KR100336276B1 - 금속 및 세라믹 소결체 및 코팅의 제조방법 - Google Patents

금속 및 세라믹 소결체 및 코팅의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 분산 매질인 물 및(또는) 극성 유기 용매 중에 분산 되어 있는
(a) 개별 입자들의 1 % 미만이 평균 입도로부터 40 % 초과의 편차를 갖고 60 % 초과의 편차를 갖는 개별 입자는 본질적으로 존재하지 않는 나노 크기 세라믹 또는 금속 분말 입자 및
(b) 분말 입자의 표면 상에 존재하는 기와 반응 및(또는) 상호 반응할 수 있는 관능기를 1개 이상 갖는 1종 이상의 저 분자량 유기 화합물로 이루어진 금속 및 세라믹 소결체 또는 코팅의 제조 방법으로서, 추가로 분산 매질을 제거하고, 분산 매질 제거 전 또는 후에 표면 개질 세라믹 또는 금속 분말을 압분체 또는 코팅으로 성형시키고, 이 압분체 또는 코팅을 소결시키는 것으로 이루어진 상기 금속 및 세라믹 소결체 또는 코팅의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

금속 및 세라믹 소결체 및 코팅의 제조 방법
본 발명은 표면 개질된 나노 크기(nanoscale) 금속 또는 세라믹 입자의 현탁액을 사용하여 금속 또는 세라믹 분말로부터 소결체 또는 코팅을 제조하는 방법을 제공한다.
이하, "나노 크기 입자"는 평균 입도가 50 nm 이하, 특히 30 nm 이하, 특히 바람직하기로는 10 nm 이하인 입자(분말도 포함)를 의미하는 것으로 이해되어야 한다. "나노 분산성(nanodisperse) 물질"은 결합제일 수 있고 분산 보조제를 함유할 수 있는 담체 매질 중에 분산된 나노 크기 입자이다.
나노 분산성 물질의 가공에는 본질적으로 다음과 같은 두가지 문제점이 있다. 즉,
(a) 이들 물질의 가공시 입자 응집의 조절 문제, 및
(b) 높은 고체 함량을 갖는 가공성 세라믹 재료의 제조 문제.
문제 (a)와 관련하여, 서브미크론(submicron) 분말로부터 나노 크기 분말로의 전이시에 일반적으로 응집의 증가가 관찰되는 것이 분명하다. 이는 입도의 감소와 함께 약한 상호 작용력, 예를 들면 반데르 바알스력이 상당한 중요성을 띠게 되거나 심지어 지배적이게 된다는 사실에 기인할 수 있다. 또한, 입자 표면은 항상 관능기, 즉, 응결될 수 있는 기에 의해 점유된다는 사실에 기인할 수 있다. 종래의 서브미크론 분말에 있어서, 이들 관능기는 단지 이들이 필수 유기 가공 보조제(분산 보조제, 결합제 등)에 대한 상호 작용의 중심으로서 사용될 수 있을 정도로서만 중요하였다. 그러나, 나노 분산성 물질의 큰 표면적 대 용적 비 때문에, 표면 기들은 또한 다른 관점에서는 매우 중요한 것으로 취급되고 있다. 한편으로, 이들은 유사하게 유기 가공 보조제에 대한 반응 중심으로서 제공된다. 그러나 다른 한편으로, 이들은 개별 입자들간에 발생하는 응결 반응의 결과로 견고한 응집체의 형성을 유도할 수도 있다. 이어서, 이들 입자들은 소위 소결 브리지(bridge)에 의해 서로 접합될 수 있다. 그러므로, 조절된 방식으로 응집된 분말을 얻을 수 있는 방법으로서 응집을 제어 할 수 있는 방법을 개발하는 것이 요구된다. 또한, 이런 방법을 사용하여 반응성 표면을 바깥쪽으로 차폐함으로써, 입자 상호간의 응결이 예방하는 것이 바람직할 수 있다.
상기 문제(b)와 관련하여, 큰 고체 함량과 성형 공정에 적절한 가공성을 갖는 세라믹 화합물의 제조는 심각한 난점을 안고 있음이 명백하다. 압분체 및 소결체 모두에 있어서 심각한 결함을 유발할 수 있는 응집 물질을 방지하기 위해 이물질은 일반적으로 현탁액으로 사용한다. 현탁액의 안정화를 위해 일반적으로 응집을 방지하며 현탁액에 필수 가공성을 제공하는 작용을 갖는 분산 보조제를 첨가한다. 현탁액의 안정화를 위해 일반적으로 두 가지 주요 과정, 즉, 정전기적 안정화 및 입체 안정화가 현저히 바람직할 수 있다.
정전기적 안정화는 현탁된 나노 크기 입자의 비교적 큰 수력학적 반경에 의해 적은 고체 함량만이 적합하다는 단점을 갖는다. 반대로, 입체 안정화는 수력학적 입자 반경이 훨씬 작기 때문에 원칙적으로, 나노 크기 물질로부터 큰 고체 함량을 갖는 현탁액의 제조 가능성을 제공한다.
