KR20050058350A - 금속 매트릭스 복합재 및 그의 제조 방법 - Google Patents

금속 매트릭스 복합재 및 그의 제조 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20050058350A
KR20050058350A KR1020057002752A KR20057002752A KR20050058350A KR 20050058350 A KR20050058350 A KR 20050058350A KR 1020057002752 A KR1020057002752 A KR 1020057002752A KR 20057002752 A KR20057002752 A KR 20057002752A KR 20050058350 A KR20050058350 A KR 20050058350A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
metal
matrix composite
aluminum alloy
metal matrix
composite article
Prior art date
Application number
KR1020057002752A
Other languages
English (en)
Inventor
카말 이. 아민
마이클 에프. 그레더
알란 알. 홀츠
윌리암 제이. 주니어 삿저
요셉 제이. 슈미트
폴 에스. 베르너
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 KR20050058350A publication Critical patent/KR20050058350A/ko

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/10—Alloys containing non-metals
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B22D19/14—Casting in, on, or around objects which form part of the product the objects being filamentary or particulate in form
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C47/00—Making alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments
    • C22C47/02—Pretreatment of the fibres or filaments
    • C22C47/06—Pretreatment 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
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C47/00—Making alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments
    • C22C47/02—Pretreatment of the fibres or filaments
    • C22C47/06—Pretreatment 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
    • C22C47/062—Pretreatment 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
    • C22C47/068—Aligning wires
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C47/00—Making alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments
    • C22C47/08—Making 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
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C49/00—Alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments
    • C22C49/02—Alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments characterised by the matrix material
    • C22C49/04—Light metals
    • C22C49/06—Aluminium
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2999/00—Aspects linked to processes or compositions used in powder metallurgy

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)
  • Braking Arrangements (AREA)

Abstract

본 발명은 금속 매트릭스 복합재 물품을 강화하기 위한 삽입물을 포함한 금속 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

