KR20060125680A - SiAlON 계열 물질 - Google Patents
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Abstract
공지된 Si3N4 및 SiAlON 절단 물질은 초기 마모로서 기술되는 회주철 (GG)에서 통상의 긴 연속 절단 동안 절단날 상에서 초기에 매우 빠르게 둥글게 된다. 따라서, 본 발명은 물질의 원료 혼합물이 70 내지 97 부피%의 성분 A, 알파/베타 SiAlON; 및 3 내지 30 부피%의 성분 B, 경질 물질로 이루어진 물질을 제공한다.
Description
본 발명은 SiAlON 계열 물질, 이의 제조 및 용도에 관한 것이다.
회주철의 통상적인 길고 연속적인 절단에서, 공지된 Si3N4 및 SiAlON 절단 물질은 초기 마모로서 공지된 현상으로, 초기에 절단날에 매우 빠르게 둥글게 된다.
그러므로, 본 발명의 목적은 이러한 공지된 절단 물질의 단점을 제거하기 위한 것이다.
이러한 목적은 본 발명의 따라 성분 A 및 성분 B로 구성되는 물질의 규정에 의해 달성되는데, 여기서, A는 알파-/베타-SiAlON을 의미하며, B는 경질 물질을 의미한다. 본 발명에 따른 물질은 70 내지 97 부피%, 바람직하게는 80 내지 95 부피%, 특히 바람직하게는 84 내지 91 부피%의 성분 A, 및 3 내지 30 부피%, 바람직하게는 5 내지 20 부피%, 특히 바람직하게는 9 내지 16 부피%의 성분 B를 함유한다.
본 발명에 따라 사용되는 성분 A의 원료 물질 혼합물은 주성분 Si3N4, AlN, 기타 첨가제, 예를 들어 Al2O3, Y2O3, Sc2O3, 희토류 산화물 및 소량의 Li, Ca, Mg, Sr을 함유하는 화합물로 구성된다. 비슷한 혼합물은 이미 DE 35 11 734 A1호로부터 공지되어 있다. 본 발명에 따른 물질은 상술된 원료 물질 혼합물 및 첨가된 경질물질로부터 1800 내지 2000℃의 온도 및 최고 온도에서 0.5 내지 5 시간의 머무름 시간으로 열처리하는 동안 형성된다.
성분 A는 알파- 및 베타-SiAlON 및 비정질 또는 부분 결정성 입계상으로 구성된다. 물질의 소결된 상태에서, 소결체 내부의 SiAlON 상은 10 내지 90 부피%, 바람직하게는 12 내지 60 부피%, 특히 바람직하게는 15 내지 50 부피%의 알파-SiAlON 비율 및 90 내지 10 부피%, 바람직하게는 88 내지 40 부피%, 특히 바람직하게는 85 내지 50 부피%의 베타-SiAlON 비율로 구성된다. 알파- 및 베타-SiAlON의 비율은 X-선 회절상으로부터 결정된다[Gazzara and Messier, J. Am. Ceram. Soc. Bull. 56 (1977)].
입계상의 함량은 10 부피% 미만, 바람직하게는 5 부피% 미만이다. 입계상은 비정질일 수 있으나, 바람직하게는 부분 결정성이다. 공지된 바와 같이, 소결체내의 A의 조성은 제조 파라미터, 예를 들어 분말 혼합물의 조성, 오븐에서의 소결 조건, 도가니 재료, 가스의 형태, 온도 및 소결 시간에 의해 변경될 수 있다. 성분 A에서, 소위 발화(as-fired) 표면이 100% 이하의 알파-SiAlON을 함유하도록 소결체의 표면과 내부 사이의 구배를 가질 수 있다.
구배는 소결체의 표면이 내부 보다 빨리 냉각되거나 표면의 화학적 조성이 대기와 반응하여 개질되는 경우 특정 조건하에서 성분 A에서 일어날 수 있다. 알파-SiAlON이 풍부한 표면은 강한 코어를 갖는 경질의 외부층이 된다.
