KR970008038B1 - 게이팅 수단을 사용하여 금속 기질 복합체를 제조하는 방법 - Google Patents

Abstract

요약없음

Description

게이팅 수단을 사용하여 금속 기질 복합체를 제조하는 방법

제1도는 실시예 1에 의한 금속 기질 복합체를 제조하는데 사용된 재료의 조립체의 도식적인 횡단면도.

제2도는 실시예 2에 의한 금속 기질 복합체를 제조하는데 사용된 재료의 조립체의 도식적인 횡단면도.

제3도는 실시예 1에 의한 침투된 예비성형체와 기질 금속 잔류물을 도시하는 사진.

제4도는 실시예 2에 의한 침투된 예비성형체와 기질 금속 잔류물을 도시하는 사진.

본 발명은 자발적인 금속 침투법과 함께 게이팅(gating) 수단을 이용하여 금속 기질 복합체를 제조하는 방법에 관한 것이다. 특히, 투과성 충전재 또는 예비성형체를 용융된 기질 금속에 의해 자발적으로 침투시켜서 금속 기질 복합체를 제조하는 방법에 관한 것이다. 또한, 침투 촉진제 및/또는 침투 촉진제 전구물질 및/또는 침투 가스체는 처리 기간동안 적어도 일부의 시점에서 충전재 또는 예비성형체와 상호 작용하여, 용융 기질 금속이 충전재 또는 예비성형체내에 자발적으로 침투되도록 한다. 또한 용융 기질 금속과 충전재 또는 예비성형체간의 접촉 면적을 조절 또는 제한하는 게이팅 수단이 구비되어 있다. 게이팅 수단을 사용하므로써 예비성형체 또는 충전재와 접촉할 수 있는 기질 금속의 양이 조절된다. 이와 같이 접촉 면적을 조절 또는 제어한 결과 제조된 금속 기질 복합체는 게이팅 수단 없이 제조한 유사한 금속 기질 복합체에 비해 기계 처리가 덜 필요하다. 더우기, 게이팅 수단을 이용하므로써 제조된 복합체와 기질 금속 잔류물간의 접촉으로 인해 제조된 금속 기질 복합체가 뒤틀리는 경향이 감소된다. 이러한 뒤틀림은 크기가 큰 금속기질 복합체에서는 흔하게 일어날 수 있는 현상이다.

금속 기질과 보강상(reinforcing phase)(예, 세라믹 입자, 휘스커, 섬유 등)을 포함한 복합체는 그 용도가 매우 광범위한데, 그 이유는 복합체가 보강상의 경성과 내마모성 및 금속 기질의 내구성과 인성을 겸비하기 때문이다. 일반적으로, 금속 기질 복합체는 강도, 경도, 접촉시 내마모성, 고온 강도 등과 같은 특성이 모노리스(monolithic)형태의 금속에 비해 향상되며, 그 향상되는 정도는 주로 특정 성분, 특정 성분의 체적, 중량 분율 및 복합체 제조 방법에 따라 달라진다. 어떤 경우에는, 복합체의 중량이 기질 금속 그 자체보다도 가벼워질 수도 있다. 실리콘 카바이드, 예컨대 입자 형태, 박판 형태 또는 휘스커 형태와 같은 세라믹으로 보강된 알루미늄 기질 복합체는 알루미늄 자체보다도 경도, 내마모성 및 고온 강도 등이 우수하다는 점에서 중요성을 갖는다.

알루미늄 기질 복합체를 제조하기 위한 여러가지 방법이 공지되어 있는데, 예를 들면, 분말 야금 기법 및 액상 금속 침투 기법이 있다. 액상 금속 침투 기법은 압력 금형, 진공 금형, 교반 및 습윤제 등을 사용한다. 분말 야금 기법은 분말 형태의 금속과, 분말 형태, 휘스커, 형태, 절단 섬유 형태 등의 보강 재료를 혼합한 다음, 냉간 압연 및 소결, 또는 열간 압연시키는 방법이다. 이 방법에 의해 제조된, 실리콘 카바이드로 보강된 알루미늄 기질 복합체의 최대 세라믹 체적 분율은 휘스커 형태의 경우에 약 25부피%이고, 입자 형태의 경우에 약 40부피%인 것으로 보고되어 있다.

종래의 분말 야금법을 이용한 금속 기질 복합체의 제조 방법에는 여러가지 제한이 수반된다. 예를 들면, 복합체내의 세라믹상의 부피 분율이, 입자의 경우에, 약 40%로 제한된다. 또한, 압연 공정에 의해 얻어지는 제품의 치수에도 제한이 있다. 또한 후속 공정(예, 성형 또는 기계 가공)이나 복잡한 압연 장치를 사용하지 않고서는 비교적 단순한 형태의 제품밖에는 생산할 수가 없다. 또한, 압축 성형체(compact)내의 석출 및 입자 성장에 기인하여 미세 구조의 불균일성이 일어날 뿐만 아니라, 소결 작업시 불균일한 수축이 발생할 수 있다.

1976년 7월 20일자 미합중국 특허 제3,970,136호(J. C. 캐널)에는 소정의 배향 패턴을 가지는 섬유 보강재(예, 실리콘 카바이드 또는 알루미나 휘스커)가 혼입되어 있는 금속 기질 복합체의 제조 방법이 기재되어 있다. 이 복합체는 용융 기질 금속(예, 알루미늄)의 저장원을 구비한 금형내에 평행한 매트(mat) 또는 보강 섬유로 된 펠트를 배치한 다음, 용융 금속이 상기 매트내로 침투하도록, 그리고 상기 배향된 보강 섬유를 둘러싸도록 압력을 가하여 제조한다. 용융된 금속을 매트 적층체상에 주입시키면서 압력을 가하여 매트 사이에서 유동시킨다. 이 복합체내의 보강 섬유의 약 50부피%까지 하중되는 것으로 보고되어 있다.

전술한 침투 공정은, 섬유 매트 적층체내에 용융 기질 금속을 강제 침투시키기 위해 외부 압력을 사용한다는 점에 비추어, 압력-유발된 유동 과정의 변화에 의해 기질 형성, 다공성 등의 불균일성이 발생할 수 있다. 용융 금속을 섬유 매트내의 다수의 위치에서 도입시키더라도 불균일한 성질이 얻어질 수 있다. 따라서, 섬유 매트 적층체내에 용융 금속을 균일하게 침투시키기 위해서는 복잡한 매트/용융 금속 저장원 배열 및 복잡한 유동 경로가 필요해진다. 또한 이와 같은 압력-침투법에서는 큰 부피의 매트를 침투하기가 본래 어렵기 때문에 기질의 부피에 대한 보강재의 부피 비율이 비교적 낮아야만 한다. 또한, 압력하에서 금형은 용융 금속을 함유할 필요가 있으므로 공정에 소요되는 비용이 증가하는 문제가 있다. 또한, 전술한 방법은 정렬된 입자 섬유에만 제한되므로 불규칙하게 배열된 입자, 휘스커 또는 섬유 형태의 재료로 보강된 알루미늄 금속 기질의 복합체는 제조할 수 없다.

알루미늄 기질-알루미나 충전된 복합체를 제조하는 경우, 알루미늄이 알루미나를 용이하게 습윤시키지 못하므로 응집성(coherent)이 있는 제품의 생산이 곤란해진다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 여러가지 방법이 제안되어 있다. 그중 하나의 해결 방법으로서 알루미나를 금속(예, 니켈 또는 텅스텐)으로 피복한 다음, 알루미늄과 함께 열간 압연시키는 방법을 들 수 있다. 다른 하나의 방법은 알루미늄을 리튬과 합금시키고, 알루미나를 실리카로 피복하는 것이다. 그러나, 이런 방법으로 제조한 복합체는 그 특성의 변화를 나타내거나, 피복층이 충전재의 특성을 열화시키거나, 기질이 그 특성에 영향을 미칠 수 있는 리튬을 함유한다.

미합중국 특허 제4,232,019호(R. W. 그림쇼외 다수)는 상기한 알루미늄기질-알루미나 복합체 제조시에 당면하는 특정의 문제점을 해소한 것으로서, 상기 특허에서는 700 내지 1,050℃의 온도로 예열된 알루미나 섬유 매트나 알루미나 휘커스 매트내로 용융된 알루미늄(또는 용융된 알루미늄 합금)을 75 내지 375kg/cm의 압력으로 강제로 침투시킨다. 형성된 고체 캐스팅 재료의 알루미나 대금속의 최대 부피 비율은 0.25/1이다. 이 방법에서도 침투를 달성하기 위해 외력이 필요하므로 전술한 미합중국 특허 제3,970,136호의 문제점과 동일한 문제점이 존재한다.

유럽 특허 출원 공개번호 제115,742호에는 예비성형된 알루미나 기질의 공극을 용융된 알루미늄으로 충전시키므로써 전해조의 부품으로 특히 유용한 알루미늄-알루미나 복합체를 제조하는 방법이 기재되어 있다. 상기 출원에서는 알루미나가 알루미늄에 의해 습윤되지 않는다는 사실을 강조하고 있고, 이에 따라 알루미나를 예비성형체 전체에 걸쳐 습윤시키기 위한 여러가지 기법을 사용하고 있다. 예를 들면, 티타늄, 지르코늄, 하프늄 또는 니오븀 등의 디보라이드와 같은 습윤제, 또는 리튬, 마그네슘, 칼슘, 티타늄, 크롬, 철, 코발트, 니켈, 지르코늄 또는 하프늄과 같은 금속으로 알루미나를 피복하는 방법을 들 수 있다. 또한, 습윤을 촉진시키기 위해 아르곤과 같은 불활성 가스체도 사용한다. 상기 특허 출원의 방법에서는 또한 피복되지 않은 기질내에 용융 알루미늄을 침투시키기 위해 압력을 가한다. 이러한 경우에, 침투는 기공을 배기시키고, 불활성 가스체(예, 아르곤 기체)하에서 용융 알루미늄에 압력을 가하므로써 달성된다. 대안으로서, 예비성형체는 표면을 증기상 알루미늄 증착에 의해 습윤시킨 후, 용융 알루미늄을 침투시켜 기공을 충전하므로써 침투시킬 수도 있다. 알루미늄이 예비성형체의 기공내에 확실하게 유지되도록 하기 위해서는 진공 또는 아르곤 가스체하에서의 열처리(예, 1,400 내지 1,800℃의 온도)가 필요하다. 이와 같은 열처리를 하지 않을 경우, 침투된 예비성형체를 기체 압력에 노출시키거나 침투 압력을 제거하게 되면 침투된 예비성형체로 부터 알루미늄이 손실될 것이다.

