하도록 되었다. 온도가 500℃ 아래로 떨어졌을 때, 용기 배기 밸브는 개방되었고, 아르곤 가스는 대기로 통기되었다. 용기는 그 다음 개방되었고, 스테인리스강 캔은 제거되었다. 다이 조립체는 캔으로부터 분리되었고, 네 개의 주조 알루미늄 매트릭스 복합재 판은 그래파이트 주형으로부터 제거되었다.
주조 판은 수직 스핀들 다이아몬드 연삭기(미네소타주 미네아폴리스 소재의 프레시전 인더스트리즈(Precision Industries)로부터 구입한 #11 블랜챠드 연삭기)로 0.25 cm(0.1 인치)의 두께로 표면이 연삭되었다. 판은 그 다음 0.94 cm(0.37 인치)의 폭으로 길이 방향으로 슬라이싱되어, 15.2 cm(6 인치) x 0.95 cm(0.375 인치) x 0.25 cm(0.1 인치) 판을 만들었다. 두 개의 판이 그 다음 다음과 같이 표면 처리/코팅되었다. 두 판은 (매사추세츠주 워세스터 소재의 노톤 컴퍼니(Norton Company)로부터 "DIAMOND WHEEL, ASD100"이라는 상표로 구입한) 100 그릿 연삭기 휠로 융삭되어, 보이는 잔류물이 표면으로부터 제거될 수 있을 때까지 종이 타월로 문지름으로써 (미네소타주 세인트 폴 소재의 에이치씨아이(HCI)로부터 401 등급으로 구입 가능한) 표준 래커 희석제로 세척되었다.
두 개의 생성된 판은 약 3 마이크로미터의 니켈로 무전해 도금에 의해 (미네소타주 세인트 폴 소재의 코-오퍼라티브 플레이팅 코.(Co-Operative Plating Co.)에 의해) 코팅되었고, 그 후에 약 12 마이크로미터의 은을 전해 도금했다. 홀더 및 삽입물은 354 알루미늄 합금을 사용하여 도6에 도시된 생성된 브레이크 캘리퍼를 스퀴즈 주조하는데 사용하기 위해, 쓰리엠 컴퍼니로부터 오하이오주 데이톤 소재의 티에이치티 프레시스, 인크.(THT Presses Inc.)로 제공되었다.
예2
본 발명에 따른 예시적인 홀더의 부분이 다음과 같이 준비되었다. (미네소타주 세인트 폴 소재의 빈센트 브래스 앤드 알루미늄으로부터 "6061-T4"라는 상표로 구입한) 6061 알루미늄의 시트 스톡의 조각이 워터 제트 절단 공정을 사용하여 이글 툴(Eagle Tool)(미네소타주 스프링 레이크 파크)에 의해 절단되었다. 생성된 시트는 두께가 0.095 mm(0.24 인치)였다. 절단된 조각은 0.367 인치 x 0.095 인치 x 6.00 인치(0.93 cm x 0.24 cm x 15.24 cm)의 치수를 가졌다. 알루미늄 조각의 모서리는 워터 제트 절단으로부터의 약간의 주름을 제거하기 위해 150 그릿 사포를 사용하여 평탄화되었다. 다이 내로의 홀더 부분의 이후의 삽입을 용이하게 하기 위해, 알루미늄 조각의 일 단부는 (미네소타주 세인트 폴 소재의 쓰리엠 컴퍼니로부터 "WETORDRY"라는 상표로 구입 가능한) 150 그릿 사포를 사용하여 0.40 인치(1.0 cm)의 그의 최종 길이에 걸쳐 0.327 인치 x 0.055 인치(0.83 cm x 0.14 cm)로 테이퍼졌다.
생성된 알루미늄 조각은 그 다음 (미네소타주 세인트 폴 소재의 코-오퍼라티브 플레이팅 코.에 의해) 니켈의 무전해 도금 및 은에 의한 전해 도금에 의해 도금되었다. 니켈 코팅의 두께는 약 3 마이크로미터였고, 은 코팅은 약 17 마이크로미터였다.
생성된 예시적인 홀더 부분은 약 550℃로 예비 가열된 노 내에서 20분 동안 홀더 부분을 위치시킴으로서 공기 중에서 가열되었다. 가열된 홀더 부분은 그 다음 강철 다이 공동 내에 위치되었다. 도12를 참조하면, 다이(130)는 홀더 부분을 위한 사각형 슬롯(134)(1.3 cm x 0.25 cm(0.5 인치 x 0.1 인치))을 갖는 기부(132)(9.8 cm x 9.8 cm x 14 cm(3.9 인치 x 3.9 인치 x 5.5 인치))와, 상부(136)(7.3 cm x 7.3 cm x 12.7 cm(2.9 인치 x 2.9 인치 x 5.0 인치))를 포함했다. 상부(136)는 2.54 cm(1 인치) 직경 및 10.2 cm(4 인치) 깊이를 갖는 공동(138)을 포함한다. 상부(136)는 (뉴욕주 암허스트 소재의 더 카보런덤 코프.(The Carborundum Corp.)로부터 "COMBAT BORON NITRIDE AEROSOL SPRAY CC-18"이라는 상표로 구입한) 질화붕소 이형제로 코팅된 다음 약 300℃로 예비 가열되었다. 4초 내에, 약 760℃ 온도의 (퀘벡주 몬트리올 소재의 알칸 인크.(Alcan Inc.)로부터 "A356"이라는 상표로 구입한) 용융된 알루미늄 합금이 예비 가열된 홀더 부분 둘레에서 강철 다이 공동 내로 부어져서 고화되었다. 온도가 약 500℃로 냉각되었을 때, 삽입물 부분 및 주조 조립체가 공동으로부터 제거되었다.
생성된 주조 샘플은 535℃에서 8시간 동안 오븐 내에 위치됨으로써 예비 가열된 다음 물 담금질에 의해 그리고 160℃의 오븐 내에서 12시간 가열되었다.
생성된 열처리 샘플은 네 개의 0.27 cm(0.106 인치) x 2.5 cm(1 인치) 직경 단면으로 분할되었다. 이러한 네 개의 분할물은 홀더의 예시적인 부분의 종방향 축에 대해 직교하게 절단되었다. 네 개의 분할물 각각에 대해, 0.040 인치(0.10 cm) 두께의 (시트 스톡 알루미늄("6061-T4")로부터 절단된) 알루미늄의 "L"형 조각이 밀어내기 테스트 중에 정렬을 용이하게 하기 위해 홀더의 예시적인 부분과 주위의 356 알루미늄 합금 사이의 경계를 표시하도록 각각의 분할물에 (미네소타주 세인트 폴 소재의 쓰리엠 컴퍼니로부터 "PRONTO CA8"이라는 상표로 시판되는) 접착제로 접착되었다.
