KR20020081772A - 용침법을 통한 고밀도 탄화붕소-알루미늄 복합재료 제조방법 - Google Patents
용침법을 통한 고밀도 탄화붕소-알루미늄 복합재료 제조방법 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20020081772A KR20020081772A KR1020010021140A KR20010021140A KR20020081772A KR 20020081772 A KR20020081772 A KR 20020081772A KR 1020010021140 A KR1020010021140 A KR 1020010021140A KR 20010021140 A KR20010021140 A KR 20010021140A KR 20020081772 A KR20020081772 A KR 20020081772A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- boron carbide
- infiltration
- aluminum
- substrate
- temperature
- Prior art date
Links
- 230000008595 infiltration Effects 0.000 title claims abstract description 54
- 238000001764 infiltration Methods 0.000 title claims abstract description 54
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 32
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 26
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 25
- 229910052580 B4C Inorganic materials 0.000 claims abstract description 97
- INAHAJYZKVIDIZ-UHFFFAOYSA-N boron carbide Chemical compound B12B3B4C32B41 INAHAJYZKVIDIZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 91
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 28
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 25
- 230000002902 bimodal effect Effects 0.000 claims abstract description 9
- 238000011049 filling Methods 0.000 claims abstract description 6
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 5
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 62
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 45
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims description 24
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 14
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 13
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 7
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 5
- JKWMSGQKBLHBQQ-UHFFFAOYSA-N diboron trioxide Chemical compound O=BOB=O JKWMSGQKBLHBQQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 abstract description 2
- KGBXLFKZBHKPEV-UHFFFAOYSA-N boric acid Chemical compound OB(O)O KGBXLFKZBHKPEV-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 abstract 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 abstract 1
- PEYVWSJAZONVQK-UHFFFAOYSA-N hydroperoxy(oxo)borane Chemical compound OOB=O PEYVWSJAZONVQK-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 15
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 11
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 11
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 9
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 9
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 8
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 8
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 239000000463 material Substances 0.000 description 6
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 6
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 5
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 description 5
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 5
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 4
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 3
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 3
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 3
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 3
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 2
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 description 2
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000002149 energy-dispersive X-ray emission spectroscopy Methods 0.000 description 2
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 2
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 2
- 239000008188 pellet Substances 0.000 description 2
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 2
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 2
- 239000000047 product Substances 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 238000004904 shortening Methods 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 238000007259 addition reaction Methods 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 1
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 1
- 239000003086 colorant Substances 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000000748 compression moulding Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000000280 densification Methods 0.000 description 1
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 239000012770 industrial material Substances 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001338 liquidmetal Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 description 1
- 238000012856 packing Methods 0.000 description 1
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 1
- 230000002285 radioactive effect Effects 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 230000009257 reactivity Effects 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B41/00—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
- C04B41/45—Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements
- C04B41/50—Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements with inorganic materials
- C04B41/51—Metallising, e.g. infiltration of sintered ceramic preforms with molten metal
- C04B41/515—Other specific metals
- C04B41/5155—Aluminium
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/515—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
- C04B35/56—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbides or oxycarbides
- C04B35/563—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbides or oxycarbides based on boron carbide
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B41/00—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
- C04B41/009—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone characterised by the material treated
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B41/00—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
- C04B41/45—Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements
- C04B41/457—Non-superficial impregnation or infiltration of the substrate
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C1/00—Making non-ferrous alloys
- C22C1/10—Alloys containing non-metals
- C22C1/1036—Alloys containing non-metals starting from a melt
- C22C1/1068—Making hard metals based on borides, carbides, nitrides, oxides or silicides
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
- C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
- C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
- C04B2235/38—Non-oxide ceramic constituents or additives
- C04B2235/3817—Carbides
- C04B2235/3821—Boron carbides
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
- C04B2235/60—Aspects relating to the preparation, properties or mechanical treatment of green bodies or pre-forms
- C04B2235/61—Mechanical properties, e.g. fracture toughness, hardness, Young's modulus or strength
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Structural Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)
- Ceramic Products (AREA)
Abstract
본 발명은 용침법을 통한 고밀도 탄화붕소-알루미늄 복합재료 제조에 있어서, 알루미늄이 용침되어 들어가는 탄화붕소를 용침전 열처리하여 낮은 온도에서 신속한 용침이 가능하게 하고, 이정점(bimodal) 이상의 상이한 크기를 갖는 탄화붕소 분말을 사용하여 탄화붕소 자체의 밀도를 향상시키도록 한 용침법을 통한 고밀도 탄화붕소-알루미늄 복합재료 제조 방법에 관한 것이다. 종래의 용침법으로 탄화붕소-알루미늄 복합재료를 제조할 경우, 탄화붕소는 적심이 좋지 않아 알루미늄의 용융점 보다 훨씬 높은 온도인 1200℃에서 공정이 행해졌다. 따라서, 높은 온도에서의 공정 때문에 탄화붕소와 알루미늄간의 반응이 많이 발생하여 원료 물질이 고갈됨으로써, 탄화붕소와 알루미늄 각각의 특성을 살리는데 어려움이 있었다.
