KR100270604B1 - 원료 분말의 입도 조절에 의한 질화규소계 소결체의 미세조직 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에서는 고인성의 질화규소계 소결체를 제조하는데 있어서 문제시되는 고비용 문제를 해결하고 제한된 응용 분야를 확대하기 위하여, 평균 입자 크기가 0.5㎛ 이하인 Si₃N₄초기 원료 분말을 얻고, 상기 초기 원료 분말 및 소결조제 (SiAlON 소결체의 경우 AlN, Y₂O₃, Al₂O₃등, Si₃N₄소결체의 경우 Y₂O₃, Al₂O₃등)를 혼합하고, 압축 성형한 후, 얻어진 압분체를 1850 ℃ 이하의 온도에서 상압 소결함으로써 얻어진 소결체의 미세조직이 상기 상압 소결 시간에 의존하여 변화하는 이중 구조를 갖는 질화규소계 소결체의 미세조직 제어방법을 제공한다.

Description

원료 분말의 입도 조절에 의한 질화규소계 소결체의 미세조직 제어방법

본 발명은 초기 원료 분말의 입도 조절에 의해 질화규소계 소결체의 미세조직을 제어하는 방법에 관한 것이다.

상압 소결에 의해 얻어진 질화규소계 세라믹스는 다른 구조용 세라믹스(3~4MPam^1/2)에 비해 높은 4~6 MPam^1/2의 파괴인성 값을 보인다. 이러한 높은 파괴인성값은 주상형의 β - Si₃N₄입자에 의한 균열 가교나 균열 편향에 기인한다.

최근 길쭉하게 성장한 입자에 의한 질화규소의 강화가 다시금 강조되고 있다. 여러가지 산화물 첨가제를 이용하여 10 MPa 정도의 높은 질소압하에서 1800~2000℃에서 질화규소 분말을 소결할 때 작고 균일한 입자의 모상내 크고 길게 성장한 β - Si₃N₄입자들이 생성된다. 이 재료를 인-시튜 복합재료(in situ composites) 혹은 자체 강화(self-reinforced) 재료라고 하며 이중 구조의 미세조직을 나타낸다. 이러한 재료들의 파괴인성 값은 8~11 MPam^1/2를 가진다. 인성의 향상은 길게 성장한 입자에 의한 균열가교로서 설명되어진다. 그러나, 크게 성장한 입자는 결함 크기의 증가로 인해 굽힘 강도를 감소시키는 원인으로 알려져 있으나, 소결조제를 적절히 조절함으로서 높은 강도와 인성을 나타내는 질화규소계 세라믹스를 제조할 수 있다. 따라서, 파괴인성을 향상시키기 위해서는 작고 균일한 모상 내에 길게 성장한 입자들이 균일하게 분포하는 이중구조의 미세조직을 갖는 재료를 제조하는 것이 중요하다.

그러나, 자체 강화 질화규소계 세라믹스는 가스압 소결이나 열간 가압 소결 등에 의해 제조되기 때문에 제조 비용이 비교적 높다. 이들 재료의 폭넓은 이용을 위해서는 상압 소결이나 비교적 낮은 질소압 분위기에서 소결하는 것이 필요하다.

본 발명에서는 고인성의 질화규소계 소결체를 제조하는데 있어 문제시되는 고비용 문제와 제한된 응용 분야의 문제를 해결하기 위하여 저온 상압 소결에 의해서도 고인성을 나타내는 질화규소계 소결체의 미세조직 제어방법을 제공하고자 한다. 따라서, 본 발명의 목적은 고인성의 질화규소계 소결체에서 나타나는 미세조직을 제어하는 방법을 제공하는 것이다.

제1도는 초기 원료 분말로 사용하는 본 발명에 따른 미세 분말과 기존의 상업적 분말에 대한 입자 크기 분석 결과이다.

제2도는 초기 원료 분말의 입자 크기에 따른 미세조직의 변화를 살펴보기 위해 본 발명에 따른 미세 분말(평균입자크기 0.2~0.3㎛)과 기존의 상업적으로 이용되고 있는 분말(평균입자크기 0.5~0.6㎛)을 사용한 SiAlON 시편의 미세조직을 이미지 분석한 결과이다.

