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KR100874607B1 - 붕소 함유 세라믹-알루미늄 금속 복합체 및 당해 복합체의형성방법 - Google Patents

붕소 함유 세라믹-알루미늄 금속 복합체 및 당해 복합체의형성방법 Download PDF

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KR100874607B1
KR100874607B1 KR1020047002957A KR20047002957A KR100874607B1 KR 100874607 B1 KR100874607 B1 KR 100874607B1 KR 1020047002957 A KR1020047002957 A KR 1020047002957A KR 20047002957 A KR20047002957 A KR 20047002957A KR 100874607 B1 KR100874607 B1 KR 100874607B1
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aluminum
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파이직알렉산더제이.
데쉬무크우데이브이.
신켈니콜라스엠.
앨런팀엘.
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다우 글로벌 테크놀로지스 인크.
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Abstract

붕소 함유 세라믹-알루미늄 금속 복합체는 붕소 함유 세라믹을 알루미늄 또는 이의 합금으로 이루어진 금속 분말과 혼합하고, 혼합물을 다공성 예비성형물로 성형하고, 예비성형물을 금속 분말보다 낮은 온도에서 용융하는 알루미늄 또는 이의 합금으로 이루어진 침투 금속과 접촉시키고, 예비성형물과 침투 금속을 침투 금속을 용융시키기에는 충분하지만 금속 분말을 용융시키기에는 불충분한 온도로 가열하여, 침투 금속이 다공성 예비성형물에 침투하여 복합체를 형성하도록 함으로써 형성한다. 형성된 복합체는 차량용 부품으로 사용할 수 있다.
세라믹-알루미늄 금속 복합체, 붕소, 예비성형물

Description

붕소 함유 세라믹-알루미늄 금속 복합체 및 당해 복합체의 형성방법{Boron containing ceramic-aluminum metal composite and method to form the composite}
본원은 2001년 8월 29일자로 출원된 미국 가특허원 제60/315,883호의 이권을 청구한다.
본 발명은 붕소 함유 세라믹-알루미늄 금속 복합체에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 탄화붕소-알루미늄 복합체에 관한 것이다.
알루미늄-탄화붕소(ABC) 복합체는 알루미늄 금속보다 밀도가 낮고 강성이 높아서 컴퓨터 하드 드라이브 디스크 등의 부품에서 특히 중요하다. 알루미늄-탄화붕소 복합체의 착체 형상을 형성하는 가장 바람직한 방법 중의 하나는 탄화붕소 예비성형물에 알루미늄을 침투시키는 방법이다. 침투법을 사용하면 실질적으로 동일한 형태와 치수를 갖는 농밀한 ABC 복합체를 다공성 예비성형물로서 수득할 수 있다.
불행하게도, 알루미늄 금속은 산화알루미늄 층을 갖기 때문에, 침투를 고온(즉, 1000℃를 초과하는 온도)에서 수행하여야 한다. 따라서, 침투법은 자체 지지되는 예비성형물을 사용할 필요가 있다. 이로 인해 상당량의 알루미늄을 예비성형물 형태로 사용하지 못한다. 이는, 알루미늄을 예비성형물에 용융시키고 소결시키고 탄화붕소와 반응시킨 결과 세공이 침투 금속으로부터 폐쇄되므로, 예비성형물이 슬럼핑(slumping)되고 불완전하게 침투되기 때문이다. 결과적으로, 침투된 ABC 복합체는 고농도(즉, 40용적% 이상)의 탄화붕소로 제한된다. 자체 지지 다공성 입상체에 대한 하한치는 일반적으로 40% 미립자 및 나머지가 세공인 것으로 고려된다.
고농도의 알루미늄으로 ABC 복합체를 형성하는 데에는, 기타의 기술, 예를 들면, 고체 상태 소결 기술 및 알루미늄의 용융 온도 미만에서의 고압 기술이 사용되어 왔다. 그러나, 알루미늄의 용융 온도 미만에서 소결시키면 소결 수축되는 손해를 입어 고가의 기계가공을 거쳐야 하고, 결과적으로, 경제적으로 실행 가능한 간단한 형상을 제조할 수 있을 뿐이다. 유사하게, 고압 기술, 예를 들면, 알루미늄과 탄화붕소를 압출시키는 기술은 고가이고 제조될 수 있는 형상이 제한된다. 또한, 알루미늄은 이들 기술로는 용융되지 않기 때문에, 탄화붕소 사이의 결합은 알루미늄이 용융되어 탄화붕소와 반응하는 경우와 비교하여 실질적으로 더 약하다. 결과적으로, 이들 기술로는 최적 특성에 미치지 못하는 복합체가 형성된다.
