KR950003052B1 - 비금속과 합금의 복합체 제조방법 및 제조장치 - Google Patents

비금속과 합금의 복합체 제조방법 및 제조장치 Download PDF

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Abstract

내용 없음.

Description

비금속과 합금의 복합체 제조방법 및 제조장치
금속기질 복합재료를 구조재로서 사용하는 경향이 점차 증가되고 있다. 금속기질 복합재료는 통상 금속기질내에 섬유, 그리트, 분말 등과 같은 보강용 입자를 함유시킨 것으로서, 이같은 보강입자는 복합재료의 강도, 강성 및 기타의 원하는 특성을 향상시켜 주며, 한편 금속기질은 보강입자를 보호하고 복합재료내에서 부하를 전달해 줌으로써 이들 두 물질의 결합에 의해 재료의 특성이 향상된다.
20년전만 해도 이러한 복합재료는 높은 제조비용과 설계자들의 관심부족으로 실험실에서의 생산단계를 벗어나지 못했다. 최근 이러한 복합재료의 적용분야가 많이 개발되었고, 사용되는 복합재료의 체적이 많이 증가되었으나 높은 제조비용 때문에 적용분야가 제한되어 왔다. 이에 따라 고강도 합금과 같은 재료와 경쟁할 수 있는 비용으로양질의 복합재료를 생산할 수 있는 제조방법이 요청되어 왔다.
보강재를 사용하지 않는, 즉 비보강 금속합금은 일반적으로 용융주조 공정에 의해 생산된다. 그러나 보강재를 사용한, 즉 보강 복합재료는 용융주조 공정시 보강용 입자가 용금과 화학반응할 수도 있으므로 용융주조 공정에 의해서는 보강 복합재료의 생산이 쉽지 않으며, 또한 용금이 보강입자의 표면을 용이하게 웨팅(wetting)시키지 못하므로 용금과 보강입자가 신속하게 분리되며, 주조후에 재료의 기계적 특성이 나빠지는 원인이 된다.
종래에는 용융합금에 입자형 물질을 첨가하여 혼합물을 제조하고, 이 혼합물을 주조하여 합금-입자물질의 복합체를 제조하려는 시도가 있었으나 특별한 성공을 거두지 못했다. 그 이유는 대부분의 입자재료(예, 실리콘 카바이드)가 용융 합금에 의해 용이하게 웨팅되지 않으므로 용금내에 입자 재료를 유지시키는 것이 불가능한 것은 아니지만 극히 어렵다.
이러한 복합재료를 용융 및 캐스팅법에 의해 제조할 수 있음은 기술적 장점과 경제적인 잇점이 있으므로 이 방법에 의해 복합체를 제조하고자 하는 많은 연구가 있어왔다. 예를들면 내화 입자재료를 니켈로 피복함으로써 웨팅성(wettabillity)을 향상시키는 방법, 용금을 내화입자의 음이온으로 포화시킴에 의해 웨팅성을 향상시키는 방법, 내화입자를 첨가하기 전의 용금내에 리튬, 마그네슘, 실리콘 및 칼슘과 같은 원소를 첨가하는 방법, 고체금속 입자가 존재하는 온도인 액상선 이하의 온도에 유지되는 그리고 격렬하게 교반되는 부분적으로 응고된 용금내에 실리콘 카바아드 입자를 첨가하는 방법, 용금과 혼합하기 전의 내화입자에 이온 충격, 기계적 교반, 진공 및 열 등을 가하여 이 내화입자의 표면으로부터 습기, 산호, 흡수된 기체 및 피막 등을 제거하는 방법등이 제안되어 왔다.
알루미늄 합금-알루미나 섬유 복합재료의 제조방법중 한가지 방법은 노(paddle) 형태의 교반날개를 사용하는 것으로서, 이 교반날개는 도가니의 벽에 근접한 상태로 운동하도록 설계되어 있어 용금내에 알루미나 섬유를 도입시키기 위한 높은 전단교반과 소용돌이를 발생시키게 된다. 이 방법에서는 또한 유동방향에 대해 약 45°의 경사를 이룬 상태로 용금 표면의 직하에 침지되는 배플을 필요로 한다. 이 배플의 기능은 용금의 유동 패턴을 전환시키는 기능 및 용금의 표면 아래쪽에 알루미나 섬유가 포획될 수 있도록 도와주는 기능을 한다.
알루미늄-실리콘 카바이드 입자의 복합재료는 소용돌이에 의한 입자의 분산방법을 이용하여 제조한다. 이 방법에서는 입자를 용금내에 첨가하기 전에 900℃의 온도에서 60분간 예열시킨다. 기계적 임펠러에 의해 용금을 급격하게 교반시킴에 의해 깊은 소용돌이가 발생한다. 입자는 소용돌이의 측면을 통해 첨가하여 입자가 용금내에 신속하게 함유될 수 있도록 하고, 또한 입자의 웨팅이 촉진되도록 한다. 이 방법에 의해 제조된 복합체에는 함유 기체가 존재할뿐 아니라 금속과 입자의 결합력이 떨어지는 문제가 있다.
또한 용융 및 캐스팅 기술을 변형시킨 기술에 의하면 보강재는 압축된 매트(mat)로서 제공되고, 용금은 가압에 의해 강제적으로 잔부의 공간내로 침입하게 된다. 용침 캐스팅 또는 압착 캐스팅이라 불리우는 이 방법에 의해 제조된 복합재료는 결합력이 약할 뿐 아니라 제조비용이 고가이고, 이 제조방법은 이용하기가 어렵다.
이상 설명한 모든 용융 및 캐스팅 기술의 문제점은 웨팅성을 향상시키기 위해 입자 또는 용금에 비용이 드는 변화를 주어야 한다는 점, 그리고 산업상 이용할 수 있는 정도의 대규모의 복합재료를 제조할 수 없다는 점 등이다. 따라서 금속기질과 입자형 보강재를 구비하는 복합재료를 제조하는데 용융 및 캐스팅법 보다 주로 분말야금법을 이용해 왔다.
분말야금법에는 유기 용매의 존재하에서 알루미늄 분말과 실리콘 카바이드 입자를 혼합한다. 유기 용매는 알루미늄과 대기중의 산소와의 사이에 발화반응을 방지하기 위해 필요한 것이다. 상기 혼합물을 건조 트래이(tray)상에 부어 일정기간에 걸쳐 상기 용매를 증발시킨다. 건조된 그러나 응결되지 않은 0.040인치 두께의 혼합물 시트를 적층하여 소정의 두께의 플레이트를 형성한다. 형성된 취약한 플래이트를 프레스에 설치하여 금속기질이 슬러리 상태가 되는 액상영역-고상영역의 온도로 가열한 다음, 가압성형하여 내화입자를 응결시켜 고체의 플레이트를 형성하게 된다.
또 다른 분말야금법에 의하면, 전술한 바와같이 실리콘 카바이드 입자와 알루미늄을 혼합하여 제조한 혼합물을 원통형 주형내에 주입한 다음, 진공 고온프레스 가공에 의해 원통형 빌레트를 제조한다. 그러나 원료의 비용(특히, 알루미늄 분말의 가격)이 고가이고, 제조방법이 복잡하므로 사용분야가 제한되며, 또한 이러한 분말야금법에 의하면 금속기질내의 합금원소가 편석됨으로써 제품의 기계적 특성 및 물리적 특성에 악영향을 미치는 문제점이 있다.
