KR20050122748A

KR20050122748A - 질화상압 동시소결 공정에 의한 질화규소 세라믹스의제조방법

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Publication number: KR20050122748A
Application number: KR1020040048380A
Authority: KR
Inventors: 한인섭; 우상국; 서두원; 이시우; 홍기석; 이상훈
Original assignee: 한국에너지기술연구원
Priority date: 2004-06-25
Filing date: 2004-06-25
Publication date: 2005-12-29

Abstract

본 발명은 (a) 원료인 금속실리콘 분말, 질화규소 분말 및 소결조제 분말을 소정의 비율로 혼합하는 단계; (b) 상기 혼합분말을 금속실리콘이 질화반응을 일으키기에 적합한 소정의 기공율을 가지도록 일정한 형태로 성형하는 단계; (c) 상기 성형체 내에 포함된 금속실리콘을 질화반응시키는 단계; 및 (d) 상기 소결조제의 용융에 의한 공융액상의 형성을 통해 질화규소 입자를 치밀화하는 단계를 포함하는 질화규소 세라믹스의 제조방법을 제공한다.

Description

질화상압 동시소결 공정에 의한 질화규소 세라믹스의 제조방법{Fabrication Method of Silicon Nitride Ceramics by Nitrided Pressureless Sintering Process}

본 발명은 질화규소 세라믹스의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기존의 상압소결에 비해 낮은 소결온도에서도 상압소결에 의한 질화규소 세라믹스의 특성에 준하는 물리적 및 기계적 특성을 보유하며, 또한 중/저급 순도 및 입도를 가지는 질화규소 분말과 금속실리콘 등의 저가 원료를 사용하여도 기존의 상압소결에 의한 질화규소 세라믹스의 특성에 준하는 물리적 및 기계적 특성을 보유하는 것이 가능한 질화규소 세라믹스의 새로운 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 질화규소 등과 같이 공유결합성이 큰 재료는 소결성이 나쁘다. 그러나 고순도이고, 표면이 산화층으로 덮이지 않고 깨끗한 초미립 분말이 충전된 성형체가 얻어지면 이것을 불활성 분위기 중에서 고온가열하는 것으로도 치밀화 가능성이 높아진다. 그러나 실제로 이와 같은 조건에서 소결하는 것은 매우 어렵고 이들 분말로부터 고밀도의 성형체를 얻는 것도 쉽지 않다. 또한 질화규소는 1기압하에서 분해온도가 1877℃로 낮기 때문에 치밀화가 어려운 세라믹 재료이다.

따라서 치밀한 소결체를 얻기 위하여 여러 가지 소결법이 개발되어 왔으며, 이들 방법은 원리적으로 소결조제의 첨가, 고압소결, 생성반응의 이용 등을 이용하는 것이 대표적이다. 소결조제의 첨가는 원료분말 입자간에 조제 성분을 존재시킴으로써 입계에서의 확산을 촉진시켜 액상소결 또는 고상소결을 진행시킨다. 한편 고압을 걸어주면 소결의 구동력을 증대시켜 치밀화에 기여하게 되며, 생성반응의 이용은 가열 중에 원료의 반응에 의해서 깨끗한 표면을 가진 입자간의 직접적인 결합에 의해 소결체를 제조하는 방법이다.

질화규소의 소결법은 열간정수압프레스(hot isostatic press), 고온프레스(hot press), 분위기 가압소결(gas pressure sintering), 상압소결(pressureless), 반응소결(reaction sintering) 등이 있다. 그러나 이와 같은 방법들은 거의 모두 원료로서 가능한 한 1미크론 이하의 미세한 분말을 사용하는 것이 바람직하며, 질화규소의 분해 방지를 위해서 질소가스를 가압하는 상태로 소결하는 것이 대표적이다. 또한 반응소결을 제외한 모든 방법은 소결온도가 1800℃ 이상으로 매우 높고, 소결을 위한 장비도 고가인 장비를 사용해야 하기 때문에 소결체를 제품화하기 위한 양산화나 상용화에는 부적절한 단점이 있다.

