KR101166721B1 - Manufacturing method of high density boroncarbide sintered body using spark plasma sintering - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 탄화붕소 분말을 방전 플라즈마 소결 장치의 챔버에 구비되는 몰드에 충진하고 압력을 가하여 원하는 형태의 성형체로 성형하는 단계와, 펌프를 작동시켜 챔버 내에 존재하는 불순물 가스를 배기하고, 환원제 가스인 수소(H2) 가스를 공급하는 단계와, 상기 탄화붕소 분말을 가압하면서 직류펄스를 인가하는 단계와, 상기 챔버의 온도를 탄화붕소 분말의 표면에 존재하는 붕소산화물(B2O3)이 휘발되는 온도보다 높은 온도로 1차 상승시키는 단계와, 상기 챔버의 온도를 붕소산화물이 휘발되는 온도보다 높고 탄화붕소의 용융 온도보다 낮은 소결 온도로 2차 상승시키는 단계와, 상기 소결 온도에서 탄화붕소 분말의 성형체에 압력을 가하면서 환원 가스 분위기인 수소(H2) 가스 분위기에서 탄화붕소를 방전 플라즈마 소결하는 단계 및 챔버를 냉각하여 탄화붕소 소결체를 얻는 단계를 포함하는 방전 플라즈마 소결법을 이용한 고밀도 탄화붕소 소결체의 제조방법에 관한 것이다. The present invention is a method for filling boron carbide powder into a mold provided in a chamber of a discharge plasma sintering apparatus and applying pressure to form a molded body of a desired shape, and operating a pump to exhaust the impurity gas existing in the chamber, and reducing agent gas. Supplying phosphorus hydrogen (H 2 ) gas, applying a direct current pulse while pressurizing the boron carbide powder, and boron oxide (B 2 O 3 ) present on the surface of the boron carbide powder Firstly raising the temperature to a temperature higher than the volatilized temperature, secondly raising the temperature of the chamber to a sintering temperature higher than the temperature at which the boron oxide is volatized and lower than the melting temperature of boron carbide, and boron carbide at the sintering temperature hydrogen while applying a pressure to an article in a reducing gas atmosphere, the powder (H 2) and the chamber step of the discharge plasma sintering the boron carbide in the gas atmosphere, Cooling to a method of manufacturing a high-density boron carbide sintered body using a spark plasma sintering method comprises the step of obtaining the boron carbide sintered body.
Description
본 발명은 탄화붕소(B4C) 소결체 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 높은 경도, 내마모성, 내연삭성, 중성자 흡수성 등의 특성을 나타내어 연마재료 또는 절삭용구 재료로 사용되는 고밀도 탄화붕소 소결체의 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for producing a boron carbide (B 4 C) sintered body, and more particularly, high density boron carbide sintered body used as an abrasive material or a cutting tool material exhibiting properties such as high hardness, wear resistance, grinding resistance, and neutron absorption It relates to a manufacturing method of.
탄화붕소(B4C)는 다이아몬드와 질화붕소 입방체에 이어서 세 번째로 경도가 가장 높은 소재로서 높은 경도, 내마모성, 내연삭성, 중성자 흡수성 등의 특성으로 인하여 분말이나 소결체 형태로 여러 분야에 응용되고 있다. 탄화붕소 분말은 유리, 경금속 또는 인공광물의 연마에 사용되며, 소결체는 매우 높은 내마모성을 갖고 있기 때문에 샌드블래스트 노즐(sand blasting nozzle), 컴퓨터 디스크(computer disk), 연마 모터(grinding motor), 슬라이딩 마찰(sliding friction) 부품, 베어링 라이터(bearing liner), 방호복, 내화용 산화방지제, 내마모제 등에 주로 이용되고 있다. 또한, 탄화붕소(B4C)는 단위 면적당 높은 중성자 흡수성으로 인하여 핵 차폐물로도 이용되고 있다. Boron carbide (B 4 C) is the third-hardest material after diamond and boron nitride cubes, and is applied to various fields in the form of powder or sintered body due to its properties such as high hardness, abrasion resistance, grinding resistance, and neutron absorption. have. Boron carbide powder is used for polishing glass, light metals or artificial minerals, and since the sintered body has a very high wear resistance, sand blasting nozzle, computer disk, grinding motor, sliding friction It is mainly used for sliding friction parts, bearing liners, protective clothing, fire-resistant antioxidants and anti-wear agents. Boron carbide (B 4 C) is also used as a nuclear shield due to its high neutron absorption per unit area.
탄화붕소(B4C)는 공유결합 물질로서 융점이 높고 단단하여 연마재료 또는 절삭공구 재료로 사용되는데, 이와 같은 탄화붕소(B4C) 분말의 소결에는 일반적으로 탄소(C), Y2O3, SiC, Al2O3, TiB2, AlF3, W2B5 등의 소결조제가 사용되어 왔다. 그러나, 이러한 소결조제는 2차상(secondary phase)을 형성하는 것으로 알려져 있으며, 소결조제를 첨가한 소결에 의해 형성되는 2차상은 탄화붕소(B4C)의 물성에 좋지 않은 영향을 미친다. 소결 조제에 의해 형성된 2차상의 함량이 증가함에 따라 탄화붕소의 경도와 기계적 특성은 급격히 감소한다는 것은 잘 알려져 있다. 예컨대, 탄화붕소(B4C)에 대한 소결조제로서 잘 알려진 것은 탄소(C)인데, 탄소를 소결조제로 사용하면 높은 상대 밀도를 갖는 탄소붕소(B4C)를 얻을 수 있지만 붕소/탄소 고용체의 결합비(탄화붕소 내의 탄소 함량이 약 20몰%)보다 과다하거나 적게 첨가되면 탄화붕소의 기계적특성을 저하시킬 수 있다. 따라서, 소결조제를 첨가하지 않고 탄화붕소(B4C) 소결체를 얻는 방법에 대한 연구가 최근에 많이 이루어지고 있다. Boron carbide (B 4 C) is there is a high melting point and hardly used as the abrasive material or the cutting tool material is used as a covalent bond substance, such a boron carbide (B 4 C) is generally a carbon (C), Y 2 O sintering of the powder 3, SiC, Al 2 O 3 ,
또한, 탄화붕소(B4C)의 표면에는 붕소산화물(B2O3)이 형성되는 것으로 알려져 있다. 탄화붕소(B4C)에 표면에 존재하는 붕소산화물(B2O3)은 소결 시에 결정립 사이에 기공(pore) 또는 보이드(void)를 형성하는 원인이 되고 있다. 붕소산화물(B2O3)에 의해 결정립 사이에 형성된 기공(pore) 또는 보이드(void)는 결정 성장을 방해하고, 탄화붕소(B4C) 소결체의 기계적 특성(mechanical property)을 떨어뜨리는 요인으로 작용한다. 따라서, 탄화붕소(B4C) 소결체의 물성에 악영향을 미치는 붕소산화물(B2O3)를 탄화붕소(B4C)로부터 효과적으로 제거하는 방법에 대한 연구가 필요하다.
It is also known that boron oxide (B 2 O 3 ) is formed on the surface of boron carbide (B 4 C). Boron oxide (B 2 O 3 ) present on the surface of boron carbide (B 4 C) causes pores or voids to form between crystal grains during sintering. Pores or voids formed between the grains by boron oxide (B 2 O 3 ) may interfere with crystal growth and degrade the mechanical properties of the boron carbide (B 4 C) sintered body. Works. Therefore, there is a need for a method of effectively removing boron oxide (B 2 O 3 ) from boron carbide (B 4 C) which adversely affects the physical properties of the boron carbide (B 4 C) sintered body.
