KR101659188B1 - Fabricating method for nitride reinforced metal matrix composite materials by spontaneous substitution reaction and composite materials fabricated by the method - Google Patents

Fabricating method for nitride reinforced metal matrix composite materials by spontaneous substitution reaction and composite materials fabricated by the method Download PDF

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KR101659188B1
KR101659188B1 KR1020140195679A KR20140195679A KR101659188B1 KR 101659188 B1 KR101659188 B1 KR 101659188B1 KR 1020140195679 A KR1020140195679 A KR 1020140195679A KR 20140195679 A KR20140195679 A KR 20140195679A KR 101659188 B1 KR101659188 B1 KR 101659188B1
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박은수
이제인
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서울대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 자발 치환 반응을 통해 금속 기지에 질화물이 분산된 복합재료의 제조방법 및 그에 따라 제조된 복합재료에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 금속 용탕 내에서 원료 질화물 다공체 내부에 금속용탕이 침투되어 자발적으로 목적 질화물로 치환되어 향상된 계면특성으로 우수한 기계적/열적 특성이 구현된 다기능 금속기지 질화물 복합재료의 제조방법 및 그에 따라 제조된 복합재료에 관한 것이다.
본 발명은 금속 원소 용탕 내에서 자발적으로 목적 질화물을 형성함으로써, 복합재 제조시 기계적/열적 특성을 낮추는 반응 결과물인 금속간화합물을 형성하지 않고 기지와 질화물 제 2 상간 우수한 계면 특성을 가진다.
또한, 본 발명에 의해 제조된 복합재료는 금속 기지에 우수한 기계적/열적 특성을 가진 목적 질화물이 고분율로 균일하게 분산됨으로써 고강도, 고인성, 저열팽창, 및 고열전도도 특성을 갖는 다기능성 금속 기지 질화물 복합재료를 제공하는 효과가 있다.The present invention relates to a method for producing a composite material in which nitrides are dispersed in a metal matrix through spontaneous substitution reaction, and a composite material produced by the method. More particularly, the present invention relates to a composite material produced by spontaneously infiltrating a molten metal into a raw nitride- To a composite material produced by the method and a method for manufacturing a multifunctional metal matrix composite material having excellent mechanical / thermal properties by improved interface characteristics.
The present invention spontaneously forms a target nitride in a metal element molten metal, so that it has excellent interfacial properties between the matrix and the nitride phase 2 without forming an intermetallic compound which is a reaction result of lowering the mechanical / thermal characteristics in the production of the composite material.
In addition, the composite material produced by the present invention has a high mechanical strength, a high toughness, a low thermal expansion, and a high thermal conductivity, because the target nitride having excellent mechanical / thermal properties on the metal matrix is uniformly dispersed in a high proportion. There is an effect of providing a composite material.

Description

자발 치환 반응을 통해 형성된 질화물로 강화된 금속기지 복합재료의 제조방법 및 그에 따라 제조된 복합재료 {FABRICATING METHOD FOR NITRIDE REINFORCED METAL MATRIX COMPOSITE MATERIALS BY SPONTANEOUS SUBSTITUTION REACTION AND COMPOSITE MATERIALS FABRICATED BY THE METHOD} FIELD OF THE INVENTION [0001] The present invention relates to a method for producing a nitride-based metal matrix composite material by spontaneous substitution reaction, and a composite material produced by the method. BACKGROUND ART < RTI ID = 0.0 >

일반적으로 세라믹 강화상을 제 2 상으로 갖는 금속기지 복합재료는 단일 금속, 세라믹 재료와 비교했을 때 높은 강도와 인성, 내마모성을 갖는 하이브리드 소재다. 특히, 최근에는 조명 및 반도체 산업에 있어 제품의 방열특성의 개선에 대한 산업의 수요가 증가하면서, 열전도성이 좋은 금속과 세라믹의 복합 소재화를 통해 저열팽창계수, 고열전도도로 대표되는 우수한 열물성을 갖도록 하여 고강도/고인성/저열팽창/고전도성의 다기능성 특성을 가진 금속-세라믹 복합재료의 개발 및 적용에 대한 관심이 증가하고 있다.
In general, a metal matrix composite material having a ceramic reinforced phase as a second phase is a hybrid material having high strength, toughness and abrasion resistance as compared with a single metal, ceramic material. In recent years, the demand for the improvement of the heat dissipation characteristics of products in the lighting and semiconductor industry has increased, and as a result of the composite material of a metal having good thermal conductivity and a ceramic material, the excellent thermal property represented by a low thermal expansion coefficient and a high thermal conductivity There is an increasing interest in the development and application of metal-ceramic composite materials having high strength / high toughness / low thermal expansion / high conductivity and multi-functional properties.

금속기지 복합재료의 일반적인 제조방법으로 알려져 있는 가압침투 (Pressure Infiltration) 공정은 net-shape 형상의 시편 제조 및 균일한 미세조직을 갖는 복합재료의 제조에 유리하지만, 용탕의 침투를 위해 1000 내외의 고온 작업온도를 수 시간 유지해야 하므로 재료의 대량 생산에 적합하지 않고, 원료의 준비 및 생산 공정비용이 높다는 한계가 있어 산업에 적용되기 쉽지 않다. 또한 침투과정에서 발생하는 금속/세라믹 계면에서의 화학반응으로 취성의 계면화합물을 형성하여 완성된 복합재의 물리적 특성을 크게 저하시키는 한계가 지적되어 왔다.
The pressure infiltration process, which is known as a general manufacturing method for metal matrix composites, is advantageous for the production of net-shape specimens and for the production of composite materials with uniform microstructures. However, in order to penetrate the melt, It is not suitable for mass production of materials because the working temperature must be maintained for several hours, and the preparation cost of raw materials and the production process cost are limited, so that it is not easy to apply to industry. It has also been pointed out that there is a limit to the formation of brittle interfacial compounds due to chemical reactions at the metal / ceramic interface that occurs during the infiltration process, thereby significantly degrading the physical properties of the finished composite.

또한 이러한 침투공정에 의한 복합재의 제조는 세라믹기판 위에 놓인 금속 용탕이 기판과 이루는 접촉각으로 설명되는 젖음성(Wetting)이 좋은 금속/세라믹 조합에 대해서만 적용이 가능하며, 금속 용탕의 침투는 공정 온도 및 용탕이 해당 온도에서 갖는 표면장력, 점도 및 세라믹 다공체의 구조에 따라 그 속도가 결정된다. 따라서 공정 온도를 높이거나, 금속 기지에 이종 원소를 첨가하여 용탕의 화학적 성질을 변화시키거나, 세라믹 다공체를 금속기지와 젖음성이 좋은 물질로 코팅하는 등 용탕의 침투를 원활하도록 하여 복합재료의 생산을 재현성 있고 빠르게 하기 위한 연구가 진행되어오고 있으나, 이러한 노력 또한 취성의 계면화합물을 형성하지 않는다는 전제하에서 제한적으로 활용가능하다.
In addition, the fabrication of the composite material by the impregnation process can be applied only to a combination of metal / ceramics having a good wettability, which is explained by the contact angle between the metal melt placed on the ceramic substrate and the substrate. The surface tension, viscosity, and the structure of the ceramic porous body at this temperature determine the speed. Therefore, it is possible to increase the process temperature, to change the chemical property of the molten metal by adding a hetero element to the metal base, or to coat the ceramic porous body with a metal base and a material having good wettability, Studies have been carried out to reproduce and accelerate, but such efforts are also limited in that they do not form brittle interfacial compounds.