기상반응소결법을 이용하여 금속 실리콘의 질화반응에 의한 질화규소 소결체나 질화규소 복합체를 제조하는 종래의 기술은 A. J. Moulson 등에 의해 1970년대부터 연구[J. Mat. Sci., 제14권, pp.1017 (1979)]되기 시작하여 2000년에 N. Kondo[J. Ceramic. Soc. Japan, 제108권, 5호, pp.445-448 (2000)]에 이르기까지 주로 내화물 분야에 응용을 위한 연구가 지속적으로 진행되고 있다.

또한 상압소결에 의한 질화규소 소결체에 대한 종래의 기술은 1960년대 초기에 Deeley[Powder Met., 제8호, pp.145 (1961)]에 의해 치밀한 질화규소 소결체 제조가 제조되기 시작한 이래 질화규소 소결체 제조방법 중 현재까지 가장 활발히 연구가 진행되고 있는 분야로써 최근까지 J. F. Yang [J. Euro. Ceram. Soc., 제23권, pp.371-378 (2003)] 등에 의해 Yb₂O₃ 소결조제 첨가에 의한 다공성 질화규소 소결체 제조에 대한 연구 등이 진행되고 있다.

그러나 종래의 질화규소 세라믹스 소결체를 제조하는 이와 같은 기술들에는 일정한 제한이 따르고 있다. 즉 기상 반응소결에 의하는 경우 질화규소의 소결온도는 낮으나, 부피비로 20％ 정도의 기공이 내재되어 있는 문제점과 상압소결에 의하는 경우 질화규소에서 치밀한 소결체가 얻어지나, 이를 위해서는 1800℃ 이상의 고온과 1기압 이상의 고압 질소 가스 분위기를 적용해야 하는 공정상의 문제점이 해결되어야만 한다.

본 발명은 상기 종래기술이 가지는 문제를 해결하기 위해 제안된 것으로, 그 목적은 기존의 상압소결에 비해 낮은 소결온도에서도 상압소결에 의한 질화규소 세라믹스의 특성에 준하는 물리적 및 기계적 특성을 보유하여 저온소결 공정의 적용을 통한 제조단가의 절감과 이로 인한 에너지 절감의 효과를 달성할 수 있는 질화규소 세라믹스의 제조방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 중/저급 순도 및 입도를 가지는 질화규소 분말과 금속실리콘 등의 저가 원료를 사용하여도 기존의 상압소결에 의한 질화규소 세라믹스의 특성에 준하는 물리적 및 기계적 특성을 보유하여 제조원가적 측면이나 실용화적 측면에서 유리한 질화규소 세라믹스의 제조방법을 제공함에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 (a) 원료인 금속실리콘 분말, 질화규소 분말 및 소결조제 분말을 소정의 비율로 혼합하는 단계; (b) 상기 혼합분말을 금속실리콘이 질화반응을 일으키기에 적합한 소정의 기공율을 가지도록 일정한 형태로 성형하는 단계; (c) 상기 성형체 내에 포함된 금속실리콘을 질화반응시키는 단계; 및 (d) 상기 소결조제의 용융에 의한 공융액상의 형성을 통해 질화규소 입자를 치밀화하는 단계를 포함하는 질화규소 세라믹스의 제조방법을 제공한다.

본 발명은 바람직하게는 상기 단계 b의 성형단계는 일축가압성형, 압출성형 또는 주입성형에 의해 수행되어짐을 특징으로 하는 제조방법을 제공한다.

본 발명은 바람직하게는 상기 가압성형에서의 성형압력은 150∼300kg/㎠의 범위임을 특징으로 하는 제조방법을 제공한다.

본 발명은 바람직하게는 상기 단계 c의 질화반응단계는 질소가스 분위기의 1100∼1400℃의 범위에서 승온속도를 조절하여 기상반응소결하는 단계임을 특징으로 하는 제조방법을 제공한다.

본 발명은 바람직하게는 상기 단계 d의 치밀화 단계는 1400∼1820℃ 범위에서 승온속도를 조절하여 소결조제의 공융액상 형성에 의해 수행되어짐을 특징으로 하는 제조방법을 제공한다.