또한, 탄화붕소를 용융 알루미늄 속에서 주조하지만, 탄화붕소가 용융 알루미늄과 신속하게 반응하여 붕소 금속, 탄소 및 수용성 탄화알루미늄으로 분해되므로, 탄화붕소를 은 등의 보호 금속으로 우선 캡슐화시킨다. 이러한 기술에서는, 주조 전에 탄화붕소를 피복하는 추가의 고가 단계의 부재하에서는 강도를 감소시키는 유해한 상(예: Al4C3)을 조절할 수 없다. 이러한 보호층은, 예를 들면, 더 강한 복합체를 제조하기 위한 알루미늄과의 계면 결합(반응)에서 탄화붕소를 배제시킨다.
따라서, 위에서 기재된 기술 중의 하나와 같은, 선행 기술의 하나 이상의 문 제를 극복하는 물질 및 방법을 제공하는 것이 바람직할 것이다.
본 발명의 제1 측면은 붕소 함유 세라믹을 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진 금속 분말과 혼합(여기서, 붕소 함유 세라믹은 알루미늄의 용융 온도를 초과하는 온도에서 알루미늄과 반응성이다)하는 단계(a),
단계(a)의 혼합물을 다공성 예비성형물로 성형하는 단계(b),
다공성 예비성형물을, 용융 온도가 금속 분말보다 낮은 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진 침투 금속과 접촉시키는 단계(c) 및
다공성 예비성형물과 침투 금속을, 침투 금속을 용융시키기에는 충분하지만 금속 분말을 용융시키기에는 불충분한 침투 온도로 가열하여, 침투 금속이 다공성 예비성형물에 침투하고 실질적으로 농밀한 붕소 함유 세라믹-알루미늄 금속 복합체를 형성하도록 하는 단계(d)를 포함하는, 붕소 함유 세라믹-알루미늄 금속 복합체의 형성방법에 관한 것이다.
놀랍게도, 본 발명의 방법을 사용하면, 예를 들면, 순수한 알루미늄의 용융 온도(즉, 660℃) 미만에서 침투법을 이용하여 실질적으로 농밀한 거의 순수한 형상의 탄화붕소-알루미늄 금속 복합체를 제조할 수 있다. "실질적으로 농밀(dense)"이란, 밀도가 이론적 밀도의 95% 이상인 본체를 의미한다. 또한, 당해 방법으로는 예를 들면, 낮은 침투 온도로 인하여 조절된 방식으로 탄화붕소와 알루미늄 사이에 반응 상이 생성되기 때문에, 탄화붕소와 알루미늄 사이의 결합을 개선시킬 수 있다. 이어서, 용융 온도가 더 낮은 알루미늄과 탄화붕소와의 조절된 반응으로 인해 개선된 결합을 갖는 고농도의 알루미늄을 갖는 신규한 탄화붕소-알루미늄 몸체를 제조할 수 있게 된다.
본 발명의 제2 측면은 알루미늄 금속 또는 이의 합금 60용적% 이상과, 알루미늄 금속 또는 이의 합금에 분산된 알루미늄과 붕소 함유 세라믹의 반응 생성물 하나 이상과 붕소 함유 세라믹으로 이루어지며, 밀도가 이론적 밀도의 약 95% 이상인, 붕소 함유 세라믹-알루미늄 금속 복합체에 관한 것이다.
본 발명의 제3 측면은 알루미늄 금속 또는 이의 합금 30용적% 이상과, 알루미늄 금속 또는 이의 합금에 분산된 알루미늄과 붕소 함유 세라믹의 반응 생성물 하나 이상과 붕소 함유 세라믹으로 이루어지며, 단 미량 이하의 Al4Cl3이 복합체에 존재하고, 밀도가 이론적 밀도의 약 95% 이상인, 붕소 함유 세라믹-알루미늄 금속 복합체에 관한 것이다.
