KR950008590B1 - 자립성 세라믹체 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

자립성 세라믹체 및 이의 제조 방법

본 발명은 모재 금속(precursor metal)과 증기상 산화제의 산화 반응 생성물로서 형성되며, 세라믹체에 소정의 특성을 부여하도록 상기 세라믹체를 제조하는 동안 도입되는 제2금속을 포함하는 금속 성분을 갖는 자립성 세라믹체를 제조 방법 및 이 방법에 의해 제조되는 세라믹체에 관한 것이다.

근년, 종래 금속을 사용해왔던 건축 자재용으로 세라믹을 사용하고자 하는 관심이 증가하고 있다. 이러한 관심을 자극하는 요인은 내부식성, 경도, 탄성 모듈러스 및 내화성과 같은 특성면에서 세라믹이 금속에 비해 우수하기 때문이다.

강도가 더욱 높고 신뢰도가 크고 인성이 큰 세라믹 제품을 제조하고자 현재 (1) 모노리스 세라믹을 위한 개량된 처리 방법의 개발 및 (2) 신소재 조성물, 특히 세라믹 매트릭스 복합체의 개발에 주력하고 있다. 복합체 구조물은 그 복합체의 바람직한 특성을 얻기 위하여 친밀히 결합된 2종 이상의 상이한 물질로 제조된 비균질 재료, 물체 또는 제품을 포함한다. 예컨대, 2종의 상이한 물질는 하나의 물질을 다른 한 물질의 매트릭스에 매립시키므로써 친밀히 결합시킬 수 있다. 세라믹 매트릭스 복합체 구조물은 전형적으로 입자, 섬유, 로드 등과 같은 1종 이상의 다양한 충전재가 혼입된 세라믹 매트릭스를 포함한다.

금속을 세라믹으로 대체하는데는 치수 가변성, 복잡한 형상을 만들어내는 능력, 최종 용도에 필요한 특성 및 비용 등과 관련하여 몇가지 알려진 문제점이 있다.

본 출원의 소유권자와 동일한 소유권자에게 양도된 특허 출원들(이하 공동소유의 특허출원으로 언급함)은 상기와 같은 문제점을 극복하여 복합체를 비롯한 세라믹 소재를 확실하게 제조하는 새로운 방법을 제공한다.

상기 방법은 1986년 1월 15일자 출원되어 미합중국 특허 제4,713,360호로 허여된 공동 소유의 미합중국 특허 출원 제818,943호에 포괄적으로 개시되어 있으며, 상기 특허원 818,943호는 1985년 9월17일자 미합중국 특허 출원 776,964호의 일부계속(CIP) 출원이고, 상기 특허원 776,964호는 1985년 2월 26일자 미합중국 특허 출원 제705,787호의 CIP 출원이며, 상기 특허원 705,787호는 1984년 3월16일자 미합중국 특허 출원 제591,392호의 CIP 출원이며 이들은 모두 마크 에스. 뉴커크외 다수의 명의로 "신규 세라믹 재료 및 이의 제조 방법"이라는 명칭하에 출원된 것이다. 상기 출원건들은 모재 금속 전구체로부터 산화반응 생성물로서 형성된 자립성 세라믹체를 제조하는 방법에 관해 기술하고 있다. 용융된 모재 금속은 증기상 산화제와 반응하여 산화반응 생성물을 생성하며, 금속은 산화반응 생성물을 통해 산화제쪽으로 이동해서 연속적으로 성장하여 연속된 금속 성분 및/또는 연속된 기공을 지니는 다결정질 세라믹체를 제조할 수 있다. 이러한 방법은 예컨대 공기중에서 마그네슘 및 실리콘으로 도우핑된 알루미늄 모재 금속을 산화시키는데 사용되는 합금 도우판트를 이용하므로써 개선할 수 있다. 이러한 방법은 1986년 1월 27일자 출원되어 현재는 포기된 미합중국 특허 제822.999호(이의 CIP 출원인 특허원 220,935호는 미합중국 특허 제4,853,352호로 허여됨)에 기술된 바와 같이 금속 전구체의 표면에 적용된 외부 도우판트를 사용함으로써 개선되었으며, 상기 특허원 제822,999호는 1985년 9월 17일자 특허출원 제776,965호의 CIP 출원이고; 상기 특허원 776,965호는 1985년 6월25일자 특허출원 제747,788호의 CIP 출원이고, 상기 특허원 747,788호는 1984년 7월20일자 특허출원 제632,636호의 CIP 출원이며, 상기 특허원들은 모두 마크 에스. 뉴커크의 다수의 명의로 "자립성 세라믹 재료의 제조 방법"이라는 명칭하에 출원되었다.

상기 산화 현상은 또한 1985년 2월 4일자 미합중국 특허출원 제697,876호의 CIP 출원으로서 1986년 1월 17일자 출원되어 미합중국 특허 제4,851,375호로 허여된 공동소유의 미합중국 특허출원 제819,397호로 기술된 바와 같은 세라믹 복합체의 제조에도 사용되었으며, 상기 특허원은 둘다 마크 에스. 뉴커크의 다수의 명의로 "복합 세라믹 제품 및 이의 제조 방법"이라는 명칭하에 출원되었다. 상기 출원건들은 투과성 충전재속으로 모재 금속으로부터 형성된 산화 반응 생성물을 성장시켜 충전재에 세라믹 매트릭스를 침투시킴으로써 자립성 세라믹 복합체를 제조하는 신규의 방법을 기술하고 있다. 그러나 생성된 복합체는 한정된 또는 예정된 형태, 형상 또는 입체 형태를 갖지 못한다.

예정된 입체 형태를 갖는 세라믹 복합체의 제조 방법이 1986년 3월 8일자 출원되어 현재는 포기된 미합중국 특허 출원 제861,025호(이의 CIP 출원인 특허원 제338,471호는 미합중국 5,017,526호로 허여됨)에 기재되어 있다. 상기 미합중국 특허출원의 방법에 의하면, 성장하는 산화반응 생성물은 한정된 표면 경계를 향하는 방향으로 투과성 예비성형체(preform)에 침투한다. 이 때, 1986년 5월 8일자 출원되어 미합중국 특허 제4,923,832호로 허여된 특허 출원 제861,024호에 기재된 바와 같이, 차단 수단을 가진 예비성형체를 제공함으로써 더욱 용이하게 높은 충실도를 얻을 수 있다. 상기 방법은 모재 금속의 산화반응 생성물을 상기 금속으로부터 이격된 차단 수단까지 성장시킴으로써, 경계 또는 표면을 형성할 수 있도록 성형된 세라믹 복합체를 비롯한 성형된 자립성 세라믹체를 생성시킨다. 양각 패턴의 형상을 역복제한 내부 입체 형태로 된 공동을 포함하는 세라믹 복합체가 1986년 1월 27일자 출원되어 미합중국 특허 제823,542호로 허여된 특허출원 제823,542호 및 1986년 8월 13일자 출원된 미합중국 특허출원 제896,157호에 개시되어 있다.

전술한 공동 소유의 특허 출원들은 최종 용도에 있어서 금속의 대체용품으로서의 세라믹 제품을 제조할 때의 몇가지 종래의 문제점을 해결한 세라믹 제품 제조 방법을 개시하고 있다.

