KR102540727B1 - Colored Alumina Liquid Phase Sintered Body Contained Cobalt Oxide And Manufacturing Method Thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 주로 착색제로 사용되나 액상소결을 위해 첨가되는 소결조제와 유사하게 불순물로 작용하여 액상소결의 메커니즘을 변화시키는 산화코발트의 최적의 첨가량과 그에 따르는 열처리조건을 최적화하였다. 따라서 본 발명의 액상소결방법을 이용한 알루미나 소결체의 제조방법을 이용하면 산화코발트를 첨가함에도 산화코발트가 첨가되지 않은 일반적 알루미나 소결체에 대비하여 향상된 치밀도와 경도를 가지는 고품질의 알루미나 소결체를 제조할 수 있는 장점이 있다.The present invention is mainly used as a colorant, but similar to the sintering aid added for liquid phase sintering, it acts as an impurity to change the mechanism of liquid phase sintering. Therefore, by using the manufacturing method of an alumina sintered body using the liquid phase sintering method of the present invention, even though cobalt oxide is added, a high quality alumina sintered body having improved density and hardness can be manufactured compared to a general alumina sintered body in which cobalt oxide is not added. there is

Description

산화코발트를 포함하는 착색 알루미나 액상소결체 및 이의 제조방법{Colored Alumina Liquid Phase Sintered Body Contained Cobalt Oxide And Manufacturing Method Thereof}Colored Alumina Liquid Phase Sintered Body Contained Cobalt Oxide And Manufacturing Method Thereof

본 발명은 산화코발트를 포함하는 착색 알루미나 액상소결체 및 이의 제조방법에 관한 것으로 착색제로서 산화코발트가 첨가되며 치밀도와 경도가 향상되어 우수한 품질을 가지는 알루미나 소결체를 액상소결방법으로 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a colored alumina liquid phase sintered body containing cobalt oxide and a method for producing the same, and to a method for producing an alumina sintered body having excellent quality due to the addition of cobalt oxide as a colorant and improved density and hardness by a liquid phase sintering method.

알루미나는 대표적인 산화물계 세라믹으로 우수한 물리적, 화학적 특성으로 인하여 다양한 분야에서 사용된다. 알루미나는 구조용 세라믹으로 많이 사용되어 왔으나, 세라믹 본연의 취성(brittleness)이라는 특성이 있어 다른 금속이나 고분자에 비해 파괴에 약하고, 기계적 특성이 기공이나 응집체 및 과다 성장한 입자와 같은 미세구조에 따라 크게 달라진다. Alumina is a typical oxide-based ceramic and is used in various fields due to its excellent physical and chemical properties. Alumina has been widely used as a structural ceramic, but it is weak against fracture compared to other metals or polymers due to its inherent brittleness, and its mechanical properties vary greatly depending on microstructures such as pores, aggregates, and overgrown particles.

기계적 물성이 우수한 알루미나 소결체를 얻기 위해서는 기본적으로 미세구조가 치밀하고 높은 밀도를 갖는 소결체를 제조하는 것이 필요하다. 기공이나 불순물, 그리고 조대한 입자와 같은 결함으로부터 파괴가 시작되며, 응력이 결함으로 집중되어 파괴가 일어나므로 이러한 결함은 우수한 기계적 물성을 얻기 위해서는 소결공정을 조절하여 제거하는 것이 필요하다. In order to obtain an alumina sintered body having excellent mechanical properties, it is basically necessary to prepare a sintered body having a dense microstructure and high density. Destruction starts from defects such as pores, impurities, and coarse particles, and since stress is concentrated on the defects and destruction occurs, it is necessary to remove these defects by adjusting the sintering process in order to obtain excellent mechanical properties.

비교적 간단하고 경제적인 알루미나 소결 방법으로 SiO2, MgO, CaO등과 같은 산화물을 참가하여 알루미나 소결체의 입자형상을 조절하거나 치밀화를 증진하는 방법이 있다. 그 중 첨가제에 의해 생성된 액상을 활용한 액상소결법(liquid phase sintering)은 W. D. Kingery에 의해 소결기구가 확립되어 있는데, 액상의 형성과 고상입자의 재배열 단계, 용해-재석출 단계, 고상입자의 합체 단계의 소결 메커니즘을 거치게 되며, 대부분의 수축을 동반하는 소결현상은 고상입자의 재배열 단계에서 이루어지게 된다. 이러한 액상소결은 액상에 의해 물질 확산을 촉진시키고, 고체 입자들의 최적충전을 가속화 할 수가 있어, 상대적으로 낮은 온도에서도 고밀도의 치밀한 미세구조를 갖는 알루미나 소결체 제조가 가능한 방법이다. 또한 소결 온도가 낮으므로 다른 소결방법에 비해 경제적인 이점을 갖는다. As a relatively simple and economical alumina sintering method, there is a method of adjusting the particle shape of the alumina sintered body or enhancing densification by adding oxides such as SiO 2 , MgO, and CaO. Among them, liquid phase sintering using the liquid phase generated by additives has a sintering mechanism established by WD Kingery. It goes through the sintering mechanism of the coalescence stage, and most of the sintering phenomenon accompanied by shrinkage occurs in the rearrangement stage of the solid particles. This liquid phase sintering is a method capable of producing an alumina sintered body having a high-density and dense microstructure even at a relatively low temperature because it can promote material diffusion and accelerate the optimal filling of solid particles by the liquid phase. In addition, since the sintering temperature is low, it has an economical advantage over other sintering methods.

액상소결 시 생성되는 액상은 고상 입자와 젖음성이 우수하여야 하고, 고상입자의 액상에 대한 용해도가 높아야 액상이 고상입자 사이로 고르게 분포가 가능하다. 상업용도의 알루미나의 경우, 약 8%의 액상 소결조제를 첨가하여 92% 알루미나를 제조하여 사용하는데, 알루미나의 색상 발현을 위하여 여러 가지 착색제를 추가로 첨가하기도 한다. 대개 한 가지 혹은 두 가지 이상의 착색제를 혼합하여 색상을 발현하는데, 이러한 착색제로 넣어주는 산화물 역시 액상을 생성하는 불수물의 역할을 하기 때문에 액상소결 메커니즘에 큰 영향을 미치게 되고 이는 알루미나 소결체의 기계적 특성을 저하로 이어진다. The liquid phase generated during liquid phase sintering must have excellent wettability with the solid particles, and the liquid phase can be evenly distributed among the solid particles only when the solubility of the solid particles in the liquid phase is high. In the case of alumina for commercial use, 92% alumina is prepared and used by adding about 8% of a liquid sintering aid, and various colorants are additionally added to express the color of alumina. Usually, one or two or more colorants are mixed to express color. Since the oxides added to these colorants also play the role of an anhydride that creates a liquid phase, they have a great influence on the liquid phase sintering mechanism, which deteriorates the mechanical properties of the alumina sintered body. leads to

따라서 상기 알루미나의 액상소결시 추가적으로 첨가되는 산화물에 대한 첨가량 및 이 따른 열처리 조건의 최적화를 통해 알루미나 소결체의 기계적 특성을 향상시킨다면 소비자의 기호에 부합하는 다양한 종류의 알루미나 제품을 생산할 수 있을 것으로 기대된다. Therefore, if the mechanical properties of the alumina sintered body are improved through the optimization of the addition amount of the oxide additionally added during the liquid phase sintering of the alumina and the subsequent heat treatment conditions, it is expected that various types of alumina products that meet the consumer's taste can be produced.

본 명세서에서 언급된 특허문헌 및 참고문헌은 각각의 문헌이 참조에 의해 개별적이고 명확하게 특정된 것과 동일한 정도로 본 명세서에 참조로 삽입된다. The patents and references mentioned herein are incorporated herein by reference to the same extent as if each document were individually and expressly specified by reference.

