KR100810048B1 - 금속 실리사이드-ＳｉＣ 복합재료의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속 실리사이드-SiC 복합재료의 제조방법에 관한 것으로, 특히 금속 탄화물 및 실리콘 분말의 혼합물을 나노분말화한 후, 이 혼합물에 압력 및 유도전류에 의하여 발생된 열을 가하여 금속 실리사이드-SiC 복합재료를 합성한 다음, 상기 가해진 압력과 유도전류를 제거하고 냉각하여 금속 실리사이드-SiC 복합재료를 제조함으로써 유도전류에 의한 간접가열에 의한 단일공정에 의하여 2 분 이내라는 짧은 시간에 제조할 수 있고, 별도의 후처리 공정 없어 제조 시간과 단가를 줄일 수 있는 금속 실리사이드-SiC 복합재료의 제조방법에 관한 것이다.

나노재료, 금속 실리사이드, 실리콘 카바이드, 고주파 유도가열 연소합성, 유도전류

Description

금속 실리사이드-ＳｉＣ 복합재료의 제조방법 {METHOD FOR PREPARING OF METAL SILICIDE-SIC COMPOSITE}

도 1은 본 발명의 일실시예에서 사용되는 고주파 유도가열 연소합성장치의 개략도이다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 제조과정에 있어서 밀링 후, 연소 전, 연소 후의 온도변화와 수축변위를 나타낸 것이다.

도 3a 내지 도 3b는 본 발명의 일실시예에 따른 제조과정에 있어서 밀링 후, 연소 전, 연소 후의 SEM 사진이다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 제조과정에 있어서 밀링 후, 연소 전, 연소 후의 XRD 패턴을 나타낸 것이다.

* 도면의 주요 부호에 대한 설명*

100: 고주파 유도가열 연소합성장치 110: 다이 부재

120: 가압 부재 130: 유도 전류 발생 부재

본 발명은 금속 실리사이드-SiC 복합재료의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 내산화성과 기계적 성질이 우수한 나노구조(크기)의 금속 실리사이드-SiC 복합재료를 유도전류에 의한 간접가열에 의한 단일공정에 의하여 2 분 이내라는 짧은 시간에 제조할 수 있고, 별도의 후처리 공정 없어 제조 시간과 단가를 줄일 수 있는 금속 실리사이드-SiC 복합재료의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 원소분말을 사용하여 연소합성법으로 화합물을 제조하는 경우 생성물에는 기공이 많이 형성된다. 따라서, 이러한 기공이 형성되지 않아 치밀한 화합물을 빠른 시간 내에 제조하기 위하여 압력을 가한 상태에서 펄스된 고전류를 분말과 다이에 통전시키는 스파크 프라즈마 소결(Spark Plasma Sintring) 장비가 1990 년 초에 일본 스미토모 회사에서 개발하였으며, 현재 많은 나라에서 이 장비를 이용하여 기공이 없는 치밀한 화합물을 제조하는 방법에 대한 연구가 진행되고 있다.

그러나, 상기 장비를 사용할 경우 생성물의 결정상 크기가 마이크로 단위로 조대하고, 화합물을 제조하기 위해서 30 ㎾의 전력이 소모된다는 문제점이 있다.

상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자, 본 발명은 내산화성과 기계적 성질이 우수한 나노구조(크기)의 금속 실리사이드-SiC 복합재료를 유도전류에 의한 간접가열에 의한 단일공정에 의하여 2 분 이내라는 짧은 시간에 제조할 수 있고, 별도의 후처리 공정 없어 제조 시간과 단가를 줄일 수 있으며, 이렇게 제조된 복합재료는 1300 ℃ 이상으로 사용하는 고온재료로 적용가능한 금속 실리사이드-SiC 복합재료의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 금속 탄화물 및 실리콘 분말의 혼합물을 나노분말화하는 단계; 상기 나노분말화된 혼합물에 압력 및 유도전류에 의하여 발생된 열을 가하여 금속 실리사이드-SiC 복합재료를 합성하는 단계; 상기 합성된 금속 실리사이드-SiC 복합재료에 가해진 상기 압력과 유도전류를 제거하는 단계; 및 상기 금속 실리사이드-SiC 복합재료를 냉각하는 단계를 포함하는 금속 실리사이드-SiC 복합재료의 제조방법을 제공한다.

