KR0148341B1

KR0148341B1 - 거대 복합체의 제조방법 및 그 거대 복합체

Info

Publication number: KR0148341B1
Application number: KR1019890014479A
Authority: KR
Inventors: 케보크 아가자니안 마이클; 로빈 켄네디 크리스토퍼; 스코트 내겔버그 알란; 제임스 위너 로버트; 스티븐스 뉴커크 마크; 레이 화이트 데니
Original assignee: 마이클 제이. 홀린스; 랜자이드 테크놀로지 컴패니 엘피
Priority date: 1988-11-10
Filing date: 1989-10-10
Publication date: 1998-11-02
Also published as: NO177583B; DK559789D0; IL91724A0; TR27147A; NZ231079A; DE68919652D1; NO893994L; BR8905761A; EP0369931A1; DE68919652T2; CN1042497A; JP2905525B2; CN1064289C; AU649561B2; JPH02240229A; FI91496C; PT92261A; EP0369931B1; IE893187L; CA2000790C

Abstract

내용 없음.

Description

거대 복합체의 제조 방법 및 그 거대 복합체

제1도는 실시예 1에 의해 제조된 거대 복합체를 생성시키기 위해 사용되는 조립물의 횡단면도.

제2도는 실시예 1에 의해 생성된 거대 복합체의 횡단면 사진.

제3도는 실시예 2의 거대 복합체를 제조하기 위해 사용되는 조립물의 횡단면도.

제4도는 알루미나 내화 용기와 실시예 2에 의해 제조된 금속 기질 복합체 사이의 계면을 보여주는 광학 현미경 사진.

제5도는 실시예 2에 의해 제조된 금속 기질 복합체의 미세 구조를 고배율로 확대한 광학 현미경 사진.

제6도는 실시예 3의 거대 복합체를 제조하기 위해 사용되는 조립물의 횡단면도.

제7도는 실시예 3에 의해 제조된 거대 복합체의 횡단면을 보여주는 사진.

제8도는 실시예 4의 거대 복합체를 제조하기 위해 사용되는 조립물의 횡단면도.

제9도는 실시예 4에 의해 제조된 거대 복합체의 횡단면을 보여주는 사진.

제10도는 실시예 5의 거대 복합체를 제조하기 위해 사용되는 조립물의 횡단면도.

제11도는 실시예 5에 의해 제조된 거대 복합체의 횡단면의 광학 현미경 사진.

제12도는 실시예 6의 거대 복합체를 제조하기 위해 사용되는 조립물의 횡단면도.

제13도는 실시예 6에 의해 제조된 거대 복합체의 횡단면 사진.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

2 : 잉곳 4 : 예비형체

6 : 알루미나 내화 용기 12 : 과다잔류 기질 금속

14 : 기질 금속 잉곳 18 : 알루미나 내화 용기

20 : 경계면 26 : 알루미늄 나이트라이드

32 : 알루미나판 44 : 금속 기질 복합체

46 : 세라믹 판 54 : 흑연 내화 용기

70 : 세라믹 필터의 기공 72 : 라인

76 : 알루미나 용기 75 : 경계면

78 : 금속 기질 복합체 88 : 금속 기질층

90 : 금속 기질 복합체

본 발명은 투과 가능한 충전재 덩어리 또는 예비형체를 용융 기질 금속으로 자발적 용침시키고 자발적 용침된 물질을 하나 이상의 제2물질(예:세라믹 및/또는 금속)에 접합시키므로써 거대 복합체를 제조하는 방법에 관한 것이다. 특히, 용침 촉진제 전구체 및/또는 용침 촉진제 전구체 및/또는 용침 분위기(atmosphere)는 공정 중 적어도 몇 지점에서 충전재 또는 예비형체와 상호 작용하게 되는데, 이에 의해 용융 기질 금속이 충전재 또는 예비형체를 자발적으로 용침시키게 된다. 또한, 용침전, 충전재 또는 예비형체를 제2물질의 일부분이상에 접촉시키므로써 충전재 또는 예비형체의 용침 후 상기 용침된 물질이 제2 물질에 결합하여 거대 복합체를 형성하도록 한다.

금속 기질과 보강상(reinforcing phase)(예:세라믹 입자, 휘스커, 섬유 등)을 포함한 복합체는 그 용도가 매우 광범위한데, 그 이유는 이 복합체는 강성 및 내마모성을 가지는 보강상과, 연성 및 인성을 가지는 금속 기질의 복합체이기 때문이다. 일반적으로, 금속 기질 복합체는 강도, 강성, 접촉 마모내성, 고온 강도 유지성 등과 같은 특성이 단일체 형태의 기질 금속에 비해 우수하며, 그 특성의 우수성 정도는 주로 특정 성분, 특정 성분의 체적 또는 중량 분율 및 복합체 제조시 특정 성분의 가공 방법에 따라 달라진다. 어떤 경우에는, 복합체의 중량이 기질 금속자체의 중량 보다도 가벼워질 수도 있다. 실리콘 카바이드(예:입자 형태, 작은 판 형태 또는 휘스커 형태)와 같은 세라믹으로 보강시킨 알루미늄 기질 복합체는 알루미늄에 비해 강성, 내마모성 및 고온 강도 등이 우수하므로 관심의 대상이 된다.

알루미늄 기질 복합체를 제조하기 위한 여러 가지 야금 방법이 공지되어 있는데, 예를 들면, 분말 야금법 및 액체-금속 용침법이 있다. 액체 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 압연 및 소결하거나, 또는 열간 압연시키는 방법이다. 이 분말 야금법에 의해 제조된 알루미늄 기질 복합체(실리콘 카바이드로 보강시킨 것)의 최대 세라믹 체적 분율은 보강재가 휘스커 형태인 경우에 약 25체적%이고, 보강재가 입자 형태인 경우에 약 40체적%임이 보고되어 있다.

종래의 분말 야금법을 이용하여 금속 기질 복합체를 제조하면 수득되는 제품의 특성이 여러 가지로 제한된다. 에를 들면, 복합체내의 세라믹상(입자 형태인 경우)의 체적 분율이 통상적으로 약 40%로 제한되는가 하면, 압연 공정에 의해 얻어지는 제품의 치수에도 제한이 있다. 또한 후속 가공(예:성형 또는 기계 가공)이나 복잡한 압연 장치의 도움 없이는 비교적 단순한 형태의 제품밖에는 생산할 수가 없다. 또한, 압축체(compact)내의 분리 및 입자 성장 때문에 미세 구조가 불균일해지는가 하면, 소결 작업시 불균일한 수축이 발생하기도 한다.

미합중국 특허 제 3,970,136호(1976. 7.20. 제이. 씨. 카넬 등에게 특허 허여됨)에는 섬유 보강재(예:실리콘 카바이드 또는 알루미나 휘스커)를 혼입하여 소정의 섬유 배향 패턴을 가지는 금속 기질 복합체의 제조 방법이 기재되어 있다. 이 복합체는, 용융 기질 금속(예:알루미늄) 공급원을 구비한 금형내에 공평면(coplanar) 섬유의 평행한 매트(mat) 또는 펠트를 적어도 일부의 매트 사이에 설치한 다음, 용금이 상기 매트내로 침투하고 상기 배향된 보강 섬유를 둘러싸도록 압력을 가하여 제조한다. 용금을 매트 적층체상에 주입시킴과 동시에, 매트 사이로 유동하도록 압력을 가할 수도 있다. 이 복합체내의 보강 섬유의 하중량은 약 50체적% 이하로 보고되어 있다.

전술한 용침 공정에서는 섬유 매트 적층체로 용융 기질 금속을 강제 용침시키기 위해 외부에서 압력을 가해주므로 압력 변화에 따른 유동 공정의 변화에 의해 불균일한 기질 또는 불균일한 기공등이 형성될 수 있다. 용금을 섬유 매트내의 여러 위치에서 도입시키더라도 불균일한 성질이 얻어질 수 있다. 따라서, 섬유 매트 적층체내에 용금이 충분하고 균일하게 침투하도록 하기 위해서는 복잡한 매트/용금 공급원의 배열 및 복잡한 용금 유동로가 제공될 필요가 있다. 또한 이와 같은 가압 용침법에서는 매트의 체적이 커지면 용금의 용침이 어려워지기 때문에 기질에 대한 보강재의 체적 비율이 비교적 낮아야만 용침된다는 문제점이 있다. 또한 가압하에서 금형내에 용금을 주입시켜야 하므로 공정에 드는 비용이 증가하는 문제가 있다. 더구나, 전술한 방법은 보강 입자나 보강 섬유가 규칙적으로 배열되었을 때에만 용침이 가능하므로 불규칙하게 배향된 형태의 물질(입자, 휘스커 또는 섬유)로 보강된 알루미늄 금속 기질 복합체는 제조할 수 없다.

알루미늄 기질-알루미나 충전재의 복합체를 제조하는 경우, 알루미늄이 알루미나를 용이하게 습윤화(wetting)시키지 못하므로 응집성(coherent)이 있는 제품을 생산하기 어렵다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 여러가지 방법이 제안되어 있는데, 그중 하나의 해결 방법으로서 알루미나를 금속(예:니켈 또는 텅스텐)으로 코팅한 다음, 알루미늄과 함께 열간 압연시키는 것을 들 수 있으며, 다른 하나의 방법은 알루미늄을 리튬과 합금시키고, 알루미나를 실리카로 코팅시키는 것이다. 그러나, 이런 방법으로 제조한 복합체는 그 특성이 일정하지 않거나, 코팅 물질이 충전재의 특성을 해치거나, 알루미늄과 합금된 리듐이 기질의 특성에 악영향을 끼치는 수가 있다.

미합중국 특허 제 4,232,091호(알. 더불유. 그림쇼 등)는 상기한 알루미늄 기질-알루미나 복합체 제조시의 몇가지 문제점을 해소한 것으로서, 이 특허에서는 700-1,050℃의 온도로 예열시킨 알루미나 섬유 매트나 알루미나 휘스커 매트내로 용융 알루미늄(또는 용융 알루미늄 합금)을 75-375㎏/㎠의 압력으로 강제로 용침시키고 있다. 그 결과 제조된 고형 주조내의 알루미나 대 금속의 최대 체적 비율은 0.25/1이다. 이 특허에서도 용침을 위해 외력이 필요하므로 전술한 미합중국 특허 제 3,970,136호의 문제점과 동일한 문제점이 존재한다.

유럽 특허 출원 공개 번호 제 115,742호에는 예비형체인 알루미나 기질의 공극내에 용융 알루미늄을 충전시킴에 의해 전해조의 부품으로 특히 유용한 알루미늄-알루미나 복합체를 제조하는 방법이 기재되어 있다. 위 출원에서는 알루미나가 알루미늄에 의해 습윤화되지 않는다는 사실을 강조하고 있고, 이에 따라 알루미나 예비형체를 습윤화시키기 위한 여러 가지 기술을 사용하고 있다. 예를 들면, 티타늄, 지르코늄, 하프늄 또는 니오븀 등의 디보라이드와 같은 습윤제나 리튬, 마그네슘, 칼슘, 티타늄, 크롬, 철, 코발트, 니켈, 지르코늄 또는 하프늄과 같은 금속으로 알루미나를 코팅시키는 것을 들 수 있다. 또한, 습윤화를 촉진시키기 위해 아르곤과 같은 불활성 분위기도 사용한다. 위 특허 출원에서는 또한 코팅되지 않은 기질내로 용융 알루미늄을 용침시키기 위해 압력을 가해주게 되는데, 이 경우의 용침은 기공을 비우고(evacuating) 불활성 분위기(예:아르곤 기체)하에서 용융 알루미늄에 압력을 가함에 의해 달성된다. 다른 방법으로는, 예비형체의 표면을 증기상 알루미늄 용착에 의해 습윤화한 후, 용융 알루미늄으로 용침시켜 예비형체내의 기공을 충전시켜 예비형체를 용침시킬 수도 있다. 알루미늄이 예비형체의 기공내에 확실하게 유지되도록 하기 위해서는 진공 또는 아르곤 분위기하 에서의 열처리(예:1,400-1,800℃의 온도)가 필요하다. 이와 같은 열처리를 하지 않은 경우, 가압용침된 물질을 기체에 노출시키거나 용침 압력을 제거하게 되면 용침된 예비형체로부터 알루미늄이 유실된다.

유럽 특허 출원 공개 번호 제94353호에서도 전해조내의 알루미나 성분내로 용금을 용침시키기 위해 습윤제를 사용하고 있다. 위 출원에서는 전해조 라이너 또는 전해조 기판으로서의 음극 전류 공급체를 구비한 전해조에서 전해 채취에 의해 알루미늄을 생산한다. 용융 빙정석으로부터 전해조 기판을 보호하기 위해서, 전해조의 조업 개시전이나 전해 공정에 의해 생성된 용융 알루미늄내에 알루미나 기판을 침지시킴과 동시에 습윤제와 용해 억제제의 혼합물로 위 알루미나 기판을 얇게 코팅한다. 습윤제로서는 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 실리콘, 마그네슘, 바나듐, 크롬, 니오븀, 또는 칼슘을 들고 있으며, 특히 티타늄이 바람직한 습윤제로 되어 있다. 또한, 붕소, 탄소 및 질소의 화합물은 용융 알루미늄에 대한 습윤제의 용해도를 억제시키는데 유용하다고 기재되어 있다. 그러나, 상기 출원에는 금속 기질 복합체의 제조나 예로써 질소 분위기하에서의 복합체 제조에 대한 기재가 전혀 제시되어 있지 않다.