상기 특허 출원들은 모두 1차원 이상의 차원(보통 3차원)으로 연속된 산화반응 생성물과 하나 이상의 금속 성분을 포함하는 세라믹체의 실시예를 개시하고 있다. 전형적으로 비-산화된 모재 금속 성분 및/또는 산화제 또는 충전재로부터 환원된 금속을 포함하는 금속의 체적은 산화반응 생성물이 형성되는 온도, 산화반응 생성물의 성장을 허용하는 시간의 길이, 상기 모재 금속의 조성, 도우판트(dopant)의 존재 유무, 임의의 산화재 또는 충전재의 환원된 성분 등과 같은 요인에 좌우된다. 상기 금속 성분의 일부는 고립되거나 봉입되어 있을 뿐만 아니라 대부분의 금속은 상기 세라믹체의 외부 표면과 연속되거나 또는 그로부터의 접근이 가능하다. 이러한 세라믹체에 있어서 상기 금속-함유 성분(고립되거나 연속된 것)은 약 1 내지 40부피%, 때로는 그 이상 함유되어 있는 것으로 밝혀졌다. 상기 금속 성분은 특정의 바람직한 성질을 부여하거나 또는 여러가지 제품의 용도에서 상기 세라믹 제품의 성능을 개량시킬 수 있다. 예를 들면, 상기 세라믹 구조물의 금속의 존재는 상기 세라믹체에 파괴내성, 열전도성, 탄성 또는 전기전도성을 부여하는 면에서 상당한 장점을 가질 수 있다.

본 발명은 최종 세라믹 제품에 하나 이상의 바람직한 특성을 부여하기 위하여 상기 세라믹체를 제조하는 동안에 상기 세라믹체의 금속 성분(고립되거나 연속된 것)을 동일 계상에서 형성시키는 방법에 관한 것이다. 따라서, 상기 세라믹체를 위한 제품설계가 외부 자원 또는 후-성형 처리가 아닌, 원래의 상태에서 소정의 금속 성분을 혼입시킴으로써 달성되므로 유리하다.

전술한 공동 소유의 특허 출원들에 대한 기술 내용은 본 명세서에 참고 인용하였다.

본 명세서와 특허청구범위에서 사용되는 용어들의 의미는 다음과 같다.

"세라믹"은 비금속과 무기재료만으로 구성된 전통적인 의미의 세라믹체에 한정되는 것이 아니라, 하나 이상의 금속성 구성 성분을 소량 또는 상당량(전형적으로 약 1-40부피% 이지만 그 이상 포함할 수도 있음) 포함한다 할지라도 조성 또는 현저한 특성면에서 주로 세라믹인 물체를 의미한다.

"산화 반응 생성물"은 임의의 산화된 상태로 존재하는 하나 이상의 금속을 의미하는 것으로서, 상기 금속은 다른 원소, 화합물 또는 이의 배합물에 전자를 공여하거나 또는 공유한다. 따라서, 이러한 정의하의 "산화 반응 생성물"은 산소, 질소, 할로겐, 황, 인, 비소, 탄소, 붕소, 셀렌, 텔루르 및 이들의 화합물과 배합물, 예컨대, 메탄, 산소, 에탄, 프로판, 아세틸렌, 에틸렌, 프로필렌(탄소원으로서의 탄화수소), 그리고 공기, H₂/H₂O 및 CO/CO₂와 같은 혼합물인 산화제와 하나 이상의 금속과의 산화 반응 생성물을 포함한다. 상기 후자의 두 혼합물(즉, H₂/H₂O와 CO/CO₂)은 산화성 대기의 산소 활동도를 감소시키는데 유용하다.

"증기상 산화제"는 특정 기체 또는 증기를 함유 또는 포함하는 산화제를 의미하며, 그 특정의 기체 또는 증기가 이용되는 산화성 대기하에서 모재 금속의 유일하고도 유력한 또는 최소한 유의의 산화제이다. 예컨대 공기의 주요 성분은 질소이지만, 산소는 질소보다 훨씬 강한 산화제이기 때문에 공기중의 산소 성분이 모재 금속에 대한 유일한 산화제이다. 따라서, 공기는 "산소-함유 기체"산화제의 정의에 포함되며, "질소-함유기체"의 정의에는 포함되지 않는다. "질소-함유 기체" 산화제의 정의에 포함되며, "질소-함유기체"의 정의에는 포함되지 않는다. "질소-함유 기체"산화제의 예로는 약 96부피%의 질소와 약 4부피%의 소수를 함유하는 "성형 기체"를 들 수 있다.

"모재 금속"은 증기상 산화제와 반응하여 다결정성 산화 반응 생성물을 형성하는 금속을 의미하는 것으로, 비교적 순수한 금속 또는 상업적으로 입수 가능한 불순물 함유 금속을 포함한다. 알루미늄과 같은 특정 금속을 모재 금속으로 언급했을때, 그 금속은 특별한 언급이 없는한 상기한 모재 금속의 정의하에 해석되어야 한다.

"제2금속 또는 이종 금속"은 상기 모재 금속의 비산화된 성분을 대신하거나 이에 부가해서, 또는 이와 함께 형성된 세라믹체의 금속 성분내로 혼입되거나 또는 혼입될 필요가 있는 적당한 금속, 금속의 배합물, 합금, 금속간 화합물 또는 원료 등을 의미한다. 상기 정의에는 상기 모재 금속과 제2금속 사이에 형성되는 금속간 화합물, 합금, 고용체 등에 포함된다.

용융된 금속의 "흐름(flux)"는 상기 반응 조건에 의해 야기되는, 상기 산화 반응 생성물내에서의 용융 금속의 유동 또는 이동을 의미한다. 따라서 본 명세서에 사용되는 용어 "흐름"은 금속학상 통상적으로 사용되는 물질을 한정하는 것은 아니다.

본 발명에 따르면, 모재 금속의 산화 반응에 의해 자립성 세라믹체를 제조하는 방법이 제공되며, 상기 세라믹체는 용융된 모재 금속과 증기상 산화제의 산화 반응 생성물과 금속 성분을 포함한다. 상기 제2금속 또는 이종 금속은 상기 세라믹체를 제조하는 동안에 상기 세라믹체의 하나 이상의 성질에 적어도 부분적으로 영향력을 미치기에 충분한 양으로 상기 세라믹체의 금속 성분애로 도입 또는 혼입된다.

일반적으로, 모재 금속의 산화 반응에 의해 자립성 세라믹을 제조하는 방법에 있어서, 모재 금속을 증기상 산화의 존재하에 가열하여 용융된 금속체를 형성한다. 용융된 모재 금속은 적당한 온도에서 상기 산화제와 반응하여 산화 반응 생성물을 형성하며 상기 생성물은 상기 용융된 모재 금속체와 증기상 산화제와의 사이에 적어도 부분적으로 접촉된 상태로 유지된다. 상기 온도에서, 용융된 모재 금속은 상기 산화 반응 생성물을 통해 상기 증기상 산화제 쪽으로 이동한다. 이와 같은 과정중에, 상기 제2금속 또는 이종 금속은 용융된 금속의 흐름내로 혼입되어(이하에 상세히 설명함); 형성된 세라믹체의 금속 성분이 된다. 용융된 모재 금속과 이종 금속을 포함하는 상기 금속 성분은 상기 산화반응 생성물을 통해 이동되고, 모재 금속은 증기상 산화제와 접촉함에 따라 계속해서 다결정성 세라믹체를 성장시킨다. 산화반응은 산화반응 생성물과 금속 성분을 포함하는 자립성 세라믹체를 형성시키기에 충분한 시간동안 계속된다. 상기 금속 성분은 모재 금속의 비산화된 성분과 상기 세라믹체의 하나 이상의 성질에 적어도 부분적으로 영향을 미칠 수 있도록 유의의 양으로 존재하는 제2금속 또는 이종 금속을 포함한다. 본 발명의 방법에 의해, 상기 세라믹 제품은 하나 이상의 예정된 또는 바람직한 특성을 나타내게 된다.