사용될 수 있는 경질 물질인 성분 B의 예는 SiC, Ti(C,N), TiC, TiN, 주기율표의 IVb족, Vb족 및 VIb족로부터의 원소의 카바이드 및/또는 니트라이드, 및 스칸디움 카바이드 및/또는 스칸디움 옥시카바이드 또는 상기 경질 물질의 혼합물이다. 열처리 동안에, 경질 물질은 입자간 및/또는 입자내 방식으로, 즉 SiAlON 입자들 간에 및 SiAlON내에 도입되며, 이는 열처리 동안에 변하지 않는다. 그러므로, 사용되는 경질 물질 과립의 크기는 다른 구조적 성분인 알파- 및 베타-SiAlON 입자의 크기를 초과하지 못하는데, 이는 다른 경질 물질이 본 발명에 따른 물질의 기계적 성질을 저하시키기 때문이다. 이는 경질 물질의 평균입자 크기가 30 ㎛ 미만, 바람직하게는 15 ㎛ 미만, 특히 바람직하게는 5 ㎛ 미만임을 의미한다. 경질 물질 과립은 구형 입자, 원반형 입자 또는 침상 입자일 수 있으며, 구형 입자가 특히 바람직하다.
알파- 및 베타-SiAlON 입자의 최대 크기는 90 ㎛ 미만, 바람직하게는 65 ㎛ 미만, 특히 바람직하게는 50 ㎛ 미만일 수 있다. 작은 입자 크기가 대개 공지된 물질에서 요망되지만, 본 발명에 따른 물질과 함께, 입자크기가 적용 성질에 대해 단지 최소의 영향을 미친다는 것을 놀랍게도 밝혀내었다.
비정질 입계상의 결정화를 위한 열처리가 가능하고, 심지어 바람직하다. 공지된 바와 같이, 결정상, 특히 바람직하게는 알루미늄-함유 멜릴라이트(melilite) 또는 디실리케이트는 제조 파라미터, 예를 들어 분말 혼합물의 조성 및 소결 조건, 예를 들어 온도, 가스 조성, 가스압, 시간 경로, 단열 및 도가니 재료에 따라 형성된다.
공지된 물질과 비교하여 본 발명에 따른 물질의 장점은 1550 HV10 초과에서 보다 큰 경도를 갖으며, 그 결과 보다 큰 내마모성을 갖는다는 것이다.
더욱이, 본 발명에 따른 물질은 보다 큰 고온경도를 갖으며, 즉 높은 절단 속도에서, 절단 코너에서 증가하는 온도에서 보다 높은 내마모성을 갖는다.
더욱이, 유리상과 가공되는 공작물의 물질과의 화학적 반응은 높은 절단 속도에서 실질적으로 보다 적게 일어난다.
본 발명에 따른 물질은 공지된 마모-감소 코팅, 예를 들어 Al2O3, TiN 또는 TiC로 코팅될 수 있으며, 이는 내마모성을 증가시킨다.
본 발명에 따른 물질은 본질적으로는 공지된 방법, 예를 들어 특정 SiAlON 물질 중에, 분말 혼합, 성형화, 소결 및 분쇄에 의한 마감처리에 의해 고성능 세라믹 성분의 제조에서 사용될 수 있는 방법에 의해 제조될 수 있다.
소결 동안 가스 분위기는 불활성이고, N2 또는 N2와 다른 불활성 가스, 예를 들어 Ar의 혼합물일 수 있다.
하기 표는 본 발명에 따른 물질 조성의 구체예를 나타낸 것이다. 각각의 경우에서 높은 경도는 주목할 만하다.