압력 및 습윤제를 사용하는 방법 이외에도 진공을 사용하면 용융 알루미늄을 다공성 세라믹 압축체내로 용이하게 침투시킬 수 있는 것이 알려져 있다. 예를 들면, 미합중국 특허 제 3,718,441호(1973. 2.27. 알. 엘. 랜딩햄에게 특허 허여)에서는 10^-6torr 이하의 진공하에서 세라믹 압축체(예:탄화붕소, 알루미나 및 베릴리아(beryllia)에 용금(예:알루미늄, 베릴륨, 마그네슘, 티타늄, 바나듐, 니켈, 또는 크롬)을 용침시키고 있다. 10^-2-10^-6torr의 진공하에서는 용금이 세라믹 압축체의 기공내로 자유롭게 유동할 수 없을 정도로 용금에 의한 세라믹 압축체의 습윤화가 불충분하지만 진공이 10^-6torr 이하인 경우에는 습윤화가 향상된다고 기재하고 있다.

미합중국 특허 제 3,864,154호(1975. 2.4. 지. 이. 가자등에서 특허 허여됨)도 용침을 달성하기 위해 진공을 사용하고 있다. 이 특허에서는 냉간 압연된 알루미늄 분말층(bed)상에 AlB₁₂분말로 구성된 냉간 압연 압축체를 설치하고, 이어서 AlB₁₂분말 압축체의 상부에 알루미늄을 추가로 설치한다. 알루미늄 분말층 사이에 매개(sandwich)된 AlB₁₂압축체를 담은 도가니를 진공로에 설치한 다음, 이 진공로를 약 10^-5torr로 진공화하여 기체를 방출시킨다. 이어서 온도를 1,100℃로 승온시키고, 이 온도에서 3시간 동안 유지시킨다. 이러한 조건하에서 용융 알루미늄은 다공질 AlB₁₂압축체 내로 용침된다.

미합중국 특허 제 3,364,976호(1968. 1.23. 존 엔. 레딩 등에게 특허 허여됨)에는 성형체내로의 용금의 용침을 촉진시키기 위한 성형체내 자체 발생 진공의 생성에 대한 개념이 기재되어 있다. 특히, 위 특허에서는 성형체(예:흑연 금형, 강철 금형, 또는 다공질의 내화 물질)를 용금내에 완전히 침지시키고 있는데, 금형을 사용하는 경우, 용금과 반응하는 기체로 충전되어 있는 금형의 공동부(cavity)는 금형내의 하나 이상의 구멍을 통해 금형 외측의 용금과 소통 상태가 된다. 위 금형을 용금내에 침지시키면 금형 공동부내의 기체와 용금 사이의 반응에 의해 자체 발생 진공이 형성되기 때문에 금형 공동부가 충전된다. 특히, 진공은 고체 금속 산화물이 생성된 결과 형성된 것이다. 따라서, 이 특허는 금형 공동부내의 기체와 용금 사이의 반응을 유발시키는 것이 중요하다고 기재하고 있다. 그러나, 진공을 형성하기 위해 금형을 이용하는 기술은 금형의 사용에 관련된 고유한 한계 때문에 바람직하지 않다. 금형은 먼저 특정의 형태로 기계 가공된 다음, 마무리되고 금형상에 허용 가능한 주조 표면을 형성하기 위해 가공된 후 금형으로서 사용되기 전에 조립되고, 사용후에는 주물을 제거하기 위해 분해되고, 재사용을 위해 재생되어야 하며 재생시 금형의 표면을 재가공하거나 금형을 더 이상 사용 불가능한 경우에는 폐기 처분해야 한다. 금형을 복잡한 형태로 기계 가공하기 위해서는 비용이 많이 들고 시간도 많이 소비되며, 이같이 복잡한 형태의 금형으로부터 성형된 주물을 제거하는 것도 매우 어렵다(즉, 주물의 형상이 복잡하므로 금형으로부터 제거할 때 깨지기 쉽다.). 또한 금형을 사용하지 않고 다공질 내화 물질을 용금내로 직접 침지시키는 기법도 제시되어 있으나, 이 경우에는 위 내화 물질이 하나의 덩어리여야 한다. 그렇게 하지 않으면 내화 물질의 입자들이 하나 하나 분리되거나 용금의 상부로 떠오르게 되는 문제가 있다. 또한, 입자로 구성된 물질 또는 느슨하게 형성된 예비형체를 용침시키기 위해서는, 용금에 의해 입자 물질 또는 예비형체의 적어도 일부가 유실되어 불균일한 미세 구조가 되지 않도록 상당한 주의가 필요하다.

따라서, 압력이나 진공을 사용할 필요가 없는, 그리고 세라믹 물질과 같은 다른 물질을 매립시키는 금속 기질을 생성시키기 위한 손상성(damaging) 습윤제를 사용할 필요가 없는 간단하고 재현성 있는 성형 금속 기질 복합체 제조 방법 및 제조된 금속 기질 복합체의 최종 마무리 가공을 최소화할 수 있는 기술이 오래전부터 요청되어 왔다. 본 발명은 이같은 요청에 부응하는 기술로서, 제조 공정중의 적어도 몇몇 단계에 용침 촉진제를 제공하는 한 정상 대기압 및 용침 분위기(예:질소 분위기)하에서 예비형체로 성형되고/되거나 차단제가 구비될 수 있는 물질(예:세라믹 물질)을 용융 기질 금속(예:알루미늄)으로 용침시키기 위한 자발 용침 기전(mechanism)을 제공한다.

본 발명은 금속 기질 복합체 제조 방법에 관한 다수의 다른 공계류중인 특허 출원과 관련이 있는 발명으로서, 이하의 기재에서는 이들 다른 특허 출원을 단순히 동일인 소유의 금속 기질 특허 출원으로 약칭한다.

동일인 소유의 미합중국 특허 출원 제 049,171호(1987. 5.13. 화이트 등의 이름으로 금속 기질 복합체라는 명칭의 특허 출원)에는 금속 기질 복합체의 신규한 제조 방법이 기재되어 있는데, 이 출원 발명에 따르면 최소 약 1중량%(바람직하게는 최소 약 3중량%)의 마그네슘을 함유한 용융 알루미늄으로 투과성 충전재 덩어리(예:세라믹 물질 또는 세라믹 코팅된 물질)를 용침시켜 금속 기질 복합체를 제조한다. 용침은 외부로부터 압력이나 진공을 가하지 않은 상태하에서 자발적으로 일어난다. 약 10-100 체적%(바람직하게는 최소 약 50 체적%)의 질소와 경우에 따라 비산화성 기체(예:아르곤 기체)를 함유한 기체의 존재하에, 최소 약 675℃의 온도하에서, 용융 합금 공급원은 충전재 덩어리와 접촉한다. 이같은 조건에서 용융 알루미늄 합금은 정상 대기압하에서 세라믹체를 용침시켜 알루미늄(또는 알루미늄 합금) 기질 복합체를 형성한다. 용융 알루미늄 합금이 소정량의 충전재를 용침시킨 후에는 온도를 강하시켜 합금을 고형화시킴으로써 보강 충전재를 함유한 고체의 금속 기질 구조를 형성시킨다. 용융 합금 공급원의 양은 통상적으로, 그리고 바람직하게는 충전재 덩어리의 계면까지 용침이 진행될 수 있도록 충분한 양으로 한다. 위 출원 발명에 따라 제조된 알루미늄 기질 복합체내의 충전재의 양이 지나치게 많으므로 충전재 대 합금의 체적비가 1:1 이상이 된다.

위 미합중국 특허 출원 제 049,171호의 제조 공정 조건하에서 질화 알루미늄은 알루미늄 기질내에 분산된 불연속상을 형성할 수 있다. 알루미늄 기질내의 질화물의 양은 온도, 합금의 조성, 기체의 조성 및 충전재 등과 같은 여러 인자의 변화에 따라 달라진다. 따라서, 계내에서 위와 같은 인자들중 하나 이상의 인자를 제어함에 의해 복합체의 특성을 조절할 수 있다. 그러나, 최종 사용 목적을 위해 복합체내에 질화 알루미늄이 거의 함유되지 않도록 하는 것이 바람직할 수 있다.

온도가 높아지면 용침이 촉진되는 반면에 질화물의 생성이 용이해지므로, 위 특허 출원 제 049,171호에서는 용침 작용과 질화물의 생성이 균형을 이루도록 하고 있다.

차단체(Barrier)를 이용한 금속 기질 복합체 제조 방법이라는 명칭의 미합중국 특허 출원 제 141,642호(1988. 1.7. 마이클 케이. 아가자니언 등)에는 금속 기질 복합체의 제조시 사용할 수 있는 적절한 차단 수단의 일예가 기재되어 있다. 이 특허 출원에 따르면, 차단 수단(예:티타늄 디보라이드 입자 또는 유니온 카바이드사에서 Grafoil)이라는 상품명으로 시판하는 가요성 흑연 테이프와 같은 흑연 물질)은 충전재의 표면경계상에 배치되고, 기질 합금은 위 차단 수단에 의해 구획된 경계까지 용침한다. 위 차단 수단은 용융 합금의 용침의 진행을 차단하여 생성되는 금속 기질 복합체가 넷트 형태를 이루도록 한다. 따라서, 생성된 금속 기질 복합체의 외형은 차단 수단의 내면의 형상과 거의 일치하게 된다.

미합중국 특허 출원 제 049,171호는 금속 기질 복합체 및 그 제조 방법이라는 명칭의 미합중국 특허 출원 제 168,284호(1988. 3.15. 마이클 케이. 아가자니언 및 마아크 에스. 뉴커크)의 개량 발명으로서, 이에 따르면, 기질 금속 합금은 주된 금속 공급원으로서 그리고 기질 금속 합금의 공급원(reservoir)으로서 제공되며, 이 기질 금속 합금 공급원은 예로써 중력에 의해 주된 금속 공급원과 연결된다. 특히, 이 특허 출원에 기재되어 있는 조건하에서, 주된 용융 기질 합금 공급원은 정상 대기압하에서 충전재 덩어리로 용침을 개시하여 금속 기질 복합체의 생성을 개시한다. 위 주된 용융 기질 합금 공급원은 충전재 덩어리로의 용침중에 소비되므로, 필요한 경우 자발 용침의 진행중에 용융 기질 금속 공급원으로부터 바람직하게는 연속적으로 재공급시킬 수 있다. 용융 기질 합금이 투과성 충전재를 소정의 양만큼 자발 용침시키면, 온도를 강하시켜 합금을 응고시키고, 이에 의해 보강용 충전재를 함유한 고형 금속 기질 구조를 얻는다. 이같이 금속 공급원을 사용하는 것은 위 특허 출원의 하나의 실시예에 불과하며, 이 실시예를 위 특허 출원의 타 실시예와 결합할 필요는 없으나, 본 발명과 위 특허 출원의 타 실시예를 결합하여 사용하면 유리하다.

금속 공급원의 양은, 충분한 양의 금속이 투과성 충전재 덩어리를 소정 범위까지 용침할 수 있는 양으로 한다. 대안적으로, 임의의 차단 수단이 투과성 충전재 덩어리와 하나 이상의 면에서 접촉하여 표면의 경계면을 형성할 수도 있다.

용융 기질 합금의 양은 적어도 이 합금이 충전재 덩어리의 경계면(예:차단제)까지 자발 용침될 수 있는 양이어야 하며, 용융 합금 공급원내의 합금의 양은 용침을 완성시키는데 충분할 뿐 아니라 과잉의 용융 합금이 금속 기질 복합체에 부착되어 남아 있을 수 있는 양보다 클 수 있다. 이 같이 과잉의 용융 합금이 존재하면 생성되는 복합체는 복합한 복합체(예:거대 복합체)가 되며, 여기서 금속 기질을 지니는 용침된 세라믹체는 공급원내 잔류하는 과잉의 금속에 직접 연결된다.

전술한 각 동일인 소유의 금속 기질 특허 출원에는 금속 기질 복합체 제조 방법 및 이 제조 방법에 의한 금속 기질 복합체가 기재되어 있는데, 본원 발명의 명세서에서는 이들 금속 기질 특허 출원을 참고 사항으로 포함하였다.

본원에서는 제2물질에 접촉되고 결합된 금속 기질 복합체를 처음으로 제조함으로써 복잡한 복합체를 생산할 수 있다. 금속 기질 복합체는 용융 기질 금속으로로 투과성 충전재 덩어리 또는 예비형체를 자발적으로 용침시켜 제조된다. 특히, 용침 촉진제 및/또는 용침 촉진제 전구체 및/또는 용침 분위기는 공정중 적어도 몇단계에서 충전재 또는 예비형체와 상호 작용하여 용융 기질 금속이 충전재 또는 예비형체를 자발적으로 용침하게 한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 용침 촉진제는 예비형체(또는 충전재) 및/ 또는 기질 금속 및/또는 용침 분위기중 하나 이상에 직접 공급될 수 있다. 궁극적으로, 적어도 자발적 용침중에, 용침 촉진제를 충전재 또는 예비형체의 일부분 이상에 가하여야 한다.

거대 복합체를 제조하기 위한 첫 번째 바람직한 실시예에서, 충전재 또는 예비형체를 자발적으로 용침시키기 위해 제공되는 기질 금속의 양은 투과성 물질이 완전히 용침되는데 필요한 양 보다 많은 양으로 공급된다. 따라서, 잔류하는 또는 과다한 기질 금속(예:충전재 또는 예비형체를 용침하는데 이용되지 않은 기질 금속 등)이 용침된 덩어리에 접촉된 채로 남아서 용침된 덩어리와 밀접하게 결합하게 된다. 잔류 기질 금속의 양, 크기, 형태, 및/ 또는 조성은 조절되어 사실상 무한한 수의 조합체를 생성할 수 있다. 또한 잔류 기질 금속에 대한 금속 기질 복합체의 상대적 크기는 조절되어 잔류 기질 금속의 표면위에 금속 기질 복합체 표피를 형성시키는 극단적 예(예:자발적 용침이 소량만 일어나게 됨)로부터 금속 기질 복합체의 표면위에 잔류 기질 금속의 표피를 형성시키는 극단적 예(예:과다 기질 금속이 소량만 제공됨)에 이를 수 있다.