금속 매트릭스 복합재 및 그의 제조 방법 {METAL MATRIX COMPOSITES, AND METHODS FOR MAKING THE SAME}
본 발명은 금속 매트릭스 복합재 물품을 강화하기 위한 삽입물을 포함한 금속, 및 삽입물로 강화된 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 포함하지만, 추가의 해결책 및/또는 선택적으로 양호하게는 종래의 금속 매트릭스 복합재 물품에 비해 우수한 특성을 갖는 금속 매트릭스 복합재를 제공하는 다른 새로운 방식이 필요하다.
도1은 본 발명에 따른 예시적인 금속 매트릭스 복합재 물품의 사시도이다.
도2는 본 발명에 따른 다른 예시적인 금속 매트릭스 복합재 물품의 사시도이다.
도3a 및 도3b는 본 발명에 따른 다른 예시적인 금속 매트릭스 복합재 물품의 사시도이다.
도4a 및 도4b는 본 발명에 따른 브레이크 캘리퍼의 사시도이다.
도4c 및 도4d는 도4a 및 도4b에 도시된 브레이크 캘리퍼의 단면도이다.
도5는 본 발명에 따른 다른 예시적인 금속 매트릭스 복합재 물품의 사시도이다.
도6은 도5에 도시된 금속 매트릭스 복합재 물품으로부터 제조된 금속 매트릭스 복합재 물품의 사시도이다.
도7은 가닥의 종방향 축이 서로에 대해 0보다 더 큰 각도로 위치되어 있는, 다중 가닥의 세라믹 산화물 섬유를 이용한, 본 발명에 따른 다른 예시적인 금속 매트릭스 복합재 물품의 사시도이다.
도8은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유의 다른 그룹 둘레에 나선형으로 감긴 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유의 그룹의 사시도이다.
도9는 본 발명에 따른 다른 예시적인 금속 매트릭스 복합재 물품의 사시도이다.
도10a 및 도10b는 본 발명에 따른 다른 브레이크 캘리퍼의 평면도이다.
도11은 본 발명에 따른 다른 브레이크 캘리퍼의 사시도이다.
도12는 예1의 삽입물의 연마된 단면의 광학 현미경 사진이다.
도13은 예1에 설명된 삽입물을 사용하여 제조된 예1의 금속 매트릭스 복합재 물품을 제조하는데 사용되는 다이 공동의 개략도이다.
도14는 본 발명에 따른 삽입물을 사용하여 제조된 본 발명에 따른 금속 매트릭스 복합재 물품의 삽입물과 금속 사이의 피크 결합 강도값을 결정하는데 사용되는 압축 전단 테스트 장비의 개략도이다.
도15는 예3 및 예7에 대한 하중 하의 삽입물 변위의 플롯이다.
도16은 예3의 금속 매트릭스 복합재 물품의 연마된 단면의 광학 현미경 사진이다.
도17은 비교예H의 금속 매트릭스 복합재 물품의 연마된 단면의 광학 현미경 사진이다.
도18은 예1에 설명된 바와 같은 테스트 샘플의 광학 현미경 사진이다.
도19는 예시적인 삽입물 홀더의 사시도이다.
도19a는 도19의 일부의 절결도이다.
일 태양에서, 본 발명은 금속 매트릭스 복합재 물품을 강화하기 위한 삽입물 및 그의 제조 방법을 제공한다. 다른 태양에서, 본 발명은 삽입물(예를 들어, 하나, 둘, 셋, 넷, 다섯, 여섯 또는 그 이상의 삽입물)로 강화된 금속 매트릭스 복합재 물품 및 그의 제조 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 금속 매트릭스 복합재 물품을 강화하기 위한 삽입물로서 사용하기 위한 본 발명에 따른 금속 매트릭스 복합재 물품의 실시예는 적어도 200℃ 위에서 양의 깁스 산화 자유 에너지를 갖는 적어도 8 마이크로미터(몇몇 실시예에서, 양호하게는 적어도 10 마이크로미터, 적어도 12 마이크로미터, 또는 적어도 15 마이크로미터, 더욱 양호하게는 12 내지 15 마이크로미터의 범위 내)의 금속(예를 들어, 은, 금, 그의 합금 및 이들의 조합)을 포함한다. 그러한 실시예는 전형적으로 삽입물과 삽입물을 포함한 금속 매트릭스 복합재 물품의 금속 사이에 매우 바람직한 결합(예를 들어, 몇몇 실시예에서, 양호하게는 산소가 없는 결합 계면 및/또는 적어도 100 MPa(몇몇 실시예에서, 양호하게는 적어도 125 MPa, 적어도 150 MPa, 적어도 175 MPa, 또는 적어도 180 MPa)의 피크 결합 강도값)을 갖는 금속 매트릭스 복합재 물품을 제공할 수 있다. 이론에 의해 제한되지 않기를 바라지만, 적어도 200℃ 위에서 양의 깁스 산화 자유 에너지를 갖는 금속의 존재는 삽입물과 삽입물을 포함한 금속 매트릭스 복합재 물품의 금속 사이의 결합을 얻는 것을 용이하게 하는 것을 지원한다고 믿어진다. 더욱이, 이론에 의해 제한되지 않기를 바라지만, 적어도 200℃ 위에서 양의 깁스 산화 자유 에너지를 갖는 금속의 존재는 삽입물과 삽입물을 포함하는 금속 매트릭스 복합재 물품의 금속 사이의 계면에서의 산소의 부재를 용이하게 하는 것을 지원한다고 믿어진다.
일 실시예에서, 본 발명은,
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 제1 금속을 포함하고,
제1 금속은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유를 제 위치에 고정시키고, 제1 금속은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유의 길이의 적어도 일부를 따라 연장되고, 제1 금속은 외측 표면을 갖고,
제1 금속의 외측 표면 상의 제2 금속을 또한 포함하고,
제2 금속은 적어도 200℃ 위에서 양의 깁스 산화 자유 에너지를 갖고 (예를 들어, 은, 금, 그의 합금 및 이들의 조합), 제2 금속은 적어도 8 마이크로미터(몇몇 실시예에서, 양호하게는 적어도 10 마이크로미터, 적어도 12 마이크로미터, 또는 적어도 15 마이크로미터, 더욱 양호하게는 12 내지 15 마이크로미터 범위 내, 다른 태양에서 전형적으로 20 마이크로미터 미만)의 두께를 갖는,
제1 금속 매트릭스 복합재 물품(예를 들어, 금속 매트릭스 복합재 물품을 강화하기 위한 삽입물)을 제공한다. 선택적으로, 제1 금속 매트릭스 복합재 물품은 제2 금속과 제1 금속의 외측 표면 사이에 제3 금속(예를 들어, 니켈)을 더 포함한다.
다른 태양에서, 본 발명은 본 발명에 따른 제1 금속 매트릭스 복합재 물품의 제조 방법을 제공하고, 방법은,
대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유를 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 외측 표면을 갖는 제1 금속 내에, 제1 금속이 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유의 길이의 적어도 일부를 따라 연장되도록 고정시키는 단계와,
금속 매트릭스 복합재 물품을 제공하기 위해 제1 금속의 외측 표면 상에 제2 금속을 제공하는 단계를 포함하고,
제2 금속은 적어도 200℃ 위에서 양의 깁스 산화 자유 에너지를 갖는다 (예를 들어, 은, 금, 그의 합금 및 이들의 조합).
본 발명에 따른 제1 금속 매트릭스 복합재 물품의 양호한 일 실시예에서, 본 발명은,
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 금속을 포함하고,
금속은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유를 제 위치에 고정시키고, 금속은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유의 길이의 적어도 일부를 따라 연장되고, 금속은 외측 표면을 갖고,
금속의 외측 표면 상의 외측 표면을 갖는 니켈과, 니켈의 외측 표면 상의 은을 또한 포함하고,
은은 적어도 8 마이크로미터(몇몇 실시예에서, 양호하게는 적어도 10 마이크로미터, 적어도 12 마이크로미터, 또는 적어도 15 마이크로미터, 더욱 양호하게는 12 내지 15 마이크로미터 범위 내, 다른 태양에서 전형적으로 20 마이크로미터 미만)의 두께를 갖는,
제2 금속 매트릭스 복합재 물품(예를 들어, 금속 매트릭스 복합재 물품을 강화하기 위한 삽입물)을 제공한다.
다른 태양에서, 본 발명은 본 발명에 따른 제2 금속 매트릭스 복합재 물품의 제조 방법을 제공하고, 방법은,
대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유를 알루미늄, 그의 합금 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 외측 표면을 갖는 금속 내에, 금속이 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유의 길이의 적어도 일부를 따라 연장되도록 고정시키는 단계와,
금속의 외측 표면 상에 외측 표면을 갖는 니켈을 제공하는 단계와,
금속 매트릭스 복합재 물품을 제공하기 위해 니켈의 외측 표면 상에 은을 제공하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 본 발명은 제1 금속 및 제1 금속을 강화하는 삽입물을 포함한 제3 금속 매트릭스 복합재 물품을 제공하고, 제1 금속은 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 선택되고, 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, 제1 금속과 삽입물 사이에 계면층이 있고, 적어도 100 MPa(몇몇 실시예에서, 양호하게는 적어도 125 MPa, 적어도 150 MPa, 적어도 175 MPa, 또는 적어도 180 MPa)의 제1 금속과 삽입물 사이의 계면층 피크 결합 강도값이 있다. 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 포함할 수 있고, 그러한 금속의 평균량은 제1 금속 내에서보다 계면층 내에서 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 갖고, 제2 금속의 융점은 제1 금속의 융점보다 적어도 10℃, 15℃, 20℃, 25℃, 30℃, 35℃, 40℃, 45℃ 또는 50℃ 더 높다. 다른 태양에서, 제1 및 제2 금속은 상이할 수 있다 (예를 들어, 알루미늄 및 알루미늄 합금, 또는 상이한 알루미늄 합금).
선택적인 제3 금속 매트릭스 복합재 물품은 둘, 셋, 넷, 다섯, 여섯 또는 그 이상의 삽입물을 포함한다. 선택적으로, 삽입물은 동일하거나 상이한 성분을 갖거나, 또는 몇몇 삽입물은 동일한 성분을 갖고 다른 삽입물은 상이한 성분을 갖는다.
다른 태양에서, 본 발명은 본 발명에 따른 제3 금속 매트릭스 복합재 물품의 제조 방법을 제공하고, 방법은,
삽입물을 주형 내에 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 그들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 용융된 제3 금속을 주형 내로 제공하는 단계와,
금속 매트릭스 복합재 물품을 제공하기 위해 용융된 제3 금속을 냉각시키는 단계를 포함하고,
삽입물은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유와, 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 제1 금속을 포함하고,
제1 금속은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유를 제 위치에 고정시키고, 제1 금속은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유의 길이의 적어도 일부를 따라 연장되고, 제1 금속은 외측 표면을 갖고,
삽입물은 적어도 200℃ 위에서 양의 깁스 산화 자유 에너지를 갖는 제2 금속(예를 들어, 은, 금, 그의 합금 및 이들의 조합)을 갖는다.
다른 태양에서, 본 발명은 본 발명에 다른 제3 금속 매트릭스 복합재 물품의 양호한 실시예의 제조 방법을 제공하고, 방법은,
삽입물을 주형 내에 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 그들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 용융된 제2 금속을 주형 내로 제공하는 단계와,
금속 매트릭스 복합재 물품을 제공하기 위해 용융된 제2 금속을 냉각시키는 단계를 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 그들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 제1 금속을 포함하고,
제1 금속은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유를 제 위치에 고정시키고, 제1 금속은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유의 길이의 적어도 일부를 따라 연장되고, 제1 금속은 외측 표면을 갖고,
삽입물은 제1 금속의 외측 표면 상의 외측 표면을 갖는 니켈과, 니켈의 외측 표면 상의 은을 또한 포함한다.
다른 태양에서, 본 발명은 금속 매트릭스 복합재 물품을 제조하기 위한 금속 매트릭스 복합재 삽입물을 제조하기 위한 방법을 제공하고, 방법은,
금속 매트릭스 복합재 강화 삽입물을 포함하도록 금속 매트릭스 복합재 물품을 설계하는 단계와,
생성된 설계에 기초하여 금속 매트릭스 복합재 강화 삽입물을 준비하는 단계를 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 제1 금속을 포함하고,
제1 금속은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유를 제 위치에 고정시키고, 제1 금속은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유의 길이의 적어도 일부를 따라 연장되고,
금속 매트릭스 복합재 강화 삽입물은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유와, 알루미늄, 그의 합금 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 제1 금속을 포함하고,