입체 안정화의 잇점은 SiO2의 예와 관련하여 이미 게재된 바 있다. 이 경우, 분산 보조제로 입자 표면 상에 흡수되는 비이온성 유기 중합체(예, 폴리메틸메타크릴레이트)를 일반적으로 사용하였다. 이런 종류의 안정화의 단점은 약 20 내지 30 용량%의 최대 고체 함량만이 적합하고, SiO2와 상이한 물질계에만 적용할 수 있어 상당한 제한을 갖고 있다는 것이다. 이는 특히 물질에 대한 특이한 표면 화학적 특성(예, 산성/염기성) 때문에 일반적으로 고려될 수 없다.
그러므로, 적당한 화학적 화합물을 사용하여 입자 표면을 개질시킴으로써 최적의 분산도가 성취되고 분산액의 큰 고체 함량이 적합하도록 할 수 있는 방법을 제공하는 것이 요구된다.
예를 들면, 질화 티타늄(TiN)은 경질 금속 물질군에 해당되며 3 차원 결정구조를 갖는다. 높은 비율의 공유 결합 때문에 TiN은 고융점, 고경도 및 양호한 내산화성 및 내부식성을 갖는다. 이들 특성은 금속의 마모 방지용 코팅 재료로서 및 다상 세라믹, 예를 들면 Al2O3/TiN 또는 Si3N4/TiN의 성분 중 하나로서 TiN을 사용하는 동기가 된다.
오늘날 순수한 TiN 코팅 또는 TiC의 배합물로의 TiN 코팅은 기상법을 통해제조되고 있다. 이러한 방법으로는 CVD(화학 증착) 및 PVD(물리 증착)법이 있다. 해당 장치는 시판 중이며, 공업적 제조 공정의 부분품이다. 이들 코팅은 다음 분야에서 사용된다. 즉
- 연마 및 마찰학적 용도에 있어서 금속의 마모 방지,
- 기계 가공 능력을 증가시키기 위한 커팅, 드릴링 및 밀링 공구,
- 화학 반응로의 부식 방지 코팅,
- 시계 케이스 및 보석의 코팅.
예를 들면 CVD 및 PVD에 의해 제조된 TiN 코팅의 단점은 기판에 대한 불충분한 접착력이며, 그 결과 코팅은 종종 분리되어 떨어지고 이를 코팅한 공구는 조기에 쓸모없이 된다. 사용될 수 있는 기판은 높은 내열성을 갖는 금속, 경질 금속, 예를 들면 WC/Co 또는 세라믹 삽입물이다.
TiN, TiC, SiC 등의 나노 결정성(나노 크기 결정성) 세라믹 분말들의 다른 용도는 복합 세라믹, 예를 들면 Al2O3/TiC 또는 Si3N4/TiN에 있어서의 용도이다. 이러한 분말들을 매트릭스 재료에 첨가함으로써 매트릭스 재료의 기계적 성질, 예를 들면 경도, 인성 또는 압축 강도를 향상시킬 수 있다. 유사한 방법으로, 분말 야금학적 방법으로 제조된 벌크 세라믹 및 금속 재료의 기계적 성질은 나노 결정성 분말의 사용에 의해 상당히 개선시킬 수 있다.
예를 들면, 큰 공유 결합 특성에 의해 순수한 TiN은 단지 매우 낮은 소결 활성을 갖는다. 그러므로, 압밀에는 소결용 첨가제의 사용이 일반적으로 필요하다.가장 간단한 경우로서 물의 존재하에 공기 중에서 TiN 표면 상에 형성되는 TiO2를 들 수 있다. 예를 들면 0.1 ㎛의 평균 입도를 갖는 TiN 분말을 약 1,500 ℃의 온도에서 가압 없이 95 %의 상대적 밀도까지 소결시킬 수 있는 것으로 보고되어 있다. 이 소결 반응은 TiN 입자 표면 상에 위치한 TiO2의 파괴에 의한 압밀을 유도하는 확산 메카니즘의 활성화에 기인된다.
다양한 문헌들이 가압하 및(또는) 소결용 첨가제 존재하의 TiN의 소결을 다루고 있다. 따라서, 최대 2,100 ℃의 온도 및 14 MPa의 소결 압력에서 1 ㎛의 d50값을 갖는 TiN 분말의 고온 압축은 TiN의 이론적인 밀도의 93 %의 밀도를 유도한다[엠. 모리자마(M. Morijama) 등의 "Mechanical and Electrial Properties of Hot-Pressed TiN-Ceramics without Additives", J. Jap. Ceram. Soc., 22(1991), 제275페이지 내지 281페이지 참조]. 문헌[엠. 모리자마 등의 "The Mechanical and Electrical Properties of Hot-Pressed TiN Ceramics with Various Additives," J. Jap. Ceram. Soc.,101(1993), 제271페이지 내지 276페이지]에는 고온 압축 동안 소결용 첨가제의 존재하의 TiN의 압밀 반응이 기재되어 있다. 1,950 ℃ 및 14 MPa, 이론치의 약 97 %의 밀도로 고온 압축시킨 후 총 10 중량%의 Al2O3, Y2O3및 B4C를 갖는 시료가 생성되었다. 또한, 1,800 ℃ 및 5.0 GPa에서 고온 압축시킴으로써 95 %가 압밀된 것으로 보고되었다.
