KR970008035B1

KR970008035B1 - 분쇄된 산화 반응 생성물을 충전재로서 이용하는 금속 매트릭스 복합체 제조 방법

Info

Publication number: KR970008035B1
Application number: KR1019890014113A
Authority: KR
Inventors: 케보크 아그하자니안 마이클; 스티븐슨 뉴커크 마크
Original assignee: 랜자이드 테크놀로지 컴패니, 엘피; 마이클 제이. 홀린스
Priority date: 1988-11-10
Filing date: 1989-09-30
Publication date: 1997-05-20
Anticipated expiration: 2009-09-30
Also published as: AU624860B2; FI894927A0; AU4165889A; PH26122A; NZ231085A; JP2801303B2; KR900007510A; CN1042493A; DK460589D0; JPH02236246A; TR25230A; ATE96469T1; DE68910273D1; BR8905617A; NO893982D0; NO176186B; EP0368782B1; US5541004A; FI91833C; NO893982L

Abstract

요약 없음.

Description

분쇄된 산화 반응 생성물을 충전재로서 이용하는 금속 매트릭스 복합체 제조 방법

제1도는 실시예1에 따른 세라믹 복합체를 제조하는데 사용되는 물질들을 집합시킨 상태의 개략적인 단면도.

제2도는 실시예1에 따른 금속 매트릭스 복합체를 제조하는데 사용되는 물질들을 집합시킨 상태의 개략적인 단면도.

제3도는 실시예1에 따라 형성된 금속 매트릭스 복합체의 단면을 400배로 확대한 현미경사진.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 모금속 바아2 : 층

3 : 실리카 입자4 : 내화 용기

10 : 알루미늄 합금12 : 산화 반응 생성물

14 : 내화 용기

본 발명은 금속 매트릭스 복합체를 제조하는 방법에 관한 것이다. 특히, 모금속과 산화제의 산화반응 생성물을 먼저 형성하고, 이 다결정 산화 반응 생성물을 그 뒤에 적당한 용기에 채우거나 예비성형체로 성형할 수 있는 적당한 크기의 충전재로 분쇄하고, 그뒤에 전술한 바와같이 분쇄된 산화 반응 생성물의 충전재, 또는 예비성형체를 최소한 공정 시행 도중에 용침촉진제, 및/또는 용침촉진제 선구물질의 존재하에서, 및/또는 용침분위기하에서 매트릭스 금속 합금과 접촉시키며, 이때 매트릭스 금속 합금은 충전재 또는 예비성 형체에 자발적으로 용침된다. 분쇄 또는 파쇄된 산화 반응 생성물을 이용함에 따라 용침(예를들면, 용침 속도 또는 용침량)이 향상된다. 또한, 신규의 금속 매트릭스 복합체가 제조된다.

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, 고온 강도등과 같은 특성이 단일 금속에 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 보강된 알루미늄 매트릭스 복합체는 알루미늄 자체보다 경도, 내마모성 및 고온 강도 등이 우수하므로 관심의 대상이 된다.

알루미늄 매트릭스 복합체를 제조하기 위한 여러가지 방법이 공지되어 있는 데, 예를들면, 분말 야금법 및 용융 금속 용침법이 있다. 용융 금속 용침법은 가압 캐스팅, 진공 캐스팅, 교반 및 습윤제 등을 사용한다.

분말 야금법은 금속 분말과 보강재(예, 분말 형태, 휘스커 형태, 절단한 섬유 형태 등)을 혼합한 다음, 냉각 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, 본 강재가 입자 형태인 경우에 약 40체적%인 것으로 보고되어 있다.

종래의 분말 야금법을 이용한 금속 매트릭스 복합체의 제조 방법에는 여러가지 제한이 가해진다. 예를들면, 복합체내의 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 기계 가공)이나 복잡한 압축 장치의 보조없이는 비교적 단순한 형태의 제품밖에는 생산할 수가 없다. 또한, 압분체(壓粉體; compact)내의 편석 및 결정립 성장에 기인하여 미세 구조가 불균일해지는가 하면, 소결 작업시 불균일한 수축이 발생하기도 한다.

미합중국 특허 제3,970,136호에는 섬유 보강재(예, 실리콘 카바이드 또는 알루미나 휘스커)로 보강하여 보강 섬유가 정향 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 섬유로된 펠트를 설치한 다음, 용융 금속이 상기 매트 속으로 침투하도록, 그리고, 전술한 바와 같이 정향된 보강 섬유를 둘러싸도록 압력을 가하여 제조한다. 용융 금속을 적층된 매트에 주입시킴과 동시에, 매트사이로 용융 금속이 침투하도록 압력을 가할 수도 있다. 이 복합체내의 보강 섬유의 체적 분율은 약 50체적%로 보고되어 있다.

전술한 용침 공정에서는 적층된 섬유 매트내에 용융 매트릭스 금속을 강제로 침투시키기 위해 외부에서 압력을 가해주므로 압력 변화에 따른 유동 특성의 변화에 의해 불균일한 매트릭스가 형성될 수 있고, 기공등의 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 가압 용침법에서는 매트의 체적에 대한 보강재의 체적 비율이 비교적 낮아지는 문제점이 있고, 압력을 가하면서 주형 속으로 용융 금속을 주입시켜야 하므로 공정에 드는 비용이 증가하는 문제가 있다. 또한, 전술한 방법은 보강입자나 보강 섬유가 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 치밀하게 응집된 제품의 생산이 곤란해진다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 여러 가지 방법이 제안되어 있는데, 그중 하나의 해결 방법으로서 알루미나를 금속(예, 니켈 또는 텅스텐)으로 피복한 다음, 알루미늄과 함께 열간 압축하는 것을 들 수 있다. 다른 하나의 방법은 알루미늄을 리튬과 합금하고, 알루미나를 실리카로 피복시키는 것이다. 그러나, 이런 방법으로 제조한 복합체는 그 특성이 일정하지 않으며, 피복 피막이 충전재의 특성을 해치거나, 아니면 알루미늄과 합금된 리튬이 매트릭스의 특성에 악영향을 끼치는 수가 있다.

미합중국 특허 제4,232,091호는 전술한 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/cm³의 압력으로 강제로 용침시키고 있다. 그 결과 제조된 주물내의 알루미나 대 금속의 최대 체적 비율은 0.25:1이다. 이 특허에서도 용침을 위해 외력을 의존하므로 전술한 미합중국 특허 제3,970,136호의 문제점과 동일한 문제점이 존재한다.

유럽 특허 출원 공개 제116,742호에는 예비성형체인 알루미나 매트릭스내의 공극 속에 용융 알루미늄을 충전시킴에 의해 전해조의 부품으로 특히 유용한 알루미늄-알루미나 복합체를 제조하는 방법이 기재되어 있다. 이 출원에서는 알루미나가 알루미늄에 대하여 비습윤성이라는 사실을 강조하고 있고, 이에따라, 예비성형체 전체에 걸쳐 알루미나를 습윤시키기 위한 여러 가지 방법을 이용하고 있다. 예를들면, 알루미나를 티타늄, 지르코늄, 하프늄 또는 니오븀 등의 디보라이드로 이루어지는 습윤제, 또는 리튬, 마그네슘, 칼슘, 티타늄, 크롬, 철, 코발트, 니켈, 지르코늄 또는 하프늄과 같은 금속으로 피복하는 것을 들 수 있다. 또한, 습윤을 촉진시키기 위해 아르곤과 같은 불활성 분위기도 사용한다. 이 특허출원에서는 또한 피복되지 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, 예비성형체의 표면에 알루미늄을 가상 증착법으로 침투시켜 표면을 습윤시킨 후, 용융 알루미늄을 용침시킴으로써 예비성형체의 기공에 용융 알루미늄을 충만시킬 수 있다. 용융 알루미늄을 예비성형체의 기공내에 확실하게 유지되도록 하기 위해서는 진공 또는 아르곤 분위기중에서 열처리(예, 1400 내지 1800℃의 온도) 하는 것이 필요하다.

이와 같은 열처리를 하지 않는 경우, 예비성형체에 용침된 물질을 기체에 노출시키거나 용칩 압력을 제거하게되면, 예비성형체로부터 알루미늄이 소실된다.

유럽 특허 출원 공개 제94363호에서는 전해조내의 알루미미나 성분내로의 용융 금속의 용침을 촉진하기 위해 습윤제를 사용하고 있다. 이 출원에서는 전해조 라이너 또는 전해조 기판으로서의 음극 전류 공급체를 구비한 전해조에서 전해 채취(electrowinning)에 의해 알루미늄을 생성한다. 전해조 기판을 용융 방정석으로부터 보호하기 위해서는, 전해조의 시동전, 또는, 전해공정에 의해 생성된 용융 알루미늄에 침지하는 동안, 알루미나 기판에 습윤제와 용해 억제제의 혼합물을 얇게 피복한다.

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 억제하는데 유용한 것으로 설명되어 있다. 그러나, 이 출원에는 금속 매트릭스 복합체를 제조하는 것을 일절 시사하고 있지 않을 뿐아니라, 예를 들면, 질소 분위기중에서의 복합체를 제조하는 것도 전혀 시사하고 있지 않다.

압력의 인가 및 습윤제의 피복 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 설명하고 있다.

미합중국 특허 제3,864,154호도 용침을 달성하기 위해 진공을 사용하는 것을 개시하고 있다. 이 특허에서는 냉간 압축된 알루미늄 분말 베드층(bed)상에 AlB₁₂로 구성된 냉간 압분체를 위치시키고, 이어서 AlB₁₂분말 성형체의 상부에 알루미늄을 추가로 덮었다. 알루미늄 분말층 사이에 샌드위치된(sandwiched) AlB₁₂압분체를 장입한 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 통기성이 있는 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, 강 주형, 또는 다공질의 내화재)를 용융 금속내에 완전히 침지시키고 있는데, 주형을 사용하는 경우, 용융금속과 반응하는 기체가 충만되어 있는 주형의 공동부(cavity)는 주형내의 적어도 하나의 구멍을 통해 주형외측의 용융 금속과 통(通)하는 상태가 된다. 이 주형을 용융 금속속에 침지시키면 주형 공동부내의 기체와 용융 금속 사이의 반응에 의해 자체적으로 진공이 형성됨에 따라 주형 고동부가 금속으로 충만되게 된다.

특히, 진공은 고체 금속 산화물이 생성된 결과 형성된 것이다. 따라서, 주형 공동부내의 기체와 용융 금속사이의 반응을 유발시키는 것이 필수적인 것으로 설명되었다. 그러나, 진공을 형성하기 위해 주형을 사용하는 기술은 주형이 사용과 관련된 고유의 한계 때문에 바람직하지 않다. 즉, 우선, 주형을 특정의 형상으로 기계 가공한 다음, 마무리 가공하여 주형상에 허용 가능한 주조 표면을 형성하고, 주형으로 사용하기 위해 조립하며, 사용후에는 주물을 취출하기 이해 주형을 분해하고, 분해한 후에는 주형 표면을 재가공하여 그 주형을 재생하거나, 혹은 주형이 더 이상 사용 불가능한 경우에는 그 주형을 폐기 처분해야 한다. 주형을 복잡한 형상으로 기계 가공하기 위해서는 비용 및 시간이 많이 소비되며, 이같이 복잡한 형상의 주형으로부터 성형된 주물을 취출해 내는 것도 매우 어렵다(즉, 주물의 형상이 복잡하므로 주형으로부터 제거해 낼 때 부서지기 쉽다).

또한, 주형을 사용할 필요없이 다공질 내화재를 용융 금속내로 직접 침지시키는 기술도 제시되어 있으나, 이 경우에는 상기 내화재를 하나의 덩어리로 성형해주어야 하는데, 그 이유는 용기의 역할을 하는 주형없이 푸석푸석하거나 분리된 통기성 재료를 용침시키는 설비는 없기 때문이다(즉, 입상 재료들은 용융 금속내에 위치되면, 입자들이 하나하나 분리되거나 용융 금속의 상부로 떠오르게 되는 문제가 있다). 또한, 입상 재료, 혹은 푸석푸석하게 성형된 예비성형체를 용침시키기 위해서는 용융 금속에 의해 예비성형체의 적어도 일부가 흩뜨러지지 않도록, 그리하여 불균일한 미세 구조가 초래되지 않게 하기 위해서는 상당한 주의가 필요하다.

따라서, 세라믹 재료와 같은 다른 재료를 매립하는 금속 매트릭스를 생성하기 위하여, 압력이나 진공, 또는 손상을 초래하는 습윤제를 사용할 필요가 없는 간단하고 신뢰성 있는 성형금속 매트릭스 복합체 제조방법 및 제조된 금속 매트릭스 복합체의 최종 마무리 가공을 최소화 할 수 있는 기술이 오래전부터 요청되어 왔다.

본 발명은 이 같은 요청에 부응하는 기술로서, 제조 공정중의 저겅도 일부에 걸쳐 용침촉진제가 존재하는 한, 대기압하의 용침 분위기(예, 질소 분위기)에서 어떤 재료(예, 세라믹 재료)에든 용융 금속(예, 알루미늄)을 용침시키기 위한 자발용침기구(spontaneous infiltration mechanism)를 제공함으로써 전술의 요청을 충족시킨다.

본 발명은 “금속 매트릭스가복합체 제조 방법”에 관한 다수의 다른 특허 출원과 관련이 있는 발명으로서, 이하의 기재에서는 이들 다른 특허 출원을 단순히 “금속 매트릭스 특허 출원”으로 약칭한다.

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

용침은 외부로부터 압력이나 진공을 가하지 않는 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 공급원이 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 있을 만큼 충분한 양으로 한다. 상기 출원 발명에 따르면, 제조된 알루미늄 매트릭스 복합체내의 충전재의 양이 지나치게 많으므로 충전재대 합금의 체적비가 1:1이상이 된다.

전술한 미합중국 특허 출원 제047,171호의 제조 공정 조건하에서 질화 알루미늄은 알루미늄 매트릭스 전체에 걸쳐 분산된 불연속상을 형성할 수 있다. 알루미늄 매트릭스 속의 질화물의 양은 온도, 합금의 조성, 분위기 기체의 조성 및 충전재 등과 같은 여러가지 인자의 변화에 따라 달라진다. 따라서, 위와 같은 인자들중 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 제049,171호에서는 용침 작용과 질화물의 생성이 균형을 이루도록 하고 있다.

“차단수단(barrier)을 이용한 금속 매트릭스 복합체 제조 방법”이라는 명칭의 1988년 1월 7일자 미합중국 특허출원 제141,642호에는 금속 매트릭스 복합체의 제조시 사용할 수 있는 적절한 차단 수단의 일례가 기재되어 있다. 이 특허 출원에 따르면, 차단 수단(예, 티타늄디보라이드 입자 또는 유니온 카바이드사에서 Grafoil

이라는 상표명으로 시판하는 가요성 흑연 테이프)을 충전재의 표면상의 저애진 경계에 배치하여, 매트릭스 금속 합금을 상기 차단수단에 의해 차단된 표면까지 용침한다.

상기 차단수단은 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 차단수단의 내면의 형상과 거의 일치하게 된다.