본 발명은 종래의 1200℃ 보다 낮은 900℃ 내지는 1150℃에서도 용침을 신속하게 이루게 함으로써, 탄화붕소와 알루미늄간의 반응이 억제되며, 대부분의 탄화붕소와 알루미늄이 미반응 상태로 남아있기 때문에 탄화붕소와 알루미늄의 특성을 살리는데 용이하게 되어, 남아 있는 알루미늄의 전기적 성질을 이용하거나 다량의 탄화붕소함량을 통해 중성자 흡수재로 이용하는 등의 응용에 큰 역할을 하며, 경도와 파괴인성 또한 상당한 값을 갖게 할 수 있고, 용침 온도를 낮추어 후처리 공정을 없앰으로써 복합재료의 제조단가를 낮출 수 있게 된다.
Description
본 발명은 고밀도 탄화붕소-알루미늄 복합재료 제조에 있어서, 탄화붕소를 용침하기 전에 이정점(bimodal) 이상의 상이한 크기를 갖는 탄화붕소 분말을 혼합사용하여 탄화붕소 자체의 밀도를 향상시키고, 알루미늄이 용침되어 들어가는 탄화붕소를 용침전 열처리하여 낮은 온도에서 신속한 용침이 가능하게 하도록 하는 것을 특징으로 하는 용침법을 통한 고밀도 탄화붕소-알루미늄 복합 재료 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 탄화붕소(B4C)는 다이아몬드 다음의 경도를 가졌으며, 고온에서의 경도 및 강도 또한 우수하고, 중성자 흡수 능력이 크고 또 붕소원으로써 효과적인 것 등 많은 특성을 가진 공업 재료이다.
또한, 탄화붕소는 흑색의 분입상과 결정형 능면제의 성상을 지녔으며, 연마재, 금속첨가제, 내마모용부재, 원자로용제어재, 차단재료 등으로 쓰이고 있다.
해당 탄화붕소는 붕소원료를 탄재와 같이 전기로 중에서 2400℃이상의 고온으로 가열 환원하여 탄화붕소 잉고트(ingot)를 생성한다. 해당 덩어리를 분쇄기에서 각종 규정의 입도로 분쇄하여 산으로 세정 및 수세 후, 규격 표준체로 치든가 또는 수침함으로써 분흡, 건조제품으로 한다.
그러나 탄화붕소 자체는 파괴인성이 너무 낮아 소결이 가능하다 하여도 응용범위가 제한되어 있다. 그 문제를 해결하기 위해 현재 가장 널리 연구되고 있는 방법이 금속결합재료를 도입하여 공정온도를 낮추고 파괴인성을 크게 높이는 방법으로, 그러한 금속결합재로 가장 널리 쓰이는 것이 알루미늄(Al)이다. 알루미늄은 녹는 점이 660℃로 낮고 밀도도 2.70g/㎤로 가벼우며 전기전도도가 높다. 인체에 무해하며 상대적으로 값이 싸서 경제적이며 내식성도 좋다. 알루미늄이 탄화붕소와 복합되어 인성이 높은 복합재료가 되면 높은 인성을 가진 방탄판이나 방사능 흡수재, 하드디스크 기판 등으로 응용범위가 넓어진다. 하지만 알루미늄은 낮은 녹는 온도를 가지고 있고, 그 이상에서 액체로 존재한다고 하여도 탄화붕소와 복합되기 위해서는 적심성이라는 요소가 필요하다. 지금까지 연구된 결과 탄화붕소-알루미늄계에서 알루미늄의 녹는 점 한참 위인 900℃ 아래에서는 알루미늄의 적심이 일어나지 않고, 단지 탄화붕소와 알루미늄 사이에 외부적인 반응만이 일어난다.