고강도, 고열전도 특성을 가진 다기능성 복합재료의 제조에 성공한 대표사례로써 주조용 알루미늄 계 합금인 A356 합금을 실리콘 카바이드 다공체에 침투시킨 복합재가 보고된 바 있다. 실리콘이 다량(~7 at.%) 함유된 A356 합금은 용탕의 점도가 낮아서 주조성이 좋고 실리콘 카바이드 다공체 내로 용탕의 침투가 용이한 것으로 알려져 있으며 용탕에 함유된 다량의 실리콘 조성으로 인해 실리콘 카바이드 입자의 분해 및 취성을 가진 Al4C3 계면화합물의 형성이 억제됨으로써 재료의 기계적 특성 손실을 최소화할 수 있다. 하지만 수십 의 세라믹 입자를 사용하여 재료의 가공성이 좋지 않고, 계면화합물의 형성으로 인해 고온에서의 사용이 제한된다는 점, 그리고 금속 기지로써 A356 합금을 사용함에 따라 순 알루미늄을 사용했을 때에 비해 인성 및 전도성이 손실되었다는 한계가 남아있다.
As a representative example of the successful manufacture of multifunctional composite materials with high strength and high thermal conductivity, a composite material in which a cast aluminum-based alloy A356 alloy is impregnated into a silicon carbide porous body has been reported. The A356 alloy containing a large amount of silicon (~ 7 at.%) Is known to have good castability because of its low viscosity and easy penetration of the molten metal into the silicon carbide porous body. Due to the large amount of silicon composition contained in the molten metal, And the formation of Al4C3 interfacial compound having brittleness is suppressed, so that the loss of mechanical properties of the material can be minimized. However, the use of tens of ceramic particles is not preferable because of the poor workability of materials, the limited use at high temperatures due to the formation of interfacial compounds, and the use of A356 alloys as metal bases, There is a limit to the loss.

이러한 점들을 보완하기 위해 최근에는 순수 알루미늄 용탕을 이용해 고열전도성 세라믹 소재인 실리콘 카바이드 또는 질화알루미늄을 알루미늄 기지 내에 자발적으로 형성시킨 알루미늄 금속기지 복합재료의 개발에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 이를 통해 기존 복합소재 제조 공정에서 지적되어 온 문제점들을 개선하여 원료비를 절감하고, 작업 공정을 간단하게 하며, 재료의 고온 안전성을 향상시키는 노력을 하고 있다.
In order to overcome these drawbacks, researches on the development of aluminum metal matrix composites, in which silicon carbide or aluminum nitride is spontaneously formed in an aluminum matrix by using a pure aluminum molten metal as a high thermal conductive ceramic material, In order to improve the problems pointed out in the composite material manufacturing process, efforts are being made to reduce raw material costs, simplify the working process, and improve the high temperature safety of the material.

일반적으로 세라믹 강화상을 제 2 상으로 갖는 금속기지 복합재료는 단일 금속, 세라믹 재료와 비교했을 때 높은 강도와 인성, 내마모성을 갖는 하이브리드 소재다. 특히, 최근에는 조명 및 반도체 산업에 있어 제품의 방열특성의 개선에 대한 산업의 수요가 증가하면서, 열전도성이 좋은 금속과 세라믹의 복합 소재화를 통해 저열팽창계수, 고열전도도로 대표되는 우수한 열물성을 갖도록 하여 고강도/고인성/저열팽창/고전도성의 다기능성 특성을 가진 금속-세라믹 복합재료의 개발 및 적용에 대한 관심이 증가하고 있다.
In general, a metal matrix composite material having a ceramic reinforced phase as a second phase is a hybrid material having high strength, toughness and abrasion resistance as compared with a single metal, ceramic material. In recent years, the demand for the improvement of the heat dissipation characteristics of products in the lighting and semiconductor industry has increased, and as a result of the composite material of a metal having good thermal conductivity and a ceramic material, the excellent thermal property represented by a low thermal expansion coefficient and a high thermal conductivity There is an increasing interest in the development and application of metal-ceramic composite materials having high strength / high toughness / low thermal expansion / high conductivity and multi-functional properties.

금속기지 복합재료의 일반적인 제조방법으로 알려져 있는 가압침투 (Pressure Infiltration) 공정은 net-shape 형상의 시편 제조 및 균일한 미세조직을 갖는 복합재료의 제조에 유리하지만, 용탕의 침투를 위해 1000 내외의 고온 작업온도를 수 시간 유지해야 하므로 재료의 대량 생산에 적합하지 않고, 원료의 준비 및 생산 공정비용이 높다는 한계가 있어 산업에 적용되기 쉽지 않다. 또한 침투과정에서 발생하는 금속/세라믹 계면에서의 화학반응으로 취성의 계면화합물을 형성하여 완성된 복합재의 물리적 특성을 크게 저하시키는 한계가 지적되어 왔다.
The pressure infiltration process, which is known as a general manufacturing method for metal matrix composites, is advantageous for the production of net-shape specimens and for the production of composite materials with uniform microstructures. However, in order to penetrate the melt, It is not suitable for mass production of materials because the working temperature must be maintained for several hours, and the preparation cost of raw materials and the production process cost are limited, so that it is not easy to apply to industry. It has also been pointed out that there is a limit to the formation of brittle interfacial compounds due to chemical reactions at the metal / ceramic interface that occurs during the infiltration process, thereby significantly degrading the physical properties of the finished composite.

또한 이러한 침투공정에 의한 복합재의 제조는 세라믹기판 위에 놓인 금속 용탕이 기판과 이루는 접촉각으로 설명되는 젖음성(Wetting)이 좋은 금속/세라믹 조합에 대해서만 적용이 가능하며, 금속 용탕의 침투는 공정 온도 및 용탕이 해당 온도에서 갖는 표면장력, 점도 및 세라믹 다공체의 구조에 따라 그 속도가 결정된다. 따라서 공정 온도를 높이거나, 금속 기지에 이종 원소를 첨가하여 용탕의 화학적 성질을 변화시키거나, 세라믹 다공체를 금속기지와 젖음성이 좋은 물질로 코팅하는 등 용탕의 침투를 원활하도록 하여 복합재료의 생산을 재현성 있고 빠르게 하기 위한 연구가 진행되어오고 있으나, 이러한 노력 또한 취성의 계면화합물을 형성하지 않는다는 전제하에서 제한적으로 활용가능하다.
In addition, the fabrication of the composite material by the impregnation process can be applied only to a combination of metal / ceramics having a good wettability, which is explained by the contact angle between the metal melt placed on the ceramic substrate and the substrate. The surface tension, viscosity, and the structure of the ceramic porous body at this temperature determine the speed. Therefore, it is possible to increase the process temperature, to change the chemical property of the molten metal by adding a hetero element to the metal base, or to coat the ceramic porous body with a metal base and a material having good wettability, Studies have been carried out to reproduce and accelerate, but such efforts are also limited in that they do not form brittle interfacial compounds.