유럽 특허 출원 공개번호 제94353호에서도 전해 셀내의 알루미나 성분내로의 용융 금속의 침투를 촉진하기 위해 습윤제를 사용하고 있다. 상기 출원에서는 셀 라이너 또는 기판으로서의 음극 전류 공급체를 구비한 셀을 사용해서 전자획득에 의해 알루미늄을 생산한다. 용융 빙정석으로부터 기판을 보호하기 위해서, 셀의 작동 개시전이나 전해 공정에 의해 생성된 용융 알루미늄 내에 알루미나 기판을 침지시킴과 동시에 습윤제와 용해 억제제의 혼합물의 얇은 피복층을 상기 알루미나 기판에 도포한다. 습윤제로서는 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 실리콘, 마그네슘, 바나듐, 크롬, 니오븀, 또는 칼슘을 들고 있으며, 특히 티타늄이 바람직한 습윤제로 제시되어 있다. 또한 붕소, 탄소 및 질소의 화합물은 용융 알루미늄중에서의 습윤제의 용해도를 억제시키는데 유용하다고 기재되어 있다. 그러나, 상기 출원에는 금속기질 복합체의 제조방법이나, 예컨데 질소 가스체하에서의 복합체의 제조 방법에 대해서는 전혀 제시되어 있지 않다.

압력 및 습윤제를 사용하는 방법 이외에도 진공을 사용하면 용융 알루미늄을 다공성 세라믹 성형체내로 용이하게 침투시킬 수 있는 것으로 공지되어 있다. 예를 들면, 1973년 2월 27일자 미합중국 특허 제3,718,441호(R. L. 랜딩 햄)는, 10^-6토르 이하의 진공하에서 세라믹 압축 성형체(예, 탄화붕소, 알루미나 및 베릴리아(beryllia)에 용융 금속(예, 알루미늄, 베릴륨, 마그네슘, 티타늄, 바나듐, 니켈, 또는 크롬)을 침투시키는 방법을 설명하고 있다. 10^-2내지 10^-6토르의 진공하에서는 용융 금속의 세라믹의 기공 공간내로 자유롭게 유동할 수 없을 정도로 용융 금속에 의한 세라믹의 습윤이 불량하다. 그러나 진공이 10^-6토르 이하인 경우에는 습윤이 개선되는 것으로 기재되어 있다.

1975년 2월 4일자 미합중국 특허 제3,864,154호(G. E. 가자외 다수)도 침투를 달성하기 위해 진공을 사용하고 있다. 상기 특허에서는 냉간 압연된 알루미늄 분말층(bed)상에 AlB₁₂로 구성된 냉간 압연된 압축 성형체를 설치한다. 이어서 AlB₁₂분말 압축 성형체의 상부에 추가량의 알루미늄을 배치한다. 알루미늄 분말층 사이에 "개재된(sandwiched)" AlB₁₂압축 성형체를 담은 도가니를 진공로에 설치한다. 이 진공로를 약 10^-5토르로 진공화하여 탈기시킨다. 이어서 온도를 1,100℃로 상승시키고, 이 온도에서 3시간 동안 유지시킨다. 이러한 조건하에서 용융된 알루미늄은 다공성 AlB₁₂압축 성형체내로 침투된다.

1968년 1월 23일자 미합중국 특허 제3,364,976호(존 엔. 리딩외 다수)에는 성형체내로의 용융 금속의 침투를 촉진시키기 위해 자체 발생 진공을 형성하는 방법에 대한 개념이 기재되어 있다. 특히, 상기 특허에서는 성형체, 예를 들면, 흑연 금형, 스틸 금형, 또는 다공성의 내화 물질)를 용융 금속내에 완전히 침지시키는 방법을 개시하고 있다. 금형의 경우에, 용융 금속과의 반응성이 있는 기체가 충전되어 있는 금형의 공동부(cavity)는 금형내의 하나 이상의 구멍을 통해 금형 외측의 용융 금속과 연결된 상태로 된다. 상기 금형을 용융 금속내에 침지시키면, 금형 공동부내의 기체와 용융 금속 사이의 반응에 의해 자체 발생 진공이 형성됨에 따라 금형 공동부의 충전이 일어난다. 특히, 진공은 고형의 산화된 형태의 금속이 생성된 결과이다. 따라서, 금형 공동부내의 기체와 용융 금속 사이의 반응을 유발시키는 것이 중요하다. 그러나, 진공을 형성하기 위해 금형을 이용하는 기법은 금형의 사용과 관련된 고유의 한계 때문에 바람직하지 않다, 즉, 금형은 먼저 특정의 형태로 기계 가공한 다음, 마무리 가공하고, 금형상에 허용되는 캐스팅 표면을 형성하고, 사용하기 전에 조립하고, 사용후에는 캐스팅 부품을 제거하기 위해 금형을 분해하고, 분해한 후에는 재사용을 위해 금형을 재생해야 하며, 재생시에는 금형의 표면을 재가공하거나 금형이 더이상 사용 불가능한 경우에는 폐기 처분해야 하는 경우가 많다. 금형을 복잡한 형태로 기계 가공하기 위해서는 비용이 많이 들고 시간도 많이 소비된다. 또한, 이와 같이 복잡한 형태의 금형으로부터 성형된 부품을 제거해 내는 것도 매우 어렵다(즉, 캐스팅 부품의 형상이 복잡하므로 금형으로부터 제거해낼 때 부서지기 쉽다). 또한 금형을 사용하지 않고 다공성 내화 물질을 용융 금속내로 직접 침지시키는 기법도 제시되어 있으나, 이 경우에는 내화 물질을 일체형 부품으로 성형해 주어야 한다. 왜냐하면 용기형 금형을 사용하지 않고 저밀도 또는 분리된 다공성 물질을 침투시키기 위한 대안이 없기 때문이다(즉, 일반적으로 입자상의 물질은 용융된 금속에 배치될때 해리되거나 용융 금속으로부터 부유하는 것으로 생각된다). 또한 입자상 물질 또는 헐거운 상태로 형성된 예비성형체를 침투시키기 위해서는 용융 금속이 예비성형체의 적어도 일부를 변위시켜 불균일한 미세 구조를 형성하는 일이 없도록 상당한 주의가 필요하다.

따라서, 압력이나 진공(외부에서 가한것 또는 내부적으로 형성된 것)을 사용할 필요가 없거나, 세라믹 물질과 같은 다른 물질내에 매립된 금속 기질을 형성시키기 위한 습윤제를 사용할 필요가 없는 간단하고 신뢰성 있는 성형된 금속 기질 복합체 제조 방법이 요구된다. 또한 금속 기질 복합체를 제조하는데 필요한 최종 기계 가공을 최소화할 수 있는 기법이 오래전부터 요구되어 왔다. 본 발명은 이와 같은 요구에 부응하는 기법으로서, 제조 공정중의 적어도 일부의 시점에 침투 촉진제가 존재하는 한 대기하에, 침투 가스체(예, 질소 가스체)하에서 예비성형체로 성형된 물질(예, 세라믹 물질)에 용융 기질 금속(예, 알루미늄)을 침투시키기 위한 자발 침투 메카니즘을 제공한다.

본 출원은 본건과 함께 계류중이며 동 양수인에게 양도된 특허 출원의 주제와도 관련이 있다. 특히, 이들 계류중인 특허 출원들은 금속 기질 복합재료의 신규 제조방법(이하에서는 "공동 소유의 금속 기질 특허 출원들"로 언급하기도 함)을 개시하고 있다. 동 양수인에게 양도된 1987년 5월 13일자 미합중국 특허 출원 제049,171호(화이트외 다수; 발명의 명칭 "금속 기질 복합 재료의 신규한 제조방법")은 현재 특허 허여되었다. 이 출원의 방법에 따르면 약 1중량% 이상, 바람직하게는 약 3중량%이상의 마그네슘을 함유한 용융 알루미늄으로 투과성 충전재(예, 세라믹 재료 또는 세라믹 피복된 재료)를 침투시킴으로써 금속 기질 복합체를 제조한다. 침투는 외부로부터 압력이나 진공을 가하지 않은 상태에서 자발적으로 발생한다. 약 10내지 100부피%, 바람직하게는 약 50% 이상의 질소와 경우에 따라 비산화성 기체(예, 아르곤)를 함유한 잔여 기체의 존재하에서, 그리고 약 675℃ 이상의 온도에서, 용융 합금 공급원을 충전재와 접촉시킨다. 이러한 조건하에서 용융된 알루미늄 합금은 대기합하에서 세라믹체내로 침투되어 알루미늄(또는 알루미늄 합금) 기질 복합체를 형성한다. 목적하는 양의 용융된 알루미늄 합금이 충전재에 침투된 후에는 온도를 강하시켜 합금을 응고시켜서, 보강 충전재가 매립된 고형의 금속 기질 구조물을 형성시킨다. 용융된 합금의 공급원은 충전재의 경계까지 침투가 달성될 수 있도록 충분한 정도로 전달된다. 상기 출원 발명에 따르면, 제조된 알루미늄 기질 복합체내의 충전재의 양이 과도하게 많을 수도 있다. 이 점에 대해서, 충전재 대 합금의 부피비는 1 : 1 이상이 될 수 있다.

상기 특허 출원 제049,171호의 제조 공정 조건하에서 질화 알루미늄은 알루미늄 기질 전체에 걸쳐 불연속 상을 형성할 수 있다. 알루미늄 기질내의 질화물의 양은 온도, 합금의 조성, 기체의 조성 및 충전재 등과 같은 여러 인자의 변화에 따라 달라진다. 따라서, 위와 같은 인자들중 하나 이상의 인자를 제어함으로써 복합체의 특성을 조절할 수 있다. 그러나, 경우에 따라 최종 사용 목적을 위해 복합체내에 질화 알루미늄이 거의 또는 전혀 함유되지 않도록 하는 것이 바람직하다.

온도가 높아지면 침투가 촉진되지만, 질화물의 생성을 일으키는 경향이 더욱 크다, 상기 특허 출원 제049,171호에서는 침투 작용과 질화물의 생성이 균형을 이루도록 하고 있다.

마이클 케이. 아가자니안 등의 명의로 1988년 1월 7일자 출원된 "차단 수단(Barrier)를 이용한 금속 기질 복합체 제조 방법"이라는 명칭의 계류중이며 동 양수인에게 양도된 미합중국 특허 출원 제141,645호에는 금속 기질 복합체의 제조시 사용할 수 있는 적절한 차단 수단의 예가 기재되어 있다. 아가자니안 등이 방법에 따르면, 차단 수단(예, 티타늄 디보라이드 입자 또는 유니온 카바이드사에서 Grafoil

이라는 상품명으로 시판하는 가요성 흑연 테이프와 같은 흑연 재료)은 충전재의 정해진 표면 경계상에 배치되고, 기질 합금은 그 차단 수단에 의해 한정된 표면 경계까지 침투한다. 상기 차단 수단은 용융 합금의 침투의 진행을 차단, 방해 또는 종료시키는데 사용되어, 형성된 금속 기질 복합체가 그 최종형태, 또는 거의 최종적인 형태를 제공하도록 한다. 따라서, 형성된 금속 기질 복합체의 외형은 차단 수단의 내면의 형상과 거의 일치하게 된다.