단지 탄화붕소와 알루미늄을 혼합하여 섞는 치밀화 방법만으로는 높은 밀도를 가진 복합재료를 만드는데 성공한 경우가 거의 없었으므로 이에 용침(infiltration)기술이 연구되어 왔다.
용침법은 소결을 한 재료들 중에서 높은 기계적 특성을 얻기 위한 가장 오래된 기술로 용융 금속 혹은 액상 세라믹을 융점이 보다 높고 연결된 모세관 기곡이 있는 고체골격(분말성 형체, fiber등) 사이로 침투시키는 방법을 말한다.
고온에서는 기공을 채울 수 있는 액상이 형성된다. 예를 들어, 철에 구리를 용침시키면, 모세관 현상에 의해 액상의 구리가 1100℃ 근방의 온도에서 개기공속으로 흘러 들어간다. 이렇게 되면 양호한 전기전도도나 내식성 뿐만 아니라, 인성과 강도도 증가하는 잇점이 있다. 그러나, 기공으로의 구리의 유입은 여러가지 잇점과 함께 몇 가지 문제점도 가지고 있다.
일반적으로, 용침법은 용침물을 소결된 재료의 표면에 올리고, 용융 시 모세관 현상에 의해 기공속으로 액상을 끌어당긴다. 이때, 액상의 직접적인 유입때문에 사용되는 용침물로부터 표면의 부식이 일어날 수 있다. 또한, 용침 후, 오랜 시간 가열은 금속 간 반응을 유발하여 조밀한 돌출된 부분을 야기시킨다. 따라서 용침사이클은 짧게 해야 한다.
적절한 용침물로서의 요구점은 우선 그 용융점이 골격금속의 용융점보다 매우 낮아야 한다는 점이다. 그 다음 용침물은 골격금속과 고용융화합물을 만들지 않고 또 잘 접착되어야 한다는 점이다. 이밖에도 골격금속과 용침제 사이에는 상호제한 용해도만을 갖는다는 점도 두 금속의 용융점이 별 차이가 없을 때는 매우 중요하다. 용침제가 성형체의 공기와 대치되어 모든 개기공을 완전히 채울 수 있기 위해서는 접착이 절대 필요한 반면 접착 두면 사이의 접착각이 0이라는 것이 절대 필요한 것은 아니다. 이면각이 0이면 액상금속은 입계에 침투되어 이미 소결 결합된 골격입자들을 분리시키기 때문이다.
전술한 바와 같은 용침법을 통해 탄화붕소에 알루미늄 복합재료를 제조할 경우, 탄화붕소가 서로 적심이 좋지 않아 알루미늄의 용융점인 660℃ 보다 훨씬 높은 온도인 1200℃에서 공정이 행해졌다. 높은 온도에서의 공정 때문에 탄화붕소와 알루미늄 간의 반응이 많이 발생하여 원료 물질이 고갈됨으로써, 탄화붕소와 알루미늄 각각의 특성을 살려 바람직한 물성을 얻는데 어려움이 있었다.
본 발명은 전술한 바와 같은 제반적인 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 용침 전, 이정점(bimodal) 이상의 상이한 크기를 갖는 탄화붕소 분말을 혼합사용하여 탄화붕소의 충진 밀도를 최대화하고, 탄화붕소의 전열처리를 통해 1200℃ 미만의 온도에서도 신속하게 용침을 이루게 함으로써, 탄화붕소와 알루미늄간의반응을 억제하고, 그 결과 대부분의 탄화붕소와 알루미늄이 미반응 상태로 남아있게 하여 탄화붕소와 알루미늄의 특성을 살리는데 있다.
