KR100758440B1

KR100758440B1 - 알루미나-지르코니아/알루미늄 복합체의 제조방법

Info

Publication number: KR100758440B1
Application number: KR1020010051233A
Authority: KR
Inventors: 정두화
Original assignee: 주식회사 포스코; 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2001-08-24
Filing date: 2001-08-24
Publication date: 2007-09-14
Also published as: KR20030017103A

Abstract

본 발명은 세라믹 프리폼을 이용한 세라믹/금속 복합체에 관한 것으로, 그 목적은 용융실리카 소결체의 세라믹 프리폼 대신에 지르코니아 분말과 용융 실리카분말을 출발물질로하여 지르코니아-실리카계 프리폼을 만들고 이 프리폼을 용융 알루미늄과 치환반응시킴으로써 강도 및 파괴인성이 개선된 알루미나-지르코이나/알루미늄 복합체를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 용융실리카 분말:60 - 90중량%, 지르코니아 분말:10-40 중량%로 조성되는 성형체를 소결하여 실리카-지르코니아질 프리폼을 만드는 단계 및,

상기 프리폼을 750-1100℃의 온도에서 용융시킨 알루미늄과 반응시키는 단계를 포함하여 이루어지는 알루미나-지르코니아/알루미늄 복합체의 제조방법에 관한 것을 그 기술적요지로 한다.

세라믹/금속 복합체, 지르코니아, 실리카, 알루미늄, 프리폼, 소결

Description

알루미나-지르코니아/알루미늄 복합체의 제조방법{Fabrication method of Al203-ZrO/Al composites}

도 1은 본 발명에 따라 제조된 알루미나/지르코니아/알루미늄 복합체로서

도 1(a)는 복합체의 사시도

도 1(b)는 A-A' 절단면의 사시도

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1..... 시편 외관

3..... 반응생성물인 복합체(알루미나-지르코니아/알루미늄)

4..... 미반응의 프리폼(지르코니아-실리카계 소결체)

본 발명은 세라믹 프리폼을 이용한 세라믹/금속 복합체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 지르코니아-실리카계 프리폼을 이용하여 강도 및 파괴인성이 우수한 알루미나-지르코니아/알루미늄 복합체의 제조방법에 관한 것이다.

세라믹/금속복합체는 파괴에 대한 저항성이 강한 재료로 내마모부재나 구조재 및 기계적충격이 강하게 작용하는 곳에 많이 이용되고 있다. 세라믹/금속 복합체의 제조방법으로는

(1) 세라믹(SiC, ZrO₂, Al₂O₃) 분말이나 휘스커를 금속분말과 혼합하여 불활성 분위기에서 열처리함으로써 복합체를 얻는 방법,

(2) 다공성의 세라믹 프리폼을 만든후 이 프리폼에 용융 금속을 물리적으로 침투시켜 복합체를 제조하는 방법,

(3)용융금속을 기상과 직접 반응시켜 복합체를 얻는 방법 및

(4) 세라믹 프리폼과 용융금속사이의 반응(용융금속 치환반응법)에 의하여 복합체를 얻는 방법이 알려져 있다.

상기 (1)(2)의 방법은 복합체의 균질성을 확보하기가 어려우며 제조공정상의 어려움도 많이 따른다. 그리고, 상기 (3)의 방법은 복합체의 형상이나 미세구조제어에 어려움이 있다. 따라서, 상기 (4)의 용융금속 치환 반응법이 많이 이용되고 있다.

용융금속치환반응법은 세라믹 프리폼을 만든 다음에 용융 알루미늄과 화학적으로 반응시켜 세라믹/금속복합체를 제조하는 것으로, 실리카 프리폼의 경우에는 아래와 같은 반응에 의해 비교적 쉽게 복합체를 얻을 수 있으며, 세라믹 프리폼의 형상에 가까운 복합체를 얻을 수 있는 장점이 있다.

3SiO₂ +4 Al → 2Al₂O₃ + 3Si

용융금속의 치환반응에 의한 복합체 제조에 사용되는 세라믹 프리폼으로는 실리카 유리, 뮬라이트, 카올린족 광물등이 사용되고 있다. 또한, 내마모성이 높은 탄화규소나 ZrO₂를 세라믹 프리폼으로 이용하고 있다.

실리카 유리로 세라믹 프리폼을 제조하는 경우에는 SiO2를 2000℃이상에서 용융시키고 유리제품을 만드는 통상의 방법으로 몰드를 이용하여 프리폼을 제조한다. 이 방법은 기공이 적은 균질한 복합체를 얻을 수 있는 장점이 있는 반면, 프리폼이 매우 고가일 뿐 아니라 복잡한 형상의 프리폼을 제조하는 경우에 복잡한 유리제조방법을 이용해야 하는 단점이 있다.