"금속 기질 복합체 및 그 제조 방법"이라는 명칭의 미합중국 특허 출원 제049,171호는 미합중국 특허 출원 제168,284호(1988년 3월 15일, 마이클 케이. 아가자니안 및 마크 에스, 뉴커크)의 개량 발명이다. 이 방법에 따르면, 기질 금속 합금은 제1용융 금속 공급원으로서, 그리고 기질 금속 합금 저장원으로서 제공되며, 이 기질 금속의 합금 저장원은 예컨대 중력에 의해 제1용융 금속 공급원과 연결된다. 특히, 이 특허 출원에 개시되어 있는 조건하에서, 제1용융 기질 합금 공급원은 대기압하에서 충전재내로의 침투를 개시하여 금속 기질 복합체의 형성을 개시한다. 상기 제1용융 기질 합금 공급원은 충전재내로의 침투중에 완전히 고갈되므로, 필요한 경우 자발 침투가 계속될때 용융 기질 금속 저장원으로부터 연속적인 수단을 이용하여 재충전시킬 수 있다. 충전재가 용융 기질 금속에 의해 원하는 양만큼 자발 침투되면, 온도를 강하시켜 합금을 응고시키므로써, 보강용 충전재가 매립된 고형의 금속 기질 구조물을 형성한다. 이와 같이 금속 저장원을 사용하는 것은 상기 특허 출원의 한 실시예에 불과하며, 이 실시예를 상기 특허 출원의 다른 실시예와 병행할 필요는 없으나, 본 발명과 상기 특허 출원에 개시된 몇가지 실시예를 결합하여 사용하는 것이 유리할 수도 있다.

금속 저장원은 이 금속 저장원이 충전재의 소정 범위까지 충분히 침투할 수 있는 양으로 존재할 수 있다. 또한, 충전재의 적어도 한 측면에는 차단 수단을 접촉 설치하여 표면 경계를 한정할 수도 있다.

또한, 용융 기질 합금의 양은 이 합금이 충전재의 경계(예, 차단 수단)까지 자발 침투되기에 충분한 양으로 함과 동시에, 저장원내의 합금의 양은 침투를 완성시키는데 충분할 뿐 아니라 과잉의 용융 합금이 금속 기질 복합체에 부착되어 남아있을 수 있는 양으로 할 수 있다. 따라서, 과잉의 용융 합금이 금속 기질 복합체에 부착되어 남아 있게될 경우, 최종 생성물은 침투된 세라믹체가 저장원내에 남아 있는 과잉의 금속에 직접 결합된 기질 금속을 갖는 형태의 복잡한 복합체(예 : 거대복합체)가 될 것이다.

전술한 각각의 "금속 기질 특허 출원"에는 금속 기질 복합체 제조 방법 및 이 제조 방법에 의한 기질 복합체가 기재되어 있다. 본원 명세서에서는 전술한 바와 같은 "금속 기질 특허 출원"을 모두 참고 인용하였다.

금속 기질 복합체는 충전재 또는 예비성형체의 투과성 소재를 용융 기질 금속으로 자발적으로 침투시키므로써 제조된다. 그러나, 이러한 자발 침투 단계 이전에, 용융 기질 금속과 침투시키고자 하는 충전재 또는 예비성형체 사이에 게이팅 수단을 배치한다. 게이팅 수단은 용융 기질 금속과 투과성 충전재 또는 예비 성형체간의 접촉 면적을 조절하는 작용을 한다. 이와 같은 조절은 용융 기질 금속을, 예비성형체 또는 충전재의 바람직한 면적에 전달할 수 있고; 및/또는 예비성형체 또는 충전재와 기질 금속 잔류물간의 접촉을 감소시키므로써 예비성형체 또는 충전재의 뒤틀림 경향을 완화시키고; 및/또는 마무리 가공된 금속 기질 복합체를 생산하는데 필요한 표면 기계 처리량을 감소시키는데 이용할 수 있다.

제조 공정중의 적어도 일부의 시점에서, 충전재 또는 예비성형체는 침투 촉진제 및/또는 침투 촉진제 전구물질 및/또는 침투 가스체와 상호 작용하여 용융 기질 금속이 충전재 또는 예비성형체내로 자발적으로 침투될 수 있도록 한다.

본 발명의 바람직한 실시 양태에 있어서, 침투 촉진제는 충전재 또는 예비성형체, 및/또는 기질 금속 및/또는 침투 가스체중의 하나 이상의 물질에 직접 공급될 수 있다. 결국, 적어도 자발적인 침투단계 동안에는, 침투 촉진제가 충전재 또는 예비성형체의 적어도 일부에 유지되어야 한다.

게이팅 수단이 적어도 일부의 용융 기질 금속과 충전재 또는 예비성형체 사이에 배치되는 경우, 개선된 금속 기질 복합체를 얻을 수 있다. 적당한, 게이팅 수단으로서는, 통상 공정 조건하에서 용융 기질 금속에 의해 습윤될 수 없고; 및/또는 자발적 침투가 완료된 후에 침투된 충전재 또는 예비성형체와 접촉한 상태로 유지되는 기질 금속 잔류물의 제거를 촉진시킬 수 있는 물질을 들 수 있다. 알루미늄 기질 금속과 사용하기에 적합한 게이팅 수단의 예로는 단일의 구멍 또는 다수의 구멍 또는 통로를 함유하는 흑연 테이프 제품과 같은 흑연 재료를 들 수 있다. 구멍의 수, 구멍의 크기 및 구멍의 형상 등은 개선된 금속 기질 복합체를 얻기 위해 적당한 방법으로 조절할 수 있다.

본 발명에서는 금속 기질 복합체를 제조하는 동안 일부의 시점에서 주로 알루미늄 기질 금속을, 침투 가스체로서 작용하는 질소 가스체하에서 침투 촉진제 전구물질로서 작용하는 마그네슘과 접촉시키는 방법에 대해 논의하고 있다. 즉, 알루미늄/마그네슘/질소로 된 기질 금속/침투 촉진제 전구물질/침투 가스체 계는 자발 침투 작용을 나타낸다. 이러한 계에 사용하기 위한 적합한 게이팅 수단은 상표명 Grafoil

로서 Union Carbide에 의해 판매되는 흑연 테이프 제품과 같은 흑연물질을 포함한다. 그러나, 다른 기질 금속/침투 촉진제 전구물질/침투 가스체 계도 알루미늄/마그네슘/질소 계와 유사한 작용을 한다. 예를 들면, 유사한 자발성 침투작용은 알루미늄/스트론튬 질소 계; 알루미늄/아연/산소 계; 및 알루미늄/칼슘/질소 계에서도 관찰되었다. 따라서, 본 발명에서는 알루미늄/마그네슘/질소 계에 대하여 주로 설명하였으나, 다른 기질 금속/침투 촉진제 전구물질/침투 가스체 계도 유사하게 작용하며 본 발명의 범주에 포함됨에 유념하여야 한다. 기타 각각의 자발 침투 계에 사용하기 위해 적합한 게이팅 수단을 선택할 수 있다.

기질 금속이 알루미늄 합금으로 구성되는 경우, 알루미늄 합금은 충전재(예를 들면, 알루미나 또는 실리콘 카바이드) 또는 충전재를 포함하는 예비성형체와 접촉하며, 상기 충전재 또는 예비성형체는 마그네슘에 노출되는 공정중에 일부의 시점에서 서로 혼합된다. 또한 바람직한 실시예에서, 알루미늄 합금 및/또는 예비성형체 또는 충전재는 공정중 적어도 일부의 시점에서 질소 가스체에 함유된다. 예비성형체는 자발 침투되며 자발적인 침투 및 금속 기질의 형성 정도 또는 속도는 계(예를 들면, 알루미늄 합금 및/또는 충전재 또는 예비성형체 및/또는 침투 가스체)에 제공되는 마그네슘의 농도, 예비성형체 또는 충전재내 입자의 크기 및/또는 조성, 침투 가스체중 질소의 농도, 침투에 필요한 시간, 및/또는 침투가 일어나는 온도를 비롯한 공정 조건에 따라 달라질 것이다. 전형적으로, 자발적인 침투는 일반적으로 예비성형체 또는 충전재가 거의 완전히 매립되기에 충분할 정도로 일어난다.

본 명세서에서 "알루미늄"이라 본질적으로 함은 순수한 금속(예, 비교적 순수한 시판되는 비합금 알루미늄) 또는 철, 실리콘, 구리, 마그네슘, 망간, 크롬, 아연 등과 같은 합금 성분 및/또는 불순물을 함유한 시판되는 금속과 같은 여러가지 등급의 합금 및 금속을 의미한다. 이러한 정의에 따르면, 알루미늄 합금은 알루미늄을 주성분으로 하는 합금 또는 금속간 화합물이 된다.

"잔여량의 비산화성 기체"라 함은 제조 공정 조건하에서 기질 금속과 거의 반응하지 않는 불활성 기체 또는 환원성 기체로서, 침투 가스체를 포함하는 주요 기체 이외의 임의의 기체를 의미한다. 사용되는 기체(들)내에 불순물로서 존재하는 임의의 산화성 기체는 제조공정 조건하에서 기질 금속을 산화시키지 않을 정도로 유지해야 한다.

"차단제" 또는 "차단 수단" 이라 함은 용융 기질 금속이 충전재 또는 예비성형체 투과성 소재의 표면 경계를 초과하여 이동하는 것 등을 간섭, 억제, 방지 또는 종료시키는 임의의 적당한 수단을 의미하는 것으로서, 그 표면 경계는 차단 수단에 의해 한정된다. 적절한, 차단 수단으로는 공정조건하에서 그 형태를 유지할 수 있고 또한 거의 휘발성이 없는 임의의 물질, 화합물, 원소, 조성물 등을 선택할 수 있다(즉, 차단 수단 재료는 차단 수단으로서 작용하지 못할 정도까지는 휘발하지 않는다).