또한 본 발명의 목적은 탄화붕소-알루미늄 복합재료가 상당한 경도와 파괴인성값을 갖게 하며, 용침 온도를 낮추어 후처리 공정을 없앰으로써 복합재료의 제조단가를 낮추는데 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 용침법을 통한 고밀도 탄화붕소-알루미늄 복합재료 제조 방법을 나타낸 순서도,
도 2는 열처리 온도에 따른 용침 시간을 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 용침법을 통한 고밀도 탄화붕소-알루미늄 복합재료 제조 방법을 나타낸 순서도,
도 4는 평균 0.7㎛의 크기의 미세한 탄화붕소 분말에 평균 3㎛, 5㎛, 또는 44㎛의 조대한 탄화붕소 분말을 섞어 200MPa의 일축 압력을 가해서 얻어진 탄화붕소 기판의 상대 밀도를 나타낸 도면.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 용침법을 통한 고밀도 탄화붕소-알루미늄 복합재료 제조 방법은 탄화붕소 분말을 일축방향으로 충진하여 탄화붕소의 기판을 성형하는 단계(a); 용침하기 전 900℃ 내지는 1600℃, 바람직하게는 1000℃ 내지는 1400℃,의 온도에서 10분 내지 5시간 동안 탄화붕소 기판을 열처리하는 단계(b); 탄화붕소 기판의 온도를 1150℃ 내지 상온까지 내리는 단계(c); 및 탄화붕소 기판 위에 알루미늄을 올려놓은 후, 900℃ 내지는 1150℃에서 용침하는 단계(d)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다. 또한 본 발명은 탄화붕소-알루미늄 복합재료에서 탄화붕소의 함량을 증가시키기 위한 방법으로 이정점(bimodal) 이상의 크기가 상이한 탄화붕소 분말을 혼합사용하여 탄화붕소의 기판을 성형함으로서 탄화붕소 성형체(green body)의 충진 밀도를 최대화하는 것을 특징으로 하고 있다.
이하, 본 발명의 방법을 더욱 상세히 설명한다.
탄화붕소-알루미늄 복합재료를 만드는데 있어서 바람직한 물성을 얻기 위하여 용침을 방해하는 불순물로 작용할 수 있는 특정한 반응생성물이 만들어지지 않게 할 필요가 있다. 알루미늄과 붕소와 탄소를 포함하는 상들에 관한 많은 연구가 수행되어 왔고 최소한 9개 정도의 삼원소상이 보고되었다. 비알라(Viala) 등은 "탄화붕소와 알루미늄의 화학 반응성(Chemical reactivity of aluminum with boron carbide)", J. Mater. Sci. 32, 4559-4573(1997)에서 탄화붕소와 알루미늄을 원자 비율로 알루미늄:붕소:탄소가 40:48:12의 비가 되도록 섞고 900~1273K까지의 각 온도에서 어느 정도 열역학적으로 평형에 달하였다고 생각할 수 있는 160시간을 유지하여 상을 분석한 결과 Al4C3등은 900℃부터 생겨서 높은 온도까지 존재하게 되지만 1000℃ 이하에서는 그 생성속도가 느리다고 보고하였다. 또한 피직크(Pyzik) 등도 "알루미늄-붕소-탄소의 상과 탄화붕소/알루미늄 복합재료의 물리적 특성에 대한 영향(Al-B-C Phase Development and Effects on Mechanical Properties of B4C/Al Composites)" J. Am. Ceram. Soc.,78[2], 305-312(1995)에서 70:30의 비율로 탄화붕소-알루미늄 복합재료를 합성한 후 주어진 온도에서 1시간 정도 유지한 후에 생성된 상을 조사했는데 Al4C3와 AlB24C4등의 생성물이 약 1000℃ 이상에서 생성된다는 것을 보고했다. 낮은 온도에서 안정한 상인 AlB2의 경우 물성이 좋아 어느 정도 생성되는 것은 용납될 수 있으나 흡습성이 있고 아주 부서지기 쉬워 물성이 나쁜 Al4C3나 물성이 비교적 좋지 않은 AlB12C2등의 생성은 억제될 필요가 있다. 따라서 이와 같은 부가반응을 억제하여 탄화붕소와 알루미늄이 미반응의 상태로 남아 있도록 하기 위해 용침의 온도가 1000℃ 이하로 내려갈 필요가 있고, 용침 시간 또한 단축될 것이 요구된다.
탄화붕소를 알루미늄으로 용침하기 전 900℃ 내지는 1600℃, 바람직하게는 1000℃ 내지는 1400℃, 정도의 가소결이 되지 않는 낮은 온도에서 열처리한 후 용침하는 경우 용침의 온도를 900℃ 내지는 1150℃ 정도로 낮출 수 있고 용침시간도 단축시킬 수 있다.