본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 소결조제를 첨가함이 없이 소결함으로써 2차상이 형성되지 않을 뿐만 아니라 환원 가스 분위기에서 소결하여 탄화붕소(B4C)에 표면에 존재하는 붕소산화물(B2O3)이 환원되어 분해되게 함으로써 결정립 사이에는 기공(pore)이나 보이드(void)가 형성되지 않으므로 결정 상태가 우수하고 소결체의 기계적 특성도 우수하며 입자 사이의 간격이 매우 조밀한 고밀도 탄화붕소 소결체의 제조방법을 제공함에 있다.
The present invention has been made to solve the above problems, an object of the present invention is not only the secondary phase is formed by sintering without adding a sintering aid but also sintered in a reducing gas atmosphere to boron carbide (B 4 C) Since boron oxide (B 2 O 3 ) present on the surface is reduced and decomposed, no pores or voids are formed between the crystal grains, so the crystal state is excellent, and the mechanical properties of the sintered body are excellent. The present invention provides a method for producing a high density boron carbide sintered body having a very close spacing.
본 발명은, (a) 탄화붕소 분말을 방전 플라즈마 소결 장치의 챔버에 구비되는 몰드에 충진하고 압력을 가하여 원하는 형태의 성형체로 성형하는 단계와, (b) 펌프를 작동시켜 챔버 내에 존재하는 불순물 가스를 배기하고, 환원제 가스인 수소(H2) 가스를 공급하는 단계와, (c) 상기 탄화붕소 분말을 가압하면서 직류펄스를 인가하는 단계와, (d) 상기 챔버의 온도를 탄화붕소 분말의 표면에 존재하는 붕소산화물(B2O3)이 휘발되는 온도보다 높은 온도로 1차 상승시키는 단계와, (e) 상기 챔버의 온도를 붕소산화물이 휘발되는 온도보다 높고 탄화붕소의 용융 온도보다 낮은 소결 온도로 2차 상승시키는 단계와, (f) 상기 소결 온도에서 탄화붕소 분말의 성형체에 압력을 가하면서 환원 가스 분위기인 수소(H2) 가스 분위기에서 탄화붕소를 방전 플라즈마 소결하는 단계 및 (g) 챔버를 냉각하여 탄화붕소 소결체를 얻는 단계를 포함하며, 상기 (e) 단계에서 챔버의 온도 상승 속도는 상기 (d) 단계에서의 챔버의 온도 상승 속도보다 작게 설정하여 목표하는 소결 온도로 서서히 올려줌으로써 탄화붕소 분말 성형체에 열적 스트레스가 최소로 작용되게 하고, 환원 가스 분위기에서 소결하여 탄소붕소 분말 표면에 존재하는 붕소산화물(B2O3)이 환원되어 분해되게 하는 것을 특징으로 하는 방전 플라즈마 소결법을 이용한 고밀도 탄화붕소 소결체의 제조방법을 제공한다. The present invention comprises the steps of (a) filling boron carbide powder into a mold provided in a chamber of a discharge plasma sintering apparatus and applying pressure to form a molded body of a desired shape; and (b) operating a pump to operate an impurity gas present in the chamber. Exhausting and supplying hydrogen (H 2 ) gas, which is a reducing agent gas, (c) applying a direct current pulse while pressurizing the boron carbide powder, and (d) adjusting the temperature of the chamber to the surface of the boron carbide powder. Firstly raising the temperature of the boron oxide (B 2 O 3 ) present at a temperature higher than the volatilization temperature, and (e) sintering the temperature of the chamber higher than the temperature at which the boron oxide is volatilized and lower than the melting temperature of boron carbide. and the step of the secondary rise in temperature, (f) the hydrogen (H 2) gas atmosphere in the discharge plasma sintering the boron carbide, while the pressure on the molded article the reducing gas atmosphere of boron carbide powder in the sintering temperature And (g) cooling the chamber to obtain a boron carbide sintered body, wherein the temperature rising rate of the chamber in step (e) is set smaller than the temperature rising rate of the chamber in step (d). By gradually raising the sintering temperature to minimize the thermal stress on the boron carbide powder compact, and sintering in a reducing gas atmosphere to reduce the boron oxide (B 2 O 3 ) present on the surface of the carbon boron powder to be reduced and decomposed It provides a method for producing a high density boron carbide sintered body using the discharge plasma sintering method.
상기 붕소산화물(B2O3)이 휘발되는 온도는 1200~1400℃이고, 상기 붕소산화물(B2O3)이 휘발되는 온도보다 높은 온도는 1400~1600℃이며, 상기 (d) 단계에서 챔버의 온도 상승 속도는 5~50℃/min 범위로 설정하고, 상기 (e) 단계에서 챔버의 온도 상승 속도는 1~30℃/min 범위로 설정하는 것이 바람직하다. The temperature at which the boron oxide (B 2 O 3 ) is volatilized is 1200 to 1400 ° C., and the temperature higher than the temperature at which the boron oxide (B 2 O 3 ) is volatilized is 1400 to 1600 ° C., and the chamber in step (d) It is preferable that the temperature increase rate of the temperature is set in the range of 5 ~ 50 ℃ / min, the temperature increase rate of the chamber in the step (e) is set to 1 ~ 30 ℃ / min range.
상기 소결 온도는 1800~2100℃ 이고, 상기 소결은 소결체의 미세구조 및 입자 크기를 고려하여 5분~3시간 동안 수행되는 것이 바람직하다. The sintering temperature is 1800 ~ 2100 ℃, the sintering is preferably carried out for 5 minutes to 3 hours in consideration of the microstructure and particle size of the sintered body.
상기 직류펄스는 0.1~2000A 범위로 인가되고, 상기 (f) 단계에서 상기 탄화붕소 분말의 성형체에 가해지는 압력은 10~60MPa 범위이며, 상기 몰드를 1축 압축을 실시하는 것이 바람직하다. The DC pulse is applied in the range of 0.1 to 2000A, and the pressure applied to the molded body of the boron carbide powder in the step (f) is in the range of 10 to 60 MPa, and preferably, the uniaxial compression of the mold is performed.
상기 (f) 단계에서 상기 수소 가스는 0.1~10㎖/min 범위의 유량으로 공급되고, 상기 몰드는 탄화붕소의 탄소 성분과 동일한 재질인 그라파이트 재질로 이루어진 몰드를 사용하는 것이 바람직하다. In the step (f), the hydrogen gas is supplied at a flow rate in the range of 0.1-10 ml / min, and the mold is preferably made of a graphite material of the same material as the carbon component of boron carbide.
또한, 본 발명은, 고밀도 탄화붕소 소결체의 제조방법을 이용하여 제조된 탄화붕소 소결체로서 겉보기 밀도가 이론밀도의 90%보다 큰 고밀도 탄화붕소 소결체을 제공한다.
In addition, the present invention provides a high-density boron carbide sintered body which is a boron carbide sintered body manufactured using the method for producing a high-density boron carbide sintered body whose apparent density is greater than 90% of the theoretical density.
본 발명에 의하여 제조된 탄화붕소(B4C) 소결체는 겉보기 밀도가 이론밀도의 90% 이상이며, 입자 사이의 간격이 매우 조밀하고 기공이 거의 형성되지 않은 고밀도 탄화붕소(B4C) 소결체이다. The boron carbide (B 4 C) produced according to the present invention sintered body is the apparent density is more than 90% of the theoretical density, the distance between the particles is very dense and pore are not substantially form a high density boron carbide (B 4 C) sintered body .
또한, 소결조제를 첨가하지 않고 소결이 이루어지므로 탄화붕소(B4C) 소결체 내에는 2차상(secondary phase)이 형성되지 않으며, 따라서 탄화붕소(B4C) 소결체의 경도와 기계적 특성이 매우 우수하다. In addition, since it made of sintering without the addition of a sintering aid in the boron carbide (B 4 C) sintered body has a second phase (secondary phase) is not formed, and thus a very good hardness and mechanical properties of boron carbide (B 4 C) sintered body Do.