세라믹-금속 복합체는 알루미늄 금속보다 낮은 밀도 및 높은 강성 등의 특성이 유리한 용도에 사용할 수 있다. 부품의 예로는 하드 드라이브 부품(예: E-블록, 서스펜션 암(suspension arms), 디스크, 베어링, 작동기(actuator), 클램프, 스핀들, 바닥판(base plate) 및 하우징 커버), 제동 부품(예: 브레이크 패드, 드럼, 로터, 하우징 및 피스톤), 항공우주 부품(예: 위성 거울, 하우징, 제어봉, 프로펠러 및 팬 블레이드), 피스톤 내연기관 부품(예: 밸브, 배기구 및 흡수 분기관, 캠 종동절(cam follower), 밸브 스프링, 연료 주입 노즐, 피스톤, 캠축 및 실린더 라이너) 및 기타 구조적 또는 레크리에이션용 부품(예: 자전거 틀, 로봇 팔, 심해 부표, 야구 배트, 골프 클럽, 테니스 라켓 및 화살)이 포함된다.
붕소 함유 세라믹-알루미늄 금속(BCAM) 복합체 형성시, 붕소 함유 세라믹을 알루미늄 또는 이의 합금과 혼합한다. 붕소 함유 세라믹은 알루미늄의 용융 온도를 초과하는 온도에서 알루미늄과 반응성이다. 적합한 붕소 함유 세라믹은 예를 들면, 탄화붕소, 알루미늄 붕소 탄화물(예: Al4BC, Al3B48C2 및 AlB24C4) 및 금속 붕화물(TiB2, AlB2, AlB12, SiB6, SiB4 및 ZrB) 및 이들의 혼합물을 포함한다. 바람직하게는, 붕소 함유 세라믹은 탄화붕소 및 이붕화티탄이다. 가장 바람직하게는, 붕소 함유 세라믹은 탄화붕소이다.
붕소 함유 세라믹은 침투될 수 있는 다공성 예비성형물을 형성하기에 적합한 임의의 형태(예: 입상, 위스커 또는 섬유), 임의의 크기 및 크기 분포일 수 있다. 일반적으로, 붕소 함유 세라믹은 0.1 내지 150㎛의 입상체로 이루어져 있다. 바람직하게는, 입자는 0.2 내지 100㎛, 보다 바람직하게는 0.5 내지 50㎛이다.
알루미늄 또는 알루미늄 금속 합금의 금속 분말은 분말이 침투 금속을 침투하기에 충분한 온도에서 용융하지 않는 한 어떠한 적합한 합금이라도 될 수 있다. 금속 분말 및 침투 금속은 알루미늄으로 구성되어 있기 때문에, 일반적으로 적어도 부분적으로는 침투시 알루미늄 합금을 형성한다. 바람직하게는, 금속 분말 및 침투 금속은 침투시 균질한 알루미늄 합금을 형성한다.
금속 분말은 또한 다공성 예비성형물을 형성하기에 적합한 어떠한 형태, 크기 및 크기 분포라도 될 수 있다. 선택된 특정한 금속 분말은 목적하는 최종 BCAM 미세구조에 좌우된다. 예를 들면, 보다 균일한 미세구조를 갖는 BCAM 복합체는 통상적으로 탄화붕소의 평균 입자 크기가 금속 분말의 크기 이상인 경우 생성된다. 반면, 평균 입자 크기가 탄화붕소보다 큰 금속 분말은 일반적으로 특유의 2형태 미세구조를 갖는 BCAM 복합체를 형성한다. 이는 큰 2원 및 3원 AlBC 상의 성장을 초래하는 경향이 있는 용융 알루미늄의 풀(pool)의 형성으로 인한 것으로 사료된다. 일반적으로, 금속 입자가 탄화붕소 입자에 비해 더 클수록 침투 및 반응이 완료된 후의 반응성 생성물 세라믹 입자는 더 크다. 최종적으로, 몇 개의 금속 분말 크기의 혼합물은 일반적으로 반응계 내에서 형성된 크고 작은 반응 상의 단일 네트워크를 생성한다.
일반적으로, 금속 분말의 입자 크기는 1 내지 500㎛이다. 바람직하게는, 금속 분말의 입자 크기는 10 내지 300㎛, 보다 바람직하게는 15 내지 150㎛, 가장 바람직하게는 25 내지 100㎛이다.