제1 금속은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유를 제 위치에 고정시키고, 제1 금속은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유의 길이의 적어도 일부를 따라 연장되고, 제1 금속은 외측 표면을 갖고,
금속 매트릭스 복합재 강화 삽입물은 제1 금속의 외측 표면 상의 제2 금속을 또한 포함하고,
제2 금속은 적어도 200℃ 위에서 양의 깁스 산화 자유 에너지를 갖고 (예를 들어, 은, 금, 그의 합금 및 이들의 조합), 제2 금속은 적어도 8 마이크로미터(몇몇 실시예에서, 양호하게는 적어도 10 마이크로미터, 적어도 12 마이크로미터, 또는 적어도 15 마이크로미터, 더욱 양호하게는 12 내지 15 마이크로미터 범위 내, 다른 태양에서 전형적으로 20 마이크로미터 미만)의 두께를 갖는다.
다른 태양에서, 본 발명은 금속 매트릭스 복합재 물품을 제조하기 위한 금속 매트릭스 복합재 물품을 제조하기 위한 방법을 제공하고, 방법은,
금속 매트릭스 복합재 강화 삽입물을 포함하도록 금속 매트릭스 복합재 물품을 설계하는 단계와,
생성된 설계에 기초하여 금속 매트릭스 복합재 강화 삽입물을 준비하는 단계를 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 금속을 포함하고,
금속은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유를 제 위치에 고정시키고, 금속은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유의 길이의 적어도 일부를 따라 연장되고,
금속 매트릭스 복합재 강화 삽입물은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유와, 알루미늄, 그의 합금 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 금속을 포함하고, 제1 금속은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유를 제 위치에 고정시키고, 제1 금속은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유의 길이의 적어도 일부를 따라 연장되고, 제1 금속은 외측 표면을 갖고,
금속 매트릭스 복합재 강화 삽입물은 금속의 외측 표면 상의 외측 표면을 갖는 니켈과, 니켈의 외측 표면 상의 은을 또한 포함하고,
니켈은 적어도 8 마이크로미터(몇몇 실시예에서, 양호하게는 적어도 10 마이크로미터, 적어도 12 마이크로미터, 또는 적어도 15 마이크로미터, 더욱 양호하게는 12 내지 15 마이크로미터 범위 내, 다른 태양에서 전형적으로 20 마이크로미터 미만)의 두께를 갖는다.
놀랍게도, 본 발명에 따른 방법의 실시예는 주형 내의 용융된 금속의 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 바라면서, 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 및 제2 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 특정 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 제3 금속 매트릭스 물품의 예는 브레이크 캘리퍼, 고속 회전 링, 및 산업용 기계를 위한 고속 기계식 아암을 포함한다.
본 발명은 적어도 하나의 금속 및 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유를 포함하는 금속 매트릭스 복합재 물품을 제공한다. 전형적으로, 본 발명에 따른 금속 매트릭스 복합재 물품은 특정 용도에 대해 필요한 특성, 저비용, 및 제조의 용이성의 최적 또는 적어도 허용 가능한 균형을 달성하도록 설계된다.
전형적으로, 삽입물과 같은, 본 발명에 따른 금속 매트릭스 복합재 물품은 특정 용도를 위해 그리고/또는 특정 특성 및/또는 특징을 갖도록 설계된다. 예를 들어, 하나의 금속(예를 들어, 주철)으로 제조된 기존의 물품은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유로 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 양호할 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 섬유, 금속, 및 가능한 다른 재료의 배치가 원하는 특성 수준을 제공하는 영역을 식별하는 것을 보조한다. 전형적으로, 더욱 양호한 설계를 얻기 위해 FEA를 여러 번 반복 실행하는 것이 필요하다.
도1을 참조하면, (몇몇 실시예에서 본 발명에 따른 예시적인 제2 금속 매트릭스 복합재 물품인) 본 발명에 따른 예시적인 제1 금속 매트릭스 복합재 물품(10)은 (도시된 바와 같이 종방향으로 정렬된) 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유(12), 알루미늄 또는 그의 합금(14), 외측 표면(15), 적어도 200℃ 위에서 양의 깁스 산화 자유 에너지를 갖는 금속(16), 선택적인 추가의 금속(예를 들어, 니켈)(18), 및 선택적인 금속(18)의 외측 표면(17)을 포함한다. 금속 매트릭스 복합재 물품(10)은 본 발명에 따른 금속 매트릭스 복합재 물품을 제조하는데 유용하고, 후자의 물품의 추가의 금속은 알루미늄 또는 그의 합금(14)과 동일하거나 다를 수 있다.
도2를 참조하면, (몇몇 실시예에서 본 발명에 따른 예시적인 제2 금속 매트릭스 복합재 물품인) 본 발명에 따른 예시적인 제1 금속 매트릭스 복합재 물품(20)은 (도시된 바와 같이 종방향으로 정렬된) 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유(22), 알루미늄 또는 그의 합금(24), 외측 표면(25), 적어도 200℃ 위에서 양의 깁스 산화 자유 에너지를 갖는 금속(26), 선택적인 추가의 금속(예를 들어, 니켈)(28), 및 선택적인 금속(28)의 외측 표면(27)을 포함한다. 금속 매트릭스 복합재 물품(20)은 본 발명에 따른 금속 매트릭스 복합재 물품을 제조하는데 유용하고, 후자의 물품의 추가의 금속은 알루미늄 또는 그의 합금(24)과 동일하거나 다를 수 있다.
본 발명의 몇몇 예시적인 실시예에서, 연속적인 세라믹 산화물 섬유는 서로에 대해 대체로 평행하도록 대체로 종방향으로 정렬된다. 세라믹 산화물 섬유는 개별 섬유로서 본 발명에 따른 제1 금속 매트릭스 복합재 물품 (또는 몇몇 실시예에서 제2 금속 매트릭스 복합재 물품) 내로 통합될 수 있지만, 전형적으로 다발 또는 묶음 형태의 섬유의 그룹으로서 제1 금속 매트릭스 복합재 물품 (또는 몇몇 실시예에서 제2 금속 매트릭스 복합재 물품) 내로 통합될 수 있다. 다발 또는 묶음 내의 섬유는 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) 유지될 수 있다. 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°, 더욱 양호하게는 ±3° 내에 유지된다.
본 발명에 따른 몇몇 금속 매트릭스 복합재 물품에 대해, 세라믹 산화물 섬유가 직선인 것과 반대로 만곡된 것 (즉, 평탄하게 연장되지 않는 것)이 양호하거나 필요할 수 있다. 따라서, 예를 들어, 세라믹 산화물 섬유는 섬유 길이 전반에 걸쳐 평탄하거나, 섬유 길이 전반에 걸쳐 비평탄(즉, 만곡)하거나, 또는 이들은 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 금속 매트릭스 복합재 물품의 만곡된 부분 전반에 걸쳐 서로에 대해 대체로 등간격으로 유지될 수 있다.
예를 들어, 도3a 및 도3b는 도4a, 도4b, 도4c 및 도4d의 (몇몇 실시예에서 본 발명에 따른 예시적인 제2 금속 매트릭스 복합재 물품인) 본 발명에 따른 다른 제1의 예시적인 금속 매트릭스 복합재 물품이고, 금속 매트릭스 복합재 물품(삽입물)(30)은 (도시된 바와 같이 종방향으로 정렬된) 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유(32), 알루미늄 또는 그의 합금(34), 외측 표면(35), 적어도 200℃ 위에서 양의 깁스 산화 자유 에너지를 갖는 금속(36), 선택적인 추가의 금속(예를 들어, 니켈)(38), 및 선택적인 금속(38)의 외측 표면(37)을 포함한다. 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유(32)는 단면선 BB와 CC 사이 및 단면선 DD와 EE 사이에서 대체로 평탄하고, 단면선 CC와 DD 사이에서 만곡된다. 선택적으로, 종방향으로 정렬된 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유는 그의 길이 전반에 걸쳐 비평탄할 수 있다.
예를 들어, 도5를 참조하면, (몇몇 실시예에서 본 발명에 따른 예시적인 제2 금속 매트릭스 복합재 물품인) 본 발명에 따른 다른 제1의 예시적인 금속 매트릭스 복합재 물품은 (도시된 바와 같이 종방향으로 정렬된) 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유(52), 알루미늄 또는 그의 합금(54), 외측 표면(55), 적어도 200℃ 위에서 양의 깁스 산화 자유 에너지를 갖는 금속(56), 선택적인 추가의 금속(예를 들어, 니켈)(58), 및 선택적인 금속(58)의 외측 표면(57)을 포함하고, 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유(52)는 그의 길이 전반에 걸쳐 만곡된다. 후자의 유형의 삽입물로부터 제조될 수 있는 금속 매트릭스 복합재 물품의 일례는 도6에 도시된 바와 같은 금속 매트릭스 복합재 링이다. 링(60)은 알루미늄 또는 그의 합금(54)과, 세라믹 산화물 섬유(52; 도5 참조)를 포함한다. 그러한 링은 예를 들어 큰 원심력을 받는 고속 회전 기계 내에서 유용하다.
다른 태양에서, 본 발명에 따른 몇몇의 금속 매트릭스 복합재 물품에 대해, 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유의 둘, 셋, 넷, 또는 그 이상의 가닥을 갖는 것이 양호하거나 요구될 수 있다 (즉, 하나의 가닥은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유의 적어도 하나의 층(몇몇 실시예에서, 양호하게는 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유들을 포함하는 묶음의 적어도 하나의 층)이다). 가닥은 다양한 방식 중 하나로 서로에 대해 배향될 수 있다. 서로에 대한 가닥의 관계의 예가 도7 및 도8에 도시되어 있다. 도7을 참조하면, (몇몇 실시예에서 본 발명에 따른 예시적인 제2의 금속 매트릭스 복합재 물품인) 본 발명에 따른 예시적인 제1의 금속 매트릭스 복합재 물품(삽입물)(70)은 (도시된 바와 같이 종방향으로 정렬된) 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유의 제1 및 제2 가닥(71, 72), 알루미늄 또는 그의 합금(74), 외측 표면(75), 적어도 200℃ 위에서 양의 깁스 산화 자유 에너지를 갖는 금속(76), 선택적인 추가의 금속(예를 들어, 니켈)(78), 및 선택적인 금속(78)의 외측 표면(77)을 포함한다. 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유의 제1 가닥(71)은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유의 제2 가닥(72)에 대해 45°로 위치되지만, 특정 용도에 의존하여, 하나의 가닥의 다른 가닥에 대한 위치의 차이는 0° 내지 90° 사이의 어디에도 있을 수 있다. 몇몇 실시예에서, 몇몇 용도에 대한 가닥의 다른 가닥에 대한 양호한 위치는 약 30° 내지 약 60°의 범위, 또는 예를 들어 약 40° 내지 약 50°의 범위 내에 있을 수 있다. 선택적으로, 본 발명에 따른 금속 매트릭스 복합재 물품은 둘 이상의 가닥을 가질 수 있다.
섬유의 그룹화는 또한 도8에 도시된 바와 같이 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유로 감기는 것으로부터 이점을 얻을 수 있고, 금속 매트릭스 복합재 물품(삽입물)(80)은 (도시된 바와 같이 종방향으로 정렬된) 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유(81) 둘레에 나선형으로 감긴 (도시된 바와 같이 종방향으로 정렬된) 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유(82), 알루미늄 또는 그의 합금(84), 외측 표면(85), 적어도 200℃ 위에서 양의 깁스 산화 자유 에너지를 갖는 금속(86), 선택적인 추가의 금속(예를 들어, 니켈)(88), 및 선택적인 금속(88)의 외측 표면(87)을 포함한다. 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유의 가닥에 의해 제공되는 특성으로부터 이점을 얻을 수 있는 금속 매트릭스 복합재 물품의 일례는 사용 시에 두 개의 직교하는 축에 대한 굽힘력을 받는 물품을 포함한다.
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, 본 발명에 따른 금속 매트릭스 복합재 물품을 제조하는데 사용되는 대체로 연속적인 강화 세라믹 산화물 섬유는 양호하게는 적어도 약 5 마이크로미터의 평균 직경을 갖는다. 몇몇 실시예에서, 평균 섬유 직경은 약 200 마이크로미터 이하, 더욱 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, 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유는 약 70 GPa를 초과하는, 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, 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 타원형의 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% 미만인) SiO2와, 약 5 중량%를 초과하거나 (또는 예를 들어 약 25 중량% 미만, 약 1 중량% 내지 약 5 중량% 미만, 또는 약 2 중량% 내지 약 20 중량% 미만)의 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 및 금속 매트릭스 복합재 기술 분야에 공지되어 있다.