압축 전단 테스트 장비의 개략도가 도9에 도시되어 있으며, 압축 전단 테스트 장비(140)는 밀어내기 공구(141), 테스트 샘플(142), 지지 블록(143), 및 100,000 뉴톤(22,482 파운드)의 압축 하중 셀(147)을 포함했다. 밀어내기 공구(141)는 홀더(144)의 예시적인 부분의 테스트 샘플(142)과의 접촉 지점에서 대응하는 단면을 갖지만, 밀어내기 공구(141)의 단면적이 10%가 작았다 (즉, 밀어내기 공구(141) 및 홀더(144)의 예시적인 부분의 단면 형상은 동일하지만, 밀어내기 공구(144)의 단면의 크기가 더 작았다). 밀어내기 공구(141)는 10.34 MPa(1500 lb/in2)의 수압으로 수압식 처크의 상부 조오(145) 내에 클램핑되었다. 지지 블록(143)은 2.54 cm(1.0 인치) 직경 x 0.15 cm(0.06 인치) 깊이의 카운터보어를 가졌다. 1.1 cm(0.435 인치) 직경의 관통 구멍이 수압식 처크(146)의 바닥의 개방 조오(145)의 상부 상에 위치되었다.
테스트되어야 하는 샘플(142)은 지지 블록(143)의 상부 상에 위치되어, 관통 구멍 위에서 홀더의 예시적인 부분의 중심 설정을 위한 카운터보어 내에 포개졌다. 수압식 처크 지지부(146)의 바닥(148)은 상부 밀어내기 공구(141)와 밀어내져야 하는 홀더의 예시적인 부분 (즉, 테스트되어야 하는 샘플(144)) 사이의 갭이 0.025 cm(0.01 인치)가 될 때까지 상승되었다. 테스트 시편 내의 노출된 홀더의 예시적인 부분은 그 다음 지지 블록(143)을 수평 및 회전식으로 수동으로 활주시킴으로써 밀어내기 공구(141)의 정합 팁과 함께 두 요소의 단면이 정합될 때까지 샘플에 미리 접착된 정렬 스트립과 정렬되도록 위치되었다.
테스트는 그 다음 하부 수압식 지지 처크를 분당 0.025 cm(0.010 인치)의 속도로 고정된 밀어내기 공구(141)를 향해 상향으로 이동시키며 동시에 하중 및 변형을 감시함으로써 수행되었다. 홀더의 예시적인 부분은 이에 의해 고정된 밀어내기 공구면과 접촉하여 둘 사이의 접촉력이 변위의 함수로서 기록되었다. 테스트는 약 0.05 cm(0.020 인치)의 총 변형이 얻어진 직후에 중단되었다.
테스트의 완료 후에, 시편은 홀더의 예시적인 부분 및 밀어내기 팁이 그들의 단면이 중첩되도록 적절하게 정렬되었는지를 확인하기 위해 광학 현미경에 의해 100X 배율로 조사되었다.
평균 전단 응력은 다음의 공식을 사용하여 계산되었다.
하중은 홀더의 예시적인 부분의 변위의 함수로서 플로팅되었다. 밀어내기 곡선이 현저한 비선형 변형을 보이는 (즉, 홀더의 예시적인 부분과 홀더의 예시적인 부분 둘레에 주조된 알루미늄 또는 알루미늄 합금 사이의 계면에서 초기 슬립이 있는) 하중이 피크 결합 강도값이었다.
피크 결합 강도는 유한 요소 분석(FEA)을 사용하여 계산되었다. (펜실베니아주 캐논스버그 소재의 안시스 인크.로부터 "ANSYS"라는 상표로 구입한) 유한 요소 분석(FEA) 소프트웨어가 홀더의 예시적인 부분을 모델링하는데 사용되었고 측정된 평균 전단 응력에 대한 피크 결합 강도의 비율이 대략 1.86이라고 보여준다.
FEA 계산은 다음과 같이 행해졌다. 테스트 시편의 기하학적 형상의 유한 요소 모델이 생성되었다. 홀더의 예시적인 부분은 크기가 0.025 cm(0.01 인치)인 입방체형 요소로 메시가 형성되었다. 홀더의 예시적인 부분 둘레에 주조된 알루미늄/알루미늄 합금은 홀더의 예시적인 부분 근방에서 0.025 cm(0.01 인치) 그리고 모델링된 테스트 시편 내의 다른 곳에서 0.10 cm(0.04 인치)의 크기를 갖는 입방체로 메시가 형성되었다. FEA 소프트웨어는 (1144 파운드의 밀어내기 테스트 하중에 대응하는) 228 MPa의 인가 압력에 대해 홀더의 예시적인 부분의 표면을 따른 지점에서 전단 응력을 계산했다. 계산은 적절하게는, 홀더의 예시적인 부분의 표면의 모든 지점을 가로지른 피크 전단 응력 및 홀더의 예시적인 부분 표면을 가로지른 평균 전단 응력을 결정했다. 피크 결합 강도 대 평균 전단 응력의 비율은 홀더의 예시적인 부분 표면에 대해 1.86 대 1이었다. 네 개의 샘플(예2A, 2B, 2C, 및 2D)에 대한 초기 슬립에서의 하중, 평균 전단 응력, 및 피크 결합 강도가 아래의 표에 보고되어 있다.
| 예 | 제1 슬립에서의 하중, N, (lbs.) | 평균 전단 응력, MPa, (psi) | 피크 결합 강도, MPa, (psi) |
| 2A | 4466(1004) | 70.8(10,266) | 131.7(19,095) |
| 2B | 5418(1218) | 85.9(12,454) | 159.7(23,165) |
| 2C | 5218(1173) | 83.7(12,131) | 155.6(22,564) |
| 2D | 4942(1111) | 79.7(11,567) | 148.3(21,515) |
본 발명의 다양한 변형 및 변경이 본 발명의 범주를 벗어나지 않고서 당업자에게 명백해질 것이고, 본 발명은 본원에서 설명된 예시적인 실시예로 부당하게 제한되지 않는다는 것을 이해해야 한다.
Claims (112)
- 적어도 하나의 삽입물을 고정시키기 위한 적어도 하나의 부분을 포함하는 삽입물 홀더와,적어도 하나의 삽입물을 고정시키기 위한 적어도 하나의 부분 내에 고정된 강화 삽입물을 포함한 적어도 하나의 금속을 포함하고,삽입물 홀더는 알루미늄, 그의 합금 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 제1 금속과 제1 금속의 외측 표면 상의 제2 금속을 포함하고,삽입물 홀더는 외측 표면을 갖고,제2 금속은 적어도 200℃ 위에서 양의 깁스 산화 자유 에너지를 갖고, 제2 금속은 적어도 8 마이크로미터의 두께를 갖는 물품.