환원 가스 분위기에서 소결하여 탄화붕소(B4C)에 표면에 존재하는 붕소산화물(B2O3)이 환원되어 분해되게 함으로써 결정립 사이에는 기공(pore)이나 보이드(void)가 형성되지 않게 되어 결정 상태가 우수하고, 탄화붕소(B4C) 소결체의 기계적 특성(mechanical property)도 매우 우수하다.
By sintering in a reducing gas atmosphere, boron oxide (B 2 O 3 ) present on the surface of boron carbide (B 4 C) is reduced and decomposed, so that no pores or voids are formed between grains. The state is excellent, and the mechanical properties of the boron carbide (B 4 C) sintered body are also excellent.
도 1은 방전 플라즈마 소결 장치를 설명하기 위하여 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탄소붕소(B4C) 소결체를 형성하기 위한 소결 공정을 설명하기 위하여 도시한 도면이다.
도 3은 실시예 4에 따라 제조된 탄화붕소(B4C) 소결체의 X선 회절(XRD) 패턴을 보여주는 그래프이다.
도 4는 실시예 1~4 및 비교예 1~4에 따라 제조된 탄화붕소(B4C) 소결체의 소결 온도에 따른 상대밀도(relative density)를 보여주는 그래프이다.
도 5는 실시예 1~4 및 비교예 1~4에 따라 제조된 탄화붕소(B4C) 소결체의 소결 온도에 따른 평균 입자 크기(average grain size)를 보여주는 그래프이다.
도 6은 실시예 1~4 및 비교예 1~4에 따라 제조된 탄화붕소(B4C) 소결체의 소결 온도에 따른 비커스 경도(vickers hardness)를 보여주는 그래프이다.
도 7은 실시예 1~4 및 비교예 1~4에 따라 제조된 탄화붕소(B4C) 소결체의 소결 온도에 따른 꺽임강도(flexural strength)를 보여주는 그래프이다. 1 is a view schematically showing a discharge plasma sintering apparatus.
2 is a view illustrating a sintering process for forming a carbon boron (B 4 C) sintered body according to a preferred embodiment of the present invention.
3 is a graph showing an X-ray diffraction (XRD) pattern of the boron carbide (B 4 C) sintered body prepared in Example 4. FIG.
4 is a graph showing the relative density of the boron carbide (B 4 C) sintered body prepared according to Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 4 according to the sintering temperature.
5 is a graph showing the average grain size (average grain size) according to the sintering temperature of the boron carbide (B 4 C) sintered body prepared according to Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 4.
6 is a graph showing Vickers hardness according to the sintering temperature of the boron carbide (B 4 C) sintered body prepared according to Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 4;
7 is a graph showing the flexural strength according to the sintering temperature of the boron carbide (B 4 C) sintered body prepared according to Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 4.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the following embodiments are provided to those skilled in the art to fully understand the present invention, and may be modified in various forms, and the scope of the present invention is limited to the embodiments described below. It doesn't happen.
본 발명은 소결조제를 첨가함이 없이 고밀도 탄화붕소(B4C) 소결체를 제조하기 위하여 방전 플라즈마 소결(Spark Plasma Sintering; SPS)법을 이용한다. The present invention uses a spark plasma sintering (SPS) method to produce a high density boron carbide (B 4 C) sintered body without adding a sintering aid.
방전 플라즈마 소결(SPS)법은 단시간에 목적하는 재료를 합성하거나 소결하는 것이 가능한 기술로써 플라즈마를 이용하는 방법이다. 방전 플라즈마 소결(SPS)법은 압분체의 입자간극에 직접 펄스(pulse)상의 전기에너지를 투입하여, 불꽃 방전에 의해 순식간에 발생하는 고온플라즈마(방전 플라즈마)의 고에너지를 열확산, 전기장의 작용 등에 효과적으로 응용하는 공정이다. 발생된 플라즈마에 의해 저온에서부터 2000℃ 이상까지 소결온도를 조절할 수 있으며, 다른 소결공정에 비해 200~500℃ 정도 낮은 온도 영역에서 승온 및 유지 시간을 포함해서 단시간 내에 소결 혹은 소결접합을 할 수 있는 방법이다. 또한, 급속한 승온이 가능하기 때문에 입자의 성장을 억제할 수 있고, 단시간에 치밀한 소결체를 얻을 수 있으며, 난소결 재료라도 용이하게 소결가능하다는 뛰어난 특징을 가지고 있다. The discharge plasma sintering (SPS) method is a technique using plasma as a technique capable of synthesizing or sintering a desired material in a short time. In the discharge plasma sintering (SPS) method, electric energy in a pulse form is directly injected into a gap between particles of a green compact, and high energy of a high-temperature plasma (discharge plasma) generated instantly by a spark discharge is applied to thermal diffusion, electric field, etc. It is an effective application process. The sintering temperature can be controlled from low temperature to more than 2000 ℃ by the generated plasma, and can be sintered or sintered in a short time including the temperature raising and holding time in the temperature range of 200 ~ 500 ℃ lower than other sintering processes. to be. In addition, since rapid temperature rising is possible, the growth of particles can be suppressed, a dense sintered body can be obtained in a short time, and the sintered material can be easily sintered.
이하에서, 방전 플라즈마 소결(SPS)법을 이용하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고밀도 탄화붕소(B4C) 소결체를 제조하는 방법을 설명한다. 도 1은 방전 플라즈마 소결 장치를 설명하기 위하여 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탄소붕소(B4C) 소결체를 형성하기 위한 소결 공정을 설명하기 위하여 도시한 도면이다.Hereinafter, a method of manufacturing a high density boron carbide (B 4 C) sintered body according to a preferred embodiment of the present invention using the discharge plasma sintering (SPS) method will be described. 1 is a view schematically showing a discharge plasma sintering apparatus, Figure 2 is a view showing a sintering process for forming a carbon boron (B 4 C) sintered body according to a preferred embodiment of the present invention to be.
탄화붕소(B4C) 분말(120)을 챔버(100)에 구비된 몰드(110)에 장입하고, 환원제 가스인 수소(H2) 가스를 주입하고 펀치(130)로 1축으로 가압하면서 가압방향과 평행한 방향으로 직류펄스전류를 인가하여 소결한다. 소결시 가압 및 높은 전류인가에 따른 온도의 상승으로 인해 분말 입자 간에 반응이 일어나 탄화붕소(B4C) 소결체를 얻을 수 있다. 이하에서 더욱 구체적으로 설명한다. The boron carbide (B 4 C)
도 1 및 도 2를 참조하면, 탄화붕소(B4C) 분말을 준비한다. 탄화붕소(B4C) 분말의 입경은 탄화붕소(B4C) 소결체의 밀도, 기계적 특성 등에 영향을 미치므로 이를 고려하여 탄화붕소(B4C) 분말의 입경을 선택한다. 바람직하게는 고밀도 탄화붕소(B4C) 소결체가 연마제 또는 절삭용구 등에 사용되는 것을 고려하여 입자의 지름이 1㎛ 이하인 구형 탄화붕소(B4C) 분말을 사용하는 것이 바람직하다. 1 and 2, boron carbide (B 4 C) powder is prepared. Since the particle size of the boron carbide (B 4 C) powder affects the density, mechanical properties, etc. of the boron carbide (B 4 C) sintered body, the particle diameter of the boron carbide (B 4 C) powder is selected in consideration of this. Preferably, it is preferable to use spherical boron carbide (B 4 C) powder having a particle diameter of 1 µm or less in consideration of the use of a high density boron carbide (B 4 C) sintered body in an abrasive or cutting tool.