“금속 매트릭스 복합체 및 그 제조 방법”이라는 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, 예를들면 중력에 의해 금속을 제1용융 금속 공급원에 공급할 수 있게 되어있다. 특히, 이 특허 출원에 기재되어 있는 조건하에서, 제1용융 매트릭스 금속 합금 공급원은 대기압하에서 충전재 성형체내로의 용침을 개시하여 금속 매트릭스 복합체의 생성을 개시한다. 상기 제1용융 매트릭스 금속 합금 공급원은 충전재 성형체내로의 용침중에 완전히 고갈되므로, 필요한 경우 자발용침의 진행중에 용융 매트릭스 금속 저장부와 통하는 연결 수단을 이용하여 재공급할 수 있다.

충전재 성형체가 용융 매트릭스 금속에 의해 원하는 양만큼 자발용침되면, 온도를 강하시켜서 합금을 응고시키고, 이에 의해 보강용 충전재를 함유한 고체상의 금속 매트릭스 구조를 얻는다. 이같이 금속 저장부를 사용하는 것은 상기 특허 출원에 개시된 발명의 일 실시예로서, 이 실시예를 상기 특허 출원의 타 실시예와 조합할 필요는 없으나, 상기 특허 출원의 타 실시예들중 일부를 본원 발명과 조합하여 사용하면 유리된다.

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

용융 매트릭스 금속 합금 공급원의 양은 적어도 이 합금이 통기성 충전재 소재의 경계(예, 차단수단)까지 자발용침 되기에 충분한 양으로 함과 동시에, 용융 합금 저장부내의 합금의 양은 용침을 완료하기에 충분할 뿐 아니라 과잉의 용융 합금이 금속 매트릭스 복합체에 부착되어 남을 수 있는 양으로 할 수 있다. 이 같이 과잉의 용융 합금이 금속 매트릭스 복합체에 부착되어 남게 되면, 최종 생성물은 복잡한 형태의 복합체로서, 저장부에 남아있는 과잉의 금속은 복잡한 형태의 복합체로서 금속 매트릭스를 지니는 용침된 세라믹체와 직접 결합되게 된다.

전술한 각 “금속 매트릭스 특허 출원”에는 금속 매트릭스 복합체 제조 방법 및 이 제조 방법에 의한 금속 매트릭스 복합체가 기재되어 있는데, 본원 명세서에서는 이들 “금속 매트릭스 특허 출원”을 참고사항으로 기재하였다.

또한, 몇 건의 계류중인 출원들과 특허에는 세라믹재들과 세라믹 복합재를 신뢰성있게 제조할 수 있는 신규의 방법에 관해 기재되어 있다. 그 방법은 “신규의 세라믹재 및 그의 제조 방법”이란 명칭의 미합중국 특허 제4,713,360호에 포괄적으로 기재되어 있다. 이 특허에는 산화 반응 생성물을 형성시키도록 기상 산화제와 반응하는 용융 모내 선구금속이 산화 반응 생성물로서 성장된 자립성 세라믹체를 제조하는 방법에 관해 기재되어 있다. 용융 금속은 산화 반응 생성물을 통해 이동하여 산화제와 반응하고, 이에따라 세라믹 다결정체를 계속적으로 생성시키게 되는데, 상기 세라믹 다결정체는 필요에 따라 금속간 성분을 함유할 수 있다. 상기 방법은 모금속과 합금된 하나 이상의 도핑제의 사용에 의해 촉진되고, 어떤 경우에는 용이해질 수 있다. 일례로, 공기중에서 알루미늄을 산화시키는 경우에는 마그네슘과 실리콘을 알루미늄과 합금시켜 알파-알루미나 세라믹 구조를 생성시키는 것이 바람직하다.

미합중국 특허 제4,713,360호의 방법은, 1986년 1월 27일자로 출원되어 계류중인 미합중국 특허 출원 제822,999호에 기재된 바와같은 모금속의 표면에 도핑물질을 제공하는 경우 개선되었다. 상기 미합중국 특허출원 제822,999호는 1985년 9월 17일자로 출원된 미합중국 특허출원 제776,965호의 일부 계속 출원이며, 그 미합중국 특허 출원 제776,965호는 1985년 6월 25일자 출원된 미합중국 특허출원 제747,788호의 일부 계속 출원으로서 그 미합중국 특허출원 제747,788호는 “자립성 세라믹재의 제조 방법”이란 명칭으로 1984년 7월20일자 출원된 미합중국 특허 출원 제632,636호 (대응 유럽 특허 출원 제0,169,967호가 1986년 1월 2일자로 공개됨)의 일부 계속 출원이다.

세라믹 복합체를 제조하는 경우에는 유사한 산화 현상이 이용되었는데, 이에 관해서는 1986년 1월 17일자로 미합중국 특허출원 제 819,397호에 기재되어 있다. 이 미합중국 특허출원 제819,397호는 “복합 세라믹 제품 및 그의 제조 방법”이란 명칭으로 1985년 2월 4일자로 출원된 미합중국 특허출원 제697,876호(대응 유럽특허 출원 제193,292호가 1986년 9월 3일자로 공개됨)의 일부 계속 출원이다. 이 특허 출원들에는 모금속 선구물질로부터 산화 반응 생성물을 성장시켜 형성된 충전재(일례로, 실리콘 카바이드 입상 충전재 또는 알루미나 입상 충전재)로 통기성 소재를 형성하여, 이 통기성 소재를 세라믹 매트릭스 용침 또는 매립 시킴으로써 자립성 세라믹 복합체를 제조하는 방법에 관해 기재되어 있다. 그러나, 제조된 복합체는 소정의 기하학적 형상 및 형태를 가지고 있지 않는다.

“성형 세라믹 복합체 및 그의 제조 방법”이란 명칭으로 1986년 5월 8일자로 출원된 미합중국 특허출원제861,025호(대응 유럽특허 출원 제245,192호가 1987년 11월 11일자로 공개됨)에는 소정이 기하학적 형상 또는 형태를 갖는 세라믹 복합체를 제조하기 위한 방법에 관해 기재되어 있다. 본 특허 출원의 방법에 따르면, 산화 반응에 의해 생성되는 생성물은 예정된 기하학적 형상의 복합체를 형성하도록 정해진 표면 경계를 향하여 침투하는 충전재(일례로 알루미나 또는 실리콘 카바이드의 예비성형체 재료)로 된 통기성의 자립성 예비성형체에 용침되게 된다.

세라믹 매트릭스에 관한 상술은 특허출원들은 각각 세라믹 매트릭스 복합체의 제조 방법 및 그 방법에 의재 제조되는 신규한 세라믹 메트릭스 복합체에 관해 기재되어 있는데, 이 특허출원들은 모두 본 명세서에서 참고로 인용되어 있다.

전술한 특허출원들 및, 특허에 기재되어 있는 바와 같이, 모금속과 산화제(예를 들면, 고상, 액상 및/또는 기상 산화제)간의 산화 반응에 의해 신규의 다결정 세라믹 물질 또는 다결정 세라믹 복합체 물질이 생성된다. 상기 특허 출원들 및 특허에 기재된 일반적인 방법에 의하면, 모금속(예를 들면, 알루미늄)은 그것의 융점 이상, 그리고 산화 반응 생성물의 융점 미만의 높은 온도까지 가열되어, 산화 반응 생성물을 형성시키도록 산화제와 접촉시 반응하는 용융 모금속체를 형성하게 된다.

상기 온도에서, 산화 반응 생성물 또는 그것의 적어도 일부는 용융 모금속체와 산화제 사이에서 그들과 접촉하게 되며, 용융 금속은 형성된 산화 반응 생성물을 통해 산화제 쪽으로 이동되게 된다. 이동된 용융 금속은 이미 형성된 산화 반응 생성물의 표면에서 산화제와 접촉하는 추가의 새로운 산화 반응 생성물을 형성하게 된다. 공정이 계속됨에 따라, 추가의 금속이 상기와 같이 형성된 다결정 산화 반응 생성물을 통해 이동하게 되며, 이에따라 상호 연결된 결정질의 세라믹 구조가 계속적으로 “성장”하게 된다. 형성된 세라믹체는 모금속중 산화되지 않은 성분과 같은 금속성 성분, 및/또는 공극을 함유 하고 있다. “산화”라는 용어는 전술한 특허 출워 및 특허에서 모두 포괄적인 의미로 사용되고 있으며, 하나 이상의 성분 및/또는 화합물로 구성될 수 있는 산화제에 대한 금속 전자의 손실 또는 공유를 의미한다.

어떤 경우에는, 모금속은 산화 반응 생성물의 성장을 촉진하도록, 또는 그 성장에 유리한 영향을 주도록 일종 이상의 도핑제를 필요로 할 수도 있다. 이러한 도핑제는 산화 반응 생성물의 성장 도중에 또는 그의 앞서 모금속과 최소한 부분적으로 합금될 수도 있다.

예를들면, 모금속으로서 알루미늄이 사용되고 산화제로서 공기가 사용되는 경우, 대표적인 도핑제인 마그네슘과 실리콘과 같은 도핑제를 알루미늄과 합금시킬 수 있고, 성장 생성된 합금이 모금속으로 이용되게 된다. 그러한 성장 합금의 산화 반응 생성물은 알루미나, 전형적으로는 알파-알루미나로 구성된다.

신규의 세라믹 복합체 구조 및 그것의 제조 방법에 관해서는 전술한 특허출원에 기재되어 있는데, 이들 출원에서는 다결정 세라믹 매트릭스에 의해 용침된 대체적으로 불활성인 충전재(경우에 따라서는 반응성 충전재, 예컨대 산화 반응 생성 및/ 또는 모금속과 부분적으로 반응하는 충전재를 사용하는 것이 바람직함)로 구성되는 세라믹 복합체 구조를 생성시키도록 산화 반응을 이용하고 있다. 모금속은 자립성을 갖도록 성형되거나 처리될 수 있는 통기성 충전재 소재(또는 예비성형체)에 인접하게 위치되며, 그 뒤에 산화 반응 생성물을 형성하도록 전술한 바와같이 산화제와 반응하는 용융 모금속체를 형성할 수 있게 가열된다. 산화반응 생성물이 성장되어 인접한 충전재에 용침됨에 따라, 용융 모금속은 충전재 소재내에서 이미 형성된 산화 반응 생성물을 통해 이동하게 되어, 전술한 바와같이 이미 형성된 산화 반응 생성물의 표면에서 추가의 새로운 산화 반응 생성물을 형성시키도록 산화제와 반응하게 된다. 결과적으로, 성장된 산화 반응 생성물은 충전재에 용침 또는 매립 되게 되고, 그에 따라 충전재에 매립된 다결정 세라믹 매트릭스 복합체 구조가 형성되게 된다. 또한, 전술한 바와같이 충전재 소재(또는 예비성형체)에는 세라믹 복합체 구조에 대한 경계 또는 표면을 형성하기 위하여 차단수단이 이용될 수도 있다.

본 발명은 세라믹 매트릭스에 관한 전술한 특허 출원에 따라 용융 모금속과 산화제간의 산화에 의해 성장된 분쇄된 다결정 산화 반응 생성물로 구성되는 통기성 충전재 소재 또는 예비성형체를 용침 시킴에 의해 금속 매트릭스 복합체를 형성하는 방법에 관한 것이다. 뜻밖에도, 분쇄된 형태의 다결정 산화 반응 생성물이 통기성 충전재 소재 또는 예비성형체로 용침되는 매트릭스 금속의 용침 운동 에너지를 증가시키거나 공정 온도를 강하시키고, 금속/입자 반응을 감소시키며, 결과적으로, 용침 공정 관련 비용을 감소시켜 주는 것으로 확인되었다. 또한, 본 발명에 의하면, 충전재의 체적 분율이 증가되게 된다.

일단 다결정 산화 반응 생성물을 분쇄하여, 이 다결정 산화 반응 생성물이 충전재 또는 예비성형체로 형성되면, 그 뒤에 통기성 충전재 소재 또는 예비성형체에 용융 금속을 용침시킴으로써, 그속 매트릭스 복합체가 형성되게 된다. 특히, 용침촉진제 및/또는 용침촉진제 선구물질 및/또는 용침 분위기가 공정중의 적어도 일부의 기간 동안 충전재 또는 예비성형체와 통하는 상태에 있게 되며, 이에따라 용융 매트릭스 금속이 자발적으로 충전재 또는 예비성형체의 용침되게 된다. 또한, 예비 성형체, 통기성의 충전재 소재, 또는 충전재 및/또는 매트릭스 금속중 최소한 하나에는 용침촉진제 선구물질 대신에 용침촉진제를 직접 공급할 수도 있다. 궁극적으로, 최소한 자발적인 용침중에는 용침촉진제가 충전재 또는 예비성형체의 최소한 일부에 함유되어야만 한다.

예를들면, 매트릭스 금속(예를 들면, 알루미늄 합금)이 용융상태에 있을 때 충전 소재 또는 예비성형체(예를들면, 세라믹입자, 휘스커, 및/또는 섬유)에 자발적으로 용침될 수 있도록 그 충전재 소재 또는 예비성 형체의 표면과 통하는 상태에 있도록 배치되게 한다. 또한, 만일 용침 촉진재 또는 용침촉진제 선구물질이 분쇄된 다결정 산화 반응생성물에 의해 자체적으로 공급되지 않는다면, 상기 용침촉진제 또는 용침촉진제 선구물질을 매트릭스 금속, 분쇄된 산화 반응 생성물(충전재나 예비성형체중 어느 것이 되어도 무방함)중 최소한 하나에 첨가할 수 있다. 분쇄된 다결정 산화 반응 생성물, 매트릭스 금속, 용침촉진제 선구물질 및/또는 용침촉진제 공급원, 그리고 용침 분위기의 조합에 의해 매트릭스 금속이 충전재 또는 예비성형체에 자발적으로 용침되게 된다.

본 발명은 금속 매트릭스 복합체의 형성중에 용침 분위기로서 작용하는 질소의 존재하에서 용침촉진제 선구물질로서 작용하는 마그네슘과 접촉하게 되는 알루미늄 매트릭스 금속과 관련하여 주로 설명하고 있다는 것을 주지하기 바란다. 따라서, 알루미늄/마그네슘/질소의 용침촉진제/선구물질/용침 분위기 계에 의하여 자발적인 용침이 이루어지게 된다. 그러나, 다른 매트릭스 금속/용침촉진제 선구물질/용침분위기계들도 알루미늄/마그네슘/질소 계와 유사한 방식으로 거동할 수 있을 것이다. 일례로, 알루미늄/스트론튬/질소 계, 알루미늄/아연/산소 계, 그리고, 알루미늄/칼슘/질소 계에서도 유사한 자발용침 거동이 관찰되었다. 따라서, 본 명세서에서는 주로 알루미늄/마그네슘/질소 계에 관하여 설명하지만, 다른 매트릭스 금속/용침촉진제 선구물질/용침 분위기 계의 경우도 유사하게 거동할 수 있고, 따라서 본 발명의 범위에 포함될 수 있다는 것을 주지하기 바란다.