적절한 차단 수단에는 또한 이용된 공정 조건하에서 용융 기질 금속에 의해 거의 습윤되지 않는 물질이 포함된다. 이러한 종류의 차단 수단은 용융 기질 금속과의 친화력이 거의 없으며, 이 차단 수단에 의해 용융 기질 금속이 충전재 또는 예비성형체의 표면 경계를 초과하여 이동하는 것이 방지된다. 또한, 이 차단 수단을 사용하면 필요한 최종 기계 가공 또는 연삭 가공을 줄일 수 있고, 형성된 금속 기질 복합체의 적어도 일부의 표면을 형성하게 된다. 경우에 따라서는 차단 수단이 투과성 또는 다공성이거나, 또는 차단 수단에 드릴로 구멍을 만들거나 천공기로 천공하여 기질 금속이 기체와 접촉하도록 할 수도 있다.

"금속잔류물" 또는 "기질 금속 금속잔류물"이라 함은 금속 기질 복합체를 제조하는 동안 소모되지 않고, 통상적으로 냉각시킬 경우 형성된 금속 기질 복합체에 부분적으로 부착된 상태로 남아 있는 원래의 기질 금속체를 의미하는 것이다. 기질 금속 잔류물에는 제2금속 또는 이종 금속이 포함될 수 있다.

"충전재"라 함은 기질 금속과 반응하지 않는 물질 및/또는 기질 금속에 제한된 용해도를 갖는 물질로서, 단일 성분이거나 여러 성분들의 혼합물을 포함할 수 있으며, 단일의 상(single-phase) 또는 다상(多相, mlti-phase)으로 존재할 수 있다. 충전재는 분말 형태, 박편 형태, 박판 형태, 미소구 형태, 휘스커 형태, 기포 형태 등과 같이 다양한 형태로 제공할 수 있으며, 고밀도 또는 다공성 구조로 할 수 있다. "충전재"에는 또한 섬유 형태, 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 피복한 탄소 섬유와 같은 세라믹 피복 충전재가 포함된다. 또한 충전재는 금속을 포함할 수 있다.

본원에 사용된 "게이팅 수단"은 공정 조건하에서 다음과 같은 특성중 한가지 또는 이상의 특성을 나타내는 재료를 의미한다. (1) 침투시키고자 하는 충전재 또는 예비성형체에 비해 용융 기질 금속에 의해 거의 습윤될 수 없으며; (2) 기질 금속 잔류물과 침투된 금속 기질 복합체간의 결합 강도 및/또는 결합량을 감소시키는 특성을 발휘함으로써, (i) 기질 금속 잔류물과 제조된 금속 기질 복합체간의 차등 냉각 수축으로 인하여 기질 금속 잔류물에 의해 금속 기질 복합체에 전이된 응력(예를 들면, 뒤틀림)량을 개선하고; 및/또는 (ii) 기질 금속 잔류물과 제조된 금속 기질 복합체간의 감소된 접촉 면적 및/또는 기질 금속과 침투시키고자 하거나, 침투가 일어나는 예비성형체 또는 충전재간의 감소된 접촉 면적으로 인하여 제조된 금속기질 복합체의 표면에 대해 요구되는 기계 처리량을 감소시킨다.

"침투 가스체"라 함은 기질 금속 및/또는 예비성형체(또는 충전제) 및/또는 침투 촉진제 전구물질 및/또는 침투 촉진제와 상호 작용하는 가스체를 의미하는 것으로서 이 침투 가스체에 의해 기질 금속의 자발적 침투가 촉진된다.

"침투 촉진제"라 함은 충전재 또는 예비성형체내로의 기질 금속의 자발 침투를 촉진하는 물질을 의미한다. 침투 촉진제는, 예를 들면 침투 촉진제 전구물질과 침투 가스체 사이의 반응에 의해 (1) 기체종(gaseous species) 및/또는 (2) 침투 촉진제 전구물질과 침투 가스체 사이의 반응 생성물 및/또는 (3) 침투촉진제 전구물질과 충전재 또는 예비성형체 사이의 반응 생성물을 형성시키므로써 생성될 수 있다. 또한, 직접 침투 촉진제를 예비성형체 및/또는 기질 금속 및/또는 침투 가스체중 하나 이상에 공급할 수 있으며, 이는 침투 촉진제 전구물질과 기타의 물질 사이에 반응에 의해 생성된 침투 촉진제와 동일한 기능을 한다. 결국, 적어도 자발 침투단계중에는 침투 촉진제를 충전재 또는 예비성형체의 적어도 일부에 가하여 자발 침투를 달성하도록 해야 한다.

"침투 촉진제 전구물질" 이라 함은 이 물질을 기질 금속, 예비성형체 및/또는 침투 가스체와 함께 사용했을 때, 충전재 또는 예비성형체내로의 기질 금속의 자발적인 침투를 촉진하는 침투 촉진제를 생성하는 물질을 의미한다. 어떤 이론이나 설명을 고수하려는 의도는 아니지만, 침투 촉진제 전구물질은 침투 가스체 및/또는 예비성형체 또는 충전재 및/또는 금속과 반응할 수 있는 위치에 설치, 배치 또는 이송 가능할 필요가 있다. 예를 들면, 기질 금속/침투 촉진제 전구물질/침투 가스체 계에 있어서, 침투 촉진제 전구물질이 기질 금속이 용융되는 온도에서, 그 부근에서, 또는 경우에 따라서는 다소 더 높은 온도에서 휘발하는 것이 바람직하다. 이와 같이 침투 촉진제 전구물질이 휘발하게 되면, (1) 기질 금속에 의한 충전재 또는 예비성형체의 습윤을 촉진시키는 물질인 기체종을 생성하기 위한 침투 촉진제 전구물질과 침투 가스체 사이의 반응; 및/또는 (2) 적어도 일부의 충전재 또는 예비성형체내에 습윤을 촉진시키는 고체, 액체 또는 기체상에 침투 촉진제를 생성하기 위한 침투 촉진제 전구물질과 침투 가스체 사이의 반응; 및/또는 (3) 적어도 일부의 충전재 또는 예비성형체내에 습윤을 촉진시키는 고체, 액체 또는 기체 상의 침투 촉진제를 생성하는 충전재 또는 예비성형체 내부에서의 침투 촉진제 전구물질의 반응이 발생한다.

"기질 금속" 또는 "기질 합금"이라 함은 금속 기질 복합체를 생성하는데 사용되는 금속(예, 침투전의 금속) 및/또는 충전재와 혼합되어 금속 기질 좁합체를 생성하는 금속(예, 침투후의 금속)을 의미한다. 특정의 금속을 기질 금속으로 선택했을 때, 이와 같은 기질 금속은 순수한 금속, 불순물 및/또는 합금 성분을 함유한 시판되는 금속, 그 금속을 주성분 또는 주요 성분으로 하는 금속간 화합물 또는 합금을 모두 포함하는 것으로 이해해야 한다.

"기질 금속/침투 촉진제 전구물질/침투 가스체 계" 또는 "자발성 계(spontaneous system)"라 함은 예비성형체 또는 충전재내로의 자발적인 금속 침투를 일으키는 물질의 조합을 의미한다. 기질 금속, 침투 촉진제 전구물질 및 침투 가스체 사이에 사용한 "/"은 특정의 방식으로 조합되었을 때, 예비성형체 또는 충전재내로 자발 침투를 일으키는 계 또는 물질의 조합을 표시하기 위한 것이다.

"금속 기질 복합체(Metal Matrix Composite(MMC))"라 함은 예비성형체 또는 충전재를 매립하고 있는, 2차원 또는 3차원적으로 연속된 합금 또는 기질 금속을 포함하는 재료를 의미한다. 완성된 복합체에 원하는 기계적 및 물리적 특성을 부여하기 위해서는 상기 기질 금속에 여러가지 합금 성분을 포함시킬 수도 있다.

"기질 금속과 다른 금속"이라 함은 기질 금속의 성분과 동일한 금속을 주요 성분으로 함유하지 않는 금속을 의미한다.(예를 들면 알루미늄을 기질 금속으로 선택한 경우 "기질 금속과 다른 금속"은 예컨대 니켈을 주성분으로 할 수 있다".

"기질 금속을 수용하는 비반응성 용기"라 함은 공정 조건하에서 충전재(또는 예비성형체) 및/또는 용융 기질 금속을 수용 또는 함유할 수 있고, 또한 기질 금속 및/또는 침투 가스체 및/또는 침투 촉진제 전구 물질 및/또는 충전재(또는 예비성형체)와는 자발 침투 메카니즘에 유의의 악영향을 미치는 방식으로는 반응하지 않는 용기를 의미한다.

"예비성형체" 또는 "투과성 예비성형체"라 함은 기질금속의 침투에 대한 경계를 실질적으로 한정하는 하나 이상의 표면을 갖도록 제조된 다공성 충전재를 의미하는 것으로서, 이러한 예비성형체의 소재는 기질 금속에 의해 침투되기 전에 차수 안정성을 제공하기 위해 충분한 형태 보전성과 미처리 강도를 유지한다. 또한 상기 예비성형체는 기질 금속에 의한 자발 침투를 허용할 수 있도록 충분한 다공성을 가져야 한다. 예비성형체는 통상 충전재가 균일한 상태로 또는 불균질한 상태로 결합된 배열을 포함하며, 적절한 물질(예, 세라믹 및/또는 금속의 입자, 분말, 섬유, 휘스커 등, 및 이들의 배합물)을 포함할 수 있다. 또한 상기 예비성형체는 일체형으로 또는 조립체로 존재할 수 있다.

"저장원"이라 함은 금속이 용융되었을 때, 유동하여 충전재 또는 예비성형체와 접촉하는 기질 금속의 부분, 단편 또는 공급원을 보충하거나, 경우에 따라서는 초기에 제공되어 차후에 이들을 보충하는 충전재 또는 예비성형체에 대해 배치된 별도의 기질 금속체를 의미한다. 또한, 이 저장원은 기질 금속과는 다른 적어도 일부의 금속을 공급할 수도 있다.

"자발 침투"라 함은 외부에서 가한 것이든 내부에서 형성된 것이든 압력이나 진공을 사용할 필요없이 기질 금속이 충전재 또는 예비성형체의 투과성 소재내로 자발적으로 침투되는 현상을 의미한다.

본 발명은 게이팅 수단을 이용하여 충전재 또는 예비성형체내로 용융된 기질 금속의 자발적 침투를 제어 또는 조절함으로써 금속 기질 복합체를 제조하는 방법에 관한 것이다. 특히, 용융 기질 금속은 게이팅 수단을 통과한 후 충전재 또는 예비성형체에 자발적으로 침투된다. 게이팅 수단은 용융 기질 금속과 투과성 충전재 또는 예비성형체 사이에 배치될 수 있으며 용융 기질 금속으로 하여금 게이팅 수단내에 한정된 적어도 하나의 통로를 통해 충전재 또는 예비성형체내로 선택적으로 자발 침투되도록 하는 물질을 포함한다. 즉, 게이팅 수단은 용융 기질 금속과 투과성 충전재 또는 예비성형체간의 접촉 면적을 조절하는 작용을 한다. 적당한 게이팅 수단으로는 공정 조건하에서 용융 기질 금속에 의해 습윤되지 않고; 및/또는 자발적 침투가 완료된 후 침투된 충전재 또는 예비성형체와 접촉된 상태로 유지되는 기질 금속 잔류물의 제거를 촉진할 수 있는 물질을 들 수 있다.