H. J. Lim, D. H. Cho, M. K. Kim, S. M. Han, M. Iwasa, “The Evaluation of Mechanical Properties for Alumina Ceramics”, J. Kor. Ceram. Soc. 33 (1996) 339.H. J. Lim, D. H. Cho, M. K. Kim, S. M. Han, M. Iwasa, “The Evaluation of Mechanical Properties for Alumina Ceramics”, J. Kor. Ceram. Soc. 33 (1996) 339. W. J. Clegg, “Controlling Cracks in Ceramics”, Am. Assoc. Adv. Sci. 286 (1999) 1097.W. J. Clegg, “Controlling Cracks in Ceramics”, Am. Assoc. Adv. Sci. 286 (1999) 1097. C. K. Moon, B. A. Kim, “Cyclic Crack Healing Effect of Al2O3Ceramics”,J.OceanEng.Technol.27(2)(2013)69.C. K. Moon, B. A. Kim, “Cyclic Crack Healing Effect of Al2O3 Ceramics”, J. OceanEng. Technol.27(2)(2013)69. Y. I. Cho, S. G. Chung, S. Y. Cho, S. J. Kim, ”Effect of Starting for MgO on the Mechanical Properties of Alumina Ceramic”, J. Kor. Ceram. Soc. 39 (2002) 51.Y. I. Cho, S. G. Chung, S. Y. Cho, S. J. Kim, ”Effect of Starting for MgO on the Mechanical Properties of Alumina Ceramic”, J. Kor. Ceram. Soc. 39 (2002) 51. H. Y. Kim, J. A. Lee, J. J. Kim, “Effect of MgO Addition on Densification and Microstructural Development during Liquid-Phase Sintering of Alumina-Anorthite System”, J. Kor. Ceram. Soc. 36 (1999) 1243.H. Y. Kim, J. A. Lee, J. J. Kim, “Effect of MgO Addition on Densification and Microstructural Development during Liquid-Phase Sintering of Alumina-Anorthite System”, J. Kor. Ceram. Soc. 36 (1999) 1243. I. G. Song, T. S. Kim, K. M. Kang, J. S. Kim, “Influence of MgO Additive and Sintering Temperature on Mechanical Strength for Alumina Ceramic Anchor”, J. Kor. Inst. Met. Mater. 52 (2013) 181.I. G. Song, T. S. Kim, K. M. Kang, J. S. Kim, “Influence of MgO Additive and Sintering Temperature on Mechanical Strength for Alumina Ceramic Anchor”, J. Kor. Inst. Met. Mater. 52 (2013) 181. I. G. Song, J. S. Kang, “Enhancement of the mechanical Properties of Alumina Ceramic by a Granulation process and Y2O3additive”,J.Kor.Inst.Met.Mater.53(2014)262.I. G. Song, J. S. Kang, “Enhancement of the mechanical Properties of Alumina Ceramic by a Granulation process and Y2O3additive”, J.Kor.Inst.Met.Mater.53(2014)262. W. D. Kingery, “Densification during Sintering in the Presence of a Liquid Phase. I. Theory”, J. Appl. Phys. 30(3) (1959) 301.W. D. Kingery, “Densification during Sintering in the Presence of a Liquid Phase. I. Theory”, J. Appl. Phys. 30(3) (1959) 301. H. Y. Kim, J. A. Lee, J. J. Kim, “Effect of particle size of Alumina on Densification Behaviors of Alumina-Talc System during Liquid-Phase Sintering”, J. Kor. Ceram. Soc., 35 (1998) 1308.H. Y. Kim, J. A. Lee, J. J. Kim, “Effect of particle size of Alumina on Densification Behaviors of Alumina-Talc System during Liquid-Phase Sintering”, J. Kor. Ceram. Soc., 35 (1998) 1308. W. Huang, M. Hillert, X. Wang, “Thermodynamic Assessment of the CaO-MgO-SiO2System”, Metall. Mater. Trans. A, 26 (1995) 2293.W. Huang, M. Hillert, X. Wang, “Thermodynamic Assessment of the CaO-MgO-SiO System”, Metall. Mater. Trans. A, 26 (1995) 2293.

본 발명은 액상소결방법으로 알루미나 소결체를 제조하는 방법에 있어서 착색제로 사용되는 산화코발트의 최적의 첨가량과 그에 따르는 최적의 열처리 조건을 확립하므로 치밀도가 높고 경도가 향상된 우수한 품질의 알루미나 소결체를 제조하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention establishes the optimal addition amount of cobalt oxide used as a colorant and the optimum heat treatment conditions accordingly in the method of manufacturing an alumina sintered body by the liquid phase sintering method, thereby manufacturing an alumina sintered body of excellent quality with high density and improved hardness. Its purpose is to provide a method.

본 발명의 다른 목적 및 기술적 특징은 이하의 발명의 상세한 설명, 청구의 범위 및 도면에 의해 보다 구체적으로 제시된다. Other objects and technical features of the present invention are presented more specifically by the following detailed description, claims and drawings.

본 발명은 액상소결방법을 이용한 알루미나 소결체의 제조방법에 있어서, 알루미나(Al2O3) 미세분말 90 내지 94wt% 및 소결조제 6 내지 10wt%를 포함하는 알루미나 혼합물을 제조하고 상기 알루미나 혼합물 100중량부에 대하여 산화코발트(Co2O3,)를 9 내지 13중량부로 첨가하여 알루미나 혼합분말을 제조하는 제 1 단계; 상기 알루미나 혼합분말에 증류수를 첨가하고 알루미나 볼을 이용하여 습식혼합한 후 건조하는 제 2 단계; 상기 건조된 알루미나 혼합분말을 200 메쉬(mesh)로 체가름한 후 일축가압 성형하여 알루미나 혼합분말 성형체를 제조하는 제 3 단계; 및 상기 알루미나 혼합분말 성형체를 1320 내지 1390℃에서 30 분 내지 2시간동안 열처리하여 알루미나 소결체를 제조하는 제 4 단계;를 포함하는 액상소결방법을 이용한 알루미나 소결체의 제조방법을 제공한다.The present invention is a method for producing an alumina sintered body using a liquid phase sintering method, wherein an alumina mixture containing 90 to 94 wt% of alumina (Al 2 O 3 ) fine powder and 6 to 10 wt% of a sintering aid is prepared, and 100 parts by weight of the alumina mixture A first step of preparing an alumina mixed powder by adding 9 to 13 parts by weight of cobalt oxide (Co 2 O 3 ,); A second step of adding distilled water to the alumina mixture powder, wet-mixing it using an alumina ball, and drying it; A third step of sieving the dried alumina mixed powder to a 200 mesh and then uniaxially pressing to produce an alumina mixed powder molded body; and a fourth step of preparing an alumina sintered body by heat-treating the alumina mixed powder molded body at 1320 to 1390° C. for 30 minutes to 2 hours.

상기 알루미나 소결체는 밀도가 3.6 내지 3.9g/㎝3이며 상기 알루미나 혼합분말 성형체로부터의 수축률이 40 내지 42.5%이며 경도가 12 내지 13GPa인 것을 특징으로 하며 상기 알루미나 소결체는 결정상으로서 산화알루미늄(Al2O3), 알루미늄 코발트 산화물(Al2CoO4) 및 회장석(Anorthite)을 포함하는 것을 특징으로 한다.The alumina sintered body has a density of 3.6 to 3.9 g / cm 3 , a shrinkage rate from the alumina mixed powder molded body of 40 to 42.5%, and a hardness of 12 to 13 GPa, and the alumina sintered body is characterized by aluminum oxide (Al 2 O as a crystal phase) 3 ), aluminum cobalt oxide (Al 2 CoO 4 ), and anorthite.