고강도, 고열전도 특성을 가진 다기능성 복합재료의 제조에 성공한 대표사례로써 주조용 알루미늄 계 합금인 A356 합금을 실리콘 카바이드 다공체에 침투시킨 복합재가 보고된 바 있다. 실리콘이 다량(~7 at.%) 함유된 A356 합금은 용탕의 점도가 낮아서 주조성이 좋고 실리콘 카바이드 다공체 내로 용탕의 침투가 용이한 것으로 알려져 있으며 용탕에 함유된 다량의 실리콘 조성으로 인해 실리콘 카바이드 입자의 분해 및 취성을 가진 Al4C3 계면화합물의 형성이 억제됨으로써 재료의 기계적 특성 손실을 최소화할 수 있다. 하지만 수십 의 세라믹 입자를 사용하여 재료의 가공성이 좋지 않고, 계면화합물의 형성으로 인해 고온에서의 사용이 제한된다는 점, 그리고 금속 기지로써 A356 합금을 사용함에 따라 순 알루미늄을 사용했을 때에 비해 인성 및 전도성이 손실되었다는 한계가 남아있다.
As a representative example of the successful manufacture of multifunctional composite materials with high strength and high thermal conductivity, a composite material in which a cast aluminum-based alloy A356 alloy is impregnated into a silicon carbide porous body has been reported. The A356 alloy containing a large amount of silicon (~ 7 at.%) Is known to have good castability because of its low viscosity and easy penetration of the molten metal into the silicon carbide porous body. Due to the large amount of silicon composition contained in the molten metal, And the formation of Al4C3 interfacial compound having brittleness is suppressed, so that the loss of mechanical properties of the material can be minimized. However, the use of tens of ceramic particles is not preferable because of the poor workability of materials, the limited use at high temperatures due to the formation of interfacial compounds, and the use of A356 alloys as metal bases, There is a limit to the loss.

이러한 점들을 보완하기 위해 최근에는 순수 알루미늄 용탕을 이용해 고열전도성 세라믹 소재인 실리콘 카바이드 또는 질화알루미늄을 알루미늄 기지 내에 자발적으로 형성시킨 알루미늄 금속기지 복합재료의 개발에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 이를 통해 기존 복합소재 제조 공정에서 지적되어 온 문제점들을 개선하여 원료비를 절감하고, 작업 공정을 간단하게 하며, 재료의 고온 안전성을 향상시키는 노력을 하고 있다.
In order to overcome these drawbacks, researches on the development of aluminum metal matrix composites, in which silicon carbide or aluminum nitride is spontaneously formed in an aluminum matrix by using a pure aluminum molten metal as a high thermal conductive ceramic material, In order to improve the problems pointed out in the composite material manufacturing process, efforts are being made to reduce raw material costs, simplify the working process, and improve the high temperature safety of the material.

대한민국 공개특허 101267793Korean Patent Publication No. 101267793 일본 공개특허 11-138-251Japanese Patent Laid-Open No. 11-138-251

본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 금속 용탕 내에서 원료 질화물 다공체 내부에 금속용탕이 침투되어 자발적으로 목적 질화물로 치환되어 향상된 계면특성으로 우수한 기계적/열적 특성이 구현된 다기능 금속기지 질화물 복합재료의 제조방법 및 그에 따라 제조된 복합재료에 관한 것이다.
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in order to solve the above problems of the conventional art, and it is an object of the present invention to provide a multi-functional metal material having excellent mechanical and thermal properties, And a composite material produced by the method.

상기 목적을 달성하기 위한 금속기지 질화물 복합재료의 제조방법은, 우수한 기계적/열적 특성을 가진 목적 질화물을 형성할 질화물 형성 금속 원소(A)와 질소를 공급하는 질소 공급원(source)인 원료 질화물(BN)을 포함하는 원료물질을 준비하는 단계; 상기 원료물질을 녹여 용탕을 준비하는 단계를 포함하며, 상기 용탕 내에서 상기 질소 공급원인 원료 질화물(BN)의 질소(N)가 상기 목적 질화물 형성 금속 원소(A)와 결합하여 자발적으로 우수한 기계적/열적 특성을 가진 목적 질화물(AN)을 형성하는 것을 특징으로 한다.
A method of manufacturing a metal matrix nitride composite material for achieving the above object is a method for manufacturing a nitride-based metal nitride composite material, which comprises a nitride-forming metal element (A) for forming a target nitride having excellent mechanical / thermal characteristics, and a raw nitride Preparing a raw material comprising the raw material; (N) of the raw material nitride (BN) serving as the nitrogen supply source in the molten metal is combined with the target nitride-forming metal element (A) in a molten state to spontaneously obtain an excellent mechanical / And forming a target nitride (AN) having thermal properties.

이때, 질소 공급원인 원료 질화물(BN)은 온도에 따른 화합물의 안정성을 나타내는 엘링감 도표를 고려하여 선택하는 것이 가능하며, 용탕 내에서 원료 질화물 (BN)의 열역학적 자유에너지가 자발 반응을 통해 형성될 목적 질화물(AN)보다 높아 자발적으로 질화물의 치환 (A + BN AN + B) 이 발생하는 것을 특징으로 한다.
At this time, the raw nitride (BN) which is the source of nitrogen can be selected in consideration of the Elling diagram showing the stability of the compound with the temperature, and the thermodynamic free energy of the raw nitride (BN) in the melt is formed through the spontaneous reaction (A + BN AN + B) is generated spontaneously due to the higher nitrogen concentration than the target nitride (AN).

이를 보다 구체적으로 부연하면, 본 발명의 다기능 금속기지 질화물 복합재료의 제조방법은, 우수한 기계적/열적 특성을 가진 목적 질화물(AlN, ZrN, 그리고 TiN)을 형성할 질화물 형성 금속 원소 (A, A = Al, Zr, 과 Ti 중에 선택된 하나 이상의 원소)와 질소를 공급하는 원료 질화물 (BN, B = Mg, Ca, B, Si, Al, Ti 중에 선택된 하나 이상의 원소)을 포함하는 원료물질을 준비하는 단계; 상기 원료물질을 녹여 용탕을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 용탕 내에서 상기 원료 질화물 (BN)의 질소 (N)가 상기 질화물 형성 금속 원소 (A)와 결합하여 자발적으로 목적 질화물 (AN)을 형성하는 것을 특징으로 한다.
The present invention provides a method for producing a multi-function metal-based nitride composite material, which comprises the steps of forming a nitride-forming metal element (A, A, B, C, D) to form a target nitride having excellent mechanical / (At least one element selected from Al, Zr and Ti) and a raw material nitride (at least one element selected from BN, B = Mg, Ca, B, Si, Al and Ti) ; (N) of the raw material nitride (BN) is combined with the nitride-forming metal element (A) in the molten metal to spontaneously form a target nitride (AN) by melting the raw material .

