KR0177893B1 - 질화규소계 소결체 및 그의 제조방법 - Google Patents

Abstract

입자경계상이 20중량%이하이고, 그 나머지부분이 질화규소 및/또는 사이알론입자의 주상으로 이루어진 질화규소계 소결체는, 상기 주상이 β-Si₃N₄상 및/또는 β'-사이알론상의 입자상을 함유하고, 상기 주상에 대한 상기 β-Si₃N₄상 및/또는 β'-사이알론상의 입자상의 양비가 0.5∼1.0범위에 있고; 상기 입자경계상이 제1결정성분으로서 Re₂Si₂O₇(단, Re는 Er과 Yb이외의 희토류원소)과, 제2결정성분으로서 ReSiNO₂, Re₃Al₅O₁₂, ReAlO₃및 Si₃N₄Y₂O₃중 적어도 1종을 함유하며; 상기 입자경계상중의 제1 및 제2결정성분의, 상기 β-Si₃N₄상 및/또는 β'-사이알론상의 입자상에 대한 양비가 0.03∼1.6의 범위에 있다.

이 소결체는 특정의 소결조제와 질화규소계분말을 혼합하고, 상기 혼합물을 소결한 후, 소결체를 1050℃∼1550℃의 온도범위에서 핵형성과 결정성장을 위한 열처리를 행하여 제조한다.

Description

질화규소계 소결체 및 그의 제조방법

제1도는 제1실시예에서 이용한 결정화를 위한 열처리프로그램을 도시한 그래프.

제2도는 제4실시예에서 이용한 결정화를 위한 열처리프로그램을 도시한 그래프.

제3도는 소결조제로서 단일화합물을 이용한 경우와, 이것을 조합한 복합화합물을 이용한 경우간의, 소결성의 차이를 도시한 그래프.

제4도는 제5실시예에서 이용한 결정화를 위한 2단계의 열처리프로그램을 도시한 그래프.

제5도는 제6실시예에서 이용한 결정화를 위한 2사이클의 열처리프로그램을 도시한 그래프.

제6도는 제7실시예에서 이용한 결정화를 위한 열처리프로그램을 도시한 그래프.

제7도는 제7실시예에서 이용한 결정화를 위한 다른 열처리프로그램을 도시한 그래프.

본 발명은 고온하에서 고강도와 고인성을 지니도록 요구된 절삭공구, 내마모공구 및 기계구조부품 등으로서 유리하게 이용할 수 있는 질화규소계소결체 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

질화규소계소결체는 내열성 및 고강도를 지니도록 요구된 절삭공구, 내마모공구, 기계구조부품 및 내마모부품 등의 재료로서 기대되고 있다.

그와 같은 질화규소는 난소결성이므로 종래, Y₂O₃또는 Al₂O₃등의 소결조제성분을 첨가한다.

그 결과, 그의 액상생성으로 인한 물질이동에 의해 치밀한 질화규소계 소결체가 얻어진다.

하지만, 통상의 액상소결만으로는 Si₃N₄이외의 액상형상성분이 주로 유리상으로 변환되어 입자 경계상을 형성하므로, 1200℃이상의 고온하에서는 유리상이 연화하여 강도가 현저하게 저하한다.

예를 들면, 일본국 특공소 56-28865호 공보에 의하면, 소결중에 입자경계에 Si₃N₄Y₂O₃결정상을 석출시키고 있지만, 1300℃에서의 휨강도는 75∼93㎏/㎟ 정도로 작다. 또, 일본국 특개소 60-186469호 공보에서는 ReAlO₃또는 Re₃Al₅O₁₂(여기서, Re는 희토류원소)를 첨가하여 소결하고 있지만, 그 휨강도는 실온에서도 70㎏/㎟ 정도이다. 일본국특개평 4-130062호 공보에서는 YAG 등의 Y₂O₃- Al₂O₃계소결조제의 첨가에 의해 실온에서 100㎏/㎟를 초과하는 소결체를 얻고 있지만, 그 강도는 1200℃에서 80㎏/㎟정도이다.

상기와 같이, 입자경계상은 유리상이므로 Si₃N₄소결체의 강도, 특히 고온에서의 강도가 현저하게 저하한다. 이점에 있어서, 유리상의 결정화에 의해 고온에서의 강도를 향상시키기 위한 각종시도가 행해져 왔다. 예를 들면, 일본국 특공소 52-45724호 공보에서는, 결정화촉진제로서 소량의 TiO₂를 첨가하고, 소결조제로서 SiO₂와 Al₂O₃를 이용하여 소결한 후, 700∼1400℃에서 가열처리를 행하여 근청석과 방규석 등의 결정을 석출시킴으로써 1200℃에서 휨강도가 60㎏/㎟인 것을 얻고 있다.

또한 일본국특개평 3-12055호 공보에는, Al₂O₃와 Y₂O₃을 첨가한 후, 냉각시에 900∼970℃에서 유지한 다음, 1200∼1300℃까지 온도를 상승시키는 열처리프로그램을 이용하여 Si₃N₄Y₂O₃또는 Si₂N₂O의 미세결정을 석출시키는 방법이 개시되어 있지만, 얻어진 소결체의 휨강도는 1200℃에서 67㎏/㎟정도에 불과하다.

일본국특개평 3-199165호 공보에는, 소결후의 냉각속도를 제어하는 것에 의해 Si₂N₂O 결정을 석출시키는 Re₂O₃(여기서, Re는 희토류원소)-SiO₂계 입자경계상을 형성하는 것이 개시되어 있지만, 그 휨강도는 상온에서 83∼99㎏/㎟, 1400℃에서 51∼63㎏/㎟이다. 일본국 특개평 4-231379호 공보에는, 소결후 1200℃에서의 열처리에 의해 Si₂N₂O결정을 입자경계상에 형성하는 것에 의해, 실온에서 100㎏/㎟정도 및 1400℃에서 63㎏/㎟정도의 강도를 지닌 Si₃N₄소결체를 얻는 것이 기재되어 있다.

일본국 특개평 5-294731호 공보에는, 1500∼1700℃의 열처리에 의해 Re₂O₃(여기서, Re는 희토류원소)과 ZrSiO₄의 복합결정상이 형성되어 1400℃에서 50㎏/㎟이상의 강도와 K_IC로 5이상의 인성치를 지닌 소결체를 얻을 수 있다는 것이 기재되어 있다. 또, 일본국 특개평 5-330919호 공보에는, 850∼1050℃에서의 핵형성과 1100∼1500℃에서의 결정성장을 통하여 결정상에 Al-Yb-Si-O-N계 또는 AL-Er-Si-O-N의 미세결정을 형성하여 1300℃에서 60㎏/㎟정도의 휨강도의 소결체를 얻는 것이 기재되어 있다.

