KR0147746B1 - 분홍색계 지르코니아 세라믹스 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3몰%의 산화이트륨(Y₂O₃)으로 안정화된 산화지르코늄(ZrO₂) 또는 6.8중량%의 산화이트륨을 혼합한 산화지르코늄중 선택한 하나의 기재 93-97중량%와, 8-9중량%의 붕산(H₃BO₃), 9-21중량%의 중크롬산칼륨(KCr₂O₇) 및 71-82중량%의 수산화알루미늄(A1(OH)₃)으로 이루어진 안료 3-7중량%로 구성되는 것을 특징으로 하는 분홍색계 지르코니아 세라믹스에 관한 것으로, 본 발명의 분홍색계 지르코니아는 색상이 선명하고 경도, 강도 등의 기계적 물성이 우수하여 장식용품, 기계부품 및 전자부품 등에 사용하기에 적합한 효과가 있다.

Description

분홍색계 지르코니아 세락믹스 및 그 제조방법

본 발명은 분홍색계 지르코니아 세라믹스 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 산화이트륨(Y2O3)으로 안정화된 산화지르코늄(ZrO2) 또는 산화이트륨을 혼합한 산화지르코늄중 선택한 하나의 기재와, 붕산(H3BO3), 중크롬산칼륨(KCr2O7) 및 수산화알루미늄(A1(OH)3)으로 이루어진 안료로 구성되는 것을 특징으로 하는 분홍색계 지르코니아 세라믹스 및 그 제조방법에 관한 것이다.

지르코니아 세라믹스는 강도 및 경도가 다른 세라믹스에 비해 우수하며 좋은 기계적 특성을 가지고 있어 실 가이드(thread guide), 각종 다이(die)들, 노즐류 및 각종 기계부품 등에 광범위하게 이용되고 있다.

또한 최근에는 세라믹스에 여러 가지 색을 착색시켜 우수한 기계적 특성이 필요한 시계용 케이스, 시계밴드, 시계용 문자판, 넥타이 핀 등의 장식용품과 고급건재, 각종 구조재의 기계부품, 그리고 전자부품용 기판 등 세라믹스 전자부품에 응용하려는 시도가 있었다.

공지된 착색 지르코니아 세라믹스로는 일본국 특허공보 평3-23505호에 게재된 흑색계 지르코니아 세라믹스, 일본국 공개특허공보 평3-242372호에 게재되어 있는 금색계 지르코니아, 그리고 일본국 공개특허공보 소62-275060호에 게재되어 있는 녹색계 지르코니아 세라믹스 등이있다.

또한 최근에는 새로운 자색계의 착색 지르코니아 세라믹스가 일본국 특허공고공보 평5-43316호를 통해 공지되었는데, 이 자색계의 착색 지르코니아 세라믹스는 산화이트륨과 산화티탄을 함유한 산화지르코늄에 니켈 및 코발트 화합물중 하나 또는 양쪽 모두를 포함하는 안료를 첨가하여 제조한 것이다.

그러나 현재까지 바람직한 경도와 색상을 지닌 분홍색계 지르코니아 세라믹스에 대해서는 공지된 바 없었다.

따라서 본 발명은 경도와 강도 등의 기계적 물성이 우수하고 색상이 선명하여 장식용품 및 각종 기계부품과 전자부품에 사용가능한 분홍색계 지르코니아 세라믹스 및 그 제조방법을 제공함을 목적으로 한다.

또한 본 발명는 분홍색계 지르코니아 세라믹스의 제조에 적합한 분홍색계 안료를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 3몰%의 산화이트륨(Y₂O₃)으로 안정화된 산화지르코늄(ZrO₂) 또는 6.8중량%의 산화이트륨을 혼합한 산화지르코늄중 선택한 하나의 기재 93-97중량%와, 8-9중량%의 붕산(H₃BO₃), 9-21중량%의 중크롬산칼륨(K₂Cr₂O₇) 및 71-82중량%의 수산화알루미늄(A1(OH)₃)으로 이루어진 안료 3-7중량%로 구성되는 것을 특징으로 하는 분홍색계 지르코니아 세라믹스에 관한 것이다.