매트릭스 금속이 알루미늄 합금으로 구성되고, 분쇄된 다결정 산화 반응 생성물이 분쇄된 알루미나 다결정 산화 반응 생성물로 구성되는 경우, 상기 알루미늄 합금은 예를들면 마그네슘의 존재하에서 예비성형체 및/또는 충전재 접촉하게 되며, 그리고/또는 공정 도중에 마그네슘에 노출될 수도 있을 것이다. 알루미늄 합금과 충전재 또는 예비성형체들은 공정중에 질소분위기에 놓여지게 된다. 이러한 조건하에서, 예비성형체 또는 충전재 소재에는 매트릭스 금속이 자발적으로 용침되며, 금속 매트릭스 복합체의 그러한 자발적인 용침 정도, 즉 자발용침 및 복합체 형성속도는 예를들면 용침계(알루미늄 합금 및/또는 예비성형체)에 제공되는 용침 예컨대, 촉진제 선구물질(예컨대, 마그네슘) 및/또는 용침촉진제의 농도, 충전재 또는 예비성형체의 크기 및/또는 조성, 용침 분위기중의 질소 농도, 용침 시 간 및/또는 용침 발생 온도등과 같은 주어진 공정 조건에 따라 변화하게 된다. 전형적으로, 자발적인 용침은 예비 성형체 또는 충전재를 완전히 매립하기에 충분한 정도까지 발생하게 된다.

여기서, 세라믹 매트릭스 복합체 및 금속 매트릭스 복합체와 관련하여 사용되는 “알루미늄”이라 함은 순수한 금속(예를들면, 시판되는 비교적 순수한 비합금 알루미늄) 또는 철, 실리콘, 동, 미그네슘, 망간, 크롬, 아연등과 같은 합금 성분 및/또는 시판되는 불순물을 함유한 금속과 같은 여러가지 등급의 합금 및 금속을 의미한다. 이러한 정의에 따르면, 알루미늄 합금은 알루미늄이 주성분을 이루는 합금 또는 금속간의 화합물이 된다.

금속 매트릭스 복합체와 관련하여 사용되는 “잔부의 비산화성 기체”라 함은 제조 공정 조건하에서 매트릭스 금속과 거의 반응하지 않는 불활성 기체 또는 환원성 기체로서, 용침 분위기와 같은 제1차 기체 이외의 임의의 기체를 의미한다.

사용되는 기체중에 불순물로서 존재하는 산화성 기체의 양은 제조 공정 조건하에서 매트릭스 금속을 산화시키지 않을 정도로 유지해야 한다.

세라믹스 매트릭스 복합체와 관련하여 사용된 “차단수단”이라 함은 주어진 공정 조건하에서 그 형태를 어느 정도 유지하고, 대체로 휘발성이 없으며(즉, 차단수단으로 기능할 수 없을 정도까지 휘발되지 않는다), 산화 반응 생성물의 계속된 성장 국부적으로 차단, 억제, 혹은 정지시키며, 바람직하게는, 기상 산화제(사용되는 경우)에 대하여 투과성인 임의의 물질, 화합물, 성분, 조성물들을 의미한다. 이러한 “차단수단”은 용융매트릭스 금속이 통기성 충전재 소재 또는 예비성형체의 경계를 벗어나 용침되는 것을 방지해주는 기능을 한다.

적절한 “차단수단”에는 또한 채용된 공정 조건하에서 용융 매트릭스 금속에 의해 거의 습윤되지 않는 재료를 주성분으로 한다. 이러한 종류의 차단수단은 용융 매트릭스 금속과의 친화력이 거의 없으며, 이 차단수단에 의해 용융 매트릭스 금속이 통기성 충전재 소재 또는 예비성 형체의 표면의 소정 경계를 벗어나 용침되는 것이 방지된다. 또한, 이 차단수단을 사용하면 최종 기계 가공 또는 연삭 가공 공정 수를 줄일 수 있고, 생성된 매트릭스 복합체의 적어도 일부의 표면을 형성하게 된다. 경우에 따라서는, 차단 수단에 구멍(예, 드릴 구멍 또는 펀치 구멍)을 형성하여 용융 매트릭스 금속이 기체와 접촉할 수 있게 할 수도 있다.

“카아카스”,“모금속 카아카스” 또는 “매트릭스 금속 카아카스”라 함은 세라믹체, 세라믹 복합체, 또는 금속 매트릭스 복합체의 생성중에 소모되지 않고, 형성된 물체에 적어도 부분적으로 접촉한 상태로 유지되는 과잉의 모금속체 또는 매트릭스 금속체를 의미하는 것으로서, 이 카아카스에는 또한 전형적으로 모금속 또는 매트릭스 금속 중 소정의 산화된 성분 및/또는 제2금속 또는 외래(外來) 금속이 포함될 수도 있다.

“세라믹”은 분류상의 세라믹체로 국한되는 것은 아니다. 즉, 세라믹은 비금속성 및 무기 물질로 구성되는 세라믹체로 국한되지 않고 조성 및 특성면에서 세라믹이 주성분인 물체를 의미하는 것으로서, 이 세라믹체는 모금속으로부터 유도된, 또는 산화제 또는 도핑제로 부터 환원된 하나 이상의 금속 성분(상기 세라믹체를 형성시키는데 사용되는 공정 조건에 따라 격리된 그리고/또는 상호 연결된)을 소량, 전형적으로는 약 1 내지 40체적% 내에서 함유할 수 있고, 또한 그 보다 더 많은 양의 금속을 함유할 수도 있다.

세라믹스 매트릭스 복합체와 관련하여, “도핑제”라함은 모금속과 혼합하여 사용되는 경우 산화 반응 공정에 유리하게 작용하거나 그것을 촉진시키는, 그리고/또는 성장 공정을 조절하여 생성물의 미세 구조 및/또는 특성을 변경시키는 물질(충전재와 혼합되거나, 충전재에 함유되거나, 혹은 충전재상에 존재하는 합금성분 또는 자체 성분)을 의미한다. 도핑제의 기능과 관련하여 특별한 원리나 설명으로 한정되지는 않지만, 소정의 도핑제중에는 모금속과 그것의 산화 반응 생성물 사이에 산화 반응 생성물의 형성을 촉진하는 적절한 표면 에너지 관계가 본래 존재하지 않는 경우에는 전술한 산화 반응 생성물의 형성을 촉진시키는데 유효한 것도 있는 것으로 판단된다.

도핑제는 용융 모금속에 의한 산화 반응 생성물의 습윤성을 유도 또는 향상시키는 바람직한 표면 에너지 관계를 형성하고 ; 합금, 산화제 및/또는 충전재와의 반응에 의해 성장 표면에, (a) 차폐성 및 부착성 산화 반응 생성물층의 형성을 최소화시키고, (b) 용융 금속에서의 산화제 용해도(즉, 침투성)를 증진시키며, 산화제를 임의의 선구 산화물층을 통해 산화 분위기로 부터 이동시켜 다음에 용융 금속과 결합하여 또 다른 반응 생성물을 생성시킬 수 있는 “선구물질 층”을 형성하며; 산화 반응 생성물이 형성됨에 따라, 혹은 추후에 그 산화 반응 생성물의 미세 구조를 변화시키고, 추후에 그러한 산화 반응 생성물의 금속성분 조성과 특성을 변경시키며; 산화 반응 생성물의 성장핵 생성 및 성장 균일성을 향상시킨다.

금속 매트릭스 복합체와 세라믹스 매트릭스 복합체 모두와 관련하여 사용되는 “충전재”라 함은 매트릭스 금속과 반응하지 않는 물질 및/또는 매트릭스 금속(예컨대, 모금속) 및/또는 산화 반응 생성물에 제한된 용해도를 갖는 물질로서, 단일 성분이나 여러 성분들의 혼합체를 포함하며, 단일상(single-phase) 또는 다상일 수도 있다. 충전재는 분말 형태, 박편 형태, 판 형태, 미세한 구 형태, 휘스커 형태, 기포 형태등과 같이 다양한 형태로 제공할 수 있으며, 치밀한 구조이거나 기공이 있는 구조로 할 수 있다. “충전재”에는 또한 긴 섬유 현태, 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 피복한 탄소 섬유와 같은 세라믹 피복 충전재가 포함된다. 또한 금속도 충전재로 사용할 수 있다.

세라믹 또는 세라믹 복합체와 관련하여 이용된 “성장 합금”이라 함은 공정 초기 또는 공정 도중에 산화 반응 생성물의 성장에 필요한 성분들을 충분히 함유하는 임의의 함금을 의미한다.

금속 매트릭스 복합체와 관련하여 사용되는, “용침 분위기”라 함은 매트릭스 금속 및/또는 예비 성형체(또는 충전재 소재) 및/또는 용침촉진제 선구물질 및/또는 용침촉진제와 통하는 상태에 있는 분위기를 의미하는 것으로서, 이 충전 분위기에 의해 매트릭스 금속의 자발용침이 촉진된다.

금속 매트릭스 복합체와 관련하여 이용되는 “용침촉진제”라 함은 매트릭스 금속이 충전재 소재 또는 예비 성형체 속으로 자발용침되는 것을 촉진하는 물질을 의미한다. 용침촉진제는 용침촉진제 선구물질과 용침분위기 사이의 반응에 의해 (1) 기체 종 및/ 또는 (2) 용침촉진제 선구물질과 용침 분위기 사이의 반응 생성물 및/또는 (3) 용침촉진제 선구물질과 충전재 소재 또는 예비 성형체 사이의 반응 생성물을 생성함에 의해 생성될 수 있다. 또한, 용침촉진제를 예비 성형체 및/또는 매트릭스 금속 및/또는 용침 분위기 중 적어도 하나에 부가하면, 용침촉진제 선구물질과 기타의 물질 사이의 반응에 의해 생성된 용침촉진제와 동일한 기능을 한다. 결국, 적어도 자발용침중에는 용침촉진제를 충전재 소재 또는 예비 성형체의 적어도 일부에 가하여 자발용침을 달성하도록 해야한다.

금속 매트릭스 복합체와 관련하여 사용되는 “용침촉진제 선구물질”이라 함은 이 물질을 매트릭스 금속 및/또는 예비 성형체 및/또는 용침 분위기와 조합하여 사용했을 때, 매트릭스 금속이 충전재 소재 또 예비 성형체 안으로 자발적으로 용침되는 것을 촉진하는 용침촉진제를 생성하는 물질을 의미한다. 어떤 이론이나 설명으로 한정되지는 않지만, 용침촉진제 선구물질은 용침 분위기 및/또는 예비 성형체(또는 충전재 소재) 및/또는 금속과 반응할 수 있는 위치에 있게하는 것이 필요하다. 예를 들면, 매트릭스 금속/용침촉진제 선구물질/용침 분위기 계에 있어서, 용침촉진제 선구물질이 매트릭스 금속의 용융 온도보다 다소 높은 온도에서 휘발하는 것이 바람직하다. 이같이 용침촉진제 선구물질이 휘발하게 되면, (1) 매트릭스 금속에 의한 충전재 소재(또는 예비 성형체)의 습윤성을 촉진시키는 물질이 기체 종(gaseous species)을 생성하기 위한 용침촉진제 선구물질과 용침 분위기 사이의 반응 및/또는 (2) 적어도 일부의 충전재 소재 또는 예비 성형체의 습윤을 촉진시키는 고체, 액체 또는 기체상의 용침촉진제를 생성하기 위한 용침촉진제 선구물질과 용침 분위기 사이의 반응 및/또는 (3) 적어도 일부의 충전재 소재 또는 예비 성형체내의 습윤을 촉진시키는 고체, 액체 또는 기체상의 용침촉진제를 생성하는 용침촉진제 선구물질과 충전재 소재 또는 예비 성형체 사이의 반응이 발생한다.

세라믹 매트릭스 복합체와 관련하여 사용되는 “액산 산화제”라 함은 공정 조건하에서 모금속 또는 모금속의 선구물질의 유일한 또는 최소한 중요한 산화제로서 액체인 경우를 의미한다. 또한, 액상 산화제는 산화 반응 조건하에서 액체인 산화제를 의미한다. 따라서, 액상 산화제는 산화 반응 상태에서 용융되는 염과 같은 고체 선구물질을 포함할 수 있다. 이와는 달리, 액상 산화제는 충전재에 전체적으로 또는 부분적으로 침투될 수 있도록 사용되며, 적절한 산화제 부분을 제공하도록 산화 반응 상태에서 용융 또는 분해되는 액체 선구물질(예를들면, 물질의 수용액)을 포함할 수도 있다. 본 명세서에서 정의한 액체 산화제의 예로서는 융점이 낮은 유리도 포함된다.

만일 액상 산화제가 모금속 및 충전재와 관련하여 사용되는 경우에는 충전재층 전체 또는 필요한 세라믹체를 구성하는 부분으로 산화제가 침투되게 된다(일례로, 산화제를 피복하거나 또는 산화제내에 침지시킴에 의해).

금속 매트릭스 복합체에 관련하여 사용되는 “매트릭스”또는 “매트릭스 금속”이라 함은 금속 매트릭스 복합체를 생성하는데 사용되는 금속(예, 용침전의 금속) 및/또는 충전재 소재와 혼합되어 금속 매트릭스 복합체를 생성하는 금속(예, 용침 후의 금속)을 의미한다. 어떤 특징의 금속을 매트릭스 금속이라 부르는 경우 그러한 매트릭스 금속은 순수한 금속, 불순물 및/또는 합금 성분을 함유한 시판되는 금속, 상기 특정 금속이 주성분을 이루고 있는 금속간 화합물 또는 합금을 모두 지칭하는 것으로 이해해야 한다.

금속 매트릭스 복합체와 관련하여 이용되는 "매트릭스 금속/용침촉진제 선구물질/용침 분위기 계" 또는 "자발용침 계(spontaneous system)"라 함은 예비 성형체 또는 충전재 소재 안으로의 자발적인 용침을 일으키는 인자의 조합을 의미한다. 각 인자들 사이에 사용한 "/ "기호는 자발용침을 일으키는 계 또는 물질의 조합을 표시하기 위한 것이다.

금속 매트릭스 복합체에 관련하여 “금속 매트릭스 복합체(Metal Matrix Composite(mmc))”라 함은 예비 성형체 또는 충전재 소재를 매립하고 있는(덮고 있는), 2차원 또는 3차원적으로 상호 연결된 매트릭스 금속 또는 매트릭스 금속 합금을 의미한다. 완성된 복합체에 원하는 기계적 물리적 특성을 부여하기 위해서는 상기 매트릭스 금속에 여러 가지 합금 성분을 포함시킬 수도 있다.

세라믹 매트릭스 복합체 및/또는 금속 매트릭스 복합체와 관련하여, 본 명세서에서 사용되는 “매트릭스 금속과 다른 금속”이라 함은 매트릭스 금속 또는 모금속의 성분과는 다른 성분의 금속을 의미하는 것으로서, 예를 들면 알루미늄을 매트릭스 금속으로 선택한 경우 니켈은 “매트릭스 금속과 다른 금속”이 된다.

세라믹 매트릭스 복합체와 관련하여 본 명세서에서 사용되는 “질소 함유 기상 산화제”라 함은 사용되는 산화 분위기중에 존재하는 조건하에서 질소가 모금속 또는 선구금속의 유일한 또는 최소한 중요한 산화제인 특정 기체 또는 증기를 의미한다.