본 발명에서 용탕을 형성하는 단계는 저항로, 고주파 가열 등의 일반적인 용해법으로도 목적 질화물을 형성할 질화물 형성 금속원소 (A, A = Al, Zr, 과 Ti 중에 선택된 하나 이상의 원소)의 용해가 가능한 경우 사용 가능하나, 빠른 반응 속도 구현을 위해 급속 가열 및 고온 유지가 가능한 아크 용해로에서 수행하는 것이 바람직하다.
In the present invention, the step of forming the molten metal is a step of dissolving a nitride-forming metal element (A, Al, Zr, and Ti) to form a target nitride by a common dissolution method such as high- But it is preferable to perform in an arc melting furnace capable of rapid heating and high temperature maintenance for realizing a rapid reaction rate.

본 발명의 복합재료에 분산된 목적 질화물 (AN)의 함량은 질소공급원인 원료 질화물 (BN) 다공체의 제조 방법 및 질화물 부피 분율에 의존하며, 제조 방법의 제어 및 나노/마이크로 분말의 혼합 충진을 통한 다공체 제조를 통해 최대 90 vol% 까지 복합재 내 목적 질화물 (AN)의 부피 분율을 증가시키는 것이 가능하다
The content of the aimed nitride (AN) dispersed in the composite material of the present invention depends on the production method of the porous nitride of the raw material (BN) which is the source of nitrogen and the nitride volume fraction, and is controlled through the control of the production method and the mixing of nano / micro powder Through the preparation of the porous body it is possible to increase the volume fraction of the target nitride (AN) in the composite up to 90 vol%

상술한 바와 같이 구성된 본 발명은, 금속 용탕 내에서 자발적으로 원료 질화물이 목적 질화물을 형성함으로써 계면 특성이 우수한 질화물이 균일하게 분산된 다기능 금속기지 질화물 복합재료를 제조할 수 있는 효과가 있다.
According to the present invention configured as described above, it is possible to produce a multifunctional metal-based nitride composite material in which nitrides having excellent interfacial characteristics are uniformly dispersed by spontaneously forming a target nitride in the molten metal.

또한, 본 발명에서는 용탕 내에서 자발적으로 형성된 목적 질화물이 원료 질화물 다공체 형상에 따라 균일하게 분산되기 때문에 질화물의 분산이 매우 뛰어나며, 용탕 내 반응으로 인해 기지와 질화물 제 2 상간 우수한 계면 특성을 가진다.
Further, in the present invention, since the target nitride spontaneously formed in the molten metal is uniformly dispersed in accordance with the shape of the raw material nitride porous body, the nitride is highly dispersed and has excellent interfacial characteristics between the matrix and the nitride phase due to reaction in the melt.

나아가 본 발명에 의해 제조된 복합재료는 금속기지에 우수한 기계적/열적 특성을 가진 목적 질화물이 분산됨으로써, 고강도, 고인성, 저열팽창계수, 그리고 고열전도성의 다기능 금속기지 질화물 복합재료를 제공하는 효과가 있다.
Further, the composite material produced by the present invention has an effect of providing a high-strength, high toughness, low thermal expansion coefficient, and high thermal conductivity multifunctional metal matrix nitride composite by dispersing a target nitride having excellent mechanical / thermal properties on a metal matrix have.

도 1은 원료 질화물 Si3N4과 목적 질화물 AlN의 온도에 따른 표준자유에너지 변화를 나타낸 엘링감 도표이다.
도 2는 본 발명의 제조방법에 따라 준비된 서로 다른 원료 질화물 Si3N4 부피 분율을 가진 다공체의 사진이다.
도 3은 본 발명의 자발적 질화물 치환을 촉진하기 위해 아크 멜팅 방법으로 금속 용탕과 원료 질화물간 반응속도를 향상시키는 제조 방법의 개략도 이다.
도 4는 본 발명에 따라 제조된 금속기지 질화물 복합재의 단면에 대한 광학 현미경사진이다.
도 5는 본 발명에 따라 제조된 금속기지 질화물 복합재에 대한 X-선 회절 분석 결과이다.
도 6은 본 발명에 따라 제조된 금속기지 질화물 복합재의 단면에 대한 주사전자현미경사진이다.
도 7은 본 발명에 따라 제조된 금속기지 질화물 복합재의 열팽창계수 측정 결과이다.1 is an ELLING diagram showing the standard free energy change according to the temperature of the raw nitride Si3N4 and the target nitride AlN.
2 is a photograph of a porous body having different raw nitride Si 3 N 4 volume fractions prepared according to the production method of the present invention.
FIG. 3 is a schematic view of a manufacturing method for improving the reaction rate between molten metal and raw nitride by an arc melting method to promote the spontaneous nitride substitution of the present invention.
4 is an optical microscope photograph of a cross section of a metal matrix nitride composite material produced according to the present invention.
FIG. 5 is a result of X-ray diffraction analysis of a metal matrix nitride composite material produced according to the present invention.
6 is a scanning electron microscope (SEM) image of a cross-section of a metal matrix nitride composite fabricated according to the present invention.
7 shows the results of measurement of the thermal expansion coefficient of the metal matrix nitride composite material produced according to the present invention.

첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다.
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Referring to the accompanying drawings, embodiments of the present invention will be described in detail.

본 발명의 금속기지 질화물 복합재의 제조방법은 질화물간 열역학적 안정성을 엘링감 도표를 통해 고려하여 금속 용탕 내에서 자발적으로 원료 질화물에서 우수한 기계적/열적 특성을 가진 목적 질화물로 치환이 일어나도록 구성한 것으로써, 형성하고자 하는 목적 질화물 (AN)의 원료 금속원소 (A) 순물질 혹은 이를 주로 포함하는 합금과 질소 공급원인 원료 질화물 (BN) 다공체를 함께 가열하여, A 용탕 내에서 BN 다공체 표면에 보다 더 안정한 AN이 형성되어 무가압 상태에서도 금속 용탕의 침투를 촉진하고, (A + BN AN + B)의 자발반응을 통해 원료질화물에서 우수한 기계적/열적 특성을 가진 목적 질화물로 치환되는 것을 특징으로 한다.
The method of manufacturing the metal matrix nitride composite material of the present invention is designed so that the thermodynamic stability between nitrides is automatically changed in the molten metal from the raw nitride to the target nitride having excellent mechanical / (A) of the target nitride (AN) to be formed and the porous material of the raw material nitride (BN) which is the source of nitrogen are heated together to form a more stable AN on the surface of the BN porous body in the A melt (A + BN AN + B), and is replaced with a target nitride having excellent mechanical / thermal properties in the raw material nitride through the spontaneous reaction of (A + BN AN + B).

본 발명의 실시예로 우수한 기계적/열적 특성을 가진 목적 질화물 (AN = AlN)을 형성할 원료 금속 원소 (A)는 Al을, 용탕에 질소를 공급하는 원료 질화물 (BN)은 Si3N4 분말 다공체를 선택하여, 이를 통해 질화 알루미늄 (AlN)으로 강화된 다기능 알루미늄 기지 복합재를 제조하는 방법 및 그 복합재 제공하고자 하며, 이를 도면을 통해 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
As an embodiment of the present invention, a raw material metal element (A) for forming a target nitride (AN = AlN) having excellent mechanical / thermal properties is selected to be Al; a raw nitride (BN) to supply nitrogen to a molten metal is selected as a Si3N4 powder porous body To provide a method for manufacturing a multifunctional aluminum matrix composite material reinforced with aluminum nitride (AlN) and a composite material thereof, which will be described in detail with reference to the drawings.

