KR19990053887A - 다공질 산질화규소 소결체의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 우주왕복선의 내화물 타일 등에 적용되는 다공질 산질화규소 소결체의 제조방법에 관한 것이며; 그 목적은 저융점조성 분말을 이용하여 경량이면서도 기공의 크기가 의도대로 형성된 다공질 산질화규소 소결체의 제조방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 다공질 산화질규소 소결체를 제조하는 방법에 있어서, Si₃N₄:11-16중량%,AlN:3-5중량%, Al₂O₃;35-45중량%,Y₂O₃:35-45중량%의 저융점분말을 혼합하여 괴상화하고, 이 괴상화된 저융점분말을 Si₃N₄:57-100중량%,Al₂O₃;0-9중량%, AlN:0-33중량%의 β-사이알론 산질화규소분말에 10-25중량%첨가한 후 성형한 다음, 1600-1700℃의 온도에서 1-8시간 소결하여 이루어지는 다공질 산질화규소 소결체의 제조방법에 관한 것을 그 요지로 한다.

Description

다공질 산질화규소 소결체의 제조방법

본 발명은 우주왕복선 등의 내화물 타일에 적용되는 다공질 산질화규소 소결체의 제조방법에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 저융점조성 분말을 이용하여 경량이면서도 기공의 크기가 의도대로 형성된 다공질 산질화규소 소결체의 제조방법에 관한것이다.

질화규소를 기본으로 하는 산질화규소 소결체는 크게 α-사이알론과 β-사이알론이 있다. 이중 실용적으로 사용되고 있는 것은 β-사이알론으로서 그 조성은 (6-z)Si₃N₄+ zAl₂O₃+ zAlN(0≤z≤4)의 조성식에 맞추어진다. 이 조성의 β-사이알론 소결체는 소결중 액상의 발달하여 치밀화를 촉진한 후 점차 사이알론 입자에 고용되어 들어가 최종적으로 고상 및 불규칙한 형태의 기공만이 남는다.

이런 불규칙한 잔류기공의 형태를 제어하기 위해 최종적으로 탄화규소 및 질화규소로 분해되는 세라믹프리커서를 첨가하여 소결체를 제조하는 방법이 미국특허 5,643,987호에 제안된 바 있으나, 이 경우 발달되는 기공은 수십옹스트롱의 극미세기공으로서 내화물에 요구되는 수십밀리미터 크기의 기공발달에는 부적합하다.

한편, 우주왕복선등의 내화물에 이용되는 소결체는 경량이면서도 단열성 및 고온강도가 우수하여야 한다. 이를 위해서는 소결체에 수밀리미터 크기의 기공이 형성되어 단열성을 확보하는 것이 필요하며, 이러한 기공은 응력집중원으로 작용되지 않아야 강도가 보장된다.

본 발명은 저융점조성 분말을 이용하여 경량이면서도 의도하는 기공분포를 가지는 다공질 산질화규소 소결체의 제조방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, Si₃N₄:11-16중량%,AlN:3-5중량%, Al₂O₃;35-45중량%,Y₂O₃:35-45중량%의 저융점분말을 혼합하여 괴상화하고, 이 괴상화된 저융점분말을 Si₃N₄:57-100중량%,Al₂O₃;0-9중량%, AlN:0-33중량%의 β-사이알론 산질화규소분말에 10-25중량%첨가한 후 성형한 다음, 1600-1700℃의 온도에서 1-8시간 소결하는 것으로 구성된다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명은 일정크기의 저융점조성의 분말을 고상β-사이알론 산질화규소분말에 혼합하고 소결하는 과정에 일정크기의 저융점조성분말이 먼저 용융되어 입자사이의 모세관으로 모세관력에 의하여 빨려들어가 치밀화를 촉진화며, 최종적으로는 이 저융점조성분말이 있던 공간이 기공형태로 남도록 하는데, 특징이 있다.

이러한 본 발명에 의하면 기공의 크기를 다양하게 조절할 수 있으며, 이에 따라 의도대로 기공의 크기와 분율을 제어할 수 있는 것이다.

이를 위해 Si₃N₄:11-16중량%,AlN:3-5중량%, Al₂O₃;35-45중량%,Y₂O₃:35-45중량%의 조상으로된 저융점분말을 이용한다. 이 분말은 공융액상을 만들기 위해 상기와 같은 범위로 조성한 것이며, 이 범위를 벗어나면 고상이 동시에 생김으로써 기공발달을 방해한다.