제3도는 Si₃N₄조성의 시편을 1850℃에서 소결시간에 따른 미세조직의 변화를 이미지 분석한 결과이다.

본 발명은, 평균 입자 크기가 0.5 ㎛ 이하인 Si₃N₄초기 원료 분말을 얻고, 상기 초기 원료 분말 및 소결조제 (SiAlON 소결체의 경우 AlN, Y₂O₃, Al₂O₃등, Si₃N₄소결체의 경우 Y₂O₃, Al₂O₃등)를 혼합하고, 압축 성형한 후, 얻어진 압분체를 1850 ℃ 이하의 온도에서 상압 소결함으로써 얻어진 소결체의 미세조직이 상기 상압 소결 시간에 의존하여 변화하는 이중 구조를 갖는 질화규소계 소결체의 미세조직 제어방법을 제공한다.

여기서, 상기 평균 입자 크기가 0.5 ㎛ 이하인 Si₃N₄초기 원료 분말은 침강법 내지 원심 분리법을 통해 얻어지는 것이 바람직하다.

각진 입자의 비정상 입성장은 2-차원 결정립 성장(2-Dimension grain growth)에 의해 일어난다. 2-차원 결정립 성장이 일어나기 위해서는 최소한의 성장 구동력이 필요하게 되며, 소결 과정 중 성장하거나 소멸하지 않는 입자의 임계 크기와 입자의 실제 크기의 차가 증가할수록 증가한다. 또한 평균 입자 반경의 임계 크기 이하에서만 비정상 입성장이 가능하다.

비정상 입성장이 일어날 수 있는 최소 입자반경은 온도에 비례하는 것으로 알려져 있다. 비정상 입성장을 위한 임계 평균 입자의 크기는 온도가 내려가면 감소한다. 본 발명에서는 이러한 점에 착안하여 초기 원료 분말의 입자 크기를 줄임으로써 저온 상압 소결을 통해서도 이중 구조의 미세조직을 가능하게 한다.

기존의 상업적으로 이용되는 원료분말은 표 1에 나타난 바와 같이 평균입자 크기가 0.5~1㎛로 이들을 원료로 사용할 경우, 1850℃ 이하의 낮은 온도에서는 고인성을 나타내는 이중구조의 소결체 제작이 불가능하다.

본 발명에 따른 이중구조의 미세조직을 가지는 소결체를 제조하기 위한 방법은 초기 원료분말(α -Si₃N₄)의 입도를 기존의 상업적 분말보다 작게 하여 소결함으로서 이루어진다.

미세조직이 제어된 질화규소계 소결체를 제조할 수 있는 일반적인 방법을 기술하면 다음과 같다.

원료로서 평균입자크기 0.2~0.3 ㎛인 미세한 α -Si₃N₄분말을 초기 원료분말로 사용한다. 미세한 질화규소 분말을 적절한 소결 첨가제로 첨가하여 압분체를 제조한 후 성형된 압분체를 1850℃, 1 기압의 질소 분위기 하에서 수 시간동안 소결한다. 예를 들어, 1850℃, 상압 소결에서 입자 크기가 0.5~0.6 ㎛인 분말을 사용한 경우에서는 이중구조의 미세조직이 나타나지 않은 반면, 0.2~0.3 ㎛인 미세한 분말을 사용한 경우에서는 파괴인성의 향상을 가져올 수 있는 이중구조의 미세조직을 나타내었다.

[실시예]

[실시예 1]

이중구조의 미세조직인 나타나는 초기 질화규소 분말의 입자 크기는 0.2~0.3 ㎛로서 기존의 상업적 분말에서는 이와 같은 분말을 얻을 수 없다. 따라서, 이러한 분말을 얻기 위하여 침강법과 원심 분리법을 이용하였다. 기존의 상업적 분말을 적절히 분산시킨 후 침강법과 원심 분리법을 이용하여 미세한 분말을 분리해낸 결과 도1에 나타난 바와 같이 기존의 질화규소 분말보다 작은 미세한 분말을 얻을 수 있었다.