위의 두가지 분말야금법에 의해 제조한 복합체는 고탄성계수와 적절한 강도를 가지지만 전성 및 성형성이 나쁘다. 이것은 위 방법에서 필요로 하는 복잡한 과열처리와 변형사이클에 의해 금속기질내에 광범위한 원소의 편석이 발생하고, 이것에 의해 전성이 감소하게 되고, 금속 기질의 최대강도 및 복합재료의 최대강도가 감소되기 때문이다. 또한, 원료 알루미늄 분말에 피복되어 있는 산화피막도 금속기질의 전성을 감소시키는 원인이 되는데, 이 산화피막은 또한 카바이드 입자의 완전한 웨팅을 억제함으로써 완성된 복합재료의 특성을 저하시키는 원인이 된다.
이러한 이유로 인해 양호한 특성을 가지는 입자형 보강재를 함유한 금속 복합체를 용융 및 캐스팅법을 이용하여 제조하기 위한 방법 및 장치가 요청되어 왔다. 본 발명의 방법 및 장치에 의하면 종래의 복합재료 제조방법 및 복합재료와 경쟁관계에 있는 재료의 제조방법에 비해 비교적 저렴한 가격으로 양호한 특성의 복합재료를 제조할 수 있다.
본 발명의 설명
본 발명은 웨팅된 비금속 내화 세라믹입자의 보강재를 분산된 형태로 함유하는 금속기질의 복합재료의 제조방법 및 제조장치를 제공한다. 본 복합재료를 웨팅된 입자형 보강재의 존재로 인해 기질인 합금보다 특성, 특히 강성이 우수하다. 이 복합재료는 고강도 알루미늄 합금이나 고강도 티타늄 합금과 같은 보강재를 함유하지 않은 고강도합금과 기술적인 면에서나 경제적인 면에서 경쟁이 가능하다. 이 복합재료는 압연이나 압출과 같은 표준적인 가공방법에 의해 반제품으로 성형할 수 있으며, 본 발명의 제조비용은 종래의 복합재료의 제조비용의 약 1/3-1/2에 불과하다. 또한 체적이 큰 복합재료에 대한 생산비는 종래의 방법에 비해 1/10까지 절감할 수 있다.
본 발명의 비금속 입자와 합금 복합체의 제조방법은 다음과 같은 단계를 포함한다.
(1) 금속재료를 용융시키는 단계 ;
(2) 용금에 비금속입자를 첨가하는 단계 ;
(3) 상기 용금내에 비금속 입자가 분산되는 조건 및 상기 용금과 비금속입자가 마찰 접촉하여 용금에 의한 비금속입자의 웨팅을 촉진시키는 조건하에서, 그리고 용금과 비금속입자의 혼합물내의 기체의 혼입과 기체의 잔류를 최소화하는 상태와 이 혼합 단계를 완료하는데 요구되는 시간내에 상기 비금속 입자와 용금의 화학반응에 의해 비금속 입자가 열화되지 않는 온도하에서 상기 용금과 비금속입자를 혼합시키는 단계 ;
(4) 고체 금속이 거의 존재하지 않을 정도의 충분히 높은 온도에서 상기 혼합물을 캐스팅시키는 단계 ;
상기 금속재료로는 알루미늄 합금이 바람직하며, 마그네슘 합금과 같은 기타의 합금도 가능하다. 상기 비금속 재료로는 금속 옥사이드, 금속 나이트라이드, 금속 카바이드 또는 금속 실리사이드 등이 바람직하다. 가장 바람직한 복합재료는 알루미늄 합금기질내에 실리콘 카바이드 또는 알루미늄 옥사이드 입자를 보강재로서 첨가한 것이다.
종래의 캐스팅 방법에서는 캐스팅이 용이해지도록 용금의 점성을 감소시키기 위해 고온에서 캐스팅을 실시한다. 그러나, 본 발명에서는 입자와 용융합금의 반응을 고려한 용융온도의 선택을 고려한다. 혼합 단계 및 캐스팅 단계시 용금을 지나치게 고온으로 가열하면 입자와 용금 사이에 화학반응이 발생하여 입자의 강도가 열화하고, 이에 따라 완성된 복합체의 특성이 나빠진다. 따라서 공정에 요구되는 시간내에 입자와 용금 사이에서 상당한 정도의 화학반응이 발생하지 않도록 최대온도를 선택해야 한다. 휘발이 가능한 반응성 합금원소를 함유한 합금의 경우 그 최대온도는 액상선온도 +약 20℃, 통상의 합금의 경우는 액상선 온도 +약 70℃, 반응을 억제시키는 합금원소를 함유한 합금의 경우는 액상선 온도 +약 100 내지 125°로 한다.
혼합단계시 용금과 입자의 용융 혼합물에 진공을 가하게 되면 용금내로 혼입하는 기체를 감소시킬 수 있고, 또한 용금내의 잔류기체를 방출시킬 수 있다. 아연 또는 마그네슘과 같은 휘발성 원소를 함유하지 않은 합금에 대해서는 진공부여의 중요성이 크지 않으나 진공이 약 10-30torr을 초과하면 합금으로부터 휘발성분이 빠른 속도로 휘발하는 문제가 있으므로, 이와같은 휘발성분의 손실을 최소화할 수 있는 진공을 부여해야 한다.
화분식 공정에서는 회전식 분산용 임펠러를 사용하여 혼합공정을 실시한다. 이 임펠러는 혼합물내에 기체가 혼입되지 않는 상태로 입자와 용금을 교반시켜주며, 용금의 표면에서의 와류의 발생을 최소화 한다. 와류가 발생하면 용금내에 기체가 혼입하게되므로 바람직스럽지 않다. 특히 바람직한 화분식 공정에서는 분산용 회전임펠러와 스위핑(sweeping)용 회전임펠러를 구비한 혼합헤드를 사용하여 혼합을 실시한다. 상기 분산용 회전임펠러는 용금내로의 기체의 혼입을 발생시키지 않는 상태하에서, 그리고 용금내에 존재하는 기체를 안정화시키지 않는 상태하에서 입자와 용금이 마찰 접촉하도록 전단 응력을 가하며, 상기 스위핑용 회전임펠러는 상기 분산용 임펠러의 근처로 입자와 용금의 이동을 촉진시켜 전체 용금에 걸쳐 혼합이 이루어질 수 있도록 한다. 경우에 따라 다르지만 상기 분산용 임펠러의 회전속도는 약 2500rpm 상기 스위핑용 임펠러의 회전속도는 약 45rpm으로 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일실시예에 따른 합금과 비금속 입자의 복합체를 제조하기 위한 방법은 용금과 입자의 혼합물을 형성하는 단계 ; 합금의 액상선으로부터 후속단계에 요구되는 시간동안 입자를 열화시키지 않는 온도까지의 온도 범위에서 상기 혼합물을 유지하는 단계 ; 상기 혼합물내의 기체혼입을 최소화하기 위해 진공하에서 용금 혼합물에 분산용 회전임펠러를 침지시켜 입자와 용금에 전단력을 가함으로써 용금이 입자에 웨팅되는데 충분한 시간동안, 그리고 용금내에 입자가 분산되는데 충분한 시간동안 입자와 용금을 혼합하는 단계 ; 및 생성된 혼합물을 캐스팅시키는 단계를 포함한다. 스위핑 임펠러와 같은 수단을 제공하여 용융 혼합체내의 입자와 금속을 분산 임펠러내로 이동시키는 것도 바람직하다.
