KR950008592B1 - 자립성 세라믹 복합체 구조물 제조 방법 및 자립성 세라믹 표층을 가진 금속 구조물 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

자립성 세라믹 복합체 구조물 제조 방법 및 자립성 세라믹 표층을 가진 금속 구조물

제1도는 모금속 공금체 조립체 및 불활성 물질과 충전재로 구성된 층내에 매립된 모금속 제1공급원을 도시한 부분 정단면도.

제1a도는 제1도의 점선 영역(A)의 확대도

제2도는 제1도의 조립체를 사용하여 제조한 자립성 세라믹 복합체의 부분정단면도.

제3도는 모금속 공급체 및 차단수단이 씌워진 예비형체를 포함한 조립체가 내화용기내의 유지층(retaining bed)내에 매립되어 있는 것을 도시한 정단면도.

제4도는 제3도의 조립체를 사용하여 제조한 자립성 세라믹 복합체의 부분절개 정면도.

제5도는 예비형체와 접촉한 용융 모금속 공급체 조립체가 내화용기내의 유지층내에 매립되어 있는 것을 도시한 정단면도.

제6도는 도관에 의해 두꺼운 벽을 가진 예비형체와 연결되는 모금속 공급체를 포함한 조립체가 내화용기내의 불활성 물질의 유지층내에 매립되어 있는 것을 도시한 단면도.

제7도는 제6도의 조립체를 사용하여 제조한 자립성 세라믹 복합체의 구조물의 정면도.

제8도는 예비형체와 접촉하는 모금속 제1공급원의 조립체 및 이 모금속 제1공급원과 연통하는 모금속 공급체의 단면도.

제9도는 제8도의 조립체를 사용하여 제조한 자립성 세라믹 복합체 구조물의 평면도.

제10도는 다수의 예비형체와 연통하는 모금속 공급체를 포함한 조립체를 도시한 정단며노.

제11도는 제110도의 부분절결 평면도.

제12도는 중공의 예비형체를 슬립캐스팅(slip-casting)하기 위한 개방형 주형으로부터 성형된 예비형체를 제거한 것을 도시한 부분 정단면도.

제13도는 제10도 및 제11도의 조립체를 사용하여 제조한 자립성 세라믹 복합체의 부분 정단면도.

제14도는 중공 예비형체의 슬립캐스팅용 스플리트(split) 주형의 정단면도.

제15도는 제14도의 주형을 사용하여 슬립캐스팅된 중공 예비형체의 평면도.

제15a도는 제15도의 선 A-A를 따라 취한 단면도.

제16도는 제15a도의 중공 예비형체내에 설치된 모금속 제1공급원 및 이 모금속 제1공급원과 연통하는 모금속 공급체로 구성된 조립체가 내화용기내의 내화물질로된 유지층내에 매립되어 있는 것을 도시한 정단면도.

제17도는 제16도의 조립체를 사용하여 제조한, 금속이 충전되어 있는 자립성 세라믹 복합체 구조물의 단면도.

제18도는 모금속 공급체, 차단 수단을 구비한 예비형체 및 용융 모금속의 도관으로 구성된 조립체가 내화용기내의 유지층내에 매립되어 있는 것을 도시한 정단면도.

제18a도는 제18도의 선 A-A를 따라 취한 예비형체의 단면도.

제19도는 제16도의 조립체를 사용하여 제조한 자립성 세라믹 복합체의 사시도.

제20도는 차단 수단에 의해 라이닝되어 있는 중앙 보어를 구비한 예비형체의 부분 정단면도.

제20a도는 제20도의 선A-A를 따라 취한 단부도.

제21도는 제20도의 예비형체의 조리체가 내화용기내의 용융 모금속내에 침지되어 있는 것을 도시한 정단면도.

제21a도는 제21도의 평면도.

제22도는 제21도의 조립체를 사용하여 제조한 자립성 세라믹 복합체의 사시도.

제23도는 또 하나의 다른 예비형체의 부분 정단면도.

제24도는 제23도의 예비형체의 평면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 조립체 12 : 모금속 공급실

14 : 차단 수단 용기 16 : 스크린

18 : 다공성 원통체 20 : 구멍

22 : 스텐레스상 브래이스 24 : 베이스

26 : 모금속 공급실벽 28 : 모금속 공급실벽 저부

30 : 불활성 물질 32 : 클램프링

34 : 모금속 공급체 36 : 모금속 제1공급원

36a, 36b, 36c : 디스크형태의 돌출부 38 : 충전재

40 : 세라믹 복합체 42 : 보어

42a, 42b, 42c : 확대된 공간부

본 발명은 세라믹 복합체 구조물의 제조방법, 특히 모금속을 보충해 주는 방식에 의한 충전재를 함유한 다결정 세라믹 기지(matrix)를 포함한 세라믹 복합체 구조물의 제조방법에 관한 것이다.

본 출원의 요지는 마크 에스. 뉴커크(Marc S. Newkirk) 등에 의해 "복합세라믹 제품 및 그 제조방법"이라는 명칭으로 1985. 2. 4일자 출원된 미합중국 특허출원 제697,878호와, 이것의 일부 계속 출원으로서 1986. 1. 17일자 출원된 미합중국 특허출원 제819,397호에 관련되는 것이다. 이들 출원에는 모금속의 산화반응 생성물을 침투성이 있는 충전재층내로 성장시킴에 의해 자립성 세라믹 복합체를 제조하는 새로운 방법이 기재되어 있으나, 이 방법에는 완성된 세라믹 복합체에 소정의 형상을 부여할 수 있는 방법이 제시되어 있지 않다.

상기한 세라믹 산화반응 생성물의 성장방법에 관한 것은 마크 에스. 뉴커크 등에 의해 "세라믹 신소재 및 그 제조방법"이라는 명칭으로 1984. 3. 16일자 출원된 미합중국 특허출원 제591,392호, 그리고 이것의 일부 계속 출원으로서 1985. 2. 26일자 출원된 미합중국 특허출원 제705,787호, 그리고 이것의 일부 계속 출원으로서 1985. 9. 17일자 출원된 미합중국 틀허출원 제776,965호, 그리고 이것의 일부 계속 출원으로서 1986. 1. 15일자 출원된 미합중국 특허 출원 제818,943호에 공통적으로 기재되어 있다. 이들 출원에 기재되어 있는 바와 같은 산화현상(이 현상은 모금속내에 합금된 도핑제(dopant)를 사용함에 의해 촉진될 수도 있다)의 발견에 의해 모금속의 산화반응 생성물로서 성장한 소정 치수의 자립성 세라믹 복합체를 제조할 수 있게 되었다.

위의 산화현상을 이용한 세라믹 복합체의 제조방법은 마크 에스. 뉴커크 등에 의해 "자립성 세라믹 재료의 제조방법"이라는 명칭으로 1984. 7. 20일자 출원된 미합중국 특허출원 제632,636호, 그리고 이것의 일부 계속 출원으로서 1985. 6. 25일자 출원된 미합중국 특허출원 제747,788호, 그리고 이것의 일부 계속 출원으로서 1985. 9. 17일자 출원된 미합중국 특허출원 제776,965호, 그리고 이것의 일부 계속 출원으로서 1986. 1. 27일자 출원된 미합중국 특허출원 제822,999호에 기재되어 있는 바와 같은 모금속 원형의 표면에 외부의 도핑제를 사용하는 방법으로 발전되었다.

또한 전술한 자립성 세라믹 복합체 제조방법은, (1) 마크 에스. 뉴커크 등에 의해 "형상 복제에 의한 세라믹 복합체 제품의 제조방법 및 그 세라믹 복합체 제품"이라는 명칭으로 1986. 1. 27일자 출원된 미합중국 특허출원 제823,542호에 기재되어 있는 바, 모금속 원형의 형상이 복제되어 형성된 하나 이상의 공동부를 가지는 세라믹 복합체 구조물의 성형방법 및 (2) 마크 에스. 뉴커크 등에 의해 "형상 복제된 표면을 가진 세라믹 복합체 제조방법 및 그 세라믹 복합체 제품"이라는 명칭으로 1986. 8. 13일자 출원된 미합중국 특허출원 제896,147호에 기재된 바, 모금속 원형의 양패턴(positive pattern)이 복제되어 형성된 음패턴을 가지는 세라믹 복합체 구조물의 성형방법으로 발전하였다.

또한, 소정의 형상을 가지는 세라믹 복합체 구조물의 제조방법이 개발되었다. 마크 에스. 뉴커크 등에 의해 "형상을 가지는 세라믹 복합체 및 그 제조방법"이라는 명칭으로 1986. 5. 8일자 출원된 미합중국 특허출원 제861,025호에 기재되어 있는 바와 같이 상기 방법에서는 모금속 원형의 산화에 의해 성장한 세라믹 기지(matrix)를, 충전재로 구성된 그리고 소정의 형상을 가지는 예비형체(preform) 내에 침투시키는 방법을 사용하고 있다. 또한 산화반응 생성물의 성장을 방지하기 위한 차단 수단(barrier means)을 소정의 경계선에 설치하여 세라믹 복합체의 형상을 결정하는 방법도 있는데, 이 방법은 마크 에스. 뉴커크 등에 의해 "차단물을 이용한 형상을 가지는 세라믹 복합체 제조방법"이라는 명칭으로 1986. 5. 8일자 출원된 미합중국 특허출원 제861,025호에 기재되어 있다.

이상에서 설명한 미합중국 특허출원은 참고사항으로서 기재한 것이다.

최근 전통적으로는 금속을 사용하던 구조재 분야에서 금속대신 세라믹을 사용하고자 하는 관심이 증대되어 오고 있다. 전술한 미합중국 특허출원들에 의하면 강도 및 인성이 우수한 세라믹 및 복합체를 경제적으로 제조할 수 있으며, 또한 분말소결처리, 고은 프레스 가공들을 사용할 필요없이 독특한 산화 현상을 이용함으로써 형상을 가지는 세라믹 복합체 구조물과 대형의 세라믹 구조물을 포함한 세라믹 복합체 구조물을 제조할 수 있다. 종래의 분말야금 기술에서는 가압성형 또는 프레스가공 등에 의해 분말체에 밀도를 부여해야 하므로 대형의 일체형 세라믹 구조물은 제조가 곤란하다. 세라믹 복합체 구조물에는 2종 이상의 서로 다른 물질들을 치밀하게 결합시킴에 의해 소정의 특성을 가지는 불균일체가 포함된다. 통상 세라믹 복합체는 일종이상의 다양한 충전재(filler)물질(입자상, 봉상, 섬유상 등)을 함유하는 세라믹 기지를 포함한다.

본 발명은 전술한 본원 발명에 관련된 출원들의 기술중 하나 이상의 기술을 이용하고, 또한 후술하게 될 모금속 공급체 수단을 사용하는 점이 개량된 점이다. 또한, 산화반응 생성물을 기본으로 하여 종래에는 불가능했던 일정한 치수 및 동일한 두께의 세라믹 복합체 구조물을 제조하는 방법 및 수단을 제공한다. 또한, 본 발명에 의하면 전체가 세라믹으로 구성되어 있는 부품보다 가볍고, 제조비용이 저렴한 세라믹 표층을 구비한 금속 구조물 부품을 제조할 수 있다.