세라믹 매트릭스 복합체에 관련하여, “산화제”라 함은 하나 이상의 적당한 전자 수용체 또는 전자 공유체를 의미하는 것으로서, 산화 반응 조건에서 고체, 액체, 기체 또는 그러한 것들의 소정 조합체일 수 있을 것이다. 전형적인 산화제로는 산소, 질소, 할로겐, 인, 황, 비소, 탄소, 붕소, 셀레늄, 텔루륨 및/또는 그들의 화합물 및 혼합물들을 들 수 있고, 그 화합물 및 혼합물로는 실리카, 실리케이트(산소 공급원으로서), 메탄, 에탄, 프로필렌, 아세틸렌, 에틸렌, 프로필렌(탄소 공급원으로서의 탄화수소), 및 공기, H₂/H₂O, CO/CO₂(산소 공급원)과 같은 혼합물을 들 수 있다. H₂/H₂O와 CO/CO₂는 분위기의 산소 활성도를 감소시키는데 유용한데, 산화제가 이상의 것만으로 한정되지는 않는다.

세라믹 매트릭스 복합체와 관련하여 본 명세서에서 사용되는 “산화 반응 생성물”이라 함은 금속이 다른 성분, 그것의 화합물 또는 혼합물과 전자를 공유한 산화 상태에 있는 하나 이상의 금속을 의미하는 것이다. 따라서, 이러한 정의에 의한 “산화 반응 생성물”에는 하나 이상의 금속이 하나 이상의 산화제와 반응해서 생성된 생성물을 포함한다.

세라믹 매트릭스 복합체와 관련하여 본 명세서에서 사용되는 “산소 함유 기상 산화제”라 함은 사용되는 산화 분위기중에 존재하는 조건하에서 산소가 모금속 또는 선구금속의 산화제로서 유일한 것이거나, 주요 부분을 점하는 것이거나, 또는 상당한 부분을 점하는 기체 또는 증기를 의미한다.

세라믹 매트릭스 복합체와 관련하여 본 명세서에 사용되는 “모금속”이라 함은 다결정 산화 반응 생성물의 선구물질인 금속(예를 들면, 알루미늄, 실리콘, 티타늄, 주석 및/또는 지르코늄)을 의미하며, 본질적으로 순수한 금속, 불순물 그리고/또는 합금 성분을 함유하고 있는 시판금속, 또는 금속 선구체가 주성분인 합금을 포함한다. 특정금속이 모금속 또는 선구금속(예를 들면, 알루미늄 등)으로서 지칭되는 경우, 그 금속은 달리 지적하지 않는 한 전술한 바와 같이 정의로서 이해되어야 한다.

세라믹 매트릭스 복합체와 금속 매트릭스 복합체 모두와 관련하여 본 명세서에서 사용되는 “예비 성형체” 또는“통기성 예비 성형체”라 함은 적어도 하나의 표면을 가지도록 제조된 다공질 충전재 소재를 의미하는 것으로서, 이러한 예비 성형체는 매트릭스 금속이 용침되기 전에 치수 안정성(dimentional fidelity)을 확보하기에 충분한 형태 보전성(shape integrity)과 생형 강도(green strength)를 유지하고 있다. 또한, 이 예비 성형체는 매트릭스 금속이 자발적으로 용침될 수 있을 정도로 충분히 다공성이어야 한다. 예비 성형체는 전형적으로 충전재를 균질한 상태 또는 불균질한 상태로 점결시킨 것으로서, 예를 들면, 세라믹 및/또는 금속의 입자, 분말, 섬유, 휘스커 및, 이들을 조합한 물질과 같은 적절한 물질로 구성 된다. 또한 이 예비 성형체는 단일체로서 혹은 집합체로서 존재할 수 있다.

“매트릭스 금속 공급원”이라 함은 금속의 용융시 흘러서 충전재 혹은 예비 성형체와 접촉하고, 침투 또는 반응하여 산화 반응 생성물을 생성하고 있는 모금속 또는 매트릭스 금속의 부분, 세그먼트 혹은 공급원을 보충하거나, 경우에 따라서는, 최초에 매트릭스 금속을 제공하고 계속해서 보충하기 위하여, 충전재 소재 또는 예비 성형체에 대하여 별도로 배치된 모금속 또는 매트릭스 금속과는 별개인 물체를 의미한다.

세라믹 또는 금속 매트릭스 복합체와 관련하여 본 명세서에서 이용되는 “제2 또는 외래(外來) 금속”이라 함은 모금속의 미산화 성분 대신에, 또는 그것에 추가해서, 또는 이들을 조합하여 성형된 세라믹 또는 금속 매트릭스 복합체의 금속 성분에 함유되는 또는 함유시키는 것이 바람직한 임의의 적당한 금속, 또는 금속 조성물, 합금, 금속간 화합물, 또는 그들의 공급원을 의미한다. 또한, 이 정의 범위 내에는 모금속과 제2금속 사이에서 생성된 금속간 화합물, 합금, 고용체등이 포함된다.

세라믹 매트릭스 복합체와 관련하여 본 명세서에서 사용되는 “고상 산화제”라 함은 공정 조건하에서 모금속 또는 선구 금속의 산화제로서 유일하거나 또는 주요 부분을 점하는 산화제가 고체인 산화제를 의미한다.

고상 산화제가 모금속 및 충전재와 관련하여 사용되는 경우, 그 고상 산화제는 항상 산화반응 생성물이 성장하게 되는 층전재층의 일부 또는 전체를 통해 분산되게 되며, 예를 들면 상기 고상 산화제는 충전재와 혼합된 입자 또는 충전재 입자에 피복된 피막일 수도 있다. 따라서, 붕소 또는 탄소와 같은 성분 또는 모금속의 붕화 반응 생성물보다 열역학적 안정도가 낮은 소정의 붕화물 또는 실리콘디옥사이드와 같은 환원성 화합물을 포함한 적절한 고상 산화제가 사용될 수 있다. 예를 들면, 알루미늄 모금속에 대한 고상 산화제로서 붕소 또는 환원성 봉화물이 사용되는 경우, 생성되는 산화 반응 생성물은 붕화 알루미늄으로 이루어진다.

경우에 따라서는, 모금속의 산화 반응은 고상 산화제를 사용하여 공정의 발열 특성에 의해 산화 반응 생성물이 용융될 정도로 신속하게 진행시킬 수 있을 것이다. 이러한 현상 때문에 세라믹체 미세 구조의 균일성을 저하시킬 수 있다. 이와 같이 급속한 발열 반응은 과도한 열을 흡수하는 불활성 충전재를 조성물내에 혼합시킴에 의해 개선될 수 있다. 적당한 불활성 충전재로는 의도된 생성물과 동일한 것 또는 대체로 동일한 것을 들 수 있다.

금속 매트릭스 복합체와 관련하여 본 명세서에서 사용되는 “자발용침”이란 충전 압력이나 진공력(외부에서 제공되거나 내부적으로 발생하는 것에 관계없이)을 전혀 필요로 하지 않고 충전재 또는 예비 성형체에 매트릭스 금속이 용침되는 것을 의미한다.

세라믹 매트릭스 복합체와 관련하여 본 명세서에 이용되는 “기상 산화제”라 함은 특정의 기체 또는 증기로 구성되는 산화제로서, 사용되는 산화분위기에서 얻어지는 조건하에서 모금속 또는 선구금속의 유일하거나 또는 주요 부분을 점하는 산화제가 기체 또는 증기인 것을 의미한다. 예를 들면, 공기의 주성분이 질소라 하더라도 공기중의 산소가 모금속에 대한 유일한 산화제가 되는데, 그 이유는 산소가 “질소 함유 기체 산화제”의 범위가 아닌 질소보다 휠씬 강한 산화제이기 때문이다. 따라서, 공기는 “산소 함유 기상 산화제”의 범위에 포함된다(예를들면, “질소 함유 기상 산화제”는 약 96체적%의 질소와 약 4체적%의 수소를 함유하는 기체임).

본 발명의 방법에 따라 분쇄될 세라믹 또는 세라믹 복합체를 형성하도록(즉, 금속 매트릭스 복합체의 형성에 사용하기 위한 충전재 또는 예비 성형체를 형성하도록), 보다 상세히 후술하는 바와 같이 도핑될 수 있는 모금속(즉, 성장 합금)은 잉곳, 빌렛, 로드, 판등으로 성형되며, 불활성 베드층, 도가니 또는 기타 내화 용기내에 배치되게 된다. 모금속은 하나 이상의 단편, 또는 잉곳등으로 구성될 수 있고 적당한 수단에 의해 성형될 수도 있다. 모금속은 도핑제(후술함)와 결합한 상태로 산화될 수 있다. 충전재로 이루어진 통기성 소재, 또는 본 발명의 양호한 실시예의 경우 성형된 통기성 예비 성형체는, 최소한 하나의 규정된 경계를 가지며 기상 산화제가 단독 또는 기타 산화제와 조합하여 사용되는 경우, 그 기상 산화제가 투과할 수 있도록 제조되게 되며, 그리고 상기 통기성 충전재 소재가 사용되는 경우, 그 기상 산화제가 용침되는 산화 반응 생성물을 투과하도록 제조되며, 모금속은 상기 통기성 소재의 상부면상에 배치될 수 있다. 선택적으로, 예비 성형체를 모금속의 최소한 하나의 표면 또는 그 표면의 일부에 인접하게 또는 그것에 접촉되게 배치해도 좋다. 이 경우 예비 성형체의 규정된 표면 경계의 적어도 일부분은 모금속의 표면으로부터 이격되게, 즉, 외측으로 간격을 두고 위치되게 할 수도 있다. 예비 성형체는 모금속의 표면과 접촉된다. 그러나, 필요하다면 예비 성형체를 용융 금속 속에 전체가 아닌 부분적으로 침지시킬 수도 있다. 침지가 전체적으로 이루어지면 예비 성형체속으로 기상 산화제가 침입하는 것이 차단되어 예비 성형체에 매립되는 산화 반응 생성물의 적당한 생성이 방해되게 된다. 그러나, 기상 산화제가 사용되지 않는 경우(즉, 공정 조건에서 이용되는 산화제가 오로지 고체 산화제 또는 액상 산화제만인 경우)에는 용융 모금속 속에 예비 성형체를 전체적으로 침지시켜도 된다. 산화 반응 생성물은 규정된 표면 경계의 방향으로 생성된다. 모금속과 통기성 소재 또는 예비 성형체의 고정 수단(set-up)을 알루미나 또는 주조 가능한 내화재로 성형된 적당한 용기내에 배치하여, 로 속에 장입한다. 로 내부의 분위기에는 용융 모금속의 산화를 발생시킬 수 있게 하는 기상 산화제가 함유되게 된다. 그 뒤에, 로는 공정 조건까지 가열되게 된다. 부가적으로, 본 발명에서의 온도를 얻을 수 있도록 전기 가열기가 사용된다. 그러나, 산화 반응 성장을 이루면서 매트릭스 금속이 용융될 수 있게 함과 아울러 악영향을 미치지 않는 임의의 가열 수단을 사용하는 것도 가능하다.

산화제중 최소한 하나가 기상 산화제인 경우, 복합체의 제조에 유용한 예비 성형체는 기상 산화제가 모금속과 접촉하도록 예비 성형체내로 투과할 수 있도록 다공성 또는 통기성인 것이 바람직하다. 또한, 예비 성형체는 충분한 자립성 및 통기성을 가져서, 실질적 방해, 예비 성형체의 기하학적 형상 변화, 또는 흐트러짐없이 예비 성형체 내부에서 매트릭스로서 산화 반응 생성물을 생장 또는 성장시켜야만 한다.

산화재로는, 고상, 액상, 또는 기상의 산화제, 또는 이들을 조합한 산화제를 사용할 수도 있다. 대표적인 산화제로는 산소, 질소, 할로겐, 황, 인, 비소, 탄소, 붕소, 세레늄, 텔루륨, 및/또는 실리카(산소 공급원), 메탄, 에탄, 프로판, 아세틸렌, 에틸렌 및 프로필렌(탄소 공급원), 그리고 공기, H₂/H₂O와 CO/CO₂는 분위기중의 산소 활성도를 감소시키는데 유용하다. 따라서, 본 발명의 세라믹 구조체는 하나 이상의 산화물, 질화물, 탄화물, 붕화물, 산화질화물중 1종 이상을 함유하는 산화 반응 생성물을 구비할 수 있다. 보다 상세하게는, 산화 반응 생성물은 예를 들면 산화알루미늄, 질화알루미늄, 탄화규소, 붕화규소, 붕화 알루미늄, 질화티타늄, 질화지르코늄, 붕화티타늄, 붕화지르코늄, 탄화티타늄, 탄화지르코늄, 질화규소, 불화하프늄, 산화주석중 하나 이상일 수 있다. 비록, 기상 산화제를 단독으로 또는 공정 조건하에서 고상 또는 액상 산화제와 함께 사용하여 산화 반응이 이루어지는 것으로 설명하였으나, 세라믹 매트릭스 복합체를 제조하는 데에는 기상 산화제를 이용할 필요는 없다는 것을 주지하기 바란다. 기상 산화제를 사용치 않고 공정 조건하에서 고상 또는 액상 산화제를 사용하는 경우, 예비 성형체는 주위 분위기에 대해 통기성을 가질 필요는 없다. 그러나, 예비 성형체는 실질적인 방해, 형상 변화 또는 흐트러짐이 없이 예비 성형체의 내부에서 매트릭스로서 산화 반응 생성물을 생장 또는 성장시킬 수 있을 정도로 여전히 충분히 통기성을 가지고 있어야만 한다.

고상 또는 액상 산화제를 사용하게 되면, 예비 성형체 내부의 분위기를 예비 성형체 외부의 분위기보다 모금속의 산화 운동 에너지면에서 좋게 할 수 있다. 이와 같이 개선된 분위기에 따라, 예비 성형체 표면 경계에서의 매트릭스의 성장을 촉진시킬 수 있고, 과잉 성장을 최소화시키는데 유리하다. 고상 산화제를 사용하는 경우, 그 산화제를 입자 형태등으로 예비 성형체 전체에 분산 또는 모금속에 인접한 예비 성형체 부분에 분산시켜 예비 성형체와 혼합하거나 또는 예비 성형체를 구성하는 입자상에 피막으로서 이용할 수도 있다. 적당한 고상 산화제로는 붕소, 또는 탄소와 같은 적당한 원소, 또는 실리콘 디옥사이드(산소 공급원) 또는 모금속의 붕화 반응 생성물보다 열역학적 안정성이 낮은 소정의 붕화물과 같은 환원성 화합물을 들 수 있다.

액상 산화제가 사용되는 경우, 그 액상 산화제는 예비 성형체 전체 또는 용융 모금속에 인접한 예비 성형체 부분을 통해 분산되게 된다. 여기서, 액상산화제라 함은 산화반응 조건하에서 액체 상태를 유지하는 산화제를 의미하며, 따라서 액상산화제는 산화 반응 조건에서 용융 상태 또는 액체 상태를 갖는 염과 같은 고체 선구물질을 함유하고 있어도 된다. 이와는 달리, 액상산화제는 액체 선구물질, 예를 들면 예비성형체의 다공성 표면 전체 또는 일부를 피복시키는데 사용되어 공정 조건하에서 용해하여 적절한 산화제 성분을 생성하는 물질의 용액이어도 좋다. 본 명세서에서 정의되는 액상산화제로는 융점이 낮은 유리를 예로 들 수 있다.