탄화붕소의 전열처리에 의한 용침온도의 낮춤과 용침시간 단축의 한 요인으로 탄화붕소 내부에 존재하는 불순물의 제거를 들 수 있다. 탄화붕소의 미세한 분말은 습한 공기 중에서 서서히 산화한다. 산소나 수분이 많을 경우 표면에서 B2O3나 HBO3,혹은 H3BO3가 형성되는 것으로 알려져 있으며 B2O3를 제외한 HBO3, 혹은 H3BO3는 500℃ 이하의 낮은 온도에서 탈수되어 없어지고 B2O3를 뒤에 남긴다. 일단 B2O3가 탄화수소 압축성형물에 기체상으로 존재하고 있을 경우 용침시, 알루미늄은 산소와의 친화성이 강하기 때문에, 알루미늄과 반응하여 알루미나(Al2O3)를 만드는 구동력이 크다. 알루미나막은 용침중에 알루미늄이 탄화붕소와의 반응을 하지 못하게 만들므로 이러한 알루미나막을 제거하는 것은 중요한 일이다. B2O3는 녹는점이 450℃로 알려져 있지만 끓는 점은 1860℃이고 열역학데이터에 의하면 기화될 경우 1500℃에서 전체 압력 1기압의 조건에서 약 10-3기압(0.76torr)의 평형증기압을 가질 정도로 높으므로 열처리를 통해 상당량의 B2O3를 제거할 수 있을 것이다.
본 발명에서는 한국야금에 있는 CNO 분석기를 통하여 열처리하지 않은 경우와 1300℃에서 열처리한 경우의 분말안에 포함된 탄소량과 산소량을 비교해 본 결과 열처리하지 않은 분말은 총탄소량 22.37중량%와 총산소량 0.88중량%를 포함하고 있었고 열처리를 했을 경우 총탄소량 21.81중량%와 총산소량 0.47중량%를 포함하는 것으로 나타나 열처리를 통해 CO나 B2O3의 형태로 산소와 자유 탄소가 날아갔다는 것을 추측할 수 있다. 그러므로 열처리를 통하여 B2O3등의 불순물 제거는 용침시 알루미늄의 표면에 산화막을 만드는 산소제공원을 제거하여 빠른 용침에 큰 역할을 할 수 있다.
탄화붕소의 전열처리에 의한 용침온도의 낮춤과 용침시간 단축의 또 다른 요인은 탄화붕소 표면적(surface area)의 감소와 기공 크기의 증가이다. 스테펜 엘. 돌(Stephen L. Dole)등은 "탄화붕소의 소결화 과정 중 미세조직의 거침정도(Microstructural Coarsening During sintering of Boron Carbide)", J. Am. Ceram. Soc., 72[6], 958-966(1989)에서 초기 크기가 1㎛인 탄화붕소를 소결하는 동안에 거침정도(coarsening)에 대하여 고찰하였는데 소결온도에 따라 표면적이 작아지며 평균 기공의 크기도 커짐을 관찰하였고, 소결이 거의 안되는 온도에서조차 표면적의 감소와 기공 크기의 증가는 일어났으며, 예를 들어 비표면적 12.0㎡/g, 평균기공 크기 0.12㎛를 갖는 초기 압출성형물이 1250℃에서 30분 열처리한 후 6.9㎡/g의 표면적을 가지며 1500℃에서 30분 처리 후 3.2㎡/g, 0.32㎛의 표면적과 기공 크기를 갖는다는 것을 보고하였으며, B2O3가 존재할 경우 이런 경향은 더 커지는 것을 발견하였다.
본 발명에서의 열처리에서도 표면적의 감소와 기공 크기의 증가가 일어났을 것이므로 열처리후 용침을 할 경우에는 이미 표면적이 상당량 감소된 상태이며 평균 기공 크기도 증가된 상태에서 시작되기 때문에 알루미늄이 반응할 수 있는 탄화붕소의 면적이 적을 뿐 아니라 기공 또한 커져서 알루미늄의 용침이 쉬워졌을 것이다. 1300℃에서의 열처리는 거의 절반 이상의 표면적 감소를 일으키며 또한 기공 크기도 두 배 이상으로 만들기 때문에 용침은 상당히 빨라진 것으로 예상된다. 즉 900℃ 내지는 1600℃,바람직하게는 1000℃ 내지는 1400℃는 가소결을 일으키기에는 낮은 온도이지만 신속한 용침에 대한 효과로는 좋은 온도인 것이다.
본 발명은 탄화붕소-알루미늄 복합재료에서 탄화붕소의 함량을 증가시키기 위한 방법으로 이정점(bimodal) 이상의 상이한 크기의 분말을 이용하여 탄화붕소 성형체(green body)의 밀도를 최대화하였다. 본 발명에 의해 초기 상대밀도를 최대화하면 다량의 탄화붕소가 존재하는 가운데 알루미늄이 용침 되어 파괴인성이 증가될 뿐 아니라 경도 또한 증가될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예 및 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
실시예 1: 탄화붕소의 전열처리 후 용침법을 통한 고밀도 탄화붕소-알루미늄 복합재료 제조 방법
먼저 도 1에서 보는 바와 같이, 평균 반경이 0.7㎛인 탄화붕소에 100㎫의 일축 압력을 사용하여 디스크 형태의 탄화붕소 기판을 성형한다(단계 S11). 용침을실시하기 전, 탄화붕소 기판을 열처리하는데, 소결이 일어나지 않는 1100℃, 1200℃, 1300℃, 1400℃의 온도에서 탄화붕소 기판을 2×10-4torr 의 진공 하에서 1시간 동안 열처리한다(단계 S12).
