KR970005372B1

KR970005372B1 - 금속 매크릭스 복합체의 제조 방법

Info

Publication number: KR970005372B1
Application number: KR1019890014115A
Authority: KR
Inventors: 티. 버크 죤; 네시. 케이 드위브디 라트
Original assignee: 랜자이드 테크놀로지 컴패니, 엘피; 마이클 제이. 훌린스
Priority date: 1988-11-10
Filing date: 1989-09-30
Publication date: 1997-04-15
Also published as: EP0373093B1; ZA898537B; EP0373093A1; DK558789D0; ATE110793T1; KR900007512A; CA2000776C; US5000246A; DE68917878D1; DK558789A; PT92258A; FI91490C; CN1042495A; FI91490B; PT92258B; NZ231078A; FI894931A0; AU625539B2; AU4164989A; JPH02243729A

Abstract

내용 없음.

Description

금속 매트릭스 복합체의 제조 방법

제1도는 본 발명에서 사용하는 예비 성형체를 제조하기 위한 재사용이 가능한 주형의 단면도.

제2도는 본 발명에서 사용하기 위한 예비 성형체를 도시한 도면

제3도는 본 발명에 따라 매트릭스 금속 용탕(pool) 내에 부유(flotation) 상태로 있는 예비 성형체를 도시한 도면.

제4도는 매트릭스 금속 용탕내에 부유 상태로 있는 금속 매트릭스 복합체를 도시한 도면.

제5도는 본 발명의 다른 실시예에 따른 소모성 주형 및 예비 성형체를 도시한 도면.

제6도는 실시예 1에 따라 매트릭스 금속을 수용하기 위한 비반응성 내화 용기내에서 소모성 주형들이 다수의 매트릭스 금속체에 의해 둘러싸여 있는 것을 도시한 도면.

제7도는 실시예 2에 따라 매트릭스 금속 용탕 내에 부유시킴에 의해 자발용침을 발생시키기 위한 장치의 도심적인 단면도.

제8도는 실시예 3에 따라 매트릭스 금속 용탕 내에 부유시킴에 의해 자발용침을 발생시키기 위한 장치의 도식적인 단면도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 주형 공동부 2,2-1,2-2 : 주형

2-3 : 예비 성형체 3 : 예비 성형체

4 : (매트릭스 금속)용탕 5 : 비반응성 내화 용기

6 : 금속 매트릭스 복합체 7 : 매트릭스 금속체

8 : 구리 포일(foil) 9 : 스텐레스강제 상자

10 : 강판 11 : 스텐레스강제 퍼지(purge) 튜브

12 : 구리 가스켓 13 : 티타늄 칩

14 : 조립 울라스토나이트 15 : 알루미나 도가니

16 : 스텐레스강제 캔

본 발명은 금속 매트릭스 복합체의 제조방법에 관한 것이다. 특히, 충전재(filler material)를 성형하여 통기성(通氣性) 예비 성형체(preform)를 제조하고, 이 예비 성형체를 제조 과정중의 적어도 몇몇 단계에서 용침 촉진제 및/또는 용침 촉진제 선구 물질 및/또는 용침 분위기의 존재하에서 매트릭스 금속 용탕의 표면상에, 혹은 그 금속 용탕속에 위치시켜 용융 매트릭스 금속이 상기 예비 성형체내로 자발적으로 용침되도록 함으로써 금속 매트릭스 복합체를 제조하는 방법에 관한 것이다.

매트릭스 금속이 예비 성형체내로 용침되는 동안에 예비 성형체는 매트릭스 금속 용탕내로 적어도 부분적으로 가라앉게 되는데, 이는 용침이 발생하고 있다는 것을 나타내는 것이다.

금속 매트릭스와 보강상(reinforcing phase)(예, 세라믹입자, 휘스커, 섬유 등)을 포함한 복합체는 그 용도가 매우 광범위한데, 그 이유는 복합체가 경성과 내마모성을 가지는 보강상과 전성과 인성을 가지는 금속 매트릭스와의 복합체이기 때문이다. 일반적으로 금속 매트릭스 복합체는 강도, 경도, 내마모성, 고온강도 등과 같은 특성이 단일금속에 비해 우수하며, 그 특성의 우수성은 주로 특정 성분, 특정 성분의 체적, 중량분율 및 복합체 제조 방법에 따라 달라진다. 어떤 경우에는, 복합체의 중량이 매트릭스 금속 그 자체보다도 가벼워질 수도 있다. 실리콘 카바이드(예, 입자 형태, 판 형태 또는 휘스커 형태)와 같은 세라믹으로 보강시킨 알루미늄 매트릭스 복합체는 알루미늄 자체보다 경도, 내마모성 및 고온 강도 등이 우수하므로 관심의 대상이 된다.

알루미늄 매트릭스 복합체를 제조하기 위한 여러 가지 방법이 공지되어 있는데, 예를 들면, 분말야금법 및 용융 금속 용침법이 있다. 용융 금속 용침법은 가압 캐스팅, 진공 캐스팅, 교반 및 습윤제 등을 사용한다.

분말 야금법은 금속 분말과 보강 물질(예, 분말 형태, 휘스커 형태, 절단한 섬유 형태 등)을 혼합한 다음, 냉간 압축 및 소결, 또는 열간 압축하는 방법이다. 이 분말 야금법에 의해 제조된 알루미늄 매트릭스 복합체(실리콘 카바이드로 보강시킨 것)의 최대 세라믹 체적분율은 보강재가 휘스커 형태인 경우에 약 25체적%이고, 보강재가 입자 형태인 경우에 약 40체적%인 것으로 보고되어 있다.

종래의 분말 야금법을 이용한 금속 매트릭스 복합체의 제조 방법에는 여러 가지 제한이 가해진다. 예를 들면, 복합체 내의 세라믹상(입자 형태인 경우)의 체적분율이 약 40%로 제한되는가 하면, 압축 공정에 의해 얻어지는 제품의 치수에도 제한이 있다. 또한, 후속 공정(예, 성형 또는 기계가공)이나 복잡한 압축장치의 도움없이는 비교적 단순한 형태의 제품밖에는 생산할 수가 없다. 또한, 압분체(壓紛體 : compact)내의 편석 및 결정립 성장에 기인하여 미세구조가 불균일해지는가 하면, 소결작업시 불균일한 수축이 발생하기도 한다.

미합중국 특허 제3,970,136호에는 섬유보강재(예, 실리콘 카바이드 또는 알루미나 휘스커)로 보강하여 보강섬유가 소정의 지향 패턴을 가지는 금속 매트릭스 복합체의 제조 방법이 기재되어 있다. 이 복합체는 용융 매트릭스 금속(예, 알루미늄) 저장부(reservoir)를 구비한 주형내에 평행한 매트(mat) 또는 보강 섬유로 된 펠트를 설치한 다음, 용융 금속이 상기 매트내로 침투하도록, 그리고, 상기와 같이 지행된 보강 섬유를 둘러싸도록 압력을 가하여 제조한다. 용융 금속을 적층된 매트에 주입시킴과 동시에, 매트 사이로 용융 금속이 침투하도록 압력을 가할 수도 있다. 이 복합체내의 보강 섬유의 체적 분율은 약 50체적%로 보고되어 있다.

전술한 용침공정에서는 적층된 섬유 매트내에 용융 매트릭스 금속을 강제 침투시키기 위해 외부에서 압력을 가해주므로 압력 변화에 따른 유동특성의 변화에 의해 분균일한 매트릭스가 형성될 수 있고, 기공 등의 결함이 발생할 수 있으며, 용융 금속을 섬유 매트내의 다수의 위치에서 도입시키더라도 성질이 불균일해질 수 있다. 따라서, 적층된 섬유 매트내에 용융 금속이 균일하게 침투하도록 하기 위해서는 복잡한 매트/용융 금속 저장부의 배열 및 복잡한 용융 금속 유통로가 필요하다. 또한, 이와 같은 가압용침법에서는 매트의 체적에 대한 보강재의 체적비율이 비교적 낮아지는 문제점이 있고, 가압하에서 주형내에 용융 금속을 주입시켜야 하므로 공정에 드는 비용이 증가하는 문제가 있다. 또한, 전술한 방법은 보강입자나 보강섬유가 규칙적으로 배열되었을 때에만 용침이 가능하므로 불규칙하게 배열된 보강재(입자, 휘스커 또는 섬유)를 사용한 알루미늄 매트릭스 복합체는 제조할 수 없다.

알루미늄 매트릭스-알루미나 복합체를 제조하는 경우, 알루미늄이 알루미나에 용이하게 습윤(wetting)되지 못하므로 긴밀하게 응집된 제품의 생산이 곤란해진다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 여러 가지 방법이 제안되어 있는데, 그중 하나의 해결방법으로서 알루미나를 금속(예, 니켈 또는 텅스텐)으로 코팅한 다음, 알루미늄과 함께 열간 압축하는 것을 들 수 있다. 다른 하나의 방법은 알루미늄을 리튬과 합금하고, 알루미나를 실리카로 코팅시키는 것이다. 그러나, 이런 방법으로 제조한 복합체는 그 특성이 일정하지 않으며, 코팅 피막이 충전재의 특성을 해치거나, 아니면 알루미늄과 합금된 리튬이 매트릭스의 특성에 악영향을 끼치는 수가 있다.

미합중국 특허 제4,232,091호는 상기한 알루미늄 매트릭스-알루미나 복합체 제조시의 몇가지 문제점을 해소한 것으로서, 이 특허에서는 700-1050℃의 온도로 예열시킨 알루미나 섬유 매트나 알루미나 휘스커 매트내로 용융 알루미늄(또는 용융 알루미늄 합금)을 75-375kg/cm2의 압력으로 강제로 용침시키고 있다. 그 결과 제조된 주물내의 알루미나 대 금속의 최대 체적 비율은 0.25 : 1이다. 이 특허에서도 용침을 위해 외력에 의존하므로 전술한 미합중국 특허 제3,970,136호의 문제점과 동일한 문제점이 존재한다.

유럽 특허 출원 공개 제116,742호에는 예비 성형체인 알루미나 매트릭스 내의 공극내에 용융 알루미늄을 충전시킴에 의해 전해조의 부품으로 특히 유용한 알루미늄-알루미나 복합체를 제조하는 방법이 기재되어 있다. 이 출원에서는 알루미늄에 의한 알루미나의 비습윤성이라는 사실을 강조하고 있고, 이에 따라, 예비 성형체 전체에 걸쳐 알루미나를 습윤시키기 위한 여러 가지 방법을 이용하고 있다. 예를 들면, 알루미나를 티타늄, 지르코늄, 하프늄 또는 니오븀 등의 디보라이드로 이루어지는 습윤제, 또는 리튬, 마그네슘, 칼슘, 티타늄, 크롬, 철, 코발트, 니켈, 지르코늄 또는 하프늄과 같은 금속으로 코팅하는 것을 들 수 있다. 또한, 습윤을 촉진시키기 위해 아르곤과 같은 불활성 분위기도 사용한다. 이 특허출원에서는 또한 코팅되지 않은 매트릭스내에 용융 알루미늄을 침투시키기 위해 압력을 가해주게 되는데, 이 경우의 용침은 기공을 배기(排氣 : evacuating)한 후, 불활성 분위기(예, 아르곤 기체)중에서 용융 알루미늄에 압력을 가함에 의해 달성된다. 다른 방법으로는, 예비 성형체의 표면에 알루미늄을 기상 증착법으로 침투시켜 표면을 습윤시킨 후, 용융 알루미늄을 용침시킴으로써 예비 성형체의 기공에 용융 알루미늄을 충만시킬 수 있다. 용융 알루미늄을 예비 성형체의 기공내에 확실하게 유지되도록 하기 위해서는 진공 또는 아르곤 분위기중에서 열처리(예,1400 내지 1800℃의 온도)하는 것이 필요하다. 이와 같은 열처리를 하지 않은 경우, 예비 성형체에 용침된 물질을 기체에 노출시키거나 용침 압력을 제거하게 되면, 예비 성형체로부터 알루미늄이 소실된다.