본 발명의 일 관점은 모금속과 산화제와의 산화반응에 의해 생성된 다결정 세라믹 기지를 함유한 자립성(self-suporting) 세라믹 복합체 구조물의 제조방법을 제공하는 것이다. 이 제조방법에서는 산화반응 생성물이 충전재내에서 생성할 수 있도록 모금속과 침투성 충전재를 배치한다. 모금속은 용융 모금속 제1공급원 및 중력에 의해 제1공급원으로 유입하는 용융 모금속 공급체를 형성한다. 용융 모금속 제1공급원은 산화제와 반응하여 산화반응 생성물을 생성하며, 이 산화반응 생성물의 적어도 일부는 용융 모금속 제1공급원과 산화제 사이에 개재함에 의해 용융 모금속을 상기 산화반응 생성물을 통해 상기 산화제와 충전재쪽으로 계속해서 유동시키며, 이에 의해 초기에 생성된 산화반응 생성물과 상기 산화제의 계면상의 충전재내에서 연속적으로 산화반응 생성물울 생성하게 된다. 충전재의 적어도 일부에 상기 산화반응 생성물이 용침함으로써 세라믹 복합체를 형성하는 상기 반응이 계속 진행됨에 따라, 용융 모금속은 상기 모금속을 공급체로부터 연속된 수단을 통해 상기 용융 모금속 제1공급원으로 계속해서 공급된다.

본 발명의 또 하나의 관점은 모금속을 포함한 금속기층(substrate) ; 이 금속기층상에 설치된 충전재 ; 및 모금속과 산화제와의 산화 반응에 의해 상기 금속기층과 일체로 형성된, 그리고 충전재를 함유한 세라믹기지(matrix)를 함유하는 자립성 세라믹 표층을 구비한 금속 구조물을 제공하는 것이다.

본 발명의 전체적인 관점은 자립성 세라믹 복합체 구조물의 제조방법 및 모금속으로부터 형성된 세라믹 표층을 가진 금속 구조물을 제공하는 것이다. 즉, 모금속이 세라믹 기지의 전구체(precursor)가 되고, 또 세라믹 기지가 모금속과 일체로 형성되므로 완성된 복합체 제품은 금속기층(substrate) 위에 세라믹 표층이 형성되어 있는 구조가 된다. 상기 세라믹 표층에는 충전재가 함유되며, 또 이 세라믹 표층은 금속 기층의 외면 및/또는 내면에 형성되며, 또 이 세라믹 표층의 두께는 소정의 두께로 조절할 수 있다. 본 발명의 모금속 공급 기술에 의해, 세라믹 표층을 형성하는 세라믹 기지의 상대 체적을 모금속기층을 체적보다 크게 하거나 적게 함으로써 상기 세라믹 표층의 두께를 두겁게 또는 얇게 조절할 수 있다. 또한, 필요한 경우 완성된 제품에서 상기 모금속기층을 완전히 또는 부분적으로 제거하거나 또는 그대로 방치해 둘 수 있다.

또한 본 발명에 의하면 하나의 모금속 공급체에 의해 일련의 세라믹 복합체 구조물을 생산할 수 있으므로 작업효율이 매우 향상된다.

본 발명의 또 하나의 관점은 금속 기층에 세라믹 표층을 접착시킨 부품을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 하나의 관점은 세라믹 표층은 압축 상태로 유지하고 금속기층은 인장상태로 유지한 세라믹 표층을 구비한 금속 부품을 제공하는 것이다.

본원 명세서에 사용한 기술용어들은 다음과 같이 정의한다.

"세라믹"이라 함은 주로 비철재료 및 무기질 재로로 구성된 전통적인 의미의 세라믹체를 의미하는 것이 아니고, 모금속, 산화제 또는 도핑제(dopant)로부터 유도된 일종이상의 금속성분을 소량 또는 다량(주로 약 1-40체적% 이상) 함유하더라도 그 조성이나 특성이 주로 세라믹의 특성을 나타내는 것을 의미한다.

"산화반응 생성물"이라 함은 일종 이상의 금속이 그 전자를 다른 원소, 화합물 또는 조합물에게 내어줌으로써 산화상태가 된 것을 의미한다. 따라서, 일종 이상의 금속이 다음에 정의하는 산화제와 반응하여 생성된 것이 산화반응 생성물이 된다.

"모금속"이라 함은 다결정 산화반응 생성물의 모체가 되는 금속(예, 알루미늄)으로서, 이에는 비교적 순수한 금속, 불순물 및/또는 합금성분을 함유한 상용 금속, 상기 모금속이 주성분이 되는 합금 등이 포함되며, 본 명세서에서 특별한 언급이 없는 한 "모금속"은 이상과 같은 의미로 해석한다.

본원 발명의 실시에 있어서, 모금속 공급체를 충전재층에 설치함으로써 충전재와 접촉해 있는 모금속 공급원에 용융 모금속을 공급해 주게 된다. 경우에 따라서는 충전재층의 적어도 일 표면상에 차단 수단을 설치한다. 이상의 조립체를 산화분위기(예비형체내에 산화제가 함유되어 있는 경우에는 불활성 분위기)내에 설치한 다음, 모금속의 융점 이상 내지 이 모금속의 산화반응 생성물의 융점 이하의 온도범위로 가열시킨다. 충전재층은 산화반응 생성물의 용침을 허용할 수 있도록 침투성을 가지며, 또한 기체 산화제(예, 공기)를 사용하는 경우, 이 기체 산화제에 대해서도 침투성을 가진다. 용융 모금속이 산화제와 접촉하면 반응하여 산화반응 생성물을 생성하고, 이 산화반응 생성물은 충전재층으로 용침함으로써 모금속의 산화에 의해 생성된 다결정물질의 세라믹 기지내에 충전재가 함유되기 시작한다. 이 산화반응 생성물의 적어도 일부는 용융 모금속과 산화재 사이에 개재하게 되고, 산화제에 계속 접촉되는 용융 모금속은 상기 산화반응 생성물을 통과하여 상기 산화제쪽으로 계속 유동한다. 이에 따라 용융 모금속은 산화제와 접촉하여 추가의 산화반응 생성물을 생성함으로써 충전재층내에서 계속해서 다결정 산화반응 생성물을 성장시키게 된다. 어떤 경우에는 산화되지 않은 모금속 성분이나 산화제로부터 환원된 금속 성분 및/또는 기공(pore)이 상기 다결정 물질내에 분산되어 존재할 수도 있다. 통상, 상기 산화반응 생성물은 상호 연결된 결정구조(3차원으로 상호 연결되는 것이 바람직함)로 되어 있으며, 상기 산화되지 않은 금속 성분은 적어도 부분적으로 상호 연결되거나 고립된 상태로 존재할 수 있다. 상기 충전재내로의 산화반응 생성물의 용침현상을 포함한 상기 산화반응에 관한 내용은 본원 발명에 관련된 전술한 미합중국 특허출원들에 상세히 기재되어 있다.

상기한 반응은 상기 다결정 기지 물질이 충전재층의 소정의 범위까지, 예를 들면 충전재층의 적어도 일표면상에 설치한 차단 수단까지 용침할 때까지 계속 진행된다. 상기 차단 수단은 산화반응 생성물의 성장을 차단시킴으로써 가공이 필요없는 완성체나 거의 완성체에 가까운 세라믹 복합체를 얻을 수 있도록 하는 것이다.

본 발명에 따르면, 모금속은 충전재와 접촉하는, 그리고 산화반응 생성물의 모체가 되는 모금속 제1공급원 및 중력에 의해 이 모금속 제1공급원에 용융 모금속을 공급해 주는 모금속 공급체로서 제공된다. 즉, 용융 모금속은 중력에 의해 모금속 공급체로부터 산화반응중인 모금속 제1공급원으로 유입함으로써 산화반응에 소모된 만큼의 용금을 계속해서 공급하게 된다. 경우에 따라서는 충전재층의 외면상에 차단 수단을 설치하여 모금속의 산화반응에 의한 다결정 물질이 이 차단수단까지만 성장하도록 제한할 수 있다. 이러한 경우, 세라믹 복합체의 형상은 상기 차단 수단의 내면의 형상과 일치하게 된다. 또한, 충전재층의 소정의 범위에만 일종이상의 도핑제들을 가함으로써 이 충전재층의 소정의 범위까지만 다결정 물질을 성장시키는 방법도 있다. 일반적으로 충전재층의 외측보다는 충전재층의 내측이 산화반응 생성물의 성장에 적합한 반응조건으로 유지된다.

완성의 세라믹 복합체 구조물에는 모금속 공급원의 형상이 복제되어 형성된 음패턴(negative pattern) 또는 하나 이상의 공동부를 구비할 수 있다. 본 발명의 모금속 공급 기술에 의하면 세라믹 복합체 구조물의 음패턴 또는 공동부내에 공급된 용융 모금속을 재응고시켜 상기 음패턴 또는 공동부내에 잔류시킬 수도 있고, 경우에 따라서는 후술하는 방법을 통해 상기 음패턴 또는 공동부로부터 재응고된 모금속을 제거할 수도있다. 충전재를 적절한 점결제로 결합시켜 충분한 생형강도(green strength)를 가지는 "예비형체(preform)"로 성형하여 사용하는 경우, 완성된 세라믹 복합체의 형상은 이 충전재의 예비형체의 형상과 일치하게 된다.

이하의 기재에서는 모금속으로서 주로 알루미늄을 택하여 본원 발명에 대해 설명하였으나 알루미늄 외에도 실리콘, 티타늄, 주석, 지르코늄 및 하프늄과 같은 금속도 모금속으로 사용할 수 있다. 알루미늄이 모금속인 경우, 그산화반응 생성물은 α-알루미나, 알루미늄 나이트라이드(nitride) 또는 알루미늄 보라이드(boride)이며, 티타늄이 모금속인 경우, 그 산화반응 생성물은 티타늄 나이트라이드 또는 티타늄보라이드이며, 실리콘이 모금속인 경우, 그 산화반응 생성물은 실리콘 카바이드, 실리콘 나이트라이드 또는 실리콘 보라이드가 된다.

전술한 본원 발명에 관련된 미합중국 특허출원 제818,943호 및 제822,999호 및 이들의 선출원에 상세히 기재되어 있는 바와 같이, 모금속과 관련하여 하나 이상의 도핑제를 사용할 수 있다. 즉, (1) 하나의 모금속에 도핑제를 함금시키는 방법, (2) 외부로부터 모금속의 적어도 일부의 표면상에 도핑제를 가하는 방법, (3) 모금속의 근처에 도핑제를 가하는 방법(예를 들면, 모금속의 다결정 산화반응 생성물이 성장해 들어가는 충전재층내에 도핑제를 첨가하는 방법) 및 (4) 상기한 방법들을 조합시킨 방법 등으로 모금속에 도핑제를 가할 수 있다.

산화제로서는 고체산화제, 액체산화제, 기체산화제 또는 이들 산화제를 조합한 산화제를 사용할 수 있다. 예를 들면, 산소, 질소, 할로겐, 황, 인, 비소, 탄소, 붕소, 셀레늄, 텔루륨, 이들의 화합물 및 이들의 혼합물(예, 실리카(산소공급원의 역할을 함), 메탄, 에탄, 프로판, 아세틸렌, 에틸렌, 프로필렌(탄소 공급원의 역할을 함), 혼합물(예, 공기, H₂/H₂O, CO/CO₂, 여기서 H₂/H₂O및 CO/CO₂는 분위기 내의 산소의 활동도(activity)를 감소시키는데 유용함)) 등을 산화제로서 사용할 수 있다. 따라서, 본 발명의 세라믹 복합체 구조물에는 일종 이상의 옥사이드, 나이트라이드, 카바이드, 보라이드를 포함한 산화반응 생성물이 함유된다. 보다 상세히 설명하면, 산화반응 생성물에는 일종 이상의 알루미늄 옥사이드, 알루미늄 나이트라이드, 실리콘 카바이드, 실리콘 보라이드, 알루미늄 보라이드, 티타늄 나이트라이드, 지르코늄 나이트라이드, 티타늄 보라이드, 지르코늄 보라이드, 지르코늄 카바이드, 실리콘 나이트라이드, 티타늄 카바이드, 하프늄카바이드, 하프늄 보라이드 및 틴 옥사이드 등이 있다.