전술한 특허 출원 및 특허에서 설명된 바와 같이, 예를 들면 알루미늄 모금속과 함께 도핑제를 첨가하게 되면 산화반응 공정에 유리한 효과를 얻을 수 있다. 상기 도핑제의 작용은 도핑제 자체가 그 이외의 다수의 인자들에 따라 달라지게 된다. 이들 인자로는, 예를 들면 의도하는 최종 생성물, 두 종류 이상의 도핑제가 사용되는 경우에는 그 도핑제들의 특정의 조합으로 합금화 도핑 물질과 조합하여 외부에서 적용한 도핑제의 사용, 도핑제의 농도, 산화 분위기 및 공정 조건들을 들 수 있다.

모금속과 함께 사용되는 도핑제는 첫째, 모금속의 합금 성분으로서 제공될 수 있으며, 둘째 분무 피복 또는 페인팅 등에 의해 모금속 표면의 최소화 일부에 제공될 수 있으며, 셋째 충전재에 첨가될 수 있는 데, 이 세가지 방법을 조합하여 사용해도 된다. 예를 들면, 합금되는 도핑제를 외부에서 적용되는 도핑제와 조합하여 사용될 수도 있다. 도핑제 공급원은 도핑제 분말 또는 도핑제 강체를 모금속 표면의 최소한 일부와 접촉되게 배치함으로써 제공될 수 있다. 예컨대, 알루미늄 모금속의 표면에 규소 함유 유리로 된 주석 판을 설치할 수 있다. 규소 함유 물질이 덮힌 알루미늄 모금속(내부에 마그네슘이 도핑될 수 있음)이 산화 분위기에서 가열되게 되면(공기중에 위치한 알루미늄의 경우 약 850 내지 1450℃, 바람직하게는 약 900 내지 1350℃), 다결정 세라믹 물질의 성장이 유발된다. 도핑제가 외부에서 알루미늄 모금속 표면의 적어도 일부에 제공되는 경우, 다결정 알루미늄 산화제 조직은 도핑제층을 상당히(즉, 공급된 도핑제층을 지나) 성장시키게 된다. 어느 경우에도, 외부에서 모금속 표면에 하나 이상의 도핑제를 적용할 수 있다. 아울러, 모금속내에 합금되는 도핑제의 농도 부족분은 외부에서 모금속에 공급되는 각각의 도핑제(2종 이상)에서 추가되는 농도에 의해 보충될 수 있다.

공기가 산화제인 경우, 알루미늄 모금속에 대해 유용한 도핑제로는 마그네슘, 아연, 규소, 그들의 혼합물, 또는 후술하는 다른 혼합물을 들 수 있는데, 이들 금속 또는 그 금속의 적당한 공급원은 도핑되는 최종 금속의 총중량의 약 0.1 내지 10중량%의 농도로 알루미늄 모금속에 합금될 수 있다. 이러한 농도 범위에서는, 세라믹 성장이 개시하고 금속 이동이 증가하게 되며, 최종 산화 반응 생성물의 성장 형태에 유리한 효과를 주는 것으로 판단된다. 임의의 한 도핑제의 농도 범위는 도핑제의 조성 및 공정 온도와 같은 인자에 따라 결정된다.

알루미늄 모금속제로부터의 알루미나 다결정 산화 반응 생성물의 성장을 촉진시키기에 유용한 다른 도핑제로는, 특히 마그네슘과 조합하여 사용하는 경우, 게르마늄, 주석, 납을 예로 들수 있다. 이러한 다른 도핑제는 1종 이상, 또는 그들의 적당한 공급원을 알루미늄 모금속의 총합금 중량의 약 0.5 내지 15중량% 농도로 합금시킨다. 그러나, 도핑제 농도를 모금속 합금 총중량의 약 1 내지 10%의 범위로 합금시킨다. 그러나, 도핑제 농도를 모금속 합금 총중량의 약 1 내지 10%의 범위로 하게 되면, 보다 양호한 성장 운동 에너지(growth kinetic) 및 성장 형태를 얻을 수 있다. 도핑제로서 납이 사용되는 경우, 납은 알루미늄에 대한 용해도가 낮기 때문에 최소한 1000℃ 이상의 온도에서 알루미늄 모금속에 합금되게 된다. 그러나, 주석과 같은 다른 합금 성분을 첨가하게 되면, 납의 용해도가 증가하게 되고, 이에 따라 보다 낮은 온도에서 합금이 이루어질 수 있게 된다.

공기가 산화제로 사용되고 알루미늄이 모금속으로 사용되는 경우에 특히 유용한 도핑제 조성물로는 첫째, 마그네슘/규소 및 둘째, 마그네슘/아연/규소를 예로 들수 있다. 이 경우, 마그네슘 농도는 0.1 내지 3중량%인 것이 적당하며, 아연 농도는 약 1 내지 약 6중량%가 적당하고, 규소 농도는 약 1 내지 10중량 %인 것이 적당하다.

알루미늄 모금속에 유용한 다른 도핑제로는 소듐과 리튬을 들 수 있는데, 소듐가 리튬은 공정 조건에 따라 단독으로 또는 하나 이상의 다른 도핑제와 조합하여 사용할 수 있다. 소듐과 리듐은 매우 소량(전형적으로는 약 100 내지 200ppm)이 사용되며, 단독으로 또는 다른 도핑제와 조합하여 사용될 수 있다. 또한, 칼슘, 붕소, 인, 이트륨, 그리고 세륨, 란타늄, 프라세오디뮴, 네오디뮴, 사마륨과 같은 희토류 원소들도 유용하 도핑제로서, 다른 도핑제와 조합되어 사용될때 특히 유용하다.

외부에서 적용되는 도핑제는 항상 모금속의 표면 일부에 균일한 피막으로서 적용되게 된다. 도핑제의 양은 모금속양에 대해 폭넓은 범위에 걸쳐 유효하며, 알루미늄 모금속의 경우에는 상하한 선을 확인할 수 없을 정도였다. 일례로, 산화제로서 공기 또는 산호를 사용하여 알루미늄 모금속에 대한 도핑제로서 실리콘디옥사이드 형태의 규소를 외부에 적용하는 경우, 다결정 세라믹 성장 현상을 발생시키는 데에는 모금속 단위 중량당 0.00003g 또는 노출된 모금속 표면의 1cm²당 0.0001g의 규소를 마그네슘인 제2도핑제 공급원과 함께 사용하였다. 또한, 알루미늄-규소 합금 모금속을 사용하고 산화제로서 공기 또는 산소를 사용하는 경우, 도핑제로서 MgO 를 산화될 모금속의 단위 g당 Mg가 약 0.0008g 이상, 그리고 MgO가 적용될 모금속 단위 표면적, 즉, cm²당 Mg가 0.003g 이상되는 양으로 사용하게 되면 바람직한 세라믹 조직을 얻을 수 있는 것으로 판명되었다.

모금속이 마그네슘으로서 내부에 알루미늄이 도핑되고 산화 매체가 공기 또는 산소인 경우, 약 820 내지 950℃의 온도에서 합금으로부터 마그네슘이 최소한 부분적으로 산화는 것을 관찰할 수 있었다. 마그네슘이 도핑되는 계의 경우, 마그네슘 알루미네이트 스피넬 상(spinel phase)을 형성하며, 성장 공정중에 그러한 미그네슘 화합물은 주로 성장된 세라믹 조직의 모금속 합금의 최초의 산화물 표면(예를 들면, 개시 표면)에 잔존하게 된다. 이와 같이하여, 마그네슘이 도핑된 계에 있어서는 산화 알루미늄 조직이 최초의 표면에 위치한 비교적 얇은 마그네슘 알루미네이트 스피넬의 층으로부터 멀리 떨어져 형성되게 된다. 필요한 경우, 상기 최초의 표면은 다결정 세라믹 생성물을 사용하기 앞서 연마, 기계 가공, 연삭, 입자 블라스팅(grit blasting)등에 의해 쉽게 제거할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 의하면, 다결정 산화 반응 생성물의 성장중에 다른 기상 산화제가 공급될 수도 있다. 여기서, “다른”이란 의미는 초기 기상(또는 고체상) 산화제의 조성과 화학적으로 다른 조성을 갖는 것을 의미한다. 그리하여, “다른”기상 산화제로 형성된 제2의 산화 반응 생성물에 의해 특성의 정도가 다른 상호 일체적으로 결합한 2종의 세라믹체 또는 세라믹상이 형성된다(예를 들면, 일차로 형성된 세라믹 복합체상에 하나의 층이 형성될 수 있다).

본 발명의 다른 실시예에 있어서, 일차로 세라믹 복합체를 완전하게 형성하며, 그 뒤에 상기 복합체를 산화제, 바람직하게는 세라믹 복합체에 매립된 충전재의 매트릭스로서 작용하는 산화 반응 생성물을 형성시키는데 사용되었던 산화제와는 다른 산화제에 노출시킨다. 이 실시예에 의하면, 세라믹 복합체에 잔류하는 상호 연결된 모금속은 세라믹 복합체의 최소한 하나의 표면쪽으로 이동하게 되어, 상기 “다른”산화제와 반응하게 되며, 이에 따라 일차로 형성된 산화 반응 생성물의 매트릭스상에 다른 산화 반응 생성물을 형성시키게 된다.

본 발명의 또다른 실시예에 의하면, 세라믹 복합체의 금속 성분은 그것의 조성 변화에 따라 특정 목적에 적용시킬 수 있다. 일례로, 모금속의 조성을 유리하게 변화시켜 모금속의 기계적, 전기적, 화학적 특성을 변화시키도록 산화 반응 생성물의 성장중에 제2금속을 모금속내로 확산시키거나, 그것에 합금시킬 수도 있다.

성형된 세라믹 복합체의 생성을 보조하기 위하여, 충전재 또는 예비 성형체와 함께 차단수단을 사용할 수 있는데, 특히 본 발명에서 적합한 차단수단은 산화 반응생성물의 성장을 방해, 억제, 종료시킬 수 있는 임의의 수단일 수 있다. 적당한 차단수단으로는 본 발명의 공정 조건하에서 어느 정도 결착성(結着性)을 유지하고 휘발성이 없으며 기상 산화제가 사용되는 경우 그것을 투과시킬 수 있음과 아울러, 산화 반응 생성물의 계속된 성장을 국부적으로 방해, 정지, 차단할 수 있는 임의의 물질, 화합물, 원소, 조성물 등을 예로 들 수 있다.

차단수단의 범주에 드는 것을 예를 들면, 이동되는 용융 모금속에 의해 실질적으로 습윤되지 않는 부류의 물질을 들 수 있다. 이러한 형태의 차단수단은 용융금속에 대한 친환력이 없거나 실질적으로 없고, 따라서 그러한 차단수단에 의해 성장이 종료 또는 방해된다. 다른 차단수단을 이동되는 용융 모금속과 반응하여, 이동되는 금속에 용해되거나, 그것을 희석시키거나, 또는 고체 반응 생성물(예를 들면, 용융금속 이동 공정을 방해하는 금속간 화합물)을 생성함에 의해 더 이상의 성장을 차단시키는 경향이 있다. 이러한 형태의 차단수단은 산화물 또는 환원성 금속 화합물과 같은 임의의 적당한 선구물질 또는 밀도가 높은 세라믹 재를 기초로하는 금속 또는 금속 합금일 수 있다. 이러한 형태의 차단수단에 의하여 성장방해 또는 차단 특성이 제공되기 때문에, 성장이 종료되기에 앞서 차단수단 속으로 또는 그것을 지나 다소 연장되게 된다. 그럼에도 불구하고 차단수단은 생성된 산화 반응 생성물에 대해 필요한 마무리 기계가공 또는 연마의 필요성을 감소시켜 준다. 상술한 바와 같이, 차단수단은 통기성 또는 다공성인 것이 바람직하며, 따라서 불투과성의 고체벽이 사용되는 경우, 차단수단은 적어도 하나의 영역 또는 일단이 양단이 개방되어 기상 산화제가 모금속에 접촉할 수 있도록 해야 한다.

알루미늄을 모금속으로 사용하고, 공기를 산화제로서 사용하는 경우에 특히 유용한 차단수단을 황화칼슘, 규화칼슘, 트리칼슘포스페이트로서, 이들 차단수단은 산화 반응 생성물의 더 이상의 성장을 국부적으로 종료시키는 불투과성 칼슘알루미네이트 층을 형성하여 그 층이 산화 반응 생성물이 더욱 성장하는 것을 국부적으로 정지시킨다. 일반적으로, 이러한 차단수단은 예비 성형체로서 미리 성형되는 것이 바람직한 충전재 층의 표면에 슬러리 또는 페이스트로서 공급될 수 있을 것이다. 또한, 차단수단은, 다공성 및 통기성을 증가시키기 위하여, 가열시 제거되거나 분해되는 적당한 연소성 또는 휘발성 재료를 포함할 수 있다. 또한, 차단수단은 공정중에 발생할 수도 있는 수축 및 균열을 감소시킬 수 있도록 정당한 내화재입상 재료를 포함할 수 있다. 충전재 층과 동일한 팽창 계수를 갖는 입상 재료가 특히 바람직하다. 예를 들면, 예비 성형체가 알루미나로 구성되고 최종 세라믹이 알루미나를 함유하는 경우, 차단수단은 약 20 내지 1000의 메시의 입경을 갖는 것이 바람직한 알루미늄 입상 재료와 혼합될 수도 있다. 알루미나 미립자는, 예를 들면 약 10:1 내지 1:10, 바람직하게는 약 1:1의 비율로 황화칼슘과 혼합될 수 있다. 본 발명의 일실시예에 의하면, 차단수단을 황화칼슘(즉, 소석고)과 포틀랜드 세멘트와의 혼합물을 포함한다.

포틀랜드 세멘트는 소석고와 10;1 내지 1:10의 비율로, 바람직하게는 약 1:1의 비율로 혼합될 수 있다. 필요하다면, 상기 포틀랜드 세멘트를 단독으로 차단물질로서 사용할 수도 있다.

알루미늄을 모금속으로 사용하고 산화제로서 공기를 사용하는 경우, 차단수단으로서 소석고와 실리카를 화학양론적인 양(소석고가 과잉의 양이어도 된다)으로 혼합하여 사용할 수 있다. 공정중에 소석고와 실리카가 반응하여 규화칼슘을 생성하고, 이것이 대체로 균열이 없다는 점에서 바람직한 차단수단으로 된다. 본 발명의 또다른 실시예에 의하면, 소석고를 약 25 내지 40중량%의 탄화칼슘과 혼합한다. 탄화칼슘은 가열시 분해되어 이산화탄소를 발생시키며, 그에 따라 차단수단의 기공도가 높아진다.

알루미늄을 주성분으로 하는 모금속 계(系)에 특히 유용한 다른 차단수단으로는 충전재층의 중첩벽이나 용기 또는 충전재층의 표면에 대한 층으로서 이용할 수 있는 철 재료(예를 들면 스테인레스강 용기), 크로미아(chromia) 및 다른 내화 산화물을 들 수 있다. 그외의 차단수단으로는 알루미나와 같은 고밀도의 소결 또는 융합 세라믹을 들 수 있다. 이러한 차단수단들은 통상 불투과성이므로, 특별히 가공하여 다공성이 되게 하거나, 개구단과 같은 개방부를 제공할 것을 필요로 한다. 차단수단은 반응 조건하에서 부서지기 쉬운 생성물을 생성하는 것이 있는데, 이것을 분쇄하여 세라믹을 회수할 수 있다.