탄화붕소(B4C) 분말(120)을 챔버(100)에 구비되는 몰드(110)에 충진한다. 상기 몰드(110)는 실린더 또는 각기둥 형상으로 구비될 수 있으며, 상기 몰드(110)는 경도가 크고 고융점을 갖고 탄화붕소(B4C)의 성분을 이루는 탄소(C)와 동일한 재질인 그라파이트(graphite) 재질로 이루어지는 것이 바람직하며, 다른 재질로 이루어진 몰드를 사용하는 경우에는 후속의 소결 과정에서 불순물로 작용될 수도 있기 때문이다.Boron carbide (B 4 C)
상기 몰드(110) 내에 탄화붕소(B4C) 분말(120)을 충진한 후 펀치(130)를 이용하여 1축 압축을 실시하여 원하는 형태의 성형체로 성형한다. 이때 탄화붕소(B4C) 분말에 가해지는 압력(상기 몰드에 의해 압축되는 압력)은 10~60MPa 정도인 것이 바람직한데, 가압 압력이 10MPa 미만인 경우에는 탄화붕소(B4C) 분말 입자 사이에 공극이 많게 되므로 원하는 고밀도의 탄화붕소(B4C) 소결체를 얻기 어려우며 소결을 위해 고전류를 인가해야 하므로 높은 온도 상승을 초래할 수 있으며, 가압 압력이 60MPa을 초과하는 경우에는 그 이상의 효과는 기대할 수 없고 고압에 따른 몰드, 유압장치 등의 설계가 추가됨으로써 설비 제작 비용이 증가할 수 있다. After filling the boron carbide (B 4 C)
방전 플라즈마 소결 장치의 챔버(100) 내에 존재하는 불순물 가스를 제거하고 감압하기 위하여 로터리 펌프(미도시)를 작동시켜 진공 상태(예컨대, 1.0×10-2~9.0×10-2torr 정도)로 될 때까지 배기하여 감압한다. In order to remove the impurity gas existing in the
로터리 펌프의 작동을 중단하고, 챔버 내에 환원제 가스인 수소(H2) 가스를 공급한다. 상기 수소 가스는 0.1~10㎖/min 정도의 유량으로 공급하는 것이 바람직하다. The rotary pump is stopped and hydrogen (H 2 ) gas, which is a reducing gas, is supplied into the chamber. The hydrogen gas is preferably supplied at a flow rate of about 0.1 to 10 ml / min.
탄화붕소(B4C) 분말이 가압된 상태에서 직류펄스 발진기(Pulsed DC Generator)(140)를 이용하여 직류펄스를 서서히 인가한다. 상기 직류펄스는 0.1~2000A 범위로 인가되는 것이 바람직하다. 직류펄스를 인가할 때 급격하게 전류를 인가하는 경우에는 온도 제어가 어려울 수 있으므로 일정시간 동일한 폭으로 상승시키는 것이 바람직하다. In the state where the boron carbide (B 4 C) powder is pressurized, a DC pulse is slowly applied using a DC pulse generator (Pulsed DC Generator) 140. The DC pulse is preferably applied in the range of 0.1 ~ 2000A. When the current is rapidly applied when applying the DC pulse, it may be difficult to control the temperature, so it is preferable to raise the same width for a predetermined time.
상기 챔버의 온도를 붕소산화물(B2O3)이 휘발되는 온도(1200~1400℃)보다 높고 목표하는 소결온도(1800~2100℃)보다 낮은 온도(예컨대, 1400~1600℃)로 상승시킨다(도 2의 T1 구간). 상기 수소 가스는 0.1~10㎖/min 정도의 유량으로 공급하는 것이 바람직하다. 챔버의 상승 온도는 5~50℃/min 정도인 것이 바람직한데, 챔버의 램프-업(ramp-up) 속도가 너무 느린 경우에는 시간이 오래 걸려 생산성이 떨어지고 챔버의 램프-업 속도가 너무 빠른 경우에는 급격한 온도 상승에 의해 치밀한 소결이 이루어지지 않으므로 상기 범위의 램프-업 속도로 챔버의 온도를 올리는 것이 바람직하다. 탄화붕소(B4C)의 표면에 존재하는 붕소산화물(B2O3)은 일반적으로 1200~1400℃ 이상의 온도에서 열분해되어 휘발되며, 따라서 챔버 온도가 1400℃ 이상이 되면 붕소산화물(B2O3)은 열분해가 일어나기 시작한다. The temperature of the chamber is raised to a temperature higher than the temperature at which boron oxide (B 2 O 3 ) is volatilized (1200-1400 ° C.) and lower than a target sintering temperature (1800-2100 ° C.) (eg, 1400-1600 ° C.) T1 section in Figure 2). The hydrogen gas is preferably supplied at a flow rate of about 0.1 to 10 ml / min. It is preferable that the rising temperature of the chamber is about 5 to 50 ° C / min. If the ramp-up rate of the chamber is too slow, it takes a long time to decrease productivity and the ramp-up rate of the chamber is too fast. It is preferable to raise the temperature of the chamber at a ramp-up rate in the above range because no dense sintering is achieved by rapid temperature rise. Boron oxide (B 2 O 3 ) present on the surface of the boron carbide (B 4 C) is generally pyrolyzed and volatilized at a temperature of 1200 ~ 1400 ℃ or more, and thus boron oxide (B 2 O) when the chamber temperature is 1400 ℃ or more 3 ) pyrolysis starts to occur.
상기 챔버의 온도를 탄화붕소(B4C)의 용융 온도(2450℃)보다 낮은 온도인 목표하는 소결 온도인 1800~2100℃로 상승시킨다(도 2의 T2 구간). 이때, 챔버의 상승 온도는 1~30℃/min 정도인 것이 바람직한데, 챔버의 램프-업(ramp-up) 속도가 너무 느린 경우에는 시간이 오래 걸려 생산성이 떨어지고 챔버의 램프-업 속도가 너무 빠른 경우에는 급격한 온도 상승에 의해 소결체의 특성에 나쁜 영향을 미칠 수 있으므로 상기 범위의 램프-업 속도로 챔버의 온도를 올리는 것이 바람직하다. 도 2의 T2 구간에서의 램프-업 속도는 도 2의 T1 구간에서의 램프-업 속도보다 느린 것이 바람직한데, 이는 도 2의 T2 구간에서 서서히 소결 온도로 올려줌으로써 탄화붕소(B4C) 분말 성형체에 열적 스트레스(thermal stress)가 최소로 작용되게 하기 위함이다. The temperature of the chamber is raised to a target sintering temperature of 1800-2100 ° C., which is lower than the melting temperature (2450 ° C.) of boron carbide (B 4 C) (T2 section in FIG. 2). At this time, the rising temperature of the chamber is preferably about 1 ~ 30 ℃ / min, if the ramp-up (ramp-up rate) of the chamber is too slow, it takes a long time to reduce productivity and the ramp-up rate of the chamber is too It is preferable to raise the temperature of the chamber at a ramp-up rate in the above range because it may adversely affect the characteristics of the sintered body by rapid temperature rise. It is preferable that the ramp-up rate in the T2 section of FIG. 2 is slower than the ramp-up rate in the T1 section of FIG. 2, which is gradually increased to the sintering temperature in the T2 section of FIG. 2 by boron carbide (B 4 C) powder. This is to minimize the thermal stress on the molded body.