또한 내부에 관통공이 형성되어 있고 상기 관통공 내부에 나노분말화된 금속 탄화물 및 실리콘 분말의 혼합물을 수납하기 위한 다이 부재; 외부 압력 발생 장치로부터 전달된 압력을 상기 관통공 내부의 상기 혼합물에 가하기 위한 가압 부재; 및 상기 다이 부재의 주변에 이격되어 배치되어 유도 전류를 발생하는 유도 전류 발생 부재를 포함하는 금속 실리사이드-SiC 복합재료 제조 장치를 제공한다.

이하 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명자들은 원소분말을 사용하여 화합물을 제조하는데 있어 고주파 유도가열 연소합성법으로 제조한 결과, 기공이 없이 치밀한 화합물을 후 공정의 실시 없이 단일공정으로 단시간 내에 화합물을 제조할 수 있음을 확인하고, 이를 토대로 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명의 금속 실리사이드-SiC 복합재료는 금속 탄화물 및 실리콘 분말의 혼합물을 나노분말화하는 단계; 상기 나노분말화된 혼합물에 압력 및 유도전류에 의해 발생된 열을 가하여 금속 실리사이드-SiC 복합재료를 합성하는 단계; 상기 합성된 금속 실리사이드-SiC 복합재료에 가해진 상기 압력과 유도전류를 제거하는 단계; 및 상기 금속 실리사이드-SiC 복합재료를 냉각하는 단계로 제조되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 금속 실리사이드-SiC 복합재료의 제조방법에 대하여 자세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 금속 탄화물 및 실리콘 분말의 혼합물을 나노분말화한다.

상기 금속 탄화물은 TiC, MO₂C, VC, TaC, NbC, WC 또는 ZrC 등을 사용할 수 있으며, 상기 실리콘 분말은 통상의 실리콘을 분말화한 것을 사용할 수 있다.

상기와 같은 금속 탄화물 및 실리콘 분말의 혼합물은 입자크기가 30 ㎚ 이하가 되도록 분말화시키는 것이 좋으며, 일반적으로 분말의 입자크기가 작은 것부터 합성되어 화합물이 생성되기 때문에 최종 생성되는 화합물의 조직이 더 미세화되고, 입자크기가 미세할수록 접촉점이 많아지기 때문에 연소합성이 잘되어 합성이 잘 이루어지므로 분말의 입자크기는 작을수록 좋다.

또한 본 발명에서는 상기 금속 탄화물 및 실리콘 분말의 혼합물은 나노크기로 분말화시킬 수 있는 방법이면 그 종류가 제한되지 않으며, 특히 유성볼밀링법으로 분말화시키는 것이 좋다. 상기 유성볼밀링의 경우 여타의 다른 분쇄법과는 달리 분말 제조시 가해지는 에너지가 충분히 커 분말이 나노화되는데 적합하다.

상기와 같이 나노분말화된 혼합물에는 이후 압력 및 유도전류에 의해 발생된 열이 가해지고, 이로써 금속 실리사이드-SiC 복합재료가 합성되게 된다. 이때, 상 기 금속 실리사이드-SiC 복합재료의 합성은 진공상태에서 이루어지는 것이 좋다.

상기 진공상태는 재료에 따라 달리할 수 있으며, 대기상태나 0.01 내지 1 torr, 바람직하게는 0.4 torr를 유지하는 것이 바람직하다. 상기 진공상태를 유지할 경우 분말 중 실리콘과 대기 중 산소가 반응하여 실리콘 산화물이 생성되는 것을 막아주어 더욱 좋다.

또한 상기 압력의 크기는 클수록 치밀한 생성물을 형성하는데 있어 좋으나, 그 크기는 다이가 견디는 압력크기로 부가되는 것이 바람직하며, 일반적으로 10 내지 1000 MPa로 부가되는 것이 바람직하다. 본 발명에서는 흑연 다이를 사용하기 때문에 상기 흑연 다이가 견딜 수 있는 압력인 60 내지 100 MPa가 적당하며, 금형 다이를 사용할 경우에는 압력을 더 높일 수도 있다.