상기와 같은 조성을 가지는 저융점분말의 크기를 정하는 것은 소결체의 기공을 어떻게 형성할 것인가에 따라 정할 수 있다. 이는 위에서 언급한 바와 같이, 저융점분말의 크기가 거의 소결체 기공의 크기가 되기 때문이다. 따라서, 소결체의 용도에 따라 저융점분말의 크기를 크게 또는 작게 하거나, 크기를 다르게 한 저융점분말을 이용할 수 있다.

저융점분말의 크기를 조절하는 것은 통상의 미세한 저융점분말 혼합하면 그 미세한 분말끼리 응집되어 괴상화되는데, 이때 혼합시간을 조절하여 그 괴상화된 분말의 크기를 조절할 수 있다. 이때, 보다 바람직한 것은 괴상화된 분말이 구상화되도록 하는 것이다. 이는 소결체의 기공이 구형이 되도록 하여 소결체를 고강도화 하기 위한 것이다.

상기와 같이 괴상화된 저융점분말을 Si₃N₄:57-100중량%,Al₂O₃;0-9중량%, AlN:0-33중량%의 β-사이알론 산질화규소분말에 첨가하는데, 이 β-사이알론 산질화규소분말의 조성은 (6-z)Si₃N₄+ zAl₂O₃+ zAlN(0≤z≤4)로 표시되는 조성에 있어 z가 0에서 4의 범위일때를 중량%로 환산한 것이다. 이때 z가 0일 경우 저융점조성분말이 필요한 액상을 제공하게 되며, z가 4를 초과하면 β-사이알론 이외의 상이 생길뿐만 아니라 공정중에 의도하지 않은 불순물이 혼합될 수 있다.

이 β-사이알론 산질화규소분말에 첨가되는 괴상화된 저융점분말의 양은 10-25중량%가 바람직한데, 그 이유는 10중량%미만의 경우 경량화 효과가 미미하며, 25중량%를 넘으면 소결중 발달되는 액상의 양이 많아져 기공의 형태제어가 어렵기 때문이다.

상기의 혼합비를 가지는 분말들을 성형한 다음, 소결하는데, 이때의 소결조건은 1600-1700℃의 온도에서 1-8시간 소결하는 것이다. 만일 소결온도가 1600℃미만의 경우 치밀한 소결체를 얻기가 어려우며, 1700℃를 넘으면 저융점조성 액상의 휘발 및 질화규소의 열분해가 심해져 심한 강도저하가 나타난다.

그리고, 소결시간이 소결온도가 높을수록 소결시간이 짧아지며 , 1600-1700℃의 온도에서는 1-8시간 소결함으로써 치밀하고 강한 소결체를 얻을 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 구체적으로 설명한다.

[실시예]

Si₃N₄:13중량%,AlN:4중량%, Al₂O₃;40중량%,Y₂O₃:40중량%의 저융점분말을 V형 혼합기에 넣고 30분이상 진동혼합시켜 크기가 0.5-1mm이고 구상화된 분말을 골라 이를 5Si₃N₄+ Al₂O₃+ AlN로 조성되는 β-사이알론 산질화규소분말(z=1)에 10-25중량%의 범위로 첨가한 후 성형한 다음 1700℃의 온도에서 1시간 소결한 다음 저융점분말의 첨가율에 따른 기공율을 측정하고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

저융점분말첨가율(중량%)	10	15	20	25
기공율	16	21	28	35

상기 표 1에 나타난 바와 같이, 소결체의 기공율은 저융점분말의 첨가율에 비례함을 확인하였다. 또한, 소결체의 기공을 육안으로 확인한 결과, 그 기공의 형태는 대부분 0.5-1mm 크기의 구형의 기공이었다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 그 내부에 균일한 크기의 기공을 포함하여 경량이고 내열성이 우수한 다공질 산질화규소 소결체를 제공할 수 있는 유용한 효과가 있다.

Claims (2)

1. 다공질 산화질규소 소결체를 제조하는 방법에 있어서,

   Si₃N₄:11-16중량%,AlN:3-5중량%, Al₂O₃;35-45중량%,Y₂O₃:35-45중량%의 저융점분말을 혼합하여 괴상화하고, 이 괴상화된 저융점분말을 Si₃N₄:57-100중량%,Al₂O₃;0-9중량%, AlN:0-33중량%의 β-사이알론 산질화규소분말에 10-25중량%첨가한 후 성형한 다음, 1600-1700℃의 온도에서 1-8시간 소결하여 이루어짐을 특징으로 하는 다공질 산질화규소 소결체의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 혼합은 괴상화된 저융점분말이 구상화되도록 함을 특징으로 하는 방법.