또, 일본국 특개평 5-58740호 공보에는, MgO 또는 TiO₂를 핵형성제로서 첨가하고, Y₂O₃와 Al₂O₃를 소결조제로서 소결한 후, 소결체를 850∼1050℃에서 핵형성시키고, 1200∼1300℃에서 결정성장시키는 방법에 의해 Y₂Si₂O₇, Al₅Y₃O₁₂또는 Al₆Si₂O₁₃등의 Y₂O₃-Al₂O₃-SiO₂계 산화물결정상을 석출시켜서 실온에서 휨강도가 50㎏/㎟정도인 Si₃N₄소결체를 얻는 것이 기재되어 있다.

이상과 같이, 소결조제의 성분과 양, 결정화처리조건을 조합하는 것에 의해 고온에서의 강도와 인성을 향상시키기 위한 각종시도가 행해져 왔지만, 최근의 공구에 대해서 요구된 고온특성을 만족하기에는 아직도 불충분하다.

이들 종래의 문제점에 관하여, 본 발명의 목적은, 입자경계상에 걸정을 석출시켜, 종래보다도 고온에서의 강도 및 파괴인성이 우수한 질화규소계 소결체 및 그의 제조방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명이 제공하는 질화규소계 소결체는, 중량%(wt%)이하의 입자경계상과, 그 나머지부분이 질화규소 및/또는 사이알론의 입자의 주상으로 이루어진 질화규소계소결체에 있어서,

상기 주상은 β-Si₃N₄상 및/또는 β'-사이알론상으로 형성된 입자상을 함유하고, 상기 주상에 대한 상기 β-Si₃N₄상 및/또는 β'-사이알론상의 입자상의 양비가 0.5∼1.0의 범위에 있고;

상기 입자경계상은 제1결정성분으로서 Re₂Si₂O₇(단, Re는 Er과 Yb이외의 희토류원소를 나타냄, 이하 동일)과, 제2결정성분으로서 ReSiNO₂, Re₃Al₅O₁₂, ReAlO₃및 Si₃N₄Y₂O₃중 적어도 1종을 함유하고;

상기 입자경계상중의 이들 결정성분의 상기 주상중의 상기 β-Si₃N₄상 및/또는 β'-사이알론상으로 형성된 입자상에 대한 양비가 0.03∼1.6의 범위에 있는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 주상에 대한 상기 β-Si₃N₄상 및/또는 β'-사이알론상으로 형성된 입자상의 양비는, 상기 주상을 형성하는 Si₃N₄와 사이알론의 전체결정입자의 X선회절선으로 측정한 메인피크강도의 총계에 대한, β-Si₃N₄와 β'-사이알론의 결정입자의 X선회절선으로 측정한 메인피크강도의 총계의 비율을 나타낸다.

또, 상기 입자경계상중의 결정성분의, 상기 주상중의 β-Si₃N₄상 및/또는 β'-사이알론상으로 형성된 입자상에 대한 양비는 β-Si₃N₄의 메인피크강도(즉, β-Si₃N₄의 JCPDS33-1160카드에 표시된 (200)의 피크강도) 및/또는 그에 해당하는 β'-사이알론의 X선회절선의 메인피크강도에 대한, 상기 입자경계상중의 전체결정상의 X선회절선으로 측정한 메인피크강도의 총계의 비율을 의미한다. 이하, X선회절선으로 측정한 피크강도를 X선회절선 피크강도라 칭한다.

본 발명에 대한 질화규소계 소결체의 제조방법은,

질화규소계분말 80∼98중량%와, a)Re₂O₃(단, Re는 Er과 Yb이외의 희토류원소를 나타냄, 이하 동일)분말과, AlN, ReN, SiO₂, Al₂O₃및 MxOy(단, MxOy는 산화물을 나타내고, M은 Li, Na, Ca, Mg, 또는 Er과 Yb이외의 희토류원소를 나타냄)분말로 이루어진 군에서 선택한 적어도 1종을 조합한 단일화합물의 혼합분말, b)상기 단일화합물이 조합된 조성을 지닌 복합화합물의 분말 및 c)혼합분말 a) 및/또는 분말b)에 Si₃N₄Y₂O₃분말을 첨가한 혼합분말로 이루어진 군에서 선택한 적어도 1종의 소결조제계분말 2∼20중량%를 혼합하는 공정과;

상기 혼합해서 얻어진 원료분말로부터 성형한 성형체를 질소가압분위기중에서 소결하는 공정과;

상기 소결해서 얻어진 소결체를 비산화성분위기중에서 1050℃∼1550℃까지의 온도범위에서 핵형성과 결정성장을 위한 열처리를 행하는 것을 특징으로 한다.

이 온도범위내에 상기 단일 화합물의 조합된 조성에 대응하는 공정(共晶)점이 존재하면, 1050℃로부터 해당 공정점까지의 온도영역에서 결정핵형성과 결정성장에 이르기까지 열처리를 행한다.

본 발명에 의한 질화규소계 소결체는, 상술한 바와 같이, 20중량%이하의 입자경계상과, 나머지부분으로서 주상인 질화규소 및/또는 사이알론의 결정입자상으로 이루어져 있다. 주상인 질화규소 및/또는 사이알론의 결정입자상이 80중량%미만, 즉, 입자경계상이 20중량%를 초과하면, 입자경계상에 결정성분이 함유된 경우에도 충분한 강도가 얻어지지 않는다. 또, 입자경계상이 2중량%미만, 즉, 주상이 98중량%를 초과하면, 소결에 의한 치밀화가 곤란해지는 경우가 있으므로 바람직하지 못하다.

질화규소 및/또는 사이알론으로 구성된 주상의 조합은 이하와 같고, 대표적인 조합예를 하기 표1에 표시한다.

또, 상기 질호규소 및/또는 사이알론의 결정상으로 구성된 주상에 대해서는, 결정입자중에서의 β-SiN및/또는 β'-사이알론의 전체 결정입자에 대한 양비(β, β'양비)즉, 하기 수식1에 의해 구한 X선회절선의 피크강도Ⅰ의 비를0.5∼1의 범위로 할 필요가 있다. 이 β-SiN및/또는 β'-사이알론의 양비(β, β'양비)가 0.5미만에서는, 등축결정의 α-SiN및/또는 α'-사이알론이 많기 때문에, β-SiN및/또는 β'-사이알론의 네트워크구조가 충분하게 형성되지 않으므로 고인성의 생성물을 얻어질 수 없다.

[식1]

β, β'양비 = [I(β-SiN)+I( β'-사이알론)]/[I(α-SiN)+I(β-SiN)+I(α'-사이알론)+I(β'-사이알론)]

식중, I(α-SiN), I(β-SiN), I(α'-사이알론) 및 I( β'-사이알론)은 각각 주상중의 α-SiN, β-SiN, α'-사이알론 및 β'-사이알론의 X선회절선의 메인피크강도이다.

