KR100717201B1 - 고강도 세라믹 복합체의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고강도 세라믹 복합체의 제조방법에 관한 것으로서, 규사, 규석, 규산분말, 주조분진, 주물사, 플라이 애시 등의 저가 또는 폐기물 원료를 알루미늄 또는 마그네슘 등 금속분말 및 탄소 분말과 소정의 몰 비율로 혼합하고 이 혼합물을 통기성 몰드에 넣어 공기 중에서 통기 연소 합성시킨 후 제조한 합성분말을 플라즈마 방전소결법을 이용하여 고경도, 고강도 및 내화성의 세라믹 복합체로 제조하는 방법을 제공할 수 있으므로 불활성 분위기 형성을 위한 별도의 밀폐로나 고압 용기가 필요하지 않고, 반응 촉진제를 사용하지 않고 원료 분말만으로 합성하므로 별도의 비용이 들어가지 않으며 배출가스와 부산물이 거의 발생하지 않고 통기성 몰드를 사용하므로 예열효과와 배출 효과가 증가하여 대량 합성이 일어날 뿐만 아니라 주조분진, 폐주물사, 플라이애시 등 산업폐기물을 경제적으로 재활용할 수 있는 매우 뛰어난 효과가 있다.

산업폐기물, 통기성몰드, 연소합성, 플라즈마 방전소결법

Description

고강도 세라믹 복합체의 제조방법{A method of producing high strength ceramics}

도 1은 통기성 몰드를 이용한 연소합성장치의 모식도이다.

도 2는 일반 몰드와 통기성몰드를 비교한 모식도이다.

도 3은 공기 중에서 통기성 몰드를 이용하여 합성한 생성물의 XRD정성분석 결과를 보여주는 것이다.

도 4는 공기분위기에서 (a)용량 3cc의 소형 통기성 몰드와 (b)용량 4,500cc의 대형 통기성 몰드를 이용하여 연소합성한 분말의 상분석 결과를 보여주는 것이다. 상기 상분석 결과 대량 합성의 경우에도 소량 합성의 경우와 동일한 결과를 보일 것으로 판단된다.

도 5는 본 발명에서 제조한 세라믹 복합체의 비커스 경도를 측정한 결과이다.

도 6은 본 발명에서 제조한 세라믹 복합체의 4점 꺾임 강도를 측정한 결과이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1: 예열로 2: 열전대

3: 탄소몰드 4: 탄소전극

5: 혼합분말 6: 전원

7: 내부 차단막

본 발명은 고강도 세라믹 복합체의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 더 상세하게는 공기 중에서 통기성 몰드를 이용하여 대량으로 통기 연소 합성하고 합성분말을 플라즈마 방전소결하여 고경도, 고강도, 내화성 세라믹을 제조하는 방법에 관한 것이다.

주조분진, 플라이애시 등 다량 발생하는 산업폐기물은 매립시 토양 오염의 심각한 원인이 되므로 그 적절한 처리방법이 요구되어 왔다. 이들 폐기물의 주성분은 실리카와 알루미나이고 특히 입자가 1~2 마이크론으로 미세하여 세라믹스의 원료로 활용할 경우 고부가가치를 부여할 수 있는 자원이다. 그러나 이들 폐기물에는 주성분 외에도 불순물 성분이 들어 있어 이를 분리 정제하는데 많이 비용이 들어간다.

따라서, 폐기물과 혼재되어 있는 다른 성분을 분리 정제하지 않고 혼합되어 있는 상태로 활용할 수 있는 기술이 요구되었고, 간단한 장치와 적은 비용으로 이차 불순물이 발생하지 않는 고순도의 세라믹 분말을 합성할 수 있는 연소합성법이 개발되었다.