본 발명의 목적은 입자 응집의 조절 및 사용된 입자 현탁액의 충분히 높은 고체 함량을 가능하게 하며, 비교적 낮은 소결 온도에서 수행될 수 있는 금속 및세라믹 소결체 및 코팅의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 개별 입자 중 1 % 미만이 평균 입자로부터 40 %를 초과하는 편차를 가지며, 60 %를 초과하는 편차를 갖는 개별 입자는 존재하지 않는 나노 결정성 금속 또는 세라믹 분말을, 분말 입자의 표면 상에 존재하는 기들과 반응 및(또는) 상호 반응할 수 있는 1개 이상의 관능기를 갖는 1종 이상의 저 분자량 유기 화합물 존재하에, 분산 매질인 물 및(또는) 극성 유기 용매 중에 분산시키고, 이 분산 매질을 제거하고, 분산 매질의 제거 전 또는 후에 표면-개질된 금속 또는 세라믹 분말을 가공하여 압분체 또는 코팅을 성형시키고 소결시키는 것을 특징으로 하는 금속 및 세라믹 소결체 또는 코팅의 제조 방법에 의해 성취된다.
이 본 발명의 방법은 나노 크기 금속 및 세라믹 분말의 응집을 조절하는 것을 가능하게 하며, 그 결과, 큰 고체 함량을 갖는 이와 같은 입자의 분산이 만족스러운 방법으로 생성될 수 있다.
본 발명에 의한 방법에 적당한 출발 물질은 구체적으로, 바람직하기로는 100 nm 미만의 주 입도를 갖는 나노 결정성 금속 및 세라믹 분말이다. 이 분말은 고도로 응집된 상태로 공급된다. 특히 바람직한 금속 및 세라믹 분말은 독일 특허출원 제P4214719.0호, 제P4214722.0호, 제P4214729.9호, 제P4214724.7호 및 제P4214725.5호에 기재되어 있다. 이들은 독일 특허 출원 제P4214719.0호에 기재된 방법에 따른 CVR법에 의해, 독일 특허 출원 제P4214725.5호에 제공된 CVR 장치에서 얻을 수 있다. 이들 특허 출원의 내용은 전적으로 참고로 본 출원 명세서에 인용되었다. 해당 본문은 부록 A(719.0), B(122.0), C(724.7), D(725.5), E(729.9)(여기서, 괄호안의 번호는 독일 특허 출원 번호의 끝 번호임)로서 제공되어 있다.
독일 특허 출원 제P4214719.0호(미합중국 특허 출원 제08/050,590호)는, 금속 화합물 및 공반응물을 반응 온도 이상에서 서로 별도로 반응기에 도입시키는 것을 특징으로 하는, 기체상 중에서 대응하는 금속 화합물과 대응하는 공반응물의 반응(CRV; 여기서, 금속 화합물 및 다른 공반응물이 반응기에서 기체상으로 반응이 유발되고, 임의의 벽 반응 없이 기체상으로 부터 직접 균일하게 응축되고, 계속해서 반응 매질로부터 분리된다)에 의한 미립자성 금속 및(또는) 세라믹 분말의 제조 방법을 기재하고 있다. 다수의 금속 화합물 및(또는) 공반응물이 도입되는 경우, 각각의 기체 혼합물들은 가온 동안 반응 생성물의 응고를 유발하는 반응이 발생되지 않도록 선정된다. 이 방법은 관 모양의 반응기에서 수행하는 것이 특히 유리하다. 이는 특히 금속 화합물, 공반응물 및 생성물 입자가 층류식으로 반응기를 통해 유동하는 경우 바람직하다. 금속 화합물 및 공반응물을 동축 층류 하부 스트림으로서 반응기에 도입시키는 것이 특히 바람직하다. 그러나, 2개 동축 하부 스트림의 철저한 혼합을 얻기 위해 다른 완전한 층류에 장애 요소를 설치하여 일정한 강도와 확장력을 갖는 카르만(Karman) 소용돌이 경로를 생성시킨다.
이와 같은 방법의 바람직한 실시태양은 카르만 소용돌이 경로에 의해 일정한 방법으로 금속 화합물과 공반응물의 동축 층류 스트림들을 혼합하는 것으로 이루어져 있다.
에너지가 큰 분야에 특히 바람직한 반응기 벽 상의 공반응물의 침전 방지를 위해 반응 매질을 불활성 가스 블랭킷으로 차폐시키는 것이 바람직하다. 이는 불활성 가스 스트림을 특별히 성형된 환상 갭을 통해 반응기 벽에 도입시킴으로써 수행될 수 있다. 코안다(Coanda) 효과 때문에, 불활성 가스 스트림은 반응기 반대쪽에 위치된다. 기체상으로부터의 균일한 침전의 결과로 10 내지 300 mses의 전형적인 체류 시간으로 반응기 내에 생성된 금속 또는 세라믹 분말 입자들은 기체 반응물, 및 캐리어 가스, 청소 가스로서 HCl 흡수를 감소시키기 위해 취입되는 불활성 가스와 함께 반응기를 떠난다.