게이팅 수단(하기에 상세히 설명됨)내에 제공된 통로(들)은 적합한 갯수 또는 구조를 가질 수 있다. 예를 들면, 게이팅 수단은 균일한 간격으로 배치된 복수개의 통로 또는 단일의 통로를 구비할 수 있다. 게이팅 수단의 두께는 (1) 기질 금속 잔류물과 제조된 금속 기질 복합체 사이에 존재하는 냉각 응력을 흡수하고, 및/또는 (2) 기질 금속 잔류물과 제조된 금속 기질 복합체간의 결합 강도 및/또는 결합량을 감소시키는데 충분해야 한다. 또한, 게이팅 수단내에 통로(들)를 적당히 배치함으로써, 게이팅 수단을 이용하여 기질 금속의 충전재 또는 예비성형체내로의 불규칙한 침투를 조절할 수 있다. 게이팅 수단의 디자인과 위치를 적당히 선택한 후, 투과성 예비성형체 또는 충전재를 용융된 기질 금속에 의해 자발적으로 침투시킬 수 있다.

자발 침투를 달성하기 위해서, 침투 촉진제 및/또는 침투 촉진제 전구물질 및/또는 침투 가스체는 공정중 적어도 일부의 시점에서 충전재 또는 예비성형체와 상호 작용하여, 게이팅 수단을 통해 용융 기질 금속을 충전재 또는 예비성형체에 자발적으로 침투시킬 수 있다. 특히, 기질 금속을 충전재 또는 예비성형체에 자발 침투시키기 위해서는, 침투 촉진제가 자발 침투 계에 제공되어야 한다. 침투 촉진제는 (1) 기질 금속에; 및/또는 (2) 충전재 또는 예비성형체에; 및 또는 (3) 침투 가스체로부터 및/또는 (4) 외부 공급원으로부터 자발 침투 계에 제공될 수 있는 침투 촉진제 전구물질로부터 형성될 수 있다. 또한, 침투 촉진제 전구물질을 공급하기 보다는, 침투 촉진제는 충전재 또는 예비성형체, 및/또는 기질 금속, 및/또는 침투 가스체중 하나 이상의 물질에 직접 공급될 수 있다. 결국, 적어도 자발 침투되는 동안에는, 침투 촉진제가 충전재 또는 예비성형체의 적어도 일부에 존재해야 한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 예비성형체가 용융 기질 금속과 접촉함과 거의 동시에 또는 그전에 충전재 또는 예비성형체의 적어도 일부에서 침투 촉진제를 형성시킬 수 있도록 침투 촉진제 전구물질은 침투 가스체와 적어도 부분적으로 반응할 수 있다(예를 들면, 침투 촉진제 전구물질로서 마그네슘을 사용하고, 침투 가스체로서 질소를 사용하는 경우, 예비성형체 또는 충전재의 적어도 일부에 존재하는 질화 마그네슘이 침투 촉진제가 될 수 있다.).

기질 금속/침투 촉진제 전구물질/침투 가스체 계의 일례로서 알루미늄/마그네슘 질소 계를 들 수 있다. 특히, 알루미늄 기질 금속은, 공정 조건하에서 알루미늄이 용융될 때, 알루미늄 기질 금속 및/또는 충전재와 반응하지 않는 적절한 내화용기내에 함유될 수 있는 충전재내에 매립할 수 있다. 마그네슘을 함유하거나 마그네슘에 노출되고, 공정중 적어도 일부의 시점에서 질소 가스체에 노출되는 충전재는 용융된 알루미늄 기질 금속과 접촉될 수 있다. 그 후 기질 금속은 충전재 또는 예비성형체에 자발적으로 침투될 것이다.

또한, 침투 촉진제 전구물질을 첨가하지 않고, 예비성형체(또는 충전재) 및/또는 기질 금속 및/또는 침투 가스체중 하나 이상의 물질에 직접 침투 촉진제를 공급할 수도 있다. 궁극적으로는, 적어도 자발적 침투 단계중에는 침투 촉진제가 충전재 또는 예비성형체의 적어도 일부에 존재해야 한다.

본 발명의 제조 방법에서 사용한 처리 조건하에서 자발 침투계가 알루미늄/마그네슘/질소 계인 경우, 제조 공정중의 일부의 시점에서 충전재 또는 예비성형체내로 질소함유 기체를 투과 또는 침투시키고, 및/또는 용융 기질 금속과 접촉시킬 수 있도록 상기 예비성형체 또는 충전재는 충분한 투과성을 가져야 한다. 또한, 충전재 또는 예비성형체는 용융 기질 금속의 침투를 수용할 수 있으며, 이로써 질소가 침투되어 있는 충전재 또는 예비성형체에 용융 기질 금속이 자발적으로 침투하여 금속 기질 복합체를 형성시키고 및/또는 질소를 침투 촉진제 전구물질과 반응시켜 충전재 또는 예비성형체내에 침투 촉진제를 형성함으로써 자발적 침투 반응을 일으키게 된다. 자발적 침투의 정도 또는 속도와 금속 기질 복합체의 형성 정도는 알루미늄 합금내의 마그네슘 함량, 예비성형체 또는 충전재내의 마그네슘 함량, 예비성형체 또는 충전재내의 질화 마그네슘의 함량, 추가의 합금 원소(예, 실리콘, 철, 구리 망간, 크롬, 아연 등)의 존재 여부, 충전재의 평균 치수(예, 입도), 충전재 또는 예비성형체의 표면 상태 및 그 종류, 침투 가스체중의 질소의 농도, 침투 시간 및 침투 반응이 일어나는 온도 등과 같은 일련의 처리 조건에 따라 달라진다. 예를 들면 용융된 알루미늄 기질 금속의 침투를 자발적으로 일으키기 위해서는 알루미늄에 약 1중량% 이상(합금의 중량을 기준으로 함)의 마그네슘, 바람직하게는 약 3중량% 이상의 마그네슘을 합금시킬 수 있으며, 마그네슘은 침투 촉진제 전구체의 역할을 한다. 기질 금속에는 그 특성 성질을 개질하기 위해 전술한 바와 같은 보조합금 원소를 포함시킬 수 있다. 또한, 보조적인 합금 원소들은 기질 알루미늄 금속의 충전재 또는 예비성형체내로의 자발 침투를 일으키기 위해 요구되는 마그네슘의 최소량에 영향을 미칠수도 있다. 예를 들면, 마그네슘이 존재하지 않아서 침투 촉진제를 형성시킬 수 없을 정도까지, 예를 들면 휘발에 기인하여 자발 침투계로부터 마그네슘이 손실되지 않아야 한다. 따라서, 자발 침투가 휘발에 의해 악영향을 받지 않도록, 조기에 충분한 양의 합금 원소를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 충전재 또는 예비성형체 및 기질 금속 모두, 또는 충전재 또는 예비성형체중 단 하나에 마그네슘이 존재하면 자발 침투를 달성하는데 요구되는 마그네슘의 양을 감소시킬 수 있게 된다.(이에 대해서는 후술한다.)

질소 가스체내의 질소의 부피% 또한 금속 기질 복합체의 생성 속도에 영향을 미친다. 특히, 질소 가스 체내에 약 10부피% 이하의 질소가 함유되어 있으면 자발 침투가 매우 늦게 일어나거나 거의 일어나지 않게 된다. 약 50부피% 이상의 질소가 함유되어 있으면 침투 속도가 매우 빨라져서 침투에 소요되는 시간이 짧아지는 것으로 밝혀져 있다. 침투 가스체(예, 질소 함유 기체)는 충전재 또는 예비성형체 및/또는 기질 금속에 직접 공급될 수 있으며, 또한 물질의 분해에 의해 생성될 수도 있다.

용융 기질 금속이 충전재 또는 예비성형체내로 침투하는데 요구되는 최소 마그네슘 함량은 처리 온도, 시간, 실리콘, 또는 아연과 같은 보조 합금 원소의 존재 여부, 충전재의 특성, 자발 계를 구성하는 하나 이상의 성분내의 마그네슘의 존재, 침투 가스체내의 질소의 함량 및 질소 가스체의 유동 속도 등과 같은 하나 이상의 변수에 좌우된다. 합금 및/또는 예비성형체의 마그네슘 함량이 증가함에 따라 보다 낮은 온도 및 더 짧은 가열 시간을 사용하여 자발적인 침투를 완결할 수 있다. 또한. 주어진 마그네슘 함량에 대해서, 아연과 같은 특정한 보조 합금 원소를 첨가하면 보다 낮은 온도를 사용할 수도 있다. 예를 들면, 기질 금속의 마그네슘의 함량이 약 1 내지 3중량%인 경우에도, 최소 처리 온도 이상의 온도, 높은 질소 농도, 또는 하나 이상의 보조 합금 원소와 같은 인자중 적어도 하나의 인자와 함께 사용할 수 있다. 충전재 또는 예비 성형체에 마그네슘을 전혀 첨가하지 않은 경우, 약 3 내지 5중량%의 마그네슘을 함유한 합금을 사용하는 것이 광범위한 처리 조건을 적용할 수 있다는 점에서 바람직하며, 보다 낮은 온도 및 보다 짧은 시간을 이용한 경우에는 약 5% 이상의 마그네슘을 함유한 합금을 사용하는 것이 바람직하다. 침투에 필요한 온도 조건을 조절하기 위해서는 알루미늄 합금의 중량의 약 10중량%를 초과하는 양의 마그네슘을 사용할 수도 있다. 보조 합금 원소와 함께 사용하는 경우에는 마그네슘의 함량을 줄일 수도 있으나, 이들 보조 합금 원소는 단지 보조적인 기능만을 할 뿐이며, 적어도 전술한 최소량의 마그네슘과 함께 사용된다. 예를 들면, 10%의 실리콘이 합금된 액면상 순수한 알루미늄은 1,000℃의 온도하에서 500메쉬의 39크리스톨론(Crystolon)(노르톤 컴패니에서 시판하는 99% 순도의 실리콘 카바이드)으로 구성된 층(bedding)내로 거의 침투되지 않는다. 그러나 마그네슘의 존재하에서 실리콘은 침투 반응을 촉진시킨다는 사실이 밝혀졌다. 또 하나의 예로서, 마그네슘을 예비성형체 또는 충전재에만 공급하면 마그네슘의 양이 변화하게 된다. 첨가된 총 마그네슘중 적어도 일부가 예비성형체 또는 충전재에 위치하면 자발 침투계에 보다 적은 양의 마그네슘을 공급하여도 자발 침투 반응이 일어난다는 사실이 밝혀졌다. 완성된 금속 기질 복합체내에 원하지 않는 금속간 화합물이 생성되는 것을 방지하기 위해서는 보다 적은 양의 마그네슘을 사용하는 것이 바람직하다. 약 1중량% 이상의 마그네슘을 함유한 실리콘 카바이드로 된 예비성형체의 경우, 거의 순수한 질소 가스체 하에서 상기 예비성형체를 알루미늄 기질 금속과 접촉시키면 상기 기질 금속이 예비성형체내로 자발적으로 침투되는 것으로 밝혀졌다. 알루미나 예비성형체의 경우, 허용되는 자발 침투를 일으키는데 요구되는 마그네슘의 양은 다소 많다. 특히, 실리콘 카바이드 예비성형체내로 침투되는 알루미늄과 동일한 온도와 동일한 질소 가스체하에서 알루미늄 기질 금속과 접촉시키는 경우, 전술한 실리콘 카바이드 예비성형체내로의 알루미늄 기질 금속의 침투와 유사한 침투 정도를 달성하는데 약 3중량% 이상의 마그네슘이 필요한 것으로 밝혀졌다.