도 1은 원료 질화물 Si3N4와 목적 질화물 AlN의 온도에 따른 표준자유에너지 변화를 나타낸 엘링감 도표이다. 도 1에서 알 수 있는 바와 같이 원료 질화물 Si3N4은 목적 질화물 AlN과 비교하여 전 온도 범위에서 열역학적으로 불안정한 것을 확인할 수 있으며, 이를 통해 목적 질화물을 만들기 위한 금속 원소 Al 용탕 내에서 용이하게 (4Al + Si3N4 4AlN + 3Si)의 자발반응을 유도하는 것이 가능함을 알 수 있다. 본 발명 실시예의 목적 질화물인 AlN은 이론 열전도도 (319 W/mK)가 알루미나보다 10 배 이상이고, 전기절연성 (9 x 1013 )이 우수하고, 열팽창계수 (4 x 10-6)가 알루미나 보다 작아 Si 반도체와 비슷하며, 기계적 강도 (430 MPa)도 우수한 특징이 있어 우수한 기계적/열적 특성을 가진다. 또한 본 실시예에서는 순수 알루미늄을 기지 조성으로 선택하였지만, 알루미늄을 기반으로 하는 알루미늄기 합금에 대해서도 본 발명이 적용 가능하다.
1 is an ELLING diagram showing the standard free energy change according to the temperature of the raw nitride Si3N4 and the target nitride AlN. As can be seen from FIG. 1, Si 3 N 4 as a raw material nitride is thermodynamically unstable in the entire temperature range as compared with the target nitride AlN. Thus, it is possible to easily produce (4Al + Si 3 N 4 4AlN + 3Si) can be induced. The target nitride of AlN of the present invention has a theoretical thermal conductivity (319 W / mK) of 10 times or more than that of alumina, excellent electrical insulation (9 x 10 13 ), and a thermal expansion coefficient (4 x 10 -6 ) It is similar to Si semiconductor and has excellent mechanical strength (430 MPa) and excellent mechanical / thermal properties. In this embodiment, pure aluminum is selected as the base composition, but the present invention is also applicable to aluminum-based alloys based on aluminum.

도 2는 본 실시예의 제조방법에 사용된 Si3N4 분말 다공체 사진이다. 본 발명에서는 고분율 Si3N4 분말 다공체를 제조하기 위하여 나노크기 분말 혹은 나노 분말과 마이크로 분말을 기계적으로 혼합한 후 냉간압축 (Cold Pressing) 및 냉간 등압축성형 방법 (Cold Isostatic Pressing, CIP)을 통해 평균입도 0.6 um (600 nm)의 45 vol.% (실시예1), 평균입도 20 의 Si3N4와 평균입도 0.6 um의 Si3N4를 7:3의 비율로 혼합한 65 vol.% (실시예2)의 부피분율을 갖는 Si3N4 다공체 (green body)를 제조하였다. 2 is a photograph of a porous Si3N4 powder used in the manufacturing method of this embodiment. In the present invention, in order to produce a high-fraction Si 3 N 4 powder porous body, nano-size powder or nano powder and micro powder are mechanically mixed and then subjected to cold pressing and cold isostatic pressing (CIP) The volume fraction of 65 vol.% (Example 2) obtained by mixing 45 vol.% (Example 1) of 0.6 um (600 nm), Si3N4 having an average particle size of 20 and Si3N4 having an average particle size of 0.6 um in a 7: ≪ / RTI > was prepared.

이 때, 준비된 Si3N4 다공체는 냉간 등압축성형 공정 이후 pellet의 형태를 잘 유지하고 있으므로 이를 순 알루미늄 또는 알루미늄 합금과 함께 용해했을 때 다공체 형상 변화 없이 알루미늄 용탕의 자발적인 침투를 일으키는 것이 가능하다. 이 때, 4Al + Si3N4 4AlN + 3Si 형성반응으로부터 금속기지의 조성을 유지하기 위해, 자발반응 중 소모되는 Al의 질량을 계산하여 질소 공급원과 함께 용해되는 알루미늄의 첨가량을 달리하여 복합재 기지 합금조성의 제어가 가능하다. 한편, 상기 공정에 적용된 다공체는 용해 전 소결 공정을 통해 다공체 내 기공도를 더욱 감소시켜 최대 80 vol.% 이상의 원료 질화물 부피 분율을 갖도록 하는 것이 가능하며, 이 때 다공체의 소결은 전기로 또는 Spark Plasma Sintering 방법을 이용한다. 또한, 상기한 방법 외에 freeze-casting 공법과 가압성형 공정을 결함하여 일방향으로 치밀한 기공이 연속적으로 자라난 다공체를 제작하는 것이 가능하며, 이 때 제조된 다공체의 Si3N4 부피분율은 최대 90 vol.% 까지 제조가 가능하다.
At this time, the prepared Si 3 N 4 porous body maintains the shape of the pellet well after the cold compression molding, so that when it is dissolved together with pure aluminum or aluminum alloy, it is possible to spontaneously penetrate the aluminum melt without changing the shape of the porous body. At this time, in order to maintain the composition of the metal matrix from 4Al + Si3N4 4AlN + 3Si formation reaction, the mass of Al consumed in the spontaneous reaction is calculated and the control of the composition of the composite base alloy is performed by varying the amount of aluminum dissolved together with the nitrogen source It is possible. On the other hand, the porous body applied to the above process can further reduce the porosity in the porous body through the sintering process before dissolution to have a volume fraction of the raw material nitride of at most 80 vol.%. At this time, sintering of the porous body can be performed by an electric furnace or Spark Plasma Sintering method is used. In addition to the above-mentioned methods, it is possible to manufacture a porous article in which dense pores are continuously grown in one direction by defeating the freeze-casting method and the press-molding step, and the volume fraction of Si3N4 in the porous article thus produced is up to 90 vol.% It is possible to manufacture.

도 3은 본 발명의 자발적 질화물 치환을 촉진하기 위해 아크 멜팅 방법으로 금속 용탕과 원료 질화물간의 반응성 향상시키는 제조 방법의 개략도이다. 본 발명에서는 준비된 원료 물질의 급속 가열 용해 및 고온 유지를 통해 반응속도 향상이 용이한 아크 용해로에서 약 2000 이상의 온도로 용해하여 알루미늄 용탕을 제조하였다. 본 실시예에서는 아크 용해로를 이용하여 용탕을 형성했지만, 금속 원소의 용탕을 제조하는 방법이 이에 한정되는 것은 아니고 저항로, 고주파 가열 등의 일반적인 용해법으로도 가능하다.
FIG. 3 is a schematic view of a method for improving the reactivity between a molten metal and a raw material nitride by an arc melting method to promote the spontaneous nitride substitution of the present invention. In the present invention, molten aluminum was prepared by dissolving prepared raw materials at a temperature of about 2000 or more in an arc melting furnace where the reaction rate can be easily improved through rapid heating dissolution and high temperature maintenance. In the present embodiment, the molten metal is formed by using the arc melting furnace. However, the method of manufacturing the molten metal is not limited to this, and general melting methods such as resistance heating and high frequency heating are also possible.