이러한 단점을 극복하기 위해 본 발명자는 용융실리카 분말로 성형체를 만들고 소결하여 세라믹프리폼을 제조하여 알루미나/알루미늄 복합체를 제조하는 기술을 한국 공개특허공보 1999-18886호에 제안한 바 있다. 이 기술은 다양한 형상의 프리폼을 쉽게 만들 수 있는 혁신적인 기술이나 세라믹/금속 복합체의 물리적성질의 개선여지가 남아 있다.

본 발명은 종래의 용융실리카 소결체의 세라믹 프리폼 대신에 지르코니아 분말과 용융 실리카분말을 출발물질로하여 지르코니아-실리카계 프리폼을 만들고 이 프리폼을 용융 알루미늄과 치환반응시킴으로써 강도 및 파괴인성이 개선된 알루미나-지르코이나/알루미늄 복합체를 제공하는데, 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 알루미나-지르코니아/알루미늄 복합체의 제조방법은, 용융실리카 분말:60 - 90중량%, 지르코니아 분말:10-40 중량%로 조성되는 성형체를 소결하여 실리카-지르코니아질 프리폼을 만드는 단계 및,

상기 프리폼을 750-1100℃의 온도에서 용융시킨 알루미늄과 반응시키는 단계를 포함하여 구성된다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명자는 알루미나/알루미늄 복합체의 강도를 개선하기 위한 연구과정에서 실리카 소결체 대신에 실리카-지르코니아 소결체를 프리폼으로 사용하는 경우에 강도 및 파괴인성이 개선된다는 사실에 주목하여 본 발명을 완성한 것이다.

본 발명에서 실리카-지르코니아 소결체는 그 배합비가 지르코니아:10-40 중량% 및 실리카:60-90 중량%로 하는 것이 바람직한데, 그 배합비는 프리폼의 소결성, 생성된 복합체의 내마모성 및 강도발현성을 고려하여 한정한 것이다.

실리카-지르코니아 소결체 프리폼의 제조방법은 실리카 분말과 지르코니아 분말을 혼합하여 성형한다. 이때 실리카분말은 비정질상의 용융실리카(fused silica)를 사용해야하며, 가능한 고순도의 것이 바람직하다. 또한 입자크기는 소결성을 고려하여 20㎛이하의 것을 사용하는 것이 좋다. 지르코니아 분말의 입자크기는 45㎛이하의 분말을 사용하는 것이 바람직하다.

성형은 실리카와 지르코니아의 혼합 분말을 금형몰드에 넣고 유압성형기를 이용 통상의 방법으로 성형체를 만들거나, 슬러리를 만든후 석고몰드에 스립캐스팅하여 성형체를 만드는 방법 등 통상의 방법을 사용할 수 있다. 상기와 같은 방법으로 성형체를 만든 다음에 건조하고 소결한다.

성형체의 소결은 1300 - 1400℃의 온도에서 행하고 노내에서 냉각하는 것이 바람직하다. 소결온도가 1300℃미만의 경우에는 프리폼의 기공율이 높아 복합체 제조시 반응시간이 많이 소요되거나 균질한 복합체를 제조하기가 어렵다. 또한 소결온도가 1450℃ 보다 높은 경우에는 프리폼에 함유된 실리카의 구성 결정상이 비정질상에서 결정질(cristobalite)로 전이되면서 프리폼내부에 미세균열을 발생시켜 균질한 복합체를 얻기 어렵게 된다.

다음 상기 프리폼을 알루미늄 용탕에 침적하여 반응시켜 알루미나-지르코니아/알루미늄 복합체를 얻는다. 이때 알루미늄은 알루미늄괴나 펠렛상의 고순도 알루미늄을 사용할 수 있다. 프리폼과 알루미늄의 반응은 먼저, 금속 알루미늄을 담은 알루미나 도가니를 상온의 노내부에 장입한다. 이어 노내가 750-1100℃로 유지되면 프리 폼을 알루미늄 용탕속에 침적시켜 일정시간 동안 반응시킨후 알루미늄 용탕속에서 꺼내면 프리폼과 용융 알루미늄의 반응에 있어서 프리폼내의 실리카는 상기 반응식 1과 같은 반응에 의해 알루미나화 된다. 석출된 금속 규소는 금속 알루미늄에 고용되거나 알루미늄 용탕속으로 빠져나온다. 지르코니아는 프리폼 내부에 그대로 존재하여 알루미나-지르코니아/알루미늄 복합체가 형성되는 것이다. 이때 반응온도를 750℃미만으로 하면 금속알루미늄의 용융에 시간이 많이 소요되며, 알루미늄과 프리폼의 반응에 의한 복합체의 생성속도가 너무 느리다. 또한 1100℃이상에서 반응시키면 알루미늄 용탕표면의 산화속도가 빨라서 비효율적이다. 최적 반응온도는 1000℃정도 이다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다.