금속 분말의 양은 침투 금속을 침투시키고 실질적으로 농밀한 복합체를 형성하기에 충분한 양이어야 한다. 금속 분말의 양은 일반적으로 혼합물 중의 고체의 10 내지 99용적%이다(예를 들면, 고체는 실온에서 고형인 유기물, 예를 들면, "왁스"를 포함시키지 않으며, 이는 침투 전에 후속적으로 제거한다). 금속 분말의 양은 바람직하게는 15 내지 40%, 보다 바람직하게는 20 내지 80%, 가장 바람직하게는 25 내지 70%이다.
금속 분말은 용융 온도가 실질적으로 농밀한 복합체를 형성시키도록 침투 금속보다 충분히 높은 한, 알루미늄 또는 이의 합금일 수 있다. 적합한 알루미늄 합금은 문헌[참조: Eschbach's Handbook of Engineering Fundamentals, 4th Edition, Ed. B.D. Tapley, John Wiley & Sons, Inc. NY, 1990]의 16.80 내지 16.98에 기재된 것과 같은, 당해 기술분야에 공지된 것을 포함한다. 합금의 특정한 예는 Cu, Mg, Si, Mn, Cr 및 Zn 중의 하나 이상을 함유하는 알루미늄의 합금을 포함한다. 예시적인 알루미늄 합금은 Al-Cu, Al-Mg, Al-Si, Al-Mn-Mg 및 Al-Cu-Mg-Cr-Zn을 포함한다. 알루미늄 합금의 특정한 예는 6061 합금, 7075 합금 및 150 합금을 포함하며, 이들은 각각 미국 펜실베니아주 피츠버그에 소재한 알루미늄 컴퍼니 오브 어메리카(Aluminum Company of America)에서 시판중이다.
혼합법은 당해 기술분야에 공지된 것과 같은 임의의 적합한 방법일 수 있다. 적합한 방법의 예로는 볼 밀링, 마모 밀링(attrition milling), 리본 블렌딩, 수직 스크류 혼합, V-블렌딩 및 유동 영역 혼합이 포함된다. 용매, 예를 들면, 에탄올, 헵탄, 메탄올, 아세톤 및 기타 저분자량 유기 용매를 분쇄 매체, 예를 들면, 알루미나 및 탄화붕소 매체로 볼 밀링시키면 일반적으로 만족스러운 결과가 제공된다. 혼합물로부터 다공체를 형성시키는 데 유용한 기타의 첨가제, 예들 들면, 분산제, 결합제 및 윤활제를 포함시킬 수 있다.
혼합물을 성형하는데 적합한 임의의 방법을 사용하여 다공성 예비성형물을 성형할 수 있다. 적합한 성형법은 예를 들면, 슬립 또는 가압 주조법, 가압법 및 플라스틱 형성법(예: 지거링(jiggering), 사출법 및 압출법)을 포함할 수 있다. 다공체의 형성은 혼합물을 성형한 후, 필요한 경우, 용매 및 유기 첨가제, 예를 들면, 분산제, 윤활제 및 결합제를 제거함을 포함할 수 있다. 위의 방법들 및 단계 각각은 문헌[참조: Introduction to the Principles of Ceramic Processing, J. Reed, J. Wiley and Sons, N.Y., 1988]에 보다 상세히 기재되어 있다.
어떠한 유기 첨가제 또는 가공 조제라도 제거한 후, 다공성 예비성형물은 세라믹-금속 복합체를 여전히 형성할 수 있는 임의의 밀도일 수 있지만, 일반적으로 이론적 밀도의 40% 이상(즉, 다공도 60용적%) 내지 85%(즉, 다공도 60용적%)로 제한된다. 하한치 미만에서는 다공도가 훨씬 더 큰 본체가 자체 지지되지 않는다. 상한치 초과인 경우 상당량의 세공이 밀폐되고 침투되지 못한다. 바람직하게는, 다공체의 밀도는 이론적 밀도의 45% 이상, 보다 바람직하게는 50% 이상, 가장 바람직하게는 60% 이상이고, 바람직하게는 80% 이하, 보다 바람직하게는 75% 이하이다.
예비성형물은 알루미늄 또는 이의 합금인 침투 금속과 접촉시킨다. 알루미늄 또는 합금은 다공성 예비성형물로 혼입시킨 금속 분말에 따라 선택된다(즉, 용융 온도가 실질적으로 농밀한 복합체를 형성하기에 충분히 낮아야 한다). 침투 금속은 금속 분말에 대하여 기재한 바와 같은 어떠한 적합한 금속이라도 될 수 있다. 침투 금속은 이를 예비성형물 위에 놓거나 이를 내화성 도가니 속의 분말 형태에 놓거나 침투 금속 분말의 상부에 예비성형물을 놓는 등의, 어떠한 적합한 방식으로라도 접촉시킬 수 있다.