이어서, 금속 또는 세라믹 분말은 사용된 금속 화합물, 공반응물 및(또는) 반응 동안 필연적으로 생성되는 생성물의 비점 또는 승화점을 초과하는 온도에서 분리 제거시키는 것이 바람직하다. 여기서, 분리 제거는 블로우-백 필터에 의해 수행하는 것이 유리할 수 있다. 후자가 예를 들면 600 ℃의 고온에서 운전되는 경우,매우 큰 표면적의 세라믹 또는 금속 분말에서의 기체, 특히 HCl, NH3, TiCl4등의 불활성 기체의 흡착은 낮게 유지될 수 있다. 특히, NH4Cl의 형성(350 ℃ 초과)이 질화물의 제조시에 예방된다.
분말 표면 상에 흡착된 채로 여전히 남은 방해 물질들은 추가로 하류 진공 용기에서 바람직하기로는 다시 600 ℃의 온도에서 제거시킬 수 있다. 이어서, 마무리 처리된 분말은 공기의 제거와 함께 장치로부터 방출된다.
바람직한 금속 화합물은 BCl3, 붕산 에스테르, 보란, SiCl4, 기타 클로로실란, 실란, 금속 할로겐화물, 부분적으로 수소화된 금속 할로겐화물, 금속 수소화물, 금속 알코올레이트, 금속 알킬, 금속 아미드, 금속 아지드, 금속 보로하이드라이드 및 금속 카르보닐로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 화합물이다.
추가로 바람직한 공반응물은 H2, NH3, 히드라진, 아민, CH4, 기타 알칸, 알켄, 알킨, 아릴, O2, 공기, BCl3, 붕산 에스테르, 보란, SiCl4, 기타 클로로실란 및 실란으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 화합물이다.
나노- 또는 마이크로 분산성(결정성 또는 비결정성) 금속 및(또는) 세라믹 분말들은 본 발명의 방법에 의해 제조될 수 있으며, 바람직한 금속 및(또는) 세라믹 분말은 원소 B, Al, Si, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, La, Y, Fe, Co, Ni 단독 또는 이들을 조합한 것의 탄화물, 질화물, 붕소화물, 규화물, 아인산염, 황화물, 산화물 및(또는) 이들의 혼합물이다.
본 발명의 방법에 의해 1 내지 3,000 nm(3 ㎛)의 사이에서 조정될 수 있는 입도 및 극히 좁은 입도 분포를 갖는 금속 및 세라믹 분말을 제조할 수 있다. 이와 같이 제조된 입자의 특징은 평균 입도보다 현저히 큰 입자가 전혀 없다는 것이다. 따라서, 본 발명의 방법에 의해 제조된 분말 중 일반적으로 평균 입도로부터 20 %를 초과하는 편차를 갖는 개별 입자는 1 % 미만이다. 50 %를 초과하는 편차를 갖는 입자들은 존재하지 않는다.
비-산화물 분말은 극히 낮은 산소 함량(1,000 ppm 미만)을 갖는다. 이 분말의 추가 특성은 고 순도, 고 표면 순도 및 양호한 재생성이다.
본 발명에 의한 방법에서는 극히 저온에서 금속 또는 세라믹 분말을 완전히 소결시킬 수 있다. 이 경우 소결 온도는 융점 또는 분해점의 0.4 내지 0.6이 바람직하다. 이는 대응하는 세라믹에 대한 새로운 응용 분야를 개척한 것이다. 또한, 감소된 금속 소결 온도 범위에 현저한 잇점이 있다.
분산 매질 중 금속 및 세라믹 출발 물질의 응집체를 최초 입자로 응집 분해시키고 안정한 나노 분산성 현탁액을 제조하기 위해 본 발명에 의한 표면 개질제, 즉, 금속 및 세라믹 입자의 표면 상에 존재하는 기와 반응 및(또는) 상호 반응할 수 있는 관능기를 바람직하기로는 1개 이상 갖는 표면 개질된 저 분자량 유기(탄소 함유) 화합물을 사용한다. 여기에 적당한 화합물은 구제적으로 1,000 이하, 바람직하기로는 500 이하, 특히 바람직하기로는 350 이하의 분자량을 갖는 화합물이다. 이와 같은 화합물은 표준 조건하에서 액체이고, 분산 매질 중에서 가용성이거나 또는 적어도 유화성인 것이 바람직하다.
이와 같은 화합물은 총 30개 이하, 특히 총 20개 이하, 특히 바람직하기로는 총 15개 이하의 탄소 원자를 함유하는 것이 바람직하다. 이들 화합물이 함유해야 하는 관능기는 주로 사용된 특정 출발 물질의 표면의 기에 의존하고 또한 목적하는 상호 작용에 의존한다. 브뢴스테드(Bronsted) 또는 루이스 이론에 의한 산/염기 반응(착물 형성 및 부가물 형성 포함)이 표면 개질 화합물의 관능기와 입자 표면의 기 사이에서 발생할 수 있다. 다른 적당한 상호 작용의 예는 쌍극자-쌍극자 상호 작용이다. 따라서, 바람직한 관능기의 예는 카르복실산기, (1급, 2급 및 3급) 아미노기 및 C-H 산기이다. 또한, 다수의 이들 기는 1개 분자(베타인, 아미노산, EDTA 등) 내에 존재할 수도 있다.