목표하는 소결온도(예컨대, 탄화붕소(B4C)의 용융 온도보다 낮은 온도인 1800~2100℃)로 상승하면, 일정 시간(예컨대, 5분~3시간)을 유지하여 탄화붕소(B4C)를 소결시킨다(도 2의 T3 구간). 챔버에 환원제 가스인 수소(H2) 가스가 주입되므로 탄화붕소(B4C)의 표면에 일부 잔류하는 붕소산화물(B2O3)이 아래의 반응식 1과 같이 환원되게 된다. 상기 환원제 가스는 붕소산화물(B2O3)이 충분히 환원될 수 있는 정도의 양을 흘려주는데, 예컨대, 0.1~10㎖/min 정도의 유량으로 공급한다. 붕소산화물(B2O3)은 환원제 가스인 수소(H2) 가스에 의해 아래의 반응식 1에 나타난 바와 같이 환원되게 된다. Target sintering temperature which rises to (e.g., boron carbide (B 4 C) is lower than the melting temperature of a temperature of 1800 ~ 2100 ℃ a), to maintain a certain amount of time (e.g., 5 minutes to 3 hours) boron carbide (B 4 C ) Is sintered (T3 section in FIG. 2). Since hydrogen (H 2 ) gas, which is a reducing gas, is injected into the chamber, some boron oxide (B 2 O 3 ) remaining on the surface of boron carbide (B 4 C) is reduced as in Scheme 1 below. The reducing agent gas flows an amount such that boron oxide (B 2 O 3 ) can be sufficiently reduced, for example, it is supplied at a flow rate of about 0.1 ~ 10ml / min. The boron oxide (B 2 O 3 ) is reduced by hydrogen (H 2 ) gas, which is a reducing agent gas, as shown in Scheme 1 below.
[반응식 1][Reaction Scheme 1]
B2O3 + 3H2 → 2B + 3H2O B 2 O 3 + 3H 2 → 2B + 3H 2 O
반응식 1에 나타난 바와 같이 탄화붕소(B4C)가 소결이 이루어지면서 동시에 붕소산화물(B2O3)은 붕소(B)로 환원되게 된다. 이때, 붕소산화물(B2O3)의 환원에 의해 생성된 반응부산물인 수증기(H2O)은 증발되게 된다. 환원 가스 분위기에서 탄화붕소(B4C)를 소결함으로써 탄화붕소(B4C) 표면에 일부 잔류하는 붕소산화물(B2O3)을 환원시켜 완전히 분해되게 할 수 있는 장점이 있다. 탄화붕소(B4C)에 표면에 존재하는 붕소산화물(B2O3)을 소결 과정에서 완전히 제거됨으로써 결정립 사이에는 기공(pore)이나 보이드(void)가 형성되지 않으므로 결정 상태가 우수하고 소결체의 기계적 특성도 우수하며 입자 사이의 간격이 매우 조밀한 고밀도 탄화붕소 소결체를 제조할 수가 있다. As shown in Scheme 1, while boron carbide (B 4 C) is sintered, boron oxide (B 2 O 3 ) is reduced to boron (B). At this time, water vapor (H 2 O) which is a reaction by-product generated by reduction of boron oxide (B 2 O 3 ) is evaporated. By sintering boron carbide (B 4 C) in a reducing gas atmosphere, boron oxide (B 2 O 3 ) partially remaining on the surface of boron carbide (B 4 C) may be reduced to be completely decomposed. Since boron oxide (B 2 O 3 ) present on the surface of boron carbide (B 4 C) is completely removed during the sintering process, pores or voids are not formed between the grains, so the crystalline state is excellent and It is possible to produce a high density boron carbide sintered body having excellent mechanical properties and very close spacing between particles.
소결 온도는 탄화붕소(B4C) 입자의 확산, 입자들 사이의 네킹(necking) 등을 고려하여 1800~2100℃ 정도인 것이 바람직한데, 소결 온도가 너무 높은 경우에는 과도한 입자 성장으로 인해 기계적 물성이 저하될 수 있고, 소결 온도가 너무 낮은 경우에는 불완전한 소결로 인해 소결체의 특성이 좋지 않을 수 있으므로 상기 범위의 소결 온도에서 소결시키는 것이 바람직하다. 소결 온도에 따라 소결체의 미세구조, 입경 등에 차이가 있는데, 소결 온도가 낮은 경우 표면 확산이 지배적인 반면 소결 온도가 높은 경우에는 격자 확산 및 입계 확산까지 진행되기 때문이다. 소결 시간은 일반적인 열처리를 위한 챔버를 사용하는 경우에는 5분~3시간 정도인 것이 바람직한데, 소결 시간이 너무 긴 경우에는 에너지의 소모가 많으므로 비경제적일 뿐만 아니라 더 이상의 소결 효과를 기대하기 어렵고 소결체 입자의 크기가 커지게 되며, 소결 시간이 작은 경우에는 불완전한 소결로 인해 소결체의 특성이 좋지 않을 수 있다. 소결시 탄화붕소(B4C) 분말 성형체에 가해지는 압력은 10~60MPa 정도인 것이 바람직한데, 가압 압력이 너무 작은 경우에는 원하는 고밀도의 탄소붕소 소결체를 얻기 어렵고 가압 압력이 너무 큰 경우에는 소결 공정이 완료된 후의 소결체에 균열 등이 발생할 수 있다. Sintering temperature is preferably about 1800 ~ 2100 ℃ in consideration of the diffusion of boron carbide (B 4 C) particles, necking between the particles, etc. If the sintering temperature is too high, mechanical properties due to excessive grain growth If the sintering temperature is too low and the sintering temperature is too low, the sintered body may not be good due to incomplete sintering, and therefore, sintering at the sintering temperature in the above range is preferable. According to the sintering temperature, there are differences in the microstructure, particle size, etc. of the sintered body, because the surface diffusion is dominant when the sintering temperature is low, but the lattice diffusion and grain boundary diffusion are progressed when the sintering temperature is high. The sintering time is preferably 5 minutes to 3 hours when using a chamber for general heat treatment. If the sintering time is too long, it is not only economical because it consumes a lot of energy and it is difficult to expect further sintering effects. When the size of the sintered body becomes large and the sintering time is small, the characteristics of the sintered body may be poor due to incomplete sintering. The pressure applied to the boron carbide (B 4 C) powder compact during sintering is preferably about 10 to 60 MPa. If the pressurization pressure is too small, it is difficult to obtain the desired high density carbon boron sintered body and the sintering process if the pressurization pressure is too large. Cracks and the like may occur in the sintered body after this completion.
소결 공정을 수행한 후, 상기 챔버 온도를 하강시켜 탄화붕소(B4C) 소결체를 언로딩한다. 상기 챔버의 온도를 하강시킬 때 800~1200℃ 정도의 온도가 되면 환원제 가스인 수소 가스의 공급을 차단하는 것이 바람직하다. 상기 챔버 냉각은 챔버 전원을 차단하여 자연적인 상태로 냉각되게 하거나, 임의적으로 온도 하강률(예컨대, 10℃/min)을 설정하여 냉각되게 할 수도 있다. After performing the sintering process, the chamber temperature is lowered to unload the boron carbide (B 4 C) sintered body. When the temperature of the chamber is lowered, it is preferable to cut off the supply of hydrogen gas which is a reducing agent gas when the temperature is about 800 to 1200 ° C. The chamber cooling may be caused to cool down in a natural state by shutting off the chamber power, or optionally by setting a temperature drop rate (eg, 10 ° C./min).
본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제조된 탄화붕소(B4C) 소결체는 겉보기 밀도가 이론밀도의 90% 이상이며, 입자 사이의 간격이 매우 조밀하고 기공이 거의 형성되지 않은 고밀도 탄화붕소(B4C) 소결체이다. The boron carbide (B 4 C) sintered body manufactured according to the preferred embodiment of the present invention has an apparent density of 90% or more of the theoretical density, a very high density of boron carbide (B 4 ) with a very small gap between particles, and little pores. C) It is a sintered compact.
또한, 소결조제를 첨가하지 않고 소결이 이루어지므로 탄화붕소(B4C) 소결체 내에는 2차상(secondary phase)이 형성되지 않으며, 따라서 탄화붕소(B4C) 소결체의 경도와 기계적 특성이 매우 우수하다. In addition, since it made of sintering without the addition of a sintering aid in the boron carbide (B 4 C) sintered body has a second phase (secondary phase) is not formed, and thus a very good hardness and mechanical properties of boron carbide (B 4 C) sintered body Do.