두 번째 바람직한 실시예에서, 충전재 또는 예비형체는 다른 또는 제2의 몸체(예:세라믹 몸체 또는 금속 몸체)의 일부 이상과 접촉되어 용융 기질 금속이 적어도 제2의 몸체의 표면에 이르기까지 충전재 또는 예비형체를 자발적으로 용침시켜 이로 인해 금속 기질 복합체는 제2의 몸체에 밀접하게 결합하게 된다. 금속 기질 복합체와 제2의 몸체의 결합은 기질 금속 및/또는 충전재 또는 예비형체가 제2의 몸체와 반응함으로써 발생한다. 또한, 제2 몸체가 금속 기질 복합체를 적어도 부분적으로 둘러싸거나 거의 완전히 둘러싸거나 또는 금속 기질 복합체에 의해 둘러싸인다면, 수축(shrink) 또는 압축 적합이 일어날 것이다. 이러한 수축 접합이 금속 기질 복합체를 제2의 몸체에 결합시키는 유일한 수단일 수도 있고 금속 기질 복합체와 제2 물질 사이의 또 다른 결합 매카니즘과 조합될 수도 있다. 또한 기질 금속, 충전재 또는 예비형체 및/또는 제2의 몸체간의 적절한 조합을 선택하여 열팽창 계수를 희망하는 바와 같이 조화시키거나 선택함으로써 수축접합의 정도를 조절할 수 있다. 예를 들면, 금속 기질 복합체가 제2의 몸체보다 큰 열팽창 계수를 가져서 적어도 부분적으로 제2의 몸체를 둘러싸도록 제조할 수 있다. 이 경우, 금속 기질 복합체는 적어도 수축 접합에 의하여 제2 몸체에 결합된다. 따라서 제2 몸체(예:다른 세라믹 또는 금속)에 결합된 금속 기질 복합체를 포함하는 광범위한 거대 복합체를 제조할 수 있다.

또 다른 바람직한 실시예에 있어서, 과다 또는 잔류의 기질 금속이 상기 기재된 두번째의 바람직한 실시예(예:금속 기질 복합체와 제2 몸체의 결합)에 공급된다. 이 실시예의 경우, 상기 첫번째의 바람직한 실시예와 유사하게, 충전재 또는 예비형체를 자발적으로 용침하도록 제공된 기질 금속의 양은 투과성 물질의 완전한 용침을 달성하기에 필요한 양보다 과량으로 제공된다. 또한 상기 두번째 바람직한 실시예와 유사하게, 충전재 또는 예비형체는 또 다른 몸체 또는 제2의 몸체(예:세라믹 몸체 또는 금속 몸체)의 적어도 일부에 접촉되며 용융 기질 금속은 적어도 제2 몸체의 표면까지 충전재 또는 예비형체를 자발적으로 용침함으로써 금속 기질 복합체는 제2의 몸체에 밀접하게 결합하게 된다. 따라서, 상기 처음 두 경우의 바람직한 실시예에서의 거대 복합체 보다 더 복잡한 거대 복합체라도 얻을 수가 있다. 특히, 금속 기질 복합체와 제2 몸체(예:세라믹 및/또는 금속) 및 과다 또는 잔류의 기질 금속을 선택 결합시키는 것이 가능하기 때문에, 실제로 무한한 수의 변형물 및 조합체를 얻을 수 있다. 예를 들면, 거대 복합체 축이나 봉을 제조하고자 하는 경우 축의 내부는 제2 몸체(예:세라믹 또는 금속)가 될 수 있다. 제2 몸체는 금속 기질 복합체에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸일 수 있다. 그 다음 금속 기질 복합체는 제2의 몸체 또는 잔류 기질 금속에 의하여 적어도 부분적으로 둘러싸일 수 있다. 금속 기질 복합체가 잔류 기질 금속에 의해 둘러싸인다면 다른 금속 기질 복합체가 상기 잔류 기질 금속을 적어도 부분적으로 둘러쌀 수 있다(예:잔류 기질 금속이 내부로는 기질 금속의 내부와 접한 충전재(또는 예비형체) 방향으로, 외부로는 기질 금속의 외부와 접한 충전재(또는 예비형체) 방향으로 용침하도록 충분한 양으로 공급될 수 있다). 따라서, 본 발명의 상기 세번째 실시예에 의하여 중대한 공학적 선택의 여지가 제공된다.

상기 바람직한 실시예의 각각에 있어서, 금속 기질 복합체는 기질 금속의 기판의 내부면 또는 외부면, 또는 양쪽 모두에 형성될 수 있다. 또한, 금속 기질 복합체의 표면은 기질 금속 기판의 크기에 따라서 두께가 선택 또는 예정될 수 있다. 본 발명의 자발 용침 기술은 금속 기질 복합체 표면을 제조하기 위한 기질 금속의 상대적 부피가 금속 기판의 부피보다 훨씬 크거나 작도록 하여 두꺼운 벽 또는 얇은 벽의 금속 기질 복합체 구조물을 제조할 수 있다. 또한, 외부면 또는 내부면 또는 양쪽 모두가 될 수 있는 금속 기질 복합체는 세라믹 또는 금속 등의 제2 물질에 결합되어, 금속 기질 복합체 및/또는 과다 기질 금속 및/또는 제2 몸체(예:세라믹 또는 금속 몸체) 사이의 많은 조합물이 가능할 수 있다.

금속 기질 복합체의 제조에 있어서, 본 출원에서는 금속 기질 복합체의 제조과정중 몇단계에서, 용침 분위기로 작용하는 질소 존재하에 용침 촉진제 전구체로 작용하는 마그네슘과 접촉하는 알루미늄 기질 금속에 대하여 주로 논의하고자 한다. 따라서, 알루미늄/마그네슘/질소로 구성된 기질 금속/용침 촉진제 전구체/용침 분위기계가 자발 침투를 나타낸다. 그러나, 다른 기질 금속/용침 촉진제 전구체/용침 분위기계도 역시 알루미늄/마그네슘/질소계와 유사한 방법으로 작용할 수 있다. 예를 들면, 알루미늄/스트론튬/질소계; 알루미늄/아연/산소계; 알루미늄/칼슘/질소계에서도 유사한 자발 용침 양상이 나타났다. 따라서 본 출원에서 주로 알루미늄/마그네슘/질소계에 대하여 논의하고 있더라도, 다른 기질 금속/용침 촉진제 전구체/용침 분위기계도 유사한 방식으로 작용하는 것으로 이해되어야 한다.

기질 금속이 알루미늄 합금을 포함할 때, 알루미늄 합금은 충전재(예:알루미나 또는 실리콘 카바이드)를 포함하는 예비형체, 또는 충전재와 접촉되며, 충전재 또는 예비형체와 혼합되고/되거나 공정중 몇몇 지점에서 마그네슘에 노출된다. 또한 바람직한 실시예에서, 알루미늄 합금 및/또는 예비형체 또는 충전재는 공정중 적어도 한 지점에서 질소 분위기내에 놓이게된다. 예비형체는 자발적으로 용침되며 자발 용침 및 금속 기질 복합체 형성의 정도 및 속도는, 예로서 계에 제공된 마그네슘의 농도(예:알루미늄 합금 및/또는 충전재 또는 예비형체 및/또는 용침 분위기에 제공됨), 예비형체 또는 충전재내 입자의 크기 및/또는 조성, 용침 분위기내의 질소의 농도, 용침 시간, 및/또는 용침 온도 등의 주어진 공정 조건에 따라 변하게 된다. 일반적으로, 자발 용침은 예비형체 또는 충전재를 거의 완전히 덮기에 충분한 정도로 일어난다.

여기서 알루미늄이라 함은 순수한 금속(예:비교적 순수한 시판되는 비합금 알루미늄) 또는 철, 실리콘, 동, 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 알루미늄이 주성분을 이루는 합금 또는 금속간 화합물이 된다.

잔부의 비산화성 기체라 함은 제조 공정 조건하에서 기질 금속과 거의 반응하지 않은 불활성 기체 또는 환원성 기체로서, 용침 분위기를 포함하는 주된 기체 이외의 임의의 기체를 의미한다. 사용되는 기체내에 불순물로서 존재하는 산화성 기체의 양은 제조 공정 조건하에서 기질 금속을 산화시키지 않을 정도로 적어야 한다.

차단체 또는 차단 수단이라 함은 용융 기질 금속이 투과성 충전재 또는 예비형체의 표면 경계를 초과하여 이동하는 것을 방지해 주는 임의의 적절한 수단을 의미하는 것으로서, 이 표면 경계는 차단 수단에 의해 구획된다. 적절한 차단수단으로는 공정 조건하에서 그 형태를 유지할 수 있고 휘발성이 거의 없는 임의의 물질을 선택할 수 있다(즉, 차단 물질은 차단체로서 비-작용성이 될 정도로는 휘발하지 않는다).

또한 적절한 차단 수단에는 채용된 공정 조건하에서 용융 기질 금속에 의해 거의 습윤화되지 않는 물질이 포함된다. 이러한 종류의 차단 수단은 용융 기질 금속과의 친화력이 거의 없으며, 이 차단 수단에 의해 용융 기질 금속이 충전재 덩어리 또는 예비형체의 표면 경계를 초과하여 용침하는 것이 방지된다. 또한, 이 차단 수단을 사용하면 최종 기계 가공 또는 연삭 가공을 줄일 수 있고, 생성된 금속 기질 복합체의 표면의 일부분 이상을 구획시킨다. 경우에 따라서는 차단 수단이 다공성 또는 투과성이거나 차단 수단에 구멍(예:드릴 구멍 또는 펀치 구멍)을 형성하여 용융 기질 금속을 기체와 접촉시킬 수도 있다.

부착 기질 금속이라 함은 금속 기질 복합체의 생성중에 소모되지 않고, 냉각된 금속 기질 복합체에 적어도 부분적으로 접촉하여 잔류하는 과잉의 기질 금속을 의미하는 것으로서, 이 부착 기질 금속에는 제2 금속 또는 이종 금속이 포함될 수 있다.

과다 기질 금속 또는 잔류 기질 금속이라 함은 충전재 또는 예비형체로 희망하는 정도로 자발적 용침된 후 남아서 금속 기질 복합체에 밀접하게 결합되는 기질 금속의 양을 의미한다. 이 과다 또는 잔류 기질 금속은 충전재 또는 예비형체에 자발적으로 용침된 기질 금속과 같거나 다른 조성을 가질 수 있다.

충전재라 함은 기질 금속과 반응하지 않는 물질 및/또는 기질 금속에 제한된 용해도를 갖는 물질로서, 단일 성분 또는 여러 성분들의 혼합물이며, 단일상(single-phase) 또는 다상으로 할 수 있다. 충전재는 분말 형태, 얇은 조각 형태, 작은 판 형태, 미세한 구형태, 휘스커 형태, 기포 형태 등과 같이 다양한 형태로 제공할 수 있으며, 치밀한 구조이거나 다공성인 구조로 할 수 있다. 충전재에는 또한 섬유 형태, 짧게 절단한 섬유 형태, 입자 형태, 휘스커 형태, 기포 형태, 구 형태, 섬유 매트 형태등의 형태를 가진 알루미나 또는 실리콘 카바이드와 같은 세라믹 충전재, 및 용융 알루미늄 모금속에 의한 탄소의 침식을 방지하기 위해 알루미나 또는 실리콘 카바이드로 코팅한 탄소 섬유와 같은 세라믹 코팅 충전재가 포함된다. 또한 금속도 충전재로 사용할 수 있다.

용침 분위기라 함은 기질 금속 및/또는 예비형체(또는 충전재) 및/또는 용침 촉진제 전구체 및/또는 용침 촉진제와 상호 작용하는 분위기를 의미하는 것으로서 이 충전 분위기에 의해 기질 금속의 자발 용침이 촉진된다.

용침 촉진제라 함은 기질 금속이 충전재 또는 예비형체내로 자발 용침하는 것을 촉진하는 물질을 의미한다. 용침 촉진제는 용침 촉진제 전구체와 용침 분위기 사이의 반응에 의해 (1) 기체종 및/또는 (2) 용침 촉진제 전구체와 용침 분위기 사이의 반응 생성물 및/또는 (3) 용침 촉진제 전구체와 충전재(또는 예비형체) 사이의 반응 생성물을 생성함에 의해 형성될 수 있다. 또한, 용침 촉진제를 예비형체 및/또는 기질 금속 및/또는 용침 분위기중 하나 이상에 직접 제공할 수 있으며, 용침 촉진제 전구체와 기타의 물질 사이에 반응에 의해 생성된 용침 촉진제와 동일한 기능을 한다. 궁극적으로, 적어도 자발 용침중에 용침 촉진제를 충전재 또는 예비형체의 적어도 일부에 가하여 자발 용침을 달성하도록 해야 한다.

용침 촉진제 전구체라 함은 이 물질을 기질 금속, 예비형체 및/또는 용침분위기와 조합하여 사용했을 때, 기질 금속이 충전재 또는 예비형체를 자발적으로 용침하는 것을 촉진하는 용침 촉진제를 생성하는 물질을 의미한다. 어떤 이론이나 설명을 동원하지 않더라도 용침 촉진제 전구체를 용침 분위기 및/또는 예비형체(또는 충전재) 및/또는 금속과 상호 작용할 수 있는 위치에 설치하는 것이 필요하다. 예를 들면, 기질 금속/용침 촉진제 전구체/용침 분위기 계에 있어서, 용침 촉진제 전구체가 기질 금속의 용융 온도보다 다소 높은 온도에서 휘발하는 것이 바람직하다. 이 같이 용침 촉진제 전구체가 휘발하게 되면, (1) 기질 금속에 의한 충전재(또는 예비형체)의 습윤화를 촉진시키는 물질인 기체종(gaseous species)을 생성하기 위한 용침 촉진제 전구체와 용침 분위기 사이의 반응 및/또는 (2) 충전재(또는 예비형체)의 일부 이상에 습윤화를 촉진시키는 고체, 액체 또는 기체상의 용침 촉진제를 생성하기 위한 용침 촉진제 전구체와 용침 분위기 사이의 반응 및/또는 (3) 적어도 일부의 충전재 또는 예비형체 내에 습윤화를 촉진시키는 고체, 액체 또는 기체 상의 용침 촉진제를 생성하는 용침 촉진제 전구체와 충전재(또는 예비형체) 사이의 반응이 발생한다.