침투 금속과 접촉시킨 다공성 예비성형물은 침투 금속을 용융시키기에 충분하지만 예비성형물로 혼입된 금속 분말을 용융시키기에는 불충분한 침투 온도로 실질적으로 농밀한 붕소 함유 세라믹-알루미늄 금속 복합체를 형성하는 시간 동안 가 열한다. 일반적으로, 침투 온도는 10℃ 이상이며, 그 온도 미만에서는 금속 분말의 용융이 발생한다. 바람직하게는, 침투 온도는 20℃ 이상, 보다 바람직하게는 30℃ 이상, 가장 바람직하게는 40℃ 이상이며, 그 온도 미만에서는 금속 분말의 용융이 발생한다.
입자 상의 산화물 층으로 인하여, 순수한 알루미늄 또는 분말을 포함하는 순수한 합금의 용융 온도를 초과하는 온도에서, 분말을 용융시키는 것을 주목하는 것이 중요하다. 즉, 산화물 층이 충분히 두꺼운 경우, 침투 온도는 비산화 금속 분말(즉, 순수한 금속)의 용융 온도를 초과할 수 있다. 이는 산화물 층이 입자의 형상을 보유하고 금속의 용융으로 인한 유동을 억제할 수 있기 때문이다. 일반적으로, 금속 입자의 순수한 금속의 용융 온도를 초과하는 침투 온도는 더 작은 부분에 유용하다. 더 큰 부분은 일반적으로 더 긴 침투 시간 및 더 큰 응력으로 인하여, 산화물 층의 파열로 인한 슬럼핑 및 금속 입자 속의 금속의 유동을 발생시킬 수 있기 때문에, 이러한 더 높은 침투 시간으로 가열할 수 없다. 필요한 경우, 알루미늄 분말은 산화물 층을 최적화시키도록, 혼합 전에 산소 대기 속에서 분말을 가열하는 등의 방법으로 처리할 수 있다.
침투 온도는 금속 분말 및 사용되는 침투 금속에 좌우되지만, 일반적으로 730℃ 이하이다. 바람직하게는, 침투 온도는 700℃ 이하, 보다 바람직하게는 660℃(순수한 알루미늄의 대략적 용융 온도) 이하, 가장 바람직하게는 640℃ 이하이다. 침투 온도가 금속 산화물 층이 없는 금속(즉, 순수한 금속) 분말의 용융 온도 미만인 것 또한 바람직하다. 바람직하게는, 침투 온도는 10℃ 이상, 보다 바람직하게는 20℃ 이상, 가장 바람직하게는 40℃ 이상 사용된 금속 분말의 순수한 금속의 용융 온도 미만이다. 일반적으로, 시간은 1분 내지 24시간이다. 바람직하게는, 시간은 수 분 내지 수 시간이다.
가열은 어떠한 적합한 대기하에서도 수행할 수 있다. 예를 들면, 가열은 불활성 대기(예: 희가스 또는 이들의 혼합물) 중에서 수행될 수 있다. 바람직하게는, 가열은 진공 또는 대기압 이하의 압력의 불활성 대기하에서 수행한다. 보다 바람직하게는, 가열은 진공하에 수행한다.
실질적으로 농밀한 BCAM 복합체를 형성한 후, BCAM 복합체는 농밀한 BCAM 복합체를 슬럼핑시키거나 왜곡하지 않고 금속 분말의 용융 온도를 초과하는 온도로 추가로 가열할 수 있다. 이러한 추가의 열처리는 복합체의 알루미늄 금속과 출발 세라믹 사이의 결합(반응)을 개선시켜 예를 들면, BCAM 복합체의 강도를 증가시킨다. 그러나, 이러한 추가의 열처리 온도는 BCAM 복합체가 왜곡되거나 슬럼핑되거나 세라믹이 분해되거나 유해한 상(예: 탄화알루미늄)을 형성하지 않도록 하는 그리 크지 않은 온도이거나 연장된 시간 동안이 아니어야 한다. 따라서, 추가의 열처리 온도는 시간이 짧은 한, 금속 분말의 용융 온도보다 실질적으로 더 높을 수 있음을 이해해야 한다. 예를 들면, 열처리를 1025℃의 온도로 수행하면 시간은 10분 미만으로 짧아야 한다. 반대로, 온도가 금속 분말의 순수한 금속이 용융하기 시작하는 온도를 조금 초과하는 정도라면, 해당 온도에서의 시간은 수 시간일 수 있다.