본 발명의 방법에 의해 제조된 복합재료는 금속기질내에 입자가 균일하게 분산된 조직을 가진다. 입자는 금속기질에 의해 웨팅되어 있으므로 입자는 금속기질에 강하게 접착되어 있으며, 입자와 금속기질 사이에는 산화물층이 별로 존재하지 않는다. 이 복합재료는 압연이나 압출과 같은 주지의 성형 공정에 적용하기에 적합하며, 고강성, 고강도, 전성 및 인성을 구비한 양호한 특성을 나타낸다. 이 복합재료내의 입자의 함량은 5-40체적% 정도이며, 원하는 강도, 강성 및 물리적 특성의 정도에 따라 그 함유량을 변화시킨다.
합금과 비금속 입자의 복합재료를 제조하기 위한 장치는 용융 상태의 합금을 수용하는 수단 ; 이 용금 수용수단내의 용융 합금을 적어도 이 합금의 액상선의 온도까지 가열하기 위한 가열수단 ; 상기 용금 수용수단내의 용융합금을 적어도 이 합금의 액상선의 온도까지 가열하기 위한 가열수단 ; 상기 용금 수용 수단내의 용금과 입자를 혼합하여 용금이 입자에 웨팅하도록 하는 혼합수단을 포함한다. 이 혼합수단에 의해 용금과 입자에 전단력이 가해짐으로써 용금에 의한 입자의 웨팅이 촉진된다. 또한, 이 혼합수단에서는 혼합물내로의 기체의 혼입이 최소화 되며, 혼합물내의 기체의 잔류가 최소화된다. 혼합물내에 기체가 존재하면 입자에 대한 용금의 웨팅이 억제된다. 전술한 바와같은 분산 임펠러 또는 분산 임펠러와 스위핑 임펠러의 조합을 본 장치에 사용할 수도 있다.
본 발명의 복합재료 제조장치에서는 보강용 입자를 코팅이나 기타의 처리를 하지 않고 직접 용금에 첨가함으로써 경제적으로 복합재료를 제조한다. 제조된 복합재료는 양호한 물리적 특성을 나타내며, 후속 성형공정을 통해 소정의 형상으로 가공할 수 있다. 본 발명의 복합재료 제조방법은 비보강 합금의 제조방법과 경제적인 면에서 경쟁이 가능하며, 종래의 제조방법보다 저렴한 가격으로 복합재료를 제조할 수 있다.
이하 첨부한 도면을 참고로 하여 본원 발명에 대해 상술한다.
발명의 최적 실시양태
본 발명은 용융 재료내에 비금속 보강입자를 첨가하여 복합재료를 제조하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 적절한 복합체를 제조하기 위해서 용금은 입자의 표면에 웨팅되어야 하며, 만일 웨팅이 발생하지 않으면 혼합기에 의해 용금의 내부로 입자를 강제로 밀어넣더라도 입자가 용금의 표면에 떠오르기 때문에 입자는 용금내에 균일하게 분산되지 못한다. 또한 입자, 특히 종횡비가 비교적 작은 입자가 웨팅되지 않으면 복합재료의 기계적 특성에 악영향을 미친다. 2-5정도의 짧은 종횡비를 가지는 입자의 경우 입자와 기질의 계면은 양호하게 접착하여 복합재료의 강도 및 강성이 양호해진다. 그러나 용금이 입자에 웨팅되지 않으면 기질과 입자 사이의 양호한 접착은 달성되기가 어렵다.
용금과 입자사이에 발생하는 웨팅은 고상과 액상 사이의 점착력이 액상의 응집력보다 큰 경우 고상과 액상이 밀착접촉하는 현상이다. 알루미늄 및 알루미늄 합금과 같은 재료의 용금은 적절한 조건하에서 여러가지 비금속 입자에 웨팅되어 진다. 그러나 금속과 입자사이에 어떤 이물질이 존재하면 웨팅이 방해받는다. 특히, 입자표면에 기체나 산화물이 부착되어 있으면 용금의 웨팅이 억제된다. 따라서 용금과 입자 사이의 기체와 산화물의 함유량을 최소화 함으로써 용금과 입자사이에 웨팅이 형성되도록 하고, 이에 따라 혼합 및 캐스팅 단계시 용금내에 입자가 유지될 수 있도록 하고, 또한 캐스팅 및 응고후 용금과 입자가 양호한 결합을 할 수 있도록 한다.
이와같이 입자에 대한 용금의 웨팅을 방해하는 용금과 입자의 혼합물내의 기체는 여러가지 경로를 통해 도입된다. 입자 표면상의 기체는 입자를 제조할때 흡수된다. 철저한 세정처리를 한 후, 고진공하에서 조차도 기체는 입자표면에 재흡착되며, 이 기체흡착층은 웨팅을 방해한다. 또한 용금내에 침지된 입자의 표면은 기포의 핵생성 및 기포의 흡착이 용이한 부분이므로 입자표면에는 기포가 용이하게 흡착할 수 있다.
용금내의 기체는 용해된 상태 또는 물리적인 포획상태로 존재한다. 또한 금속의 표면상의 산화물로서도 존재한다. 본 발명에서 이용하는 금속인 알루미늄은 그 표면에 급격하게 산화물을 형성하는 금속으로 알려져 있으며, 이 산화물에 의해 웨팅이 방해된다.
또한, 기체는 금속과 입자를 혼합할때 용융 혼합물에 도입되기도 한다. 종래에는 노형태나 배의 프로펠러형태의 혼합 임펠러를 사용하여 금속과 입자를 혼합하였다. 즉, 상기 임펠러를 사용하여 용금내에 소용돌이가 형성되도록 용금을 교반하고, 소용돌이의 측면 또는 바닥에 입자를 첨가하였으며, 소용돌이의 측부를 따르는 용금의 흐름이 혼합을 촉진한다고 생각해왔다.
그러나 최근 상기와 같은 소용돌이가 존재하면 혼합물내에 기체가 혼입됨으로써 혼합작업의 궁극적인 목표인 웨팅이 방해된다는 것이 밝혀졌다. 즉, 기체는 혼합물의 상부에 기체가 분위기가 있을때 또는 진공이 존재하더라도 상기와 같은 소용돌이를 통해 용융 혼합물내에 도입된다.