유럽 특허 출원 공개 제94363호에서도 전해조 내의 알루미나 성분내로의 용융 금속의 용침을 촉진하기 위해 습윤제를 사용하고 있다. 이 출원에서는 전해조 라이너 또는 전해조 기판으로서의 음극 전류 공급체를 구비한 전해조에서 전해채취(electrowinning)에 의해 알루미늄을 생산한다. 전해조 기판을 용융 빙정석으로부터 보호하기 위해서, 전해조의 시동전, 또는, 전해공정에 의해 생성된 용융 알루미늄에 침지하는 동안, 알루미나 기판에 습윤제와 용해 억제제의 혼합물을 얇게 코팅한다. 습윤제로서는 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 실리콘, 마그네슘, 바나듐, 크롬, 니오븀, 또는 칼슘을 들 수 있으며, 특히 티타늄이 바람직한 습윤제로 되어 있다. 또한, 붕소, 탄소 및 질소의 화합물은 용융 알루미늄에 대한 습윤제의 용해도를 억제시키는데 유용한 것으로 기재되어 있다. 그러나, 이 출원에는 금속 매트릭스 복합체의 제조를 시사하고 있지 않을 뿐 아니라, 예를 들면, 질소 분위기 중에서의 복합체를 제조하는 것도 전혀 시사하고 있지 않다.

압력의 인가 및 습윤제의 코팅 이외에도, 진공을 사용하면 용융 알루미늄의 다공성 세라믹 압분체내로의 용침을 촉진시킬 수 있다는 것도 공지되어 있다. 예를 들면, 미합중국 특허 제3,718,441호가 그것인데, 이 특허에서는 10^-6torr 미만의 진공하에서 세라믹 압분체(예 탄화 붕소, 알루미나 및 베릴리아(beryllia))에 용융 금속(예, 알루미늄, 베릴륨, 마그네슘, 티타늄, 바나듐, 니켈 또는 크롬)을 용침시키고 있다. 10^-2내지 10^-6torr의 진공하에서는 용융 금속이 세라믹 압분체의 기공내로 자유롭게 유동할 수 없을 정도로 세라믹 압분체에 대한 용융 금속의 습윤성이 불충분하지만, 진공이 10^-6torr 미만인 경우에는 습윤성이 향상되는 것으로 기재하고 있다.

미합중국 특허 제3,864,154호도 용침을 달성하기 위해 진공을 사용하는 것을 개시하고 있다. 이 특허에서는 냉간압축된 알루미늄 분말층(bed)상에 AlB¹²로 구성된 냉간 압분체를 위치시키고, 이어서 AlB¹²분말 성형체의 상부에 알루미늄을 추가로 덮었다. 알루미늄 분말층 사이에 샌드위치된(sandwiched) AlB¹²압분체를 장전한 도가니를 진공로에 설치한 다음, 이 진공로를 약 10^-5torr로 진공화하여 기체를 방출했다. 이어서, 온도를 1100℃로 승온시키고, 이 온도에서 3시간 동안 유지했다. 이러한 조건하에서, 용융 알루미늄이 통기성의 다공질 AlB¹²성형체내로 침투해 들어갔다.

미합중국 특허 제3,364,976호에는 소정의 성형체내로의 용융 금속의 용침을 촉진시키기 위하여 그 성형체내에 자체적으로 진공을 발생시키는 개념이 기재되어 있다. 특히, 상기 특허에서는 성형체(예, 흑연 주형, 강주형, 또는 다공질의 내화물질)를 용융 금속내에 완전히 침지시키고 있는데, 주형을 사용하는 경우, 용융 금속과 반응하는 기체가 충만되어 있는 주형의 공동부(cavity)는 주형내의 적어도 하나의 구멍을 통해 주형 외측의 용융 금속과 통(通)하는 상태가 된다. 이 주형을 용융 금속내에 침지시키면 주형 공동부내의 기체와 용융 금속사이의 반응에 의해 자체적으로 진공이 형성됨에 따라 주형 공동부가 금속으로 충만되게 된다.

특히, 진공은 고체 금속 산화물이 생성된 결과 형성된 것이다. 따라서, 주형 공동부내의 기체와 용융 금속 사이의 반응을 유발시키는 것이 필수적인 것으로 설명되어 있다. 그러나, 진공을 형성하기 위해 주형을 사용하는 기술은 주형의 사용과 관련된 고유의 한계 때문에 바람직하지 않다. 즉, 우선 주형을 특정의 형상으로 기계가공한 다음, 마무리 가공하여 주형상에 허용 가능한 주조표면을 형성하고, 주형으로서 사용하기 위해 조립하며, 사용후에는 주물을 취출하기 위해 주형을 분해하고, 분해한 후에는 주형 표면을 재가공하여 그 주형을 재생하거나, 혹은 주형을 더 이상 사용 불가능한 경우에는 폐기처분해야 한다. 주형을 복잡한 형상으로 기계가 공하기 위해서는 비용 및 시간이 많이 소비되며, 이같이 복잡한 형상의 주형으로부터 성형된 주물을 취출해 내는 것도 매우 어렵다(즉, 주물의 형상이 복잡하므로 주형으로부터 제거해낼 때 부서지기 쉽다).

또한, 주형을 사용할 필요없이 다공질 내화재를 용융 금속내로 직접 침지시키는 기술도 제시되어 있으나, 이 경우에는 상기 내화재를 하나의 덩어리로 성형해주어야 하는데, 왜냐하면, 용기의 역할을 하는 주형없이 푸석푸석하거나 분리된 통기성 재료를 용침시키는 설비는 없기 때문이다(즉, 입상 재료들은 용융 금속내에 위치되면, 입자들이 하나하나 분리되거나 용융금속의 상부로 떠오르게 되는 문제가 있다). 또한, 입자 재료, 혹은 푸석푸석하게 성형된 예비 성형체를 용침시키기 위해서는 용융 금속에 의해 예비 성형체의 적어도 흩뜨러지지 않도록, 그리하여 불균일한 미세구조가 초래되지 않도록 상당한 주의가 필요하다.

따라서, 세라믹 재료와 같은 다른 재료를 매립하는 금속 매트릭스를 생성하기 위하여, 압력이나 진공, 또는 손상을 초래하는 습윤제를 사용할 필요가 없는 간단하고 신뢰성있는 성형 금속 매트릭스 복합체 제조 방법 및 제조된 금속 매트릭스 복합체의 최종 마무리 가공을 최소화할 수 있는 기술이 오래전부터 요청되어 왔다.

본 발명은 이같은 요청에 부응하는 기술로서, 제조 공정중의 적어도 일부에 걸쳐 용침 촉진제가 존재하는한, 대기압하의 용침 분위기(예, 질소 분위기)에서 어떤 재료(예, 세라믹 재료)에 든 용융 금속(예, 알루미늄)을 용침시키기 위한 자발 용침기구(spontaneous infiltration mechanism)를 제공함으로써 전술의 요청을 충족시킨다.

본 발명은 금속 매트릭스 복합제 제조 방법에 관한 다수의 다른 특허 출원과 관련이 있는 발명으로서, 이하의 기재에서는 이들 다른 특허 출원을 단순히 금속 매트릭스 특허 출원으로 약칭한다.

1987년 5월3일자 미합중국 특허 출원 제049,711호에는 금속 매트릭스 복합체의 제조 방법이 기재되어 있는데, 이 출원 발명에 따르면, 통기성 충전재(permeable mass of filler material)(예, 세라믹 재료 또는 코팅된 세라믹 재료)에 최소 약 1중량%(바람직하게는 최소 약 3중량%)의 마그네슘을 함유하는 용융 알루미늄을 용침시킴에 의해 금속 매트릭스 복합체를 제조한다.

용침은 외부로부터 압력이나 진공을 가하지 않은 상태하에서 자발적으로 발생한다. 약 10-100체적%(바람직하게는 최소 약 50%)의 질소와, 경우에 따라서는 비산화성 기체(예, 아르곤기체)를 함유한 기체의 존재하에서, 그리고 최소 약 675℃의 온도에서, 용융 합금 공급원은 충전재 성형체와의 접촉을 유지한다. 이같은 조건에서 용융 알루미늄 합금은 대기압하에서 세라믹체내로 용침되어 알루미늄(또는 알루미늄 합금) 매트릭스 복합체를 형성한다. 충전재 성형체에 용융 알루미늄 합금이 소정량 용침된 후에 온도를 강하시켜 합금을 응고시킴으로써 보강 충전재를 함유한 고체 금속 매트릭스 구조를 얻는다. 용융 합금 공급원의 양은 충전재의 계면까지 용침이 달성될 수 있도록 충분한 양으로 한다. 상기 출원 발명에 따르면, 제조된 알루미늄 매트릭스 복합체 내의 충전재의 양이 지나치게 많으므로 충전재 대 합금의 체적비가 1 : 1 이상이 된다.

전술한 미합중국 특허 출원 제047,171호의 제조 공정 조건하에서 질화 알루미늄은 알루미늄 매트릭스 전체에 걸쳐 분산된 불연속상을 형성할 수 있다. 알루미늄 매트릭스 내의 질화물의 양은 온도, 합금의 조성, 분위기 기체의 조성 및 충전재 등과 같은 여러 인자의 변화에 따라 달라진다. 따라서, 위와 같은 인자들 중 하나 이상의 인자를 제어함에 의해 복합체의 특성을 조절할 수 있다. 그러나, 최종 사용 목적을 위해 복합체내에 질화알루미늄이 거의 함유되지 않도록 하는 것이 바람직하다.

온도가 높아지면 용침이 촉진되지만, 질화물의 생성이 용이해지므로, 상기 미합중국 특허 출원 제049,171호에서는 용침 작용과 질화물의 생성이 균형을 이루도록 하고 있다.

차단 수단(barrier)을 이용한 금속 매트릭스 복합체 제조 방법이라는 명칭의 1988년 1월 7일자 미합중국 특허 출원 제141,642호에는 금속 매트릭스 복합체의 제조시 사용할 수 있는 적절한 차단 수단의 일예가 기재되어 있다. 이 특허 출원에 따르면, 차단 수단(예, 티트늄 디보라이드 입자 또는 유니온 카바이드사에서 Grafoil

: 이라는 상표명으로 시판하는 가요성 흑연 테이프)을 충전재의 표면상의 정해진 경계에 배치하여, 매트릭스 금속 합금을 상기 차단 수단에 의해 차단된 표면까지 용침한다. 상기 차단 수단은 용융 합금의 용침의 진행을, 억제, 방지, 혹은 종료시켜 금속 매트릭스 복합체가 궁극적인 형태에 가깝거나 혹은 그 궁극적인 형태를 이루도록 한다. 따라서, 생성된 금속 매트릭스 복합체의 외형은 차단 수단의 내면의 형상과 거의 일치하게 된다.