종래의 연소합성법을 이용한 분말합성은 500기압의 고압으로 가압하여 성형 체를 제작하고 예열한 후 진공 중에서 점화시키는 방법, 800기압의 고압으로 가압하여 성형체를 제작하고, 예열한 수 아르곤 가스 등 불활성 분위기 중에서 점화시키는 방법, 분말상태의 혼합 분말을 30기압의 고압의 질소 분위기에서 점화시키는 방법, 및 반응촉진제를 20% 첨가한 후 고압으로 가압하여 성형체를 제조하고 공기중에서 점화시키는 방법 등이 있다.

이와 같은 종래의 방법은 고압의 프레스 성형을 이용한 분말 성형체의 제작, 분위기 조절 및 점화 촉진제의 첨가 공정이 요구되었다. 특히, 종래의 연구방법은 연소합성시 일회 합성량이 수 그램 미만의 소량으로 대량합성이 불가능하였다.

따라서, 본 발명자는 상기한 문제점을 해결하기 위하여 연구한 결과, 프레스 성형, 분말 성형 공정 및 점화 촉진제 사용공정을 제거하고 혼합 분말과 통기성 몰드를 이용한 통기 연소 합성법을 이용함으로써 세라믹 분말을 대량 합성하였으며 플라즈마 방전소결법을 이용하여 고경도, 고강도 및 내화성의 세라믹을 제조하는 방법을 제공함으로써 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명의 효과로 산업 폐기물을 저렴하게 처리할 수 있으며 또한 방법이 간단하고 공정의 최소화로 저렴한 경제적 비용으로 고급 세라믹 복합체를 제조할 수 있게 되었다.

본 발명의 목적은 혼합 분말과 통기성 몰드를 이용한 통기 연소 합성법을 이용함으로써 세라믹 분말을 대량 합성하고 플라즈마 방전소결법을 이용하여 고경도, 고강도 및 내화성의 세라믹을 제조하는 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명은 고강도 세라믹 복합체의 제조방법에 관한 것으로서 보다 상세하게는 Al₂O₃, MgO 등의 산화물과 SiC, TiC 등의 비산화물이 복합된 세라믹의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명의 제조방법은 공기 중에서 통기연소합성법으로 세라믹 분말을 대량합성하고 이 분말을 플라즈마 방전소결하여 고경도, 고강도, 내화성 세라믹을 제조하는 것이다.

종래에는 세라믹 복합체를 제조하기 위하여 세라믹 복합분말을 제조하고 이를 상압 소결 또는 가압 소결하였다. 세라믹 복합분말의 제조는 간단하게는 복합분말을 구성하는 각각의 산화물과 비산화물 세라믹 분말을 제조하고 혼합하는 방법이 있으나 이는 균일혼합의 문제가 있고 또한 고가의 비산화물 세라믹 분말 제조공정으로 인하여 비경제적이다.

이를 해결하는 방법의 하나로 SiO₂를 포함하는 저가의 원료로부터 산화물과 비산화물이 혼합된 복합분말을 단번에 합성하는 연소합성 방법이 있었다. 이 방법은 하지만 원료분말을 가압하여 성형체를 형성하여야 하고 이를 진공이나 가스 분위기하에서 점화를 시켜야 하였다. 따라서 이 방법은 가압성형 공정이 들어가고 또한 분위기 소결을 위한 밀폐로를 사용하여야 하므로 고가의 공정이 될 수밖에 없었다.

한편, 가압 성형한 분말을 공기 중에서 점화하는 경우도 있었으나 이 경우에 는 반드시 반응촉진제를 다량 첨가하여 열량을 보충하지 않으면 반응이 일어나지 않았다. 이 경우 고가의 반응촉진제를 첨가하여야 하므로 역시 고비용이 소모되었다.

본 발명은 가압성형공정이 필요 없고 반응촉진제가 필요 없으며 밀폐로와 분위기 소결이 필요없는 보다 효과적이고 경제적인 공정을 제공한다. 본 발명은 저가의 원료분말을 통기연소합성법으로 고가의 원료로 전환시키고 플라즈마 방전소결법으로 고경도, 고강도, 내화성 세라믹을 제조한다.