제1도는 소용돌이 혼합의 영향을 도식적으로 도시한 것이다. 용융 혼합물내의 기체의 혼입량을 결정하기 위한 실험을 실시했다. 알루미늄과 실리콘 카바이드 입자의 혼합물을 도가니내에서 용해시켰다. 선 A는 용융 혼합물의 표면을 표시한 것이다. 이 용융 혼합물을 아르곤 분위기 하에서 주지의 혼합 임펠러를 사용하여 급격히 교반시켜 소용돌이를 형성했다. 선 B는 형성된 소용돌이의 형상을 표시한 것이다. 혼합을 중지했을때 용융 혼합물의 표면은 혼합전의 표면(A)보다 상당히 상승했다. 선 C는 상승된 표면을 표시한 것이다. 이와같은 수위의 차이는 혼합작업중에 소용돌이를 통해 용융 혼합물내에 혼입된 기체에 기인한 것이다. 이와같이 물리적으로 혼입된 기체는 입자와 용금의 계면에 우선적으로 집합하므로 웨팅의 형성에 악영향을 끼친다.
또한, 상기와 같은 혼합작업시 용융물내에는 캐비테이션 현상(cavitation)과 유사한 현상에 의해 기포가 형성되며, 부적절하게 설계된 혼합 임펠러의 날개 직후방의 저압영역으로 용해된 기체 또는 혼입된 기체가 모여 기포를 형성하며, 이 기포는 입자의 표면에 우선적으로 흡착됨으로써 웨팅을 방해한다.
본 발명의 혼합작업에 의하면 용융 혼합물내로의 기체의 혼입을 최소화할 수 있고, 혼합물내의 흡수기체, 용해기체 및 혼입기체의 양을 최소화함으로써 입자에 대한 용금의 웨팅이 방해되지 않도록 할 수 있다.
또한, 본 발명의 혼합공정에서는 용금과 고체 입자 사이에 고전단력을 부여한다. 이와같은 고전단력에 의해 용금과 고체입자는 서로 마찰되어 고체입자 표면의 기체 및 산화물과 같은 이물질이 제거될 수 있다. 또한 이 전단력에 의해 용금은 고체입자의 표면상에 양호하게 분산되며, 이 전단력에 의해 고체입자가 변형하거나 균열되는 일은 발생하지 않는다.
상기 용융물의 표면에는 진공을 부여하면 혼합작업시 용금내로의 기체의 혼입을 감소시킬 수 있고, 또한 진공은 용융물로부터 기체의 제거에 도움이 된다. 그러나 용금내의 기체의 혼입을 최소화하기 위한 다른 기술을 사용하는 경우에는 진공을 이용할 필요는 없다.
알루미늄 또는 알루미늄 합금과 같은 실리콘 카바이드와 같은 비금속 입자의 복합재료를 제조하는 방법은 알루미늄 합금의 용융 단계로부터 개시된다. 알루미늄 합금으로서는 6061, 2024, 7075, 7079, A356등의 알루미늄 합금을 하며, 합금의 종류에는 제한이 없다. 마그네슘 및 아연과 같은 휘발성 성분을 함유한 합금은 진공 및 전술한 방식으로는 제어된 합금의 화학을 이용하여 성공적으로 이용할 수 있다.
입자를 첨가하기 전에 웨팅을 방해하는 용금내의 산화물, 입자, 용해기체 및 기타의 불순물을 제거할 필요가 있다. 예를 들면 입자를 첨가하기 전에 약 15분에 걸쳐 아르곤과 같은 불활성 기체를 용금내에 취입하면 아르곤 기포가 용금의 상부로 상승함에 따라 용해기체 및 포획기체는 아르곤 기포내로 확산하게 되고, 또 이 아르곤 기포는 용금내의 불순입자를 용금의 표면으로 밀어올리게 된다.
비금속 내화 세라믹 입자를 용금에 첨가하여 혼합시킨다. 이 입자는 혼합조건 및 캐스팅 조건하에서 용금과의 화학 반응에 의해 거의 열화하지 않는 것이어야 한다. 즉, 주지의 모든 조건하에서 용금내에 용해되거나 용금과 반응하여 불필요한 생성물을 생성하는 입자는 사용할 수 없다. 대부분의 비금속은 고온에서 용금과 광범위한 반응을 일으키게 되지만 용금의 온도를 절절히 조절함에 의해 이와같은 반응을 감소시킬 수 있다.
바람직한 비금속 재료로는 금속 옥사이드, 금속 나이트라이드, 금속 카바이드, 금속 실리사이드 등을 들 수 있다. 특히, 실리콘 카바이드, 알루미늄 옥사이드, 보론 카바이드, 실리콘 나이트라이드 및 보론 나이트라이드가 비금속 재료로서 바람직하다. 특히, 실리콘 카바이드는 용이하게 입수할 수 있고, 가격이 저렴하며, 필요한 물리적 특성 및 반응성을 구비하므로 가장 바람직한 비금속 재료이다. 고순도의 그린(green) 실리콘 카바이드와 저순도의 블랙(black) 실리콘 카바이드 모두 적절하다.
용금에 첨가되는 실리콘 카바이드와 같은 입자의 양은 다양하게 변화시킬 수 있으며, 그 최고의 첨가량은 혼합물의 균일성을 달성할 수 있는 교반능력에 따라 달라진다.
입자의 첨가량이 증가하면 용융물의 점성이 증가하고 교반이 더욱 어려워지며, 또한 기체가 존재하는 면적도 그 만큼 증가하게 됨으로써 웨팅이 방해 받는다. 알루미늄 합금내에 첨가할 수 있는 실리콘 카바이드의 최대량은 약 40체적%이며, 입자의 형태와 치수도 다양하게 할 수 있다.
용금과 입자는 각각 주지의 방법으로 형성한다. 입자는 용금의 표면이나 표면하측에 첨가한다. 표면하측에 입자를 첨가하는 경우 첨가와 동시에 혼합을 실시해 주어야 입자가 용금의 표면위로 부상하는 것을 방지할 수 있다. 또한 입자를 용해전의 금속에 첨가한 다음 금속을 용해시키는 방식으로 입자를 첨가하는 방법도 있으나 입자첨가전에 용금을 청정시킬 필요가 있는 경우에는 청정기체에 의해 입자가 용금의 상부로 부상하기 때문에 바람직스럽지 않다.
상기 용금과 첨가 입자는 용금이 입자에 충분히 웨팅될 수 있는 시간동안에 걸쳐 혼합한다. 혼합은 입자의 표면으로부터 기체를 제거하여 웨팅을 촉진시킬 수 있는 높은 전단력으로 실시한다. 혼합시 용금내로의 기체의 혼입과 용금내에 기존하는 용해 기체의 안정화를 방지해야 한다.
바람직한 혼합방법은 용금에 높은 전단력을 가할 수 있는 동시에 용금의 표면에 작은 소용돌이를 발생시키는 분산 임펠러를 용금내에 침지시켜 혼합하는 것이다. 제2도에 도시한 분산 임펠러(100)은 이러한 요구조건을 충족시키는 임펠러로서 이 임펠러(100)에는 임펠러 샤프트(102)와 다수의 편평한 블레이드(104)가 구비된다. 이 블레이드(104)는 샤프트(102)에 수직한 선에 대해 약 15-45°의 각도를 이룬다. 이러한 설계에 의해 용금 표면상의 소용돌이와 용금내의 기포생성이 최소화하며 입자는 용금내로 섞여들여간다. 실험에 의하면 이 분산 임펠러는 알루미늄 합금의 용융물의 표면상에 소용돌이를 거의 발생시키지 않고 적어도 약 2500rpm의 속도로 회전이 가능하다는 것이 밝혀졌다. 임펠러를 고속으로 회전시켜주면 용융 혼합물에 높은 전단력을 부여할 수 있고, 또한 웨팅을 형성하는데 요하는 시간이 절약되므로 임펠러는 고속으로 회전시켜 주는 것이 바람직하다.