또한 본 발명은 3몰%의 산화이트륨으로 안정화된 산화지르코늄 또는 6.8중량%의 산화이트륨을 혼합한 산화지르코늄중 선택한 하나의 기재 93-97중량%에, 8-9중량%의 붕산, 9-21중량%의 중크롬산칼륨 및 71-82중량%의 수산화알루미늄의 혼합물을 대기분위기하 1250-1300℃에서 하소하여 제조한 안료 3-7중량%를 첨가하여 성형체를 제조하고, 상기 성형체를 대기분위기에서 1400-1600℃로 소결하여 분홍색계 지르코니아 세마믹스를 제조하는 것을 특징으로 하는 분홍색계 지르코니아 세라믹스의 제조방법에 관한 것이다.

이하 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명의 분홍새계 지르코니아 세라믹스를 제조하기 위한 원재료로는 3몰%의 산화이트륨(Y₂O₃)으로 안정화된 산화지르코늄(ZrO₂) 또는 6.8중량%의 산화이트륨을 혼합한 산화지르코늄중 하나를 선택하여 사용한다.

본 발명의 분홍색계 지르코니아 세라믹스의 안료는 8-9중량%의 붕산(H₃BO₃), 9-21중량%의 중크롬산칼륨(K₂Cr₂O₇) 및 71-82중량%의 수산화알루미늄(A1(OH)₃)으로 구성된다.

상기 안료의 조성에서 주발색원은 중크롬산칼륨이다. 중크롬산칼륨을 물에 녹인 후 100℃정도에서 건조하면 크롬산칼륨(K₂CrO₄)이 되며, 대기분위기하의 1250-1300℃에서 하소하면 크롬산칼륨과 산하크롬(Cr₂O₃)으로 되어 산화알루미늄(A1₂O₃)에 고용된다.

수산화알루미늄을 하소하면 결정수가 방출되어 산화알루미늄으로 되는데, 이 산화알루미늄에 크롬산칼륨과 산화크롬이 고용됨으로써 분홍색을 지니는 안료가 되는 것이다.

안료의 조성중 중크롬산칼륨의 함량은 9-21중량%가 바람직하다. 중크롬산칼륨의 함량이 9중량%미만이 되면 산화알루미늄에 충분한 크롬산칼륨과 산화크롬이 고용되지 않아 분홍색을 나타내는 산화알루미늄 고용체의 형성이 어려우며, 중크롬산칼륨의 함량이 21중량%를 초과하게 되면 미반응의 화합물이 존재하게 되어 안정한 분홍색의 안료를 제조하기 어렵기 때문이다.

붕산은 물에 녹인 후 100℃로 건조하면 산화붕소(B₂O₃)가 되며, 이산화붕소는 산화알루미늄에 대한 산화크롬의 고용화를 촉진하게 된다. 붕산의 함량이 너무 많으면 안료의 융점을 저하시키게 되므로 붕산의함량은 8-9중량%가 바람직하다.

또한 중크롬산칼륨의 함량과 붕산의 함량을 합한 함량이 30중량%를 초과하는 경우에는 제조된 안료가 적합하지 않은 문제점이 발생하므로, 중크롬산카륨의함량과 붕산의 함량을 합한 함량은 29중량%이하로 한정하는 것이 바람직하다.

예를 들어 4중량%의 붕산, 69중량%의 중크롬산칼륨 및 27중량%의 수산화알루미늄의 조성을 갖는 안료는 1300℃에서 하소하면 저융점의 물질이 형성되어 끓어넘치는 현상을 나타내므로, 1400-1600℃로 소결하여 제조하는 착색 지르코니아 세라믹스에 사용하기에 적합하지 않다.