또한, 기질 금속이 예비성형체 또는 충전재내로 침투하기 전에 함금의 표면 및/또는 예비성형체 또는 충전재의 표면 및/또는 예비성형체 또는 충전제의 내부에 자발 침투계의 침투 촉진제 전구물질 및/또는 침투 촉진제를 첨가하는 것도 가능하다(다시 말해서, 침투 촉진제 또는 침투 촉진제 전구물질을 기질 금속에 합금시킬 필요없이, 단순히 자발 침투계에 공급해도 된다). 기질 금속의 표면상에 마그네슘을 첨가하는 경우 기질 금속의 표면은 충전재에 가장 인접한 표면, 바람직하게는 충전재의 투과성 소재와 접촉한 표면이거나; 마그네슘을 예비성형체 또는 충전재의 적어도 일부에 혼합시킬 수 있다. 또한, 예비성형체의 표면에 마그네슘을 첨가하는 방법과 함께, 예비성형체에 마그네슘을 합금시키는 방법 및 충전재의 적어도 일부에 마그네슘을 설치하는 방법 등을 조합한 마그네슘 첨가 방법도 사용할 수 있다. 침투 촉진제(들) 및/또는 침투 촉진제 전구물질(들)을 첨가하기 위한 이와 같이 조합된 방법에 의하면 충전재내로의 기질 알루미늄 금속의 침투를 촉진시키는데 요구되는 총 마그네슘의 양이 감소되며, 또한 보다 낮은 온도에서 침투반응이 일어날 수 있다. 또한, 마그네슘의 존재에 기인하여 생성되는 원하지 않은 금속간 화합물의 양도 최소화된다.

보조의 합금 원소 및 가스체 기체중의 질소의 농도 또한 주어진 온도하에서 기질 금속의 질화의 정도에 영향을 준다. 예를 들면, 아연 또는 철과 같은 보조 합금 원소를 합금내에 포함시키거나 합금의 표면상에 가해주면 침투 온도가 감소되고, 이로써 질화물의 생성량이 감소되는 반면, 가스체 기체내의 질소의 농도를 감소시키면 질화물의 생성이 촉진될 수 있다.

합금내의 마그네슘의 농도 및/또는 합금의 표면상에 첨가한 마그네슘의 농도 및/또는 예비성형체 또는 충전재와 결합시킨 마그네슘의 농도는 주어진 온도하에서 침투의 전도에 영향을 준다. 따라서, 마그네슘이 예비성형체 또는 충전재와 거의 접촉하지 않을 경우, 합금내의 마그네슘의 농도는 약 3중량% 이상인 것이 바람직하다. 만일 마그네슘의 농도가 3중량% 미만, 예로써, 1중량%이면 침투를 달성하는데 보다 높은 처리 온도 또는 보조 합금 원소가 필요할 수 있다. (1) 합금내의 마그네슘 함량이 예컨대 약 5중량% 이상까지 증가하는 경우; 및/또는 (2) 합금 성분을 예비성형체 또는 충전재와 혼합한 경우; 및/또는 (3) 알루미늄 합금내에 아연 또는 철과 같은 다른 원소가 존재하는 경우에는 본 발명의 자발 침투 반응을 일으키는데 요구되는 온도가 낮아질 수 있다. 또한, 충전재의 종류가 달라지면 자발 침투 반응 온도가 달라진다. 일반적으로는 약 675℃ 이상의 온도에서, 바람직하게는 약 750 내지 800℃ 이상의 온도에서 자발적이고도 점진적인 침투반응이 일어난다. 통상 온도가 1,200℃를 초과하면 침투 반응이 불리하고, 특히 유용한 침투 반응의 온도 범위는 약 675 내지 1,200℃의 범위로 밝혀졌다. 그러나, 일반적으로 자발 침투 온도는 기질 금속의 융점이상의 온도이되 기질 금속의 기화 온도 이하의 온도 범위이어야 한다. 또한, 자발 침투 온도는 충전재의 융점이하의 온도로 해야한다. 온도가 높아짐에 따라 기질 금속과 침투 가스체 사이에서 반응 생성물이 생성되는 경향이 증가한다.(예를 들면, 기질 금속으로서 알루미늄을 사용하고, 침투 가스체로서 질소를 사용하는 경우, 질화 알루미늄이 생성될 수 있다) 이와 같은 반응 생성물은 제조된 금속 기질 복합체의 사용 목적에 따라 바람직한 경우도 있고 바람직하지 않은 경우도 있다. 또한, 침투 온도를 얻기 위해 전기 저항 가열방식을 사용하기도 한다. 그러나, 기질 금속을 용해시킬 수 있고, 자발 침투에 악영향을 주지 않는 한 어떠한 가열 방식을 사용해도 무방하다.

본 발명의 방법에서는, 예를 들면, 투과성이 있는 예비성형체 또는 충전재를 질소-함유 기체의 존재하에서 제조 공정중의 적어도 일부의 시점에서 용융 알루미늄과 접촉시킨다. 질소-함유 기체는 예비성형체 또는 충전재 및/또는 용융 알루미늄 기질 금속중 하나 이상과 계속해서 접촉하여 연속적인 유동 상태를 유지시키므로써 공급할 수 있다. 질소함유 기체의 유속은 비록 중요한 사항은 아니지만, 합금 기질내에서 질화물이 생성됨에 기인한 가스체로부터의 질소의 손실을 보상할 수 있을 정도의 충분한 유속으로, 그리고 용융 금속에 대한 신화작용을 가질 수 있는 공기의 혼입을 방해할 수 있을 정도의 충분한 유속인 것이 바람직하다.

본 발명의 금속 기질 복합체의 제조 방법은 여러가지 종류의 충전재에 적용할 수 있으며, 충전재는 기질 합금, 처리 조건, 용융 기질 합금의 충전재에 대한 반응성, 기질 금속에 대한 충전재의 적합 성능, 원하는 최종 복합체 제품의 특성 등과 같은 여러가지 인자에 따라 다양하게 선택할 수 있다. 예를 들면, 알루미늄이 기질 금속인 경우의 적절한 충전재료는 (a) 산화물(예, 알루미나), (b) 탄화물(예, 실리콘 카바이드), (c) 붕화물(예, 알루미늄 도데 카보라이드), 및 (d) 질화물(예, 질화 알루미늄) 등을 들 수 있다. 충전재가 용융 알루미늄 기질 금속과 반응하는 경향이 있는 경우에는 침투 시간 및 침투 온도를 최소화하거나 충전재상에 비반응성 피복층을 제공함으로써 상기 반응을 방지할 수 있다. 충전재는 기질이 침식 또는 변성되지 않도록 세라믹 피복층을 가진 탄소 또는 비세라믹 물질과 같은 기질을 포함한다. 적절한 세라믹 코팅 물질로서는 산화물, 탄화물, 붕화물 및 질화물이 포함된다. 본 발명의 제조방법에 적합한 세라믹에는 입자 형태, 박판 형태, 휘스커 형태 및 섬유 형태의 알루미나 및 실리콘 카바이드가 포함된다. 섬유는(절단 형태로) 불연속이거나 멀티필라멘트 토우와 같이 적조된 매트 및 연속적인 필라멘트 형태일 수 있다. 또한, 충전재는 균질이거나 또는 비균질일 수 있다.

어떤 종류의 충전재는 유사한 화학 조성을 가진 다른 충전재에 비해 침투성이 우수하다. 예를 들면, 1987년 12월 15일자 발행된 "신규 세라믹 재료 및 이의 제조 방법"이란 명칭의 미합중국 특허 제4,713,360호(마크 에스. 뉴커크외 다수)에 개시된 방법에 의해 제조된 분쇄된 알루미나는 시판되는 알루미나 제품에 비해 바람직한 침투성을 나타낸다. 또한, "복합 세라믹 제품 및 이의 제조 방법"이란 명칭의 미합중국 특허 출원 제819,397호(마크 S. 뉴키르크외 다수)에 기재되어 있는 방법에 의해 제조된 분쇄 알루미나는 시판되는 알루미나 제품에 비해 우수한 침투성을 나타낸다. 특히, 상기 미합중국 특허 및 특허 출원의 방법에 의해 제조된 분쇄된 알루미나를 사용하므로써, 보다 낮은 침투 온도 및/또는 보다 낮은 침투 시간에서 세라믹 또는 세라믹 복합 재료의 투과성 소재의 침투가 완료될 수 있는 것으로 밝혀져 있다.

충전재의 크기 및 형상에 따라 완성된 복합체의 특성 및 기질 금속에 대한 적합성이 달라진다. 그러므로, 충전재의 형상에 의해 침투 반응이 제한을 받는 것은 아니므로 충전재는 입자 형태, 휘스커 형태, 박판형태, 섬유 또는 혼합물 형태를 취할 수 있다. 이밖에도 구 형태, 세관(tubule) 형태, 펠릿 형태, 내화 섬유의 직물 형태 등도 사용할 수 있다. 또한, 큰 입자에 비해 작은 입자로 된 소재가 그 침투의 완료에 더 높은 온도와 긴 시간이 필요할 수 있다. 또한, 충전재(예비성형체로 성형한 것)는 투과성이 있어야 하며, 즉, 충전재는 용융 기질 금속과 침투 가스체에 대해 투과성이 있어야 한다.