입자에 대한 용금의 웨팅을 완료하는데 요하는 충분한 시간동안, 그리고 용금내에 입자가 완전히 분산되는데 요하는 충분한 시간동안 분산 임펠러로 용금을 혼합시킨다. 실험에 의하면 총 혼합시간은 약 70분 정도로 하는 것이 바람직하다.
혼합온도는 입자와 용금사이의 해로운 화학반응을 방지할 수 있도록 주의깊게 제어해야 한다. 입자와 접촉하는 용금의 최대온도는 입자가 용금과의 반응에 의해 열화되는 온도를 초과해서는 안되며, 합금의 종류에 따라 달리 선택된다. 또한 용융 합금이 입자와 접촉해 있는 동안에 이 최대온도 이상의 온도를 상당한 시간동안 지속시켜서는 안된다.
예를들어, 마그네슘, 아연 및 리튬과 같은 반응성 성분을 상당량 함유하는 합금에 실리콘 카바이드 입자를 혼합한 용융 혼합물의 경우, 최대 혼합 온도는 합금의 액상선 +약 20℃ 정도로 한다. 또한 반응성 원소 또는 안정화 원소를 다량 함유하지 않은 통상의 합금의 경우, 최대 혼합온도는 합금의 액상선 +약 70℃정도로 한다. 또한 실리콘과 같은 용금의 반응성을 억제하는 원소를 다량 함유한 합금의 경우, 최대 혼합온도는 합금의 액상선 +약 100 내지 125℃로 한다. 최대 혼합온도가 이상 설명한 온도를 초과하면 용해 물질의 존재로 인해 점성이 증가하므로 합금의 용융, 혼합 및 캐스팅이 곤란해지거나 불가능해진다. 입자 주위에는 실리사이드를 함유한 반응영역이 형성된다.
상기한 최대 혼합온도는 또한 주로 입자의 화학조성에 의해 결정되는 입자의 반응도에 따라 달라진다. 실리콘 카바이드는 비교적 반응성이 있으므로 전술한 원리를 적용하며, 알루미늄 옥사이드는 알루미늄이나 알루미늄 합금내에서 비교적 비반응성을 나타내므로 높은 혼합온도를 사용할 수 있다.
리오 캐스팅(rheocasting)이라고 불리우는 종래의 방법에서는 금속과 입자의 혼합을 합금의 고상선과 액상선 사이의 온도범위에서 실시했다. 이 온도범위에서 고체 금속은 액체금속과 평형상태로 형성되어지며, 이 고체금속은 점성도 및 전단력을 더욱 증가시키게 됨으로써 혼합을 더욱 효과적으로 달성하게 된다. 그러나 액상선 이하의 온도를 사용하면 응고한 복합재료내의 금속상내에 합금원소가 공범위하게 편석되며, 이러한 재료는 종래의 캐스팅 방법에 의해서는 용이하게 캐스팅시킬 수 없는 문제점이 있다.
따라서, 용융 혼합물은 액상 금속과의 평형상태인 고상 금속이 전혀 존재하지 않는 최소온도와 입자가 용금과의 화학반응에 의해 열화되지 않는 최대온도 사이에 유지시켜야 한다. 상기 최소온도는 용금의 약 액상선 온도이며, 이 보다 약간 낮은 온도도 가능하다. 이와같이 액상선 온도보다 약간 낮은 온도로 혼합물을 유지하더라도 혼합물내에 고체금속이 존재하지 않는 상태에서 용금을 캐스팅하는 한 별로 나쁘지 않다. 예를들어, 용금에 입자나 합금원소를 첨가하면 약간의 온도강하가 발생하지만 곧 정상온도로 회복된다. 상기 최대 온도는 액상 금속에 의한 입자의 열화가 개시됨에 의해 제한된다. 이 최대 온도보다 약간 높은 온도를 사용하더라도 입자의 열화가 그리 심하지 않는 한 별 문제가 되지 않는다. 그러나 장시간 이 온도에서 혼합물을 유지해서는 안된다.
혼합이 완료되면 주지의 캐스팅 기술을 이용하여 캐스팅 작업을 실시한다. 임펠러에 의한 혼합을 중지했을때 용금은 균질한 상태가 되고, 입자 용금에 의해 웨팅됨으로써 용금의 표면위로 부상하지 않게 된다. 캐스팅은 혼합후 즉각 실시할 필요는 없으며, 또한 고속 캐스팅 방법을 사용할 필요도 없다. 따라서 저부공급 압력 캐스팅이 바람직하다.
완성된 복합재료의 주물은 주지의 방법에 의해 제품으로 성형한다. 본 복합재료는 어닐링처리 및 열처리가 가능하며, 압출 또는 압연과 같은 주지의 고온가공을 할 수 있다. 또한, 이 복합재료는 고상캐스팅과 같은 신기술에 의해 성형하는 것도 가능하다. 이 성형방법은 복합재료를 합금의 고상선과 액상선 사이의 온도로 가열하여 액상의 합금을 형성한 다음 다이 또는 주형에 설치하여 응고시키는 방법이다.
제3도 및 제4도는 캐스팅 방법에 의해 복합재료를 제조하는 장치를 도시한 것이다. 제3도의 장치에는 금속제 스탠드(11)상에 회전식 노지지체(furnace holder)(12)가 설치되어 있고, 이 노지지체에는 샤프트(13,14)가 설치되어 있으며, 이 샤프트는 필로우블록(15,16)에 저어널 연결되어 있다. 샤프트(16)에 고정되어 있는 핸들(17)은 용해시 또는 캐스팅시 필요에 따라 상기 노지지체(12)를 회전시키는데 사용한다.
도가니(18)은 용금에 의해 거의 침식되지 않는 재료로 형성된 것으로서, 일 실시예에 따르면 상기 도가니는 알루미나로 형성되고, 내경이 3-3/4인치, 높이가 11인치이다. 이 도가니는 5파운드의 알루미늄 합금을 용융시키는데 적합하다. 이 도가니는 썸크래프트(Thermcraft)가열체와 같은 가열체(19)에 의해 저항가열된다. 가열된 도가니는 와트로우(watlow) 블랭키트 절연체(22)와 저밀도 내화재(22a)에 의해 절연된다. 이와같이 절연된 조립체를 바닥의 두께가 1/4인치이고, 상부에 플랜지(24)가 용접된 304 스텐레스강제의 용기(21)내에 설치한다. 이 용기(21)은 도가니(18)을 수용하는 용기의 역할뿐 아니라 혼합시 진공실의 역할을 수행한다. 가열체(19)의 전원은 두개의 베어리언 미디엄(Varian medium) 진공 관통단자(19a, 19b)를 통해 연결된다. 도가니(18)과 가열체(19) 사이에 위치한 두개의 K형 열전쌍은 온도검지 및 온도 제어에 사용되는 것으로서 오메가 스와겔록(Omega Swagelock)형 기밀장착에 의해 용기(21)내에 도입된다.