거대 복합체(macrocomposite)라 함은 화학 반응 및/또는 압력 또는 수축접합 등의 방법에 의하여 어떤 형상으로든지 밀접하게 결합되어 있는 둘 이상의 물질의 모든 결합물을 의미하며, 용융 기질 금속이 투과성 충전재, 예비형체 또는 적어도 약간의 기공도를 포함하는 마무리된 세라믹 또는 금속 몸체에 자발적으로 용침하여 형성된 금속 기질 복합체를 포함하는 하나 이상의 물질을 말한다. 금속 기질 복합체는 외부면 및/또는 내부면이 될 수 있다. 금속 기질 복합체 또는 잔류 기질 금속 및/또는 제2 몸체에 대한 복합체의 순서, 수 및/또는 위치는 무한한 형태로 처리 또는 조절될 수 있다.

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

기질 금속/용침 촉진제 전구체/용침 분위기 계 또는 자발성 계(spontaneous system)라 함은 예비형체 또는 충전재내로의 자발적인 용침을 나타내는 물질의 조합을 의미한다. 각 물질 사이에 사용한/는 특정한 방법으로 조합된 경우 예비형체 또는 충전재로의 자발 용침을 나타내는 물질의 계 또는 조합을 표시하기 위한 것이다.

금속 기질 복합체(Metal Matrix Composite(MMC))라 함은 예비형체 또는 충전재를 매립하고 있는(감싸고 있는), 2차원 또는 3차원적으로 상호연결된 합금 또는 기질 금속을 의미한다. 생성된 복합체에 원하는 기계적 및 물리적 특성을 부여하기 위해서는 위 기질 금속에 여러가지 합금 성분을 포함시킬 수도 있다.

기질 금속과 다른 금속이라 함은 기질 금속과 동일한 금속을 주성분으로 함유하지 않은 금속을 의미하는 것으로서, 예를 들면 기질 금속의 주성분이 알루미늄인 경우 기질 금속과 다른 금속은 니켈을 주성분으로 포함할 수 있다.

기질 금속을 수용하는 비반응성 용기라 함은 공정 조건하에서 용융 기질 금속을 수용할 수 있고, 또한 기질 금속 및/또는 용침 분위기 및/또는 용침 촉진제 전구체 및/또는 충전재(또는 예비형체)와는 자발적 용침 기전(mechanism)을 방해할 정도로는 반응하지 않는 용기를 의미한다.

예비형체 또는 투과성 예비형체라 함은 용침하는 기질 금속에 대한 경계를 구획하는 하나 이상의 표면 경계를 가지는 완성된(즉, 완전히 소결되었거나 세라믹 또는 금속 몸체로 형성된) 다공질 충전재 덩어리를 의미하는 것으로서, 이러한 덩어리는 기질 금속에 의해 용침되기 전에 치수 안정성(dimensional fidelity)을 확보하기 위해 충분한 형태 보전성(shape integrity)과 그린(green) 강도를 유지하고 있다. 또한 이 예비형체 덩어리는 기질 금속이 자발 용침할 수 있도록 충분히 다공성이어야 한다. 예비형체는 통상적으로 충전재를 균질한 상태로 또는 불균질한 상태로 결합 배열시킨 것이며, 적절한 물질(예:세라믹 및/또는 금속의 입자, 분말, 섬유, 휘스커 등, 그리고 이들을 조합한 물질)로 구성된다. 또한 이 예비형체는 일체형으로 존재하거나 또는 다수의 예비형체를 조합한 형태로 존재할 수 있다.

기질 금속 공급원이라 함은 금속이 용융될 때, 충전재 또는 예비형체와 접촉하고 있는 금속 기질의 공급원 또는 그 부분을 보충하기 위하여,(또는 어떤 경우는 초기에는 제공하고 나중에는 보충하기 위하여) 유동할 수 있도록, 충전재 또는 예비형체에 대해 위치하는 별도의 기질 금속체를 의미하는 것이다.

제2의 몸체 또는 부가 몸체란 화학 반응 및/또는 기계적 또는 수축 접합 중 적어도 한 방법에 의하여 금속 기질 복합체에 결합될 수 있는 또 다른 몸체를 의미한다. 이러한 몸체는 소결된 세라믹, 열간 압연된 세라믹, 압출된 세라믹 등 종래의 세라믹 형태, 또는 1987년 12월 5일 마아크 에스. 뉴커크 등에게 특허된 동일인 소유의 미합중국 특허 제 4,713,360호; 복합체 세라믹 제품 및 그 제조 방법이라는 명칭으로 1986년 1월 17일 마아크 에스. 뉴커크 등이 출원한 동일인 소유의 미합중국 특허 출원 제 819,397호; 성형된 세라믹 복합체 및 그 제조 방법이라는 명칭으로 1986년 5월 8일 마아크 에스. 뉴커크 등이 출원한 동일인 소유의 미합중국 특허 출원 제 861,025호; 세라믹 제품에 금속 성분을 시추(in situ)상태로 재단하는 방법 및 그 제품이라는 명칭으로 1988년 2월 5일 로버트 씨. 칸트너 등이 출원한 동일인 소유의 미합중국 특허 출원 제 152,518호; 자체 지지체 제조 방법 및 그 제품이라는 명칭으로 티. 데니스 클라아르 등이 1987년 12월 23일 출원한 미합중국의 계류중인 동일인 소유의 특허 출원 제 137,044호; 및 이러한 방법 등을 변형시키고 개량한 동일인 소유의 공계류중인 다른 미합중국 특허 출원들에 기재된 방법에 의해 제조된 새로운 세라믹 또는 세라믹 복합체를 포함한다. 상기 이러한 출원들에 기재되고 청구된 세라믹 및 세라믹 복합체의 제조 방법 및 특징을 나타내기 위하여, 상기 기재된 출원 전체를 본 발명에 참고 자료로 인용하고자 한다. 또한, 본 발명의 제2 몸체 또는 부가 몸체는 고온 금속, 내침식성 금속, 내부식성 금속등과 같은 금속의 금속 기질 복합체 및 구조적 몸체들을 포함한다. 따라서, 제2 몸체 또는 부가 몸체는 실제적으로 무수한 수의 몸체이다.

자발 용침(Spontaneous infiltration)이라 함은 압력이나 진공(외부적으로 적용되거나 내부적으로 생성됨)의 도움 없이 기질 금속이 충전재(또는 예비형체)내로 용침되는 현상을 의미한다.

본 발명은 용융 기질 금속이 충전재 또는 예비형체를 자발적으로 용침함으로써 형성된 금속 기질 복합체를 포함하는 거대 복합체의 제조 방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 복잡한 복합체는 하나 이상의 제2 몸체 또는 부가 몸체에 접촉되어 있는 금속 기질 복합체를 형성함으로써 얻어진다. 특히, 금속 기질 복합체는 용융 기질 금속이 투과성 충전재 덩어리 또는 예비형체를 자발적으로 용침함으로서 제조된다. 특히, 용침 촉진제 및/또는 용침 촉진제 전구체 및/또는 용침 분위기는 공정중 적어도 몇단계에서 충전재 또는 예비형체와 상호 작용하여 용융 기질 금속이 충전재 또는 예비형체를 자발적으로 용침하도록 해준다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 용침 촉진제는 예비형체(또는 충전재) 및/ 또는 기질 금속, 및/또는 용침 분위기중 하나 이상에 직접 공급될 수 있다. 궁극적으로, 적어도 자발적 용침중에, 용침 촉진제는 충전재 또는 예비형체의 일부분 이상에 위치되어야 한다.

거대 복합체 제조 방법의 첫번째 바람직한 실시예에서, 용침에 제공되는 기질 금속의 양은 용침에 필요한 양보다 많게 된다. 즉, 기질 금속은 충전재 또는 예비형체를 완전히 용침하는데 필요한 양보다 많은 양으로 제공되어 잔류 또는 과다기질 금속(예:충전재 또는 예비형체를 용침하는데 사용되지 않은 기질 금속)이 용침된 충전재 또는 예비형체와 밀접하게 결합하게 된다.

또 다른 바람직한 실시예에서, 충전재 또는 예비형체는 세라믹 또는 금속 등의 다른 몸체와 접촉하게 되고, 용융 기질 금속은 세라믹 또는 금속 등의 제2 몸체에 이르기까지 충전재 또는 예비형체를 자발적으로 용침하여 제2 몸체에 밀접하게 결합됨으로써, 제2 몸체(예:다른 세라믹 또는 금속)에 결합된 금속 기질 복합체를 포함하는 거대 복합체를 제조하게 된다.

또 다른 바람직한 실시예에서, 충전재 또는 예비형체는 제2 몸체(예:다른 세라믹 또는 금속)와 접촉하고, 용융 기질 금속은 충전재 또는 예비형체와 제2 몸체 사이의 접촉 지점까지 충전재 또는 예비형체를 자발적으로 용침한다. 제조된 금속 기질 복합체는 제2 몸체에 밀접하게 결합하게 된다. 또한, 부가의 기질 금속이, 충전재 또는 예비형체를 자발적으로 용침하는데 필요한 양보다 많은 양으로 존재하도록 제공될 수 있다. 따라서, 거대 복합체는 세라믹 또는 세라믹 복합체와 같은 제2 몸체에 밀접하게 결합된 금속 기질 복합체에 밀접하게 결합된 과다의 기질

금속을 포함하도록 제조된다.

상기 바람직한 실시예들에서, 금속 기질 복합체는 기질 금속 기판의 외부면 또는 내부면 또는 양쪽 모두로서 형성될 수 있다. 또한 금속 기질 복합체 표면은 기질 금속 기판의 크기에 따라 선택되거나 예정된 두께로 할 수 있다. 본 발명의 기술에 의해 금속 기질 복합체 표면을 제공하는 기질 금속의 상대적 양이 금속 기판의 부피보다 훨씬 크거나 작도록 하여 두꺼운 벽 또는 얇은 벽의 금속 기질 복합체 구조물을 제조하는 것이 가능해졌다. 또한, 외부면 또는 내부면 또는 양쪽 모두가 될 수 있는 금속 기질 복합체는 제2 물질(예:세라믹 또는 금속)에 결합됨으로써 금속 기질 복합체 및/또는 과다 기질 금속 및/또는 제2 몸체(예:세라믹 또는 금속 몸체) 사이의 결합에 의해 많은 수의 조합물을 제공할 수 있다.

따라서, 본 발명은 수 많은 산업상의 요구를 충족시켜 주는 것으로서 이에 본 발명의 유효성이 있는 것이다.

본 발명의 거대 복합체를 제조하기 위해서는, 금속 기질 복합체는 기질 금속이 충전재 덩어리 또는 예비형체를 자발적으로 용침함으로써 제조되어야 한다. 기질 금속이 충전재 또는 예비형체내로 자발 용침하기 위해서는 자발계에 용침 촉진제를 부여해 주어야 한다. 용침 촉진제는 용침촉진제 전구체로부터 생성될 수 있다. 용침 촉진제 전구체는 (1) 기질 금속 및/또는 (2) 충전재(또는 예비형체) 및/ 또는 (3) 용침 분위기 및/또는 (4) 외부의 공급원으로부터 자발 계내로 부여될 수 있다. 또한, 용침 촉진제 전구체를 제공하는 대신, 충전재(또는 예비형체) 및/또는 기질 금속 및/또는 용침 분위기중 하나 이상에 직접 용침 촉진제를 제공할 수도 있다. 궁극적으로, 적어도 자발 용침 중에는 충전재 또는 예비형체의 적어도 일부에 용침 촉진제를 첨가해 주어야 한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 충전재 또는 예비형체가 용융 기질 금속과 접촉하기 전에 또는 거의 동시에 충전재 또는 예비형체의 적어도 일부에 용침촉진제를 생성시킬 수 있도록 용침 촉진제 전구체는 용침 분위기와 적어도 부분적으로 반응할 수 있다(예를 들면, 용침 촉진제 전구체로 마그네슘을 사용하고, 용침 분위기로서 질소를 사용하는 경우, 예비형체 또는 충전재의 적어도 일부에 위치하는 질화 마그네슘이 용침 촉진제이다).

기질 금속/용침 촉진제 전구체/용침 분위기 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 내화 용기내에 수용될 수 있다. 마그네슘을 포함하거나 마그네슘에 노출되며 공정중 적어도 몇몇 지점에서 질소 분위기에 노출되는 충전재 또는 예비형체는, 이어서 이 용융 알루미늄 기질 금속과 접촉한다. 기질 금속은 충전재 또는 예비형체를 자발 용침시킨다.

또한, 용침 촉진제 전구체를 첨가해 주는 대신, 예비형체(또는 충전재) 및/ 또는 기질 금속 및/또는 용침 분위기중 하나 이상에 직접 용침 촉진제를 첨가시킬 수도 있다. 궁극적으로는, 적어도 자발 용침중에는 용침 촉진제가 충전재 또는 예비형체의 적어도 일부에 위치해 있어야 한다.