또한 예를 들어 4중량%의 붕산, 69중량%의 중크롬산칼륨 및 65중량%의 수산화알루미늄의 조성을 갖는 안료의 경우는 1200-1350℃로 하소하였을 때 분홍색이 아닌 녹색의 색상을 나타내므로 분홍색계 지르코니아 세라믹스에 사용할 수가 없게 된다.

소정의 조성으로 혼합한 안료는 대기분위기하의 1250-1300℃에서 한번 하소한 후 분쇄한다. 대기분위기하의 적당한 온도로 열처리하지 않으면 하소온도 및 분위기에 의해 안정한 분홍색계통의 안료를 제조할 수가 없기 때문이다.

하소하여 분쇄한 안료는 산화이트륨으로 안정화시킨 산화지르코늄 또는 산화이트륨을 혼합한 산화지르코늄중 선택한 하나의 기재에 첨가하고 볼밀을 사용하여 혼합한다.

첨가되는 안료의 함량은 3-7중량%가 바람직하다. 안료의 함량이 3중량%미만이 되면 지르코니아 세라믹스의 색상을 균일하게 분홍색으로 유지하기가 곤란하고, 7중량%를 초과하면 분홍색계통의 색상은 지니나 소결성이 저하되어 다량의 기포(pore)가 생기는 등 착색 지르코니아 세라믹스의 기계적 물성이 저하되기 때문이다.

하소된 안료와 기재를 혼합한 후에는 건조하여 성형하고 소결시킨다. 성형한 수 소결시키는 이유는 안료를 안정한 상태로 만들어 지르코니아 세라믹스가 균일한 색상을 갖도록 하기 위한 거이다.

소결은 대기분위기의 1400-1600℃에서 60-90분간 행하는 것이 바람직하다. 소결분위기가 대기분위기로 제어되지 않거나 소결온도가 1400℃보다 낮아지면 소결이 제대로 진행되지 않아 육안으로 기공이 관찰되는 등 치밀하고 선명한 색상의 착색 지르코니아 세라믹스를 제조할 수 없으며, 소결온도가 1600℃이상이 되면 안료가 안정하지 못하여 지르코니아 결정립이 성장하므로 지르코니아 세라믹스의 기계적 특성을 저하시키게 되기 때문이다.

이하 실시예에 의해 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

[실시예 1]

8중량%의 붕산, 21중량%의 중크롬산칼륨 및 71중량%의 수산화알루미늄을 혼합하여 1300℃에서 하소하고 분쇄하여 안료를 제조하였다. 시판되고 있는 3몰%의 산화이트륨으로 안정화된 지르코니아 분말에 제조된 안료 3중량%를 첨가하여 볼밀로 혼합하고 건조하여 시편을 성형한 후, 대기분위기하의 1400℃ 및 1600℃에서 소결하였다.

소결된 시편을 1미크론의 다이아몬드슬러리로 최종연마한 후 10kg의 하중을 20초동안 유지하여 경도를 측정하고, Niihara등이 제안한 식에 의하여 파괴인성을 계산하여, 그 결과를 하기 표 1에 기재하였다.

상기 표 1에서 알 수 있는 바와 같이 안정화된 지르코니아에 안료 3중량%를 첨가하여 1400℃ 및 1600℃로 소결한 시편인 시험예 1 및 시험예 2은 선명한 분홍색의 색상과 우수한 기계적 특성을 나타내어 착색 지르코니아로 적합하였다.

[실시예 2]

시판되고 있는 3몰 %의 산화이트륨으로 안정화된 지르코니아분말 93중량%에 실시예 1과같은 조성의 안료를 7중량% 첨가하여 볼밀로 혼합하고 건조하여 시편을 성형하고, 대기분위기하의 1300℃, 1400℃, 1500℃ 및 1600℃에서 90분간 소결하였다.

소결된 시편에 대해 실시예 1과 동일한 방법으로 경도, 파괴인성 및 색상을 측정하여, 그 결과를 하기 표 2에 기재하였다.