기체 산화제를 사용하는 경우, 이 기체 산화제는 충전재층을 투과하여 충전재층내의 용금에 접촉하게 된다. 모금속으로서 알루미늄을 사용하는 경우, 산소 또는 산소를 함유하는 기체(예, 공기)가 바람직한 기체산화재이며, 특히 공기의 경우는 비용면에서 유리한 산화제이다.

기체 산화제를 표현함에 있어, "특정 기체 함유 기체"와 같은 형식으로 표현한 경우, 주어진 산화성 분위기하에서 상기 특정 기체가 모금속에 대한 주산화제임을 나타낸다. 예를 들면, 공기의 주성분은 질소이지만 질소보다는 산소가 더욱 강력한 산화제이므로 공기는 "질소함유 기체"라고 표현하지 않고, "산소함유 기체"라고 표현한다. "질소함유 기체"의 예로서는 통상 96체적%의 질소와 4체적%의 수소를 함유하는 "성형가스(forming gas)"가 있다.

고체산화제를 사용하는 경우에는 충전재층 전체에 또는 모금속 근처의 충전재층에 입자형 고체산화제를 혼합시키거나 충전재 입자에 고체 산화제를 코팅하는 형태로 고체산화제를 가한다. 적절한 고체산화제에는 붕소 또는 탄소와 같은 원소류, 모금속의 보라이드 반응 생성물보다 열역학적 안정성이 낮은 특정의 보라이드 또는 실리콘 다이옥사이드와 같은 환원성 화합물류 등이 있다. 예를 들면, 알루미늄 모금속에 고체산화체로서 붕소나 환원성 보라이드를 사용하는 경우, 그 산화반응 생성물은 알루미늄 보라이드이다.

고체 산화제를 사용하는 경우, 때에 따라서는 산화반응이 지나치게 빠르게 진행하며, 생성된 산화반응 생성물이 반응열에 의해 용해됨으로써 세라믹 복합체의 미세구조를 불균일하게 하는 원인이 될 수도 있다. 이러한 경우에는 활성이 낮은 적절한 불활성 충전재를 고체 산화제에 혼합하여 사용함으로써 상기와 같은 지나치게 빠른 발열반응을 완화시키거나 방지할 수 있다. 이러한 목적에 사용되는 적절한 불활성 충전재의 예로서는 반응에서 얻고자 하는 산화반응 생성물과 동일한 물질을 들 수 있다.

액체 산화제를 사용하는 경우에는 충전재층 전체에 또는 용금 근처의 충전재층에 액체 산화제를 함침시키는 방법으로 산화제를 가한다. 액체 산화제라 함은 산화반응 조건하에서 액체상태인 산화제 및 최초에는 고체였으나 산화반응 조건하에서 용융하여 액체가 되는 산화제(예, 염(salt))를 의미한다. 액체 산화제의 예로서는 저융점 유리를 들 수 있다.

본 발명에서 충전재로서는 일종 이상의 여러 가지 물질을 사용할 수 있으며, 본 명세서에서 사용되는 "순응성(conformable)"충전재라 함은 이 충전재를 용기에 담았을 때 또는 이 충전재에 모금속을 매립시켰을때, 충전재가 용기의 형상과 모금속의 형상에 잘 적응하여 밀착 접촉할 수 있는 특성을 가지는 충전재를 의미한다. 이와 같은 순응성 충전재를 사용하면 "복제된 형상을 구비한 세라믹 복합체 및 그 제조방법"이라는 명칭의 미합중국 특허출원의 기술을 이용할 수 있다. 순응성 충전재에는 내화 금속산화물 미립자와 같은 입자형 물질, 짧게 자른 섬유와 같은 섬유상 물질, 스티울(steel wool)과 같은 섬유 울(fiber wool)물질 및 이들을 조합한 물질(예, 입자형 물질+섬유상 물질)등이 있으며, 원하는 세라믹 복합체 구조물의 형상으로 성형한 "예비형체(preform)"도 충전재층으로서 사용할 수 있다.

모금속 제1공급원, 즉 충전재와 접촉하는 모금속은 소정의 형태 즉 소정의 패턴으로 성형하여 충전재층에 매립함으로써 완성된 세라믹 복합체 구조물에 상기 모금속의 형상이 복제되도록 한다. 모금속의 형상을 복제할 필요가 없는 경우에는 충전재 예비형체를 사용하고, 모금속의 형상도 주괴, 빌레트, 바아 등 임의의 펀리한 형상으로 할 수 있다. 또한, 모금속 공급체의 크기와 형상도 임의의 편리한 형상으로 성형하고, 이 모금속 공급체로부터 모금속 제1공급원으로 중력에 의해 용금이 유동하도록 배치한다.

모금속 공급체는 용금의 산화반응이 진행될 수 없는 물질인 입자형 불활성 물질층내에 설치하는 것이 바람직하다. 용융 모금속은 모금속 공급체의 용기의 하부에 형성되어 있는 개구를 통해 모금속 제1공급원으로 공급된다. 상기 모금속 공급체는 적절한 내화 용기내에 수용할 수도 있다.

제1도의 조립체(10)는 모금속 공급실(12)과 차단수단용기(14)를 구비하며, 상기 모금속 공급실(12)과 차단수단용기(14)는 상기 모금속 공급실(12)의 저부(28)의 개구를 통해 연결된다. 차단수단용기(14)의 형상은 원통형이며, 그 내면은 스크린(16)(제1도 및 제1a도 참조)으로 되어 있고, 그 외면에는 이 스크린(16)의 보강재 역할을 하는 다공성 원통체(18)로 되어 있다. 스크린(16)은 스텐레스강과 같은 다공성 금속판으로 구성할 수 있으며, 원통체(18)에는 다수의 구멍(20)(제1a도 참조)이 형성되어 있고, 또 이 원통체(18)는 충전재층의 성형시 충분히 유지될 수 있는 강성을 구비한다. 스크린(16)은 내화직물이나 금속(예, 스텐레스강 스크린)으로 구성할 수 있으며, 도면의 실시예에서는 그물형 스크린으로 되어 있다. 이 그물형 스크린(16)의 다수의 개구들은 원통체(18)의 구멍(20)과 일치되어 있으므로 이들 구멍을 통해 산화성 대기가 유입할 수 있다. 원통체(18)의 외면에는 다수의 스텐레스강 앵글 브래이스(22)가 간격을 두고 설치되어 있으며, 이 앵글 브래이스(22)는 클램프링(32)에 의해 고정되어 조립체를 보강해준다. 차단수단용기(14)의 저부에는 무공 구조 또는 다공 구조의 베이스(24)에 의해 폐쇄된다.

원통형의 모금속 공급실(12)은 무공성 벽부(26)와 무공성 저부(28)로 구성되며, 또한 그 직경은 차단수단용기(14)의 직경보다 크게 되어 있다. 도면에 도시된 실시예에서 모금속은 모금속 공급실(12)내에 수용된 불활성 물질층(30)내에 설치된 모금속 공급체(34)와 차단수단용기(14)내에 수용된 순응성 충전재층(38) 내에 설치된 기다란 모금속 제1공급원(36)으로서 제공된다. 모금속 공급체(34)의 역원추형 부분으로 부터 하향연장한 원통부는 모금속 공급실(12)과 차단수단용기(14)의 연결부위에서 모금속 제1공급원에 접촉연결된다.

상기 모금속 제1공급원(36)에는 이 모금속 제1공급원(36)의 길이 방향을 따라 간격을 두고 3개의 디스크 형태의 돌출부(36a, 36b, 36c)가 형성되어 있으며, 이 모금속 제1공급원(36)은 모금속 코어로서 순응성 충전재층(38)과 밀착접촉한다. 산화반응을 촉진시키기 위해 모금속(모금속 공급체(34)를 포함함)에 합금시키는 방법 및/또는 외부로부터 모금속 제1공급원(36)에 가하는 방법 및/또는 적어도 모금속 제1공급원(36)의 근처의 충전재층(38)에 가하는 방법으로 일종이상의 도핑제를 사용한다.

모금속 공급실(12)내에는 입자형 불활성 물질층(30)이 채워져 있으며, 이 불활성 물질층(30)내로 용융모금속이 함침될 수 없으므로 이곳에서는 다결정 물질이 성장하지 않으며, 용금은 중력에 의해 모금속 공급체(34)로부터 모금속 제1공급원(36)으로 유동함으로써 산화반응에 의해 소모된 만큼의 용금을 계속 보충해준다. 모금속이 알루미늄인 경우, 불활성 물질층(30)은 노튼 컴패니(Norton-Compay) 제품인 입자형 E 1 알런덤(Alundum)으로 구성할 수 있다. 필요한 경우 모금속 공급실(12)의 상부개구를 덮개판으로 밀폐시킴으로써 대기와 차단시켜 줄 수 있으며, 또한 모금속 공급실(12)과 차단수단용기(14)사이의 용금의 통로를 제외한 부분도 밀봉판(Sealing plate)을 사용하여 밀폐시킬 수 있다.

차단수단용기(14)내의 순응성 충전재(38)는 이 차단수단용기(14)의 내면을 형성하는 스크린(16)에 밀착접촉하므로, 차단수단용기(14)의 내면의 형상에 의해 충전재층(38)의 외면의 형상이 결정되며, 또한 이 충전재층(38)의 외면의 형상에 의해 차단수단용기(14)내에서 성장되는 세라믹 복합체 구조물의 외면의 형상이 결정된다. 또한, 충전재층(38)은 모금속 제1공급원(36)에 밀착 접촉한다.

상기한 바와 같은 조립체(10)를 적절한 기체산화제를 포함한 또는 적절한 기체산화제를 외부로부터 공급받는 노 내에 장입하며, 추가 산화제로서 고체산화제 및/또는 액체산화제를 충전재층(38)내에 첨가할 수도 있다. 기체산화제로서 공기를 사용하는 경우에는 노에 통공을 형성해 줌으로써 대기가 노내로 유입할 수 있도록 해주면 된다. 상기 조립체(10)는 적절한 지지수단(도시되지 않음)에 의해 노내에서 수직으로 설치된다. 기체산화제는 원통체(18)의 구멍(20)과 스크린(16)의 틈을 통해 충전재층(38)으로 유입하여 용융모금속을 산화시키게 된다. 용융모금속이 상기 모금속 제1공급원(36)으로부터 이 모금속 제1공급원(36)의 표면에 초기에 형성된 산화반응 생성물을 통해 유동해감에 따라 산화반응 생성물이 게속 생성되며, 이에 따라 모금속 공급체(34)로부터 모금속 제1공급원(36)으로 용금이 계속 공급된다. 다결정 산화반응 생성물이 스크린(16)까지 성장하면 성장 차단 수단인 스크린(16)에 의해 산화반응 생성물의 성장의 중지된다. 따라서 차단 수단 용기(14)의 내면의 형상을 다양하게 개조함으로써 완성된 세라믹 복합체의 표면의 형상도 다양하게 형성할 수 있다.