다시 언급하지만, 당해 방법에 의하여 형성된 BCAM 복합체는 실질적으로 농밀하며, 이는 이론적 밀도의 95% 이상임을 의미한다. 바람직하게는, 복합체는 이론적 밀도의 97% 이상, 보다 바람직하게는 98% 이상, 보다더 바람직하게는 99% 이상, 가장 바람직하게는 실질적으로 100%이다.
BCAM은 붕소 함유 세라믹(예비성형물을 제조하는 데 사용된 출발 세라믹 분말)을 갖는 알루미늄 합금 및 붕소 함유 세라믹과 알루미늄의 반응 생성물인 하나 이상의 반응 상과의 금속 매트릭스로 구성된다. 예로서, 붕소 함유 세라믹이 탄화붕소인 경우, 복합체는 탄화붕소, 알루미늄 합금 및 반응상, 예를 들면, AlB2, Al4BC, Al3B48C2, AlB12, Al4C3 및 AlB24C4를 함유한다. 이러한 양태에서는, Al4C3은 바람직하게는 미량 이하로 존재하고 보다 바람직하게는 전혀 존재하지 않는다.
BCAM 복합체 중의 금속의 양은, 미량 이하의 Al4C3이 존재하는 경우, 30용적% 이상 98용적% 이하이다. 바람직하게는, 금속의 양은, 복합체의 용적을 기준으로 하여, 40 내지 95용적%, 보다 바람직하게는 50 내지 90용적%, 가장 바람직하게는 60 내지 85용적%이다. 복합체의 나머지는 초기 붕소 함유 세라믹 상 및 반응 생성물로 이루어진다.
BCAM 중의 금속의 양은, 미량 이상의 Al4C3이 존재하는 경우, 60용적% 이상 98용적% 이하이다. 바람직하게는, 금속의 양은 복합체의 용적을 기준으로 하여, 65 내지 95용적%, 보다 바람직하게는 70 내지 90용적%, 가장 바람직하게는 75 내지 85용적%이다. 복합체의 나머지는 초기 붕소 함유 세라믹 상 및 반응 생성물로 이루어진다.
다공성 예비성형물의 제조에 사용되는 붕소 함유 세라믹이 10용적% 이상 BCAM 복합체에 존재하는 것이 바람직하다. 즉, 붕소 함유 세라믹 10% 이상이 반응 생성물을 형성하는 반응을 하지 않는 것이 바람직하다. 바람직하게는 붕소 함유 세라믹이 50용적% 이상, 보다 바람직하게는 75용적% 이상, 보다더 바람직하게는 80용적% 이상, 가장 바람직하게는 85용적% 이상이고, 바람직하게는 99용적% 이하로 BCAM 복합체에 존재한다. 즉, 복합체 중의 세라믹의 양(즉, 붕소 함유 세라믹과 반응 생성물)은 붕소 함유 세라믹 10용적% 이상으로 구성된다.
본 발명의 붕소 함유 세라믹-알루미늄 금속 복합체는 결합이 개선되어 경량이고 알루미늄보다 강성이면서 알루미늄의 인성을 전부는 아니지만 상당히 보유하는 복합체가 된다. 이 때문에, 복합체는 특히 차량용 부품에 유용하다. "차량"이란, 임의의 동력화 바퀴 운송 장치, 예를 들면, 자전거, 모터사이클, 자동차, 트럭, 버스, 비행기 및 기차를 의미한다. 부품은 이들로 한정하려는 것은 아니지만, 제동 부품, 서스펜션 부품, 차체 부품, 조타 부품, 휠 림(wheel rim), 엔진 부품, 냉각 또는 가열 시스템 부품, 에어 컨디셔닝 부품, 연료 부품, 배기 부품, 변속 부품, 클러치 부품 또는 구동축 부품을 포함한다.
