KR100948593B1 - 세라믹 복합체의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 일정 형상을 갖는 알루미나 도가니 내에 알루미늄 합금 성형체와 규산염계 산화물로 구성된 분말 충진제와 규회석으로 구성되는 성장억제제를 순차적으로 투입하고 고온에서 반응시켜 세라믹과 금속의 복합체를 제조하도록 하는 세라믹 복합체의 제조방법에 관한 것으로, 알루미늄 합금의 과산화를 방지하게 하면서 복합체를 효율적으로 조밀화하여 내마모성이 우수하고 기계적 충격에 대한 저항성이 강하며 희망 형상을 용이하게 성형할 수 있도록 하여 효용성을 높인 세라믹 복합체를 제공함을 특징으로 한다.

이에 다공성의 성형틀에 알루미나를 부어 흡착·경화시켜 도가니를 만드는 것으로 개시되는 본 발명 복합체 제조방법은 상기 제조되는 알루미나 도가니 내에서 금속 용융물과 세라믹 분말을 반응시켜 세라믹 구조체로 성장하게 되는 것으로, 복합 세라믹 구조체로의 성장을 위해 모금속을 알루미늄으로 하여 하나 이상의 원소성분을 고용시켜 알루미늄의 합금 성분으로 제공한다.

상기 고용 원소로는 마그네슘, 아연, 규소로 재현될 수 있으며, 탄화규소를 분말 충진제로서 알루미나 도가니에 투입하여 알루미늄 합금과 일정 시간 동안 반응시키되, 알루미늄 합금의 과성장을 억제하기 위하여 성장억제제를 도포하는 형태로 투입시키는데, 성장억제제의 외형적 형상은 종회비가 5 내지 7 정도 되는 침상형태인 것을 취함으로써 그 내부로 최소량의 산소 출입만 용이하게 되도록 하여 알루미늄 합금의 과성장을 억제되도록 한다.

이로 인해 강도 및 파괴인성, 내마모성이 우수하며 기계적 충격에 대한 저항성이 강할 뿐 아니라, 알루미나 도가니의 형상에 따라 형태의 변형이 이루어지는 세라믹 복합체를 제공하도록 한다.

상기 제조방법으로 제조된 세라믹 복합체는 제조공정이 간단하며 강도 및 파괴인성, 내마모성이 우수하며 기계적 충격에 대한 저항성이 강한 세라믹 복합체가 재현되게 된다.

또한, 기존의 세라믹 소재에 비해 형상 안정성 및 유동성이 향상되며, 구조재, 연마재 등 다양한 내마모성 재료로 실용화시킬 수 있어 효율성을 높인 특성이 있다.

세라믹, 복합소재, 알루미늄, 알루미나, 탄화규소, 규회석

Description

세라믹 복합체의 제조방법 {Manufacturing method of Ceramic composite material}

본 발명은 일정 형상을 갖는 알루미나 도가니 내에 알루미늄 합금 성형체와 규산염계 산화물로 구성된 분말 충진제와 규회석으로 구성되는 성장억제제를 순차적으로 투입하고 고온에서 반응시켜 세라믹과 금속의 복합체를 제조하도록 하는 세라믹 복합체의 제조방법에 관한 것으로, 알루미늄 합금의 과산화를 방지하게 하면서 복합체를 효율적으로 조밀화하여 내마모성이 우수하고 기계적 충격에 대한 저항성이 강하며 희망 형상을 용이하게 성형할 수 있도록 하여 효용성을 높인 세라믹 복합체를 제공함을 특징으로 한다.

일반적으로 세라믹과 금속의 복합체는 상호 간 부족한 물성을 보완하여 주어 물리적, 기계적으로 우수한 성질을 가지도록 다양한 제조방법으로 제조되어 양산되고 있다.

상기 복합체의 제조는 세라믹 분말 등을 금속분말과 혼합하여 불활성 열처리 함으로써 복합체를 얻거나, 다공성의 세라믹 성형체를 만든 후 프레스 등의 압력을 이용하여 상기 성형체에 용융금속을 물리적으로 침투시켜 복합체를 제조하는 방법 등이 시행되어 왔으며, 나아가 용융금속을 기상과 직접 반응시켜 복합체를 얻거나, 용융금속 치환반응법에 의해 세라믹 성형체와 용융금속 사이의 반응으로 복합체를 얻는 방법 등 다양한 방법으로 복합체의 제조가 이루어지고 있다.