계속적으로 일정 압력이 부가되는 상태에서 금속 실리사이드-SiC 복합재료에 유도전류에 의해 발생된 열을 가하여 가열하게 되는데, 구체적으로 복합재료의 외부에 접하지 않으면서 그 주위를 둘러싸고 있는 외부 코일에 고주파 전류를 흘려주어 유도전류를 발생시키고, 이 유도전류에 의해 발생된 주울 열에 의해 가열하는 고주파 유도가열 연소합성법으로 금속 실리사이드-SiC 복합재료를 합성하게 된다. 상기 유도전류는 고주파 유도가열 연소합성법과 동시에 치밀화가 일어날 때까지 계속적으로 인가된다.

즉, 본 단계에서는 종래 분말에 펄스 전류를 직접 통전시키는 것이 아닌 분말에 직접적으로 접촉되지 않는 외부 코일에 흘려준 고주파 전류에 의하여 발생된 유도전류를 통해 간접적으로 열이 가해짐으로써 복합재료가 합성되게 되는 것이다.

상기 외부 코일은 전류를 통하게 하는 도전성의 금속 코일을 사용하는 것이 좋으며, 본 발명에서는 구리 코일을 사용한다.

상기 외부 코일에 흘려주는 고주파 전류는 다이의 크기와 관계가 있으며 일반적으로 1 내지 1,000 KHz인 것이 바람직하다. 그 범위가 1 KHz 미만일 경우에는 유도전류가 형성되는 깊이가 깊어져 다이 내부로 열이 깊게 전달될 수 있으나 발생되는 열이 작다는 문제점이 있으며, 1,000 KHz를 초과할 경우에는 침투깊이가 짧아져 다이의 표면만 가열된다는 문제점이 있다.

또한, 상기 고주파 전류에 의한 유도전류에 의해 접적으로 발생된 열에 의한 가열속도는 100 내지 5,000 ℃/min로 이루어지는 것이 좋으며, 바람직하게는 1,000 내지 2,000 ℃/min로 이루어지는 것이다. 상기 가열속도가 100 ℃/min 미만일 경우에는 제조시간이 길어진다는 문제점이 있고, 5,000 ℃/min을 초과할 경우에는 시편과 다이와의 온도차이가 형성되어 써멀 스트레스(thermal stress)에 의해 시편이 부러질 수 있다는 문제점이 있다. 따라서, 상기 가열속도 범위일 경우 빠른 제조와 동시에 시편이 손상을 막을 수 있어 좋다.

상기와 같이 가열, 반응하여 형성된 금속 실리사이드-SiC 복합재료는 앞선 단계에서 계속적으로 가해지는 압력에 의해 치밀화되면서 수축길이가 줄어들게 되고, 이러한 치밀화가 완료되어 더 이상이 수축길이 변화가 없게 되면 이 시점에서 가해지는 압력과 전류를 제거한다.

상기와 같이 나노분말화된 혼합물에 압력 및 유도전류를 가하는 순간부터 복합재료가 합성되고 완전히 치밀화되어 수축길이 변화가 더 이상 없는 시점에 압력 및 유도전류가 제거되는 순간까지는 최종 2 분 이내의 시간이 소요되는 것으로, 본 발명에 따르면 화합물 내에 기공 형성이 없이 치밀한 금속 실리사이드-SiC 복합재료를 단시간에 제조할 수 있다.

그 다음, 상기 금속 실리사이드-SiC 복합재료를 상온으로 냉각하는 단계로, 상기 냉각은 통상의 방법에 따라 실시할 수 있다.

또한 상기와 같은 단계를 거치면 금속 실리사이드-SiC 복합재료의 제조 후 후처리 공정이 필요치 않아 단일 공정만으로 단시간에 금속 실리사이드-SiC 복합재료를 제조할 수 있다.

상기와 같은 본 발명의 금속 실리사이드-SiC 복합재료는 고주파 유도가열 연소합성장치를 사용하여 제조할 수 있다.

이하, 본 발명의 일실시예에 따라 금속실리사이드-SiC 복합재료의 제조방법을 도 1을 참조하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 금속실리사이드-SiC 복합재료를 제조하기 위한 고주파 유도가열 연소합성장치를 도시한 간략도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 고주파 유도가열 연소합성장치(100)는 다이 부재(110); 가압 부재(120); 및 유도 전류 발생 부재(130)로 구성된다.