본 발명에 따른 제3 금속 매트릭스 복합재 물품에 대해, 삽입물의 알루미늄 또는 알루미늄 합금 또는 제3 금속 매트릭스 복합재 물품의 알루미늄 또는 알루미늄 합금은 전형적으로 상이하지만 동일할 수 있다. (삽입물을 포함한) 본 발명에 따른 금속 매트릭스 복합재 물품을 제조하는데 사용되거나 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, 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.
적어도 200℃ 위에서 양의 깁스 산화 자유 에너지를 갖는 금속의 규정값 이외의 두께가 유용할 수도 있지만, 두께가 너무 작으면, 코팅은 삽입물이 예비 가열될 때 확산되는 경향이 있으며 결과적으로 계면을 산화로부터 보호할 수 없거나 그렇지 않으면 계면에서 산화를 감소시키는 것을 지원하지 않을 수 있고, 과도한 두께는 삽입물의 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 마이크로미터, 더욱 전형적으로 2 마이크로미터, 또는 3 마이크로미터를 초과한다. 다른 태양에서, 전형적으로 그러한 금속의 두께는 약 10 마이크로미터 미만, 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 있어서 유용하지 않은 경향이 있고, 과도한 두께는 삽입물의 금속과 금속 매트릭스 복합재의 금속 사이의 바람직한 결합 강도의 확립을 방해하는 경향이 있다. 몇몇 실시예에서, 니켈은 무전해 도금에 의해 침착된다.
본 발명에 따른 제1 또는 제2 금속 매트릭스 복합재 물품(삽입물)은 예를 들어 (몇몇 실시예에서, 양호하게는 (예를 들어, 얀 또는 묶음으로) 서로 그룹화된) 복수의 연속적인 세라믹 산화물 섬유를 의도된 금속 삽입물 설계에 대해 필요한 치수 및 형상을 갖는 맨드릴 상으로 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 물품(삽입물)을 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 물품(예를 들어, 삽입물)을 제조하는데 사용된다.
금속 매트릭스 복합재 물품(예를 들어, 삽입물)을 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(예를 들어, 삽입물)은 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. 다음으로, 금속 매트릭스 복합재 물품(예를 들어, 삽입물)은 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 금속 매트릭스 복합재 물품(예를 들어, 삽입물) 상으로 코팅된다. 니켈의 사용은 은과 같은 금속의 삽입물에 대한 부착을 지원하는 경향이 있다.
특수한 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유, 매트릭스 재료, 및 금속 매트릭스 복합재 물품을 제조하기 위한 공정 단계는 원하는 특성을 갖는 금속 매트릭스 복합재 물품을 제공하도록 선택된다. 예를 들어, 대체로 연속적인 세라믹 산화물섬유 및 금속 매트릭스 재료는 서로에 대해 그리고 원하는 물품을 제조하기 위한 물품 제조 공정과 충분히 호환 가능하도록 선택된다. 몇몇 실시예에서 본 발명에 따른 금속 매트릭스 복합재의 영역을 포함하는 금속은 양호하게는 금속 매트릭스가 예를 들어 섬유 외부 상에 보호 코팅을 제공하는 요구를 제거하기 위해, 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유와 화학적으로 크게 반응하지 않도록 (즉, 용융 금속에 대해 비교적 화학적으로 불활성이도록) 선택된다.
본 발명에 따른 제3 금속 매트릭스 복합재 물품은 통상 기술 분야에 공지된 기술(예를 들어, 스퀴즈 주조 및 영구적 공구 중력 주조)을 사용하여 본 발명에 따른 삽입물을 사용하여 주조될 수 있다. 유한 요소 분석(FEA) 모델링이 예를 들어 원하는 성능 사양을 만족시키기 위해 세라믹 산화물 섬유의 최적 위치 및 양을 식별하도록 사용될 수 있다. 그러한 분석은 또한 예를 들어 사용되는 삽입물의 치수, 개수, 및 위치를 선택하는 것을 지원하도록 사용될 수 있다. 전형적으로, 삽입물 및/또는 다이는 주조 이전에 예비 가열된다. 이론에 의해 제한되지 않기를 바라지만, 삽입물을 예비 가열하는 것은 제3 금속 매트릭스 복합재 물품의 삽입물과 알루미늄 및/또는 알루미늄 합금 사이의 바람직한 금속 결합을 용이하게 한다고 믿어진다. 몇몇 실시예에서, 양호하게는 삽입물은 약 500 - 600℃로 예비 가열된다. 몇몇 실시예에서, 양호하게는 다이는 200℃ - 500℃로 예비 가열된다. 주조는 전형적으로 공기 중에서 수행되지만, 다른 분위기(예를 들어, 아르곤) 내에서 주조하는 것도 본 발명의 범주 내에 있다.
FEA가 예를 들어 본 발명에 따른 삽입물 및/또는 금속 매트릭스 복합재 물품을 주조하기 위한 주조 기술, 주조 조건, 및/또는 주형 설계를 선택하는 것을 지원하도록 사용될 수도 있다. 적합한 FEA 소프트웨어는 메릴랜드주 아나폴리스 소재의 유이에스(UES)에 의해 "PROCAST"라는 상표로 시판되는 것을 포함하여 상업적으로 구입 가능하다.
전술한 바와 같이, (삽입물을 포함한) 금속 매트릭스 복합재 물품은 전형적으로 특정 목적으로 설계되고, 결과적으로 특정 특성을 갖고, 특정 구성을 갖고, 특정 재료로 제조되는 것 등이 필요하다. 전형적으로, 주형은 실제 형상 또는 실제에 가까운 형상을 제공하기 위해 주조되어야 하는 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 생성된 금속 매트릭스 복합재 물품 내에서 적절하게 위치되도록 삽입물을 원하는 위치에 유지하도록 제조되거나 적응된다. 적합한 공동을 제조하기 위한 기술 및 재료는 당업자에게 공지되어 있다. 특정 주형이 제조될 수 있는 재료는 예를 들어 금속 매트릭스 복합재 물품을 제조하는데 사용되는 금속에 의존한다. 일반적으로 사용되는 주형 재료는 그래파이트 또는 강철을 포함한다.
선택적으로, 삽입물 홀더는 본 발명에 따른 삽입물을 유지하는데 사용된다. 그러한 삽입물 홀더는 주형 내의 삽입물의 배치를 용이하게 하는 것을 도울 수 있고, 이는 결국 생성된 금속 매트릭스 복합재 물품 내의 삽입물의 배치를 용이하게 한다. 예시적인 일 실시예에서, 삽입물 홀더는 적어도 하나의 삽입물을 고정시키기 위한 적어도 하나의 부분을 포함하고, 삽입물 홀더는 알루미늄, 그의 합금(예를 들어, 200, 300, 400, 700, 및/또는 6000 시리즈(몇몇 실시예에서, 양호하게는 6000 시리즈)의 알루미늄 합금) 및 그의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 제1 금속을 포함한다. 몇몇 실시예에서, 삽입물 홀더는 외측 표면과, 적어도 200℃ 위에서 양의 깁스 산화 자유 에너지를 갖는 제1 금속의 외측 표면 상의 제2 금속을 갖고, 제2 금속은 적어도 8 마이크로미터(몇몇 실시예에서, 양호하게는 10 마이크로미터, 12 마이크로미터, 또는 15 마이크로미터, 더욱 양호하게는 12 내지 15 마이크로미터의 범위 내, 다른 태양에서 전형적으로 20 마이크로미터 미만)의 두께를 갖는다.
내부에 삽입물이 위치된 예시적인 홀더가 도19 및 도19a에 도시되어 있다. 도19를 참조하면, 물품(10)은 본 발명에 따른 삽입물(193A, 193B, 193C)을 고정시키기 위한 홀더(191) 부분(192A, 192B, 192C, 192D)을 포함한다. 도19a를 참조하면, 홀더(191)는 알루미늄 및/또는 그의 합금(194), 외측 표면(195), 적어도 200℃ 위에서 양의 깁스 산화 자유 에너지를 갖는 금속(197), 선택적인 추가의 금속(예를 들어, 니켈)(196), 및 선택적인 금속(196)의 외측 표면(198)을 포함한다.
예시적인 삽입물 홀더에 대한 추가의 세부 사항에 대해서는 2002년 8월 20일자로 출원되어 공동 계류 중인 미국 특허 출원 제60/404,729호를 참조하면 된다.
다시, 놀랍게도, 본 발명에 따른 제1 또는 제2 금속 매트릭스 복합재 물품(삽입물)의 실시예는 금속 매트릭스 복합재 물품을 제조하는데 사용될 수 있고, 주형 내의 용융된 금속은 75초(몇몇 실시예에서, 양호하게는 60초) 미만 동안 용융된 상태로 있다. 주형 내의 용융된 금속을 용융된 상태로 유지하기 위한 더 긴 시간이 유용할 수도 있지만, 더 짧은 시간 (즉, 75초 미만)이 유용하고, 이론에 의해 제한되지 않기를 바라지만, 더 긴 시간은 삽입물의 변형으로 이어질 수 있다고 믿어진다. 몇몇 실시예에서, 양호하게는 삽입물은 본 발명에 따른 제3 금속 매트릭스 복합재 물품의 주조 중에 현저하게 변형되지 않는다 (즉, 삽입물은 주조 이전에 제1 외측 치수 구성(즉, 크기 및 형상), 및 주조 이후에 제2 외측 치수 형상을 갖고, 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 가능하게는 삽입물의 금속) 내로 확산되는 경향이 있다고 이해된다).
삽입물과 삽입물 둘레에 주조된 금속 사이의 계면에서의 원하는 산화량보다 더 높은 양을 갖는 금속 매트릭스 복합재 물품에 대해, 물품은 원치 않는 산화를 감소시키거나 제거하기 위해 고온 등압 압축 성형(HIP)을 사용하여 더욱 처리될 수 잇다. 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.
본 발명에 따른 금속 매트릭스 복합재 물품은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유의 하나 이상의 그룹(예를 들어, 둘 또는 세 개의 그룹 등)을 포함할 수 있고, 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유의 그룹은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유를 사이에서 제 위치에 고정시키는 금속에 의해 다른 그룹으로부터 이격된다. 예를 들어, 도9를 참조하면, (몇몇 실시예에서 본 발명에 따른 예시적인 제2의 금속 매트릭스 복합재 물품인) 본 발명에 따른 제1 금속 매트릭스 복합재 물품(삽입물)(90)은 (도시된 바와 같이 종방향으로 정렬된) 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유(92)의 그룹(93A, 93B, 93C), 알루미늄 또는 그의 합금(94), 외측 표면(95), 적어도 200℃ 위에서 양의 깁스 산화 자유 에너지를 갖는 금속(96), 및 선택적인 추가의 금속(예를 들어, 니켈)(98) 및 선택적인 금속(98)의 외측 표면(97)을 포함한다.
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, 어느 것이 테스트되는지에 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 단면적은 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 적절한 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 근방에서 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 (제1 및 제2 금속 매트릭스 복합재 물품을 포함한) 금속 매트릭스 복합재 물품은 (원형, 사각형, 또는 정사각형 단면을 갖는 로드를 포함한) 로드, I-비임, L-형강, 또는 튜브를 포함한 다양한 형상 중 하나일 수 있다. 본 발명에 따른 (제1 및 제2 금속 매트릭스 복합재 물품을 포함한) 금속 매트릭스 복합재 물품은 신장될 수 있으며 대체로 일정한 단면적을 가질 수 있다.
본 발명에 따른 제1 및/또는 제2 금속 매트릭스 복합재 물품의 몇몇 실시예에 대한 한 가지 양호한 용도는 알루미늄 또는 그의 합금의 매트릭스 복합재 물품 내의 강화이다. 그러한 금속 매트릭스 복합재 물품의 일례가 도4a, 도4b, 도4c 및 도4d에 도시되어 있다. 자동차(예를 들어, 승용차, 레저용 차량, 밴, 또는 트럭)용 브레이크 캘리퍼(40)는 알루미늄 또는 그의 합금(42)과, (도시된 바와 같이 종방향으로 정렬된) 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유(48)를 포함한 본 발명에 따른 금속 매트릭스 복합재 물품(삽입물)(30; 도3 참조)을 포함한다. 도4c 및 도4d는 각각 선 FF 및 GG를 따른 도4a 및 도4b의 단면도이다. 도4c 및 도4d에서, 브레이크 캘리퍼(40)는 알루미늄 또는 그의 합금(42)과, 본 발명에 따른 금속 매트릭스 복합재 물품(삽입물)(30)을 포함한다.
본 발명에 따른 제1 및/또는 금속 매트릭스 복합재 물품(삽입물)을 포함하는 브레이크 캘리퍼 및 자동차(예를 들어, 브레이크 캘리퍼를 이용하는 승용차, 레저용 차량, 밴 또는 트럭)용 브레이크 시스템이 도10a 및 도10b에 도시되어 있다. 자동차용 디스크 브레이크의 일례는 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 브레이크 캘리퍼를 포함한다.