본 발명의 제조 방법에서 채용한 처리 조건하에서, 자발 용침 계가 알루미늄/마그네슘/질소 계인 경우, 충전재 또는 예비형체가 충분히 투과성이어서 제조 공정 중의 몇몇 단계에서 질소를 함유한 기체가 충전재로 투과하고/하거나 용융 기질 금속과 접촉할 수 있어야만 한다. 또한, 투과성 충전재 또는 예비형체는 용융 기질 금속의 용침을 허용해야 하며, 이에 의해 질소가 침투되어 있는 충전재 또는 예비형체내로 용융 기질 금속이 자발적으로 용침하여 금속 기질 복합체가 생성되고/되거나, 질소가 용침 촉진제 전구체와 반응하여 충전재 또는 예비형체내에 용침 촉진제를 생성함으로써 자발 용침 반응을 촉진시키게 된다. 자발 용침 및 금속 기질 복합체의 생성의 정도 또는 속도는 알루미늄 합금내의 마그네슘 함량, 예비형체 또는 충전재내의 마그네슘 함량, 예비형체 또는 충전재내의 질화 마그네슘의 함량, 추가의 합금 원소(예:실리콘, 철, 구리, 망간, 크롬, 아연 등)의 존재 여부, 충전재의 평균 크기(예:입자 직경), 충전재 또는 예비형체의 표면 상태 및 그 종류, 용침 분위기 중의 질소의 농도, 용침 시간 및 용침 온도 등과 같은 일련의 공정 조건에 따라 달라진다. 예를 들면, 용융 알루미늄 기질 금속의 자발 용침을 위해서는 알루미늄에 적어도 약 1중량%(합금의 중량을 기준으로 함). 바람직하게는 적어도 약 3중량%의 마그네슘을 합금시킬 수 있는데, 마그네슘은 용침 촉진제 전구체로서 작용한다. 기질 금속에는 원하는 제품의 최종 특성에 따라 전술한 추가의 합금 원소를 함유시킬 수 있다. 또한, 위의 추가의 합금 원소들은 기질 알루미늄 금속이 충전재 또는 예비형체를 자발 용침시키기 위해 요구되는 마그네슘의 최소량에 영향을 미칠 수도 있다. 용침 촉진제를 생성시킬 수 없을 정도로 자발계로 부터 마그네슘이 손실(예를 들면, 휘발에 의한 손실)되어서는 안된다. 따라서, 자발 용침이 휘발에 의해 악영향을 받지 않도록, 초기에 충분한 양의 합금 원소를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 예비형체(또는 충전재) 및 기질 금속의 양쪽에, 또는 예비형체(또는 충전재)에 마그네슘이 존재하면 자발 용침을 달성하는데 필요한 마그네슘의 양을 감소시킬 수 있다(이에 대해서는 후술한다).

질소 분위기내의 질소의 체적 %도 또한 금속 기질 복합체의 생성율에 영향을 준다. 특히, 질소 분위기내에 약 10 체적% 이하의 질소가 함유되어 있으면 자발 용침이 매우 서서히 일어나거나 거의 일어나지 않게 된다. 약 50 체적% 이상의 질소가 함유되어 있으면 용침 속도가 매우 빨라져서 용침에 소요되는 시간이 짧아지므로 바람직하다. 용침 분위기(예:질소-함유 기체)는 충전재(또는 예비형체) 및/또는 기질 금속에 직접 제공될 수 있으며, 또한 물질의 분해에 의해 생성시킬 수도 있다.

용융 기질 금속이 충전재 또는 예비형체를 용침하는데 요구되는 최소 마그네슘 함량은 공정 온도, 시간, 추가 합금 원소(예:실리콘 또는 아연)의 존재 여부, 충전재의 특성, 자발계를 구성하는 하나 이상의 성분내의 마그네슘의 위치, 용침 분위기내의 질소의 함량 및 질소 분위기의 유동 속도 등과 같은 하나 이상의 변수에 따라 달라진다. 합금 및/또는 예비형체내의 마그네슘 함량이 증가함에 따라 더 낮은 온도 또는 더 짧은 가열 시간을 사용하여 완전한 용침을 달성할 수도 있다. 또한, 마그네슘의 함량이 일정한 경우, 아연과 같은 추가의 합금 원소를 첨가해 주면 보다 낮은 온도를 사용하여 용침을 달성할 수도 있다. 예를 들면, 기질 금속내의 마그네슘의 함량이 작동 가능한 범위의 하한계 (약 1-3중량%)인 경우도, 전술한 최소 공정 온도, 높은 질소 농도, 또는 하나 이상의 추가 합금 원소와 같은 인자중 하나 이상의 인자와 결합하여 사용할 수 있다. 충전재 또는 예비형체에 마그네슘을 전혀 첨가하지 않은 경우, 약 3-5중량%의 마그네슘을 함유한 합금을 사용하는 것이 광범위한 공정 조건에 적용할 수 있다는 점에서 바람직하며, 보다 낮은 온도 및 보다 짧은 시간을 사용한 경우에는 적어도 약 5%의 마그네슘을 함유한 합금을 사용하는 것이 바람직하다. 용침에 필요한 온도 조건을 완화시키기 위해서는 약 10중량%(알루미늄 합금의 중량을 기준으로 함) 이상의 마그네슘을 사용할 수도 있다. 추가의 합금 원소와 함께 사용하는 경우에는 마그네슘의 함량을 줄일 수도 있으나, 이들 추가의 합금 원소는 단지 보조적인 기능만을 할 뿐이며, 또한 이들 추가의 합금 원소는 적어도 전술한 최소량의 마그네슘과 함께 사용된다. 예를들면, 10%의 실리콘이 합금된 공칭(nominally) 순수한 알루미늄은 1,000℃의 온도에서 500메쉬의 39크리스톨론(Crystolon)(Norton Co.에서 시판하는 99% 순도의 실리콘 카바이드)으로 구성된 층(bedding)내로 거의 용침되지 않으나, 마그네슘이 존재하면 실리콘이 용침 반응을 촉진시킨다는 사실이 밝혀졌다. 또 하나의 예로서, 마그네슘을 예비형체 또는 충전재에만 첨가해주면 마그네슘의 양이 변화하게 된다. 공급된 마그네슘중 적어도 일부가 예비형체 또는 충전재에 위치하면 자발용침 계에 보다 적은 중량%의 마그네슘을 첨가시켜도 자발 용침 반응이 일어난다는 사실이 밝혀졌다. 금속 기질 복합체내에 바람직하지 않은 금속간 화합물이 생성되는 것을 방지하기 위해서는 보다 적은 양의 마그네슘을 제공하는 것이 바람직하다. 약 1중량% 이상의 마그네슘을 함유한 실리콘 카바이드로 된 예비형체의 경우, 거의 순수한 질소 분위기하에서 상기 예비형체를 알루미늄 기질 금속에 접촉시키면 이 기질 금속이 예비형체를 자발적으로 용침한다는 것이 밝혀졌다. 알루미나로 된 예비형체의 경우, 자발 용침을 일으키는데 요구되는 마그네슘의 양은 다소 많아진다. 특히, 실리콘 카바이드 예비형체내로 용침하는 알루미늄과 동일한 온도 및 동일한 질소 분위기하에서 알루미나 예비형체를 유사한 알루미늄 기질 금속에 접촉시키는 경우, 바로 위에서 설명한 알루미늄의 실리콘 카바이드 예비형체내로의 용침과 유사한 용침 정도를 달성하는데 약 3중량 % 이상의 마그네슘이 필요함이 밝혀졌다.

또한, 기질 금속이 예비형체(또는 충전재)내로 용침하기 전에 합금의 표면 및/또는 예비형체(또는 충전재)의 표면 및/또는 예비형체(또는 충전재)의 내부에 용침 촉진제 전구체 및/또는 용침 촉진제를 자발 계에 첨가하는 것도 가능하다. 다시 말해서, 용침 촉진제 또는 용침 촉진제 전구체를 기질 금속에 합금시킬 필요 없이, 단순히 자발 계에 첨가시켜도 된다. 기질 금속의 표면상에 마그네슘을 첨가하는 경우, 바람직하게는 기질 금속의 표면은 투과성 충전재 덩어리에 가장 인접한 표면, 바람직하게는 충전재와 접촉한 표면이 되어야 한다. 또는 예비형체의 일부 이상에 마그네슘을 혼합할 수도 있다. 또한, 예비형체의 표면에 마그네슘을 첨가하는 방법, 예비형체에 마그네슘을 합금시키는 방법 및 예비형체의 적어도 일부에 마그네슘을 설치하는 방법 등을 조합한 마그네슘 첨가 방법도 사용할 수 있다. 용침 촉진제 및/또는 용침 촉진제 전구체를 첨가하기 위한 상기 조합 방법에 의하면 예비형체내로의 기질 알루미늄 금속의 용침을 촉진시키는데 필요한 마그네슘의 총 중량%가 감소되며, 또한 보다 낮은 온도에서 용침 반응이 일어난다. 또한, 마그네슘의 존재 때문에 생성되는 바람직하지 않은 금속간 화합물의 양도 최소화된다.

추가의 합금 원소의 사용 및 분위기 기체내의 질소의 농도 또한 주어진 온도에서 기질 금속의 질화의 정도에 영향을 준다. 예를 들면, 아연 또는 철과 같은 추가의 합금 원소를 합금내에 포함시키거나 합금의 표면상에 가해주면 용침 온도가 저하되고, 이에 의해 질화물의 생성량이 감소된다. 이에 반해 분위기 기체내의 질소의 농도를 증가시키면 질화물의 생성이 촉진된다.

합금내의 마그네슘의 농도 및/또는 합금의 표면상에 첨가한 마그네슘의 농도 및/또는 예비형체(또는 충전재)와 결합시킨 마그네슘의 농도 역시 주어진 온도에서 용침의 정도에 영향을 미친다. 따라서, 마그네슘이 예비형체 (또는 충전재)와 직접 접촉하지 않는 경우, 합금내의 마그네슘의 농도는 약 3중량% 이상이어야 바람직하다. 만일 합금내 마그네슘의 농도가 3중량% 이하(예로써, 1중량%)이면 용침을 달성하기 위해 보다 높은 공정 온도 또는 추가의 합금 원소가 필요해진다. (1) 합금내의 마그네슘 함량이 예로써 약 5중량% 이상으로 증가하는 경우 및/또는 (2) 합금 성분을 예비형체(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 온도가 달라진다. 일반적으로는 약 675℃ 이상의 공정 온도에서, 바람직하게는 약 750-800℃ 이상의 공정 온도에서 자발적이고도 점진적인 용침 반응이 일어나며, 온도가 1,200℃를 초과하면 용침 반응에 불리하다. 특히 유용한 용침 반응의 온도 범위는 약 675 내지 약 1,200℃의 범위로 밝혀졌다. 그러나, 일반적으로 자발 용침 온도는 기질 금속의 융점 이상의 온도이고 기질 금속의 기호 온도 이하의 온도이며, 또한 용침 과정중에 충전재 또는 예비형체의 다공성 형상을 유지시키는 지지 수단이 제공되지 않는 한 충전재 또는 예비형체의 융점 이하의 온도로 해야 한다. 이러한 지지 수단은 충전재 입자 또는 예비형체 통로상의 코팅이거나, 충전재 또는 예비형체의 특정 성분들이 용침 온도에서 다른 성분들이 용융되는 동안 용융되지 않도록 함으로써 얻을 수 있다. 후자의 경우, 용융되지 않은 성분들은 용융된 성분들을 지지해주며 충전재 또는 예비형체의 자발 용침을 유발하기에 충분한 다공성을 유지시켜 준다. 온도가 높아짐에 따라 기질 금속과 용침 분위기 사이에서 반응 생성물이 생성되는 경향이 증가한다. 예를 들면, 기질 금속으로서 알루미늄을 사용하고, 용침 분위기로서 질소를 사용하는 경우, 질화 알루미늄이 생성된다. 이와 같은 반응 생성물은 제조된 금속 기질 복합체의 사용 목적에 따라 바람직한 경우도 있고 바람직하지 않은 경우도 있다. 또한, 용침 온도를 얻기 위해 통상적으로 전기 저항 가열 방식을 사용한다. 그러나, 기질 금속을 용융시키면서 자발용침에 악영향을 주지 않는 한, 어떠한 가열 수단을 사용해도 무방하다.

본 발명의 방법에서는, 예를들면, 투과성 예비형체(또는 충전재)를 제조 공정중의 적어도 몇몇 단계에서 질소 함유 기체의 존재하에서 용융 알루미늄과 접촉시킨다. 질소 함유 기체는 예비형체(또는 충전재) 및/또는 용융 알루미늄 기질 금속중 하나 이상과 접촉하는 상태인 기체의 연속적인 유동 상태를 유지하면서 공급된다. 질소 함유 기체의 유속은 비록 결정적인 사항은 아니지만, 합금 기질내에서 질화물의 형성에 따른 분위기로부터의 질소의 손실양을 보상할 수 있을 정도의 충분한 유속으로 그리고 용융 금속을 산화시키는 공기의 혼입을 저해할 수 있을 정도의 충분한 유속으로 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 금속 기질 복합체의 제조 방법은 여러가지 종류의 충전재에 적용할 수 있으며, 충전재는, 기질 합금, 공정 조건, 용융 기질 합금과 충전재의 반응성, 원하는 최종 복합체의 특성 등과 같은 여러 가지 인자에 따라 다양하게 선택할 수 있다. 예를들면, 알루미늄이 기질 금속인 경우의 적절한 충전재로는 (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 기질 금속과 반응하는 경향이 있는 경우에는 용침 시간 및 용침 온도를 최소화하거나 충전재상에 비반응성 코팅을 제공함으로써 위의 반응을 방지할 수 있다. 충전재로서는 탄소 또는 다른 비세라믹 물질과 같은 기판위에 세라믹 코팅을 하여 기판이 침식 또는 열화되지 않도록 보호한 기판이 포함된다. 적절한 세라믹 코팅 물질로서는 산화물, 탄화물, 붕화물 및 질화물이 포함된다. 본 발명의 제조방법에 바람직한 세라믹에는 입자 형태, 작은 판 형태, 휘스커 형태 및 섬유 형태의 알루미나 및 실리콘 카바이드가 포함된다. 섬유 형태의 세라믹은 짧게 자른 불연속 형태로 하거나 다중필라멘트 토우와 같은 연속 필라멘트 형태로 할 수 있다. 또한, 충전재 또는 예비형체는 균질로 하거나 비균질로 할 수 있다.