여기서, α'-사이알론과 β'-사이알론은 각각 일반식 Mx(Si, Al)(O, N)(단, 0x≤2)과 SiAlN(단, 0z≤4.2)로 표현된 것이다. 상기 일반식에 있어서, M은 Na, Li, Mg, Ca 또는 희토류원소를 나타낸다.

β-SiN또는 β'-사이알론의 입자는 그의 평균장축직경이 0.4∼10㎛, 애스펙트비가 1.4∼10인 것이 바람직하다. 보다 구체적으로는, 주상중의 β-SiN또는 β'-사이알론의 입자가 너무 작거나, 등축결정에 가까운 형상이면, β-SiN또는 β'-사이알론의 네트워크구조의 결합수가 너무 많으므로, 상기 범위내의 것에 비해 내충격성 및 인성의 개선이 작아지고, 반면에 β-SiN또는 β'-사이알론의 입자가 너무 크거나 직경이 지나치게 길면, 상기 범위내의 것에 비해 치밀한 소결체를 얻는 것이 보다 곤란해지므로 강도 및 인성의 개선이 작게 된다.

한편, 입자경계상은, 제1결정성분으로서 ReSiO(Re는 Er과 Yb이외의 희토류원소)를 반드시 함유해야하고, 제2결정성분으로서 ReSiNO(ReN·SiO), ReAlO(

3ReO·5AlO), ReAlO(ReO·AlO) 및 SiN·YO중 적어도 1종을 함유하고 있다. 제1결정성분으로서는 YSiO이 바람직한 반면, 제2결정성분도 Re가 Y인 조성을 갖는 것이 바람직하다.

이들 입자경계상중의 각 결정성분의 양적지표로서, 입자경계상중의 이들 결정성분의, 주상중의 β-SiN상 및/또는 β'-사이알론상에 대한 양비, 즉 입자경계상에 있어서 전체결정상의 X선회절선의 메인피크강도의 총계의 β-SiN의 JCPDS33-1160카드에 표시된 (200)의 X선회절선의 메인피크강도 및/또는 그에 해당하는 β'-사이알론의 X선회절선의 메인피크강도에 대한 비를 0.03∼1.6의 범위로 제어할 필요가 있다. 이 입자상중의 경계결정성분의 양비가 0.03미만이면, 입자경계상에서 상기 조합의 미세결정이 생성되지 않거나 또는 그의 생성량이 적으므로 고온에서의 강도, 인성, 내마모성이 모두 저하된다. 반대로, 이 결정성분의 양비가 1.6을 초과하면, 소결체중의 SiN또는 사이알론의 양이 상대적으로 감소하여 충분한 강도를 얻는 것이 불가능하게 된다.

상기와 같이 입자경계상에 결정성분을 함유한 본 발명에 의한 질화규소계 소결체는, 실온에서의 휨강도 1170MPa이상 및 1300℃에서의 휨강도 880MPa이상인 것이 안정하게 얻어지므로 실온에서의 파괴인성치K가 6.5MPa 이상이라고 하는 고강도와 우수한 고인성을 겸비하고 있다.

본 발명의 상기 질화규소계소결체는, 출발원료의 질화규소계분말과 그것에 혼합한 특정의 소결조제계와의 조합 및 소결후의 열처리 공정에 특징이 있는 방법에 의해 제조가능하다.

먼저, 출발원료인 질화규소계분말은 50%이하의 β-SiN및/또는 β'-사이알론을 함유하는 것이 바람직하다. 이 β-SiN및/또는 β'-사이알론의 비율은 단일분말중의 β분율이어도 되고, SiN분말의 경우 α-SiN분말과 β-SiN분말의 혼합에 의해 달성해도 된다.

그와 같은 질화규소계분말에 소결조제계분말을 첨가한다. 소결조제계분말로서는 ReO(단, Re는 Er과 Yb이외의 희토류원소, 이하 동일)분말과, AlN, ReN, SiO, AlO및 MxOy(단, MxOy는 산화물, M은 Li, Na, Ca, Mg, 또는 Er과 Yb이외의 희토류원소)의 각 분말중 적어도 1종과의 조합을 사용한다. 또, 여기에 SiNYO분말을 더 첨가해도 된다.

소결조제계 분말의 형태로서는, 종래부터 행해온 바와 같이, ReO, AlN, ReN, SiO, AlO및 MxOy 등의, 상기 각 단일화합물의 형태로 첨가해도 된다(본 명세서에 있어서, 단일화합물이란 달리 언급하지 않는 한 1종의 금속원소를 함유한 화합물을 의미한다.). 하지만, ReO과 다른 단일화합물의 적어도 1종을 조합한 임의의 조성의 복합화합물의 형태로 첨가하는 것이 보다 바람직하다. 그러한 복합화합물의 형태로 첨가하는 것에 의해, 종래와 같이 단일화합물을 첨가하여 소결동안에 복합화합물을 형성시키는 경우보다도 균질하게 소결이 진행하여, 보다 저온에서 치밀화가 가능하다. 그 결과, 주상의 SiN또는 사이알론입자도 미세해져서, 강도, 인성 및 내마모성 등의 점에서 우수한 소결체를 얻는 것이 가능하다.

예를들면, 제3도는 소결조제계 분말의 첨가형태와 그 효과의 차이를 도시한 예이다.

5mole의 AlO와 3mole의 YO을 각각 단일화합물로서 첨가한 경우보다도 5mole의 AlO와 3mole의 YO을 복합화합물 YAlO로서 첨가한 경우가, 소결온도가 약 100℃만큼 저하하고, 저온에서 치밀화할 수 있음을 이해할 수 있다. 또, 필요에 응해서, 단일화합물과 복합화합물을 함께 첨가해도 된다. 예를들면, 복합화합물 YAlO과 단일화합물 AlN을 함께 첨가하면 사이알론계 또는 SiN-사이알론계 소결체를 제조할 수 있다.

질화규소계분말과 소결조제계분말의 혼합비는, 질화규소계분말의 80∼98중량% 및 소결조제계분말의 2∼20중량%이다. 소결조제계분말의 양이 20중량%를 초과하며, 질화규소계분말의 양이 너무 적게 된다. 그 결과, 취약한 소결체만이 얻어질 수 있으므로 고온에서의 강도가 급격히 저하한다. 소결조제계분말의 양이 2중량%미만이면, 소결조제의 양이 너무 적으므로 소결이 충분히 진행할 수 없다.

상기 질화규소계분말과 소결조제계분말은 통상의 방법으로 혼합되고, 혼합된 분말은 각종 성형방법에 의해 성형된다. 이 성형체는 질소가압 분위기 중에서 소결하는 것에 의해 질화규소계 소결체로 형성된다. 본 발명에서는 얻어진 소결체에 핵형성과 결정성장을 위한 열처리를 더 실시하는 것에 의해 최종적으로 입자경계상이 상기 결정성분을 함유함과 동시에 그에 대한 양적지표를 만족하게 된다. 상기 소결체를 또 50∼1000atm의 고압질소분위기중에서 치밀화처리하는 것에 의해 보다 치밀한 고강도의 소결체가 된다.