금속 매트릭스 복합체 및 그 제조 방법이라는 명칭의 미합중국 특허 출원 제049,171호에 개시된 방법은 1988년 3월 15일자 미합중국 특허 출원 제168,248호의 발명에 의해 개량되었는 바, 이에 따르면, 매트릭스 금속 합금은 제1용융 금속 공급원으로서, 그리고 매트릭스 금속 합금 저장부로서 존재한다. 이 매트릭스 금속 합금 저장부는, 예를 들면 중력에 의해 금속을 제1용융 금속 공급원에 공급할 수 있게 되어 있다., 특히, 이 특허 출원 기재되어 있는 조건하에서, 제1용융 매트릭스 금속 합금 공급원은 대가압하에서 충전재 성형체내로의 용침을 개시하여 금속 매트릭스 복합체의 생성을 개시한다. 상기 제1용융 매트릭스 금속 합금 공급원은 충전재 성형체내로의 용침중에 완전히 고갈되므로, 필요한 경우 자발 용침의 진행중에 용융 매트릭스 금속 저장부와 통하는 연결 수단을 이용하여 재공급할 수 있다. 충전재 성형체가 용융 매트릭스 금속에 의해 원하는 양만큼 자발 용침되면, 온도를 강하시켜 합금을 응고시키고, 이에 의해 보강용 충전재를 함유한 고체상의 금속 매트릭스 구조를 얻는다. 이같이 금속 저장부를 사용하는 것은 상기 특허 출원에 개시된 발명의 일실시예로서, 이 실시예를 상기 특허 출원의 타실시예와 조합할 필요는 없으나, 상기 특허 출원의 타실시예들 중 일부를 본원 발명과 조합하여 사용하면 유리하다.

금속 저장부의 양은 그것이 다공질, 즉 통기성의 충전재 성형체의 소정의 원하는 범위까지 충분히 용침할 수 있는 양으로 존재할 수도 있다. 또한, 통기성 충전재 성형체 적어도 일표면에는 차단 수단을 접촉되게 설치하여 표면의 경계를 형성할 수도 있다.

용융 매트릭스 금속 합금 공급원의 양은 적어도 이 합금이 통기성 충전재 성형체의 경계(예, 차단 수단)까지 자방용침되기에 충분한 양으로 함과 동시에, 용융 합금 저장부내의 합금의 양은 용침을 완료하기에 충분할뿐 아니라 과잉의 용융 합금이 금속 매트릭스 복합체에 부착되어 남아있을 수 있는 양으로 할 수 있다. 이같이 과잉의 용융 합금이 금속 매트릭스 복합체에 부착되어 남아있게 되면, 최종 생성물은 복잡한 형태의 복합체로서 저장부에 남아있는 과잉의 금속은 복잡한 형태의 복잡체로서 금속 매트릭스를 지니는 용침된 세라믹체와 직접 결합되게 된다.

전술한 각 금속 매트릭스 특허 출원에는 금속 매트릭스 복합체 제조 방법 및 이 제조 방법에 의한 금속 매트릭스 복합체가 기재되어 있는데, 본원발명의 명세서에서는 이들 금속 매트릭스 특허 출원을 참고사항을 기재하였다.

본 발명의 금속 매트릭스 복합체는 통기성 충전재 성형체에 의해 형성된 예비 성형체에 매트릭스 금속을 용침시켜 형성된다. 매트릭스 금속은 용융되어 적절한 비반응성 용기(예, 내화 용기)내에 수용됨으로써 매트릭스 금속 용탕을 형성한다. 제1실시예에 있어서, 예비 성형체는 용침 분위기의 존재하에서 매트릭스 금속 용탕의 표면상에 설치된다. 또한, 용침 촉진제 선구 물질 및/또는 용침촉진제 및/또는 용침 분위기를 제조과정 중의 적어도 몇번의 시점에서 제공함으로써, 용융 매트릭스 금속이 예비 성형체내로 자발적으로 용침될 수 있도록 한다. 예비 성형체는 고유의 부력에 의해 매트릭스 금속 용탕의 표면 또는 매트릭스 금속 용탕 중에서 부유할 수 있다. 또한, 예비성형체의 부유를 돕는 착탈 가능한 보조 부유수단에 예비 성형체를 부착하여 부유시킬 수도 있다. 다른 실시예 있어서는, 예비 성형체를 용융하지 않은 매트릭스 금속에 접촉시킨후(예, 고체 매트릭스 금속 입자내에 예비 성형체를 매립함), 매트릭스 금속을 용융시키는 방법을 사용한다.

자발용침 반응중에, 예비 성형체는 보조 부유수단의 부착여부에 관계없이 매트릭스 금속 용탕내에 적어도 부분적으로 가라앉게 되는데, 이는 용침이 발생했다는 것을 나타내는 현상이다. 또한 예비 성형체는 자발용침이 발생하기 전에 매트릭스 금속 용탕 내에서의 음의 부력(negative buoyancy)을 가질 수 있으며, 이 음의 부력이 그후에 변화하여 예비 성형체는 매트릭스 금속 용탕내에 떠오르거나, 가라앉거나 아니면 원래의 위치에 유지되는데, 이로부터 용침이 발생했다는 것을 알 수 있다.

본 발명에서는 매트릭스 금속으로서 주로 알루미늄을 사용하며, 금속 매트릭스 복합체의 생성반응중 적어도 일부의 기간에 걸쳐 이 알루미늄 매트릭스 금속 용침 분위기의 기체, 예컨대 질소가 용침 촉진제 선구 물질인 마그네슘과 접촉하는 반응에 대해 주로 설명한다. 따라서, 알루미늄/마그네슘/질소로 구성된 매트릭스 금속/용침 촉진제 선구 물질/용침 분위기 계(system)는 자발 용침을 일으킨다. 그런, 다른 매트릭스 금속/용침 촉진제 선구 물질/ 용침 분위기 계도 또한 상기 알루미늄/마그네슘/질소 계와 유사한 반응을 할 수 있다. 예를 들면, 알루미늄/스트론튬/질소계, 알루미늄/아연/산소 계 및 알루미늄/칼슘/질소 계는 모두 자발용침 반응을 유발하는 것으로 관찰되었다. 따라서, 본원 명세서에서 주로 알루미늄/마그네슘/질소 계에 대하여 설명하고 있으나, 그밖의 다른 매트릭스 금속/용침 촉진제 선구 물질/용침 분위기 계도 사용할 수 있다.

또한, 용침 촉진제 선구 물질을 부가하는 대신, 예비 성형체 및/또는 매트릭스 금속 및/또는 용침 분위기의 용침계를 이루는 인자중 적어도 하나에 직접 용침 촉진제를 부가할 수도 있다. 궁극적으로, 적어도 자발용침 반응중에는 통기성의 충전재 또는 예비 성형체의 적어도 일부에 용침 촉진제를 부가해주어야 한다.

매트릭스 금속이 알루미늄 합금을 포함하는 경우, 이 알루미늄을 충전재(예, 알루미나 또는 탄화실리콘)로 구성되는 예비 성형체와 접촉시키고, 또한 그때 충전재에 마그네슘을 혼합하거나 또는 공정중의 적어도 몇몇 시점에서 마그네슘에 노출시킨다.

또한, 일실시예에 있어서, 공정중의 적어도 일부분에 걸쳐 알루미늄 합금 및/또는 예비 성형체 및/또는 충전재중 한가지 이상을 질소 분위기중에 둔다. 매트릭스 금속은 예비 성형체내로 자발적으로 용침되며, 용침의 정도 및 금속 매트릭스의 생성정도는 예를 들면, 계(예, 알루미늄 합금 및/또는 예비 성형체 및/또는 용침 분위기)에 부가된 마그네슘의 농도, 예비 성형체중의 입자의 치수 및/또는 조성, 용침 분위기중의 질소의 농도 및/또는 용침 발생 온도와 같은 일련의 처리 조건에 따라 달라진다. 자발 용침은 통상 예비 성형체를 완전히 매립하기에 충분한 정도로 발생한다.

또한, 일단 용침이 완료되면, 경우에 따라 예비 성형체는 매트릭스 금속 합금의 용탕내로 적어도 부분적으로 가라앉게 된다. 최초에 예비 성형체가 매트릭스 금속 합금용탕의 표면상에 적어도 부분적으로 부유한 상태인 실시예에서는 용침이 완료되면 예비 성형체는 매트릭스 금속 합금 용탕의 표면 혹은 그 아래에 있는 지점으로 가라앉는다.

[사용되는 용어의 정의 ]

여기서, 알루미늄이라 함은 순수한 금속(예, 시판되는 비교적 순수한 비합금 알루미늄) 또는 철, 실리콘, 동, 마그네슘, 망간, 크롬, 아연 등과 같은 합금 성분 및/또는 불순물을 함유한 금속과 같은 여러 가지 등급의 시판되고 있는 합금 및 금속을 의미한다. 이러한 정의에 따르면, 알루미늄 합금은 알루미늄이 주성분을 이루는 합금 또는 금속간 화합물이 된다.

잔부의 비산화성 기체라 함은 제조 공정 조건하에서 매트릭스 금속과 거의 반응하지 않는 불활성 기체 또는 환원성 기체로서, 용침 분위기를 포함한 주요 기체 이외의 임의의 기체를 의미한다. 사용되는 기체내에 불순물로서 존재할 수도 있는 산화성 기체의 양은 제조 공정 조건하에서 매트릭스 금속을 산화시키지 않을 정도로 유지해야 한다.

차단제 또는 차단 수단이라 함으로 용융 매트릭스 금속이 통기성 충전재 성형체 또는 예비 성형체의 표면 경계를 벗어나 용침되는 것을 방해, 억제, 방지 또는 종료시켜 주는 수단을 의미하는 것으로서, 적절한 차단 수단으로 공정조건하에서 그 형태를 유지할 수 있고 또한 실질적으로 휘발성이 없는 임의의 물질을 선택할 수 있다.

적절한 차단수단에는 또한 채용된 공정 조건하에서 용융 매트릭스 금속에 의해 거의 습윤되지 않는 물질이 포함된다. 이러한 종류의 차단 수단은 용융 매트릭스 금속과의 친화력이 거의 없으며, 이 차단 수단에 의해 용융 매트릭스 금속이 통기성 충전재 성형체 또는 예비 성형체의 표면 경계를 초과하여 용침되는 것이 방지된다. 또한, 이 차단 수단은 최종 기계가공 또는 연삭가공을 줄일 수 있고, 생성된 금속 매트릭스 복합체의 적어도 일부의 표면을 형성되게 된다. 경우에 따라서, 차단 수단이 통기성 혹은 다공성이거나 그 차단 수단에 구멍(예, 드릴 구멍 또는 펀치 구멍)을 형성하여 용융 매트릭스 금속이 기체와 접촉할 수 있게 할 수도 있다.

카아커스(carcass) 혹은 매트릭스 금속의 카아커스라 함은 금속 매트릭스 복합체의 생성중에 소모되지 않고, 냉각된 금속 매트릭스 복합체에 적어도 부분적으로 접촉된채 유지되는 매트릭스 금속 본체(original body)를 의미하는 것으로서, 이 카아커스에는 제 2금속 또는 이중 금속이 포함될 수 있다.