어떤 종류의 충전재는 유사한 화학 조성을 가진 다른 충전재에 비해 용침성이 우수한데, 예를들면, 미합중국 특허 제 4,713,360호(1987. 12.15. 마아크 에스. 뉴커크 등의 이름으로 신규 세라믹 물질 및 그것의 제조 방법이라는 명칭으로 특허 허여됨) 및 미합중국 특허 출원 제 819,387호(마아크 에스. 뉴커크 등의 이름으로, 복합 세라믹 제품 및 그것의 제조 방법이라는 명칭의 특허 출원)에 기재되어 있는 방법에 의해 제조된 분쇄 알루미나는 시판되는 알루미나 제품에 비해 우수한 용침성을 나탄낸다. 상기 특허 및 출원은 본원에 참고로 포함된다. 따라서, 위의 미합중국 특허 및 출원의 방법에 의해 제조된 분쇄된 알루미나를 사용하면 보다 낮은 용침 온도 및/또는 보다 짧은 용침 시간에서 세라믹 물질에 대한 용침이 완료될 수 있다.

완성된 복합체의 소정의 특성을 달성하기 위해 충전재의 치수 및 형상이 달라질 수 있다. 충전재의 형상에 의해 용침 반응이 제한을 받는 것은 아니므로 충전재는 입자 형태, 휘스커 형태, 작은 판 형태 또는 섬유 형태 등의 형태를 취할 수 있으며, 이밖에도 구형태, 세관(tubule) 형태, 펠리트 형태, 내화 섬유의 직물 형태 등도 사용할 수 있다. 또한, 입자가 큰 충전재로 된 충전재에 비해 입자가 작은 충전재로 된 충전재가 그 용침의 완료에 더 높은 온도 또는 더 긴 시간이 필요하지만, 물질의 크기가 용침을 제한하지는 않는다. 또한, 용침시킬 충전재(예비형체로 성형한 것)는 투과성이어야 한다. 즉, 충전재는 용융 기질 금속과 용침 분위기가 침투할 수 있어야 한다. 알루미늄 합금의 경우, 용침 분위기는 질소-함유 기체를 포함할 수 있다.

용융 기질 금속을 예비형체 또는 충전재로 용침시킴에 있어 압력을 사용하지 않는 본 발명의 금속 기질 복합체 제조 방법에 의하면 충전재에 체적 분율이 높고 다공성이 낮은 거의 균일한 금속 기질 복합체를 제조할 수 있다. 다공성이 낮은 충전재를 사용하면, 충전재의 체적 분율이 높은 복합체를 얻을 수 있다. 또한, 충전재가 용융 합금에 의한 용침을 저해할 치밀한 구조(즉, 자발적 용침이 일어나기에 충분하지 않은 다공도를 갖는 구조) 또는 치밀한 다공도를 갖는 압축제로 전환되지 않는한 충전재를 압축 성형 또는 치밀화시키므로써 충전재의 체적 분율이 높은 복합체를 얻을 수 있다.

알루미늄의 용침 및 세라믹 충전재 주위에서의 기질의 형성에 있어서, 알루미늄 기질 금속에 의한 세라믹 충전재의 습윤화가 용침 기전(infiltration mechanism)에서 중요한 역할을 한다는 것이 밝혀졌다. 또한, 낮은 처리 온도에서는 무시할 수 있을 정도의 금속의 질화 반응이 일어나고, 그 결과 소량의 질화 알루미늄 불연속 상이 금속 기질내에 분산된다. 그러나, 용침 온도가 고온이 되면 금속의 질화가 용이하게 발생하게 된다. 따라서, 용침 온도를 변화시켜 주면 금속 기질내의 질화물상의 양을 조절할 수 있다. 또한, 질화물이 생성되는 온도는 사용한 기질 알루미늄 합금, 충전재 또는 예비형체의 체적에 대한 기질 알루미늄 합금의 양, 용침될 충전재 및 용침 분위기내의 질소의 농도 등과 같은 인자에 따라 달라진다. 예를 들면, 주어진 공정 온도하에서 알루미늄 합금이 충전재를 습윤화시키는 능력이 감소할 수록 그리고 용침 분위기중의 질소 농도가 증가할 수록 알루미늄 질화물의 생성 정도는 증가한다고 여겨진다.

그러므로 복합체의 생성중에 금속 기질의 구성 상태를 조절해 줌으로써 완성된 복합체에 원하는 특성을 부여할 수 있게 된다. 하나의 주어진 계에 있어서, 질화물의 생성을 제어하도록 공정 조건을 선택할 수 있다. 질화 알루미늄상을 함유한 복합체는 우수한 특성을 가진다. 또한, 알루미늄 합금의 자발 용침을 위한 온도 범위는 사용한 세라믹 물질에 따라 달라진다. 충전재로서 알루미나를 사용한 경우, 바람직하게는 질화물의 생성때문에 기질 금속의 연성이 감소하지 않도록 하려면 용침 온도가 약 1,000℃를 초과해서는 안된다. 그러나, 연성은 약하지만 강성(stiffness)이 우수한 기질을 가진 복합체를 제조하고자 하는 경우에는 1,000℃를 초과하는 용침 온도를 사용할 수 있다. 충전재로서 실리콘 카바이드를 사용하고, 기질 금속으로서 알루미늄합금을 선택한 경우에는 실리콘 카바이드를 용침시키기 위해 약 1,200℃의 고온을 사용할 수 있는데, 이는 충전재로서 알루미나를 사용한 경우보다는 실리콘 카바이드를 사용한 경우가 알루미늄 합금의 질화 정도가 적기 때문이다.

또한, 충전재에 대한 용침 반응의 완성 및/또는 제1 기질 금속과 다른 조성의 제2 기질 금속의 공급을 위해 기질 금속 공급원(reservoir)을 사용할 수 있다.

특히, 어떤 경우에는 제1 기질 금속과 조성이 다른 제2 기질 금속을 공급원내에 사용하는 것이 바람직할 때도 있다. 예를 들면, 알루미늄 합금을 제1 기질 금속원으로서 사용한 경우, 공정 온도에서 용융 상태인 다른 금속 또는 다른 합금을 금속 공급원으로서 사용할 수 있다. 일반적으로 용융 금속은 충분한 시간 동안 방치해 두면 서로 혼합되는 성질이 있어 제1 기질 금속과 혼합되므로, 제1 기질 금속과 조성이 다른 제2 기질 금속 공급원을 사용하면 여러가지 사용 목적에 부합되는 특성을 가진 금속 기질을 얻을 수 있고, 따라서 금속 기질 복합체의 특성도 조절할 수 있다.

본 발명에서는 차단 수단(barrier means) 또한 사용할 수 있다. 특히, 본 발명에서 사용하는 차단 수단은 용융 기질 합금(예:알루미늄 합금)이 충전재의 표면 경계를 초과하여 유동하는 것을 방지할 수 있는 것이라면 어떠한 수단도 가능하다. 적절한 차단 수단으로서는 본 발명의 공정 조건하에서 그 형태를 유지할 수 있고, 휘발하지 않으며, 바람직하게는 공정중 사용된 기체가 투과할 수 있고, 세라믹 충전재의 표면 경계를 초과하는 이동 또는 계속된 용침을 방지할 수 있는 임의의 물질, 화합물, 원소, 조성물 등을 들 수 있다.

적절한 차단 수단에는 사용된 공정 조건하에서 유동하는 용융 기질 합금에 의해 거의 습윤화되지 않는 물질이 포함된다. 이러한 종류의 차단 수단은 용융 기질 합금에 대한 친화력이 거의 없으므로, 충전재 또는 예비형체의 표면 경계를 초과하는 용융 기질 합금의 용침을 차단한다. 또한, 차단 수단을 사용하면 금속 기질 복합체에 요구되는 최종 기계 가공이나 연삭 가공의 필요성을 감소시킬 수 있다. 전술한 바와 같이, 분위기 기체가 용융 기질 합금에 접촉할 수 있도록 차단 수단은 다공성이거나 투과성(펀치 구멍에 의함)인 것이 바람직하다.

알루미늄 기질 합금에 대해 특히 유용한 차단 수단은 탄소를 함유한 차단 수단이며, 특히 탄소의 결정성 동소체인 흑연을 함유한 차단 수단이다. 흑연은 상기 공정 조건하에서 용융 알루미늄 합금에 의해 습윤화되지 않는다. 특히 바람직한 흑연으로서는 유니온 카바이드사의 상표명 Grafoil으로 시판되는 흑연 테이프를 들수 있다. 이 흑연 테이프는 용융 알루미늄 합금이 충전재의 표면 경계를 초과하여 이동하는 것을 방지해주는 밀봉 특성을 발휘한다. 이 흑연 테이프는 또한 내열성이 우수하며 화학적으로 불활성이다. 또한 이 Grafoil 흑연 테이프는 가요성, 상용성, 순응성 및 탄력성이 있으므로 임의의 다양한 형상으로의 성형이 가능하다. 그러나, 슬러리 또는 페이스트 형태의 흑연 차단 수단을 사용할 수도 있으며, 경우에 따라서는 충전재 또는 예비형체의 주위에 페인트 필름 형태로 흑연 차단 수단을 도포할 수도 있다. Grafoil 흑연 테이프는 가요성의 흑연 시트(sheet)형태이므로 특히 바람직하다. 사용시 충전재 또는 예비형체의 주위에 이 종이와 같은 흑연을 쉽게 설치할 수 있기 때문이다.

질소 분위기하에서의 알루미늄 금속 기질 합금에 대해 바람직한 그밖의 차단수단으로는 전이 금속 붕화물(예:티타늄 디보라이드(TiB₂))가 있는데, 일반적으로 이 물질은 사용한 공정 조건하에서 융용 알루미늄 합금에 의해 습윤화되지 않는다. 그러나 이러한 종류의 차단 수단을 사용하는 경우, 공정 온도가 약 875℃를 초과해서는 안되며, 만일 이 온도를 초과하면 차단 수단의 기능이 떨어지며, 온도가 상승함에 따라 차단 수단내로의 용침도 발생하게 된다. 상기 전이 금속 붕화물은 통상적으로 입자 형태(1-30 마이크론)이며, 이는 바람직하게는 예비형체로 성형된 세라믹 충전재 덩어리의 경계면에 슬러리 또는 페이스트 상태로 도포할 수 있다.

질소 분위기하에서의 알루미늄 기질 합금에 대해 유용한 그 밖의 차단 수단으로 충전재 또는 예비형체의 외면상에 필름 또는 층상으로 설치되는 휘발성이 낮은 유기 화합물이 포함된다. 질소 분위기하에서, 특히, 본 발명의 공정 조건하에서 가열되면, 이 유기 화합물은 분해되어 탄소 박막이 남는다. 위 유기 화합물은 페인팅법, 스프레이법, 디핑법(dipping) 등과 같은 종래의 기술을 이용하여 도포할 수 있다.

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

차단 수단은 경계면상에 차단층(layer)을 설치하는 등의 임의의 적절한 방법으로 설치할 수 있으며, 차단층은 경계면상에 페인팅법, 디핑법, 실크스크린법, 증착법, 액상 도포법, 슬러리 드포법, 페이스트 도포법, 기화성 있는 차단 수단의 스퍼터링법, 고체 입자 형태의 차단 층의 용착법, 고체 박막 형태의 차단 수단 설치법 등의 방법으로 설치될 수 있다. 이와 같은 차단 수단을 설치한 경우, 용융 기질 금속이 경계면에 도달하여 차단 수단에 접촉하면 자발 용침은 거의 중지된다.

상기 기법을 사용하므로써, 본 발명은 성형된 금속 기질 복합체가 하나 이상의 제2 몸체 또는 부가 몸체에 결합되거나 일체적으로 부착되는 기술을 제공해준다. 이 몸체는 세라믹 기질 몸체; 세라믹 기질 복합체, 즉, 충전재를 함유한 세라믹 기질; 금속체; 금속 기질 복합체; 및/또는 상기 물질들의 모든 결합물을 포함한다. 본 발명의 최종 생성물은 기질 금속이 충전재 또는 예비형체를 자발적으로 용침하여 형성되고 하나 이상의 상기 기재된 물질로 구성된 하나 이상의 몸체에 결합 또는 전체적으로 부착되어 있는 하나 이상의 금속 기질 복합체를 포함하는 거대 복합체이다. 따라서, 본 발명의 최종 생성물은 실제로 무한한 수의 자발 용침된 금속 기질 복합체의 변형물 및 결합물을 포함하며, 상기 복합체는 상기 나열된 물질 1개 이상으로 구성된 몸체의 하나 이상의 표면에 결합되어 있다.

실시예 2,3 및 5에 나타난 바와 같이, 본 발명은 단일의 자발 용침 단계에 의하여 다층 거대 복합체를 제조할 수 있다. 특히, 용융 기질 금속은 세라믹 몸체 등 제2 몸체 또는 부가 몸체에 접촉되어 있는 충전재 덩어리 또는 예비형체에 자발 용침하게 된다. 상기 제2 몸체 또는 부가 몸체에 접촉된 상기 충전재(또는 예비형체)의 계면까지 충전재(또는 예비형체)를 용침함에 있어서, 용융 기질 금속은 단독으로 또는 충전재(또는 예비형체)와 결합하여 상기 제2 몸체 또는 부가 몸체와 반응함으로써, 계의 냉각 과정에서 금속 기질 복합체가 제2 몸체 또는 부가 몸체에 결합 또는 전체적으로 부착하게 된다. 따라서, 실시예 2,3 및 5의 기술을 사용함으로써, 다수의 제2 몸체 또는 부가 몸체들이 충전재(또는 예비형체)의 내부 또는 둘레에 배치되어 용융 기질 금속이 충전재(또는 예비형체)와 제2 몸체(또는 부가 몸체)의 계면까지 충전재(또는 예비형체)를 용침하였을 때, 계의 기질 금속융점 및 다른 몸체의 융점 이하의 온도까지 계를 냉각하면 의해 금속 기질 복합체와 다른 몸체 사이에 일체적인 부착 또는 결합이 일어나게 된다.