질화규소계소결체의 열처리온도는 1050℃이상 1550℃이하의 온도범위로 한다. 이 온도범위내에 있어서, 입자경계상의 결정성분이 되는 핵의 형성과 이 핵의 결정성장을 실현한다.

열처리 분위기를 비산화성 분위기로 하는 이유는, 소결체표면의 산화와 강도의 저하를 방지하기 위해서이다. 또, 상기 열처리온도를 1050℃∼1550℃로 하는 이유는 1050℃미만에서는 입자경계상의 결정의 핵이 형성되지 않는 반면, 1550℃를 초과하면, 주상의 입자가 이상하게 성장하거나 소결체가 승화할 가능성이 있기 때문이다. 이 온도범위내에 소결조제계분말로서 조합된 단일화합물의 조성에 대응하는 공정점이 존재하면, 1050℃로부터 해당공정점까지의 온도범위내에서 상기 열처리를 행한다.

상기 열처리공정의 바람직한 실시예로서, 1050℃∼1400℃에서 0.5∼12시간 핵형성을 행한 후, 온도를 상승시켜서 해당 핵형성열처리 온도+150℃∼1550℃(또는 상기 단일화합물의 조합된 조성에대응하는 공정점)까지의 온도범위에서 결정성장을 행한다.

상기와 같이, 2단계를 통해, 1단계에 비해 소결중에 유리상인 입자경계상을 보다 많이 결정화시키는 것이 가능하므로, 소결체의 고온강도, 인성 및 내마모성이 향상한다. 보다 구체적으로, 실온에서의 휨강도가 1200Mpa이상, 1300℃에서의 휨강도가 900Mpa이상, 실온에서의 파괴인성치K가 7.0MPa 이상인 소결체를 안정하게 얻는 것이 가능하다.

상기 핵형성단계에 있어서, 1050℃미만 또는 0.5시간 미만의 핵형성조건에서 핵형성을 행하면, 1400℃를 초과하는 핵형성온도에서는 필요한 결정성분의 조합과의 그의 양적지표를 만족 할 수 없다. 또, 핵형성시간이 12시간을 초과하여도 형성된 핵의 양은 증가하지 않으므로, 12시간 이내로 하는 것이 바람직하다.

또, 다음의 결정성장단계에 있어서, 결정성장온도가 핵형성처리온도+150℃미만이면 결정핵이 충분하게 성장되지 않는다. 반면, 결정성장온도가 1550℃또는 단일화합물의 조합된 조성에 대응하는 공정점을 초과하면, 입자경계상에 희망하는 조성의 결정성분이 얻어지지 않거나 또는 소결체가 승화할 가능성이 있다. 결정성장의 시간은 0.5∼24시간이 바람직하다. 이것은 0.5시간미만에서는 결정화가 진행하지 않으므로 희망하는 특성을 없을 수 없고, 반면 24시간을 초과해도 결정화가 더 이상 진행하지 않을 뿐만아니라 소결체표면도 거칠어지기 때문이다.

핵형성과 결정성장을 위한 열처리공정, 바람직하게는 상기 2단계로 이루어진 열처리공정을 전술한 시간의 상한범위내에서 1사이클의 시간과 상기 범위내의 온도의 프로그램을 표시하면서 복수회(2회이상) 연속반복하는 것에 의해, 입자경계상의 결정화가 일층 진행하여, 소결체의 고온에서의 강도, 인성 및 내마모성이 보다 개선된다. 보다 구체적으로, 반복된 열처리의 결과, 실온에서의 휨강도가 1300MPa이상, 1300℃에서의 휨강도가 940MPa이상이고, 실온에서의 파괴인성치K가 8.6MPa 이상인 것이 안정하게 얻어질 수 있다.

상기 열처리공정은 소결체를 얻기 위한 소결공정의 냉각과정중에 행해도 된다. 또, 소결공정과는 별개로 소결에 의해 얻어진 소결체에 기계가공 또는 코팅처리후에 행해도 된다. 특히, 기계가공후에 열처리를 행하는 경우에는, 가공시의 표면의 크랙이나 흠등이 힐링(healing)효과에 의해 감소된다고 하는 부차적인 효과가 얻어질 수 있다. 게다가, 결정핵 형성단계를 행하기 전에 미리 입자경계상에 액상이 생기는 온도까지 온도를 상승시켜 유지한 후, 결정핵 형성온도까지 냉각하여 결정핵 형성단계와 결정성장단계를 실시해도 된다.

[제1실시예]

평균입자직결이 0.7㎛인 α-SiN분말, 평균입자 직경이 1.5㎛인 β-SiN분말 및 소결조제로서 평균입자 직경이 0.8㎛인 복합화합물 YAlO분말과, 평균입자 직경이 1.0㎛인 AlN분말 또는 MgO분말을 하기 표2에 표시한 비율로 혼합하였다. 여기서, 복합화합물 YAlO는 YO과 AlO을 3 : 5의 몰비로 혼합하고, 1150∼1650℃에서 소성하여 제조하였다.

각 혼합분말 100중량부에 대해서, 분산제로서 폴리에틸렌아민 3중량부와 용매로서 에탄올 120중량부를 첨가하고 알루미나볼을 이용하여 균일하게 혼합한 다음, 얻어진 혼합물을 건조하고, 직육면체형상으로 프레스 성형하였다. 각 성형체를 진공중에서 600℃까지 가열한 다음, 1시간 유지하여 탈지하였다.

다음에, 각 성형체를 6atm의 질소가압분위기중에서 1800℃에서 4시간 소결하여 각 질화규소계 소결체를 얻었다. 얻어진 소결체를 항절시험편형상으로 가공한 후, 시료4를 제외하고 1.5atm의 질소분위기중에서 제1도에 도시한 프로그램에 따라 1200℃에서 3시간, 그 다음에는 1500℃에서 4시간의 열처리를 행하였다. 또, 시료7은 동일한 분위기중에서 1500℃에서 7시간의 열처리를 행하였다.

열처리후의 각 소결체에 대해서, X선회절법에 의해 주상에 있어서의 SiN와 사이알론의 조합 및 주상중에 있어서의 β-SiN및/또는 β'-사이알론의 양비(이하, β, β'양비라 칭함)를 구하고, 전술한 식1에 의해 β-SiN및/또는 β'-사이알론의 양비를 구했다. 또, 입자경계상에 함유된 결정성분도 구하였고, 그 결과를 표3에 표시한다. 각 소결체의 주상은 시료1, 3, 5 및 7이 α-SiN과 β'-사이알론의 조합이고, 시료 2, 4는 α'-사이알론과 β'-사이알론의 조합이며, 시료6은 SiN만으로 형성된 소결체이다.

표중의 고용원소란 고체용액상태로 원소가 용해한 것을 의미한다.