탄화붕소(B4C)에 표면에 존재하는 붕소산화물(B2O3)은 소결 과정에서 환원됨으로써 결정립 사이에는 기공(pore)이나 보이드(void)가 형성되지 않게 되어 결정 상태가 우수하고, 탄화붕소(B4C) 소결체의 기계적 특성(mechanical property)도 매우 우수하다.
Boron oxide (B 2 O 3 ) present on the surface of boron carbide (B 4 C) is reduced during the sintering process so that no pores or voids are formed between the crystal grains, and thus the crystal state is excellent. The mechanical properties of the boron (B 4 C) sintered body are also very good.
본 발명은 하기의 실시예를 참고로 더욱 상세히 설명되며, 이 실시예가 본 발명을 제한하는 것은 아니다.The invention is described in more detail with reference to the following examples, which do not limit the invention.
<실시예 1>≪ Example 1 >
0.8㎛의 평균 입경을 갖는 허만 씨 스타크(Herman C Stark)사의 탄화붕소(B4C) 분말(제품명 C Grade)을 준비하였다. A boron carbide (B 4 C) powder (product name C Grade) manufactured by Herman C Stark having an average particle diameter of 0.8 μm was prepared.
아래의 표 1에 허만 씨 스타크사의 탄화붕소(B4C) 분말의 특성을 나타내었다. Table 1 below shows the characteristics of the boron carbide (B 4 C) powder of Herman C. Stark.
입경(particle size)
Particle size
D 50%의 입자(particle)≤0.8㎛
D 10%의 입자(particle)≤0.2㎛D 90% of particle ≤ 3.0 μm
50% particle ≤ 0.8 μm
불순물 레벨(impurity levels)
Impurity levels
최대 0.7wt%의 질소(N)
최대 0.05wt%의 철(Fe)
최대 0.15wt%의 실리콘(Si)
최대 0.05wt%의 알루미늄(Al)
최대 0.5wt%의 다른 불순물Up to 1.7 wt% oxygen (O)
Up to 0.7 wt% nitrogen (N)
0.05 wt% iron (Fe)
Up to 0.15wt% Silicon (Si)
0.05 wt% aluminum (Al)
Other impurities up to 0.5wt%
탄화붕소(B4C) 분말을 환원 가스 분위기인 수소 가스 분위기에서 도 1에 도시된 방전 플라즈마 소결 장치를 이용하여 소결하였다. The boron carbide (B 4 C) powder was sintered using a discharge plasma sintering apparatus shown in FIG. 1 in a hydrogen gas atmosphere which is a reducing gas atmosphere.
방전 플라즈마 소결(SPS)법을 이용한 소결 공정을 구체적으로 살펴보면, 탄화붕소(B4C) 분말을 챔버에 구비되는 몰드에 충진하고, 챔버 내부를 감압하고 수소(H2) 가스를 공급한 후, 1축으로 가압하면서 가압방향과 평행한 방향으로 직류펄스전류를 인가하였다. Looking at the sintering process using the discharge plasma sintering (SPS) method in detail, after filling the boron carbide (B 4 C) powder in the mold provided in the chamber, reducing the inside of the chamber and supplying hydrogen (H 2 ) gas, A direct current pulse current was applied in a direction parallel to the pressing direction while pressing in one axis.
더욱 구체적으로는, 탄화붕소(B4C) 분말(120)을 챔버(100)에 구비된 몰드(110)에 충진하고, 압력을 가하여 성형체로 성형하였다. 이때, 상기 몰드는 실린더 형상의 그라파이트 재질로 이루어졌고, 상기 몰드 내에 탄화붕소(B4C) 분말을 장입한 후 1축 압축을 실시하였으며, 탄화붕소(B4C) 분말에 가해지는 압력(상기 몰드에 의해 압축되는 압력)은 40MPa 정도였다. More specifically, the boron carbide (B 4 C)
챔버 내에 존재하는 불순물 가스를 제거하고 진공 상태를 만들기 위하여 로터리 펌프를 작동시켜 불순물 가스를 배기하고, 로터리 펌프의 작동을 중단하고 챔버 내에 환원제 가스인 수소(H2) 가스를 공급하였다. 상기 수소(H2) 가스는 5㎖/min 정도의 유량으로 공급하였다.In order to remove the impurity gas present in the chamber and to create a vacuum state, the rotary pump was operated to exhaust the impurity gas, the rotary pump was stopped, and hydrogen (H 2 ) gas, a reducing agent gas, was supplied into the chamber. The hydrogen (H 2 ) gas was supplied at a flow rate of about 5 ml / min.
탄화붕소(B4C) 분말을 가압하면서 직류펄스를 서서히 인가하였다. 상기 직류펄스는 1~1000A로 인가되게 하였다. Directly applying a DC pulse while pressurizing the boron carbide (B 4 C) powder. The DC pulse was applied to 1 ~ 1000A.
상기 챔버의 온도를 1500℃로 상승시켰다. 이때, 챔버의 상승 온도는 20℃/min 정도 였다. The temperature of the chamber was raised to 1500 ° C. At this time, the rising temperature of the chamber was about 20 ° C / min.
챔버의 온도를 1500℃로 상승시킨 후, 상기 챔버의 온도를 탄화붕소(B4C)의 용융 온도(2450℃)보다 낮은 온도인 1900℃로 상승시켰다. 이때, 챔버의 상승 온도는 5℃/min 정도 였다. After raising the temperature of the chamber to 1500 ° C., the temperature of the chamber was raised to 1900 ° C., which is lower than the melting temperature (2450 ° C.) of boron carbide (B 4 C). At this time, the rising temperature of the chamber was about 5 ° C / min.
챔버의 온도를 1900℃로 상승시킨 후, 1시간 동안을 유지하여 탄화붕소(B4C)를 소결시켰다. 소결시 탄화붕소(B4C) 분말 성형체에 가해지는 압력은 40MPa 정도로 일정하게 유지하였다. 소결시 수소(H2) 가스는 5㎖/min 정도의 유량으로 공급하였다. 소결시 가압 및 전류인가에 따른 온도의 상승으로 인해 분말간에 반응이 일어나 탄화붕소(B4C) 소결체가 얻어지며, 탄화붕소(B4C)가 소결이 이루어지면서 동시에 붕소산화물(B2O3)은 붕소(B)로 환원되게 되고 붕소산화물(B2O3)의 환원에 의해 생성된 반응부산물인 수증기(H2O)은 증발되게 된다.After raising the temperature of the chamber to 1900 ° C., boron carbide (B 4 C) was sintered for 1 hour. The pressure applied to the boron carbide (B 4 C) powder compact during sintering was kept constant at about 40 MPa. During sintering, hydrogen (H 2 ) gas was supplied at a flow rate of about 5 mL / min. When sintering, reaction occurs between powders due to an increase in temperature due to pressurization and current application, thereby obtaining a boron carbide (B 4 C) sintered body, while boron carbide (B 4 C) is sintered and simultaneously boron oxide (B 2 O 3 ) Is reduced to boron (B) and water vapor (H 2 O) which is a reaction by-product generated by the reduction of boron oxide (B 2 O 3 ) is evaporated.
소결 공정을 수행한 후, 상기 챔버 온도를 하강시켜 탄화붕소(B4C) 소결체를 언로딩하였다. 챔버의 온도를 하강시킬 때 1000℃ 정도의 온도가 되었을 때 환원제 가스인 수소(H2) 가스의 공급을 차단하였다. 상기 챔버 냉각은 챔버 전원을 차단하여 자연적인 상태로 냉각되게 하였다.