본 발명은 주로 착색제로 사용되나 액상소결을 위해 첨가되는 소결조제와 유사하게 불순물로 작용하여 액상소결의 메커니즘을 변화시키는 산화코발트의 최적의 첨가량과 그에 따르는 열처리조건을 최적화하였다. 따라서 본 발명의 액상소결방법을 이용한 알루미나 소결체의 제조방법을 이용하면 산화코발트를 첨가함에도 산화코발트가 첨가되지 않은 일반적 알루미나 소결체에 대비하여 향상된 치밀도와 경도를 가지는 고품질의 알루미나 소결체를 제조할 수 있는 장점이 있다.The present invention is mainly used as a colorant, but similar to the sintering aid added for liquid phase sintering, it acts as an impurity to change the mechanism of liquid phase sintering. Therefore, by using the manufacturing method of an alumina sintered body using the liquid phase sintering method of the present invention, even though cobalt oxide is added, a high quality alumina sintered body having improved density and hardness can be manufactured compared to a general alumina sintered body in which cobalt oxide is not added. there is

도 1은 본 발명의 알루미나(AES-11C)의 미세구조를 보여준다.
도 2는 본 발명의 산화코발트의 첨가량에 따른 알루미나 소결체의 미세구조를 보여준다.
도 3은 본 발명의 알루미나 소결체의 밀도(▲)와 수축률(■)을 측정한 결과를 보여준다.
도 4는 본 발명의 실시예 4의 소결 온도에 따른 소결체의 미세구조 변화를 보여준다.
도 5는 본 발명의 실시예 7 내지 12의 알루미나 소결체의 밀도(▲)와 수축률(■)을 측정한 결과를 보여준다.
도 6은 본 발명의 산화코발트의 첨가량과 소결온도에 따른 알루미나 소결체의 경도 측정치를 보여준다. 패널 (a)는 실시예 1 내지 6의 알루미나 혼합물을 1400℃에서 소결하여 제조한 알루미나 소결체의 경도 측정치를 보여주며, 패널(b)는 실시예 7 내지 12의 알루미나 소결체의 경도 측정치를 보여준다.
도 7은 본 발명의 실시예 1과 4의 알루미나 소결체에 대하여 X-선 회절분석(X-ray diffraction)을 수행한 결과를 보여준다. 붉은색 선(a)는 실시예 1의 알루미나 소결체에 대한 분석결과를 보여주며 검은색 선(b)는 실시예 4의 알루미나 소결체에 대한 분석결과를 보여준다.
1 shows the microstructure of the alumina (AES-11C) of the present invention.
2 shows the microstructure of the alumina sintered body according to the amount of cobalt oxide added according to the present invention.
Figure 3 shows the results of measuring the density (▲) and shrinkage (■) of the alumina sintered body of the present invention.
Figure 4 shows the change in the microstructure of the sintered body according to the sintering temperature of Example 4 of the present invention.
Figure 5 shows the results of measuring the density (▲) and shrinkage (■) of the alumina sintered bodies of Examples 7 to 12 of the present invention.
Figure 6 shows the measured hardness of the alumina sintered body according to the addition amount of cobalt oxide and the sintering temperature of the present invention. Panel (a) shows the measured hardness of alumina sintered bodies prepared by sintering the alumina mixtures of Examples 1 to 6 at 1400° C., and panel (b) shows the measured hardness of alumina sintered bodies of Examples 7 to 12.
7 shows the results of X-ray diffraction analysis on the alumina sintered bodies of Examples 1 and 4 of the present invention. The red line (a) shows the analysis result for the alumina sintered body of Example 1, and the black line (b) shows the analysis result for the alumina sintered body of Example 4.

착색제로 주로 쓰이는 산화코발트(Co2O3)를 알루미나에 첨가할 경우, 그 첨가량에 따라 액상소결에 미치는 메커니즘은 많은 차이가 있다. 본 발명에서는 액상 소결조제인 SiO2, CaO, MgO과 함께 착색제로서 산화코발트가 첨가 되는 경우 그 첨가량에 따른 액상소결 메커니즘을 분석하여 가장 치밀한 알루미나 소결체를 제조하는 방법을 제공한다.When cobalt oxide (Co 2 O 3 ), which is mainly used as a colorant, is added to alumina, there are many differences in the mechanism of effect on liquid phase sintering depending on the amount added. In the present invention, when cobalt oxide is added as a colorant together with liquid sintering aids SiO 2 , CaO, and MgO, the liquid phase sintering mechanism according to the amount added is analyzed to provide a method for producing the most dense alumina sintered body.

본 발명은 액상소결방법을 이용한 알루미나 소결체의 제조방법에 있어서, 알루미나(Al2O3) 미세분말 90 내지 94wt% 및 소결조제 6 내지 10wt%를 포함하는 알루미나 혼합물을 제조하고 상기 알루미나 혼합물 100중량부에 대하여 산화코발트(Co2O3,)를 9 내지 13중량부로 첨가하여 알루미나 혼합분말을 제조하는 제 1 단계; 상기 알루미나 혼합분말에 증류수를 첨가하고 알루미나 볼을 이용하여 습식혼합한 후 건조하는 제 2 단계; 상기 건조된 알루미나 혼합분말을 200 메쉬(mesh)로 체가름한 후 일축가압 성형하여 알루미나 혼합분말 성형체를 제조하는 제 3 단계; 및 상기 알루미나 혼합분말 성형체를 1320 내지 1390℃에서 30 분 내지 2시간동안 열처리하여 알루미나 소결체를 제조하는 제 4 단계;를 포함하는 액상소결방법을 이용한 알루미나 소결체의 제조방법을 제공한다. The present invention is a method for producing an alumina sintered body using a liquid phase sintering method, wherein an alumina mixture containing 90 to 94 wt% of alumina (Al 2 O 3 ) fine powder and 6 to 10 wt% of a sintering aid is prepared, and 100 parts by weight of the alumina mixture A first step of preparing an alumina mixed powder by adding 9 to 13 parts by weight of cobalt oxide (Co 2 O 3 ,); A second step of adding distilled water to the alumina mixture powder, wet-mixing it using an alumina ball, and drying it; A third step of sieving the dried alumina mixed powder to a 200 mesh and then uniaxially pressing to produce an alumina mixed powder molded body; and a fourth step of preparing an alumina sintered body by heat-treating the alumina mixed powder molded body at 1320 to 1390° C. for 30 minutes to 2 hours.

상기 액상소결(liquid-phase sintering)은 소결 도중 소량의 액상이 관여하는 것으로 소결온도에서 액상이 존재하지 않는 고상소결(solid-phase sintering)과 구분되며 소결초기에는 액상이 존재하나, 소결이 진행됨에 따라 액상이 없어지고 고상만이 존재하는 상태에서 소결이 이루어지는 특징이 있다.The liquid-phase sintering involves a small amount of liquid phase during sintering, and is distinguished from solid-phase sintering in which the liquid phase does not exist at the sintering temperature. The liquid phase exists at the beginning of sintering, but as sintering progresses There is a characteristic that sintering is performed in a state in which the liquid phase disappears and only the solid phase exists.

본 발명의 알루미나는 순도가 99% 이상이며 평균입자 크기가 0.1 내지 0.6㎛인 것을 사용할 수 있으며 바람직하게는 평균입자 크기가 0.4㎛ 이며 입자의 모양이 불규칙한 것을 사용한다. 특히 상기 불규칙한 모양의 알루미나 입자는 액상이 생성되기 이전의 온도에서 고상 입자간의 국부적인 치밀화로 인해 입자 재배열에 의한 기공의 형태변화가 어려운 과립형의 알루미나 입자에 대비하여 불규칙한 응집 및 불규칙한 기공을 형성하게 되므로 액상 소결시 액상의 흐름을 원활하게 하고 입자 재배열을 용이하게 하여 더욱 치밀한 소결체를 제조할 수 있는 장점이 있다. 따라서 본 발명의 제조방법을 이용하면 산화코발트를 포함함에도 치밀도가 높은 고품질의 상업용 알루미나를 제조할 수 있다. The alumina of the present invention has a purity of 99% or more and an average particle size of 0.1 to 0.6 μm, preferably an average particle size of 0.4 μm and an irregular particle shape. In particular, the irregularly shaped alumina particles form irregular aggregation and irregular pores in preparation for granular alumina particles, in which it is difficult to change the shape of pores by particle rearrangement due to local densification between solid particles at a temperature before the liquid phase is formed. Therefore, there is an advantage in that a more dense sintered body can be manufactured by smoothing the flow of the liquid phase and facilitating particle rearrangement during liquid phase sintering. Therefore, by using the production method of the present invention, high-quality commercial alumina having high density can be produced even though it contains cobalt oxide.

상기 산화코발트는 안료인 동시에 상기 소결조제와 함께 액상소결의 특성을 결정하는 불순물로서 작용한다. 상기 산화코발트의 첨가량은 다수의 실시예를 통해 알루미나 혼합분말을 1320 내지 1390℃에서 30분 내지 2시간동안 열처리하여 알루미나 소결체를 수득하는 경우 상기 소결체의 밀도가 3.6 내지 3.9g/㎝3이며 상기 알루미나 혼합분말 성형체로부터의 수축률이 40 내지 42.5%이며 경도가 12 내지 13 GPa되도록 최적화된 것이다. 따라서 상기 산화코발트가 9중량부미만으로 사용되거나 13중량부를 초과하여 사용하게 되면 상기와 같은 알루미나 소결체 특성이 발현되지 않을 수 있다.The cobalt oxide is a pigment and at the same time acts as an impurity that determines the characteristics of liquid phase sintering together with the sintering aid. When the amount of cobalt oxide added is obtained by heat-treating the alumina mixed powder at 1320 to 1390 ° C. for 30 minutes to 2 hours through a number of examples to obtain an alumina sintered body, the density of the sintered body is 3.6 to 3.9 g / cm 3 and the alumina It is optimized so that the shrinkage rate from the mixed powder molding is 40 to 42.5% and the hardness is 12 to 13 GPa. Therefore, when the cobalt oxide is used in an amount of less than 9 parts by weight or more than 13 parts by weight, the characteristics of the alumina sintered body as described above may not be expressed.