또, 얻어진 각 시료의 소결체에 있어서 상대밀도, 상온 및 1300℃에서의 3점휨강도, 파괴인성 K및 내열충격성을 각각 측정하였고, 그 결과는 하기 표4에 표시한다.

상기 결과로부터 명백한 바와 같이, 본 발명예의 각 소결체는 상온 및 1300℃에서 높은 휨강도가 바람직한 파괴인성을 보였다. 한편, 비교예의 시료4는 결정화를 위한 열처리를 행하지 않으므로 입자경계상이 유리상의 형태이고, 고온에서의 휨강도 및 파괴인성이 급격히 저하하고 있다. 또, 비교예의 시료5는 SiN및 사이알론의 양이 너무 적으므로 취약한 소결체밖에 얻어질 수 없었고, 반면에 시료6은 소결조제성분의 양이 너무 적으므로 충분히 소결되지 않았고, 양 시료의 강도 및 인성은 열등했다. 또, 시료1의 열처리에 대한 최고온도는 즉, 1500℃로 시료7과 같았지만, 결정핵형성단계를 실시한 시료1은 결정핵 형성단계가 없는 시료7보다 고온 특성이 명백히 우수했다.

[제2실시예]

평균입자 직경이 0.8㎛인 α-SiN, 평균입자 직경이 1.2㎛인 β-SiN및 소결조제로서 상기 제1실시예와 동일한 방법으로 제조한 평균입자 직경이 0.8㎛인 복합화합물 YAlO분말과, 평균원자직경이 1.0㎛인 AlN분말 또는 MgO분말을 하기 표5에 표시한 비율로 혼합하였다.

각 혼합분말 100중량부에 대해서, 분산제로서 폴리에틸렌아민 3중량부와 용매로서 에탄올 120중량부를 첨가하고, 알루미나볼을 이용하여 균일하게 혼합한 다음, 얻어진 혼합물을 건조하고, 직육면체형상으로 프레스 성형하였다. 각 성형체를 진공중에서 600℃까지 가열한 다음, 1시간 유지하여 탈지하였다. 각 성형체를 6atm의 질소가압분위기중에서 4시간 소결하는데, 소결온도는 각각 시료8과 12가 1800℃, 시료9가 1825℃, 시료 10과 13이 1850℃, 시료11과 14가 1900℃이었다.

얻어진 SiN소결체를 항절시험편형상으로 가공한 후, 1.4atm의 질소분위기중에서 열처리했다. 여기서, 시료 8∼10은 1100℃에서 4시간 유지한 후, 1550℃에서 5시간 열처리, 시료11은 1050℃에서 4시간 유지한 후, 1500℃에서 6시간의 열처리를 행하였다. 또, 비교예인 시료 12와 13은 1100℃에서 4시간 유지한 후, 1430℃에서 7시간의 열처리를 행하였다. 시료14는 열처리를 행하지 않았다.

열처리후의 각 소결체에 대해서, 상기 제1실시예와 마찬가지로, 입자경계상에 함유된 결정성분을 측정하였다. 주상중의 β, β'양비, β-SiN의 X선회절선의 메인피크강도(즉, β-SiN의 JCPDS33-1160카드에 표시된 (200)의 피크강도) 및/또는 그에 해당하는 질화규소중의 β'-사이알론의 X선회절선의 메인피크강도에 대한 입자경계상의 전체결정성분의 X선회절선 패턴내의 메인피크강도의 총계의 비(이하, 입자경계 결정양비라 칭함)를 표6에 표시한다. 보다 구체적으로, 입자경계 결정양비는 하기 식으로 규정된다.

입자경계결정양비 I/[I(β-SiN)+I(β'-사이알론)]

식중, I는 입자경계상중의 전체결정성분에 대한 X선회절선 패턴내의 메인피크강도의 총계, I(β-SiN) 및 I(β'-사이알론)은 각각 주상중에 있어서의 β-SiN의 X선회절선의 메인피크강도 및 β'-사이알론의 X선회절선의 메인피크강도이다. 또, 시료8∼11중에서, 시료8과 11의 주상은 SiN만으로 형성되었다.

또 얻어진 각 시료의 소결체에 대해서, 상대밀도를 구함과 동시에, 상온 및 1300℃에서의 3점휨강도, 파괴인성K및 내열충격성을 각각 측정하였고, 그 결과는 표7에 표시한다.

상기 결과로부터 명백한 바와 같이, 본 발명의 각 실시예의 각 소결체는 상온 및 1300℃에서 높은 휨강도와 바람직한 파괴인성을 보였다. 한편, 시료12는 SiN의 중량비가 99중량%로 98중량%보다 많고, 시료13은 SiN의 중량비가 77중량%로 80중량%보다 적으므로 시료12와 시료13은 모두 휨강도와 파괴인성이 열등하다. 특히 고온에 있어서 휨강도 및 파괴인성의 열화가 현저하였고, 내열충격성도 열등하였다.

[제3실시예]

평균입자 직경이 0.7㎛인 α-SiN분말, 평균입자 직경이 1.5㎛인 β-SiN분말 및 소결조제로서 상기 제1실시예와 동일한 방법으로 제조한 평균입자 직경이 0.8㎛인 복합화합물 YAlO분말을 하기 표8에 표시한 비율로 혼합하였다.

각 혼합분말 100중량부에 대해서, 분산제로서 폴리에틸렌아민 3중량부와 용매로서 에탄올 120중량부를 첨가하고, 알루미나볼을 이용하여 균일하게 혼합한 경우, 얻어진 혼합물을 건조하고, 직육면체형상으로 프레스 성형하였다. 각 성형체를 진공 중에서 600℃까지 가열한 다음, 1시간 유지하여 탈지하였다. 각 성형체를 6atm의 질소가압 분위기 중에서 1850℃에서 4시간 소결하였다.

얻어진 소결체를 항절시험편형상으로 가공하고, 1.4atm의 질소분위기 중에서 1100℃에서 3시간 유지한 후, 1500℃에서 4시간 유지하는 것에 의해 열처리를 행하였다. 열처리후의 각 소결체에 대해서, 상기 제1실시예 및 제2실시예와 마찬가지로 X선회절법에 의해 주상중의 β, β'양비를 구함과 동시에, 입자경계상에 함유된 결정성분을 측정하고 그 입자경계 결정양비를 구하였다.

그 결과를 표9에 표시한다.

또, 각 시료의 소결체에 대해서, 상대밀도를 구함과 동시에, 상온 및 1300℃에서 3점휨강도, 파괴인성K및 내열충격성을 각각 측정하였다. 그 결과를 표10에 표시한다.

상기 결과로부터 명백한 바와 같이, 본 발명의 각 소결체는 상온 및 1300℃에서 높은 휨강도와 바람직한 파괴인성을 보였고, 내열충격성도 양호하였다. 하지만, SiN분말의 β상의 함유율이 50%를 초과하면(시료19, 20), 강도, 파괴인성, 내열충격성이 열화하므로 β형질화규소분말은 50중량%이하로 하는 것이 바람직하다.