상기 세라믹과 금속의 복합체는 우수한 물성에 기인하여 기계의 가공이나 연마, 혹은 반도체나 액정표시장치의 제조장치에서도 배향막 러빙공정이나 폴리싱 공정 등에 다양하게 쓰여지고 있다.

일 예로 액정표시장치 제조공정 중 러빙 공정에 사용되는 러빙 테이블은 그를 형성하기 위한 재료로 내열성이나 내열충격성이 요구된다.

또한, 테이블의 러빙면에는 끊임없이 마찰력이 작용하기 때문에, 테이블을 형성하기 위한 재료에는 내마모성도 요구된다.

더욱이, 대구경·고품질의 기판가공을 실현하기 위해서는, 기판의 휘어짐을 초래하는 열응력의 발생을 회피하여야만 하고, 그 때문에 테이블 내의 온도 불균일을 최대한 작게 하는 것이 필요하여, 상기 재료에는 우수한 열전도성 또한 요구된다.

상술한 여건에 따라, 지금까지의 금속재료에 대신하는 적합한 테이블 형성용 재료로서, 물리적·기계적으로 우수한 성질을 가지는 일부 세라믹재료(소위 뉴 세 라믹 또는 엔지니어링 세라믹)가 최근 주목되고 있으며, 그 중에서도 탄화규소(SiC)가 특히 주목되고 있다.

탄화규소는, 열전도성, 내열성, 내열충격성, 내마모성, 경도, 내산화성, 내 식성 등이 우수하여 기계적 시일이나 베어링 등의 내마모 재료를 시작으로 하여, 이에 더하여 고온로용의 내화재, 열교환기, 연소관 등의 내열구조재료, 산이나 알칼리에 바래기 쉬운 펌프부품 등의 내부식 재료 등 널리 이용 가능한 실용적인 재료라고 할 수 있다.

이에 더하여, 탄화규소의 다공질 체에 존재하는 개방기공 중에 금속을 함침하는 것에 의해, 비함침체보다도 일층 우수한 물성의 탄화규소·금속 복합체를 제조하는 것도 제안되고 있는 바,

상술한 일 예와 같은 방법으로 상호 결합 생성되어 실용화되는 세라믹 복합체는 그의 제조공정 및 제조방법에 따라 굽힘강도 및 파괴인성, 조밀도 등 그 품질규정에서 다른 결과를 낳게 됨은 물론이며, 이의 우수한 물성을 갖기 위한 세라믹 복합체의 제조방법에서 가장 주안점이 되는 것은 이질 물성의 재료를 복합체로 일체화하는 조밀화 공정의 수행에 있다.

상기 조밀화 공정은 개개의 분말입자가 합체하여 점착성 구조를 형성하도록 고온하에서 가열하여 성형체의 형태로 물체를 조밀화(Densification) 하게 되는데, 외부 압력없이 소결 등에 의한 방법으로 조밀화 할 경우 세라믹 구조의 성장을 방 해하지 않으면서 상호 물질 간 양립성을 갖추기 위한 제어에 어려움이 있으며, 고온하에서 외부 압력을 가하여 조밀화 할 시 공정상 낮은 생산성에 기인한 높은 코스트를 야기시키는 문제점이 있었다.

또한, 종래에는 일반적으로 금속과 세라믹 복합체의 소성은 성형체로 경화시킨 세라믹을 용융금속에 침지시켜 승온시킴으로써 세라믹에 금속이 침투되도록 하여 복합체를 제조하는 방법이 시행되었으나, 상기 종래 제조방법은 세라믹에 금속이 균일하게 침투되지 못하여 제품의 신뢰성이 떨어지는 문제점이 있었다.

요컨데, 상기와 같은 복합체의 제조는 복합체의 형상이나 미세구조제어에 어려움이 있으며, 제조공정이 복잡한 등의 문제점이 재반되어 제조공정의 어려움을 겪고 있는 바,

이러한 문제점을 해결하고, 형상을 변형함에 있어 자유로우며 제조공정이 용이하면서 강도 및 파괴인성이 우수한 물성을 갖는 SiC - Al₂O₃- Al (탄화규소-알루미나-알루미늄) 복합체의 제조방법을 제공함을 목적으로 한다.