표: 구체예의 조성 및 성질
계측된 양 Kg | 실시예 1 | 실시예 2 | 실시예 3 | 실시예 4 | 실시예 5 |
Si3N4 | 5.66 | 5.66 | 5.35 | 5.34 | 4.90 |
Y2O3 | 0.32 | 0.32 | 0.30 | 0.30 | 0.27 |
AlN | 0.29 | 0.29 | 0.27 | 0.27 | 0.25 |
MgO | 0.01 | 0.01 | 0.01 | 0.01 | 0.01 |
Al2O3 | 0.03 | 0.03 | 0.03 | 0.03 | 0.03 |
SiC | 0.69 | 0.69 | 1.04 | - | - |
Ti(C,N) | - | - | - | 1.05 | 1.53 |
최대소결온도 | 1940℃ | 1800℃ | 1800℃ | 1800℃ | 1900℃ |
머무름 시간 | 3시간 | 1시간 | 1시간 | 1시간 | 3시간 |
최종 밀도 | >99.9% th. | >99.9% th. | >99.9% th. | >99.9% th. | >99.9% th. |
샐플내 알파-SiAlON 또는 알파+베타 | 28% | 55% | 58% | 54% | 31% |
경질물질 함량 | 10 부피% SiC | 10 부피% SiC | 15 부피% SiC | 10 부피% TiCN | 15 부피% TiCN |
색채 | 회록색 | 회록색 | 회록색 | 회갈색 | 회갈색 |
경도(HV10) | 1730 | 1810 | 1820 | 1810 | 1790 |
최종 밀도: th.=이론상의 밀도
공지된 Si3N4 및 SiAlON 절단 물질이 연한 회색 내지 진한 회-검정색(grey-black)이지만, SiC가 첨가되면 본 발명에 따른 물질은 회록색이 되며, Ti(C,N)이 첨가되면 회갈색이 된다.
절단 물질로서, 통상적인 길고 연속적인 컷(cut)으로 회주철의 가공함에 있어서, 본 발명에 따른 물질은 놀랍게도 공지된 절단 물질의 단점인 초기 마모를 나타내지 않으면서, 작동 수명의 마지막까지 날까로운 날을 유지한다. 또한 본 발명에 따른 물질은 놀랍게도 소위 "노치(notch) 마모"과 관련하여 유리함을 입증한 것으로 알려졌다: 특히 거친 주조 스킨(skin)을 갖는 회주철이 절단되는 경우, 짧은 시간 후에 종래 공지된 절단 물질에 깊은 노치가 형성된다. 이러한 마모는 주로 화학적 마모, 즉 절단 도구와 공작물 간의 화학적 반응에 의해 야기된다. 한편, 본 발명에 따른 물질은 현저하게 긴 작동 기간 후에 이러한 마모가 나타난다.
실리콘 니트라이드 물질 ("기준물질")과 비교하여 본 발명에 따른 물질 ("신규한 절단 물질")의 장점은 도 1 및 도 2의 두개의 도면으로부터 알 수 있다. 도 1은 컷의 수의 함수에 따라 주 절단날 상의 마모 폭 "WWM"을 나타낸 것이다. GG15 (회주철)로부터 제조된 브레이크 디스크를 "vc=1000 m/분"의 절단 속도 (절단날에 회전부의 주변속도), "f=0.5 mm/rev"의 공급 및 "ap=2.0 mm"의 진도 (절단율)로 회전시켰다.
도 2는 실리콘 니트라이드 절단 도구와 비교하여 컷의 수의 함수에 따라 주조 스킨을 갖는 합금화된 회주철, GG25를 회전시키는 동안 코너에서의 마모의 폭, "WWC", 노치 마모를 나타낸 것이다. 이러한 부분을 "vc=800 m/분"의 절단 속도 (절단날에 회전부의 주변속도), "f=0.5 mm/rev"의 공급 및 "ap=2.0 mm"의 진도 (절단율)로 회전시켰다.
절단 물질로서 용도 이외에, 다른 용도는 높은 내마모성이 중요하며 또는 물질 상에 열적 및 화학적 하중이 가해질 수 있는 다른 적용 분야에서 고려될 수 있다. 따라서, 예를 들어 밀봉링과 같은 본 발명에 따른 물질의 유리한 용도는 연료 및 냉각기 펌프, 압축기, 터보과급기, 열교환기 및 공기조절 시스템에서 고려되거나 사용될 수 있다.
Claims (21)
- 물질의 원료물질 혼합물이 70 내지 97 부피%, 바람직하게는 80 내지 95 부피%, 특히 바람직하게는 84 내지 91 부피%의 성분 A인 알파-/베타-SiAlON, 및 3 내지 30 부피%, 바람직하게는 5 내지 20 부피%, 특히 바람직하게는 9 내지 16 부피%의 성분 B인 경질 물질로 구성됨을 특징으로 하는 SiAlON 계열 물질.