도면 3-(1)은 불활성 가스 분위기에서 아크 플라즈마를 이용하여 고온으로 Al을 용해하는 과정으로, 원활한 용탕 제조를 위하여 Al을 Si3N4 다공체 pellet의 위에 놓는 것이 바람직하다. 도면 3-(2)은 고온에서 용해된 Al이 Si3N4의 표면과 반응하여 Pellet의 계면에서 부터 (4Al + Si3N4 4AlN + 3Si) 반응층이 형성되는 단계로 이를 통해 다공체 내부로 금속 용탕이 무가압 상태에서도 침투하는 경향을 나타낸다. 도면 3-(3)은 아크 플라즈마를 통해 Al과 Si3N4를 고온으로 가열하면서 Si3N4의 다공체로 Al 용탕이 침투하는 모식도로, Al 용탕은 온도가 높아짐에 따라 Si3N4와의 젖음성이 향상되고 자발반응 속도도 빨라지기 때문에, 이 과정을 통해 Al 용탕이 Si3N4 다공체의 표면을 적시면서 내부로 빠르게 침투되어 들어간다. 이 때 다공체 내부에서 목적 질화물이 형성되는 자발 형성반응 (4Al + Si3N4 4AlN + 3Si)은 금속 용탕의 침투 속도와 비례하며, 아크 플라즈마를 이용하는 경우 수 분 이내에 모두 완료된다. 도면 3-(4)는 Al 용탕의 무가압 침투와 동시에 AlN 자발 형성 반응이 발생하여 제조된 다기능 알루미늄 기지 AlN 복합재의 모식도이다.
3- (1) is a process of dissolving Al at a high temperature using an arc plasma in an inert gas atmosphere, and it is preferable that Al is placed on a Si3N4 porous body pellet for producing a smooth melt. In Fig. 3- (2), the Al dissolved at high temperature reacts with the surface of Si3N4 and the (4Al + Si3N4AlN + 3Si) reaction layer is formed from the interface of the pellet. . Fig. 3- (3) is a schematic diagram in which Al melt penetrates into the porous body of Si3N4 while heating Al and Si3N4 at high temperature through arc plasma. As the temperature of Al melt increases, the wettability with Si3N4 improves and the spontaneous reaction speed becomes fast The Al melt is rapidly penetrated into the Si3N4 porous body while wetting the surface of the porous body. At this time, the spontaneous formation reaction (4Al + Si3N4 4AlN + 3Si) in which the target nitride is formed inside the porous body is proportional to the penetration rate of the molten metal, and is completed within several minutes by using arc plasma. 3- (4) is a schematic view of a multifunctional aluminum-base AlN composite material produced by non-pressurized penetration of Al melt and AlN spontaneous reaction.

도 4는 본 발명에 따라 제조된 금속기지 질화물 복합재의 단면에 대한 광학현미경 사진이다. 실시예 1의 다공체로부터 제조된 복합재의 경우 (좌측) 질화물이 알루미늄 기지에 매우 고르게 분포한 것을 알 수 있으며, 실시예 2의 다공체로부터 제조된 복합재의 경우 (우측) 직경이 큰 마이크로 질화물 입자를 중심으로 직경이 작은 나노 질화물 입자들이 고르게 분포하여 있는 것을 확인할 수 있다. 특히, 실시예 2의 결과는 금속 용탕의 원료 질화물 다공체 내 자발적인 침투 및 목적 질화물의 자발형성으로 대표되는 본 발명의 기술이 다양한 입도크기를 갖는 원료 질화물 분말 혼합 다공체에서도 적용될 수 있음을 보여준다.
4 is an optical microscope photograph of a cross section of a metal matrix nitride composite material produced according to the present invention. In the case of the composite material produced from the porous body of Example 1 (left side), it can be seen that the nitride is distributed evenly on the aluminum base. In the case of the composite material produced from the porous body of Example 2 (right side), the micro- It can be seen that the nanoparticles having a small diameter are evenly distributed. In particular, the results of Example 2 show that the technique of the present invention represented by the spontaneous penetration of the molten metal in the raw material nitride and the spontaneous formation of the target nitride can be applied to the raw nitride powder mixed porous body having various particle sizes.

도 5는 본 발명에 따라 제조된 금속기지 질화물 복합재의 X-선 회절 분석 결과 이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 실시예 1의 다공체로부터 제조된 복합재에 대한 X-선 회절 분석결과에서는 제조된 복합재내 Si3N4의 피크가 없이 AlN의 피크가 강하게 나타난 것을 확인할 수 있다. 반면 실시예 2의 다공체로부터 제조된 복합재료에 대한 X-선 회절 분석결과에서는 AlN과 더불어 Si3N4의 피크가 같이 나타나는 것을 확인할 수 있다.
Figure 5 shows the X-ray diffraction analysis results of the metal matrix nitride composites produced according to the present invention. As shown in FIG. 5, the X-ray diffraction analysis of the composite material prepared from the porous material of Example 1 showed that the peak of AlN was strongly observed without the peak of Si 3 N 4 in the composite material. On the other hand, the X-ray diffraction analysis of the composite material prepared from the porous body of Example 2 shows that the peak of Si 3 N 4 appears together with AlN.

도 6은 본 발명에 따라 제조된 금속기지 질화물 복합재의 단면에 대한 주사전자현미경사진이다. 실시예 1의 다공체로부터 제조된 복합재 (좌측)의 경우 밝은 색의 질화알루미늄이 알루미늄 기지에 매우 고르게 분포되어 있는 구조를 확인할 수 있다. 이미지 분석 소프트웨어를 이용한 질화알루미늄의 부피분율 분석 결과, 반응 전 Si3N4 다공체 내의 Si3N4 부피분율(45 vol.%)에 비해 복합재 제조 후 형성된 (AlN + Si)의 부피분율 (55 vol.%)이 증가한 것을 확인하였다. 또한, 실시예 2의 다공체로부터 제조된 복합재 (우측)에서도 마찬가지로 반응 전 Si3N4 다공체 내의 Si3N4 부피분율 (65 vol.%)에 비해 복합재 제조 후 형성된 (AlN + Si)의 부피분율(73 vol.%)이 증가한 것을 확인하였다. 이는 아크플라즈마에 의해 용탕의 온도가 일반적인 질화물의 소결온도에 (> 1700 ) 다다르면서 일부 질화물 입자들이 상호 결합되어 소결되면서 연결된 단단한 구조로 변환되었기 때문이다. 한편, 실시예 2의 다공체로부터 제조된 복합재의 경우, 원료 질화물 입도가 5 보다 큰 질화물 입자에서는 반응 후에도 Si3N4 이 발견되는데, 이는 상기 도면 5의 X-선 분석 결과에서도 확인된 바 있다. 이는 본 발명의 복합재 제조과정에서 5 마이크로 이상의 큰 입도를 가진 Si3N4를 고분율 (65 Vol.% 이상) 다공체로 만들어 사용하는 경우, 자발 반응속도의 한계와 기지 Al 공급의 부족으로 Si3N4가 AlN으로 100 % 변환되지 못하였기 때문이다. 하지만 이 경우에도 각 원료 질화물 Si3N4 입자 표면이 목적 질화물 AlN으로 치환되기 때문에 금속기지와 질화물과의 계면특성에 의해 좌우되는 금속-세라믹 복합재의 특성에 따라 목적 질화물로 완전히 치환된 경우와 유사한 기계적/열적 특성을 나타낸다.
6 is a scanning electron microscope (SEM) image of a cross-section of a metal matrix nitride composite fabricated according to the present invention. In the case of the composite material (left side) produced from the porous body of Example 1, it can be confirmed that the bright aluminum nitride is uniformly distributed on the aluminum base. The analysis of volume fraction of aluminum nitride using image analysis software showed that the volume fraction (55 vol.%) Of the (AlN + Si) formed after the composite fabrication was increased compared to the Si3N4 volume fraction (45 vol. Respectively. The volume fraction (73 vol.%) Of (AlN + Si) formed after the production of the composite material as compared with the Si3N4 volume fraction (65 vol.%) In the Si3N4 porous body prior to the reaction was also similarly measured in the composite made from the porous body of Example 2 . This is because when the temperature of the molten metal reached the sintering temperature (> 1700) of the general nitride by arc plasma, some of the nitride particles were transformed into a solid structure by mutual bonding and sintering. On the other hand, in the case of the composite material produced from the porous body of Example 2, Si 3 N 4 was found even after the reaction in the nitride particles having a raw material nitride particle size of more than 5, which was also confirmed from the X-ray analysis results of FIG. When Si3N4 having a large particle size of 5 microns or more is used as a porous material having a high fraction (65 vol.% Or more) in the process of producing the composite material of the present invention, Si3N4 is converted to AlN 100 % Conversion failed. In this case, however, since the surface of each raw material nitride Si 3 N 4 is substituted with the target nitride AlN, the mechanical and thermal properties similar to those of the complete substitution of the target nitride, depending on the characteristics of the metal- Lt; / RTI >