하여 상기 문제점을 해결하기 위해 다공성의 성형틀에 알루미나를 부어 흡착시켜 도가니를 만드는 것으로 개시되는 본 발명 복합체 제조방법은 상기 제조되는 알루미나 도가니 내에서 금속 용융물과 세라믹 분말을 반응시켜 세라믹 구조체로 성장하게 되는 것으로, 세라믹 구조체로의 성장을 위해 모금속을 알루미늄으로 하여 하나 이상의 원소성분을 고용시켜 알루미늄의 합금 성분으로 제공한다.

상기 원소 성분으로는 마그네슘, 아연, 규소로 재현될 수 있으며, 탄화규소를 분말 충진제로서 알루미나 도가니에 투입하여 알루미늄 합금과 일정 시간 동안 반응시키되, 알루미늄 합금의 과성장을 억제하기 위하여 성장억제제를 도포하는 형태로 투입시키는데, 성장억제제의 외형적 형상은 종횐비가 5 내지 7정도 되는 침상형태의 것을 취사함으로써 그 내부로 최소량의 산소 출입만 용이하게 되도록 하여 알루미늄 합금의 과성장을 억제한다.

이로 인해 강도 및 파괴인성, 내마모성이 우수하며 기계적 충격에 대한 저항성이 강할 뿐 아니라, 알루미나 도가니의 형상에 따라 형태의 변형이 이루어지는 세라믹 복합체를 제공하도록 한다.

상기 제조방법으로 제조된 세라믹 복합체는 제조공정이 간단하며 강도 및 파괴인성, 내마모성이 우수하며 기계적 충격에 대한 저항성이 강한 세라믹 복합체를 제공하도록 한다.

또한, 상기 방법으로 제조된 세라믹 복합체는 기존의 세라믹 소재에 비해 형상 안정성이 높아지며, 구조재, 연마재 등 다양한 내마모성 재료로 실용화시킬 수 있어 효율성을 높인 특성이 있다.

본 발명은 일정 형상을 갖는 알루미나 도가니 내에 알루미늄 합금 성형체와 규산염계 산화물로 구성된 분말 충진제와 규회석으로 구성되는 성장억제제를 순차적으로 투입하고 고온에서 반응시켜 세라믹과 금속의 복합체를 제조하도록 하는 세라믹 복합체의 제조방법에 관한 것으로, 알루미늄 합금의 과산화를 방지하고 복합 체를 효율적으로 조밀화하여 내마모성이 우수하고 기계적 충격에 대한 저항성이 강하며 희망 형상을 용이하게 성형할 수 있도록 하여 효용성을 높인 세라믹 복합체를 제공함을 특징으로 한다.

이에 다공성의 성형틀에 알루미나를 부어 흡착·경화시켜 도가니를 만드는 것으로 개시되는 본 발명 복합체 제조방법은 상기 제조되는 알루미나 도가니 내에서 금속 성형체와 세라믹 분말을 반응시켜 세라믹 구조체로 성장하게 되는 것으로, 복합 세라믹 구조체로의 성장을 위해 모금속을 알루미늄으로 하여 하나 이상의 원소성분을 고용시켜 알루미늄의 합금 성분으로 제공한다.

또한, 원소 성분으로는 마그네슘, 아연, 규소로 재현될 수 있으며, 탄화규소를 분말 충진제로서 알루미나 도가니에 투입하여 알루미늄 합금과 일정 시간 동안 반응시키되, 알루미늄 합금의 과성장을 억제하기 위한 성장억제제를 도포하는 형태로 투입시키는데 성장억제제의 외형적 형상은 종횡비가 5 내지 7정도 되는 침상형태의 것을 취사함으로써 그 내부로 최소량의 산소의 출입만 용이하게 하여 알루미늄 합금의 과성장이 억제되는 조건으로 세라믹 복합체가 제조되도록 한다.

이로 인해 강도 및 파괴인성, 내마모성이 우수하며 기계적 충격에 대한 저항성이 강할 뿐 아니라, 알루미나 도가니의 형상에 따라 형태의 변형이 이루어지는 세라믹 복합체를 제공하도록 한다.