After performing the sintering process, the chamber temperature was lowered to unload the boron carbide (B 4 C) sintered body. When the temperature of the chamber was decreased, the supply of hydrogen (H 2 ) gas, which is a reducing agent gas, was cut off when the temperature reached about 1000 ° C. The chamber cooling shuts off the chamber power, allowing the chamber to cool in its natural state.
<실시예 2><Example 2>
소결 온도를 1950℃로 설정하여 소결한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 고밀도 탄화붕소(B4C) 소결체를 제조하였다.
A high-density boron carbide (B 4 C) sintered body was produced in the same manner as in Example 1 except that the sintering temperature was set to 1950 ° C and sintered.
<실시예 3><Example 3>
소결 온도를 2000℃로 설정하여 소결한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 고밀도 탄화붕소(B4C) 소결체를 제조하였다.
A high-density boron carbide (B 4 C) sintered body was produced in the same manner as in Example 1 except that the sintering temperature was set to 2000 ° C. and sintered.
<실시예 4><Example 4>
소결 온도를 2050℃로 설정하여 소결한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 고밀도 탄화붕소(B4C) 소결체를 제조하였다.
A high-density boron carbide (B 4 C) sintered body was produced in the same manner as in Example 1 except that the sintering temperature was set to 2050 ° C and sintered.
<비교예 1>≪ Comparative Example 1 &
실시예 1에서 사용한 동일한 탄화붕소(B4C) 분말을 준비하고, 실시예 1과 동일한 동일한 몰드를 사용하여 동일한 방법으로 성형체를 만들었다.The same boron carbide (B 4 C) powder used in Example 1 was prepared, and a molded body was made in the same manner using the same mold as in Example 1.
챔버 내에 존재하는 불순물 가스를 제거하고 진공 상태를 만들기 위하여 로터리 펌프를 작동시켜 불순물 가스를 배기하고, 로터리 펌프의 작동을 중단하고 챔버 내에 아르곤(Ar) 가스를 공급하였다. 상기 아르곤(Ar) 가스는 5㎖/min 정도의 유량으로 공급하였다.In order to remove the impurity gas present in the chamber and to create a vacuum state, the rotary pump was operated to exhaust the impurity gas, the rotary pump was stopped, and argon (Ar) gas was supplied into the chamber. The argon (Ar) gas was supplied at a flow rate of about 5 ml / min.
이후의 공정은 실시예 1에서와 동일한 방법으로 진행하고, 소결 동안에는 실시예 1과 달리 아르곤(Ar) 가스를 5㎖/min 정도의 유량으로 공급하여 탄화붕소(B4C) 소결체를 제조하였다. 챔버의 온도를 하강시킬 때 1000℃ 정도의 온도가 되었을 때 아르곤(Ar) 가스의 공급을 차단하였다.
Subsequent processes were carried out in the same manner as in Example 1, and during sintering, unlike Example 1, argon (Ar) gas was supplied at a flow rate of about 5 ml / min to prepare a boron carbide (B 4 C) sintered body. When the temperature of the chamber was lowered to about 1000 ° C., the supply of argon (Ar) gas was cut off.
<비교예 2>Comparative Example 2
소결 온도를 1950℃로 설정하여 소결한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일한 방법으로 탄화붕소(B4C) 소결체를 제조하였다.
A boron carbide (B 4 C) sintered body was produced in the same manner as in Comparative Example 1 except that the sintering temperature was set to 1950 ° C and sintered.
<비교예 3>≪ Comparative Example 3 &
소결 온도를 2000℃로 설정하여 소결한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일한 방법으로 탄화붕소(B4C) 소결체를 제조하였다.
A boron carbide (B 4 C) sintered body was produced in the same manner as in Comparative Example 1 except that the sintering temperature was set to 2000 ° C. and sintered.
<비교예 4>≪ Comparative Example 4 &
소결 온도를 2050℃로 설정하여 소결한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일한 방법으로 탄화붕소(B4C) 소결체를 제조하였다.
A boron carbide (B 4 C) sintered body was produced in the same manner as in Comparative Example 1 except that the sintering temperature was set to 2050 ° C and sintered.
도 3은 실시예 4에 따라 제조된 탄화붕소(B4C) 소결체의 X선 회절(X-ray Diffraction; 이하 'XRD'라 함) 패턴을 보여주는 그래프이다. 도 3에서 (a)는 실시예 4에서 사용된 탄화붕소(B4C) 분말의 XRD 패턴이고, (b)는 실시예 4에서 사용된 탄화붕소(B4C) 분말을 실시예 1과 동일하게 수소(H2) 가스를 공급하여 환원 분위기에서 1200℃의 온도로 1시간 동안 열처리한 경우의 XRD 패턴이며, (c)는 실시예 4에 따라 제조된 탄화붕소(B4C) 소결체의 XRD 패턴을 보여주는 그래프이다.FIG. 3 is a graph showing an X-ray diffraction (hereinafter referred to as 'XRD') pattern of the boron carbide (B 4 C) sintered body manufactured according to Example 4. FIG. In Figure 3 (a) is a XRD pattern of boron carbide (B 4 C) powder used in Example 4, (b) is equal to the boron carbide (B 4 C) powder used in Example 4 and Example 1 XRD pattern when the hydrogen (H 2 ) gas is supplied and heat-treated for 1 hour at a temperature of 1200 ℃ in a reducing atmosphere, (c) is XRD of the boron carbide (B 4 C) sintered body prepared according to Example 4 A graph showing a pattern.
도 3을 참조하면, (a)에 나타난 바와 같이 탄화붕소(B4C) 분말에서는 붕소산화물(B2O3)의 피크가 나타남으로써 탄화붕소(B4C) 분말의 표면에는 붕소산화물(B2O3)이 존재한다는 것을 확인할 수 있으며, (b) 및 (c)에서는 붕소산화물(B2O3)의 피크가 나타나지 않음으로써 붕소산화물(B2O3)이 제거되었음을 확인할 수 있다. Referring to Figure 3, boron carbide (B 4 C) powder, the boron oxide (B 2 O 3) boron carbide (B 4 C), the boron oxide the surface of the powder by a peak appears in as shown in (a) (B 2 O 3) to check that it is present, (b) and (c), can be concluded that the boron oxide (B 2 O 3) a peak is not as boron oxide (B 2 O 3) is removed, not a.
도 4는 실시예 1~4 및 비교예 1~4에 따라 제조된 탄화붕소(B4C) 소결체의 소결 온도에 따른 상대밀도(relative density)를 보여주는 그래프이다. 상대밀도는 아르키메데스법을 이용하여 측정한 것이다. 도 4에 나타난 바와 같이 붕소산화물(B2O3) 제거를 위해 환원 가스 분위기인 수소 가스 분위기에서 소결을 실시한 실시예 1~4가 소결 온도가 동일한 경우에는 아르곤(Ar) 가스 분위기에서 소결을 실시한 비교예 1~4에 비하여 상대밀도가 높게 나타났음을 알 수 있다. 4 is a graph showing the relative density of the boron carbide (B 4 C) sintered body prepared according to Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 4 according to the sintering temperature. Relative density is measured using the Archimedes method. As shown in FIG. 4, when Examples 1 to 4 which sintered in a hydrogen gas atmosphere as a reducing gas atmosphere to remove boron oxide (B 2 O 3 ) were sintered at the same sintering temperature, sintering was performed in an argon (Ar) gas atmosphere. It can be seen that the relative density was higher than that of Comparative Examples 1 to 4.