따라서, 특히 바람직한 표면 개질제의 예는 탄소수 1 내지 12의 포화- 또는불포화 모노- 및 폴리카르복실산(바람직하기로는 모노카르복실산), 예를 들면 포름산, 아세트산, 프로피온산, 부티르산, 펜탄산, 헥산산, 아크릴산, 메타크릴산, 크로톤산, 시트르산, 아디핀산, 숙신산, 글루타르산, 옥살산, 말레산 및 푸마르산이다. 불포화 카르복실산의 경우, 에틸렌계 불포화 이중 결합의 도움으로 교차 결합을 수행할 수 있다.
다른 적당한 표면 개질제의 예는 모노- 및 폴리아미드, 구체적으로 일반식 R3-nNHn(여기서, n은 0, 1 또는 2이고 R 잔기는 서로 독립적으로 탄소수 1 내지 12, 특히 1 내지 6, 특히 바람직하기로는 1 내지 4의 알킬기, 예를 들면 메틸, 에틸, n- 및 i-프로필 및 부틸기임)의 모노- 및 폴리아미드 및 에틸렌 폴리아민(예, 에틸렌 디아민, 디에틸렌 트리아민 등), 탄소수 4 내지 12, 특히 5 내지 8의 β-디카르보닐 화합물, 예를 들면 아세틸 아세톤, 2,4-헥산 디온, 3,5-헵탄 디온, 아세토아세트산 및 C1-C4-알킬 아세토아세테이트, 오르가노알콕시 실란, 예를 들면 콜로이드성 실릭산의 표면 개질에 사용되는 오르가노알콕시 실란(예, 일반식 R4-mSi(OR')m(여기서, R 및 R'은 서로 독립적으로 C1-C4-알킬이고 m은 1, 2, 3 또는 4임의 화합물) 및 OR기(여기서, R은 상기 정의한 바와 동일함)의 일부가 불활성 유기기에 의해 치환되고, 이를 통해 입자 표면에 존재하는 OR기의 결합(축합)이 발생하며 유기기는 차폐 효과를 나타내는 개질된 알코올레이트이다. 상기 경우의 예는, 예를 들면 지르코늄 및 티타늄 알코올레이트 M(OR)4(M = Ti, Zr)이고, 여기서 OR기의 일부는 착화제, 예를 들면 β-디카르보닐 화합물 또는 (모노)카르복실산에 의해 치환되었다. 에틸렌계 불포화 화합물(예, 메타크릴산)을 착화제로서 사용하는 경우, 추가로 교차 결합이 발생될 수 있다(상기 참조).
TiN의 경우 특히 바람직한 표면 개질제는 구아니딘 카르보네이트 및 구아니딘 프로피온산이다.
물 및(또는) 극성 유기 용매를 분산 매질로서 사용한다. 적당한 극성 유기 용매는 수혼화성인 것이 바람직하다. 사용될 수 있는 극성 유기 용매의 구체적인 예는 예를 들면 탄소수 1 내지 6의 지방족 알코올(구체적으로, 메탄올, 에탄올, n- 및 i-프로판올 및 부탄올), 아세톤 및 부타논 등의 케톤, 에틸 아세테이트 등의 에스테르, 디에틸 에테르, 테트라히드로푸란 및 테트라히드로피란 등의 에테르, 디메틸아세트아미드 및 디메틸포름아미드 등의 아미드, 술폴란 및 디메틸 술폭시드 등의 술폭시드 및 술폰, 및 할로겐화 지방족 탄화수소이다. 자연적으로, 이들 용매의 혼합물을 사용할 수도 있다.
사용 분산 매질은 증류(임의로, 감압하에 수행)에 의해 용이하게 제거할 수 있는 비점을 갖는다. 200 ℃ 미만, 특히 150 ℃ 미만의 비점을 갖는 용매가 바람직하다.
본 발명에 의한 방법의 실행에 있어서, 분산 매질의 함량은 일반적으로 20 내지 90 중량%, 바람직하기로는 30 내지 80 중량%, 특히 바람직하기로는 35 내지 75 중량%이다. 분산액의 나머지는 세라믹 또는 금속 출발 분말 및 저 분자량 유기 화합물(표면 개질제)로 이루어져 있다. 이 경우, 세라믹 또는 금속 출발 물질분말/표면 개질제의 중량비는 일반적으로 1000:1 내지 4:1, 특히, 500:1 내지 8:1, 특히 바람직하기로는 250:1 내지 10:1이다.
본 발명에 의한 방법은 실온(약 20 ℃)에서 분산 매질의 비점까지의 온도에서 수행하는 것이 바람직하다. 분산 온도는 50 내지 100 ℃의 범위가 바람직하다. 특히, 바람직한 실시태양에서는, 분산 매질의 환류 온도를 사용한다.
분산 시간은 특히 사용된 물질의 종류에 좌우되나 일반적으로 수분 내지 수시간, 예를 들면 1 내지 24시간이다.
응집 분해를 향상시키기 위해 분산액(현택액)을 임의로 초음파, 강력 믹서에 의해 또는 통상적인 세라믹 연마 공정, 예를 들면 진탕 볼 밀에서 처리할 수 있다.