본 발명은 바람직하게는 상기 질화규소 분말과 금속실리콘 분말의 합을 100중량％로 할 때 금속실리콘은 중량비로 50중량％ 이하로 첨가되어짐을 특징으로 하는 제조방법을 제공한다.

본 발명은 바람직하게는 상기 소결조제는 산화물 소결조제임을 특징으로 하는 제조방법을 제공한다.

본 발명은 바람직하게는 상기 산화물 소결조제는 알루미나와 이트리아를 포함하며, 각각 금속실리콘과 질화규소 분말의 혼합분말의 중량에 대하여 중량비로 1∼6중량％의 범위에서 첨가되어짐을 특징으로 하는 제조방법을 제공한다.

이하 본 발명의 내용을 보다 상세하게 설명한다.

원료로 되는 금속실리콘은 특별히 한정되는 것은 아니며, 평균 수 미크론의 입자크기, 보다 바람직하게는 4∼8미크론을 가지는 것으로 충분하며, 이들의 함량은 특별한 한정을 요하지는 아니하나, 바람직하게는 질화규소에 대하여 중량비로 5∼50％이다.

질화규소 분말은 저가의 중저급 질화규소 분말이 사용될 수도 있다. 바람직하게는 상기 질화규소 분말은 고순도, 예를 들어 99％ 이상의 순도를 가지며 평균 수 미크론, 보다 바람직하게는 1∼3미크론의 입자크기로 구성된다. 초기에 첨가되는 질화규소 분말은 후에 금속실리콘의 질화반응에 의해 생성되고 성장된 질화규소핵과 결합하여 치밀한 소결체로 된다.

소결조제는 일정한 온도에서 용융에 의해 공용융액상(eutectic liquid phase)으로 형성되는 어떠한 물질도 사용될 수 있다. 이러한 소결조제의 예로는 산화물 소결조제로서 보다 구체적인 예로는 알루미나, 이트리아 등이 있다. 이들은 각각 단독으로 또는 바람직하게는 혼합하여 사용되며, 그 함량은 특별히 한정되는 것은 아니나 바람직하게는 질화규소와 금속실리콘 분말 100％를 기준으로 2∼12중량％, 보다 바람직하게는 각각 알루미나 2∼6중량％, 이트리아 2∼6중량％이다.

금속실리콘, 질화규소 분말 및 소결조제를 혼합한 후에는 물, 기타 성형보조제와 혼합하여 밀링한 후 얻어진 분말을 건조하여 체가름하고 일정 형상의 성형체로 성형되어진다.

원료의 혼합과정에서는 세라믹스 입자들 사이의 결합력을 증가시키기 위해 고상의 유기물 결합제를 첨가하는 것이 좋다. 이때 결합제를 첨가하는 경우 그 함량은 세라믹스 분말에 대하여 바람직하게는 1∼3중량％이다. 균일한 혼합을 위하여 상기 모든 원료들을 폴리에틸렌 용기 등에 넣고 밀(mill)에서 24시간 동안 물을 용매로 하여 습식 혼합할 수 있다.

상기 과정을 거쳐 얻어진 혼합물은 열풍건조기에서 충분히 건조시켜 항량이 될 때까지 용매를 휘발시킨다. 이때 열풍건조는 예를 들어, 80℃ 정도의 온도로 24시간 정도 시행하는 것으로 충분하다. 용매가 휘발되고 건조된 분말 응결체는 마노유발 등을 사용하여 분쇄 및 조립화시키고 이를 소정 크기의 체(sieve), 바람직하게는 최대 125㎛ 크기의 체(sieve)로 과립화한 후 체를 통과한 분말을 성형용 분말로 사용한다.

성형과정은 일축가압성형, 압출성형 또는 주입성형에 의해 수행될 수 있으며, 바람직하게는 일축가압성형법이 좋다. 일축가압성형은 과립화된 분말을 금속질 몰드에 충전 한 후 수행되어질 수 있으며, 이때 가해지는 성형압력은 질소가스가 성형체내의 기공으로 원활하게 침투하여 금속실리콘과 완전하게 반응할 수 있도록 일정량의 기공율을 가질 수 있는 정도이어야 한다. 성형압력의 바람직한 예시로는 150∼300kg/㎠의 범위이다.