[제4실시예]

평균입자 직경이 0.7㎛인 α-SiN분말 90중량%, 평균입자 직경이 1.5㎛인 β-SiN분말 2중량% 및 소결조제로서, 상기 제1실시예에 있어서의 YO대신에 DyO을 이용하는 것에 의해 상기 제1실시예와 동일한 방식으로 제조한 평균입자 직경이 0.8㎛인 복합화합물 DyAlO분말 6중량%, AlN분말 1중량% 및 MgO분말 1중량%를 혼합하였다.

이 혼합분말 100중량부에 대해서, 분산제로서 폴리에틸렌아민 3중량부와 용매로서 에탄올 120중량부를 첨가하고, 알루미나볼을 이용하여 균일하게 혼합하였다. 얻어진 혼합물을 건조한 다음, 5t/㎠의 정수압프레스에 의해 직경이 70㎜, 두께가 8㎜인 원반형상으로 성형했다.

다음에, 각 성형체를 진공중에서 600℃까지 가열하고, 1시간 유지하여 탈지한 후, 6atm의 질소가압분위기중에서 1800℃에서 소결하였다. 각 시료의 소결시간은, 시료21이 1시간, 시료22가 2시간, 시료23이 4시간, 시료24가 5시간, 시료25가 7시간이다.

얻어진 각 소결체를 항절시험편형상으로 가공하고, 1.4atm의 질소분위기 중에서 제2도에 도시한 열처리프로그램에 따라서, 1200℃에서 4.5시간 유지한후, 1540℃에서 5시간 유지하는 것에 의해 열처리를 행하였다.

열처리후의 각 소결체에 대해서, 주상중의 β-SiN및 β'-사이알론의 장축의 직경, 애스펙트비의 평균치를 각각 측정하였다. 또, 상기 제1실시예 및 제2실시예에서와 마찬가지로, X선회절법에 의해 주상중의 β, β'양비, 입자경계상에 함유된 결정성분 및 그 입자경계 결정양비를 구하였다.

그 결과를 표11에 표시한다.

또, 각 시료의 소결체에 대해서, 상대밀도를 구함과 동시에, 상온 및 1300℃에서 3점휨강도, 파괴인성K및 내열충격성을 각각 측정하였다. 그 결과를 표12에 표시한다.

상기 결과로부터 명백한 바와 같이, 시료21∼23의 각 소결체는, β-SiN및/또는 β'-사이알론입자의 애스펙트비가 1.4∼10의 범위내에 있으므로 상온 및 1300℃에서 높은 휨강도와 바람직한 파괴인성을 보였고, 내열충격성도 양호하였다.

이것은 β-SiN및 β'-사이알론입자의 애스펙트비가 1.4∼10의 범위내에 있는 것이 보다 바람직하다는 것을 나타내고 있다.

[(제5실시예]

평균입자 직경이 0.5㎛인 α-SiN분말 96중량% 및 소결조제로서, 상기 제1실시예에 기재된 것과 동일한 방법으로 제조한 평균입자 직경이 0.8㎛인 복합화합물 YAlO분말 4중량%를 혼합하였다.

상기 혼합분말 100중량부에 대해서, 분산제로서 폴리에틸아민 3중량부와, 용매로서 에탄올 120중량부를 각각 첨가하고 알루미나볼을 이용하여 균일하게 혼합하였다. 얻어진 혼합물을 건조하고, 5t/㎠의 정수압프레스에 의해 직경이 70㎜, 두께가 8㎜인 원반형상으로 성형했다. 각 성형체를 진공중에서 600℃까지 가열하고, 1시간 유지하여 탈지하였다.

다음에, 소결조제로서 상기 복합화합물을 이용한 각 시료 및 이 복합화합물에 대응하는 단일화합물의 혼합물을 이용한 시료39를 각각 1850℃에서 3시간 소결하고, 얻어진 소결체를 항절시험편형상으로 가공한 후, 2.0atm의 질소분위기중(시료38은 공기중)에서 제4도에 도시한 핵형성처리와 결정성장처리의 2단계(시료29는 1단계만)로 이루어진 결정화처리패턴에 의해 열처리를 실시하였다. 이때, 핵형성처리의 온도a와 유지시간 b, 결정성장처리의 온도 c와 유지시간 d를 하기 표13에 표시한다. 각 경우에서 승온속도는 10℃/min이었고 냉각은 자연냉각으로 하였다.

(주)표중의 *를 붙인 시료는 비교예이다. 시료29는 1단계열처리에 의한 본 발명예이고, 시료40은 열처리를 하지 않은 비교예이다. 또, 시료38은 열처리를 공기중에서 행하였고, 시료39는 소결조제로서 복합화합물 YAlO대신에 단일화합물 YO과 AlO의 혼합물을 이용하였다.

상기 열처리후의 각 소결체에 대해서, 상기 제1실시예 및 제2실시예에서와 마찬가지로, X선회절법에 의해 입자경계 결정성분을 조사함과 동시에, 입자경계 결정양비를 구하였다.

그 결과를 하기 표14에 표시한다.

또, 얻어진 각 소결체에 대해서, 상온 및 1300℃에서의 3점 휨강도 및 파괴인성K를 측정함과 동시에, 상온 및 1300℃에서의 경도 및 내열충격성을 측정하였다. 그 결과를 하기 표15에 표시한다. 시료33과 시료37의 소결체표면은 거칠함이 관찰된 반면, 시료34에서는 소결체의 일부가 승화하였다.

상기 결과로부터, 본 발명에 의한 시료의 입자경계상의 모든 경우에는 YSiO이 석출하고, 동시에 YSiNO, YAlO, YAlO및 SiNYO등의 결정성분도 석출하고 있다. 한편, 비교예의 시료의 결정상에는 그러한 결정성분의 조합이 얻어지지 않았다. 시료26과 29는 열처리중의 최고온도와 그 온도에서의 처리시간이 각각 1480℃에서 12시간과 같지만, 결정핵 형성단계를 실시한 시료26이 고온특성에서 우수함을 나타내고 있다. 또, 시료29는 열처리를 실시하지 않은 시료40보다도 고온특성이 우수하다. 게다가, 본 발명의 시료는 비교예의 시료보다도 상온과 고온에서의 휨강도 및 파괴인성이 매우 우수하다.

[제6실시예]

상기 제5실시예와 마찬가지로 복합화합물 YAlO분말을 첨가하여 소결체를 제조하였다.

이 소결체를 연속해서 상기 제5실시예의 시료28과 동일한 조건에서 열처리하여 본 실시예의 시료41로 하였다. 또, 동일한 방법으로 다른 소결체를 제조하였고, 이 소결체에 제5도에 도시한 핵형성과 결정성장으로 이루어진 결정화처리를 2회 반복하는 열처리를 실시하여 본 실시예의 시료42로 하였다. 다음에, 이들 시료를 모델번호 SNG434의 절삭공구형상으로 가공하였다.