상기 본 발명의 고강도 세라믹 복합체의 제조방법은 규소 포함 원료 분말을 금속 분말 및 탄소 분말과 소정의 몰 비율로 혼합하는 단계와, 상기 단계에서 혼합된 혼합물을 통기성 몰드를 이용하여 공기 중에서 연소 합성시키는 단계와, 플라즈마 방전 소결하여 치밀질 세라믹 복합체를 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 본 발명의 고강도 세라믹 복합체의 제조 방법은 대량연속공정이 가능하므로 경제적인 방법이라고 할 수 있다.

그 구체적 공정은 다음과 같다:

제 1단계: 산화규소 분말, 규사 분말, 규석 분말, 주조분진, 폐주물사 및 플라이애시 분말로 구성되는 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 저가 또는 폐기물 원료를 알루미늄 또는 마그네슘의 금속분말 및 탄소분말과 혼합하는 단계;

제 2단계: 상기 단계의 혼합분말을 통기성 몰드에 담아 넣고 예열하는 단계;

제 3단계: 통기성 몰드와 점화장치를 이용하여 대량으로 연소합성 반응을 일 으키는 단계; 및

제 4단계: 상기 단계에서 합성된 고급 복합분말을 플라즈마 방전소결하여 고강도, 고경도 및 내화성 세라믹을 제조하는 단계.

상기 제 1단계는 연소합성반응에서 균일한 생성물을 얻고 반응 초기 반응물의 산화·환원 반응을 원활하게 진행시키기 위한 것이다.

상기 제 1단계에서 저가 또는 폐기물 원료와; 금속분말과; 탄소분말의 혼합비는 저가 또는 폐기물 원료 3 몰중량부에 대하여 금속분말 3~10 몰중량부와 탄소분말 1~10 몰중량부인 것이 바람직하다.

본 발명에서 금속분말은 산화하면서 열을 내는 역할을 하고 SiO₂의 산소를 빼앗아 Si로 환원시킴으로써 탄소 분말과 상기 환원된 Si가 반응하여 SiC를 형성되도록 하는 역할을 한다. 따라서, 금속분말이 3 몰중량부보다 적게 첨가되면 반응에 충분한 열을 내지 못하고 SiO₂의 환원이 어려워 SiC가 형성되기 어려워 세라믹 복합체의 생성율이 떨어지는 단점이 있으며 10 몰중량부보다 많이 첨가되어도 반응에 필요한 열이나 환원반응이 더 향상되지 않으므로 경제성이 떨어진다.

또한, 본 발명에서 탄소분말은 환원된 Si와 결합하여 SiC를 형성하게 되는데 만일 1 몰중량부보다 적게 첨가되면 SiC 복합체가 만들어지기 어렵고, 탄소분말이 열을 내는데 사용되지 않으므로 첨가량이 많을수록 반응온도를 낮추게 되는데 만일 탄소분말이 10 몰중량부보다 많이 첨가되면 스스로 연소 반응이 일어나지 않게 되 어 결국 더 이상 연소반응이 진행되지 않게 된다.

상기 제 3단계는 통기성 몰드에 의한 산소유입으로 인한 반응열 상승과 예열기로부터의 예열증가 효과, 그리고 반응가스의 원활한 배출 효과를 얻을 수 있으며, 통기성 몰드를 이용하지 않는 경우 연소합성은 일어나지 않는다.

상기 제 4단계에서 플라즈마 방전소결은 1400-1800℃에서 실시하는 것이 바람직하나 가장 바람직하게는 1600℃에서 실시하는 것이 좋다. 상기 온도 범위에서 소결시켜야 고강도, 고경도 및 내화성을 갖춘 세라믹을 얻을 수 있다.