이후, 상온까지 노냉시킨 후(단계 S13), 탄화붕소 위에 알루미늄을 올려놓은 후, 2×10-4torr의 진공 하에서 온도를 1000℃까지 올려 용침한다(단계 S14).
알루미늄은 Aldrich사에서 제조된 43370-5 알루미늄 펠렛(99.999%)을 사용하였으며, 알루미늄의 표면에 불순물이 흡착되어 있는 것을 막기 위하여 용침 전 알루미늄 펠렛을 아세톤과 함께 약 5분간 초음파 세척을 하였다. 승온 속도는 10℃/min로 흑연판 위에 탄화수소 성형물을 놓고 텅스텐 발열체를 사용한 전기로를 이용하여 가열 후 용침하였다.
용침이 된 시편은 주사전자현미경(JSM-5600)을 통해 원소별로 다른 색을 보여주는 BSE(Back Scattered Electron) 모드(mode)로 관찰하였고, EDS(Energy Dispersive Spectroscopy)를 이용하여 불순물의 여부를 알아 보았으며, 물성을 조사하기 위하여 Vicker's indentor를 이용하여 경도와 파괴인성을 측정하였다.
도 2는 각각의 열처리 온도에서의 용침 시간(용침완료시간은 탄화붕소 성형물에 알루미늄이 용침되어 갈 때에 용침면이 탄화붕소 성형물의 바닥까지 왔을 때로 정하였음)을 나타내는데, 열처리를 하지 않은 1000℃ 조건에서는, 탄화붕소를 알루미늄으로 용침하는데 약 네 시간 이상이 걸리는데 반하여, 1100℃에서 열처리를 한 경우에는 약 두 시간 반, 1200℃에서 열처리를 한 경우는 약 두 시간으로 감소되고, 1300℃이상의 온도에서 열처리한 경우 용침 시간이 상당량 감소되었다.
해당 1300℃에서 열처리한 탄화붕소를 1000℃에서 용침한 경우, 많은 양의 알루미늄이 고갈되지 않고 그대로 남아 있었다.
이 경우 만들어진 탄화붕소-알루미늄 복합체는 89H RA 의 경도와 6~7㎫×m1/2의 파괴 인성 값을 보인다.
실시예 2: 이정점 크기(bimodal size) 탄화붕소 분말의 혼합 성형후 용침법을 통한 고밀도 탄화붕소-알루미늄 복합재료 제조 방법
먼저 도 3에서 보는 바와 같이, 평균 0.7㎛의 크기의 미세한 탄화붕소 분말에 평균 3㎛, 5㎛, 또는 44㎛의 조대한 탄화붕소 분말을 섞어 200MPa의 일축 압력을 가해 탄화붕소 기판을 성형한다(단계 S31).
도 4는 탄화붕소의 기판 자체의 밀도를 향상시키기 위하여 서로 다른 두 가지 크기의 탄화붕소 분말을 혼합하여 200MPa의 일축 압력을 가해서 얻어진 탄화붕소 기판의 상대 밀도를 나타낸 것이다.
도 4에서 나타낸 바와 같이, 평균 0.7㎛분말과 3㎛을 섞었을 경우 최고 70%의 상대 밀도를, 평균 0.7㎛분말과 5㎛을 섞었을 경우 최고 75%의 상대 밀도를, 평균 0.7㎛분말과 44㎛을 섞었을 경우 최고 78.3%의 상대 밀도를 얻을 수 있다.
상기와 같이 제조된 탄화붕소 기판을 가소결이 일어나지 않은 낮은 온도(1300℃~1400℃)에서 열처리를 수행한 후(단계 S32), 탄화붕소 기판 위에 알루미늄을 올려놓고, 1000℃에서 용침한다(단계 S33).