또, 상기 제5실시예와 동일한 방법으로 제조한 소결체를 모델번호 SNG434의 절삭공구형상으로 가공한 후, 제5실시예의 시료28과 동일한 조건에서 열처리하여 본 실시예의 시료 43으로 하였다. 또, 마찬가지로 소결체를 가공하고 제5도에 도시한 열처리를 행하여 본 실시예의 시료44를 얻었다. 비교예로서, 상기 가공한 소결체에 열처리를 행하지 않은 것을 시료45로 하였다.

이들 각 시료에 대해서, 상기 제1실시예 및 제2실시예에서와 마찬가지로, X선회절법을 이용하여 입자경계상의 전체결정성분과 그 입자경계 결정양비를 구했다. 시료41∼44의 입자경계상의 결정성분은 상기 제5실시예의 표14에 표시된 시료28과 마찬가지로 YSiO, YAlO이었지만, 시료45에는 결정성분이 석출되지 않았다.

각 시료의 소결체에 대해서, 상온과 1300℃에서의 3점휨강도, 상온에서의 파괴인성, 상대밀도 및 내열충격성을 구했다. 또, 가공성능을 평가하기 위해서, V =400m/min., f=0.1mm/rev., d=2.0mm의 절삭조건에서 피절삭재로서 100개의 FC250원반브레이크를 습식절삭하여 각 칩의 마모량을 구했다.

또, 상기와 마찬가지로 제조한 각 시료로 형성된 직경 8㎜, 길이 25㎜의 각 시험편을 이용하여, 500℃에서 마찰마모시험을 실시하여 비마모량을 구했다. 피접촉재로는 강을 사용하여, 회전속도 900rpm, 하중 300N으로 하였다. 이들 결과는 하기 표16에 함께 표시한다.

상기 절삭시험의 결과로부터, 소결후 연속해서 열처리하기보다는 소결후 일단 가공하고 나서 열처리하는 경우가, 고온특성 및 절삭성능이 보다 양호했음을 알 수 있다. 또, 열처리를 1회에서 종료하기보다는 2회이상 연속해서 행하는 경우에 더 특성이 향상하는 것으로 밝혀졌다.

또, 마찰마모시험에 있어서도, 소결후 가공하고 나서 2회 열처리한 시료44의 마모량이 가장 적고, 결정화를 위한 열처리를 실시하지 않은 시료45의 마모량이 가장 많다. 이들 결과는 입자경계상의 결정화가 내마모성을 향상시킴을 나타내고 있다.

[제7실시예]

상기 제2실시예의 시료9와 동일한 방법으로 얻은 소결체를 로(爐)에서 꺼내어 기계특성평가용 시험편 및 절삭시험편으로 가공한 후, 각 시험편에 이하의 열처리를 행하였다.

시료46은, 제6도에 도시한 바와 같이, 일단 상온∼1700℃까지 가열하고 이온도에서 1시간 유지한 후, 1100℃까지 냉각하여 이 온도에서 4시간 유지했다. 또, 이 시료를 1450℃에서 5시간 유지했다. 시료47은, 제7도에 도시한 바와 같이, 상온∼1100℃까지 가열하고 이 온도에서 4시간 유지한 후, 1450℃까지 가열하고 이 온도에서 5시간 유지했다. 비교를 위해, 시료48로서 열처리를 행하지 않은 시험편도 제조했다.

열처리후의 각 시료에 대해서, 상기 제6실시예와 마찬가지로, 입자경계상의 결정성분과 그의 입자경계 결정양비를 구하였다. 그 결과를 표17에 표시한다. 또, 각 기계특성을 위해 제조한 시험편에 대해서, 상기 제6실시예와 동일한 방법으로 휨강도와 파괴인성을 측정하였고, 그 결과를 표18에 표시한다. 각 소결체를 SNMN434를 가공하여 제조한 각 절삭시험편을 이용하여 그 절삭성능평가시험을 행하였다. 절삭시험의 조건은 V=700m/min., f=0.3mm/rev., d=1.5mm로 하여 직경이 200mm인 원반형상의 FC250재료를 50매 절삭한 후 마모상태를 조사했다.

얻어진 결과도 표18에 표시한다.

일단, 온도를 입자경계상이 액상상태로 변환되는 온도까지 상승시키고, 냉각중에 결정핵을 형성시켜 성장시키는 프로세스를 통하는 쪽이 결정상이 다량으로 형성되고, 고온특성도 우수함을 알 수 있다.

[제8실시예]

상기 제5실시예의 시료26과 동일한 조건에서 소결 및 열처리를 행하여 최외직경이 58㎜, 두께가 25㎜인 와이어드로잉용의 가이드롤러를 제작했다. 또, 비교의 목적으로, 상기 제5실시예의 시료30 및 40과 동일한 조건에서 상기와 동형의 가이드롤러를 제작했다. 이들 제품에 이용된 소결체의 입자경계상으로부터 생긴 결정상의 유무, 결정상의 종류, 결정상양비 및 기계특성은 상기 제5실시예의 결과와 동일하였다.

이들 각 가이드롤러에 의해, 직경 5.5인 스테인레스고탄소강의 와이어재를 45㎜/sec의 속도에서 와이어드로잉을 행하였다. 이 때의 가이드롤러와 와이어재와의 접촉면의 온도를 방사온도계로 측정한 경우 약 680℃까지 상되었다. 이 와이어드로잉의 결과, 마모량이 모든 가이드롤러의 수명의 요인이었지만, 상기 제5실시예의 시료26으로 형성된 가이드롤러는 시료30에 비해 약 3배, 시료40에 비해서는 약 5배의 수명을 보였다.

[제9실시예]

상기 제2실시예의 시료10과 동일한 조건에서 소결 및 열처리를 행하여 모델 SNMN434의 절삭공구를 제작하였다. 또, 비교의 목적으로, 상기 제2실시예의 시료12 및 14와 동일한 조건에서 상기와 동일한 모델의 절삭공구를 제작하였다.

이들 각 절삭공구를 이용하여 하기의 조건에서 절삭시험을 행하여 시험후의 측면에 생긴 마모량을 측정하였다.

[절삭조건]

건식절삭

주변속도 : 500㎜/min

피딩(Feeding)속도 : 0.5㎜/rev

절삭깊이 : 2.0㎜

피절삭재 : FC250

절삭부분 : ø200㎜원반브레이크단면

절삭매수 : 100매

이 절삭조건에서의 절삭중에 칩의 선단의 온도를 적외온도계를 이용하여 측정한 경우 약 920℃까지 가열되었다. 이 절삭시험의 결과, 시료10으로 형성된 절삭공구의 측면의 노치마모량은 0.268㎜인 반면, 시료12 및 14로 형성된 절삭공구의 측면의 마모량은 각각 0.512㎜와 0.602㎜였다.