본 발명에 의하면, 상기 제2금속 또는 이종 금속은 상기 세라믹체를 제조하는동안 용융된 모재 금속의 흐름속에 주입되어, 산화반응 생성물을 통해 용융된 모재 금속과 함께 이동된다. 모재 금속의 일부는 증기상 산화제와 반응하여 산화 반응 생성물을 형성하는 반면 상기 제2금속은 상기 증기상 산화제에 의해 거의 산화되지 않고, 대개 상기 금속 성분을 통해 분산된다. 상기 세라믹체의 제조시, 금속 성분의 구성 요소로서의 상기 제2금속은 상기 세라믹체와 일체화됨으로써 세라믹 제품의 하나이상의 성질을 변경 또는 개선시킨다.

본 발명의 다른 실시양태에 있어서는, 상기 제2금속이 용융된 모재 금속의 흐름속으로 혼입된 후에 세라믹체내로 혼입된다. 상기 과정중에, 용융된 모재 금속은 산화 반응 생성물로 전환되고, 산화 반응은 용융된 금속의 흐름내에 존재하는 상기 제2금속의 양에 비례하여, 모재 금속의 양을 고갈시키기에 충분한 시간동안 계속됨으로써, 상기 세라믹체의 금속 성분내에 제2금속과 모재 금속을 포함하는 하나 이상의 바람직한 금속상을 형성한다. 상기 바림직한 금속상의 형성은 상기 반응 온도 범위내에서, 세라믹체를 냉각후처리 또는 열처리, 또는 상기 방법에 따라 제조된 세라믹 제품의 적용시 일어날 수 있다. 형성된 세라믹체는 하나 이상의 예정된 바람직한 특성을 세라믹 제품에 부여하는 하나 이상의 금속 상이 혼입된 금속 성분을 갖는다.

상기 제2금속은 여러가지 수단들 중 어느 하나, 또는 그러한 수단들을 조합하여 사용하므로써 용융된 금속의 흐름 또는 세라믹체내로 혼입시킬 수 있다. 상기 제2금속은 상업적으로 입수 가능한 바람직한 조성의 모재 금속합금을 사용하는 것을 포함하는 전처리 단계에서 모재 금속과 합금되거나, 또는 모재 금속의 하나 이상의 표면, 바람직하게는 모재 금속의 성장 표면상에 부착될 수 있다. 산화반응 과정이 진행되는 동안, 상기 제2금속은 용융된 금속의 흐름내로 혼입되고, 상기 산화반응 생성물내로 이동하여 연속된 금속 성분의 일부가 됨으로써 상기 세라믹체와 일체화된다.

복합체가 형성되고, 산화반응 생성물을 충전재 층 또는 성형된 예비성형체내로 성장시키는 다른 실시예에 있어서, 상기 제2금속은 이를 상기 충전재 또는 예비성형체 재료와 혼입시킴으로써 제공되거나, 또는 상기 충전재 또는 예비성형체의 하나 이상의 표면에 적용될 수 있다. 상기 산화반응 생성물이 상기 충전재 재료를 침투하고 용융된 금속이 성장하는 산화반응 생성물을 통해 이동함에 따라, 용융된 모재 금속은 상기 제2금속(또는 이의 공급원)과 접촉한다. 접촉시, 상기 제2금속 또는 그의 일부가 용융된 모재 금속의 흐름 속으로 혼입되어 그와 함께 세라믹 매트릭스내로 이동한다. 모재 금속 또는 그의 일부가 증기상 산화제와 이전에 형성된 산화반응 생성물 사이의 계면에서 상기 증기상 산화제에 의해 계속해서 산화되는 동안, 상기 제2금속은 형성된 복합체내의 상기 흐름내에서 이동한다. 그러므로, 상기 제 금속은 용융된 금속의 흐름내로 혼입된다.

또다른 실시예에 있어서, 상기 제2금속은 상기 용융된 금속과 반응하고/하거나, 처리 조건하에서 분해되어 차후 용융된 금속의 흐름속으로 혼입될 제2금속을 유리시키는 화합물 또는 혼합물의 형태로 제공된다. 이와 같은 화합물은 예컨대, 용융된 모재 금속에 의해 환원될 수 있는 금속 산화물일 수 있다. 이러한 화합물은 층 형태로 모재 금속체의 상단에 부착되거나, 또는 충전재 또는 충전재 또는 예비성형체 재료와 혼압되거나 또는 이에 부착될 수 있다.

본 발명에 따르면, 도우핑될 수 있으며(이하에서 더욱 상세히 설명함) 상기 산화반응 생성물에 대한 전구물질인 상기 모재 금속은 주괴, 막대, 로드, 판 등으로 형성되어, 불활성 층, 도가니 또는 기타 내화 용기의 설비내에 배치된다. 제2금속은 상기 세라믹체가 형성되는 동안, 용융된 모재 금속의 흐름속으로 도입될 수 있다. 모재 금속과 제2금속을 포함하는 금속 성분은, 전술한 특허 출원들에 기재된 바와 같이, 용융된 금속의 모세관 이동을 포함하는 용융된 금속의 유동에 의해 상기 산화반응 생성물을 통해 이동한다. 따라서, 상기 제2금속은 형성된 세라믹체의 금속 성분의 일부가 된다.

예정된 양의 제2금속은 하기 (1)∼(3)의 방법에 의해, 모재 금속, 내화용기, 및 경우에 따라서는 복합체 충전재 재료 또는 예비성형체로 구성되는 조립체에 제공된다:

(1) 상기 모재 금속과 상기 제2금속을 공정전에 합금 또는 혼합시키거나 또는 바람직한 조성을 갖는 상업적으로 입수 가능한 합금을 사용하는 방법.

(2) 상기 모재 금속의 하나 이상의 표면상에 상기 제2금속을 부착시키는 방법.

(3) 복합체를 형성하는 경우, 상기 제2금속을 충전재 또는 예비성형체 재료와 혼입시키는 방법(이하에 더욱 상세히 설명됨).

따라서, 전술한 공동 소유의 특허 출원들에 기재된 바와 같이 소정량의 제2금속이 용융된 모재 금속의 흐름속으로 도입되어 형성된 산화반응 생성물을 통해 이동된다. 상기 세라믹체는 상기 모재 금속의 비산화된 성분과 상기 제2금속을 포함하는 금속 성분을 갖는다. 형성된 세라믹체의 금속 성분은 연속되거나 고립된 금속 함유물이다.

본 발명의 실시에 있어서, 제2금속은 선택은 주로 세라믹체에 요구되는 하나 이상의 특성에 따라 결정된다. 상기 금속 성분은 세라믹체의 사용목적을 고려하여 상기 세라믹체에 바람직한 특정의 성질을 부여하거나 또는 그의 성능을 개량시킨다. 예컨대, 상기 세라믹체내의 금속은 금속의 종류와 양, 그리고 세라믹체의 미세 구조에 걸친 금속의 분포등과 같은 요인에 따라, 상기 세라믹체의 파괴내성, 탄성, 열전도성, 환경 적합성 및 전기 전도성을 바람직하게 개량시킬 수 있다. 모재 금속이외의 금속 또는 금속상을 포함하도록 상기 금속의 구성 성분을 형성시키는 방법을 제공함으로써, 본 발명은 상기 세라믹체의 최종 용도에 상당한 허용 범위를 더해준다. 형성된 세라믹체에 바람직한 특성을 부여하도록, 상기 제2금속은 증기상 산화제와 거의 반응하지 않은 상태로 남는다. 따라서, 제2금속은 특정 처리 조건하에서 모재 금속보다 쉽게 산화반응 생성물을 형성하지 않는 것으로 선택되어야 한다. 전형적으로, 제2금속은 증기상 산화제에 의해 일러나는 특정의 산화반응에 있어서, 주어진 반응 온도에서 상기 제2금속의 음의 자유형성 에너지가 상기 모재 금속의 음의 자유 형성 에너지보다 적을 경우에 상기한 바와 같은 요건을 충족시킨다.