차단수단은 임의의 적당한 형태, 크기 및 형상으로 제조할 수 있으며, 기상 산화제를 투과시킬 수 있는 것이 바람직하다. 예를 들면, 차단수단은 필름, 페이스트, 슬러리, 투과성 또는 불투과성의 시이트 또는 판, 금속 또는 세라믹 스크린 또는 천과 같은 그물형 또는 구멍이 형성된 웨브, 또는 이들의 조합 형태로 사용할 수 있다. 또한, 차단수단은 소정의 충전재 및/또는 결합제를 함유하고 있을 수도 있다.

차단수단의 크기 및 형상은 세라믹 제품에 요구되는 형상에 따라 다르다. 예를 들면, 만일 차단수단이 모금속으로부터 소정의 거리를 두고 위치되는 경우에는 차단수단과 접촉되는 지점에서 세라믹 매트릭스 성장이 국부적으로 종료 또는 억제되게 된다. 예를 들면, 만일 오목한 차단수단이 모금속으로부터 최소한 부분적으로 이격되어 있다면, 오목한 차단수단의 경계와 모재 금속의 표면에 의해 형성되는 공간내에서 다결정의 성장이 이루어지고, 그 성장은 오목한 차단수단에서 대체로 종료하게 되는데, 차단수단을 제거하면 세라믹체는 차단수단의 오목부에 의해 한정 형성되는 볼록부를 가진 상태가 된다.

기공을 가지는 차단수단을 사용하는 경우에는 틈새들을 통해 다결정물질이 어느 정도 과잉 성장을 하게 된다. 물론, 이러한 과잉 성장은 보다 효과적인 수단을 사용하게 되면 크게 제한 또는 억제할 수 있다. 과잉의 다결정 물질이 잔류되지 말아야 하는 경우, 차단수단이 성장된 다결정 세라믹체로부터 제거된 후에 전술한 바와같은 과잉의 다결정 물질 부분을 연마 혹은 입자 블라스팅 등에 의해 세라믹체로부터 제거하여, 원하는 세라믹체를 제조할 수 있다.

세라믹 복합체의 형성시, 다결정 물질의 과잉 성장을 최소화시키거나 억제할 수 있도록, 차단수단을 임의의 충전재층 또는 예비 성형체의 경계면상에 또는 그것에 인접하게 위치시킬 수 있다. 충전재층 또는 예비 성형체의 표면 경계상에 차단수단을 위치시키는 것은 소정의 적당한 수단에 의해, 예를 들면 그 표면 경계상에 차단수단을 놓음으로써 행할 수 있다. 이러한 차단수단은 층은 페인팅, 침지, 실크 스크리닝, 증발, 또는 차단수단을 액체, 슬러리, 또는 페이스트 형태로 제공하거나, 기화가 가능한 차단수단을 스퍼터링하거나, 고체 미립자 차단수단 층을 단순히 침적하거나, 표면 경계상에 차단수단의 얇은 시이트 또는 필름을 제공함으로써 적용할 수 있다. 차단수단이 적소에 제공되면, 다결정 산화 반응 생성물의 성장은 그 생성물이 예비성형체의 경계에 도달한 경우, 그리고 차단수단과 접촉한 경우에 종료된다.

세라믹 매트릭스 복합체를 제조하기 위한 실시예에 의하면, 형태를 갖는 통기성의 예비 성형체(후술함)는 하나 이상의 표면 경계를 갖도록 형성되며, 그 경계의 최소한 일부는 차단수단을 갖거나 위에 차단수단이 겹치게 배치된다. 여기서, “예비 성형체”에는 최종적으로 일체형 복합체로 결합되는 각각 분리된 예비 성형체의 조립체가 포함된다. 이 예비 성형체를 하나 이상의 모금속의 표면, 또는 모금속 표면의 일부와 인접 또는 접촉하게 차단수단을 구비하거나, 또는 위에 차단수단이 겹치는 표면 경계의 최소한 일 부분을 금속 표면으로부터 멀리 또는 외측에 배치하여, 산화 반응 생성물이 예비 성형체 내부 및 차단수단을 구비한 표면 경계의 방향으로 생성되게 한다. 통기성 예비 성형체는 조립체의 일부로서, 로내에서 가열하면, 모금속과 함께 기상 산화제에 노출되거나 기상 산화제에 의해 포위된다. 이때, 기상 산화제는 고상 또는 액상 산화제와 조합하여 사용될 수 있다. 금속과 산화제가 반응하여 생성된 산화 반응 생성물로 형성된 예비 성형체에 매트릭스 금속이 용침되는데, 차단 수단을 가지거나 또는 그 차단수단과 겹친 표면 경계와 접촉될때까지 그러한 반응공정이 계속된다. 가장 전형적으로는, 예비 성형체 및 다결정 매트릭스의 경계들은 대체로 일치하지만, 예비 성형체의 표면상의 각각의 성분들은 노출되거나 매트릭스로부터 돌출될 수 있고, 이에 따라 매트릭스에 의해 예비 성형체를 완전히 포위 또는 매립 봉쇄한다고 하는 관점에서는 용침 및 매립이 완전히 포위 또는 매립 봉쇄한다고 하는 관점에서는 용침 및 매립이 완전히 이루어지지 않을 수도 있다. 차단수단과 접촉하면 성장이 방지, 억제, 또는 종료되어 다결정 물질의 과잉 성장이 실질적으로 발생되지 않는다. 얻어지는 세라믹 복합체 생성물에는 모금속과 산화제가의 산화 반응 생성물 및, 모금속의 미산화 성분 및 산화제의 환원 성분과같은 1종 이상의 금속 성분으로 구성되는 다결정 물질을 포함하는 세라믹 매트릭스가 경계까지 용침 또는 매립되어 있는 예비 성형체가 포함된다.

일반적으로, 산화 반응은 모금속 공급원을 고갈시키기에 충분한 시간 동안 계속된다. 카아카스를 해머로 타격하여 제거함으로써 세라믹 또는 세라믹 복합체를 제공한다.

일단 세라믹 또는 세라믹 복합체가 형성되면, 금속 매트릭스 복합체의 형성을 위한 충전재로 사용하기에 앞서 분쇄해야만 한다. 특히, 본 발명을 실시함에 있어서, 다결정 산화반응 생성물을 파쇄하고 미세하게 분쇄한 후 성형하여 충전재 소재를 형성하거나, 바람직하게 예비 성형체로 성형한다. 세라믹 또는 세라믹 복합체는 금속 매트릭스 복합체에 사용하는데 요구되는 입자크기에 따라 죠우(jaw) 분쇄 충격 분쇄, 로울러 분쇄, 회전 분쇄, 또는 기타의 공지의 기술을 이용하여 분쇄할 수 있다. 분쇄된 세라믹 물질을 체질하여 치수를 분급하여 충전재 또는 예비 성형체로서 사용할 수 있도록 회수한다. 일단 세라믹체를, 예를 들면 죠우 분쇄기 및 해머밀에 의해 약 1/4인치 내지 1/2인치의 크기로 분쇄시키는 것이 바람직하다. 그후, 큰 덩어리를 볼 분쇄 또는 충격 분쇄등과 같은 수단에 의해 50메시 또는 그보다 미세한 미립자로 더욱 분쇄할 수 있다. 그후, 이러한 미립자를 필요한 입경을 갖도록 분급하기 위하여 체질을 할 수 있다. 적당한 충전재의 경우는 형성한 세라믹 복합체와 형성될 금속 매트릭스 복합체에 따라 약 -200 내지 약 500메시의 크기 또는 그보다 미세한 크기를 갖는다.

분쇄된 산화 반응 생성물을 일단 충전재로서 바람직한 입경을 갖게 형성하거나 예비 성형체로 형성하면, 충전재 또는 예비 성형체에 매트릭스 금속을 자발적으로 용침시키는 것이 필요하다.

매트릭스 금속이 예비 성형체속으로 자발용침되게 하기 위해서는 자발용침계에 용침촉진제를 제공해야 한다. 용침촉진제는 용침촉진제 선구물질로부터 생성될 수 있다. 용침촉진제 선구물질은 (1) 매트릭스 금속속에서 및/또는 (2) 예비 성형체 속에서 및/또는 (3) 용침 분위기로부터 및/또는 (4) 외부의 용침촉진제 선구물질 공급원으로부터 자발용침계로 제공될 수 있다. 또한, 용침촉진제 선구물질을 첨가하는 대신, 예비 성형체 및/또는 매트릭스 금속 및/또는 용침 분위기중 적어도 어느 하나에 직접 용침촉진제를 첨가시킬 수도 있다. 결국, 적어도 자발용침중에는 충전재 또는 예비 성형체의 적어도 일부분에 용침촉진제가 존재해야 한다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 충전재 또는 예비 성형체가 매트릭스 금속과 접촉하기 전에 또는 접촉과 동시에 충전재 또는 예비 성형체의 적어도 일부분에 용침촉진제를 생성시킬 수 있도록 용침촉진제 선구물질이 용침 분위기와 적어도 부분으로 반응하는 것이 가능하다(이 경우, 예를 들면, 용침촉진제 선구물질로서 마그네슘이 이용되고, 용침 분위기로서 질소가 이용된다).

매트릭스 금속/용침촉진제 선구물질/용침 분위기 계의 일례로서, 알루미늄/마그네슘/질소 계를 들수 있다. 구체적으로, 알루미늄 매트릭스 금속을 , 공정 조건하에서 알루미늄이 용융될때, 이 알루미늄 매트릭스 금속 및/또는 충전재와 반응하지 않는 보트 형태의 알루미나 용기와 같은 적절한 내화 용기에 담을 수 있다. 이어서, 예비 성형체 재료를 이 용융 알루미늄 매트릭스 금속을 접촉시켜 자발용침을 발생시킬 수 있다.

또한, 용침촉진제 선구물질을 첨가해 주는 대신, 예비 성형체(또는 충전재 소재) 및/또는 매트릭스 금속 및/또는 용침 분위기중 적어도 하나에 직접 용침촉진제를 첨가시킬 수도 있다. 특히, 용침촉진제는 분쇄된 산화 반응 생성물 충전재에 잔류하는 마그네슘이 될 수 있다. 궁극적으로, 적어도 자발용침중에는 용침촉진제가 충전재 또는 예비 성형체(또는 충전재 소재)의 적어도 일부분에 존재해야 한다.

본 발명의 제조방법에서 채용한 조건하에서, 자발용침계가 알루미늄/마그네슘/질소계인 경우, 제조공정 중의 몇몇 단계에서 충전재 또는 예비성형체 속으로의 질소 함유 기체의 투과 및/또는 용융 매트릭스 금속과 질소 함유 기체와의 접촉을 가능케하기 위해 상기 예비성형체 또는 충전재 소재는 충분한 통기성을 가져야 한다.

또한, 충전재 도는 예비성형체에는 용융 매트릭스 금속이 용침될 수 있어야 하며, 이에 의해 질소가 침투되어 있는 예비성형체내로 용융 매트릭스 금속이 용침하여 금속 매트릭스 복합체가 생성되고 질소는 용침촉진제 선구물질과 반응하여 충전재 또는 예비성형체내에 용침촉진제를 생성함으로써 자발용침 반응을 촉진시키게 된다. 자발용침의 정도와 금속 매트릭스 복합체의 생성 정도는 알루미늄 합금중의 마그네슘 함량, 예비성형체 또는 충전재중의 마그네슘 함량, 예비성형체 또는 충전재중의 질화마그네슘의 함량, 부가 합금 원소(예, 실리콘, 철, 구리, 망간, 크롬, 아연등)의 존재여부, 충전재의 평균 치수(예, 입경) 충전재 또는 예비성형체의 표면 상태 및 그 종류, 용침 분위기중의 질소의 농도, 용침 시간 및 용침 반응 온도 등과 같은 일련의 조건에 따라 달라진다. 예를 들면, 용융 알루미늄 매트릭스 금속의 자발용침을 위해서는 알루미늄에 최소 약 1중량%(합금의 중량을 기준으로 함)의 마그네슘, 바람직하게는 최소 약 3중량%의 마그네슘을 합금시킬 수 있는데, 마그네슘은 용침촉진제 선구물질로서 작용한다. 매트릭스 금속에는 원하는 제품의 최종 특성에 따라 위에 열거한 부가 합금 원소를 함유시킬 수 있다.

또한, 상기 부가 합금 원소들은 매트릭스 알루미늄 금속의 충전재 또는 예비성형체내로의 자발용침을 위해 필요한 마그네슘의 최소량에 영향을 미칠 수도 있다. 용침촉진제를 생성시킬 수 없을 정도까지 마그네슘이 자발용침계로부터 소실(예를들면, 휘발에 의한 소실)되어서는 안된다. 따라서, 자발용침이 휘발에 의해 악영향을 받지 않도록 초기에 충분한 양의 합금 원소를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 예비성형체(또는 충전재) 및 매트릭스 금속 양자에, 또는 예비성형체(또는 충전재)에 마그네슘이 존재하면 자발용침을 달성하는데 필요한 마그네슘의 양을 감소시킬 수 있게 된다. 이에 대해서는 후술한다.

질소분위기내에서 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, 용침 속도가 매우 빨라져서 용침에 소요되는 시간이 짧아지는 것으로 밝혀져 있다. 용침 분위기(예, 질소 함유 기체)는 충전재(또는 예비성형체) 및/또는 매트릭스 금속에 직접 부가될 수 있으며, 또한 어떤 물질의 분해에 의해 생성될 수도 있다.

용융 매트릭스 금속이 충전재 또는 예비성형체 속으로 용침하는데 필요한 최소 마그네슘 함량은 처리온도, 시간, 실리콘 또는 아연과 같은 보조 합금 원소의 존재여부, 충전재의 특성, 자발용침계를 구성하는 하나 이상의 요소중의 마그네슘의 위치, 용침 분위기중의 질소의 함량 및 질소 분위기의 유동 속도 등과 같은 하나 이상의 변수에 따라 달라진다. 합금 및/또는 예비성형체내의 마그네슘 함량의 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 경우에도, 전술한 최소 처리온도, 높은 질소 농도, 또는 하나 이상의 보조 합금 원소와 같은 인자중 적어도 하나의 인자와 함께 사용할 수 있다. 예비성형체에 마그네슘을 전혀 부가하지 않을 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 합금 원소는 단지 보조적인 기능만을 할 뿐이다. 또한 이들 보조 합금 원소는 적어도 전술한 최소량의 마그네슘과 함께 사용된다. 예를 들면, 10중량%의 실리콘이 합금된 공칭의 순수한 알루미늄은 1000℃의 온도하에서 500메쉬인 39크리스톨론(Crystolon)(Norton Co.에서 시판하는 99% 순도의 실리콘 카바이드)으로 구성된 베드층(bedding)내로 거의 용침되지 않으나, 마그네슘이 존재하면 실리콘이 용침 반응을 촉진시킨다는 사실이 밝혀졌다. 또 하나의 예로써, 마그네슘을 예비성형체 또는 충전재에만 부가해주면 마그네슘의 양이 변화하게 된다. 부가된 총 마그네슘중 적어도 일부가 예비형성체 또는 충전재에 위치하거나 보다 높은 용침 온도가 이용되는 경우, 자발용침계에 보다 적은 양의 마그네슘을 부가시켜도 자발용침 반응이 일어난다는 사실이 밝혀졌다. 완성된 금속 매트릭스 복합체내에 원하지 않는 금속간 화합물이 생성되는 것을 방지하기 위해서는 보다 적은 양의 마그네슘을 사용하는 것이 바람직하다. 최소 약 1중량%의 마그네슘을 함유한 실리콘 카바이드로 된 예비성형체인 경우, 거의 순수한 질소 분위기하에서 이 예비성형체를 알루미늄 매트릭스 금속에 접촉시키면 이 매트릭스 금속이 예비성형체내로 자발적으로 용침되는 것으로 밝혀졌다. 알루미나로 된 예비성형체의 경우, 자발용침을 일으키는데 요구되는 마그네슘의 양은 다수 많아 진다. 특히, 알루미늄 매트릭스 금속이 실리콘 카바이드 예비성형체 속으로 용침될 때와 동일한 온도와 동일한 질소 분위기하에서 알루미나 예비성형체를 알루미늄 매트릭스 금속에 접촉시키는 경우, 바로 위에서 설명한 실리콘 카바이드 예비성형체 속으로 알루미늄 매트릭스 금속이 용침되는 것과 동일한 용침 정도를 달성하는데 최소 약 3중량%의 마그네슘이 필요한 것으로 밝혀졌다.

