KR100246145B1 - 고강도.고인성 지르코니아계 세라믹스의 제조방법 - Google Patents

고강도.고인성 지르코니아계 세라믹스의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기계적 강도가 우수한 3Y-TZP(이트리아(Y2O3)를 3몰% 고용한 정방정 지르코니아)와 높은 파괴인성 및 우수한 화학적 안정성을 가진 12Ce-TZP(세리아(CeO2)를 12몰% 고용한 정방정 지르코니아)의 특성이 잘 조화되어 고강도 및 고인성을 가지는 지르코니아계 세라믹스의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 3몰% Y2O3-ZrO2및 12몰% CeO2-ZrO2분말을 분산매로 분산시키고 교반기로 혼합한 후, 혼합된 분말들을 건조, 분쇄하고 이어서 금형몰드에 주입하고 소결하여 고인성.고강도 지르코니아계 세라믹스 소결체를 제조하는 것이다.

Description

고강도.고인성 지르코니아계 세라믹스의 제조방법
본 발명은 고강도 및 고인성을 가지는 지르코니아계 세라믹스의 제조방법에 관한 것으로서, 기계적 강도가 우수한 3Y-TZP(이트리아(Y2O3)를 3몰% 고용한 정방정 지르코니아)와 높은 파괴인성 및 우수한 화학적 안정성을 가진 12Ce-TZP(세리아(CeO2)를 12몰% 고용한 정방정 지르코니아)를 복합화하여 순수한 3Y-TZP와 12Ce-TZP의 특성이 잘조화된 지르코니아계 세라믹스의 제조방법에 관한 것이다.
지르코니아는 융점이 2700℃로 높고, 용융금속, 부식성 가스 등에도 강하지만, 1000 내지 1150℃에서 약 9%의 체적변화가 있어서 희망하는 형상으로 소결하여도 가열과 냉각을 되풀이하는 동안 이 체적변화에 기인하여 파괴가 발생되는 문제점이 있다.
지금까지 대표적인 고강도.고인성 세라믹스로서의 지르코니아(ZrO2)는 MgO, CaO, Y2O3및 CeO2등을 고용시킨 부분안정화 지르코니아(Partially Stabilized Zirconia, PSZ) 또는 정방정 지르코니아 다결정(Tetragonal Zirconia Polycrystals, TZP)의 두 형태로 응용되고 있으며, 소결온도가 상대적으로 낮고 제조공정이 비교적 간단한 TZP가 구조용 재료로서 보다 보편적으로 사용되고 있다.
이트리아(Y2O3)를 3몰% 고용한 정방정 지르코니아(3Y-TZP)는 뛰어난 기계적 성질과 철 및 철합금과 유사한 열팽창계수를 나타내어 공업적으로 주목을 받고 있으나, 대기중에서 습기를 다량 함유하고 있는 분위기 중에서 저온 시효동안 정방정상을 유지하기 위한 임계입경의 크기가 현저히 감소하여 기계적 성질이 나빠진다는 결점이 있다.
반면에, 12몰% 세리아(CeO2)를 함유하는 지르코니아(12Ce-TZP)는 우수한 시효 거동 및 높은 파괴 인성을 나타내지만 3Y-TZP에 비하여 상대적으로 파괴강도가 낮다는 단점이 있다.
이에, 본 발명자는 고강도 및 고인성을 동시에 가지는 지르코니아계 세라믹스를 제조하기 위하여 노력한 결과 본 발명을 완성하였다.
본 발명은 기계적 강도가 우수한 3Y-TZP와 높은 파괴인성 및 우수한 화학적 안정성을 가진 12Ce-TZP의 특성이 잘 조화되어 고강도 및 고인성을 가지는 정방정 지르코니아계 세라믹스의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 고강도.고인성 지르코니아계 세라믹스의 제조방법은 3몰% Y2O3-ZrO2및 12몰% CeO2-ZrO2분말을 분산매로 분산시키고 교반기로 혼합한 후, 혼합된 분말들을 건조, 분쇄하고 이어서 금형몰드에 주입하여 소결하여 정방정 지르코니아계 세라믹스 소결체를 얻는 과정으로 구성된다.
본 발명의 고강도.고인성 지르코니아계 세라믹스를 제조하기 위하여 사용되는 출발물질은 3몰% Y2O3-ZrO2(이하 YZ라 함) 및 12몰% CeO2-ZrO2(이하 CZ라 함) 분말이다. 출발물질은 주상이 정방정상이나 그 이외에 다수의 단사정상이 포함되어 있어도 무방하다. 그리고 YZ에 대한 CZ의 양은 YZ의 우수한 기계적 성질을 기본으로 하고 CZ의 우수한 화학적 안정성을 확보하기 위하여 YZ와 CZ의 전체양을 기준으로 하여 몰비로 10 내지 50%로 한정하는 것이 바람직하다.
먼저, 상기 적당한 조성비로 조성된 출발물질을 에탄올, 메탄올 등의 분산매에 분산시킨다. 그리고 교반기를 사용하여 혼합한다. 교반기는 자기교반기를 사용하는 것이 좋으며, 6 내지 24시간 동안 습식혼합하는 것이 좋다. 이렇게 혼합된 분말을 건조하는데, 회전진공증발장치를 사용하여 80 내지 90℃의 온도범위에서 건조하는 것이 바람직하다. 건조한 후에는 분쇄하며, 필요에 따라 분급망을 통과시켜 과립화한다. 상기 분급망은 200메쉬 이하의 것을 사용하는 것이 바람직하다. 과립화를 통하여 성형밀도를 증가시킬 수 있다. 그런 다음에 상기 분말을 결합재의 첨가없이 금형몰드에 주입하여 상압소결, 가압소결 등의 방법으로 소결하여 단단한 정방정 지르코니아계 세라믹스 소결체를 얻는다.