충전재라 함은 매트릭스 금속과 반응하지 않는 재료 및/또는 매트릭스 금속에 제한된 용해도를 갖는 물질로서, 단일 성분이나 여러 가지 성분의 혼합물을 포함하며, 단일상(single-phase) 또는 다상으로 할 수 있다.

충전재는 분말 형태, 조각 형탱, 판 형태, 미세한 구 형태, 휘스커 형태, 기포 형태 등과 같이 다양한 형태로 제공할 수 있으며, 치밀하거나 혹은 다공성의 조직으로 형성할 수 있다. 충전재에는 또한 섬유 형태, 짧게 절단한 섬유 형태, 입자 형태, 휘스커 형태, 기포 형태, 구 형태, 섬유 매트 형태 등의 형태를 가진 알루미나 또는 실리콘 카바이드와 같은 세라믹 충전재 및 용융 금속에 의한 탄소의 침식을 방지하기 위해 알루미나 또는 실리콘 카바이드로 코팅한 탄소섬유와 같은 세라믹 코팅 충전재가 포함된다. 또한 금속도 충전재로 사용할 수 있다.

용침 분위기라 함은 매트릭스 금속 및/또는 예비 성형체(또는 충전재) 및/또는 용침 촉진제 선구 물질 및/또는 용침 촉진제와 상호 작용하는 기체를 의미하는 것으로서, 이 충전 분위기에 의해 매트릭스 금속의 자발용침이 촉진된다.

용침 촉진제라 함은 충전재 또는 예비 성형체내로의 매트릭스 금속의 자발 용침을 촉진 또는 보조하는 물질을 의미한다. 용침 촉진제는 용침 촉진제 선구 물질과 용침 분위기의 사이의 반응에 의해 (1) 기체종 및/또는 (2) 용침 촉진제 선구 물질과 용침 분위기 사이의 반응 생성물 및/또는 (3) 용침 촉진제 선구 물질과 충전재 또는 예비 성형체 사이의 반응생성물을 생성함에 의해 형성될 수 있다. 또한, 용침 촉진제가 예비 성형체 및/또는 매트릭스 금속 및/또는 용침 분위기중 적어도 하나에 직접 공급되어, 용침 촉진제 선구 물질과 다른 종(species)과의 사이의 반응에 의해 생성된 용침 촉진제와 동일한 기능을 할 수 있다. 결국, 적어도 자발용침중에는 용침 촉진제를 충전재 또는 예비 성형체의 적어도 일부에 가하여 자발용침을 달성하도록 해야 한다.

용침 촉진제 선구 물질이라 함은 이 물질을 매트릭스 금속, 예비 성형체 및/또는 용침 분위기와 조합하여 사용했을 때, 충전재 또는 예비 성형체내로의 매트릭스 금속의 자발적인 용침을 촉진 또는 보조하는 용침 촉진제를 생성하는 물질을 의미한다. 어떤 이론이나 설명을 동원하지 않더라도 용침 촉진제 선구 물질은 용침 분위기 및/또는 예비 성형체 또는 충전재 및/또는 금속과 반응할 수 있는 위치에 배치하는 것이 필요하다. 예를들면, 매트릭스 금속/용침 촉진제 선구 물질/용침 분위기 계에 있어서, 용침 촉진제 선구 물질이 매트릭스 금속의 용융 온도보다 다소 높은 온도에서 휘발하는 것이 바람직하다.

이같이 용침 촉진제 선구 물질이 휘발하게 되면, (1) 매트릭스 금속에 의한 충전재 또는 예비 성형체의 습윤성을 촉진시키는 물질인 기체종(gaseous species)을 생성하기 위한 용침 촉진제 선구 물질과 용침 분위기 사이의 반응; 및/또는 (2) 적어도 일부의 충전재 또는 예비 성형체에 습윤성을 촉진시키는 고체, 액체 또는 기체상의 용침 촉진제를 생성하기 위한 용침 촉진제 선구 물질과 용침 분위기 사이의 반응; 및/또는 (3) 적어도 일부의 충전재 또는 예비 성형체내에 습윤성을 촉진시키는 고체, 액체 또는 기체상의 용침 촉진체를 생성하기 위한 용침 촉진제 선구 물질과 충전재 또는 예비 성형체 사이의 반응이 발생한다.

매트릭스 금속 또는 매트릭스 금속 합금이라 함은 금속 매트릭스 복합체를 생성하는데 사용되는 금속(예, 용침전의 금속) 및/또는 충전재와 혼합되어 금속 매트릭스 복합체를 생성하는 금속(예, 용침후의 금속)을 의미한다. 특정의 금속을 매트릭스 금속으로 선택했을 때, 이 특정 매트릭스 금속은 순수한 금속, 불순물 및/또는 합금성분을 함유한 시판되는 금속, 상기 특정 금속이 주성분을 이루고 있는 금속간 화합물 또는 합금을 모두 지칭하는 것으로 이해해야 한다.

매트릭스 금속/용침 촉진제 선구 물질/용침 분위기 계, 또는 자발 용침계(spontaneous system)라 함은 예비 성형체 또는 충전재로 자발적인 용침을 일으키는 물질의 조합을 의미한다. / 표시는 예시하는 매트릭스 금속, 용침 촉진제 선구 물질 및, 용침 분위기 사이에 삽입되어, 이들 인자를 원하는 바에 따라 선택 조합한 경우에, 예비 성형체 또는 충전재로의 자발 용침을 유발하는 계 또는 물질의 조합을 표현하기 위하여 사용된다.

금속 매트릭스 복합체(Metal Matrix Compsite) 또는 MMC라 함은 예비 성형체 또는 충전재를 매립하는(덮는), 2차원 또는 3차원적으로 상호 연결된 합금 또는 매트릭스 금속을 의미한다. 완성된 복합체에 원하는 기계적 물리적 특성을 부어하기 위해서, 상기 매트릭스 금속에 여러 가지 합금 성분을 포함시킬 수도 있다.

매트릭스 금속과 다른 금속이라 함은 매트릭스 금속의 성분과 다른 성분의 금속을 의미하는 것으로서, 예를 들면 알루미늄을 매트릭스 금속으로 선택한 경우 니켈은 매트릭스 금속과 다른 금속이 된다.

매트릭스 금속을 수용하는 비반응성 용기라 함은 공정 조건하에서 충전재(또는 예비 성형체) 및/또는 용융 매트릭스 금속을 수용할 수 있고, 또한 매트릭스 금속 및/또는 용침 분위기 및/ 또는 용침 촉진제 선구 물질 및/또는 충전재(또는 예비 성형체)와는 자발용침기구(mechanism)에 현저한 악영향을 미칠 정도로 반응하지 않는 용기를 의미한다.

예비 성형체 또는 통기성 예비 성형체라 함은 적어도 하나의 표면을 가지도록 제조된 충전재 또는 다공성의 충전재 성형체를 의미하는 것으로서, 이러한 예비 성형체는 매트릭스 금속에 의해 용침되기 전에 치수 안정성(dimentional fidelity)을 확보하기 위해 충분한 형태 보전성 (shape integrity)과 상형강도(green strength)를 유지하고 있다. 또한, 이 예비 성형체는 매트릭스 금속에 의한 자발용침을 허용할 수 있도록 충분한 기공도를 가져야 한다. 예비 성형체는 전형적으로 충전재를 균질 또는 비균질 상태로 점결시킨 것이며, 적절한 재료(예, 세라믹 및/또는 금속의 입자, 분말, 섬유 휘스커 등, 그리고 이들을 조합한 어떤 재료)로 구성될 수 있다. 또한, 이 예비 성형체는 일체형으로 하거나 다수의 예비 성형체를 조립한 형태로 할 수 있다.

매트릭스 금속 저장부라 함은, 용융시, 충전재(또는 예비 성형체)와 접촉하고 있는 매트릭스 금속의 부분, 세그먼트 혹은 공급원을 보충하거나 또는, 초기에 매트릭스 금속을 공급하고 차후에 계속해서 보충하기 위하여 유동하는, 충전재 또는 예비 성형체 소재에 대해서 소정 위치에 배치한 매트릭스 금속 재료로 이루어진 별도의 물체를 의미한다.

자발용침(spontaneous infiltration)이라 함은 압력이나 진공을 인가하지 않아도 매트릭스 금속이 충전재 또는 예비 성형체내로 자발적으로 용침되는 현상을 의미한다.

이하, 첨부한 도면을 참고하여 본원 발명의 실시예에 대해 설명한다. 도면 전체를 통해 동일한 구성요소에는 동일한 참조 번호를 사용하였다.

본 발명은 매트릭스 금속 용탕표면에, 또는 표면에 인접하여, 또는 매트릭스 금속 용탕내의 임의의 위치에 부유하게 예비 성형체를 배치하고, 예비 성형체에 용융 매트릭스 금속을 원하는 정도까지 자발용침시킴에 의해 금속 매트릭스 복합체를 제조하는 방법에 관한 것이다. 예비 성형체내로 매트릭스 금속이 자발용침되는 것을 유발시키기 위해서는 자발 용침계에 용침 촉진제가 제공되어야 한다. 용침 촉진제는 용침 촉진제 선구 물질로부터 생성될 수 있으며, 이 용침 촉진제 선구 물질은 (1) 매트릭스 금속에; 및/또는 (2) 예비 성형체 안에 및/또는; (3) 용침 분위기로부터 및/또는; (4) 자발 용침계 외부의 용침 촉진제 선구 물질 공급원으로부터 제공될 수 있다. 또한, 용침 촉진제 선구 물질을 제공하는 대신, 예비 성형체 및/또는 매트릭스 금속 및/또는 용침 분위기중의 적어도 하나에 직접 용침 촉진제를 공급할 수도 있다. 궁극적으로, 적어도 자발용침중에는, 충전재 또는 예비 성형체의 적어도 일부분에 용침 촉진제가 배치되어야 한다.

본 발명에 따르면, 예비 성형체는 제1도에 도시되어 있는 바와 같이 충전재를 주형에 넣어서 적절히 성형할 수 있다. 예를 들면, 충전재는 탄화실리콘과 같은 세라믹 물질의 혼합물을(혹은, 이하에서 자세히 설명되는 바와 같은 기타의 적절한 충전재)를 포함한다. 완성된 금속 매트릭스 복합체에서 얻고자 하는 특성에 부합되는 양의 충전재를 주형(2)의 주형공동부(1)에 충만시킨 다음에, 이 충전재를 예비 성형체(예, 처리 조건하에서 형태 보전성 및 생형강도를 유지하는 강성체)로 만든다. 이 예비 성형체에는 처리 공정중에 용침 촉진제로 변화되는 용침 촉진제 선구 물질을 함유시킬 수 있다. 선택적으로는, 예비 성형체를 매트릭스 금속의 용탕내에 침지시키기 전에 예비 성형체내에 용침 촉진제를 형성할 수도 있다. 예를 들면, 용침 촉진제 선구 물질로서 마그네슘은 질소분위기하에서 용침 촉진제인 질화마그네슘으로 전환되어, 안에 용침 촉진제를 함유하는 예비 성형체가 제조될 수 있다. 선택적으로, 예비 성형체내에 용침 촉진제 또는 용침 촉진제 선구물즐을 함유시키지 않을 수도 있는데, 이 경우 자발 용침계내에 용침 촉진제를 부가해주거나 자발 용침계내에서 용침 촉진제가 형성되게 해야 한다.