상기 알루미나 혼합분말은 알루미나(Al2O3) 미세분말 90 내지 94wt% 및 소결조제 6 내지 10wt%를 포함하는 알루미나 혼합물을 제조하고 상기 알루미나 혼합물 100중량부에 대하여 산화코발트(Co2O3,)를 9 내지 13중량부로 첨가하여 제조하되 바람직하게는 알루미나 혼합분말은 알루미나(Al2O3) 미세분말 92wt% 및 소결조제 8wt%를 포함하는 알루미나 혼합물을 제조하고 상기 알루미나 혼합물 100중량부에 대하여 산화코발트(Co2O3,)를 11중량부로 첨가하여 제조될 수 있다.The alumina mixture powder is prepared by preparing an alumina mixture containing 90 to 94 wt% of alumina (Al 2 O 3 ) fine powder and 6 to 10 wt% of a sintering aid, and cobalt oxide (Co 2 O 3 ,) based on 100 parts by weight of the alumina mixture. It is prepared by adding 9 to 13 parts by weight, but preferably, the alumina mixed powder is prepared by preparing an alumina mixture containing 92 wt% of alumina (Al 2 O 3 ) fine powder and 8 wt% of a sintering aid, and oxidizing 100 parts by weight of the alumina mixture. Cobalt (Co 2 O 3 ,) can be prepared by adding 11 parts by weight.

상기 제조된 알루미나 혼합분말은 증류수를 첨가하여 습식혼합한 후 건조한다. 상기 습식혼합은 알루미나 볼을 이용하여 12시간동안 수행할 수 있으며 상기 습식 혼합된 알루미나 혼합물은 100℃의 온도로 24시간동안 완전히 건조될 수 있다.The prepared alumina mixed powder is wet-mixed by adding distilled water and then dried. The wet mixing may be performed for 12 hours using an alumina ball, and the wet-mixed alumina mixture may be completely dried at a temperature of 100° C. for 24 hours.

상기 건조된 알루미나 혼합분말은 200 메쉬(mesh)로 체가름하여 건조과정에서 형성된 응집체를 제거한 후 일축가압 성형하여 알루미나 혼합분말 성형체를 제조한다. 상기 알루미나 혼합분말 성형체는 몰드에서 5 내지 15MPa의 압력으로 1분 이상 유지하는 방법으로 일축가압 성형하여 제조할 수 있다. The dried alumina mixed powder is sieved with a 200 mesh to remove aggregates formed in the drying process, and then molded under uniaxial pressure to prepare an alumina mixed powder molded body. The alumina mixed powder molded body may be manufactured by uniaxial pressing in a mold by holding the pressure of 5 to 15 MPa for 1 minute or more.

상기 제조한 알루미나 혼합분말 성형체는 1320 내지 1390℃에서 30 분 내지 2시간동안 열처리하여 알루미나 소결체를 제조한다. 상기 열처리는 공기분위기에서 3℃/min의 승온속도로 1320 내지 1390℃까지 상승시킨 후 30 분 내지 2시간동안 열처리 할 수 있으며 바람직하게는 공기분위기에서 3℃/min의 승온속도로 1350℃까지 상승시킨 후 1시간동안 열처리한다. 상기 열처리 조건을 벗어나게 되면 열처리를 통해 소결된 알루미나 소결체의 밀도, 수축률, 경도가 상기 제시한 범위를 벗어날 수 있다. The prepared alumina mixed powder molded body is heat treated at 1320 to 1390 ° C. for 30 minutes to 2 hours to prepare an alumina sintered body. The heat treatment may be performed for 30 minutes to 2 hours after raising the temperature to 1320 to 1390 ° C at a heating rate of 3 ° C / min in an air atmosphere, and preferably to 1350 ° C at a heating rate of 3 ° C / min in an air atmosphere. After that, heat treatment for 1 hour. If the heat treatment conditions are out of the range, the density, shrinkage, and hardness of the alumina sintered body sintered through the heat treatment may deviate from the ranges suggested above.

본 발명의 액상소결방법을 이용한 알루미나 소결체의 제조방법은 착색제(안료)인 산화코발트를 일정 양으로 함유하면서도 순도가 92 내지 99%인 알루미나를 액상소결을 통해 밀도가 3.6 내지 3.9g/㎝3이며 상기 알루미나 혼합분말 성형체로부터의 수축률이 40 내지 42.5%이며 경도가 12 내지 13GPa인 알루미나 소결체로 제조할 수 있다. The method for producing an alumina sintered body using the liquid phase sintering method of the present invention has a density of 3.6 to 3.9 g/cm 3 through liquid phase sintering of alumina having a purity of 92 to 99% while containing a certain amount of cobalt oxide as a colorant (pigment). It can be manufactured into an alumina sintered body having a shrinkage rate of 40 to 42.5% and a hardness of 12 to 13 GPa from the alumina mixed powder molded body.

본 발명의 산화코발트가 함유된 알루미나 소결체는 동일한 조건에서 액상소결을 수행하되 산화코발트를 함유하지 않은 알루미나 소결체의 밀도(3.47g/㎝3) 및 경도(11.3GPa)에 대비하여 향상된 밀도값 및 경도값을 보이는 특징이 있다. 그 이유는 본 발명의 산화코발트가 함유된 알루미나 소결체가 결정상으로서 산화알루미늄(Al2O3), 회장석(Anorthite)와 함께 특이적인 알루미늄 코발트 산화물(Al2CoO4)을 포함하기 때문으로 판단된다. The alumina sintered body containing cobalt oxide of the present invention is subjected to liquid phase sintering under the same conditions, but has improved density and hardness compared to the density (3.47g/cm 3 ) and hardness (11.3GPa) of an alumina sintered body not containing cobalt oxide. It has features that show value. It is believed that the reason is that the alumina sintered body containing cobalt oxide of the present invention contains specific aluminum cobalt oxide (Al 2 CoO 4 ) together with aluminum oxide (Al 2 O 3 ) and anorthite as crystal phases. .

본 발명의 실시예에 따르면 산화코발트가 함유되지 않은 일반적인 상업용 알루미나 소결체의 경우 상기 알루미늄 코발트 산화물(Al2CoO4)는 존재하지 않고 산화알루미늄(Al2O3) 및 회장석(Anorthite)과 함께 Mg-Al 스피넬(spinel)이 결정상으로서 확인된다. 반면 본 발명의 알루미나 소결체는 결정상으로 Mg-Al 스피넬이 아닌 알루미늄 코발트 산화물(Al2CoO4)이 확인되는데 이는 본 발명의 산화코발트가 함유된 알루미나 액상소결체가 일반적인 상업용 92% 알루미나 소결체와 동일한 알루미늄 92% 구성을 가지며 추가적으로 착색제인 산화코발트를 더 포함함에도 불구하고 더 향상된 치밀도와 경도를 가지는 원인 중 하나로 판단된다. According to an embodiment of the present invention, in the case of a general commercial alumina sintered body that does not contain cobalt oxide, the aluminum cobalt oxide (Al 2 CoO 4 ) does not exist, and Mg is combined with aluminum oxide (Al 2 O 3 ) and anorthite. -Al spinel is identified as a crystalline phase. On the other hand, in the alumina sintered body of the present invention, aluminum cobalt oxide (Al 2 CoO 4 ) is confirmed as a crystal phase, not Mg-Al spinel, which means that the alumina liquid-phase sintered body containing cobalt oxide of the present invention has the same aluminum 92% as the general commercial 92% alumina sintered body. It is determined as one of the causes of improved density and hardness despite the fact that it has a % composition and additionally contains cobalt oxide, which is a colorant.