TZP(Tetragonal Zirconia Polycrystals)의 우수한 기계적 성질은 응력하에서 정방정상(Tetragonal Phase)의 단사정상(Monoclinic Phase)으로 상변태에 기인한다고 알려져 있다. 그런데 이 상변태는 안정화제의 종류 및 양, 입자크기 및 형상, 기지상의 억제(matrix constraint), 입계상과 같은 미세구조적 또는 조성변수에 의해 크게 영향을 받는다.
본 발명은 적당한 조성으로 YZ와 CZ를 물리적으로 혼합하여 고온에서 이트륨이온과 세륨 이온의 상호확산에 의한 입성장억제효과에 의하여 지르코니아 정방정상의 입성장을 억제하면서 소결함으로써 상온에서도 임계입경 이하의 정방정상을 유지하도록 하는 것으로서 종래의 졸-겔법 등에 의한 화학적인 혼합에 의하여 하소공정 등의 제어가 복잡하고 어려운 방법에 비하여 손쉽게 고강도.고인성의 지르코니아계 세라믹스를 제조할 수 있다.
이하에서는 본 발명을 실시예에 의하여 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명의 예시일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.
[실시예]
3몰% Y2O3-ZrO2(HSY-3.0, 제일휘원소사, 일본, 이하 YZ라 함) 및 12몰% CeO2-ZrO2(TZ-12Ce, Tosoh사, 일본, 이하 CZ라 함) 분말을 하기 표 1의 조성비로 조성하여 분삼매로서 에탄올을 사용하여 분산시켰다. 이 때 YZ의 평균입경은 0.5㎛, 비표면적은 7.2m2/g이었고, CZ의 평균입경은 0.4㎛, 비표면적은 7.7m2/g이었다. X선 회절분석결과 이들 출발물질은 주상인 정방정상이외에 다수의 단사정상이 확인되었다. 상기 출발물질들을 분산매에 분산시킨 후, 자기 교반기를 사용하여 12시간 동안 습식혼합하였다. 혼합된 분말을 회전진공증발장치를 사용하여 80℃의 온도에서 건조하였으며, 건조후 분쇄하고 분급망(140 메쉬)을 통과시켜 과립화하였다. 과립화된 분말을 결합재의 첨가없이 금형몰드에 주입하여 1400℃ 및 1500℃에서 상압소결하여 단단한 지르코니아계 소결체를 얻었다.
Figure kpo00001
[결과]
상기 실시예에 따라 제조된 지르코니아계 세라믹스의 기계적 성질, 열적안정성 및 화학적안정성을 하기의 표 2, 3 및 4에 각각 나타내었다.
Figure kpo00002
Figure kpo00003
열사이클 과정으로서 상온에서 800℃까지 가열하고 100℃까지 냉각한 후 다시 800℃와 100℃까지의 온도구간에서 가열, 냉각을 반복하였다. 가열, 냉각을 20회까지 반복하는 동안 모든 조성의 소결체에서 단사정상의 존재를 확인할 수 없었으며, 40회로 증가하면서 70YZ30CZ를 제외한 전 조성에서 0.07% 이하의 단사정상이 생성되었다. 이것은 비교적 열적으로 안정한 TZP 소결체가 제조되었음을 의미하는 것이다.
Figure kpo00004
상기 표 2, 3 및 4에서 보는 바와 같이 YZ와 CZ가 혼합된 정방정 지르코니아계 세라믹스 소결체는 미세경도, 파괴강도, 파괴인성과 같은 기계적 성질, 열적안정성 및 화학적안정성이 3Y-TZP와 12Ce-TZP의 특성이 조화되어 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
이상에서 살펴 본 바와 같이, 본 발명은 3몰% Y2O3-ZrO2및 12몰% CeO2-ZrO2분말을 분산매로 분산시키고 교반기로 혼합한 후, 혼합된 분말들을 건조, 분쇄하고 이어서 금형몰드에 주입하여 소결하여 고인성.고강도 지르코니아계 세라믹스 소결체를 제조하는 것으로서, 기계적 강도가 우수한 3Y-TZP와 높은 파괴인성 및 우수한 화학적 안정성을 가진 12Ce-TZP의 특성이 잘 조화되어 고강도 및 고인성을 가지는 지르코니아계 세라믹스의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 적당한 조성으로 YZ와 CZ를 물리적으로 혼합하여 고온에서 이트륨 이온과 세륨 이온의 상호확산에 의한 입성장억제효과에 의하여 지르코니아 정방정상의 입성장을 억제하면서 소결함으로써 상온에서도 임계입경 이하의 정방정상을 유지하도록 하는 것으로서 종래의 졸-겔법 등에 의한 화학적인 혼합에 의하여 하소공정 등의 제어가 복잡하고 어려운 방법에 비하여 손쉽게 고강도.고인성의 지르코니아계 세라믹스를 제조할 수 있다.

Claims (2)

  1. 전체 몰비를 기준으로 3몰% Y2O3-ZrO2분말 50~90%와 12몰% CeO2-ZrO2분말 10~50%을 분산매로 분산시키고 교반기로 혼합한 후, 혼합된 분말들을 건조, 분쇄하고, 분쇄된 분말을 200메쉬 이하인 분급망을 통과시켜 과립화하고, 이어서 금형 몰드에 주입하고 소결함으로써 제조하는 고인성.고강도 지르코니아계 세라믹스의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 소결과정은 1400 내지 1500℃의 소결온도에서 상압소결과정인 것을 특징으로 하는 고인성.고강도 지르코니아계 세라믹스의 제조방법.
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KR20020004130A (ko) * 2000-07-03 2002-01-16 이종국 열 안정성이 우수한 세리아 안정화 지르코니아의 제조법
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