이상의 분석결과에서 본 실시예의 제조방법을 적용하는 경우에 알루미늄 용탕 내에서 원료물질로 첨가된 질소 공급원 Si3N4이 목적 질화물 AlN으로 자발반응을 통해 변환된 것을 확인할 수 있었으며, 이를 통해 Al 기지 내에 우수한 계면 특성을 가진 고분율 AlN이 고르게 분산된 알루미늄 기지 AlN 복합재료가 형성된 것을 확인할 수 있다.
As a result of the above analysis, it was confirmed that when the manufacturing method of this embodiment was applied, the nitrogen source Si3N4 added as the raw material in the molten aluminum was converted into the target nitride AlN through spontaneous reaction, And the AlN composite material having an even distribution of AlN having a high content of AlN having a high content of AlN was formed.

도 7은 본 발명에 따라 제조된 금속기지 질화물 복합재료에 대한 열팽창계수 측정 결과이다. 일반적으로 세라믹 제 2 상은 금속 기지에 비해 우수한 강도와 낮은 열팽창 특성을 가지기 때문에 하이브리드 복합재화 하는 경우 금속 기지 합금에 비해 상대적으로 고강도 특성과 낮은 열팽창 특성의 다기능 특성을 나타낸다. 본 실시예 1로부터 만든 복합재의 경우, 도면에서 약 55 Vol.% AlN 상분율 (좌측 별 표시)로 약 ~10.3 ppm/K의 열팽창 계수를 나타내었으며, 실시예 2로부터 만든 복합재의 경우, 도면에서 약 73 Vol.% 상분율 (우측 별 표시)로 약 ~ 7.3 ppm/K의 열팽창 계수를 가져 AlN의 함량이 증가함에 따라 순 알루미늄의 열팽창계수 23.6 ppm/K 에 비해 상대적으로 낮은 열팽창계수를 나타내는 것을 확인하였다. 특히, 실시예 2의 경우 본 발명을 통해 고분율 AlN을 가진 알루미늄 기지 복합재 제조가 가능하여 기존에 보고된 알루미늄 기지 질화알루미늄 복합재에 비해 낮은 열팽창계수 값을 가지는 것을 확인하였다.
7 shows the results of measurement of the thermal expansion coefficient of the metal matrix nitride composite material produced according to the present invention. Generally, since the second phase of the ceramic has superior strength and low thermal expansion characteristics compared with the metal base, it exhibits a high strength characteristic and a low thermal expansion characteristic in comparison with a metal base alloy in a hybrid composite material. In the case of the composite made from Example 1, the thermal expansion coefficient of about 55 vol% AlN phase fraction (indicated by the left side) was about 10.3 ppm / K, and in the case of the composite made from Example 2, It has a thermal expansion coefficient of about 7.3 ppm / K at about 73 vol.% (Right-hand side) and has a relatively low thermal expansion coefficient as compared with the thermal expansion coefficient of pure aluminum of 23.6 ppm / K as the content of AlN increases Respectively. Particularly, in the case of Example 2, it was confirmed that the present invention makes it possible to produce an aluminum matrix composite material having a high fraction of AlN, which is lower than the previously reported aluminum-based aluminum nitride composite material.

이상 본 발명을 바람직한 실시예를 통하여 설명하였는데, 상술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화가 가능함은 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 보호범위는 특정 실시예가 아니라 특허 청구 범위에 기재된 사항에 의해 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상도 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to preferred embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the appended claims. Those skilled in the art will understand. Therefore, the scope of protection of the present invention should be construed not only in the specific embodiments but also in the scope of claims, and all technical ideas within the scope of the same shall be construed as being included in the scope of the present invention.

Claims (11)