- 제1항에 있어서, 삽입물을 각각 고정시키기 위한 두 부분과, 삽입물을 각각 고정시키기 위한 부분 내에 각각 위치된 강화 삽입물을 포함한 두 개의 금속을 포함하는 물품.
- 제1항에 있어서, 제2 금속과 제1 금속의 외측 표면 사이에 제3 금속을 더 포함하는 물품.
- 제1항에 있어서, 제2 금속은 적어도 10 마이크로미터의 두께를 갖는 물품.
- 제1항에 있어서, 제2 금속은 금 또는 은 중 하나인 물품.
- 제1항에 있어서, 제1 금속은 알루미늄 합금이고, 강화 삽입물을 포함한 금속의 금속은 알루미늄 합금인 물품.
- 제1항에 있어서, 제1 금속은 6000 시리즈 알루미늄 합금이고, 강화 삽입물을 포함한 금속의 금속은 200 시리즈 알루미늄 합금인 물품.
- 적어도 하나의 삽입물을 고정시키기 위한 적어도 하나의 부분을 포함하는 삽입물 홀더와,적어도 하나의 삽입물을 고정시키기 위한 적어도 하나의 부분 내에 고정된 강화 삽입물을 포함한 적어도 하나의 결정성 세라믹을 포함하고,삽입물 홀더는 알루미늄, 그의 합금 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 제1 금속과 제1 금속의 외측 표면 상의 제2 금속 포함하고,삽입물 홀더는 외측 표면을 갖고,제2 금속은 적어도 200℃ 위에서 양의 깁스 산화 자유 에너지를 갖고, 제2 금속은 적어도 8 마이크로미터의 두께를 갖는 물품.
- 제8항에 있어서, 제2 금속은 적어도 10 마이크로미터의 두께를 갖는 물품.
- 제8항에 있어서, 제2 금속은 금 또는 은 중 하나인 물품.
- 제9항에 있어서, 강화 삽입물을 포함한 결정성 세라믹은 다공성의 소결된 세라믹 산화물 재료와, 적어도 5 cm의 길이를 갖는 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유를 포함하고, 다공성의 소결된 세라믹 산화물 재료는 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유를 제 위치에 고정시키고, 다공성의 소결된 세라믹 산화물 재료는 대체로 연속적인 섬유의 길이의 적어도 일부를 따라 연장되는 물품.
- 적어도 하나의 삽입물을 고정시키기 위한 적어도 하나의 부분을 포함하는 삽입물 홀더와,적어도 하나의 삽입물을 고정시키기 위한 적어도 하나의 부분 내에 고정된 강화 삽입물을 포함한 적어도 하나의 금속을 포함하고,삽입물 홀더는 알루미늄, 그의 합금 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 제1 금속을 포함하고,삽입물 홀더는 외측 표면을 갖고,삽입물 홀더는 삽입물 홀더의 외측 표면 상의 외측 표면을 갖는 니켈과, 니켈의 외측 표면 상의 적어도 8 마이크로미터의 두께를 갖는 은을 또한 포함하는 물품.
- 제12항에 있어서, 니켈은 적어도 1 마이크로미터의 두께를 갖는 물품.
- 적어도 하나의 삽입물을 고정시키기 위한 적어도 하나의 부분을 포함하는 삽입물 홀더와,적어도 하나의 삽입물을 고정시키기 위한 적어도 하나의 부분 내에 고정된 강화 삽입물을 포함한 적어도 하나의 결정성 세라믹을 포함하고,삽입물 홀더는 알루미늄, 그의 합금 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 제1 금속을 포함하고,삽입물 홀더는 외측 표면을 갖고,삽입물 홀더는 삽입물 홀더의 외측 표면 상의 외측 표면을 갖는 니켈과, 니켈의 외측 표면 상의 적어도 8 마이크로미터의 두께를 갖는 은을 또한 포함하는 물품.
- 제14항에 있어서, 니켈은 적어도 1 마이크로미터의 두께를 갖는 물품.
- 제14항에 있어서, 강화 삽입물을 포함한 결정성 세라믹은 다공성의 소결된 세라믹 산화물 재료와, 적어도 5 cm의 길이를 갖는 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유를 포함하고, 다공성의 소결된 세라믹 산화물 재료는 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유를 제 위치에 고정시키고, 다공성의 소결된 세라믹 산화물 재료는 대체로 연속적인 섬유의 길이의 적어도 일부를 따라 연장되는 물품.
- 적어도 하나의 삽입물을 고정시키기 위한 적어도 하나의 부분을 포함하는 삽입물 홀더와,적어도 하나의 삽입물을 고정시키기 위한 적어도 하나의 부분 내에 고정된 적어도 하나의 금속 매트릭스 복합재 삽입물을 포함하고,삽입물 홀더는 알루미늄, 그의 합금 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 제1 금속과 제1 금속의 외측 표면 상의 제2 금속을 포함하고,삽입물 홀더는 외측 표면을 갖고,제2 금속은 적어도 200℃ 위에서 양의 깁스 산화 자유 에너지를 갖고,그러한 삽입물 중 적어도 하나는 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유와, 알루미늄, 그의 합금 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 제3 금속을 포함하고,제3 금속은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유를 제 위치에 고정시키고, 제3 금속은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유의 길이의 적어도 일부를 따라 연장되고, 제3 금속은 외측 표면을 갖고,그러한 삽입물 중 적어도 하나는 제3 금속의 외측 표면 상의 제4 금속을 또한 포함하고,제4 금속은 적어도 200℃ 위에서 양의 깁스 산화 자유 에너지를 갖고, 제4 금속은 적어도 8 마이크로미터의 두께를 갖는 물품.
- 제17항에 있어서, 제2 금속과 제1 금속의 외측 표면 사이에 다른 금속을 더 포함하고, 제4 금속과 제3 금속의 외측 표면 사이에 다른 금속을 더 포함하는 물품.
- 제17항에 있어서, 제2 및 제4 금속은 각각 적어도 10 마이크로미터의 두께를 갖는 물품.
- 제17항에 있어서, 제2 및 제4 금속은 금 또는 은 중 하나인 물품.
- 제17항에 있어서, 제1 금속은 알루미늄 합금이고, 제3 금속은 알루미늄 합금인 물품.
- 제17항에 있어서, 제1 금속은 6000 시리즈 알루미늄 합금이고, 제3 금속은 200 시리즈 알루미늄 합금인 물품.