따라서 본 발명의 제조방법을 이용하면 상업용 92% 알루미늄 소결체를 제조함에 있어서 착색제인 산화코발트를 포함하여 특정한 색을 가짐에도 불구하고 더 향상된 치밀도와 경도를 가지는 고품질의 알루미늄 액상소결체를 제조할 수 있을 것으로 판단된다.Therefore, by using the manufacturing method of the present invention, in manufacturing a commercial 92% aluminum sintered body, it is possible to manufacture a high-quality aluminum liquid phase sintered body having improved density and hardness despite having a specific color including cobalt oxide as a colorant. judged

하기에서 실시예를 통해 본 발명을 상세히 설명한다.In the following, the present invention will be described in detail through examples.

실시예 Example

1. 실험방법1. Experiment method

1) 알루미나 소결체의 제조1) Manufacture of alumina sintered body

본 발명에 사용한 알루미나는 Sumitomo Chemical사의 AES-11C를 사용하였다. 상기 알루미나는 평균 입자크기가 0.4μm이고, 불규칙한 다각형 형상으로 이루어져 있는 것을 특징으로 한다. 도 1은 본 발명의 알루미나(AES-11C) 미세분말의 미세구조를 보여준다. 알루미나의 액상소결(liquid phase sintering)을 위한 소결조제로 산화규소(SiO2, Daejung, 97%), 산화칼슘(CaO, Junsei, 98%), 산화마그네슘(MgO, Junsei,98%)를 SiO2:CaO:MgO=2:1:1의 중량비로 혼합하여 제조하였다. 상기 알루미나 미세분말과 상기 소결조제는 각각 92wt% 및 8wt%가되도록 혼합하여 알루미나 혼합물을 제조하였다. The alumina used in the present invention was Sumitomo Chemical's AES-11C. The alumina has an average particle size of 0.4 μm and is characterized by having an irregular polygonal shape. 1 shows the microstructure of the alumina (AES-11C) micropowder of the present invention. As a sintering aid for liquid phase sintering of alumina, silicon oxide (SiO 2 , Daejung, 97%), calcium oxide (CaO, Junsei, 98%), and magnesium oxide (MgO, Junsei, 98%) are mixed with SiO 2 :CaO:MgO=2:1:1 was prepared by mixing in a weight ratio. An alumina mixture was prepared by mixing the alumina fine powder and the sintering aid to be 92wt% and 8wt%, respectively.

상기 알루미나 혼합물에 대하여 착섹제인 산화코발트를 더 첨가하여 알루미나 혼합분말을 제조하였다. 상기 알루미나 혼합분말은 상기 제조한 알루미나 혼합물 100중량부에 대하여 산화코발트(Co2O3, Umicore, 95%)를 0 내지 18중량부의 범위로 첨가하여 제조하였다. An alumina mixture powder was prepared by further adding cobalt oxide as a coloring agent to the alumina mixture. The alumina mixed powder was prepared by adding 0 to 18 parts by weight of cobalt oxide (Co 2 O 3 , Umicore, 95%) based on 100 parts by weight of the prepared alumina mixture.

하기 표 1은 알루미나, 소결조제 및 산화코발트가 포함된 알루미나 혼합분말의 조성을 보여준다.Table 1 below shows the composition of the alumina mixture powder containing alumina, a sintering aid, and cobalt oxide.

알루미나alumina 소결조제sintering aid 산화코발트cobalt oxide 비고note 실시예 1Example 1 92wt%92wt% 8wt%8wt% 0중량부0 parts by weight 산화코발트는 알루미나-소결조제 혼합물 100중량부를 기준으로 첨가Cobalt oxide is added based on 100 parts by weight of the alumina-sintering aid mixture 실시예 2Example 2 82wt%82wt% 8wt%8wt% 3중량부3 parts by weight 실시예 3Example 3 92wt%92wt% 8wt%8wt% 7중량부7 parts by weight 실시예 4Example 4 92wt%92wt% 8wt%8wt% 11중량부11 parts by weight 실시예 5Example 5 92wt%92wt% 8wt%8wt% 15중량부15 parts by weight 실시예 6Example 6 92wt%92wt% 8wt%8wt% 18중량부18 parts by weight

증류수를 용매로, 지름 3㎜의 알루미나 볼을 사용하여 12 시간 동안 습식혼합한 알루미나 혼합물을 건조기에서 100℃의 온도로 24시간 동안 완전히 건조하였다. 상기 건조된 알루미나 혼합 분말을 200메쉬(mesh)로 체가름 하였다. An alumina mixture wet-mixed for 12 hours using distilled water as a solvent and an alumina ball having a diameter of 3 mm was completely dried in a dryer at a temperature of 100° C. for 24 hours. The dried alumina mixed powder was sieved through a 200 mesh.

상기 건조된 알루미나 혼합분말은 성형을 위하여 24mm 구경의 원형몰드를 사용하여 10 MPa의 압력으로 1분간 유지하며 일축가압성형 하였다. 알루미나 혼합분말 성형체는 공기분위기, 1200℃~1450℃의 온도 범위에서 승온속도는 3℃/min로 열처리 하였고 고온에서 1시간 동안 유지한 후 로냉하여 알루미나 소결체를 제조하였다.The dried alumina mixture powder was uniaxially pressed while maintaining a pressure of 10 MPa for 1 minute using a circular mold having a diameter of 24 mm for molding. The alumina mixed powder molded body was heat-treated at a heating rate of 3°C/min in an air atmosphere in the temperature range of 1200°C to 1450°C, maintained at a high temperature for 1 hour, and then cooled in a furnace to prepare an alumina sintered body.

2) 알루미나 소결체의 특성분석2) Characteristic analysis of alumina sintered body

액상소결된 알루미나 소결체의 산화코발트의 첨가량과 소결온도에 따른 표면 및 파단면 미세구조 변화를 전계방출주사전자현미경(FE-SEM, JSM-7100F, JEOL, Japan)을 사용하여 확인하였다. The surface and fracture surface microstructure changes according to the addition amount of cobalt oxide and the sintering temperature of the liquid-phase sintered alumina sintered body were confirmed using a field emission scanning electron microscope (FE-SEM, JSM-7100F, JEOL, Japan).

알루미나 소결체의 수축률 및 밀도는 치수측정법으로 측정 후 계산하였다. Shrinkage and density of the alumina sintered body were measured and calculated by a dimension measurement method.

알루미나 소결체의 경도는 #160~#2000의 SiC 사포를 사용하여 표면 폴리싱 한 후, 마이크로 비커스경도기(ZHμ-A, INDENTEC, U.K)를 사용하여 압입하중을 1kgf으로 시험편의 다른 부분을 5회씩 측정하여 평균으로 나타내었다. The hardness of the alumina sintered body was polished using SiC sandpaper of #160 to #2000, and then measured 5 times in different parts of the test piece using a micro Vickers hardness tester (ZHμ-A, INDENTEC, UK) with an indentation load of 1kgf. and expressed as an average.

산화코발트 첨가에 따른 알루미나 소결체의 결정상 변화 거동은 X-선 회절장치(XRD, SmartLab, Rigaku, Japan)를 사용하여 Cu-Kα 특성파장을 사용하여 4°/min 속도의 scan speed 조건으로 분석하였다. The crystal phase change behavior of the alumina sintered body according to the addition of cobalt oxide was analyzed using an X-ray diffractometer (XRD, SmartLab, Rigaku, Japan) at a scan speed of 4 °/min using the Cu-Kα characteristic wavelength.

2. 실험결과 및 토의2. Experiment results and discussion

1) 산화코발트의 첨가량에 따른 알루미나 소결체의 미세구조 변화1) Microstructure change of alumina sintered body according to the amount of cobalt oxide added

도 2는 본 발명의 산화코발트의 첨가량에 따른 알루미나 소결체의 미세구조를 보여준다. 산화코발트의 첨가에 의해 액상의 생성량이 증가할 것으로 예상하여, 일반적인 상업용 92% 알루미나 소결체(산화코발트를 넣지 않은 알루미나 혼합분말(실시예 1)을 이용하여 제조한 알루미나 소결체)의 소결온도보다 약간 낮은 1400℃에서 1시간 동안 소결하였다. 2 shows the microstructure of the alumina sintered body according to the amount of cobalt oxide added according to the present invention. It is expected that the amount of liquid phase produced will increase by the addition of cobalt oxide, which is slightly lower than the sintering temperature of a general commercial 92% alumina sintered body (alumina sintered body prepared using alumina mixed powder without cobalt oxide (Example 1)). Sintered at 1400 °C for 1 hour.