다시 도10a 및 도10b를 참조하면, 디스크 브레이크 조립체(100)는 본체 부재(102), 아암 부재(104), 및 일 단부에서 본체 부재(102)에 그리고 타 단부에서 아암 부재(104)에 연결된 브리지(106)로 형성된 브레이크 캘리퍼 하우징(101)을 포함한다. 본체 부재(102)는 내측 브레이크 패드(107)가 가압되는 피스톤(105)을 활주식으로 수납하는 대체로 원형의 리세스(103)를 내부에 갖는다. 아암 부재(104)의 내측면(195)은 내측 브레이크 패드(107)와 대면하는 외측 브레이크 패드(109)를 지지한다. 차량의 (도시되지 않은) 휠에 연결된 브레이크 로터(196)는 각각 내측 및 외측 브레이크 패드(107, 109)들 사이에 놓인다. 삽입물(200)은 알루미늄 또는 그의 합금(204)을 포함한다. 매트릭스 복합재 삽입물(200)과 알루미늄 또는 그의 합금(208) 사이의 계면(209)에서, 적어도 200℃ 위에서 양의 깁스 산화 자유 에너지를 갖는 금속(선택적인 추가의 금속(예를 들어, 니켈))의 평균량이 알루미늄 또는 알루미늄 합금(208) 내에서보다 계면(209) 내에서 더 높다.
피스톤(105)의 수압식 또는 다른 작동은 내측 브레이크 패드(107)가 로터(196)의 일 측면에 대해 압박되게 하고, 반작용력에 의해 캘리퍼 하우징(101)이 부유하게 하고, 이에 의해 기술 분야에 공지된 바와 같이 외측 브레이크 패드(109)를 로터(196)의 타 측면과 결합하도록 브리징한다.
본 발명에 따른 다른 예시적인 브레이크 캘리퍼는 도11에 도시되어 있으며, 브레이크 캘리퍼(110)는 알루미늄 및/또는 그의 합금(111)과 삽입물(10)을 포함한다.
본 발명에 따른 제1 금속 매트릭스 복합재 물품을 포함하는 본 발명에 따른 금속 매트릭스 복합재 브레이크 캘리퍼를 사용하기 위한 디스크 브레이크의 예는 고정식, 부유식, 및 활주식 타입을 포함한다. 또한, 브레이크 캘리퍼 및 브레이크 시스템에 관한 세부 사항은 예를 들어 미국 특허 제4,705,093호(오기노) 및 제5,234,080호(팬테일)에서 찾을 수 있다.
본 발명에 따른 제1 및/또는 제2 금속 매트릭스 복합재 물품으로부터 제조될 수 있는 본 발명에 따른 금속 매트릭스 복합재 물품의 다른 예는 자동차 부품(예를 들어, 자동차 제어 아암 및 자동차 피스톤 핀)과, (선조된 강철 라이너용 총열 지지체와 같은) 총기 부품을 포함한다.
몇몇 실시예에서, 본 발명에 따른 금속 매트릭스 복합재 물품(즉, 본 발명에 따른 제1 및/또는 제2 금속 매트릭스 복합재 물품, 및 본 발명에 따른 제1 및/또는 제2 금속 매트릭스 복합재 물품으로부터 제조된 본 발명에 따른 제3 금속 매트릭스 복합재 물품)은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유를 포함한 영역 내에서, 영역의 총 체적에 기초하여, 약 70 내지 약 30 체적%(몇몇 실시예에서, 양호하게는 약 60 내지 약 35%, 또는 약 45 내지 약 35%) 범위 내의 금속과, 약 30 내지 약 70 체적%(몇몇 실시예에서, 양호하게는 약 40 내지 약 65%, 또는 약 55 내지 약 65%) 범위 내의 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유를 포함한다. 몇몇 실시예에서, 양호하게는 본 발명에 따른 금속 매트릭스 복합재 물품 (즉, 본 발명에 따른 제1 및/또는 제2 금속 매트릭스 복합재 물품, 및 본 발명에 따른 제1 및/또는 제2 금속 매트릭스 복합재 물품으로부터 제조된 본 발명에 따른 제3 금속 매트릭스 복합재 물품)은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유를 포함한 영역 내에서, 영역의 총 체적에 기초하여, 적어도 50 체적%의 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유를 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 80 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.
본 발명은 다음의 예에 의해 더욱 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.
예
예1
본 발명에 따른 두 개의 알루미늄 매트릭스 복합재 삽입물이 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 또한 조립체가 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.
세 개의 판이 그 다음 다음과 같이 표면 처리/코팅되었다. 모든 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.에 의해) 코팅되었고, 그 후에 약 12 마이크로미터의 은을 전해 도금했다.
예1의 삽입물의 연마된 단면의 550X의 광학 현미경 사진이 도12에 도시되어 있다. 삽입물(120)은 알루미늄-2% 구리 매트릭스(124), 알루미나("NEXTEL 610, 약 11 마이크로미터 직경) 섬유(122), 니켈 코팅(128), 및 은 코팅(126)을 포함한다.
각각의 도금된 삽입물은 약 750℃의 온도로 15분 동안 공기 중에서 예비 가열되었다. 가열된 삽입물은 그 다음 강철 다이 공동 내에 위치되었다. 도13을 참조하면, 다이(130)는 삽입물을 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 부품(136; 7.3 cm x 7.3 cm x 12.7 cm(2.9 인치 x 2.9 인치 x 5.0 인치))을 포함했다. 상부 부품(136)은 2.54 cm(1 인치)의 직경 및 10.2 cm(4 인치) 깊이를 갖는 공동(138)을 포함한다. 상부 부품(136)은 뉴욕주 암허스트 소재의 더 카보런덤 코프.(The Carborundum Corp.)로부터 "COMBAT BORON NITRIDE AEROSOL SPRAY CC-18"이라는 상표로 구입한) 질화붕소 이형제로 코팅되어 약 300℃로 예비 가열되었다. 4초 내에, 약 735℃ 온도의 (퀘벡주 몬트리올 소재의 알칸 인크.(Alcan Inc.)로부터 "A356"이라는 상표로 구입한) 용융된 알루미늄 합금이 그 다음 삽입물 둘레에서 강철 다이 공동 내로 부어져서 고화되었다. 온도가 약 500℃로 냉각되었을 때, 삽입물 및 주조 조립체가 공동으로부터 제거되었다.
두 개의 생성된 알루미늄 매트릭스 복합재, 예1a 및 예1b는 1.16 cm(0.46 인치) x 2.5 cm(1 인치) 직경의 테스트 샘플로 분할되었다. 분할물은 삽입물의 종방향 축에 대해 직교하게 절단되었다.
압축 전단 테스트가 삽입물과 삽입물 둘레에 주조된 알루미늄 사이의 "결합 강도"를 평가하기 위해 수행되었다. 압축 전단 테스트 장비의 개략도가 도14에 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 삽입물(144)의 테스트 샘플(142)과의 접촉 지점에서 2.36 mm x 9.37 mm(0.0930 인치 x 0.3690 인치)의 단면을 가졌다. 밀어내기 공구(141)는 10.34 MPa(평방 인치당 1500 파운드)의 수압으로 수압식 처크의 상부 조오(145) 내에 클램핑되었다. 지지 블록(143)은 2.54 cm(1.0 인치) 직경 및 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)이 지지 블록(143)의 상부 상에 위치되어 관통 구멍 위에서 삽입물의 중심 설정을 위한 카운터보어 내에 포개졌다. 수압식 처크 지지부(146)의 바닥(148)은 상부 밀어내기 공구(141)와 밀어내져야 하는 삽입물(즉, 테스트되어야 하는 샘플(144)) 사이의 갭이 0,025 cm(0.01 인치)가 될 때까지 상승되었다. 테스트 시편 내의 노출된 삽입물은 그 다음 지지 블록(143)을 수평 및 회전식으로 수동으로 활주시킴으로써 밀어내기 공구(141)의 정합 팁과 함께 두 요소의 단면이 정합될 때까지 시각적으로 위치되었다.
테스트는 그 다음 하부 수압식 지지 처크를 분당 0.05 cm(0.020 인치)의 속도로 고정된 밀어내기 공구(141)를 향해 상향으로 이동시키며 동시에 하중 및 변형을 감시함으로써 수행되었다. 삽입물은 이에 의해 고정된 밀어내기 공구면과 접촉하여 둘 사이의 접촉력이 변위의 함수로서 기록되었다. 테스트는 피크력이 도달되고 약 0.05 cm(0.020 인치)의 총 변위가 얻어진 직후에 중단되었다.
테스트의 완료 후에, 시편은 테스트 삽입물 및 밀어내기 팁이 그들의 단면이 중첩되도록 적절하게 정렬되었는지를 확인하기 위해 광학 현미경에 의해 100X 배율로 조사되었다.
평균 전단 응력은 다음의 공식을 사용하여 계산되었다.
하중은 삽입물 변위의 함수로서 플로팅되었다. 밀어내기 곡선이 불연속부를 갖는 하중이 아래의 표에서 예1a에 대해 13046 N(2933 파운드) 및 예1b에 대해 6112 N(1374 파운드)으로서 기록되었고, 삽입물과 삽입물 둘레에 주조된 알루미늄 사이의 계면에서의 초기 슬립이 있는 곳에서의 하중이다.
예 제1 슬립에서의 하중, N(lbs.) 평균 전단 응력, MPa 피크 결합 강도, MPa
1a1b 13046(2933)6112(1374) 46.321.7 138.965.1
2a2b 13976(3142)12708(2857) 49.645.1 148.8135.3
3a3b 15270(3433)15808(3554) 54.256.1 162.6168.3
41a4b 17610(3959)12134(2728) 62.443.0 187.2129.0
5a5b 2442(549)2615(588) 8.69.3 25.827.9
6a6b 3469(780)4141(931) 12.314.7 36.944.1
7a7b 3865(869)5258(1182) 13.718.6 41.155.8
8a8b 3002(675)3532(794) 10.712.5 32.137.5
9a9b 2068(465)3256(732) 7.311.5 21.934.5
10a10b 5182(1165)3256(732) 18.411.5 55.234.5
11a11b 2927(658)3367(757) 10.311.9 30.935.7
12a12b 15065(3387)10173(2287) 53.436.1 160.2108.3
예 제1 슬립에서의 하중, N(lbs.) 평균 전단 응력, MPa 피크 결합 강도, MPa
비교예A1비교예A2 2411(542)1948(438) 8.66.9 25.820.7
비교예B1비교예B2비교예B3 2295(516)1535(345)2113(475) 8.15.47.5 24.316.222.5
비교예C1비교예C2 2740(616)970(218) 9.73.4 29.110.2
비교예D1비교예D2 2113(475)1130(254) 7.54.0 22.512.0
비교예E 1245(280) 4.4 13.2
비교예F1비교예F2비교예F3 2126(478)1535(345)1281(288) 7.55.44.5 22.516.213.5
비교예G1비교예G2 2480(535)1539(346) 8.55.5 25.516.5
비교예H1비교예H2 2126(478)3176(714) 7.511.3 22.533.9
비교예I 2798(629) 9.9 29.7
비교예J1비교예J2 3171(713)2104(473) 11.27.5 33.622.5
비교예K 1859(418) 6.6 19.8
비교예L1비교예L2비교예L3 2531(569)1806(406)1779(400) 9.06.46.3 27.019.218.9
비교예M1비교예M2 3140(706)2971(668) 11.110.5 33.331.5
비교예N1비교예N2 13638(3066)7633(1716) 48.427.1 145.281.3
비교예O 2139(481) 7.6 22.8
"피크 결합 강도" 또한 위의 표에 보고되어 있다. 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 삽입물을 모델링하는데 사용되었고 측정된 평균 전단 응력에 대한 피크 결합 강도의 비율이 대략 3.0이라고 보여준다.
FEA 계산은 다음과 같이 행해졌다. 테스트 시편의 기하학적 형상의 유한 요소 모델이 생성되었다. 삽입물은 메시 크기가 모든 치수에서 0.02 cm인 삽입물의 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 형성되었다. 알루미늄은 삽입물 근방에서 0.05 cm(0.02 인치) 그리고 모델링된 테스트 시편 내의 다른 곳에서 0.10 cm(0.04 인치)의 크기를 갖는 입방체로 메시가 형성되었다. FEA 소프트웨어는 (2900 파운드의 밀어내기 테스트 하중에 대응하는) 533.3 MPa의 인가 압력에 대해 삽입물의 표면을 따른 지점에서 전단 응력을 계산했다. 계산은 삽입물의 표면의 모든 지점을 가로지른 피크 전단 응력이 140 MPa였고 삽입물 표면을 가로지른 평균 전단 응력은 45.8 MPa였다고 결정했다. 따라서, 피크 결합 강도 대 평균 전단 응력의 비율은 3 대 1이었다.
초기 슬립에서의 하중 및 대응하는 평균 전단 응력 및 피크 결합 강도 또한 위의 표에 보고되어 있다 (평균값은 각각의 예에 대한 샘플의 기술된 번호에 대한 평균이다).
예2
두 개의 예2(즉, 예2a 및 예2b)의 알루미늄 매트릭스 복합재는 (노톤 컴퍼니로부터 "DIAMOND WHEEL, AS400"이라는 상표로 구입한) 400 그릿 연삭기 휠이 코팅 이전에 삽입물을 융삭하는데 사용되었고 삽입물 및 다이가 각각 550℃ 및 250℃로 예비 가열된 점을 제외하고는, 예1에 대해 설명된 바와 같이 준비되고 테스트되었다.
예2a 및 예2b에 대한 제1 슬립에서의 하중, 평균 전단 응력, 및 피크 결합 강도가 위의 표에 보고되어 있다.
예3
두 개의 예3(즉, 예3a 및 예3b)의 알루미늄 매트릭스 복합재는 코팅 이전에 샘플이 (미네소타주 메이플 그로브 소재의 어브레시브 시스템즈, 인크.(Abrasive Systems, Inc.)로부터 구입한) 50 마이크로미터 직경의 유리 비드로 샌드 블라스팅함으로써 융삭되었고 도금된 삽입물 및 다이가 각각 550℃ 및 250℃로 예비 가열되었고 용융된 알루미늄 합금이 760℃로 가열된 점을 제외하고는, 예1에 대해 설명된 바와 같이 준비되고 테스트되었다.
하중 하의 삽입물 변위의 함수로서의 예3의 압축 전단 강도의 플롯이 도15에 도시되어 있다. 밀어내기 곡선이 불연속부를 갖는 하중이 도면 부호 151에 의해 도시되어 있다. 이러한 불연속부는 삽입물과 삽입물 둘레에 주조된 알루미늄 사이의 계면에서 초기 슬립이 있는 곳이다. 예3a 및 예3b에 대한 초기 슬립에서의 하중, 평균 전단 응력, 및 피크 결합 강도가 위의 표에 보고되어 있다.