모금속 공급체(34)의 크기는 적어도 충전재층(38) 전체가 다결정 산화반응 생성물에 의해 완전히 용침되기 전까지는 모금속 제1공급원(36)이 모금속에 의해 충만된 상태를 유지할 수 있는 소정의 크기로 구성한다. 소정의 반응이 완료된 후에 노의 온도를 감소시켜 상기 조립체(10)를 냉각시킨다. 이에 따라 모금속 제1공급원(36)은 재응고하여 세라믹 기지와 밀착결합한다. 따라서 본 실시예에 의해 완성된 세라믹 복합체 구조물은 모금속 코어상에 세라믹 표층이 둘러싸고 있는 구성으로 된다.

경우에 따라서는 상기 다공성 원통체(18)를 두개의 반원통체(half-cylinders)로 구성하고, 이 두개의 반원통체를 브래이스(22) 및 클램프링(32)과 같은 적절한 수단으로 고정하고, 상기 조립체의 분해시에는 상기 브래이스(22)와 클램프링(32)을 풀러줌에 의해 간단히 조립체를 분해할 수 있다. 상기 원통체(18)를 제거한 후 스크린(16)도 제거하고, 차단수단용기(14)의 상부를 절단하여 제2도에 도시되어 있는 바와 같은 원통형 세라믹 복합체(40)를 회수한다. 제2도의 세라믹 복합체(40)에는 모금속 제1공급원(36)의 형상이 복제되어 형성된 보어(42) 및 3개의 확대된 공간부(42a, 42b, 42c)가 구비된다. 필요한 경우, 보어(42)내에 잔류하는 재응고된 모금속은 예를 들면, 드릴링에 의해 제거할 수 있으며, 확대된 공간부(42a, 42b, 42c)내에 잔류하는 모금속은 화학적으로 용해시켜 제거한다. 알루미늄이 모금속인 경우 염산을 사용하여 제거할 수 있는데, 염산은 세라믹 복합체에는 악영향을 미치지 않고 알루미늄을 용해시킬 수 있다. 경우에 따라서는 상기 재응고된 모금속 전체 또는 그 일부를 제거하지 않고 그대로 둠으로써 모금속 코어를 구비한 세라믹 복합체를 제조할 수도 있으며, 또한 상기 재응고된 모금속 전체 또는 그 일부를 다른 금속 또는 다른 합금, 또는 합성유기 중합물질(플래스틱)과 같은 다른 물질로 대체시킬 수도 있다.

세라믹 복합체(40)의 외면은 스크린의 무늬가 복제되어 거칠게 되어 있으므로 기계가공에 의해 매끈하게 가공하는 것이 바람직하다. 경우에 따라서는 스크린(16)의 무늬를 그대로 살리는 것도 바람직하다.

다수의 위치에서 용금을 공급해 주기 위해서는 차단수단용기(14)에 L자형 연결부를 통해 하나 이상의 보조 모금속 공급체를 설치하는 것도 바람직하다.

제3도는 예비형체(44)의 상부에 모금속 공급체(46)이 접촉설치되어 있는 것을 도시한 것이다. 모금속 공급체(46)의 외면과 예비형체(44)의 외면은 차단수단으로서의 소석고층(48)에 의해 둘러싸여 있으며, 이 소석고층(48)에 가연성 물질을 혼합시킴에 의해 공기가 투과할 수 있게 된다. 도면의 실시예에서는 모금속 공급체(46)와 접촉한 부분을 제외한 예비형체(44)의 전체 표면이 상기 차단 수단에 의해 둘러싸여 있다. 따라서 본 명세서의 기재에서 상기 차단 수단에 의해 한정되는 "충전재층의 적어도 하나의 표면" 또는 "충전재층의 적어도 하나의 외면"이라 함은 상기 차단 수단에 의해 피복되어진 충전재 부분을 의미한다.

상기 소석고층에 의해 피복된 모금속 공급체(46) 및 예비형체(44)는 내화용기(52)(예, 알루미나 내화용기)내에 수용된 불활성 물질층(50)내에 유지된다. 제3도에서 예비형체(44)는 내연기관의 피스톤 형태로서, 이 예비형체(44)에는 헤드부(44a), 환형 홈(44b), 중공부(44c) 및 이 중공부(44c)에 형성되어 있는 직경방향으로 대향한 한 쌍의 연결개구(44d, 44e)가 구비되어 있다. 모금속 제1공급원(54)은 상기 중공부(44c)내에 위치된다. 예비형체(44)를 둘러싸고 있는 소석고층(48)은 다결정 물질이 예비형체(44)의 외부로 성장하는 것을 방지해 줌으로써 표면이 매끈한 세라믹 복합체가 형성되도록 한다. 또한, 모금속 공급체(46)의 주위를 둘러싸고 있는 소석고층(48)은 이 조립체를 가열했을 때 얻어지는 용융 모금속을 수용하는 용기 역할을 한다. 물론 상기와 같은 소석고층(48)으로 된 모금속 용기가 형성되어 있지 않더라도 용융 모금속은 이 용융 모금속이 침투할 수 없는 상기 불활성 물질층(50)내에 유지될 수 있다. 이 불활성 물질층(50)은 기체산화제(예, 공기)의 침투를 허용하는 침투성을 가진다. 전술한 반응온도로 가열해주면 기체산화제(예, 공기)는 산화반응 생성물의 표면으로 유동해온 용융 모금속을 산화시켜 전술한 다결정 기지물질을 생성하게 된다. 모금속 제1공급원(54)의 용금이 소모되면 모금속 공급체(46)로부터 이 모금속 제1공급원(54)으로 용금이 계속 됨으로써 다결정 세라믹 기기가 상기 예비형체(44)의 주변의 차단수단인 소석고층(48)까지 성장할 때까지 반응이 계속된다. 반응이 완료되면 노의 온도를 감소시키고, 상기 조립체를 불활성 물질층(50)으로 제거해 낸 다음, 상기 소석고층(48)은 그리트 블래스팅(grit blasting) 처리하여 제거한다. 중공부(44c)내의 용융모금속은 쏟아버리고, 재응고된 모금속은 전술한 바와 같은 기계적인 방법 또는 화학적인 방법으로 제거한다.

제4도는 제3도의 조립체로부터 제조한 세라믹 복합체 피스톤을 도시한 것이다. 산화 반응 생성물을 포함한 세라믹 기지가 용침된, 때에 따라서는 산화되지 않은 모금속 성분이나 도핑제, 충전제, 산화제(이 산화제가 환원성 금속 화합물인 경우)로부터 환원된 금속 성분이 용침된 상기 예비형체(44)로 구성된 것이다. 상기 세라믹 기지는 예비형체(44)의 외면에 형성된 차단 수단에 의해 성장이 중지되므로, 완성된 상기 피스톤(44')에는 헤드부(44a'), 환형홈(44b'), 중공부(44c') 및 한쌍의 피스톤핀 연결 개구(44d', 44e')가 정밀하게 형성된다.

제5도의 충전재 예비형체(56)는 45°접속관의 형태로서, 그 양단부에는 플랜지(56a, 56b)가 구비되어 있다. 모금속 공급체 내화 용기(58)의 저부에는 개구(60)가 형성되어 있으며, 이 내화 용기(58)는 예비형체(56)의 플랜지(56a)에 맞닿도록 하기 위해 경사지게 설치되어 있다. 플랜지(56)는 소석고와 같은 적절한 물질로 구성된 플러그(62)에 의해 막혀있다. 이상의 조립체는 내화 용기(66)내에 수용된 내화 물질층(64)내에 설치되어 있으며, 내화 용기(58)내의 용융 모금속은 모금속 제1공급원(70)내로 유동해 들어간다.

제3도 및 제5도의 실시예에서 모금속 제1공급원(제3도의 참조 번호(54) 및 제5도의 참조 번호(70))의 위치에 고체 모금속을 설치한 다음, 이를 용융시켜 액체 상태의 모금속으로 제공할 수도 있다. 용융된 모금속 공급체(제3도의 참조 번호(46) 및 제5도의 참조 번호(68))는 예비형체(제3도의 참조 번호(44) 및 제5도의 참조 번호(56))내로 유동하여 모금속 제1공급원을 형성한다. 따라서 모금속 제1공급원은 모금속 공급체로부터 유동해온 용금에 의해 계속 충만된다.

상기 모금속 공급체로부터 중공부(44c)내의 모금속 제1공급원내로 모금속이 계속 공급되므로 이 중공부(44c)내에는 모금속이 항상 충만된 상태를 유지하며, 이에 따라 균일한 세라믹 기지가 예비형체(44)내로 성잘할 수 있다.

제5도의 실시예의 경우 예비형체(56)내에 고체의 모금속을 설치함에 의해 또는 모금속 공급체 내화용기(58)로부터의 용금의 유입에 의해 모금속 제1공급원(70)을 형성한다. 제5도에서 예비형체(56)의 벽부의 상대적인 체적이 그 중공내부의 체적에 비해 작게 되어 있으므로 이 중공내부에는 예비형체 전체에 세라믹 기지를 형성할 수 있는 충분한 양의 모금속이 수용된다. 또한, 모금속 공급체로부터 예비형체(56)의 중공내부로 용융 모금속이 계속 공급되므로 상기 예비형체(56)내로 다결정 기지물질이 균일하게 성장해들어갈 수 있게 된다.

제5도의 실시예에서 예비형체(56)는 불활성 물질층(64)내에 설치되어 있다. 이 불활성 물질층(64)내로는 세라믹 기지가 거의 성장하지 않으므로, 세라믹 기지는 예비형체(56)의 외면까지만 성장하게 된다. 소석고플러그(62)는 예비형체(56)의 내부에 불활성 물질층(64)이 들어오지 못하도록 하기 위한 것이다. 필요한 경우, 소석고 또는 기타의 유사물질로서 모금속 공급체 내화용기(58)의 저부 및 예비형체(56)의 플렌지(56a)의 주위를 시일(seal)시킬 수 있으며, 경우에 따라서는 예비형체(56) 전체를 공기가 침투할 수 있는 소석고층으로 피복할 수 있다. 이 소석고층은 세라믹 복합체를 완성한 후 제거시킨다.

제6도의 실시예의 예비형체(72)는 베이스부(74), 좁은 목부(76) 및 단부(78)를 구비한 대체로 원통형을 이루고 있으며, 그 종축 방향으로 중공보어(80)가 형성되어 있다. 예비형체(72)의 단부(78)에 개방되어 있는 보어(80)의 일단부는 소석고와 같은 적절한 물질로 구성된 플러그(82)로 폐쇄되어 있으며, 상기 베이스부(74)의 단부에 개방되어 있는 보어(80)의 타단부는 역시 소석고와 같은 적절한 물질로 제조한 도관(84)의 일단부에 연결되어 있다. 또한 이 도관(84)의 타단부는 모금속 공급체(86)에 연결되어 있으며, 도관(84)과 모금속 공급체(86)는 동축 배열을 이룬다. 에비형체(72)의 종축선(L)은 수평선(H-H)에 대해 각도 "a"를 이루고 있다. 즉, 예비형체(72)의 단부(78)를 수평에 대해 아래쪽으로 5-10°의 각도의 경사를 이루도록 배치함으로써 모금속 공급체(86)로부터 도관(84)을 통한 보어(80)내로의 용융 모금속의 유동이 용이해지게 된다. 이 예비형체(72), 도관(84) 및 모금속 공급체(86)는 내화 용기(90)내의 불활성 물질 입자층(88)내에 설치되어 있다. 반응이 진행되면 모금속 공급체(86)는 용융하여 도관(84)을 통해 보어(80)내로 유입함으로써, 보어(80)내에는 용융 모금속이 충만된다. 플러그(82)는 불활성 물질 입자층(88)이 보어(80)내로 들어오지 못하게 막아준다.