이하, 본 발명 제조방법을 상세히 설명하면, 세라믹 복합체를 제조하기 위한 공정은 네 단계로 이루어지되, 다공성의 성형틀에 알루미나를 부어 흡착시키고 탈리하여 알루미나 도가니를 만드는 단계, 알루미늄을 모금속으로 하여 이에 대해 마그네슘 1 ~ 3중량%, 아연 3 ~ 6중량%, 규소 5 ~ 10중량% 를 고용하여 알루미늄 합금 성형체를 제조하는 단계, 알루미나 도가니에 알루미늄 합금 성형체 및 탄화규소 분말 충진제와 알루미늄 합금의 과산화를 억제하기 위한 규회석 성장 억제제를 순차적으로 투입하는 단계, 알루미나 도가니에 장입된 분말 충진제와 알루미늄 합금을 일정 시간 승온 반응시키는 단계를 포함하여 제조되는 SiC-Al₂O₃-Al (탄화규소-알루미나-알루미늄) 세라믹 복합체를 제공한다.

상기 탄화규소-알루미나-알루미늄 복합체를 생성하기 위해서는 분당 5 ~ 10℃의 속도로 승온시켜 알루미나 도가니의 온도가 1150 ~ 1350 ℃ 에 이르게 되면 알루미늄 합금과 탄화규소 분말 충진제를 일정시간 동안 반응시켜 탄화규소 - 알루미나 - 알루미늄 복합체를 얻을 수 있는데, 알루미나 도가니의 온도가 상승하면서 알루미늄이 용융되고, 알루미늄 용탕 속에 분말 충진제가 침적되면 이를 일정시간 반응시킴으로 세라믹과 금속의 복합화가 이루어지게 되며, 이때 상부에 적재하는 형태로 투입된 성장억제제는 알루미늄이 산소와 접촉하여 산화물층을 형성하는 것을 억제시켜 주기 위한 것으로 용융된 알루미늄 합금에 대해 침지 및 젖음성이 매우 낮으며 그 외형적 형상은 종횡비가 5 내지 7정도 되는 침상형태의 규회석이 적당하다.

상기 규회석으로 구성되는 성장억제제는 탄화규소 충진제의 상부와 측면에도 도포하는 형태로 적재 투입하는데, 적재된 규회석 틈새 사이로 산소 통과량이 최소화 됨으로써 알루미늄의 과산화를 방지하게 된다.

또한, 상기 소성 반응시 반응시간과 온도는 희망두께에 따라 상이하게 유지시켜 주어야 하는데, 12시간 내지 48시간 정도로 유지하여 주는 것이 바람직하며, 알루미늄 합금 장입량은 실시되는 분말 충진제의 측정 기공률에 따라 상이하나, 분말 충진제의 장입량이 부족할 경우 내마모성이 떨어지며, 분말 충진제의 함유량이 과다할 경우 조밀도가 떨어지고 강도가 저하되는 문제점이 발생하게 되어, 통상 상기 알루미늄 합금과 탄화규소 분말 충진제의 중량비는 1 : 3~5의 비율로 하여 반응시키는 것이 가장 바람직하며, 하기 실시 예를 통해 그 근거를 찾을 수 있다.

[ 실시 예 1 ]

마그네슘 3중량%, 아연 6중량%, 규소 10중량%이 고용된 알루미늄 합금 성형체와 탄화규소 분말을 서로 반응시키기 위하여, 알루미늄 합금 20중량%, 탄화규소 분말 80중량% 을 알루미나 도가니에 장입하고 그 상부에 성장억제제를 도포하는 형태로 적재 투입한 후 1,150℃에서 1,350℃의 온도범위에서 반응시키되, 승온속도를 분당 5~10℃로 하여 반응시켜 SiC-Al₂O₃-Al (탄화규소-알루미나-알루미늄) 세라믹 복합체를 제조하였다.

상기 제조된 세라믹 복합체는 상대밀도가 99% 이상이고, 파괴 인성이 4.2 Mpa·m½로 우수하였으며, 외관이 양호한 고강도의 복합체가 제조되었다.

[ 실시 예 2 ]

마그네슘 1중량%, 아연 3중량%, 규소 5중량%이 고용된 알루미늄 합금 성형체와 탄화규소 분말을 서로 반응시키기 위하여, 알루미늄 합금 25중량%, 탄화규소 분말 75중량% 을 알루미나 도가니에 장입하고 그 상부에 성장억제제를 도포하는 형태로 적재 투입한 후 1,150℃에서 1,350℃의 온도범위에서 반응시키되, 승온속도를 분당 5~10℃로 하여 반응시켜 SiC-Al₂O₃-Al (탄화규소-알루미나-알루미늄) 세라믹 복합체를 제조하였다.