본 발명에서 개발한 통기연소합성법은 통기성 몰드를 사용하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 통기성 몰드를 이용한 연소합성장치는 예열로(1), 열전대(2), 탄소몰드(3), 탄소전극(4), 전원(6) 및 내부차단막(7)을 포함한다. 먼저, 탄소몰드(3) 내의 내부차단막(7) 안쪽 즉, 통기성 몰드 안으로 혼합분말(5)을 넣고 예열로(1)를 이용하여 500-700℃로 예열한 다음 탄소전극(4)을 이용하여 공기 중에서 아크방전으로 점화시켜 연소합성반응을 시킨다. 이 때 열전대(2)는 내부 온도를 측정하는 일종의 온도 센서 역할을 하는데 상기 열전대(2)에는 두 줄이 있어 열을 가했을 때 생기는 전압차가 상기 두 줄 사이의 간격을 통해 전해지고 상기 간격을 통해 내부의 온도를 측정하게 된다.

본 발명의 통기성 몰드는 탄소 몰드(3)와 내부 차단막(7)으로 이루어진다. 탄소 몰드(3) 벽면에는 복수개의 통기구멍이 뚫려 있으며 상기 통기구멍은 전체 탄소 몰드 벽면 대비 표면적의 10-80%를 차지한다. 만일 통기구멍이 표면적의 10%보 다 작은 비율로 뚫려 있으면 통기 연소 합성반응이 일어나기 어렵고 표면적이 80%보다 큰 비율로 뚫려 있으면 공기 유입량이 너무 커지고 몰드를 구조적으로 지탱하기 어려운 단점이 있다. 통기구멍의 크기는 몰드의 크기에 따라 크게 달라질 수 있으며 바람직하기로는 그 직경이 0.2-0.5 cm이다. 내부 차단막(7)은 얇은 망, 펠트, 또는 종이 형태의 탄소막으로 분말이 구멍을 통하여 밖으로 나가지 못하도록 차단하는 역할을 한다.

본 발명의 통기성 몰드는 공기의 유입과 외부열의 유입이 자유로워서 연소반응이 일어날 때 산화반응을 추가로 일으킬 수 있어서 반응열 증가효과가 있으며 또한 배기가스 유출이 자유로워서 연소반응이 일어날 때 몰드 내부 압력을 안전선 밑으로 낮추는 역할을 한다. 통기구멍이 없으면 반응열이 낮아서 반응이 일어나지 않으며 설사 일어난다 하더라도 반응가스의 축적으로 인한 내부압력 증가로 말미암아 몰드 내부의 물질이 폭발적으로 몰드 입구를 통하여 분출되는 문제가 발생한다. 통기성 몰드는 공기 유입으로 인한 산소공급, 반응열 상승, 예열효과 증진, 반응가스 배기효과 등의 이점이 있다.

이하 본 발명을 실시예에 의해 보다 자세하게 설명하지만, 본 발명의 범위가 여기에 한정되는 것이 아님은 물론이다.

실시예 1

산업폐기물인 주조분진, 알루미늄분말, 탄소분말을 3:8:3의 몰중량 비율로 섞고 볼밀로 혼합하였다. 분말 혼합물을 직경 100 mm, 높이 150 mm의 통기성 몰드에 부어 넣고 600℃로 예열한 후 공기 중에서 아크방전으로 점화시켜 700 g의 합성분말을 제조하였다. 합성분말은 엑스선 분석 결과 알루미나와 탄화규소로 구성되어 있었다. 합성분말을 하소하여 탄소를 제거하고 50 MPa, 1600 ℃에서 6 분간 플라즈마 방전 소결하여 Al₂O₃-SiC 세라믹 복합체를 제조하였다.

제조한 세라믹 복합체는 굽힘강도 2000 MPa, 비커스경도 1750 Hv 값의 초고경도 값을 갖는 것으로 나타나 일반 고강도 세라믹 재료보다 50-100 % 물성이 향상된 것으로 나타났다.