기체산화제(예, 공기)는 불활성 물질 입자층(88)과 예비형체(72)내로 침투하여 용융 모금속을 산화시키게 되며, 이산화 반응에 의해 보어(80)내의 용융 모금속이 소모됨에 따라 모금속 공급체(86)로부터 용융 모금속이 계속 보충됨으로써 전체 반응 과정을 통해 보어(80)내에는 항상 용융 모금속이 충만된 상태로 유지된다.

제6도에 도시되어 있는 바와 같이 예비형체(72)의 보어(80)내의 용융 모금속만으로는 예비형체(72) 전체를 채울 수 있는 다결정물질인 세라믹 기지를 형성할 수 없으나(제5도의 실시예에서는 예비형체(56)내의 용융 모금속(70) 만으로도 충분히 예비형체(56)를 채울 수 있는 세라믹 기지를 생성할 수 있었던 것과 대조가 된다),이 경우에도 모금속 공급체(86)는 보어(80)내에 용융 모금속을 계속 공급해주게 되므로 예비형체(72)는 다결정 산화 반응 생성물로 충분히 채워질 수 있다. 따라서 본 발명의 용융 모금속 공급 기술에 의하면 모금속 공급원의 부피가 충전제 예비형체의 부피보다 작더라도, 또는 예비형체의 치수의 대소에 관계없이 예비형체 전체를 완전히 상기 다결정 기지물질로 채울 수 있게 된다.

세라막 기지의 성장은 상기 예비형체(72)의 외면에서 정지한다. 전술한 바와 같이, 필요한 경우 예비형체(72)의 외면에 적절한 차단 수단을 형성할 수도 있다. 또한, 완성된 세라믹 복합체 구조물의 보어(80)내에 잔류하는 재응고된 모금속 코어는 완전히 또는 부분적으로 제거하거나 적절한 다른 물질로 대체할 수 있다. 제7도는 제6도의 조립체를 사용하여 제조한 세라믹 복합체 구조물(72')을 도시한 것으로서, 이 세라믹 복합체 구조물(72')에는 베이스부(74'), 좁은 목부(76'), 단부(78') 및 종방향으로 연장한 보어(80')가 구비되어 있다.

제8도의 실시예의 예비형체(92)는 디스크형태의 휘일부(94), 이 휘일부의 일측으로부터 연장한 중앙의 중공 샤프트(98), 이와 동심의 원형림(96)을 구비하고 있다. 샤프트(98)의 중앙에는 보어(100)가 구비되며, 이 보어(100)의 플레어(flared) 단부(100a)는 상기 원형림(96)과 샤프트(98)가 형성되어 있는 면의 반대면에 개방되어 있으며, 보어(100)의 상단부(제8도 상에서)는 소석고와 같은 적절한 물질로 제조한 플러그(102)로 막혀있다. 이 예비형체(92)의 하측(제8도 상에서)에는 직경이 이 예비형체(92)의 직경과 동일한 디스크형태의 모금속 공급원(104)이 밀착 접촉 배치되어 있다.

상기 모금속 공급원(104)은 L자형 도관(106)에 의해 모금속 공급체(108)에 연결된다. 제8도에는 하나의 모금속 공급체(108)와 하나의 도관(106)만이 도시되어 있으나, 두개 이상의 모금속 공급체(108) 및 두개 이상의 도관(106)을 모금속 공급원(104)의 주위에 배치할 수도 있다. 이상의 조립체는 내화용기(112)내의 불활성 입자 물질층(110)내에 매립된다.

산화제로서 공기를 사용하고, 적절한 반응 온도로 상기 조립체를 가열시키면 예비형체(92)와 접촉해 있는 모금속 제1공급원(104)은 용융 상태가 되고, 또한 모금속 공급체(108)도 용융하여 도관(106)을 통해 하향 유동하게 되고, 이 하향 유동하는 용융 모금속의 압력에 의해 용융 모금속은 상기 단부(100a)로부터 플러그(102)에 의해 막혀 있는 보어(100)의 상단부까지 밀려올라 간다. 이와 같은 배열에 의해 예비형체(92) 전체를 다결정 기지물질로 채울 수 있는 충분한 양의 모금속이 모금속 제1공급원(104)에 공급될 수 있을 뿐만 아니라 모금속 공급체(108)의 용금의 수준이 적어도 보어(100)의 상단부 보다는 높은 수준에 유지되는 한 보어(100)내에는 용융 모금속이 항상 충만된 상태를 유지하게 되므로 예비형체(92)를 통해 균일한 세라믹 기지의 성장이 가능해진다. 본 실시예에서 모금속 공급체(108)와 도관(106)을 사용하지 않으면 모금속 공급원(104)의 치수를 예비형체(29) 전체에 세라믹 기지를 형성하는데 충분한 치수로 하더라도 용융 모금속의 유동성면에서는 곤란이 발생한다(휘일부(94)에 연결되는 샤프트(98)의 베이스와 같은 부분을 통한 용금이 유동은 특히 곤란해진다). 또한, 모세관 현상에 의해 용융 모금속은 예비형체내로 양호하게 침투할 수 있지만, 예비형체의 규모가 대형인 경우에 상기한 바와 같이 용융 모금속을 가압 공급해주는 모금속 공급체(108)를 사용하지 않으면 용융 모금속의 예비형체내로의 모세관 현상에 의한 침투가 불충분해지므로 균일하고 완전한 세라믹 기지의 성장을 기대할 수 없다.

제9도는 제8도의 조립체로부터 제조한 세라믹 복합체(92')를 도시한 것으로서, 이 복합체(92')에는 샤프트(98'), 이 샤프트내의 보어(100'), 휘일부(94') 및 원형림(96')이 구비되어 있다. 전술한 다른 실시예에서 설명한 바와 같이 보어(100) 및 단부(100a)내의 재응고된 모금속은 완전히 또는 부분적으로 제거하거나, 완전히 또는 부분적으로 다른 물질로 대체할 수 있다. 어느 경우든지, 보어(100) 및 단부(100a)내를 채우고 있는 물질을 천공하여 직경이 보다 작은작은 보어를 형성할 수도 있다.

제10도는 용융 모금속으로 채워진 모금속 공급체(116)를 수용한 내화 용기(114)를 포함한 조립체를 도시한 것이다. 상기 내화용기(114)의 저부에는 개구(118)가 형성되어 있으며, 중력에 의해 용융 모금속은 모개구(118)를 통해 유지 물질의 베이스(122)에 형성된 용금 통로(120)로 유동한다. 내화 부트(boot)(124)내에 설치된 상기 유지 물질은 소석고와 같은 적절한 물질로 제조한 것으로서, 예를 들면, 유동성 소석고를 상기 내화 부트(124)의 반정도의 깊이까지 채운후 고화시킨 것이다. 또한 상기 깊이사 얕은 용금통로(120)는 위와 같이 고화된 소석고에 홈을 파서 형성하거나 상기 소석고가 응고하기 전에 상기 용금 통로(120)형태의 삽입물을 설치하여 형성한다.

상기 얕은 용금 통로(120)위에는 뒤집어 놓은 컵모양의 다수의 침투성 예비형체(126)가 나란히 설치되어 있으며, 인접하는 예비형체(126) 사이의 공간으로 노출되는 용금 통로(120)는 소석고와 같은 적절한 물질로 제조한 플러그(128)에 의해 대기로부터 차단된다. 초기에 각 예비형체(126)내의 공동부내에는 모금속 제1공급원으로서의 모금속을 설치하며, 모금속 공급체는 내화 용기(114)내에 설치한다. 이 내화 용기(114)내의 모금속 공급체(116)는 최초부터 용융 모금속으로 하거나 아니면 최초에는 고체 모금속을 설치한 다음 가열에 의해 용융시켜 용융 모금속이 되게 한 다음, 중력에 의해 내화용기(114)의 저부의 개구(118) 및 용금 통로(120)를 통해 각 예비형체(126)로 공급한다. 제10도의 중앙의 예비형체(126)에 표시한 불규칙한 수직 방향의 분할선을 기준으로 한 도면의 좌측에는 용융 모금속이 내화 용기(114), 용금 통로(120) 및 각 예비형체(126)내에 채워져 있는 상태로 도시하였고, 상기 분할선을 기준으로 한 도면의 우측에는 용융 모금속의 도시를 생략함으로써 용금 통로(120)에 대한 예비형체(126)의 설치 상태를 명확히 하고 있다. 또한, 제11도에서는 도시를 생랴한 부분을 점선으로 표시했다. 본 실시예에서도 내화 용기(114)내의 용융 모금속의 압력에 의해 각 예비형체내에는 항상 용융 모금속이 충만된 상태를 유지함으로써 상기 예비형체내로의 다결성 세라믹 기지의 성장에 소모된 용융 모금속을 충분히 보충해줄 수 있게 된다. 상기 예비형체들이 세라믹 기지에 의해 충분히 용침된 후에는 상기 조립체를 노에서 제거한 다음, 완성된 세라믹 복합체에 남아 있는 용융 모금속을 쏟아버린다. 반응의 진행시 필요한 경우 내화용기(114)에 수시로 모금속을 공급해 줄 수도 있으나, 그럴 필요없이 내화 용기(114)의 용량을 더욱 크게하는 것이 바람직하다.

제10도 및 제11도의 실시예에서 사용한 예비형체는 임의의 적절한 수단을 사용하여 제작한다. 그 중 한가지 방법으로서 제12도에 도시한 개방향 주형(130)에 의한 슬립 캐스팅법을 들 수 있다. 도면에 도시한 바와 같이 상기 개방형 주형(130)에는 컵모양의 공동부(132)가 형성되어 있으며, 그 재료는 소석고와 같은 적절한 물질로 구성한다. 이 개방형 주형(130)의 컵모양의 공동부(132)내에 미립형의 충전재 입자를 함유한 적절한 슬립(slip) 혼합물을 채운 후 수시간 동안 방치하면 슬립의 액체 용매(통상적으로 물)는 다공성 소석고 주형내에 흡수된다. 흡수되지 않은 과잉의 액체 용매를 쏟아버리면 상기 컵 모양의 공동부(132)의 내벽면에 형성된 두꺼운 충전재층이 남게 된다. 형성된 충전재층을 건조 및 소성(fired)시켜 제12도에서 화살표로 도시한 바와 같이 주형(130)으로부터 성형된 예비형체(126)를 뽑아낼 수 있는 정도의 기계적 강도("생형강도")를 부여한다. 충전재층의 두께를 두껍게 제조하기 위해서는 과잉의 액체 용매를 쏟아버리고 나서 이 주형(130)에 슬립 혼합물을 다시 채우는 방법을 사용한다.

제13도는 제10도 및 제11도의 조립체를 사용하여 제조한 세라믹 복합체(126')를 도시한 것으로서, 이것은 상기 예비형체(126)에 세라믹 기지가 용침됨으로써 형성된 것이다. 전술한 바와 같이 완성된 복합체(126')의 공동부내에 잔류하는 재응고된 모금속은 기계적 방법 또는 화학적인 방법으로 완전히 제거하거나 부분적으로 제거할 수 있으며, 또한 상기 모금속 대신 다른 물질로 대체할 수도 있다.