이와 같은 제조 공정으로 얻은 복합재료는 88H RA 의 경도와 7~7.5㎫×m1/2의 파괴 인성값을 보였다. 탄화붕소만을 2000℃이상의 높은 온도에서 소결할 경우에도 80%이상의 치밀화가 어려우며, 동시에 경도와 파괴인성값을 88H RA 의 경도와 7~7.5㎫×m1/2로로 얻은 보고는 거의 없었으므로 이는 특이할 만한 결과라고 할 수 있다.
이상으로 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 기술되었지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에 있어서 통상의 지식을 가진 사람이라면, 본 발명을 여러 가지로 변형 또는 변경하여 실시할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 실시예들의 변경은 본 발명의 기술적 범위를 벗어날 수 없을 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 용침 전, 탄화붕소를 열처리하여 탄화붕소 내부에 존재하는 붕소산(HBO3, H3BO3)과 붕소산화물(B2O3)의 제거를 통하여 용침시 알루미늄의 표면에 산화막을 만드는 산소제공원을 제거하고, 탄화붕소 성형물의 표면적을 감소시키며 또한 기공을 크게 함으로써 알루미늄의 용침을 용이하게 만들어 용침온도를 900℃ 내지는 1150℃ 정도로 낮추고, 용침시간 또한 단축시켜 탄화붕소와 알루미늄간의 반응을 억제하고, 그 결과 대부분의 탄화붕소와 알루미늄이 미반응 상태로 남아 있어 탄화붕소와 알루미늄의 특성을 살리는데 용이하게 된다.
또한 본 발명은 이정점(bimodal) 이상의 상이한 크기의 탄화붕소 분말을, 즉 조대한 탄화붕소 분말과 미세한 탄화붕소 분말등을, 혼합사용하여 성형시켜 탄화붕소 성형체의 충진 밀도를 최대화함으로써 1000℃부근에서 용침을 신속하게 이루게 하는 효과가 있다.
이외에도 본 발명은 남아 있는 알루미늄의 전기적 성질을 이용하거나 다량의 탄화붕소함량을 통해 중성자 흡수재로 이용하는 등의 응용에 큰 역할을 하며, 경도와 파괴인성 또한 상당한 값을 갖게 할 수 있다.
그 밖에 본 발명은 용침 온도를 낮추어 후처리 공정을 없앰으로써 복합재료의 제조단가를 낮출 수 있게 된다.
Claims (5)
- 탄화붕소 분말을 일축방향으로 충진하여 탄화붕소의 기판을 성형하는 단계(a);용침하기 전, 900℃ 내지는 1600℃의 온도에서 10분 내지 5시간 동안 탄화붕소 기판을 열처리하는 단계(b);탄화붕소 기판의 온도를 1150℃ 내지 상온까지 내리는 단계(c); 및탄화붕소 기판 위에 알루미늄을 올려놓은 후, 900℃ 내지는 1150℃에서 용침하는 단계(d)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 용침법을 통한 고밀도 탄화붕소-알루미늄 복합재료 제조 방법.
- 제1항에 있어서,상기 단계(a)는 이정점(bimodal) 이상의 크기가 상이한 탄화붕소 분말을 혼합사용하여 탄화붕소의 기판의 밀도를 최대화하는 것임을 특징으로 하는 용침법을 통한 고밀도 탄화붕소-알루미늄 복합재료 제조 방법.
- 제1항에 있어서,상기 단계(b)는 1000℃ 내지는 1400℃의 온도에서 10분 내지 5시간 동안 탄화붕소 기판을 열처리하는 것임을 특징으로 하는 용침법을 통한 고밀도 탄화붕소-알루미늄 복합재료 제조 방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 단계(a)는 50㎫ 내지는 500㎫의 일축압력을 사용하여 탄화붕소 분말을 일축방향으로 충진하는 것임을 특징으로 하는 용침법을 통한 고밀도 탄화붕소-알루미늄 복합재료 제조 방법.