다이 부재(110)는 나노분말화된 금속 탄화물 및 실리콘 분말의 혼합물을 수납하기 위한 것으로, 내부에 관통공이 형성되어 있고 상기 관통공 내부에 나노분말화된 금속 탄화물 및 실리콘 분말의 혼합물이 수납된다. 이때, 상기 다이 부재(110)는 흑연 다이인 것이 좋다. 또한, 상기 다이 부재(110)에 금속 탄화물 및 실리콘 분말의 혼합물이 충전된 관통공 내부의 진공도는 0.01 내지 1 torr가 되도록 유지하는 것이 좋다.

상기 가압 부재(120)는 외부 압력 발생 장치로부터 전달된 압력을 상기 관통공 내부의 혼합물에 가하기 위한 것으로, 관통부의 상,하부에 삽입되어 형성되어 금속 탄화물과 실리콘 분말의 혼합물에 일축압력을 가하게 된다. 즉, 상기 가압 부재(120)에 의해 가해진 압력으로 인해 반응을 거쳐 수득되는 복합재료가 치밀화되고, 이러한 치밀화의 완료 정도인 복합재료의 수축길이 변화를 측정하기 위하여 관통부와 가압 부재가 이어지는 가동부분에 LVDT(Linear Variable Differential Transformer)가 부착될 수 있다. 상기 가압 부재(120)를 통한 압력은 10 내지 1000 MPa로 부가되는 것이 바람직하다.

상기 유도 전류 발생 부재(130)는 다이 부재(110)의 주변에 이격되어 배치되어 형성되며, 유도 전류를 발생시키는 작용을 한다. 상기 유도 전류 발생 부재(130)은 고주파 전류 코일로 이루어지며, 이들에게 가해진 전류에 의해 발생한 유도 전류에 의하여 다이 부재 및 금속 탄화물과 실리콘 분말의 혼합물에 간접적으로 열이 가해져 금속 실리사이드-SiC 복합재료의 소결 및 합성이 이루어지게 되는 것이다.

이때, 상기 전류는 1 내지 1,000 KHz로 유도 코일에 흘려주는 것이 좋고, 이렇게 발생한 유도전류에 의한 가열속도는 100 내지 5,000 ℃/min인 것이 좋다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것 은 아니다.

[실시예]

실시예 1

입자크기가 각각 43 ㎛인 TaC와 Si 원료분말을 유성볼밀링을 이용하여 약 37 ㎚ 크기를 갖는 분말로 제조하였다. 이 분말을 도 1의 다이 부재의 흑연 다이에 충전한 후, 60 MPa의 기계적 압력을 가해주고 40 torr의 진공분위기를 만들어주었다.

계속적으로 60 MPa의 압력이 가해지는 상태에서 외부 코일에 14.4 ㎾의 전류를 인가하여 고주파 유도가열 연소합성을 시작하였다. 이때, 유도가열에 의해 발생한 주울 열에 이한 가열속도는 2,000 ℃/min이 되도록 하였다.

연소합성과 동시에 시편의 수축길이 변화를 LVDT로 관찰하여 길이 변화가 안정화되는 시점에서 유도전류와 압력을 제거하고, 상온으로 냉각하여 최종 60 ㎚ 크기의 TaSi₂-SiC 복합재료를 수득하였다.

상기 실시예 1에서 TaC와 Si 원료분말을 유성볼밀링한 후, 고주파 유도가열 연소합성 전, 및 고주파 유도가열 연소합성 후의 온도변화와 수축변위, SEM 사진, 및 XRD 패턴을 각각 도 2 내지 4에 나타내었다.

도 2는 고주파 유도 연소합성에 의한 가열시간에 따른 온도변화(■)와 수축변위(●)를 나타낸 것으로, 직선으로 수축길이가 변화하기 전(연소 전)의 수축길이 변화는 도 3 및 도 4를 통하여 알 수 있듯이 최종 생성물상인 TaSi₂-SiC상이 나타나 지 않았으나, 직선으로 수축길이가 변화한 후(연소 후)에는 TaSi₂-SiC 상이 형성됨을 알 수 있었다. 이같은 결과로부터, 도 2로부터 알 수 있듯이 본 발명은 고주파 유도가열 연소합성법을 이용하여 2 분 이내의 짧은 시간에 기공이 거의 없는 치밀한 금속 실리사이드-SiC 복합재료를 제조하였음을 나타내는 것이다.