실험결과 알루미나 소결체의 파단면에서 다양한 크기의 기공들이 관찰되는데, 11중량부의 산화코발트가 첨가된 알루미나 혼합물(실시예 4)을 이용하여 제조한 알루미나 소결체에서 상대적으로 기공이 덜 존재하는 치밀화 된 미세구조가 관찰되었다. 본 발명에서는 알루미나 소결체 내의 기공을 줄이기 위해 액상소결을 통해 입자간 치밀화를 유도 하였으나, 성형 시 성형체의 균질한 밀도에 유리한 상업적인 원형의 과립형 알루미나 분말을 사용하지 않았기 때문에 분말의 불규칙한 응집으로 인해 성형체 내에 불규칙한 기공이 존재하고, 이는 액상소결 메커니즘 중에서 가장 많은 수축률을 동반하는 입자간의 재배열에 어느 정도 영향을 미쳤을 것으로 판단된다. 또한 이러한 결과는 이전 H. Y. Kim 등의 선행연구에서 미세한 입자의 액상소결 시 액상이 생성되기 이전의 온도에서 고상 입자간의 국부적인 치밀화로 인해 입자 재배열에 의한 기공의 형태변화가 어려운 것으로 보고한 것과도 관련이 있어 보인다. As a result of the experiment, pores of various sizes were observed on the fracture surface of the alumina sintered body. The alumina sintered body prepared using the alumina mixture (Example 4) to which 11 parts by weight of cobalt oxide was added had a densified microstructure with relatively few pores. has been observed In the present invention, densification between particles was induced through liquid phase sintering to reduce pores in the alumina sintered body, but commercial circular granular alumina powder, which is advantageous for homogeneous density of the molded body during molding, was not used. Irregular pores exist, and it is judged that this has had some effect on the rearrangement between particles, which is accompanied by the highest shrinkage rate among the liquid phase sintering mechanisms. In addition, these results are related to previous studies by H. Y. Kim et al., which reported that it is difficult to change the shape of pores by rearrangement of particles due to local densification between solid particles at the temperature before the liquid phase is formed during liquid phase sintering of fine particles. It seems there is

15중량부 이상의 산화코발트 첨가된 알루미나 혼합분말(실시예 5 및 6)을 이용하여 제조한 알루미나 소결체에서 기공이 다시 증가되는 이유는 산화코발트의 첨가에 따른 과량의 액상이 오히려 입자의 재배열 과정을 원활치 못하게 하여 나타난 결과로 판단된다.The reason for the increase in pores again in the alumina sintered body prepared using the alumina mixed powder to which 15 parts by weight or more of cobalt oxide was added (Examples 5 and 6) is that the excessive liquid phase caused by the addition of cobalt oxide rather promotes the rearrangement process of the particles. It is judged as a result of not being able to smoothly.

2) 산화코발트의 첨가량에 따른 알루미나 소결체의 밀도 및 수축률 변화2) Changes in density and shrinkage of alumina sintered body according to the amount of cobalt oxide added

도 3은 본 발명의 알루미나 소결체의 밀도(▲)와 수축률(■)을 측정한 결과를 보여준다. 소결체의 밀도는 산화코발트를 넣지 않은 알루미나 혼합분말(실시예 1)을 이용하여 제조한 알루미나 소결체에서 가장 낮은 값인 3.48 g/㎝3을 보였고, 산화코발트가 11중량부로 첨가된 알루미나 혼합분말(실시예 4)을 이용하여 제조한 알루미나 소결체의 밀도는 가장 높은 3.68 g/㎝3을 나타내었다. 산화코발트가 15중량부로 첨가된 알루미나 혼합분말(실시예 5)을 이용하여 제조한 알루미나 소결체의 경우 소결밀도가 오히려 감소하였다. 이러한 결과는 도 2의 알루미나 소결체의 미세구조 분석결과와 어느 정도 일치하는 것으로 판단된다. 산화코발트의 첨가량을 11중량부 보다 증가시켰을 경우, 밀도의 감소와 함께 수축율도 급격하게 감소하는 현상을 보이는데, 이것은 액상소결 시 입자의 재배열 현상이 원활하게 일어나지 않았음을 의미한다. 즉 과량의 산화코발트 첨가가 CaO-MgO-SiO2와 반응하여 액상 형성온도를 낮추어 액상의 점도를 낮춤으로써 모세관 힘에 의한 알루미나 입자의 재배열 과정이 충분히 발현되지 않은 것으로 판단된다. 이러한 원인이 도 3의 산화코발트가 15중량부로 첨가된 알루미나 혼합분말(실시예 5)을 이용하여 제조한 알루미나 소결체와 산화코발트가 18중량부로 첨가된 알루미나 혼합분말(실시예 6)을 이용하여 제조한 알루미나 소결체의 미세구조에서 보이는 불규칙한 형상을 갖는 다수의 기공 발생의 원인이 되었을 것이며, 산화코발트 첨가량이 11중량부 보다 적을 경우는 상업용 92% 알루미나에서 발현되는 소결 수축율과 비슷하거나 약간의 증가를 보이며 액상의 증가에 따른 입자의 재배열 효과에 어느 정도 영향을 준 것으로 생각된다. 도 2에서 알루미나 소결체의 입자크기는 모두 비슷하게 관찰되어, 입자 재배열 이후의 용해 재석출이나 합체에 의한 입성장 현상은 모두 비슷하게 발현된 것으로 판단된다.Figure 3 shows the results of measuring the density (▲) and shrinkage (■) of the alumina sintered body of the present invention. The density of the sintered body showed the lowest value of 3.48 g / cm 3 in the alumina sintered body prepared using the alumina mixed powder (Example 1) without adding cobalt oxide, and the alumina mixed powder added with 11 parts by weight of cobalt oxide (Example 1). 4) showed the highest density of 3.68 g/cm 3 of the alumina sintered body. In the case of the alumina sintered body prepared using the alumina mixed powder (Example 5) to which 15 parts by weight of cobalt oxide was added, the sintered density was rather decreased. These results are judged to be consistent with the microstructure analysis results of the alumina sintered body of FIG. 2 to some extent. When the addition amount of cobalt oxide was increased to more than 11 parts by weight, the density decreased and the shrinkage rate also rapidly decreased, which means that the rearrangement of the particles did not occur smoothly during liquid phase sintering. That is, it is judged that the rearrangement process of alumina particles by capillary force is not sufficiently expressed because the addition of excessive cobalt oxide reacts with CaO-MgO-SiO 2 to lower the liquid phase formation temperature and lower the viscosity of the liquid phase. This is because of the alumina sintered body prepared using the alumina mixed powder (Example 5) to which 15 parts by weight of cobalt oxide in FIG. 3 was added and the alumina mixed powder to which 18 parts by weight of cobalt oxide was added (Example 6). It may have been the cause of the occurrence of numerous pores with irregular shapes seen in the microstructure of an alumina sintered body, and when the amount of cobalt oxide added is less than 11 parts by weight, the sintering shrinkage expressed in commercial 92% alumina is similar or slightly increased. It is thought that the effect of the rearrangement of the particles according to the increase in the liquid phase was affected to some extent. In FIG. 2, the particle sizes of the alumina sintered bodies were all observed to be similar, so it was judged that all grain growth phenomena due to dissolution re-precipitation or coalescence after particle rearrangement were similarly expressed.

3) 소결온도에 따른 알루미나 소결체의 밀도 및 수축률 변화3) Density and shrinkage rate change of alumina sintered body according to sintering temperature

소결온도가 액상소결 시 고상입자의 재배열에 미치는 영향 및 소결체 미세구조에 미치는 영향을 알아보기 위해 1400℃에서 가장 우수한 치밀화를 보인 11중량부의 산화코발트가 첨가된 알루미나 혼합분말(실시예4)을 택하여 1200 내지 1450℃ 범위에서 소결하였다. 도 4는 본 발명의 실시예 4의 소결 온도에 따른 소결체의 미세구조 변화를 보여주며 표 2는 알루미나 혼합분말의 조성과 소결온도를 보여준다.In order to examine the effect of sintering temperature on the rearrangement of solid particles during liquid phase sintering and the effect on the microstructure of the sintered body, an alumina mixed powder (Example 4) to which 11 parts by weight of cobalt oxide was added, which showed the best densification at 1400 ° C, was selected. and sintered in the range of 1200 to 1450 ° C. Figure 4 shows the change in the microstructure of the sintered body according to the sintering temperature of Example 4 of the present invention, and Table 2 shows the composition and sintering temperature of the alumina mixture powder.