성형압력은 최종 소결체 제조 후의 특성에 영향을 미친다. 소결과정은 출발원료로 첨가된 금속실리콘이 반응가스인 질소와 반응하여 새로운 질화규소 핵을 생성하고, 이를 통해 질화규소 입자로 성장하는 기상 반응소결 과정을 거치게 되므로, 이를 위해서는 성형체가 일정량의 기공율을 가지고 있어야 질소가스가 성형체내의 기공으로 원활하게 공급되어 금속실리콘과 완전하게 반응할 수 있다. 이에 따라 성형압력이 지나치게 높아 성형체 자체가 치밀하게 제조되면 금속실리콘의 질화율이 떨어지게 되어 결국, 최종 소결 후에도 내부에 미반응 금속실리콘이 잔류하게 되어 소결체의 특성을 저하시키는 원인으로 된다. 따라서, 성형압력의 변화에 따른 성형체의 기공율의 제어는 매우 중요하다.

성형체는 금속실리콘을 바람직하게는 기상 반응소결 과정을 통해 질화반응시키고, 질화반응이 완료된 성형체는 상압소결 과정을 거쳐 치밀화 된다.

기상반응소결 과정은 성형체를 바람직하게는 1100∼1400℃의 온도로 소결하는 단계를 포함하며, 성형체 내에 포함된 금속실리콘과 반응가스인 질소(N₂)를 반응시켜 3Si + 2N₂ → Si₃N₄ 생성반응에 의해 질화율을 높인다. 이를 위해 바람직하게는 다단계 소결스케쥴을 적용하여 0.5∼1℃/min.의 속도로 승온하여 일정시간 동안 유지하는 1차 소결단계와, 상기 온도에서 반응을 마치면 최종 소결온도까지 1∼3℃/min.의 속도로 승온하여 소결온도에서 1∼2시간 유지하는 2차 소결단계로 구성하는 것이 좋다. 2차 소결단계를 거친 성형체는 소결온도에서 상온까지 바람직하게는 5℃/min의 속도로 냉각시키는 것이 좋다.

상압소결 과정은 바람직하게는 1400∼1820℃까지의 온도영역에서 수행되며, 이 온도영역에서는 소결조제의 용융에 의해 공융액상이 형성되고, 이들 공융액상들이 출발원료로 첨가한 질화규소 입자와 반응에 의해 새롭게 생성된 질화규소 입자들을 결합시키는 상압소결 과정이 진행됨으로써 치밀화가 진행되어 최종소결체로 제조된다.

상압소결 과정이 진행될 때에는 공융액상이 형성되기 때문에 성형체를 로내에 직접 노출시키지 않고, 성형체를 출발원료와 동일한 조합으로 구성된 분말내에 묻은 상태로 소결해야 하는데, 이를 분말싸기(powder bed)라 한다. 이 방법을 사용하지 않으면, 상압소결 과정이 진행되는 동안 공융액상이 성형체의 아래쪽으로 집중하게 되어 상부와 하부의 치밀화 상태가 차이가 생기는 불균질한 소결체가 얻어질 수 있으므로 이와 같은 문제를 해결하여야 재현성 있는 소결체를 얻을 수 있다.

이하 본 발명의 내용을 실시예에 의해 보다 상세하게 설명하기로 한다. 다만 이들 실시예는 본 발명의 내용을 이해하기 위해 제시되는 것일 뿐 본 발명의 권리범위가 이들 실시예에 한정되어지는 것으로 해석되어지는 것은 아니다.

<실시예>

하기 표 1에 나타낸 바와 같이, 실시예 1∼6에서는 소결조제인 Al₂O₃와 Y₂O₃를 중량비로 각각 2％와 6％로 고정시켜 이트리아가 많은 조성(이하 2A6Y라 명명함)을 만들고, 금속 실리콘의 첨가량을 중량비로 각각 0％, 10％, 20％, 30％, 40％ 및 50％까지 변화시켜 소결체를 제조한 후, 그 특성을 살펴보았다.