- 제 1항에 있어서, 성분 A가 알파- 및 베타-SiAlON 및 비정질 또는 부분 결정성 입계상으로 구성됨을 특징으로 하는 물질.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 소결된 상태에서 소결체 내부에, 알파-SiAlON 또는 전체 SiAlON상의 비율이 10 내지 90 부피%, 바람직하게는 12 내지 60 부피%, 특히 바람직하게는 15 내지 50 부피%이며, 베타-SiAlON의 비율이 90 내지 10 부피%, 바람직하게는 88 내지 40 부피%, 특히 바람직하게는 85 내지 50 부피%임을 특징으로 하는 물질.
- 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 입계상의 함량이 10 부피% 미만, 바람직하게는 5 부피% 미만이며, 입계상이 비정질임을 특징으로 하는 물질.
- 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 입계상의 함량이 10 부피% 미 만, 바람직하게는 5 부피% 미만이며, 입계상이 부분 결정성임을 특징으로 하는 물질.
- 제 5항에 있어서, 입계상이 결정상, 바람직하게는 알루미늄 함유 멜릴라이트(melilite) 또는 디실리케이트를 함유함을 특징으로 하는 물질.
- 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 소결체 중에 물질이 외측으로부터 내측으로 감소되는 알파-SiAlON 구배를 갖으며, 발화(as-fired) 표면의 알파-SiAlON 함량이 100% 이하일 수 있음을 특징으로 하는 물질.
- 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서, 알파- 및 베타-SiAlON 입자의 최대 크기가 90 ㎛ 미만, 바람직하게는 65 ㎛ 미만, 특히 바람직하게는 50 ㎛ 미만임을 특징으로 하는 물질.
- 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서, SiC, Ti(C,N), TiC, TiN, 주기율표의 IVb족, Vb족 및 VIb족로부터의 원소의 카바이드 및/또는 니트라이드, 및 스칸디움 카바이드 및/또는 스칸디움 옥시카바이드 또는 상기 경질 물질의 혼합물이 소결 후에 변하지 않고 상태를 유지하는 경질 물질인 성분 B로서 사용됨을 특징으로 하는 물질.
- 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서, 경질 물질이 입자간 및/또는 입자내 방식, 즉, SiAlON 입자들 간에 및 SiAlON 입자 중에 도입됨을 특징으로 하는 물질.
- 제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서, 경질 물질의 평균입자 크기가 30 ㎛ 미만, 바람직하게는 15 ㎛ 미만, 특히 바람직하게는 5 ㎛ 미만임을 특징으로 하는 물질.
- 제 11항에 있어서, 경질 물질 입자가 구형, 침상 모양 또는 원반 모양임을 특징으로 하는 물질.
- 제 1항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 있어서, 경도가 1550 HV10을 초과함을 특징으로 하는 물질.
- 제 1항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 있어서, Al2O3, TiN 또는 TiC와 같은 마모-감소 코팅으로 코팅됨을 특징으로 하는 물질.
- 고성능 세라믹 성분, 특히 SiAlON 물질로부터의 성분을 제조하는데 사용되는, 제 1항 내지 제 14항 중 어느 한 항에 따른 SiAlON 계열 물질을, 분말 혼합, 성형, 소결화 및 분쇄에 의해 제조하는 방법.
- 제 15항에 있어서, 성분 A가 1800 내지 2000℃의 온도 및 최고 온도에서 0.5 내지 5 시간의 머무름 시간으로 열처리 하는 동안에 형성됨을 특징으로 하는 물질.
- 제 15항 또는 제 16항에 있어서, 소결 동안의 가스 분위기가 불활성이고, N2 또는 N2와 다른 불활성 가스, 특히 아르곤의 혼합물을 함유함을 특징으로 하는 물질.
- 절단 물질로서 사용하기 위한, 15항 내지 제 17항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 제조된 제 1항 내지 제 14항 중 어느 한 항에 따른 물질.
- 회주철을 가공하기 위한 절단 물질로서 사용하기 위한, 15항 내지 제 17항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 제조된 제 1항 내지 제 14항 중 어느 한 항에 따른 물질.
- 밀봉링으로서 사용하기 위한, 15항 내지 제 17항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 제조된 제 1항 내지 제 14항 중 어느 한 항에 따른 물질.
- 연료 및 냉각제 펌프, 압축기, 터보과급기, 열교환기 및 공기조절 시스템에 사용하기 위한, 15항 내지 제 17항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 제조된 제 1항 내지 제 14항 중 어느 한 항에 따른 물질.
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