도가니(18)의 온도는 도가니와 가열체 사이의 온도를 검지하는 오메가 40 비례제어기(25)에 의해 제어된다. 이 제어기(25)는 60암페어 와트로우 수은 계전기를 구동시키고, 이 계전기는 215볼트를 가열체(19)로 스위칭시키며, 상기 도가니의 온도는 와트로우 디지탈 온도계에 의해 검지된다.
상기 혼합 조립체는 미나릭(Minarik) 가열 고체상태 제어기(도시되지 않음)에 의해 제어되는 1/4마력의 보딘(Bodine) 가변속도 모터(26)으로 구성된다. 이 모터(26)은 아암(31)에 고정되며, 코그 벨트(27)에 의해 볼 베어링 스핀들(28)에 연결된다. 이 스핀들(28)은 도가니(18)상에 지지되어 회전분산 임펠러(29)를 지지한다.
상기 스핀들(28)은 아암(31)에 고정되며, 이 아암은 지지체(32,33)상에 상하운동이 가능하게 연결된다. 클램프(34,35)는 아암(31)을 소정의 위치에 고정시키는데 사용된다.
분산 임펠러(29)는 304 스텐레스강을 블래스팅처리후 아렘코(Aremco) 552 세라믹 접착제를 피복한 것으로서 사용하기전에 200℃의 온도에 유지해 둔다.
분산 임펠러(29)는 도가니의 중심선을 따라 수직방향으로 배치된다. 경우에 따라서는 스위핑 임펠러(110)라고 불리는 제2임펠러를 도가니에 설치하여 분산 임펠러(29)의 근처로 입자와 용금을 이동시키게 하는 것도 바람직하다. 혼합과 웨팅을 촉진시키는 주 전단작용은 분산 임펠러(29)에 의해 제공되고, 스위핑 임펠러(110)은 분산 임펠러(29)의 작용 범위내로 입자와 용금을 이동시켜 주는 역할을 한다. 또한 스위핑 임펠러(110)은 도가니의 내벽 근처에 유체 유동을 발생시켜 도가니의 벽면 근처에 입자 물질이 집중되는 것을 방지한다. 특히 치수가 큰 도가니의 경우 스위칭 임펠러(110)을 사용하는 것이 바람직하다. 도가니의 치수가 큰 경우, 입자는 융체의 외부 주변의 표면상에 집중되는 경향이 있고, 혼합이 불량해지게 된다.
제4도에 도시되어 있는 바와 같이 스위핑 임펠러(110)은 한 쌍의 블레이드(112)를 포함하며, 이 블레이드의 넓은면은 원주방향을 향해있다. 이 블레이드(112)는 도가니(18)의 내벽근처에 배치되며, 블레이드 아암(114)와 도가니의 내벽은 서로 접촉되지 않는다. 블레이드 아암(114)는 스위핑 임펠러 샤프트(116)에 부착되며, 이 샤프트(116)의 축선은 분산 임펠러 샤프트(102)와 동축을 이룬다. 스위핑 임펠러 샤프트(116)은 중공체로서 분산 임펠러 샤프트(102)와 독립된 베어링에 의해 지지된다. 따라서 분산 임펠러 샤프트(102)와 스위핑 임펠러 샤프트(116)은 서로 독립적으로 회전한다. 스위핑 임펠러 샤프트(116)과 블레이드(112)는 모터(도시되지 않음)에 의해 분산 임펠러(110)보다 매우 느린 속도로 회전된다. 스위핑 임펠러(116)은 약 45rpm의 속도로 회전되고, 분산 임펠러(100)은 약 2500rpm의 속도로 회전된다.
제3도에서 용기(21)의 상부는 착탈가능한 금속 플랜지(36)에 의해 폐쇄되며, 이 금속 플랜지(36)과 용기(21)의 상부 플랜지 사이에는 개스킷(36a)가 구비되며, 클램프(28a, 28b)에 의해 기밀 결합된다. 샤프트(37)은 척(38)에 의해 스핀들(28)에 착탈가능하게 고정되며, 플랜지(41a)를 장착한 진공 회전식 공급통로(41)을 관통한다.
플랜지(41a)에 T자 이음된 통로(42)는 아르곤의 유입 및 유출통로이고, 또한, 도가니(18)의 진공을 위한 진공통로이기도 하다.
혼합이 완료되면 혼합용 헤드를 제거하고 캐스팅 헤드로 교체했다. 제5도의 압력 캐스팅 조립체는 스텐레스강제의 원통형 주형을 구비한다. 이 주형(43)은 상부(42a), 플랜지가 형성된 저부(43c) 및 관형의 중간부가 도시된 바와 같이 볼트로 결합된다. 플랜지가 있는 저부(43c)에는 기계가공한 개구(44)가 구비되며, 이 개구(44)에는 산화된 304 스텐레스강제의 관(45)가 가압끼워 맞춤되어 고정나사(도시되지 않음)에 의해 고정된다. 관(45)는 도가니(18)의 저부로부터 1/2인치 높이까지 연장된다.
주형(43)의 저부(43c)는 용기의 플랜지(24)에 클램프(28a, 28b)에 의해 클램프 고정된 상부 플랜지(36)에 볼트고정된다.
주형(43)의 플랜지가 있는 저부(43c)내의 개구(46b)는 관(46a)를 통해 유입하는 저압공기의 입구역할을 한다. 이 입구를 통해 체임버내에 유입된 저압공기는 용융 알루미늄 복합재료를 관(45)를 통해 상승시켜 주형(43)을 충만시킨다. 주형 상부(42a)의 개구는 압력 캐스팅시 공기 배출구 역할을 한다.
실리콘 카바이드 입자와 알루미늄 합금 기질의 복합재료의 제조시, 알루미늄 합금의 액상선 이상의 온도로 가열하도록 제어기를 세팅시키고, 도가니내에 알루미늄을 장입하고, 알루미늄 합금이 용융하면 이 용금에 합금원소를 첨가한 다음, 온도를 다소 하강시키고, 용금내에 아르곤 기체를 취입하여 용금내에 아르곤기포를 형성시킨다.
본 발명은 금속기질 복합재료, 특히 캐스팅 방법에 의한 금속기질 복합재료의 제조방법에 관한 것이다.
관련출원
본 출원은 1983. 6. 6자 출원된 U.S. 특허 06/501, 128의 일부 계속 출원인 1984. 12. 12자 출원된 PCT/US 84/02055의 일부 계속 출원이다.
제1도는 임펠러에 의한 혼합전, 혼합중 및 혼합후의 도가니내의 용금의 상태를 보여주는 측면도.