복합재 내 목적 질화물 (AN)을 형성할 금속 원소 (A, A = Zr, Ti, Al 중에 선택된 하나 이상의 원소)와 질소를 공급하는 질소 공급원인 원료 질화물 (BN, B = Mg, Ca, B, Si, Al, Ti 중에 선택된 하나 이상의 원소) 다공체를 포함하는 원료물질을 준비하는 단계;
상기 원료물질 중 금속원소를 2000oC 이상의 고온에서 용해하여 용탕을 준비하는 단계를 포함하며;
상기 금속원소 (A) 용탕 내에서 질소 공급원인 원료 질화물 (BN)이 열역학적으로 안정한 목적 질화물 (AN, AN = AlN, ZrN, TiN 중에 선택된 하나 이상의 원소)을 자발적으로 형성하는 것을 특징으로 하는 자발 치환 반응을 통해 형성된 질화물로 강화된 다기능 금속기지 복합재료.
(BN, B = Mg, Ca, B, Si) which is a source of nitrogen which supplies nitrogen to the metal element (A, A = Zr, Ti, Al) , Al, and Ti) porous material;
And dissolving the metal element in the raw material at a high temperature of 2000 o C or higher to prepare a molten metal;
Characterized in that a raw material nitride (BN) which is a source of nitrogen in the molten metal (A) spontaneously forms a target nitride (AN, AN = AlN, ZrN, TiN or one or more elements selected from thermodynamically stable elements) Multifunctional metal matrix composites reinforced with nitrides formed through reaction.
청구항 1에 있어서,
상기 원료물질에 포함되는 질화물 형성 금속 원소 (A)는 순수한 금속 또는 이 원소를 기반으로 하는 합금인 것을 특징으로 하는 자발 치환 반응을 통해 형성된 질화물로 강화된 다기능 금속기지 복합재료.
The method according to claim 1,
Wherein the nitride-forming metal element (A) contained in the raw material is a pure metal or an alloy based on the element. The multifunctional metal matrix composite material is reinforced with a nitride formed through a spontaneous substitution reaction.
청구항 1에 있어서,
상기 질소 공급원인 원료 질화물(BN)의 열역학적 자유에너지가 상기 A의 용탕 (용융점 Tm 이상의 온도)에서 자발적으로 형성될 목적 질화물(AN)의 열역학적 자유에너지보다 높은 것을 특징으로 하는 자발 치환 반응을 통해 형성된 질화물로 강화된 다기능 금속기지 복합재료.
The method according to claim 1,
Characterized in that the thermodynamic free energy of the source nitride (BN) which is the source of nitrogen is higher than the thermodynamic free energy of the target nitride (AN) to be spontaneously formed at the melt (temperature above the melting point Tm) of the A Multifunctional metal matrix composites reinforced with nitrides.
청구항 1에 있어서,
상기 질소 공급원인 질화물 (BN) 다공체를 준비하는 단계가 질화물 분말의 핸드 프레싱 (Hand Pressing) 공법, 질화물 분말의 냉간 등압성축성형 (CIP) 공법, 동결주조 (freeze-casting) 공법 또는 3차원 적층 가공 공법으로 수행되는 것을 특징으로 하는 자발 치환 반응을 통해 형성된 질화물로 강화된 다기능 금속기지 복합재료.
The method according to claim 1,
The step of preparing the porous body of nitride (BN) serving as the nitrogen source may be carried out by a hand pressing method of a nitride powder, a cold isostatic pressing (CIP) method of a nitride powder, a freeze-casting method or a three- Wherein the nitrides are formed by a spontaneous substitution reaction.
청구항 1에 있어서,
상기 질소 공급원인 원료 질화물(BN)의 준비하는 단계에서 질화물의 입자 크기 (D, D = 나노 분말 혹은 마이크로 분말과 나노 분말의 혼합) 및 크기별 부피분율을 조절함으로써 복합재 내 형성되는 목적 질화물 (AN)의 양을 최대 90 vol.% 까지 조절하는 것을 특징으로 하는 자발 치환 반응을 통해 형성된 질화물로 강화된 다기능 금속기지 복합재료.
The method according to claim 1,
(AN) formed in the composite material by controlling the particle size of the nitride (D, D = mixing of the nanopowder or the micropowder and the nanopowder) and the volume fraction according to the size in the step of preparing the source nitride (BN) Wherein the amount of the nitrides is adjusted up to 90 vol.%. The nitride-reinforced multifunctional metal matrix composite material is formed through spontaneous substitution reaction.
청구항 1에 있어서,
상기 용탕을 형성하는 단계가 전기로, 유도용해로 또는 아크 용해로에서 수행되는 것을 특징으로 하는 자발 치환 반응을 통해 형성된 질화물로 강화된 다기능 금속기지 복합재료.
The method according to claim 1,
Characterized in that the step of forming the molten metal is carried out in an electric furnace, an induction melting furnace or an arc melting furnace, characterized by a nitride-strengthened multifunctional metal matrix composite formed through spontaneous substitution reaction.
복합재 내 목적 질화물을 형성할 질화물 형성 금속 원소로써 Al, Zr과 Ti 중에 선택된 하나 이상의 원소와 질소를 공급하는 질소 공급원인 원료 질화물 Si3N4 다공체를 포함하는 원료물질을 준비하는 단계;
상기 원료물질 중 금속원소를 2000oC 이상의 고온에서 용해하여 용탕을 형성하는 단계를 포함하며;
상기 금속원소 용탕 내에서 질소 공급원인 원료 질화물 Si3N4이 열역학적으로 안정한 목적 질화물 (AlN, ZrN 혹은 TiN 중에 선택된 하나 이상의 원소)을 자발적으로 형성하는 것을 특징으로 하는 자발 치환 반응을 통해 형성된 질화물로 강화된 다기능 금속기지 복합재료.
Preparing a raw material including a raw material nitride Si 3 N 4 porous body as a nitrogen supply source for supplying nitrogen and at least one element selected from Al, Zr and Ti as a nitride-forming metal element to form a target nitride in the composite;
Dissolving a metal element in the raw material at a high temperature of 2000 o C or higher to form a molten metal;
Characterized in that the raw nitride (Si3N4) which is the source of nitrogen in the molten metal element spontaneously forms a target nitride (at least one element selected from AlN, ZrN or TiN) thermodynamically stable. Metal matrix composites.
청구항 7에 있어서,
상기 원료물질에 포함되는 질화물 형성 원소는 순수한 금속 또는 그들 원소를 기반으로 하는 합금인 것을 특징으로 하는 자발 치환 반응을 통해 형성된 질화물로 강화된 다기능 금속기지 복합재료.
The method of claim 7,
Wherein the nitride-forming element contained in the raw material is a pure metal or an alloy based on the element. The multifunctional metal matrix composite material is reinforced with a nitride formed through a spontaneous substitution reaction.
청구항 7에 있어서,
상기 원료물질에 포함되는 Si3N4가 핸드 프레싱 (Hand Pressing) 공법 또는 냉간 등압축성형 (CIP) 공법에 의해 만들어진 다공체 형태인 것을 특징으로 하는 자발 치환 반응을 통해 형성된 질화물로 강화된 다기능 금속기지 복합재료.
The method of claim 7,
Characterized in that Si3N4 contained in the raw material is in the form of a porous body made by a hand pressing method or a cold pressing (CIP) method, and is reinforced with a nitride formed through a spontaneous substitution reaction.
청구항 7에 있어서,
상기 원료물질에 포함되는 Si3N4 다공체가 Si3N4의 입자 크기 (D, D = 나노 분말 혹은 마이크로 분말과 나노 분말의 혼합) 및 크기별 부피분율을 조절함으로써 복합재 내 형성되는 목적 질화물 양을 최대 90 vol.% 까지 조절하는 것을 특징으로 하는 자발 치환 반응을 통해 형성된 질화물로 강화된 다기능 금속기지 복합재료.
The method of claim 7,
The Si 3 N 4 porous body contained in the raw material controls the amount of the target nitride formed in the composite material by controlling the particle size of Si 3 N 4 (D, D = mixing of nano powder or micro powder and nano powder) Wherein the nitride-reinforced multi-functional metal matrix composite is formed by spontaneous substitution reaction.
청구항 7에 있어서,
상기 용탕을 형성하는 단계가 아크 용해로에서 수행되어 금속 원소 (A) 용탕의 다공체 무가압 침투와 질화물 자발반응 속도를 향상 시키는 것을 특징으로 하는 자발 치환 반응을 통해 형성된 질화물로 강화된 다기능 금속기지 복합재료.

The method of claim 7,
Characterized in that the step of forming the molten metal is carried out in an arc melting furnace to improve the rate of spontaneous nitridation reaction of the porous body of the molten metal (A) and the nitriding reaction of the molten metal, and a nitride- .

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