제14도는 제15도 및 제15a도에 도시된 펌프 임펠러 형태의 중공 예비형체를 슬립 캐스팅법을 이용하여 성형하기 위한 분할형 주형(split mold)(134)을 도시한 것이다. 이 분할형 주형(134)은 상형(136)과 하형(138)으로 구성되어 있으며, 이들 상형(136)과 하형(138)이 결합되었을 때 형성된 공간부내에서 펌프 임펠러 형태의 예비형체(140)(제15도 및 제15a도)를 성형하게 된다. 이 예비형체(140)에는 디스크형태의 몸체(142), 중앙의 중공 샤프트(146), 이 중공 샤프트(146)의 단부의 플랜지(146a), 이 중공 샤프트(146)로부터 상기 디스크형태의 몸체(142)의 둘레면까지 연장한 곡선형 베인(144a, 144b, 144c 및 144d)이 포함된다. 상기 중공 샤프트(146)내에는 보어(150)가 구비되고, 상기 디스크 형태의 몸체(142)내에는 공동부(152)가 구비됨으로써 이 예비형체(140)는 중공 예비형체(140)가 된다.

상기 펌프 임펠러 형태의 중공 예비형체(140)는 제14도의 분할형 주형(134)의 개구(150')를 통해 적절한 슬립 캐스팅 슬러리를 주입하여 주형(134)의 공등부의 내면상에 소정 두께의 충전재층이 형성되도록 한 다음, 과잉의 유체는 쏟아버리고, 상기 주형(134)을 건조 및 소성(firing)시켜 제조한다. 제15도 및 제15a도는 완성된 중공 예비형체(140)를 도시한 것이다.

제16도는 상기 예비형체(140)를 내화 용기(156)내에 수용되어 있는 불활성 물질층(154)내에 매립한 상태를 도시한 것이다. 플랜지(146a)의 상부에는 소석고와 같은 적절한 물질로 제조한 도관(158)이 설치되며, 이 도관(158) 내에는 모금속 공급체(160)내에는 모금속 공급체(160)가 수용되어 있고, 예비형체(140)내의 공동부내에는 모금속 제1공급원(162)이 채워져 있다. 상기 다른 실시예에서와 마찬가지로 예비형체(140)의 중공부내에 입자형 모금속을 채워서 모금속 공급원(162)을 형성하거나, 용융 모금속을 주입함으로써 모금속 공급원(162)을 형성한다. 또한, 상기 도관(158)내에도 고체의 모금속을 채워서 모금속 공급체(160)를 형성하거나, 용융 모금속을 주입함으로써 모금속 공급체(160)를 형성한다. 어느 경우든지 상기 조립체를 개방형노(따라서 산화제는 공기임)에 설치한 다음, 소정의 온도로 가열하여 산화 반응 생성물을 생성하여 상기 예비형체(140)를 세라믹 기지에 의해 용침시킨다.

반응이 완료된 후 세라믹 기지에 의해 용침된 예비형체(140)에 충만되어 있는 용융모 금속은 재응고시키거나, 아니면 쏟아 버린다. 제17도는 완성된 세라믹 복합체(140')를 도시한 것으로서, 이 세라믹 복합체(140')에는 디스크 형태의 몸체(142'), 샤프트(146'), 플랜지(146a'), 베인(도면에는 두개의 베인(144a', 144b')만 도시되어 있음)이 형성되어 있다. 이 세라믹 복합체(140')의 공동부는 재응고된 모금속, 다른 금속 또는 합금, 플래스틱과 같은 물질(164)로 채워진다. 제17도에 도시되어 있는 바와 같이, 샤프트(146')내의 상기 물질(164)(예, 재응고된 금속)내에 보어(166)를 형성하고, 또 이 임펠러(140')를 샤프트에 장착하기 위한 키홈(168)을 형성한다. 또한 이 보어(166)는 나사등과 같이 이 임펠러(140')를 샤프트 등에 장착시키기 위한 적절한 형상을 부여할 수도 있다.

제18도 및 제18a도의 예비형체(170)는 공기 투과성 소석고층으로 구성된 차단 수단(172)으로 피복되어 있다. 이 에비형체(170)의 하측의 공간부(178)는 L자형 도관(174)을 통해 내화용기(176)에 연결된다. 상기 예비형체(170)의 하측의 공간부(178)는 소석고 차단 수단(172)내에 형성된 것이다. 내화용기(176)는 소석고로 라이닝(180)되어 있고, 이 라이닝(180)내에는 모금속 공급체(182)가 수용되어 있으며, 이 내화 용기(176)의 상부는 내화 물질 입자층(184)으로 덮혀있다. 제18도는 모금속 공급체(182)가 용융하기 전의 상태를 도시한 것이며, 경우에 따라서는 상기 공간부(178)에 모금속 공급원을 채울 수도 있다. 그러나 본 실시예의 경우에는 모금속 공급체(182)가 용융하며, 도관(174)을 통해 공간부(178)로 유입함으로써 예비형체(170)와 접촉하는 모금속 제1공급원을 형성하게 되어 있다.

상기 예비형체(170)에는 평행하게 연장한 3개의 보어가 형성되어 있다. 제18도의 조립체는 내화 용기(190)내에 수용된 불활성 입자 물질층(188)내에 매립되어 있으며, 가열시 용융 모금속은 도관(174)을 통해 공간부(178)로 유입하여 이 공간부(178)를 충만시키게 된다. 이 공간부(178)내에 충만된 용융 모금속은 예비형체(178)내로 용침하여 이 예비형체(178)내에 다결정 물질로된 세라믹 기지를 내장시킨다. 상기 모금속 공급체(182)는 전체 산화반응을 통해 공간부(178)내에 용융 모금속을 항상 충만시킬 수 있도록 압력을 가할 수 있는 위치에 설치되어 있으므로, 전체 예비형체(170)내에서 균일한 세라믹 기지가 성장할 수 있다. 전술한 바와 같이 하나 이상의 모금속 공급체(182)를 통해 상기 공간부(178)내로 용융 모금속을 공급할 수도 있다.

반응이 종료되면, 상기 조립체를 냉각시킨 후 상기 불활성 물질층(188)으로부터 완성된 세라믹 복합체를 꺼내어 소석고 차단 수단(172)을 제거한다. 완성된 세라믹 복합체 구조물(170')(제19도)에는 3개의 평행한 보어(186)가 형성되어 있다. 산화 반응은 예비형체(170)의 외측에서 보다는 그 내측에서 강격하게 발생하고, 또한 상기 보어(186)는 본 예비형체(170)의 외측부에 해당하므로 보어(186)내에는 다결정 기지 물질이 생성되지 않게 된다.

본 발명의 모든 실시예에 있어서, 예비형체(또 다른 형태의 충전재)의 조성내에 일종 이상의 적절한 도핑제 또는 산화제를 함유시킬 수 있으며, 이 외에도 모금속의 산화 반응을 촉진시키기 위한 조건을 부여할 수 있다. 따라서, 특별한 도핑제, 산화제, 모금속 및 온도 조건하에서는 충전재의 외측으로도 다결정 산화 반응 생성물이 성장할 수도 있다. 그러나 제18도 및 제18a도의 실시예에서는 보어(186)내에서 다결정 물질이 성장하지 않게 되어 있다. 또한, 이 보어(186)내에 다결정 기지 물질의 성장을 방지하기 위한 차단 수단을 설치할 수도 있는데, 이것은 제20-21도의 실시예에서 설명한다.

제20도 및 제20a도에 도시되어 있는 예비형체(192)는 원통형 예비형체(192)로서, 그 중심에는 보어(194)가 형성되어 있다. 이 보어(194)의 내면은 소석고 차단 수단(196)에 의해 라이닝되어 있으며, 이 보어(194)의 양쪽 개방단부도 소석고층에 의해 막혀 있다. 또한 이 보어(194) 전체를 차단 물질로 제조한 플러그로 채울 수도 있다.

제21도는 원통형 내화용기(200)내에 수용되어 있는 용융 모금속(198)의 중심부에 수직으로 설치한 예비형체(192)를 도시한 것이다. 도면에 도시되어 있는 바와 같이 예비형체(192)의 형상은 내화 용기(200)의 내면의 형상과 동일하며, 그 직경은 더 작게 되어 있다. 또한, 예비형체(192)의 일단부는 내화 용기(200)의 저부를 지지하거나, 아니면 예비형체(192)의 저부에 용융 모금속이 유동할 수 있는 틈새를 제공하기 위해 상기 예비형체(192)와 내화 용기(200)의 저부 사이에 쐐기를 설치할 수도 있다. 상기 내화 용기(200)의 내면과 예비형체(192)의 외면사이에는 일정한 폭의 환형 공간이 형성되어 있으며, 이에 따라 예비형체(192)의 외면상에는 일정한 두께의 용융 모금속이 접촉하게 된다. 또한, 예비형체(192)가 항상 용융 모금속내에 잠겨 있도록 하기 위해 화살표(R) 방향으로 용융 모금속을 계속적으로 또는 주기적으로 공급해주거나, 고체 입자형의 모금속을 공급해 준다. 이 실시예에서 다결정 세라믹 기지 물질은 예비형체(192)의 외면으로부터 보어(194)쪽으로 성장해가며, 보어(194)는 차단 수단(196)에 의해 라이닝되어 있으므로 매끈한 보어(194)를 얻을 수 있다. 전술한 다른 실시예에서와 마찬가지로 모금속 공급체로부터 용융 모금속을 보충해 줌에 의해 예비형체(192) 전체가 항상 용융 모금속내에 잠겨 있도록 함으로써 예비형체(192)내로 다결정을 기지 물질이 균일하게 성장할 수 있게 된다. 반응이 종료되면 상기 내화 용기(200)로부터 세라믹 복합체 구조물을 꺼내어 차단 수단(196)을 제거한다. 완성된 원통형 세라믹 복합체 구조물(193)은 보어(194)를 구비한 세라믹 라이닝(192') 및 모금속 외층(198')으로 구성된다.

제8도, 제17도 및 제22도에 도시되어 있는 세라믹 복합체 구조물은 세라믹층과 모금속층이 일체로 결합된 것이다. 이 세라믹층은 모금속의 산화 반응에 의해 얻어진 다결정 물질로 구성된 기지가 충전재를 함유하고 있는 형태로 구성되어 있다.

종래의 세라믹 구조물에 비해 본 세라믹 표층을 구비한 금속 구조물은 파괴인성이 크고 경량인 점 등 여러가지 장점이 있다. 예를 들면, 제17도의 펌프 임펠러의 경우, 그 세라믹 표층으로 인해 본 펌프 임펠러를 부식성 및/또는 침식성 유체를 펌핑하는데 사용할 수 있으며, 또한 세라믹 표층의 내부의 금속 코어에 의해 그 파괴 인성이 증가된다. 따라서 종래의 세라믹체의 경우, 응력 균열이나 기계적 충격이 가해지면 산산히 부서지게 되지만 본 발명의 세라믹체 구조물의 경우에는 응력 균열이나 기계적 충격하에서도 그 일체성을 유지할 수 있다. 예를 들면, 제17도의 임펠러(140')에 그 세라믹 표층을 파괴시키는데 충분한 충격을 가한 경우에도 그 내부의 금속에 의해 임펠러는 산산히 부서지지 않고 그 형태를 유지할 수 있게 된다. 또한 본 발명의 세라믹 복합체 구조물에 의하면 종래의 세라믹 부품(예, 펌프 임펠러)을 고강도의 금속 부재(예, 강철재 구동 샤프트)에 부착시킬 때 발생하는 문제점을 해결할 수 있다. 또한 종래에는 세라믹체 부품을 전성이 있는 부품에 연결했을 때 세라믹 부품에 국부적인 응력이 가해지면 취성(brittleness)이 큰 세라믹체가 산산히 부서지는 경우가 자주 발생했으나, 본원 발명의 세라믹 표층을 가진 금속 구조물의 경우에는 예로써, 제17도의 금속 부분인 보어(166)에 의해 본 세라믹체를 금속제 샤프트에 연결함으로써 금속과 금속이 연결되는 형태가 된다. 회전운동 부품, 왕복 운동 부품 및 가압 부품의 설계에 있어서는 돌발적인 파손을 방지하는 것이 특히 중요한 문제가 된다.