제2도는 분산용 임펠러의 정면도,
제3도는 분산용 임펠러를 사용한 혼합장치의 부분절개 사시도,
제4도는 분산용 임펠러와 스위핑 임펠러를 구비한 혼합장치의 측면도,
제5도는 캐스팅 장치의 부분절개 사시도,
제6도는 2219합금기질내에 15체적%의 실리콘 카바이드 입지를 함유한 복합재료의 현미경 사진,
제7도는 940℉의 온도에서 압출시켜 약 11 : 1의 비율로 면적을 감소시킨 후의 제6도의 복합재료의 횡방향 현미경 사진,
제8도는 900℉의 온도에서 압연시켜 약 100 : 1의 비율로 면적을 감소시킨 후의 제6도의 복합재료의 횡방향 현미경 사진,
제9도는 357기질내에 15체적%의 실리콘 카바이드 입자를 함유한 복합재료의 현미경 사진이다.
본 실시예 Ⅰ은 6061 알루미늄-실리콘 카바이드 합성물의 제조방법을 설명한다. 혼합하기전에 다음단계를 먼저 수행한다. 블래스팅 처리된 임펠러(29)는 아렘코(Aremco) 552 접착세라믹 피복물로 3번 피복되며 마지막 피복이 된후에 건조시키기 위해 혼합하기전에 200℃에 유지한다. 이 실리콘 카바이드 분말(600메시)은 흡착수를 제거하도록 200℃에 유지된다. 가열에 사용될 금속은 장입에 편리한 크기와 중량을 갖도록 절단된다. 이 실시예에서 금속은 6061, A520(10% Mg-Al) 및 A356(7% Si-Al) 알루미늄 합금으로 구성된다. 압축 주형은 조립된 후 300℃까지 가열테이프로 가열된다.
혼합노는 작동개시되고 850℃-870℃로 세팅된다. 노(18)은 빠르게 가열된다.
1790g의 6061바아형 장입물이 노(18)에 장입되고 아르곤분위기가 유입되도록 포트(42)에서 나온다. A520장입물은 아주낮은 융점과 친산화성때문에 장입이 억제된다. 6061장입물이 용융되기 시작함에 따라 온도는 680℃로 저하된다(680℃-720℃가 작동 가용 범위). 이후 245g의 A520과 23g의 A356이 용융된 6061에 첨가된다.
아르곤개스는 100cc/min의 유동율로 15분간 용융물에 취입되며 흡착수소를 배제하여 산화물 입자를 용융물 표면으로 이동시켜 상기 입자는 제거된다. 655g의 600그리트 실리콘 카바이드가 용융물에 첨가된후 혼합조립체가 배치되며 포트(42)를 통해 15-20토르 또는 그 이하의 진공압이 노(18)에 가해진다.
혼합기 모터(26)은 작동개시된 후 임펠러(29)는 약 750rpm으로 회전하도록 세팅된다. 5분간 혼합후 체임버는 아르곤으로 대기압이 되며 진공장치는 약간 상승되어 벽에 붙어 있던 과잉의 실리콘 카바이드를 긁어내어 용융물에 첨가시킨다. 체임버는 재밀봉된 후 진공으로 된다. 이 세척작업은 5분간격으로 2번이상 되풀이 된다. 상기 용융물은 총 혼합시간 50분동안 교반된후 모터는 정지한다.
가열된 주형과 충전튜브(45)를 구비한 제5도의 압축주형헤드는 고정되며 그후 충전튜브(45)는 용융알루미늄 합성물(46)에서 거의 노바닥에까지 잠겨있다. 체임버 내부는 외부밸브와 압력을 공급하는 작은 압축기를 통해 1.5psi까지 서서히 압축된다. 이 낮은 압력은 합성물을 충전튜브를 통해 주형으로 이동시킨다.
알루미늄이 작은 공기구멍(47)에서 스며나와 상기 구멍을 막게되면 상기 주형내의 금속이 완전히 응고될때까지 압력을 9psi까지 증가된다.
상기 금속이 냉각된후 상기 주형에서 제거된다.
실시예 Ⅰ에 정의된 6061 알루미늄 합금-실리콘 카바이드 합성물 제조방법은 합성물질에 손상을 가져다주지 않고도 노벽을 세척하기 위해 혼합체임버를 개폐하는 중에 생기는 진공-압력싸이클을 제거함으로써 훨씬 단순화 된다. 이것은 대기압의 아르곤 분위기하에 혼합 및 세척의 제1부를 수행한 후 용해된 개스를 제거하고 SiC 미립자의 효과적인 웨팅을 보장하는 10-20토르 진공압하에 혼합을 완수함으로써 달성된다.
다음의 실시예 개조된 공정을 이용하는 6061-600메시 실리콘 카바이드 합성물의 제조방법을 설명한다.
실시예 Ⅱ
실시예 Ⅰ에서와 같이 블래스팅처리후 임펠러는 아렘코 552 접착 세라믹 피복물로 3번 피복되며 혼합하기 전에 200℃에 유지된다. 실리콘 카바이드는 200℃에서 건조를 계속한다.
1795g의 6061바아형 장입물과, 250g의 A520 및 23g의 A356의 중량을 잰후 노(18)에 장입하기에 편리한 크기로 절단된다.
혼합노는 작동이 시작되고 850℃-870℃의 온도로 세팅된다.
6061바아형 장입물은 노(18)에 장입된후 아르곤 분위기가 주입된다. 6061이 용융되기 시작함에 따라 노온도는 680℃까지 저하된다. 그후 A520과 A356은 용융된 6061에 첨가된다.
실시예 Ⅰ에서와 같이 아르곤을 흡착수소를 배제하고 부유산화물 입자를 표면으로 이동시키도록 15분간 용융물로 취입된다. 그후 655g의 600메시 실리콘 카바이드가 상기 용융물에 첨가되고 혼합조립체가 설치되어 포트(42)를 통해 용융물 주위에 아르곤이 계속 유동하게 한다.
혼합용 모터(26)이 작동개시되고 임펠러(29)는 약 750rpm으로 회전되도록 세팅된다. 5분간 혼합한후 모터는 정지되고 벽에 묻어있는 실리콘 카바이드 분말은 긁어내려져 용융물에 첨가된다. 이 세척작업은 2번이상 되풀이 된다. 대기압의 아르곤 분위기하에 40분간 혼합된후 혼합체임버는 용융물이 계속 교반되는 동안 10-20토르 진공압까지 지공화한다. 50분의 총 혼합후 모터는 정지된다.
실시예 Ⅰ에서와 같이 제5도에 도시한 압축주형헤드는 정위치에 고정되고 혼합체임버의 외부는 작은 압축기를 이용하여 포트(46)을 통해 압축된다. 이 저압은 주형(43)을 채우기 위해 합성물을 충전튜브(45)까지 올린다. 알루미늄이 공기구멍(47)으로부터 스며나와 응고되어 상기 구멍을 밀봉하여 응고가 완료될 때 까지 압력은 9psi까지 증가된다.
상기 실시예 Ⅰ및 Ⅱ에 설명하였듯이 실리콘 카바이드 분말을 액체 6061 합금에 혼합하는 것을 조절함으로써 양호한 강도와 연성을 갖는 거의 이론적 조성의 혼합물을 나타내는 합성물질을 제조하는 것이 가능하다.
전술한 실시예 Ⅰ-Ⅱ는 단지 분산 임펠러만을 사용하여 수행된다. 다음의 실시예 Ⅲ-Ⅳ은 분산 임펠러와 스위핑 임펠러를 갖춘 큰 노를 사용하여 수행된다.