각각의 실시예에 대하여, 강도는 MIL-STD-1942b 표준을 사용하여 측정하였다. 경도는 비커스 인덴테이션(Vickers indentation)을 사용하여 측정하였다. 영률은 디지털 오실로스코프인 텍트로닉스(Tektronix) 모델 2430A[미국 오레건주 비버튼에 소재한 텍스트로닉스 인코포레이션(Tektronix Inc.,) 제조]를 사용하여 측정하였다. 밀도는 자동비중계[미국 펜실베니아주 피츠버그에 소재한 피셔 사이언티픽(Fisher Scientific) 제조]로 측정하였다. 복합체에 존재하는 상들은 CuKα 방사선 및 스캔 속도 2°/min의 x선 회절계를 사용한 x선 회절로 측정하였다.
실시예 1
탄화붕소[B4C, 독일 켐프톤에 소재한 엘렉트로스멜츠베르크 켐프톤 "에에스카"(Electrosmeltzwerk Kempton "ESK")로부터 구입] 50중량부를 고순도의 알루미늄 분말[시리즈 1100, 미국 펜실베니아주 피츠버그에 소재한 알코아(Alcoa) 제조] 50중량부와 건식 혼합하였다. 탄화붕소의 평균 입자 크기는 10㎛였다. 알루미늄 분말의 평균 입자 크기는 40㎛였다. 알루미늄 분말의 용융 온도는 660℃였다. 혼합된 분말을 직경 1cm 다이(die)에서 가압하여 밀도가 이론치의 50%인 다공성 예비성형물을 형성하였다. 예비성형물을 알루미나 도가니에 넣었다. 6061 알루미늄 합금(펜실베니아주 피츠버그 소재의 알코아로부터 구입)의 고체 조각을 예비성형물의 상부에 놓았다. 6061 알루미늄 합금은 580 내지 610℃에서 용융된다. 도가니를 620℃에서 15분 동안 가열하고 냉각시켰다. 수득한 복합체의 밀도는 이론적 밀도의 98%를 초과하였다. 복합체는 알루미늄 합금 73용적%, 탄화붕소 23용적% 및 알루미늄 붕소 탄화물의 반응 상 4용적%를 함유하였다. 복합체의 강도는 220MPa이고, 경도는 350Kg/㎟이고 탄성률(영률)은 65GPa였다.
실시예 2
620℃로 가열한 후 냉각시키기 1시간 전에 온도를 640℃로 상승시킴을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 복합체를 제조하였다. 복합체의 밀도는 이론적 밀도의 98% 이상이었다. 복합체는 알루미늄 합금 65용적%, 탄화붕소 20용적% 및 알루미늄 붕소 탄화물 상 15용적%를 함유하였다. 복합체의 강도는 200MPa, 경도는 500Kg/㎟, 영률은 70GPa였다.
실시예 3
640℃로 가열한 후 노를 냉각시키기 전에 1025℃로 5분 동안 가열함을 제외하고는, 실시예 2와 동일한 방법으로 복합체를 제조하였다. 복합체의 밀도는 이론적 밀도의 98% 이상이었다. 복합체는 알루미늄 합금 67용적%, 탄화붕소 16용적% 및 알루미늄 붕소 탄화물 상 17용적%를 함유하였다. 복합체의 강도는 450MPa, 경도는 550Kg/㎟, 영률은 150GPa였다.
비교 실시예 1
예비성형물을 탄화붕소 분말로만 제조함(즉, 금속 분말을 포함하지 않음)을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 예비성형물을 제조하였다. 예비성형물을 알루미나 도가니에 넣고 동일한 알루미늄 합금을 실시예 1에서와 같이 예비성형물의 상부에 놓았다. 실시예 1에서와 동일하게 가열하였다. 예비성형물은 알루미늄 합금에 의해 침투되지 않았다.

Claims (26)

  1. 알루미늄의 용융 온도를 초과하는 온도에서 알루미늄과 반응성인 붕소 함유 세라믹을, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진 금속 분말과 혼합하는 단계(a),
    단계(a)의 혼합물을 다공성 예비성형물로 성형하는 단계(b),
    다공성 예비성형물을, 용융 온도가 금속 분말보다 낮은 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진 침투 금속과 접촉시키는 단계(c) 및
    다공성 예비성형물과 침투 금속을, 침투 금속을 용융시키기에는 충분하지만 금속 분말을 용융시키기에는 불충분한 침투 온도로 가열하여, 침투 금속이 다공성 예비성형물에 침투하고 실질적으로 농밀한(dense) 붕소 함유 세라믹-알루미늄 금속 복합체를 형성하도록 하는 단계(d)를 포함하는, 붕소 함유 세라믹-알루미늄 금속 복합체의 형성방법.