[제10실시예]

상기 제1실시예의 시료1과 동일한 조건에서 소결 및 열처리를 행하여 외부직경이 120㎜이고, 두께가 30㎜인 드로잉몰드를 제작했다. 비교의 목적으로 상기 제1실시예의 시료4 및 5와 동일한 조건에서 상기와 동형의 드로잉몰드를 제작했다.

이들 드로잉몰드에 의해, 외부직경이 80㎜, 내부직경이 72㎜, 길이가 300㎜인 기계구조용 탄소강관 STKMI2B를 그 일단부로부터 길이 50㎜에 걸쳐 외부직경을 0.8㎜만큼 감소시키는 드로잉을 행하였다. 드로잉은 이들 드로잉몰드를 이용하여 행하였다. 그 결과, 시료1로 형성된 드로잉몰드는 120,000쇼트의 드로잉이 가능한 반면, 시료4 및 5로 형성된 드로잉몰드는 각각 50,000쇼트 및 60,000쇼트만의 드로잉이 가능했다. 또, 통상의 초경합금으로 제작된 동형의 드로잉몰드를 이용하면 30,000쇼트밖에 가공할 수 없었다. 이들 드로잉몰드의 수명의 요인은 모든 경우에 있어서, 드로잉몰드의 마모였다.

[제11실시예]

상기 제5실시예의 시료28과 동일한 조건에서 소결 및 열처리를 행하여 외부직경이 85㎜, 길이가 520㎜인 강관반송용 롤러를 제작했다. 배치소둔로의 반송롤러로서 이들 롤러를 수십개 이용하여 이 반송롤러상에 폭이 300㎜, 길이가 500㎜, 두께가 5㎜인 강판을 속도 20㎞/h에서 굴려서 반송하였다. 소둔로의 입구온도와 출구온도는 각각 1100℃와 1320℃이고, 분위기는 대기중이다. 이 조건에서 강판의 반송작업을 연속하여 행한 결과, 15일간 사용한 후의 롤러의 마모량은 모든 경우에서 0.08㎜이하였다. 이 때문에 이 경우의 롤러의 수명은 70일이었다.

또, 비교의 목적으로, 시료32 및 40과 동일한 조건에서 소결 및 열처리를 행하여 상기와 동형의 롤러를 제작하였고, 동일한 조건하에서 강판의 반송작업을 행하였다. 그 결과, 15일간 사용한 후의 롤러의 마모량은 시료32 및 40의 롤러에 대해서 각각 0.18㎜ 및 0.25㎜이었고, 수명은 각각 30일과 19일이었다. 다른 재질로서, SUS310S제의 동형의 롤러는 마모량이 켰고, 수명은 10일 뿐이었다.

본 발명에 의하면, 질화규소 및/또는 사이알론을 주상으로 하는 소결체의 입자경계상에 특정의 조합의 결정성분을 석출시킴으로써, 종래보다도 특히 고온에서의 강도와 파괴인성이 높고, 내열충격성도 양호한 질화규소계소결체를 제공하는 것이 가능하다.

또, 이 질화규소계소결체는, 상기처럼 강도 및 파괴인성 등의 특성이 우수함과 동시에 고온에서의 경도 및 내마모성도 우수하므로, 절삭공구재료, 내마모공구재료, 구조용재료 등으로서 특히 유용하다.

Claims (7)

1. 입자경계상이 20중량%이하이고, 그 나머지 부분이 질화규소 및 또는 사이알론입자의 주상으로 이루어진 질화규소계소결체에 있어서; 상기 주상은 β-Si₃N₄상 및/또는 β'-사이알론상으로 형성된 입자상을 함유하고, 상기 주상에 대한 상기 β-Si₃N₄상 및/또는 β'-사이알론상으로 형성된 입자상의 양비가 0.5∼1.0의 범위에 있고; 상기 입자경계상은 제1결정성분으로서 Re₂Si₂O₇(단, Re는 Er과 Yb이외의 희토류원소를 나타냄, 이하 동일)과, 제2결정성분으로서 ReSiNO₂, Re₃Al₅O₁₂, ReAlO₃및 Si₃N₄· Y₂O₃중 적어도 1종을 함유하고; 상기 입자경계상중의 제1 및 제2결정성분의, 상기 주상중의 상기 β-Si₃N₄상 및/또는 β'-사이알론상의 입자상에 대한 양비가 0.03∼1.6의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 질화규소계소결체.
2. 제1항에 있어서, 상기 β-Si₃N₄상 및/또는 β'-사이알론입자의 평균 장축의 직경은 0.4∼10㎛이고, 애스펙트비는 1.4∼10인 것을 특징으로 하는 질화규소계소결체.
3. 질화규소분말 80∼98중량%와, a) 소결조제분말로서 Re₂O₃(단, Re는 Er과 Yb이외의 희토류원소를 나타냄, 이하 동일)분말과, AlN, ReN, SiO₂, Al₂O₃및 MxOy(단, MxOy는 산화물을 나타내고, M은 Li, Na, Ca, Mg, 또는 Er과 Yb이외의 희토류원소를 나타냄)분말중 적어도 1종을 조합한 단일화합물의 혼합분말, b) 상기 단일화합물이 조합된 조성을 지닌 복합화합물로 이루어진 분말 및 c) 상기 혼합분말 a) 및/또는 상기 분말b)에 Si₃N₄· Y₂O₃분말을 첨가한 혼합분말로 이루어진 군에서 선택한 적어도 1종의 소결조제계분말 2∼20중량%를 혼합하는 공정과; 상기 혼합해서 얻어진 원료분말로부터 성형한 성형체를 질소가압 분위기 중에서 소결하는 소결공정과; 상기 소결공정에 의해 얻어진 소결체를 비산화성분위기 중에서 1050℃∼1550℃까지의 온도범위에서 핵형성과 결정성장을 위한 열처리를 행하는 열처리공정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화규소계소결체의 제조방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 열처리 공정은 1050℃∼1400℃에서 0.5∼12시간의 핵형성을 행하는 핵형성처리와, 이어서 온도을 상승시켜 핵형성처리온도 +150℃∼1500℃까지의 온도범위에서 결정성장을 행하는 결정성장처리로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화규소계소결체의 제조방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 핵형성처리와 결정성장처리로 이루어진 열처리공정을 복수회 연속해서 반복하는 것을 특징으로 하는 질화규소계소결체의 제조방법.
6. 제3항에 있어서, 상기 열처리공정은 상기 소결공정의 냉각과정중에 행해지는 것을 특징으로 하는 질화규소계소결체의 제조방법.
7. 제3항에 있어서, 상기 열처리공정은, 상기 소결공정에서 얻어진 소결체의 기계가공 또는 코팅처리후에 행해지는 것을 특징으로 하는 질화규소계소결체의 제조방법.