또한, 매트릭스 금속이 예비성형체(또는 충전재 소재) 속으로 용침하기 전에 합금의 표면 및/또는 예비성형체(또는 충전재 소재)의 표면 및/또는 예비성형체(또는 충전재 소재)의 내부에 용침촉진제 선구물질을 부가하는 것도 가능하다. 다시 말해서, 용침촉진제 또는 용침촉진제 선구물질을 매트릭스 금속에 합금시킬 필요없이, 단순히 자발용침계에 용침촉진제 및/또는 용침촉진제 선구물질을 부가해도 된다. 매트릭스 금속의 표면상에 마그네슘을 도포하는 경우 매트릭스 금속의 표면은 통기성 충전재 소재에 가장 인접한 표면, 바람직하게는 충전재와 접촉한 표면이 되거나 혹은 그 마그네슘이 예비성형체 혹은 충전재의 적어도 일부분에 혼합될 수 있다. 또한, 예비성형체의 표면에 마그네슘을 도포하는 방법, 예비성형체에 마그네슘을 합금시키는 방법, 예비성형체의 적어도 일부분만 마그네슘을 위치시키는 방법등을 조합한 마그네슘 부가 방법도 사용할 수 있다. 용침촉진제 및/또는 용침촉진제 선구물질 부가하기 위한 이와 같은 조합된 방법에 의하면 예비성형체내에 매트릭스 알루미늄 금속이 용침되는 것을 촉진시키는데 필요한 총 마그네슘의 양이 감소되며, 또한 보다 낮은 온도에서 용침 반응이 일어난다. 또한, 마그네슘의 존재하기 때문에 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 합금 원소를 합금에 함유시키거나 합금의 표면상에 가해주면 용침 온도가 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 예비성형체(또는 충전재)와 결합시킨 마그네슘의 농도 역시 주어진 온도하에서 용침의 정도에 영향을 준다. 따라서, 마그네슘이 예비성형체(또는 충전재)와 거의 접촉하지 않는 경우, 매트릭스 금속 합금내의 마그네슘의 농도는 최소 약 3중량% 함유되는 것이 바람직할 수 있다. 만일 마그네슘이 농도가 3중량% 이하(예를들면, 1중량%)이면, 용침을 달성하는데 보다 높은 처리 온도 또는 추가의 합금원소가 필요해진다. (1) 합금내의 마그네슘함량이 예를들면 최소 약 5중량%까지 증가하는 경우 및/또는 (2) 합금성분을 예비성형체(또는 충전재)와 혼합한 경우 및/또는 (3) 알루미늄 합금내에 아연 또는 철과 같은 다른 원소가 존재하는 경우에는 본 발명의 자발용침 반응을 일으키는데 필요한 온도가 낮아질 수 있다. 또한, 충전재의 종류가 달라지면, 자발용침반응은 온도가 달라진다. 일반적으로 최소 약 675℃의 온도에서, 바람직하게는 최소 약 750-850℃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 융점 이상이지만 매트릭스 금속의 기화 온도 미만의 온도이다. 온도가 높아짐에 따라 매트릭스 금속과 용침 분위기 사이에서 반응 생성물이 생성되는 경향이 증가한다. 예를 들면, 매트릭스 금속으로서 알루미늄을 사용하고, 용침 분위기로서 질소를 사용하는 경우, 질화알루미늄이 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, 자발용침에 악영향을 주지않는한 어떠한 가열 방식을 사용해도 무방하다.

본 발명의 방법에서는 용침을 달성하는데 필요한 전체 시간 동안, 예를 들면, 용침촉진제 선구물질 및/또는 용침촉진제를 포함한 통기성이 있는 예비성형체(또는 충전재 소재)를 공정중 적어도 일부의 기간 동안 질소 함유 기체(예를 들면, 96%의 N₂와 4% H₂를 함유하는 기체)의 존재하에서 용융 매트릭스 금속(예, 알루미늄)에 접촉시킨다. 이는 예비성형체와 용융 알루미늄 매트릭스 금속중 적어도 하나에 기체를 연속적으로 유동 접촉시킴에 의해 달성된다. 질소 함유 기체는 예비성형체(또는 충전재 소재) 및/또는 용융 알루미늄 매트릭스 금속중 적어도 어느 하나와 계속해서 접촉하는 연속적인 유동 상태를 유지하면서 공급한다. 질소 함유 기체의 유량은 결정적인 사항은 아니지만, 합금 매트릭스내에서 질화물이 생성됨에 따라 분위기로부터의 질소의 손실 양을 보상할 수 있을 정도의 충분한 유량으로, 그리고, 용융 금속을 산화시킬 수 있는 공기의 혼입을 방지할 수 있을 정도의 유량으로 해주어야 한다.

본 발명의 금속 매트릭스 복합체의 제조 방법은 여러 가지 종류의 충전제에 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, 질화알루미늄)등을 들 수 있다. 바람직한 실시예에 있어서, 분쇄된 산화 반응 생성물이 충전재로서 이용된다. 또한, 분쇄된 산화 반응 생성물을 단독으로, 혹은 다른 충전재와 조합하여 사용해서 용침을 위한 통기성 소재 혹은 예비성형체를 형성할 수도 있다. 충전재가 용융 알루미늄 매트릭스 금속과 반응하는 경향이 있는 경우에는 용침 시간 및 용침 온도를 최소화하거나 충전재에 비반응성 피막을 피복함으로써 위와 같은 반응을 방지할 수 있다. 충전재로서는 기층위에 피복하여 침식 또는 열화되지 않도록 한 탄소 또는 비세라믹 재료 같은 기재(substrate)가 포함된다. 적절한 세라믹 피복 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 연속 형태로 할 수 있다. 또한, 충전재 세라믹 소재 또는 예비성형체는 균질로 하거나 비균질로도 할 수 있다.

세라믹 산화 반응 생성물을 형성하는데 사용되는 충전재 혹은 일단 분쇄된 세라믹 산화 반응 생성물과 혼합되는 충전재의 치수 및 형상은 완성된 복합체에 있어서 원하는 특성을 얻는데 필요하다면 어떤 것이든 관계없다. 충전재의 형태에 의해 용침반응이 제한을 받는 것은 아니므로 충전재는 입자 형태, 휘스커 형태, 판 형태 또는 섬유 형태 등의 형태를 취할 수 있으며, 이밖에도 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 예비성형체는 통기성이 있어야 한다. 즉, 충전재 예비성형체는 용융 매트릭스 금속과 용침 분위기가 침투할 수 있어야 한다.

용융 매트릭스 금속을 예비성형체 또는 충전재 소재내에 용침시킴에 있어 압력을 사용하지 않는 본 발명의 금속 매트릭스 복합체 제조방법에 의하면 충전재의 체적분율이 높은 그리고 가공도가 낮은 거의 균일한 금속 매트릭스 복합체를 제조할 수 있다. 기공도가 낮은 충전재 소재를 사용하면 적어도 약 50% 정도로 충전재의 체적분율이 높은 복합체를 얻을 수 있으며, 또한, 충전재 소재가 용융 합금에 의한 용침을 방해할 정도로 완전히 치밀화되거나 폐쇄 셀(close cell)이 형성된 압밀체로 전환되지만 않는다면, 충전재 소재를 압축 성형 또는 치밀화시킴으로써 충전재의 체적분율이 높은 복합체를 얻을 수 있다.

알루미늄의 용침 및 세라믹 충전재 주위에서의 매트릭스 의 형성에 있어서, 알루미늄 매트릭스 금속에 의한 세라믹 충전재의 습윤성은 용침 기구(infiltration mechanism)로서 중요한 역할을 하는 것으로 밝혀졌다. 또한, 낮은 처리 온도에서는 무시할 수 있을 정도의 금속의 질화 반응이 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, 충전재 또는 예비성형체의 체적에 대한 매트릭스 알루미늄의 양, 용침될 충전재, 및 용침 분위기내의 질소의 농도 등과 같은 인자에 따라 달라진다. 예를 들면, 주어진 처리 온도하에서 충전재에 대한 알루미늄 합금의 습윤성이 감소할수록 그리고 용침 분위기중의 질소 농도가 증가할수록 알루미늄 질화물의 생성 정도는 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. 질화알루미늄상을 함유한 복합체는 제품의 성능에 유리하거나 혹은 그것을 개선할 수 있는 우수한 특성을 나타낸다. 또한, 알루미늄 합금의 자발용침을 위한 온도 범위는 사용한 세라믹 물질에 따라 달라진다. 충전재로서 알루미나를 사용한 경우, 질화물의 생성에 기인하는 매트릭스 금속의 전성 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. 보다 중요하게는, 파쇄 또는 분쇄된 산화 반응 성장 생성물을 충전재로서 사용하는 경우, 약 750 내지 850℃의 온도가 이용될 수 있다.

특히, 산화 공정에 의해 형성된 다결정 물질은 산화되지 않은 모금속과 같은 금속 성분을 함유할 수도 있다. 금속의 양은 세라믹 또는 세라믹 복합체의 생성시 모재 금속의 소모(전환) 정도에 따라 1 내지 40체적% 또는 그 이상의 폭넓은 범위에 걸쳐 달라질 수 있다. 모금속의 잔류 금속 또는 카아카스의 최소한 일부분을, 이 물질을 충전재로 사용하기 전에 산화 반응 생성물로부터 분리시키는 것이 바람직하다. 이러한 분리는 다결정 물질의 분쇄전 및/또는 분쇄후에 시행할 수 있다. 경우에 따라서는, 산화 반응 생성물이 금속보다 쉽게 부서지고, 따라서 분쇄 및 체질만으로도 의해 모금속으로부터 산화 반응 생성물을 부분적으로 분리시키는 것도 가능할 수 있다. 그러나, 본 발명에 의하면, 단독으로 또는 다른 충전재와 조합하여 이용되는 분쇄된 산화 반응 생성물은 공정 조건하에서 유사한 물질간의 친화력에 기인하여, 그리고/또는 하나 이상의 보조 합금 원조들이 존재하는데 기인하여 용융 합금에 대해 친화력을 나타낸다. 이러한 친화력에 기인하여, 용침 운동 에너지가 높아지고, 그 결과 시판하는 세라믹 충전재, 즉 산화 공정에 의해서 제조되지 않은 충전재를 사용하는 기존의 방법에 비해 빠른 속도로서 용침이 이루어지는 것으로 판명되었다. 그러나, 상기와 같은 다른 충전재를 분쇄된 산화 반응 생성물을 혼합되게 하는 경우, 분쇄한 산화 반응 생성물의 양은 용침 운동 에너지를 증가시키기에 충분한 양이어야 한다(일례로, 충전재의 약 10 내지 25체적%이상), 아울러, 산화 반응 생성물을 충전재로서 이용하는 경우, 공정을 보다 저온에서 실시할 수 있고, 이에 따라 비용 및 취급면에서 잇점이 있다는 것을 알 수 있었다. 또한, 저온에서 용융 금속은 충전재와의 반응성이 거의 없고, 이에 따라 금속 매트릭스 복합체의 기계적 성질에 악영향을 미칠 수도 있는 바람직하지 못한 반응 생성물을 형성하는 경우가 거의 없게 된다.

용침 향상에 기여하는 것으로 생각되는 요인은 보조 합금 원소 및/또는 충전재와 친밀하게 작용하는 알루미늄 모금속이 존재하는 것이다.

예를 들면, 공기중의 알루미늄의 산화 반응으로 산화 반응 생성물로서 알루미나가 생성되는 경우에는 상술한 특허출원들 및 특허에 기재되어 있는 바와 같이 알루미늄 모금속과 연관하여 또는 그것과 조합하여 도핑제를 사용한다. 모금속 혹은 도핑제, 또는 그들의 일부는 반응계에서 소모되지 않을 수 있고, 따라서 다결정 세라믹 재료 전체 또는 일부를 통해 분산 상태로 될 수 있다. 이 경우, 모금속 또는 도핑제는 분쇄된 산화 반응 생성물의 표면에 침전되거나 산화 반응 생성물 내부에 결합될 수 있다. 특정의 이론 또는 설명으로 구애되지는 않지만, 다결정 물질을 충전재로 사용하기 위해 분쇄하는 경우, 분쇄된 산화 반응 생성물에 자발적으로 용침시키는데 사용되는 매트릭스 금속은 충전재에 함유되어 있는 모금속 및/또는 도핑제에 기인하여 충전재에 대해 친화력을 나타낼 수 있다. 특히, 잔류 모금속 및/또는 도핑제는 최종 복합체 제품의 제조시 유용한 보조 합금 원소의 역할을 효율적으로 제공함으로써 용침 공정을 촉진시키고, 그리고/또는 용침촉진제로서 작용하고, 그리고/또는 용침촉진제 선구물질소로서 작용할 수도 있다. 따라서, 분쇄된 산화 반응 생성물 자체는 매트릭스 금속을 충전재 또는 예비성형체 속으로 자발적으로 용침시키는데 필요한 용침촉진제 및/또는 용침촉진제 선구물질의 최소한 일부를 제공할 수 있다.

또한, 충전재의 완전한 용침을 보장하거나, 그리고/또는 매트릭스 금속의 제1공급원과는 조성이 다른 제2금속을 공급할 수 있는 매트릭스 금속 보조 공급원을 사용하는 것이 가능하다. 즉, 어떤 금속의 경우에는 제1매트릭스 금속 공급원과 조성이 다른 매트릭스 금속 보조 공급원의 매트릭스 금속을 이용하는 것이 바람직할 수도 있다. 예를 들면, 알루미늄 합금이 제1매트릭스 금속 공급원으로서 사용되는 경우, 공정 온도에서 용융되는 임의의 다른 금속 또는 금속 합금을 보조 금속으로서 사용할 수 있다. 용융 금속들은 서로 혼합되기가 아주 쉽고, 이에 따라 보조 금속은 적절한 시간만 주어진다면 제1매트릭스 금속 공급원과 혼합된다. 따라서, 제1매트릭스 금속 공급원과 조성이 다른 조성이 다른 보조 금속을 사용하게 되면 다양한 조작 요건에 부합할 수 있도록 금속 매트릭스의 특성을 맞추고 이에 따라 금속 매트릭스 복합체의 특성을 조절하는 것이 가능하다.