알루미나alumina 소결조제sintering aid 산화코발트cobalt oxide 소결온도sintering temperature 비고note 실시예 7Example 7 92wt%92wt% 8wt%8wt% 11중량부11 parts by weight 1200℃1200℃ 산화코발트는 알루미나-소결조제 혼합물 100중량부를 기준으로 첨가Cobalt oxide is added based on 100 parts by weight of the alumina-sintering aid mixture 실시예 8Example 8 92wt%92wt% 8wt%8wt% 11중량부11 parts by weight 1250℃1250℃ 실시예 9Example 9 92wt%92wt% 8wt%8wt% 11중량부11 parts by weight 1300℃1300℃ 실시예 10Example 10 92wt%92wt% 8wt%8wt% 11중량부11 parts by weight 1350℃1350℃ 실시예 11Example 11 92wt%92wt% 8wt%8wt% 11중량부11 parts by weight 1400℃1400℃ 실시예 12Example 12 92wt%92wt% 8wt%8wt% 11중량부11 parts by weight 1450℃1450℃

1200℃에서 소결한 실시예 7의 경우 입성장이 거의 일어나지 않았고, 1300℃에서부터 확실한 입성장이 관찰되었으며, 동시에 치밀화의 증가도 동반되었다. W. Huang 등의 선행연구결과에 의하면 CaO-MgO-SiO2 3성분계 시스템에서 액상이 생성되는 온도가 약 1330℃ 근처라고 보고 있으며, 산화코발트가 첨가된 알루미나 소결 시 Al2O3와 Co2O3의 영향에 의하여 액상 생성온도는 이 보다 더 낮은 온도일 것으로 판단되며, 이를 감안할 때 1300℃에서는 어느 정도 충분한 액상생성에 의한 고상입자의 재배열이 일어나고 동시에 용해 재석출 현상도 동반되어 입성장과 치밀화가 동시에 발현된 것으로 판단된다. 이후의 온도에서는 입자의 재배열은 거의 멈추고 고상입자의 합체가 진행되어 계속적인 입성장이 발현되고 있는 것을 볼 수 있다.In the case of Example 7 sintered at 1200 ° C., grain growth hardly occurred, and clear grain growth was observed from 1300 ° C., and densification was also increased at the same time. According to previous research results by W. Huang et al., the temperature at which the liquid phase is generated in the CaO-MgO-SiO 2 three-component system is reported to be around 1330 °C, and when sintering alumina with cobalt oxide added, Al 2 O 3 and Co 2 O It is judged that the liquid phase formation temperature will be lower than this due to the influence of 3 , and considering this, at 1300 ℃, the rearrangement of solid particles due to the liquid phase formation occurs to some extent, and at the same time, the dissolution re-precipitation phenomenon is also accompanied, resulting in grain growth and It is judged that densification was expressed simultaneously. At the subsequent temperature, it can be seen that rearrangement of particles almost stops and coalescence of solid particles proceeds, resulting in continuous grain growth.

도 5는 본 발명의 실시예 7 내지 12의 알루미나 소결체의 밀도(▲)와 수축률(■)을 측정한 결과를 보여준다. 1200℃에서 소결한 실시예 7의 알루미나 소결체의 경우 18.34%의 수축률과 함께 2.78 g/cm3의 밀도를 보였으며, 이는 산화코발트의 첨가에 의해 상업용 92% 알루미나 보다 낮은 온도에서 액상이 형성되고 있음을 의미한다. 온도 상승에 따라 밀도는 지속적으로 증가하였다. 1300℃에서 소결한 실시예 9의 알루미나 소결체의 경우 38.59%의 수축과 함께 알루미나의 소결밀도가 증가하였으며, 1350℃에서 소결한 실시예 10의 알루미나 소결체의 경우 3.86 g/cm3의 밀도로 가장 높은 수치를 보였다. 1400℃ 이상의 온도에서 소결하는 경우 밀도와 수축률이 동시에 서서히 감소하는 것을 확인 할 수 있는데, 앞서 언급한 것과 같이 더 이상의 고상입자의 재배열과 용해-재석출이 일어나지 않는 상태에서 고상입자의 합체 속도도 줄어들고 반면에 기공의 합체현상이 발생하여 나타나는 현상이라 볼 수 있다. 특히 1450℃에서는 고온의 열처리에 의해 액상의 점도가 감소하여 소결체의 표면에 액상의 존재가 뚜렷하게 관찰되고 있다.Figure 5 shows the results of measuring the density (▲) and shrinkage (■) of the alumina sintered bodies of Examples 7 to 12 of the present invention. In the case of the alumina sintered body of Example 7 sintered at 1200 ° C, it showed a shrinkage of 18.34% and a density of 2.78 g / cm 3 , which is formed at a lower temperature than commercial 92% alumina by the addition of cobalt oxide means The density continuously increased as the temperature increased. In the case of the alumina sintered body of Example 9 sintered at 1300 ° C, the sintered density of alumina increased with a shrinkage of 38.59%, and in the case of the alumina sintered body of Example 10 sintered at 1350 ° C, the density was the highest with 3.86 g / cm 3 showed numbers. In the case of sintering at a temperature of 1400℃ or higher, it can be seen that the density and shrinkage rate decrease slowly at the same time. On the other hand, it can be seen as a phenomenon caused by coalescence of pores. In particular, at 1450 ° C., the viscosity of the liquid phase is reduced by high-temperature heat treatment, and the presence of the liquid phase is clearly observed on the surface of the sintered body.

4) 소결온도 및 산화코발트의 함량에 따른 알루미나 소결체의 경도 변화4) Hardness change of alumina sintered body according to sintering temperature and cobalt oxide content

도 6은 본 발명의 산화코발트의 첨가량과 소결온도에 따른 알루미나 소결체의 경도 측정치를 보여준다. 패널 (a)는 실시예 1 내지 6의 알루미나 혼합물을 1400℃에서 소결하여 제조한 알루미나 소결체의 경도 측정치를 보여주며, 패널(b)는 실시예 7 내지 12의 알루미나 소결체의 경도 측정치를 보여준다.Figure 6 shows the measured hardness of the alumina sintered body according to the addition amount of cobalt oxide and the sintering temperature of the present invention. Panel (a) shows the measured hardness of alumina sintered bodies prepared by sintering the alumina mixtures of Examples 1 to 6 at 1400° C., and panel (b) shows the measured hardness of alumina sintered bodies of Examples 7 to 12.

도 6의 패널(a)의 결과에 따르면 산화코발트가 18중량부로 첨가된 알루미나 혼합분말(실시예 6)을 이용하여 제조한 알루미나 소결체에서 가장 낮은 11.23GPa의 경도값을 보이고 있는데, 이는 기공의 합체와 과량의 액상으로 인한 유리상이 존재함으로 나타난 결과라 판단된다. 산화코발트가 11중량부로 첨가된 알루미나 혼합분말(실시예 4)을 이용하여 제조한 알루미나 소결체의 경우 가장 높은 밀도를 보였는데 경도 역시 가장 높은 12.32GPa의 경도값을 나타내었다. According to the results of panel (a) of FIG. 6, the alumina sintered body prepared using the alumina mixed powder (Example 6) to which 18 parts by weight of cobalt oxide was added showed the lowest hardness value of 11.23 GPa, which is a combination of pores. It is judged that this is the result of the existence of a glass phase due to an excessive amount of liquid. In the case of the alumina sintered body prepared using the alumina mixed powder (Example 4) to which 11 parts by weight of cobalt oxide was added, it showed the highest density and the highest hardness value of 12.32 GPa.

도 6의 패널(b)의 결과에서 1250℃ 이하의 소결온도에서 10GPa도 되지 않는 낮은 경도값을 보이는 것은 수축은 이루어졌지만 고상입자간의 합체에 의한 입자간 결합이 충분하지 못하여 나타난 결과이며, 이 후 온도 상승과 함께 입성장 및 치밀화의 증가가 발현되고 경도도 이에 따라 증가하는 현상을 보이지만, 역시 고온에서는 낮은 점도의 액상에 의한 유리상 생성의 영향으로 경도가 감소함을 보이고 있다. In the results of panel (b) of FIG. 6, the low hardness value of less than 10 GPa at a sintering temperature of 1250 ° C or lower is the result of insufficient inter-particle bonding due to coalescence of solid particles although shrinkage was achieved. Grain growth and densification increase with temperature rise, and the hardness also increases accordingly, but the hardness also decreases at high temperatures due to the formation of the glass phase by the low-viscosity liquid phase.