분리해낸 평균입자크기가 0.2~0.3㎛인 Si₃N₄분말과 SiAlON 소결체 형성을 위한 소결조제로서 AlN, 3Y₂O₃· 5Al₂O₃(혹은 YAG (yittrium aluminum garnet)라 함)를 각각 85, 5, 10 wt%가 되게 칭량한 후 100 MPa에서 일방향 압축 성형하여 원통형의 압분체를 만들었다. 고온에서 열분해 현상으로 인한 질량 감소를 최소화하기 위해 α -Si₃N₄분말 속에 압분체를 넣고 1850℃, 질소 분위기에서 5시간 상압 소결을 행하였다. 소결체를 절단하고 절단면을 1㎛까지 미세 연마한 후 전자현미경으로 관찰한 결과 두드러진 이중구조의 양상을 나타내었다.

도 2는 초기 원료 분말의 입자 크기에 따른 미세조직의 변화를 살펴보기 위해 침강법에 의하여 분리해낸 미세한 분말(평균입자크기 0.2~0.3㎛)과 분리 전 분말(평균입자크기 0.5~0.6㎛)을 사용한 시편의 미세조직을 이미지 분석한 결과이다. 미세 조직 분석결과 미세한 분말을 원료분말로 사용한 경우 기존의 상업적 분말에서는 볼 수 없는 이중구조 미세조직을 나타냄을 알 수 있다.

[실시예 2]

실시예 1과 같은 방법으로 분리한 평균 입자 크기가 0.2~0.3 ㎛인 Si₃N₄분말과 Si₃N₄소결체 형성을 위한 소결조제로서 3Y₂O₃· 5Al₂O₃를 각각 90, 10 wt%가 되게 칭량한 후 실시예 1과 동일한 방법에 의하여 압분체를 제조하였다. 얻어진 압분체를 고온에서 열분해 현상으로 인한 질량 감소를 최소화하기 위해 α -Si₃N₄분말속에 압분체를 넣고 1850℃, 질소 분위기에서 1, 5, 10 시간 소결하였다. 소결체를 미세 연마한 후 전자 현미경으로 관할한 미세조직의 이미지 분석 결과 10시간 소결에서 두드러진 이중 구조의 양상을 나타내었다.

도 3은 소결 시간에 따른 미세조직의 변화를 이미지 분석한 결과이다. Si₃N₄조성에서는 분석 결과에서 나타난 바와 같이 10시간 소결에서 이중 구조의 미세조직을 보여주고 있다.

본 발명에 따르면 질화규소계 소결체의 미세조직은 길게 성장한 주상형 입자가 균일하게 분포하는 이중 구조의 미세조직이 얻어질 수 있다. 특히, 저온소결에 의해서도 작고 균일한 입자들 사이에 길게 성장한 주상형 입자가 분포함으로서 파괴인성을 향상시키고 일반적인 고인성 질화규소계 세라믹스 제조에 따른 고비용 문제를 해결하고 나아가 다양한 부분에의 응용이 가능하게 된다.

Claims (2)

1. 평균 입자 크기가 0.5㎛ 이하인 Si₃N₄초기 원료 분말을 얻고, 상기 초기 원료 분말 및 소결조제 (SiAlON 소결체의 경우 AlN, Y₂O₃, Al₂O₃등, Si₃N₄소결체의 경우 Y₂O₃, Al₂O₃등)를 혼합하고, 압축 성형한 후, 얻어진 압분체를 1850 ℃ 이하의 온도에서 상압 소결함으로써 얻어진 소결체의 미세조직이 상기 상압 소결 시간에 의존하여 변화하는 이중 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 질화규소계 소결체의 미세조직 제어방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 평균 입자 크기가 0.5㎛ 이하인 Si₃N₄초기 원료 분말은 침강법 내지 원심 분리법을 통해 얻어지는 것을 특징으로 하는 질화규소계 소결체의 미세조직 제어방법.

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