<표 1>

조 성 1 (2A6Y)
구 분	Si₃N₄ (중량％)	Si(중량％)	Al₂O₃ (중량％)	Y₂O₃ (중량％)
실시예 1	100	0	2	6
실시예 2	90	10	2	6
실시예 3	80	20	2	6
실시예 4	70	30	2	6
실시예 5	60	40	2	6
실시예 6	50	50	2	6

하기 표 2의 실시예 7∼11에서는 소결조제인 Al₂O₃와 Y₂O₃를 중량비로 각각 5％와 2％로 고정시켜 알루미나가 많은 조성(이하 5A2Y라 명명함)을 만들고, 금속 실리콘의 첨가량을 중량비로 각각 5％, 10％, 15％ 및 20％까지 변화시켜 소결체를 제조한 후, 그 특성을 살펴보았다.

<표 2>

조 성 2 (5A2Y)
구 분	Si₃N₄ (중량％)	Si(중량％)	Al₂O₃ (중량％)	Y₂O₃ (중량％)
실시예 7	100	0	5	2
실시예 8	95	5	5	2
실시예 9	90	10	5	2
실시예 10	85	15	5	2
실시예 11	80	20	5	2

표 3의 실시예 12에서는 2A6Y 조성에서 금속 실리콘의 중량비가 10％인 조성에 대해 소결조제인 Al₂O₃의 중량비 만을 4％로 증가시킨 조성(이하 4A6Y라 명명함)을 만들고, 실시예 13에서는 금속 실리콘의 중량비가 20％인 조성에 대해 소결조제인 Y₂O₃의 중량비 만을 5％로 증가시킨 조성(이하 5A5Y라 명명함)을 만들어 소결체를 제조한 후, 이들 각각의 조성에 대해 그 특성을 살펴보았다.

<표 3>

조 성 3
구 분	Si₃N₄ (중량％)	Si(중량％)	Al₂O₃ (중량％)	Y₂O₃ (중량％)
실시예 12	90	10	4	6
실시예 13	80	20	5	5

이때 성형체 제조방법 및 소결체 제조방법은 다음과 같은 방법을 따랐다.

성형체 제조를 위한 원료처리는 먼저 표 1, 표 2 및 표 3의 조합으로 구성된 원료를 폴리에틸렌 용기에 용매인 물과 함께 넣고, 24시간 이상 볼밀에서 습식혼합하였다.

혼합된 원료는 열풍을 불어넣을 수 있는 건조기에 넣고, 원료 내에 흡착된 수분이 완전하게 증발할 때까지 항량건조를 하였다. 이때 건조된 분말은 응집이 되어 있기 때문에 유발을 사용하여 분쇄한 후, 125미크론의 눈금을 갖는 체(sieve)로 과립화하여 성형용 분말로 이용하였다.

성형체는 전술한 방법으로 과립화 된 분말을 50mm×50mm 크기를 갖는 금속질 사각몰드에 일정량을 충전(packing)한 후, 일축가압성형법으로 가압하여 제조하며, 이때 성형압력은 150∼300kg/㎠ 범위 내에서 변화를 주어 성형압력에 따른 성형체를 제조하였다.

성형이 완료된 성형체들은 80℃ 이상으로 설정된 건조기에서 24시간 이상 건조하여 공기중에 포함된 수분이 성형체에 흡착되지 않도록 완전하게 차단시킨 상태를 유지하였다.

이와 같이 준비된 성형체는 흑연 발열체가 장착된 진공저항가열로에 설치하는데, 이때 각각의 성형체들은 성형체 조합과 동일한 조성을 갖는 분말을 흑연질 도가니 내의 바닥에 깔은 후 성형체를 놓고, 이들 분말로 성형체 위를 완전하게 덮은 상태로 설치하였다.

설치가 완료되면 로 내의 분위기를 약 3×10^-1 torr의 진공상태까지 1시간 이상 유지하여 로 내에 있는 공기를 완전하게 제거한 후, 반응가스인 질소를 주입하여 기상반응소결과 상압소결을 동시에 실시한다.