도 3의 a는 유성볼밀링 후의 약 37 ㎚의 원료분말을 나타낸 SEM 사진이고, b는 연소합성 전의 SEM 사진이고, c는 연소 후의 SEM 사진이다. 도 3a 및 3b와 같이 밀링 후 분말과 연소합성 전의 SEM 사진은 차이가 없이 TaC 및 Si만 존재하였으나, 도 3c의 연소합성 후에는 최종 생성물이 TaSi₂-SiC로 원하는 상이 얻어졌으며, 이로부터 직선으로 수축길이 변화 후 연소 합성이 완료되었음을 알 수 있었다.

도 4는 XRD 패턴을 나타낸 사진으로, 밀링 후와 직선으로 수축길이가 변화하기 전에는 연소합성이 일어나지 않아 TaC와 Si 상 외에 다른 피크(peak)를 관찰할 수 없었으나, 직선으로 수축길이 변화가 완료된 후에는 본 발명에서 목적하는 TaSi₂-SiC 상이 형성되었음을 확인할 수 있었고, 반응하지 않은 TaC, Si 피크는 관찰되지 않아 연소합성이 완료되었음을 알 수 있었다.

본 발명에 따르면 내산화성과 기계적 성질이 우수한 나노구조(크기)의 금속 실리사이드-SiC 복합재료를 유도전류에 의한 간접가열에 의한 단일공정에 의하여 2 분 이내라는 짧은 시간에 제조할 수 있고, 별도의 후처리 공정 없어 제조 시간과 가를 줄일 수 있으며, 이렇게 제조된 복합재료는 1300 ℃ 이상으로 사용하는 고온 재료로 적용가능한 효과가 있다.

이상에서 본 발명의 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만, 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (16)

1. 금속 탄화물 및 실리콘 분말의 혼합물을 유성볼밀링법으로 나노분말화하는 단계;

   상기 나노분말화된 혼합물에 압력 및 유도전류에 의하여 발생된 열을 가하여 금속 실리사이드-SiC 복합재료를 합성하는 단계;

   상기 합성된 금속 실리사이드-SiC 복합재료에 가해진 상기 압력과 유도전류를 제거하는 단계; 및

   상기 금속 실리사이드-SiC 복합재료를 냉각하는 단계를 포함하는 금속 실리사이드-SiC 복합재료의 제조방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 금속 탄화물이 TiC, MO₂C, VC, TaC, NbC, WC, 및 ZrC로 이루어지는 군으로부터 적어도 하나 선택되는 것을 특징으로 하는 금속 실리사이드-SiC 복합재료의 제조방법.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,

   상기 금속 탄화물 및 실리콘 분말의 입자크기가 최대 30 ㎚가 되도록 나노분말화하는 것을 특징으로 하는 금속 실리사이드-SiC 복합재료의 제조방법.
5. 제1항에 있어서,

   상기 유도전류를 고주파 전류를 이용하여 발생시키는 것을 특징으로 금속 실리사이드-SiC 복합재료의 제조방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 고주파 전류는 1 내지 1,000 KHz를 갖는 것을 특징으로 하는 금속 실리사이드-SiC 복합재료의 제조방법.
7. 제1항에 있어서,

   상기 압력은 10 내지 1000 MPa로 가해지는 것을 특징으로 하는 금속 실리사이드-SiC 복합재료의 제조방법.
8. 제1항에 있어서,

   상기 가열은 100 내지 5,000 ℃/min의 속도로 가해지는 것을 특징으로 하는 금속 실리사이드-SiC 복합재료의 제조방법.
9. 제1항에 있어서, 상기 압력 및 유도전류의 제거단계는 상기 복합재료의 수축길이 변화가 발생되지 않는 시점에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속 실리사이드-SiC 복합재료의 제조방법.
10. 제1항에 있어서,

    상기 압력 및 유도전류는 2분 이내로 가해지는 것을 특징으로 하는 금속 실리사이드-SiC 복합재료의 제조방법.
11. 제1항에 있어서,

    상기 냉각이 상온까지 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속 실리사이드-SiC 복합재료의 제조방법.
12. 삭제
13. 삭제
14. 삭제
15. 삭제
16. 제1항에 있어서,

    상기 금속 실리사이드-SiC 복합재료의 입자크기는 100 nm 이하인 것을 특징으로 하는 금속 실리사이드-SiC 복합재료의 제조방법.

Images