본 발명의 또 하나의 특징은 모금속, 충전재 및 산화제를 적절하게 선택함에 의해, 세라믹면과 금속면사이의 개면에 프리스트레스(prestress)를 부여하고, 이에 의해 강도 및 파괴인성이 우수한 세라믹 표층을 가지는 금속 구조물을 제조할 수 있다는 점이다. 이는 세라믹표층의 수축율과 금속 기층의 수축율에 적절한 차이를 줄 수 있는 재료와 반응 조건을 선택함으로써 달성할 수 있게 된다. 또한 일반적으로 프리스트레스를 부여한 경우 세라믹 표층과 금속 기층 사이의 결합력은 매우 강해진다.

제23도 및 제24도의 예비형체(202)는 외측 원통체(204), 내측 원통체(26) 및 이들 두원통체(204, 206)를 연결하는 3개의 웨브(208a, 208b, 208c)로 구성되어 있다. 이들 3개의 웨브는 서로에 대해 120°의 각도를 이루고 배치되어 있다. 또한 제24도에 잘 도시되어 있는 바와 같이 이 예비형체(202)는 4부분, 즉 중앙의 보어(210) 및 3개의 구획부(212a, 212b, 212c)로 분할되어 있다.

상기 예비형체(202)는 상기 보어(210) 및 3개의 구획부(212a, 212b, 212c)내로 유입된 모금속의 산화에 의해 생성된 다결정 물질에 의해 용침될 수 있다. 또한 제21도에 도시된 조립체와 유사하게 이 예비형체(202)가 용융 모금속에 잠겨지게 설치할 수도 있다. 또한, 필요한 경우에는 보어(210) 및 구획부(212a, 212b, 212c)내에 모금속을 재응고시켜 세라믹과 금속으로 된 복합 구조물을 얻을 수 있다. 또한 외측 원통체(204)의 외면상에 재응고된 모금속(제22도의 금속층(198')에 해당함)을 제거하지 않고 남겨둘 수도 있다.

본 발명에 의한 세라믹 복합체 구조물은 충전재(filler)를 함유한 세라믹 기지(ceramic matrix)를 포함한다. 이 충전재는 순응성 충전재층으로 제공한 것이거나 예비형체로서 제공한 것이다. 적절한 충전재로서는 반응 온도 및 산화 조건하에서 휘발성이 없고, 열역학적으로 안정하고, 또한 용금과 과도하게 반응하거나 용금에 의해 과도하게 분해되지 않는 화학 물질을 들 수 있다. 모금속으로서 알루미늄을 사용하고, 산화제로서 공기 또는 산소를 사용한 경우, 상기 조건에 부합하는 충전재는 무수히 많이 알려져 있는데, 예를 들면 알루미늄, 실리콘, 하프늄 및 지르코늄과 같은 금속의 산화물, 붕화물 또는 탄화물 등이 있다.

모금속과 관련하여 사용하는 도핑제의 첨가 방법은(1) 모금속의 합금 성분으로서 가하는 방법, (2) 모금속 공급원의 적어도 일부의 표면에 가하는 방법, (3) 충전재의 일부에 또는 전부에 가하는 방법 및 (4) 이들의 방법을 조합한 방법 등이 있다. 예를 들면, 합금된 도핑제만을 사용하거나 외부에서 가하는 도핑제를 병행하여 사용할 수 있다. 상기 (3) 방법의 경우 추가의 도핑제를 충전재에 가하는 방법은 본원 발명에 관련된 전술한 특허 출원에 기재되어 있다.

모금속으로서 알루미늄을 사용하고, 산화제로서 공기를 사용하는 경우의 적절한 도핑제로서는 마그네슘, 아연 및 실리콘 등의 금속을 들 수 있으며, 이들 도핑제는 후술하는 바와 같이 다른 도핑제와 병행하여 사용할 수 있다. 상기한 금속 또는 그 공급원(예, MgO, ZnO, SiO₂)은 알루미늄 금속에 약 0.1-10중량%의 농도로 합금할 수 있으며, 또한 외부로부터 모금속에 가해질 수도 있다. 모금속으로서 알루미늄-실리콘 합금을 사용하고, 산화제로서 공기를 사용하는 경우 산화시킬 모금속 1g당 0.0008g 이상 또는 산화시킬 모금속 표면 1㎠당 0.003g 이상의 mgO를 표면 도핑제로서 가해주면 알루미나 세라믹 구조물을 제조할 수 있다.

모금속으로서 알루미늄을 사용하고, 산화제로서 공기를 사용하는 경우의 적절한 도핑제에는 전술한 것 이외에도 소디움(Na), 게르마늄, 주석, 납, 리튬, 칼슘, 붕소, 인 및 이트륨 등이 있으며, 이들 도핑제는 산화제 및 반응 조건에 따라 독립적으로 사용하거나 일종 이상의 다른 도핑제와 조합하여 사용한다. 세륨, 란타늄, 프라세오디미움(Pr), 네오디뮴(Nd) 및 사마륨(Sm)과 같은 희토류 원소들도 유용한 도핑제로서, 특히 다른 도핑제와 조합하여 사용하는 경우에 효과가 있다. 전술한 본원 발명에 관련된 미합중국 특허 출원에 기재되어 있는 바와 같이 상기한 도핑제 모두는 알루미늄계의 금속에서 다결정 산화 반응 생성물의 성장을 촉진시키는데 효과가 있다.

본 발명에 의해 제조된 세라믹 복합체 구조물은 그 5-98체적%가 일종 이상의 충전재성분으로 구성되어 있으며, 이 충전재 성분이 다결정 기지물질내에 함유되어 있는 구조로 되어 있다. 모금속이 알루미늄인 경우, 상기 다결정 기지 물질은 60-99중량%의 상호 연결된 α-알루미늄 옥사이드 및 약 1-40중량%의 산화되지 않은 모금속 성분으로 구성된다.

모금속과 이 모금속상에 형성된 세라믹 표층은 매우 강력하게 결합되어 있는데, 이와 같은 강력한 결합력은 산화 반응 생성물에 대한 모금속의 강력함 함침성(wetting)에 기인된 것으로 생각되며, 또한 이와 같은 강력한 함침성에 의해 모금속이 상기 산화 반응 생성물을 투과할 수 있으므로 본 발명의 세라믹 기지를 형성시킬 수 있게 된다.

본 발명의 세라믹 복합체 제품은 그 제조 비용, 중량(경량임), 프리스트레스된 상태, 금속에 대한 세라믹의 결합력, 형상의 다양성, 치수의 다양성, 돌발적인 파괴에 대한 인성, 내마모성, 강도 내화성, 내부식성 등의 조건이 열기관 부품이나 밸브 또는 펌프부품의 제조에 이상적이다.

금속상의 세라믹층의 형성에 관한 아이디어는 새로운 것이 아니다. 즉, 종래의 기술에서도 금속과 세라믹을 결합시킨 제품을 제조할 수는 있으나 그 수명이 매우 짧고, 세라믹층을 충분한 두께로 형성시킬 수가 없으며, 그 제조 비용면에서도 문제가 있다. 그러나, 본원 발명에 의하면 경제적으로 그리고 그리 놓지 않은 온도 및 비가압 반응 조건으로 거의 모든 형상의 그리고 거의 모든 두께의 세라믹 복합체 표층을 형성할 수가 있다.

이하, 본원 발명의 특정의 실시예에 대해 설명한다.

(실시예 1)

금속 슬리브에 의해 둘러싸인 세라믹 복합체 구조물을 제작하기 위해, 6인치 길이의 인코넬(Inconel) 601합금(International Nickel Co. 사 제품) 제40호 관(외경 1 15/16인치)에 그 직경이 3/16인치이고, 그 중심간 거리가 3/8인치인 다수의 구멍을 열을 지어 천공한다. 이와 같이 천공된 관(제1도의 참조 번호(18)에 해당하는 관) 내에 두께가 약 0.008인치인 304 합금 스텐레스 강다공판(구멍의 직경은 0.016인치이고, 이 구멍의 면적은 강판의 22%에 해당함)을 라이너(제1도의 참조 번호(16)에 해당함)로서 설치한다. 이 라이너는 기지(matrix)의 성장을 방지하는 차단물 역할을 하게 된다.

제1도에 도시된 바와 같이 모금속 공급체와 모금속 공급원으로서는 10%의 실리콘과 3%의 마그네슘을 함유한 알루미늄 합금을 사용한다. 모금속 공급체(제1도의 참조 번호(34)에 해당함)의 형상은 직경이 2.5인치이고, 높이가 2인치인 원통형으로 하며, 모금속 공급원(제1도 참조 번호(36)에 해당함)은 직경이 3/4인치이고, 길이가 6인치인 나사형태로 한다. 충전재(제1도 및 제1a도의 충전재층(38)에 해당함)로서 5중량%의 실리카 및 95중량%의 90리트(grit) 입도의 38 알런덤(Alundum)(Norton Compay사 제품인 입자형 알루미나)의 혼합물을 약 1250℃의 온도에서 24시간 동안 가열한 후, 실온까지 냉각시키고, 냉각된 혼합물을 분쇄시킨 다음, 상기한 스텐레스 강판으로 라이닝된 상기 인코넬(Inconel) 관내에 장입한다. 상기 모금속 공급원은 오드 글루우(Wood glue)(상품명 Elmer's)와 모래로 피복한다. 모금속 공급체는 그 저부에 2인치 직경의 개구를 구비한 304합금 스텐레스 강의 체임버(제1도의 참조 번호(12)에 해당)내에 수용되어 있는 90 그리트의 38 알런덤(Alundum) 층내에 매립한다. 상기 인코넬의 상부는 상기 2인치 개구의 가장자리에 용접한다. 이상과 같은 조립체를 수직으로 배치하기 위해, 3/32인치 직경의 다수의 개공이 천공되어 있고, 내경이 3.5인치인 304 합금 스텐레스 강제의 지지용 원통체(제1도의 참조 번호(14)에 해당)내에 상기 인코넬관을 삽입한다(상기 개공의 면적은 상기 지지용 원통체의 표면적의 40%에 해당). 이 지지용 원통체의 상부는 모금속 공급체 체임버(제1도의 참조 번호(12)에 해당)를 지지한다. 이상의 조립체를 내화 용기에 수용한 다음, 노내에 장입하여, 공기 분위기하에서 10시간 동안 1245℃이 온도로 가열하고, 이 온도에서 100시간 동안 유지한 다음, 30시간에 걸쳐 125℃까지 냉각시킨 후 공냉시킨다. 인코넬 관으로 된 케이스 부재의 열팽창 계수가 세라믹 복합체의 열팽창계수보다 크므로, 냉각시 상기 인코넬 관으로 된 케이스 부재는 상기 인코넬 관으로 된 케이스 부재내에 생성된 충전재를 함유한 세라믹 복합체에 강력하게 수축 결합함으로써 상기 세라믹 복합체에 압축 응력을 부여하게 된다.