- 적어도 하나의 삽입물을 고정시키기 위한 적어도 하나의 부분을 포함하는 삽입물 홀더와,적어도 하나의 삽입물을 고정시키기 위한 적어도 하나의 부분 내에 위치된 적어도 하나의 금속 매트릭스 복합재 삽입물을 포함하고,삽입물 홀더는 알루미늄, 그의 합금 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 제1 금속을 포함하고,삽입물은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유와, 알루미늄, 그의 합금 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 제2 금속을 포함하고,제2 금속은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유를 제 위치에 고정시키고, 제2 금속은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유의 길이의 적어도 일부를 따라 연장되고,적어도 하나의 삽입물을 고정시키기 위한 적어도 하나의 부분 내에 고정된 적어도 하나의 삽입물을 갖는 삽입물 홀더는 외측 표면과, 외측 표면 상의 제3 금속을 총괄적으로 갖고,제3 금속은 적어도 200℃ 위에서 양의 깁스 산화 자유 에너지를 갖고, 제3 금속은 적어도 8 마이크로미터의 두께를 갖는 물품.
- 제23항에 있어서, 제3 금속과 외측 표면 사이에 다른 금속을 더 포함하는 물품.
- 제24항에 있어서, 제3 금속은 적어도 10 마이크로미터의 두께를 갖는 물품.
- 제24항에 있어서, 제3 금속은 금 또는 은 중 하나인 물품.
- 제24항에 있어서, 제1 금속은 알루미늄 합금이고, 제2 금속은 알루미늄 합금인 물품.
- 제24항에 있어서, 제1 금속은 6000 시리즈 알루미늄 합금이고, 제2 금속은 200 시리즈 알루미늄 합금인 물품.
- 적어도 하나의 삽입물을 고정시키기 위한 적어도 하나의 부분을 포함하는 삽입물 홀더와,적어도 하나의 삽입물을 고정시키기 위한 적어도 하나의 부분 내에 위치된 적어도 하나의 금속 매트릭스 복합재 삽입물을 포함하고,삽입물 홀더는 알루미늄, 그의 합금 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 제1 금속을 포함하고,삽입물 홀더는 외측 표면을 갖고,삽입물 홀더는 삽입물 홀더의 외측 표면 상의 외측 표면을 갖는 니켈과, 니켈의 외측 표면 상의 은을 또한 포함하고,그러한 삽입물 중 적어도 하나는 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유와, 알루미늄, 그의 합금 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 제2 금속을 포함하고,제2 금속은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유를 제 위치에 고정시키고, 제2 금속은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유의 길이의 적어도 일부를 따라 연장되고, 제2 금속은 외측 표면을 갖고,그러한 삽입물 중 적어도 하나는 제2 금속의 외측 표면 상의 외측 표면을 갖는 니켈과, 니켈의 외측 표면 상의 적어도 8 마이크로미터의 두께를 갖는 은을 또한 포함하는 물품.
- 제29항에 있어서, 니켈은 적어도 1 마이크로미터의 두께를 갖는 물품.
- 적어도 하나의 삽입물을 고정시키기 위한 적어도 하나의 부분을 포함하는 삽입물 홀더와,적어도 하나의 삽입물을 고정시키기 위한 적어도 하나의 부분 내에 위치된 적어도 하나의 금속 매트릭스 복합재 삽입물을 포함하고,삽입물 홀더는 알루미늄, 그의 합금 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 제1 금속을 포함하고,삽입물은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유와, 알루미늄, 그의 합금 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 제2 금속을 포함하고,제2 금속은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유를 제 위치에 고정시키고, 제2 금속은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유의 길이의 적어도 일부를 따라 연장되고,적어도 하나의 삽입물을 고정시키기 위한 적어도 하나의 부분 내에 고정된 적어도 하나의 삽입물을 갖는 삽입물 홀더는 외측 표면, 금속의 외측 표면 상의 삽입물 홀더의 외측 표면을 갖는 니켈, 및 니켈의 외측 표면 상의 은을 총괄적으로 갖는 물품.
- 제31항에 있어서, 니켈은 적어도 1 마이크로미터의 두께를 갖는 물품.
- 제1 금속과, 적어도 하나의 삽입물을 고정시키기 위한 적어도 하나의 부분을 갖는 삽입물 홀더를 포함하는 금속 매트릭스 복합재 물품이며,제1 금속은 알루미늄, 그의 합금 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택되고,삽입물 홀더는 알루미늄, 그의 합금 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 제2 금속과, 적어도 하나의 삽입물을 고정시키기 위한 적어도 하나의 부분 내에 고정된 강화 삽입물을 포함한 적어도 하나의 금속을 포함하고,제1 금속과 삽입물 홀더 사이에 계면층이 있고, 적어도 100 MPa의 제1 금속과 삽입물 홀더 사이의 계면층 피크 결합 강도값이 있는 금속 매트릭스 복합재 물품.
- 제33항에 있어서, 피크 결합 강도값은 적어도 130 MPa인 금속 매트릭스 복합재 물품.
- 제33항에 있어서, 삽입물을 각각 고정시키기 위한 두 부분과, 삽입물을 각각 고정시키기 위한 부분 내에 각각 위치된 강화 삽입물을 포함한 두 개의 금속을 포함하는 금속 매트릭스 복합재 물품.
- 제33항에 있어서, 제1 금속은 알루미늄 합금이고, 제2 금속은 알루미늄 합금이고, 강화 삽입물을 포함한 금속의 금속은 알루미늄 합금인 금속 매트릭스 복합재 물품.
- 제33항에 있어서, 제1 금속은 300 또는 400 시리즈 알루미늄 합금 중 하나이고, 제2 금속은 6000 시리즈 알루미늄 합금이고, 강화 삽입물을 포함한 금속의 금속은 200 시리즈 알루미늄 합금인 금속 매트릭스 복합재 물품.
- 제33항에 있어서, 브레이크 캘리퍼인 금속 매트릭스 복합재 물품.
- 자동차용 디스크 브레이크이며,로터와,로터의 대향 측면들 상에 배치되어 그와 제동 결합하도록 이동 가능한 내측 및 외측 브레이크 패드와,로터에 대해 내측 브레이크 패드를 압박하기 위한 피스톤과,로터의 일 측면 상에 위치되어 피스톤을 포함하는 실린더를 갖는 본체 부재, 로터의 타 측면 상에 위치되어 외측 브레이크 패드를 지지하는 아암 부재, 및 로터의 평면을 가로질러 본체 부재와 아암 부재 사이로 연장되는 브리지를 포함하는 제38항에 따른 브레이크 캘리퍼를 포함하는 디스크 브레이크.