하나의 예3의 샘플이 (오하이오주 클리브랜드 소재의 스트루어즈, 인크.(Struers, Inc.)로부터 "ABRAMIN"이라는 상표로 구입한) 반자동 금속 연삭/연마 장비로 연마되었다. 연마 속도는 150 rpm이었다. 연마는 다음의 연속된 6단계로 행해졌다. 연마력은 단계6에서 250 N인 것을 제외하고는 150 N이었다.
- 단계1
샘플은 (일리노이주 노쓰브룩 소재의 페이스 테크놀로지스(Pace Technologies)로부터 구입한) 120 그릿 실리콘 카바이드 종이를 사용하여 45초 동안 연마되었고, 동시에 연마 중에 융삭 패드 상으로 자동으로 물을 적하하였다. 연마 후에, 샘플은 물로 완전히 헹궈졌다.
- 단계2
샘플은 (페이스 테크놀로지스로부터 구입한) 220 그릿 실리콘 카바이드 종이를 사용하여 45초 동안 연마되었고, 동시에 연마 중에 융삭 패드 상으로 자동으로 물을 적하하였다. 연마 후에, 샘플은 물로 완전히 헹궈졌다.
- 단계3
샘플은 (페이스 테크놀로지스로부터 구입한) 600 그릿 실리콘 카바이드 종이를 사용하여 45초 동안 연마되었고, 동시에 연마 중에 융삭 패드 상으로 자동으로 물을 적하하였다. 연마 후에, 샘플은 물로 완전히 헹궈졌다.
- 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 연마되었고, (스트루어즈로부터 "DP-SPRAY, P-6 ㎛"라는　상표로 구입한) 6 마이크로미터 다이아몬드 그릿에 의해 1초 동안 분사되었다. 연마 후에, 샘플은 물로 완전히 헹궈졌다.
- 단계5
샘플은 (스트루어즈로부터 "PURON, DP-LUBRICANT"라는 상표로 구입한) 윤활제의 주기적인 액적으로 약간 습윤된 연마 패드("DP-MOL")를 사용하여 4.5초 동안 연마되었고, (스트루어즈로부터 "DP-SPRAY, P-3 ㎛"라는 상표로 구입한) 3 마이크로미터 다이아몬드 그릿에 의해 1초 동안 분사되었다. 연마 후에, 샘플은 물로 완전히 헹궈졌다.
- 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 연마되었다. 샘플은 연마의 최종 5초 동안 물로 세척되었다. 연마 후에, 샘플은 건조되었다.
예3의 연마된 단면(도16 참조)의 조사는 삽입물 매트릭스(166)와 주조 합금(163) 사이의 계면(162)에서 갑작스런 경계를 보이지 않았고, 니켈 또는 은 내의 높은 분리층을 보이지 않았고, 두 알루미늄 합금(즉, 삽입물(166)의 알루미늄 합금 및 삽입물을 포함한 알루미늄 매트릭스 복합재의 알루미늄 합금(163))의 몇몇 섬유 직경의 깊이까지의 제한된 정도의 혼합을 보였다.
예4
두 개의 예4(즉, 예4a 및 예4b)의 알루미늄 매트릭스 복합재는 다이가 250℃로 예비 가열되었고 삽입물이 550℃로 예비 가열되었고 용융된 알루미늄 합금이 760℃로 가열된 점을 제외하고는, 예1에 대해 설명된 바와 같이 준비되고 테스트되었다.
예4a 및 예4b에 대한 제1 슬립에서의 하중, 평균 전단 응력, 및 피크 결합 강도가 위의 표에 보고되어 있다.
예5
두 개의 예5(즉, 예5a 및 예5b)의 알루미늄 매트릭스 복합재는 400 그릿 연삭기 휠("DIAMOND WHEEL, ASD400")이 코팅 이전에 삽입물을 융삭하는데 사용되었고 다이가 250℃로 예비 가열되었고 용융된 알루미늄 합금이 760℃로 가열된 점을 제외하고는, 예1에 대해 설명된 바와 같이 준비되고 테스트되었다.
예5에 대한 제1 슬립에서의 하중, 평균 전단 응력, 및 피크 결합 강도가 위의 표에 보고되어 있다.
예6
두 개의 예6(즉, 예6a 및 예6b)의 알루미늄 매트릭스 복합재는 삽입물이 예3에서와 같이 코팅 이전에 샌드 블라스팅됨으로써 융삭되었고 다이가 250℃로 예비 가열되었고 용융된 알루미늄 합금이 760℃로 가열된 점을 제외하고는, 예1에 대해 설명된 바와 같이 준비되고 테스트되었다.
예6a 및 예6b에 대한 제1 슬립에서의 하중, 평균 전단 응력, 및 피크 결합 강도가 위의 표에 보고되어 있다.
예7
두 개의 예7(즉, 예7a 및 예7b)의 알루미늄 매트릭스 복합재는 다이가 250℃로 예비 가열되었고 용융된 알루미늄 합금이 760℃로 가열된 점을 제외하고는, 예1에 대해 설명된 바와 같이 준비되고 테스트되었다.
하중 하에서의 삽입물 변위의 함수로서의 예7의 압축 전단 강도의 플롯이 두 개의 테스트된 샘플 중 하나에 대해 도15에 도시되어 있다. 밀어내기 곡선이 불연속부를 갖는 하중이 도면 부호 153에 의해 도시되어 있고, 이는 두 개의 샘플에 대한 평균이다. 이러한 불연속부는 삽입물과 삽입물 둘레에 주조된 알루미늄 사이의 계면에서 초기 슬립이 있는 곳이다. 예7a 및 예7b에 대한 제1 슬립에서의 하중, 평균 전단 응력, 및 피크 결합 강도가 위의 표에 보고되어 있다.
예8
두 개의 예8(즉, 예8a 및 예8b)의 알루미늄 매트릭스 복합재는 삽입물이 예3에서와 같이 코팅 이전에 샌드 블라스팅에 의해 융삭되었고 다이가 550℃로 예비 가열되었고 용융된 알루미늄 합금이 760℃로 가열된 점을 제외하고는, 예1에 대해 설명된 바와 같이 준비되고 테스트되었다.
예8a 및 예8b에 대한 제1 슬립에서의 하중, 평균 전단 응력, 피크 결합 강도가 위의 표에 보고되어 있다.
예 9
두 개의 예9(즉, 예9a 및 예9b)의 알루미늄 매트릭스 복합재는 400 그릿 연삭 휠("DIAMOND WHEEL, ASD400")이 코팅 이전에 삽입물을 융삭하는데 사용되었고 다이가 500℃로 예비 가열되었고 용융된 알루미늄 합금이 760℃로 가열된 점을 제외하고는, 예1에 대해 설명된 바와 같이 준비되고 테스트되었다.
예9a 및 예9b에 대한 제1 슬립에서의 하중, 평균 전단 응력, 및 피크 결합 강도가 위의 표에 보고되어 있다.
예10
두 개의 예10(즉, 예10a 및 예10b)의 알루미늄 매트릭스 복합재는 다이가 500℃로 예비 가열되었고 용융된 알루미늄 합금이 760℃로 가열된 점을 제외하고는, 예1에 대해 설명된 바와 같이 준비되고 테스트되었다.
예10의 알루미늄 매트릭스 복합재는 1.16 cm(0.46 인치) x 2.5 cm(1 인치) 직경의 테스트 샘플로 분할되었다. 조각들 중 하나의 단면이 도18에 도시되어 있고, 알루미늄 매트릭스 복합재 물품(180)은 알루미늄(181) 및 삽입물(182)을 포함했고, 이는 결국 알루미늄-2% 구리 합금 및 알파 알루미나("NEXTEL 610") 섬유를 포함했다.
예10a 및 예10b에 대한 제1 슬립에서의 하중, 평균 전단 응력, 및 피크 결합 강도가 위의 표에 보고되어 있다.
예11
두 개의 예11(즉, 예11a 및 예11b)의 알루미늄 매트릭스 복합재는 코팅 이전에 삽입물의 길이에 대해 평행한 홈이 다이아몬드 연삭에 의해 표면 내로 절삭되었고 다이가 500℃로 예비 가열되었고 용융된 알루미늄이 760℃로 가열된 점을 제외하고는, 예1에 대해 설명된 바와 같이 준비되고 테스트되었다. 홈은 대략 0.62 mm의 피치를 갖는 0.17 mm 깊이 x 0.3 mm 폭이었다.
예11a 및 예11b에 대한 제1 슬립에서의 하중, 평균 전단 응력, 및 피크 결합 강도가 위의 표에 보고되어 있다.
예12
두 개의 예12(즉, 예12a 및 예12b)의 알루미늄 매트릭스 복합재는 코팅 이전에 삽입물의 길이에 대해 평행한 홈이 다이아몬드 연삭에 의해 표면 내로 절삭되었고 다이가 500℃로 예비 가열되었고 용융된 알루미늄 합금이 760℃로 가열된 점을 제외하고는, 예1에 대해 설명된 바와 같이 준비되고 테스트되었다. 홈은 대략 0.62 mm의 피치를 갖는 0.17 mm 깊이 x 0.3 mm 폭이었다.
예12a 및 예12b에 대한 제1 슬립에서의 하중, 평균 전단 응력, 및 피크 결합 강도가 위의 표에 보고되어 있다.
비교예A
두 개의 비교예A(즉, 비교예A1 및 A2)의 알루미늄 매트릭스 복합재는 삽입물이 코팅되지 않았고 다이가 500℃로 예비 가열된 점을 제외하고는, 예1에 대해 설명된 바와 같이 준비되고 테스트되었다.
비교예A1 및 A2에 대한 제1 슬립에서의 하중, 평균 전단 응력, 및 피크 결합 강도가 위의 표에 보고되어 있다.
비교예B
세 개의 비교예B(즉, 비교예B1, B2 및 B3)의 알루미늄 매트릭스 복합재는 삽입물이 코팅되지 않았고 다이가 400℃로 예비 가열된 점을 제외하고는, 예1에 대해 설명된 바와 같이 준비되고 테스트되었다.
비교예B1, B2 및 B3에 대한 제1 슬립에서의 하중, 평균 전단 응력, 및 피크 결합 강도가 위의 표에 보고되어 있다.
비교예C
두 개의 비교예C(즉, 비교예C1 및 C2)의 알루미늄 매트릭스 복합재는 삽입물이 코팅되지 않았고 삽입물 표면이 400 그릿 연삭 휠("DIAMOND WHEEL, ASD400")으로 융삭되었고 삽입물이 193℃로 예비 가열된 점을 제외하고는, 예1에 대해 설명된 바와 같이 준비되고 테스트되었다.
비교예C1 및 C2에 대한 제1 슬립에서의 평균 하중, 평균 전단 응력, 및 피크 결합 강도가 위의 표에 보고되어 있다.
비교예D
두 개의 비교예D(즉, 비교예D1 및 D2)의 알루미늄 매트릭스 복합재는 삽입물이 코팅되지 않았고 삽입물이 193℃로 예비 가열된 점을 제외하고는, 예1에 대해 설명된 바와 같이 준비되고 테스트되었다.
비교예D1 및 D2에 대한 제1 슬립에서의 하중, 평균 전단 응력, 및 피크 결합 강도가 위의 표에 보고되어 있다.
비교예E
비교예E의 알루미늄 매트릭스 복합재는 삽입물이 코팅되지 않은 점을 제외하고는, 예1에 대해 설명된 바와 같이 준비되고 테스트되었다.
비교예E1 및 E2에 대한 제1 슬립에서의 하중, 평균 전단 응력, 및 피크 결합 강도가 위의 표에 보고되어 있다.
비교예F
세 개의 비교예F(즉, 비교예F1, F2 및 F3)의 알루미늄 매트릭스 복합재는 삽입물이 코팅되지 않았고 400 그릿 연삭 휠("DIAMOND WHEEL, ASD400")이 삽입물을 융삭하는데 사용된 점을 제외하고는, 예1에 대해 설명된 바와 같이 준비되고 테스트되었다.
비교예F1, F2 및 F3에 대한 제1 슬립에서의 하중, 평균 전단 응력, 및 피크 결합 강도가 위의 표에 보고되어 있다.
비교예G
세 개의 비교예G(즉, 비교예G1, G2 및 G3)의 알루미늄 매트릭스 복합재는 삽입물이 코팅되지 않았고 삽입물의 표면이 예3에서와 같이 샌드 블라스팅된 점을 제외하고는, 예1에 대해 설명된 바와 같이 준비되고 테스트되었다.
비교예G1, G2 및 G3에 대한 제1 슬립에서의 하중, 평균 전단 응력, 및 피크 결합 강도가 위의 표에 보고되어 있다.
비교예H
두 개의 비교예H(즉, 비교예H1 및 H2)의 알루미늄 매트릭스 복합재는 삽입물이 코팅되지 않았고 삽입물의 표면이 예3에서와 같이 샌드 블라스팅되었고 다이가 400℃로 예비 가열된 점을 제외하고는, 예1에 대해 설명된 바와 같이 준비되고 테스트되었다.
하나의 비교예H 샘플은 위의 예3에서 설명된 바와 같이 연마되었다. 비교예H의 연마된 단면(도17 참조)의 조사는 삽입물 매트릭스(186)와 주조 합금(183) 사이의 계면에서 산화물 층으로 믿어지는 갑작스런 경계를 보이지 않았다.
비교예H1 및 H2에 대한 제1 슬립에서의 하중, 평균 전단 응력, 및 피크 결합 강도가 위의 표에 보고되어 있다.
비교예I
비교예I의 알루미늄 매트릭스 복합재는 삽입물이 약 12 마이크로미터의 니켈로 코팅되었고 삽입물이 예비 가열되지 않은 점을 제외하고는, 예1에 대해 설명된 바와 같이 준비되고 테스트되었다.
비교예I에 대한 제1 슬립에서의 하중, 평균 전단 응력, 및 피크 결합 강도가 위의 표에 보고되어 있다.
비교예J
두 개의 비교예J(즉, 비교예J1 및 J2)의 알루미늄 매트릭스 복합재는 삽입물이 비교예I에서와 같이 니켈로 코팅되었고 다이가 400℃로 예비 가열된 점을 제외하고는, 예1에 대해 설명된 바와 같이 준비되고 테스트되었다.
비교예J에 대한 제1 슬립에서의 하중, 평균 전단 응력, 및 피크 결합 강도가 위의 표에 보고되어 있다.
비교예K
비교예K의 알루미늄 매트릭스 복합재는 삽입물이 약 12 마이크로미터의 구리로 코팅되었고 삽입물이 예비 가열되지 않은 점을 제외하고는, 예1에 대해 설명된 바와 같이 준비되고 테스트되었다.
비교예K에 대한 제1 슬립에서의 하중, 평균 전단 응력, 및 피크 결합 강도가 위의 표에 보고되어 있다.
비교예L
세 개의 비교예L(즉, 비교예L1, L2 및 L3)의 알루미늄 매트릭스 복합재는 삽입물이 비교예K에서와 같이 코팅되었고 다이가 400℃로 예비 가열된 점을 제외하고는, 예1에 대해 설명된 바와 같이 준비되고 테스트되었다.
비교예L에 대한 제1 슬립에서의 하중, 평균 전단 응력, 및 피크 결합 강도가 위의 표에 보고되어 있다.
비교예M
두 개의 비교예M(즉, 비교예M1 및 M2)의 알루미늄 매트릭스 복합재는 삽입물이 예12에서와 같이 그 안으로 절삭된 홈을 가졌고 삽입물이 코팅되지 않았고 다이가 500℃로 예비 가열되었고 용융된 알루미늄 합금의 온도가 760℃였다는 점을 제외하고는, 예1에 대해 설명된 바와 같이 준비되고 테스트되었다.
비교예M1 및 M2에 대한 제1 슬립에서의 하중, 평균 전단 응력, 및 피크 결합 강도가 위의 표에 보고되어 있다.
비교예N
두 개의 비교예N(즉, 비교예N1 및 N2)의 알루미늄 매트릭스 복합재는 삽입물이 예13에서와 같이 그 안으로 절삭된 홈을 가졌고 삽입물이 코팅되지 않았고 다이가 500℃로 예비 가열되었고 용융된 알루미늄 합금의 온도가 760℃였다는 점을 제외하고는, 예1에 대해 설명된 바와 같이 준비되고 테스트되었다.
비교예N1 및 N2에 대한 제1 슬립에서의 하중, 평균 전단 응력, 및 피크 결합 강도가 위의 표에 보고되어 있다.
비교예O
비교예O의 알루미늄 매트릭스 복합재는 삽입물이 약 12 마이크로미터의 주석으로 코팅되었고 다이가 500℃로 예비 가열되었고 삽입물이 291℃로 예비 가열된 점을 제외하고는, 예1에 대해 설명된 바와 같이 준비되고 테스트되었다.
비교예O에 대한 제1 슬립에서의 하중, 평균 전단 응력, 및 피크 결합 강도가 위의 표에 보고되어 있다.
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 (123)