그러나, 상기 제2금속은 바람직한 합금 또는 금속간 화합물을 형성하거나, 또는 형성된 세라믹체에 바람직한 특성을 부여하도록 상기 금속 성분내의 모재 금속과 합금되거나 또는 반응할 수도 있다. 따라서, 본 발명에 따르면, 상기 모재 금속과 상기 제2금속을 포함하는 하나 이상의 바람직한 금속상을 동일한 계상에 형성시키는 방법이 제공된다. 이의 같은 금속상은 금속간 화합물, 고용체, 합금 또는 이의 배합물을 포함한다. 이러한 실시예에 있어서, 적당한 제2금속은 전술한 요건을 만족시키고, 또한 주어진 온도와 상대 농도하에서 모재 금속과 함께 상기 세라믹체내로 혼입되는 것이 바람직한 하나이상의 금속상을 형성하는 것이 선택된다. 상기 제2금속은 바람직한 금속상을 형성하는데 필요한 것보다 낮은 상대 농도로 용융된 모재 금속의 흐름속에 제공되어 주입된다. 용융된 모재 금속이 주어진 반응 온도에서 증기상 산화제와 반응하여 산화 반응 생성물을 형성함에 따라, 연속된 금속 구성 성분내의 모재 금속의 상대 농도는 고갈 또는 감소된다. 그러므로, 세라믹체의 금속 성분내의 제2금속의 상대 농도는 증가한다. 상기 반응은 주어진 반응온도 또는 온도범위내에서 바람직한 금속상을 형성시키기 위해 금속 구성 성분으로부터 충분한 양의 모재 금속이 소모될 때가지 계속됨으로써, 상기 모재 금속과 제2금속을 포함하는 바람직한 금속상을 형성시키거나 농후하게 하거나; 또는 상기 산화 반응은 반응 온도를 낮추거나 형성된 세라믹 제품을 냉각시킬때, 바람직한 금속상을 형성시키므로써 모재 금속과 제2금속을 포함하는 바람직한 금속성을 형성시키거나 농후하게 하도록 모재 금속의 양을 고갈시키기에 충분한 시간동안 계속될 수 있다. 상기 금속상은 상기 세라믹 제품에 바람직한 특성을 부여하거나, 또는 주어진 사용 온도는 하나 이상의 부가적인 상을 형성하는 조성으로 되어 있으므로 세라믹 제품에 바림직한 특성을 부여할 수 있다. 또한, 반응 시간, 반응 온도 등과 같은 반응 매개 변수를 조정함에 의해, 또는 특정의 금속을 적절히 결합 또는 첨가시킴에 의해, 예를 들면, 상기 금속 성분내에서의 바람직한 합금의 석출 경화의 경우와 같이 바람직한 금속상을 추가로 조작할 수도 있다.

본 발명의 실시에 있어서, 상기 세라믹체의 금속 성분속에 혼입시키고자 하는 양보다 더 많은 양의 제2금속을 상기 조립체에 제공해줄 필요가 있을 수 있다. 바람직한 양의 제2금속을 상기 용융된 모재 금속의 흐름속으로 도입함에 따라 세라믹체내로 혼입시키기 위해 상기 조립체에 제공할 필요가 있는 제2금속의 양은 주로 상기 제2금속 및 모재 금속의 종류와 상호 반응 특성, 반응 조건 및 제2금속의 제공 수단 등에 좌우된다.

본 명세서에 개시된 바와 같은, 제2금속을 세라믹 제품의 금속 성분내에 혼입시키는 방법이 2종 이상의 금속, 즉 제2금속과 모재 금속의 친밀한 결합을 수반하기 때문에, 사용되는 모재 금속에 대하여 제2금속의 종류, 양, 형상 및/또는 농도에 있어서의 허용범위는 세라믹 제품내로 혼입시키고자 하는 금속 성분 및 산화 반응 생성물의 형성에 필요한 처리 조건에 따라 결정된다. 상기 바람직한 금속 성분의 포함 및/또는 형성은 그러한 특정의 처리 조건하에 존재하는 특정한 금속들의 결합 또는 상호 반응과 연관된 성질 및/또는 물리야금학적 양상, 및/또는 모재 금속으로의 도입을 위해 제2금속을 제공하고자 선택된 수단에 의해, 적어도 부분적으로 제어될 수 있다. 이러한 금속들의 결합은 합금, 금속간 화합물, 고용체, 석출물 또는 혼합물을 비롯한 여러가지 금속상을 형성시킬 수 있고, 불순물 또는 도우판트 물질의 존재유무와 농도에 의해 영향을 받을 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시에 있어서 상기 금속들의 결합으로부터 형성되는 구성 성분은 상기 몇가지 금속들의 성질과 상당히 다른 성질을 가질 수 있다. 형성된 세라믹체의 금속 성분내로 혼입되는 모재 금속과 제2금속을 포함하는 금속상의 형태인 상기 금속들의 결합은 상기 세라믹 제품의 특성에 바람직한 영향을 미칠 수 있다. 예를들면, 제2금속과 모재 금속의 결합은 모재 금속의 융점 이상의 융점을 갖는 고용체, 합금 또는 하나 이상의 금속간 화합물과 같은 금속상을 형성하므로써, 그러한 금속상의 혼입된 세라믹 제품의 사용 온도 범위를 확장시킬 수 있다. 그러나, 어떤 경우에 있어서는 상기 금속상의 융점이 목적하는 산화반응 생성물을 형성시키기 위해 실시 가능한 온도 범위 이상일 수 있다. 또한, 모재 금속과 제2금속의 결합으로 인한 금속상의 형성은 반응 온도에서 제2금속이 첨가되지 않은 용융된 모재 금속과 비교할 때, 상기 온도에서 형성된 용융 금속에 부가의 점성을 부여하므로, 형성된 산화반응 생성물을 통한 용융된 금속의 이동이 상당히 느리거나 또는 일어나지 않는다. 따라서, 산화 반응 과정의 매개 변수와 양립할 수 있는 온도에서 용융된 금속의 연속된 흐름을 용이하게 하기 위해 산화반응 생성물이 형성되는 동안 금속 성분을 충분히 액상으로 유지시키도록 상기와 같은 금속 결합물을 포함하는 바람직한 시스템을 설계하는데 주의를 기울여야 한다.

모재 금속과의 전처리 합금에 의해서, 또는 상업적으로 입수 가능한 바람직한 조성의 합금을 사용함으로써 제2금속을 제공할 경우, 용융된 금속의 흐름속으로의 제2금속의 도입은 용융된 금속체로부터 형성된 산화반응 생성물 속으로의 용융된 금속의 이동에 의해 수핼할 수 있다. 따라서, 제2금속의 도입은 가열 단계에서 형성된 용융 금속체로부터 산화반응 생성물속으로 이동한 용융된 금속의 구성 성분에 좌우된다. 이와 같이 이동된 성분은 상기 금속 성분의 균일성, 및 주어진 반응 온도와 상대 농도에서 선택된 특정한 금속들의 결합과 관련된 금속상과 같은 요인에 의해 결정될 것이다.