이어서, 주형(2)으로부터 제2도에 도시한 바와 같은 형태 보전성을 갖는 예비 성형체(3)를 취출한다. 소석고 또는 실리콘 고무와 같은 적절한 재료로 제조한 주형(2)은 예비 성형체(3)을 취출한 후에 재사용한다. 이러한 목적의 주형에는 종래의 분할 주형, 조립식(multi-piece) 주형, 인베스트먼트 셸 주형등이 있다. 선택적으로, 그 예비 성형체(3)는 후속 공정시에 소모될 수 있는, 예를들면, 금속 포일로 제작한 주형을 사용하는 경우 주형내에 그대로 둘 수 있다. 어떠한 경우든, 예비 성형체를 용침 분위기 또는 불활성 분위기내에 유지함으로써, 용침 촉진제가 열화되지 않도록 해야하며 금속 매트릭스 복합체의 생성전에 물리적인 손상이 일어나지 않도록 해야 한다.

제3도에 도시한 바와 같이, 예비 성형체(3)를 적절한 내화 용기(5)내에 수용된 매트릭스 금속 용탕(4)과 접촉하게 위치시킨다. 예비 성형체(3)의 적어도 일부분내로 매트릭스 금속의 자발용침에 의한 용침이 이루어지면, 용침된 예비 성형체(3)의 부분은 금속 매트릭스 복합체가 된다. 예비 성형체(3)는 단순히 매트릭스 금속 용탕(4)의 표면상에 위치시킴으로써 용탕(4)에 도입될 수 있다. 그렇지 않으면, 그 예비 성형체를 도가니 또는 비반응성 용기내에 위치시키고, 소정량의 매트릭스 금속 잉곳(ingot)으로 그 예비 성형체를 에워싼 다음, 가열하여 예비 성형체 둘레의 매트릭스 금속을 용융시킬 수 있다. 매트릭스 금속의 용탕에 예비 성형체를 도입하는 방식은 매트릭스 금속을 용융하는 시간이 절약되므로 보다 신속하게 금속 매트릭스 복합체를 제조할 수 있다. 그러나, 열충격과 이에 따른 예비 성형체의 균열 또는 열화를 방지하기 위해서는 예비 성형체를 예열시켜 주는 것이 바람직하다.

세라믹 재료와 용침 촉진제 선구 물질을 초기에 포함한 예비 성형체의 경우, 용침 촉진제 선구 물질의 적어도 일부는 반드시 용침 촉진제로 전환되어야 한다. 이러한 전환은, 예를 들면, 가열중에 예비 성형체를 용침 분위기에 노출시킴에 의해 예비 성형체와 매트릭스 금속 잉곳이 가열됨에 따라 수행될 수 있다.

본 발명의 일실시예에 있어서, 용침 촉진제 선구 물질이 적어도 부분적으로 용침 분위기와 반응함에 의해 예비 성형체와 용융 매트릭스 금속과의 접촉과 동시에 또는 접촉전에 예비 성형체의 적어도 일부에 용침 촉진제가 생성될 수 있다. 예를 들면, 용침 촉진제 선구 물질로서 마그네슘을 사용하고, 용침 분위기로서 질소를 사용한 경우, 질화마그네슘이 용침 촉진제로서 예비 성형체의 적어도 일부에 생성될 수 있다. 선택적으로 용침 분위기(예, 알루미늄/마그네슘/질소 계에서의 질소 기체)를 용융 매트릭스 금속내로 취입하여 예비 성형체에 접촉시키고, 용침 촉진제 선구 물질과 반응시켜 용침 촉진제를 생성시킬 수 있다. 또한, 예비 성형체가 용융 매트릭스 금속 용탕의 표면상에 부유함에 따라, 예비 성형체를 용침 분위기에 노출시킴에 의해 용침 촉진제 선구 물질을 용침 촉진제로 전환할 수 있다.

매트릭스 금속/용침 촉진제 선구 물질/용침 분위기 계의 일례로서 알루미늄/마그네슘/질소계를 들 수 있다. 특히, 알루미늄 매트릭스 금속은 처리 조건하에서 용융 알루미늄과 반응하지 않는 적절한 내화 용기내에 수용할 수 있다. 다음에, 예비 성형체를 용융 알루미늄 매트릭스 금속과 접촉시킬 수 있다. 예비 성형체는 용융 매트릭스 금속에 대한 고유의 부력에 의해 용융 매트릭스 금속의 표면상에, 또는 그에 인접하여, 또는 용융 매트릭스 금속중의 임의의 위치에 부유되거나 용융 매트릭스 금속의 바닥에 가라앉게 할 수 있다. 또한, 예비 성형체는 이 예비 성형체가 부유하도록 보조하거나 혹은 부유되게 하는 보조 부유 수단에 착탈가능하게 부착시킬 수 있다. 보조 부유 수단은 자발용침계와 반응하지 않고, 예비 성형체 또는 금속 매트릭스 복합체가 가지는 음의 부력(negative buoyancy) 또는 양의 부력(positive buoyancy)에 대한 반작용을 하도록 용융 매트릭스 금속내에서 충분한 음의 부력 또는 양의 부력을 가지는 임의의 적절한 재료로 형성될 수 있다. 또한, 예비 성형체는 매트릭스 금속의 용융전에 매트릭스 금속과 접촉시키거나 매트릭스 금속의 고체 입자속에 매립시킨 다음, 매트릭스 금속을 용융 시키는 방법을 사용할 수도 있다.

용침 반응중에, 예비 성형체(보조 부유 수단을 부착한 것이든 부착하지 않은 것이든 관계없음)는 매트릭스 금속의 용탕내로 적어도 부분적으로 가라앉게 되는데, 이로써 용침이 발생했다는 것을 알 수 있다(제4도 참조). 이와 같이 예비 성형체가 가라앉는 현상은 예비 성형체내로의 매트릭스 금속의 용침이 진행됨에 따른 예비 성형체 자체의 부력의 변화에 따라 일어나는 것을 이해할 수 있다. 따라서, 용침전후의 상대적인 부력에 따라, 용침이 완료된 금속 매트릭스 복합체는 용융 매트릭스 금속내에서 떠오르거나 가라앉거나 또는 그 위치가 변화하게 된다.

본 발명에서 채택한 처리 조건하의 알루미늄/ 마그네슘/질소로 이루어진 자발용침계의 경우에 있어서, 예비 성형체는 질소 함유 분위기가 이 예비 성형체를 투과하여 용융 매트릭스 금속과 접촉할 수 있을 정도로 충분한 통기성을 가져야한다.

또한, 예비 성형체가 용융 매트릭스 금속의 침입을 허용함으로써, 질소가 투과된 예비 성형체내로 용융 매트릭스 금속의 자발용침을 유발시켜 금속 매트릭스 복합체를 제조할 수 있다. 자발용침의 정도 및 금속 매트릭스 복합체의 생성정도는 알루미늄 매트릭스 금속 합금 및/또는 예비 성형체내의 마그네슘 함량, 예비 성형체 및/또는 알루미늄 매트릭스 금속 합금내의 질화 마그네슘의 양, 추가의 합금원소(예, 실리콘, 철, 구리, 망간, 크롬, 아연 등)의 존재여부, 예비 성형체를 구성하는 충전재의 평균치수(예, 입경), 충전재의 표면 상태 및 그 종류, 용침 분위기중의 질소 농도, 용침시간 및 용침 발생 온도를 포함하는 일련의 처리 조건에 따라 달라진다.

예를 들면, 용융 알루미늄 매트릭스 금속의 자발적인 용침을 발생시키기 위해서는 알루미늄 매트릭스 금속에 용침 촉진제 선구 물질의 작용을 하는 최소 약 1중량%(합금의 중량을 기준으로 함)의 마그네슘, 바람직하게는 최소 약 3중량%의 마그네슘을 합금시킬 수 있다. 전술한 바와 같이 매트릭스 금속의 특성을 조절하기 위해, 보조 합금 원소들을 매트릭스 금속에 함유시킬 수도 있다. 또한, 그 보조 합금 원소는 알루미늄 매트릭스 금속의 충전재 또는 예비 성형체내로의 자발용침을 유발시키는데 요구되는 마그네슘의 최소량에 영향을 줄 수 있다. 알루미늄 매트릭스 금속내에 마그네슘 및/또는 질화마그네슘이 충분히 존재하면, 예비 성형체 또는 용침 분위기에 마그네슘 또는 질화마그네슘을 별도로 부가할 필요가 없다.

자발 용침계로부터 마그네슘이 소실(예를 들어, 휘발에 의한 소실)되어 용침 촉진제가 생성될 수 없을 정도가 되어서는 안된다. 따라서, 휘발에 의해 자발용침반응이 악화되지 않도록 초기에 매트릭스 금속내에 충분한 양의 합금원소를 부가하는 것이 바람직하다. 또한, 예비 성형체와 매트릭스 금속 양쪽에 또는 예비 성형체 내에 마그네슘이 존재하면 자발용침에 요구되는 마그네슘의 양을 감소시킬 수 있다. 이에 대해서는 후술한다.

질소분위기 내에서 질소의 체적 %도 또한 금속 매트릭스 복합체의 생성율에 영향을 준다. 특히, 질소분위기내에 약 10체적% 이하의 질소가 함유되어 있으면 자발용침이 매우 늦게 일어나거나 거의 일어나지 않게 되며, 최소 약 50체적%의 질소가 함유되어 있으면, 용침속도가 매우 빨라져서 용침에 소요되는 시간이 짧아지는 것으로 밝혀져 있다. 용침 분위기(예, 질소 함유기체)는 충전재(또는 예비 성형체) 및/또는 매트릭스 금속에 직접 부가될 수 있으며, 또한 어떤 물질의 분해에 의해 생성될 수도 있다.