표면 개질의 완료 후, 얻은 분산액(현탁액)은 그 자체로, 압분체 제조용 또는 코팅 기판용으로 추가 가공하거나, 또는 추가 가공 전에 분산 매질을 전체적으로 또는 부분적으로 제거한다(예를 들면, 목적하는 고체 농도에 도달될 때까지). 특히 바람직한 분산 매질 제거 방법은 동결 건조 또는 동결 분무 건조이다.
건조 후, 표면 개질 금속 또는 세라믹 분말은 임의로 물 및(또는) 유기 용매로 이루어진 상이한 분산 매질 중에 재분산시킨다. 완벽한 재분산을 위해 무엇보다도 분말을 표면 개질제로 개질시키고, 이어서, 이를 유기 용매, 유기 용매와 물의 혼합물 또는 순수한 물 중에 재분산시키는 것이 적당한 것으로 입증되었다.
본 발명의 방법에 의해 얻은 금속 또는 세라믹 현탁액 또는 건조, 표면 개질 비결정성 금속 또는 세라믹 분말은 100 nm 미만의 입도 분포를 갖는다. 이들은 추가로 다양한 방법으로 가공되어 압분체 또는 소결체 또는 소결 코팅을 생성할 수있다. 예를 들면 압출 화합물을 제조할 수 있으며, 압출 후 이 화합물은 소결시켜 최종 성형체를 생성할 수 있다. 이 공정에서, 압출 화합물 100 중량부에 대해 20 내지 80 중량부, 특히 30 내지 70 중량부, 특히 바람직하기로는 40 내지 60 중량부의 표면 개질 금속 또는 세라믹 분말(그 자체 또는 예를 들면 전술한 바와 같이 생성된 분산액의 형태), 10 내지 70 중량부, 특히 20 내지 60 중량부, 특히 바람직하기로는 30 내지 50 중량부의 분산 매질 및 0.5 내지 20 중량부, 특히 2 내지 15 중량부, 특히 바람직하기로는 5 내지 10 중량부의 첨가제(결합제, 가소제 및 이들의 혼합물 중에서 선택됨)를 일반적으로 사용한다.
상기 결합제 및 가소제는 바람직하기로는 개질된 셀룰로오스(예, 메틸셀룰로오스, 에틸셀룰로오스, 프로필셀룰로오스 및 카르복시 개질 셀룰로오스), 폴리알킬렌 글리콜(특히, 바람직하기로는 400 내지 50,000의 평균 분자량을 갖는 폴리에틸렌 글리콜 및 폴리프로필렌 글리콜), 디알킬프탈레이트(예, 디메틸프탈레이트, 디에틸프탈레이트, 디프로필프탈레이트 및 디부틸프탈레이트) 및 이들 물질들의 혼합물 중에서 선택된다. 자연적으로, 다른 결합제 및 가소제, 예를 들면 폴리비닐알코올 등을 사용할 수도 있다.
상기 결합제 및 가소제는 압출 가능한 화합물 및 성형 후의 충분한 치수 안정성을 얻는데 필요하다.
상기 성분들의 철저한 혼합(예, 통상적인 혼합 장치에서) 후, 바람직하기로는 감압하에 압출 화합물이 목적하는 고체 함량을 갖게 될 때까지 분산 매질의 일부를 제거시킬 수 있다. 압출 화합물의 바람직한 고체 함량은 적어도 30 용량%, 특히 40 용량%이다.
다른 바람직한 성형 방법은 전기 영동, 슬립 주입, 슬립 가압 주입 및 가압 여과, 및 이들의 혼합, 또한 사출 성형, 섬유 방사, 겔 주입 및 원심분리이다. 이들 성형 방법들에 의해 고 압분 밀도를 갖는 압축 성형체가 얻어진다. 코팅 목적으로 현탁액을 사용할 수도 있다. 적당한 코팅 방법은 예를 들면 담금 코팅, 스핀 코팅, 닥터 블레이드 도포, 살포 및 전기 영동이다. 고려되는 기판으로는 금속, 세라믹, 경질 금속, 유리 및 서멧(cermet)이다. 코팅은 단일층 또는 다층으로서 도포될 수 있다.
이어서, 제조된 압분체 또는 코팅은 건조 및 소결 처리될 수 있다. 놀라웁게도, 이 공정에서, 목적하는 압축은 비교적 저온에서도 수행되는 것으로 밝혀졌다. 또한, 놀라웁게도, 소결 첨가제가 필요하지 않다. 소결 온도는 일반적으로 융점 또는 분해점의 0.4 내지 0.6 배의 범위이다. 이는 선행 기술보다 현저히 낮은 온도이며, 온도가 융점 또는 분해점에 근접해질 경우는 소결 첨가제 및 가능하게는 압력이 요구된다.
얻은 세라믹 및 금속 소결체 또는 코팅은 100 nm 미만의 입도, 이론치의 95% 초과의 밀도 및 고 경도를 갖는 나노 크기 구조를 특징으로 한다.
본 발명에 따라 제조된 금속 및 세라믹 소결 성형체는 예를 들면 다음과 같이 사용된다. 즉,
- 예를 들면 연마 분말용 벌크 세라믹,
- 장식 목적, 마모 방지용 금속, 세라믹 및 유리의 코팅 재료, 특히 절단 공구 상의 코팅 및 연마제 또는 연마 분말,
- 세라믹/세라믹 복합체 중의 성분. 특히, 매트릭스 상으로서 고려되는 Al2O3, TiC, SiC 및 Si3N4,
- 나노 복합체의 성분,
- 비교적 조악한 세라믹용 소결 보조제,
- 경질류 금속/세라믹 복합체,
- 서멧,
- 여과 목적, 예를 들면 마이크로-울트라-나노-여과 및 역삼투용 미세 다공성 코팅.