자발적 용침된 금속 기질 복합체와 제2 몸체 또는 부가 몸체(들)간에 강한 결합 또는 일체적 부착을 형성함과 더불어 본 발명은 또한 제2 몸체 또는 부가 몸체(들)이 금속 기질 복합체에 의해 압축 상태에 있도록 하는 기술도 제공한다. 대안적으로, 금속 기질 복합체가 제2 몸체 또는 부가 몸체(들)에 의해 압축 상태에 있도록 할 수도 있다. 따라서, 금속 기질 복합체는 적어도 부분적으로 다른 몸체를 포함하며 금속 기질 복합체의 열팽창 계수가, 포함된 제2 몸체 또는 부가 몸체의 열팽창 계수보다 큰 경우 금속 기질 복합체는 용침 온도로부터 냉각될 때 포함된 몸체를 압축 상태에 있게 한다. 대안적으로, 금속 기질 복합체는 적어도 부분적으로는 금속 기질 복합체보다 더 큰 열팽창 계수를 갖는 제2 몸체 또는 부가 몸채내에 형성될 수 있다. 따라서, 냉각시에, 제2 몸체 또는 부가 몸체내에 포함된 금속 기질 복합체의 일부는 제2 몸체 또는 부가 몸체에 의해 압축을 받게 된다.

본 발명의 기술은 실제적으로 모든 길이의 연속적인 거대 복합체 체인을 제조하는데 적용될 수 있다. 특히 본 발명의 제조 공정은 연속 제조 방법에 적용될 수 있는데, 예로서, 원료의 연속적 스트림이, 기질 금속을 그 용융점 이상으로 가열하는 로를 통과하고; 이 기질 금속은 상기 용융 기질 금속이 예정된 부피의 충전재(또는 예비형체)를 용침하기에 충분한 시간 동안 용융 상태를 유지하며; 그 후 용침된 충전재가 냉각되어(예:로에서 꺼냄) 기질 금속을 고화 온도까지 냉각시킴으로써 금속 기질 복합체를 제조하게 되는 것이다. 이러한 연속 공정을 사용함으로써, 금속 기질 복합체는 다른 금속 기질 복합체에 결합 되는 제2 물질에 결합될 수 있으며, 다른 금속 기질 복합체는 다른 제2 물질에 결합된다. 용융 기질 금속은 원상태로 공급되거나 기질 금속 공급원 등으로부터 공급되는 제2 스트림을 통해 연속적으로 로에 공급될 수 있다. 부가하여 Grafoil

(상기 기재됨) 등의 차단물질층을 거대 복합체 체인의 예정된 부분들 사이에 삽입하여 차단층에서 체인이 종결되도록 할 수 있다.

금속 기질 복합체의 제2 몸체(또는 부가 몸체)에의 일체적 부착 또는 결합은 기계적 결합 기술을 사용하여 강화될 수 있다. 특히, 금속 기질 복합체 또는 제2 몸체(또는 부가 몸체)중 하나 또는 둘 모두의 표면에, 결합 또는 부착되는 몸체 표면에 대응하는 역형상이 나타나도록 노치, 홀, 슬롯 또는 다른 표면 굴곡을 형성시킬 수 있다. 이 역으로 부합하는 굴곡은 금속 기질 복합체와 제2 몸체(또는 부가 몸체)간에 생성되는 임의의 화학적 결합에 부가하여 기계적 결합을 만들 수 있다. 이러한 결합 또는 부착 기전이 조합되어, 각각의 결합 또는 부착 기전에 의한 경우보다 더 강한 결합 또는 부착을 이룰 수 있다.

본 발명의 기술에 의해 제조된 제품은 고온, 마모, 부식, 침식, 열변형, 마찰 및/또는 다른 응력을 견디어야 하는 표면을 필요로 하는 산업 분야에 유용하다. 따라서, 본 출원에 개시 및 청구된 방법은, 금속 기질 복합체, 세라믹 기질 복합체, 금속 또는 이들의 조합물로 이루어진 표면을 사용하면 성능을 향상시킬 수 있는 거의 모든 산업 용품의 제조에 유용하다. 본원에서 성질과 특성이 다른 물질들의 층을 갖는 거대 복합체를 제조하는 기술을 제공함으로써, 종래의 물질을 통해 만족되지 않거나 만족될 수 없었던 다양한 산업적 용도를, 본 발명의 방법에 따라 제조된 공학적으로 적합한 거대 복합체를 통하여 만족시킬 수 있게 되었다. 특히, 몸체의 일부는 특정한 일련의 조건들을 견디어야하고 몸체의 다른 부분은 다른 일련의 조건들을 견디어야 하는 산업적 용도를, 2종 이상의 다른 물질을 소정의 산업 용품의 형상을 갖는 거대 복합체로 제조함으로써 만족시킬 수 있게 되었다. 또한 상기의 예비형체 및 차단체 기술을 사용하여, 넷트 형상의 거대 복합체를 제조함으로써 자발 용침 단계후 별도의 기계 작업을 거의 필요로 하지 않게 되었다.

따라서, 본 발명의 방법에 의해 제조된 제품은 실제로 무한한 산업상의 가능성을 가지며 오늘날 물질 분야에서 가장 시급한 많은 공학적 요건들을 만족시킬 수 있게 되었다.

본 발명의 여러가지 설명이 다음의 실시예에 포함되어 있다. 그러나 이 실시예들은 예시적인 것이며 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니다.

[실시예 1]

본 실시예는 성형된 예비형체에 용융 기질 금속이 자발 용침하도록 하여, 기질 금속의 고체 부품에 일체적으로 부착 또는 결합되어 있는 성형된 금속 기질 복합체의 제조 방법에 관한 것이다.

제1도에 있어서, 약 2×2×½인치 크기이고 약 5중량%의 실리콘, 5중량%의 마그네슘, 및 나머지가 알루미늄인 조성을 갖는 기질 금속의 잉곳(2)을 약 2×2×½인치 크기인 예비형체(4)의 상부에 배치하였다. 예비형체(4)는 엘머스우드 글루(보르돈사 제품)와 C-75 비연삭된 석회화 알루미나(알칸사 제품)을 혼합하여 제조하였다. 사용된 엘머스 우드 글루의 중량은 C-75 비연삭된 석회화 알루미나 중량의 약 10%였다. 이 엘메스 우드 글루/알루미나 혼합물에 충분한 물을 첨가하여 슬러리를 만들었다. 슬러리를 잘 혼합하여 고무 금형에 부었다. 그 다음, 고무 금형의 내용물이 완전히 동결될 때까지 고무 금형 및 그 내용물을 냉동 장치에 넣었다. 이 시점에서, 동결된 예비형체를 고무 금형에서 제거하여 건조시켰다.

제1도에 나타난 바와 같이, 예비형체(4) 및 기질 금속 잉곳(2) 조합물을 볼트 테크니컬 세라믹스사에서 시판하는 알루미나 내화 용기(6)내에 함유된 약 ½인치 두께인 그레이드 HTC 티타늄 디보라이드(유니온 카바이드사 제품)층 위에 배치하였다. 그 다음 티타늄 디보라이드 층(8)의 표면이 기질 금속 잉곳(2)의 윗면에 거의 이를 때까지 부가의 그레이드 HTC 티타늄 디보라이드를 내화 용기(6)에 첨가하였다.

내화 용기(6) 및 그 내용물로 구성된 조립체를 실온에서 기압이 조절된 전기저항 가열된 진공로에 넣고 로 내에 높은 진공(약 1×10^-4torr)를 만든 후 실온에서 약 200℃로 온도를 증가시켰다. 성형 가스(대략 96 체적%의 질소, 4 체적%의 수소)를 로에 채워서 대략 1기압으로 만들고 연속 성형 가스 유속을 약 1000cc/분으로 만들기 전에, 상기 로 및 그 내용물을 약 200℃에서 약 2시간 동안 유지시켰다. 그 다음 로 온도를 약 10시간에 걸쳐 약 875℃까지 높이고, 약 875℃에서 약 15시간 유지시킨 후, 약 5시간에 걸쳐 실온으로 온도를 낮추었다. 실온에 도달하였을 때 조립체를 로에서 꺼내어 분해하였다. 기질 금속에 의해 용침된 알루미나 예비형체를 포함하는 금속 기질 복합체를 회수하였다. 제2도에 있어서, 금속 기질 복합체(10)는 과다의 잔류 기질 금속(12)에 일체적으로 결합되어 있다.

따라서, 본 실시예는 자발 용침을 이용하여 과다한 기질 금속의 고체 부품에 일체적으로 결합된 성형된 금속 기질 복합체를 제조하는 것이 가능함을 보여준 것이다.

[실시예 2]

본 실시예는 기질 금속이 충전재층에 자발적으로 용침하므로써, 차례로 세라믹 몸체에 일체적으로 부착 또는 결합되어 있는 금속 기질 복합체에 일체적으로 부착 또는 결합된 과다 기질 금속을 포함하는 거대 복합체를 제조하는 방법에 관한 것이다.

제3도에서, 각각 약 2×1×½인치 크기 및 약 3중량%의 실리콘, 3중량%의 마그네슘 및 나머지가 알루미늄인 조성을 갖는 4개의 기질 금속 잉곳(14)을, 상품명이 38 알룬덤(Alundum)인 90 그릿 알루미나(노튼사 제품)층(16)의 상부에 배치하였다. 90그릿의 38알룬덤의 층(16)을 알루미나 내화 용기(18; 볼트 테크니컬 세라믹사 제품)에 장입시켰다. 기질 금속 잉곳(14)을 제3도에 나타난 바와 같이 배열하였다.

알루미나 내화 용기(18) 및 그 내용물로 구성된 조립물을 관형(tube) 로내에 배치하고 성형 가스(거의 96 체적% 질소, 4 체적% 수소)를 약 300 cc/분의 가스 유속으로 로를 통하여 유입시켰다. 그 다음 로의 온도를 실온에서 약 10시간에 걸쳐 약 1000℃까지 증가시키고, 약 1000℃에서 약 10시간 유지시킨 후 약 6시간에 걸쳐 실온으로 낮추었다.

실온에 도달한 후, 상기 조립체를 로에서 꺼내어 분리하였다. 기질 금속에 의해 용침된 90그릿의 38알룬덤을 포함하는 금속 기질 복합체를 회수하였다. 금속 기질 복합체는 알루미나 내화 용기(18) 및 과다의 기질 금속 몸체 양쪽에 일체적으로 부착 또는 결합되었다. 제4도는 알루미나 내화 용기(22) 및 금속 기질 복합체(24) 사이의 경계면(20)을 보여주는 광학 현미경 사진이다. 제4도는 금속 기질 복합체-알루미나 내화 용기 경계면이 양호한 결합 또는 부착을 이루고 있음을 보여준다. 제4도에는 나타나지 않았지만, 과다 기질 금속-금속 기질 복합체 경계면에도 강한 결합 또는 양호한 부착이 이루어졌다. 이러한 결합은 과다 기질 금속이 기계 작업 없이는 제거되지 않는다는 사실로부터 알 수 있다.

제5도는 본 실시예에 의해 제조된 금속 기질 복합체의 미세 구조를 고배율로 확대한 광학 현미경 사진이다.

(26)으로 표시된 선에 의해 나타난 바와 같이, 많은 양의 질화 알루미늄이 금속 기질 복합체내에 형성되었다. 제5도에서 질화 알루미늄(26)은 검은 회색의상으로 나타나며 기질 금속(28)은 밝은 회색으로 나타나고 90그릿의 38알룬덤은 검은색 입자(30)로 나타난다. 따라서, 본 실시예는 용침 기질 금속과 용침 분위기 사이에 반응 생성물을 포함하도록 금속 기질 복합체의 미세 구조를 설계할 수 있음을 알려준다.

따라서, 본 실시예는 자발 용침을 이용하여 차례로 세라믹 몸체에 일체적으로 부착 또는 결합되어 있는 금속 기질 복합체에 일체적으로 부착 또는 결합된 과다 기질 금속을 포함하는 거대 복합체를 제조하는 방법에 관한 것이다. 또한 본 실시예는 기질 금속과 용침 분위기 사이에 반응 생성물을 형성시켜 금속 기질 복합체의 미세 구조를 개질할 수 있음을 보여준다.

[실시예 3]

본 실시예는 차례로 세라믹 몸체에 일체적으로 부착 또는 결합된 금속 기질 복합체에 일체적으로 부착 또는 결합된 과다의 기질 금속을 포함하는 거대 복합체의 제조에 관한 것이다.

제6도에서, 약 3×4×½인치 크기인 시판되는 알루미나판 (32)(AD 85,쿠어스사 제조)을 알루미나 내화 용기(34)내의 38 Alundum이라는 명칭으로 시판되는 두께가 거의 ½인치인 90 그릿 알루미나 물질(노튼산 제품)층 위에 배치하였다. 그 다음 알루미나판(32)이 거의 1인치 두께의 38알룬덤층으로 덮일 때까지 38알룬덤을 내화 용기(34)에 첨가하였다. 약 5중량%의 실리콘, 3중량%의 마그네슘, 6중량%의 아연, 나머지가 알루미늄으로 구성된 기질 금속의 두 막대(36)를 38알룬덤 위에 배치하여 그 막대들이 알루미나 판 바로 위쪽에 있도록 하였다. 기질 금속의 각 막대(36)의 크기는 대략 4.5×2×0.5인치이며 두개의 기질 금속 막대(36)는 제6도에서와 같이 서로 적층되어 있다. 이 때, 38알룬덤층(38)의 표면이 위쪽의 기질 금속 막대(36)의 표면에 거의 이를 때까지 내화 용기(34)에 부가의 38 알룬덤을 첨가하였다.