  1. 금속 매트릭스 복합재 물품이며,
    대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유와, 알루미늄, 그의 합금 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 제1 금속을 포함하고,
    제1 금속은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유를 제 위치에 고정시키고, 제1 금속은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유의 길이의 적어도 일부를 따라 연장되고, 제1 금속을 외측 표면을 갖고,
    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 갖는 금속 매트릭스 복합재 물품.
  2. 제1항에 있어서, 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유는 종방향으로 정렬된 금속 매트릭스 복합재 물품.
  3. 제1항에 있어서, 제2 금속과 제1 금속의 외측 표면 사이에 제3 금속을 더 포함하는 금속 매트릭스 복합재 물품.
  4. 제1항에 있어서, 제2 금속은 적어도 10 마이크로미터의 두께를 갖는 금속 매트릭스 복합재 물품.
  5. 제1항에 있어서, 제2 금속은 약 10 내지 약 15 마이크로미터 범위 내의 두께를 갖는 금속 매트릭스 복합재 물품.
  6. 제1항에 있어서, 제2 금속은 금 또는 은 중 적어도 하나인 금속 매트릭스 복합재 물품.
  7. 제1항에 있어서, 제1 금속은 알루미늄 합금인 금속 매트릭스 복합재 물품.
  8. 제7항에 있어서, 알루미늄 합금은 200 시리즈 알루미늄 합금인 금속 매트릭스 복합재 물품.
  9. 제8항에 있어서, 알루미늄 합금은 A201.1 알루미늄 합금, 201.2 알루미늄 합금, A206.0 알루미늄 합금, 및 224.2 알루미늄 합금으로 구성된 그룹으로부터 선택된 200 시리즈 알루미늄 합금인 금속 매트릭스 복합재 물품.
  10. 제8항에 있어서, 알루미늄 합금은 알루미늄 합금의 총 중량에 기초하여, 적어도 1.5 중량%의 구리를 함유하는 금속 매트릭스 복합재 물품.
  11. 제10항에 있어서, 알루미늄 합금은 알루미늄 합금의 총 중량에 기초하여, 0.25 중량% 미만의 불순물을 함유하는 금속 매트릭스 복합재 물품.
  12. 제11항에 있어서, 알루미늄 합금은 알루미늄 합금의 총 중량에 기초하여, 적어도 1.5 중량%의 구리를 함유하는 금속 매트릭스 복합재 물품.
  13. 제11항에 있어서, 알루미늄 합금은 알루미늄 합금의 총 중량에 기초하여, 1.5 내지 2.5 중량% 범위 내의 구리를 함유하는 금속 매트릭스 복합재 물품.
  14. 제11항에 있어서, 알루미늄 합금은 알루미늄 합금의 총 중량에 기초하여, 1.8 내지 2.2 중량% 범위 내의 구리를 함유하는 금속 매트릭스 복합재 물품.
  15. 제7항에 있어서, 알루미늄 합금은 알루미늄 합금의 총 중량에 기초하여, 1.5 내지 2.5 중량% 범위 내의 구리를 함유하는 금속 매트릭스 복합재 물품.
  16. 제1항에 있어서, 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유는 다결정 알파 알루미나 섬유인 금속 매트릭스 복합재 물품.
  17. 제16항에 있어서, 다결정 알파 알루미나 섬유는 적어도 2.8 GPa의 평균 인장 강도를 갖고, 다결정 알파 알루미나 섬유는 이론적인 산화물에 기초하여, 알루미나 섬유의 총 중량에 기초하여 약 99 중량%를 초과하는 Al2O3 및 약 0.2 - 0.5 중량%의 SiO2를 함유하고, 다결정 알파 알루미나 섬유 내에 존재하는 알파 알루미나는 1 마이크로미터 미만의 평균 입자 크기를 갖는 금속 매트릭스 복합재 물품.
  18. 제16항에 있어서, 알파 알루미나 섬유는 금속 매트릭스 물품의 총 체적의 적어도 50 체적%를 구성하는 금속 매트릭스 복합재 물품.
  19. 제1항에 있어서, 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유는 금속 매트릭스 물품의 총 체적의 적어도 50 체적%를 구성하는 금속 매트릭스 복합재 물품.
  20. 제1항에 있어서, 금속 매트릭스 복합재 물품은 신장되고 대체로 일정한 단면적을 갖는 금속 매트릭스 복합재 물품.
  21. 제1항에 있어서, 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유의 제1 및 제2 가닥을 포함하는 금속 매트릭스 복합재 물품.
  22. 제21항에 있어서, 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유는 종방향으로 정렬된 금속 매트릭스 복합재 물품.
  23. 금속 매트릭스 복합재 물품이며,
    대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유와, 알루미늄, 그의 합금 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 금속을 포함하고,
    상기 금속은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유를 제 위치에 고정시키고, 금속은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유의 길이의 적어도 일부를 따라 연장되고, 금속은 외측 표면을 갖고,
    금속의 외측 표면 상의 외측 표면을 갖는 니켈과,
    니켈의 외측 표면 상의 적어도 8 마이크로미터의 두께를 갖는 은을 또한 포함하는 금속 매트릭스 복합재 물품.
  24. 제23항에 있어서, 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유는 종방향으로 정렬된 금속 매트릭스 복합재 물품.
  25. 제23항에 있어서, 은은 적어도 10 마이크로미터의 두께를 갖는 금속 매트릭스 복합재 물품.
  26. 제23항에 있어서, 은은 약 10 내지 약 15 마이크로미터 범위 내의 두께를 갖는 금속 매트릭스 복합재 물품.
  27. 제23항에 있어서, 금속은 알루미늄 합금인 금속 매트릭스 복합재 물품.
  28. 제27항에 있어서, 알루미늄 합금은 200 시리즈 알루미늄 합금인 금속 매트릭스 복합재 물품.
  29. 제28항에 있어서, 알루미늄 합금은 A201.1 알루미늄 합금, 201.2 알루미늄 합금, A206.0 알루미늄 합금, 및 224.2 알루미늄 합금으로 구성된 그룹으로부터 선택된 200 시리즈 알루미늄 합금인 금속 매트릭스 복합재 물품.
  30. 제28항에 있어서, 알루미늄 합금은 알루미늄 합금의 총 중량에 기초하여, 1.5 내지 2.5 중량% 범위 내의 구리를 함유하는 금속 매트릭스 복합재 물품.
  31. 제28항에 있어서, 알루미늄 합금은 알루미늄 합금의 총 중량에 기초하여, 1.8 내지 2.2 중량% 범위 내의 구리를 함유하는 금속 매트릭스 복합재 물품.
  32. 제23항에 있어서, 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유는 다결정 알파 알루미나 섬유인 금속 매트릭스 복합재 물품.
  33. 제32항에 있어서, 다결정 알파 알루미나 섬유는 적어도 2.8 GPa의 평균 인장 강도를 갖고, 다결정 알파 알루미나 섬유는 이론적인 산화물에 기초하여, 알루미나 섬유의 총 중량에 기초하여 약 99 중량%를 초과하는 Al2O3 및 약 0.2 - 0.5 중량%의 SiO2를 함유하고, 다결정 알파 알루미나 섬유 내에 존재하는 알파 알루미나는 1 마이크로미터 미만의 평균 입자 크기를 갖는 금속 매트릭스 복합재 물품.
  34. 제32항에 있어서, 알파 알루미나 섬유는 금속 매트릭스 물품의 총 체적의 적어도 50 체적%를 구성하는 금속 매트릭스 복합재 물품.
  35. 제23항에 있어서, 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유의 제1 및 제2 가닥을 포함하는 금속 매트릭스 복합재 물품.
  36. 제35항에 있어서, 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유는 종방향으로 정렬된 금속 매트릭스 복합재 물품.
  37. 금속 매트릭스 복합재 물품의 제조 방법이며,
    대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유를 알루미늄, 그의 합금 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 외측 표면을 갖는 제1 금속 내에, 제1 금속이 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유의 길이의 적어도 일부를 따라 연장되도록 고정시키는 단계와,
    대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유 및 제1 금속을 포함하는 금속 매트릭스 복합재 물품을 제공하기 위해 제1 금속의 외측 표면 상에 제2 금속을 제공하는 단계를 포함하고,
    금속 매트릭스 복합재 물품은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유와 제1 금속을 포함하며,
    제1 금속은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유를 제 위치에 고정시키고, 제1 금속은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유의 길이의 적어도 일부를 따라 연장되고, 제2 금속은 제1 금속의 외측 표면 상에 있고, 제2 금속은 적어도 200℃ 위에서 양의 깁스 산화 자유 에너지를 갖고, 제2 금속은 적어도 8 마이크로미터의 두께를 갖는 방법.
  38. 제37항에 있어서, 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유는 종방향으로 정렬된 방법.
  39. 제37항에 있어서, 제2 금속은 금 또는 은 중 적어도 하나인 방법.
  40. 제37항에 있어서, 제1 금속은 알루미늄 합금인 방법.
  41. 제40항에 있어서, 알루미늄 합금은 A201.1 알루미늄 합금, 201.2 알루미늄 합금, A206.0 알루미늄 합금, 및 224.2 알루미늄 합금으로 구성된 그룹으로부터 선택된 200 시리즈 알루미늄 합금인 방법.
  42. 제40항에 있어서, 알루미늄 합금은 알루미늄 합금의 총 중량에 기초하여, 1.5 내지 2.5 중량% 범위 내의 구리를 함유하는 방법.
  43. 제40항에 있어서, 알루미늄 합금은 알루미늄 합금의 총 중량에 기초하여, 1.8 내지 2.2 중량% 범위 내의 구리를 함유하는 방법.
  44. 제37항에 있어서, 섬유는 금속 매트릭스 물품의 총 체적의 적어도 50 체적%를 구성하는 방법.
  45. 제37항에 있어서, 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유의 제1 및 제2 가닥을 포함하는 방법.
  46. 제45항에 있어서, 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유는 종방향으로 정렬된 방법.
  47. 금속 매트릭스 복합재 물품의 제조 방법이며,
    대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유를 알루미늄, 그의 합금 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 외측 표면을 갖는 금속 내에, 금속이 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유의 길이의 적어도 일부를 따라 연장되도록 고정시키는 단계와,
    외측 표면을 갖는 니켈을 금속의 외측 표면 상에 제공하는 단계와,
    금속 매트릭스 복합재 물품을 제공하기 위해 적어도 8 마이크로미터의 두께를 갖는 은을 니켈의 외측 표면 상에 제공하는 단계를 포함하고,
    금속 매트릭스 복합재 물품은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유 및 외측 표면을 갖는 금속과, 금속의 외측 표면 상의 니켈과, 니켈의 외측 표면 상의 적어도 8 마이크로미터의 두께를 갖는 은을 포함하고,
    금속은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유를 제 위치에 고정시키고, 금속은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유의 길이의 적어도 일부를 따라 연장되는 방법.
  48. 제47항에 있어서, 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유는 종방향으로 정렬된 방법.
  49. 제47항에 있어서, 제1 금속은 알루미늄 합금인 방법.
  50. 제49항에 있어서, 알루미늄 합금은 A201.1 알루미늄 합금, 201.2 알루미늄 합금, A206.0 알루미늄 합금, 및 224.2 알루미늄 합금으로 구성된 그룹으로부터 선택된 200 시리즈 알루미늄 합금인 방법.
  51. 제49항에 있어서, 알루미늄 합금의 알루미늄 합금의 총 중량에 기초하여, 1.5 내지 2.5 중량% 범위 내의 구리를 함유하는 방법.
  52. 제49항에 있어서, 알루미늄 합금의 알루미늄 합금의 총 중량에 기초하여, 1.8 내지 2.2 중량% 범위 내의 구리를 함유하는 방법.
  53. 제47항에 있어서, 섬유는 금속 매트릭스 물품의 총 체적의 적어도 50 체적%를 구성하는 방법.
  54. 제47항에 있어서, 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유의 제1 및 제2 가닥을 포함하는 방법.
  55. 제54항에 있어서, 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유는 종방향으로 정렬된 방법.
  56. 제1 금속과 제1 금속을 강화하는 삽입물을 포함하는 금속 매트릭스 복합재 물품이며,
    제1 금속은 알루미늄, 그의 합금 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택되고, 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, 제1 금속과 삽입물 사이에 계면층이 있고, 적어도 100 MPa의 제1 금속과 삽입물 사이의 계면층 피크 결합 강도값이 있고, 금속 매트릭스 복합재 물품은 브레이크 캘리퍼인 금속 매트릭스 복합재 물품.
  57. 제56항에 있어서, 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유는 종방향으로 정렬된 금속 매트릭스 복합재 물품.
  58. 제56항에 있어서, 제1 금속은 300 또는 400 시리즈 알루미늄 합금 중 하나이고, 제2 금속은 200 시리즈 알루미늄 합금인 금속 매트릭스 복합재 물품.
  59. 제58항에 있어서, 200 시리즈 알루미늄 합금은 A201.1 알루미늄 합금, 201.2 알루미늄 합금, A206.0 알루미늄 합금, 및 224.2 알루미늄 합금으로 구성된 그룹으로부터 선택되고, 제1 금속은 A319.1 알루미늄 합금, 354.1 알루미늄 합금, 355.2 알루미늄 합금, 및 A356.1 알루미늄 합금으로 구성된 그룹으로부터 선택된 300 시리즈 알루미늄 합금인 금속 매트릭스 복합재 물품.
  60. 제58항에 있어서, 200 시리즈 알루미늄 합금은 A201.1 알루미늄 합금, 201.2 알루미늄 합금, A206.0 알루미늄 합금, 및 224.2 알루미늄 합금으로 구성된 그룹으로부터 선택되고, 제1 금속은 443.2 알루미늄 합금 및 444.2 알루미늄 합금으로 구성된 그룹으로부터 선택된 400 시리즈 알루미늄 합금인 금속 매트릭스 복합재 물품.
  61. 제56항에 있어서, 제1 금속과 삽입물 사이의 계면층 피크 결합 강도값은 적어도 125 MPa인 금속 매트릭스 복합재 물품.
  62. 제56항에 있어서, 제1 금속과 삽입물 사이의 계면층 피크 결합 강도값은 적어도 150 MPa인 금속 매트릭스 복합재 물품.
  63. 제56항에 있어서, 제1 금속과 삽입물 사이의 계면층 피크 결합 강도값은 적어도 175 MPa인 금속 매트릭스 복합재 물품.
  64. 제56항에 있어서, 제1 금속과 삽입물 사이의 계면층 피크 결합 강도값은 적어도 180 MPa인 금속 매트릭스 복합재 물품.
  65. 제56항에 있어서, 계면층은 산소가 없는 금속 매트릭스 복합재 물품.
  66. 제56항에 있어서, 계면층은 적어도 200℃ 위에서 양의 깁스 산화 자유 에너지를 갖는 제2 금속 중 하나의 평균량을 포함하고, 제1 금속의 평균량은 계면층 내에서 제1 금속보다 더 높은 금속 매트릭스 복합재 물품.
  67. 제56항에 있어서, 계면층은 제1 금속 내에 존재하는 것보다 더 높은 은 및 니켈의 평균량을 포함하는 금속 매트릭스 복합재 물품.
  68. 제56항에 있어서, 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유는 다결정 알파 알루미나 섬유인 금속 매트릭스 복합재 물품.
  69. 제68항에 있어서, 다결정 알파 알루미나 섬유는 적어도 2.8 GPa의 평균 인장 강도를 갖고, 다결정 알파 알루미나 섬유는 이론적인 산화물에 기초하여, 알루미나 섬유의 총 중량에 기초하여 약 99 중량%를 초과하는 Al2O3 및 약 0.2 - 0.5 중량%의 SiO2를 함유하고, 다결정 알파 알루미나 섬유 내에 존재하는 알파 알루미나는 1 마이크로미터 미만의 평균 입자 크기를 갖는 금속 매트릭스 복합재 물품.
  70. 제68항에 있어서, 알파 알루미나 섬유는 금속 매트릭스 물품의 총 체적의 적어도 50 체적%를 구성하는 금속 매트릭스 복합재 물품.
  71. 제56항에 있어서, 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유는 금속 매트릭스 복합재 물품의 총 체적의 적어도 50 체적%를 구성하는 금속 매트릭스 복합재 물품.
  72. 제56항에 있어서, 삽입물 중 적어도 두 개를 더 포함하는 금속 매트릭스 복합재 물품.
  73. 제56항에 있어서, 삽입물 중 적어도 네 개를 포함하는 금속 매트릭스 복합재 물품.
  74. 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 제57항에 따른 브레이크 캘리퍼를 포함하는 디스크 브레이크.
  75. 제56항에 있어서, 제1 및 제2 금속은 각각 융점을 갖고, 제2 금속의 융점은 제1 금속의 융점보다 적어도 20℃ 높은 금속 매트릭스 복합재 물품.
  76. 제56항에 있어서, 제2 금속은 알루미늄 합금의 총 중량에 기초하여, 적어도 1.5 중량%의 구리를 함유하는 알루미늄 합금인 금속 매트릭스 복합재 물품.
  77. 제56항에 있어서, 제2 금속은 알루미늄 합금의 총 중량에 기초하여, 1.5 내지 2.5 중량% 범위 내의 구리를 함유하는 알루미늄 합금인 금속 매트릭스 복합재 물품.
  78. 제56항에 있어서, 제2 금속은 알루미늄 합금의 총 중량에 기초하여, 1.8 내지 2.2 중량% 범위 내의 구리를 함유하는 알루미늄 합금인 금속 매트릭스 복합재 물품.
  79. 제56항에 있어서, 계면층은 산소가 없는 금속 매트릭스 복합재 물품.
  80. 제56항에 있어서, 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유의 제1 및 제2 가닥을 포함하는 금속 매트릭스 복합재 물품.
  81. 제80항에 있어서, 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유는 종방향으로 정렬된 금속 매트릭스 복합재 물품.
  82. 금속 매트릭스 복합재 물품의 제조 방법이며,
    삽입물을 주형 내에 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,
    삽입물은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유와, 알루미늄, 그의 합금 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 외측 표면을 갖는 제1 금속을 포함하고,
    제1 금속은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유를 제 위치에 고정시키고, 제1 금속은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유의 길이의 적어도 일부를 따라 연장되고, 제1 금속을 외측 표면을 갖고,
    삽입물은 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 갖는 방법.
  83. 제81항에 있어서, 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유의 제1 및 제2 가닥을 포함하는 방법.
  84. 제82항에 있어서, 제1 금속은 200 시리즈 알루미늄 합금이고, 제3 금속은 300 또는 400 시리즈 알루미늄 합금인 방법.
  85. 제82항에 있어서, 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유는 다결정 알파 알루미나 섬유인 방법.
  86. 제85항에 있어서, 다결정 알파 알루미나 섬유는 적어도 2.8 GPa의 평균 인장 강도를 갖고, 다결정 알파 알루미나 섬유는 이론적인 산화물에 기초하여, 알루미나 섬유의 총 중량에 기초하여 약 99 중량%를 초과하는 Al2O3 및 약 0.2 - 0.5 중량%의 SiO2를 함유하고, 다결정 알파 알루미나 섬유 내에 존재하는 알파 알루미나는 1 마이크로미터 미만의 평균 입자 크기를 갖는 방법.
  87. 제85항에 있어서, 알파 알루미나 섬유는 삽입물의 총 체적의 적어도 50 체적%를 구성하는 방법.
  88. 제85항에 있어서, 주형 내의 용융된 제3 금속은 75초 미만 동안 용융된 상태로 있는 방법.
  89. 제85항에 있어서, 주형 내의 용융된 제3 금속은 60초 미만 동안 용융된 상태로 있는 방법.
  90. 제82항에 있어서, 삽입물은 주형 내로 용융된 제3 금속을 제공하기 전에 제1 외측 치수 형상을 갖고, 삽입물은 금속 매트릭스 복합재를 제공하기 위한 용융된 제3 금속의 냉각 후에 제2 치수 형상을 갖고, 제1 및 제2 치수 형상은 대체로 동일한 방법.
  91. 제82항에 있어서, 주형 내로 용융된 제3 금속을 제공하기 직전에 적어도 500℃의 온도에서 삽입물을 제공하는 방법.
  92. 제82항에 있어서, 제2 금속은 금 또는 은 중 적어도 하나이고, 제1 및 제3 금속은 알루미늄 합금인 방법.
  93. 제82항에 있어서, 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유는 삽입물의 총 체적의 적어도 50 체적%를 구성하는 방법.
  94. 제82항에 있어서, 제1 금속은 알루미늄 합금의 총 중량에 기초하여, 1.5 내지 2.5 중량% 범위 내의 구리를 함유하는 알루미늄 합금인 방법.
  95. 제82항에 있어서, 제1 금속은 알루미늄 합금의 총 중량에 기초하여, 1.8 내지 2.2 중량% 범위 내의 구리를 함유하는 알루미늄 합금인 방법.
  96. 제82항에 있어서, 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유의 제1 및 제2 가닥을 포함하는 방법.
  97. 제96항에 있어서, 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유는 종방향으로 정렬된 방법.
  98. 제82항에 있어서, 주형 내의 용융된 제3 금속은 75초 미만 동안 용융된 상태로 있는 방법.
  99. 금속 매트릭스 복합재 물품의 제조 방법이며,
    삽입물을 주형 내에 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,
    삽입물은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유와, 알루미늄, 그의 합금 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 제1 금속을 포함하고,
    제1 금속은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유를 제 위치에 고정시키고, 제1 금속은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유의 길이의 적어도 일부를 따라 연장되고, 제1 금속은 외측 표면을 갖고,
    삽입물은 제1 금속의 외측 표면 상의 외측 표면을 갖는 니켈과, 니켈의 외측 표면 상의 적어도 8 마이크로미터의 두께를 갖는 은을 또한 포함하는 방법.
  100. 제99항에 있어서, 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유는 종방향으로 정렬된 방법.
  101. 제99항에 있어서, 제1 금속은 200 시리즈 알루미늄 합금이고, 제2 금속은 300 또는 400 시리즈 알루미늄 합금 중 하나인 방법.
  102. 제99항에 있어서, 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유는 다결정 알파 알루미나 섬유인 방법.
  103. 제102항에 있어서, 다결정 알파 알루미나 섬유는 적어도 2.8 GPa의 평균 인장 강도를 갖고, 다결정 알파 알루미나 섬유는 이론적인 산화물에 기초하여, 알루미나 섬유의 총 중량에 기초하여 약 99 중량%를 초과하는 Al2O3 및 약 0.2 - 0.5 중량%의 SiO2를 함유하고, 다결정 알파 알루미나 섬유 내에 존재하는 알파 알루미나는 1 마이크로미터 미만의 평균 입자 크기를 갖는 방법.
  104. 제102항에 있어서, 알파 알루미나 섬유는 삽입물의 총 체적의 적어도 50 체적%를 구성하는 방법.
  105. 제99항에 있어서, 제1 금속은 알루미늄 합금의 총 중량에 기초하여, 1.5 내지 2.5 중량% 범위 내의 구리를 함유하는 알루미늄 합금인 방법.
  106. 제99항에 있어서, 제1 금속은 알루미늄 합금의 총 중량에 기초하여, 1.8 내지 2.2 중량% 범위 내의 구리를 함유하는 알루미늄 합금인 방법.
  107. 제99항에 있어서, 주형 내의 용융된 제2 금속은 75초 미만 동안 용융된 상태로 있는 방법.
  108. 제99항에 있어서, 주형 내의 용융된 제2 금속은 60초 미만 동안 용융된 상태로 있는 방법.
  109. 제99항에 있어서, 삽입물은 주형 내로 용융된 제3 금속을 제공하기 전에 제1 외측 치수 형상을 갖고, 삽입물은 금속 매트릭스 복합재를 제공하기 위한 용융된 제3 금속의 냉각 후에 제2 치수 형상을 갖고, 제1 및 제2 치수 형상은 대체로 동일한 방법.
  110. 제99항에 있어서, 주형 내로 용융된 제2 금속을 제공하기 직전에 적어도 500℃의 온도에서 삽입물을 제공하는 방법.
  111. 제99항에 있어서, 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유의 제1 및 제2 가닥을 포함하는 방법.
  112. 제111항에 있어서, 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유는 종방향으로 정렬된 방법.
  113. 제99항에 있어서, 주형 내의 용융된 제2 금속은 75초 미만 동안 용융된 상태로 있는 방법.
  114. 금속 매트릭스 복합재 물품을 제조하기 위한 금속 매트릭스 복합재 삽입물을 제조하기 위한 방법이며,
    금속 매트릭스 복합재 강화 삽입물을 포함하도록 금속 매트릭스 복합재 물품을 설계하는 단계와,
    생성된 설계에 기초하여 금속 매트릭스 복합재 강화 삽입물을 준비하는 단계를 포함하고,
    삽입물은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유와, 알루미늄, 그의 합금 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 제1 금속을 포함하고,
    제1 금속은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유를 제 위치에 고정시키고, 제1 금속은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유의 길이의 적어도 일부를 따라 연장되고,
    금속 매트릭스 복합재 강화 삽입물은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유와, 알루미늄, 그의 합금 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 제1 금속을 포함하고,
    제1 금속은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유를 제 위치에 고정시키고, 제1 금속은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유의 길이의 적어도 일부를 따라 연장되고, 제1 금속은 외측 표면을 갖고,
    금속 매트릭스 복합재 강화 삽입물은 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 갖는 방법.
  115. 제114항에 있어서, 연속적인 세라믹 산화물 섬유는 다결정 알파 알루미나 섬유인 방법.
  116. 제114항에 있어서, 다결정 알파 알루미나 섬유는 적어도 2.8 GPa의 평균 인장 강도를 갖고, 다결정 알파 알루미나 섬유는 이론적인 산화물에 기초하여, 알루미나 섬유의 총 중량에 기초하여 약 99 중량%를 초과하는 Al2O3 및 약 0.2 - 0.5 중량%의 SiO2를 함유하고, 다결정 알파 알루미나 섬유 내에 존재하는 알파 알루미나는 1 마이크로미터 미만의 평균 입자 크기를 갖는 방법.
  117. 제114항에 있어서, 알파 알루미나 섬유는 삽입물의 총 체적의 적어도 50 체적%를 구성하는 방법.
  118. 제114항에 있어서, 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유의 제1 및 제2 가닥을 포함하는 방법.
  119. 금속 매트릭스 복합재 물품을 제조하기 위한 금속 매트릭스 복합재 삽입물을 제조하기 위한 방법이며,
    금속 매트릭스 복합재 강화 삽입물을 포함하도록 금속 매트릭스 복합재 물품을 설계하는 단계와,
    생성된 설계에 기초하여 금속 매트릭스 복합재 강화 삽입물을 준비하는 단계를 포함하고,
    삽입물은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유와, 알루미늄, 그의 합금 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 금속을 포함하고,
    제1 금속은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유를 제 위치에 고정시키고, 금속은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유의 길이의 적어도 일부를 따라 연장되고,
    금속 매트릭스 복합재 강화 삽입물은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유와, 알루미늄, 그의 합금 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 금속을 포함하고,
    제1 금속은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유를 제 위치에 고정시키고, 상기 금속은 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유의 길이의 적어도 일부를 따라 연장되고, 제1 금속은 외측 표면을 갖고,
    금속 매트릭스 복합재 강화 삽입물은 금속의 외측 표면 상의 외측 표면을 갖는 니켈과, 니켈 상의 적어도 8 마이크로미터의 두께를 갖는 은을 또한 포함하는 방법.
  120. 제119항에 있어서, 연속적인 세라믹 산화물 섬유는 다결정 알파 알루미나 섬유인 방법.
  121. 제119항에 있어서, 다결정 알파 알루미나 섬유는 적어도 2.8 GPa의 평균 인장 강도를 갖고, 다결정 알파 알루미나 섬유는 이론적인 산화물에 기초하여, 알루미나 섬유의 총 중량에 기초하여 약 99 중량%를 초과하는 Al2O3 및 약 0.2 - 0.5 중량%의 SiO2를 함유하고, 다결정 알파 알루미나 섬유 내에 존재하는 알파 알루미나는 1 마이크로미터 미만의 평균 입자 크기를 갖는 방법.
  122. 제119항에 있어서, 알파 알루미나 섬유는 삽입물의 총 체적의 적어도 50 체적%를 구성하는 방법.
  123. 제119항에 있어서, 대체로 연속적인 세라믹 산화물 섬유의 제1 및 제2 가닥을 포함하는 방법.
KR1020057002752A 2002-08-20 2003-07-08 금속 매트릭스 복합재 및 그의 제조 방법 KR20050058350A (ko)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US40467202P 2002-08-20 2002-08-20
US60/404,672 2002-08-20
US40367103A 2003-03-31 2003-03-31
US10/403,671 2003-03-31