이하, 실시예에 의해 본 발명을 추가로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 이해되어서는 안된다.
실시예 1
나노 크기 TiN의 표면 개질
구아니딘 프로피온산 1 g을 물 및 에탄올의 혼합물(용량비 = 1:1) 200 ㎖ 중에 용해시켰다. 이 용액에 독일 연방 공화국 특허 출원 제P4214719.0호(미합중국 특허 출원 제08/050,590호)의 실시예 2에 따라 얻은 TiN 분말 10 g을 일정하게 교반시키면서 가하였다. 계속해서, 혼합물을 100 ℃에서 환류시키면서 5시간 동안 가열시켰다. 반응 시간의 종료 후, 현탁액을 분리시키고 여과 잔류물을 에탄올로 세척하였다. 얻은 습윤 분말을 70 ℃에서 8시간 동안 건조시켰다.
실시예 2
TiN 분말의 재분산 및 슬립 형성
실시예 1로부터의 표면 개질 TiN 분말 60 g을 일정한 교반 및 불연속 초음파 처리하에 물 100 ㎖에 가하였다. 이 과정에서, 현탁액의 pH는 수산화 테트라부틸 암모늄 첨가에 의해 약 9의 값으로 유지시켰다. 37.5 중량%의 고체 함량을 갖는 안정한 슬립을 제조하였다. 입도는 20 내지 50 nm의 범위이었다.
실시예 3
물 대신에 재분산용 매질로서 메탄올을 사용하는 것을 제외하고 실시예 2의 방법을 반복하였다.
실시예 4
물 대신에 재분산 매질로서 에탄올을 사용하는 것을 제외하고 실시예 2의 방법을 반복하였다.
실시예 5
TiN 슬립으로부터의 압분체 제조(슬립 주입)를 위해 실시예 2로부터의 37.5 중량% 농도의 TiN 슬립 50 ㎖를 둥근 PMM 주형(직경 40 mm, 높이 50 mm, 공급 크기 1 ㎛)에 주입시켰다. 6시간 동안 놓아둔 후, 직경 40 mm, 높이 3 mm, 이론치의 40-50 %인 압분체 밀도를 갖는 압분체를 제조하였다.
실시예 6
추가 압력(5 bar)을 가하여 주입 시간을 줄이는 것을 제외하고 실시예 5의 방법의 따라 압분체를 제조하였다.
실시예 7
압분체 소결
실시예 5에 의해 제조된 압분체를 기후 캐비넷에서 조절된 습도 및 온도하에 건조시켰다. 건조 후 이들을 아르곤 분위기 하에 1,100 ℃ 내지 1,300 ℃의 TiN 융점 온도 온도에서 소결시켰다. 가열 속도는 600 ℃ 까지는 3 K/분이었고 600 ℃에서 등온 고정 온도 사이에서는 20 K/분이었다. 소결 처리 결과 시료는 이론치의 95 % 초과의 상대적 밀도에 도달하였다. 100 nm 미만의 평균 입도를 가졌다.
실시예 8
Al 2 O 3 기판의 코팅
실시예 1의 방법을 수행한 후 20 중량% 농도의 수성 현탁액의 표면 개질 TiN 분말을 제조하였다. 조밀한 소결된 Al2O3판을 이 현탁액에 침액시켜 코팅하였다. 코팅된 판을 아르곤 분위기하에서 1,300 ℃에서 건조 및 소결시켰다. 그리하여 약 5 ㎛의 두께를 갖는 고체 TiN 상부 코팅을 얻었다.