용융 기질 금속을 예비성형체 또는 충전재내로 침투 또는 이동시킴에 있어 압력을 사용하지 않는 본 발명의 금속 기질 복합체 제조 방법에 의하면 충전재의 부피 분율이 높고 다공성이 낮은 거의 균일한 금속 기질 복합체를 제조할 수 있다. 다공성이 낮은 충전재 원료 및 다양한 입자 크기를 갖는 혼합물을 사용하고, 다양한 크기의 입자들을 혼합하여 약 50% 이상 정도로 더 높은 충전재의 부피 분율을 얻을 수 있다. 또한, 용융 합금에 의한 침투를 방해할 정도로 완전한 고밀도의 구조물로, 또는 최밀 셀 다공성을 가진 압축성형체로 충전재 소재를 전환시키지 않는한, 충전재를 압축성형 또는 고밀도화시킴으로써 부피 분율이 높은 충전재를 얻을 수 잇다.

알루미늄의 침투 및 세라믹 충전재 주위에서의 기질의 형성에 있어서, 알루미늄 기질 금속에 의한 세라믹 충전재의 습윤은 침투 메카니즘에서 중요한 역할을 한다는 것이 밝혀졌다. 또한, 낮은 처리 온도에서는 무시할 수 있을 정도이거나 소량의 금속의 질화 반응이 일어나서, 금속 기질내에 분산된 소량의 질화 알루미늄의 불연속 상이 형성된다. 반대로, 침투 온도가 상한 온도에 접근함에 따라 금속의 질화가 더욱 용이하게 발생하게 된다. 따라서, 침투 온도를 변화시켜 주면 금속 기질내의 질화물 상의 양을 조절할 수 있다. 또한, 질화물이 생성되는 온도는 사용한 기질 알루미늄 합금, 충전재 또는 예비성형체의 부피에 대한 기질 알루미늄 합금의 양, 침투시키고자 하는 충전재, 및 침투 가스체내의 질소의 농도 등과 같은 인자에 따라 달라진다. 예를 들면, 주어진 처리 온도하에서 충전재에 대한 알루미늄 합금의 습윤 능력이 감소할수록, 그리고 침투 가스체중의 질소 농도가 증가할수록 알루미늄 질화물의 생성 정도는 증가하는 것으로 생각된다.

그러므로 복합체의 제조중에 금속 기질의 조도를 조절하므로써 완성된 복합체에 특정의 성질을 부여할 수 있게 된다. 주어진 계에 있어서, 질화물의 생성을 제어하도록 처리 조건을 선택할 수 있다. 질화 알루미늄 상을 함유한 복합체 제품은 제품의 성능에 유리하거나 그 성능을 향상시킬 수 있는 우수한 특성을 가진다. 또한, 알루미늄 합금의 자발 침투를 위한 온도 범위는 사용한 세라믹 재료에 따라 달라진다. 충전재로서 알루미나를 사용한 경우, 질화물의 유의의 생성에 기인하여 기질 금속의 연성이 감소되지 않도록 침투 온도는 약 1,000℃를 초과해서는 안된다. 그러나, 연성은 약하지만 강성(stiffness)이 우수한 기질을 가진 복합체를 제조하고자 하는 경우에는 1,000℃를 초과하는 침투 온도를 사용할 수 있다. 충전재로서 실리콘 카바이드를 사용하고, 기질 금속으로서 알루미늄을 선택한 경우에는 약 1,200℃의 고온을 사용할 수 있는데, 이는 충전재로서 알루미나를 사용한 경우보다는 실리콘 카바이드를 사용한 경우가 알루미늄 합금의 질화정도가 작기 때문이다.

또한, 충전재에 대한 침투 반응의 완성 및/또는 제1기질 금속과 다른 조성의 제2기질 금속의 공급을 위해 기질 금속 저장원을 사용할 수 있다. 특히, 경우에 따라서는 제1기질 금속과 그 조정이 다른 제2기질 금속을 사용하는 것이 바람직할때도 있다. 예를 들면, 알루미늄 합금을 제1기질 금속으로서 사용한 경우, 처리온도에서 용융상태인 다른 금속 또는 다른 합금을 제2기질 금속으로서 사용할 수 있다. 일반적으로 용융금속들은 서로에 대해 혼화성이 있는 경우가 많아서 혼합이 일어나기에 적절한 시간동안 방치해 두면 서로 혼합되는 성질이 있으므로 제1기질 금속의 공급원과 제2기질 금속 저장원의 혼합이 일어난다. 따라서, 제1기질 금속의 공급원과 조성이 다른 금속 저장원을 사용하므로써 여러가지 사용 목적에 부합되도록 금속 기질을 개질할 수 있고, 따라서 완성된 금속 기질 복합체를 개질할 수 있다.

본 발명에서는 차단 수단을 사용할 수도 있다. 특히, 본 발명에서 사용하기에 적합한 차단 수단은 용융기질 합금(예, 알루미늄 합금)이 충전재의 소정의 표면경계를 초과하여 유동, 이동 등을 하는 것을 간섭, 억제, 방지 또는 중단할 수 있는 임의의 수단일 수 있다. 적절한 차단 수단으로서는 본 발명의 처리 조건하에서 그 형태를 유지할 수 있고, 휘발하지 않으며, 바람직하게는 처리에 사용된 기체에 대해 투과성이 있을뿐 아니라, 충전재의 소정의 표면 경계를 초과하여 계속적으로 침투하거나 기타 다른 종류로 이동하는 것을 국소적으로 억제, 종료, 간섭, 방지할 수 있는 임의의 물질, 화합물, 원소, 조성물 등을 들 수 있다.

적절한 차단 수단에는 이용된 처리 조건하에서 유동하는 용융 기질 합금에 의해 거의 습윤될 수 없는 물질이 포함된다. 이러한 종류의 차단 수단은 용융 기질 금속에 대한 친화력을 거의 나타내지 않으므로 충전재의 소정의 표면 경계를 초과하는 용융 기질 금속의 침투는 차단 수단에 의해 방지 또는 억제된다. 또한, 차단 수단을 사용하면 금속 기질 복합체에 요구되는 최종 기계 가공이나 연속 가공의 필요성을 감소시킬 수 있다. 전술한 바와 같이, 기체가 용융 기질 합금과 접촉할 수 있도록 차단 수단은 투과성 또는 다공성이거나 천공에 의해 투과성이 부여되는 것이 바람직하다.

특히, 알루미늄 기질 합금에 대한 적당한 차단 수단은 탄소를 함유한 차단 수단이며, 특히 탄소의 결정질 동소체인 흑연을 함유한 차단 수단이다. 흑연은 처리 조건하에서 용융 알루미늄 합금에 의해 습윤되지 않으며, 특히 바람직한 흑연으로서는 유니온 카바이드사의 상표명 Grafoil

로 시판되는 흑연 테이프를 들 수 있다. 상기 흑연 테이프는 용융 알루미늄 합금이 충전재의 소정의 표면 경계를 초과하여 이동하는 것을 방지해주는 차단 특성을 발휘한다. 상기 흑연 테이프는 내열성 또한 우수하며 화학적으로 불활성이다. 또한, 상기 Grafoil

흑연 테이프는 가요성 및 탄력성이 있다. 이는 차단 수단에 맞도록 임의의 다양한 형상으로의 성형이 가능하다. 그러나, 슬러리 또는 페이스트 형태의 흑연 차단 수단을 사용할 수도 있으며, 경우에 따라서는 충전재의 경계상에, 그리고 그 주위에 박막 형태로 흑연 차단 수단을 도포할 수도 있다, Grafoil

흑연 테이프를 사용하는 것이 바람직한 이유는 이것이 가요성의 흑연 시트로서 충전재의 주위에 쉽게 설치할 수 있기 때문이다. 사용시, 종이 형상의 흑연을 충전재 주위에 간단히 형성한다.

본 발명은 차단 수단 및 게이팅 수단으로서 Grafoil

시이트를 사용하였다. 그러나, 게이팅 수단은 적어도 기질 금속과 예비성형체 각각에 대해 배치되므로 차단 수단과는 구별된다. 특히 차단 수단은 침투후, 충전재 또는 예비성형체내의 용융 기질 금속의 최종적인 이동을 한정하는 반면, 게이팅 수단은 기질 금속의 침투전 및 침투 도중에 기질 금속과 충전재 또는 예비성형체의 접촉량 및/또는 위치를 제어할 수 있다. 또한 게이팅 수단은 차단 수단과 게이팅 수단의 양자로서 작용할 수 있다. 예를 들면, 용융 기질 금속이 게이팅 수단을 통과한 후, 용융 기질 금속은 게이팅 수단의 배면과 접촉할 때까지 충전재 또는 예비성형체에 침투할 수 있다(예를 들면, 침투는 게이팅 수단이 충전재 또는 예비성형체와 활성적으로 접촉하는 지점까지 일어날 수 있다).

질소중의 알루미늄 금속 기질 합금에 대해 바람직한 그밖의 차단 수단에는 전이 금속 붕화물(예, 티타늄 디보라이드(TiB₂))가 있는데, 이 물질은 이용된 처리조건하에서 용융 알루미늄 합금에 의해 습윤될 수 없다. 그러나 이러한 종류의 차단 수단을 사용하는 경우, 처리온도는 약 875℃를 초과하지 않아야 하며, 만일 이 온도를 초과하면 차단 수단이 비효율적으로 되며, 실제로 온도가 상승함에 따라 차단 수단내로의 침투도 발생하게 된다. 상기 전이금속 붕화물은 전형적으로 입자형태(1-30미크론)이며, 이는 세라믹 충전재(바람직하게는, 예비성형체로 성형됨)의 투과성 소재의 소정의 표면 경계에 슬러리 또는 페이스트 상태로 도포할 수 있다.

질소 가스체하에서의 알루미늄 기질 합금에 대해 유용한 그밖의 차단 수단에는 충전재의 외면상에 박막 또는 층상으로 설치되는 휘발성이 낮은 유기 화합물이 포함된다. 질소 가스체하에서, 특히 본 발명의 처리 조건하에서 가열되면, 상기 유기 화합물은 분해되어 탄소 박막이 남는다. 상기 유기 화합물은 도장법, 분무법, 침지법 등과 같은 통상의 기법을 이용하여 도포할 수 있다.

또한, 충전재의 침투 속도보다 더 느린 속도로 입자상 재료의 침투가 일어나는 한 미세하게 분쇄한 미립자 물질도 차단 수단으로 사용할 수 있다.