상기 제조된 세라믹 복합체는 상대밀도가 99% 이상이고, 파괴 인성이 4.0 Mpa·m½로 우수하였으며, 외관이 양호한 고강도의 복합체가 제조되었다.

[ 비교 예 1 ]

마그네슘 1중량%, 아연 3중량%, 규소 5중량%이 고용된 알루미늄 합금 성형체와 탄화규소 분말을 서로 반응시키기 위하여, 알루미늄 합금 10중량%, 탄화규소 분말 90중량% 을 알루미나 도가니에 장입하고 그 상부에 성장억제제를 도포하는 형태로 적재 투입한 후 1,150℃에서 1,350℃의 온도범위에서 반응시키되, 승온속도를 분당 5~10℃로 하여 반응시켜 SiC-Al₂O₃-Al (탄화규소-알루미나-알루미늄) 세라믹 복합체를 제조하였다.

상기 제조된 세라믹 복합체는 상대밀도가 95% 내외이고, 파괴 인성이 3.5 Mpa·m½이하로 낮았으며, 금속 함유량이 미비하여 강도가 저하되었다.

[ 비교 예 2 ]

마그네슘 3중량%, 아연 6중량%, 규소 10중량%이 고용된 알루미늄 합금 성형체와 탄화규소 분말을 서로 반응시키기 위하여, 알루미늄 합금 60중량%, 탄화규소 분말 40중량% 을 알루미나 도가니에 장입하고 그 상부에 성장억제제를 도포하는 형태로 적재 투입한 후 1,150℃에서 1,350℃의 온도범위에서 반응시키되, 승온속도를 분당 5~10℃로 하여 반응시켜 SiC - Al₂O₃- Al (탄화규소-알루미나-알루미늄) 세라믹 복합체를 제조하였다.

상기 제조된 세라믹 복합체는 상대밀도가 95% 내외이고, 파괴 인성이 4.0 Mpa·m½내외이며, 복합체 제조는 되나, 내마모성은 떨어지는 현상이 발생하였다.

상기 살펴본 실시 예를 통한 본 발명 복합체의 제조시 알루미나 도가니에 알루미늄 합금을 투입시 바닥에 필터를 깔고 투입함으로써 성형시 도가니로부터 복합체의 탈리가 용이하게 이루어질 수 있도록 할 수 있으며, 또한 분말 충진제를 투입 후 성장억제제를 도포하는 형태로 적재하기 전에 알루미늄 필터를 깔고 성장억제제를 도포하는 형태로 적재하여 서로 간 탈리가 용이하도록 할 수 있으며, 세라믹과 금속의 동시 소성이 진행되고 경화됨으로 인해 도가니의 형상에 따라 탄력적으로 형상 변형이 가능한 복합체의 제조가 가능하도록 하며, 또한 상기 제조방법으로 조밀도가 높으며, 파괴인성을 강화시켜 실용성을 일층 높인 세라믹 복합체를 제조할 수 있게 된다.

Claims (2)

1. 다공성의 성형틀에 알루미나를 부어 흡착, 경화시키고 탈리하여 알루미나 도가니를 만드는 단계;

   알루미늄을 모금속으로 하여 이에 대해 마그네슘 1 ~ 3중량%, 아연 3 ~ 6중량%, 규소 5 ~ 10중량% 비율로 원소를 고용시킨 알루미늄 합금 성형체를 제조하는 단계;

   상기 알루미나 도가니 내에 상기 알루미늄 합금 성형체와 탄화규소 분말 충진제와 알루미늄 합금의 과성장을 억제하기 위한 규회석 성장 억제제를 순차적으로 투입하는 단계;

   상기 알루미나 도가니에 분당 5 내지 10℃의 속도로 승온시켜 소성온도가 1150 내지 1350℃가 되도록 소성시키는 단계;

   를 포함하여 제조되는 SiC-Al₂O₃-Al (탄화규소-알루미나-알루미늄) 세라믹 복합체의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서,

   알루미늄 합금과 탄화규소 분말 충진제의 혼합은 1:3 내지 1:5 의 비율이 되도록 하여 반응시키도록 함을 특징으로 하는 세라믹 복합체의 제조방법.