Claims (36)

  1. 분산 매질인 물 및(또는) 극성 유기 용매 중에 분산 되어 있는
    (a) 개별 입자들 중 1 % 미만이 평균 입도로부터 40 %를 초과하는 편차를 갖고, 60 %를 초과하는 편차를 갖는 개별 입자는 본질적으로 존재하지 않는 나노 크기 세라믹 또는 금속 분말 입자, 및
    (b) 분말 입자의 표면 상에 존재하는 기와 반응 및(또는) 상호 반응할 수 있는 관능기를 1개 이상 갖는 1종 이상의 저 분자량 유기 화합물로 이루어진 금속 및 세라믹 소결체 또는 코팅의 제조 방법에 있어서, 분산 매질을 제거하는 단계, 분산 매질 제거 전 또는 후에 표면 개질 세라믹 또는 금속 분말을 압분체 또는 코팅으로 성형하는 단계, 및 압분체 또는 코팅을 소결시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 개별 입자 중 1 % 미만이 펑균 입도로부터 20 %를 초과하는 편차를 가지며, 50 %를 초과하는 편차를 갖는 개별 입자는 존재하지 않는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항 또는 2항에 있어서, 개별 입자 중 1 % 미만이 평균 입도로부터 10 %를 초과하는 편차를 가지며, 40 %를 초과하는 편차를 갖는 개별 입자는 존재하지 않는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항 또는 2항에 있어서, 금속 및(또는) 세라믹 분말이, 원소 B, Al, Si, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, La, Y, Fe, Co, Ni 단독 또는 이들을 조합한 것의 탄화물, 질화물, 붕소화물, 규화물, 아인산염, 황화물, 산화물 및(또는) 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항 또는 2항에 있어서, 1.0 nm에서 100 nm 미만 사이의 한정된 입도를 갖는, Fe, Co, Ni, W 및 Mo로 이루어진 군으로부터 선택된 금속의 미립자성 분말을 금속 분말로서 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항 또는 2항에 있어서, 1.0 nm에서 3 ㎛ 사이의 한정된 입도를 갖는, B, Al, Si, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta 및 Cr로 이루어진 군으로부터 선택된 금속의 미립자성 분말을 금속 분말로서 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항 또는 2항에 있어서, 100 nm를 초과하는 Si3N4및 200 nm를 초과하는 AlN을 제외한 미립자성 비-산화물계 세라믹 분말 MeX(여기서, Me는 B, Al, Si, Ti, Zr, Hf, V, Ta, Nb, Mo, W, La, Fe, Co, Ni 및 Cr 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되고, X는, C, N, B, Si 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택됨)를 세라믹 분말로서 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제5항에 있어서, 세라믹 분말이 5,000 ppm 미만의 산소 함량을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제8항에 있어서, 산소 함량이 1,000 ppm 미만인 것을 특징으로 하는 방법.
    방법.
  10. 제8항에 있어서, 산소 함량이 50 ppm 미만인 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제1항 또는 2항에 있어서, 산소 함량이 5,000 ppm 미만인 금속 분말을 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제9항에 있어서, 산소 함량이 1,000 ppm 미만인 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제11항에 있어서, 산소 함량이 50 ppm 미만인 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제1항에 있어서, 금속 산화물의 미립자성 산화물계 세라믹 분말을 사용하고, 금속은 Al, Si, Zr, Hf, Ta, Nb, Mo, W, V, La, Y 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되고, Al2O3는 α-상으로 존재하며 SiO2는 결정 형태로 존재하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제14항에 있어서, 산화물 불순물을 제외하고 세라믹 분말의 총 불순물이 5,000 ppm 미만인 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제15항에 있어서, 산화물 불순물을 제외하고 총 불순물이 1,000 ppm 미만인 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제16항에 있어서, 산화물 불순물을 제외하고 총 불순물이 200 ppm 미만인 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제17항에 있어서, 표면 개질 금속 또는 세라믹 분말을 융점 또는 분해점의 0.4 내지 0.6 배인 온도에서 소결시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제1항에 있어서, 저 분자량 유기 화합물이 1,000 이하, 특히 500 이하의 분자량을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제1항 또는 19항에 있어서, 저 분자량 유기 화합물이 지방족 화합물, 포화 또는 불포화 C1-C12모노카르복실산, 폴리카르복실산, 일반식 R3-nNHn(여기서, n=0, 1 또는 2, 잔기 R은 서로 독립적으로 탄소수 1 내지 12의 알킬기를 나타냄)의 아민, 탄소수 4 내지 12의 β-카르보닐 화합물, 티탄산 에스테르, 알코올레이트 및 오르가노알콕시실란으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제20항에 있어서, R이 탄소수 1 내지 6의 알킬기인 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제20항에 있어서, 디카르보닐 화합물이 5 내지 8개의 탄소 원자를 갖는 것인 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 제20항에 있어서, 분산 매질이 물과 극성 유기 용매의 혼합물로 이루어진 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제20항에 있어서, 분산 매질의 총 중량을 기준으로 20 내지 90 중량%의 세라믹 또는 금속 분말 및 저 분자량 유기 화합물을 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 제24항에 있어서, 분산 매질을 30 내지 80 중량%로 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 제20항에 있어서, 세라믹 또는 금속 분말/저 분자량 유기 화합물의 중량비가1000:1 내지 4:1인 것을 특징으로 하는 방법.
  27. 제26항에 있어서, 분말/유기 화합물의 중량비가 500:1 내지 8:1의 범위인 것을 특징으로 하는 방법.
  28. 제1항에 있어서, 분산이 20 ℃에서 분산 매질의 비점까지의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  29. 제28항에 있어서, 분산 매질을 환류시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  30. 제1항에 있어서, 분산 매질을 동결 건조 또는 동결 분무 건조에 의해 제거시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  31. 제1항에 있어서, 표면 개질 세라믹 또는 금속 분말을 분산 매질로부터 분리한 후 다른 매질에 재분산시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  32. 제1항의 방법에 따라 제조된 금속 또는 세리믹 소결체.
  33. 제1항의 방법에 따라 제조된 금속 또는 세라믹 코팅.
  34. 기판과 조합된 제33항 기재의 코팅.
  35. 제 32항에 있어서, 나노 크기 평균 입도(100 nm) 및 이론치의 95 %를 초과하는 밀도를 갖는 금속 또는 세라믹 소결체.
  36. 제 33항에 있어서, 나노 크기 평균 입도(100nm) 및 이론치의 95%를 초과하는 밀도를 갖는 금속 또는 세라믹 코팅.
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