소결은 실온에서 1100℃까지는 5℃/min.의 승온속도로 진행시키고, 1100∼1400℃까지는 0.5℃/min.의 느린 속도로 승온시키며, 이때 1100℃부터 100℃ 간격으로 승온될 때, 그 온도에서 1시간 이상 유지하는 다단계 소결스케쥴을 적용하여 성형체 내에 포함된 금속실리콘과 반응가스인 질소와 완전하게 반응하여 새로운 질화규소 입자를 생성시키기 위한 기상반응소결 과정을 거쳤다.

이 단계가 끝나면 상압소결 단계로 승온조건을 변경하는데, 1400℃ 이상부터 1750℃까지 1℃/min.의 속도로 승온시키고, 이 온도에서 1시간 이상 유지시킨 후, 최종 소결온도인 1820℃까지 승온하여 상압소결 단계를 종료하였다.

제조된 각각의 소결체들에 대해 꺾임강도를 측정하기 위해 다이아몬드 절삭기를 이용하여 약 40mm × 3mm × 4mm의 크기로 소결체를 절단하고, 절단된 시편의 평면을 125㎛의 입자 크기를 가지는 다이아몬드가 전착된 휠을 이용하여 연마하였다. 또한 절단된 각 시편들을 측정하기 전에, 파괴 시에 균열의 근원점이 되는 결함을 제거하기 위해 인장응력이 걸리는 면 및 모서리는 탄화규소 1200번 연마지로 연마 및 모서리 처리하여 시편을 제작하였다. 제작된 시편은 하부 거리 10mm, 상부 거리 6mm의 지그(jig) 위에 시편을 올려놓은 후, 4점 꺾임강도 시험법으로 만능강도시험기에서 꺾임강도를 측정하였다.

한편 소결밀도는 각 시편들을 수중에서 3시간 동안 끓인 후, 현수무게, 포수무게 및 건조무게를 칭량하여 아르키메데스법을 이용하여 계산하였으며, 이와 같이 측정된 소결밀도 및 꺾임강도 값을 표 4에 나타내었다.

<표 4>

조 성	Si 함량(중량％)	소결밀도(g/㎤)	꺾임강도(MPa)
2A6Y4A6Y	1010	2.613.04	368.8496.5
5A2Y5A5Y	2020	2.292.99	308.7493.8

소결체에 대한 소결밀도의 분석 결과, 표 4에서 보는 바와 같이 이트리아가 많은 조성인 2A6Y 조성을 알루미나의 첨가량을 증가시켜 4A6Y 조성으로 변화시킴에 따라 그 값이 2.61g/㎤에서 3.04g/㎤로 향상되어 우수한 물리적 특성 값을 나타내고 있었다. 또한 알루미나가 많은 조성인 5A2Y 조성을 이트리아의 첨가량을 증가시켜 5A5Y 조성으로 변화시킴에 따라 그 값이 2.29g/㎤에서 2.99g/㎤로 향상되어 소결밀도가 증가됨에 따라 우수한 물리적 특성 값을 나타내었다.

한편 소결체에 대한 꺾임강도의 분석 결과에서도 표 4에서 알 수 있듯이 이트리아가 많은 조성인 2A6Y 조성을 알루미나의 첨가량을 증가시켜 4A6Y 조성으로 변화시킴에 따라 그 값이 369MPa에서 496MPa로 향상되었다. 또한 알루미나가 많은 조성인 5A2Y 조성을 이트리아의 첨가량을 증가시켜 5A5Y 조성으로 변화시킴에 따라 그 값도 309MPa에서 494MPa로 향상되어 이 경우에도 우수한 물리적 특성 값을 나타내었다.

도 2는 각각 4A6Y와 5A5Y 조성을 갖는 소결체에 대한 꺾임강도 측정 후, 파단면을 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 미세구조 사진이며, 도 3은 도 2와 동일한 조성을 갖는 소결체를 다이아몬드 현탁액을 이용하여 경면연마한 후, 플라즈마 에칭 장치를 이용하여 질화규소 입자만을 선택적으로 에칭하여 주사전자현미경으로 미세조직을 관찰한 사진이다. 도 2의 파단면 미세구조에서 질화규소 입자들 간의 결합이 파괴된 형태를 보면 전체적으로 치밀한 상태에서 입내파괴와 입계파괴가 함께 진행되고 있으며, 부분적으로는 주상 입자(elongated grain)가 빠져 나온(pull-out) 형태들도 관찰되고 있어, 이러한 요소들이 강도향상의 원인으로 작용하고 있음을 알 수 있다. 또한 도 3의 연마면의 에칭된 미세구조를 보면 장경비(aspect ratio)가 큰 주상으로 성장한 질화규소 입자들이 서로 교차되어 치밀한 미세조직을 구성하고 있다.