- 제1 금속과, 적어도 하나의 삽입물을 고정시키기 위한 적어도 하나의 부분을 포함하는 삽입물 홀더를 포함하는 금속 매트릭스 복합재 물품이며,제1 금속은 알루미늄, 그의 합금 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택되고,삽입물 홀더는 알루미늄, 그의 합금 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 제2 금속과, 적어도 하나의 삽입물을 고정시키기 위한 적어도 하나의 부분 내에 고정된 강화 삽입물을 포함한 적어도 하나의 결정성 세라믹을 포함하고,제1 금속과 삽입물 홀더 사이에 계면층이 있고, 적어도 100 MPa의 제1 금속과 삽입물 홀더 사이의 계면층 피크 결합 강도값이 있는 금속 매트릭스 복합재 물품.
- 제40항에 있어서, 피크 결합 강도값은 적어도 130 MPa인 금속 매트릭스 복합재 물품.
- 제40항에 있어서, 삽입물을 각각 고정시키기 위한 두 부분과, 삽입물을 각각 고정시키기 위한 부분 내에 각각 위치된 강화 삽입물을 포함한 두 개의 결정성 세라믹을 포함하는 금속 매트릭스 복합재 물품.
- 제40항에 있어서, 제1 금속은 알루미늄 합금이고, 제2 금속은 알루미늄 합금인 금속 매트릭스 복합재 물품.
- 제40항에 있어서, 제1 금속은 300 또는 400 시리즈 알루미늄 합금 중 하나이고, 제2 금속은 6000 시리즈 알루미늄 합금인 금속 매트릭스 복합재 물품.
- 제44항에 있어서, 강화 삽입물을 포함한 결정성 세라믹은 다공성의 소결된 세라믹 산화물 재료와, 적어도 5 cm의 길이를 갖는 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유를 포함하고, 다공성의 소결된 세라믹 산화물 재료는 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유를 제 위치에 고정시키고, 다공성의 소결된 세라믹 산화물 재료는 대체로 연속적인 섬유의 길이의 적어도 일부를 따라 연장되는 금속 매트릭스 복합재 물품.
- 제40항에 있어서, 브레이크 캘리퍼인 금속 매트릭스 복합재 물품.
- 자동차용 디스크 브레이크이며,로터와,로터의 대향 측면들 상에 배치되어 그와 제동 결합하도록 이동 가능한 내측 및 외측 브레이크 패드와,로터에 대해 내측 브레이크 패드를 압박하기 위한 피스톤과,로터의 일 측면 상에 위치되어 피스톤을 포함하는 실린더를 갖는 본체 부재, 로터의 타 측면 상에 위치되어 외측 브레이크 패드를 지지하는 아암 부재, 및 로터의 평면을 가로질러 본체 부재와 아암 부재 사이로 연장되는 브리지를 포함하는 제46항에 따른 브레이크 캘리퍼를 포함하는 디스크 브레이크.
- 제1 금속과, 적어도 하나의 삽입물을 고정시키기 위한 적어도 하나의 부분을 포함하는 삽입물 홀더를 포함하는 금속 매트릭스 복합재 물품이며,제1 금속은 알루미늄, 그의 합금 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택되고,삽입물 홀더는 알루미늄, 그의 합금 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 제2 금속과, 적어도 하나의 삽입물을 고정시키기 위한 적어도 하나의 부분 내에 고정된 적어도 하나의 금속 매트릭스 복합재 물품을 포함하고,금속 매트릭스 복합재 삽입물은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유와, 알루미늄, 그의 합금 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 제3 금속을 포함하고,제3 금속은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유를 제 위치에 고정시키고, 제3 금속은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유의 길이의 적어도 일부를 따라 연장되고,제1 금속과 삽입물 홀더 사이에 계면층이 있고, 계면층은 산소가 없고, 계면층은 적어도 200℃ 위에서 양의 깁스 산화 자유 에너지를 갖는 제4 금속의 평균량을 포함하고, 계면층 내의 제4 금속의 평균량은 계면층 내에서 제1 금속 내에 존재하는 것보다 더 큰 금속 매트릭스 복합재 물품.
- 제48항에 있어서, 삽입물을 각각 고정시키기 위한 두 부분과, 삽입물을 각각 고정시키기 위한 위치 내에 각각 위치된 두 개의 금속 매트릭스 복합재 삽입물을 포함하는 금속 매트릭스 복합재 물품.
- 제48항에 있어서, 제1 금속은 알루미늄 합금이고, 제2 금속은 알루미늄 합금이고, 제3 금속은 알루미늄 합금인 금속 매트릭스 복합재 물품.
- 제48항에 있어서, 제1 금속은 300 또는 400 시리즈 알루미늄 합금 중 하나이고, 제2 금속은 6000 시리즈 알루미늄 합금이고, 제3 금속은 200 시리즈 알루미늄 합금인 금속 매트릭스 복합재 물품.
- 제48항에 있어서, 브레이크 캘리퍼인 금속 매트릭스 복합재 물품.
- 자동차용 디스크 브레이크이며,로터와,로터의 대향 측면들 상에 배치되어 그와 제동 결합하도록 이동 가능한 내측 및 외측 브레이크 패드와,로터에 대해 내측 브레이크 패드를 압박하기 위한 피스톤과,로터의 일 측면 상에 위치되어 피스톤을 포함하는 실린더를 갖는 본체 부재, 로터의 타 측면 상에 위치되어 외측 브레이크 패드를 지지하는 아암 부재, 및 로터의 평면을 가로질러 본체 부재와 아암 부재 사이로 연장되는 브리지를 포함하는 제52항에 따른 브레이크 캘리퍼를 포함하는 디스크 브레이크.
- 제1 금속과, 적어도 하나의 삽입물을 고정시키기 위한 적어도 하나의 부분을 포함하는 삽입물 홀더를 포함하는 금속 매트릭스 복합재 물품이며,제1 금속은 알루미늄, 그의 합금 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택되고,삽입물 홀더는 알루미늄, 그의 합금 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 제2 금속과, 적어도 하나의 삽입물을 고정시키기 위한 적어도 하나의 부분 내에 고정된 적어도 하나의 금속 매트릭스 복합재 삽입물을 포함하고,금속 매트릭스 복합재 삽입물은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유와, 알루미늄, 그의 합금 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 제3 금속을 포함하고,제3 금속은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유를 제 위치에 고정시키고, 제3 금속은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유의 길이의 적어도 일부를 따라 연장되고,제1 금속과 삽입물 홀더 사이에 계면층이 있고, 적어도 100 MPa의 제1 금속과 삽입물 홀더 사이의 계면층 피크 결합 강도값이 있는 금속 매트릭스 복합재 물품.
- 제54항에 있어서, 피크 결합 강도값은 적어도 130 MPa인 금속 매트릭스 복합재 물품.
- 제54항에 있어서, 삽입물을 각각 고정시키기 위한 두 부분과, 삽입물을 각각 고정시키기 위한 부분 내에 각각 위치된 두 개의 금속 매트릭스 복합재 삽입물을 포함하는 금속 매트릭스 복합재 물품.
- 제54항에 있어서, 제1 금속은 알루미늄 합금이고, 제2 금속은 알루미늄 합금이고, 제3 금속은 알루미늄 합금인 금속 매트릭스 복합재 물품.
- 제54항에 있어서, 제1 금속은 300 또는 400 시리즈 알루미늄 합금 중 하나이고, 제2 금속은 6000 시리즈 알루미늄 합금이고, 제3 금속은 200 시리즈 알루미늄 합금인 금속 매트릭스 복합재 물품.
- 제54항에 있어서, 브레이크 캘리퍼인 금속 매트릭스 복합재 물품.
- 자동차용 디스크 브레이크이며,로터와,로터의 대향 측면들 상에 배치되어 그와 제동 결합하도록 이동 가능한 내측 및 외측 브레이크 패드와,로터에 대해 내측 브레이크 패드를 압박하기 위한 피스톤과,로터의 일 측면 상에 위치되어 피스톤을 포함하는 실린더를 갖는 본체 부재, 로터의 타 측면 상에 위치되어 외측 브레이크 패드를 지지하는 아암 부재, 및 로터의 평면을 가로질러 본체 부재와 아암 부재 사이로 연장되는 브리지를 포함하는 제59항에 따른 브레이크 캘리퍼를 포함하는 디스크 브레이크.
- 제1 금속과, 적어도 하나의 삽입물을 고정시키기 위한 적어도 하나의 부분을 포함하는 삽입물 홀더를 포함하는 금속 매트릭스 복합재 물품이며,제1 금속은 알루미늄, 그의 합금 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택되고,삽입물 홀더는 알루미늄, 그의 합금 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 제2 금속과, 적어도 하나의 삽입물을 고정시키기 위한 적어도 하나의 부분 내에 고정된 적어도 하나의 금속 매트릭스 복합재 삽입물을 포함하고,금속 매트릭스 복합재 삽입물은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유와, 알루미늄, 그의 합금 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 제3 금속을 포함하고, 제3 금속은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유를 제 위치에 고정시키고, 제3 금속은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유의 길이의 적어도 일부를 따라 연장되고,제1 금속과 삽입물 홀더 사이의 계면층이 있고, 계면층은 산소가 없고, 계면층은 제1 금속 내에 존재하는 것보다 더 높은 은 및 니켈의 평균량을 포함하는 금속 매트릭스 복합재 물품.
- 제61항에 있어서, 피크 결합 강도값은 적어도 130 MPa인 금속 매트릭스 복합재 물품.
- 제61항에 있어서, 삽입물을 각각 고정시키기 위한 두 부분과, 삽입물을 각각 고정시키기 위한 부분 내에 각각 위치된 두 개의 금속 매트릭스 복합재 삽입물을 포함하는 금속 매트릭스 복합재 물품.
- 제61항에 있어서, 제1 금속은 알루미늄 합금이고, 제2 금속은 알루미늄 합금이고, 제3 금속은 알루미늄 합금인 금속 매트릭스 복합재 물품.
- 제61항에 있어서, 제1 금속은 300 또는 400 시리즈 알루미늄 합금 중 하나이고, 제2 금속은 6000 시리즈 알루미늄 합금이고, 제3 금속은 200 시리즈 알루미늄 합금인 금속 매트릭스 복합재 물품.
- 제61항에 있어서, 브레이크 캘리퍼인 금속 매트릭스 복합재 물품.
- 자동차용 디스크 브레이크이며,로터와,로터의 대향 측면들 상에 배치되어 그와 제동 결합하도록 이동 가능한 내측 및 외측 브레이크 패드와,로터에 대해 내측 브레이크 패드를 압박하기 위한 피스톤과,로터의 일 측면 상에 위치되어 피스톤을 포함하는 실린더를 갖는 본체 부재, 로터의 타 측면 상에 위치되어 외측 브레이크 패드를 지지하는 아암 부재, 및 로터의 평면을 가로질러 본체 부재와 아암 부재 사이로 연장되는 브리지를 포함하는 제66항에 따른 브레이크 캘리퍼를 포함하는 디스크 브레이크.
- 금속 매트릭스 복합재 물품의 제조 방법이며,강화 삽입물을 포함한 금속을 포함하는 삽입물 홀더를 위치시키는 단계와,알루미늄, 그의 합금 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 용융된 제3 금속을 주형 내로 제공하는 단계와,금속 매트릭스 복합재 물품을 제공하기 위해 용융된 제3 금속을 냉각시키는 단계를 포함하고,삽입물 홀더는 적어도 하나의 삽입물을 고정시키기 위한 적어도 하나의 부분을 포함하고, 삽입물 홀더는 알루미늄, 그의 합금 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 제1 금속을 포함하고,삽입물 홀더는 외측 표면을 갖고,삽입물 홀더는 제1 금속의 외측 표면 상의 제2 금속을 또한 포함하고,제2 금속은 적어도 200℃ 위에서 양의 깁스 산화 자유 에너지를 갖고, 제2 금속은 적어도 8 마이크로미터의 두께를 갖고,강화 삽입물을 포함한 금속은 적어도 하나의 삽입물을 고정시키기 위한 적어도 하나의 부분 내에 고정되는 방법.
- 제68항에 있어서, 주형 내의 용융된 제3 금속은 75초 미만 동안 용융된 상태로 있는 방법.
- 제68항에 있어서, 주형 내의 용융된 제3 금속은 75초 미만 동안 용융된 상태로 있는 방법.
- 제68항에 있어서, 삽입물을 각각 고정시키기 위한 두 부분과, 삽입물을 각각 고정시키기 위한 부분 내에 각각 위치된 강화 삽입물을 포함한 두 개의 금속을 포함하는 방법.
- 제68항에 있어서, 제1 금속은 알루미늄 합금이고, 제3 금속은 알루미늄 합금이고, 강화 삽입물을 포함한 금속의 금속은 알루미늄 합금인 방법.
- 제68항에 있어서, 제1 금속은 6000 시리즈 알루미늄 합금이고, 강화 삽입물을 포함한 금속의 금속은 200 시리즈 알루미늄 합금이고, 제3 금속은 300 또는 400 시리즈 알루미늄 합금 중 하나인 방법.
- 제68항에 있어서, 금속 매트릭스 복합재 물품은 브레이크 캘리퍼인 방법.