용융 매트릭스 금속이 충전재 또는 예비 성형체내로 용침하는데 필요한 최소 마그네슘 함량은 처리 온도, 시간, 실리콘 또는 아연과 같은 보조 합금 원소의 존재 여부, 충전재 또는 예비 성형체의 특성, 자발 용침계를 구성하는 하나 이상의 요소 중의 마그네슘의 위치, 용침 분위기내의 질소의 함량 및 질소분위기의 유동 속도 등과 같은 하나 이상의 변수에 따라 달라진다. 매트릭스 금속 및/또는 예비 성형체내의 마그네슘 함량이 증가함에 따라, 보다 낮은 온도 또는 보다 짧은 가열시간을 사용하여 완전한 용침을 달성할 수도 있다. 또한 마그네슘의 함량이 일정한 경우, 아연과 같은 보조 합금 원소를 부가하면 보다 낮은 온도를 사용하여 용침을 달성할 수도 있다. 예를 들면, 매트릭스 금속내의 마그네슘의 함량이 약 1-3중량%인 경우도, 전술한 최소 처리온도, 높은 질소 농도, 또는 하나 이상의 보조 합금 원소와 같은 인자중 적어도 하나의 인자와 함께 사용할 수 있다. 매트릭스 금속에 마그네슘을 전혀 부가하지 않은 경우, 약 3-5중량%의 마그네슘을 함유한 합금을 사용하는 것이 광범위한 처리 조건을 적용할 수 있다는 점에서 바람직하며, 보다 낮은 온도 및 보다 짧은 시간을 채용한 경우에는 최소 약 5중량%의 마그네슘을 함유한 합금을 사용하는 것이 바람직하다. 용침에 필요한 온도 조건을 조절하기 위해서는 약 10중량%(알루미늄 합금의 중량을 기준으로 함) 이상의 마그네슘을 사용할 수도 있다. 보조 합금 원소와 함께 사용하는 경우에는 마그네슘의 함량을 줄일 수도 있으나, 이들 보조 합금원소는 단지 보조적인 기능만을 할 뿐이다. 또한 이들 보조 합금원소는 적어도 전술한 최소량의 마그네슘과 함께 사용된다. 예를 들면, 10중량%의 실리콘이 합금된 공칭의 순수한 알루미늄은 1000℃의 온도에서 500메쉬의 39크리스톨론(Crystolon)(Norton Co.에서 시판하는 99%순도의 실리콘 카바이드)으로 구성된 베드(bedding)내로 거의 용침되지 않으나, 마그네슘이 존재하면 실리콘이 용침 반응을 촉진시킨다는 사실이 밝혀졌다. 또 하나의 예로서, 마그네슘을 예비 성형체 또는 충전재에만 부가해주면 마그네슘의 양이 변화하게 된다. 부가된 총 마그네슘중 적어도 일부가 예비 성형체 또는 충전재에 위치하면 자발용침계에 보다 적은 양의 마그네슘을 부가시켜도 자발용침반응이 일어난다는 사실이 밝혀졌다. 완성된 금속 매트릭스 복합체내에 원하지 않은 금속간 화합물이 생성되는 것을 방지하기 위해서는 보다 적은 양의 마그네슘을 사용하는 것이 바람직하다. 최소 약 1중량%의 마그네슘을 함유한 실리콘 카바이드로 된 예비 성형체의 경우, 거의 순수한 질소분위기하에서 이 예비 성형체를 알루미늄 매트릭스 금속에 접촉시키면 이 매트릭스 금속이 예비 성형체내로 자발적으로 용침되는 것으로 밝혀졌다. 알루미나로 된 예비 성형체의 경우, 자발용침을 일으키는데 요구되는 마그네슘의 양은 다소 많아진다. 특히, 알루미늄 매트릭스 금속의 실리콘 카바이드 예비 성형체내로 용침시와 동일한 온도와 동일한 질소분위기하에서 알루미나 예비 성형체를 알루미늄 매트릭스 금속에 접촉시키는 경우, 바로 위에서 설명한 실리콘 카바이드 예비 성형체내로의 알루미늄 매트릭스 금속의 용침과 동일한 용침 정도를 달성하는데 최소 약 3중량%의 마그네슘이 필요한 것으로 밝혀졌다.

또한, 매트릭스 금속이 예비 성형체(또는 충전물질)내로 용침하기 전에 합금의 표면 및/또는 예비 성형체(또는 충전재)의 표면 및/또는 예비 성형체(또는 충전재)의 내부에 용침 촉진제 선구 물질을 부가하는 것도 가능하다. 다시 말해서, 용침 촉진제 또는 용침 촉진제 선구 물질을 매트릭스 금속에 합금시킬 필요없이, 단순히 자발용침계에 용침 촉진제 및/또는 용침 촉진제 선구 물질을 부가해도 된다. 매트릭스 금속의 표면상에 마그네슘을 도포하는 경우 매트릭스 금속의 표면은 통기성 충전재 덩어리에 가장 인접한 표면, 바람직하게는 충전재와 접촉한 표면이 되어야 한다. 또한, 예비 성형체의 표면에 마그네슘을 도포하는 방법, 예비 성형체에 마그네슘을 합금시키는 방법, 예비 성형체의 적어도 일부분만 마그네슘을 위치시키는 방법 및, 예비 성형체의 적어도 일부에 마그네슘을 설치하는 방법 등을 조합한 마그네슘 부가 방법도 사용할 수 있다. 용침 촉진제 및/또는 용침 촉진제 선구 물질 부가하기 위한 이와 같이 조합된 방법에 의하면 예비 성형체내에 매트릭스 알루미늄 금속이 용침되는 것을 촉진시키는데 필요한 총 마그네슘의 양이 감소되며, 또한 보다 낮은 온도에서 용침반응이 일어난다. 또한, 마그네슘의 존재에 기인하여 생성되는 원하지 않는 금속간 화합물의 양도 최소화된다.

추가의 합금 원소 및 분위기 기체내의 질소의 농도 또한 주어진 온도하에서 매트릭스 금속의 질화의 정도에 영향을 준다. 예를 들면, 아연 또는 철과 같은 추가의 합금원소를 합금내에 포함시키거나 합금의 표면상에 가해주면 용침온도가 감소되고, 이에 의해 질화물의 생성량이 감소된다. 이에 반해, 분위기 기체내의 질소의 농도를 상승시키면 질화물의 생성이 촉진된다.

합금내의 마그네슘의 농도 및/또는 합금의 표면상에 도포한 마그네슘의 농도 및/또는 예비 성형체(또는 충전재)와 결합시킨 마그네슘의 농도 역시 주어진 온도하에서 용침에 정도에 영향을 준다. 따라서, 마그네슘이 예비 성형체(또는 충전재)와 거의 접촉하지 않는 경우, 매트릭스 금속 합금내의 마그네슘의 농도는 최소 약 3중량%는 되어야 한다. 만일 마그네슘의 농도가 3중량%이하(예로써, 1중량%)이면 용침을 달성하는데 보다 높은 처리 온도 또는 추가의 합금원소가 필요해진다.

(1) 합금내의 마그네슘 함량이 예로써 최소 약 5중량%까지 증가하는 경우 및/또는 (2) 합금성분을 예비 성형체(또는 충전재)와 혼합한 경우 및/또는 (3) 알루미늄 합금내에 아연 또는 철과 같은 다른 원소가 존재하는 경우에는 본 발명의 자발 용침 반응을 일으키는데 필요한 온도가 낮아질 수 있다. 또한, 충전재의 종류가 달라지면, 자발 용침 반응은 온도가 달라진다. 일반적으로는 최소 약 675℃의 온도에서, 바람직하게는 최소 약 750-800℃의 온도에서 자발적이고도 점진적인 용침 반응이 일어나며, 온도가 1200℃를 초과하면 용침 반응에 불리하다. 특히, 유용한 용침 반응의 온도 범위는 약 675-1200℃의 범위인 것으로 밝혀졌다. 그러나, 일반적으로 자발용침 온도는 매트릭스 금속의 융점이상의 온도 내지 기화온도 이하의 온도 범위이며, 또한, 충전재의 융점이하의 온도로 해야 한다. 온도가 높아짐에 따라 매트릭스 금속과 용침 분위기 사이에서 반응 생성물이 생성되는 경향이 증가된다. 예를 들면, 매트릭스 금속으로서 알루미늄을 사용하고, 용침 분위기로서 질소를 사용하는 경우, 질화 알루미늄이 생성된다. 이와 같은 반응 생성물은 제조된 금속 매트릭스 복합체의 사용 목적에 따라 바람직한 경우도 있고 바람직하지 않은 경우도 있다. 또한, 용침 온도를 얻기 위해 전기 저항 가열 방식을 사용하기도 한다. 그러나, 매트릭스 금속을 용해시킬 수 있고, 자발 용침에 악영향을 주지않는한 어떠한 가열 방식을 사용해도 무방하다.

본 발명의 방법에서는 용침을 달성하는데 필요 전체 시간 동안, 예를 들면, 용침 촉진제 선구 물질 및/또는 용침 촉진제를 포함한 통기성이 있는 예비 성형체(또는 충전재)를 용침 분위기(예, 질소 함유기체)의 존재하에서 용융 매트릭스 금속(예, 알루미늄)에 접촉시킨다. 이는 예비 성형체와 용융 알루미늄 매트릭스 금속에 기체를 연속적으로 유동접촉시킴에 의해 달성된다. 질소 함유기체는 예비 성형체(또는 충전재) 및/또는 용융 알루미늄 매트릭스 금속중 적어도 어느 하나와 계속해서 접촉하는 연속적인 유동 상태를 유지하면서 공급한다. 질소 함유 기체의 유속은 결정적인 사항은 아니지만, 합금 매트릭스내에서 질화물이 생성됨에 따라 분위기로부터의 질소의 손실 양을 보상할 수 있을 정도의 충분한 유속으로, 그리고, 용융 금속 및/또는 용침 촉진제 및/또는 용침 촉진제 선구 물질을 산화시키는 공기의 혼입을 방지할 수 있을 정도의 충분한 유속으로 해주어야 한다.

본 발명의 금속 매트릭스 복합체의 제조 방법은 여러 가지 충전재에 적용할 수 있으며, 충전재는 매트릭스 금속 합금, 처리 조건, 용융 매트릭스 금속 합금의 충전재에 대한 반응성, 원하는 최종 복합체의 특성 등과 같은 여러가지 인자에 따라 다양하게 선택할 수 있다. 예를 들면, 알루미늄이 매트릭스 금속인 경우의 적절한 충전재로서는 (a) 산화물(예, 알루미나), (b) 탄화물(예, 실리콘 카바이드), (c)붕화물(예, 알루미늄 도데카보라이드), 및 (d) 질화물(예, 질화 알루미늄) 등을 들 수 있다. 충전재가 용융 알루미늄 매트릭스 금속과 반응하는 경향이 있는 경우에는 용침 시간 및 용침 온도를 최소화하거나 충전재 위에 비반응성 코팅을 도포함으로써 위와같은 반응을 방지할 수 있다. 충전재로서는 기층위에 세라믹코팅을 하여 침식 또는 열화되지 않도록한 탄소 또는 비세라믹 재료 같은 기재(substrate)가 포함된다. 적절한 세라믹 코팅 물질로서는 산화물, 탄화물, 붕화물 및 질화물이 포함된다. 본 발명의 제조 방법에 적합한 세라믹에는 입자 형태, 판 형태, 휘스커 형태 및 섬유 형태의 알루미나 및 실리콘 카바이드가 포함된다. 섬유 형태의 세라믹은 짧게 자른 불연속 형태로 하거나 멀티필라멘트와 같은 연속형태로 할 수 있다. 또한, 세라믹체 또는 예비 성형체는 균질로 하거나 비균질로도 할 수 있다.

어떤 종류의 충전재는 유사한 화학 조성을 가진 충전재에 비해 용침성이 우수한데, 예를 들면, 미합중국 특허 제4,713,360호 및 미합중국 특허 출원 제819,397호에 기재되어 있는 방법에 의해 제조된 분쇄 알루미나는 시판되는 일반 알루미나에 비해 우수한 용침성을 나타낸다. 따라서, 상기 미합중국 특허 및 특허 출원의 방법에 의해 제조된 분쇄된 알루미나를 사용하면 보다 낮은 용침 온도 및/또는 보다 낮은 용침 시간에 용침이 완료될 수 있다.

충전재의 치수 및 형상에 따라 완성된 복합체의 특성이 달라진다. 충전재의 형태에 의해 용침반응이 제한을 받는 것은 아니므로 충전재는 입자 형태, 휘스커 형태, 판 형태 또는 섬유 형태 등의 형태를 취할 수 있으며, 이 밖에도 구 형태, 세관(tubule) 형태, 펠리트 형태, 내화 섬유의 직물 형태 등도 사용할 수 있다. 또한, 입자가 큰 충전재로 된 충전재 성형체에 비해 입자가 작은 충전재로 된 충전재 성형체가 그 용침을 완료하는데 더 높은 온도와 긴 시간이 필요하다. 또한, 충전재 예비 성형체는 통기성이 있어야 한다. 즉, 충전재 예비 성형체는 용융 매트릭스 금속과 용치 분위기가 침투할 수 있어야 한다.