모재 금속의 외부에 제2금속 또는 이의 원료를 제공하는 본 발명의 실시예에 있어서는, 부가의 매개변수를 고려해야 한다. 더욱 구체적으로, 바람직한 향의 제2금속을 용융된 모재 금속의 흐름속으로 도입시키기 위해 용융된 모재 금속과 제2금속과의 접촉과 관련된 금속학적인 특정을 고려해야 한다. 제2금속의 모재 금속체의 외부에 제공될 때, 제2금속의 도입은 용융된 모재 금속과 제2금속과의 접촉에 의해, 한 금속을 다른 한 금속내로 용해시키거나, 상기 두 금속간의 상호확산, 또는 모재 금속과 제2금속간의 금속간 화합물 또는 다른 금속상의 형성 반응을 비롯한 두 금속들의 반응에 의해 수행할 수 있다. 따라서, 용융된 모재 금속의 흐름속으로의 제2금속의 도입 및/또는 도입 속도는 전술한 바와 같은 몇가지 금속학적 인자중의 하나 이상에 좌우될 것이다. 그러한 인자들로는 특정한 반응 온도에서의 제2금속의 물리적 상태, 모재 금속과 제2금속 사이의 상호 확산 속도, 모재 금속내로의 제2금속의 용해도 및/또는 용해 속도, 또는 제2금속내로의 모재 금속의 용해도 및/또는 용해 속도, 및 모재 금속과 제2금속 사이의 금속간 화합물 또는 다른 금속상의 형성을 들 수 있다. 따라서, 제2금속을 용융된 모재 금속의 흐름속에 도입시킴으로써 형성된 금속 성분이 형성된 산화반응 생성물내로의 상기 금속 성분의 이동을 용이하게 하도록 적어도 부분적으로 액체 상태를 유지하고, 이로써 용융된 모재 금속과 증기상 산화제와의 접촉을 가능하게 하며 세라믹체를 성장시킬 수 있도록 반응 온도를 유지시키는데 주위를 기울여야 한다. 본 발명에 따르면, 용융된 모재 금속의 흐름속으로의 제2금속의 도입, 또는 상기 산화반응 생성물의 형성에 기인한 용융된 금속의 흐름으로부터의 모재 금속의 고갈은 구성 성분 또는 금속상의 형성을 초래하여 모재 금속과 제2금속을 포함하는 하나 이상의 금속상을 형성시킨다. 그러나, 특정한 모재 금속과 제2금속의 결합은 그 흐름에 상당한 점성을 부여하거나, 또는 상기 용융된 금속의 유동을 방해함으로써, 소정의 산화반응 생성물이 완전히 성장하기 전에 증기상 산화제를 향한 금속의 이동을 정지시킬 수 있다. 이 경우에, 상기 산화반응 생성물의 형성은 이와 같은 현상에 의해 정지되거나 또는 상당히 느려지므로, 상기 구성 성분의 조기 형성을 피하도록 주위해야 한다.

본 발명에 따라 전술한 바와 같이, 바람직한 양의 제2금속 또는 이종 금속을 제조 공정에 앞서 모재 금속과 합금시킴으로써 제공할 수 있다. 예를들면, 알루미나 산화반응 생성물을 형성시키기 위해 알루미늄(또는 알루미늄계 금속)을 모재 금속으로 하고 공기를 증기상 산화제로 사용하는 시스템에 있어서, 티타늄, 구리, 니켈, 실리콘, 철 또는 크롬과 같은 제2금속을 제한된 및/또는 전술한 바와 같은 양으로 알루미늄모재 금속과 합금시킬 수 있다. 예컨대, 세라믹체의 금속 성분내에 구리, 또는 구리를 포함하는 금속상을 혼입시키는 것이 바람직하다. 상기 금속 성분이 세라믹체에 하나 이상의 성질을 부여하거나 또는 상기 세라믹체의 성능을 개량시키기 위해서는, 금속 성분내로 혼입된 특정의 금속 또는 금속들이나 금속상의 결합물의 성질이 세라믹 제품의 사용 온도에서 실질적으로 열화되지 않는 것이 바람직하다. 예로서, Cu₉Al₄와 같은 알루미늄-구리 금속상은 알루미늄보다 높은 사용 온도 범위를 갖는다. 따라서, 세라믹체의 연속된 금속 성분내에 그와 같은 상을 포함시키거나 농후하게 함으로써, 상기 금속 성분의 존재에 기인한 상기 세라믹의 개량된 성질은 높은 사용 온도에서 나타날 것이다. 바람직한 상전환은 일으켜 바람직한 알루미늄-구리 금속상 Cu₉Al₄을 얻기에 적당한 양의 구리를 혼입시키기 위해, 구리는 예컨대, 전체 구리-알루미늄 합금의 중량을 기준으로 하여 10%의 양으로 알루미늄 모재 금속과 합금될 수 있다. 알루미늄재 모재 금속과 제2금속 구리를 포함하는 합금은 산화반응 생성물인 알루미나 융점 이하이되 상기 구리-알루미늄 합금의 융점 이상의 온도로 가열된다(전술한 공동 소유의 특허 출원들에 이에 관한 사항이 기재되어 있음). 용융된 알루미늄 모재 금속이 산화재와 접촉할 때, 산화 반응 생성물로서 알루미나 포함하는 층이 형성된다. 이어서 용융된 합금은 형성된 산화반응 생성물을 통해 산화제 쪽으로 이동된다. 용융된 합금이 공기산화제와 접촉함에 따라, 합금중의 알루미늄 금속 성분은 적어도 부분적으로 산화됨으로써 점차적으로 두꺼워지는 산화반응 생성물의 층을 형성한다. 또한, 용융된 합금의 구성 성분으로서의 제2금속 구리도 유사하게 형성된 산화반응 생성물내로 이동된다. 그러나, 구리는 증기상 산화제에 의해 세라믹체로 부터 고갈되지 않기 때문에, 구리의 상대 농도는 알루미늄이 산화되어 용융된 금속의 흐름으로부터 고갈됨에 따라 증가한다. 알루미늄 금속의 산화반응은 바람직한 금속상을 형성시키도록 적당한 금속 구성 성분을 얻기에 충분한 시간동안 계속된다. 구리 알루미늄 시스템의 2원계 금속상태도를 참조하면, Cu₉Al₄상은 약 780℃를 초과하지 않는 세라믹 제품의 사용 온도 범위에서, 약 80-85% 구리, 그리고 나머지는 알루미늄 상대 농도 범위로 형성된다.

상기 제2금속이 바람직한 양으로 상기 알루미늄 모재 금속의 하나 이상의 표면에 층형태로 부착되거나 또는 접촉되고, 그리고 상기 모재 금속이 증기상 산화제인 공기와 반응하는 경우에 있어서, 적합한 제2금속으로서는 실리콘, 니켈, 티타늄, 철, 구리, 또는 크롬을 들 수 있고, 이들은 바람직하게는 분말 또는 입자상으로 존재한다. 예를 들면, 니켈을 함유하는 금속상 또는 니켈이 본 발명에 따라 제조된 세라믹 제품에 있어서 바람직한 성분일 수 있다. NiAl, Ni₂Al₃또는 NiAl₃와 같은 니켈-알루미나이드 금속간 화합물은 상기 세라믹체의 금속 성분의 내부식성을 개량시키는데 바람직할 수 있다. 그러므로, 바람직한 니켈-알루미늄 금속상을 형성시키거나 농후하게 하는데 적당한 양의 니켈을 주입시키기 위해, 예정된 양의 니켈 금속 분말을 알루미늄 모재 금속체의 성장 표면상에 분산시킨다. 용융된 알루미늄 모재 금속이 니켈 금속과 접촉함에 따라, 니켈 금속은 용융된 알루미늄 모재 금속의 흐름속으로 도입된다. 이어서 도입된 니켈 금속은 용융된 금속의 흐름의 구성성분으로서 알루미나 산화반응 생성물내로 이동된다. 상기 구리의 경우와 유사하게, 알루미늄 금속이 산화됨에 따라, 성형되는 세라믹체내의 니켈 금속의 상대 농도는 증가하므로, 바람직한 상을 형성시키기 위한 적당한 조성이 달성된다.