4) 소결온도 및 산화코발트의 함량에 따른 알루미나 소결체 결정상 분석4) Analysis of the crystal phase of the alumina sintered body according to the sintering temperature and the content of cobalt oxide

도 7은 본 발명의 실시예 1과 4의 알루미나 소결체에 대하여 X-선 회절분석(X-ray diffraction)을 수행한 결과를 보여준다. 붉은색 선(a)는 실시예 1의 알루미나 소결체에 대한 분석결과를 보여주며 검은색 선(b)는 실시예 4의 알루미나 소결체에 대한 분석결과를 보여준다. 코런덤(corundum) 결정상을 갖는 Al2O3를 제외한 결정상들은 액상소결 후 냉각 시 생성된 결정들로서, 11중량부 산화코발트 첨가 시 Al2CoO4가 Mg-Al spinel 대신에 생성되었음을 알 수 있다. 또한 코발트 첨가 시 저각에서 비정질 패턴이 미세하게 관찰되는 것을 확인하였고, 이것은 산화코발트 첨가에 의한 액상의 증가에 따른 결과로 판단된다. 7 shows the results of X-ray diffraction analysis on the alumina sintered bodies of Examples 1 and 4 of the present invention. The red line (a) shows the analysis result for the alumina sintered body of Example 1, and the black line (b) shows the analysis result for the alumina sintered body of Example 4. Crystal phases other than Al 2 O 3 having a corundum crystal phase are crystals generated during cooling after liquid phase sintering, and it can be seen that Al 2 CoO 4 was generated instead of Mg-Al spinel when 11 parts by weight of cobalt oxide was added. In addition, it was confirmed that an amorphous pattern was finely observed at a low angle when cobalt was added, and this is judged to be a result of an increase in the liquid phase by the addition of cobalt oxide.

3. 결 론3. Conclusion

본 발명을 정리하면 하기와 같다.The present invention is summarized as follows.

1. 상업용 92% 알루미나 소결 시 산화코발트의 첨가로 인하여 액상형성 온도가 낮아져 1200℃의 비교적 낮은 소결온도에서도 소결이 이루어졌으며, 산화코발트를 11중량부로 첨가할 경우 3.86g/cm3의 밀도와 12.32GPa의 경도를 갖는 치밀한 소결체 제조가 가능하였다. 1. During commercial 92% alumina sintering, the liquid phase formation temperature was lowered due to the addition of cobalt oxide, and sintering was performed even at a relatively low sintering temperature of 1200 ° C. It was possible to manufacture a dense sintered body having a hardness of GPa.

2. 과량의 산화코발트 첨가나 1400℃ 이상의 소결온도에서는 액상의 점도를 낮추어 유리상의 형성과 함께 밀도 및 경도의 감소가 관찰되었다. 2. When an excessive amount of cobalt oxide was added or at a sintering temperature of 1400 ° C or higher, the viscosity of the liquid phase was lowered, resulting in the formation of a glass phase and a decrease in density and hardness.

3. 92% 알루미나의 액상소결에서 수축을 가장 많이 동반하는 고상입자 재배열은 11중량부 산화코발트 첨가 시, 1200 내지 1300℃ 사이에서 활발히 발현되었으며, 이후의 온도에서는 고상입자의 합체에 의한 입성장이 관찰되었다. 3. In liquid phase sintering of 92% alumina, the rearrangement of solid particles that is most accompanied by shrinkage is 11 parts by weight of cobalt oxide Upon addition, it was actively expressed between 1200 and 1300 ° C, and grain growth due to coalescence of solid particles was observed at the subsequent temperature.

4. 산화코발트를 첨가한 알루미나 소결체의 경도값은 입성장 및 소결밀도 증가와 함께 상승하였으며, 미세조직에서 유리상이 관찰되는 시점부터 감소하기 시작하였다. 4. The hardness value of the alumina sintered body to which cobalt oxide was added increased with the increase in grain growth and sintered density, and began to decrease from the time when the glass phase was observed in the microstructure.

본 명세서에서 설명된 구체적인 실시예는 본 발명의 바람직한 구현예 또는 예시를 대표하는 의미이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되지는 않는다. 본 발명의 변형과 다른 용도가 본 명세서 특허청구범위에 기재된 발명의 범위로부터 벗어나지 않는다는 것은 당업자에게 명백하다. Specific examples described in this specification are meant to represent preferred embodiments or examples of the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereby. It will be apparent to those skilled in the art that variations and other uses of the present invention do not depart from the scope of the invention described in the claims.

Claims (5)

액상소결방법을 이용한 알루미나 소결체의 제조방법에 있어서,
알루미나(Al2O3) 미세분말 90 내지 94wt% 및 소결조제 6 내지 10wt%를 포함하는 알루미나 혼합물을 제조하고 상기 알루미나 혼합물 100중량부에 대하여 산화코발트(Co2O3,)를 9 내지 13중량부로 첨가하여 알루미나 혼합분말을 제조하는 제 1 단계;
상기 알루미나 혼합분말에 증류수를 첨가하고 알루미나 볼을 이용하여 습식혼합한 후 건조하는 제 2 단계;
상기 건조된 알루미나 혼합분말을 200 메쉬(mesh)로 체가름한 후 일축가압 성형하여 알루미나 혼합분말 성형체를 제조하는 제 3 단계; 및
상기 알루미나 혼합분말 성형체를 1320 내지 1390℃에서 30 분 내지 2시간동안 열처리하여 알루미나 소결체를 제조하는 제 4 단계;를 포함하며,
상기 알루미나 소결체는 밀도가 3.6 내지 3.9g/㎝3이며 상기 알루미나 혼합분말 성형체로부터의 수축률이 40 내지 42.5%인 것을 특징으로 하는 액상소결방법을 이용한 알루미나 소결체의 제조방법.
In the method for producing an alumina sintered body using a liquid phase sintering method,
An alumina mixture containing 90 to 94 wt% of alumina (Al 2 O 3 ) fine powder and 6 to 10 wt% of a sintering agent is prepared, and 9 to 13 wt% of cobalt oxide (Co 2 O 3 ) is added to 100 parts by weight of the alumina mixture. A first step of preparing an alumina mixture powder by adding it in parts;
A second step of adding distilled water to the alumina mixture powder, wet-mixing it using an alumina ball, and drying it;
A third step of sieving the dried alumina mixed powder to a 200 mesh and then uniaxially pressing to produce an alumina mixed powder molded body; and
A fourth step of preparing an alumina sintered body by heat-treating the alumina mixed powder molded body at 1320 to 1390 ° C. for 30 minutes to 2 hours;
The alumina sintered body has a density of 3.6 to 3.9g / cm 3 and a shrinkage rate from the alumina mixed powder molded body is 40 to 42.5%.
삭제delete 제 1 항에 있어서, 상기 알루미나 소결체는 경도가 12 내지 13 GPa인 것을 특징으로 하는 액상소결방법을 이용한 알루미나 소결체의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the alumina sintered body has a hardness of 12 to 13 GPa.
제 1 항에 있어서, 상기 알루미나 소결체는 결정상으로서 산화알루미늄(Al2O3), 알루미늄 코발트 산화물(Al2CoO4) 및 회장석(Anorthite)을 포함하는 것을 특징으로 하는 액상소결방법을 이용한 알루미나 소결체의 제조방법.
The alumina sintered body according to claim 1, wherein the alumina sintered body includes aluminum oxide (Al 2 O 3 ), aluminum cobalt oxide (Al 2 CoO 4 ) and anorthite as crystal phases. Manufacturing method of.
제 1 항에 있어서, 상기 소결조제는 산화규소(SiO2), 산화칼슘(CaO), 및 산화마그네슘(MgO)을 포함하는 것을 특징으로 하는 액상소결방법을 이용한 알루미나 소결체의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the sintering aid comprises silicon oxide (SiO 2 ), calcium oxide (CaO), and magnesium oxide (MgO).
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