본 발명에서는 또한 차단수단(barrier means)을 사용할수 있다. 특히, 본 발명에서 사용하는 차단수단은 용융 매트릭스 금속 합금(예, 알루미늄 합금)이 충전재 또는 예비성형체의 소정의 경계면을 초과하여 유동하는 것을 방지할 수 있는 것이라면 어떠한 수단도 가능하다. 적절한 차단수단으로는 본 발명의 처리 조건하에서 그 형태를 유지할 수 있고, 휘발하지 않으며, 처리에 사용된 기체가 침투할 수 있으며, 세라믹 충전재의 소정의 표면 경계를 초과하여 연속해서 침투 혹은 기타의 움직임을 국부적으로 저지, 정지, 방해, 방지하는 임의의 물질, 화합물, 원소, 조성물 등을 들 수 있다. 이 차단수단은 자발용침중에 사용하거나, 자발용침된 금속 매트릭스 복합체의 가열 성형 공정과 관련하여 사용되는 기타의 고정 구조물 또는 임의의 주형내에서 사용할 수 있다. 이에 대해서는 후술한다.

적적한 차단수단에는 채용된 처리 조건하에서 용침하는 용융 매트릭스 금속 합금에 거의 습윤되지 않는 흑연 및 알루미나와 같은 재료가 포함된다. 이러한 종류의 차단수단은 용융 매트릭스 금속에 대한 친화력이 거의 없으므로 충전재 또는 예비성형체의 소정의 표면 경계를 초과하는 용융 매트릭스 금속의 용침을 차단하게 된다. 또한, 차단수단을 사용하면 금속 매트릭스 복합체에 요구되는 최종 기계 가공이나 연삭가공의 필요성을 감소시킬 수 있고, 예비성형체 및 금속 매트릭스 복합체에 추가의 형태 보전성을 부여할 수 있다. 또한 차단수단은 완성된 복합체를 매트릭스 금속 용탕으로부터 제거할 때 파지(grasping)가 가능한 형태로 성형할 수 있다. 전술한 바와 같이, 용침 분위기기 용융 매트릭스 금속 합금 및 용침촉진제 선구물질을 함유한 예비성형체에 접촉할 수 있도록, 차단수단이 통기성을 가지는 것이 바람직하다.

특히, 알루미늄 매트릭스 금속 합금에 대해 유용한 차단수단은 탄소를 함유한 차단수단이며, 특히 탄소의 동소체인 흑연을 함유한 차단수단이다. 흑연은 처리 조건하에서 용융 알루미늄 합금에 의해 습윤되지 않으며, 특히 바람직한 흑연으로는 유니온 카바이드사의 상표명 Grafoil

으로 시판되는 흑연 테이프를 들 수 있다. 이 흑연 테이프는 용융 알루미늄 합금이 충전재의 소정의 표면 경계를 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 흑연 차단수단을 사용할 수도 있으며, 경우에 따라서는 충전재 또는 예비성형체의 주위에 박막 형태로 흑연재 차단수단을 도포할 수도 있다. Grafoil

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

질소 분위기하에서의 알루미늄 매트릭스 금속 합금에 대해 바람직한 그밖의 차단수단으로 천이금속 붕화물(예, 티타늄디보라이드(TiB₂)이 있는데, 이 물질은 채용한 처리 조건하에서 용융 알루미늄 합금에 의해 습윤되지 않는다. 그러나, 이러한 종류의 차단수단을 사용하는 경우, 처리 온도가 약 875℃를 초과해서는 안되면, 만일 이 온도를 초과하면 차단수단의 기능이 떨어지며, 온도가 상승함에 따라 차단수단 속으로의 용침도 발생하게 된다. 상기 천이금속 붕화물은 전형적으로 입자 형태(1-30㎛)이며, 이는 세라믹 충전재 성형체(또는 예비성형체)의 소정의 경계면에 슬러리 또는 페이스트 상태로 도포할 수 있다.

질소 분위기하에서의 알루미늄 매트릭스 금속 합금에 대해 유용한 그밖의 차단수단으로 충전재 또는 예비성형체의 외면상에 박막 또는 층상으로 설치되는 휘발성이 낮은 유기 화합물이 포함된다. 질소 분위기 하에서, 특히 본 발명의 처리 조건하에서 가열되면, 이 유기 화합물은 분해되며 탄소 박막이 남는다. 그 유기 화합물은 페인팅법, 스프레이법, 침지법등과 같은 종래의 기술을 이용하여 도포할 수 있다.

또한, 충전재 보다 용침이 느리게 발생하는 미세하게 분쇄할 미립자 물질도 차단수단으로 사용할 수 있다.

차단수단은 소정의 경계면상에 차단층을 마련하는 등의 임의의 적절한 방법으로 형성할 수 있으며, 페인팅법, 침지법, 실크스크린법, 증착법, 액상 도포법, 슬러리 도포법, 페이스트 도포법, 기화성 있는 차단수단의 스퍼터링법, 고체입자 형태의 차단층의 용착법, 고체 박막 형태의 차단수단을 마련하는 등의 방법으로 형성할 수 있다. 이와 같은 차단수단을 마련한 경우, 용융 매트릭스 금속이 소정의 표면 경계와 이 차단수단에 접촉하면 자발용침은 중지된다. 따라서, 차단수단은 부유 상태의 예비성형체 속으로 용침되는 것을 제어하여 거의 가공이 필요없을 정도로 완성된 복합체를 제조하는데 사용할 수 있다.

이하, 본원 발명의 몇가지 실시예에 대해 설명한다. 본 실시예는 본원 발명의 실시 태양의 일례로서 본원 발명이 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

제1도에는 산화 반응 생성물을 성장시키는데 사용될 수 있는 조립체의 단면이 도시되어 있다. 특히, 1 1/2×4×9인치의 치수로 되어 있고 벨몬트 메탈즈(Belmont Metals)에서 시판하는 약간 변성시킨 380.1 알루미늄 합금으로 구성되는 모금속 바아(1)를 노톤 컴패니(Norton Co.)에서 시판하는 90 그릿 E1 알런덤(Alundum)의 베드층(2, bedding)상에 설치하고, 이 바아(1)와 베드층(2)을 볼트 테크니칼 세라믹스(Bolt Technical Ceramics)에서 시판하고 있는 99.7%의 순도를 갖는 고순도 알루미나 내화재로 이루어진 보트 형태의 내화용기(4)내에 장입하였다. 모금속 바아(1)는 그것의 표면이 베드층(2)과 대체로 동일 평면상에 위치하는 형태로 베드층(2) 내부에 배치된다. 바아(1)를 구성하는 알루미늄 합금은 약 2.5 내지 3.5%의 아연, 3.0 내지 4.0%의 구리, 7.5 내지 9.5%의 규소, 0.8 내지 1.5%의 철, 0.2 내지 0.3%의 마그네슘, 0 내지 0.5%의 망간, 0 내지 0.001%의 베릴륨, 그리고 0 내지 0.35%의 주석으로 구성되었다. 알루미늄 합금 바아(1)의 그의 표면으로 분위기 방향으로만(예를 들면, 베드층(2)로부터 멀리)성장할 수 있게끔, 상기 바아(1)의 상면에는 약 5g의 140 그릿 실리카 입자를 도핑제(3)로서 공급하여 바아(1)의 외부에서 도핑시켰다. 베드층(2), 알루미늄(1)및, 도핑제(3)가 내부에 위치한 보트 형상의 내화 용기(4)를 전기 저항 로에 설치하여, 시간당 약 200℃의 비율로 약 1100℃의 온도까지 가열하고, 용융 알루미늄 합금이 공기중의 산소와 반응하여 산화 반응 생성물을 형성하기에 충분한 시간 동안 유지시켰다. 가열중에 산화제를 제공하도록 로 내부에서 공기를 순환시켰다. 성장되는 산화 반응 생성물은 알루미늄 합금 바아(1)위에 "덩어리"를 형성하였다. 그 뒤에, 보트 형상이 내화 용기(4) 및 그 내용물들을 냉각시키고, 그로부터 최종 산화 반응 생성물(즉, 덩어리)을 분리 하여, 모금속 카아카스(carcass)를 해머로 때려 제거하였다.

그 뒤에, 산화 반응 생성물을 죠우 분쇄기 속에 장입하여, 골프공 또는 콩알 크기로 분쇄하였다. 이 크기의 산화 반응 생성물 조각들을 다시 알루미늄 산화물 분쇄 매체 및 물과 함께 자기 용기내에 넣고, 볼 분쇄에 의해 그 조각들을 작은 치수의 입자로 만들었다. 또한, 산화 반응 생성물은 알루미늄 합금인 산화되지 않은 잔류 모금속을 함유할 수도 있기 때문에, 볼 분쇄중에는 용액의 pH를 제어하여 알루미늄과 물과의 반응을 감소시킬 필요가 있었다. 볼 분쇄를 약 36시간 동안 계속한 뒤, 자기 용기의 내용물을 공지의 기술을 이용하여 건조 및 체질하였다. 볼 분쇄후 남아있는 20메시 이상의 큰 입자들은 다시 볼 분쇄기에 넣고 추가로 분쇄하였다. 이와 같이 하여, -200 내지 100메시의 크기를 갖는 분쇄된 산화 반응 생상물 입자들을 수집하였다.

제2도에는 분쇄된 산화 반응 생성물에 매트릭스 금속을 용침시키는데 사용하는 조립체의 단면도가 도시되어 있다. 특히, 분쇄된 산화 반응 생성물(12)을 그것을 형성하는데 사용한 것과 유사한 보트 형상의 고순도 알루미나재 내화 용기(14)에 위치시켰다. 분쇄된 산화 반응 생성물(12)의 상부에는 용침될 매트릭스 금속(10)의 잉곳을 설치하고, 이때 매트릭스 금속(10)의 분쇄된 산화 반응 생성물(12), 즉 충전재의 표면위로 돌출되게 배치하였다. 산화 반응 생성물(12)을 자발용침시키는데 사용한 알루미늄 합금(10)은 약 1×2×1/2인치의 칫수를 갖는 매트릭스 금속 바아 또는 잉곳이었다. 매트릭스 금속인 알루미늄 합금은 약 5중량%의 규소와 약 5중량%의 마그네슘을 함유했다. 전술한 물질들의 조립체가 담긴 알루미나재 내화 용기(14)를 전기 저항 가열식 머플 로(muffle furnace)속에 위치시킨 후, 머플 로를 밀봉시켜, 그 내부에 용침 기체만이 존재케 하였다. 이 경우, 용침 분위기(즉, 96체적%의 질소와 4체적%의 수소)를 형성하도록 생성 기체를 사용했는데, 이 생성 기체를 약 350cc/분의 유량으로 머플 로로 통과시켰다. 그 뒤에, 머플 로를 약 800℃의 온도에 도달할때까지 약 10시간 동안 가열하고, 그 온도로 약 5시간 동안 유지시켰다. 그 뒤에 로를 약 5시간 동안 냉각시킨 후 조립체를 로에서 꺼내어 관찰한 결과, 충전재(12) 매트릭스 금속(10)에 의해 실질적으로 완전히 매립되어 있었다.

제3도에는 실시예 1에 따라 제조한 금속 매트릭스 복합체의 400배 현미경 사진이 도시되어 있는데, 사진에서 검은 부분(20)은 분쇄된 산화 반응 생성물인 충전재에 해당하며, 밝은 부분(21)은 매트릭스 금속에 해당한다.

실시예 2

본 실시예는 비교 실시예로서, 본 실시예 있어서는 노톤 컴패니에서 제조 시판하는 용융 산화 알루미늄 입자인 시판되는 90 그릿 38 알런덤을 보트 형상의 알루미나재 내화 용기 속에 위치시키고, 그 위에 실시예 1에서 이용한 것과 동일한 매트릭스 금속을 위치시켰다. 그 뒤에, 이 물질들을 실시예 1에서 사용한것(제2도에 도시)과 동일한 장치 속에 위치시키고, 이들 조립체를 머플 로에 넣고 실시예 1과 동일하게 가열했다. 냉각후, 보트 형상의 내화 용기를 취출하여 검사한 결과, 알루미늄 합금 매트릭스 금속의 용침이 거의 이루어지지 않았다.

실시예 3

본 실시예도 비교 실시예로서, 본 발명의 분쇄된 산화 반응 생성물에 의해 저온에서도 자발용침이 이루어진다는 것을 증명하기 위해 후술되는 바와 같이 실험하였다. 특히, 실시예 2의 경우보다 용침 온도를 높게한 것을 제외하고는 실시예 2의 순서를 반복하였다. 특히, 실시예 2에 따른 물질 조립체가 위치된 보트형상의 내화 용기를 머플 로에 설치하여 900℃의 보다 높은 온도에서 실시예 1에 따라 가열시켰다. 로의 냉각 후 보트 형상의 내화 용기를 취출하여 검사한 결과, 매트릭스 금속의 용침은 대체로 완전히 이루어졌다.

본 실시예는 분쇄된 산화 반응 생성물을 충전재로서 이용하면 바람직하다는 것을 증명해주고 있다. 특히, 분쇄된 산화 반응 생성물을 충전재로서 이용하는 경우 용침 운동 에너지가 증가하는 것으로 판명되었다.

지금까지 본 발명의 실시예에 관해 설명하였으나 본 발명은 이에 국한되지 않고 첨부된 특허청구의 범위에 기재된 바와 같은 발명의 범위내에서 변경이 가능할 것이다.

Claims

금속 매트릭스 복합체를 제조하는 방법에 있어서, 산화 반응 생성물을 형성하는 단계와, 적절한 치수의 충전재를 형성하도록 산화 반응 생성물을 분쇄하는 단계와, 분쇄된 산화 반응 생성물을 포함하는 통기성 충전재 소재를 형성하는 단계와, 상기 통기성 충전재 소재의 최소한 일부분에 용융 매트릭스 금속을 자발용침시키는 단계와, 상기 용침 단계의 적어도 일부 동안 충전재 소재의 매트릭스 금속중 적어도 하나와 통하는 용침 분위기를 제공하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 금속 매트릭스 복합체 제조 방법.
제1항에 있어서, 매트릭스 금속, 충전재 및, 용침분위기중 최소한 하나에 용침촉진제 및 용침촉진제 선구물질중 최소한 하나를 공급하는 단계를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 매트릭스 복합체 제조 방법.
제1항에 있어서, 분쇄된 상기 산화 반응 생성물 자체가 용침촉진제 및 용침촉진제 선구물질중 최소한 한 가지를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 매트릭스 복합체 제조 방법.
제1항에 있어서, 차단수단을 이용하여 충전재 소재의 표면 경계를 형성하는 단계를 또한 포함하여, 매트릭스 금속은 상기 차단수단까지 자발용침되는 것을 특징으로 하는 금속 매트릭스 복합체 제조 방법.
제1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서, 분쇄된 상기 산화 반응 생성물은 용융 모금속과, 기상 산화제, 액상 산화제 및 고상 산화제중 최소한 하나와의 반응 생성물을 포함하며, 상기 산화 반응 생성물은 산화알루미늄, 질화알루미늄, 탄화규소, 붕화규소, 붕화알루미늄, 질화티탄, 지르코늄, 붕화티탄, 붕화지르코늄, 탄화티탄, 탄화규소, 붕화하프늄, 산화주석으로 구성되는 그룹에서 선택된 하나 이상의 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 금속 매트릭스 복합체 제조 방법.