형성된 제품이 모재 금속에 인접하여 배치된 충전재 소재 또는 투과성 예비성형체내로 산화반응 생성물을 성장시킴으로써 제작된 세라믹 복합체인 경우에, 제2금속 또는 이종 금속은 충전재 재료 또는 예비성형체 재료와 혼힙시키거나 이들의 하나 이상의 표면에 층 형태로 부착시킴으로써 제공될 수 있다. 예를 들면, 바람직한 복합체 제품이 미가공체(green body)로 예비성형될 수 있는 실리콘 카바이드 입자층내로의 알루미늄 모재 금속의 증기상 산화 반응에 의해 제조되는 알루미나 세라믹 매트릭스를 포함하는 경우, 티타늄, 철, 납, 니켈, 구리, 크롬 또는 실리콘과 같은 제2금속의 분말 또는 입자들을 실리콘 카바이드 충전재 재료와 혼합할 수 있다. 예컨대, 고온하의 사용시 상기 세라믹 복합체의 금속 성분의 상용성을 향상시키도록 세라믹체내로 소정량의 실리콘을 혼입시키는 것이 바람직할 수 있다. 따라서, 전술한 바와 같이 한정된 또는 조절된 양의 실리콘 금속을 실리콘 카바이드 충전재 재료와 혼합한다. 형성된 알루미나 산화반응 생성물은 상기 실리콘 카바이드 입자를 매립하고 유용된 알루미늄이 이를 통해 이동함에 따라, 용융된 알루미늄 금속은 혼합된 실리콘 금속과 접촉한다. 따라서, 일정량의 실리콘 금속이 용융된 금속의 연속된 흐름속으로 도입되므로, 형성되는 세라믹 복합체내로 도입된다. 본 실시예에 있어서, 용융된 금속의 흐름내로 도입되지 않았지만, 산화반응 생성물에 의해 의해 침투된 충전재 또는 예비성형체의 일부분에 포함되는 일부분의 제2금속은 고립된 함유물로서 복합체내의 존재할 수 있다. 제2금속은 또한 충전재 층 또는 성형된 예비성형체의 하나 이상의 표면에만 부착될 수도 있다.

이러한 복합체 실시예의 경우, 실리콘 입자 또는 분말을 층상으로 실리콘카바이드 입자들 또는 그 입자를 포함하는 예비성형체의 표면상에 부착된다. 용융된 알루미늄 모재 금속의 흐름이 상기 표면과 접촉함에 따라, 일정량의 실리콘 금속이 그 흐름속으로 도입됨으로써 최종 회수된 세라믹 제품에 있어 금속 성분이 일부가 된다. 이와 같은 실시예에 따라 충전재 또는 예비성형체의 하나 이상의 표면에 제2금속을 부착시키면, 형성된 세라믹 복합체내의 금속 성분의 노출된 부분에서 금속 성분의 나머지 부분에 비해 제2금속이 농후한 복합체를 형성할 수 있다.

제2금속이 모재 금속의 외부에 제공되는 본 발명의 실시예에 있어서, 제2금속은 화합물 또는 화합물 형태로 제공될 수 있는데, 상기 혼합물 또는 화합물은 상기 용융 금속과 반응하고/하거나 처리 조건하에서 해리됨으로써, 전술한 바와 같이, 차후 용융된 금속의 흐름속으로 도입되는 제2금속을 유리시킨다. 이러한 화합물은 제2금속을 유리시키도록 모재 금속에 의해 환원될 수 있거나 또는 모재 금속과 반응하는 금속 산화물일 수 있다.

예를들어, 세라믹 복합체가 알루미나 모재 금속의 산화반응에 의해 제조되며, 알루미나 충전재 입자들이 매립된 알루미나 세라믹 매트릭스를 포함하는 경우, 실리콘, 니켈, 철 또는 크롬과 같은 바람직한 제2금속의 산화물을 알루미나 충전재와 혼합하거나, 또는 알루미늄 모재 금속의 상단위에 층형태로 부착시킬 수 있다. 예컨대, 크롬이 제2금속으로서 바람직하다면, 크롬 금속은 산화 크롬을 충전재 재료와 혼합시킴으로써 용융된 금속의 흐름속으로 도입시킬 수 있다. 용융된 알루미늄의 흐름이 산화 크롬과 접촉할 때 용융된 알루미늄은 산화 크롬은 환원시켜 크롬 금속을 유리시킨다. 이어서 유리된 크롬 금속은 전술한 바와 같이, 용융된 알루미늄의 흐름내로 도입되고 용융된 알루미늄 모재 금속이 상기 증기상 산화재와 계속해서 접촉함에 따라 형성되는 산화 반응 생성물을 통해 및/또는 그 산화 반응 생성물내로 도입된다.

공동 소유의 특허 공보에 기술된 바와 같이, 모재 금속과 함께 사용되는 도우판트 물질은 특정한 경우에 있어서, 특히 모재 금속으로서 알루미늄을 사용하는 시스템에 있어서 유리한 영향을 미친다. 또한, 특정의 경우에 본 발명을 실시함에 있어서, 도우판트 물질은, 그의 도우핑 성질외에, 세라믹 제품의 금속 성분내로 혼입되는 것이 바림직한 제2금속 또는 이의 원료를 제공하도록 선택될 수 있다. 예컨대, 실리콘 유용한 도우판트 물질이고, 또한 특정의 시스템에 개량된 고온 성능과 같이 세라믹체의 금속 성분에 바람직한 특성을 부여할 수 있다. 그러므로, 이러한 실시예에서, 실리콘은 도우판트 물질로서 작용할 뿐만 아니라 제2금속의 원료를 공급하는 이중의 목적을 위해, 원소 형태, 또는 이산화규소 형태로 사용될 수 있다. 그러나, 일부의 경우에 있어서는, 소정의 도우핑 특성과 바람직한 제2금속의 원료를 동시에 제공하는 적당한 도우판트 물질을 이용할 수가 없다. 그러므로, 도우판트 물질을 제2금속과 병용할 필요가 있다. 그러나, 제2금속과 함께 도우판트 물질을 사용할 때, 이들 각각의 존재가 서로의 기능 및/또는 성능에 영향을 미칠 수 있음을 주의해야 한다. 따라서, 모재 금속과 제2금속을 포함하는 하나 이상의 금속상을 형성시키는 것이 바람직하고, 또한, 별도의 도우판트 물질을 사용하는 본 발명의 구체예를 실시함에 있어서, 바람직한 금속상을 형성시키는데 필요한 모재 금속과 제2금속의 각각의 농도는 모재 금속과 제2금속을 포함하는 2원계 시스템에서 상기 상의 형성을 수행하는데 필요한 농도와 상이할 수 있다. 그러므로, 세라믹체의 금속 성분내에서 하나 이상의 금속성을 형성시킬 필요가 있는 시스템을 고안할 때 특정의 경우에 존재하는 모든 금속들의 효과를 고려해야 한다.

제2금속의 경우와 같이, 모재 금속과 함께 사용되는 도우판트(들)은 (1)은 모재 금속과 합금된 성분으로서 제공하는 기법, (2) 적어도 모재 금속의 표면의 일부에 부착시키는 기법, 또는 (3) 충전재 또는 예비성형체의 일부분 또는 전체에 부착 또는 혼입시키는 기법, 또는 상기 기법(1), (2) 및 (3)중 2가지 이상을 조합한 형태로 사용할 수 있다. 예를 들면, 합금 처리된 도우판트를 단독으로 사용하거나 제2의 외부적으로 부착되는 도우판트와 함께 사용할 수 있다. 기법 (3)의 경우에 있어서, 추가의 도우판트 또는 도우판트들을 충전재에 부착시키며, 그 방법은 공동 소유의 특허 공보에 기술된 임의의 적당한 방식으로 수행할 수 있다.

특정한 도우판트 물질의 기능은 많은 요소에 좌우된다. 이러한 요소의 예로서는 2종 이상의 도우판트를 사용할 때 도우판트의 구체적인 조합 및 모재 금속과 합금된 도우판트와 함께 외부에서 부착되는 도우판트를 사용하는 방법, 도우판트(들)의 농도, 산화환경, 및 처리조건, 또한 전술한 바와 같은 제2금속의 종류와 농도를 들 수 있다.