드릴링이나 화학적인 방법에 의해 세라믹 복합체내에 재응고되어 잔류하는 고체금속을 제거하면, 상기 모금속 공급원의 형상이 복제되어 형성된 나사산이 있는 보어가 노출된다. 세라믹 복합체의 벽두께는 약 1/2인치로서, 이 두께는 모금속 공급체에 의한 용융 모금속의 공급이 없을 때 제조된 것보다 두꺼운 것이다.

하기의 표들은 본 발명은 여러가지 실시예의 참고사항이다.

표A

(a) 소석고 주형에 주입되는 슬립 캐스팅 조성은 다음과 같다.

상기 Vee-Gum Cer 및 Dawan-7은 카올린 클레이의 분산제이다.

(b) 침전 캐스팅 조성물은 10체적부의 물과 1체적부의 라텍스 접착제(아교)(Bordon Company사 제품인 ELMER'S)로 구성된 수성 점결제를 충전재입자에 소정이 비율로 혼합하여 제조한다.

(c) RTV 실리콘 고무 주형은 성형할 제품의 외면에 액체 고무를 피복하여 응고시킨 후, 제품으로부터 완성된 고무 주형을 제거하는 방식으로 제조한다.

표 B

표 C

(실시예 2)

표A의 (c)단계에 기재되어 있는 고무 주형내에서 침전 캐스팅에 의해 소형 피스톤 형태의 예비형체(제3도의 예비형체(44))를 제조한다. 침전 캐스팅 조성물은 표A의 (b)단계에 기재되어 있는 수성 점결제에 다음의 충전재를 홉합한 것이다.

표

상기 주형으로부터 과잉의 점결제를 쏟아버리고, 상기 조성물이 응고하면 이를 주형으로부터 제거하여 건조시킨다. 건조된 충전재를 1300℃의 온도에서 3시간 동안 가열시킨다. 완성된 예비형체의 공동부(제3도의 참조번호(44c)의 표면은 니켈 분말 슬러리로 피복하고, 이 예비형체의 외측은 공기 투과성 소석층으로 피복시킨다. 표B의 조성을 가지는 알루미늄 모금속을 제3도에 도시한 바와 같은 구성으로 상기 예비형체상에 배치한 다음, 대기중에서 1000℃의 온도로 40시간 동안 가열한다. 완성된 세라믹 복합체 피스톤으로부터 과잉의 모금속을 쏟아낸다.

(실시예 3)

실시예 2와 동일한 침전 캐스팅 조성(단, 실리콘 금속 분말은 5중량부를 사용함)으로 표A의 (b)(c)단계의 방법을 이용하여 제5도의 예비형체(56)를 제조한다. 제조된 예비형체의 외면상에 차단 수단으로서의 얇은 소석고층을 2중으로 피복한다. 모금속으로서 표C의 조성물을 가지는 알루미늄 합금을 내화 용기(제5도의 참조 번호(58))내에 수용한다. 이들 조립체를 대기중에서 1000℃의 온도로 68시간 동안 가열시킨다. 완성된 세라믹 복합체 구조물의 치수는 매우 정확하며, 세라믹 기지가 예비형체내에 완전히 용침되어 있는 것을 확인할 수 있다.

(실시예 4)

표A의 침전 캐스팅 방법에 의해 제10, 11, 12도에 도시한 예비형체(126)를 5개 제조하여, 제10, 11도에 도시한 조립체를 구성한다. 각 예비형체 사이의 용금 통로(120) 위에는 빳빳한 종이를 걸쳐 놓은 다음, 이 종이 위에 소석고 플러그(128)를 씌운다. 각 예비형체(126)의 외면은 차단 수단으로서의 소석고층으로 피복한다. 내화 용기(114)내에는 표C의 조성을 가지는 알루미늄 합금을 장입한다. 이상의 조립체를 대기중에서 1000℃의 온도로 가열시키면, 알루미늄 합금이 용융하여 용금 통로(120)를 통해 서서히 유동하여 각 예비형체(126)를 공동부에 충만시킨다. 이때 각 예비형체(126)내의 공기는 이들 예비형체의 기공을 통해 외부로 방출된다. 상기 온도에서 50시간 동안 유지시킨 후, 완성된 세라믹 복합체(도가니형태)로부터 과잉의 용융 모금속을 쏟아버리고, 재응고되어 세라믹 복합체의 내부에 남아 있는 모금속은 염산 및/또는 샌드 블래스팅에 의해 제거한다.

(실시예 5)

제14도에 도시된 소석고 주형내에서 표A의 (a)단계에 기재된 슬립 캐스팅 방법을 이용하여 제15도 및 제15a와 같은 예비형체를 제조하여 건조시킨 후 700℃의 온도에서 30분간 가열한다. 이 예비형체의 외면상에 차단수단으로서 70중량% (건조 중량을 기준으로 함)의 소석고와 30중량%의 SiO₂로 구성된 혼합물을 피복한다. 예비형체의 내부 공동부에 실리콘 분말고 된 슬러리를 주입하여 냉각시킨 후, 표C의 조성을 가지는 용융 알루미늄 합금으로 충만시킨다. 이 예비형체의 내부 공동부가 용융 알루미늄이 항상 충만된 상태로 유지되도록 하기 위해 연속적으로 알루미늄 합금을 보충해줌과 동시에 900℃의 온도에서 96시간 동안 가열한다. 완성된 세라믹 복합체를 노에서 꺼낸 후 냉각시키면 치수가 정확한 세라믹 표층을 가진 금속제 펌프 임펠러가 얻어진다.

이상의 실시예 5에서 제조한 펌프 임펠러는 본원 발명에 의해 제조되는 세라믹 표층을 가지는 금속 구조물의 전형적인 예로서, 그 세라믹 표층과 재응고된 금속 기층 사이에 강력한 결합을 이루고 있다. 따라서 상기 펌프 임펠러는 세라믹 표면층의 기계적 강도와 알루미늄 합금의 탄성을 모두 갖춘 이상적인 구조물이다.

이상은 본원 발명의 특정 실시예에 대해서만 기재한 것으로서, 본원 발명은 이상의 실시예외에 다양한 변경 및 개조까지 포함한다.

Claims (9)

1. 다결정 재료를 형성하기 위해 산화제에 의해 모금속을 산화 반응시켜 얻어진 세라믹 기지를 함유하는 자립성 세라믹 복합체 구조물을 제조하는 방법으로서, (a) 공급된 양이 적어도 하나의 침투성 충전재층에 완전히 용침되기에는 불충분한 상기 모금속의 제1공급원과 상기 침투성 충전재층을, 상기 모금속의 제1공급원의 산화반응 생성물이 상기 충전재층을 향해 그리고 충전재층 내부로 성장할 수 있도록 서로 대향하여 배치하는 단계 ; (b) 상기 모금속의 제1공급원으로부터 용융된 모금속체를 형성하기 위하여 상기 모금속의 제1공급원을 그 용융점 이상의 온도이며, 산화반응 생성물의 용융점 이하의 온도범위로 가열하고, 상기 산화제와 이미 형성된 산화반응 생성물과의 사이 계면의 상기 충전재층 내에서 새로운 산화반응 생성물이 연속 형성되도록 상기 산화반응 생성물을 통과하여 상기 산화제를 향하여 상기 충전재층내로 상기 용융 모금속을 점진적으로 인도하기 위하여 상기 산화반응 생성물의 적어도 일부를 상기 용융 모금속의 제1공급원과 산화제 사이에서 접촉하여 뻗도록 유지시킴으로써 상기 산화반응 생성물을 형성하기 위하여 상기 용융 모금속의 제1공급원과 산화제를 반응시키는 단계 및, (c) 자립성 세라믹 복합제 구조물을 제조하기 위하여 침투성 충전재층이 거의 완전히 용침되도록 상기 반응이 계속됨에 따라 모금속의 제2공급원이 적어도 부분적으로는 상기 용융 모금속의 제1공급원을 보충하도록 모금속의 저장원을 구비하고 제1공급원에 접한 모금속의 제2공급원으로부터 추가적인 용융 모금속의 제공하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 자립성 세라믹 복합체 구조물의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 충전재층은 성형된 예비 형체를 포함하며, 예비 형체의 표면의 적어도 일부분은 차단 수단에 의해 한정되는 것을 특징으로 하는 세라믹 복합체 구조물의 제조방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 모금속의 제1공급원은 상기 충전재층에 접하도록 저장원으로부터 용융 모금속의 일부를 유동시킴에 의해 제공되며, 그 후에 상기 저장원으로부터 용융 모금속을 계속 유동시킴에 의해 적어도 부분적으로 상기 모금속의 제1공급원의 보충을 실시하는 것을 특징으로 하는 세라믹 복합체 구조물의 제조방법.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, (1) 용융되어 모금속의 제1공급원을 제공하는 충전재층에 접촉설치된 고체 모금속 및 (2) 상기 용융 모금속의 제2공급원을 제공하는 모금속 저장원의 형태로 모금속의 제1공급원을 제공하며, 상기 저장원으로부터 용융 모금속 제1공급원에 용융 모금속을 유동시키는 것에 의해 상기 모금속의 보충이 실시되는 것을 특징으로 하는 세라믹 복합체 구조물 제조방법.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 모금속 제1공급원이 그 위에 패턴이 형성되어 있는 고체 모금속으로서 제공되는, 상기충전재층이 상기 패턴과 밀착 접촉한 충전재이며, 이로써 상기 패턴이 모금속 복합체 구조물에 역으로 복제되는 것을 특징으로 하는 세라믹 복합체 구조물 제조방법.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 충전재층이 중공체를 포함하고, 상기 모금속 제1공급원이 이 중공체의 적어도 하나의 벽면에 접촉하도록 배치됨에 의해 상기 산화반응 생성물의 용침작용이 상기 중공체의 벽면으로부터 또는 그 벽면을 따라 진행하는 것을 특징으로 하는 세라믹 복합체 구조물 제조방법.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 용융 모금속을 상기 충전재층과 접촉유지하고, 상기 반응이 종료한 후에 반응하지 않은 모금속을 상기 세라믹 복합체 구조물과 접촉한 상태로 응고시킴에 의해 금속기층을 일체로 구비한 세라믹 복합체 구조물을 형성하며, (1) 상기 세라믹 복합체 구조물의 외측으로 배치된 응고된 모금속 표면을 가지는 세라믹 복합체 구조물을 제공하기 위하여 상기 충전재층의 외측 표면의 적어도 일부와 상기 반응하지 않은 모금속을 접촉시키거나, (2) 상기 충전재층에 하나 이상의 공동부가 형성되어 있는 경우, 세라믹 복합체의 외면을 가지는 내부의 기층으로서 상기 금속기층을 제공하기 위해 상기 하나 이상의 공동부와 상기 반응하지 않은 용융 모금속을 접촉시키는 것의 하나 이상의 방법에 의해, 상기 반응하지 않은 모금속은 상기 충전재와 접촉하는 것을 특징으로 하는 세라믹 복합체 구조물 제조방법.
8. 제1항에 있어서, 상기 모금속이 알루미늄, 티타늄, 실리콘, 지르코늄, 하프늄 및 주석으로부터 선택된 적어도 하나의 금속인 것을 특징으로 하는 세라믹 복합체 구조물 제조방법.
9. 전구체인 모금속을 포함한 기층, 이 금속기층상에 배치된 충전재 및 상기 금속기층과 일체로 형성되고, 산화제에 의한 상기 모금속의 산화 반응에 의해 형성되며 상기 충전재를 함유하는 세라믹 기지로 이루어지는 것을 특징으로 하는 세라믹 복합체 표층을 구비한 금속구조물.

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