도 5는 실시예 1~4 및 비교예 1~4에 따라 제조된 탄화붕소(B4C) 소결체의 소결 온도에 따른 평균 입자 크기(average grain size)를 보여주는 그래프이다. 도 5에 나타난 바와 같이 붕소산화물(B2O3) 제거를 위해 수소 가스 분위기에서 소결을 실시한 실시예 1~4가 소결 온도가 동일한 경우에는 아르곤(Ar) 가스 분위기에서 소결을 실시한 비교예 1~4에 비하여 평균 입자 크기가 작았음을 알 수 있다. 5 is a graph showing the average grain size (average grain size) according to the sintering temperature of the boron carbide (B 4 C) sintered body prepared according to Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 4. As shown in FIG. 5, when Examples 1 to 4 sintered in a hydrogen gas atmosphere to remove boron oxide (B 2 O 3 ) are the same in sintering temperature, Comparative Examples 1 to sintered in an argon (Ar) gas atmosphere It can be seen that the average particle size was smaller than that of 4.
도 6은 실시예 1~4 및 비교예 1~4에 따라 제조된 탄화붕소(B4C) 소결체의 소결 온도에 따른 비커스 경도(vickers hardness)를 보여주는 그래프이다. 도 6에 나타난 바와 같이 붕소산화물(B2O3) 제거를 위해 수소 가스 분위기에서 소결을 실시한 실시예 1~4가 소결 온도가 동일한 경우에는 아르곤(Ar) 가스 분위기에서 소결을 실시한 비교예 1~4에 비하여 비커스 경도가 높았음을 알 수 있다. 6 is a graph showing Vickers hardness according to the sintering temperature of the boron carbide (B 4 C) sintered body prepared according to Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 4; As shown in FIG. 6, in Examples 1 to 4, which were sintered in a hydrogen gas atmosphere to remove boron oxide (B 2 O 3 ), when the sintering temperatures were the same, Comparative Examples 1 to sintered in an argon (Ar) gas atmosphere It can be seen that Vickers hardness was higher than that of 4.
도 7은 실시예 1~4 및 비교예 1~4에 따라 제조된 탄화붕소(B4C) 소결체의 소결 온도에 따른 꺽임강도(flexural strength)를 보여주는 그래프이다. 도 7에 나타난 바와 같이 붕소산화물(B2O3) 제거를 위해 수소 가스 분위기에서 소결을 실시한 실시예 1~4가 소결 온도가 동일한 경우에는 아르곤(Ar) 가스 분위기에서 소결을 실시한 비교예 1~4에 비하여 꺽임강도가 높았음을 알 수 있다.
7 is a graph showing the flexural strength according to the sintering temperature of the boron carbide (B 4 C) sintered body prepared according to Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 4. As shown in FIG. 7, Examples 1 to 4, which were sintered in a hydrogen gas atmosphere to remove boron oxide (B 2 O 3 ), were sintered in an argon (Ar) gas atmosphere when the sintering temperatures were the same. It can be seen that the bending strength was higher than that of 4.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described in detail, this invention is not limited to the said embodiment, A various deformation | transformation by a person of ordinary skill in the art within the scope of the technical idea of this invention is carried out. This is possible.
Claims (6)
(b) 펌프를 작동시켜 챔버 내에 존재하는 불순물 가스를 배기하고, 환원제 가스인 수소(H2) 가스를 공급하는 단계;
(c) 상기 탄화붕소 분말을 1축으로 가압하면서 가압 방향과 평행한 방향으로 직류펄스를 인가하는 단계;
(d) 상기 챔버의 온도를 탄화붕소 분말의 표면에 존재하는 붕소산화물(B2O3)이 휘발되는 온도 보다 높은 온도인 1400~1600℃로 1차 상승시키는 단계;
(e) 상기 챔버의 온도를 붕소산화물이 휘발되는 온도보다 높고 탄화붕소의 용융 온도보다 낮은 1800~2100℃의 소결 온도로 2차 상승시키는 단계;
(f) 상기 소결 온도에서 탄화붕소 분말의 성형체에 압력을 가하면서 0.1~10㎖/min 범위의 유량으로 수소 가스를 공급하여 환원 가스 분위기인 수소(H2) 가스 분위기에서 탄화붕소를 방전 플라즈마 소결하는 단계; 및
(g) 챔버를 냉각하여 탄화붕소 소결체를 얻는 단계를 포함하며,
상기 (d) 단계에서 챔버의 온도 상승 속도는 5~50℃/min 범위로 설정하고, 상기 (e) 단계에서 챔버의 온도 상승 속도는 1~30℃/min 범위로 설정하며,
상기 (e) 단계에서 챔버의 온도 상승 속도는 상기 (d) 단계에서의 챔버의 온도 상승 속도보다 작게 설정하여 목표하는 소결 온도로 서서히 올려줌으로써 탄화붕소 분말 성형체에 열적 스트레스가 최소로 작용되게 하고,
환원 가스 분위기에서 소결하여 탄소붕소 분말 표면에 존재하는 붕소산화물(B2O3)이 환원되어 분해되게 하며,
상기 (f) 단계에서 상기 탄화붕소 분말의 성형체에 가해지는 압력은 10~60MPa 범위이고,
상기 (f) 단계에서 상기 몰드를 1축 압축을 실시하며,
상기 챔버를 냉각할 때 800~1200℃의 온도가 되면 상기 수소 가스의 공급을 차단하며,
상기 몰드는 탄화붕소의 탄소 성분과 동일한 재질인 그라파이트 재질로 이루어진 몰드를 사용하는 것을 특징으로 하는 방전 플라즈마 소결법을 이용한 고밀도 탄화붕소 소결체의 제조방법.
(a) filling the boron carbide powder into a mold provided in the chamber of the discharge plasma sintering apparatus and applying pressure to form a molded body of a desired shape;
(b) operating the pump to exhaust the impurity gas present in the chamber, and supplying hydrogen (H 2 ) gas which is a reducing agent gas;
(c) applying a direct current pulse in a direction parallel to the pressing direction while pressing the boron carbide powder in one axis;
(d) first raising the temperature of the chamber to 1400-1600 ° C. which is higher than the temperature at which the boron oxide (B 2 O 3 ) present on the surface of the boron carbide powder is volatilized;
(e) raising the temperature of the chamber to a sintering temperature of 1800 to 2100 ° C. higher than the temperature at which the boron oxide is volatilized and lower than the melting temperature of boron carbide;
(f) discharge the boron carbide in a hydrogen (H 2 ) gas atmosphere, which is a reducing gas atmosphere, by supplying hydrogen gas at a flow rate in the range of 0.1 to 10 ml / min while applying pressure to the molded body of the boron carbide powder at the sintering temperature. Making; And
(g) cooling the chamber to obtain a boron carbide sintered body,
In step (d), the temperature increase rate of the chamber is set in a range of 5 to 50 ° C./min, and in step (e), the temperature increase rate of the chamber is set in a range of 1 to 30 ° C./min.
In step (e), the temperature increase rate of the chamber is set to be smaller than the temperature increase rate of the chamber in step (d), and gradually raised to a target sintering temperature, thereby minimizing thermal stress on the boron carbide powder compact.
Sintering in a reducing gas atmosphere causes boron oxide (B 2 O 3 ) present on the surface of the carbon boron powder to be reduced and decomposed.
The pressure applied to the molded body of the boron carbide powder in the step (f) is in the range of 10 to 60 MPa,
In the step (f), the mold is subjected to uniaxial compression,
When cooling the chamber, when the temperature of 800 ~ 1200 ℃ to cut off the supply of hydrogen gas,
The mold is a method of producing a high density boron carbide sintered body using the discharge plasma sintering method, characterized in that the mold made of a graphite material of the same material as the carbon component of the boron carbide.
The method for producing a high density boron carbide sintered body using the discharge plasma sintering method according to claim 1, wherein the boron oxide (B 2 O 3 ) is volatilized at 1200 to 1400 ° C.
The method of claim 1, wherein the sintering is performed for 5 minutes to 3 hours in consideration of the microstructure and particle size of the sintered compact.
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