알루미늄 모재 금속에 유용한 도우판트로는, 특히 산화제로서 공기를 사용하는 경우, 마그네슘, 아연, 및 실리콘등을 들 수 있으며 하기에 설명한 바와 같이 단독으로 사용하거나 또는 서로 화합시켜 사용하거나 다른 도우판트와 함께 사용한다. 이들 금속 또는 적당한 금속원들은 최종 도우판트 처리된 금속의 총량을 기준으로 하여 각각 약 0.1 내지 10중량%의 농도로 알루미늄계 모재 금속에 합금시킬 수 있다. 이러한 도우판트 물질 또는 이들 적당한 원료(예, MgO, ZnO 또는 SiO₂)를 또한 모재 금속에 외부적으로 사용할 수 있다. 따라서, 산화시키고자 하는 모재 금속 1g당 약 0.0008g 이상의 함량으로 표면 도우판트로서 MgO를 이용하거나, 또는 모재 금속 1㎠당 0.003g 이상으로 MgO를 이용하여, 산화제로서 공기를 이용할 때 모재 금속인 알루미늄에 대해 알루미나 세라믹 구조물을 얻을 수 있다. 그러나, 필요한 도우판트의 농도는 상기한 바와 같이 제2금속의 존재 여부, 종류 및 농도에 좌우될 수 있다.

알루미늄 모재 금속에 효과적인 도우판트물질의 또다른 예를들면 나트륨, 게르마늄, 주석, 납, 리튬, 칼슘, 붕소, 인, 및 이트륨 등이 있으며, 이들은 단독으로 사용하거나 1종 이상의 도우판트를 화합시켜서 사용하는데 이는 산화제, 제2금속의 종류와 양, 그리고 처리 조건에 따라 달라진다. 세륨, 라탄, 프러세오디뮴, 네오디뮴 및 사마륨과 같은 희토류 원소들도 또한 유용한 도우판트이며 다른 도우판트들과 함께 사용할 수 있음은 물론이다. 공동 소유의 특허 공보에 기술된 모든 도우판트 물질들은 알루미늄계 모재 금속 시스템에 대해 다결정질 산화반응 생성물 성장을 증진시키는데 효과적이다.

1986년 5월 8일자 출원되어 특허 제4,923,832호로 허여된 미합중국 특허 출원 제861,024호에 기술된 바와 같이 차단 수단을 충전재 또는 예비성형체와 함께 사용하여 세라믹체를 형성하기 위해 증기상 산화제를 사용할 때 차단 수단을 초과하여 산화반응 생성물이 성장 또는 진전하는 것을 억제할 수 있다. 적당한 차단 수단은 임의의 물질, 화합물, 원소, 조성물 또는 이와 유사한 것일 수 있으며 본 발명의 공정 조건하에서 이러한 수단은 다소 보전성을 유지하며, 휘발하지 않으며 바람직하게는 증기상 산화제에 대한 투과성이 있는 반면에 산화반응 생성물의 계속적인 성장을 국부적으로 억제, 중단, 정지, 방해 또는 차단할 수 있다. 알루미늄 모재 금속과 함께 사용하기에 적당한 차단 수단으로는 황상 칼슘(소석고), 규산칼슘 및 포틀랜드 시멘트, 및 이들의 혼합물을 들 수 있고, 이들은 전형적으로 충전재의 표면에 슬러리 또는 페이스트 형태로 사용된다. 상기 차단 수단은 또한 가열하면 제거되는 적당한 연소성 또는 휘발성 물질 또는 가열시 분해되어 차단 수단의 다공성 및 투과성을 증가시키는 물질을 포함할 수 있다. 또한 차단 수단은 공정 기간동안 일어날 가능성이 있는 수축 또는 균열을 감소시키기 위하여 적당한 내화성 입자를 포함할 수 있다. 충전재층 또는 예비성형체를 팽창계수와 거의 동일한 팽창 계수를 가지는 입자들이 특히 바람직하다. 예를들어, 예비성형체가 알루미나를 포함하고 최종 세라믹이 알루미나를 포함할 경우, 차단 수단을 알루미나 입자와 혼합시킬 수 있으며, 상기 입자는 바람직하게는 약 20 내지 1000메쉬의 크기를 갖지만, 더욱 미세할 수도 있다.

기타 적당한 차단 수단으로는 내화성 세라믹 또는 금속 외장재를 들 수 있으며 이들은 적어도 한쪽 단부가 개방되어 있어서 증기상 산화제가 층을 투과하여 용융된 모재 금속과 접촉할 수 있도록 한다. 특수한 경우에는, 상기 차단 수단에 제2금속의 원료를 공급할 수 있다. 예를 들면, 특정 등급의 스테인레스 스틸 조성물은 고온의 산소-함유 대기에서와 같은 산화처리 조건하에서 반응할 때, 스테일레스 스틸의 조성에 따라 산화철, 산화니켈, 또는 산화크롬과 같은 이들의 성분의 산화물을 형성한다. 따라서, 일부의 경우에는, 스테인레스 스틸 외장과 같은 차단 수단이 적당한 제2금속의 원료를 제공하여, 철, 니켈 또는 크롬과 같은 제2금속을 그와 접촉하는 용융된 금속의 흐름속으로 도입시킬 수 있다.

(실시예 1)

본 발명에 따라, 구리-알루미늄 금속산 화합물을 함유한 금속 성분을 가진 알루미나 세라믹체를 제조하였다. 이때, 제2금속인 구리는 모재 금속체에 부가되는 전처리 합금으로서 제공하였다.

10중량%의 구리와 3중량%의 마그네슘(도우판트), 및 잔량의 알루미늄을 포함하는 2×1×1/2 인치의 알루미늄 합금 바아를 내화용기에 수용된 알루미나 입자층(El Alundum, 노오튼 컴패니, 90메쉬)속에, 상기 바아의 2×1 인치면이 상기 층과 거의 동일한 높이가 되어 대기에 노출되도록 배치하였다. 이산화규소 도우판트 물질의 박층을 상기 바아의 노출된 표면위에 균일하게 분산시켰다. 이러한 조립체를 요로속에 넣고 5시간에 걸쳐 1400℃로 가열하였다. 상기 요로를 1400℃로 48시간동안 유지하고, 그 후 4시간에 걸쳐 주위 온도로 냉각시켰다. 상기 조립체를 상기 요로에서 꺼내어 세라믹체를 회수하였다.

상기 세라믹 구조물을 그의 금속 조직 및 상 분석을 위해 횡단하였다. 상기 세라믹의 금속 성분의 x-선 회절 분석 결과 Cu₉Al₄구리-알루미늄 금속간 화합물이 상기 구조물의 상단을 향해 존재하고, CuAl₂구리-알루미늄 금속간 화합물과 비-산화된 알루미늄이 세라믹의 초기 성장면을 향해 위치하는 것으로 밝혀졌다.

(실시예 2)

니켈이 농후한 알루미늄계 금속 성분을 가진 세라믹 복합체 재료를 제작하여 그의 기계적 특성이 증가되었는지를 조사하였다. 이와 같은 물질을 제작하는 절차는 금속 내켈 분말을 함유하는 산화 알루미늄 입자로 된 예비성형체를 제조하기 위해 침전 주조하는 것을 포함한다. 이어서 그 예비성형체를 니켈이 농후한 금속 성분을 형성시키기 위해 니켈 분말과 상호 작용하는 산화 알루미늄 세라믹 매트릭스로 침투시켰다.