  2. 제1항에 있어서, 붕소 함유 세라믹-알루미늄 금속 복합체가 붕소 함유 세라믹과 알루미늄의 반응 생성물 하나 이상으로 이루어지는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 붕소 함유 세라믹이 탄화붕소인 방법.
  4. 제3항에 있어서, 반응 생성물이 AlB2, Al4BC, Al3B48C2 , AlB12, Al4C3, AlB24C4 또는 이들의 혼합물로 이루어지는 방법.
  5. 제4항에 있어서, 반응 혼합물이 AlB2, Al4BC, Al3B48C2 , AlB12, AlB24C4 또는 이들의 혼합물로 이루어지는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 붕소 함유 세라믹-알루미늄 금속 복합체의 60용적% 이상이 알루미늄 또는 이의 합금인 방법.
  7. 제5항에 있어서, 붕소 함유 세라믹-알루미늄 금속 복합체의 70용적% 이상이 알루미늄 또는 이의 합금인 방법.
  8. 제1항에 있어서, 침투 온도가 금속 분말이 용융하는 온도보다 10℃ 이상 낮은 방법.
  9. 제8항에 있어서, 침투 온도가 금속 분말이 용융하는 온도보다 20℃ 이상 낮은 방법.
  10. 제1항에 있어서, 붕소 함유 세라믹-알루미늄 금속 복합체가, 금속 분말이 용융되는 온도를 초과하는 열처리 온도로 추가로 가열되는 방법.
  11. 알루미늄 금속 또는 이의 합금 60용적% 이상과, 알루미늄 금속 또는 이의 합금에 분산된 알루미늄과 붕소 함유 세라믹의 반응 생성물 하나 이상과 붕소 함유 세라믹으로 이루어지며, 밀도가 이론적 밀도의 95% 이상인 붕소 함유 세라믹-알루미늄 금속 복합체.
  12. 제11항에 있어서, 알루미늄 또는 이의 합금 70용적% 이상으로 이루어지는 붕소 함유 세라믹-알루미늄 금속 복합체.
  13. 제11항에 있어서, 붕소 함유 세라믹이 탄화붕소이고 반응 생성물이 AlB2, Al4BC, Al3B48C2, AlB12, Al4C3, AlB24C4 또는 이들의 혼합물로 이루어지는, 붕소 함유 세라믹-알루미늄 금속 복합체.
  14. 제13항에 있어서, 반응 생성물이 AlB2, Al4BC, Al3B48C2, AlB12, AlB24C4 또는 이들의 혼합물인, 붕소 함유 세라믹-알루미늄 금속 복합체.
  15. 제13항에 있어서, 붕소 함유 세라믹이, 복합체에 존재하는 반응 생성물과 붕소 함유 세라믹의 총량의 10용적% 이상의 양으로 복합체에 존재하는, 붕소 함유 세라믹-알루미늄 금속 복합체.
  16. 제15항에 있어서, 붕소 함유 세라믹의 양이, 복합체에 존재하는 반응 생성물과 붕소 함유 세라믹의 총량의 50용적% 이상인, 붕소 함유 세라믹-알루미늄 금속 복합체.
  17. 제16항에 있어서, 붕소 함유 세라믹의 양이 복합체에 존재하는 반응 생성물과 붕소 함유 세라믹의 총량의 75용적% 이상인, 붕소 함유 세라믹-알루미늄 금속 복합체.
  18. 제11항의 복합체로 이루어진 차량용 부품.
  19. 제18항에 있어서, 제동 부품, 서스펜션 부품, 차체 부품, 조타 부품(steering part), 휠 림(wheel rim), 엔진 부품, 냉각 또는 가열 시스템 부품, 에어 컨디셔닝 부품, 연료 부품, 배기 부품, 변속 부품, 클러치 부품 또는 구동축 부품인 차량용 부품.
  20. 제1항에 있어서, 가열이 진공하에 수행되거나 대기압 이하의 불활성 대기하에 수행되는 방법.
  21. 제20항에 있어서, 가열이 진공하에 수행되는 방법.
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