[실시예]

용융 실리카분말과 지르코니아분말을 알루미나 포트에서 24시간 볼밀링하여 얻은 스러리를 건조한후, 얻은 분말을 50MPa의 압력으로 15ψx10mm 크기의 펠렛상 시편을 성형하였다. 성형시편을 전기로를 이용 1250 - 1450℃의 온도범위에서 각각 2시간 정도 소성하였으며 이때 승온속도는 분당 5℃로 하였고 냉각속도는 자연노냉시켰다. 이렇게 얻어진 프리폼을 700 - 1200℃의 온도범위에서 용융 알루미늄과 5시간 반응시켜 알루미나-지르코니아/알루미늄 복합체를 제조하였다.

		비교예					발명예
		1	2	3	4	5	1	2	3	4
프리폼의 조성	ZrO₂ SiO₂	5 95	60 40	30 70	30 70	30 70	40 60	30 70	30 70	10 90
프리폼의 소성온도(℃)		1400	1400	1400	1450	1250	1400	1400	1300	1300
Preform의 특성	프리폼의 상대밀도 (%)	95	82	90	95	73	93	95	90	92%
Preform의 특성	프리폼 내 실리카의 결정상	비정질	비정질	비정질	크리스토발라이트	비정질	비정질	비정질	비정질	비정질
금속 Al과의 반응온도(℃)		1000	1000	700	1100	1000	1000	800	1000	1000
반응성 및 복합체의 특성	생성두께 (mm/hr)	3.0	2.0	0.1	3.0	0.1	3.0	2.5	2.5	3.0
	복합체의 외관 상태	양호	불량	미반응	균열조재	미반응	양호	양호	양호	양호
	복합체 특성	내마모성 부족 저강도		-	강도열화	-	고강도 고내마모	고강도	고강도	고강도

상기 표 1에 나타나 있듯이, 본 발명의 범위를 만족하는 발명예(1~4)는 프리폼의 특성과 복합체의 특성 모두 우수함을 알 수 있었다.

반면, 비교예(1)과(2)는 프리폼의 구성에 있어서 지르코니아 및 실리카의 함량이 본 발명의 범위를 벗어난 것으로 프리폼내에 지르코니아의 함량이 적은 것은 복합체 제조에는 문제가 없으나 내마모성을 향상시키는 효과가 없으며, 지르코니아의 첨가량이 40%를 넘으면, 프리폼 제조시 치밀화가 어려우며, 복합체내 금속 알루미늄의 함량이 부족하여 강도발현이 어려웠다.

비교예(3)은 세라믹 프리폼과 용융알루미늄과의 반응시 반응온도가 본 발명의 범 위를 벗어난 것으로, 낮은 온도때문에 금속 알루미늄이 충분히 용융되지 않아서 반응성이 부족한 때문이다.

비교예(4)와 비교예(5)는 프리폼의 소성온도가 본 발명의 범위를 벗어난 것으로 비교예(4)는 소결체의 밀도는 충분하나 높은 소성온도로 인하여 비정질 실리카가 상전이되면서 프리폼 내부에 균열이 발생되어 균질한 복합체를 제조할 수 없었다. 비교예(5)의 경우 소성온도가 낮기 때문에 제조된 프리폼의 기공율이 높으며, 이로 인하여 프리폼을 용융 알루미늄과 반응시 표면만 반응되며, 오랜시간 유지하여도 복합체의 제조가 불가능하였다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 실리카 소결 프리폼 대신에 실리카-지르코니아 소결 프리폼을 이용함으로써 강도 및 파괴인성이우수한 알루미나-지르코니아/ 알루미늄 복합체를 제조할 수 있는 유용한 효과가 있는 것이다.

Claims

용융실리카 분말:60 - 90중량%, 지르코니아 분말:10-40 중량%로 조성되는 성형체를 소결하여 실리카-지르코니아질 프리폼을 만드는 단계 및,

상기 프리폼을 750-1100℃의 온도에서 용융시킨 알루미늄과 반응시키는 단계를 포함하여 이루어지는 알루미나-지르코니아/알루미늄 복합체의 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 성형체의 소결은 1300~1400℃범위에서 행해짐을 특징으로 하는 알루미나-지르코니아/알루미늄 복합체의 제조방법.