- 금속 매트릭스 복합재 삽입물의 제조 방법이며,강화 삽입물을 포함한 결정성 세라믹을 포함하는 삽입물 홀더를 위치시키는 단계와,알루미늄, 그의 합금 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 용융된 제3 금속을 주형 내로 제공하는 단계와,금속 매트릭스 복합재 물품을 제공하기 위해 용융된 제3 금속을 냉각시키는 단계를 포함하고,삽입물 홀더는 적어도 하나의 삽입물을 고정시키기 위한 적어도 하나의 부분을 포함하고, 삽입물 홀더는 알루미늄, 그의 합금 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 제1 금속을 포함하고,삽입물 홀더는 외측 표면을 갖고,삽입물 홀더는 제1 금속의 외측 표면 상의 제2 금속을 또한 포함하고,제2 금속은 적어도 200℃ 위에서 양의 깁스 산화 자유 에너지를 갖고, 제2 금속은 적어도 8 마이크로미터의 두께를 갖고,강화 삽입물을 포함한 결정성 세라믹은 적어도 하나의 삽입물을 고정시키기 위한 적어도 하나의 부분 내에 고정되는 방법.
- 제75항에 있어서, 주형 내의 용융된 제3 금속은 75초 미만 동안 용융된 상태로 있는 방법.
- 제75항에 있어서, 주형 내의 용융된 제3 금속은 60초 미만 동안 용융된 상태로 있는 방법.
- 제75항에 있어서, 삽입물을 각각 고정시키기 위한 두 부분과, 삽입물을 각각 고정시키기 위한 부분 내에 각각 위치된 강화 삽입물을 포함한 두 개의 결정성 세라믹을 포함하는 방법.
- 제75항에 있어서, 제1 금속은 알루미늄 합금이고, 제3 금속은 알루미늄 합금인 방법.
- 제75항에 있어서, 제1 금속은 6000 시리즈 알루미늄 합금이고, 제3 금속은 300 또는 400 시리즈 알루미늄 합금 중 하나인 방법.
- 제75항에 있어서, 강화 삽입물을 포함한 결정성 세라믹은 다공성의 소결된 세라믹 산화물 재료와, 적어도 5 cm의 길이를 갖는 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유를 포함하고, 다공성의 소결된 세라믹 산화물 재료는 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유를 제 위치에 고정시키고, 다공성의 소결된 세라믹 산화물 재료는 대체로 연속적인 섬유의 길이의 적어도 일부를 따라 연장되는 방법.
- 제75항에 있어서, 금속 매트릭스 복합재 물품은 브레이크 캘리퍼인 방법.
- 금속 매트릭스 복합재 물품의 제조 방법이며,강화 삽입물을 포함한 금속을 포함하며 외측 표면을 갖는 삽입물 홀더를 위치시키는 단계와,알루미늄, 그의 합금 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 용융된 제2 금속을 주형 내로 제공하는 단계와,금속 매트릭스 복합재 물품을 제공하기 위해 용융된 제2 금속을 냉각시키는 단계를 포함하고,삽입물 홀더는 적어도 하나의 삽입물을 고정시키기 위한 적어도 하나의 부분을 포함하고, 삽입물 홀더는 알루미늄, 그의 합금 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 제1 금속을 포함하고,삽입물 홀더는 외측 표면을 갖고,삽입물 홀더는 삽입물 홀더의 외측 표면 상의 외측 표면을 갖는 니켈과, 니켈의 외측 표면의 상의 적어도 8 마이크로미터의 두께를 갖는 은을 또한 포함하고,강화 삽입물을 포함한 금속은 적어도 하나의 삽입물을 고정시키기 위한 적어도 하나의 부분 내에 고정되는 방법.
- 제83항에 있어서, 주형 내의 용융된 제2 금속은 75초 미만 동안 용융된 상태로 있는 방법.
- 제83항에 있어서, 주형 내의 용융된 제2 금속은 60초 미만 동안 용융된 상태로 있는 방법.
- 제83항에 있어서, 금속 매트릭스 복합재 물품은 브레이크 캘리퍼인 방법.
- 금속 매트릭스 복합재 물품의 제조 방법이며,강화 삽입물을 포함한 결정성 세라믹을 포함하며 외측 표면을 갖는 삽입물 홀더를 위치시키는 단계와,알루미늄, 그의 합금 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 용융된 제2 금속을 주형 내로 제공하는 단계와,금속 매트릭스 복합재 물품을 제공하기 위해 용융된 제2 금속을 냉각시키는 단계를 포함하고,삽입물 홀더는 적어도 하나의 삽입물을 고정시키기 위한 적어도 하나의 부분을 포함하고, 삽입물 홀더는 알루미늄, 그의 합금 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 제1 금속을 포함하고,삽입물 홀더는 외측 표면을 갖고,삽입물 홀더는 삽입물 홀더의 외측 표면 상의 외측 표면을 갖는 니켈과, 니켈의 외측 표면의 상의 적어도 8 마이크로미터의 두께를 갖는 은을 또한 포함하는 방법.
- 제87항에 있어서, 주형 내의 용융된 제2 금속은 75초 미만 동안 용융된 상태로 있는 방법.
- 제87항에 있어서, 주형 내의 용융된 제2 금속은 60초 미만 동안 용융된 상태로 있는 방법.
- 제87항에 있어서, 금속 매트릭스 복합재 물품은 브레이크 캘리퍼인 방법.
- 금속 매트릭스 복합재 물품의 제조 방법이며,주형 내에 삽입물을 포함하며 외측 표면을 갖는 삽입물 홀더를 위치시키는 단계와,알루미늄, 그의 합금 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 용융된 제5 금속을 주형 내로 제공하는 단계와,금속 매트릭스 복합재 물품을 제공하기 위해 용융된 제5 금속을 냉각시키는 단계를 포함하고,삽입물 홀더는 적어도 하나의 삽입물을 고정시키기 위한 적어도 하나의 부분을 포함하고, 삽입물 홀더는 알루미늄, 그의 합금 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 제1 금속을 포함하고,삽입물 홀더는 외측 표면을 갖고,삽입물 홀더는 제1 금속의 외측 표면 상의 제2 금속을 또한 포함하고,제2 금속은 적어도 200℃ 위에서 양의 깁스 산화 자유 에너지를 갖고,삽입물은 적어도 하나의 삽입물을 고정시키기 위한 적어도 하나의 부분 내에 고정되고, 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유와, 알루미늄, 그의 합금 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 제3 금속을 포함하고,제3 금속은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유를 제 위치에 고정시키고, 제3 금속은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유의 길이의 적어도 일부를 따라 연장되고, 제3 금속은 외측 표면을 갖고,삽입물 홀더는 제3 금속의 외측 표면 상의 제4 금속을 또한 포함하고,제4 금속은 적어도 200℃ 위에서 양의 깁스 산화 자유 에너지를 갖고, 제4 금속은 적어도 8 마이크로미터의 두께를 갖는 방법.