따라서 이와 같은 기계적 특성 값은 질화규소 소결체 가운데 상압소결에 의한 소결체의 물리적 및 기계적 특성에 거의 근접한 값이며, 미세구조적 측면에서도 일반적인 상압소결 질화규소의 미세구조 차이가 없는 구조를 보이고 있다.

본 발명에 의하면 기존의 상압소결에 비해 낮은 소결온도에서도 상압소결에 의한 질화규소 세라믹스의 특성에 준하는 물리적 및 기계적 특성을 보유하여 저온소결 공정의 적용을 통한 제조단가의 절감과 이로 인한 에너지 절감의 효과도 달성할 수 있다.

또한, 중/저급 순도 및 입도를 가지는 질화규소 분말과 금속실리콘 등의 저가 원료를 사용하여도 기존의 상압소결에 의한 질화규소 세라믹스의 특성에 준하는 물리적 및 기계적 특성을 보유하여 제조원가적 측면이나 실용화적 측면에서 유리하다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 질화상압 동시소결 공정도이고,

도 2는 중량비로 4％ Al₂O₃와 6％ Y₂O₃의 소결조제가 첨가되어 소결된 질화규소 소결체와 5％ Al₂O₃와 5％ Y₂O₃의 소결조제가 첨가되어 소결된 질화규소 소결체의 꺾임강도를 측정한 후, 주사전자현미경으로 파단면을 관찰한 4000배 사진이며,

도 3은 도 2와 동일한 조성을 갖는 소결체의 연마면에 대해 플라즈마 에칭을 시행한 후, 주사전자현미경으로 파단면을 관찰한 5000배 사진이다 (위: 4A6Y, 아래: 5A5Y).

Claims

(a) 원료인 금속실리콘 분말, 질화규소 분말 및 소결조제 분말을 소정의 비율로 혼합하는 단계; (b) 상기 혼합분말을 금속실리콘이 질화반응을 일으키기에 적합한 소정의 기공율을 가지도록 일정한 형태로 성형하는 단계; (c) 상기 성형체 내에 포함된 금속실리콘을 질화반응시키는 단계; 및 (d) 상기 소결조제의 용융에 의한 공융액상의 형성을 통해 질화규소 입자를 치밀화하는 단계를 포함하는 질화규소 세라믹스의 제조방법
제 1항에 있어서, 단계 b의 성형단계는 일축가압성형, 압출성형 또는 주입성형에 의해 수행되어짐을 특징으로 하는 제조방법
제 2항에 있어서, 가압성형에서의 성형압력은 150∼300kg/㎠의 범위임을 특징으로 하는 제조방법
제 1항에 있어서, 단계 c의 질화반응 단계는 질소가스 분위기의 1100∼1400℃의 범위에서 승온속도를 조절하여 기상반응소결하는 단계임을 특징으로 하는 제조방법
제 1항에 있어서, 단계 d의 치밀화 단계는 1400∼1820℃ 범위에서 승온속도를 조절하여 소결조제의 공융액상 형성에 의해 수행되어짐을 특징으로 하는 제조방법
제 1항에 있어서, 질화규소 분말과 금속실리콘 분말의 합을 100중량％로 할때 금속실리콘은 중량비로 50중량％ 이하로 첨가되어짐을 특징으로 하는 제조방법
제 1항에 있어서, 소결조제는 산화물 소결조제임을 특징으로 하는 제조방법
제 7항에 있어서, 산화물 소결조제는 알루미나와 이트리아를 포함하며, 각각 금속실리콘과 질화규소 분말의 혼합분말의 중량에 대하여 중량비로 1∼6중량％의 범위에서 첨가되어짐을 특징으로 하는 제조방법