더욱 구체적으로, 10중량% 또는 30중량%의 니켈 금속 분말을 70% 220메쉬와 30% 500 메쉬 입자 크기로 구성되는 산화알루미늄 분말(노오튼 38 Alundum)의 혼합물에 첨가하였다. 산화물과 금속 입자의 혼합물을 2중량%의 아크릴 라텍스 결합제(Elmer's Wood Glue)를 함유하는 수중에서 슬러리로 만들었다. 분말 : 물(+결합제)의 비율은 중량 기준으로 2.5 : 1이었다. 상기 슬러리를 2인치×2인치 사각 주형속에 주입하여 고체 입자가 약 1/2인치 두께의 층으로 고정되도록 함으로써 예비성형체를 제작하였다. 상기 주조 공정에서 과량의 물은 표면으로부터 부어 내거나 또는 스폰지에 의해 흡수시켜 제거했다.

각각의 예비성형체는 산화반응을 촉진시키는 도우판트로서 계면상에 존재하는 실리콘 분말의 박층을 가진 2×2인치의 공통 표면을 따라 2×2×1/2인치의 알루미늄 합금 380.1 바아와 함께 조립하였다. 본 실험에서 사용된 상기 380.1 합금 바아는 화학 분석 결과 이 합금의 액면 조성(즉, 7.5-9.5%, Si, 3.0-4.0% Cu, 2.9% Zn, 6.0% Fe, 0.5% Mn, 0.5% Ni, 0.35% Si, 및 0.1% Mg)과 일치하는 것으로 밝혀졌으나, Mg 농도가 약 0.17 내지 0.18중량%인 것이 예외이다. 이러한 높은 함량의 Mg는 산화 반응의 도우판트 또는 촉진제 역할을 하는데 중요한 것으로 생각된다.

상기 금속/예비성형체 조립체를 각각 불활성 내화 보우트에 넣고 전면을 규회석 입자층으로 포위하였다. 이 입자층은 산화 반응을 예비성형체내에 수용된 체적으로 제한시키는 차단 수단으로서 작용한다. 얇은 내용물을 가진 상기 내화 보우트를 요로내에 위치시키고 공기중에서 1000℃로 80시간동안 가열하였다.

요로에서 제거되었을때, 산화 알루미늄 세라믹 매트릭스는 용융된 알루미늄 합금 표면으로부터 성장하여 예비성형체에 침투한 것으로 밝혀졌다. 이러한 세라믹체 단면의 금속 조직을 조사한 결과, 알루미늄(모재 금속으로부터 유래함), 실리콘(모재 금속과 도우판트 물질로부터 유래함) 및 니켈(예비성형체에 첨가된 니켈 분말로부터 유래함)으로 구성되는 금속 성분, 그리고 상기 모재 금속의 다른 미량 성분을 함유하는 산화 알루미늄 매트릭스에 의해 충전재 재료(38 Alundum)의 입자들이 함께 결합된 것으로 밝혀졌다.

이와 같은 세라믹 복합체로부터 준비된 샘플에 대해 기계적 특성을 측정하였다. 가장 주목할만한 것은 표준 V 노치 인성 테스트에 의해 측정한 결과 상기 니켈 함유 물질의 인성이 증가되었다는 것이다. 즉, 10% 니켈을 함유한 예비성형체로부터 제작된 재료는 8.5MPa-m^1/2의 평균인성치를 갖는 반면, 3% 니켈을 함유한 예비성형체로부터 제작된 재료는 11.3MPa-m^1/2의 평균 인성치를 나타냈다. 유사한 재료에 대한 종래의 실험에서는, 니켈을 첨가하지 않은 경우, 4 내지 7MPa-m^1/2에 불과한 범위의 평균 인성치가 기대될 수 있었다.

Claims (8)

1. (a) 모재 금속을 증기상 산화제의 존재하에서 가열하여 용융된 모재 금속체를 형성시키고, 상기 용융된 모재 금속과 상기 산화제를 산화반응 생성물을 형성시키기에 적당한 온도에서 반응시켜 상기 산화반응 생성물을 용융된 모재 금속체와 상기 산화제 사이에 접촉된 상태로 연장시키는 단계, (b) 상기 온도에서 상기 용융된 모재 금속을 포함하는 용융된 흐름을 상기 산화반응 생성물을 통해 상기 산화제쪽으로 이동시킴으로써 상기 산화제와 이전에 형성된 산화반응 생성물 사이의 계면에서 산화반응 생성물을 계속 형성시키는 단계, 및 (c) 상기 산화반응 생성물과 금속 성분을 포함하는 상기 세라믹체를 제조하기에 충분한 시간동안 상기 반응을 계속하는 단계를 포함하여 모재 금속의 산화반응에 의해 자립성 세라믹체를 제조하는 방법에 있어서, A) 상기 용융된 흐름내로 제2금속을 혼입시키고 상기 단계 (c)에서와 같이 상기 산화반응을 계속하는 단계; 및 B) 상기 제2금속의 존재 및 성질에 의해 상기 세라믹체의 하나 이상의 성질에 적어도 부분적으로 영향을 미치기에 충분한 양의 상기 제2금속을 포함하는 상기 금속 성분을 가지며, 스피넬을 갖지 않거나 또는 스피넬을 거의 건부 상기 산화반응 생성물의 초기 표면내에 가지는 상기 세라믹체를 회수하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 모재 금속의 산화반응은 상기 제2금속과 상기 모재 금속을 포함하는 하나 이상의 금속상을 형성시키거나 농후하게 하기 위해 상기 제2금속에 비례하여 상기 흐름내의 상기 모재 금속을 감소시키기에 충분한 시간동안 계속하며, 상기 금속상을 포함하는 금속 성분을 가진 상기 세라믹체를 회수하는 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 가열 단계에 앞서 상기 모재 금속과 상기 제2금속을 합금시켜 상기 제2금속을 상기 용융된 흐름내로 혼입시키는 방법, 상기 가열 단계에 앞서 상기 모재 금속의 하나 이상의 표면에 상기 제2금속의 층을 부착시킴으로써 상기 제2금속을 상기 모재 금속에 첨가하여 상기 제2금속을 상기 용융된 흐름내로 혼입시키는 방법, 및 처리 조건하에서 해리되어 상기 제2금속을 유리시키는 금속-함유 성분으로서 상기 제2금속을 제공하는 방법으로 이루어진 군중에서 선택된 방법에 의해 상기 용융된 흐름내로 상기 제2금속을 혼입시키는 방법.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 세라믹체는 복합 세라믹체를 구성하며, 상기 모재 금속에 인접하여 충전재 또는 투과성 예비성형체 소재를 배치하는 단계, 상기 제2금속을 상기 복합체의 충전재 또는 예비성형체와 혼합시키는 단계, 및 상기 산화반응 생성물을 상기 충전재 또는 투과성 예비성형체로 소재내로 성장시킴으로써 상기 제2금속을 상기 용융된 흐름내로 혼입시키는 단계를 포함하는 방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 충전재 또는 상기 투과성 예비성형체 소재의 하나 이상의 표면에 상기 제2금속을 부착시킴으로써, 상기 제2금속을 상기 용융된 흐름내로 혼입시키는 단계를 포함하는 방법.
6. (a) 모재 금속과 증기산 산화제를 포함하는 장치내에서 용융된 모재 금속의 산화반응에 의해 형성되는 다결정질 산화반응 생성물, (b) 상기 모재 금속의 비산화된 성분과 상기 장치내부에 존재하는 원료로부터 유래하는 제2금속을 포함하고 상기 다결정질 산화반응 생성물이 형성되는 동안 동일계상에서 형성되는 금속성분을 포함하므로써 상기 제2금속의 존재에 의해 개질된 하나 이상의 성질을 가지는 자립성 세라믹체.
7. 제6항에 있어서, 상기 제2금속의 주요 성분이 알루미늄, 티타늄, 철, 니켈, 구리, 지르코늄, 하프늄, 코발트, 망간, 실리콘, 게르마늄, 주석, 은, 금 및 백금으로 이루어진 군중에서 선택되는 자립성 세라믹체.
8. 제6항에 있어서, 충전재를 추가로 포함하는 자립성 세라믹체.