실시예 Ⅲ
실시예 Ⅲ은 7000cc의, 2219 알루미늄 합금 및 15체적%의 실리콘 카바이드 혼합물을 제조하는 방법을 설명한다.
분산 임펠러와 스위핑 임펠러는 암레코 초강력 접착 알루미나 세라믹의 연속된 3번의 피복이 되어 있으며 각 피복후에 200℃에서 건조된다. 2개의 임펠러는 세라믹 피복물에 의해 물이 흡착되는 것을 피하기 위해 200℃ 온도로 유지된다.
2219금속 16,900g의 중량이 측정된후 노에 적당한 편리한 형상으로 절단된후 건조 및 예열하기 위해 작은 박스형 노에서 가열된다. 3370g의 실리콘 카바이드 분말은 중량이 측정된후 습기를 제거하기 위해 200℃의 오븐에 배치된다.
본 발명의 특별한 실시예가 예시하기 위해 상세히 기재되었지만 본 발명의 범위와 취지를 벗어나지 않고도 다양한 개조가 가능하다. 따라서 본 발명은 첨부된 청구범위에 국한되지 않는다.

Claims (16)

  1. 용융된 금속합금과 혼합된 비금속성 내화물질의 입자들로 보강된 금속합금 복합체의 제조방법에 있어서, 상기 입자들이 용융금속의 전체에 걸쳐 분포되고 상기 입자가 상기 용융물에 의해 습윤이 잘 이루어지도록 상기 입자들이 상기 용융금속과 서로 잘 섞이는 조건하에서, 상기 용융 금속을 상기 비금속성 재료의 입자에 습윤시켜 주기 위해 상기 용융금속과 상기 비금속성 재료의 입자들을 서로 혼합하는 단계와 ; 상기 형성된 혼합물을 고체 금속이 존재하지 않는 충분히 높은 주조 온도에서 주조하는 단계를 구비하고, 상기 혼합단계가 상기 용융금속을 상기 입자에 습윤시키기에 충분한 시간동안 상기 입자들과 용융 금속의 혼합물내로의 기체도입 및 상기 혼합물내에서의 기체의 보유를 최소화시키면서, 또한 상기 혼합단계를 완료시키는데 필요한 시간내에서 상기 용융금속내에서 상기 입자들의 화학적 품질이 저하되지 않는 온도에서 실시되는 것을 특징으로 하는 금속 합금 복합체의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 금속재료는 알루미늄 합금인 것을 특징으로 하는 금속 합금 복합체의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 비금속성 재료는 금속 옥사이드, 금속 나이트라이드, 금속 카바이드 및 금속 실리케이트로 구성되는 그룹으로부터 선택된 내화세라믹인 것을 특징으로 하는 금속 합금 복합체의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 비금속성 재료는 실리콘 카바이드, 알루미늄 옥사이드, 보론카바이드, 실리콘 나이트라이드 및 보론 나이트라이드로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 금속 합금 복합체의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 복합체를 제조하는 동안의 상기 휘발성 성분의 손실을 보충하도록 상기 금속재료의 휘발성 성분을 상기 급속 재료에 첨가하는 것을 특징으로 하는 금속 합금 복합체의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 용융 금속이 상기 혼합단계 전반에 걸쳐 상기 금속의 액상선 온도 내지 상기 액상선 온도보다 30℃ 높은 온도의 범위로 유지되는 것을 특징으로 하는 금속 합금 복합체의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 혼합 단계는 용융 금속과 입자들의 상기 혼합물에 가해진 진공에 의해 실시되는 것을 특징으로 하는 금속 합금 복합체의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 혼합 단계는 회전 분산 임펠러에 의해 달성되는 것을 특징으로 하는 금속 합금 복합체의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 분산 임펠러는 상기 혼합물내에서 약 500 내지 약 3,000rpm의 속도로 회전하는 것을 특징으로 하는 금속 합금 복합체의 제조방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 혼합 단계가, 상기 용해물의 중심 영역내에 담그어져 상기 혼합물내로 기체를 도입함이 없이 상기 입자들과 상기 용융 금속을 서로 잘 섞어 주는 회전 분산 임펠러와 ; 상기 용해물의 주변과 접촉하여 용융금속이 상기 분산 임펠러 부근으로 이동하도록 조장하는 회전 스위핑 임펠러를 포함하는 혼합헤드에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속 합금 복합체의 제조방법.
  11. 제8항에 있어서, 스위핑 임펠러는 또한 상기 입자들과 용융 금속을 상기 분산 임펠러 부근으로 이동시키기 위해 상기 용융 혼합물 속으로 담그어지는 것을 특징으로 하는 금속 합금 복합체의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 분산 임펠러는 상기 스위핑 임펠러보다 더 큰 속도로 회전하는 것을 특징으로 하는 금속 합금 복합체의 제조방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 분산 임펠러는 약 2,500rpm의 속도로 회전하며, 상기 스위핑 임펠러는 약 45rpm의 속도로 회전하는 것을 특징으로 하는 금속 합금 복합체의 제조방법.
  14. 용융 상태로 상기 금속 합금을 수용하는 수용 수단과 ; 상기 수용 수단내에 있는 상기 금속 합금을 적어도 상기 금속 합금의 액상선 온도로 가열시키기 위한 가열 수단과 ; 기체의 존재가 상기 용융 금속을 상기 입자들에 의해 습윤시키는 것을 방해하는 경향이 있기 때문에, 상기 혼합물내의 기체의 보유를 최소화 시키면서, 상기 용융 금속에 의해 상기 입자들이 잘 습윤되게끔 상기 입자들이 서로 고르게 부수어 지도록, 상기 용융 금속을 상기 입자들에 습윤시키기 위해 상기 수용 수단내의 상기 용융 금속과 상기 입자들을 서로 혼합시켜주는 혼합 수단을 포함하는 비금속성 재료의 입자들로 보강된 금속 합금의 복합재료를 제조하는 장치에 있어서, 상기 혼합 수단이 상기 입자들과 상기 용융 금속을 서로 혼합시켜주는 분산 임펠러 및 상기 수용 수단의 내부벽에 인접한 영역으로부터 상기 분산 임펠러를 향해 상기 용융 금속 및 상기 입자들을 이동시키기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 합금의 복합체의 제조장치.
  15. 제14항에 있어서, 상기 혼합 수단은 상기 용융물 속으로의 기체의 도입 및 상기 용융물내에서의 기체의 보유를 최소화시키기 위해, 상기 혼합 공정동안 상기 용융물에 진공을 가하는 진공 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 합금 복합체의 제조장치.
  16. 제14항에 있어서, 상기 혼합 수단이, 기체 분자들을 상기 용융물 속으로 끌어당기려는 경향을 가진 상기 용해물 표면에서의 소용돌이를 최소화시키면서 상기 입자들과 상기 용융 금속을 잘 섞어주는 작용을 하는 회전 분산 임펠러와 ; 상기 입자들과 용융 금속을 상기 분산 임펠러 부근으로 이동시키는 작용을 하는 회전 스위핑 임펠러를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 합금 복합체의 제조장치.
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