- 제91항에 있어서, 주형 내의 용융된 제5 금속은 75초 미만 동안 용융된 상태로 있는 방법.
- 제91항에 있어서, 주형 내의 용융된 제5 금속은 60초 미만 동안 용융된 상태로 있는 방법.
- 제91항에 있어서, 삽입물을 각각 고정시키기 위한 두 부분과, 삽입물을 각각 고정시키기 위한 부분 내에 각각 위치된 두 개의 삽입물을 포함하는 방법.
- 제91항에 있어서, 제1 금속은 알루미늄 합금이고, 제3 금속은 알루미늄 합금이고, 제5 금속은 알루미늄 합금인 방법.
- 제91항에 있어서, 제1 금속은 6000 시리즈 알루미늄 합금이고, 제3 금속은 200 시리즈 알루미늄 합금이고, 제5 금속은 300 또는 400 시리즈 알루미늄 합금 중 하나인 방법.
- 제91항에 있어서, 금속 매트릭스 복합재 물품은 브레이크 캘리퍼인 방법.
- 금속 매트릭스 복합재 물품의 제조 방법이며,주형 내에 삽입물을 포함하며 외측 표면을 갖는 삽입물 홀더를 위치시키는 단계와,알루미늄, 그의 합금 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 용융된 제4 금속을 주형 내로 제공하는 단계와,금속 매트릭스 복합재 물품을 제공하기 위해 용융된 제4 금속을 냉각시키는 단계를 포함하고,삽입물 홀더는 적어도 하나의 삽입물을 고정시키기 위한 적어도 하나의 부분을 포함하고, 삽입물 홀더는 알루미늄, 그의 합금 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 제1 금속을 포함하고,삽입물은 적어도 하나의 삽입물을 고정시키기 위한 적어도 하나의 부분 내에 고정되고, 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유와 알루미늄, 그의 합금 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 제2 금속을 포함하고,제2 금속은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유를 제 위치에 고정시키고, 제2 금속은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유의 길이의 적어도 일부를 따라 연장되고,삽입물 홀더 및 삽입물은 총괄적으로 외측 표면을 갖고,삽입물 홀더는 외측 표면 상의 제3 금속을 또한 포함하고,제3 금속은 적어도 200℃ 위에서 양의 깁스 산화 자유 에너지를 갖고, 제3 금속은 적어도 8 마이크로미터의 두께를 갖는 방법.
- 제98항에 있어서, 주형 내의 용융된 제4 금속은 75초 미만 동안 용융된 상태로 있는 방법.
- 제98항에 있어서, 주형 내의 용융된 제4 금속은 60초 미만 동안 용융된 상태로 있는 방법.
- 제98항에 있어서, 삽입물을 각각 고정시키기 위한 두 부분과, 삽입물을 각각 고정시키기 위한 부분 내에 각각 위치된 두 개의 삽입물을 포함하는 방법.
- 제98항에 있어서, 제1 금속은 알루미늄 합금이고, 제2 금속은 알루미늄 합금이고, 제4 금속은 알루미늄 합금인 방법.
- 제98항에 있어서, 제1 금속은 6000 시리즈 알루미늄 합금이고, 제2 금속은 200 시리즈 알루미늄 합금이고, 제4 금속은 300 또는 400 시리즈 알루미늄 합금 중 하나인 방법.
- 제98항에 있어서, 금속 매트릭스 복합재 물품은 브레이크 캘리퍼인 방법.
- 금속 매트릭스 복합재 물품의 제조 방법이며,주형 내에 삽입물을 포함하는 삽입물 홀더를 위치시키는 단계와,알루미늄, 그의 합금 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 용융된 제3 금속을 주형 내로 제공하는 단계와,금속 매트릭스 복합재 물품을 제공하기 위해 용융된 제3 금속을 냉각시키는 단계를 포함하고,삽입물 홀더는 적어도 하나의 삽입물을 고정시키기 위한 적어도 하나의 부분을 포함하고, 삽입물 홀더는 알루미늄, 그의 합금 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 제1 금속을 포함하고,삽입물 홀더는 외측 표면을 갖고,삽입물 홀더는 삽입물 홀더의 외측 표면 상의 외측 표면을 갖는 니켈과, 니켈의 외측 표면 상의 은을 또한 포함하고,삽입물은 적어도 하나의 삽입물을 고정시키기 위한 적어도 하나의 부분 내에 고정되고, 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유와 알루미늄, 그의 합금 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 제2 금속을 포함하고,제2 금속은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유를 제 위치에 고정시키고, 제2 금속은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유의 길이의 적어도 일부를 따라 연장되고, 제2 금속은 외측 표면을 갖고,제2 금속은 제2 금속의 외측 표면 상의 외측 표면을 갖는 니켈과, 니켈의 외측 표면 상의 적어도 8 마이크로미터의 두께를 갖는 은을 또한 포함하는 방법.
- 제105항에 있어서, 주형 내의 용융된 제3 금속은 75초 미만 동안 용융된 상태로 있는 방법.
- 제105항에 있어서, 주형 내의 용융된 제3 금속은 60초 미만 동안 용융된 상태로 있는 방법.
- 제105항에 있어서, 금속 매트릭스 복합재 물품은 브레이크 캘리퍼인 방법.
- 금속 매트릭스 복합재 물품의 제조 방법이며,주형 내에 삽입물을 포함하는 삽입물 홀더를 위치시키는 단계와,알루미늄, 그의 합금 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 용융된 제3 금속을 주형 내로 제공하는 단계와,금속 매트릭스 복합재 물품을 제공하기 위해 용융된 제3 금속을 냉각시키는 단계를 포함하고,삽입물 홀더는 적어도 하나의 삽입물을 고정시키기 위한 적어도 하나의 부분을 포함하고, 삽입물 홀더는 알루미늄, 그의 합금 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 제1 금속을 포함하고, 삽입물 홀더는 외측 표면을 갖고,삽입물은 적어도 하나의 삽입물을 고정시키기 위한 적어도 하나의 부분 내에 고정되고, 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유와 알루미늄, 그의 합금 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 제2 금속을 포함하고,제2 금속은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유를 제 위치에 고정시키고, 제2 금속은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유의 길이의 적어도 일부를 따라 연장되고,삽입물 홀더 및 삽입물은 총괄적으로 외측 표면을 갖고,삽입물 홀더는 금속의 외측 표면 상의 삽입물 홀더의 외측 표면을 갖는 니켈과, 니켈의 외측 표면 상의 은을 또한 포함하는 방법.
- 제109항에 있어서, 주형 내의 용융된 제3 금속은 75초 미만 동안 용융된 상태로 있는 방법.
- 제109항에 있어서, 주형 내의 용융된 제3 금속은 60초 미만 동안 용융된 상태로 있는 방법.
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