3몰% 산화이트륨으로 안정화된 지르코니아분말에 안료 7중량%를 첨가하여 대기분위기에서 1300℃로 소결한 시편인 비교예 1은 물성은 비교적 양호하였으나 세라믹스의 소결이 치밀하게 진행되지 않아 육안으로 기공이 관찰되는 등 균일한 분홍색의 색상을 지니지 못하였다.

[실시예 3]

시판되고 있는 3몰%의 산화이트륨으로 안정화된 지르코니아 분말 93중량%에 실시예 1과 같은 조성의 안료를 7중량% 첨가하여 볼밀로 혼합하고 건조하여 시편을 성형하고, 대기 및 산소분위기하의 1300℃에서 90분간 소결하였다.

소결된 시편에 대해 실시예 1과 동일한 방법을 경도, 파괴인성 및 색상을 측정하여, 그 결과를 하기 표 3에 기재하였다.

대기분위기에서 1300℃로 소결한시편인 비교예 1에 비해 산소분위기에서 1300℃로 소결한 시편인 비교예 2의 경우 소결분위기에 의해 물성도 저하되었다.

실시예 1 내지 실시예 3의 결과로부터 안료의 함량이 3-7중량%일 때 바람직한 소결온도는 1400-1600℃임을 알 수 있으며, 소결분위기를 대기분위기로 조절하는 것도 중요함을 알 수 있다.

[실시예 4]

9중량%의 붕산, 9중량%의 중크롬산칼륨 및 82중량%의 수산화알루미늄의 조성을 갖는 안료를 1250℃에서 90분간 하소하여 분홍색의 안료를 제조한 후, 산화지르코늄 93.2중량%와 산화이트륨 6.8중량%로 구성된 혼합물 95중량%에 제조한 안료 5중량%를 첨가하여 볼밀로 혼합하고 건조하여 시편을 성형한 후 대기분위기하의 1300℃, 1400℃ 및 1500℃에서 90분간 소결하였다.

소결된 시편에 대해 실시예 1과 동일한 방법으로 경도, 파괴인성 및 색상을 측정하여, 그 결과를 하기 표 4에 기재하였다.

93.2중량%의 산화지르코늄과 6.8중량%의 산화이트륨의 혼합물로 구성된 기재에 안료 5중량%를 첨가하여 1300℃로 소결한 시편인 비교예 3은 육안으로 기공이 관찰되어 착색 지르코니아로는 적합하지 않았다.

상기의 같은 본 발명의 분홍색계 지르코니아는 색상이 선명하고 경도, 강도등이 기계적 물성이 우수하여 장식용품, 기계부품 및 전자부품 등에 사용하기에 적합한 효과가 있다.

Claims (2)

1. 3몰%의 산화이트륨(Y₂O₃)으로 안정화된 산회지르코늄(ZrO₂) 또는 6.8중량%의 산화이트륨을 혼합한 산화지르코늄중 선택한 하나의 기재 93-97중량%와, 8-9중량%의 붕산(H₃BO₃), 9-21중량%의 중크롬산칼륨(K₂Cr₂O₇) 및 71-82중량%의 수산화알루미늄(A1(OH)₃)으로 이루어진 안료 3-7중량%로 구성되는 것을 특징으로 하는 분홍색계 지르코니아 세라믹스.
2. 3몰%의 산화이트륨으로 안정화된 산화지르코늄 또는 6.8중량%의 산화이트륨을 혼합한 산화지르코늄중 선택한 하나의 기재 93-97중량%에, 8-9중량%의 붕산, 9-21중량%의 중크롬산칼륨 및 71-82중량%의 수산화알루미늄의 혼합물을 대기분위기하 1250-1300℃에서 하소하여 제조한 안료 3-7중량%를 첨가하여 성형체를 제조하고, 상기 성형체를 대기분위기에서 1400-1600℃로 소결하여 분홍색계 지르코니아 세라믹스를 제조하는 것을 특징으로 하는 분홍색계 지르코니아 세라믹스의 제조방법.