차단 수단은 정해진 표면경계를 차단 수단의 층으로 포장하는 등의 임의의 적절한 방법으로 설치할 수 있다. 차단 수단의 층은 도장법, 침지법, 실크스크린법, 증착법, 액상도포법, 슬러리도포법, 페이스트도포법, 기화성 차단 수단의 스퍼터링법, 고체입자 형태의 차단 수단의 층의 부착법, 고체 박막 형태의 차단 수단을 정해진 표면 경계상에 부착시키는 방법 등의 방법으로 설치할 수 있다. 이와 같은 차단 수단을 설치한 경우, 용융 기질 금속이 정해진 표면 경계에 도달하여 차단 수단과 접촉하면 자발 침투는 중지된다.

이하에서는, 실시예에 의거하여 본 발명을 다양하게 설명한다. 그러나 하기 실시예들은 설명을 목적으로 하는 것이며 첨부된 특허청구의 범위에 의해 정하여지는 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.

실시예 1

제1도는 본 발명에 의한 금속 기질 복합체를 제조하는데 사용할 수 있는 조립체의 횡단면도이다. 특히, 기질 금속(5)는 게이팅 수단(3)을 통해 예비성형체(2)로 자발 침투된다. 약 2×2×2인치 크기의 Grafoil

박스(1)을 조립하였다. 박스(1)을 제조하는데 사용된 Grafoil

은 0.015인치 두께의 Union Carbide제 가요성 흑연 테이프 제품이다. 약 2×2×1/2인치 크기의 예비성형체(2)를 박스(1)에 놓았다. 예비성형체(2)는 약 12부피%가 절단된 알루미나 섬유(알루미나 섬유중 적어도 90%중량% du Pont Company 제 Fiber FP이다)로 구성되며 알루미나 섬유는 콜로이드질 알루미나와 함께 결합되어 있다. 콜로이드질 알루미나/섬유 중량비는 약 1/4이며 예비성형체 부피의 잔량은 연속된 기공으로 구성된다. 게이팅 수단(3)은 Grafoil

박스(1)내의 예비성형체(2)의 상부에 직접 배치된다. 게이팅 수단(3)은 천공된 5개의 구멍(30)(예를 들면, 통로)을 가지는 또 다른 Grafoil

시이트로 구성된다. 게이팅 수단(3)은 Grafoil

박스(2)에 흑연 분말과 콜로이드성 실리카의 혼합물을 도포함으로써 접합부(4)를 따라 밀봉된다. 알루미늄 합금(5)는 박스(1)내의 게이팅 수단(3) 상부에 직접 배치된다. 알루미늄 합금(5)는 약 10.5%의 Mg, 4%의 Zn, 0.5%의 실리콘, 0.5%의 구리로 구성되며 나머지는 알루미늄이다. 알루미늄 합금(5)는 2개의 주괴(ingot)에 제공되며, 이 주괴는 각각 약 1×7/8×1/2인치의 크기를 가진다. 주괴(5)와 예비성형체(2)를 함유하는 Grafoil

박스(1)은 Norton 제24그릿, 38Alundum의 알루미나 층(7)로 부분 충전된 흑연 보트(6)내에 배치된다. 흑연 보트(6)은 여기에 함유된 혹연 박스(1)과 대략 동일한 높이까지 충전된다. 층(7)의 주요한 목적은 Grafoil

박스(1)을 지지하기 위한 것이다.

제1도의 조립체를 함유하는 흑연 보트(6)은 제어된 가스체의 전기 저항로(예를 들면 1×10^-4토르로 강압시킨 진공로)에 장착된다. 이 로는 질소로 다시 충전한 후 약 200℃까지 가열하여 로내의 환경을 소기한다. 이어지는 가열 및 침투중, 질소는 1분당 약 2ℓ의 비율로 진공로를 통과한다. 이 로는 약 5시간 동안 약 700℃의 온도까지 가열된다. 이 온도는 약 20시간동안 유지되며, 이 시점에서 로를 주위 온도까지 자연적으로 냉각시킨다.

로가 냉각된 후, 보트(6)과 그 내용물을 로에서 제거한다. 알루미늄 합금의 잔류물은 햄머(hammer)와 끌(chisel)을 사용해서 예비성형체로부터 제거한다. 특히, 제3도에 도시된 바와 같이, 금속 기질 복합체(20)은 기질 금속에 의해 거의 완전히 침투된다. 기질 금속의 잔류물은 제조된 금속 기질 복합체(20)으로부터 용이하게 분리된다. 금속 기질 복합체(20)과 기질 금속 잔류물(21)상의 원형 영역(23)은 게이팅 수단(3)의 통로(30)에 해당한다. 기질 금속 잔류물(21)과 금속 기질 복합체(20)간의 면적 접촉은 최소이기 때문에 용이하게 분리된다. 더우기, 게이팅 수단(3)과 접촉되어 있는 금속 기질(20)의 표면은 모래 분사되어 나머지 Grafoil을 제거하므로, 최종 형태와 근사한 금속 기질 복합체가 얻어진다.

실시예 2

제2도는 본 발명에 의한 금속 기질 복합체를 제조하는데 사용된 조립체의 횡단면도이다. 특히, 약 12×6×0.3인치의 크기를 가지는 Grafoil

박스(8)을 제조했다, 약 12×6×0.3인치 크기의 예비성형체(9)를 박스(8)내에 놓았다. 예비성형체(9)는 약 40.3부피%의 연속 알루미나 섬유(알루미나 섬유중 적어도 90중량%가 du Pont Company 제 Fiber FP이다)로 구성된다. 알루미나 섬유는 실리콘 피복되며 0°/90°배향된 4부피%의 섬유와 함께 결합된다. Grafoil

게이트 수단(10)은 예비성형체(9) 위에 직접 배치되며 실시예 1에서 설명된 바와 같은 방식으로 Grafoil 박스(8)에 밀봉된다. 그러나, 이 실시예에서 게이팅 수단(10)은 약 5인치×1인치 크기의 단일 사각형 개구(開口, opening)(31)만을 가진다. 약 1700g의 중량과 약 10.5중량%의 Mg를 가지는 알루미늄 합금 주괴(11)은 박스(8)내의 Grafoil

시이트 게이팅 수단(10)의 상부에 직접 배치된다. 합금(11)은 알루미늄 합금이 용융될 때 게이팅 수단(10)을 통해 예비성형체(9) 내로 자발적으로 유동되도록 배치된다. 또한, 2개의 스테인레스 스틸 막대(12)가 Grafoil

게이팅 수단(10)의 각 단부에 배치되지만, 알루미늄 합금(11)과는 접촉되지 않는다. 막대(12)는 자발 침투중에 게이팅 수단(10)을 적소에 보호유지하는 역할을 한다. Grafoil

박스(8)은 흑연 보트(14)내에 배치된다. 24 그릿 Alundum으로 된 층(13)은 실시예 1에서 설명된 바와 같은 방식으로 박스(8) 주위에 배치된다.

이어서 흑연 보트(14)는 진공로에 배치되며 실시예 1에서 설명된 바와 같이 정화된다. 이어지는 가열 및 침투 단계중에, 질소는 1분당 약 2.5ℓ의 비율로 진공로를 통과한다. 이 진공로는 약 5시간에 걸쳐 약 725℃로 가열된다. 이 온도는 약 45시간 동안 유지되며, 그 후로는 작동 중지되어 자연적으로 냉각된다. 흑연 보트를 로에서 제거하고, 합금 잔류물은 실시예 1에서 설명된 바와 같이 예비성형체로부터 제거한다. 특히, 제4도에 도시된 바와 같이, 금속 기질 복합체(40)은 기질 금속에 의해 거의 완전히 침투된다. 기질 금속의 잔류물(41)은 2개의 복합체를 멀리 잡아당겨서, 제조된 금속 기질 복합체(40)으로부터 용이하게 분리시킨다. 두 복합체상의 사각형 영역(42)는 용융 기질 금속이 통과하여 유동할 수 있는 게이팅 수단(10)내의 통로(31)에 대응한다.

각 실시예에서, Grafoil

박스와 게이팅 수단은 필요에 따라서 경량의 모래 또는 그릿을 분사시킴으로써 용이하게 제거된다. 그러나, 나머지 가공 물질들을 제거하기 위해 가볍게 연마, 에칭 등을 할 필요가 있는 경우도 있다.

상기 두 실시예는 본 발명의 2가지 장점을 설명하는 것이다. 특히, 예비성형체 내로의 금속 기질 합금의 자발 침투가 일어난 후, 기질 금속의 잔류물을 이들을 금속 기질 복합체로부터 분리하기 위해 기계 처리할 필요가 없다. 또한 게이팅 수단은 냉각시에 금속 기질 복합체의 뒤틀림을 방지한다. 특히, 기질 금속 잔류물 내의 알루미늄은 제조된 금속 기질 복합체보다 높은 열팽창 계수를 가진다. 따라서, 금속 잔류물이 냉각됨에 따라 침투된 복합체보다 높은 비율로 수축되며, 금속 잔류물이 형성된 금속 기질 복합체와 직접 접촉하는 경우 금속 잔류물은 복합체를 굴곡시키거나 왜곡시키는 경향이 있다(예를 들면, U자형이 된다).

본 발명의 게이팅 수단은 전술한 바와 같은 바람직하지 않은 각각의 문제점들을 완화시키기 위한 해결책을 제공한다.

이상은 특정 실시예에 의거하여 본 발명을 설명하였으나, 상기 실시예들은 다양하게 변경 가능하며, 이러한 변경예들도 본 발명의 특허 청구의 범위내에 포함된다.

Claims (7)

1. 비반응성인 충전재를 제공하는 단계; 용융된 기질 금속 공급원을 제공하는 단계; 상기 충전재와 용융된 기질 금속의 공급원 사이에 게이팅 수단을 삽입시키는 단계; 및 충전재의 적어도 일부에 용융된 기질 금속을 자발적으로 침투시키는 단계를 포함하여 금속 기질 복합체를 제조하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 적어도 일부의 침투 기간동안 충전재 및 기질 금속중 하나 이상과 상호 작용하는 침투 가스체를 제공하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
3. 제2항에 있어서, 침투 촉진제 전구물질 및 침투 촉진제중 하나 이상을 기질 금속, 충전재 및 침투 가스체중 하나 이상에 공급하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 충전재가 예비성형체를 포함하는 방법.
5. 제1항에 있어서, 충전재의 표면 경계를 차단 수단에 의해 한정하는 단계를 추가로 포함하여, 기질 금속을 차단 수단까지 자발적으로 침투시키는 방법.
6. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 게이팅 수단이 상기 자발적으로 침투된 충전재와 기질 금속 잔류물의 차등 냉각으로 인한 뒤틀림을 감소시키기에 충분한 두께를 갖는 방법.
7. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 게이팅 수단이 시이트 물질내에 단일의 구멍 또는 복수개의 구멍을 갖는 천공된 흑연 시이트 물질을 포함하는 방법.

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