실시예 2

산업폐기물인 플라이애시 분말, 마그네슘분말, 탄소분말을 3:3:1의 몰중량 비율로 섞고 볼밀로 혼합하였다. 분말 혼합물을 직경 100 mm, 높이 150 mm의 통기성 몰드에 부어 넣고 500℃로 예열한 후 공기 중에서 아크방전으로 점화시켜 700 g의 합성분말을 제조하였다. 합성분말은 엑스선 분석 결과 알루미나와 탄화규소로 구성되어 있었다. 합성분말을 하소하여 탄소를 제거하고 40 MPa, 1400 ℃에서 10 분간 플라즈마 방전 소결하여 Al₂O₃-SiC 세라믹 복합체를 제조하였다.

제조한 세라믹 복합체는 굽힘강도 1950 MPa, 비커스경도 1730 Hv 값의 초고경도 값을 갖는 것으로 나타나 일반 고강도 세라믹 재료보다 30-80 % 물성이 향상된 것으로 나타났다.

실시예 3

산화규소분말, 알루미늄분말, 탄소분말을 3:10:10의 몰중량 비율로 섞고 볼밀로 혼합하였다. 분말 혼합물을 직경 100 mm, 높이 150 mm의 통기성 몰드에 부어 넣고 700℃로 예열한 후 공기 중에서 아크방전으로 점화시켜 700 g의 합성분말을 제조하였다. 합성분말은 엑스선 분석 결과 알루미나와 탄화규소로 구성되어 있었다. 합성분말을 하소하여 탄소를 제거하고 60 MPa, 1800 ℃에서 5 분간 플라즈마 방전 소결하여 Al₂O₃-SiC 세라믹 복합체를 제조하였다.

제조한 세라믹 복합체는 굽힘강도 2050 MPa, 비커스경도 1760 Hv 값의 초고경도 값을 갖는 것으로 나타나 일반 고강도 세라믹 재료보다 60-110 % 물성이 향상된 것으로 나타났다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 고강도 세라믹 복합체의 제조방법은 공기 중에서 연소합성하므로 불활성 분위기 형성을 위한 별도의 밀폐로나 고압 용기가 필요하지 않고, 반응 촉진제를 사용하지 않고 원료 분말만으로 합성하므로 별도의 비용이 들어가지 않으며 배출가스와 부산물이 거의 발생하지 않으며, 통기성 몰드를 사용하므로 예열효과와 배출 효과가 증가하여 대량 합성이 일어날 뿐만 아니라 주조분진, 폐주물사, 플라이애시 등 산업폐기물을 경제적으로 재활용할 수 있는 매우 뛰어난 효과가 있으므로 세라믹산업상 매우 유용한 발명인 것이다.

Claims (3)

1. 산화규소 분말, 규사 분말, 규석 분말, 주조분진, 폐주물사 및 플라이애시 분말로 구성되는 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 저가 또는 폐기물 원료를 알루미늄 또는 마그네슘의 금속분말 및 탄소분말과 혼합하는 단계;

   상기 단계의 혼합분말을 통기성 몰드에 담아 넣고 예열하는 단계;

   통기성 몰드와 점화장치를 이용하여 대량으로 연소합성 반응을 일으키는 단계; 및

   상기 단계에서 합성된 고급 복합분말을 플라즈마 방전소결하여 고강도, 고경도 및 내화성 세라믹을 제조하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 고강도 세라믹 복합체의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 통기성 몰드는, 복수개의 통기 구멍이 표면적의 10-80% 뚫려 있는 탄소 몰드와; 얇은 망, 펠트 또는 종이 형태의 탄소막으로 분말이 구멍을 통하여 밖으로 나가지 못하도록 차단하는 역할을 하는 내부 차단막으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고강도 세라믹 복합체의 제조방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 저가 또는 폐기물 원료, 금속분말 및 탄소분말의 혼합비는 저가 또는 폐기물 원료 3 몰중량부에 대하여 금속분말은 3~10 몰중량부이고 탄소분말은 1~10 몰중량부인 것을 특징으로 하는 고강도 세라믹 복합체의 제조방 법.

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