알루미나 내화 용기(34) 및 그 내용물로 구성된 조립물을 실온에서 전기 저항 가열된 머플 관형 로내에 배치하여 약 350cc/분의 연속적인 가스 유속으로 성형 가스(약 96체적%의 질소, 4체적%의 수소로 구성됨)를 공급하였다. 로의 온도를 약 12시간에 걸쳐 실온으로부터 약 1000℃까지 승온시키고, 약 1000℃에서 약 18시간동안 유지시킨 후 약 5시간에 걸쳐 실온으로 낮추었다.

실온에 도달한 후, 조립물을 로에서 꺼내어 분리하였다. 제7도는 조립물로부터 회수된 거대 복합체(40)의 횡단면을 보여주는 사진이다. 특히, 과다 기질 금속 몸체(42)는 금속 기질 복합체(44)에 일체적으로 부착 또는 결합되며, 금속 기질 복합체는 기질 합금에 의해 매립되는 90그릿의 38알룬덤을 포함하고, 세라믹판(46)에 일체적으로 부착 또는 결합한다. 따라서, 본 실시예는 세라믹 부품 및 금속 기질 복합체의 반대편에 위치한 고형 금속 부품에 결합되는 금속 기질 복합체를 포함한 다층 거대 복합체의 제조를 가능하게 한 것이다. 또한 본 실시예로부터 하나의 자발 용침 단계에 의해 이러한 다층 거대 복합체를 제조하는 것이 가능함을 알 수 있다.

[실시예 4]

본 실시예는 고형 기질 금속 몸체에 일체적으로 부착된 금속 기질 복합체의 제조에 관한 것이다.

제8도에서 Grafoil

이라는 상표로 시판하는 두께 15/1000 인치의 Grade GTB 흑연 테이프 제품(유니온 카바이드사 제품)의 겹층으로 제조된 약 6.5×6.6×2.5인치 크기의 상자(48)를 제조하였다. 이 상자는 적절한 치수의 Grafoil

흑연 테이프 조각을 스테이플로 연결하고 연결 부위에는 흑연 분말(론자사의 그레이드 KS-44)과 콜로이드성 실리카(듀퐁사의 Ludox HS)를 혼합하여 만든 슬러리로 밀봉하여 제조한 것이다. 콜로이드성 실리카에 대한 흑연의 중량비는 약 ⅓이었다.

그 다음 알칸사의 C-75 비연삭 알루미나로 알려진 비연삭 알루미나 충전재를, 알루미나 물질의 층(50)이 약 1.25 인치의 두께가 될 때까지 Grafoil 상자에 첨가하였다. 약 5중량%의 실리콘, 5중량%의 마그네슘, 5중량%의 아연 및 나머지는 알루미늄으로 구성된 약 6.5×6.5×1인치의 기질 금속의 잉곳(52)을 Grafoil 상자(48)내의 알루미나 충전재층(50)의 상부에 배치하였다. 그 다음 Grafoil 상자(48) 및 그 내용물을 흑연 내화 용기(54)내의 상품명 38알룬덤으로 알려진 약 1인치 두께의 24그릿 알루미나 물질(노톤사 제품)층 위에 배치하였다. 24그릿 38알룬덤 층(56)의 표면이 Grafoil 상자(48)의 상부에 거의 닿을 때까지 24그릿 38알룬덤을 흑연 용기에 첨가하였다.

상기 흑연 내화 용기(54)와 그 내용물로 구성된 조립체를 실온하에서 기압조절되고 전기저항 가열된 진공로내에 설치한 다음, 로내에서 고도의 진공(약 1×10^-4torr) 상태를 만든 후, 로의 온도를 약 45분에 걸쳐 약 200℃까지 승온시키고 이 온도에서 거의 2시간 유지시켰다. 진공화된 로를 질소기체로 역충전하여 약 1기압으로 만들고, 약 1.5리터/분의 유속으로 질소 기체를 계속 공급했다. 다음에, 로의 온도를 약 5시간에 걸쳐서 약 865℃까지 승온시키고, 이 온도에서 약 24시간 유지시켰다. 그 다음에, 약 3시간에 걸쳐 실온으로 냉각시켰다. 로의 온도가 실온이 되었을 때 조립체를 로에서 꺼내어 분해하였다. 제9도는 조립체로부터 회수된 거대 복합체의 횡단면을 보여주는 사진이다. 특히 제9도는 잔류 기질 금속 몸체(60)에 일체적으로 부착되어 있는, 기질 금속에 묻힌 C-75 비연삭 알루미나를 포함하는 금속 기질 복합체(58)를 나타낸다.

따라서 본 실시예로부터 잔류 기질 금속몸체에 일체적으로 결합되어 있는 금속 기질 복합체로 구성된 거대 복합체를 얻는 것이 가능하다는 것을 알 수 있다.

[실시예 5]

본 실시예는 세라믹 몸체에 일체적으로 부착 또는 결합된 금속 기질 복합체에 일체적으로 부착 또는 결합된 과다의 기질 금속 몸체를 포함하는 거대 복합체의 제조에 관한 것이다. 특히, 세라믹 몸체 및 과다의 기질 금속 몸체는 금속 기질내에 매립되어 3차원적으로 결합된 세라믹 구조체를 포함하는 금속 기질 복합체에 일체적으로 부착 또는 결합되어 있다.

제10도에서, 대략 99.5% 순도의 알루미늄 산화물을 포함하며 1인치당 약 45기공을 내포하는 약 1×1.5×0.5인치 크기의 세라믹 필터(62)를 뉴욕 소재 알프레드 하이테크 세라믹스사에서 구입하였다. 세라믹 필터(62)를 알루미나 용기(64)의 바닥에 배치하고, 약 1×1×½인치 크기이고 약 5중량%의 실리콘, 약 6중량%의 아연, 약 10중량%의 마그네슘, 및 나머지는 알루미늄의 조성을 갖는 기질 금속의 잉곳(66)을 세라믹 필터(62)의 상부에 배치하였다. 알루미나 용기(64)는 볼트 테크니컬 세라믹스사에서 구입한 99.7% 알루미나 새거(sagger)(BTC-AL-99.7%)이며 이 용기는 대략 길이 100㎜, 폭 45㎜ 및 높이 19㎜이고 바닥 두께 3㎜을 가진 것이다.

알루미늄 내화 용기와 그 내용물로 구성된 조립체를 실온에서 관형 로(tube furnace)내에 설치하고, 로의 입구를 폐쇄한 후 약 250cc/분의 가스 유속으로 성형 가스(약 96체적% 질소, 4체적% 수소)를 로에 공급해 주었다. 다음에 로의 온도를 약 150℃/시간의 속도로 약 775℃까지 승온시키고, 이 온도에서 7시간 동안 유지시킨 후, 다시 약 200℃/시간의 속도로 실온까지 냉각시켰다. 온도가 실온이 되었을 때, 조립체를 로에서 꺼낸 다음 분해하여 조립체로부터 거대 복합체를 회수하였다. 거대 복합체의 금속 기질 복합체 층을 절단하여 그 미세 구조의 광학현미경 사진을 얻었다. 이것이 제11도에 나타나 있다.

제11도에 나타난 바와 같이 기질 금속(68)은 다공성의 세라믹 필터(70)에 효과적으로 용침한다. 또한 제11도의 (72)로 표시된 선으로부터 알 수 있는 바와 같이, 기질 금속 용침이 완전하게 일어나 세라믹 필터(70)의 알루미나 성분내 기공을 용침하였다. 제11도로부터 또한 알루미나 용기(76)의 바닥과 금속 기질 복합체(78) 사이의 경계면(75)를 볼 수 있다. 게다가, 사진에는 나타나지 않았지만 과다 기질 금속이 세라믹 부품 맞은편, 즉 알루미나 용기 바닥의 맞은편에 있는 금속 기질 복합체의 단부에 일체적으로 부착 또는 결합되어 있다.

본 실시예로부터 차례로 세라믹 몸체에 일체적으로 부착 또는 결합된 금속기질 복합체에 일체적으로 부착 또는 결합된 과다의 기질 금속 몸체를 포함하는 다층 거대 복합체의 제조가 가능하다는 것을 알 수 있다.

[실시예 6]

본 실시예는 일련의 예비형체를 한 단계로 자발 용침시켜 얇은 금속 기질 층의 양쪽면에 결합된 두개의 금속 기질 복합체를 포함하는 거대 복합체를 제조하는 것을 보여준다.

각각 약 7×7×0.5인치 크기의 두개의 예비형체를, 38알룬덤이라는 상품명으로 시판되는 220 그릿 알루미나 물질(노톤사 제품) 및 콜로이드성 알루미나(Nyacol Al-20)의 혼합물로부터 침강 주조하여 제조하였다. 콜로이드성 알루미나와 220 그릿 38알룬덤의 대략의 중량비는 70/30이었다.

예비형체를 건조하고 경화시킨 후, 얇은 콜로이드성 알루미나 페이스트(Nyacol AL-20)의 층(두께 약 1/64인치임)을 두 예비형체 각각의 표면에 페인트하였다. 콜로이드성 알루미나가 두 예비형체 사이에 있도록 페인트된 두 표면을 접촉시켰다. 제12도에 나타난 바와 같이, 콜로이드성 알루미나의 중간층(81)을 포함하는 예비형체(80)의 조립체를, 내화 용기(82)내의 약 ½인치 두께를 갖는 Grade HCT 티타늄 디보라이드(유니온 카바이드사 제품)층 위에 배치하였다. 약 5중량%의 실리콘, 5중량%의 아연, 7중량%의 마그네슘, 2중량%의 구리, 및 나머지는 알루미늄의 조성을 갖는 약 7×7×0.5인치 크기의 기질 금속의 잉곳(84)을 예비형체(80)의 조립체의 상부에 배치하였다. 티타늄 디보라이드 층(86)의 표면이 거의 기질 금속 잉곳(84)의 상부 표면까지 이를 때까지 내화 용기(82)내에 그레이드 HCT 티타늄 디보라이드를 첨가하였다.

내화 용기(82)와 그 내용물로 구성된 조립체를 실온에서 제어된 기압 및 전기 저항 가열된 진공로에 넣고, 로내의 압력이 약 1×10^-4torr가 되도록 진공화한 다음, 로의 온도를 약 45분 동안 약 200℃까지 승온시키고 진공 상태하에 거의 2시간 동안 약 200℃로 유지시켰다. 이러한 초기 두시간의 가열 과정후, 로를 질소기체로 역충전시켜 거의 1기압이 되게 하였다. 로의 온도를 약 5시간에 걸쳐 약 865℃까지 승온시키고, 이 온도에서 약 18시간동안 유지시킨 다음, 약 5시간에 걸쳐 실온으로 냉각시켰다. 온도가 실온이 되었을 때, 조립체를 로에서 꺼낸 다음 분해하였다. 제13도에 조립체로부터 회수된 거대 복합체의 단면 사진이 나타나 있다. 특히, 기질 금속층(88)은 각각 기질 금속에 의해 묻힌 220그릿 38알룬덤(및 Nyacol 콜로이드성 알루미나의 잔류물)을 포함하는 2개의 금속 기질 복합체(90) 사이에 끼워져 있다. 기질 금속층(88)은 각 금속 기질 복합체(90)에 일체적으로 부착 또는 결합되어 거대 복합체를 형성한다.

본 실시예로부터 얇은 금속 기질층에 일체적으로 부착 또는 결합된 두개의 금속 기질 복합체를 포함하는 거대 복합체를 하나의 자발용침 단계에 의하여 제조할 수 있음을 알 수 있다.

Claims

용융시 기질 금속이 자발적으로 충전재 덩어리 또는 예비형체를 용침시켜 금속 기질 복합체를 형성하도록 충전재 덩어리 또는 예비형체를 기질 금속체에 병렬배치하는 단계, 상기 기질 금속이 자발적으로 충전재 덩어리 또는 예비형체를 용침시킬 때 기질 금속이 1개 이상의 부가몸체의 일부 또는 전부와 접촉하도록 1개 이상의 부가몸체를 상기 충전재 덩어리 또는 예비형체에 병렬 배치하는 단계, 기질 금속을 기질 금속의 융점 이상이면서 상기 충전재 또는 예비형체의 융점 이하인 온도로 가열하는 단계, 용침 분위기 기체를 제공하는 단계, 상기 충전재 덩어리 또는 예비형체의 일부 또는 전부를 상기 기질 금속으로 자발적으로 용침시켜 기질 금속 복합체를 형성하는 단계, 자발적 용침을 계속하여 상기 기질 금속이 상기 부가몸체의 일부 또는 전부 접촉시키는 단계, 상기 기질 금속을 기질 금속의 융점 이하의 온도로 냉각시켜서, 상기 1개 이상의 부가몸체에 일체적으로 부착 또는 결합된 금속 기질 복합체를 포함하는 거대복합체를 형성시키는 단계를 포함하는, 거대복합체의 제조 방법.
제1항에 있어서, 용침 촉진제 전구체 및 용침촉진제중 하나 이상을 기질 금속, 충전재 또는 예비형체 및 용침 분위기 기체 중에서 선택되는 하나 이상에 추가 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제2항에 있어서, 상기 기질 금속은 알루미늄을 포함하며, 용침 분위기 기체는 질소를 포함하고 용침 촉진제 전구체는 마그네슘, 스트론튬 및 칼슘으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
제2항에 있어서, 상기 기질 금속은 알루미늄을 포함하며, 용침 분위기 기체는 산소를 포함하고 용침 촉진제 전구체는 아연을 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.