- 제2항에 있어서,상기 단계(a)에서, 상기 이정점(bimodal) 이상의 크기가 상이한 탄화붕소 분말들을 혼합하여 탄화붕소 기판의 밀도를 최대화하는 것은, 평균입자 크기가 0.001㎛ 내지는 2㎛인 미세한 탄화붕소 분말들에 평균입자 크기가 2㎛ 내지는 80㎛인 조대한 탄화붕소 분말들을 혼합하는 것을 특징으로 하는 용침법을 통한 고밀도 탄화붕소-알루미늄 복합재료 제조 방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR10-2001-0021140A KR100431927B1 (ko) | 2001-04-19 | 2001-04-19 | 용침법을 통한 고밀도 탄화붕소-알루미늄 복합재료 제조방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR10-2001-0021140A KR100431927B1 (ko) | 2001-04-19 | 2001-04-19 | 용침법을 통한 고밀도 탄화붕소-알루미늄 복합재료 제조방법 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20020081772A true KR20020081772A (ko) | 2002-10-30 |
| KR100431927B1 KR100431927B1 (ko) | 2004-05-24 |
Family
ID=27701780
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR10-2001-0021140A KR100431927B1 (ko) | 2001-04-19 | 2001-04-19 | 용침법을 통한 고밀도 탄화붕소-알루미늄 복합재료 제조방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR100431927B1 (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1325433C (zh) * | 2003-07-01 | 2007-07-11 | 贾海荣 | 陶瓷－金属和陶瓷－陶瓷轻质复合材料及制造方法 |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4718941A (en) * | 1986-06-17 | 1988-01-12 | The Regents Of The University Of California | Infiltration processing of boron carbide-, boron-, and boride-reactive metal cermets |
| US4940679A (en) * | 1987-07-15 | 1990-07-10 | Lanxide Technology Company, Lp | Process for preparing self-supporting bodies and products made thereby |
| US5508120A (en) * | 1994-08-12 | 1996-04-16 | The Dow Chemical Company | Boron carbide cermet structural materials with high flexure strength at elevated temperatures |
| US5780164A (en) * | 1994-12-12 | 1998-07-14 | The Dow Chemical Company | Computer disk substrate, the process for making same, and the material made therefrom |
| US5900277A (en) * | 1996-12-09 | 1999-05-04 | The Dow Chemical Company | Method of controlling infiltration of complex-shaped ceramic-metal composite articles and the products produced thereby |
-
2001
- 2001-04-19 KR KR10-2001-0021140A patent/KR100431927B1/ko not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1325433C (zh) * | 2003-07-01 | 2007-07-11 | 贾海荣 | 陶瓷－金属和陶瓷－陶瓷轻质复合材料及制造方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR100431927B1 (ko) | 2004-05-24 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Jung et al. | Advances in manufacturing boron carbide‐aluminum composites | |
| CN111675541B (zh) | 一种含碳max相材料的制备方法 | |
| JP2022517021A (ja) | 金属材料又は金属複合材料の調製方法 | |
| Kuzenkova et al. | The structure and properties of sintered boron carbide | |
| JP2004510674A (ja) | 炭化ホウ素をベースとしたセラミックマトリックス複合材料 | |
| CN110257684B (zh) | 一种FeCrCoMnNi高熵合金基复合材料的制备工艺 | |
| JP2011524466A (ja) | 金属浸潤炭化ケイ素チタンおよび炭化アルミニウムチタン体 | |
| JP2004505786A (ja) | ダイヤモンド含有研磨用製品の製法 | |
| WO2002042240A2 (en) | A heat conductive material | |
| CN106800420B (zh) | 一种碳化硅晶须原位复合刚玉高温陶瓷材料及其制备方法 | |
| Dole et al. | Densification and microstructure development in boron carbide | |
| US4019913A (en) | Process for fabricating silicon carbide articles | |
| CN115180960B (zh) | 一种氮化硅陶瓷烧结体及其制备方法 | |
| Zhang et al. | Improvement of thermal stability of diamond by adding Ti powder during sintering of diamond/borosilicate glass composites | |
| CN112374892A (zh) | 一种可控碳化铌-碳化钽固溶体微米立方体及其制备方法 | |
| CN1161483C (zh) | 一种高强度原位铝基复合材料 | |
| Kato | Effect of sintering temperature on density and tensile properties of titanium compacts by matal injection molding | |
| JP4940239B2 (ja) | 亜酸化ホウ素複合材料 | |
| KR100431927B1 (ko) | 용침법을 통한 고밀도 탄화붕소-알루미늄 복합재료 제조방법 | |
| KR101972350B1 (ko) | 탄화 지르코늄 복합체 및 이의 제조방법 | |
| CS275884B6 (en) | Manufacturing process of self-supporting ceramic composite structure | |
| Altinsoy et al. | Some properties of Cu-B4C composites manufactured by powder metallurgy | |
| Yih et al. | Brass-matrix silicon carbide whisker composites prepared by powder metallurgy | |
| JP2011068538A (ja) | チタンシリコンカーバイドセラミックスの製造方法 | |
| Wanjara et al. | Titanium-based composites produced by powder metallurgy |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20090430 Year of fee payment: 6 |
|
| LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |