KR100191282B1 - 고강도 질화규소-질화붕소계 복합소결체 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 사이알론기(SIALON基)의 복합소결체에 관한 것으로, 특히 용강(熔鋼)을 주조하는 연속 주조설비에서 용강의 흐름을 지지 및 안내하는 브레이크링(Brakering), 터빈브레이드와 같은 부분에 대한 우수한 내마모성, 고내열 충격성, 내침식성을 갖는데 사용되는 소결체에 관한 것으로, Si₃N₄55∼75중량부, 질화붕소 20∼40 중량부, Al₂O₃와 Y₂O₃를 1:1 중량비로 혼합된 혼합물이 4∼6 중량부 조성되는 소결체로 구성되고, 그 제조방법으로서는 상기와 같이 조성된 혼합물을 성형한 후, 가압질소분위기하에서 1800∼1900℃ 온도로 질화반응 처리하여서 된 기술로 이루어진다.

Description

고강도 질화규소-질화붕소계 복합소결체

본 발명은 사이알론기(SIALON基)의 복합소결체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 용강(熔鋼)을 주조하는 연속 주조설비에서 용강의 흐름을 지지 및 안내하는 브레이크링(Brakering), 터빈브레이드와 같은 부분에 대한 우수한 내마모성, 고내열 충격성, 내침식성을 갖는데 사용되는 소결체에 관한 것이다.

일반적으로, 용강의 연속 주조법에서는 턴디쉬(tundish) 하부로부터 주편을 인발하여 주조하는데, 턴디쉬와 모올드(mold)와의 접속 부위에는 턴디쉬 하부에는 후론트 노즐이, 후론트 노즐과 모올드 사이에는 파이드 노즐이 설치되며, 피이드 노즐과 모올드와의 접속부에는 브레이크링이 끼워져 있는 구조로 되어 있다.

브레이크링은 모올드 내에서 주편의 응고셀(shell)형성을 촉진시키기 위하여 설치되어 있는 것으로서, 모올드와의 접한 면측은 모올드의 냉각에 따라 저온으로 유지되는 한편, 용강과의 접촉면은 고온으로 되는 등 내부의 온도구배에 따라 열응력과 열충격을 받으며 흐름에도 노출과 연속적인 캐스트 스트랜드의 충격을 받는 등 극히 가혹한 작업환경에 놓이게 된다.

따라서, 브레이크링 재질은 내열충격성, 내침식성, 내마모성 등이 우수하여야 하며 모올드에 정교하게 부착하기 위하여 정밀가공성이 요구된다.

기존의 브레이크링 소재로서는 알루미나질제나 지르코니아질제의 것이 있으나 이는 열응력을 일으키기 쉽고, 석영제의 브레이크링은 내열충격 저항은 좋으나 표면이 글라스상으로 용융되는 결점이 있다.

또한 BN계 복합체가 여러 가지 개발되어 있으며 대표적인 예로서는 SiC/BN, TiB₂/BN, Si₃N₄/BN, AiN/BN, ZrO/Bn, Al₂O₃/BN 등이 있으며, 물리적 성질 즉, 마찰계수, 내열충격성 및 열전도성 등의 고온특성을 향상시키고 있다.

이중 일본국 공개특허공보 (소)56-120575호에 Si₃N₄/BN 복합소결재가 알려지고 있으나, 질화규소에 질화붕소만을 분산상으로 배합한 복합소결재의 소결성은 분산상이 증가할수록 크게 떨어지며 이에 따른 제품의 특성이 또한 크게 열화된다.

한편 본 발명자는 상기한 문제점을 개선하기 위해 출원번호 96-2766호(이하 '선발명'이라 함)로 국내 특허출원한 바 있다.

복합재료의 성능과 가격은 이들의 소결방법에 따라 크게 달라진다.

종전의 방법은 주로 상압소결(Pressureless Sintering) 혹은 고온가압성형(Hot press)법으로 제조하고 있으나 제품의 물리적 성질 및 형상의 제약이 있으며, 특히 복잡형상이나 대형제품의 제조는 불가능하다.

상압소결에서는 복합체 제조시 고밀도 제품을 얻을 수가 없음에 따라 내마모성이 급격하게 떨어지며, 쇳물에 대한 내침식성 및 내산화성이 크게 저하된다.

반면에 고온가압성형법은 소결밀도를 높이는 것은 가능하지만 대형 제품이나 복잡하고 정밀한 제품은 제조가 불가능하다.

본 발명은 상기한 선발명과 사용용도는 유사하나 제품의 조성이나 그 제조방법을 달리함과 함께 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로, 가압질소분위기하에서 소결함에 따라 적은 량의 소결조제를 첨가하고도 소결성의 향상을 얻을 수 있고, 또한 BN의 함량이 증가해도 일정한 강도를 갖는 합금을 얻는데 그 목적이 있다.

이와 같은 목적달성을 위한 본 발명은 Si₃N₄가 45∼75 중량부, BN가 20∼50 중량부, Al₂O₃와 Y₂O₃를 1:1 1∼1.5 중량비로 혼합한 혼합물이 4∼6 중량부로 조성된 복합소결체로 이루어진다.

또한 본 발명은 상기와 같이 조성된 복합물을 성형한 후 가압질소분위기하에서 1800∼1900℃ 온도로 질화반응 처리하는 방법으로 이루어진다.

Si₃N₄-BN계 합금에 소결조제로 Al₂O₃와 Y₂O₃를 함께 첨가하면 Al₂O₃와 Y₂O₃가 결합하여 결정질이 입계면상에 생성되므로 해서 고온강도, 내크리프성, 열전도도 및 내산화도가 향상되는 것은 알려져 있으나, 본 발명은 상기와 같이 Si₃N₄와 BN을 그리고 Al₂O₃와 Y₂O₃를 혼합함으로써 고온물성의 향상을 얻기 위하는데 있다.

이때 소결조제가 4 중량부 이하일 경우는 소결조제로서의 첨가효과를 기대할 수 없으며 6 중량부 이상일 때는 고온물성의 향상을 기대할 수 없다.

뿐만 아니라 기존의 SIALON-BN계 복합소결체의 경우는 BN 함량이 20 중량부 넘으면 소결성이 현격 떨어지는데 반해, 본 발명은 가압질소분위기하에서 소결하므로 BN함량을 20 중량부 이상 첨가하여도 이론밀도의 70% 이상의 소결체를 얻을 수가 있었으며, 또한 소결조제의 량을 거의 반 정도로 감소시킴에 따라 고온물성의 감소를 가져오는 제2차상의 형성이 억제되어 고온에서의 강도 및 수명에 현격한 향상을 가져올 수 있었다.

다음은 실시예에 따라 설명한다.

[실시예 1]

질화규소량을 60∼65 중량부, 질화붕소량을 30 중량부로 조합한 화합물에 소결조제로 Al₂O₃와 Y₂O₃의 혼합비를 (표 1)와 같이 각각 달리하여 혼합한 후, 건조하고 CIP 성형을 통해 시편을 제작하여 1800℃에서 가압소결한 제품의 특성을 기존 제품과 비교한 결과 표 1에 나타내었다.

[실시예 2]

실시예 1과 동일한 방법으로 성형된 시편들을 BN 함량 각각 20, 30, 40 중량%에 대해 1700℃에 걸쳐 질소분위기하에서 가압소결합 제품의 각 소성온도별물성치를 표 2에 나타내었다.

본 발명은 Si₃N₄-BN계 합금에서 BN 함량을 높여도 이론밀도의 70% 이상의 소결체를 얻을 수 있어 소결 특성이 우수함과 함께 소결조제의 량을 감소시킴에 따라 고온물성의 감소를 가져오는 제2차상의 형성이 억제되어 고온에서의 강도 및 수명에 현격한 향상을 가져올 수 있다.

따라서 연속 주조설비에서의 용강의 흐름을 지지 및 안내하는 브레이크링을 비롯한 터빈브레이드와 같은 부분에 대한 우수한 내마모성, 고내열충격성, 내침투 등을 갖게 할 수 있다.

Claims (1)

1. Si₃N₄가 45∼75 중량부, BN가 20∼50 중량부, Al₂O₃와 Y₂O₃혼합물이 4∼6 중량부(이중에는 Al₂O₃: Y₂O₃= 1:1∼1.5 비율로 혼합)로 조성됨을 특징으로 하는 고강도 질화규소(Si₃N₄)-질화붕소(BN)계 복합 소결체.