용융 매트릭스 금속을 예비 성형체 또는 충전재 덩어리내에 용침시킴에 있어 압력을 사용하지 않는 본 발명의 금속 매트릭스 복합체 제조 방법에 의하면 충전재의 체적분율이 높은 그리고 기공도가 낮은 거의 균일한 금속 매트릭스 복합체를 제조할 수 있다. 기공도가 낮은 충전재 성형체를 사용하면 충전재의 체적분율이 높은 복합체를 얻을 수 있으며, 또한, 용융 합금에 의한 용침이 방해되지 않을 정도로 충전재 덩어리를 압축 성형 또는 치밀화시킴으로써 체적분율이 높은 복합체를 얻을 수 있다.

본 발명에 따른 가열 성형을 위해 충전재의 체적분율은 40-50% 정도가 바람직하다. 이 정도의 체적분율에서, 용침된 복합체는 그 형상이 유지되므로 후속되는 2차 처리가 용이해진다. 그러나, 필요에 따라 40-50%보다 높거나 낮은 체적분율을 사용할 수도 있으며, 낮은 체적분율을 얻기 위해 본 발명의 가열 성형 공정과 관련하여 체적분율을 감소시키는 방법을 채용할 수도 있다.

알루미늄의 용침 및 세라믹 충전재 주위에서의 매트릭스의 형성에 있어서, 알루미늄 매트릭스 금속에 의한 세라믹 충전재의 습윤성은 용침 기구(infiltration mechanism)에서 중요한 역할을 하는 것으로 밝혀졌다. 또한, 낮은 처리온도에서는 무시할 수 있을 정도의 금속의 질화반응이 일어나고, 그 결과 소량의 질화알루미늄 불연속상이 금속 매트릭스내에 분산상으로서 존재하게 된다. 반대로, 용침 온도가 고온이 되면 금속의 질화가 용이하게 발생하게 된다, 따라서, 용침 온도를 변화시켜 주면 금속 매트릭스내의 질화물상의 양을 조절할 수 있다. 또한, 질화물이 생성되는 온도는 사용한 매트릭스 알루미늄 합금, 충전물질 또는 예비 성형체의 체적에 대한 매트릭스 알루미늄의 양, 용침된 충전재, 및 용침 분위기내의 질소의 농도 등과 같은 인자에 따라 달라진다. 예를 들면, 주어진 처리온도하에서 세라믹 충전재에 대한 알루미늄 합금의 습윤성이 감소할수록 그리고 용침 분위기중의 질소 농도가 증가할수록 알루미늄 질화물의 생성정도는 증가한다고 생각된다.

그러므로, 복합체의 생성중의 금속 매트릭스의 구성 상태를 조절해 줌으로써 완성된 복합체에 원하는 특성을 부여할 수 있게 된다. 하나의 주어진 계에 있어서, 질화물의 생성을 제어하도록 처리 조건을 선택할 수 있다. 질화 알루미늄상을 함유한 복합체는 제품의 성능에 유리하거나 혹은 그것을 개선할 수 있는 우수한 특성을 나타낸다. 또한, 알루미늄 합금의 자방용침을 위한 온도범위는 사용한 세라믹 물질에 따라 달라진다. 충전재로서 알루미나를 사용한 경우, 질화물의 생성에 기인된 매트릭스 금속의 전성의 감소를 방지하려면 용침 온도가 약 1000℃를 초과해서는 안된다. 그러나, 전성은 약하지만 강성(stiffness)이 우수한 성질을 가진 복합체를 제조하고자 하는 경우에는 1000℃를 초과하는 용침 온도를 사용할 수 있다. 충전재로서 실리콘 카바이드를 사용하고, 매트릭스 금속으로서 알루미늄을 선택한 경우에는 약 1200℃의 고온을 사용할 수 있는데, 이는 충전재로서 알루미나를 사용한 경우보다는 실리콘 카바이드를 사용한 경우가 알루미늄 합금의 질화 정도가 낮기 때문이다.

또한, 충전재에 대한 용침 반응의 완료 및/또는 제1매트릭스 금속과 다른 조성의 제2매트릭스 금속의 공급을 위해 매트릭스 금속 저장부를 사용할 수 있다. 특히, 어떤 경우에는 제1매트릭스 금속과 그 조성이 다른 제2매트릭스 금속을 사용하는 것이 바람직할 경우도 있다. 예를 들면, 알루미늄 합금을 제1매트릭스 금속으로서 사용한 경우, 처리 온도에서 용융 상태인 다른 금속 또는 다른 합금을 제2매트릭스 금속으로서 사용할 수 있다. 일반적으로, 용융 금속은 적절한 시간 동안 방치해 두면 서로 혼합되는 성질이 있다. 본 발명에 따르면, 자발용침중인 예비 성형체, 즉 제1매트릭스 금속에 의해 부분적으로 용침된 예비 성형체는, 기체 흐름 또는 기타의 기구(mechanism)에 의해, 제2매트릭스 금속을 포함한 매트릭스 금속 저장부내로 도입될 수 있다. 또한, 일반적 용융 금속은 적절한 시간 동안 방치해 두면 서로 혼합되는 성질이 있으므로 제1매트릭스 금속과는 조성이 다른 제2매트릭스 금속 저장부를 사용하면 여러 가지 사용목적에 부합되는 특성을 가진 금속 매트릭스를 얻을 수 있고, 따라서 완성된 금속 매트릭스 복합체의 특성도 조절할 수 있다.

본 발명에서는 또한 차단 수단(barrier means) 사용할 수 있다. 특히, 본 발명에서 사용하는 차단 수단은 용융 매트릭스 금속 합금(예, 알루미늄 합금)이 충전재 또는 예비 성형체의 소정의 경계면을 초과하여 유동하는 것을 방지할 수 것이라면 어떠한 수단도 가능하다. 적절한 차단 수단으로서는 본 발명의 처리 조건하에서 그 형태를 유지할 수 있고, 휘발하지 않으며, 처리에 사용된 기체가 침투할 수 있으며, 세라믹 충전재의 소정의 경계면을 초과하는 용침을 방지할 수 있는 임의의 물질, 화합물, 원소, 조성물 등을 들 수 있다. 이 차단 수단은 자발용침중에 사용하거나, 자발용침된 금속 매트릭스 복합체의 가열 성형 공정과 관련하여 사용되는 기타의 고정 구조물 또는 임의의 주형내에서 사용할 수 있다. 이에 대해서는 후술한다.

적절한 차단 수단에는 채용된 처리 조건하에서 용침하는 용융 매트릭스 금속 합금에 의해 거의 습윤되지 않는 흑연 및 알루미나와 같은 재료가 포함된다. 이러한 종류의 차단 수단은 용융 매트릭스 금속에 대한 친화력이 거의 없으므로 충전재 또는 예비 성형체의 소정의 경계면을 초과하는 용융 매트릭스 금속의 용침을 차단하게 된다. 또한, 차단 수단을 사용하면 금속 매트릭스 복합체에 요구되는 최종 기계 가공이나 연삭 가공의 필요성을 감소시킬 수 있고, 예비 성형체 및 금속 매트릭스 복합체에 추가의 형태 보전성을 부여할 수 있다. 또한 차단 수단은 완성된 복합체를 매트릭스 금속 용탕으로부터 제거할 때 파지(grasping)가 가능한 형태로 성형할 수 있다. 전술한 바와 같이, 용침 분위기가 용융 매트릭스 금속 합금 및 용침 촉진제 선구 물질을 함유한 예비 성형체에 접촉할 수 있도록, 차단 수단이 통기성을 가지는 것이 바람직하다.

특히, 알루미늄 매트릭스 금속 합금에 대해 유용한 차단 수단은 탄소를 함유한 차단 수단이며, 특히 탄소의 동소체인 흑연을 함유한 차단 수단이다. 흑연은 처리 조건하에서 용융 알루미늄 합금에 의해 습윤되지 않으며, 특히 바람직한 흑연으로서는 유니온 카바이드사의 상표면 Grafoil

으로 시판되는 흑연 테이프를 들 수 있다. 이 흑연 테이프는 용융 알루미늄 합금이 충전재의 소정의 경계면을 초과하여 유동하는 것을 방지해주는 차단 특성을 발휘한다. 이 흑연 테이프는 또한 내열성이 우수하며 화학적으로 불활성이다. 또한 이 Grafoil

흑연 테이프는 가요성 및 탄력성이 있으므로 임의의 다양한 형상으로의 성형이 가능하다. 그러나, 슬러리 또는 페이스트 형태의 흑연차단수단을 사용할 수도 있으며, 경우에 따라서는 충전재 또는 예비 성형체의 주위에 박막형태로 흑연차단 수단을 도포할 수도 있다. Garfoil

흑연 테이프를 사용하는 것이 바람직한 이유는, 이것이 가요성의 흑연 시트(sheet)로서 충전재 또는 예비 성형체의 둘레에 쉽게 설치할 수 있기 때문이다.

질소 분위기하에서의 알루미늄 매트릭스 금속 합금에 대해 바람직한 그 밖의 차단 수단으로 천이금속 붕화물(예, 티타늄 디보라이드(TiB₂)이 있는데, 이 물질은 채용한 처리 조건하에서 용융 알루미늄 합금에 의해 습윤되지 않는다. 그러나, 이러한 종류의 차단 수단을 사용하는 경우, 처리 온도가 약 875℃를 초과해서는 안되며, 만일 이 온도를 초과하면 차단 수단의 기능이 떨어지며, 온도가 상승함에 따라 차단 수단내로의 용침도 발생하게 된다. 상기 천이금속붕화물은 전형적으로 입자 형태(1-30μm)이며, 이는 세라믹 충전재 성형체(또는 예비 성형체)의 소정의 경계면에 슬러리 또는 페이스트 상태로 도포할 수 있다.

질소 분위기하에서의 알루미늄 매트릭스 금속 합금에 대해 유용한 그밖의 차단 수단으로는 충전재 또는 예비 성형체의 외면상에 박막 또는 층상으로 설치되는 휘발성이 낮은 유기 화합물이 포함된다. 질소 분위기하에서, 특히 본 발명의 처리 조건하에서 가열되면, 이 유기 화합물은 분해되며 탄소 박막이 남는다. 그 유기 화합물은 페인팅법, 스프레이법, 디핑법(dipping) 등과 같은 종래의 기술을 이용하여 도포할 수 있다.

또한, 충전재보다 용침이 느리게 발생하는 미세하게 분쇄한 미립자 물질도 차단 수단으로 사용할 수 있다.

차단 수단은 소정의 경계면상에 차단층(layer)을 마련하는 등의 임의의 적절한 방법으로 형성할 수 있으며, 페이팅법, 디핑법, 실크스크린법, 증착법, 액상 도포법, 슬러리 도포법, 페이스트 도포법, 기화성 있는 차단 수단의 스퍼터링법, 고체 입자 형태의 차단층의 용착법, 고체 박막 형태의 차단 수단을 마련하는 등의 방법으로 형성할 수 있다. 이와 같은 차단 수단을 설치한 경우, 용융 매트릭스 금속이 소정의 경계면과 이 차단 수단에 접촉하면 자발용침은 중지된다. 따라서, 차단 수단은 부유상태의 예비 성형체내로의 용침을 제어하여, 거의 가공이 필요없는 정도의 완성된 복합체를 제조하는데 사용할 수 있다.