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20050058350A true KR20050058350A (ko) 2005-06-16

Family

ID=31949853

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020057002752A KR20050058350A (ko) 2002-08-20 2003-07-08 금속 매트릭스 복합재 및 그의 제조 방법

Country Status (6)

Country Link
EP (1) EP1570095A1 (ko)
JP (1) JP2005536641A (ko)
KR (1) KR20050058350A (ko)
CN (1) CN1675388A (ko)
AU (1) AU2003251789A1 (ko)
WO (1) WO2004018718A1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200134717A (ko) * 2019-05-23 2020-12-02 주식회사 우신산업 이중재질 캘리퍼 제조방법

Families Citing this family (12)

* 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
DE102006051200A1 (de) 2006-10-30 2008-05-08 Robert Bosch Gmbh Verfahren zur Herstellung eines Körpers aus Metall-Keramik-Verbundwerkstoffen
DE102008002538B4 (de) 2008-05-30 2020-10-15 Robert Bosch Gmbh Bremssattel aus mindestens 2 Komponenten
US20090309262A1 (en) 2008-06-17 2009-12-17 Century, Inc. Manufacturing apparatus and method for producing a preform
US9283734B2 (en) 2010-05-28 2016-03-15 Gunite Corporation Manufacturing apparatus and method of forming a preform
DE102012012675A1 (de) 2012-06-23 2013-12-24 Daimler Ag Hochleistungs-Bremssattel und Verfahren zur Herstellung
FR3009832B1 (fr) * 2013-08-21 2015-08-28 Snecma Insert de renfort composite et procede de fabrication
CN104232973A (zh) * 2014-08-25 2014-12-24 合肥工业大学 一种中、低体积分数陶瓷颗粒增强铝基复合材料及其制备方法
CN106987787A (zh) * 2017-02-24 2017-07-28 昆明理工大学 高孔隙率铝合金/铝芯氧化铝纤维复合泡沫的制备方法
CN109799205B (zh) * 2019-02-20 2021-11-09 电子科技大学 一种平面薄膜结构的红外分子指纹传感器及其制备方法

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
IT1228449B (it) * 1989-02-22 1991-06-19 Temav Spa Procedimento per ottenere un legame metallurgico tra un materiale metallico o composito a matrice metallica e un getto di metallo o di lega metallica.
FR2663250A1 (fr) * 1990-06-19 1991-12-20 Peugeot Procede de fabrication de pieces en alliage d'aluminium coule comportant un insert et culasse de moteur a combustion interne obtenue par ce procede.
FR2665383A1 (fr) * 1990-07-31 1992-02-07 Pechiney Recherche Procede d'obtention par moulage de pieces bimateriaux.
CH682307A5 (ko) * 1991-02-05 1993-08-31 Alusuisse Lonza Services Ag
US6484790B1 (en) * 1999-08-31 2002-11-26 Cummins Inc. Metallurgical bonding of coated inserts within metal castings

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200134717A (ko) * 2019-05-23 2020-12-02 주식회사 우신산업 이중재질 캘리퍼 제조방법

Also Published As

Publication number Publication date
WO2004018718A1 (en) 2004-03-04
CN1675388A (zh) 2005-09-28
EP1570095A1 (en) 2005-09-07
JP2005536641A (ja) 2005-12-02
AU2003251789A1 (en) 2004-03-11

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
WO2006023069A1 (en) Metal matrix composites, and methods for making the same
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
US7220492B2 (en) Metal matrix composite articles
EP1059133A1 (en) Preform for metal matrix composite material and cylinder block made of the same
US20020086165A1 (en) Metal matrix composites and methods for making the same
US20020079604A1 (en) Ceramic oxide pre-forms, metal matrix composites, and methods for making the same
JPS62205203A (ja) 超微細金属短繊維の製造法
KR20050058342A (ko) 금속 매트릭스 복합재 및 이의 제조 방법
JP4384830B2 (ja) 一体構造の異種複合材料
JP3359482B2 (ja) 超砥粒ホイール及びその製造方法
CN117999251A (zh) 以浸渍法制造的构件及其装置和用于制造构件的浸渍方法
JPH02104466A (ja) 繊維強化摺動部材の製造方法

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