이하, 본원 발명의 몇가지 실시예에 대해 설명한다. 본 실시예는 본원 발명의 일예로서 본원 발명이 본 실시예에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

1000그리드(grit)의 탄화실리콘 분말(노턴사(Norton Co.) 제품인 39Crysto lon)과 약 2.5중량%의 325메시의 마그네슘 분말(존슨 메티사(Johnson Mathey Co.) 제품)을 혼합하여 충전재를 제조하였다. 혼합을 균일하게 하기 위해 그 분말을 밀봉된 용기에 장입한 다음, 약 12시간 동안 볼밀(ball mill)내에서 회전시켰다. 볼밀내에서 분말은 연마되거나 변형됨이 없이 단순히 균일하게 혼합되었다.

충전재를 성형하기 위한 구리관(Copper tube : 2)으로 형성된 주형내에 가능한한 손으로 충전재를 다져넣었다. 구리관(2)(제너럴 카퍼사(General Copper Co.) 제품)의 벽두께는 약 0.8mm이었다. 이 구리판의 형상은 종 모양으로서, 길이가 3.8cm이고 확대 단부의 직경은 2.5cm이다. 구리관(2)의 확대 단부는 폐쇄시키지 않고, 그 축소 단부는 알루미늄 포일로 폐쇄하여 충전시 충전재 빠져나가지 않도록 하였다.

이와 같이 충전재를 채워 넣은 2개의 주형(2-1,2-2)을, 제6도에 도시한 바와 같이, 다수의 알루미늄 합금체(7)를 수용하고 있는 비반응성 용기(5)내에 설치하였다. 이 비반응성 용기(5)는 300시리즈의 스텐레스 강제 상자내에 약 0.25mm 두께의 2개층의 흑연포일(예, 티.티. 아메리카사(T.T. America Co.) 제품인 permafoil

)을 내장하여 제작한 것이다. 알루미늄 합금체(7)의 조성은 약 85중량%의 알루미늄, 12중량%의 실리콘 및 3중량%의 마그네슘(즉, Al-12Si-3Mg)으로 되어 있으며, 이 합금체(7)를 비반응성 용기(5)내의 주형(2-1,2-2) 주위에 배치하였다. 주형(2-1)은 용기(5)의 바닥에 배치하였고, 주형(2-2)은 용기(5)의 상부에 배치하였다. 다음에, 용기(5)를 0.7mm 두께의 구리 포일(8)(어틀랜틱 이큅먼트 엔지니어링사(Atlantic Equipment Engineering Co.) 제품)로 덮은 다음 전열식로 내에 설치하였다. 다음에 구리 포일(8)내의 구멍을 통해서 약 1.5리터/분의 유량으로 질소 기체를 용기내에 주입시켰다.

노의 온도를 2 내지 2.5시간에 걸쳐서 약 750℃까지 승온시킴으로써 충전재를 경화하여 예비 성형체를 형성하였다. 이 예비 성형체는 주형없이도 그 형태를 유지할 수 있다. 비반응성 용기(5)와 그 내용물을 약 750℃의 온도하에서 약 2.5시간 동안 유지시킨 결과 비반응성 용기(5)내에 알루미늄 합금 용탕이 형성되었고, 충전재를 수용하고 있던 구리 주형도 용융되어 용융된 알루미늄 합금내로 분산되었으며, 그 결과 생성된 합금이 충전내재로 자발적으로 용침되어 금속 매트릭스 복합체를 형성하였다. 충전재는 구리 주형이 완전히 소모된 후에도 그 형태를 유지하고 있었는데, 이는 아마도 온도의 상승에 따라 충전재내에 질화 마그네슘이 생성된 결과이거나, 또는 충전재의 소결 결과로 그리고 금속 매트릭스 복합체내에 충전재가 높은 비율로 존재하는 결과로 생각할 수 있다.

상기 2.5시간의 마지막 시점에서, 금속 매트릭스 복합체는 용탕 표면으로부터 3.5cm 아래까지 부유했다. 비반응성 용기의 상부측에 설치한 주형(2-2)은 용탕의 표면상으로 잠시 부유했다가 구리 주형이 용탕내로 용해되고 또 자발용침이 진행됨에 따라 용탕내로 가라앉았다. 비반응성 용기의 바닥에 설치한 주형(2-1)은 용해되었고, 용침된 예비 성형체는 최초에 주형(2-2)이 설치되었던 위치까지 부유하였다. 스텐레스강제 국자(spatula)를 사용하여 용탕으로부터 금속 매트릭스 복합체를 건져낸 다음 실험실내의 공기중에서 냉각시켰다. 완성된 복합체는 자발용침이 완전히 이루어져 있었으며 추가의 가공이 필요치 않았다.

실시예 2

표준 침강주조법(sediment casting)을 이용하여 500그리트의 탄화실리콘 분말(노턴사 제품인 39Crystolon)을 포함하는 반쪽의 피스톤이 핀 형상의 예비 성형체를 제조하여 예열시켰다. 내연기관에 사용하는 상기 반쪽의 피스톤 핀은 관형상으로서, 외경이 약 4mm, 내경이 약 3mm, 길이가 약 5mm이다. 제7도에 도시한 바와 같이, 조성이 약 7.5-9.5% Si, 3.0-4.0% Cu, 2.9% Zn, 6.0% Fe, 0.5% Ni, 0.35% Sn 및 약 0.17-0.18 Mg인 약간 개질된 380.1용융 알루미늄 합금(벨몬트 메탈사(Belmont Metals) 제품)의 혼합물로 구성된 용탕(4)(이 용탕의 온도가 약 700℃로 되었을 때 약 5중량%의 Mg를 부가하였음)의 표면에 예비 성형체(2-3)를 도입하였다.

용탕(4)을 수용하고 있는 비반응성 용기(5)는 300시리즈 스텐레스강제의 캔내에 15/1000인치 두께의 GTB 흑연 테이프(유니온 카바이드사의 상표명 Grafoil

)를 라이닝한 것이다. 300시리즈 스텐레스 강제 상자(9)와 판(10)으로 이루어진 공간(8)내에 순수한 질소 분위기를 도입시킴에 의해 비반응성 용기(5)와 예비 성형체(2-3) 및 용탕(4)을 질소 분위기중에 유지하였다. 이 질소 용침 분위기는 상자(9)에 형성한 구멍에 삽입 설치한 스텐레스강제 관(11)을 통해 공간(8)내로 도입시켰다. 상자(9)와 판(10) 사이에는 구리 가스켓(12)를 삽입하여 질소분위기가 공간(8)내에 유지될 수 있도록 하였다. 또한, 공간(8)내에 다량의 티타늄 칩(13)을 설치하여, 알루미늄/마그네슘/질소로 이루어진 자발용침계 내의 용침 촉진제 및/또는 용침 촉진제 선구 물질 및/또는 매트릭스 금속을 이들을 오염시킬 우려가 있는 산소 또는 기타 이물질과 반응하도록 하였다.

비반응성 용기(5), 상자(9) 및 판(10)으로 구성된 반응 용기를 전열식 노내에 설치하여 약 5시간에 걸쳐서 실온으로부터 약 700℃의 온도까지 가열시켰다. 상자(9)를 들어올리고, 용융 알루미늄 용탕(4)의 표면상에 예비 성형체(2-3)을 설치한 다음, 약 25시간 동안 약 800℃의 온도로 유지하였다. 25시간의 유지 시간의 마지막 단계에서 상자(9)를 다시 들어올린 다음, 용탕(4)의 바닥에 가라앉은 반쪽 피스톤 핀을 스테인레스 강제 국자를 이용하여 건져내 실험실의 공기중에서 냉각시켰다. 알루미늄 합금은 예비 성형체내로 완전히 자발용침되었으며, 후속 가공이 필요없는 금속 매트릭스 복합체가 얻어졌다.

실시예 3

제8도에 도시한 바와 같이, 99.7%의 순도를 가지는 알루미나 도가니(15) 내에 수용된 다량의 조립(組粒 : coarse-grained) 울라스토나이트(14)(니코사(NYCO. Inc.)의 Myad SP)내에 흑연이 라이닝된 스텐레스강제 캔을 매립하여 반응 용기(5)를 형성하였다. 용기(5)위에는 스텐레스 강제의 퍼지 튜브(11)를 설치하였으며, 용기(5)내에서 실시예 2의 알루미늄 합금의 조성과 동일한 조성의 용융 알루미늄 합금의 용탕(4)을 형성하였다.

스텐레스강제 캔(16)안으로 질소 기체를 연속적으로 주입함과 동시에 전열식 노내에서 반응 용기 및 도가니를 가열시킴에 의해 용탕(4)을 형성하였다. 반응 용기는 약 5시간에 걸쳐서 실온으로부터 약 800℃의 온도까지 가열하였다. 합금 용탕(4)의 온도가 약 700℃에 달했을 때, 스텐레스강제 캔(16)을 들어올린 다음, 용탕의 표면상에 신속하게 예비 성형체를 위치시키고, 캔(16)을 원위치에 설치하였다. 다음에 30시간 동안 반응 용기를 약 800℃의 온도하에 유지한 다음, 용탕으로부터 예비 성형체를 위출하여 공기중에서 냉각시켰다.

예비 성형체는 220그리트의 탄화실리콘(노턴사의 39Crystolon)으로 구성한 것으로, 직경이 약 1.3cm, 길이가 1.3cm인 원통형으로 하였다. 이 예비 성형체를 약 700℃의 온도에서 취출한 다음 실온에서 냉각시켰다. 이 실시예에서도 완전한 자발용침을 달성되었고 후속 가공이 필요치 않은 복합체가 얻어졌다.

Claims

비반응성 충전재로 통기성(通氣性) 예비 성형체를 성형하는 단계, 금속 매트릭스 용탕을 제공하는 단계, 상기 금속 매트릭스 용탕의 표면상에 예비 성형체를 부유시키는 단계, 및 예비 성형체의 적어도 일부분에 용융 매트릭스 금속이 자발 용침되도록, 공정중의 적어도 일부의 기간동안 용침 분위기, 용침 촉진제 및 용침 촉진제 선구 물질중 적어도 한가지 이상을 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 매트릭스 복합체 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 용침 분위기를 제공하는 단계를 또한 포함하며, 이 단계에서, 상기 용침 분위기가 상기 예비 성형체 및 매트릭스 금속중 적어도 하나와 통하는 것을 특징으로 하는 금속 매트릭스 복합체 제조 방법.
제2항에 있어서, 상기 매트릭스 금속, 예비 성형체 및 용침 분위기중 적어도 하나에 용침 촉진제 선구 물질 및 용침 촉진제중 적어도 하나를 부가하는 단계를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 매트릭스 복합체 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 매트릭스 금속 용탕내에서 예비 성형체가 부유하는 것을 보조하는 부유 보조 수단을 예비 성형체에 착탈(着脫)가능하게 부착시키는 단계, 및 상기 예비 성형체의 자발용침후에 상기 예비 성형체로부터 상기 부유 보조 수단을 분리시키는 단계를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 매트릭스 복합체 제조 방법.
제1항에 있어서, 제2응용 매트릭스 금속을 제공하는 단계, 및 상기 예비 성형체의 적어도 일부가 상기 응용 매트릭스 금속에 의해 자발용침된 후에, 제2응용 매트릭스 금속과 상기 예비 성형체를 접촉시키는 단계를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 매트릭스 복합체 제조 방법.